JP6403908B2 - 電気化学反応セルスタック - Google Patents
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Description
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1から図7は、本実施形態における燃料電池スタック100の構成を概略的に示す説明図である。図1には、燃料電池スタック100の外観構成が示されており、図2には、燃料電池スタック100の上側の平面構成が示されており、図3には、燃料電池スタック100の下側の平面構成が示されており、図4には、図1から図3のIV−IVの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図5には、図1から図3のV−Vの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図6には、図1から図3のVI−VIの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されており、図7には、図1から図3のVII−VIIの位置における燃料電池スタック100の断面構成が示されている。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8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8から図13は、発電単位102の詳細構成を示す説明図である。図8には、図5に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流の1つの発電単位102Dと上流の1つの発電単位102UとのXZ断面構成が示されており、図9には、図6に示す断面と同一の位置における互いに隣接する上流の2つの発電単位102UのYZ断面構成が示されており、図10には、図7に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流の2つの発電単位102DのYZ断面構成が示されている。また、図11には、図8のXI−XIの位置における発電単位102のXY断面構成が示されており、図12には、図8のXII−XIIの位置における上流の発電単位102UのXY断面構成が示されており、図13には、図8のXIII−XIIIの位置における下流の発電単位102DのXY断面構成が示されている。
図14には、配列方向に直交する方向における熱交換部103の断面構成が示されている。図4から図7および図14に示すように、熱交換部103は、矩形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。熱交換部103の中央付近には、上下方向に貫通する孔182が形成されている。また、熱交換部103には、中央の孔182と酸化剤ガス導入マニホールド161を形成する連通孔108とを連通する連通孔184と、中央の孔182と酸化剤ガス供給マニホールド163を形成する連通孔108とを連通する連通孔186とが形成されている。熱交換部103は、熱交換部103の上側に隣接する発電単位102(102−7)に含まれる下側のインターコネクタ150と、熱交換部103の下側に隣接する発電単位102(102−6)に含まれる上側のインターコネクタ150とに挟持されている。これらのインターコネクタ150間において、孔182と連通孔184と連通孔186とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスOGを流す熱交換流路188として機能する。
図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド161に供給された酸化剤ガスOGは、図4および図14に示すように、熱交換部103内に形成された熱交換流路188内に流入し、熱交換流路188を通って酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出される。熱交換部103は、上側および下側について発電単位102に隣接している。また、後述するように、発電単位102における発電反応は発熱反応である。そのため、酸化剤ガスOGが熱交換部103内の熱交換流路188を通過する際に、酸化剤ガスOGと発電単位102との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスOGの温度が上昇する。なお、酸化剤ガス導入マニホールド161は、各発電単位102の空気室166には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給されることはない。酸化剤ガス供給マニホールド163へと排出された酸化剤ガスOGは、図4、図5、図8および図11に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド163から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。
熱交換部103とエンドプレート104,106とは、隣接する各発電ブロック102G1,102G2が発した熱を吸収する吸熱部材である。具体的には、上述したように、熱交換部103は、第1の発電ブロック102G1と第2の発電ブロック102G2とに隣接しており、酸化剤ガスOGが熱交換部103の熱交換流路188を通過する際に、酸化剤ガスOGと発電単位102との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスOGの温度が上昇する。熱交換部103内を通過する酸化剤ガスOGの温度が、発電単位102との熱交換により上昇することは、熱交換部103が、少なくとも、当該熱交換部103に隣接する各発電単位102−6,7(各発電ブロック102G1,102G2)が発した熱を吸収していることを意味する。また、各エンドプレート104,106は、一方の面だけが発電単位102に隣接しており、他方の面は発電単位102に隣接していない。すなわち、各エンドプレート104,106の一方の面は、発電ブロック102G1,102G2の発電反応により相対的に温度が高くなっている高温環境下に面しており、他方の面は、当該高温環境下に面しておらず、各発電ブロック102G1,102G2よりも相対的に温度が低い低温環境下(例えば外気)に面している。このため、各エンドプレート104,106に隣接する発電ブロック102G1,102G2と外気との間で熱交換が行われ、各エンドプレート104,106に隣接する発電単位102の温度が若干低下する。このことは、エンドプレート104,106が、当該エンドプレート104,106に隣接する各発電単位102−1,8(各発電ブロック102G1,102G2)が発した熱を吸収していることを意味する。なお、熱交換部103とエンドプレート104,106とは、総じて第1の吸熱部材、第2の吸熱部材と呼ぶことがあり、熱交換部103は、熱交換部材と呼ぶこともある。
燃料電池スタック100では、下流の発電単位102Dは、上流の発電単位102Uを介して吸熱部材から離間した位置に配置されている。具体的には、第1の発電ブロック102G1において、互いに隣接する2つの下流の発電単位102D(102−3,4)の内、熱交換部103に最も近い位置に配置されている下流の発電単位102D(102−4)と、熱交換部103との間には、2つの上流の発電単位102U(120−5,6)が配置されている。また、エンドプレート106に最も近い位置に配置されている下流の発電単位102D(102−3)と、エンドプレート106との間にも、2つの上流の発電単位102U(102−1,2)が配置されている。なお、第2の発電ブロック102G1には、下流の発電単位102Dは含まれておらず、上流の発電単位102U(120−7,8)のみが含まれている。
本実施形態では、各下流の発電単位102Dのそれぞれについて、燃料ガス供給連通孔142D(下流の導入連通路)と燃料ガス排出連通孔143D(下流の排出連通路)との合計体積(以下、「下流の連通体積」という)は、上流の発電単位102Uにおける燃料ガス供給連通孔142U(上流の導入連通路)と燃料ガス排出連通孔143U(上流の排出連通路)との合計体積(以下、「上流の連通体積」という)より小さい。具体的には、燃料ガス供給連通孔142Dおよび燃料ガス排出連通孔143Dの開口面積(または、単セル110に平行な幅寸法)が、燃料ガス供給連通孔142Uおよび燃料ガス排出連通孔143Uの開口面積より小さい。また、燃料ガス供給連通孔142Dおよび燃料ガス排出連通孔143Dのガスの流れ方向に沿った長さが、燃料ガス供給連通孔142Uおよび燃料ガス排出連通孔143Uのガスの流れ方向に沿った長さより短くてもよい。
図18は、第2の実施形態の燃料電池スタック100Bにおける発電単位102と熱交換部103とエンドプレート104,106との位置関係を示す説明図である。図18では、発電単位102の構成が簡略化されているとともに、燃料ガス導入マニホールド171、燃料ガス中継マニホールド172および燃料ガス排出マニホールド173が点線で示されている。第2の実施形態の燃料電池スタック100Bの構成の内、上述した第1の実施形態の燃料電池スタック100と同一の構成については、同一符号を付すことによって、その説明を省略する。
第1の発電ブロック102G1は、エンドプレート106と第1の熱交換部103−1との間に配置されている。第1の発電ブロック102G1は、上下方向に互いに隣接するように配置された13つの発電単位102(102−1〜13)を有している。13つの発電単位102の内、下から2つ目から11つ目までの10つの発電単位102−2〜11が、下流の発電単位102Dである。以下、10つの下流の発電単位102Dを、「第1の下流発電単位群102DG1」という。この第1の下流発電単位群102DG1とエンドプレート106との間に位置する1つの発電単位102−1と、第1の下流発電単位群102DG1と第1の熱交換部103−1との間に位置する2つの発電単位102−12,13とが、上流の発電単位102Uである。すなわち、第1の下流発電単位群102DG1は、1つの上流の発電単位102Uを介して、吸熱部材であるエンドプレート106から離間して配置されており、また、2つの上流の発電単位102Uを介して、吸熱部材である第1の熱交換部103−1から離間して配置されている。さらに、第1の発電ブロック102G1における各下流の発電単位102Dのそれぞれについて、燃料ガス供給連通孔142Dと燃料ガス排出連通孔143Dとの合計体積(下流の連通体積)は、上流の発電単位102Uにおける燃料ガス供給連通孔142Uと燃料ガス排出連通孔143Uとの合計体積(上流の連通体積)より小さい。このため、複数の発電単位102Dにおける燃料利用率の差が抑制されることによって、燃料電池スタック100全体としての性能低下を、より確実に抑制することができる。加えて、下流の発電単位102Dが吸熱部材に隣接している場合に比べて、吸熱部材の吸熱による下流の発電単位102Dの温度低下が抑制されることによって、下流の各発電単位102Dの発電性能の低下を抑制することができる。
第2の発電ブロック102G2は、第1の熱交換部103−1と第2の熱交換部103−2との間に配置されている。第2の発電ブロック102G2は、上下方向に互いに隣接するように配置された10つの発電単位102(102−14〜23)を有している。10つの発電単位102の内、下から3つ目から8つ目までの6つの発電単位102−16〜21が、下流の発電単位102Dである。以下、6つの下流の発電単位102Dを、「第2の下流発電単位群102DG2」という。この第2の下流発電単位群102DG2と第1の熱交換部103−1との間に位置する2つの発電単位102−14,15と、第2の下流発電単位群102DG2と第2の熱交換部103−2との間に位置する2つの発電単位102−22,23とが、上流の発電単位102Uである。すなわち、第2の下流発電単位群102DG2は、2つの上流の発電単位102Uを介して、吸熱部材である第1の熱交換部103−1および第2の熱交換部103−2のそれぞれから離間して配置されている。また、第2の発電ブロック102G2における各下流の発電単位102Dのそれぞれについて、下流の連通体積は、上流の連通体積より小さい。このため、第2の発電ブロック102G2においても、複数の発電単位102Dにおける燃料利用率の差が抑制されることによって、燃料電池スタック100全体としての性能低下を、より確実に抑制することができる。加えて、下流の発電単位102Dが吸熱部材に隣接している場合に比べて、吸熱部材の吸熱による下流の発電単位102Dの温度低下が抑制されることによって、下流の各発電単位102Dの発電性能の低下を抑制することができる。
第3の発電ブロック102G3は、第2の熱交換部103−2と第3の熱交換部103−3との間に配置されている。第3の発電ブロック102G3は、上下方向に互いに隣接するように配置された11つの発電単位102(102−24〜34)を有している。11つの発電単位102の全てが、上流の発電単位102Uである。
第4の発電ブロック102G4は、第3の熱交換部103−3とエンドプレート104との間に配置されている。第4の発電ブロック102G4は、上下方向に互いに隣接するように配置された11つの発電単位102(102−35〜45)を有している。11つの発電単位102の全てが、上流の発電単位102Uである。
第1の下流発電単位群102DG1に含まれる発電単位102Dの数は10つであり、第2の下流発電単位群102DG2に含まれる発電単位102Dの数は6つである。また、第1の下流発電単位群102DG1は、第2の下流発電単位群102DG2よりも、燃料ガス排出マニホールド173において排出孔173Aに近い位置に配置されている。すなわち、第1の下流発電単位群102DG1は、第2の下流発電単位群102DG2に比べて、含まれる発電単位102Dの数が多く、かつ、排出孔173Aに近い位置に配置されている。これにより、第1の下流発電単位群102DG1を、第2の下流発電単位群102DG2より排出孔173Aから遠い位置に配置した場合に比べて、燃料枯れが抑制されることによって、燃料電池スタック100B全体としての性能低下を、より確実に抑制することができる。なお、第1の下流発電単位群102DG1は、特許請求の範囲における第2の電気化学反応単位群に相当し、第2の下流発電単位群102DG2は、特許請求の範囲における第1の電気化学反応単位群に相当する。
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 (4)
- 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それぞれ含み、前記燃料極に面する燃料室が形成された電気化学反応単位が前記第1の方向に3つ以上並べて配置された電気化学反応ブロックを備える電気化学反応セルスタックにおいて、
3つ以上の前記電気化学反応単位は、1つ以上の上流の電気化学反応単位と、2つ以上の下流の電気化学反応単位と、を含んでおり、
前記電気化学反応ブロックには、前記電気化学反応ブロックの外部から内部に燃料ガスを導入する導入ガス流路と、前記電気化学反応ブロックの内部から外部に燃料ガスを排出する排出ガス流路と、中継ガス流路とが形成されており、
前記上流の電気化学反応単位には、当該上流の電気化学反応単位に形成された上流の前記燃料室と前記導入ガス流路とを連通する上流の導入連通路と、前記上流の燃料室と前記中継ガス流路とを連通する上流の排出連通路と、が形成されており、
前記下流の電気化学反応単位には、当該下流の電気化学反応単位に形成された下流の前記燃料室と前記中継ガス流路とを連通する下流の導入連通路と、前記下流の燃料室と前記排出ガス流路とを連通する下流の排出連通路と、が形成されており、
2つ以上の前記下流の電気化学反応単位のそれぞれについて、前記下流の導入連通路と前記下流の排出連通路との合計体積は、前記上流の導入連通路と前記上流の排出連通路との合計体積より小さいことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項1に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記下流の導入連通路と前記下流の排出連通路との合計体積は、60(mm3)以下であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項1または請求項2に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電気化学反応ブロックの前記第1の方向の一方側の端側に前記排出ガス流路に連通する排出孔が形成されており、
前記電気化学反応ブロックの前記第1の方向の中心位置と前記一方側の端との間である一方領域に配置された前記下流の電気化学反応単位の数は、前記電気化学反応ブロックの前記中心位置と前記第1の方向の他方側の端との間である他方領域に配置された前記下流の電気化学反応単位の数より多いことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電気化学反応ブロックの前記第1の方向の一方側の端側に前記排出ガス流路に連通する排出孔が形成されており、
2つ以上の前記下流の電気化学反応単位は、前記第1の方向に互いに連続して並べて配置された複数の前記下流の電気化学反応単位である第1の電気化学反応単位群と、前記第1の電気化学反応単位群とは前記第1の方向に離間しており、前記第1の方向に互いに連続して並べて配置され、前記第1の電気化学反応単位群より多い複数の前記下流の電気化学反応単位である第2の電気化学反応単位群と、を含み、
前記第2の電気化学反応単位群は、前記第1の電気化学反応単位群より前記電気化学反応ブロックの前記一方側に配置されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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