JP6760866B2 - 電気化学反応セルスタック - 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は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、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4以降についても同様である。
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。図2および図3に示すように、下側のエンドプレート106には、4つの流路用貫通孔107が形成されている。4つの流路用貫通孔107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に連通している。なお、下側のエンドプレート106は、特許請求の範囲における平板状部材に相当する。
図2および図3に示すように、燃料電池スタック100は、さらに、下側のエンドプレート106に対して複数の発電単位102とは反対側(すなわち、下側)に配置された4つの流路接続部材27を備える。4つの流路接続部材27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と上下方向に重なる位置に配置されている。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。図4および図5に示すように、各発電単位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。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、上述した各マニホールド161,162,171,172を構成する連通孔108に対応する孔が形成されている。
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられた流路接続部材27の管状部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、管状部29により構成されたガス流路26、フランジ部28の流路用貫通孔202、および、エンドプレート106の流路用貫通孔107を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられた流路接続部材27の管状部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、管状部29により構成されたガス流路26、フランジ部28の流路用貫通孔202、および、エンドプレート106の流路用貫通孔107を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
次に、本実施形態の燃料電池スタック100における流路接続部材27周辺の詳細構成について説明する。図6は、流路接続部材27の外観構成を示す斜視図であり、図7は、流路接続部材27のフランジ部28等のXY断面構成(図2のVII−VIIの位置の断面構成)を示す説明図であり、図8は、シール部材220および後述する弾性部材230等のXY断面構成(図2のVIII−VIIIの位置の断面構成)を示す説明図である。図7および図8には、各部の位置関係を明確にするために、該断面には表れない各部の位置を破線で示している。
θ≦10° ・・・(1)
かつ
0.9×L1≦L2≦1.1×L1 ・・・(2)
という関係を満たすことが好ましい。すなわち、第1の直線SL1と第2の直線SL2とが略平行であり、かつ、第1の距離L1と第2の距離L2とが略同一であることが好ましい。弾性部材230等を上記関係式(1)および(2)を満たすように構成すれば、弾性部材230によってエンドプレート106に対する流路接続部材27のフランジ部28の傾きを効果的に抑制することができ、その結果、シール部材220の位置からガスリークが発生することを効果的に抑制することができる。なお、図7および図8に示す例では、特定角θ=0°であり(すなわち、第1の直線SL1と第2の直線SL2とは平行であり)、かつ、第1の距離L1と第2の距離L2とは互いに等しい。
0.25×S1≦S2≦S1 ・・・(3)
という関係を満たすことが好ましい。すなわち、弾性部材230の面積S2は、シール部材220の面積S1の1/4以上であり、かつ、シール部材220の面積S1以下であることが好ましい。弾性部材230の面積S2が過大であると、弾性部材230に作用する圧縮力が大きくなる分、シール部材220に作用する圧縮力が低下し、シール部材220のシール機能が低下する。また、弾性部材230の面積S2が過小であると、弾性部材230によってエンドプレート106に対する流路接続部材27のフランジ部28の傾きを効果的に抑制することができない。弾性部材230等を上記関係式(3)を満たすように構成すれば、弾性部材230の面積S2が過大となってシール部材220のシール機能が低下することを抑制しつつ、弾性部材230の面積S2をある程度以上確保してエンドプレート106に対する流路接続部材27のフランジ部28の傾きを抑制することができる。
<条件1>
・θ=0°
・L1=L2
・S2=0.25×S1
図12は、第2実施形態におけるシール部材220および弾性部材230等のXY断面構成を示す説明図である。以下では、第2実施形態の構成の内、上述した第1実施形態(図8等参照)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。
<条件2>
・θ=10°
・L2=1.1×L1
・S2=0.5×S1
<条件3>
・θ=10°
・L2=0.9×L1
・S2=0.5×S1
図14は、第3実施形態におけるシール部材220および弾性部材230等のXY断面構成を示す説明図である。以下では、第3実施形態の構成の内、上述した第1実施形態(図8等参照)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。
図15は、第4実施形態におけるシール部材220および弾性部材230等のXY断面構成を示す説明図である。以下では、第4実施形態の構成の内、上述した第1実施形態(図8等参照)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。
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 (7)
- 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み、前記第1の方向に並べられた複数の電気化学反応単セルと、
前記複数の電気化学反応単セルに対して前記第1の方向の一方側に配置され、流路用貫通孔が形成された平板状部材と、
を備え、
各前記電気化学反応単セルの前記空気極に面する空気室、または、前記燃料極に面する燃料室に連通すると共に前記平板状部材の前記流路用貫通孔に連通する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、さらに、
前記平板状部材に対して前記第1の方向の前記一方側に配置された流路接続部材であって、
前記平板状部材に略平行な平板状であり、2つの第1の貫通孔と、前記平板状部材の前記流路用貫通孔に対向する1つの第2の貫通孔と、が形成され、前記第1の方向視で、前記第2の貫通孔の中心点が、前記2つの第1の貫通孔の中心点間を結ぶ特定線分に平行な方向において前記2つの第1の貫通孔の中心点間の領域であり、かつ、前記特定線分の中点である特定中点とは異なる位置に位置するフランジ部と、
前記フランジ部から延びる管状であり、前記フランジ部の前記第2の貫通孔に連通するガス流路を構成する管状部と、
を含む流路接続部材と、
前記フランジ部の各前記第1の貫通孔に挿入され、前記流路接続部材を前記平板状部材に締結する締結部材と、
前記フランジ部と前記平板状部材との間に配置され、前記第1の方向視で前記第2の貫通孔を取り囲むシール部材と、
前記フランジ部と前記平板状部材との間に配置され、前記平板状部材および前記流路接続部材より小さい弾性率を有し、前記第1の方向視で、前記特定線分に平行な方向において前記2つの第1の貫通孔の中心点間の領域であり、かつ、前記特定線分と前記特定線分の垂直二等分線との少なくとも一方に対して前記第2の貫通孔の中心点とは反対側の領域に位置する弾性部材と、
を備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項1に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第2の貫通孔の中心点は、前記特定線分にも前記特定線分の垂直二等分線にも重ならない位置に位置し、
前記弾性部材は、前記第1の方向視で、前記特定線分と前記特定線分の垂直二等分線との両方に対して前記第2の貫通孔の中心点とは反対側の領域に位置することを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項2に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記弾性部材は、前記第1の方向視で、前記特定中点と、前記シール部材の内周線上における前記特定中点から最も離れた点である第1の端点と、を結ぶ第1の直線と重なり、かつ、前記第1の直線に直交する方向における大きさが、前記第1の直線に平行な方向における大きさより大きい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。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の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、
前記シール部材の内周線上における前記特定中点から最も離れた点を第1の端点とし、
前記弾性部材の外周線上における前記特定中点から最も離れた点を第2の端点とし、
前記第1の端点と前記特定中点とを結ぶ第1の直線と、前記第2の端点と前記特定中点とを結ぶ第2の直線と、のなす角を特定角θとし、
前記特定中点と前記第1の端点との間の距離を第1の距離L1とし、前記特定中点と前記第2の端点との間の距離を第2の距離L2としたとき、
θ≦10°
かつ
0.9×L1≦L2≦1.1×L1
という関係を満たすことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の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、
前記シール部材の面積をS1とし、
前記弾性部材の面積をS2としたとき、
0.25×S1≦S2≦S1
という関係を満たすことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電解質層は、固体酸化物を含むことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の電気化学反応スタックにおいて、
前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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