JP7507738B2 - Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack - Google Patents
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Description
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位および電気化学反応セルスタックに関する。 The technology disclosed in this specification relates to electrochemical reaction units and electrochemical reaction cell stacks.
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種類の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の構成単位である燃料電池発電単位(以下、「発電単位」という。)は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という。)を有する。単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という。)に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む。 Solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as "SOFCs") are known as one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell power generation unit (hereinafter referred to as "power generation unit"), which is the constituent unit of an SOFC, has a single fuel cell cell (hereinafter referred to as "single cell"). The single cell includes an electrolyte layer containing solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode that face each other in a specific direction (hereinafter referred to as "first direction") across the electrolyte layer.
また、発電単位は、単セル用セパレータおよびインターコネクタを有する。単セル用セパレータは、単セルに接合され、空気極に面するガス室と燃料極に面するガス室とを区画する導電性の部材である。また、インターコネクタは、上記第1の方向において燃料極と空気極との一方(以下、「特定電極」という。)に対向するように配置され、特定電極に電気的に接続された導電性の部材である。 The power generation unit also has a single cell separator and an interconnector. The single cell separator is a conductive member that is joined to the single cell and separates a gas chamber facing the air electrode from a gas chamber facing the fuel electrode. The interconnector is a conductive member that is disposed to face one of the fuel electrode and the air electrode (hereinafter referred to as the "specific electrode") in the first direction and is electrically connected to the specific electrode.
インターコネクタは、上記第1の方向に沿った断面において、角部を有する。インターコネクタの角部は、該断面において、上記第1の方向に略直交すると共に少なくとも一部が上記特定電極に対向する表面と、外周側に向いた表面と、をつなぐ部分である。インターコネクタの角部は、例えば、インターコネクタの外周部に存在する。また、インターコネクタにおける特定電極に対向する表面に段差がある場合には、インターコネクタの外周部は、該段差の外周部にも存在する。従来、インターコネクタの角部は、90度(またはそれ以下)の角度で折れ曲がった部分を有する(例えば、特許文献1参照)。 The interconnector has a corner in a cross section along the first direction. The corner of the interconnector is a portion that is substantially perpendicular to the first direction in the cross section and connects a surface that at least a portion of which faces the specific electrode with a surface facing the outer periphery. The corner of the interconnector exists, for example, on the outer periphery of the interconnector. Furthermore, if there is a step on the surface of the interconnector that faces the specific electrode, the outer periphery of the interconnector also exists on the outer periphery of the step. Conventionally, the corner of an interconnector has a portion that is bent at an angle of 90 degrees (or less) (see, for example, Patent Document 1).
発電単位では、温度変化やガス圧の変化等に起因して各構成部材に反り等の変形が発生し、その結果、インターコネクタの角部と単セル用セパレータとの間の距離が小さくなることがある。上述したように、従来の発電単位では、インターコネクタの角部が90度(またはそれ以下)の角度で折れ曲がった部分を有するため、該部分に電界が集中しやすい。そのため、インターコネクタの角部と単セル用セパレータとの間の距離が小さくなると、両者の間で短絡が発生するおそれがある。このような短絡が発生すると、単セルが破損するおそれがある。 In the power generation unit, deformation such as warping occurs in each component due to changes in temperature and gas pressure, and as a result, the distance between the corner of the interconnector and the single cell separator may become smaller. As described above, in conventional power generation units, the corner of the interconnector has a portion that is bent at an angle of 90 degrees (or less), and an electric field is likely to concentrate in this portion. Therefore, if the distance between the corner of the interconnector and the single cell separator becomes small, there is a risk of a short circuit occurring between the two. If such a short circuit occurs, there is a risk of the single cell being damaged.
なお、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単セルを含む電解セル単位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、燃料電池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、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタックと複数の電解セル単位を備える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。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの燃料電池や電解セルにも共通の課題である。 Note that these issues are also common to electrolysis cell units, including electrolysis unit cells, which are constituent units of solid oxide electrolysis cells (hereinafter referred to as "SOECs") that generate hydrogen using the electrolysis reaction of water. Note that in this specification, a fuel cell unit cell and an electrolysis unit cell are collectively referred to as an electrochemical reaction unit, a fuel cell power generation unit and an electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit, and a fuel cell stack having multiple fuel cell power generation units and an electrolysis cell stack having multiple electrolysis cell units are collectively referred to as an electrochemical reaction cell stack. Furthermore, these issues are not limited to SOFCs and SOECs, but are also common to other types of fuel cells and electrolysis cells.
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。 This specification discloses a technology that can solve the above-mentioned problems.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be realized, for example, in the following forms:
(1)本明細書に開示される電気化学反応単位は、電気化学反応単セルと、単セル用セパレータと、インターコネクタとを備える。電気化学反応単セルは、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。単セル用セパレータは、前記電気化学反応単セルに接合され、前記空気極に面するガス室と前記燃料極に面するガス室とを区画する導電性の部材である。インターコネクタは、前記第1の方向において前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対向するように配置され、前記特定電極に電気的に接続された導電性の部材である。前記第1の方向に沿った少なくとも1つの断面である特定断面において、前記インターコネクタは、前記第1の方向に略直交すると共に少なくとも一部が前記特定電極に対向する表面と、外周側に向いた表面と、をつなぐ角部であって、(1)前記第1の方向において前記単セル用セパレータに対向し、かつ、(2)90度以下の角度で折れ曲がる部分を含まない、という条件を満たす特定角部を有する。 (1) The electrochemical reaction unit disclosed in this specification comprises an electrochemical reaction single cell, a single cell separator, and an interconnector. The electrochemical reaction single cell includes an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode that face each other in a first direction with the electrolyte layer in between. The single cell separator is a conductive member that is joined to the electrochemical reaction single cell and partitions a gas chamber facing the air electrode and a gas chamber facing the fuel electrode. The interconnector is a conductive member that is arranged to face a specific electrode, which is one of the fuel electrode and the air electrode, in the first direction and is electrically connected to the specific electrode. In at least one specific cross section along the first direction, the interconnector has a corner that is approximately perpendicular to the first direction and connects a surface that at least a portion of which faces the specific electrode with a surface facing the outer periphery, and that satisfies the following conditions: (1) the corner faces the single cell separator in the first direction, and (2) the corner does not include a portion that is bent at an angle of 90 degrees or less.
本電気化学反応単位では、第1の方向に沿った少なくとも1つの断面である特定断面において、インターコネクタが、角部として、(1)第1の方向において単セル用セパレータに対向し、かつ、(2)90度以下の角度で折れ曲がる部分を含まない、という条件を満たす特定角部を有するため、特定角部における電界集中を抑制することができる。そのため、本電気化学反応単位によれば、インターコネクタの特定角部と単セル用セパレータとの間の距離が小さくなった場合にも、両者の間の短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して電気化学反応単セルが破損することを抑制することができる。 In this electrochemical reaction unit, in at least one specific cross section along the first direction, the interconnector has a specific corner that satisfies the following conditions: (1) it faces the single cell separator in the first direction, and (2) it does not include a portion that is bent at an angle of 90 degrees or less. This makes it possible to suppress electric field concentration at the specific corner. Therefore, according to this electrochemical reaction unit, even if the distance between the specific corner of the interconnector and the single cell separator becomes small, it is possible to suppress the occurrence of a short circuit between the two, and to suppress damage to the electrochemical reaction single cell due to the short circuit.
(2)上記電気化学反応単位において、さらに、前記特定電極に面するガス室内における前記インターコネクタの前記角部と前記単セル用セパレータとの間に配置された絶縁性部材を備え、前記特定角部は、前記第1の方向において、前記絶縁性部材を介することなく前記単セル用セパレータに対向する構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、絶縁性部材が配置されていないためにインターコネクタの角部と単セル用セパレータとの間の短絡が発生しやすい位置において、該位置における角部を、電界集中を抑制することができる特定角部とすることにより、該短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して電気化学反応単セルが破損することを抑制することができる。 (2) The electrochemical reaction unit may further include an insulating member disposed between the corner of the interconnector and the single cell separator in the gas chamber facing the specific electrode, and the specific corner may be configured to face the single cell separator in the first direction without the insulating member. According to this electrochemical reaction unit, in a position where a short circuit is likely to occur between the corner of the interconnector and the single cell separator because no insulating member is disposed, the corner at the position is made a specific corner that can suppress electric field concentration, thereby suppressing the occurrence of the short circuit and suppressing damage to the electrochemical reaction single cell due to the short circuit.
(3)上記電気化学反応単位において、さらに、前記インターコネクタに接合され、前記特定電極に面するガス室を区画する導電性のインターコネクタ用セパレータを備え、前記特定角部は、前記第1の方向視における前記インターコネクタの外周に位置する角部である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、電界集中が発生しやすいインターコネクタの外周に位置する角部を、電界集中を抑制することができる特定角部とすることにより、該角部におけるインターコネクタと単セル用セパレータとの間の短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して電気化学反応単セルが破損することを抑制することができる。 (3) The electrochemical reaction unit may further include a conductive interconnector separator that is joined to the interconnector and partitions a gas chamber facing the specific electrode, and the specific corner may be a corner located on the outer periphery of the interconnector when viewed in the first direction. According to this electrochemical reaction unit, by making a corner located on the outer periphery of the interconnector, where electric field concentration is likely to occur, into a specific corner that can suppress electric field concentration, it is possible to suppress the occurrence of a short circuit between the interconnector and the single cell separator at the corner, and to suppress damage to the electrochemical reaction single cell due to the short circuit.
(4)上記電気化学反応単位において、前記第1の方向視で、前記インターコネクタの前記角部の輪郭線は、90度以下の角度で折れ曲がる部分を含まない構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、インターコネクタの角部の輪郭線の位置における電界集中を抑制することができ、その結果、インターコネクタと単セル用セパレータとの間の短絡の発生を効果的に抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction unit, when viewed in the first direction, the contour line of the corner of the interconnector may be configured not to include a portion that is bent at an angle of 90 degrees or less. According to this electrochemical reaction unit, it is possible to suppress electric field concentration at the position of the contour line of the corner of the interconnector, and as a result, it is possible to effectively suppress the occurrence of a short circuit between the interconnector and the single cell separator.
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、電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)、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(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、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。 The technology disclosed in this specification can be realized in various forms, such as an electrochemical reaction unit (fuel cell power generation unit or electrolysis cell unit), an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolysis cell stack) having multiple electrochemical reaction units, or a manufacturing method thereof.
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(および後述する図6および図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および図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。
A. Embodiments:
A-1. Configuration:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of a
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という。)102と、一対のターミナルプレート70,80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。上記配列方向(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。
The
一対のターミナルプレート70,80のうちの一方(以下、「上側ターミナルプレート70」という。)は、7つの発電単位102から構成される集合体(以下、「発電ブロック103」という。)の上側に配置されており、一対のエンドプレート104,106のうちの一方(以下、「上側エンドプレート104」という。)は、上側ターミナルプレート70の上側に配置されている。また、一対のターミナルプレート70,80のうちの他方(以下、「下側ターミナルプレート80」という。)は、発電ブロック103の下側に配置されており、一対のエンドプレート104,106のうちの他方(以下、「下側エンドプレート106」という。)は、下側ターミナルプレート80の下側に配置されている。なお、上側ターミナルプレート70と上側エンドプレート104との間、および、下側ターミナルプレート80と下側エンドプレート106との間には、絶縁シート92が介在している。絶縁シート92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ている。なお、より詳細には、上側ターミナルプレート70と絶縁シート92との間には、後述するカバー用セパレータ60が介在している。
One of the pair of
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、ターミナルプレート70,80、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、上側エンドプレート104から下側エンドプレート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と呼ぶ場合がある。
A plurality of holes (eight in this embodiment) that penetrate in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z axis direction of each layer (
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによる上下方向の圧縮力によって、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と上側エンドプレート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と下側エンドプレート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と下側エンドプレート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ている。
A
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が挿通された連通孔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が挿通された連通孔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。
The outer diameter of the shaft of each
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が挿通された連通孔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が挿通された連通孔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。
As shown in Figures 1 and 3, the space formed by the bolt 22 (
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。
The
(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、Z軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一対のエンドプレート104,106の中央付近には、それぞれ、Z軸方向に貫通する孔32,34が形成されている。Z軸方向視で、一対のエンドプレート104,106のそれぞれに形成された孔32,34の内周線は、後述する各単セル110を内包している。そのため、各ボルト22およびナット24によるZ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位102の周縁部(後述する各単セル110より外周側の部分)に作用する。
(Configuration of
The pair of
(ターミナルプレート70,80の構成)
一対のターミナルプレート70,80は、Z軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。上側ターミナルプレート70の中央付近には、Z軸方向に貫通する孔71が形成されている。Z軸方向視で、上側ターミナルプレート70に形成された孔71の内周線は、後述する各単セル110を内包している。なお、本実施形態では、Z軸方向視で、上側ターミナルプレート70に形成された孔71の内周線は、上側エンドプレート104に形成された孔32の内周線と略一致している。上側ターミナルプレート70は、Z軸方向視で、上側エンドプレート104の外周線から外側に突出した突出部78を備えており、該突出部78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する。また、下側ターミナルプレート80は、Z軸方向視で、下側エンドプレート106の外周線から外側に突出した突出部88を備えており、該突出部88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。
(Configuration of
The pair of
(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(最上部に位置する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(最上部に位置する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。
(Configuration of power generation unit 102)
Fig. 4 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 (the two
図4および図5に示すように、発電単位102は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という。)110と、単セル用セパレータ120と、空気極側フレーム130と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電部材148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190および一対のインターコネクタ用セパレータ(以下、「IC用セパレータ」という。)180とを備えている。単セル用セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、IC用セパレータ180におけるZ軸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。
As shown in Figures 4 and 5, the
単セル110は、電解質層112と、電解質層112のZ軸方向の一方側(上側)に配置された空気極114と、電解質層112のZ軸方向の他方側(下側)に配置された燃料極116と、電解質層112と空気極114との間に配置された中間層118とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で単セル110を構成する他の層(電解質層112、空気極114、中間層118)を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、Z軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、固体酸化物(例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア))を含むように構成されている。すなわち、本実施形態の単セル110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。空気極114は、Z軸方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、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))を含むように構成されている。燃料極116は、Z軸方向視で電解質層112と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。中間層118は、Z軸方向視で空気極114と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えばGDC(ガドリニウムドープセリア)とYSZとを含むように構成されている。中間層118は、空気極114から拡散した元素(例えば、Sr)が電解質層112に含まれる元素(例えば、Zr)と反応して高抵抗な物質(例えば、SrZrO3)が生成されることを抑制する機能を有する。
The
単セル用セパレータ120は、中央付近にZ軸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導電性部材であり、例えば、金属により形成されている。単セル用セパレータ120における孔121を取り囲む部分(以下、「貫通孔周囲部」という。)は、電解質層112における空気極114の側(上側)の表面の周縁部に対向している。単セル用セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)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。単セル用セパレータ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(クロスリーク)が抑制される。
The
単セル用セパレータ120は、単セル用セパレータ120の貫通孔周囲部(孔121を取り囲む部分)を含む内側部126と、内側部126より外周側に位置する外側部127と、内側部126と外側部127とを連結する連結部128とを備える。本実施形態では、内側部126および外側部127は、Z軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部128は、内側部126と外側部127との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部128における下側(燃料室176側)の部分は凸部となっており、連結部128における上側(空気室166側)の部分は凹部となっている。このため、連結部128は、Z軸方向における位置が内側部126および外側部127とは異なる部分を含んでいる。
The
単セル用セパレータ120における孔121付近には、ガラスを含むガラスシール部125が配置されている。ガラスシール部125は、接合部124に対して空気室166側に位置しており、単セル用セパレータ120の貫通孔周囲部の表面と、単セル110(本実施形態では電解質層112)の表面との両方に接触するように形成されている。ガラスシール部125により、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(クロスリーク)が効果的に抑制される。
A
図4から図6に示すように、インターコネクタ190は、略矩形の平板形状の平板部150と、平板部150から空気極114側に突出した複数の略柱状の空気極側集電部134とを有する導電性の部材であり、金属(例えば、フェライト系ステンレス)により形成されている。図4に示すように、Z軸方向視におけるインターコネクタ190の外周部は、Z軸方向において単セル用セパレータ120に対向している。本実施形態では、インターコネクタ190の表面(空気室166に面する表面)に、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性の被覆層194が形成されている。以下では、被覆層194に覆われたインターコネクタ190を、単にインターコネクタ190という。インターコネクタ190(より詳細には、インターコネクタ190の各空気極側集電部134)は、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性接合材196を介して、単セル110の空気極114に接合されることにより、空気極114と電気的に接続されている。インターコネクタ190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190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190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190と同一部材である。また、燃料電池スタック100において最も下側に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ190は、導電性接合材196を介して下側ターミナルプレート80に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100において最も上側に位置する発電単位102の上側のインターコネクタ190は、IC用セパレータ180および/または後述する他の部材(接続部材48、カバー部材50、カバー用セパレータ60)を介して上側ターミナルプレート70に電気的に接続されている。空気極114は、特許請求の範囲における特定電極の一例である。
4 to 6, the
IC用セパレータ180は、中央付近にZ軸方向に貫通する略矩形の孔181が形成されたフレーム状の導電性部材であり、例えば、金属により形成されている。IC用セパレータ180における孔181を取り囲む部分(以下、「貫通孔周囲部」という。)は、インターコネクタ190(の平板部150)の周縁部における上側の表面に、例えば溶接により接合されている。ある発電単位102に含まれる一対のIC用セパレータ180のうち、上側のIC用セパレータ180は、該発電単位102の空気室166と、該発電単位102に対して上側に隣り合う他の発電単位102の燃料室176とを区画する。また、ある発電単位102に含まれる一対のIC用セパレータ180のうち、下側のIC用セパレータ180は、該発電単位102の燃料室176と、該発電単位102に対して下側に隣り合う他の発電単位102の空気室166とを区画する。このように、IC用セパレータ180により、発電単位102の周縁部における発電単位102間のガスのリークが抑制される。
The
IC用セパレータ180は、IC用セパレータ180の貫通孔周囲部(孔181を取り囲む部分)を含む内側部186と、内側部186より外周側に位置する外側部187と、内側部186と外側部187とを連結する連結部188とを備える。本実施形態では、内側部186および外側部187は、Z軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部188は、内側部186と外側部187との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部188における下側(空気室166側)の部分は凸部となっており、連結部188における上側(燃料室176側)の部分は凹部となっている。このため、連結部188は、Z軸方向における位置が内側部186および外側部187とは異なる部分を含んでいる。
The
図6に示すように、空気極側フレーム130は、中央付近にZ軸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、単セル用セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側(上側)の表面の周縁部と、上側のIC用セパレータ180における空気室166に対向する側(下側)の表面の周縁部とに接触しており、両者の間のガスシール性(すなわち、空気室166のガスシール性)を確保するシール部材として機能する。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IC用セパレータ180間(すなわち、一対のインターコネクタ190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。
6, the air
図7に示すように、燃料極側フレーム140は、中央付近にZ軸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導電性部材であり、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、単セル用セパレータ120における電解質層112に対向する側(下側)の表面の周縁部と、下側のIC用セパレータ180における燃料室176に対向する側(上側)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。
7, the fuel
燃料極側集電部材148は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電部材148は、導電性部144と弾性部149とを有する。導電性部144は、燃料極116とインターコネクタ190とを電気的に接続する部分であり、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。導電性部144は、燃料極116の下側の表面に接触した電極対向部145と、インターコネクタ190の上側の表面に接触したインターコネクタ対向部146と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを有している。また、弾性部149は、燃料極側集電部材148の弾性を確保するための部分であり、例えば、マイカ等により形成されている。導電性部144のうちのインターコネクタ対向部146は、Z軸方向においてインターコネクタ190と弾性部149との間に配置され、導電性部144のうちの電極対向部145は、Z軸方向において燃料極116と弾性部149との間に配置されている。これにより、燃料極側集電部材148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、燃料極側集電部材148を介した燃料極116とインターコネクタ190との電気的接続が良好に維持される。燃料極側集電部材148は、例えば、平板状の材料(例えば、厚さ10~200μmのニッケル箔)に切り込みを入れ、該材料の上に複数の孔が形成されたシート状の弾性部149を配置した状態で、複数の矩形部分を曲げ起こして弾性部149を挟むように加工することにより作製される。曲げ起こされた各矩形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴が開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。
The fuel electrode side current collecting
また、図4から図7に示すように、本実施形態の各発電単位102は、さらに、空気室166および燃料室176に配置されたフェルト部材41を備える。フェルト部材41は、アルミナ-シリカ(二酸化ケイ素)系のフェルト材料により構成された絶縁性部材である。すなわち、フェルト部材41は、セラミックスであるアルミナと、シリカ成分とを含んでいる。フェルト部材41がアルミナを含むことにより、フェルト部材41の耐熱性や柔軟性を向上させることができる。フェルト部材41は、特許請求の範囲における絶縁性部材の一例である。
As shown in Figures 4 to 7, each generating
図5および図6に示すように、空気室166において、フェルト部材41は、酸化剤ガスOGの主たる流れ方向(X軸方向)に直交する方向(Y軸方向)の両端の位置(Z軸方向において単セル110の空気極114と重ならない位置)に充填されている。フェルト部材41の一部(単セル110の中心に近い側の部分)は、インターコネクタ190の外周部(後述する角部CPを含む)と単セル用セパレータ120との間に配置されている。そのため、フェルト部材41が配置された箇所では、インターコネクタ190の外周部は、Z軸方向においてフェルト部材41を介して単セル用セパレータ120に対向している。また、図4および図7に示すように、燃料室176において、フェルト部材41は、燃料ガスFGの主たる流れ方向(Y軸方向)に直交する方向(X軸方向)の両端の位置(Z軸方向において単セル110の空気極114と重ならない位置)に充填されている。フェルト部材41の存在により、空気室166に供給された酸化剤ガスOGまたは燃料室176に供給された燃料ガスFGが、発電にあまり寄与しない領域を通過して空気室166または燃料室176から排出されることを抑制することができ、発電効率を向上させることができる。
5 and 6, in the
また、図4および図5に示すように、本実施形態の燃料電池スタック100は、最も上側に位置する発電単位102(以下、「特定発電単位102X」ともいう。)より上側に配置されたカバー部材50およびカバー用セパレータ60を備える。カバー部材50は、Z軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、導電性材料(例えば金属)により形成されている。カバー部材50は、上側ターミナルプレート70に形成された孔71内に配置されており、特定発電単位102Xに含まれる上側のインターコネクタ190に対してZ軸方向に離間しつつ隣り合っている。すなわち、カバー部材50と、特定発電単位102Xに含まれる上側のインターコネクタ190との間には、空間(上側ターミナルプレート70の孔71により構成される空間であり、以下、「特定空間58」という。)が形成されている。特定空間58は、燃料電池スタック100に含まれる複数の単セル110(すべての単セル110)に対して上側に位置している。
As shown in FIG. 4 and FIG. 5, the
また、カバー用セパレータ60は、中央付近にZ軸方向に貫通する略矩形の孔61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。カバー用セパレータ60における孔61を取り囲む部分(以下、「貫通孔周囲部」という。)は、カバー部材50の周縁部における上側の表面に、例えば溶接により接合されている。また、カバー用セパレータ60における周縁部は、ターミナルプレート70の上側の表面に、例えばロウ付けにより接合されている。カバー用セパレータ60(および特定発電単位102Xに含まれる上側のインターコネクタ190に接合されたIC用セパレータ180)により、特定空間58が区画される。
The
カバー用セパレータ60は、カバー用セパレータ60の貫通孔周囲部(孔61を取り囲む部分)を含む内側部66と、内側部66より外周側に位置する外側部67と、内側部66と外側部67とを連結する連結部68とを備える。本実施形態では、内側部66および外側部67は、Z軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部68は、内側部66と外側部67との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部68における下側(特定空間58側)の部分は凸部となっており、連結部68における上側(外部空間側)の部分は凹部となっている。このため、連結部68は、Z軸方向における位置が内側部66および外側部67とは異なる部分を含んでいる。
The
また、本実施形態の燃料電池スタック100は、さらに、特定空間58に配置された接続部材48を備える。本実施形態では、接続部材48は、燃料極側集電部材148と同様の構成を有している。すなわち、接続部材48は、導電性部44と弾性部49とを有する。導電性部44は、カバー部材50と、特定発電単位102Xに含まれる上側のインターコネクタ190とを電気的に接続する部分であり、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。導電性部44は、カバー部材50の下側の表面に接触したカバー部材対向部45と、インターコネクタ190の上側の表面に接触したインターコネクタ対向部46と、カバー部材対向部45とインターコネクタ対向部46とをつなぐ連接部47とを有している。また、弾性部49は、接続部材48の弾性を確保するための部分であり、例えば、マイカ等により形成されている。導電性部44のうちのインターコネクタ対向部46は、Z軸方向においてインターコネクタ190と弾性部49との間に配置され、導電性部44のうちのカバー部材対向部45は、Z軸方向においてカバー部材50と弾性部49との間に配置されている。接続部材48は、例えば、上述した燃料極側集電部材148の作製方法と同様の方法により作製することができる。
The
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。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
2 and 4, when the oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the
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および燃料ガスFG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は導電性接合材196を介してインターコネクタ190に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電部材148を介してインターコネクタ190に電気的に接続されている。すなわち、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。また、燃料電池スタック100において、最も上側に位置する発電単位102の上側のインターコネクタ190は上側ターミナルプレート70に電気的に接続されており、最も下側に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ190は下側ターミナルプレート80に電気的に接続されている。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一対のターミナルプレート70,80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。
When the oxidant gas OG is supplied to the
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。
As shown in Figs. 2 and 4, the oxidant off-gas OOG discharged from the
A-3.インターコネクタ190の詳細構成:
次に、本実施形態の発電単位102におけるインターコネクタ190の詳細構成について説明する。図8は、発電単位102の一部(図4のX1部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図であり、図9は、発電単位102の他の一部(図5のX2部)のYZ断面構成を拡大して示す説明図である。本実施形態では、燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102において、以下に説明するインターコネクタ190の詳細構成が採用されている。
A-3. Detailed configuration of the interconnector 190:
Next, a detailed configuration of the
図8および図9に示すように、Z軸方向に沿った断面(例えば、XZ断面およびYZ断面)において、インターコネクタ190は角部CPを有する。角部CPは、該断面において、Z軸方向に略直交すると共に少なくとも一部が空気極114に対向する表面S1と、外周側に向いた表面S2と、をつなぐ部分である。なお、ある方向がZ軸方向に略直交するとは、Z軸方向に厳密に直交する方向に対する該方向の傾きが±10度以内であることを意味する。本実施形態では、インターコネクタ190の角部CPの少なくとも一部は、Z軸方向視におけるインターコネクタ190の外周部に存在する。インターコネクタ190の角部CPが、Z軸方向視におけるインターコネクタ190の外周部以外の位置に存在してもよい。
8 and 9, in a cross section along the Z-axis direction (e.g., an XZ cross section and a YZ cross section), the
図9に示すように、インターコネクタ190の角部CPのうちの一部(以下、「一般角部GCP」という。)は、90度(またはそれ以下)の角度で折れ曲がった部分を有する。本実施形態では、Z軸方向においてフェルト部材41を介して単セル用セパレータ120に対向している角部CPは、すべて一般角部GCPとなっている。
As shown in FIG. 9, some of the corners CP of the interconnector 190 (hereinafter referred to as "general corners GCP") have portions bent at an angle of 90 degrees (or less). In this embodiment, all of the corners CP that face the
一方、図8に示すように、インターコネクタ190の角部CPのうちの他の一部(以下、「特定角部SCP」という。)は、面取りされたような形状を有している。すなわち、特定角部SCPは、90度以下の角度で折れ曲がった部分を含まない。本実施形態では、Z軸方向においてフェルト部材41を介することなく単セル用セパレータ120に対向している角部CPは、すべて特定角部SCPとなっている。本実施形態では、特定角部SCPはR形状(R面取りしたような形状)を有している。また、本実施形態では、インターコネクタ190における上述した外周側に向いた表面S2の一部のみが略円弧状となっており、残りの一部はZ軸方向に略平行になっている。特定角部SCPは、例えば、研磨加工、切削加工等により形成することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 8, another part of the corners CP of the interconnector 190 (hereinafter referred to as the "special corners SCP") has a chamfered shape. That is, the special corners SCP do not include any parts bent at an angle of 90 degrees or less. In this embodiment, all corners CP that face the
このように、本実施形態の発電単位102では、Z軸方向に沿った少なくとも1つの断面(以下、「特定断面」という。)において、インターコネクタ190は、Z軸方向に略直交すると共に少なくとも一部が空気極114に対向する表面S1と、外周側に向いた表面S2と、をつなぐ角部CPであって、(1)Z軸方向において単セル用セパレータ120に対向し、かつ、(2)90度以下の角度で折れ曲がる部分を含まない、という条件を満たす特定角部SCPを有する。
Thus, in the
また、図6に示すように、本実施形態の発電単位102では、Z軸方向視で、インターコネクタ190の角部CPの輪郭線は、略矩形であり、かつ、4つの角が面取りされたような形状となっている。すなわち、Z軸方向視で、インターコネクタ190の角部CPの輪郭線は、90度以下の角度で折れ曲がった部分を含まない。このようなインターコネクタ190の形状は、例えば、研磨加工、切削加工、せん断加工等により実現することができる。
Also, as shown in FIG. 6, in the
A-4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の発電単位102は、単セル110と、単セル用セパレータ120と、インターコネクタ190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。単セル用セパレータ120は、単セル110に接合され、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とを区画する導電性の部材である。インターコネクタ190は、Z軸方向において空気極114に対向するように配置され、空気極114に電気的に接続された導電性の部材である。また、本実施形態の発電単位102では、Z軸方向に沿った少なくとも1つの断面である特定断面(例えば、図8に示す断面)において、インターコネクタ190は、Z軸方向に略直交すると共に少なくとも一部が空気極114に対向する表面S1と、外周側に向いた表面S2と、をつなぐ角部CPであって、(1)Z軸方向において単セル用セパレータ120に対向し、かつ、(2)90度以下の角度で折れ曲がる部分を含まない、という条件を満たす特定角部SCPを有する。
A-4. Advantages of this embodiment:
As described above, the
このように、本実施形態の発電単位102では、特定断面においてインターコネクタ190が特定角部SCPを有するため、以下に説明するように、インターコネクタ190の角部CPと単セル用セパレータ120との間での短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して単セル110が破損することを抑制することができる。
In this way, in the
図10は、比較例における発電単位102Zの構成を示す説明図である。比較例の発電単位102Zでは、インターコネクタ190の角部CPがすべて、90度(またはそれ以下)の角度で折れ曲がった部分を有する一般角部GCPとなっている。すなわち、図10に示すように、インターコネクタ190の角部CPのうち、Z軸方向においてフェルト部材41を介することなく単セル用セパレータ120に対向している角部CPも、一般角部GCPとなっている。一般角部GCPは90度(またはそれ以下)の角度で折れ曲がった部分を有するため、該部分に電界が集中しやすい。
Figure 10 is an explanatory diagram showing the configuration of a
ここで、発電単位102では、温度変化やガス圧の変化等に起因して各構成部材に反り等の変形が発生し、その結果、インターコネクタ190の角部CPと単セル用セパレータ120との間の距離が小さくなることがある。比較例における発電単位102Zでは、インターコネクタ190の角部CPのうち、Z軸方向においてフェルト部材41を介することなく単セル用セパレータ120に対向している角部CPが、電界集中が発生しやすい一般角部GCPであるため、インターコネクタ190の角部CPと単セル用セパレータ120との間の距離が小さくなると、両者の間で短絡が発生するおそれがあり、このような短絡が発生すると単セル110が破損するおそれがある。なお、該短絡に起因する単セル110の破損としては、例えば、短絡箇所を介した電気経路に電流が流れ続けることによって燃料極116側で燃料ガスFGの不足が発生し、燃料ガスFGの不足に起因して燃料極116に含まれるNiが異常酸化して膨張し、その結果、電解質層112にクラックや割れが発生するという現象が挙げられる。
Here, in the
これに対し、本実施形態の発電単位102では、インターコネクタ190が、(1)Z軸方向において単セル用セパレータ120に対向し、かつ、(2)90度以下の角度で折れ曲がる部分を含まない、という条件を満たす特定角部SCPを有するため、特定角部SCPにおける電界集中を抑制することができる。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、インターコネクタ190の特定角部SCPと単セル用セパレータ120との間の距離が小さくなった場合にも、両者の間の短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して単セル110が破損することを抑制することができる。
In contrast, in the
また、本実施形態の発電単位102は、さらに、フェルト部材41を備える。フェルト部材41は、空気極114に面する空気室166内におけるインターコネクタ190の角部CPと単セル用セパレータ120との間に配置された絶縁性部材である。また、インターコネクタ190の特定角部SCPは、Z軸方向において、フェルト部材41を介することなく単セル用セパレータ120に対向している。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、フェルト部材41が配置されていないためにインターコネクタ190の角部CPと単セル用セパレータ120との間の短絡が発生しやすい位置において、該位置における角部CPを特定角部SCPとすることにより、該短絡の発生を抑制することができる。
The
また、本実施形態の発電単位102は、さらに、IC用セパレータ180を備える。IC用セパレータ180は、インターコネクタ190に接合され、空気極114に面する空気室166を区画する導電性の部材である。また、本実施形態の発電単位102では、インターコネクタ190の特定角部SCPは、Z軸方向視におけるインターコネクタ190の外周に位置する角部CPである。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、電界集中が発生しやすいインターコネクタ190の外周に位置する角部CPにおいて、該角部CPを特定角部SCPとすることにより、該角部CPにおけるインターコネクタ190と単セル用セパレータ120との間の短絡の発生を抑制することができる。
The
また、本実施形態の発電単位102では、Z軸方向視で、インターコネクタ190の角部CPの輪郭線は、90度以下の角度で折れ曲がる部分を含まない。そのため、本実施形態の発電単位102によれば、インターコネクタ190の角部CPの輪郭線の位置における電界集中を抑制することができ、その結果、インターコネクタ190と単セル用セパレータ120との間の短絡の発生を効果的に抑制することができる。
In addition, in the
B.変形例:
本明細書に開示される技術は、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。
B. Variations:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the spirit of the invention. For example, the following modifications are also possible.
上記実施形態における燃料電池スタック100や発電単位102の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。図11は、変形例における発電単位102の構成を示す説明図である。図11に示す変形例の発電単位102では、上述した実施形態の発電単位102と同様に、インターコネクタ190の特定角部SCPがR形状(R面取りしたような形状)を有している。ただし、図11に示す変形例の発電単位102では、インターコネクタ190における外周側に向いた表面S2の略全体が略円弧状となっており、該表面S2がZ軸方向に平行な部分を有していない。
The configurations of the
図12は、他の変形例における発電単位102の構成を示す説明図である。図12に示す変形例の発電単位102では、インターコネクタ190の特定角部SCPがC面取りしたような形状を有している。また、インターコネクタ190における外周側に向いた表面S2の一部のみがZ軸方向に対して傾いており、残りの一部はZ軸方向に略平行になっている。なお、図12に示す変形例の発電単位102において、外周側に向いた表面S2の略全体がZ軸方向に対して傾いており、該表面S2がZ軸方向に平行な部分を有していない構成としてもよい。
Figure 12 is an explanatory diagram showing the configuration of a
図13は、他の変形例における発電単位102の構成を示す説明図である。図13に示す変形例の発電単位102では、IC用セパレータ180が設けられておらず、インターコネクタ190が燃料電池スタック100の外周部まで延伸したような構成を有している。すなわち、図13に示す変形例の発電単位102では、上述した実施形態の発電単位102におけるインターコネクタ190とIC用セパレータ180とが一体部材となったような構成を有している。一体部材となったインターコネクタ190における空気極114に対向する側(下側)の表面には、中央部と外周部との境界の位置に、外周部の方が凹になるような段差が設けられている。図13に示す変形例の発電単位102では、この段差部が、インターコネクタ190の角部CPに該当する。図13に示す変形例の発電単位102では、インターコネクタ190の該段差部に存在する角部CPのうち、Z軸方向においてフェルト部材41を介することなく単セル用セパレータ120に対向している角部CPは、すべて特定角部SCPとなっている。そのため、図13に示す変形例の発電単位102によれば、上述した実施形態の発電単位102と同様に、インターコネクタ190の角部CPと単セル用セパレータ120との間での短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して単セル110が破損することを抑制することができる。
Figure 13 is an explanatory diagram showing the configuration of a
上記実施形態(または変形例(以下、同様))におけるZ軸方向に沿った発電単位102の断面上の特定角部SCPの形状は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、特定角部SCPの形状は略円弧状であるが、円弧以外の曲線状であってもよい。
The shape of the specific corner portion SCP on the cross section of the
上記実施形態では、Z軸方向においてフェルト部材41を介することなく単セル用セパレータ120に対向している角部CPは、すべて特定角部SCPであるが、該角部CPの一部のみが特定角部SCPであり、残りの一部は一般角部GCPであるとしてもよい。また、上記実施形態では、Z軸方向においてフェルト部材41を介して単セル用セパレータ120に対向している角部CPは、すべて一般角部GCPであるが、該角部CPの少なくとも一部が特定角部SCPであるとしてもよい。
In the above embodiment, all corners CP that face the
上記実施形態では、空気室166および/または燃料室176に配置する絶縁性部材としてフェルト部材41を用いているが、絶縁性部材として他の絶縁性材料により形成された部材が用いられてもよい。また、必ずしも空気室166および/または燃料室176に絶縁性部材を配置する必要はなく、絶縁性部材が省略されてもよい。
In the above embodiment, a felt
上記実施形態では、Z軸方向視で、インターコネクタ190の角部CPの輪郭線は、90度以下の角度で折れ曲がった部分を含まないが、該輪郭線が90度以下の角度で折れ曲がった部分を含んでいてもよい。
In the above embodiment, when viewed in the Z-axis direction, the contour line of the corner portion CP of the
上記実施形態では、Z軸方向に沿った発電単位102の断面において、インターコネクタ190の角部CPは、空気極114に対向する表面S1と外周側に向いた表面S2とをつなぐ部分であるとしているが、インターコネクタ190の角部CPは、これに代えて、インターコネクタ190における燃料極116に対向する表面と外周側に向いた表面とをつなぐ部分であるとしてもよい。この場合においては、燃料極116は特許請求の範囲における特定電極に相当する。
In the above embodiment, in the cross section of the
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発電単位102において、上述したインターコネクタ190の詳細構成(インターコネクタ190が特定角部SCPを有する構成)が採用されているが、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも1つの発電単位102において該構成が採用されていればよい。
In the above embodiment, the detailed configuration of the
上記実施形態では、一対のエンドプレート104,106に孔32,34が形成されているが、一対のエンドプレート104,106の少なくとも一方について該孔32,34が形成されていなくてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック100が一対のターミナルプレート70,80を備えているが、他の部材(例えば、一対のエンドプレート104,106)をターミナルプレートとしても機能させ、専用部材としてのターミナルプレート70,80を省略してもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、単セル用セパレータ120が、内側部126と外側部127との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状の連結部128を有しているが、連結部128の形状は他の形状であってもよい。また、単セル用セパレータ120が連結部128を有さなくてもよい。IC用セパレータ180における連結部188についても同様である。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、単セル用セパレータ120における孔121付近にガラスシール部125が配置されているが、ガラスシール部125は省略されてもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、インターコネクタ190は導電性の被覆層194を含んでいるが、インターコネクタ190が該被覆層194を含んでいなくてもよい。また、上記実施形態では、単セル110が中間層118を有しているが、単セル110が中間層118を有さないとしてもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、単セル110は燃料極支持形の単セルであるが、電解質支持型や金属支持形等の他のタイプの単セルであってもよい。なお、金属支持形の単セルが用いられた形態では、金属支持体が特許請求の範囲における単セル用セパレータに相当し、金属支持体により支持される他の層が特許請求の範囲における単セルに相当する。
In the above embodiment, the
上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる単セル110の個数(発電単位102の個数)は、あくまで一例であり、単セル110の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。
In the above embodiment, the number of unit cells 110 (the number of power generation units 102) included in the
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、本明細書に開示される技術は、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電解セル(SOEC)の構成単位である電解セル単位や、電解セル単位を複数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、電解セル単位および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発電単位102および燃料電池スタック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、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、マニホールドを介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、マニホールドを介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用すると、インターコネクタの角部と単セル用セパレータとの間での短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して電解単セルが破損することを抑制することができる。
In the above embodiment, the SOFC generates electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen contained in a fuel gas and oxygen contained in an oxidant gas. However, the technology disclosed in this specification can be applied to an electrolysis cell unit, which is a constituent unit of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water, and an electrolysis cell stack having a plurality of electrolysis cell units. The configurations of the electrolysis cell unit and the electrolysis cell stack are publicly known, for example, as described in JP 2016-81813 A, and will not be described in detail here, but are generally similar to the configurations of the
上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本明細書に開示される技術は、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。 In the above embodiment, a solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example, but the technology disclosed in this specification can also be applied to other types of fuel cells (or electrolytic cells), such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), and a molten carbonate fuel cell (MCFC).
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 32,34:孔 41:フェルト部材 44:導電性部 45:カバー部材対向部 46:インターコネクタ対向部 47:連接部 48:接続部材 49:弾性部 50:カバー部材 58:特定空間 60:カバー用セパレータ 61:孔 66:内側部 67:外側部 68:連結部 70:上側ターミナルプレート 71:孔 78:突出部 80:下側ターミナルプレート 88:突出部 92:絶縁シート 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 103:発電ブロック 104:上側エンドプレート 106:下側エンドプレート 108:連通孔 110:燃料電池単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 118:中間層 120:単セル用セパレータ 121:孔 124:接合部 125:ガラスシール部 126:内側部 127:外側部 128:連結部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電部 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:導電性部 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 148:燃料極側集電部材 149:弾性部 150:平板部 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 180:インターコネクタ用セパレータ 181:孔 186:内側部 187:外側部 188:連結部 190:インターコネクタ 194:被覆層 196:導電性接合材 CP:角部 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス GCP:一般角部 OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス SCP:特定角部 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branching portion 32, 34: Hole 41: Felt member 44: Conductive portion 45: Cover member facing portion 46: Interconnector facing portion 47: Connection portion 48: Connection member 49: Elastic portion 50: Cover member 58: Specific space 60: Cover separator 61: Hole 66: Inner portion 67: Outer portion 68: Connection portion 70: Upper terminal plate 71: Hole 78: Protrusion 80: Lower terminal plate 88: Protrusion 92: Insulating sheet 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell power generation unit 103: Power generation block 104: Upper end plate 106: Lower end plate 108: Communication hole 110: Fuel cell unit cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 118: Intermediate layer 120: Single cell separator 121: Hole 124: Joint portion 125: Glass seal portion 126: Inner portion 127: Outer portion 128: Connection portion 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidant gas supply passage 133: Oxidant gas discharge passage 134: Air electrode side current collecting portion 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply passage 143: Fuel gas discharge passage 144: Conductive portion 145: Electrode opposing portion 146: Interconnector opposing portion 147: Connection portion 148: Fuel electrode side current collecting member 149: Elastic portion 150: Flat plate portion 161: Oxidant gas supply manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas supply manifold 172: Fuel gas exhaust manifold 176: Fuel chamber 180: Interconnector separator 181: Hole 186: Inner part 187: Outer part 188: Connection part 190: Interconnector 194: Coating layer 196: Conductive bonding material CP: Corner FG: Fuel gas FOG: Fuel off-gas GCP: General corner OG: Oxidizer gas OOG: Oxidizer off-gas SCP: Specific corner
Claims (5)
前記電気化学反応単セルに接合され、前記空気極に面するガス室と前記燃料極に面するガス室とを区画する導電性の単セル用セパレータと、
前記第1の方向において前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対向するように配置され、前記特定電極に電気的に接続された導電性のインターコネクタと、
を備える電気化学反応単位において、
前記第1の方向に沿った少なくとも1つの断面である特定断面において、前記インターコネクタは、前記第1の方向に略直交すると共に少なくとも一部が前記特定電極に対向する表面と、外周側に向いた表面と、をつなぐ角部であって、(1)前記第1の方向において前記単セル用セパレータに対向し、かつ、(2)90度以下の角度で折れ曲がる部分を含まない、という条件を満たす特定角部を有する、
ことを特徴とする電気化学反応単位。 an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween;
a conductive single cell separator that is joined to the electrochemical reaction single cell and divides a gas chamber facing the air electrode from a gas chamber facing the fuel electrode;
a conductive interconnector that is disposed so as to face a specific electrode, which is one of the fuel electrode and the air electrode, in the first direction and is electrically connected to the specific electrode;
In an electrochemical reaction unit comprising:
In at least one specific cross section along the first direction, the interconnector has a corner portion that is substantially perpendicular to the first direction and connects a surface at least a portion of which faces the specific electrode with a surface facing an outer periphery, the corner portion satisfying the following conditions: (1) the corner portion faces the single cell separator in the first direction; and (2) the corner portion does not include a portion that is bent at an angle of 90 degrees or less.
An electrochemical reaction unit characterized by:
前記特定電極に面するガス室内における前記インターコネクタの前記特定電極に対向する表面と外周側に向いた表面とをつなぐ角部の一部と前記単セル用セパレータとの間に配置された絶縁性部材を備え、
前記角部の他の一部である前記特定角部は、前記第1の方向において、前記絶縁性部材を介することなく前記単セル用セパレータに対向する、
ことを特徴とする電気化学反応単位。 The electrochemical reaction unit according to claim 1, further comprising:
an insulating member disposed between the unit cell separator and a part of a corner portion connecting a surface of the interconnector facing the specific electrode and a surface facing an outer periphery in a gas chamber facing the specific electrode,
the specific corner portion, which is another part of the corner portion , faces the unit cell separator in the first direction without the insulating member therebetween.
An electrochemical reaction unit characterized by:
前記インターコネクタに接合され、前記特定電極に面するガス室を区画する導電性のインターコネクタ用セパレータを備え、
前記特定角部は、前記第1の方向視における前記インターコネクタの外周に位置する角部である、
ことを特徴とする電気化学反応単位。 The electrochemical reaction unit according to claim 1 or 2, further comprising:
a conductive separator for the interconnector that is joined to the interconnector and that defines a gas chamber facing the specific electrode;
The specific corner portion is a corner portion located on an outer periphery of the interconnector when viewed in the first direction.
An electrochemical reaction unit characterized by:
前記第1の方向視で、前記インターコネクタの前記角部の輪郭線は、90度以下の角度で折れ曲がる部分を含まない、
ことを特徴とする電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 3,
When viewed in the first direction, a contour line of the corner portion of the interconnector does not include a portion that is bent at an angle of 90 degrees or less.
An electrochemical reaction unit characterized by:
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。 In an electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction units arranged in the first direction,
At least one of the plurality of electrochemical reaction units is the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 4.
Electrochemical reaction cell stack comprising:
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