JP2020170631A - 電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1(および後述する図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7)のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図4は、図1(および後述する図7)のIV−IVの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、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5以降についても同様である。また、本明細書では、Z軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。
一対のターミナルプレート410,420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。各ターミナルプレート410,420のZ軸方向における厚さ(板厚)は、例えば、0.2mm以上、3mm以下である。上側のターミナルプレート410は、複数の発電単位102から構成される発電ブロック103の上方向側に配置されており、下側のターミナルプレート420は、発電ブロック103の下方向側に配置されている。すなわち、上側のターミナルプレート410は、複数の単セル110の内、Z軸方向において、最も上方向側に位置する単セル110を備える発電単位102の上方向側に配置されている。また、下側のターミナルプレート420は、複数の単セル110の内、Z軸方向において、最も下方向側に位置する単セル110を備える発電単位102の下方向側に配置されている。図2から図4に示すように、上側のターミナルプレート410には、4つのボルト孔109が形成されている。また、下側のターミナルプレート420には、4つの連通孔108と、4つのボルト孔109とが形成されている。上側のターミナルプレート410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、下側のターミナルプレート420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。下側のターミナルプレート420は、特許請求の範囲における第1の導電性部材に相当する。
図2および図3に示すように、燃料電池スタック100は、さらに、下側のエンドプレート106に対して複数の発電単位102とは反対側(すなわち、下側)に配置された4つのガス通路部材27を備える。4つのガス通路部材27は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172と上下方向に重なる位置に配置されている。各ガス通路部材27は、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107に連通する孔が形成された本体部28と、本体部28の側面から分岐した筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。なお、各ガス通路部材27の本体部28とエンドプレート106との間には、絶縁シート26が配置されている。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合材等により構成される。
図5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6は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。図5および図6に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電部材134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電部材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軸方向回りの外周には、上述した各マニホールド161,162,171,172として機能する各連通孔108を構成する孔と、各ボルト孔109を構成する孔とが形成されている。なお、発電単位102は単セル110を備えるため、上述した発電ブロック103は、単セル110が上下方向に複数並べて配置された構造体であるとも表現できる。単セル110は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルに相当する。
図2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、本体部28、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107、下側の絶縁シート520の連通孔108および下側のターミナルプレート420の連通孔108を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通流路132を介して、空気室166に供給される。また、図3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、本体部28、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107、下側の絶縁シート520の連通孔108および下側のターミナルプレート420の連通孔108を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通流路142を介して、燃料室176に供給される。
図7は、図3および図4のVII−VIIの位置における下側の絶縁シート520のXY断面構成を示す説明図である。図7における部分拡大図(A)および(B)では、便宜上、Z軸方向において、図3および図4のVII−VIIの位置における下側の絶縁シート520(具体的には、後述するターミナルプレート側絶縁シート523)のXY断面とは異なる位置のXY断面に存在する下側の絶縁シート520(具体的には、後述するエンドプレート側絶縁シート521)も図示している。図8は、燃料電池スタック100のXZ断面構成を部分的に示す説明図である。図8は、図4に示す断面のX1部における燃料電池スタック100の部分拡大図、すなわち、図1および図7のIV−IVの位置の断面における燃料電池スタック100の部分拡大図である。詳しくは、図8には、ボルト22の中心軸P22を通る、XZ断面の構成が示されている。
図9は、燃料電池スタック100のXZ断面構成を部分的に示す説明図である。図9は、図3に示す断面のX2部における燃料電池スタック100の部分拡大図、すなわち、図1および図7のIII−IIIの位置の断面における燃料電池スタック100の部分拡大図である。詳しくは、図9には、連通孔108(具体的には、ターミナルプレート貫通孔430)の中心軸POを通る、XZ断面の構成が示されている。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100は、単セル110と、下側のターミナルプレート420と、下側の絶縁シート520と、下側のエンドプレート106とを備える。単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んでZ軸方向に互いに対向する空気極114および燃料極116とを含む。下側のターミナルプレート420は、単セル110に対してZ軸方向の下方向側に配置され、導電性を有している。下側のターミナルプレート420は、Z軸方向に略直交する平面状の下面S1を有し、かつ、下側のターミナルプレート420には、Z軸方向に貫くターミナルプレート貫通孔430が形成されている。下側の絶縁シート520は、下側のターミナルプレート420に対してZ軸方向の下方向側に配置され、絶縁性を有している。下側の絶縁シート520には、ターミナルプレート貫通孔430に連通し、かつ、Z軸方向に貫く絶縁シート貫通孔530が形成されている。下側のエンドプレート106は、下側の絶縁シート520に対してZ軸方向の下方向側に配置され、導電性を有している。下側のエンドプレート106は、Z軸方向に略直交する平面状の上面S2を有している。また、本実施形態の燃料電池スタック100では、下側の絶縁シート520は、下側のターミナルプレート420の下面S1と、下側のエンドプレート106の上面S2とに接している。また、第1の仮想延長面Sv1と、絶縁シート貫通孔530の内面Siとの交線L1から、第2の仮想延長面Sv2と、絶縁シート貫通孔530の内面Siとの交線L4に至るまでの下側の絶縁シート520における沿面距離CDは、Z軸方向における下側の絶縁シート520の厚さTiより大きい。このため、本実施形態の燃料電池スタック100では、Z軸方向における下側の絶縁シート520の厚さTiを変えることなく、下側の絶縁シート520の沿面距離CDを大きくすることができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、下側の絶縁シート520の沿面距離CDが、下側の絶縁シート520の厚さTiと同じである構成と比較して、下側のターミナルプレート420と下側のエンドプレート106との間の短絡の発生をより抑制することができる。また、絶縁シート貫通孔530の内面Siにおいて沿面距離CDが大きくなるよう設計する場合、絶縁シート貫通孔530の孔内は限られた空間であるため、燃料電池スタック100の外部へ露出している下側の絶縁シート520の外縁における沿面距離が大きくなるよう設計する場合に比べ困難である。本実施形態の燃料電池スタック100によれば、上述の通り、絶縁シート貫通孔530の孔内の限られた空間において、絶縁シート貫通孔530の内面Siにおける沿面距離CDを効果的に大きくすることができる。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (5)
- 電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、
前記電気化学反応単セルに対して前記第1の方向の一方側に配置された第1の導電性部材であって、前記第1の方向に略直交する平面状の第1の表面を有し、かつ、前記第1の方向に貫く平板貫通孔が形成された、導電性を有する第1の導電性部材と、
前記第1の導電性部材に対して前記第1の方向の前記一方側に配置された絶縁部材であって、前記平板貫通孔に連通し、かつ、前記第1の方向に貫く絶縁貫通孔が形成された、絶縁性を有する絶縁部材と、
前記絶縁部材に対して前記第1の方向の前記一方側に配置され、前記第1の方向に略直交する平面状の第2の表面を有する第2の導電性部材であって、導電性を有する第2の導電性部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記絶縁部材は、前記第1の表面と前記第2の表面とに接しており、
前記絶縁部材の前記第1の導電性部材に接する表面を延長した第1の仮想延長面と、前記絶縁貫通孔を画定する前記絶縁部材の内面との交線から、前記絶縁部材の前記第2の導電性部材に接する表面を延長した第2の仮想延長面と、前記絶縁貫通孔を画定する前記絶縁部材の内面との交線に至るまでの前記絶縁部材における沿面距離は、前記第1の方向における前記絶縁部材の厚さより大きい、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 - 請求項1に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記絶縁部材は、
前記絶縁貫通孔の一部を構成する第1の絶縁貫通孔が形成された第1の絶縁部材と、
前記絶縁貫通孔の他の一部を構成し、かつ、前記第1の絶縁貫通孔の径より大きい径を有する第2の絶縁貫通孔が形成された第2の絶縁部材と、を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 - 請求項1または請求項2に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記絶縁部材における前記沿面距離は、前記第1の方向における前記絶縁部材の厚さの1.13倍以上である、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記絶縁部材は、マイカにより形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
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