JP6466902B2 - マニホールド、及び燃料電池スタック - Google Patents
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Description
以下、本発明に係るマニホールドを採用し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。
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供給される。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。
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。
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。
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)
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。
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。
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。
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。
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。
上記実施形態では、ガス導入口241は、第1側壁24に形成されているが、ガス導入口241の位置はこれに限定されない。例えば、ガス導入口241は、上壁22に形成されていてもよい。
以上のように作製した各サンプルNo.1〜35を以下のように評価した。
・マニホールドを介して燃料ガスを供給し、支持基板両面に空気を供給
・温度:750℃
・電流密度:0.003A/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90%で発電可能なサンプルを○、発電できなかったサンプルを×とした。
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。各発電素子部11の長手方向の寸法は全て同一とした。その評価結果を表1に示す。表1から分かるように、割合(W/D)を0.10〜2.7とし、割合(H/D)を0.021〜0.71とすることによって、マニホールドの局所的なガス滞留部の発生を抑制することができた。
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更に抑制することができた。
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
D 奥行き
W 幅
H 高さ
Claims (11)
- 奥行き方向に沿って互いに間隔をあけて配置される複数の燃料電池セルにガスを分配するためのマニホールドであって、
底壁と、
前記底壁から上方に延びる一対の第1側壁と、
前記底壁から上方に延びる一対の第2側壁と、
前記各燃料電池セルが取り付けられるように構成される上壁と、
を備え、
前記底壁、前記一対の第1側壁、前記一対の第2側壁、及び上壁は、前記マニホールドの内部空間を画定しており、
前記一対の第1側壁の一方は、ガス導入口を有しており、
前記ガス導入口は、前記第1側壁の中央部に設けられ、
前記内部空間は、互いに直交する方向に延びる奥行き、幅、及び高さを有しており、
前記一対の第1側壁は、前記内部空間の奥行き方向において互いに対向しており、
前記一対の第2側壁は、前記内部空間の幅方向において互いに対向しており、
前記内部空間の奥行きDに対する、前記内部空間の幅Wの割合(W/D)は、0.10〜2.7であり、
前記内部空間の奥行きDに対する、前記内部空間の高さHの割合(H/D)は、0.021〜0.71である、
マニホールド。
- 前記第1側壁と前記第2側壁との第1境界部の内側面は、R形状である、
請求項1に記載のマニホールド。
- 前記底壁と前記第1側壁及び前記第2側壁との第2境界部の内側面は、R形状である、
請求項1または2に記載のマニホールド。
- 前記第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備え、
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3のいずれかに記載のマニホールド。
- 前記第1側壁及び前記第2側壁と前記第1フランジ部との第3境界部の内側面は、R形状である、
請求項4に記載のマニホールド。
- 前記第3境界部と前記上壁との間に第1隙間部が形成される、
請求項5に記載のマニホールド。
- 前記上壁と前記第1側壁及び前記第2側壁との第4境界部の内側面は、R形状である、
請求項1から6のいずれかに記載のマニホールド。
- 前記第1側壁及び前記第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備え、
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7のいずれかに記載のマニホールド。
- 前記第1側壁及び前記第2側壁と前記第2フランジ部との第5境界部の内側面は、R形状である、
請求項8に記載のマニホールド。
- 前記第5境界部と前記底壁との間に第2隙間部が形成される、
請求項9に記載のマニホールド。
- 請求項1から10のいずれかに記載のマニホールドと、
前記上壁に取り付けられる前記複数の燃料電池セルと、
を備え、
前記複数の燃料電池セルは、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、
前記幅方向の両端に配置された前記ガス流路の下端面中心と、前記第2側壁の内壁面との前記幅方向における距離L1に対する、前記ガス導入口と、前記ガス導入口に最も近い前記ガス流路の下端面中心との前記奥行き方向における距離L2の割合(L2/L1)は、0.15〜35である、
燃料電池スタック。
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