特許第6527761号(P6527761)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許6527761インターコネクタ−燃料電池単セル複合体および燃料電池スタック
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6527761
(24)【登録日】2019年5月17日
(45)【発行日】2019年6月5日
(54)【発明の名称】インターコネクタ−燃料電池単セル複合体および燃料電池スタック
(51)【国際特許分類】
   H01M 8/0206 20160101AFI20190527BHJP
   H01M 8/0258 20160101ALI20190527BHJP
   H01M 8/12 20160101ALI20190527BHJP
   H01M 8/14 20060101ALI20190527BHJP
【FI】
   H01M8/0206
   H01M8/0258
   H01M8/12 101
   H01M8/12 102A
   H01M8/14
【請求項の数】7
【全頁数】23
(21)【出願番号】特願2015-122988(P2015-122988)
(22)【出願日】2015年6月18日
(65)【公開番号】特開2017-10682(P2017-10682A)
(43)【公開日】2017年1月12日
【審査請求日】2018年1月26日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004547
【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001911
【氏名又は名称】特許業務法人アルファ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】谷村 良二
(72)【発明者】
【氏名】西村 文男
【審査官】 近藤 政克
(56)【参考文献】
【文献】 特開2013−114784(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 8/02
H01M 8/0202
H01M 8/12
H01M 8/14
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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、平板状のインターコネクタと、を備え、前記第1の方向に延びるガス流路が形成されたインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、さらに、
前記インターコネクタと略平行な平板状であり、前記ガス流路を構成する第1の貫通孔が形成された第1の平板状部材と、
前記インターコネクタと略平行な平板状であり、前記ガス流路を構成する第2の貫通孔が形成され、前記第1の方向における厚さが前記第1の平板状部材より薄い第2の平板状部材と、
前記インターコネクタと略平行な平板状であり、前記第1の平板状部材との間で前記第2の平板状部材を挟持する第3の平板状部材と、を備え、
前記第2の平板状部材は、前記第1の方向における厚さが前記第3の平板状部材より薄く、
前記第1の方向視で、
前記第2の貫通孔は、前記第1の貫通孔より大きく、かつ、
前記第2の貫通孔の輪郭線は、前記第1の貫通孔の輪郭線の外側に位置することを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
【請求項2】
請求項1に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、
前記第1の平板状部材には、前記ガス流路を構成する前記第1の貫通孔と、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室との一方と、を連通する連通流路が形成されており、
前記第1の方向視で、
前記連通流路の少なくとも一部は、前記第2の貫通孔の輪郭線の内側に位置することを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、
前記第2の貫通孔の内周面は、第1の方向に直交する方向において、前記ガス流路に面していることを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
【請求項4】
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、
前記単セルは、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池の単セルであることを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
【請求項5】
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、
前記第2の平板状部材は、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータであり、
前記第1の平板状部材は、前記第2の平板状部材と前記インターコネクタとの間に配置されたフレーム状部材であることを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
【請求項6】
請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、
前記第1の平板状部材は、金属により形成されていることを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
【請求項7】
前記第1の方向に並べて配列された複数のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体を備える燃料電池スタックにおいて、
前記複数のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体の少なくとも1つは、請求項1から請求項までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体であることを特徴とする、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書によって開示される技術は、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体に関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)が知られている。SOFCを構成するインターコネクタ−燃料電池単セル複合体(以下、単に「複合体」ともいう)は、電解質層と電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む燃料電池単セル(以下、単に「単セル」ともいう)と、単セルの燃料極側に配置された平板状のインターコネクタと、インターコネクタと略平行な平板状のセパレータと、セパレータとインターコネクタとの間に配置された燃料極側フレーム状部材とを備える。
【0003】
複合体には、燃料ガスや酸化剤ガスを流すための第1の方向に延びるガス流路(「マニホールド」とも呼ばれる)が形成されている。複合体を構成する燃料極側フレーム状部材およびセパレータには、このガス流路を構成する貫通孔が形成されている。一般に、各部材に形成された貫通孔の径は互いに同一である(例えば特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2011−9062号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
一般に、セパレータの第1の方向における厚さは、燃料極側フレーム状部材より薄い。そのため、セパレータは、燃料極側フレーム状部材と比べて、発電による熱サイクルの影響によって変形しやすい。上記従来の構成では、燃料極側フレーム状部材およびセパレータに形成された貫通孔の径は互いに同一であるため、熱サイクルの影響によってセパレータがより大きく変形すると、セパレータの位置においてガス流路の径が小さくなって(すなわち、断面積が小さくなって)圧損が増大し、発電特性(ガス利用率等)が低下するおそれがある。
【0006】
なお、このような課題は、セパレータと燃料極側フレーム状部材とを備える複合体に限られず、ガス流路を構成する貫通孔が形成された第1の平板状部材と、ガス流路を構成する貫通孔が形成され、第1の方向における厚さが第1の平板状部材より薄い第2の平板状部材とを備える複合体に共通の課題である。また、このような課題は、SOFCに限らず、他のタイプの燃料電池にも共通の課題である。
【0007】
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。
【0009】
(1)本明細書に開示されるインターコネクタ−燃料電池単セル複合体は、電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、平板状のインターコネクタと、を備え、前記第1の方向に延びるガス流路が形成されたインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、さらに、前記インターコネクタと略平行な平板状であり、前記ガス流路を構成する第1の貫通孔が形成された第1の平板状部材と、前記インターコネクタと略平行な平板状であり、前記ガス流路を構成する第2の貫通孔が形成され、前記第1の方向における厚さが前記第1の平板状部材より薄い第2の平板状部材と、を備え、前記第1の方向視で、前記第2の貫通孔は、前記第1の貫通孔より大きく、かつ、前記第2の貫通孔の輪郭線は、前記第1の貫通孔の輪郭線の外側に位置する。第2の平板状部材は第1の平板状部材より薄いために発電による熱サイクルの影響で変形しやすいところ、本インターコネクタ−燃料電池単セル複合体によれば、第2の平板状部材が熱サイクルの影響によって大きく変形しても、第2の平板状部材の位置においてガス流路の径が小さくなって圧損が増大することを抑制することができ、発電特性(ガス利用率等)の低下を抑制することができる。
【0010】
(2)上記インターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、前記第1の平板状部材には、前記ガス流路を構成する前記第1の貫通孔と、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室との一方と、を連通する連通流路が形成されており、前記第1の方向視で、前記連通流路の少なくとも一部は、前記第2の貫通孔の輪郭線の内側に位置する構成としてもよい。本インターコネクタ−燃料電池単セル複合体によれば、連通流路の少なくとも一部と第1の方向に重なる位置には第2の平板部材の実体部分(孔以外の部分)が存在しないため、熱サイクルの影響によって第2の平板部材が大きく変形しても、第2の平板部材が連通流路内に侵入して連通流路の圧損が増大することを抑制することができ、発電特性(ガス利用率等)の低下を抑制することができる。
【0011】
(3)上記インターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、前記第2の貫通孔の内周面は、第1の方向に直交する方向において、前記ガス流路に面している構成としてもよい。本インターコネクタ−燃料電池単セル複合体によれば、第2の平板状部材が第1の方向に直交する方向に変形することによってガス流路の径が小さくなるおそれのある構成において、第2の平板状部材の第1の方向に直交する方向への変形の影響でガス流路の径が小さくなることを抑制することができ、ガス流路の圧損が増大することを抑制することができる。
【0012】
(4)上記インターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、前記単セルは、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池の単セルである構成としてもよい。本インターコネクタ−燃料電池単セル複合体によれば、比較的高温で発電が行われるために部材の変形が起こりやすい構成において、第2の平板状部材の第1の方向に直交する方向への変形の影響でガス流路の径が小さくなることを抑制することができ、ガス流路の圧損が増大することを抑制することができる。
【0013】
(5)上記インターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、前記第2の平板状部材は、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータであり、前記第1の平板状部材は、前記第2の平板状部材と前記インターコネクタとの間に配置されたフレーム状部材である構成としてもよい。本インターコネクタ−燃料電池単セル複合体によれば、第1の方向に直交する方向へのセパレータの変形の影響でガス流路の径が小さくなることを抑制することができ、ガス流路の圧損が増大することを抑制することができる。
【0014】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体(複合体)、複合体を複数備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1】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斜視図である。
図2】実施形態における燃料電池スタック100の上側のXY平面構成を示す説明図である。
図3】実施形態における燃料電池スタック100の下側のXY平面構成を示す説明図である。
図4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XZ断面構成を示す説明図である。
図5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XZ断面構成を示す説明図である。
図6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YZ断面構成を示す説明図である。
図7】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。
図8】互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
図9図7のIX−IX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10図7のX−X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11図7のXI−XI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12図7のXII−XII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13】熱交換部103のXY断面構成を概略的に示す説明図である。
図14】燃料ガス導入マニホールド171として機能する貫通孔108の位置における実施形態の発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。
図15】燃料ガス供給連通孔142の位置における実施形態の発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。
図16】燃料ガス導入マニホールド171として機能する貫通孔108の位置における比較例の発電単位102XのXZ断面構成を示す説明図である。
図17】燃料ガス供給連通孔142の位置における比較例の発電単位102XのXZ断面構成を示す説明図である。
図18図12の位置に対応する位置における変形例の発電単位102aのXY断面構成を示す説明図である。
図19図10の位置に対応する位置における変形例の発電単位102aのXY断面構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
A.実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1から図6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7以降についても同様である。
【0017】
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では6つの)発電単位102と、熱交換部103と、一対のエンドプレート104,106とを備える。6つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。ただし、6つの発電単位102の内、3つの発電単位102は互いに隣接するように配置され、残りの3つの発電単位102も互いに隣接するように配置され、上記3つの発電単位102と上記残りの3つの発電単位102との間に熱交換部103が配置されている。すなわち、熱交換部103は、6つの発電単位102と熱交換部103とから構成される集合体における上下方向の中央付近に配置されている。一対のエンドプレート104,106は、6つの発電単位102と熱交換部103とから構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
【0018】
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、熱交換部103、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる貫通孔108を構成している。以下の説明では、貫通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、貫通孔108と呼ぶ場合がある。
【0019】
各貫通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図4から図6に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
【0020】
各ボルト22の軸部の外径は各貫通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各貫通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図2から図4に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの頂点(Y軸負方向側およびX軸負方向側の頂点)付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿入された貫通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入されるガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22C)と、そのボルト22Cが挿入された貫通孔108とにより形成された空間は、熱交換部103から排出された酸化剤ガスOGを各発電単位102に向けて運ぶガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド163として機能する。また、図2図3および図5に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿入された貫通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102から排出された酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
【0021】
また、図2図3および図6に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿入された貫通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿入された貫通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102から排出された燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
【0022】
図4から図6に示すように、燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通している。また、図5に示すように、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図6に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
【0023】
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、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と熱交換部103と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。
【0024】
(発電単位102の構成)
図7から図12は、発電単位102の詳細構成を示す説明図である。図7には、互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成が示されており、図8には、互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成が示されており、図9には、図7のIX−IXの位置における発電単位102の断面構成が示されており、図10には、図7のX−Xの位置における発電単位102の断面構成が示されており、図11には、図7のXI−XIの位置における発電単位102の断面構成が示されており、図12には、図7のXII−XIIの位置における発電単位102の断面構成が示されている。
【0025】
図7および図8に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される貫通孔108に対応する孔が形成されている。
【0026】
インターコネクタ150は、図7から図9に示すように、矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図4から図6参照)。
【0027】
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
【0028】
電解質層112は、矩形の平板形状部材であり、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
【0029】
セパレータ120は、図7図8および図10に示すように、インターコネクタ150と略平行な平板状部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120の中央付近には、上下方向に貫通する矩形の孔121が形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルともいう。また、各マニホールドを構成するためにセパレータ120に形成された貫通孔108の内周面におけるすべての領域は、上下方向に直交する方向(XY平面方向)において、他の部材を介さずに当該マニホールドに面している。セパレータ120は、特許請求の範囲における第2の平板状部材に相当し、セパレータ120に形成された貫通孔108は、特許請求の範囲における第2の貫通孔に相当する。
【0030】
空気極側フレーム130は、図7図8および図11に示すように、インターコネクタ150と略平行な平板状部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の中央付近には、上下方向に貫通する矩形の孔131が形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス供給マニホールド163と空気室166とを連通する連通流路を構成する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する連通流路を構成する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。酸化剤ガス供給連通孔132および酸化剤ガス排出連通孔133は、空気極側フレーム130を厚さ方向(上下方向)に貫通している。
【0031】
燃料極側フレーム140は、図7図8および図12に示すように、インターコネクタ150と略平行な平板状部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の中央付近には、上下方向に貫通する矩形の孔141が形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する連通流路を構成する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する連通流路を構成する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。燃料ガス供給連通孔142および燃料ガス排出連通孔143は、燃料極側フレーム140を厚さ方向(上下方向)に貫通している。燃料極側フレーム140は、特許請求の範囲における第1の平板状部材に相当し、燃料極側フレーム140に形成された貫通孔108は、特許請求の範囲における第1の貫通孔に相当する。
【0032】
なお、本実施形態では、セパレータ120の上下方向における厚さ(以下、単に「厚さ」という)は例えば0.04mmから0.3mm程度であり、燃料極側フレーム140の厚さは例えば0.5mmから3mm程度であり、インターコネクタ150の厚さは例えば0.5mmから3mm程度であり、空気極側フレーム130の厚さは例えば0.5mmから3mm程度である。すなわち、セパレータ120の厚さは、燃料極側フレーム140やインターコネクタ150、空気極側フレーム130の厚さより薄い。
【0033】
空気極側集電体134は、図7図8および図11に示すように、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、所定の間隔をあけて並べられた複数の四角柱状の導電性部材から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触することにより、空気極114とインターコネクタ150とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。
【0034】
燃料極側集電体144は、図7図8および図12に示すように、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、複数の電極対向部145と、各電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。各電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触し、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触する。そのため、燃料極側集電体144は、燃料極116とインターコネクタ150とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150との電気的接続が良好に維持される。
【0035】
なお、本明細書では、図7および図8に示すように、各発電単位102から空気極側フレーム130と空気極側フレーム130側のインターコネクタ150とを除いた構造体、すなわち、単セル110と、セパレータ120と、燃料極側フレーム140と、燃料極側フレーム140側のインターコネクタ150とを備える構造体を、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体107とも呼ぶ。上述したように、燃料電池スタック100は、上下方向に並べて配置された複数の発電単位102を備えるが、換言すれば、燃料電池スタック100は、空気極側フレーム130を挟んで並べて配置された複数のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体107を備えると言える。
【0036】
(熱交換部103の構成)
図13は、熱交換部103の断面構成を概略的に示す説明図である。図13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6および図13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を形成する貫通孔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を形成する貫通孔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。
【0037】
A−2.燃料電池スタック100の動作:
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13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7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。
【0038】
また、図6図8および図12に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
【0039】
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、熱交換部103を介しているものの、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
【0040】
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図5図7および図11に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図6図8および図12に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
【0041】
A−3.貫通孔108の詳細構成:
図14および図15は、発電単位102を構成する各部材に形成された貫通孔108の詳細構成を示す説明図である。図14には、燃料ガス導入マニホールド171として機能する貫通孔108の位置(図12のXIV−XIVの位置)における発電単位102のXZ断面構成が示されており、図15には、燃料ガス供給連通孔142の位置(図12のXV−XVの位置)における発電単位102のXZ断面構成が示されている。
【0042】
図14に示すように、各発電単位102において、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド171を構成するためにセパレータ120に形成された貫通孔108は、他の構成部材(燃料極側フレーム140、空気極側フレーム130、インターコネクタ150)に形成された貫通孔108より大きく、かつ、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線L2は、上記他の構成部材に形成された貫通孔108の輪郭線L4、L3、L5の外側に位置する。すなわち、燃料ガス導入マニホールド171は、セパレータ120の位置において他の位置より径が大きくなっている。図12には、燃料ガス導入マニホールド171(および燃料ガス排出マニホールド172)を構成するためにセパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線L2の位置を破線で示している。
【0043】
なお、上下方向視で、セパレータ120に形成された貫通孔108が他の構成部材に形成された貫通孔108より大きいとは、セパレータ120に形成された貫通孔108の径(上下方向に直交する方向(XY平面に平行な方向)における大きさ)が他の構成部材に形成された貫通孔108の径より大きいことを意味する。また、上下方向視で、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線L2が他の構成部材に形成された貫通孔108の輪郭線L4、L3、L5の外側に位置するとは、各貫通孔108の輪郭線を上下方向に直交する仮想平面に投影したときに、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線L2が他の構成部材に形成された貫通孔108の輪郭線L4、L3、L5の外側に位置することを意味する。
【0044】
なお、図14には、燃料ガス導入マニホールド171として機能する貫通孔108の位置の断面構成が示されているが、燃料ガス排出マニホールド172として機能する貫通孔108の位置の断面構成も同様である。すなわち、各発電単位102において、上下方向視で、燃料ガス排出マニホールド172を構成するためにセパレータ120に形成された貫通孔108は、上記他の構成部材に形成された貫通孔108より大きく、かつ、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線は、上記他の構成部材に形成された貫通孔108の輪郭線の外側に位置する(図12参照)。すなわち、燃料ガス排出マニホールド172は、セパレータ120の位置において他の位置より径が大きくなっている。
【0045】
また、図15および図12に示すように、各発電単位102において、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する連通流路(燃料ガス供給連通孔142)は、燃料ガス導入マニホールド171を構成するためにセパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線L2の内側に位置する。すなわち、燃料ガス供給連通孔142と上下方向に重なる位置の少なくとも一部には、セパレータ120の実体部分(孔以外の部分)が存在しない。
【0046】
なお、図15には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する連通流路を構成する燃料ガス供給連通孔142の位置の断面構成が示されているが、燃料ガス排出マニホールド172と燃料室176とを連通する連通流路を構成する燃料ガス排出連通孔143の位置の断面構成も同様である。すなわち、各発電単位102において、上下方向視で、燃料ガス排出マニホールド172と燃料室176とを連通する連通流路(燃料ガス排出連通孔143)は、燃料ガス排出マニホールド172を構成するためにセパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線の内側に位置する(図12参照)。すなわち、燃料ガス排出連通孔143と上下方向に重なる位置の少なくとも一部には、セパレータ120の実体部分(孔以外の部分)が存在しない。
【0047】
A−4.本実施形態の効果:
本実施形態では、各部材に形成された貫通孔108が上述した構成であるため、燃料電池スタック100の発電特性(燃料ガス利用率等)の低下を抑制することができる。この点について、以下説明する。
【0048】
図16および図17は、比較例の発電単位102Xを構成する各部材に形成された貫通孔108の詳細構成を示す説明図である。図16および図17には、それぞれ、図14および図15に示す断面と同様の位置における比較例の発電単位102Xの断面構成が示されている。図16に示すように、比較例の発電単位102Xでは、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド171を構成するためにセパレータ120に形成された貫通孔108は、他の構成部材(燃料極側フレーム140、空気極側フレーム130、インターコネクタ150)に形成された貫通孔108と同じ大きさであり、かつ、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線L2は、上記他の構成部材に形成された貫通孔108の輪郭線L4、L3、L5と同じ位置にある。また、図17に示すように、比較例の発電単位102Xでは、燃料ガス供給連通孔142と上下方向に重なる位置に、セパレータ120の実体部分(孔以外の部分)が存在する。すなわち、上下方向視で、燃料ガス供給連通孔142は、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線の内側には位置しない。
【0049】
ここで、燃料電池スタック100は、発電時(定格運転時)には比較的高温(例えば700℃から1000℃程度)になり、運転停止時には比較的低温(例えば100℃程度以下)になる。そのため、燃料電池スタック100は、高温および低温の繰り返し(熱サイクル)に晒される。また、燃料電池スタック100の発電時には、各発電単位102間で温度差が発生する場合がある。これは、各発電単位102における発電反応は発熱反応であるため、発電単位102が高い密度で配置されている箇所(例えば、比較的エンドプレート104,106から遠い箇所)では温度が高くなりやすく、反対に発電単位102が低い密度で配置されている箇所(例えば、比較的エンドプレート104,106に近い箇所)では温度が低くなりやすいからである。また、上述したように、熱交換部103には、燃料電池スタック100の外部から導入された比較的低温の酸化剤ガスが流入するため、熱交換部103に近い発電単位102では温度が低くなりやすいからでもある。
【0050】
燃料電池スタック100が熱サイクルに晒されると、燃料電池スタック100を構成する各部材が変形(膨張)することがある。上述したように、セパレータ120の厚さは、他の構成部材(燃料極側フレーム140、空気極側フレーム130、インターコネクタ150)の厚さより薄いため、セパレータ120は、上記他の構成部材と比較して、熱サイクルの影響によって変形しやすい。また、各発電単位102間での温度差の影響によって、各セパレータ120間で変形量に差が発生する場合がある。
【0051】
上述したように、比較例の発電単位102Xでは、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド171を構成するためにセパレータ120に形成された貫通孔108は、他の構成部材に形成された貫通孔108と同じ大きさであり、かつ、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線L2は、他の構成部材に形成された貫通孔108の輪郭線L4、L3、L5と同じ位置にある(図16参照)。そのため、熱サイクルの影響によってセパレータ120が他の構成部材と比較して大きく変形すると(図16の破線E1参照)、セパレータ120の位置において燃料ガス導入マニホールド171の径が小さくなって(すなわち、燃料ガス導入マニホールド171の断面積が小さくなって)圧損が増大する。また、各セパレータ120間で変形量に差が発生した場合には、燃料ガス導入マニホールド171の各位置における圧損の増大量に差が生じ、各発電単位102への燃料ガス分配量に差が発生する。なお、このような問題は、燃料ガス排出マニホールド172を構成する貫通孔108についても同様に発生し得る。
【0052】
さらに、比較例の発電単位102Xでは、燃料ガス供給連通孔142と上下方向に重なる位置に、セパレータ120の実体部分(孔以外の部分)が存在する(図17参照)。そのため、熱サイクルの影響によってセパレータ120が他の構成部材と比較して大きく変形すると(図17の破線E1参照)、セパレータ120が燃料ガス供給連通孔142内に侵入して連通流路の圧損が増大する。また、各セパレータ120間で変形量に差が発生した場合には、各発電単位102における連通流路の圧損の増大量に差が生じ、各発電単位102への燃料ガス分配量に差が発生する。なお、このような問題は、燃料ガス排出マニホールド172を構成する貫通孔108についても同様に発生し得る。これらの結果、燃料電池スタック100の発電特性(燃料ガス利用率等)が低下する。
【0053】
これに対し、本実施形態では、上述したように、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド171を構成するためにセパレータ120に形成された貫通孔108は、上記他の構成部材に形成された貫通孔108より大きく、かつ、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線L2は、上記他の構成部材に形成された貫通孔108の輪郭線L4、L3、L5の外側に位置する。そのため、熱サイクルの影響によってセパレータ120が他の構成部材と比較して大きく変形しても(図14の破線E1参照)、セパレータ120の位置において燃料ガス導入マニホールド171の径が小さくなって圧損が増大することを抑制することができる。なお、この点は、燃料ガス排出マニホールド172を構成する貫通孔108についても同様である
【0054】
さらに、本実施形態では、上述したように、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する連通流路(燃料ガス供給連通孔142)は、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線L2の内側に位置する。すなわち、燃料ガス供給連通孔142と上下方向に重なる位置には、セパレータ120の実体部分(孔以外の部分)が存在しない。そのため、熱サイクルの影響によってセパレータ120が他の構成部材と比較して大きく変形しても(図15の破線E1参照)、セパレータ120が燃料ガス供給連通孔142内に侵入して連通流路の圧損が増大することを抑制することができる。なお、この点は、燃料ガス排出マニホールド172を構成する貫通孔108についても同様である。
【0055】
以上のように、本実施形態では、各マニホールドや連通流路の圧損増大によって各発電単位102への燃料ガス分配量が減少したり、圧損増大量の差によって各発電単位102への燃料ガス分配量に差が生じたりすることを抑制することができる。従って、本実施形態では、燃料電池スタック100の発電特性(燃料ガス利用率等)の低下を抑制することができる。
【0056】
B.変形例:
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。
【0057】
上記実施形態では、図12に示すように、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とが、燃料ガス導入マニホールド171からY方向に延びるように形成された燃料ガス供給連通孔142により構成される連通流路を介して連通しており、燃料ガス排出マニホールド172と燃料室176とが、燃料ガス排出マニホールド172からY方向に延びるように形成された燃料ガス排出連通孔143により構成される連通流路を介して連通しているが、これらの連通の形態はこれに限定されない。図18および図19は、変形例における発電単位102aの構成を示す説明図である。図18には、図12の位置に対応する位置における変形例の発電単位102aの断面構成が示されており、図19には、図10の位置に対応する位置における変形例の発電単位102aの断面構成が示されている。
【0058】
図18および図19に示す変形例では、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とが、燃料ガス導入マニホールド171からX方向に延びるように形成された第1燃料ガス供給連通孔142Jと、第1燃料ガス供給連通孔142Jから燃料室176に向かってY方向に延びるように形成された複数の第2燃料ガス供給連通孔142Kとによって構成される連通流路を介して連通している。同様に、燃料ガス排出マニホールド172と燃料室176とが、燃料ガス排出マニホールド172からX方向に延びるように形成された第1燃料ガス排出連通孔143Jと、第1燃料ガス排出連通孔143Jから燃料室176に向かってY方向に延びるように形成された複数の第2燃料ガス排出連通孔143Kとによって構成される連通流路を介して連通している。
【0059】
また、図18および図19に示す変形例では、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する連通流路(第1燃料ガス供給連通孔142Jおよび第2燃料ガス供給連通孔142K)の少なくとも一部が、燃料ガス導入マニホールド171を構成するためにセパレータ120aに形成された貫通孔108の輪郭線L2aの内側に位置する。すなわち、第1燃料ガス供給連通孔142Jおよび第2燃料ガス供給連通孔142Kと上下方向に重なる位置には、セパレータ120aの実体部分(孔以外の部分)が存在しない領域が存在する。同様に、図18および図19に示す変形例では、上下方向視で、燃料ガス排出マニホールド172と燃料室176とを連通する連通流路を構成する第1燃料ガス排出連通孔143Jおよび第2燃料ガス排出連通孔143Kの少なくとも一部が、燃料ガス排出マニホールド172を構成するためにセパレータ120aに形成された貫通孔108の輪郭線L2aの内側に位置する。すなわち、第1燃料ガス排出連通孔143Jおよび第2燃料ガス排出連通孔143Kと上下方向に重なる位置には、セパレータ120aの実体部分(孔以外の部分)が存在しない領域が存在する。なお、図18および図19に示す変形例では、上記実施形態と同様に、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド171や燃料ガス排出マニホールド172を構成するためにセパレータ120aに形成された貫通孔108は、他の構成部材に形成された貫通孔108より大きく、かつ、セパレータ120aに形成された貫通孔108の輪郭線L2aは、他の構成部材に形成された貫通孔108の輪郭線L4a等の外側に位置する。
【0060】
このような構成の変形例では、上記実施形態と同様に、熱サイクルの影響によってセパレータ120aが他の構成部材と比較して大きく変形しても、セパレータ120aの位置において燃料ガス導入マニホールド171や燃料ガス排出マニホールド172の径が小さくなって圧損が増大することを抑制することができ、また、セパレータ120aが連通流路内に侵入して連通流路の圧損が増大することを抑制することができる。従って、この変形例においても、発電特性(燃料ガス利用率等)の低下を抑制することができる。
【0061】
また、上記実施形態では、燃料ガス導入マニホールド171および燃料ガス排出マニホールド172を構成する貫通孔108に関して、上下方向視で、セパレータ120に形成された貫通孔108は、他の構成部材(燃料極側フレーム140、空気極側フレーム130、インターコネクタ150)に形成された貫通孔108より大きく、かつ、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線は、上記他の構成部材に形成された貫通孔108の輪郭線の外側に位置するという構成(以下、「構成A」ともいう)を採用しているが、構成Aを採用する対象のマニホールドはこれらに限られない。燃料電池スタック100に形成された複数のマニホールドの少なくとも1つを構成する貫通孔108に関して上記構成Aを採用すれば、セパレータ120の位置において当該マニホールドの径が小さくなることを抑制することができ、当該マニホールドの圧損の増大を抑制することができる。
【0062】
同様に、上記実施形態では、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する連通流路および燃料ガス排出マニホールド172と燃料室176とを連通する連通流路に関して、上下方向視で、連通流路が、セパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線の内側に位置するという構成(以下、「構成B」ともいう)を採用しているが、構成Bを採用する対象の連通流路はこれらに限られない。燃料電池スタック100に形成された複数の連通流路(マニホールドと燃料室176または空気室166とを連通する流路)の少なくとも1つに関して上記構成Bを採用すれば、連通流路へのセパレータ120の侵入を抑制することができ、当該連通流路の圧損の増大を抑制することができる。また、構成Bに関し、上下方向視で、連通流路のすべての部分がセパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線の内側に位置する必要はなく、連通流路の少なくとも一部分がセパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線の内側に位置すれば、連通流路の当該部分へのセパレータ120の侵入を抑制することができ、当該連通流路の圧損の増大を抑制することができる。また、連通流路の全部がセパレータ120に形成された貫通孔108の輪郭線の内側に位置すれば、連通流路へのセパレータ120の侵入を抑制することができ、当該連通流路の圧損の増大を抑制する効果が大きいことは言うまでもない。なお、燃料電池スタック100に構成Bが採用されることは必須ではない。
【0063】
また、上記実施形態では、セパレータ120の厚さが他の構成部材(燃料極側フレーム140、空気極側フレーム130、インターコネクタ150)の厚さより薄いという前提において、上記構成Aおよび構成Bが採用されているが、構成Aおよび構成Bは、セパレータ120と他の構成部材との関係に限られず、マニホールドを構成する第1の貫通孔が形成された第1の平板状部材と、マニホールドを構成する第2の貫通孔が形成された第1の平板状部材より薄い第2の平板状部材との関係について広く適用可能である。すなわち、上下方向視で、第2の貫通孔は第1の貫通孔より大きく、かつ、第2の貫通孔の輪郭線は第1の貫通孔の輪郭線の外側に位置するとすれば、第2の平板状部材の位置において当該マニホールドの径が小さくなることを抑制することができ、当該マニホールドの圧損の増大を抑制することができる。また、第1の平板状部材には第1の貫通孔と空気室または燃料室とを連通する連通流路が形成されており、上下方向視で、連通流路の少なくとも一部は第2の貫通孔の輪郭線の内側に位置するとすれば、連通流路への第2の平板状部材の侵入を抑制することができ、当該連通流路の圧損の増大を抑制することができる。
【0064】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102(またはインターコネクタ−燃料電池単セル複合体107、以下同様)について上記構成Aおよび構成Bが採用されているが、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも1つの発電単位102について上記構成Aおよび構成Bを採用すれば、少なくとも当該発電単位102の位置においてマニホールドや連通流路の圧損の増大を抑制することができる。
【0065】
また、上記実施形態では、燃料ガス供給連通孔142および燃料ガス排出連通孔143が、燃料極側フレーム140を厚さ方向(上下方向)に貫通する孔として形成されているが、燃料ガス供給連通孔142および燃料ガス排出連通孔143が、燃料極側フレーム140を厚さ方向に貫通せず、溝状に形成されているとしてもよい。酸化剤ガス供給連通孔132および酸化剤ガス排出連通孔133についても同様である。
【0066】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
【0067】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100の配列方向における熱交換部103の位置はあくまで一例であり、熱交換部103の位置は任意の位置に変更可能である。ただし、熱交換部103の位置は、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102の内、より高温になる発電単位102に隣接する位置であることが、燃料電池スタック100の配列方向における熱分布の緩和のために好ましい。例えば、燃料電池スタック100の配列方向中央付近の発電単位102がより高温になりやすい場合には、上記実施形態のように、燃料電池スタック100の配列方向中央付近に熱交換部103を設けることが好ましい。また、燃料電池スタック100が2つ以上の熱交換部103を備えていてもよい。
【0068】
また、上記実施形態では、熱交換部103が酸化剤ガスOGの温度を上昇させるように構成されているが、熱交換部103が、酸化剤ガスOGに代えて燃料ガスFGの温度を上昇させるように構成されてもよいし、酸化剤ガスOGと共に燃料ガスFGの温度を上昇させるように構成されてもよい。また、燃料電池スタック100は、熱交換部103を備えないとしてもよい。
【0069】
また、上記実施形態では、ボルト22の両側にナット24が嵌められているとしているが、ボルト22が頭部を有し、ナット24はボルト22の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。
【0070】
また、上記実施形態では、エンドプレート104,106が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート104,106の代わりに、エンドプレート104,106のそれぞれと接続された別部材(例えば、エンドプレート104,106のそれぞれと発電単位102との間に配置された導電板)が出力端子として機能するとしてもよい。
【0071】
また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各貫通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト22が挿入される各貫通孔108とは別に設けてもよい。
【0072】
また、上記実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合には、1つのインターコネクタ150が隣接する2つの発電単位102に共有されるとしているが、このような場合でも、2つの発電単位102がそれぞれのインターコネクタ150を備えてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102の上側のインターコネクタ150や、最も下に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ150は省略されているが、これらのインターコネクタ150を省略せずに設けてもよい。
【0073】
また、上記実施形態において、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。
【0074】
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。
【0075】
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスFGを得るとしているが、LPガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスFGを得るとしてもよいし、燃料ガスFGとして純水素を利用してもよい。
【0076】
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池にも適用可能である。なお、本発明は、SOFCやMCFC等の、定格運転時の温度が比較的高温となって各部材の変形量が比較的大きくなるタイプの燃料電池において、より好適である。
【符号の説明】
【0077】
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:発電単位 103:熱交換部 104:エンドプレート 106:エンドプレート 107:インターコネクタ−燃料電池単セル複合体 108:貫通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 163:酸化剤ガス供給マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 182:孔 184:連通孔 186:連通孔 188:熱交換流路
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