(57)【要約】【課題】ガスの使用効率を向上させる。【解決手段】セルスタック装置１００は、複数の電気化学セル１０、マニホールド２、ガス供給部１２、及びガス回収部１３を有する。マニホールド２は、電気化学セル１０の配列方向に延びるガス供給室２１及びガス回収室２２を有する。電気化学セル１０の支持基板は、第１ガス流路および第２ガス流路を有している。第１ガス流路はガス供給室２１と連通し、第２ガス流路はガス回収室２２と連通する。第１ガス流路と第２ガス流路とは、電気化学セル１０の先端部において互いに連通する。ガス供給部１２は、マニホールド２の中心よりも配列方向の第１端部側においてガス供給室２１と連通する。ガス回収部１３は、マニホールド２の中心よりも配列方向の第２端部側においてガス回収室２２と連通する。【選択図】図１
2020009726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに間隔をあけて配置される複数の電気化学セルと、
前記電気化学セルの配列方向に延びるガス供給室及びガス回収室を有し、前記各電気化学セルの基端部を支持するマニホールドと、
前記ガス供給室と連通し、前記ガス供給室にガスを供給するためのガス供給部と、
前記ガス回収室と連通し、前記ガス回収室からガスを回収するためのガス回収部と、
を備え、
前記電気化学セルのそれぞれは、
前記マニホールドから延びる支持基板と、
前記支持基板に支持される発電素子部と、
を有し、
前記支持基板は、
前記ガス供給室と連通し、前記支持基板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、前記支持基板の基端部から先端部に延びて前記電気化学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、
を有し、
前記ガス供給部は、前記マニホールドの中心よりも前記配列方向の第１端部側において前記ガス供給室と連通し、
前記ガス回収部は、前記マニホールドの中心よりも前記配列方向の第２端部側において前記ガス回収室と連通する、
セルスタック装置。
【請求項２】
前記ガス供給部は、前記ガス回収部のガス回収方向に沿ってガスを供給する、
請求項１に記載のセルスタック装置。
【請求項３】
前記ガス供給部は、前記ガス回収部のガス回収方向と交差する方向にガスを供給する、
請求項１に記載のセルスタック装置。
【請求項４】
前記ガス供給部は、前記配列方向に沿ってガスを供給する、
請求項１から３のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項５】
前記ガス供給部は、前記電気化学セルの幅方向に沿ってガスを供給する、
請求項１から３のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項６】
前記支持基板は、前記支持基板の先端部において前記第１ガス流路と前記第２ガス流路を連通する連通流路をさらに有する、
請求項１から５のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項７】
前記電気化学セルは、前記支持基板の先端部に取り付けられる連通部材をさらに有し、
前記連通部材は、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連通する連通流路を有する、
請求項１から５のいずれか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、セルスタック装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気化学セルと、電気化学セルにガスを供給するマニホールドと、を備えたセルスタック装置が知られている。電気化学セルは、ガス流路が形成された支持基板と、支持基板に支持される発電素子部とを備えている。支持基板の基端部からガス流路に供給ガスが供給される一方で、支持基板の先端部から未反応のガスが外部へと排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１７１０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したようなセルスタック装置において、ガスの使用効率を向上させることが要望されている。そこで本発明の課題は、ガスの使用効率を向上させることのできるセルスタック装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある側面に係るセルスタック装置は、複数の電気化学セルと、マニホールドと、ガス供給部と、ガス回収部とを備えている。各電気化学セルは、互いに間隔をあけて配置される。マニホールドは、電気化学セルの配列方向に延びるガス供給室及びガス回収室を有する。マニホールドは、各電気化学セルの基端部を支持する。ガス供給部は、ガス供給室と連通する。ガス供給部は、ガス供給室にガスを供給するように構成されている。ガス回収部は、ガス回収室と連通する。ガス回収部は、ガス回収室からガスを回収するように構成されている。電気化学セルのそれぞれは、マニホールドから延びる支持基板と、支持基板に支持される発電素子部と、を有する。支持基板は、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、を有している。第１ガス流路は、ガス供給室と連通し、支持基板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、支持基板の基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、電気化学セルの先端部において第１ガス流路と連通する。ガス供給部は、マニホールドの中心よりも配列方向の第１端部側においてガス供給室と連通する。ガス回収部は、マニホールドの中心よりも配列方向の第２端部側においてガス回収室と連通する。
【０００６】
この構成によれば、第１ガス流路を流れたガスのうち未反応のガスは第２ガス流路を流れ、第２ガス流路を流れたガスのうちさらに未反応のガスは、ガスマニホールドのガス回収室にて回収される。このため、ガスの使用効率を向上させることができる。
【０００７】
また、ガス供給部は配列方向の第１端部側においてガス供給室と連通し、ガス回収部は配列方向の第２端部側においてガス回収室と連通している。このため、ガス供給部→電気化学セル→ガス回収部の経路で流れるガスの経路長の、各電気化学セル間におけるばらつきを小さくすることができる。
【０００８】
好ましくは、ガス供給部は、ガス回収部のガス回収方向に沿ってガスを供給する。
【０００９】
好ましくは、ガス供給部は、ガス回収部のガス回収方向と交差する方向にガスを供給する。
【００１０】
好ましくは、ガス供給部は、配列方向に沿ってガスを供給する。
【００１１】
好ましくは、ガス供給部は、電気化学セルの幅方向に沿ってガスを供給する。
【００１２】
好ましくは、支持基板は、支持基板の先端部において第１ガス流路と第２ガス流路を連通する連通流路をさらに有する。
【００１３】
好ましくは、電気化学セルは、支持基板の先端部に取り付けられる連通部材をさらに有する。連通部材は、第１ガス流路と第２ガス流路とを連通する連通流路を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ガスの使用効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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】マニホールドの平面図。
【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】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図８】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図９】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図１０】変形例に係るセルスタック装置の断面図。
【図１１】変形例に係るセルスタック装置の断面図。
【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】
【００１６】
以下、本発明に係る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、電気化学セルの一例として燃料電池セル、より具体的には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。
【００１７】
［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、ガス供給管１２（ガス供給部の一例）と、ガス回収管１３（ガス回収部の一例）と、複数の燃料電池セル１０とを備えている。
【００１８】
［マニホールド］
マニホールド２は、燃料電池セル１０にガスを供給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。
【００１９】
図２に示すように、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及びガス回収室２２は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。マニホールド２は、燃料電池セル１０の配列方向において、第１端部２０１と第２端部２０２とを有している。なお、図２の中心線Ｃは、配列方向におけるマニホールド２の中心Ｃを示している。
【００２０】
詳細には、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。
【００２１】
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２の幅方向（ｙ軸方向）の略中央部において、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に延びている。なお、本実施形態において、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）と燃料電池セル１０の配列方向とは同じ方向である。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。
【００２２】
図２から図４に示すように、マニホールド本体部２３は、上板部２３１、底板部２３２、及び側板部２３３を有している。図２に示すように、側板部２３３は、燃料電池セル１０の幅方向に延びる一対の第１側板部２３３ａと、燃料電池セル１０の配列方向に延びる一対の第２側板部２３３ｂとを有している。
【００２３】
図３に示すように、マニホールド本体部２３の上板部２３１には、複数の貫通孔２３４が形成されている。各貫通孔２３４は、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。
【００２４】
各貫通孔２３４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２３４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２３４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。
【００２５】
［ガス供給管］
図２に示すように、ガス供給管１２は、ガス供給室２１にガスを供給するように構成されている。ガス供給管１２は、ガス供給室２１と連通している。詳細には、ガス供給管１２は、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側において、ガス供給室２１と連通している。
【００２６】
ガス供給管１２は、側板部２３３に取り付けられている。詳細には、ガス供給管１２は、第１側板部２３３ａに取り付けられている。なお、ガス供給管１２は、第１側板部２３３ａから、燃料電池セル１０の配列方向に沿ってガスを供給している。すなわち、ガス供給管１２によるガス供給方向は、燃料電池セル１０の配列方向に沿っている。なお、図２の矢印Ｇ１は、ガス供給方向を示す。
【００２７】
［ガス回収管］
ガス回収管１３は、ガス回収室２２からガスを回収するように構成されている。ガス回収管１３は、ガス回収室２２と連通している。ガス回収管１３は、燃料電池セル１０の配列方向において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側においてガス回収室２２と連通している。
【００２８】
ガス回収管１３は、側板部２３３に取り付けられている。詳細には、ガス回収管１３は、第１側板部２３３ａに取り付けられている。なお、ガス供給管１２は、一対の第１側板部２３３ａのうちの一方の第１側板部２３３ａに取り付けられ、ガス回収管１３は、一対の第１側板部２３３ａのうちの他方の第１側板部２３３ａに取り付けられる。
【００２９】
ガス回収管１３は、第１側板部２３３ａから、燃料電池セル１０の配列方向に沿ってガスを回収している。すなわち、ガス回収管１３によるガス回収方向は、燃料電池セル１０の配列方向に沿っている。なお、図２の矢印Ｇ２は、ガス回収方向を示す。
【００３０】
ガス供給管１２は、ガス回収管１３のガス回収方向に沿ってガスを供給している。すなわち、ガス供給管１２によるガス供給方向は、ガス回収管１３によるガス回収方向と実質的に同じである。
【００３１】
［燃料電池セル］
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。詳細には、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。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。
【００３２】
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の長さ方向（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の長さ方向に沿っている。なお、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。
【００３３】
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、連通部材３と、を有している。各発電素子部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、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。
【００３４】
［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上下方向に延びている。詳細には、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、扁平状であり、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の長さ方向（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。
【００３５】
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の上板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、上板部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。このように支持基板４の基端部４１がマニホールド２に取り付けられることによって、支持基板４の基端部４１は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連結している。
【００３６】
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ガス流路４３は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第１ガス流路４３は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第１ガス流路４３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（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１ガス流路４３は、等間隔に配置されていることが好ましい。支持基板４は、長さ方向（ｘ軸方向）よりも幅方向（ｙ軸方向）の寸法の方が長くてもよい。
【００３７】
図４に示すように、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１は、第１ガス流路４３の中心間の距離である。例えば、第１ガス流路４３のピッチｐ１は、基端部４１、中央部、及び先端部４２のそれぞれにおいて測定したピッチの平均値とすることができる。
【００３８】
第１ガス流路４３は、支持基板４の基端部４１から先端部４２に向かって延びている。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、第１ガス流路４３は、基端部４１側において、ガス供給室２１と連通している。
【００３９】
第２ガス流路４４は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第２ガス流路４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３と実質的に平行に延びている。
【００４０】
第２ガス流路４４は、支持基板４を貫通している。各第２ガス流路４４は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第２ガス流路４４は、等間隔に配置されていることが好ましい。
【００４１】
隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２は、第２ガス流路４４の中心間の距離である。例えば、第２ガス流路４４のピッチｐ２は、基端部４１、中央部、及び先端部４２のそれぞれにおいて測定したピッチの平均値とすることができる。なお、各第２ガス流路４４間のピッチｐ２は、各第１ガス流路４３間のピッチｐ１と実質的に等しいことが好ましい。
【００４２】
第２ガス流路４４は、支持基板４の先端部４２から基端部４１に向かって延びている。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、第２ガス流路４４は、基端部４１側において、マニホールド２のガス回収室２２と連通している。
【００４３】
隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、例えば、１〜１０ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、第１ガス流路４３の中心と第２ガス流路４４の中心との距離である。例えば、ピッチｐ０は、支持基板４の第１端面４１１において測定することができる。
【００４４】
隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１よりも大きい。また、隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２よりも大きい。
【００４５】
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、連通部材３の連通流路３０を介して連通している。
【００４６】
第１ガス流路４３及び第２ガス流路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。
【００４７】
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。
【００４８】
特に限定されるものではないが、各第２ガス流路４４の流路断面積の合計値は、各第１ガス流路４３の流路断面積の合計値の２０〜９５％程度とすることができる。なお、第１ガス流路４３の流路断面積は、例えば、０.５〜２０ｍｍ２程度とすることができる。また、第２ガス流路４４の流路断面積は、例えば、０.１〜１５ｍｍ２程度とすることができる。
【００４９】
なお、第１ガス流路４３の流路断面積は、第１ガス流路４３が延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した切断面における第１ガス流路４３の流路断面積を言う。また、第１ガス流路４３の流路断面積は、基端部４１側の任意の箇所における流路断面積と、中央部の任意の箇所における流路断面積と、先端部４２側の任意の箇所における流路断面積との平均値とすることができる。
【００５０】
また、第２ガス流路４４の流路断面積は、第２ガス流路４４が延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した切断面における第２ガス流路４４の流路断面積を言う。また、第２ガス流路４４の流路断面積は、基端部４１側の任意の箇所における流路断面積と、中央部の任意の箇所における流路断面積と、先端部４２側の任意の箇所における流路断面積との平均値とすることができる。
【００５１】
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。
【００５２】
図５に示すように、支持基板４は、発電素子部５を支持している。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。
【００５３】
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９１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。
【００５４】
［発電素子部］
複数の発電素子部５が、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。各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、基端部４１から先端部４２に向かって互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部５は、後述する電気的接続部９によって、互いに直列に接続されている。
【００５５】
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の長さ方向視（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
発電素子部５は、燃料極６、電解質７、及び空気極８を有している。また、発電素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。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。
【００５９】
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１凹部６１１及び第２凹部６１２を有している。燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に配置されている。詳細には、燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に充填されている。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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９１から他のインターコネクタ９１まで長さ方向に延びている。すなわち、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質７とインターコネクタ９１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。
【００６３】
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。
【００６４】
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、平面視において、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８内のＳｒとが反応して電解質７と空気極８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。
【００６５】
空気極８は、反応防止膜１１上に配置されている。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焼成体である。空気極８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８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８の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００６６】
［電気的接続部］
電気的接続部９は、隣り合う発電素子部５を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部９は、インターコネクタ９１及び空気極集電膜９２を有する。インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に埋設（充填）されている。インターコネクタ９１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ９１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９１の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９１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９１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００６７】
空気極集電膜９２は、隣り合う発電素子部５のインターコネクタ９１と空気極８との間を延びるように配置される。例えば、図６の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図６の右側に配置された発電素子部５のインターコネクタ９１とを電気的に接続するように、空気極集電膜９２が配置されている。空気極集電膜９２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。
【００６８】
空気極集電膜９２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、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、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜９２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。
【００６９】
［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。
【００７０】
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。
【００７１】
［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、マニホールド２のガス供給室２１に水素ガスなどの燃料ガスを供給するとともに、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）
【００７２】
詳細には、ガス供給管１２からガス供給室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。そして、ガス回収管１３は、ガス回収室２２からガスを回収する。
【００７３】
［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。
【００７４】
変形例１
上記実施形態では、ガス供給管１２及びガス回収管１３は、第１側板部２２３ａに取り付けられているが、これに限定されない。例えば、図７に示すように、ガス供給管１２及びガス回収管１３は、第２側板部２２３ｂに取り付けられていてもよい。なお、ガス供給管１２は、一対の第２側板部２３３ｂのうちの一方の第２側板部２３３ｂに取り付けられ、ガス回収管１３は、一対の第２側板部２３３ｂのうちの他方の第２側板部２３３ｂに取り付けられる。
【００７５】
また、ガス供給管１２は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に沿ってガスを供給してもよい。同様に、ガス回収管１３は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に沿ってガスを回収してもよい。
【００７６】
変形例２
上記実施形態では、ガス供給管１２は、ガス回収管１３のガス回収方向に沿ってガスを供給しているが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、ガス供給管１２は、ガス回収管１３の回収方向と交差する方向にガスを供給してもよい。詳細には、ガス供給管１２は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に沿ってガスを供給し、ガス回収管１３は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に沿ってガスを回収してもよい。この場合、ガス供給管１２は、第１側板部２３３ａに取り付けられ、ガス回収管１３は第２側板部２３３ｂに取り付けられる。
【００７７】
また、図９に示すように、ガス供給管１２は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に沿ってガスを供給し、ガス回収管１３は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に沿ってガスを回収してもよい。この場合、ガス供給管１２は、第２側板部２３３ｂに取り付けられ、ガス回収管１３は第１側板部２３３ａに取り付けられる。
【００７８】
変形例３
上記実施形態では、ガス供給管１２及びガス回収管１３は、側板部２３３に取り付けられているが、これに限定されない。例えば、ガス供給管１２及びガス回収管１３の少なくとも一方は、上板部２３１又は底板部２３２に取り付けられていてもよい。
【００７９】
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１０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。
【００８０】
変形例５
各第１ガス流路４３の流路断面積は、互いに異なっていてもよい。また、各第２ガス流路４４の流路断面積は、互いに異なっていてもよい。また、第１ガス流路４３の流路断面積は、第２ガス流路４４の流路断面積と実質的に同じであってもよいし、第２ガス流路４４の流路断面積よりも小さくてもよい。
【００８１】
変形例６
上記実施形態では、第２ガス流路４４の数は、第１ガス流路４３の数と同じであったが、第２ガス流路４４の数はこれに限定されない。例えば、図１１に示すように、第２ガス流路４４の数は、第１ガス流路４３の数よりも少なくてもよい。
【００８２】
変形例７
第１ガス流路４３は、その長さ方向（ｘ軸方向）において、均一な流路断面積を有していなくてもよい。特に、第１ガス流路４３の流路断面積は、燃料ガス濃度が低くなる先端部４２に近付くほど小さくなっていてもよい。また、第２ガス流路４４は、その長さ方向（ｘ軸方向）において、均一な流路断面積を有していなくてもよい。特に、第２ガス流路４４の流路断面積は、燃料ガス濃度が低くなる基端部４１に近付くほど小さくなっていてもよい。この構成によれば拡散性が向上し界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化することを抑制することができる。
【００８３】
変形例８
上記実施形態では、第１及び第２ガス流路４３，４４は、円形状の断面を有しているが、第１及び第２ガス流路４３，４４の断面形状は、矩形状や楕円形状であってもよい。
【００８４】
変形例９
上記実施形態では、支持基板４は、複数の第１ガス流路４３を有しているが、１つの第１ガス流路４３のみを有していてもよい。同様に、支持基板４は、複数の第２ガス流路４４を有しているが、１つの第２ガス流路４４のみを有していてもよい。
【００８５】
変形例１０
上記実施形態では、第１主面４５に配置された各発電素子部５は、互いに直列に接続されているが、第１主面４５に配置された各発電素子部５の全てが直列に接続されている必要は無い。なお、第２主面４６に配置された各発電素子部５についても同様である。
【００８６】
変形例１１
燃料電池セル１０において、第１主面４５に形成された各発電素子部５と第２主面４６に形成された各発電素子部５との間は、互いに電気的に接続されていなくてもよいし、複数の箇所で電気的に接続されていてもよい。
【００８７】
変形例１２
上記実施形態では、各発電素子部５は、第１主面４５と第２主面４６との両面に配置されているが、どちらか一方の面のみに配置されていてもよい。
【００８８】
変形例１３
各燃料電池セル１０の幅は、互いに異なっていてもよい。また、各発電素子部５の幅は、互いに異なっていてもよい。例えば、ある支持基板４に形成された各発電素子部５の幅と、別の支持基板４に形成された各発電素子部５の幅とは、異なっていてもよい。
【００８９】
変形例１４
実施形態では、連通部材３は多孔質であるが、連通部材３は金属によって構成されていてもよい。具体的には、連通部材３は、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｎｉ基合金、又はＭｇＯ系セラミックス材料（支持基板４と同じ材料でも良い）などによって構成することができる。
【００９０】
変形例１５
上記実施形態では、連通部材３の連通流路３０は空間によって構成されていたが、連通部材３の連通流路３０の構成はこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、連通部材３の連通流路３０は、連通部材３内に形成された複数の気孔によって構成することができる。
【００９１】
変形例１６
上記実施形態のマニホールド２では、１つのマニホールド本体部２３を仕切板２４で仕切ることによって、ガス供給室２１とガス回収室２２とを画定しているが、マニホールド２の構成はこれに限定されない。例えば、２つのマニホールド本体部２３によってマニホールド２を構成することもできる。この場合、１つのマニホールド本体部２３がガス供給室２１を有し、別のマニホールド本体部２３がガス回収室２２を有している。
【００９２】
変形例１７
上記実施形態の燃料電池セル１０は、各発電素子部５が支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている、いわゆる横縞型の燃料電池セルであるが、燃料電池セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、支持基板４の第１主面４５に１つの発電素子部５が支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。この場合、支持基板４の第２主面４６に一つの発電素子部５が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。
【００９３】
変形例１８
上記実施形態では、電気化学セルを固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）として用いているが、これに限定されない。例えば、電気化学セルを固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）として用いることもできる。
【符号の説明】
【００９４】
２        ：マニホールド
２１      ：ガス供給室
２２      ：ガス回収室
３        ：連通部材
３０      ：連通流路
４        ：支持基板
４１      ：基端部
４２      ：先端部
４３      ：第１ガス流路
４４      ：第２ガス流路
５        ：発電素子部
１０      ：燃料電池セル
１２      ：ガス供給管
１３      ：ガス回収管
１００    ：セルスタック装置
【図１】
2020009726.tif 000003
【図２】
2020009726.tif 000004
【図３】
2020009726.tif 000005
【図４】
2020009726.tif 000006
【図５】
2020009726.tif 000007
【図６】
2020009726.tif 000008
【図７】
2020009726.tif 000009
【図８】
2020009726.tif 000010
【図９】
2020009726.tif 000011
【図１０】
2020009726.tif 000012
【図１１】
2020009726.tif 000013
【図１２】
2020009726.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月5日(2019.3.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
第１ガス流路４３及び第２ガス流路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。
【手続補正書】
【提出日】令和1年6月18日(2019.6.18)
【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】
互いに間隔をあけて配置される複数の電気化学セルと、
前記電気化学セルの配列方向に延びるガス供給室及びガス回収室を有し、前記各電気化学セルの基端部を支持するマニホールドと、
前記ガス供給室と連通し、前記ガス供給室にガスを供給するためのガス供給部と、
前記ガス回収室と連通し、前記ガス回収室からガスを回収するためのガス回収部と、
を備え、
前記電気化学セルのそれぞれは、
前記マニホールドから延びる支持基板と、
前記支持基板に支持される発電素子部と、
を有し、
前記支持基板のそれぞれは、
前記ガス供給室と連通し、前記支持基板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、前記支持基板の基端部から先端部に延びて前記電気化学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、
を有し、
前記ガス供給部は、前記マニホールドの中心よりも前記配列方向の第１端部側において前記ガス供給室と連通し、
前記ガス回収部は、前記マニホールドの中心よりも前記配列方向の第２端部側において前記ガス回収室と連通する、
セルスタック装置。
【請求項２】
前記ガス供給部は、前記ガス回収部のガス回収方向に沿ってガスを供給する、
請求項１に記載のセルスタック装置。
【請求項３】
前記ガス供給部は、前記ガス回収部のガス回収方向と交差する方向にガスを供給する、
請求項１に記載のセルスタック装置。
【請求項４】
前記ガス供給部は、前記配列方向に沿ってガスを供給する、
請求項１から３のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項５】
前記ガス供給部は、前記電気化学セルの幅方向に沿ってガスを供給する、
請求項１から３のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項６】
前記支持基板は、前記支持基板の先端部において前記第１ガス流路と前記第２ガス流路を連通する連通流路をさらに有する、
請求項１から５のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項７】
前記電気化学セルは、前記支持基板の先端部に取り付けられる連通部材をさらに有し、
前記連通部材は、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連通する連通流路を有する、
請求項１から５のいずれかに記載のセルスタック装置。