JP2018206475A - 電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1(および後述する図6,7)のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1(および後述する図6,7)のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
一対のエンドプレート104,106は、平板形状の導電性部材であり、例えばステンレス等の金属により形成されている。一方のエンドプレート104は、発電ブロック101の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、発電ブロック101の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって発電ブロック101が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。図2および図3に示すように、下側のエンドプレート106には、4つの流路用貫通孔107が形成されている。4つの流路用貫通孔107は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。なお、エンドプレート104,106の厚さは、発電単位102の厚さより厚いことが好ましい。一対のエンドプレート104,106の一方は、特許請求の範囲における第1の平板状部材に相当し、一対のエンドプレート104,106の他方は、特許請求の範囲における第2の平板状部材に相当する。エンドプレート104,106の構成については、後に詳述する。
図2および図3に示すように、燃料電池スタック100は、さらに、下側のエンドプレート106に対して発電ブロック101とは反対側(すなわち、下側)に配置された4つのガス通路部材27を備える。4つのガス通路部材27は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172と上下方向に重なる位置に配置されている。各ガス通路部材27は、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107に連通する孔が形成された本体部28と、本体部28の側面から分岐した筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。なお、各ガス通路部材27の本体部28とエンドプレート106との間には、絶縁シート26が配置されている。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。また、図6は、図4および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。
図2,4,6に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29、本体部28、および、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通流路132を介して、空気室166に供給される。また、図3,5,7に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29、本体部28、および、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通流路142を介して、燃料室176に供給される。
図6に示すように、本実施形態の発電ブロック101を構成する各発電単位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、おおよそ、Z軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド161の図心C1から酸化剤ガス排出マニホールド162の図心C2に向かう方向であると言える。また、図7に示すように、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、おおよそ、Z軸方向視で、燃料ガス導入マニホールド171の図心C3から燃料ガス排出マニホールド172の図心C4に向かう方向であると言える。図7に示すように、本実施形態の発電ブロック101(燃料電池スタック100)は、各発電単位102の空気室166における酸化剤ガスOGの主たる流れ方向と燃料室176における燃料ガスFGの主たる流れ方向とがおおよそ反対方向(おおよそ互いに対向する方向)となる、いわゆるカウンターフロータイプのSOFCである。
図8は、上側のエンドプレート104の構成を示す説明図である。図8には、上側のエンドプレート104のXY断面構成が示されている。また、図8には、単セル110および発電単位102(発電ブロック101)の外周線が破線で示されている。下側のエンドプレート106のXY断面構成も、流路用貫通孔107(図2,3参照)が形成されている点を除き、図8に示された上側のエンドプレート104のXY断面構成と同様である。また、図6および図7には、エンドプレート104,106の外周線が破線で示されている。
1/2・Lx1 ≦ Lx0 ≦ Lx1+Lx2+Lx3 ・・・(1)
1/2・Lx1 ≦ Lx0 ≦ Lx1+1/2(Lx2+Lx3) ・・・(2)
ただし、
Lx1:単セル110のX軸方向における幅
Lx2:X軸負方向側における単セル110の外縁から発電単位102の外縁までの距離
Lx3:X軸正方向側における単セル110の外縁から発電単位102の外縁までの距離
1/2×1/2(Lx2+Lx3) ≦ Ly0 ≦ 3/2×1/2(Lx2+Lx3) ・・・(3)
65mm ≦ Lx0 ≦ 200mm ・・・(1)’
65mm ≦ Lx0 ≦ 165mm ・・・(2)’
17.5mm ≦ Ly0 ≦ 52.5mm ・・・(3)’
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100は、発電ブロック101と、発電ブロック101に対してZ軸方向の一方側に配置された平板状部材であるエンドプレート104と、発電ブロック101に対してZ軸方向の他方側に配置された平板状部材であるエンドプレート106とを備える。発電ブロック101は、複数の発電単位102がZ軸方向に複数並べて配置された構成を有する。各発電単位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、単セル110の周囲に配置された金属製の各部材(燃料極側フレーム140、セパレータ120、インターコネクタ150)とを備える。発電ブロック101には、各単セル110の燃料極116に面する燃料室176へ燃料ガスFGを供給するための燃料ガス導入マニホールド171と、各燃料室176から排出された燃料オフガスFOGを外部に排出するための燃料ガス排出マニホールド172とが形成されている。また、Z軸方向視で、燃料ガス導入マニホールド171の図心C3と燃料ガス排出マニホールド172の図心C4とを結ぶ第1の仮想直線VL1に平行であり、かつ、単セル110の中心P1を通る第2の仮想直線VL2上における単セル110の外縁から発電ブロック101の外縁までの距離L1は、第2の仮想直線VL2に直交し、かつ、単セル110の中心P1を通る第3の仮想直線VL3上における単セル110の外縁から発電ブロック101の外縁までの距離L2より長い。また、エンドプレート104,106のそれぞれは、Z軸方向視で、第3の仮想直線VL3に重なると共に第2の仮想直線VL2に重ならず、かつ、発電ブロック101の外縁より外側に突出した2つの突出部105を有する。本実施形態の燃料電池スタック100は、上記構成を有するため、以下に説明するように、燃料電池スタック100の性能低下を抑制することができる。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (5)
- 電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、前記単セルの周囲に配置された金属部材と、をそれぞれ備える複数の電気化学反応単位が前記第1の方向に複数並べて配置された電気化学反応ブロックと、
前記電気化学反応ブロックに対して前記第1の方向の一方側に配置された第1の平板状部材と、
前記電気化学反応ブロックに対して前記第1の方向の他方側に配置された第2の平板状部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電気化学反応ブロックには、各前記単セルの前記燃料極に面する燃料室へガスを供給するための燃料極側ガス供給マニホールドと、各前記燃料室から排出されたガスを外部に排出するための燃料極側ガス排出マニホールドと、が形成されており、
前記第1の方向視で、前記燃料極側ガス供給マニホールドの図心と前記燃料極側ガス排出マニホールドの図心とを結ぶ第1の仮想直線に平行であり、かつ、前記単セルの中心を通る第2の仮想直線上における前記単セルの外縁から前記電気化学反応ブロックの外縁までの距離は、前記第2の仮想直線に直交し、かつ、前記単セルの中心を通る第3の仮想直線上における前記単セルの外縁から前記電気化学反応ブロックの外縁までの距離より長く、
前記第1の平板状部材および前記第2の平板状部材のそれぞれは、前記第1の方向視で、前記第3の仮想直線に重なると共に前記第2の仮想直線に重ならず、かつ、前記電気化学反応ブロックの外縁より外側に突出した2つの突出部を有することを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項1に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、さらに、
前記第1の平板状部材の前記突出部と、前記第2の平板状部材の前記突出部とを締結する締結部材を備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項1または請求項2に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第1の方向視で、前記第1の平板状部材および前記第2の平板状部材が有する各前記突出部は、前記単セルの全体と対向することを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 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セルスタックにおいて、
前記電気化学反応ブロックには、さらに、各前記単セルの前記空気極に面する空気室へガスを供給するための空気極側ガス供給マニホールドと、各前記空気室から排出されたガスを外部に排出するための空気極側ガス排出マニホールドと、が形成されており、
前記第1の方向視で、前記空気極側ガス供給マニホールドと前記空気極側ガス排出マニホールドとの内の、前記第3の仮想直線の一方側に位置する一方のマニホールドの図心から前記第3の仮想直線の他方側に位置する他方のマニホールドの図心へ向かう第1のベクトルと、前記燃料極側ガス供給マニホールドと前記燃料極側ガス排出マニホールドとの内の、前記第3の仮想直線の前記一方側に位置する一方のマニホールドの図心から前記第3の仮想直線の前記他方側に位置する他方のマニホールドの図心へ向かう第2のベクトルと、のなす角は、0度以上、90度未満であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 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セルスタックにおいて、
前記単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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