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公開番号2024129527
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-27
出願番号2023038806
出願日2023-03-13
発明の名称電気化学反応セルスタック
出願人森村SOFCテクノロジー株式会社
代理人弁理士法人アルファ国際特許事務所
主分類H01M 8/2484 20160101AFI20240919BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】電気化学反応セルスタックのガス流路の内圧の調整にかかるコストを低減する。
【解決手段】電気化学反応セルスタックは、複数の電気化学反応単位が第1の方向に並べて配置された電気化学反応ブロックと、電気化学反応ブロックを挟んで第1の方向に互いに対向する一対のエンド部材とを備え、空気極と燃料極との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給する第1のマニホールドと、特定電極に面するガス流路からガスを排出する第2のマニホールドとが形成され、さらに、一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材に接続され、第1のマニホールドに連通する第1のガス貫通孔が形成された第1のガス通路部材と、特定エンド部材に接続され、第2のマニホールドに連通する第2のガス貫通孔が形成された第2のガス通路部材とを備える。第2のガス貫通孔における最小断面積は、第1のガス貫通孔における最小断面積よりも小さい。
【選択図】図3
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互いに対向する空気極および燃料極と、を含む単セルをそれぞれ有する複数の電気化学反応単位が第１の方向に並べて配置された電気化学反応ブロックと、
前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記一対のエンド部材のうちの少なくとも一方である特定エンド部材に、前記第１の方向に貫通する第１のエンド貫通孔および第２のエンド貫通孔が形成された一対のエンド部材と、
を備え、各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給する第１のマニホールドであって、前記第１のエンド貫通孔を含む第１のマニホールドと、前記特定電極に面する前記ガス流路からガスを排出する第２のマニホールドであって、前記第２のエンド貫通孔を含む第２のマニホールドと、が形成された電気化学反応セルスタックであって、さらに、
前記特定エンド部材に接続され、前記第１のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックにガスを供給する第１のガス貫通孔が形成された第１のガス通路部材と、
前記特定エンド部材に接続され、前記第２のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックからガスを排出する第２のガス貫通孔が形成された第２のガス通路部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第２のガス貫通孔における最小断面積は、前記第１のガス貫通孔における最小断面積よりも小さい、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第２のガス貫通孔における最小断面積は、前記第２のマニホールドにおける最小断面積よりも小さい、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項３】
請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定電極は、前記空気極である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項４】
請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定電極は、前記燃料極である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項５】
請求項１から請求項４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、
前記特定エンド部材は、前記第１の方向に貫通する第３のエンド貫通孔および第４のエンド貫通孔が形成され、
各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との他方である他の特定電極に面するガス流路にガスを供給する第３のマニホールドであって、前記第３のエンド貫通孔を含む第３のマニホールドと、前記他の特定電極に面する前記ガス流路からガスを排出する第４のマニホールドであって、前記第４のエンド貫通孔を含む第４のマニホールドと、が形成され、
前記電気化学反応セルスタックは、さらに、
前記特定エンド部材に接続され、前記第３のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックにガスを供給する第３のガス貫通孔が形成された第３のガス通路部材と、
前記特定エンド部材に接続され、前記第４のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックからガスを排出する第４のガス貫通孔が形成された第４のガス通路部材と、
を備え、
前記第２のガス貫通孔と前記第４のガス貫通孔とは、最小断面積が異なる、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項６】
請求項５に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第２のガス通路部材および前記第４のガス通路部材は、フランジ孔が形成されたフランジ部をそれぞれ有し、
前記第２のガス貫通孔は、前記フランジ孔を含み、
前記フランジ孔は、前記第２のガス貫通孔において最小断面積を形成する、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という。）は、電解質層と、電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む。
【０００３】
ＳＯＦＣは、単セルを有する複数の発電単位が所定の方向（以下、「第１の方向」という。）に並べて配置された発電ブロックと、発電ブロックに対して第１の方向の一方側に配置され、第１の方向に貫通するエンド貫通孔が形成されたエンド部材とを備える燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックは、空気極と燃料極との一方である特定電極に面するガス室に連通するマニホールドであって、エンド貫通孔を含むマニホールドが形成される。燃料電池スタックは、さらに、エンド部材に対して第１の方向の上記一方側に接続され、第１の方向に貫通し、かつ、エンド貫通孔に連通するガス貫通孔が形成されたガス通路部材を備える（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０２２－７３４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発電反応に用いられるガスが燃料電池スタックに供給されると、燃料電池スタック内のガス流路に内圧が生じる。このとき、例えば、供給するガスの流量や作動温度、発電ブロックを構成する部材の厚みの製造誤差等によって、同一の製造方法で製造された燃料電池スタックであっても、機種によって内圧が変わるおそれがある。このような場合、発電反応に好適な内圧に調整する必要があるが、個々の機種に応じて発電ブロックを構成する部材またはエンド部材の仕様を変更することは、コスト面等で課題がある。
【０００６】
なお、このような課題は、例えば、水の電気分解反応を利用して水素を生成する電解単セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼び、発電ブロックと電解ブロックとをまとめて電気化学反応ブロックと呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタック等の種々の電気化学反応装置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電気化学反応セルスタックは、電気化学反応ブロックと、一対のエンド部材と、を備える。前記電気化学反応ブロックは、電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、を含む単セルをそれぞれ有する複数の電気化学反応単位が第１の方向に並べて配置されている。前記一対のエンド部材は、前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向し、前記一対のエンド部材のうちの少なくとも一方である特定エンド部材に、前記第１の方向に貫通する第１のエンド貫通孔および第２のエンド貫通孔が形成されている。前記電気化学反応セルスタックは、各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給する第１のマニホールドであって、前記第１のエンド貫通孔を含む第１のマニホールドと、前記特定電極に面する前記ガス流路からガスを排出する第２のマニホールドであって、前記第２のエンド貫通孔を含む第２のマニホールドと、が形成されている。前記電気化学反応セルスタックは、さらに、前記特定エンド部材に接続され、前記第１のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックにガスを供給する第１のガス貫通孔が形成された第１のガス通路部材と、前記特定エンド部材に接続され、前記第２のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックからガスを排出する第２のガス貫通孔が形成された第２のガス通路部材と、を備える。前記第２のガス貫通孔における最小断面積は、前記第１のガス貫通孔における最小断面積よりも小さい。
【００１０】
電気化学反応セルスタックにガスが供給されると、電気化学反応セルスタック内のガス流路に内圧が生じる。このとき、例えば、供給するガスの流量や作動温度、電気化学反応ブロックを構成する部材の厚みの製造誤差等によって、同一の製造方法で製造された電気化学反応セルスタックであっても、機種によって内圧が変わるおそれがある。このような場合、電気化学反応に好適な内圧に調整する必要があるが、個々の機種に応じて電気化学反応ブロックを構成する部材またはエンド部材の仕様を変更することは、コスト面等で課題がある。本電気化学反応セルスタックによれば、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路において、エンド部材に接続され、電気化学反応ブロックからガスを排出する第２のガス貫通孔の最小断面積は、エンド部材に接続され、電気化学反応ブロックにガスを供給する第１のガス貫通孔の最小断面積よりも小さい。これにより、電気化学反応ブロックまたはエンド部材の仕様を変更せずとも、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路のうちの一部の断面積を狭めることができ、圧力損失を増大させることによって、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、電気化学反応セルスタックにおけるガス流路の内圧の調整にかかるコストを低減することができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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