JP6130578B1 - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
【課題】発電効率を向上できる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック100は、一対の燃料電池セル301と、複数の集電部材302とを備えている。各集電部材302は、一対の燃料電池セル301の間において燃料電池セル301の幅方向に互いに間隔をあけて配置される。燃料電池セル301の幅方向の長さ(W1)と、複数の集電部材302の長さの合計値(W2)と、発電素子部10と各集電部材302との間の距離の平均値(H)とが、次の式(1)を満たす。1mm≦(W2・H)/W1≦40mm・・・(1)【選択図】図7A fuel cell stack capable of improving power generation efficiency is provided. A fuel cell stack includes a pair of fuel cell cells and a plurality of current collecting members. Each current collecting member 302 is disposed between the pair of fuel cells 301 with a space therebetween in the width direction of the fuel cells 301. The length (W1) in the width direction of the fuel cell 301, the total value (W2) of the lengths of the plurality of current collecting members 302, and the average value of the distances between the power generation element unit 10 and each current collecting member 302 (H) satisfies the following expression (1). 1 mm ≦ (W2 · H) / W1 ≦ 40 mm (1) [Selection] FIG.
Description
本発明は、燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack.
燃料電池スタックは、燃料マニホールドと、燃料マニホールドから延びる複数の燃料電池セルとを備えている(特許文献1)。各燃料電池セルは、集電部材を介して互いに電気的に接続されている。 The fuel cell stack includes a fuel manifold and a plurality of fuel cells extending from the fuel manifold (Patent Document 1). Each fuel battery cell is electrically connected to each other via a current collecting member.
上述したような燃料電池スタックにおいて、発電効率を向上させることが要求されている。そこで、本発明の課題は、発電効率をより向上させることのできる燃料電池スタックを提供することにある。 In the fuel cell stack as described above, it is required to improve the power generation efficiency. Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can further improve power generation efficiency.
本発明のある側面に係る燃料電池スタックは、一対の燃料電池セルと、複数の集電部材とを備えている。各燃料電池セルは、ガス流路、及び複数の発電素子部を有している。ガス流路は、長手方向に延びる。各発電素子部は、長手方向に間隔をあけて配置される。各集電部材は、一対の燃料電池セルの間において燃料電池セルの幅方向に互いに間隔をあけて配置される。また、各集電部材は、一対の燃料電池セルを電気的に接続する。燃料電池セルの幅方向の長さ(W1)と、燃料電池セルの幅方向における複数の集電部材の長さの合計値(W2)と、発電素子部と各集電部材との間の距離の平均値(H)とが、下記の式(1)を満たす。
1mm≦(W2・H)/W1≦40mm・・・(1)
A fuel cell stack according to an aspect of the present invention includes a pair of fuel cells and a plurality of current collecting members. Each fuel cell has a gas flow path and a plurality of power generation element portions. The gas flow path extends in the longitudinal direction. Each electric power generation element part is arrange | positioned at intervals in the longitudinal direction. Each current collecting member is disposed at a distance from each other in the width direction of the fuel cell between the pair of fuel cells. Each current collecting member electrically connects a pair of fuel cells. The length (W1) in the width direction of the fuel cell, the total value (W2) of the lengths of the plurality of current collecting members in the width direction of the fuel cell, and the distance between the power generation element portion and each current collecting member The average value (H) satisfies the following formula (1).
1 mm ≦ (W2 · H) / W1 ≦ 40 mm (1)
上記構成によれば、一対の燃料電池セルを1つの集電部材によって電気的に接続する燃料電池スタックに比べて、一対の燃料電池セルを複数の集電部材によって電気的に接続する方が、接合面積が同じであっても、発電効率を向上させることができる。詳細には、複数の集電部材によって一対の燃料電池セル電気的に接続することによって、一方の燃料電池セルから他方の燃料電池セルへと流れる電流を燃料電池セルの幅方向に分散させることができる。この結果、燃料電池スタックにおける抵抗過電圧を低減させ、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。また、式(1)を満たすことによって、より発電効率を向上させることができる。 According to the above configuration, compared to a fuel cell stack in which a pair of fuel cells are electrically connected by one current collecting member, a pair of fuel cells is electrically connected by a plurality of current collecting members. Even if the junction area is the same, the power generation efficiency can be improved. Specifically, the current flowing from one fuel cell to the other fuel cell can be dispersed in the width direction of the fuel cell by electrically connecting the pair of fuel cells by a plurality of current collecting members. it can. As a result, the resistance overvoltage in the fuel cell stack can be reduced and the power generation efficiency of the fuel cell stack can be improved. Moreover, generating efficiency can be improved more by satisfy | filling Formula (1).
好ましくは、集電部材は、酸化物セラミックスの焼成体で構成される。 Preferably, the current collecting member is formed of a fired body of oxide ceramics.
好ましくは、燃料電池スタックは、各燃料電池セルにガスを分配するマニホールドをさらに備える。各燃料電池セルは、マニホールドの天板から上方に延びる。 Preferably, the fuel cell stack further includes a manifold that distributes gas to each fuel cell. Each fuel cell extends upward from the top plate of the manifold.
燃料電池スタックは、ガス供給部材をさらに備える。ガス供給部材は、一対の燃料電池セル間において、各集電部材とマニホールドの天板との間にガスを供給するように構成される。 The fuel cell stack further includes a gas supply member. The gas supply member is configured to supply gas between each current collecting member and the top plate of the manifold between the pair of fuel cells.
本発明に係る燃料電池スタックによれば、発電効率を向上させることができる。 The fuel cell stack according to the present invention can improve power generation efficiency.
以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments of a fuel cell stack according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1及び図2に示すように、燃料電池スタック100は、燃料マニホールド200と、複数の燃料電池セル301と、複数の集電部材302と、を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図3に示すように、燃料マニホールド200は、燃料ガスを各燃料電池セル301に分配するように構成されている。燃料マニホールド200は、中空状であり、内部空間を有している。燃料マニホールド200の内部空間には、導入管201を介して燃料ガスが供給される。燃料マニホールド200は、第1方向(z軸方向)に沿って並ぶ複数の貫通孔202を有している。なお、本実施形態において、燃料マニホールド200の長手方向は第1方向に沿って延びている。各貫通孔202は、燃料マニホールド200の天板203に形成されている。各貫通孔202は、燃料マニホールド200の内部空間と外部とを連通する。
As shown in FIG. 3, the
図2に示すように、各燃料電池セル301は、燃料マニホールド200から延びている。詳細には、各燃料電池セル301は、燃料マニホールド200の天板203から上方(x軸方向))に延びている。すなわち、各燃料電池セル301の長手方向は、上方に延びている。
As shown in FIG. 2, each
図4に示すように、燃料電池セル301は、複数の発電素子部10と、支持基板20とを備えている。各発電素子部10は、支持基板20の両面に支持されている。なお、各発電素子部10は、支持基板20の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部10は、燃料電池セル301の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル301は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。各発電素子部10は、電気的接続部30(図5参照)によって互いに電気的に接続されている。
As shown in FIG. 4, the
支持基板20は、支持基板20の長手方向に延びる複数のガス流路21を内部に有している。各ガス流路21は、互いに実質的に平行に延びている。図5に示すように、支持基板20は、複数の第1凹部22を有している。各第1凹部22は、支持基板20の両面に形成されている。各第1凹部22は支持基板20の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第1凹部22は、支持基板20の幅方向(y軸方向)の両端部には形成されていない。
The
支持基板20は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板20は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、支持基板20は、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。支持基板20の気孔率は、例えば、20〜60%程度である。
The
各発電素子部10は、燃料極4、電解質5、及び空気極6を有している。また、各発電素子部10は、反応防止膜7をさらに有している。燃料極4は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。燃料極4は、燃料極集電部41と燃料極活性部42とを有する。
Each power
燃料極集電部41は、第1凹部22内に配置されている。詳細には、燃料極集電部41は、第1凹部22内に充填されており、第1凹部22と同様の外形を有する。各燃料極集電部41は、第2凹部41a及び第3凹部41bを有している。燃料極活性部42は、第2凹部41a内に配置されている。詳細には、燃料極活性部42は、第2凹部41a内に充填されている。
The fuel electrode
燃料極集電部41は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、燃料極集電部41は、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極集電部41の厚さ、並びに第1凹部22の深さは、50〜500μm程度である。
The fuel electrode
燃料極活性部42は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、燃料極活性部42は、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極活性部42の厚さは、5〜30μmである。
The fuel electrode
電解質5は、燃料極4上を覆うように配置されている。詳細には、電解質5は、あるインターコネクタ31から他のインターコネクタ31まで長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル301の長手方向において、電解質5とインターコネクタ31とが交互に配置されている。
The
電解質5は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。電解質5は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、電解質5は、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。電解質5の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
The
反応防止膜7は、緻密な材料からなる焼成体であり、平面視において、燃料極活性部42と略同一の形状である。反応防止膜7は、電解質5を介して、燃料極活性部42と対応する位置に配置されている。反応防止膜7は、電解質5内のYSZと空気極6内のSrとが反応して電解質5と空気極6との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜7は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜7の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
The
空気極6は、反応防止膜7上に配置されている。空気極6は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極6は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、空気極6は、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、又は、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。空気極6は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極6の厚さは、例えば、10〜100μmである。
The air electrode 6 is disposed on the
電気的接続部30は、隣り合う発電素子部10を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部30は、インターコネクタ31及び空気極集電膜32を有する。インターコネクタ31は、第3凹部41b内に配置されている。詳細には、インターコネクタ31は、第3凹部41b内に埋設(充填)されている。インターコネクタ31は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。インターコネクタ31は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、インターコネクタ31は、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ31の厚さは、例えば、10〜100μmである。
The
空気極集電膜32は、隣り合う発電素子部10のインターコネクタ31と空気極6との間を延びるように配置される。例えば、図5の左側に配置された発電素子部10の空気極6と、図5の右側に配置された発電素子部10のインターコネクタ31とを電気的に接続するように、空気極集電膜32が配置されている。空気極集電膜32は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。
The air electrode
空気極集電膜32は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、空気極集電膜32は、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、空気極集電膜32は、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜32の厚さは、例えば、50〜500μm程度である。
The air electrode
以上のように構成された燃料電池セル301は、隣り合う燃料電池セル301と、複数の集電部材302によって電気的に接続されている。図2に示すように、各集電部材302は、一対の燃料電池セル301間に配置されている。そして、集電部材302は、厚さ方向(z軸方向)において隣り合う燃料電池セル301同士を電気的に接続するよう、導電性を有している。詳細には、集電部材302は、燃料電池セル301の近位端部303側において、隣り合う燃料電池セル301同士を接続している。集電部材302は、複数の発電素子部10のうち、最も近位側(燃料マニホールド200側)に位置する発電素子部10Aよりも近位側に配置されている。詳細には、図6に示すように、集電部材302は、最も近位側に位置する発電素子部10Aから延びる空気極集電膜32上に配置されている。なお、「近位」及び「遠位」とは、燃料マニホールド200を基準にした燃料電池セル301の長手方向の位置関係を示す。
The
図7に示すように、一対の燃料電池セル301間に配置された各集電部材302は、燃料電池セル301の幅方向(y軸方向)に互いに間隔をあけて配置されている。この各集電部材302の間隔は、等間隔であってもよいし、ばらついていてもよい。また、各集電部材302のうち、少なくとも一対の集電部材302が幅方向において間隔をあけて配置されていればよく、各集電部材302のうち、隣り合う集電部材302と間隔をあけずに配置されているものがあってもよい。
As shown in FIG. 7, the respective current collecting
燃料電池セル301の幅方向の長さW1と、燃料電池セル301の幅方向におけるn個の集電部材302の長さw1、w2、・・・、wnの合計値W2(=w1+w2+・・・+wn)と、発電素子部10と集電部材302との間の距離h1,h2、・・・、hnの平均値Hとは、下記の式(1)を満たす。
1mm≦(W2・H)/W1≦40mm・・・(1)
なお、集電部材302と発電素子部10との間の距離hnとは、図6に示すように、集電部材302から、空気極6までの間の長手方向(x軸方向)における最短距離を意味する。
The total length W2 of the length W1 of the
1 mm ≦ (W2 · H) / W1 ≦ 40 mm (1)
The distance hn between the current collecting
なお、特に限定されるものではないが、燃料電池セル301の幅方向の長さW1は、20〜200mm程度とすることが好ましく、各集電部材302の幅方向の長さwnは、1.0〜20mm程度とすることが好ましい。また、平均値Hは、1〜100mm程度とすることが好ましい。一対の燃料電池セル301間に配置される各集電部材302の数nは、例えば、2〜20個程度とすることが好ましい。
Although not particularly limited, the length W1 of the
集電部材302は、ブロック状である。例えば、集電部材302は、直方体状又は円柱状である。本実施形態では各集電部材302の大きさは互いに同じであるが、各集電部材302の大きさは異なっていてもよい。例えば、第1方向(z軸方向)に沿って見た各集電部材302の面積が、互いに異なっていてもよい。集電部材302は、例えば、酸化物セラミックスの焼成体で構成されている。このような酸化物セラミックスとしては、例えば、ペロブスカイト酸化物、又はスピネル酸化物などが挙げられる。ペロブスカイト酸化物としては、例えば、(La,Sr)MnO3、又は(La,Sr)(Co,Fe)O3等が挙げられる。スピネル酸化物としては、例えば、(Mn,Co)3O4、又は(Mn,Fe)3O4等が挙げられる。この集電部材302は、例えば、可撓性を有していない。
The
集電部材302は、第1接合材101によって、各燃料電池セル301に接合されている。すなわち、第1接合材101は、各集電部材302と各燃料電池セル301とを接合している。第1接合材101は、例えば、(Mn,Co)3O4、(La,Sr)MnO3又は(La,Sr)(Co,Fe)O3等よりなる群から選ばれる少なくとも1種である。
The
図2に示すように、各燃料電池セル301は、燃料マニホールド200に支持されている。詳細には、各燃料電池セル301は、第2接合材102によって、燃料マニホールド200の天板203に固定されている。より詳細には、図8に示すように、各燃料電池セル301は、燃料マニホールド200の貫通孔202に挿入されている。燃料電池セル301は、貫通孔202に挿入された状態で、第2接合材102によって燃料マニホールド200に固定されている。
As shown in FIG. 2, each
第2接合材102は、燃料電池セル301が挿入された状態の貫通孔202内に充填される。すなわち、第2接合材102は、燃料電池セル301の外周面と、貫通孔202を画定する壁面との隙間に充填される。第2接合材102は、例えば、結晶化ガラスである。結晶化ガラスとしては、例えば、SiO2−B2O3系、SiO2−CaO系、又はSiO2−MgO系が採用され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合(結晶化度)が60%以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が40%未満のガラスを指す。なお、第2接合材102の材料として、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、第2接合材102は、SiO2−MgO−B2O5−Al2O3系及びSiO2−MgO−Al2O3−ZnO系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。
The
燃料マニホールド200から突出している各燃料電池セル301の長手方向(x軸方向)の長さは、100〜300mm程度とすることができる。また、各燃料電池セル301は、第1方向に間隔をあけて並んでいる。第1方向における燃料電池セル301同士の間隔は、1〜5mm程度とすることができる。
The length of each
以上のように構成された燃料電池スタック100は、次のようにして発電する。燃料マニホールド200を介して各燃料電池セル301の燃料ガス流路21内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板20の両面を酸素を含むガス(空気等)に曝すことにより、電解質5の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。この燃料電池スタック100を外部の負荷に接続すると、空気極6において下記(1)式に示す化学反応が起こり、燃料極4において下記(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
(1/2)・O2+2e−→O2 − …(1)
H2+O2 −→H2O+2e− …(2)
The
(1/2) · O 2 + 2e − → O 2 − (1)
H 2 + O 2 − → H 2 O + 2e − (2)
酸素を含むガスは、例えば、図9に示すように、幅方向に沿って流れるように、集電部材302と燃料マニホールド200との間の空間に供給される。詳細には、燃料電池スタック100は、ガス供給部材400をさらに有している。ガス供給部材400は、各燃料電池セル301の間において、各集電部材302と燃料マニホールド200の天板203との間に空気などのガスを供給するように構成されている。なお、ガス供給部材400から供給されたガスが効率的に上方へ流れるよう、案内板401がガス供給部材400と反対側に設置されていてもよい。案内板401は、平板状であって、燃料電池セル301の長手方向に延びるとともに、燃料電池セル301の厚さ方向に延びている。
For example, as shown in FIG. 9, the gas containing oxygen is supplied to the space between the current collecting
次に、上述したように構成された燃料電池スタックの製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the fuel cell stack configured as described above will be described.
まず、燃料マニホールド200と複数の燃料電池セル301とを準備する。そして、図10に示すように、各燃料電池セル301を集電部材302及び第1接合材101によって接続し、セル集合体300を作製する。なお、この段階では第1接合材101は焼成されておらず、各燃料電池セル301は互いに仮止めの状態である。
First, a
次に、図11に示すように、セル集合体300の各燃料電池セル301の端部を燃料マニホールド200の各貫通孔202に挿入する。なお、各燃料電池セル301が第1方向に沿って所定の間隔を保持するための治具を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 11, the end of each
次に、図2に示すように、燃料電池セル301が挿入された状態の貫通孔202内に第2接合材102を充填する。なお、第2接合材102は、支持板の表面から上方に向けてはみ出す程度まで充填することが好ましい。
Next, as shown in FIG. 2, the
次に、第1接合材101及び第2接合材102に対して熱処理が加えられる。この熱処理によって、第1接合材101及び第2接合材102が固化され、燃料電池スタック100が完成する。詳細には、第1接合材101は、熱処理を施されることによって焼成される。この結果、各燃料電池セル301と集電部材302とが固定される。また、第2接合材102は、熱処理を施されることによって、非晶質材料の温度が結晶化温度まで到達する。そして、結晶化温度下にて材料の内部で結晶相が生成されて、結晶化が進行していく。この結果、非晶質材料が固化・セラミックス化されて、結晶化ガラスとなる。これにより、結晶化ガラスで構成される第2接合材102が機能を発揮し、各燃料電池セル301の近位端部が燃料マニホールド200に固定される。その後、所定の治具が燃料電池スタック100から取り外される。
Next, heat treatment is applied to the
[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
[Modification]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention.
変形例1
例えば、上記実施形態では、各集電部材302は、幅方向(y軸方向)に沿って整列しているが、ばらつきがあってもよい。
Modification 1
For example, in the above embodiment, the current collecting
変形例2
図12に示すように、各集電部材302は、燃料電池セル100の幅方向に平行に配置されていなくもよい。この場合、燃料電池セル301の幅方向における各集電部材302の長さwnは、燃料電池セル100の幅方向と平行な寸法を測定する。また、各集電部材302と発電素子部10との間の距離hnとは、集電部材302から、空気極6までの間の最短距離を意味する。
Modification 2
As shown in FIG. 12, each current collecting
変形例3
少なくとも一対の燃料電池セル301を接合する各集電部材302が幅方向に間隔をあけて配置されていればよい。例えば、一部の燃料電池セル301間を接合する集電部材は、幅方向に間隔をあけていなくてもよい。
Modification 3
It suffices that the current collecting
また、上記実施形態では、各集電部材302は、各燃料電池セル301の近位端部303側において、隣り合う燃料電池セル301同士を接続しているが、接続箇所はこれに限定されない。例えば、図13に示すように、各集電部材302は、各燃料電池セル301の遠位端部304において、隣り合う燃料電池セル301を接続していてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although each
変形例4
上記実施形態では、各燃料電池セル301の各発電素子部10は全て直列に接続されているが、並列に接続されていてもよい。例えば、図14に示すように、各燃料電池セル301の上部領域R1に形成された各発電素子部10と、各燃料電池セル301の下部領域R2に形成された各発電素子部10とが並列に接続されていてもよい。この場合、隣り合う燃料電池セル301を上部領域R1において電気的に接続する各集電部材302と、隣り合う燃料電池セル301を下部領域R2において電気的に接続する各集電部材302とが形成されている。
Modification 4
In the above embodiment, all the power
例えば、一対の燃料電池セル301間の近位端部303及び遠位端部304のそれぞれにおいて、各集電部材302が一対の燃料電池セル301間を電気的に接続している。そして、上部領域R1と下部領域R2とのそれぞれに、表裏間接続部材305が設けられている。表裏間接続部材305は、支持基板20の一方の面に形成された発電素子部10と、支持基板20の他方の面に形成された発電素子部10とを電気的に接続している。
For example, at each of the
なお、一部の燃料電池セル301のみで各発電素子部10が並列に接続されており、他の燃料電池セル301では各発電素子部10が直列に接続されていてもよい。
In addition, each power
変形例5
図15に示すように、各燃料電池セル301の各発電素子部10を並列に接続してもよい。すなわち、各集電部材302は、燃料電池セル301の長手方向(x軸方向)の中央部において、隣り合う燃料電池セル301を電気的に接続している。そして、各燃料電池セル301の近位端部303及び遠位端部304のそれぞれにおいて、表裏間接続部材305が設けられている。各表裏間接続部材305は、支持基板20の一方の面に形成された発電素子部10と、支持基板20の他方の面に形成された発電素子部10とを電気的に接続している。
As shown in FIG. 15, the power
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described more specifically with reference to the following examples and comparative examples. In addition, this invention is not limited to the following Example.
以下のようにして、サンプルNo.1〜15に係る燃料電池スタックを作製した。 Sample no. Fuel cell stacks according to 1 to 15 were produced.
まず、上述したように構成された一対の燃料電池セル301を作製した。各燃料電池セル301は、長手方向に間隔をあけて配置された5個の発電素子部10を有する。この燃料電池セル301間に2〜20個の集電部材302を配置し、(Mn,Co)3O4、(La,Sr)MnO3を介して、各集電部材302と、1対の燃料電池セル301とを接合した。各集電部材302の間隔は略等間隔とした。
First, a pair of
各集電部材302は、ブロック状であって、正面視が矩形状である。各集電部材302は、(La,Sr)MnO3によって形成した。各サンプルにおける燃料電池セル301の幅方向の長さW1と、各集電部材302の幅方向の長さの合計値W2、及び各集電部材302と発電素子部10との最短距離Hは表1に示される通りである。なお、燃料電池セル301の幅方向の長さW1は、長手方向において各集電部材302が形成された位置で測定した。また、各集電部材302の幅方向の長さwnは、厚さ方向(z軸方向)において任意の位置で各集電部材302を切断し、その断面形状において測定した。各集電部材302と発電素子部10との間の距離hnは、上記断面形状の長手方向(x軸方向)において測定した。なお、各集電部材302が燃料電池セル301の幅方向に沿って並んでいない場合、少なくとも1つの集電部材302が形成された任意の位置において、燃料電池セル301の幅方向の長さW1を測定すればよい。
Each current collecting
各サンプルにおいて、燃料電池セル301の幅方向の長さW1、各集電部材302の幅方向の長さの合計値W2、及び各集電部材302と発電素子部10との最短距離H以外の構成は、同じである。
In each sample, other than the length W1 of the
(評価方法)
以上のようにして作製した各サンプルに対して、燃料マニホールド200を介して62℃加湿水素ガスを供給した。また、幅方向に沿って、燃料マニホールド200の天板203と各集電部材302との間に空気を供給した。そして、各サンプルにおいて抵抗過電圧を測定し、各サンプルを評価した。この評価結果を表1に示す。なお、表1では、抵抗過電圧が1.5V以下のサンプルを「○」と評価し、抵抗過電圧が1.5Vよりも大きいサンプルを「×」と評価した。なお、各サンプルの評価条件は以下の通りとした。
・雰囲気温度:750℃
・電流密度:0.003A/mm2通電時
(なお、電流密度はz軸方向から見た際にxy平面に形成された1つの発電素子部10の空気極面積測定結果に対する値とする。)
・各サンプルにおける一対の燃料電池セル301全体の抵抗過電圧を測定。
(Evaluation method)
A 62 ° C. humidified hydrogen gas was supplied to each sample produced as described above through the
・ Atmosphere temperature: 750 ℃
Current density: 0.003 A / mm 2 energized (Note that the current density is a value corresponding to the measurement result of the air electrode area of one power
-The resistance overvoltage of the entire pair of
表1より、1mm≦(W2・H)/W1≦40mmとすることによって、評価が「○」となることが分かった。(W2・H)/W1の値を1mm以上とすることによって評価が「○」となる理由は、各集電部材302における電流集中が緩和されて、各集電部材302における電気抵抗の増大が抑制されるためであると考えられる。であると考えられる。また、(W2・H)/W1の値を40mm以下とすることによって評価が「○」となる理由は、各集電部材302と発電素子部10との間における電気抵抗の低減のため、及び各集電部材302の間隔を介して燃料電池セル301の長手方向に空気が流れ易くなることによって温度分布の偏りが抑制されて各集電部材302の電気抵抗の増大を抑制できるためであると考えられる。
From Table 1, it was found that the evaluation was “◯” when 1 mm ≦ (W2 · H) / W1 ≦ 40 mm. The reason that the evaluation becomes “◯” by setting the value of (W2 · H) / W1 to 1 mm or more is that the current concentration in each current collecting
10 :発電素子部
21 :ガス流路
100 :燃料電池スタック
200 :燃料マニホールド
203 :天板
301 :燃料電池セル
302 :集電部材
400 :ガス供給部材
10: Power generation element section 21: Gas flow path 100: Fuel cell stack 200: Fuel manifold 203: Top plate 301: Fuel cell 302: Current collecting member 400: Gas supply member
Claims (5)
前記一対の燃料電池セルの間において前記燃料電池セルの幅方向に互いに間隔をあけて配置され、前記一対の燃料電池セルを電気的に接続する複数の集電部材と、
前記各燃料電池セルにガスを分配するマニホールドと、
を備え、
前記各集電部材は、前記各発電素子部のうち、最も前記マニホールド側に位置する発電素子部よりも更に前記マニホールド側に配置され、
前記燃料電池セルの幅方向の長さ(W1)と、前記燃料電池セルの幅方向における前記複数の集電部材の長さの合計値(W2)と、前記発電素子部と前記各集電部材との間の距離の平均値(H)と、が下記式(1)を満たす、燃料電池スタック。
1mm≦(W2・H)/W1≦40mm・・・(1) A pair of fuel cells having a gas flow path extending in the longitudinal direction and a plurality of power generation element portions arranged at intervals in the longitudinal direction;
A plurality of current collecting members arranged between the pair of fuel cells in the width direction of the fuel cells, and electrically connecting the pair of fuel cells;
A manifold for distributing gas to each of the fuel cells;
With
Each of the current collecting members is further arranged on the manifold side than the power generating element portion located on the most manifold side among the power generating element portions,
The length (W1) in the width direction of the fuel cell, the total value (W2) of the lengths of the plurality of current collecting members in the width direction of the fuel cell, the power generating element portion, and the current collecting members A fuel cell stack in which an average value (H) of distances between and satisfies the following formula (1).
1 mm ≦ (W2 · H) / W1 ≦ 40 mm (1)
前記一対の燃料電池セルの間において前記燃料電池セルの幅方向に互いに間隔をあけて配置され、前記一対の燃料電池セルを電気的に接続する複数の集電部材と、 A plurality of current collecting members arranged between the pair of fuel cells in the width direction of the fuel cells, and electrically connecting the pair of fuel cells;
前記各燃料電池セルにガスを分配するマニホールドと、 A manifold for distributing gas to each of the fuel cells;
を備え、With
前記各集電部材は、前記各発電素子部のうち、最も前記マニホールドから遠い側に位置する発電素子部よりも更に前記マニホールドから遠い側に配置され、 Each of the current collecting members is disposed on the side farther from the manifold than the power generating element part located on the side farthest from the manifold among the power generating element parts,
前記燃料電池セルの幅方向の長さ(W1)と、前記燃料電池セルの幅方向における前記複数の集電部材の長さの合計値(W2)と、前記発電素子部と前記各集電部材との間の距離の平均値(H)と、が下記式(1)を満たす、燃料電池スタック。 The length (W1) in the width direction of the fuel cell, the total value (W2) of the lengths of the plurality of current collecting members in the width direction of the fuel cell, the power generating element portion, and the current collecting members A fuel cell stack in which an average value (H) of distances between and satisfies the following formula (1).
1mm≦(W2・H)/W1≦40mm・・・(1)1 mm ≦ (W2 · H) / W1 ≦ 40 mm (1)
請求項1又は2に記載の燃料電池スタック。 The current collecting member is composed of a sintered body of oxide ceramics,
The fuel cell stack according to claim 1 or 2 .
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池スタック。 Before SL each fuel cell extends upwardly from the top plate of the manifold,
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池スタック。 A gas supply member configured to supply gas between each of the current collecting members and the top plate of the manifold between the pair of fuel cells;
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4 .
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