JP2019021505A - 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、第1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。
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。また、図6は、図4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、図4および図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流路132を介して、空気室166に供給される。また、図3、図5および図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流路142を介して、燃料室176に供給される。
次に、空気極114の詳細構成について説明する。図8は、第1実施形態における発電単位102を構成する空気極114の詳細構成を示す説明図である。図8には、Z軸方向視での空気極114の構成(すなわち、XY平面構成)に加えて、空気極側フレーム130の部分的な構成が示されている。
・要件RE1:Z軸方向視で、空気極114を、酸化剤ガス供給連通流路132の空気室166(ガス室用孔131の第1の内面IP1)への開口の中点MP1に最も近い空気極114の外周辺(本実施形態では第1の外周辺S1)に平行な第2の方向(本実施形態ではY軸方向)に並ぶ3つの行(La1,La2,La3)に等分し、かつ、第2の方向に直交する第3の方向(本実施形態ではX軸方向)に並ぶ3つの列(Ca1,Ca2,Ca3)に等分することにより、仮想的に9個の領域Ra(Ra11,Ra12,Ra13,Ra21,Ra22,Ra23,Ra31,Ra32,Ra33)に分割したとき、空気極114の被毒の原因となる少なくとも1つの汚染物質について、上記9個の領域Raの内、上記中点MP1に最も近い第1の領域(本実施形態では領域Ra12)における汚染物質の含有量C1(ppm)と、上記9個の領域Raの内、中央に位置する第2の領域(本実施形態では領域Ra22)における汚染物質の含有量C2(ppm)との差分ΔC1(=C1−C2)は、第1の領域(領域Ra12)における汚染物質の含有量C1(ppm)の4%以上である。
以上説明したように、第1実施形態の燃料電池スタック100を構成する各発電単位102は、単セル110と、空気極側フレーム130とを備える。単セル110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。空気極側フレーム130には、空気極114に面する空気室166と、空気室166に供給される酸化剤ガスOGが通る酸化剤ガス導入マニホールド161(の一部)と、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通すると共に空気室166(ガス室用孔131の第1の内面IP1)に開口する少なくとも1つの酸化剤ガス供給連通流路132とが形成されている。また、本実施形態の発電単位102における空気極114は、上述した要件RE1を満たしている。すなわち、Z軸方向視で、空気極114を、酸化剤ガス供給連通流路132の空気室166(ガス室用孔131の第1の内面IP1)への開口の中点MP1に最も近い空気極114の外周辺(第1の外周辺S1)に平行な第2の方向(Y軸方向)に並ぶ3つの行に等分し、かつ、第2の方向に直交する第3の方向(X軸方向)に並ぶ3つの列に等分することにより、仮想的に9個の領域Raに分割したとき、空気極114の被毒の原因となる少なくとも1つの汚染物質について、上記9個の領域Raの内、上記中点MP1に最も近い第1の領域(領域Ra12)における汚染物質の含有量C1(ppm)と、上記9個の領域Raの内、中央に位置する第2の領域(領域Ra22)における汚染物質の含有量C2(ppm)との差分ΔC1(=C1−C2)は、第1の領域(領域Ra12)における汚染物質の含有量C1(ppm)の4%以上である。
図9は、第2実施形態における発電単位102aを構成する空気極114の詳細構成を示す説明図である。以下では、第2実施形態の構成の内、上述した第1実施形態の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
・要件RE2:シール材125に含まれる少なくとも1つの汚染物質について、上記要件RE1に規定された空気極114における9個の領域Raの内、中央に位置する第2の領域(本実施形態では領域Ra22)に対して上記第2の方向(本実施形態ではY軸方向)に隣接する第3の領域(本実施形態では領域Ra21または領域Ra23)における汚染物質の含有量C3(ppm)と、第2の領域(領域Ra22)における汚染物質の含有量C2(ppm)との差分ΔC2(=C3−C2)は、第3の領域(領域Ra21または領域Ra23)における汚染物質の含有量C3(ppm)の75%以上である。
・要件RE3:Z軸方向視で、空気極114を、上記第2の方向(本実施形態ではY軸方向)に並ぶ4つの行(Lb1,Lb2,Lb3,Lb4)に等分し、かつ、上記第3の方向(本実施形態ではX軸方向)に並ぶ4つの列(Cb1,Cb2,Cb3,Cb4)に等分することにより、仮想的に16個の領域Rb(Rb11,Rb12,Rb13,Rb14,Rb21,Rb22,Rb23,Rb24,Rb31,Rb32,Rb33,Rb34,Rb41,Rb42,Rb43,Rb44)に分割したとき、シール材125に含まれる少なくとも1つの汚染物質について、16個の領域Rbの内、第2の方向の一方側(本実施形態ではY軸正方向側またはY軸正負向側)から数えて1番目の行(Lb1またはLb4)に属し、かつ、第3の方向の中点MP1に近い側(本実施形態ではX軸正方向側)から数えて3番目の列(Cb3)に属する第4の領域(本実施形態ではRb31またはRb34)における汚染物質の含有量C4(ppm)と、16個の領域Rbの内、上記第2の方向の一方側から数えて1番目の行(Lb1またはLb4)に属し、かつ、第3の方向の中点MP1に近い側から数えて2番目の列(Cb2)に属する第5の領域(本実施形態ではRb21またはRb24)における汚染物質の含有量C5(ppm)との差分ΔC3(=C4−C5)は、第4の領域(Rb31またはRb34)における汚染物質の含有量C4(ppm)の65%以上である。
・要件RE4:Z軸方向視で、空気極114を、上記第2の方向(本実施形態ではY軸方向)に並ぶ4つの行(Lb1,Lb2,Lb3,Lb4)に等分し、かつ、上記第3の方向(本実施形態ではX軸方向)に並ぶ4つの列(Cb1,Cb2,Cb3,Cb4)に等分することにより、仮想的に16個の領域Rbに分割したとき、シール材125に含まれる少なくとも1つの汚染物質について、16個の領域Rbの内、第2の方向の一方側(本実施形態ではY軸正方向側またはY軸正負向側)から数えて1番目の行(Lb1またはLb4)に属し、かつ、第3の方向の中点MP1に近い側(本実施形態ではX軸正方向側)から数えて2番目の列(Cb2)に属する第5の領域(本実施形態ではRb21またはRb24)における汚染物質の含有量C5(ppm)と、16個の領域Rbの内、上記第2の方向の一方側から数えて1番目の行(Lb1またはLb4)に属し、かつ、第3の方向の中点MP1に近い側から数えて3番目の列(Cb3)に属する第4の領域(本実施形態ではRb31またはRb34)における汚染物質の含有量C4(ppm)との差分ΔC4(=C5−C4)は、第5の領域(Rb21またはRb24)における汚染物質の含有量C5(ppm)の65%以上である。
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 (6)
- 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、
前記空気極に面する空気室と、前記空気室に供給されるガスが通るマニホールドと、前記マニホールドに連通すると共に前記空気室に開口する少なくとも1つの連通流路と、が形成されたガス供給部と、
を備える電気化学反応単位において、
前記第1の方向視で、前記空気極を、前記連通流路の前記空気室への開口の中点に最も近い前記空気極の外周辺に平行な第2の方向に並ぶ3つの行に等分し、かつ、前記第2の方向に直交する第3の方向に並ぶ3つの列に等分することにより、仮想的に9個の領域に分割したとき、前記空気極の被毒の原因となる少なくとも1つの汚染物質について、前記9個の領域の内、前記中点に最も近い第1の領域における前記汚染物質の含有量C1(ppm)と、前記9個の領域の内、中央に位置する第2の領域における前記汚染物質の含有量C2(ppm)との差分ΔC1(=C1−C2)は、前記第1の領域における前記汚染物質の含有量C1(ppm)の4%以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。 - 請求項1に記載の電気化学反応単位において、さらに、
前記空気極の外周付近に配置され、前記汚染物質を含むシール材を備え、
前記シール材に含まれる少なくとも1つの前記汚染物質について、前記9個の領域の内、前記第2の領域に対して前記第2の方向に隣接する第3の領域における前記汚染物質の含有量C3(ppm)と、前記第2の領域における前記汚染物質の含有量C2(ppm)との差分ΔC2(=C3−C2)は、前記第3の領域における前記汚染物質の含有量C3(ppm)の75%以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。 - 請求項2に記載の電気化学反応単位において、
前記第1の方向視で、前記空気極を、前記第2の方向に並ぶ4つの行に等分し、かつ、前記第3の方向に並ぶ4つの列に等分することにより、仮想的に16個の領域に分割したとき、前記シール材に含まれる少なくとも1つの前記汚染物質について、前記16個の領域の内、前記第2の方向の一方側から数えて1番目の行に属し、かつ、前記第3の方向の前記中点に近い側から数えて3番目の列に属する第4の領域における前記汚染物質の含有量C4(ppm)と、前記16個の領域の内、前記第2の方向の前記一方側から数えて1番目の行に属し、かつ、前記第3の方向の前記中点に近い側から数えて2番目の列に属する第5の領域における前記汚染物質の含有量C5(ppm)との差分ΔC3(=C4−C5)は、前記第4の領域における前記汚染物質の含有量C4(ppm)の65%以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。 - 請求項2に記載の電気化学反応単位において、
前記第1の方向視で、前記空気極を、前記第2の方向に並ぶ4つの行に等分し、かつ、前記第3の方向に並ぶ4つの列に等分することにより、仮想的に16個の領域に分割したとき、前記シール材に含まれる少なくとも1つの前記汚染物質について、前記16個の領域の内、前記第2の方向の一方側から数えて1番目の行に属し、かつ、前記第3の方向の前記中点に近い側から数えて2番目の列に属する第5の領域における前記汚染物質の含有量C5(ppm)と、前記16個の領域の内、前記第2の方向の前記一方側から数えて1番目の行に属し、かつ、前記第3の方向の前記中点に近い側から数えて3番目の列に属する第4の領域における前記汚染物質の含有量C4(ppm)との差分ΔC4(=C5−C4)は、前記第5の領域における前記汚染物質の含有量C5(ppm)の65%以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。 - 請求項1から請求項4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。 - 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5までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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