JP2018125200A - 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1(および後述する図6,7)のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1(および後述する図6,7)のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。また、本明細書では、Z軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。図2および図3に示すように、下側のエンドプレート106には、4つの流路用貫通孔107が形成されている。4つの流路用貫通孔107は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
図2および図3に示すように、燃料電池スタック100は、さらに、下側のエンドプレート106に対して複数の発電単位102とは反対側(すなわち、下側)に配置された4つのガス通路部材27を備える。4つのガス通路部材27は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172と上下方向に重なる位置に配置されている。各ガス通路部材27は、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107に連通する孔が形成された本体部28と、本体部28の側面から分岐した筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。なお、各ガス通路部材27の本体部28とエンドプレート106との間には、絶縁シート26が配置されている。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。また、図6は、図4および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。
図2,4,6に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29、本体部28、および、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通流路132を介して、空気室166に供給される。また、図3,5,7に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29、本体部28、および、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通流路142を介して、燃料室176に供給される。
次に、発電単位102に形成された各流路の詳細構成について説明する。図8は、発電単位102に形成された各流路の詳細構成を示すXY断面図である。図8には、説明の便宜上、空気極側フレーム130に形成された各連通流路(酸化剤ガス供給連通流路132および酸化剤ガス排出連通流路133)に加えて、燃料極側フレーム140に形成された各連通流路(燃料ガス供給連通流路142および燃料ガス排出連通流路143)も示している。実際の構成では、上述したように、空気極側フレーム130には燃料ガス供給連通流路142および燃料ガス排出連通流路143は形成されておらず、燃料極側フレーム140には酸化剤ガス供給連通流路132および酸化剤ガス排出連通流路133は形成されていない。
・仮想直線VL:
単セル110(具体的には、単セル110を構成する各層の内の面方向の大きさが最も小さい層であり、本実施形態では空気極114)のX軸方向の一方側(X軸負方向側)の辺(詳細には、該辺の内の略直線状部分(以下同様))の中点MPc1と、X軸方向の他方側(X軸正方向側)の辺の中点MPc2と、を結ぶ仮想的な直線
・第1の距離Lai:
仮想直線VLと、各酸化剤ガス供給連通流路132の第1の内周面IP1における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点EP1,EP2の中点MPaiと、の間の距離
・第2の距離Lao:
仮想直線VLと、各酸化剤ガス排出連通流路133の第2の内周面IP2における開口のすべてにより構成される空気極側排出開口群の両端点EP3,EP4の中点MPaoと、の間の距離
・第3の距離Lfi:
仮想直線VLと、各燃料ガス供給連通流路142の第3の内周面IP3における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点EP5,EP6の中点MPfiと、の間の距離
・第4の距離Lfo:
仮想直線VLと、各燃料ガス排出連通流路143の第4の内周面IP4における開口のすべてにより構成される燃料極側排出開口群の両端点EP7,EP8の中点MPfoと、の間の距離
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各発電単位102は、単セル110と、空気極側フレーム130と、燃料極側フレーム140とを備える。空気極側フレーム130には、空気極114に面する空気室166を構成すると共にX軸方向に互いに対向する第1の内周面IP1および第2の内周面IP2を有する孔131と、空気室166に供給されるガスが通る酸化剤ガス導入マニホールド161を構成する連通孔108と、空気室166から排出されたガスが通る酸化剤ガス排出マニホールド162を構成する連通孔108と、酸化剤ガス導入マニホールド161を構成する連通孔108に連通すると共に孔131の第1の内周面IP1に開口する少なくとも1つの酸化剤ガス供給連通流路132と、酸化剤ガス排出マニホールド162を構成する連通孔108に連通すると共に孔131の第2の内周面IP2に開口する少なくとも1つの酸化剤ガス排出連通流路133とが形成されている。燃料極側フレーム140には、燃料極116に面する燃料室176を構成すると共にX軸方向に互いに対向する第3の内周面IP3および第4の内周面IP4を有する孔141と、燃料室176に供給されるガスが通る燃料ガス導入マニホールド171を構成する連通孔108と、燃料室176から排出されたガスが通る燃料ガス排出マニホールド172を構成する連通孔108と、燃料ガス導入マニホールド171を構成する連通孔108に連通すると共に孔141の第3の内周面IP3に開口する少なくとも1つの燃料ガス供給連通流路142と、燃料ガス排出マニホールド172を構成する連通孔108に連通すると共に孔141の第4の内周面IP4に開口する少なくとも1つの燃料ガス排出連通流路143とが形成されている。また、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各発電単位102では、Z軸方向視で、上述した第1の距離Laiと第2の距離Laoとの和La(空気極側距離和La)は、第3の距離Lfiと第4の距離Lfoとの和Lf(燃料極側距離和Lf)より小さい。
上述した各流路の構成と単セル110の発電性能との関係について、シミュレーションによる性能評価を行った。図9は、性能評価結果を示す説明図である。性能評価では、上述した構成の単セル110(発電単位102)において、各連通流路132,133,142,143の位置を変更することによって空気極側距離和Laと燃料極側距離和Lfとの差(La−Lf)の値を種々変更しつつ、10個の単セル110(発電単位102)を備える燃料電池スタック100を構成し、温度700℃、電流密度0.55A/cm2で発電運転を行ったときの1つの単セル110あたりの電圧を測定した。なお、空気極側距離和Laと燃料極側距離和Lfとの差(La−Lf)の値について、単セル110(発電単位102)の大きさの影響を排除するために、以下に定義する基準長さLc(図8参照)で空気極側距離和Laと燃料極側距離和Lfとの差(La−Lf)の値を除算している。
・基準長さLc:
以下に定義する第2の仮想直線VL2上における(第2の仮想直線VL2に重なる)単セル110の長さ
・第2の仮想直線VL2:
Z軸方向視で(すなわち、面方向において)、上述の仮想直線VLと直交し、かつ、単セル110の中心を通る仮想的な直線
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (5)
- 固体酸化物を含む電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、
前記空気極に面する空気室を構成すると共に前記第1の方向に直交する第2の方向に互いに対向する第1の内周面および第2の内周面を有する空気室用孔と、前記空気室に供給されるガスが通る空気極側供給ガス流路を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、前記空気室から排出されたガスが通る空気極側排出ガス流路を構成する空気極側排出ガス流路用孔と、前記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第1の内周面に開口する少なくとも1つの空気極側供給連通流路と、前記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第2の内周面に開口する少なくとも1つの空気極側排出連通流路と、が形成された空気極側部材と、
前記燃料極に面する燃料室を構成すると共に前記第2の方向に互いに対向する第3の内周面および第4の内周面を有する燃料室用孔と、前記燃料室に供給されるガスが通る燃料極側供給ガス流路を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、前記燃料室から排出されたガスが通る燃料極側排出ガス流路を構成する燃料極側排出ガス流路用孔と、前記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第3の内周面に開口する少なくとも1つの燃料極側供給連通流路と、前記燃料極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第4の内周面に開口する少なくとも1つの燃料極側排出連通流路と、が形成された燃料極側部材と、
を備える電気化学反応単位において、
前記第1の方向視で、
前記単セルの前記第2の方向の一方側の辺の中点と前記第2の方向の他方側の辺の中点とを結ぶ仮想直線と、前記少なくとも1つの空気極側供給連通流路の前記第1の内周面における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点の中点と、の間の距離Laiと、前記仮想直線と、前記少なくとも1つの空気極側排出連通流路の前記第2の内周面における開口のすべてにより構成される空気極側排出開口群の両端点の中点と、の間の距離Laoと、の和Laは、
前記仮想直線と、前記少なくとも1つの燃料極側供給連通流路の前記第3の内周面における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点の中点と、の間の距離Lfiと、前記仮想直線と、前記少なくとも1つの燃料極側排出連通流路の前記第4の内周面における開口のすべてにより構成される燃料極側排出開口群の両端点の中点と、の間の距離Lfoと、の和Lfより小さいことを特徴とする、電気化学反応単位。 - 請求項1に記載の電気化学反応単位において、
前記第1の方向視で、
前記空気極側供給ガス流路用孔の面積と前記空気極側排出ガス流路用孔の面積との和は、前記燃料極側供給ガス流路用孔の面積と前記燃料極側排出ガス流路用孔の面積との和より大きいことを特徴とする、電気化学反応単位。 - 請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単位において、
前記第1の方向視で、前記空気極側供給開口群の開口幅の合計と前記空気極側排出開口群の開口幅の合計との和は、前記燃料極側供給開口群の開口幅の合計と前記燃料極側排出開口群の開口幅の合計との和より大きく、
前記第1の方向視で、前記仮想直線に直交し、かつ、前記単セルの中心を通る第2の仮想直線上における前記単セルの長さを基準長さLcとしたときに、前記和Laと前記和Lfとの差を前記基準長さLcで除算した値((La−Lf)/Lc)は、−0.45以上、0以下であることを特徴とする、電気化学反応単位。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
前記単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。 - 前記第1の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単位の少なくとも1つは、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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