(57)【要約】【課題】中央に配置される発電素子部と、両端に配置される発電素子部との温度差を低減する。【解決手段】燃料電池セル１０は、板状の支持基板４と、複数の発電素子部とを備える。複数の発電素子部は、支持基板４上において支持基板４の長手方向に配列される。複数の発電素子部のそれぞれは、支持基板４の幅方向に延びる電極８を有する。支持基板４の長手方向に配列される複数の発電素子部のうち、中央に配置される発電素子部の電極８ａの長さｄは、両端に配置される発電素子部の電極８ｂの長さｄよりも長い。【選択図】図９
2020119660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の支持基板と、
前記支持基板上において前記支持基板の長手方向に配列される複数の発電素子部と、
を備え、
前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板の幅方向に延びる電極を有し、
前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部のうち、中央に配置される前記発電素子部の電極の長さは、両端に配置される前記発電素子部の電極の長さよりも長い、
燃料電池セル。
【請求項２】
前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部のうち、中央に配置される前記発電素子部の電極の長さが最も長い、
請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部のうち、両端に配置される一対の前記発電素子部のうち少なくとも一方の発電素子部の電極の長さが最も短い、
請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部の電極のそれぞれの長さは、中央に近い電極ほど長い、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有し、
前記電極は、前記外側電極である、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有し、
前記電極は、前記内側電極である、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項７】
前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有し、
前記電極は、前記内側電極及び前記外側電極である、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記支持基板は、前記長手方向における中央部の幅が前記長手方向における両端部の幅よりも大きい、
請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載された、複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルのそれぞれにガスを分配するマニホールドと、
を備える、セルスタック装置。
【請求項１０】
前記マニホールドは、ガス供給室と、ガス回収室と、を有し、
前記複数の燃料電池セルのそれぞれは、
前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通する、少なくとも１つの第２ガス流路と、
を有する、
請求項９に記載のセルスタック装置。
【請求項１１】
前記燃料電池セルは、前記マニホールドに支持される基端部と、前記基端部と反対側の先端部とを有し、
前記両端に配置される前記発電素子部のうち、前記基端部側に配置される発電素子部の電極の長さは、前記先端部側に配置される発電素子部の電極の長さよりも長い、
請求項９又は１０に記載のセルスタック装置。
【請求項１２】
前記燃料電池セルは、前記マニホールドに支持される基端部と、前記基端部と反対側の先端部とを有し、
前記両端に配置される前記発電素子部のうち、前記先端部側に配置される発電素子部の電極の長さは、前記基端部側に配置される発電素子部の電極の長さよりも長い、
請求項９又は１０に記載のセルスタック装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セル、及びセルスタック装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルは、支持基板と、支持基板上に支持される複数の発電素子部とを有している。各発電素子部は、支持基板の長手方向に配列されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−５８３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような構成の燃料電池セルにおいて、複数の発電素子部のうち、配列方向の中央に配置される発電素子部が最も高温になり、配列方向の両端に配置される発電素子部との温度差が生じるという問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、中央に配置される発電素子部と両端に配置される発電素子部との温度差を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１側面に係る燃料電池セルは、板状の支持基板と、複数の発電素子部とを備える。複数の発電素子部は、支持基板上において支持基板の長手方向に配列される。複数の発電素子部のそれぞれは、支持基板の幅方向に延びる電極を有する。支持基板の長手方向に配列される複数の発電素子部のうち、中央に配置される発電素子部の電極の長さは、両端に配置される発電素子部の電極の長さよりも長い。
【０００７】
この構成によれば、中央に配置される発電素子部の電極の長さが両端に配置される発電素子部の電極の長さよりも長いので、この長さの分だけ、中央に配置される発電素子部は両端部に配置される発電素子部よりも放熱量が多くなり、温度が低下する。この結果、中央に配置される発電素子部と両端に配置される発電素子部との温度差を低減することができる。
【０００８】
好ましくは、支持基板の長手方向に配列される複数の発電素子部のうち、中央に配置される発電素子部の電極の長さが最も長い。
【０００９】
好ましくは、支持基板の長手方向に配列される複数の発電素子部のうち、両端に配置される一対の発電素子部のうち少なくとも一方の発電素子部の電極の長さが最も短い。
【００１０】
好ましくは、支持基板の長手方向に配列される複数の発電素子部の電極の長さは、中央に近い電極ほど長い。
【００１１】
好ましくは、複数の発電素子部のそれぞれは、支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有する。そして、外側電極が上述した電極である。
【００１２】
好ましくは、複数の発電素子部のそれぞれは、支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有する。そして、内側電極が上述した電極である。
【００１３】
好ましくは、複数の発電素子部のそれぞれは、支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有する。そして、内側電極及び外側電極の両方が上述した電極である。
【００１４】
好ましくは、支持基板は、長手方向における中央部の幅が長手方向における両端部の幅よりも大きい。
【００１５】
本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、上記いずれかの複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルのそれぞれにガスを分配するマニホールドと、を備える。
【００１６】
好ましくは、マニホールドは、ガス供給室と、ガス回収室と、を有する。複数の燃料電池セルのそれぞれは、少なくとも１つの第１ガス流路と、少なくとも１つの第２ガス流路と、を有する。第１ガス流路は、ガス供給室と連通し、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、ガス回収室と連通し、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、燃料電池セルの先端部において第１ガス流路と連通する。
【００１７】
好ましくは、燃料電池セルは、マニホールドに支持される基端部と、基端部と反対側の先端部とを有する。両端に配置される発電素子部のうち、基端部側に配置される発電素子部の電極の長さは、先端部側に配置される発電素子部の電極の長さよりも長い。
【００１８】
好ましくは、燃料電池セルは、マニホールドに支持される基端部と、基端部と反対側の先端部とを有する。両端に配置される発電素子部のうち、先端部側に配置される発電素子部の電極の長さは、基端部側に配置される発電素子部の電極の長さよりも長い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、中央に配置される発電素子部と、両端に配置される発電素子部との温度差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】セルスタック装置の斜視図。
【図２】マニホールドの断面図。
【図３】マニホールドの上面図。
【図４】セルスタック装置の断面図。
【図５】燃料電池セルの斜視図。
【図６】燃料電池セルの断面図。
【図７】基端部における燃料電池セルの断面図。
【図８】先端部における燃料電池セルの断面図。
【図９】燃料電池セルの正面図。
【図１０】変形例に係る燃料電池セルにおいて支持基板上の燃料極を示す正面図。
【図１１】変形例に係る燃料電池セルの正面図。
【図１２】変形例に係るセルスタック装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る燃料電池セル及びセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、燃料電池セルの一例として固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を用いて説明する。図１はセルスタック装置を示す斜視図、図２はマニホールドの断面図である。なお、図１及び図２において、いくつかの燃料電池セルの記載を省略している。
【００２２】
［セルスタック装置］
図１に示すように、セルスタック装置１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１０と、を備えている。
【００２３】
［マニホールド］
図２に示すように、マニホールド２は、複数の燃料電池セル１０のそれぞれにガスを分配するように構成されている。また、マニホールド２は、燃料電池セル１０から排出されたガスを回収するように構成されている。マニホールド２は、ガス供給室２１とガス回収室２２とを有している。ガス供給室２１には、改質器などを介して燃料ガス供給源から燃料ガスが供給される。ガス回収室２２は、各燃料電池セル１０にて使用された燃料ガスのオフガスを回収する。
【００２４】
マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。
【００２５】
図３に示すように、マニホールド本体部２３の天板部２３１には、複数の貫通孔２３２が形成されている。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の長手方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各貫通孔２３２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連通している。なお、各貫通孔２３２は、ガス供給室２１と連通する部分とガス回収室２２と連通する部分とに分かれていてもよい。
【００２６】
仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の略中央部において、マニホールド本体部２３の長手方向に延びている。仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を完全に仕切っている必要は無く、仕切板２４とマニホールド本体部２３との間に隙間が形成されていてもよい。
【００２７】
図２に示すように、ガス供給室２１の底面には、ガス供給口２１１が形成されている。また、ガス回収室２２の底面には、ガス排出口２２１が形成されている。ガス供給口２１１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。一方、ガス排出口２２１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。
【００２８】
［燃料電池セル］
図４は、セルスタック装置の断面図を示している。図４に示すように、燃料電池セル１０は、マニホールド２から上方に延びている。燃料電池セル１０は、基端部１０１及び先端部１０２を有している。燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。
【００２９】
図１に示すように、各燃料電池セル１０は、主面同士が対向するように並べられている。また、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長手方向（ｚ軸方向）に沿って間隔をあけて並べられている。すなわち、燃料電池セル１０の配列方向は、マニホールド２の長手方向に沿っている。
【００３０】
図４及び図５に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４と、複数の発電素子部５と、を有している。また、燃料電池セル１０は、連通部材３をさらに有している。
【００３１】
［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、板状である。詳細には、支持基板４は、正面視（ｚ軸方向視）が長方形状である。支持基板４は、長手方向（ｘ軸方向）と幅方向（ｙ軸方向）とを有している。なお、支持基板４は、長手方向の寸法が幅方向の寸法よりも長い。本実施形態では、図４の上下方向（ｘ軸方向）が支持基板４の長手方向であり、図４の左右方向が（ｙ軸方向）が支持基板４の幅方向である。
【００３２】
支持基板４は、基端部４１と先端部４２とを有している。基端部４１及び先端部４２は、支持基板４の長手方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の基端部４１は下端部を意味し、支持基板４の先端部４２は上端部を意味する。
【００３３】
支持基板４の基端部４１は、マニホールド２に取り付けられる。例えば、支持基板４の基端部４１は、接合材などによってマニホールド２の天板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、天板部２３１に形成された貫通孔２３４に挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、貫通孔２３４に挿入されていなくてもよい。すなわち、支持基板４の第１端面４１１によって貫通孔２３４を覆うように、支持基板４が天板部２３１上に載置されていてもよい。
【００３４】
支持基板４は、複数の第１ガス流路４３と、複数の第２ガス流路４４とを有している。第１及び第２ガス流路４３、４４は、支持基板４内を支持基板４の長手方向に延びている。第１及び第２ガス流路４３、４４は、支持基板４を貫通している。各第１ガス流路４３は、支持基板４の幅方向において互いに間隔をあけて配置されている。また、各第２ガス流路４４も、支持基板４の幅方向において互いに間隔をあけて配置されている。なお、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４との間隔は、第１ガス流路４３同士の間隔よりも大きく、第２ガス流路４４同士の間隔よりも大きいことが好ましい。
【００３５】
第１及び第２ガス流路４３、４４は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。第１ガス流路４３はガス供給室２１と連通しており、第２ガス流路４４はガス回収室２２と連通している。
【００３６】
第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、燃料電池セル１０の先端部１０２側において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４３と、第２ガス流路４４とが、後述する連通部材３の連通流路３０を介して連通している。
【００３７】
第１及び第２ガス流路４３、４４は、第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失よりも小さくなるように構成されている。なお、本実施形態のように第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４のそれぞれが複数本ある場合、各第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失の合計が、各第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失の合計よりも小さくなるように、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４が構成される。
【００３８】
例えば、各第１ガス流路４３の流路断面積は、各第２ガス流路４４の流路断面積よりも大きくすることができる。なお、第１ガス流路４３の数と第２ガス流路４４との数とが異なる場合は、各第１ガス流路４３の流路断面積の合計値が、各第２ガス流路４４の流路断面積の合計値よりも大きくすることができる。
【００３９】
図５に示すように、支持基板４は、第１主面４５と、第２主面４６とを有している。第１主面４５と第２主面４６とは、互いに反対を向いている。第１主面４５及び第２主面４６は、各発電素子部５を支持している。第１主面４５及び第２主面４６は、支持基板４の厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。また、支持基板４の各側面４７は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面４７は、湾曲していてもよい。図１に示すように、各支持基板４は、第１主面４５と第２主面４６とが対向するように配置されている。
【００４０】
支持基板４は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板４は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成される。または、支持基板４は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板４の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法、又は微構造観察により測定される。
【００４１】
支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０〜７％程度である。
【００４２】
図６に示すように、支持基板４は、複数の凹部４９と、複数の桟部５０とを有している。複数の凹部４９は、支持基板４の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。複数の凹部４９のそれぞれは、支持基板４の幅方向に延びている。なお、複数の凹部４９のそれぞれは、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）の両端部には形成されていない。
【００４３】
桟部５０は、一対の凹部４９の間に配置される。すなわち、一対の凹部４９の間の部分が桟部５０となる。桟部５０は、支持基板４の幅方向に延びている。支持基板４の長手方向において、凹部４９と桟部５０とが交互に配置される。
【００４４】
［発電素子部］
図５に示すように、複数の発電素子部５が、支持基板４上に配置されている。なお、本実施形態では、複数の発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。なお、第１主面４５に形成される発電素子部５の数と第２主面４６に形成される発電素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６のどちらか一方のみに支持されていてもよい。
【００４５】
複数の発電素子部５は、支持基板４の長手方向に配列されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セルは、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。なお、複数の発電素子部５は、インターコネクタ９によって、互いに直列に接続されている。
【００４６】
発電素子部５は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。発電素子部５は、支持基板４の幅方向において第１部分５１と第２部分５２とに区画される。なお、第１部分５１と第２部分５２との厳密な境界はない。例えば、燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、支持基板４の長手方向視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界と重複する部分を、第１部分５１と第２部分５２との境界部とすることができる。
【００４７】
支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１ガス流路４３は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第２ガス流路４４は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。なお、複数の第１ガス流路４３のうち、一部の第１ガス流路４３が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数の第２ガス流路４４のうち、一部の第２ガス流路４４が第２部分５２と重複していなくてもよい。
【００４８】
図６は、第１ガス流路４３に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。なお、第２ガス流路４４に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、第２ガス流路４４の流路断面積が異なる以外は、図６と同じである。
【００４９】
発電素子部５は、燃料極６（内側電極の一例）、電解質７、及び空気極８（外側電極の一例）を有している。支持基板４側から、燃料極６、電解質７、空気極８の順で配置されている。発電素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。
【００５０】
［燃料極］
燃料極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される。燃料極６は、焼成体である。燃料極６は、燃料極集電部６１と燃料極活性部６２とを有する。各燃料極６は、支持基板４上に配置されている。各燃料極６は、支持基板４の長手方向（ｘ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。
【００５１】
［燃料極集電部］
燃料極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、燃料極集電部６１は、凹部４９内に充填されており、凹部４９と同様の外形を有する。各燃料極集電部６１は、第３主面６１１を有している。
【００５２】
燃料極集電部６１の第３主面６１１は、支持基板４の第１主面４５と実質的に同一面上にある。すなわち、支持基板４の第１主面４５と、各燃料極集電部６１の第３主面６１１とによって、一つの面が構成されている。なお、第３主面６１１は、第１主面４５と完全に同一面上になくてもよい。例えば、第１主面４５と第３主面６１１との間に、２０μｍ以下程度の段差があってもよい。第３主面６１１は平坦面を構成している。
【００５３】
燃料極集電部６１は、電子伝導性を有する。燃料極集電部６１は、燃料極活性部６２よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。燃料極集電部６１は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
【００５４】
燃料極集電部６１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部６１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０〜５００μｍ程度である。
【００５５】
［燃料極活性部］
燃料極活性部６２は、燃料極集電部６１の第３主面６１１上に配置されている。このため、燃料極活性部６２は、凹部４９から突出している。すなわち、燃料極活性部６２は、燃料極集電部６１に埋設されていない。燃料極活性部６２の端縁は、第３主面６１１上において、燃料極集電部６１の端縁よりも内側に形成されている。詳細には、燃料極活性部６２は、燃料極集電部６１よりも平面視（ｚ軸方向視）の面積が小さい。そして、燃料極活性部６２は、第３主面６１１内に収まっている。
【００５６】
燃料極活性部６２は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。燃料極活性部６２は、燃料極集電部６１よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、燃料極活性部６２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部６１における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
【００５７】
燃料極活性部６２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部６２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部６２の厚さは、５〜３０μｍである。
【００５８】
［電解質］
電解質７は、燃料極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９から他のインターコネクタ９まで支持基板４の長手方向に延びている。すなわち、支持基板４の長手方向において、電解質７とインターコネクタ９とが交互に配置されている。また、電解質７は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。
【００５９】
電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０〜７％程度である。電解質７は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質７は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。
【００６０】
［反応防止膜］
反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、厚さ方向視において、燃料極活性部６２と略同一の形状である。反応防止膜１１は、電解質７を介して、燃料極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと空気極活性部８１内のＳｒとが反応して電解質７と空気極活性部８１との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜１１の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。
【００６１】
［空気極］
空気極８は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される。空気極８は、焼成体である。空気極８は、燃料極６と協働して電解質７を挟むように配置されている。空気極８は、空気極活性部８１及び空気極集電部８２を有している。
【００６２】
［空気極活性部］
空気極活性部８１は、反応防止膜１１上に配置されている。空気極活性部８１は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。空気極活性部８１は、空気極集電部８２よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、空気極活性部８１における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部８２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
【００６３】
空気極活性部８１は、多孔質の材料から構成される。空気極活性部８１は焼成体である。空気極活性部８１は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極活性部８１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極活性部８１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００６４】
［空気極集電部］
空気極集電部８２は、空気極活性部８１上に配置されている。空気極集電部８２は、空気極活性部８１から、隣の発電素子部５に向かって延びている。空気極集電部８２は、インターコネクタ９を介して隣の発電素子部５の燃料極集電部６１と電気的に接続されている。なお、燃料極集電部６１と空気極集電部８２とは、支持基板４の長手方向（ｘ軸方向）において、発電領域から互いに反対側に延びている。なお、発電領域とは、燃料電池セル１０の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、燃料極活性部６２と電解質７と空気極活性部８１とが重複する領域である。
【００６５】
空気極集電部８２は、電子伝導性を有する多孔質材料から構成される。空気極集電部８２は、焼成体である。空気極集電部８２は、空気極活性部８１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部８２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
【００６６】
空気極集電部８２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極集電部８２は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、空気極集電部８２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。なお、空気極集電部８２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。
【００６７】
［インターコネクタ］
インターコネクタ９は、支持基板４の長手方向において隣り合う発電素子部５同士を電気的に接続するように構成されている。インターコネクタ９は、隣り合う発電素子部５の一方の発電素子部５の燃料極６と、他方の発電素子部５の空気極８とを電気的に接続している。詳細には、インターコネクタ９は、一方の発電素子部５の燃料極集電部６１と、他方の発電素子部５の空気極集電部８２とを電気的に接続している。
【００６８】
このように、各発電素子部５は、インターコネクタ９によって、第１及び第２主面４５、４６のそれぞれにおいて燃料電池セル１０の先端部１０２から基端部１０１まで直列に接続されている。
【００６９】
インターコネクタ９は、燃料極集電部６１の第３主面６１１上に配置されている。インターコネクタ９は、支持基板４の長手方向において、燃料極活性部６２と間隔をあけて配置されている。
【００７０】
インターコネクタ９は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される。インターコネクタ９は、焼成体である。インターコネクタ９は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ９の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００７１】
図７に示すように、各燃料電池セル１０において最も基端側に配置されたインターコネクタ９は、第１主面４５に配置される発電素子部５と、第２主面４６に配置される発電素子部５とを電気的に接続している。
【００７２】
第２主面４６において最も基端側に配置された発電素子部５の空気極集電部８２は、第２主面４６から側面４７を介して第１主面４５まで延びている。すなわち、この最も基端側に配置された発電素子部５の空気極集電部８２は、環状に延びている。そして、第１主面４５において最も基端側に配置されたインターコネクタ９は、第２主面４６から第１主面４５まで延びる空気極集電部８２と、第１主面４５において最も基端側に配置された発電素子部５の燃料極集電部６１と、を電気的に接続している。
【００７３】
このように、第１主面４５において直列接続された複数の発電素子部５と、第２主面４６において直列接続された複数の発電素子部５とは、インターコネクタ９によって、燃料電池セル１０の基端部１０１において直列接続されている。
【００７４】
［連通部材］
図４に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部４２に取り付けられている。そして、連通部材３は、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを連通させる連通流路３０を有している。詳細には、連通流路３０は、各第１ガス流路４３と各第２ガス流路４４とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４３から各第２ガス流路４４まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路３０の数は、第１ガス流路４３の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路３０のみによって、複数の第１ガス流路４３と複数の第２ガス流路４４とが連通されている。
【００７５】
連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。緻密層３１は、連通部材３の本体よりも緻密に形成されている。例えば、緻密層３１の気孔率は、０〜７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した電解質７に使用される材料、結晶化ガラス等によって形成することができる。
【００７６】
［集電部材］
図８に示すように、セルスタック装置１００は、集電部材１２をさらに有している。集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の間に配置されている。そして、集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０を互いに電気的に接続している。集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の先端部１０２同士を接合している。例えば、集電部材１２は、支持基板４の両主面に配置された複数の発電素子部５のうち、最も先端側に配置された発電素子部５よりも先端側に配置されている。集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の最も先端側に配置された発電素子部５同士を電気的に接続している。
【００７７】
集電部材１２は、導電性接合材１０３を介して、発電素子部５から延びる空気極集電部８２に接合される。導電性接合材１０３としては、周知の導電性セラミックス等を用いることができる。例えば、導電性接合材１０３は、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３などから選ばれる少なくとも１種によって構成することができる。
【００７８】
［電極の寸法］
図６に示すように、支持基板４の第１主面４５上に配置された複数の発電素子部５は、支持基板４の長手方向に配列されている。同様に、支持基板４の第２主面４６上に配置された複数の発電素子部５も、支持基板４の長手方向に配列されている。なお、第１主面４５上に配置された複数の発電素子部５と、第２主面４６上に配置された複数の発電素子部５とは、基本的に同じ構成であるので、以下では第１主面４５上に配置された複数の発電素子部５に基づいて説明する。
【００７９】
支持基板４の長手方向に配列された複数の発電素子部５のうち、中央に配置される発電素子部５を中央発電素子部５と称する。なお、中央に配置される発電素子部５とは、複数の発電素子部５の配列の順番として中央に配置される発電素子部５である。第１主面４５上に配置される発電素子部５の数が偶数の場合、中央に配置される発電素子部５の数は２つになる。
【００８０】
また、支持基板４の長手方向に配列された複数の発電素子部５のうち、両端部に配置される発電素子部５を端部発電素子部５と称する。すなわち、複数の発電素子部５のうち、最も基端側及び最も先端側に配置されたそれぞれの発電素子部５を端部発電素子部５と称する。
【００８１】
図９に示すように、複数の発電素子部５のそれぞれの空気極８は、支持基板４の幅方向に延びている。複数の空気極８は、支持基板４上において、支持基板４の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。端部発電素子部５の空気極８を端部空気極８ｂと称する。また、中央発電素子部５の空気極８を中央空気極８ａと称する。なお、本実施形態では、空気極８の数は１０個であるため、基端側から５番目の空気極８と、先端側から５番目の空気極８とが中央空気極８ａとなる。
【００８２】
中央空気極８ａの長さｄは、端部空気極８ｂの長さｄよりも長い。例えば、中央空気極８ａの長さｄは、端部空気極８ｂの長さｄよりも、０．１ｍｍ以上長くすることが好ましい。なお、体積出力密度の観点から、中央空気極８ａの長さｄと端部空気極８ｂの長さｄとの差は、１０ｍｍ以下とすることができる。空気極８の長さとは、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）における空気極８の寸法を言う。空気極８の長さは、空気極集電部８２の長さを測定することによって測定することができる。なお、空気極８の長さとして、空気極活性部８１の長さを測定してもよい。空気極８の長さｄは、例えば、任意の３点で測定した値の平均値とすることができる。なお、各空気極８の長さｄは自動寸法測定機などによって測定することができる。
【００８３】
複数の空気極８の中で、中央空気極８ａの長さｄが最も長い。すなわち、中央空気極８ａの長さは、他の空気極８の長さよりも長い。なお、本実施形態のように中央空気極８ａが２つある場合は、２つの中央空気極８ａの長さは互いに同じであってもよいし、２つの中央空気極８ａのどちらかの中央空気極８ａの方が長くてもよい。
【００８４】
また、複数の空気極８の中で、端部空気極８ｂの長さｄが最も短い。すなわち、端部空気極８ｂの長さは、他の空気極８の長さよりも長い。なお、２つの端部空気極８ｂのうち、基端側の端部空気極８ｂの長さと先端側の端部空気極８ｂの長さは互いに実質的に同じである。
【００８５】
複数の空気極８の長さは、配列方向の中央に近い空気極８ほど長い。すなわち、複数の空気極８のうち、中央空気極８ａ、及び端部空気極８ｂ以外の空気極８の長さは、中央空気極８ａに近い空気極８ほど長くなる。また、複数の空気極８のうち、中央空気極８ａ及び端部空気極８ｂ以外の空気極８の長さは、端部空気極８ｂに近い空気極８ほど短くなる。なお、複数の空気極８は、それぞれの中心が揃うように、支持基板４の長手方向に配列されている。
【００８６】
［発電方法］
上述したように構成されたセルスタック装置１００では、燃料ガスをマニホールド２のガス供給室２１に供給するとともに、燃料電池セル１０を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極８において下記（１）式に示す化学反応が起こり、燃料極６において下記（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−      …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−          …（２）
【００８７】
詳細には、ガス供給室２１に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０の第１ガス流路４３内を流れ、各発電素子部５の燃料極６において、上記（２）式に示す化学反応が起こる。各燃料極６において未反応であった燃料ガスは、第１ガス流路４３を出て連通部材３の連通流路３０を介して第２ガス流路４４へ供給される。そして、第２ガス流路４４へ供給された燃料ガスは、再度、燃料極６において上記（２）式に示す化学反応が起こる。第２ガス流路４４を流れる過程において燃料極６において未反応であった燃料ガスは、マニホールド２のガス回収室２２へ回収される。
【００８８】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００８９】
変形例１
図１０に示すように、各燃料極６の長さが、支持基板４の長手方向の中央に近い燃料極６ほど長くなっていてもよい。すなわち、上述した空気極８と同様に、中央燃料極６ａの長さｄが端部燃料極６ｂの長さｄよりも長くてもよい。なお、端部発電素子部５の燃料極６を端部燃料極６ｂと称し、中央発電素子部５の燃料極６を中央燃料極６ａと称する。燃料極６の長さとして、燃料極集電部６１の長さを測定してもよいし、燃料極活性部６２の長さを測定してもよい。
【００９０】
また、上記実施形態のように、各空気極８の長さが、支持基板４の長手方向の中央に近い空気極８ほど長くなっており、且つ、各燃料極６の長さが、支持基板４の長手方向の中央に近い燃料極６ほど長くなっていてもよい。また、各インターコネクタ９の長さも、支持基板４の長手方向の中央に近いインターコネクタ９ほど長くなっていてもよい。
【００９１】
変形例２
上記実施形態では、支持基板４の幅は略一定であったが、特にこれに限定されない。図１１に示すように、支持基板４の幅は一定でなくてもよい。詳細には、支持基板４の長手方向の中央部における支持基板４の幅ｗ１は、支持基板４の長手方向の両端部における支持基板４の幅ｗ３よりも大きい。例えば、支持基板４の長手方向の中央部における幅ｗ１は、支持基板４の長手方向の両端部における幅ｗ２よりも、０．１〜５．０ｍｍ程度大きくすることができる。なお、支持基板４の幅は、長手方向の中央部から両端部に向かって漸減している。
【００９２】
なお、支持基板４の長手方向の中央部における幅ｗ１として、例えば、支持基板４の幅方向の一方の端部（図１１の左端部）における長手方向の中心と、支持基板４の幅方向の他方の端部（図１１の右端部）における長手方向の中心との距離を測定することができる。また、支持基板４の長手方向の両端部における幅ｗ２として、例えば、支持基板４の角部間の距離を測定することができる。
【００９３】
変形例３
上記実施形態では、２つの端部空気極８ｂのうち、基端側の端部空気極８ｂの長さと先端側の端部空気極８ｂの長さは互いに実質的に同じであるが、これに限定されない。例えば、基端側の端部空気極８ｂの方が先端側の端部空気極８ｂより長くてもよい。また、先端側の端部空気極８ｂの方が基端側の端部空気極８ｂより長くてもよい。
【００９４】
変形例４
上記実施形態では、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、連通部材３が有する連通流路３０によって連通されていたが、この構成に限定されない。例えば、図１２に示すように、支持基板４が、内部に連通流路３０を有していてもよい。この場合、セルスタック装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この支持基板４内に形成された連通流路３０によって、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とが連通されている。
【００９５】
変形例５
上記実施形態では、燃料電池セル１０からのオフガスをマニホールド２のガス回収室２２によって回収しているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル１０の先端部からオフガスを排出して燃焼させてもよい。この場合、マニホールド２は、仕切板２４を有しておらず、ガス供給室２１とガス回収室２２とに分かれていなくてよい。
【符号の説明】
【００９６】
２    マニホールド
２１    ガス供給室
２２    ガス回収室
４    支持基板
５    発電素子部
６    燃料極
７    電解質
８    空気極
【図１】
2020119660.tif 000003
【図２】
2020119660.tif 000004
【図３】
2020119660.tif 000005
【図４】
2020119660.tif 000006
【図５】
2020119660.tif 000007
【図６】
2020119660.tif 000008
【図７】
2020119660.tif 000009
【図８】
2020119660.tif 000010
【図９】
2020119660.tif 000011
【図１０】
2020119660.tif 000012
【図１１】
2020119660.tif 000013
【図１２】
2020119660.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】令和2年5月15日(2020.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の支持基板と、
前記支持基板上において前記支持基板の長手方向に配列される複数の発電素子部と、
を備え、
前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板の幅方向に延びる電極を有し、
前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部のうち、中央に配置される前記発電素子部の電極の長さは、両端に配置される前記発電素子部の電極の長さよりも長い、
燃料電池セル。
【請求項２】
前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部のうち、中央に配置される前記発電素子部の電極の長さが最も長い、
請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部のうち、両端に配置される一対の前記発電素子部のうち少なくとも一方の発電素子部の電極の長さが最も短い、
請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部の電極のそれぞれの長さは、中央に近い電極ほど長い、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有し、
前記電極は、前記外側電極である、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有し、
前記電極は、前記内側電極である、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項７】
前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有し、
前記電極は、前記内側電極及び前記外側電極である、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記支持基板は、前記長手方向における中央部の幅が前記長手方向における両端部の幅よりも大きい、
請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載された、複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルのそれぞれにガスを分配するマニホールドと、
を備える、セルスタック装置。
【請求項１０】
前記マニホールドは、ガス供給室と、ガス回収室と、を有し、
前記複数の燃料電池セルのそれぞれは、
前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通する、少なくとも１つの第２ガス流路と、
を有する、
請求項９に記載のセルスタック装置。
【請求項１１】
前記燃料電池セルは、前記マニホールドに支持される基端部と、前記基端部と反対側の先端部とを有し、
前記両端に配置される２つの前記発電素子部において、前記基端部側に配置される発電素子部の電極の長さは、前記先端部側に配置される発電素子部の電極の長さよりも長い、
請求項９又は１０に記載のセルスタック装置。
【請求項１２】
前記燃料電池セルは、前記マニホールドに支持される基端部と、前記基端部と反対側の先端部とを有し、
前記両端に配置される２つの前記発電素子部において、前記先端部側に配置される発電素子部の電極の長さは、前記基端部側に配置される発電素子部の電極の長さよりも長い、
請求項９又は１０に記載のセルスタック装置。