JP6893139B2 - 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6,7)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6,7)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。
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、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流路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流路142を介して、燃料室176に供給される。
次に、空気極114の詳細構成について説明する。図8は、本実施形態における発電単位102を構成する空気極114の詳細構成を示す説明図である。図8には、Z軸方向視での空気極114の構成(すなわち、XY平面構成)に加えて、空気極側フレーム130および燃料極側フレーム140の部分的な構成が示されている。
・要件RE1:Z軸方向視で、空気極114を、燃料ガス供給連通流路142の燃料室176(ガス室用孔141の第3の内面IP3)への開口の中点である第1の中点MP1に最も近い空気極114の外周辺(本実施形態では第3の外周辺S3)に平行な第2の方向(本実施形態ではX軸方向)に並ぶ3つの列(Ca1,Ca2,Ca3)に等分し、かつ、第2の方向に直交する第3の方向(本実施形態ではY軸方向)に並ぶ3つの行(La1,La2,La3)に等分することにより、仮想的に9個の領域Ra(Ra11,Ra12,Ra13,Ra21,Ra22,Ra23,Ra31,Ra32,Ra33)に分割したとき、シール材125に含まれる少なくとも1つの汚染物質について、9個の領域Raの内、第1の中点MP1に最も近い第1の領域(本実施形態では領域Ra21)における汚染物質の含有量C1(ppm)と、9個の領域Raの内、中央に位置する第2の領域(本実施形態では領域Ra22)における汚染物質の含有量C2(ppm)との差分ΔC1(=C1−C2)は、第1の領域(領域Ra21)における汚染物質の含有量C1(ppm)の75%以上である。
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、燃料極側フレーム140と、シール材125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。燃料極側フレーム140には、燃料極116に面する燃料室176と、燃料室176に供給される燃料ガスFGが通る燃料ガス導入マニホールド171(の一部)と、燃料ガス導入マニホールド171に連通すると共に燃料室176(ガス室用孔141の第3の内面IP3)に開口する少なくとも1つの燃料ガス供給連通流路142とが形成されている。シール材125は、空気極114の外周付近に配置されており、空気極114の被毒の原因となる少なくとも1つの汚染物質を含む。また、本実施形態の発電単位102における空気極114は、上述した要件RE1を満たしている。すなわち、Z軸方向視で、空気極114を、燃料ガス供給連通流路142の燃料室176(ガス室用孔141の第3の内面IP3)への開口の中点である第1の中点MP1に最も近い空気極114の外周辺(第3の外周辺S3)に平行な第2の方向(X軸方向)に並ぶ3つの列に等分し、かつ、第2の方向に直交する第3の方向(Y軸方向)に並ぶ3つの行に等分することにより、仮想的に9個の領域Raに分割したとき、シール材125に含まれる少なくとも1つの汚染物質について、9個の領域Raの内、第1の中点MP1に最も近い第1の領域(領域Ra21)における汚染物質の含有量C1(ppm)と、9個の領域Raの内、中央に位置する第2の領域(領域Ra22)における汚染物質の含有量C2(ppm)との差分ΔC1(=C1−C2)は、第1の領域(領域Ra21)における汚染物質の含有量C1(ppm)の75%以上である。
・要件RE2:Z軸方向視で、空気極114を、上記第3の方向(本実施形態ではY軸方向)に並ぶ4つの行(Lb1,Lb2,Lb3,Lb4)に等分し、かつ、第2の方向(本実施形態ではX軸方向)に並ぶ4つの列(Cb1,Cb2,Cb3,Cb4)に等分することにより、仮想的に16個の領域Rb(Rb11,Rb12,Rb13,Rb14,Rb21,Rb22,Rb23,Rb24,Rb31,Rb32,Rb33,Rb34,Rb41,Rb42,Rb43,Rb44)に分割したとき、シール材125に含まれる少なくとも1つの汚染物質について、16個の領域Rbの内、第3の方向(Y軸方向)の第1の中点MP1に近い側から数えて1番目の行(Lb)に属し、かつ、第2の方向(X軸方向)の酸化剤ガス供給連通流路132の空気室166(ガス室用孔131の第1の内面IP1)への開口の中点である第2の中点MP2に近い側から数えて2番目の列(Cb2)に属する第3の領域(Rb21)における汚染物質の含有量C3(ppm)と、16個の領域Rbの内、第3の方向(Y軸方向)の第1の中点MP1に近い側から数えて1番目の行(Lb1)に属し、かつ、第2の方向(X軸方向)の第2の中点MP2に近い側から数えて3番目の列(Cb3)に属する第4の領域(Rb31)における汚染物質の含有量C4(ppm)との差分ΔC2(=C3−C4)は、第3の領域(Rb21)における汚染物質の含有量C3(ppm)の65%以上である。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (4)
- 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、
前記燃料極に面する燃料流路と、前記燃料流路に供給されるガスが通る燃料極側マニホールドと、前記燃料極側マニホールドに連通すると共に前記燃料流路に開口する少なくとも1つの燃料極側連通流路と、が形成された燃料極側ガス供給部と、
前記空気極の外周付近に配置され、前記空気極の被毒の原因となる少なくとも1つの汚染物質を含むシール材と、
を備える電気化学反応単位において、
前記第1の方向視で、前記空気極を、前記燃料極側連通流路の前記燃料流路への開口の中点である第1の中点に最も近い前記空気極の外周辺に平行な第2の方向に並ぶ3つの列に等分し、かつ、前記第2の方向に直交する第3の方向に並ぶ3つの行に等分することにより、仮想的に9個の領域に分割したとき、前記シール材に含まれる少なくとも1つの前記汚染物質について、前記9個の領域の内、前記第1の中点に最も近い第1の領域における前記汚染物質の含有量C1(ppm)と、前記9個の領域の内、中央に位置する第2の領域における前記汚染物質の含有量C2(ppm)との差分ΔC1(=C1−C2)は、前記第1の領域における前記汚染物質の含有量C1(ppm)の75%以上であ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、
前記空気極に面する空気流路と、前記空気流路に供給されるガスが通る空気極側マニホールドと、前記空気極側マニホールドに連通すると共に前記空気流路に開口する少なくとも1つの空気極側連通流路と、が形成された空気極側ガス供給部を備え、
前記第1の中点に最も近い前記空気極の外周辺と、前記空気極側連通流路の前記空気流路への開口の中点である第2の中点に最も近い前記空気極の外周辺と、のなす角は、45度以上であり、
前記第1の方向視で、前記空気極を、前記第3の方向に並ぶ4つの行に等分し、かつ、前記第2の方向に並ぶ4つの列に等分することにより、仮想的に16個の領域に分割したとき、前記シール材に含まれる少なくとも1つの前記汚染物質について、前記16個の領域の内、前記第3の方向の前記第1の中点に近い側から数えて1番目の行に属し、かつ、前記第2の方向の前記第2の中点に近い側から数えて2番目の列に属する第3の領域における前記汚染物質の含有量C3(ppm)と、前記16個の領域の内、前記第3の方向の前記第1の中点に近い側から数えて1番目の行に属し、かつ、前記第2の方向の前記第2の中点に近い側から数えて3番目の列に属する第4の領域における前記汚染物質の含有量C4(ppm)との差分ΔC2(=C3−C4)は、前記第3の領域における前記汚染物質の含有量C3(ppm)の65%以上であ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3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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