JP6421226B2 - Manifold - Google Patents
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Description
本発明は、マニホールドに関するものである。 The present invention relates to a manifold.
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。マニホールドは、マニホールド本体部、及び導入管を有している。マニホールド本体部には、燃料電池セルが取り付けられている。例えば、接合材などによって燃料電池セルはマニホールド本体部に接合されている。導入管は、マニホールド本体部に取り付けられている。この導入管を介してマニホールド本体部内に導入された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。 The fuel cell stack includes a manifold and a plurality of fuel cells. The manifold is configured to distribute gas to each fuel cell. The manifold has a manifold body and an introduction pipe. A fuel battery cell is attached to the manifold body. For example, the fuel cells are joined to the manifold body by a joining material or the like. The introduction pipe is attached to the manifold body. The fuel gas introduced into the manifold body through the introduction pipe is supplied to the fuel battery cell.
上述したような燃料電池スタックの運転中において、燃料電池セルとマニホールド本体部との接合部にクラックが生じることがある。本発明の課題は、燃料電池セルとマニホールド本体部との接合部にクラックが生じることを抑制することにある。 During the operation of the fuel cell stack as described above, a crack may occur at the joint between the fuel cell and the manifold body. An object of the present invention is to suppress the occurrence of cracks at the joint between the fuel battery cell and the manifold body.
本発明者らは、鋭意研究した結果、次のことがマニホールド本体部と燃料電池セルとの接合部に生じるクラックの要因の1つであることを見出した。すなわち、燃料電池スタックの運転中において導入管に荷重が作用すると、その荷重がマニホールド本体部に伝達する。そして、この荷重がマニホールド本体部を変形させ、このマニホールド本体部の変形がマニホールド本体部と燃料電池セルとの接合部にクラックを生じさせるおそれがある。そこで本発明では、導入管に掛かる荷重がマニホールド本体部に与える影響を低減させることを特徴とした。すなわち、本発明のある側面に係るマニホールドは、マニホールド本体部と、導入管と、を備えている。マニホールド本体部は、底壁、底壁から上方に延びる側壁、及び上壁を有している。導入管は、上方に延びる延在部、及び変形部、を有する。変形部は、延在部の下端から100mm上方の点に対して、徐々に増加させながら荷重を水平方向に加えたときに、マニホールド本体部より先に変形するように構成される。
As a result of intensive studies, the present inventors have found that the following is one of the causes of cracks generated at the joint between the manifold body and the fuel cell. That is, when a load acts on the introduction pipe during operation of the fuel cell stack, the load is transmitted to the manifold body. This load deforms the manifold body, and the deformation of the manifold body may cause a crack at the joint between the manifold body and the fuel cell. Therefore, the present invention is characterized in that the influence of the load applied to the introduction pipe on the manifold body is reduced. That is, a manifold according to a certain aspect of the present invention includes a manifold main body and an introduction pipe. The manifold main body has a bottom wall, a side wall extending upward from the bottom wall, and a top wall. The introduction tube has an extending portion extending upward and a deformation portion. The deforming portion is configured to be deformed before the manifold main body portion when a load is applied in a horizontal direction while gradually increasing a
この構成によれば、燃料電池スタックの運転中において導入管に荷重が掛かった場合に、マニホールド本体部が変形するよりも前に変形部が変形する。この変形部の変形によって、導入管からマニホールド本体部に伝達される荷重が吸収され、ひいては導入管に作用した荷重がマニホールド本体部へ与える影響を抑えることができる。この結果、マニホールド本体部の変形を抑制することができ、ひいてはマニホールド本体部と燃料電池セルとの接合部にクラックが生じることを抑制することができる。 According to this configuration, when a load is applied to the introduction pipe during operation of the fuel cell stack, the deforming portion is deformed before the manifold main body is deformed. Due to the deformation of the deforming portion, the load transmitted from the introduction pipe to the manifold main body is absorbed, and as a result, the influence of the load acting on the introduction pipe on the manifold main body can be suppressed. As a result, the deformation of the manifold main body can be suppressed, and as a result, the occurrence of cracks at the joint between the manifold main body and the fuel cell can be suppressed.
好ましくは、導入管は、側壁から側方に延びる水平部をさらに有している。延在部は、水平部から上方に延びている。 Preferably, the introduction pipe further includes a horizontal portion extending laterally from the side wall. The extending part extends upward from the horizontal part.
好ましくは、導入管は、延在部を含む導入管本体部と、導入管本体部と前記マニホールド本体部とを接合する接合部と、を有する。そして、変形部は、接合部によって構成される。この構成によれば、接合部が変形することによって、マニホールド本体部への影響を小さくすることができる。 Preferably, the introduction pipe has an introduction pipe main body portion including an extending portion, and a joint portion that joins the introduction pipe main body portion and the manifold main body portion. And a deformation | transformation part is comprised by the junction part. According to this configuration, the influence on the manifold body can be reduced by deforming the joint.
好ましくは、側壁は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する傾斜部を有する。そして、ガス導入口は、傾斜部に形成される。この構成によれば、ガス導入口からマニホールドの内部空間に導入されたガスは、上方に向かって拡散される。 Preferably, the side wall has an inclined portion that is inclined so as to spread outward. The gas inlet is formed in the inclined portion. According to this configuration, the gas introduced from the gas inlet into the internal space of the manifold is diffused upward.
好ましくは、側壁の全体は、傾斜部として構成される。すなわち、側壁全体が、上方に向かって外方に広がるように傾斜している。 Preferably, the entire side wall is configured as an inclined portion. That is, the entire side wall is inclined so as to spread outward.
好ましくは、側壁は、一対の第1側壁と、一対の第2側壁とを有している。各第1側壁は、第1方向において互いに対向する。各第2側壁は、第1方向と直交する第2方向において互いに対向する。 Preferably, the side wall has a pair of first side walls and a pair of second side walls. The first side walls oppose each other in the first direction. The second side walls oppose each other in a second direction orthogonal to the first direction.
好ましくは、ガス導入口は、一対の第1側壁のうち一方の第1側壁に形成されている。ガス導入口が形成された第1側壁は、傾斜部として構成される。すなわち、ガス導入口が形成された第1側壁の全体が、上方に向かって外方に広がるように傾斜している。 Preferably, the gas inlet is formed in one first side wall of the pair of first side walls. The 1st side wall in which the gas inlet was formed is comprised as an inclination part. That is, the entire first side wall in which the gas inlet is formed is inclined so as to spread outward.
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。 Preferably, the inner side surface of the first boundary portion between the first side wall and the second side wall has an R shape.
好ましくは、底壁と側壁との第2境界部の内側面は、R形状である。 Preferably, the inner side surface of the second boundary portion between the bottom wall and the side wall has an R shape.
好ましくは、マニホールドは、側壁の上端部から外方に延びる第1フランジ部をさらに備える。上壁は、第1フランジ部に固定される。 Preferably, the manifold further includes a first flange portion extending outward from an upper end portion of the side wall. The upper wall is fixed to the first flange portion.
好ましくは、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。 Preferably, the inner side surface of the third boundary portion between the side wall and the first flange portion has an R shape.
好ましくは、第3境界部と上壁との間に第1隙間部が形成される。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、例えば、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. Compared to a manifold that does not have the first gap portion, the manifold is easily deformed in the first gap portion. For this reason, for example, when the fuel cell is fixed to the manifold with a 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、上壁と側壁との第4境界部の内側面は、R形状である。 Preferably, the inner side surface of the fourth boundary portion between the upper wall and the side wall has an R shape.
好ましくは、マニホールドは、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備える。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 a lower end portion of the side wall. The bottom wall is fixed to the second flange portion.
好ましくは、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。 Preferably, the inner side surface of the fifth boundary portion between the side wall and the second flange portion has an R shape.
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、燃料電池セルとマニホールド本体部との接合部にクラックが生じることを抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can suppress that a crack arises in the junction part of a fuel cell and a manifold main-body part.
[燃料電池スタック]
以下、本発明に係るマニホールドが採用された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, embodiments of a fuel cell stack in which a manifold according to the present invention is employed 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、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。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、マニホールド本体部21と、導入管201とを備えている。
[Manifold]
The
[マニホールド本体部]
マニホールド本体部21は、略直方体状であって、内部空間を有する。詳細には、マニホールド本体部21は、錐台状である。マニホールド本体部21は、底壁23と、一対の第1側壁24と、一対の第2側壁25と、上壁22と、を有している。また、マニホールド本体部21は、第1フランジ部26を有していてもよい。
[Manifold body]
The manifold
底壁23と、一対の第1側壁24と、一対の第2側壁25と、上壁22とによってマニホールド本体部21の内部空間が画定されている。マニホールド本体部21のうち、底壁23,一対の第1側壁24、及び一対の第2側壁25は、互いに一体的に形成されている。そして、上壁22は、これらとは別部材で構成されている。上壁22は、底壁23,各第1側壁24,及び各第2側壁25に対して、接合材や溶接などによって接合されている。なお、上壁22は、底壁23,一対の第1側壁24,及び一対の第2側壁25と一体的に形成されていてもよい。
The
底壁23は、平面視(x軸方向視)において、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、マニホールド本体部21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、マニホールド本体部21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。なお、奥行き方向(z軸方向)は、本発明の第1方向に相当する。また、幅方向(y軸方向)は、本発明の第2方向に相当する。
The
図4及び図5に示すように、第1側壁24及び第2側壁25は、上方に向かって外方に広がるように傾斜している。すなわち、第1側壁24及び第2側壁25の全体は、本発明の傾斜部として構成されている。特に限定されるものではないが、例えば、第1側壁24及び第2側壁25と、底壁23とがなす角度αは、90.1〜135°程度とすることができる。このように第1側壁24及び第2側壁25が傾斜しているため、底壁23と平行な面(yz平面)でマニホールド本体部21の内部空間を切断した断面積は、上方にいくにつれて大きくなる。また、底壁23に垂直で幅方向(y軸方向)に延びる面(xy平面)でマニホールド本体部21の内部空間を切断した断面は、台形状となっている。また、底壁23に垂直で奥行方向(z軸方向)に延びる面(xz平面)でマニホールド本体部21の内部空間を切断した断面は、台形状となっている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
一対の第1側壁24のうち一方の第1側壁24は、ガス導入口241を有している。このガス導入口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。ガス導入口241は、第1側壁24の幅方向(y軸方向)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241から、マニホールド本体部21の内部空間にガスが導入される。
One
ガス導入口241は、奥行き方向(z軸方向)に開口している。また、ガス導入口241が形成された第1側壁24が上方を向くように傾斜しているため、ガス導入口241も上方を向くように傾斜している。ガス導入口241は、円形状に形成されている。
The
マニホールド本体部21の内部空間に導入されるガスの流速は、内部空間において、0.60〜45m/s程度とすることが好ましい。なお、この流速は、燃料電池セル1の発電時、0℃・1atm換算における流速である。流速は、マニホールド本体部21内に導入される流量と内部空間の断面積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 manifold
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
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、マニホールド本体部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、マニホールド本体部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、及び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6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、マニホールド本体部21の内部空間を臨む面である。
As shown in FIG. 6, the inner side surface of the
図4及び図7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、マニホールド本体部21の内部空間を臨む面である。
As shown in FIG.4 and FIG.7, 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、マニホールド本体部21の内部空間を臨む面である。
The inner side surface of the
図7に示すように、マニホールド本体部21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. 7, a
図4に示すように、上壁22は、内部空間の上面を塞ぐように配置されている。詳細には、上壁22は、第1フランジ部26に固定されている。マニホールド本体部21の内部空間を密閉するため、上壁22が全周に亘って第1フランジ部26と接合されている。例えば、上壁22と第1フランジ部26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部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8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、マニホールド本体部21の幅方向(y軸方向)に延びている。また、各貫通孔27は、マニホールド本体部21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. 8, the
図6及び図7に示すように、マニホールド本体部21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. 6 and 7, the internal space of the manifold
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.
[導入管]
図5に示すように、導入管201は、その内部を流れる燃料ガスなどをマニホールド本体部21の内部空間に導入するように構成されている。すなわち、導入管201の流路とガス導入口241とが連通している。導入管201は、マニホールド本体部21に取り付けられている。詳細には、導入管201の端部は、一方の第1側壁24に取り付けられている。なお、導入管201の反対側の端部は、例えば、改質器などに取り付けられている。
[Introduction pipe]
As shown in FIG. 5, the
導入管201は、導入管本体部201dと、接合部201cとを有している。導入管本体部201dの断面形状は、円形状である。導入管本体部201dの外径は、4〜15mm程度とすることができる。また、導入管本体部201dの肉厚は、0.5〜2mm程度とすることができる。
The
導入管201は、第1側壁24の外側面に接合されている。詳細には、導入管本体部201dが、接合部201cによって、第1側壁24の外側面に接合されている。
The
導入管本体部201dは、水平部201aと、延在部201bとを有している。水平部201aは、第1側壁24から側方に延びている。好ましくは、水平部201aは、底壁23と略平行に延びている。水平部201aの長さL1は、10〜50mm程度とすることができる。
The introduction pipe
延在部201bは、水平部201aから上方に延びている。詳細には、延在部201bは、水平部201aの端部から上方に延びている。延在部201bは、好ましくは、底壁23に対して略直交する方向(x軸方向)に延びている。
The extending
水平部201aと延在部201bとは1つの配管から構成されている。このため、水平部201aと延在部201bとは、外径、内径、及び材質などが同じである。水平部201aと延在部201bとがなす角度βは、80〜110度とすることができ、約90度とすることが好ましい。
The
接合部201cは、導入管本体部201dとマニホールド本体部21とを接合している。詳細には、接合部201cは、水平部201aとマニホールド本体部21とを接合している。この接合部201cは、例えば、接合材、又は溶接部によって構成される。接合部201cは、水平部201aと第1側壁24との境界部を覆うように環状に形成されている。
The joining
導入管201は、変形部を有している。変形部は、例えば、水平部201aの一部又は全部によって構成されていてもよいし、延在部201bの一部又は全部で構成されていてもよいし、水平部201aと延在部201bとの境界部で構成されていてもよいし、これらの組み合わせによって構成されていてもよい。また、変形部は、接合部201cで構成されていてもよい。
The
変形部は、マニホールド本体部21が変形するよりも先に、変形するように構成されている。詳細には、延在部201bの下端から100mm上方の点に対して、荷重を徐々に増加させながら水平方向に加えると、変形部はマニホールド本体部21よりも先に変形する。延在部201bに加えられる荷重速度は、例えば、1N/secとすることができる。なお、変形部は、弾性変形するように構成されていてもよいし、塑性変形するように構成されていてもよい。さらには、変形部は、破壊されてもよい。また、導入管201に荷重を掛ける際、マニホールド本体部21は動かないように固定されている。荷重を掛ける方向は、例えば、燃料電池セル1から離れる方向である。
The deformation portion is configured to be deformed before the manifold
具体的には、上述したように延在部201bに掛かる荷重を徐々に増加させたときに、マニホールド本体部21の上壁22の中央部が上方又は下方に0.1mm以上撓む前に、延在部201bの力点が荷重の掛かる方向に0.5mm以上動くように変形部が変形する。例えば、水平部201aと延在部201bとの境界部が変形し、延在部201bとの角度が広がるように、水平部201aと延在部201bとの境界部が変形する。
Specifically, when the load applied to the extending
変形部は、自立する程度の剛性を有していることが好ましい。すなわち、変形部は、変形部に外力を加えない限り変形しない程度の剛性を有していることが好ましい。例えば、変形部のヤング率は40GPa以上である。これによって、導入管201の取り扱い性が向上する。
It is preferable that the deformable portion has a rigidity sufficient to be independent. That is, it is preferable that the deforming portion has a rigidity that does not deform unless an external force is applied to the deforming portion. For example, the Young's modulus of the deformed portion is 40 GPa or more. Thereby, the handleability of the
上述したような変形部は、例えば、水平部201a及び延在部201bの肉厚、水平部201a及び延在部201bの外径、水平部201a及び延在部201bの材質、水平部201aの長さ、並びに側壁24の肉厚などの少なくともいずれかを調整することによって、構成することができる。
The deformation part as described above includes, for example, the thickness of the
水平部201a及び延在部201bは、例えば、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、及びNi基合金よりなる群から選ばれる少なくとも1種によって形成されている。また、接合部201c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、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、及びセラミックスよりなる群から選ばれる少なくとも1種によって形成されている。
The
[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、マニホールド本体部21に取り付けられている。各燃料電池セル1は、マニホールド本体部21から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル1は、マニホールド本体部21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。この際、燃料電池セル1の下端部は上壁22から5mmほど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、マニホールド本体部21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。なお、図1では各燃料電池セル1が1列に配置されているが、各燃料電池セル1は、複数列に配置されていてもよい。燃料電池セル1の枚数は、1列につき1〜50枚程度である。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。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
複数の燃料電池セル1のうち、延在部201bに最も近い燃料電池セル1と、延在部201bとの距離L2は、例えば、50mm以内とすることが好ましい。このように構成することによって、延在部201b内を流れる燃料ガスを燃料電池セル1によって予熱することができる。
Of the plurality of
図9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. 9, the
各発電素子部11は、電気的接続部17(図10参照)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、マニホールド本体部21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(y軸方向)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、マニホールド本体部21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の面積は、0.1〜30mm2程度とすることができる。
As shown in FIG. 3, 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10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. 10, 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から次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10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11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との間から下方に向かって延びている。
As shown in FIG. 11, 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をマニホールド本体部21に固定する。詳細には、第1接合材3は、燃料電池セル1とマニホールド本体部21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とマニホールド本体部21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。
[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。マニホールド本体部21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)
[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2
上記実施形態では、導入管本体部201dの断面形状は円形状であったが、矩形状や楕円形状などであってもよい。
In the above-described embodiment, the cross-sectional shape of the introduction tube
変形例3
上記実施形態では、第1側壁24及び第2側壁25が傾斜部として構成されているが、ガス導入口241が形成された第1側壁24のみが傾斜部として構成されており、残りの第1側壁24及び第2側壁25は傾斜していなくてもよい。または、ガス導入口241が形成された第1側壁24の全体が傾斜部として構成されていなくてもよい。例えば、図12に示すように、第1側壁24の一部分242のみが傾斜部として構成されていてもよい。この場合、ガス導入口241は、この傾斜部242に形成されている。
In the above embodiment, the
変形例4
上記実施形態では、第1側壁24及び第2側壁25が傾斜部として構成されているが、第1側壁24及び第2側壁25は、傾斜していなくてもよい。
In the said embodiment, although the
変形例5
上記実施形態では、底壁23、一対の第1側壁24、及び一対の第2側壁25が一体的に形成されており、これらの上面を上壁22によって封鎖しているが、マニホールド本体部21の構成はこれに限定されない。
In the above embodiment, the
例えば、図13に示すように、マニホールド本体部21は、上壁22、一対の第1側壁24、及び一対の第2側壁25が一体的に形成されており、底壁23がこれらと別部材で形成されていてもよい。底壁23は、マニホールド本体部21の下面を封鎖するように構成されている。また、マニホールド本体部21は、第1フランジ部26の代わりに第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. 13, the manifold
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、マニホールド本体部21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、マニホールド本体部21の内部空間を臨む面である。
The inner side surface of the
図14に示すように、マニホールド本体部21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. 14, the
図13に示すように、底壁23は、マニホールド本体部21の下面を塞ぐように、第2フランジ部29に固定されている。マニホールド本体部21の内部空間を密閉するため、底壁23が全周に亘って第2フランジ部29と接合されている。例えば、底壁23と第2フランジ部29とは、結晶化ガラスによって接合されている。
As shown in FIG. 13, the
変形例6
上記実施形態では、導入管本体部201dの先端面が第1側壁24の外側面に当接されていたが、図15に示すように、導入管本体部201dがガス導入口241に挿入されていてもよい。そして、導入管本体部201dの先端がマニホールド本体部21の内部空間に配置されていてもよい。
In the above embodiment, the leading end surface of the introduction pipe
変形例7
上記実施形態では、導入管本体部201dは、水平部201a及び延在部201bを有しているが、導入管本体部201dの構成はこれに限定されない。例えば、図16に示すように、導入管本体部201dは、マニホールド本体部21の上壁22から上方に延びていてもよい。すなわち、導入管本体部201dは、延在部201bを有する一方で、水平部を有していなくてもよい。そして、導入管本体部201dの先端面は、上壁22の上面に当接されていてもよい。または、導入管本体部201dは、上壁22に形成されたガス導入口221に挿入されていてもよい。この場合、延在部201bの下端から100mm上方の点とは、上壁22の上面から100mm上方の点を意味する。
Modification 7
In the above-described embodiment, the introduction pipe
変形例8
上記実施形態では、延在部201bは水平部201aから屈曲して上方に延びているが、延在部201bが延びる方向はこれに限定されない。例えば、延在部201bは、下方や水平方向に延びていてもよい。荷重は、水平部201aと延在部201bとの境界部から100mm離れた点において、延在部201bに加えられる。
Modification 8
In the above embodiment, the extending
図17に示すように、延在部201bが下方に延びる場合、延在部201bの上端から100mm下方の点において、延在部201bに荷重を徐々に増加させながら水平方向に加える。
As shown in FIG. 17, when the extending
また、図18に示すように、延在部201bが水平部201aと交差する水平方向に延びる場合、延在部201bの端部から100mm離れた点において、延在部201bに荷重を徐々に増加させながら水平方向に加える。
As shown in FIG. 18, when the extending
1 燃料電池セル
2 マニホールド
21 マニホールド本体部
20a 第1境界部
20b 第2境界部
20c 第3境界部
20d 第4境界部
20e 第5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
26 第1フランジ部
28 第1隙間部
29 第2フランジ部
30 第2隙間部
201 導入管
201a 水平部
201b 延在部
201c 接合部
201d 導入管本体部
DESCRIPTION OF
Claims (18)
上方に延びる延在部、及び変形部、を有し、前記マニホールド本体部へガスを供給するように構成される導入管と、
を備え、
前記変形部は、前記延在部の下端から100mm上方の点に対して、徐々に増加させながら荷重を水平方向に加えたときに、前記マニホールド本体部より先に変形するように構成され、
前記側壁は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する傾斜部、及び前記傾斜部に形成されるガス導入口を有する、
マニホールド。
A manifold body having a bottom wall, a side wall extending upward from the bottom wall, and a top wall;
An introduction pipe having an extending portion extending upward and a deformation portion, and configured to supply gas to the manifold body portion;
With
The deforming portion is configured to be deformed before the manifold main body portion when a load is applied in a horizontal direction while gradually increasing with respect to a point 100 mm above the lower end of the extending portion ,
The side wall has an inclined portion that inclines so as to spread outward and a gas inlet formed in the inclined portion.
Manifold.
前記延在部は、前記水平部から上方に延びる、
請求項1に記載のマニホールド。
The introduction pipe further includes a horizontal portion extending laterally from the side wall;
The extending portion extends upward from the horizontal portion.
The manifold according to claim 1.
前記変形部は、前記接合部によって構成される、
請求項1又は2に記載のマニホールド。
The introduction pipe has an introduction pipe main body portion including the extending portion, and a joint portion that joins the introduction pipe main body portion and the manifold main body portion,
The deformation part is constituted by the joint part.
The manifold according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれかに記載のマニホールド。
The entire side wall is configured as the inclined portion.
The manifold according to any one of claims 1 to 3 .
第1方向において互いに対向する一対の第1側壁と、
前記第1方向と直交する第2方向において互いに対向する一対の第2側壁と、
を有する請求項1から4のいずれかに記載のマニホールド。
The side wall
A pair of first side walls facing each other in the first direction;
A pair of second sidewalls facing each other in a second direction orthogonal to the first direction;
The manifold according to any one of claims 1 to 4 , wherein:
前記ガス導入口が形成された第1側壁は、前記傾斜部として構成される、
請求項5に記載のマニホールド。
The gas inlet is formed on one first side wall of the pair of first side walls,
The first side wall formed with the gas inlet is configured as the inclined portion.
The manifold according to claim 5 .
請求項5又は6に記載のマニホールド。
The inner side surface of the first boundary portion between the first side wall and the second side wall is R-shaped.
The manifold according to claim 5 or 6 .
請求項1から7のいずれかに記載のマニホールド。
The inner side surface of the second boundary portion between the bottom wall and the side wall has an R shape.
The manifold according to any one of claims 1 to 7 .
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8のいずれかに記載のマニホールド。
A first flange portion extending outward from the upper end of the side wall;
The upper wall is fixed to the first flange portion.
The manifold according to any one of claims 1 to 8 .
請求項9に記載のマニホールド。
The inner side surface of the third boundary portion between the side wall and the first flange portion has an R shape.
The manifold according to claim 9 .
請求項10に記載のマニホールド。
A first gap is formed between the third boundary and the upper wall;
The manifold according to claim 10 .
請求項1から11のいずれかに記載のマニホールド。
The inner side surface of the fourth boundary portion between the upper wall and the side wall has an R shape.
The manifold according to any one of claims 1 to 11 .
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12のいずれかに記載のマニホールド。
A second flange portion extending outward from the lower end of the side wall;
The bottom wall is fixed to the second flange portion;
The manifold according to any one of claims 1 to 12 .
請求項13に記載のマニホールド。
The inner surface of the fifth boundary portion between the side wall and the second flange portion is R-shaped.
The manifold according to claim 13 .
請求項14に記載のマニホールド。
A second gap is formed between the fifth boundary and the bottom wall;
The manifold according to claim 14 .
前記側壁から側方に延びる水平部、前記水平部から屈曲して延びる延在部、及び変形部、を有し、前記マニホールド本体部へガスを供給するように構成される導入管と、
を備え、
前記変形部は、前記延在部と前記水平部との境界部から100mm離れた点において、前記延在部に徐々に増加させながら荷重を水平方向に加えたときに、前記マニホールド本体部より先に変形するように構成され、
前記側壁は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する傾斜部、及び前記傾斜部に形成されるガス導入口を有する、
マニホールド。
A manifold body having a bottom wall, a side wall extending upward from the bottom wall, and a top wall;
An introduction pipe having a horizontal portion extending laterally from the side wall, an extending portion extending by bending from the horizontal portion, and a deformation portion, and configured to supply gas to the manifold body portion ;
With
The deforming portion is positioned ahead of the manifold body portion when a load is applied in a horizontal direction while gradually increasing the extending portion at a point 100 mm away from a boundary portion between the extending portion and the horizontal portion. It is configured to deform,
The side wall has an inclined portion that inclines so as to spread outward and a gas inlet formed in the inclined portion.
Manifold.
請求項1から16のいずれかに記載のマニホールド。
The manifold body is formed of metal.
The manifold according to any one of claims 1 to 16 .
請求項1から17のいずれかに記載のマニホールド。 The upper wall is flat.
The manifold according to any one of claims 1 to 17 .
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