JP2019096457A - Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack - Google Patents
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Abstract
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(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。 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 opposed to each other in a predetermined direction (hereinafter, referred to as a “first direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween.
また、発電単位は、単セルに対して上記第1の方向の一方側(例えば、燃料極側)に配置された集電体(例えば、燃料極側集電体)を備える。集電体は、単セルにおける発電反応によって生じる電力を取り出すための部材である。集電体の構成として、単セルに対向する複数のセル対向部と、各セル対向部に対して上記第1の方向の一方側に配置された基部と、基部と各セル対向部とをつなぐ連接部とを含む構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、上記集電体の構成において、各セル対向部の上記第1の方向の一方側の面に対向するスペーサーを設けることにより、集電体の各セル対向部と単セルとの間の電気的接続を良好に維持する技術が知られている。 In addition, the power generation unit includes a current collector (for example, a fuel electrode side current collector) disposed on one side (for example, the fuel electrode side) of the first cell with respect to the unit cell. The current collector is a member for extracting electric power generated by a power generation reaction in a single cell. As a configuration of the current collector, a plurality of cell facing portions facing a single cell, a base disposed on one side in the first direction with respect to each cell facing portion, a base and each cell facing portion are connected A configuration including a connection portion is known (see, for example, Patent Document 1). Further, in the configuration of the current collector, by providing a spacer facing the surface on one side in the first direction of each cell facing portion, electricity between each cell facing portion of the current collector and the single cell is provided. Techniques are well known to maintain a positive connection.
上記従来の構成の集電体を備える発電単位では、集電体がガスの流れを阻害することによって、集電体と単セルとの境界付近におけるガス拡散性が低下し、単セルの性能が低下するおそれがある。このように、従来の構成の発電単位では、集電体と単セルとの間の電気的接続性の向上と、集電体と単セルとの境界付近におけるガス拡散性の向上との両立の点で、向上の余地がある。 In the power generation unit including the current collector having the above-described conventional configuration, the current collector inhibits the flow of gas, so that the gas diffusivity in the vicinity of the boundary between the current collector and the single cell decreases, and the single cell performance is improved. It may decrease. Thus, in the power generation unit of the conventional configuration, it is possible to simultaneously improve the electrical connectivity between the current collector and the single cell and the gas diffusivity near the boundary between the current collector and the single cell. In terms of points, there is room for improvement.
なお、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。 In addition, such a subject is a subject common to the electrolytic cell unit which is a structural 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.
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、を含む単セルと、前記単セルに対して前記第1の方向の一方側に配置された集電体であって、前記単セルに対向する複数のセル対向部と、各前記セル対向部に対して前記第1の方向の前記一方側に配置された基部と、前記基部と各前記セル対向部とをつなぐ連接部と、を含む、集電体と、各前記セル対向部の前記第1の方向の前記一方側の表面に対向するスペーサーと、を備える電気化学反応単位において、前記集電体は、金属製のワイヤがメッシュ状に編まれた構成を有し、前記セル対向部は、少なくとも一部が前記単セルの表面に接触する平坦面を有しており、前記第1の方向において、前記スペーサーから前記セル対向部における前記単セルに対向する表面までの距離L1が、前記スペーサーから前記単セルまでの距離L2より短い箇所が存在する。本電気化学反応単位では、セル対向部が、単セルの表面に接触する平坦面を有しており、かつ、第1の方向において、スペーサーからセル対向部における単セルに対向する表面までの距離L1が、スペーサーから単セルまでの距離L2より短い箇所が存在する。そのため、本電気化学反応単位では、集電体のセル対向部と単セルとの接触面積が大きくなると共に、集電体のセル対向部と単セルとの間に空間が形成される。従って、本電気化学反応単位によれば、集電体と単セルとの間の電気的接続性を向上させることができると共に、集電体と単セルとの間の境界付近におけるガス拡散性を向上させることができ、その結果、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。 (1) The electrochemical reaction unit disclosed in the present specification includes a unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and the unit cell A current collector disposed on one side of the first direction with respect to the plurality of cell opposing portions facing the single cell, and the first direction relative to each cell opposing portion A collector including a base disposed on one side, and a connecting part connecting the base and the cell facing parts, and the surface on the one side of the cell facing parts in the first direction In the electrochemical reaction unit provided with a facing spacer, the current collector has a configuration in which a metal wire is knitted in a mesh shape, and at least a part of the cell facing portion is a surface of the single cell. The flat surface in contact with the surface, and in the first direction Distance L1 from Sir to the surface opposed to the single cells in the cell counter unit is shorter portions than the distance L2 from the spacer to the single cell exists. In this electrochemical reaction unit, the cell facing portion has a flat surface in contact with the surface of the single cell, and the distance from the spacer to the surface facing the single cell in the cell facing portion in the first direction There is a place where L1 is shorter than the distance L2 from the spacer to the single cell. Therefore, in the present electrochemical reaction unit, the contact area between the cell facing portion of the current collector and the single cell is increased, and a space is formed between the cell facing portion of the current collector and the single cell. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, it is possible to improve the electrical connectivity between the current collector and the single cell, and to increase the gas diffusivity near the boundary between the current collector and the single cell. As a result, the performance of the electrochemical reaction unit can be improved.
(2)上記電気化学反応単位において、前記平坦面の位置における前記ワイヤの最小径は、前記平坦面以外の位置における前記ワイヤの最大径の1/2以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位では、ワイヤが、平坦面の位置において過度に潰れていない。そのため、本電気化学反応単位によれば、集電体と単セルとの間の境界付近にガス拡散のための空間を効果的に確保することができ、集電体と単セルとの間の境界付近におけるガス拡散性を効果的に向上させることができる。 (2) In the electrochemical reaction unit, the minimum diameter of the wire at the position of the flat surface may be 1/2 or more of the maximum diameter of the wire at a position other than the flat surface. In the present electrochemical reaction unit, the wire is not excessively crushed at the flat surface position. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, a space for gas diffusion can be effectively secured near the boundary between the current collector and the single cell, and the space between the current collector and the single cell can be obtained. Gas diffusivity in the vicinity of the boundary can be effectively improved.
(3)上記電気化学反応単位において、前記第1の方向視で、一の前記ワイヤの延伸方向に直交する方向において、前記一のワイヤにおける前記平坦面の幅W1は、前記一のワイヤの前記平坦面以外の位置における幅W2以下である構成としてもよい。本電気化学反応単位では、ワイヤが、平坦面の位置において過度に潰れていない。そのため、本電気化学反応単位によれば、集電体と単セルとの間の境界付近にガス拡散のための空間を効果的に確保することができ、集電体と単セルとの間の境界付近におけるガス拡散性を効果的に向上させることができる。 (3) In the electrochemical reaction unit, the width W1 of the flat surface of the one wire is the width of the one wire in the direction orthogonal to the extending direction of the one wire in the first direction view. It may be configured to have a width W2 or less at a position other than the flat surface. In the present electrochemical reaction unit, the wire is not excessively crushed at the flat surface position. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, a space for gas diffusion can be effectively secured near the boundary between the current collector and the single cell, and the space between the current collector and the single cell can be obtained. Gas diffusivity in the vicinity of the boundary can be effectively improved.
(4)上記電気化学反応単位において、前記第1の方向視で、一の前記ワイヤの延伸方向において、前記一のワイヤにおける前記平坦面の幅W3は、前記一のワイヤに交差する他の前記ワイヤの前記平坦面以外の位置における幅W4より大きい構成としてもよい。本電気化学反応単位では、ワイヤが、平坦面の位置において、ある程度以上潰れている。そのため、本電気化学反応単位によれば、平坦面の大きさを一定以上にすることができ、集電体のセル対向部と単セルとの接触面積を効果的に大きくすることができ、その結果、集電体と単セルとの間の電気的接続性を効果的に向上させることができる。 (4) In the electrochemical reaction unit, the width W3 of the flat surface of the one wire intersects the one wire in the extending direction of the one wire in the first direction view. It may be configured to be larger than the width W4 at a position other than the flat surface of the wire. In the present electrochemical reaction unit, the wire is crushed to a certain extent or more at the position of the flat surface. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, the size of the flat surface can be set to a certain size or more, and the contact area between the cell facing portion of the current collector and the single cell can be effectively enlarged. As a result, the electrical connectivity between the current collector and the single cell can be effectively improved.
(5)上記電気化学反応単位において、一の前記ワイヤの延伸方向と前記第1の方向との両方に平行な断面において、前記第1の方向に直交する第2の方向において互いに隣り合う2つの前記平坦面のそれぞれの中心位置に挟まれた領域の幅W5に対する、前記領域において前記距離L1が前記距離L2より短いという条件を満たす特定領域の幅W6の割合が、0.8以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位では、上記距離L1が上記距離L2より短いという条件を満たす特定領域がある程度以上存在している。そのため、本電気化学反応単位によれば、集電体と単セルとの間の境界付近にガス拡散のための空間を効果的に確保することができ、集電体と単セルとの間の境界付近におけるガス拡散性を効果的に向上させることができる。 (5) In the electrochemical reaction unit, in a cross section parallel to both the extending direction of one of the wires and the first direction, two adjacent ones in the second direction orthogonal to the first direction The ratio of the width W6 of the specific area satisfying the condition that the distance L1 is shorter than the distance L2 in the area to the width W5 of the area sandwiched by the center positions of the flat surfaces is 0.8 or more It may be In the present electrochemical reaction unit, a specific region satisfying the condition that the distance L1 is shorter than the distance L2 is present to a certain extent or more. Therefore, according to the present electrochemical reaction unit, a space for gas diffusion can be effectively secured near the boundary between the current collector and the single cell, and the space between the current collector and the single cell can be obtained. Gas diffusivity in the vicinity of the boundary can be effectively improved.
(6)上記電気化学反応単位において、前記セル対向部は、前記スペーサーに対向する側に平坦面を有していない構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、集電体と単セルとの間の境界付近にガス拡散のための空間をさらに効果的に確保することができ、集電体と単セルとの間の境界付近におけるガス拡散性をさらに効果的に向上させることができる。 (6) In the electrochemical reaction unit, the cell facing portion may not have a flat surface on the side facing the spacer. According to the present electrochemical reaction unit, a space for gas diffusion can be more effectively secured near the boundary between the current collector and the single cell, and the boundary between the current collector and the single cell Gas diffusivity in the vicinity can be further improved effectively.
(7)上記電気化学反応単位において、前記第1の方向において、前記単セルから前記セル対向部における前記スペーサーに対向する表面までの距離L3が、前記スペーサーから前記単セルまでの距離L2より短い箇所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、集電体のセル対向部とスペーサーとの間に空間が形成されるため、集電体とスペーサーとの間の境界付近におけるガス拡散性を向上させることができ、その結果、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。 (7) In the electrochemical reaction unit, in the first direction, the distance L3 from the unit cell to the surface facing the spacer in the cell facing portion is shorter than the distance L2 from the spacer to the unit cell It is good also as composition which a part exists. According to the present electrochemical reaction unit, since a space is formed between the cell facing portion of the current collector and the spacer, it is possible to improve the gas diffusivity in the vicinity of the boundary between the current collector and the spacer. As a result, the performance of the electrochemical reaction unit can be improved.
(8)上記電気化学反応単位において、前記単セルは、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、集電体と燃料電池単セルとの間の電気的接続性を向上させることができると共に、集電体と燃料電池単セルとの間の境界付近におけるガス拡散性を向上させることができ、その結果、電気化学反応単位の発電性能を向上させることができる。 (8) In the electrochemical reaction unit, the unit cell may be a fuel cell unit cell. According to the present electrochemical reaction unit, it is possible to improve the electrical connectivity between the current collector and the single fuel cell, and to diffuse the gas near the boundary between the current collector and the single fuel cell. As a result, the power generation performance of the electrochemical reaction unit can be improved.
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.
A.実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、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。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance configuration of a
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
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)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、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を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
A plurality of (eight in the present embodiment) holes are formed in the peripheral portion around the Z direction of each layer (
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、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。なお、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の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート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絶縁シート26とが介在している。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。
A vertically extending
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔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連通孔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が挿通された連通孔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が挿通された連通孔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
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が挿通された連通孔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が挿通された連通孔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 middle point of one side (the side on the Y-axis positive direction side of the two sides parallel to the X-axis) on the outer periphery of the
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、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
(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。
(Configuration of
The pair of
(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。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。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory view showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent
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方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
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
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(第1の方向)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、電解質層112と空気極114との間に配置された中間層180とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で単セル110を構成する他の層(電解質層112、空気極114、中間層180)を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、Z軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な(気孔率が低い)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)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。
The
空気極114は、Z軸方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な(電解質層112より気孔率が高い)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。
The
燃料極116は、Z軸方向視で電解質層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。
The
中間層180は、略矩形の平板形状部材であり、GDC(ガドリニウムドープセリア)を含むように形成されている。中間層180は、空気極114から拡散した元素(例えば、Sr)が電解質層112に含まれる元素(例えば、Zr)と反応して高抵抗な物質(例えば、SrZrO3)が生成されることを抑制する。
The
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
図4〜6に示すように、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。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。
As shown in FIGS. 4 to 6, the air
図4,5,7に示すように、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。
As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the fuel
図4,5,7に示すように、燃料極側集電体144は、単セル110の下側に配置されている。燃料極側集電体144は、基部146と、複数のセル対向部145と、各セル対向部145と基部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等の金属により形成されている。図7における部分拡大図に示すように、燃料極側集電体144は、平板部材(本実施形態では金属メッシュ)に切り込みを入れ、複数の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。曲げ起こされた各部分がセル対向部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基部146となり、セル対向部145と基部146とをつなぐ部分が連接部147となる。なお、図7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、曲げ起こされる部分の一部について、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
燃料極側集電体144のセル対向部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(下側の表面)に対向し、該表面に接触している。基部146は、各セル対向部145に対して下側に配置され、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(上側の表面)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における基部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。なお、下側は、特許請求の範囲における第1の方向の一方側に相当し、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。燃料極側集電体144の構成については、後に詳述する。
The
また、燃料極側集電体144を構成する各セル対向部145と基部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。スペーサー149は、各セル対向部145の下側の表面に対向しており、該表面に接触している。スペーサー149の存在により、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(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。
Further, a
図4〜6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。
As shown in FIGS. 4 to 6, the air electrode side
なお、本実施形態では、空気極側集電体134(集電体要素135)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)に直交する平板形状の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形状の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。
In the present embodiment, the air electrode side current collector 134 (the current collector element 135) and the
また、図4および図5に示すように、空気極側集電体134(集電体要素135)の表面は、導電性のコート136によって覆われている。コート136は、例えば、スピネル型酸化物(例えば、Mn1.5Co1.5O4やMnCo2O4、ZnCo2O4、ZnMn2O4、ZnMnCoO4、CuMn2O4)により形成されている。なお、上述したように、本実施形態では、空気極側集電体134(集電体要素135)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るため、実際には、空気極側集電体134(集電体要素135)の表面の内、インターコネクタ150との境界面はコート136により覆われていない一方、インターコネクタ150の表面の内、少なくとも酸化剤ガスOGが流れるガス流路に面する表面(例えば、インターコネクタ150における空気極114側の表面)はコート136により覆われている。以下の説明では、特記しない限り、空気極側集電体134(集電体要素135)は「コート136に覆われた空気極側集電体134(集電体要素135)」を意味する。なお、図6では、コート136の図示を省略している。
Also, as shown in FIGS. 4 and 5, the surface of the air electrode side current collector 134 (the current collector element 135) is covered with a
また、図4および図5に示すように、空気極114と空気極側集電体134(集電体要素135)とは、導電性を有する接合層138により接合されている。接合層138は、例えば、スピネル型酸化物(例えば、Mn1.5Co1.5O4やMnCo2O4、ZnCo2O4、ZnMn2O4、ZnMnCoO4、CuMn2O4)により形成されている。接合層138により、空気極114と空気極側集電体134とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体134は空気極114の表面と接触していると説明したが、正確には、空気極側集電体134と空気極114との間には接合層138が介在している。
Further, as shown in FIGS. 4 and 5, the
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 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
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
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
A−3.燃料極側集電体144の詳細構成:
次に、燃料極側集電体144の構成をさらに詳細に説明する。図8は、燃料極側集電体144の詳細構成を示す説明図である。図8には、図4のX1部のXZ断面構成が拡大して示されている。また、図9および図10は、燃料極側集電体144のセル対向部145の詳細構成を示す斜視図である。
A-3. Detailed configuration of fuel electrode side current collector 144:
Next, the configuration of the fuel electrode side
図8から図10に示すように、燃料極側集電体144は、金属製(例えば、ニッケルまたはニッケル合金製)のワイヤ210,220がメッシュ状に編まれた構成(紗の目構成)を有している。より詳細には、燃料極側集電体144は、概ね一の方向(本実施形態ではセル対向部145の部分においてX軸方向)に延びる複数のワイヤ(以下、「横ワイヤ」という)210と、概ね上記一の方向に交差する他の方向(本実施形態ではセル対向部145の部分においてY軸方向)に延びる複数のワイヤ(以下、「縦ワイヤ」という)220とを有している。各横ワイヤ210の延伸方向に沿って、各横ワイヤ210の上側および下側に交互に1本ずつ縦ワイヤ220が配置され、かつ、各縦ワイヤ220の延伸方向に沿って、各縦ワイヤ220の上側および下側に交互に1本ずつ横ワイヤ210が配置されている。このような燃料極側集電体144の構成は、上述したように、金属メッシュを加工して燃料極側集電体144を作製することにより実現される。
As shown in FIG. 8 to FIG. 10, the fuel electrode side
燃料極側集電体144を構成する横ワイヤ210および縦ワイヤ220は、略円形断面のワイヤである。ただし、燃料極側集電体144のセル対向部145において、各横ワイヤ210の一部分における上側(単セル110に対向する側)に平坦面212が形成されており、かつ、各縦ワイヤ220の一部分における上側にも平坦面222が形成されている。これらの平坦面212,222は、単セル110(燃料極116)の表面に接触している。一方、燃料極側集電体144のセル対向部145において、各横ワイヤ210における下側(スペーサー149に対向する側)には平坦面は形成されておらず、かつ、各縦ワイヤ220における下側にも平坦面は形成されていない。そのため、各横ワイヤ210におけるスペーサー149との接触箇所214と、各縦ワイヤ220におけるスペーサー149との接触箇所224とは、共に、線状となっている。このように、本実施形態では、燃料極側集電体144のセル対向部145は、単セル110(燃料極116)と面接触し、スペーサー149と線接触している。なお、セル対向部145の平坦面212,222の少なくとも一部が単セル110の表面に接触するとは、セル対向部145の平坦面212,222の少なくとも一部と単セル110とが直接的に接触する形態に限られず、単セル110とセル対向部145との間の空間SPが無くならない程度に、導電性接合材(例えば、Ni含有接合材)を介してセル対向部145の平坦面212,222の少なくとも一部と単セル110とが間接的に接触する形態を含む。すなわち、セル対向部145の平坦面212,222の少なくとも一部が単セル110の表面に接触するとは、該平坦面212,222の少なくとも一部が、直接的に、または、他の部材を介して間接的に、単セル110の表面に接触することを意味する。
The
このような構成の燃料極側集電体144は、例えば、燃料極側集電体144の形成材料である金属メッシュにロールプレス加工を施して、各ワイヤ210,220に平坦面212,222を形成する(ただし、片側に高弾性体を敷くことにより各ワイヤ210,220におけるスペーサー149に対向する面がつぶされないようにする)ことにより実現することができる。
In the fuel electrode side
また、図8に示すように、本実施形態では、上下方向(Z軸方向)において、スペーサー149からセル対向部145における単セル110に対向する表面(以下、「上側表面」ともいう)までの距離L1が、スペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所が存在する。すなわち、横ワイヤ210に平坦面212が形成されている第1の位置P1や縦ワイヤ220に平坦面222が形成されている第2の位置P2においては、スペーサー149からセル対向部145の上側表面までの距離L1は、スペーサー149から単セル110までの距離L2に等しい。一方、平坦面212,222が形成されていない第3の位置P3においては、スペーサー149からセル対向部145の上側表面までの距離L1は、スペーサー149から単セル110までの距離L2より短い。セル対向部145がこのような構成であるため、セル対向部145と単セル110との間には空間SPが存在している。
Further, as shown in FIG. 8, in the present embodiment, in the vertical direction (Z-axis direction), from the
なお、上述したように、燃料極側集電体144のセル対向部145において、各横ワイヤ210および各縦ワイヤ220における下側(スペーサー149に対向する側)には平坦面は形成されていないため、セル対向部145とスペーサー149との間にも空間SPが存在している。
As described above, in the
また、図8に示すように、本実施形態では、上下方向(Z軸方向)において、単セル110からセル対向部145におけるスペーサー149に対向する表面(以下、「下側表面」ともいう)までの距離L3が、スペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所が存在する。セル対向部145がこのような構成であるため、この点でも、セル対向部145とスペーサー149との間に空間SPが存在していると言える。
Further, as shown in FIG. 8, in the present embodiment, from the
また、図8に示すように、本実施形態では、平坦面212の位置における横ワイヤ210の最小径R1は、平坦面212以外の位置(より詳細には、平坦面212を有する部分に隣接し、かつ、単セル110にもスペーサー149にも接していない位置である(以下同様))における横ワイヤ210の最大径R0の1/2以上となっている。また、図示しないが、縦ワイヤ220についても同様に、平坦面222の位置における縦ワイヤ220の最小径は、平坦面222以外の位置における縦ワイヤ220の最大径の1/2以上となっている。すなわち、横ワイヤ210および縦ワイヤ220は、平坦面212,222が形成される箇所において、過度に潰されてはいない。
Further, as shown in FIG. 8, in the present embodiment, the minimum diameter R1 of the
また、図9に示すように、本実施形態では、上下方向視で、横ワイヤ210の延伸方向(X軸方向)に直交する方向(Y軸方向)において、横ワイヤ210における平坦面212の幅W1は、横ワイヤ210の平坦面212以外の位置における幅W2以下である。また、図示しないが、縦ワイヤ220についても同様に、上下方向視で、縦ワイヤ220の延伸方向(Y軸方向)に直交する方向(X軸方向)において、縦ワイヤ220における平坦面222の幅は、縦ワイヤ220の平坦面222以外の位置における幅以下である。すなわち、横ワイヤ210および縦ワイヤ220は、平坦面212,222が形成される箇所において、過度に潰されてはいない。
Further, as shown in FIG. 9, in the present embodiment, the width of the
また、図10に示すように、本実施形態では、上下方向視で、横ワイヤ210の延伸方向(X軸方向)において、横ワイヤ210における平坦面212の幅W3は、該横ワイヤ210に交差する縦ワイヤ220の平坦面222以外の位置における幅W4より大きい。また、図示しないが、縦ワイヤ220についても同様に、上下方向視で、縦ワイヤ220の延伸方向(Y軸方向)において、縦ワイヤ220における平坦面222の幅は、該縦ワイヤ220に交差する横ワイヤ210の平坦面212以外の位置における幅より大きい。すなわち、横ワイヤ210および縦ワイヤ220は、平坦面212,222が形成される箇所において、ある程度以上潰されている。
Further, as shown in FIG. 10, in the present embodiment, the width W3 of the
また、図8に示すように、本実施形態では、横ワイヤ210の延伸方向と上下方向との両方に平行な断面(XZ断面)において、上下方向に直交する方向(X軸方向)において互いに隣り合う2つの平坦面212,222のそれぞれの中心位置に挟まれた領域の幅W5に対する、該領域において上記距離L1が上記距離L2より短いという条件を満たす特定領域の幅W6の割合は、0.8以上(8割以上)である。このとき、X軸方向は、特許請求の範囲における第2の方向に相当する。また、図示しないが、同様に、縦ワイヤ220の延伸方向と上下方向との両方に平行な断面(YZ断面)において、上下方向に直交する方向(Y軸方向)において互いに隣り合う2つの平坦面212,222のそれぞれの中心位置に挟まれた領域の幅に対する、該領域において上記距離L1が上記距離L2より短いという条件を満たす特定領域の幅の割合は、0.8以上(8割以上)である。このとき、Y軸方向は、特許請求の範囲における第2の方向に相当する。すなわち、横ワイヤ210および縦ワイヤ220について、上記距離L1が上記距離L2より短いという条件を満たす特定領域が、ある程度以上存在している。
Further, as shown in FIG. 8, in the present embodiment, in a cross section (XZ cross section) parallel to both the extension direction and the vertical direction of the
なお、燃料極側集電体144を構成する金属メッシュのメッシュ数は、30〜200(より好ましくは40〜120)であることが好ましく、金属メッシュの開口率は、25〜70%(より好ましくは30〜50%)であることが好ましく、各ワイヤの径は、50〜500μm(より好ましくは60〜250μm)であることが好ましく、平坦面212,222の幅は、10μm〜300μm(より好ましくは50μm〜240μm)であることが好ましい(なお、接触性の観点から燃料極側集電体144に接触する電極の気孔径の3倍以上であることがより好ましい)。
The number of meshes of the metal mesh constituting the fuel electrode side
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を構成する各発電単位102は、単セル110と、燃料極側集電体144と、スペーサー149とを備える。単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下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。燃料極側集電体144は、単セル110に対して下側に配置されており、金属製のワイヤがメッシュ状に編まれた構成を有する。また、燃料極側集電体144は、単セル110に対向する複数のセル対向部145と、各セル対向部145に対して下側に配置された基部146と、基部146と各セル対向部145とをつなぐ連接部147とを含む。スペーサー149は、各セル対向部145の下側の表面に対向している。燃料極側集電体144のセル対向部145は、単セル110の表面に接触する平坦面212,222を有している。上下方向において、スペーサー149からセル対向部145における単セル110に対向する表面(上側表面)までの距離L1が、スペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所が存在する。本実施形態の発電単位102はこのような構成であるため、以下に説明するように、燃料極側集電体144と単セル110との間の電気的接続性の向上と、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近におけるガス拡散性の向上とを両立させることができ、発電単位102の性能を向上させることができる。
A-4. Effects of the present embodiment:
As described above, each
図11は、第1の比較例における燃料極側集電体144Xの構成を示す説明図である。第1の比較例の燃料極側集電体144Xでは、上記実施形態(図8参照)と同様に、上下方向において、スペーサー149からセル対向部145Xの上側表面までの距離L1が、スペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所(図11の第3の位置P3)が存在する。そのため、セル対向部145Xと単セル110との間には空間SPが存在している。ただし、第1の比較例の燃料極側集電体144Xでは、上記実施形態と異なり、セル対向部145Xにおいて、各横ワイヤ210における上側(単セル110に対向する側)に平坦面が形成されておらず、かつ、各縦ワイヤ220における上側にも平坦面が形成されていない。そのため、第1の比較例の燃料極側集電体144Xでは、各横ワイヤ210における単セル110との接触箇所216と、各縦ワイヤ220における単セル110との接触箇所226とは、共に、線状となっている。このように、第1の比較例では、燃料極側集電体144Xのセル対向部145Xは、単セル110(燃料極116)と線接触している。従って、第1の比較例では、燃料極側集電体144Xと単セル110との間の電気的接続性を向上させることができない。
FIG. 11 is an explanatory view showing a configuration of a fuel electrode side
また、図12は、第2の比較例における燃料極側集電体144Yの構成を示す説明図である。第2の比較例の燃料極側集電体144Yでは、上記実施形態(図8参照)と同様に、セル対向部145Yにおいて、各横ワイヤ210の一部分における上側(単セル110に対向する側)に平坦面212が形成されており、かつ、各縦ワイヤ220の一部分における上側にも平坦面222が形成されている。これらの平坦面212,222は、単セル110(燃料極116)の表面に接触している。ただし、第2の比較例の燃料極側集電体144Yでは、上記実施形態と異なり、横ワイヤ210に形成された平坦面212と縦ワイヤ220に形成された平坦面222とが互いに連続しており、その結果、上下方向において、スペーサー149からセル対向部145の上側表面までの距離L1が、スペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所が存在しない。そのため、第2の比較例の燃料極側集電体144Yでは、セル対向部145Yと単セル110との間に空間SPが存在しない。従って、第2の比較例では、燃料極側集電体144Yと単セル110との間の境界付近におけるガス拡散性を向上させることができない。
FIG. 12 is an explanatory view showing a configuration of a fuel electrode side
これに対し、上述したように、本実施形態の燃料極側集電体144では、セル対向部145が、単セル110の表面に接触する平坦面212,222を有しており、かつ、上下方向において、スペーサー149からセル対向部145の上側表面までの距離L1が、スペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所が存在する。そのため、本実施形態の発電単位102では、燃料極側集電体144のセル対向部145と単セル110との接触面積が大きくなると共に、燃料極側集電体144のセル対向部145と単セル110との間に空間SPが形成される。従って、本実施形態の発電単位102によれば、燃料極側集電体144と単セル110との間の電気的接続性を向上させることができると共に、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近におけるガス拡散性を向上させることができ、その結果、発電単位102の性能を向上させることができる。
On the other hand, as described above, in the fuel electrode side
また、上述したように、本実施形態の燃料極側集電体144では、平坦面212の位置における横ワイヤ210の最小径R1は、平坦面212以外の位置における横ワイヤ210の最大径R0の1/2以上となっており、縦ワイヤ220についても同様に、平坦面222の位置における縦ワイヤ220の最小径は、平坦面222以外の位置における縦ワイヤ220の最大径の1/2以上となっている。すなわち、横ワイヤ210および縦ワイヤ220が、平坦面212,222が形成される箇所において、過度に潰されてはいない。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近にガス拡散のための空間SPを効果的に確保することができ、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近におけるガス拡散性を効果的に向上させることができる。
Further, as described above, in the fuel electrode side
また、上述したように、本実施形態の燃料極側集電体144では、上下方向視で、横ワイヤ210の延伸方向(X軸方向)に直交する方向(Y軸方向)において、横ワイヤ210における平坦面212の幅W1は、横ワイヤ210の平坦面212以外の位置における幅W2以下であり、縦ワイヤ220についても同様に、上下方向視で、縦ワイヤ220の延伸方向(Y軸方向)に直交する方向(X軸方向)において、縦ワイヤ220における平坦面222の幅は、縦ワイヤ220の平坦面222以外の位置における幅以下である。すなわち、横ワイヤ210および縦ワイヤ220が、平坦面212,222が形成される箇所において、過度に潰されてはいない。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近にガス拡散のための空間SPを効果的に確保することができ、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近におけるガス拡散性を効果的に向上させることができる。
Further, as described above, in the fuel electrode side
また、上述したように、本実施形態の燃料極側集電体144では、上下方向視で、横ワイヤ210の延伸方向(X軸方向)において、横ワイヤ210における平坦面212の幅W3は、横ワイヤ210に交差する縦ワイヤ220の平坦面222以外の位置における幅W4より大きく、縦ワイヤ220についても同様に、上下方向視で、縦ワイヤ220の延伸方向(Y軸方向)において、縦ワイヤ220における平坦面222の幅は、縦ワイヤ220に交差する横ワイヤ210の平坦面212以外の位置における幅より大きい。すなわち、横ワイヤ210および縦ワイヤ220が、平坦面212,222が形成される箇所において、ある程度以上潰されている。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、平坦面212,222の大きさを一定以上にすることができ、燃料極側集電体144のセル対向部145と単セル110との接触面積を効果的に大きくすることができ、その結果、燃料極側集電体144と単セル110との間の電気的接続性を効果的に向上させることができる。
Further, as described above, in the fuel electrode side
また、上述したように、本実施形態の燃料極側集電体144では、横ワイヤ210の延伸方向と上下方向との両方に平行な断面(XZ断面)において、上下方向に直交する方向(X軸方向)において互いに隣り合う2つの平坦面212,222のそれぞれの中心位置に挟まれた領域の幅W5に対する、該領域において上記距離L1が上記距離L2より短いという条件を満たす特定領域の幅W6の割合は、0.8以上であり、同様に、縦ワイヤ220の延伸方向と上下方向との両方に平行な断面(YZ断面)において、上下方向に直交する方向(Y軸方向)において互いに隣り合う2つの平坦面212,222のそれぞれの中心位置に挟まれた領域の幅に対する、該領域において上記距離L1が上記距離L2より短いという条件を満たす特定領域の幅の割合は、0.8以上である。すなわち、横ワイヤ210および縦ワイヤ220について、上記距離L1が上記距離L2より短いという条件を満たす特定領域が、ある程度以上存在している。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近にガス拡散のための空間SPを効果的に確保することができ、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近におけるガス拡散性を効果的に向上させることができる。
Further, as described above, in the fuel electrode side
また、上述したように、本実施形態の燃料極側集電体144では、セル対向部145が、スペーサー149に対向する側に平坦面を有していない。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近にガス拡散のための空間SPをさらに効果的に確保することができ、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近におけるガス拡散性をさらに効果的に向上させることができる。なお、燃料極側集電体144とスペーサー149との間の電気的接続性は求められないため、セル対向部145がスペーサー149に対向する側に平坦面を有していなくても、発電単位102の性能への影響はない。
Further, as described above, in the fuel electrode side
また、上述したように、本実施形態の燃料極側集電体144では、上下方向(Z軸方向)において、単セル110からセル対向部145におけるスペーサー149に対向する表面(下側表面)までの距離L3が、スペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所が存在する。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、セル対向部145とスペーサー149との間に空間SPが形成されるため、燃料極側集電体144とスペーサー149との間の境界付近におけるガス拡散性を向上させることができ、その結果、発電単位102の性能を向上させることができる。
Further, as described above, in the fuel electrode side
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.
上記実施形態における単セル110、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、燃料極側集電体144を構成する各セル対向部145が、上下方向において基部146と対向するように配置されているが、必ずしも各セル対向部145が、上下方向において基部146と対向するように配置される必要はない。また、上記実施形態では、スペーサー149が、燃料極側集電体144を構成する各セル対向部145と基部146との間に配置されているが、スペーサー149は、各セル対向部145の表面に対向している限りにおいて、各セル対向部145と基部146との間に配置されている必要はない。
The configuration of the
また、上記実施形態におけるセル対向部145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、燃料極側集電体144を構成するセル対向部145において、各横ワイヤ210の延伸方向に沿って、各横ワイヤ210の上側および下側に交互に1本ずつ縦ワイヤ220が配置され、かつ、各縦ワイヤ220の延伸方向に沿って、各縦ワイヤ220の上側および下側に交互に1本ずつ横ワイヤ210が配置されているが、各横ワイヤ210の延伸方向に沿って、各横ワイヤ210の上側および下側に交互に複数本ずつ縦ワイヤ220が配置され、かつ/または、各縦ワイヤ220の延伸方向に沿って、各縦ワイヤ220の上側および下側に交互に複数本ずつ横ワイヤ210が配置されているとしてもよい。図13は、変形例における燃料極側集電体144aの構成を示す説明図である。図13に示す変形例の燃料極側集電体144aを構成するセル対向部145aでは、各横ワイヤ210の延伸方向に沿って、各横ワイヤ210の上側および下側に交互に2本ずつ縦ワイヤ220が配置され、かつ、各縦ワイヤ220の延伸方向に沿って、各縦ワイヤ220の上側および下側に交互に2本ずつ横ワイヤ210が配置されている。図13に示す変形例においても、上記実施形態と同様に、セル対向部145が単セル110の表面に接触する平坦面212,222を有し、かつ、上下方向において、スペーサー149からセル対向部145の上側表面までの距離L1がスペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所が存在する構成を採用すれば、燃料極側集電体144と単セル110との間の電気的接続性を向上させることができると共に、燃料極側集電体144と単セル110との間の境界付近におけるガス拡散性を向上させることができ、その結果、発電単位102の性能を向上させることができる。
Further, the configuration of the
また、上記実施形態では、燃料極側集電体144のセル対向部145において、ワイヤ210,220に形成された平坦面212,222の全体が単セル110に接触しているが、平坦面212,222の一部のみが単セル110に接触しているとしてもよい。
Further, in the above embodiment, in the
また、上記実施形態では、燃料極側集電体144のセル対向部145において、各横ワイヤ210における下側(スペーサー149に対向する側)には平坦面は形成されておらず、かつ、各縦ワイヤ220における下側にも平坦面は形成されていないが、各横ワイヤ210における下側および/または各縦ワイヤ220における下側に平坦面が形成されているとしてもよい。
Further, in the above embodiment, in the
また、上記実施形態では、上下方向(Z軸方向)において、単セル110からセル対向部145におけるスペーサー149に対向する表面(下側表面)までの距離L3が、スペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所が存在するとしているが、距離L3が距離L2より短い箇所が存在しないとしてもよい。なお、距離L3が距離L2より短い箇所が存在すれば、各横ワイヤ210および各縦ワイヤ220における下側(スペーサー149に対向する側)に平坦面が形成されているか否かにかかわらず、セル対向部145とスペーサー149との間に空間SPを確保することができ、燃料極側集電体144とスペーサー149との間の境界付近におけるガス拡散性を向上させることができ、その結果、発電単位102の性能を向上させることができる。
In the above embodiment, the distance L3 from the
また、上記実施形態では、横ワイヤ210と縦ワイヤ220との両方について、平坦面の位置におけるワイヤの最小径は平坦面以外の位置におけるワイヤの最大径の1/2以上であるとしているが、横ワイヤ210と縦ワイヤ220との片方のみについて、そのような構成であるとしてもよい。また、上記実施形態では、横ワイヤ210と縦ワイヤ220との両方について、上下方向視で、ワイヤの延伸方向に直交する方向において、該ワイヤにおける平坦面の幅は、該ワイヤの平坦面以外の位置における幅以下であるとしているが、横ワイヤ210と縦ワイヤ220との片方のみについて、そのような構成であるとしてもよい。また、上記実施形態では、横ワイヤ210と縦ワイヤ220との両方について、上下方向視で、ワイヤの延伸方向において、該ワイヤにおける平坦面の幅は、該ワイヤに交差する他のワイヤの平坦面以外の位置における幅より大きいとしているが、横ワイヤ210と縦ワイヤ220との片方のみについて、そのような構成であるとしてもよい。また、上記実施形態では、横ワイヤ210と縦ワイヤ220との両方について、ワイヤの延伸方向と上下方向との両方に平行な断面において、上下方向に直交する方向において互いに隣り合う2つの平坦面のそれぞれの中心位置に挟まれた領域の幅に対する、該領域において上記距離L1が上記距離L2より短いという条件を満たす特定領域の幅の割合が0.8以上であるとしているが、横ワイヤ210と縦ワイヤ220との片方のみについて、そのような構成であるとしてもよい。また、上記実施形態では、横ワイヤ210と縦ワイヤ220との両方について、平坦面を有するとしているが、横ワイヤ210と縦ワイヤ220との片方のみについて、そのような構成であるとしてもよい。
In the above embodiment, the minimum diameter of the wire at the flat surface position is at least half the maximum diameter of the wire at the positions other than the flat surface for both the
また、上記実施形態では、単セル110が中間層180を備えているが、単セル110は必ずしも中間層180を備える必要は無い。また、上記実施形態では、インターコネクタ150と空気極側集電体134(集電体要素135)とが一体部材であるが、インターコネクタ150と空気極側集電体134とが別部材であってもよい。また、上記実施形態では、空気極側集電体134(集電体要素135)がコート136に覆われているが、空気極側集電体134がコート136に覆われていないとしてもよい。また、上記実施形態では、空気極側集電体134(集電体要素135)が接合層138を介して空気極114に接しているが、空気極側集電体134が接合層138を介さずに空気極114に接しているとしてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる単セル110(発電単位102)の個数は、あくまで一例であり、単セル110(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。
In the above embodiment, the number of unit cells 110 (power generation units 102) included in the
また、上記実施形態における燃料極側集電体144等の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。
Further, the method of manufacturing the fuel electrode side
また、上記実施形態における燃料極側集電体144の構成(セル対向部145が単セル110の表面に接触する平坦面212,222を有し、かつ、上下方向においてスペーサー149からセル対向部145の上側表面までの距離L1がスペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所が存在する構成)は、必ずしも燃料電池スタック100を構成する複数の発電単位102のすべてにおいて採用されている必要はなく、燃料電池スタック100を構成する複数の発電単位102の内の少なくとも1つにおいて採用されていればよい。
In addition, the configuration of the fuel electrode side
また、上記実施形態では、燃料極側集電体144の構成として、セル対向部145が単セル110の表面に接触する平坦面212,222を有し、かつ、上下方向においてスペーサー149からセル対向部145の上側表面までの距離L1がスペーサー149から単セル110までの距離L2より短い箇所が存在する構成を説明したが、燃料極側集電体144に代えて、あるいは、燃料極側集電体144と共に、空気極側集電体134の構成が同様の構成であるとしてもよい。
In the above embodiment, as the configuration of the fuel electrode side
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号公報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を採用すれば、集電体と電解単セルとの間の電気的接続性を向上させることができると共に、集電体と電解単セルとの間の境界付近におけるガス拡散性を向上させることができ、その結果、電解セル単位の性能を向上させることができる。
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 the same as the
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 24:ナット 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 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 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 136:コート 138:接合層 140:燃料極側フレーム 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:セル対向部 146:基部 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 180:中間層 210:横ワイヤ 212:平坦面 214:接触箇所 216:接触箇所 220:縦ワイヤ 222:平坦面 224:接触箇所 226:接触箇所
22: Bolt 24: Nut 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 108: Communication hole 110: Single cell 112: electrolyte layer 114: air electrode 116: fuel electrode 120: separator 121: hole 124: joint portion 130: air electrode side frame 131: hole 132: oxidant gas supply communication hole 133: oxidant gas discharge communication hole 134: air Electrode side current collector 135: Current collector element 136: Coat 138: Bonding layer 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collector 145 : Cell facing part 146: Base 147: Joint part 149:
Claims (9)
前記単セルに対して前記第1の方向の一方側に配置された集電体であって、前記単セルに対向する複数のセル対向部と、各前記セル対向部に対して前記第1の方向の前記一方側に配置された基部と、前記基部と各前記セル対向部とをつなぐ連接部と、を含む、集電体と、
各前記セル対向部の前記第1の方向の前記一方側の表面に対向するスペーサーと、
を備える電気化学反応単位において、
前記集電体は、金属製のワイヤがメッシュ状に編まれた構成を有し、
前記セル対向部は、少なくとも一部が前記単セルの表面に接触する平坦面を有しており、
前記第1の方向において、前記スペーサーから前記セル対向部における前記単セルに対向する表面までの距離L1が、前記スペーサーから前記単セルまでの距離L2より短い箇所が存在することを特徴とする、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;
A current collector disposed on one side in the first direction with respect to the unit cell, the plurality of cell facing portions facing the unit cell, and the first with respect to each cell facing portion A current collector including a base disposed on the one side in a direction, and a connecting part connecting the base and the cell facing parts;
A spacer facing the surface on the one side in the first direction of each of the cell facing portions;
In the electrochemical reaction unit comprising
The current collector has a configuration in which a metal wire is knitted in a mesh shape,
The cell facing portion has a flat surface at least a portion of which contacts the surface of the single cell,
In the first direction, there is a portion where a distance L1 from the spacer to the surface of the cell facing portion facing the single cell is shorter than a distance L2 from the spacer to the single cell. Electrochemical reaction unit.
前記平坦面の位置における前記ワイヤの最小径は、前記平坦面以外の位置における前記ワイヤの最大径の1/2以上であ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,
An electrochemical reaction unit, wherein the minimum diameter of the wire at the position of the flat surface is 1/2 or more of the maximum diameter of the wire at a position other than the flat surface.
前記第1の方向視で、一の前記ワイヤの延伸方向に直交する方向において、前記一のワイヤにおける前記平坦面の幅W1は、前記一のワイヤの前記平坦面以外の位置における幅W2以下であ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 or 2,
The width W1 of the flat surface of the one wire is less than or equal to the width W2 at a position other than the flat surface of the one wire in a direction orthogonal to the extending direction of the one wire in the first direction view. An electrochemical reaction unit characterized in that
前記第1の方向視で、一の前記ワイヤの延伸方向において、前記一のワイヤにおける前記平坦面の幅W3は、前記一のワイヤに交差する他の前記ワイヤの前記平坦面以外の位置における幅W4より大きいことを特徴とする、電気化学反応単位。 The electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 3
In the first direction, in the extending direction of the one wire, a width W3 of the flat surface of the one wire is a width at a position other than the flat surface of the other wire intersecting the one wire An electrochemical reaction unit characterized by being larger than W4.
一の前記ワイヤの延伸方向と前記第1の方向との両方に平行な断面において、前記第1の方向に直交する第2の方向において互いに隣り合う2つの前記平坦面のそれぞれの中心位置に挟まれた領域の幅W5に対する、前記領域において前記距離L1が前記距離L2より短いという条件を満たす特定領域の幅W6の割合が、0.8以上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 4
In a cross section parallel to both the extending direction of one of the wires and the first direction, the center position of two flat surfaces adjacent to each other in a second direction orthogonal to the first direction An electrochemical reaction unit characterized in that the ratio of the specific region width W6 satisfying the condition that the distance L1 is shorter than the distance L2 in the region to the width W5 of the separated region is 0.8 or more.
前記セル対向部は、前記スペーサーに対向する側に平坦面を有していないことを特徴とする、電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 5,
The electrochemical reaction unit, wherein the cell facing portion does not have a flat surface on the side facing the spacer.
前記第1の方向において、前記単セルから前記セル対向部における前記スペーサーに対向する表面までの距離L3が、前記スペーサーから前記単セルまでの距離L2より短い箇所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 any one of claims 1 to 6,
In the first direction, a distance L3 from the unit cell to the surface of the cell facing portion facing the spacer is shorter than the distance L2 from the spacer to the unit cell. Electrochemical reaction unit.
前記単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 7,
The electrochemical reaction unit, wherein the unit cell is a fuel cell unit cell.
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8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 8.
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