JP2018181466A - Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the worsening of a performance of an electrochemical reaction unit owing to discharge of a gas which has been supplied into a gas chamber and then left unused for a reaction in a single cell while suppressing the increase in the number of parts and the increase in the number of manufacturing steps.SOLUTION: An electrochemical reaction unit comprises: a single cell; a frame member with a gas-chamber hole formed therein for constructing a gas chamber fronting a particular electrode which is at least one of fuel or air electrodes; an interconnector; a current collector for electrically connecting the particular electrode with the interconnector; and a support body for supporting the current collector. In the frame member, a supply-side communication flow path and an exhaust-side communication flow path are formed, opening in an inner circumferential face of the gas-chamber hole. The support body has protrusions located outside a reaction region in the single cell in a particular direction orthogonal to a direction of a line running through a mid point of an opening of the supply-side communication flow path in the inner circumferential face of the gas-chamber hole, and a mid point of an opening of the exhaust-side communication flow path in the inner circumferential face of the gas-chamber hole.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。   The technology disclosed by the present specification relates to an electrochemical reaction unit.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池発電単位(以下、「発電単位」という)は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という)を備える。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。   A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one of fuel cells that generate electric power using an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. A fuel cell power generation unit (hereinafter, referred to as “power generation unit”), which is a constituent unit of SOFC, includes a single fuel cell (hereinafter, referred to as “single cell”). The unit cell includes an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a predetermined direction with the electrolyte layer interposed therebetween.

また、発電単位は、単セルの燃料極に面する燃料室を構成するガス室用孔が形成されたフレーム部材を備える。フレーム部材には、ガス室用孔に加えて、燃料室に供給されるガス(以下、「燃料ガス」という)が通る燃料ガス供給マニホールドを構成する供給側マニホールド用孔と、燃料室から排出されたガス(以下、「燃料オフガス」という)が通る燃料ガス排出マニホールドを構成する排出側マニホールド用孔とが形成されている。フレーム部材には、さらに、供給側マニホールド用孔に連通すると共にガス室用孔の内周面に開口する供給側連通流路と、排出側マニホールド用孔に連通すると共にガス室用孔の内周面に開口する排出側連通流路とが形成されている。発電単位の燃料室には、燃料ガス供給マニホールドおよび供給側連通流路を介して燃料ガスが供給される。また、燃料室から排出側連通流路を介して排出された燃料オフガスは、燃料ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。   In addition, the power generation unit includes a frame member in which a gas chamber hole is formed, which constitutes a fuel chamber facing the fuel electrode of the single cell. In the frame member, in addition to the gas chamber holes, supply side manifold holes constituting a fuel gas supply manifold through which a gas (hereinafter referred to as "fuel gas") supplied to the fuel chamber passes, and are discharged from the fuel chamber An exhaust side manifold hole is formed which constitutes a fuel gas exhaust manifold through which the fuel gas (hereinafter referred to as "fuel off gas") passes. The frame member further communicates with the supply-side manifold hole, and also communicates with the supply-side communication flow passage opened in the inner circumferential surface of the gas chamber hole, and the discharge side manifold hole, and the inner periphery of the gas chamber hole A discharge side communication flow channel opened in the surface is formed. The fuel gas is supplied to the fuel chamber of the power generation unit via the fuel gas supply manifold and the supply side communication flow path. Further, the fuel off gas discharged from the fuel chamber via the discharge side communication flow passage is discharged to the outside via the fuel gas discharge manifold.

また、発電単位は、導電性のインターコネクタと、導電性の集電体とを備える。集電体は、燃料室内に配置され、単セルの燃料極の表面に接する電極対向部と、インターコネクタの表面に接するインターコネクタ対向部と、電極対向部とインターコネクタ対向部とをつなぐ連接部とを有する。集電体により、単セルの燃料極とインターコネクタとが電気的に接続される。   Also, the power generation unit includes a conductive interconnector and a conductive current collector. The current collector is disposed in the fuel chamber, and an electrode facing portion in contact with the surface of the single cell fuel electrode, an interconnector facing portion in contact with the surface of the interconnector, and a connecting portion connecting the electrode facing portion and the interconnector facing portion And. The current collector electrically connects the fuel electrode of the single cell to the interconnector.

さらに、発電単位は、燃料室内に配置された支持体を備える。支持体は、集電体の電極対向部やインターコネクタ対向部に当接して集電体を支持する部材である。支持体により、集電体の電極対向部と燃料極の表面との接触や、集電体のインターコネクタ対向部とインターコネクタの表面との接触が良好に維持され、その結果、集電体を介した単セルの燃料極とインターコネクタとの電気的接続が良好に維持される。   Furthermore, the power generation unit comprises a support arranged in the fuel chamber. The support is a member that contacts the electrode facing portion or the interconnector facing portion of the current collector to support the current collector. By the support, the contact between the electrode facing portion of the current collector and the surface of the fuel electrode, and the contact between the interconnector facing portion of the current collector and the surface of the interconnector are well maintained. Good electrical connection between the fuel electrode of the single cell and the interconnector is maintained.

一般に、発電単位において、単セル(より詳細には、単セルにおいて実際に発電反応が起こる反応領域)の縁部を、フレーム部材に形成されたガス室用孔の内周面に接する位置まで延ばすことは困難であり、単セルの反応領域の縁部とガス室用孔の内周面とは離間している。両者の間にガスが流れる空間(以下、「ガス流路空間」という)が存在すると、燃料室に供給された燃料ガスの一部が、単セルにおける発電反応に利用されることなく、該ガス流路空間を経由して燃料室から排出されるため、発電効率が低下する。そのため、従来、単セルの反応領域の縁部とガス室用孔の内周面との間に、例えばフェルトにより形成された封止部材が設置された構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような構成によれば、封止部材によって、単セルの反応領域の縁部とガス室用孔の内周面との間にガス流路空間が形成されることが抑制されるため、単セルにおける発電反応に利用されることなく該ガス流路空間を通って排出される燃料ガスの量を減らすことができ、発電効率の低下を抑制することができる。   Generally, in the power generation unit, the edge of the single cell (more specifically, the reaction area where the power generation reaction actually occurs in the single cell) is extended to a position contacting the inner circumferential surface of the gas chamber hole formed in the frame member. It is difficult, and the edge of the reaction area of the single cell is separated from the inner circumferential surface of the gas chamber hole. If a space through which gas flows (hereinafter referred to as "gas flow passage space") exists between the two, a part of the fuel gas supplied to the fuel chamber is not used for the power generation reaction in a single cell, and the gas Since the fuel is discharged from the fuel chamber via the flow passage space, the power generation efficiency is reduced. Therefore, conventionally, a configuration is known in which a sealing member formed of, for example, felt is installed between the edge of the reaction area of a single cell and the inner peripheral surface of the gas chamber hole (for example, patent document 1). According to such a configuration, the sealing member suppresses the formation of the gas flow passage space between the edge of the reaction area of the single cell and the inner peripheral surface of the gas chamber hole, and thus The amount of fuel gas discharged through the gas flow passage space without being used for the power generation reaction in the cell can be reduced, and the reduction in the power generation efficiency can be suppressed.

特開2009−43550号公報JP, 2009-43550, A

上記従来の構成では、フェルト製の封止部材といった専用の部材を別途設ける必要があるため、部品点数が増加したり製造工数が増加したりするという課題がある。   In the above-described conventional configuration, since it is necessary to separately provide a dedicated member such as a felt sealing member, there is a problem that the number of parts increases and the number of manufacturing steps increases.

なお、このような課題は、燃料極側に限らず、空気極側にも共通の課題である。また、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という)の構成単位である電解セル単位にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて、電気化学反応単位と呼ぶ。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応単位にも共通の課題である。  Such a problem is not limited to the fuel electrode side, but is common to the air electrode side. Such a problem is also common to the electrolytic cell unit which is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as "SOEC") which generates hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. It is. In the present specification, the fuel cell power generation unit and the electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit. Moreover, such a subject is a subject common to other types of electrochemical reaction units as well as SOFC and SOEC.

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。   The present specification discloses a technology that can solve the above-described problems.

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。   The technology disclosed in the present specification can be realized, for example, as the following form.

(1)本明細書に開示される電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、前記燃料極と前記空気極との少なくとも一方である特定電極について設けられ、前記特定電極に面するガス室を構成するガス室用孔と、前記ガス室に供給されるガスが通る供給側マニホールドを構成する供給側マニホールド用孔と、前記ガス室から排出されたガスが通る排出側マニホールドを構成する排出側マニホールド用孔と、前記供給側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する少なくとも1つの供給側連通流路と、前記排出側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する少なくとも1つの排出側連通流路と、が形成されたフレーム部材と、導電性のインターコネクタと、前記特定電極について設けられ、前記ガス室内に配置され、前記特定電極の表面に接する電極対向部と、前記インターコネクタの表面に接するインターコネクタ対向部と、前記電極対向部と前記インターコネクタ対向部とをつなぐ連接部と、を有する導電性の集電体と、前記特定電極について設けられ、前記ガス室内に配置され、前記電極対向部の前記特定電極に対向する側とは反対側の表面と、前記インターコネクタ対向部の前記インターコネクタに対向する側とは反対側の表面と、の少なくとも一方に当接して前記集電体を支持する支持体と、を備える電気化学反応単位において、前記支持体は、前記第1の方向視で、前記供給側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点と前記排出側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点とを結ぶ方向に直交する特定方向において、前記電気化学反応単セルにおける反応領域の外側に位置する突出部を有する。本電気化学反応単位では、支持体が、第1の方向視で、電気化学反応単セルにおける反応領域の外側に位置する突出部を有する。すなわち、本電気化学反応単位では、電気化学反応単セルの反応領域の縁部とガス室用孔の内周面との間に、支持体の突出部が存在する。そのため、本電気化学反応単位では、支持体の突出部の存在によって、電気化学反応単セルの反応領域の縁部とガス室用孔の内周面との間にガス流路空間が形成されることが抑制され(ガス流路空間の断面積が大きくなることが抑制され)、電気化学反応単セルにおける反応に利用されることなく該ガス流路空間を通って排出されるガスの量を減らすことができる。また、本電気化学反応単位では、別途、専用の部材を設けることなく、集電体を支持する支持体を用いて、上述したガス流路空間の形成抑制を実現することができる。そのため、本電気化学反応単位によれば、部品点数の増加や製造工数の増加を抑制しつつ、ガス室に供給されたガスが電気化学反応単セルにおける反応に利用されずに排出されることによる電気化学反応単位の性能低下を抑制することができる。 (1) The electrochemical reaction unit disclosed in the present specification includes: an electrolyte layer; and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction across the electrolyte layer; A gas chamber hole provided for a specific electrode which is at least one of the fuel electrode and the air electrode and constituting a gas chamber facing the specific electrode, and a supply side manifold through which a gas supplied to the gas chamber passes A hole for supply side manifold which constitutes, a hole for discharge side manifold which constitutes a discharge side manifold through which a gas discharged from the gas chamber passes, and an inner periphery of the hole for gas chamber while communicating with the hole for supply side manifold At least one supply-side communication flow passage opening in the surface; and at least one discharge-side communication flow passage communicating with the discharge-side manifold hole and opening in the inner circumferential surface of the gas chamber hole; An electrode facing portion provided on the formed frame member, a conductive interconnector, and the specific electrode, disposed in the gas chamber and in contact with the surface of the specific electrode, and an interconnector facing in contact with the surface of the interconnector A conductive current collector having a portion, a connecting portion connecting the electrode facing portion and the interconnector facing portion, and the specific electrode provided, disposed in the gas chamber, the electrode facing portion Support for supporting the current collector in contact with at least one of the surface opposite to the side facing the specific electrode and the surface opposite to the side facing the interconnector of the interconnector facing portion In the electrochemical reaction unit comprising a body, the support is an opening to the inner circumferential surface of the gas chamber hole of the supply side communication flow passage in the first direction view. It is located outside the reaction area in the electrochemical reaction unit cell in a specific direction orthogonal to the direction connecting the middle point and the middle point of the opening to the inner peripheral surface of the gas chamber hole of the discharge side communication flow path. It has a projection. In the electrochemical reaction unit, the support has a protrusion located outside the reaction region in the electrochemical reaction unit cell in the first direction. That is, in the present electrochemical reaction unit, a protrusion of the support exists between the edge of the reaction area of the electrochemical reaction unit cell and the inner peripheral surface of the gas chamber hole. Therefore, in the present electrochemical reaction unit, a gas flow passage space is formed between the edge of the reaction area of the electrochemical reaction unit cell and the inner peripheral surface of the gas chamber hole by the presence of the protrusion of the support. Is suppressed (the cross-sectional area of the gas flow passage space is increased), and the amount of gas discharged through the gas flow passage space is reduced without being used for the reaction in the electrochemical reaction unit cell. be able to. Further, in the present electrochemical reaction unit, the formation suppression of the above-described gas flow path space can be realized using a support for supporting the current collector without separately providing a dedicated member. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, the gas supplied to the gas chamber is discharged without being utilized for the reaction in the electrochemical reaction single cell while suppressing an increase in the number of parts and an increase in the number of manufacturing steps. The performance deterioration of the electrochemical reaction unit can be suppressed.

(2)上記電気化学反応単位において、前記第1の方向視で、前記特定方向における前記突出部と前記反応領域との間に、前記反応領域に対向する第1の空間に連続する第2の空間が存在する構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、ガス室に供給されたガスが反応領域の外側(すなわち、反応領域の縁部とガス室用孔の内周面との間)に移動したとしても、該ガスが第2の空間に入り込んで滞留し、第2の空間から反応領域に対向する第1の空間に戻ることが促される。そのため、本電気化学反応単位によれば、ガス室に供給されたガスの内、電気化学反応単セルにおける反応に利用されることなく排出されるガスの量を効果的に減らすことができ、電気化学反応単位の性能低下を効果的に抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction unit, a second space continuous to a first space facing the reaction area between the protrusion and the reaction area in the specific direction in the first direction view A space may exist. According to the present electrochemical reaction unit, even if the gas supplied to the gas chamber moves to the outside of the reaction area (that is, between the edge of the reaction area and the inner circumferential surface of the gas chamber hole), the gas Is urged to stay in the second space and return from the second space to the first space facing the reaction region. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, it is possible to effectively reduce the amount of the gas supplied to the gas chamber which is discharged without being used for the reaction in the electrochemical reaction unit cell. The performance deterioration of the chemical reaction unit can be effectively suppressed.

(3)上記電気化学反応単位において、前記第1の方向視で、前記第2の空間は、前記反応領域に対向せず、かつ、前記少なくとも1つの供給側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口に面する第3の空間、または、前記反応領域に対向せず、かつ、前記少なくとも1つの排出側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口に面する第4の空間に連続している構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第2の空間が、反応領域に対向せず、かつ、少なくとも1つの供給側連通流路のガス室用孔の内周面への開口に面する第3の空間、または、反応領域に対向せず、かつ、少なくとも1つの排出側連通流路のガス室用孔の内周面への開口に面する第4の空間に連続しているため、ガス室において乱流の発生を促すことができ、その結果、第2の空間から反応領域に対向する第1の空間へのガスの移動を促すことができる。そのため、本電気化学反応単位によれば、ガス室に供給されたガスの内、電気化学反応単セルにおける反応に利用されることなく排出されるガスの量を極めて効果的に減らすことができ、電気化学反応単位の性能低下を極めて効果的に抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction unit, the second space does not face the reaction region in the first direction view, and the gas chamber hole of the at least one supply communication passage. In the third space facing the opening to the inner peripheral surface of the inner wall, or the opening to the inner peripheral surface of the gas chamber hole of the at least one discharge side communication flow channel not facing the reaction region It may be configured to be continuous to the facing fourth space. According to the electrochemical reaction unit, the second space does not face the reaction area, and the third space faces the opening to the inner peripheral surface of the gas chamber hole of the at least one supply side communication flow path. In the gas chamber, since it is continuous with the space or the fourth space facing the opening to the inner circumferential surface of the gas chamber hole of the at least one discharge side communication channel, not facing the reaction region, and The generation of turbulent flow can be promoted, and as a result, the movement of gas from the second space to the first space facing the reaction region can be promoted. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, it is possible to extremely effectively reduce the amount of the gas supplied to the gas chamber without being utilized for the reaction in the electrochemical reaction unit cell. The performance deterioration of the electrochemical reaction unit can be extremely effectively suppressed.

(4)上記電気化学反応単位において、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、ガス室に供給されたガスの内、燃料電池単セルにおける発電反応に利用されることなく排出されるガスの量を減らすことができ、電気化学反応単位の発電性能低下を抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction unit, the electrochemical reaction unit cell may be a fuel cell unit cell. According to the electrochemical reaction unit, it is possible to reduce the amount of the gas supplied to the gas chamber without being utilized for the power generation reaction in the fuel cell single cell, and the power generation of the electrochemical reaction unit can be reduced. Performance reduction can be suppressed.

(5)本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、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、上記電気化学反応単位である。本電気化学反応セルスタックによれば、少なくとも1つの電気化学反応単位のガス室に供給されたガスの内、該電気化学反応単セルにおける反応に利用されることなく排出されるガスの量を減らすことができ、電気化学反応単位の性能低下を抑制することができる。 (5) The electrochemical reaction cell stack disclosed in the present specification includes an electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction units arranged in the first direction, wherein At least one is the above-mentioned electrochemical reaction unit. According to the present electrochemical reaction cell stack, the amount of gas supplied to the gas chamber of at least one electrochemical reaction unit is reduced without being utilized for the reaction in the electrochemical reaction unit cell. It is possible to suppress the performance deterioration of the electrochemical reaction unit.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)、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(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。   The technology disclosed herein can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction unit (a fuel cell power generation unit or an electrolysis cell unit), and an electricity provided with a plurality of electrochemical reaction units. It is possible to realize in the form of a chemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolysis cell stack), a method of manufacturing them, and the like.

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る。It is a perspective view showing the appearance composition of fuel cell stack 100 in this embodiment. 図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the fuel cell stack 100 in the position of II-II of FIG. 図1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。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the fuel cell stack 100 in the position of III-III of FIG. 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る。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the two adjacent electric power generation units 102 in the same position as the cross section shown in FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the two adjacent electric power generation units 102 in the same position as the cross section shown in FIG. 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る。It is explanatory drawing which shows XY sectional structure of the electric power generation unit 102 in the position of VI-VI of FIG. 4 and FIG. 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。It is explanatory drawing which shows XY sectional structure of the electric power generation unit 102 in the position of VII-VII of FIG. 4 and FIG. 発電単位102が備える支持体149周りの詳細構成を示すXY断面図である。It is XY sectional drawing which shows the detailed structure of the surroundings of the support body 149 with which the electric power generation unit 102 is provided. 発電単位102が備える支持体149周りの詳細構成を示すYZ断面図である。It is YZ sectional drawing which shows the detailed structure of the surroundings of the support body 149 with which the electric power generation unit 102 is provided. 比較例における発電単位102Xが備える支持体149周りの詳細構成を示すYZ断面図である。It is YZ sectional drawing which shows the detailed structure of the support body 149 periphery with which the electric power generation unit 102X in a comparative example is equipped. 第1の変形例における発電単位102が備える支持体149周りの詳細構成を示すXY断面図である。It is XY sectional drawing which shows the detailed structure of the surroundings of the support body 149 with which the electric power generation unit 102 in a 1st modification is equipped. 第2の変形例における発電単位102が備える支持体149周りの詳細構成を示すXY断面図である。It is XY sectional drawing which shows the detailed structure of the surroundings of the support body 149 with which the electric power generation unit 102 in a 2nd modification is equipped.

A.実施形態:
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。
A. Embodiment:
A-1. Device configuration:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance configuration of a fuel cell stack 100 in the present embodiment, and FIG. 2 is an XZ view of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG. 1 (and FIGS. FIG. 3 is an explanatory view showing a cross-sectional configuration, and FIG. 3 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position of III-III in FIG. 1 (and FIGS. In each figure, mutually orthogonal XYZ axes for specifying the direction are shown. In this specification, for convenience, the Z-axis positive direction is referred to as the upward direction, and the Z-axis negative direction is referred to as the downward direction. However, the fuel cell stack 100 actually has an orientation different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIG. Further, in the present specification, a direction orthogonal to the Z-axis direction is referred to as a surface direction.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。   The fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in the present embodiment) fuel cell power generation units (hereinafter simply referred to as “power generation units”) 102 and a pair of end plates 104 and 106. The seven power generation units 102 are arranged in a predetermined arrangement direction (vertical direction in the present embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged to sandwich an assembly composed of seven power generation units 102 from above and below. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.

図1に示すように、燃料電池スタック100を構成する各層(各発電単位102、エンドプレート104,106)のZ軸方向回りの外周の4つの角部周辺には、各層を上下方向に貫通する孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びるボルト孔109を構成している。各ボルト孔109にはボルト22が挿入されており、各ボルト22および図示しないナットによって燃料電池スタック100は締結されている。   As shown in FIG. 1, the layers are vertically penetrated around four corners of the outer periphery around each Z-axis direction of each layer (each power generation unit 102 and end plates 104 and 106) constituting the fuel cell stack 100. Holes are formed, and the holes formed in the respective layers communicate with each other in the vertical direction to form bolt holes 109 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106. A bolt 22 is inserted in each bolt hole 109, and the fuel cell stack 100 is fastened by each bolt 22 and a nut not shown.

また、図1から図3に示すように、各発電単位102のZ軸方向回りの外周辺の付近には、各発電単位102を上下方向に貫通する孔が形成されており、各発電単位102に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、複数の発電単位102にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために各発電単位102に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。   Further, as shown in FIGS. 1 to 3, a hole penetrating each power generation unit 102 in the vertical direction is formed in the vicinity of the outer periphery of each power generation unit 102 around the Z-axis direction. The corresponding holes communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction across the plurality of power generation units 102. In the following description, a hole formed in each power generation unit 102 to form the communication hole 108 may also be referred to as the communication hole 108.

図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の付近に位置する連通孔108は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102の後述する空気室166に供給するガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の付近に位置する連通孔108は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出するガス流路である酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 100 is positioned near one side (the side on the X axis positive direction side of the two sides parallel to the Y axis) in the outer periphery around the Z axis direction of the fuel cell stack 100. An oxidant gas supply manifold 161 is a gas flow path through which the oxidant gas OG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100 and the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 described later. From the air chamber 166 of each of the power generation units 102. The communication hole 108 functions as the second side and is located in the vicinity of the side opposite to the side (the side of the two sides parallel to the Y axis in the negative X axis direction). It functions as an oxidant gas discharge manifold 162 which is a gas flow path for discharging an oxidant off gas OOG which is a discharged gas to the outside of the fuel cell stack 100. In the present embodiment, for example, air is used as the oxidant gas OG.

また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周を構成する辺の内、上述した酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する連通孔108に最も近い辺の付近に位置する他の連通孔108は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102の後述する燃料室176に供給するガス流路である燃料ガス供給マニホールド171として機能し、上述した酸化剤ガス供給マニホールド161として機能する連通孔108に最も近い辺の付近に位置する他の連通孔108は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出するガス流路である燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。燃料ガス供給マニホールド171は、特許請求の範囲における供給側マニホールドに相当し、燃料ガス排出マニホールド172は、特許請求の範囲における排出側マニホールドに相当する。   Further, as shown in FIGS. 1 and 3, among the sides constituting the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction, the vicinity of the side closest to the communication hole 108 functioning as the above-mentioned oxidant gas discharge manifold 162. In the other communication holes 108 located in the fuel cell stack 100, fuel gas FG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas is supplied to the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 described later. The other communication holes 108 located in the vicinity of the side closest to the communication holes 108 which function as the manifold 171 and function as the oxidant gas supply manifold 161 described above are gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102. As a fuel gas discharge manifold 172 which is a gas flow path for discharging a certain fuel off gas FOG to the outside of the fuel cell stack 100 To function. In the present embodiment, a hydrogen rich gas obtained by reforming city gas, for example, is used as the fuel gas FG. The fuel gas supply manifold 171 corresponds to the supply side manifold in the claims, and the fuel gas discharge manifold 172 corresponds to the discharge side manifold in the claims.

(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。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、酸化剤ガス供給マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス供給マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
(Configuration of end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 is a substantially rectangular flat conductive member and is made of, for example, stainless steel. One end plate 104 is disposed on the upper side of the uppermost power generation unit 102, and the other end plate 106 is disposed on the lower side of the lowermost power generation unit 102. The plurality of power generation units 102 are held in a pressed state by the pair of end plates 104 and 106. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100. As shown in FIG. 2 and FIG. 3, four flow path through holes 107 are formed in the lower end plate 106. The four flow path through holes 107 are in communication with the oxidant gas supply manifold 161, the oxidant gas discharge manifold 162, the fuel gas supply manifold 171, and the fuel gas discharge manifold 172, respectively.

(ガス通路部材27等の構成)
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、酸化剤ガス供給マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス供給マニホールド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。
(Configuration of gas passage member 27 etc.)
As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell stack 100 further includes four gas passages disposed on the opposite side (ie, the lower side) of the lower end plates 106 to the plurality of power generation units 102. A member 27 is provided. The four gas passage members 27 are arranged at positions overlapping the oxidant gas supply manifold 161, the oxidant gas discharge manifold 162, the fuel gas supply manifold 171, and the fuel gas discharge manifold 172 in the vertical direction, respectively. Each gas passage member 27 has a main body portion 28 in which a hole communicating with the flow path through hole 107 of the lower end plate 106 is formed, and a cylindrical branch portion 29 branched from the side surface of the main body portion 28 doing. The hole of the branch portion 29 communicates with the hole of the main body portion 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. An insulating sheet 26 is disposed between the main body 28 of each gas passage member 27 and the end plate 106. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic dust sheet, a glass sheet, a glass ceramic composite agent, or the like.

(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。なお、図5には、後述する燃料極側集電体144の一部の構成が拡大して示されている。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。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory view showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generation units 102 at the same position as the cross section shown in FIG. 2, and FIG. 5 is adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. FIG. 6 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102. Note that FIG. 5 shows an enlarged view of a part of the fuel electrode side current collector 144 described later. 6 is an explanatory view showing an XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position of VI-VI in FIG. 4 and FIG. 5, and FIG. 7 is a power generation unit at the position of VII-VII in FIG. It is explanatory drawing which shows XY cross-section structure of 102. FIG.

図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ軸方向回りの周縁部には、上述した各マニホールド161,162,171,172として機能する連通孔108を構成する孔や、各ボルト孔109を構成する孔が形成されている。   As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 includes the unit cell 110, the separator 120, the air electrode side frame 130, the air electrode side current collector 134, the fuel electrode side frame 140, and the fuel electrode side. A current collector 144 and a pair of interconnectors 150 constituting the top layer and the bottom layer of the power generation unit 102 are provided. Holes constituting the communication holes 108 functioning as the above-described manifolds 161, 162, 171, 172 at the peripheral portion around the Z axis direction in the separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the interconnector 150 Also, holes forming the respective bolt holes 109 are formed.

インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。   The interconnector 150 is a substantially rectangular flat conductive member and is made of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents the mixing of reaction gases between the power generation units 102. In the present embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by the two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a certain power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Further, since fuel cell stack 100 is provided with a pair of end plates 104 and 106, power generation unit 102 located at the top of fuel cell stack 100 does not have upper interconnector 150 and is located at the bottom. The power generation unit 102 does not have the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).

単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。   The unit cell 110 includes an electrolyte layer 112 and an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 which face each other in the vertical direction (arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) sandwiching the electrolyte layer 112. The unit cell 110 of this embodiment is a unit cell of the fuel electrode support type in which the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 are supported by the fuel electrode 116.

電解質層112は、Z方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。また、空気極114は、Z方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、Z方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。燃料極116は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。   The electrolyte layer 112 is a flat plate-shaped member that is substantially rectangular in the Z direction, and is a dense layer. The electrolyte layer 112 is formed of, for example, a solid oxide such as YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), SDC (samarium-doped ceria), GDC (gadolinium-doped ceria), or perovskite-type oxide. There is. Thus, the unit cell 110 (power generation unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide as an electrolyte. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 in the Z direction, and is a porous layer. The air electrode 114 is made of, for example, a perovskite type oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)). The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-like member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 in the Z direction, and is a porous layer. The fuel electrode 116 is formed of, for example, a cermet composed of Ni and oxide ion conductive ceramic particles (for example, YSZ). The fuel electrode 116 corresponds to the specific electrode in the claims.

なお、単セル110において、実質的に発電反応が起こる領域は、Z軸方向視で空気極114と電解質層112と燃料極116とのすべてが存在している領域である。本明細書では、単セル110におけるこの領域を、反応領域RRという(図4,5,7参照)。   In the unit cell 110, a region in which the power generation reaction substantially occurs is a region in which all of the air electrode 114, the electrolyte layer 112, and the fuel electrode 116 are present as viewed in the Z-axis direction. In this specification, this region in the single cell 110 is referred to as a reaction region RR (see FIGS. 4, 5 and 7).

セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。   The separator 120 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed in the vicinity of the center, and is formed of, for example, metal. The peripheral portion of the hole 121 in the separator 120 faces the peripheral portion of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (unit cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag wax) disposed in the facing portion. The air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116 are separated by the separator 120, and the gas leaks from the one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion of the unit cell 110. Be suppressed.

空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形のガス室用孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。  The air electrode side frame 130 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular gas chamber hole 131 penetrating in the vertical direction is formed in the vicinity of the center, and is formed of, for example, an insulator such as mica. The air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral portion of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral portion of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. . Further, the air electrode side frame 130 electrically insulates between the pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102.

図4〜図6に示すように、空気極側フレーム130のガス室用孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する孔である。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス供給マニホールド161を構成する連通孔108に連通すると共にガス室用孔131の内周面に開口する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に連通すると共にガス室用孔131の内周面に開口する酸化剤ガス排出連通流路133とが形成されている。本実施形態では、空気極側フレーム130に、3本の酸化剤ガス供給連通流路132と、3本の酸化剤ガス排出連通流路133とが形成されている。   As shown in FIGS. 4 to 6, the gas chamber hole 131 of the air electrode side frame 130 is a hole that constitutes the air chamber 166 facing the air electrode 114. Further, an oxidant gas supply communication channel 132 which communicates with the communication hole 108 constituting the oxidant gas supply manifold 161 and opens in the inner peripheral surface of the gas chamber hole 131 in the air electrode side frame 130, an oxidant An oxidant gas discharge communication channel 133 is formed which is in communication with the communication hole 108 constituting the gas discharge manifold 162 and which is open on the inner peripheral surface of the gas chamber hole 131. In the present embodiment, in the air electrode side frame 130, three oxidant gas supply communication channels 132 and three oxidant gas discharge communication channels 133 are formed.

燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形のガス室用孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。   The fuel electrode side frame 140 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular gas chamber hole 141 penetrating in the vertical direction is formed in the vicinity of the center, and is made of, for example, metal. The fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral portion of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral portion of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116.

図4,図5および図7に示すように、燃料極側フレーム140のガス室用孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する孔である。ガス室用孔141は、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。また、図5および図7に示すように、燃料極側フレーム140には、燃料ガス供給マニホールド171を構成する連通孔108に連通すると共にガス室用孔141の第1の内周面IP1に開口する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に連通すると共にガス室用孔141の第2の内周面IP2に開口する燃料ガス排出連通流路143とが形成されている。本実施形態では、燃料極側フレーム140に、1本の燃料ガス供給連通流路142と、1本の燃料ガス排出連通流路143とが形成されている。   As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the gas chamber hole 141 of the fuel electrode side frame 140 is a hole that constitutes the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116. The gas chamber hole 141 has a first inner circumferential surface IP1 and a second inner circumferential surface IP2 facing each other in the X-axis direction. Further, as shown in FIGS. 5 and 7, the fuel electrode side frame 140 communicates with the communication hole 108 constituting the fuel gas supply manifold 171 and is open at the first inner circumferential surface IP1 of the gas chamber hole 141. And a fuel gas discharge communication channel 143 communicating with the communication hole 108 constituting the fuel gas discharge manifold 172 and opening in the second inner circumferential surface IP2 of the gas chamber hole 141. It is formed. In the present embodiment, one fuel gas supply communication channel 142 and one fuel gas discharge communication channel 143 are formed in the fuel electrode side frame 140.

燃料極側フレーム140は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当し、ガス室用孔141は、特許請求の範囲におけるガス室用孔に相当する。また、燃料極側フレーム140に形成された連通孔108の内、燃料ガス供給マニホールド171を構成する連通孔108は、特許請求の範囲における供給側マニホールド用孔に相当し、燃料ガス排出マニホールド172を構成する連通孔108は、特許請求の範囲における排出側マニホールド用孔に相当する。また、燃料極側フレーム140に形成された燃料ガス供給連通流路142は、特許請求の範囲における供給側連通流路に相当し、燃料ガス排出連通流路143は、特許請求の範囲における排出側連通流路に相当する。   The fuel electrode side frame 140 corresponds to the frame member in the claims, and the gas chamber holes 141 correspond to the gas chamber holes in the claims. Further, among the communication holes 108 formed in the fuel electrode side frame 140, the communication holes 108 constituting the fuel gas supply manifold 171 correspond to the supply side manifold holes in the claims, and the fuel gas discharge manifold 172 The communication hole 108 which is configured corresponds to the discharge side manifold hole in the claims. Further, the fuel gas supply communication channel 142 formed in the fuel electrode side frame 140 corresponds to the supply communication channel in the claims, and the fuel gas discharge communication channel 143 has the exhaust side in the claims. It corresponds to the communication channel.

図4〜図6に示すように、空気極側集電体134は、空気室166内に配置された導電性部材である。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。また、空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。   As shown in FIGS. 4 to 6, the air electrode side current collector 134 is a conductive member disposed in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially square pole shaped current collector elements 135, and is made of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 opposite to the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 positioned at the top in the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 is the upper end plate It is in contact with 104. Because of such a configuration, the air electrode side current collector 134 electrically connects the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104). In the present embodiment, the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, a flat plate-shaped portion of the integral member which is orthogonal to the vertical direction (Z-axis direction) functions as the interconnector 150 and is formed so as to project from the flat-plate portion toward the air electrode 114 The plurality of convex portions, ie, the current collector elements 135 function as the air electrode side current collector 134. In addition, the integral member of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be covered with a conductive coat, and between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 A conductive bonding layer to be bonded may be interposed.

図4,5,7に示すように、燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置された導電性部材である。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えている。本実施形態では、燃料極側集電体144は、ニッケル箔(例えば厚さ10〜200μm)により形成されている。図5における部分拡大図に示すように、燃料極側集電体144は、略矩形のニッケル箔に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた各矩形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴OPが開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。なお、図5における部分拡大図では、燃料極側集電体144の製造方法を示すため、一部の矩形部分について、曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。   As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the fuel electrode side current collector 144 is a conductive member disposed in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. In the present embodiment, the fuel electrode side current collector 144 is formed of a nickel foil (for example, a thickness of 10 to 200 μm). As shown in the partial enlarged view in FIG. 5, the fuel electrode side current collector 144 is manufactured by cutting a substantially rectangular nickel foil and processing it so that a plurality of rectangular portions are bent up. Each rectangular portion bent and bent becomes an electrode facing portion 145, and a flat plate portion with holes OP opened other than the bent and bent portion becomes an interconnector facing portion 146, and the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 The connecting portion is the connecting portion 147. Note that, in the partially enlarged view in FIG. 5, in order to show the method of manufacturing the fuel electrode side current collector 144, a state before bending and raising processing is completed is shown for a part of rectangular portions.

燃料極側集電体144の電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。燃料極側集電体144は、特許請求の範囲における集電体に相当する。   The electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is the fuel electrode in the interconnector 150. It is in contact with the surface opposite to 116. However, as described above, since the lowermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not have the lower interconnector 150, the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 is the lower end plate Contact 106. The fuel electrode side current collector 144 electrically connects the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) because of such a configuration. The fuel electrode side current collector 144 corresponds to the current collector in the claims.

また、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成された支持体149が配置されている。支持体149は、燃料極側集電体144の電極対向部145における燃料極116に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ対向部146におけるインターコネクタ150に対向する側とは反対側の表面とに当接して、燃料極側集電体144を支持する。支持体149により、電極対向部145と燃料極116との接触、および、インターコネクタ対向部146とインターコネクタ150との接触が良好に維持され、その結果、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。   In addition, a support 149 formed of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. The support 149 is a surface of the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 opposite to the surface facing the fuel electrode 116, and a side opposite to the surface facing the interconnector 150 of the interconnector facing portion 146. The fuel electrode side current collector 144 is supported in contact with the surface of the fuel cell. By the support 149, the contact between the electrode facing portion 145 and the fuel electrode 116 and the contact between the interconnector facing portion 146 and the interconnector 150 are well maintained. As a result, the fuel electrode side current collector 144 is interposed. The electrical connection between the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) is well maintained.

A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2,4,6に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド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供給マニホールド161に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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を介して燃料ガス供給マニホールド171に供給され、燃料ガス供給マニホールド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。
A-2. Operation of Fuel Cell Stack 100:
As shown in FIGS. 2, 4 and 6, the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas supply manifold 161. When supplied, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas supply manifold 161 via the branch portion 29 of the gas passage member 27, the main body portion 28, and the flow path through hole 107 of the lower end plate 106. The air is supplied from the oxidant gas supply manifold 161 to the air chamber 166 via the oxidant gas supply communication channel 132 of each power generation unit 102. Further, as shown in FIGS. 3, 5 and 7, the fuel gas FG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas supply manifold 171. When supplied, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas supply manifold 171 through the branch portion 29 of the gas passage member 27, the main body portion 28, and the flow path through hole 107 of the lower end plate 106. The fuel gas is supplied from the fuel gas supply manifold 171 to the fuel chamber 176 via the fuel gas supply communication channel 142 of each power generation unit 102.

各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。   When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, oxygen contained in the oxidant gas OG and hydrogen contained in the fuel gas FG in the single cell 110 Power generation is performed by electrochemical reaction with the This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air electrode 114 of the unit cell 110 is electrically connected to one of the interconnectors 150 through the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is through the fuel electrode side current collector 144. The other interconnector 150 is electrically connected. Also, the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, the electrical energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 functioning as the output terminals of the fuel cell stack 100. Since the SOFC generates power at a relatively high temperature (eg, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is heated (after start-up, until the heat can be maintained by the heat generated by the power generation). (Not shown).

各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2,4,6に示すように、酸化剤ガス排出連通流路133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107、酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3,5,7に示すように、燃料ガス排出連通流路143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107、燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。   The oxidant off gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 through the oxidant gas discharge communication channel 133, as shown in FIGS. Further, it is connected to the branch portion 29 through the flow path through hole 107 of the lower end plate 106, the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas discharge manifold 162. The fuel is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 through gas piping (not shown). In addition, the fuel off gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication channel 143, as shown in FIGS. A gas pipe connected to the branch portion 29 through the flow path through hole 107 of the lower end plate 106, the main body portion 28 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas discharge manifold 172, and the branch portion 29. The fuel is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 (not shown).

なお、図6に示すように、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では、空気極側フレーム130のガス室用孔131における酸化剤ガス供給連通流路132が開口する内周面と酸化剤ガス排出連通流路133が開口する内周面との対向方向は、X軸方向である。そのため、各発電単位102の空気室166における酸化剤ガスOGの主たる流れ方向は、概ねX軸正方向側からX軸負方向側に向かう方向である。また、図7に示すように、燃料極側フレーム140のガス室用孔141における燃料ガス供給連通流路142が開口する内周面(第1の内周面IP1)と燃料ガス排出連通流路143が開口する内周面(第2の内周面IP2)との対向方向は、X軸方向である。そのため、各発電単位102の燃料室176における燃料ガスFGの主たる流れ方向は、概ねX軸負方向側からX軸正方向側に向かう方向である。このように、本実施形態の発電単位102は、空気室166における酸化剤ガスOGの主たる流れ方向と燃料室176における燃料ガスFGの主たる流れ方向とが略反対方向(互いに対向する方向)となるカウンターフロータイプのSOFCである。   As shown in FIG. 6, in each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the oxidant gas supply communication channel 132 in the gas chamber hole 131 of the air electrode side frame 130 is opened. The opposing direction of the circumferential surface and the inner circumferential surface where the oxidant gas discharge communication channel 133 opens is the X axis direction. Therefore, the main flow direction of the oxidant gas OG in the air chamber 166 of each power generation unit 102 is a direction generally from the X-axis positive direction side to the X-axis negative direction side. Further, as shown in FIG. 7, the inner peripheral surface (first inner peripheral surface IP1) and the fuel gas discharge communication channel in which the fuel gas supply communication channel 142 opens in the gas chamber hole 141 of the fuel electrode side frame 140 The opposing direction with the inner circumferential surface (second inner circumferential surface IP2) where the opening 143 is the X axis direction. Therefore, the main flow direction of the fuel gas FG in the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is a direction generally from the X-axis negative direction side to the X-axis positive direction side. Thus, in the power generation unit 102 of the present embodiment, the main flow direction of the oxidant gas OG in the air chamber 166 and the main flow direction of the fuel gas FG in the fuel chamber 176 are substantially opposite directions (directions opposite each other) It is a counterflow type SOFC.

A−3.支持体149の詳細構成:
次に、発電単位102が備える支持体149の詳細構成について説明する。図8は、発電単位102が備える支持体149周りの詳細構成を示すXY断面図である。図8には、図7に示すXY断面構成の内、支持体149を含む一部の構成を抜き出して図示し、他の構成については適宜図示を省略している。また、図9は、発電単位102が備える支持体149周りの詳細構成を示すYZ断面図である。図9には、図7および図8のIX−IXの位置における発電単位102のYZ断面構成が示されている。
A-3. Detailed Configuration of Support 149:
Next, the detailed configuration of the support 149 provided in the power generation unit 102 will be described. FIG. 8 is an XY cross-sectional view showing a detailed configuration around the support 149 provided in the power generation unit 102. As shown in FIG. In FIG. 8, among the XY cross-sectional configurations shown in FIG. 7, a part of the configuration including the support 149 is extracted and illustrated, and the other configurations are appropriately omitted. FIG. 9 is a YZ sectional view showing a detailed configuration around the support 149 provided in the power generation unit 102. As shown in FIG. FIG. 9 shows the YZ cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position of IX-IX in FIGS. 7 and 8.

図8には、Z軸方向視で、燃料ガス供給連通流路142におけるガス室用孔141の第1の内周面IP1への開口の中点MP1(該開口の2つの端点EP11,EP12を結ぶ線分の中点)と、燃料ガス排出連通流路143におけるガス室用孔141の第2の内周面IP2への開口の中点MP2(該開口の2つの端点EP21,EP22を結ぶ線分の中点)とを結ぶ仮想直線VL1が示されている。本明細書では、仮想直線VL1に直交する方向を、特定方向D1と呼ぶ。本実施形態では、仮想直線VL1の方向はX軸方向に略平行な方向であるため、特定方向D1はY軸方向に略平行な方向となる。   8, the middle point MP1 of the opening to the first inner circumferential surface IP1 of the gas chamber hole 141 in the fuel gas supply communication channel 142 (the two end points EP11 and EP12 of the opening in the Z axis direction) And the middle point MP2 of the opening to the second inner circumferential surface IP2 of the gas chamber hole 141 in the fuel gas discharge communication channel 143 (a line connecting two end points EP21 and EP22 of the opening) An imaginary straight line VL1 connecting the middle point of the minute) is shown. In the present specification, a direction orthogonal to the virtual straight line VL1 is referred to as a specific direction D1. In the present embodiment, since the direction of the virtual straight line VL1 is a direction substantially parallel to the X-axis direction, the specific direction D1 is a direction substantially parallel to the Y-axis direction.

図8および図9に示すように、単セル110における反応領域RR(上述したように、発電反応が起こる領域であり、Z軸方向視で空気極114と電解質層112と燃料極116とのすべてが存在している領域)の縁部と、燃料極側フレーム140に形成されたガス室用孔141の内周面とは、互いに離間している。   As shown in FIGS. 8 and 9, the reaction region RR in the single cell 110 (as described above, it is a region where a power generation reaction occurs, and all of the air electrode 114, the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 in the Z-axis direction) The edge portion of the region where the light source exists and the inner peripheral surface of the gas chamber hole 141 formed in the fuel electrode side frame 140 are separated from each other.

図8および図9に示すように、支持体149は、一枚のシート状部材である。本実施形態では、支持体149の厚さは、燃料極側集電体144を構成する電極対向部145やインターコネクタ対向部146の厚さより厚い。例えば、支持体149の厚さは、燃料極側集電体144を構成する電極対向部145およびインターコネクタ対向部146の厚さの5倍以上であることが好ましい。支持体149の厚さは、例えば100〜1000μmである一方、燃料極側集電体144を構成する電極対向部145およびインターコネクタ対向部146の厚さは、例えば10〜200μmである。   As shown in FIGS. 8 and 9, the support 149 is a sheet-like member. In the present embodiment, the thickness of the support body 149 is thicker than the thicknesses of the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 which constitute the fuel electrode side current collector 144. For example, the thickness of the support 149 is preferably five or more times the thickness of the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 that constitute the fuel electrode side current collector 144. The thickness of the support body 149 is, for example, 100 to 1000 μm, while the thickness of the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 constituting the fuel electrode side current collector 144 is, for example, 10 to 200 μm.

支持体149は、Z軸方向視で、単セル110における反応領域RRと重なる基部201に加えて、特定方向D1において反応領域RRの外側(すなわち、図8および図9のP1部)に突出した突出部202を有する。本実施形態では、基部201に対して特定方向D1に沿った一方側(図8における上側)および他方側(図8における下側)の両方に、突出部202が存在する。また、各突出部202は、ガス室用孔141の第3の内周面IP3または第4の内周面IP4に当接する位置まで延伸している。   The support 149 protrudes in the specific direction D1 outside the reaction area RR (that is, P1 in FIGS. 8 and 9) in addition to the base 201 overlapping the reaction area RR in the single cell 110 in the Z-axis direction. It has a protrusion 202. In the present embodiment, the protrusions 202 are present on both the one side (upper side in FIG. 8) and the other side (lower side in FIG. 8) of the base 201 along the specific direction D1. Further, each projecting portion 202 extends to a position in contact with the third inner circumferential surface IP3 or the fourth inner circumferential surface IP4 of the gas chamber hole 141.

また、図8に示すように、支持体149には、Y軸方向に略平行に延びる複数の孔204が形成されている。各孔204の両端部は、反応領域RRの外(すなわち、P1部)まで達している。そのため、Z軸方向視で、特定方向D1における突出部202と反応領域RRとの間に、空間(以下、「第2の空間SP2」という)が存在することとなる。第2の空間SP2は、Z軸方向視で反応領域RRに対向する空間(以下、「第1の空間SP1」という)に連続している。   Further, as shown in FIG. 8, the support body 149 is formed with a plurality of holes 204 extending substantially in parallel to the Y-axis direction. Both ends of each hole 204 extend to the outside of the reaction zone RR (that is, part P1). Therefore, in the Z-axis direction, a space (hereinafter, referred to as “second space SP2”) exists between the protrusion 202 and the reaction region RR in the specific direction D1. The second space SP2 is continuous with a space (hereinafter, referred to as “first space SP1”) opposed to the reaction region RR in the Z-axis direction.

A−4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する発電単位102は、電解質層112と、電解質層112を挟んでZ軸方向に互いに対向する空気極114および燃料極116と、を含む単セル110と、燃料極116に面する燃料室176を構成するガス室用孔141が形成された燃料極側フレーム140と、導電性のインターコネクタ150と、燃料室176内に配置され、燃料極116の表面に接する電極対向部145と、インターコネクタ150の表面に接するインターコネクタ対向部146と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147と、を有する導電性の燃料極側集電体144とを備える。燃料極側フレーム140には、燃料室176に供給されるガスが通る燃料ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド171を構成する連通孔108に連通すると共にガス室用孔141の第1の内周面IP1に開口する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に連通すると共にガス室用孔141の第2の内周面IP2に開口する燃料ガス排出連通流路143と、が形成されている。また、発電単位102は、燃料室176内に配置され、燃料極側集電体144の電極対向部145の燃料極116に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ対向部146のインターコネクタ150に対向する側とは反対側の表面とに当接して燃料極側集電体144を支持する支持体149を備える。支持体149は、Z軸方向視で、燃料ガス供給連通流路142の第1の内周面IP1への開口の中点MP1と燃料ガス排出連通流路143の第2の内周面IP2への開口の中点MP2とを結ぶ方向(仮想直線VL1の方向)に直交する特定方向D1において、単セル110における反応領域RRの外側に位置する突出部202を有する。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、以下に説明するように、部品点数の増加や製造工数の増加を抑制しつつ、発電単位102の性能低下を抑制することができる。
A-4. Effects of the present embodiment:
As described above, the power generation unit 102 of the fuel cell stack 100 according to the present embodiment includes the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 and the fuel electrode 116 facing each other in the Z-axis direction with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The fuel cell is disposed in the fuel cell 176, the fuel cell side frame 140 having the unit cell 110 including the gas chamber hole 141 forming the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, the conductive interconnector 150, A conductive portion having an electrode facing portion 145 in contact with the surface of the fuel electrode 116, an interconnector facing portion 146 in contact with the surface of the interconnector 150, and a connecting portion 147 connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 And a fuel electrode side current collector 144. The fuel electrode side frame 140 is communicated with a communication hole 108 constituting a fuel gas supply manifold 171 through which the gas supplied to the fuel chamber 176 passes, and a fuel gas exhaust manifold 172 through which the gas discharged from the fuel chamber 176 passes. A fuel gas supply communication channel 142 communicating with the hole 108 and the communication hole 108 constituting the fuel gas supply manifold 171 and opening on the first inner circumferential surface IP1 of the gas chamber hole 141, the fuel gas discharge manifold 172 A fuel gas discharge communication channel 143 is formed which communicates with the communication hole 108 and which is open to the second inner circumferential surface IP2 of the gas chamber hole 141. Further, the power generation unit 102 is disposed in the fuel chamber 176, and the surface of the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 opposite to the side facing the fuel electrode 116 and the inter face of the interconnector facing portion 146 A support 149 supporting the fuel electrode side current collector 144 is provided in contact with a surface opposite to the side facing the connector 150 to support the fuel electrode side current collector 144. The support 149 is, as viewed in the Z-axis direction, the middle point MP 1 of the opening of the fuel gas supply communication channel 142 to the first inner peripheral surface IP 1 and the second inner peripheral surface IP 2 of the fuel gas discharge communication channel 143. In the specific direction D1 orthogonal to the direction connecting the middle point MP2 of the opening (the direction of the virtual straight line VL1), the protrusion 202 is located outside the reaction area RR in the single cell 110. Therefore, according to the power generation unit 102 of the present embodiment, it is possible to suppress the performance decrease of the power generation unit 102 while suppressing an increase in the number of parts and an increase in the number of manufacturing steps as described below.

図10は、比較例における発電単位102Xが備える支持体149周りの詳細構成を示すYZ断面図である。図10に示す比較例の発電単位102Xでは、支持体149が、Z軸方向視で、単セル110における反応領域RRの外側(すなわち、図10のP1部)に位置する突出部202を有さない。そのため、比較例の発電単位102Xでは、単セル110の反応領域RRの縁部とガス室用孔141の第3の内周面IP3(または第4の内周面IP4)との間(すなわち、P1部)に、大きなガス流路空間FSが形成されることとなる。従って、比較例の発電単位102Xでは、燃料室176に供給された燃料ガスFGの内、一定以上の量の燃料ガスFGが、単セル110における発電反応に利用されることなく、ガス流路空間FSを通って燃料室176から排出されるため、発電効率が低下する。   FIG. 10 is a YZ cross-sectional view showing the detailed configuration around the support 149 provided in the power generation unit 102X in the comparative example. In the power generation unit 102X of the comparative example shown in FIG. 10, the support 149 has the projecting portion 202 located outside the reaction area RR in the single cell 110 (that is, P1 part in FIG. 10) in the Z-axis direction. Absent. Therefore, in the power generation unit 102X of the comparative example, between the edge of the reaction area RR of the single cell 110 and the third inner circumferential surface IP3 (or fourth inner circumferential surface IP4) of the gas chamber hole 141 (ie, A large gas flow path space FS is formed in P1 part). Therefore, in the power generation unit 102X of the comparative example, of the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176, the fuel gas FG of a certain amount or more is not utilized for the power generation reaction in the single cell 110, Since the fuel is discharged from the fuel chamber 176 through the FS, the power generation efficiency is reduced.

これに対し、本実施形態の発電単位102では、支持体149が、単セル110における反応領域RRの外側(すなわち、P1部)に位置する突出部202を有する。すなわち、本実施形態の発電単位102では、単セル110の反応領域RRの縁部とガス室用孔141の第3の内周面IP3(または第4の内周面IP4)との間(すなわち、P1部)に、支持体149の突出部202が存在する。そのため、本実施形態の発電単位102では、支持体149の突出部202の存在によって、単セル110の反応領域RRの縁部とガス室用孔141の第3の内周面IP3(または第4の内周面IP4)との間にガス流路空間FSが形成されることが抑制され(ガス流路空間FSの断面積が大きくなることが抑制され)、単セル110における発電反応に利用されることなくガス流路空間FSを通って排出される燃料ガスFGの量を減らすことができる。また、本実施形態の発電単位102では、別途、専用の部材を設けることなく、燃料極側集電体144を支持する支持体149を用いて、上述したガス流路空間FSの形成抑制(ガス流路空間FSの断面積増大抑制)を実現することができる。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、部品点数の増加や製造工数の増加を抑制しつつ、燃料室176に供給された燃料ガスFGが単セル110における発電反応に利用されずに排出されることによる発電単位102の性能低下を抑制することができる。   On the other hand, in the power generation unit 102 of the present embodiment, the support body 149 has the protruding portion 202 located outside the reaction region RR (that is, the P1 portion) in the single cell 110. That is, in the power generation unit 102 of the present embodiment, between the edge of the reaction area RR of the single cell 110 and the third inner circumferential surface IP3 (or fourth inner circumferential surface IP4) of the gas chamber hole 141 (that is, , P1), the protrusion 202 of the support 149 is present. Therefore, in the power generation unit 102 of the present embodiment, the third inner circumferential surface IP3 of the reaction chamber RR of the unit cell 110 and the third inner circumferential surface IP3 of the gas chamber hole 141 (or the fourth inner circumferential surface IP3) Formation of the gas flow passage space FS between the inner surface IP4 of the fuel cell and the cross section of the gas flow passage space FS is suppressed, and is utilized for the power generation reaction in the single cell 110. It is possible to reduce the amount of fuel gas FG discharged through the gas flow passage space FS. Further, in the power generation unit 102 of the present embodiment, the formation of the gas flow path space FS described above is suppressed using the support 149 that supports the fuel electrode side current collector 144 without separately providing a dedicated member. Cross sectional area increase suppression of the flow path space FS can be realized. Therefore, according to the power generation unit 102 of the present embodiment, the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176 is discharged without being used for the power generation reaction in the single cell 110 while suppressing an increase in the number of parts and an increase in the number of manufacturing steps. It is possible to suppress the performance deterioration of the power generation unit 102 due to the

なお、単セル110における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスFGの量を効果的に減らすため、Z軸方向に平行な断面(例えば、図9に示すYZ断面)において、燃料室176および支持体149における単セル110の反応領域RRの縁部とガス室用孔141の第3の内周面IP3(または第4の内周面IP4)との間(すなわち、P1部)に位置する部分(図9のS1部)の断面積に占める支持体149(突出部202)の断面積の割合は、30%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましい。また、単セル110における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスFGの量を効果的に減らすため、支持体149は密度の高い材料で形成されることが好ましい。例えば、マイカは、密度が2g/cm程度であり、フェルト(密度:0.15g/cm程度)等と比べてはるかに高密度であるため、支持体149をマイカにより形成することにより、単セル110における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスFGの量を効果的に減らすことができる。支持体149の密度は、例えば、1g/cm以上であることが好ましく、1.5g/cm以上であることがより好ましい。 In order to effectively reduce the amount of fuel gas FG discharged without being used for the power generation reaction in unit cell 110, the fuel chamber in a cross section parallel to the Z-axis direction (for example, the YZ cross section shown in FIG. 9) Between the edge of the reaction area RR of the unit cell 110 in the support 176 and the support 149 and the third inner circumferential surface IP3 (or fourth inner circumferential surface IP4) of the gas chamber hole 141 (that is, P1 part) It is preferable that the ratio of the cross-sectional area of the support body 149 (projection part 202) to the cross-sectional area of the located part (S1 part of FIG. 9) is 30% or more, and it is more preferable that it is 50% or more. Further, in order to effectively reduce the amount of the fuel gas FG discharged without being used for the power generation reaction in the single cell 110, the support 149 is preferably formed of a high density material. For example, mica has a density of about 2 g / cm 3 and a much higher density than felt (density: about 0.15 g / cm 3 ) or the like, so by forming the support 149 with mica, The amount of fuel gas FG discharged without being used for the power generation reaction in the unit cell 110 can be effectively reduced. The density of the support 149 is, for example, preferably 1 g / cm 3 or more, and more preferably 1.5 g / cm 3 or more.

また、本実施形態の発電単位102では、基部201に対して特定方向D1に沿った一方側および他方側の両方に、突出部202が存在する。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、燃料室176に供給された燃料ガスFGの内、単セル110における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスFGの量を効果的に減らすことができ、発電単位102の性能低下を効果的に抑制することができる。また、本実施形態の発電単位102では、各突出部202は、ガス室用孔141の内周面(第3の内周面IP3または第4の内周面IP4)に当接する位置まで延伸している。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、燃料室176に供給された燃料ガスFGの内、単セル110における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスFGの量をさらに効果的に減らすことができ、発電単位102の性能低下をさらに効果的に抑制することができる。   Further, in the power generation unit 102 of the present embodiment, the protrusion 202 is present on both the one side and the other side along the specific direction D1 with respect to the base 201. Therefore, according to the power generation unit 102 of the present embodiment, of the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176, the amount of the fuel gas FG discharged without being used for the power generation reaction in the single cell 110 is effectively It is possible to reduce the performance deterioration of the power generation unit 102 effectively. Further, in the power generation unit 102 of the present embodiment, each protrusion 202 extends to a position in contact with the inner peripheral surface (the third inner peripheral surface IP3 or the fourth inner peripheral surface IP4) of the gas chamber hole 141 ing. Therefore, according to the power generation unit 102 of the present embodiment, among the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176, the amount of the fuel gas FG discharged without being used for the power generation reaction in the single cell 110 is more effective. It is possible to reduce the performance deterioration of the power generation unit 102 more effectively.

また、本実施形態の発電単位102では、Z軸方向視で、特定方向D1における支持体149の突出部202と反応領域RRとの間に、反応領域RRに対向する第1の空間SP1に連続する第2の空間SP2が存在する。そのため、燃料室176に供給された燃料ガスFGが反応領域RRの外側(すなわち、P1部)に移動したとしても、該燃料ガスFGが第2の空間SP2に入り込んで滞留し、第2の空間SP2から反応領域RRに対向する第1の空間SP1に戻ることが促される。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、燃料室176に供給された燃料ガスFGの内、単セル110における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスFGの量を効果的に減らすことができ、発電単位102の性能低下を効果的に抑制することができる。   Further, in the power generation unit 102 of the present embodiment, the first space SP1 facing the reaction region RR is continuous between the protrusion 202 of the support 149 in the specific direction D1 and the reaction region RR in the Z-axis direction. There exists a second space SP2. Therefore, even if the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176 moves to the outside (that is, P1 part) of the reaction region RR, the fuel gas FG enters and remains in the second space SP2, and the second space It is urged from SP2 to return to the first space SP1 opposite to the reaction area RR. Therefore, according to the power generation unit 102 of the present embodiment, of the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176, the amount of the fuel gas FG discharged without being used for the power generation reaction in the single cell 110 is effectively It is possible to reduce the performance deterioration of the power generation unit 102 effectively.

B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Modification:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are also possible.

図11は、第1の変形例における発電単位102が備える支持体149周りの詳細構成を示すXY断面図である。図11に示す第1の変形例における発電単位102では、Z軸方向視で、特定方向D1における突出部202と反応領域RRとの間に存在する複数の第2の空間SP2の内の一部(図11において最も左側に示された空間)が、反応領域RRに対向せず、かつ、燃料ガス供給連通流路142のガス室用孔141の第1の内周面IP1への開口に面する空間(以下、「第3の空間SP3」という)に連続している。また、図11に示す第1の変形例における発電単位102では、Z軸方向視で、複数の第2の空間SP2の内の他の一部(図11において最も右側に示された空間)が、反応領域RRに対向せず、かつ、燃料ガス排出連通流路143のガス室用孔141の第2の内周面IP2への開口に面する空間(以下、「第4の空間SP4」という)に連続している。   FIG. 11 is an XY cross-sectional view showing a detailed configuration around the support 149 provided in the power generation unit 102 in the first modification. In the power generation unit 102 in the first modification shown in FIG. 11, a part of the plurality of second spaces SP2 existing between the protrusion 202 and the reaction region RR in the specific direction D1 as viewed in the Z-axis direction (The space shown at the leftmost side in FIG. 11) does not face the reaction region RR, and faces the opening to the first inner circumferential surface IP1 of the gas chamber hole 141 of the fuel gas supply communication channel 142 (Hereinafter, referred to as “third space SP3”). Further, in the power generation unit 102 in the first modified example shown in FIG. 11, another part of the plurality of second spaces SP2 (the space shown on the right in FIG. 11) is viewed in the Z-axis direction. A space which does not face the reaction area RR and which faces the opening to the second inner circumferential surface IP2 of the gas chamber hole 141 of the fuel gas discharge communication channel 143 (hereinafter referred to as “fourth space SP4” It is continuous to).

このように、図11に示す第1の変形例における発電単位102では、Z軸方向視で、特定方向D1における突出部202と反応領域RRとの間に存在する複数の第2の空間SP2の内の一部が、第3の空間SP3または第4の空間SP4に連続しているため、燃料室176において乱流の発生を促すことができ、その結果、第2の空間SP2から反応領域RRに対向する第1の空間SP1への燃料ガスFGの移動を促すことができる。そのため、図11に示す第1の変形例における発電単位102によれば、燃料室176に供給された燃料ガスFGの内、単セル110における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスFGの量を極めて効果的に減らすことができ、発電単位102の性能低下を極めて効果的に抑制することができる。   Thus, in the power generation unit 102 in the first modification shown in FIG. 11, the plurality of second spaces SP2 existing between the protrusion 202 and the reaction region RR in the specific direction D1 as viewed in the Z-axis direction Since a part of the space is continuous with the third space SP3 or the fourth space SP4, generation of turbulent flow can be promoted in the fuel chamber 176, and as a result, the reaction area RR from the second space SP2 It is possible to promote the movement of the fuel gas FG to the first space SP1 opposite to. Therefore, according to the power generation unit 102 in the first modification shown in FIG. 11, of the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176, the fuel gas FG discharged without being used for the power generation reaction in the single cell 110. Of the power generation unit 102 can be extremely effectively reduced, and the performance degradation of the power generation unit 102 can be extremely effectively suppressed.

図12は、第2の変形例における発電単位102が備える支持体149周りの詳細構成を示すXY断面図である。図12に示す第1の変形例における発電単位102では、図11に示す第1の変形例における発電単位102と同様に、複数の第2の空間SP2の内の一部が、第3の空間SP3または第4の空間SP4に連続している。そのため、図12に示す第2の変形例における発電単位102によれば、図11に示す第1の変形例における発電単位102と同様に、燃料室176に供給された燃料ガスFGの内、単セル110における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスFGの量を極めて効果的に減らすことができ、発電単位102の性能低下を極めて効果的に抑制することができる。また、図12に示す第1の変形例における発電単位102では、Z軸方向視で、複数の第2の空間SP2の内の他の一部(図11において左右方向中央付近に示された空間)が、互いに連続して1つの空間を構成している。そのため、図12に示す第1の変形例における発電単位102では、燃料室176において乱流の発生をより効果的に促すことができ、その結果、第2の空間SP2から反応領域RRに対向する第1の空間SP1への燃料ガスFGの移動を効果的に促すことができる。そのため、図12に示す第1の変形例における発電単位102によれば、燃料室176に供給された燃料ガスFGの内、単セル110における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスFGの量を一層効果的に減らすことができ、発電単位102の性能低下を一層効果的に抑制することができる。   FIG. 12 is an XY cross-sectional view showing the detailed configuration around the support 149 provided in the power generation unit 102 in the second modification. In the power generation unit 102 in the first modification shown in FIG. 12, as in the power generation unit 102 in the first modification shown in FIG. 11, a part of the plurality of second spaces SP2 is the third space. It is continuous with SP3 or the fourth space SP4. Therefore, according to the power generation unit 102 in the second modification shown in FIG. 12, the single fuel fuel FG supplied to the fuel chamber 176 is the same as the power generation unit 102 in the first modification shown in FIG. The amount of the fuel gas FG discharged without being utilized for the power generation reaction in the cell 110 can be extremely effectively reduced, and the performance deterioration of the power generation unit 102 can be extremely effectively suppressed. Further, in the power generation unit 102 in the first modification shown in FIG. 12, another portion of the plurality of second spaces SP2 (a space shown near the center in the horizontal direction in FIG. ) Constitute one space continuously with one another. Therefore, generation of turbulence can be more effectively promoted in fuel chamber 176 in power generation unit 102 in the first modification shown in FIG. 12, and as a result, reaction space RR faces reaction region RR. The movement of the fuel gas FG to the first space SP1 can be effectively promoted. Therefore, according to the power generation unit 102 in the first modification shown in FIG. 12, of the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176, the fuel gas FG discharged without being used for the power generation reaction in the single cell 110 Can be more effectively reduced, and the performance degradation of the power generation unit 102 can be more effectively suppressed.

上記実施形態(および変形例、以下同様)の発電単位102または燃料電池スタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、支持体149は、特定方向D1に沿った一方側および他方側の両方に突出部202を有するとしているが、特定方向D1に沿った片方側のみに突出部202を有するとしてもよい。また、上記実施形態では、突出部202はガス室用孔141の内周面に当接する位置まで延伸しているが、必ずしも突出部202がガス室用孔141の内周面まで延伸している必要はない。たとえば、突出部202は、反応領域RRの縁からガス室用孔141の内周面までの長さの2分の1以上延伸していることが好ましく、反応領域RRの縁からガス室用孔141の内周面までの長さの3分の2以上延伸していることがより好ましい。   The configuration of the power generation unit 102 or the fuel cell stack 100 according to the above-described embodiment (and the modifications, the same applies to the following) is merely an example, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, the support 149 has the protrusions 202 on both the one side and the other side along the specific direction D1, but has the protrusions 202 on only one side along the specific direction D1. It may be Further, in the above embodiment, the projecting portion 202 extends to a position in contact with the inner peripheral surface of the gas chamber hole 141, but the projecting portion 202 necessarily extends to the inner peripheral surface of the gas chamber hole 141 There is no need. For example, it is preferable that the projecting portion 202 extend a half or more of the length from the edge of the reaction area RR to the inner circumferential surface of the gas chamber hole 141, and the gas chamber hole from the edge of the reaction area RR. More preferably, it is stretched by two thirds or more of the length to the inner circumferential surface of 141.

また、上記実施形態では、支持体149は、燃料極側集電体144の電極対向部145の表面とインターコネクタ対向部146の表面との両方に当接して燃料極側集電体144を支持しているが、支持体149は、電極対向部145の表面とインターコネクタ対向部146の表面とのいずれか一方に当接して燃料極側集電体144を支持するものとしてもよい。   Further, in the above embodiment, the support 149 abuts on both the surface of the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 and the surface of the interconnector facing portion 146 to support the fuel electrode side current collector 144 However, the support 149 may be in contact with any one of the surface of the electrode facing portion 145 and the surface of the interconnector facing portion 146 to support the fuel electrode side current collector 144.

また、上記実施形態では、Z軸方向視で、特定方向D1における突出部202と反応領域RRとの間に、反応領域RRに対向する第1の空間SP1に連続する第2の空間SP2が存在するとしているが、必ずしもこのような第2の空間SP2が存在する必要はない。   Further, in the above embodiment, the second space SP2 continuous to the first space SP1 facing the reaction area RR is present between the protrusion 202 and the reaction area RR in the specific direction D1 in the Z-axis direction. However, such a second space SP2 does not necessarily have to exist.

また、上記実施形態では、燃料極側フレーム140に、1本の燃料ガス供給連通流路142と1本の燃料ガス排出連通流路143とが形成されているが、燃料ガス供給連通流路142および/または燃料ガス排出連通流路143が複数形成されているとしてもよい。なお、燃料ガス供給連通流路142(または燃料ガス排出連通流路143、以下同様)が複数形成されている場合には、「燃料ガス供給連通流路142のガス室用孔141の内周面への開口の中点」とは、複数の燃料ガス供給連通流路142のガス室用孔141の内周面への開口の中点間を線分で結んで形成される図形の図心を意味する。例えば、燃料ガス供給連通流路142が2つ形成されている場合には、「燃料ガス供給連通流路142のガス室用孔141の内周面への開口の中点」とは、一方の燃料ガス供給連通流路142のガス室用孔141の内周面への開口の中点と、他方の燃料ガス供給連通流路142のガス室用孔141の内周面への開口の中点とを結ぶ線分の中点である。   Further, in the above embodiment, one fuel gas supply communication channel 142 and one fuel gas discharge communication channel 143 are formed in the fuel electrode side frame 140, but the fuel gas supply communication channel 142 is A plurality of fuel gas discharge communication channels 143 may be formed. When a plurality of fuel gas supply communication channels 142 (or fuel gas discharge communication channels 143, the same applies hereinafter) is formed, “the inner peripheral surface of the gas chamber hole 141 of the fuel gas supply communication channel 142 is used. The middle point of the opening of the opening is a center of a figure formed by connecting the middle points of the openings to the inner peripheral surface of the gas chamber holes 141 of the plurality of fuel gas supply communication channels 142 by a line segment means. For example, in the case where two fuel gas supply communication flow channels 142 are formed, “the middle point of the opening of the fuel gas supply communication flow channel 142 to the inner peripheral surface of the gas chamber hole 141” The middle point of the opening of the fuel gas supply communication channel 142 to the inner circumferential surface of the gas chamber hole 141 and the middle point of the opening of the other fuel gas supply communication channel 142 to the inner circumferential surface of the gas chamber hole 141 And the midpoint of the line connecting

また、上記実施形態では、ボルト孔109が、各マニホールド用の連通孔108とは独立して設けられているが、独立したボルト孔109を設けず、各マニホールド用の連通孔108がボルト孔としても用いられるとしてもよい。また、上記実施形態において、空気極114と電解質層112との間に中間層が配置されていてもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。   Further, in the above embodiment, although the bolt holes 109 are provided independently of the communication holes 108 for each manifold, the independent bolt holes 109 are not provided, and the communication holes 108 for each manifold are bolt holes. May also be used. In the above embodiment, an intermediate layer may be disposed between the air electrode 114 and the electrolyte layer 112. Further, in the above embodiment, the number of the power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of the power generation units 102 is appropriately determined according to the output voltage and the like required for the fuel cell stack 100. Moreover, the material which comprises each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be comprised with another material.

また、上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102について、支持体149が突出部202を有する構成が採用されている必要はなく、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも1つの発電単位102について、上記構成が採用されていれば、該発電単位102について、燃料室176に供給された燃料ガスFGの内、単セル110における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスFGの量を減らすことができ、発電単位102の性能低下を抑制することができる。   Further, in the above embodiment, it is not necessary to adopt the configuration in which the support body 149 has the projecting portion 202 for all the power generation units 102 included in the fuel cell stack 100, and at least one of the fuel cell stack 100 If the above configuration is adopted for two power generation units 102, among the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176 for the power generation unit 102, the fuel discharged without being used for the power generation reaction in the single cell 110. The amount of gas FG can be reduced, and the performance deterioration of the power generation unit 102 can be suppressed.

また、上記実施形態では、発電単位102は、空気室166における酸化剤ガスOGの主たる流れ方向と燃料室176における燃料ガスFGの主たる流れ方向とが略反対方向となるカウンターフロータイプの発電単位102であるが、本発明は、空気室166における酸化剤ガスOGの主たる流れ方向と燃料室176における燃料ガスFGの主たる流れ方向とが略同一方向となるコフロータイプの発電単位102や、空気室166における酸化剤ガスOGの主たる流れ方向と燃料室176における燃料ガスFGの主たる流れ方向とのなす角が45度以上となるクロスフロータイプの発電単位102にも適用可能である。   In the above embodiment, the power generation unit 102 is a counterflow type power generation unit 102 in which the main flow direction of the oxidant gas OG in the air chamber 166 and the main flow direction of the fuel gas FG in the fuel chamber 176 are substantially opposite to each other. However, in the present invention, the coflow type power generation unit 102 in which the main flow direction of the oxidant gas OG in the air chamber 166 and the main flow direction of the fuel gas FG in the fuel chamber 176 are substantially the same, The present invention is also applicable to the cross flow type power generation unit 102 in which the angle between the main flow direction of the oxidant gas OG at 166 and the main flow direction of the fuel gas FG in the fuel chamber 176 is 45 degrees or more.

また、上記実施形態では、燃料極116に面する燃料室176に配置された燃料極側集電体144を支持する支持体149の特徴について説明したが、本発明は、空気極114に面する空気室166に配置された空気極側集電体を支持する支持体にも適用可能である。なお、本発明を空気極114の側に適用した場合には、空気極114が特許請求の範囲における特定電極に相当する。   In the above embodiment, the feature of the support 149 supporting the fuel electrode side current collector 144 disposed in the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116 has been described, but the present invention faces the air electrode 114. The present invention can also be applied to a support that supports the air electrode side current collector disposed in the air chamber 166. When the present invention is applied to the air electrode 114 side, the air electrode 114 corresponds to the specific electrode in the claims.

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016−81813号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成の支持体149を採用することにより、燃料室176(または空気室166)に供給されたガスの内、単セル110における反応に利用されることなく排出されるガスの量を減らすことができ、発電単位102の性能低下を抑制することができる。   Further, in the above embodiment, SOFCs that generate electric power using electrochemical reaction between hydrogen contained in fuel gas and oxygen contained in oxidant gas are targeted, but the present invention relates to the electrolysis reaction of water The present invention is similarly applicable to an electrolysis cell unit that is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that uses hydrogen to generate hydrogen, and an electrolysis cell stack provided with a plurality of electrolysis cell units. The configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is known as described in, for example, JP-A-2016-81813, but it is roughly similar to the fuel cell stack 100 in the embodiment described above. It is a structure. That is, the fuel cell stack 100 in the embodiment described above may be read as an electrolysis cell stack, the power generation unit 102 may be read as an electrolysis cell unit, and the single cell 110 may be read as an electrolysis single cell. However, during operation of the electrolytic cell stack, a voltage is applied between the two electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode), and through the communication hole 108 Water vapor as a source gas is supplied. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out to the outside of the electrolysis cell stack through the communication hole 108. Also in the electrolytic cell unit and the electrolytic cell stack of such a configuration, by adopting the support 149 having the same configuration as that of the above embodiment, it is possible to use only one of the gases supplied to the fuel chamber 176 (or the air chamber 166). The amount of gas exhausted without being used for the reaction in the cell 110 can be reduced, and the performance deterioration of the power generation unit 102 can be suppressed.

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。  In the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example, but the present invention is also applicable to other types of fuel cells (or electrolytic cells) such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). It is applicable.

22:ボルト 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 107:流路用貫通孔 108:連通孔 109:ボルト孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:ガス室用孔 132:酸化剤ガス供給連通流路 133:酸化剤ガス排出連通流路 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:ガス室用孔 142:燃料ガス供給連通流路 143:燃料ガス排出連通流路 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:支持体 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス供給マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス供給マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 201:基部 202:突出部 204:孔 22: Bolt 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branching portion 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell power generation unit 104: End plate 106: End plate 107: Channel through hole 108: Communication hole 109: bolt hole 110: single cell 112: electrolyte layer 114: air electrode 116: fuel electrode 120: separator 121: hole 124: junction 130: air electrode side frame 131: gas chamber hole 132: oxidant gas supply communication flow Path 133: Oxidizer gas discharge communication flow channel 134: Air electrode side current collector 135: Current collector element 140: Fuel electrode side frame 141: Gas chamber hole 142: Fuel gas supply communication flow channel 143: Fuel gas discharge communication Flow path 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing portion 1 47: Connection part 149: Support body 150: Interconnector 161: Oxidizer gas supply manifold 162: Oxidizer gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas supply manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 201: Base 202 : Protrusion 204: Hole

Claims (5)

電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、
前記燃料極と前記空気極との少なくとも一方である特定電極について設けられ、前記特定電極に面するガス室を構成するガス室用孔と、前記ガス室に供給されるガスが通る供給側マニホールドを構成する供給側マニホールド用孔と、前記ガス室から排出されたガスが通る排出側マニホールドを構成する排出側マニホールド用孔と、前記供給側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する少なくとも1つの供給側連通流路と、前記排出側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する少なくとも1つの排出側連通流路と、が形成されたフレーム部材と、
導電性のインターコネクタと、
前記特定電極について設けられ、前記ガス室内に配置され、前記特定電極の表面に接する電極対向部と、前記インターコネクタの表面に接するインターコネクタ対向部と、前記電極対向部と前記インターコネクタ対向部とをつなぐ連接部と、を有する導電性の集電体と、
前記特定電極について設けられ、前記ガス室内に配置され、前記電極対向部の前記特定電極に対向する側とは反対側の表面と、前記インターコネクタ対向部の前記インターコネクタに対向する側とは反対側の表面と、の少なくとも一方に当接して前記集電体を支持する支持体と、
を備える電気化学反応単位において、
前記支持体は、前記第1の方向視で、前記供給側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点と前記排出側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点とを結ぶ方向に直交する特定方向において、前記電気化学反応単セルにおける反応領域の外側に位置する突出部を有することを特徴とする、電気化学反応単位。
An electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction across the electrolyte layer;
A gas chamber hole provided for a specific electrode which is at least one of the fuel electrode and the air electrode and constituting a gas chamber facing the specific electrode, and a supply side manifold through which a gas supplied to the gas chamber passes A hole for supply side manifold which constitutes, a hole for discharge side manifold which constitutes a discharge side manifold through which a gas discharged from the gas chamber passes, and an inner periphery of the hole for gas chamber while communicating with the hole for supply side manifold At least one supply-side communication channel opened in the surface, and at least one discharge-side communication channel communicating with the discharge-side manifold hole and opening in the inner circumferential surface of the gas chamber hole are formed A frame member,
Conductive interconnectors,
An electrode facing portion provided for the specific electrode, disposed in the gas chamber, in contact with the surface of the specific electrode, an interconnector facing portion in contact with the surface of the interconnector, the electrode facing portion, and the interconnector facing portion A conductive part connecting the
It is provided about the specific electrode, is arranged in the gas chamber, and the surface of the electrode facing portion opposite to the side facing the specific electrode is opposite to the surface facing the interconnector of the interconnect facing portion. A support that bears against at least one of the side surfaces and supports the current collector;
In the electrochemical reaction unit comprising
The support is a middle point of an opening of the supply-side communication passage to the inner circumferential surface of the gas-chamber hole in the first direction view, and the inside of the gas-chamber hole of the discharge-side communication passage. An electrochemical reaction unit characterized by having a protrusion located outside the reaction area in the electrochemical reaction unit cell in a specific direction orthogonal to the direction connecting the middle point of the opening to the circumferential surface.
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、前記特定方向における前記突出部と前記反応領域との間に、前記反応領域に対向する第1の空間に連続する第2の空間が存在することを特徴とする、電気化学反応単位。
In the electrochemical reaction unit according to claim 1,
Between the protrusion in the specific direction and the reaction area in the first direction view, there is a second space continuous to the first space facing the reaction area, Electrochemical reaction unit.
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、前記第2の空間は、前記反応領域に対向せず、かつ、前記少なくとも1つの供給側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口に面する第3の空間、または、前記反応領域に対向せず、かつ、前記少なくとも1つの排出側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口に面する第4の空間に連続していることを特徴とする、電気化学反応単位。
In the electrochemical reaction unit according to claim 2,
In the first direction, the second space does not face the reaction area, and faces the opening to the inner circumferential surface of the gas chamber hole of the at least one supply-side communication flow path. A third space or a fourth space not facing the reaction area and facing an opening to the inner circumferential surface of the gas chamber hole of the at least one discharge side communication flow path continuously An electrochemical reaction unit characterized in that
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、
前記電気化学反応単セルは、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。
The electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 3
The electrochemical reaction unit, wherein the electrochemical reaction unit cell is a fuel cell unit cell.
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。
In an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction units arranged in the first direction,
An electrochemical reaction cell stack, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction units is the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 4.
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