WO2019030920A1 - 燃料電池のスタック構造および燃料電池スタックの熱歪吸収方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a fuel cell stack structure and a thermal strain absorption method for a fuel cell stack.
- a fuel cell generates electricity by supplying gas to a laminated member including a power generation cell in which an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode. Since fuel cells may supply gas at high speed or supply at high temperature depending on the situation, there is known a technology to protect the laminated member by adjusting the load applied to the laminated member. (See, for example, Patent Document 1).
- An object of the present invention is to provide a fuel cell stack structure capable of sufficiently suppressing distortion generated in a laminated member.
- the fuel cell stack structure of the present invention comprises an electric power generation cell configured to sandwich an electrolyte between a fuel electrode and an oxidant electrode to generate electric power using supplied gas and a flow for supplying gas to the power generation cell Fix to the end plate a plurality of laminated bodies in which a channel portion, a gas inlet for introducing a gas into the channel portion, and a separator having a gas outlet for discharging the gas from the channel portion are alternately stacked It is the structure fixed using the means.
- the laminates are arranged in parallel, and a first thermal strain absorbing portion is formed between them to absorb thermal strain in the direction orthogonal to the laminating direction.
- thermal strain absorption method of a fuel cell stack for achieving the above object, an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode to form a power generation cell, and the power generation cell is held between a pair of separators.
- a stack is formed, and a plurality of the stacks are stacked to form a plurality of sets of rows of the stack, and the plurality of stacks are arranged in parallel while forming a space portion by the rows of the stack, the stack row
- the thermal strain in the direction orthogonal to the stacking direction is absorbed in the space portion between them.
- FIG. 3 is a perspective view showing the fuel cell of FIG. 2 from another direction (downward).
- FIG. 3 is a perspective view showing the cell stack assembly of FIG. 2 and an external manifold.
- FIG. 6 is a perspective view showing the upper end plate (right half) and the stack (right side) and lower end plate (right half) of FIG. 5;
- FIG. 3 is a perspective view showing the stack of FIG. 2 disassembled into an upper module unit, a plurality of middle module units, and a lower module unit.
- FIG. 8 is an exploded perspective view of the middle module unit of FIG. 7; It is a perspective view which disassembles and shows the lower module unit of FIG.
- FIG. 10 is an exploded perspective view showing one of the cell units of FIGS. 5 to 7 in a disassembled state and another cell unit (configuration other than a metal support cell assembly) located below the one cell unit.
- FIG. 12 is an exploded perspective view of the metal support cell assembly of FIG. 11;
- FIG. 12 is a side view showing the metal support cell assembly of FIG. 11 in cross section. It is a perspective view which shows the separator of FIG. 11 from the cathode side (The side which visually recognized the separator 102 from the upper direction similarly to FIG.
- FIG. 11 It is a perspective view which shows the separator of FIG. 14 partially (area 15 in FIG. 14). It is a perspective view which shows the separator of FIG. 11 from the anode side (The side which visually recognized the separator 102 from the downward direction unlike FIG. 11).
- FIG. 17 is a perspective view showing a part of the separator of FIG. 16 (area 17 in FIG. 16). It is sectional drawing which shows partially the metal support cell assembly of FIG. 11, the separator, and the current collection auxiliary
- arrows representing X, Y, and Z are used to indicate the orientations of members constituting the fuel cell.
- the direction of the arrow represented by X indicates the short direction X of one stack 100S in the fuel cell 100.
- the direction of the arrow represented by Y indicates the longitudinal direction Y of one stack 100S in the fuel cell 100.
- the direction of the arrow represented by Z indicates the stacking direction Z of the fuel cell 100.
- FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell 100 according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a perspective view showing the fuel cell 100 of FIG. 1 partially disassembled.
- FIG. 3 is a perspective view showing a part of the fuel cell 100 of FIG. 2 in an enlarged manner.
- FIG. 4 is a perspective view showing the fuel cell 100 of FIG. 2 from another direction (downward).
- FIG. 5 is a perspective view showing the cell stack assembly 100M and the external manifold 113 of FIG. 6 is a perspective view showing the upper end plate 109 (right half) and the stack 100S (right side) and the lower end plate 108 (right half) of FIG.
- FIG. 7 is a perspective view showing the stack 100S of FIG.
- FIG. 8 is an exploded perspective view of the upper module unit 100P of FIG.
- FIG. 9 is an exploded perspective view of the central module unit 100Q of FIG.
- FIG. 10 is an exploded perspective view of the lower module unit 100R of FIG.
- FIG. 11 disassembles one cell unit 100T in FIGS. 8 to 10, and disassembles another cell unit 100T (configuration other than the metal support cell assembly 101) located below the one cell unit 100T.
- FIG. 8 is an exploded perspective view of the upper module unit 100P of FIG.
- FIG. 9 is an exploded perspective view of the central module unit 100Q of FIG.
- FIG. 10 is an exploded perspective view of the lower module unit 100R of FIG.
- FIG. 11 disassembles one cell unit 100T in FIGS. 8 to 10, and disassembles another cell unit 100T (configuration other than the metal support cell assembly 101) located below the one cell unit 100T.
- FIG. 12 is an exploded perspective view of the metal support cell assembly 101 of FIG.
- FIG. 13 is a side view showing the metal support cell assembly 101 of FIG. 11 in cross section.
- FIG. 14 is a perspective view showing the separator 102 of FIG. 11 from the cathode side (the side where the separator 102 is viewed from above as in FIG. 11).
- FIG. 15 is a perspective view showing the separator 102 of FIG. 14 partially (area 15 in FIG. 14).
- FIG. 16 is a perspective view showing the separator 102 of FIG. 11 from the anode side (the side where the separator 102 is viewed from below unlike in FIG. 11).
- FIG. 17 is a perspective view showing the separator 102 of FIG. 16 partially (area 17 in FIG. 16).
- FIG. 18 is a cross-sectional view partially showing the metal support cell assembly 101 of FIG. 11, the separator 102 and the current collection auxiliary layer 103 in a stacked state.
- the fuel cell 100 is configured by sandwiching the cell stack assembly 100M from above and below by the external manifold 113 for supplying gas from the outside and a cover 115 for protecting the cell stack assembly 100M. There is.
- each stack 100S is configured by stacking an upper module unit 100P, a plurality of middle module units 100Q, and a lower module unit 100R, as shown in FIGS. 2 to 7 (in particular, FIG. 7).
- upper module unit 100P corresponds to upper collecting plate 106 for outputting electric power generated by cell unit 100T to the outside, and an end plate, as shown in FIG.
- the module end 105 is configured to be sandwiched from above and below.
- the middle module unit 100Q is configured by sandwiching a plurality of stacked cell units 100T from above and below by a pair of module ends 105.
- the lower module unit 100R is configured by sandwiching a plurality of stacked cell units 100T from above and below by the module end 105 and the lower current collector plate 107.
- the cell unit 100T includes a metal support cell assembly 101 provided with a power generation cell 101M that generates electric power by the supplied gas, and a metal support cell adjacent along the stacking direction Z.
- a sealing member 104 is included which seals the edges of the cell assembly 101 and the manifold portion of the separator 102 to restrict the flow of gas.
- the current collection auxiliary layer 103 and the sealing member 104 are disposed between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 adjacent to each other along the stacking direction Z due to their structures.
- the metal support cell assembly 101 and the separator 102 form an assembly 100U by joining the respective outer edges in a ring along the bonding line V in the manufacturing method of the fuel cell 100.
- the current collection auxiliary layer 103 and the sealing member 104 are disposed between the joined bodies 100U (the metal support cell assembly 101 and the separator 102) adjacent to each other along the stacking direction Z. That is, as shown in the lower part of FIG. 11, the current collection auxiliary layer 103 and the sealing member 104 are adjacent to the metal support cell assembly 101 of one bonded body 100U and the bonded body 100U in the stacking direction Z. It arrange
- the metal support cell assembly 101 is provided with a power generation cell 101M that generates power by the supplied gas.
- the metal support cell assembly 101 includes a metal support cell 101N arranged in a row along the longitudinal direction Y and a cell frame 101W holding the metal support cell 101N from the periphery. There is.
- the metal support cell 101N is configured of a power generation cell 101M and a support metal 101V that supports the power generation cell 101M from one side.
- the power generation cell 101M is configured by sandwiching the electrolyte 101S between the anode 101T and the cathode 101U.
- the anode 101T is a fuel electrode, and an anode gas AG (for example, hydrogen) and oxide ions are reacted to generate an oxide of the anode gas AG and to take out electrons.
- the anode 101T is resistant to a reducing atmosphere, transmits the anode gas AG, has high electrical conductivity, and has a catalytic action of causing the anode gas AG to react with oxide ions.
- the anode 101T is formed of a rectangular shape larger than the electrolyte 101S.
- the anode 101T is made of, for example, a cemented carbide in which a metal such as nickel and an oxide ion conductor such as yttria-stabilized zirconia are mixed. As shown in FIGS. 12 and 13, the anode 101T has a thin plate shape and a rectangular shape.
- the electrolyte 101S allows oxide ions to permeate from the cathode 101U toward the anode 101T, as shown in FIGS.
- the electrolyte 101S does not pass gas and electrons while passing oxide ions.
- the electrolyte 101S is formed in a rectangular shape.
- the electrolyte 101S is made of, for example, solid oxide ceramics such as stabilized zirconia in which yttria, neodymium oxide, samaria, gadoria, scandia and the like are solid-solved.
- the electrolyte 101S is a thin plate as shown in FIGS. 12 and 13, and has a rectangular shape slightly larger than the anode 101T. As shown in FIG.
- the outer edge of the electrolyte 101S is refracted toward the side of the anode 101T to be in contact with the side surface along the stacking direction Z of the anode 101T.
- the tip of the outer edge of the electrolyte 101S is in contact with the support metal 101V.
- the cathode 101U is an oxidant electrode, and reacts electrons with cathode gas CG (eg, oxygen contained in air) to convert oxygen molecules into oxide ions.
- the cathode 101 U is resistant to an oxidizing atmosphere, permeates the cathode gas CG, has high electrical conductivity, and has a catalytic action of converting oxygen molecules into oxide ions.
- the cathode 101U is formed in a rectangular shape smaller than the electrolyte 101S.
- the cathode 101U is made of, for example, an oxide such as lanthanum, strontium, manganese or cobalt.
- the cathode 101U as shown in FIGS.
- the cathode 101U faces the anode 101T via the electrolyte 101S. Since the outer edge of the electrolyte 101S is bent toward the anode 101T, the outer edge of the cathode 101U does not come in contact with the outer edge of the anode 101T.
- the support metal 101V supports the power generation cell 101M from the side of the anode 101T, as shown in FIGS. 12 and 13.
- the support metal 101V has gas permeability, high electrical conductivity, and sufficient strength.
- the support metal 101V is formed of a rectangular shape sufficiently larger than the anode 101T.
- the support metal 101V is made of, for example, a corrosion resistant alloy containing nickel or chromium, a corrosion resistant steel, or stainless steel.
- the cell frame 101W holds the metal support cell 101N from the periphery as shown in FIG. 12 and FIG.
- the cell frame 101W is formed in a thin rectangular shape.
- the cell frame 101W is provided with a pair of openings 101k along the longitudinal direction Y.
- the pair of openings 101k of the cell frame 101W each have a rectangular through hole, and are smaller than the outer shape of the support metal 101V.
- the cell frame 101W is made of metal and is insulated using an insulating material or a coating.
- the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the cell frame 101W.
- the metal support cell assembly 101 is joined to the cell frame 101W by joining the outer edge of the support metal 101V to the inner edge of the opening 101k of the cell frame 101W.
- the cell frame 101W is a circular extending portion (first extending portion 101p, the first extending portion 101p, the first end extending in the surface direction from the right end, the center and the left end of one side along the longitudinal direction Y).
- the second extending portion 101 q and the third extending portion 101 r are provided.
- the cell frame 101W is provided with circular extending portions (the fourth extending portion 101s and the fifth extending portion 101t) extending in the surface direction from two places separated from the center of the other side along the longitudinal direction Y ing.
- the first extending portion 101p, the second extending portion 101q and the third extending portion 101r, and the fourth extending portion 101s and the fifth extending portion 101t separate a pair of openings 101k. , Alternately located along the longitudinal direction Y.
- the cell frame 101W extends the first anode-side first inlet 101a, the anode-side second inlet 101b, and the anode-side third inlet 101c, through which the anode gas AG passes (inflows), as a first extension. It is provided in the portion 101p, the second extending portion 101q, and the third extending portion 101r.
- the cell frame 101W is provided with an anode-side first outlet 101d and an anode-side second outlet 101e, through which the anode gas AG passes (outflows), in the fourth extending portion 101s and the fifth extending portion 101t.
- the anode-side first inlet 101a, the anode-side second inlet 101b, the anode-side third inlet 101c, the anode-side first outlet 101d, and the anode-side second outlet 101e of the anode gas AG are so-called manifolds .
- the cathode side first inlet 101f for passing (inflowing) the cathode gas CG is provided in the space between the first extending portion 101p and the second extending portion 101q.
- the cell frame 101W is provided with a cathode-side second inlet 101g for passing (inflowing) the cathode gas CG in a space between the second extending portion 101q and the third extending portion 101r.
- the cell frame 101W is provided with a cathode-side first outlet 101h through which the cathode gas CG passes (outflows), on the right side in FIG. 12 with respect to the fourth extending portion 101s.
- the cell frame 101W is provided with a cathode-side second outlet 101i for passing (outflowing) the cathode gas CG in the space between the fourth extending portion 101s and the fifth extending portion 101t.
- the cell frame 101W is provided with a cathode-side third outlet 101j that allows the cathode gas CG to pass (outflow), on the left side in FIG. 12 relative to the fifth extension portion 101t.
- the cathode side first inlet 101f, the cathode side second inlet 101g, the cathode side first outlet 101h, the cathode side second outlet 101i and the cathode side third outlet 101j are of the cell frame 101W. It corresponds to the space between the outer peripheral surface and the inner side surface of the air shelter 112.
- the separators 102 are provided between the power generation cells 101M and the power generation cells 101M of the metal support cell assemblies 101 to be stacked to separate the adjacent power generation cells 101M. .
- the separator 102 is disposed to face the metal support cell assembly 101.
- the separator 102 has the same outer shape as the metal support cell assembly 101.
- the separator 102 is made of metal, and is insulated using an insulating material or a coating except for a region (flow passage portion 102L) facing the power generation cell 101M.
- the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the separator 102.
- the flow path portion 102L is provided side by side in the longitudinal direction Y so as to face the power generation cell 101M.
- the flow path portion 102L in the separator 102, as shown in FIG. 11 and FIG. 14 to FIG. 18, in the flow path portion 102L, the flow path extending along the gas flow direction (short direction X) is the gas flow direction (short). It is formed by arranging in the direction (longitudinal direction Y) orthogonal to the hand direction X). As shown in FIG. 15, FIG. 17 and FIG. 18, the flow path portion 102L has a convex anode-side projection so as to protrude downward from the flat portion 102x in the plane of the longitudinal direction Y and the transverse direction X. 102y are provided at regular intervals. The anode side protrusion 102y extends along the gas flow direction (short direction X).
- the anode-side protrusion 102 y protrudes downward from the lower end of the separator 102.
- the flow path portion 102L is provided with convex cathode side projections 102z at regular intervals so as to protrude upward from the flat portion 102x.
- the cathode side protrusion 102z extends along the gas flow direction (short direction X).
- the cathode side protrusion 102 z protrudes upward from the upper end of the separator 102.
- the flow channel portion 102L alternately provides the anode-side protrusions 102y and the convex cathode-side protrusions 102z along the longitudinal direction Y with the flat portion 102x therebetween.
- the separator 102 uses the gap between the flow path portion 102L and the metal support cell assembly 101 located below (the right side in FIG. 18) the flow path of the anode gas AG. Configured.
- the anode gas AG flows from the anode-side second inlet 102b of the separator 102 shown in FIG. 16 through the plurality of grooves 102q shown in FIGS. 16 and 17 into the flow channel portion 102L on the anode side.
- the separators 102 flow from the anode side first inlet 102a, the anode side second inlet 102b, and the anode side third inlet 102c on the anode side, as shown in FIGS.
- the separator 102 has a gap between the flow path portion 102L and the metal support cell assembly 101 located above (left in FIG. 18) as a flow path of the cathode gas CG. Configured.
- the cathode gas CG passes the cathode-side first inlet 102 f and the cathode-side second inlet 102 g of the separator 102 shown in FIG. 14, and passes over the outer edge 102 p of the cathode 102 of the separator 102 shown in FIGS. 14 and 15. Flows into the flow path portion 102L of the In the separator 102, as shown in FIG. 15, the outer edge 102p on the cathode side is thinner than the other portions.
- the separator 102 has an anode-side first inlet for passing the anode gas AG so as to be positioned relative to the metal support cell assembly 101 along the stacking direction Z.
- An anode side second inlet 102b, an anode side third inlet 102c, an anode side first outlet 102d, and an anode side second outlet 102e are provided.
- the separator 102 has a cathode side first inlet 102 f, a cathode side second inlet 102 g, and a cathode side first inlet 102 f for passing the cathode gas CG so that the separator 102 is positioned relative to the metal support cell assembly 101 along the stacking direction Z.
- One outlet 102h, a cathode side second outlet 102i, and a cathode side third outlet 102j are provided.
- the cathode side first inlet 102f of the cathode gas CG, the cathode side second inlet 102g, the cathode side first outlet 102h, the cathode side second outlet 102i and the cathode side third outlet 102j It corresponds to the space between the outer peripheral surface of the air conditioner 102 and the inner side surface of the air shelter 112.
- the current collection auxiliary layer 103 forms a space for passing gas between the power generation cell 101M and the separator 102 while equalizing the surface pressure to electrically connect the power generation cell 101M and the separator 102. It assists in contact.
- the current collection auxiliary layer 103 is a so-called expanded metal.
- the current collection auxiliary layer 103 is disposed between the power generation cell 101M and the flow path portion 102L of the separator 102.
- the current collection auxiliary layer 103 has an outer shape similar to that of the power generation cell 101M.
- the current collection auxiliary layer 103 is formed of a wire mesh in which openings such as rhombus are provided in a grid.
- the sealing member 104 partially seals the gap between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 to restrict the flow of gas, as shown in FIG.
- the sealing member 104 is a so-called gasket having a spacer and a sealing function.
- the sealing member 104 is directed from the anode side inlet (for example, the anode side first inlet 102 a) and the anode side outlet (for example, the anode side first outlet 102 d) of the separator 102 toward the flow path on the cathode side of the separator 102.
- the sealing member 104 is formed in a ring shape.
- the sealing member 104 has an inner peripheral edge of an anode side inlet (for example, the anode side first inlet 102 a) facing the cathode side surface of the separator 102 and an inner peripheral edge of the anode side outlet (for example, the anode side first outlet 102 d). Bond to The sealing member 104 is made of, for example, thermiculite having heat resistance and sealability.
- the module end 105 is a plate for holding the lower end or the upper end of a plurality of stacked cell units 100T, as shown in FIGS.
- the module end 105 is disposed at the lower end or the upper end of the plurality of stacked cell units 100T.
- the module end 105 has an outer shape similar to that of the cell unit 100T.
- the module end 105 is made of a conductive material that does not transmit gas, and is insulated using an insulating material or a coating except for a region facing the power generation cell 101 M and the other module end 105.
- the insulating material is configured, for example, by fixing aluminum oxide to the module end 105.
- the module end 105 has an anode side first inlet 105a for passing the anode gas AG, an anode side second inlet 105b, and an anode side third so that the relative position is aligned with the cell unit 100T along the stacking direction Z.
- An inlet 105c, an anode side first outlet 105d, and an anode side second outlet 105e are provided.
- the module end 105 has a cathode side first inlet 105 f for passing the cathode gas CG, a cathode side second inlet 105 g, and a cathode side first so that the relative position is aligned with the cell unit 100 T along the stacking direction Z.
- An outlet 105 h, a cathode side second outlet 105 i and a cathode side third outlet 105 j are provided.
- the cathode side first inlet 105f, the cathode side second inlet 105g, the cathode side first outlet 105h, the cathode side second outlet 105i and the cathode side third outlet 105j It corresponds to the space between the outer peripheral surface and the inner side surface of the air shelter 112.
- the upper current collecting plate 106 shown in FIG. 8 is for outputting the power generated by the cell unit 100T to the outside.
- the upper current collecting plate 106 is disposed at the upper end of the upper module unit 100P, as shown in FIG.
- the upper current collecting plate 106 has an outer shape similar to that of the cell unit 100T.
- the upper current collecting plate 106 is provided with a terminal (not shown) connected to an external current-carrying member.
- the upper current collecting plate 106 is provided with a plurality of cylindrical recesses 106 a for disposing the spring 110 on the upper surface.
- the upper current collector plate 106 is made of a conductive material that does not transmit gas, and is insulated using an insulating material or a coating except for the region facing the power generation cell 101M of the cell unit 100T and the part of the terminal.
- the insulating material is configured, for example, by fixing aluminum oxide to the upper current collecting plate 106.
- the lower current collector plate 107 shown in FIG. 10 is for outputting the power generated by the cell unit 100T to the outside.
- the lower current collector plate 107 is disposed at the lower end of the lower module unit 100R, as shown in FIG.
- the lower current collector plate 107 has an outer shape similar to that of the upper current collector plate 106.
- Lower current collector plate 107 is provided with a terminal (not shown) connected to an external current-carrying member.
- the lower current collector plate 107 is made of a conductive material that does not transmit gas, and is insulated using an insulating material or a coating except for the region facing the power generation cell 101M of the cell unit 100T and the terminal portion.
- the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the lower current collector plate 107.
- the lower current collector plate 107 has an anode side first inlet 107a, an anode side second inlet 107b, and an anode side, which allow the anode gas AG to pass through so that the relative position is aligned with the cell unit 100T along the stacking direction Z.
- a third inlet 107c, an anode side first outlet 107d and an anode side second outlet 107e are provided.
- the lower current collecting plate 107 has a cathode side first inlet 107f for passing the cathode gas CG, a cathode side second inlet 107g, and a cathode side to allow the cathode gas CG to pass through in the stacking direction Z relative to the cell unit 100T.
- a first outlet 107h, a cathode side second outlet 107i and a cathode side third outlet 107j are provided.
- the cathode side first inlet 107f, the cathode side second inlet 107g, the cathode side first outlet 107h, the cathode side second outlet 107i and the cathode side third outlet 107j It corresponds to the space between the outer peripheral surface of the electric plate 107 and the inner side surface of the air shelter 112.
- the lower end plate 108 is a pair and holds the pair of stacks 100S from below as shown in FIG. 2, FIG. 3, FIG. 5 and FIG. 6 (especially FIG. 5).
- the lower end plates 108 are arranged at the lower end of the stack 100S such that the lower end plates 108 are arranged along the short direction X so that the outer edges on the side to which the cathode gas CG flows out are opposed.
- the lower end plate 108 has an outer shape similar to that of the cell unit 100T except for a part.
- the lower end plate 108 is formed by linearly extending both ends along the longitudinal direction Y in order to form an inlet and an outlet of the cathode gas CG.
- the lower end plate 108 is, as shown in FIGS. 3 and 6, a pair of screws for screwing the first fastening bolt 111 at both ends of the outer edge on the inlet side of the cathode gas CG along the longitudinal direction Y A hole 108m is provided.
- the lower end plate 108 is provided with a pair of insertion holes 108 n for inserting the second fastening bolt 114 inward of the pair of screw holes 108 m along the longitudinal direction Y, as shown in FIGS. 3 and 6. ing.
- the lower end plate 108 is formed sufficiently thicker than the cell unit 100T.
- the lower end plate 108 is made of, for example, metal, and the upper surface in contact with the lower collector plate 107 is insulated using an insulating material or a coating.
- the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the lower end plate 108.
- the lower end plate 108 is, as shown in FIG. 6, an anode side first inlet 108a for passing the anode gas AG so that the relative position is aligned with the cell unit 100T along the stacking direction Z, and an anode side second The inlet 108b, the anode side third inlet 108c, the anode side first outlet 108d, and the anode side second outlet 108e are provided.
- the lower end plate 108 has a cathode side first inlet 108 f, a cathode side second inlet 108 g, and a cathode side first inlet 108 f for passing the cathode gas CG so as to be positioned relative to the cell unit 100 T in the stacking direction Z.
- One outlet 108 h, a cathode side second outlet 108 i and a cathode side third outlet 108 j are provided.
- the upper end plate 109 holds the pair of stacks 100S from above as shown in FIGS. 2 to 6 (particularly, FIG. 5).
- the upper end plate 109 is disposed at the upper end of the stack 100S.
- the upper end plate 109 has an outer shape in which the lower end plate 108 is integrated symmetrically in the lateral direction X with the longitudinal direction Y as an axis.
- the upper end plate 109 as shown in FIGS. 3 and 6, has a pair of insertion holes for inserting the first fastening bolt 111 at both ends of the outer edge on the inlet side of the cathode gas CG along the longitudinal direction Y. 109 n is provided.
- the upper end plate 109 unlike the lower end plate 108, does not have a gas inlet and outlet.
- the upper end plate 109 is made of, for example, metal, and the lower surface in contact with the upper current collector plate 106 is insulated using an insulating material or a coating.
- the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the upper end plate 109.
- the spring 110 applies an elastic force to the pair of stacks 100S, as shown in FIGS. 5 and 6.
- the springs 110 are respectively disposed between the plurality of recessed portions 106 a of the upper current collector plate 106 and the upper end plate 109.
- the spring 110 is made of, for example, a spiral metal spring having creep resistance.
- the spring 110 may be configured by a so-called leaf spring.
- the first fastening bolt 111 applies a fastening force to the inlet side of the cathode gas CG of the pair of stacks 100S, as shown in FIGS. 3 to 5 (particularly, FIG. 3).
- first fastening bolts 111 are inserted into insertion holes 109 n provided at four places on the upper end plate 109, and screws provided at two places on the pair of lower end plates 108 respectively. It is screwed into the hole 108m.
- the first fastening bolt 111 applies a fastening force to the pair of stacks 100S disposed between the upper end plate 109 and the pair of lower end plates 108 on the inlet side of each cathode gas CG.
- the air shelter 112 forms a flow path of the cathode gas CG between the pair of stacks 100S.
- the air shelter 112 covers from above the pair of stacks 100S sandwiched by the pair of lower end plates 108 and one upper end plate 109, as shown in FIGS. 2 and 4.
- the air shelter 112 forms an inlet and an outlet for the cathode gas CG of the components of the stack 100S by the gap between the inner side of the air shelter 112 and the side of the stack 100S.
- the air shelter 112 has a box shape and opens all of the lower part and part of the side.
- the air shelter 112 is made of, for example, metal, and the inside surface is insulated using an insulating material or a coating.
- the insulating material is configured, for example, by fixing aluminum oxide to the air shelter 112.
- the external manifold 113 supplies gas from the outside to the plurality of cell units 100T, as shown in FIGS.
- the outer manifold 113 is disposed below the cell stack assembly 100M.
- the outer manifold 113 has an outer shape that simplifies the shape of the lower end plate 108.
- the outer manifold 113 has a screw hole 113 m for screwing the second fastening bolt 114 at the outer edge on the inlet side of the cathode gas CG along the longitudinal direction Y.
- the outer manifold 113 is formed sufficiently thicker than the lower end plate 108.
- the outer manifold 113 is made of, for example, metal.
- the external manifold 113 has an anode-side first inlet 113a through which the anode gas AG passes, and an anode-side second stream so that the relative position is aligned with the cell unit 100T along the stacking direction Z.
- the inlet 113b, the anode side third inlet 113c, the anode side first outlet 113d, and the anode side second outlet 113e are provided.
- the external manifold 113 has a cathode side first inlet 113f, a cathode side second inlet 113g, and a cathode side first so that the relative position is aligned along the stacking direction Z with the cell unit 100T that passes the cathode gas CG.
- An outlet 113h, a cathode side second outlet 113i and a cathode side third outlet 113j are provided.
- the external manifold 113 includes the cathode side first inlet 113f, the cathode side second inlet 113g, the cathode side first outlet 113h, the cathode side second outlet 113i and the cathode side third outlet 113j in the longitudinal direction Y.
- two sets are provided symmetrically in the left-right direction along the short direction X.
- the second fastening bolts 114 apply a fastening force to the inlet side of the cathode gas CG of the pair of lower end plates 108.
- second fastening bolts 114 are inserted into insertion holes 108 n respectively provided in two places in a pair of lower end plates 108, and screw holes provided in four places in the external manifold 113. It is screwed to 113 m.
- the second fastening bolts 114 apply a fastening force to the pair of lower end plates 108 on the side of the inlet of each cathode gas CG.
- the cover 115 covers and protects the cell stack assembly 100M as shown in FIG. 1, FIG. 2 and FIG.
- the cover 115 sandwiches the cell stack assembly 100M together with the external manifold 113 from above and below.
- the cover 115 has a box shape and is open at the bottom.
- the cover 115 is made of, for example, metal, and the inner surface is insulated by an insulating material.
- FIG. 19A is a perspective view schematically showing the flow of the anode gas AG and the cathode gas CG in the fuel cell 100.
- FIG. 19B is a perspective view schematically showing the flow (one side) of the cathode gas CG in the fuel cell 100.
- FIG. 19C is a perspective view schematically showing the flow (one side) of the anode gas AG in the fuel cell 100.
- the anode gas AG is supplied to the anode 101T of each power generation cell 101M through an inlet of each of the outer manifold 113, the lower end plate 108, the module end 105, the separator 102, and the metal support cell assembly 101. That is, the anode gas AG is distributed to the anode-side flow path provided in the gap between the separator 102 and the metal support cell assembly 101 alternately stacked from the external manifold 113 to the upper end collector plate 106. Is supplied. Thereafter, the anode gas AG reacts in the power generation cell 101M, passes through the outlet of each component described above, and is exhausted in the state of exhaust gas.
- the anode gas AG is supplied to the flow channel portion 102L across the separator 102 so as to intersect the cathode gas CG.
- the anode gas AG passes through the anode side first inlet 102a, the anode side second inlet 102b and the anode side third inlet 102c of the separator 102 located at the bottom of FIG. 19C in FIG. 19C, and the metal support cell assembly After passing through the anode-side first inlet 101a, the anode-side second inlet 101b, and the anode-side third inlet 101c, the gas flows into the flow path portion 102L of the separator 102 positioned above in FIG.
- the anode gas AG after reacting at the anode 101T flows out from the flow path portion 102L of the separator 102 located in the upper part of FIG. 19C in the state of exhaust gas, and the anode side first outlet 101d of the metal support cell assembly 101. And, it passes through the anode side second outlet 101e and is discharged to the outside through the anode side first outlet 102d and the anode side second outlet 102e of the separator 102 located at the lower side in FIG. 19C.
- the cathode gas CG is supplied to the cathode 101U of the power generation cell 101M through an inlet of each of the outer manifold 113, the lower end plate 108, the module end 105, the separator 102, and the metal support cell assembly 101. That is, the cathode gas CG is distributed from the outer manifold 113 to the upper current collecting plate 106 at the end to the cathode-side flow path provided in the gap between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 stacked alternately. Is supplied. Thereafter, the cathode gas CG reacts in the power generation cell 101M, passes through the outlet of each component described above, and is exhausted in the state of exhaust gas.
- the inlet and the outlet of the cathode gas CG in each of the above components are constituted by the gap between the outer peripheral surface of each component and the inner side surface of the air shelter 112.
- the cathode gas CG passes through the cathode side first inlet 102 f and the cathode side second inlet 102 g of the separator 102 located in the lower part of FIG. 19B and flows into the flow path portion 102 L of the separator 102.
- the cathode gas CG after reacting at the cathode 101 U flows out from the flow path portion 102 L of the separator 102 located below in FIG. 19B in the state of exhaust gas, and the cathode side first outlet 102 h of the separator 102 It passes through the cathode side second outlet 102i and the cathode side third outlet 102j and is discharged to the outside.
- FIG. 20A is a schematic view showing the fuel cell 100 of the first embodiment, and showing the state of the fuel cell 100 before starting.
- FIG. 20B is a schematic view showing the fuel cell 100 of the first embodiment, and showing the state of the fuel cell 100 at the time of rapid temperature rise.
- FIG. 20C is a schematic view showing the fuel cell 100 of the first embodiment, and showing the state of the fuel cell 100 during steady operation.
- the pair of stacks 100S and the pair of lower end plates 108 are not elongated.
- the pair of stacks 100S and the pair of lower end plates 108 are smoothed inward in the width direction X. Extend to Such a configuration is such that the fastening force of each stack 100S between the plurality of lower end plates 108 and the upper end plate 109 is larger on the side of the gas inlet 100x than on the side of the gas outlet 100y.
- the temperature is relatively lower at the gas inlet 100x than at the gas outlet 100y in a steady state, and the downstream side of the gas flow is upstream.
- the pair of stacks 100S and the pair of lower end plates 108 return outward in the lateral direction X. Stabilize in state.
- the temperature difference between the gas outlet 100y and the gas inlet 100x during normal operation is sufficiently smaller than the temperature difference between the gas outlet 100y and the gas inlet 100x during rapid heating.
- the temperature difference between the pair of stacks 100S, the lower end plate 108, the upper end plate 109, and the outer manifold 113 adjacent to each other along the lateral direction X is relatively small during steady state,
- the amount of expansion in the planar direction (the lateral direction X and the longitudinal direction Y) between them is substantially the same. That is, in the steady state, the gap between the pair of stacks 100S adjacent along the lateral direction X becomes close to the state before activation.
- the stack structure of the fuel cell 100 is configured such that the electrolyte 101S is sandwiched between a fuel electrode (anode 101T) and an oxidant electrode (cathode 101U), and a power generation cell 101M that generates electricity using supplied gas (anode gas AG and cathode gas CG) And a flow passage 102L for supplying gas to the power generation cell 101M, a gas inlet 100x for flowing the gas into the flow passage 102L, and a separator 102 for forming a gas outlet 100y for flowing the gas from the flow passage 102L.
- a plurality of stacks (stack 100S) stacked on each other are fixed to end plates (upper end plate 109 and lower end plate 108) using fixing means (first fastening bolts 111).
- the stacks 100S are arranged in parallel, and form a first thermal strain absorbing portion absorbing the thermal strain in the direction orthogonal to the stacking direction Z therebetween.
- an electrolyte 101S is sandwiched between a fuel electrode (anode 101T) and an oxidant electrode (cathode 101U) to form a power generation cell 101M, and the power generation cell 101M is held between a pair of separators 102.
- Stacks stack 100S to form a stack of stacks 100S to form an array of stacks 100S, and arranging the stacks 100S in parallel while forming a space 100K.
- the thermal strain in the direction orthogonal to the stacking direction is absorbed by the space portion 100K between the 100S body rows.
- the first thermal strain absorbing portion that absorbs the thermal strain of the stack 100S in the direction orthogonal to the stacking direction Z sufficiently suppresses the strain generated in the stacked member (including the stack 100S).
- the first thermal strain absorbing portion be formed of a space portion 100K formed between the stacks 100S arranged in parallel.
- the space portion 100K is preferably formed to be fixed to the end plates (upper end plate 109 and lower end plate 108) by arranging mutually facing surfaces of the stacks 100S arranged in parallel to be spaced apart from each other.
- the fuel cell 100 even if the opposing stacks 100S extend close to each other, contact can be avoided. Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
- An external manifold 113 having a flow port for supplying gas to the power generation cell 101M is provided, and the external manifold 113 is disposed outside the end plate (upper end plate 109 and lower end plate 108), and the first thermal strain absorbing portion It is preferable to form
- the distortion generated in the laminated member (including the stack 100S) can be sufficiently suppressed including the external manifold 113.
- the fixing means for fixing the stack 100S to the end plate preferably comprises a fastening member (first fastening bolt 111).
- the fixing means capable of exerting an arbitrary fastening force can be embodied by a very simple configuration using the first fastening bolt 111.
- the first fastening bolt 111 for fixing the stack 100S to the end plate (upper end plate 109 and lower end plate 108) is an end plate (upper end plate 109 and upper end plate 109 and at least the outer peripheral side of each of the stacks 100S arranged in parallel).
- the end plate (upper end plate 109 and lower end plate 108) is preferably fixed to the lower end plate 108) and is composed of an upper end plate and a lower end plate sandwiching the plurality of stacks 100S.
- an arbitrary fastening force can be exhibited by a very simple configuration using an end plate composed of an upper end plate and a lower end plate.
- the stack 100S includes a gas inlet 100x and a gas outlet 100y, and the gas inlet 100x is provided on the outer peripheral side of the stack 100S arranged in parallel, and the gas outlet 100y is provided on the side having opposing surfaces. Is preferred.
- the extension or contraction of the opposing stacks 100S can be canceled by each other's deformation (the direction in which the deformation occurs is opposite). Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
- the stacks 100S facing each other have a configuration in which the gas outflow sides are positioned inside each other, but the outer fastening force is relatively increased and the inner fastening force is relatively decreased. It is easy to embody the structure of bolt fastening. That is, unlike the embodiment, if the inner side is bolted in order to relatively increase the inner side fastening force, the means for applying the outer side fastening force becomes complicated.
- a second thermal strain absorbing portion (spring 110) for absorbing thermal strain in the stacking direction Z between the end plate (upper end plate 109 and lower end plate 108) and the stack 100S.
- the second thermal strain absorbing portion (spring 110) is preferably disposed corresponding to the gas inlet 100x and the gas outlet 100y of the stack 100S.
- the deformation of the gas inlet and the gas outlet which are likely to cause expansion and contraction due to temperature change, can be absorbed by the expansion and contraction of the spring 110. Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
- the elastic force of the spring 110 prevents the stack 100S from warping due to the difference. be able to.
- the second thermal strain absorbing portion (spring 110) is a spring mechanism, and it is preferable to provide in advance a compression amount larger than the difference between the portion where the thermal expansion amount along the stacking direction Z is maximum and the minimum portion. .
- the second thermal strain absorbing portion (spring 110) is disposed corresponding to the electrolyte 101S film disposed inside the stack 100S, and an initial compression amount or a spring constant is disposed at the gas inlet 100x or the gas outlet 100y It is preferable to make it smaller.
- the elastic force of the spring 110 always works, so that the load loss occurs at the portion where the thermal expansion amount is the smallest. Without, it is possible to prevent the input of shear force and the decrease of the power generation efficiency. Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
- the fastening force of each stack 100S between the plurality of lower end plates 108 and the upper end plate 109 is larger on the gas inlet side than on the gas outlet side.
- the fastening force of each of the stacks 100S between the plurality of lower end plates 108 and the upper end plate 109 is larger on the gas inlet side than on the gas outlet side. It prescribes in.
- the stacking member can be smoothly expanded or contracted along the direction in which the deformation occurs according to the change of the state (for example, the temperature increase accompanying the flow of gas). Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
- the means for setting the fastening force (spring reaction force of the spring 110) as gas inlet> gas outlet is natural due to bolt fastening and upper convex plate of the upper end plate 109 in the vicinity of the gas inlet. In the relationship of gas inlet> gas outlet. Further, as another means, the amount of expansion (spring compression amount) along the stacking direction Z at the time of rapid temperature rising is gas inlet> gas outlet, so the fastening force is naturally gas inlet> gas outlet The relationship between Furthermore, as another means, by setting the spring constant of the spring 110 to gas inlet> gas outlet, the fastening force is set to the relationship of gas inlet> gas outlet regardless of before starting, during starting and after starting It is to be.
- condition A gas inlet> gas outlet
- condition B gas inlet> gas outlet
- condition A and condition B are "No" (both gas inlet ⁇ gas outlet)
- displacement in the planar direction of lower end plate 108 and external manifold 113 occurs on the gas inlet side, but the gas flow at the time of rapid temperature rise Since the expansion in the stacking direction at the inlet side is large, the fastening force is increased, and the planar displacement at the gas inlet side becomes gradually less likely to occur.
- the movement of the bolted gas outlet side is restricted, so it is necessary to prevent the warpage of the lower end plate 108.
- the upper end plate 109 and the lower end plate 108 are strongly fastened on the gas outlet side where the displacement occurs in the lower end plate 108, so heat is rapidly generated during rapid temperature rise. Misalignment occurs between the lower end plate 108 having a large expansion and the upper end plate 109 having a low thermal expansion, and warping deformation of the upper end plate 109 and the lower end plate 108 or fastening between the upper end plate 109 and the lower end plate 108 It is necessary to prevent the deformation and damage of the bolt.
- condition A “no” and condition B “positive” the upper end plate 109 and the lower end plate 108 are fastened at the gas inlet side where displacement occurs in the lower end plate 108, so thermal expansion occurs at the time of rapid temperature rise. Misalignment between the large lower end plate 108 and the upper end plate 109 with small thermal expansion, causing warping deformation of the upper end plate 109 and the lower end plate 108, and tightening bolts of the upper end plate 109 and the lower end plate 108. It is necessary to prevent deformation and breakage.
- the stack may be warped due to the difference, or the stacking direction Z It is possible to prevent the generation of shear force along the direction intersecting with the For example, since the sealing member 104 having a relatively low coefficient of linear expansion can be prevented from being pulled by another laminated member, the sealing member 104 is protected and the gas sealing performance by the sealing member 104 is maintained. can do.
- the fuel cell 100 preferably supplies the spring 110 with the heated cathode gas CG supplied to the cathode 101U.
- the temperature of the stack 100S and the temperature of the spring 110 are approximated, and the compression amount of the spring 110 is increased and the spring constant is decreased at high temperature (for example, at the time of rapid temperature rise).
- the increase in load due to the spring 110 can be suppressed. That is, the action of increasing the spring compression amount with the temperature rise of the spring 110 and the action of reducing the spring constant with the fall of the temperature of the spring 110 work at the same time. Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
- the fuel cell 200 of the second embodiment is different from the fuel cell 100 of the first embodiment described above in that the external manifold 213 is divided to separate the gas inflow part and the gas outflow part.
- FIG. 21A is a schematic view showing a fuel cell 200 of the second embodiment, and showing a state of the fuel cell 200 before starting.
- FIG. 21B is a schematic view showing the fuel cell 200 of the second embodiment, and showing the state of the fuel cell 200 at the time of rapid temperature rise.
- FIG. 21C is a schematic view showing the fuel cell 200 of the second embodiment, and showing the state of the fuel cell 200 during steady operation.
- the fuel cell 200 causes the gas to flow into the gas inlet 200x and the gas to flow out of the gas from the gas outlet 200y, with respect to the third fastening member (the external manifold 213).
- the gas outlet portion is divided along the direction intersecting with the stacking direction Z. That is, the external manifolds 213 correspond to the first base 213S corresponding to the gas inlet 200x (two are disposed facing the outside in the lateral direction X intersecting the stacking direction Z), and the second corresponding to the gas outlet 200y.
- a base 213T (two are disposed facing inward in the lateral direction X intersecting the stacking direction Z) and a third base 213U corresponding to the center (centrally in the lateral direction X intersecting the stacking direction Z) 1 One arrangement) and.
- the outer manifold 213 is in contact with the pair of lower end plates 108.
- the first base 213S and the second base 213T are in contact with each other along the lateral direction X.
- the second base 213T and the third base 213U are separated from each other along the lateral direction X.
- the stack 100S etc. expand smoothly inward in the lateral direction X, so The driven second base 213T separates from the first base 213S and contacts the third base 213U.
- the gas inlet 200x has a temperature relatively lower than that of the gas outlet 200y in a steady state, and the downstream side of the gas flow upstream of the gas flow In the fuel cell 200 in the state of relatively expanding along the stacking direction Z, since the extension of the stack 100S and the like becomes constant, the second base 213T driven by the extension becomes the third It separates from the base 213U and contacts the first base 213S again.
- the fuel cell 200 includes a third fastening member in which a gas inflow portion that allows gas to flow into the gas inflow port and a gas outflow portion that causes gas to flow out from the gas outflow port are divided along a direction intersecting the stacking direction Z (external It further comprises a manifold 213), an outer manifold 213 being joined to each lower end plate 108.
- the fuel cell 200 since the external manifold 213 can move in the surface direction centering on the gas inlet and the gas outlet, it is possible to cancel the shear force. Therefore, the fuel cell 200 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacking member.
- the fuel cell 300 according to the third embodiment is different from the fuel cell 200 according to the second embodiment in that the spring 110 is also disposed in a portion overlapping the power generation cell 101M along the stacking direction Z.
- FIG. 22A is a schematic view showing a fuel cell 300 of the third embodiment, and showing a state of the fuel cell 300 before starting.
- FIG. 22B is a schematic view showing the fuel cell 300 of the third embodiment, and showing the state of the fuel cell 300 at the time of rapid temperature rise.
- a plurality of springs 110 are also arranged in a matrix in a portion overlapping the power generation cells 101M along the stacking direction Z.
- the springs 110 are more resilient than the springs 110 (corresponding to the springs 110 in the first embodiment and the second embodiment) disposed at positions overlapping the gas inlet 300 x and the gas outlet 300 y in the stacking direction Z. The one with low ability is selected.
- the spring 110 is also disposed at a portion where the spring 110 overlaps with the power generation cell 101M along the stacking direction Z, and the elasticity is smaller than the position where the spring 110 overlaps with the gas inlet 300x and the gas outlet 300y along the stacking direction Z. .
- the surface pressure can be reliably applied to the power generation cell 101M.
- the elastic force of the spring 110 since the elastic force of the spring 110 always acts on the power generation cell 101M regardless of the temperature of the spring 110, load loss occurs in the direction intersecting the stacking direction Z of the power generation cell 101M. It is possible to prevent the input of the shear force and the decrease in the power generation efficiency. Therefore, the fuel cell 300 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacking member.
- the fuel cell has been described as a solid oxide fuel cell (SOFC).
- SOFC solid oxide fuel cell
- a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) a polymer electrolyte membrane fuel cell, a phosphorus It may be configured as an acid fuel cell (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell) or a molten carbonate fuel cell (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell). That is, in addition to a solid oxide fuel cell (SOFC), the fuel cell is applied to a solid polymer membrane fuel cell (PEMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC) can do.
- PEMFC solid polymer membrane fuel cell
- PAFC phosphoric acid fuel cell
- MCFC Molten carbonate fuel cell
- the fuel cell may be configured by appropriately combining the specifications of the first to third embodiments.
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Abstract
【課題】積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる燃料電池のスタック構造を提供する。 【解決手段】燃料電池100のスタック構造は、供給されたガス(アノードガスAGおよびカソードガスCG)によって発電する発電セル101Mと発電セル101Mにガスを供給する流路部102Lと流路部102Lにガスを流入させるガス流入口100xと流路部102Lからガスを流出させるガス流出口100yとを形成したセパレータ102とを交互に積層した複数組の積層体(スタック100S)を端部プレート(上部エンドプレート109および下部エンドプレート108)に固定手段(第1締結ボルト111)を用いて固定した構造である。ここで、スタック100Sは、並列に配置され、その間に積層方向Zと直交する方向の熱歪を吸収する第1熱歪吸収部を形成した。
Description
本発明は、燃料電池のスタック構造および燃料電池スタックの熱歪吸収方法に関する。
従来から、燃料電池は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟んで構成した発電セルを含む積層部材に対してガスを供給して発電している。燃料電池は、状況に応じてガスを高速で供給したり高温で供給したりすることがあることから、積層部材に付与する荷重を調整して、その積層部材を保護する技術が知られている(例えば、特許文献1を参照。)。
特許文献1に記載の構成では、燃料電池を定常的に運転しているときには問題無いが、例えば運転前の燃料電池にガスを供給しつつ昇温しているときには積層部材に負荷が掛かって歪が生じる虞がある。すなわち、特許文献1に記載の構成では、歪みに伴うガスリークや荷重抜け、それらに起因する性能低下が生じる虞がある。
本発明の目的は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる燃料電池のスタック構造を提供することである。
上記目的を達成するための本発明の燃料電池のスタック構造は、電解質を燃料極と酸化剤極とで挟んで構成し供給されたガスによって発電する発電セルと前記発電セルにガスを供給する流路部と前記流路部にガスを流入させるガス流入口と前記流路部からガスを流出させるガス流出口とを形成したセパレータとを交互に積層した複数組の積層体を端部プレートに固定手段を用いて固定した構造である。ここで、前記積層体は、並列に配置され、その間に積層方向と直交する方向の熱歪を吸収する第1熱歪吸収部を形成した。
上記目的を達成するための本発明の燃料電池スタックの熱歪吸収方法は、電解質を燃料極と酸化剤極とで挟んで発電セルを形成し、前記発電セルを一対のセパレータで狭持して積層体を形成し、複数の前記積層体を積層して複数組の前記積層体の列を形成し、複数の前記積層体の列で空間部を形成しながら並列に配置し、前記積層体列間の前記空間部で積層方向と直交する方向の熱歪を吸収する。
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の第1~第3実施形態を説明する。図面において、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面において、各部材の大きさや比率は、第1~第3実施形態の理解を容易にするために誇張し、実際の大きさや比率とは異なる場合がある。
各図において、X、Y、およびZで表す矢印を用いて、燃料電池を構成する部材の方位を示している。Xによって表す矢印の方向は、燃料電池100における1つのスタック100Sの短手方向Xを示している。Yによって表す矢印の方向は、燃料電池100における1つのスタック100Sの長手方向Yを示している。Zによって表す矢印の方向は、燃料電池100の積層方向Zを示している。
(第1実施形態)
(燃料電池100の構成)
図1は、第1実施形態の燃料電池100を示す斜視図である。図2は、図1の燃料電池100を部分的に分解して示す斜視図である。図3は、図2の燃料電池100の一部を拡大して示す斜視図である。図4は、図2の燃料電池100を別の方位(下方)から示す斜視図である。図5は、図2のセルスタックアッセンブリー100Mと外部マニホールド113を示す斜視図である。図6は、図5の上部エンドプレート109(右半分)とスタック100S(右側)および下部エンドプレート108(右半分)を示す斜視図である。図7は、図2のスタック100Sを上部モジュールユニット100Pと複数の中部モジュールユニット100Qおよび下部モジュールユニット100Rに分解した状態を示す斜視図である。図8は、図7の上部モジュールユニット100Pを分解して示す斜視図である。図9は、図7の中部モジュールユニット100Qを分解して示す斜視図である。図10は、図7の下部モジュールユニット100Rを分解して示す斜視図である。図11は、図8~図10の一のセルユニット100Tを分解し、かつ、その一のセルユニット100Tの下方に位置する他のセルユニット100T(メタルサポートセルアッセンブリー101以外の構成)を分解して示す斜視図である。
(燃料電池100の構成)
図1は、第1実施形態の燃料電池100を示す斜視図である。図2は、図1の燃料電池100を部分的に分解して示す斜視図である。図3は、図2の燃料電池100の一部を拡大して示す斜視図である。図4は、図2の燃料電池100を別の方位(下方)から示す斜視図である。図5は、図2のセルスタックアッセンブリー100Mと外部マニホールド113を示す斜視図である。図6は、図5の上部エンドプレート109(右半分)とスタック100S(右側)および下部エンドプレート108(右半分)を示す斜視図である。図7は、図2のスタック100Sを上部モジュールユニット100Pと複数の中部モジュールユニット100Qおよび下部モジュールユニット100Rに分解した状態を示す斜視図である。図8は、図7の上部モジュールユニット100Pを分解して示す斜視図である。図9は、図7の中部モジュールユニット100Qを分解して示す斜視図である。図10は、図7の下部モジュールユニット100Rを分解して示す斜視図である。図11は、図8~図10の一のセルユニット100Tを分解し、かつ、その一のセルユニット100Tの下方に位置する他のセルユニット100T(メタルサポートセルアッセンブリー101以外の構成)を分解して示す斜視図である。
図12は、図11のメタルサポートセルアッセンブリー101を分解して示す斜視図である。図13は、図11のメタルサポートセルアッセンブリー101を断面で示す側面図である。図14は、図11のセパレータ102をカソード側(図11と同じくセパレータ102を上方から視認した側)から示す斜視図である。図15は、図14のセパレータ102を部分的(図14中の領域15)に示す斜視図である。図16は、図11のセパレータ102をアノード側(図11と異なりセパレータ102を下方から視認した側)から示す斜視図である。図17は、図16のセパレータ102を部分的(図16中の領域17)に示す斜視図である。図18は、図11のメタルサポートセルアッセンブリー101とセパレータ102および集電補助層103を積層した状態で部分的に示す断面図である。
燃料電池100は、図1および図2に示すように、セルスタックアッセンブリー100Mを、外部からガスを供給する外部マニホールド113と、セルスタックアッセンブリー100Mを保護するカバー115によって上下から挟み込んで、構成している。
セルスタックアッセンブリー100Mは、図2~図4に示すように、一対のスタック100Sを、一対の下部エンドプレート108と1つの上部エンドプレート109によって上下から挟み込み、カソードガスCGを封止するエアーシェルター112によって覆って、構成している。各々のスタック100Sは、図2~図7(特に図7)に示すように、上部モジュールユニット100P、複数の中部モジュールユニット100Qおよび下部モジュールユニット100Rを積層して、構成している。
燃料電池100において、上部モジュールユニット100Pは、図8に示すように、複数積層したセルユニット100Tを、セルユニット100Tで発電された電力を外部に出力する上部集電板106と、エンドプレートに相当するモジュールエンド105によって上下から挟み込んで構成している。中部モジュールユニット100Qは、図9に示すように、複数積層したセルユニット100Tを、一対のモジュールエンド105によって上下から挟み込んで構成している。下部モジュールユニット100Rは、図10に示すように、複数積層したセルユニット100Tを、モジュールエンド105と下部集電板107によって上下から挟み込んで構成している。
燃料電池100のユニット構造において、セルユニット100Tは、図11に示すように、供給されたガスによって発電する発電セル101Mを設けたメタルサポートセルアッセンブリー101、積層方向Zに沿って隣り合うメタルサポートセルアッセンブリー101の発電セル101Mを隔てるセパレータ102、メタルサポートセルアッセンブリー101の発電セル101Mとセパレータ102との間にガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にする集電補助層103、およびメタルサポートセルアッセンブリー101とセパレータ102のマニホールドの部分の縁を封止してガスの流れを制限する封止部材104を含んでいる。集電補助層103および封止部材104は、その構造上、積層方向Zに沿って隣り合うメタルサポートセルアッセンブリー101とセパレータ102との間に配置するものである。
ここで、燃料電池100の製造方法上、メタルサポートセルアッセンブリー101およびセパレータ102は、図11の中央に示すように、各々の外縁を接合ラインVに沿って環状に接合して接合体100Uを構成する。このため、積層方向Zに沿って隣り合う接合体100U(メタルサポートセルアッセンブリー101およびセパレータ102)の間に、集電補助層103および封止部材104を配置する構成としている。すなわち、集電補助層103および封止部材104は、図11の下方に示すように、一の接合体100Uのメタルサポートセルアッセンブリー101と、一の接合体100Uと積層方向Zに沿って隣り合う他の接合体100Uのセパレータ102との間に、配置している。
以下、燃料電池100を構成毎に説明する。
メタルサポートセルアッセンブリー101は、図12および図13に示すように、供給されたガスによって発電する発電セル101Mを設けたものである。
メタルサポートセルアッセンブリー101は、図12および図13に示すように、長手方向Yに沿って2つ並べて配置したメタルサポートセル101Nと、メタルサポートセル101Nを周囲から保持するセルフレーム101Wによって構成している。
メタルサポートセル101Nは、発電セル101Mと、発電セル101Mを一方から支持するサポートメタル101Vによって構成している。メタルサポートセルアッセンブリー101において、発電セル101Mは、図12および図13に示すように、電解質101Sをアノード101Tとカソード101Uで挟み込んで構成している。
アノード101Tは、図12および図13に示すように、燃料極であって、アノードガスAG(例えば水素)と酸化物イオンを反応させて、アノードガスAGの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード101Tは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスAGを透過させ、電気伝導度が高く、アノードガスAGを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード101Tは、電解質101Sよりも大きい長方体形状から形成されている。アノード101Tは、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させた超硬合金からなる。アノード101Tは、図12および図13に示すように、薄板状であって長方形状からなる。
電解質101Sは、図12および図13に示すように、カソード101Uからアノード101Tに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質101Sは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質101Sは、長方体形状から形成されている。電解質101Sは、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリア、ガドリア、スカンジア等を固溶した安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスからなる。電解質101Sは、図12および図13に示すように、薄板状であって、アノード101Tよりも若干大きい長方形状からなる。電解質101Sの外縁は、図10に示すように、アノード101Tの側に向かって屈折して、アノード101Tの積層方向Zに沿った側面に接触している。電解質101Sの外縁の先端は、サポートメタル101Vに接触している。
カソード101Uは、図12および図13に示すように、酸化剤極であって、カソードガスCG(例えば空気に含まれる酸素)と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード101Uは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスCGを透過させ、電気伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード101Uは、電解質101Sよりも小さい長方体形状から形成されている。カソード101Uは、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等の酸化物からなる。カソード101Uは、図12および図13に示すように、アノード101Tと同様に、薄板状であって長方形状からなる。カソード101Uは、電解質101Sを介して、アノード101Tと対向している。電解質101Sの外縁がアノード101T側に屈折していることから、カソード101Uの外縁は、アノード101Tの外縁と接触することがない。
サポートメタル101Vは、図12および図13に示すように、発電セル101Mをアノード101Tの側から支持するものである。サポートメタル101Vは、ガス透過性を有し、電気伝導度が高く、十分な強度を有する。サポートメタル101Vは、アノード101Tよりも十分に大きい長方体形状から形成されている。サポートメタル101Vは、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼からなる。
セルフレーム101Wは、図12および図13に示すように、メタルサポートセル101Nを周囲から保持するものである。セルフレーム101Wは、薄い長方形状から形成している。セルフレーム101Wは、一対の開口部101kを、長手方向Yに沿って設けている。セルフレーム101Wの一対の開口部101kは、それぞれ長方形状の貫通口からなり、サポートメタル101Vの外形よりも小さい。セルフレーム101Wは、金属からなり、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、セルフレーム101Wに酸化アルミニウムを固着させて構成する。セルフレーム101Wの開口部101kの内縁に、サポートメタル101Vの外縁を接合することによって、セルフレーム101Wにメタルサポートセルアッセンブリー101を接合している。
セルフレーム101Wは、図12および図13に示すように、長手方向Yに沿った一辺の右端と中央と左端から、面方向に延ばした円形状の延在部(第1延在部101p、第2延在部101qおよび第3延在部101r)を設けている。セルフレーム101Wは、長手方向Yに沿った他辺の中央から離間した2箇所から、面方向に延ばした円形状の延在部(第4延在部101sおよび第5延在部101t)を設けている。セルフレーム101Wにおいて、第1延在部101p、第2延在部101qおよび第3延在部101rと、第4延在部101sおよび第5延在部101tは、一対の開口部101kを隔てて、長手方向Yに沿って交互に位置している。
セルフレーム101Wは、図12に示すように、アノードガスAGを通過(流入)させるアノード側第1流入口101a、アノード側第2流入口101b、アノード側第3流入口101cを、第1延在部101p、第2延在部101qおよび第3延在部101rに設けている。セルフレーム101Wは、アノードガスAGを通過(流出)させるアノード側第1流出口101dおよびアノード側第2流出口101eを、第4延在部101sおよび第5延在部101tに設けている。アノードガスAGのアノード側第1流入口101a、アノード側第2流入口101b、アノード側第3流入口101c、アノード側第1流出口101dおよびアノード側第2流出口101eは、いわゆる、マニホールドである。
セルフレーム101Wは、図12に示すように、カソードガスCGを通過(流入)させるカソード側第1流入口101fを、第1延在部101pと第2延在部101qの間の空間に設けている。セルフレーム101Wは、カソードガスCGを通過(流入)させるカソード側第2流入口101gを、第2延在部101qと第3延在部101rの間の空間に設けている。セルフレーム101Wは、カソードガスCGを通過(流出)させるカソード側第1流出口101hを、第4延在部101sよりも図12中の右側に設けている。セルフレーム101Wは、カソードガスCGを通過(流出)させるカソード側第2流出口101iを、第4延在部101sと第5延在部101tの間の空間に設けている。セルフレーム101Wは、カソードガスCGを通過(流出)させるカソード側第3流出口101jを、第5延在部101tよりも図12中の左側に設けている。セルフレーム101Wにおいて、カソード側第1流入口101f、カソード側第2流入口101g、カソード側第1流出口101h、カソード側第2流出口101iおよびカソード側第3流出口101jは、セルフレーム101Wの外周面とエアーシェルター112の内側面との空間に相当する。
セパレータ102は、図11および図14~図18に示すように、積層するメタルサポートセルアッセンブリー101の各々の発電セル101Mと発電セル101Mとの間に設け、隣り合う発電セル101Mを隔てるものである。
セパレータ102は、メタルサポートセルアッセンブリー101と対向して配置している。セパレータ102は、メタルサポートセルアッセンブリー101と同様の外形形状からなる。セパレータ102は、金属からなり、発電セル101Mと対向する領域(流路部102L)を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、セパレータ102に酸化アルミニウムを固着させて構成する。セパレータ102は、流路部102Lを、発電セル101Mと対向するように長手方向Yに並べて設けている。
セパレータ102において、流路部102Lは、図11および図14~図18に示すように、ガスの流れの方向(短手方向X)に沿って延ばした流路を、ガスの流れの方向(短手方向X)と直交する方向(長手方向Y)に並べることによって形成している。流路部102Lは、図15、図17および図18に示すように、長手方向Yおよび短手方向Xの面内において平坦な平坦部102xから下方に突出するように、凸状のアノード側突起102yを一定の間隔で設けている。アノード側突起102yは、ガスの流れの方向(短手方向X)に沿って延びている。アノード側突起102yは、セパレータ102の下端から下方に向かって突出している。流路部102Lは、図15、図17および図18に示すように、平坦部102xから上方に突出するように、凸状のカソード側突起102zを一定の間隔で設けている。カソード側突起102zは、ガスの流れの方向(短手方向X)に沿って延びている。カソード側突起102zは、セパレータ102の上端から上方に向かって突出している。流路部102Lは、アノード側突起102yと凸状のカソード側突起102zを、平坦部102xを隔てて、長手方向Yに沿って交互に設けている。
セパレータ102は、図17および図18に示すように、流路部102Lと、その下方(図18中では右方)に位置するメタルサポートセルアッセンブリー101との隙間を、アノードガスAGの流路として構成している。アノードガスAGは、図16に示すセパレータ102のアノード側第2流入口102b等から、図16および図17に示す複数の溝102qを通り、アノード側の流路部102Lに流入する。セパレータ102は、図16および図17に示すように、複数の溝102qを、アノード側第1流入口102a、アノード側第2流入口102b、アノード側第3流入口102cから、それぞれアノード側の流路部102Lに向かって放射状に形成している。セパレータ102は、図15および図18に示すように、流路部102Lと、その上方(図18中では左方)に位置するメタルサポートセルアッセンブリー101との隙間を、カソードガスCGの流路として構成している。カソードガスCGは、図14に示すセパレータ102のカソード側第1流入口102fおよびカソード側第2流入口102gから、図14および図15に示すセパレータ102のカソード側の外縁102pを越えて、カソード側の流路部102Lに流入する。セパレータ102は、図15に示すように、カソード側の外縁102pを、他の部分よりも肉薄に形成している。
セパレータ102は、図11、図14および図16に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー101と積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスAGを通過させるアノード側第1流入口102a、アノード側第2流入口102b、アノード側第3流入口102c、アノード側第1流出口102dおよびアノード側第2流出口102eを設けている。セパレータ102は、メタルサポートセルアッセンブリー101と積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスCGを通過させるカソード側第1流入口102f、カソード側第2流入口102g、カソード側第1流出口102h、カソード側第2流出口102iおよびカソード側第3流出口102jを設けている。セパレータ102において、カソードガスCGのカソード側第1流入口102f、カソード側第2流入口102g、カソード側第1流出口102h、カソード側第2流出口102iおよびカソード側第3流出口102jは、セパレータ102の外周面とエアーシェルター112の内側面との空間に相当する。
集電補助層103は、図11に示すように、発電セル101Mとセパレータ102との間にガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にして、発電セル101Mとセパレータ102との電気的な接触を補助するものである。
集電補助層103は、いわゆる、エキスパンドメタルである。集電補助層103は、発電セル101Mとセパレータ102の流路部102Lとの間に配置している。集電補助層103は、発電セル101Mと同様の外形形状からなる。集電補助層103は、菱形等の開口を格子状に設けた金網状からなる。
封止部材104は、図11に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー101とセパレータ102との隙間を部分的に封止してガスの流れを制限するものである。
封止部材104は、スペーサーとシールの機能を備え、いわゆるガスケットである。封止部材104は、セパレータ102のアノード側流入口(例えばアノード側第1流入口102a)およびアノード側流出口(例えばアノード側第1流出口102d)から、セパレータ102のカソード側の流路に向かって、アノードガスAGが混入することを防止する。封止部材104は、リング状に形成している。封止部材104は、セパレータ102のカソード側の面に臨んでいるアノード側流入口(例えばアノード側第1流入口102a)、およびアノード側流出口(例えばアノード側第1流出口102d)の内周縁に接合する。封止部材104は、例えば、耐熱性およびシール性を有するサーミキュライトからなる。
モジュールエンド105は、図8~図10に示すように、複数積層したセルユニット100Tの下端または上端を保持するプレートである。
モジュールエンド105は、複数積層したセルユニット100Tの下端または上端に配置している。モジュールエンド105は、セルユニット100Tと同様の外形形状からなる。モジュールエンド105は、ガスを透過させない導電性材料からなり、発電セル101Mおよび他のモジュールエンド105と対向する一部の領域を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、モジュールエンド105に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
モジュールエンド105は、セルユニット100Tと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスAGを通過させるアノード側第1流入口105a、アノード側第2流入口105b、アノード側第3流入口105c、アノード側第1流出口105dおよびアノード側第2流出口105eを設けている。モジュールエンド105は、セルユニット100Tと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスCGを通過させるカソード側第1流入口105f、カソード側第2流入口105g、カソード側第1流出口105h、カソード側第2流出口105iおよびカソード側第3流出口105jを設けている。モジュールエンド105において、カソード側第1流入口105f、カソード側第2流入口105g、カソード側第1流出口105h、カソード側第2流出口105iおよびカソード側第3流出口105jは、モジュールエンド105の外周面とエアーシェルター112の内側面との空間に相当する。
上部集電板106は、図8に示し、セルユニット100Tで発電された電力を外部に出力するものである。
上部集電板106は、図8に示すように、上部モジュールユニット100Pの上端に配置している。上部集電板106は、セルユニット100Tと同様の外形形状からなる。上部集電板106は、外部の通電部材と接続される端子(不図示)を設けている。上部集電板106は、バネ110を配置するための円筒形状の窪部106aを、上面に複数設けている。上部集電板106は、ガスを透過させない導電性材料からなり、セルユニット100Tの発電セル101Mと対向する領域および端子の部分を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、上部集電板106に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
下部集電板107は、図10に示し、セルユニット100Tで発電された電力を外部に出力するものである。
下部集電板107は、図10に示すように、下部モジュールユニット100Rの下端に配置している。下部集電板107は、上部集電板106と同様の外形形状からなる。下部集電板107は、外部の通電部材と接続される端子(不図示)を設けている。下部集電板107は、ガスを透過させない導電性材料からなり、セルユニット100Tの発電セル101Mと対向する領域および端子の部分を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、下部集電板107に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
下部集電板107は、セルユニット100Tと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスAGを通過させるアノード側第1流入口107a、アノード側第2流入口107b、アノード側第3流入口107c、アノード側第1流出口107dおよびアノード側第2流出口107eを設けている。下部集電板107は、セルユニット100Tと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスCGを通過させるカソード側第1流入口107f、カソード側第2流入口107g、カソード側第1流出口107h、カソード側第2流出口107iおよびカソード側第3流出口107jを設けている。下部集電板107において、カソード側第1流入口107f、カソード側第2流入口107g、カソード側第1流出口107h、カソード側第2流出口107iおよびカソード側第3流出口107jは、下部集電板107の外周面とエアーシェルター112の内側面との空間に相当する。
下部エンドプレート108は、一対からなり、図2、図3、図5および図6(特に図5)に示すように、一対のスタック100Sを下方から保持するものである。
下部エンドプレート108は、一対からなり、カソードガスCGを流出させる側の外縁を対向させるように短手方向Xに沿って並べた状態で、スタック100Sの下端に配置している。下部エンドプレート108は、一部を除いて、セルユニット100Tと同様の外形形状からなる。下部エンドプレート108は、カソードガスCGの流入口および排出口を形成するために、長手方向Yに沿った両端を直線状に伸長させて形成している。下部エンドプレート108は、図3および図6に示すように、長手方向Yに沿ったカソードガスCGの流入口の側の外縁の両端に、第1締結ボルト111をネジ留めするための一対のネジ穴108mを設けている。下部エンドプレート108は、図3および図6に示すように、長手方向Yに沿った一対のネジ穴108mよりも内方に、第2締結ボルト114を挿入するための一対の挿入穴108nを設けている。下部エンドプレート108は、セルユニット100Tよりも十分に厚く形成している。下部エンドプレート108は、例えば、金属からなり、下部集電板107と接触する上面を、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、下部エンドプレート108に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
下部エンドプレート108は、図6に示すように、セルユニット100Tと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスAGを通過させるアノード側第1流入口108a、アノード側第2流入口108b、アノード側第3流入口108c、アノード側第1流出口108dおよびアノード側第2流出口108eを設けている。下部エンドプレート108は、セルユニット100Tと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスCGを通過させるカソード側第1流入口108f、カソード側第2流入口108g、カソード側第1流出口108h、カソード側第2流出口108iおよびカソード側第3流出口108jを設けている。
上部エンドプレート109は、図2~図6(特に図5)に示すように、一対のスタック100Sを上方から保持するものである。
上部エンドプレート109は、スタック100Sの上端に配置している。上部エンドプレート109は、下部エンドプレート108を長手方向Yを軸にして短手方向Xに沿って左右対称に一体化した外形形状からなる。上部エンドプレート109は、図3および図6に示すように、長手方向Yに沿ったカソードガスCGの流入口の側の外縁の両端に、第1締結ボルト111を挿入するための一対の挿入穴109nを設けている。上部エンドプレート109は、下部エンドプレート108と異なり、ガスの流入口および排出口を設けていない。上部エンドプレート109は、例えば、金属からなり、上部集電板106と接触する下面を、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、上部エンドプレート109に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
バネ110は、図5および図6に示すように、一対のスタック100Sに弾性力を与えるものである。
バネ110は、上部集電板106の複数の窪部106aと上部エンドプレート109の間に、それぞれ配置している。バネ110は、例えば、耐クリープ性を備えた螺旋状の金属バネからなる。バネ110は、いわゆる板バネによって構成してもよい。
第1締結ボルト111は、図3~図5(特に図3)に示すように、一対のスタック100SのカソードガスCGの流入口の側に締結力を与えるものである。
第1締結ボルト111は、図5に示すように、4つ設け、上部エンドプレート109に四箇所設けられた挿入穴109nに挿入して、一対の下部エンドプレート108にそれぞれ二箇所設けられたネジ穴108mにネジ留めしている。第1締結ボルト111は、上部エンドプレート109と一対の下部エンドプレート108との間に配置された一対のスタック100Sに対して、各々のカソードガスCGの流入口の側に締結力を与える。
エアーシェルター112は、図2および図4に示すように、一対のスタック100Sとの間において、カソードガスCGの流路を形成するものである。
エアーシェルター112は、図2および図4に示すように、一対の下部エンドプレート108と1つの上部エンドプレート109によって挟み込まれた一対のスタック100Sを上方から覆う。エアーシェルター112は、エアーシェルター112の内側面とスタック100Sの側面との隙間の部分によって、スタック100Sの構成部材のカソードガスCGの流入口と流出口を形成する。エアーシェルター112は、箱形状からなり、下部の全てと側部の一部を開口している。エアーシェルター112は、例えば、金属からなり、内側面を絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、エアーシェルター112に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
外部マニホールド113は、図1~図5に示すように、外部から複数のセルユニット100Tにガスを供給するものである。
外部マニホールド113は、セルスタックアッセンブリー100Mの下方に配置している。外部マニホールド113は、下部エンドプレート108の形状を単純化した外形形状からなる。外部マニホールド113は、図5に示すように、長手方向Yに沿ったカソードガスCGの流入口の側の外縁に、第2締結ボルト114をネジ留めするためのネジ穴113mを設けている。外部マニホールド113は、下部エンドプレート108よりも十分に厚く形成している。外部マニホールド113は、例えば、金属からなる。
外部マニホールド113は、図5に示すように、セルユニット100Tと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスAGを通過させるアノード側第1流入口113a、アノード側第2流入口113b、アノード側第3流入口113c、アノード側第1流出口113dおよびアノード側第2流出口113eを設けている。外部マニホールド113は、カソードガスCGを通過させるセルユニット100Tと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、カソード側第1流入口113f、カソード側第2流入口113g、カソード側第1流出口113h、カソード側第2流出口113iおよびカソード側第3流出口113jを設けている。外部マニホールド113は、カソード側第1流入口113f、カソード側第2流入口113g、カソード側第1流出口113h、カソード側第2流出口113iおよびカソード側第3流出口113jを、長手方向Yを軸にして短手方向Xに沿って左右対称に2組設けている。
第2締結ボルト114は、図3~図5(特に図3)に示すように、一対の下部エンドプレート108のカソードガスCGの流入口の側に締結力を与えるものである。
第2締結ボルト114は、図5に示すように、4つ設け、一対の下部エンドプレート108にそれぞれ二箇所設けられた挿入穴108nに挿入して、外部マニホールド113に四箇所設けられたネジ穴113mにネジ留めしている。第2締結ボルト114は、一対の下部エンドプレート108に対して、各々のカソードガスCGの流入口の側に締結力を与える。
カバー115は、図1、図2および図4に示すように、セルスタックアッセンブリー100Mを被覆して保護するものである。
カバー115は、セルスタックアッセンブリー100Mを、外部マニホールド113とともに上下から挟み込んでいる。カバー115は、箱形状からなり、下部を開口させている。カバー115は、例えば、金属からなり、内側面を絶縁材によって絶縁している。
(燃料電池100におけるガスの流れ)
図19Aは、燃料電池100におけるアノードガスAGおよびカソードガスCGの流れを模式的に示す斜視図である。図19Bは、燃料電池100におけるカソードガスCGの流れ(片方)を模式的に示す斜視図である。図19Cは、燃料電池100におけるアノードガスAGの流れ(片方)を模式的に示す斜視図である。
図19Aは、燃料電池100におけるアノードガスAGおよびカソードガスCGの流れを模式的に示す斜視図である。図19Bは、燃料電池100におけるカソードガスCGの流れ(片方)を模式的に示す斜視図である。図19Cは、燃料電池100におけるアノードガスAGの流れ(片方)を模式的に示す斜視図である。
アノードガスAGは、外部マニホールド113、下部エンドプレート108、モジュールエンド105、セパレータ102、およびメタルサポートセルアッセンブリー101の各々の流入口を通過して、各々の発電セル101Mのアノード101Tに供給される。すなわち、アノードガスAGは、外部マニホールド113から終端の上部集電板106に至るまで、交互に積層されたセパレータ102とメタルサポートセルアッセンブリー101との隙間に設けられたアノード側の流路に分配して供給される。その後、アノードガスAGは、発電セル101Mで反応し、上記の各構成部材の各々の流出口を通過して排ガスの状態で排出される。
アノードガスAGは、図19Aに示すように、セパレータ102を隔てて、カソードガスCGと交差するように、流路部102Lに供給される。アノードガスAGは、図19Cにおいて、図19Cの下方に位置するセパレータ102のアノード側第1流入口102a、アノード側第2流入口102bおよびアノード側第3流入口102cを通過し、メタルサポートセルアッセンブリー101のアノード側第1流入口101a、アノード側第2流入口101bおよびアノード側第3流入口101cを通過した後、図19Cの上方に位置するセパレータ102の流路部102Lに流入して、メタルサポートセルアッセンブリー101の発電セル101Mのアノード101Tに供給される。アノード101Tで反応した後のアノードガスAGは、排気ガスの状態で、図19Cの上方に位置するセパレータ102の流路部102Lから流出して、メタルサポートセルアッセンブリー101のアノード側第1流出口101dおよびアノード側第2流出口101eを通過し、図19C中の下方に位置するセパレータ102のアノード側第1流出口102dおよびアノード側第2流出口102eを通過して外部に排出される。
カソードガスCGは、外部マニホールド113、下部エンドプレート108、モジュールエンド105、セパレータ102、およびメタルサポートセルアッセンブリー101の各々の流入口を通過して、発電セル101Mのカソード101Uに供給される。すなわち、カソードガスCGは、外部マニホールド113から終端の上部集電板106に至るまで、交互に積層されたメタルサポートセルアッセンブリー101とセパレータ102との隙間に設けられたカソード側の流路に分配して供給される。その後、カソードガスCGは、発電セル101Mで反応し、上記の各構成部材の各々の流出口を通過して排ガスの状態で排出される。上記の各構成部材におけるカソードガスCGの流入口および流出口は、各々の構成部材の外周面と、エアーシェルター112の内側面との間の隙間によって、構成している。
カソードガスCGは、図19Bにおいて、図19Bの下方に位置するセパレータ102のカソード側第1流入口102fおよびカソード側第2流入口102gを通過し、そのセパレータ102の流路部102Lに流入して、メタルサポートセルアッセンブリー101の発電セル101Mのカソード101Uに供給される。カソード101Uで反応した後のカソードガスCGは、排気ガスの状態で、図19B中の下方に位置するセパレータ102の流路部102Lから流出して、そのセパレータ102のカソード側第1流出口102h、カソード側第2流出口102iおよびカソード側第3流出口102jを通過して外部に排出される。
(燃料電池100の締結構造)
図20Aは、第1実施形態の燃料電池100を示す模式図であって、起動前における燃料電池100の状態を示す図である。図20Bは、第1実施形態の燃料電池100を示す模式図であって、急速昇温時における燃料電池100の状態を示す図である。図20Cは、第1実施形態の燃料電池100を示す模式図であって、定常運転時における燃料電池100の状態を示す図である。
図20Aは、第1実施形態の燃料電池100を示す模式図であって、起動前における燃料電池100の状態を示す図である。図20Bは、第1実施形態の燃料電池100を示す模式図であって、急速昇温時における燃料電池100の状態を示す図である。図20Cは、第1実施形態の燃料電池100を示す模式図であって、定常運転時における燃料電池100の状態を示す図である。
図20Aに示すように、起動前(スタック100Sにおいて、定常的に、ガス流入口100xとガス流出口100yの温度が等しく、ガスの流れの上流側から下流側における積層方向Zに沿った厚みが等しい状態の時)における燃料電池100において、一対のスタック100Sや一対の下部エンドプレート108は、伸長していない。
図20Bに示すように、急速昇温時(スタック100Sにおいて、一時的に、ガス流入口100xよりもガス流出口100yの方が相対的に温度が低く、ガスの流れの下流側よりも上流側の方が相対的に積層方向Zに沿って膨張している状態の時)における燃料電池100において、一対のスタック100Sや一対の下部エンドプレート108は、短手方向Xの内方に向かってスムーズに伸長する。このような構成は、複数の下部エンドプレート108と上部エンドプレート109との間における各々のスタック100Sの締結力を、ガス流出口100yの側よりもガス流入口100xの側の方が大きくなるようにしていることから、実現される。すなわち、ガス流入口100xの側は第1締結ボルト111等によって一定の締結力が発生しているが、ガス流出口100yの側は第1締結ボルト111等が存在しないことから相対的に締結力が小さい。
図20Cに示すように、定常運転時(スタック100Sにおいて、定常的に、ガス流出口100yよりもガス流入口100xの方が相対的に温度が低く、ガスの流れの上流側よりも下流側の方が相対的に積層方向Zに沿って膨張している状態の時)における燃料電池100において、一対のスタック100Sや一対の下部エンドプレート108は、短手方向Xの外方に向かって戻った状態で安定する。常運転時におけるガス流出口100yとガス流入口100xの温度差は、急速昇温時におけるガス流出口100yとガス流入口100xの温度差よりも、十分に小さい。より具体的には、定常時には、短手方向Xに沿って隣り合う一対のスタック100S、下部エンドプレート108、上部エンドプレート109、および外部マニホールド113の温度差が相対的に小さいことから、これら部品間の平面方向(短手方向Xおよび長手方向Y)の膨張量が同程度になる。すなわち、定常時には、短手方向Xに沿って隣り合う一対のスタック100Sの隙間が、起動前の状態に近くなる。
以上説明した第1実施形態の作用効果を説明する。
燃料電池100のスタック構造は、電解質101Sを燃料極(アノード101T)と酸化剤極(カソード101U)とで挟んで構成し供給されたガス(アノードガスAGおよびカソードガスCG)によって発電する発電セル101Mと発電セル101Mにガスを供給する流路部102Lと流路部102Lにガスを流入させるガス流入口100xと流路部102Lからガスを流出させるガス流出口100yとを形成したセパレータ102とを交互に積層した複数組の積層体(スタック100S)を端部プレート(上部エンドプレート109および下部エンドプレート108)に固定手段(第1締結ボルト111)を用いて固定した構造である。ここで、スタック100Sは、並列に配置され、その間に積層方向Zと直交する方向の熱歪を吸収する第1熱歪吸収部を形成した。
燃料電池スタックの熱歪吸収方法は、電解質101Sを燃料極(アノード101T)と酸化剤極(カソード101U)とで挟んで発電セル101Mを形成し、発電セル101Mを一対のセパレータ102で狭持して積層体(スタック100S)を形成し、複数のスタック100Sを積層して複数組のスタック100Sの列を形成し、複数のスタック100Sの列で空間部100Kを形成しながら並列に配置し、スタック100S体列間の空間部100Kで積層方向と直交する方向の熱歪を吸収する。
かかる燃料電池100によれば、積層方向Zと直交する方向のスタック100Sの熱歪を吸収する第1熱歪吸収部によって、積層部材(スタック100Sを含む)に発生する歪みを十分に抑制することができる。
第1熱歪吸収部は、並列に配置されたスタック100Sの間に形成した空間部100Kからなることが好ましい。
空間部100Kは、並列に配置されたスタック100Sの互いに対向する面を離間して配置して端部プレート(上部エンドプレート109および下部エンドプレート108)に固定して形成することが好ましい。
かかる燃料電池100によれば、対向するスタック100Sが互いに近づくように伸長しても、接触することを回避できる。したがって、燃料電池100は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。
発電セル101Mにガスを供給する流通口を備えた外部マニホールド113を設け、外部マニホールド113は、端部プレート(上部エンドプレート109および下部エンドプレート108)の外側に配置し、第1熱歪吸収部を形成することが好ましい。
かかる燃料電池100によれば、外部マニホールド113を含めて、積層部材(スタック100Sを含む)に発生する歪みを十分に抑制することができる。
端部プレート(上部エンドプレート109および下部エンドプレート108)にスタック100Sを固定する固定手段は締結部材(第1締結ボルト111)からなることが好ましい。
かかる燃料電池100によれば、第1締結ボルト111を用いた非常に簡便な構成によって、任意の締結力を発揮できる固定手段を具現化することができる。
端部プレート(上部エンドプレート109および下部エンドプレート108)にスタック100Sを固定する第1締結ボルト111は、並列に配置されたスタック100Sの各々の少なくとも外周側を端部プレート(上部エンドプレート109および下部エンドプレート108)に固定し、端部プレート(上部エンドプレート109および下部エンドプレート108)は、複数のスタック100Sを狭持する上部エンドプレートおよび下部エンドプレートからなることが好ましい。
かかる燃料電池100によれば、上部エンドプレートおよび下部エンドプレートから構成した端部プレートを用いた非常に簡便な構成によって、任意の締結力を発揮できる。
スタック100Sは、ガス流入口100xとガス流出口100yとを備え、並列に配置されたスタック100Sの外周側にガス流入口100xを設け、互いに対向する面を有する側にガス流出口100yを設けることが好ましい。
かかる燃料電池100によれば、対向するスタック100Sの伸長または縮小を互いの変形(変形が生じる向きが正反対)によってキャンセルすることができる。したがって、燃料電池100は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。
ここで、対向するスタック100Sは、ガス流出側を互いに内側に位置させた構成であるが、外側の締結力を相対的に大きくし、内側の締結力を相対的に小さするものであり、外側をボルト締結するという構成を具現化し易い。すなわち、仮に実施形態と異なり、内側の締結力を相対的大きくするために内側をボルト締結する構成にすると、外側に締結力を掛ける手段が複雑になってしまう。
端部プレート(上部エンドプレート109および下部エンドプレート108)とスタック100Sとの間に積層方向Zの熱歪を吸収する第2熱歪吸収部(バネ110)を設けることが好ましい。
第2熱歪吸収部(バネ110)は、スタック100Sのガス流入口100xとガス流出口100yとに対応して配置することが好ましい。
かかる燃料電池100によれば、温度変化による膨張や収縮が発生し易いガス流入口およびガス流出口の変形を、バネ110の伸縮によって吸収することができる。したがって、燃料電池100は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。特に、かかる燃料電池100によれば、スタック100Sに、熱伝導率や線膨張係数に大きな差異があっても、その差異に起因して反り返ったりすることを、バネ110の弾発力によって抑制することができる。
第2熱歪吸収部(バネ110)は、バネ機構からなり、積層方向Zに沿った熱膨張量が最大になる部分と最小になる部分の差よりも大きい圧縮量を予め付与することが好ましい。
第2熱歪吸収部(バネ110)は、スタック100Sの内部に配置された電解質101S膜に対応して配置し、初期圧縮量またはバネ定数をガス流入口100xまたはガス流出口100yに配置したバネよりも小さくすることが好ましい。
かかる燃料電池100によれば、例えば、相対的に低温(例えば起動前)時においても、常にバネ110の弾発力が働いていることから、熱膨張量が最小の部分で荷重抜けが発生することなく、せん断力の入力や発電効率の低下を防止することができる。したがって、燃料電池100は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。
燃料電池100は、複数の下部エンドプレート108と上部エンドプレート109との間における各々のスタック100Sの締結力がガス流出口の側よりもガス流入口の側の方が大きい。
かかる燃料電池100によれば、複数の下部エンドプレート108と上部エンドプレート109との間における各々のスタック100Sの締結力を、ガス流出口の側よりもガス流入口の側の方が大きくなるように規定している。このような構成の燃料電池100によれば、積層部材が状態の変化(例えばガスの流通に伴う温度の上昇)に応じて、変形が生じる方向に沿ってスムーズに伸長または縮小することができる。したがって、燃料電池100は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。
ここで、締結力(バネ110のばね反力)をガス流入口>ガス流出口とするための手段は、ガス流入口の近傍の部分をボルト締結および上部エンドプレート109の上凸反りによって、自然にガス流入口>ガス流出口の関係にさせることである。また、別な手段として、急速昇温時の積層方向Zに沿った膨張量(ばね圧縮量)がガス流入口>ガス流出口となることから、自然に締結力をガス流入口>ガス流出口の関係にさせることである。さらに、別な手段として、バネ110のばね定数をガス流入口>ガス流出口とすることによって、起動前、起動中、および起動後に関わらず、締結力をガス流入口>ガス流出口の関係とすることである。
特に、かかる燃料電池100によれば、ガス流入口からガス流出口に向かってガスの温度が上昇して積層部材が伸長するような場合に、ガス流入口からガス流出口に沿った変形を許容することによって、変形量が異なる積層部材の間で発生する歪みを効果的に抑制することができる。
下部エンドプレート108と上部エンドプレート109との締結力が、ガス流入口<ガス流出口であれば、ガス流入口側で下部エンドプレート108の平面方向(短手方向Xおよび長手方向Y)に変位が生じるが、急速昇温時にガス流入口側で積層方向膨張が大きいために締結力が増大し、ガス流入口側での平面方向変位が徐々に生じ難くなる。その結果、ガス流出口側で変位を生じさせるような応力が作用するが、ボルト締結しているガス流出口側は動きが規制されていることから、下部エンドプレート108には反り変形が生じるようになる。
ここで、下部エンドプレート108とマニホールドとの締結力がガス流入口>ガス流出口となること(条件Aと称する)と、下部エンドプレート108と上部エンドプレート109との締結力がガス流入口>ガス流出口となること(条件Bと称する)の2つの条件が重要である。
条件Aおよび条件Bともに「否」の場合(ともにガス流入口<ガス流出口)、ガス流入口側で下部エンドプレート108と外部マニホールド113の平面方向の変位が生じるが、急速昇温時にガス流入口側で積層方向膨張が大きいために締結力が増大し、ガス流入口側での平面方向変位が徐々に生じにくくなる。その結果、ガス流出口側で変位しようとするが、ボルト締結しているガス流出口側は動きが規制されていることから、下部エンドプレート108の反り変形を防止する必要がある。
条件A「正」および条件B「否」の場合、下部エンドプレート108に変位が生じるガス流出口側で上部エンドプレート109と下部エンドプレート108が強く締結されていることから、急速昇温時に熱膨張の大きい下部エンドプレート108と、熱膨張の小さい上部エンドプレート109の間でずれが生じ、上部エンドプレート109と下部エンドプレート108の反り変形や、上部エンドプレート109と下部エンドプレート108間の締結ボルトの変形や破損を防止する必要がある。
条件A「否」および条件B「正」の場合、下部エンドプレート108に変位が生じるガス流入口側で上部エンドプレート109と下部エンドプレート108が締結されていることから、急速昇温時に熱膨張の大きい下部エンドプレート108と、熱膨張の小さい上部エンドプレート109の間でずれが生じ、上部エンドプレート109と下部エンドプレート108の反り変形や、上部エンドプレート109と下部エンドプレート108の締結ボルトの変形や破損を防止する必要がある。
したがって、急速昇温時の上部エンドプレート109と下部エンドプレート108の反り変形(荷重抜けやガスリークに至るモード)を防止するためには、条件A,条件Bともに「正」となる構造が必要となる。
また、かかる燃料電池100によれば、スタック100S、下部エンドプレート108および上部エンドプレート109に、熱伝導率や線膨張係数の差異があっても、その差異に起因して反り返ったり、積層方向Zと交差する方向に沿ってせん断力が発生したりすることを防止できる。例えば、相対的に線膨張係数が低い封止部材104が、他の積層部材に引っ張られるようなことを防止できることから、封止部材104を保護し、封止部材104によるガスのシール性を維持することができる。
燃料電池100は、バネ110にカソード101Uに供給する加熱したカソードガスCGを供給することが好ましい。
かかる燃料電池100によれば、スタック100Sの温度と、バネ110の温度を近似させつつ、高温(例えば急速昇温時)時において、バネ110の圧縮量を増大させると共にバネ定数を低下させることによって、バネ110による荷重の増大を抑制できる。すなわち、バネ110の温度の上昇に伴いばね圧縮量が増大する作用と、バネ110の温度の降下に伴いバネ定数が小さく作用が、同時に働く。したがって、燃料電池100は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。
(第2実施形態)
第2実施形態の燃料電池200は、外部マニホールド213がガス流入部とガス流出部を隔てて分割されている点において、上述した第1実施形態の燃料電池100と相違する。
第2実施形態の燃料電池200は、外部マニホールド213がガス流入部とガス流出部を隔てて分割されている点において、上述した第1実施形態の燃料電池100と相違する。
図21Aは、第2実施形態の燃料電池200を示す模式図であって、起動前における燃料電池200の状態を示す図である。図21Bは、第2実施形態の燃料電池200を示す模式図であって、急速昇温時における燃料電池200の状態を示す図である。図21Cは、第2実施形態の燃料電池200を示す模式図であって、定常運転時における燃料電池200の状態を示す図である。
燃料電池200は、図21A~図21Cに示すように、第3の締結部材(外部マニホールド213)について、ガス流入口200xにガスを流入させるガス流入部と、ガス流出口200yからガスを流出させるガス流出部とを積層方向Zと交差する方向に沿って分割して構成している。すなわち、外部マニホールド213は、ガス流入口200xに対応する第1基部213S(積層方向Zと交差する短手方向Xにおける外方に対向して2つ配置)と、ガス流出口200yに対応する第2基部213T(積層方向Zと交差する短手方向Xにおける内方に対向して2つ配置)と、中央に対応する第3基部213U(積層方向Zと交差する短手方向Xにおける中央に1つ配置)と、から構成している。外部マニホールド213は、一対の下部エンドプレート108と接合している。
図21Aに示すように、起動前(スタック100Sにおいて、定常的に、ガス流入口200xとガス流出口200yの温度が等しく、ガスの流れの上流側から下流側における積層方向Zに沿った厚みが等しい状態の時)における燃料電池200において、第1基部213Sと第2基部213Tは、短手方向Xに沿って互いに接触している。第2基部213Tと第3基部213Uは、短手方向Xに沿って互いに離間している。
図21Bに示すように、急速昇温時(スタック100Sにおいて、一時的に、ガス流入口200xよりもガス流出口200yの方が相対的に温度が低く、ガスの流れの下流側よりも上流側の方が相対的に積層方向Zに沿って膨張している状態の時)における燃料電池200において、スタック100S等が短手方向Xの内方に向かってスムーズに伸長することから、その伸長に従動した第2基部213Tが、第1基部213Sから離間して、第3基部213Uに接触する。
図21Cに示すように、定常運転時(スタック100Sにおいて、定常的に、ガス流出口200yよりもガス流入口200xの方が相対的に温度が低く、ガスの流れの上流側よりも下流側の方が相対的に積層方向Zに沿って膨張している状態の時)における燃料電池200において、スタック100S等の伸長が一定になることから、その伸長に従動した第2基部213Tが、第3基部213Uから離間して、再び第1基部213Sに接触する。
以上説明した第2実施形態の作用効果を説明する。
燃料電池200は、ガス流入口にガスを流入させるガス流入部とガス流出口からガスを流出させるガス流出部とが積層方向Zと交差する方向に沿って分割された第3の締結部材(外部マニホールド213)をさらに有し、外部マニホールド213が各々の下部エンドプレート108と接合されている。
かかる燃料電池200によれば、外部マニホールド213がガス流入部およびガス流出口を中心に面方向に移動できることから、せん断力をキャンセルすることができる。したがって、燃料電池200は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。
(第3実施形態)
第3実施形態の燃料電池300は、バネ110が発電セル101Mと積層方向Zに沿って重なる部分にも配置されている点において、上述した第2実施形態の燃料電池200と相違する。
第3実施形態の燃料電池300は、バネ110が発電セル101Mと積層方向Zに沿って重なる部分にも配置されている点において、上述した第2実施形態の燃料電池200と相違する。
図22Aは、第3実施形態の燃料電池300を示す模式図であって、起動前における燃料電池300の状態を示す図である。図22Bは、第3実施形態の燃料電池300を示す模式図であって、急速昇温時における燃料電池300の状態を示す図である。
燃料電池300は、図22Aおよび図22Bに示すように、バネ110を、発電セル101Mと積層方向Zに沿って重なる部分にもマトリクス状に複数配置している。それらのバネ110は、ガス流入口300xおよびガス流出口300yと積層方向Zに沿って重なる位置に配置されたバネ110(第1実施形態や第2実施形態のバネ110に相当)よりも、弾発力が低いものを選択している。
以上説明した第3実施形態の作用効果を説明する。
燃料電池300は、バネ110が発電セル101Mと積層方向Zに沿って重なる部分にも配置され、ガス流入口300xおよびガス流出口300yと積層方向Zに沿って重なる位置よりも弾発力が小さい。
かかる燃料電池300によれば、ガスの流れ方向の温度勾配が非線形の場合であっても、発電セル101Mに対して確実に面圧を与えることができる。燃料電池300は、バネ110の温度によらず、発電セル101Mに対して常にバネ110の弾発力が働いていることから、発電セル101Mの積層方向Zと交差した方向への荷重抜けが発生することなく、せん断力の入力や発電効率の低下を防止することができる。したがって、燃料電池300は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。
そのほか、本発明は、特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。
第1~第3実施形態において、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC、Solid Oxide Fuel Cell)として説明したが、固体高分子膜形燃料電池(PEMFC、Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)、リン酸形燃料電池(PAFC、Phosphoric Acid Fuel Cell)または溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC、Molten Carbonate Fuel Cell)として構成してもよい。すなわち、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)に加えて、固体高分子膜形燃料電池(PEMFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)または溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)に適用することができる。
燃料電池は、第1~第3実施形態の仕様を適宜組み合わせて構成してもよい。
100,200,300 燃料電池、
100K 空間部、
100M セルスタックアッセンブリー、
100S スタック、
100T セルユニット、
100U 接合体、
100P 上部モジュールユニット、
100Q 中部モジュールユニット、
100R 下部モジュールユニット、
101 メタルサポートセルアッセンブリー、
101M 発電セル、
101N メタルサポートセル、
101S 電解質、
101T アノード、
101U カソード、
101V サポートメタル、
101W セルフレーム、
101k 開口部、
102 セパレータ、
102L 流路部、
102p 外縁、
102q 溝、
102x 平坦部、
102y アノード側突起、
102z カソード側突起、
103 集電補助層、
104 封止部材、
105 モジュールエンド、
106 上部集電板、
106a 窪部、
107 下部集電板、
108 下部エンドプレート、
108m ネジ穴、
108n 挿入穴、
109 上部エンドプレート、
109n 挿入孔、
110 バネ、
111 第1締結ボルト、
112 エアーシェルター、
113,213 外部マニホールド、
113m ネジ穴、
213S 第1基部、
213T 第2基部、
213U 第3基部、
101a,102a,105a,107a,108a,113a アノード側第1流入口、
101b,102b,105b,107b,113b,108b アノード側第2流入口、
101c,102c,105c,107c,113c,108c アノード側第3流入口、
101d,102d,108d,107d,113d,105d アノード側第1流出口、
101e,102e,105e,107e,113e,108e アノード側第2流出口、
101f,108f,102f,105f,107f,113f カソード側第1流入口、
101g,102g,105g,107g,108g,113g カソード側第2流入口、
101h,102h,113h,105h,107h,108h カソード側第1流出口、
101i,102i,105i,107i,108i,113i カソード側第2流出口、
101j,102j,105j,107j,108j,113j カソード側第3流出口、
100x,200X,300x ガス流入口、
100y,200y,300y ガス流出口、
114 第2締結ボルト、
115 カバー、
V 接合ライン、
AG アノードガス、
CG カソードガス、
X (燃料電池における1つのスタック100Sの)短手方向、
Y (燃料電池における1つのスタック100Sの)長手方向、
Z (燃料電池の)積層方向。
100K 空間部、
100M セルスタックアッセンブリー、
100S スタック、
100T セルユニット、
100U 接合体、
100P 上部モジュールユニット、
100Q 中部モジュールユニット、
100R 下部モジュールユニット、
101 メタルサポートセルアッセンブリー、
101M 発電セル、
101N メタルサポートセル、
101S 電解質、
101T アノード、
101U カソード、
101V サポートメタル、
101W セルフレーム、
101k 開口部、
102 セパレータ、
102L 流路部、
102p 外縁、
102q 溝、
102x 平坦部、
102y アノード側突起、
102z カソード側突起、
103 集電補助層、
104 封止部材、
105 モジュールエンド、
106 上部集電板、
106a 窪部、
107 下部集電板、
108 下部エンドプレート、
108m ネジ穴、
108n 挿入穴、
109 上部エンドプレート、
109n 挿入孔、
110 バネ、
111 第1締結ボルト、
112 エアーシェルター、
113,213 外部マニホールド、
113m ネジ穴、
213S 第1基部、
213T 第2基部、
213U 第3基部、
101a,102a,105a,107a,108a,113a アノード側第1流入口、
101b,102b,105b,107b,113b,108b アノード側第2流入口、
101c,102c,105c,107c,113c,108c アノード側第3流入口、
101d,102d,108d,107d,113d,105d アノード側第1流出口、
101e,102e,105e,107e,113e,108e アノード側第2流出口、
101f,108f,102f,105f,107f,113f カソード側第1流入口、
101g,102g,105g,107g,108g,113g カソード側第2流入口、
101h,102h,113h,105h,107h,108h カソード側第1流出口、
101i,102i,105i,107i,108i,113i カソード側第2流出口、
101j,102j,105j,107j,108j,113j カソード側第3流出口、
100x,200X,300x ガス流入口、
100y,200y,300y ガス流出口、
114 第2締結ボルト、
115 カバー、
V 接合ライン、
AG アノードガス、
CG カソードガス、
X (燃料電池における1つのスタック100Sの)短手方向、
Y (燃料電池における1つのスタック100Sの)長手方向、
Z (燃料電池の)積層方向。
Claims (12)
- 電解質を燃料極と酸化剤極とで挟んで構成し供給されたガスによって発電する発電セルと前記発電セルにガスを供給する流路部と前記流路部にガスを流入させるガス流入口と前記流路部からガスを流出させるガス流出口とを形成したセパレータとを交互に積層した複数組の積層体を端部プレートに固定手段を用いて固定した燃料電池のスタック構造であって、
前記積層体は、並列に配置され、その間に積層方向と直交する方向の熱歪を吸収する第1熱歪吸収部を形成した、燃料電池のスタック構造。 - 前記第1熱歪吸収部は、並列に配置された前記積層体の間に形成した空間部からなる、請求項1に記載の燃料電池のスタック構造。
- 前記空間部は、並列に配置された前記積層体の互いに対向する面を離間して配置して前記端部プレートに固定して形成した、請求項2に記載の燃料電池のスタック構造。
- 前記発電セルにガスを供給する流通口を備えた外部マニホールドを設け、
前記外部マニホールドは、前記端部プレートの外側に配置し、前記第1熱歪吸収部を形成した、請求項1~3のいずれか1項に記載の燃料電池のスタック構造。 - 前記端部プレートに前記積層体を固定する前記固定手段は締結部材(ボルトナット)からなる、請求項1~4のいずれか1項に記載の燃料電池のスタック構造。
- 前記端部プレートに前記積層体を固定する前記固定手段は、並列に配置された前記積層体の各々の少なくとも外周側を前記端部プレートに固定し、
前記端部プレートは、複数の前記積層体を狭持する上部エンドプレートおよび下部エンドプレートからなる、請求項1~5のいずれか1項に記載の燃料電池のスタック構造。 - 前記積層体は、ガス流入部とガス流出部とを備え、並列に配置された前記積層体の外周側にガス流入部を設け、互いに対向する面を有する側にガス流出部を設けた、請求項1~6のいずれか1項に記載の燃料電池のスタック構造。
- 前記端部プレートと前記積層体との間に積層方向の熱歪を吸収する第2熱歪吸収部を設けた、請求項1~7のいずれか1項に記載の燃料電池のスタック構造。
- 前記第2熱歪吸収部は、前記積層体のガス流入部とガス流出部とに対応して配置した、請求項8に記載の燃料電池のスタック構造。
- 前記第2熱歪吸収部は、バネ機構からなり、積層方向に沿った熱膨張量が最大になる部分と最小になる部分の差よりも大きい圧縮量を予め付与する、請求項8または9に記載の燃料電池のスタック構造。
- 前記第2熱歪吸収部は、前記積層体の内部に配置された電解質膜に対応して配置し、初期圧縮量またはバネ定数をガス流入口またはガス流出口に配置したバネよりも小さくする、請求項8~10のいずれか1項に記載の燃料電池のスタック構造。
- 電解質を燃料極と酸化剤極とで挟んで発電セルを形成し、
前記発電セルを一対のセパレータで狭持して積層体を形成し、
複数の前記積層体を積層して複数組の前記積層体の列を形成し、
複数の前記積層体の列で空間部を形成しながら並列に配置し、
前記積層体列間の前記空間部で積層方向と直交する方向の熱歪を吸収する燃料電池スタックの熱歪吸収方法。
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