JP7479338B2 - インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体、および、電気化学反応セルスタック - Google Patents

インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体、および、電気化学反応セルスタック Download PDF

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Description

本明細書に開示される技術は、インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体に関する。
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という。)が知られている。SOFCは、一般に、燃料電池発電単位(以下、「発電単位」という。)が所定の方向(以下、「第1の方向」という。)に複数並べて配置された燃料電池スタックの形態で利用される。発電単位は、燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という。)を備える。単セルは、電解質層と、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。
発電単位は、また、単セルに対して第1の方向の側に配置されたインターコネクタと、燃料極側集電体と、スペーサーとを備える。燃料極側集電体は、インターコネクタの表面に接触するインターコネクタ接触部と、燃料極に接触する電極接触部と、インターコネクタ接触部と電極接触部とをつなぐ連接部とを備え、燃料極とインターコネクタとを電気的に接続する。スペーサーは、燃料極側集電体のインターコネクタ接触部と電極接触部との間に配置される。燃料極側集電体のインターコネクタ接触部と電極接触部との間にスペーサーが配置されることにより、燃料極側集電体が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位の変形に追随し、燃料極側集電体を介した燃料極とインターコネクタとの電気的接続が良好に維持される。
また、燃料極側集電体は、はみ出し部分を有している。このはみ出し部分は、電極接触部のうち、連接部とは反対側に隣接するとともに第1の方向視でスペーサーからはみ出した部分である。はみ出し部分の先端部がインターコネクタに電気的に接続されることにより、はみ出し部分は、インターコネクタとの導通経路を形成している。はみ出し部分は、スペーサーの側面全体に接触しつつ、インターコネクタまで延びている(下記特許文献1参照)。
特開2021-22471号公報
上述した従来の燃料電池スタックでは、燃料極側集電体のはみ出し部分が、スペーサーの側面全体に接触しつつ、インターコネクタまで延びている。そのため、例えば、はみ出し部分とスペーサーとの位置ずれ等に起因して燃料極側集電体が損傷するおそれがある。この問題を回避するために、はみ出し部分をスペーサーから離間するように配置する構成が考えられる。しかし、はみ出し部分をスペーサーから離間する構成では、はみ出し部分が配置される位置によっては、はみ出し部分と単セルとの間のガス流路が狭くなるため、ガスが単セルに十分に供給されず、ひいては燃料電池スタックの発電性能が低下するおそれがある。
なお、このような課題は、上記インターコネクタ接触部と電極接触部と連接部とを備える燃料極側集電体に限らず、空気極側または燃料極側に配置されたインターコネクタと単セルとを電気的に接続するとともに、はみ出し部分を有する導電部材を備える燃料電池スタックにおいて共通の課題である。また、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という。)の構成単位である電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも共通の問題である。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。
本明細書に開示される技術は、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本明細書に開示されるインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体は、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空気極側または前記燃料極側に配置されたインターコネクタと、前記電気化学反応単セルと前記インターコネクタとの間に配置されたスペーサーと、前記電気化学反応単セルと前記インターコネクタとを電気的に接続する導電部材と、を備えるインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体において、前記導電部材は、前記電気化学反応単セルと前記スペーサーとの間に保持される保持部分と、前記保持部分に隣接するとともに前記第1の方向視で前記スペーサーから、前記第1の方向に直交する第2の方向にはみ出すはみ出し部分であって、前記インターコネクタとの導電経路を形成する導通面を有する、はみ出し部分と、を有し、前記はみ出し部分の少なくとも一部は、前記スペーサーから離間しており、かつ、前記第1の方向と前記第2の方向との両方に直交する第3の方向視で、前記導電部材の前記はみ出し部分は、前記はみ出し部分と前記保持部分との境界位置と、前記導通面とを結ぶ第1の仮想直線に対して前記インターコネクタ側に位置している。
本インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体では、導電部材が有するはみ出し部分の少なくとも一部は、スペーサーから離間している。そのため、はみ出し部分とスペーサーとの間に隙間がない構成に比べて、例えばはみ出し部分とスペーサーとの位置ずれ等に起因して導電部材が損傷することを抑制することができる。また、例えば、はみ出し部分とスペーサーとの間に隙間がある構成において、はみ出し部分が電気化学反応単セル(以下、「単セル」という)側に位置する場合、はみ出し部分と単セルとの間のガス流路が狭いため、ガスが単セルに十分に供給されないおそれがある。これに対して、本インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体では、第1の方向と第2の方向との両方に直交する第3の方向視で、はみ出し部分は、第1の仮想直線(はみ出し部分と保持部分との境界位置と、はみ出し部分の導通面とを結ぶ直線)に対してインターコネクタ側に位置する。そのため、導電部材のはみ出し部分の存在に起因して単セルへのガスの供給不足が発生することを抑制することができる。すなわち、本インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体によれば、導電部材の損傷を抑制しつつ、単セルへのガスの供給不足の発生を抑制することができる。
(2)上記インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体において、前記はみ出し部分は、少なくとも前記スペーサーのうち、前記インターコネクタ側の端部から離間しており、前記第3の方向視で、前記導電部材の前記はみ出し部分のうち、前記スペーサーから離間している部分における前記境界位置側の端部と前記第1の方向に沿った第2の仮想直線とがなす第1の角度は、前記はみ出し部分のうち、前記導通面よりも前記スペーサー側に位置して前記スペーサーから離間している部分における前記導通面側の端部と前記第2の方向に沿った第3の仮想直線とがなす第2の角度よりも小さい構成としてもよい。本インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体によれば、例えば第1の角度が第2の角度より大きい構成に比べて、導電部材のはみ出し部分が単セル側に移動することを抑制することができる。
(3)上記インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体において、前記第3の方向視で、前記導電部材の前記はみ出し部分は、前記インターコネクタ側に山なりになるように折れ曲がった形状である構成としてもよい。本インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体によれば、例えばはみ出し部分がインターコネクタ側に山なりになるように折れ曲がっていない構成に比べて、導電部材のはみ出し部分が単セル側に移動することを、より効果的に抑制することができる。
(4)上記インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体において、前記導電部材の前記はみ出し部分の前記第2の方向の長さは、前記第1の方向の長さよりも長い構成としてもよい。本インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体によれば、例えばはみ出し部分の第2の方向の長さが第1の方向の長さよりも短い構成に比べて、はみ出し部分が全体的にインターコネクタ側に寝るような姿勢になるため、導電部材のはみ出し部分が単セル側に移動することを、より効果的に抑制することができる。
(5)前記第1の方向に並べて配列された複数のインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数のインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体の少なくとも1つは、上記(1)から(4)までのいずれか一つのインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、導電部材の損傷を抑制しつつ、単セルへのガスの供給不足の発生を抑制することができる。
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、電気化学反応セルスタックを備える電気化学反応システム(燃料電池システムまたは電解セルシステム)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。
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る。 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る。 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。 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る。 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。 単セル110の一部分(図4のX1部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。 単セル110の一部分(図5のX2部)のYZ断面構成を拡大して示す説明図である。 実施形態の変形例における単セル110の一部分(図4のX1部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。
A.実施形態:
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。なお、上下方向(Z軸方向)は、特許請求の範囲における第1の方向の一例である。燃料電池スタック100は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックの一例である。
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、「連通孔108」という。
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス供給マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス供給マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス供給マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス供給マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
(エンドプレート104,106の構成)
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。
(発電単位102の構成)
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、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、スペーサー149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、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。単セル110は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルの一例である。
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。すなわち、空気極114および燃料極116は、電解質層112を挟んで上下方向に互いに対向している。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
電解質層112は、上下方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な(気孔率が低い)層である。ここでいう上下方向視は、「上下方向に平行な方向から見たとき」を意味する(以下における「上下方向視」も同様)。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、上下方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な(電解質層112より気孔率が高い)層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄酸化物))により形成されている。燃料極116は、上下方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な(電解質層112より気孔率が高い)層である。燃料極116の厚さは、例えば200μm~1000μmである。燃料極116における燃料極側集電体144の付近の部分の平均気孔率は、例えば25~60vol%であり、当該部分の平均気孔径は、例えば0.5μm~4μmである。このような構成である本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたろう材(例えばAgろう)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス供給マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス供給マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素が空気極側集電体134として機能する。また、空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ接触部146と、電極接触部145と、電極接触部145のX軸正方向側とインターコネクタ接触部146のX軸正方向側とをつなぐ連接部147と、後述のはみ出し部分148とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極接触部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触している。インターコネクタ接触部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。すなわち、インターコネクタ接触部146は、発電単位102に備えられた一対のインターコネクタ150の内、単セル110に対して下方(上下方向の一方)の側に配置されているインターコネクタ150の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ接触部146は、下側のエンドプレート106に接触している。
本実施形態では、燃料極側集電体144は、例えばニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成される金属箔(例えば、厚さが10~800μm)により形成されている。燃料極側集電体144は、略矩形の金属箔に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。
燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、燃料極側集電体144のインターコネクタ接触部146と電極接触部145と連接部147とはみ出し部分148とは一体の部材により構成されている。
電極接触部145とインターコネクタ接触部146との間には、例えばマイカ等の非導電部材により形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。なお、スペーサー149の板厚は、例えば0.5~3mmである。
A-2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド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供給マニホールド161に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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供給マニホールド171に供給され、燃料ガス供給マニホールド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。
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
A-3.燃料極側集電体144の詳細構成:
燃料極側集電体144は、はみ出し部分148(第1のはみ出し部分148A、第2のはみ出し部分148B)を備えている。図4に示すように、第1のはみ出し部分148Aは、電極接触部145に隣接するとともに上下方向視でスペーサー149から、上下方向に直交する方向(図4ではX軸負方向)にはみ出すように延びている。図5に示すように、第2のはみ出し部分148Bは、電極接触部145に隣接するとともに上下方向視でスペーサー149から、上下方向に直交する方向(図5ではY軸方向)にはみ出すように延びている。なお、燃料極側集電体144は、特許請求の範囲における導電部材の一例であり、電極接触部145は、特許請求の範囲における保持部分の一例である。発電単位102に備えられた一対のインターコネクタ150の内、下側のインターコネクタ150は、特許請求の範囲における燃料極側に配置されたインターコネクタの一例である。次に、第1のはみ出し部分148Aと第2のはみ出し部分148Bとについて、それぞれ説明する。
A-3-1.燃料極側集電体144の第1のはみ出し部分148A:
図6は、単セル110の一部分(図4のX1部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。図4および図6に示すように、第1のはみ出し部分148Aは、電極接触部145のうち、連接部147に接続する側とは反対側(X軸負方向側)に接続されている。本実施形態では、第1のはみ出し部分148Aは、スペーサー149の長手方向(Y軸方向)に沿って延びている。なお、第1のはみ出し部分148Aについて、X軸負方向が、特許請求の範囲における第2の方向の一例であり、スペーサー149の長手方向(Y軸方向)は、特許請求の範囲における第3の方向の一例である。
第1のはみ出し部分148Aは、下側のインターコネクタ150との導電経路を形成する導通面200を有している。具体的には、第1のはみ出し部分148Aの先端部は、下側のインターコネクタ150にスポット溶接により接合されている。より詳細には、第1のはみ出し部分148Aの先端部の下面は、下側のインターコネクタ150にスポット溶接により接合されている。そのため、図6に示すように、第1のはみ出し部分148Aの先端部の下面には、当該下面と下側のインターコネクタ150とを接合する溶接痕151が形成されている。この第1のはみ出し部分148Aの先端部の下面が、上記導通面200である。溶接痕151の表面が導通面200の一部を構成している。
第1のはみ出し部分148Aの少なくとも一部は、スペーサー149から離間している。具体的には、図6に示すように、第1のはみ出し部分148Aの全体が、スペーサー149の側面Tから離間している。スペーサー149の側面Tは、スペーサー149のうち、第1のはみ出し部分148A側の面である。これにより、第1のはみ出し部分148Aとスペーサー149の側面Tとの間にインターコネクタ側空間S1が形成されている。
スペーサー149の長手方向(Y軸方向)視で、第1のはみ出し部分148Aは、第1の仮想直線L1に対して下側のインターコネクタ150側に位置している。第1の仮想直線L1は、第1のはみ出し部分148Aと電極接触部145との境界位置P(詳細には、境界位置Pのうち、スペーサー149側の端)と、導通面200(詳細には、導通面200のうち、スペーサー149側の端Q)とを結ぶ直線である。本実施形態では、第1のはみ出し部分148Aは、全体として、上記第1の仮想直線L1に対して下側のインターコネクタ150側に湾曲した形状になっている。
スペーサー149の長手方向(Y軸方向)視で、第1のはみ出し部分148Aは、セル側端部201と、インターコネクタ側端部202と、を有している。セル側端部201は、上記境界位置Pから、上記第1の仮想直線L1に対して下側のインターコネクタ150側に向かって延びている。インターコネクタ側端部202は、上記導通面200から、スペーサー149側に向かって延びている。セル側端部201と、上下方向(Z軸方向)に沿った第2の仮想直線L2とがなす第1の角度θ1は、インターコネクタ側端部202と、第1のはみ出し部分148Aのはみ出し方向(X軸負方向)に沿った第3の仮想直線L3とがなす第2の角度θ2よりも小さい。なお、第1のはみ出し部分148Aは、特許請求の範囲におけるスペーサーから離間している部分の一例であり、セル側端部201は、特許請求の範囲における境界位置側の端部の一例であり、インターコネクタ側端部202は、導通面側の端部の一例である。
第1のはみ出し部分148Aのはみ出し方向(X軸負方向)の長さD2は、第1のはみ出し部分148Aの上下方向(Z軸負方向)の長さD1よりも長い。
A-3-2.燃料極側集電体144の第2のはみ出し部分148B:
図7は、単セル110の一部分(図5のX2部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。図5および図7に示すように、第2のはみ出し部分148Bは、電極接触部145のうち、連接部147に沿った方向の両側(Y軸負方向側)にそれぞれ接続されている。換言すれば、第2のはみ出し部分148Bは、電極接触部145のうち、燃料ガスFGの流れの上流側と下流側にそれぞれ接続されている。本実施形態では、各第2のはみ出し部分148Bは、スペーサー149の短手方向(X軸方向)に沿って延びている。なお、第2のはみ出し部分148Bについて、Y軸負方向が、特許請求の範囲における第2の方向の一例であり、スペーサー149の短手方向(X軸方向)は、特許請求の範囲における第3の方向の一例である。
本実施形態では、図7に示すように、スペーサー149の短手方向(X軸方向)における第2のはみ出し部分148Bの形状は、スペーサー149の長手方向(Y軸方向)における第1のはみ出し部分148Aの形状(図6参照)と同一である。このため、第2のはみ出し部分148Bについての詳細な説明は割愛する。
A-4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態における燃料電池スタック100では、燃料極側集電体144が有するはみ出し部分148(148A,148B)の少なくとも一部は、スペーサー149から離間している。そのため、はみ出し部分148とスペーサー149との間に隙間がない構成に比べて、例えばはみ出し部分148とスペーサー149との熱膨張差に起因する位置ずれ等に起因して燃料極側集電体144が損傷することを抑制することができる。
また、燃料電池スタック100の使用中において、熱膨張したはみ出し部分148が単セル110側に変位して燃料ガスFGのガス流路が狭くなることに起因して、燃料電池スタック100(単セル110)の性能が経時的に低下(劣化)することを抑制することができる。
さらに、燃料極側集電体144の熱膨張率がスペーサー149の熱膨張率よりも高い場合、はみ出し部分148とスペーサー149との熱膨張差に起因して、はみ出し部分148がさらに下側のインターコネクタ150側に変位することにより、燃料ガスFGのガス流路が広くなる。燃料室176内が高温になることで燃料ガスFGの粘性が高まり、燃料ガスFGが流れにくくなるが、本実施形態では、このように燃料ガスFGのガス流路が広くなるため、高温による燃料ガスFGの粘性が高くなることに起因して燃料電池スタック100(単セル110)の性能が低下することを抑制することができる。
例えば、第1のはみ出し部分148Aとスペーサー149との間に隙間がある構成において、第1のはみ出し部分148Aが、第1の仮想直線L1に対して単セル110側に位置する場合、第1のはみ出し部分148Aと単セル110との間のガス流路が狭いため、燃料ガスFGが単セル110に十分に供給されないおそれがある。これに対して、本実施形態では、第1のはみ出し部分148Aは、第1の仮想直線L1に対して下側のインターコネクタ150側に位置する。そのため、第1のはみ出し部分148Aの存在に起因して単セル110への燃料ガスFGの供給不足が発生することを抑制することができる。すなわち、本実施形態によれば、燃料極側集電体144の損傷を抑制しつつ、単セル110への燃料ガスFGの供給不足の発生を抑制することができる。
本実施形態では、セル側端部201と、上下方向(Z軸方向)に沿った第2の仮想直線L2とがなす第1の角度θ1は、インターコネクタ側端部202と、第1のはみ出し部分148Aのはみ出し方向(X軸負方向)に沿った第3の仮想直線L3とがなす第2の角度θ2よりも小さい。これにより、本実施形態によれば、例えば第1の角度θ1が第2の角度θ2より大きい構成に比べて、第1のはみ出し部分148Aが単セル110側に移動し難いため、第1のはみ出し部分148Aが単セル110側に移動して燃料ガスFGのガス流路が狭くなることを抑制することができる。
本実施形態では、第1のはみ出し部分148Aのはみ出し方向(X軸負方向)の長さD2は、第1のはみ出し部分148Aの上下方向(Z軸負方向)の長さD1よりも長い。本実施形態によれば、例えば第1のはみ出し部分148Aの長さD2が、第1のはみ出し部分148Aの長さD1も短い構成に比べて、第1のはみ出し部分148Aが全体的に下側のインターコネクタ150側に寝るような姿勢になるため、第1のはみ出し部分148Aが単セル110側に移動することを、より効果的に抑制することができる。なお、第2のはみ出し部分148Bについても、第1のはみ出し部分148Aと同様の効果を奏する。
A-5.本実施形態の変形例:
図8は、実施形態の変形例における単セル110の一部分(図4のX1部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。図8に示すように、本変形例では、スペーサー149の長手方向(Y軸方向)視で、燃料極側集電体144の第3のはみ出し部分148Cは、下側のインターコネクタ150側に山なりになるように折れ曲がった形状である。
具体的には、第3のはみ出し部分148Cは、セル側端部201Cと、インターコネクタ側端部202Cと、を有している。セル側端部201Cは、上記境界位置Pから、上記第1の仮想直線L1に対して下側のインターコネクタ150側に向かって直線状に延びている。インターコネクタ側端部202Cは、上記導通面200から、スペーサー149側に向かって直線状に延びている。セル側端部201Cとインターコネクタ側端部202Cとの先端同士が所定の角度で接続されている。セル側端部201Cと、上下方向(Z軸方向)に沿った第2の仮想直線L2とがなす第1の角度θ1は、インターコネクタ側端部202と、第1のはみ出し部分148Aのはみ出し方向(X軸負方向)に沿った第3の仮想直線L3とがなす第2の角度θ2よりも小さい。
本変形例によれば、例えば第3のはみ出し部分148Cが下側のインターコネクタ150側に山なりになるように折れ曲がっていない構成(例えば第1実施形態)に比べて、第3のはみ出し部分148Cが単セル110側に移動することを、より効果的に抑制することができる。
B.変形例:
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。
上記実施形態(または変形例、以下同様)において、電極接触部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接合材を介して接触している構成であってもよい。また、上記実施形態において、インターコネクタ接触部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接合材を介して接触している構成であってもよい。
また、上記実施形態では、燃料極側集電体144のインターコネクタ接触部146と電極接触部145と連接部147とはみ出し部分148とは一体の部材により構成されているが、インターコネクタ接触部146と電極接触部145と連接部147との何れかまたはすべてが別体の部材により構成されていてもよい。また、燃料極側集電体144は、インターコネクタ接触部146と連接部147との少なくとも一方を備えない構成でもよい。
また、上記実施形態では、燃料電池スタック100に含まれるすべての燃料極側集電体144について、はみ出し部分148を備える構成であるが、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも案1つの燃料極側集電体144が、はみ出し部分148を備える構成であれば、燃料極側集電体144の損傷を抑制しつつ、単セル110へのガスの供給不足の発生を抑制することができる。
上記実施形態において、第1のはみ出し部分148Aが、スペーサー149の側面Tの一部だけに接触している構成でもよい。このような構成でも、第1のはみ出し部分148Aがスペーサー149の側面Tの全面に接触している構成に比べて、燃料極側集電体144の損傷を抑制することができる。また、上記実施形態において、第1の角度θ1は、第2の角度θ2と同じでもよいし、第2の角度θ2よりも大きくてもよい。また、第1のはみ出し部分148Aの長さD2は、第1のはみ出し部分148Aの長さD1と同じでもよいし、長さD1よりも短くてもよい。
上記実施形態では、燃料極側集電体144は、燃料極側集電体144の連接部147とスペーサー149との間に空間が形成されるように構成であるが、燃料極側集電体144の連接部147とスペーサー149との間に空間が形成されないように燃料極側集電体144の連接部147とスペーサー149とが接触する構成であってもよい。
上記実施形態の燃料電池スタック100において、空気極側集電体134が、単セル110に対して上方(上下方向の一方)の側に配置されたインターコネクタ150(以下、当該インターコネクタ150を特に指すときには「上側のインターコネクタ150」という。)と単セル110との間に配置されたスペーサーと、単セル110と上側のインターコネクタ150とを電気的に接続する導電部材と、を備える構成に本発明を適用してもよい。すなわち、その導電部材が、保持部分とはみ出し部分とを有する構成とすることにより、導電部材の損傷を抑制しつつ、単セル110への酸化剤ガスOGの供給不足の発生を抑制することができる。なお、導電部材は、金属箔に限らず、金属板や針金等により形成されたものでもよい。
上記実施形態では、はみ出し部分148は、下側のインターコネクタ150に直接接合されていたが、はみ出し部分148は、下側のインターコネクタ150の表面に別途形成された金属箔等を介して、下側のインターコネクタ150に電気的に接続された構成でもよい。また、燃料極側集電体144のインターコネクタ接触部146が、はみ出し部分148のはみ出し方向に突出した構成において、はみ出し部分148がインターコネクタ接触部146の突出部分を介して、下側のインターコネクタ150に電気的に接続された構成でもよい。
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(SOEC)の最小単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016-81813号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替えればよい。
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 124:接合部 130:空気極側フレーム 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 140:燃料極側フレーム 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極接触部 146:インターコネクタ接触部 147:連接部 148(148A~148C):はみ出し部分 149:スペーサー 150:インターコネクタ 151:溶接痕 161:酸化剤ガス供給マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス供給マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 200:導通面 201,201C:セル側端部 202,202C:インターコネクタ側端部

Claims (5)

  1. 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空気極側または前記燃料極側に配置されたインターコネクタと、
    前記電気化学反応単セルと前記インターコネクタとの間に配置されたスペーサーと、
    前記電気化学反応単セルと前記インターコネクタとを電気的に接続する導電部材と、を備えるインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体において、
    前記導電部材は、
    前記電気化学反応単セルと前記スペーサーとの間に保持される保持部分と、
    前記保持部分に隣接するとともに前記第1の方向視で前記スペーサーから、前記第1の方向に直交する第2の方向にはみ出すはみ出し部分であって、前記インターコネクタとの導電経路を形成する導通面を有する、はみ出し部分と、を有し、
    前記はみ出し部分の少なくとも一部は、前記スペーサーから離間しており、かつ、
    前記第1の方向と前記第2の方向との両方に直交する第3の方向視で、
    前記導電部材の前記はみ出し部分において、前記はみ出し部分と前記保持部分との境界位置のうち前記スペーサー側の端と、前記導通面のうち前記スペーサー側の端と、の間に位置する表面の全体が、前記はみ出し部分と前記保持部分との境界位置のうち前記スペーサー側の端と、前記導通面のうち前記スペーサー側の端を結ぶ第1の仮想直線に対して前記インターコネクタ側に位置していることを特徴とする、インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体。
  2. 請求項1に記載のインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体において、
    前記はみ出し部分は、少なくとも前記スペーサーのうち、前記インターコネクタ側の端部から離間しており、
    前記第3の方向視で、前記導電部材の前記はみ出し部分のうち、前記スペーサーから離間している部分における前記境界位置側の端部と前記第1の方向に沿った第2の仮想直線とがなす第1の角度は、前記はみ出し部分のうち、前記導通面よりも前記スペーサー側に位置して前記スペーサーから離間している部分における前記導通面側の端部と前記第2の方向に沿った第3の仮想直線とがなす第2の角度よりも小さいことを特徴とする、インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体。
  3. 請求項1または請求項2に記載のインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体において、
    前記第3の方向視で、前記導電部材の前記はみ出し部分は、前記インターコネクタ側に山なりになるように折れ曲がった形状であることを特徴とする、インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体。
  4. 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体において、
    前記導電部材の前記はみ出し部分の前記第2の方向の長さは、前記第1の方向の長さよりも長いことを特徴とする、インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体。
  5. 前記第1の方向に並べて配列された複数のインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記複数のインターコネクタ-電気化学反応単セル複合体の少なくとも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インターコネクタ-電気化学反応単セル複合体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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