JP6421166B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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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、マニホールドと、複数の燃料電池セルとを備えている。マニホールドは、各燃料電池セルにガスを分配するように構成されている。具体的には、マニホールドは、底壁、側壁、及び上壁を有している。この底壁、側壁、及び上壁は、マニホールドの内部空間を画定している。マニホールドの側壁には、ガス導入口が形成されている。このガス導入口を介して、マニホールドの内部空間にガスが導入される。このガスは、マニホールドの内部空間の奥行き方向に沿って導入される。 The fuel cell stack includes a manifold and a plurality of fuel cells. The manifold is configured to distribute gas to each fuel cell. Specifically, the manifold has a bottom wall, a side wall, and a top wall. The bottom wall, the side wall, and the top wall define an internal space of the manifold. A gas inlet is formed on the side wall of the manifold. Gas is introduced into the internal space of the manifold through this gas inlet. This gas is introduced along the depth direction of the internal space of the manifold.
各燃料電池セルは、マニホールドの上壁に取り付けられている。また、各燃料電池セルは、奥行き方向において、互いに間隔をあけて配置されている。各燃料電池セルは、幅方向において互いに間隔をあけて配置される複数のガス流路を有している。 Each fuel cell is attached to the upper wall of the manifold. Moreover, each fuel cell is arrange | positioned at intervals in the depth direction. Each fuel cell has a plurality of gas flow paths arranged at intervals in the width direction.
燃料電池セルの出力を安定化するには、各燃料電池セルに対するガス供給量の差を小さくすることが好ましい。しかしながら、ガス導入口の最も近くに配置された燃料電池セルの各ガス流路に対して、十分な量のガスが供給されにくいという問題がある。そこで、本発明の課題は、ガス導入口の最も近くに配置された燃料電池セルの各ガス流路に対して十分にガスを供給することにある。 In order to stabilize the output of the fuel battery cell, it is preferable to reduce the difference in the amount of gas supplied to each fuel battery cell. However, there is a problem that it is difficult to supply a sufficient amount of gas to each gas flow path of the fuel battery cell arranged closest to the gas inlet. Accordingly, an object of the present invention is to sufficiently supply gas to each gas flow path of the fuel cell arranged closest to the gas inlet.
本発明のある側面に係る燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルと、マニホールドと、を備えている。マニホールドは、各燃料電池セルにガスを分配するように構成されている。マニホールドは、底壁と、一対の第1側壁と、一対の第2側壁と、上壁と、を有している。一対の第1側壁は、底壁から上方に延び、奥行き方向において互いに対向する。一対の第2側壁は、底壁から上方に延び、幅方向において互いに対向する。上壁には、各燃料電池セルが取り付けられる。一対の第1側壁のうち一方の第1側壁は、ガス導入口を有している。各燃料電池セルは、奥行き方向において互いに間隔をあけて配置される。各燃料電池セルは、幅方向において互いに間隔をあけて配置される複数のガス流路を有する。底壁、一対の第1側壁、一対の第2側壁、及び上壁は、マニホールドの内部空間を画定している。奥行き方向に直交する断面における内部空間の断面積A1に対する、ガス導入口の面積A2の割合(A2/A1)は、0.0020以上である。 A fuel cell stack according to an aspect of the present invention includes a plurality of fuel cells and a manifold. The manifold is configured to distribute gas to each fuel cell. The manifold has a bottom wall, a pair of first side walls, a pair of second side walls, and an upper wall. The pair of first side walls extend upward from the bottom wall and face each other in the depth direction. The pair of second side walls extend upward from the bottom wall and face each other in the width direction. Each fuel cell is attached to the upper wall. One of the pair of first side walls has a gas inlet. Each fuel cell is arranged at intervals in the depth direction. Each fuel cell has a plurality of gas flow paths arranged at intervals in the width direction. The bottom wall, the pair of first side walls, the pair of second side walls, and the top wall define an internal space of the manifold. The ratio (A2 / A1) of the area A2 of the gas inlet to the cross-sectional area A1 of the internal space in the cross section orthogonal to the depth direction is 0.0020 or more.
この構成によれば、内部空間の断面積A1に対する、ガス導入口の面積A2の割合を0.0020以上としたことによって、ガス導入口の最も近くに配置された燃料電池セルの各ガス流路に対して、十分にガスを供給することができる。 According to this configuration, the ratio of the area A2 of the gas introduction port to the cross-sectional area A1 of the internal space is set to 0.0020 or more, so that each gas flow path of the fuel cell arranged closest to the gas introduction port In contrast, the gas can be sufficiently supplied.
好ましくは、内部空間の断面積A1に対する、ガス導入口の面積A2の割合(A2/A1)は、0.40以下である。この構成によれば、ガス導入口の最も近くに配置された燃料電池セルの各ガス流路に対するガスの供給量が過多となることを抑制することができる。 Preferably, the ratio (A2 / A1) of the area A2 of the gas inlet to the cross-sectional area A1 of the internal space is 0.40 or less. According to this structure, it can suppress that the supply amount of the gas with respect to each gas flow path of the fuel battery cell arrange | positioned nearest to the gas introduction port becomes excessive.
好ましくは、第1側壁と第2側壁との第1境界部の内側面は、R形状である。この構成によれば、各燃料電池セルに対するガス供給量の差をさらに小さくすることができる。 Preferably, the inner side surface of the first boundary portion between the first side wall and the second side wall has an R shape. According to this configuration, the difference in the gas supply amount for each fuel cell can be further reduced.
好ましくは、底壁と第1側壁及び第2側壁との第2境界部の内側面は、R形状である。この構成によれば、各燃料電池セルに対するガス供給量の差をさらに小さくすることができる。 Preferably, the inner side surface of the second boundary portion between the bottom wall and the first and second side walls has an R shape. According to this configuration, the difference in the gas supply amount for each fuel cell can be further reduced.
好ましくは、マニホールドは、第1側壁及び前記第2側壁から外方に延びる第1フランジ部をさらに有する。上壁は、第1フランジ部に固定される。 Preferably, the manifold further includes a first side wall and a first flange portion extending outward from the second side wall. The upper wall is fixed to the first flange portion.
好ましくは、第1側壁及び第2側壁と第1フランジ部との第3境界部の内側面は、R形状である。この構成によれば、各燃料電池セルに対するガス供給量の差をさらに小さくすることができる。 Preferably, the inner surface of the third boundary portion between the first side wall and the second side wall and the first flange portion has an R shape. According to this configuration, the difference in the gas supply amount for each fuel cell can be further reduced.
好ましくは、第3境界部と前記上壁との間に第1隙間部が形成される。この構成によれば、この第1隙間部を有さないマニホールドに比べて、この第1隙間部においてマニホールドが変形しやすくなる。このため、マニホールドに燃料電池セルを接合材によって固定している場合において、その接合材に生じる応力が低減するため、燃料電池スタックの信頼性が向上する。 Preferably, a first gap portion is formed between the third boundary portion and the upper wall. According to this configuration, the manifold is more easily deformed in the first gap portion than in the manifold not having the first gap portion. For this reason, when the fuel cell is fixed to the manifold with the bonding material, the stress generated in the bonding material is reduced, so that the reliability of the fuel cell stack is improved.
好ましくは、上壁と第1側壁及び第2側壁との第4境界部の内側面は、R形状である。この構成によれば、各燃料電池セルに対するガス供給量の差をさらに小さくすることができる。 Preferably, the inner side surface of the fourth boundary portion between the upper wall and the first and second side walls has an R shape. According to this configuration, the difference in the gas supply amount for each fuel cell can be further reduced.
好ましくは、マニホールドは、第1側壁及び第2側壁の下端部から外方に延びる第2フランジ部をさらに有する。底壁は、第2フランジ部に固定される。 Preferably, the manifold further includes a second flange portion extending outward from the lower end portions of the first side wall and the second side wall. The bottom wall is fixed to the second flange portion.
好ましくは、第1側壁及び第2側壁と第2フランジ部との第5境界部の内側面は、R形状である。この構成によれば、各燃料電池セルに対するガス供給量の差をさらに小さくすることができる。 Preferably, the inner surface of the fifth boundary portion between the first side wall and the second side wall and the second flange portion has an R shape. According to this configuration, the difference in the gas supply amount for each fuel cell can be further reduced.
好ましくは、第5境界部と底壁との間に第2隙間部が形成される。 Preferably, a second gap portion is formed between the fifth boundary portion and the bottom wall.
本発明によれば、ガス導入口の最も近くに配置された燃料電池セルの各ガス流路に対して、十分にガスを供給することができる。 According to the present invention, it is possible to sufficiently supply gas to each gas flow path of the fuel battery cell arranged closest to the gas inlet.
[燃料電池スタック]
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。図1〜図3に示すように、燃料電池スタック100は、複数の燃料電池セル1と、マニホールド2と、を備えている。
[Fuel cell stack]
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell stack according to the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 to 3, the
[マニホールド]
マニホールド2は、各燃料電池セル1にガスを分配するように構成されている。マニホールド2は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド2の内部空間には、導入管201を介して燃料ガスなどのガスが導入される。マニホールド2は、この内部空間と外部とを連通する複数の貫通孔27を有している。
[Manifold]
The
マニホールド2は、各燃料電池セル1を支持している。マニホールド2は、マニホールド本体21と、上壁22とを備えている。マニホールド本体21と上壁22とは、互いに別部材であって接合されている。なお、マニホールド本体21と上壁22とは、一体的に形成されていてもよい。このマニホールド本体21と上壁22とによって、マニホールド2の内部空間を画定している。この内部空間は、例えば、直方体状である。
The
マニホールド本体21は、直方体状であって、上面が開口した内部空間を有する。詳細には、マニホールド本体21は、底壁23と、一対の第1側壁24と、一対の第2側壁25と、を有している。また、マニホールド本体21は、第1フランジ部26を有していてもよい。
The
底壁23は、平面視(x軸方向視)が矩形状である。各第1側壁24及び各第2側壁25は、底壁23の周縁部から上方に延びている。一対の第1側壁24は、マニホールド2の内部空間の奥行き方向(z軸方向)において、互いに対向するように配置されている。また、一対の第2側壁25は、マニホールド2の内部空間の幅方向(y軸方向)において、互いに対向するように配置されている。
The
図4に示すように、一対の第1側壁24のうち一方の第1側壁24は、開口部241を有している。この開口部241が形成された第1側壁24に、導入管201が取り付けられる。例えば、図5に示すように、導入管201は、第1側壁24の外側面に当接されていてもよい。この場合、第1側壁24の開口部241が、本発明のガス導入口に相当する。また、図6に示すように、導入管201は、開口部241に挿入されていてもよい。この場合、導入管201の開口部が、本発明のガス導入口に相当する。また、導入管201は底壁23に対して平行に取り付けられていなくてもよい。ガス導入口は、第1側壁24の中央に形成されていることが好ましい。このガス導入口から、マニホールド2の内部空間にガスが導入される。ガス導入口は、円形状に形成されている。なお、以下では、図5のように、第1側壁24の開口部241がガス導入口に相当するものとして説明する。
As shown in FIG. 4, one
図4に示すように、内部空間の断面積A1に対する、ガス導入口241の面積A2の割合(A2/A1)は、0.0020以上である。また、内部空間の断面積A1に対する、ガス導入口241の面積A2の割合(A2/A1)は、0.40以下とすることが好ましい。なお、内部空間の断面積A1は、奥行き方向(z軸方向)に直交する断面における断面積である。そして、この奥行き方向(z軸方向)に直交する断面は、複数のガス流路121のうちガス導入口241に対して最も近いガス流路121の下端面の中心と、ガス導入口241が設けられた第1側壁24の内壁面と、の奥行き方向における中点を通る断面である。また、第1側壁24の内側面とは、マニホールド2の内部空間を臨む面である。
As shown in FIG. 4, the ratio (A2 / A1) of the area A2 of the
マニホールド2の内部空間に導入されるガスの流速は、燃料電池セル1の発電時、0℃・1atm換算において0.010〜2.5m/s程度とすることが好ましい。流速は、マニホールド2内に導入される流量と内部空間の断面積A1とから算出することができる。
The flow rate of the gas introduced into the internal space of the
第1フランジ部26は、各第1側壁24及び各第2側壁25の上端部から外方に延びている。第1フランジ部26は、環状である。
The
マニホールド本体21は、1つの部材によって構成されている。すなわち、底壁23と各第1側壁24と各第2側壁25と各第1フランジ部26とは、1つの部材によって構成されている。例えば、マニホールド本体21は、耐熱性を有するような金属あるいは絶縁性セラミックスによって形成される。より具体的には、マニホールド本体21は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、Ni基合金、MgO(酸化マグネシウム)、Al2O3(酸化アルミニウム)、MgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)、MgO・SiO2(ステアタイト)、及び2MgO・SiO2(フォルステライト)よりなる群から選ばれる少なくとも1種から形成されている。
The
図7に示すように、第1側壁24と、第2側壁25との第1境界部20aの内側面は、R形状である。この第1境界部20aの内側面の曲率半径は、3〜30mm程度とすることができる。なお、第1境界部20aの内側面とは、マニホールド2の内部空間を臨む面である。
As shown in FIG. 7, the inner side surface of the
図4及び図8に示すように、底壁23と、第1側壁24及び第2側壁25との第2境界部20bの内側面は、R形状である。この第2境界部20bの内側面の曲率半径は、2〜20mm程度とすることができる。なお、第2境界部20bの内側面とは、マニホールド2の内部空間を臨む面である。
As shown in FIG.4 and FIG.8, the inner surface of the
第1側壁24及び第2側壁25と、第1フランジ部26との第3境界部20cの内側面は、R形状である。この第3境界部20cの内側面の曲率半径は、1〜10mm程度とすることができる。なお、第3境界部20cの内側面とは、マニホールド2の内部空間を臨む面である。
The inner side surface of the
図8に示すように、マニホールド2の内部空間の高さ方向(x軸方向)において、第3境界部20cと上壁22との間に第1隙間部28が形成されている。すなわち、上壁22の下面と第1フランジ部26の上面とは接触している一方、上壁22の下面と第3境界部20cの内側面とは接触していない。第1隙間部28は、全周に亘って形成されている。
As shown in FIG. 8, a
図4に示すように、上壁22は、マニホールド本体21の上面を塞ぐように、マニホールド本体21上に配置されている。詳細には、上壁22は、第1フランジ部26に固定されている。マニホールド2の内部空間を密閉するため、上壁22が全周に亘ってマニホールド本体21と接合されている。例えば、上壁22とマニホールド本体21とは、結晶化ガラスによって接合されている。上壁22は、上述したマニホールド本体21の材料の少なくとも一種から形成することができる。
As shown in FIG. 4, the
図9に示すように、上壁22は、各燃料電池セル1が取り付けられるように構成されている。詳細には、上壁22は、複数の貫通孔27を有している。各貫通孔27は、マニホールド2の幅方向(y軸方向)に延びている。また、各貫通孔27は、マニホールド2の奥行き方向(z軸方向)において、互いに間隔をあけて配置されている。
As shown in FIG. 9, the
図7及び図8に示すように、マニホールド2の内部空間は、互いに直交する奥行きD、幅W、及び高さHを有している。奥行きDは、ガスの導入方向(z軸方向)における内部空間の寸法である。すなわち、奥行きDは、一対の第1側壁24間の距離である。
As shown in FIGS. 7 and 8, the internal space of the
幅Wは、平面視(x軸方向視)において奥行きDと直交する方向における内部空間の寸法である。すなわち、幅Wは、一対の第2側壁25間の距離である。また、高さHは、奥行きD及び幅Wと直交する方向における内部空間の寸法である。すなわち、高さHは、上壁22と底壁23との距離である。
The width W is a dimension of the internal space in a direction orthogonal to the depth D in plan view (view in the x-axis direction). That is, the width W is a distance between the pair of
内部空間の奥行きDは、50〜450mm程度とすることができる。また、内部空間の幅Wは、30〜200mm程度とすることができる。また、内部空間の高さHは5〜50mm程度とすることができる。 The depth D of the internal space can be about 50 to 450 mm. The width W of the internal space can be about 30 to 200 mm. The height H of the internal space can be about 5 to 50 mm.
[燃料電池セル]
図1から図3に示すように、各燃料電池セル1は、マニホールド2から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル1は、マニホールド2の上壁22から上方に延びている。燃料電池セル1の下端部101は、貫通孔27内に挿入されている。燃料電池セル1の下端部は、上壁22から5mm程度、下方に突出していてもよい。燃料電池セル1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。なお、燃料電池セル1の下端部101が貫通孔27内に挿入された状態において、燃料電池セル1の下端部101の外周面と貫通孔27の内壁面との間には隙間が形成されている。この隙間に第1接合材3が充填されていてもよい。
[Fuel battery cell]
As shown in FIGS. 1 to 3, each
各燃料電池セル1は、マニホールド2の奥行き方向(z軸方向)に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。また、各燃料電池セル1は、各主面が奥行き方向(z軸方向)を向くように配置されている。なお、各燃料電池セル1は、長手方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。また、本実施形態では各燃料電池セル1が1列に配置されているが、複数列に配置されていてもよい。各燃料電池セル1は、第1集電部材4を介して互いに電気的に接続されている。第1集電部材4は、各燃料電池セル1の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル1を接続している。なお、第1集電部材4は、第2接合材5によって各燃料電池セル1に接合されている。第1集電部材4は、導電性を有する材料から形成されている。例えば、第1集電部材4は、酸化物セラミックスの焼成体又は金属などによって形成されている。
The
図10に示すように、燃料電池セル1は、複数の発電素子部11と、支持基板12とを備えている。各発電素子部11は、支持基板12の両面に支持されている。なお、各発電素子部11は、支持基板12の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部11は、燃料電池セル1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1は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。
As shown in FIG. 10, the
各発電素子部11は、電気的接続部17(図12参照)によって互いに電気的に接続されている。また、燃料電池セル1の上端部102側において、支持基板12の一方面に形成された発電素子部11と他方面に形成された発電素子部11とが第2集電部材6(図2参照)によって電気的に接続されている。なお、各発電素子部11は、直列に接続されている。
The power
図3に示すように、支持基板12は、支持基板12の長手方向(x軸方向)に延びる複数のガス流路121を内部に有している。ガス流路121は、マニホールド2の内部空間と連通している。各ガス流路121は、支持基板12の幅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、各ガス流路121は、マニホールド2の幅方向(y軸方向)において互いに間隔をあけて配置される。各ガス流路121は、円形状であって、その直径を0.3〜5.0mm程度にすることができる。なお、ガス流路121の断面形状は、円形状であることが好ましいが楕円状などであってもよい。また、ガス流路121の流路径は、支持基板12の長手方向に沿って均一でなくてもよい。
As shown in FIG. 3, the
燃料電池セル1の各ガス流路121のうち、両端部に形成されたガス流路121は、マニホールド2の内部空間の幅方向の端部と対応するように配置されている。例えば、幅方向の両端部に形成されたガス流路121の下端面の中心と、第2側壁25の内壁面との距離L1は、0.5〜15mm程度である。また、図11に示すように、奥行き方向におけるガス導入口241とガス流路121の下端面の中心との距離L2は、1〜30mm程度である。
Among the
この距離L1に対する距離L2の割合(L2/L1)は、0.15〜35程度とすることが好ましい。この割合(L2/L1)を上記範囲内とすることによって、マニホールド2の内部空間に局所的にガス滞留部が生じることを更に抑制することができる。なお、距離L1は、第2側壁25からの距離が幅方向において最も近いガス流路121の下端面の中心と、第2側壁25の内壁面との幅方向における距離である。また、距離L2は、複数のガス流路121のうちガス導入口241に対して最も近いガス流路121の下端面の中心と、ガス導入口241が設けられた第1側壁24の内壁面との奥行き方向における距離である。各ガス流路121は、基本的にyz平面視で長方形を描くように配置されていることが好ましいが、多少位置がずれていてもよい。
The ratio of the distance L2 to the distance L1 (L2 / L1) is preferably about 0.15 to 35. By setting this ratio (L2 / L1) within the above range, it is possible to further suppress the local occurrence of a gas retention portion in the internal space of the
支持基板12の長手方向(x軸方向)は、燃料電池セル1の長手方向と同じ方向である。各ガス流路121は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路121は、支持基板12の長手方向の両端面において開口している。
The longitudinal direction (x-axis direction) of the
図12に示すように、支持基板12は、複数の第1凹部123を有している。各第1凹部123は、支持基板12の両面に形成されている。各第1凹部123は支持基板12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。
As shown in FIG. 12, the
支持基板12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12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12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12の気孔率は、例えば、20〜60%程度である。
The
各発電素子部11は、燃料極13、電解質14、及び空気極15を有している。また、各発電素子部11は、反応防止膜16をさらに有している。燃料極13は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極13は、燃料極集電部131と燃料極活性部132とを有する。
Each power
燃料極集電部131は、第1凹部123内に配置されている。詳細には、燃料極集電部131は、第1凹部123内に充填されており、第1凹部123と同様の外形を有する。各燃料極集電部131は、第2凹部131a及び第3凹部131bを有している。燃料極活性部132は、第2凹部131a内に配置されている。詳細には、燃料極活性部132は、第2凹部131a内に充填されている。
The fuel electrode
燃料極集電部131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131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131の厚さ、並びに第1凹部123の深さは、50〜500μm程度である。
The fuel electrode
燃料極活性部132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132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132の厚さは、5〜30μmである。
The fuel electrode
電解質14は、燃料極13上を覆うように配置されている。詳細には、電解質14は、あるインターコネクタ171から他のインターコネクタ171まで長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル1の長手方向において、電解質14とインターコネクタ171とが交互に配置されている。
The
電解質14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構成される焼成体である。電解質14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14は、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。電解質14の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
The
反応防止膜16は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜16は、電解質14と空気極15との間に配置されている。反応防止膜16は、電解質14内のYSZと空気極15内のSrとが反応して電解質14と空気極15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。
The
反応防止膜16は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜16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16の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
The
空気極15は、反応防止膜16上に配置されている。空気極15は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極15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15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15は、LSCFから構成される第1層(内側層)とLSCから構成される第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極15の厚さは、例えば、10〜100μmである。
The
電気的接続部17は、隣り合う発電素子部11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17は、インターコネクタ171及び空気極集電部172を有する。インターコネクタ171は、第3凹部131b内に配置されている。詳細には、インターコネクタ171は、第3凹部131b内に埋設(充填)されている。インターコネクタ171は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ171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171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171の厚さは、例えば、10〜100μmである。
The
空気極集電部172は、インターコネクタ171と空気極15との間を延びるように配置される。例えば、図12の左側に配置された発電素子部11の空気極15と、インターコネクタ171とを電気的に接続するように、空気極集電部172が配置されている。空気極集電部172は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。
Air electrode
空気極集電部172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、空気極集電部172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、空気極集電部172は、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電部172の厚さは、例えば、50〜500μm程度である。
The air electrode
図13に示すように、燃料電池セル1の下端部101は、緻密膜18によって覆われている。詳細には、緻密膜18は、支持基板12を覆っている。緻密膜18は、空気極集電部172と支持基板12との間から近位側に向かって延びている。
As shown in FIG. 13, the
緻密膜18は、緻密膜18の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜18の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。このガスシール機能を発揮するため、この緻密膜18の気孔率は、例えば、10%以下である。また、緻密膜18は、絶縁性セラミックスで構成されている。
The
具体的には、緻密膜18は、上述した電解質14と反応防止膜16とによって構成することができる。緻密膜18を構成する電解質14は、支持基板12を覆っており、インターコネクタ171から支持基板12の下端近傍まで延びている。また、緻密膜18を構成する反応防止膜16は、電解質14と空気極集電部172との間に配置されている。なお、緻密膜18は、電解質14のみで構成されていてもよいし、電解質14及び反応防止膜16以外の材料によって構成されていてもよい。
Specifically, the
[第1接合材]
第1接合材3は、燃料電池セル1をマニホールド2に固定する。詳細には、第1接合材3は、燃料電池セル1とマニホールド2の上壁22とを接合している。第1接合材3は、燃料電池セル1の下端部101とマニホールド2の上壁22とを接合している。また、第1接合材3は、緻密膜18と接触している。なお、燃料電池セル1がマニホールド2に固定された状態において、貫通孔27とガス流路121とが連通している。
[First bonding material]
The
第1接合材3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1接合材3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1接合材3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
[発電方法]
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。マニホールド2を介して各燃料電池セル1のガス流路121内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板12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14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15において下記(1)式に示す電気化学反応が起こり、燃料極13において下記(2)式に示す電気化学反応が起こり、電流が流れる。
(1/2)・O2+2e−→O2− …(1)
H2+O2−→H2O+2e− …(2)
[Power generation method]
The
(1/2) · O 2 + 2e − → O 2− (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (2)
[製造方法]
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。
[Production method]
Next, a method for manufacturing the fuel cell stack configured as described above will be described.
まず、マニホールド2と複数の燃料電池セル1とを準備する。そして、図14に示すように、第1集電部材4、及び第2接合材5によって、各燃料電池セル1を互いに接続し、セル集合体300を作製する。なお、この段階では第2接合材5は焼成されておらず、各燃料電池セル1は互いに仮止めの状態である。
First, a
次に、図15に示すように、セル集合体300の各燃料電池セル1の下端部101をマニホールド2の各貫通孔27に挿入する。なお、各燃料電池セル1が厚さ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. 15, the
次に、図2に示すように、貫通孔27に挿入された燃料電池セル1とマニホールドの上壁22とを接合するように第1接合材3を塗布する。なお、第1接合材3は、燃料電池セル1の付け根に沿って塗布されている。また、第1接合材3は、燃料電池セル1の下端部101の外周面と貫通孔27の内壁面との隙間に充填されていてもよい。
Next, as shown in FIG. 2, the
次に、第1接合材3及び第2接合材5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3及び第2接合材5が固化され、燃料電池スタック100が完成する。詳細には、第2接合材5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1と第1集電部材4とが固定される。また、第1接合材3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1接合材3が機能を発揮し、各燃料電池セル1の下端部101がマニホールド2の上壁22に固定される。
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
上記実施形態では、燃料極集電部131が第2凹部131a及び第3凹部131bを有しているが、燃料極集電部131の構成はこれに限定されない。例えば、燃料極集電部131は第2凹部131a及び第3凹部131bなどの凹部を有していなくてもよい。この場合、燃料極活性部132は、燃料極集電部131上に形成されており、燃料極集電部131に埋設されていない。また、インターコネクタ171は、燃料極集電部131上に形成されており、燃料極集電部131に埋設されていない。
In the above embodiment, the fuel electrode
変形例2
上記実施形態では、燃料電池セル1は、複数の発電素子部11を有している横縞型であったが、燃料電池セル1は、長手方向に延びる一つの発電素子部を有するような縦縞型であってもよい。また、燃料電池セル1は、横縞円筒型であってもよい。
In the above embodiment, the
変形例3
上記実施形態では、ガス導入口241は円形状であったが、ガス導入口の形状は特にこれに限定されず、例えば、楕円形や矩形状であってもよい。
In the above embodiment, the
変形例4
上記実施形態では、マニホールド本体21の上面が開口しており、上壁22によってマニホールド本体21の上面が封鎖されているが、マニホールド2の構成はこれに限定されない。
In the above embodiment, the upper surface of the
例えば、図16に示すように、マニホールド本体21は、下面が開口しており、底壁23によってマニホールド本体21の下面を封鎖するような構成であってもよい。この場合、マニホールド本体21は、上壁22と、一対の第1側壁24と、一対の第2側壁25と、を有している。また、マニホールド本体21は、第2フランジ部29を有していてもよい。第2フランジ部29は、第1側壁24及び第2側壁25の下端部から外方に延びている。
For example, as shown in FIG. 16, the
上壁22と、第1側壁24及び第2側壁25との第4境界部20dの内側面は、R形状である。この第4境界部20dの内側面の曲率半径は、2〜20mm程度とすることができる。なお、第4境界部20dの内側面とは、マニホールド2の内部空間を臨む面である。
The inner surface of the
第1側壁24及び第2側壁25と、第2フランジ部29との第5境界部20eの内側面は、R形状である。この第5境界部20eの内側面の曲率半径は、1〜10mm程度とすることができる。なお、第5境界部20eの内側面とは、マニホールド2の内部空間を臨む面である。
The inner side surface of the
図17に示すように、マニホールド2の内部空間の高さ方向(x軸方向)において、第5境界部20eと底壁22との間に第2隙間部30が形成されている。すなわち、底壁23の上面と第2フランジ部29の下面とは接触している一方、底壁23の上面と第5境界部20eの内側面とは接触していない。第2隙間部30は、全周に亘って形成されている。
As shown in FIG. 17, a
図16に示すように、底壁23は、マニホールド本体21の下面を塞ぐように、マニホールド本体21上に配置されている。詳細には、底壁23は、第2フランジ部29に固定されている。マニホールド2の内部空間を密閉するため、底壁23が全周に亘ってマニホールド本体21と接合されている。例えば、底壁23とマニホールド本体21とは、結晶化ガラスによって接合されている。底壁23は、上述したマニホールド本体21の材料の少なくとも一種から形成することができる。
As shown in FIG. 16, the
変形例5
上記実施形態では、マニホールド2の内部空間は直方体状としたが、マニホールド2の内部空間の形状は特に限定されない。
In the above embodiment, the internal space of the
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〜No.66の燃料電池スタックを作製した。 Sample no. 1-No. 66 fuel cell stacks were produced.
各サンプルのマニホールドを、プレス加工によって、直方体状の内部空間を有するように作製した。 The manifold of each sample was produced by pressing so as to have a rectangular parallelepiped internal space.
各サンプルの内部空間の断面積A1、ガス導入口241の面積A2、及び割合A2/A1は、表1、2の通りである。なお、ガス導入口241は、第1側壁24の中央部に形成されており、導入管201は、図5に示すように、第1側壁24の外側面の中央に当接されている。内部空間の断面積A1、及びガス導入口241の面積A2は、各断面の画像をCADソフトに読み込むことで算出した。
Tables 1 and 2 show the cross-sectional area A1 of the internal space of each sample, the area A2 of the
以上のように作製されたマニホールド2の上壁22に、10枚の燃料電池セル1を取り付けた。燃料電池セル1の幅方向は、マニホールド2の幅方向と平行とした。各燃料電池セル1は、マニホールド2の奥行き方向において互いに等間隔に配置された。
Ten
各燃料電池セル1は、約2mm間隔で複数本のガス流路121を有している。各ガス流路121は、支持基板12の幅方向において等間隔に形成されている。各燃料電池セルの幅方向の両端部に形成されたガス流路は、マニホールドの内部空間の幅方向の端部と対応するように配置されている。なお、平面視において、各ガス流路121は、マニホールドの内部空間に対して、均等に配置されている。また、各ガス流路121は、燃料電池セル1の幅方向の全体に亘って配置されている。なお、上記断面積A1、面積A2、及び各燃料電池セル1の幅以外の構成は、基本的には各サンプル間で同じとした。
Each
(試験A)
以上のように作製したサンプルNo.1〜30を以下の条件で1時間発電をした際の各燃料電池セル1の電圧値を1分ごとに記録した。
・マニホールド2を介して燃料ガスを供給し、燃料電池セル1の両面に空気を供給
・温度:750℃
・電流密度:0.003 A/mm2通電
(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11の空気極面積測定結果に対する値とする。)
・燃料利用率80%
なお、燃料利用率は、供給する燃料ガス量に対する各発電素子部11が発電時消費する燃料ガス合計量の占める割合のことである。各燃料電池セル1は、その長手方向に間隔をあけて配置された5個の発電素子部11を有する。発電素子部11の長手方向の寸法は全て同一とした。そして、各燃料電池セル1の1分ごとの電圧測定結果の標準偏差が2.0を上回る燃料電池セル1があったサンプルを×、なかったサンプルを○とした。なお、各燃料電池セル1を1本で評価した際の電圧測定値の標準偏差は全て2.0以下となったため、測定機器に由来したバラつきは小さい。この評価結果を表1に示す。割合A2/A1が0.0020より小さい際、電圧測定結果の標準偏差が2.0を上回るのはガス導入口241に対して最も近い位置に取り付けられた燃料電池セル1であった。一方、割合A2/A1が0.40より大きい際、標準偏差が2.0を上回るのはガス導入口241に対して最も遠くに取り付けられた燃料電池セル1であった。
(Test A)
Sample No. produced as described above. The voltage value of each
・ Fuel gas is supplied through the
Current density: 0.003 A / mm 2 energization (Note that the current density is a value for the measurement result of the air electrode area of one power
・ Fuel utilization rate 80%
The fuel utilization rate is the ratio of the total amount of fuel gas consumed by each power
以上より、割合A2/A1を0.0020以上とすることによって、ガス導入口241の最も近くに配置された燃料電池セル1の各ガス流路121に対して十分にガスを供給できていることが分かる。また、割合A2/A1を0.40以下とすることによって、ガス導入口241の最も近くに配置された燃料電池セル1の各ガス流路121に対するガス供給量が過多となることを抑制していることが分かる。
From the above, by setting the ratio A2 / A1 to be 0.0020 or more, the gas can be sufficiently supplied to each
(試験B)
割合(A2/A1)が0.0020〜0.40のサンプルNo.31〜66に対して燃料利用率80%と85%下で試験Aと同一の試験を実施した。そして、燃料利用率80%で標準偏差が2.0を上回るセルがあったサンプルを×、燃料利用率85%で標準偏差が2.0を上回るセルがあったサンプルを○、いずれも標準偏差が2.0以下となったサンプルを◎とした。今回試験した各サンプルにおいて、10枚の燃料電池セルは、その距離L1の値が全て等しくなるように配置されている。なお、サンプルNo.1〜30の割合(L2/L1)は全て10とした。以上の評価結果を表2に示す。全てのサンプルで燃料利用率85%の標準偏差が80%で発電時に比べて大きくなるが、表2から分かるように、割合(L2/L1)を0.15〜35とすることによって、マニホールド2の局所的なガス滞留部の発生を抑制することができた。
(Test B)
Sample No. with a ratio (A2 / A1) of 0.000020 to 0.40. The same test as Test A was performed on 31-66 at a fuel utilization rate of 80% and 85%. And the sample that had a cell with a standard deviation of more than 2.0 at a fuel utilization rate of 80%, and the sample that had a cell with a standard deviation of more than 2.0 at a fuel utilization rate of 85% were marked with a standard deviation. Samples with an A of 2.0 or less were marked with ◎. In each sample tested this time, 10 fuel cells are arranged so that the values of the distance L1 are all equal. Sample No. The ratios (L2 / L1) of 1 to 30 were all 10. The above evaluation results are shown in Table 2. In all the samples, the standard deviation of the fuel utilization rate of 85% is 80%, which is larger than that during power generation. As can be seen from Table 2, by setting the ratio (L2 / L1) to 0.15 to 35, the
1 燃料電池セル
2 マニホールド
20a 第1境界部
20b 第2境界部
20c 第3境界部
22 上壁
23 底壁
24 第1側壁
241 ガス導入口
25 第2側壁
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記各燃料電池セルにガスを分配するように構成されたマニホールドと、
を備え、
前記マニホールドは、
底壁と、
前記底壁から上方に延び、奥行き方向において互いに対向する一対の第1側壁と、
前記底壁から上方に延び、幅方向において互いに対向する一対の第2側壁と、
前記各燃料電池セルが取り付けられる上壁と、
を有し、
前記一対の第1側壁のうち一方の第1側壁は、ガス導入口を有しており、
前記複数の燃料電池セルは、前記マニホールドの前記奥行き方向に沿って互いに間隔をあけて配置されるとともに、前記奥行き方向及び前記幅方向において互いに間隔をあけて配置される複数のガス流路を有し、
前記底壁、前記一対の第1側壁、前記一対の第2側壁、及び前記上壁は、前記マニホールドの内部空間を画定しており、
前記奥行き方向に直交する断面における前記内部空間の断面積A1に対する、前記ガス導入口の面積A2の割合(A2/A1)は、0.0020以上である、
燃料電池スタック。
A plurality of fuel cells;
A manifold configured to distribute gas to each of the fuel cells;
With
The manifold is
The bottom wall,
A pair of first side walls extending upward from the bottom wall and facing each other in the depth direction;
A pair of second side walls extending upward from the bottom wall and facing each other in the width direction;
An upper wall to which each of the fuel cells is attached;
Have
One first side wall of the pair of first side walls has a gas inlet,
The plurality of fuel cells have a plurality of gas flow paths that are spaced from each other along the depth direction of the manifold and that are spaced from each other in the depth direction and the width direction. And
The bottom wall, the pair of first side walls, the pair of second side walls, and the top wall define an internal space of the manifold;
The ratio (A2 / A1) of the area A2 of the gas inlet to the cross-sectional area A1 of the internal space in the cross section perpendicular to the depth direction is 0.0020 or more.
Fuel cell stack.
請求項1に記載の燃料電池スタック。
The ratio (A2 / A1) of the area A2 of the gas inlet to the cross-sectional area A1 of the internal space is 0.40 or less.
The fuel cell stack according to claim 1.
請求項1又は2に記載の燃料電池スタック。
Closest to the gas inlet and the gas inlet with respect to the distance L1 in the width direction between the center of the lower end surface of the gas flow path 121 disposed at both ends in the width direction and the inner wall surface of the second side wall 25 The ratio (L2 / L1) of the distance L2 in the depth direction to the center of the lower end surface of the gas flow path is 0.15 to 35.
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。
The inner side surface of the first boundary portion between the first side wall and the second side wall is R-shaped.
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。
The inner side surface of the second boundary portion between the bottom wall and the first and second side walls is R-shaped.
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4.
前記上壁は、前記第1フランジ部に固定される、
請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池スタック。
The manifold further includes a first flange portion extending outward from the first side wall and the second side wall;
The upper wall is fixed to the first flange portion.
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5.
請求項6に記載の燃料電池スタック。
The inner side surface of the third boundary portion between the first side wall and the second side wall and the first flange portion has an R shape.
The fuel cell stack according to claim 6.
請求項7に記載の燃料電池スタック。
A first gap is formed between the third boundary and the upper wall;
The fuel cell stack according to claim 7.
請求項1から8のいずれかに記載の燃料電池スタック。
The inner surface of the fourth boundary portion between the upper wall and the first and second side walls is R-shaped.
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 8.
前記底壁は、前記第2フランジ部に固定される、
請求項1から9のいずれかに記載の燃料電池スタック。
The manifold further includes a second flange portion extending outward from lower ends of the first side wall and the second side wall,
The bottom wall is fixed to the second flange portion;
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 9.
請求項10に記載の燃料電池スタック。
An inner surface of a fifth boundary portion between the first side wall and the second side wall and the second flange portion has an R shape.
The fuel cell stack according to claim 10.
請求項11に記載の燃料電池スタック。 A second gap is formed between the fifth boundary and the bottom wall;
The fuel cell stack according to claim 11.
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