JP2020202170A - 電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、第1実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1(および後述する図6,7)のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1(および後述する図6,7)のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。また、図6は、図4のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。
図2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。
図8は、ろう付け部124とその周辺の部分(図4のPx部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。第1実施形態の燃料電池スタック100では、図8に示されたXZ断面において、ろう付け部124は、中間部124Aと、第1の内側部124Bと、第1の外側部124Cとで構成されている。第1実施形態では、中間部124Aと、第1の内側部124Bと、第1の外側部124Cとは、一体の部材として形成されている。
以上説明したように、第1実施形態の燃料電池スタック100は、単セル110と、セパレータ120と、ろう付け部124とを備え、上下方向に並べて配置された複数の発電単位102を備える。単セル110の周縁部分は、上下方向視でセパレータ120の貫通孔121を取り囲む部分と重なっている。第1実施形態の燃料電池スタック100では、上下方向(Z方向)に平行な断面である特定断面(例えば、図8に示されたXZ断面)において、ろう付け部124は、中間部124Aと、第1の内側部124Bと、第1の外側部124Cとで構成されている。中間部124Aは、上下方向視で単セル110の外周線の内側から外側まで延び、単セル110から離隔する部分である。第1の内側部124Bは、上下方向視で中間部124Aの内側の端部に隣接し、セパレータ120と単セル110とに接合された部分である。第1の外側部124Cは、上下方向視で中間部124Aの外側の端部に隣接し、中間部124Aよりも上下方向に突出しているとともに単セル110から離隔した部分である。
B−1.構成:
図9は、第2実施形態の燃料電池スタック100Aにおける、互いに隣接する2つの発電単位102AのXZ断面構成を示す説明図である。図10は、第2実施形態の燃料電池スタック100Aにおける、互いに隣接する2つの発電単位102AのYZ断面構成を示す説明図である。以下では、第2実施形態の燃料電池スタック100Aの構成の内、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
図11は、初期(燃料電池スタック100Aの運転前)における、ろう付け部124およびセパレータ120Aの詳細構成を示す説明図である。図12は、燃料電池スタック100Aの運転時または運転後における、ろう付け部124およびセパレータ120Aの詳細構成を示す説明図である。図11および図12には、図9のPxA部の構成が拡大して示されている。
条件(A1)
上下方向に平行な任意の各断面(例えば、図11に示されるXY断面)において、第2の内側部120Bのうちの単セル110の側の表面120Eに接する接線T1と上下方向に直交する方向(X軸方向)の直線SLとがなす角度θ1(0°≦θ1<90°。すなわち、θ1は鋭角である)は、35°よりも小さい。
条件(A2)
上記の条件(A1)における断面と同一の断面において、第2の外側部120Cのうちの単セル110の側の表面120Fに接する接線T2と、上下方向に直交する方向(X軸方向)の直線SLとがなす角度θ2(0°≦θ2<90°。すなわち、θ2は鋭角である)は、35°よりも小さい。
条件(A3)
上記の条件(A1)における断面と同一の断面において、連結部120Dのうちの第2の内側部120Bとの境界BL1を含む部分における単セル110の側の表面120Gに接する接線T3と、上下方向に直交する方向(図11に示されるXZ断面では、X軸方向)の直線SLとがなす角度θ3(0°≦θ3≦90°。すなわち、θ3は鋭角または直角である)は、35°以上である。
条件(A4)
上記の条件(A1)における断面と同一の断面において、連結部120Dのうちの第2の外側部120Cとの境界BL2を含む部分における単セル110の側の表面120Hに接する接線T4と、上下方向に直交する方向(X軸方向)の直線SLとがなす角度θ4(0°≦θ4≦90°。すなわち、θ4は鋭角または直角である)は、35°以上である。
以上説明したように、第2実施形態の燃料電池スタック100Aでは、セパレータ120Aは、上下方向に平行な任意の各断面(上下方向に平行な断面であって、上下方向視における燃料電池スタック100Aの中心を通る任意の各断面。例えば、図11に示されたXZ断面)において、第2の内側部120Bと、第2の外側部120Cと、第2の内側部120Bと第2の外側部120Cとを連結する連結部120Dを備える。第2の内側部120Bは、貫通孔121を取り囲む部分を含む部分である。第2の外側部120Cは、第2の内側部120Bよりも外周側に位置する部分である。連結部120Dは、第2の内側部120Bと第2の外側部120Cとを連結する部分である。連結部120Dは、ろう付け部124の第1の外側部124Cの外周側に位置すると共に、第2の内側部120Bと第2の外側部120Cとの両方に対して上下方向に突出している。
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 (10)
- 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、
前記第1の方向に貫通する貫通孔が形成され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、
ろう材で形成され、前記セパレータの前記貫通孔を取り囲む部分と前記単セルの周縁部分とを接合するろう付け部と、
をそれぞれ備え、前記第1の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記単セルの前記周縁部分の少なくとも一部は、前記第1の方向視で前記セパレータの前記貫通孔を取り囲む部分の少なくとも一部に重なっており、
前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面である特定断面において、前記ろう付け部は、
前記第1の方向視で前記単セルの外周線の内側から外側まで延び、前記単セルから離隔した中間部と、
前記第1の方向視で前記中間部の内側の端部に隣接し、前記セパレータと前記単セルとに接合された第1の内側部と、
前記第1の方向視で前記中間部の外側の端部に隣接し、前記中間部よりも前記第1の方向に突出するとともに前記単セルから離隔した第1の外側部と、で構成されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 - 請求項1に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定断面において、前記ろう付け部の前記第1の外側部は、前記単セルの前記ろう付け部の前記中間部に前記第1の方向視で対向する表面における前記第1の外側部の側の端点よりも前記第1の方向に突出する、
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、
前記特定断面において、前記ろう付け部の前記第1の外側部の前記第1の内側部とは反対側の表面は、前記第1の方向の前記セパレータの側とは反対側に向かうに従って前記第1の内側部の側に傾斜している、
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、
前記セパレータは、
前記特定断面において、
前記貫通孔を取り囲む部分を含む第2の内側部と、
前記第2の内側部よりも外周側に位置する第2の外側部と、
前記第2の内側部と前記第2の外側部とを連結する連結部であって、前記ろう付け部の前記第1の外側部の外周側に位置すると共に、第2の内側部と前記第2の外側部との両方に対して前記第1の方向に突出している連結部と、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4に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記セパレータの前記連結部は、前記ろう付け部から離隔している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 - 請求項5に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定断面において、
前記セパレータの前記第2の内側部のうちの前記単セルの側の表面に接する接線と、前記第1の方向に直交する第2の方向の直線とがなす角度θ1(0°≦θ1<90°)と、前記セパレータの前記第2の外側部のうちの前記単セルの側の表面に接する接線と、前記第2の方向の直線とがなす角度θ2(0°≦θ2<90°)とは、それぞれ、35°よりも小さく、
前記セパレータの前記連結部のうちの前記第2の内側部との境界を含む部分における前記単セルの側の表面に接する接線と、前記第2の方向の直線とがなす角度θ3(0°≦θ3≦90°)と、前記セパレータの前記連結部のうちの前記第2の外側部との境界を含む部分における前記単セルの側の表面に接する接線と、前記第2の方向の直線とがなす角度θ4(0°≦θ4≦90°)とは、それぞれ、35°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4から請求項6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、
前記セパレータの前記連結部は、前記第2の内側部と前記第2の外側部との両方に対して前記第1の方向の前記単セルの側に突出している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 - 請求項7に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定断面において、前記セパレータの前記連結部は、前記単セルの前記ろう付け部の前記中間部に前記第1の方向視で対向する表面である第1の表面における前記連結部の側の端点よりも前記第1の方向の前記セパレータの側とは反対側まで突出している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 - 請求項8に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定断面において、前記セパレータの前記連結部は、前記単セルの前記第1の表面とは反対側の表面における前記第1の方向視で前記ろう付け部の前記第1の外側部の側の端点よりも前記第1の方向の前記セパレータの側とは反対側まで突出している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 - 請求項7から請求項9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、
前記セパレータの前記連結部は、前記ろう付け部の前記第1の外側部よりも前記第1の方向の前記セパレータの側とは反対側に突出している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
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