JP6667278B2 - Electrochemical reaction cell stack - Google Patents
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Description
本明細書に開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。 The technology disclosed herein relates to an electrochemical reaction cell stack.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCは、一般に、所定の方向(以下、「配列方向」という)に並べて配置された複数の単セルを備える燃料電池スタックの形態で利用される。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで配列方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含んでいる。 As one type of fuel cell that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, a solid oxide fuel cell (hereinafter, referred to as “SOFC”) having an electrolyte layer containing a solid oxide is known. Have been. The SOFC is generally used in the form of a fuel cell stack including a plurality of single cells arranged in a predetermined direction (hereinafter, referred to as an “arrangement direction”). The single cell includes an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode that face each other in the arrangement direction with the electrolyte layer interposed therebetween.
燃料電池スタックは、さらに、複数の単セルの配列方向の一方側に配置され、空気極または燃料極に電気的に接続されている平板状の第1の導電性部材と、第1の導電性部材の一方側の面に隣接する平板状の絶縁部材と、絶縁部材の一方側の面に隣接している第2の導電性部材と、を備える。例えば、燃料電池スタックは、第1の導電性部材として、外部端子に接続される突出部を有するターミナルプレートを備え、第2の導電性部材として、ターミナルプレートの一方側の面に絶縁部材を介して配置されるエンドプレートを備える。 The fuel cell stack further includes a flat first conductive member that is disposed on one side in the arrangement direction of the plurality of single cells and is electrically connected to the air electrode or the fuel electrode; It has a flat insulating member adjacent to one surface of the member and a second conductive member adjacent to one surface of the insulating member. For example, the fuel cell stack includes, as a first conductive member, a terminal plate having a projection connected to an external terminal, and as a second conductive member, an insulating member is provided on one surface of the terminal plate. And an end plate that is disposed in a vertical direction.
第1の導電性部材は、空気極または燃料極に電気的に接続されているため、第1の導電性部材に絶縁部材を介して配置されている第2の導電性部材に比べて、燃料電池スタックの発電動作時に高電位になる。特に、高出力化の要請に対応するため、多数の単セルが配置された燃料電池スタックでは、第1の導電性部材が特に高電位になる。このように第1の導電性部材が高電位になると、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間に絶縁部材が配置されているにもかかわらず、第1の導電性部材から第2の導電性部材に放電し、電流がリークするおそれがある。 Since the first conductive member is electrically connected to the air electrode or the fuel electrode, the first conductive member has a higher fuel density than the second conductive member disposed on the first conductive member via the insulating member. The potential becomes high during the power generation operation of the battery stack. In particular, in order to respond to a demand for higher output, in a fuel cell stack in which a large number of single cells are arranged, the first conductive member has a particularly high potential. As described above, when the first conductive member has a high potential, the first conductive member may be disposed even though the insulating member is disposed between the first conductive member and the second conductive member. From the first conductive member to the second conductive member, and the current may leak.
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という)の一形態である電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて、電気化学反応セルスタックと呼ぶ。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の課題である。 Such a problem is also common to an electrolytic cell stack which is one form of a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter, referred to as “SOEC”) that generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. It is. In this specification, the fuel cell stack and the electrolytic cell stack are collectively referred to as an electrochemical reaction cell stack. In addition, such a problem is not limited to SOFC and SOEC, but is also a problem common to other types of electrochemical reaction cell stacks.
本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique capable of solving at least a part of the above-described problem.
本明細書に開示される技術は、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 as the following modes.
(1)本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、第1の方向に並べて配置され、電解質層と前記電解質層を挟んで前記第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含む複数の単セルと、前記複数の単セルの前記第1の方向の一方側に配置され、前記空気極または前記燃料極に電気的に接続され、かつ、導電性を有する平板状の第1の導電性部材と、前記第1の導電性部材の前記一方側の面である第1の面に隣接する平板状の絶縁部材と、前記絶縁部材の前記一方側の面である第2の面に隣接し、かつ、導電性を有する第2の導電性部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向視で、前記第2の導電性部材の前記第1の方向の他方側の面である第3の面の周縁は、全周に亘って、前記絶縁部材の前記第2の面の周縁より内側に位置している。本電気化学反応セルスタックによれば、第2の導電性部材の第3の面の周縁の少なくとも一部が、絶縁部材の第2の面の周縁と同じ位置または外側の位置にある場合に比べて、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間の空間距離が長いため、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間で電流がリークすることを抑制することができる。 (1) The electrochemical reaction cell stack disclosed in this specification is arranged side by side in a first direction, and has an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode that face each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. A plurality of single cells, each of which includes: a plurality of single cells, which are arranged on one side of the plurality of single cells in the first direction, are electrically connected to the air electrode or the fuel electrode, and have a conductive flat plate shape. A first conductive member, a flat insulating member adjacent to the first surface that is the one surface of the first conductive member, and a second insulating member that is the one surface of the insulating member. A second conductive member having conductivity and being adjacent to a surface of the second conductive member, wherein the first direction of the second conductive member is viewed in the first direction. The periphery of the third surface, which is the other surface of It is located inside the periphery of the second surface of the wood. According to the present electrochemical reaction cell stack, at least a part of the periphery of the third surface of the second conductive member is located at the same position as or outside the periphery of the second surface of the insulating member. Therefore, since the space distance between the first conductive member and the second conductive member is long, it is possible to suppress a current from leaking between the first conductive member and the second conductive member. be able to.
(2)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の導電性部材は、前記空気極または前記燃料極に電気的に接続されている平板状の本体部と、前記本体部から前記第1の方向と交差する方向に突出する突出部と、を含む構成としてもよい。第1の導電性部材は、外部に電流を出力するための突出部が設けられた部材であるため、特に、高電位になり易い。しかし、本電気化学反応セルスタックによれば、この第1の導電性部材と第2の導電性部材との間の空間距離が長いため、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間で電流がリークすることを抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction cell stack, the first conductive member may be a flat main body electrically connected to the air electrode or the fuel electrode, and the first conductive member may be a first main body from the main body. And a projecting portion projecting in a direction intersecting the direction. The first conductive member is a member provided with a protruding portion for outputting a current to the outside, and thus is particularly likely to have a high potential. However, according to the present electrochemical reaction cell stack, the spatial distance between the first conductive member and the second conductive member is long, so that the first conductive member and the second conductive member Current can be suppressed from leaking between the two.
(3)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第2の導電性部材の前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面における外形線は、前記絶縁部材から前記他方側の端が離間し前記第1の方向に平行な平行線と、前記第1の方向視で前記平行線より内側に位置している前記第3の面の端と前記平行線の前記他方側の端とを繋いでいる繋ぎ線と、を含む構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第1の方向視で、第2の導電性部材の第3の面の周縁が、全周に亘って、第2の導電性部材の絶縁部材から離間した部分の周縁と同じ位置にある場合に比べて、絶縁部材の大きさを抑制しつつ、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間で電流がリークすることを抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction cell stack, the outline of at least one cross section of the second conductive member parallel to the first direction is formed by separating the other end of the second conductive member from the insulating member. A connecting line connecting a parallel line parallel to the first direction, an end of the third surface located inside the parallel line as viewed in the first direction, and the other end of the parallel line; And a line. According to the present electrochemical reaction cell stack, in the first direction, the periphery of the third surface of the second conductive member is separated from the insulating member of the second conductive member over the entire circumference. As compared with the case where the insulating member is located at the same position as the periphery of the portion, it is possible to suppress the current from leaking between the first conductive member and the second conductive member while suppressing the size of the insulating member. it can.
(4)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記繋ぎ線は、全長に亘って、前記第3の面の端と前記平行線の前記他方側の端とを結ぶ仮想直線上の位置または前記仮想直線より前記一方側の位置に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、繋ぎ線の一部が仮想直線より第1の方向の他方側に位置する場合に比べて、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間の空間距離が長いため、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間で電流がリークすることを、より効果的に抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction cell stack, the connecting line may be a position on a virtual straight line or the virtual straight line connecting an end of the third surface and the other end of the parallel line over the entire length. It may be configured to be located at the one side position. According to the present electrochemical reaction cell stack, the distance between the first conductive member and the second conductive member is smaller than when the part of the connecting line is located on the other side in the first direction from the virtual straight line. Since the space distance is long, it is possible to more effectively suppress the current from leaking between the first conductive member and the second conductive member.
(5)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記繋ぎ線は、前記第3の面の端と前記平行線の前記他方側の端とを繋ぐ直線または円弧線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、比較的に簡単な形状により、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間で電流がリークすることを、より効果的に抑制することができる。 (5) In the electrochemical reaction cell stack, the connecting line may be a straight line or an arc line connecting an end of the third surface and the other end of the parallel line. According to the present electrochemical reaction cell stack, current leakage between the first conductive member and the second conductive member can be more effectively suppressed by a relatively simple shape. it can.
(6)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第2の導電性部材の前記第1の方向に平行な全ての断面の外形線は、前記平行線と前記繋ぎ線とを含む構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、全周に亘って絶縁部材の大きさを抑制しつつ、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間で電流がリークすることを抑制することができる。 (6) In the electrochemical reaction cell stack, the outline of all cross sections of the second conductive member parallel to the first direction may include the parallel line and the connecting line. According to the present electrochemical reaction cell stack, current is suppressed from leaking between the first conductive member and the second conductive member while suppressing the size of the insulating member over the entire circumference. be able to.
(7)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第2の導電性部材および前記絶縁部材の前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面の外形線は、前記第2の導電性部材の前記第3の面の端から前記第2の導電性部材の前記一方側の面である第4の面の端まで前記第1の方向に平行に延びる直線を含み、かつ、前記第1の方向視では、前記絶縁部材の前記第2の面の端は、前記直線を基準として前記電気化学反応セルスタックの外周側の位置にあると、を含む構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第2の導電性部材の形状の複雑化を抑制しつつ、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間で電流がリークすることを抑制することができる。 (7) In the electrochemical reaction cell stack, an outline of at least one cross section of the second conductive member and the insulating member, which is parallel to the first direction, is formed by the second conductive member and the insulating member. 3 includes a straight line extending in parallel with the first direction from an end of the third surface to an end of a fourth surface that is the one surface of the second conductive member, and in the first direction. The end of the second surface of the insulating member may be located at a position on the outer peripheral side of the electrochemical reaction cell stack with respect to the straight line. According to the present electrochemical reaction cell stack, current is prevented from leaking between the first conductive member and the second conductive member while suppressing the complexity of the shape of the second conductive member. can do.
(8)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の導電性部材、前記絶縁部材および前記第2の導電性部材には、ガス流路を構成する貫通孔が形成されており、前記第1の方向視では、前記第1の導電性部材、前記絶縁部材および前記第2の導電性部材のそれぞれの少なくとも一辺が同じ位置に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、第1の導電性部材、絶縁部材および第2の導電性部材のそれぞれの少なくとも一辺が位置合わせされていることにより、第1の導電性部材、絶縁部材および第2の導電性部材との配置関係や、第1の導電性部材、絶縁部材および第2の導電性部材の各貫通孔同士の配置関係がずれることを抑制することができる。 (8) In the electrochemical reaction cell stack, the first conductive member, the insulating member, and the second conductive member are formed with through holes forming a gas flow path, and In the direction viewed from above, at least one side of each of the first conductive member, the insulating member, and the second conductive member may be at the same position. According to the present electrochemical reaction cell stack, at least one side of each of the first conductive member, the insulating member, and the second conductive member is aligned, so that the first conductive member, the insulating member, It is possible to prevent the positional relationship between the through holes of the first conductive member, the insulating member, and the second conductive member from being shifted from each other and the positional relationship between the through holes of the first conductive member, the insulating member, and the second conductive member.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、複数の電気化学反応単セル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 the present specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction single cells (a fuel cell stack or an electrolytic cell stack), It can be realized in the form of the manufacturing method or the like.
A.実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100の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. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of Fuel Cell Stack 100)
FIG. 1 is a perspective view illustrating an external configuration of the
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102と、第1のエンドプレート104と、第2のエンドプレート106と、ターミナルプレート18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(Z軸方向))に並べて配置されている。ターミナルプレート18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。第1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、第2のエンドプレート106は、ターミナルプレート18の下側に配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
The
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、第1および第2のエンドプレート104,106、ターミナルプレート18)のZ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、第1のエンドプレート104から第2のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる貫通孔108を構成している。以下の説明では、貫通孔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、貫通孔108ということがある。なお、後述するように、これらの貫通孔108は、特許請求の範囲におけるガス流路を構成する貫通孔に相当するということができる。
A plurality of layers (in the present embodiment) penetrating in the up-down direction are formed on the periphery of each layer (
各貫通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められた第1のナット24および第2のナット25とによって、燃料電池スタック100は締結されている。
各ボルト22の軸部の外径は各貫通孔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貫通孔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が挿入された貫通孔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が挿入された貫通孔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が挿入された貫通孔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が挿入された貫通孔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。
Also, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (side of two sides parallel to the X axis on the Y axis positive direction side) on the outer periphery of the
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、金属により形成されており、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
図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められた第1のナット24と燃料電池スタック100の上端を構成する第1のエンドプレート104の上側表面との間には、第1の絶縁シート52が介在している。また、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められた第2のナット25と燃料電池スタック100の下端を構成する第2のエンドプレート106の下側表面との間には、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第2の絶縁シート54とが介在している。各絶縁シート52,54は、いずれも平板状であり、例えばマイカシート、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシートやガラスセラミック複合剤等であり、上述した各貫通孔108やガス通路部材27の本体部28の孔に連通する孔が形成されている。各絶縁シート52,54により、各絶縁シート52,54を挟んで配列方向に互いに隣り合う2つの導電性部材(例えば、第1のナット24と第1のエンドプレート104)が電気的に絶縁され、かつ、2つの導電性部材間のガスシール性が確保される。第1のナット24は、特許請求の範囲における第2の導電性部材に相当する。第1の絶縁シート52は、特許請求の範囲における絶縁部材に相当し、第1の絶縁シート52における第1のナット24に対向する側(上側)の表面52Aは、特許請求の範囲における第2の面に相当する。
As shown in FIGS. 2 and 3, between the
(エンドプレート104,106の構成)
第1および第2のエンドプレート104,106は、例えばステンレスにより形成されている。第1のエンドプレート104は、特許請求の範囲における第1の導電性部材に相当し、第1のエンドプレート104における第1の絶縁シート52に対向する側(上側)の表面13Aは、特許請求の範囲における第1の表面に相当する。第2のエンドプレート106は、特許請求の範囲における第2の導電性部材に相当する。第2のエンドプレート106は、略矩形の平板形状の導電性部材である。第1のエンドプレート104は、Z軸方向視で第2のエンドプレート106と略同一サイズの略矩形の第1の本体部13と、第1の本体部13の1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)から配列方向に略直交する方向(例えばX軸負方向)に突出する第1の突出部14を備える。第1のエンドプレート104の第1の突出部14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する。すなわち、第1のエンドプレート104は、ターミナルプレートとしても機能する。なお、本実施形態において、第1および第2のエンドプレート104,106には、貫通孔108が形成されており、これらの貫通孔108は、特許請求の範囲におけるガス流路を構成する貫通孔に相当する。
(Configuration of
The first and
(ターミナルプレート18の構成)
ターミナルプレート18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。ターミナルプレート18は、特許請求の範囲における第1の導電性部材に相当し、ターミナルプレート18における第3の絶縁シート56に対向する側(下側)の表面18Aは、特許請求の範囲における第1の表面に相当する。ターミナルプレート18は、Z軸方向視で第2のエンドプレート106と略同一サイズの略矩形の第2の本体部15と、第2の本体部15の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)から配列方向に略直交する方向(例えばX軸正方向)に突出する第2の突出部16を備える。ターミナルプレート18の第2の突出部16は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of terminal plate 18)
The
ターミナルプレート18と第2のエンドプレート106との間には、平板状の第3の絶縁シート56が介在している。第3の絶縁シート56は、マイカ等で構成された絶縁材である。第3の絶縁シート56には、上記各貫通孔108に対応する位置に孔が形成されており、この孔の内側に、ガラスシール材57が配置されている。ガラスシール材57には、上述した各貫通孔108に連通する孔が形成されている。第3の絶縁シート56およびガラスシール材57により、第3の絶縁シート56およびガラスシール材57を挟んで配列方向に互いに隣り合う2つの導電性部材であるターミナルプレート18と第2のエンドプレート106とが電気的に絶縁され、かつ、ターミナルプレート18と第2のエンドプレート106との間のガスシール性が確保される。第3の絶縁シート56は、特許請求の範囲における絶縁部材に相当し、第3の絶縁シート56における第2のエンドプレート106に対向する側(下側)の表面58Aは、特許請求の範囲における第2の面に相当する。
A flat third insulating
(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。
(Configuration of the power generation unit 102)
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two
図4および図5に示すように、発電の最小単位である発電単位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、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。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方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される貫通孔108に対応する孔が形成されている。なお、本実施形態において、セパレータ120やインターコネクタ150に形成されている貫通孔108は、特許請求の範囲におけるガス流路に相当する。
As shown in FIGS. 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。そのため、あるインターコネクタ150は、ある発電単位102における後述する空気極114に面する空気室166に面し、かつ、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における後述する燃料極116に面する燃料室176に面する。また、燃料電池スタック100は第1のエンドプレート104およびターミナルプレート18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を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極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、略矩形の平板形状部材であり、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。空気極114は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、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))により形成されている。燃料極116は、矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、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
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。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルともいう。
The
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。すなわち、空気極側フレーム130は、セパレータ120とインターコネクタ150とにより挟持されている。そのため、空気極側フレーム130によって、空気室166のシール(コンプレッションシール)が実現される。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。
The air
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。
The fuel
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、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におけるインターコネクタ対向部146は、ターミナルプレート18の表面に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはターミナルプレート18)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、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはターミナルプレート18)との電気的接続が良好に維持される。
The fuel electrode side
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、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134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を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、第1のエンドプレート104の表面に接触している。空気極側集電体134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(または第1のエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。
The cathode-side
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:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidizing gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to a
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は空気極側集電体134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は燃料極側集電体144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第1のエンドプレート104の第1の突出部14とターミナルプレート18の第2の突出部16とから、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidizing 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。
The oxidant off-gas OOG discharged from the
A−3.第1のナット24の詳細構成:
第1のナット24のZ方向に平行な全ての断面における外形線は、第1の反対線24Aと、第1の対向線24Bと、第1の外周線24Cと、第1の面取り線24Dとを含む。図2および図3には、第1のナット24のXZ断面およびYZ断面における外形線が例示されている。第1の反対線24Aは、第1のナット24における第1の絶縁シート52に対向する側とは反対側(上側)の表面を構成する直線であり、第1の絶縁シート52に略平行な直線である。第1のナット24の上側の表面は、特許請求の範囲における第4の面に相当する。第1の対向線24Bは、第1のナット24における第1の絶縁シート52に対向する側(下側)の表面を構成する直線であり、第1の絶縁シート52に略平行で、かつ、両端が第1の反対線24Aの両端より第1のナット24の中心側に位置する直線である。第1のナット24の下側表面は、特許請求の範囲における第3の面に相当する。
A-3. Detailed configuration of the first nut 24:
The outlines of all cross sections of the
第1の外周線24Cは、第1のナット24のZ方向回りの外周面を構成する直線であり、第1の絶縁シート52に略直交する方向(上下方向)に延び、かつ、第1の絶縁シート52側の端(下端)が第1の絶縁シート52から離間した直線である。第1の外周線24Cは、特許請求の範囲における平行線に相当する。第1の面取り線24Dは、第1の対向線24Bの端と第1の外周線24Cの下側の端とを繋いでいる直線である。第1の面取り線24Dは、特許請求の範囲における繋ぎ線に相当する。すなわち、第1のナット24の下側表面とZ方向回りの外周面との間の角部は、全周にわたって、C面取りされることによって切り欠き部とされている。これにより、第1のナット24の下側の周縁部と第1の絶縁シート52との間には、全周にわたって、空間が形成されている。なお、Z方向における第1の外周線24Cの下側の端と第1の絶縁シート52との距離ΔD1(図2参照)と、XY平面方向における第1の外周線24Cの下側の端と第1のナット24の下側表面との距離ΔD2(図2参照)とは、いずれも1mm以上(C1以上)であることが好ましい。さらに、Z軸方向視で、第1の絶縁シート52の外周面を構成する第3の外周線52Bは、全周にわたって、第1のナット24の第1の外周線24Cより外側に突出している。
The first outer
A−4.第2のエンドプレート106の詳細構成:
第2のエンドプレート106のZ方向に平行な全ての断面における外形線は、第2の反対線106Aと、第2の対向線106Bと、第2の外周線106Cと、第2の面取り線106Dとを含む。図2および図3には、第2のエンドプレート106のXZ断面およびYZ断面における外形線が例示されている。第2の反対線106Aは、第2のエンドプレート106における第3の絶縁シート56に対向する側とは反対側(下側)の表面を構成する直線であり、第3の絶縁シート56に略平行な直線である。第2のエンドプレート106の下側表面は、特許請求の範囲における第4の面に相当する。第2の対向線106Bは、第2のエンドプレート106における第3の絶縁シート56に対向する側(上側)の表面を構成する直線であり、第3の絶縁シート56に略平行で、かつ、両端が第2の反対線106Aの両端より第2のエンドプレート106の中心側に位置する直線である。第2のエンドプレート106の上側の表面は、特許請求の範囲における第3の面に相当する。
A-4. Detailed configuration of second end plate 106:
The outlines of all cross sections of the
第2の外周線106Cは、第2のエンドプレート106のZ方向回りの外周面を構成する直線であり、第3の絶縁シート56に略直交する方向(上下方向)に延び、かつ、第3の絶縁シート56側の端(上端)が第3の絶縁シート56から離間した直線である。第2の外周線106Cは、特許請求の範囲における平行線に相当する。第2の面取り線106Dは、第2の対向線106Bの端と第2の外周線106Cの上側の端とを繋いでいる直線である。第2の面取り線106Dは、特許請求の範囲における繋ぎ線に相当する。すなわち、第2のエンドプレート106の上側表面とZ方向回りの外周面との間の角部は、全周にわたって、C面取りされることによって切り欠き部とされている。これにより、第2のエンドプレート106の上側の周縁部と第3の絶縁シート56との間には、全周にわたって、空間が形成されている。なお、Z方向における第2の外周線106Cの上側の端と第3の絶縁シート56との距離ΔD3(図2参照)と、XY平面方向における第2の外周線106Cの上側の端と第2のエンドプレート106の上側表面との距離ΔD4(図2参照)とは、いずれも1mm以上(C1以上)であることが好ましい。また、Z軸方向視で、ターミナルプレート18の第2の本体部15の外周面を構成する第4の外周線15Bと、第3の絶縁シート56の外周面を構成する第5の外周線56Bと、第2のエンドプレート106の第2の外周線106Cとは、全周にわたって、重なっている。
The second outer
A−5.絶縁性試験:
図6は、絶縁性試験で使用するサンプル200の模式図である。サンプル200は、ナット210と、板材220と、ナット210と板材220との間に配置されたマイカ230とを備える。ナット210は、ステンレスにより形成され、直径が略16mmである。ナット210の外形は、第1のナット24と同一であるため、図6では、第1のナット24と同じ符号が付されている。絶縁性試験では、距離ΔD1、ΔD2(図2参照)が互いに異なる4つのナット210(ΔD1、ΔD2=0.3mm(C0.3)、1mm(C1)、2mm(C2)、3mm(C3))を準備する。板材220は、ステンレスにより形成され、直径が略25mmである。マイカ230は、ナット210と同様、直径が略16mmであり、厚さは0.4mmである。そして、4つのナット210のそれぞれを含む4つのサンプル200について、絶縁性試験を行った。具体的には、各サンプル200を700℃の温度環境下に配置し、ナット210と板材220との間に直流電圧を印加し、毎秒6Vの昇電圧速度で電圧値を上昇させ、ナット210と板材220との間の放電電圧の変化を確認した。
A-5. Insulation test:
FIG. 6 is a schematic diagram of a sample 200 used in the insulation test. The sample 200 includes a
図7は、サンプル200を用いて行った絶縁性試験の結果を示すグラフであり、縦軸は、耐電圧(V)を示し、横軸は、面取り線24Dとマイカ230の外周面の上端との最短距離L1を示す。最短距離L1は、例えば距離ΔD1、ΔD2から算出することができる。ここで、空間距離は、ナット210と板材220との間との空間中における最短距離であり、具体的には、最短距離L1と、マイカ230の厚さL2との合計距離である。図7のグラフ中の各プロットに付されたC0.3、C1、C2、C3は、上述した4つのサンプル200を意味する。同グラフからも分かるように、マイカ230の厚さL2が同じでも、距離ΔD1、距離ΔD2(第2の面取り線106D)が長くなるほど、空間距離が長くなり、ナット210と板材220との間の耐電圧(絶縁性)が高くなっている。特に、距離ΔD1、ΔD2が1mm以上(C1以上)になると、耐電圧が際だって高くなっている。
FIG. 7 is a graph showing the results of an insulation test performed using sample 200. The vertical axis indicates the withstand voltage (V), and the horizontal axis indicates the chamfered
なお、図2および図3に示す第1のナット24および第1の絶縁シート52と同様、マイカ230の外径がナット210の外径より大きくてもよい。この場合、空間距離は、最短距離L1と、マイカ230の厚さL2と、マイカ230とナット210との外径差との合計距離となり、空間距離が図6に示す構成よりさらに長くなる。すなわち、マイカ230の外径がナット210の外径より大きいほど、換言すれば、ナット210に対するマイカ230の突出長さが長いほど、ナット210と板材220との間の耐電圧(絶縁性)が高くなる。
Note that, similarly to the
A−6.本実施形態の効果:
上述したように、第1のナット24の下側表面とZ方向回りの外周面との間の角部は、全周にわたって、C面取りされることによって切り欠き部とされている。しかも、Z軸方向視で、第1の絶縁シート52の外周面を構成する第3の外周線52Bは、全周にわたって、第1のナット24の第1の外周線24Cより外側に突出している。このため、切り欠き部が無く、第1のナット24と第1の絶縁シート52とが同一サイズである構成に比べて、第1のナット24と第1のエンドプレート104との空間距離が長いので、第1のナット24と第1のエンドプレート104との間で電流がリークすることを抑制することができる。
A-6. Effects of this embodiment:
As described above, the corner between the lower surface of the
また、第2のエンドプレート106の上側表面とZ方向回りの外周面との間の角部は、全周にわたって、C面取りされることによって切り欠き部とされている。このため、切り欠き部が無い構成に比べて、ターミナルプレート18と第2のエンドプレート106との空間距離が長いので、第3の絶縁シート56がターミナルプレート18の第2の本体部15および第2のエンドプレート106と同一サイズであっても、ターミナルプレート18と第2のエンドプレート106との間で電流がリークすることを抑制することができる。なお、ターミナルプレート18の出力端子は、特に高電位になるが、本発明を適用することにより、電流のリークを抑制することができる。
In addition, the corner between the upper surface of the
ここで、第1の導電性部材(第1のエンドプレート104、ターミナルプレート18)と第2の導電性部材(第1のナット24、第2のエンドプレート106)との空間距離を長くする方法として、第1の導電性部材に切り欠き部を形成する方法が考えられる。しかし、単セル110に電気的に接続され電流経路を形成する第1の導電性部材に切り欠き部を形成すると、第1の導電性部材の電気抵抗が大きくなり、燃料電池スタック100の出力が低下するおそれがある。特に、ターミナルプレート18の第2の突出部16に切り欠き部を形成すると、出力端子の電気抵抗が大きくなるため、出力端子から定格の出力を取り出すことができず、燃料電池スタック100の高出力化の要請に応えられなくなるおそれがある。また、別の方法として、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間に配置される絶縁部材(第1の絶縁シート52、第3の絶縁シート56)に曲げ加工などの変形を加える方法が考えられる。しかし、絶縁シートの材料が、曲げ加工を可能な材料に限定され、また、加工部分の強度や絶縁性を担保できなくなるおそれがある。これに対して、本実施形態では、上述したように、第1の導電性部材に切り欠き部を形成することなく、かつ、平板状の絶縁部材を利用しつつ、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間で電流がリークすることを抑制することができる。
Here, a method of increasing the spatial distance between the first conductive member (the
また、第1の面取り線24Dは、第1の対向線24Bの端と第1の外周線24Cの下端とを結ぶ仮想直線W1上の位置にある直線である。このため、第1の面取り線24Dの一部が仮想直線W1より下側に突出する場合に比べて、第1のナット24と第1のエンドプレート104との間の空間距離が長いため、第1のナット24と第1のエンドプレート104との間で電流がリークすることを、より効果的に抑制することができる。また、第2の面取り線106Dは、第2の対向線106Bの端と第2の外周線106Cの上端とを結ぶ仮想直線W2上の位置にある直線である。このため、第2の面取り線106Dの一部が仮想直線W2より上側に突出する場合に比べて、ターミナルプレート18と第2のエンドプレート106との間の空間距離が長いため、ターミナルプレート18と第2のエンドプレート106との間で電流がリークすることを、より効果的に抑制することができる。
The first
また、Z軸方向視で、ターミナルプレート18の第4の外周線15Bと、第3の絶縁シート56の第5の外周線56Bと、第2のエンドプレート106の第2の外周線106Cとが同じ位置にあるので、ターミナルプレート18、第3の絶縁シート56および第2のエンドプレート106の配置関係や、これらの部材に形成された各貫通孔108同士の配置関係がずれることを抑制することができる。
When viewed in the Z-axis direction, the fourth outer
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. Modification:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are also possible.
上記実施形態において、第1のエンドプレート104を、第2のエンドプレート106と同様、出力端子を有しないエンドプレートに変更してもよい。この出力端子を有しないエンドプレートも、特許請求の範囲における第1の導電性部材に相当する。また、第1のエンドプレート104を、第2のエンドプレート106と同様の構成とし、第3の絶縁シート56と同様の絶縁シートと、ターミナルプレート18と同様のターミナルプレートとを第1のエンドプレート104側からこの順で配置してもよい。この場合、第1のエンドプレート104および絶縁シートが、特許請求の範囲における第1の導電性部材および絶縁部材に相当する。なお、ターミナルプレート18の第2の突出部16等は、上記配列方向に直交する方向に突出するものに限定されず、配列方向に交差する方向に突出するものであればよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態において、第3の絶縁シート56および第2のエンドプレート106を排除して、ターミナルプレート18と第2の絶縁シート54とを接触させてもよい。この場合、ガス通路部材27は、特許請求の範囲における第2の導電性部材に相当し、ターミナルプレート18とガス通路部材27との間に配置される第2の絶縁シート54は、特許請求の範囲における絶縁部材に相当する。また、ターミナルプレート18および絶縁材58を排除して、発電単位102と第2のエンドプレート106とを接触させてもよい。この場合、第2のエンドプレート106は、特許請求の範囲における第1の導電性部材に相当し、ガス通路部材27は、特許請求の範囲における第2の導電性部材に相当し、第2のエンドプレート106とガス通路部材27との間に配置される第2の絶縁シート54は、特許請求の範囲における絶縁部材に相当する。
Further, in the above embodiment, the third insulating
上記実施形態では、絶縁部材として、ガラスシール材、マイカシート、ガラスシール材およびマイカシートの組み合わせを例示したが、これに限定されず、例えばセラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスセラミック複合剤等により構成されたものでもよい。 In the above embodiment, as the insulating member, a combination of a glass sealing material, a mica sheet, a glass sealing material and a mica sheet is exemplified, but not limited thereto, for example, a ceramic fiber sheet, a ceramic dust sheet, a glass ceramic composite agent, May be used.
上記実施形態において、第1のナット24を、切り欠き部が形成されていないナットとしてもよい。このような構成でも、第1の絶縁シート52が、全周に亘って、ナットより突出していれば、ナットと第1のエンドプレート104との間で電流がリークすることを抑制することができる。
In the above embodiment, the
上記実施形態において、Z軸方向視で、第1のナット24の下側表面の周縁が、全周に亘って、第1の絶縁シート52の上側表面52Aの周縁より内側に位置している条件を満たせば、第1のナット24のZ方向に平行な少なくとも1つの断面における外形線が、第1の反対線24Aと、第1の対向線24Bと、第1の外周線24Cと、第1の面取り線24Dとを含む構成でもよい。例えば、第1のナット24の下側表面とZ方向回りの外周面との間の角部の一部分に切り欠き部が形成され、その部分に対応する位置では、第1の絶縁シート52が第1のナット24より突出している構成でもよい。また、Z軸方向視で、第2のエンドプレート106の上側表面の周縁が、全周に亘って、第3の絶縁シート56の下側表面58Aの周縁より内側に位置している条件を満たせば、第2のエンドプレート106のZ方向に平行な少なくとも1つの断面における外形線が、第2の反対線106Aと、第2の対向線106Bと、第2の外周線106Cと、第2の面取り線106Dとを含む構成でもよい。
In the above embodiment, the condition that the periphery of the lower surface of the
さらに、図8に示すように、第2の面取り線106Dを、仮想直線W2の下側の位置にある円弧線106Eとしてもよい。この構成であれば、比較的に簡単な形状により、ターミナルプレート18と第2のエンドプレート106との間で電流がリークすることを、より効果的に抑制することができる。
Further, as shown in FIG. 8, the second
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
Further, in the above embodiment, the number of the
また、上記実施形態では、ボルト22の両側にナット24、25が嵌められているとしているが、ボルト22が頭部を有し、ナット24、25はボルト22の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。
In the above embodiment, the nuts 24 and 25 are fitted on both sides of the
また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各貫通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト22が挿入される各貫通孔108とは別に設けてもよい。
In the above embodiment, the space between the outer peripheral surface of the shaft portion of each
また、上記実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合には、1つのインターコネクタ150が隣接する2つの発電単位102に共有されるとしているが、このような場合でも、2つの発電単位102がそれぞれのインターコネクタ150を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ150や、最も下に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ150は省略されているが、これらのインターコネクタ150を省略せずに設けてもよい。
Further, in the above embodiment, when two
また、上記実施形態において、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。
Further, in the above embodiment, the fuel electrode side
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。 Further, the material forming each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be formed of another material.
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスFGを得るとしているが、LPガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスFGを得るとしてもよいし、燃料ガスFGとして純水素を利用してもよい。 In the above embodiment, the city gas is reformed to obtain the hydrogen-rich fuel gas FG. However, the fuel gas FG may be obtained from other raw materials such as LP gas, kerosene, methanol, and gasoline, Pure hydrogen may be used as the fuel gas FG.
本明細書において、部材(または部材のある部分、以下同様)Aを挟んで部材Bと部材Cとが互いに対向するとは、部材Aと部材Bまたは部材Cとが隣接する形態に限定されず、部材Aと部材Bまたは部材Cとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層112と空気極114との間に他の層が設けられた構成であっても、空気極114と燃料極116とは電解質層112を挟んで互いに対向すると言える。
In this specification, that the member B and the member C oppose each other across the member (or a part having the member, hereinafter the same) A is not limited to the form in which the member A and the member B or the member C are adjacent to each other. This includes a mode in which another component is interposed between the member A and the member B or the member C. For example, even in a configuration in which another layer is provided between the
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行う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の電解セル(SOEC)の最小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2014−207120号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック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、貫通孔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、貫通孔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、上記実施形態と同様に、第2の導電性部材に切り欠き部を形成したり、絶縁部材を第2の導電性部材より突出させたりする構成を採用すれば、第1の導電性部材と第2の導電性部材との間で電流がリークすることを抑制することができるという効果を奏する。
Further, in the above-described embodiment, the SOFC that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidizing gas is targeted. The present invention can be similarly applied to an electrolytic cell unit which is a minimum unit of a solid oxide type electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by utilizing the same, or an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cell units. The configuration of the electrolysis cell stack is well-known as described in, for example, JP-A-2014-207120, and thus will not be described in detail here, but is generally similar to 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、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。 In the above embodiments, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example. However, the present invention is not limited to the solid polymer fuel cell (PEFC), the phosphoric acid fuel cell (PAFC), and the molten carbonate fuel cell. It is also applicable to other types of fuel cells (or electrolysis cells) such as fuel cells (MCFC).
13:本体部 13A:表面 14:突出部 15:本体部 15B:外周線 16:第2の突出部 18:ターミナルプレート 18A:表面 22:ボルト 24:第1のナット 24A:第1の反対線 24B:第1の対向線 24C:第1の外周線 24D:第1の面取り線 25:ナット 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 52:第1の絶縁シート 52A:上側表面 52B:第3の外周線 54:第2の絶縁シート 56:第3の絶縁シート 56B:第5の外周線 57:ガラスシール材 58:絶縁材 58A:下側表面 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104:第1のエンドプレート 106:第2のエンドプレート 106A:第2の反対線 106B:第2の対向線 106C:第2の外周線 106D:第2の面取り線 106E:円弧線 108:貫通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:孔 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 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 200:サンプル 210:ナット 220:板材 230:マイカ FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス L1:最短距離 L2:厚さ OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス W1、W2:仮想直線 13: Body 13A: Surface 14: Projection 15: Body 15B: Peripheral line 16: Second projection 18: Terminal plate 18A: Surface 22: Bolt 24: First nut 24A: First opposite line 24B : First opposed line 24C: First outer peripheral line 24D: First chamfered line 25: Nut 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 52: First insulating sheet 52A: Upper surface 52B: First 3 outer peripheral line 54: second insulating sheet 56: third insulating sheet 56B: fifth outer peripheral line 57: glass sealing material 58: insulating material 58A: lower surface 100: fuel cell stack 102: power generation unit 104: First end plate 106: second end plate 106A: second opposite line 106B: second opposing line 106C: second outer peripheral line 106 : Second chamfer line 106E: arc line 108: through hole 110: single cell 112: electrolyte layer 114: air electrode 116: fuel electrode 120: separator 121: hole 124: joint 130: air electrode side frame 131: hole 132 : Oxidizing gas supply communication hole 133: Oxidizing gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 135: Current collector element 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge Communication hole 144: fuel electrode side current collector 145: electrode facing portion 146: interconnector facing portion 147: connecting portion 149: spacer 150: interconnector 161: oxidant gas introduction manifold 162: oxidant gas discharge manifold 166: air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold Hold 176: Fuel chamber 200: Sample 210: Nut 220: Plate material 230: Mica FG: Fuel gas FOG: Fuel off gas L1: Shortest distance L2: Thickness OG: Oxidizing gas OOG: Oxidizing off gas W1, W2: Virtual straight line
Claims (9)
前記複数の単セルの前記第1の方向の一方側に配置され、前記空気極または前記燃料極に電気的に接続され、かつ、導電性を有する平板状の第1の導電性部材と、
前記第1の導電性部材の前記一方側の面である第1の面に隣接する平板状の絶縁部材と、
前記絶縁部材の前記一方側の面である第2の面に隣接し、かつ、導電性を有する平板状のエンドプレートと、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第1の方向視で、前記エンドプレートの前記第1の方向の他方側の面である第3の面の周縁は、全周に亘って、前記絶縁部材の前記第2の面の周縁より内側に位置している、ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 A plurality of single cells arranged side by side in a first direction, each including an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with an electrolyte layer and the electrolyte layer interposed therebetween;
A plate-shaped first conductive member disposed on one side of the plurality of single cells in the first direction, electrically connected to the air electrode or the fuel electrode, and having conductivity;
A flat insulating member adjacent to a first surface that is the one surface of the first conductive member;
An end plate-shaped end plate adjacent to the second surface that is the one side surface of the insulating member, and having a conductive shape ,
In the first direction, a periphery of a third surface, which is a surface on the other side in the first direction, of the end plate extends over the entire periphery from a periphery of the second surface of the insulating member. An electrochemical reaction cell stack, which is located inside.
前記第1の導電性部材は、前記空気極または前記燃料極に電気的に接続されている平板状の本体部と、前記本体部から前記第1の方向と交差する方向に突出する突出部と、を含む、ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 1, wherein:
The first conductive member includes a flat main body electrically connected to the air electrode or the fuel electrode, and a protrusion protruding from the main body in a direction intersecting the first direction. And an electrochemical reaction cell stack.
前記エンドプレートの前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面における外形線は、前記絶縁部材から前記他方側の端が離間し前記第1の方向に平行な平行線と、前記第1の方向視で前記平行線より内側に位置している前記第3の面の端と前記平行線の前記他方側の端とを繋いでいる繋ぎ線と、を含む、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 according to claim 1 or 2, wherein:
The outer shape line of at least one cross section of the end plate parallel to the first direction is a parallel line parallel to the first direction in which the other end is separated from the insulating member, and the first direction. An electrochemical reaction cell comprising: an end of the third surface located inside the parallel line when viewed from the eye; and a connecting line connecting the other end of the parallel line. stack.
前記繋ぎ線は、全長に亘って、前記第3の面の端と前記平行線の前記他方側の端とを結ぶ仮想直線上の位置または前記仮想直線より前記一方側の位置にある、ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 3, wherein
The connecting line is located at a position on a virtual straight line connecting the end of the third surface and the other end of the parallel line over the entire length or at a position on the one side of the virtual straight line. Electrochemical reaction cell stack characterized.
前記繋ぎ線は、前記第3の面の端と前記平行線の前記他方側の端とを繋ぐ直線または円弧線である、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 according to claim 4, wherein
The electrochemical reaction cell stack, wherein the connecting line is a straight line or an arc line connecting an end of the third surface and the other end of the parallel line.
前記エンドプレートの前記第1の方向に平行な全ての断面の外形線は、前記平行線と前記繋ぎ線とを含む、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 according to any one of claims 3 to 5, wherein
The electrochemical reaction cell stack according to claim 1, wherein the outlines of all cross sections of the end plate parallel to the first direction include the parallel lines and the connecting lines.
前記エンドプレートおよび前記絶縁部材の前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面の外形線は、前記エンドプレートの前記第3の面の端から前記エンドプレートの前記一方側の面である第4の面の端まで前記第1の方向に平行に延びる直線を含み、かつ、前記第1の方向視では、前記絶縁部材の前記第2の面の端は、前記直線を基準として前記電気化学反応セルスタックの外周側の位置にあると、を含む、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 according to any one of claims 1 to 5, wherein
Fourth the end plate and the outline of at least one cross-section parallel to the first direction of the insulating member is a surface of the one side of said end plate from an end of said third surface of said end plate A straight line extending in parallel to the first direction up to an end of the surface of the insulating member, and in the first direction, the end of the second surface of the insulating member is configured such that the electrochemical reaction is based on the straight line. The electrochemical reaction cell stack, which is located at a position on the outer peripheral side of the cell stack.
前記第1の導電性部材、前記絶縁部材および前記エンドプレートには、ガス流路を構成する貫通孔が形成されており、
前記第1の方向視では、前記第1の導電性部材、前記絶縁部材および前記エンドプレートのそれぞれの少なくとも一辺が同じ位置にある、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 according to any one of claims 1 to 7, wherein:
In the first conductive member, the insulating member and the end plate , a through hole that forms a gas flow path is formed,
An electrochemical reaction cell stack according to the first direction, wherein at least one side of each of the first conductive member, the insulating member, and the end plate is located at the same position.
前記電気化学反応セルスタックは、発電を行う燃料電池スタックである、ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 1 to 8, wherein
The said electrochemical reaction cell stack is a fuel cell stack which performs electric power generation, The electrochemical reaction cell stack characterized by the above-mentioned.
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