JP2019003795A - Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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Abstract

To suppress the gas leak in a gas passage owing to the deformation of a separator 120.SOLUTION: An electrochemical reaction unit comprises: a single cell; first and second interconnectors; a separator serving as a partition between gas chambers and having first and second through-holes formed therein, in which a portion surrounding the first through-hole is joined to a peripheral edge of the single cell; a frame member disposed between the separator and the first interconnector, in which third and fourth through-holes for forming the gas chambers are formed; and a glass seal part. When viewed from a first direction, the second through-hole of the separator is larger, in inner diameter, than the fourth through-hole of the frame member; an annular exposed portion exposed from the second through-hole of the separator is present around the fourth through-hole in the frame member. The glass seal part is formed so as to surround a perimeter of the gas passage, and includes a contact portion in contact with the exposed portion of the frame member over its whole perimeter.SELECTED DRAWING: Figure 6

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 herein relates to electrochemical reaction units.

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種類の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を構成する燃料電池発電単位は、例えば、単セルと、セパレータと、第1および第2のインターコネクタと、フレーム部材と、ガラスシール部とを備える(下記特許文献1参照)。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。セパレータは、第1の貫通孔と第2の貫通孔とが形成されたフレーム状の部材であり、セパレータの第1の貫通孔を取り囲む部分は、単セルの周縁部と接合される。このような構成のセパレータによって、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室とが区画される。第1および第2のインターコネクタは、単セルを挟んで第1の方向に互いに対向するように配置された平板状の部材である。フレーム部材は、セパレータと第1のインターコネクタとの間に配置され、燃料室を構成する第3の貫通孔と第4の貫通孔とが形成されたフレーム状の部材である。ガラスシール部は、セパレータと第2のインターコネクタとの間に配置され、セパレータにおける第2のインターコネクタ側の表面と第2のインターコネクタにおけるセパレータ側の表面との両方に接触して空気室をシールする接触部を有する。   A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) is known as one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell power generation unit constituting the SOFC includes, for example, a single cell, a separator, first and second interconnectors, a frame member, and a glass seal portion (see Patent Document 1 below). The single cell includes an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a predetermined direction (hereinafter referred to as “first direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween. The separator is a frame-like member in which a first through hole and a second through hole are formed, and a portion surrounding the first through hole of the separator is joined to a peripheral portion of the single cell. By the separator having such a configuration, an air chamber facing the air electrode and a fuel chamber facing the fuel electrode are partitioned. The first and second interconnectors are flat members arranged so as to face each other in the first direction across the single cell. The frame member is a frame-like member that is disposed between the separator and the first interconnector, and has a third through hole and a fourth through hole that form a fuel chamber. The glass seal portion is disposed between the separator and the second interconnector, and is in contact with both the second interconnector-side surface of the separator and the separator-side surface of the second interconnector to form an air chamber. It has a contact part to seal.

特開2015−156352号公報JP2015-156352A

上述したように、上記従来の技術では、ガラスシール部は、第2のインターコネクタとセパレータとの間に配置されており、第2のインターコネクタとセパレータとに接触している。ここで、セパレータは、フレーム部材等の他の部材に比べて変形し易い。その理由は、例えば、セパレータは、単セルに接合されており、電気化学反応によって単セルに生じた熱が直接伝達されるため、熱による変形量が大きいからである。また、セパレータは、単セルとフレーム部材との熱膨張差による応力を低減するため、比較的に変形し易い材料により形成されることがあるからである。セパレータが変形すると、セパレータとフレーム部材との間に隙間が生じ、その隙間を介して、ガス流路とガス室(空気室や燃料室)との間や、ガス流路と燃料電池発電単位の外部との間でガスリークが発生するおそれがある。   As described above, in the above conventional technique, the glass seal portion is disposed between the second interconnector and the separator, and is in contact with the second interconnector and the separator. Here, the separator is easily deformed as compared with other members such as a frame member. This is because, for example, the separator is joined to the single cell, and heat generated in the single cell by the electrochemical reaction is directly transferred, so that the deformation amount due to heat is large. In addition, the separator may be formed of a material that is relatively easily deformed in order to reduce stress due to a difference in thermal expansion between the single cell and the frame member. When the separator is deformed, a gap is generated between the separator and the frame member, and the gap between the gas flow path and the gas chamber (air chamber or fuel chamber), or between the gas flow path and the fuel cell power generation unit. There is a risk of gas leakage with the outside.

なお、このような課題は、フレーム部材に空気室を構成する貫通孔が形成され、かつ、ガスシール部材の接触部が燃料室をシールする構成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)を構成す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、燃料電池単セルと電解セルとをまとめて、電気化学反応単セルといい、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いう。   Such a problem is common to the structure in which a through-hole forming an air chamber is formed in the frame member and the contact portion of the gas seal member seals the fuel chamber. Such a problem is also common to electrolytic cell units constituting a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. . In this specification, the fuel cell unit cell and the electrolysis cell are collectively referred to as an electrochemical reaction unit cell, and the fuel cell power generation unit and the electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit.

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。   In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.

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 as, for example, the following forms.

(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単セルと、前記単セルを挟んで前記第1の方向に互いに対向する第1および第2のインターコネクタと、第1の貫通孔と第2の貫通孔とが形成され、前記第1の貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、前記セパレータと前記第1のインターコネクタとの間に配置され、前記燃料室または前記空気室を構成する第3の貫通孔が形成されるとともに第4の貫通孔が形成されたフレーム部材と、前記フレーム部材と前記第2のインターコネクタとの間をシールし、ガラスを含むガラスシール部と、を備えており、前記第1のインターコネクタから、前記フレーム部材の前記第4の貫通孔と前記セパレータの前記第2の貫通孔とを通って、前記第2のインターコネクタまで延びるガス流路が形成された電気化学反応単位において、前記第1の方向視で、前記セパレータの前記第2の貫通孔の内径は、前記フレーム部材の前記第4の貫通孔の内径より大きく、かつ、前記フレーム部材における前記第4の貫通孔の周囲には、前記セパレータの前記第2の貫通孔から露出した環状の露出部分が存在し、前記ガラスシール部は、前記ガス流路の周りを囲むように形成され、かつ、前記フレーム部材の前記露出部分に全周にわたって接触する接触部分を含む。本電気化学反応単位によれば、ガラスシール部は、ガス流路の周りを囲むように形成され、かつ、フレーム部材の露出部分に全周にわたって接触する接触部分を含む。これにより、ガラスシール部がセパレータに接触しており、フレーム部材には接触していない従来の構成に比べて、セパレータの変形によるガス流路におけるガスリークの発生を抑制することができる。 (1) An electrochemical reaction unit disclosed in the present specification includes a single cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and the single cell interposed The first and second interconnectors facing each other in the first direction, the first through-hole and the second through-hole are formed, and a portion surrounding the first through-hole is formed in the single cell. A separator that is joined to a peripheral portion and defines an air chamber that faces the air electrode and a fuel chamber that faces the fuel electrode, and is disposed between the separator and the first interconnector; A glass member that includes a glass member that seals between the frame member in which the third through hole constituting the air chamber is formed and the fourth through hole is formed, and the frame member and the second interconnector. And a sealing portion And a gas flow path extending from the first interconnector through the fourth through hole of the frame member and the second through hole of the separator to the second interconnector is formed. In the electrochemical reaction unit, an inner diameter of the second through-hole of the separator is larger than an inner diameter of the fourth through-hole of the frame member in the first direction view, and the first in the frame member An annular exposed portion exposed from the second through hole of the separator exists around the through hole, and the glass seal portion is formed so as to surround the gas flow path; and A contact portion that contacts the exposed portion of the frame member over the entire circumference. According to this electrochemical reaction unit, the glass seal portion is formed so as to surround the gas flow path, and includes a contact portion that contacts the exposed portion of the frame member over the entire circumference. Thereby, compared with the conventional structure which the glass seal part is contacting the separator and is not contacting the frame member, generation | occurrence | production of the gas leak in the gas flow path by the deformation | transformation of a separator can be suppressed.

(2)上記電気化学反応単位において、前記ガラスシール部は、全周にわたって、前記セパレータから離間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、ガラスシール部とセパレータとが接触している構成に比べて、セパレータの変形によるガス流路におけるガスリークの発生を、より確実に抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction unit, the glass seal portion may be separated from the separator over the entire circumference. According to the present electrochemical reaction unit, it is possible to more reliably suppress the occurrence of gas leak in the gas flow path due to the deformation of the separator as compared with the configuration in which the glass seal portion and the separator are in contact with each other.

(3)上記電気化学反応セルスタックにおいて、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または請求項2に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、セパレータの変形によるガス流路と空気極または燃料極との間のガスリークの発生を抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction cell stack, in the electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction units, at least one of the plurality of electrochemical reaction units is the electricity according to claim 1 or 2. It may be a structure characterized by being a chemical reaction unit. According to this electrochemical reaction cell stack, it is possible to suppress the occurrence of gas leak between the gas flow path and the air electrode or the fuel electrode due to the deformation of the separator.

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、燃料電池発電単位、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、電解セル単位、複数の電解セル単位を備える電解セルスタック、電解セルスタックを備える水素生成モジュール、水素生成モジュールを備える水素生成システム等の形態で実現することが可能である。   The technology disclosed in this specification can be realized in various forms. For example, a fuel cell power generation unit, a fuel cell stack including a plurality of fuel cell power generation units, and a power generation module including a fuel cell stack It can be realized in the form of a fuel cell system including a power generation module, an electrolytic cell unit, an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cell units, a hydrogen generation module including an electrolytic cell stack, a hydrogen generation system including a hydrogen generation module, etc. It is.

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。1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in the present 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YZ断面構成を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position of III-III in FIG. 1. 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 XZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other 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YZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 燃料電池スタック100のガラスシール部56付近の構成を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing a configuration in the vicinity of a glass seal portion 56 of the fuel cell stack 100. FIG.

A.実施形態:
A−1.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のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ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。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in the present embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position of III-III in FIG. In each figure, XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction are shown. In this specification, for the sake of convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction. However, the fuel cell stack 100 is actually different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIG.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102と、第1のエンドプレート104と、第2のエンドプレート106と、集電板18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(Z軸方向))に並べて配置されている。集電板18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。第1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、第2のエンドプレート106は、集電板18の下側に配置されている。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の方向に相当し、発電単位102は、特許請求の範囲における電気化学反応単位に相当する。   The fuel cell stack 100 includes a plurality (seven in this embodiment) of power generation units 102, a first end plate 104, a second end plate 106, and a current collector plate 18. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (in this embodiment, the vertical direction (Z-axis direction)). The current collecting plate 18 is disposed below the power generation unit 102 located at the bottom. The first end plate 104 is disposed on the upper side of the uppermost power generation unit 102, and the second end plate 106 is disposed on the lower side of the current collector plate 18. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims, and the power generation unit 102 corresponds to the electrochemical reaction unit in the claims.

燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、第1および第2のエンドプレート104,106、集電板18)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)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、第1のエンドプレート104から第2のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる貫通孔108を構成している。以下の説明では、貫通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、貫通孔108と呼ぶ場合がある。   A plurality of (this embodiment) penetrating in the vertical direction is formed in the peripheral portion around the Z direction of each layer (the power generation unit 102, the first and second end plates 104 and 106, and the current collector plate 18) constituting the fuel cell stack 100. (In the form, eight) holes are formed, and the corresponding holes formed in each layer communicate with each other in the vertical direction, and the through holes 108 extend in the vertical direction from the first end plate 104 to the second end plate 106. Is configured. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the through holes 108 may also be referred to as the through holes 108.

各貫通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。   Bolts 22 extending in the vertical direction are inserted into the through holes 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolts 22 and nuts 24 fitted on both sides of the bolts 22.

各ボルト22の軸部の外径は各貫通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各貫通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ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)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿入された貫通孔108とにより形成された空間は、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に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド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)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿入された貫通孔108とにより形成された空間は、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。   The outer diameter of the shaft portion of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each through hole 108. Therefore, a space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each through hole 108. As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 100 is located near the midpoint of one side (the X-axis positive direction side of two sides parallel to the Y-axis) on the outer periphery around the Z-direction. The space formed by the bolt 22 (bolt 22A) and the through-hole 108 into which the bolt 22A is inserted is introduced with the oxidant gas OG from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is generated by each power generation. It functions as an oxidant gas introduction manifold 161 that is a gas flow path to be supplied to the unit 102, and is the midpoint of the side opposite to the side (X-axis negative direction side of two sides parallel to the Y-axis) The space formed by the bolts 22 (bolts 22B) located in the vicinity and the through holes 108 into which the bolts 22B are inserted has an oxidant off-gas OOG that is a gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. Burning Functions as the oxidizing gas discharging manifold 162 for discharging to the outside of the 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方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿入された貫通孔108とにより形成された空間は、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に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿入された貫通孔108とにより形成された空間は、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。   Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the Y axis positive direction side of two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z direction The space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located at the position and the through hole 108 into which the bolt 22D is inserted is introduced with the fuel gas FG from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is generated by each power generation. Bolt 22 that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the unit 102 and is located in the vicinity of the midpoint of the opposite side (the side on the Y axis negative direction side of the two sides parallel to the X axis). The space formed by the (bolt 22E) and the through hole 108 into which the bolt 22E is inserted is a fuel cell stack 1 that converts the fuel off-gas FOG, which is a gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, into the fuel cell stack 1. Functions as a fuel gas exhaust manifold 172 for discharging to the outside of the 0. In the present embodiment, as the fuel gas FG, for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used.

燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、金属により形成されており、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部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。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。   The fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 is made of metal, and has a hollow cylindrical main body portion 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branched from a side surface of the main body portion 28. The hole of the branch part 29 communicates with the hole of the main body part 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. Further, as shown in FIG. 2, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> A forming the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161. The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> B that forms the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162. Further, as shown in FIG. 3, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> E forming the discharge manifold 172 communicates with the fuel gas discharge manifold 172.

図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成する第1のエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成する第2のエンドプレート106の下側表面との間には、例えばガラス材料が結晶化して形成されたシール部52が介在している。ただし、ガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24と第2のエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置されたシール部52とが介在している。シール部52には、上述した各貫通孔108やガス通路部材27の本体部28の孔に連通する孔が形成されている。シール部52により、シール部52を挟んで配列方向に互いに隣り合う2つの導電性部材(例えば、ナット24と第1のエンドプレート104)が電気的に絶縁され、かつ、2つの導電性部材間のガスシール性が確保される。   2 and 3, between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the first end plate 104 constituting the upper end of the fuel cell stack 100, and For example, a glass material is crystallized between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of the bolt 22 and the lower surface of the second end plate 106 constituting the lower end of the fuel cell stack 100. The sealed portion 52 is interposed. However, at locations where the gas passage member 27 is provided, seals disposed on the upper and lower sides of the gas passage member 27 and the gas passage member 27 between the nut 24 and the surface of the second end plate 106, respectively. The part 52 is interposed. The seal portion 52 is formed with holes communicating with the through holes 108 and the holes of the main body portion 28 of the gas passage member 27 described above. Two conductive members (for example, the nut 24 and the first end plate 104) that are adjacent to each other in the arrangement direction with the seal portion 52 interposed therebetween are electrically insulated by the seal portion 52, and between the two conductive members. Gas sealing performance is ensured.

(エンドプレート104,106の構成)
第1および第2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。第2のエンドプレート106は、特許請求の範囲における平板状の部材に相当する。第1のエンドプレート104は、配列方向に略直交する方向(例えばX軸負方向)に突出する第1の突出部14を備える。第1のエンドプレート104の第1の突出部14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する。
(Configuration of end plates 104 and 106)
The first and second end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are made of, for example, stainless steel. The second end plate 106 corresponds to a flat plate-like member in the claims. The first end plate 104 includes a first protrusion 14 that protrudes in a direction substantially orthogonal to the arrangement direction (for example, the X-axis negative direction). The first protrusion 14 of the first end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100.

(集電板18の構成)
集電板18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。集電板18は、配列方向に略直交する方向(例えばX軸正方向)に突出する第2の突出部16を備える。集電板18の突出部16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。
(Configuration of current collector 18)
The current collecting plate 18 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is made of, for example, stainless steel. The current collector 18 includes a second protrusion 16 that protrudes in a direction substantially orthogonal to the arrangement direction (for example, the positive direction of the X axis). The protrusion 16 of the current collector 18 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

集電板18と第2のエンドプレート106との間には、ガラス材料が結晶化して形成されたシール部54と、マイカ等の絶縁材57とが介在している。絶縁材57には、上記各貫通孔108に対応する位置に孔が形成されており、この孔の内側に、シール部54が配置されている。シール部54には、上述した各貫通孔108に連通する孔が形成されている。シール部54により、シール部54を挟んで配列方向に互いに隣り合う2つの導電性部材である集電板18と第2のエンドプレート106とが電気的に絶縁され、かつ、集電板18と第2のエンドプレート106との間のガスシール性が確保される。   Between the current collector plate 18 and the second end plate 106, a seal portion 54 formed by crystallization of a glass material and an insulating material 57 such as mica are interposed. A hole is formed in the insulating material 57 at a position corresponding to each of the through holes 108, and a seal portion 54 is disposed inside the hole. The seal portion 54 is formed with a hole communicating with each through hole 108 described above. The current collector 18 and the second end plate 106, which are two conductive members adjacent to each other in the arrangement direction with the seal 54 interposed therebetween, are electrically insulated by the seal 54, and the current collector 18 Gas sealing performance with the second end plate 106 is ensured.

(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YZ断面構成を示す説明図である。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other 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. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units.

図4および図5に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、ガラスシール部56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。燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される貫通孔108に対応する孔が形成されている。   As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 that is the minimum unit of power generation includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, a glass seal portion 56, and an air electrode side current collector 134. A fuel electrode side frame 140, a fuel electrode side current collector 144, and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102. A hole corresponding to the above-described through hole 108 into which the bolt 22 is inserted is formed in a peripheral portion around the Z direction in the fuel electrode side frame 140 and the interconnector 150.

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。そのため、あるインターコネクタ150は、ある発電単位102における後述する空気極114に面する空気室166に面し、かつ、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における後述する燃料極116に面する燃料室176に面する。また、燃料電池スタック100は第1のエンドプレート104および集電板18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)。下側のインターコネクタ150は、特許請求の範囲における第1のインターコネクタに相当し、上側のインターコネクタ150は、特許請求の範囲における第2のインターコネクタに相当する。   The interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents reaction gas from being mixed 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 two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a 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. Therefore, a certain interconnector 150 faces an air chamber 166 facing an air electrode 114 (described later) in a power generation unit 102, and a fuel electrode 116 (described later) in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Facing the fuel chamber 176 facing the front. In addition, since the fuel cell stack 100 includes the first end plate 104 and the current collector plate 18, the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150. The power generation unit 102 located below does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3). The lower interconnector 150 corresponds to the first interconnector in the claims, and the upper interconnector 150 corresponds to the second interconnector in the claims.

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114および燃料極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 114 and a fuel electrode 116 that face each other in the vertical direction (the arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode-supported single cell that supports the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 with the fuel electrode 116.

電解質層112は、矩形の平板形状部材であり、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。空気極114は、矩形の平板形状部材であり、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、矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等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。   The electrolyte layer 112 is a rectangular flat plate-like member, such as YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (samarium doped ceria), GDC (gadolinium doped ceria), perovskite oxide, etc. The solid oxide is formed. The air electrode 114 is a rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, a perovskite oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)). ing. The fuel electrode 116 is a rectangular flat plate-like member, and is formed of, for example, Ni (nickel), cermet made of Ni and ceramic particles, Ni-based alloy, or the like. Thus, the single cell 110 (power generation unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

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、例えば燃料極側フレーム140の形成材料と同じ材料により形成されている。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。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルともいう。さらに、セパレータ120には、上記各貫通孔108に対応する位置に、該セパレータ120を上下方向に貫通する孔120Aが形成されている。該孔120Aの内径は、貫通孔108の内径より大きい。上述の孔121は、特許請求の範囲における第1の貫通孔に相当し、孔120Aは、特許請求の範囲における第2の貫通孔に相当する。   The separator 120 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. The peripheral part of the hole 121 in the separator 120 is opposed to the peripheral part of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. The separator 120 is made of the same material as that of the fuel electrode side frame 140, for example. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag brazing) disposed in the facing portion. The separator 120 divides the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and gas leaks from one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion of the single cell 110. It is suppressed. The single cell 110 to which the separator 120 is bonded is also referred to as a single cell with a separator. Furthermore, the separator 120 is formed with a hole 120A that penetrates the separator 120 in the vertical direction at a position corresponding to each through hole 108 described above. The inner diameter of the hole 120A is larger than the inner diameter of the through hole 108. The hole 121 described above corresponds to the first through hole in the claims, and the hole 120A corresponds to the second through hole in the claims.

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の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。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。すなわち、空気極側フレーム130は、セパレータ120とインターコネクタ150とにより挟持されている。そのため、空気極側フレーム130によって、空気室166のシール(コンプレッションシール)が実現される。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。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。さらに、空気極側フレーム130には、上記各貫通孔108に対応する位置に、該空気極側フレーム130を上下方向に貫通する孔130Aが形成されている。該孔130Aの内径は、貫通孔108の内径より大きい。   The air electrode side frame 130 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of an insulator such as mica, for example. The hole 131 of the air electrode side frame 130 forms an air chamber 166 that faces the air electrode 114. The air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral edge portion of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge portion of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. . That is, the air electrode side frame 130 is sandwiched between the separator 120 and the interconnector 150. Therefore, the air electrode side frame 130 realizes a seal (compression seal) for the air chamber 166. The pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102 is electrically insulated by the air electrode side frame 130. The air electrode side frame 130 has an oxidant gas supply communication hole 132 communicating the oxidant gas introduction manifold 161 and the air chamber 166, and an oxidant gas communicating the air chamber 166 and the oxidant gas discharge manifold 162. A discharge communication hole 133 is formed. Further, the air electrode side frame 130 is formed with holes 130A that penetrate the air electrode side frame 130 in the vertical direction at positions corresponding to the through holes 108. The inner diameter of the hole 130A is larger than the inner diameter of the through hole 108.

空気極側フレーム130における各孔130Aの内側には、ガラスシール部56が配置されている。ガラスシール部56は、ガラス材料が結晶化して形成されている。このガラスシール部56付近(ガラスシール部56、空気極側フレーム130、セパレータ120)の構成については後述する。   A glass seal portion 56 is disposed inside each hole 130 </ b> A in the air electrode side frame 130. The glass seal portion 56 is formed by crystallizing a glass material. The configuration in the vicinity of the glass seal portion 56 (glass seal portion 56, air electrode side frame 130, separator 120) will be described later.

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の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。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。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。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、孔141は、特許請求の範囲における第3の貫通孔に相当し、燃料極側フレーム140に形成された貫通孔108は、特許請求の範囲における第4の貫通孔に相当する。   The fuel electrode side frame 140 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 141 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. The hole 141 of the fuel electrode side frame 140 forms a fuel chamber 176 that faces the fuel electrode 116. 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. Further, the fuel electrode side frame 140 has a fuel gas supply communication hole 142 that connects the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that connects the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. And are formed. The fuel electrode side frame 140 corresponds to a frame member in the claims, the hole 141 corresponds to a third through hole in the claims, and the through hole 108 formed in the fuel electrode side frame 140 includes: This corresponds to the fourth through hole in the claims.

燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。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とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。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、集電板18の表面に接触している。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(または集電板18)とを電気的に接続する。なお、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スペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、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との電気的接続が良好に維持される。   The fuel electrode side current collector 144 is 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 that connects the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. For example, nickel or a nickel alloy It is made of stainless steel or the like. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. In contact. However, as described above, the lowermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not include the lower interconnector 150, and therefore the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 has the current collecting plate 18. Touching the surface. Since the fuel electrode side current collector 144 has such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the current collector plate 18) are electrically connected. Note that a spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle or reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 are electrically connected via the fuel electrode side current collector 144. Maintained well.

空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。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の空気極側集電体134は、第1のエンドプレート104の表面に接触している。このように、空気極側集電体134は、空気極114とインターコネクタ150(または第1のエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。   The air electrode side current collector 134 is disposed in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of current collector elements 135 having a substantially quadrangular prism shape, and is formed 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 facing the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 located in the uppermost position in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 of the power generation unit 102 has the first end. It is in contact with the surface of the plate 104. Thus, the air electrode side current collector 134 electrically connects the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the first end plate 104). The air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be formed as an integral member.

A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4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および本体部28の孔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孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5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および本体部28の孔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孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied through 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 introduction manifold 161. Then, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the oxidant gas introduction manifold 161 oxidizes each power generation unit 102. It is supplied to the air chamber 166 through the agent gas supply communication hole 132. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel gas FG is supplied through 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 introduction manifold 171. Then, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the fuel gas supply communication of each power generation unit 102 from the fuel gas introduction manifold 171. The fuel chamber 176 is supplied through the hole 142.

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および燃料ガスFG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、出力端子として機能する第1のエンドプレート104の第1の突出部14と集電板18の第2の突出部16とから、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, power is generated by an electrochemical reaction between the oxidant gas OG and the fuel gas FG in the single cell 110. Is called. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to one interconnector 150 via the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is connected via the fuel electrode side current collector 144. The other interconnector 150 is electrically connected. The plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, electric energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the first protrusion 14 of the first end plate 104 that functions as an output terminal and the second protrusion 16 of the current collector plate 18. Since SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is heated by a heater (after the start-up until the high temperature 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および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔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の孔を経て、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および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔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の孔を経て、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 via the oxidant gas discharge communication hole 133 as shown in FIGS. The fuel cell stack 100 is connected to the branch portion 29 via a gas pipe (not shown) through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the agent gas discharge manifold 162. Is discharged outside. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, 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 hole 143, and further to the fuel gas. The gas passage member 27 provided at the position of the discharge manifold 172 passes through the body portion 28 and the branch portion 29 and passes through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 to the outside of the fuel cell stack 100. Discharged.

A−3.ガラスシール部56付近の配置:
図6は、燃料電池スタック100のガラスシール部56付近の構成を示す説明図である。図6の上段には、図5における発電単位102のX1部分のXZ断面構成が拡大して示されており、図6の下段には、図6の上段図のX2−X2の位置における発電単位102のX1部分のXY断面構成が拡大して示されている。なお、図6には、燃料ガス排出マニホールド172の周りを囲むように形成されたガラスシール部56が示されている。
A-3. Arrangement near the glass seal 56:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration in the vicinity of the glass seal portion 56 of the fuel cell stack 100. The upper part of FIG. 6 shows an XZ sectional configuration of the X1 portion of the power generation unit 102 in FIG. 5 in an enlarged manner, and the lower part of FIG. 6 shows the power generation unit at the position X2-X2 in the upper part of FIG. The XY cross-sectional configuration of the X1 portion of 102 is shown enlarged. FIG. 6 shows a glass seal 56 formed so as to surround the periphery of the fuel gas discharge manifold 172.

図6に示すように、セパレータ120に形成された孔120Aの内径は、燃料極側フレーム140およびインターコネクタ150に形成された貫通孔108の内径より大きく、かつ、上下方向視(Z方向)で該孔120Aが全周にわたって貫通孔108の外側に位置している。このため、燃料極側フレーム140の上面における貫通孔108の周囲には、セパレータ120に形成された孔120Aから露出した環状の露出部分140Aが存在する。また、空気極側フレーム130に形成された孔130Aの内径も、燃料極側フレーム140およびインターコネクタ150に形成された貫通孔108の内径より大きく、かつ、上下方向視(Z方向)で該孔130Aが全周にわたって貫通孔108の外側に位置している。このため、上下方向において、燃料極側フレーム140の露出部分140Aと上側のインターコネクタ150との間には、セパレータ120と空気極側フレーム130とが存在しない。なお、図6では、孔120Aの内径と孔130Aの内径とは略同一であるが、孔120Aの内径が孔130Aの内径より大きくてもよいし、孔120Aの内径が孔130Aの内径より小さくてもよい。   As shown in FIG. 6, the inner diameter of the hole 120A formed in the separator 120 is larger than the inner diameter of the through-hole 108 formed in the fuel electrode side frame 140 and the interconnector 150, and viewed in the vertical direction (Z direction). The hole 120A is located outside the through hole 108 over the entire circumference. Therefore, an annular exposed portion 140 </ b> A exposed from the hole 120 </ b> A formed in the separator 120 exists around the through hole 108 on the upper surface of the fuel electrode side frame 140. Further, the inner diameter of the hole 130A formed in the air electrode side frame 130 is larger than the inner diameter of the through hole 108 formed in the fuel electrode side frame 140 and the interconnector 150, and the hole is viewed in the vertical direction (Z direction). 130A is located outside the through hole 108 over the entire circumference. Therefore, the separator 120 and the air electrode side frame 130 do not exist between the exposed portion 140A of the fuel electrode side frame 140 and the upper interconnector 150 in the vertical direction. In FIG. 6, the inner diameter of the hole 120A and the inner diameter of the hole 130A are substantially the same, but the inner diameter of the hole 120A may be larger than the inner diameter of the hole 130A, or the inner diameter of the hole 120A is smaller than the inner diameter of the hole 130A. May be.

ガラスシール部56は、空気極側フレーム130における各孔130Aおよびセパレータ120に形成された各孔120Aの内側に位置しており、各マニホールド161,162,171,172を取り囲むように配置されている。具体的には、ガラスシール部56は、上下方向に貫通する孔56Aが形成された略円筒状である。ガラスシール部56の上端面は、上側のインターコネクタ150の下面における貫通孔108の周囲部分に全周にわたって接触しており、ガラスシール部56の下端面は、燃料極側フレーム140の上面における貫通孔108の周囲部分(露出部分140A)に全周にわたって接触している。ガラスシール部56により、ガラスシール部56を挟んで配列方向に互いに隣り合う2つの導電性部材である燃料極側フレーム140と上側のインターコネクタ150とが電気的に絶縁され、かつ、燃料極側フレーム140と上側のインターコネクタ150との間のガスシール性が確保される。ガラスシール部56は、特許請求の範囲におけるガラスシール部に相当し、ガラスシール部56の下端面は、特許請求の範囲における接触部分に相当する。   The glass seal portion 56 is located inside each hole 130A in the air electrode side frame 130 and each hole 120A formed in the separator 120, and is disposed so as to surround each manifold 161, 162, 171, 172. . Specifically, the glass seal portion 56 has a substantially cylindrical shape in which a hole 56A penetrating in the vertical direction is formed. The upper end surface of the glass seal portion 56 is in contact with the peripheral portion of the through hole 108 on the lower surface of the upper interconnector 150, and the lower end surface of the glass seal portion 56 penetrates the upper surface of the fuel electrode side frame 140. The peripheral portion of the hole 108 (exposed portion 140A) is in contact with the entire circumference. The glass seal portion 56 electrically insulates the fuel electrode side frame 140 and the upper interconnector 150 which are two conductive members adjacent to each other in the arrangement direction with the glass seal portion 56 interposed therebetween, and the fuel electrode side. A gas sealing property between the frame 140 and the upper interconnector 150 is ensured. The glass seal portion 56 corresponds to the glass seal portion in the claims, and the lower end surface of the glass seal portion 56 corresponds to the contact portion in the claims.

また、セパレータ120に形成された孔120Aの内径は、ガラスシール部56の外径より大きく、セパレータ120とガラスシール部56とは、全周にわたって離間している。また、空気極側フレーム130に形成された孔130Aの内径も、ガラスシール部56の外径より大きく、空気極側フレーム130とガラスシール部56とは、全周にわたって離間している。   The inner diameter of the hole 120A formed in the separator 120 is larger than the outer diameter of the glass seal portion 56, and the separator 120 and the glass seal portion 56 are separated from each other over the entire circumference. The inner diameter of the hole 130A formed in the air electrode side frame 130 is also larger than the outer diameter of the glass seal portion 56, and the air electrode side frame 130 and the glass seal portion 56 are separated from each other over the entire circumference.

一方、上述したように、ガラスシール部56の外周側に位置する空気極側フレーム130は、全周にわたって、セパレータ120とインターコネクタ150とにより挟持されている。この空気極側フレーム130によって、空気極側フレーム130とセパレータ120との間のシールと、セパレータ120と燃料極側フレーム140とのシールとが確保される。すなわち、空気極側フレーム130によって、空気室166と燃料室176との間のガスシール性が確保される。なお、本実施形態の燃料電池スタック100には、燃料極側フレーム140とセパレータ120との間をシールする溶接部410が形成されている(図6の上段図参照)。溶接部410は、例えばレーザ溶接により形成される。溶接部410は、上下方向視で、セパレータ120に形成された孔120Aを取り囲むように連続的に形成されている。溶接部410によって、空気室166と燃料室176との間のガスシール性がより確実に確保される。   On the other hand, as described above, the air electrode side frame 130 located on the outer peripheral side of the glass seal portion 56 is sandwiched between the separator 120 and the interconnector 150 over the entire periphery. The air electrode side frame 130 ensures a seal between the air electrode side frame 130 and the separator 120 and a seal between the separator 120 and the fuel electrode side frame 140. That is, the air electrode side frame 130 ensures the gas sealing property between the air chamber 166 and the fuel chamber 176. In the fuel cell stack 100 of this embodiment, a welded portion 410 that seals between the fuel electrode side frame 140 and the separator 120 is formed (see the upper diagram in FIG. 6). The welding part 410 is formed by laser welding, for example. The welded portion 410 is continuously formed so as to surround the hole 120A formed in the separator 120 when viewed in the vertical direction. The welded portion 410 ensures the gas sealing property between the air chamber 166 and the fuel chamber 176 more reliably.

A−4.本実施形態の効果:
上述したように、本実施形態の燃料電池スタック100では、ガラスシール部56は、ガス流路(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)の周りを囲むように形成され、かつ、燃料極側フレーム140の露出部分140Aに対して、全周にわたって、セパレータ120を介さずに接触する接触部分を含む。これにより、例えばガラスシール部56がセパレータ120に接触しており、燃料極側フレーム140には接触していない構成に比べて、セパレータ120の変形によるガス流路におけるガスリークの発生を抑制することができる。
A-4. Effects of this embodiment:
As described above, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the glass seal portion 56 includes gas flow paths (oxidant gas introduction manifold 161, oxidant gas discharge manifold 162, fuel gas introduction manifold 171, fuel gas discharge manifold 172. ) And a contact portion that contacts the exposed portion 140A of the fuel electrode side frame 140 without going through the separator 120 over the entire circumference. Thereby, for example, compared with a configuration in which the glass seal portion 56 is in contact with the separator 120 and is not in contact with the fuel electrode side frame 140, generation of gas leak in the gas flow path due to deformation of the separator 120 can be suppressed. it can.

具体的には、例えば図6に示す構成において、仮に、セパレータ120に形成された孔120Aの内径と燃料極側フレーム140に形成された貫通孔108の内径とが略同一であり、ガラスシール部56がセパレータ120と上側のインターコネクタ150との間に挟持されている構成では、次のような問題が生じるおそれがある。例えばセパレータ120は、燃料極側フレーム140等の他の部材に比べて変形し易い。その理由は、例えば、セパレータ120は、空気室166と燃料室176との間で浮いたように配置された単セル110に接合されており、単セル110の空気極114の表面と燃料極116の表面とにおいて、それぞれ空気極側集電体134と燃料極側集電体144とに一部が接触しているものの、電気化学反応によって単セル110に生じた熱が直接伝達されるため、熱による変形量が大きいからである。また、セパレータ120は、単セル110と燃料極側フレーム140との熱膨張差による応力を低減するため、比較的に変形し易い材料により形成されることがあるからである。また、120は、製造工程において熱処理されることによって多少ひずんでいる可能性がある。   Specifically, for example, in the configuration shown in FIG. 6, it is assumed that the inner diameter of the hole 120 </ b> A formed in the separator 120 and the inner diameter of the through hole 108 formed in the fuel electrode side frame 140 are substantially the same. In the configuration in which 56 is sandwiched between the separator 120 and the upper interconnector 150, the following problem may occur. For example, the separator 120 is more easily deformed than other members such as the fuel electrode side frame 140. The reason is that, for example, the separator 120 is joined to the single cell 110 arranged so as to float between the air chamber 166 and the fuel chamber 176, and the surface of the air electrode 114 of the single cell 110 and the fuel electrode 116. Although the air electrode side current collector 134 and the fuel electrode side current collector 144 are partially in contact with each other, the heat generated in the single cell 110 due to the electrochemical reaction is directly transferred. This is because the amount of deformation due to heat is large. In addition, the separator 120 may be formed of a material that is relatively easily deformed in order to reduce stress due to a difference in thermal expansion between the single cell 110 and the fuel electrode side frame 140. In addition, 120 may be somewhat distorted by heat treatment in the manufacturing process.

セパレータ120が変形すると、セパレータ120と燃料極側フレーム140との間に隙間が生じ、その隙間を介して、燃料ガス排出マニホールド172と空気室166との間や、燃料ガス排出マニホールド172と燃料電池スタック100の外部(大気)との間で燃料オフガスFOGのガスリークが発生するおそれがある。これに対して、上述したように、本実施形態の燃料電池スタック100では、ガラスシール部56は、燃料ガス排出マニホールド172の周りを囲むように形成され、かつ、燃料極側フレーム140の露出部分140Aに対して、全周にわたって、セパレータ120を介さずに接触する接触部分を含む。このため、セパレータ120と燃料極側フレーム140との熱膨張差による影響を受けることなく、燃料ガス排出マニホールド172におけるガスリークの発生を抑制することができる。   When the separator 120 is deformed, a gap is generated between the separator 120 and the fuel electrode side frame 140, and the gap between the fuel gas discharge manifold 172 and the air chamber 166 or the fuel gas discharge manifold 172 and the fuel cell is formed through the gap. There is a possibility that a gas leak of the fuel off-gas FOG may occur between the outside of the stack 100 (atmosphere). On the other hand, as described above, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the glass seal portion 56 is formed so as to surround the fuel gas discharge manifold 172, and the exposed portion of the fuel electrode side frame 140 is exposed. A contact portion that contacts the entire circumference without passing through the separator 120 is included with respect to 140A. Therefore, the occurrence of gas leak in the fuel gas discharge manifold 172 can be suppressed without being affected by the difference in thermal expansion between the separator 120 and the fuel electrode side frame 140.

また、本実施形態では、セパレータ120に形成された孔120Aの内径は、ガラスシール部56の外径より大きく、セパレータ120とガラスシール部56とは、全周にわたって離間している。仮に、セパレータ120が変形しても、ガラスシール部56が上側のインターコネクタ150と燃料極側フレーム140との間に挟持された状態が維持される。したがって、ガラスシール部56とセパレータ120とが互いに接触している構成に比べて、セパレータ120の変形によるガス流路におけるガスリークの発生を、より確実に抑制することができる。   In the present embodiment, the inner diameter of the hole 120A formed in the separator 120 is larger than the outer diameter of the glass seal portion 56, and the separator 120 and the glass seal portion 56 are separated from each other over the entire circumference. Even if the separator 120 is deformed, the state in which the glass seal portion 56 is sandwiched between the upper interconnector 150 and the fuel electrode side frame 140 is maintained. Therefore, compared with the configuration in which the glass seal portion 56 and the separator 120 are in contact with each other, the occurrence of gas leak in the gas flow path due to the deformation of the separator 120 can be more reliably suppressed.

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. Variation:
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 gist thereof. For example, the following modifications are possible.

上記実施形態では、4つのマニホールド161,162,171,172をそれぞれ囲むように形成された4箇所のガラスシール部56の全てについて、燃料極側フレーム140の露出部分140Aに対して、全周にわたって、セパレータ120を介さずに接触する接触部分を含むとしているが、これに代えて、例えば、該4箇所のガラスシール部56の一部についてだけ、上記接触部分を含むとしてもよい。例えば、特に高いガスリーク性が求められる燃料ガス導入マニホールド171および燃料ガス排出マニホールド172をそれぞれ囲む2箇所のガラスシール部56についてだけ、上記接触部分を含み、酸化剤ガス導入マニホールド161および酸化剤ガス排出マニホールド162をそれぞれ囲む2箇所のガラスシール部56については、上記接触部分を含まず、セパレータ120と上側のインターコネクタ150との間に挟持されているとしてもよい。   In the above embodiment, all four glass seal portions 56 formed so as to surround the four manifolds 161, 162, 171, and 172, respectively, with respect to the exposed portion 140 </ b> A of the fuel electrode side frame 140 over the entire circumference. However, instead of this, for example, only the part of the four glass seal portions 56 may include the contact portion. For example, only the two glass seal portions 56 that respectively surround the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas discharge manifold 172 that require particularly high gas leakage properties include the contact portions, and the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas discharge. The two glass seal portions 56 that respectively surround the manifold 162 may be sandwiched between the separator 120 and the upper interconnector 150 without including the contact portion.

上記実施形態では、セパレータ120とガラスシール部56とは、全周にわたって離間しているとしたが、セパレータ120が上記接触部分を含んでいれば、セパレータ120とガラスシール部56とが全周または一部分において接触しているとしてもよい。また、セパレータ120が上記接触部分を含んでいれば、上下方向視で、セパレータ120の一部がガラスシール部56に重なっているとしてもよい。例えば、セパレータ120の孔120Aの内径が、ガラスシール部56の内径より大きく、かつ、ガラスシール部56の外径より小さく、ガラスシール部56の内周側が燃料極側フレーム140と上側のインターコネクタ150との間に挟持されており、ガラスシール部56の外周側がセパレータ120と上側のインターコネクタ150との間に挟持されているとしてもよい。このような構成であれば、ガラスシール部56によって、ガス流路におけるガスシール性の確保に加えて、空気室166と燃料室176との間のガスシール性の確保も可能になる。   In the said embodiment, although the separator 120 and the glass seal part 56 were spaced apart over the perimeter, if the separator 120 contains the said contact part, the separator 120 and the glass seal part 56 will be a perimeter or It may be in contact with a part. Moreover, as long as the separator 120 includes the contact portion, a part of the separator 120 may overlap the glass seal portion 56 as viewed in the vertical direction. For example, the inner diameter of the hole 120A of the separator 120 is larger than the inner diameter of the glass seal portion 56 and smaller than the outer diameter of the glass seal portion 56, and the inner peripheral side of the glass seal portion 56 is the fuel electrode side frame 140 and the upper interconnector. 150, and the outer peripheral side of the glass seal portion 56 may be sandwiched between the separator 120 and the upper interconnector 150. With such a configuration, the glass seal portion 56 can ensure the gas sealability between the air chamber 166 and the fuel chamber 176 in addition to the gas sealability in the gas flow path.

また、上記実施形態では、空気極側フレーム130とガラスシール部56とは、全周にわたって離間しているとしたが、空気極側フレーム130とガラスシール部56とが全周または一部分において接触しているとしてもよい。空気極側フレーム130がガラスシール部56に接触することにより、例えばガラスシール部56の強度を補強することができる。また、空気極側フレーム130の孔130Aの内径を、セパレータ120の孔120Aの内径より小さくしてもよい。このような構成により、セパレータ120とガラスシール部56とが接触することを抑制することができる。   In the above embodiment, the air electrode side frame 130 and the glass seal portion 56 are separated from each other over the entire circumference. However, the air electrode side frame 130 and the glass seal portion 56 are in contact with each other over the entire circumference or a part thereof. It may be. When the air electrode side frame 130 contacts the glass seal portion 56, for example, the strength of the glass seal portion 56 can be reinforced. Further, the inner diameter of the hole 130A of the air electrode side frame 130 may be smaller than the inner diameter of the hole 120A of the separator 120. With such a configuration, the contact between the separator 120 and the glass seal portion 56 can be suppressed.

また、上記実施形態では、空気室166と燃料室176との間のガスシール性の確保のため、空気極側フレーム130によるコンプレッションシールと溶接部410との両方が形成されているとしたが、コンプレッションシールと溶接部410とのいずれか一方が形成されているとしてもよい。   In the above embodiment, both the compression seal by the air electrode side frame 130 and the welded portion 410 are formed in order to ensure the gas sealability between the air chamber 166 and the fuel chamber 176. Either one of the compression seal and the welded portion 410 may be formed.

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。   In the above embodiment, the number of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of power generation units 102 is appropriately determined according to the output voltage required for the fuel cell stack 100 or the like.

また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各貫通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト22が挿入される各貫通孔108とは別に設けてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the space between the outer peripheral surface of the axial part of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each through-hole 108 is utilized as each manifold, it replaces with this and the axis | shaft of each bolt 22 is used. An axial hole may be formed in the part, and the hole may be used as each manifold. Further, each manifold may be provided separately from each through hole 108 into which each bolt 22 is inserted.

また、上記実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合には、1つのインターコネクタ150が隣接する2つの発電単位102に共有されるとしているが、このような場合でも、2つの発電単位102がそれぞれのインターコネクタ150を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ150や、最も下に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ150は省略されているが、これらのインターコネクタ150を省略せずに設けてもよい。   In the above embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. Two power generation units 102 may be provided with respective interconnectors 150. In the above embodiment, the upper interconnector 150 of the uppermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 and the lower interconnector 150 of the lowermost power generation unit 102 are omitted. These interconnectors 150 may be provided without being omitted.

また、上記実施形態において、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。   Further, in the above embodiment, the fuel electrode side current collector 144 may have the same configuration as the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode side current collector 144 and the adjacent interconnector 150 are an integral member. It may be. Further, the fuel electrode side frame 140 instead of the air electrode side frame 130 may be an insulator. The air electrode side frame 130 and the fuel electrode side frame 140 may have a multilayer structure.

また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。   Moreover, the material which forms each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be formed with another material.

また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスFGを得るとしているが、LPガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスFGを得るとしてもよいし、燃料ガスFGとして純水素を利用してもよい。   In the above embodiment, the city gas is reformed to obtain the hydrogen-rich fuel gas FG, but the fuel gas FG may be obtained from other raw materials such as LP gas, kerosene, methanol, gasoline, Pure hydrogen may be used as the fuel gas FG.

本明細書において、部材(または部材のある部分、以下同様)Aを挟んで部材Bと部材Cとが互いに対向するとは、部材Aと部材Bまたは部材Cとが隣接する形態に限定されず、部材Aと部材Bまたは部材Cとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層112と空気極114との間に他の層が設けられた構成であっても、空気極114と燃料極116とは電解質層112を挟んで互いに対向すると言える。   In the present specification, the fact that the member B and the member C are opposed to each other across the member (or a part having the member, the same applies hereinafter) A is not limited to the form in which the member A and the member B or the member C are adjacent to each other. It includes a form in which another component is interposed between member A and member B or member C. For example, even in a configuration in which another layer is provided between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114, it can be said that the air electrode 114 and the fuel electrode 116 face each other with the electrolyte layer 112 interposed therebetween.

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、貫通孔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、貫通孔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に、ガラスシール部は、ガス流路の周りを囲むように形成され、かつ、フレーム部材の露出部分に全周にわたって接触する接触部分を含む構成にすれば、セパレータの変形によるガス流路におけるガスリークの発生を抑制することができる。   In the above embodiment, the SOFC that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted. The present invention can be similarly applied to an electrolytic cell unit that is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cell units. The configuration of the electrolytic cell stack is well known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-81813, and thus will not be described in detail here. It is a configuration. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit, and the single cell 110 may be read as an electrolytic single cell. However, when the electrolysis cell stack is operated, 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 through 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 of the electrolysis cell stack through the through hole 108. Also in the electrolytic cell unit and the electrolytic cell stack having such a configuration, the glass seal portion is formed so as to surround the gas flow path, and the entire periphery of the exposed portion of the frame member, as in the above embodiment. If the contact portion is included, the occurrence of gas leak in the gas flow path due to the deformation of the separator can be suppressed.

14:第1の突出部 16:第2の突出部 18:集電板 22:ボルト 24:ナット 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 52,54:シール部 56:ガラスシール部 56A:孔 57:絶縁材 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:貫通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 120A,121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 130A,131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 140A:露出部分 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 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:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 410:溶接部 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス 14: 1st protrusion part 16: 2nd protrusion part 18: Current collector plate 22: Bolt 24: Nut 27: Gas passage member 28: Main body part 29: Branch part 52, 54: Seal part 56: Glass seal part 56A : Hole 57: Insulating material 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Through hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 120A, 121: Hole 124 : Junction 130: Air electrode side frame 130A, 131: Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 135: Current collector element 140: Fuel electrode side frame 140A: Exposed portion 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144 Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing portion 147: Connection portion 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidant gas introduction manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas Introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 410: Welded part FG: Fuel gas FOG: Fuel off gas OG: Oxidant gas OOG: Oxidant off gas

Claims (3)

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、
前記単セルを挟んで前記第1の方向に互いに対向する第1および第2のインターコネクタと、
第1の貫通孔と第2の貫通孔とが形成され、前記第1の貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、
前記セパレータと前記第1のインターコネクタとの間に配置され、前記燃料室または前記空気室を構成する第3の貫通孔が形成されるとともに第4の貫通孔が形成されたフレーム部材と、
前記フレーム部材と前記第2のインターコネクタとの間をシールし、ガラスを含むガラスシール部と、を備えており、
前記第1のインターコネクタから、前記フレーム部材の前記第4の貫通孔と前記セパレータの前記第2の貫通孔とを通って、前記第2のインターコネクタまで延びるガス流路が形成された電気化学反応単位において、
前記第1の方向視で、前記セパレータの前記第2の貫通孔の内径は、前記フレーム部材の前記第4の貫通孔の内径より大きく、かつ、前記フレーム部材における前記第4の貫通孔の周囲には、前記セパレータの前記第2の貫通孔から露出した環状の露出部分が存在し、
前記ガラスシール部は、前記ガス流路の周りを囲むように形成され、かつ、前記フレーム部材の前記露出部分に全周にわたって接触する接触部分を含むことを特徴とする、電気化学反応単位。
A single cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer;
First and second interconnectors facing each other in the first direction across the single cell;
A first through hole and a second through hole are formed, and a portion surrounding the first through hole is joined to a peripheral portion of the single cell, and faces the air chamber facing the air electrode and the fuel electrode. A separator that partitions the fuel chamber
A frame member that is disposed between the separator and the first interconnector, and has a third through hole that forms the fuel chamber or the air chamber and a fourth through hole;
Sealing between the frame member and the second interconnector, and comprising a glass seal portion containing glass,
An electrochemical system in which a gas flow path extending from the first interconnector through the fourth through hole of the frame member and the second through hole of the separator to the second interconnector is formed. In reaction units,
In the first direction view, the inner diameter of the second through hole of the separator is larger than the inner diameter of the fourth through hole of the frame member, and the periphery of the fourth through hole in the frame member Has an annular exposed portion exposed from the second through hole of the separator,
The said glass seal part is formed so that the circumference | surroundings of the said gas flow path may be enclosed, and the contact part which contacts the said exposed part of the said frame member over a perimeter is characterized by the above-mentioned.
請求項1に記載の電気化学反応単位において、
前記ガラスシール部は、全周にわたって、前記セパレータから離間していることを特徴とする、電気化学反応単位。
The electrochemical reaction unit according to claim 1,
The electrochemical reaction unit, wherein the glass seal portion is spaced from the separator over the entire circumference.
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または請求項2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,
The electrochemical reaction cell stack according to claim 1, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction units is the electrochemical reaction unit according to claim 1.
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