JP2019053926A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
Description
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」といい、Z軸負方向を「下方向」というものとするが、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2および図3に示すように、下側のエンドプレート106には、4つの流路用貫通孔107が形成されている。4つの流路用貫通孔107は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
図2および図3に示すように、燃料電池スタック100は、さらに、下側のエンドプレート106に対して複数の発電単位102とは反対側(すなわち、下側)に配置された4つのガス通路部材27を備える。4つのガス通路部材27は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172と上下方向に重なる位置に配置されている。各ガス通路部材27は、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107に連通する孔が形成された本体部28と、本体部28の側面から分岐した筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。なお、各ガス通路部材27の本体部28とエンドプレート106との間には、絶縁シート26が配置されている。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。
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と下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107と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、さらに、空気室166に面する空気極層114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と下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107と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および供給側フェルト孔191を介して支持体300に形成された各ガス流路孔350に供給され、さらに、多孔体である支持体300の内部を拡散して燃料極層116に供給される。
図6は、支持体300の詳細構成を示す説明図である。図6には、支持体300を含む単セル110の、ガス流路孔350の延伸方向(すなわち、X軸方向)に直交する断面(すなわち、YZ断面であり、以下「特定断面」という)の構成が示されている。
上述した構成の支持体300は、例えば、以下の方法により製造することができる。図7は、支持体300の製造方法の一例を模式的に示す説明図である。
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、Z軸方向に並べて配置された複数の単セル110を備える。各単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで互いに対向する燃料極層116および空気極層114と、燃料極層116に対して電解質層112とは反対側に配置された支持体300とを含む。支持体300は、多孔体により構成され、燃料極層116に供給される燃料ガスFGが流れる複数のガス流路孔350が形成されている。また、本実施形態の燃料電池スタック100は、各支持体300の各ガス流路孔350に燃料ガスFGを供給する燃料ガス導入マニホールド171を構成するガス供給部材(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)を備える。また、各支持体300について、ガス流路孔350の延伸方向(X軸方向)に直交する特定断面(YZ断面)において、Z軸方向視で電解質層112と空気極層114と燃料極層116とに重なる特定領域R1をZ軸方向に直交する方向(Y軸方向)に2等分する仮想直線VLを設定する。このとき、本実施形態の燃料電池スタック100では、仮想直線VLに最も近いガス流路孔350である中央部ガス流路孔350cの図心と、Y軸方向の一方側(Y軸負方向側またはY軸正方向側)において中央部ガス流路孔350cと隣り合う他のガス流路孔350の図心との間の距離(L11またはL21)は、Y軸方向の上記一方側の端に位置する端部ガス流路孔350eの図心と、該端部ガス流路孔350eと隣り合う他のガス流路孔350の図心との間の距離(L13またはL23)より短い。本実施形態の燃料電池スタック100は、このような構成であるため、発電性能を十分に向上させることができる。以下、この点について説明する。
(第1の変形例)
図11は、第1の変形例における単セル110の構成を示す説明図である。以下では、第1の変形例の単セル110の構成の内、上述した実施形態の単セル110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。
図12は、第2の変形例における単セル110の構成を示す説明図である。以下では、第2の変形例の単セル110の構成の内、上述した実施形態の単セル110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。
図13は、第3の変形例における単セル110の構成を示す説明図である。以下では、第3の変形例の単セル110の構成の内、上述した実施形態の単セル110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。
L11<L12<L13 ・・・(1)
L21<L22<L23 ・・・(2)
上述した実施形態および変形例の単セル110を複数備える燃料電池スタック100の複数のサンプル(S1〜S5)を用いて、性能評価を行った。図14は、性能評価の結果を示す説明図である。
性能評価に用いられた5つのサンプル(S1〜S5)の内、サンプルS1は、上述した実施形態の単セル110(図6参照)に対応するものである。すなわち、サンプルS1では、支持体300に7個のガス流路孔350が形成されており、支持体300の特定断面(YZ断面)において、各ガス流路孔350の断面形状は略矩形であり、かつ、断面の幅および高さが互いに等しい。また、Y軸方向の端部におけるガス流路孔350の図心間の距離L13,L23は12,000μmであり、その他の部分におけるガス流路孔350の図心間の距離L11,L12,L21,L22は7,500μmであり、その他の部分におけるガス流路孔350の図心間の距離の方が短い。
本性能評価では、燃料電池スタックの発電性能の評価を行った。具体的には、各サンプルを用いた燃料電池スタックについて、約700℃で空気極層114に酸化剤ガスOGを供給し、燃料極層116に燃料ガスFGを供給し、電流密度が0.55A/cm2のときの単セル110の出力電圧を測定し、その測定値を、初期電圧(定格発電運転前の出力電圧)とした。初期電圧が0.920V以上である場合に「優(◎)」と判定し、初期電圧が0.915V以上、0.920V未満である場合に「良(〇)」と判定し、初期電圧が0.915V未満である場合に「不良(×)」と判定した。
図14に示すように、サンプルS5は、発電性能が「不良(×)」であると判定された。サンプルS5では、複数のガス流路孔350が均等間隔に配置されているため、燃料ガス導入マニホールド171の中央部付近での比較的速い燃料ガスFGの流速Vを生かして単セル110XのY軸方向における中央部付近での燃料極層116への燃料ガスFGの供給量Sを十分に増加させることができず、単セル110XのY軸方向における中央部付近での発電密度が十分に高まらず、その結果、燃料電池スタックの発電性能が十分に向上しなかったものと考えられる。
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 (4)
- 電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する第1の電極層および第2の電極層と、多孔体により構成され、前記第1の電極層に対して前記電解質層とは反対側に配置され、前記第1の電極層に供給される第1のガスが流れる複数のガス流路孔が形成された支持体と、をそれぞれ含み、第1の方向に並べて配置された複数の単セルと、
各前記支持体の各前記ガス流路孔に前記第1のガスを供給するガス供給路を構成するガス供給部材と、
を備える燃料電池スタックにおいて、
少なくとも1つの前記支持体について、前記ガス流路孔の延伸方向に直交する少なくとも1つの断面である特定断面において、前記第1の方向視で前記電解質層と前記第1の電極層と前記第2の電極層とに重なる領域を前記第1の方向に直交する第2の方向に2等分する仮想直線を設定したとき、前記仮想直線に最も近い前記ガス流路孔である中央部ガス流路孔の図心と、前記第2の方向の一方側において前記中央部ガス流路孔と隣り合う他の前記ガス流路孔の図心との間の距離は、前記第2の方向の前記一方側の端に位置する前記ガス流路孔である端部ガス流路孔の図心と、前記端部ガス流路孔と隣り合う他の前記ガス流路孔の図心との間の距離より短いことを特徴とする、燃料電池スタック。 - 請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記特定断面において、互いに隣り合う2つの前記ガス流路孔の図心間の距離は、前記仮想直線に近いほど短いことを特徴とする、燃料電池スタック。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記特定断面において、各前記ガス流路孔について、前記第1の方向における前記ガス流路孔の縁から前記第1の電極層までの最短距離は、互いに略等しいことを特徴とする、燃料電池スタック。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記特定断面において、互いに隣り合う2つの前記ガス流路孔の図心間の距離の最大値は、前記図心間の距離の最小値の2倍以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。
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