JP7186208B2 - 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 by 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の構成単位である燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)は、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)を有している。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one type of fuel cell that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell power generation unit (hereinafter simply referred to as "power generation unit"), which is a structural unit of SOFC, is composed of an electrolyte layer containing a solid oxide and a predetermined direction (hereinafter referred to as "first direction") across the electrolyte layer. has a fuel cell single cell (hereinafter simply referred to as "single cell") including an air electrode and a fuel electrode facing each other.
SOFCは、一般に、複数の発電単位を第1の方向に並べて配置された構造体(以下、「発電ブロック」という)と、発電ブロックを挟んで第1の方向に互いに対向する一対のエンド部材とを備える燃料電池スタックの形態で利用される。発電単位は、例えば、単セルと、フレーム部分を有する周辺部材と、を備える。 An SOFC generally includes a structure (hereinafter referred to as a "power generation block") in which a plurality of power generation units are arranged in a first direction, and a pair of end members facing each other in the first direction with the power generation block interposed therebetween. is utilized in the form of a fuel cell stack comprising A power generation unit, for example, comprises a single cell and a peripheral member having a frame portion.
一般に、燃料電池スタックには、複数の発電単位にわたって第1の方向に延びる複数の連通孔が形成されており、複数の連通孔のそれぞれに挿入されたボルトと、各ボルトに嵌められたナットとによって締結される。また、この燃料電池スタックでは、ナットと、燃料電池スタックを構成する部材(例えばエンド部材)との間に、金属により形成された円環状の平板部材である座金が配置されている(例えば特許文献1参照)。 In general, a fuel cell stack is formed with a plurality of communication holes extending in a first direction over a plurality of power generation units. is concluded by Further, in this fuel cell stack, a washer, which is an annular flat plate member made of metal, is arranged between the nut and a member (for example, an end member) constituting the fuel cell stack (see, for example, Patent Documents 1).
ところで、上述した燃料電池スタックでは、エンド部材は、単に平板状の部材であり、剛性が低いため、変形を抑制しにくいという課題がある。また、エンド部材の剛性が低いことにより、エンド部材における締結部材の締結力による変形であって、上記第1の方向における変形(例えば、締結部材における締結部(頭部やナット)のエンド部材表面への沈み込み等による変形)が生じ、締結力をエンド部材の面方向へ伝達することが困難であり、ひいては、例えば燃料電池スタックの性能が低下するおそれがある。 By the way, in the fuel cell stack described above, the end member is simply a plate-shaped member and has low rigidity, so there is a problem that it is difficult to suppress deformation. In addition, due to the low rigidity of the end member, deformation due to the fastening force of the fastening member in the end member, deformation in the first direction (for example, deformation of the end member surface of the fastening portion (head or nut) of the fastening member) It is difficult to transmit the fastening force in the planar direction of the end member, which may lead to deterioration in the performance of the fuel cell stack, for example.
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という。)の構成単位である電解単セルを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。 It should be noted that such a problem is solved by an electrolytic cell comprising a plurality of electrolytic single cells, which are constituent units of a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter referred to as "SOEC") that generates hydrogen using the electrolysis reaction of water. This is also a common issue for cell stacks. In this specification, the fuel cell single cell and the electrolysis single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell, and the fuel cell stack and the electrolysis cell stack are collectively referred to as an electrochemical reaction cell stack. Moreover, such a problem is not limited to SOFCs and SOECs, but is 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 a technology capable of solving the above-described 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 implemented, 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、第1の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、前記第1の方向視において、前記電解質層と、前記空気極と、前記燃料極とが互いに重なる領域を取り囲むフレーム部分を有する周辺部材と、を有する、電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第1の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第1の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、前記第1の方向に延びる軸部と、前記軸部の両端部に連結された一対の締結部とを有する締結部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記一対のエンド部材のうちの少なくとも一方である特定エンド部材は、前記第1の方向に垂直な面方向に沿った平面部分であって、前記軸部が挿入される貫通孔が形成された平面部分と、前記面方向に沿って延び、かつ、前記平面部分より前記第1の方向に突出した凸部分と、を有し、前記特定エンド部材における前記平面部分と、前記第1の方向において、前記電気化学反応ブロックに対して前記特定エンド部材と同じ側に位置する前記締結部としての特定締結部との間に配置された板状部材、を備え、前記第1の方向における前記板状部材の表面のうち、前記特定エンド部材の前記平面部分に対向する表面である特定表面の外縁は、前記特定表面の前記外縁における一部分である部分外縁を有し、前記部分外縁は、前記第1の方向視において、前記部分外縁に対向する前記凸部分の外縁に沿った形状を有する。 (1) An electrochemical reaction cell stack disclosed in this specification is an electrochemical reaction block composed of a plurality of electrochemical reaction units arranged side by side in a first direction, each of the electrochemical reaction units is an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween; when viewed in the first direction, the electrolyte layer; An electrochemical reaction block having a peripheral member having a frame portion surrounding a region where the air electrode and the fuel electrode overlap with each other; a pair of end members arranged so that at least a portion thereof overlaps the frame portion when viewed in the first direction; a shaft portion extending in the first direction; and both end portions of the shaft portion. and a fastening member having a pair of fastening portions coupled to the electrochemical reaction cell stack, wherein at least one of the pair of end members, the specific end member, has a surface perpendicular to the first direction A planar portion extending along a direction, the planar portion having a through hole into which the shaft portion is inserted, and a projection extending along the planar direction and protruding from the planar portion in the first direction. the flat portion of the specific end member; and the specific fastening portion as the fastening portion located on the same side of the electrochemical reaction block as the specific end member in the first direction. and a plate-shaped member disposed between the It has a partial outer edge that is a portion of the outer edge of the specific surface, and the partial outer edge has a shape along the outer edge of the convex portion facing the partial outer edge when viewed in the first direction.
本電気化学反応セルスタックでは、特定エンド部材が凸部分を備えることにより、特定エンド部材における凸部分付近の剛性が向上し、ひいては、エンド部材が凸部分を備えない構成と比較して、面方向における変形を抑制することができる。また、本電気化学反応セルスタックでは、第1の方向において、特定エンド部材における平面部分と、特定締結部との間に板状部材が配置されている。このため、締結部材による締結力は、板状部材を介して、特定エンド部材の平面部分における板状部材の外縁付近、更には、板状部材の外縁付近に連続する平面部分に伝達される傾向がある。本電気化学反応セルスタックでは、板状部材における特定表面の外縁における一部分である部分外縁は、第1の方向視において、当該部分外縁に対向する特定エンド部材の凸部分の外縁に沿った形状を有している。換言すれば、第1の方向視において、板状部材における特定表面の部分外縁と、特定エンド部材の凸部分の外縁との間の間隔が略均一である。このため、第1の方向視において、板状部材における特定表面の部分外縁と、特定エンド部材の凸部分の外縁との間に位置する特定エンド部材の平面部分における、板状部材を介して伝達される締結部材の締結力は、凸部分の延伸方向において、略均一となる。すなわち、特定エンド部材の平面部分にかかる締結力が、特定箇所に集中することに起因して、凸部分の延伸方向、ひいては、特定エンド部材の面方向において変形することを抑制することができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、特定エンド部材の面方向における変形を抑制することにより、電気化学反応セルスタックの性能の低下を抑制することができる。 In the present electrochemical reaction cell stack, since the specific end member has the convex portion, the rigidity in the vicinity of the convex portion of the specific end member is improved. deformation in can be suppressed. Further, in the present electrochemical reaction cell stack, the plate-like member is arranged between the plane portion of the specific end member and the specific fastening portion in the first direction. Therefore, the fastening force of the fastening member tends to be transmitted via the plate-shaped member to the vicinity of the outer edge of the plate-shaped member in the planar portion of the specific end member, and further to the planar portion continuous to the vicinity of the outer edge of the plate-shaped member. There is In the present electrochemical reaction cell stack, the partial outer edge, which is a part of the outer edge of the specific surface of the plate member, has a shape along the outer edge of the convex portion of the specific end member facing the partial outer edge when viewed in the first direction. have. In other words, when viewed from the first direction, the distance between the partial outer edge of the specific surface of the plate member and the outer edge of the convex portion of the specific end member is substantially uniform. Therefore, when viewed from the first direction, transmission is carried out via the plate-like member in the planar portion of the specific end member located between the partial outer edge of the specific surface of the plate-like member and the outer edge of the convex portion of the specific end member. The fastening force of the fastening member is substantially uniform in the extending direction of the convex portion. That is, it is possible to suppress deformation in the extending direction of the convex portion, and thus in the planar direction of the specific end member, due to the fastening force applied to the plane portion of the specific end member being concentrated on the specific location. Therefore, according to the present electrochemical reaction cell stack, by suppressing the deformation of the specific end member in the plane direction, it is possible to suppress deterioration of the performance of the electrochemical reaction cell stack.
(2)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向視において、前記板状部材の前記部分外縁と、前記凸部分の外縁との間の間隙距離は、前記第1の方向における前記特定エンド部材の前記平面部分の厚みと比較して、小さい構成としてもよい。本構成の電気化学反応セルスタックでは、板状部材の部分外縁と、凸部分の外縁との間の間隙距離が、第1の方向における特定エンド部材の平面部分の厚みと比較して、小さい。換言すれば、板状部材の部分外縁と、凸部分の外縁とが、極めて近い。本電気化学反応セルスタックによれば、締結部材の締結力が集中しやすい板状部材の部分外縁を、剛性の比較的高い凸部分付近に近づけることによって、特定エンド部材の面方向における変形をより効率的に抑制することができる。 (2) In the above electrochemical reaction cell stack, when viewed in the first direction, the gap distance between the partial outer edge of the plate-like member and the outer edge of the convex portion is the specified It may be configured to be smaller than the thickness of the planar portion of the end member. In the electrochemical reaction cell stack of this configuration, the gap distance between the partial outer edge of the plate member and the outer edge of the convex portion is smaller than the thickness of the planar portion of the specific end member in the first direction. In other words, the partial outer edge of the plate member and the outer edge of the convex portion are extremely close. According to this electrochemical reaction cell stack, by bringing the partial outer edge of the plate-shaped member, on which the fastening force of the fastening member tends to concentrate, closer to the vicinity of the convex portion with relatively high rigidity, the deformation in the plane direction of the specific end member can be further reduced. can be effectively suppressed.
(3)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向における前記板状部材の厚みは、前記特定エンド部材の前記平面部分の厚みと比較して、大きい構成としてもよい。本構成の電気化学反応セルスタックによれば、板状部材の剛性が、特定エンド部材の平面部分における剛性と比較して大きいことにより、板状部材を介して特定エンド部材へと伝達される締結部材の締結力が緩和され、ひいては、特定エンド部材の面方向における変形をより効率的に抑制することができる。 (3) In the above electrochemical reaction cell stack, the thickness of the plate member in the first direction may be larger than the thickness of the plane portion of the specific end member. According to the electrochemical reaction cell stack of this configuration, the rigidity of the plate-shaped member is greater than the rigidity of the plane portion of the specific end member, so that the fastening is transmitted to the specific end member via the plate-shaped member. The fastening force of the member is relaxed, and thus the deformation in the plane direction of the specific end member can be suppressed more efficiently.
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 implemented in various forms. It can be realized in the form of chemical reaction units (fuel cell power generation units or electrolysis cell units), electrochemical reaction cell stacks (fuel cell stacks or electrolysis cell stacks) comprising a plurality of electrochemical reaction units, manufacturing methods thereof, etc. is.
A.第1実施形態:
A-1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図4は、図1のIV-IVの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図5以降についても同様である。
A. First embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of the
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という。)102と、末端セパレータ210、上端プレート220、下端プレート189と、一対のターミナルプレート410,420、絶縁部200、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のターミナルプレート410,420のうちの一方(以下、「上側ターミナルプレート410」という。)は、7つの発電単位102から構成される集合体(以下、「発電ブロック103」という。)の上側に配置されており、一対のターミナルプレート410,420のうちの他方(以下、「下側ターミナルプレート420」という。)は、発電ブロック103の下側に配置されている。末端セパレータ210は、上側ターミナルプレート410の上側に配置されており、下端プレート189は、下側ターミナルプレート420の下側に配置されている。絶縁部200は、末端セパレータ210の上側に配置されている。一対のエンドプレート104,106のうちの一方(以下、「上側エンドプレート104」という。)は、絶縁部200の上側に配置されており、一対のエンドプレート104,106のうちの他方の(以下、「下側エンドプレート106」という。)は、下端プレート189の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106は、発電ブロック103と、末端セパレータ210と、下端プレート189と、一対のターミナルプレート410,420、絶縁部200とを上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
The
図1および図4に示すように、燃料電池スタック100を構成する各層(発電ブロック103と、末端セパレータ210と、下端プレート189と、一対のターミナルプレート410,420、絶縁部200)のZ軸方向回りの外周の4つの角部付近には、各層を上下方向に貫通する孔が形成されている。上側エンドプレート104のZ軸方向回りの外周の4つの角部付近には、孔(ネジ孔)が貫通形成されており、下側エンドプレート106のZ軸方向回りの外周の4つの角部付近には、孔(ネジ孔)が貫通形成されている。これらの各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上下方向に延びるボルト孔109を構成している。以下の説明では、ボルト孔109を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、ボルト孔109と呼ぶ場合がある。
As shown in FIGS. 1 and 4, each layer (the
各ボルト孔109には、上下方向に延びるボルト600の軸部610が挿通されている。ボルト600は、軸部610の上端部に、Z軸方向視で軸部610よりも外側に張り出した部分を含む頭部620を有している。より具体的には、頭部620は、Z軸方向において、発電ブロック103に対して、上側エンドプレート104と同じ側(すなわち、上方向側)に位置している。ボルト600(具体的には、軸部610)の下端部は、下側エンドプレート106の孔を介してナット630のネジ孔に螺合している。このような構成のボルト600およびナット630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。ボルト600は、金属(例えば鉄やステンレス)により形成されている。ボルト600は、特許請求の範囲における締結部材に相当する。軸部610は、特許請求の範囲における軸部に相当する。頭部620およびナット630は、それぞれ、特許請求の範囲における締結部に相当する。更には、頭部620は、特許請求の範囲における特定締結部に相当する。頭部620と上側エンドプレート104との締結部分の詳細構成については後述する。
A
また、図1から図3に示すように、燃料電池スタック100を構成する各層(各発電単位102、下側ターミナルプレート420、下端プレート189、下側エンドプレート106)のZ軸方向回りの周縁部には、各層を上下方向に貫通する4つの孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、最上部の発電単位102から下側エンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
Further, as shown in FIGS. 1 to 3, each layer (each
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the vicinity of one side (one of the two sides parallel to the Y-axis, the side on the positive side of the X-axis) that constitutes the outer circumference of the
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。
1 and 3, among the sides forming the outer circumference of the
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。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
(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の少なくとも一部を内包している。各ボルト600およびナット630による締結によって生じるZ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位102の周縁部(後述する各単セル110より外周側の部分)に作用する。なお、エンドプレート104,106は、特許請求の範囲におけるエンド部材に相当する。更には、上側エンドプレート104は、特許請求の範囲における特定エンド部材に相当する。エンドプレート104,106の具体的構成については後述する。
(Configuration of
The pair of
(ターミナルプレート410,420の構成)
一対のターミナルプレート410,420は、Z軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。上側ターミナルプレート410の中央付近には、Z軸方向に貫通する孔412が形成されている。Z軸方向視で、上側ターミナルプレート410に形成された孔412の内周線は、後述する各単セル110を内包している。Z軸方向視で、一対のターミナルプレート410,420のそれぞれの一方側(X軸正方向側)の端部は、発電ブロック103から側方に張り出している。本実施形態では、上側ターミナルプレート410の張り出し部分は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側ターミナルプレート420の張り出し部分は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of
The pair of
(上端プレート220の構成)
上端プレート220は、Z軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。上端プレート220は、発電ブロック103の上側に配置されており、発電ブロック103における上端に位置するインターコネクタ190に電気的に接続されている。本実施形態では、上端プレート220とインターコネクタ190とは、後述の燃料極側集電部材144と同一構造の接続部材を介して電気的に接続されている。
(Configuration of upper end plate 220)
The
(末端セパレータ210の構成)
末端セパレータ210は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔211が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。末端セパレータ210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。末端セパレータ210における貫通孔211を取り囲む部分(以下、「貫通孔周囲部」という。)は、上端プレート220の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。末端セパレータ210は、上端プレート220と発電ブロック103との間の空間と燃料電池スタック100の外部空間とを区画する。
(Structure of Terminal Separator 210)
The
末端セパレータ210は、末端セパレータ210の貫通孔周囲部(貫通孔211を取り囲む部分)を含む内側部216と、内側部216より外周側に位置する外側部217と、内側部216と外側部217とを連結する連結部218とを備える。本実施形態では、内側部216および外側部217は、Z軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部218は、内側部216と外側部217との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部218における下側(発電ブロック103側)の部分は凸部となっており、連結部218における上側(上側エンドプレート104側)の部分は凹部となっている。このため、連結部218は、Z軸方向における位置が内側部216および外側部217とは異なる部分を含んでいる。
The
(下端プレート189の構成)
下端プレート189は、Z軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。下端プレート189の周縁部は、下側ターミナルプレート420と下側エンドプレート106との間に挟み込まれており、これにより、各マニホールド161,162,171,172のシール性と、下側ターミナルプレート420と下側エンドプレート106との絶縁性とが確保されている。
(Configuration of lower end plate 189)
The
(絶縁部200の構成)
絶縁部200は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔が形成されたフレーム状(具体的には、矩形枠状)の部材である。より具体的には、Z軸方向視で、絶縁部200の内周部は、全周にわたって、燃料極側フレーム140の内周部と同じ位置、または、該内周部の内周側に位置している。Z軸方向視で、絶縁部200の外周部は、全周にわたって、燃料極側フレーム140の外周部と同じ位置、または、該外周部の外周側に位置している。絶縁部200は、例えばマイカシートや、バーミキュライトシート、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の絶縁材料により形成されている。絶縁部200のZ軸方向における厚さ(シート厚)は、0.1mm以上、5mm以下であり、好ましくは、1mm以上、5mm以下である。絶縁部200は、上側エンドプレート104と末端セパレータ210との間に挟み込まれており、これにより、各マニホールド161,162,171,172のシール性と、上側エンドプレート104と末端セパレータ210との絶縁性とが確保されている。上述したボルト孔109を構成する孔は、絶縁部200のZ軸方向回りの周縁部に形成されている。なお、本明細書において、「導電性部材」とは、電気抵抗率が100μΩ・m以下である部材を意味し、「絶縁部材」とは、電気抵抗率が10MΩ・m以上である部材を意味している。
(Configuration of insulating portion 200)
The insulating
(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。
(Configuration of power generation unit 102)
5 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two
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 FIGS. 5 to 7, the
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
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)とYSZと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
単セル用セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。単セル用セパレータ120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-
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-
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
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は下側ターミナルプレート420および下端プレート189を備えているため、燃料電池スタック100において最も下側に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ190を備えていない(図2から図4参照)。
The
IC用セパレータ180は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔181が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。IC用セパレータ180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、上側ターミナルプレート410に電気的に接続されている。
The
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
図5から図7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部分を有する部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。フレーム部分は、Z軸方向視で、電解質層112と、空気極114と、燃料極116とが互いに重なる領域を取り囲む部分であり、上述の各マニホールド161,162,171,172として機能する各連通孔108を構成する孔(マニホールド用孔)は、フレーム部分に形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、単セル用セパレータ120の周縁部における上側の表面と、上側のIC用セパレータ180の周縁部における下側の表面とに接触しており、両者の間のガスシール性(すなわち、空気室166のガスシール性)を確保するシール部材として機能する。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のIC用セパレータ180間(すなわち、一対のインターコネクタ190間)が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス供給マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通流路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 FIGS. 5 to 7, the air
図5から図7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部分を有する部材であり、例えば、金属により形成されている。フレーム部分は、空気極側フレーム130におけるフレーム部分と同様に、Z軸方向視で、上記領域を取り囲む部分である。また、燃料極側フレーム140においても、上述の各連通孔108を構成する孔(マニホールド用孔)は、フレーム部分に形成されている。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。
As shown in FIGS. 5 to 7, the anode-
図5から図7に示すように、燃料極側集電部材144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電部材144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116の下側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ190(の平板部150)の上側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下側に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ190を備えていないため、該発電単位102における燃料極側集電部材144のインターコネクタ対向部146は、下側ターミナルプレート420に接触している。燃料極側集電部材144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ190(または下端プレート189)とを電気的に接続する。なお、燃料極側集電部材144の電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電部材144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電部材144を介した燃料極116とインターコネクタ190(または下側ターミナルプレート420)との電気的接続が良好に維持される。
As shown in FIGS. 5 to 7 , the fuel electrode
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 fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 5, the oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the
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、下側ターミナルプレート420)に電気的に接続されている。すなわち、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。また、最も上側に位置する発電単位102の上側のインターコネクタ190およびIC用セパレータ180は、上側ターミナルプレート410に電気的に接続されており、最も下側に位置する発電単位102の燃料極側集電部材144には、下側ターミナルプレート420が電気的に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するターミナルプレート410,420から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば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 the oxidant gas OG is supplied to the
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
なお、本実施形態の燃料電池スタック100では、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(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
A-3.エンドプレート104,106の詳細構成:
エンドプレート104,106の詳細構成について説明する。
A-3. Detailed Configuration of
A detailed configuration of the
(上側エンドプレート104の構成)
図2から図4に示すように、上側エンドプレート104は、平面部310と、凸部320と、隆起部330と、を含んでいる。平面部310は、Z軸方向視で燃料極側フレーム140に重なり、かつ、Z軸方向に垂直な面方向(XY平面に平行な方向)に沿っている。平面部310は、所定の領域(例えば締結部材(ボルト600)が挿入される2つ以上のボルト孔109同士をつなぐ領域)を有して面方向に平行な平坦部分である。具体的には、平面部310のZ軸方向視での形状は、全体として、矩形枠状である。Z軸方向視で、平面部310の内周部(孔32の輪郭線)は、全周にわたって、燃料極側フレーム140の孔141の輪郭線の内周側に位置している。Z軸方向視で、平面部310の外周部は、全周にわたって、燃料極側フレーム140の外周部と同じ位置、または、該外周部の外周側に位置している。すなわち、Z軸方向視で、平面部310の外周側が燃料極側フレーム140に重なっており、平面部310の内周側が燃料極側フレーム140より内側に張り出している。なお、上述したボルト孔109を構成する孔は、平面部310におけるZ軸方向回りの周縁部に形成されている。燃料極側フレーム140または空気極側フレーム130は、特許請求の範囲における周辺部材に相当し、孔141は、特許請求の範囲におけるフレーム貫通孔に相当する。また、平面部310は、特許請求の範囲における平面部分に相当し、凸部320および隆起部330は、それぞれ、特許請求の範囲における凸部分に相当する。
(Configuration of upper end plate 104)
As shown in FIGS. 2-4, the
凸部320は、面方向に沿って延び、かつ、平面部310よりZ軸方向に突出している。凸部320は、所定の長さ(例えば凸部320の厚さより大きい長さ)を有して面方向(凸部320)に平行に延びているリブである。平面部310からの凸部320の立ち上がり長さ(Z軸方向の長さ)は、平面部310の厚さより大きく、例えば、平面部310の厚さの30倍以上の長さが好ましく、50倍以上の長さがより好ましい。なお、凸部320は、例えば締結部材(ボルト600)が挿入される2つ以上のボルト孔109同士をつなぐ領域(平面部310)の周縁部に形成されていることが好ましい。
The
具体的には、凸部320は、外側凸部322と、内側凸部324と、を有している。外側凸部322は、平面部310の外周部から上側(発電ブロック103とは反対側 Z軸正方向側)に向かって突出している。外側凸部322は、平面部310の外周部の全周にわたって形成されている。Z軸方向視で、外側凸部322は、空気極側フレーム130に重なる位置に配置されている。内側凸部324は、平面部310の内周部から上側(発電ブロック103とは反対側 Z軸正方向側)に向かって突出している。内側凸部324は、平面部310の内周部の全周にわたって形成されている。すなわち、上側エンドプレート104のZ軸方向に平行な少なくとも1つの断面において、凸部320(外側凸部322、内側凸部324)が複数形成されている(図2から図4参照)。
Specifically, the
隆起部330は、上側エンドプレート104のZ軸方向に平行な少なくとも1つの断面において、平面部310の部分同士を連結し、Z軸方向に隆起した部分である。すなわち、隆起部330は、上側エンドプレート104の周縁部から離間した位置に形成されており、Z軸方向における位置が平面部310とは異なる部分(隆起した先端部分)を有している。隆起部330は、所定の長さ(例えば凸部320の厚さより大きい長さ)を有して面方向(凸部320)に平行に延びている。隆起部330は、例えば締結部材(ボルト600)が挿入される2つのボルト孔109同士の間に位置し、かつ、該2つのボルト孔109の並び方向に沿って延びていることが好ましい(図1参照)。
The raised
具体的には、隆起部330は、上側エンドプレート104における外側凸部322と内側凸部324との間に配置されている。各隆起部330は、凸部320に平行に延びる一対の側壁332と、一対の側壁332同士の上端を連結する連結壁334と、一対の側壁332の長手方向の端同士を連結する封止壁336と、を有している。各側壁332は、平面部310に対して略垂直であり、連結壁334は、平面部310に略平行であり、各封止壁336は、連結壁334から平面部310に向かって傾斜している(図1参照)。
Specifically,
(下側エンドプレート106の構成)
図2から図4に示すように、下側エンドプレート106は、平面部510と、凸部520と、を含んでいる。平面部510は、Z軸方向視で燃料極側フレーム140に重なり、かつ、Z軸方向に垂直な面方向(XY平面に平行な方向)に沿っている。平面部510は、所定の領域(例えば締結部材(ボルト600)が挿入される2つ以上のボルト孔109同士をつなぐ領域)を有して面方向に平行な平坦部分である。具体的には、平面部510のZ軸方向視での形状は、全体として、矩形枠状である。Z軸方向視で、平面部510の内周部(孔34の輪郭線)は、全周にわたって、燃料極側フレーム140の孔141の輪郭線の内周側に位置している。Z軸方向視で、平面部510の外周部は、全周にわたって、燃料極側フレーム140の外周部と同じ位置、または、該外周部の外周側に位置している。すなわち、Z軸方向視で、平面部510の外周側が燃料極側フレーム140に重なっており、平面部310の内周側が燃料極側フレーム140より内側に張り出している。なお、上述したボルト孔109を構成する孔は、平面部510におけるZ軸方向回りの周縁部に形成されている。
(Configuration of lower end plate 106)
As shown in FIGS. 2-4, the
凸部520は、面方向に沿って延び、かつ、平面部510よりZ軸方向に突出している。凸部520は、所定の長さ(例えば凸部520の厚さより大きい長さ)を有して面方向(凸部520)に平行に延びているリブである。平面部510からの凸部520の立ち上がり長さ(Z軸方向の長さ)は、平面部510の厚さより大きく、例えば、平面部510の厚さの30倍以上の長さが好ましく、50倍以上の長さがより好ましい。なお、凸部520は、例えば締結部材(ボルト22)が挿入される2つ以上のボルト孔109同士をつなぐ領域(平面部510)の周縁部に形成されていることが好ましい。
The
具体的には、凸部520は、外側凸部522と、内側凸部524と、を有している。外側凸部522は、平面部510の外周部から下側(発電ブロック103とは反対側 Z軸負方向側)に向かって突出している。外側凸部522は、平面部510の外周部の全周にわたって形成されている。Z軸方向視で、外側凸部522は、燃料極側フレーム140に重なる位置に配置されている。内側凸部524は、平面部510の内周部から下側(発電ブロック103とは反対側 Z軸負方向側)に向かって突出している。内側凸部524は、平面部510の内周部の全周にわたって形成されている。すなわち、上側エンドプレート104のZ軸方向に平行な少なくとも1つの断面において、凸部520(外側凸部522、内側凸部524)が複数形成されている(図2から図4参照)。
Specifically, the
上記実施形態では、エンドプレート104,106のそれぞれの表面には、不動態被膜(例えばアルミナ被膜)が形成されている。また、凸部320,520と平面部310,510とがR部を介して連結されており、かつ、R部の内側面の半径は、平面部310,510の厚さより大きい。また、エンドプレート104,106は、それぞれ、1枚の板状部材をプレス加工(屈曲)して形成されたものである。したがって、平面部310,510の厚さと、凸部320,520の厚さと、隆起部330の厚さとは、互いに同じである。エンドプレート104,106の板厚(例えば、上側エンドプレート104の板厚T104)は、具体的には0.5mm以上、3mm以下程度である。
In the above embodiment, the surface of each of the
なお、本実施形態では、各凸部320,520の先端部分は、面方向に折り曲げられている。これにより、各エンドプレート104,106の剛性がさらに向上している。また、各外側凸部322,522の先端部分は、外周側に折り曲げられており、Z軸方向視で発電ブロック103より外側に突出している。このような構成により、燃料電池スタック100を横向きに配置したときに発電ブロック103が床面に衝突することを抑制できる。
In addition, in this embodiment, the tip portion of each of the
A-4.頭部620と上側エンドプレート104との締結部分の詳細構成:
図8は、燃料電池スタック100のZ軸方向視における外観構成を示す説明図である。図1,図4および図8に示すように、本実施形態の燃料電池スタック100では、Z軸方向において、上側エンドプレート104の平面部310と、各ボルト600の頭部620との間に、それぞれ、座金500が配置されている。座金500は、特許請求の範囲における板状部材に相当する。
A-4. Detailed configuration of the fastening portion between the
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the external configuration of the
座金500は、ボルト600の軸部610が挿通可能なボルト孔が形成された平板部材であり、Z軸方向視において、空気極側フレーム130および燃料極側フレーム140に重なるように配置されている。座金500は、例えば、ボルト600の形成材料と同様とすることができ、このような形成材料として、金属(例えば鉄やステンレス)を挙げることができる。Z軸方向における座金500の厚みT500は、上側エンドプレート104の平面部310の板厚T104と比較して大きい(図4参照)。例えば、厚みT500は、0.6mm以上、15mm以下程度である。本実施形態において、座金500の上側面Sp500は、ボルト600の頭部620における表面のうち、上側面Sp500に対向する表面である下側面S620に接しており、座金500の下側面Sn500は、上側エンドプレート104の平面部310における表面のうち、下側面Sn500に対向する表面である上側面S310に接している。また、Z軸方向視において、座金500の外縁E500は、頭部620の外縁E620を取り囲んでいる(図8参照)。下側面Sn500は、特許請求の範囲における特定表面に相当し、外縁E500は、特許請求の範囲における特定表面の外縁に相当する。
The
座金500の外縁E500は、外縁E500の一部分として、上側エンドプレート104の外側凸部322の外縁E322に対向する部分外縁Ep501と、隆起部330の外縁E330に対向する部分外縁Ep503とを有している。本実施形態において、部分外縁Ep501は、外縁E322のうちの部分外縁Ep501に対向する部分に平行な直線であり、Z軸方向視において、部分外縁Ep501と外縁E322との間の間隙距離T1は、外縁E322の延伸方向において略均一である。換言すれば、Z軸方向視において、部分外縁Ep501は、外縁E322のうちの部分外縁Ep501に対向する部分に沿った形状を有している。Z軸方向視において、部分外縁Ep501と、外縁E322との間の間隙距離T1は、Z軸方向における上側エンドプレート104の平面部310の板厚T104と比較して小さく、例えば、0.1mm以上、2.5mm以下程度である。また、本実施形態において、部分外縁Ep503は、外縁E330のうちの部分外縁Ep503に対向する部分に平行な直線であり、部分外縁Ep503と外縁E330との間の間隙距離T3は、外縁E330の延伸方向において略均一である。換言すれば、Z軸方向視において、部分外縁Ep503は、外縁E330のうちの部分外縁Ep503に対向する部分に沿った形状を有している。Z軸方向視において、部分外縁Ep503と、外縁E330との間の間隙距離T3は、例えば、0.1mm以上、2mm以下程度である。
The outer edge E500 of the
なお、座金500の外縁E500における「上側エンドプレート104の外側凸部322の外縁E322に対向する部分外縁」において、「対向する」とは、面方向において、当該部分外縁と外側凸部322の外縁E322との間に、他のいずれの外縁も位置していない状態で両外縁が対向していることを意味する。より詳細には、「上側エンドプレート104の外側凸部322の外縁E322」は、図8に示す仮想線分VSにおいて、部分外縁Ep501上の特定点Pに対して、座金500が位置する側とは反対側(本実施形態において、外側)に位置する凸部の外縁である。ここで、仮想線分VSは、Z軸方向視において、部分外縁Ep501上の特定点Pを通り、かつ、外側凸部322との間の距離が最短となる仮想直線VLのうち、部分FPを除く部分である。なお、仮想直線VLにおける部分FPは、仮想直線VL上における特定点Pからの距離が、特定点Pと交点P1との間の距離より大きい部分である。領域OAは、Z軸方向視において、電解質層112と、空気極114と、燃料極116とが互いに重なる領域であり、交点P1は、Z軸方向視において、仮想直線VLと領域OAとの交点P1,P2のうち、特定点Pからの距離が小さい方の交点である。
In addition, in the “partial outer edge facing the outer edge E322 of the outer
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では、各エンドプレート104,106は、3mm以下の薄板により形成されている。このため、従来の厚板のエンド部材を備える形態に比べて、燃料電池スタック100全体の軽量化を図ることができる。また、燃料電池スタック100全体の熱容量を低減できるため、燃料電池スタック100の温度制御の応答遅れに起因する燃料電池スタック100の起動と停止の動作遅れを抑制することができる。ただし、このような薄板のエンド部材を備える構成では、エンド部材の剛性が低いため、コンプレッションシール部材として機能する空気極側フレーム130等からの反発力に起因してエンド部材が変形しやすい。
A-5. Effect of this embodiment:
As described above, in the
これに対して、本実施形態では、エンドプレート104,106には、凸部320(隆起部330)が形成されている。凸部320(隆起部330)は、面方向に沿って延び、かつ、平面部310よりZ軸方向に突出している。このため、エンドプレート104,106の軽量化および熱容量の低減を図りつつ、エンドプレート104,106の剛性が向上する。具体的には、本実施形態の燃料電池スタック100では、上側エンドプレート104が凸部320(隆起部330)を備えることにより、上側エンドプレート104における凸部320(隆起部330)付近の剛性が向上し、ひいては、上側エンドプレート104が凸部320(隆起部330)を備えない構成と比較して、空気極側フレーム130等からの反発力に起因して生じる面方向における変形を抑制することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the
本実施形態では、各エンドプレート104,106のZ軸方向に平行な少なくとも1つの断面において、凸部320,520(外側凸部322,522、内側凸部324,524)が複数形成されている(図2から図4参照)。これにより、同断面において、凸部が1つだけ形成された構成に比べて、各エンドプレート104,106の剛性がさらに向上するため、空気極側フレーム130等からの反発力に起因してエンドプレート104,106が変形することを、より効果的に抑制することができる。
In the present embodiment, a plurality of
本実施形態では、凸部320,520は、各エンドプレート104,106の外周部と内周部との両方に形成されている。これにより、凸部320,520が各エンドプレート104,106の外周部と内周部との一方だけに形成された形態に比べて、エンドプレート104,106の剛性がさらに向上するため、空気極側フレーム130等からの反発力に起因してエンドプレート104,106が変形することを、より効果的に抑制することができる。
In this embodiment, the
凸部320,520は、各エンドプレート104,106の全周にわたって形成されている。これにより、凸部320,520が、エンドプレート104,106の外周部の一部分だけに形成された構成に比べて、エンドプレート104,106の剛性がさらに向上するため、空気極側フレーム130等からの反発力に起因してエンド部材が変形することを、より効果的に抑制することができる。
上側エンドプレート104には、隆起部330が形成されている。隆起部330は、上側エンドプレート104のZ軸方向に平行な少なくとも1つの断面において、平面部310の部分同士を連結し、Z軸方向に隆起した部分である。これにより、上側エンドプレート104の剛性がさらに向上し、空気極側フレーム130等からの反発力に起因して上側エンドプレート104が変形することを、より効果的に抑制することができる。
A raised
平面部310,510からの凸部320,520の立ち上がり長さ(Z軸方向の長さ)は、平面部310,510の厚さより大きい。これにより、該立ち上がり長さが平面部310,510の厚さ以下である構成に比べて、エンドプレート104,106の剛性がさらに向上するため、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンドプレート104,106が変形することを、より効果的に抑制することができる。
The rising length (the length in the Z-axis direction) of the
Z軸方向視で、外側凸部322,522は、空気極側フレーム130に重なる位置に配置されている。これにより、いずれの凸部320,520も空気極側フレーム130に重ならない位置に配置された構成に比べて、空気極側フレーム130によるシール性能を向上させることができる。
As viewed in the Z-axis direction, the
本実施形態では、エンドプレート104,106のそれぞれの表面には、不動態被膜(例えばアルミナ被膜)が形成されている。このような不動態被膜が形成される部材をエンドプレート104,106に用いる場合、エンドプレート104,106の肉厚を厚くすることが難しい。しかし、本実施形態のようにエンドプレート104,106に凸部320,520等を形成することにより、エンドプレート104,106の剛性を向上させることができるから特に有用である。
In this embodiment, each surface of the
凸部320,520と平面部310,510とがR部を介して連結されており、かつ、R部の内側面の半径は、平面部310,510の厚さより大きい。これにより、凸部320,520と平面部310,510との間のR面の半径が平面部310,510の厚さ以下である構成に比べて、凸部320,520と平面部310,510との境界部分に応力が集中することに起因して破損等することを抑制することができる。
The
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、Z軸方向において、上側エンドプレート104における平面部310と、ボルト600との間に座金500が配置されている。このため、ボルト600による締結力は、座金500を介して、上側エンドプレート104の平面部310における座金500の外縁E500付近、更には、座金500の外縁E500付近に連続する平面部310に伝達される傾向がある。本実施形態における燃料電池スタック100では、座金500における下側面Sn500の外縁E500における一部分である部分外縁Ep501(部分外縁Ep503)は、Z軸方向視において、部分外縁Ep501(部分外縁Ep503)に対向する上側エンドプレート104の外側凸部322の外縁E322(隆起部330の外縁E330)に沿った形状を有している。換言すれば、Z軸方向視において、座金500における下側面Sn500の部分外縁Ep501(部分外縁Ep503)と、上側エンドプレート104の外側凸部322の外縁E322(隆起部330の外縁E330)との間の間隔が略均一である。このため、Z軸方向視において、座金500における下側面Sn500の部分外縁Ep501(部分外縁Ep503)と、上側エンドプレート104の外側凸部322の外縁E322(隆起部330の外縁E330)との間に位置する上側エンドプレート104の平面部310における、座金500を介して伝達されるボルト600の締結力は、外側凸部322(隆起部330)の延伸方向において、略均一となる。すなわち、上側エンドプレート104の平面部310にかかる締結力が、特定箇所に集中することに起因して、外側凸部322(隆起部330)の延伸方向、ひいては、上側エンドプレート104の面方向において変形することを抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、上側エンドプレート104の面方向における変形を抑制することにより、燃料電池スタック100の性能(例えば、燃料電池スタック100におけるシール性)の低下を抑制することができる。
Further, in the
本実施形態の燃料電池スタック100では、Z軸方向視において、座金500の部分外縁Ep501と、外側凸部322の外縁E322との間の間隙距離T1と、座金500の部分外縁Ep503と、隆起部330の外縁E330との間の間隙距離T3とは、Z軸方向における上側エンドプレート104の平面部310の板厚T104と比較して小さい。本実施形態の燃料電池スタック100では、間隙距離T1(間隙距離T3)が、Z軸方向における上側エンドプレート104の平面部310の板厚T104と比較して、小さい。換言すれば、座金500の部分外縁Ep501(部分外縁Ep503)と、外側凸部322の外縁E322(隆起部330の外縁E330)との間が、極めて近い。本実施形態の燃料電池スタック100によれば、ボルト600の締結力が集中しやすい座金500の部分外縁Ep501(部分外縁Ep503)を、剛性の比較的高い外側凸部322(隆起部330)付近に近づけることによって、上側エンドプレート104の面方向における変形をより効率的に抑制することができる。
In the
本実施形態の燃料電池スタック100では、Z軸方向における座金500の厚みT500は、上側エンドプレート104の平面部310の板厚T104と比較して大きい。本実施形態の燃料電池スタック100によれば、座金500の剛性が、上側エンドプレート104の平面部310における剛性と比較して大きいことにより、座金500を介して上側エンドプレート104へと伝達されるボルト600の締結力が緩和され、ひいては、上側エンドプレート104の面方向における変形をより効率的に抑制することができる。
In the
B.第2実施形態:
図9は、第2実施形態における燃料電池スタック100aのZ軸方向視における外観構成を示す説明図である。図9に示すように、第2実施形態の燃料電池スタック100aは、上側エンドプレート104および座金500に代えて、それぞれ、上側エンドプレート104aおよび座金500aを備えている点で、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100の構成と異なる。以下では、第2実施形態の燃料電池スタック100aの構成のうち、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
B. Second embodiment:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the external configuration of the
上側エンドプレート104aは、平面部310aと、凸部320aと、隆起部330aと、を含んでいる。平面部310aと、凸部320aと、隆起部330aは、Z軸方向視において、それぞれ、平面部310と、凸部320と、隆起部330と異なる形状を有している。凸部320aは、外側凸部322aと内側凸部324aとを有している。Z軸方向視において、外側凸部322aおよび内側凸部324aは、それぞれ、角部にR形状を有している。平面部310aは、特許請求の範囲における平面部分に相当し、凸部320aおよび隆起部330aは、それぞれ、特許請求の範囲における凸部分に相当する。
The
座金500aは、座金500と同様に、ボルト600の軸部610が挿通可能なボルト孔が形成された平板部材であり、Z軸方向視において、空気極側フレーム130および燃料極側フレーム140に重なるように配置されている。座金500aは、金属(例えば鉄やステンレス)により形成されている。Z軸方向における座金500aの厚みは、座金500と同様に、上側エンドプレート104aの平面部310aの板厚と比較して大きく、例えば、0.6mm以上、15mm以下程度である。Z軸方向視において、座金500aの外縁E500aは、頭部620の外縁E620を取り囲んでいる。外縁E500aは、特許請求の範囲における特定表面の外縁に相当する。
Like the
座金500aは、基部501aと2つの腕部503aとを有している。座金500aにおいて、ボルト600のボルト孔は、基部501aに形成されている。腕部503aは、基部501aから外側凸部322aの延伸方向へ延びている部分である。基部501aと2つの腕部503aとは、一体に形成されている。
The
座金500aの外縁E500aは、外縁E500aの一部分として、上側エンドプレート104aの外側凸部322aの外縁E322aに対向する部分外縁Ep501aと、隆起部330aの外縁E330aに対向する部分外縁Ep503aとを有している。本実施形態において、部分外縁Ep501aは、外縁E322aのうちの部分外縁Ep501aに対向する部分に平行な直線および当該部分に沿った曲線から構成され、部分外縁Ep501aと外縁E322aとの間の間隙距離T1は、略均一である。換言すれば、Z軸方向視において、部分外縁Ep501aは、外縁E322aのうちの部分外縁Ep501aに対向する部分に沿った形状を有している。間隙距離T1は、第1実施形態と同様に、Z軸方向における上側エンドプレート104aの平面部310aの板厚と比較して小さく、例えば、0.1mm以上、2.5mm以下程度である。また、本実施形態において、部分外縁Ep503aは、外縁E330aのうちの部分外縁Ep503aに対向する部分に平行な直線であり、部分外縁Ep503aと外縁E330aとの間の間隙距離T3は、外縁E330aの延伸方向において略均一である。換言すれば、Z軸方向視において、部分外縁Ep503aは、外縁E330aのうちの部分外縁Ep503aに対向する部分に沿った形状を有している。間隙距離T3は、第1実施形態と同様に、例えば、0.1mm以上、2mm以下程度である。
The outer edge E500a of the
本実施形態の燃料電池スタック100aにおいても、第1実施形態の燃料電池スタック100と同様の効果を奏する。すなわち、本実施形態における燃料電池スタック100aでは、座金500aにおける部分外縁Ep501a(部分外縁Ep503a)は、Z軸方向視において、部分外縁Ep501a(部分外縁Ep503a)に対向する上側エンドプレート104aの外側凸部322aの外縁E322a(隆起部330aの外縁E330a)に沿った形状を有している。このため、Z軸方向視において、座金500aにおける下側面の部分外縁Ep501a(部分外縁Ep503a)と、上側エンドプレート104aの外側凸部322aの外縁E322a(隆起部330aの外縁E330a)との間に位置する上側エンドプレート104aの平面部310aにおける、座金500aを介して伝達されるボルト600の締結力は、外側凸部322a(隆起部330a)の延伸方向において、略均一となる。従って、本実施形態の燃料電池スタック100aにおいても、燃料電池スタック100aの性能(例えば、燃料電池スタック100aにおけるシール性)の低下を抑制することができる。
The
C.第3実施形態:
図10は、第3実施形態における燃料電池スタック100bのZ軸方向視における外観構成を示す説明図である。図10に示すように、第3実施形態の燃料電池スタック100bは、上側エンドプレート104および座金500に代えて、それぞれ、上側エンドプレート104bおよび座金500bを備えている点で、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100の構成と異なる。以下では、第3実施形態の燃料電池スタック100bの構成のうち、上述した第1および第2実施形態の燃料電池スタック100,100aの構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
C. Third embodiment:
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the external configuration of the
上側エンドプレート104bは、平面部310bと、凸部320aと、隆起部330bと、を含んでいる。平面部310bおよび隆起部330bは、Z軸方向視において、それぞれ、平面部310,310aおよび隆起部330,330aと異なる形状を有している。平面部310bは、特許請求の範囲における平面部分に相当し、隆起部330bは、特許請求の範囲における凸部分に相当する。
The
座金500bは、座金500と同様に、ボルト600の軸部610が挿通可能なボルト孔が形成された平板部材であり、Z軸方向視において、空気極側フレーム130および燃料極側フレーム140に重なるように配置されている。座金500bは、金属(例えば鉄やステンレス)により形成されている。Z軸方向における座金500bの厚みは、座金500と同様に、上側エンドプレート104bの平面部310bの板厚と比較して大きく、例えば、0.6mm以上、15mm以下程度である。Z軸方向視において、座金500bの外縁E500bは、頭部620の外縁E620を取り囲んでいる。外縁E500bは、特許請求の範囲における特定表面の外縁に相当する。
Like the
座金500bの外縁E500bは、外縁E500bの一部分として、上側エンドプレート104bの外側凸部322aの外縁E322aに対向する部分外縁Ep501bと、隆起部330bの外縁E330bに対向する部分外縁Ep503bとを有している。本実施形態において、部分外縁Ep501bは、外縁E322aのうちの部分外縁Ep501bに対向する部分に沿った曲線から構成され、部分外縁Ep501bと外縁E322aとの間の間隙距離T1は、略均一である。換言すれば、Z軸方向視において、部分外縁Ep501bは、外縁E322aのうちの部分外縁Ep501bに対向する部分に沿った形状を有している。間隙距離T1は、第1実施形態と同様に、Z軸方向における上側エンドプレート104bの平面部310bの板厚と比較して小さく、例えば、0.1mm以上、2.5mm以下程度である。また、本実施形態において、部分外縁Ep503bは、外縁E330bのうちの部分外縁Ep503bに対向する部分に平行な直線であり、部分外縁Ep503bと外縁E330bとの間の間隙距離T3は、外縁E330bの延伸方向において略均一である。換言すれば、Z軸方向視において、部分外縁Ep503bは、外縁E330bのうちの部分外縁Ep503bに対向する部分に沿った形状を有している。間隙距離T3は、第1実施形態と同様に、例えば、0.1mm以上、2mm以下程度である。
The outer edge E500b of the
本実施形態の燃料電池スタック100bにおいても、第1実施形態の燃料電池スタック100と同様の効果を奏する。すなわち、本実施形態における燃料電池スタック100bでは、座金500bにおける部分外縁Ep501b(部分外縁Ep503b)は、Z軸方向視において、部分外縁Ep501b(部分外縁Ep503b)に対向する上側エンドプレート104bの外側凸部322aの外縁E322a(隆起部330bの外縁E330b)に沿った形状を有している。このため、Z軸方向視において、座金500bにおける下側面の部分外縁Ep501b(部分外縁Ep503b)と、上側エンドプレート104aの外側凸部322aの外縁E322a(隆起部330bの外縁E330b)との間に位置する上側エンドプレート104bの平面部310bにおける、座金500bを介して伝達されるボルト600の締結力は、外側凸部322a(隆起部330b)の延伸方向において、略均一となる。従って、本実施形態の燃料電池スタック100bにおいても、燃料電池スタック100bの性能(例えば、燃料電池スタック100bにおけるシール性)の低下を抑制することができる。
The
D.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。
D. Variant:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the scope of the invention. For example, the following modifications are 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、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
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、一対のエンドプレート104,106の少なくとも一方は、3mmを超える厚さの厚板であってもよい。また、一対のエンドプレート104,106の少なくとも一方は、凸部320,520等を備えない全体として平板状であってもよい。また、上記実施形態では、一対のターミナルプレート410,420を備えていたが、一対のターミナルプレート410,420を備えずに、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形態であってもよい。この場合、末端セパレータは、発電ブロック103のZ軸方向の上端に位置するIC用セパレータ180であってもよい。
Further, in the above embodiment, the
上記実施形態では、凸部320,520は、平面部310,510からZ軸方向に突出していたが、凸部320,520は、平面部310,510に垂直な方向に対して傾斜していてもよい。平面部310,510に対する凸部320,520の傾斜角度は、70度以上であることが好ましい。また、各凸部320,520は、各エンドプレート104,106における全周にわたって形成されていたが、各凸部320,520は、各エンドプレート104,106における全周における一部分だけに形成されていてもよい。また、凸部320,520が各エンドプレート104,106の外周部と内周部とのいずれか一方だけに形成された形態であってもよい。平面部310,510からの凸部320,520の立ち上がり長さ(Z軸方向の長さ)は、平面部310,510の厚さ以下であってもよい。
In the above embodiment, the
上側エンドプレート104は、隆起部330を備えない構成であってもよい。また、下側エンドプレート106は、隆起部を備える構成であってもよい。また、いずれの凸部320,520も空気極側フレーム130に重ならない位置に配置された構成であってもよい。
上記実施形態において、エンドプレート104,106の表面に不動態被膜が形成されていなくてもよい。また、凸部320,520と平面部310,510との間のR面の半径が平面部310,510の厚さ以下である構成であってもよい。
In the above embodiment, the surfaces of the
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。
Moreover, although the
上記実施形態において、軸部610と頭部620とを有するボルト600およびナット630に代えて、例えば、軸部と、軸部の両端に螺合する一対のナットとを有していてもよい。
In the above-described embodiment, instead of the
上記実施形態において、座金500,500a,500bの形状は、あくまで一例であり、凸部や隆起部330の外縁に沿った部分外縁を有する限りにおいて、種々変更可能である。また、座金500,500a,500bの一部が空気極側フレーム130および/または燃料極側フレーム140に重ならない位置に配置された構成であってもよい。
In the above-described embodiment, the shape of the
上記実施形態において、座金500,500a,500bの外縁E500,E500a,E500bは、頭部620の外縁E620の一部を取り囲んでいなくてもよい。
In the above embodiments, the outer edges E500, E500a, E500b of the
上記実施形態において、座金500の厚みT500は、Z軸方向において一定でなくてもよい。例えば、座金500の外縁E500付近の厚みが、座金500に形成されたボルト孔付近の厚みと比較して小さい構成とすることができる。
In the above embodiment, the thickness T500 of
上記実施形態において、座金500と外側凸部322(隆起部330)との間の間隙距離T1(間隙距離T3)が、上側エンドプレート104の平面部310の板厚T104以上である構成を採用してもよい。また、座金500の厚みT500が、上側エンドプレート104の平面部310の板厚T104以下である構成を採用してもよい。
In the above embodiment, a configuration is adopted in which the gap distance T1 (gap distance T3) between the
上記実施形態において、下側エンドプレート106とナット603との間に、下側エンドプレート106の凸部520の外縁に沿った部分外縁を有する、座金500と同様の形状の座金が設けられる構成を採用してもよい。また、上側エンドプレート104側に設けられる座金500が省略され、下側エンドプレート側にだけ座金500が設けられる構成を採用してもよい。
In the above embodiment, a washer having a shape similar to that of the
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。
Further, the
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。
Further, in the above-described embodiment, the target is the
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 electrolytic cell stack, a voltage is applied to the electrolytic cell stack such that the
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。
Further, during operation of the electrolytic cell stack, air is supplied to the inside of the electrolytic cell stack as necessary in order to control the temperature of the electrolytic cell stack. In this case, the air supplied to the air supply manifold through the
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。
Even in the electrolytic cell stack having such a configuration, by adopting a configuration similar to that of the
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。 Further, in the above embodiments, a solid oxide fuel cell (SOFC) was described as an example, but the technology disclosed in this specification can be applied to other types of fuel cells (such as a molten carbonate fuel cell (MCFC)). or electrolytic cell).
22:ボルト 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 32:孔 34:孔 100:燃料電池スタック 100a:燃料電池スタック 100b:燃料電池スタック 102:発電単位 103:発電ブロック 104:上側エンドプレート 104a:上側エンドプレート 104b:上側エンドプレート 106:下側エンドプレート 108:連通孔 109:ボルト孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 118:反応防止層 120:単セル用セパレータ 121:貫通孔 124:接合部 125:ガラスシール部 126:内側部 127:外側部 128:連結部 130:空気極側フレーム 131: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 141:孔 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 149:スペーサー 150:平板部 161:酸化剤ガス供給マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス供給マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 180:IC用セパレータ 181:貫通孔 186:内側部 187:外側部 188:連結部 189:下端プレート 190:インターコネクタ 194:被覆層 196:導電性接合材 200:絶縁部 210:末端セパレータ 211:貫通孔 216:内側部 217:外側部 218:連結部 220:上端プレート 310:平面部 310a:平面部 310b:平面部 320:凸部 320a:凸部 322:外側凸部 322a:外側凸部 324:内側凸部 324a:内側凸部 330:隆起部 330a:隆起部 330b:隆起部 332:側壁 334:連結壁 336:封止壁 410:上側ターミナルプレート 412:孔 420:下側ターミナルプレート 500:座金 500a:座金 500b:座金 501a:基部 503a:腕部 510:平面部 520:凸部 522:外側凸部 524:内側凸部 600:ボルト 610:軸部 620:頭部 630:ナット E322:外縁 E322a:外縁 E330:外縁 E330a:外縁 E330b:外縁 E500:外縁 E500a:外縁 E500b:外縁 E620:外縁 Ep501:部分外縁 Ep501a:部分外縁 Ep501b:部分外縁 Ep503:部分外縁 Ep503a:部分外縁 Ep503b:部分外縁 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス FP:部分 OA:領域 OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス S310:上側面 S620:下側面 Sn500:下側面 Sp500:上側面 22: bolt 26: insulating sheet 27: gas passage member 28: main body 29: branch 32: hole 34: hole 100: fuel cell stack 100a: fuel cell stack 100b: fuel cell stack 102: power generation unit 103: power generation block 104 : Upper end plate 104a: Upper end plate 104b: Upper end plate 106: Lower end plate 108: Communication hole 109: Bolt hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 118: Reaction prevention layer 120 : Separator for single cell 121: Through hole 124: Joint portion 125: Glass seal portion 126: Inner portion 127: Outer portion 128: Connecting portion 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidant gas supply communication channel 133: Oxidant gas discharge communication channel 134: air electrode side current collector 140: fuel electrode side frame 141: hole 142: fuel gas supply communication channel 143: fuel gas discharge communication channel 144: fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing portion 147: Connecting portion 149: Spacer 150: Flat plate portion 161: Oxidant gas supply manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas supply manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: fuel chamber 180: IC separator 181: through hole 186: inner part 187: outer part 188: connecting part 189: lower end plate 190: interconnector 194: coating layer 196: conductive joint material 200: insulating part 210: end Separator 211: Through hole 216: Inner portion 217: Outer portion 218: Connecting portion 220: Upper end plate 310: Flat portion 310a: Flat portion 310b: Flat portion 320: Protruding portion 320a: Protruding portion 322: Outer protruding portion 322a: Outer protruding portion Part 324: Inner Protrusion 324a: Inner Protrusion 330: Raised Part 330a: Raised Part 330b: Raised Part 332: Side Wall 334: Connecting Wall 336: Sealing Wall 410: Upper Terminal Plate 412: Hole 420: Lower Terminal Plate 500 : Washer 500a: Washer 500b: Washer 501a: Base 503a: Arm 510: Plane 520: Convex 522: Outer convex 524: Inner convex 600: Bolt 610: Shaft 620: Head 630: Nut E322: Outer edge E322a: Outer edge E330: Outer edge E330a: Outer edge E330b: Outer edge E500 : Outer edge E500a: Outer edge E500b: Outer edge E620: Outer edge Ep501: Partial outer edge Ep501a: Partial outer edge Ep501b: Partial outer edge Ep503: Partial outer edge Ep503a: Partial outer edge Ep503b: Partial outer edge FG: Fuel gas FOG: Fuel off-gas FP: Part OA: Area OG : Oxidant gas OOG: Oxidant off-gas S310: Upper side S620: Lower side Sn500: Lower side Sp500: Upper side
Claims (3)
前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第1の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第1の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、
前記第1の方向に延びる軸部と、前記軸部の両端部に連結された一対の締結部とを有する締結部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記一対のエンド部材のうちの少なくとも一方である特定エンド部材は、
前記第1の方向に垂直な面方向に沿った平面部分であって、前記軸部が挿入される貫通孔が形成された平面部分と、
前記面方向に沿って延び、かつ、前記平面部分より前記第1の方向に突出した凸部分と、を有し、
前記特定エンド部材における前記平面部分と、前記第1の方向において、前記電気化学反応ブロックに対して前記特定エンド部材と同じ側に位置する前記締結部としての特定締結部との間に配置された板状部材、を備え、
前記第1の方向における前記板状部材の表面のうち、前記特定エンド部材の前記平面部分に対向する表面である特定表面の外縁は、前記特定表面の前記外縁における一部分である部分外縁を有し、
前記部分外縁は、前記第1の方向視において、前記部分外縁に対向する前記凸部分の外縁に沿った形状を有する、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 An electrochemical reaction block composed of a plurality of electrochemical reaction units arranged side by side in a first direction, wherein each of the electrochemical reaction units includes an electrolyte layer and the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. an electrochemical reaction unit cell including an air electrode and a fuel electrode facing each other; and a frame portion surrounding a region where the electrolyte layer, the air electrode, and the fuel electrode overlap each other when viewed from the first direction. an electrochemical reaction block comprising a peripheral member comprising;
A pair of end members facing each other in the first direction with the electrochemical reaction block interposed therebetween, wherein the pair of end members are arranged such that at least a portion thereof overlaps the frame portion when viewed in the first direction. When,
a fastening member having a shaft portion extending in the first direction and a pair of fastening portions connected to both ends of the shaft portion;
In an electrochemical reaction cell stack comprising:
The specific end member, which is at least one of the pair of end members,
a plane portion along a plane direction perpendicular to the first direction, the plane portion having a through hole into which the shaft portion is inserted;
a convex portion extending along the surface direction and projecting in the first direction from the planar portion;
disposed between the planar portion of the specific end member and a specific fastening portion as the fastening portion located on the same side of the electrochemical reaction block as the specific end member in the first direction; a plate-shaped member,
Of the surfaces of the plate member in the first direction, the outer edge of the specific surface, which is the surface facing the flat portion of the specific end member, has a partial outer edge that is a part of the outer edge of the specific surface. ,
The partial outer edge has a shape along the outer edge of the convex portion facing the partial outer edge when viewed in the first direction,
An electrochemical reaction cell stack characterized by:
前記第1の方向視において、前記板状部材の前記部分外縁と、前記凸部分の外縁との間の間隙距離は、前記第1の方向における前記特定エンド部材の前記平面部分の厚みと比較して、小さい、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 In the electrochemical reaction cell stack according to claim 1,
When viewed from the first direction, the gap distance between the outer edge of the portion of the plate member and the outer edge of the convex portion is compared with the thickness of the planar portion of the specific end member in the first direction. small,
An electrochemical reaction cell stack characterized by:
前記第1の方向における前記板状部材の厚みは、前記特定エンド部材の前記平面部分の厚みと比較して、大きい、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 In the electrochemical reaction cell stack according to claim 1 or claim 2,
the thickness of the plate member in the first direction is greater than the thickness of the plane portion of the specific end member;
An electrochemical reaction cell stack characterized by:
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