JP2021022460A - 電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Abstract
Description
(A)前記第1の方向においてM(Mは1以上の整数)番目に位置する前記接合部と、N(NはMより大きい整数)番目に位置する前記接合部と、の間に挟まれている。
(B)式:L×0.3≦M<N≦L×0.7
ただし、L:前記電気化学反応セルスタックに含まれる前記電気化学反応単位の総数
本電気化学反応セルスタックによれば、前記接合部を形成する接合工程において、治具による圧縮荷重は、前記金属部材に対して前記第1の方向の第1の電気化学反応単位の側に位置する前記電気化学反応単位と、前記金属部材に対して前記第1の方向の第2の電気化学反応単位の側に位置する前記電気化学反応単位とに、より均等に分散される。その結果、上述の圧縮荷重の偏りが、より効果的に緩和される。そのため、前記電気化学反応セルスタックによれば、圧縮荷重の偏りに起因して前記空気極と前記接合部との界面および/または前記空気極側集電部と前記接合部との界面の接触面積が小さくなることをより効果的に抑制することができる。
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6,7,9)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6,7,9)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、後述の孔104A,106Aが形成された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。
下端用セパレータ189は、板状の部材であり、例えば、金属により形成されている。下端用セパレータ189の中央付近には、発電ブロック103において最も下に位置する発電単位102の燃料極側集電体144が接合されている。下端用セパレータ189の周縁部は、発電ブロック103と下側のエンドプレート106との間に挟み込まれている。
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および金属部材107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および金属部材107のYZ断面構成を示す説明図である。図5の上部には、発電単位102の一部分のYZ断面構成が拡大して示されている。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、酸化剤ガス供給マニホールド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供給マニホールド161に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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供給マニホールド171に供給され、燃料ガス供給マニホールド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、単セル用セパレータ120,IC用セパレータ180の詳細構成を示す説明図である。単セル用セパレータ120は、単セル用セパレータ120の貫通孔周囲部(単セル用セパレータ120における孔121を取り囲む部分)を含む内側部126と、内側部126より外周側に位置する外側部127と、内側部126と外側部127とを連結する連結部128とを備える。本実施形態では、内側部126は、平坦形状であり、上下方向に直交する方向(X軸方向)に略平行である。外側部127は、単セル用セパレータ120の周縁部を含んでいる。本実施形態では、外側部127は、平坦形状であり、上下方向に直交する方向(X軸方向)に略平行である。
図9は、図4のIX−IXの位置における金属部材107のXY断面構成を示す説明図である。図4,5,9に示すように、金属部材107は、略矩形の板状の導電性部材であり、ステンレス(例えば、SUS材)で形成されている。金属部材107の熱伝導率は20W/m・Kである。金属部材107の厚さ(板厚)(上下方向の厚さ)t3は、1mm以上(例えば、2.0mm)である。ここでいう「金属部材107の厚さt3は1mm以上」は、金属部材107の上下方向(Z軸方向)の厚さをX軸方向とY軸方向に1mmピッチで計測することにより得られる各測定値の平均値が1mm以上であることを意味する。なお、上述した通り、金属部材107は、金属部材107の下側に隣接する発電単位102が備える上側のIC用セパレータ180に、例えば溶接により接合されている。
上述した構成である燃料電池スタック100の製造方法は、例えば、以下の通りである。はじめに、10個の発電単位102の構成要素となる各部材(単セル110など)と、金属部材107と、一対のエンドプレート104,106とが所定の配列方向(例えば上下方向。以下、上下方向とした場合を例として説明する。)に並べて配置した積層体を作製する。この際、接合部138については、接合部138となる部材であって硬化前の部材(例えばペースト状接合剤)を、単セル110と空気極側集電部134の間と、金属部材107と空気極側集電部134の間とに配置する。
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、発電ブロック103を備える。発電ブロック103は、複数の発電単位102を備える。発電単位102は、単セル110と、インターコネクタ190と、空気極側フレーム130と、燃料極側フレーム140と、単セル用セパレータ120と、IC用セパレータ180と、接合部138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。インターコネクタ190は、空気極114に対向する空気極側集電部134を有する。単セル用セパレータ120は、孔121が形成され、孔121を取り囲む部分である貫通孔周囲部が単セル110の周縁部と接合され、空気室166と燃料室176とを区画する。IC用セパレータ180は、孔181が形成され、孔181を取り囲む部分である貫通孔周囲部がインターコネクタ190の周縁部と接合されている。接合部138は、空気極114と空気極側集電部134との間に配置され、空気極114と空気極側集電部134とを接合する導電性の部材である。
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。
(A)金属部材107は、上下方向においてM(Mは1以上の整数)番目に位置する接合部138と、N(NはMより大きい整数)番目に位置する接合部138との間に挟まれる。
(B)式:L×0.3≦M<N≦L×0.7
ただし、
L:燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の総数
を満たす。
Claims (6)
- 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、
前記空気極と前記燃料極との一方である第1の電極に対向する集電部を有するインターコネクタと、
前記第1の電極に面する第1のガス室、または前記空気極と前記燃料極との他方である第2の電極に面する第2のガス室を取り囲む第1の貫通孔が形成されたフレーム部材と、
第2の貫通孔が形成され、前記第2の貫通孔を取り囲む部分である貫通孔周囲部が前記単セルの周縁部と接合され、前記第1のガス室と前記第2のガス室とを区画する第1のセパレータと、
第3の貫通孔が形成され、前記第3の貫通孔を取り囲む部分である貫通孔周囲部が前記インターコネクタの周縁部と接合された第2のセパレータと、
前記第1の電極と前記集電部との間に配置され、前記第1の電極と前記集電部とを接合する導電性の接合部と、
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する一対のエンド部材と、
前記フレーム部材と前記第1のセパレータと前記第2のセパレータと前記一対のエンド部材とを前記第1の方向に貫く貫通孔に挿入され、前記電気化学反応ブロックを締結する締結部材と、
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つの前記電気化学反応単位に含まれる前記第1のセパレータまたは前記第2のセパレータである特定セパレータは、
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、
前記電気化学反応セルスタックは、さらに、
一の前記電気化学反応単位の前記第1の電極に接続される前記接合部と、他の前記電気化学反応単位の前記第1の電極に接続される前記接合部と、の間に位置する金属部材であって、前記締結部材が挿入される貫通孔が形成され、厚さが1mm以上である金属部材を備える、
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、
前記金属部材の厚さは、前記電気化学反応単位を構成する他のどの部材よりも厚い、
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、
前記金属部材は、前記第1の方向においてM(Mは1以上の整数)番目に位置する前記接合部と、N(NはMより大きい整数)番目に位置する前記接合部と、の間に挟まれ、
式:L×0.3≦M<N≦L×0.7
ただし、
L:前記電気化学反応セルスタックに含まれる前記電気化学反応単位の総数
を満たす、
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、
前記金属部材は、前記第2のセパレータに接合されており、
前記金属部材と、前記第2のセパレータと、前記インターコネクタとは、いずれもステンレスで形成されている、
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、
前記金属部材は、前記フレーム部材の形成材料よりも熱伝導率の高い材料で形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 - 請求項5に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電気化学反応セルスタックには、前記電気化学反応セルスタックの外部から酸化剤ガスが導入され、前記酸化剤ガスを各前記電気化学反応単位に供給するガス流路である酸化剤ガス供給マニホールドと、各前記電気化学反応単位から排出された前記酸化剤ガスを前記電気化学反応セルスタックの外部に排出するガス流路である酸化剤ガス排出マニホールドと、が形成されており、
前記金属部材は、前記酸化剤ガス供給マニホールドおよび前記酸化剤ガス排出マニホールドに連通するガス流路に面している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
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