JP2021022459A - 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6)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)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。また、本明細書では、Z軸に直交する方向を面方向という。面方向は、特許請求の範囲における第2の方向に相当する。
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。なお、一対のエンドプレート104,106は、特許請求の範囲における一対のエンド部材に相当する。
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る。
図2、図4および図6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流路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流路142を介して、燃料室176に供給される。
図1から図3に示すように、本実施形態の燃料電池スタック100では、各エンドプレート104,106には、上下方向(単セル110の並び方向)に貫通する開口窓104A,106Aが形成されている。すなわち、各エンドプレート104,106には、開口窓104A,106Aによって、上下の両側(セルブロック103側と、該セルブロック103とは反対側)に開口する空間S1,S2が形成されている。上下方向視で、各空間S1,S2の輪郭線は、単セル110を内包している。換言すれば、各空間S1,S2の輪郭線は、全周にわたって、単セル110の外形線の外側に位置している。上下方向視で、各エンドプレート104,106は、セルブロック103に重なっておらず、フレーム130,140に重なっている。
図7は、第1のセパレータ120および第2のセパレータ180の一部分(図4のPx部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。なお、第1のセパレータ120の上下方向の厚さ(例えば0.1mm)は、各フレーム130,140の上下方向の厚さ(例えば1mm)より薄い。第1のセパレータ120は、特許請求の範囲におけるセパレータに相当する。
<第1の要件>
「第1の距離ΔX1」 > 「第2の距離ΔZ1」
第1の距離ΔX1:単セル110と空気極側フレーム130(上下方向において、第1のセパレータ120に対して単セル110と同じ側に位置するフレーム)との上下方向視における距離
第2の距離ΔZ1:第1のセパレータ120の内、単セル110と接合されているセル側接合部123と、空気極側フレーム130と接合されているフレーム側接合部129との上下方向の距離
<第2の要件>
「第1の連結部128の長さΔC1」 > 「セル側接合部123とフレーム側接合部129との最短距離ΔB1」 − 「第1の距離ΔX1」
第1の連結部128の長さΔC1:第1の連結部128の内周面上における、第1の内側部126と第1の外側部127との間の最短距離
セル側接合部123とフレーム側接合部129との最短距離ΔB1:[(第1の距離ΔX1)2+(第2の距離ΔZ1)2]の平方根から第1の距離ΔX1を除算した値である。
<第3の要件>
「第2の距離ΔZ1」 > 0.01mm
第2のセパレータ180は、第2の貫通孔周囲部182を含む第2の内側部186と、第2の内側部186より外周側に位置する第2の外側部187とを備える。第2の内側部186と第2の外側部187とのZ軸方向における位置は、互いに略同一である。なお、第2の内側部186のZ軸方向における位置とは、第2の内側部186の表面の内の燃料室176に面している側(上側)の表面において、第2の内側部186における最も上に位置する部分の位置を意味する。第2の外側部187のZ軸方向における位置とは、第2の外側部187の表面の内の燃料室176に面している側(上側)の表面において、第2の外側部187における最も上に位置する部分の位置を意味する。
<第4の要件>
「第1の距離ΔX2」 > 「第2の距離ΔZ2」
第1の距離ΔX2:単セル110と空気極側フレーム130(上下方向において、第2のセパレータ180に対して単セル110と同じ側に位置するフレーム)との上下方向視における距離
第2の距離ΔZ2:第2のセパレータ180の内、インターコネクタ150に接合されているコネクタ側接合部183と、燃料極側フレーム140に接合されているフレーム側接合部189との上下方向の距離
<第5の要件>
「第2の連結部188の長さΔC2」 > 「コネクタ側接合部183とフレーム側接合部189との最短距離ΔB2」 − 「第1の距離ΔX2」
第2の連結部188の長さΔC2:第2の連結部188の内周面上における、第2の内側部186と第2の外側部187との間の最短距離
コネクタ側接合部183とフレーム側接合部189との最短距離ΔB2:[(第1の距離ΔX2)2+(第2の距離ΔZ2)2]の平方根から第1の距離ΔX2を除算した値である。
<第6の要件>
「第2の距離ΔZ2」 > 0.01mm
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100では、エンドプレート104,106に空間S1が形成されている。この空間S1は、少なくともセルブロック103側に開口しており、かつ、複数の発電単位102(単セル110)の並ぶ方向である上下方向視で輪郭線が単セル110を内包する。このようにエンドプレート104,106に空間S1が形成された燃料電池スタック100では、例えばエンドプレート104,106に空間が形成されておらず、該エンドプレート104,106のセルブロック103側の表面全体が平坦である構成に比べて、セルブロック103におけるフレーム130,140と単セル110とでは、一対のエンドプレート104,106から受ける荷重が互いに異なることに起因して、エンドプレート104,106と単セル110との上下の方向の変位差(図7に示すセル側接合部123とフレーム側接合部129との上下方向の変位差)が生じやすい。そして、例えば熱サイクルやヒートショック等によってエンドプレート104,106と単セル110との上下方向の変位差がさらに大きくなる。エンドプレート104,106と単セル110との上下方向の変位差が生じると、例えば第1のセパレータ120を介して単セル110が上下方向に引っ張られることによって単セル110にクラック(割れ)が生じたり、エンドプレート104,106によるシール性が低下したりするなど、燃料電池スタック100の性能が低下するおそれがある。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (4)
- 電解質層と前記電解質層を挟んで第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、前記空気極に面する空気室または前記燃料極に面する燃料室を構成するフレーム貫通孔が形成されたフレーム部材と、セパレータ貫通孔が形成され、前記セパレータ貫通孔を取り囲む貫通孔周囲部が前記単セルに接合されると共に周縁部が前記フレーム部材に接合され、前記空気室と前記燃料室とを区画するセパレータと、を備える電気化学反応単位が、前記第1の方向に複数並べて配置された電気化学反応ブロックと、
前記電気化学反応ブロックにおける前記第1の方向の両側にそれぞれ位置し、前記第1の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部材に重なるように配置された一対のエンド部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記一対のエンド部材の少なくとも一方には、少なくとも前記電気化学反応ブロック側に開口する空間であって、前記第1の方向視で輪郭線が前記単セルを内包する空間が形成されており、
少なくとも1つの前記セパレータは、
前記貫通孔周囲部を含む内側部と、
前記内側部より外周側に位置する外側部と、
前記内側部と前記外側部とを連結し、かつ、前記内側部と前記外側部との両方に対して、前記第1の方向の一方側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1に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、前記少なくとも1つの前記セパレータに接合されている前記単セルと前記フレーム部材との前記第1の方向に直交する第3の方向の距離である第1の距離は、前記少なくとも1つの前記セパレータの内、前記単セルと接合されているセル側接合部と、前記フレーム部材と接合されているフレーム側接合部との前記第1の方向の距離である第2の距離より長い、
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、
前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、前記少なくとも1つの前記セパレータにおける前記連結部の長さは、前記少なくとも1つの前記セパレータの内、前記単セルと接合されているセル側接合部と、前記フレーム部材と接合されているフレーム側接合部との最短距離から、前記少なくとも1つの前記セパレータに接合されている前記単セルと前記フレーム部材との前記第1の方向に直交する第3の方向の距離である第1の距離を引いた長さより長い、
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、
前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、前記少なくとも1つの前記セパレータの内、前記単セルと接合されているセル側接合部と、前記フレーム部材と接合されているフレーム側接合部との前記第1の方向の距離である第2の距離は、0.01mm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。
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