JP2018185984A - Fuel cell unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池ユニットに関する。 The present invention relates to a fuel cell unit.
燃料電池は、ほかの発電方法と比較し、燃料の有する化学エネルギーを高効率で電気エネルギーに変換可能であるため、家庭用コジェネレーションシステムや自動車の動力源として、精力的に研究開発が行われている。中でも、ジルコニア等によって形成された固体酸化物を酸素イオン伝導体（固体電解質）として用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、エネルギー変換効率が高い。また、ＳＯＦＣは、燃料として都市ガスを改質することで得られる水素ガス又は一酸化炭素ガスを利用することができ、且つ燃料電池ユニットの小型化が可能であるため、家庭用の開発が活発に進められている。 Compared with other power generation methods, fuel cells can convert the chemical energy of fuel into electrical energy with high efficiency, so they are vigorously researched and developed as a power source for household cogeneration systems and automobiles. ing. Among them, a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide formed of zirconia or the like as an oxygen ion conductor (solid electrolyte) has high energy conversion efficiency. In addition, SOFC can use hydrogen gas or carbon monoxide gas obtained by reforming city gas as fuel, and can reduce the size of the fuel cell unit. It is advanced to.
水素ガスを燃料とした場合、ＳＯＦＣは、燃料極（アノード）における反応Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-と、空気極（カソード）における反応（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-によって、電気エネルギーを取り出す。１組の燃料極及び空気極が生成する電圧は、約１Ｖである。このため、より高電圧を出力するために、ＳＯＦＣは、燃料極、電解質、及び空気極を備える燃料電池セルを複数内蔵し、これらを直列に接続する。燃料電池セルに供給される燃料ガスや酸化ガスのシール性を高めて発電性能を向上させること、及び隣り合う燃料電池セルの電気的接触性を充分に確保して集電効率を向上させることが要求されている。 When hydrogen gas is used as a fuel, SOFCs can be divided into a reaction H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − at the fuel electrode (anode) and a reaction (1/2) O 2 + 2e − → O 2− at the air electrode (cathode). To extract electrical energy. The voltage generated by one set of fuel electrode and air electrode is about 1V. For this reason, in order to output a higher voltage, the SOFC incorporates a plurality of fuel cells including a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode, and these are connected in series. To improve the power generation performance by improving the sealing performance of the fuel gas and oxidant gas supplied to the fuel cell, and to improve the current collection efficiency by ensuring sufficient electrical contact between adjacent fuel cells It is requested.
例えば、特許文献１には、平板状に設けられた固体酸化物形燃料電池セルが複数個積層された固体酸化物形燃料電池スタックと発熱器と空気予熱器と燃料改質器とからなるモジュール本体が開示されており、当該モジュール本体は、ボルト及びナットから構成される固定部材によって積層方向に押圧して一体に固定されている。特許文献２には、セルを積層して形成したセルスタックと、セルスタックに積層方向の圧縮力を導入するボルト及びナットと、ボルト周りに設けられたセラミック製の圧縮バネと、圧縮バネ捩れ防止部材と、圧縮バネ捩れ防止部材のストッパーとなり圧縮バネのガイドする高さ制御部材とを備えた固体酸化物型燃料電池が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a module including a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of solid oxide fuel cells provided in a flat plate shape are stacked, a heater, an air preheater, and a fuel reformer. A main body is disclosed, and the module main body is integrally fixed by being pressed in a stacking direction by a fixing member including a bolt and a nut. Patent Document 2 discloses a cell stack formed by stacking cells, bolts and nuts for introducing a compressive force in the stacking direction to the cell stack, a ceramic compression spring provided around the bolt, and compression spring twist prevention A solid oxide fuel cell is disclosed that includes a member and a height control member that serves as a stopper for the compression spring twist prevention member and that is guided by the compression spring.
しかしながら、固体酸化物形燃料電池は７００℃〜９００℃で運転されるため、燃料電池セルや固定部材の熱膨張による変形によって、燃料電池セルの圧縮力に過不足が生じる恐れがある。例えば、特許文献１に記載の構成の場合、ボルトの熱膨張率が固体酸化物形燃料電池スタックよりも大きい場合には固体酸化物形燃料電池スタックにかかる圧縮力が低下し、発電性能が低下する恐れがある。対して、ボルトの熱膨張率が固体酸化物形燃料電池スタックよりも小さい場合には固体酸化物形燃料電池スタックにかかる圧縮力が増大し、固体酸化物形燃料電池スタックが破損する恐れがある。 However, since the solid oxide fuel cell is operated at 700 ° C. to 900 ° C., there is a risk that the compression force of the fuel cell is excessive or insufficient due to deformation due to thermal expansion of the fuel cell or the fixing member. For example, in the case of the configuration described in Patent Document 1, when the thermal expansion coefficient of the bolt is larger than that of the solid oxide fuel cell stack, the compressive force applied to the solid oxide fuel cell stack is lowered, and the power generation performance is lowered. There is a fear. On the other hand, when the thermal expansion coefficient of the bolt is smaller than that of the solid oxide fuel cell stack, the compressive force applied to the solid oxide fuel cell stack increases, and the solid oxide fuel cell stack may be damaged. .
一方で、特許文献２に記載の構成の場合、熱膨張率の差異を圧縮バネが吸収可能でありセルスタックに適切な圧縮力を導入可能であるが、固体酸化物型燃料電池の寸法や重量が増大し、小型化に支障をきたす恐れがある。また、耐熱性が求められるセラミック製のコイルバネは、材料や製造プロセスが一般的な金属バネと異なり特殊であるため、固体酸化物型燃料電池の価格が上昇する恐れがある。 On the other hand, in the case of the configuration described in Patent Document 2, the compression spring can absorb the difference in coefficient of thermal expansion and an appropriate compressive force can be introduced into the cell stack. There is a risk of increasing the size and hindering downsizing. In addition, ceramic coil springs that require heat resistance are special in materials and manufacturing processes, unlike general metal springs, which may increase the price of solid oxide fuel cells.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、発電特性の劣化の抑制及び燃料電池セルの破損の抑制を図ることが可能な燃料電池ユニットを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell unit capable of suppressing degradation of power generation characteristics and suppressing damage of fuel cells.
本発明の一態様に係る燃料電池ユニットは、複数の板状の燃料電池セルを有し、各燃料電池セルが積層方向に積層された、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの積層方向の一端に設けられた板状の第１蓋部と、燃料電池スタックの積層方向の他端に設けられた板状の第２蓋部と、第１蓋部と第２蓋部とを連結し、燃料電池スタックに積層方向に圧縮力を提供する固定部と、を備え、固定部は、積層方向に沿って異なる位置に配置された第１部材と第２部材を有し、第１部材と第２部材は互いに熱膨張率が異なる。 A fuel cell unit according to an aspect of the present invention includes a plurality of plate-like fuel cells, each fuel cell being stacked in the stacking direction, and one end of the fuel cell stack in the stacking direction. A plate-shaped first lid portion provided, a plate-shaped second lid portion provided at the other end in the stacking direction of the fuel cell stack, and the first lid portion and the second lid portion are connected to each other, and the fuel cell A fixing portion that provides a compressive force in the stacking direction to the stack, and the fixing portion includes a first member and a second member arranged at different positions along the stacking direction, and the first member and the second member Have different coefficients of thermal expansion.
本発明によれば、発電特性の劣化の抑制及び燃料電池セルの破損の抑制を図ることが可能な燃料電池ユニットを提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the fuel cell unit which can aim at suppression of deterioration of an electric power generation characteristic, and suppression of the failure | damage of a fuel cell.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。但し、第２実施形態以降において、第１実施形態と同一又は類似の構成要素は、第１実施形態と同一又は類似の符号で表し、詳細な説明を適宜省略する。また、第２実施形態以降の実施形態において得られる効果について、第１実施形態と同様のものについては説明を適宜省略する。各実施形態の図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本願発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, in the second and subsequent embodiments, the same or similar components as those in the first embodiment are denoted by the same or similar reference numerals as those in the first embodiment, and detailed description thereof is omitted as appropriate. Moreover, about the effect acquired in embodiment after 2nd Embodiment, description is abbreviate | omitted suitably about the thing similar to 1st Embodiment. The drawings of the embodiments are exemplifications, the dimensions and shapes of the respective parts are schematic, and the technical scope of the present invention should not be understood as being limited to the embodiments.
以下の説明において、第１方向Ｘ、第２方向Ｙ、及び第３方向Ｚは例えば互いに直交する方向であるが、互いに交差する方向であれば特に限定されるものではなく、互いに直角以外の角度で交差する方向であってもよい。なお、本願明細書において、主面とは、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙによって特定される面（以下、ＸＹ面と呼ぶ。）と平行な面であるものとする。 In the following description, the first direction X, the second direction Y, and the third direction Z are, for example, directions orthogonal to each other, but are not particularly limited as long as they intersect with each other, and angles other than a right angle to each other The crossing direction may be used. In the present specification, the main surface is a surface parallel to a surface specified by the first direction X and the second direction Y (hereinafter referred to as XY surface).
＜第１実施形態＞
図１〜図４を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る燃料電池ユニット１００の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を概略的に示す斜視図である。図２は、第１実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を概略的に示す断面図である。図３は、第１実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を概略的に示す平面図である。図４は、第１実施形態に係る燃料電池セルの構成を概略的に示す斜視図である。なお、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った燃料電池ユニット１００の断面図である。
<First Embodiment>
The configuration of the fuel cell unit 100 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of the fuel cell unit according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell unit according to the first embodiment. FIG. 3 is a plan view schematically showing the configuration of the fuel cell unit according to the first embodiment. FIG. 4 is a perspective view schematically showing the configuration of the fuel battery cell according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell unit 100 taken along line II-II in FIG.
燃料電池ユニット１００は、燃料電池スタック１１０、第１蓋部１５０、第２蓋部１６０、及び固定部１２０を備えている。燃料電池スタック１１０は、複数の燃料電池セル１１１を有している。燃料電池セル１１１は、ＸＹ面と略平行な板状であり、第３方向Ｚに積層されている。燃料電池スタック１１０は、第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０によって挟まれるように保持されている。 The fuel cell unit 100 includes a fuel cell stack 110, a first lid portion 150, a second lid portion 160, and a fixing portion 120. The fuel cell stack 110 has a plurality of fuel cells 111. The fuel cells 111 have a plate shape substantially parallel to the XY plane, and are stacked in the third direction Z. The fuel cell stack 110 is held so as to be sandwiched between the first lid portion 150 and the second lid portion 160.
図４に示すように、燃料電池セル１１１は、電解質２１、一対の電極である燃料極（アノード）２２及び空気極（カソード）２３、燃料極側セパレータ２５、及び空気極側セパレータ２６を備えている。電解質２１、燃料極２２、空気極２３、燃料極側セパレータ２５、及び空気極側セパレータ２６は、それぞれ、ＸＹ面と略平行な板状の部材であり、第３方向Ｚに積層している。電解質２１、燃料極２２、及び空気極２３は、電力を発電する発電部２４を構成している。 As shown in FIG. 4, the fuel cell 111 includes an electrolyte 21, a fuel electrode (anode) 22 and an air electrode (cathode) 23, which are a pair of electrodes, a fuel electrode side separator 25, and an air electrode side separator 26. Yes. The electrolyte 21, the fuel electrode 22, the air electrode 23, the fuel electrode side separator 25, and the air electrode side separator 26 are plate-like members that are substantially parallel to the XY plane, and are stacked in the third direction Z. The electrolyte 21, the fuel electrode 22, and the air electrode 23 constitute a power generation unit 24 that generates electric power.
電解質２１は、一方の主面で燃料極２２と接触し、他方の主面で空気極２３と接触する。電解質２１は、例えば、酸素イオン（Ｏ2-）伝導性を有するイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である。なお、固体酸化物形燃料電池を構成する場合、電解質２１に含まれる固体電解質（固体酸化物）は、燃料極２２に導入される燃料ガス又は空気極２３に導入される酸化ガスのうちの一方をイオンとして移動させることができるイオン電導性を有していればＹＳＺに限定されるものではない。このような固体電解質としては、例えば、ＺｒＯ2系セラミック、ＬａＧａＯ3系セラミック、ＢａＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＺｒＯ3系セラミック、及びＣａＺｒＯ3、等が挙げられる。 The electrolyte 21 contacts the fuel electrode 22 on one main surface, and contacts the air electrode 23 on the other main surface. The electrolyte 21 is, for example, yttria stabilized zirconia (YSZ) having oxygen ion (O 2− ) conductivity. When configuring a solid oxide fuel cell, the solid electrolyte (solid oxide) contained in the electrolyte 21 is one of the fuel gas introduced into the fuel electrode 22 or the oxidizing gas introduced into the air electrode 23. It is not limited to YSZ as long as it has ion conductivity that can be moved as ions. Examples of such solid electrolytes include ZrO 2 ceramics, LaGaO 3 ceramics, BaCeO 3 ceramics, SrZrO 3 ceramics, and CaZrO 3 .
燃料極２２は、還元剤となる燃料ガス（例えば、都市ガスを改質して抽出した水素（Ｈ2）ガス）と接触し、燃料電池セル１１１における負電極として機能する。燃料電池セル１１１での発電時、燃料極２２では、例えば、半電池反応Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-が進行する。燃料極２２の材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ2系セラミック、ＣｅＯ2系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。 The fuel electrode 22 is in contact with a fuel gas that serves as a reducing agent (for example, hydrogen (H 2 ) gas extracted by reforming city gas) and functions as a negative electrode in the fuel cell 111. During power generation in the fuel cell 111, for example, the half-cell reaction H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − proceeds at the fuel electrode 22. Examples of the material of the fuel electrode 22 include ZrO 2 ceramics such as zirconia stabilized by at least one of metals such as Ni and Fe, and rare earth elements such as Sc and Y, and CeO 2 ceramics. The mixture with at least 1 sort (s) of ceramics etc. are mentioned. Moreover, metals, such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe, are mentioned. These metals may be used alone or in an alloy of two or more metals. Further, a mixture (including cermet) of these metals and / or alloys and at least one of each of the above ceramics may be mentioned. Moreover, the mixture of metal oxides, such as Ni and Fe, and at least 1 type of each of the said ceramic etc. are mentioned.
空気極２３は、酸化剤となる酸化ガス（例えば、空気中の酸素（Ｏ2）ガス）と接触し、燃料電池セル１１１における正電極として機能する。燃料電池セル１１１での発電時、空気極２３では、例えば、半電池反応（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-が進行する。空気極２３の材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ2Ｏ3、ＳｒＯ、Ｃｅ2Ｏ3、Ｃｏ2Ｏ3、ＭｎＯ2及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＦｅＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3系複酸化物、Ｐｒ1-xＢａxＣｏＯ3系複酸化物及びＳｍ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物、等）が挙げられる。 The air electrode 23 contacts an oxidizing gas (for example, oxygen (O 2 ) gas in the air) serving as an oxidant, and functions as a positive electrode in the fuel cell 111. During power generation in the fuel cell 111, for example, a half-cell reaction (1/2) O 2 + 2e − → O 2− proceeds at the air electrode 23. As a material of the air electrode 23, for example, various metals, metal oxides, metal double oxides, and the like can be used. Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, and Rh, or alloys containing two or more metals. Furthermore, examples of the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn and Fe (La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 and FeO). It is done. As the double oxide, a double oxide containing at least La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc. (La 1-x Sr x CoO 3 -based double oxide, La 1-x Sr x FeO 3 -based double oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 -based double oxide, La 1-x Sr x MnO 3 -based double oxide, Pr 1-x Ba x CoO 3 -based double oxide Oxides, and Sm 1-x Sr x CoO 3 -based double oxides).
燃料電池セル１１１の作動温度は７００℃〜１０００℃であるため、耐熱性を考慮して燃料極２２及び空気極２３は、セラミック電極であることが望ましい。一例として、燃料極２２は、燃料ガスを通すように網目状に設けられたＹＳＺと、電導路を提供するＮｉとの複合体である。網目状のＹＳＺは、燃料電池セル１１１の熱膨張率を低減するとともに、網目構造の焼結閉鎖を防ぐことができる。また、空気極２３は、ストロンチウムをドープして電気伝導性を向上させたランタンマンガネート（Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3）である。 Since the operating temperature of the fuel cell 111 is 700 ° C. to 1000 ° C., it is desirable that the fuel electrode 22 and the air electrode 23 are ceramic electrodes in consideration of heat resistance. As an example, the fuel electrode 22 is a composite of YSZ provided in a mesh shape so as to allow fuel gas to pass therethrough and Ni that provides a conductive path. The mesh-like YSZ can reduce the coefficient of thermal expansion of the fuel cell 111 and prevent the mesh structure from being sintered and closed. The air electrode 23 is lanthanum manganate (La 1-x Sr x MnO 3 ) doped with strontium to improve electrical conductivity.
燃料極側セパレータ２５及び空気極側セパレータ２６は、隣接する燃料電池セル１１１同士を区切っている。燃料極側セパレータ２５は、燃料極２２側の主面に燃料ガス供給路２７が設けられ、空気極側セパレータ２６は、空気極２３側の主面に酸化ガス供給路２８が設けられている。燃料極側セパレータ２５及び空気極側セパレータ２６は、隣接する燃料電池セル１１１のそれぞれに供給される燃料ガス及び酸化ガスを分離し、燃料ガス供給路２７により燃料極２２へと供給される燃料ガス、及び酸化ガス供給路２８により空気極２３へと供給される酸化ガスについて十分なガスシール性を備え、ガス供給効率を向上させることが求められる。 The fuel electrode side separator 25 and the air electrode side separator 26 separate adjacent fuel cells 111. The fuel electrode side separator 25 is provided with a fuel gas supply path 27 on the main surface on the fuel electrode 22 side, and the air electrode side separator 26 is provided with an oxidizing gas supply path 28 on the main surface on the air electrode 23 side. The fuel electrode side separator 25 and the air electrode side separator 26 separate the fuel gas and the oxidizing gas supplied to each of the adjacent fuel cells 111, and the fuel gas supplied to the fuel electrode 22 through the fuel gas supply path 27. In addition, the oxidizing gas supplied to the air electrode 23 by the oxidizing gas supply path 28 is required to have sufficient gas sealing properties to improve the gas supply efficiency.
燃料極側セパレータ２５及び空気極側セパレータ２６は、発電部２４で発電された電気を集電する役割も担う。このため、図示は省略しているが、発電部２４と燃料極側セパレータ２５との間、及び発電部２４と空気極側セパレータ２６との間には、集電効率を向上させるために集電材（例えば、セパレータの発電部２４と接触する側の主面に設けられた金属薄膜）が設けられてもよい。なお、燃料極側セパレータ２５及び空気極側セパレータ２６は、個別の２つのセパレータでもよく、一体の１つのセパレータであってもよい。一体のセパレータの場合、一方の主面に燃料ガス供給路２７が設けられ、他方の主面に酸化ガス供給路２８が設けられる。 The fuel electrode side separator 25 and the air electrode side separator 26 also play a role of collecting electricity generated by the power generation unit 24. For this reason, although not shown, a current collector is provided between the power generation unit 24 and the fuel electrode side separator 25 and between the power generation unit 24 and the air electrode side separator 26 in order to improve current collection efficiency. (For example, a metal thin film provided on the main surface of the separator that is in contact with the power generation unit 24) may be provided. The fuel electrode side separator 25 and the air electrode side separator 26 may be two separate separators, or may be a single integrated separator. In the case of an integrated separator, a fuel gas supply path 27 is provided on one main surface, and an oxidizing gas supply path 28 is provided on the other main surface.
燃料電池スタック１１０は、複数の燃料電池セル１１１が積層された積層体と第１蓋部１５０との間に設けられた第１絶縁板１１３Ａと、当該積層体と第２蓋部１６０との間に設けられた第２絶縁板１１３Ｂと、をさらに有している。第１絶縁板１１３Ａ及び第２絶縁板１１３Ｂは、積層した燃料電池セル１１１を挟むように設けられている。絶縁板１１３（１１３Ａ，１１３Ｂ）は、燃料電池スタック１１０を、第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０から電気的に絶縁している。また、燃料電池スタック１１０は、積層体と第１絶縁板１１３Ａとの間に設けられた第１集電板１１５Ａと、積層体と第２絶縁板１１３Ｂとの間に設けられた第２集電板１１５Ｂと、をさらに有している。集電板１１５（１１５Ａ，１１５Ｂ）は、燃料電池セル１１１で発生した電療を集電する。燃料電池スタック１１０は、複数の燃料電池セル１１１のいずれか２つの間に、均熱板１１７を有していてもよい。均熱板１１７は、すべての燃料電池セル１１１間に設けられてもよく、幾つかの燃料電池セル１１１毎に間隔を空けて設けられてもよい。また、燃料電池スタック１１０は、他のセル間部材を有していてもよい。 The fuel cell stack 110 includes a first insulating plate 113A provided between a stacked body in which a plurality of fuel battery cells 111 are stacked and the first lid 150, and between the stacked body and the second lid 160. And a second insulating plate 113B provided on the substrate. The first insulating plate 113A and the second insulating plate 113B are provided so as to sandwich the stacked fuel cells 111. The insulating plates 113 (113A, 113B) electrically insulate the fuel cell stack 110 from the first lid portion 150 and the second lid portion 160. The fuel cell stack 110 includes a first current collecting plate 115A provided between the laminate and the first insulating plate 113A, and a second current collector provided between the laminate and the second insulating plate 113B. And a plate 115B. The current collector 115 (115A, 115B) collects the electricity generated in the fuel cell 111. The fuel cell stack 110 may have a soaking plate 117 between any two of the plurality of fuel cells 111. The soaking plate 117 may be provided between all the fuel cells 111, or may be provided at intervals for some of the fuel cells 111. Further, the fuel cell stack 110 may have other inter-cell members.
第１蓋部１５０は、燃料電池スタック１１０の第３方向Ｚ正方向側に設けられている。第１蓋部１５０は、第３方向Ｚで対向する第１主面（外面）１５１及び第２主面（内面）１５２を有している。第１蓋部１５０は、第２主面１５２の中央部において燃料電池スタック１１０に接触する。図３に示すように、第１蓋部１５０は、第１主面１５１の法線方向（第３方向Ｚ正方向側）から平面視したとき、燃料電池スタック１１０と重なる領域から外側の領域まで延在している。また、第１蓋部１５０は、燃料電池スタック１１０の外側の領域に、貫通孔１５３及び凹部１５４が設けられている。貫通孔１５３は、第１主面１５１から第２主面１５２に亘って、第１蓋部１５０を第３方向Ｚに貫通する穴であり、例えば第１蓋部１５０を円柱状にくり抜いて設けられる。凹部１５４は、第１主面１５１の一部が第２主面１５２に向かって溝状に凹んだ形状であり、例えば第１蓋部１５０の一部を貫通しないように円柱状に切り欠いて設けられる。第１主面１５１側から見た場合、凹部１５４は、貫通孔１５３よりも浅く、貫通孔１５３よりも広い。貫通孔１５３及び凹部１５４の第１主面１５１から平面視したときの形状は、特に円（楕円）形に限定されるものではなく、多角形であってもよい。 The first lid 150 is provided on the fuel cell stack 110 in the third direction Z positive direction side. The first lid 150 has a first main surface (outer surface) 151 and a second main surface (inner surface) 152 that face each other in the third direction Z. The first lid 150 is in contact with the fuel cell stack 110 at the center of the second main surface 152. As shown in FIG. 3, the first lid 150 extends from a region overlapping the fuel cell stack 110 to an outer region when seen in a plan view from the normal direction (the third direction Z positive direction side) of the first main surface 151. It is extended. In addition, the first lid 150 is provided with a through hole 153 and a recess 154 in a region outside the fuel cell stack 110. The through-hole 153 is a hole that penetrates the first lid 150 in the third direction Z from the first major surface 151 to the second major surface 152. For example, the first lid 150 is hollowed out in a cylindrical shape. It is done. The concave portion 154 has a shape in which a part of the first main surface 151 is recessed in a groove shape toward the second main surface 152, for example, is cut out in a cylindrical shape so as not to penetrate a part of the first lid 150. Provided. When viewed from the first main surface 151 side, the recess 154 is shallower than the through hole 153 and wider than the through hole 153. The shape of the through hole 153 and the concave portion 154 when viewed in plan from the first main surface 151 is not particularly limited to a circle (ellipse), and may be a polygon.
第２蓋部１６０は、燃料電池スタック１１０の第３方向Ｚ負方向側に設けられている。第２蓋部１６０は、第３方向Ｚで対向する第１主面（外面）１６１及び第２主面（内面）１６２を有している。第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０は、互いの第２主面１５２，１６２が対向するように設けられている。２蓋部１６０は、第２主面１６２の中央部において燃料電池スタック１１０に接触する。第１主面１６１の法線方向から平面視したときに、第２蓋部１６０は、燃料電池スタック１１０の外側の領域に、貫通孔１６３が設けられている。また、第２蓋部１６０の貫通孔１６３は、第１蓋部１５０の貫通孔１５３と重なるように設けられている。貫通孔１６３は、第１主面１６１から第２主面１６２に亘って、第２蓋部１６０を第３方向Ｚに貫通する穴であり、例えば第２蓋部１６０を円柱状にくり抜いて設けられる。貫通孔１６３の第１主面１６１から平面視したときの形状も、円（楕円）形に限定されるものではなく、多角形であってもよい。第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３１０Ｓ）等の金属材料によって設けられている。熱伝導性の良好な金属材料によって設けられることで、第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０は、空気予熱器として機能させることができる。また、第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０は、燃料ガス改質器であってもよい。 The second lid 160 is provided on the negative side of the fuel cell stack 110 in the third direction Z. The second lid 160 has a first main surface (outer surface) 161 and a second main surface (inner surface) 162 that face each other in the third direction Z. The 1st cover part 150 and the 2nd cover part 160 are provided so that the mutual 2nd main surfaces 152 and 162 may oppose. The two lid portions 160 are in contact with the fuel cell stack 110 at the central portion of the second main surface 162. When viewed in plan from the normal direction of the first main surface 161, the second lid 160 has a through hole 163 in a region outside the fuel cell stack 110. Further, the through hole 163 of the second lid portion 160 is provided so as to overlap the through hole 153 of the first lid portion 150. The through hole 163 is a hole that penetrates the second lid 160 in the third direction Z from the first major surface 161 to the second major surface 162. For example, the second lid 160 is hollowed out in a columnar shape. It is done. The shape of the through hole 163 when viewed in plan from the first main surface 161 is not limited to a circle (ellipse), and may be a polygon. The 1st cover part 150 and the 2nd cover part 160 are provided with metal materials, such as stainless steel (SUS310S), for example. By being provided with a metal material having good thermal conductivity, the first lid portion 150 and the second lid portion 160 can function as an air preheater. The first lid 150 and the second lid 160 may be a fuel gas reformer.
固定部１２０は、第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０を連結し、燃料電池スタック１１０に第３方向Ｚの圧縮力を導入する部材である。固定部１２０は、第１蓋部１５０の第１主面１５１の法線方向から平面視したときに燃料電池スタック１１０の外側に位置し、第１蓋部１５０の貫通孔１５３及び第２蓋部１６０の貫通孔１６３を通して設けられている。固定部１２０は、燃料電池スタック１１０にかかる圧縮力を均一する観点から、少なくとも２つ設けられることが望ましい。第１実施形態として図示した例では、第１蓋部１５０の第１主面１５１の法線方向から平面視したときに、第１蓋部１５０の四隅に設けられている。 The fixing portion 120 is a member that connects the first lid portion 150 and the second lid portion 160 and introduces a compressive force in the third direction Z to the fuel cell stack 110. The fixing portion 120 is positioned outside the fuel cell stack 110 when viewed in plan from the normal direction of the first main surface 151 of the first lid portion 150, and the through hole 153 and the second lid portion of the first lid portion 150. 160 through-holes 163 are provided. It is desirable that at least two fixing portions 120 are provided from the viewpoint of uniform compressive force applied to the fuel cell stack 110. In the example illustrated as the first embodiment, the first lid 150 is provided at the four corners of the first lid 150 when viewed from the normal direction of the first main surface 151 of the first lid 150.
固定部１２０は、第１蓋部１５０の第２主面１５２と第２蓋部１６０の第２主面１６２との間において、第３方向Ｚに並び熱膨張率が異なる少なくとも２つの部材を有する。第１実施形態として図示した例では、固定部１２０は、第１部材１２１、第２部材１２２、及び第３部材１２３を備えている。 The fixing unit 120 includes at least two members having different thermal expansion coefficients in the third direction Z between the second main surface 152 of the first lid 150 and the second main surface 162 of the second lid 160. . In the example illustrated as the first embodiment, the fixing unit 120 includes a first member 121, a second member 122, and a third member 123.
第１部材１２１は、第１蓋部１５０の貫通孔１５３に差し込まれた第１ボルト部に相当し、頭部１２１Ａが第１蓋部１５０の第１主面１５１側に位置している。図３に示すように、第１蓋部１５０の第１主面１５１の法線方向から平面視したとき、頭部１２１Ａは、凹部１５４よりも小さい。第２部材１２２は、第２蓋部１６０の貫通孔１６３に差し込まれた第２ボルト部に相当し、頭部１２２Ａが第２蓋部１６０の第１主面１６１側に位置している。第３部材１２３は、第１部材１２１及び第２部材１２２を連結するナット部に相当し、一方の端部から第１部材１２１が差し込まれて締結され、他方の端部から第２部材１２２が差し込まれて締結されている。図示を省略しているが、第１部材１２１と第３部材１２３との間の隙間、及び第２部材１２２と第３部材１２３との間の隙間には接着剤が充填され、第１部材１２１、第２部材１２２、及び第３部材１２３の相互の固定を強固にし、燃料電池ユニット１００の振動や繰り返し作動による緩みを防止することができる。当該接着剤は、耐熱性が高く、燃料電池ユニット１００の作動温度においても分解しないものが望ましいく、例えばガラス系接着剤である。 The first member 121 corresponds to a first bolt portion inserted into the through hole 153 of the first lid portion 150, and the head portion 121 </ b> A is located on the first main surface 151 side of the first lid portion 150. As shown in FIG. 3, the head 121 </ b> A is smaller than the recess 154 when viewed in plan from the normal direction of the first main surface 151 of the first lid 150. The second member 122 corresponds to the second bolt portion inserted into the through hole 163 of the second lid portion 160, and the head portion 122 </ b> A is located on the first main surface 161 side of the second lid portion 160. The third member 123 corresponds to a nut portion that connects the first member 121 and the second member 122, the first member 121 is inserted and fastened from one end portion, and the second member 122 is connected from the other end portion. It is inserted and concluded. Although not shown, the gap between the first member 121 and the third member 123 and the gap between the second member 122 and the third member 123 are filled with an adhesive, and the first member 121 The second member 122 and the third member 123 can be firmly fixed to each other, and the fuel cell unit 100 can be prevented from loosening due to vibration or repeated operation. The adhesive preferably has high heat resistance and does not decompose even at the operating temperature of the fuel cell unit 100. For example, the adhesive is a glass-based adhesive.
例えば、第１部材１２１及び第２部材１２２が熱膨張率の同じ部材であり、第３部材１２３が第１部材１２１とは熱膨張率が異なる部材である。一例として、第１部材１２１及び第２部材１２２がアルミナボルトであり、第３部材１２３が金属（ＳＵＳ３１０Ｓ）ナットである。固定部１２０を構成する部材のうち、少なくとも１つは燃料電池スタック１１０の平均熱膨張率よりも熱膨張率が小さく、少なくとも他の１つは燃料電池スタック１１０の平均熱膨張率よりも熱膨張率が大きいことが望ましい。なお、平均熱膨張率とは、第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０を含む燃料電池スタック１１０を１つの部材として見立てた場合の熱膨張率に相当する。 For example, the first member 121 and the second member 122 are members having the same thermal expansion coefficient, and the third member 123 is a member having a different thermal expansion coefficient from that of the first member 121. As an example, the first member 121 and the second member 122 are alumina bolts, and the third member 123 is a metal (SUS310S) nut. Among the members constituting the fixing portion 120, at least one of the members has a smaller coefficient of thermal expansion than the average thermal expansion coefficient of the fuel cell stack 110, and at least one of the members has a thermal expansion larger than the average thermal expansion coefficient of the fuel cell stack 110. A high rate is desirable. The average coefficient of thermal expansion corresponds to the coefficient of thermal expansion when the fuel cell stack 110 including the first lid 150 and the second lid 160 is regarded as one member.
さらには、固定部１２０を構成する部材のうち、少なくとも１つは燃料電池スタック１１０を構成するいずれの部材よりも熱膨張率が小さく、少なくとも他の１つは燃料電池スタック１１０を構成するいずれの部材よりも熱膨張率が大きいことが望ましい。主にセラミック材料で構成される燃料電池スタック１１０の各部は、アルミナボルトである第１部材１２１及び第２部材１２２よりも熱膨張率が大きく、金属ナットである第３部材１２３よりも熱膨張率が小さい。なお、第１部材１２１及び第２部材１２２の熱膨張率は、異なっていてもよい。これによれば、第１部材１２１及び第２部材１２２の長さの比率を調整することで、固定部１２０の熱膨張率を調整しやすくなる。 Furthermore, at least one of the members constituting the fixing portion 120 has a smaller coefficient of thermal expansion than any member constituting the fuel cell stack 110, and at least the other one of which constitutes the fuel cell stack 110. It is desirable that the coefficient of thermal expansion is greater than that of the member. Each part of the fuel cell stack 110 mainly composed of a ceramic material has a higher coefficient of thermal expansion than the first member 121 and the second member 122, which are alumina bolts, and has a higher coefficient of thermal expansion than the third member 123, which is a metal nut. Is small. Note that the thermal expansion coefficients of the first member 121 and the second member 122 may be different. According to this, it becomes easy to adjust the thermal expansion coefficient of the fixing | fixed part 120 by adjusting the ratio of the length of the 1st member 121 and the 2nd member 122. FIG.
第１蓋部１５０の第１主面１５１と第１部材１２１の頭部１２１Ａとの間には、板バネ１３０が設けられている。板バネ１３０は、例えば円（楕円）形の平板状に設けられ、互いに対向する第１主面１３１及び第２主面１３２を有している。板バネ１３０の第１主面１３１は第１蓋部１５０に対向し、第２主面１３２は第１部材１２１の頭部１２１Ａに対向している。板バネ１３０には貫通孔１３３が設けられ、第１部材１２１が貫通孔１３３を貫通している。図３に示すように、第１蓋部１５０の第１主面１５１の法線方向から平面視したとき、凹部１５４が板バネ１３０の内側に位置している。つまり、板バネ１３０は、その第２主面１３２の端部において第１蓋部１５０の凹部１５４の淵に支持され、その第１主面１３１において、第１部材１２１の頭部１２１Ａを支持している。つまり、固定部１２０が、板バネ１３０を挟んで第１蓋部１５０と接触している。耐熱性の観点から、板バネ１３０は、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮ）等のセラミック材料によって設けられることが望ましい。 A leaf spring 130 is provided between the first main surface 151 of the first lid 150 and the head 121 </ b> A of the first member 121. The leaf spring 130 is provided in a circular (elliptical) shape, for example, and has a first main surface 131 and a second main surface 132 facing each other. The first main surface 131 of the leaf spring 130 faces the first lid 150, and the second main surface 132 faces the head 121 </ b> A of the first member 121. The leaf spring 130 is provided with a through hole 133, and the first member 121 passes through the through hole 133. As shown in FIG. 3, the recess 154 is located inside the leaf spring 130 when viewed in plan from the normal direction of the first main surface 151 of the first lid 150. That is, the leaf spring 130 is supported at the end of the second main surface 132 by the flange of the concave portion 154 of the first lid 150, and the first main surface 131 supports the head 121A of the first member 121. ing. That is, the fixing portion 120 is in contact with the first lid portion 150 with the leaf spring 130 interposed therebetween. From the viewpoint of heat resistance, the leaf spring 130 is preferably provided by a ceramic material such as silicon nitride (SiN).
固定部１２０が燃料電池スタック１１０に圧縮力を導入する際、第１部材１２１は、板バネ１３０に負荷がかかるように締結されている。つまり、板バネ１３０は、常温（２０℃）において、第１蓋部１５０の凹部１５４に向かって撓んでいる。但し、常温（２０℃）の板バネ１３０は、第１蓋部１５０の凹部１５４への更なる変形の余地を残している。これは、燃料電池ユニット１００の運転時に、燃料電池スタック１１０の熱膨張量が固定部１２０の熱膨張量よりも大きい場合と小さい場合の両方において、板バネ１３０が変形することによって熱膨張量の差を吸収できるようにするためである。なお、燃料電池スタック１１０と固定部１２０との熱膨張率が略等しい場合には、板バネ１３０は省略してもよい。 When the fixing portion 120 introduces a compressive force to the fuel cell stack 110, the first member 121 is fastened so that a load is applied to the leaf spring 130. That is, the leaf spring 130 is bent toward the recess 154 of the first lid 150 at room temperature (20 ° C.). However, the room temperature (20 ° C.) leaf spring 130 leaves room for further deformation of the first lid 150 into the recess 154. This is because when the fuel cell unit 100 is operated, the thermal expansion amount of the fuel cell stack 110 is reduced by the deformation of the leaf spring 130 both when the thermal expansion amount of the fuel cell stack 110 is larger and smaller than the thermal expansion amount of the fixed portion 120. This is so that the difference can be absorbed. If the thermal expansion coefficients of the fuel cell stack 110 and the fixed portion 120 are substantially equal, the leaf spring 130 may be omitted.
次に、図５を参照しつつ、燃料電池ユニット１００の各部の第３方向Ｚの長さについて説明する。図５は、第１実施形態に係る燃料電池ユニットの各部の寸法の一例を説明するための図である。なお、図５を参照した説明において、長さとは第３方向Ｚの長さを指すものとする。 Next, the length in the third direction Z of each part of the fuel cell unit 100 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining an example of dimensions of each part of the fuel cell unit according to the first embodiment. In the description with reference to FIG. 5, the length refers to the length in the third direction Z.
第１蓋部１５０の長さをＬ１、燃料電池セル１１１の長さをＬ１１、絶縁板１１３の長さをＬ１３、集電板１１５の長さをＬ１５、均熱板１１７の長さをＬ１７とし、固定部１２０の第１部材１２１の長さをＬ２１、第２部材１２２の長さをＬ２２、第３部材１２３の長さをＬ２３とする。第２蓋部１６０の長さは、第１蓋部１５０の長さＬ１と同じとする。なお、第１部材１２１の長さＬ２１は、第１蓋部１５０の第１主面１５１から第３部材１２３の第１蓋部１５０側の端部までの長さに相当し、第２部材１２２の長さＬ２２は、第２蓋部１６０の第１主面１６１から第３部材１２３の第２蓋部１６０側の端部までの長さに相当し、第３部材１２３の長さＬ２３は、第３部材１２３の第１蓋部１５０側の端部から第３部材１２３の第２蓋部１６０側の端部までの長さに相当する。つまり、図５に示した断面図において、第１部材１２１の頭部１２１Ａは第１部材１２１の長さＬ２１に含まず、第３部材１２３と重なる部分は第１部材１２１の長さに含まない。第２部材１２２の長さＬ２２についても同様とする。長さＬ２１と長さＬ２３との比率は、第１部材１２１を第３部材１２３に挿入する長さによって調整可能である。長さＬ２２と長さＬ２３との比率も、同様である。 The length of the first lid 150 is L1, the length of the fuel cell 111 is L11, the length of the insulating plate 113 is L13, the length of the current collecting plate 115 is L15, and the length of the heat equalizing plate 117 is L17. The length of the first member 121 of the fixing portion 120 is L21, the length of the second member 122 is L22, and the length of the third member 123 is L23. The length of the second lid 160 is the same as the length L1 of the first lid 150. The length L21 of the first member 121 corresponds to the length from the first main surface 151 of the first lid 150 to the end of the third member 123 on the first lid 150 side, and the second member 122. The length L22 corresponds to the length from the first main surface 161 of the second lid 160 to the end of the third member 123 on the second lid 160 side, and the length L23 of the third member 123 is This corresponds to the length from the end of the third member 123 on the first lid 150 side to the end of the third member 123 on the second lid 160 side. That is, in the cross-sectional view shown in FIG. 5, the head 121 </ b> A of the first member 121 is not included in the length L <b> 21 of the first member 121, and the portion overlapping the third member 123 is not included in the length of the first member 121. . The same applies to the length L22 of the second member 122. The ratio between the length L21 and the length L23 can be adjusted by the length at which the first member 121 is inserted into the third member 123. The ratio between the length L22 and the length L23 is the same.
燃料電池ユニット１００の組み立て時の温度を２０℃、作動温度を７５０℃として、以下に第３方向Ｚの寸法を計算する。例えば、第１蓋部１５０はＳＵＳ３１０Ｓによって設けられ、熱膨張率が１７．５×１０-6である。長さＬ１は、２０℃において２０ｍｍであり、７５０℃において２０．２５６ｍｍとなる。第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０の長さの合計は、２０℃において２０×２ｍｍであり、７５０℃において２０．２５６×２ｍｍとなる。 The dimensions in the third direction Z are calculated below assuming that the temperature at the time of assembly of the fuel cell unit 100 is 20 ° C. and the operating temperature is 750 ° C. For example, the first lid 150 is provided by SUS310S and has a coefficient of thermal expansion of 17.5 × 10 −6 . The length L1 is 20 mm at 20 ° C. and is 20.256 mm at 750 ° C. The total length of the first lid 150 and the second lid 160 is 20 × 2 mm at 20 ° C. and 20.256 × 2 mm at 750 ° C.
絶縁板１１３は、３ＹＳＺによって設けられ、熱膨張率が１０．４×１０-6である。長さＬ１３は、２０℃において１ｍｍであり、７５０℃において１．００８ｍｍとなる。絶縁板１１３は２枚設けられているので、長さの合計は、２０℃において１×２ｍｍであり、７５０℃において１．００８×２ｍｍとなる。 The insulating plate 113 is provided by 3YSZ and has a coefficient of thermal expansion of 10.4 × 10 −6 . The length L13 is 1 mm at 20 ° C. and 1.008 mm at 750 ° C. Since two insulating plates 113 are provided, the total length is 1 × 2 mm at 20 ° C. and 1.008 × 2 mm at 750 ° C.
集電板１１５は、ＺＭＧによって設けられ、熱膨張率が１１．７×１０-6である。長さＬ１５は、２０℃において３ｍｍであり、７５０℃において３．０２６ｍｍとなる。集電板１１５は２枚設けられているので、長さの合計は、２０℃において３×２ｍｍであり、７５０℃において３．０２６×２ｍｍとなる。 The current collecting plate 115 is provided by ZMG and has a thermal expansion coefficient of 11.7 × 10 −6 . The length L15 is 3 mm at 20 ° C. and 3.026 mm at 750 ° C. Since two current collecting plates 115 are provided, the total length is 3 × 2 mm at 20 ° C. and 3.026 × 2 mm at 750 ° C.
燃料電池セル１１１は、主に３ＹＳＺによって設けられ、熱膨張率が１０．４×１０-6である。長さＬ１１は、２０℃において１ｍｍであり、７５０℃において１．００８ｍｍとなる。燃料電池セル１１１は４８枚設けられているので、長さの合計は、２０℃において１×４８ｍｍであり、７５０℃において１．００８×４８ｍｍとなる。 The fuel cell 111 is mainly provided by 3YSZ and has a coefficient of thermal expansion of 10.4 × 10 −6 . The length L11 is 1 mm at 20 ° C. and 1.008 mm at 750 ° C. Since 48 fuel cells 111 are provided, the total length is 1 × 48 mm at 20 ° C. and 1.008 × 48 mm at 750 ° C.
均熱板１１７は、ＺＭＧによって設けられ、熱膨張率が１１．７×１０-6である。長さＬ１７は、２０℃において３ｍｍであり、７５０℃において３．０２６ｍｍとなる。均熱板１１７は７枚設けられているので、長さの合計は、２０℃において３×７ｍｍであり、７５０℃において３．０２６×７ｍｍとなる。 The soaking plate 117 is made of ZMG and has a thermal expansion coefficient of 11.7 × 10 −6 . The length L17 is 3 mm at 20 ° C. and 3.026 mm at 750 ° C. Since seven soaking plates 117 are provided, the total length is 3 × 7 mm at 20 ° C. and 3.026 × 7 mm at 750 ° C.
燃料電池スタック１１０は、さらに、図示しないセル間部材を備えている。セル間部材は３ＹＳＺによっても設けられ、合計の長さが、２０℃において３ｍｍ、７５０℃において３．０２３ｍｍとなる。 The fuel cell stack 110 further includes an inter-cell member (not shown). The inter-cell member is also provided by 3YSZ, and the total length is 3 mm at 20 ° C. and 3.023 mm at 750 ° C.
以上のことから、燃料電池スタック１１０、第１蓋部１５０、及び第２蓋部１６０の長さの合計は、２０℃において１２０ｍｍ、７５０℃において１２１．１４４ｍｍとなる。 From the above, the total length of the fuel cell stack 110, the first lid 150, and the second lid 160 is 120 mm at 20 ° C. and 121.144 mm at 750 ° C.
次に、固定部１２０の長さについて計算する。第１部材１２１及び第２部材１２２はアルミナによって設けられ、熱膨張率が８．０×１０-6である。長さＬ２１及び長さＬ２２の合計は、２０℃において５６．１ｍｍであり、７５０℃において５６．４２３ｍｍである。第３部材１２３は、ＳＵＳ３１０Ｓによって設けられ、熱膨張率が１７．５×１０-6である。長さＬ２３は、２０℃において６３．９ｍｍであり、７５０℃において６４．７１６ｍｍである。 Next, the length of the fixed part 120 is calculated. The first member 121 and the second member 122 are made of alumina and have a thermal expansion coefficient of 8.0 × 10 −6 . The sum of the length L21 and the length L22 is 56.1 mm at 20 ° C. and 56.423 mm at 750 ° C. The third member 123 is provided by SUS310S and has a thermal expansion coefficient of 17.5 × 10 −6 . The length L23 is 63.9 mm at 20 ° C. and 64.716 mm at 750 ° C.
以上のことから、固定部１２０の長さ合計は、２０℃において１２０ｍｍ、７５０℃において１２１．１４４ｍｍとなる。つまり、２０℃においても、７５０℃においても、固定部１２０の長さは、燃料電池スタック１１０に第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０を足した長さと同等となる。 From the above, the total length of the fixing portion 120 is 120 mm at 20 ° C. and 121.144 mm at 750 ° C. That is, at 20 ° C. and 750 ° C., the length of the fixing portion 120 is equal to the length obtained by adding the first lid portion 150 and the second lid portion 160 to the fuel cell stack 110.
以上のように、固定部１２０は、第１部材１２１、第２部材１２２、及び第３部材１２３の長さの比を調整することで、作動温度において燃料電池スタックへかかる圧縮力を調整することができる。固定部１２０の長さの比の調整について、一般化した式によって説明する。 As described above, the fixing unit 120 adjusts the compression force applied to the fuel cell stack at the operating temperature by adjusting the ratio of the lengths of the first member 121, the second member 122, and the third member 123. Can do. The adjustment of the ratio of the length of the fixing portion 120 will be described with a generalized expression.
組み立て時の温度と作動温度との差をΔＴとする。第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０を含む燃料電池スタック１１０の長さをＬとし、第１部材１２１及び第２部材１２２の長さの合計をＬＡ（＝Ｌ２１＋Ｌ２２）とし、第３部材１２３の長さをＬＢ（＝Ｌ２３）とする。第１部材１２１及び第２部材１２２の熱膨張率をα、第３部材１２３の熱膨張率をβ、第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０を含む燃料電池スタック１１０の平均熱膨張率をγとする。 Let ΔT be the difference between the temperature at the time of assembly and the operating temperature. The length of the fuel cell stack 110 including the first lid 150 and the second lid 160 is L, the total length of the first member 121 and the second member 122 is LA (= L21 + L22), and the third member 123 Is LB (= L23). The thermal expansion coefficient of the first member 121 and the second member 122 is α, the thermal expansion coefficient of the third member 123 is β, and the average thermal expansion coefficient of the fuel cell stack 110 including the first lid portion 150 and the second lid portion 160 is Let γ.
組み立て時の第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０を含む燃料電池スタック１１０の長さと固定部１２０の長さが同じだとすると、
Ｌ＝ＬＡ＋ＬＢ …（１）
ＬＢ＝Ｌ−ＬＡ …（１）´
となる。また、作動温度における第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０を含む燃料電池スタック１１０の熱膨張量と固定部１２０の熱膨張量が同じだとすると、
Ｌ×γ×ΔＴ＝ＬＡ×α×ΔＴ＋ＬＢ×β×ΔＴ …（２）
となる。式（２）の両辺をΔＴで割ると、
Ｌ×γ＝ＬＡ×α＋ＬＢ×β …（３）
となる。式（１）´を式（３）に代入すると、
Ｌ×γ＝ＬＡ×α＋（Ｌ−ＬＡ）×β
となる。この式を整理すると、
ＬＡ＝Ｌ×（γ−β）／（α−β） …（４）
となる。式（１）及び式（４）によって、（平均）熱膨張率α、β及びγが分かれば、作動温度においても、第１蓋部１５０及び第２蓋部１６０を含む燃料電池スタック１１０の長さと、固定部１２０の長さとが略等しくなるような、長さＬＡと長さＬＢとの比率が求められる。
If the length of the fuel cell stack 110 including the first lid 150 and the second lid 160 at the time of assembly is the same as the length of the fixing portion 120,
L = LA + LB (1)
LB = L-LA (1) ′
It becomes. Also, assuming that the thermal expansion amount of the fuel cell stack 110 including the first lid portion 150 and the second lid portion 160 at the operating temperature is the same as the thermal expansion amount of the fixed portion 120,
L × γ × ΔT = LA × α × ΔT + LB × β × ΔT (2)
It becomes. Dividing both sides of equation (2) by ΔT,
L × γ = LA × α + LB × β (3)
It becomes. Substituting equation (1) ′ into equation (3),
L × γ = LA × α + (L−LA) × β
It becomes. Organizing this formula,
LA = L × (γ−β) / (α−β) (4)
It becomes. If the (average) thermal expansion coefficients α, β, and γ are known from the equations (1) and (4), the length of the fuel cell stack 110 including the first lid portion 150 and the second lid portion 160 even at the operating temperature. And the ratio of the length LA to the length LB so that the length of the fixed portion 120 is substantially equal.
＜第２実施形態＞
次に、図６を参照しつつ、第２実施形態に係る燃料電池ユニット２００について説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を概略的に示す断面図である。なお、前述のとおり、第２実施形態以降の各実施形態において、第１実施形態と同一又は類似の構成要素は、第１実施形態と同一又は類似の符号で表し、詳細な説明を適宜省略する。
Second Embodiment
Next, a fuel cell unit 200 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell unit according to the second embodiment of the present invention. As described above, in each of the second and subsequent embodiments, the same or similar components as those in the first embodiment are denoted by the same or similar reference numerals as those in the first embodiment, and detailed description thereof is omitted as appropriate. .
第２実施形態に係る燃料電池ユニット２００は、板バネ２３０が湾曲しており、第１蓋部２５０に凹部が設けられていない点で、第１実施形態に係る燃料電池ユニット１００と相違している。具体的には、板バネ２３０は、端部が第１蓋部２５０の第１主面２５１に接触し、中央部が第１主面２５１から離れるように設けられている。板バネ２３０は、図示を省略しているが、第１蓋部２５０の第１主面２５１から平面視したとき、例えば円（楕円）形状である。板バネ２３０が湾曲していることで、第１蓋部２５０に凹部を設けることなく、板バネ２３０に負荷をかけることができる。 The fuel cell unit 200 according to the second embodiment is different from the fuel cell unit 100 according to the first embodiment in that the leaf spring 230 is curved and the concave portion is not provided in the first lid portion 250. Yes. Specifically, the leaf spring 230 is provided such that the end portion is in contact with the first main surface 251 of the first lid portion 250 and the center portion is separated from the first main surface 251. Although not shown, the leaf spring 230 has, for example, a circular (elliptical) shape when viewed from the first main surface 251 of the first lid 250. Since the leaf spring 230 is curved, a load can be applied to the leaf spring 230 without providing a recess in the first lid portion 250.
＜第３実施形態＞
次に、図７を参照しつつ、第３実施形態に係る燃料電池ユニット３００について説明する。図７は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を概略的に示す平面図である。
<Third Embodiment>
Next, a fuel cell unit 300 according to a third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a plan view schematically showing the configuration of the fuel cell unit according to the third embodiment of the present invention.
第３実施形態に係る燃料電池ユニット３００は、板バネ３３０が四角形状に設けられている点で、第１実施形態に係る燃料電池ユニット１００と相違している。第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。 The fuel cell unit 300 according to the third embodiment is different from the fuel cell unit 100 according to the first embodiment in that the leaf spring 330 is provided in a square shape. Also in the third embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
＜第４実施形態＞
次に、図８及び図９を参照しつつ、第４実施形態に係る燃料電池ユニット４００について説明する。図８は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を概略的に示す平面図である。図９は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を概略的に示す断面図である。なお、図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った燃料電池ユニット４００の断面図である。
<Fourth embodiment>
Next, a fuel cell unit 400 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is a plan view schematically showing the configuration of the fuel cell unit according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell unit according to the fourth embodiment of the present invention. 9 is a cross-sectional view of the fuel cell unit 400 taken along line IX-IX in FIG.
第４実施形態に係る燃料電池ユニット４００は、固定部４２０が燃料電池スタック４１０を挟むように２つ設けられている点で、第３実施形態に係る燃料電池ユニット３００と相違している。例えば、第１蓋部４５０の第１主面４５１の法線方向から平面したとき、固定部４２０は、それぞれ、第１蓋部４５０の一組の短辺における中央部に設けられている。また、凹部４５４は、第１蓋部４５０の短辺に沿って設けられ、板バネ４３０は第１蓋部４５０の短辺に沿った長辺を有する長方形状に設けられている。これによれば、第１実施形態と同様の効果を得るとともに、固定部の数を削減することができる。 The fuel cell unit 400 according to the fourth embodiment is different from the fuel cell unit 300 according to the third embodiment in that two fixing portions 420 are provided so as to sandwich the fuel cell stack 410. For example, when planarized from the normal direction of the first main surface 451 of the first lid 450, the fixing portions 420 are respectively provided in the central portion of the pair of short sides of the first lid 450. The concave portion 454 is provided along the short side of the first lid portion 450, and the leaf spring 430 is provided in a rectangular shape having a long side along the short side of the first lid portion 450. According to this, while obtaining the same effect as 1st Embodiment, the number of fixing | fixed parts can be reduced.
＜第５実施形態＞
次に、図１０を参照しつつ、第５実施形態に係る燃料電池ユニット５００について説明する。図１０は、本発明の第５実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を概略的に示す断面図である。
<Fifth Embodiment>
Next, a fuel cell unit 500 according to a fifth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell unit according to the fifth embodiment of the present invention.
第５実施形態に係る燃料電池ユニット５００は、板バネ５３０が湾曲しており、第１蓋部５５０に凹部が設けられていない点で、第４実施形態に係る燃料電池ユニット４００と相違している。板バネ５３０の形状は、第２実施形態の板バネ２３０と同様である。これによれば、第２実施形態及び第４実施形態と同様の効果を得ることができる。 The fuel cell unit 500 according to the fifth embodiment is different from the fuel cell unit 400 according to the fourth embodiment in that the leaf spring 530 is curved and the first lid portion 550 is not provided with a recess. Yes. The shape of the leaf spring 530 is the same as that of the leaf spring 230 of the second embodiment. According to this, the same effect as 2nd Embodiment and 4th Embodiment can be acquired.
＜第６実施形態＞
次に、図１１及び図１２を参照しつつ、第６実施形態に係る燃料電池ユニット６００について説明する。図１１は、本発明の第６実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を概略的に示す平面図である。図１２は、本発明の第６実施形態に係る燃料電池ユニットの構成を概略的に示す断面図である。
<Sixth Embodiment>
Next, a fuel cell unit 600 according to the sixth embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 12. FIG. 11 is a plan view schematically showing the configuration of the fuel cell unit according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell unit according to the sixth embodiment of the present invention.
第６実施形態に係る燃料電池ユニット６００は、板バネ６３０に貫通孔が設けられておらず、固定部６２０が第４部材６２４を備えている点で、第４実施形態に係る燃料電池ユニット４００と相違している。具体的には、第１蓋部６５０の第１主面６５１の法線方向から平面視したとき、第１蓋部６５０は第２蓋部６６０よりも小さい。また、固定部６２０は、第１蓋部６５０の外側に位置し、第１蓋部６５０を第１方向Ｘで挟むように設けられている。第４部材６２４は、第１方向Ｘに並ぶ第１部材６２１の頭部６２１Ａを接続するように第１方向Ｘに延在している板状の部材である。第１部材６２１は、第４部材６２４を貫通しており、第１部材６２１、第２部材６２２、及び第３部材６２３が、第４部材６２４と第２蓋部６６０とを連結している。第４部材６２４は、板バネ６３０を第３方向Ｚに押し引きできるように、板バネ６３０の第１主面６３１に接続されている。これによれば、板バネ６３０に貫通孔を設けなくてもよいため、板バネ６３０の強度を向上させることができ、板バネ６３０の損傷に起因した発電特性の低下を抑制することができる。 In the fuel cell unit 600 according to the sixth embodiment, the plate spring 630 is not provided with a through hole, and the fixing portion 620 includes a fourth member 624, so that the fuel cell unit 400 according to the fourth embodiment. Is different. Specifically, the first lid 650 is smaller than the second lid 660 when viewed in plan from the normal direction of the first main surface 651 of the first lid 650. In addition, the fixing portion 620 is located outside the first lid portion 650 and is provided so as to sandwich the first lid portion 650 in the first direction X. The fourth member 624 is a plate-like member extending in the first direction X so as to connect the head portions 621A of the first members 621 arranged in the first direction X. The first member 621 passes through the fourth member 624, and the first member 621, the second member 622, and the third member 623 connect the fourth member 624 and the second lid 660. The fourth member 624 is connected to the first main surface 631 of the leaf spring 630 so that the leaf spring 630 can be pushed and pulled in the third direction Z. According to this, since it is not necessary to provide a through hole in the leaf spring 630, the strength of the leaf spring 630 can be improved, and a decrease in power generation characteristics due to damage to the leaf spring 630 can be suppressed.
＜第７実施形態＞
次に、図１３を参照しつつ、第７実施形態に係る固定部７２０の構成について説明する。図１３は、本発明の第７実施形態に係る固定部の構成を概略的に示す断面図である。
<Seventh embodiment>
Next, the configuration of the fixing portion 720 according to the seventh embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 13: is sectional drawing which shows roughly the structure of the fixing | fixed part which concerns on 7th Embodiment of this invention.
第７実施形態に係る固定部７２０は、第３部材を備えておらず、第２部材７２２が頭部７２２Ａを備えたナットである点で、第１実施形態に係る固定部１２０と相違している。つまり、第２部材７２２は、内周面にネジ山が設けられた円筒状の雌ネジであり、第３方向Ｚ負方向側に頭部７２２Ａが設けられ、第３方向Ｚ正方向側に開口している。第１部材７２１は、その先端を第２部材７２２に挿入し、第１部材７２１と第２部材７２２とが互いに締結されている。例えば、第１部材７２１がアルミナ等のセラミック材料によって設けられ、第２部材７２２がステンレス（ＳＵＳ３１０Ｓ）等の金属材料によって設けられている。これによれば、固定部の構成部材の点数が削減されることで、燃料電池ユニットの製造コストの低減、及び燃料電池ユニットの作動時における固定部の破損リスクの抑制を図ることができる。 The fixing portion 720 according to the seventh embodiment is different from the fixing portion 120 according to the first embodiment in that the fixing member 720 does not include the third member and the second member 722 is a nut including the head 722A. Yes. In other words, the second member 722 is a cylindrical female screw having a thread on the inner peripheral surface, the head 722A is provided on the third direction Z negative side, and the second direction 722 is open on the third direction Z positive side. doing. The first member 721 has its tip inserted into the second member 722, and the first member 721 and the second member 722 are fastened together. For example, the first member 721 is provided by a ceramic material such as alumina, and the second member 722 is provided by a metal material such as stainless steel (SUS310S). According to this, by reducing the number of constituent members of the fixed portion, it is possible to reduce the manufacturing cost of the fuel cell unit and to suppress the risk of breakage of the fixed portion during the operation of the fuel cell unit.
＜第８実施形態＞
次に、図１４を参照しつつ、第８実施形態に係る固定部８２０の構成について説明する。図１４は、本発明の第８実施形態に係る固定部の構成を概略的に示す断面図である。
<Eighth Embodiment>
Next, the configuration of the fixing portion 820 according to the eighth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fixing portion according to the eighth embodiment of the present invention.
第８実施形態に係る固定部８２０は、第３部材８２３が第１部材８２１及び第２部材８２２のそれぞれの一部をはめ込むはめ込み部材である点で、第１実施形態に係る固定部１２０と相違している。例えば、ボルトである第１部材８２１及び第２部材８２２は、それぞれ、先端にナット８２１Ｂ及びナット８２２Ｂがはめられている。第３部材８２３は内壁に凹凸を有し、この内壁の凹凸に第１部材８２１及び第２部材８２２の先端のナット８２１Ｂ，８２２Ｎを引っ掛けるようにして、第３部材８２３に第１部材８２１及び第２部材８２２がはめ込まれる。図１４に示した例では、第１部材８２１は、先端のナット８２１Ｂの頭部８２１Ａ側が第３部材８２３に当接するようにはめ込まれている。これによって、第１部材８２１及び第３部材８２３は、第３方向Ｚにおいて離れる向きの動きを規制されている。第１部材８２１は、さらに先端のナット８２１Ｂの頭部８２１Ａとは反対側が第３部材８２３に当接し、第１部材８２１の頭部８２１Ａが第３部材８２３に近づく向きの動きを規制されてもよい。第２部材８２２についても同様である。 The fixing portion 820 according to the eighth embodiment is different from the fixing portion 120 according to the first embodiment in that the third member 823 is a fitting member into which a part of each of the first member 821 and the second member 822 is fitted. doing. For example, the first member 821 and the second member 822, which are bolts, are fitted with nuts 821B and nuts 822B at their tips, respectively. The third member 823 has irregularities on the inner wall, and the nuts 821B and 822N at the tips of the first member 821 and the second member 822 are hooked on the irregularities on the inner wall so that the first member 821 and the first member Two members 822 are fitted. In the example shown in FIG. 14, the first member 821 is fitted so that the head 821 </ b> A side of the nut 821 </ b> B at the tip is in contact with the third member 823. As a result, the first member 821 and the third member 823 are restricted from moving away from each other in the third direction Z. Even if the first member 821 further restricts the movement of the head 821 </ b> A of the nut 821 </ b> B on the opposite side of the head 821 </ b> A to the third member 823 and the head 821 </ b> A of the first member 821 approaches the third member 823. Good. The same applies to the second member 822.
＜第９実施形態＞
次に、図１５を参照しつつ、第９実施形態に係る固定部９２０の構成について説明する。図１５は、本発明の第９実施形態に係る固定部の構成を概略的に示す断面図である。
<Ninth Embodiment>
Next, the configuration of the fixing portion 920 according to the ninth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a fixing portion according to the ninth embodiment of the present invention.
第９実施形態に係る固定部９２０は、第１部材９２１及び第３部材９２３がピン９２４によって固定され、第２部材９２２及び第３部材９２３がピン９２４によって固定される点で、第１実施形態に係る固定部１２０と相違している。第１部材９２１及び第２部材９２２は棒状の部材であり、第３部材９２３は筒状の部材である。ピン９２４は、第３部材９２３に挿入された第１部材９２１を第３部材９２３ごと第１方向Ｘに貫通し、第１部材９２１及び第３部材９２３の相対的な位置を固定している。第２部材９２２についても同様である。 The fixing portion 920 according to the ninth embodiment is the first embodiment in that the first member 921 and the third member 923 are fixed by the pin 924, and the second member 922 and the third member 923 are fixed by the pin 924. This is different from the fixing portion 120 according to the above. The first member 921 and the second member 922 are rod-shaped members, and the third member 923 is a cylindrical member. The pin 924 passes through the first member 921 inserted into the third member 923 in the first direction X together with the third member 923, and fixes the relative positions of the first member 921 and the third member 923. The same applies to the second member 922.
以上のように、本発明の一態様によれば、複数の板状の燃料電池セル１１１を有し、各燃料電池セル１１１が積層方向に積層された、燃料電池スタック１１０と、燃料電池スタック１１０の積層方向の一端に設けられた板状の第１蓋部１５０と、燃料電池スタック１１０の積層方向の他端に設けられた板状の第２蓋部１６０と、第１蓋部１５０と第２蓋部１６０とを連結し、燃料電池スタック１１０に積層方向に圧縮力を提供する固定部１２０と、を備え、固定部１２０は、積層方向に沿って異なる位置に配置された第１部材１２１と第２部材１２３を有し、第１部材１２１と第２部材１２３は互いに熱膨張率が異なる燃料電池ユニット、が提供される。 As described above, according to one aspect of the present invention, the fuel cell stack 110 includes the plurality of plate-like fuel cells 111 and the fuel cells 111 are stacked in the stacking direction, and the fuel cell stack 110. A plate-like first lid 150 provided at one end in the stacking direction, a plate-like second lid 160 provided at the other end of the fuel cell stack 110 in the stacking direction, the first lid 150 and the first 2, and a fixing unit 120 that provides the fuel cell stack 110 with a compressive force in the stacking direction, and the fixing unit 120 is arranged at a different position along the stacking direction. And the second member 123, and the first member 121 and the second member 123 are provided with fuel cell units having different thermal expansion coefficients.
上記態様によれば、燃料電池ユニットの作動温度における燃料電池スタックと固定部との熱膨張率の差を小さくすることができる。これによって、燃料電池ユニットの組み立て温度から作動温度に至るまで、固定部が適当な圧縮力を燃料電池スタックに導入することができる。つまり、固定部による過剰な圧縮によって燃料電池スタックが破損するリスクや、固定部による圧縮力の不足によって燃料電池スタックが緩んで発電特性が低下するリスクを低減することができる。 According to the above aspect, the difference in thermal expansion coefficient between the fuel cell stack and the fixed portion at the operating temperature of the fuel cell unit can be reduced. Thereby, the fixing portion can introduce an appropriate compressive force into the fuel cell stack from the assembly temperature of the fuel cell unit to the operating temperature. That is, it is possible to reduce the risk that the fuel cell stack is damaged due to excessive compression by the fixing portion, and the risk that the fuel cell stack is loosened due to insufficient compression force by the fixing portion and power generation characteristics are deteriorated.
第１部材１２１の熱膨張率は、燃料電池スタック１１０の平均熱膨張率よりも低く、第２部材１２３の熱膨張率は、燃料電池スタック１１０の平均熱膨張率よりも高くてもよい。これによれば、第１部材と第２部材の長さの比率を調整することで、燃料電池スタック及び固定部の熱膨張率を略等しくすることができる。つまり、燃料電池スタック及び固定部の長さを、燃料電池ユニットの組み立て温度で略等しくし、燃料電池ユニットの作動温度でも略等しくすることができる。 The thermal expansion coefficient of the first member 121 may be lower than the average thermal expansion coefficient of the fuel cell stack 110, and the thermal expansion coefficient of the second member 123 may be higher than the average thermal expansion coefficient of the fuel cell stack 110. According to this, by adjusting the ratio of the lengths of the first member and the second member, the thermal expansion coefficients of the fuel cell stack and the fixed portion can be made substantially equal. That is, the length of the fuel cell stack and the fixed portion can be made substantially equal at the assembly temperature of the fuel cell unit, and can be made substantially equal at the operating temperature of the fuel cell unit.
燃料電池スタック１１０は、複数の板状の燃料電池セル１１１が積層された積層体と第１蓋部１５０との間に設けられた第１絶縁板１１３と、積層体と第２蓋部１６０との間に設けられた第２絶縁板１１３と、第１絶縁板１１３と積層体との間に設けられ、燃料電池セル１１１で発生した電力を集電する第１集電板１１５と、第２絶縁板１１３と積層体との間に設けられ、燃料電池セル１１１で発生した電力を集電する第２集電板１１５と、複数の燃料電池セル１１１のいずれか２つの間に設けられた均熱板１１７と、をさらに備えてもよい。 The fuel cell stack 110 includes a first insulating plate 113 provided between a stacked body in which a plurality of plate-like fuel battery cells 111 are stacked and a first lid 150, a stacked body, and a second lid 160. A second insulating plate 113 provided between the first insulating plate 113 and a first current collecting plate 115 provided between the first insulating plate 113 and the laminated body for collecting electric power generated in the fuel cell 111; A second current collecting plate 115 that is provided between the insulating plate 113 and the laminated body and collects the electric power generated in the fuel cell 111, and an average provided between any two of the plurality of fuel cells 111. And a heat plate 117.
固定部１２０が板バネ１３０を挟んで第１蓋部１５０と接触していてもよい。これによれば、燃料電池スタックと固定部との熱膨張量の差異に起因した燃料電池スタックの過剰な圧縮や圧縮力不足を、板バネの変形によって緩和することができる。例えば、燃料電池ユニットの作動時に燃料電池スタック及び固定部の温度が異なる場合には、燃料電池スタック及び固定部の熱膨張率が略等しくても熱膨張量に差異が生じるが、板バネを備えることでこのような差異を緩和することができる。 The fixing part 120 may be in contact with the first lid part 150 with the leaf spring 130 interposed therebetween. According to this, excessive compression of the fuel cell stack and insufficient compression force due to the difference in thermal expansion amount between the fuel cell stack and the fixed portion can be alleviated by deformation of the leaf spring. For example, if the temperature of the fuel cell stack and the fixed part are different during operation of the fuel cell unit, the amount of thermal expansion differs even if the thermal expansion coefficients of the fuel cell stack and the fixed part are substantially equal, but a leaf spring is provided This can alleviate such differences.
第１蓋部１５０が、第１主面１５１と、第１主面１５１と対向し燃料電池スタック１１０側に位置する第２主面１５２とを有し、固定部１２０が、第１蓋部１５０を貫通するボルト部１２１を有し、ボルト部１２１が第１蓋部１５０の第１主面１５１側に設けられた頭部１２１Ａを有し、板バネ１３０が、ボルト部１２１の頭部１２１Ａと第１蓋部１５０の第１主面１５１との間に設けられてもよい。これによれば、燃料電池ユニットの組み立て時に、板バネの初期の変形量を調整することが容易である。 The first lid 150 has a first main surface 151 and a second main surface 152 that faces the first main surface 151 and is located on the fuel cell stack 110 side, and the fixing portion 120 is the first lid 150. The bolt part 121 has a head part 121A provided on the first main surface 151 side of the first lid part 150, and the leaf spring 130 is connected to the head part 121A of the bolt part 121. It may be provided between the first main surface 151 of the first lid 150. According to this, it is easy to adjust the initial deformation amount of the leaf spring when the fuel cell unit is assembled.
第１蓋部１５０は、第１主面１５１において、凹部１５４を有し、第１主面１５１の法線方向から平面視したときに、板バネ１３０が、凹部１５４の外側から内側に亘って設けられてもよい。これによれば、板バネが平板状であったとしても、燃料電池ユニットを組み立てる際に板バネが撓み且つ更なる変形の余地を残した状態とすることで、燃料電池ユニットの作動温度において燃料電池スタックが固定部よりも熱膨張量が大きい場合と小さい場合の両方において熱膨張量の差異を板バネが緩和することができる。 The first lid 150 has a recess 154 in the first main surface 151, and the plate spring 130 extends from the outside to the inside of the recess 154 when viewed in plan from the normal direction of the first main surface 151. It may be provided. According to this, even if the leaf spring is flat, the leaf spring is bent when assembling the fuel cell unit, leaving room for further deformation, so that the fuel is at the operating temperature of the fuel cell unit. The leaf spring can alleviate the difference in thermal expansion amount both when the battery stack has a larger and smaller thermal expansion than the fixed portion.
板バネは、セラミックによって設けられてもよい。これによれば、固形酸化物形燃料電池のように作動温度が高い燃料電池ユニットであったとしても、作動時に板バネが熱によってへたり、復元力が失われることを抑制することができる。 The leaf spring may be provided by ceramic. According to this, even if it is a fuel cell unit having a high operating temperature, such as a solid oxide fuel cell, it is possible to prevent the leaf spring from being sag by heat or losing the restoring force during operation.
固定部１２０は、第１蓋部１５０を貫通する第１ボルト部１２１と、第２蓋部１６０を貫通する第２ボルト部１２２と、第１ボルト部１２１及び第２ボルト部１２２を連結するとともに、第１ボルト部１２１及び第２ボルト部１２２の少なくとも一方と熱膨張率が異なるナット部１２３と、を備えてもよい。これによれば、固定部は、ネジ締結によって容易に組み立てることができ、ナット部に対する第１ボルト部及び第２ボルト部の回転量（挿入長）を調整することで、第１ボルト部、第２ボルト部、及びナット部の長さの比率を容易に調整することができる。 The fixing part 120 connects the first bolt part 121 that penetrates the first lid part 150, the second bolt part 122 that penetrates the second lid part 160, and the first bolt part 121 and the second bolt part 122. The nut portion 123 may have a coefficient of thermal expansion different from that of at least one of the first bolt portion 121 and the second bolt portion 122. According to this, the fixing part can be easily assembled by screw fastening, and by adjusting the rotation amount (insertion length) of the first bolt part and the second bolt part with respect to the nut part, the first bolt part, The ratio of the lengths of the 2 bolt part and the nut part can be easily adjusted.
燃料電池セルは、固体酸化物によって設けられた電解質と、電解質の一方の主面に対向するように設けられた負極と、電解質の他方の主面に対向するように設けられた正極と、を備えてもよい。これによれば、燃料電池ユニットは固体酸化物形であり、他のタイプの燃料電池（例えば、溶融炭酸塩形、リン酸形、等）よりも高い作動温度を必要とするが、本実施形態によれば、固定部による燃料電池スタックの過剰な圧縮や圧縮力不足を抑制することができる。 The fuel cell includes an electrolyte provided by a solid oxide, a negative electrode provided to face one main surface of the electrolyte, and a positive electrode provided to face the other main surface of the electrolyte. You may prepare. According to this, the fuel cell unit is in a solid oxide form and requires a higher operating temperature than other types of fuel cells (for example, molten carbonate form, phosphoric acid form, etc.). According to this, it is possible to suppress excessive compression of the fuel cell stack by the fixing portion and insufficient compression force.
以上説明したように、本発明の一態様によれば、発電特性の劣化の抑制及び燃料電池セルの破損の抑制を図ることが可能な燃料電池ユニットを提供することが可能となる。 As described above, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a fuel cell unit capable of suppressing degradation of power generation characteristics and suppressing damage of fuel cells.
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。 The embodiments described above are for facilitating the understanding of the present invention, and are not intended to limit the present invention. The present invention can be changed / improved without departing from the spirit thereof, and the present invention includes equivalents thereof. In other words, those obtained by appropriately modifying the design of each embodiment by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention. For example, each element included in each embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate. In addition, each element included in each embodiment can be combined as much as technically possible, and combinations thereof are included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention.
１００…燃料電池ユニット
１１０…燃料電池スタック
１１１…燃料電池セル
１２０…固定部
１２１…第１部材
１２２…第２部材
１２３…第３部材
１３０…板バネ
１５０…第１蓋部
１６０…第２蓋部
１５１，１６１…第１主面（外面）
１５２，１６２…第２主面（内面）
１３３，１５３，１６３…貫通孔
１５４，１６４…凹部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell unit 110 ... Fuel cell stack 111 ... Fuel cell 120 ... Fixed part 121 ... 1st member 122 ... 2nd member 123 ... 3rd member 130 ... Leaf spring 150 ... 1st cover part 160 ... 2nd cover part 151, 161 ... First main surface (outer surface)
152, 162 ... second main surface (inner surface)
133, 153, 163 ... through hole 154, 164 ... concave portion
Claims (9)
前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端に設けられた板状の第１蓋部と、
前記燃料電池スタックの前記積層方向の他端に設けられた板状の第２蓋部と、
前記第１蓋部と前記第２蓋部とを連結し、前記燃料電池スタックに前記積層方向に圧縮力を提供する固定部と、を備え、
前記固定部は、前記積層方向に沿って異なる位置に配置された第１部材と第２部材を有し、
前記第１部材と前記第２部材は互いに熱膨張率が異なる、燃料電池ユニット。 A fuel cell stack having a plurality of plate-shaped fuel cells, each fuel cell being stacked in the stacking direction;
A plate-like first lid portion provided at one end of the fuel cell stack in the stacking direction;
A plate-like second lid provided at the other end of the fuel cell stack in the stacking direction;
A fixing portion that connects the first lid portion and the second lid portion and provides the fuel cell stack with a compressive force in the stacking direction;
The fixing portion includes a first member and a second member arranged at different positions along the stacking direction,
The fuel cell unit, wherein the first member and the second member have different coefficients of thermal expansion.
前記燃料電池スタックの平均熱膨張率よりも低く、
前記燃料電池スタックの平均熱膨張率よりも高い、
請求項１に記載の燃料電池ユニット。 The coefficient of thermal expansion of the first member is
Lower than the average coefficient of thermal expansion of the fuel cell stack,
Higher than the average coefficient of thermal expansion of the fuel cell stack,
The fuel cell unit according to claim 1.
前記複数の板状の燃料電池セルが積層された積層体と前記第１蓋部との間に設けられた第１絶縁板と、
前記積層体と前記第２蓋部との間に設けられた第２絶縁板と、
前記第１絶縁板と前記積層体との間に設けられ、前記燃料電池セルで発生した電力を集電する第１集電板と、
前記第２絶縁板と前記積層体との間に設けられ、前記燃料電池セルで発生した電力を集電する第２集電板と、
前記複数の燃料電池セルのいずれか２つの間に設けられた均熱板と、をさらに備える、
請求項１又は２に記載の燃料電池ユニット。 The fuel cell stack is
A first insulating plate provided between the stacked body in which the plurality of plate-like fuel cells are stacked and the first lid portion;
A second insulating plate provided between the laminate and the second lid part;
A first current collecting plate provided between the first insulating plate and the laminated body and collecting power generated in the fuel cell;
A second current collecting plate provided between the second insulating plate and the laminated body and collecting power generated in the fuel cell;
A heat equalizing plate provided between any two of the plurality of fuel cells.
The fuel cell unit according to claim 1 or 2.
前記固定部が、前記第１蓋部を貫通するボルト部を有し、
前記ボルト部が、前記第１蓋部の前記第１主面側に設けられた頭部を有し、
前記板バネが、前記ボルト部の前記頭部と前記第１蓋部の前記第１主面との間に設けられた、
請求項４に記載の燃料電池ユニット。 The first lid portion has a first main surface and a second main surface that faces the first main surface and is positioned on the fuel cell stack side,
The fixing portion has a bolt portion penetrating the first lid portion;
The bolt part has a head provided on the first main surface side of the first lid part,
The leaf spring is provided between the head portion of the bolt portion and the first main surface of the first lid portion;
The fuel cell unit according to claim 4.
前記第１主面の法線方向から平面視したときに、前記板バネが、前記凹部の外側から内側に亘って設けられる、
請求項５に記載の燃料電池ユニット。 The first lid has a recess in the first main surface,
When viewed in plan from the normal direction of the first main surface, the leaf spring is provided from the outside to the inside of the recess.
The fuel cell unit according to claim 5.
請求項４から６のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。 The leaf spring is provided by ceramic,
The fuel cell unit according to any one of claims 4 to 6.
前記第１蓋部を貫通する第１ボルト部と、
前記第２蓋部を貫通する第２ボルト部と、
前記第１ボルト部及び前記第２ボルト部を連結するとともに、前記第１ボルト部及び前記第２ボルト部の少なくとも一方と熱膨張率が異なるナット部と、を備える、
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。 The fixing part is
A first bolt portion penetrating the first lid portion;
A second bolt portion penetrating the second lid portion;
The first bolt part and the second bolt part are coupled, and a nut part having a coefficient of thermal expansion different from that of at least one of the first bolt part and the second bolt part is provided.
The fuel cell unit according to any one of claims 1 to 4.
固体酸化物によって設けられた電解質と、
前記電解質の一方の主面に対向するように設けられた負極と、
前記電解質の他方の主面に対向するように設けられた正極と、を備える、
請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。 The fuel battery cell is
An electrolyte provided by a solid oxide;
A negative electrode provided to face one main surface of the electrolyte;
A positive electrode provided to face the other main surface of the electrolyte,
The fuel cell unit according to any one of claims 1 to 8.
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