JP2019216001A

JP2019216001A - Cell unit

Info

Publication number: JP2019216001A
Application number: JP2018111825A
Authority: JP
Inventors: 武彦奥井; Takehiko Okui
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2019-12-19

Abstract

To provide a cell unit which has a simple structure but can improve power generation performance.SOLUTION: A cell unit 100 includes: a fuel battery cell 111 including an electrolyte layer 111E, an anode electrode layer 111A and a cathode electrode layer 111C; a holding frame 113 holding the fuel battery cell; a collector layer 120 for collecting current generated by the fuel battery cell; a separator 130 forming a flow path of cathode gas CG between the collector layer and the separator; an insulating member 170 disposed between the separator and the holding frame; a joining portion 180 in which the end portion of the fuel battery cell and the holding frame are joined; and a shielding portion 190 defining a space portion S1 that is shielded from the cathode gas on the upstream side of the cathode gas from the joining portion.SELECTED DRAWING: Figure 5A

Description

本発明は、燃料電池スタック用のセルユニットに関する。 The present invention relates to a cell unit for a fuel cell stack.

燃料電池スタックは、供給されたガスによって発電する燃料電池セルと、燃料電池セルによって発電した電流を集電する集電層と、集電層との間にガスの流路を形成するセパレータとを含むセルユニットを複数積層して構成される。 The fuel cell stack includes a fuel cell that generates power from the supplied gas, a current collecting layer that collects current generated by the fuel cell, and a separator that forms a gas flow path between the current collecting layer and the current collecting layer. And a plurality of stacked cell units.

燃料電池スタックとしては、発電性能を向上させるために、ガスのシール性や起動時の高温環境に耐えられる耐熱性などの様々な要求性能を満たす構造が検討されている。 For the fuel cell stack, in order to improve the power generation performance, a structure that satisfies various required performances such as gas sealing properties and heat resistance that can withstand a high temperature environment at the time of startup is being studied.

例えば、下記特許文献１には、シール性を確保するためにセルユニットの端部に複数のシール材を配置した構造が開示されている。 For example, Patent Literature 1 below discloses a structure in which a plurality of sealing materials are arranged at an end of a cell unit in order to ensure sealing performance.

特開２０１５−１７０３９８号公報JP 2015-170398 A

しかしながら、本発明者らが検討を行ったところ、上記特許文献１に開示されているような複雑なセルユニットの端部構造では、製造時間や製造コストが増加するとともに、発電性能を十分に向上させることができない場合があることが判明した。 However, the inventors of the present invention have studied and found that the complicated end structure of the cell unit as disclosed in Patent Document 1 increases the manufacturing time and the manufacturing cost, and sufficiently improves the power generation performance. It turned out that there were times when it was not possible.

したがって、本発明は、簡単な構造で発電性能を向上できるセルユニットを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a cell unit that can improve power generation performance with a simple structure.

本発明に係るセルユニットは、電解質層、アノード電極層およびカソード電極層を含む燃料電池セルと、前記燃料電池セルを保持する保持フレームと、前記燃料電池セルによって発電した電流を集電する集電層と、前記集電層との間にカソードガスの流路を形成するセパレータと、前記セパレータと前記保持フレームとの間に配置される絶縁部材と、を有する。該セルユニットは、前記燃料電池セルの端部と前記保持フレームとが接合された接合部と、前記接合部よりも前記カソードガスの上流側に前記カソードガスから遮蔽された空間部を区画形成する遮蔽部と、をさらに有する。 A cell unit according to the present invention includes a fuel cell including an electrolyte layer, an anode electrode layer, and a cathode electrode layer, a holding frame holding the fuel cell, and a current collector collecting current generated by the fuel cell. A separator that forms a flow path of the cathode gas between the layer and the current collecting layer; and an insulating member disposed between the separator and the holding frame. The cell unit defines a joint where the end of the fuel cell is joined to the holding frame, and a space shielded from the cathode gas on the upstream side of the cathode gas from the joint. And a shielding part.

本発明に係るセルユニットによれば、簡単な端部構造によって発電性能を向上することができる。 According to the cell unit according to the present invention, power generation performance can be improved with a simple end structure.

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図である。1 is an exploded perspective view showing a fuel cell stack according to one embodiment of the present invention. 図１に示すセルユニットの分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of the cell unit shown in FIG. 図２に示すセルアッセンブリーの分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of the cell assembly shown in FIG. 図１に示すセルユニットの上面図である。FIG. 2 is a top view of the cell unit shown in FIG. 1. 図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the AA line of FIG. 図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。FIG. 5 is a sectional view taken along line BB of FIG. 4. 図４のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line CC of FIG. 4. 図４のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line DD of FIG. 4. 比較例に係るセルユニットの端部構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the edge part structure of the cell unit which concerns on a comparative example. 図５Ｂの一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a part of FIG. 5B. 変形例１に係る燃料電池スタックを示す図５Ａに対応する断面図である。FIG. 5B is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to Modification Example 1, corresponding to FIG. 5A. 変形例１に係る燃料電池スタックを示す図５Ｂに対応する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to Modification Example 1 and corresponding to FIG. 5B. 変形例２に係る燃料電池スタックを示す図５Ａに対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 5A which shows the fuel cell stack which concerns on the modification 2. 変形例２に係る燃料電池スタックを示す図５Ｂに対応する断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to Modification Example 2 and corresponding to FIG. 5B. 変形例３に係る燃料電池スタックを示す図５Ａに対応する断面図である。FIG. 5C is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to Modification Example 3 and corresponding to FIG. 5A. 変形例３に係る燃料電池スタックを示す図５Ｂに対応する断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to Modification Example 3 and corresponding to FIG. 5B. 変形例４に係る燃料電池スタックを示す図５Ａに対応する断面図である。FIG. 5C is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to Modification Example 4 corresponding to FIG. 5A. 変形例４に係る燃料電池スタックを示す図５Ｂに対応する断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to Modification Example 4 corresponding to FIG. 5B. 変形例５に係る燃料電池スタックを示す図５Ａに対応する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to Modification Example 5 and corresponding to FIG. 5A. 変形例５に係る燃料電池スタックを示す図５Ｂに対応する断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to Modification Example 5 and corresponding to FIG. 5B. 変形例５に係る燃料電池スタックを示す図５Ｃに対応する断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to Modification Example 5 and corresponding to FIG. 5C. 図１１ＡのＥ−Ｅ線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the EE line of FIG. 11A.

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the following description does not limit the meaning of the technical scope and terms described in the claims. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from actual ratios.

図１〜図６Ｂを参照して、実施形態に係るセルユニット１００について説明する。本実施形態のセルユニット１００は、電解質として例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌｓ：ＳＯＦＣ。以下、単に「ＳＯＦＣ」という。）に用いられる。 The cell unit 100 according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6B. The cell unit 100 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) using, for example, an oxide ion conductor such as stabilized zirconia as an electrolyte. Used.

以下の説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を図中に示す。Ｘ軸およびＹ軸は水平方向、Ｚ軸は上下方向にそれぞれ平行な軸を示す。 For convenience of the following description, an XYZ rectangular coordinate system is shown in the figure. The X axis and the Y axis are horizontal axes, and the Z axis is an axis parallel to the vertical direction.

図１は、本実施形態に係る燃料電池スタック１０を示す分解斜視図である。図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数のセルユニット１００を上下方向に積層して構成される。以下、図中にＺ軸で示す燃料電池スタック１０の上下方向を「積層方向」とも称する。セルユニット１００には、アノードガスＡＧを流通させて供給および排出するためのマニホールド部１５０が形成されている。 FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell stack 10 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 10 is configured by vertically stacking a plurality of cell units 100. Hereinafter, the vertical direction of the fuel cell stack 10 indicated by the Z axis in the drawing is also referred to as a “stacking direction”. The cell unit 100 is provided with a manifold 150 for flowing and supplying and discharging the anode gas AG.

［セルユニット１００］
図２は、セルユニット１００の分解斜視図である。図２に示すように、セルユニット１００は、燃料電池セル１１１を含むセルアッセンブリー１１０と、燃料電池セル１１１によって発電した電流を集電する集電層１２０と、集電層１２０との間にカソードガスＣＧの流路を形成するセパレータ１３０と、を有する。 [Cell unit 100]
FIG. 2 is an exploded perspective view of the cell unit 100. As shown in FIG. 2, a cell unit 100 includes a cell assembly 110 including a fuel cell 111, a current collecting layer 120 for collecting current generated by the fuel cell 111, and a cathode between the current collecting layer 120. A separator 130 that forms a flow path for the gas CG.

［セルアッセンブリー１１０］
図３は、セルアッセンブリー１１０の分解斜視図である。図３に示すように、セルアッセンブリー１１０は、Ｙ方向（面方向）に沿って複数（本実施形態では、２つ）並べて配置したメタルサポートセル（Ｍｅｔａｌ−ＳｕｐｐｏｒｔｅｄＣｅｌｌ：ＭＳＣ）１１０Ｍと、メタルサポートセル１１０Ｍの外周を保持する保持フレーム１１３と、を有する。保持フレーム１１３の曲げ剛性は、燃料電池セル１１１の曲げ剛性よりも小さくなるように構成されている。 [Cell Assembly 110]
FIG. 3 is an exploded perspective view of the cell assembly 110. FIG. As shown in FIG. 3, the cell assembly 110 includes a plurality of (two in this embodiment) metal support cells (Metal-Supported Cell: MSC) 110M arranged side by side in the Y direction (plane direction), and a metal support 110M. And a holding frame 113 that holds the outer periphery of the cell 110M. The bending rigidity of the holding frame 113 is configured to be smaller than the bending rigidity of the fuel cell 111.

図３に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質層１１１Ｅ、アノード電極層１１１Ａおよびカソード電極層１１１Ｃを含む燃料電池セル１１１と、燃料電池セル１１１を積層方向の一方側から支持する金属製のメタルサポート部１１２と、を有する。メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れる。 As shown in FIG. 3, the metal support cell 110M includes a fuel cell 111 including an electrolyte layer 111E, an anode electrode layer 111A, and a cathode electrode layer 111C, and a metal supporting the fuel cell 111 from one side in the stacking direction. And a metal support portion 112. The metal support cell 110M is excellent in mechanical strength, quick startability, and the like as compared with the electrolyte support cell and the electrode support cell.

図４は、セルユニット１００の上面図である。図４に示すように、セルユニット１００は、マニホールド部１５０の周囲を封止してアノードガスＡＧの流れを制限する複数のシール部１６０と、セパレータ１３０とセルアッセンブリー１１０との間に配置される絶縁部材１７０と、をさらに有する。 FIG. 4 is a top view of the cell unit 100. As shown in FIG. 4, the cell unit 100 is disposed between the separator 130 and the cell assembly 110, and a plurality of seal portions 160 that seal around the manifold portion 150 to restrict the flow of the anode gas AG. And an insulating member 170.

本実施形態では、燃料電池スタック１０は、セルユニット１００の外側（図２〜図４の破線囲み部分）をカソードガスＣＧが自由に流通するオープンカソード構造として構成している。図４に示すように、マニホールド部１５０は、アノードガス（燃料ガス）ＡＧを流通させるアノードガス流入口１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃおよびアノードガス流出口１５０ｄ、１５０ｅを有する。セルユニット１００の外側には、カソードガス（酸化剤ガス）ＣＧを流通させるカソードガス流入口１５０ｆ、１５０ｇおよびカソードガス流出口１５０ｈ、１５０ｉ、１５０ｊが形成されている。 In the present embodiment, the fuel cell stack 10 has an open cathode structure in which the cathode gas CG freely flows outside the cell unit 100 (portion surrounded by broken lines in FIGS. 2 to 4). As shown in FIG. 4, the manifold section 150 has anode gas inlets 150a, 150b, 150c through which anode gas (fuel gas) AG flows, and anode gas outlets 150d, 150e. Outside the cell unit 100, cathode gas inlets 150f, 150g and cathode gas outlets 150h, 150i, 150j through which a cathode gas (oxidizing gas) CG flows are formed.

（シール部１６０）
シール部１６０は、耐熱性およびシール性を有する材料から形成される。このような材料としては、例えば、バーミキュライト（蛭石）を主原料とするサーミキュライト（登録商標）が挙げられる。 (Seal part 160)
The seal part 160 is formed from a material having heat resistance and sealability. As such a material, for example, thermiculite (registered trademark) whose main raw material is vermiculite (meteorite) can be mentioned.

（絶縁部材１７０）
絶縁部材１７０は、セパレータ１３０と保持フレーム１１３との間に配置されて、カソードガスＣＧの流れを制限する。図４に示すように、絶縁部材１７０は、燃料電池セル１１１に対してカソードガスＣＧの流れ方向の上流側、セルユニット１００のＹ方向の端部、およびＹ方向に隣り合う燃料電池セル１１１の間に配置される。 (Insulating member 170)
The insulating member 170 is disposed between the separator 130 and the holding frame 113 to restrict the flow of the cathode gas CG. As shown in FIG. 4, the insulating member 170 is provided on the upstream side in the flow direction of the cathode gas CG with respect to the fuel cell 111, the end in the Y direction of the cell unit 100, and the fuel cell 111 adjacent to the Y direction. Placed between.

絶縁部材１７０を構成する材料は、特に限定されないが、保持フレーム１１３よりも熱伝導率が小さい材料を用いることが好ましい。このような材料としては、例えば、マイカ（熱伝導率０．４Ｗ／（ｍ・Ｋ））などの断熱材を好適に用いることができる。 Although the material forming the insulating member 170 is not particularly limited, it is preferable to use a material having a lower thermal conductivity than the holding frame 113. As such a material, for example, a heat insulating material such as mica (thermal conductivity 0.4 W / (m · K)) can be suitably used.

ＳＯＦＣに適用される燃料電池スタック１０は、約５００〜１２００℃の高温で作動する。このため、急速起動時には、高温に加熱されたカソードガスＣＧを流通させて燃料電池スタック１０を昇温させる。カソードガスＣＧは、カソードガス流入口１５０ｆ、１５０ｇからセルユニット１００の端部へ流れ込むため、セルユニット１００の端部は熱の影響によって変形したり破損したりする可能性がある。本実施形態では、カソードガスＣＧの熱の影響を簡単な構造で抑制し、発電性能を向上できるセルユニット１００の端部構造を提供する。以下、本実施形態に係るセルユニット１００の端部構造について説明する。 The fuel cell stack 10 applied to the SOFC operates at a high temperature of about 500 to 1200C. For this reason, at the time of rapid startup, the temperature of the fuel cell stack 10 is raised by flowing the cathode gas CG heated to a high temperature. Since the cathode gas CG flows from the cathode gas inlets 150f and 150g to the end of the cell unit 100, the end of the cell unit 100 may be deformed or damaged by the influence of heat. In the present embodiment, an end structure of the cell unit 100 that can suppress the influence of heat of the cathode gas CG with a simple structure and improve power generation performance is provided. Hereinafter, an end structure of the cell unit 100 according to the present embodiment will be described.

［セルユニット１００の端部構造］
図５Ａ〜図５Ｄは、セルユニット１００の端部構造の一部を示す断面図である。図５Ａは、図４のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図５Ｂは、図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、図５Ｃは、図４のＣ−Ｃ線に沿う断面図であり、図５Ｄは、図４のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 [End Structure of Cell Unit 100]
5A to 5D are cross-sectional views showing a part of the end structure of the cell unit 100. FIG. 5A is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 4, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 4, and FIG. 5C is a cross-section taken along the line CC of FIG. FIG. 5D is a sectional view taken along line DD in FIG.

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、セルユニット１００の端部は、燃料電池セル１１１の端部と保持フレーム１１３とが接合された接合部１８０と、接合部１８０よりもカソードガスＣＧの上流側（図５Ａ、図５Ｂ中の右側）にカソードガスＣＧから遮蔽された空間部Ｓ１を区画形成する遮蔽部１９０と、を有する。 As shown in FIG. 5A and FIG. 5B, the end of the cell unit 100 is connected to a joint 180 where the end of the fuel cell 111 and the holding frame 113 are joined, and an upstream side of the cathode gas CG with respect to the joint 180. (A right side in FIGS. 5A and 5B) includes a shielding portion 190 that forms a space S1 that is shielded from the cathode gas CG.

燃料電池セル１１１の端部と保持フレーム１１３とが接合された接合部１８０に隣接する保持フレーム１１３単体の部分（図５Ａ〜図５Ｃ中の破線囲み部分）は、燃料電池セル１１１および保持フレーム１１３が接合された接合部１８０に比べて熱容量が小さい。したがって、接合部１８０と保持フレーム１１３との間には、熱容量が大きく変化する境界が存在する。境界よりもセルユニット１００の端部側（外側）で熱容量の比較的小さい領域を領域Ａ１、境界よりもセルユニット１００の内側（中央側）で熱容量の比較的大きい領域Ａ２とする。遮蔽部１９０は、熱容量が比較的小さい領域Ａ１に空間部Ｓ１を区画形成する。 A portion of the holding frame 113 alone (a portion surrounded by a broken line in FIGS. 5A to 5C) adjacent to the joining portion 180 to which the end of the fuel cell 111 and the holding frame 113 are joined is the fuel cell 111 and the holding frame 113. Has a smaller heat capacity as compared with the joined portion 180 to which is joined. Therefore, there is a boundary between the joint 180 and the holding frame 113 at which the heat capacity changes significantly. A region having a relatively small heat capacity on the end side (outside) of the cell unit 100 from the boundary is defined as a region A1, and a region A2 having a relatively large heat capacity on the inside (center side) of the cell unit 100 from the boundary. The shielding portion 190 partitions and forms the space portion S1 in the region A1 having a relatively small heat capacity.

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、カソードガスＣＧの流れ方向の上流側（図４の上側）では、絶縁部材１７０は集電層１２０と保持フレーム１１３との間に配置される。これにより、図５Ｄに示すように、集電層１２０とセパレータ１３０との間にカソードガスＣＧの流路を確保しつつ、アノードガスＡＧの流路とカソードガスＣＧの流路とを隔ててアノードガスＡＧとカソードガスＣＧが混ざり合うことを防止することができる。 As shown in FIGS. 5A and 5B, on the upstream side (upper side in FIG. 4) in the flow direction of the cathode gas CG, the insulating member 170 is disposed between the current collecting layer 120 and the holding frame 113. Thereby, as shown in FIG. 5D, while securing a flow path for the cathode gas CG between the current collecting layer 120 and the separator 130, the anode gas is separated from the flow path for the anode gas AG and the flow path for the cathode gas CG. Mixing of the gas AG and the cathode gas CG can be prevented.

図５Ｃに示すように、セルユニット１００のＹ方向の端部では、絶縁部材１７０はセパレータ１３０と保持フレーム１１３との間に配置される。これにより、絶縁部材１７０はセルユニット１００のＹ方向の端部からガスがリークすることがないようにシールすることができる。 As shown in FIG. 5C, at the end of the cell unit 100 in the Y direction, the insulating member 170 is disposed between the separator 130 and the holding frame 113. Accordingly, the insulating member 170 can be sealed so that gas does not leak from the end of the cell unit 100 in the Y direction.

（接合部１８０）
接合部１８０の接合方法は、特に限定されないが、例えば、溶融溶接（融接）、抵抗溶接、圧接等の溶接やろう接（ろう付け）、焼結接合などが挙げられる。上記の中でも製造容易性の観点から、溶接が好ましく用いられる。 (Joining part 180)
The joining method of the joining portion 180 is not particularly limited, and examples thereof include welding such as fusion welding (fusion welding), resistance welding, and pressure welding, brazing (brazing), and sintering. Among these, welding is preferably used from the viewpoint of ease of production.

（遮蔽部１９０）
本実施形態では、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、遮蔽部１９０は、燃料電池セル１１１の端部、保持フレーム１１３、集電層１２０および絶縁部材１７０によって囲まれた領域に空間部Ｓ１、Ｓ２を区画形成する。 (Shielding part 190)
In the present embodiment, as shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, the shielding portion 190 has a space in an area surrounded by the end of the fuel cell 111, the holding frame 113, the current collecting layer 120, and the insulating member 170. The sections S1 and S2 are sectioned.

具体的には、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、集電層１２０および絶縁部材１７０の少なくとも一方を延在させて、両者を連結する。さらに、絶縁部材１７０と、燃料電池セル１１１の端部との間に隙間を設ける。これにより、空間部Ｓ１、Ｓ２を区画形成する。なお、空間部Ｓ１、Ｓ２は、カソードガスＣＧからの熱が遮蔽された空間である限りにおいて、密閉されずに外部と連通した空間でもよい。 Specifically, as shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, at least one of the current collecting layer 120 and the insulating member 170 is extended, and both are connected. Further, a gap is provided between the insulating member 170 and the end of the fuel cell 111. Thereby, the space portions S1 and S2 are sectioned. The spaces S1 and S2 may be spaces that are not sealed and communicate with the outside as long as the spaces from which heat from the cathode gas CG is shielded.

空気の熱伝導率は、０．０２５（常温）〜０．０７（８００℃）と非常に低い。したがって、空間部Ｓ１、Ｓ２に接する構成部材は高温のカソードガスＣＧから直接の伝熱を受けずに熱伝導率の低い空間部Ｓ１、Ｓ２の空気や絶縁部材１７０を介した伝熱となるため昇温速度が遅くなる。 The thermal conductivity of air is as low as 0.025 (normal temperature) to 0.07 (800 ° C.). Therefore, the constituent members in contact with the spaces S1 and S2 do not receive direct heat transfer from the high-temperature cathode gas CG, but conduct heat through the air in the spaces S1 and S2 having low thermal conductivity or through the insulating member 170. The heating rate becomes slow.

次に、比較例を参照して、本実施形態に係るセルユニット１００の端部構造の作用効果について説明する。図６Ａは、比較例に係るセルユニットの端部構造を示す断面図である。図６Ｂは、本実施形態に係るセルユニット１００の端部構造を示す図であり、図５Ｂの一部を拡大して示す断面図である。 Next, the operation and effect of the end structure of the cell unit 100 according to the present embodiment will be described with reference to a comparative example. FIG. 6A is a cross-sectional view illustrating an end structure of a cell unit according to a comparative example. FIG. 6B is a diagram illustrating an end structure of the cell unit 100 according to the present embodiment, and is a cross-sectional view illustrating a part of FIG. 5B in an enlarged manner.

高温のカソードガスＣＧから領域Ａ１と領域Ａ２へほぼ均等に熱が伝わった場合、図６Ａに示す比較例の構造では、熱容量の小さい領域Ａ１の昇温速度が、熱容量の大きい領域Ａ２の昇温速度よりも速くなる。したがって、領域Ａ１が領域Ａ２よりも温度が高くなり、領域Ａ１の熱膨張量が領域Ａ２よりも大きくなる。その結果、領域Ａ２の保持フレーム１１３単体の部分と領域Ａ１の接合部１８０との境界において、熱膨張量の差に伴う座屈変形が生じる。これにより、領域Ａ１の接合部１８０に対して燃料電池セル１１１と保持フレーム１１３を引き剥がす方向に応力が作用する。その結果、接合部１８０が破損する可能性がある。接合部１８０が破損すると、カソードガスＣＧがアノードガスＡＧの流路側へリークして、発電性能が大幅に低下してしまう虞がある。 When heat is almost uniformly transmitted from the high-temperature cathode gas CG to the region A1 and the region A2, in the structure of the comparative example shown in FIG. 6A, the heating rate of the region A1 having a small heat capacity is increased by increasing the temperature of the region A2 having a large heat capacity. Be faster than speed. Therefore, the temperature of the region A1 is higher than that of the region A2, and the amount of thermal expansion of the region A1 is larger than that of the region A2. As a result, buckling deformation occurs due to the difference in the amount of thermal expansion at the boundary between the portion of the holding frame 113 alone in the region A2 and the joining portion 180 in the region A1. As a result, stress acts on the joining portion 180 in the region A1 in the direction in which the fuel cell 111 and the holding frame 113 are peeled off. As a result, the joint 180 may be damaged. If the joint 180 is damaged, the cathode gas CG leaks to the flow path side of the anode gas AG, and the power generation performance may be significantly reduced.

特に、カソードガスＣＧは、上流側から下流側へ行くほど熱を奪われて温度が下がる。したがって、図６Ａに示すカソードガスＣＧの流れ方向の上流側（図４の上側）のセルユニット１００の端部では、熱容量の小さい領域Ａ１の方が熱容量の大きい領域Ａ２よりもカソードガスＣＧの温度が高温となる。このため、領域Ａ１と領域Ａ２との温度差がさらに大きくなり、領域Ａ１と領域Ａ２との熱膨張量の差がさらに大きくなって、接合部１８０が破損する可能性が高くなってしまう。 In particular, as the cathode gas CG goes from the upstream side to the downstream side, heat is taken away and the temperature decreases. Accordingly, at the end of the cell unit 100 on the upstream side (upper side in FIG. 4) in the flow direction of the cathode gas CG shown in FIG. 6A, the temperature of the cathode gas CG is smaller in the region A1 having a smaller heat capacity than in the region A2 having a larger heat capacity. Becomes hot. For this reason, the temperature difference between the region A1 and the region A2 is further increased, the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 is further increased, and the possibility that the joint 180 is damaged is increased.

一方で、図６Ｂに示す本実施形態では、接合部１８０よりもカソードガスＣＧの上流側に空間部Ｓ１を区画形成することにより、接合部１８０に隣接する保持フレーム１１３単体の部分が加熱ガスであるカソードガスＣＧに直接暴露されないように構成されている。空間部Ｓ１を介することによって領域Ａ１への伝熱量が領域Ａ２よりも小さくなるため、熱容量の小さい領域Ａ１の昇温速度が図６Ａに示す比較例に比べて遅くなる。これにより、領域Ａ１と領域Ａ２との温度差が小さくなり、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差が比較例に比べて大幅に小さくなる。その結果、領域Ａ１と領域Ａ２との熱膨張量の差に起因して接合部１８０を引き剥がす方向に働く応力を極小化できるため、セルユニット１００の端部（特に、接合部１８０）の破損を抑制することができる。また、接合部１８０の破損によるカソードガスＣＧのリークも防止することができる。さらに、カソードガスＣＧの流れを妨げることなく接合部１８０の破損を抑制することができるため、効率的な起動時の昇温が可能となる。その結果、空間部Ｓ１を形成する簡単なセルユニット１００の端部構成で接合部の破損を抑制し、ガスリークを防止できることによって、発電性能を大幅に向上させることができる。 On the other hand, in the present embodiment shown in FIG. 6B, by forming the space S1 on the upstream side of the cathode gas CG from the joint 180, the portion of the holding frame 113 alone adjacent to the joint 180 is heated gas. It is configured not to be directly exposed to a certain cathode gas CG. Since the amount of heat transfer to the region A1 is smaller than that of the region A2 through the space S1, the rate of temperature rise in the region A1 having a small heat capacity is lower than that in the comparative example shown in FIG. 6A. Thereby, the temperature difference between the region A1 and the region A2 is reduced, and the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 is significantly reduced as compared with the comparative example. As a result, the stress acting in the direction in which the joint 180 is peeled off due to the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 can be minimized, so that the end of the cell unit 100 (particularly, the joint 180) is damaged. Can be suppressed. In addition, the leakage of the cathode gas CG due to the breakage of the joint 180 can be prevented. Furthermore, since the breakage of the joint 180 can be suppressed without obstructing the flow of the cathode gas CG, the temperature can be efficiently raised at the time of startup. As a result, a simple end configuration of the cell unit 100 that forms the space S1 suppresses breakage of the joint and prevents gas leakage, thereby greatly improving power generation performance.

また、本実施形態では、保持フレーム１１３の曲げ剛性は、燃料電池セル１１１の曲げ剛性よりも小さくなるように構成されているため、燃料電池セル１１１よりも保持フレーム１１３の方が変形しやすい。このため、仮に領域Ａ１と領域Ａ２との間に熱膨張量の差が生じても、領域Ａ１の保持フレーム１１３が変形することで燃料電池セル１１１への応力を緩和することができる。これにより、セルユニット１００の端部の破損をより確実に抑制することができる。 Further, in the present embodiment, since the bending rigidity of the holding frame 113 is configured to be smaller than the bending rigidity of the fuel cell 111, the holding frame 113 is more easily deformed than the fuel cell 111. Therefore, even if a difference in the amount of thermal expansion occurs between the area A1 and the area A2, the stress on the fuel cell 111 can be reduced by deforming the holding frame 113 in the area A1. Thereby, breakage of the end of the cell unit 100 can be suppressed more reliably.

なお、上記では、図５Ａ、図５Ｂおよび図６Ｂに示すカソードガスＣＧの流れ方向の上流側に形成された空間部Ｓ１について述べたが、図５Ｃに示すセルユニット１００のＹ方向の端部に形成された空間部Ｓ２についても上記と同様の作用効果が得られる。 In the above description, the space S1 formed on the upstream side in the flow direction of the cathode gas CG shown in FIG. 5A, FIG. 5B and FIG. 6B has been described, but the end in the Y direction of the cell unit 100 shown in FIG. The same operation and effect as above can be obtained for the formed space S2.

以下、セルユニット１００の各構成部材について詳細に説明する。 Hereinafter, each component of the cell unit 100 will be described in detail.

（燃料電池セル１１１）
再び図３を参照して、燃料電池セル１１１は、電解質層１１１Ｅの両側に一対の電極であるアノード電極層１１１Ａおよびカソード電極層１１１Ｃを積層して構成される。 (Fuel cell 111)
Referring to FIG. 3 again, fuel cell 111 is configured by stacking a pair of electrodes, an anode electrode layer 111A and a cathode electrode layer 111C, on both sides of electrolyte layer 111E.

アノード電極層１１１Ａは、燃料極であって、アノードガスＡＧ（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスＡＧの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード電極層１１１Ａは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスＡＧを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、アノードガスＡＧを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード電極層１１１Ａの形成材料は、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させたものが挙げられる。 The anode electrode layer 111A is a fuel electrode, and reacts an anode gas AG (for example, hydrogen) with an oxide ion to generate an oxide of the anode gas AG and extract electrons. The anode electrode layer 111A has resistance to a reducing atmosphere, allows the anode gas AG to pass therethrough, has high electric (electron and ion) conductivity, and has a catalytic action to react the anode gas AG with oxide ions. Examples of a material for forming the anode electrode layer 111A include a material in which a metal such as nickel and an oxide ion conductor such as yttria-stabilized zirconia are mixed.

カソード電極層１１１Ｃは、酸化剤極であって、カソードガスＣＧ（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード電極層１１１Ｃは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスＣＧを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード電極層１１１Ｃの形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。 The cathode electrode layer 111C is an oxidant electrode, and reacts a cathode gas CG (for example, oxygen contained in air) with an electron to convert oxygen molecules into oxide ions. The cathode electrode layer 111C has resistance to an oxidizing atmosphere, transmits cathode gas CG, has high electric (electron and ion) conductivity, and has a catalytic action of converting oxygen molecules into oxide ions. As a material for forming the cathode electrode layer 111C, for example, an oxide made of lanthanum, strontium, manganese, cobalt, or the like can be used.

電解質層１１１Ｅは、カソード電極層１１１Ｃからアノード電極層１１１Ａに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質層１１１Ｅは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質層１１１Ｅの形成材料は、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、スカンジウム等をドープした安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスが挙げられる。 The electrolyte layer 111E transmits oxide ions from the cathode electrode layer 111C toward the anode electrode layer 111A. The electrolyte layer 111E does not allow gas and electrons to pass while allowing oxide ions to pass through. Examples of the material for forming the electrolyte layer 111E include solid oxide ceramics such as stabilized zirconia doped with yttria, neodymium oxide, samarium, gadolinium, and scandium.

（メタルサポート部１１２）
メタルサポート部１１２は、図３に示すように、燃料電池セル１１１をアノード電極層１１１Ａの側から支持するものである。メタルサポート部１１２は、ガス透過性および電子伝導性を有する。メタルサポート部１１２は、金属粉末からなる焼結体または金属の多孔体から形成される。メタルサポート部１１２の形成材料は、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。 (Metal support part 112)
As shown in FIG. 3, the metal support portion 112 supports the fuel cell 111 from the side of the anode electrode layer 111A. The metal support portion 112 has gas permeability and electron conductivity. The metal support portion 112 is formed of a sintered body made of metal powder or a metal porous body. Examples of the material for forming the metal support 112 include a corrosion resistant alloy, corrosion resistant steel, and stainless steel containing nickel and chromium.

（保持フレーム１１３）
保持フレーム１１３は、図３に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍを周囲から保持するものである。図３に示すように、保持フレーム１１３は、開口部１１３Ｈを有する。保持フレーム１１３の開口部１１３Ｈには、メタルサポートセル１１０Ｍが配置される。メタルサポートセル１１０Ｍの外周は、保持フレーム１１３の開口部１１３Ｈの内縁に接合される。保持フレーム１１３の形成材料は、例えば、表面に絶縁処理が施された金属が挙げられる。保持フレーム１１３の外周には、図３に示すように、マニホールド部１５０ａ〜１５０ｅを構成するアノード用開口部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅが形成されている。 (Holding frame 113)
As shown in FIG. 3, the holding frame 113 holds the metal support cell 110M from the surroundings. As shown in FIG. 3, the holding frame 113 has an opening 113H. The metal support cell 110M is arranged in the opening 113H of the holding frame 113. The outer periphery of the metal support cell 110M is joined to the inner edge of the opening 113H of the holding frame 113. As a material for forming the holding frame 113, for example, a metal whose surface has been subjected to an insulation treatment can be given. As shown in FIG. 3, anode openings 113 a, 113 b, 113 c, 113 d, and 113 e constituting the manifolds 150 a to 150 e are formed on the outer periphery of the holding frame 113.

（セパレータ１３０）
セパレータ１３０は、積層方向に隣り合うセルアッセンブリー１１０間に配置される。図２に示すように、セパレータ１３０は、セルアッセンブリー１１０の燃料電池セル１１１と対向する領域に流路部１３１を有する。流路部１３１は、燃料電池セル１１１との間にカソードガスＣＧおよびアノードガスＡＧの流路を区画形成する凹凸形状を有している。セパレータ１３０の形成材料は、特に限定されないが、例えば、高温での耐食性を高めるために表面にＣｒ_２Ｏ_３が形成されたステンレス鋼などの金属が挙げられる。セパレータ１３０の流路部１３１以外の領域には、絶縁処理が施されている。セパレータ１３０外周には、図２に示すように、マニホールド部１５０ａ〜１５０ｅを構成するアノード用開口部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅが形成されている。 (Separator 130)
The separator 130 is arranged between the cell assemblies 110 adjacent in the stacking direction. As shown in FIG. 2, the separator 130 has a flow path 131 in a region of the cell assembly 110 facing the fuel cell 111. The flow path portion 131 has an uneven shape that defines a flow path for the cathode gas CG and the anode gas AG between the flow path portion 131 and the fuel cell 111. The material for forming the separator 130 is not particularly limited. For example, a metal such as stainless steel having Cr ₂ O ₃ formed on the surface in order to enhance corrosion resistance at high temperatures can be used. The area other than the flow path 131 of the separator 130 is subjected to insulation treatment. As shown in FIG. 2, anode openings 130 a, 130 b, 130 c, 130 d, and 130 e constituting the manifolds 150 a to 150 e are formed on the outer periphery of the separator 130.

（集電層１２０）
集電層１２０は、例えば、エキスパンドメタル、発泡金属、メッシュ状の金属などの複数の孔が形成された導電性の多孔質体から形成することができる。集電層１２０は、ガス拡散性を確保しつつ、燃料電池セル１１１とセパレータ１３０との電気的な接触を補助して電子伝導性を向上することができる。 (Current collecting layer 120)
The current collecting layer 120 can be formed from, for example, a conductive porous body in which a plurality of holes are formed, such as an expanded metal, a foamed metal, and a mesh-shaped metal. The current collecting layer 120 can improve the electron conductivity by assisting the electrical contact between the fuel cell 111 and the separator 130 while ensuring gas diffusion.

以上説明したように、本実施形態に係るセルユニット１００は、燃料電池セル１１１と、保持フレーム１１３と、集電層１２０と、セパレータ１３０と、絶縁部材１７０と、を有する。セルユニット１００は、燃料電池セル１１１の端部と保持フレーム１１３とが接合された接合部１８０と、接合部１８０よりもカソードガスＣＧの上流側にカソードガスＣＧから遮蔽された空間部Ｓ１を区画形成する遮蔽部１９０と、をさらに有する。 As described above, the cell unit 100 according to the present embodiment includes the fuel cell 111, the holding frame 113, the current collecting layer 120, the separator 130, and the insulating member 170. The cell unit 100 divides a joining portion 180 in which the end of the fuel cell 111 is joined to the holding frame 113 and a space S1 shielded from the cathode gas CG upstream of the joining portion 180 with respect to the cathode gas CG. And a shielding portion 190 to be formed.

上記セルユニット１００によれば、熱容量の比較的大きい接合部１８０（領域Ａ２）よりもカソードガスＣＧの上流側の熱容量の比較的小さい領域Ａ１に遮蔽部１９０の空間部Ｓ１を形成することによって、領域Ａ１に対してカソードガスＣＧの熱が伝達することを抑制できる。これにより、領域Ａ１と領域Ａ２との温度差が小さくなるため、領域Ａ１と領域Ａ２との熱膨張量の差が小さくなる。よって、接合部１８０を含むセルユニット１００の端部の破損を抑制することができる。特に、ＳＯＦＣのように急速起動時に高温の作動温度まで昇温させるような場合に領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差を抑え、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部（特に、接合部１８０）の破損を抑制することができる。これにより、接合部１８０の破損によるカソードガスＣＧのリークも防止することができる。また、カソードガスＣＧの流れを妨げることなく接合部１８０の破損を抑制することができるため、効率的な起動時の昇温が可能となる。その結果、簡単なセルユニット１００の端部構成でセルユニット１００の端部の破損を抑制し、ガスリークを防止できるため、発電性能を大幅に向上させることができる。 According to the cell unit 100, the space S1 of the shielding portion 190 is formed in the region A1 having a relatively small heat capacity on the upstream side of the cathode gas CG with respect to the bonding portion 180 (region A2) having a relatively large heat capacity. Transfer of heat of the cathode gas CG to the region A1 can be suppressed. Thus, the temperature difference between the region A1 and the region A2 is reduced, and the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 is reduced. Therefore, breakage of the end of the cell unit 100 including the joint 180 can be suppressed. In particular, when the temperature is raised to a high operating temperature at the time of rapid startup as in an SOFC, the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 is suppressed, and the cell caused by the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 Breakage of the end portion (particularly, the joining portion 180) of the unit 100 can be suppressed. Thereby, the leakage of the cathode gas CG due to the breakage of the joint 180 can also be prevented. In addition, since the breakage of the bonding portion 180 can be suppressed without obstructing the flow of the cathode gas CG, the temperature can be efficiently raised at the time of startup. As a result, the end of the cell unit 100 can be prevented from being damaged by a simple end structure of the cell unit 100 and gas leakage can be prevented, so that the power generation performance can be greatly improved.

また、遮蔽部１９０は、集電層１２０および絶縁部材１７０の少なくとも一方によって形成される。燃料電池の構成部材として従来から用いられている集電層１２０や絶縁部材１７０によって遮蔽部１９０を形成することによって、新しい部材を追加で設ける必要がない。これにより、構造を簡略化でき、製造コストを削減することができる。 Further, the shielding portion 190 is formed by at least one of the current collecting layer 120 and the insulating member 170. By forming the shielding portion 190 with the current collecting layer 120 and the insulating member 170 conventionally used as constituent members of the fuel cell, it is not necessary to additionally provide a new member. Thus, the structure can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced.

また、絶縁部材１７０の熱伝導率は、保持フレーム１１３よりも小さい。これにより、領域Ａ１の保持フレーム１１３のうち絶縁部材１７０に覆われた部分には高温のカソードガスＣＧが直接当たらず、熱伝導率の小さい絶縁部材１７０を介して伝熱するため、伝熱速度（昇温）が遅くなる。その結果、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差を抑え、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部（特に、接合部１８０）の破損をさらに抑制することができる。 The thermal conductivity of the insulating member 170 is smaller than that of the holding frame 113. Thus, the high-temperature cathode gas CG does not directly hit the portion of the holding frame 113 in the region A1 that is covered with the insulating member 170, and heat is transferred through the insulating member 170 having a low thermal conductivity. (Heating) slows down. As a result, the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 is suppressed, and damage to the end portion (particularly, the joint 180) of the cell unit 100 due to the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 is further suppressed. be able to.

また、保持フレーム１１３の曲げ剛性は、燃料電池セル１１１の曲げ剛性よりも小さくなるように構成されているため、燃料電池セル１１１よりも保持フレーム１１３の方が変形しやすい。このため、仮に領域Ａ１と領域Ａ２との間に熱膨張量の差が生じても、領域Ａ１の保持フレーム１１３が変形することで燃料電池セル１１１への応力を緩和することができる。これにより、セルユニット１００の端部の破損をより確実に抑制することができる。 Further, since the bending rigidity of the holding frame 113 is configured to be smaller than the bending rigidity of the fuel cell 111, the holding frame 113 is more easily deformed than the fuel cell 111. Therefore, even if a difference in the amount of thermal expansion occurs between the area A1 and the area A2, the stress on the fuel cell 111 can be reduced by deforming the holding frame 113 in the area A1. Thereby, breakage of the end of the cell unit 100 can be suppressed more reliably.

以下、変形例について説明する。なお、前述した実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。 Hereinafter, modified examples will be described. In addition, about the structure similar to embodiment mentioned above, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

＜変形例１＞
図７Ａおよび図７Ｂは、変形例１に係る燃料電池スタックを示す断面図である。変形例１に係る遮蔽部２９０は、空間部Ｓ１の積層方向に沿う最大高さＨ１が燃料電池セル１１１の積層方向に沿う高さＨ２よりも大きくなるように形成した点で前述した実施形態と異なる。 <Modification 1>
7A and 7B are cross-sectional views illustrating a fuel cell stack according to Modification 1. The shielding portion 290 according to the first modification is different from the above-described embodiment in that the maximum height H1 along the stacking direction of the space portions S1 is larger than the height H2 along the stacking direction of the fuel cells 111. different.

遮蔽部２９０は、集電層１２０をセパレータ１３０側に突出させることによって、空間部Ｓ１の積層方向に沿う最大高さＨ１が燃料電池セル１１１の積層方向に沿う高さＨ２よりも大きくなるように形成される。空間部Ｓ１の体積が増加するため、空間部Ｓ１を介した領域Ａ１への伝熱が前述した実施形態に比べてさらに遅くなり、領域Ａ１の保持フレーム１１３（図７Ａおよび図７Ｂ中の破線囲み部分）の昇温をさらに遅くできる。 The shielding portion 290 causes the current collecting layer 120 to protrude toward the separator 130 so that the maximum height H1 along the stacking direction of the space S1 is greater than the height H2 along the stacking direction of the fuel cells 111. It is formed. Since the volume of the space S1 is increased, the heat transfer to the region A1 via the space S1 is further slowed down as compared with the above-described embodiment, and the holding frame 113 of the region A1 (see the encircled broken line in FIGS. 7A and 7B). Part) can be further delayed.

＜変形例２＞
図８Ａおよび図８Ｂは、変形例２に係る燃料電池スタックを示す断面図である。変形例２に係る遮蔽部３９０は、絶縁部材１７０の積層方向に沿う高さ（厚み）Ｈ３を燃料電池セル１１１の積層方向に沿う高さＨ２よりも大きくした点で前述した実施形態と異なる。 <Modification 2>
8A and 8B are cross-sectional views illustrating a fuel cell stack according to Modification 2. The shielding portion 390 according to Modification 2 differs from the above-described embodiment in that the height (thickness) H3 of the insulating member 170 along the stacking direction is larger than the height H2 of the fuel cell 111 along the stacking direction.

絶縁部材１７０の厚みＨ３が厚く、空間部Ｓ１のＹ方向の幅Ｗ１が大きいほど、空間部Ｓ１の体積が増加するため、空間部Ｓ１を介した領域Ａ１への伝熱が前述した実施形態に比べてさらに遅くなり、領域Ａ１の保持フレーム１１３（図８Ａおよび図８Ｂ中の破線囲み部分）の昇温をさらに遅くできる。 As the thickness H3 of the insulating member 170 is larger and the width W1 of the space S1 in the Y direction is larger, the volume of the space S1 increases, so that the heat transfer to the region A1 via the space S1 is as described in the above-described embodiment. In comparison with this, the temperature of the holding frame 113 in the area A1 (the portion surrounded by a broken line in FIGS. 8A and 8B) can be further delayed.

上記変形例１および変形例２のように、空間部Ｓ１の体積を増加させることによって遮蔽部２９０、３９０による遮熱効果をさらに高めることができる。空間部Ｓ１の体積を増加させる観点から、空間部Ｓ１の（最大）高さＨ１と絶縁部材１７０の厚みＨ３は、セルユニット１００の厚みとカソードガスＣＧの圧損の制約の中で可能な限り大きくすることが好ましい。同様に、空間部Ｓ１のＹ方向の幅Ｗ１は、セルユニット１００の面積の制約の中で可能な限り大きくすることが好ましい。 As in the first and second modifications, the heat shielding effect of the shielding portions 290 and 390 can be further increased by increasing the volume of the space S1. From the viewpoint of increasing the volume of the space S1, the (maximum) height H1 of the space S1 and the thickness H3 of the insulating member 170 are as large as possible within the constraints of the thickness of the cell unit 100 and the pressure loss of the cathode gas CG. Is preferred. Similarly, it is preferable to make the width W1 of the space S1 in the Y direction as large as possible under the restriction of the area of the cell unit 100.

＜変形例３＞
図９Ａおよび図９Ｂは、変形例３に係る燃料電池スタックを示す断面図である。変形例３に係る遮蔽部４９０は、集電層１２０および保持フレーム１１３の表面に絶縁処理を施した絶縁層４７０を有する点で前述した実施形態および変形例と異なる。遮蔽部４９０は、燃料電池セル１１１の端部、集電層１２０および保持フレーム１１３に囲まれた領域によって形成される。これにより、構成部材（絶縁部材１７０）を削減して構造をより簡単にすることができる。また、絶縁部材１７０の厚みを削減した分だけ、カソードガスＣＧの流路を大きく形成することができ、圧損を抑えることができる。 <Modification 3>
9A and 9B are cross-sectional views illustrating a fuel cell stack according to Modification 3. The shielding part 490 according to the third modification is different from the above-described embodiment and the modification in that the shielding part 490 includes an insulating layer 470 in which the surfaces of the current collecting layer 120 and the holding frame 113 are subjected to an insulating process. The shielding portion 490 is formed by an end portion of the fuel cell 111, a region surrounded by the current collecting layer 120 and the holding frame 113. Thus, the number of constituent members (insulating members 170) can be reduced, and the structure can be simplified. In addition, the flow path of the cathode gas CG can be formed larger by the reduction in the thickness of the insulating member 170, and the pressure loss can be suppressed.

＜変形例４＞
図１０Ａおよび図１０Ｂは、変形例４に係る燃料電池スタックを示す断面図である。変形例４に係る遮蔽部５９０は、集電層１２０の表面のうち少なくともカソードガスＣＧと接触する面に設けられる遮熱層５２１と、保持フレーム１１３の表面のうち少なくとも空間部Ｓ１と接触する面に設けられる遮熱層５２２（遮熱コート）を有する点で前述した実施形態および変形例と異なる。 <Modification 4>
10A and 10B are cross-sectional views illustrating a fuel cell stack according to Modification 4. The shielding portion 590 according to the fourth modification includes a heat shielding layer 521 provided on at least a surface of the current collecting layer 120 that contacts the cathode gas CG, and a surface of the holding frame 113 that contacts at least the space S1. Is different from the above-described embodiments and modified examples in having a heat-shielding layer 522 (heat-shielding coat).

遮熱層５２１、５２２の構成材料としては、セパレータ１３０の表面に形成されたＣｒ_２Ｏ_３よりも放射率が小さい材料を用いることが好ましい。遮熱層５２１、５２２をセパレータ１３０の表面よりも放射率が小さい材料から構成することによって、遮蔽部５９０が高温のカソードガスＣＧから吸収する熱エネルギーをセパレータ１３０よりも低くすることができる。これにより、カソードガスＣＧからの熱をセパレータ１３０により多く吸収させることによって、遮蔽部５９０への伝熱量を小さくすることができる。 As a constituent material of the heat shield layers 521 and 522, a material having a lower emissivity than Cr ₂ O ₃ formed on the surface of the separator 130 is preferably used. By forming the heat shield layers 521 and 522 from a material having a lower emissivity than the surface of the separator 130, the heat energy absorbed by the shield portion 590 from the high-temperature cathode gas CG can be made lower than that of the separator 130. This allows the separator 130 to absorb more heat from the cathode gas CG, thereby reducing the amount of heat transferred to the shielding portion 590.

Ｃｒ_２Ｏ_３よりも放射率が小さい材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＡｌまたはＡｌ_２Ｏ_３、ＳｎまたはＳｎ酸化物、ＣｏまたはＣｏ酸化物などを好適に使用できる。 As a material having a lower emissivity than Cr ₂ O ₃ , for example, Ag, Au, Pt, Pd, Al or Al ₂ O ₃ , Sn or Sn oxide, Co or Co oxide can be preferably used.

上記変形例４によれば、遮蔽部５９０は、伝熱を抑制する遮熱層５２１、５２２を有するため、高温のカソードガスＣＧから遮蔽部５９０への伝熱量が低減する。これにより、遮蔽部５９０から熱容量が比較的小さい領域Ａ１への伝熱量（熱輻射量）も低減することができる。このため、セルユニット１００の端部側の領域Ａ１（特に、保持フレーム１１３）の昇温が遅くなる。その結果、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部（特に、接合部１８０）の破損を抑制し、ガスリークをより確実に防止できる。 According to the fourth modification, since the shield 590 includes the heat shield layers 521 and 522 that suppress heat transfer, the amount of heat transferred from the high-temperature cathode gas CG to the shield 590 is reduced. Thereby, the heat transfer amount (heat radiation amount) from the shielding portion 590 to the region A1 having a relatively small heat capacity can also be reduced. For this reason, the temperature rise of the area A1 (particularly, the holding frame 113) on the end side of the cell unit 100 is delayed. As a result, breakage of the end portion (particularly, the joint 180) of the cell unit 100 due to the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 can be suppressed, and gas leakage can be more reliably prevented.

また、遮熱層５２１は、集電層１２０の表面のうち少なくともカソードガスＣＧと接触する面に設けられるため、高温のカソードガスＣＧから遮蔽部５９０への伝熱量（熱輻射量）をさらに低減することができる。これにより、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部（特に、接合部１８０）の破損を抑制し、ガスリークをより一層確実に防止できる。 In addition, since the heat shield layer 521 is provided on at least the surface of the current collecting layer 120 that is in contact with the cathode gas CG, the amount of heat transfer (heat radiation) from the high-temperature cathode gas CG to the shield unit 590 is further reduced. can do. Thereby, damage to the end portion (particularly, the joining portion 180) of the cell unit 100 due to the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 can be suppressed, and gas leak can be more reliably prevented.

また、遮熱層５２２は、保持フレーム１１３の表面のうち少なくとも空間部Ｓ１と接触する面に設けられるため、高温のカソードガスＣＧから保持フレーム１１３への伝熱量（熱輻射量）をさらに低減することができる。これにより、保持フレーム１１３の昇温速度がさらに遅くなる。よって、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部の破損を抑制し、ガスリークをより一層確実に防止できる。 In addition, since the heat shield layer 522 is provided on at least the surface of the holding frame 113 that contacts the space S1, the amount of heat transfer (heat radiation) from the high-temperature cathode gas CG to the holding frame 113 is further reduced. be able to. As a result, the temperature rising rate of the holding frame 113 is further reduced. Therefore, damage to the end of the cell unit 100 due to the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 can be suppressed, and gas leakage can be more reliably prevented.

＜変形例５＞
図１１Ａ〜図１１Ｄは、変形例５に係る燃料電池スタックを示す断面図である。変形例５に係る遮蔽部６９０は、絶縁部材１７０と保持フレーム６１３との間に空間部Ｓ１を区画形成する点で前述した実施形態および変形例と異なる。 <Modification 5>
11A to 11D are cross-sectional views illustrating a fuel cell stack according to Modification 5. The shielding part 690 according to the fifth modification is different from the above-described embodiment and the modification in that a space S1 is defined between the insulating member 170 and the holding frame 613.

図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、接合部６８０は、燃料電池セル１１１の電解質層１１１Ｅと保持フレーム６１３とを接合する。接合部６８０の接合方法としては、セラミックス製の電解質層１１１Ｅと金属製の保持フレーム６１３とを接合可能な限りにおいて特に限定されないが、例えば、ろう材、接着剤、ガラス等の接合部材によって接合する方法や焼結結合などの溶接以外の接合方法を用いることができる。 As shown in FIG. 11A and FIG. 11B, the joint 680 joins the electrolyte layer 111 </ b> E of the fuel cell 111 and the holding frame 613. The joining method of the joining portion 680 is not particularly limited as long as the ceramic electrolyte layer 111E and the metal holding frame 613 can be joined. For example, the joining is performed using a joining member such as a brazing material, an adhesive, or glass. A joining method other than welding, such as a method and sintering, can be used.

領域Ａ１の保持フレーム６１３の一部は、アノードガスＡＧの流路側に凹んだ凹部６１３ａを形成し、カソードガスＣＧの流路側から当該凹部６１３ａを覆うように絶縁部材１７０が延在する。遮蔽部６９０は、凹部６１３ａと絶縁部材１７０によって囲まれた部分に空間部Ｓ１を区画形成する。 A part of the holding frame 613 in the region A1 forms a recess 613a that is recessed on the flow path side of the anode gas AG, and the insulating member 170 extends from the flow path side of the cathode gas CG so as to cover the recess 613a. The shielding portion 690 defines and forms a space S1 in a portion surrounded by the concave portion 613a and the insulating member 170.

空間部Ｓ１を形成することによって、セルユニット１００の端部側の領域Ａ１（特に、保持フレーム６１３の凹部６１３ａ）の昇温速度が遅くなる。これにより、領域Ａ１と領域Ａ２との温度差が小さくなり、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差が大幅に小さくなる。さらに、カソードガスＣＧの流路側の空間部Ｓ１を絶縁部材１７０によって覆うことによって、カソードガスＣＧから保持フレーム１１３への伝熱をさらに抑制することができる。また、図１１Ｄに示すように、空間部Ｓ１はカソードガスＣＧの流路とアノードガスＡＧの流路の間に形成されるため、カソードガスＣＧおよびアノードガスＡＧの流れを妨げることがない。 By forming the space S1, the temperature rising speed of the region A1 on the end side of the cell unit 100 (particularly, the concave portion 613a of the holding frame 613) is reduced. Thereby, the temperature difference between the region A1 and the region A2 is reduced, and the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 is significantly reduced. Further, by covering the space S1 on the flow path side of the cathode gas CG with the insulating member 170, heat transfer from the cathode gas CG to the holding frame 113 can be further suppressed. Further, as shown in FIG. 11D, since the space S1 is formed between the flow path of the cathode gas CG and the flow path of the anode gas AG, the flow of the cathode gas CG and the flow of the anode gas AG are not obstructed.

図１１Ｃに示すように、セルユニット１００のＹ方向の端部では、セルユニット１００の端部側の領域Ａ１では保持フレーム６１３を覆うように絶縁部材１７０が延在する。これにより、カソードガスＣＧから保持フレーム６１３への伝熱を抑制することができる。 As shown in FIG. 11C, at the end of the cell unit 100 in the Y direction, the insulating member 170 extends so as to cover the holding frame 613 in a region A1 on the end side of the cell unit 100. Thus, heat transfer from the cathode gas CG to the holding frame 613 can be suppressed.

上記の作用により変形例５に係るセルユニット１００によれば、カソードガスＣＧの流れを妨げることなく、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部（特に、接合部６８０）の破損を抑制し、ガスリークをより確実に防止できる。その結果、簡単なセルユニット１００の端部構成でセルユニット１００の端部の破損を抑制し、ガスリークを防止できるため、発電性能を大幅に向上させることができる。 According to the cell unit 100 according to the fifth modification by the above-described operation, the end of the cell unit 100 (particularly, the junction) is caused by the difference in the amount of thermal expansion between the region A1 and the region A2 without obstructing the flow of the cathode gas CG. The portion 680) can be prevented from being damaged, and gas leak can be more reliably prevented. As a result, the end of the cell unit 100 can be prevented from being damaged by a simple end structure of the cell unit 100 and gas leakage can be prevented, so that the power generation performance can be greatly improved.

以上、実施形態および変形例を通じて本発明に係るセルユニットを説明したが、本発明は実施形態および変形例において説明した内容のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 As described above, the cell unit according to the present invention has been described through the embodiments and the modifications. However, the present invention is not limited to only the contents described in the embodiments and the modifications, and may be appropriately based on the description in the claims. It is possible to change.

例えば、空間部に超低熱伝導率材料から構成される断熱材を配置してもよい。 For example, a heat insulating material made of an ultra-low thermal conductivity material may be arranged in the space.

また、集電層や絶縁部材などの燃料電池の構成部材として従来から用いられている部材を用いて遮蔽部を構成する形態に限定されず、新たな部材を設けて遮蔽部を構成してもよい。 Further, the present invention is not limited to a configuration in which the shielding unit is configured using members that have been conventionally used as components of the fuel cell such as a current collecting layer and an insulating member. Good.

また、前述した実施形態およびその変形例では、燃料電池スタックは、オープンカソード構造として説明したが、セルユニット内にカソード用のマニホールド部を形成したクローズドカソード構造として構成してもよい。 Further, in the above-described embodiments and the modifications thereof, the fuel cell stack is described as having an open cathode structure. However, the fuel cell stack may have a closed cathode structure in which a cathode manifold is formed in a cell unit.

また、前述した実施形態およびその変形例において、燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）として説明したが、固体高分子膜形燃料電池（ＰＥＭＦＣ、ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ、ＰｈｏｓｐｈｏｒｉｃＡｃｉｄＦｕｅｌＣｅｌｌ）または溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ、ＭｏｌｔｅｎＣａｒｂｏｎａｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）として構成してもよい。 Further, in the above-described embodiments and the modifications thereof, the fuel cell stack has been described as a solid oxide fuel cell (SOFC), but a solid polymer membrane fuel cell (PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), phosphoric acid, A fuel cell (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell) or a molten carbonate fuel cell (MCFC, Molton Carbonate Fuel Cell) may be used.

また、実施形態およびその変形例において説明したセルユニットの各構成は、特許請求の範囲に記載された発明と矛盾することのない限りにおいて適宜組み合わせることができ、明細書において説明した組み合わせのみに限定されることはない。 In addition, each configuration of the cell unit described in the embodiment and its modifications can be appropriately combined as long as it does not contradict the invention described in the claims, and is limited to only the combination described in the specification. It will not be done.

また、実施形態およびその変形例において説明したセルユニットの各部の構造や部材の配置等は適宜変更することができ、図示により説明した付加的な部材の使用の省略や、その他の付加的な部材の使用等も適宜に行いうる。 In addition, the structure of each part of the cell unit and the arrangement of members described in the embodiment and the modifications thereof can be appropriately changed, and the use of additional members described with reference to the drawings can be omitted, and other additional members can be used. Can be used as appropriate.

１０燃料電池スタック、
１００セルユニット、
１１０セルアッセンブリー、
１１０Ｍメタルサポートセル、
１１１燃料電池セル、
１１１Ａアノード電極、
１１１Ｃカソード電極、
１１１Ｅ電解質層、
１１２メタルサポート部、
１１３、６１３保持フレーム、
１２０集電層、
１３０セパレータ、
１５０マニホールド部、
１６０シール部、
１７０絶縁部材、
１８０接合部、
１９０、２９０、３９０、４９０、５９０、６９０遮蔽部、
４７０絶縁層、
５２１、５２２遮熱層、
６８０接合部材、
Ｓ１、Ｓ２空間部、
ＡＧアノードガス、
ＣＧカソードガス。 10 fuel cell stack,
100 cell units,
110 cell assembly,
110M metal support cell,
111 fuel cells,
111A anode electrode,
111C cathode electrode,
111E electrolyte layer,
112 Metal Support Department,
113, 613 holding frame,
120 current collecting layer,
130 separator,
150 manifold section,
160 seal part,
170 insulating members,
180 joints,
190, 290, 390, 490, 590, 690 shielding part,
470 insulating layer,
521, 522 heat shielding layer,
680 joining members,
S1, S2 space,
AG anode gas,
CG Cathode gas.

Claims

An electrolyte layer, a fuel cell including an anode electrode layer and a cathode electrode layer,
A holding frame for holding the fuel cell,
A current collecting layer for collecting current generated by the fuel cell,
A separator that forms a flow path of the cathode gas between the current collecting layer,
An insulating member disposed between the separator and the holding frame,
A joining portion in which the end portion of the fuel cell and the holding frame are joined,
A shielding unit that defines a space shielded from the cathode gas on the upstream side of the cathode gas from the joining unit;
A cell unit.

The cell unit according to claim 1, wherein the shielding unit is formed by at least one of the current collecting layer and the insulating member.

The cell unit according to claim 1, wherein the shielding unit has a heat shielding layer that suppresses heat transfer.

4. The cell unit according to claim 3, wherein the heat shielding layer is provided on at least a surface of the current collecting layer that contacts the cathode gas. 5.

The cell unit according to claim 3, wherein the heat shield layer is provided on at least a surface of the holding frame that contacts the space.

The cell unit according to claim 1, wherein a thermal conductivity of the insulating member is smaller than that of the holding frame.

The cell unit according to any one of claims 1 to 6, wherein a maximum height of the space portion in the stacking direction is larger than a height of the fuel cell in the stacking direction.

The cell unit according to claim 1, wherein a bending rigidity of the holding frame is smaller than a bending rigidity of the fuel cell.