JP2019029240A - 燃料電池発電単位および燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1(および後述する図6,7)のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1(および後述する図6,7)のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。図2および図3に示すように、下側のエンドプレート106には、4つの流路用貫通孔107が形成されている。4つの流路用貫通孔107は、それぞれ、酸化剤ガス供給マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス供給マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
図2および図3に示すように、燃料電池スタック100は、さらに、下側のエンドプレート106に対して複数の発電単位102とは反対側(すなわち、下側)に配置された4つのガス通路部材27を備える。4つのガス通路部材27は、それぞれ、酸化剤ガス供給マニホールド161、酸化剤ガス排出マニホールド162、燃料ガス供給マニホールド171、燃料ガス排出マニホールド172と上下方向に重なる位置に配置されている。各ガス通路部材27は、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107に連通する孔が形成された本体部28と、本体部28の側面から分岐した筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。なお、各ガス通路部材27の本体部28とエンドプレート106との間には、絶縁シート26が配置されている。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。なお、図5には、後述する燃料極側集電体144の一部の構成が拡大して示されている。また、図6は、図4および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。
図2,4,6に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29、本体部28、および、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107を介して酸化剤ガス供給マニホールド161に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド161から各発電単位102の空気極側供給連通流路132を介して、空気室166に供給される。また、図3,5,7に示すように、燃料ガス供給マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29、本体部28、および、下側のエンドプレート106の流路用貫通孔107を介して燃料ガス供給マニホールド171に供給され、燃料ガス供給マニホールド171から各発電単位102の燃料極側供給連通流路142を介して、燃料室176に供給される。
次に、発電単位102に形成された各流路の詳細構成について説明する。図8は、発電単位102に形成された各流路の詳細構成を示すXY断面図である。図8には、説明の便宜上、空気極側フレーム130に形成された各連通流路(空気極側供給連通流路132および空気極側排出連通流路133)に加えて、燃料極側フレーム140に形成された各連通流路(燃料極側供給連通流路142および燃料極側排出連通流路143)も示している。実際の構成では、上述したように、空気極側フレーム130には燃料極側供給連通流路142および燃料極側排出連通流路143は形成されておらず、燃料極側フレーム140には空気極側供給連通流路132および空気極側排出連通流路133は形成されていない。また、図8では、単セル110が簡略化して示されており、また、空気極側フレーム130に対するハッチングは省略されている。
以上説明したように、本実施形態の発電単位102によれば、Z軸方向視で、空気極側供給連通流路132の開口を上記対向方向(X軸方向)に投影したときに形成される空気極側仮想領域E1と、燃料極側供給連通流路142の開口を該対向方向に投影したときに形成される燃料極側仮想領域E2とは、少なくとも一部分が互いに重なっている。このように、空気極側供給連通流路132の開口と燃料極側供給連通流路142の開口とが、従来のコフロータイプのSOFCに比べて、開口幅方向(Y軸方向)において互いに近い位置に配置されているため、空気室166側と燃料室176側との差圧を原因として単セル110が損傷することを抑制することができる。すなわち、上述したように、本実施形態の発電単位102では、Z軸方向視で、空気極側供給連通流路132の開口から供給される酸化剤ガスOGの主たる流路と、燃料極側供給連通流路142の開口から供給される燃料ガスFGの主たる流路とが互いに重なっている。従って、各ガス室(空気室166、燃料室176)へのガス(酸化剤ガスOG、燃料ガスFG)の供給開始当初において、単セル110のうち、空気極側供給連通流路132の開口付近に位置する部分では、酸化剤ガスOGの供給圧力によって空気室166側から相対的に高い圧力を受けるとともに、燃料ガスFGの供給圧力によって燃料室176側からも相対的に高い圧力を受ける。このため、空気室166側と燃料室176側との差圧が抑制される。同様に、燃料極側供給連通流路142の開口付近に位置する部分でも、燃料ガスFGの供給圧力によって燃料室176側から相対的に高い圧力を受けるとともに、酸化剤ガスOGの供給圧力によって空気室166側からも相対的に高い圧力を受ける。このため、燃料室176側と空気室166側との差圧が抑制される。これにより、空気室側166と燃料室176側との差圧により単セル110が損傷(例えば割れ)することが抑制される。
<サンプル1>:
酸化剤ガス供給マニホールド161の断面積M1=約350(mm2)
空気極側供給連通流路132の断面積N1=約350(mm2)
第1の割合α=1.026
燃料ガス供給マニホールド171の断面積M2=約60(mm2)
燃料極側供給連通流路142の断面積N2=約20(mm2)
第2の割合β=0.363
<サンプル2>:
酸化剤ガス供給マニホールド161の断面積M1=約260(mm2)
空気極側供給連通流路132の断面積N1=約290(mm2)
サンプル1に比べて、空気極側供給連通流路132の長手方向の長さは同じであり、空気極側供給連通流路132の流路幅が短い。
第1の割合α=1.12
燃料ガス供給マニホールド171の断面積M2=約60(mm2)
燃料極側供給連通流路142の断面積N2=約20(mm2)
第2の割合β=0.363
このようなサンプル1,2について、空気室166側と燃料室176側との差圧に関するシミュレーションを行ったところ、第2の割合βは、第1の割合αより小さい方が、空気室166側と燃料室176側との差圧が低減することが分かった。なお、第1の割合αは、第2の割合βの2倍以上、第2の割合βの5倍以下の値が好ましい。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (6)
- 固体酸化物を含む電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、
前記空気極に面する空気室を構成すると共に前記第1の方向に直交する第2の方向に互いに対向する第1の内周面および第2の内周面を有する空気室用孔と、前記空気室に供給されるガスが通る空気極側供給ガス流路を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、前記空気室から排出されたガスが通る空気極側排出ガス流路を構成する空気極側排出ガス流路用孔と、前記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第1の内周面に開口する少なくとも1つの空気極側供給連通流路と、前記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第1の内周面とは異なる内周面に開口する少なくとも1つの空気極側排出連通流路と、が形成された空気極側部材と、
前記燃料極に面する燃料室を構成すると共に前記第2の方向に互いに対向し、かつ、前記第1の内周面と同じ側に位置する第3の内周面および前記第2の内周面と同じ側に位置する第4の内周面を有する燃料室用孔と、前記燃料室に供給されるガスが通る燃料極側供給ガス流路を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、前記燃料室から排出されたガスが通る燃料極側排出ガス流路を構成する燃料極側排出ガス流路用孔と、前記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第3の内周面に開口する少なくとも1つの燃料極側供給連通流路と、前記燃料極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第3の内周面とは異なる内周面に開口する少なくとも1つの燃料極側排出連通流路と、が形成された燃料極側部材と、
を備える燃料電池発電単位において、
前記第1の方向視で、
前記第2の方向に平行な2本の空気極側仮想直線であって、前記空気極側供給連通流路の前記空気室への開口の前記第1の方向と前記第2の方向との両方に直交する第3の方向の最大幅と同じ距離だけ互いに離間し、かつ、前記空気室への開口の両端にそれぞれ接する前記2本の空気極側仮想直線によって区画される空気極側仮想領域と、
前記第2の方向に平行な2本の燃料極側仮想直線であって、前記燃料極側供給連通流路の前記燃料室への開口の前記第3の方向の最大幅と同じ距離だけ互いに離間し、かつ、前記燃料室への開口の両端にそれぞれ接する前記2本の燃料極側仮想直線によって区画される燃料極側仮想領域とは、少なくとも一部分が互いに重なっていることを特徴とする、燃料電池発電単位。 - 請求項1に記載の燃料電池発電単位において、
前記空気極側供給ガス流路用孔の断面積(M1)は、前記燃料極側供給ガス流路用孔の断面積(M2)以上であり、
前記燃料極側供給ガス流路用孔の断面積(M2)に対する、前記燃料極側供給連通流路の断面積(N2)の第2の割合(β=N2/M2)は、前記空気極側供給ガス流路用孔の断面積(M1)に対する前記空気極側供給連通流路の断面積(N1)の第1の割合(α=N1/M1)より小さいことを特徴とする、燃料電池発電単位。 - 請求項2に記載の燃料電池発電単位において、
前記空気極側部材には、複数の前記空気極側供給連通流路が形成されており、前記複数の空気極側供給連通流路は、前記空気極への開口の前記第3の方向の最大幅が互いに略同一であり、
前記燃料極側部材には、複数の前記燃料極側供給連通流路が形成されており、前記複数の燃料極側供給連通流路は、前記燃料極への開口の前記第3の方向の最大幅が互いに略同一であり、
前記複数の前記空気極側供給連通流路の少なくとも1つと前記複数の前記燃料極側供給連通流路の少なくとも1つとについて、前記空気極側仮想領域と、前記燃料極側仮想領域とは、少なくとも一部分が互いに重なっていることを特徴とする、燃料電池発電単位。 - 請求項2または請求項3に記載の燃料電池発電単位において、
第2の割合(β)は1より小さいことを特徴とする、燃料電池発電単位。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の燃料電池発電単位において、
前記第1の方向視で、
前記空気極側供給ガス流路用孔と前記燃料極側供給ガス流路用孔とは、前記第3の方向に互いに異なる位置に配置されており、
前記第3の方向において、前記空気極側仮想領域と前記燃料極側仮想領域とが互いに重なっている重複領域の中心位置は、前記空気極側供給ガス流路用孔の中心位置と前記燃料極側供給ガス流路用孔の中心位置との間に位置し、
前記空気極側供給連通流路は、前記第1の内周面に向かうに連れて前記重複領域の中心位置に近づくように傾斜しており、
前記燃料極側供給連通流路は、前記第3の内周面に向かうに連れて前記重複領域の中心位置に近づくように傾斜していることを特徴とする、燃料電池発電単位。 - 前記第1の方向に並べて配列された複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタックにおいて、
前記複数の燃料電池発電単位の少なくとも1つは、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の燃料電池発電単位であることを特徴とする、燃料電池スタック。
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