JP2017120767A - Manifold, and stack structure for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マニホールド、及び燃料電池のスタック構造体に関する。 The present invention relates to a manifold and a fuel cell stack structure.
従来の燃料電池のスタック構造体は、マニホールドと、燃料電池セルとを、備えている(特許文献1及び2を参照)。これらのスタック構造体では、燃料電池セルが、マニホールドにおいて互いに対向する1対の壁部の内側に配置されている。
A conventional fuel cell stack structure includes a manifold and a fuel cell (see
特許文献1のスタック構造体では、燃料電池セルが、1対の壁部の内側において天板で支持されている(図5を参照)。特許文献2のスタック構造体では、1対の壁部の内側において1対の壁部の内面で支持されている(図18を参照)。
In the stack structure of
従来のスタック構造体では、燃料電池セルが、1対の壁部の内側において天板で支持されている。この場合、天板には、燃料電池セルを支持する折り返し部が、形成されている。このため、折り返し部に作用する曲げ応力によって、天板が変形してしまうおそれがある。 In the conventional stack structure, the fuel cells are supported by the top plate inside the pair of wall portions. In this case, a folded portion that supports the fuel battery cell is formed on the top plate. For this reason, there exists a possibility that a top plate may deform | transform by the bending stress which acts on a folding | returning part.
また、従来のスタック構造体では、燃料電池セルが、1対の壁部の内側において1対の壁部の内面で支持されている。この場合、壁部の内面を特別な形状に形成する必要があるため、マニホールドの形状、例えば壁部の形状が、複雑になるおそれがある。 In the conventional stack structure, the fuel cells are supported on the inner surfaces of the pair of wall portions inside the pair of wall portions. In this case, since it is necessary to form the inner surface of the wall portion in a special shape, the shape of the manifold, for example, the shape of the wall portion, may be complicated.
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、燃料電池セルを安定的に支持可能なマニホールドを、提供することにある。本発明の別の目的は、燃料電池セルをシンプルな構成で支持可能なマニホールドを、提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a manifold capable of stably supporting fuel cells. Another object of the present invention is to provide a manifold capable of supporting fuel cells with a simple configuration.
(1)本発明の一側面に係るマニホールドは、燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのものである。本マニホールドは、開口を有する本体部と、開口を塞ぐ蓋部とを、備える。蓋部には、燃料電池セルが配置される。ここで、燃料電池セルの幅方向において、開口側の本体部の外寸は、燃料電池セルの外寸より小さい。 (1) The manifold which concerns on 1 side of this invention is for supplying fuel gas to a fuel cell. The manifold includes a main body having an opening and a lid that closes the opening. A fuel cell is disposed on the lid. Here, in the width direction of the fuel cell, the outer size of the opening-side main body is smaller than the outer size of the fuel cell.
本マニホールドでは、燃料電池セルの幅方向において、開口側の本体部の外寸が、燃料電池セルの外寸より小さいので、開口側の本体部が、燃料電池セルと載置面との間に配置される。これにより、燃料電池セルを本体部の外周部で安定的に支持することができる。すなわち、本マニホールドでは、燃料電池セルを安定的に支持することができる。また、この構成を有するマニホールドは、燃料電池セルをシンプルな構成で支持することができる。 In this manifold, the outer size of the main body on the opening side is smaller than the outer size of the fuel cell in the width direction of the fuel cell, so that the main body on the opening side is between the fuel cell and the mounting surface. Be placed. Thereby, a fuel cell can be stably supported by the outer peripheral part of a main-body part. That is, this manifold can stably support the fuel cells. Moreover, the manifold which has this structure can support a fuel cell by a simple structure.
(2)本発明の別の側面に係るマニホールドでは、本体部が、底部と、1対の第1壁部とを、有することが好ましい。1対の第1壁部は、底部の外周部から延び、且つ幅方向において互いに対向している。ここで、幅方向において、開口側の1対の第1壁部の外寸は、燃料電池セルの外寸より小さい。このように構成しても、上記(1)と同様の効果を得ることができる。 (2) In the manifold according to another aspect of the present invention, it is preferable that the main body portion has a bottom portion and a pair of first wall portions. The pair of first wall portions extend from the outer peripheral portion of the bottom portion and face each other in the width direction. Here, in the width direction, the outer dimension of the pair of first wall portions on the opening side is smaller than the outer dimension of the fuel cell. Even if comprised in this way, the effect similar to said (1) can be acquired.
(3)本発明の別の側面に係るマニホールドでは、1対の第1壁部それぞれの外面を含む平面が、燃料電池セルに交わるように、1対の第1壁部が形成されることが好ましい。この構成によって、燃料電池セルの荷重を1対の第1壁部に効果的に伝達することができる。 (3) In the manifold according to another aspect of the present invention, the pair of first wall portions may be formed such that a plane including the outer surface of each of the pair of first wall portions intersects the fuel cell. preferable. With this configuration, the load of the fuel cell can be effectively transmitted to the pair of first wall portions.
(4)本発明の別の側面に係るマニホールドでは、本体部が、鍔部をさらに有していることが好ましい。鍔部は、開口側の1対の第1壁部それぞれに設けられる。蓋部は、鍔部に配置される。幅方向における燃料電池セルの両端部が、鍔部に接触している。この場合、蓋部によって、本体部の開口を確実に塞ぐことができる。また、燃料電池セルを本体部の外周部で安定的に支持することができる。 (4) In the manifold according to another aspect of the present invention, it is preferable that the main body portion further includes a flange portion. The collar portion is provided on each of the pair of first wall portions on the opening side. The lid portion is disposed on the collar portion. Both end portions of the fuel cell in the width direction are in contact with the flange portion. In this case, the opening of the main body can be reliably closed by the lid. Further, the fuel cell can be stably supported on the outer peripheral portion of the main body.
(5)本発明の別の側面に係るマニホールドでは、本体部が、鍔部をさらに有していることが好ましい。鍔部は、開口側の1対の第1壁部それぞれに設けられる。鍔部は、蓋部を支持する支持部と、支持部と第1壁部とを連結する第2湾曲部とを、有する。この場合、第2湾曲部が湾曲しているので、燃料ガスを燃料電池セルにスムーズに案内することができる。 (5) In the manifold according to another aspect of the present invention, the main body portion preferably further includes a flange portion. The collar portion is provided on each of the pair of first wall portions on the opening side. The flange portion includes a support portion that supports the lid portion, and a second bending portion that connects the support portion and the first wall portion. In this case, since the second curved portion is curved, the fuel gas can be smoothly guided to the fuel cell.
(6)本発明の別の側面に係るマニホールドでは、第2湾曲部の曲率半径が、1.0mm以上8.0mm以下の範囲であることが好ましい。これにより、第2湾曲部の近傍において、燃料ガスを燃料電池セルにスムーズ且つ効果的に案内することができる。 (6) In the manifold according to another aspect of the present invention, the radius of curvature of the second curved portion is preferably in the range of 1.0 mm or more and 8.0 mm or less. Thereby, fuel gas can be smoothly and effectively guided to the fuel cell in the vicinity of the second curved portion.
(7)本発明の別の側面に係るマニホールドでは、本体部は、底部の外周部から延び且つ幅方向と直交する方向において互いに対向する1対の第2壁部をさらに有することが好ましい。 (7) In the manifold according to another aspect of the present invention, the main body portion preferably further includes a pair of second wall portions that extend from the outer peripheral portion of the bottom portion and face each other in a direction orthogonal to the width direction.
(8)本発明の別の側面に係るマニホールドでは、各第1壁部と書く第2壁部との境界部の内側面及び外側面の少なくとも一方は、R形状であることが好ましい。 (8) In the manifold according to another aspect of the present invention, it is preferable that at least one of the inner side surface and the outer side surface of the boundary portion between each first wall portion and the second wall portion to be written has an R shape.
(9)本発明の別の側面に係るマニホールドでは、各第1壁部及び各第2壁部は、壁本体部と、壁本体部と底部とを連結する第1湾曲部と、を有する。第1湾曲部の内側面及び外側面の少なくとも一方は、R形状である。 (9) In the manifold according to another aspect of the present invention, each first wall portion and each second wall portion include a wall main body portion and a first curved portion that connects the wall main body portion and the bottom portion. At least one of the inner side surface and the outer side surface of the first bending portion has an R shape.
(10)本発明の別の側面に係るマニホールドでは、各第1壁部及び各第2壁部は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する。 (10) In the manifold according to another aspect of the present invention, each first wall portion and each second wall portion are inclined so as to spread outward.
(11)本発明の一側面に係る燃料電池のスタック構造体は、上記の(1)から(10)のいずれかのマニホールドと、マニホールドから燃料ガスが供給される燃料電池セルとを、備える。本スタック構造体は、上記の(1)から(10)のいずれかのマニホールドを、備えているので、上記と同様の効果を得ることができる。 (11) A fuel cell stack structure according to one aspect of the present invention includes the manifold according to any one of (1) to (10) above, and a fuel cell to which fuel gas is supplied from the manifold. Since this stack structure includes any one of the manifolds (1) to (10), the same effect as described above can be obtained.
本発明によれば、マニホールドによって燃料電池セルを安定的に支持することができる。また、本発明によれば、マニホールドによって燃料電池セルをシンプルな構成で支持することができる。 According to the present invention, the fuel cell can be stably supported by the manifold. Further, according to the present invention, the fuel cell can be supported by the manifold with a simple configuration.
<スタック構造体の構成>
ここでは、本発明に係るスタック構造体の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
<Structure of stack structure>
Here, an embodiment of a stack structure according to the present invention will be described with reference to the drawings.
スタック構造体1は、固体酸化物形燃料電池(SOFC;Solid Oxide Fuel Cell)に用いられる構造体である。なお、本実施形態では、図1に示すように、座標系が設定されている。
The
図1に示すように、スタック構造体1は、複数のセル100と、マニホールド200とを、備えている。
As shown in FIG. 1, the
以下では、図1に示すように、x軸方向、y軸方向、及びz軸方向が、定義されている。例えば、各セル100(後述する支持基板10)では、x軸方向、y軸方向、及びz軸方向が、長手方向、短手方向(幅方向)、及び厚み方向に、各別に対応している。
In the following, as shown in FIG. 1, an x-axis direction, a y-axis direction, and a z-axis direction are defined. For example, in each cell 100 (
また、マニホールド200では、x軸方向、y軸方向、及びz軸方向が、高さ方向(上方)、短手方向(幅方向)、及び長手方向に、各別に対応している。ここで、マニホールド200の短手方向(幅方向)は、セル100における支持基板10の幅方向に対応している。
In the
なお、「x軸方向、y軸方向、及びz軸方向」という文言は、各軸方向の正方向及び/又は負方向を含んだ意味で用いられることがある。 Note that the term “x-axis direction, y-axis direction, and z-axis direction” may be used to include the positive direction and / or the negative direction of each axis direction.
<セル>
各セル100は、燃料電池セルである。各セル100は、集電部材(図示省略)を介して互いに電気的に接続されている。集電部材は、導電性を有する材料から形成されている。例えば、集電部材は、酸化物セラミックスの焼成体又は金属などによって形成されている。
<Cell>
Each
図1に示すように、各セル100は、マニホールド200に設けられる。詳細には、各セル100は、マニホールド200の蓋部220(後述する)に設けられる。
As shown in FIG. 1, each
図2に示すように、各セル100は、複数の発電素子部Aと、支持基板10とを、有する。各発電素子部Aは、燃料極、固体電解質膜、反応防止膜、及び空気極を、有する。各発電素子部Aは、燃料極、固体電解質膜、反応防止膜、及び空気極の順に積層された積層焼成体である。
As shown in FIG. 2, each
燃料極は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。燃料極は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ;イットリア安定化ジルコニア)とから、構成される。固体電解質膜は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜は、例えば、YSZ(8YSZ;イットリア安定化ジルコニア)から、構成される。 The fuel electrode is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The fuel electrode is composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ; yttria stabilized zirconia). The solid electrolyte membrane is a fired body made of a dense material having ion conductivity and not electron conductivity. The solid electrolyte membrane is made of, for example, YSZ (8YSZ; yttria stabilized zirconia).
反応防止膜は、緻密な材料からなる焼成体である。反応防止膜は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)から、構成される。空気極は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から、構成される。 The reaction preventing film is a fired body made of a dense material. The reaction preventing film is made of, for example, GDC = (Ce, Gd) O 2 (gadolinium-doped ceria). The air electrode is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The air electrode is made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite).
複数の発電素子部Aは、支持基板10に設けられる。詳細には、複数(例えば4個)の発電素子部Aが、電気的に直列に接続された状態で、支持基板10の両側面それぞれにおいて、支持基板10の長手方向に所定の間隔を隔てて配置される。
The plurality of power generation element portions A are provided on the
支持基板10(後述する緻密層を除く)は、電子伝導性を有さない多孔質の材料から構成された焼成体である。支持基板10は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)で構成される。
The support substrate 10 (excluding a dense layer described later) is a fired body made of a porous material that does not have electron conductivity. The
図2に示すように、支持基板10は、実質的に平板状に形成されている。例えば、支持基板10は、x軸方向の長さ(長手方向の長さ)がy軸方向の長さ(短手方向の長さ・幅方向の長さ)より長くなるように、形成されている。
As shown in FIG. 2, the
支持基板10は、発電素子部Aを支持する。具体的には、支持基板10の両側面、すなわち支持基板10においてz方向に互いに対向する1対の平面(主面)それぞれには、複数(例えば4個)の発電素子部Aが、x軸方向(長手方向)に所定の間隔を隔てて設けられている。
The
支持基板10の内部には、複数の燃料ガス流路11(貫通孔)が、形成されている。具体的には、複数の燃料ガス流路11が、y軸方向(幅方向)に所定の間隔を隔てて形成されている。また、各燃料ガス流路11は、x軸方向(長手方向)に延びている。各燃料ガス流路11は、各セル100の長手方向の両端部において開口している。
A plurality of fuel gas passages 11 (through holes) are formed in the
また、支持基板10には、緻密層例えば上述した固体電解質膜が、含まれる。ここでは、緻密層は、例えば上述した固体電解質膜から、構成されている。より具体的には、緻密層(固体電解質膜)は、発電素子部Aの内部から、発電素子部Aの外部に延び、支持基板10の外周部(外周面)を構成している。
Further, the
また、図3に示すように、y軸方向(幅方向)において、各支持基板10の外寸W2が、開口側の1対の壁部212(後述する1対の第1壁部222)の外寸W1より大きくなるように、各支持基板10は形成されている。
Further, as shown in FIG. 3, in the y-axis direction (width direction), the outer dimension W2 of each
各支持基板10は、マニホールド200に配置される。詳細には、各支持基板10は、マニホールド200の蓋部220に配置される。より詳細には、各支持基板10は、接合材300(後述する)を介して、蓋部220のセル挿入孔221(後述する)に、配置される。これにより、各支持基板10は、セル挿入孔221に挿入され、接合材300によって蓋部220に接合される。
Each
このように、各支持基板10が、蓋部220に配置された状態において、各セル100の両端部100aすなわち各支持基板10の両端部は、鍔部213例えば支持部213a(後述する)に、接触する。
Thus, in a state where each
上記のような構成を有する各支持基板10は、図1に示すように、z軸方向に互いに間隔を隔てて並べて配置される。各支持基板10のx軸方向(長手方向)において燃料ガスが流入する側の各支持基板10の端部(流入側端部)は、固定端となっている。また、各支持基板10のx軸方向(長手方向)において燃料ガスが排出される側の端部(排出側端部)は、自由端となっている。各支持基板10の流入側端部は、接合材300(後述する)によって、マニホールド200に接合される。
As shown in FIG. 1, the
<マニホールド>
マニホールド200は、複数のセル100それぞれに燃料ガスを供給するためのものである。図1及び図3に示すように、マニホールド200は、本体部210と、蓋部220とを、有している。
<Manifold>
The manifold 200 is for supplying fuel gas to each of the plurality of
本体部210は、金属例えばステンレス鋼等から、構成されている。本体部210は、1枚の板部材から形成される。具体的には、本体部210は、プレス加工によって、1枚の板部材から成型される。
The
図4に示すように、本体部210は、底部211と、壁部212と、鍔部213とを、有している。底部211と壁部212と鍔部213(後述する第2湾曲部213b)とによって、x軸方向(上方)に向けて開口する開口部が、形成される。底部211は、実質的に矩形板状に形成されている。底部211の外周部には、壁部212が一体に形成されている。言い換えると、底部211の外周部には、壁部212が連続的に形成されている。
As shown in FIG. 4, the
図4及び図5に示すように、壁部212は、底部211の外周部を取り囲むように、底部211の外周部に一体に形成されている。壁部212は、壁本体部212aと、第1湾曲部212bとを、有している。壁本体部212aは、蓋部220と底部211との間に、配置される。壁本体部212aは、底部211の外周部に沿い且つx軸方向に延びるように、構成されている。すなわち、壁本体部212aは、底部211の外周部に沿った周方向P(図5を参照)に、連続的に形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図4及び図5に示すように、壁本体部212aの内周面212cは、連続的に構成されている。内周面212cは、底部211の外周部に沿った周方向Pにおいて、壁本体部212aの内面を連続的に形成する。例えば、図5に示すように、壁本体部212aの4個の隅角部は、曲線によって形成される。これにより、連続面は、周方向に閉じる面から、構成される。
As shown in FIG.4 and FIG.5, the internal
図4に示すように、第1湾曲部212bは、湾曲しており、壁本体部212aと底部211とを、連結する。詳細には、第1湾曲部212bは、底部211の外周部から湾曲しながら壁本体部212aに向けて延び、壁本体部212aに接続されている。第1湾曲部212bの内側面及び外側面はR形状である。なお、第1湾曲部212bの内側面とは、マニホールド200の内部空間を臨む面であり、第1湾曲部212bの外側面とは、マニホールド200の外部を臨む面である。ここでは、第1湾曲部212bの内面の第1曲率半径R1が、例えば1.0mm以上且つ10mm以下の範囲になるように、第1湾曲部212bは形成されている。
As shown in FIG. 4, the
第1湾曲部212bは、壁本体部212aと底部211とに、一体に形成されている。詳細には、第1湾曲部212bは、底部211側の壁本体部212aに一体に形成され、且つ底部211の外周部に一体に形成されている。すなわち、図5に示すように、第1湾曲部212bは、底部211側の壁本体部212aにおいて周方向Pに沿い且つ底部211の外周部を取り囲むように、壁本体部212aと底部211とに連続的に形成されている。
The first
図4及び図5に示すように、第1湾曲部212bの内面には、第1連続面212dが形成される。第1連続面212dは、底部211の外周部に沿った周方向Pにおいて、第1湾曲部212bの内面を連続的に形成する。例えば、xy断面(又はxz断面)において上記の第1曲率半径R1を有する曲線を、周方向に連続的に形成することによって、第1連続面212dが形成される。これにより、第1連続面212dは、周方向に閉じる面から、構成される。
As shown in FIGS. 4 and 5, a first
図4及び図5に示すように、上述した壁部212(壁本体部212a及び第1湾曲部212b)は、1対の第1壁部222(1対の壁部の一例)と、1対の第2壁部223(図5を参照)とから、構成されている。ここで、1対の第1壁部222は、壁本体部212a及び第1湾曲部212bに含まれる。また、1対の第2壁部223は、壁本体部212a及び第1湾曲部212bに含まれる。
As shown in FIGS. 4 and 5, the above-described wall portion 212 (the wall
図4に示すように、1対の第1壁部222は、底部211の外周部からx軸方向(高さ方向)に延び、且つy軸方向(幅方向)において互いに対向している。また、開口側の第1壁部222、例えば第1壁部222の開口端222aは、各セル100と底部211との間に、配置される。詳細には、第1壁部222の開口端222aは、x軸方向において、各セル100の両端部100aと底部211との間に、配置される。
As shown in FIG. 4, the pair of
ここでは、図3及び図4に示すように、y軸方向(マニホールド200の幅方向・セル100の幅方向)において、1対の第1壁部222の開口端222aにおける外寸W1が、セル100の外寸W2より小さくなるように、1対の第1壁部222は形成されている。これにより、1対の第1壁部222の開口端222aの外面は、セル100の1対の側面100b(支持基板10の側面10c)の間に、配置される。なお、第1壁部222の開口端222aは、鍔部213が湾曲を開始する部分に対応している。
Here, as shown in FIGS. 3 and 4, in the y-axis direction (the width direction of the manifold 200 and the width direction of the cell 100), the outer dimension W1 at the opening
また、図3に示すように、1対の第1壁部222それぞれの外面を含む平面Hが、各セル100に交わるように、第1壁部222は構成されている。詳細には、この平面Hが、y軸方向における各セル100の両端部100aに交わるように、1対の第1壁部222が形成されている。
Further, as shown in FIG. 3, the
図1及び図5に示すように、1対の第2壁部223は、底部211の外周部からx軸方向(高さ方向)に延び、且つz軸方向(長手方向)において互いに対向している。第2壁部223は、底部211の外周部に沿った周方向P(図5を参照)において、第1壁部222と一体に形成されている。すなわち、第1壁部222及び第2壁部223は、周方向に連続的に形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 5, the pair of
なお、開口側の1対の第2壁部223は、鍔部213が湾曲を開始する部分に対応している。以下では、開口側の1対の第2壁部223それぞれを、第2壁部223の開口端と記す。
The pair of
第1壁部222と第2壁部223との境界部224の内側面及び外側面は、R形状である。この境界部224の内側面及び外側面の曲率半径は、3〜30mm程度とすることができる。なお、境界部224の内側面とは、マニホールド200の内部空間を臨む面であり、境界部224の外側面とは、マニホールド200の外側を臨む面である。
The inner side surface and the outer side surface of the
図4に示すように、鍔部213は、壁部212に設けられる。鍔部213は、壁部212から外方に延びている。鍔部213は、蓋部220を支持可能に構成されている。また、鍔部213は、各セル100を支持可能に構成されている。
As shown in FIG. 4, the
具体的には、図4及び図5に示すように、鍔部213は、支持部213aと、第2湾曲部213bとを、有している。支持部213aは、蓋部220及び各セル100(支持基板10)を支持する。支持部213aは、第2湾曲部213bに一体に形成される。詳細には、支持部213aは、第2湾曲部213bを取り囲むように、第2湾曲部213bと連続的に形成されている。支持部213aは、第2湾曲部213bから外方に延び、実質的に板状に形成されている。
Specifically, as shown in FIGS. 4 and 5, the
図4に示すように、第2湾曲部213bは、湾曲しており、支持部213aと壁部212とを連結する。詳細には、第2湾曲部213bは、壁部212の開口端212e(第1壁部222の開口端222a及び第2壁部223の開口端)から湾曲しながら外方に延び、支持部213aに接続されている。例えば、第2湾曲部213bは、壁部212の開口端212eから湾曲しながら、各セル100の両端部100aに向けて延び、支持部213aに接続されている。ここでは、第2湾曲部213bの内面の第2曲率半径R2が、例えば1.0mm以上且つ8.0mm以下の範囲になるように、第2湾曲部213bは形成されている。
As shown in FIG. 4, the
図4及び図5に示すように、第2湾曲部213bは、支持部213aと壁部212とに、一体に形成されている。詳細には、第2湾曲部213bは、支持部213aの内周部に一体に形成され、且つ壁部212の開口端212eに一体に形成されている。より詳細には、第2湾曲部213bは、支持部213aの内周部において周方向Pに沿い且つ壁部212の開口端212eを取り囲むように、支持部213a及び壁部212に連続的に形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図4及び図5に示すように、第2湾曲部213bの内面には、第2連続面213cが形成される。第2連続面213cは、壁部212の開口端212eに沿った周方向(又は底部211の外周部に沿った周方向P)において、第2湾曲部213bの内面を連続的に形成する。例えば、xy断面(又はxz断面)において上記の第2曲率半径R2を有する曲線を、周方向に連続的に形成することによって、第2連続面213cが形成される。これにより、第2連続面は、周方向に閉じる面から、構成される。
As shown in FIGS. 4 and 5, a second
図3及び図4に示すように、蓋部220は、金属例えばステンレス鋼等から、構成されている。蓋部220は、本体部210に配置される。具体的には、蓋部220は、本体部210の鍔部213に配置される。より具体的には、蓋部220は、鍔部213の支持部213aに配置される。そして、蓋部220が、固定手段例えば溶接により、鍔部213の支持部213aに接合される。これにより、本体部210の開口部が、蓋部220によって塞がれ、本体部210に蓋部220が固定される。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
この状態において、各セル100が接合材300によって蓋部220に接合されると、各セル100は、鍔部213に支持される。詳細には、y軸方向における各セル100の両端部100aが、鍔部213の支持部213aに接触し支持される。
In this state, when each
上記のように、蓋部220が本体部210の開口部を塞ぐことによって、マニホールド200には、内部空間S1が形成される(図4を参照)。すなわち、内部空間S1は、本体部210(底部211、壁部212、及び鍔部213)と蓋部220とによって、構成される。内部空間S1には、燃料ガスが導入される。
As described above, the
燃料ガスは、導入管230(図1を参照)を介して、外部から内部空間S1に導入される。導入管230は、金属例えばステンレス鋼等から、構成されている。導入管230は、マニホールド200の本体部210に、接合・固定されている。
The fuel gas is introduced from the outside into the internal space S1 through the introduction pipe 230 (see FIG. 1). The
上記の構成を有するマニホールド200は、複数のセル100(支持基板10)を支持する。図3に示すように、マニホールド200の蓋部220には、複数のセル挿入孔221が形成されている。各セル挿入孔221は、マニホールド200の外側(外部空間)と内部空間S1とを連通するように、蓋部220をx軸方向(高さ方向)に貫通している。また、各セル挿入孔221は、z軸方向(長手方向)に所定の間隔を隔てて形成されている。
The manifold 200 having the above configuration supports the plurality of cells 100 (supporting substrate 10). As shown in FIG. 3, a plurality of cell insertion holes 221 are formed in the
各セル挿入孔221をマニホールド200の外側(外部空間側)から見た場合(x軸に沿って見た場合)、各セル挿入孔221は、一方向に長く形成され、且つ両端部が円弧状に形成されている。
When each
ここでは、y軸方向(各セルの挿入孔221の長手方向)における各セル挿入孔221の内寸が、1対の第1壁部222の開口端222aにおける外寸W1より大きくなるように、各セル挿入孔221が形成されている。また、各セル挿入孔221の内寸A1が、各セル100の外寸W2より大きくなるように、各セル挿入孔221が形成されている。
Here, the inner dimension of each
各セル挿入孔221には、各セル100(支持基板10)が配置される。詳細には、各セル100の燃料ガス流路11が内部空間S1に連通するように、各セル挿入孔221には、各セル100の支持基板10の流入側端部が、挿入される。ここで、各セル100の両端部100aすなわち各支持基板10の両端部は、マニホールド200における本体部210の鍔部213(支持部213)に、接触させる。そして、各セル100及びセル挿入孔221の間には、接合材300が充填される(図3及び図4を参照)。これにより、各セル100の両端部100aすなわち各支持基板10の両端部は、蓋部220のセル挿入孔221に配置され、マニホールド200における本体部210の鍔部213(支持部213)に、接触し支持される。
なお、図3及び図4では、接合材300が、本体部210の鍔部213に接触するように表現されているが、接合材300と鍔部213との間には、隙間が形成されていてもよい。
Each cell 100 (support substrate 10) is disposed in each
In FIGS. 3 and 4, the
接合材300は、例えば、結晶化ガラスで構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、SiO2−B2O3系、SiO2−CaO系、MgO−B2O3系、又はSiO2−MgO系のものが、用いられる。なお、結晶化ガラスとしては、SiO2−MgO系のものが最も好ましい。
The
ここで用いられる結晶化ガラスは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合(結晶化度)が60%以上であり、且つ全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が40%未満のガラスである。なお、接合材300の材料として、非晶質ガラス、ろう材、セラミックス等が採用されてもよい。
The crystallized glass used here has a ratio (crystallinity) of “volume occupied by the crystalline phase” to the total volume of 60% or more, and a ratio of “volume occupied by the amorphous phase and impurities” to the total volume. Is less than 40% glass. Note that amorphous glass, brazing material, ceramics, or the like may be employed as the material of the
接合材300は、マニホールド200の内部空間S1の燃料ガスと、マニホールド200及び複数のセル100の外側の外部空間の空気との混合を、防止する。具体的には、接合材300は、マニホールド200と各セル100との間の隙間に配置され、マニホールド200と各セル100とを接合する。これにより、接合材300は、内部空間S1(燃料ガスに曝される空間)と外部空間(空気に曝される空間)とを区画する。すなわち、接合材300は、シール材として機能する。
The
<スタック構造体の動作>
上記のスタック構造体1は、例えば、次のように動作する。スタック構造体1では、高温(例えば、600〜800℃)の燃料ガス(水素ガス等)が、導入管230からマニホールド200の内部空間S1へと導入される。すると、この燃料ガスが、各セル100の燃料ガス流路11に導入される。そして、燃料ガスが燃料ガス流路11を通過すると、燃料ガス流路11の排出側端部の排出口から外部へと排出される。一方で、空気(酸素を含むガス等)が、隣接するセル100間の空間において、セル100のy軸方向(支持基板10のy軸方向(幅方向)に、通過する。
<Operation of stack structure>
The
このように燃料ガス及び空気を移動させることによって、各発電素子部Aでは、酸素分圧差すなわち電位差が、固体電解質膜の表裏面間に生じる。この状態で、セル100が外部の負荷に電気的に接続されると、下記(1)、(2)式に示す電気化学反応が起こる。これにより、セル100内にて電流が流れ、発電状態となる。この発電状態において、セル100から電力が取り出される。
By moving the fuel gas and air in this manner, in each power generating element portion A, an oxygen partial pressure difference, that is, a potential difference is generated between the front and back surfaces of the solid electrolyte membrane. In this state, when the
(1/2)・O2+2e−→O2 − (於:空気極) …(1)
H2+O2 −→H2O+2e− (於:燃料極) …(2)
(1/2) · O 2 + 2e − → O 2 − (in the air electrode) (1)
H 2 + O 2 − → H 2 O + 2e − (in the fuel electrode) (2)
<まとめ>
上記実施形態は、下記のように表現可能である。
<Summary>
The above embodiment can be expressed as follows.
(1)マニホールド200は、セル100に燃料ガスを供給するためのものである。マニホールド200は、開口を有する本体部210と、開口を塞ぐ蓋部220とを、備える。蓋部220には、セル100が配置される。ここで、セル100の幅方向(y軸方向)において、開口側の本体部210の外寸W1は、セル100の外寸W2より小さい。
(1) The
マニホールド200では、セル100の幅方向において、開口側の本体部210の外寸W1が、セル100の外寸W2より小さいので、セル100を本体部210の外周部で安定的に支持することができる。すなわち、マニホールド200では、セル100を安定的に支持することができる。また、この構成を有するマニホールド200は、セル100をシンプルな構成で支持することができる。
In the manifold 200, since the outer dimension W1 of the opening-side
(2)マニホールド200では、本体部210が、底部211と、1対の第1壁部222とを、有する。1対の第1壁部222は、底部211の外周部から延び、且つ幅方向において互いに対向している。ここで、幅方向において、開口側の1対の第1壁部222の外寸W1は、セル100の外寸W2より小さい。このように構成しても、上記(1)と同様の効果を得ることができる。
(2) In the manifold 200, the
(3)マニホールド200では、1対の第1壁部222それぞれの外面を含む平面Hが、セル100に交わるように、1対の第1壁部222が形成される。この構成によって、セル100の荷重を1対の第1壁部222に効果的に伝達することができる。
(3) In the manifold 200, the pair of
(4)マニホールド200では、本体部210が、鍔部213をさらに有している。鍔部213は、開口側の1対の第1壁部222それぞれに設けられる。蓋部220は、鍔部213に配置される。幅方向(y軸方向)におけるセル100の両端部100aが、鍔部213に接触している。この場合、蓋部220によって、本体部210の開口を確実に塞ぐことができる。また、セル100を本体部210の外周部で安定的に支持することができる。
(4) In the manifold 200, the
(5)マニホールド200では、本体部210が、鍔部213をさらに有している。鍔部213は、開口側の1対の第1壁部222それぞれに設けられる。鍔部213は、蓋部220を支持する支持部213aと、支持部213aと第1壁部222とを連結する第2湾曲部213bとを、有する。この場合、第2湾曲部213bが湾曲しているので、燃料ガスをセル100にスムーズに案内することができる。
(5) In the manifold 200, the
(6)マニホールド200では、第2湾曲部213bの第2曲率半径R2が、1.0mm以上且つ8.0mm以下の範囲である。これにより、第2湾曲部213bの近傍において、燃料ガスをセル100にスムーズ且つ効果的に案内することができる。
(6) In the manifold 200, the second curvature radius R2 of the second
(7)燃料電池のスタック構造体1は、上記の(1)から(6)のいずれかのマニホールド200と、マニホールド200からガスが供給されるセル100とを、備える。スタック構造体は、上記の(1)から(6)のいずれかのマニホールド200を、備えているので、上記と同様の効果を得ることができる。
(7) The fuel
<他の実施形態>
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
<Other embodiments>
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention.
(A)前記実施形態では、壁部212(壁本体部212a)が、底部211から高さ方向(x軸方向)に向かって延びる場合の例を示したが、壁部212(壁本体部212a)が延びる方向は、前記実施形態に限定されない。
(A) In the above-described embodiment, an example in which the wall portion 212 (
例えば、図6に示すように、壁部212(壁本体部212a)が、底部211に対して傾斜するように、マニホールド200を構成してもよい。すなわち、第1壁部222及び第2壁部223は、上方に向かって外方に広がるように傾斜されていてもよい。特に限定されるものではないが、例えば、第1壁部222及び第2壁部223と、底部211とがなす角度αは、90.1〜135°程度とすることができる。このように第1壁部222及び第2壁部223が傾斜しているため、マニホールド200の内部空間を底部211と平行な面(yz平面)で切断した断面積は、上方にいくにつれて大きくなる。また、マニホールド20の内部空間を、底部211に垂直で幅方向(y軸方向)に延びる面(xy平面)で切断した断面は、台形状となっている。また、マニホールド20の内部空間を、底部211に垂直で奥行方向(z軸方向)に延びる面(xz平面)で切断した断面は、台形状となっている。
For example, as shown in FIG. 6, the manifold 200 may be configured such that the wall portion 212 (
この場合においても、セル100の幅方向(y軸方向)において、開口側の本体部210の外寸W1は、セル100の外寸W2より小さい。この場合、例えば、1対の第1壁部222の開口端222aの間隔は、1対の第1壁部222の底部211側の間隔より大きい。また、1対の第2壁部223の開口端の間隔は、1対の第2壁部223の底部211側の間隔より大きい。このように構成すると、本体部210の内部の燃料ガスを、各セル100によりスムーズに案内することができる。
Also in this case, the outer dimension W1 of the opening-side
マニホールド、及び燃料電池のスタック構造体に広く適用可能である。 The present invention can be widely applied to manifolds and fuel cell stack structures.
1 燃料電池のスタック構造体
200 マニホールド
100 セル
100a セルの両端部
210 本体部
220 蓋部
211 底部
212 壁部
212a 壁本体部
212b 第1湾曲部
213 鍔部
213a 支持部
213b 第2湾曲部
213c 第2連続面
222 第1壁部
223 第2壁部
H 第1壁部の外面を含む平面
R1 第1曲率半径
R2 第2曲率半径
W1 開口側の本体部の外寸
W2 セルの外寸
DESCRIPTION OF
Claims (11)
開口を有する本体部と、
前記燃料電池セルが配置され、前記開口を塞ぐ蓋部と、
を備え、
前記燃料電池セルの幅方向において、開口側の前記本体部の外寸は、前記燃料電池セルの外寸より小さい、
マニホールド。
A manifold for supplying fuel gas to a fuel cell,
A main body having an opening;
The fuel cell is disposed, and a lid that closes the opening;
With
In the width direction of the fuel cell, the outer size of the main body on the opening side is smaller than the outer size of the fuel cell,
Manifold.
前記幅方向において、開口側の1対の前記第1壁部の外寸は、前記燃料電池セルの外寸より小さい、
請求項1に記載のマニホールド。
The main body portion includes a bottom portion and a pair of first wall portions extending from an outer peripheral portion of the bottom portion and facing each other in the width direction,
In the width direction, the outer dimension of the pair of first walls on the opening side is smaller than the outer dimension of the fuel cell,
The manifold according to claim 1.
請求項2に記載のマニホールド。
The pair of first wall portions is formed such that a plane including the outer surface of each of the pair of first wall portions intersects the fuel cell.
The manifold according to claim 2.
前記蓋部は、前記鍔部に配置され、
前記幅方向における前記燃料電池セルの両端部は、前記鍔部に接触する、
請求項2又は3に記載のマニホールド。
The main body further includes a flange provided on each of the pair of first walls on the opening side,
The lid is disposed on the collar;
Both end portions of the fuel cell in the width direction are in contact with the flange portion,
The manifold according to claim 2 or 3.
前記鍔部は、前記蓋部を支持する支持部と、前記支持部及び前記第1壁部を連結する第2湾曲部とを、有する、
請求項2から4のいずれか1項に記載のマニホールド。
The main body further includes a flange provided on each of the pair of first walls on the opening side,
The flange portion includes a support portion that supports the lid portion, and a second bending portion that connects the support portion and the first wall portion,
The manifold according to any one of claims 2 to 4.
請求項5に記載のマニホールド。
The radius of curvature of the second curved portion is in the range of 1.0 mm or more and 8.0 mm or less.
The manifold according to claim 5.
請求項2から6のいずれかに記載のマニホールド。
The main body further includes a pair of second wall portions extending from the outer peripheral portion of the bottom portion and facing each other in a direction orthogonal to the width direction.
The manifold according to any one of claims 2 to 6.
請求項7に記載のマニホールド。
At least one of the inner side surface and the outer side surface of the boundary portion between each first wall portion and each second wall portion is R-shaped.
The manifold according to claim 7.
前記第1湾曲部の内側面及び外側面の少なくとも一方は、R形状である、
請求項7又は8に記載のマニホールド。
Each of the first wall portions and each of the second wall portions includes a wall main body portion, and a first bending portion that connects the wall main body portion and the bottom portion,
At least one of the inner side surface and the outer side surface of the first curved portion is R-shaped,
The manifold according to claim 7 or 8.
請求項7から9のいずれかに記載のマニホールド。
Each of the first wall portions and the second wall portions are inclined so as to spread outwardly upward.
The manifold according to any one of claims 7 to 9.
前記マニホールドから燃料ガスが供給される燃料電池セルと、
を備える燃料電池のスタック構造体。 A manifold according to any one of claims 1 to 10,
A fuel battery cell to which fuel gas is supplied from the manifold;
A stack structure of a fuel cell comprising:
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