JP6445182B2 - インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体、電気化学反応セルスタックおよびインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の製造方法 - Google Patents
インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体、電気化学反応セルスタックおよびインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の製造方法 Download PDFInfo
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Description
A−1.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いい、Z軸負方向を下方向というものとするが、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。
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。
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る。
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孔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孔142を介して、燃料室176に供給される。
図7は、インターコネクタ150の詳細構成を示す説明図である。図7には、図6のVII―VIIの位置におけるインターコネクタ150のYZ断面構成、すなわち、上下方向(Z軸方向)および左右方向(Y軸方向)に平行な断面であって、X軸方向における空気極側凸部152の中心を通る断面の構成が示されている。
上述した構成の本実施形態のインターコネクタ150について、シミュレーションによる性能評価を行った。図8から図11は、シミュレーション結果の一例を示す説明図である。シミュレーションでは、燃料電池スタック100の締結荷重を47.5Nとし、700℃で発電を行った場合の、発電初期の時点におけるインターコネクタ150に生ずる相当応力と、発電を12万時間行った時点におけるインターコネクタ150の相当クリープひずみを算出した。シミュレーションには、実施例1のインターコネクタ150を備える燃料電池スタック100と、比較例のインターコネクタ150Xを備える燃料電池スタック100とを用いた。図8には、実施例1のインターコネクタ150における相当応力の分布が示されており、図9には、比較例のインターコネクタ150Xにおける相当応力の分布が示されており、図10には、実施例1のインターコネクタ150における相当クリープひずみの分布が示されており、図11には、比較例のインターコネクタ150Xにおける相当クリープひずみの分布が示されている。実施例1のインターコネクタ150および比較例のインターコネクタ150Xの各部の寸法は以下の通りである。
(1)実施例1のインターコネクタ150
・燃料極側凹部154の幅t1a:0.8(mm)
・空気極側凸部152の幅t2a:1.000(mm)
・燃料極側凹部154の深さh1:0.515(mm)
・空気極側凸部152の高さh2:0.4(mm)
・インターコネクタ150の基準高さH:0.8(mm)
・空気極側凸部152の先端側の角部C1の曲率半径R1:0.1(mm)
・空気極側凸部152の基端側の角部C2の曲率半径R2:0.25(mm)
・燃料極側凹部154の底側の角部C4の曲率半径R4:0.25(mm)
(2)比較例のインターコネクタ150X
・燃料極側凹部154の幅t1a:1.000(mm)
・空気極側凸部152の幅t2a:1.000(mm)
・燃料極側凹部154の深さh1:0.4(mm)
・空気極側凸部152の高さh2:0.4(mm)
・インターコネクタ150の基準高さH:0.8(mm)
・空気極側凸部152の先端側の角部C1の曲率半径R1:−(直角形状)
・空気極側凸部152の基端側の角部C2の曲率半径R2:−(直角形状)
・燃料極側凹部154の底側の角部C4の曲率半径R4:−(直角形状)
本明細書で開示される技術は、上記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。
Claims (9)
- 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電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記第1の方向に配置されたインターコネクタと、を備えるインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、
前記インターコネクタには、前記第1の方向に突出する凸部と、前記第1の方向における前記凸部の反対側に配置され、前記凸部側に凹んだ凹部と、の組合せが複数形成されており、
複数の前記組合せの少なくとも1つについて、
前記第1の方向において、前記凹部の底は、前記凸部の基端より前記凹部の開口端側に位置し、
前記第1の方向に平行な断面において、前記凹部は、前記第1の方向に直交する第2の方向における前記凸部の幅t2の範囲内に位置し、前記第2の方向における前記凹部の幅t1は、前記凸部の前記幅t2より小さく、
前記凹部の前記第1の方向における深さhと、前記凹部の開口端と前記凸部の基端との間の前記第1の方向における距離Hとは、0.563≦h/H≦0.750という関係を満たすことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 - 請求項1に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
前記凹部の底側の角部は、R形状であることを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 - 請求項1または請求項2に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
前記凸部の基端側の角部と先端側の角部との少なくとも一方は、R形状であることを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
複数の前記組合せの少なくとも1つについて、前記凹部の前記第1の方向における深さhと、前記凹部の開口端と前記凸部の基端との間の前記第1の方向における距離Hとは、h/H≦0.69という関係を満たすことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
複数の前記組合せの少なくとも1つについて、前記第1の方向に平行な断面において、前記凹部の前記幅t1と、前記凸部の前記幅t2とは、0.75≦t1/t2≦0.925という関係を満たすことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
前記電解質層は、固体酸化物を含むことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 - 前記第1の方向に並べて配列された複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の少なくとも1つは、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項7に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体のそれぞれに含まれる電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の製造方法であって、
前記電気化学反応単セルを準備するセル準備工程と、
前記インターコネクタをプレス加工により、前記第1の方向に突出する凸部と、前記第1の方向における前記凸部の反対側に配置され、前記凸部側に凹んだ凹部と、の組合せが複数形成された形状に形成するプレス工程と、
前記電気化学反応単セルと前記インターコネクタとを組み付ける組み付け工程と、を含み、
前記プレス工程は、前記インターコネクタを前記第1の方向に平行な断面において、前記凹部は、前記第2の方向における前記凸部の幅t2の範囲内に位置し、前記第2の方向における前記凹部の幅t1は、前記凸部の前記幅t2より小さい形状に形成することを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の製造方法。
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