JP6452809B2 - 燃料電池発電単位および燃料電池スタック - Google Patents
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Description
A−1.燃料電池スタック100の構成:
図1から図6は、第1実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。図1には、燃料電池スタック100の外観構成が示されており、図2には、燃料電池スタック100の上側の平面構成が示されており、図3には、燃料電池スタック100の下側の平面構成が示されており、図4には、図1から図3のIV−IVの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図5には、図1から図3のV−Vの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図6には、図1から図3のVI−VIの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されている。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呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、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7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、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と熱交換部103と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から図6に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。
図11は、第1実施形態における熱交換部103の構成を概略的に示す説明図である。図11には、熱交換部103のZ方向に直交する断面構成が示されている。図4から図6および図11に示すように、熱交換部103は、矩形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。上述したように、熱交換部103のZ方向回りの周縁部には、ボルト22が挿入される連通孔108を構成する8つの孔が形成されている。また、熱交換部103の中央付近には、上下方向に貫通する孔182が形成されている。さらに、熱交換部103には、中央の孔182と酸化剤ガス導入マニホールド161を形成する連通孔108とを連通する連通孔184と、中央の孔182と酸化剤ガス供給マニホールド163を形成する連通孔108とを連通する連通孔186とが形成されている。熱交換部103は、熱交換部103の上側に隣接する発電単位102に含まれる下側のインターコネクタ150と、熱交換部103の下側に隣接する発電単位102に含まれる上側のインターコネクタ150とに挟持されている。これらのインターコネクタ150間において、孔182と連通孔184と連通孔186とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスOGを流す熱交換流路188として機能する。
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に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、図4および図11に示すように、熱交換部103内に形成された熱交換流路188内に流入し、熱交換流路188を通って酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出される。なお、酸化剤ガス導入マニホールド161は、各発電単位102の空気室166には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給されることはない。酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出された酸化剤ガスOGは、図4、図5および図7に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド163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。
図12は、第1実施形態における発電単位102の詳細構成を示す説明図である。図12には、図7から図10のXII−XIIの位置における発電単位102の一部の断面構成が示されている。図12に示すように、発電単位102において、燃料極側フレーム140は、セパレータ120に溶接されていると共に、一対のインターコネクタ150の内の下側(燃料極116側)のインターコネクタ150にも溶接されている。すなわち、発電単位102には、燃料極側フレーム140とセパレータ120との間をシールする第1の溶接部410と、燃料極側フレーム140とインターコネクタ150との間をシールする第2の溶接部420とが形成されている。第1および第2の溶接部410,420は、例えばレーザ溶接により形成される。第1および第2の溶接部410,420の形成の際には、ビード等の突起部BUが形成され、溶接面の平坦性が低下することがある。
図15は、第2実施形態における発電単位102aの詳細構成を示す説明図である。第2実施形態における発電単位102aは、空気極側フレーム130aの構成が、図12に示した第1実施形態の発電単位102と異なっている。第2実施形態における発電単位102aのその他の構成は、第1実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
図16は、第3実施形態における発電単位102bの詳細構成を示す説明図である。第3実施形態における発電単位102bは、インターコネクタ150bおよび空気極側フレーム130bの構成が、図12に示した第1実施形態の発電単位102と異なっている。第3実施形態における発電単位102bのその他の構成は、第1実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
図17は、第4実施形態における発電単位102cの詳細構成を示す説明図である。第4実施形態における発電単位102cは、空気極側フレーム130cの構成が、図12に示した第1実施形態の発電単位102と異なっている。第4実施形態における発電単位102cのその他の構成は、第1実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
図18は、第5実施形態における発電単位102dの詳細構成を示す説明図である。第5実施形態における発電単位102dは、空気極側フレーム130dおよびインターコネクタ150dの構成が、図16に示した第3実施形態の発電単位102bと異なっている。第5実施形態における発電単位102dのその他の構成は、第3実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
図19は、第6実施形態における発電単位102eの詳細構成を示す説明図である。第6実施形態における発電単位102eは、インターコネクタ150eの構成が、図16に示した第3実施形態の発電単位102bと異なっている。第6実施形態における発電単位102eのその他の構成は、第3実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
図20は、第7実施形態における発電単位102fの詳細構成を示す説明図である。第7実施形態における発電単位102fは、空気極側フレーム130fの構成が、図12に示した第1実施形態の発電単位102と異なっている。第7実施形態における発電単位102fのその他の構成は、第1実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
図21は、第8実施形態における燃料電池スタック100gの構成を概略的に示す説明図である。また、図22は、第8実施形態における発電単位102gの詳細構成を示す説明図である。図21には、図5と同様の位置における燃料電池スタック100gの断面構成が示されており、図22には、図21のPx部の拡大図が示されている。第8実施形態における燃料電池スタック100gは、エンドプレート104g,106gの構成および発電単位102gの構成が、第1実施形態と異なっている。第8実施形態における燃料電池スタック100gのその他の構成は、第1実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
本明細書で開示される技術は、上述の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。
(1)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単セルと、
前記単セルを挟んで前記第1の方向に互いに対向する金属製の第1および第2のインターコネクタと、
貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する金属製のセパレータと、
前記セパレータと前記第1のインターコネクタとの間に配置され、前記燃料室と前記空気室との一方である第1の室を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、
前記セパレータと前記第2のインターコネクタとの間に配置され、前記セパレータにおける前記第2のインターコネクタ側の表面と前記第2のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触して前記燃料室と前記空気室との他方である第2の室をシールする接触部を有するガスシール部材と、を備える燃料電池発電単位において、
前記第1の方向に直交する第2の方向における前記単セルの外周部からの距離が、前記接触部の内、前記単セルに最も近い位置に配置された前記接触部より遠い位置に、前記セパレータと前記フレーム部材との間をシールする第1の溶接部と、前記フレーム部材と前記第1のインターコネクタとの間をシールする第2の溶接部と、の少なくとも一方が形成されていることを特徴とする、燃料電池発電単位。
(2)第1の方向に並べて配置された複数の燃料電池発電単位と、前記複数の燃料電池発電単位を挟んで前記第1の方向に互いに対向する金属製の第1および第2のエンドプレートと、を備える燃料電池スタックにおいて、
各前記燃料電池発電単位は、
電解質層と前記電解質層を挟んで前記第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単セルと、
前記単セルと前記第1の方向に対向する金属製の第1および第2のインターコネクタと、
貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する金属製のセパレータと、
前記セパレータと、前記セパレータの一方の面に対向する前記第1のインターコネクタと、の間に配置され、前記燃料室または前記空気室のいずれか一方である第1の室を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、
前記セパレータと、前記セパレータの前記フレーム部材に対向する面とは反対側の面に対向する前記第2のインターコネクタと、の間に配置され、前記セパレータにおける前記第2のインターコネクタ側の表面と前記第2のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触して前記燃料室と前記空気室との他方である第2の室をシールする接触部を有するガスシール部材と、を含み、
各前記燃料電池発電単位において、前記第1の方向に直交する第2の方向における前記単セルの外周部からの距離が、前記接触部の内、前記単セルに最も近い位置に配置された前記接触部より遠い位置に、前記セパレータと前記フレーム部材との間をシールする第1の溶接部と、前記フレーム部材と前記第1のインターコネクタとの間をシールする第2の溶接部と、の少なくとも一方が形成されている、燃料電池スタック。
Claims (8)
- 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単セルと、
前記単セルを挟んで前記第1の方向に互いに対向する金属製の第1および第2のインターコネクタと、
貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する金属製のセパレータと、
前記セパレータと前記第1のインターコネクタとの間に配置され、前記燃料室と前記空気室との一方である第1の室を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、
前記セパレータと前記第2のインターコネクタとの間に配置され、前記セパレータにおける前記第2のインターコネクタ側の表面と前記第2のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触して前記燃料室と前記空気室との他方である第2の室をシールする接触部を有するガスシール部材と、を備える燃料電池発電単位において、
前記燃料電池発電単位の一部分であって前記接触部と前記第1の方向に重なる部分である接触重複部分には、前記ガスシール部材と前記セパレータと前記フレーム部材と前記第1のインターコネクタと前記第2のインターコネクタとのいずれもが存在し、
前記第1の方向に直交する第2の方向における前記単セルの外周部からの距離が、前記接触部の内、前記単セルに最も近い位置に配置された前記接触部に対応する前記接触重複部分より遠い位置に、前記セパレータと前記フレーム部材との間をシールする第1の溶接部と、前記フレーム部材と前記第1のインターコネクタとの間をシールする第2の溶接部と、の少なくとも一方が形成されていることを特徴とする、燃料電池発電単位。 - 請求項1に記載の燃料電池発電単位において、
前記燃料電池発電単位の一部分であって前記第1の溶接部と前記第2の溶接部との少なくとも一方と前記第1の方向に重なる部分である溶接重複部分の内、前記ガスシール部材と前記第2の方向に重なる範囲には、空間が存在することを特徴とする、燃料電池発電単位。 - 請求項1に記載の燃料電池発電単位において、
前記燃料電池発電単位の一部分であって前記第1の溶接部と前記第2の溶接部との少なくとも一方と前記第1の方向に重なる部分である溶接重複部分の内、前記第1のインターコネクタと前記第2のインターコネクタとの少なくとも一方と前記第2の方向に重なる範囲には、空間が存在することを特徴とする、燃料電池発電単位。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池発電単位において、
前記ガスシール部材は、前記第2の方向における前記単セルの外周部からの距離が前記第1の溶接部および前記第2の溶接部より遠い位置に、前記セパレータにおける前記第2のインターコネクタ側の表面と前記第2のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触してシールする第2の接触部を有することを特徴とする、燃料電池発電単位。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の燃料電池発電単位において、
前記ガスシール部材は、前記フレーム部材と前記単セルとの間の空間と前記第1の方向に重なることを特徴とする、燃料電池発電単位。 - 複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタックにおいて、
前記複数の燃料電池発電単位の少なくとも1つは、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の燃料電池発電単位であることを特徴とする、燃料電池スタック。 - 第1の方向に並べて配置された複数の燃料電池発電単位と、前記複数の燃料電池発電単位を挟んで前記第1の方向に互いに対向する金属製の第1および第2のエンドプレートと、を備える燃料電池スタックにおいて、
各前記燃料電池発電単位は、
電解質層と前記電解質層を挟んで前記第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単セルと、
前記単セルと前記第1の方向に対向する金属製の第1および第2のインターコネクタと、
貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する金属製のセパレータと、
前記セパレータと、前記セパレータの一方の面に対向する前記第1のインターコネクタと、の間に配置され、前記燃料室または前記空気室のいずれか一方である第1の室を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、
前記セパレータと、前記セパレータの前記フレーム部材に対向する面とは反対側の面に対向する前記第2のインターコネクタと、の間に配置され、前記セパレータにおける前記第2のインターコネクタ側の表面と前記第2のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触して前記燃料室と前記空気室との他方である第2の室をシールする接触部を有するガスシール部材と、を含み、
前記燃料電池スタックの一部分であって各前記燃料電池発電単位の前記接触部と前記第1の方向に重なる部分である接触重複部分には、各前記燃料電池発電単位の前記ガスシール部材と前記セパレータと前記フレーム部材と前記第1のインターコネクタと前記第2のインターコネクタと、前記第1および第2のエンドプレートとのいずれもが存在し
各前記燃料電池発電単位において、前記第1の方向に直交する第2の方向における前記単セルの外周部からの距離が、前記接触部の内、前記単セルに最も近い位置に配置された前記接触部に対応する前記接触重複部分より遠い位置に、前記セパレータと前記フレーム部材との間をシールする第1の溶接部と、前記フレーム部材と前記第1のインターコネクタとの間をシールする第2の溶接部と、の少なくとも一方が形成されている、燃料電池スタック。 - 請求項7に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタックの一部分であって前記第1の溶接部と前記第2の溶接部との少なくとも一方と前記第1の方向に重なる部分である溶接重複部分の内、前記第1のエンドプレートと前記第2のエンドプレートとの少なくとも一方と前記第2の方向に重なる範囲には、空間が存在することを特徴とする、燃料電池スタック。
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