[Technisches Gebiet][Technical area]
Die durch die vorliegende Beschreibung offenbarte Technik bezieht sich auf einen elektrochemischen Reaktionszellenstapel.The technique disclosed by the present specification relates to an electrochemical reaction cell stack.
[Technischer Hintergrund][Technical background]
Festoxidbrennstoffzellen (nachstehend als „SOFCs“ bezeichnet) sind als eine Art der Brennstoffzelle bekannt, die unter Nutzung der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt. SOFCs werden im Allgemeinen in Form eines Brennstoffzellenstapels eingesetzt, wobei mehrere Konstruktionselemente (nachstehend als „Stromerzeugungseinheiten“ bezeichnet) in einer vorgegebenen Richtung (nachstehend als „erste Richtung“ bezeichnet) nebeneinander angeordnet sind. Jede Stromerzeugungseinheit weist eine Einzelzelle einer Brennstoffzelle (nachstehend einfach als „Einzelzelle“ bezeichnet) und einen Separator für eine Einzelzelle auf. Jede Einzelzelle ist mit einer Elektrolytschicht, die festes Oxid enthält, sowie einer Kathode und einer Anode versehen, die sich in der vorgegebenen Richtung entlang der Elektrolytschicht gegenüberliegen. Der Separator für eine Einzelzelle weist eine Durchgangsbohrung auf, wobei ein die Durchgangsbohrung umgebender Abschnitt des Separators für eine Einzelzelle mit einem Randbereich der Einzelzelle verbunden ist. Der so ausgebildete Separator für eine Einzelzelle trennt eine Luftkammer, die der Kathode der Einzelzelle zugewandt ist, und eine Brennstoffkammer, die der Anode zugewandt ist, voneinander ab.Solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “SOFCs”) are known as a type of fuel cell that uses the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen to generate electricity. SOFCs are generally used in the form of a fuel cell stack, wherein a plurality of structural elements (hereinafter referred to as “power generation units”) are arranged side by side in a predetermined direction (hereinafter referred to as “first direction”). Each power generation unit includes a single cell of a fuel cell (hereinafter simply referred to as “single cell”) and a separator for a single cell. Each individual cell is provided with an electrolyte layer containing solid oxide, as well as a cathode and an anode, which are opposite each other in the predetermined direction along the electrolyte layer. The separator for a single cell has a through hole, a section of the separator for a single cell surrounding the through hole being connected to an edge region of the single cell. The thus formed separator for a single cell separates an air chamber, which faces the cathode of the single cell, and a fuel chamber, which faces the anode, from one another.
Der Brennstoffzellenstapel weist ferner die folgenden Bauelemente auf:
- - einen Manifold, der ein Gas (z. B. Gas, das Wasserstoff o. ä. enthält) in die Brennstoffkammer jeder Stromerzeugungseinheit einleitet (nachstehend als „erster Manifold“ bezeichnet);
- - einen weiteren Manifold, der ein Gas von der Brennstoffkammer jeder Stromerzeugungseinheit ableitet (nachstehend als „zweiter Manifold“ bezeichnet)
- - einen Verbindungskanal, der den ersten Manifold mit der Brennstoffkammer jeder Stromerzeugungseinheit verbindet (nachstehend als „erster Verbindungskanal“ bezeichnet); und
- - einen Verbindungskanal, der den zweiten Manifold mit der Brennstoffkammer jeder Stromerzeugungseinheit verbindet (nachstehend als „zweiter Verbindungskanal“ bezeichnet).
The fuel cell stack also has the following components: - - a manifold that introduces a gas (e.g. gas containing hydrogen or the like) into the fuel chamber of each power generation unit (hereinafter referred to as the “first manifold”);
- - Another manifold that discharges a gas from the fuel chamber of each power generation unit (hereinafter referred to as the "second manifold")
- a connection duct connecting the first manifold to the fuel chamber of each power generation unit (hereinafter referred to as “first connection duct”); and
- - a connecting duct connecting the second manifold to the fuel chamber of each power generation unit (hereinafter referred to as the “second connecting duct”).
Das von außerhalb des Brennstoffzellenstapels in den ersten Manifold eingeleitete Gas wird durch den jeweiligen ersten Verbindungskanal der Brennstoffkammer jeder Stromerzeugungseinheit hindurch zugeführt und für die Stromerzeugungsreaktion in der Einzelzelle zur Verfügung gestellt. Danach wird das Gas in der Brennstoffkammer jeder Stromerzeugungseinheit durch den jeweiligen zweiten Verbindungskanal hindurch in den zweiten Manifold abgeleitet und durch den zweiten Manifold hindurch zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels hin abgeleitet (siehe z. B. Patentdokument 1).The gas introduced into the first manifold from outside the fuel cell stack is supplied to each power generation unit through the respective first connection channel of the fuel chamber and is made available for the power generation reaction in the individual cell. Thereafter, the gas in the fuel chamber of each power generation unit is discharged into the second manifold through the respective second connection passage and discharged to the outside of the fuel cell stack through the second manifold (see, for example, Patent Document 1).
[Dokument zum Stand der Technik][Prior Art Document]
[Patentdokument][Patent document]
[Patentdokument 1][Patent Document 1]
JP 2016-062655 AJP 2016-062655 A
[Zusammenfassung der Erfindung][Summary of the invention]
[Zu lösende Aufgabe der Erfindung][Problem to be solved by the invention]
Bei der Konstruktion des herkömmlichen Brennstoffzellenstapels entsteht während des Stromerzeugungsbetriebs eine Differenz zwischen dem Gasdruck in der Brennstoffkammer und dem Gasdruck in der Luftkammer. Zum Beispiel ist der Gasdruck in der Luftkammer höher als der Gasdruck in der Brennstoffkammer. Bei der Konstruktion des herkömmlichen Brennstoffzellenstapels besteht daher die Gefahr, dass am Separator für eine Einzelzelle, der die Brennstoffkammer und die Luftkammer voneinander abtrennt, eine mechanische Spannung aufgrund der Gasdruckdifferenz zwischen der Brennstoffkammer und der Luftkammer entsteht und ein Abschnitt des Separators für eine Einzelzelle, der nicht von der Einzelzelle oder anderen Bauelementen abgestützt ist (d.h. ein Abschnitt, der sich relativ leicht verformen kann), verformt wird. Wenn eine solche Verformung an einer Stelle des Separators für eine Einzelzelle zwischen dem ersten Verbindungskanal und der Einzelzelle bzw. zwischen dem zweiten Verbindungskanal und der Einzelzelle von der ersten Richtung aus gesehen auftritt, besteht die Gefahr, dass der Gasfluss zwischen dem jeweiligen Manifold und der Brennstoffkammer bzw. der Luftkammer behindert wird und sich die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels verschlechtert.In the construction of the conventional fuel cell stack, there is a difference between the gas pressure in the fuel chamber and the gas pressure in the air chamber during power generation operation. For example, the gas pressure in the air chamber is higher than the gas pressure in the fuel chamber. In the construction of the conventional fuel cell stack, there is therefore a risk that the separator for a single cell, which separates the fuel chamber and the air chamber from each other, is subject to mechanical stress due to the gas pressure difference between the fuel chamber and the air chamber, and a section of the separator for a single cell that separates is not supported by the single cell or other structural elements (ie a portion that can be deformed relatively easily), is deformed. If such a deformation occurs at a point on the separator for a single cell between the first connection channel and the single cell or between the second connection channel and the single cell, viewed from the first direction, there is a risk that the gas flow between the respective manifold and the fuel chamber or the air chamber is obstructed and the performance of the fuel cell stack deteriorates.
Dieses Problem tritt auch bei Elektrolysezellenstapeln mit mehreren Elektrolysezelleneinheiten auf, bei denen es sich um Konstruktionselemente einer Festoxidelektrolysezelle (nachstehend als „SOECs“ bezeichnet) handelt, die unter Nutzung der Elektrolysereaktion von Wasser Wasserstoff erzeugt. In der vorliegenden Beschreibung werden die Einzelzelle einer Brennstoffzelle und die elektrolytische Einzelzelle zusammenfassend als elektrochemische Reaktionseinzelzelle bezeichnet, die Stromerzeugungseinheit einer Brennstoffzelle und die Elektrolysezelleneinheit werden zusammenfassend als elektrochemische Reaktionseinheit bezeichnet, und der Brennstoffzellenstapel und der Elektrolysezellenstapel werden zusammenfassend als elektrochemischer Reaktionszellenstapel bezeichnet. Dieses Problem tritt nicht nur SOFCs und SOECs auf, sondern auch bei anderen Typen von elektrochemischen Reaktionszellenstapeln.This problem also occurs with electrolytic cell stacks with multiple electrolytic cell units, which are structural elements of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOECs”) that generates hydrogen using the electrolysis reaction of water. In the present description, the single cell of a fuel cell and the electrolytic single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell, the The power generation unit of a fuel cell and the electrolytic cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit, and the fuel cell stack and the electrolytic cell stack are collectively referred to as an electrochemical reaction cell stack. This problem occurs not only with SOFCs and SOECs, but also with other types of electrochemical reaction cell stacks.
Die vorliegende Beschreibung offenbart eine Technik, die die oben erwähnte Aufgabe lösen kann.The present specification discloses a technique that can achieve the above-mentioned object.
[Mittel zum Lösen der Aufgabe][Means of solving the task]
Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik kann z. B. in den folgenden Formen ausgeführt werden.The technique disclosed in the present specification can e.g. B. can be carried out in the following forms.
(1) Der in der vorliegenden Beschreibung offenbarte elektrochemische Reaktionszellenstapel ist mit mehreren elektrochemischen Reaktionseinheiten versehen, die in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind und jeweils umfassen:
- - eine Einzelzelle mit
- - einer Elektrolytschicht,
- - einer Kathode, die auf einer Seite in der ersten Richtung in Bezug auf die Elektrolytschicht angeordnet ist, und
- - einer Anode, die auf einer anderen Seite in der ersten Richtung in Bezug auf die Elektrolytschicht angeordnet ist; sowie
- - einen ersten Separator mit einer Durchgangsbohrung, wobei ein die Durchgangsbohrung umgebender Abschnitt mit einem Randbereich der Einzelzelle verbunden ist, um eine der Kathode zugewandte Luftkammer und eine der Anode zugewandte Brennstoffkammer voneinander abzutrennen,
wobei der elektrochemische Reaktionszellenstapel die folgenden Bauelemente aufweist:
- - einen ersten Manifold, der ein Gas in die Brennstoffkammer jeder elektrochemischen Reaktionseinheit einleitet;
- - einen zweiten Manifold, der ein Gas von der Brennstoffkammer jeder elektrochemischen Reaktionseinheit ableitet;
- - einen ersten Verbindungskanal, der den ersten Manifold mit der Brennstoffkammer jeder elektrochemischen Reaktionseinheit verbindet; und
- - einen zweiten Verbindungskanal, der den zweiten Manifold mit der Brennstoffkammer jeder elektrochemischen Reaktionseinheit verbindet.
(1) The electrochemical reaction cell stack disclosed in the present specification is provided with a plurality of electrochemical reaction units which are arranged next to one another in a first direction and each comprise: - - a single cell with
- - an electrolyte layer,
- a cathode arranged on one side in the first direction with respect to the electrolyte layer, and
- an anode arranged on a different side in the first direction with respect to the electrolyte layer; as
- - A first separator with a through hole, wherein a section surrounding the through hole is connected to an edge region of the individual cell in order to separate an air chamber facing the cathode and a fuel chamber facing the anode from one another, the electrochemical reaction cell stack having the following components:
- a first manifold that introduces a gas into the fuel chamber of each electrochemical reaction unit;
- a second manifold that discharges a gas from the fuel chamber of each electrochemical reaction unit;
- a first connection channel connecting the first manifold to the fuel chamber of each electrochemical reaction unit; and
- a second connecting channel connecting the second manifold to the fuel chamber of each electrochemical reaction unit.
Beim vorliegenden elektrochemischen Reaktionszellenstapel umfasst eine bestimmte elektrochemische Reaktionseinheit, bei der es sich um die mindestens eine elektrochemische Reaktionseinheit handelt, ferner ein Gasdurchströmungselement, das zwischen der Einzelzelle und mindestens einem der ersten und zweiten Verbindungskanäle in der Brennstoffkammer von der ersten Richtung aus gesehen derart angeordnet ist, dass es sich mit dem ersten Separator überlappt, und Bohrungen und/oder Nuten aufweist, durch die Gas strömt.In the present electrochemical reaction cell stack, a specific electrochemical reaction unit, which is the at least one electrochemical reaction unit, further comprises a gas flow element which is arranged in this way between the single cell and at least one of the first and second connecting channels in the fuel chamber, viewed from the first direction that it overlaps with the first separator and has bores and / or grooves through which gas flows.
Der vorliegende elektrochemische Reaktionszellenstapel ist mit den Gasdurchströmungselementen versehen, die jeweils zwischen der Einzelzelle und mindestens einem der ersten und zweiten Verbindungskanäle in der Brennstoffkammer von der ersten Richtung aus gesehen derart angeordnet sind, dass sie sich mit dem ersten Separator überlappen. Durch das Vorhandensein der Gasdurchströmungselemente kann daher im Vergleich zu einer Ausführungsform, in der kein Gasdurchströmungselement angeordnet ist, eine Verformung des ersten Separators an einer Position zwischen der Einzelzelle und mindestens einem der ersten und zweiten Verbindungskanäle von der ersten Richtung aus gesehen verhindert werden. Somit kann verhindert werden, dass der Gasfluss zwischen der Brennstoffkammer und dem ersten Manifold bzw. dem zweiten Manifold durch eine Verformung des ersten Separators behindert wird, so dass verhindert werden kann, dass sich die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Reaktionszellenstapels verschlechtert. Da jedes Gasdurchströmungselement Bohrungen und/oder Nuten aufweist, durch die Gas strömt, kann außerdem verhindert werden, dass der Gasfluss in der Brennstoffkammer durch das Vorhandensein des Gasdurchströmungselements behindert wird, selbst wenn das Gasdurchströmungselement zwischen der Einzelzelle und mindestens einem der ersten und zweiten Verbindungskanäle in der Brennstoffkammer von der ersten Richtung aus gesehen angeordnet ist. Aus den o. a. Gründen kann gemäß dem vorliegenden elektrochemischen Reaktionszellenstapel verhindert werden, dass der Gasfluss in der Brennstoffkammer behindert wird, während gleichzeitig verhindert werden kann, dass sich die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Reaktionszellenstapels durch eine Verformung des ersten Separators verschlechtert.The present electrochemical reaction cell stack is provided with the gas flow elements which are each arranged between the single cell and at least one of the first and second connecting channels in the fuel chamber, viewed from the first direction, in such a way that they overlap with the first separator. The presence of the gas flow elements can therefore prevent deformation of the first separator at a position between the single cell and at least one of the first and second connection channels, viewed from the first direction, compared to an embodiment in which no gas flow element is arranged. It can thus be prevented that the gas flow between the fuel chamber and the first manifold or the second manifold is hindered by a deformation of the first separator, so that the performance of the electrochemical reaction cell stack can be prevented from deteriorating. Since each gas flow element has bores and / or grooves through which gas flows, the gas flow in the fuel chamber can also be prevented from being hindered by the presence of the gas flow element, even if the gas flow element is in between the single cell and at least one of the first and second connecting channels of the fuel chamber as viewed from the first direction. From the above For reasons, according to the present electrochemical reaction cell stack, the gas flow in the fuel chamber can be prevented from being obstructed while at the same time the performance of the electrochemical reaction cell stack can be prevented from deteriorating due to deformation of the first separator.
(2) Beim oben erwähnten elektrochemischen Reaktionszellenstapel kann die bestimmte elektrochemische Reaktionseinheit ferner derart ausgebildet sein, dass sie umfasst:
- - einen elektrisch leitfähigen Interkonnektor, der auf der anderen Seite in der ersten Richtung in Bezug auf die Einzelzelle entlang der Brennstoffkammer angeordnet ist und elektrisch mit der Anode verbunden ist; und
- - einen zweiten Separator, der eine Durchgangsbohrung aufweist, wobei ein die Durchgangsbohrung umgebender Abschnitt mit einem Randbereich des Interkonnektors verbunden ist, um die Brennstoffkammer und die Luftkammer der anderen elektrochemischen Reaktionseinheit voneinander abzutrennen,
wobei das Gasdurchströmungselement zwischen dem Interkonnektor und mindestens einem der ersten und zweiten Verbindungskanäle in der Brennstoffkammer von der ersten Richtung aus gesehen derart angeordnet ist, dass es sich mit dem zweiten Separator überlappt.(2) In the above-mentioned electrochemical reaction cell stack, the specific electrochemical reaction unit may further be configured to include: - an electrically conductive interconnector, which is arranged on the other side in the first direction with respect to the single cell along the fuel chamber and is electrically connected to the anode; and
- - A second separator, which has a through hole, wherein a The section surrounding the through-hole is connected to an edge region of the interconnector in order to separate the fuel chamber and the air chamber of the other electrochemical reaction unit from one another,
wherein the gas throughflow element is arranged between the interconnector and at least one of the first and second connection channels in the fuel chamber, viewed from the first direction, in such a way that it overlaps with the second separator.
Beim vorliegenden elektrochemischen Reaktionszellenstapel ist das Gasdurchströmungselement zwischen dem Interkonnektor und mindestens einem der ersten und zweiten Verbindungskanäle in der Brennstoffkammer von der ersten Richtung aus gesehen derart angeordnet ist, dass es sich mit dem zweiten Separator überlappt. Durch das Vorhandensein der Gasdurchströmungselemente kann daher im Vergleich zu einer Ausführungsform, in der kein Gasdurchströmungselement angeordnet ist, eine Verformung des zweiten Separators an einer Position zwischen dem Interkonnektor und mindestens einem der ersten und zweiten Verbindungskanäle von der ersten Richtung aus gesehen verhindert werden. Somit kann verhindert werden, dass der Gasfluss zwischen der Brennstoffkammer und dem ersten Manifold bzw. dem zweiten Manifold durch eine Verformung des zweiten Separators behindert wird, so dass verhindert werden kann, dass sich die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Reaktionszellenstapels verschlechtert.In the present electrochemical reaction cell stack, the gas flow element is arranged between the interconnector and at least one of the first and second connecting channels in the fuel chamber, viewed from the first direction, in such a way that it overlaps with the second separator. Due to the presence of the gas flow elements, in comparison to an embodiment in which no gas flow element is arranged, deformation of the second separator at a position between the interconnector and at least one of the first and second connecting channels, viewed from the first direction, can be prevented. It can thus be prevented that the gas flow between the fuel chamber and the first manifold or the second manifold is hindered by a deformation of the second separator, so that the performance of the electrochemical reaction cell stack can be prevented from deteriorating.
-
(3) Beim oben erwähnten elektrochemischen Reaktionszellenstapel kann das Gasdurchströmungselement mehrere erste plattenförmige Abschnitte umfassen, die sich in einer Richtung erstrecken, die eine zweite Richtung orthogonal zur ersten Richtung schneidet. Gemäß dem vorliegenden elektrochemischen Reaktionszellenstapel fungieren die ersten Abschnitte des Gasdurchströmungselements als Streben, die den ersten Separator abstützen, der die Tendenz hat, in der ersten Richtung zu verformen, wodurch effektiv verhindert werden kann, dass der erste Separator in der ersten Richtung verformt wird. Somit kann effektiv verhindert werden, dass sich die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Reaktionszellenstapels durch eine Verformung des ersten Separators verschlechtert.(3) In the above-mentioned electrochemical reaction cell stack, the gas flow member may include a plurality of first plate-shaped portions extending in a direction intersecting a second direction orthogonal to the first direction. According to the present electrochemical reaction cell stack, the first portions of the gas flow member function as struts that support the first separator that tends to deform in the first direction, thereby effectively preventing the first separator from being deformed in the first direction. Thus, the performance of the electrochemical reaction cell stack can be effectively prevented from deteriorating due to deformation of the first separator.
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(4) Beim oben erwähnten elektrochemischen Reaktionszellenstapel kann das Gasdurchströmungselement einen zweiten plattenförmigen Abschnitt umfassen, der die Enden von zwei der ersten Abschnitte, die nebeneinander angeordnet sind, verbindet. Gemäß dem vorliegenden elektrochemischen Reaktionszellenstapel kann das Gasdurchströmungselement dazu ausgebildet werden, zu verhindern, dass der Gasfluss in der Brennstoffkammer behindert wird, während es gleichzeitig eine relativ einfache und leicht herstellbare Konstruktion aufweist.(4) In the above-mentioned electrochemical reaction cell stack, the gas flow member may include a second plate-shaped portion that connects the ends of two of the first portions arranged side by side. According to the present electrochemical reaction cell stack, the gas flow element can be configured to prevent the gas flow in the fuel chamber from being obstructed, while at the same time having a relatively simple and easy-to-manufacture structure.
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(5) Beim oben erwähnten elektrochemischen Reaktionszellenstapel kann das Gasdurchströmungselement ein maschenartiges Bauelement sein. Gemäß dem vorliegenden elektrochemischen Reaktionszellenstapel kann das Gasdurchströmungselement dazu ausgebildet werden, zu verhindern, dass der Gasfluss in der Brennstoffkammer behindert wird, während es gleichzeitig eine relativ einfache und leicht herstellbare Konstruktion aufweist.(5) In the above-mentioned electrochemical reaction cell stack, the gas flow element may be a mesh-like component. According to the present electrochemical reaction cell stack, the gas flow element can be configured to prevent the gas flow in the fuel chamber from being obstructed, while at the same time having a relatively simple and easy-to-manufacture structure.
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(6) Beim oben erwähnten elektrochemischen Reaktionszellenstapel kann die Gesamtlänge des Gasdurchströmungselements entlang einer Richtung parallel zu einer Seite, die mindestens einem der ersten und zweiten Verbindungskanäle in der Einzelzelle von der ersten Richtung aus gesehen zugewandt ist, mindestens die Hälfte der Länge der Seite betragen. Gemäß dem vorliegenden elektrochemischen Reaktionszellenstapel kann das Gasdurchströmungselement ausreichend lang sein, so dass eine Verformung des ersten Separators durch das Gasdurchströmungselement entlang eines großen Bereichs von Stellen, an denen die Gefahr besteht, dass beim Auftreten einer Verformung des ersten Separators der Gasfluss zwischen dem jeweiligen Manifold und der Brennstoffkammer behindert wird, verhindert werden kann. Somit kann effektiv verhindert werden, dass sich die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Reaktionszellenstapels durch eine Verformung des ersten Separators verschlechtert.(6) In the above-mentioned electrochemical reaction cell stack, the total length of the gas flow element along a direction parallel to a side facing at least one of the first and second connection channels in the single cell when viewed from the first direction can be at least half the length of the side. According to the present electrochemical reaction cell stack, the gas flow element can be sufficiently long so that a deformation of the first separator by the gas flow element along a large area of points at which there is a risk of the gas flow between the respective manifold and the occurrence of a deformation of the first separator the fuel chamber is obstructed can be prevented. Thus, the performance of the electrochemical reaction cell stack can be effectively prevented from deteriorating due to deformation of the first separator.
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(7) Der elektrochemische Reaktionszellenstapel kann auch die folgenden Bauelemente aufweisen:
- - einen dritten Manifold, der ein Gas in die Luftkammer jeder elektrochemischen Reaktionseinheit einleitet;
- - einen vierten Manifold, der ein Gas von der Luftkammer jeder elektrochemischen Reaktionseinheit ableitet;
- - einen dritten Verbindungskanal, der den dritten Manifold mit der Luftkammer jeder elektrochemischen Reaktionseinheit verbindet; und
- - einen vierten Verbindungskanal, der den vierten Manifold mit der Luftkammer jeder elektrochemischen Reaktionseinheit verbindet,
wobei einer der ersten und zweiten Verbindungskanäle und einer der dritten und vierten Verbindungskanäle von der ersten Richtung aus gesehen derart angeordnet sind, dass diese einer Seite der Einzelzelle zugewandt sind, während der andere der ersten und zweiten Verbindungskanäle und der andere der dritten und vierten Verbindungskanäle derart angeordnet sind, dass diese einer anderen Seite zugewandt sind, die der einen Seite der Einzelzelle entlang des Mittelpunkts der Einzelzelle gegenüberliegt, und
wobei das Gasdurchströmungselement zwischen der Einzelzelle und mindestens einem der dritten und vierten Verbindungskanäle in der Brennstoffkammer von der ersten Richtung aus gesehen angeordnet ist.(7) The electrochemical reaction cell stack can also have the following components: - a third manifold that introduces a gas into the air chamber of each electrochemical reaction unit;
- a fourth manifold that evacuates a gas from the air chamber of each electrochemical reaction unit;
- a third connection channel connecting the third manifold to the air chamber of each electrochemical reaction unit; and
- - a fourth connecting channel connecting the fourth manifold to the air chamber of each electrochemical reaction unit,
wherein one of the first and second connection channels and one of the third and fourth connection channels, viewed from the first direction, are arranged in such a way that they face one side of the individual cell, while the other of the first and second connection channels and the other of the third and fourth connection channels are arranged such that they face another side that is opposite the one side of the single cell along the center of the single cell, and wherein the gas flow element between the single cell and at least one of the third and fourth connection channels is arranged in the fuel chamber as viewed from the first direction.
Ein Abschnitt des ersten Separators, der sich zwischen der Einzelzelle und einem der dritten und vierten Verbindungskanäle von der ersten Richtung aus gesehen befindet, kann leicht in der ersten Richtung verformt werden, weil er einem Bereich zugewandt ist, in dem der Druck in der Luftkammer lokal hoch ist. Wie oben erwähnt, ist beim vorliegenden elektrochemischen Reaktionszellenstapel das Gasdurchströmungselement zwischen der Einzelzelle und einem der dritten und vierten Verbindungskanäle in der Brennstoffkammer von der ersten Richtung aus gesehen angeordnet. Gemäß dem vorliegenden elektrochemischen Reaktionszellenstapel kann daher durch das Vorhandensein des Gasdurchströmungselements verhindert werden, dass der oben erwähnte Abschnitt des ersten Separators, der sich leicht verformen kann, in der ersten Richtung verformt wird. Somit kann effektiv verhindert werden, dass sich die Leistungsfähigkeit des elektrochemischen Reaktionszellenstapels durch eine Verformung des ersten Separators verschlechtert.A portion of the first separator, which is located between the single cell and one of the third and fourth connection channels as seen from the first direction, can be easily deformed in the first direction because it faces an area in which the pressure in the air chamber is local is high. As mentioned above, in the present electrochemical reaction cell stack, the gas flow element is arranged between the single cell and one of the third and fourth connecting channels in the fuel chamber, viewed from the first direction. According to the present electrochemical reaction cell stack, therefore, the presence of the gas flow member can prevent the above-mentioned portion of the first separator, which is easily deformed, from being deformed in the first direction. Thus, the performance of the electrochemical reaction cell stack can be effectively prevented from deteriorating due to deformation of the first separator.
Außerdem kann die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik in verschiedenen Formen ausgeführt werden, z. B. in Form einer elektrochemischen Reaktionseinzelzelle (Einzelzelle der Brennstoffzelle oder elektrolytische Einzelzelle), einer elektrochemischen Reaktionseinheit mit elektrochemischen Reaktionseinzelzellen (Stromerzeugungseinheit der Brennstoffzelle oder Elektrolysezelleneinheit), eines elektrochemischen Reaktionszellstapels mit mehreren elektrochemischen Reaktionseinheiten (Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel), eines Verfahrens zu deren Herstellung u. a.In addition, the technique disclosed in the present specification can be embodied in various forms, e.g. B. in the form of an electrochemical reaction cell (single cell of the fuel cell or electrolytic single cell), an electrochemical reaction unit with electrochemical reaction single cells (power generation unit of the fuel cell or electrolytic cell unit), an electrochemical reaction cell stack with several electrochemical reaction units (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a.
FigurenlisteFigure list
Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung, die die äußere Ansicht eines Brennstoffzellenstapels 100 in einer vorliegenden Ausführungsform zeigt;
- 2 ein Schaubild, das eine XZ-Querschnittskonstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 an einer Position II-II in 1 zeigt;
- 3 ein Schaubild, das eine XZ-Querschnittskonstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 an einer Position III-III in 1 zeigt;
- 4 ein Schaubild, das eine YZ-Querschnittskonstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 an einer Position IV-IV in 1 zeigt;
- 5 ein Schaubild, das eine XZ-Querschnittskonstruktion von zwei nebeneinander angeordneten Stromerzeugungseinheiten 102 an der gleichen Position wie der im Querschnitt in 2 zeigt;
- 6 ein Schaubild, das eine XZ-Querschnittskonstruktion der zwei nebeneinander angeordneten Stromerzeugungseinheiten 102 an der gleichen Position wie der im Querschnitt in 3 zeigt;
- 7 ein Schaubild, das eine YZ-Querschnittskonstruktion der zwei nebeneinander angeordneten Stromerzeugungseinheiten 102 an der gleichen Position wie der im Querschnitt in 4 zeigt;
- 8 ein Schaubild, das eine XY-Querschnittskonstruktion der Stromerzeugungseinheit 102 an einer Position VIII-VIII in 5 bis 7 zeigt;
- 9 ein Schaubild, das eine XY-Querschnittskonstruktion der Stromerzeugungseinheit 102 an einer Position IX-IX in 5 bis 7 zeigt;
- 10 ein Schaubild, das schematisch die äußere Ansicht eines Gasdurchströmungselements 50 zeigt;
- 11 Schaubilder, die die äußeren Ansichten der Gasdurchströmungselemente 50 gemäß alternativen Beispielen zeigen;
- 12 Schaubilder, die die äußeren Ansichten der Gasdurchströmungselemente 50 gemäß alternativen Beispielen zeigen;
- 13 Schaubilder, die die äußeren Ansichten der Gasdurchströmungselemente 50 gemäß alternativen Beispielen zeigen;
- 14 ein Schaubild, das eine Querschnittskonstruktion von zwei nebeneinander angeordneten Stromerzeugungseinheiten 102 mit maschenartigen Bauelementen als Gasdurchströmungselemente 50 gemäß einem alternativen Beispiel zeigt;
- 15 ein Schaubild, das eine Querschnittskonstruktion der zwei nebeneinander angeordneten Stromerzeugungseinheiten 102 mit den maschenartigen Bauelementen als Gasdurchströmungselemente 50 gemäß dem alternativen Beispiel zeigt.
Show it: - 1 Fig. 3 is a perspective view showing the external view of a fuel cell stack 100 in a present embodiment;
- 2 FIG. 8 is a diagram showing an XZ cross-sectional construction of the fuel cell stack 100 at a position II-II in 1 shows;
- 3 FIG. 8 is a diagram showing an XZ cross-sectional construction of the fuel cell stack 100 at a position III-III in 1 shows;
- 4th FIG. 12 is a diagram showing a YZ cross-sectional construction of the fuel cell stack 100 at a position IV-IV in 1 shows;
- 5 a diagram showing an XZ cross-sectional construction of two side-by-side power generation units 102 at the same position as that in cross section in 2 shows;
- 6th Fig. 3 is a diagram showing an XZ cross-sectional construction of the two side-by-side power generation units 102 at the same position as that in cross section in 3 shows;
- 7th Fig. 13 is a diagram showing a YZ cross-sectional construction of the two side-by-side power generation units 102 at the same position as that in cross section in 4th shows;
- 8th FIG. 13 is a diagram showing an XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at a position VIII-VIII in 5 until 7th shows;
- 9 FIG. 13 is a diagram showing an XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at a position IX-IX in 5 until 7th shows;
- 10 a diagram schematically showing the external view of a gas flow element 50 shows;
- 11 Diagrams showing the external views of the gas flow elements 50 according to alternative examples;
- 12th Diagrams showing the external views of the gas flow elements 50 according to alternative examples;
- 13th Diagrams showing the external views of the gas flow elements 50 according to alternative examples;
- 14th Fig. 3 is a diagram showing a cross-sectional construction of two power generating units arranged side by side 102 with mesh-like components as gas flow elements 50 according to an alternative example;
- 15th FIG. 12 is a diagram showing a cross-sectional construction of the two power generation units arranged side by side 102 with the mesh-like components as gas flow elements 50 according to the alternative example.
[Ausführungsform der Erfindung][Embodiment of the invention]
A. Ausführungsform:A. Embodiment:
A-1. Konstruktion:A-1. Construction:
(Konstruktion des Brennstoffzellenstapels 100)(Construction of the fuel cell stack 100 )
1 ist eine perspektivische Darstellung, die die äußere Ansicht eines Brennstoffzellenstapels 100 in einer vorliegenden Ausführungsform zeigt. 2 ist ein Schaubild, das eine XZ-Querschnittskonstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 an einer Position II-II in 1 (sowie 8 und 9, die später erläutert werden) zeigt. 3 ist ein Schaubild, das eine XZ-Querschnittskonstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 an einer Position III-III in 1 (sowie 8 und 9, die später erläutert werden) zeigt. 4 ist ein Schaubild, das eine YZ-Querschnittskonstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 an einer Position IV-IV in 1 (sowie 8 und 9, die später erläutert werden) zeigt. Jede Figur zeigt zueinander orthogonale XYZ-Achsen zur Identifizierung der Richtungen. Zum einfachen Verständnis wird in der vorliegenden Beschreibung die positive Z-Achsenrichtung als „Aufwärtsrichtung“ und die negative Z-Achsenrichtung als „Abwärtsrichtung“ bezeichnet. Der Brennstoffzellenstapel 100 kann jedoch in der Praxis neben dieser Ausrichtung auch in einer anderen Ausrichtung installiert werden. Entsprechendes gilt für 5 ff. 1 Fig. 13 is a perspective view showing the external view of a fuel cell stack 100 in a present embodiment. 2 FIG. 13 is a diagram showing an XZ cross-sectional construction of the fuel cell stack 100 at a position II-II in 1 (as 8th and 9 which will be explained later) shows. 3 FIG. 13 is a diagram showing an XZ cross-sectional construction of the fuel cell stack 100 at a position III-III in 1 (as 8th and 9 which will be explained later) shows. 4th FIG. 13 is a diagram showing a YZ cross-sectional construction of the fuel cell stack 100 at a position IV-IV in 1 (as 8th and 9 which will be explained later) shows. Each figure shows mutually orthogonal XYZ axes to identify the directions. For ease of understanding, in the present specification, the positive Z-axis direction is referred to as the “upward direction” and the negative Z-axis direction is referred to as the “downward direction”. The fuel cell stack 100 however, in practice it can also be installed in a different orientation in addition to this orientation. The same applies to 5 ff.
Der Brennstoffzellenstapel 100 ist mit mehreren (in der vorliegenden Ausführungsform sieben) Stromerzeugungseinheiten 102 der Brennstoffzelle (nachstehend einfach als „Stromerzeugungseinheiten“ bezeichnet), einem Separator 189 für ein unteres Ende und einem Paar Endplatten 104, 106 versehen. Die sieben Stromerzeugungseinheiten 102 sind in einer vorgegebenen Ausrichtung (in Auf- und Abwärtsrichtung in der vorliegenden Ausführungsform) nebeneinander angeordnet. Eine der paarweise angeordneten Endplatten 104, 106 (nachstehend als „obere Endplatte 104“ bezeichnet) ist auf der Oberseite einer Baugruppe, die aus den sieben Stromerzeugungseinheiten 102 und einem Separator 189 für ein unteres Ende besteht (nachstehend als „Stromerzeugungsblock 103“ bezeichnet), angeordnet. Die andere der paarweise angeordneten Endplatten 104, 106 (nachstehend als „untere Endplatte 106“ bezeichnet) ist auf der Unterseite des Stromerzeugungsblocks 103 angeordnet. Die beiden Endplatten 104, 106 sind derart angeordnet, dass sie eine Baugruppe, die aus den sieben Stromerzeugungseinheiten 102 und dem Separator 189 für ein unteres Ende besteht (nachstehend als „Stromerzeugungsblock 103“ bezeichnet), von oben und unten einklemmen. Die oben erwähnte Ausrichtung (Auf- und Abwärtsrichtung) entspricht der ersten Richtung in den Patentansprüchen.The fuel cell stack 100 is with multiple (in the present embodiment seven) power generation units 102 the fuel cell (hereinafter referred to simply as “power generation units”), a separator 189 for a bottom end and a pair of end plates 104 , 106 Mistake. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined orientation (upward and downward in the present embodiment). One of the paired end plates 104 , 106 (hereinafter referred to as "top end plate 104") is on top of an assembly made up of the seven power generation units 102 and a separator 189 for a lower end (hereinafter referred to as “power generation block 103”). The other of the paired end plates 104 , 106 (hereinafter referred to as “lower end plate 106”) is on the underside of the power generation block 103 arranged. The two end plates 104 , 106 are arranged in such a way that they form an assembly consisting of the seven power generation units 102 and the separator 189 for a lower end (hereinafter referred to as “power generation block 103”), pinching from above and below. The above-mentioned orientation (upward and downward direction) corresponds to the first direction in the claims.
Wie in 1 und 4 gezeigt, sind in der Nähe von vier Kanten am Außenumfang der jeweiligen Schichten, die den Brennstoffzellenstapel 100 bilden (obere Endplatte 104; jede Stromerzeugungseinheit 102; Separator 189 für ein unteres Ende), um die Z-Achsenrichtung Bohrungen gebildet, die jede Schicht in Auf- und Abwärtsrichtung durchdringen. Auf der oberen Fläche in der Nähe von vier Kanten am Außenumfang der unteren Endplatte 106 um die Z-Achsenrichtung sind Bohrungen (Gewindebohrungen) gebildet. Die Bohrungen, die in den jeweiligen Schichten gebildet sind und einander entsprechen, sind in Auf- und Abwärtsrichtung miteinander verbunden, um eine Bolzenbohrung 109 auszubilden, die sich in Auf- und Abwärtsrichtung erstreckt. In der folgenden Erläuterung werden auch die Bohrungen, die zum Ausbilden der Bolzenbohrung 109 an den jeweiligen Schichten des Brennstoffzellenstapels 100 gebildet sind, ggf. als Bolzenbohrung 109 bezeichnet.As in 1 and 4th Shown are near four edges on the outer periphery of the respective layers that make up the fuel cell stack 100 form (upper end plate 104 ; each power generation unit 102 ; separator 189 for a lower end), holes are formed around the Z-axis direction penetrating each layer in the up and down directions. On the top face near four edges on the outer circumference of the bottom end plate 106 Bores (threaded holes) are formed around the Z-axis direction. The holes, which are formed in the respective layers and correspond to each other, are connected to each other in an upward and downward direction to form a bolt hole 109 to form, which extends in the upward and downward direction. In the following explanation, the holes that are used to form the bolt hole 109 on the respective layers of the fuel cell stack 100 are formed, possibly as a bolt hole 109 designated.
In jede Bolzenbohrung 109 wird ein Bolzen 22 eingeführt. Das untere Ende jedes Bolzens 22 wird in die Gewindebohrung geschraubt, die an der unteren Endplatte 106 gebildet ist. Am oberen Ende jedes Bolzens 22 greift eine Mutter 24 ein. Die untere Fläche der Mutter 24 steht entlang einer Isolierfolie 26 in Kontakt mit der oberen Fläche der Endplatte 104. Mit den so ausgebildeten Bolzen 22 und den Muttern 24 werden die jeweiligen Schichten des Brennstoffzellenstapels 100 einteilig miteinander verschraubt. Außerdem ist die Isolierfolie 26 z. B. aus einer Glimmerfolie, einer Keramikfaserfolie, einer keramischen Presspulverfolie, einer Glasfolie, einem GlasKeramik-Verbundmittel u. a. ausgebildet.In every bolt hole 109 becomes a bolt 22nd introduced. The bottom of each bolt 22nd is screwed into the threaded hole on the lower end plate 106 is formed. At the top of each bolt 22nd attacks a mother 24 a. The lower face of the nut 24 stands along an insulating film 26th in contact with the top surface of the end plate 104 . With the bolts designed in this way 22nd and the nuts 24 become the respective layers of the fuel cell stack 100 screwed together in one piece. Also is the insulating film 26th z. B. formed from a mica film, a ceramic fiber film, a ceramic press powder film, a glass film, a glass-ceramic composite agent, among others.
Des Weiteren sind, wie in 1 bis 3 gezeigt, im Randbereich der jeweiligen Schichten, die den Brennstoffzellenstapel 100 bilden (jede Stromerzeugungseinheit 102; Separator 189 für ein unteres Ende; untere Endplatte 106), um die Z-Achsenrichtung vier Bohrungen ausgebildet, die die jeweiligen Schichten in Auf- und Abwärtsrichtung durchdringen. Die Bohrungen, die an den jeweiligen Schichten gebildet sind und einander entsprechen, sind in Auf- und Abwärtsrichtung miteinander verbunden, um eine Verbindungsbohrung 108 auszubilden, die sich in Auf- und Abwärtsrichtung von der obersten Stromerzeugungseinheit 102 zur unteren Endplatte 106 hin erstreckt. In der folgenden Erläuterung werden auch die Bohrungen, die zum Ausbilden der Verbindungsbohrung 108 an den jeweiligen Schichten des Brennstoffzellenstapels 100 gebildet sind, ggf. als Verbindungsbohrung 108 bezeichnet.Furthermore, as in 1 until 3 shown in the edge area of the respective layers that make up the fuel cell stack 100 form (each power generation unit 102 ; separator 189 for a lower end; lower end plate 106 ), four holes are formed around the Z-axis direction which penetrate the respective layers in the upward and downward directions. The holes formed on the respective layers and corresponding to each other are connected with each other in the upward and downward directions to form a communication hole 108 train up and down from the top power generating unit 102 to the lower end plate 106 extends towards. In the following explanation, the holes that are used to form the connecting hole 108 on the respective layers of the fuel cell stack 100 are formed, possibly as a connecting hole 108 designated.
Wie in 1 und 2 gezeigt, fungiert eine Verbindungsbohrung 108, die sich in der Nähe einer Seite (Seite auf der positiven X-Achsenrichtungsseite von zwei parallel zur Y-Achse verlaufenden Seiten), die ein Bestandteil des Außenumfangs des Brennstoffzellenstapels 100 um die Z-Achsenrichtung ist, befindet, als Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas, bei dem es sich um einen Gasströmungskanal handelt, der ein Oxidationsgas OG von außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 leitet, um dieses Oxidationsgas OG in eine später erwähnte Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 einzuleiten. Eine Verbindungsbohrung 108, die sich in der Nähe einer der besagten Seite entgegengesetzten Seite (Seite auf der negativen X-Achsenrichtungsseite von zwei parallel zur Y-Achse verlaufenden Seiten) befindet, fungiert als Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas, bei dem es sich um einen Gasströmungskanal handelt, der ein Oxidationsabgas OOG, das von der Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 abgeleitet wurde, zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels 100 hin ableitet. Als Oxidationsgas OG wird z. B. Luft verwendet. Der Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas entspricht dem dritten Manifold in den Patentansprüchen, und der Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas entspricht dem vierten Manifold in den Patentansprüchen.As in 1 and 2 shown, acts a connecting hole 108 that is near a side (side on the X-axis positive direction side of two sides parallel to the Y-axis) that is a constituent part of the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z Axis direction is, located, as a manifold 161 for introducing oxidizing gas which is a gas flow passage that is an oxidizing gas 1st floor from outside the fuel cell stack 100 conducts to this oxidizing gas 1st floor in an air chamber mentioned later 166 each power generation unit 102 initiate. A connecting hole 108 which is near a side opposite to said side (side on the negative X-axis direction side of two sides parallel to the Y-axis) functions as a manifold 162 for discharging oxidizing gas which is a gas flow passage which is an oxidizing exhaust gas OOG that from the air chamber 166 each power generation unit 102 was derived to the outside of the fuel cell stack 100 derives. As an oxidizing gas 1st floor is z. B. Air used. The manifold 161 for introducing oxidizing gas corresponds to the third manifold in the claims, and the manifold 162 for discharging oxidizing gas corresponds to the fourth manifold in the claims.
Wie in 1 und 3 gezeigt, fungiert ferner eine andere Verbindungsbohrung 108, die sich von den Seiten, die den Außenumfang des Brennstoffzellenstapels 100 um die Z-Achsenrichtung bilden, in der Nähe einer Seite, die der oben erwähnten, als Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas fungierenden Verbindungsbohrung 108 am nächsten liegt, befindet, als Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas, bei dem es sich um einen Gasströmungskanal handelt, der ein Brenngas FG von außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 leitet, um dieses Brenngas FG in eine später erwähnte Brennstoffkammer 176 jeder Stromerzeugungseinheit 102 einzuleiten. Eine andere Verbindungsbohrung 108, die sich in der Nähe einer Seite, die der oben erwähnten, als Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas fungierenden Verbindungsbohrung 108 am nächsten liegt, befindet, fungiert als Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas, bei dem es sich um einen Gasströmungskanal handelt, der ein Brennabgas FOG, das von der Brennstoffkammer 176 jeder Stromerzeugungseinheit 102 abgeleitet wurde, zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels 100 hin ableitet. Als Brenngas FG wird z. B. ein aus Stadtgas reformiertes wasserstoffreiches Gas verwendet. Der Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas entspricht dem ersten Manifold in den Patentansprüchen, und der Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas entspricht dem zweiten Manifold in den Patentansprüchen.As in 1 and 3 shown, another connecting hole also functions 108 that extend from the sides that make up the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction, near one side that the one mentioned above, called a manifold 162 connecting hole functioning for the discharge of oxidizing gas 108 closest, is, as a manifold 171 for introducing fuel gas, which is a gas flow passage containing a fuel gas FG from outside the fuel cell stack 100 directs to this fuel gas FG into a later mentioned fuel chamber 176 each power generation unit 102 initiate. Another connecting hole 108 that are near a side similar to the one mentioned above, called a manifold 161 for the introduction of oxidizing gas functioning connecting hole 108 closest, acts as a manifold 172 for discharging fuel gas, which is a gas flow channel containing a fuel exhaust gas FOG that from the fuel chamber 176 each power generation unit 102 was derived to the outside of the fuel cell stack 100 derives. As fuel gas FG is z. B. a hydrogen-rich gas reformed from town gas is used. The manifold 171 for introducing fuel gas corresponds to the first manifold in the claims, and the manifold 172 for discharging fuel gas corresponds to the second manifold in the claims.
Wie in 2 und 3 gezeigt, ist der Brennstoffzellenstapel 100 mit vier Gasdurchgangselementen 27 versehen. Jedes Gasdurchgangselement 27 weist einen hohlrohrförmigen Hauptkörper 28 und einen hohlrohrförmigen Zweigabschnitt 29 auf, der von einer Seitenfläche des Hauptkörpers 28 abzweigt. Die Bohrung des Zweigabschnitts 29 ist mit der Bohrung des Hauptkörpers 28 verbunden. Eine Gasleitung (nicht dargestellt) wird mit dem Zweigabschnitt 29 jedes Gasdurchgangselements 27 verbunden. Wie in 2 gezeigt, ist die Bohrung des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27, das am Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas angeordnet ist, mit dem Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas verbunden. Die Bohrung des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27, das am Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas angeordnet ist, ist mit dem Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas verbunden. Wie in 3 gezeigt, ist ferner die Bohrung des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27, das am Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas angeordnet ist, mit dem Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas verbunden. Die Bohrung des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27, das am Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas angeordnet ist, ist mit dem Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas verbunden. Außerdem befindet sich eine Isolierfolie 26 zwischen jedem Gasdurchgangselement 27 und der Oberfläche der unteren Endplatte 106.As in 2 and 3 shown is the fuel cell stack 100 with four gas passage elements 27 Mistake. Any gas passage element 27 has a hollow tubular main body 28 and a hollow tubular branch section 29 on, from a side surface of the main body 28 branches off. The bore of the branch section 29 is with the bore of the main body 28 tied together. A gas line (not shown) is attached to the branch section 29 each gas passage element 27 tied together. As in 2 shown is the bore of the main body 28 of the gas passage member 27 , the one on the manifold 161 for introducing oxidizing gas is arranged with the manifold 161 connected to the introduction of oxidizing gas. The hole in the main body 28 of the gas passage member 27 , the one on the manifold 162 for the discharge of oxidizing gas is arranged with the manifold 162 connected to the discharge of oxidizing gas. As in 3 also shown is the bore of the main body 28 of the gas passage member 27 , the one on the manifold 171 for introducing fuel gas is arranged with the manifold 171 connected to the introduction of fuel gas. The hole in the main body 28 of the gas passage member 27 , the one on the manifold 172 for discharging fuel gas is arranged with the manifold 172 connected to the discharge of fuel gas. There is also an insulating film 26th between each gas passage element 27 and the surface of the lower end plate 106 .
(Konstruktion der Endplatten 104, 106)(Construction of the end plates 104 , 106 )
Die paarweise angeordneten Endplatten 104, 106 sind plattenförmige Bauelemente, deren Außenform von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen rechteckig ist, und bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie z. B. rostfreiem Stahl. In den Mittelbereichen der paarweise angeordneten Endplatten 104, 106 sind jeweils in Z-Achsenrichtung durchgehende Bohrungen 32, 34 gebildet. Von der Z-Achsenrichtung aus gesehen umschließen die inneren Umfangslinien der Bohrungen 32, 34, die die jeweiligen Endplatten 104, 106 aufweisen, die jeweiligen, später erwähnten Einzelzellen 110. Daher wirkt die Presskraft in Z-Achsenrichtung, die durch die Verschraubung mit den jeweiligen Bolzen 22 und Muttern 24 erzeugt wird, hauptsächlich auf den Randbereich jeder Stromerzeugungseinheit 102 (Abschnitt auf der Außenumfangsseite von jeder später erwähnten Einzelzelle 110). In der vorliegenden Ausführungsform fungiert ferner die obere Endplatte 104 als positiver Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 100, und die untere Endplatte 106 fungiert als negativer Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 100.The paired end plates 104 , 106 are plate-shaped components, the outer shape of which is seen from the Z-axis direction is substantially rectangular, and are made of an electrically conductive material such as. B. stainless steel. In the middle areas of the paired end plates 104 , 106 are each through holes in the Z-axis direction 32 , 34 educated. Seen from the Z-axis direction, enclose the inner circumferential lines of the bores 32 , 34 that are the respective end plates 104 , 106 have the respective individual cells mentioned later 110 . Therefore, the pressing force acts in the Z-axis direction, which is created by the screw connection with the respective bolts 22nd and nuts 24 is generated mainly on the periphery of each power generation unit 102 (Section on the outer peripheral side of each single cell mentioned later 110 ). In the present embodiment, the upper end plate also functions 104 as a positive output connection of the fuel cell stack 100 , and the lower end plate 106 acts as the negative output terminal of the fuel cell stack 100 .
(Konstruktion des Separators 189 für ein unteres Ende)(Construction of the separator 189 for a lower end)
Der Separator 189 für ein unteres Ende ist ein plattenförmiges Bauelement, dessen Außenform von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen rechteckig ist, und besteht z. B. aus Metall. Der Randbereich des Separators 189 für ein unteres Ende liegt zwischen dem Stromerzeugungsblock 103 und der unteren Endplatte 106 und ist z. B. durch Schweißen elektrisch mit der unteren Endplatte 106 verbunden.The separator 189 for a lower end is a plate-shaped member whose outer shape is substantially rectangular as viewed from the Z-axis direction, and consists of e.g. B. made of metal. The edge area of the separator 189 for a lower end lies between the power generation block 103 and the lower end plate 106 and is z. B. by welding electrically to the lower end plate 106 tied together.
(Konstruktion der Stromerzeugungseinheit 102)(Construction of the power generation unit 102 )
5 ist ein Schaubild, das eine XZ-Querschnittskonstruktion von zwei nebeneinander angeordneten Stromerzeugungseinheiten 102 an der gleichen Position wie der im Querschnitt in 2 zeigt. 6 ist ein Schaubild, das eine XZ-Querschnittskonstruktion der zwei nebeneinander angeordneten Stromerzeugungseinheiten 102 an der gleichen Position wie der im Querschnitt in 3 zeigt. 7 ist ein Schaubild, das eine YZ-Querschnittskonstruktion der zwei nebeneinander angeordneten Stromerzeugungseinheiten 102 an der gleichen Position wie der im Querschnitt in 4 zeigt. Des Weiteren ist 8 ein Schaubild, das eine XY-Querschnittskonstruktion der Stromerzeugungseinheit 102 an einer Position VIII-VIII in 5 bis 7 zeigt. 9 ist ein Schaubild, das eine XY-Querschnittskonstruktion der Stromerzeugungseinheit 102 an einer Position IX-IX in 5 bis 7 zeigt. 5 Fig. 13 is a diagram showing an XZ cross-sectional construction of two side-by-side power generation units 102 at the same position as that in cross section in 2 shows. 6th Fig. 13 is a diagram showing an XZ cross-sectional construction of the two side-by-side power generation units 102 at the same position as that in cross section in 3 shows. 7th Fig. 13 is a diagram showing a YZ cross-sectional construction of the two side-by-side power generation units 102 at the same position as that in cross section in 4th shows. Furthermore is 8th FIG. 13 is a diagram showing an XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at a position VIII-VIII in 5 until 7th shows. 9 Fig. 13 is a diagram showing an XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at a position IX-IX in 5 until 7th shows.
Wie in 5 bis 7 gezeigt, ist jede Stromerzeugungseinheit 102 mit einer Einzelzelle 110 der Brennstoffzelle (nachstehend als „Einzelzelle“ bezeichnet), einem Separator 120 für eine Einzelzelle, einem kathodenseitigen Rahmen 130, einem anodenseitigen Rahmen 140, anodenseitigen Stromkollektoren 144, einem Paar Interkonnektoren 190, die die oberste und die unterste Schicht der Stromerzeugungseinheit 102 bilden, und einem Paar Separatoren 180 für ICs versehen. In den Randbereichen des Separators 120 für eine Einzelzelle, des kathodenseitigen Rahmens 130, des anodenseitigen Rahmens 140 und der Separatoren 180 für ICs sind um die Z-Achsenrichtung Bohrungen, die die jeweiligen Verbindungsbohrungen 108 bilden, die als die jeweiligen Manifolds 161, 162, 171, 172 fungieren, und Bohrungen ausgebildet, die die jeweiligen Bolzenbohrungen 109 bilden.As in 5 until 7th each power generating unit is shown 102 with a single cell 110 the fuel cell (hereinafter referred to as “single cell”), a separator 120 for a single cell, a frame on the cathode side 130 , an anode-side frame 140 , anode-side current collectors 144 , a pair of interconnectors 190 that are the top and bottom layers of the power generation unit 102 form, and a pair of separators 180 for ICs. In the edge areas of the separator 120 for a single cell, the frame on the cathode side 130 , the frame on the anode side 140 and the separators 180 for ICs there are holes around the Z-axis direction that form the respective connecting holes 108 form that as the respective manifolds 161 , 162 , 171 , 172 act, and bores formed that the respective bolt holes 109 form.
Die Einzelzelle 110 ist mit einer Elektrolytschicht 112, einer Kathode 114, die auf einer Seite (oberhalb) der Elektrolytschicht 112 in Z-Achsenrichtung angeordnet ist, einer Anode 116, die auf der anderen Seite (unterhalb) der Elektrolytschicht 112 in Z-Achsenrichtung angeordnet ist, und einer Reaktionsschutzschicht 118 versehen, die zwischen der Elektrolytschicht 112 und der Kathode 114 angeordnet ist. Außerdem handelt es sich bei der Einzelzelle 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform um eine anodengestützte Einzelzelle, bei der die Anode 116 die weiteren Schichten, die die Einzelzelle 110 bilden (Elektrolytschicht 112; Kathode 114; Reaktionsschutzschicht 118), stützt.The single cell 110 is with an electrolyte layer 112 , a cathode 114 that are on one side (above) of the electrolyte layer 112 is arranged in the Z-axis direction, an anode 116 that are on the other side (below) the electrolyte layer 112 is arranged in the Z-axis direction, and a reaction protective layer 118 provided between the electrolyte layer 112 and the cathode 114 is arranged. It is also the single cell 110 according to the present embodiment to an anode-supported single cell in which the anode 116 the other layers that make up the single cell 110 form (electrolyte layer 112 ; cathode 114 ; Reaction protection layer 118 ), supports.
Die Elektrolytschicht 112 ist ein plattenförmiges Bauelement, das von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen rechteckig ist, und derart ausgebildet ist, dass sie ein festes Oxid (z. B.: YSZ (Yttriumoxidstabilisiertes Zirkoniumoxid)) enthält. D.h., die Einzelzelle 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die ein festes Oxid als Elektrolyt verwendet. Die Kathode 114 ist ein plattenförmiges Bauelement, das von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen rechteckig ist und kleiner ist als die Elektrolytschicht 112. Sie ist derart ausgebildet, dass sie z. B. ein Oxid des Perowskit-Typs (z. B.: LSCF (Lanthan-Strontium-Kobalt-Eisenoxid)) enthält. Die Anode 116 ist ein plattenförmiges Bauelement, das von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen rechteckig ist und im Wesentlichen genauso groß ist wie die Elektrolytschicht 112. Sie besteht z. B. aus Ni (Nickel), einem Cermet aus Ni und Keramikpartikeln, oder einer Legierung auf Ni-Basis o. Ä. Die Reaktionsschutzschicht 118 ist ein plattenförmiges Bauelement, das von der Z-Achsenrichtung aus gesehen im Wesentlichen rechteckig ist und im Wesentlichen genauso groß ist wie die Kathode 114. Sie ist derart ausgebildet, dass sie z. B. GDC (Gadolinium-dotiertes Ceroxid) und YSZ enthält. Die Reaktionsschutzschicht 118 hat die Funktion, zu verhindern, dass ein Element (z. B.: Sr), das aus der Kathode 114 diffundiert, mit einem Element (z. B.: Zr), das in der Elektrolytschicht 112 enthalten ist, reagiert und eine hochohmige Substanz (z. B.: SrZrO3) erzeugt wird.The electrolyte layer 112 is a plate-shaped member that is substantially rectangular as viewed from the Z-axis direction and is formed to contain a solid oxide (e.g., YSZ (Yttria Stabilized Zirconia)). That is, the single cell 110 according to the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte. The cathode 114 is a plate-shaped member that is substantially rectangular as viewed from the Z-axis direction and is smaller than the electrolyte layer 112 . It is designed such that it can, for. B. contains an oxide of the perovskite type (e.g .: LSCF (Lanthanum Strontium Cobalt Iron Oxide)). The anode 116 is a plate-shaped component that is substantially rectangular as viewed from the Z-axis direction and is substantially the same size as the electrolyte layer 112 . It consists z. B. made of Ni (nickel), a cermet made of Ni and ceramic particles, or a Ni-based alloy or the like. The reaction protection layer 118 is a plate-shaped member that is substantially rectangular as viewed from the Z-axis direction and is substantially the same size as the cathode 114 . It is designed such that it can, for. B. GDC (gadolinium-doped cerium oxide) and YSZ contains. The reaction protection layer 118 has the function of preventing an element (ex .: Sr) from coming out of the cathode 114 diffuses, with an element (e.g .: Zr) that is present in the electrolyte layer 112 is contained, reacts and a high-resistance substance (e.g .: SrZrO 3 ) is generated.
Der Separator 120 für eine Einzelzelle ist ein rahmenförmiges Bauelement, das im Mittelbereich eine in Auf- und Abwärtsrichtung durchgehende, im Wesentlichen rechteckige Durchgangsbohrung 121 aufweist, und besteht z. B. aus Metall. Die Dicke des Separators 120 für eine Einzelzelle ist relativ klein, z. B. etwa zwischen 0,05 mm und 0,2 mm. Ein Bereich des Separators 120 für eine Einzelzelle, der die Durchgangsbohrung 121 umgibt (nachstehend als „Umfangsbereich der Durchgangsbohrung“ bezeichnet), liegt der oberen Fläche des Randbereichs der Einzelzelle 110 (Elektrolytschicht 112) gegenüber. Der Separator 120 für eine Einzelzelle ist mit der Einzelzelle 110 (Elektrolytschicht 112) entlang eines Verbindungsteils 124 aus einem Lötmaterial (z. B.: Ag-Lot) verbunden, das am gegenüberliegenden Abschnitt angeordnet ist. Der Separator 120 für eine Einzelzelle trennt die Luftkammer 166, die der Kathode 114 zugewandt ist, und die Brennstoffkammer 176, die der Anode 116 zugewandt ist, voneinander ab, um zu verhindern, dass Gas von einer Elektrodenseite zur anderen im Randbereich der Einzelzelle 110 austritt (cross leak). Der Separator 120 für eine Einzelzelle entspricht dem ersten Separator in den Patentansprüchen.The separator 120 for a single cell is a frame-shaped component that has an essentially rectangular through-hole in the central area that extends upwards and downwards 121 has, and consists z. B. made of metal. The thickness of the separator 120 for a single cell is relatively small, e.g. B. approximately between 0.05 mm and 0.2 mm. One area of the separator 120 for a single cell that has the through hole 121 surrounds (hereinafter referred to as “the circumferential area of the through hole”), the upper surface of the edge area of the single cell is located 110 (Electrolyte layer 112 ) opposite to. The separator 120 for a single cell is with the single cell 110 (Electrolyte layer 112 ) along a connecting part 124 from a soldering material (e.g .: Ag solder), which is arranged on the opposite portion. The separator 120 for a single cell the air chamber separates 166 that the cathode 114 facing, and the fuel chamber 176 who have favourited the anode 116 facing away from each other in order to prevent gas from one electrode side to the other in the edge area of the single cell 110 leakage (cross leak). The separator 120 for a single cell corresponds to the first separator in the claims.
Der Separator 120 für eine Einzelzelle ist mit einem inneren Abschnitt 126, der den Umfangsbereich der Durchgangsbohrung (Abschnitt, der die Durchgangsbohrung 121 umgibt) des Separators 120 für eine Einzelzelle einschließt, einem äußeren Abschnitt 127, der sich auf der Außenumfangsseite des inneren Abschnitts 126 befindet, und einem Verbindungsabschnitt 128 versehen, der den inneren Abschnitt 126 mit dem äußeren Abschnitt 127 verbindet. In der vorliegenden Ausführungsform weisen der innere Abschnitt 126 und der äußere Abschnitt 127 eine Form einer im Wesentlichen flachen Platte auf, die sich im Wesentlichen orthogonal zu der Z-Achsenrichtung erstreckt. Des Weiteren ist der Verbindungsabschnitt 128 so gekrümmt, dass er sowohl in Bezug auf den inneren Abschnitt 126 als auch auf den äußeren Abschnitt 127 nach unten ragt. Die Unterseite des Verbindungsabschnitts 128 (Seite, die der Brennstoffkammer 176 zugewandt ist) ist konvex und die Oberseite des Verbindungsabschnitts 128 (Seite, die der Luftkammer 166 zugewandt ist) konkav ausgebildet. Der Verbindungsabschnitt 128 weist also einen Abschnitt auf, dessen Position in Z-Achsenrichtung sich von dem inneren Abschnitt 126 und dem äußeren Abschnitt 127 unterscheidet.The separator 120 for a single cell is with an inner section 126 , which covers the circumferential area of the through hole (section which the Through hole 121 surrounds) of the separator 120 for a single cell includes an outer section 127 located on the outer peripheral side of the inner section 126 and a connecting section 128 provided that the inner section 126 with the outer section 127 connects. In the present embodiment, the inner portion 126 and the outer section 127 a substantially flat plate shape extending substantially orthogonally to the Z-axis direction. Furthermore is the connecting section 128 curved so that it is both in relation to the inner section 126 as well as the outer section 127 protrudes downwards. The bottom of the connection section 128 (Side that of the fuel chamber 176 facing) is convex and the top of the connecting portion 128 (Side that of the air chamber 166 is facing) concave. The connecting section 128 that is, has a portion whose position in the Z-axis direction is different from the inner portion 126 and the outer section 127 differs.
Im Bereich der Durchgangsbohrung 121 des Separators 120 für eine Einzelzelle ist eine Glasdichtung 125 angeordnet, die Glas enthält. Die Glasdichtung 125 befindet sich auf der der Luftkammer 166 zugewandten Seite in Bezug auf das Verbindungsteil 124 und ist derart ausgebildet, dass sie sowohl mit der Oberfläche des Umfangsbereichs der Durchgangsbohrung des Separators 120 für eine Einzelzelle als auch mit der Oberfläche der Einzelzelle 110 (Elektrolytschicht 112 in der vorliegenden Ausführungsform) in Kontakt steht. Durch die Glasdichtung 125 wird effektiv verhindert, dass Gas von einer Elektrodenseite zur anderen im Randbereich der Einzelzelle 110 austritt (cross leak).In the area of the through hole 121 of the separator 120 for a single cell is a glass seal 125 arranged, which contains glass. The glass seal 125 is located on the top of the air chamber 166 facing side in relation to the connecting part 124 and is formed so as to be connected to both the surface of the peripheral portion of the through hole of the separator 120 for a single cell as well as with the surface of the single cell 110 (Electrolyte layer 112 in the present embodiment) is in contact. Through the glass seal 125 this effectively prevents gas from moving from one electrode side to the other in the edge area of the individual cell 110 leakage (cross leak).
Jeder Interkonnektor 190 ist ein elektrisch leitfähiges Bauelement mit einem Plattenteil 150 in Form einer im Wesentlichen rechteckigen flachen Platte und mehreren im Wesentlichen säulenförmigen kathodenseitigen Stromkollektoren 134, die vom Plattenteil 150 zur Seite der Kathode 114 hin herausragen, und besteht aus Metall (z. B. rostfreiem Stahl auf Ferritbasis). In der vorliegenden Ausführungsform ist auf einer Oberfläche des Interkonnektors 190 (Oberfläche, die der Luftkammer 166 zugewandt ist) eine elektrisch leitfähige Überzugsschicht 194 ausgebildet, die z. B. aus einem Oxid mit Spinellstruktur besteht. Nachstehend wird der durch die Überzugsschicht 194 abgedeckte Interkonnektor 190 einfach als Interkonnektor 190 bezeichnet. Bei jeder Stromerzeugungseinheit 102 ist der obere Interkonnektor 190 (Plattenteil 150 des Interkonnektors 190) oberhalb der Einzelzelle 110 entlang der Luftkammer 166 angeordnet. Der obere Interkonnektor 190 (jeder kathodenseitige Stromkollektor 134 des oberen Interkonnektors 190) ist entlang eines elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterials 196, das z. B. aus einem Oxid mit Spinellstruktur besteht, mit der Kathode 114 der Einzelzelle 110 verbunden und dadurch elektrisch mit der Kathode 114 der Einzelzelle 110 verbunden. Bei jeder Stromerzeugungseinheit 102 ist der untere Interkonnektor 190 unterhalb der Einzelzelle 110 entlang der Brennstoffkammer 176 angeordnet und entlang der später erwähnten anodenseitigen Stromkollektoren 144 elektrisch mit der Anode 116 der Einzelzelle 110 verbunden. Der Interkonnektor 190 gewährleistet die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Stromerzeugungseinheiten 102 und verhindert, dass sich die Reaktionsgase zwischen den Stromerzeugungseinheiten 102 vermischen. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Interkonnektor 190 durch zwei voneinander angeordneten Stromerzeugungseinheiten 102 gemeinsam genutzt, wenn die zwei Stromerzeugungseinheiten 102 nebeneinander angeordnet sind. D.h., beim oberen Interkonnektor 190 für eine Stromerzeugungseinheit 102 handelt es sich um dasselbe Bauelement wie beim unteren Interkonnektor 190 für eine an die Oberseite dieser Stromerzeugungseinheit 102 angrenzende andere Stromerzeugungseinheit 102. Da der Brennstoffzellenstapel 100 mit dem Separator 189 für ein unteres Ende versehen ist, weist ferner die unterste Stromerzeugungseinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 keinen unteren Interkonnektor 190 auf (vgl. 2 bis 4) .Any interconnector 190 is an electrically conductive component with a plate part 150 in the form of a substantially rectangular flat plate and a plurality of substantially columnar cathode-side current collectors 134 that from the plate part 150 to the side of the cathode 114 protrude, and is made of metal (e.g. ferrite-based stainless steel). In the present embodiment is on a surface of the interconnector 190 (Surface that of the air chamber 166 facing) an electrically conductive coating layer 194 formed, the z. B. consists of an oxide with a spinel structure. The following is that by the coating layer 194 covered interconnector 190 simply as an interconnector 190 designated. At every power generation unit 102 is the upper interconnector 190 (Plate part 150 of the interconnector 190 ) above the single cell 110 along the air chamber 166 arranged. The upper interconnector 190 (every cathode-side current collector 134 of the upper interconnector 190 ) is along an electrically conductive connecting material 196 , the Z. B. consists of an oxide with a spinel structure, with the cathode 114 the single cell 110 connected and thereby electrically connected to the cathode 114 the single cell 110 tied together. At every power generation unit 102 is the lower interconnector 190 below the single cell 110 along the fuel chamber 176 arranged and along the anode-side current collectors mentioned later 144 electrically with the anode 116 the single cell 110 tied together. The interconnector 190 ensures electrical conductivity between the power generation units 102 and prevents the reaction gases between the power generation units 102 mix. In the present embodiment, an interconnector 190 by two mutually arranged power generation units 102 shared when the two power generating units 102 are arranged side by side. In other words, at the upper interconnector 190 for a power generation unit 102 it is the same component as the lower interconnector 190 for one at the top of this power generation unit 102 adjacent other generating unit 102 . Because the fuel cell stack 100 with the separator 189 is provided for a lower end, further comprises the lowermost power generation unit 102 of the fuel cell stack 100 no lower interconnector 190 on (cf. 2 until 4th ).
Jeder Separator 180 für ICs ist ein rahmenförmiges Bauelement, das im Mittelbereich eine in Auf- und Abwärtsrichtung durchgehende, im Wesentlichen rechteckige Durchgangsbohrung 181 aufweist, und besteht z. B. aus Metall. Die Dicke des Separators 180 für ICs ist relativ klein, z. B. etwa zwischen 0,05 mm und 0,2 mm. Ein Abschnitt des Separators 180 für ICs, der die Durchgangsbohrung 181 umgibt (nachstehend als „Umfangsbereich der Durchgangsbohrung“ bezeichnet), ist z. B. durch Schweißen mit der oberen Fläche des Randbereichs des Plattenteils 150 des Interkonnektors 190 verbunden. Von den paarweise angeordneten Separatoren 180 für ICs, die in einer Stromerzeugungseinheit 102 enthalten sind, trennt der obere Separator 180 für ICs die Luftkammer 166 der Stromerzeugungseinheit 102 und die Brennstoffkammer 176 einer an die Oberseite der Stromerzeugungseinheit 102 angrenzenden anderen Stromerzeugungseinheit 102 voneinander ab. Von den paarweise angeordneten Separatoren 180 für ICs, die in einer Stromerzeugungseinheit 102 enthalten sind, trennt ferner der untere Separator 180 für ICs die Brennstoffkammer 176 der Stromerzeugungseinheit 102 und die Luftkammer 166 einer an die Unterseite der Stromerzeugungseinheit 102 angrenzenden anderen Stromerzeugungseinheit 102 voneinander ab. Auf diese Weise wird durch die Separatoren 180 für ICs der Austritt von Gas zwischen den Stromerzeugungseinheiten 102 im Randbereich der Stromerzeugungseinheiten 102 verhindert. Der Separator 180 für ICs, der mit dem oberen Interkonnektor 190 der obersten Stromerzeugungseinheit 102 im Brennstoffzellenstapel 100 verbunden ist, ist elektrisch mit der oberen Endplatte 104 verbunden. Die Separatoren 180 für ICs entsprechen den zweiten Separatoren in den Patentansprüchen.Any separator 180 for ICs is a frame-shaped component that has an essentially rectangular through-hole in the central area that extends upwards and downwards 181 has, and consists z. B. made of metal. The thickness of the separator 180 for ICs is relatively small, e.g. B. approximately between 0.05 mm and 0.2 mm. A section of the separator 180 for ICs that have the through hole 181 surrounds (hereinafter referred to as the "circumferential region of the through hole"), z. By welding to the upper surface of the edge region of the plate part 150 of the interconnector 190 tied together. From the separators arranged in pairs 180 for ICs that are in a power generation unit 102 are contained, the upper separator separates 180 for ICs the air chamber 166 the power generation unit 102 and the fuel chamber 176 one at the top of the power generation unit 102 adjacent other power generation unit 102 from each other. From the separators arranged in pairs 180 for ICs that are in a power generation unit 102 are contained, also separates the lower separator 180 for ICs the fuel chamber 176 the power generation unit 102 and the air chamber 166 one at the bottom of the power generation unit 102 adjacent other power generation unit 102 from each other. This is done through the separators 180 for ICs, the leakage of gas between the power generation units 102 in the edge area of the power generation units 102 prevented. The separator 180 for ICs, the one with the upper interconnector 190 the top one Power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 is electrically connected to the top end plate 104 tied together. The separators 180 for ICs correspond to the second separators in the claims.
Die Separatoren 180 für ICs sind jeweils mit einem inneren Abschnitt 186, der den Umfangsbereich der Durchgangsbohrung (Abschnitt, der die Durchgangsbohrung 181 umgibt) des Separators 180 für ICs einschließt, einem äußeren Abschnitt 187, der sich auf der Außenumfangsseite des inneren Abschnitts 186 befindet, und einem Verbindungsabschnitt 188 versehen, der den inneren Abschnitt 186 mit dem äußeren Abschnitt 187 verbindet. In der vorliegenden Ausführungsform weisen der innere Abschnitt 186 und der äußere Abschnitt 187 eine Form einer im Wesentlichen flachen Platte auf, die sich im Wesentlichen orthogonal zu der Z-Achsenrichtung erstreckt. Des Weiteren ist der Verbindungsabschnitt 188 so gekrümmt, dass er sowohl in Bezug auf den inneren Abschnitt 186 als auch auf den äußeren Abschnitt 187 nach unten ragt. Die Unterseite (Seite, die der Luftkammer 166 zugewandt ist) des Verbindungsabschnitts 188 ist konvex und die Oberseite (Seite, die der Brennstoffkammer 176 zugewandt ist) des Verbindungsabschnitts 188 konkav ausgebildet. Der Verbindungsabschnitt 188 weist also einen Abschnitt auf, dessen Position in Z-Achsenrichtung sich von dem inneren Abschnitt 186 und dem äußeren Abschnitt 187 unterscheidet.The separators 180 for ICs each come with an inner section 186 that is the circumferential area of the through hole (section that the through hole 181 surrounds) of the separator 180 for ICs includes an outer section 187 located on the outer peripheral side of the inner section 186 and a connecting section 188 provided that the inner section 186 with the outer section 187 connects. In the present embodiment, the inner portion 186 and the outer section 187 a substantially flat plate shape extending substantially orthogonally to the Z-axis direction. Furthermore is the connecting section 188 curved so that it is both in relation to the inner section 186 as well as the outer section 187 protrudes downwards. The underside (side that the air can 166 facing) of the connecting section 188 is convex and the top (side facing the fuel chamber 176 facing) of the connecting section 188 concave. The connecting section 188 that is, has a portion whose position in the Z-axis direction is different from the inner portion 186 and the outer section 187 differs.
Wie in 5 bis 8 gezeigt, ist der kathodenseitige Rahmen 130 ein rahmenförmiges Bauelement, das im Mittelbereich eine in Z-Achsenrichtung durchgehende, im Wesentlichen rechteckige Bohrung 131 aufweist, und besteht z. B. aus einem Isolator, wie z. B. Glimmer o. Ä. Die Bohrung 131 des kathodenseitigen Rahmens 130 bildet die Luftkammer 166, die der Kathode 114 zugewandt ist. Der kathodenseitige Rahmen 130 steht mit der oberen Fläche des Randbereichs des Separators 120 für eine Einzelzelle und der unteren Fläche des Randbereichs des oberen Separators 180 für ICs in Kontakt und fungiert als Dichtungselement, um die Gasabdichtungsfähigkeit zwischen den beiden Separatoren (d.h. die Gasabdichtungsfähigkeit der Luftkammer 166) zu gewährleisten. Des Weiteren werden die in der Stromerzeugungseinheit 102 enthaltenen, paarweise angeordneten Separatoren 180 für ICs (d.h. zwischen den paarweise angeordneten Interkonnektoren 190) durch den kathodenseitigen Rahmen 130 elektrisch voneinander isoliert. Am kathodenseitigen Rahmen 130 sind ferner ein Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas und ein Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas ausgebildet, wobei der erstere den Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas mit der Luftkammer 166 verbindet und der letztere die Luftkammer 166 mit dem Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas verbindet. Der Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas entspricht dem dritten Verbindungskanal in den Patentansprüchen und der Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas entspricht dem vierten Verbindungskanal in den Patentansprüchen.As in 5 until 8th shown is the frame on the cathode side 130 a frame-shaped component, which in the central area has a substantially rectangular bore that is continuous in the Z-axis direction 131 has, and consists z. B. from an isolator such. B. mica or the like. The hole 131 of the frame on the cathode side 130 forms the air chamber 166 that the cathode 114 is facing. The frame on the cathode side 130 stands with the upper surface of the edge area of the separator 120 for a single cell and the lower surface of the edge area of the upper separator 180 for ICs in contact and acts as a sealing member to increase the gas seal ability between the two separators (ie, the gas seal ability of the air chamber 166 ) to ensure. Furthermore, the in the power generation unit 102 contained separators arranged in pairs 180 for ICs (ie between the interconnectors arranged in pairs 190 ) through the frame on the cathode side 130 electrically isolated from each other. On the frame on the cathode side 130 are also a connecting channel 132 for introducing oxidizing gas and a connecting channel 133 designed to discharge oxidizing gas, the former being the manifold 161 for introducing oxidizing gas with the air chamber 166 connects and the latter the air chamber 166 with the manifold 162 for discharging oxidizing gas connects. The connecting channel 132 for introducing oxidizing gas corresponds to the third connection channel in the claims and the connection channel 133 for discharging oxidizing gas corresponds to the fourth connecting channel in the claims.
Wie in 5 bis 7 und 9 gezeigt, ist der anodenseitige Rahmen 140 ein rahmenförmiges Bauelement, das im Mittelbereich eine in Z-Achsenrichtung durchgehende, im Wesentlichen rechteckige Bohrung 141 aufweist, und besteht z. B. aus Metall. Die Bohrung 141 des anodenseitigen Rahmens 140 bildet die Brennstoffkammer 176, die der Anode 116 zugewandt ist. Der anodenseitige Rahmen 140 steht mit der unteren Fläche des Randbereichs des Separators 120 für eine Einzelzelle und mit der oberen Fläche des Randbereichs des unteren Separators 180 für ICs in Kontakt. Des Weiteren sind am anodenseitigen Rahmen 140 ein Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas und ein Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas ausgebildet, wobei der erstere den Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas mit der Brennstoffkammer 176 verbindet und der letztere die Brennstoffkammer 176 mit dem Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas verbindet. Der Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas entspricht dem ersten Verbindungskanal in den Patentansprüchen und der Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas entspricht dem zweiten Verbindungskanal in den Patentansprüchen.As in 5 until 7th and 9 shown is the anode-side frame 140 a frame-shaped component, which in the central area has a substantially rectangular bore that is continuous in the Z-axis direction 141 has, and consists z. B. made of metal. The hole 141 of the anode-side frame 140 forms the fuel chamber 176 who have favourited the anode 116 is facing. The frame on the anode side 140 stands with the lower surface of the edge area of the separator 120 for a single cell and with the upper surface of the edge area of the lower separator 180 for ICs in contact. There are also on the anode-side frame 140 a connecting channel 142 for introducing fuel gas and a connecting channel 143 designed for discharging fuel gas, the former being the manifold 171 for introducing fuel gas with the fuel chamber 176 connects and the latter the fuel chamber 176 with the manifold 172 for discharging fuel gas connects. The connecting channel 142 for introducing fuel gas corresponds to the first connection channel in the claims and the connection channel 143 for discharging fuel gas corresponds to the second connecting channel in the claims.
Wie in 5 bis 7 gezeigt, sind die anodenseitigen Stromkollektoren 144 in der Brennstoffkammer 176 angeordnet. Jeder anodenseitige Stromkollektor 144 ist mit einem dem Interkonnektor zugewandten Abschnitt 146, einem der Elektrode zugewandten Abschnitt 145 und einem Verknüpfungsabschnitt 147, der den der Elektrode zugewandten Abschnitt 145 mit dem dem Interkonnektor zugewandten Abschnitt 146 verknüpft, versehen und besteht z. B. aus Nickel, einer Nickellegierung, rostfreiem Stahl o. Ä. Der der Elektrode zugewandte Abschnitt 145 steht in Kontakt mit der unteren Fläche der Anode 116, und der dem Interkonnektor zugewandte Abschnitt 146 steht in Kontakt mit der oberen Fläche des Interkonnektors 190 (Plattenteil 150 des Interkonnektors 190). Allerdings ist, wie oben erwähnten, die unterste Stromerzeugungseinheit 102 des Brennstoffzellenstapels 100 nicht mit dem unteren Interkonnektor 190 versehen, so dass der dem Interkonnektor zugewandte Abschnitt 146 des anodenseitigen Stromkollektors 144 dieser Stromerzeugungseinheit 102 in Kontakt mit dem Separator 189 für ein unteres Ende steht. Der anodenseitige Stromkollektor 144 ist so ausgebildet, dass er die Anode 116 elektrisch mit dem Interkonnektor 190 (oder dem Separator 189 für ein unteres Ende) verbindet. Außerdem ist ein Abstandshalter 149, der z. B. aus Glimmer besteht, zwischen dem der Elektrode zugewandten Abschnitt 145 und dem dem Interkonnektor zugewandten Abschnitt 146 des anodenseitigen Stromkollektors 144 angeordnet. Daher folgt der anodenseitige Stromkollektor 144 einer Verformung der Stromerzeugungseinheit 102, die aufgrund von Temperaturzyklen bzw. Schwankungen im Reaktionsgasdruck auftritt, wodurch die elektrische Verbindung zwischen der Anode 116 und dem Interkonnektor 190 (oder dem Separator 189 für ein unteres Ende) entlang des anodenseitigen Stromkollektors 144 effektiv aufrechterhalten wird.As in 5 until 7th shown are the anode-side current collectors 144 in the fuel chamber 176 arranged. Any anode-side current collector 144 is with a section facing the interconnector 146 , a section facing the electrode 145 and a linking section 147 , the section facing the electrode 145 with the section facing the interconnector 146 linked, provided and consists z. B. made of nickel, a nickel alloy, stainless steel or the like. The section facing the electrode 145 is in contact with the lower surface of the anode 116 , and the section facing the interconnector 146 is in contact with the upper surface of the interconnector 190 (Plate part 150 of the interconnector 190 ). However, as mentioned above, is the lowest power generation unit 102 of the fuel cell stack 100 not with the lower interconnector 190 provided, so that the section facing the interconnector 146 of the anode-side current collector 144 this power generation unit 102 in contact with the separator 189 stands for a lower end. The anode-side current collector 144 is designed so that it is the anode 116 electrically with the interconnector 190 (or the separator 189 for a lower end) connects. There is also a spacer 149 , the z. B. consists of mica, between the portion facing the electrode 145 and the section facing the interconnector 146 of the anode side Current collector 144 arranged. Therefore, the anode-side current collector follows 144 deformation of the power generation unit 102 that occurs due to temperature cycles or fluctuations in the reaction gas pressure, thereby creating the electrical connection between the anode 116 and the interconnector 190 (or the separator 189 for a lower end) along the anode-side current collector 144 is effectively maintained.
A-2. Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100:
- Wird das Oxidationsgas OG, wie in 2 und 5 gezeigt, durch eine Gasleitung (nicht dargestellt), die mit dem Zweigabschnitt 29 des Gasdurchgangselements 27 am Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas verbunden ist, hindurch zugeführt, wird das Oxidationsgas OG durch die Bohrungen des Zweigabschnitts 29 und des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27 hindurch in den Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas eingeleitet und vom Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas durch den Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas jeder Stromerzeugungseinheit 102 hindurch in die Luftkammer 166 eingeleitet. Wird ferner das Brenngas FG, wie in 3 und 6 gezeigt, durch eine Gasleitung (nicht dargestellt), die mit dem Zweigabschnitt 29 des Gasdurchgangselements 27 am Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas verbunden ist, hindurch zugeführt, wird das Brenngas FG durch die Bohrungen des Zweigabschnitts 29 und des Hauptkörpers 28 des Gasdurchgangselements 27 hindurch in den Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas eingeleitet und vom Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas durch den Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas jeder Stromerzeugungseinheit 102 in die Brennstoffkammer 176 eingeleitet.
A-2. Operation of the fuel cell stack 100 : - Will the oxidizing gas 1st floor , as in 2 and 5 shown by a gas line (not shown) connected to the branch section 29 of the gas passage member 27 on the manifold 161 is connected for introducing oxidizing gas is supplied through, the oxidizing gas 1st floor through the bores of the branch section 29 and the main body 28 of the gas passage member 27 through into the manifold 161 for the introduction of oxidizing gas and initiated from the manifold 161 for introducing oxidizing gas through the connecting channel 132 for introducing oxidizing gas to each power generation unit 102 through into the air chamber 166 initiated. Will also be the fuel gas FG , as in 3 and 6th shown by a gas line (not shown) connected to the branch section 29 of the gas passage member 27 on the manifold 171 is connected to the introduction of fuel gas, supplied through it, the fuel gas is FG through the bores of the branch section 29 and the main body 28 of the gas passage member 27 through into the manifold 171 for the introduction of fuel gas and initiated from the manifold 171 for introducing fuel gas through the connecting channel 142 for introducing fuel gas to each power generation unit 102 into the fuel chamber 176 initiated.
Wenn das Oxidationsgas OG in die Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 und das Brenngas FG in die Brennstoffkammer 176 eingeleitet wird, erfolgt in der Einzelzelle 110 eine Stromerzeugung mittels der elektrochemischen Reaktion zwischen dem Oxidationsgas OG und dem Brenngas FG. Diese Stromerzeugungsreaktion ist eine exotherme Reaktion. Bei jeder Stromerzeugungseinheit 102 ist die Kathode 114 der Einzelzelle 110 elektrisch mit dem oberen Interkonnektor 190 verbunden, und die Anode 116 ist entlang der anodenseitigen Stromkollektoren 144 elektrisch mit dem unteren Interkonnektor 190 (oder dem Separator 189 für ein unteres Ende) verbunden. D.h., die im Brennstoffzellenstapel 100 enthaltenen Stromerzeugungseinheiten 102 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Der obere Interkonnektor 190 und der Separator 180 für ICs der obersten Stromerzeugungseinheit 102 sind elektrisch mit der oberen Endplatte 104 verbunden, und der Separator 189 für ein unteres Ende, der elektrisch mit den anodenseitigen Stromkollektoren 144 der untersten Stromerzeugungseinheit 102 verbunden ist, ist elektrisch mit der unteren Endplatte 106 verbunden. Daher wird die in jeder Stromerzeugungseinheit 102 erzeugte elektrische Energie aus den Endplatten 104, 106 entnommen, die als Ausgangsanschlüsse des Brennstoffzellenstapels 100 fungieren. Da die SOFC bei einer relativ hohen Temperatur (z.B.: 700 °C bis 1000 °C) Strom erzeugt, kann außerdem der Brennstoffzellenstapel 100 nach dem Aktivieren erhitzt werden, indem ein Heizgerät (nicht dargestellt) verwendet wird, bis ein Zustand erreicht wird, bei dem die hohe Temperatur beibehalten werden kann, die durch die bei der Stromerzeugung erzeugte Wärme entsteht.When the oxidizing gas 1st floor into the air chamber 166 each power generation unit 102 and the fuel gas FG into the fuel chamber 176 is initiated, takes place in the single cell 110 a power generation by means of the electrochemical reaction between the oxidizing gas 1st floor and the fuel gas FG . This power generation reaction is an exothermic reaction. At every power generation unit 102 is the cathode 114 the single cell 110 electrically with the upper interconnector 190 connected, and the anode 116 is along the anode-side current collectors 144 electrically with the lower interconnector 190 (or the separator 189 for a lower end). That is, the ones in the fuel cell stack 100 included power generation units 102 are electrically connected in series. The upper interconnector 190 and the separator 180 for ICs of the top power generation unit 102 are electrical with the top end plate 104 connected, and the separator 189 for a lower end that is electrically connected to the anode-side current collectors 144 the lowest power generation unit 102 is electrically connected to the lower end plate 106 tied together. Hence, the in every power generation unit 102 generated electrical energy from the end plates 104 , 106 taken as the output terminals of the fuel cell stack 100 act. In addition, since the SOFC generates electricity at a relatively high temperature (e.g. 700 ° C to 1000 ° C), the fuel cell stack can 100 after activation, can be heated by using a heater (not shown) until a state is reached in which the high temperature caused by the heat generated in the generation of electricity can be maintained.
Wie in 2 und 5 gezeigt, wird das Oxidationsabgas OOG, das von der Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 durch den Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas hindurch in den Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas abgeleitet wurde, durch die Bohrungen des Hauptkörpers 28 und des Zweigabschnitts 29 des Gasdurchgangselements 27 am Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas und durch die mit dem Zweigabschnitt 29 verbundene Gasleitung (nicht dargestellt) hindurch zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels 100 hin abgeleitet. Wie ferner in 3 und 6 gezeigt, wird das Brennabgas FOG, das von der Brennstoffkammer 176 jeder Stromerzeugungseinheit 102 durch den Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas hindurch in den Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas abgeleitet wurde, durch die Bohrungen des Hauptkörpers 28 und des Zweigabschnitts 29 des Gasdurchgangselements 27 am Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas und durch die mit dem Zweigabschnitt 29 verbundene Gasleitung (nicht dargestellt) hindurch zur Außenseite des Brennstoffzellenstapels 100 hin abgeleitet.As in 2 and 5 shown is the oxidation off-gas OOG that from the air chamber 166 each power generation unit 102 through the connecting channel 133 for discharging oxidizing gas through into the manifold 162 for discharging oxidizing gas was discharged through the bores of the main body 28 and the branch section 29 of the gas passage member 27 on the manifold 162 for discharging oxidizing gas and through the with the branch section 29 connected gas line (not shown) through to the outside of the fuel cell stack 100 derived. As also in 3 and 6th shown is the exhaust gas FOG that from the fuel chamber 176 each power generation unit 102 through the connecting channel 143 for discharging fuel gas through into the manifold 172 for discharging fuel gas has been discharged through the holes of the main body 28 and the branch section 29 of the gas passage member 27 on the manifold 172 for discharging fuel gas and through the with the branch section 29 connected gas line (not shown) through to the outside of the fuel cell stack 100 derived.
Beim Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind, wie in 8 und 9 gezeigt, der Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas, der mit dem Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas verbunden ist, und der Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas, der mit dem Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas verbunden ist, von der Z-Achsenrichtung aus gesehen derart angeordnet, dass sie (in gleicher Richtung) einer Seite der Einzelzelle (zweite Seite SI2 in 8 und 9) zugewandt sind. Der Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas, der mit dem Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas verbunden ist, und der Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas, der mit dem Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas verbunden ist, sind derart angeordnet, dass sie einer anderen Seite der Einzelzelle (erste Seite SI1 in 8 und 9) zugewandt sind, die entlang des Mittelpunkts der Einzelzelle 110 (in derselben Richtung) der zweiten Seite SI2 der Einzelzelle gegenüberliegt. D.h., bei der Stromerzeugungseinheit 102 (Brennstoffzellenstapel 100) gemäß der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um eine SOFC des Counter-Flow-Typs, bei der die Hauptströmungsrichtung des Oxidationsgases OG in der Luftkammer 166 (von der positiven X-Achsenrichtung zur negativen X-Achsenrichtung) und die Hauptströmungsrichtung des Brenngases FG in der Brennstoffkammer 176 (von der negativen X-Achsenrichtung zur positiven X-Achsenrichtung) im Wesentlichen in entgegengesetzten Richtungen (gegenläufigen Richtungen) verlaufen.With the fuel cell stack 100 according to the present embodiment, as shown in FIG 8th and 9 shown the connecting channel 132 for introducing oxidizing gas that comes with the manifold 161 for introducing oxidizing gas is connected, and the connecting channel 143 for discharging fuel gas that comes with the manifold 172 is connected for discharging fuel gas, as viewed from the Z-axis direction, arranged such that they (in the same direction) one side of the single cell (second side SI2 in 8th and 9 ) are facing. The connecting channel 133 for discharging oxidizing gas that comes with the manifold 162 for discharging oxidizing gas is connected, and the connecting channel 142 for introducing fuel gas that comes with the manifold 171 connected to the introduction of fuel gas, are arranged such that they are a different side of the single cell (first side SI1 in 8th and 9 ) facing along the center of the single cell 110 (in the same direction) the second page SI2 facing the single cell. That is, the power generation unit 102 (Fuel cell stack 100 ) According to the present embodiment, it is an SOFC of the counter-flow type, in which the main flow direction of the oxidizing gas 1st floor in the air chamber 166 (from the X-axis positive direction to the X-axis negative direction) and the main flow direction of the fuel gas FG in the fuel chamber 176 (from the X-axis negative direction to the X-axis positive direction) are substantially in opposite directions (opposite directions).
A-3. Konstruktion des Gasdurchströmungselements 50:
- Der Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ferner mit den Gasdurchströmungselementen 50 versehen. Im Folgenden wird die Konstruktion jedes Gasdurchströmungselements 50 erläutert. 10 ist ein Schaubild, das schematisch die äußere Ansicht des Gasdurchströmungselements 50 zeigt.
A-3. Construction of the gas flow element 50 : - The fuel cell stack 100 according to the present embodiment is also with the gas flow elements 50 Mistake. The following is the construction of each gas flow element 50 explained. 10 Fig. 13 is a diagram schematically showing the external view of the gas flow member 50 shows.
Wie in 10 gezeigt, ist das Gasdurchströmungselement 50 ein längliches Bauelement, das sich im Ganzen in einer vorgegebenen Richtung (in Y-Achsenrichtung in der vorliegenden Ausführungsform) erstreckt, und besteht z. B. aus Metall. In 10 wird auf eine Darstellung der beiden Enden des Gasdurchströmungselements 50 in Erstreckungsrichtung verzichtet. Das Gasdurchströmungselement 50 wird hergestellt, indem ein Plattenmaterial derart gebogen wird, dass sein Querschnitt eine Wellenform aufweist. D.h., das Gasdurchströmungselement 50 ist derart ausgebildet, dass mehrere plattenförmige Abschnitte (nachstehend als „erste Abschnitte 51“ bezeichnet), die sich in einer Richtung (Richtung in der XZ-Ebene) orthogonal zur Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten Gasdurchströmungselements 50 erstrecken, und mehrere zweite plattenförmige Abschnitte 52, die jeweils die Enden von zwei der ersten Abschnitte 51, die nebeneinander angeordnet sind, verbinden, abwechselnd in Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten Gasdurchströmungselements 50 ausgerichtet sind. Da das Gasdurchströmungselement 50 diese Konstruktion aufweist, kann man sagen, dass das Gasdurchströmungselement 50 auf der Oberseite und der Unterseite mehrere Nuten CH aufweist, die sich in einer Richtung (X-Achsenrichtung in der vorliegenden Ausführungsform) orthogonal zur Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten Gasdurchströmungselements 50 erstrecken. Die Erstreckungsrichtung (Richtung in der XZ-Ebene) der ersten Abschnitte 51 ist nicht parallel zu der Richtung orthogonal zur Z-Achsenrichtung (Richtung in der XY-Ebene). Mit anderen Worten schneidet die Erstreckungsrichtung der ersten Abschnitte 51 die Richtung (Richtung in der XY-Ebene) orthogonal zur Z-Achsenrichtung. Die Richtung in der XY-Ebene entspricht der zweiten Richtung in den Patentansprüchen. In der vorliegenden Ausführungsform weist ferner der jeweilige zweite Abschnitt 52 eine Form einer flachen Platte auf, die sich in der Richtung (Richtung in der XY-Ebene) orthogonal zur Auf- und Abwärtsrichtung (Z-Achsenrichtung) erstreckt.As in 10 shown is the gas flow element 50 an elongated member which extends as a whole in a predetermined direction (in the Y-axis direction in the present embodiment), and consists of e.g. B. made of metal. In 10 is a representation of the two ends of the gas flow element 50 waived in the direction of extent. The gas flow element 50 is made by bending a plate material so that its cross section has a wave shape. That is, the gas flow element 50 is formed such that a plurality of plate-shaped portions (hereinafter referred to as “first portions 51”) extending in a direction (direction in the XZ plane) orthogonal to the extension direction (Y-axis direction) of the entire gas flow element 50 extend, and a plurality of second plate-shaped sections 52 each the ends of two of the first sections 51 , which are arranged side by side, connect alternately in the extension direction (Y-axis direction) of the entire gas flow element 50 are aligned. As the gas flow element 50 Having this construction, it can be said that the gas flow element 50 several grooves on the top and bottom CH which extends in a direction (X-axis direction in the present embodiment) orthogonal to the extending direction (Y-axis direction) of the entire gas flow element 50 extend. The direction of extension (direction in the XZ plane) of the first sections 51 is not parallel to the direction orthogonal to the Z-axis direction (direction in the XY plane). In other words, the direction of extent intersects the first sections 51 the direction (direction in the XY plane) orthogonal to the Z-axis direction. The direction in the XY plane corresponds to the second direction in the claims. In the present embodiment, the respective second section also has 52 has a shape of a flat plate extending in the direction (direction in the XY plane) orthogonal to the up and down direction (Z-axis direction).
Die Dicke t1 des Gasdurchströmungselements 50 beträgt etwa zwischen 0,05 mm und 0,2 mm, z. B. 0,1 mm. Die Höhe h1 (Größe in Z-Achsenrichtung) des Gasdurchströmungselements 50 beträgt etwa zwischen 0,4 mm und 1,0 mm, z. B. 0,7 mm. Die Tiefe d1 jeder im Gasdurchströmungselement 50 gebildeten Nut CH entspricht einer Differenz (h1-t1) zwischen der Höhe h1 und der Plattendicke t1 des Gasdurchströmungselements 50. Die Breite W1 (Größe in X-Achsenrichtung) des Gasdurchströmungselements 50 beträgt etwa zwischen 1 mm und 7 mm, z. B. 4 mm. Der Abstand 11 zwischen zwei benachbarten ersten Abschnitten 51 des Gasdurchströmungselements 50 beträgt etwa zwischen 5 mm und 15 mm, z. B. 10 mm.The thickness t1 of the gas flow element 50 is approximately between 0.05 mm and 0.2 mm, e.g. B. 0.1 mm. The height h1 (size in the Z-axis direction) of the gas flow element 50 is approximately between 0.4 mm and 1.0 mm, e.g. B. 0.7 mm. The depth d1 each in the gas flow element 50 formed groove CH corresponds to a difference (h1-t1) between the height h1 and the plate thickness t1 of the gas flow element 50 . The width W1 (size in the X-axis direction) of the gas flow element 50 is approximately between 1 mm and 7 mm, e.g. B. 4 mm. The distance 11 between two adjacent first sections 51 of the gas flow element 50 is approximately between 5 mm and 15 mm, e.g. B. 10 mm.
Wie in 5, 6 und 9 gezeigt, sind die Gasdurchströmungselemente 50 innerhalb der Brennstoffkammer 176 der Stromerzeugungseinheit 102 angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform sind jeweils zwei Gasdurchströmungselemente 50 (ein erstes Gasdurchströmungselement 50a und ein zweites Gasdurchströmungselement 50b) in der Brennstoffkammer 176 jeder Stromerzeugungseinheit 102 im Brennstoffzellenstapel 100 angeordnet.As in 5 , 6th and 9 shown are the gas flow elements 50 inside the fuel chamber 176 the power generation unit 102 arranged. In the present embodiment there are two gas flow elements 50 (a first gas flow element 50a and a second gas flow element 50b) in the fuel chamber 176 each power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 arranged.
Wie in 5 und 6 gezeigt, sind bei jeder Stromerzeugungseinheit 102 die zwei Gasdurchströmungselemente 50 an Positionen angeordnet, an denen sie sich von der Z-Achsenrichtung aus gesehen mit dem Separator 120 für eine Einzelzelle und dem Separator 180 für ICs überlappen. Konkret bedeutet das, die beiden Gasdurchströmungselemente 50 sind an Positionen angeordnet, an denen sie sich von der Z-Achsenrichtung aus gesehen mit den jeweiligen Verbindungsabschnitten 128, 188 des Separators 120 für eine Einzelzelle und des Separators 180 für ICs überlappen.As in 5 and 6th are shown at each power generation unit 102 the two gas flow elements 50 arranged at positions where they meet with the separator when viewed from the Z-axis direction 120 for a single cell and the separator 180 for ICs overlap. Specifically, this means the two gas flow elements 50 are arranged at positions where they meet with the respective connection portions as viewed from the Z-axis direction 128 , 188 of the separator 120 for a single cell and the separator 180 for ICs overlap.
Wie in 6 und 9 gezeigt, ist ferner das erste Gasdurchströmungselement 50a zwischen dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas und der Einzelzelle 110 bzw. dem Interkonnektor 190 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet, und das zweite Gasdurchströmungselement 50b ist zwischen dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas und der Einzelzelle 110 bzw. dem Interkonnektor 190 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet. Da es sich beim Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie oben erwähnten, um eine SOFC des Counter-Flow-Typs handelt, kann man auch sagen, dass das erste Gasdurchströmungselement 50a zwischen dem Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas und der Einzelzelle 110 bzw. dem Interkonnektor 190 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet ist und das zweite Gasdurchströmungselement 50b zwischen dem Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas und der Einzelzelle 110 bzw. dem Interkonnektor 190 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet ist (siehe 5).As in 6th and 9 Also shown is the first gas throughflow element 50a between the connecting channel 142 for introducing fuel gas and the single cell 110 or the interconnector 190 is arranged as viewed from the Z-axis direction, and the second gas flow member 50b is between the communication channel 143 for discharging fuel gas and the single cell 110 or the interconnector 190 arranged from the Z-axis direction. Since the fuel cell stack 100 According to the present embodiment, as mentioned above, is an SOFC of the counter-flow type, it can also be said that the first gas flow element 50a is between the connection channel 133 for discharging oxidizing gas and the single cell 110 or the interconnector 190 is arranged as seen from the Z-axis direction and the second gas flow element 50b between the connection channel 132 for introducing oxidizing gas and the single cell 110 or the interconnector 190 is arranged as seen from the Z-axis direction (see 5 ).
Wie in 9 gezeigt, ist in der vorliegenden Ausführungsform die Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten ersten Gasdurchströmungselements 50a parallel zur ersten Seite SI1, die dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas in der Einzelzelle 110 zugewandt ist. Die Länge L0 des ersten Gasdurchströmungselements 50a entlang der Richtung parallel zur ersten Seite SI1 (Y-Achsenrichtung) beträgt mindestens die Hälfte der Länge L1 der ersten Seite SI1. Konkret bedeutet das, die Länge L0 des ersten Gasdurchströmungselements 50a ist größer oder gleich der Länge L1 der ersten Seite SI1. Ebenfalls ist die Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten zweiten Gasdurchströmungselements 50b parallel zur zweiten Seite SI2, die dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas in der Einzelzelle 110 zugewandt ist. Die Länge L0 des zweiten Gasdurchströmungselements 50b entlang der Richtung parallel zur zweiten Seite SI2 (Y-Achsenrichtung) beträgt mindestens die Hälfte der Länge L1 der zweiten Seite SI2. Konkret bedeutet das, die Länge L0 des zweiten Gasdurchströmungselements 50b ist größer oder gleich der Länge L1 der zweiten Seite SI2.As in 9 As shown, in the present embodiment, the extending direction (Y-axis direction) of the entire first gas flow member 50a is parallel to the first side SI1 that the connection channel 142 for introducing fuel gas into the single cell 110 is facing. The length L0 of the first gas flow element 50a along the direction parallel to the first side SI1 (Y-axis direction) is at least half the length L1 of the first side SI1 . Specifically, this means that the length L0 of the first gas flow element 50a is greater than or equal to the length L1 of the first side SI1 . Likewise, the direction of extension (Y-axis direction) of the entire second gas flow element 50b is parallel to the second side SI2 that the connection channel 143 for discharging fuel gas in the single cell 110 is facing. The length L0 of the second gas flow element 50b along the direction parallel to the second side SI2 (Y-axis direction) is at least half the length L1 of the second side SI2 . Specifically, this means that the length L0 of the second gas flow element 50b is greater than or equal to the length L1 of the second side SI2 .
Wie oben erwähnt, weist jedes Gasdurchströmungselement 50 mehrere Nuten CH auf, die sich in X-Achsenrichtung erstrecken. Die Erstreckungsrichtung (X-Achsenrichtung) jeder Nut CH stimmt mit der Hauptströmungsrichtung des Brenngases FG in der Brennstoffkammer 176 überein. Mindestens ein Teil des Brenngases FG, das vom Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas durch den Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas hindurch in die Brennstoffkammer 176 eingeleitet wurde, gelangt durch jede Nut CH des ersten Gasdurchströmungselements 50a hindurch zu einer der Einzelzelle 110 (Anode 116) zugewandten Position und gelangt von der der Einzelzelle 110 zugewandten Position durch jede Nut CH des zweiten Gasdurchströmungselements 50b hindurch zu einer dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas zugewandten Position, und wird durch den Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas hindurch in den Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas abgeleitet. D.h., durch das Vorhandensein der Nuten CH kann verhindert werden, dass der Fluss des Brenngases FG in der Brennstoffkammer 176 behindert wird, selbst wenn die Gasdurchströmungselemente 50 in der Brennstoffkammer 176 angeordnet werden.As mentioned above, each gas flow element 50 several grooves CH which extend in the X-axis direction. The direction of extension (X-axis direction) of each groove CH agrees with the main flow direction of the fuel gas FG in the fuel chamber 176 match. At least part of the fuel gas FG that from the manifold 171 for introducing fuel gas through the connecting channel 142 for introducing fuel gas through into the fuel chamber 176 was initiated, passes through each groove CH of the first gas flow element 50a through to one of the individual cells 110 (Anode 116 ) facing position and comes from that of the single cell 110 facing position through each groove CH of the second gas flow element 50b through to one of the connecting channel 143 for diverting fuel gas facing position, and is through the connecting channel 143 for discharging fuel gas through into the manifold 172 derived for discharging fuel gas. That is, through the presence of the grooves CH can prevent the flow of fuel gas FG in the fuel chamber 176 is hindered even if the gas flow elements 50 in the fuel chamber 176 to be ordered.
In der vorliegenden Ausführungsform ist jedes Gasdurchströmungselement 50 nicht an einem weiteren Bauelement (Separator 180 für ICs bzw. Separator 120 für eine Einzelzelle) fixiert, sondern auf dem Separator 180 für ICs aufgelegt. Es ist jedoch auch möglich, dass jedes Gasdurchströmungselement 50 durch ein vorgegebenes Verfahren (z. B. Löten, Schweißen o. ä.) mit einem weiteren Bauelement verbunden und fixiert wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist ferner unter Berücksichtigung der Veränderung (Abnahme) der Höhe der Brennstoffkammer 176 während der Montage des Brennstoffzellenstapels 100, die Höhe h1 jedes Gasdurchströmungselements 50 geringer als die Konstruktionshöhe der Brennstoffkammer 176 eingestellt. Daher steht keines der Gasdurchströmungselemente 50, die auf dem Separator 180 für ICs aufgelegt sind, in Kontakt mit dem Separator 120 für eine Einzelzelle.In the present embodiment, each is a gas flow element 50 not on another component (separator 180 for ICs or separators 120 for a single cell), but on the separator 180 for ICs. However, it is also possible that each gas flow element 50 is connected and fixed to another component by a specified process (e.g. soldering, welding, etc.). In the present embodiment, further considering the change (decrease) in the height of the fuel chamber 176 during assembly of the fuel cell stack 100 , the height h1 of each gas flow element 50 less than the structural height of the fuel chamber 176 set. Therefore none of the gas flow elements is standing 50 that are on the separator 180 for ICs are placed in contact with the separator 120 for a single cell.
A-4. Vorteile der vorliegenden Ausführungsform:
- Wie oben erläutert, ist der Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit den Stromerzeugungseinheiten 102 versehen, die in Z-Achsenrichtung nebeneinander angeordnet sind. Jede Stromerzeugungseinheit 102 weist die Einzelzelle 110 und den Separator 120 für eine Einzelzelle auf. Jede Einzelzelle 110 umfasst die Elektrolytschicht 112, die Kathode 114, die oberhalb der Elektrolytschicht 112 angeordnet ist, und die Anode 116, die unterhalb der Elektrolytschicht 112 angeordnet ist. Jeder Separator 120 für eine Einzelzelle weist die Durchgangsbohrung 121 auf, wobei der die Durchgangsbohrung 121 umgebende Abschnitt mit dem Randbereich der Einzelzelle 110 verbunden ist, um die Luftkammer 166, die der Kathode 114 zugewandt ist, und die Brennstoffkammer 176, die der Anode 116 zugewandt ist, voneinander abzutrennen. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist ferner die folgenden Bauelemente auf:
- - den Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas, der ein Gas in die Brennstoffkammer 176 jeder Stromerzeugungseinheit 102 einleitet;
- - den Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas, der ein Gas von der Brennstoffkammer 176 jeder Stromerzeugungseinheit 102 ableitet;
- - den Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas, der den Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas mit der Brennstoffkammer 176 jeder Stromerzeugungseinheit 102 verbindet; und
- - den Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas, der den Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas mit der Brennstoffkammer 176 jeder Stromerzeugungseinheit 102 verbindet.
A-4. Advantages of the present embodiment: - As explained above, the fuel cell stack is 100 according to the present embodiment with the power generation units 102 which are arranged side by side in the Z-axis direction. Any power generation unit 102 indicates the single cell 110 and the separator 120 for a single cell. Every single cell 110 includes the electrolyte layer 112 who have favourited cathode 114 that is above the electrolyte layer 112 is arranged, and the anode 116 that is below the electrolyte layer 112 is arranged. Any separator 120 for a single cell, the through hole has 121 on, which is the through hole 121 surrounding section with the edge area of the single cell 110 connected to the air chamber 166 that the cathode 114 facing, and the fuel chamber 176 who have favourited the anode 116 facing to separate from each other. The fuel cell stack 100 also has the following components:
- - the manifold 171 for introducing fuel gas, which is a gas into the fuel chamber 176 each power generation unit 102 initiates;
- - the manifold 172 for discharging fuel gas, which is a gas from the fuel chamber 176 each power generation unit 102 derives;
- - the connection channel 142 for introducing fuel gas into the manifold 171 for introducing fuel gas with the fuel chamber 176 each power generation unit 102 connects; and
- - the connection channel 143 for discharging fuel gas from the manifold 172 for discharging fuel gas with the fuel chamber 176 each power generation unit 102 connects.
Außerdem ist jede Stromerzeugungseinheit 102 mit den Gasdurchströmungselementen 50 versehen. Jedes Gasdurchströmungselement 50 weist die Nuten CH auf, durch die Gas strömt. Die Gasdurchströmungselemente 50 sind zwischen der Einzelzelle 110 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen derart angeordnet, dass sie sich mit dem Separator 120 für eine Einzelzelle überlappen.Besides, every power generating unit is 102 with the gas flow elements 50 Mistake. Any gas flow element 50 shows the grooves CH through which gas flows. The gas flow elements 50 are between the single cell 110 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas in the fuel chamber 176 arranged so as to coincide with the separator as viewed from the Z-axis direction 120 overlap for a single cell.
Hier entsteht bei jeder Stromerzeugungseinheit 102 eine Differenz zwischen dem Gasdruck in der Brennstoffkammer 176 und dem Gasdruck in der Luftkammer 166 während des Stromerzeugungsbetriebs des Brennstoffzellenstapels 100. Konkret ist der Gasdruck in der Luftkammer 166 höher als der Gasdruck in der Brennstoffkammer 176. Es besteht daher die Gefahr, dass aufgrund der Gasdruckdifferenz zwischen der Brennstoffkammer 176 und der Luftkammer 166 eine mechanische Spannung am Separator 120 für eine Einzelzelle, der die Brennstoffkammer 176 und die Luftkammer 166 voneinander abtrennt, entsteht und ein Abschnitt des Separators 120 für eine Einzelzelle, der nicht von der Einzelzelle 110 oder anderen Bauelementen abgestützt ist, verformt wird (verformt, so dass sich die Höhe der Brennstoffkammer 176 verringert). Des Weiteren kann ein Abschnitt des Separators 120 für eine Einzelzelle, der sich zwischen der Einzelzelle 110 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas von der Z-Achsenrichtung aus gesehen befindet, die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 100 negativ beeinflussen kann, da der Gasfluss zwischen der Brennstoffkammer 176 und dem Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas behindert wird, falls die oben erwähnte Verformung auftritt.This is where every power generation unit occurs 102 a difference between the gas pressure in the fuel chamber 176 and the gas pressure in the air chamber 166 during power generation operation of the fuel cell stack 100 . The gas pressure in the air chamber is concrete 166 higher than the gas pressure in the fuel chamber 176 . There is therefore a risk that due to the gas pressure difference between the fuel chamber 176 and the air chamber 166 mechanical tension on the separator 120 for a single cell that is the fuel chamber 176 and the air chamber 166 separates from each other, arises and a section of the separator 120 for a single cell that is not different from the single cell 110 or other structural elements is supported, is deformed (deformed so that the height of the fuel chamber 176 decreased). Furthermore, a section of the separator 120 for a single cell that is between the single cell 110 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas from the Z-axis direction is the performance of the fuel cell stack 100 can negatively affect the gas flow between the fuel chamber 176 and the manifold 171 for introducing fuel gas or the manifold 172 for discharging fuel gas is hindered if the above-mentioned deformation occurs.
Wie oben erwähnt, ist jedoch der Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit den Gasdurchströmungselementen 50 versehen, die jeweils zwischen der Einzelzelle 110 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen derart angeordnet sind, dass sie sich mit dem Separator 120 für eine Einzelzelle überlappen. Durch das Vorhandensein der Gasdurchströmungselemente 50 kann daher im Vergleich zu einer Ausführungsform, in der kein Gasdurchströmungselement 50 angeordnet ist, die oben erwähnte Verformung des ersten Separators 120 für eine Einzelzelle an einer Position zwischen der Einzelzelle 110 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas von der Z-Achsenrichtung aus gesehen verhindert werden. Somit kann verhindert werden, dass der Gasfluss zwischen der Brennstoffkammer 176 und dem Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas durch eine Verformung des Separators 120 für eine Einzelzelle behindert wird, so dass verhindert werden kann, dass sich die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 100 verschlechtert.As mentioned above, however, is the fuel cell stack 100 according to the present embodiment with the gas flow elements 50 provided, each between the single cell 110 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas in the fuel chamber 176 when viewed from the Z-axis direction are arranged so as to coincide with the separator 120 overlap for a single cell. By the presence of the gas flow elements 50 can therefore compared to an embodiment in which no gas flow element 50 is arranged, the above-mentioned deformation of the first separator 120 for a single cell at a position between the single cell 110 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas viewed from the Z-axis direction can be prevented. Thus, the gas flow between the fuel chamber can be prevented 176 and the manifold 171 for introducing fuel gas or the manifold 172 for discharging fuel gas by deforming the separator 120 for a single cell is hindered, so that the performance of the fuel cell stack can be prevented 100 worsened.
Da das Gasdurchströmungselement 50 die Nuten CH aufweist, durch die Gas strömt, kann außerdem verhindert werden, dass der Gasfluss in der Brennstoffkammer 176 durch das Vorhandensein des Gasdurchströmungselements 50 behindert wird, selbst wenn das Gasdurchströmungselement 50 zwischen der Einzelzelle 110 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet ist.As the gas flow element 50 the grooves CH through which gas flows, the gas flow in the fuel chamber can also be prevented 176 by the presence of the gas flow element 50 is hindered even if the gas flow element 50 between the single cell 110 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas in the fuel chamber 176 is arranged as viewed from the Z-axis direction.
Aus den o. a. Gründen kann gemäß dem Brennstoffzellenstapel 100 der vorliegenden Ausführungsform verhindert werden, dass der Gasfluss in der Brennstoffkammer 176 behindert wird, während gleichzeitig verhindert werden kann, dass sich die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 100 durch eine Verformung des Separators 120 für eine Einzelzelle verschlechtert.For the reasons mentioned above, according to the fuel cell stack 100 The present embodiment prevents the flow of gas in the fuel chamber 176 is hindered while at the same time the performance of the fuel cell stack can be prevented 100 by deformation of the separator 120 deteriorated for a single cell.
Da in der vorliegenden Ausführungsform alle im Brennstoffzellenstapel 100 enthaltenen Stromerzeugungseinheiten 102 mit den Gasdurchströmungselementen 50 versehen sind, kann verhindert werden, dass aufgrund einer Verformung des Separators 120 für eine Einzelzelle einer Stromerzeugungseinheit 102 ein Unterschied im Druckverlust in Strömungskanälen für das Brenngas FG bei jeder Stromerzeugungseinheit 102 entsteht und aufgrund des Unterschieds im Druckverlust ein Unterschied in der Zufuhrmenge des Brenngases FG bei jeder Stromerzeugungseinheit 102 entsteht. Folglich kann verhindert werden, dass sich die Leistungsfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenstapels 100 verschlechtert.As in the present embodiment, all in the fuel cell stack 100 included power generation units 102 with the gas flow elements 50 are provided, it can be prevented that due to deformation of the separator 120 for a single cell of a power generation unit 102 a difference in pressure loss in flow channels for the fuel gas FG at each power generation unit 102 arises and, due to the difference in pressure loss, a difference in the supply amount of the fuel gas FG at each power generation unit 102 arises. As a result, the performance of the entire fuel cell stack can be prevented from deteriorating 100 worsened.
Beim Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist jede Stromerzeugungseinheit 102 ferner den Interkonnektor 190 und die Separatoren 180 für ICs auf. Der Interkonnektor 190 ist ein elektrisch leitfähiges Bauelement, das unterhalb der Einzelzelle 110 entlang der Brennstoffkammer 176 angeordnet ist und elektrisch mit der Anode 116 verbunden ist. Jeder Separator 180 für ICs weist die Durchgangsbohrung 181 auf, wobei der die Durchgangsbohrung 181 umgebende Abschnitt mit dem Randbereich des Interkonnektors 190 verbunden ist, um die Brennstoffkammer 176 und die Luftkammer 166 einer weiteren Stromerzeugungseinheit 102 voneinander abzutrennen. Des Weiteren sind die Gasdurchströmungselemente 50 zwischen dem Interkonnektor 190 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen derart angeordnet, dass sie sich mit dem Separator 180 für ICs überlappen.With the fuel cell stack 100 According to the present embodiment, each power generation unit has 102 also the interconnector 190 and the separators 180 for ICs. The interconnector 190 is an electrically conductive component that is located below the single cell 110 along the fuel chamber 176 is arranged and electrically connected to the anode 116 connected is. Any separator 180 for ICs the through hole has 181 on, which is the through hole 181 surrounding section with the edge area of the interconnector 190 connected to the fuel chamber 176 and the air chamber 166 another power generation unit 102 separate from each other. Furthermore, the gas flow elements are 50 between the Interconnector 190 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas in the fuel chamber 176 arranged so as to coincide with the separator as viewed from the Z-axis direction 180 for ICs overlap.
Wie oben erwähnt, entsteht während des Stromerzeugungsbetriebs des Brennstoffzellenstapels 100 bei jeder Stromerzeugungseinheit 102 eine Differenz zwischen dem Gasdruck in der Brennstoffkammer 176 und dem Gasdruck in der Luftkammer 166. Daher entsteht auch eine Differenz zwischen dem Gasdruck in der Brennstoffkammer 176 einer Stromerzeugungseinheit 102 und dem Gasdruck in der Luftkammer 166 einer zu der Stromerzeugungseinheit 102 benachbarten weiteren Stromerzeugungseinheit 102. Konkret ist der Gasdruck in der Luftkammer 166 der weiteren Stromerzeugungseinheit 102 höher als der Gasdruck in der Brennstoffkammer 176 der einen Stromerzeugungseinheit 102. Es besteht daher die Gefahr, dass aufgrund der Gasdruckdifferenz zwischen der Brennstoffkammer 176 und der Luftkammer 166 eine mechanische Spannung am Separator 180 für ICs, der die Brennstoffkammer 176 der einen Stromerzeugungseinheit 102 und die Luftkammer 166 der weiteren Stromerzeugungseinheit 102 voneinander abtrennt, entsteht und ein Abschnitt des Separators 180 für ICs, der nicht von dem Interkonnektor 190 oder anderen Bauelementen abgestützt ist, verformt wird (verformt, so dass sich die Höhe der Brennstoffkammer 176 verringert). Des Weiteren kann ein Abschnitt des Separators 180 für ICs, der sich zwischen dem Interkonnektor 190 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas von der Z-Achsenrichtung aus gesehen befindet, die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 100 negativ beeinflussen kann, da der Gasfluss zwischen der Brennstoffkammer 176 und dem Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas behindert wird, falls die oben erwähnte Verformung auftritt.As mentioned above, occurs during the power generation operation of the fuel cell stack 100 at each power generation unit 102 a difference between the gas pressure in the fuel chamber 176 and the gas pressure in the air chamber 166 . Therefore, there is also a difference between the gas pressure in the fuel chamber 176 a power generation unit 102 and the gas pressure in the air chamber 166 one to the power generation unit 102 neighboring further power generation unit 102 . The gas pressure in the air chamber is concrete 166 the further power generation unit 102 higher than the gas pressure in the fuel chamber 176 the one power generation unit 102 . There is therefore a risk that due to the gas pressure difference between the fuel chamber 176 and the air chamber 166 mechanical tension on the separator 180 for ICs, which is the fuel chamber 176 the one power generation unit 102 and the air chamber 166 the further power generation unit 102 separates from each other, arises and a section of the separator 180 for ICs that are not connected to the interconnector 190 or other structural elements is supported, is deformed (deformed so that the height of the fuel chamber 176 decreased). Furthermore, a section of the separator 180 for ICs that are between the interconnector 190 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas from the Z-axis direction is the performance of the fuel cell stack 100 can negatively affect the gas flow between the fuel chamber 176 and the manifold 171 for introducing fuel gas or the manifold 172 for discharging fuel gas is hindered if the above-mentioned deformation occurs.
Wie oben erwähnt, sind jedoch beim Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Gasdurchströmungselemente 50 zwischen dem Interkonnektor 190 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen derart angeordnet, dass sie sich mit dem Separator 180 für ICs überlappen. Durch das Vorhandensein der Gasdurchströmungselemente 50 kann daher im Vergleich zu einer Ausführungsform, in der kein Gasdurchströmungselement 50 angeordnet ist, die oben erwähnte Verformung des Separators 180 für ICs an Positionen zwischen dem Interkonnektor 190 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas von der Z-Achsenrichtung aus gesehen verhindert werden. Somit kann verhindert werden, dass der Gasfluss zwischen der Brennstoffkammer 176 und dem Manifold 171 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Manifold 172 zum Ableiten von Brenngas durch eine Verformung des Separators 180 für ICs behindert wird, so dass verhindert werden kann, dass sich die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 100 verschlechtert.As mentioned above, however, are with the fuel cell stack 100 according to the present embodiment, the gas flow elements 50 between the interconnector 190 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas in the fuel chamber 176 arranged so as to coincide with the separator as viewed from the Z-axis direction 180 for ICs overlap. By the presence of the gas flow elements 50 can therefore compared to an embodiment in which no gas flow element 50 is arranged, the above-mentioned deformation of the separator 180 for ICs at positions between the interconnector 190 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas viewed from the Z-axis direction can be prevented. Thus, the gas flow between the fuel chamber can be prevented 176 and the manifold 171 for introducing fuel gas or the manifold 172 for discharging fuel gas by deforming the separator 180 for ICs is hindered, so that the performance of the fuel cell stack can be prevented 100 worsened.
Beim Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst jedes Gasdurchströmungselement 50 die ersten plattenförmigen Abschnitte 51, die sich in der Richtung erstrecken, die die Richtung (Richtung in der XY-Ebene) orthogonal zur Z-Achsenrichtung schneidet. Gemäß dem Brennstoffzellenstapel 100 der vorliegenden Ausführungsform fungieren daher die ersten Abschnitte 51 des Gasdurchströmungselements 50 als Streben, die den Separator 120 für eine Einzelzelle abstützen, der die Tendenz hat, in Z-Achsenrichtung zu verformen, wodurch effektiv verhindert werden kann, dass der Separator 120 für eine Einzelzelle in Z-Achsenrichtung verformt wird. Somit kann effektiv verhindert werden, dass sich die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 100 durch eine Verformung des Separators 120 für eine Einzelzelle verschlechtert.With the fuel cell stack 100 according to the present embodiment each comprises gas flow element 50 the first plate-shaped sections 51 extending in the direction intersecting the direction (direction in the XY plane) orthogonal to the Z-axis direction. According to the fuel cell stack 100 In the present embodiment, therefore, the first sections function 51 of the gas flow element 50 as struts that hold the separator 120 for a single cell which tends to deform in the Z-axis direction, which can effectively prevent the separator from breaking 120 is deformed in the Z-axis direction for a single cell. Thus, the performance of the fuel cell stack can be effectively prevented from deteriorating 100 by deformation of the separator 120 deteriorated for a single cell.
Beim Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Gasdurchströmungselement 50 ferner den zweiten plattenförmigen Abschnitt 52, der die Enden von zwei der ersten Abschnitte 51, die nebeneinander angeordnet sind, verbindet. Gemäß dem Brennstoffzellenstapel 100 der vorliegenden Ausführungsform kann daher das Gasdurchströmungselement 50 dazu ausgebildet werden, zu verhindern, dass der Gasfluss in der Brennstoffkammer 176 behindert wird, während es gleichzeitig eine relativ einfache und leicht herstellbare Konstruktion aufweist.With the fuel cell stack 100 According to the present embodiment, the gas flow element comprises 50 furthermore the second plate-shaped section 52 holding the ends of two of the first sections 51 , which are arranged side by side, connects. According to the Fuel cell stack 100 of the present embodiment, therefore, the gas flow element 50 be designed to prevent gas flow in the fuel chamber 176 is hindered, while at the same time it has a relatively simple and easily manufactured construction.
Beim Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beträgt ferner die Länge (Gesamtlänge) des Gasdurchströmungselements 50 (erstes Gasdurchströmungselement 50a) entlang der Richtung parallel zur ersten Seite SI1, die dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas an der Einzelzelle 110 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen zugewandt ist, mindestens die Hälfte der Länge der ersten Seite SI1. Ebenfalls beträgt die Länge (Gesamtlänge) des Gasdurchströmungselements 50 (zweites Gasdurchströmungselement 50b) entlang der Richtung parallel zur zweiten Seite SI2, die dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas an der Einzelzelle 110 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen zugewandt ist, mindestens die Hälfte der Länge der zweiten Seite SI2. Gemäß dem Brennstoffzellenstapel 100 der vorliegenden Ausführungsform kann daher das Gasdurchströmungselement 50 ausreichend lang sein, so dass durch das Vorhandensein des Gasdurchströmungselements 50 effektiv verhindert werden kann, dass der Separator 120 für eine Einzelzelle entlang eines großen Bereichs in Z-Achsenrichtung verformt wird. Somit kann effektiv verhindert werden, dass sich die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 100 durch eine Verformung des Separators 120 für eine Einzelzelle verschlechtert.With the fuel cell stack 100 according to the present embodiment, the length (total length) of the gas flow element is furthermore 50 (first gas flow element 50a) along the direction parallel to the first side SI1 that the connection channel 142 for introducing fuel gas into the single cell 110 facing from the Z-axis direction is at least half the length of the first side SI1 . The length (total length) of the gas through-flow element is also equal to 50 (second gas flow element 50b) along the direction parallel to the second side SI2 that the connection channel 143 for discharging fuel gas from the single cell 110 facing from the Z-axis direction is at least half the length of the second side SI2 . According to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, therefore, the gas flow element 50 be sufficiently long so that by the presence of the gas flow element 50 can effectively prevent the separator 120 for a single cell is deformed along a large area in the Z-axis direction. Thus, the performance of the fuel cell stack can be effectively prevented from deteriorating 100 by deformation of the separator 120 deteriorated for a single cell.
Der Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist ferner die folgenden Bauelemente auf:
- - den Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas, der ein Gas in die Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 einleitet;
- - den Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas, der ein Gas von der Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 ableitet;
- - den Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas, der den Manifold 161 zum Einleiten von Oxidationsgas mit der Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 verbindet; und
- - den Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas, der den Manifold 162 zum Ableiten von Oxidationsgas mit der Luftkammer 166 jeder Stromerzeugungseinheit 102 verbindet.
The fuel cell stack 100 according to the present embodiment also has the following components: - - the manifold 161 for introducing oxidizing gas, which is a gas into the air chamber 166 each power generation unit 102 initiates;
- - the manifold 162 for evacuating oxidizing gas, which is a gas from the air chamber 166 each power generation unit 102 derives;
- - the connection channel 132 for introducing oxidizing gas into the manifold 161 for introducing oxidizing gas with the air chamber 166 each power generation unit 102 connects; and
- - the connection channel 133 for discharging oxidizing gas from the manifold 162 for discharging oxidizing gas with the air chamber 166 each power generation unit 102 connects.
Der Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas und der Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas sind von der Z-Achsenrichtung aus gesehen derart angeordnet, dass sie der ersten Seite SI1 der Einzelzelle 110 zugewandt sind, während der Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas und der Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas derart angeordnet sind, dass sie der zweiten Seite SI2 zugewandt sind, die der ersten Seite SI1 der Einzelzelle 110 entlang des Mittelpunkts der Einzelzelle 110 gegenüberliegt. Des Weiteren ist das Gasdurchströmungselement 50 zwischen der Einzelzelle 110 und dem Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas bzw. dem Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet.The connecting channel 142 for introducing fuel gas and the connecting channel 133 for exhausting oxidizing gas are arranged so as to face the first side as viewed from the Z-axis direction SI1 the single cell 110 are facing while the connecting channel 143 for discharging fuel gas and the connecting duct 132 for introducing oxidizing gas are arranged such that they are the second side SI2 facing those of the first page SI1 the single cell 110 along the center of the single cell 110 opposite. Furthermore, the gas flow element is 50 between the single cell 110 and the connection channel 132 for introducing oxidizing gas or the connecting channel 133 for discharging oxidizing gas in the fuel chamber 176 arranged from the Z-axis direction.
Hier kann bei jeder Stromerzeugungseinheit 102 der Abschnitt des Separators 120 für eine Einzelzelle, der sich zwischen der Einzelzelle 110 und dem Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas bzw. dem Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas von der Z-Achsenrichtung aus gesehen befindet, leicht in der Z-Achsenrichtung verformt werden, weil er einem Bereich zugewandt ist, in dem der Druck in der Luftkammer 166 lokal hoch ist. Wie oben erwähnt, ist beim Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Gasdurchströmungselement 50 zwischen der Einzelzelle 110 und dem Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas bzw. dem Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet. Gemäß dem Brennstoffzellenstapel 100 der vorliegenden Ausführungsform kann daher durch das Vorhandensein des Gasdurchströmungselements 50 verhindert werden, dass der oben erwähnte Abschnitt des Separators 120 für eine Einzelzelle, der sich leicht verformen kann, in Z-Achsenrichtung verformt wird. Somit kann effektiv verhindert werden, dass sich die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 100 durch eine Verformung des Separators 120 für eine Einzelzelle verschlechtert.This can be done with every power generation unit 102 the section of the separator 120 for a single cell that is between the single cell 110 and the connection channel 132 for introducing oxidizing gas or the connecting channel 133 for discharging oxidizing gas when viewed from the Z-axis direction is easily deformed in the Z-axis direction because it faces a region where the pressure in the air chamber 166 is locally high. As mentioned above, is with the fuel cell stack 100 according to the present embodiment, the gas flow element 50 between the single cell 110 and the connection channel 132 for introducing oxidizing gas or the connecting channel 133 for discharging oxidizing gas in the fuel chamber 176 arranged from the Z-axis direction. According to the fuel cell stack 100 of the present embodiment can therefore by the presence of the gas flow element 50 prevented the above-mentioned portion of the separator 120 for a single cell that can easily deform is deformed in the Z-axis direction. Thus, the performance of the fuel cell stack can be effectively prevented from deteriorating 100 by deformation of the separator 120 deteriorated for a single cell.
B. Alternative Beispiele:
- Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik ist nicht auf die oben erwähnte Ausführungsform beschränkt, sondern kann in vielfacher Form modifiziert werden, solange nicht vom Rahmen des Grundgedankens der Erfindung abgewichen wird. Z. B. sind auch die folgenden Varianten möglich.
B. Alternative examples: - The technique disclosed in the present specification is not limited to the above-mentioned embodiment, but can be modified in various ways as long as the scope of the gist of the invention is not departed from. For example, the following variants are also possible.
Die Konstruktionen des Brennstoffzellenstapels 100 und der jeweiligen Bestandteile des Brennstoffzellenstapels 100 in der oben erwähnten Ausführungsform dienen lediglich als Beispiele und können vielfältig modifiziert werden. In der oben erwähnten Ausführungsform sind z. B. die zwei Gasdurchströmungselemente 50 an den Positionen angeordnet, an denen sie sich von der Z-Achsenrichtung aus gesehen mit den jeweiligen Verbindungsabschnitten 128, 188 des Separators 120 für eine Einzelzelle und des Separators 180 für ICs überlappen. Die beiden Gasdurchströmungselemente 50 können jedoch auch an Positionen angeordnet sein, an denen sie sich von der Z-Achsenrichtung aus gesehen mit anderen Abschnitten als den jeweiligen Verbindungsabschnitten 128, 188 des Separators 120 für eine Einzelzelle und des Separators 180 für ICs überlappen. In der oben erwähnten Ausführungsform weisen ferner der Separator 120 für eine Einzelzelle und der Separator 180 für ICs die Verbindungsabschnitte 128, 188 auf. Der Separator 120 für eine Einzelzelle und der Separator 180 für ICs müssen jedoch nicht die Verbindungsabschnitte 128, 188 aufweisen.The constructions of the fuel cell stack 100 and the respective components of the fuel cell stack 100 in the above-mentioned embodiment serve only as examples and can be variously modified. In the above-mentioned embodiment, e.g. B. the two gas flow elements 50 are arranged at the positions where they meet with the respective connecting portions as viewed from the Z-axis direction 128 , 188 of the separator 120 for a single cell and the separator 180 for ICs overlap. The two gas flow elements 50 however, they may also be arranged at positions where they interfere with portions other than the respective connection portions as viewed from the Z-axis direction 128 , 188 of the separator 120 for a single cell and the separator 180 for ICs overlap. In the above-mentioned embodiment, furthermore, the separator 120 for a single cell and the separator 180 for ICs the connection sections 128 , 188 on. The separator 120 for a single cell and the separator 180 however, the connection sections do not have to be used for ICs 128 , 188 exhibit.
In der oben erwähnten Ausführungsform ist ferner ein Gasdurchströmungselement 50 (erstes Gasdurchströmungselement 50a) zwischen dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas und der Einzelzelle 110 in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet. Es können jedoch auch mehrere Gasdurchströmungselemente 50 an dieser Position angeordnet sein. Ebenfalls ist in der oben erwähnten Ausführungsform ein Gasdurchströmungselement 50 (zweites Gasdurchströmungselement 50b) zwischen dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas und der Einzelzelle 110 in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet. Es können jedoch auch mehrere Gasdurchströmungselemente 50 an dieser Position angeordnet sein.In the above-mentioned embodiment, there is also a gas flow element 50 (first gas flow element 50a) between the connecting channel 142 for introducing fuel gas and the single cell 110 in the fuel chamber 176 arranged from the Z-axis direction. However, several gas flow elements can also be used 50 at this position be arranged. Also in the embodiment mentioned above is a gas flow element 50 (second gas flow element 50b) between the connecting channel 143 for discharging fuel gas and the single cell 110 in the fuel chamber 176 arranged from the Z-axis direction. However, several gas flow elements can also be used 50 be arranged at this position.
In der vorliegenden Ausführungsform beträgt ferner die Länge des Gasdurchströmungselements 50 (erstes Gasdurchströmungselement 50a) entlang der Richtung parallel zur ersten Seite SI1, die dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas in der Einzelzelle 110 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen zugewandt ist, mindestens die Hälfte der Länge der ersten Seite SI1, während die Länge des Gasdurchströmungselements 50 (zweites Gasdurchströmungselement 50b) entlang der Richtung parallel zur zweiten Seite SI2, die dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas in der Einzelzelle 110 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen zugewandt ist, mindestens die Hälfte der Länge der zweiten Seite SI2 beträgt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Länge des ersten Gasdurchströmungselements 50a und/oder des zweiten Gasdurchströmungselements 50b kleiner ist.In the present embodiment, the length of the gas flow element is also 50 (first gas flow element 50a) along the direction parallel to the first side SI1 that the connection channel 142 for introducing fuel gas into the single cell 110 facing from the Z-axis direction is at least half the length of the first side SI1 while the length of the gas flow element 50 (second gas flow element 50b) along the direction parallel to the second side SI2 that the connection channel 143 for discharging fuel gas in the single cell 110 facing from the Z-axis direction is at least half the length of the second side SI2 amounts to. However, it is also possible for the length of the first gas throughflow element 50a and / or of the second gas throughflow element 50b to be smaller.
In der oben erwähnten Ausführungsform ist ferner das Gasdurchströmungselement 50 zwischen der Einzelzelle 110 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, dass das Gasdurchströmungselement 50 zwischen der Einzelzelle 110 und entweder dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas oder dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen angeordnet ist.In the above-mentioned embodiment, there is also the gas flow-through element 50 between the single cell 110 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas in the fuel chamber 176 arranged from the Z-axis direction. However, it is also possible that the gas flow element 50 between the single cell 110 and either the connecting channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas in the fuel chamber 176 is arranged as viewed from the Z-axis direction.
In der oben erwähnten Ausführungsform sind ferner alle im Brennstoffzellenstapel 100 enthaltenen Stromerzeugungseinheiten 102 mit dem Gasdurchströmungselement 50 versehen. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, dass alle im Brennstoffzellenstapel 100 enthaltenen Stromerzeugungseinheiten 102 mit dem Gasdurchströmungselement 50 versehen sind, sondern es ist ausreichend, wenn mindestens eine der Stromerzeugungseinheiten 102 mit dem Gasdurchströmungselement 50 versehen ist. Die mit dem Gasdurchströmungselement 50 versehene Stromerzeugungseinheit 102 entspricht der bestimmten elektrochemischen Reaktionseinheit in den Patentansprüchen.Further, in the above-mentioned embodiment, they are all in the fuel cell stack 100 included power generation units 102 with the gas flow element 50 Mistake. However, it is not absolutely necessary that they all be in the fuel cell stack 100 included power generation units 102 with the gas flow element 50 are provided, but it is sufficient if at least one of the power generation units 102 with the gas flow element 50 is provided. The one with the gas flow element 50 provided power generation unit 102 corresponds to the specific electrochemical reaction unit in the claims.
In der oben erwähnten Ausführungsform ist das Gasdurchströmungselement 50 zwischen dem Interkonnektor 190 und dem Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas bzw. dem Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas in der Brennstoffkammer 176 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen derart angeordnet, dass es sich mit dem Separator 180 für ICs überlappt. Es muss jedoch nicht unbedingt auf diese Weise ausgebildet sein. Es ist ferner nicht notwendig, dass der Brennstoffzellenstapel 100 mit dem Separator 180 für ICs versehen ist. Der Interkonnektor 190 kann sich auch bis zum Randbereich des Brennstoffzellenstapels 100 (d.h. ein Abschnitt, der sich mit dem kathodenseitigen Rahmen 130 oder dem anodenseitigen Rahmen 140 von der Z-Achsenrichtung aus gesehen überlappt) erstrecken.In the embodiment mentioned above, the gas flow element is 50 between the interconnector 190 and the connection channel 142 for introducing fuel gas or the connecting duct 143 for discharging fuel gas in the fuel chamber 176 arranged so as to coincide with the separator as viewed from the Z-axis direction 180 for ICs overlapped. However, it does not necessarily have to be designed in this way. It is also not necessary that the fuel cell stack 100 with the separator 180 for ICs is provided. The interconnector 190 can also extend to the edge of the fuel cell stack 100 (ie a section that communicates with the cathode-side frame 130 or the frame on the anode side 140 overlapped when viewed from the Z-axis direction).
In der oben erwähnten Ausführungsform wird ferner das Gasdurchströmungselement 50 hergestellt, indem ein Plattenmaterial derart gebogen wird, dass sein Querschnitt eine Wellenform aufweist, wobei das Gasdurchströmungselement 50 die Konstruktion aufweist, bei der die ersten plattenförmigen Abschnitte 51, die sich in einer Richtung (Richtung in der XZ-Ebene) orthogonal zu der Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten Gasdurchströmungselements 50 erstrecken, und die zweiten plattenförmigen Abschnitte 52, die jeweils die Enden von zwei der ersten Abschnitte 51, die nebeneinander angeordnet sind, verbinden, abwechselnd in Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten Gasdurchströmungselements 50 ausgerichtet sind. Die Konstruktion des Gasdurchströmungselements 50 kann jedoch vielfältig modifiziert werden. Beispielsweise ist die Erstreckungsrichtung der ersten Abschnitte 51 nicht auf die Richtung in der XZ-Ebene beschränkt, sondern kann jede andere Richtung sein, solange es sich um eine Richtung handelt, die die Richtung orthogonal zur Z-Achsenrichtung (Richtung in der XY-Ebene) schneidet (mit anderen Worten, eine Richtung, die nicht parallel zur Richtung in der XY-Ebene ist). Des Weiteren kann, wie ein alternatives Beispiel in 11A zeigt, die Anzahl der zweiten Abschnitte 52, die das Gasdurchströmungselement 50 aufweist, auch eins betragen. D.h., das Gasdurchströmungselement 50 kann einen zweiten Abschnitt 52 und mehrere erste Abschnitte 51 aufweisen, die sich vom zweiten Abschnitt 52 zu einer Seite (z. B. einer Unterseite) hin erstrecken.In the above-mentioned embodiment, the gas flow element is also used 50 produced by a plate material is bent in such a way that its cross section has a wave shape, wherein the gas flow element 50 has the construction in which the first plate-shaped portions 51 extending in a direction (direction in the XZ plane) orthogonal to the extending direction (Y-axis direction) of the entire gas flow element 50 extend, and the second plate-shaped portions 52 each the ends of two of the first sections 51 , which are arranged side by side, connect alternately in the extension direction (Y-axis direction) of the entire gas flow element 50 are aligned. The construction of the gas flow element 50 however, it can be modified in many ways. For example, the direction of extension of the first sections 51 not limited to the direction in the XZ plane, but may be any other direction as long as it is a direction that intersects the direction orthogonal to the Z-axis direction (direction in the XY plane) (in other words, a direction that is not parallel to the direction in the XY plane). Furthermore, as an alternative example in 11A shows the number of second sections 52 that is the gas flow element 50 has, also be one. That is, the gas flow element 50 can have a second section 52 and several first sections 51 have extending from the second section 52 extend to one side (e.g. a bottom).
In der oben erwähnten Ausführungsform weist ferner das Gasdurchströmungselement 50 die Nuten CH auf, durch die Gas strömt. Wie z. B. ein alternatives Beispiel in 11B zeigt, kann das Gasdurchströmungselement 50 anstelle der Nuten CH oder zusammen mit ihnen Bohrungen HO aufweisen, durch die Gas strömt.In the above-mentioned embodiment, the gas flow element also has 50 the grooves CH through which gas flows. Such as B. an alternative example in 11B shows, the gas flow element 50 instead of the grooves CH or drilling together with them HO have through which gas flows.
Wie ferner ein alternatives Beispiel in 11C zeigt, kann das Gasdurchströmungselement 50 eine Wellenform (Bergform) im Querschnitt aufweisen, in der die ersten plattenförmigen Abschnitte 51 nicht-parallel zur Richtung (Richtung in der XZ-Ebene) orthogonal zur Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten Gasdurchströmungselements 50 ausgerichtet sind. Auch bei dieser Konstruktion ist die Erstreckungsrichtung der ersten Abschnitte 51 nicht parallel zur Richtung (Richtung in der XY-Ebene) orthogonal zur Z-Achsenrichtung. Mit anderen Worten schneidet die Erstreckungsrichtung der ersten Abschnitte 51 die Richtung (Richtung in der XY-Ebene) orthogonal zur Z-Achsenrichtung.As also an alternative example in 11C shows, the gas flow element 50 a wave shape (mountain shape) in cross section have, in which the first plate-shaped sections 51 non-parallel to the direction (direction in the XZ plane) orthogonal to the direction of extension (Y-axis direction) of the entire gas flow element 50 are aligned. In this construction, too, is the direction of extension of the first sections 51 not parallel to the direction (direction in the XY plane) orthogonal to the Z-axis direction. In other words, the direction of extent intersects the first sections 51 the direction (direction in the XY plane) orthogonal to the Z-axis direction.
Wie ferner alternative Beispiele in 12 und 13 zeigen, kann das Gasdurchströmungselement 50 derart ausgebildet sein, dass mehrere hohle oder massive konvexe Abschnitte 55 aus einer in Z-Achsenrichtung im Wesentlichen orthogonalen, im Wesentlichen plattenförmigen Grundplatte 54 in Z-Achsenrichtung herausragen. Beim Gasdurchströmungselement 50 mit dieser Konstruktion sind zwischen den jeweiligen konvexen Abschnitten 55 Nuten CH ausgebildet, die sich in einer Richtung (X-Achsenrichtung in den vorliegenden alternativen Beispielen) orthogonal zur Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten Gasdurchströmungselements 50 erstrecken. Bei den alternativen Beispielen in 12A-C ist jeder konvexe Abschnitt 55 im Wesentlichen quaderförmig, beim alternativen Beispiel in 13A ist jeder konvexe Abschnitt 55 im Wesentlichen zylindrisch, und beim alternativen Beispiel in 13B ist jeder konvexe Abschnitt 55 im Wesentlichen halbkugelförmig. In den alternativen Beispielen in 12 und 13 kann die Form des konvexen Abschnitts 55 eine andere Form aufweisen. Das Gasdurchströmungselement 50 mit dieser Konstruktion kann z. B. durch Pressen oder Biegen hergestellt werden.As also alternative examples in 12th and 13th can show the gas flow element 50 be designed such that several hollow or solid convex sections 55 from a substantially plate-shaped base plate which is substantially orthogonal in the Z-axis direction 54 protrude in the Z-axis direction. With the gas flow element 50 with this construction are between the respective convex sections 55 Grooves CH formed in a direction (X-axis direction in the present alternative examples) orthogonal to the extending direction (Y-axis direction) of the entire gas flow element 50 extend. The alternative examples in 12A-C is any convex section 55 essentially cuboid, in the alternative example in 13A is any convex section 55 essentially cylindrical, and in the alternative example in 13B is any convex section 55 essentially hemispherical. In the alternative examples in 12th and 13th can be the shape of the convex section 55 have a different shape. The gas flow element 50 with this construction z. B. be made by pressing or bending.
Im alternativen Beispiel in 12A besteht jeder konvexe Abschnitt 55 aus zwei plattenförmigen Abschnitten 56, die sich von der Grundplatte 54 in einer Richtung in der XZ-Ebene erstrecken, und einem plattenförmigen Abschnitt 57, der die vorderen Enden der beiden plattenförmigen Abschnitte 56 verbindet und sich in einer Richtung in der XY-Ebene erstreckt. In diesem alternativen Beispiel sind daher an den Positionen der jeweiligen konvexen Abschnitte 55 Bohrungen HO ausgebildet, die sich in einer Richtung (X-Achsenrichtung im vorliegenden alternativen Beispiel) orthogonal zur Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten Gasdurchströmungselements 50 erstrecken. Im alternativen Beispiel in 12A entspricht jeder plattenförmige Abschnitt 56 jedes konvexen Abschnitts 55 dem besagten ersten Abschnitt 51, und der plattenförmige Abschnitt 57 jedes konvexen Abschnitts 55 und die Grundplatte 54 entsprechen dem besagten zweiten Abschnitt 52. Im alternativen Beispiel in 12B besteht jeder konvexe Abschnitt 55 aus einem plattenförmigen Abschnitt 56, der sich von der Grundplatte 54 in einer Richtung in der XZ-Ebene erstreckt, und einem plattenförmigen Abschnitt 57, der sich von einem vorderen Ende des plattenförmigen Abschnitts 56 in einer Richtung in der XY-Ebene erstreckt. In diesem alternativen Beispiel sind daher auch an den Positionen der jeweiligen konvexen Abschnitte 55 Nuten CH ausgebildet, die sich in einer Richtung (X-Achsenrichtung im vorliegenden alternativen Beispiel) orthogonal zur Erstreckungsrichtung (Y-Achsenrichtung) des gesamten Gasdurchströmungselements 50 erstrecken. Im alternativen Beispiel in 12B entspricht der plattenförmige Abschnitt 56 jedes konvexen Abschnitts 55 dem besagten ersten Abschnitt 51, und die Grundplatte 54 entspricht dem besagten zweiten Abschnitt 52. Im alternativen Beispiel in 12C besteht ferner jeder konvexe Abschnitt 55 aus zwei plattenförmigen Abschnitten 56, die sich von der Grundplatte 54 aus in einer Richtung in der XZ-Ebene erstrecken, zwei plattenförmigen Abschnitten 58, die sich von der Grundplatte 54 aus in einer Richtung in der YZ-Ebene erstrecken, und einem plattenförmigen Abschnitt 57, der vordere Enden der beiden plattenförmigen Abschnitte 56 mit vorderen Enden der beiden plattenförmigen Abschnitte 58 verbindet und sich in einer Richtung in der XY-Ebene erstreckt. Im alternativen Beispiel in 12C entspricht jeder plattenförmige Abschnitt 56 jedes konvexen Abschnitts 55 dem besagten ersten Abschnitt 51, und der plattenförmige Abschnitt 57 jedes konvexen Abschnitts 55 und die Grundplatte 54 entsprechen dem besagten zweiten Abschnitt 52.In the alternative example in 12A consists of every convex section 55 from two plate-shaped sections 56 that stand out from the base plate 54 extend in a direction in the XZ plane, and a plate-shaped portion 57 showing the front ends of the two plate-shaped sections 56 connects and extends in one direction in the XY plane. In this alternative example, therefore, are at the positions of the respective convex sections 55 Drilling HO formed, which extend in a direction (X-axis direction in the present alternative example) orthogonal to the direction of extension (Y-axis direction) of the entire gas flow element 50 extend. In the alternative example in 12A corresponds to each plate-shaped section 56 of each convex section 55 the said first section 51 , and the plate-shaped section 57 of each convex section 55 and the base plate 54 correspond to said second section 52 . In the alternative example in 12B consists of every convex section 55 from a plate-shaped section 56 that stands out from the base plate 54 extends in a direction in the XZ plane, and a plate-shaped portion 57 extending from a front end of the plate-shaped portion 56 extends in one direction in the XY plane. In this alternative example there are therefore also at the positions of the respective convex sections 55 Grooves CH formed, which extend in a direction (X-axis direction in the present alternative example) orthogonal to the direction of extension (Y-axis direction) of the entire gas flow element 50 extend. In the alternative example in 12B corresponds to the plate-shaped section 56 of each convex section 55 the said first section 51 , and the base plate 54 corresponds to said second section 52 . In the alternative example in 12C there is also each convex portion 55 from two plate-shaped sections 56 that stand out from the base plate 54 extending in one direction in the XZ plane, two plate-shaped sections 58 that stand out from the base plate 54 from extending in one direction in the YZ plane, and a plate-shaped portion 57 , the front ends of the two plate-shaped sections 56 with front ends of the two plate-shaped sections 58 connects and extends in one direction in the XY plane. In the alternative example in 12C corresponds to each plate-shaped section 56 of each convex section 55 the said first section 51 , and the plate-shaped section 57 of each convex section 55 and the base plate 54 correspond to said second section 52 .
In der oben erwähnten Ausführungsform ist das Gasdurchströmungselement 50 derart ausgebildet, dass ein plattenförmiges Bauelement bearbeitet wird. Das Gasdurchströmungselement 50 kann jedoch auch ein maschenartiges Bauelement sein, an dem mehrere Bohrungen gebildet sind, durch die Gas strömt. 14 und 15 sind Schaubilder, die eine Querschnittskonstruktion von zwei nebeneinander angeordneten Stromerzeugungseinheiten 102 mit maschenartigen Bauelementen als Gasdurchströmungselemente 50 im alternativen Beispiel zeigen. Als ein solches maschenartiges Bauelement kann z. B. eine Nickelmasche verwendet werden. Bei dieser Konstruktion kann das Gasdurchströmungselement 50 dazu ausgebildet werden, zu verhindern, dass der Gasfluss in der Brennstoffkammer 176 behindert wird, während es gleichzeitig eine relativ einfache und leicht herstellbare Konstruktion aufweist. Der Durchmesser der Maschenfaser des maschenartigen Bauelements kann z. B. etwa 0,03-0,06 mm betragen.In the embodiment mentioned above, the gas flow element is 50 designed such that a plate-shaped component is processed. The gas flow element 50 however, it can also be a mesh-like component on which several bores are formed through which gas flows. 14th and 15th are diagrams showing a cross-sectional construction of two power generating units arranged side by side 102 with mesh-like components as gas flow elements 50 show in the alternative example. As such a mesh-like component, for. B. a nickel mesh can be used. In this construction, the gas flow element 50 be designed to prevent gas flow in the fuel chamber 176 is hindered, while at the same time it has a relatively simple and easily manufactured construction. The diameter of the mesh fiber of the mesh-like component can, for. B. be about 0.03-0.06 mm.
In der oben erwähnten Ausführungsform sind die Bohrungen 32, 34 an dem Paar Endplatten 104, 106 ausgebildet. Was mindestens eine der paarweise angeordneten Endplatten 104, 106 betrifft, ist es jedoch auch möglich, dass keine Bohrungen 32, 34 ausgebildet sind. In der oben erwähnten Ausführungsform fungieren das Paar Endplatten 104, 106 als Anschlussplatte. Es ist jedoch auch möglich, eine Anschlussplatte separat vom Paar Endplatten 104, 106 vorzusehen.In the embodiment mentioned above, the bores are 32 , 34 on the pair of end plates 104 , 106 educated. What at least one of the paired end plates 104 , 106 However, it is also possible that there are no holes 32 , 34 are trained. In the above-mentioned embodiment, the pair of end plates function 104 , 106 as a connection plate. However, it is also possible to have a connection plate separate from the pair of end plates 104 , 106 to be provided.
In der oben erwähnten Ausführungsform umfasst der Interkonnektor 190 die elektrisch leitende Überzugsschicht 194. Der Interkonnektor 190 muss jedoch nicht die Überzugsschicht 194 umfassen. In der oben erwähnten Ausführungsform weist ferner die Einzelzelle 110 die Reaktionsschutzschicht 118 auf. Die Einzelzelle 110 muss jedoch nicht die Reaktionsschutzschicht 118 aufweisen. Des Weiteren dient die Anzahl der Einzelzellen 110 (Anzahl der Stromerzeugungseinheiten 102) im Brennstoffzellenstapel 100 in der oben erwähnten Ausführungsform lediglich als Beispiel. Die Anzahl der Einzelzellen 110 kann je nach der für den Brennstoffzellenstapel 100 erforderlichen Ausgangsspannung u. a. festgelegt werden. Die Materialien für die jeweiligen Bauelemente in der oben erwähnten Ausführungsform dienen ebenfalls lediglich als Beispiele. Die jeweiligen Bauelemente können auch aus anderen Materialien bestehen.In the embodiment mentioned above, the interconnector comprises 190 the electrically conductive coating layer 194 . The interconnector 190 however, it does not have to be the coating layer 194 include. In the above-mentioned embodiment, the single cell 110 the reaction protective layer 118 on. The single cell 110 however, it does not have to be the reaction protective layer 118 exhibit. The number of individual cells is also used 110 (Number of power generation units 102 ) in the fuel cell stack 100 in the above-mentioned embodiment only as an example. The number of single cells 110 may vary depending on the fuel cell stack 100 required output voltage, among other things. The materials for the respective components in the above-mentioned embodiment are also given as examples only. The respective components can also consist of other materials.
Der Brennstoffzellenstapel 100 gemäß der oben erwähnten Ausführungsform ist eine SOFC des Counter-Flow-Typs. Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik ist jedoch in gleicher Weise auf eine SOFC des Co-Flow-Typs anwendbar. Außerdem sind bei der SOFC des Co-Flow-Typs der Verbindungskanal 142 zum Einleiten von Brenngas und der Verbindungskanal 132 zum Einleiten von Oxidationsgas von der Z-Achsenrichtung aus gesehen derart angeordnet, dass sie einer Seite der Einzelzelle 110 zugewandt sind, während der Verbindungskanal 143 zum Ableiten von Brenngas und der Verbindungskanal 133 zum Ableiten von Oxidationsgas derart angeordnet sind, dass sie einer anderen Seite zugewandt sind, die der einen Seite der Einzelzelle 110 entlang des Mittelpunkts der Einzelzelle 110 gegenüberliegt. Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik ist auch in gleicher Weise auf eine SOFC des Cross-Flow-Typs anwendbar.The fuel cell stack 100 according to the above-mentioned embodiment is a counter-flow type SOFC. However, the technique disclosed in the present specification is equally applicable to a co-flow type SOFC. In addition, in the SOFC, the co-flow type is the connecting channel 142 for introducing fuel gas and the connecting channel 132 for introducing oxidizing gas, viewed from the Z-axis direction, arranged to face one side of the single cell 110 are facing while the connecting channel 143 for discharging fuel gas and the connecting duct 133 for discharging oxidizing gas are arranged in such a way that they face another side, the one side of the single cell 110 along the center of the single cell 110 opposite. The technique disclosed in the present specification is also equally applicable to a cross-flow type SOFC.
Des Weiteren bezieht sich die oben erwähnte Ausführungsform auf einen Brennstoffzellenstapel 100, der mittels der elektrochemischen Reaktion zwischen dem im Brenngas enthaltenen Wasserstoff und dem im Oxidationsgas enthaltenen Sauerstoff Strom erzeugt. Die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik ist jedoch in gleicher Weise auf einen Elektrolysezellenstapel anwendbar, der mit mehreren elektrolytischen Einzelzellen versehen ist, bei denen es sich um Konstruktionselemente einer Festoxidelektrolysezelle (SOEC) handelt, die unter Nutzung der Elektrolysereaktion von Wasser Wasserstoff erzeugt. Der Grundaufbau des Elektrolysezellenstapels ist bereits bekannt, wie z. B. in JP 2016-081813 A gezeigt, und ist ungefähr wie folgt ausgebildet. Und zwar kann die Konstruktion des Elektrolysezellenstapels dadurch erhalten werden, dass
die „Erzeugungseinheit“ in der Konstruktion des Brennstoffzellenstapels 100 gemäß der oben erwähnten Ausführungsform als „Elektrolysezelleneinheit“ gelesen,
die „Einzelzelle“ als „elektrolytische Einzelzelle“ gelesen,
der „Manifold zum Einleiten von Oxidationsgas“ als „Manifold zum Ableiten von Luft“ gelesen,
der „Manifold zum Ableiten von Oxidationsgas“ als „Manifold zum Einleiten von Luft“ gelesen,
der „Manifold zum Einleiten von Brenngas“ als „Manifold zum Ableiten von Wasserstoff“ gelesen,
der „Manifold zum Ableiten von Brenngas“ als „Manifold zum Einleiten von Wasserdampf“ gelesen,
der „Verbindungskanal zum Einleiten von Oxidationsgas“ als „Verbindungskanal zum Ableiten von Luft“ gelesen,
der „Verbindungskanal zum Ableiten von Oxidationsgas“ als „Verbindungskanal zum Einleiten von Luft“ gelesen,
der „Verbindungskanal zum Einleiten von Brenngas“ als „Verbindungskanal zum Ableiten von Wasserstoff“ gelesen und der „Verbindungskanal zum Ableiten von Brenngas“ als „Verbindungskanal zum Einleiten von Wasserdampf“ gelesen wird.Furthermore, the embodiment mentioned above relates to a fuel cell stack 100 , which generates electricity by means of the electrochemical reaction between the hydrogen contained in the fuel gas and the oxygen contained in the oxidizing gas. However, the technique disclosed in the present specification is equally applicable to an electrolytic cell stack provided with a plurality of single electrolytic cells, which are structural elements of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen using the electrolytic reaction of water. The basic structure of the electrolytic cell stack is already known, e.g. Am JP 2016-081813 A and is formed approximately as follows. Namely, the construction of the electrolytic cell stack can be obtained in that
the "generating unit" in the construction of the fuel cell stack 100 read as "electrolytic cell unit" according to the above-mentioned embodiment,
the "single cell" read as "electrolytic single cell",
the "Manifold for introducing oxidizing gas" read as "Manifold for discharging air",
the "Manifold for discharging oxidizing gas" read as "Manifold for introducing air",
the "Manifold for introducing fuel gas" read as "Manifold for discharging hydrogen",
the "Manifold for discharging fuel gas" read as "Manifold for introducing water vapor",
the "connecting channel for introducing oxidizing gas" read as "connecting channel for discharging air",
the "connecting channel for discharging oxidizing gas" read as "connecting channel for introducing air",
the “connecting channel for introducing fuel gas” is read as “connecting channel for discharging hydrogen” and the “connecting channel for discharging fuel gas” is read as “connecting channel for introducing water vapor”.
Während des Betriebs des Elektrolysezellenstapels wird eine Spannung an den Elektrolysezellenstapel angelegt, so dass die Kathode 114 positiv (Anode) und die Anode (Wasserstoff-Elektrode) 116 negativ (Kathode) ist. Des Weiteren wird Wasserdampf als Rohgas durch das Gasdurchgangselement 27 hindurch in den Manifold zum Einleiten von Wasserdampf geleitet. Im zugeführten Wasserdampf kann Wasserstoffgas enthalten sein. Der in den Manifold zum Einleiten von Wasserdampf eingeleitete Wasserdampf wird vom Manifold zum Einleiten von Wasserdampf durch den Verbindungskanal zum Einleiten von Wasserdampf jeder Elektrolysezelleneinheit hindurch in die Brennstoffkammer 176 eingeleitet und für die Elektrolysereaktion von Wasser in jeder elektrolytischen Einzelzelle zur Verfügung gestellt. Das in der Brennstoffkammer 176 durch die Elektrolysereaktion von Wasser in jeder elektrolytischen Einzelzelle erzeugte Wasserstoffgas wird zusammen mit dem überschüssigen Wasserdampf durch den Verbindungskanal zum Ableiten von Wasserstoff hindurch in den Manifold zum Ableiten von Wasserstoff abgeleitet und vom Manifold zum Ableiten von Wasserstoff durch das Gasdurchgangselement 27 hindurch aus dem Elektrolysezellenstapel entnommen.During the operation of the electrolytic cell stack, a voltage is applied to the electrolytic cell stack, so that the cathode 114 positive (anode) and the anode (hydrogen electrode) 116 is negative (cathode). Furthermore, water vapor is passed through the gas passage element as a raw gas 27 passed through into the manifold for introducing water vapor. Hydrogen gas can be contained in the water vapor supplied. The water vapor introduced into the manifold for introducing water vapor is fed into the fuel chamber by the manifold for introducing water vapor through the connecting duct for introducing water vapor of each electrolytic cell unit 176 initiated and made available for the electrolysis reaction of water in each individual electrolytic cell. That in the fuel chamber 176 Hydrogen gas generated by the electrolysis reaction of water in each single electrolytic cell is discharged together with the excess water vapor through the connecting passage for discharging hydrogen into the manifold for discharging hydrogen and from the manifold for discharging hydrogen through the gas passage member 27 taken through from the electrolytic cell stack.
Während des Betriebs des Elektrolysezellenstapels wird das Innere des Elektrolysezellenstapels je nach Bedarf mit Luft versorgt, um die Temperatur des Elektrolysezellenstapels u. a. zu steuern. In diesem Fall wird die durch das Gasdurchgangselement 27 hindurch in den Manifold zum Einleiten von Luft eingeleitete Luft vom Manifold zum Einleiten von Luft durch den Verbindungskanal zum Einleiten von Luft jeder Elektrolysezelleneinheit hindurch in die Luftkammer 166 eingeleitet. Die in die Luftkammer 166 eingeleitete Luft wird zusammen mit dem in der Kathode 114 erzeugten Sauerstoff durch den Verbindungskanal zum Ableiten von Luft hindurch in den Manifold zum Ableiten von Luft abgeleitet und vom Manifold zum Ableiten von Luft durch das Gasdurchgangselement 27 hindurch zur Außenseite des Elektrolysezellenstapels hin abgeleitet.During the operation of the electrolytic cell stack, the interior of the electrolytic cell stack is supplied with air as required in order to control the temperature of the electrolytic cell stack, among other things. In in this case, that is through the gas passage member 27 air introduced through the manifold for introducing air from the manifold for introducing air through the connecting duct for introducing air of each electrolytic cell unit through into the air chamber 166 initiated. The one in the air chamber 166 Introduced air is together with that in the cathode 114 generated oxygen is discharged through the connecting duct for discharging air into the manifold for discharging air and from the manifold for discharging air through the gas passage member 27 derived through to the outside of the electrolytic cell stack.
Der Elektrolysezellenstapel mit dieser Konstruktion weist auch die gleiche Wirkung wie der Brennstoffzellenstapel 100 in der oben erwähnten Ausführungsform auf, indem er die gleiche Konstruktion wie der Brennstoffzellenstapel 100 in der oben erwähnten Ausführungsform verwendet.The electrolytic cell stack with this construction also has the same effect as the fuel cell stack 100 in the above-mentioned embodiment by having the same construction as the fuel cell stack 100 used in the above-mentioned embodiment.
Obwohl die oben erwähnte Ausführungsform am Beispiel von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) erläutert wurde, ist die in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Technik auch auf andere Arten von Brennstoffzellen (oder Elektrolysezellen) anwendbar, wie z. B. Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFCs).Although the above-mentioned embodiment was explained using the example of solid oxide fuel cells (SOFCs), the technique disclosed in the present specification is also applicable to other types of fuel cells (or electrolysis cells), such as e.g. B. Molten Carbonate Fuel Cells (MCFCs).
BezugszeichenlisteList of reference symbols
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2222nd
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Bolzenbolt
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2424
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Muttermother
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2626th
-
IsolierfolieInsulating film
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2727
-
GasdurchgangselementGas passage element
-
2828
-
HauptkörperMain body
-
2929
-
ZweigabschnittBranch section
-
32, 3432, 34
-
BohrungenDrilling
-
5050
-
GasdurchströmungselementGas flow element
-
5151
-
erster Abschnittfirst section
-
5252
-
zweiter Abschnittsecond part
-
5454
-
GrundplatteBase plate
-
5555
-
konvexer Abschnittconvex section
-
5656
-
plattenförmiger Abschnittplate-shaped section
-
5757
-
plattenförmiger Abschnittplate-shaped section
-
5858
-
plattenförmiger Abschnittplate-shaped section
-
100100
-
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
-
102102
-
StromerzeugungseinheitPower generation unit
-
103103
-
StromerzeugungsblockPower generation block
-
104, 106104, 106
-
EndplattenEnd plates
-
108108
-
VerbindungsbohrungConnecting hole
-
109109
-
BolzenbohrungBolt hole
-
110110
-
EinzelzelleSingle cell
-
112112
-
ElektrolytschichtElectrolyte layer
-
114114
-
Kathodecathode
-
116116
-
Anodeanode
-
118118
-
ReaktionsschutzschichtReaction protection layer
-
120120
-
Separator für eine EinzelzelleSeparator for a single cell
-
121121
-
DurchgangsbohrungThrough hole
-
124124
-
VerbindungsteilConnecting part
-
125125
-
GlasdichtungGlass seal
-
126126
-
innerer Abschnittinner section
-
127127
-
äußerer Abschnittouter section
-
128128
-
VerbindungsabschnittConnection section
-
130130
-
kathodenseitiger Rahmencathode-side frame
-
131131
-
Bohrungdrilling
-
132132
-
Verbindungskanal zum Einleiten von OxidationsgasConnection channel for introducing oxidizing gas
-
133133
-
Verbindungskanal zum Ableiten von OxidationsgasConnection channel for discharging oxidizing gas
-
134134
-
kathodenseitiger Stromkollektorcathode-side current collector
-
140140
-
anodenseitiger Rahmenanode-side frame
-
141141
-
Bohrungdrilling
-
142142
-
Verbindungskanal zum Einleiten von BrenngasConnection channel for introducing fuel gas
-
143143
-
Verbindungskanal zum Ableiten von BrenngasConnection channel for discharging fuel gas
-
144144
-
anodenseitiger Stromkollektoranode-side current collector
-
145145
-
der Elektrode zugewandter Abschnittthe section facing the electrode
-
146146
-
dem Interkonnektor zugewandter Abschnittthe section facing the interconnector
-
147147
-
VerknüpfungsabschnittLinking section
-
149149
-
AbstandshalterSpacers
-
150150
-
PlattenteilPlate part
-
161161
-
Manifold zum Einleiten von OxidationsgasManifold for introducing oxidizing gas
-
162162
-
Manifold zum Ableiten von OxidationsgasManifold for discharging oxidizing gas
-
166166
-
LuftkammerAir chamber
-
171171
-
Manifold zum Einleiten von BrenngasManifold for introducing fuel gas
-
172172
-
Manifold zum Ableiten von BrenngasManifold for discharging fuel gas
-
176176
-
BrennstoffkammerFuel chamber
-
180180
-
Separator für ICsSeparator for ICs
-
181181
-
DurchgangsbohrungThrough hole
-
186186
-
innerer Abschnittinner section
-
187187
-
äußerer Abschnittouter section
-
188188
-
VerbindungsabschnittConnection section
-
189189
-
Separator für ein unteres EndeSeparator for a lower end
-
190190
-
InterkonnektorInterconnector
-
194194
-
ÜberzugsschichtCoating layer
-
196196
-
elektrisch leitfähiges Verbindungsmaterialelectrically conductive connecting material
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CHCH
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NutGroove
-
FGFG
-
BrenngasFuel gas
-
FOGFOG
-
BrennabgasFuel exhaust
-
HOHO
-
Bohrungdrilling
-
OG1st floor
-
OxidationsgasOxidizing gas
-
OOGOOG
-
OxidationsabgasOxidation off-gas
-
SI1SI1
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erste Seitefirst page
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SI2SI2
-
zweite Seitesecond page
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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JP 2016062655 A [0005]JP 2016062655 A [0005]
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JP 2016081813 A [0086]JP 2016081813 A [0086]