JP6690996B2 - Electrochemical reaction cell stack - Google Patents
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Description
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。 The technology disclosed herein relates to an electrochemical reaction cell stack.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) having an electrolyte layer containing a solid oxide is known as one of the types of fuel cells that generate electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Has been. A fuel cell single cell (hereinafter, simply referred to as “single cell”), which is a constituent unit of SOFC, includes an electrolyte layer and air that is opposed to each other in a predetermined direction (hereinafter, referred to as “first direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween. Including a pole and a fuel pole.
SOFCは、一般に、単セルが第1の方向に複数並べて配置された構造体(以下、「燃料電池ブロック」という)と、燃料電池ブロックを挟んで第1の方向に互いに対向する一対の平板状部材(「エンドプレート」とも呼ばれる)とを備える燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックには、燃料電池ブロック全体にわたって延びる共用ガス流路(「マニホールド」とも呼ばれる)が形成されている。共用ガス流路は、燃料電池スタックに含まれる各単セルへの反応ガス(酸化剤ガスや燃料ガス)の供給や、各単セルからのオフガスの排出のために利用される(例えば、特許文献1参照)。 The SOFC is generally a structure in which a plurality of single cells are arranged side by side in the first direction (hereinafter referred to as “fuel cell block”) and a pair of flat plate-shaped members that face each other in the first direction with the fuel cell block sandwiched therebetween. And a member (also called “end plate”). In the fuel cell stack, a common gas flow path (also referred to as a “manifold”) that extends over the entire fuel cell block is formed. The shared gas flow path is used for supplying a reaction gas (oxidant gas or fuel gas) to each unit cell included in the fuel cell stack and for discharging an off gas from each unit cell (for example, Patent Document 1). 1).
上記従来の燃料電池スタックの構成では、上記一対の平板状部材(エンドプレート)の一方における第1の方向視で共用ガス流路(マニホールド)と重なる位置に、平板状部材を第1の方向に貫通するガス孔が形成されている。反応ガスは、燃料電池スタックの外部に設けられた配管等のガス供給部から、平板状部材に形成されたガス孔を介して共用ガス流路に供給される。そのため、上記従来の燃料電池スタックの構成では、共用ガス流路に供給される反応ガスの温度が十分に高くならず、その結果、発電性能が十分に高くならないという問題がある。また、上記従来の燃料電池スタックの構成では、燃料電池スタックの外部に設けられたガス配管等の構成が大型化・複雑化し、その結果、燃料電池スタックと燃料電池スタックの外部のガス配管等とを備えるモジュールの構成が大型化・複雑化するという問題がある。 In the configuration of the conventional fuel cell stack, the flat plate member is arranged in the first direction at a position overlapping with the shared gas flow path (manifold) in the first direction of one of the pair of flat plate members (end plates). A gas hole penetrating therethrough is formed. The reaction gas is supplied from a gas supply unit such as a pipe provided outside the fuel cell stack to the shared gas flow path through gas holes formed in the flat plate member. Therefore, in the configuration of the conventional fuel cell stack, there is a problem that the temperature of the reaction gas supplied to the shared gas flow channel is not sufficiently high, and as a result, the power generation performance is not sufficiently high. Further, in the configuration of the conventional fuel cell stack, the configuration of the gas pipes provided outside the fuel cell stack becomes large and complicated, and as a result, the fuel pipes and the gas pipes outside the fuel cell stack are provided. There is a problem in that the configuration of the module including is large and complicated.
なお、このような問題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という)の構成単位である電解単セルが第1の方向に複数並べて配置された電解セルブロックを備える電解セルスタックにも共通の問題である。なお、本明細書では、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて「電気化学反応セルスタック」という。また、このような問題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の問題である。 It should be noted that such a problem is that the electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter, referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water, has a first direction. This is also a common problem in an electrolysis cell stack including a plurality of electrolysis cell blocks arranged side by side. In this specification, the fuel cell stack and the electrolytic cell stack are collectively referred to as "electrochemical reaction cell stack". Further, such a problem is not limited to SOFC and SOEC, but is common to other types of electrochemical reaction cell stacks.
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique capable of solving the above-mentioned problems.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be implemented, for example, in the following modes.
(1)本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、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それぞれ含む電気化学反応単セルが前記第1の方向に複数並べて配置された電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックに対して前記第1の方向の一方側の位置に、前記第1の方向に並べて配置された複数の平板状部材と、を備え、前記電気化学反応ブロックにわたって延びる共用ガス流路が形成された電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の平板状部材の内の前記第1の方向の前記一方側の端に位置する前記平板状部材である外側平板状部材における前記一方側の表面である外側表面には、前記第1の方向視で前記共用ガス流路と重ならない位置にガス孔が形成されており、前記複数の平板状部材により構成される構造体の内部に、前記ガス孔と前記共用ガス流路とを連通する連通ガス流路が形成されている。本電気化学反応セルスタックでは、外部から電気化学反応セルスタックに導入された反応ガスは、外側平板状部材に設けられたガス孔から連通ガス流路に流入し、その後に共用ガス流路に流入する。反応ガスが連通ガス流路を通過する際には、電気化学反応単セルからの熱によって反応ガスの温度が上昇する。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、反応ガスが電気化学反応セルスタックの外部から直接、共用ガス流路に流入する構成と比較して、共用ガス流路に流入する反応ガスの温度を高くすることができ、発電や水素生成の反応効率を向上させることができ、その結果、電気化学反応セルスタックの性能を向上させることができる。また、本電気化学反応セルスタックでは、複数の平板状部材により構成される構造体の内部に連通ガス流路が形成されているため、電気化学反応セルスタックの外部の配管の長さを短くすることができ、その結果、電気化学反応セルスタックと電気化学反応セルスタックの外部のガス配管等とを備えるモジュールの小型化および構成の簡素化を実現することができる。 (1) The electrochemical reaction cell stack disclosed in the present specification is an electrochemical reaction single cell that includes an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode that face each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. A plurality of electrochemical reaction blocks arranged side by side in the first direction, and a plurality of flat plates arranged side by side in the first direction at a position on one side of the electrochemical reaction block in the first direction. An electrochemical reaction cell stack in which a shared gas flow channel extending across the electrochemical reaction block is formed, the member being located at the one end in the first direction of the plurality of flat plate-shaped members. On the outer surface that is the one side surface of the outer flat plate member that is the flat plate member, a gas hole is formed at a position that does not overlap the shared gas flow path in the first direction view, The interior of a structure constituted by the serial plurality of plate-like member, communicates a gas flow path communicating with said common gas flow path and the gas hole is formed. In this electrochemical reaction cell stack, the reaction gas introduced into the electrochemical reaction cell stack from the outside flows into the communication gas flow path from the gas holes provided in the outer flat plate-shaped member, and then flows into the common gas flow path. To do. When the reaction gas passes through the communication gas channel, the temperature of the reaction gas rises due to the heat from the electrochemical reaction single cell. Therefore, according to the present electrochemical reaction cell stack, the temperature of the reaction gas flowing into the shared gas flow channel can be controlled as compared with the configuration in which the reaction gas directly flows into the shared gas flow channel from outside the electrochemical reaction cell stack. It can be increased, and the reaction efficiency of power generation and hydrogen generation can be improved, and as a result, the performance of the electrochemical reaction cell stack can be improved. Further, in the present electrochemical reaction cell stack, since the communication gas flow path is formed inside the structure composed of a plurality of flat plate-shaped members, the length of the pipe outside the electrochemical reaction cell stack is shortened. As a result, the module including the electrochemical reaction cell stack and the gas pipe outside the electrochemical reaction cell stack can be downsized and the configuration can be simplified.
(2)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材を除く前記平板状部材により構成される構造体の前記第1の方向の前記一方側に、前記連通ガス流路を構成する第1の凹部が形成されており、前記外側平板状部材の前記ガス孔は、前記第1の方向視で前記第1の凹部と重なる位置に配置されており、前記第1の凹部における前記ガス孔と重ならない部分は、前記外側平板状部材により塞がれている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、外側平板状部材の厚さの増大を抑制しつつ、複数の平板状部材により構成される構造体の内部に連通ガス流路を形成することができる。また、本電気化学反応セルスタックによれば、連通ガス流路の形状を容易に変えることができるため、電気化学反応セルスタックに接続されるガス配管の配置の自由度を向上させることができる。 (2) In the electrochemical reaction cell stack, on the one side in the first direction of the structure constituted by the flat plate member excluding the outer flat plate member of the plurality of flat plate members, A first recessed portion that forms a communication gas flow path is formed, and the gas hole of the outer flat plate-shaped member is arranged at a position overlapping the first recessed portion when viewed in the first direction, and A portion of the first recess that does not overlap the gas hole may be closed by the outer flat plate member. According to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to form the communicating gas flow channel inside the structure constituted by the plurality of flat plate-shaped members while suppressing the increase in the thickness of the outer flat plate-shaped member. Further, according to the present electrochemical reaction cell stack, since the shape of the communication gas flow channel can be easily changed, it is possible to improve the degree of freedom of arrangement of gas pipes connected to the electrochemical reaction cell stack.
(3)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材の前記外側表面には、前記第1の方向視で前記連通ガス流路を取り囲む第1の仮想線に沿って第1の溶接痕が形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、連通ガス流路のシール性を高めることができ、連通ガス流路からのガス漏れを抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction cell stack, a first welding mark is formed on the outer surface of the outer flat plate member along a first imaginary line that surrounds the communication gas passage in the first direction. May be formed. According to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to enhance the sealing property of the communication gas flow passage and suppress gas leakage from the communication gas flow passage.
(4)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材の前記外側表面には、第2の凹部が形成されており、前記第1の溶接痕の少なくとも一部は、前記第2の凹部に形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第1の溶接痕が、外側平板状部材の外側表面よりも突出することを抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction cell stack, a second recess is formed on the outer surface of the outer flat plate-like member, and at least a part of the first welding mark is the second recess. It may be configured to be formed in. According to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to prevent the first welding mark from protruding beyond the outer surface of the outer flat plate-shaped member.
(5)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第2の凹部に形成された前記第1の溶接痕の少なくとも一部は、前記第2の凹部の側面から離間している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第1の溶接痕と外側平板状部材との接触箇所が低減できるため、両者の間の金属拡散を抑制することができ、耐久性の低下等の問題の発生を抑制することができる。 (5) In the electrochemical reaction cell stack, at least a part of the first welding mark formed in the second recess may be separated from the side surface of the second recess. According to the present electrochemical reaction cell stack, the contact portion between the first welding mark and the outer flat plate-shaped member can be reduced, so that metal diffusion between the two can be suppressed, and problems such as deterioration of durability occur. Occurrence can be suppressed.
(6)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第2の凹部に形成された前記第1の溶接痕の少なくとも一部は、前記第2の凹部の側面と接している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第1の溶接痕の幅を広げることができ、外側平板状部材と他の平板状部材との間の接合性を向上させることができる。 (6) In the electrochemical reaction cell stack, at least a part of the first welding mark formed in the second recess may be in contact with a side surface of the second recess. According to the present electrochemical reaction cell stack, the width of the first welding mark can be widened and the bondability between the outer flat plate member and the other flat plate member can be improved.
(7)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、前記外側平板状部材を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第2の仮想線と、前記第1の仮想線の一部に直交する仮想直線である第3の仮想線との一方の交点を第1の点とし、前記第3の仮想線と前記外側平板状部材の外周線との交点の内の前記第1の点に最も近い点を第2の点とし、前記第3の仮想線と前記第1の仮想線との交点の内の前記第1の点に最も近い点を第3の点とした場合に、以下の式(1)により規定される条件を含む特定の条件を満たす前記第2の点が存在する形状である構成としてもよい。
L23<L13・・・(1)
(ただし、L13は、前記第1の点と前記第3の点との間の距離であり、L23は、前記第2の点と第3の点との間の距離である。)
本電気化学反応セルスタックによれば、第1の方向視で、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、該部分が例えば熱膨張したり変形したりする際に第1の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。
(7) In the electrochemical reaction cell stack, in the first direction, the shape of the outer flat plate-shaped member is a second virtual line which is an outer peripheral line of a minimum virtual rectangular region including the outer flat plate-shaped member. An intersection of a line and a third virtual line that is a virtual straight line orthogonal to a part of the first virtual line is defined as a first point, and the third virtual line and the outer periphery of the outer flat plate-shaped member The point closest to the first point among the intersections with the line is the second point, and the point closest to the first point among the intersections with the third virtual line and the first virtual line. When the point is the third point, the second point may satisfy a specific condition including the condition defined by the following equation (1), and the second point may be present.
L 23 <L 13 (1)
(However, L 13 is the distance between the first point and the third point, and L 23 is the distance between the second point and the third point.)
According to the present electrochemical reaction cell stack, the portion of the outer flat plate-like member outside the first welding mark can be made smaller in the first direction, so that the portion may undergo thermal expansion or deformation, for example. It is possible to reduce the stress generated in the first welding mark at the time of performing, and it is possible to suppress the occurrence of gas leakage from the communication gas flow path due to the separation in the first welding mark.
(8)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定の条件は、以下の式(2)により規定される条件を含む構成としてもよい。
L23≦L13×3/4・・・(2)
本電気化学反応セルスタックによれば、第1の方向視で、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分をより小さくすることができるため、第1の溶接痕に生ずる応力を効果的に低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を効果的に抑制することができる。
(8) In the above electrochemical reaction cell stack, the specific condition may include a condition defined by the following formula (2).
L 23 ≦ L 13 × 3/4 (2)
According to the present electrochemical reaction cell stack, the portion of the outer flat plate-like member outside the first welding mark can be made smaller in the first direction, so that the stress generated in the first welding mark is effective. Therefore, it is possible to effectively reduce the occurrence of gas leakage from the communication gas flow path due to separation at the first welding mark.
(9)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、前記第2の点が前記外側平板状部材の前記外周線における所定の長さの範囲にあるときに常に前記特定の条件が満たされる形状である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、外側平板状部材の外周線における所定の長さの範囲に対応する部分について、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第1の溶接痕に生ずる応力を広範囲において低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を効果的に抑制することができる。 (9) In the electrochemical reaction cell stack, in the first direction, the shape of the outer flat plate-shaped member is such that the second point is within a predetermined length in the outer peripheral line of the outer flat plate-shaped member. The configuration may be such that the specific condition is always satisfied when According to this electrochemical reaction cell stack, the portion of the outer flat plate member corresponding to the range of the predetermined length on the outer peripheral line can be made smaller than the first welding mark on the outer flat plate member. Therefore, it is possible to reduce the stress generated in the first welding mark in a wide range, and it is possible to effectively suppress the occurrence of gas leakage from the communication gas flow path due to the separation in the first welding mark.
(10)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記所定の長さは、前記範囲内の前記外周線に平行な方向における前記仮想矩形領域の長さの1/4以上である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、外側平板状部材の外周線における比較的長い範囲に対応する部分について、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第1の溶接痕に生ずる応力を広範囲において低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を効果的に抑制することができる。 (10) In the electrochemical reaction cell stack, the predetermined length may be ¼ or more of the length of the virtual rectangular region in the direction parallel to the outer peripheral line within the range. According to the present electrochemical reaction cell stack, since the outer flat plate member can be made smaller than the first welding mark in the portion corresponding to the relatively long range in the outer peripheral line of the outer flat plate member, It is possible to reduce the stress generated in the first welding mark in a wide range, and it is possible to effectively suppress the occurrence of gas leakage from the communicating gas flow path due to the separation in the first welding mark.
(11)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、前記外側平板状部材の前記外周線に第3の凹部が存在し、かつ、前記第2の点が前記第3の凹部にあるときに前記特定の条件が満たされる形状である構成としてもよい。外側平板状部材の外周線における第3の凹部の部分は、第1の溶接痕に生ずる応力が大きくなりやすい部分であるが、本電気化学反応セルスタックによれば、このような部分において、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第1の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。 (11) In the electrochemical reaction cell stack, the outer flat plate-like member has a third recess in the outer peripheral line of the outer flat plate-like member as viewed in the first direction, and The configuration may be such that the specific condition is satisfied when the second point is in the third recess. The third concave portion on the outer peripheral line of the outer flat plate-shaped member is a portion where the stress generated in the first welding mark is likely to become large. Since the portion of the flat plate member outside the first welding mark can be made smaller, the stress generated in the first welding mark can be reduced, and the stress from the first welding mark can be reduced from the communicating gas flow path. Generation of gas leakage can be suppressed.
(12)上記電気化学反応セルスタックにおいて、さらに、前記第1の方向視で、前記外側平板状部材において、前記第3の凹部を挟む2つの凸部の少なくとも一方に螺合されたボルトを備える構成としてもよい。外側平板状部材において、第3の凹部を挟む2つの凸部のそれぞれにボルトが螺合されていると、第1の溶接痕に生ずる応力がさらに大きくなりやすいが、本電気化学反応セルスタックによれば、このような構成において、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第1の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。 (12) The electrochemical reaction cell stack further includes a bolt screwed to at least one of two convex portions sandwiching the third concave portion in the outer flat plate-shaped member when viewed in the first direction. It may be configured. In the outer flat plate-shaped member, if a bolt is screwed into each of the two convex portions sandwiching the third concave portion, the stress generated in the first welding mark is likely to be further increased. According to this structure, since the portion of the outer flat plate member outside the first welding mark can be made smaller, the stress generated in the first welding mark can be reduced, and the first welding mark can be reduced. It is possible to suppress the occurrence of gas leakage from the communicating gas flow path due to separation at the mark.
(13)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材の前記外側表面において、前記特定の条件を満たす前記第2の点と前記第3の点との間に第2の溶接痕が形成されている構成としてもよい。外側平板状部材の外側表面において、特定の条件を満たす第2の点と第3の点との間に第2の溶接痕が形成されていると、第1の溶接痕に生ずる応力がさらに大きくなりやすいが、本電気化学反応セルスタックによれば、このような構成において、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第1の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。 (13) In the electrochemical reaction cell stack, a second welding mark is formed on the outer surface of the outer flat plate member between the second point and the third point satisfying the specific condition. It may be configured to be. If the second welding mark is formed between the second point and the third point satisfying the specific condition on the outer surface of the outer flat plate-like member, the stress generated in the first welding mark is further increased. However, according to the present electrochemical reaction cell stack, in such a structure, the portion of the outer flat plate-like member outside the first welding mark can be made smaller, so that the stress generated in the first welding mark can be reduced. Can be reduced, and the occurrence of gas leakage from the communication gas passage due to peeling at the first welding mark can be suppressed.
(14)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向視で、前記第1の溶接痕は、前記第2の仮想線と前記第3の仮想線との他方の交点を第4の点とした場合に、以下の式(3)により規定される条件を満たすように形成されている構成としてもよい。
L13≧L14×1/8・・・(3)
(ただし、L14は、前記第1の点と前記第4の点との間の距離である。)
第1の点と第3の点との間の距離が比較的長いと、第1の溶接痕に生ずる応力がさらに大きくなりやすいが、本電気化学反応セルスタックによれば、このような構成において、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第1の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。
(14) In the electrochemical reaction cell stack, in the first direction, the first welding mark has a fourth intersection point at the other intersection of the second virtual line and the third virtual line. In such a case, the structure may be formed so as to satisfy the condition defined by the following expression (3).
L 13 ≧ L 14 × 1/8 (3)
(However, L 14 is the distance between the first point and the fourth point.)
When the distance between the first point and the third point is relatively long, the stress generated in the first welding mark is likely to be further increased. However, according to the present electrochemical reaction cell stack, in such a configuration, Since the portion of the outer flat plate-shaped member outside the first welding mark can be made smaller, the stress generated in the first welding mark can be reduced, and the communication gas flow path due to the separation at the first welding mark It is possible to suppress the occurrence of gas leakage from the inside.
(15)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材と、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材とは、熱膨張率が互いに異なる構成としてもよい。外側平板状部材と隣接平板状部材との熱膨張率が互いに異なると、第1の溶接痕に生ずる応力が大きくなりやすいが、本電気化学反応セルスタックによれば、このような構成において、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第1の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。 (15) In the electrochemical reaction cell stack, the outer flat plate member and the adjacent flat plate member that is the flat plate member adjacent to the outer flat plate member among the plurality of flat plate members are thermally expanded. The rates may be different from each other. When the outer flat plate member and the adjacent flat plate member have different coefficients of thermal expansion, the stress generated in the first welding mark tends to increase. However, according to the present electrochemical reaction cell stack, in such a structure, Since the portion of the flat plate member outside the first welding mark can be made smaller, the stress generated in the first welding mark can be reduced, and the stress from the first welding mark can be reduced from the communicating gas flow path. Generation of gas leakage can be suppressed.
(16)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向視で、前記外側平板状部材の外周線の内、前記第1の方向に直交する第2の方向に平行な辺の少なくとも一部分と、前記第1の方向に直交すると共に前記第2の方向と平行ではない第3の方向に平行な辺の少なくとも一部分との位置が、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第4の仮想線の位置と一致している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、外側平板状部材の位置の精度の低下を抑制しつつ、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができ、第1の溶接痕に生ずる応力を低下させることができる。 (16) In the electrochemical reaction cell stack, as viewed in the first direction, at least a part of a side of an outer peripheral line of the outer flat plate-shaped member which is parallel to a second direction orthogonal to the first direction. , A position of at least a part of a side orthogonal to the first direction and parallel to a third direction which is not parallel to the second direction is set to the outer flat plate-shaped member among the plurality of flat plate-shaped members. A configuration may be adopted in which the position coincides with the position of the fourth virtual line that is the outer peripheral line of the smallest virtual rectangular region that includes the adjacent flat plate-shaped member that is the adjacent flat plate-shaped member. According to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to reduce the portion of the outer flat plate member outside the first welding mark while suppressing a decrease in the accuracy of the position of the outer flat plate member. The stress generated in the scar can be reduced.
(17)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向視で、前記外側平板状部材の前記外周線の内、前記第2の方向に平行な前記辺と前記第3の方向に平行な前記辺との少なくとも一方は、前記隣接平板状部材の外周線より内側に位置する部分と、前記内側に位置する部分を挟み、前記隣接平板状部材の外周線の位置と一致している2つの部分と、を含む構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、外側平板状部材の位置の精度の低下をより効果的に抑制しつつ、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができ、第1の溶接痕に生ずる応力を低下させることができる。 (17) In the electrochemical reaction cell stack, the side parallel to the second direction and the side parallel to the third direction of the outer peripheral line of the outer flat plate-shaped member in the first direction. At least one of the sides is a portion located inside the outer peripheral line of the adjacent flat plate-shaped member and a portion located inside the outer peripheral line of the adjacent flat plate-shaped member sandwiched between the two, which are coincident with the position of the outer peripheral line of the adjacent flat plate-shaped member. A part may be included. According to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to reduce the position of the outer flat plate-shaped member more effectively, and to reduce the outer portion of the outer flat plate-shaped member from the first welding mark, The stress generated in the first welding mark can be reduced.
(18)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材は、互いに離間して配置された第1の前記外側平板状部材および第2の前記外側平板状部材を含み、前記複数の平板状部材により構成される前記構造体の内部に、前記第1の外側平板状部材に形成された前記ガス孔と一の前記共用ガス流路とを連通する第1の前記連通ガス流路と、前記第2の外側平板状部材に形成された前記ガス孔と他の前記共用ガス流路とを連通する第2の前記連通ガス流路とが形成されており、前記第1の外側平板状部材と前記第2の外側平板状部材とのそれぞれの前記外側表面に、前記第1の溶接痕が形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第1の方向視で、各外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第1の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。 (18) In the electrochemical reaction cell stack, the outer flat plate-shaped member includes a plurality of flat plate-shaped members including a first outer flat plate-shaped member and a second outer flat plate-shaped member that are spaced apart from each other. Inside the structure constituted by a member, the first communication gas flow passage that connects the gas hole formed in the first outer flat plate-shaped member and one common gas flow passage, and A second communication gas flow passage that connects the gas hole formed in the second outer flat plate member and the other common gas flow passage is formed, and the first outer flat plate member is formed. The first welding mark may be formed on the outer surface of each of the second outer flat plate member. According to the present electrochemical reaction cell stack, the portion of each outer flat plate-like member outside the first welding mark can be made smaller in the first direction, so that the stress generated in the first welding mark is reduced. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of gas leakage from the communication gas flow path due to the separation at the first welding mark.
(19)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の連通ガス流路と前記第2の連通ガス流路との一方は、前記第1の方向視で、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材を所定の方向に3つの領域に分割したときの一方の端の領域に重なるように配置されており、前記第1の連通ガス流路と前記第2の連通ガス流路との他方は、前記第1の方向視で、前記隣接平板状部材を前記所定の方向に3つの領域に分割したときの他方の端の領域に重なるように配置されていることを特徴とする構成としてもよい。第1の連通ガス流路と第2の連通ガス流路との一方が、隣接平板状部材を所定の方向に3つの領域に分割したときの一方の端の領域に重なるように配置され、他方が、隣接平板状部材を所定の方向に3つの領域に分割したときの他方の端の領域に重なるように配置されている場合に、電気化学反応セルスタックが備える外側平板状部材の数が1つのみであると、外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分が大きくなりやすい。本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応セルスタックが互いに離間して配置された第1の外側平板状部材と第2の外側平板状部材とを備えるため、各外側平板状部材における第1の溶接痕より外側の部分を小さくすることができ、第1の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第1の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。 (19) In the electrochemical reaction cell stack, one of the first communication gas flow path and the second communication gas flow path is one of the plurality of flat plate-shaped members when viewed in the first direction. The adjacent flat plate member, which is the flat plate member adjacent to the outer flat plate member, is arranged so as to overlap with one end region when divided into three regions in a predetermined direction, and the first communication is performed. The other of the gas flow passage and the second communication gas flow passage is in the other end region when the adjacent flat plate-shaped member is divided into three regions in the predetermined direction in the first direction view. It may be configured to be arranged so as to overlap. One of the first communication gas flow passage and the second communication gas flow passage is arranged so as to overlap with one end region when the adjacent flat plate-shaped member is divided into three regions in a predetermined direction, and the other. Is arranged so as to overlap the other end region when the adjacent flat plate-shaped member is divided into three regions in a predetermined direction, the number of outer flat plate-shaped members provided in the electrochemical reaction cell stack is 1 If there are only one, the portion outside the first welding mark on the outer flat plate-shaped member tends to be large. According to the present electrochemical reaction cell stack, since the electrochemical reaction cell stack includes the first outer flat plate-shaped member and the second outer flat plate-shaped member that are arranged apart from each other, The portion outside the first welding mark can be made smaller, the stress generated in the first welding mark can be reduced, and the occurrence of gas leakage from the communicating gas flow path due to separation at the first welding mark can be suppressed. can do.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、電気化学反応セルスタックとガス配管等とを備える電気化学反応モジュール、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolysis cell stack), an electrochemical reaction cell stack and gas piping, etc. It is possible to realize it in the form of an electrochemical reaction module including and a method for manufacturing them.
A.第1実施形態:
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YZ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り、図4は、図1のIV−IV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。また、本明細書では、Z軸に直交する方向(例えば、X方向やY方向)を面方向と呼ぶ。
A. First embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of Fuel Cell Stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a
図2から図4に示すように、燃料電池スタック100は、例えばステンレスにより形成された筐体の内側面に断熱材が設けられた断熱容器10内に、支柱20を介して設置される。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
また、燃料電池スタック100の下側には、燃料電池スタック100への吸排気等を担う補助器40が配置されている。補助器40には、断熱容器10の外部から延びる各種の配管70が接続されており、該配管70を介して、補助器40に酸化剤ガスOGや原燃料ガス、改質水等が導入されると共に、補助器40から排ガスが排出される。補助器40の内部には、原燃料ガスを改質して燃料ガスFGを生成するための改質室や、燃料電池スタック100から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼室が形成されている。また、補助器40と燃料電池スタック100との間には、各種の配管60が設けられており、該配管60を介して、補助器40から燃料電池スタック100に酸化剤ガスOGや燃料ガスFGが導入されると共に、燃料電池スタック100から補助器40にオフガスが排出される。
Further, below the
図1から図4に示すように、燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106と、カバープレート200とを備える。燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、複数の発電単位102から構成される集合体(以下、「発電ブロック103」という)を上下から挟むように配置されている。また、カバープレート200は、下側のエンドプレート106の下に配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当し、発電ブロック103は、特許請求の範囲における電気化学反応ブロックに相当する。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
図1および図4に示すように、各発電単位102および各エンドプレート104,106のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各発電単位102および各エンドプレート104,106に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる締結用連通孔108を構成している。以下の説明では、締結用連通孔108を構成するために各部材に形成された孔も、締結用連通孔108と呼ぶ場合がある。
As shown in FIG. 1 and FIG. 4, a plurality of (eight in this embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portions of the
各締結用連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両端に嵌められたナット24とによって、各発電単位102および各エンドプレート104,106が一体に締結されている。なお、各ボルト22の上側に嵌められたナット24と上側のエンドプレート104の上側表面との間、および、各ボルト22の下側に嵌められたナット24と下側のエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
また、図1から図3に示すように、各発電単位102のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では4つの)孔が形成されており、各発電単位102に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、複数の発電単位102から構成される集合体(発電ブロック103)にわたって上下方向に延びる流路用連通孔109を構成している。以下の説明では、流路用連通孔109を構成するために各発電単位102に形成された孔も、流路用連通孔109と呼ぶ場合がある。
Further, as shown in FIGS. 1 to 3, a plurality of (four in the present embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portion of each
図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置する流路用連通孔109は、燃料電池スタック100に導入された酸化剤ガスOGを各発電単位102の空気室166に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置する流路用連通孔109は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へ排出するガス流路である酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
As shown in FIGS. 1 and 2, located near the midpoint of one side (the Y-axis positive direction side of the two sides parallel to the X-axis) on the Z-direction outer periphery of the
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置する流路用連通孔109は、燃料電池スタック100に導入された燃料ガスFGを各発電単位102の燃料室176に供給するガス流路である燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置する流路用連通孔109は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へ排出するガス流路である燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。なお、各マニホールド161,162,171,172は、特許請求の範囲における共用ガス流路に相当する。
In addition, as shown in FIGS. 1 and 3, near the midpoint of one side (the side on the Y axis negative direction side of the two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the
(エンドプレート104,106およびカバープレート200の構成)
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。上側のエンドプレート104は、複数の発電単位102から構成される発電ブロック103の上側に配置され、下側のエンドプレート106は、発電ブロック103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。本実施形態では、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。
(Structure of
The pair of
カバープレート200は、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。カバープレート200は、下側のエンドプレート106の下側に隣接して配置されている。
The
なお、本実施形態では、カバープレート200の形成材料は、下側のエンドプレート106の形成材料と異なっている。例えば、下側のエンドプレート106は、フェライト系ステンレス(例えば、SUS430、SUS434、SUS405、SUS444等)により形成されており、カバープレート200は、オーステナイト系ステンレス(例えば、SUS201、SUS301、SUS305、SUS304、SUS316等)により形成されている。そのため、カバープレート200の熱膨張率は、下側のエンドプレート106の熱膨張率と異なっている。より詳細には、カバープレート200の熱膨張率は、下側のエンドプレート106の熱膨張率より大きい。例えば、カバープレート200の700(℃)における熱膨張率は、11.0×10−6〜13.5×10−6(/℃)であり、下側のエンドプレート106の700(℃)における熱膨張率は、11.0×10−6〜13.5×10−6(/℃)である。また、本実施形態では、加工容易性の向上や軽量化のため、カバープレート200の厚さは、下側のエンドプレート106の厚さより薄い。例えば、カバープレート200の厚さは、0.1〜3(mm)であり、下側のエンドプレート106の厚さは、5〜12(mm)である。上述した熱膨張率の関係と厚さの関係との少なくとも一方に起因して、カバープレート200は、下側のエンドプレート106と比較して、熱膨張しやすい。
In the present embodiment, the material forming the
このように、下側のエンドプレート106とカバープレート200とは、複数の発電単位102から構成される発電ブロック103に対してZ方向の一方側(下側)の位置に、Z方向に並べて配置された複数の平板状部材である。カバープレート200は、これらの複数の平板状部材の内、Z方向の上記一方側(下側)の端に位置する平板状部材であり、特許請求の範囲における外側平板状部材に相当する。また、下側のエンドプレート106は、これらの複数の平板状部材の内、カバープレート200に隣接する平板状部材であり、特許請求の範囲における隣接平板状部材に相当する。下側のエンドプレート106およびカバープレート200の構成については、後に詳述する。
As described above, the
(発電単位102の構成)
図2から図4に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)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。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述した締結用連通孔108や流路用連通孔109に対応する孔が形成されている。なお、発電単位102は単セル110を備えるため、上述した発電ブロック103は、単セル110が上下方向に複数並べて配置された構造体であるとも表現できる。
(Configuration of power generation unit 102)
As shown in FIGS. 2 to 4, a
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部により、単セル110と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
The
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における単セル110に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。図2に示すように、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
The air
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における単セル110に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。図3に示すように、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
The fuel
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。燃料極側集電体144は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における燃料極側集電体144は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、各発電単位102において、燃料極側集電体144と下側のインターコネクタ150とが一体の部材であるとしてもよい。
The fuel electrode side
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、各発電単位102において、空気極側集電体134と上側のインターコネクタ150とが一体の部材であるとしてもよい。
The air electrode side
(下側のエンドプレート106およびカバープレート200の構成)
図5は、下側のエンドプレート106およびカバープレート200のそれぞれの外観構成を示す斜視図であり、図6は、下側のエンドプレート106の下面(XY平面)の構成を示す説明図であり、図7は、カバープレート200の下面(XY平面)の構成を示す説明図である。なお、図6には、下側のエンドプレート106の構成に重ねて、カバープレート200の位置が破線で示されている。同様に、図7には、カバープレート200の構成に重ねて、下側のエンドプレート106の位置が破線で示されている。
(Structures of
FIG. 5 is a perspective view showing the external configurations of the
上述したように、下側のエンドプレート106のZ方向回りの周縁部には、下側のエンドプレート106を上下方向に貫通する8つの締結用連通孔108が形成されている。また、下側のエンドプレート106の下面には、面方向(Y方向)に延びる4つの流路用凹部(溝部)107が形成されている。流路用凹部107は、特許請求の範囲における第1の凹部に相当する。また、各流路用凹部107の位置には、下側のエンドプレート106を上下方向に貫通する流路用貫通孔105が形成されている。図2および図3に示すように、4つの流路用凹部107の位置に形成された流路用貫通孔105は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172とZ方向視で重なる位置に配置されており、Z方向視で重なる各マニホールドと連通している。
As described above, eight fastening communication holes 108 that penetrate the
図5〜図7に示すように、カバープレート200のZ方向視の外周形状は、下側のエンドプレート106の外周形状に対し、締結用連通孔108と重なる位置、すなわち、4つの角部および各辺の略中央部の位置に、切り欠き(外形凹部Pa)が形成された形状である。また、カバープレート200には、カバープレート200を上下方向に貫通する4つのガス孔202が形成されている。4つのガス孔202は、下側のエンドプレート106に形成された4つの流路用凹部107に対応している。各ガス孔202は、Z方向視で、対応する流路用凹部107と重なり、かつ、各マニホールド161,162,171,172と重ならない位置(すなわち、流路用貫通孔105と重ならない位置)に配置されている。カバープレート200が下側のエンドプレート106の下面上に配置された状態では、各流路用凹部107におけるガス孔202と重ならない部分は、カバープレート200により塞がれる。そのため、カバープレート200と下側のエンドプレート106とで構成される構造体の内部には、各流路用凹部107により構成される空間が確保される。この空間は、ガス孔202を介して燃料電池スタック100の外部に開口し、かつ、流路用貫通孔105を介して対応する各マニホールド161,162,171,172に連通している。すなわち、各流路用凹部107により構成される空間により、ガス孔202と各マニホールド161,162,171,172とを連通する連通ガス流路が形成される。以下、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通する連通ガス流路を、酸化剤ガス導入連通流路163といい、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通する連通ガス流路を、酸化剤ガス排出連通流路164といい、燃料ガス導入マニホールド171に連通する連通ガス流路を、燃料ガス導入連通流路173といい、燃料ガス排出マニホールド172に連通する連通ガス流路を、燃料ガス排出連通流路174という。
As shown in FIGS. 5 to 7, the outer peripheral shape of the
図2に示すように、酸化剤ガス導入連通流路163には、補助器40から酸化剤ガスOGを導入するための配管60が接続されており、酸化剤ガス排出連通流路164には、酸化剤オフガスOOGを補助器40に排出するための配管60が接続されている。また、図3に示すように、燃料ガス導入連通流路173には、補助器40から燃料ガスFGを導入するための配管60が接続されており、燃料ガス排出連通流路174には、燃料オフガスFOGを補助器40に排出するための配管60が接続されている。
As shown in FIG. 2, a
図5〜図7に示すように、カバープレート200は、下側のエンドプレート106に対して溶接により接合されている。より詳細には、カバープレート200の下面には、Z方向視でカバープレート200の外周線OL付近に沿って、カバープレート200と下側のエンドプレート106とを接合する外周溶接痕220が形成されている。さらに、カバープレート200の下面には、Z方向視で各流路用凹部107を取り囲む第1の仮想線VL1に沿って、カバープレート200と下側のエンドプレート106とを接合する流路用溶接痕210が形成されている。これにより、各流路用凹部107により形成される上記連通ガス流路(酸化剤ガス導入連通流路163、酸化剤ガス排出連通流路164、燃料ガス導入連通流路173、燃料ガス排出連通流路174)のシール性が高められる。なお、流路用溶接痕210は、特許請求の範囲における第1の溶接痕に相当し、外周溶接痕220は、特許請求の範囲における第2の溶接痕に相当する。
As shown in FIGS. 5 to 7, the
図6および図7のVIII−VIIIの位置のXZ断面構成を表す図8に示すように、カバープレート200の下側(Z軸負方向側)の表面には溶接用凹部230が形成されており、外周溶接痕220および流路用溶接痕210は、溶接用凹部230内に形成されている。また、外周溶接痕220および流路用溶接痕210は、溶接用凹部230の側面から離間している。溶接用凹部230は、特許請求の範囲における第2の凹部に相当する。
As shown in FIG. 8 showing the XZ sectional configuration at the position of VIII-VIII in FIGS. 6 and 7, a
(カバープレート200等の形状の詳細)
カバープレート200等の形状について、さらに詳細に説明する。以下では、Z方向視において次のような線および点を参照して、カバープレート200等の形状の詳細を説明する(図7参照)。
・第1の仮想線VL1(既述):流路用溶接痕210の形成ライン
・第2の仮想線VL2:カバープレート200を包含する最小の仮想矩形領域の外周線
・第3の仮想線VL3:第1の仮想線VL1の一部に直交する仮想直線
・第4の仮想線VL4:下側のエンドプレート106を包含する最小の仮想矩形領域の外周線
・第1の点P1:第2の仮想線VL2と第3の仮想線VL3との一方の交点
・第2の点P2:第3の仮想線VL3とカバープレート200の外周線OLとの交点の内の第1の点P1に最も近い点
・第3の点P3:第3の仮想線VL3と第1の仮想線VL1との交点の内の第1の点P1に最も近い点
・第4の点P4:第2の仮想線VL2と第3の仮想線VL3との他方の交点
(Details of the shape of the
The shape of the
-First virtual line VL1 (described above): Line for forming flow path welding mark 210-Second virtual line VL2: Outer peripheral line of the smallest virtual rectangular area including cover plate 200-Third virtual line VL3 : Virtual straight line orthogonal to a part of the first virtual line VL1 ・ Fourth virtual line VL4: Outer peripheral line of the smallest virtual rectangular area including the
上述したように、Z方向視で、カバープレート200の外周形状は、下側のエンドプレート106の外周形状に対し、4つの角部および各辺の略中央部の位置に外形凹部Paが形成された形状である。以下、カバープレート200の外周線OL上の外形凹部Paの内、図7においてエンドプレート106の外周の左辺の略中央部の位置に形成された幅L1、深さL2の外形凹部Paに着目して、カバープレート200の形状を説明する。ただし、カバープレート200に形成された他の外形凹部Paについても同様のことが言える。なお、外形凹部Paは、特許請求の範囲における第3の凹部に相当する。
As described above, when viewed from the Z direction, the outer peripheral shape of the
図7に示すように、本実施形態では、Z方向視で、カバープレート200の形状は、以下の式(1)により規定される条件を含む特定の条件SCを満たす第2の点P2が存在する形状である。この式(1)は、第2の点P2において、カバープレート200の外周線OLが、カバープレート200を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第2の仮想線VL2から内側に後退していることを意味している。本実施形態では、例えば、カバープレート200に外形凹部Paが形成されているため、第2の点P2が外形凹部Paを規定する線上にあるときに、式(1)が満たされる。なお、第2の仮想線VL2の一辺の長さは、例えば、140〜220(mm)である。
L23<L13・・・(1)
(ただし、L13は、第1の点P1と第3の点P3との間の距離であり、L23は、第2の点P2と第3の点P3との間の距離である。)
As shown in FIG. 7, in the present embodiment, when viewed from the Z direction, the shape of the
L 23 <L 13 (1)
(However, L 13 is the distance between the first point P1 and the third point P3, and L 23 is the distance between the second point P2 and the third point P3.)
また、本実施形態では、Z方向視で、カバープレート200の形状は、第2の点P2がカバープレート200の外周線OLにおける所定の長さL1の範囲、具体的には、外形凹部Paの底辺BL上にあるときに常に上記特定の条件SCが満たされる形状である。本実施形態では、この所定の長さL1は、上記範囲内の外周線OL(すなわち、外形凹部Paの底辺BL)に平行な方向(図7の例ではY方向)における上記仮想矩形領域(第2の仮想線VL2により囲まれる領域)の長さの1/4以上である。
Further, in the present embodiment, as viewed in the Z direction, the shape of the
なお、本実施形態では、Z方向視で、カバープレート200の外周線OLの内、Z方向に直交する第2の方向(例えばY方向)に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Sy1の位置と、Z方向に直交すると共に上記第2の方向と平行ではない第3の方向(例えばX方向)に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Sx1の位置とが、第4の仮想線VL4の位置と一致している。
In the present embodiment, the position of the side portion Sy1 which is at least a part of the side parallel to the second direction (Y direction, for example) orthogonal to the Z direction in the outer peripheral line OL of the
また、本実施形態では、Z方向視で、カバープレート200の外周線OLの内、上記第2の方向(例えばY方向)に平行な辺は、エンドプレート106の外周線より内側に位置する部分である辺部分Sy2と、該辺部分Sy2を挟みエンドプレート106の外周線の位置と一致している2つの辺部分Sy1とを含んでいる。同様に、本実施形態では、Z方向視で、カバープレート200の外周線OLの内、上記第3の方向(例えばX方向)に平行な辺は、エンドプレート106の外周線より内側に位置する部分である辺部分Sx2と、該辺部分Sx2を挟みエンドプレート106の外周線の位置と一致している2つの辺部分Sx1とを含んでいる。
Further, in the present embodiment, the side parallel to the second direction (for example, the Y direction) of the outer peripheral line OL of the
また、本実施形態では、カバープレート200の下面において、上記特定の条件SCを満たす第2の点P2と第3の点P3との間に、外周溶接痕220が形成されている。
Further, in the present embodiment, the outer
また、本実施形態では、Z方向視で、流路用溶接痕210は、以下の式(3)により規定される条件を満たすように形成されている。
L13≧L14×1/8・・・(3)
(ただし、L14は、第1の点P1と第4の点P4との間の距離である。)
Further, in the present embodiment, the flow
L 13 ≧ L 14 × 1/8 (3)
(However, L 14 is the distance between the first point P1 and the fourth point P4.)
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2に示すように、断熱容器10の外部の配管70を介して補助器40に導入された酸化剤ガスOGは、補助器40から配管60を介して燃料電池スタック100内に設けられた酸化剤ガス導入連通流路163に導入される。酸化剤ガス導入連通流路163に導入された酸化剤ガスOGは、酸化剤ガス導入連通流路163から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2および図3に示すように、断熱容器10の外部の配管70を介して補助器40に原燃料ガスや改質水が導入されると、補助器40の改質室内で原燃料ガスが改質されて燃料ガスFGが生成され、生成された燃料ガスFGが配管60を介して燃料電池スタック100内に設けられた燃料ガス導入連通流路173に導入される。燃料ガス導入連通流路173に導入された燃料ガスFGは、燃料ガス導入連通流路173から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。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIG. 2, the oxidant gas OG introduced into the
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150(または上側のエンドプレート104)に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150(または下側のエンドプレート106)に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
図2に示すように、各発電単位102の酸化剤ガス排出連通孔133を介して空気室166から酸化剤ガス排出マニホールド162に排出された酸化剤オフガスOOGは、酸化剤ガス排出マニホールド162から酸化剤ガス排出連通流路164に排出され、酸化剤ガス排出連通流路164から燃料電池スタック100の外部の配管60を介して補助器40に排出される。また、図3に示すように、各発電単位102の燃料ガス排出連通孔143を介して燃料室176から燃料ガス排出マニホールド172に排出された燃料オフガスFOGは、燃料ガス排出マニホールド172から燃料ガス排出連通流路174に排出され、燃料ガス排出連通流路174から燃料電池スタック100の外部の配管60を介して補助器40に排出される。補助器40に排出された酸化剤オフガスOOGおよび燃料オフガスFOGは、補助器40に設けられた燃料室内で混合されて燃焼し、配管70を介して断熱容器10の外部に排出される。
As shown in FIG. 2, the oxidant off-gas OOG discharged from the
A−3.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100は、単セル110(発電単位102)が上下方向に複数並べて配置された発電ブロック103と、発電ブロック103に対して上下方向の一方側(下側)の位置に、上下方向に並べて配置された複数の平板状部材であるエンドプレート106およびカバープレート200を備える。また、燃料電池スタック100には、発電ブロック103にわたって延びる共用ガス流路である各マニホールド161,162,171,172が形成されている。また、上記複数の平板状部材であるエンドプレート106およびカバープレート200の内、上下方向の上記一方側(下側)の端に位置する平板状部材であるカバープレート200(外側平板状部材)における上記一方側(下側)の表面には、Z方向視で各マニホールド161,162,171,172と重ならない位置にガス孔202が形成されている。また、上記複数の平板状部材(エンドプレート106およびカバープレート200)により構成される構造体の内部に、カバープレート200の下面に設けられたガス孔202と各マニホールド161,162,171,172とを連通する各連通ガス流路(酸化剤ガス導入連通流路163、酸化剤ガス排出連通流路164、燃料ガス導入連通流路173、燃料ガス排出連通流路174)が形成されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100では、配管60を介して燃料電池スタック100に導入された酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGは、カバープレート200の下面に設けられたガス孔202から、エンドプレート106およびカバープレート200により構成される構造体の内部に形成された各連通ガス流路(酸化剤ガス導入連通流路163および燃料ガス導入連通流路173)に流入し、その後に各マニホールド(酸化剤ガス導入マニホールド161および燃料ガス導入マニホールド171)に流入する。上述したように、各単セル110での発電反応は発熱反応であるため、酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGが各連通ガス流路163,173を通過する際には、単セル110からの熱によって酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの温度が上昇する。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGが燃料電池スタック100の外部から直接、各マニホールド161,171に流入する構成と比較して、各マニホールド161,171に流入する酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの温度を高くすることができ、各単セル110における発電の反応効率を向上させることができ、その結果、燃料電池スタック100の発電性能を向上させることができる。また、本実施形態の燃料電池スタック100では、エンドプレート106およびカバープレート200により構成される構造体の内部に各連通ガス流路163,164,173,174が形成されているため、燃料電池スタック100の外部の配管60の長さを短くすることができ、その結果、燃料電池スタック100と燃料電池スタック100の外部のガス配管等とを備えるモジュールの小型化および構成の簡素化を実現することができる。
A-3. Effects of this embodiment:
As described above, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、上記複数の平板状部材であるエンドプレート106およびカバープレート200の内、外側平板状部材であるカバープレート200を除く平板状部材により構成される構造体(すなわち、エンドプレート106)の上記一方側(下側)に、各連通ガス流路163,164,173,174を構成する流路用凹部107が形成されており、カバープレート200のガス孔202は、Z方向視で対応する流路用凹部107と重なる位置に配置されており、流路用凹部107におけるガス孔202と重ならない部分は、カバープレート200により塞がれている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、カバープレート200の厚さの増大を抑制しつつ、カバープレート200およびエンドプレート106により構成される構造体の内部に各連通ガス流路163,164,173,174を形成することができる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、カバープレート200の下面に、Z方向視で各連通ガス流路163,164,173,174を取り囲む第1の仮想線VL1に沿って流路用溶接痕210が形成されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、各連通ガス流路163,164,173,174のシール性を高めることができ、各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れを抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、カバープレート200の下面に溶接用凹部230が形成されており、流路用溶接痕210は溶接用凹部230に形成されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、流路用溶接痕210がカバープレート200の下面よりも突出することを抑制することができる。同様に、本実施形態の燃料電池スタック100では、外周溶接痕220も溶接用凹部230に形成されているため、外周溶接痕220がカバープレート200の下面よりも突出することを抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、溶接用凹部230に形成された流路用溶接痕210は、溶接用凹部230の側面から離間している。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、流路用溶接痕210とカバープレート200との接触箇所が低減できるため、両者の間の金属拡散を抑制することができ、耐久性の低下等の問題の発生を抑制することができる。同様に、本実施形態の燃料電池スタック100では、溶接用凹部230に形成された外周溶接痕220は、溶接用凹部230の側面から離間しているため、外周溶接痕220とカバープレート200との接触箇所が低減できるため、両者の間の金属拡散を抑制することができ、耐久性の低下等の問題の発生を抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、Z方向視で、カバープレート200の形状は、以下の式(1)により規定される条件を含む特定の条件SCを満たす第2の点P2が存在する形状である。
L23<L13・・・(1)
(ただし、L13は、第1の点P1と第3の点P3との間の距離であり、L23は、第2の点P2と第3の点P3との間の距離である。)
そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、第2の点P2において、カバープレート200の外周線OLを、カバープレート200を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第2の仮想線VL2より内側に後退させることにより、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができるため、該部分が例えば熱膨張したり変形したりする際に流路用溶接痕210に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離を原因とする各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制することができる。
Further, in the
L 23 <L 13 (1)
(However, L 13 is the distance between the first point P1 and the third point P3, and L 23 is the distance between the second point P2 and the third point P3.)
Therefore, according to the
なお、上記特定の条件は、以下の式(2)により規定される条件を含むとすることが好ましい。
L23≦L13×3/4・・・(2)
このようにすれば、Z方向視で、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分をより小さくすることができるため、流路用溶接痕210に生ずる応力を効果的に低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離を原因とする各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を効果的に抑制することができる。
In addition, it is preferable that the specific condition includes a condition defined by the following expression (2).
L 23 ≦ L 13 × 3/4 (2)
With this configuration, the portion of the
また、流路用溶接痕210に生ずる応力を効果的に低下させるために、L23がL13の1/2以下であることがより好ましく、L23がL13の1/3以下であることがさらに好ましく、L23がL13の1/4以下であることが一層好ましい。
Further, in order to reduce the stress generated in the flow
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、Z方向視で、カバープレート200の形状は、第2の点P2がカバープレート200の外周線OLにおける所定の長さL1の範囲、具体的には、外形凹部Paの底辺BL上にあるときに常に上記特定の条件SCが満たされる形状である。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、カバープレート200の外周線OLにおける上記所定の長さL1の範囲に対応する部分について、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕210に生ずる応力を広範囲において低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離により各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を効果的に抑制することができる。なお、本実施形態では、上記所定の長さL1は、上記範囲内の外周線OLに平行な方向における仮想矩形領域(第2の仮想線VL2により囲まれる領域)の長さの1/4以上である。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、カバープレート200の外周線OLにおける比較的長い範囲に対応する部分について、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕210に生ずる応力をさらに広範囲において低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離による各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生をさらに効果的に抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、Z方向視で、カバープレート200の形状は、カバープレート200の外周線OLに外形凹部Paが存在し、かつ、第2の点P2が外形凹部Paにあるときに上記特定の条件SCが満たされる形状である。カバープレート200の外周線OLにおける外形凹部Paの部分は、流路用溶接痕210に生ずる応力が大きくなりやすい部分であるが、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、そのような部分において、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕210に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離による各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、カバープレート200の下面において、上記特定の条件SCを満たす第2の点P2と第3の点P3との間に、外周溶接痕220が形成されている。カバープレート200の下面において、上記特定の条件SCを満たす第2の点P2と第3の点P3との間に外周溶接痕220が形成されていると、流路用溶接痕210に生ずる応力がさらに大きくなりやすいが、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、そのような構成において、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕210に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離による各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、Z方向視で、流路用溶接痕210は、以下の式(3)により規定される条件を満たすように形成されている。
L13≧L14×1/8・・・(3)
(ただし、L14は、第1の点P1と第4の点P4との間の距離である。)
第1の点P1と第3の点P3との間の距離が比較的長いと、流路用溶接痕210に生ずる応力がさらに大きくなりやすいが、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、そのような構成において、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕210に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離による各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制することができる。
Further, in the
L 13 ≧ L 14 × 1/8 (3)
(However, L 14 is the distance between the first point P1 and the fourth point P4.)
When the distance between the first point P1 and the third point P3 is relatively long, the stress generated in the flow
また、流路用溶接痕210に生ずる応力を効果的に低下させるために、L13がL14の1/4以上であることがより好ましく、L13がL14の1/3以上であることがさらに好ましく、L13がL14の1/2以上であることが一層好ましい。
Further, in order to reduce the stress generated in the flow
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、カバープレート200と下側のエンドプレート106とは熱膨張率が互いに異なる。カバープレート200と下側のエンドプレート106との熱膨張率が互いに異なると、両者の熱膨張差によって流路用溶接痕210に生ずる応力が大きくなりやすいが、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、そのような構成において、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕210に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離による各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制することができる。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、Z方向視で、カバープレート200の外周線OLの内、Z方向に直交する第2の方向(例えばY方向)に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Sy1の位置と、Z方向に直交すると共に上記第2の方向と平行ではない第3の方向(例えばX方向)に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Sx1の位置とが、第4の仮想線VL4の位置と一致している。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、辺部分Sy1の位置および辺部分Sx1の位置で、下側のエンドプレート106に対するカバープレート200の第2の方向に直交する方向および第3の方向に直交する方向の位置決めを行うことができ、カバープレート200の位置の精度の低下を抑制しつつ、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができ、流路用溶接痕210に生ずる応力を低下させることができ、その結果、流路用溶接痕210における剥離による各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制することができる。なお、上記第2の方向と第3の方向とが略直交していると、カバープレート200の位置決めをより精度良く行うことができるため、好ましい。
Further, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、Z方向視で、カバープレート200の外周線OLの内、上記第2の方向(例えばY方向)に平行な辺は、エンドプレート106の外周線より内側に位置する部分である辺部分Sy2と、その内側に位置する辺部分Sy2を挟み、エンドプレート106の外周線の位置と一致している2つの辺部分Sy1とを含む。同様に、本実施形態の燃料電池スタック100では、Z方向視で、カバープレート200の外周線OLの内、上記第3の方向(例えばX方向)に平行な辺は、エンドプレート106の外周線より内側に位置する部分である辺部分Sx2と、その内側に位置する辺部分Sx2を挟み、エンドプレート106の外周線の位置と一致している2つの辺部分Sx1とを含む。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、下側のエンドプレート106に対するカバープレート200の位置の精度の低下をより効果的に抑制しつつ、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができ、流路用溶接痕210に生ずる応力を低下させることができ、その結果、流路用溶接痕210における剥離による各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制することができる。
Further, in the
A−4.性能評価:
実施例および比較例のカバープレート200を用いた燃料電池スタック100を対象として性能評価を行った。実施例のカバープレート200の構成は、図7に示す通りの構成であり、外形凹部Paの幅L1は72(mm)であり、外形凹部Paの深さL2は20.5(mm)であった。また、比較例のカバープレート200の構成は、外形凹部Paが設けられていない点が実施例と異なる。実施例および比較例のカバープレート200を用いた燃料電池スタック100について、図7に示す第3の点P3の位置での流路用溶接痕210に生ずる応力をSIMを用いて計算した。比較例のカバープレート200を用いた燃料電池スタック100では、応力が20〜35(MPa)であったのに対し、実施例のカバープレート200を用いた燃料電池スタック100では、応力が5〜15(MPa)であった。このように、カバープレート200に外形凹部Paを設けることにより流路用溶接痕210に生ずる応力を大幅に低減できることが確認された。
A-4. Performance evaluation:
Performance evaluation was performed on the
また、実施例および比較例のカバープレート200を用いた燃料電池スタック100を実際に作成し、熱処理を実施したところ、比較例のカバープレート200を用いた燃料電池スタック100では、連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れが確認されたが、実施例のカバープレート200を用いた燃料電池スタック100では、連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れは確認されなかった。このように、カバープレート200に外形凹部Paを設けることにより、流路用溶接痕210に生ずる応力を大幅に低減でき、その結果、連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制できることが確認された。
Further, when the
A−5.第1実施形態の第1の変形例:
図9は、第1実施形態の第1の変形例におけるカバープレート200の下面(XY平面)の構成を示す説明図である。図9に示す第1実施形態の第1の変形例の燃料電池スタック100では、カバープレート200において、Z方向視で外形凹部Paを挟む2つの凸部Pbの少なくとも一方に、例えばカバープレート200とエンドプレート106とを接合するためのボルト204が螺合されている。第1実施形態の第1の変形例では、カバープレート200における外形凹部Paを挟む2つの凸部Pbの少なくとも一方にボルト204が螺合されているため、流路用溶接痕210に生ずる応力がさらに大きくなりやすい。しかし、第1実施形態の第1の変形例においても、カバープレート200の構成が上述した第1実施形態と同様の構成であるため、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができ、流路用溶接痕210に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離による連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制することができる。
A-5. First modification of the first embodiment:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the configuration of the lower surface (XY plane) of the
A−6.第1実施形態の第2の変形例:
図10は、第1実施形態の第2の変形例におけるカバープレート200付近のXZ断面構成を示す説明図である。図10には、上述した図8に示す第1実施形態のXZ断面構成に対応する位置における、第1実施形態の第2の変形例のカバープレート200付近のXZ断面構成が示されている。第1実施形態の第2の変形例では、上述した第1実施形態と同様に、カバープレート200の下側(Z軸負方向側)の表面に溶接用凹部230が形成されており、外周溶接痕220および流路用溶接痕210は、溶接用凹部230内に形成されている。ただし、第1実施形態の第2の変形例では、外周溶接痕220および流路用溶接痕210は、溶接用凹部230の側面と接している。このため、第1実施形態の第2の変形例によれば、外周溶接痕220および流路用溶接痕210が溶接用凹部230の側面から離間している構成と比較して、流路用溶接痕210および外周溶接痕220の幅を広げることができ、カバープレート200とエンドプレート106との間の接合性を向上させることができる。
A-6. Second modification of the first embodiment:
FIG. 10 is an explanatory diagram showing an XZ sectional configuration in the vicinity of the
B.第2実施形態:
図11は、第2実施形態の燃料電池スタック100における下側のエンドプレート106の下面(XY平面)の構成を示す説明図であり、図12は、第2実施形態の燃料電池スタック100におけるカバープレート200の下面(XY平面)の構成を示す説明図である。以下では、第2実施形態の燃料電池スタック100の構成の内、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
B. Second embodiment:
FIG. 11 is an explanatory view showing the configuration of the lower surface (XY plane) of the
図11および図12に示すように、第2実施形態では、カバープレート200が、互いに離間して配置された第1のカバープレート200aと第2のカバープレート200bとから構成されている。第1のカバープレート200aは、Z方向視で、エンドプレート106のY軸負方向側の領域を覆うように配置されており、第2のカバープレート200bは、Z方向視で、エンドプレート106のY軸正方向側の領域を覆うように配置されており、Y方向における第1のカバープレート200aと第2のカバープレート200bとの間の領域ではエンドプレート106がカバープレート200に覆われずに露出している。第1のカバープレート200aは、特許請求の範囲における第1の外側平板状部材に相当し、第2のカバープレート200bは、特許請求の範囲における第2の外側平板状部材に相当する。
As shown in FIGS. 11 and 12, in the second embodiment, the
第2実施形態の燃料電池スタック100においても、第1実施形態と同様に、下側のエンドプレート106の下面に、面方向(第2実施形態ではX方向)に延びる4つの流路用凹部(溝部)107が形成されており、各流路用凹部107の位置に、下側のエンドプレート106を上下方向に貫通する流路用貫通孔105が形成されており、各流路用貫通孔105は、対応する各マニホールド161,162,171,172とZ方向視で重なる位置に配置され、Z方向視で重なる各マニホールドと連通している。
Also in the
また、第1のカバープレート200aには、第1のカバープレート200aを上下方向に貫通する2つのガス孔202が形成されており、各ガス孔202は、Z方向視で、対応する流路用凹部107と重なり、かつ、各マニホールド161,162,171,172と重ならない位置に配置されている。第1のカバープレート200aが下側のエンドプレート106の下面上に配置された状態では、各流路用凹部107におけるガス孔202と重ならない部分は、第1のカバープレート200aにより塞がれる。そのため、第1のカバープレート200aと下側のエンドプレート106とで構成される構造体の内部に、各流路用凹部107により構成される連通ガス流路(酸化剤ガス排出連通流路164および燃料ガス導入連通流路173)が確保される。本実施形態では、酸化剤ガス排出連通流路164および燃料ガス導入連通流路173は、Z方向視で、下側のエンドプレート106をY方向に3つの領域に略等分に分割したときの一方の端の領域(図12に示す例では最も上側の領域)に重なるように配置されている。酸化剤ガス排出連通流路164と燃料ガス導入連通流路173との少なくとも一方は、特許請求の範囲における第1の連通ガス流路に相当する。
Further, the
同様に、第2のカバープレート200bには、第2のカバープレート200bを上下方向に貫通する2つのガス孔202が形成されており、各ガス孔202は、Z方向視で、対応する流路用凹部107と重なり、かつ、各マニホールド161,162,171,172と重ならない位置に配置されている。第2のカバープレート200bが下側のエンドプレート106の下面上に配置された状態では、各流路用凹部107におけるガス孔202と重ならない部分は、第2のカバープレート200bにより塞がれる。そのため、第2のカバープレート200bと下側のエンドプレート106とで構成される構造体の内部に、各流路用凹部107により構成される連通ガス流路(酸化剤ガス導入連通流路163および燃料ガス排出連通流路174)が確保される。本実施形態では、酸化剤ガス導入連通流路163および燃料ガス排出連通流路174は、Z方向視で、下側のエンドプレート106をY方向に3つの領域に略等分に分割したときの他方の端の領域(図12に示す例では最も下側の領域)に重なるように配置されている。酸化剤ガス導入連通流路163と燃料ガス排出連通流路174との少なくとも一方は、特許請求の範囲における第2の連通ガス流路に相当する。
Similarly, the
第1のカバープレート200aの下面には、Z方向視で第1のカバープレート200aの外周線OL付近に沿って、外周溶接痕220が形成されていると共に、Z方向視で各流路用凹部107を取り囲む第1の仮想線VL1に沿って、流路用溶接痕210が形成されている。これにより、各流路用凹部107により形成される上記連通ガス流路(酸化剤ガス排出連通流路164および燃料ガス導入連通流路173)のシール性が高められる。
An outer
同様に、第2のカバープレート200bの下面には、Z方向視で第2のカバープレート200bの外周線OL付近に沿って、外周溶接痕220が形成されていると共に、Z方向視で各流路用凹部107を取り囲む第1の仮想線VL1に沿って、流路用溶接痕210が形成されている。これにより、各流路用凹部107により形成される上記連通ガス流路(酸化剤ガス導入連通流路163および燃料ガス排出連通流路174)のシール性が高められる。
Similarly, on the lower surface of the
なお、第2実施形態の燃料電池スタック100においても、第1実施形態と同様に、第1のカバープレート200aおよび第2のカバープレート200bのそれぞれについて、Z方向視で、カバープレート200の外周線OLの内、Z方向に直交する第2の方向(例えばY方向)に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Sy1の位置と、Z方向に直交すると共に上記第2の方向と平行ではない第3の方向(例えばX方向)に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Sx1の位置とが、下側のエンドプレート106を包含する最小の仮想矩形領域の外周線(第4の仮想線VL4)の位置と一致している。
Note that, also in the
また、第2実施形態の燃料電池スタック100においても、第1実施形態と同様に、第1のカバープレート200aおよび第2のカバープレート200bのそれぞれについて、Z方向視で、カバープレート200の外周線OLの内、上記第3の方向(例えばX方向)に平行な辺は、エンドプレート106の外周線より内側に位置する部分である辺部分Sx2と、該辺部分Sx2を挟みエンドプレート106の外周線の位置と一致している2つの辺部分Sx1とを含んでいる。
Further, also in the
以上説明したように、第2実施形態の燃料電池スタック100は、上述した第1実施形態の燃料電池スタック100が奏する作用・効果に加え、以下の作用・効果を奏する。第2実施形態の燃料電池スタック100では、カバープレート200が、互いに離間して配置された第1のカバープレート200aおよび第2のカバープレート200bを含んでいる。また、カバープレート200(第1のカバープレート200aおよび第2のカバープレート200b)と下側のエンドプレート106とにより構成される構造体の内部に、第1のカバープレート200aに形成されたガス孔202とマニホールド(酸化剤ガス排出マニホールド162および燃料ガス導入マニホールド171)とを連通する連通ガス流路(酸化剤ガス排出連通流路164および燃料ガス導入連通流路173)と、第2のカバープレート200bに形成されたガス孔202と他のマニホールド(酸化剤ガス導入マニホールド161および燃料ガス排出マニホールド172)とを連通する連通ガス流路(酸化剤ガス導入連通流路163および燃料ガス排出連通流路174)とが形成されている。また、第1のカバープレート200aと第2のカバープレート200bとのそれぞれの下面に、流路用溶接痕210が形成されている。そのため、第2実施形態の燃料電池スタック100によれば、Z方向視で、第1のカバープレート200aおよび第2のカバープレート200bのそれぞれにおける流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕210に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離による各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制することができる。
As described above, the
また、第2実施形態の燃料電池スタック100では、連通ガス流路の一部(酸化剤ガス排出連通流路164および燃料ガス導入連通流路173)は、Z方向視で下側のエンドプレート106を所定の方向(図12に示す例ではY方向)に3つの領域に略等分に分割したときのY軸負方向側の端の領域に重なるように配置され、連通ガス流路の他の一部(酸化剤ガス導入連通流路163および燃料ガス排出連通流路174)は、Z方向視で下側のエンドプレート106を上記3つの領域に略等分に分割したときのY軸正方向側の端の領域に重なるように配置されている。連通ガス流路の一部が上記3つの領域の内の一方の端の領域に重なるように配置され、連通ガス流路の他の一部が上記3つの領域の内の他方の端の領域に重なるように配置されている場合に、燃料電池スタック100が備えるカバープレート200の数が1つのみであると、カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分が大きくなりやすいが、第2実施形態の燃料電池スタック100によれば、燃料電池スタック100が互いに離間して配置された第1のカバープレート200aと第2のカバープレート200bとを備えるため、各カバープレート200における流路用溶接痕210より外側の部分を小さくすることができ、流路用溶接痕210に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕210における剥離による各連通ガス流路163,164,173,174からのガス漏れの発生を抑制することができる。
Further, in the
C.その他の変形例:
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。
C. Other variants:
The technique disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof, for example, the following modifications are also possible.
上記実施形態における燃料電池スタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、エンドプレート106に流路用凹部107が形成されることによって各連通ガス流路163,164,173,174が形成されるとしているが、エンドプレート106に代えて、あるいは、エンドプレート106に加えて、カバープレート200に同様の流路用凹部が形成されることによって各連通ガス流路163,164,173,174が形成されるとしてもよい。
The configuration of the
また、上記実施形態では、エンドプレート106およびカバープレート200という2枚の平板状部材により構成される構造体の内部に各連通ガス流路163,164,173,174が形成されるとしているが、3枚以上の平板状部材により構成される構造体の内部に各連通ガス流路163,164,173,174が形成されるとしてもよい。例えば、上記実施形態において、エンドプレート106が複数の平板状部材により構成され、エンドプレート106を構成する複数の平板状部材とカバープレート200とにより構成される構造体の内部に各連通ガス流路163,164,173,174が形成されるとしてもよい。この場合においては、エンドプレート106を構成する複数の平板状部材の内の1枚または複数枚に上下方向の貫通孔が形成され、該貫通孔における発電ブロック103に対向する側がエンドプレート106を構成する他の平板状部材により塞がれることにより、該貫通孔が各連通ガス流路163,164,173,174として機能するとしてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the communication
また、各連通ガス流路163,164,173,174の少なくとも一部は、燃料電池スタック100の上側に形成されるとしてもよい。例えば、上側のエンドプレート104の上側表面にカバープレートが配置され、上側のエンドプレート104と該カバープレートとにより構成される構造体の内部に連通ガス流路が形成されるとしてもよい。また、燃料電池スタック100に各連通ガス流路163,164,173,174のすべてが形成される必要は無く、少なくとも1つの連通ガス流路が形成されればよい。
Further, at least a part of each of the communication
また、上記実施形態では、流路用連通孔109が締結用連通孔108とは別に設けられているが、燃料電池スタック100に設けられた締結用連通孔108の内の少なくとも1つが流路用連通孔109としても機能するとしてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the flow
また、上記実施形態では、流路用溶接痕210や外周溶接痕220の全体が溶接用凹部230に形成されているとしているが、流路用溶接痕210や外周溶接痕220の一部のみが溶接用凹部230に形成されているとしてもよい。また、上記第1実施形態では、溶接用凹部230に形成された流路用溶接痕210や外周溶接痕220の全体が溶接用凹部230の側面から離間しているとしているが、流路用溶接痕210や外周溶接痕220の一部のみが溶接用凹部230の側面から離間しているとしてもよい。ただし、流路用溶接痕210や外周溶接痕220の全体が溶接用凹部230の側面から離間していると、両者の間の金属拡散を良好に抑制して耐久性の低下を効果的に抑制することができるため好ましい。
Further, in the above embodiment, the entire flow
同様に、上記第1実施形態の第1の変形例では、溶接用凹部230に形成された流路用溶接痕210や外周溶接痕220の全体が溶接用凹部230の側面と接しているとしているが、流路用溶接痕210や外周溶接痕220の一部のみが溶接用凹部230の側面と接しているとしてもよい。ただし、流路用溶接痕210や外周溶接痕220の全体が溶接用凹部230の側面と接していると、流路用溶接痕210および外周溶接痕220の全体にわたって幅を広げることができ、カバープレート200とエンドプレート106との間の接合性を良好に向上させることができるため好ましい。
Similarly, in the first modification of the first embodiment, the entire flow
なお、流路用溶接痕210や外周溶接痕220の一部が溶接用凹部230の側面から離間しており、流路用溶接痕210や外周溶接痕220の残りの一部が溶接用凹部230の側面と接していると、耐久性の低下を抑制しつつ、カバープレート200とエンドプレート106との間の接合性を向上させることができる。
It should be noted that some of the flow path welding traces 210 and the outer peripheral welding traces 220 are separated from the side surfaces of the welding recesses 230, and the rest of the flow channel welding traces 210 and the peripheral welding marks 220 are the welding recesses 230. If it is in contact with the side surface of the
また、上記実施形態において、流路用溶接痕210や外周溶接痕220の少なくとも一方が形成されていなくてもよい。また、上記実施形態において、カバープレート200に溶接用凹部230が形成されていなくてもよい。
Further, in the above embodiment, at least one of the flow
また、上記実施形態において、第1〜第4の仮想線VL1〜VL4および第1〜第4の点P1〜P4を用いて説明したカバープレート200等の形状は、必須ではなく、種々変形可能である。
Further, in the above embodiment, the shape of the
また、上記第1実施形態では、Z方向視で、カバープレート200の外周線OLの内、第2の方向(例えばY方向)に平行な辺および第3の方向(例えばX方向)に平行な辺が、共に、エンドプレート106の外周線より内側に位置する部分(辺部分Sy2およびSx2)と、該辺部分を挟みエンドプレート106の外周線の位置と一致している2つの部分(辺部分Sy1およびSx1)とを含んでいるとしているが、第2の方向に平行な辺と第3の方向に平行な辺との一方のみがこのような構成であるとしてもよい。このような場合であっても、該方向に直交する方向についてのカバープレート200の位置決めを行うことができる。
Further, in the first embodiment, when viewed in the Z direction, the side parallel to the second direction (for example, the Y direction) and the third direction (for example, the X direction) of the outer peripheral line OL of the
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102(単セル110)の個数は、あくまで一例であり、発電単位102(単セル110)の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態において、一の発電単位102と他の発電単位102との間に、発電機能を有さず導電性を有する層(例えば、面方向のガス流路を確保するための層)が介在していてもよい。この場合であっても、最上段の発電単位102から最下段の発電単位102までの範囲の構造体(すなわち、上記発電機能を有さず導電性を有する層も含む)が発電ブロック103である。
Further, in the above embodiment, the number of power generation units 102 (single cells 110) included in the
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、カバープレート200とエンドプレート106とが同一の材料で形成されるとしてもよい。
Further, the material forming each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be formed of other materials. For example, the
本明細書において、部材(または部材のある部分、以下同様)Aを挟んで部材Bと部材Cとが互いに対向するとは、部材Aと部材Bまたは部材Cとが隣接する形態に限定されず、部材Aと部材Bまたは部材Cとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層112と空気極114との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、空気極114と燃料極116とは電解質層112を挟んで互いに対向すると言える。
In the present specification, the fact that the member B and the member C face each other with the member (or a portion having the member, the same applies hereinafter) sandwiched therebetween is not limited to the form in which the member A and the member B or the member C are adjacent to each other It includes a form in which another component is interposed between the member A and the member B or the member C. For example, another layer may be provided between the
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2014−207120号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、流路用連通孔109を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、流路用連通孔109を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成とすれば、上記実施形態と同様の作用・効果を奏する。
Further, in the above-described embodiment, the SOFC that generates electric power by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted, but the present invention is directed to the electrolysis reaction of water. It is similarly applicable to an electrolysis single cell which is a constituent unit of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) that produces hydrogen by utilizing hydrogen, or an electrolysis cell stack including a plurality of electrolysis single cells. The configuration of the electrolysis cell stack is publicly known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-207120, and therefore will not be described in detail here. It is a composition. That is, the
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解単セル)にも適用可能である。 Further, although the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example in the above embodiment, the present invention can be applied to other types of fuel cells (or electrolytic single cells) such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). Is also applicable.
10:断熱容器 20:支柱 22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 40:補助器 60:配管 70:配管 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 103:発電ブロック 104:エンドプレート 105:流路用貫通孔 106:エンドプレート 107:流路用凹部 108:締結用連通孔 109:流路用連通孔 110:燃料電池単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 163:酸化剤ガス導入連通流路 164:酸化剤ガス排出連通流路 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 173:燃料ガス導入連通流路 174:燃料ガス排出連通流路 176:燃料室 200:カバープレート 202:ガス孔 204:ボルト 210:流路用溶接痕 220:外周溶接痕 230:溶接用凹部 10: Heat insulation container 20: Support 22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 40: Auxiliary device 60: Piping 70: Piping 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell power generation unit 103: Power generation block 104: End plate 105: Flow path Through hole 106: End plate 107: Flow channel recess 108: Fastening communication hole 109: Flow channel communication hole 110: Fuel cell single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidizing gas supply communication hole 133: Oxidizing gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143 : Fuel gas exhaust communication hole 144: Fuel electrode side current collector 150: Interconnect 161: Oxidizing gas introduction manifold 162: Oxidizing gas discharge manifold 163: Oxidizing gas introduction communication flow path 164: Oxidizing gas discharge communication flow path 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 173: Fuel gas introduction communication flow path 174: Fuel gas discharge communication flow path 176: Fuel chamber 200: Cover plate 202: Gas hole 204: Bolt 210: Flow path welding mark 220: Perimeter welding mark 230: Welding recess
Claims (18)
前記電気化学反応ブロックに対して前記第1の方向の一方側の位置に、前記第1の方向に並べて配置された複数の平板状部材と、
を備え、前記電気化学反応ブロックにわたって延びる共用ガス流路が形成された電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の平板状部材の内の前記第1の方向の前記一方側の端に位置する前記平板状部材である外側平板状部材における前記一方側の表面である外側表面には、前記第1の方向視で前記共用ガス流路と重ならない位置にガス孔が形成されており、
前記複数の平板状部材により構成される構造体の内部に、前記ガス孔と前記共用ガス流路とを連通する連通ガス流路が形成されており、
前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材を除く前記平板状部材により構成される構造体の前記第1の方向の前記一方側に、前記連通ガス流路を構成する第1の凹部が形成されており、
前記外側平板状部材の前記ガス孔は、前記第1の方向視で前記第1の凹部と重なる位置に配置されており、
前記第1の凹部における前記ガス孔と重ならない部分は、前記外側平板状部材により塞がれていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 An electrochemical reaction block in which a plurality of electrochemical reaction single cells each including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween are arranged side by side in the first direction,
A plurality of flat plate-shaped members arranged side by side in the first direction at a position on one side in the first direction with respect to the electrochemical reaction block;
And an electrochemical reaction cell stack in which a shared gas channel extending over the electrochemical reaction block is formed,
The outer surface that is the one side surface of the outer flat plate member that is the flat plate member that is located at the end on the one side in the first direction of the plurality of flat plate members has the first Gas holes are formed in a position that does not overlap with the shared gas flow path when viewed in a direction,
Inside the structure constituted by the plurality of flat plate-shaped members, a communication gas flow path that connects the gas hole and the shared gas flow path is formed ,
A first concave portion forming the communication gas flow path on the one side in the first direction of the structure constituted by the flat plate-shaped member excluding the outer flat plate-shaped member among the plurality of flat plate-shaped members. Is formed,
The gas hole of the outer flat plate-shaped member is arranged at a position overlapping with the first recess in the first direction,
An electrochemical reaction cell stack , wherein a portion of the first recess that does not overlap with the gas hole is closed by the outer flat plate member .
前記外側平板状部材の前記外側表面には、前記第1の方向視で前記連通ガス流路を取り囲む第1の仮想線に沿って第1の溶接痕が形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 1 , wherein
A first welding mark is formed on the outer surface of the outer flat plate member along a first imaginary line surrounding the communication gas flow path in the first direction. Electrochemical reaction cell stack.
前記外側平板状部材の前記外側表面には、第2の凹部が形成されており、
前記第1の溶接痕の少なくとも一部は、前記第2の凹部に形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 2 ,
A second recess is formed on the outer surface of the outer plate member,
An electrochemical reaction cell stack, wherein at least a part of the first welding mark is formed in the second recess.
前記第2の凹部に形成された前記第1の溶接痕の少なくとも一部は、前記第2の凹部の側面から離間していることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 3 ,
An electrochemical reaction cell stack, wherein at least a part of the first welding mark formed in the second recess is separated from a side surface of the second recess.
前記第2の凹部に形成された前記第1の溶接痕の少なくとも一部は、前記第2の凹部の側面と接していることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 3 ,
At least a part of the first welding mark formed in the second recess is in contact with a side surface of the second recess, and the electrochemical reaction cell stack is characterized.
前記第1の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、
前記外側平板状部材を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第2の仮想線と、前記第1の仮想線の一部に直交する仮想直線である第3の仮想線との一方の交点を第1の点とし、
前記第3の仮想線と前記外側平板状部材の外周線との交点の内の前記第1の点に最も近い点を第2の点とし、
前記第3の仮想線と前記第1の仮想線との交点の内の前記第1の点に最も近い点を第3の点とした場合に、
以下の式(1)により規定される条件を含む特定の条件を満たす前記第2の点が存在する形状であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
L23<L13・・・(1)
(ただし、L13は、前記第1の点と前記第3の点との間の距離であり、L23は、前記第2の点と第3の点との間の距離である。) In the electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 2 to 5 ,
When viewed from the first direction, the shape of the outer flat plate-shaped member is
One of a second virtual line which is a peripheral line of a minimum virtual rectangular area including the outer flat plate-shaped member and a third virtual line which is a virtual straight line orthogonal to a part of the first virtual line. The intersection is the first point,
The point closest to the first point among the intersections of the third virtual line and the outer peripheral line of the outer flat plate-shaped member is the second point,
When the point closest to the first point among the intersections of the third virtual line and the first virtual line is the third point,
An electrochemical reaction cell stack having a shape in which the second point satisfying a specific condition including a condition defined by the following formula (1) is present.
L 23 <L 13 (1)
(However, L 13 is the distance between the first point and the third point, and L 23 is the distance between the second point and the third point.)
前記特定の条件は、以下の式(2)により規定される条件を含むことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
L23≦L13×3/4・・・(2) The electrochemical reaction cell stack according to claim 6 ,
The electrochemical reaction cell stack, wherein the specific condition includes a condition defined by the following formula (2).
L 23 ≦ L 13 × 3/4 (2)
前記第1の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、前記第2の点が前記外側平板状部材の前記外周線における所定の長さの範囲にあるときに常に前記特定の条件が満たされる形状であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 6 or 7 , wherein
When viewed from the first direction, the shape of the outer flat plate-shaped member satisfies the specific condition whenever the second point is within a range of a predetermined length on the outer peripheral line of the outer flat plate-shaped member. An electrochemical reaction cell stack, which is characterized in that
前記所定の長さは、前記範囲内の前記外周線に平行な方向における前記仮想矩形領域の長さの1/4以上であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 8 ,
The electrochemical reaction cell stack, wherein the predetermined length is 1/4 or more of a length of the virtual rectangular region in a direction parallel to the outer peripheral line within the range.
前記第1の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、前記外側平板状部材の前記外周線に第3の凹部が存在し、かつ、前記第2の点が前記第3の凹部にあるときに前記特定の条件が満たされる形状であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 6 to 9 ,
When viewed from the first direction, the outer flat plate member has a shape in which a third recess is present in the outer peripheral line of the outer flat plate member, and the second point is in the third recess. An electrochemical reaction cell stack, which is characterized in that the specific conditions are sometimes satisfied.
前記第1の方向視で、前記外側平板状部材において、前記第3の凹部を挟む2つの凸部の少なくとも一方に螺合されたボルトを備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 10 , further comprising:
An electrochemical reaction cell stack comprising a bolt screwed to at least one of two convex portions sandwiching the third concave portion in the outer flat plate-shaped member in the first direction.
前記外側平板状部材の前記外側表面において、前記特定の条件を満たす前記第2の点と前記第3の点との間に第2の溶接痕が形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 6 to 11 ,
On the outer surface of the outer plate member, a second welding mark is formed between the second point and the third point satisfying the specific condition, and an electrochemical characteristic is provided. Reaction cell stack.
前記第1の方向視で、前記第1の溶接痕は、前記第2の仮想線と前記第3の仮想線との他方の交点を第4の点とした場合に、以下の式(3)により規定される条件を満たすように形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
L13≧L14×1/8・・・(3)
(ただし、L14は、前記第1の点と前記第4の点との間の距離である。) The electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 6 to 12 ,
In the first direction, the first welding mark has the following expression (3) when the other intersection point of the second virtual line and the third virtual line is a fourth point. An electrochemical reaction cell stack, characterized in that it is formed so as to satisfy the conditions defined by.
L 13 ≧ L 14 × 1/8 (3)
(However, L 14 is the distance between the first point and the fourth point.)
前記外側平板状部材と、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材とは、熱膨張率が互いに異なることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 6 to 13 ,
The outer flat plate-shaped member and an adjacent flat plate-shaped member that is the flat plate-shaped member that is adjacent to the outer flat plate-shaped member among the plurality of flat plate-shaped members have different thermal expansion coefficients from each other. Chemical reaction cell stack.
前記第1の方向視で、前記外側平板状部材の外周線の内、前記第1の方向に直交する第2の方向に平行な辺の少なくとも一部分と、前記第1の方向に直交すると共に前記第2の方向と平行ではない第3の方向に平行な辺の少なくとも一部分との位置が、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第4の仮想線の位置と一致していることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 6 to 14 ,
In the first direction, at least a part of a side of the outer flat plate-shaped member that is parallel to a second direction that is orthogonal to the first direction, and is orthogonal to the first direction, and An adjacent flat plate shape in which the position of at least a part of a side parallel to the third direction that is not parallel to the second direction is the flat plate member adjacent to the outer flat plate member of the plurality of flat plate members. An electrochemical reaction cell stack characterized by being coincident with a position of a fourth virtual line which is a peripheral line of a minimum virtual rectangular area including a member.
前記第1の方向視で、前記外側平板状部材の前記外周線の内、前記第2の方向に平行な前記辺と前記第3の方向に平行な前記辺との少なくとも一方は、前記隣接平板状部材の外周線より内側に位置する部分と、前記内側に位置する部分を挟み、前記隣接平板状部材の外周線の位置と一致している2つの部分と、を含むことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 15 , wherein
In the first direction, at least one of the side parallel to the second direction and the side parallel to the third direction of the outer peripheral line of the outer flat plate-shaped member is the adjacent flat plate. A portion located inside the outer peripheral line of the plate-shaped member and two portions sandwiching the portion located inside the outermost line and matching the position of the outer peripheral line of the adjacent flat plate-shaped member are included. Electrochemical reaction cell stack.
前記外側平板状部材は、互いに離間して配置された第1の前記外側平板状部材および第2の前記外側平板状部材を含み、
前記複数の平板状部材により構成される前記構造体の内部に、前記第1の外側平板状部材に形成された前記ガス孔と一の前記共用ガス流路とを連通する第1の前記連通ガス流路と、前記第2の外側平板状部材に形成された前記ガス孔と他の前記共用ガス流路とを連通する第2の前記連通ガス流路とが形成されており、
前記第1の外側平板状部材と前記第2の外側平板状部材とのそれぞれの前記外側表面に、前記第1の溶接痕が形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 In the electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 2 to 5 ,
The outer flat plate-shaped member includes a first outer flat plate-shaped member and a second outer flat plate-shaped member that are arranged apart from each other,
Inside the structure constituted by the plurality of flat plate-shaped members, the first communication gas that connects the gas holes formed in the first outer flat plate-shaped member and one of the common gas flow paths. A flow path, and a second communication gas flow path that connects the gas hole formed in the second outer flat plate member and the other common gas flow path,
An electrochemical reaction cell stack, wherein the first welding mark is formed on each of the outer surfaces of the first outer flat plate member and the second outer flat plate member.
前記第1の連通ガス流路と前記第2の連通ガス流路との一方は、前記第1の方向視で、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材を所定の方向に3つの領域に分割したときの一方の端の領域に重なるように配置されており、
前記第1の連通ガス流路と前記第2の連通ガス流路との他方は、前記第1の方向視で、前記隣接平板状部材を前記所定の方向に3つの領域に分割したときの他方の端の領域に重なるように配置されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 17 , wherein
One of the first communication gas channel and the second communication gas channel is the flat plate shape adjacent to the outer flat plate member of the plurality of flat plate members in the first direction. When the adjacent flat plate-shaped member, which is a member, is divided into three regions in a predetermined direction, they are arranged so as to overlap with one end region,
The other of the first communication gas flow path and the second communication gas flow path is the other when the adjacent flat plate-shaped member is divided into three regions in the predetermined direction in the first direction view. An electrochemical reaction cell stack, wherein the electrochemical reaction cell stack is arranged so as to overlap with an area at an end of the cell.
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