JP6868051B2 - 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(および後述する図6,図7)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(および後述する図6,図7)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。また、本明細書では、Z軸に直交する方向を面方向という。面方向は、特許請求の範囲における第2の方向に相当する。
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。
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流路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流路142を介して、燃料室176に供給される。
図8は、第1のセパレータ120および第2のセパレータ180の詳細構成を示す説明図である。図8には、図4のPx部の構成が拡大して示されている。ここで、図4に示された発電単位102の断面は、Z軸方向視における単セル110の中心点POを通り、かつ、Z軸方向に平行な断面である。なお、本実施形態の発電単位102では、Z軸方向視における単セル110の中心点POを通り、かつ、Z軸方向に平行な任意の断面において、以下に示す第1のセパレータ120および第2のセパレータ180の構成が採用されている。
第1のセパレータ120について説明する。図8に示すように、第1のセパレータ120は、第1の内側部126と、第1の外側部127と、第1の連結部128とを備える。第1の内側部126は、第1の貫通孔周囲部122を含んでいる。第1の外側部127は、第1の内側部126より外周側に位置している。第1の連結部128は、第1の内側部126の端部と第1の外側部127の端部とを連結するよう配置されている。
次に、第2のセパレータ180について説明する。図8に示すように、第2のセパレータ180は、第2の内側部186と、第2の外側部187と、第2の連結部188とを備える。第2の内側部186は、第2の貫通孔周囲部182を含んでいる。第2の外側部187は、第2の内側部186より外周側に位置している。第2の連結部188は、第2の内側部186の端部と第2の外側部187の端部とを連結するよう配置されている。
図8を用いて、第1のセパレータ120と第2のセパレータ180との位置関係について説明する。本実施形態において、Z軸方向視において、第1の最突出部P5は、第2の最突出部Q5と略同一の位置に位置している。すなわち、第1の最突出部P5と、第2の最突出部Q5とは、いずれも仮想直線VL上に位置している。
第1のセパレータ120における第1の内側部126と、第1の外側部127と、第1の連結部128とは、次のように特定することができる。まず、Z軸方向視で単セル110の中心POを通り、かつ、Z軸方向に平行な少なくとも1つの第1のセパレータ120の断面において、第1のセパレータ120におけるZ軸方向の下方向側の表面上の点であって、Z軸方向における単セル110からの距離が最も大きい点(図8において、第1の最突出部P5)を特定する。この第1の最突出部P5における接線と、第1の最突出部P5を通り、かつ、Z軸に平行な仮想直線とのなす角θを特定する。次に、第1の最突出部P5から面方向における単セル110側へ所定間隔でZ軸に平行な仮想直線を引く。第1のセパレータ120と仮想直線との交点(点Pn)における接線と、当該点Pnにおける仮想直線とのなす角θn(ただし、0°≦θn≦90°)を特定する。当該なす角θnを順に特定し、当該なす角θnがθn−1<θnになった点Pn(例えば、θn−1=18°、θn=20°)を、第1の連結部128と第1の内側部126との境界点BPnとする。一方、同様に、第1の最突出部P5から面方向における燃料極側フレーム部材140側へ所定間隔でZ軸に平行な仮想直線を引く。第1のセパレータ120と仮想直線との交点(点Pm)における接線と、当該点Pmにおける仮想直線とのなす角θm(ただし、0°≦θm≦90°)を特定する。当該なす角θmを順に特定し、なす角θmがθm−1<θmになった点Pmを、第1の連結部128と第1の外側部127との境界点BPmとする。第1のセパレータ120において、境界点BPmと境界点BPnとの間に位置する部分を第1の連結部128と特定することができる。また、第1のセパレータ120において、境界点BPnから単セル110側の部分を第1の内側部126と特定し、境界点BPmから燃料極側フレーム部材140側の部分を第1の外側部127と特定することができる。後述の第2のセパレータ180における第2の内側部186と、第2の外側部187と、第2の連結部188とについても、上記第1のセパレータ120における各部分を特定する方法と同様にして特定することができる。
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は、単セル110と、インターコネクタ150と、第1のセパレータ120と、第2のセパレータ180とを備える。単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んでZ軸方向に互いに対向する空気極114および燃料極116とを含む。インターコネクタ150は、単セル110のZ軸方向に配置されている。
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第1の方向に配置されたインターコネクタと、
前記第1の方向に貫通する第1の貫通孔が形成された第1のセパレータであって、前記第1の貫通孔を取り囲む部分である第1の貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの周縁部と接合されることにより、前記空気極と前記燃料極との一方である第1の電極に面する第1のガス室と、前記空気極と前記燃料極との他方である第2の電極に面する第2のガス室とを区画する第1のセパレータと、
前記第1の方向に貫通する第2の貫通孔が形成された第2のセパレータであって、前記第2の貫通孔を取り囲む部分である第2の貫通孔周囲部が前記インターコネクタの周縁部と接合されることにより、前記第2のガス室と、隣接する他の前記電気化学反応単セルの前記第1の電極に面する前記第1のガス室とを区画する第2のセパレータと、
を備える電気化学反応単位において、
前記第1のセパレータは、
前記第1の貫通孔周囲部を含む第1の内側部と、
前記第1の内側部より外周側に位置する第1の外側部と、
前記第1の内側部と前記第1の外側部とを連結し、かつ、前記第1の内側部と前記第1の外側部との両方に対して、前記第1の方向の一方側に突出している第1の連結部と、を有し、
前記第2のセパレータは、
前記第2の貫通孔周囲部を含む第2の内側部と、
前記第2の内側部より外周側に位置する第2の外側部と、
前記第2の内側部と前記第2の外側部とを連結し、かつ、前記第2の内側部と前記第2の外側部との両方に対して、前記第1の方向の前記一方側に突出しており、かつ、前記第1の連結部から離間している第2の連結部と、を有する、
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、
前記第1の方向視において、前記第1の連結部の少なくとも一部分は、前記第2の連結部の少なくとも一部分と重なっている、
ことを特徴とする電気化学反応単位。 - 請求項2に記載の電気化学反応単位において、
前記第1の内側部と前記第2の内側部との間の前記第1の方向における距離と、前記第1の連結部の最突出部と前記第2の連結部の最突出部との間の前記第1の方向における距離と、前記第1の外側部と前記第2の外側部との間の前記第1の方向における距離とは、互いに略同一である、
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、
前記第1の内側部と前記第1の外側部との前記第1の方向における位置は、互いに略同一であり、
前記第2の内側部と前記第2の外側部との前記第1の方向における位置は、互いに略同一である、
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4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、さらに、
前記第1の方向に貫通するガス室用孔であって、前記第1のガス室を構成するガス室用孔が形成されたフレーム部材、
を備え、
前記第1の方向視での前記電気化学反応単セルの中心点を通り、かつ、前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面において、前記第1の内側部における、前記第1の内側部と前記第1の連結部との境界と前記電気化学反応単セルの外縁との間の前記第1の方向に直交する第2の方向における長さは、前記第1の外側部における、前記第1の外側部と前記第1の連結部との境界と前記フレーム部材の内縁との間の前記第2の方向における長さより短い、
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5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、
前記第1の貫通孔周囲部における前記第1の方向の前記一方側の表面は、ロウ材を含む第1の接合部を介して、前記電気化学反応単セルの周縁部における前記第1の方向の他方側の表面に接合されている、
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6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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