JP7085314B2 - 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.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いい、Z軸負方向を下方向というものとするが、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り、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る。なお、図6では、説明上、断面を示すハッチングの一部が省略されている。また、図6では、燃料ガスFGの流れと燃料ガス供給連通孔142と燃料ガス排出連通孔143とが二点鎖線で示されている。
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孔142を介して、燃料室176に供給される。
図6に示すように、上下方向(Z方向)視で、空気極114の形状(外径、外周線)は矩形状である。空気極114の矩形状を構成する4つの辺のうち、第1の辺SD1(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)は、酸化剤ガス供給連通孔132に最も近い位置に配置されている。また、第1の辺SD1に第1の角部C1を介して繋がる(換言すれば、第1の辺SD1と第1の角部C1を共有する)第2の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)は、燃料ガス供給連通孔142に最も近い位置に配置されている。以下、空気極114の矩形状を構成する4つの辺のうち、第1の辺SD1に対向する辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)を、第3の辺SD3といい、第2の辺SD2に対向する辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)を、第4の辺SD4という。また、空気極114の矩形状の4つの角部のうち、第1の角部C1以外の3つの角部を、それぞれ、第2の角部C2、第3の角部C3、第4の角部C4という。
次に説明するように、単セル110のうち、第1の分割領域E1に対応する部分には、酸化剤ガスOGと燃料ガスFGとがともに豊富に供給される。すなわち、上述したように、酸化剤ガス供給連通孔132は、空気極側フレーム130の第1の辺SD1側部分に配置されている。このため、空気極114の表面のうち、酸化剤ガス供給連通孔132に相対的に近い第1の分割領域E1と第4の分割領域E4とは、燃料電池スタック100の運転時における酸化剤ガスOGの濃度が相対的に高い酸化剤ガス高濃度領域となる。一方、酸化剤ガス供給連通孔132から相対的に遠い第2の分割領域E2と第3の分割領域E3とは、燃料電池スタック100の運転時における酸化剤ガスOGの濃度が相対的に低い酸化剤ガス低濃度領域となる。
図7には、接続面積割合(N/M)と酸素の濃度差と集電ロスとの関係を示す説明図である。酸素の濃度差は、空気室166におけるXY平面方向における酸素の濃度分布において、最高濃度(または平均濃度)と最低濃度との差を意味する。図7の上段のグラフの縦軸は、酸素の濃度差を示しており、上側に向かうほど行くほど、酸素濃度差が小さいことを意味し、横軸は、接続面積割合(N/M)を示している。この図7の上段のグラフによれば、接続面積割合(N/M)が低いほど、特定分割領域E1に対応する部分について、発電反応量が効果的に低減されるから、酸素の濃度差を抑制することができる。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100では、特定分割領域E1における特定接続面積は、3つの他の分割領域E2~E4のそれぞれにおける他の接続面積の平均値より小さい。このため、本実施形態の燃料電池スタック100では、特定分割領域E1における特定接続面積が他の分割領域E2~E4の他の接続面積の平均値以上である構成に比べて、単セル110のうち、酸化剤ガスOGと燃料ガスFGとがともに豊富に供給される第1の分割領域E1に対応する部分について、発電反応量が低減される。したがって、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、単セル110の面方向(XY平面方向)における発電反応量のバラツキを抑制することができる。
図8は、第2の実施形態における発電単位102AのXY断面構成を示す説明図である。ただし、図8では、説明上、燃料極側フレーム140、セパレータ120および電解質層112が省略されている。図9は、図8のIX-IXの位置における発電単位102の一部のXZ断面構成を示す説明図である。第2の実施形態の構成の内、上述した第1の実施形態と同一の構成については、同一符号を付すことによって、その説明を省略する。
図10は、第3の実施形態における発電単位102BのXY断面構成を示す説明図である。ただし、図10では、説明上、燃料極側フレーム140、セパレータ120および電解質層112等が省略されている。第3の実施形態の構成の内、上述した第1の実施形態と同一の構成については、同一符号を付すことによって、その説明を省略する。
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)
- 固体酸化物を含む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単セルと、
前記単セルの前記空気極側に配置され、前記空気極の表面に電気的に接続される空気極側集電部材と、を備えるとともに、前記第1の方向視で、前記空気極に供給されるガスの供給口と前記燃料極に供給されるガスの供給口とが前記単セルの外周側に形成され、かつ、前記第1の方向視で、前記空気極に供給されるガスの主たる流れ方向と前記燃料極に供給されるガスの主たる流れ方向とが略直交するクロスフロータイプの電気化学反応単位において、
前記第1の方向視で、前記空気極の形状は矩形状であり、かつ、前記矩形状を構成する4つの辺のうちの第1の辺は、前記空気極に供給されるガスの供給口に最も近い位置に配置され、前記第1の辺に第1の角部を介して繋がる第2の辺は、前記燃料極に供給されるガスの供給口に最も近い位置に配置されており、
前記第1の方向視で、前記空気極の表面を、前記第1の辺に平行な第1の仮想直線と前記第2の辺に平行な第2の仮想直線とによって四等分したときに形成される4つの分割領域のうち、前記第1の角部を含む特定分割領域において前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される特定接続面積は、3つの他の分割領域のそれぞれにおいて前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される3つの他の接続面積のいずれよりも小さく、
前記3つの他の接続面積の平均値(M)に対する、前記特定接続面積(N)の割合(N/M)は、0.85より大きく、かつ、0.95より小さい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、
前記空気極側集電部材は、前記空気極の表面に電気的に接続される複数の凸部を有し、
前記特定分割領域に電気的に接続される前記凸部は、前記第1の方向に直交する第1の平面に平行な断面の面積が、前記他の分割領域に電気的に接続される前記凸部である他の凸部の前記第1の平面に平行な断面の面積より小さい狭小凸部を含む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、
前記他の分割領域に電気的に接続される前記凸部は、前記第1の方向に直交する1つの第2の方向に第1の配置間隔で並ぶように配置された複数の前記凸部を含み、
前記特定分割領域に電気的に接続される前記凸部は、前記第2の方向に前記第1の配置間隔以下の第2の配置間隔で並ぶように配置された複数の前記狭小凸部を含む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、
前記空気極側集電部材は、前記空気極の表面側に向かう複数の凸部を有し、
前記特定分割領域に向かう前記凸部は、前記空気極に電気的に接続される接続凸部と、前記空気極に電気的に接続されない非接続凸部とを含むことを特徴とする電気化学反応単位。 - 請求項4に記載の電気化学反応単位において、
前記非接続凸部は、前記凸部と、前記凸部と前記空気極との間に配置され、導電率が前記接続凸部の導電率より低い低導電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、
前記特定分割領域は、
第1の領域と、
前記第1の領域よりも前記空気極に供給されるガスの供給口に近い位置に配置され、かつ、前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される接続面積が、前記第1の領域において前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される接続面積に比べて小さい第2の領域と、を含むことを特徴とする電気化学反応単位。 - 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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