JP7715693B2 - Electrochemical reaction cell stack - Google Patents
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Description
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。 The technology disclosed in this specification relates to an electrochemical reaction cell stack.
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、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という。)が知られている。SOFCは、一般に、複数の構成単位(以下、「発電単位」という。)が所定の方向(以下、「第1の方向」という。)に並べて配置された燃料電池スタックの形態で利用される。各発電単位は、燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という。)と、単セル用セパレータとを有する。単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで上記所定の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを備える。また、単セル用セパレータには貫通孔が形成されており、単セル用セパレータにおける貫通孔を取り囲む部分が単セルの周縁部と接合されている。このような構成の単セル用セパレータにより、単セルの空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室とが区画される。 Solid oxide fuel cells (SOFCs) are a type of fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. SOFCs are generally used in the form of a fuel cell stack, in which multiple structural units (power generation units) are arranged in a predetermined direction (the first direction). Each power generation unit includes a fuel cell unit (simply referred to as a "unit cell") and a unit cell separator. The unit cell includes an electrolyte layer containing solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode that face each other in the predetermined direction across the electrolyte layer. The unit cell separator also has a through-hole formed in it, and the portion of the unit cell separator surrounding the through-hole is bonded to the periphery of the unit cell. A unit cell separator configured in this way separates the air chamber facing the air electrode of the unit cell from the fuel chamber facing the fuel electrode.
このような燃料電池スタックの中には、ガスの流れの阻害を抑制しつつ、単セル用セパレータの変形に起因して燃料電池スタックの性能が低下することを抑制するために、ガス流通部材を備えるものがある。単セル用セパレータは、第1の方向の一方側に突出するように湾曲した形状を有しており、この単セル用セパレータの湾曲した形状の平坦部分にガス流通部材が配置されている。ガス流通部材には、ガスが流れる孔と溝との少なくとも一方が形成されている。(例えば、特許文献1参照)。 Some such fuel cell stacks are equipped with gas flow members to prevent gas flow obstruction and to prevent performance degradation of the fuel cell stack due to deformation of the unit cell separators. The unit cell separators have a curved shape that protrudes to one side in the first direction, and a gas flow member is disposed on the flat portion of the curved shape of the unit cell separator. The gas flow member has at least one of holes and grooves formed therein through which gas flows. (See, for example, Patent Document 1.)
従来の燃料電池スタックの構成では、ガス流通部材が、単セル用セパレータにおける湾曲した形状の平坦部分に配置されている。しかし、単セル用セパレータは、例えば湾曲した形状の両側に位置する屈曲部分など、平坦部分よりも変形しやすい部分を有している。そのため、燃料室と空気室との間のガスの圧力差に起因して、燃料室と空気室とを区画する単セル用セパレータに応力が生じると、平坦部分よりも変形しやすい部分が優先的に変形する。その結果、各マニホールドと燃料室や空気室との間のガスの流れが阻害されて燃料電池スタックの性能が低下するおそれがある。すなわち、従来の燃料電池スタックの構成では、ガスの流れの阻害を抑制しつつ、単セル用セパレータの変形に起因して燃料電池スタックの性能が低下するという効果を得るために更なる改善の余地があった。 In conventional fuel cell stack configurations, gas flow members are positioned on the flat portions of the curved shape of the single-cell separator. However, single-cell separators have portions that are more easily deformed than the flat portions, such as the bent portions located on both sides of the curved shape. Therefore, when stress is generated in the single-cell separator that separates the fuel chamber and the air chamber due to a gas pressure difference between the fuel chamber and the air chamber, the portions that are more easily deformed than the flat portions deform preferentially. As a result, gas flow between each manifold and the fuel chamber or air chamber may be obstructed, potentially reducing fuel cell stack performance. In other words, conventional fuel cell stack configurations leave room for further improvement in order to achieve the effect of preventing fuel cell stack performance degradation due to deformation of the single-cell separator while suppressing gas flow obstruction.
なお、このような課題は、単セル用セパレータに限らず、マニホールドと、マニホールドと単セルとを連通する連通路とから構成されるガス流路を画定するガス流路画定部材を備える燃料電池スタックにも共通の課題である。また、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、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の課題である。 Note that this issue is not limited to unit cell separators, but is also common to fuel cell stacks equipped with gas flow path defining members that define gas flow paths composed of manifolds and communication paths that connect the manifolds to unit cells. This issue is also common to electrolysis cell stacks equipped with multiple electrolysis cell units, which are constituent units of solid oxide electrolysis cells (hereinafter referred to as "SOECs") that generate hydrogen using the electrolysis reaction of water. Note that in this specification, a fuel cell unit and an electrolysis cell are collectively referred to as an electrochemical reaction unit, a fuel cell power generation unit and an electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit, and a fuel cell stack and an electrolysis cell stack are collectively referred to as an electrochemical reaction cell stack. This issue is not limited to SOFCs and SOECs, but is also common to other types of electrochemical reaction cell stacks.
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 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電気化学反応セルスタックは、電解質層と、前記電解質層を挟んで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それぞれ有する複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、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形成されており、各前記電気化学反応単位には、前記マニホールドと前記特定電極とを連通する連通流路が形成されており、前記マニホールドと前記連通流路とから構成されるガス流路を画定する流路画定部材は、前記ガスの流れ方向に延びる板状の第1の画定部分と、前記ガスの流れ方向において前記第1の画定部分に隣接し、かつ、前記ガスの流れ方向に延びる板状の第2の画定部分とを有しており、前記第2の画定部分は、前記第1の画定部分よりも変形しやすく、前記ガス流路のうち、少なくとも、前記流路画定部材の前記第2の画定部分が画定する第2のガス流路に、ガスが流れる空間を形成する空間形成部を有するガス流通部材が配置されている。 (1) The electrochemical reaction cell stack disclosed in this specification is an electrochemical reaction cell stack having a plurality of electrochemical reaction units, each having an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other across the electrolyte layer, wherein a manifold is formed to exchange 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, and each of the electrochemical reaction units has a communication flow path that communicates the manifold with the specific electrode, and the manifold The flow path defining member, which defines the gas flow path composed of the hold and the communication flow path, has a plate-shaped first defining portion extending in the gas flow direction, and a plate-shaped second defining portion adjacent to the first defining portion in the gas flow direction and extending in the gas flow direction; the second defining portion is more easily deformed than the first defining portion; and a gas flow member having a space forming portion that forms a space through which gas flows is disposed in at least the second gas flow path defined by the second defining portion of the flow path defining member.
ガス流路を画定する流路画定部材の第2の画定部分は、相対的に変形しやすく、ガス流路の流路断面が減少する方向の変形が発生した場合にガス流路におけるガスの流れが阻害されて電気化学反応セルスタックの性能に悪影響を及ぼしやすい部分である。本電気化学反応セルスタックでは、ガス流路のうち、少なくとも、第2の画定部分が画定する第2のガス流路に、ガス流通部材が配置されている。そのため、ガス流通部材の存在により、流路画定部材における上述した変形しやすい第2の画定部分が、流路断面が減少する方向に変形することを抑制することができるため、該変形に起因してガス流路におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができ、ひいては電気化学反応セルスタックの性能が低下することを抑制することができる。また、ガス流通部材は、ガスが流れる空間を形成する空間形成部を有しているため、ガス流路内にガス流通部材を配置しても、ガス流路内におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができる。以上のことから、本電気化学反応セルスタックによれば、ガス流路内におけるガスの流れが阻害されることを抑制しつつ、流路画定部材の変形に起因して電気化学反応セルスタックの性能が低下することを抑制することができる。 The second defining portion of the flow path defining member that defines the gas flow path is relatively susceptible to deformation. Therefore, if deformation occurs in a direction that reduces the flow path cross-section of the gas flow path, the gas flow in the gas flow path is likely to be obstructed, adversely affecting the performance of the electrochemical reaction cell stack. In this electrochemical reaction cell stack, a gas distribution member is disposed in at least the second gas flow path that defines the second defining portion of the gas flow path. Therefore, the presence of the gas distribution member can prevent the second defining portion of the flow path defining member, which is susceptible to deformation, from deforming in a direction that reduces the flow path cross-section, thereby preventing obstruction of gas flow in the gas flow path due to such deformation and ultimately preventing performance degradation of the electrochemical reaction cell stack. Furthermore, because the gas distribution member has a space-forming portion that defines a space through which gas flows, obstruction of gas flow in the gas flow path can be prevented even when the gas distribution member is disposed within the gas flow path. Based on the above, this electrochemical reaction cell stack can prevent performance degradation of the electrochemical reaction cell stack due to deformation of the flow path defining member while preventing obstruction of gas flow in the gas flow path.
(2)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記ガス流通部材は、前記ガス流路の前記第2のガス流路に配置され、前記空間形成部が形成されたガス流通部分と、前記ガス流路のうち、前記流路画定部材の前記第1の画定部分が画定する第1のガス流路に配置され、前記ガス流通部分を支持する支持部分とを有している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックでは、相対的に変形しやすい第2のガス流路に配置されるガス流通部分が、相対的に変形しにくい第1のガス流路に配置される支持部分に支持されている。そのため、ガス流通部分が単体で第2のガス流路に配置された構成に比べて、第2のガス流路の変形に伴ってガス流通部分が第2のガス流路から外れた位置に移動することを抑制することができ、流路画定部材の変形に起因して電気化学反応セルスタックの性能が低下することを効果的に抑制することができる。 (2) In the above electrochemical reaction cell stack, the gas flow member may be configured to include a gas flow portion disposed in the second gas flow path of the gas flow path and having the space-forming portion formed therein, and a support portion disposed in a first gas flow path of the gas flow path defined by the first defining portion of the flow path defining member and supporting the gas flow portion. In this electrochemical reaction cell stack, the gas flow portion disposed in the second gas flow path, which is relatively easy to deform, is supported by the support portion disposed in the first gas flow path, which is relatively difficult to deform. Therefore, compared to a configuration in which the gas flow portion is disposed in the second gas flow path alone, it is possible to prevent the gas flow portion from moving to a position outside the second gas flow path due to deformation of the second gas flow path, and it is possible to effectively prevent a decrease in performance of the electrochemical reaction cell stack due to deformation of the flow path defining member.
(3)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記支持部分は、前記ガスの流れ方向に交差する方向に延伸している形状であり、前記ガス流通部分は、前記支持部分から前記第2のガス流路まで延びている複数の足部を有している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックでは、支持部分は、ガスの流れ方向に交差する方向に延伸している形状であるため、第1のガス流路に安定した状態で配置されることにより、第2のガス流路に対するガス流通部分の位置ずれをより効果的に抑制することができる。また、ガス流通部分は、支持部分から第2のガス流路まで延びている複数の足部であるため、例えば、ガス流通部分が支持部分に沿って延びる板状である構成に比べて、ガス流路内におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができる。 (3) In the above electrochemical reaction cell stack, the support portion may have a shape extending in a direction intersecting the gas flow direction, and the gas flow portion may have a plurality of legs extending from the support portion to the second gas flow path. In this electrochemical reaction cell stack, the support portion has a shape extending in a direction intersecting the gas flow direction, and is stably positioned in the first gas flow path, thereby more effectively suppressing misalignment of the gas flow portion with respect to the second gas flow path. Furthermore, because the gas flow portion is a plurality of legs extending from the support portion to the second gas flow path, obstruction of gas flow within the gas flow path can be suppressed compared to, for example, a configuration in which the gas flow portion is plate-shaped and extends along the support portion.
(4)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記ガスの流れ方向視で、前記複数の足部の間の溝の少なくとも一部は、前記支持部分から外れた位置に配置されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、支持部分の存在に起因してガス流路内におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができる。 (4) In the above electrochemical reaction cell stack, at least a portion of the grooves between the multiple legs may be positioned away from the support portions when viewed in the gas flow direction. This electrochemical reaction cell stack can prevent the flow of gas in the gas flow path from being obstructed by the presence of the support portions.
(5)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の足部の少なくとも一部の足部は、前記第1のガス流路内において、前記ガスの流れ方向と前記支持部分の延伸方向との両方に交差する方向に延びる部分を有している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第1のガス流路内におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができる。 (5) In the above electrochemical reaction cell stack, at least some of the multiple legs may have a portion that extends in the first gas flow path in a direction that intersects both the gas flow direction and the extension direction of the support portion. This electrochemical reaction cell stack can prevent the flow of gas in the first gas flow path from being obstructed.
(6)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記支持部分の延伸方向において、前記足部の幅は、互いに隣り合う前記足部同士の間の間隔よりも狭い構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、例えば、足部の幅が足部同士の間の間隔よりも広い構成に比べて、ガス流路内におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができる。 (6) In the above-described electrochemical reaction cell stack, the width of the foot portion in the extension direction of the support portion may be configured to be narrower than the distance between adjacent foot portions. With this electrochemical reaction cell stack, it is possible to suppress obstruction of gas flow within the gas flow path, compared to, for example, a configuration in which the width of the foot portion is wider than the distance between the foot portions.
(7)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記足部の剛性は、前記流路画定部材の前記第2の画定部分の剛性よりも高い構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、足部の存在により、ガス流路の断面積が減少する方向に第2の画定部分が変形することを、より確実に抑制することができるため、該変形に起因してガス流路におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができる。 (7) In the above electrochemical reaction cell stack, the rigidity of the foot portion may be configured to be greater than the rigidity of the second defining portion of the flow path defining member. According to this electrochemical reaction cell stack, the presence of the foot portion can more reliably prevent the second defining portion from deforming in a direction that reduces the cross-sectional area of the gas flow path, thereby preventing the flow of gas in the gas flow path from being obstructed due to such deformation.
(8)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記流路画定部材は、一対の前記第2の画定部分と、前記一対の第2の画定部分の間に位置する前記第1の画定部分と有し、かつ、ガスの流れ方向視で、前記第1の画定部分は、前記一対の前記第2の画定部分に対して前記流路画定部材の前記ガス流路とは反対側に外れた位置に位置しており、前記ガス流通部材は、前記一対の第2のガス流路のそれぞれに配置される一対の前記ガス流通部分を有している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、ガス流通部材が、一対のガス流通部分によって第1のガス流路を跨がるように配置されることによって第1のガス流路に空間が確保されやすくなるため、第2のガス流路だけでなく、第1のガス流路内におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができる。 (8) In the above electrochemical reaction cell stack, the flow path defining member may have a pair of the second defining portions and a first defining portion located between the pair of second defining portions, and the first defining portion may be located on the opposite side of the flow path of the flow path defining member from the pair of second defining portions as viewed in the gas flow direction, and the gas distribution member may have a pair of the gas distribution portions located in each of the pair of second gas flow paths. According to this electrochemical reaction cell stack, the gas distribution member is arranged so that the pair of gas distribution portions straddles the first gas flow path, which makes it easier to ensure space in the first gas flow path, and therefore makes it possible to prevent obstruction of gas flow not only in the second gas flow path but also in the first gas flow path.
(9)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記ガス流通部材は、前記流路画定部材に接触し、前記ガス流通部材の前記ガスの流れ方向の移動を規制する規制部を有している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、ガス流通部材がガスの流れ方向に移動することを効果的に抑制することができる。 (9) In the above electrochemical reaction cell stack, the gas flow member may have a restricting portion that contacts the flow path defining member and restricts movement of the gas flow member in the gas flow direction. This electrochemical reaction cell stack can effectively restrict movement of the gas flow member in the gas flow direction.
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、電気化学反応単セル(燃料電池単セルまたは電解単セル)、電気化学反応単セルと、貫通孔が形成され、貫通孔を取り囲む部分が電気化学反応単セルの周縁部と接合され、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、を有する単セル-セパレータ複合体、電気化学反応単セルを有する電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)、複数の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)、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, such as an electrochemical reaction unit cell (a fuel cell unit cell or an electrolysis unit cell), a unit cell-separator composite having an electrochemical reaction unit cell and a separator with a through-hole formed therein, the portion surrounding the through-hole being joined to the periphery of the electrochemical reaction unit cell, and separating an air chamber facing the air electrode from a fuel chamber facing the fuel electrode, an electrochemical reaction unit (a fuel cell power generation unit or an electrolysis cell unit) having an electrochemical reaction unit cell, an electrochemical reaction cell stack (a fuel cell stack or an electrolysis cell stack) having multiple electrochemical reaction units, or a manufacturing method thereof.
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(および後述する図8および図9)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(および後述する図8および図9)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(および後述する図8および図9)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。
A. Embodiments:
A-1. composition:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of a fuel cell stack 100 according to this embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 taken along line II-II in FIG. 1 (and FIGS. 8 and 9 , which will be described later). FIG. 3 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 taken along line III-III in FIG. 1 (and FIGS. 8 and 9 , which will be described later). FIG. 4 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 taken along line IV-IV in FIG. 1 (and FIGS. 8 and 9 , which will be described later). Each figure shows orthogonal X, Y, and Z axes for specifying directions. For convenience, the positive Z-axis direction will be referred to as the upward direction and the negative Z-axis direction will be referred to as the downward direction. However, the fuel cell stack 100 may actually be installed in an orientation different from these orientations. The same applies to FIG. 5 and subsequent figures.
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、下端用セパレータ189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、7つの発電単位102と下端用セパレータ189と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、一対のエンドプレート104,106のうちの他の(以下、「下側エンドプレート106」という。)は、発電ブロック103の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102と下端用セパレータ189とから構成される集合体(以下、「発電ブロック103」という。)を上下から挟むように配置されている。 The fuel cell stack 100 comprises a plurality (seven in this embodiment) of fuel cell power generation units (hereinafter simply referred to as "power generation units") 102, a lower-end separator 189, and a pair of end plates 104, 106. The seven power generation units 102 are arranged in a predetermined arrangement direction (vertical direction in this embodiment). One of the pair of end plates 104, 106 (hereinafter referred to as the "upper end plate 104") is located above an assembly (hereinafter referred to as the "power generation block 103") consisting of the seven power generation units 102 and the lower-end separator 189, and the other of the pair of end plates 104, 106 (hereinafter referred to as the "lower end plate 106") is located below the power generation block 103. The pair of end plates 104, 106 are arranged to sandwich the assembly (hereinafter referred to as the "power generation block 103") consisting of the seven power generation units 102 and the lower-end separator 189 from above and below.
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(上側エンドプレート104、各発電単位102、下端用セパレータ189)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つの角部付近における上側の表面には、孔(ネジ孔)が形成されている。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。 As shown in Figures 1 and 4, holes that penetrate each layer in the vertical direction are formed near the four corners of the outer periphery around the Z-axis of each layer (upper end plate 104, each power generating unit 102, and lower end separator 189) that make up the fuel cell stack 100, and holes (screw holes) are formed in the upper surface of the lower end plate 106 near the four corners of its outer periphery around the Z-axis. Corresponding holes formed in these layers are vertically connected to form bolt holes 109 that extend in the vertical direction. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form 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の下端部は下側エンドプレート106に形成されたネジ孔に螺号しており、各ボルト22の上端部にはナット24が嵌められている。ナット24の下側の表面は、絶縁シート26を介してエンドプレート104の上側の表面に当接している。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。なお、絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。 A bolt 22 is inserted into each bolt hole 109. The lower end of each bolt 22 threads into a threaded hole formed in the lower end plate 106, and a nut 24 is fitted onto the upper end of each bolt 22. The lower surface of the nut 24 abuts against the upper surface of the end plate 104 via an insulating sheet 26. The bolts 22 and nuts 24 configured in this way fasten the layers of the fuel cell stack 100 together. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, ceramic fiber sheet, ceramic powder sheet, glass sheet, glass ceramic composite, etc.
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、下端用セパレータ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。 As shown in Figures 1 to 3, four holes that penetrate each layer in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z axis direction of each layer (each power generation unit 102, lower-end separator 189, lower end plate 106) that make up the fuel cell stack 100, and corresponding holes formed in each layer are vertically connected to each other to form communication holes 108 that extend vertically from the uppermost power generation 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 holes 108 may also be referred to as communication holes 108.
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。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 of the two sides parallel to the Y-axis) that constitutes the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z-axis 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 supplied to the air chamber 166 (described later) of each power generation unit 102. Another communication hole 108 located near the opposite side (the side on the negative X-axis of the two sides parallel to the Y-axis) functions as an oxidant gas discharge manifold 162, which is a gas flow path through which oxidant off-gas OOG, which is gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102, is discharged to the outside of the fuel cell stack 100. Note that air, for example, is used as the oxidant gas OG.
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。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。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、特許請求の範囲におけるマニホールドの一例である。 1 and 3, among the sides constituting the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z axis, 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, a gas flow path through which fuel gas FG is introduced from outside the fuel cell stack 100 and supplied to the fuel chamber 176 described below of each power generation unit 102. 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, a gas flow path through which fuel off-gas FOG, a gas exhausted from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, is exhausted to the outside of the fuel cell stack 100. Note that the fuel gas FG may be, for example, a hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas. The fuel gas supply manifold 171 and the fuel gas exhaust manifold 172 are examples of manifolds within the scope of the claims.
図2および図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、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。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の本体部28の孔は、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の本体部28の孔は、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の本体部28の孔は、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の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。なお、各ガス通路部材27と下側エンドプレート106の表面との間には、絶縁シート26が介在している。 2 and 3, the fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 has a hollow cylindrical main body 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branching off from the side of the main body 28. The holes in the branch portion 29 are connected to the holes in the main body 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. As shown in FIG. 2, the hole in the main body 28 of the gas passage member 27 positioned at the position of the oxidant gas supply manifold 161 is connected to the oxidant gas supply manifold 161, and the hole in the main body 28 of the gas passage member 27 positioned at the position of the oxidant gas discharge manifold 162 is connected to the oxidant gas discharge manifold 162. As shown in FIG. 3 , the holes in the main body 28 of the gas passage member 27 positioned at the position of the fuel gas supply manifold 171 are connected to the fuel gas supply manifold 171, and the holes in the main body 28 of the gas passage member 27 positioned at the position of the fuel gas exhaust manifold 172 are connected to the fuel gas exhaust manifold 172. An insulating sheet 26 is interposed between each gas passage member 27 and the surface of the lower end plate 106.
(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、例えばステンレス等の導電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を内包している。そのため、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。また、本実施形態では、上側エンドプレート104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、下側エンドプレート106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 end plates 104, 106)
The pair of end plates 104, 106 are flat, plate-shaped members with a substantially rectangular outer shape as viewed in the Z-axis direction, and are made of a conductive material such as stainless steel. Holes 32, 34 are formed near the centers 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 encompass each of the unit cells 110 (described later). Therefore, the compressive force in the Z-axis direction generated by fastening the bolts 22 and nuts 24 acts primarily on the periphery of each power generating unit 102 (the portion outer than each of the unit cells 110 (described later)). In this embodiment, the upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.
(下端用セパレータ189の構成)
下端用セパレータ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、例えば金属により形成されている。下端用セパレータ189の周縁部は、発電ブロック103と下側エンドプレート106との間に挟み込まれた状態で、下側エンドプレート106と例えば溶接により接合されており、下側エンドプレート106と電気的に接続されている。
(Configuration of the lower end separator 189)
The lower-end separator 189 is a flat member having a substantially rectangular outer shape when viewed in the Z-axis direction, and is made of, for example, metal. The peripheral edge of the lower-end separator 189 is sandwiched between the power generation block 103 and the lower end plate 106, and is joined to the lower end plate 106 by welding, for example, and is electrically connected to the lower end plate 106.
(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から図7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から図7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. Also, Fig. 8 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generating unit 102 at the position VIII-VIII in Figs. 5 to 7, 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 Figs. 5 to 7.
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, an anode side frame 140, an anode side current collecting member 144, a pair of interconnectors 190 and a pair of IC separators 180 that form the top and bottom layers of the power generation unit 102. Holes that form the communication holes 108 that function as the manifolds 161, 162, 171, and 172, and holes that form the bolt holes 109, are formed in the peripheral portions around the Z-axis direction of the single cell separator 120, the air electrode side frame 130, the anode side frame 140, and the IC separator 180.
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。 The unit cell 110 comprises an electrolyte layer 112, an air electrode 114 disposed on one side (upper side) of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, an anode 116 disposed on the other side (lower side) of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, and a reaction prevention layer 118 disposed between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114. Note that the unit cell 110 of this embodiment is an anode-supported unit cell in which the anode 116 supports the other layers (electrolyte layer 112, air electrode 114, reaction prevention layer 118) that make up the unit cell 110.
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、SrZrO3)が生成されることを抑制する機能を有する。 The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular, flat-plate member when viewed in the Z-axis direction and is configured to contain 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 that is smaller than the electrolyte layer 112 when viewed in the Z-axis direction and is configured to contain, for example, a perovskite-type oxide (e.g., LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide)). The anode 116 is a substantially rectangular, flat-plate member that is substantially the same size as the electrolyte layer 112 when 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 that is substantially the same size as the air electrode 114 when viewed in the Z-axis direction and is configured to contain, for example, GDC (gadolinium-doped ceria). The reaction prevention layer 118 has the function of preventing elements (e.g., Sr) diffused from the cathode 114 from reacting with elements (e.g., Zr) contained in the electrolyte layer 112 to produce a highly resistive substance (e.g., SrZrO 3 ).
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、フェライト系ステンレス等の金属により形成されている。単セル用セパレータ120の板厚は、比較的薄く、例えば0.05mm以上、0.2mm以下程度である。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 component with a substantially rectangular through-hole 121 formed vertically near the center, and is made of a metal such as ferritic stainless steel. The single cell separator 120 is relatively thin, for example, between 0.05 mm and 0.2 mm. 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) placed in the facing portion. The single cell separator 120 separates the air chamber 166 facing the air electrode 114 from the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, thereby preventing gas leakage (cross leakage) from one electrode side to the other around the periphery of the single cell 110.
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(貫通孔121を取り囲む部分)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 that includes the through-hole periphery (the portion surrounding the through-hole 121) of the single-cell separator 120, an outer portion 127 that is located radially outward of the inner portion 126, and a connecting portion 128 that connects the inner portion 126 and the outer portion 127. In this embodiment, the inner portion 126 and the outer portion 127 are generally flat and extend in a direction generally perpendicular to the Z-axis direction. The connecting portion 128 is curved so as to protrude downward relative to both the inner portion 126 and the outer portion 127. The lower portion of the connecting portion 128 (toward the fuel chamber 176) is a convex portion, and the upper portion of the connecting portion 128 (toward the air chamber 166) is a concave portion. Therefore, the connecting portion 128 includes a portion whose position in the Z-axis direction differs 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 surrounding the through-hole in 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。各発電単位102において、上側のインターコネクタ190(の平板部150)は、単セル110に対して空気室166を挟んで上側に配置されている。上側のインターコネクタ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。また、各発電単位102において、下側のインターコネクタ190は、単セル110に対して燃料室176を挟んで下側に配置されており、後述する燃料極側集電部材144を介して、単セル110の燃料極116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は下端用セパレータ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 with a substantially rectangular plate shape and multiple substantially columnar air electrode-side current collecting portions 134 protruding from the flat plate portion 150 toward the air electrode 114, and is formed from 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. In each power generation unit 102, the upper interconnector 190 (the flat plate portion 150 thereof) is positioned above the single cell 110, with the air chamber 166 sandwiched between them. The upper interconnector 190 (each of its air electrode-side current collecting portions 134) is joined to the air electrode 114 of the unit cell 110 via a conductive bonding material 196 made of, for example, a spinel-type oxide, and is thereby electrically connected to the air electrode 114 of the unit cell 110. In each power generating unit 102, the lower interconnector 190 is disposed below the unit cell 110, with the fuel chamber 176 sandwiched between them, and is electrically connected to the anode 116 of the unit cell 110 via an anode-side current collecting member 144 (described later). The interconnector 190 ensures electrical conduction between the power generating units 102 and suppresses mixing of reactant gases between the power generating units 102. In this embodiment, when two power generating units 102 are disposed 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 the same material as the lower interconnector 190 of another power generating unit 102 adjacent to the upper side of that power generating unit 102. Also, because the fuel cell stack 100 is equipped with a lower-end separator 189, the power generating unit 102 located at the bottom of the fuel cell stack 100 does not have 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、フェライト系ステンレス等の金属により形成されている。IC用セパレータ180の板厚は、比較的薄く、例えば0.05mm以上、0.2mm以下程度である。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、上側エンドプレート104に電気的に接続されている。 The IC separator 180 is a frame-shaped member with a substantially rectangular through-hole 181 formed near the center in the vertical direction, and is made of a metal such as ferritic stainless steel. The plate thickness of the IC separator 180 is relatively thin, for example, between 0.05 mm and 0.2 mm. The portion of the IC separator 180 surrounding 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 power generating unit 102, the upper IC separator 180 separates the air chamber 166 of that power generating unit 102 from the fuel chamber 176 of the other power generating unit 102 adjacent to that power generating unit 102 on the upper side. Furthermore, of the pair of IC separators 180 included in a certain power generating unit 102, the lower IC separator 180 separates the fuel chamber 176 of that power generating unit 102 from the air chamber 166 of the other power generating unit 102 adjacent to that power generating unit 102 on the lower side. In this way, the IC separator 180 suppresses gas leakage between the power generating units 102 at the periphery of the power generating units 102. The IC separator 180 joined to the upper interconnector 190 of the power generating unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 is electrically connected to the upper end plate 104.
IC用セパレータ180は、IC用セパレータ180の貫通孔周囲部(貫通孔181を取り囲む部分)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 that includes the through-hole periphery of the IC separator 180 (the portion surrounding the through-hole 181), an outer portion 187 that is located radially outward of the inner portion 186, and a connecting portion 188 that connects the inner portion 186 and the outer portion 187. In this embodiment, the inner portion 186 and the outer portion 187 are generally flat plates that extend in a direction generally perpendicular to the Z-axis direction. The connecting portion 188 is curved so as to protrude downward relative to both the inner portion 186 and the outer portion 187. The lower portion of the connecting portion 188 (toward the air chamber 166) is a convex portion, and the upper portion of the connecting portion 188 (toward the fuel chamber 176) is a concave portion. Therefore, the connecting portion 188 includes portions whose positions in the Z-axis direction differ from those of the inner portion 186 and the outer portion 187.
図5から図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)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流路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流路133とが形成されている。 As shown in Figures 5 to 8, the air electrode side frame 130 is a frame-shaped member with a substantially rectangular hole 131 formed near the center that penetrates in the Z-axis direction, and is formed from an insulating material such as mica. The hole 131 in the air electrode side frame 130 forms 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). The air electrode side frame 130 also provides electrical insulation between a pair of IC separators 180 (i.e., between a pair of interconnectors 190) included in the power generation unit 102. The air electrode side frame 130 is also formed with an oxidant gas supply communication channel 132 that connects the oxidant gas supply manifold 161 to the air chamber 166, and an oxidant gas discharge communication channel 133 that connects the air chamber 166 to the oxidant gas discharge manifold 162.
図5から図7および図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流路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流路143とが形成されている。単セル用セパレータ120とIC用セパレータに180とにより画定される部分を含む燃料室176と、燃料ガス供給連通流路142と、燃料ガス排出連通流路143と、を合わせた構成は、特許請求の範囲における連通流路の一例である。 As shown in Figures 5 to 7 and 9, the fuel electrode side frame 140 is a frame-shaped member formed with a substantially rectangular hole 141 penetrating in the Z-axis direction near the center, and is made of, for example, metal. The hole 141 in the fuel electrode side frame 140 forms a fuel chamber 176 facing 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. The fuel electrode side frame 140 also has a fuel gas supply communication channel 142 that connects the fuel gas supply manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication channel 143 that connects the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. The configuration of the fuel chamber 176, including the portion defined by the single cell separator 120 and the IC separator 180, the fuel gas supply communication channel 142, and the fuel gas discharge communication channel 143, is an example of a communication channel within the scope of the claims.
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、下端用セパレータ189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(または下端用セパレータ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(または下端用セパレータ189)との電気的接続が良好に維持される。 As shown in Figures 5 to 7, the fuel electrode side current collecting member 144 is disposed within 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 contacts the lower surface of the fuel electrode 116, and the interconnector facing portion 146 contacts the upper surface of the interconnector 190 (the flat portion 150 thereof). However, as described above, the power generating unit 102 located at the bottom of the fuel cell stack 100 does not include a lower interconnector 190, and therefore the interconnector facing portion 146 of the fuel electrode side current collecting member 144 of that power generating unit 102 contacts the lower end separator 189. Because of this configuration, the fuel electrode side current collecting member 144 electrically connects the fuel electrode 116 to the interconnector 190 (or the lower end separator 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. This allows the fuel electrode side current collecting member 144 to adapt to deformation of the power generating unit 102 due to temperature cycles and reactant gas pressure fluctuations, maintaining good electrical connection between the fuel electrode 116 and the interconnector 190 (or the lower end separator 189) via the fuel electrode side current collecting member 144.
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の分岐部29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の分岐部29および本体部28の孔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流路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の分岐部29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の分岐部29および本体部28の孔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流路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 oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 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 branch portion 29 of the gas passage member 27 and a hole in the main body 28, and then supplied from the oxidant gas supply manifold 161 to the air chamber 166 through the oxidant gas supply communicating passage 132 of each power generating unit 102. Also, as shown in FIGS. 3 and 6, when fuel gas FG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 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 branch portion 29 of the gas passage member 27 and a hole in the main body 28, and then supplied from the fuel gas supply manifold 171 to the fuel chamber 176 through the fuel gas supply communicating passage 142 of each power generating 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、下端用セパレータ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、上側エンドプレート104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に電気的に接続された下端用セパレータ189は、下側エンドプレート106に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エンドプレート104,106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700℃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 oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, power is generated in the single cell 110 through an electrochemical reaction between the oxidant gas OG and the fuel gas FG. This power generation reaction is exothermic. In each power generation 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 separator 189) via the fuel electrode-side current collecting member 144. In other words, the multiple power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. The upper interconnector 190 and IC separator 180 of the uppermost power generating unit 102 are electrically connected to the upper end plate 104, and the lower end separator 189, which is electrically connected to the anode-side current collecting member 144 of the lowermost power generating unit 102, is electrically connected to the lower end plate 106. Therefore, electrical energy generated in each power generating unit 102 is extracted from the end plates 104, 106, which function as output terminals for the fuel cell stack 100. Because SOFCs generate electricity at relatively high temperatures (e.g., 700°C to 1000°C), the fuel cell stack 100 may be heated by a heater (not shown) after startup until the heat generated by power generation can maintain the high temperature.
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流路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および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29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流路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および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29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。 As shown in FIGS. 2 and 5, the oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generating unit 102 to the oxidant gas discharge manifold 162 via the oxidant gas discharge communicating channel 133 passes through holes in the main body 28 and branch portion 29 of the gas passage member 27 located at the position of the oxidant gas discharge manifold 162, and is then discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29. Also, as shown in FIGS. 3 and 6, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generating unit 102 to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communicating channel 143 passes through holes in the main body 28 and branch portion 29 of the gas passage member 27 located at the position of the fuel gas discharge manifold 172, and is then discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29.
なお、本実施形態の燃料電池スタック100では、図8および図9に示すように、Z軸方向視で、酸化剤ガス供給マニホールド161に連通する酸化剤ガス供給連通流路132と、燃料ガス排出マニホールド172に連通する燃料ガス排出連通流路143とが、単セルの一の辺(図8および図9に示される第2の辺SI2)に(同じ方向に)対向するように配置されており、かつ、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通する酸化剤ガス排出連通流路133と、燃料ガス供給マニホールド171に連通する燃料ガス供給連通流路142とが、単セルの上記第2の辺SI2に対して単セル110の中心点を挟んで対向する他の辺(図8および図9に示され第1の辺SI1)に(同じ方向に)対向するように配置されている。すなわち、本実施形態の発電単位102(燃料電池スタック100)は、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。 In the fuel cell stack 100 of this embodiment, as shown in Figures 8 and 9, when viewed in the Z-axis direction, the oxidant gas supply communication passage 132 communicating with the oxidant gas supply manifold 161 and the fuel gas discharge communication passage 143 communicating with the fuel gas discharge manifold 172 are arranged to face (in the same direction) one side of the unit cell (the second side SI2 shown in Figures 8 and 9), and the oxidant gas discharge communication passage 133 communicating with the oxidant gas discharge manifold 162 and the fuel gas supply communication passage 142 communicating with the fuel gas supply manifold 171 are arranged to face (in the same direction) another side (the first side SI1 shown in Figures 8 and 9) opposite the second side SI2 of the unit cell across the center point of the unit cell 110. That is, the power generation unit 102 (fuel cell stack 100) of this embodiment is a counterflow type SOFC in which the main flow direction of oxidant gas OG in the air chamber 166 (direction from the positive X-axis to the negative X-axis) and the main flow direction of fuel gas FG in the fuel chamber 176 (direction from the negative X-axis to the positive X-axis) are substantially opposite (facing each other).
A-3.流路画定部材(120,180)の構成:
図6に示すように、単セル用セパレータ120(連結部128)は、平坦部分122と一対の屈曲部分123とを有している。平坦部分122は、燃料ガスFGの流れ方向(X軸方向)に延びる平坦状の部分である。一対の屈曲部分123は、燃料ガスFGの流れ方向において、平坦部分122の両側にそれぞれ位置している。各屈曲部分123は、平坦部分122に隣接し、かつ、1または複数の屈曲部位を有する部分である。図6では、屈曲部分123は、平坦部分122の端部から燃料室176側に屈曲する第1の屈曲部位と、第1の屈曲部位から延びた部分から平坦部分122とは反対側に屈曲する第2の屈曲部位と、の2つの屈曲部位を有している。屈曲部分123は、屈曲部位を有するため、平坦部分122に比べて変形しやすい。
A-3. Configuration of flow path defining members (120, 180):
As shown in FIG. 6 , the single cell separator 120 (connecting portion 128) has a flat portion 122 and a pair of bent portions 123. The flat portion 122 is a flat portion extending in the flow direction of the fuel gas FG (X-axis direction). The pair of bent portions 123 are located on either side of the flat portion 122 in the flow direction of the fuel gas FG. Each bent portion 123 is adjacent to the flat portion 122 and has one or more bent portions. In FIG. 6 , the bent portion 123 has two bent portions: a first bent portion that bends from the end of the flat portion 122 toward the fuel chamber 176, and a second bent portion that bends from a portion extending from the first bent portion toward the opposite side of the flat portion 122. Because the bent portion 123 has bent portions, it is more easily deformed than the flat portion 122.
IC用セパレータ180の連結部188は、平坦部分182と一対の屈曲部分183とを有している。平坦部分182は、燃料ガスFGの流れ方向に延びる平坦状の部分である。一対の屈曲部分183は、燃料ガスFGの流れ方向において、平坦部分182の両側にそれぞれ位置している。各屈曲部分183は、平坦部分182に隣接し、かつ、1または複数の屈曲部位を有する部分である。図6では、屈曲部分183は、平坦部分182の端部から燃料室176側に屈曲する第1の屈曲部位と、第1の屈曲部位から延びた部分から平坦部分182とは反対側に屈曲する第2の屈曲部位と、の2つの屈曲部位を有している。屈曲部分183は、屈曲部位を有するため、平坦部分182に比べて変形しやすい。 The connecting portion 188 of the IC separator 180 has a flat portion 182 and a pair of bent portions 183. The flat portion 182 is a flat portion extending in the flow direction of the fuel gas FG. The pair of bent portions 183 are located on either side of the flat portion 182 in the flow direction of the fuel gas FG. Each bent portion 183 is adjacent to the flat portion 182 and has one or more bent portions. In FIG. 6, the bent portion 183 has two bent portions: a first bent portion that bends from the end of the flat portion 182 toward the fuel chamber 176, and a second bent portion that bends from the portion extending from the first bent portion toward the opposite side of the flat portion 182. Because the bent portion 183 has bent portions, it is more easily deformed than the flat portion 182.
単セル用セパレータ120とIC用セパレータ180とは、特許請求の範囲における流路画定部材の一例である。平坦部分122と平坦部分182とは、特許請求の範囲における第1の画定部分の一例であり、燃料室176のうち、平坦部分122と平坦部分182とで画定される空間が特許請求の範囲における第1のガス流路の一例である。屈曲部分123と屈曲部分183とは、特許請求の範囲における第2の画定部分の一例であり、燃料室176のうち、屈曲部分123と屈曲部分183とで画定される空間が特許請求の範囲における第2のガス流路の一例である。 The single cell separator 120 and the IC separator 180 are examples of flow path defining members within the scope of the claims. The flat portions 122 and 182 are examples of first defining portions within the scope of the claims, and the space within the fuel chamber 176 defined by the flat portions 122 and 182 is an example of a first gas flow path within the scope of the claims. The curved portions 123 and 183 are examples of second defining portions within the scope of the claims, and the space within the fuel chamber 176 defined by the curved portions 123 and 183 is an example of a second gas flow path within the scope of the claims.
A-4.ガス流通部材50の構成:
本実施形態の燃料電池スタック100は、さらにガス流通部材50を備える。以下、ガス流通部材50の構成について説明する。本実施形態では、ガス流通部材50は、単セル110に対して燃料ガス供給連通流路142側に配置されたガス流通部材50Aと、単セル110に対して燃料ガス排出連通流路143側に配置されたガス流通部材50Bとを含んでいる。ガス流通部材50Aの形状とガス流通部材50Bの形状とは、単セル110に対して対称である。図5には、ガス流通部材50(50A,50B)が概略的に示されており、図6には、ガス流通部材50(50A,50B)が概略的に示されているとともに、ガス流通部材50AにおけるX1部分の詳細構成が拡大して示されており、図9には、ガス流通部材50(50A,50B)が概略的に示されているとともに、ガス流通部材50BにおけるX2部分の詳細構成が拡大して示されている。
A-4. Configuration of gas flow member 50:
The fuel cell stack 100 of this embodiment further includes a gas distribution member 50. The configuration of the gas distribution member 50 will be described below. In this embodiment, the gas distribution member 50 includes a gas distribution member 50A arranged on the fuel gas supply communication channel 142 side of the unit cell 110, and a gas distribution member 50B arranged on the fuel gas discharge communication channel 143 side of the unit cell 110. The shapes of the gas distribution members 50A and 50B are symmetrical with respect to the unit cell 110. FIG. 5 schematically illustrates the gas distribution members 50 (50A, 50B). FIG. 6 schematically illustrates the gas distribution members 50 (50A, 50B) with an enlarged view of the detailed configuration of the X1 portion of the gas distribution member 50A. FIG. 9 schematically illustrates the gas distribution members 50 (50A, 50B) with an enlarged view of the detailed configuration of the X2 portion of the gas distribution member 50B.
図9に示すように、ガス流通部材50は、全体として所定の方向(本実施形態ではY軸方向)に延びる長尺状の部材であり、例えば、単セル用セパレータ120やIC用セパレータと同じフェライト系ステンレス等の金属により形成されている。ガス流通部材50は、本体部60と複数の足部70とを有している。 As shown in FIG. 9 , the gas flow member 50 is an elongated member that extends overall in a predetermined direction (the Y-axis direction in this embodiment) and is formed from a metal such as ferritic stainless steel, the same as the single cell separator 120 and IC separators. The gas flow member 50 has a main body 60 and multiple foot portions 70.
本体部60は、燃料ガスFGの流れ方向(X軸方向)に交差する方向(Y軸方向)に延伸している形状を有している。本体部60は、燃料室176のうち、上下方向視で、単セル用セパレータ120の平坦部分122とIC用セパレータ180の平坦部分182とに重なる空間に配置されている。すなわち、本体部60は、燃料室176のうち、平坦部分122と平坦部分182とで画定される第1のガス流路に配置されている。なお、燃料ガスFGの流れ方向視で、本体部60の両端は、いずれも、単セル110の両端よりも外側に位置している。本体部60は、特許請求の範囲における支持部分の一例である。 The main body portion 60 has a shape that extends in a direction (Y-axis direction) that intersects with the flow direction (X-axis direction) of the fuel gas FG. The main body portion 60 is disposed in a space within the fuel chamber 176 that overlaps the flat portion 122 of the unit cell separator 120 and the flat portion 182 of the IC separator 180 when viewed from the top-bottom direction. That is, the main body portion 60 is disposed in the first gas flow path defined by the flat portion 122 and the flat portion 182 within the fuel chamber 176. When viewed in the flow direction of the fuel gas FG, both ends of the main body portion 60 are located outside the ends of the unit cell 110. The main body portion 60 is an example of a support portion within the scope of the claims.
各足部70は、本体部60から本体部60に交差する方向(X軸方向 燃料ガスFGの流れ方向)に延びる線状の形状を有している。燃料ガスFGの流れ方向視で、複数の足部70は、単セル110の全長にわたって配置されている。本実施形態では、ガス流通部材50は、複数の内側足部70Aと、複数の外側足部70Bとを有している。足部70のうち、屈曲部分123と屈曲部分183とで画定される第2のガス流路に配置される部分は、特許請求の範囲におけるガス流通部分の一例である。 Each foot portion 70 has a linear shape extending from the main body portion 60 in a direction intersecting the main body portion 60 (the X-axis direction, the flow direction of the fuel gas FG). When viewed in the flow direction of the fuel gas FG, the multiple foot portions 70 are arranged over the entire length of the unit cell 110. In this embodiment, the gas flow member 50 has multiple inner foot portions 70A and multiple outer foot portions 70B. The portion of the foot portion 70 that is arranged in the second gas flow path defined by the bent portion 123 and the bent portion 183 is an example of a gas flow portion within the scope of the claims.
内側足部70Aは、本体部60から単セル110側に延びている。複数の内側足部70Aは、燃料ガスFGの流れ方向に交差する方向(Y軸方向 本体部60の延伸方向)に沿って互いに間隔を開けて並んでいる。すなわち、ガス流通部材50は、互いに隣り合う2つの内側足部70Aによって形成される溝VAを有している。なお、本実施形態では、複数の内側足部70Aは、互いに均等定間隔を開けて並んでいる(図9参照)。ガス流通部材50では、燃料ガスFGの流れ方向視で、複数の内側足部70Aの間の溝VAの少なくとも一部は、本体部60から燃料ガスFGの流れ方向に交差する方向(単セル用セパレータ120とは反対側)に外れた位置に配置されている。 The inner leg portion 70A extends from the main body portion 60 toward the single cell 110. The multiple inner leg portions 70A are aligned at intervals along a direction intersecting the flow direction of the fuel gas FG (the Y-axis direction, the extension direction of the main body portion 60). That is, the gas flow member 50 has a groove VA formed by two adjacent inner leg portions 70A. Note that in this embodiment, the multiple inner leg portions 70A are aligned at equal intervals (see FIG. 9). In the gas flow member 50, when viewed in the flow direction of the fuel gas FG, at least a portion of the groove VA between the multiple inner leg portions 70A is positioned away from the main body portion 60 in a direction intersecting the flow direction of the fuel gas FG (on the opposite side from the single cell separator 120).
また、各内側足部70Aは、平坦部分122と平坦部分182とで画定される第1のガス流路内において、燃料ガスFGの流れ方向(X軸方向)と本体部60の延伸方向(Y軸方向)との両方に交差する方向(Z軸方向)に延びる部分を有している。具体的には、各内側足部70Aは、第1の段差部72Aと第2の段差部74Aとを有している(図6参照)。第1の段差部72Aは、上下方向において、本体部60よりもIC用セパレータ180とは反対側(単セル用セパレータ120側)に位置する段差部分である。第2の段差部74Aは、上下方向において、第1の段差部72AよりもIC用セパレータ180とは反対側に位置し、かつ、燃料ガスFGの流れ方向において、第1の段差部72Aよりも単セル110側に位置する段差部分である。 Furthermore, each inner leg portion 70A has a portion extending in a direction (Z-axis direction) intersecting both the flow direction of fuel gas FG (X-axis direction) and the extension direction of the main body portion 60 (Y-axis direction) within the first gas flow path defined by the flat portion 122 and the flat portion 182. Specifically, each inner leg portion 70A has a first step portion 72A and a second step portion 74A (see FIG. 6). The first step portion 72A is a step portion located on the opposite side of the IC separator 180 (single cell separator 120 side) from the main body portion 60 in the vertical direction. The second step portion 74A is a step portion located on the opposite side of the IC separator 180 from the first step portion 72A in the vertical direction, and is located on the single cell 110 side from the first step portion 72A in the flow direction of fuel gas FG.
外側足部70Bは、本体部60から単セル110とは反対側(燃料極側フレーム140側)に延びている。複数の外側足部70Bは、燃料ガスFGの流れ方向に交差する方向(Y軸方向)に沿って互いに間隔を開けて並んでいる。すなわち、ガス流通部材50は、互いに隣り合う2つの外側足部70Bによって形成される溝VBを有している。なお、本実施形態では、複数の外側足部70Bは、互いに均等定間隔を開けて並んでいる(図9参照)。ガス流通部材50では、燃料ガスFGの流れ方向視で、複数の外側足部70Bの間の溝VBの少なくとも一部は、本体部60から燃料ガスFGの流れ方向に交差する方向(IC用セパレータ180とは反対側)に外れた位置に配置されている。 The outer legs 70B extend from the main body 60 toward the opposite side of the unit cell 110 (toward the fuel electrode-side frame 140). The multiple outer legs 70B are aligned at intervals along a direction (Y-axis direction) intersecting the flow direction of the fuel gas FG. That is, the gas flow member 50 has a groove VB formed by two adjacent outer legs 70B. Note that in this embodiment, the multiple outer legs 70B are aligned at equal intervals (see FIG. 9). In the gas flow member 50, when viewed in the flow direction of the fuel gas FG, at least a portion of the groove VB between the multiple outer legs 70B is positioned away from the main body 60 in a direction intersecting the flow direction of the fuel gas FG (away from the IC separator 180).
また、各外側足部70Bは、平坦部分122と平坦部分182とで画定される第1のガス流路内において、燃料ガスFGの流れ方向(X軸方向)と本体部60の延伸方向(Y軸方向)との両方に交差する方向(Z軸方向)に延びる部分を有している。具体的には、各外側足部70Bは、第1の段差部72Bと第2の段差部74Bとを有している(図6参照)。第1の段差部72Bは、上下方向において、本体部60よりもIC用セパレータ180とは反対側(単セル用セパレータ120側)に位置する段差部分である。第2の段差部74Bは、上下方向において、第1の段差部72BよりもIC用セパレータ180とは反対側に位置し、かつ、燃料ガスFGの流れ方向において、第1の段差部72Bよりも単セル110とは反対側に位置する段差部分である。 Furthermore, each outer leg portion 70B has a portion extending in a direction (Z-axis direction) intersecting both the flow direction of the fuel gas FG (X-axis direction) and the extension direction of the main body portion 60 (Y-axis direction) within the first gas flow path defined by the flat portion 122 and the flat portion 182. Specifically, each outer leg portion 70B has a first step portion 72B and a second step portion 74B (see FIG. 6). The first step portion 72B is a step portion located on the opposite side of the IC separator 180 (single cell separator 120 side) from the main body portion 60 in the vertical direction. The second step portion 74B is a step portion located on the opposite side of the IC separator 180 from the first step portion 72B in the vertical direction, and is located on the opposite side of the single cell 110 from the first step portion 72B in the flow direction of the fuel gas FG.
本実施形態では、複数の内側足部70Aと複数の外側足部70Bとは、互いに1つずつ、本体部60の延伸方向における位置が一致している。すなわち、本体部60の延伸方向において、各内側足部70Aの位置と各外側足部70Bの位置とは互いに一致している。換言すれば、燃料ガスFGの流れ方向視で各内側足部70Aと外側足部70Bとは互いに重なるように配置されている。また、本実施形態では、上下方向視で、外側足部70Bの長さLBは、内側足部70Aの長さLAよりも長い。本実施形態では、単セル用セパレータ120およびIC用セパレータ180のうち、単セル110とは反対側(燃料極側フレーム140側)に位置する屈曲部分123と屈曲部分183とで画定される空間が最もつぶれやすい最大つぶれ空間になっている。そのため、この最大つぶれ空間に、相対的に長い外側足部70Bを配置することにより、最大つぶれ空間におけるガスの流れが阻害されることが抑制されている。 In this embodiment, the positions of the multiple inner legs 70A and the multiple outer legs 70B are aligned with one another in the extension direction of the main body 60. That is, the positions of each inner leg 70A and each outer leg 70B are aligned with one another in the extension direction of the main body 60. In other words, the positions of each inner leg 70A and each outer leg 70B are aligned with one another in the extension direction of the main body 60. In other words, when viewed in the flow direction of the fuel gas FG, the inner legs 70A and the outer legs 70B are arranged to overlap each other. Furthermore, in this embodiment, when viewed in the vertical direction, the length LB of the outer leg 70B is longer than the length LA of the inner leg 70A. In this embodiment, the space defined by the bent portion 123 and the bent portion 183 of the unit cell separator 120 and the IC separator 180, located on the opposite side from the unit cell 110 (the fuel electrode-side frame 140 side), is the maximum crushable space, which is the most easily crushed. Therefore, by arranging the relatively long outer legs 70B in this maximum crushable space, obstruction of gas flow in the maximum crushable space is suppressed.
本体部60の延伸方向(Y軸方向)において、足部70(70A,70B)の幅D1は、互いに隣り合う足部70同士の間の間隔D2よりも狭い(図9参照)。また、足部70の剛性は、単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180の剛性よりも高い。具体的には、足部70の厚みは、単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180の厚みよりも厚い(図6参照)。 In the extension direction (Y-axis direction) of the main body 60, the width D1 of the foot portions 70 (70A, 70B) is narrower than the distance D2 between adjacent foot portions 70 (see Figure 9). Furthermore, the rigidity of the foot portions 70 is greater than the rigidity of the single cell separator 120 and the IC separator 180. Specifically, the thickness of the foot portions 70 is greater than the thickness of the single cell separator 120 and the IC separator 180 (see Figure 6).
ガス流通部材50は、IC用セパレータ180に接触し、燃料ガスFGの流れ方向におけるガス流通部材50の移動を規制する一対の規制部80を有している。具体的には、一対の規制部80は、それぞれ、本体部60の末端に位置する各外側足部70Bの先端から、燃料極側フレーム140に形成された係止孔148に係合する係合爪である(図9参照)。なお、燃料ガスFGの流れ方向視で、規制部80は、単セル110よりも外側に配置されている。 The gas flow member 50 has a pair of restricting portions 80 that contact the IC separator 180 and restrict movement of the gas flow member 50 in the flow direction of the fuel gas FG. Specifically, each of the pair of restricting portions 80 is an engaging claw that engages with an engaging hole 148 formed in the fuel electrode side frame 140 from the tip of each outer leg portion 70B located at the end of the main body portion 60 (see Figure 9). Note that, when viewed in the flow direction of the fuel gas FG, the restricting portions 80 are positioned outside the unit cells 110.
ガス流通部材50の足部70の板厚t1は、0.05mm以上、0.2mm以下程度であり、例えば0.1mmである。ガス流通部材50の本体部70の板厚t1は、0.05mm以上、1mm以下程度であり、例えば0.1mmである。また、ガス流通部材50の高さh1(Z軸方向の大きさ)は、0.4mm以上、1.0mm以下程度であり、例えば0.7mmである。また、足部70(70A,70B)の幅D1は、1mm以上、7mm以下程度であり、例えば4mmである。また、ガス流通部材50における隣り合う2つの足部70同士の間の間隔D2は、例えば5mm以上、15mm以下程度であり、例えば10mmである。 The thickness t1 of the foot portion 70 of the gas flow member 50 is approximately 0.05 mm or more and 0.2 mm or less, for example, 0.1 mm. The thickness t1 of the main body portion 70 of the gas flow member 50 is approximately 0.05 mm or more and 1 mm or less, for example, 0.1 mm. The height h1 (size in the Z-axis direction) of the gas flow member 50 is approximately 0.4 mm or more and 1.0 mm or less, for example, 0.7 mm. The width D1 of the foot portions 70 (70A, 70B) is approximately 1 mm or more and 7 mm or less, for example, 4 mm. The distance D2 between two adjacent foot portions 70 of the gas flow member 50 is approximately 5 mm or more and 15 mm or less, for example, 10 mm.
A-5.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、ガス流通部材50を備える(図5、図6および図9参照)。ガス流通部材50は、本体部60と複数の足部70とを有している。本体部60は、燃料室176のうち、平坦部分122と平坦部分182とで画定される第1のガス流路に配置されており、複数の足部70を支持している。
A-5. Effects of this embodiment:
As described above, the fuel cell stack 100 of this embodiment includes the gas flow member 50 (see FIGS. 5, 6, and 9). The gas flow member 50 has a main body 60 and a plurality of foot portions 70. The main body 60 is disposed in the first gas flow path defined by the flat portion 122 and the flat portion 182 of the fuel chamber 176, and supports the plurality of foot portions 70.
複数の足部70(70A,70B)は、互いに間隔を開けて配置されることにより、溝VA,VBを形成している。また、各足部70は、屈曲部分123と屈曲部分183とで画定される第2のガス流路内において本体部60よりもIC用セパレータ180とは反対側(単セル用セパレータ120側)に位置する段差部分(72A,74A,72B,74B)を有している。このような構成により、燃料ガスFGは、ガス流通部材50における溝VA,VBを介して第2のガス流路を通り抜けることが可能になっている(図6のX1部分における矢印参照)。すなわち、ガス流通部材50では、複数の足部70によって、第2のガス流路に燃料ガスFGが流れる空間(溝VA,VB)が形成されている。足部70は、特許請求の範囲における空間形成部の一例である。 The multiple foot portions 70 (70A, 70B) are spaced apart from one another to form grooves VA and VB. Each foot portion 70 has a stepped portion (72A, 74A, 72B, 74B) located on the opposite side of the main body 60 from the IC separator 180 (the unit cell separator 120 side) within the second gas flow path defined by the bent portion 123 and the bent portion 183. This configuration allows fuel gas FG to pass through the second gas flow path via the grooves VA and VB in the gas flow member 50 (see the arrows in portion X1 of Figure 6). In other words, the multiple foot portions 70 in the gas flow member 50 form spaces (grooves VA and VB) through which fuel gas FG flows in the second gas flow path. The foot portion 70 is an example of a space-forming portion within the scope of the claims.
ここで、燃料電池スタック100の発電運転中には、各発電単位102において、燃料室176内のガスの圧力と空気室166内のガスの圧力との間に差が生じる。具体的には、空気室166内のガスの圧力が、燃料室176内のガスの圧力より高くなる。そのため、燃料室176と空気室166との間のガスの圧力差に起因して、燃料室176と空気室166とを区画する単セル用セパレータ120およびIC用セパレータ180に応力が生じ、特に単セル用セパレータ120の屈曲部分123やIC用セパレータ180の屈曲部分183が優先的に変形し、燃料室176の高さが低くなるように変形するおそれがある。そうすると、屈曲部分123と屈曲部分183とで画定される第2のガス流路が狭くなり、その結果、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と燃料室176との間のガスの流れが阻害されて燃料電池スタック100の性能に悪影響を及ぼしやすおそれがある。 Here, during power generation operation of the fuel cell stack 100, a difference occurs between the gas pressure in the fuel chamber 176 and the gas pressure in the air chamber 166 in each power generation unit 102. Specifically, the gas pressure in the air chamber 166 becomes higher than the gas pressure in the fuel chamber 176. Therefore, due to the gas pressure difference between the fuel chamber 176 and the air chamber 166, stress is generated in the single cell separator 120 and the IC separator 180 that separate the fuel chamber 176 from the air chamber 166. In particular, the bent portion 123 of the single cell separator 120 and the bent portion 183 of the IC separator 180 are likely to deform preferentially, resulting in deformation that reduces the height of the fuel chamber 176. This narrows the second gas flow path defined by bent portion 123 and bent portion 183, which may impede the flow of gas between the fuel gas supply manifold 171 and the fuel gas discharge manifold 172 and the fuel chamber 176, potentially adversely affecting the performance of the fuel cell stack 100.
しかしながら、上述したように、本実施形態の燃料電池スタック100では、ガス流通部材50が、燃料室176内における第2のガス流路に配置されている。そのため、ガス流通部材50の存在により、ガス流通部材50が配置されていない形態と比較して、Z軸方向視で、燃料ガス供給連通流路142および燃料ガス排出連通流路143と単セル110との間の位置において、単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180の上記変形が発生することを抑制することができる。そのため、単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180の変形に起因して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と燃料室176との間のガスの流れが阻害されることを抑制することができ、ひいては燃料電池スタック100の性能が低下することを抑制することができる。 However, as described above, in the fuel cell stack 100 of this embodiment, the gas flow member 50 is disposed in the second gas flow path within the fuel chamber 176. Therefore, the presence of the gas flow member 50 can prevent the above-mentioned deformation of the unit cell separator 120 and the IC separator 180 from occurring at positions between the fuel gas supply communicating channel 142 and the fuel gas discharge communicating channel 143 and the unit cell 110, as viewed in the Z-axis direction, compared to a configuration in which the gas flow member 50 is not disposed. This can prevent the flow of gas between the fuel gas supply manifold 171 and the fuel gas discharge manifold 172 and the fuel chamber 176 from being obstructed due to deformation of the unit cell separator 120 and the IC separator 180, and ultimately prevent a decrease in performance of the fuel cell stack 100.
また、ガス流通部材50には、燃料ガスFGが流れる溝VA,VBが形成されている。そのため、ガス流通部材50を、燃料室176内における、Z軸方向視で、燃料ガス供給連通流路142および燃料ガス排出連通流路143と単セル110との間に配置しても、ガス流通部材50の存在によって燃料室176内におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができる。 The gas flow member 50 also has grooves VA and VB formed therein through which the fuel gas FG flows. Therefore, even if the gas flow member 50 is positioned within the fuel chamber 176, as viewed in the Z-axis direction, between the fuel gas supply communication channel 142 and the fuel gas discharge communication channel 143 and the unit cell 110, the presence of the gas flow member 50 can be prevented from obstructing the flow of gas within the fuel chamber 176.
以上のことから、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、燃料室176内における燃料ガスFGの流れが阻害されることを抑制しつつ、単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180の変形に起因して燃料電池スタック100の性能が低下することを抑制することができる。 As a result of the above, the fuel cell stack 100 of this embodiment can prevent the flow of fuel gas FG within the fuel chamber 176 from being obstructed, while also preventing the performance of the fuel cell stack 100 from deteriorating due to deformation of the single cell separator 120 or the IC separator 180.
なお、本実施形態では、燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102がガス流通部材50を備えている。そのため、ある発電単位102の単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180の変形に起因して発電単位102毎の燃料ガスFGの流路の圧損に差が生じることを抑制することができ、該圧損の差に起因して発電単位102毎の燃料ガスFGの供給量に差が生じることを抑止することができ、その結果、燃料電池スタック100全体の性能が低下することを抑制することができる。 In this embodiment, all of the power generating units 102 included in the fuel cell stack 100 are equipped with a gas distribution member 50. This prevents differences in pressure loss in the fuel gas FG flow path between power generating units 102 due to deformation of the single cell separator 120 or IC separator 180 of a certain power generating unit 102, and prevents differences in the supply amount of fuel gas FG between power generating units 102 due to these pressure loss differences. As a result, a decrease in the performance of the entire fuel cell stack 100 can be prevented.
本実施形態では、相対的に変形しやすい第2のガス流路に配置される足部70が、相対的に変形しにくい第1のガス流路に配置される本体部60に支持されている(図6および図9参照)。そのため、足部70が単体で第2のガス流路に配置された構成に比べて、第2のガス流路の変形に伴って足部70が第2のガス流路から外れた位置に移動することを抑制することができ、単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180の変形に起因して燃料電池スタック100の性能が低下することを効果的に抑制することができる。 In this embodiment, the foot portion 70, which is arranged in the second gas flow path, which is relatively easy to deform, is supported by the main body portion 60, which is arranged in the first gas flow path, which is relatively difficult to deform (see Figures 6 and 9). Therefore, compared to a configuration in which the foot portion 70 is arranged alone in the second gas flow path, it is possible to prevent the foot portion 70 from moving to a position outside the second gas flow path as the second gas flow path deforms, and it is possible to effectively prevent a decrease in performance of the fuel cell stack 100 due to deformation of the single cell separator 120 or the IC separator 180.
本実施形態では、本体部60は、燃料ガスFGの流れ方向に交差する方向に延伸している形状である(図9参照)。そのため、第1のガス流路に安定した状態で配置されることにより、第2のガス流路に対する足部70の位置ずれをより効果的に抑制することができる。また、複数の足部70によってガス流通部分が形成されている。そのため、例えば、本体部60に沿って連続的に繋がるように延びる板状部分によってガス流通部分が形成された構成に比べて、ガス流路(特に第2のガス流路)内における燃料ガスFGの流れが阻害されることを抑制することができる。 In this embodiment, the main body 60 has a shape that extends in a direction intersecting the flow direction of the fuel gas FG (see Figure 9). Therefore, by being stably positioned in the first gas flow path, it is possible to more effectively prevent the foot 70 from shifting position relative to the second gas flow path. Furthermore, a gas flow portion is formed by multiple foot portions 70. Therefore, compared to a configuration in which the gas flow portion is formed by, for example, plate-shaped portions that extend continuously along the main body 60, it is possible to prevent the flow of fuel gas FG in the gas flow path (particularly the second gas flow path) from being obstructed.
本実施形態では、燃料ガスFGの流れ方向視で、複数の内側足部70Aの間の溝VAの少なくとも一部は、本体部60から外れた位置に配置されている(図6参照)。これにより、本体部60の存在に起因してガス流路(特に第1のガス流路)内における燃料ガスFGの流れが阻害されることを抑制することができる。 In this embodiment, when viewed in the flow direction of the fuel gas FG, at least a portion of the groove VA between the multiple inner legs 70A is positioned away from the main body 60 (see Figure 6). This prevents the flow of fuel gas FG in the gas flow path (particularly the first gas flow path) from being obstructed due to the presence of the main body 60.
本実施形態では、各足部70(70A,70B)は、第1のガス流路内において、燃料ガスFGの流れ方向(X軸方向)と本体部60の延伸方向(Y軸方向)との両方に交差する方向(Z軸方向)に延びる部分(第1の段差部72A,72Bの傾斜部分)を有している(図6参照)。これにより、第1のガス流路内における燃料ガスFGの流れが阻害されることを抑制することができる。 In this embodiment, each foot portion 70 (70A, 70B) has a portion (the inclined portion of the first step portion 72A, 72B) that extends in a direction (Z-axis direction) that intersects both the flow direction of the fuel gas FG (X-axis direction) and the extension direction of the main body portion 60 (Y-axis direction) within the first gas flow path (see Figure 6). This makes it possible to prevent the flow of fuel gas FG within the first gas flow path from being obstructed.
本実施形態では、本体部60の延伸方向(Y軸方向)において、足部70(70A,70B)の幅D1は、互いに隣り合う足部70同士の間の間隔D2よりも狭い(図9参照)。これにより、例えば、足部70の幅D1が足部70同士の間の間隔D2よりも広い構成に比べて、ガス流路内における燃料ガスFGの流れが阻害されることを抑制することができる。 In this embodiment, in the extension direction (Y-axis direction) of the main body 60, the width D1 of the foot portions 70 (70A, 70B) is narrower than the distance D2 between adjacent foot portions 70 (see Figure 9). This makes it possible to prevent the flow of fuel gas FG in the gas flow path from being obstructed, compared to, for example, a configuration in which the width D1 of the foot portions 70 is wider than the distance D2 between the foot portions 70.
本実施形態では、足部70の剛性は、単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180の剛性よりも高い。これにより、例えば、足部70の剛性が単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180の剛性と同等以下である構成に比べて、足部70の存在により、ガス流路の断面積が減少する方向に単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180が変形することを、より確実に確保することができるため、該変形に起因してガス流路における燃料ガスFGの流れが阻害されることを抑制することができる。 In this embodiment, the rigidity of the foot portion 70 is higher than the rigidity of the single cell separator 120 and the IC separator 180. As a result, compared to a configuration in which the rigidity of the foot portion 70 is equal to or less than the rigidity of the single cell separator 120 or the IC separator 180, the presence of the foot portion 70 more reliably ensures that the single cell separator 120 or the IC separator 180 does not deform in a direction that reduces the cross-sectional area of the gas flow path, thereby preventing the flow of fuel gas FG in the gas flow path from being obstructed due to such deformation.
本実施形態では、ガス流通部材50は、一対の第2のガス流路のそれぞれに配置される一対の足部70(70A,70B)を有している(図6および図9参照)。これにより、ガス流通部材50が、一対の足部70によって第1のガス流路を跨がるように配置されることによって第1のガス流路に空間が確保されやすくなる。その結果、第2のガス流路だけでなく、第1のガス流路内における燃料ガスFGの流れが阻害されることを抑制することができる。 In this embodiment, the gas flow member 50 has a pair of legs 70 (70A, 70B) arranged in each of the pair of second gas flow paths (see Figures 6 and 9). This allows the gas flow member 50 to be positioned so that it straddles the first gas flow path via the pair of legs 70, making it easier to ensure space in the first gas flow path. As a result, it is possible to prevent obstruction of the flow of fuel gas FG not only in the second gas flow path but also in the first gas flow path.
ガス流通部材50は、単セル用セパレータ120に接触し、燃料ガスFGの流れ方向におけるガス流通部材50の移動を規制する一対の規制部80を有している(図9参照)。これにより、ガス流通部材50が燃料ガスFGの流れ方向に移動することを効果的に抑制することができる。また、本実施形態では、ガス流通部材50が燃料ガスFGの流れ方向に交差する方向に移動することも抑制することができる。 The gas flow member 50 has a pair of restriction portions 80 that contact the single cell separator 120 and restrict movement of the gas flow member 50 in the flow direction of the fuel gas FG (see Figure 9). This effectively restricts movement of the gas flow member 50 in the flow direction of the fuel gas FG. In addition, in this embodiment, movement of the gas flow member 50 in a direction intersecting the flow direction of the fuel gas FG can also be restricted.
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、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 into various forms without departing from the spirit thereof, 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の構成や燃料電池スタック100を構成する各部分の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、ガス流通部材50が、Z軸方向視で、単セル用セパレータ120およびIC用セパレータ180の各連結部128,188(平坦部分122,182および屈曲部分123,183)と重なる位置に配置されていた。しかし、ガス流通部材50は、Z軸方向視で、各連結部128,188のうち、屈曲部分123,183に重なり、かつ、平坦部分122,182に重ならない位置に配置されていてもよい。さらに、ガス流通部材50は、単セル用セパレータ120およびIC用セパレータ180における各連結部128,188以外の部分(例えば単セル用セパレータ120等において相対的に肉厚が薄く変形しやすい部分など)と重なる位置に配置されていてもよい。また、上記実施形態では、単セル用セパレータ120およびIC用セパレータ180が、連結部128,188を有しているが、単セル用セパレータ120およびIC用セパレータ180が、連結部128,188を有さなくてもよい。 The configuration of the fuel cell stack 100 and the configuration of each component of the fuel cell stack 100 in the above embodiment are merely examples and are subject to various modifications. For example, in the above embodiment, the gas flow member 50 was positioned so as to overlap the connecting portions 128, 188 (flat portions 122, 182 and bent portions 123, 183) of the unit cell separator 120 and the IC separator 180 when viewed in the Z-axis direction. However, the gas flow member 50 may be positioned so as to overlap the bent portions 123, 183 of the connecting portions 128, 188 but not the flat portions 122, 182 when viewed in the Z-axis direction. Furthermore, the gas flow member 50 may be positioned so as to overlap portions of the unit cell separator 120 and the IC separator 180 other than the connecting portions 128, 188 (for example, portions of the unit cell separator 120 that are relatively thin and easily deformed). Furthermore, in the above embodiment, the unit cell separator 120 and the IC separator 180 have connecting portions 128, 188, but the unit cell separator 120 and the IC separator 180 do not necessarily have to have connecting portions 128, 188.
上記実施形態では、燃料室176内における、Z軸方向視で、燃料ガス供給連通流路142と単セル110との間に1つのガス流通部材50(50A)が配置されているが、該位置に複数のガス流通部材50が配置されていてもよい。同様に、上記実施形態では、燃料室176内における、Z軸方向視で、燃料ガス排出連通流路143と単セル110との間に1つのガス流通部材50(50B)が配置されているが、該位置に複数のガス流通部材50が配置されていてもよい。また、上記実施形態において、ガス流通部材を、例えば、空気室166内における、Z軸方向視で、酸化剤ガス供給連通流路132(あるいは酸化剤ガス排出連通流路133)と単セル110との間に配置してもよい。 In the above embodiment, one gas flow member 50 (50A) is disposed between the fuel gas supply communication channel 142 and the unit cell 110 in the fuel chamber 176 as viewed in the Z-axis direction, but multiple gas flow members 50 may be disposed at this position. Similarly, in the above embodiment, one gas flow member 50 (50B) is disposed between the fuel gas discharge communication channel 143 and the unit cell 110 in the fuel chamber 176 as viewed in the Z-axis direction, but multiple gas flow members 50 may be disposed at this position. Furthermore, in the above embodiment, a gas flow member may be disposed, for example, between the oxidant gas supply communication channel 132 (or the oxidant gas discharge communication channel 133) and the unit cell 110 in the air chamber 166 as viewed in the Z-axis direction.
上記実施形態では、ガス流通部材50が、燃料室176内における、Z軸方向視で、燃料ガス供給連通流路142および燃料ガス排出連通流路143と単セル110との間に配置されているが、ガス流通部材50が、燃料室176内における、Z軸方向視で、燃料ガス供給連通流路142と燃料ガス排出連通流路143との一方と、単セル110との間に配置されているとしてもよい。 In the above embodiment, the gas flow member 50 is arranged within the fuel chamber 176, as viewed in the Z-axis direction, between the fuel gas supply communication channel 142 and the fuel gas discharge communication channel 143 and the unit cell 110. However, the gas flow member 50 may also be arranged within the fuel chamber 176, as viewed in the Z-axis direction, between one of the fuel gas supply communication channel 142 and the fuel gas discharge communication channel 143 and the unit cell 110.
上記実施形態では、燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102がガス流通部材50を備えているが、必ずしも燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102がガス流通部材50を備えている必要はなく、少なくとも1つの発電単位102がガス流通部材50を備えていればよい。 In the above embodiment, all of the power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are equipped with a gas distribution member 50, but it is not necessary for all of the power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 to be equipped with a gas distribution member 50; it is sufficient for at least one power generation unit 102 to be equipped with a gas distribution member 50.
上記実施形態では、ガス流通部材50が、燃料室176内における、Z軸方向視で、燃料ガス供給連通流路142および燃料ガス排出連通流路143とインターコネクタ190との間に配置されると共に、IC用セパレータ180と重なって配置されているが、必ずしもこのような構成である必要はない。また、燃料電池スタック100がIC用セパレータ180を備えている必要はなく、インターコネクタ190が燃料電池スタック100の周縁部(Z軸方向視で空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140と重なる部分)まで延伸していてもよい。 In the above embodiment, the gas flow member 50 is arranged within the fuel chamber 176, as viewed in the Z-axis direction, between the fuel gas supply communication channel 142 and the fuel gas discharge communication channel 143 and the interconnector 190, and is arranged overlapping the IC separator 180, but this configuration is not necessarily required. Furthermore, the fuel cell stack 100 does not need to include the IC separator 180, and the interconnector 190 may extend to the peripheral portion of the fuel cell stack 100 (the portion overlapping the air electrode side frame 130 and the fuel electrode side frame 140 as viewed in the Z-axis direction).
ガス流通部材50の構成は種々変形可能である。例えば、ガス流通部材50において、内側足部70Aと外側足部70Bとのいずれか一方を備えない構成でもよいし、内側足部70Aを1つだけ備える構成や、外側足部70Bを1つだけ備える構成でもよい。また、ガス流通部材50(本体部60)の延伸方向は、燃料ガスFGの流れ方向に交差する方向であれば、他の方向であってもよい。また、ガス流通部材50は、例えば、ガス流通部材50は、板材を断面が波形になるように折り曲げ加工して作製された部材であり、ガス流通部材50全体の延伸方向(Y軸方向)に直交する方向(XZ面内方向)に延伸する平板状の複数の第1の部分と、それぞれ、隣り合う2つの第1の部分の端部間を接続する平板状の複数の第2の部分とが、ガス流通部材50全体の延伸方向(Y軸方向)に交互に並んだ構成でもよい。また、ガス流通部材50は、溝VA,VBに限らず、ガスが流れる貫通孔などにより空間が形成された構成(例えばガスが流れる多数の孔が形成されたメッシュ状の部材)でもよい。 The configuration of the gas flow member 50 can be varied in various ways. For example, the gas flow member 50 may be configured without either the inner foot portion 70A or the outer foot portion 70B, or may be configured with only one inner foot portion 70A or one outer foot portion 70B. The extension direction of the gas flow member 50 (main body portion 60) may be any direction intersecting the flow direction of the fuel gas FG. The gas flow member 50 may be, for example, a member fabricated by bending a plate material so that its cross section has a corrugated shape. The gas flow member 50 may be configured such that multiple flat first portions extending in a direction (XZ plane direction) perpendicular to the extension direction (Y-axis direction) of the entire gas flow member 50 and multiple flat second portions connecting the ends of two adjacent first portions are alternately arranged in the extension direction (Y-axis direction) of the entire gas flow member 50. Furthermore, the gas flow member 50 is not limited to grooves VA and VB, and may instead be configured with spaces formed by through-holes or the like through which gas flows (for example, a mesh-like member with many holes through which gas flows).
上記実施形態において、ガス流通部材50の足部70は、第1の段差部72A,72Bと第2の段差部74A,74Bとの少なくとも1つを有しない構成でもよいし、3つ以上の段差部を有する構成でもよい。また、内側足部70Aと外側足部70Bとは、本体部60の延伸方向において、互いに異なる位置に配置されていてもよい。また、複数の内側足部70Aの長さLAは、いずれも同じであったが、少なくとも一部の内側足部70Aの長さLAは、互いに異なってもよい。外側足部70Bについても同様である。また、内側足部70Aの長さLAと外側足部70Bの長さLBとは互いに同じでもよい。足部70(70A,70B)の幅D1は、互いに隣り合う足部70同士の間の間隔D2と同じでもよいし、間隔D2よりも広くてもよい。足部70の剛性は、単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180の剛性以下でもよい。ガス流通部材50は、規制部80を備えない構成でもよい。 In the above embodiment, the foot portion 70 of the gas flow member 50 may be configured to lack at least one of the first step portions 72A, 72B and the second step portions 74A, 74B, or may be configured to have three or more step portions. Furthermore, the inner foot portion 70A and the outer foot portion 70B may be positioned at different positions in the extension direction of the main body portion 60. While the length LA of each of the inner foot portions 70A is the same, the lengths LA of at least some of the inner foot portions 70A may be different from each other. The same applies to the outer foot portion 70B. Furthermore, the length LA of the inner foot portion 70A and the length LB of the outer foot portion 70B may be the same. The width D1 of the foot portion 70 (70A, 70B) may be the same as the distance D2 between adjacent foot portions 70, or may be wider than the distance D2. The rigidity of the foot portion 70 may be equal to or less than the rigidity of the unit cell separator 120 or the IC separator 180. The gas flow member 50 may not be configured to include the restriction portion 80.
流路画定部材は、単セル用セパレータ120やIC用セパレータ180に限られない。流路画定部材は、ガス流路を画定するとともに、上記第1の画定部分および第2の画定部分を有する部材であればよく、例えば、ガス流路を構成するマニホールドやガス配管等でもよい。第2の画定部分は、屈曲部位を有する屈曲部分123,183に限らず、他の部分より肉厚が薄い部分、他の部分よりも軟質な材料で形成された部分や、他の部分よりも自由端に近い部分などもよい。なお、第2の画定部分が変形する要因としては、燃料室と空気室との圧力差に限らず、例えば流路画定部材とそれに隣接する部材との熱膨張差などが挙げられる。 The flow path defining member is not limited to the single cell separator 120 or the IC separator 180. The flow path defining member may be any member that defines the gas flow path and has the first and second defining portions described above, such as a manifold or gas pipe that forms the gas flow path. The second defining portion is not limited to the bent portion 123, 183 having a bent section, but may also be a portion that is thinner than the other portions, a portion made of a softer material than the other portions, or a portion closer to the free end than the other portions. Factors that cause deformation of the second defining portion are not limited to the pressure difference between the fuel chamber and the air chamber, but include, for example, the difference in thermal expansion between the flow path defining member and an adjacent member.
図10は、変形例としての燃料電池スタック100aの外観構成を示す説明図である。図10に示す変形例の燃料電池スタック100aは、複数の単セル110aを備える。単セル110aは、上下方向に伸びる柱状の支持体を有する。支持体は、断面が扁平状であり、一対の対向する平坦面を有する。支持体の内部には、上下方向に伸びるガス流路が形成されている。支持体の一方の平坦面上には、燃料極と、固体電解質層と、空気極とが順次積層されており、他方の平坦面のうち空気極が形成されていない部位には、インターコネクタが積層されている。隣接する単セル110a間に導電部材150aを配置することにより、単セル110a同士が電気的に直列に接続されている。単セル110aは、特許請求の範囲における電気化学反応単セルまたは電気化学反応単位の一例である。 Figure 10 is an explanatory diagram showing the external configuration of a modified fuel cell stack 100a. The modified fuel cell stack 100a shown in Figure 10 includes multiple unit cells 110a. Each unit cell 110a has a columnar support extending in the vertical direction. The support has a flat cross section and a pair of opposing flat surfaces. A gas flow path extending in the vertical direction is formed inside the support. A fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode are sequentially stacked on one flat surface of the support, and an interconnector is stacked on the portion of the other flat surface where the air electrode is not formed. By disposing a conductive member 150a between adjacent unit cells 110a, the unit cells 110a are electrically connected in series. The unit cells 110a are an example of an electrochemical reaction unit cell or electrochemical reaction unit as defined in the claims.
各単セル110aの下端は、ガラス等のシール材124aにより、マニホールド171aに固定されている。各単セル110aの支持体に形成されたガス流路は、マニホールド171aの内部空間に連通している。マニホールド171aの側面には、燃料ガスをマニホールド171a内に供給するための燃料ガス供給管27aが接続されている。燃料ガス供給管27aを介してマニホールド171aに供給された燃料ガスは、マニホールド171aから各単セル110aの支持体に形成されたガス流路を介して、燃料極に供給される。 The lower end of each unit cell 110a is fixed to a manifold 171a by a sealing material 124a such as glass. Gas flow paths formed in the support of each unit cell 110a are connected to the internal space of the manifold 171a. A fuel gas supply pipe 27a is connected to the side of the manifold 171a to supply fuel gas into the manifold 171a. The fuel gas supplied to the manifold 171a via the fuel gas supply pipe 27a is then supplied from the manifold 171a to the fuel electrode via the gas flow paths formed in the support of each unit cell 110a.
図11に示す変形例の燃料電池スタック100aにおいて、マニホールド171aおよび燃料ガス供給管27a等のガス流路は、各単セル110aの燃料極との間でガスのやり取りをマニホールドであり、各単セル110aの支持体に形成されたガス流路のうち支持体のマニホールド171a側の端部から燃料極に到達するまでの部分は、マニホールドと燃料極とを連通する連通流路である。マニホールド171aは、平坦部分122aと屈曲部分123aとを有している。屈曲部分123aは、平坦部分122aよりも変形しやすい。このマニホールド171a内にガス流通部材50aが配置されている。具体的には、ガス流通部材50aは、ガス流通部分70aと支持部分60aとを有している。ガス流通部分70aは、屈曲部分123aによって画定される空間内(屈曲部分123aの直下)に配置されている。ガス流通部分70aには、燃料ガス供給管27aからの燃料ガスが流れる貫通孔72aが形成されている。支持部分60aは、ガス流通部分70aに対して、燃料ガス供給管27aとは反対側に配置されており、ガス流通部分70aを支持している。このような構成により、マニホールド171a内における燃料ガスの流れが阻害されることを抑制しつつ、マニホールド171aの変形に起因して燃料電池スタック100aの性能が低下することを抑制することができる。マニホールド171aは、ガス画定部材の一例である。 In the modified fuel cell stack 100a shown in FIG. 11, gas flow paths such as the manifold 171a and fuel gas supply pipe 27a function as manifolds for gas exchange between the fuel electrode of each unit cell 110a, and the portion of the gas flow path formed in the support of each unit cell 110a, from the end of the support on the manifold 171a side to the fuel electrode, serves as a communication flow path connecting the manifold and the fuel electrode. The manifold 171a has a flat portion 122a and a curved portion 123a. The curved portion 123a is more easily deformed than the flat portion 122a. A gas flow member 50a is disposed within this manifold 171a. Specifically, the gas flow member 50a has a gas flow portion 70a and a support portion 60a. The gas flow portion 70a is disposed within the space defined by the curved portion 123a (directly below the curved portion 123a). The gas flow portion 70a has a through-hole 72a formed therein, through which fuel gas flows from the fuel gas supply pipe 27a. The support portion 60a is positioned on the opposite side of the gas flow portion 70a from the fuel gas supply pipe 27a, and supports the gas flow portion 70a. This configuration prevents the flow of fuel gas within the manifold 171a from being obstructed, while also preventing performance degradation of the fuel cell stack 100a due to deformation of the manifold 171a. The manifold 171a is an example of a gas dividing member.
上記実施形態において、燃料電池スタック100は、例えば、空気極用のマニホールド161,162を備えずに、空気室166の酸化剤ガス供給連通流路132と酸化剤ガス排出連通流路133とが燃料電池スタック100の外部に直接開口している構成でもよい。 In the above embodiment, the fuel cell stack 100 may be configured, for example, without including manifolds 161, 162 for the air electrodes, with the oxidant gas supply communication channel 132 and oxidant gas discharge communication channel 133 of the air chamber 166 opening directly to the outside of the fuel cell stack 100.
また、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、一対のエンドプレート104,106がターミナルプレートとして機能するが、一対のエンドプレート104,106とは別に、ターミナルプレートを設けてもよい。 In addition, in the above embodiment, 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. In addition, in the above embodiment, the pair of end plates 104, 106 function as terminal plates, but a terminal plate may be provided separately from the pair of end plates 104, 106.
また、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。また、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。 Furthermore, in the above embodiment, the interconnector 190 includes a conductive coating layer 194, but the interconnector 190 may not include the coating layer 194. Further, in the above embodiment, the unit cell 110 includes a reaction prevention layer 118, but the unit cell 110 may not include the reaction prevention layer 118. Further, 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, etc. Further, the materials constituting each component in the above embodiment are merely examples, and each component may be made of other materials.
また、上記実施形態の燃料電池スタック100は、カウンターフロータイプのSOFCであるが、本明細書に開示される技術は、コフロータイプのSOFCにも同様に適用可能である。なお、コフロータイプのSOFCでは、Z軸方向視で、燃料ガス供給連通流路142と酸化剤ガス供給連通流路132とは、単セル110の一の辺に対向するように配置され、かつ、燃料ガス排出連通流路143と酸化剤ガス排出連通流路133とは、単セル110の該一の辺に対して単セル110の中心点を挟んで対向する他の辺に対向するように配置されているような構成を有している。また、本明細書に開示される技術は、クロスフロータイプのSOFCにも同様に適用可能である。 In addition, while the fuel cell stack 100 in the above embodiment is a counterflow type SOFC, the technology disclosed in this specification is similarly applicable to coflow type SOFCs. In a coflow type SOFC, when viewed in the Z-axis direction, the fuel gas supply communication channel 142 and the oxidant gas supply communication channel 132 are arranged to face one side of the unit cell 110, and the fuel gas discharge communication channel 143 and the oxidant gas discharge communication channel 133 are arranged to face the other side of the unit cell 110 that faces the one side across the center point of the unit cell 110. The technology disclosed in this specification is similarly applicable to crossflow type SOFCs.
また、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燃料電池スタック100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単セル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、電解セルスタックの基本的な構成は、例えば特開2016-81813号公報に記載されているように公知であるが、おおよそ以下の通りである。すなわち、電解セルスタックの構成は、上述した実施形態の燃料電池スタック100の構成において、「発電単位」を「電解セル単位」と読み替え、「単セル」を「電解単セル」と読み替え、「酸化剤ガス供給マニホールド」を「空気排出マニホールド」と読み替え、「酸化剤ガス排出マニホールド」を「空気供給マニホールド」と読み替え、「燃料ガス供給マニホールド」を「水素排出マニホールド」と読み替え、「燃料ガス排出マニホールド」を「水蒸気供給マニホールド」と読み替え、「酸化剤ガス供給連通流路」を「空気排出連通流路」と読み替え、「酸化剤ガス排出連通流路」を「空気供給連通流路」と読み替え、「燃料ガス供給連通流路」を「水素排出連通流路」と読み替え、「燃料ガス排出連通流路」を「水蒸気供給連通流路」と読み替えた構成である。 In addition, while the above embodiment focuses on a fuel cell stack 100 that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen contained in fuel gas and oxygen contained in oxidant gas, the technology disclosed in this specification can also be applied to an electrolysis cell stack that includes multiple electrolysis unit cells, which are constituent units of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) that generates hydrogen using the electrolysis reaction of water. The basic configuration of an electrolysis cell stack is publicly known, as described in, for example, JP 2016-81813 A, and is roughly as follows: That is, the configuration of the electrolysis cell stack is the same as the configuration of the fuel cell stack 100 of the above-described embodiment, except that "power generation unit" is replaced with "electrolysis cell unit", "single cell" is replaced with "electrolysis single cell", "oxidant gas supply manifold" is replaced with "air discharge manifold", "oxidant gas discharge manifold" is replaced with "air supply manifold", "fuel gas supply manifold" is replaced with "hydrogen discharge manifold", "fuel gas discharge manifold" is replaced with "water vapor supply manifold", "oxidant gas supply communicating channel" is replaced with "air discharge communicating channel", "oxidant gas discharge communicating channel" is replaced with "air supply communicating channel", "fuel gas supply communicating channel" is replaced with "hydrogen discharge communicating channel", and "fuel gas discharge communicating channel" is replaced with "water vapor supply communicating channel".
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(水素極)116がマイナス(陰極)となるように、電解セルスタックに電圧が印加される。また、ガス通路部材27を介して水蒸気供給マニホールドに原料ガスとしての水蒸気が供給される。なお、供給される水蒸気に、水素ガスが含まれていてもよい。水蒸気供給マニホールドに供給された水蒸気は、水蒸気供給マニホールドから各電解セル単位の水蒸気供給連通流路を介して燃料室176に供給され、各電解単セルにおける水の電気分解反応に供される。各電解単セルにおける水の電気分解反応により燃料室176で発生した水素ガスは、余った水蒸気と共に水素排出連通流路を介して水素排出マニホールドに排出され、水素排出マニホールドからガス通路部材27を経て電解セルスタックの外部に取り出される。 During operation of the electrolysis cell stack, a voltage is applied to the electrolysis cell stack so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode (hydrogen electrode) 116 is negative (cathode). Steam is supplied as a raw material gas to the steam supply manifold via the gas passage member 27. The supplied steam may also contain hydrogen gas. The steam supplied to the steam supply manifold is then supplied to the fuel chamber 176 from the steam supply manifold via the steam supply communication channel of each electrolysis cell unit, and is used for the water electrolysis reaction in each electrolysis unit cell. The hydrogen gas generated in the fuel chamber 176 by the water electrolysis reaction in each electrolysis unit cell is discharged, along with any excess steam, via the hydrogen discharge communication channel to the hydrogen discharge manifold, and is then removed from the hydrogen discharge manifold via the gas passage member 27 to the outside of the electrolysis cell stack.
また、電解セルスタックの運転の際には、電解セルスタックの温度の制御等のために、必要により空気が電解セルスタックの内部に供給される。この場合には、ガス通路部材27を介して空気供給マニホールドに供給された空気が、空気供給マニホールドから各電解セル単位の空気供給連通流路を介して、空気室166に供給される。空気室166に供給された空気は、空気極114で生成される酸素とともに空気排出連通流路を介して空気排出マニホールドに排出され、空気排出マニホールドからガス通路部材27を経て電解セルスタックの外部に排出される。 In addition, during operation of the electrolytic cell stack, air is supplied to the interior of the electrolytic cell stack as needed to control the temperature of the electrolytic cell stack, etc. In this case, air is supplied to the air supply manifold via the gas passage member 27, and then from the air supply manifold to the air chamber 166 via the air supply communication flow path of each electrolytic cell unit. The air supplied to the air chamber 166 is discharged to the air discharge manifold via the air discharge communication flow path together with oxygen generated at the air electrode 114, and then from the air discharge manifold to the outside of the electrolytic cell stack via the gas passage member 27.
このような構成の電解セルスタックにおいても、上記実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成を採用することにより、上記実施形態における燃料電池スタック100の作用効果と同様の作用効果を奏する。 By adopting a configuration similar to that of the fuel cell stack 100 in the above embodiment, an electrolysis cell stack with this configuration also achieves the same effects as those of the fuel cell stack 100 in the above embodiment.
また、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、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。 Furthermore, while the above embodiment has been described using a solid oxide fuel cell (SOFC) as an example, the technology disclosed in this specification can also be applied to other types of fuel cells (or electrolytic cells), such as a molten carbonate fuel cell (MCFC).
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 27a:燃料ガス供給管 28,60:本体部 29:分岐部 32,34:孔 50,50A,50B,50a:ガス流通部材 60a:支持部分 70:足部 70A:内側足部 70B:外側足部 70a:ガス流通部分 72A,72B:第1の段差部 72a,121,181:貫通孔 74A,74B:第2の段差部 80:規制部 100,100a:燃料電池スタック 102:発電単位 103:発電ブロック 104,106:エンドプレート 108:連通孔 109:ボルト孔 110,110a: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 122,182,122a:平坦部分 123,183,123a:屈曲部分 124:接合部 124a:シール材 125:ガラスシール部 126,186:内側部 127,187:外側部 128,188:連結部 130:空気極側フレーム 131,141:孔 132:酸化剤ガス供給連通流路 133:酸化剤ガス排出連通流路 134:空気極側集電部 140:燃料極側フレーム 142:燃料ガス供給連通流路 143:燃料ガス排出連通流路 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 148:係止孔 149:スペーサー 150:平板部 150a:導電部材 161,162,171,172,171a:マニホールド 166:空気室 176:燃料室 180:IC用セパレータ 189:下端用セパレータ 190:インターコネクタ 194:被覆層 196:導電性接合材 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 27a: Fuel gas supply pipe 28, 60: Main body 29: Branch portion 32, 34: Hole 50, 50A, 50B, 50a: Gas flow member 60a: Support portion 70: Foot portion 70A: Inner foot portion 70B: Outer foot portion 70a: Gas flow portion 72A, 72B: First step portion 72a, 121, 181: Through hole 74A, 74B: Second step portion 80: Restriction portion 100, 100a: Fuel cell stack 102: Power generation unit 103: Power generation block 104, 106: End plate 108: Communication hole 109: Bolt hole 110, 110a: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Anode 118: Reaction prevention layer 120: Single cell separator 122, 182, 122a: Flat portion 123, 183, 123a: Bent portion 124: Joint portion 124a: Sealing material 125: Glass seal portion 126, 186: Inner portion 127, 187: Outer portion 128, 188: Connecting portion 130: Air electrode side frame 131, 141: Hole 132: Oxidant gas supply communicating channel 133: Oxidant gas discharge communicating channel 134: Air electrode side current collecting portion 140: Anode side frame 142: Fuel gas supply communicating channel 143: Fuel gas discharge communicating channel 144: Anode side current collecting member 145: Electrode opposing portion 146: Interconnector opposing portion 147: Connecting portion 148: Locking hole 149: Spacer 150: Flat plate portion 150a: Conductive member 161, 162, 171, 172, 171a: Manifold 166: Air chamber 176: Fuel chamber 180: IC separator 189: Lower end separator 190: Interconnector 194: Coating layer 196: Conductive adhesive material
Claims (9)
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形成されており、
各前記電気化学反応単位には、前記空気極と前記燃料極とが対向する第1方向視において前記特定電極と異なる位置に配置され、前記マニホールドと前記特定電極とを連通する連通流路が形成されており、
前記連通流路から構成されるガス流路を画定する流路画定部材は、前記ガスの流れ方向に延びる板状の第1の画定部分と、前記ガスの流れ方向において前記第1の画定部分の両端のそれぞれに位置し、かつ、前記ガスの流れ方向に延びる板状の一対の第2の画定部分であって、前記第1の画定部分と隣接する屈曲部位を有している一対の前記第2の画定部分とを有しており、
前記ガス流路のうち、少なくとも、前記流路画定部材の前記第2の画定部分が画定する第2のガス流路に、前記第2のガス流路を流れる前記ガスの空間を形成する空間形成部を有するガス流通部材が配置されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 An electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction units, each having an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other with the electrolyte layer interposed therebetween,
a manifold is formed to exchange 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;
Each of the electrochemical reaction units is disposed at a position different from the specific electrode when viewed in a first direction in which the air electrode and the fuel electrode face each other, and a communication flow path is formed that communicates the manifold with the specific electrode;
a flow path defining member defining a gas flow path formed from the communicating flow paths includes a plate-shaped first defining portion extending in the gas flow direction, and a pair of plate-shaped second defining portions located at both ends of the first defining portion in the gas flow direction and extending in the gas flow direction, the pair of second defining portions having bent portions adjacent to the first defining portions;
a gas flow member having a space forming portion that forms a space for the gas flowing through the second gas flow path is disposed in at least a second gas flow path defined by the second defining portion of the flow path defining member among the gas flow paths;
1. An electrochemical reaction cell stack comprising:
前記ガス流通部材は、前記ガス流路の前記第2のガス流路に配置され、前記空間形成部が形成されたガス流通部分と、前記ガス流路のうち、前記流路画定部材の前記第1の画定部分が画定する第1のガス流路に配置され、前記ガス流通部分を支持する支持部分とを有している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 1,
the gas flow member has a gas flow portion that is disposed in the second gas flow path of the gas flow path and in which the space forming portion is formed, and a support portion that is disposed in a first gas flow path of the gas flow path that is defined by the first defining portion of the flow path defining member and that supports the gas flow portion.
1. An electrochemical reaction cell stack comprising:
前記支持部分は、前記ガスの流れ方向に交差する方向に延伸している形状であり、
前記ガス流通部分は、前記支持部分から前記第2のガス流路まで延びている複数の足部を有している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 2,
the support portion has a shape extending in a direction intersecting the gas flow direction,
the gas flow portion has a plurality of legs extending from the support portion to the second gas flow path.
1. An electrochemical reaction cell stack comprising:
前記ガスの流れ方向視で、前記複数の足部の間の溝の少なくとも一部は、前記支持部分から外れた位置に配置されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 3,
When viewed in the gas flow direction, at least a part of the grooves between the plurality of legs is disposed at a position away from the support portion.
1. An electrochemical reaction cell stack comprising:
前記複数の足部の少なくとも一部の足部は、前記第1のガス流路内において、前記ガスの流れ方向と前記支持部分の延伸方向との両方に交差する方向に延びる部分を有している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 4,
At least some of the plurality of foot portions have a portion that extends in the first gas flow path in a direction that intersects both the gas flow direction and the extension direction of the support portion.
1. An electrochemical reaction cell stack comprising:
前記支持部分の延伸方向において、前記足部の幅は、互いに隣り合う前記足部同士の間の間隔よりも狭い、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 3 to 5,
In the extension direction of the support portion, the width of the foot portion is narrower than the interval between the adjacent foot portions.
1. An electrochemical reaction cell stack comprising:
前記足部の剛性は、前記流路画定部材の前記第2の画定部分の剛性よりも高い、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 3,
the foot portion has a stiffness greater than the stiffness of the second defining portion of the flow path defining member;
1. An electrochemical reaction cell stack comprising:
前記流路画定部材は、一対の前記第2の画定部分と、前記一対の第2の画定部分の間に位置する前記第1の画定部分と有し、かつ、ガスの流れ方向視で、前記第1の画定部分は、前記一対の前記第2の画定部分に対して前記流路画定部材の前記ガス流路とは反対側に外れた位置に位置しており、
前記ガス流通部材は、前記一対の第2のガス流路のそれぞれに配置される一対の前記ガス流通部分を有している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 2,
the flow path defining member has a pair of the second defining portions and the first defining portion located between the pair of second defining portions, and the first defining portion is located at a position away from the pair of second defining portions on an opposite side of the gas flow path of the flow path defining member as viewed in a gas flow direction,
the gas flow member has a pair of the gas flow portions disposed in the pair of second gas flow paths, respectively;
1. An electrochemical reaction cell stack comprising:
前記ガス流通部材は、前記流路画定部材に接触し、前記ガス流通部材の前記ガスの流れ方向の移動を規制する規制部を有している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 1,
the gas flow member has a restricting portion that contacts the flow path defining member and restricts movement of the gas flow member in the gas flow direction;
1. An electrochemical reaction cell stack comprising:
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