JP2022026469A - Electrochemical reaction cell stack and ic-single cell compound - Google Patents

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Abstract

To suppress the occurence of a fatigue breakdown in an electrochemical reaction cell stack.SOLUTION: An electrochemical reaction cell stack comprises: a plurality of electrochemical reaction units arranged in parallel to a first direction. Each electrochemical reaction unit comprises: a single cell containing an air electrode and a fuel electrode, which are faced each other to the first direction; and a cell side separator connected to the single cell and separating an air chamber from a fuel chamber. In a cross section in parallel to the first direction in the electrochemical reaction cell stack, a cell side separator comprises: a first straight part and a second straight part, extended to a second direction orthogonal to the first direction; and a coupling part that couples the first straight part and the second straight part, projected to the first direction to both of the first straight part and the second straight part, and has a bottom part. The electrochemical reaction cell stack satisfies the formula of L1/L2≤4.3 (L1 is the length between the single cell and a frame member in the second direction, and L2 is the length of the bottom in the second direction).SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。 The techniques disclosed herein relate to electrochemical reaction cell stacks.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池発電単位(以下、「発電単位」という)は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という)、セル側セパレータと、フレーム部材とを備える。単セルは、電解質層と、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。また、SOFCは、所定の方向(以下、「第1の方向」という)に並んで配置された燃料電池スタックの形態で利用される。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one of the fuel cells that generate power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell power generation unit (hereinafter referred to as “power generation unit”), which is a constituent unit of the SOFC, includes a fuel cell single cell (hereinafter referred to as “single cell”), a cell-side separator, and a frame member. The single cell includes an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer. Further, the SOFC is used in the form of a fuel cell stack arranged side by side in a predetermined direction (hereinafter referred to as "first direction").

セル側セパレータには、第1の方向に貫通する貫通孔であるセパレータ貫通孔が形成されている。セル側セパレータのうち、第1の方向視でセパレータ貫通孔を取り囲む部分は、単セルの周縁部と接続されている。フレーム部材には、第1の方向に貫通するフレーム貫通孔が形成されている。フレーム貫通孔は、空気極に面する空気室と、燃料極に面する燃料室とを構成する。フレーム部材のうち、第1の方向視でフレーム貫通孔を取り囲む部分は、セル側セパレータの外周部と接続されている。セル側セパレータは、空気室と燃料室とを区画する。 The cell-side separator is formed with a separator through hole, which is a through hole penetrating in the first direction. The portion of the cell-side separator that surrounds the separator through hole in the first direction is connected to the peripheral edge of the single cell. The frame member is formed with a frame through hole penetrating in the first direction. The frame through hole constitutes an air chamber facing the air electrode and a fuel chamber facing the fuel electrode. The portion of the frame member that surrounds the frame through hole in the first directional view is connected to the outer peripheral portion of the cell-side separator. The cell-side separator separates the air chamber and the fuel chamber.

従来の燃料電池スタックとして、燃料電池スタックにおける第1の方向に平行な断面(以下、「特定断面」という。)において、セル側セパレータは、単セルに接続されている第1の部分と、フレーム部材に接続されている第2の部分と、第1の部分と第2の部分とを連結しており、第1の部分と第2の部分との両方に対して第1の方向に突出している連結部とを備え、連結部の全体が湾曲した形状をなしているものが知られている(例えば特許文献1)。この燃料電池スタックにおいては、セル側セパレータが上記の連結部を備えることにより、燃料電池スタックの発電運転時の熱サイクル等によって単セルに荷重がかかった場合に、セル側セパレータの連結部が当該荷重の方向に撓むことにより、単セルに生じる応力を緩和することができ、ひいては単セルに生じる応力に起因する単セルの変形や割れを抑制することができる。 As a conventional fuel cell stack, in a cross section parallel to the first direction in the fuel cell stack (hereinafter referred to as "specific cross section"), the cell-side separator is a first portion connected to a single cell and a frame. The second portion connected to the member, the first portion and the second portion are connected, and project in the first direction with respect to both the first portion and the second portion. It is known that the connecting portion is provided and the entire connecting portion has a curved shape (for example, Patent Document 1). In this fuel cell stack, the cell-side separator is provided with the above-mentioned connecting portion, so that when a load is applied to a single cell due to a thermal cycle or the like during power generation operation of the fuel cell stack, the cell-side separator connecting portion is concerned. By bending in the direction of the load, the stress generated in the single cell can be relaxed, and by extension, the deformation and cracking of the single cell due to the stress generated in the single cell can be suppressed.

特開2020-9744号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2020-9744

上述した従来の燃料電池スタックでは、特定断面(第1の方向に平行な断面)において、セル側セパレータの連結部は、その全体が湾曲した形状をなしている。そのため、この燃料電池スタックでは、例えば燃料電池スタックが熱サイクルに晒されたときに、セル側セパレータの連結部にひずみが蓄積しやすいことにより、セル側セパレータに疲労破壊が生じる恐れがある。 In the conventional fuel cell stack described above, the connecting portion of the cell-side separator has a curved shape as a whole in a specific cross section (cross section parallel to the first direction). Therefore, in this fuel cell stack, for example, when the fuel cell stack is exposed to a thermal cycle, strain tends to accumulate in the connecting portion of the cell-side separator, which may cause fatigue failure in the cell-side separator.

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という。)の構成単位である電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも共通の問題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応スタックにも共通の課題である。 It should be noted that such a problem is an electrolysis having a plurality of electrolytic cell units, which are constituent units of a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water. This is a common problem with cell stacks. In the present specification, the fuel cell single cell and the electrolytic single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell, and the power generation unit and the electrolytic cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit, and the fuel cell stack and the electrolytic cell are collectively referred to as an electrochemical reaction unit. The stack is collectively called an electrochemical reaction cell stack. Moreover, such a problem is common not only to SOFC and SOEC but also to other types of electrochemical reaction stacks.

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique capable of solving the above-mentioned problems.

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The techniques disclosed herein can be realized, for example, in the following forms.

(1)本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、前記第1の方向に複数並べて配置される電気化学反応単位を備える。電気化学反応単位は、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の方向に貫通する第1のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記第1のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接続されており、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ル側セパレータと、前記第1の方向に貫通し、前記燃料室または前記空気室を構成するフレーム貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記フレーム貫通孔を取り囲む部分が前記セル側セパレータの外周部と接続されているフレーム部材と、を備える。前記電気化学反応セルスタックにおける、前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面である第1の特定断面において、前記セル側セパレータは、前記第1の方向に直交する第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第1の直線部と、前記第2の方向における前記第1の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第2の直線部と、前記第1の直線部と前記第2の直線部とを連結しており、前記第1の直線部と前記第2の直線部との両方に対して前記第1の方向に突出し、第1の底部を有する第1の連結部と、を備え、以下の式(1)を満たす。
L1/L2≦4.3 ・・・(1)
L1:前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
L2:前記第2の方向における前記第1の底部の長さ
(1) The electrochemical reaction cell stack disclosed in the present specification includes a plurality of electrochemical reaction units arranged side by side in the first direction. The electrochemical reaction unit is a single cell including an electrolyte layer, an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction across the electrolyte layer, and a first separator penetrating through the first direction. A hole is formed, and a portion surrounding the first separator through hole in the first directional view is connected to the peripheral edge of the single cell, and the air chamber facing the air electrode and the fuel electrode A cell-side separator that separates the fuel chamber facing the fuel chamber and a frame through hole that penetrates in the first direction and constitutes the fuel chamber or the air chamber are formed, and the said in the first direction view. A frame member whose portion surrounding the frame through hole is connected to the outer peripheral portion of the cell-side separator is provided. In a first specific cross section of the electrochemical reaction cell stack, which is at least one cross section parallel to the first direction, the cell side separator is the single in a second direction orthogonal to the first direction. It is located between the cell and the frame member, the first straight line portion extending in the second direction, and between the first straight line portion and the frame member in the second direction. , The second straight line portion extending in the second direction, the first straight line portion, and the second straight line portion are connected, and the first straight line portion and the second straight line portion are connected. It is provided with a first connecting portion that protrudes in the first direction and has a first bottom portion with respect to both of the above, and satisfies the following formula (1).
L1 / L2 ≦ 4.3 ・ ・ ・ (1)
L1: Length between the single cell and the frame member in the second direction L2: Length of the first bottom in the second direction

本電気化学反応セルスタックでは、式:L1/L2≦4.3を満たしていることにより、式:L1/L2≦4.3を満たしていない構成と比較して、上記電気化学反応セルスタックが熱サイクルに晒されたときに、前記第1の連結部にひずみが蓄積することが抑制される。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、前記第1の連結部にひずみが蓄積することに起因して前記セル側セパレータに疲労破壊が生じることを抑制することができる。 In the present electrochemical reaction cell stack, since the formula: L1 / L2 ≦ 4.3 is satisfied, the above-mentioned electrochemical reaction cell stack is compared with the configuration which does not satisfy the formula: L1 / L2 ≦ 4.3. The accumulation of strain in the first connecting portion when exposed to a thermal cycle is suppressed. Therefore, according to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to prevent fatigue fracture from occurring in the cell-side separator due to the accumulation of strain in the first connecting portion.

(2)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の特定断面において、前記セル側セパレータのうち、前記第1の直線部と前記第1の連結部との境界部分、および前記第1の連結部と前記第2の直線部との境界部分は、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、このような構成であることにより、上記の各境界部分(前記第1の直線部と前記第1の連結部との境界部分、および前記第1の連結部と前記第2の直線部との境界部分)が屈曲している構成と比較して、上記の各境界部分にひずみが蓄積することが抑制され、ひいては、前記第1の連結部にひずみが蓄積することに起因して前記セル側セパレータに疲労破壊が生じることをより効果的に抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction cell stack, in the first specific cross section, the boundary portion between the first straight line portion and the first connecting portion of the cell-side separator, and the first connecting portion. The boundary portion between the portion and the second straight portion may be curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more. According to the present electrochemical reaction cell stack, due to such a configuration, each of the above-mentioned boundary portions (the boundary portion between the first straight line portion and the first connecting portion, and the first connecting portion). Strain is suppressed from accumulating at each of the above-mentioned boundary portions, and thus strain is accumulated at the first connecting portion, as compared with the configuration in which the boundary portion between the surface and the second straight line portion is bent. It is possible to more effectively suppress the occurrence of fatigue fracture in the cell-side separator due to the above.

(3)上記電気化学反応セルスタックにおいて、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、前記電気化学反応単位は、前記単セルと前記第1の方向に対向するインターコネクタ部材と、前記第1の方向に貫通する第2のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記第2のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記インターコネクタ部材の周縁部と接続されており、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IC側セパレータと、を備える。前記電気化学反応セルスタックにおける、前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面である第2の特定断面において、前記IC側セパレータは、前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第3の直線部と、前記第2の方向における前記第3の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第4の直線部と、前記第3の直線部と前記第4の直線部とを連結しており、前記第3の直線部と前記第4の直線部との両方に対して前記第1の方向に突出し、第2の底部を有する第2の連結部と、を備え、以下の式(2)を満たす構成としてもよい。
L3/L4≦4.3 ・・・(2)
L3:前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
L4:前記第2の方向における前記第2の底部の長さ
(3) In the electrochemical reaction cell stack, in the electrochemical reaction cell stack according to claim 1 or 2, the electrochemical reaction unit is an interconnector member facing the single cell in the first direction. A second separator through hole penetrating in the first direction is formed, and a portion surrounding the second separator through hole in the first direction is connected to the peripheral edge portion of the interconnector member. It is provided with an IC-side separator that separates an air chamber facing the air electrode and a fuel chamber facing the fuel electrode. In a second specific cross section of the electrochemical reaction cell stack, which is at least one cross section parallel to the first direction, the IC-side separator comprises the single cell and the frame member in the second direction. It is located between the third straight line portion extending in the second direction, the third straight line portion in the second direction, and the frame member, and is located in the second direction. The extending fourth straight line portion, the third straight line portion, and the fourth straight line portion are connected to each other, and the third straight line portion and the fourth straight line portion are both connected to each other. A second connecting portion protruding in the first direction and having a second bottom portion may be provided, and the configuration may satisfy the following formula (2).
L3 / L4 ≦ 4.3 ・ ・ ・ (2)
L3: Length between the single cell and the frame member in the second direction L4: Length of the second bottom in the second direction

本電気化学反応セルスタックでは、式:L3/L4≦4.3を満たしていることにより、式:L3/L4≦4.3を満たしていない構成と比較して、上記電気化学反応セルスタックが熱サイクルに晒されたときに、前記第2の連結部にひずみが蓄積することが抑制される。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、前記第2の連結部にひずみが蓄積することに起因して前記IC側セパレータに疲労破壊が生じることを抑制することができる。 In the present electrochemical reaction cell stack, since the formula: L3 / L4 ≦ 4.3 is satisfied, the above-mentioned electrochemical reaction cell stack is compared with the configuration which does not satisfy the formula: L3 / L4 ≦ 4.3. The accumulation of strain in the second connecting portion when exposed to the thermal cycle is suppressed. Therefore, according to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to prevent fatigue fracture from occurring in the IC-side separator due to the accumulation of strain in the second connecting portion.

(4)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第2の特定断面において、前記IC側セパレータのうち、前記第3の直線部と前記第2の連結部との境界部分、および前記第2の連結部と前記第4の直線部との境界部分は、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、このような構成であることにより、上記の各境界部分(前記第3の直線部と前記第2の連結部との境界部分、および前記第2の連結部と前記第4の直線部との境界部分)が屈曲している構成と比較して、上記の各境界部分にひずみが蓄積することが抑制され、ひいては、前記第2の連結部にひずみが蓄積することに起因して前記IC側セパレータに疲労破壊が生じることをより効果的に抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction cell stack, in the second specific cross section, of the IC side separator, the boundary portion between the third straight line portion and the second connecting portion, and the second connecting portion. The boundary portion between the portion and the fourth straight line portion may be curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more. According to the present electrochemical reaction cell stack, due to such a configuration, each of the above-mentioned boundary portions (the boundary portion between the third straight line portion and the second connecting portion, and the second connecting portion). Strain is suppressed from accumulating at each of the above-mentioned boundary portions, and thus strain is accumulated at the second connecting portion, as compared with the configuration in which the boundary portion between the above and the fourth straight line portion is bent. It is possible to more effectively suppress the occurrence of fatigue fracture in the IC-side separator due to the above.

(5)本明細書に開示されるIC-単セル複合体は、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の方向に貫通する第1のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記第1のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接続されているセル側セパレータと、前記第1の方向に貫通するフレーム貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記フレーム貫通孔を取り囲む部分が前記セル側セパレータの外周部と接続されているフレーム部材と、を備えるIC-単セル複合体において、前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面である第1の特定断面において、前記セル側セパレータは、前記第1の方向に直交する第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第1の直線部と、前記第2の方向における前記第1の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第2の直線部と、前記第1の直線部と前記第2の直線部とを連結しており、前記第1の直線部と前記第2の直線部との両方に対して前記第1の方向に突出し、第1の底部を有する第1の連結部と、を備え、以下の式(1)を満たす。
L1/L2≦4.3 ・・・(1)
L1:前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
L2:前記第2の方向における前記第1の底部の長さ
(5) The IC-single cell composite disclosed in the present specification includes a single cell including an electrolyte layer, an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer, and the above. A cell side in which a first separator through hole penetrating in the first direction is formed, and a portion surrounding the first separator through hole is connected to the peripheral edge portion of the single cell in the first direction view. A separator and a frame member through which a frame through hole penetrating in the first direction is formed, and a portion surrounding the frame through hole in the first direction is connected to an outer peripheral portion of the cell side separator. In a first specific cross section, which is at least one cross section parallel to the first direction in an IC-single cell complex comprising, the cell side separator is a second direction orthogonal to the first direction. Between the single cell and the frame member in the first straight line portion extending in the second direction, and between the first straight line portion and the frame member in the second direction. The second straight line portion extending in the second direction, the first straight line portion, and the second straight line portion are connected to each other, and the first straight line portion and the second straight line portion are connected to each other. It is provided with a first connecting portion that protrudes in the first direction with respect to both of the straight portions and has a first bottom portion, and satisfies the following equation (1).
L1 / L2 ≦ 4.3 ・ ・ ・ (1)
L1: Length between the single cell and the frame member in the second direction L2: Length of the first bottom in the second direction

本IC-単セル複合体によれば、上記(1)に記載されている電気化学反応セルスタックによって得られる効果と同様の効果が得られる。 According to the present IC-single cell complex, the same effect as that obtained by the electrochemical reaction cell stack described in (1) above can be obtained.

(6)上記IC-単セル複合体において、前記第1の特定断面において、前記セル側セパレータのうち、前記第1の直線部と前記第1の連結部との境界部分、および前記第1の連結部と前記第2の直線部との境界部分は、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している構成としてもよい。本IC-単セル複合体によれば、上記(2)に記載されている電気化学反応セルスタックによって得られる効果と同様の効果が得られる。 (6) In the IC-single cell complex, in the first specific cross section, the boundary portion between the first straight line portion and the first connecting portion of the cell-side separator, and the first one. The boundary portion between the connecting portion and the second straight line portion may be curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more. According to the present IC-single cell complex, the same effect as that obtained by the electrochemical reaction cell stack described in (2) above can be obtained.

(7)上記IC-単セル複合体において、さらに、前記単セルと前記第1の方向に対向するインターコネクタ部材と、前記第1の方向に貫通する第2のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記第2のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記インターコネクタ部材の周縁部と接続されているIC側セパレータと、を備え、前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面である第2の特定断面において、前記IC側セパレータは、前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第3の直線部と、前記第2の方向における前記第3の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第4の直線部と、前記第3の直線部と前記第4の直線部とを連結しており、前記第3の直線部と前記第4の直線部との両方に対して前記第1の方向に突出し、第2の底部を有する第2の連結部と、を備え、以下の式(2)を満たす構成としてもよい。
L3/L4≦4.3 ・・・(2)
L3:前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
L4:前記第2の方向における前記第2の底部の長さ
(7) In the IC-single cell composite, an interconnector member facing the single cell in the first direction and a second separator through hole penetrating in the first direction are further formed. , An IC-side separator whose portion surrounding the second separator through hole in the first directional view is connected to the peripheral edge of the interconnector member, and at least one parallel to the first direction. In the second specific cross section, which is a cross section, the IC-side separator is located between the single cell and the frame member in the second direction, and is a third straight line portion extending in the second direction. A fourth straight line portion located between the third straight line portion and the frame member in the second direction and extending in the second direction, the third straight line portion, and the second straight line portion. A second connecting portion that connects the straight portions of 4 and protrudes in the first direction with respect to both the third straight portion and the fourth straight portion and has a second bottom portion. , And may be configured to satisfy the following equation (2).
L3 / L4 ≦ 4.3 ・ ・ ・ (2)
L3: Length between the single cell and the frame member in the second direction L4: Length of the second bottom in the second direction

本IC-単セル複合体によれば、上記(3)に記載されている電気化学反応セルスタックによって得られる効果と同様の効果が得られる。 According to the present IC-single cell complex, the same effect as that obtained by the electrochemical reaction cell stack described in (3) above can be obtained.

(8)上記IC-単セル複合体において、前記第2の特定断面において、前記IC側セパレータのうち、前記第3の直線部と前記第2の連結部との境界部分、および前記第2の連結部と前記第4の直線部との境界部分は、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している構成としてもよい。本IC-単セル複合体によれば、上記(4)に記載されている電気化学反応セルスタックによって得られる効果と同様の効果が得られる。 (8) In the IC-single cell complex, in the second specific cross section, the boundary portion between the third straight line portion and the second connecting portion of the IC side separator, and the second The boundary portion between the connecting portion and the fourth straight line portion may be curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more. According to the present IC-single cell complex, the same effect as that obtained by the electrochemical reaction cell stack described in (4) above can be obtained.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、複数の電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)を備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction units (fuel cell power generation unit or electrolytic cell unit) (for example, an electrochemical reaction cell stack (fuel cell power generation unit or electrolytic cell unit). It can be realized in the form of a fuel cell stack or an electrolytic cell stack), a method for manufacturing them, and the like.

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る。It is a perspective view which shows the appearance structure of the fuel cell stack 100 in this embodiment. 図1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る。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of II-II of FIG. 図1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。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of III-III of FIG. 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る。It is explanatory drawing which shows the XZ cross section composition of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the YZ cross section configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at the position of VI-VI of FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at the position of VII-VII of FIG. セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180の詳細構成を示すXZ断面図である。It is an XZ sectional view which shows the detailed structure of the cell side separator 120 and the IC side separator 180. 性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the performance evaluation result. 性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the performance evaluation result.

A.本実施形態:
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,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6,図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。なお、上下方向(Z軸方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
A. This embodiment:
A-1. Device configuration:
(Structure of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 in the present embodiment, and FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell stack 100 at the position II-II in FIG. 1 (and FIGS. 6 and 7 described later). It is explanatory drawing which shows the XZ cross-sectional structure, and FIG. 3 is the explanatory view which shows the YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position III-III of FIG. 1 (and FIG. 6 and FIG. 7 which will be described later). Each figure shows XYZ axes that are orthogonal to each other to identify the direction. In the present specification, for convenience, the Z-axis positive direction is referred to as an upward direction, and the Z-axis negative direction is referred to as a downward direction, but the fuel cell stack 100 is actually in a direction different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIGS. 4 and later. The vertical direction (Z-axis direction) corresponds to the first direction in the claims.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。 The fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in this embodiment) fuel cell power generation unit (hereinafter referred to as “power generation unit”) 102 and a pair of end plates 104 and 106. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in this embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an aggregate composed of seven power generation units 102 from above and below.

燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ軸回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。 A plurality of holes (eight in this embodiment) penetrating in the vertical direction are formed on the peripheral edge of each layer (power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100 around the Z axis. , The holes formed in each layer and corresponding to each other communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the communication holes 108 may also be referred to as communication holes 108.

各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。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剤等により構成される。 A bolt 22 extending in the vertical direction is inserted into each communication hole 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolt 22 and the nuts 24 fitted on both sides of the bolt 22. As shown in FIGS. 2 and 3, between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the end plate 104 constituting the upper end of the fuel cell stack 100, and the bolt. An insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of the 22 and the lower surface of the end plate 106 constituting the lower end of the fuel cell stack 100. However, in the place where the gas passage member 27 described later is provided, the insulating sheets arranged on the upper side and the lower side of the gas passage member 27 and the gas passage member 27 between the nut 24 and the surface of the end plate 106, respectively. 26 is intervening. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic dust sheet, a glass sheet, a glass-ceramic composite agent, or the like.

各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ軸回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、空気が使用される。また、本実施形態では、酸化剤ガス導入マニホールド161への酸化剤ガスOGの導入のために、ブロワ(図示せず)が用いられる。また、酸化剤ガスOGが酸化剤ガス導入マニホールド161に導入される前に、熱交換(例えば、燃料電池スタック100から排出された酸化剤オフガスOOGと燃料オフガスFOGとを燃焼させたときに発生する熱との熱交換)を利用して、酸化剤ガスOGの予加熱が行われるとしてもよい。 The outer diameter of the shaft portion of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108. Therefore, a space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108. As shown in FIGS. 1 and 2, the position is located near the midpoint of one side (the side on the positive side of the X axis among the two sides parallel to the Y axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z axis. In the space formed by the bolt 22 (bolt 22A) and the communication hole 108 through which the bolt 22A is inserted, the oxidant gas OG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is generated for each power generation. It functions as an oxidizer gas introduction manifold 161 that is a gas flow path supplied to the unit 102, and is the midpoint of the side opposite to the side (the side on the negative side of the X-axis of the two sides parallel to the Y-axis). The space formed by the bolt 22 (bolt 22B) located in the vicinity and the communication hole 108 through which the bolt 22B is inserted provides the oxidant off-gas OOG, which is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. It functions as an oxidizer gas discharge manifold 162 that discharges to the outside of the fuel cell stack 100. In this embodiment, air is used as the oxidant gas OG. Further, in the present embodiment, a blower (not shown) is used for introducing the oxidant gas OG into the oxidant gas introduction manifold 161. Further, it is generated when heat exchange (for example, the oxidant off-gas OOG discharged from the fuel cell stack 100 and the fuel off-gas FOG are burned) before the oxidant gas OG is introduced into the oxidant gas introduction manifold 161. Preheating of the oxidant gas OG may be performed by utilizing heat exchange with heat).

図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ軸回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。 As shown in FIGS. 1 and 3, the position is near the midpoint of one side (the side on the positive side of the Y axis among the two sides parallel to the X axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z axis. In the space formed by the bolt 22 (bolt 22D) and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted, the fuel gas FG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is used in each power generation unit 102. The bolt 22 (bolt) that functions as the fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the fuel gas introduction manifold and is located near the midpoint of the side opposite to the side (the side on the negative side of the Y axis among the two sides parallel to the X axis). The space formed by the 22E) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted discharges the fuel off-gas FOG, which is the gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. Functions as a fuel gas discharge manifold 172. In this embodiment, as the fuel gas FG, for example, a hydrogen-rich gas obtained by reforming a city gas is used.

燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部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。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。 The fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 has a hollow cylindrical main body portion 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branched from the side surface of the main body portion 28. The hole of the branch portion 29 communicates with the hole of the main body portion 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. Further, as shown in FIG. 2, the hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161. The hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22B forming the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162. Further, as shown in FIG. 3, the hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171 and fuel gas. The hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22E forming the discharge manifold 172 communicates with the fuel gas discharge manifold 172.

(エンドプレート104,106の構成)
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。
(Structure of end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are made of, for example, stainless steel. One end plate 104 is located above the power generation unit 102 located at the top, and the other end plate 106 is located below the power generation unit 102 located at the bottom. A plurality of power generation units 102 are sandwiched by a pair of end plates 104 and 106 in a pressed state. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

(発電単位102の構成)
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。
(Structure of power generation unit 102)
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 2, and FIG. 5 is an explanatory view showing the XZ cross-sectional configuration of the two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of two power generation units 102. Further, FIG. 6 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position of VI-VI of FIG. 4, and FIG. 7 is an explanatory view of the XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position of VII-VII of FIG. It is explanatory drawing which shows.

図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セル側セパレータ120と、IC側セパレータ180と、空気極側フレーム部材130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム部材140と、燃料極側集電体144と、一対のインターコネクタ部材150とを備えている。セル側セパレータ120、IC側セパレータ180、空気極側フレーム部材130、燃料極側フレーム部材140におけるZ軸回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。なお、本実施形態における単セル110と、セル側セパレータ120と、IC側セパレータ180と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム部材140と、燃料極側集電体144と、インターコネクタ部材150とを備える複合体は、特許請求の範囲におけるIC-単セル複合体に相当し、燃料極側フレーム部材140は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当する。 As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 includes a single cell 110, a cell side separator 120, an IC side separator 180, an air electrode side frame member 130, an air electrode side current collector 134, and a fuel. It includes a pole-side frame member 140, a fuel pole-side current collector 144, and a pair of interconnector members 150. A hole corresponding to the communication hole 108 through which the bolt 22 described above is inserted is formed in the peripheral portion around the Z axis of the cell side separator 120, the IC side separator 180, the air pole side frame member 130, and the fuel pole side frame member 140. Has been done. In addition, the single cell 110, the cell side separator 120, the IC side separator 180, the air pole side current collector 134, the fuel pole side frame member 140, the fuel pole side current collector 144, and the inter are in this embodiment. The composite including the connector member 150 corresponds to the IC-single cell composite in the claims, and the fuel pole side frame member 140 corresponds to the frame member in the claims.

インターコネクタ部材150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ部材150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ部材150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ部材150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ部材150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ部材150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ部材150を備えていない(図2および図3参照)。なお、発電単位102を構成するインターコネクタ部材150は、当該発電単位102を構成する単セル110と上下方向に対向している。 The interconnector member 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is made of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector member 150 ensures electrical conduction between the power generation units 102 and prevents mixing of the reaction gas between the power generation units 102. In this embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector member 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector member 150 in a certain power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector member 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Further, since the fuel cell stack 100 includes a pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector member 150 and is located at the bottom. The power generation unit 102 to be generated does not include the lower interconnector member 150 (see FIGS. 2 and 3). The interconnector member 150 constituting the power generation unit 102 faces the single cell 110 constituting the power generation unit 102 in the vertical direction.

単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、平板型の単セルであり、また、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。 The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 facing each other in the vertical direction (arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The single cell 110 of the present embodiment is a flat plate type single cell, and is a fuel pole support type single cell in which the electrolyte layer 112 and the air pole 114 are supported by the fuel pole 116.

電解質層112は、上下方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。このように、本実施形態の単セル110は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。空気極114は、上下方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、上下方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。 The electrolyte layer 112 is a flat plate-shaped member having a substantially rectangular shape in the vertical direction, and is a dense layer. The electrolyte layer 112 is formed of, for example, a solid oxide such as YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), SDC (samarium-doped ceria), GDC (gadolinium-doped ceria), and perovskite-type oxide. There is. As described above, the single cell 110 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide as an electrolyte. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 in the vertical direction, and is a porous layer. The air electrode 114 is formed of, for example, a perovskite-type oxide (for example, LSCF (lanternstrontium cobalt iron oxide), LSM (lanternstrontium manganese oxide), LNF (lantern nickel iron)). The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-shaped member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 in the vertical direction, and is a porous layer. The fuel electrode 116 is formed of, for example, a cermet composed of Ni and oxide ion conductive ceramic particles (for example, YSZ).

セル側セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の第1のセパレータ貫通孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、ステンレス等の金属材料により形成されている。セル側セパレータ120は、セル側セパレータ120における第1のセパレータ貫通孔121を取り囲む部分である第1の貫通孔周囲部122(図8参照)を有する。第1の貫通孔周囲部122の表面の内の下方向側の表面は、単セル110を構成する電解質層112における空気極114に対向する側(上側)の表面の周縁部に対向している。セル側セパレータ120は、第1の貫通孔周囲部122に配置されたロウ材(例えばAgロウ)を含む第1の接合部124により、単セル110(電解質層112)と接合されている。従って、第1の貫通孔周囲部122は、単セル110の周縁部と接続されている。セル側セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における空気室166から燃料室176へのガスのリークが抑制される。 The cell-side separator 120 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular first separator through hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of, for example, a metal material such as stainless steel. The cell-side separator 120 has a first through-hole peripheral portion 122 (see FIG. 8) which is a portion surrounding the first separator through-hole 121 in the cell-side separator 120. The downward surface of the surface of the first through hole peripheral portion 122 faces the peripheral edge portion of the surface of the electrolyte layer 112 constituting the single cell 110 on the side facing the air electrode 114 (upper side). .. The cell-side separator 120 is joined to the single cell 110 (electrolyte layer 112) by a first joining portion 124 containing a brazing material (for example, Ag wax) arranged in the first through hole peripheral portion 122. Therefore, the first through hole peripheral portion 122 is connected to the peripheral portion of the single cell 110. The cell-side separator 120 separates the air chamber 166 facing the air pole 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel pole 116, and a gas leak from the air chamber 166 to the fuel chamber 176 at the peripheral edge of the single cell 110. It is suppressed.

第1の接合部124に対して空気室166側には、ガラスを含む第1のガラスシール部125が配置されている。第1のガラスシール部125は、セル側セパレータ120の第1の貫通孔周囲部122の表面と、単セル110(本実施形態では単セル110を構成する電解質層112)の表面との両方に接触するように形成されている。第1のガラスシール部125により、空気室166と燃料室176との間のガスリーク(クロスリーク)が効果的に抑制される。 A first glass seal portion 125 including glass is arranged on the air chamber 166 side with respect to the first joint portion 124. The first glass seal portion 125 is provided on both the surface of the first through-hole peripheral portion 122 of the cell-side separator 120 and the surface of the single cell 110 (in this embodiment, the electrolyte layer 112 constituting the single cell 110). It is formed to come into contact. The first glass seal portion 125 effectively suppresses a gas leak (cross leak) between the air chamber 166 and the fuel chamber 176.

IC側セパレータ180は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の第2のセパレータ貫通孔181が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、ステンレス等の金属材料により形成されている。IC側セパレータ180により、燃料室176と、隣接する他の単セル110の空気極114に面する空気室166とが区画され、インターコネクタ部材150の周縁部における空気室166から燃料室176へのガスのリークが抑制される。 The IC-side separator 180 is a frame-shaped member having a substantially rectangular second separator through hole 181 penetrating in the vertical direction near the center, and is made of a metal material such as stainless steel, for example. The IC-side separator 180 partitions the fuel chamber 176 and the air chamber 166 facing the air electrode 114 of another adjacent single cell 110, from the air chamber 166 to the fuel chamber 176 at the peripheral edge of the interconnector member 150. Gas leaks are suppressed.

IC側セパレータ180は、IC側セパレータ180における第2のセパレータ貫通孔181を取り囲む部分である第2の貫通孔周囲部182(図8参照)を有する。IC側セパレータ180は、第2の貫通孔周囲部182における下方向側の表面において、インターコネクタ部材150の周縁部における上方向側の表面と、溶接により接合されている。従って、IC側セパレータ180のうち、上下方向視で第2のセパレータ貫通孔181を取り囲む第2の貫通孔周囲部182は、インターコネクタ部材150の周縁部と接続されている。本実施形態では、上述したようにIC側セパレータ180が溶接により接合されていることにより、空気室166と燃料室176との間のガスリーク(クロスリーク)がより効果的に抑制される。 The IC-side separator 180 has a second through-hole peripheral portion 182 (see FIG. 8) which is a portion surrounding the second separator through-hole 181 in the IC-side separator 180. The IC-side separator 180 is welded to the upper surface of the peripheral edge of the interconnector member 150 on the lower surface of the second through-hole peripheral portion 182. Therefore, of the IC-side separator 180, the second through-hole peripheral portion 182 that surrounds the second separator through-hole 181 in the vertical direction is connected to the peripheral edge portion of the interconnector member 150. In the present embodiment, since the IC side separator 180 is joined by welding as described above, the gas leak (cross leak) between the air chamber 166 and the fuel chamber 176 is more effectively suppressed.

図4~図6に示すように、空気極側フレーム部材130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の空気室用孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム部材130のうち、上下方向視で空気室用孔131を取り囲む部分は、セル側セパレータ120の表面の内の空気室166に面している側(上側)の表面の外周部と、IC側セパレータ180の表面の内の空気室166に面している側(下側)の表面の外周部とに接触している。空気極側フレーム部材130に形成された空気室用孔131によって、空気極114に面する空気室166が構成される。また、空気極側フレーム部材130によって、発電単位102に含まれる一対のIC側セパレータ180間が電気的に絶縁される。その結果、一対のインターコネクタ部材150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム部材130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通流路132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通流路133とが形成されている。 As shown in FIGS. 4 to 6, the air electrode side frame member 130 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular air chamber hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is, for example, mica or the like. It is formed of an insulator. Of the air electrode side frame member 130, the portion surrounding the air chamber hole 131 in the vertical direction is the outer peripheral portion of the surface of the side (upper side) facing the air chamber 166 in the surface of the cell side separator 120. , It is in contact with the outer peripheral portion of the surface of the side (lower side) facing the air chamber 166 in the surface of the IC side separator 180. The air chamber hole 131 formed in the air electrode side frame member 130 constitutes an air chamber 166 facing the air electrode 114. Further, the air electrode side frame member 130 electrically insulates between the pair of IC side separators 180 included in the power generation unit 102. As a result, the pair of interconnector members 150 are electrically insulated from each other. Further, in the air electrode side frame member 130, the oxidant gas supply communication flow path 132 that communicates the oxidant gas introduction manifold 161 and the air chamber 166, and the oxidation that communicates the air chamber 166 and the oxidant gas discharge manifold 162. The agent gas discharge communication flow path 133 is formed.

図4、図5および図7に示すように、燃料極側フレーム部材140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の燃料室用孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム部材140のうち、上下方向視で燃料室用孔141を取り囲む部分は、セル側セパレータ120の表面の内の燃料室176に面している側(下側)の表面の外周部と、IC側セパレータ180の表面の内の燃料室176に面している側(上側)の表面の外周部とに接触している。燃料極側フレーム部材140に形成された燃料室用孔141によって、燃料極116に面する燃料室176が構成される。また、燃料極側フレーム部材140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通流路142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通流路143とが形成されている。 As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the fuel pole side frame member 140 is a frame-shaped member having a substantially rectangular fuel chamber hole 141 formed in the vicinity of the center in the vertical direction, for example. It is made of metal. Of the fuel electrode side frame member 140, the portion surrounding the fuel chamber hole 141 in the vertical direction is the outer peripheral portion of the surface of the cell side separator 120 on the side facing the fuel chamber 176 (lower side). And the outer peripheral portion of the surface on the side (upper side) facing the fuel chamber 176 in the surface of the IC side separator 180. The fuel chamber hole 141 formed in the fuel pole side frame member 140 constitutes the fuel chamber 176 facing the fuel pole 116. Further, the fuel electrode side frame member 140 has a fuel gas supply communication flow path 142 that communicates the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication that communicates the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. A flow path 143 is formed.

図4および図5に示すように、空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ部材150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ部材150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ部材150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。また、空気極側集電体134は、インターコネクタ部材150と一体の部材として構成されていてもよい。 As shown in FIGS. 4 and 5, the air electrode side current collector 134 is arranged in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements 135, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The air pole side current collector 134 is in contact with the surface of the air pole 114 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector member 150 on the side facing the air pole 114. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector member 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 has an upper end. It is in contact with the plate 104. Since the current collector 134 on the air electrode side has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector member 150 (or the end plate 104) are electrically connected to each other. The air electrode side current collector 134 may be covered with a conductive coat, and a conductive bonding layer for bonding the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 may be provided between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134. It may be intervening. Further, the air electrode side current collector 134 may be configured as a member integrated with the interconnector member 150.

図4および図5に示すように、燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ部材150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ部材150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ部材150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサ149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ部材150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。 As shown in FIGS. 4 and 5, the fuel electrode side current collector 144 is arranged in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146, for example, nickel or nickel alloy. , Stainless steel, etc. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is the surface of the interconnector member 150 on the side facing the fuel pole 116. Is in contact with. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the bottom of the fuel cell stack 100 does not have the lower interconnector member 150, the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 has a lower end. It is in contact with the plate 106. Since the current collector 144 on the fuel electrode side has such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector member 150 (or the end plate 106) are electrically connected to each other. A spacer 149 formed of, for example, a mica is arranged between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector member 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144 follow. ) And the electrical connection is well maintained.

A-2.燃料電池スタック100の動作:
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。
A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. Then, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the holes of the branch portion 29 and the main body portion 28 of the gas passage member 27, and the oxidant gas introduction manifold 161 oxidizes each power generation unit 102. It is supplied to the air chamber 166 via the agent gas supply communication flow path 132. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel gas FG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. Then, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the holes of the branch portion 29 and the main body portion 28 of the gas passage member 27, and the fuel gas supply communication of each power generation unit 102 is performed from the fuel gas introduction manifold 171. It is supplied to the fuel chamber 176 via the flow path 142.

各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ部材150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ部材150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。 When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, oxygen contained in the oxidant gas OG and hydrogen contained in the fuel gas FG in the single cell 110 are supplied. Power is generated by an electrochemical reaction with. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air pole 114 of the single cell 110 is electrically connected to one of the interconnector members 150 via the air pole side current collector 134, and the fuel pole 116 is via the fuel pole side current collector 144. Is electrically connected to the other interconnector member 150. Further, the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, the electric energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as the output terminals of the fuel cell stack 100. Since the SOFC generates electricity at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is a heater (for example, until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation after the start-up. It may be heated by (not shown).

各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通流路133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通流路143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。 As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 via the oxidant gas discharge communication flow path 133, and further. A fuel cell stack via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas discharge manifold 162. It is discharged to the outside of 100. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication flow path 143, and further fuels. The outside of the fuel cell stack 100 via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the gas discharge manifold 172. Is discharged to.

なお、以下において、空気極側フレーム部材130と燃料極側フレーム部材140とからなる組み合わせを「フレーム部材200」といい、空気室用孔131と燃料室用孔141とからなる組み合わせを「フレーム貫通孔201」といい、フレーム部材200のうち、上下方向視でフレーム貫通孔201を取り囲む部分を「フレーム貫通孔周囲部202」という(図8参照)。なお、フレーム部材200は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当する。 In the following, the combination of the air electrode side frame member 130 and the fuel electrode side frame member 140 is referred to as "frame member 200", and the combination of the air chamber hole 131 and the fuel chamber hole 141 is referred to as "frame penetration". The portion of the frame member 200 that surrounds the frame through hole 201 in the vertical direction is referred to as a “hole 201” (see FIG. 8). The frame member 200 corresponds to the frame member within the scope of the claims.

上述したように、空気極側フレーム部材130のうち、上下方向視で空気室用孔131を取り囲む部分は、セル側セパレータ120の表面の内の空気室166に面している側の表面の外周部と、IC側セパレータ180の表面の内の空気室166に面している側の表面の外周部とに接触している。また、燃料極側フレーム部材140のうち、上下方向視で燃料室用孔141を取り囲む部分は、セル側セパレータ120の表面の内の燃料室176に面している側の表面の外周部と、IC側セパレータ180の表面の内の燃料室176に面している側の表面の外周部とに接触している。以上のことから明らかなように、フレーム部材200のうち、上下方向視でフレーム貫通孔201を取り囲むフレーム貫通孔周囲部202は、セル側セパレータ120の外周部と接続されている。 As described above, the portion of the air electrode side frame member 130 that surrounds the air chamber hole 131 in the vertical direction is the outer periphery of the surface of the surface of the cell side separator 120 on the side facing the air chamber 166. The portion is in contact with the outer peripheral portion of the surface of the surface of the IC side separator 180 on the side facing the air chamber 166. Further, in the fuel electrode side frame member 140, the portion surrounding the fuel chamber hole 141 in the vertical direction is the outer peripheral portion of the surface of the surface of the cell side separator 120 on the side facing the fuel chamber 176. It is in contact with the outer peripheral portion of the surface of the surface of the IC side separator 180 on the side facing the fuel chamber 176. As is clear from the above, of the frame member 200, the frame through hole peripheral portion 202 surrounding the frame through hole 201 in the vertical direction is connected to the outer peripheral portion of the cell side separator 120.

A-3.セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180の詳細構成:
図8は、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180の詳細構成を示す説明図である。図8には、図4のPx部の構成が拡大して示されている。図4および図8に示す燃料電池スタック100の断面は、上下方向視における単セル110の中心点PO(図6または図7参照)を通り、かつ、上下方向に平行な断面である。図4に示す燃料電池スタック100の断面は、特許請求の範囲における第1の特定断面に相当し、第2の特定断面に相当する。
A-3. Detailed configuration of cell side separator 120 and IC side separator 180:
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the cell side separator 120 and the IC side separator 180. FIG. 8 shows the configuration of the Px portion of FIG. 4 in an enlarged manner. The cross section of the fuel cell stack 100 shown in FIGS. 4 and 8 is a cross section that passes through the center point PO (see FIG. 6 or FIG. 7) of the single cell 110 in the vertical direction and is parallel to the vertical direction. The cross section of the fuel cell stack 100 shown in FIG. 4 corresponds to the first specific cross section in the claims and corresponds to the second specific cross section.

本実施形態の燃料電池スタック100では、上下方向視における単セル110の中心点POを通り、かつ、上下方向に平行な任意の断面において、以下に示すセル側セパレータ120およびIC側セパレータ180の構成が採用されている。図4および図8に示す断面は、上下方向視における単セル110の中心点POを通り、かつ、上下方向に平行な任意の断面の一例である。 In the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180 shown below are configured in an arbitrary cross section that passes through the center point PO of the single cell 110 in the vertical direction and is parallel to the vertical direction. Has been adopted. The cross sections shown in FIGS. 4 and 8 are examples of arbitrary cross sections that pass through the center point PO of the single cell 110 in the vertical direction and are parallel to the vertical direction.

A-3-1.セル側セパレータ120の詳細構成: A-3-1. Detailed configuration of cell-side separator 120:

図8に示すように、セル側セパレータ120は、第1の直線部126と、第2の直線部127と、第1の連結部128と、を備えている。セル側セパレータ120の厚さ(板厚、以下同様)T1は、0.3mm以下であり、例えば約0.1mmである。なお、第1の直線部126は、第1の貫通孔周囲部122を含んでいる。 As shown in FIG. 8, the cell-side separator 120 includes a first straight line portion 126, a second straight line portion 127, and a first connecting portion 128. The thickness (plate thickness, the same applies hereinafter) T1 of the cell-side separator 120 is 0.3 mm or less, for example, about 0.1 mm. The first straight line portion 126 includes the first through hole peripheral portion 122.

第1の直線部126は、上下方向に直交する方向であるX軸方向における単セル110とフレーム部材200との間に位置し、X軸方向に直線状に延びている。第1の直線部126は、なお、X軸方向は、特許請求の範囲における第2の方向に相当する。 The first straight line portion 126 is located between the single cell 110 and the frame member 200 in the X-axis direction, which is a direction orthogonal to the vertical direction, and extends linearly in the X-axis direction. The X-axis direction of the first straight line portion 126 corresponds to the second direction in the claims.

第2の直線部127は、X軸方向における第1の直線部126とフレーム部材200との間に位置し、X軸方向に直線状に延びている。 The second straight line portion 127 is located between the first straight line portion 126 in the X-axis direction and the frame member 200, and extends linearly in the X-axis direction.

第1の連結部128は、第1の直線部126と第2の直線部127とを連結しており、第1の直線部126と第2の直線部127との両方に対して下方に突出している。第1の連結部128は、第1の直線部126および第2の直線部127の位置から下方に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、第1の連結部128における上側は凹部となっている。なお、第1の直線部126または第2の直線部127に対して第1の連結部128が突出している長さ(以下、「第1の連結部深さ」という。)H1は、0.2mm以上であり、例えば1mmである。第1の連結部128は、例えば、プレス加工により形成される。 The first connecting portion 128 connects the first straight portion 126 and the second straight portion 127, and projects downward with respect to both the first straight portion 126 and the second straight portion 127. ing. The first connecting portion 128 has a curved shape so as to project downward from the positions of the first straight portion 126 and the second straight portion 127. That is, the upper side of the first connecting portion 128 is a recess. The length H1 at which the first connecting portion 128 protrudes from the first straight portion 126 or the second straight portion 127 (hereinafter referred to as “first connecting portion depth”) is 0. It is 2 mm or more, for example, 1 mm. The first connecting portion 128 is formed, for example, by press working.

セル側セパレータ120が上述したように第1の直線部126と第2の直線部127との両方に対して下方に突出している第1の連結部128を備えることにより、燃料電池スタック100の発電運転時の熱サイクル等によって単セル110に荷重がかかった場合に、第1の連結部128が当該荷重の方向に撓むことにより、単セル110に生じる応力を緩和することができ、ひいては単セル110に生じる応力に起因する単セル110の変形や割れを抑制することができる。 As described above, the cell-side separator 120 includes a first connecting portion 128 projecting downward with respect to both the first straight portion 126 and the second straight portion 127 to generate electricity in the fuel cell stack 100. When a load is applied to the single cell 110 due to a thermal cycle or the like during operation, the first connecting portion 128 bends in the direction of the load, so that the stress generated in the single cell 110 can be relieved, and by extension, the single cell 110 is simple. Deformation and cracking of the single cell 110 due to the stress generated in the cell 110 can be suppressed.

第1の連結部128の詳細構成は、以下の通りである。 The detailed configuration of the first connecting portion 128 is as follows.

第1の連結部128は、第1の連結部128の突出方向(本実施形態では下方)の端に位置する第1の底部128aと、第1の底部128aと第1の直線部126とを接続する第1の接続部128bと、第1の底部128aと第2の直線部127とを接続する第2の接続部128cと、を有している。第1の底部128aは、第1の直線部126と第2の直線部127との両方に対して下方に位置している。 The first connecting portion 128 has a first bottom portion 128a located at the end of the first connecting portion 128 in the protruding direction (lower in the present embodiment), a first bottom portion 128a, and a first straight line portion 126. It has a first connecting portion 128b to be connected and a second connecting portion 128c connecting the first bottom portion 128a and the second straight line portion 127. The first bottom portion 128a is located below both the first straight line portion 126 and the second straight line portion 127.

第1の底部128aに関し、燃料電池スタック100は以下の式(1)を満たしている。
L1/L2≦4.3 ・・・(1)
L1:X軸方向における単セル110とフレーム部材200との間の長さ
L2:X軸方向における第1の底部128aの長さ
With respect to the first bottom 128a, the fuel cell stack 100 satisfies the following equation (1).
L1 / L2 ≦ 4.3 ・ ・ ・ (1)
L1: Length between the single cell 110 and the frame member 200 in the X-axis direction L2: Length of the first bottom 128a in the X-axis direction

上記の「X軸方向(上下方向に直交する方向)における第1の底部128aの長さ」とは、セル側セパレータ120の第1の連結部128のうち、後述する境界部分B11(第1の底部128aと第1の接続部128bとの境界部分B11)と、境界部分B12(第1の底部128aと第2の接続部128cとの境界部分B12)と繋ぐ部分(図8のRを参照)のX軸方向の長さ(図8のL2を参照)を意味する。 The above-mentioned "length of the first bottom portion 128a in the X-axis direction (direction orthogonal to the vertical direction)" is the boundary portion B11 (first) of the first connecting portion 128 of the cell-side separator 120, which will be described later. A portion connecting the bottom portion 128a and the boundary portion B12 (the boundary portion B11 between the first bottom portion 128a and the first connection portion 128b) and the boundary portion B12 (the boundary portion B12 between the first bottom portion 128a and the second connection portion 128c) (see R in FIG. 8). Means the length in the X-axis direction (see L2 in FIG. 8).

L1の値は、10(mm)以上、15(mm)以下である。L2の値は、3(mm)以上、8(mm)mmである。例えば、L1の値は13(mm)であり、L2の値は6(mm)であり、この場合、L1/L2の値は2.2である。 The value of L1 is 10 (mm) or more and 15 (mm) or less. The value of L2 is 3 (mm) or more and 8 (mm) mm. For example, the value of L1 is 13 (mm), the value of L2 is 6 (mm), and in this case, the value of L1 / L2 is 2.2.

また、セル側セパレータ120のうち、第1の直線部126と第1の連結部128との境界部分B1は、Y軸方向視においてX軸負方向に位置するほど下方となり、かつ、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している。ここで、セル側セパレータ120のうち、「ある部分αとある部分βとの境界部分γは、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している」とは、セル側セパレータ120の表面(空気室166に面する表面、または燃料室176に面する表面の少なくとも一方)のうち、部分αと部分βとの境界点γ0と、境界点γ0から単セル110の側に0.29mm離れた点γ1との間の部分は、曲率半径が0.8mm以上である曲線であり、かつ、境界点γ0と、境界点γ0から点γ1とは反対側に0.29mm離れた点γ2との間の部分は、曲率半径が0.8mm以上である曲線であることを意味する(以下同様)。なお、図8のBp10は、セル側セパレータ120の表面のうち、第1の直線部126と第1の連結部128との境界点を示し、Bp11は、境界点Bp10から単セル110の側に0.29mm離れた点を示し、Bp12は、境界点Bp10から点Bp11とは反対側に0.29mm離れた点を示している。 Further, in the cell-side separator 120, the boundary portion B1 between the first straight line portion 126 and the first connecting portion 128 becomes lower as it is located in the negative direction of the X-axis in the Y-axis direction, and the radius of curvature becomes smaller. It is curved so as to be 0.8 mm or more. Here, in the cell-side separator 120, "the boundary portion γ between a certain portion α and a certain portion β is curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more" means that the surface of the cell-side separator 120 is curved. Of (at least one of the surface facing the air chamber 166 or the surface facing the fuel chamber 176), the boundary point γ0 between the partial α and the partial β and 0.29 mm away from the boundary point γ0 on the side of the single cell 110. The portion between the point γ1 and the point γ1 is a curve having a radius of curvature of 0.8 mm or more, and the boundary point γ0 and the point γ2 separated from the boundary point γ0 by 0.29 mm on the opposite side of the point γ1. The part between them means that the curve has a radius of curvature of 0.8 mm or more (the same applies hereinafter). Note that Bp10 in FIG. 8 indicates a boundary point between the first straight line portion 126 and the first connecting portion 128 on the surface of the cell-side separator 120, and Bp11 is located on the side of the single cell 110 from the boundary point Bp10. A point separated by 0.29 mm is shown, and Bp12 indicates a point separated from the boundary point Bp10 on the opposite side of the point Bp11 by 0.29 mm.

また、セル側セパレータ120のうち、第1の連結部128と第2の直線部127との境界部分B2は、Y軸方向視においてX軸正方向に位置するほど下方となり、かつ、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している。 Further, in the cell-side separator 120, the boundary portion B2 between the first connecting portion 128 and the second straight line portion 127 becomes lower as it is located in the positive direction of the X-axis in the Y-axis direction, and the radius of curvature becomes smaller. It is curved so as to be 0.8 mm or more.

また、セル側セパレータ120の第1の連結部128のうち、第1の底部128aと第1の接続部128bとの境界部分B11は、Y軸方向視においてX軸正方向に位置するほど上方となり、かつ、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している。 Further, of the first connecting portion 128 of the cell-side separator 120, the boundary portion B11 between the first bottom portion 128a and the first connecting portion 128b becomes higher as it is located in the positive direction of the X axis in the Y-axis direction. Moreover, it is curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more.

また、セル側セパレータ120の第1の連結部128のうち、第1の底部128aと第2の接続部128cとの境界部分B12は、Y軸方向視においてX軸負方向に位置するほど上方となり、かつ、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している。 Further, of the first connecting portion 128 of the cell-side separator 120, the boundary portion B12 between the first bottom portion 128a and the second connecting portion 128c becomes higher as it is located in the negative direction of the X axis in the Y-axis direction. Moreover, it is curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more.

なお、第1の直線部126と、第2の直線部127と、第1の連結部128とは、上下方向視で、第1のセパレータ貫通孔121を取り囲むように形成されている(図6参照)。第2の直線部127は、上下方向視において第1の直線部126よりセル側セパレータ120の外周側に位置している。 The first straight line portion 126, the second straight line portion 127, and the first connecting portion 128 are formed so as to surround the first separator through hole 121 in the vertical direction (FIG. 6). reference). The second straight line portion 127 is located on the outer peripheral side of the cell side separator 120 with respect to the first straight line portion 126 in the vertical view.

A-3-2.IC側セパレータ180の詳細構成:
図8に示すように、IC側セパレータ180は、第3の直線部186と、第4の直線部187と、第2の連結部188と、を備えている。IC側セパレータ180の詳細構成は、上述したセル側セパレータ120の詳細構成と基本的な構成は同様である。従って、基本的には、上述したセル側セパレータ120の詳細構成における「セル側セパレータ120」を「IC側セパレータ180」と読み替え、「第1の直線部126」を「第3の直線部186」と読み替え、「第2の直線部127」を「第4の直線部187」と読み替え、「第1の連結部128」を「第2の連結部188」と読み替えればよい。さらに、「第1の貫通孔周囲部122」を「第2の貫通孔周囲部182」と読み替え、「第1の連結部深さH1」を「第2の連結部深さH2」と読み替え、「第1の底部128a」を「第2の底部188a」と読み替えればよい。そのため、IC側セパレータ180の詳細構成についての説明は基本的には省略し、特徴的な構成についてのみ以下に述べる。
A-3-2. Detailed configuration of IC side separator 180:
As shown in FIG. 8, the IC-side separator 180 includes a third straight line portion 186, a fourth straight line portion 187, and a second connecting portion 188. The detailed configuration of the IC-side separator 180 is the same as the detailed configuration of the cell-side separator 120 described above. Therefore, basically, the "cell side separator 120" in the detailed configuration of the cell side separator 120 described above should be read as "IC side separator 180", and the "first straight line portion 126" should be replaced with the "third straight line portion 186". , "Second straight line portion 127" may be read as "fourth straight line portion 187", and "first connecting portion 128" may be read as "second connecting portion 188". Further, "first through hole peripheral portion 122" is read as "second through hole peripheral portion 182", and "first connecting portion depth H1" is read as "second connecting portion depth H2". The "first bottom 128a" may be read as the "second bottom 188a". Therefore, the description of the detailed configuration of the IC-side separator 180 is basically omitted, and only the characteristic configuration will be described below.

第2の連結部188は、第3の直線部186と第4の直線部187とを連結しており、第3の直線部186と第4の直線部187との両方に対して下方に突出している。第2の連結部188は、第3の直線部186および第4の直線部187の位置から下方に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、第2の連結部188における上側は凹部となっている。 The second connecting portion 188 connects the third straight portion 186 and the fourth straight portion 187, and projects downward with respect to both the third straight portion 186 and the fourth straight portion 187. ing. The second connecting portion 188 has a curved shape so as to project downward from the positions of the third straight portion 186 and the fourth straight portion 187. That is, the upper side of the second connecting portion 188 is a recess.

第3の直線部186は、第2の連結部188の突出方向(本実施形態では下方)の端に位置する第2の底部188aと、第2の底部188aと第3の直線部186とを接続する第3の接続部188bと、第2の底部188aと第4の直線部187とを接続する第4の接続部188cと、を有している。第2の底部188aは、第3の直線部186と第4の直線部187との両方に対して下方に位置している。 The third straight line portion 186 has a second bottom portion 188a located at the end of the second connecting portion 188 in the protruding direction (lower in the present embodiment), a second bottom portion 188a, and a third straight line portion 186. It has a third connecting portion 188b to be connected and a fourth connecting portion 188c connecting the second bottom portion 188a and the fourth straight line portion 187. The second bottom portion 188a is located below both the third straight line portion 186 and the fourth straight line portion 187.

第2の底部188aに関し、燃料電池スタック100は以下の式(2)を満たしている。
L3/L4≦4.3 ・・・(2)
L3:X軸方向における単セル110とフレーム部材200との間の長さ
L4:X軸方向における第2の底部188aの長さ
With respect to the second bottom 188a, the fuel cell stack 100 satisfies the following equation (2).
L3 / L4 ≦ 4.3 ・ ・ ・ (2)
L3: Length between the single cell 110 and the frame member 200 in the X-axis direction L4: Length of the second bottom 188a in the X-axis direction

上記の「X軸方向における第2の底部188aの長さ」の意味は、上述した「X軸方向における第1の底部128aの長さ」の意味と同様の考え方により定義されるものである。すなわち、IC側セパレータ180の第2の連結部188のうち、後述する境界部分B13(第2の底部188aと第3の接続部188bとの境界部分B13)と、境界部分B14(第2の底部188aと第4の接続部188cとの境界部分B14)とを繋ぐ部分のX軸方向の長さを意味する。 The meaning of the above-mentioned "length of the second bottom portion 188a in the X-axis direction" is defined by the same concept as the meaning of the above-mentioned "length of the first bottom portion 128a in the X-axis direction". That is, of the second connecting portion 188 of the IC side separator 180, the boundary portion B13 (boundary portion B13 between the second bottom portion 188a and the third connecting portion 188b) and the boundary portion B14 (second bottom portion) described later. It means the length in the X-axis direction of the portion connecting the boundary portion B14) between the 188a and the fourth connecting portion 188c.

IC側セパレータ180のうち、第3の直線部186と第2の連結部188との境界部分B3は、Y軸方向視においてX軸負方向に位置するほど下方となり、かつ、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している。 Of the IC-side separator 180, the boundary portion B3 between the third straight line portion 186 and the second connecting portion 188 becomes lower as it is located in the negative direction of the X-axis in the Y-axis direction, and the radius of curvature is 0. It is curved so that it is 8 mm or more.

IC側セパレータ180のうち、第2の連結部188と第4の直線部187との境界部分B4は、Y軸方向視においてX軸正方向に位置するほど下方となり、かつ、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している。 Of the IC-side separator 180, the boundary portion B4 between the second connecting portion 188 and the fourth straight line portion 187 is lowered so as to be positioned in the positive direction of the X-axis in the Y-axis direction, and the radius of curvature is 0. It is curved so that it is 8 mm or more.

また、IC側セパレータ180の第2の連結部188のうち、第2の底部188aと第3の接続部188bとの境界部分B13は、Y軸方向視においてX軸正方向に位置するほど上方となり、かつ、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している。 Further, of the second connecting portion 188 of the IC side separator 180, the boundary portion B13 between the second bottom portion 188a and the third connecting portion 188b becomes higher as it is located in the positive direction of the X axis in the Y-axis direction. Moreover, it is curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more.

また、IC側セパレータ180の第2の連結部188のうち、第2の底部188aと第4の接続部188cとの境界部分B14は、Y軸方向視においてX軸負方向に位置するほど上方となり、かつ、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している。 Further, of the second connecting portion 188 of the IC side separator 180, the boundary portion B14 between the second bottom portion 188a and the fourth connecting portion 188c becomes higher as it is located in the negative direction of the X axis in the Y-axis direction. Moreover, it is curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more.

A-4.本実施形態の効果:
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、上下方向(Z軸方向)に並べて配置された複数の発電単位102を備えている。発電単位102は、単セル110と、セル側セパレータ120と、フレーム部材200(空気極側フレーム部材130および燃料極側フレーム部材140)と、を備えている。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、を含んでいる。セル側セパレータ120には、上下方向に貫通する第1のセパレータ貫通孔121が形成されている。セル側セパレータ120のうち、上下方向視で第1のセパレータ貫通孔121を取り囲む第1の貫通孔周囲部122は、単セル110の周縁部と接続されている。セル側セパレータ120は、空気極114に面する空気室166と、燃料極116に面する燃料室176とを区画する。フレーム部材200には、上下方向に貫通し、燃料室176と空気室166とを構成するフレーム貫通孔201が形成されている。フレーム部材200のうち、上下方向視でフレーム貫通孔201を取り囲むフレーム貫通孔周囲部202は、セル側セパレータ120の外周部と接続されている。燃料電池スタック100における上下方向に平行な断面(例えば、図4および図8に示す断面。以下、「第1の特定断面」という。)において、セル側セパレータ120は、第1の直線部126と、第2の直線部127と、第1の連結部128と、を備えている。第1の直線部126は、上下方向に直交する方向(以下、第1の特定断面における当該方向を「第1の直交方向」という。)における単セル110とフレーム部材200との間に位置し、第1の直交方向に延びている。第2の直線部127は、第1の直交方向における第1の直線部126とフレーム部材200との間に位置し、第1の直交方向に延びている。第1の連結部128は、第1の直線部126と第2の直線部127とを連結しており、第1の直線部126と第2の直線部127との両方に対して下方に突出している。第1の連結部128は、第2の底部188aを有している。燃料電池スタック100は、式:L1/L2≦4.3を満たしている。L1は、第1の直交方向における単セル110とフレーム部材200との間の長さであり、L2は、第1の直交方向における第1の連結部128の第2の底部188aの長さである。
A-4. Effect of this embodiment:
As described above, the fuel cell stack 100 of the present embodiment includes a plurality of power generation units 102 arranged side by side in the vertical direction (Z-axis direction). The power generation unit 102 includes a single cell 110, a cell-side separator 120, and a frame member 200 (air pole-side frame member 130 and fuel pole-side frame member 140). The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, and an air pole 114 and a fuel pole 116 that face each other in the vertical direction with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The cell-side separator 120 is formed with a first separator through hole 121 that penetrates in the vertical direction. Of the cell-side separator 120, the first through-hole peripheral portion 122 that surrounds the first separator through-hole 121 in the vertical direction is connected to the peripheral edge portion of the single cell 110. The cell-side separator 120 partitions an air chamber 166 facing the air pole 114 and a fuel chamber 176 facing the fuel pole 116. The frame member 200 is formed with a frame through hole 201 that penetrates in the vertical direction and constitutes a fuel chamber 176 and an air chamber 166. Among the frame members 200, the frame through hole peripheral portion 202 surrounding the frame through hole 201 in the vertical direction is connected to the outer peripheral portion of the cell side separator 120. In the cross section parallel to the vertical direction in the fuel cell stack 100 (for example, the cross section shown in FIGS. 4 and 8, hereinafter referred to as “the first specific cross section”), the cell side separator 120 is the first straight portion 126. , A second straight portion 127 and a first connecting portion 128 are provided. The first straight line portion 126 is located between the single cell 110 and the frame member 200 in a direction orthogonal to the vertical direction (hereinafter, the direction in the first specific cross section is referred to as a "first orthogonal direction"). , Extends in the first orthogonal direction. The second straight line portion 127 is located between the first straight line portion 126 and the frame member 200 in the first orthogonal direction, and extends in the first orthogonal direction. The first connecting portion 128 connects the first straight portion 126 and the second straight portion 127, and projects downward with respect to both the first straight portion 126 and the second straight portion 127. ing. The first connecting portion 128 has a second bottom portion 188a. The fuel cell stack 100 satisfies the formula: L1 / L2 ≦ 4.3. L1 is the length between the single cell 110 and the frame member 200 in the first orthogonal direction, and L2 is the length of the second bottom 188a of the first connecting portion 128 in the first orthogonal direction. be.

本実施形態の燃料電池スタック100では、式:L1/L2≦4.3を満たしていることにより、式:L1/L2≦4.3を満たしていない構成と比較して、燃料電池スタック100が熱サイクルに晒されたときに、第1の連結部128にひずみが蓄積することが抑制される。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、第1の連結部128にひずみが蓄積することに起因してセル側セパレータ120に疲労破壊が生じることを抑制することができる。 In the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the fuel cell stack 100 satisfies the formula: L1 / L2 ≦ 4.3, so that the fuel cell stack 100 does not satisfy the formula: L1 / L2 ≦ 4.3. The accumulation of strain in the first connecting portion 128 when exposed to a thermal cycle is suppressed. Therefore, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, it is possible to prevent fatigue fracture from occurring in the cell-side separator 120 due to the accumulation of strain in the first connecting portion 128.

なお、セル側セパレータ120(第1の直線部126,第2の直線部127,第1の連結部128)の厚さT1が大きいほど、第1の連結部128に蓄積するひずみは大きくなる傾向がある。そのため、第1の連結部128にひずみが蓄積することに起因してセル側セパレータ120に疲労破壊が生じることを抑制する観点から、セル側セパレータ120の厚さT1は、上述したように0.3mm以下であることが好ましく、0.1mm以下であることがより好ましい。 The larger the thickness T1 of the cell-side separator 120 (first straight line portion 126, second straight line portion 127, first connecting portion 128), the larger the strain accumulated in the first connecting portion 128 tends to be. There is. Therefore, from the viewpoint of suppressing fatigue fracture in the cell-side separator 120 due to the accumulation of strain in the first connecting portion 128, the thickness T1 of the cell-side separator 120 is set to 0. It is preferably 3 mm or less, and more preferably 0.1 mm or less.

また、仮にL1/L2の値が4.3より大きい構成においては、燃料電池スタック100が熱サイクルに晒されたときに、セル側セパレータ120が非弾性変形(塑性変形またはクリープ変形)し、これにより空気室166または燃料室176におけるガス流路が閉塞または縮小するより、ガスの流配が阻害され、空気室166または燃料室176における圧損が増大する恐れがある。そのため、この構成においては、空気室166または燃料室176におけるガス流路が閉塞または縮小することにより、燃料電池スタック100の発電性能が低下する等の問題が生じる恐れがある。これに対し、本実施形態の燃料電池スタック100では、上述したように式:L1/L2≦4.3を満たしていることにより、セル側セパレータ120が非弾性変形することが抑制され、ひいては燃料電池スタック100の発電性能の低下等の問題が生じることを抑制することができる。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、発電性能を良好なものとすることができる。上記構成により当該効果が得られる理由は、必ずしも明らかではないが、L1/L2≦4.3を満たすことにより、上述したように燃料電池スタック100が熱サイクルに晒されたときに第1の連結部128にひずみが蓄積することが抑制されることによるものと推測される。 Further, in a configuration in which the value of L1 / L2 is larger than 4.3, when the fuel cell stack 100 is exposed to a thermal cycle, the cell-side separator 120 undergoes inelastic deformation (plastic deformation or creep deformation). As a result, the gas flow path in the air chamber 166 or the fuel chamber 176 is blocked or reduced, so that the gas flow distribution is hindered and the pressure loss in the air chamber 166 or the fuel chamber 176 may increase. Therefore, in this configuration, the gas flow path in the air chamber 166 or the fuel chamber 176 may be blocked or reduced, which may cause a problem that the power generation performance of the fuel cell stack 100 is deteriorated. On the other hand, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, by satisfying the formula: L1 / L2 ≦ 4.3 as described above, the cell-side separator 120 is suppressed from being inelastically deformed, and eventually the fuel. It is possible to suppress the occurrence of problems such as deterioration of the power generation performance of the battery stack 100. Therefore, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the power generation performance can be improved. The reason why the effect is obtained by the above configuration is not necessarily clear, but by satisfying L1 / L2 ≦ 4.3, the first connection when the fuel cell stack 100 is exposed to the thermal cycle as described above. It is presumed that this is due to the suppression of strain accumulation in the portion 128.

また、本実施形態の燃料電池スタック100では、第1の特定断面において、セル側セパレータ120のうち、第1の直線部126と第1の連結部128との境界部分B1、および第1の連結部128と第2の直線部127との境界部分B2は、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している。 Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, in the first specific cross section, the boundary portion B1 between the first straight line portion 126 and the first connecting portion 128 and the first connecting portion of the cell side separator 120 are connected. The boundary portion B2 between the portion 128 and the second straight portion 127 is curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more.

本実施形態の燃料電池スタック100によれば、上記の境界部分B1,B2は曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲しているという構成であることにより、境界部分B1,B2が屈曲している構成と比較して、境界部分B1,B2にひずみが蓄積することが抑制され、ひいては、第1の連結部128にひずみが蓄積することに起因してセル側セパレータ120に疲労破壊が生じることをより効果的に抑制することができる。 According to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the boundary portions B1 and B2 are curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more, so that the boundary portions B1 and B2 are bent. Compared with the above configuration, the accumulation of strain in the boundary portions B1 and B2 is suppressed, and as a result, the strain is accumulated in the first connecting portion 128, so that fatigue fracture occurs in the cell side separator 120. This can be suppressed more effectively.

また、本実施形態の燃料電池スタック100では、発電単位102は、単セル110と上下方向に対向するインターコネクタ部材150と、IC側セパレータ180と、を備えている。IC側セパレータ180には、上下方向に貫通する第2のセパレータ貫通孔181が形成されている。IC側セパレータ180のうち、上下方向視で第2のセパレータ貫通孔181を取り囲む第2の貫通孔周囲部182は、インターコネクタ部材150の周縁部と接続されている。IC側セパレータ180は、空気極114に面する空気室166と、燃料極116に面する燃料室176とを区画する。燃料電池スタック100における上下方向に平行な断面(例えば、図4および図8に示す断面。以下、「第2の特定断面」という。)において、IC側セパレータ180は、第3の直線部186と、第4の直線部187と、第2の連結部188と、を備えている。第3の直線部186は、第2の特定断面における上下方向に平行な断面(以下、「第2の直交方向」という。)における単セル110とフレーム部材200との間に位置し、第2の直交方向に延びている。第4の直線部187は、第2の直交方向における第3の直線部186とフレーム部材200との間に位置し、第2の直交方向に延びている。第2の連結部188は、第3の直線部186と第4の直線部187とを連結しており、第3の直線部186と第4の直線部187との両方に対して上下方向に突出している。第2の連結部188は、第2の底部188aを有している。燃料電池スタック100は、式:L3/L4≦4.3を満たしている。L3は、第2の直交方向における単セル110とフレーム部材200との間の長さであり、L4は、第2の直交方向における第2の連結部188の第2の底部188aの長さである。 Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the power generation unit 102 includes an interconnector member 150 that faces the single cell 110 in the vertical direction, and an IC-side separator 180. The IC-side separator 180 is formed with a second separator through hole 181 that penetrates in the vertical direction. Of the IC-side separator 180, the second through-hole peripheral portion 182 that surrounds the second separator through-hole 181 in the vertical direction is connected to the peripheral edge portion of the interconnector member 150. The IC-side separator 180 partitions an air chamber 166 facing the air pole 114 and a fuel chamber 176 facing the fuel pole 116. In the cross section parallel to the vertical direction in the fuel cell stack 100 (for example, the cross section shown in FIGS. 4 and 8; hereinafter referred to as “the second specific cross section”), the IC side separator 180 has a third straight portion 186. , A fourth straight portion 187 and a second connecting portion 188. The third straight line portion 186 is located between the single cell 110 and the frame member 200 in a cross section parallel to the vertical direction in the second specific cross section (hereinafter referred to as “second orthogonal direction”), and is a second. Extends in the orthogonal direction of. The fourth straight line portion 187 is located between the third straight line portion 186 in the second orthogonal direction and the frame member 200, and extends in the second orthogonal direction. The second connecting portion 188 connects the third straight line portion 186 and the fourth straight line portion 187, and vertically with respect to both the third straight line portion 186 and the fourth straight line portion 187. It stands out. The second connecting portion 188 has a second bottom portion 188a. The fuel cell stack 100 satisfies the formula: L3 / L4 ≦ 4.3. L3 is the length between the single cell 110 and the frame member 200 in the second orthogonal direction, and L4 is the length of the second bottom portion 188a of the second connecting portion 188 in the second orthogonal direction. be.

本実施形態の燃料電池スタック100では、式:L3/L4≦4.3を満たしていることにより、式:L3/L4≦4.3を満たしていない構成と比較して、燃料電池スタック100が熱サイクルに晒されたときに、第2の連結部188にひずみが蓄積することが抑制される。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、第2の連結部188にひずみが蓄積することに起因してIC側セパレータ180に疲労破壊が生じることを抑制することができる。 In the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the fuel cell stack 100 satisfies the formula: L3 / L4 ≦ 4.3, so that the fuel cell stack 100 does not satisfy the formula: L3 / L4 ≦ 4.3. The accumulation of strain in the second connecting portion 188 when exposed to a thermal cycle is suppressed. Therefore, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, it is possible to prevent fatigue fracture from occurring in the IC-side separator 180 due to the accumulation of strain in the second connecting portion 188.

なお、上述したセル側セパレータ120の厚さT1と同様に、IC側セパレータ180(第3の直線部186,第4の直線部187,第2の連結部188)の厚さT2が大きいほど、第2の連結部188に蓄積するひずみは大きくなる傾向がある。そのため、第2の連結部188にひずみが蓄積することに起因してIC側セパレータ180に疲労破壊が生じることを抑制する観点から、IC側セパレータ180の厚さT2は、上述したように0.3mm以下であることが好ましく、0.1mm以下であることがより好ましい。 Similar to the thickness T1 of the cell-side separator 120 described above, the larger the thickness T2 of the IC-side separator 180 (third straight line portion 186, fourth straight line portion 187, second connecting portion 188), the larger the thickness T2. The strain accumulated in the second connecting portion 188 tends to be large. Therefore, from the viewpoint of suppressing fatigue fracture in the IC-side separator 180 due to the accumulation of strain in the second connecting portion 188, the thickness T2 of the IC-side separator 180 is set to 0. It is preferably 3 mm or less, and more preferably 0.1 mm or less.

セル側セパレータ120が上述したように非弾性変形するのと同様に、仮にL3/L4の値が4.3より大きい構成においては、燃料電池スタック100が熱サイクルに晒されたときに、IC側セパレータ180が非弾性変形し、これにより空気室166または燃料室176におけるガス流路が閉塞され、ガスの流配が阻害されることにより、燃料電池スタック100の発電性能が低下する等の問題が生じる恐れがある。これに対し、本実施形態の燃料電池スタック100では、上述したように式:L3/L4≦4.3を満たしていることにより、IC側セパレータ180が非弾性変形することが抑制され、ひいては燃料電池スタック100の発電性能の低下等の問題が生じることをより効果的に抑制することができる。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、発電性能をより良好なものとすることができる。 Similar to the inelastic deformation of the cell-side separator 120 as described above, in a configuration where the value of L3 / L4 is larger than 4.3, when the fuel cell stack 100 is exposed to the thermal cycle, the IC side The separator 180 is inelastically deformed, which blocks the gas flow path in the air chamber 166 or the fuel chamber 176 and hinders the flow of gas, which causes problems such as deterioration of the power generation performance of the fuel cell stack 100. May occur. On the other hand, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, by satisfying the formula: L3 / L4 ≦ 4.3 as described above, the IC-side separator 180 is suppressed from being inelastically deformed, and eventually the fuel. It is possible to more effectively suppress problems such as deterioration of the power generation performance of the battery stack 100. Therefore, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the power generation performance can be improved.

また、本実施形態の燃料電池スタック100では、第2の特定断面において、セル側セパレータ120のうち、第3の直線部186と第2の連結部188との境界部分B3、および第2の連結部188と第4の直線部187との境界部分B4は、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している。 Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, in the second specific cross section, the boundary portion B3 between the third straight line portion 186 and the second connecting portion 188 and the second connecting portion of the cell side separator 120 are connected. The boundary portion B4 between the portion 188 and the fourth straight line portion 187 is curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more.

本実施形態の燃料電池スタック100によれば、上記の境界部分B3,B4は曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲しているという構成であることにより、境界部分B3,B4が屈曲している構成と比較して、境界部分B3,B4にひずみが蓄積することが抑制され、ひいては、第2の連結部188にひずみが蓄積することに起因してIC側セパレータ180に疲労破壊が生じることをより効果的に抑制することができる。 According to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the boundary portions B3 and B4 are curved so that the radius of curvature is 0.8 mm or more, so that the boundary portions B3 and B4 are bent. Compared with the above configuration, the accumulation of strain in the boundary portions B3 and B4 is suppressed, and as a result, the strain is accumulated in the second connecting portion 188, which causes fatigue fracture in the IC side separator 180. This can be suppressed more effectively.

A-5.性能評価:
次に、本実施形態の性能評価について説明する。各特性が互いに異なる複数の燃料電池スタック100のサンプルについてシミュレーションによる性能評価(セパレータの疲労破壊に対する耐久性に関する性能評価)を行った。図9および図10は、性能評価結果を示す説明図である。本性能評価では、複数の単セル110(発電単位102)を備える燃料電池スタック100を構成し、発電運転を行ったときのセル側セパレータ120およびIC側セパレータ180に蓄積されるひずみを測定した。
A-5. Performance evaluation:
Next, the performance evaluation of this embodiment will be described. Performance evaluation (performance evaluation regarding durability against fatigue fracture of the separator) was performed on samples of a plurality of fuel cell stacks 100 having different characteristics from each other by simulation. 9 and 10 are explanatory views showing the performance evaluation results. In this performance evaluation, a fuel cell stack 100 including a plurality of single cells 110 (power generation unit 102) was configured, and the strain accumulated in the cell side separator 120 and the IC side separator 180 when power generation operation was performed was measured.

図9には、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180の疲労破壊に対する耐久性についての評価の結果が示されている。図9に示すように、本性能評価には、燃料電池スタック100の6個のサンプル(サンプルS1~S6)が用いられた。各サンプルは、L1の値が互いに同一であり、L2の値が互いに異なっており、そのため、L1/L2の値が互いに異なっている。図10には、上述した運転条件で発電運転を行ったときにセル側セパレータ120およびIC側セパレータ180に蓄積されるひずみの増加量を検証するシミュレーションの結果が示されている。 FIG. 9 shows the results of evaluation of the durability of the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180 against fatigue fracture. As shown in FIG. 9, six samples (samples S1 to S6) of the fuel cell stack 100 were used for this performance evaluation. In each sample, the values of L1 are the same as each other, the values of L2 are different from each other, and therefore the values of L1 / L2 are different from each other. FIG. 10 shows the result of a simulation for verifying the amount of increase in strain accumulated in the cell side separator 120 and the IC side separator 180 when the power generation operation is performed under the above-mentioned operating conditions.

図9の「ひずみの増加量(Δε)」欄に記載されている「大」は、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180に蓄積されるひずみの量が大きいことを示すものであり、「小」は、当該ひずみの量が小さいことを示すものである。 “Large” in the “Strain increase amount (Δε)” column of FIG. 9 indicates that the amount of strain accumulated in the cell side separator 120 and the IC side separator 180 is large, and is “small”. "" Indicates that the amount of the strain is small.

各サンプルについて、シミュレーションの結果、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180に蓄積されるひずみの増加量がクライテリア以上であれば、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180に蓄積されるひずみの量が過大であることによりセル側セパレータ120やIC側セパレータ180に疲労破壊が生じる危険性が高いと判断し、「×(不合格)」と評価した。また、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180に蓄積されるひずみの増加量がクライテリア未満であれば、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180に蓄積されるひずみの量が過大であることはないため、セル側セパレータ120やIC側セパレータ180に疲労破壊が生じる危険性が低いと判断し、「○(合格)」と評価した。 As a result of simulation for each sample, if the amount of increase in strain accumulated in the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180 is equal to or greater than the criteria, the amount of strain accumulated in the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180 is excessive. Therefore, it was judged that there is a high risk of fatigue fracture in the cell side separator 120 and the IC side separator 180, and the evaluation was “x (failure)”. Further, if the amount of increase in strain accumulated in the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180 is less than the criteria, the amount of strain accumulated in the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180 is not excessive. , The cell side separator 120 and the IC side separator 180 were judged to have a low risk of fatigue failure, and were evaluated as “◯ (pass)”.

図9に示すように、サンプルS1,S2では、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180に蓄積されるひずみの量が「大」であったため、「×」と評価した。これに対し、サンプルS3~S6では、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180に蓄積されるひずみの量が「小」であったため、「○」と評価した。ここで、サンプルS1,S2では、L1/L2の値が4.3よりも大きく、一方、サンプルS3~S6では、L1/L2の値が4.3以下である。以上の結果から、L1/L2の値が4.3以下である構成においては、L1/L2の値が4.3より大きい構成と比較してセル側セパレータ120およびIC側セパレータ180にひずみが蓄積することが抑制され、ひいては、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180にひずみが蓄積することに起因してセル側セパレータ120やIC側セパレータ180に疲労破壊が生じることを抑制することができることが確認された。なお、図10に示すように、L2の値が大きいほど、セル側セパレータ120およびIC側セパレータ180に蓄積されるひずみの量は小さくなる傾向が確認された。 As shown in FIG. 9, in the samples S1 and S2, the amount of strain accumulated in the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180 was “large”, so that the sample S1 and S2 were evaluated as “x”. On the other hand, in the samples S3 to S6, the amount of strain accumulated in the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180 was “small”, so that the sample was evaluated as “◯”. Here, in the samples S1 and S2, the value of L1 / L2 is larger than 4.3, while in the samples S3 to S6, the value of L1 / L2 is 4.3 or less. From the above results, in the configuration in which the value of L1 / L2 is 4.3 or less, strain is accumulated in the cell side separator 120 and the IC side separator 180 as compared with the configuration in which the value of L1 / L2 is larger than 4.3. It was confirmed that it is possible to suppress fatigue fracture in the cell side separator 120 and the IC side separator 180 due to the accumulation of strain in the cell side separator 120 and the IC side separator 180. Was done. As shown in FIG. 10, it was confirmed that the larger the value of L2, the smaller the amount of strain accumulated in the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180.

B.変形例:
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。
B. Modification example:
The technique disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be transformed into various forms without departing from the gist thereof, and for example, the following modifications are also possible.

例えば、上記実施形態の燃料電池スタック100では、上下方向視における単セル110の中心点POを通り、かつ、上下方向に平行な任意の断面において、上述したセル側セパレータ120およびIC側セパレータ180の構成が採用されているが、上下方向視における単セル110の中心点POを通り、かつ、上下方向に平行ないずれかの断面のみにおいて、上述したセル側セパレータ120およびIC側セパレータ180の構成が採用されてもよい。また、上記実施形態の燃料電池スタック100において、上述したセル側セパレータ120の構成と、上述したIC側セパレータ180の構成とが、互いに異なる断面において採用されてもよい。 For example, in the fuel cell stack 100 of the above-described embodiment, the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180 described above pass through the center point PO of the single cell 110 in the vertical direction and are parallel to the vertical direction. Although the configuration is adopted, the configuration of the cell-side separator 120 and the IC-side separator 180 described above can be obtained only in any of the cross sections that pass through the center point PO of the single cell 110 in the vertical direction and are parallel to the vertical direction. It may be adopted. Further, in the fuel cell stack 100 of the above embodiment, the above-mentioned configuration of the cell-side separator 120 and the above-mentioned configuration of the IC-side separator 180 may be adopted in different cross sections.

また、上記実施形態(または変型例、以下同様)において、第1の連結部128は、第1の直線部126と第2の直線部127との両方に対して上方に突出している構成であってもよい。この構成においても、第1の連結部128が下方に突出している構成における理由と同様の理由から、単セル110に生じる応力に起因する単セル110の変形や割れを抑制することができる。また、第2の連結部188は、第3の直線部186と第4の直線部187とを連結しており、第3の直線部186と第4の直線部187との両方に対して下方に突出している構成であってもよい。この構成においても、第2の連結部188が下方に突出している構成における理由と同様の理由から、単セル110に生じる応力に起因する単セル110の変形や割れを抑制することができる。 Further, in the above embodiment (or a modified example, the same applies hereinafter), the first connecting portion 128 has a configuration that protrudes upward with respect to both the first straight line portion 126 and the second straight line portion 127. You may. Also in this configuration, the deformation and cracking of the single cell 110 due to the stress generated in the single cell 110 can be suppressed for the same reason as in the configuration in which the first connecting portion 128 projects downward. Further, the second connecting portion 188 connects the third straight line portion 186 and the fourth straight line portion 187, and is downward with respect to both the third straight line portion 186 and the fourth straight line portion 187. It may be a configuration that protrudes from the surface. Also in this configuration, the deformation and cracking of the single cell 110 due to the stress generated in the single cell 110 can be suppressed for the same reason as in the configuration in which the second connecting portion 188 projects downward.

また、上記実施形態において、フレーム部材200を構成する空気極側フレーム部材130と燃料極側フレーム部材140とが一体に形成されていてもよい。 Further, in the above embodiment, the air pole side frame member 130 and the fuel pole side frame member 140 constituting the frame member 200 may be integrally formed.

また、フレーム部材200は、フレーム貫通孔201が燃料室176と空気室166との一方のみを構成するものであってもよい。 Further, in the frame member 200, the frame through hole 201 may form only one of the fuel chamber 176 and the air chamber 166.

上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態において、空気極114と電解質層112との間に中間層が配置されていてもよい。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。 In the above embodiment, the number of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 is only an example, and the number of power generation units 102 is appropriately determined according to the output voltage and the like required for the fuel cell stack 100. Further, in the above embodiment, an intermediate layer may be arranged between the air electrode 114 and the electrolyte layer 112. Further, the material constituting each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be composed of another material.

上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016-81813号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用すると、セル側セパレータ120に疲労破壊が生じることを抑制することができる。 In the above embodiment, the SOFC that generates power by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidizing agent gas is targeted, but the present invention utilizes the electrolysis reaction of water. It is also applicable to an electrolytic cell unit, which is a constituent unit of a solid oxide type electrolytic cell (SOEC) that produces hydrogen, and an electrolytic cell stack having a plurality of electrolytic cell units. The configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is known, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, but is schematically the same as the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. It is a composition. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit, and the single cell 110 may be read as an electrolytic cell. However, during the operation of the electrolytic cell stack, a voltage is applied between both electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode), and the voltage is applied through the communication hole 108. Steam as a raw material gas is supplied. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolytic cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out to the outside of the electrolytic cell stack through the communication hole 108. Even in the electrolytic cell unit and the electrolytic cell stack having such a configuration, if the same configuration as that of the above embodiment is adopted, it is possible to suppress the occurrence of fatigue fracture in the cell side separator 120.

22:ボルト 22A:ボルト 22B:ボルト 22D:ボルト 22E:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セル側セパレータ 121:第1のセパレータ貫通孔 122:第1の貫通孔周囲部 124:第1の接合部 125:第1のガラスシール部 126:第1の直線部 127:第2の直線部 128:第1の連結部 128a:第1の底部 128b:第1の接続部 128c:第2の接続部 130:空気極側フレーム部材 131:空気室用孔 132:酸化剤ガス供給連通流路 133:酸化剤ガス排出連通流路 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム部材 141:燃料室用孔 142:燃料ガス供給連通流路 143:燃料ガス排出連通流路 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサ 150:インターコネクタ部材 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 180:IC側セパレータ 181:第2のセパレータ貫通孔 182:第2の貫通孔周囲部 186:第3の直線部 187:第4の直線部 188:第2の連結部 188a:第2の底部 188b:第3の接続部 188c:第4の接続部200:フレーム部材 201:フレーム貫通孔 202:フレーム貫通孔周囲部 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス 22: Bolt 22A: Bolt 22B: Bolt 22D: Bolt 22E: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Cell side separator 121: First separator through hole 122: First through hole peripheral part 124: First joint part 125 : First glass seal part 126: First straight part 127: Second straight part 128: First connecting part 128a: First bottom 128b: First connecting part 128c: Second connecting part 130: Air pole side frame member 131: Air chamber hole 132: Oxidating agent gas supply communication flow path 133: Oxidizing agent gas discharge communication flow path 134: Air pole side current collector 135: Current collector element 140: Fuel pole side frame member 141: Fuel chamber hole 142: Fuel gas supply communication flow path 143: Fuel gas discharge communication flow path 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing part 146: Interconnector facing part 147: Connecting part 149: Spacer 150: Interconnector member 161: Oxidizing agent gas introduction manifold 162: Oxidizing agent gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 180: IC side separator 181: Second separator through hole 182: Second through hole peripheral part 186: Third straight part 187: Fourth straight part 188: Second connecting part 188a: Second bottom 188b: Third connecting part 188c: Fourth connecting part 200: Frame member 201: Frame through hole 202: Frame through hole peripheral part FG: Fuel gas FOG: Fuel off gas OG: Oxidating agent gas OOG: Oxidating agent off gas

Claims (8)

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の方向に貫通する第1のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記第1のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接続されており、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ル側セパレータと、
前記第1の方向に貫通し、前記燃料室と前記空気室との少なくとも一方を構成するフレーム貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記フレーム貫通孔を取り囲む部分が前記セル側セパレータの外周部と接続されているフレーム部材と、
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る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つの断面である第1の特定断面において、
前記セル側セパレータは、
前記第1の方向に直交する第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第1の直線部と、
前記第2の方向における前記第1の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第2の直線部と、
前記第1の直線部と前記第2の直線部とを連結しており、前記第1の直線部と前記第2の直線部との両方に対して前記第1の方向に突出し、第1の底部を有する第1の連結部と、
を備え、
以下の式(1)を満たす、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
L1/L2≦4.3 ・・・(1)
L1:前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
L2:前記第2の方向における前記第1の底部の長さ
A single cell containing an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer.
A first separator through hole penetrating in the first direction is formed, and a portion surrounding the first separator through hole in the first direction view is connected to the peripheral edge portion of the single cell. A cell-side separator that separates the air chamber facing the air electrode and the fuel chamber facing the fuel electrode.
A frame through hole that penetrates in the first direction and constitutes at least one of the fuel chamber and the air chamber is formed, and a portion surrounding the frame through hole in the first direction is the cell side. The frame member connected to the outer periphery of the separator,
In an electrochemical reaction cell stack in which a plurality of electrochemical reaction units comprising are arranged side by side in the first direction.
In the first specific cross section, which is at least one cross section parallel to the first direction.
The cell-side separator is
A first straight line portion located between the single cell and the frame member in the second direction orthogonal to the first direction and extending in the second direction.
A second straight line portion located between the first straight line portion in the second direction and the frame member and extending in the second direction, and a second straight line portion.
The first straight line portion and the second straight line portion are connected to each other, and the first straight line portion and the second straight line portion project in the first direction with respect to both the first straight line portion and the second straight line portion. With the first connecting part having a bottom,
Equipped with
Satisfy the following equation (1),
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
L1 / L2 ≦ 4.3 ・ ・ ・ (1)
L1: Length between the single cell and the frame member in the second direction L2: Length of the first bottom in the second direction
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の特定断面において、
前記セル側セパレータのうち、前記第1の直線部と前記第1の連結部との境界部分、および前記第1の連結部と前記第2の直線部との境界部分は、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
In the electrochemical reaction cell stack according to claim 1,
In the first specific cross section,
Of the cell-side separators, the boundary portion between the first straight line portion and the first connecting portion and the boundary portion between the first connecting portion and the second straight line portion have a radius of curvature of 0. It is curved so that it is 8 mm or more,
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
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、
前記電気化学反応単位は、
前記単セルと前記第1の方向に対向するインターコネクタ部材と、
前記第1の方向に貫通する第2のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記第2のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記インターコネクタ部材の周縁部と接続されており、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IC側セパレータと、
を備え、
前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面である第2の特定断面において、
前記IC側セパレータは、
前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第3の直線部と、
前記第2の方向における前記第3の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第4の直線部と、
前記第3の直線部と前記第4の直線部とを連結しており、前記第3の直線部と前記第4の直線部との両方に対して前記第1の方向に突出し、第2の底部を有する第2の連結部と、
を備え、
以下の式(2)を満たす、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
L3/L4≦4.3 ・・・(2)
L3:前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
L4:前記第2の方向における前記第2の底部の長さ
In the electrochemical reaction cell stack according to claim 1 or 2.
The electrochemical reaction unit is
The single cell and the interconnector member facing the first direction,
A second separator through hole penetrating in the first direction is formed, and a portion surrounding the second separator through hole in the first direction is connected to a peripheral edge portion of the interconnector member. , An IC-side separator that separates the air chamber facing the air electrode and the fuel chamber facing the fuel electrode.
Equipped with
In the second specific cross section, which is at least one cross section parallel to the first direction.
The IC side separator is
A third straight line portion located between the single cell and the frame member in the second direction and extending in the second direction.
A fourth straight line portion located between the third straight line portion in the second direction and the frame member and extending in the second direction, and a fourth straight line portion.
The third straight line portion and the fourth straight line portion are connected to each other, projecting in the first direction with respect to both the third straight line portion and the fourth straight line portion, and the second straight portion. With a second connecting part with a bottom,
Equipped with
Satisfy the following equation (2),
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
L3 / L4 ≦ 4.3 ・ ・ ・ (2)
L3: Length between the single cell and the frame member in the second direction L4: Length of the second bottom in the second direction
請求項3に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第2の特定断面において、
前記IC側セパレータのうち、前記第3の直線部と前記第2の連結部との境界部分、および前記第2の連結部と前記第4の直線部との境界部分は、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
In the electrochemical reaction cell stack according to claim 3,
In the second specific cross section,
Of the IC-side separators, the boundary portion between the third straight line portion and the second connecting portion and the boundary portion between the second connecting portion and the fourth straight line portion have a radius of curvature of 0. It is curved so that it is 8 mm or more,
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
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の方向に貫通する第1のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記第1のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接続されているセル側セパレータと、
前記第1の方向に貫通するフレーム貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記フレーム貫通孔を取り囲む部分が前記セル側セパレータの外周部と接続されているフレーム部材と、
を備えるIC-単セル複合体において、
前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面である第1の特定断面において、
前記セル側セパレータは、
前記第1の方向に直交する第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第1の直線部と、
前記第2の方向における前記第1の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第2の直線部と、
前記第1の直線部と前記第2の直線部とを連結しており、前記第1の直線部と前記第2の直線部との両方に対して前記第1の方向に突出し、第1の底部を有する第1の連結部と、
を備え、
以下の式(1)を満たす、
ことを特徴とするIC-単セル複合体。
L1/L2≦4.3 ・・・(1)
L1:前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
L2:前記第2の方向における前記第1の底部の長さ
A single cell containing an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer.
A cell in which a first separator through hole penetrating in the first direction is formed, and a portion surrounding the first separator through hole in the first direction is connected to a peripheral portion of the single cell. With the side separator,
A frame member through which a frame through hole penetrating in the first direction is formed, and a portion surrounding the frame through hole in the first direction is connected to an outer peripheral portion of the cell side separator.
In an IC-single cell complex comprising
In the first specific cross section, which is at least one cross section parallel to the first direction.
The cell-side separator is
A first straight line portion located between the single cell and the frame member in the second direction orthogonal to the first direction and extending in the second direction.
A second straight line portion located between the first straight line portion in the second direction and the frame member and extending in the second direction, and a second straight line portion.
The first straight line portion and the second straight line portion are connected to each other, and the first straight line portion and the second straight line portion project in the first direction with respect to both the first straight line portion and the second straight line portion. With the first connecting part having a bottom,
Equipped with
Satisfy the following equation (1),
An IC-single cell complex characterized by this.
L1 / L2 ≦ 4.3 ・ ・ ・ (1)
L1: Length between the single cell and the frame member in the second direction L2: Length of the first bottom in the second direction
請求項5に記載のIC-単セル複合体において、
前記第1の特定断面において、
前記セル側セパレータのうち、前記第1の直線部と前記第1の連結部との境界部分、および前記第1の連結部と前記第2の直線部との境界部分は、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している、
ことを特徴とするIC-単セル複合体。
In the IC-single cell complex according to claim 5.
In the first specific cross section,
Of the cell-side separators, the boundary portion between the first straight line portion and the first connecting portion and the boundary portion between the first connecting portion and the second straight line portion have a radius of curvature of 0. It is curved so that it is 8 mm or more,
An IC-single cell complex characterized by this.
請求項5または請求項6に記載のIC-単セル複合体において、
さらに、
前記単セルと前記第1の方向に対向するインターコネクタ部材と、
前記第1の方向に貫通する第2のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第1の方向視で前記第2のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記インターコネクタ部材の周縁部と接続されているIC側セパレータと、
を備え、
前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面である第2の特定断面において、
前記IC側セパレータは、
前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第3の直線部と、
前記第2の方向における前記第3の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第2の方向に延びている第4の直線部と、
前記第3の直線部と前記第4の直線部とを連結しており、前記第3の直線部と前記第4の直線部との両方に対して前記第1の方向に突出し、第2の底部を有する第2の連結部と、
を備え、
以下の式(2)を満たす、
ことを特徴とするIC-単セル複合体。
L3/L4≦4.3 ・・・(2)
L3:前記第2の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
L4:前記第2の方向における前記第2の底部の長さ
In the IC-single cell complex according to claim 5 or 6.
Moreover,
The single cell and the interconnector member facing the first direction,
A second separator through hole penetrating in the first direction is formed, and a portion surrounding the second separator through hole in the first direction is connected to a peripheral edge portion of the interconnector member. IC side separator and
Equipped with
In the second specific cross section, which is at least one cross section parallel to the first direction.
The IC side separator is
A third straight line portion located between the single cell and the frame member in the second direction and extending in the second direction.
A fourth straight line portion located between the third straight line portion in the second direction and the frame member and extending in the second direction, and a fourth straight line portion.
The third straight line portion and the fourth straight line portion are connected to each other, projecting in the first direction with respect to both the third straight line portion and the fourth straight line portion, and the second straight portion. With a second connecting part with a bottom,
Equipped with
Satisfy the following equation (2),
An IC-single cell complex characterized by this.
L3 / L4 ≦ 4.3 ・ ・ ・ (2)
L3: Length between the single cell and the frame member in the second direction L4: Length of the second bottom in the second direction
請求項7に記載のIC-単セル複合体において、
前記第2の特定断面において、
前記IC側セパレータのうち、前記第3の直線部と前記第2の連結部との境界部分、および前記第2の連結部と前記第4の直線部との境界部分は、曲率半径が0.8mm以上となるように湾曲している、
ことを特徴とするIC-単セル複合体。
In the IC-single cell complex according to claim 7.
In the second specific cross section,
Of the IC-side separators, the boundary portion between the third straight line portion and the second connecting portion and the boundary portion between the second connecting portion and the fourth straight line portion have a radius of curvature of 0. It is curved so that it is 8 mm or more,
An IC-single cell complex characterized by this.
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