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 PDFInfo
- 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
Links
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 title claims description 45
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims description 24
- 238000003541 multi-stage reaction Methods 0.000 title 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 42
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 125
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 100
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 50
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 49
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 46
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 36
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 29
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 23
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 9
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 239000010445 mica Substances 0.000 description 3
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 3
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 229910021526 gadolinium-doped ceria Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RJBSIFOTJSUDHY-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Fe+2].[Co+2].[Sr+2].[La+3] Chemical compound [O-2].[Fe+2].[Co+2].[Sr+2].[La+3] RJBSIFOTJSUDHY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FSPYSFXTOBQBEP-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Fe+2].[Ni+2].[La+3] Chemical compound [O-2].[Fe+2].[Ni+2].[La+3] FSPYSFXTOBQBEP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YMVZSICZWDQCMV-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Mn+2].[Sr+2].[La+3] Chemical compound [O-2].[Mn+2].[Sr+2].[La+3] YMVZSICZWDQCMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N oxide(2-) Chemical compound [O-2] AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel 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.
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.
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
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
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 (
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
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
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 (
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
(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
The pair of
(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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:
Claims (3)
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.
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 .
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)
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 |
-
2022
- 2022-02-16 JP JP2022021832A patent/JP7555364B2/en active Active
Patent Citations (4)
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 |