JP6489927B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1から図6は、本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、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7から図10は、発電単位102の詳細構成を示す説明図である。図7には、図5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の断面構成が示されており、図8には、図6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の断面構成が示されており、図9には、図7のIX−IXの位置における発電単位102の断面構成が示されており、図10には、図7のX−Xの位置における発電単位102の断面構成が示されている。
図11は、熱交換部103の断面構成を概略的に示す説明図である。図11には、配列方向に直交する方向における熱交換部103の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、略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が挿入されるボルト孔108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を形成するボルト孔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を形成するボルト孔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。熱交換部103は、上側および下側について発電単位102に隣接している。また、後述するように、発電単位102における発電反応は発熱反応である。そのため、酸化剤ガスOGが熱交換部103内の熱交換流路188を通過する際に、酸化剤ガスOGと発電単位102との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスOGの温度が上昇する。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。
図12は、ボルト孔108の配置を詳細に示す説明図である。図12には、図9のP1部が拡大して示されている。上述したように、発電単位102を構成する各部材(空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、セパレータ120、インターコネクタ150)におけるZ方向回りの周縁部には、ボルト22が挿入されるボルト孔108が形成されている。以下、空気極側フレーム130の位置を例にして、ボルト孔108の配置について詳細に説明する。
・要件1
第1の角部ボルト孔108C1の中心CPの位置は、第1の線分LS1に略平行な方向(X方向)においては、第1の辺部ボルト孔108S1の中心CPの位置より第2の辺部ボルト孔108S2の中心CPの位置側であり、第2の線分LS2に略平行な方向(Y方向)においては、第2の辺部ボルト孔108S2の中心CPの位置より第1の辺部ボルト孔108S1の中心CPの位置側である。
・要件2
第1の角部ボルト孔108C1の中心CPの位置は、第2の線分LS2に略平行な方向(Y方向)においては、第1の辺部ボルト孔108S1の中心CPの位置より第2の辺部ボルト孔108S2の中心CPの位置側であり、第1の線分LS1に略平行な方向(X方向)においては、第2の辺部ボルト孔108S2の中心CPの位置より第1の辺部ボルト孔108S1の中心CPの位置側である。なお、空気室166(孔131)の中心CPCは、配列方向視で、孔131の内周線の図心(重心)である。
・要件3
第1の角部ボルト孔108C1の中心CPの位置は、第2の線分LS2に略平行な方向(Y方向)と第1の線分LS1に略平行な方向(X方向)との両方において、第1の辺部ボルト孔108S1の中心CPの位置より第2の辺部ボルト孔108S2の中心CPの位置側で、かつ、第2の辺部ボルト孔108S2の中心CPの位置より第1の辺部ボルト孔108S1の中心CPの位置側である。
本実施形態の燃料電池スタック100では、上述したようなボルト孔108の配置を採用しているため、以下に説明するように、空気極側フレーム130による空気室166のガスシール性を向上させることができる。図14は、比較例における発電単位102Xに含まれる空気極側フレーム130Xの面圧分布のシミュレーション結果の一例を示す説明図である。ここで、空気極側フレーム130の面圧は、燃料電池スタック100がボルト22により締結された状態において空気極側フレーム130に作用する上記配列方向の圧力を意味する。
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。
Claims (4)
- 所定の配列方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記複数の発電単位にわたって前記配列方向に延びるように形成された複数の孔のそれぞれに挿入された締結部材とを備え、各前記締結部材で締結された燃料電池スタックにおいて、
各前記発電単位は、
電解質層と前記電解質層を挟んで前記配列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、
前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する貫通孔と、前記貫通孔の周囲に配置された前記複数の孔とが形成され、前記配列方向において他の2つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、を備え、
前記配列方向視で、
前記シール部材の前記貫通孔の内周線は、互いに略垂直な第1の線分と第2の線分と、前記第1の線分に略平行な第3の線分と、前記第2の線分に略平行な第4の線分とを含み、
前記複数の孔は、前記第2の線分に略平行な第2の方向において前記第1の線分の外側に位置する第1の孔と、前記第1の線分に略平行な第1の方向において前記第2の線分の外側に位置する第2の孔と、前記第1の方向と前記第2の方向との両方において、前記第1の孔の中心位置より前記第2の孔の中心位置側で、かつ、前記第2の孔の中心位置より前記第1の孔の中心位置側に中心が位置する第3の孔と、前記第2の方向において前記第3の線分の外側に位置する第4の孔と、前記第1の方向において前記第4の線分の外側に位置する第5の孔と、を含み、
前記複数の孔は、前記第1の孔の中心を通り前記第1の線分に略平行な直線の一部と、前記第2の孔の中心を通り前記第2の線分に略平行な直線の一部と、前記第4の孔の中心を通り前記第3の線分に略平行な直線の一部と、前記第5の孔の中心を通り前記第4の線分に略平行な直線の一部と、から構成された矩形線と重なる、ことを特徴とする、燃料電池スタック。 - 請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記複数の孔は8つ以下である、ことを特徴とする、燃料電池スタック。 - 所定の配列方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記複数の発電単位にわたって前記配列方向に延びるように形成された複数の孔のそれぞれに挿入された締結部材とを備え、各前記締結部材で締結された燃料電池スタックにおいて、
各前記発電単位は、
電解質層と前記電解質層を挟んで前記配列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、
前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する貫通孔と、前記貫通孔の周囲に配置された前記複数の孔とが形成され、前記配列方向において他の2つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、を備え、
前記配列方向視で、
前記シール部材の前記貫通孔の内周線は、互いに略垂直な第1の線分と第2の線分とを含み、
前記複数の孔は、前記第2の線分に略平行な第2の方向において前記第1の線分の外側に位置する第1の孔と、前記第1の線分に略平行な第1の方向において前記第2の線分の外側に位置する第2の孔と、前記第1の方向と前記第2の方向との両方において、前記第1の孔の中心位置より前記第2の孔の中心位置側で、かつ、前記第2の孔の中心位置より前記第1の孔の中心位置側に中心が位置する第3の孔と、を含み、
前記複数の孔は8つ以下である、ことを特徴とする、燃料電池スタック。 - 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スタックにおいて、
前記第1の孔は、前記第2の線分に略平行な前記第2の方向において、前記第1の線分の中点の外側に位置し、
前記第2の孔は、前記第1の線分に略平行な前記第1の方向において、前記第2の線分の中点の外側に位置する、ことを特徴とする、燃料電池スタック。
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