JP6350358B2 - 燃料電池セルスタック - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池セルスタックに関し、さらに詳しくは、電解質として固体電解質を利用する燃料電池セルスタックに関する。
従来、アノードと固体電解質層とカソードとを有する燃料電池単セルがセパレータを介して複数積層されてなる燃料電池セルスタックが知られている。燃料電池セルスタックでは、酸化剤ガス流路を貫通する燃料ガス供給マニホルドを通じて、複数のアノードに燃料ガスが供給される場合がある。この場合、燃料ガス供給マニホルドから酸化剤ガス流路内に流れ込む燃料ガスを封止するため、ガラスシール材等によるシール部が酸化剤ガス流路に設けられる。
なお、先行する特許文献1には、金属製のマニホルド部材と絶縁材製のマニホルドコネクタとを交互に積層し、両者の接合部をロウ材によって接合してなる燃料ガス供給マニホルドを用いて、複数のアノードに燃料ガスが供給される燃料電池セルスタックが開示されている。
特開2007−53043号公報
しかしながら、従来の燃料電池セルスタックは、燃料ガス供給マニホルドから酸化剤ガス流路内に燃料ガスが流れ込まないように、いかにしてシールするかを主眼とするものが多い。そのため、以下の問題がある。すなわち、燃料ガス供給マニホルドのシール性能を長期にわたって維持し続けることは極めて困難である。そのため、例えば、長期運転時等に、シール部が劣化して燃料ガス供給マニホルドのシール不良が生じるおそれがある。万一、シール不良が生じた場合、酸化剤ガス流路内に燃料ガスが漏出する。酸化剤ガス流路内に漏出した燃料ガスは、酸化剤ガスと混合され、燃焼する。そして、当該燃焼により生じた局所的に高温かつ低酸素濃度のガスが、そのまま直接カソードに導入される。その結果、カソードは、局所的に高温かつ低酸素濃度のガスに曝されることにより剥離し、劣化する。
本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、燃料ガス供給マニホルドのシール不良が生じた場合であっても、カソードの劣化を抑制可能な燃料電池セルスタックを提供しようとするものである。
本発明の一態様は、アノードと固体電解質層とカソードとを有する燃料電池単セルと、
該燃料電池単セルにおけるカソード側の外周縁を支持するフレームと、
アノード側に配置される第1セパレータと、
カソード側に配置される第2セパレータと、
上記フレームと上記第2セパレータとの間に設けられた酸化剤ガス流路と、
該第2セパレータ、上記フレーム、および、上記第1セパレータを貫通して設けられており、上記アノードに導入する燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホルドと、
該燃料ガス供給マニホルドのうち、上記酸化剤ガス流路内に配置された部分の外周全体を取り囲み、上記酸化剤ガス流路内に流れ込む上記燃料ガスを封止するための第1シール部と、
上記酸化剤ガス流路に配置されており、スタック外部と連通する開口部を備え、上記第1シール部の外周を部分的に取り囲む隔壁と、
を有することを特徴とする燃料電池セルスタックにある。
上記燃料電池セルスタックは、燃料ガス供給マニホルドのうち、酸化剤ガス流路内に配置された部分の外周全体を取り囲むように第1シール部が設けられている。そのため、第1シール部が劣化していない状態の上記燃料電池セルスタックでは、酸化剤ガス流路内へ流れ込もうとする燃料ガスが第1シール部によって封止される。一方、長期運転時等に、第1シール部の破損等によってシール不良が生じた場合、第1シール部から酸化剤ガス流路内に燃料ガスが漏れ出すことになる。しかし、上記燃料電池セルスタックでは、スタック外部と連通する開口部を有するように第1シール部の外周を部分的に取り囲む隔壁が、酸化剤ガス流路内に配置されている。そのため、酸化剤ガス流路内に漏出した燃料ガスは、隔壁の存在によって直ちにカソード側へ流れず、一旦、開口部からスタック外部に出て、スタック外部にある大量の酸化剤ガスにより希釈され、燃焼する。また、当該燃焼により生じた低酸素濃度のガスは、スタック外部にある大量の酸化剤ガスによって希釈される。そのため、上記燃料電池セルスタックは、局所的に高温かつ低酸素濃度のガスが生じ難く、当該ガスにカソードが曝され難い。それ故、上記燃料電池セルスタックは、漏出した燃料ガスの燃焼に起因する酸素減少の影響や温度上昇の影響が大幅に緩和され、カソードの剥離による劣化を抑制することが可能となる。
実施例1の燃料電池セルスタックの模式的な断面図である。 図1におけるII−II断面図である。 図2に対応する、実施例2の燃料電池セルスタックの模式的な断面図である。 図2に対応する、実施例3の燃料電池セルスタックの模式的な断面図である。
上記燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池単セルは、電解質として固体電解質を利用する固体電解質型の燃料電池単セルである。固体電解質層を構成する固体電解質としては、例えば、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックス等を用いることができる。なお、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)と称される。
上記燃料電池セルスタックにおいて、隔壁は、酸化剤ガス流路に配置されている。具体的には、隔壁は、酸化剤ガス流路における、酸化剤ガス供給側のスタック端面と燃料電池単セルとの間に配置することができる。また、隔壁は、その全てが酸化剤ガス流路内に配置されていてもよいし、その一部がスタック外部に配置され、残部が酸化剤ガス流路内に配置されていてもよい。前者の場合には、スタック外部に隔壁が突出しないため、燃料電池セルスタックの小型化等に有利である。また、後者の場合には、スタック外部に突出する隔壁部分により、漏出した燃料ガスがより外方に案内されやすくなる。そのため、後者の場合は、前者の場合に比べ、燃料電池セルスタックからより離れ、かつ、酸化剤ガス量が豊富なスタック外部の地点にて、漏出した燃料ガスを燃焼させやすくなる。そのため、後者の場合には、カソードの剥離による劣化を抑制しやすくなる。
上記燃料電池セルスタックにおいて、隔壁とフレームと第2セパレータとによって囲まれる隔壁内空間は、燃料電池単セル側から開口部に向かうほど広くなるように形成されているとよい。この場合には、第1シール部より漏出した燃料ガスが、スタック外部に排出されやすくなり、上記作用効果を得やすくなる。
上記燃料電池セルスタックにおいて、隔壁は、具体的には、例えば、燃料ガス供給マニホルドと燃料電池単セルとの間に、燃料電池単セル側に屈曲する屈曲部を有することができる。この場合には、隔壁外側の酸化剤ガス流路部分を流れる酸化剤ガスが、隔壁の屈曲部によってセル中央部に流れやすくなる。そのため、この場合には、酸化剤ガスをカソードへ均一に供給しやすくなる。
他にも例えば、隔壁は、具体的には、例えば、燃料ガス供給マニホルドと燃料電池単セルとの間に、燃料電池単セル側に膨らむ湾曲部を有することができる。この場合には、隔壁外側の酸化剤ガス流路部分を流れる酸化剤ガスが、隔壁の湾曲部によってセル中央部により一層流れやすくなる。そのため、この場合には、酸化剤ガスをカソードへより均一に供給しやすくなる。
上記燃料電池セルスタックにおいて、隔壁は、板状の壁部を含むことができる。この場合には、隔壁の形成性に優れた燃料電池セルスタックが得られる。
上記燃料電池セルスタックにおいて、隔壁は、絶縁材料より構成することができる。隔壁は、具体的には、マイカ、および/または、アルミナより構成することができる。この場合には、第1シール部より漏出した燃料ガスが隔壁外側の酸化剤ガス流路へ漏出し難く、かつ、隔壁の絶縁性を確保しやすい燃料電池セルスタックが得られる。
上記燃料電池セルスタックにおいて、隔壁の厚みは、隔壁外側の酸化剤ガス流路への燃料ガスの漏出抑制、隔壁の形成性、隔壁強度、耐酸化性などの観点から、好ましくは、0.5〜1mm程度とすることができる。
上記燃料電池セルスタックにおいて、隔壁は、例えば、プレスによるフレーム、セパレータ等の他の部材との一体加工、エッチング、機械加工部品の溶接などの方法により形成することができる。
なお、上述した各構成は、上述した各作用効果等を得るなどのために必要に応じて任意に組み合わせることができる。
以下、実施例の燃料電池セルスタックについて、図面を用いて説明する。なお、同一部材については同一の符号を用いて説明する。
(実施例1)
実施例1の燃料電池セルスタックについて、図1、図2を用いて説明する。
図1、図2に示されるように、本例の燃料電池セルスタック1は、燃料電池単セル10と、フレーム2と、第1セパレータ3と、第2セパレータ4と、酸化剤ガス流路5と、燃料ガス供給マニホルド6と、第1シール部7と、隔壁8と、を少なくとも有している。以下、詳説する。
燃料電池単セル10は、アノード101と、固体電解質層102と、カソード103とを有している。
本例では、燃料電池単セル10は、固体電解質層102と、固体電解質層102の第1の面側に設けられたアノード101と、固体電解質層102における第1の面の反対側にある第2の面側に設けられたカソード103とを有している。燃料電池単セル10は、アノード101を支持体とする平板形の単セルであり、四角形状に形成されている。カソード103の外形は、固体電解質層102の外形よりも小さく形成されている。
本例では、固体電解質層102を構成する固体電解質は、酸化ジルコニウム系酸化物である。酸化ジルコニウム系酸化物としては、例えば、8mol%のYを含むイットリア安定化ジルコニア(以下、8YSZ)等を用いることができる。固体電解質層102の厚みは、10μm程度とすることができる。アノード101は、NiまたはNiOと固体電解質との混合物より層状に形成されている。アノード101を構成する固体電解質としては、例えば、酸化ジルコニウム系酸化物である8YSZ等を用いることができる。アノード101の厚みは、400μm程度とすることができる。カソード103は、ペロブスカイト型酸化物より層状に形成されている。カソード103を構成するペロブスカイト型酸化物としては、例えば、La1−xSrCo1−y(x=0.4、y=0.8、以下、LSCF)等を用いることができる。カソード103の厚みは、40μm程度とすることができる。
フレーム2は、燃料電池単セル10におけるカソード103側の外周縁を支持する。
本例では、フレーム2は、ステンレス鋼等の金属材料より略板状に形成されている。フレーム2は、燃料電池単セル10の外形よりも小さく形成された穴部21を有している。フレーム2は、穴部21の外周縁により、燃料電池単セル10におけるカソード103側の外周縁を支持可能とされている。本例では、穴部21の外周縁と固体電解質層102の第2の面とは、不図示のシール材により接合されている。
第1セパレータ3は、アノード101側に配置される。
本例では、第1セパレータ3は、フェライト系耐熱クロム合金等の金属材料より略板状に形成されている。第1セパレータ3は、アノード101側の面が、アノード側集電体31を介して燃料電池単セル10のアノード101と電気的に接触している。アノード側集電体31としては、例えば、ニッケルメッシュ等を用いることができる。なお、燃料電池単セル10を支持するフレーム2と第1セパレータ3とは、内部空間を有するように、互いの外周縁が不図示のシール材によりシールされている。内部空間は、水素ガス等の燃料ガスFを流すための燃料ガス流路32とされる。
第2セパレータ4は、カソード103側に配置される。
本例では、第2セパレータ4は、フェライト系耐熱クロム合金等の金属材料より略板状に形成されている。第2セパレータ4は、カソード103側の面が、カソード側集電体41を介して燃料電池単セル10のカソード103と電気的に接触している。カソード側集電体41としては、例えば、ステンレスメッシュ等を用いることができる。なお、図2は、カソード側集電体41が省略されて描かれている。
酸化剤ガス流路5は、フレーム2と第2セパレータ4との間に設けられている。
本例では、燃料電池単セル10を支持するフレーム2と第2セパレータ4とは、互いに離間された状態で配置されている。フレーム2と第2セパレータ4との間に形成された隙間が、酸化剤ガス流路5とされる。酸化剤ガス流路5には、空気、酸素等の酸化剤ガスOが流される。
燃料ガス供給マニホルド6は、アノード101に導入する燃料ガスFを供給するためのものであり、第2セパレータ4、フレーム2、および、第1セパレータ3を貫通して設けられている。
本例では、燃料ガス供給マニホルド6のうち、燃料ガス流路32内に配置された部分の外周全体を取り囲むように、アノードリング33が設けられている。アノードリング33は、ステンレス鋼等の金属材料より形成されており、燃料ガス供給マニホルド6と燃料ガス流路32とを連通させる不図示のスリットを有している。燃料ガス供給マニホルド6から供給される燃料ガスFは、スリットを通じて燃料ガス流路32に流される。なお、本例の燃料電池セルスタック1は、燃料ガスFと酸化剤ガスOとがセル面内で同方向に流れる並行流方式である。
第1シール部7は、酸化剤ガス流路5内に流れ込む燃料ガスFを封止するためのものであり、燃料ガス供給マニホルド6のうち、酸化剤ガス流路5内に配置された部分の外周全体を取り囲むように設けられている。
本例では、第1シール部7は、ガラスシール材より形成されており、フレーム2と第2セパレータ4とに当接している。
隔壁8は、酸化剤ガス流路5に配置されており、スタック外部と連通する開口部80を備え、第1シール部7の外周を部分的に取り囲んでいる。
本例では、隔壁8は、絶縁材料であるマイカ、および/または、アルミナなどより形成されており、フレーム2と第2セパレータ4とに当接している。隔壁8は、図2に示されるように、酸化剤ガス流路5における、酸化剤ガス供給側のスタック端面と燃料電池単セル10との間に配置されている。隔壁8は、その全てが酸化剤ガス流路5内に配置されている。
本例では、隔壁8は、第1壁部81と、第2壁部82と、第1壁部81と第2壁部82との間を接続する中間壁部83とを有している。第1壁部81、第2壁部82、中間壁部83は、いずれも板状に形成されている。第1壁部81と第2壁部82とは、互いに対向するように離間して配置されている。中間壁部83は、燃料ガス供給マニホルド6を基準として、燃料ガス供給マニホルド6よりも酸化剤ガスO流れ方向の下流側に配置されている。つまり、中間壁部83は、燃料ガス供給マニホルド6と燃料電池単セル10との間に配置されている。より具体的には、中間壁部83は、燃料電池単セル10における燃料ガス供給マニホルド6側のセル端面と略平行に配置されている。
中間壁部83の第1端部には、第1壁部81の端部が接続されている。中間壁部83の第2端部には、第2壁部82の端部が接続されている。第1壁部81および第2壁部82における中間壁部83側と反対側の端部は、いずれも、燃料ガス供給マニホルド6を基準として、燃料ガス供給マニホルド6よりも酸化剤ガスO流れ方向の上流側に配置されている。本例では、第1壁部81における中間壁部83側と反対側の端部と第2壁部82における中間壁部83側と反対側の端部との間が、開口部80とされている。
本例では、隔壁8とフレーム2と第2セパレータ4とによって囲まれる隔壁内空間800が、燃料電池単セル10側から開口部80に向かうほど広くなるように形成されている。
本例の燃料電池セルスタック1は、上記以外にも、燃料ガス排出マニホルド91を有している。燃料ガス排出マニホルド91は、主に発電に使用されなかった燃料ガスFを排出するためのものであり、第2セパレータ4、フレーム2、および、第1セパレータ3を貫通して設けられている。また、燃料ガス排出マニホルド91のうち、酸化剤ガス流路5内に配置された部分の外周全体を取り囲むように第2シール部92が設けられている。第2シール部92の材質は、第1シール部7と同様である。また、本例の燃料電池セルスタック1は、不図示の酸化剤ガス供給マニホルドを有している。酸化剤ガス供給マニホルドは、カソード103に導入する酸化剤ガスOを酸化剤ガス流路5に供給するためのものである。また、本例の燃料電池セルスタック1は、不図示の酸化剤ガス排出マニホルドを有している。酸化剤ガス排出マニホルドは、主に発電に使用されなかった酸化剤ガスOを排出するためのものである。
なお、本例の燃料電池セルスタック1は、図1のAで示される範囲が1つのアセンブリとなる。本例の燃料電池セルスタック1は、燃料電池単セル10のセル面に垂直な方向に、複数のアセンブリを有している。なお、図1では、他のアセンブリは省略されている。第1セパレータ3は、燃料電池単セル10のアノード101側に積層された別の燃料電池単セル(不図示)の第2セパレータ4として使用される。また、第2セパレータ4は、燃料電池単セル10のカソード103側に積層された別の燃料電池単セル(不図示)の第1セパレータ3として使用される。
次に、本例の燃料電池セルスタックの作用効果について説明する。
本例の燃料電池セルスタック1は、燃料ガス供給マニホルド6のうち、酸化剤ガス流路5内に配置された部分の外周全体を取り囲むように第1シール部7が設けられている。そのため、第1シール部7が劣化していない状態の燃料電池セルスタック1では、酸化剤ガス流路5内へ流れ込もうとする燃料ガスFが第1シール部7によって封止される。一方、長期運転時等に、第1シール部7の破損等によってシール不良が生じた場合、第1シール部7から酸化剤ガス流路5内に燃料ガスFが漏れ出すことになる。しかし、本例の燃料電池セルスタック1では、スタック外部と連通する開口部80を有するように第1シール部7の外周を部分的に取り囲む隔壁8が、酸化剤ガス流路5内に配置されている。そのため、酸化剤ガス流路5内に漏出した燃料ガスFは、隔壁8の存在によって直ちにカソード103側へ流れず、一旦、開口部80からスタック外部に出て、スタック外部にある大量の酸化剤ガスOにより希釈され、燃焼する。また、当該燃焼により生じた低酸素濃度のガスは、スタック外部にある大量の酸化剤ガスOによって希釈される。そのため、本例の燃料電池セルスタック1は、局所的に高温かつ低酸素濃度のガスが生じ難く、当該ガスにカソード103が曝され難い。それ故、本例の燃料電池セルスタック1は、漏出した燃料ガスFの燃焼に起因する酸素減少の影響や温度上昇の影響が大幅に緩和され、カソード103の剥離による劣化を抑制することが可能となる。
また、本例の燃料電池セルスタック1は、隔壁8とフレーム2と第2セパレータ4とによって囲まれる隔壁内空間800が、燃料電池単セル10側から開口部80に向かうほど広くなるように形成されている。そのため、本例の燃料電池セルスタック1は、第1シール部7より漏出した燃料ガスFが、スタック外部に排出されやすく、上記作用効果を得やすい。
また、本例の燃料電池セルスタック1は、隔壁8が、板状の壁部を含んでいる。そのため、本例の燃料電池セルスタック1は、隔壁8の形成性に優れる。
また、本例の燃料電池セルスタック1は、隔壁8が、マイカ、および/または、アルミナより構成されている。そのため、本例の燃料電池セルスタック1は、第1シール部7より漏出した燃料ガスFが隔壁8外側の酸化剤ガス流路5へ漏出し難く、かつ、隔壁8の絶縁性を確保しやすい。
(実施例2)
実施例2の燃料電池セルスタックについて、図3を用いて説明する。本例の燃料電池セルスタック1は、実施例1の燃料電池セルスタック1と隔壁8の形状が異なっている。具体的には、本例では、隔壁8は、燃料ガス供給マニホルド6と燃料電池単セル10との間に、燃料電池単セル10側に屈曲する屈曲部831を有している。具体的には、中間壁部83が、燃料電池単セル10側に突出するように屈曲形成されている。また、隔壁8の開口部80は、スタック端面と一致するように配置されている。その他の構成は、実施例1と同様である。
本例の燃料電池セルスタック1によれば、隔壁8外側の酸化剤ガス流路5部分を流れる酸化剤ガスOが、隔壁8の屈曲部831によってセル中央部に流れやすくなる。そのため、本例の燃料電池セルスタック1は、実施例1の燃料電池セルスタック1に比べ、酸化剤ガスOをカソード103へ均一に供給しやすい。また、本例の燃料電池セルスタック1は、隔壁8の開口部80がスタック端面と一致するように配置されているので、第1シール部7より漏出した燃料ガスFをスタック外部に確実に排出することができる。その他の作用効果は、実施例1と同様である。
(実施例3)
実施例3の燃料電池セルスタックについて、図4を用いて説明する。本例の燃料電池セルスタック1は、実施例2の燃料電池セルスタック1と隔壁8の形状が異なっている。具体的には、本例では、隔壁8は、燃料ガス供給マニホルド6と燃料電池単セル10との間に、燃料電池単セル10側に膨らむ湾曲部832を有している。具体的には、中間壁部83が、燃料電池単セル10側に膨出するように湾曲形成されている。その他の構成は、実施例2と同様である。
本例の燃料電池セルスタック1によれば、隔壁8外側の酸化剤ガス流路5部分を流れる酸化剤ガスOが、隔壁8の湾曲部832によってセル中央部により一層流れやすくなる。そのため、本例の燃料電池セルスタック1は、実施例2の燃料電池セルスタック1に比べ、酸化剤ガスOをカソード103へ均一に供給しやすい。その他の作用効果は、実施例2と同様である。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。
1 燃料電池セルスタック
10 燃料電池単セル
101 アノード
102 固体電解質層
103 カソード
2 フレーム
3 第1セパレータ
4 第2セパレータ
5 酸化剤ガス流路
6 燃料ガス供給マニホルド
7 第1シール部
8 隔壁
F 燃料ガス
O 酸化剤ガス

Claims (5)

  1. アノード(101)と固体電解質層(102)とカソード(103)とを有する燃料電池単セル(10)と、
    該燃料電池単セル(10)におけるカソード(103)側の外周縁を支持するフレーム(2)と、
    アノード(101)側に配置される第1セパレータ(3)と、
    カソード(103)側に配置される第2セパレータ(4)と、
    上記フレーム(2)と上記第2セパレータ(4)との間に設けられた酸化剤ガス流路(5)と、
    該第2セパレータ(4)、上記フレーム(2)、および、上記第1セパレータ(3)を貫通して設けられており、上記アノード(101)に導入する燃料ガス(F)を供給するための燃料ガス供給マニホルド(6)と、
    該燃料ガス供給マニホルド(6)のうち、上記酸化剤ガス流路(5)内に配置された部分の外周全体を取り囲み、上記酸化剤ガス流路(5)内に流れ込む上記燃料ガス(F)を封止するための第1シール部(7)と、
    上記酸化剤ガス流路(5)に配置されており、スタック外部と連通する開口部(80)を備え、上記第1シール部(7)の外周を部分的に取り囲む隔壁(8)と、
    を有することを特徴とする燃料電池セルスタック(1)。
  2. 上記隔壁(8)と上記フレーム(2)と上記第2セパレータ(4)とによって囲まれる隔壁内空間(800)は、上記燃料電池単セル(10)側から上記開口部(80)に向かうほど広くなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セルスタック(1)。
  3. 上記隔壁(8)は、上記燃料ガス供給マニホルド(6)と上記燃料電池単セル(10)との間に、上記燃料電池単セル(10)側に屈曲する屈曲部(831)を有していることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池セルスタック(1)。
  4. 上記隔壁(8)は、上記燃料ガス供給マニホルド(6)と上記燃料電池単セル(10)との間に、上記燃料電池単セル(10)側に膨らむ湾曲部(832)を有していることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池セルスタック(1)。
  5. 上記隔壁(8)は、マイカ、および/または、アルミナより構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池セルスタック(1)。
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