[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP7555364B2 - Current collector-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

Current collector-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack Download PDF

Info

Publication number
JP7555364B2
JP7555364B2 JP2022021832A JP2022021832A JP7555364B2 JP 7555364 B2 JP7555364 B2 JP 7555364B2 JP 2022021832 A JP2022021832 A JP 2022021832A JP 2022021832 A JP2022021832 A JP 2022021832A JP 7555364 B2 JP7555364 B2 JP 7555364B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
protrusions
current collector
electrochemical reaction
row
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022021832A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2023119145A (en
Inventor
陽祐 赤木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Morimura SOFC Technology Co Ltd
Original Assignee
Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Morimura SOFC Technology Co Ltd filed Critical Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority to JP2022021832A priority Critical patent/JP7555364B2/en
Publication of JP2023119145A publication Critical patent/JP2023119145A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7555364B2 publication Critical patent/JP7555364B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

本明細書によって開示される技術は、集電体-電気化学反応単セル複合体に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a current collector-electrochemical reaction single cell composite.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の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の構成単位である集電体-燃料電池単セル複合体は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という。)と、集電体とを備える。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という。)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。集電体は、単セルの空気極側または燃料極側に配置される。集電体は、例えば単セルに向けて突出する複数の突出部が格子状に配置された構成を有している。複数の突出部が単セルの空気極または燃料極に接合されることによって集電体と単セルとが電気的に接続されている。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one type of fuel cell that generates electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The current collector-fuel cell unit complex, which is a constituent unit of an SOFC, comprises a fuel cell unit (hereinafter referred to as "unit cell") and a current collector. The unit cell includes an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode that face each other in a specific direction (hereinafter referred to as "first direction") with the electrolyte layer in between. The current collector is disposed on the air electrode side or the fuel electrode side of the unit cell. The current collector has a configuration in which multiple protrusions that protrude toward the unit cell are arranged in a lattice pattern. The multiple protrusions are joined to the air electrode or the fuel electrode of the unit cell, thereby electrically connecting the current collector and the unit cell.

特開2021-96964号公報JP 2021-96964 A

従来の集電体-燃料電池単セル複合体では、単セルと集電体との間におけるガスの流れは、複数の突出部の配置によって定まる。このため、上下方向視で単セルと集電体とが重なる発電エリアにおいて、ガスが流れやすい箇所とガスが流れ難い箇所とが生じやすい。その結果、集電体-燃料電池単セル複合体の発電性能が低下するおそれがある。 In conventional collector-fuel cell composites, the flow of gas between the single cell and the collector is determined by the arrangement of multiple protrusions. As a result, in the power generation area where the single cell and the collector overlap when viewed from above and below, there are likely to be areas where gas flows easily and areas where gas flows poorly. As a result, the power generation performance of the collector-fuel cell composite may be reduced.

なお、このような問題は、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)と集電体とを備える集電体-電解セル複合体にも同様に生じる。なお、本明細書では、集電体-燃料電池単セル複合体と集電体-電解セル複合体とをまとめて「集電体-電気化学反応単セル複合体」といい、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」という。 The same problem occurs in a current collector-electrolysis cell complex that includes a solid oxide electrolysis cell (hereinafter referred to as "SOEC") that generates hydrogen using the electrolysis reaction of water, and a current collector. In this specification, the current collector-fuel cell unit complex and the current collector-electrolysis cell complex are collectively referred to as the "current collector-electrochemical reaction unit cell complex," and the fuel cell stack and electrolysis cell stack are collectively referred to as the "electrochemical reaction cell stack."

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

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

(1)本明細書に開示される集電体-電気化学反応単セル複合体は、電解質層と、前記電解質層を挟んで第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、前記電気化学反応単セルの前記第1の方向に配置された集電体と、を備える集電体-電気化学反応単セル複合体において、前記集電体は、前記電気化学反応単セルに向けて突出するとともに前記電気化学反応単セルに接合されている複数の突出部を有し、前記複数の突出部は、少なくとも、複数の前記突出部が、前記第1の方向視で、第2の方向に間隔を空けて並んでいる第1列の突出部群と、前記第1の方向視で、前記第1列の突出部群に対して、前記第2の方向に交差する第3の方向の一方側に位置し、複数の前記突出部が、前記第2の方向に間隔を空けて並んでいる第2列の突出部群と、を含んでおり、かつ、前記電気化学反応単セルと前記集電体との間のガス室には、前記第1列の突出部群における前記突出部同士の隙間と前記第2列の突出部群における前記突出部同士の隙間との間の連通路が存在しており、前記集電体には、少なくとも、前記連通路と前記第1の方向視で重なる重複領域に、前記突出部に比べて突出長さが短い拡散用凸部が形成されている。 (1) The current collector-electrochemical reaction single cell composite disclosed in the present specification is a current collector-electrochemical reaction single cell composite comprising an electrochemical reaction single cell including an electrolyte layer, an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer, and a current collector arranged in the first direction of the electrochemical reaction single cell, wherein the current collector has a plurality of protrusions that protrude toward the electrochemical reaction single cell and are joined to the electrochemical reaction single cell, and the plurality of protrusions are at least a first row of protrusions that are arranged at intervals in a second direction when viewed in the first direction. and a second row of protrusions located on one side of the first row of protrusions in a third direction intersecting the second direction with respect to the first row of protrusions when viewed in the first direction, with the protrusions arranged at intervals in the second direction, and in the gas chamber between the electrochemical reaction single cell and the current collector, there is a communication passage between the gaps between the protrusions in the first row of protrusions and the gaps between the protrusions in the second row of protrusions, and the current collector has a diffusion protrusion having a shorter protrusion length than the protrusions at least in an overlapping region that overlaps with the communication passage when viewed in the first direction.

本集電体-電気化学反応単セル複合体では、第1列の突出部群と第2列の突出部群とによって定められるガスの流路(連通路)に拡散用凸部が配置されている。このため、第2の方向に並ぶ突出部同士の間を抜けたガスは、拡散用凸部に衝突して拡散する。これにより、ガスが流れ難い箇所(例えば第1列の突出部群と第2列の突出部群との間など)にガスを拡散させることができる。また、拡散用凸部は、突出部に比べて突出長さが短く、かつ、各列における突出部同士の間ではなく、第1列の突出部群と第2列の突出部群との間の領域に配置されている。このため、拡散用凸部の存在に起因してガス室内におけるガスの流通抵抗が増大することを抑制することができる。 In this current collector-electrochemical reaction single cell composite, the diffusion protrusions are arranged in the gas flow path (communicating passage) defined by the first row of protrusions and the second row of protrusions. Therefore, gas that passes between the protrusions arranged in the second direction collides with the diffusion protrusions and diffuses. This allows the gas to diffuse to places where the gas has difficulty flowing (for example, between the first row of protrusions and the second row of protrusions). In addition, the diffusion protrusions have a shorter protrusion length than the protrusions, and are arranged in the region between the first row of protrusions and the second row of protrusions, rather than between the protrusions in each row. Therefore, it is possible to suppress an increase in gas flow resistance in the gas chamber due to the presence of the diffusion protrusions.

(2)上記集電体-電気化学反応単セル複合体において、前記拡散用凸部の前記第2の方向の両端は、前記重複領域よりも前記第2の方向の外側まで延びている、構成としてもよい。本集電体-電気化学反応単セル複合体では、拡散用凸部の両端が、第3の方向視で、連通路の両側に位置する一対の突出部に重なる位置まで延びており、拡散用凸部によって集電体における連通路を形成する部分(重複領域)が補強されている。これにより、本集電体-電気化学反応単セル複合体によれば、例えば拡散用凸部の第2の方向の両端が重複領域よりも第2の方向の内側に位置している構成に比べて、集電体の強度の向上を図ることができる。 (2) In the current collector-electrochemical reaction single cell composite, both ends of the diffusion protrusion in the second direction may extend further outward in the second direction than the overlapping region. In this current collector-electrochemical reaction single cell composite, both ends of the diffusion protrusion extend to positions overlapping a pair of protrusions located on both sides of the communication path when viewed in the third direction, and the diffusion protrusion reinforces the portion (overlapping region) that forms the communication path in the current collector. As a result, with this current collector-electrochemical reaction single cell composite, the strength of the current collector can be improved compared to a configuration in which, for example, both ends of the diffusion protrusion in the second direction are located inside the overlapping region in the second direction.

(3)上記集電体-電気化学反応単セル複合体において、前記拡散用凸部は、前記第3の方向において、前記第1列の突出部群と前記第2列の突出部群との少なくとも一方から離間している、構成としてもよい。本集電体-電気化学反応単セル複合体によれば、突出部同士の間を抜けたガスは、拡散用凸部と突出部との間の隙間に流れ込み易くなるため、ガスの拡散性を、効果的に向上させることができる。 (3) In the current collector-electrochemical reaction single cell composite, the diffusion protrusion may be spaced apart from at least one of the first row of protrusions and the second row of protrusions in the third direction. With this current collector-electrochemical reaction single cell composite, gas that has escaped between the protrusions can easily flow into the gaps between the diffusion protrusions and the protrusions, effectively improving the diffusibility of the gas.

(4)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向に並べて配列された複数の集電体-電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の集電体-電気化学反応単セル複合体の少なくとも1つは、(1)から(3)までのいずれか一つの集電体-電気化学反応単セル複合体であ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、拡散用凸部の存在に起因してガス室内におけるガスの流通抵抗が増大することを抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction cell stack described above, in an electrochemical reaction cell stack including a plurality of current collector-electrochemical reaction single cell composites arranged in the first direction, at least one of the plurality of current collector-electrochemical reaction single cell composites may be any one of the current collector-electrochemical reaction single cell composites described in (1) to (3). With this electrochemical reaction cell stack, it is possible to suppress an increase in gas flow resistance in the gas chamber due to the presence of the diffusion protrusions.

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セル)と集電体とを備える集電体-電気化学反応単セル複合体(集電体-燃料電池単セル複合体または集電体-電解単セル複合体)、複数の集電体-電気化学反応単セル複合体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 a collector-electrochemical reaction single cell complex (collector-fuel cell complex or collector-electrolysis single cell complex) comprising an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolysis cell) and a current collector, an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolysis cell stack) comprising multiple current collector-electrochemical reaction single cell complexes, and manufacturing methods thereof.

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る。1 is a perspective view showing the external configuration of a fuel cell stack 100 according to an embodiment of the present invention. 図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 taken along the line II-II in FIG. 1. 図1のIII-III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。3 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG. 1. 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る。3 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in FIG. 2 . 図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。4 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. 3 . 図4のVI-VI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。6 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generating unit 102 taken along the line VI-VI in FIG. 4. 図4のVII-VII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。7 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generating unit 102 taken along the line VII-VII in FIG. 4. 変形例における空気極側集電体134aのXY断面構成を拡大して示す説明図である。11 is an explanatory diagram showing an enlarged XY cross-sectional configuration of an air electrode side current collector 134a in a modified example. FIG.

A.実施形態:
A-1.燃料電池スタック100の構成:
(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6,7)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6,7)のIII-III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4以降についても同様である。
A. Embodiments:
A-1. Configuration of fuel cell stack 100:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of a fuel cell stack 100 in this embodiment, FIG. 2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II in FIG. 1 (and FIGS. 6 and 7 described later), and FIG. 3 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG. 1 (and FIGS. 6 and 7 described later). Each figure shows mutually orthogonal XYZ axes for specifying directions. In this specification, for convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction, but the fuel cell stack 100 may actually be installed in a direction different from these directions. The same applies to FIG. 4 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、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は、7つの発電単位102から構成される集合体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 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). The pair of end plates 104, 106 are arranged so as to sandwich the assembly consisting of the seven power generation units 102 from above and below.

燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8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、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート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。 A plurality of holes (eight in this embodiment) that penetrate in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z-axis direction of each layer (power generation unit 102, end plates 104, 106) that constitutes the fuel cell stack 100, and corresponding holes formed in each layer communicate with each other in the vertical direction to form communication holes 108 that extend in the vertical direction from one end plate 104 to the other 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.

各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。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 extending in the vertical direction is inserted into each communication hole 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolt 22 and a nut 24 fitted on both sides of the bolt 22. As shown in FIG. 2 and FIG. 3, an insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the end plate 104 constituting the upper end of the fuel cell stack 100, and between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of the bolt 22 and the lower surface of the end plate 106 constituting the lower end of the fuel cell stack 100. However, at the location where the gas passage member 27 described later is provided, the gas passage member 27 and the insulating sheets 26 arranged on the upper and lower sides of the gas passage member 27 are interposed between the nut 24 and the surface of the end plate 106. The insulating sheet 26 is composed of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic powder sheet, a glass sheet, a glass ceramic composite, etc.

各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における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)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、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に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド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)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、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の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。 The outer diameter of the shaft of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108. Therefore, a space is provided between the outer peripheral surface of the shaft of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108. As shown in Figures 1 and 2, a space formed by a bolt 22 (bolt 22A) located near the midpoint of one side (the side on the positive X-axis side of two sides parallel to the Y-axis) on the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction and the communication hole 108 through which the bolt 22A is inserted functions as an oxidant gas inlet manifold 161, which is a gas flow path through which oxidant gas OG is introduced from outside the fuel cell stack 100 and supplies the oxidant gas OG to each power generating unit 102, and a space formed by a bolt 22 (bolt 22B) located near the midpoint of the side opposite to the side (the side on the negative X-axis side of two sides parallel to the Y-axis) and the communication hole 108 through which the bolt 22B is inserted functions as an oxidant gas exhaust manifold 162 that exhausts oxidant off-gas OOG, which is a gas exhausted from an air chamber 166 of each power generating unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. In this embodiment, 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軸方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、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に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、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の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、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。 As shown in Figures 1 and 3, the space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located near the midpoint of one side (the side on the positive Y-axis side of the two sides parallel to the X-axis) on the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted functions as a fuel gas introduction manifold 171 through which fuel gas FG is introduced from outside the fuel cell stack 100 and supplied to each power generation unit 102, and the space formed by the bolt 22 (bolt 22E) located near the midpoint of the opposite side (the side on the negative Y-axis side of the two sides parallel to the X-axis) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted functions as a fuel gas exhaust manifold 172 that exhausts fuel off-gas FOG, which is gas exhausted from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. In this embodiment, the fuel gas FG is, for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas.

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。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22B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、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22E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。 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 branched from the side of the main body 28. The hole of the branch portion 29 is connected to the hole of 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 of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22A forming the oxidizing gas inlet manifold 161 is connected to the oxidizing gas inlet manifold 161, and the hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22B forming the oxidizing gas exhaust manifold 162 is connected to the oxidizing gas exhaust manifold 162. Also, as shown in FIG. 3, the hole in the body 28 of the gas passage member 27 located at the position of the bolt 22D that forms the fuel gas inlet manifold 171 is connected to the fuel gas inlet manifold 171, and the hole in the body 28 of the gas passage member 27 located at the position of the bolt 22E that forms the fuel gas exhaust manifold 172 is connected to the fuel gas exhaust manifold 172.

(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート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、下側のエンドプレート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 conductive members having a generally rectangular, flat plate shape, and are made of, for example, stainless steel. One end plate 104 is disposed above the uppermost power generating unit 102, and the other end plate 106 is disposed below the lowermost power generating unit 102. The plurality of power generating units 102 are clamped in a pressed state between the pair of end plates 104, 106. 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.

(発電単位102の構成)
図4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5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YZ断面構成を示す説明図である。また、図6は、図4のVI-VI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7は、図4のVII-VII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。図6には、空気極側集電体134のX1部分が拡大して示されている。
(Configuration of power generation unit 102)
Fig. 4 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in Fig. 2, and Fig. 5 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in Fig. 3. Fig. 6 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generating unit 102 at the position VI-VI in Fig. 4, and Fig. 7 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generating unit 102 at the position VII-VII in Fig. 4. Fig. 6 shows an enlarged view of the X1 portion of the air electrode side current collector 134.

図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144とを備えている。空気極側集電体134は、発電単位102の最上層を構成するインターコネクタ150を備えており、燃料極側集電体144は、発電単位102の最下層を構成するインターコネクタ150を備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ軸方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。 As shown in Figures 4 and 5, the power generation unit 102 includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, an anode side frame 140, and an anode side current collector 144. The air electrode side current collector 134 includes an interconnector 150 that constitutes the top layer of the power generation unit 102, and the anode side current collector 144 includes an interconnector 150 that constitutes the bottom layer of the power generation unit 102. Holes corresponding to the communication holes 108 through which the bolts 22 described above are inserted are formed on the periphery of the separator 120, the air electrode side frame 130, the anode side frame 140, and the interconnector 150 around the Z-axis direction.

インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150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防止する。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150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150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150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。 The interconnector 150 is a conductive member having a substantially rectangular flat plate shape, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical conduction between the power generating units 102 and prevents the reaction gases from mixing between the power generating units 102. In this embodiment, when two power generating units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by the two adjacent power generating units 102. That is, the upper interconnector 150 in one power generating unit 102 is made of the same material as the lower interconnector 150 in the other power generating unit 102 adjacent to the upper side of the power generating unit 102. In addition, since the fuel cell stack 100 has a pair of end plates 104, 106, the power generating unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have an upper interconnector 150, and the power generating unit 102 located at the bottom does not have a lower interconnector 150 (see Figures 2 and 3).

単セル110は、電解質層112と、電解質層112の上下方向(第1の方向)の一方側(下側)に配置された燃料極(アノード)116と、電解質層112の上下方向の他方側(上側)に配置された空気極(カソード)114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)を支持する燃料極支持形の単セルである。 The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, a fuel electrode (anode) 116 arranged on one side (lower side) of the electrolyte layer 112 in the vertical direction (first direction), and an air electrode (cathode) 114 arranged on the other side (upper side) of the electrolyte layer 112 in the vertical direction. Note that the single cell 110 of this embodiment is an anode-supported single cell in which the fuel electrode 116 supports the other layers (electrolyte layer 112, air electrode 114) that constitute the single 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、緻密な層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。すなわち、本実施形態の単セル110(発電単位102)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。 The electrolyte layer 112 is a flat plate-shaped member that is approximately rectangular when viewed in the Z-axis direction, and is a dense layer. The electrolyte layer 112 is formed of a solid oxide such as YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), SDC (samarium-doped ceria), GDC (gadolinium-doped ceria), or a perovskite-type oxide. That is, the single cell 110 (power generation unit 102) of this embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

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、多孔質な層である。空気極114は、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)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄酸化物)により形成されている。 The air electrode 114 is a roughly rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 when viewed in the Z-axis direction, and is a porous layer. The air electrode 114 is formed, for example, from a perovskite-type oxide (e.g., LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), or LNF (lanthanum nickel iron oxide).

燃料極116は、Z軸方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。 The fuel electrode 116 is a roughly rectangular flat plate-shaped member that is roughly the same size as the electrolyte layer 112 when viewed in the Z-axis direction, and is a porous layer. The fuel electrode 116 is formed, for example, from a cermet made of Ni and oxide ion conductive ceramic particles (for example, YSZ).

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。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。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、電解質層112(単セル110)と接合されている。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が抑制される。 The separator 120 is a frame-like member with a substantially rectangular hole 121 formed near the center that penetrates vertically, and is made of, for example, metal. The periphery of the hole 121 in the separator 120 faces the peripheral portion of the surface of the electrolyte layer 112 on the side of the air electrode 114. The separator 120 is joined to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a joint 124 formed of a brazing material (e.g., Ag brazing) placed in the opposing portion. The separator 120 separates an air chamber 166 facing the air electrode 114 and a fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, thereby preventing gas leakage from one electrode side to the other electrode side at the peripheral portion of the single cell 110.

図4から図6に示すように、空気極側フレーム130は、中央付近に上下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、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。 4 to 6, 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 vertical direction, and is formed of an insulator such as mica. The hole 131 of 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 peripheral portion of the surface of the separator 120 opposite the side facing the electrolyte layer 112, and the peripheral portion of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. The air electrode side frame 130 also electrically insulates a pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102. In addition, the air electrode side frame 130 is formed with an oxidant gas supply communication hole 132 that connects the oxidant gas introduction manifold 161 to the air chamber 166, and an oxidant gas discharge communication hole 133 that connects the air chamber 166 to the oxidant gas discharge manifold 162.

図4,5,7に示すように、燃料極側フレーム140は、中央付近に上下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、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。 As shown in Figures 4, 5, and 7, the fuel electrode side frame 140 is a frame-shaped member with a substantially rectangular hole 141 formed near the center that penetrates in the vertical direction, and is made of, for example, metal. The hole 141 of the fuel electrode side frame 140 constitutes a fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116. The fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral portion of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral portion of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116. In addition, the fuel electrode side frame 140 is formed with a fuel gas supply communication hole 142 that connects the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that connects the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172.

図4,5,7に示すように、燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、さらに、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における電解質層112に対向する側とは反対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150における燃料極116に対向する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において最も下に位置する発電単位102(燃料極側集電体144)は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102(燃料極側集電体144)におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。インターコネクタ対向部146と電極対向部145とインターコネクタ対向部146と(以下、「インターコネクタ対向部146等」ともいう)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150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、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、インターコネクタ対向部146等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、インターコネクタ対向部146等を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。 4, 5, and 7, the fuel electrode side collector 144 is disposed in the fuel chamber 176. The fuel electrode side collector 144 further includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146, and is formed of, for example, nickel, a nickel alloy, stainless steel, or the like. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is in contact with the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116. However, as described above, since the power generation unit 102 (fuel electrode side collector 144) located at the bottom of the fuel cell stack 100 does not include a lower interconnector 150, the interconnector facing portion 146 of the power generation unit 102 (fuel electrode side collector 144) is in contact with the lower end plate 106. The interconnector facing portion 146, the electrode facing portion 145, and the interconnector facing portion 146 (hereinafter also referred to as "interconnector facing portion 146, etc.") are configured in this way, and therefore electrically connect the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106). In addition, a spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the interconnector facing portion 146, etc., follows the deformation of the power generation unit 102 due to temperature cycles and reactant gas pressure fluctuations, and the electrical connection between the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the interconnector facing portion 146, etc. is maintained well.

図4~6に示すように、空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、さらに、突出部135を備えている。突出部135は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接続されている(接している)。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102(空気極側集電体134)は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102(空気極側集電体134)における突出部135は、上側のエンドプレート104に接触している。突出部135は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。空気極側集電体134の詳細構成については後述する。 As shown in Figures 4 to 6, the air electrode side current collector 134 is disposed in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is formed, for example, from ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 further includes a protrusion 135. The protrusion 135 is connected (contacts) to the surface of the air electrode 114 opposite to the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 (air electrode side current collector 134) located at the top of the fuel cell stack 100 does not include an upper interconnector 150, the protrusion 135 of the power generation unit 102 (air electrode side current collector 134) is in contact with the upper end plate 104. Because of this configuration, the protrusion 135 electrically connects the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104). The detailed configuration of the air electrode side current collector 134 will be described later.

なお、図4および図5に示すように、本実施形態では、突出部135とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、平板形の部分(インターコネクタ150)と、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の突出部135(集電体要素)とが、空気極側集電体134として機能する。また、突出部135とインターコネクタ150との一体部材(空気極側集電体134)の空気極114側の表面は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134(突出部135)との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。 As shown in FIG. 4 and FIG. 5, in this embodiment, the protrusion 135 and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, the flat plate-shaped portion of the integral member perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) functions as the interconnector 150, and the flat plate-shaped portion (interconnector 150) and the multiple protrusions 135 (current collector elements) formed to protrude from the flat plate-shaped portion toward the air electrode 114 function as the air electrode side current collector 134. In addition, the surface of the integral member (air electrode side current collector 134) of the protrusion 135 and the interconnector 150 on the air electrode 114 side may be covered with a conductive coat, and a conductive bonding layer that bonds the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 (protrusion 135) may be interposed between them.

A-2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド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導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド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導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
2 and 4, when the 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 introduction manifold 161, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and a hole in the main body 28, and is supplied from the oxidant gas introduction manifold 161 to the air chamber 166 through the oxidant gas supply passage 132 of each power generating unit 102. Also, as shown in Figs. 3 and 5, when the 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 introduction manifold 171, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and a hole in the main body 28, and is supplied to the fuel chamber 176 from the fuel gas introduction manifold 171 through the fuel gas supply 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は突出部135を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116はインターコネクタ対向部146等を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、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。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℃以上、1000℃以下)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 by an electrochemical reaction of the oxidant gas OG and the fuel gas FG. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to one interconnector 150 via the protrusion 135, and the fuel electrode 116 is electrically connected to the other interconnector 150 via the interconnector facing portion 146 or the like. In addition, the multiple power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, the electrical energy generated in each power generation unit 102 is extracted from the end plates 104, 106 that function as the output terminals of the fuel cell stack 100. In addition, since SOFCs generate electricity at relatively high temperatures (e.g., 700°C or higher and 1000°C or lower), after startup, the fuel cell stack 100 may be heated by a heater (not shown) until the heat generated by power generation can maintain the high temperature.

各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに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、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに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 4, the oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 through the oxidant gas discharge communication hole 133, and then through the holes in the main body 28 and the branching part 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas discharge manifold 162, and is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 through the gas pipe (not shown) connected to the branching part 29. Also, as shown in Figs. 3 and 5, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 through the fuel gas discharge communication hole 143, and then through the holes in the main body 28 and the branching part 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas discharge manifold 172, and is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 through the gas pipe (not shown) connected to the branching part 29.

A-3.空気極側集電体134の詳細構成:
図4および図6に示すように、空気極側集電体134は、上下方向視で格子状(行列状)に並んだ複数の突出部135を有している。各突出部135は、単セル110に向けて突出するとともに単セル110に接合されている。具体的には、各突出部135は、空気室166内における酸化剤ガスOGの流れ方向(X軸方向 以下、「ガス流れ方向X」という)に延びる略長方形状であり、インターコネクタ150からZ軸負方向(Z軸方向の上記一方側(空気極114の側))に突出し、空気極114の表面に接合されている。なお、ここでいうガス流れ方向Xは、空気室166における酸化剤ガス供給連通孔132と酸化剤ガス排出連通孔133との最短距離を通る直線方向である。空気極側集電体134は、特許請求の範囲における集電体の一例であり、ガス流れ方向Xは、特許請求の範囲における第3の方向の一例であり、空気室166は、特許請求の範囲におけるガス室の一例である。
A-3. Detailed configuration of the air electrode side current collector 134:
As shown in Fig. 4 and Fig. 6, the air electrode side current collector 134 has a plurality of protrusions 135 arranged in a lattice (matrix) when viewed in the up-down direction. Each protrusion 135 protrudes toward the single cell 110 and is joined to the single cell 110. Specifically, each protrusion 135 has a substantially rectangular shape extending in the flow direction of the oxidant gas OG in the air chamber 166 (X-axis direction, hereinafter referred to as "gas flow direction X"), protrudes from the interconnector 150 in the Z-axis negative direction (the one side in the Z-axis direction (the air electrode 114 side)), and is joined to the surface of the air electrode 114. Note that the gas flow direction X here is a straight line passing through the shortest distance between the oxidant gas supply passage 132 and the oxidant gas discharge passage 133 in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is an example of a current collector in the claims, the gas flow direction X is an example of a third direction in the claims, and the air chamber 166 is an example of a gas chamber in the claims.

本実施形態では、図6に示すように、空気極側集電体134は、第1列の突出部群136Aと、第2列の突出部群136Bと、第3列の突出部群136Cとを含んでいる。第1列の突出部群136Aと、第2列の突出部群136Bと、第3列の突出部群136Cとは、上下方向(Z軸方向)視で、ガス流れ方向Xに所定の間隔を空けて並んでいる。各突出部群136A,136B,136Cは、上下方向視で、複数の突出部135が、ガス流れ方向Xに垂直な方向(Y軸方向 以下、「突出部135の並び方向Y」という)に所定の間隔を空けて並んでいる。突出部135の並び方向Yは、特許請求の範囲における第2の方向の一例である。なお、第1列の突出部群136Aと、第2列の突出部群136Bと、第3列の突出部群136Cとは、均等間隔に並んでいてもよいし、互いに異なる間隔で並んでいてもよい。また、各突出部群136A,136B,136Cは、複数の突出部135が、均等間隔に並んでいてもよいし、少なくとも一部が異なる間隔で並んでいてもよい。 In this embodiment, as shown in FIG. 6, the air electrode side current collector 134 includes a first row of protrusions 136A, a second row of protrusions 136B, and a third row of protrusions 136C. The first row of protrusions 136A, the second row of protrusions 136B, and the third row of protrusions 136C are arranged at a predetermined interval in the gas flow direction X when viewed in the vertical direction (Z axis direction). In each of the protrusion groups 136A, 136B, and 136C, the multiple protrusions 135 are arranged at a predetermined interval in a direction perpendicular to the gas flow direction X (Y axis direction, hereinafter referred to as the "arrangement direction Y of the protrusions 135") when viewed in the vertical direction. The arrangement direction Y of the protrusions 135 is an example of the second direction in the claims. The first row of protrusions 136A, the second row of protrusions 136B, and the third row of protrusions 136C may be arranged at equal intervals or at different intervals. In addition, each of the protrusion groups 136A, 136B, and 136C may have multiple protrusions 135 arranged at equal intervals or at least some of them may be arranged at different intervals.

このような複数の突出部135の配置により、空気室166には、第1列の突出部群136Aと第2列の突出部群136Bとの間の空間に、複数の連通路Rが存在している(図6のX1部分の拡大図参照)。各連通路Rは、第1列の突出部群136Aにおける突出部135同士の隙間と、第2列の突出部群136Bにおける突出部135同士の隙間との間において、ガス流れ方向Xに沿って延びる空間である。また、空気室166には、第2列の突出部群136Bと第3列の突出部群136Cとの間の空間にも、複数の連通路Rが存在している。各連通路Rは、第2列の突出部群136Bにおける突出部135同士の隙間と、第3列の突出部群136Cにおける突出部135同士の隙間との間において、ガス流れ方向Xに沿って延びる空間である。なお、突出部135の並び方向Yにおける突出部135同士の間隔(離間距離)と、ガス流れ方向Xにおける突出部群同士の間隔とは、同じでもよいし、異なってもよい。 Due to such an arrangement of the multiple protrusions 135, multiple communication passages R exist in the space between the first row of protrusions 136A and the second row of protrusions 136B in the air chamber 166 (see the enlarged view of the X1 portion in FIG. 6). Each communication passage R is a space extending along the gas flow direction X between the gaps between the protrusions 135 in the first row of protrusions 136A and the gaps between the protrusions 135 in the second row of protrusions 136B. In addition, multiple communication passages R also exist in the space between the second row of protrusions 136B and the third row of protrusions 136C in the air chamber 166. Each communication passage R is a space extending along the gas flow direction X between the gaps between the protrusions 135 in the second row of protrusions 136B and the gaps between the protrusions 135 in the third row of protrusions 136C. The distance (separation) between the protrusions 135 in the arrangement direction Y of the protrusions 135 and the distance between the protrusion groups in the gas flow direction X may be the same or different.

図6に示すように、空気極側集電体134には、少なくとも、上下方向(Z軸方向)視で連通路Rと重なる重複領域Eに、単セル110側に突出する拡散用凸部152が形成されている。具体的には、第1列の突出部群136Aと第2列の突出部群136Bとの間における重複領域Eと、第2列の突出部群136Bと第3列の突出部群136Cとの間における重複領域Eとのそれぞれに拡散用凸部152が形成されている。 As shown in FIG. 6, the air electrode side current collector 134 has a diffusion protrusion 152 protruding toward the single cell 110 at least in the overlap region E that overlaps with the communication passage R when viewed in the vertical direction (Z-axis direction). Specifically, the diffusion protrusion 152 is formed in each of the overlap region E between the first row of protrusions 136A and the second row of protrusions 136B, and the overlap region E between the second row of protrusions 136B and the third row of protrusions 136C.

図4に示すように、拡散用凸部152の突出長さH2は、突出部135の突出長さH1よりも短く、拡散用凸部152は、単セル110から離間している(図4参照)。すなわち、拡散用凸部152と単セル110との間には空間が存在している。なお、拡散用凸部152の突出長さH2は、インターコネクタ150の突出長さH1の1/10以上でもよいし、1/2以下でもよい。 As shown in FIG. 4, the protruding length H2 of the diffusion convex portion 152 is shorter than the protruding length H1 of the protruding portion 135, and the diffusion convex portion 152 is spaced apart from the single cell 110 (see FIG. 4). That is, there is a space between the diffusion convex portion 152 and the single cell 110. The protruding length H2 of the diffusion convex portion 152 may be 1/10 or more, or 1/2 or less, of the protruding length H1 of the interconnector 150.

突出部135の並び方向Yにおける、拡散用凸部152の両端は、重複領域Eよりも突出部135の並び方向Yの外側まで延びている。換言すれば、ガス流れ方向X視で、拡散用凸部152は、例えば、第1列の突出部群136Aの突出部135の背後(第1列の突出部群136Aの突出部135と、第2列の突出部群136Bの突出部135との間の空間)まで延びている。具体的には、図6に示すにように、拡散用凸部152は、各突出部群136A,136B,136Cの全長にわたって直線状に延びている。 Both ends of the diffusion convex portion 152 in the arrangement direction Y of the protrusions 135 extend further outward in the arrangement direction Y of the protrusions 135 than the overlapping region E. In other words, as viewed in the gas flow direction X, the diffusion convex portion 152 extends, for example, to the rear of the protrusions 135 of the first row of protrusion group 136A (the space between the protrusions 135 of the first row of protrusion group 136A and the protrusions 135 of the second row of protrusion group 136B). Specifically, as shown in FIG. 6, the diffusion convex portion 152 extends linearly over the entire length of each of the protrusion groups 136A, 136B, and 136C.

拡散用凸部152は、ガス流れ方向Xにおいて、各突出部群136A,136B,136Cから離間している。すなわち、拡散用凸部152と各突出部群136A,136B,136Cとの間に、突出部135および拡散用凸部152のいずれも存在しない空間が存在している。具体的には、図4および図6に示すように、拡散用凸部152は、ガス流れ方向Xにおいて、第1列の突出部群136Aの突出部135から離間しており、かつ、第2列の突出部群136Bの突出部135から離間している。また、拡散用凸部152は、ガス流れ方向Xにおいて、第2列の突出部群136Bの突出部135から離間しており、かつ、第3列の突出部群136Cの突出部135から離間している。 The diffusion convex portion 152 is spaced apart from each of the protrusion groups 136A, 136B, and 136C in the gas flow direction X. That is, between the diffusion convex portion 152 and each of the protrusion groups 136A, 136B, and 136C, there is a space in which neither the protrusion 135 nor the diffusion convex portion 152 is present. Specifically, as shown in FIG. 4 and FIG. 6, the diffusion convex portion 152 is spaced apart from the protrusion 135 of the first row of the protrusion group 136A in the gas flow direction X, and is spaced apart from the protrusion 135 of the second row of the protrusion group 136B in the gas flow direction X. Also, the diffusion convex portion 152 is spaced apart from the protrusion 135 of the second row of the protrusion group 136B in the gas flow direction X, and is spaced apart from the protrusion 135 of the third row of the protrusion group 136C.

なお、インターコネクタ150および空気極側集電体134を構成する部材は、例えばステンレス製の平板にプレス加工を施すことにより作製することができる。 The members constituting the interconnector 150 and the air electrode side current collector 134 can be fabricated, for example, by pressing a stainless steel flat plate.

A-4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態における空気極側集電体134と単セル110とを備える集電体-単セル複合体では、第1列の突出部群136Aと第2列の突出部群136Bとによって定められるガスの流路(連通路R、重複領域E)に拡散用凸部152が配置されている。このため、第1列の突出部群136Aにおける突出部135同士の間の隙間を抜けた酸化剤ガスOGは、拡散用凸部152に衝突して拡散する。これにより、酸化剤ガスOGが流れ難い箇所に酸化剤ガスOGを拡散させることができる。
A-4. Advantages of this embodiment:
As described above, in the current collector-single cell composite including the air electrode side current collector 134 and the single cell 110 in this embodiment, the diffusion convex portion 152 is disposed in the gas flow path (communication path R, overlap region E) defined by the first row of protrusion group 136A and the second row of protrusion group 136B. Therefore, the oxidant gas OG that passes through the gaps between the protrusions 135 in the first row of protrusion group 136A collides with the diffusion convex portion 152 and diffuses. This allows the oxidant gas OG to diffuse to places where it is difficult for the oxidant gas OG to flow.

例えば図6のX1部分の拡大図に示すように、第1列の突出部群136Aにおける突出部135同士の間の隙間を抜けた酸化剤ガスOGの一部は、拡散用凸部152を乗り越えて、第2列の突出部群136Bにおける突出部135同士の間の隙間へと直進する。一方、酸化剤ガスOGの他の一部は、拡散用凸部152に衝突することにより、突出部135の並び方向Yへと導かれ、第1列の突出部群136Aと第2列の突出部群との間に流れ込む。これにより、酸化剤ガスOGが流れ難い箇所への酸化剤ガスOGの供給不足が軽減され、単セル110の発電エリア内でのガスの流量分布の偏りが抑制される。この結果、発電エリアにおける発電反応のばらつきに起因する燃料電池スタック100の性能低下を抑制することができる。本実施形態では、さらに、第2列の突出部群136Bと第3列の突出部群136Cとの間にも拡散用凸部152が形成されている。このため、発電エリア内における酸化剤ガスOGの拡散性をさらに向上させることができる。 For example, as shown in the enlarged view of the X1 portion of FIG. 6, a part of the oxidant gas OG that passes through the gap between the protrusions 135 in the first row of the protrusion group 136A passes over the diffusion convex portion 152 and goes straight to the gap between the protrusions 135 in the second row of the protrusion group 136B. Meanwhile, another part of the oxidant gas OG collides with the diffusion convex portion 152 and is guided in the arrangement direction Y of the protrusions 135, and flows between the first row of the protrusion group 136A and the second row of the protrusion group. This reduces the shortage of the oxidant gas OG in the places where it is difficult for the oxidant gas OG to flow, and suppresses the bias of the gas flow rate distribution in the power generation area of the single cell 110. As a result, it is possible to suppress the performance degradation of the fuel cell stack 100 caused by the variation in the power generation reaction in the power generation area. In this embodiment, a diffusion convex portion 152 is also formed between the second row of the protrusion group 136B and the third row of the protrusion group 136C. This further improves the diffusion of oxidant gas OG within the power generation area.

また、拡散用凸部152の突出長さH2は、突出部135の突出長さH1よりも短く、かつ、拡散用凸部152は、各突出部群136A,136B,136Cにおける突出部135同士の間ではなく、第1列の突出部群136Aと第2列の突出部群136Bとの間の重複領域Eに配置されている。このため、拡散用凸部152の存在に起因して空気室166内における酸化剤ガスOGの流通抵抗が増大することを抑制することができる。 The protruding length H2 of the diffusion protrusion 152 is shorter than the protruding length H1 of the protrusion 135, and the diffusion protrusion 152 is disposed in the overlapping region E between the first row of protrusion group 136A and the second row of protrusion group 136B, rather than between the protrusions 135 in each of the protrusion groups 136A, 136B, and 136C. This makes it possible to suppress an increase in the flow resistance of the oxidant gas OG in the air chamber 166 due to the presence of the diffusion protrusion 152.

本実施形態では、突出部135の並び方向Yにおける、拡散用凸部152の両端は、重複領域Eよりも突出部135の並び方向Yの外側まで延びている。換言すれば、拡散用凸部152の両端が、ガス流れ方向X視で、連通路Rの両側に位置する一対の突出部135の両方に重なる位置まで延びている。このため、拡散用凸部152によって空気極側集電体134における連通路Rを形成する部分(重複領域E)が補強されている。これにより、本実施形態によれば、例えば拡散用凸部152の両端が重複領域Eよりも内側に位置している構成に比べて、空気極側集電体134の強度の向上を図ることができる。特に、本実施形態では、拡散用凸部152が、各列の突出部群136A,136B,136Cの全長にわたって延びているため、空気極側集電体134に反りが発生することが抑制されている。 In this embodiment, both ends of the diffusion convex portion 152 in the arrangement direction Y of the protrusions 135 extend further outward than the overlap region E in the arrangement direction Y of the protrusions 135. In other words, both ends of the diffusion convex portion 152 extend to positions overlapping both of the pair of protrusions 135 located on both sides of the communication passage R when viewed in the gas flow direction X. Therefore, the diffusion convex portion 152 reinforces the portion (overlap region E) that forms the communication passage R in the air electrode side current collector 134. As a result, according to this embodiment, the strength of the air electrode side current collector 134 can be improved compared to a configuration in which both ends of the diffusion convex portion 152 are located inside the overlap region E. In particular, in this embodiment, the diffusion convex portion 152 extends over the entire length of each row of the protrusion groups 136A, 136B, and 136C, so that the occurrence of warping in the air electrode side current collector 134 is suppressed.

本実施形態では、拡散用凸部152は、ガス流れ方向Xにおいて、各突出部群136A,136B,136Cから離間している。このため、突出部135同士の間の隙間を抜けた酸化剤ガスOGは、拡散用凸部152と突出部135との間の隙間に流れ込み易くなるため、発電エリア内における酸化剤ガスOGの拡散性を、効果的に向上させることができる。 In this embodiment, the diffusion protrusion 152 is spaced apart from each of the protrusion groups 136A, 136B, and 136C in the gas flow direction X. Therefore, the oxidant gas OG that passes through the gaps between the protrusions 135 can easily flow into the gaps between the diffusion protrusions 152 and the protrusions 135, effectively improving the diffusibility of the oxidant gas OG in the power generation area.

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 in various forms without departing from the spirit of the invention. For example, the following modifications are also possible.

上記実施形態における単セル110、発電単位102または燃料電池スタック100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、突出部135の上下方向視での形状は、略長方形状に限らず、例えば、矩形や円形でもよい。上記実施形態では、集電体として、空気極側集電体134を例示したが、燃料極116側に配置される集電体(燃料極側集電体144)でもよい。その場合、燃料室176が特許請求の範囲におけるガス室の一例となる。 The configuration of the single cell 110, the power generation unit 102, or the fuel cell stack 100 in the above embodiment is merely an example, and various modifications are possible. For example, the shape of the protrusion 135 when viewed from the top and bottom is not limited to a substantially rectangular shape, and may be, for example, rectangular or circular. In the above embodiment, the air electrode side collector 134 is exemplified as the current collector, but the current collector (fuel electrode side collector 144) arranged on the fuel electrode 116 side may also be used. In that case, the fuel chamber 176 is an example of a gas chamber in the scope of the claims.

上記実施形態において、空気極側集電体134は、2列、または、4列以上の突出部群を備える構成でもよい。上記実施形態において、突出部135の並び方向Yにおける、拡散用凸部152の両端の少なくとも一方が、重複領域Eよりも突出部135の並び方向Yの内側に位置してもよい。また、上記実施形態において、拡散用凸部152は、ガス流れ方向Xにおいて、各突出部群136A,136B,136Cに接触していてもよい。上記実施形態では、空気極側集電体134の全ての重複領域Eに拡散用凸部152を配置したが、これに限らず、例えば高温部や電流集中部分などのガス不足になり易い部分が予め想定される場合、そのガス不足になり易い部分に酸化剤ガスOGを導く位置に拡散用凸部152を配置する構成でもよい。 In the above embodiment, the air electrode side current collector 134 may be configured to have two or four or more rows of protrusion groups. In the above embodiment, at least one of the two ends of the diffusion protrusion 152 in the arrangement direction Y of the protrusions 135 may be located inside the overlapping region E in the arrangement direction Y of the protrusions 135. In addition, in the above embodiment, the diffusion protrusion 152 may be in contact with each of the protrusion groups 136A, 136B, and 136C in the gas flow direction X. In the above embodiment, the diffusion protrusions 152 are arranged in all overlapping regions E of the air electrode side current collector 134, but this is not limited to this. For example, if a part that is prone to gas shortage, such as a high temperature part or a current concentration part, is expected in advance, the diffusion protrusions 152 may be arranged at a position to guide the oxidant gas OG to the part that is prone to gas shortage.

上記実施形態では、空気極側集電体134は、上下方向視で格子状に並んだ複数の突出部135を有している構成であったが、例えば次に説明するように、格子状に配置されない複数の突出部を有する構成でもよい。図8は、変形例における空気極側集電体134aのXY断面構成を拡大して示す説明図である。変形例の空気極側集電体134aでは、ガス流れ方向X視で、第1列の突出部群136Aの各突出部135が、第2列の突出部群136Bにおける突出部135同士の間に位置している。空気室166には、第1列の突出部群136Aと第2列の突出部群136Bとの間に、複数の連通路Ra(図8では1つのみ図示)が存在している。各連通路Raは、第1の最短空間Ra1と第2の最短空間Ra2とが重なる空間である。第1の最短空間Ra1は、第1列の突出部群136Aにおける突出部135同士の隙間から、第2列の突出部群136Bにおける突出部135同士の隙間までの最短距離の空間である。第2の最短空間Ra2は、第2列の突出部群136Bにおける突出部135同士の隙間から、第1列の突出部群136Aにおける突出部135同士の隙間までの最短距離の空間である。なお、図8では、見やすくするため、各空間を区画する線分は、互いに若干ずらして示されている。そして、空気極側集電体134aのインターコネクタ150には、上下方向(Z軸方向)視で連通路Raと重なる重複領域Eaに、単セル110側に突出する矩形柱状の拡散用凸部152aが形成されている。これにより、第1列の突出部群136Aにおける突出部135同士の間の隙間を抜けた酸化剤ガスOGは、拡散用凸部152aに衝突して拡散する。本変形例では、連通路Raは、第1列の突出部群136Aにおける突出部135同士の隙間と、第2列の突出部群136Bにおける突出部135同士の隙間との間において、ガス流れ方向Xに延びる空間である。このため、第1列の突出部群136Aにおける突出部135同士の隙間から第2列の突出部群136Bにおける突出部135同士の隙間に向かってガス流れ方向Xに直進する酸化剤ガスOGを効果的に拡散することができる。 In the above embodiment, the air electrode side collector 134 has a plurality of protrusions 135 arranged in a lattice pattern when viewed from above and below. However, as described below, the air electrode side collector 134 may have a plurality of protrusions that are not arranged in a lattice pattern. FIG. 8 is an explanatory diagram showing an enlarged XY cross-sectional configuration of the air electrode side collector 134a in the modified example. In the modified air electrode side collector 134a, when viewed in the gas flow direction X, each protrusion 135 of the first row of protrusion group 136A is located between the protrusions 135 of the second row of protrusion group 136B. In the air chamber 166, there are a plurality of communication paths Ra (only one is shown in FIG. 8) between the first row of protrusion group 136A and the second row of protrusion group 136B. Each communication path Ra is a space where the first shortest space Ra1 and the second shortest space Ra2 overlap. The first shortest space Ra1 is a space with the shortest distance from the gap between the protrusions 135 in the first row of the protrusion group 136A to the gap between the protrusions 135 in the second row of the protrusion group 136B. The second shortest space Ra2 is a space with the shortest distance from the gap between the protrusions 135 in the second row of the protrusion group 136B to the gap between the protrusions 135 in the first row of the protrusion group 136A. In FIG. 8, the lines dividing the spaces are shown slightly shifted from each other for ease of viewing. In addition, in the interconnector 150 of the air electrode side current collector 134a, a rectangular columnar diffusion protrusion 152a protruding toward the single cell 110 is formed in the overlapping region Ea that overlaps with the communication path Ra when viewed in the vertical direction (Z-axis direction). As a result, the oxidant gas OG that passes through the gaps between the protrusions 135 in the first row of the protrusion group 136A collides with the diffusion protrusion 152a and diffuses. In this modified example, the communication passage Ra is a space that extends in the gas flow direction X between the gaps between the protrusions 135 in the first row of the protrusion group 136A and the gaps between the protrusions 135 in the second row of the protrusion group 136B. Therefore, the oxidant gas OG that travels straight in the gas flow direction X from the gaps between the protrusions 135 in the first row of the protrusion group 136A to the gaps between the protrusions 135 in the second row of the protrusion group 136B can be effectively diffused.

上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を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ためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上述した構成の空気極側集電体134,134aを採用することにより、ガスが流れ難い箇所にガスを拡散させることができる。 In the above embodiment, the subject is an SOFC that generates electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen contained in a fuel gas and oxygen contained in an oxidant gas. However, the present invention can also be applied to an electrolysis cell unit, which is a constituent unit of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water, and an electrolysis cell stack having a plurality of electrolysis cell units. The configuration of the electrolysis cell stack is publicly known, for example as described in JP 2016-81813 A, and will not be described in detail here, but it is generally similar to the configuration of the fuel cell stack 100 in the above embodiment. That is, the fuel cell stack 100 in the above embodiment may be read as an electrolysis cell stack, the power generation unit 102 as an electrolysis cell unit, and the single cell 110 as an electrolysis single cell. However, when the electrolysis cell stack is operated, a voltage is applied between the electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode), and water vapor is supplied as a raw material gas through the communication hole 108. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is extracted to the outside of the electrolysis cell stack through the communication hole 108. Even in electrolysis cell units and electrolysis cell stacks configured in this way, by adopting the air electrode side current collectors 134, 134a configured as described above, gas can be diffused to areas where gas has difficulty flowing.

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、本発明は、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。 In addition, while the above embodiment has been described using a solid oxide fuel cell (SOFC) as an example, the present invention 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 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 124:接合部 130:空気極側フレーム 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134,134a:空気極側集電体 135:突出部 136A,136B,136C:突出部群 140:燃料極側フレーム 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 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:インターコネクタ 152,152a:拡散用凸部 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 E,Ea:重複領域 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス R,Ra:連通路 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branching portion 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 124: Joint 130: Air electrode side frame 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas exhaust communication hole 134, 134a: Air electrode side current collector 135: Protrusion 136A, 136B, 136C: Group of protrusions 140: Fuel electrode side frame 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas exhaust communication hole 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing portion 147: Connection part 149: Spacer 150: Interconnector 152, 152a: Diffusion convex part 161: Oxidant gas inlet manifold 162: Oxidant gas outlet manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas inlet manifold 172: Fuel gas outlet manifold 176: Fuel chamber E, Ea: Overlap area FG: Fuel gas FOG: Fuel off-gas OG: Oxidant gas OOG: Oxidant off-gas R, Ra: Connecting passage

Claims (3)

電解質層と、前記電解質層を挟んで第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、前記電気化学反応単セルの前記第1の方向に配置された集電体と、を備える集電体-電気化学反応単セル複合体において、
前記集電体は、前記電気化学反応単セルに向けて突出するとともに前記電気化学反応単セルに接合されている複数の突出部を有し、
前記複数の突出部は、少なくとも、
複数の前記突出部が、前記第1の方向視で、第2の方向に間隔を空けて並んでいる第1列の突出部群と、
前記第1の方向視で、前記第1列の突出部群に対して、前記第2の方向に交差する第3の方向の一方側に位置し、複数の前記突出部が、前記第2の方向に間隔を空けて並んでいる第2列の突出部群と、を含んでおり、
かつ、前記電気化学反応単セルと前記集電体との間のガス室には、前記第1列の突出部群における前記突出部同士の隙間と前記第2列の突出部群における前記突出部同士の隙間との間の連通路が存在しており、
前記第3の方向は、前記ガス室におけるガスの流れ方向であり、
前記集電体には、少なくとも、前記連通路と前記第1の方向視で重なる重複領域に、前記突出部に比べて突出長さが短い凸部が形成されており、
前記凸部の前記第2の方向の両端は、前記重複領域よりも前記第2の方向の外側まで延びている、ことを特徴とする、集電体-電気化学反応単セル複合体。
A current collector-electrochemical reaction unit cell composite including an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer, an air electrode and an anode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and a current collector disposed in the first direction of the electrochemical reaction unit cell,
the current collector has a plurality of protrusions protruding toward the electrochemical reaction unit cell and joined to the electrochemical reaction unit cell;
The plurality of protrusions include at least
a first row of protrusions arranged at intervals in a second direction when viewed in the first direction;
a second row of protrusions that is located on one side of the first row of protrusions in a third direction intersecting the second direction, the second row of protrusions being spaced apart from one another in the second direction, the second row of protrusions being spaced apart from one another in the third direction intersecting the second direction, when viewed in the first direction;
and in a gas chamber between the electrochemical reaction unit cell and the current collector, there is a communication passage between the gaps between the protrusions in the first row of the protrusion group and the gaps between the protrusions in the second row of the protrusion group,
the third direction is a flow direction of gas in the gas chamber,
a convex portion having a shorter protruding length than the protruding portion is formed in at least an overlapping region of the current collector that overlaps with the communication path when viewed in the first direction,
a current collector-electrochemical reaction unit cell composite, characterized in that both ends of the protrusion in the second direction extend beyond the overlap region to the outside in the second direction.
請求項1に記載の集電体-電気化学反応単セル複合体において、
前記凸部は、前記第3の方向において、前記第1列の突出部群と前記第2列の突出部群との少なくとも一方から離間している、ことを特徴とする、集電体-電気化学反応単セル複合体。
The current collector-electrochemical reaction unit cell composite according to claim 1,
The current collector-electrochemical reaction unit cell composite, wherein the protrusion is spaced apart from at least one of the first row of protrusion groups and the second row of protrusion groups in the third direction.
前記第1の方向に並べて配列された複数の集電体-電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の集電体-電気化学反応単セル複合体の少なくとも1つは、請求項1または請求項2に記載の集電体-電気化学反応単セル複合体であ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 current collector-electrochemical reaction unit cell composites arranged side by side in the first direction,
An electrochemical reaction cell stack, wherein at least one of the plurality of current collector-electrochemical reaction unit cell composites is the current collector-electrochemical reaction unit cell composite according to claim 1 or 2 .
JP2022021832A 2022-02-16 2022-02-16 Current collector-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack Active JP7555364B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022021832A JP7555364B2 (en) 2022-02-16 2022-02-16 Current collector-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022021832A JP7555364B2 (en) 2022-02-16 2022-02-16 Current collector-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023119145A JP2023119145A (en) 2023-08-28
JP7555364B2 true JP7555364B2 (en) 2024-09-24

Family

ID=87763161

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022021832A Active JP7555364B2 (en) 2022-02-16 2022-02-16 Current collector-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7555364B2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004071299A (en) 2002-08-05 2004-03-04 Toyota Motor Corp Collector for fuel cell
JP2007200864A (en) 2006-01-27 2007-08-09 Samsung Sdi Co Ltd Bipolar plate and fuel cell
JP2014167861A (en) 2013-02-28 2014-09-11 Toyota Auto Body Co Ltd Gas flow channel forming body for fuel cell, and fuel cell
JP2021012797A (en) 2019-07-05 2021-02-04 森村Sofcテクノロジー株式会社 Electrochemical reaction cell stack

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004071299A (en) 2002-08-05 2004-03-04 Toyota Motor Corp Collector for fuel cell
JP2007200864A (en) 2006-01-27 2007-08-09 Samsung Sdi Co Ltd Bipolar plate and fuel cell
JP2014167861A (en) 2013-02-28 2014-09-11 Toyota Auto Body Co Ltd Gas flow channel forming body for fuel cell, and fuel cell
JP2021012797A (en) 2019-07-05 2021-02-04 森村Sofcテクノロジー株式会社 Electrochemical reaction cell stack

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023119145A (en) 2023-08-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2020009744A (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
KR20180059518A (en) Interconnect - Electrochemical Reaction Single Cell Complex, Electrochemical Reaction Cell Stack and Interconnect - Electrochemical Reaction Single Cell Complex
JP6917416B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP7254755B2 (en) Manufacturing method of electrochemical reaction cell stack
JP7194242B1 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP7555364B2 (en) Current collector-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack
JP7210508B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP7249981B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP6945035B1 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP6773600B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP6797153B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
CN110249463B (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction battery
JP2017010682A (en) Interconnector fuel battery single cell composite body and fuel battery stack
JP7507738B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP7479338B2 (en) Interconnector-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack
JP7522715B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP7169333B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP7522796B2 (en) Electrochemical reaction cell stack and conductive member
JP7112443B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP7237043B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP7561667B2 (en) Fuel Cell Stack
JP7522679B2 (en) Electrochemical reaction single cells and electrochemical reaction cell stacks
JP7244470B2 (en) fuel cell power module
JP2018181405A (en) Fuel cell power generation module
JP6861074B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230501

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230501

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240214

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240402

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240530

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240820

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240910

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7555364

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150