JP6777473B2 - 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Description
A−1.装置構成:
(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。また、図6は、図4および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。なお、図7には、後述する燃料極側集電体144の一部の構成が拡大して示されている。
図2、図4および図6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、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、図5および図7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)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFG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。
図8は、燃料極側集電体144の詳細構成を示すXZ断面図である。図8には、図4のX1部の拡大図であり、図10のVIII−VIIIの位置の断面図が示されている。また、図9は、燃料極側集電体144の詳細構成を示すYZ断面図である。図9には、図5のX2部の拡大図であり、図10のIX−IXの位置の断面図が示されている。また、図10は、燃料極側集電体144の詳細構成を示すXY断面図である。図10には、図7のX3部の拡大図であり、図8および図9のX−Xの位置の断面図が示されている。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各発電単位102では、燃料極側集電体144は、燃料極116に対向する第1の表面S1をそれぞれ含む複数の第1の部分P1(電極対向部145)と、インターコネクタ150に対向する第2の表面S2をそれぞれ含み、Z方向視で、対応する第1の部分P1と重なる位置に配置された第2の部分P2(インターコネクタ対向部146の一部分)と、複数の第1の部分P1のそれぞれの端部と、対応する複数の第2の部分P2のそれぞれの端部と、を接続し、Z軸方向における長さがL1である複数の第3の部分P3(連接部147)と、Z方向における位置が第2の部分P2と略同一であり、X方向において第1の部分P1と第2の部分P2との複数の組合せのそれぞれに隣接する複数の貫通孔148が形成された第4の部分P4(インターコネクタ対向部146の他の一部分)とを備える。また、各第1の部分P1は、貫通孔148に隣接する側の縁からX方向における距離がL2である位置におけるY方向の幅W1が、該第1の部分P1に隣接する貫通孔148の該第1の部分P1に隣接する側の縁からX方向における距離が(L1+L2)である位置におけるY方向の幅Woより小さい箇所を有する。そのため、本実施形態の発電単位102では、第1の部分P1がそのような箇所を有さない構成と比較して、各第1の部分P1の第1の表面S1の面積を小さくすることができ、単位面積あたりの接圧を高くすることができる。その結果、燃料極側集電体144の各第2の部分P2とインターコネクタ150とが良好に拡散接合され、各第2の部分P2に対向するインターコネクタ150の表面に耐酸化性の被膜(例えば、Cr2O3等のクロム酸化物の被膜)が生成されることを抑制することができる。耐酸化性の被膜は、インターコネクタ150の表面に形成されることによってインターコネクタ150の酸化の進行を防ぐものであるが、一般に高い電気抵抗を有するため、各第2の部分P2に対向するインターコネクタ150の表面に耐酸化性の被膜が生成されると、燃料極側集電体144とインターコネクタ150との間の導通面積が小さくなり、電流集中による局所的な温度上昇が引き起こされ、電極構造が変化して発電単位102の発電性能が低下するおそれがある。本実施形態の発電単位102では、各第2の部分P2に対向するインターコネクタ150の表面に高抵抗な耐酸化性の被膜が生成されることを抑制することができるため、そのような発電単位102の発電性能の低下を抑制することができる。
図12は、第2実施形態における燃料極側集電体144aの詳細構成を示すXY断面図である。図12には、図10と同様に、図7のX3部の拡大図が示されている。以下では、第2実施形態の燃料電池スタック100を構成する各発電単位102に含まれる燃料極側集電体144aの構成の内、上述した第1実施形態における燃料極側集電体144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 (5)
- 電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、
前記電気化学反応単セルの前記燃料極側に配置された金属製のインターコネクタと、
前記燃料極と前記インターコネクタとの間に配置され、前記燃料極と前記インターコネクタとに電気的に接続された金属製の集電体と、
前記インターコネクタの前記電気化学反応単セル側に配置され、前記燃料極に面する燃料室を構成する貫通孔が形成されたフレーム状部材と、
を備える電気化学反応単位において、
前記フレーム状部材には、前記燃料室への燃料ガスの供給孔と、前記燃料室からの燃料ガスの排出孔とが形成されており、
前記集電体は、
前記燃料極と前記インターコネクタとの一方に対向する表面である第1の表面をそれぞれ含む複数の第1の部分と、
前記燃料極と前記インターコネクタとの他方に対向する表面である第2の表面をそれぞれ含み、前記第1の方向視で、対応する前記第1の部分と重なる位置に配置された複数の第2の部分と、
前記複数の第1の部分のそれぞれの端部と、対応する前記複数の第2の部分のそれぞれの端部と、を接続し、前記第1の方向における長さがL1である複数の第3の部分と、
前記第1の方向における位置が前記第2の部分と略同一であり、前記第1の方向に直交し、かつ、前記供給孔と前記排出孔とを結ぶガス流れ方向とのなす角が45度以上、135度以下である第2の方向において、前記第1の部分と前記第2の部分との複数の組合せのそれぞれに隣接する複数の貫通孔が形成された第4の部分と、
を備え、
少なくとも1つの前記第1の部分は、前記貫通孔に隣接する側の縁から前記第2の方向における距離がL2である位置における前記第1の方向と前記第2の方向とに直交する第3の方向の幅が、前記第1の部分に隣接する前記貫通孔の前記第1の部分に隣接する側の縁から前記第2の方向における距離が(L1+L2)である位置における前記第3の方向の幅より小さい箇所を有し、
前記少なくとも1つの第1の部分について、前記第3の方向における幅は、前記第1の部分に隣接する前記貫通孔から遠い位置ほど小さくなっていることを特徴とする、電気化学反応単位。 - 請求項1に記載の電気化学反応単位において、さらに、
前記第1の部分と前記第2の部分との前記複数の組合せのそれぞれについて、前記第1の部分と前記第2の部分との間に配置され、絶縁性を有する絶縁層を備えることを特徴とする、電気化学反応単位。 - 請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単位において、
前記第1の表面は、前記集電体の前記第1の部分における前記燃料極に対向する表面であることを特徴とする、電気化学反応単位。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
前記複数の第1の部分は、前記第1の方向視で、前記第2の方向および前記第3の方向に沿った格子状に配置されていることを特徴とする、電気化学反応単位。 - 前記第1の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単位の少なくとも1つは、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単位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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