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JP7611181B2 - Complex - Google Patents
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Description

本明細書によって開示される技術は、複合体に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a composite.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。 One type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") that has an electrolyte layer containing a solid oxide. A single fuel cell (hereinafter simply referred to as "single cell"), which is the constituent unit of an SOFC, includes an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode that face each other in a specific direction (hereinafter referred to as the "first direction") across the electrolyte layer.

SOFCは、一般に、単セルを有する発電単位が、第1の方向に複数並べて配置された発電ブロックを備えるとともに、燃料極と空気極との一方である特定電極に面するガス室に連通するマニホールドが形成された燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックは、さらに、エンド部材とガス通路部材と接合部材とを備える。エンド部材は、発電ブロックにおける第1の方向の一方側に配置されている。エンド部材には、第1の方向に貫通するとともにマニホールドに連通しているエンド貫通孔が形成されている。ガス通路部材は、エンド部材に対して第1の方向の上記一方側(発電ブロックとは反対側)に配置されている。ガス通路部材は、第1の方向に貫通し、かつ、エンド貫通孔に連通するガス貫通孔が形成された筒状体である。接合部材は、発電ブロックとエンド部材との間に配置されている(例えば、特許文献1参照)。 SOFCs are generally used in the form of a fuel cell stack that includes a power generation block in which a plurality of power generation units each having a single cell are arranged in a first direction, and in which a manifold is formed that communicates with a gas chamber that faces a specific electrode, which is one of the fuel electrode and the air electrode. The fuel cell stack further includes an end member, a gas passage member, and a joint member. The end member is disposed on one side of the power generation block in the first direction. The end member has an end through hole that penetrates in the first direction and communicates with the manifold. The gas passage member is disposed on the one side of the end member in the first direction (the side opposite the power generation block). The gas passage member is a cylindrical body that penetrates in the first direction and has a gas through hole that communicates with the end through hole. The joint member is disposed between the power generation block and the end member (see, for example, Patent Document 1).

特開2017-10804号公報JP 2017-10804 A

ところで、本願発明者は、立設部が形成されたエンド部材を備える燃料電池スタックについて検討した。立設部は、第1の方向の上記一方側に突出し、かつ、エンド貫通孔を囲む筒状である。ガス通路部材は、エンド部材の立設部に接続される。このような構成では、ガス通路部材に外力が加わって変位すると、エンド部材のうち、立設部とガス通路部材との接続部分の外形線を取り囲む部分である接続周囲部分が変形しやすい。ここで、仮に、接合部材が、第1の方向視で、エンド部材の接続周囲部分に重なる位置に配置されている構成では、接続周囲部分の変形に伴って接合部材に応力が加わり、接合部材による接合箇所が損傷するおそれがある、という課題がある。 The inventors of the present application have studied a fuel cell stack including an end member having an erected portion. The erected portion is cylindrical and protrudes to the one side in the first direction and surrounds the end through-hole. The gas passage member is connected to the erected portion of the end member. In this configuration, when an external force is applied to the gas passage member and it is displaced, the connection periphery portion of the end member, which is the portion that surrounds the outline of the connection portion between the erected portion and the gas passage member, is likely to deform. Here, if the joining member is arranged in a position that overlaps with the connection periphery portion of the end member when viewed in the first direction, there is a problem that the deformation of the connection periphery portion applies stress to the joining member, which may damage the joint portion of the joining member.

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という。)の構成単位である電解単セルを含む電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの燃料電池や電解セルにも共通の課題である。さらに、このような課題は、電気化学反応セルスタック等に限らず、第1の貫通孔および立設部を備える第1の部材と、その立設部に接続される筒状部材と、第2の部材と、第1の部材と第2の部材との接合する接合部材とを備える複合体にも共通の課題である。 The above problem is also common to electrolysis cell stacks that include multiple electrolysis cell units, including electrolysis unit cells, which are the constituent units of solid oxide electrolysis cells (hereinafter referred to as "SOECs") that generate hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. In this specification, the fuel cell unit cell and the electrolysis unit cell are collectively referred to as electrochemical reaction unit cells, the fuel cell power generation unit and the electrolysis cell unit are collectively referred to as electrochemical reaction unit cells, and the fuel cell stack and the electrolysis cell stack are collectively referred to as electrochemical reaction cell stacks. In addition, such a problem is not limited to SOFCs and SOECs, but is also common to other types of fuel cells and electrolysis cells. Furthermore, such a problem is not limited to electrochemical reaction cell stacks, but is also common to a composite that includes a first member having a first through hole and a standing portion, a cylindrical member connected to the standing portion, a second member, and a joining member that joins the first member and the second member.

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technology that can solve the above-mentioned problems.

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be realized, for example, in the following forms:

(1)本明細書に開示される複合体は、第1の方向に貫通する第1の貫通孔が形成されるとともに、前記第1の方向の一方側に突出し、かつ、前記第1の貫通孔を囲む筒状の立設部が形成されている第1の部材と、前記第1の部材の前記第1の貫通孔に連通するように前記立設部に接続されている筒状部材と、前記第1の部材に対して前記第1の方向の他方側に配置されている第2の部材と、前記第1の部材と前記第2の部材との間に配置され、かつ、前記第1の方向視で前記第1の貫通孔の周囲に配置されている接合部材と、を備える、複合体において、前記第1の方向視で、前記接合部材は、前記筒状部材のうち、前記立設部との接続部分の外形線を取り囲む部分である前記第1の部材の接続周囲部よりも外側に配置されている。本複合体では、接合部材が、筒状部材のうち、第1の部材の立設部との接続部分の外形線を取り囲む部分である第1の部材の接続周囲部よりも外側に配置されている。そのため、仮に、筒状部材の変位に伴って第1の部材の接続周囲部が変形しても、その変形が接合部材に伝わりにくい。これにより、本複合体によれば、筒状部材の変位に起因して接合部材による接合箇所が損傷することを抑制することができる。 (1) The composite disclosed in the present specification includes a first member having a first through hole penetrating in a first direction and a cylindrical standing portion protruding to one side in the first direction and surrounding the first through hole, a cylindrical member connected to the standing portion so as to communicate with the first through hole of the first member, a second member arranged on the other side of the first direction relative to the first member, and a joining member arranged between the first member and the second member and arranged around the first through hole as viewed in the first direction, in which the joining member is arranged outside the connection periphery of the first member, which is a portion of the cylindrical member that surrounds the outline of the connection portion with the standing portion. In this composite, the joining member is arranged outside the connection periphery of the first member, which is a portion of the cylindrical member that surrounds the outline of the connection portion with the standing portion of the first member. Therefore, even if the connection periphery of the first member is deformed due to the displacement of the tubular member, the deformation is not easily transmitted to the joining member. As a result, this composite can prevent damage to the joints of the joining members caused by the displacement of the tubular member.

(2)上記複合体において、前記第2の部材は、前記第1の部材に対して前記第1の方向の他方側に隣り合うように配置されている構成としてもよい。本複合体では、接合部材が、第1の部材と、それに隣り合う第2の部材との間に配置されている。このように接合部材が第1の部材の変形箇所に近い位置に配置された構成であっても、本発明を適用することにより、筒状部材の変位に起因して接合部材による接合箇所が損傷することを抑制することができる。 (2) In the above composite, the second member may be arranged adjacent to the first member on the other side in the first direction. In this composite, a joining member is arranged between the first member and the second member adjacent thereto. Even in such a configuration in which the joining member is arranged in a position close to the deformation location of the first member, by applying the present invention, it is possible to prevent damage to the joint location of the joining member due to the displacement of the tubular member.

(3)上記複合体において、前記第1の部材のうち、前記第1の方向視で前記接合部材と重なる重複部の剛性は、前記接続周囲部の剛性よりも高い構成としてもよい。本複合体によれば、第1の部材の接続周囲部が変形しても、第1の部材の重複部は変形しにくい。そのため、第1の部材の変形が接合部材に伝わることが抑制され、筒状部材の変位に起因して接合部材による接合箇所が損傷することを効果的に抑制することができる。 (3) In the above composite, the rigidity of the overlapping portion of the first member that overlaps with the joining member when viewed in the first direction may be higher than the rigidity of the peripheral connection portion. With this composite, even if the peripheral connection portion of the first member is deformed, the overlapping portion of the first member is less likely to deform. Therefore, the deformation of the first member is prevented from being transmitted to the joining member, and damage to the joint portion of the joining member due to the displacement of the tubular member can be effectively prevented.

(4)上記複合体において、前記接合部材は、前記第1の方向視で前記第1の貫通孔の周囲を囲む第2の貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で、少なくとも、前記筒状部材の前記接続部分の外形線により囲まれた空間の中心から互いに異なる方向に延びる2本の仮想直線上において、前記筒状部材の前記接続部分と前記接合部材との離間距離は互いに異なっている構成としてもよい。本複合体によれば、例えば筒状部材が、上記離間距離が長い方向側に変位した場合において接合部材による接合箇所が損傷することを効果的に抑制することができる。 (4) In the above composite, the joining member may be configured such that a second through hole is formed surrounding the periphery of the first through hole when viewed in the first direction, and the separation distance between the joining member and the joining portion of the tubular member is different from each other on at least two imaginary straight lines extending in different directions from the center of the space surrounded by the outline of the joining portion of the tubular member when viewed in the first direction. According to this composite, for example, when the tubular member is displaced in the direction in which the separation distance is longer, damage to the joint by the joining member can be effectively suppressed.

(5)上記複合体において、前記複合体は、前記第1の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルを有している、電気化学反応ブロックを備え、前記電気化学反応ブロックが、前記第1の部材に対して前記第1の方向の他方側に配置され、前記第2の部材が、前記電気化学反応ブロックと前記第1の部材との間に配置されており、各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極との間でガスのやり取りを行うマニホールドが、前記電気化学反応ブロックの内部から前記第1の部材の前記第1の貫通孔を介して前記筒状部材に至るように形成されている、電気化学反応セルスタックである構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックでは、接合部材が、筒状部材のうち、エンド部材との接続部分の外形線を取り囲む部分である接続周囲部よりも外側に配置されている。そのため、仮に、外力による筒状部材の変位に伴ってエンド部材の接続周囲部が変形しても、その変形が接合部材に伝わりにくい。これにより、本電気化学反応セルスタックによれば、筒状部材の変位に起因して接合部材による接合箇所が損傷することを抑制することができる。 (5) In the above composite, the composite may be an electrochemical reaction block composed of a plurality of electrochemical reaction units arranged in the first direction, each of the electrochemical reaction units having an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with the electrolyte layer sandwiched therebetween, the electrochemical reaction block is arranged on the other side of the first direction with respect to the first member, the second member is arranged between the electrochemical reaction block and the first member, and a manifold for exchanging gas between at least one of the air electrode and the fuel electrode in each of the electrochemical reaction units is formed so as to extend from the inside of the electrochemical reaction block to the cylindrical member through the first through hole of the first member. In this electrochemical reaction cell stack, the joining member is arranged outside the connection periphery, which is the portion of the cylindrical member that surrounds the outline of the connection portion with the end member. Therefore, even if the connection periphery of the end member is deformed due to the displacement of the cylindrical member caused by an external force, the deformation is not easily transmitted to the joining member. As a result, with this electrochemical reaction cell stack, it is possible to suppress damage to the joints of the joining members caused by the displacement of the cylindrical member.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、複数の電気化学反応単セルまたは電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、上記複合体、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolysis cell stack) having multiple electrochemical reaction cells or electrochemical reaction units, the above-mentioned composite, a manufacturing method thereof, etc.

本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 according to an embodiment of the present invention; 図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図FIG. 2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 taken along the line II-II in FIG. 図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 taken along the line III-III in FIG. 1. 図1のIV-IVの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図FIG. 4 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position IV-IV in FIG. 図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図FIG. 3 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in FIG. 2 . 図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図FIG. 4 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in FIG. 3 . 図4に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図FIG. 5 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in FIG. 図5のVIII-VIIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図FIG. 8 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generating unit 102 at the position VIII-VIII in FIG. 5. 図5のIX-IXの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generating unit 102 at the position IX-IX in FIG. 5. 下側エンドプレート106と下側ターミナルプレート420との接合構造を拡大して示す説明図阿呆にFIG. 1 is an enlarged explanatory diagram showing the joint structure between the lower end plate 106 and the lower terminal plate 420. 図10のXI-XIの位置におけるガス通路部材27等のXY平面構成を示す説明図FIG. 11 is an explanatory diagram showing the XY plane configuration of the gas passage member 27 and the like at the position XI-XI of FIG.

A.実施形態:
A-1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図4は、図1のIV-IVの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図5以降についても同様である。燃料電池スタック100は、特許請求の範囲における複合体の一例であり、上下方向(Z軸方向)は、特許請求の範囲における第1の方向の一例である。
A. Embodiments:
A-1. Configuration:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of a fuel cell stack 100 in this embodiment, FIG. 2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II in FIG. 1, FIG. 3 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG. 1, and FIG. 4 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position IV-IV in FIG. 1. Each figure shows mutually orthogonal XYZ axes for specifying a direction. In this specification, for convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction, but the fuel cell stack 100 may actually be installed in a direction different from such an orientation. The same applies to FIG. 5 and subsequent figures. The fuel cell stack 100 is an example of a composite in the scope of the claims, and the up-down direction (Z axis direction) is an example of a first direction in the scope of the claims.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という。)102と、末端セパレータ210と、上端プレート220と、下端プレート189と、一対のターミナルプレート410,420と、絶縁部200と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のターミナルプレート410,420のうちの一方(以下、「上側ターミナルプレート410」という。)は、7つの発電単位102から構成される集合体(以下、「発電ブロック103」という。)の上側に配置されており、一対のターミナルプレート410,420のうちの他方(以下、「下側ターミナルプレート420」という。)は、発電ブロック103の下側に配置されている。末端セパレータ210は、上側ターミナルプレート410の上側に配置されており、下端プレート189は、下側ターミナルプレート420の下側に配置されている。絶縁部200は、末端セパレータ210の上側に配置されている。一対のエンドプレート104,106のうちの一方(以下、「上側エンドプレート104」という。)は、絶縁部200の上側に配置されており、一対のエンドプレート104,106のうちの他方(以下、「下側エンドプレート106」という。)は、下端プレート189の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106は、発電ブロック103と、末端セパレータ210と、下端プレート189と、一対のターミナルプレート410,420と、絶縁部200とを上下から挟むように配置されている。発電単位102は、特許請求の範囲における電気化学反応単位の一例であり、発電ブロック103は、特許請求の範囲における電気化学反応ブロックの一例である。 The fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in this embodiment) fuel cell power generation units (hereinafter simply referred to as "power generation units") 102, an end separator 210, an upper end plate 220, a lower end plate 189, a pair of terminal plates 410, 420, an insulating section 200, and a pair of end plates 104, 106. The seven power generation units 102 are arranged in a predetermined arrangement direction (up and down in this embodiment). One of the pair of terminal plates 410, 420 (hereinafter referred to as the "upper terminal plate 410") is arranged on the upper side of an assembly (hereinafter referred to as the "power generation block 103") consisting of the seven power generation units 102, and the other of the pair of terminal plates 410, 420 (hereinafter referred to as the "lower terminal plate 420") is arranged on the lower side of the power generation block 103. The end separator 210 is disposed above the upper terminal plate 410, and the lower end plate 189 is disposed below the lower terminal plate 420. The insulating section 200 is disposed above the end separator 210. One of the pair of end plates 104, 106 (hereinafter referred to as the "upper end plate 104") is disposed above the insulating section 200, and the other of the pair of end plates 104, 106 (hereinafter referred to as the "lower end plate 106") is disposed below the lower end plate 189. The pair of end plates 104, 106 are disposed so as to sandwich the power generation block 103, the end separator 210, the lower end plate 189, the pair of terminal plates 410, 420, and the insulating section 200 from above and below. The power generation unit 102 is an example of an electrochemical reaction unit in the claims, and the power generation block 103 is an example of an electrochemical reaction block in the claims.

図1および図4に示すように、燃料電池スタック100を構成する各層(発電ブロック103、末端セパレータ210、下端プレート189、一対のターミナルプレート410,420、および、絶縁部200)のZ軸方向回りの外周の4つの角部付近には、各層を上下方向に貫通する孔が形成されている。上側エンドプレート104のZ軸方向回りの外周の4つの角部付近には、孔(ネジ孔)が貫通形成されており、下側エンドプレート106のZ軸方向回りの外周の4つの角部付近には、孔(ネジ孔)が貫通形成されている。これらの各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上下方向に延びるボルト孔109を構成している。以下の説明では、ボルト孔109を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、ボルト孔109と呼ぶ場合がある。 1 and 4, holes are formed in the vicinity of the four corners of the outer periphery around the Z-axis direction of each layer constituting the fuel cell stack 100 (the power generation block 103, the terminal separator 210, the lower end plate 189, the pair of terminal plates 410, 420, and the insulating part 200) that penetrate each layer in the vertical direction. Holes (screw holes) are formed in the vicinity of the four corners of the outer periphery around the Z-axis direction of the upper end plate 104, and holes (screw holes) are formed in the vicinity of the four corners of the outer periphery around the Z-axis direction of the lower end plate 106. Corresponding holes formed in these layers communicate with each other in the vertical direction to form bolt holes 109 extending in the vertical direction. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the bolt holes 109 may also be referred to as bolt holes 109.

各ボルト孔109にはボルト22が挿入されている。各ボルト22の上端部は、上側エンドプレート104の孔を介してナット24のネジ孔に螺合しており、各ボルト22の下端部は、下側エンドプレート106の孔を介してナット24のネジ孔に螺合している。このような構成のボルト22およびナット24により、燃料電池スタック100の各層が一体に締結されている。 A bolt 22 is inserted into each bolt hole 109. The upper end of each bolt 22 is screwed into a screw hole of a nut 24 through a hole in the upper end plate 104, and the lower end of each bolt 22 is screwed into a screw hole of a nut 24 through a hole in the lower end plate 106. The bolts 22 and nuts 24 configured in this way fasten each layer of the fuel cell stack 100 together.

また、図1から図3に示すように、燃料電池スタック100を構成する各層(各発電単位102、下側ターミナルプレート420、下端プレート189、下側エンドプレート106)のZ軸方向回りの周縁部には、各層を上下方向に貫通する4つの孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、最上部の発電単位102から下側エンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。なお、以下、連通孔108のうち、下側エンドプレート106に形成された孔を、特にエンド貫通孔107という。 As shown in Figures 1 to 3, four holes are formed in the peripheral portion around the Z axis direction of each layer (each power generating unit 102, lower terminal plate 420, lower end plate 189, lower end plate 106) constituting the fuel cell stack 100, penetrating each layer in the vertical direction, and corresponding holes formed in each layer communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction from the uppermost power generating unit 102 to the lower end plate 106. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the communication hole 108 may also be referred to as the communication hole 108. Note that, hereinafter, the hole formed in the lower end plate 106 among the communication holes 108 is specifically referred to as the end through hole 107.

図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周を構成する1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の付近に位置する1つの連通孔108は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102の後述する空気室166に供給するガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の付近に位置する1つの連通孔108は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へ排出するガス流路である酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。酸化剤ガス供給マニホールド161および酸化剤ガス排出マニホールド162は、各発電単位102の空気極114(後述)との間でガスのやり取りを行うガス流路である。なお、酸化剤ガスOGとしては、例えば空気が使用される。 1 and 2, one communication hole 108 located near one side (the side on the positive X-axis side of the two sides parallel to the Y-axis) constituting the outer periphery around the Z-axis of the fuel cell stack 100 functions as an oxidant gas supply manifold 161, which is a gas flow path through which oxidant gas OG is introduced from outside the fuel cell stack 100 and the oxidant gas OG is supplied to an air chamber 166 of each power generation unit 102, which will be described later, and one communication hole 108 located near the opposite side (the side on the negative X-axis side of the two sides parallel to the Y-axis) functions as an oxidant gas exhaust manifold 162, which is a gas flow path through which oxidant off-gas OOG, which is a gas exhausted from the air chamber 166 of each power generation unit 102, is exhausted to the outside of the fuel cell stack 100. The oxidant gas supply manifold 161 and the oxidant gas exhaust manifold 162 are gas flow paths that exchange gas with the air electrode 114 (described later) of each power generation unit 102. The oxidant gas OG may be, for example, air.

また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周を構成する辺の内、上述した酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する連通孔108に最も近い辺の付近に位置する他の1つの連通孔108は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102の後述する燃料室176に供給するガス流路である燃料ガス供給マニホールド171として機能し、上述した酸化剤ガス供給マニホールド161として機能する連通孔108に最も近い辺の付近に位置する他の1つの連通孔108は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へ排出するガス流路である燃料ガス排出マニホールド172として機能する。燃料ガス供給マニホールド171および燃料ガス排出マニホールド172は、各発電単位102の燃料極116(後述)との間でガスのやり取りを行うガス流路である。なお、燃料ガスFGとしては、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。また、以下では、空気室166と燃料室176とを、まとめて「ガス室」という。 1 and 3, among the sides constituting the outer periphery around the Z-axis direction of the fuel cell stack 100, another communication hole 108 located near the side closest to the communication hole 108 functioning as the oxidant gas exhaust manifold 162 described above functions as a fuel gas supply manifold 171, which is a gas flow path through which fuel gas FG is introduced from outside the fuel cell stack 100 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176 described later of each power generation unit 102, and another communication hole 108 located near the side closest to the communication hole 108 functioning as the oxidant gas supply manifold 161 described above functions as a fuel gas exhaust manifold 172, which is a gas flow path through which fuel off-gas FOG, which is gas exhausted from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, is exhausted to the outside of the fuel cell stack 100. The fuel gas supply manifold 171 and the fuel gas exhaust manifold 172 are gas flow paths that exchange gas with the fuel electrode 116 (described later) of each power generation unit 102. The fuel gas FG is, for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas. In the following, the air chamber 166 and the fuel chamber 176 are collectively referred to as the "gas chamber."

図1から図3に示すように、燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、例えばアルミニウムを含むフェライト系ステンレス等の導電材料(金属材料)により形成され、中空筒状の本体部28とフランジ部29とを有している。本体部28には、上下方向に貫通するガス貫通孔26が形成されている。本体部28の一端(上端)は、下側エンドプレート106に形成されたエンド貫通孔107に接続されている。具体的には、本体部28の上端は、エンド貫通孔107内に挿入され、例えば溶接により接合されている。なお、本体部28の上端の外径および内径は、本体部28の他端(下端)の外径および内径より小さくなっている。本体部28の板厚(外径と内径との差)は、例えば0.6mm以上、1.0mm以下とすることができる。フランジ部29は、本体部28の下端側から上下方向(Z軸方向)に垂直な面方向(XY平面に平行な方向)に張り出すように設けられている。なお、フランジ部29の上下方向視での形状は、略矩形状であり、4つの角部のそれぞれにはボルト孔29A(図1参照)が形成されている。各ボルト孔29Aには、燃料電池スタック100を外部装置に接続するためのボルト(図示しない)が挿入される。 1 to 3, the fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 is formed of a conductive material (metal material) such as ferritic stainless steel containing aluminum, and has a hollow cylindrical main body 28 and a flange 29. The main body 28 is formed with a gas through hole 26 that penetrates in the vertical direction. One end (upper end) of the main body 28 is connected to an end through hole 107 formed in the lower end plate 106. Specifically, the upper end of the main body 28 is inserted into the end through hole 107 and joined by, for example, welding. The outer diameter and inner diameter of the upper end of the main body 28 are smaller than the outer diameter and inner diameter of the other end (lower end) of the main body 28. The plate thickness (difference between the outer diameter and the inner diameter) of the main body 28 can be, for example, 0.6 mm or more and 1.0 mm or less. The flange portion 29 is provided so as to protrude from the lower end side of the main body portion 28 in a planar direction (direction parallel to the XY plane) perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction). The shape of the flange portion 29 when viewed in the vertical direction is approximately rectangular, and bolt holes 29A (see FIG. 1) are formed in each of the four corners. A bolt (not shown) for connecting the fuel cell stack 100 to an external device is inserted into each bolt hole 29A.

図2に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド161の位置に配置されたガス通路部材27のガス貫通孔26は、酸化剤ガス供給マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に配置されたガス通路部材27のガス貫通孔26は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス供給マニホールド171の位置に配置されたガス通路部材27のガス貫通孔26は、燃料ガス供給マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172の位置に配置されたガス通路部材27のガス貫通孔26は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。 2, the gas through hole 26 of the gas passage member 27 arranged at the position of the oxidant gas supply manifold 161 is connected to the oxidant gas supply manifold 161, and the gas through hole 26 of the gas passage member 27 arranged at the position of the oxidant gas exhaust manifold 162 is connected to the oxidant gas exhaust manifold 162. Also, as shown in FIG. 3, the gas through hole 26 of the gas passage member 27 arranged at the position of the fuel gas supply manifold 171 is connected to the fuel gas supply manifold 171, and the gas through hole 26 of the gas passage member 27 arranged at the position of the fuel gas exhaust manifold 172 is connected to the fuel gas exhaust manifold 172.

(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、Z軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば表面にアルミナの酸化被膜を形成するフェライト系ステンレス等の導電材料(金属材料)により形成されている。一対のエンドプレート104,106の中央付近には、それぞれ、Z軸方向に貫通する孔32,34が形成されている。Z軸方向視で、一対のエンドプレート104,106のそれぞれに形成された孔32,34の内周線は、後述する各単セル110の少なくとも一部を内包している。各ボルト22およびナット24による締結によって生じるZ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位102の周縁部(後述する各単セル110より外周側の部分)に作用する。なお、エンドプレート104,106は、それぞれ、1枚の板状部材をプレス加工(屈曲)して形成されたものである。エンドプレート104,106の板厚は、例えば1mm以上、3mm以下とすることができ、ガス通路部材27の本体部28の板厚と同じ、またはガス通路部材27の本体部28の板厚より薄くてもよい。
(Configuration of end plates 104, 106)
The pair of end plates 104, 106 are flat members with an approximately rectangular outer shape as viewed in the Z-axis direction, and are made of a conductive material (metal material) such as ferritic stainless steel that forms an alumina oxide film on the surface. Holes 32, 34 are formed near the center of the pair of end plates 104, 106, respectively, penetrating in the Z-axis direction. As viewed in the Z-axis direction, the inner circumferential lines of the holes 32, 34 formed in each of the pair of end plates 104, 106 include at least a part of each unit cell 110 described later. The compressive force in the Z-axis direction generated by fastening with each bolt 22 and nut 24 mainly acts on the periphery of each power generating unit 102 (the part on the outer periphery side of each unit cell 110 described later). Each of the end plates 104, 106 is formed by pressing (bending) a single plate-shaped member. The plate thickness of the end plates 104 , 106 may be, for example, 1 mm or more and 3 mm or less, and may be the same as or thinner than the plate thickness of the main body 28 of the gas passage member 27 .

図2から図4に示すように、上側エンドプレート104は、平面部310と、凸部320と、を含んでいる。平面部310は、Z軸方向に垂直な面方向(XY平面に平行な方向)に沿った平坦部分である。具体的には、平面部310のZ軸方向視での形状は、全体として、矩形枠状である。なお、上述したボルト孔109を構成する孔は、平面部310におけるZ軸方向回りの周縁部に形成されている。凸部320は、平面部310から上側に突出したリブである。凸部320は、外側凸部322と、内側凸部324と、を有している。外側凸部322は、平面部310の外周部から上側に突出している。外側凸部322は、平面部310の外周部の全周にわたって形成されている。内側凸部324は、平面部310の内周部から上側に突出している。内側凸部324は、平面部310の内周部の全周にわたって形成されている。 2 to 4, the upper end plate 104 includes a planar portion 310 and a convex portion 320. The planar portion 310 is a flat portion along a surface direction perpendicular to the Z-axis direction (parallel to the XY plane). Specifically, the shape of the planar portion 310 as viewed in the Z-axis direction is a rectangular frame shape as a whole. The holes constituting the bolt holes 109 described above are formed in the peripheral portion around the Z-axis direction in the planar portion 310. The convex portion 320 is a rib protruding upward from the planar portion 310. The convex portion 320 has an outer convex portion 322 and an inner convex portion 324. The outer convex portion 322 protrudes upward from the outer periphery of the planar portion 310. The outer convex portion 322 is formed around the entire circumference of the outer periphery of the planar portion 310. The inner convex portion 324 protrudes upward from the inner periphery of the planar portion 310. The inner convex portion 324 is formed around the entire inner circumference of the flat portion 310.

また、下側エンドプレート106は、平面部510と、凸部520と、を含んでいる。平面部510は、Z軸方向に垂直な面方向(XY平面に平行な方向)に沿った平坦部分である。具体的には、平面部510のZ軸方向視での形状は、全体として、矩形枠状である。なお、上述したボルト孔109を構成する孔は、平面部510におけるZ軸方向回りの周縁部に形成されている。凸部520は、平面部510から下側に突出したリブである。凸部520は、外側凸部522と、内側凸部524と、を有している。外側凸部522は、平面部510の外周部から下側に突出している。外側凸部522は、平面部510の外周部の全周にわたって形成されている。内側凸部524は、平面部510の内周部から下側に突出している。内側凸部524は、平面部510の内周部の全周にわたって形成されている。 The lower end plate 106 includes a planar portion 510 and a convex portion 520. The planar portion 510 is a flat portion along a surface direction perpendicular to the Z-axis direction (parallel to the XY plane). Specifically, the shape of the planar portion 510 as viewed in the Z-axis direction is a rectangular frame shape as a whole. The holes constituting the bolt holes 109 described above are formed in the peripheral portion around the Z-axis direction in the planar portion 510. The convex portion 520 is a rib protruding downward from the planar portion 510. The convex portion 520 has an outer convex portion 522 and an inner convex portion 524. The outer convex portion 522 protrudes downward from the outer periphery of the planar portion 510. The outer convex portion 522 is formed around the entire circumference of the outer periphery of the planar portion 510. The inner convex portion 524 protrudes downward from the inner periphery of the planar portion 510. The inner convex portion 524 is formed around the entire inner circumference of the flat portion 510.

図2および図3に示すように、下側エンドプレート106には、補強部材600が固定されている。補強部材600は、平板部分610と、筒部分620と、を有する。平板部分610は、下側エンドプレート106の平面部510に平行な平板状の部分である。平板部分610の上下方向視での形状は、略矩形である。平板部分610は、下側エンドプレート106の平面部510から下方に離間した位置に配置されている。平板部分610の長手方向の一方側の辺は、外側凸部522の内壁面に接触し、例えば溶接により接合されており、平板部分610の長手方向の他方側の辺は、内側凸部524の内壁面に接触し、例えば溶接により接合されている。平板部分610には、ガス通路部材27の本体部28を挿入可能な貫通孔612が形成されている。筒部分620は、平板部分610の貫通孔612に連通する貫通孔622を有する円筒状の部分である。筒部分620は、平板部分610における貫通孔612の周囲部分から下側に突出するように形成されている。平板部分610の貫通孔612および筒部分620の貫通孔622を構成する内壁面がガス通路部材27の本体部28の外周面に接触し、例えば溶接により接合されている。平板部分610と筒部分620とは、一体に形成されている。補強部材600は、耐熱性材料や、下側エンドプレート106やガス通路部材27等と同一材料または熱膨張率が同じ材料により形成されていることが好ましく、例えば金属(フェライト系ステンレス等)により形成されている。 2 and 3, a reinforcing member 600 is fixed to the lower end plate 106. The reinforcing member 600 has a flat portion 610 and a tube portion 620. The flat portion 610 is a flat portion parallel to the planar portion 510 of the lower end plate 106. The shape of the flat portion 610 when viewed in the vertical direction is approximately rectangular. The flat portion 610 is disposed at a position spaced downward from the planar portion 510 of the lower end plate 106. One side of the flat portion 610 in the longitudinal direction contacts the inner wall surface of the outer convex portion 522 and is joined thereto by, for example, welding, and the other side of the flat portion 610 in the longitudinal direction contacts the inner wall surface of the inner convex portion 524 and is joined thereto by, for example, welding. The flat portion 610 has a through hole 612 into which the main body 28 of the gas passage member 27 can be inserted. The tubular portion 620 is a cylindrical portion having a through hole 622 that communicates with the through hole 612 of the flat portion 610. The tubular portion 620 is formed so as to protrude downward from the periphery of the through hole 612 in the flat portion 610. The inner wall surfaces constituting the through hole 612 of the flat portion 610 and the through hole 622 of the tubular portion 620 contact the outer peripheral surface of the main body 28 of the gas passage member 27 and are joined by, for example, welding. The flat portion 610 and the tubular portion 620 are integrally formed. The reinforcing member 600 is preferably formed of a heat-resistant material, or the same material as the lower end plate 106, the gas passage member 27, etc., or a material having the same thermal expansion coefficient, and is formed of, for example, a metal (ferritic stainless steel, etc.).

(ターミナルプレート410,420の構成)
一対のターミナルプレート410,420は、Z軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば表面にアルミナの酸化被膜を形成するフェライト系ステンレス等の導電材料により形成されている。上側ターミナルプレート410の中央付近には、Z軸方向に貫通する孔412が形成されている。Z軸方向視で、上側ターミナルプレート410に形成された孔412の内周線は、後述する各単セル110を内包している。Z軸方向視で、一対のターミナルプレート410,420のそれぞれの一方側(X軸正方向側)の端部は、発電ブロック103から側方に張り出している。本実施形態では、上側ターミナルプレート410の張り出し部分は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側ターミナルプレート420の張り出し部分は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of Terminal Plates 410, 420)
The pair of terminal plates 410, 420 are flat members with an approximately rectangular outer shape as viewed in the Z-axis direction, and are made of a conductive material such as ferritic stainless steel that forms an alumina oxide film on the surface. A hole 412 is formed near the center of the upper terminal plate 410, penetrating in the Z-axis direction. As viewed in the Z-axis direction, the inner periphery of the hole 412 formed in the upper terminal plate 410 includes each of the unit cells 110 described below. As viewed in the Z-axis direction, one end of each of the pair of terminal plates 410, 420 on one side (the X-axis positive direction side) protrudes laterally from the power generation block 103. In this embodiment, the protruding portion of the upper terminal plate 410 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the protruding portion of the lower terminal plate 420 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

(上端プレート220の構成)
上端プレート220は、Z軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。上端プレート220は、発電ブロック103の上側に配置されており、発電ブロック103における上端に位置するインターコネクタ190(後述)に電気的に接続されている。本実施形態では、上端プレート220とインターコネクタ190とは、後述の燃料極側集電部材144と同一構造の接続部材を介して電気的に接続されている。
(Configuration of the upper end plate 220)
The upper end plate 220 is a flat member having a substantially rectangular outer shape when viewed in the Z-axis direction, and is made of a conductive material such as stainless steel. The upper end plate 220 is disposed above the power generation block 103, and is electrically connected to an interconnector 190 (described below) located at the upper end of the power generation block 103. In this embodiment, the upper end plate 220 and the interconnector 190 are electrically connected via a connection member having the same structure as a fuel electrode side current collecting member 144 described below.

(末端セパレータ210の構成)
末端セパレータ210は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔211が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。末端セパレータ210における貫通孔211を取り囲む部分(以下、「貫通孔周囲部」という。)は、上端プレート220の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。末端セパレータ210は、上端プレート220と発電ブロック103との間の空間と燃料電池スタック100の外部空間とを区画する。
(Configuration of Terminal Separator 210)
The terminal separator 210 is a frame-like member having a generally rectangular through hole 211 that penetrates in the vertical direction near the center, and is made of, for example, metal. A portion of the terminal separator 210 surrounding the through hole 211 (hereinafter referred to as the "through hole surrounding portion") is joined to the upper surface of the periphery of the upper end plate 220, for example by welding. The terminal separator 210 separates the space between the upper end plate 220 and the power generation block 103 from the external space of the fuel cell stack 100.

末端セパレータ210は、末端セパレータ210の貫通孔周囲部を含む内側部216と、内側部216より外周側に位置する外側部217と、内側部216と外側部217とを連結する連結部218とを備える。本実施形態では、内側部216および外側部217は、Z軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部218は、内側部216と外側部217との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部218における下側(発電ブロック103側)の部分は凸部となっており、連結部218における上側(上側エンドプレート104側)の部分は凹部となっている。このため、連結部218は、Z軸方向における位置が内側部216および外側部217とは異なる部分を含んでいる。 The terminal separator 210 includes an inner portion 216 including the through-hole periphery of the terminal separator 210, an outer portion 217 located on the outer periphery side of the inner portion 216, and a connecting portion 218 connecting the inner portion 216 and the outer portion 217. In this embodiment, the inner portion 216 and the outer portion 217 are substantially flat plates extending in a direction substantially perpendicular to the Z-axis direction. The connecting portion 218 is curved so as to protrude downward from both the inner portion 216 and the outer portion 217. The lower portion (the power generation block 103 side) of the connecting portion 218 is a convex portion, and the upper portion (the upper end plate 104 side) of the connecting portion 218 is a concave portion. Therefore, the connecting portion 218 includes a portion whose position in the Z-axis direction is different from that of the inner portion 216 and the outer portion 217.

(下端プレート189の構成)
下端プレート189は、Z軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。下端プレート189の周縁部は、下側ターミナルプレート420と下側エンドプレート106との間に挟み込まれており、これにより、下側ターミナルプレート420と下側エンドプレート106との絶縁性とが確保されている。
(Configuration of the lower end plate 189)
The lower end plate 189 is a flat member having a substantially rectangular outer shape as viewed in the Z-axis direction, and is made of, for example, an insulating material. The peripheral portion of the lower end plate 189 is sandwiched between the lower terminal plate 420 and the lower end plate 106, thereby ensuring insulation between the lower terminal plate 420 and the lower end plate 106.

(絶縁部200の構成)
絶縁部200は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔が形成されたフレーム状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。絶縁部200は、上側エンドプレート104と末端セパレータ210との間に挟み込まれており、これにより、各マニホールド161,162,171,172のシール性と、上側エンドプレート104と末端セパレータ210との絶縁性とが確保されている。
(Configuration of insulating portion 200)
The insulating part 200 is a frame-shaped member having a substantially rectangular through hole formed in the vertical direction near the center, and is made of, for example, an insulating material. The insulating part 200 is sandwiched between the upper end plate 104 and the terminal separator 210, thereby ensuring sealing of the manifolds 161, 162, 171, 172 and insulation between the upper end plate 104 and the terminal separator 210.

(発電単位102の構成)
図5は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図6は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図7は、図4に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。また、図8は、図5のVIII-VIIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図9は、図5のIX-IXの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。
(Configuration of power generation unit 102)
Fig. 5 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in Fig. 2, Fig. 6 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in Fig. 3, and Fig. 7 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in Fig. 4. Fig. 8 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generating unit 102 at the position VIII-VIII in Fig. 5, and Fig. 9 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generating unit 102 at the position IX-IX in Fig. 5.

図5から図7に示すように、発電単位102は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という。)110と、単セル用セパレータ120と、空気極側フレーム130と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電部材144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ190および一対のIC用セパレータ180とを備えている。単セル用セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、IC用セパレータ180におけるZ軸方向回りの周縁部には、各マニホールド161,162,171,172として機能する各連通孔108を構成する孔と、各ボルト孔109を構成する孔とが形成されている。 As shown in Figures 5 to 7, the power generation unit 102 includes a single fuel cell (hereinafter referred to as a "single cell") 110, a single cell separator 120, an air electrode side frame 130, a fuel electrode side frame 140, a fuel electrode side current collecting member 144, a pair of interconnectors 190 constituting the top and bottom layers of the power generation unit 102, and a pair of IC separators 180. The single cell separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the IC separator 180 have holes constituting the communication holes 108 that function as the manifolds 161, 162, 171, and 172, and holes constituting the bolt holes 109 formed in the peripheral portions around the Z axis direction.

単セル110は、電解質層112と、電解質層112のZ軸方向の一方側(上側)に配置された空気極114と、電解質層112のZ軸方向の他方側(下側)に配置された燃料極116と、電解質層112と空気極114との間に配置された反応防止層118とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で単セル110を構成する他の層(電解質層112、空気極114、反応防止層118)を支持する燃料極支持形の単セルである。単セル110は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルの一例である。 The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, an air electrode 114 arranged on one side (upper side) of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, a fuel electrode 116 arranged on the other side (lower side) of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, and a reaction prevention layer 118 arranged between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114. The single cell 110 of this embodiment is a fuel electrode-supported single cell in which the fuel electrode 116 supports the other layers (electrolyte layer 112, air electrode 114, reaction prevention layer 118) that constitute the single cell 110. The single cell 110 is an example of an electrochemical reaction single cell in the claims.

電解質層112は、Z軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、固体酸化物(例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア))を含むように構成されている。すなわち、本実施形態の単セル110は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。空気極114は、Z軸方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、例えばペロブスカイト型酸化物(例えば、LSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物))を含むように構成されている。燃料極116は、Z軸方向視で電解質層112と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。反応防止層118は、Z軸方向視で空気極114と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えばGDC(ガドリニウムドープセリア)を含むように構成されている。反応防止層118は、空気極114から拡散した元素(例えば、Sr)が電解質層112に含まれる元素(例えば、Zr)と反応して高抵抗な物質(例えば、SrZrO)が生成されることを抑制する機能を有する。空気極114および燃料極116は、特許請求の範囲における特定電極の一例である。 The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat-plate member as viewed in the Z-axis direction, and is configured to include a solid oxide (e.g., YSZ (yttria-stabilized zirconia)). That is, the unit cell 110 of this embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat-plate member smaller than the electrolyte layer 112 as viewed in the Z-axis direction, and is configured to include, for example, a perovskite-type oxide (e.g., LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide)). The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat-plate member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 as viewed in the Z-axis direction, and is formed of, for example, Ni (nickel), a cermet made of Ni and ceramic particles, a Ni-based alloy, or the like. The reaction prevention layer 118 is a substantially rectangular flat-plate member having substantially the same size as the air electrode 114 as viewed in the Z-axis direction, and is configured to include, for example, GDC (gadolinium-doped ceria). The reaction prevention layer 118 has a function of suppressing the generation of a highly resistive substance (e.g., SrZrO 3 ) caused by the reaction of an element (e.g., Sr) diffused from the air electrode 114 with an element (e.g., Zr) contained in the electrolyte layer 112. The air electrode 114 and the fuel electrode 116 are examples of a specific electrode in the claims.

単セル用セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。単セル用セパレータ120における貫通孔121を取り囲む部分(以下、「貫通孔周囲部」という。)は、単セル110(電解質層112)の周縁部における上側の表面に対向している。単セル用セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、単セル110(電解質層112)と接合されている。単セル用セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリーク(クロスリーク)が抑制される。 The single cell separator 120 is a frame-shaped member with a substantially rectangular through hole 121 formed in the center that penetrates vertically, and is made of, for example, metal. The portion of the single cell separator 120 surrounding the through hole 121 (hereinafter referred to as the "through hole surrounding portion") faces the upper surface of the peripheral portion of the single cell 110 (electrolyte layer 112). The single cell separator 120 is joined to the single cell 110 (electrolyte layer 112) by a joint 124 formed of a brazing material (e.g., Ag brazing) arranged in the opposing portion. The single cell separator 120 divides an air chamber 166 facing the air electrode 114 and a fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and gas leakage (cross leakage) from one electrode side to the other electrode side at the peripheral portion of the single cell 110 is suppressed.

単セル用セパレータ120は、単セル用セパレータ120の貫通孔周囲部を含む内側部126と、内側部126より外周側に位置する外側部127と、内側部126と外側部127とを連結する連結部128とを備える。本実施形態では、内側部126および外側部127は、Z軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部128は、内側部126と外側部127との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部128における下側(燃料室176側)の部分は凸部となっており、連結部128における上側(空気室166側)の部分は凹部となっている。このため、連結部128は、Z軸方向における位置が内側部126および外側部127とは異なる部分を含んでいる。 The single cell separator 120 includes an inner portion 126 including the through-hole periphery of the single cell separator 120, an outer portion 127 located on the outer periphery side of the inner portion 126, and a connecting portion 128 connecting the inner portion 126 and the outer portion 127. In this embodiment, the inner portion 126 and the outer portion 127 are substantially flat plates extending in a direction substantially perpendicular to the Z-axis direction. The connecting portion 128 is curved so as to protrude downward from both the inner portion 126 and the outer portion 127. The lower portion (fuel chamber 176 side) of the connecting portion 128 is a convex portion, and the upper portion (air chamber 166 side) of the connecting portion 128 is a concave portion. Therefore, the connecting portion 128 includes a portion whose position in the Z-axis direction is different from that of the inner portion 126 and the outer portion 127.

単セル用セパレータ120における貫通孔121付近には、ガラスを含むガラスシール部125が配置されている。ガラスシール部125は、接合部124に対して空気室166側に位置しており、単セル用セパレータ120の貫通孔周囲部の表面と、単セル110(本実施形態では電解質層112)の表面との両方に接触するように形成されている。ガラスシール部125により、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリーク(クロスリーク)が効果的に抑制される。 A glass seal portion 125 containing glass is disposed near the through hole 121 in the single cell separator 120. The glass seal portion 125 is located on the air chamber 166 side of the joint portion 124, and is formed so as to contact both the surface around the through hole of the single cell separator 120 and the surface of the single cell 110 (electrolyte layer 112 in this embodiment). The glass seal portion 125 effectively prevents gas leakage (cross leakage) from one electrode side to the other electrode side at the periphery of the single cell 110.

インターコネクタ190は、略矩形の平板形状の平板部150と、平板部150から空気極114側に突出した複数の略柱状の空気極側集電部134とを有する導電性の部材であり、金属(例えば、フェライト系ステンレス)により形成されている。本実施形態では、インターコネクタ190の表面(空気室166に面する表面)に、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性の被覆層194が形成されている。以下では、被覆層194に覆われたインターコネクタ190を、単にインターコネクタ190という。インターコネクタ190(の各空気極側集電部134)は、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性接合材196を介して、単セル110の空気極114に接合されており、これにより単セル110の空気極114に電気的に接続されている。インターコネクタ190は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を抑制する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ190は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ190は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ190と同一部材である。また、燃料電池スタック100は下側ターミナルプレート420および下端プレート189を備えているため、燃料電池スタック100において最も下側に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ190を備えていない(図2から図4参照)。 The interconnector 190 is a conductive member having a flat plate portion 150 having a substantially rectangular flat plate shape and a plurality of substantially columnar air electrode side current collecting portions 134 protruding from the flat plate portion 150 toward the air electrode 114 side, and is formed of a metal (e.g., ferritic stainless steel). In this embodiment, a conductive coating layer 194 composed of, for example, a spinel-type oxide is formed on the surface of the interconnector 190 (the surface facing the air chamber 166). Hereinafter, the interconnector 190 covered with the coating layer 194 will be simply referred to as the interconnector 190. The interconnector 190 (each of the air electrode side current collecting portions 134) is joined to the air electrode 114 of the single cell 110 via a conductive bonding material 196 composed of, for example, a spinel-type oxide, and is thus electrically connected to the air electrode 114 of the single cell 110. The interconnector 190 ensures electrical conduction between the power generation units 102 and suppresses the mixing of reaction gases between the power generation units 102. In this embodiment, when two power generating units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 190 is shared by the two adjacent power generating units 102. That is, the upper interconnector 190 of one power generating unit 102 is made of the same material as the lower interconnector 190 of the other power generating unit 102 adjacent to the upper side of the power generating unit 102. In addition, since the fuel cell stack 100 includes a lower terminal plate 420 and a lower end plate 189, the power generating unit 102 located at the bottom of the fuel cell stack 100 does not include a lower interconnector 190 (see Figures 2 to 4).

IC用セパレータ180は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔181が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。IC用セパレータ180における貫通孔181を取り囲む部分(以下、「貫通孔周囲部」という。)は、インターコネクタ190の平板部150の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。ある発電単位102に含まれる一対のIC用セパレータ180のうち、上側のIC用セパレータ180は、該発電単位102の空気室166と、該発電単位102に対して上側に隣り合う他の発電単位102の燃料室176とを区画する。また、ある発電単位102に含まれる一対のIC用セパレータ180のうち、下側のIC用セパレータ180は、該発電単位102の燃料室176と、該発電単位102に対して下側に隣り合う他の発電単位102の空気室166とを区画する。このように、IC用セパレータ180により、発電単位102の周縁部における発電単位102間のガスのリークが抑制される。なお、燃料電池スタック100において最も上側に位置する発電単位102の上側のインターコネクタ190に接合されたIC用セパレータ180は、上側ターミナルプレート410に電気的に接続されている。 The IC separator 180 is a frame-like member with a substantially rectangular through hole 181 formed in the center that penetrates vertically, and is made of, for example, metal. The portion of the IC separator 180 that surrounds the through hole 181 (hereinafter referred to as the "through hole surrounding portion") is joined, for example by welding, to the upper surface of the peripheral portion of the flat portion 150 of the interconnector 190. Of a pair of IC separators 180 included in a certain generating unit 102, the upper IC separator 180 partitions the air chamber 166 of the generating unit 102 and the fuel chamber 176 of the other generating unit 102 adjacent to the generating unit 102 on the upper side. In addition, of the pair of IC separators 180 included in a certain generating unit 102, the lower IC separator 180 separates the fuel chamber 176 of the generating unit 102 from the air chamber 166 of the other generating unit 102 adjacent to the generating unit 102 on the lower side. In this way, the IC separator 180 suppresses gas leakage between the generating units 102 at the periphery of the generating units 102. The IC separator 180 joined to the upper interconnector 190 of the generating unit 102 located at the topmost position in the fuel cell stack 100 is electrically connected to the upper terminal plate 410.

IC用セパレータ180は、IC用セパレータ180の貫通孔周囲部を含む内側部186と、内側部186より外周側に位置する外側部187と、内側部186と外側部187とを連結する連結部188とを備える。本実施形態では、内側部186および外側部187は、Z軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部188は、内側部186と外側部187との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部188における下側(空気室166側)の部分は凸部となっており、連結部188における上側(燃料室176側)の部分は凹部となっている。このため、連結部188は、Z軸方向における位置が内側部186および外側部187とは異なる部分を含んでいる。 The IC separator 180 includes an inner portion 186 including the through-hole periphery of the IC separator 180, an outer portion 187 located on the outer periphery side of the inner portion 186, and a connecting portion 188 connecting the inner portion 186 and the outer portion 187. In this embodiment, the inner portion 186 and the outer portion 187 are substantially flat plates extending in a direction substantially perpendicular to the Z-axis direction. The connecting portion 188 is curved so as to protrude downward from both the inner portion 186 and the outer portion 187. The lower portion (air chamber 166 side) of the connecting portion 188 is a convex portion, and the upper portion (fuel chamber 176 side) of the connecting portion 188 is a concave portion. Therefore, the connecting portion 188 includes a portion whose position in the Z-axis direction is different from that of the inner portion 186 and the outer portion 187.

図8に示すように、空気極側フレーム130は、中央付近にZ軸方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、単セル用セパレータ120の周縁部における上側の表面と、上側のIC用セパレータ180の周縁部における下側の表面とに接触しており、両者の間のガスシール性(すなわち、空気室166のガスシール性)を確保するシール部材として機能する。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のIC用セパレータ180間(すなわち、一対のインターコネクタ190間)が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス供給マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。 8, the air electrode side frame 130 is a frame-shaped member with a substantially rectangular hole 131 formed near the center penetrating in the Z-axis direction, and is formed of an insulator such as mica. The hole 131 of the air electrode side frame 130 constitutes an air chamber 166 facing the air electrode 114. The air electrode side frame 130 is in contact with the upper surface of the peripheral portion of the single cell separator 120 and the lower surface of the peripheral portion of the upper IC separator 180, and functions as a sealing member that ensures gas sealing between the two (i.e., gas sealing of the air chamber 166). In addition, the air electrode side frame 130 electrically insulates a pair of IC separators 180 included in the power generation unit 102 (i.e., a pair of interconnectors 190). In addition, the air electrode side frame 130 is formed with an oxidant gas supply communication hole 132 that connects the oxidant gas supply manifold 161 to the air chamber 166, and an oxidant gas discharge communication hole 133 that connects the air chamber 166 to the oxidant gas discharge manifold 162.

図9に示すように、燃料極側フレーム140は、中央付近にZ軸方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、単セル用セパレータ120の周縁部における下側の表面と、下側のIC用セパレータ180の周縁部における上側の表面とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス供給マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。 9, the fuel electrode side frame 140 is a frame-shaped member with a substantially rectangular hole 141 formed near the center that penetrates in the Z-axis direction, and is made of, for example, metal. The hole 141 of the fuel electrode side frame 140 constitutes a fuel chamber 176 that faces the fuel electrode 116. The fuel electrode side frame 140 is in contact with the lower surface of the peripheral portion of the single cell separator 120 and the upper surface of the peripheral portion of the lower IC separator 180. In addition, the fuel electrode side frame 140 is formed with a fuel gas supply communication hole 142 that connects the fuel gas supply manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that connects the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172.

図5から図7に示すように、燃料極側集電部材144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電部材144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116の下側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ190(の平板部150)の上側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下側に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ190を備えていないため、該発電単位102における燃料極側集電部材144のインターコネクタ対向部146は、下側ターミナルプレート420に接触している。燃料極側集電部材144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ190(または下端プレート189)とを電気的に接続する。なお、燃料極側集電部材144の電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電部材144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電部材144を介した燃料極116とインターコネクタ190(または下側ターミナルプレート420)との電気的接続が良好に維持される。燃料極側集電部材144は、例えば、平板状の材料(例えば、厚さ10~200μmのニッケル箔)に複数の矩形の切り込みを入れ、該材料の上に複数の孔が形成されたシート状の燃料極側集電部材144を配置した状態で、複数の矩形部分を曲げ起こしてスペーサー149を挟むように加工することにより作製される。曲げ起こされた各矩形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴が開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。 5 to 7, the fuel electrode side current collecting member 144 is disposed in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collecting member 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146, and is formed of, for example, nickel, a nickel alloy, stainless steel, or the like. The electrode facing portion 145 is in contact with the lower surface of the fuel electrode 116, and the interconnector facing portion 146 is in contact with the upper surface of the interconnector 190 (the flat portion 150 of the interconnector 190). However, as described above, since the power generating unit 102 located at the bottom of the fuel cell stack 100 does not include a lower interconnector 190, the interconnector facing portion 146 of the fuel electrode side current collecting member 144 in the power generating unit 102 is in contact with the lower terminal plate 420. The fuel electrode side current collecting member 144 has such a configuration, and thus electrically connects the fuel electrode 116 and the interconnector 190 (or the lower end plate 189). A spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 of the fuel electrode side current collecting member 144. Therefore, the fuel electrode side current collecting member 144 follows the deformation of the power generating unit 102 due to temperature cycles and reactant gas pressure fluctuations, and the electrical connection between the fuel electrode 116 and the interconnector 190 (or the lower terminal plate 420) via the fuel electrode side current collecting member 144 is well maintained. The fuel electrode side current collecting member 144 is fabricated, for example, by making a plurality of rectangular cuts in a flat plate-shaped material (for example, nickel foil having a thickness of 10 to 200 μm), placing a sheet-shaped fuel electrode side current collecting member 144 having a plurality of holes formed therein on the material, and bending and processing the plurality of rectangular portions so as to sandwich the spacer 149. Each bent rectangular portion becomes the electrode facing portion 145, the flat portion with holes other than the bent portions becomes the interconnector facing portion 146, and the portion connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 becomes the connection portion 147.

A-2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図5に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27のガス貫通孔26を介して酸化剤ガス供給マニホールド161に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図6に示すように、燃料ガス供給マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27のガス貫通孔26を介して燃料ガス供給マニホールド171に供給され、燃料ガス供給マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
2 and 5, when the oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the main body 28 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas supply manifold 161, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas supply manifold 161 through the gas through hole 26 of the gas passage member 27, and is supplied from the oxidant gas supply manifold 161 to the air chamber 166 through the oxidant gas supply communication hole 132 of each power generation unit 102. Also, as shown in Figs. 3 and 6, when the fuel gas FG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the main body 28 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas supply manifold 171, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas supply manifold 171 through the gas through hole 26 of the gas passage member 27, and is supplied to the fuel chamber 176 from the fuel gas supply manifold 171 through the fuel gas supply communication hole 142 of each power generation unit 102.

各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は上側のインターコネクタ190に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電部材144を介して下側のインターコネクタ190(または、下端プレート189)に電気的に接続されている。すなわち、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。また、最も上側に位置する発電単位102の上側のインターコネクタ190およびIC用セパレータ180は、上側ターミナルプレート410に電気的に接続されており、最も下側に位置する発電単位102の燃料極側集電部材144には、下側ターミナルプレート420が電気的に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するターミナルプレート410,420から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば600℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。 When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generating unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, power is generated in the single cell 110 by an electrochemical reaction of the oxidant gas OG and the fuel gas FG. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generating unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to the upper interconnector 190, and the fuel electrode 116 is electrically connected to the lower interconnector 190 (or the lower end plate 189) via the fuel electrode side current collecting member 144. That is, the multiple power generating units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. In addition, the upper interconnector 190 and the IC separator 180 of the power generating unit 102 located at the top are electrically connected to the upper terminal plate 410, and the lower terminal plate 420 is electrically connected to the fuel electrode side current collecting member 144 of the power generating unit 102 located at the bottom. Therefore, the electrical energy generated in each power generation unit 102 is extracted from the terminal plates 410, 420 that function as the output terminals of the fuel cell stack 100. Since SOFCs generate electricity at relatively high temperatures (e.g., 600°C to 1000°C), the fuel cell stack 100 may be heated by a heater (not shown) after startup until the high temperature can be maintained by the heat generated by power generation.

図2および図5に示すように、各発電単位102の空気室166から酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出された酸化剤オフガスOOGは、酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28のガス貫通孔26を経て、当該本体部28に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、図3および図6に示すように、各発電単位102の燃料室176から燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出された燃料オフガスFOGは、燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28のガス貫通孔26を経て、当該本体部28に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。 2 and 5, the oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 to the oxidant gas discharge manifold 162 through the oxidant gas discharge communication hole 133 passes through the gas through hole 26 of the main body 28 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas discharge manifold 162, and is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 through a gas piping (not shown) connected to the main body 28. Also, as shown in FIG. 3 and FIG. 6, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 to the fuel gas discharge manifold 172 through the fuel gas discharge communication hole 143 passes through the gas through hole 26 of the main body 28 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas discharge manifold 172, and is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 through a gas piping (not shown) connected to the main body 28.

なお、本実施形態の燃料電池スタック100は、各発電単位102において、空気室166における酸化剤ガスOGの主たる流れ方向(X軸正方向からX軸負方向へ向かう方向)と燃料室176における燃料ガスFGの主たる流れ方向(X軸負方向からX軸正方向へ向かう方向)とが略反対方向(互いに対向する方向)である、カウンターフロータイプのSOFCである。 The fuel cell stack 100 of this embodiment is a counterflow type SOFC in which the main flow direction of the oxidant gas OG in the air chamber 166 (direction from the positive direction of the X-axis to the negative direction of the X-axis) and the main flow direction of the fuel gas FG in the fuel chamber 176 (direction from the negative direction of the X-axis to the positive direction of the X-axis) are substantially opposite (opposing) directions in each power generation unit 102.

A-3.下側エンドプレート106と下側ターミナルプレート420との接合構造:
次に、本実施形態の燃料電池スタック100における下側エンドプレート106と下側ターミナルプレート420との接合構造について説明する。図10は、下側エンドプレート106と下側ターミナルプレート420との接合構造を拡大して示す説明図であり、図11は、図10のXI-XIの位置におけるガス通路部材27等のXY平面構成を示す説明図である。図11には、酸化剤ガス供給マニホールド161に連通するガス通路部材27が例示されている。図11では、ガス通路部材27および下側エンドプレート106は実線で示されており、下側エンドプレート106の背後に位置するガラスシール部材197や連通孔108等は点線で示されている。
A-3. Joint structure between the lower end plate 106 and the lower terminal plate 420:
Next, the joining structure between the lower end plate 106 and the lower terminal plate 420 in the fuel cell stack 100 of this embodiment will be described. Fig. 10 is an explanatory diagram showing an enlarged view of the joining structure between the lower end plate 106 and the lower terminal plate 420, and Fig. 11 is an explanatory diagram showing the XY plane configuration of the gas passage member 27 and the like at the position XI-XI in Fig. 10. Fig. 11 illustrates the gas passage member 27 that communicates with the oxidant gas supply manifold 161. In Fig. 11, the gas passage member 27 and the lower end plate 106 are indicated by solid lines, and the glass seal member 197, the communication hole 108, and the like located behind the lower end plate 106 are indicated by dotted lines.

図2から図4、図10および図11に示すように、本実施形態の下側エンドプレート106には、4つの立設部530が形成されている。立設部530は、下側エンドプレート106の平面部510から下側(Z軸負方向側)に突出し、かつ、上下方向視で下側エンドプレート106のエンド貫通孔107を囲む筒状である。立設部530は、平面部510に一体的に形成されている。本実施形態では、下側エンドプレート106のうち、エンド貫通孔107を画定する内壁面と、立設部530の内周壁とは、段差がなく面一でつながっている。下側エンドプレート106は、特許請求の範囲における第1の部材の一例であり、エンド貫通孔107は、特許請求の範囲における第1の貫通孔の一例である。 As shown in Figs. 2 to 4, 10 and 11, four erected portions 530 are formed on the lower end plate 106 of this embodiment. The erected portions 530 are cylindrical and protrude downward (Z-axis negative direction side) from the flat portion 510 of the lower end plate 106, and surround the end through hole 107 of the lower end plate 106 when viewed in the up-down direction. The erected portions 530 are integrally formed on the flat portion 510. In this embodiment, the inner wall surface of the lower end plate 106 that defines the end through hole 107 and the inner peripheral wall of the erected portions 530 are connected flush with each other without any steps. The lower end plate 106 is an example of a first member in the claims, and the end through hole 107 is an example of a first through hole in the claims.

ガス通路部材27は、下側エンドプレート106の立設部530に接続されており、ガス通路部材27のガス流路が下側エンドプレート106のエンド貫通孔107に連通している。具体的には、ガス通路部材27の先端部分28aが立設部530の内周側に挿入されており、ガス通路部材27の先端部分28aと立設部530とが、例えば溶接等により接合されている。ガス通路部材27は、特許請求の範囲における筒状部材の一例である。 The gas passage member 27 is connected to the erected portion 530 of the lower end plate 106, and the gas flow path of the gas passage member 27 communicates with the end through-hole 107 of the lower end plate 106. Specifically, the tip portion 28a of the gas passage member 27 is inserted into the inner periphery of the erected portion 530, and the tip portion 28a of the gas passage member 27 and the erected portion 530 are joined, for example, by welding. The gas passage member 27 is an example of a cylindrical member in the claims.

下側エンドプレート106と下側ターミナルプレート420との間には、ガラス製のガラスシール部材197が配置されている。ガラスシール部材197は、上下方向視で発電ブロック103に形成された連通孔108(以下、「ブロック連通孔108B」という)の周囲に枠状に配置されている。ガラスシール部材197は、上下方向に互いに隣り合う部材同士(下側エンドプレート106、下側ターミナルプレート420)を接合する部材である。ガラスシール部材197の厚みは例えば1.0mm以上、1.5mm以下とすることができる。ガラスシール部材197は、特許請求の範囲における接合部材の一例であり、下側ターミナルプレート420は、特許請求の範囲における第2の部材の一例である。 A glass seal member 197 made of glass is disposed between the lower end plate 106 and the lower terminal plate 420. The glass seal member 197 is disposed in a frame shape around the communication hole 108 (hereinafter referred to as "block communication hole 108B") formed in the power generation block 103 when viewed in the vertical direction. The glass seal member 197 is a member that joins adjacent members in the vertical direction (the lower end plate 106 and the lower terminal plate 420). The thickness of the glass seal member 197 can be, for example, 1.0 mm or more and 1.5 mm or less. The glass seal member 197 is an example of a joining member in the scope of the claims, and the lower terminal plate 420 is an example of a second member in the scope of the claims.

図11に示すように、ガラスシール部材197は、上下方向視で、下側エンドプレート106における接続周囲部520bよりも外側に配置されている。接続周囲部520bは、上下方向視で、下側エンドプレート106(平面部510)のうち、ガス通路部材27における立設部530との接続部分の外形線(図11において、ガス通路部材27の本体部28の先端部分28aの輪郭線)を取り囲む部分である。具体的には、ガラスシール部材197は、挿通孔197aが形成された枠状部材であり、上下方向視で、挿通孔197aの輪郭線が、下側エンドプレート106のエンド貫通孔107の周囲を取り囲んでいる。ガラスシール部材197の内径と外径との差は、例えば2mm以上、4mm以下とすることができる。上下方向視で、挿通孔197aの輪郭線は、全周にわたって、下側エンドプレート106の接続周囲部520bよりも外側に位置している。挿通孔197aは、特許請求の範囲における第2の貫通孔の一例である。 11, the glass seal member 197 is disposed outside the connection periphery 520b of the lower end plate 106 in the vertical view. The connection periphery 520b is a portion of the lower end plate 106 (flat portion 510) that surrounds the outline of the connection portion with the erected portion 530 of the gas passage member 27 (the outline of the tip portion 28a of the body portion 28 of the gas passage member 27 in FIG. 11) in the vertical view. Specifically, the glass seal member 197 is a frame-shaped member in which an insertion hole 197a is formed, and the outline of the insertion hole 197a surrounds the periphery of the end through hole 107 of the lower end plate 106 in the vertical view. The difference between the inner diameter and the outer diameter of the glass seal member 197 can be, for example, 2 mm or more and 4 mm or less. When viewed from the top and bottom, the contour of the insertion hole 197a is located outside the connection periphery 520b of the lower end plate 106 along its entire circumference. The insertion hole 197a is an example of a second through hole in the claims.

図11中の符号Oは、ガス通路部材27の接続部分(先端部分28a)の外形線により囲まれた空間の中心(以下、「接続部分の中心O」という)である。上下方向視で、少なくとも、接続部分の中心Oから互いに異なる方向に延びる2本の仮想直線L1,L2上において、ガス通路部材27の接続部分とガラスシール部材197との離間距離は互いに異なっている。具体的には、図11に示すように、第1の仮想直線L1(接続部分の中心OからY軸負方向に延びる仮想直線)上における接続部分とガラスシール部材197との第1の離間距離D1と、第2の仮想直線L2(接続部分の中心OからY軸正方向に延びる仮想直線)上における接続部分とガラスシール部材197との第2の離間距離D2とは互いに異なっている。換言すれば、本実施形態では、中心Oを通る一の仮想直線L1(L2)上において存在する、接続部分とガラスシール部材197との2つの離間距離D1,D2は互いに異なっている。 11 indicates the center of the space surrounded by the outline of the connection portion (tip portion 28a) of the gas passage member 27 (hereinafter referred to as "center O of the connection portion"). When viewed in the up-down direction, at least on two imaginary straight lines L1 and L2 extending in different directions from the center O of the connection portion, the distances between the connection portion of the gas passage member 27 and the glass seal member 197 are different from each other. Specifically, as shown in FIG. 11, the first distance D1 between the connection portion and the glass seal member 197 on the first imaginary straight line L1 (the imaginary straight line extending in the negative Y-axis direction from the center O of the connection portion) and the second distance D2 between the connection portion and the glass seal member 197 on the second imaginary straight line L2 (the imaginary straight line extending in the positive Y-axis direction from the center O of the connection portion) are different from each other. In other words, in this embodiment, the two separation distances D1, D2 between the connection portion and the glass seal member 197 on one imaginary straight line L1 (L2) passing through the center O are different from each other.

より具体的には、発電ブロック103のブロック連通孔108Bのうち、酸化剤ガス供給マニホールド161を構成するブロック連通孔108Bは、所定方向(Y軸方向)に延びる長孔である。上下方向視で、下側エンドプレート106のエンド貫通孔107(立設部530)は、ブロック連通孔108Bの輪郭線内において、上記所定方向において偏った位置(Y軸正方向側)に配置されている。ガラスシール部材197の挿通孔197aは、ブロック連通孔108Bよりも一回り大きい長孔であり、挿通孔197aの輪郭線は、ブロック連通孔108Bの周囲を取り囲んでいる。このような構成により、第1の離間距離D1は、第2の離間距離D2よりも長くなっている。 More specifically, of the block communication holes 108B of the power generation block 103, the block communication holes 108B constituting the oxidant gas supply manifold 161 are elongated holes extending in a predetermined direction (Y-axis direction). When viewed in the vertical direction, the end through-hole 107 (standing portion 530) of the lower end plate 106 is disposed at a position offset in the predetermined direction (positive Y-axis direction side) within the contour line of the block communication hole 108B. The insertion hole 197a of the glass seal member 197 is a elongated hole one size larger than the block communication hole 108B, and the contour line of the insertion hole 197a surrounds the periphery of the block communication hole 108B. With this configuration, the first separation distance D1 is longer than the second separation distance D2.

なお、本実施形態では、発電ブロック103のブロック連通孔108Bのうち、酸化剤ガス排出マニホールド162を構成するブロック連通孔108Bも、所定方向(Y軸方向)に延びる長孔である(図8等参照)。このため、この酸化剤ガス排出マニホールド162に連通するように配置されたガラスシール部材197も、同様に、ガス通路部材27の接続部分の中心を通る一の仮想直線上において存在する、接続部分との2つの離間距離は互いに異なっている。一方、燃料ガス供給マニホールド171と燃料ガス排出マニホールド172とをそれぞれ構成するブロック連通孔108Bは、円形の孔である(図8等参照)。本実施形態では、これらのマニホールド171,172に連通するように配置されたガラスシール部材197の中心は、ガス通路部材27の接続部分の中心に略一致するように配置されており、ガス通路部材27の接続部分とガラスシール部材197との離間距離は、全周にわたって略均一である。 In this embodiment, the block communication holes 108B of the power generation block 103 that constitute the oxidant gas exhaust manifold 162 are also elongated holes extending in a predetermined direction (Y-axis direction) (see FIG. 8, etc.). For this reason, the glass seal member 197 arranged to communicate with the oxidant gas exhaust manifold 162 also has two different distances from the connection part on a virtual straight line passing through the center of the connection part of the gas passage member 27. On the other hand, the block communication holes 108B that respectively constitute the fuel gas supply manifold 171 and the fuel gas exhaust manifold 172 are circular holes (see FIG. 8, etc.). In this embodiment, the center of the glass seal member 197 arranged to communicate with these manifolds 171, 172 is arranged so as to approximately coincide with the center of the connection part of the gas passage member 27, and the distance between the connection part of the gas passage member 27 and the glass seal member 197 is approximately uniform over the entire circumference.

下側エンドプレート106のうち、上下方向視で、ガラスシール部材197と重なる重複部510aの剛性は、接続周囲部520bの剛性よりも高い。具体的には、図10に示すように、下側エンドプレート106の平面部510の下面には、補強部523が設けられている。補強部523は、例えば金属製であり、平面部510の下面に接合されている。補強部523は、上下方向視で、下側エンドプレート106の接続周囲部520bの周囲を取り囲むように形成されている。なお、補強部523は、耐熱性材料や、下側エンドプレート106やガス通路部材27等と同一材料または熱膨張率が同じ材料により形成されていることが好ましく、例えば金属(フェライト系ステンレス等)により形成されている。 The rigidity of the overlapping portion 510a of the lower end plate 106 that overlaps with the glass seal member 197 in the vertical view is higher than the rigidity of the connection peripheral portion 520b. Specifically, as shown in FIG. 10, a reinforcing portion 523 is provided on the lower surface of the flat portion 510 of the lower end plate 106. The reinforcing portion 523 is made of, for example, metal and is joined to the lower surface of the flat portion 510. The reinforcing portion 523 is formed so as to surround the periphery of the connection peripheral portion 520b of the lower end plate 106 in the vertical view. The reinforcing portion 523 is preferably formed of a heat-resistant material, or the same material as the lower end plate 106, the gas passage member 27, etc., or a material having the same thermal expansion coefficient, and is formed of, for example, a metal (ferritic stainless steel, etc.).

A-4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100は、上下方向視で、下側エンドプレート106における接続周囲部520bよりも外側に配置されている(図10および図11参照)。そのため、仮に、ガス通路部材27の変位に伴って下側エンドプレート106の接続周囲部520bが変形しても、その変形がガラスシール部材197に伝わりにくい。これにより、本実施形態によれば、ガス通路部材27の変位に起因してガラスシール部材197による接合箇所が損傷することを抑制することができる。なお、ガス通路部材27の変位は、例えば、立設部530の軸方向(Z軸方向)への移動や、ガス通路部材27の基端側(下端側)の該軸方向に対する傾きである。また、ガス通路部材27の変位の発生要因は、例えば、ガス通路部材27と下側エンドプレート106等との熱膨張差により生じる応力や、ガス通路部材27に対する外力である。
A-4. Advantages of this embodiment:
As described above, the fuel cell stack 100 of this embodiment is disposed outside the connection peripheral portion 520b of the lower end plate 106 in the vertical view (see FIGS. 10 and 11). Therefore, even if the connection peripheral portion 520b of the lower end plate 106 is deformed due to the displacement of the gas passage member 27, the deformation is not easily transmitted to the glass seal member 197. As a result, according to this embodiment, it is possible to suppress damage to the joint portion of the glass seal member 197 caused by the displacement of the gas passage member 27. The displacement of the gas passage member 27 is, for example, the movement of the erected portion 530 in the axial direction (Z-axis direction) or the inclination of the base end side (lower end side) of the gas passage member 27 with respect to the axial direction. The displacement of the gas passage member 27 is caused by, for example, stress caused by a difference in thermal expansion between the gas passage member 27 and the lower end plate 106, etc., or an external force on the gas passage member 27.

本実施形態では、ガラスシール部材197が、下側エンドプレート106と、それに隣り合う下側ターミナルプレート420との間に配置されている(図10参照)。このようにガラスシール部材197が下側エンドプレート106の変形箇所に近い位置に配置された構成であっても、本発明を適用することにより、ガス通路部材27の変位に起因してガラスシール部材197による接合箇所が損傷することを抑制することができる。 In this embodiment, the glass seal member 197 is disposed between the lower end plate 106 and the adjacent lower terminal plate 420 (see FIG. 10). Even in this configuration in which the glass seal member 197 is disposed in a position close to the deformation location of the lower end plate 106, the application of the present invention can prevent damage to the joints of the glass seal member 197 due to the displacement of the gas passage member 27.

本実施形態では、下側エンドプレート106のうち、上下方向視で、ガラスシール部材197と重なる重複部510aの剛性は、接続周囲部520bの剛性よりも高い(図10参照)。そのため、下側エンドプレート106の接続周囲部520bが変形しても、下側エンドプレート106の重複部510aは変形しにくい。これにより、下側エンドプレート106の変形がガラスシール部材197に伝わることが抑制され、ガス通路部材27の変位に起因してガラスシール部材197による接合箇所が損傷することを効果的に抑制することができる。 In this embodiment, the rigidity of the overlapping portion 510a of the lower end plate 106 that overlaps with the glass seal member 197 when viewed in the vertical direction is higher than the rigidity of the connection periphery 520b (see FIG. 10). Therefore, even if the connection periphery 520b of the lower end plate 106 is deformed, the overlapping portion 510a of the lower end plate 106 is less likely to deform. This prevents the deformation of the lower end plate 106 from being transmitted to the glass seal member 197, and effectively prevents damage to the joint of the glass seal member 197 due to the displacement of the gas passage member 27.

本実施形態では、上下方向視で、少なくとも、接続部分の中心Oから互いに異なる方向に延びる2本の仮想直線L1,L2上において、ガス通路部材27の接続部分とガラスシール部材197との離間距離は互いに異なっている(図11参照)。本実施形態によれば、例えばガス通路部材27が、上記離間距離が長い方向(第1の離間距離D1)側の接続周囲部520bを変形させる向きに変位した場合においてガラスシール部材197による接合箇所が損傷することを効果的に抑制することができる。本実施形態では、図11に示すように、下側エンドプレート106のエンド貫通孔107は、下側ターミナルプレート420(発電ブロック103)に形成されたブロック連通孔108Bに対して偏った位置に配置されている。このため、下側エンドプレート106(平面部510)のうち、第1の離間距離D1側の部分は、第2の離間距離D2側の部分に比べて変形しやすい。これに対して、本実施形態では、第1の離間距離D1は、第2の離間距離D2よりも長いため、ガス通路部材27が第1の離間距離D1側の接続周囲部520bを変形させる向きに変位した場合においてガラスシール部材197による接合箇所が損傷することを効果的に抑制することができる。 In this embodiment, the distances between the connection portion of the gas passage member 27 and the glass seal member 197 are different from each other on at least two imaginary straight lines L1 and L2 extending in different directions from the center O of the connection portion when viewed in the up-down direction (see FIG. 11). According to this embodiment, for example, when the gas passage member 27 is displaced in a direction that deforms the connection peripheral portion 520b on the side in which the separation distance is longer (first separation distance D1), damage to the joint portion by the glass seal member 197 can be effectively suppressed. In this embodiment, as shown in FIG. 11, the end through hole 107 of the lower end plate 106 is disposed at a position offset from the block communication hole 108B formed in the lower terminal plate 420 (power generation block 103). Therefore, the portion of the lower end plate 106 (flat portion 510) on the first separation distance D1 side is more easily deformed than the portion on the second separation distance D2 side. In contrast, in this embodiment, the first separation distance D1 is longer than the second separation distance D2, so that when the gas passage member 27 is displaced in a direction that deforms the connection periphery 520b on the first separation distance D1 side, damage to the joint by the glass seal member 197 can be effectively prevented.

B.変形例:
本明細書に開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the spirit of the invention. For example, the following modifications are also possible.

上記実施形態における燃料電池スタック100や発電単位102の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。 The configuration of the fuel cell stack 100 and the power generation unit 102 in the above embodiment is merely an example and can be modified in various ways.

上記実施形態では、下側エンドプレート106のうち、連通孔108を画定する内壁面と、立設部530の内周壁とは、段差がなく面一でつながっていたが、これに限らず、例えば、上下方向視で、立設部530の内周壁が、連通孔108を画定する内壁面よりも外側に位置する構成でもよい。上記実施形態では、第1の貫通孔として、下側エンドプレート106に形成された円形状や長孔状の連通孔108を例示したが、これに限らず、例えば矩形状や多角形状の貫通孔でもよい。 In the above embodiment, the inner wall surface of the lower end plate 106 that defines the communication hole 108 and the inner peripheral wall of the erected portion 530 are connected flush with each other without any steps, but this is not limited thereto, and for example, the inner peripheral wall of the erected portion 530 may be located outside the inner wall surface that defines the communication hole 108 when viewed in the vertical direction. In the above embodiment, a circular or elongated communication hole 108 formed in the lower end plate 106 is exemplified as the first through hole, but this is not limited thereto, and a rectangular or polygonal through hole may be used, for example.

上記実施形態において、下側エンドプレート106の立設部530がガス通路部材27の先端部分28a内に挿入された構成や、立設部530の下端面とガス通路部材27の上端面とが突き合わされて接合された構成でもよい。上記実施形態では、筒状部材の一例として、ガス流路が形成されたガス通路部材27を例示したが、これに限らず、第1の部材の立設部に接続される部材であれば、ガス流路を構成しない、単なる筒状の部材でもよい。また、筒状部材の形状は、ガス通路部材27のような直線状に限らず、曲がった形状でもよい。 In the above embodiment, the erected portion 530 of the lower end plate 106 may be inserted into the tip portion 28a of the gas passage member 27, or the lower end surface of the erected portion 530 may be butted against the upper end surface of the gas passage member 27 and joined. In the above embodiment, the gas passage member 27 in which a gas flow path is formed is illustrated as an example of a cylindrical member, but this is not limited to this, and a simple cylindrical member that does not form a gas flow path may be used as long as it is a member connected to the erected portion of the first member. In addition, the shape of the cylindrical member is not limited to a straight shape like the gas passage member 27, and may be a curved shape.

上記実施形態では、接合部材として、ガラス製のガラスシール部材197を例示したが、接合機能を有する部材であれば、ガラス以外の材料(例えば金属や樹脂製)により形成されたものでもよい。また、上記実施形態では、ガラスシール部材197は、上下方向視で、下側エンドプレート106に形成された連通孔108の周囲を取り囲むように形成され(図11参照)、ガス漏れを抑制するシール部材として機能したが、これに限らず、例えば、ガラスシール部材197が、下側エンドプレート106に形成された連通孔108の周囲の一部だけに形成された構成でもよい。 In the above embodiment, the glass seal member 197 made of glass is exemplified as the joining member, but any member having a joining function may be formed of a material other than glass (e.g., metal or resin). Also, in the above embodiment, the glass seal member 197 is formed so as to surround the periphery of the communication hole 108 formed in the lower end plate 106 when viewed in the vertical direction (see FIG. 11), and functions as a seal member that suppresses gas leakage, but this is not limited thereto, and for example, the glass seal member 197 may be formed only in a portion of the periphery of the communication hole 108 formed in the lower end plate 106.

上記実施形態では、第2の部材として、下側エンドプレート106に対して上下方向に隣り合う下側ターミナルプレート420を例示したが、これに限らず、下側エンドプレート106に対して上下方向に隣り合わない部材でもよい。例えば、上記実施形態において、下側エンドプレート106と下側ターミナルプレート420との間に、1または複数の中間部材が配置された構成でもよい。この構成において、接合部材は、下側エンドプレート106と中間部材とを接合する部材でもよいし、下側ターミナルプレート420と中間部材とを接合する部材でもよいし、中間部材同士を接合する部材でもよい。 In the above embodiment, the lower terminal plate 420 adjacent to the lower end plate 106 in the vertical direction is exemplified as the second member, but this is not limited thereto, and a member that is not adjacent to the lower end plate 106 in the vertical direction may be used. For example, in the above embodiment, one or more intermediate members may be disposed between the lower end plate 106 and the lower terminal plate 420. In this configuration, the joining member may be a member that joins the lower end plate 106 and the intermediate member, a member that joins the lower terminal plate 420 and the intermediate member, or a member that joins the intermediate members together.

上記実施形態では、下側エンドプレート106の重複部510aの剛性を、接続周囲部520bの剛性よりも高くする手段として、下側エンドプレート106に補強部523を設けた構成が採用されていた。その他の手段として、下側エンドプレート106の重複部510aの肉厚を、接続周囲部520bの肉厚よりも厚くする構成(重複部510aと接続周囲部520bとは同一材料により形成)や、下側エンドプレート106の重複部510aにリブ等を形成する構成などを採用してもよい。 In the above embodiment, a configuration in which a reinforcing portion 523 is provided on the lower end plate 106 is adopted as a means for making the rigidity of the overlapping portion 510a of the lower end plate 106 higher than the rigidity of the connection peripheral portion 520b. Other means may be adopted, such as making the thickness of the overlapping portion 510a of the lower end plate 106 thicker than the thickness of the connection peripheral portion 520b (the overlapping portion 510a and the connection peripheral portion 520b are formed from the same material) or forming a rib or the like on the overlapping portion 510a of the lower end plate 106.

上記実施形態において、異なる方向に延びる2本の仮想直線として、接続部分の中心Oから互いに反対方向に延びる仮想直線L1,L2を例示したが、これに限らず、互いに交差する方向に延びる2本の仮想直線でもよい。例えば、図11の構成に対して、エンド貫通孔107が、ブロック連通孔108Bに対して、ブロック連通孔108Bの長手方向(Y軸方向)において中央に位置する構成でもよい。この構成では、接続部分の中心Oから互いに直交する方向(Y軸方向、X軸方向)にそれぞれ延びる2本の仮想直線上において、ガス通路部材27の接続部分とガラスシール部材197との離間距離が互いに異なっている。このような構成であれば、ガス通路部材27がY軸方向側に変位した場合においてガラスシール部材197による接合箇所が損傷することを効果的に抑制することができる。 In the above embodiment, as two imaginary straight lines extending in different directions, imaginary straight lines L1 and L2 extending in opposite directions from the center O of the connection portion are illustrated, but the present invention is not limited to this, and two imaginary straight lines extending in intersecting directions may be used. For example, in the configuration of FIG. 11, the end through hole 107 may be located at the center of the block communication hole 108B in the longitudinal direction (Y-axis direction) of the block communication hole 108B. In this configuration, the separation distance between the connection portion of the gas passage member 27 and the glass seal member 197 is different on two imaginary straight lines extending from the center O of the connection portion in mutually orthogonal directions (Y-axis direction, X-axis direction). With this configuration, it is possible to effectively prevent damage to the joint by the glass seal member 197 when the gas passage member 27 is displaced in the Y-axis direction.

上記実施形態では、一対のエンドプレート104,106に孔32,34が形成されているが、一対のエンドプレート104,106の少なくとも一方について該孔32,34が形成されていなくてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック100が一対のターミナルプレート410,420を備えているが、他の部材(例えば、一対のエンドプレート104,106)をターミナルプレートとしても機能させ、専用部材としてのターミナルプレート410,420を省略してもよい。 In the above embodiment, the holes 32, 34 are formed in the pair of end plates 104, 106, but the holes 32, 34 do not have to be formed in at least one of the pair of end plates 104, 106. Also, in the above embodiment, the fuel cell stack 100 includes a pair of terminal plates 410, 420, but other members (e.g., the pair of end plates 104, 106) may also function as terminal plates, and the terminal plates 410, 420 as dedicated members may be omitted.

上記実施形態では、単セル用セパレータ120が、内側部126と外側部127との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状の連結部128を有しているが、連結部128の形状は他の形状であってもよい。また、単セル用セパレータ120が連結部128を有さなくてもよい。IC用セパレータ180における連結部188についても同様である。 In the above embodiment, the single cell separator 120 has a curved connecting portion 128 that protrudes downward from both the inner portion 126 and the outer portion 127, but the shape of the connecting portion 128 may be other shapes. Also, the single cell separator 120 does not have to have the connecting portion 128. The same applies to the connecting portion 188 in the IC separator 180.

上記実施形態では、単セル用セパレータ120における孔121付近にガラスシール部125が配置されているが、ガラスシール部125は省略されてもよい。 In the above embodiment, the glass seal portion 125 is disposed near the hole 121 in the single cell separator 120, but the glass seal portion 125 may be omitted.

上記実施形態では、インターコネクタ190は導電性の被覆層194を含んでいるが、インターコネクタ190が該被覆層194を含んでいなくてもよい。また、上記実施形態では、単セル110が反応防止層118を有しているが、単セル110が反応防止層118を有さないとしてもよい。 In the above embodiment, the interconnector 190 includes a conductive coating layer 194, but the interconnector 190 does not necessarily have to include the coating layer 194. Also, in the above embodiment, the single cell 110 includes a reaction prevention layer 118, but the single cell 110 does not necessarily have to include the reaction prevention layer 118.

上記実施形態では、単セル110は燃料極支持形の単セルであるが、電解質支持形や金属支持形等の他のタイプの単セルであってもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック100がカウンターフロータイプの燃料電池であるが、燃料電池スタック100がコフロータイプといった他のタイプの燃料電池であってもよい。 In the above embodiment, the single cell 110 is an anode-supported single cell, but it may be another type of single cell, such as an electrolyte-supported or metal-supported type. Also, in the above embodiment, the fuel cell stack 100 is a counterflow type fuel cell, but the fuel cell stack 100 may be another type of fuel cell, such as a coflow type.

上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる単セル110の個数(発電単位102の個数)は、あくまで一例であり、単セル110の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。 In the above embodiment, the number of unit cells 110 (the number of power generation units 102) included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of unit cells 110 is determined appropriately depending on the output voltage required for the fuel cell stack 100. In addition, the materials constituting each member in the above embodiment are merely examples, and each member may be composed of other materials.

上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本明細書に開示される技術は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解セル単位や、電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セル単位および電解セルスタックの構成は、例えば特開2016-81813号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における発電単位102および燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、マニホールドを介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、マニホールドを介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用すると、ガス通路部材27の変位に起因して接合部材による接合箇所が損傷することを抑制することができる。 In the above embodiment, the subject is an SOFC that generates electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen contained in a fuel gas and oxygen contained in an oxidant gas. However, the technology disclosed in this specification can be similarly applied to an electrolysis cell unit, which is a constituent unit of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water, and an electrolysis cell stack having a plurality of electrolysis cell units. The configurations of the electrolysis cell unit and the electrolysis cell stack are publicly known, for example, as described in JP 2016-81813 A, and will not be described in detail here, but are generally similar to the configurations of the power generation unit 102 and the fuel cell stack 100 in the above embodiment. That is, the fuel cell stack 100 in the above embodiment may be read as an electrolysis cell stack, the power generation unit 102 as an electrolysis cell unit, and the single cell 110 as an electrolysis single cell. However, when the electrolysis cell stack is operated, a voltage is applied between the electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode), and water vapor is supplied as a raw material gas through a manifold. As a result, a water electrolysis reaction occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is extracted to the outside of the electrolysis cell stack via the manifold. Even in an electrolysis cell stack with such a configuration, if a configuration similar to that of the above embodiment is adopted, damage to the joints of the joining members due to displacement of the gas passage member 27 can be suppressed.

上記実施形態では、いわゆる平板型の燃料電池スタックを例に用いて説明したが、本明細書に開示される技術は、以下に説明するように、平板型に限らず、他のタイプ(いわゆる円筒平板型や円筒形)の燃料電池スタックにも同様に適用可能である。 In the above embodiment, a so-called flat plate type fuel cell stack has been used as an example, but the technology disclosed in this specification is not limited to the flat plate type and can be similarly applied to other types of fuel cell stacks (so-called cylindrical flat plate type and cylindrical type) as described below.

上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本明細書に開示される技術は、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。さらに、本明細書に開示される技術は、電気化学反応セルスタック等に限らず、第1の貫通孔および立設部を備える第1の部材と、その立設部に接続される筒状部材と、第2の部材と、第1の部材と第2の部材との接合する接合部材とを備える複合体にも適用可能である。 In the above embodiment, a solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example, but the technology disclosed in this specification can also be applied to other types of fuel cells (or electrolytic cells), such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), and a molten carbonate fuel cell (MCFC). Furthermore, the technology disclosed in this specification is not limited to electrochemical reaction cell stacks, but can also be applied to a composite body including a first member having a first through hole and an upright portion, a cylindrical member connected to the upright portion, a second member, and a joining member that joins the first member and the second member.

22:ボルト 24:ナット 26:ガス貫通孔 27:ガス通路部材 28:本体部 28a:先端部分 29:フランジ部 100:燃料電池スタック 102:発電単位 103:発電ブロック 104:上側エンドプレート 106:下側エンドプレート 107:エンド貫通孔 108:連通孔 108B:ブロック連通孔 109:ボルト孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 118:反応防止層 120:単セル用セパレータ 121:貫通孔 124:接合部 125:ガラスシール部 130:空気極側フレーム 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電部 140:燃料極側フレーム 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電部材 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:平板部 161:酸化剤ガス供給マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス供給マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 180:IC用セパレータ 189:下端プレート 190:インターコネクタ 194:被覆層 196:導電性接合材 197:ガラスシール部材 197a:挿通孔 200:絶縁部 210:末端セパレータ 220:上端プレート 310,510:平面部 320,520:凸部 322,522:外側凸部 324,524:内側凸部 410,420:ターミナルプレート 510a:重複部 520b:接続周囲部 523:補強部 530:立設部 600:補強部材 610:平板部分 620:筒部分 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス 22: Bolt 24: Nut 26: Gas through hole 27: Gas passage member 28: Main body 28a: Tip portion 29: Flange portion 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 103: Power generation block 104: Upper end plate 106: Lower end plate 107: End through hole 108: Communication hole 108B: Block communication hole 109: Bolt hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 118: Reaction prevention layer 120: Single cell separator 121: Through hole 124: Joint 125: Glass seal portion 130: Air electrode side frame 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas exhaust communication hole 134: Air electrode side current collecting portion 140: Fuel electrode side frame 142: Fuel gas supply passage 143: Fuel gas exhaust passage 144: Fuel electrode side current collecting member 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing portion 147: Connection portion 149: Spacer 150: Flat plate portion 161: Oxidant gas supply manifold 162: Oxidant gas exhaust manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas supply manifold 172: Fuel gas exhaust manifold 176: Fuel chamber 180: IC separator 189: Lower end plate 190: Interconnector 194: Covering layer 196: Conductive bonding material 197: Glass seal member 197a: Insertion hole 200: Insulating portion 210: Terminal separator 220: Upper end plate 310, 510: Flat portion 320, 520: Convex portion 322, 522: Outer convex portion 324, 524: Inner convex portion 410, 420: Terminal plate 510a: Overlap portion 520b: Connection periphery 523: Reinforcement portion 530: Standing portion 600: Reinforcement member 610: Flat plate portion 620: Cylinder portion FG: Fuel gas FOG: Fuel off-gas OG: Oxidizer gas OOG: Oxidizer off-gas

Claims (4)

第1の方向に貫通する第1の貫通孔が形成されるとともに、前記第1の方向の一方側に突出し、かつ、前記第1の貫通孔を囲む筒状の立設部が形成されている第1の部材と、
前記第1の部材の前記第1の貫通孔に連通するように前記立設部に溶接されている筒状部材と、
前記第1の部材に対して前記第1の方向の他方側に配置されており、前記第1の貫通孔と連通する連通孔を有する第2の部材と、
前記第1の部材と前記第2の部材との間に配置され、かつ、前記第1の方向視で前記第1の貫通孔の周囲に配置されている接合部材と、を備える、複合体において、
前記第1の方向視で、前記接合部材は、前記筒状部材のうち、前記立設部との接続部分の外形線を取り囲む部分である前記第1の部材の接続周囲部よりも外側に配置されており、
前記第1の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルを有している、電気化学反応ブロックを備え、
前記電気化学反応ブロックが、前記第1の部材および前記筒状部材に対して前記第1の方向の他方側に配置され、
前記第2の部材が、前記電気化学反応ブロックと前記第1の部材との間に配置されており、
前記筒状部材の内部空間がガス流路となっており、
各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極との間でガスのやり取りを行うマニホールドが、前記電気化学反応ブロックの内部から前記第1の部材の前記第1の貫通孔および前記第2の部材の前記連通孔を介して前記筒状部材に至るように形成されており、前記マニホールドが前記ガス流路と連通している、電気化学反応セルスタックである、
ことを特徴とする複合体。
a first member having a first through hole penetrating in a first direction and a cylindrical erected portion protruding to one side in the first direction and surrounding the first through hole;
a cylindrical member welded to the standing portion so as to communicate with the first through hole of the first member;
a second member disposed on the other side of the first member in the first direction and having a communication hole communicating with the first through hole ;
A joint member is disposed between the first member and the second member and disposed around the first through hole when viewed in the first direction.
When viewed in the first direction, the joining member is disposed outside a connection periphery of the first member, the connection periphery being a portion of the tubular member that surrounds an outline of a connection portion of the tubular member with the erected portion ,
an electrochemical reaction block including a plurality of electrochemical reaction units arranged in the first direction, each of the electrochemical reaction units having an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and an anode facing each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween;
the electrochemical reaction block is disposed on the other side of the first direction with respect to the first member and the tubular member;
the second member is disposed between the electrochemical reaction block and the first member;
The internal space of the cylindrical member serves as a gas flow path,
a manifold for exchanging gas between a specific electrode, which is at least one of the air electrode and the fuel electrode, in each of the electrochemical reaction units is formed so as to extend from the inside of the electrochemical reaction block to the cylindrical member via the first through hole of the first member and the communication hole of the second member , and the manifold is in communication with the gas flow path.
A complex characterized by:
請求項1に記載の複合体において、
前記第2の部材は、前記第1の部材に対して前記第1の方向の他方側に隣り合うように配置されている、
ことを特徴とする複合体。
2. The composite of claim 1 ,
The second member is disposed adjacent to the first member on the other side in the first direction.
A complex characterized by:
請求項1または請求項2に記載の複合体において、
前記第1の部材のうち、前記第1の方向視で前記接合部材と重なる重複部の剛性は、前記接続周囲部の剛性よりも高い、
ことを特徴とする複合体。
In the complex according to claim 1 or 2,
The rigidity of an overlapping portion of the first member that overlaps with the joining member when viewed in the first direction is higher than the rigidity of the connection periphery portion.
A complex characterized by:
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の複合体において、
前記接合部材は、前記第1の方向視で前記第1の貫通孔の周囲を囲む第2の貫通孔が形成されており、
前記第1の方向視で、少なくとも、前記筒状部材の前記接続部分の外形線により囲まれた空間の中心から互いに異なる方向に延びる2本の仮想直線上において、前記筒状部材の前記接続部分と前記接合部材との離間距離は互いに異なっている、
ことを特徴とする複合体。
The composite according to any one of claims 1 to 3,
The joining member has a second through hole formed therein surrounding the first through hole when viewed in the first direction,
When viewed in the first direction, at least on two imaginary straight lines extending in different directions from a center of a space surrounded by an outline of the connection portion of the tubular member, the separation distances between the connection portion of the tubular member and the joining member are different from each other.
A complex characterized by:
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