(57)【要約】【課題】天板の変形を抑制することのできるマニホールド及びセルスタック装置を提供する。【解決手段】マニホールド２は、マニホールド本体２３と、仕切板２４とを備えている。マニホールド本体２３は、天板２３１、側板２３３、及び底板２３２を有する。天板２３１は、電気化学セルの基端部を支持する。仕切板２４は、底板２３２から天板２３１に向かって延びる。仕切板２４は、マニホールド本体２３の内部空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切る。ガス供給室２１は、第１ガス流路４３と連通する。ガス回収室２２は、第２ガス流路４４と連通する。仕切板２４は、天板２３１に近付くにつれて側板２３３に近付くように傾斜している。【選択図】図５
2020042948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基端部から先端部に延び且つ前記先端部で互いに連通する第１及び第２ガス流路を有する電気化学セルにガスを供給するためのマニホールドであって、
前記電気化学セルの基端部を支持する天板、側板、及び底板を有するマニホールド本体と、
前記底板から天板に向かって延び、前記マニホールド本体の内部空間をガス供給室とガス回収室とに仕切る仕切板と、
を備え、
前記仕切板は、前記天板に近付くにつれて前記側板に近付くように傾斜している、
マニホールド。
【請求項２】
前記仕切板は、前記天板、前記側板、及び前記底板よりも薄い、
請求項１に記載のマニホールド。
【請求項３】
前記仕切板は、前記天板側の端部が前記ガス供給室側の側板に近付くように傾斜する、
請求項１又は２に記載のマニホールド。
【請求項４】
前記仕切板は、前記天板側の端部が前記ガス回収室側の側板に近付くように傾斜する、
請求項１又は２に記載のマニホールド。
【請求項５】
前記天板は、前記仕切板が延びる方向と交差する方向に延びる凸部を有する、
請求項１から４のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項６】
基端部から先端部に延び且つ前記先端部で互いに連通する第１及び第２ガス流路を有する電気化学セルの基端部を支持するマニホールドであって、
前記電気化学セルの基端部を支持する天板、側板、及び底板を有するマニホールド本体と、
前記天板から底板に向かって延び、前記マニホールド本体の内部空間をガス供給室とガス回収室とに仕切る仕切板と、
を備え、
前記仕切板は、前記天板、前記側板、及び前記底板よりも薄い、
マニホールド。
【請求項７】
電気化学セルと、
前記電気化学セルの基端部を支持する請求項１から６のいずれかに記載のマニホールドと、
を備え、
前記電気化学セルは、
前記ガス供給室と連通し、前記電気化学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、前記電気化学セル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、
を有する、
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、マニホールド、及びセルスタック装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セルスタック装置は、電気化学セル及びマニホールドを備えている。特許文献１に開示されたセルスタック装置では、マニホールドは、電気化学セルの一例である燃料電池セルの基端部を支持している。マニホールドは、ガス供給室とガス回収室とを有している。詳細には、マニホールドは、内部空間を有するマニホールド本体と、仕切板とを有している。仕切板は、マニホールド本体の底板から天板に向かって延び、マニホールド本体の内部空間をガス供給室とガス回収室とに仕切っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６０３０２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
セルスタック装置は運転時において高温となるため、仕切板が熱膨張することがある。仕切板は、マニホールドの天板と当接しているため、仕切板が熱膨張することによって、天板を押圧して変形させてしまうおそれがある。天板が変形すると、天板に支持された電気化学セルの基端部や電気化学セルを天板に接合する接合材などにクラックが生じるといったような問題が生じる。このため、天板の変形は抑制することが好ましい。そこで、本発明の課題は、天板の変形を抑制することのできるマニホールド及び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】
本発明の第１側面に係るマニホールドは、電気化学セルにガスを供給するためのマニホールドである。電気化学セルは、第１及び第２ガス流路を有する。第１及び第２ガス流路は、電気化学セルの基端部から先端部に延び、且つ電気化学セルの先端部で互いに連通する。マニホールドは、マニホールド本体と、仕切板とを備えている。マニホールド本体は、天板、側板、及び底板を有する。天板は、電気化学セルの基端部を支持する。仕切板は、底板から天板に向かって延びる。仕切板は、マニホールド本体の内部空間をガス供給室とガス回収室とに仕切る。仕切板は、天板に近付くにつれて側板に近付くように傾斜している。
【０００６】
この構成によれば、仕切板が側板側に傾斜しているため、仕切板は天板に対して傾斜した状態で当接する。このため、マニホールドの仕切板は、熱膨張した際において天板を押圧する力が天板の面方向に分散される。この結果、本発明に係るマニホールドでは、仕切板が天板と直交する状態で当接する従来の構成に比べて、仕切板の熱膨張によって天板に掛かる応力が減少し、天板の変形を抑制することができる。
【０００７】
好ましくは、仕切板は、天板、側板、及び底板よりも薄い。
【０００８】
好ましくは、仕切板は、天板側の端部がガス供給室側の側板に近付くように傾斜する。
【０００９】
好ましくは、仕切板は、天板側の端部がガス回収室側の側板に近付くように傾斜する。
【００１０】
好ましくは、天板は、仕切板が延びる方向と交差する方向に延びる凸部を有する。
【００１１】
本発明の第２側面に係るマニホールドは、電気化学セルにガスを供給するためのマニホールドである。電気化学セルは、第１及び第２ガス流路を有する。第１及び第２ガス流路は、電気化学セルの基端部から先端部に延び、且つ電気化学セルの先端部で互いに連通する。マニホールドは、マニホールド本体と、仕切板とを備えている。マニホールド本体は、天板、側板、及び底板を有する。天板は、電気化学セルの基端部を支持する。仕切板は、底板から天板に向かって延びる。仕切板は、マニホールド本体の内部空間をガス供給室とガス回収室とに仕切る。仕切板は、天板、側板、及び底板よりも薄い。
【００１２】
この構成によれば、仕切板が天板、側板、及び底板よりも薄いため、仕切板が熱膨張しても、天板に作用する応力が従来と比べて小さくなる。このため、天板の変形を抑制することができる。
【００１３】
本発明の第３側面に係るセルスタック装置は、電気化学セルと、上述したいずれかのマニホールドとを備えている。マニホールドは、電気化学セルの基端部を支持する。電気化学セルは、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、ガス供給室と連通する。第１ガス流路は、電気化学セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、ガス回収室と連通する。第２ガス流路は、電気化学セルの基端部から先端部に延びる。第１ガス流路と第２ガス流路とは、電気化学セルの先端部において互いに連通する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、天板の変形を抑制することができる。
【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】マニホールドの断面図。
【図６】燃料電池セルの斜視図。
【図７】燃料電池セルの断面図。
【図８】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図９】変形例に係るセルスタック装置の断面図。
【図１０】変形例に係るセルスタック装置の断面図。
【図１１】変形例に係るマニホールドの平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るマニホールド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、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、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２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体２３は、直方体状である。
【００２１】
図２から図４に示すように、マニホールド本体２３は、天板２３１、底板２３２、及び側板２３３を有している。底板２３２と側板２３３とは１つの部材で構成されている。天板２３１は、側板２３３の上端部と接合している。なお、天板２３１と側板２３３とが１つの部材で構成されており、底板２３２が側板２３３の下端部と接合していてもよい。
【００２２】
図２に示すように、側板２３３は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びる一対の第１側板２３３ａと、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に延びる一対の第２側板２３３ｂとを有している。なお、第１側板２３３ａが、本発明の側板に相当する。
【００２３】
図３に示すように、マニホールド本体２３の天板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。各貫通孔２３４の配列方向（ｚ軸方向）は、燃料電池セル１０の配列方向と同義である。
【００２４】
各貫通孔２３４は、マニホールド本体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】
図４に示すように、天板２３１は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。詳細には、接合材１０３が天板２３１と燃料電池セル１０の基端部１０１とを接合する。接合材１０３は、燃料電池セル１０の基端部１０１の周囲に沿って環状に形成されている。
なお、天板２３１は、燃料電池セル１０を本実施形態のように直接的に支持してもよいし、燃料電池セル１０との間に別の部材を介して燃料電池セル１０を間接的に支持していてもよい。
【００２６】
図５に示すように、仕切板２４は、底板２３２から天板２３１に向かって延びている。すなわち、仕切板２４は、ｚ軸方向に延びている。また、仕切板２４は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）にも延びている。すなわち、仕切板２４は、一対の第１側板２３３ａと対向するように延びている。仕切板２４は、例えば、天板２３１及び底板２３２に溶接されている。
【００２７】
仕切板２４は、マニホールド本体２３の内部空間をガス供給室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、マニホールド本体２３の内部空間を仕切っている。
【００２８】
仕切板２４は、天板２３１に近付くにつれて、第１側板２３３ａに近付くように傾斜している。すなわち、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に沿って見た状態において、仕切板２４は、天板２３１に対して直交した状態で天板２３１と当接するのではなく、天板２３１に対して傾斜した状態で天板２３１と当接している。この仕切板２４と天板２３１とがなす角度αは、例えば、９０．０１〜１３５°程度とすることが好ましく、９２〜１２０°程度とすることがより好ましい。なお、仕切板２４は、天板２３１側の端部、すなわち上端部が天板２３１にガス回収室２２側の第１側板２３３ａに近付くように傾斜している。
【００２９】
仕切板２４は、マニホールド本体２３よりも薄い。詳細には、仕切板２４は、天板２３１、底板２３２、及び側板２３３よりも薄い。仕切板２４の厚さは、例えば、第１側板２３２ａの厚さの５〜９５％程度である。
【００３０】
［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。
【００３１】
ガス供給管１２は、例えば、第２側板２３３ｂに取り付けられている。なお、ガス供給管１２は、第２側板２３３ｂ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。
【００３２】
［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。
【００３３】
ガス回収管１３は、例えば、第２側板２３３ｂに取り付けられている。なお、ガス供給管１２は、一対の第２側板２３３ｂのうちの一方の第２側板２３３ｂに取り付けられ、ガス回収管１３は、一対の第２側板２３３ｂのうちの他方の第２側板２３３ｂに取り付けられる。
【００３４】
ガス回収管１３は、第２側板２３３ｂ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。
【００３５】
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。
【００３６】
［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。
【００３７】
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。
【００３８】
図４及び図６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。
【００３９】
［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。
【００４０】
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１０３などによってマニホールド２の天板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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
第１ガス流路４３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。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１０１側において、ガス供給室２１と連通している。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
第２ガス流路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。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１０１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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
図６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。
【００５７】
図６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。
【００５８】
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。
【００５９】
［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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
図７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７と同じである。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
［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。
【００７２】
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７の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図７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。
【００７３】
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。
【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】
［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）
【００７７】
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。
【００７８】
［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。
【００７９】
変形例１
上記実施形態では、仕切板２４は、天板２３１側の端部がガス回収室２２側の第１側板２３３ａに近付くように傾斜しているが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、仕切板２４は、天板２３１側の端部がガス供給室２１側の第１側板２３３ａに近付くように傾斜してもよい。
【００８０】
変形例２
上記実施形態では、仕切板２４は、天板２３１、底板２３２、及び側板２３３よりも薄く構成されているが、これに限定されない。例えば、仕切板２４は、天板２３１、底板２３２、及び側板２３３と同じ厚さでもよいし、天板２３１、底板２３２、及び側板２３３よりも厚くてもよい。なお、仕切板２４が天板２３１、底板２３２、及び側板２３３よりも薄く構成されている場合、仕切板２４は、傾斜していなくてもよい。
【００８１】
変形例３
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９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。
【００８２】
変形例４
図１０に示すように、各燃料電池セル１０は、第１燃料電池セル部１０ａと第２燃料電池セル部１０ｂとに分かれていてもよい。この場合、第１燃料電池セル部１０ａに第１ガス流路４３が形成され、第２燃料電池セル部１０ｂに第２ガス流路４４が形成される。
【００８３】
変形例５
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。
【００８４】
変形例６
図１１に示すように、天板２３１は、仕切板２４が延びる方向（ｚ軸方向）と交差する方向（ｙ軸方向）に延びる凸部２３５を有していてもよい。凸部２３５は、燃料電池セル１０の幅方向に延びている。例えば、天板２３１は、一対の凸部２３５を有している。一方の凸部２３５は、第１端部２０１側に配置され、他方の凸部２３５は、第２端部２０２側に配置されている。各凸部２３５の両端は、天板２３１の幅方向（ｙ軸方向）の両端と間隔をあけているが、天板２３１の幅方向において端から端まで延びていてもよい。凸部２３５は、例えば、天板２３１の一部をプレス加工したり、別部材を天板２３１に取り付けることで形成することができる。凸部２３５は、天板２３１から上方に突出していてもよいし、下方に突出していてもよい。
【００８５】
変形例７
上記実施形態では、マニホールド２の天板２３１が上方を向き、底板２３２が下方を向くように配置されているが、マニホールド２の配置はこれに限定されない。例えば、マニホールド２の天板２３１が下方を向き、底板２３２が上方を向くように配置されていてもよい。この場合、燃料電池セル１０は、天板２３１から下方に延びる。
【００８６】
変形例８
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。
【００８７】
変形例９
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】
【００８８】
２    マニホールド
２１    ガス供給室
２２    ガス回収室
２３    マニホールド本体
２３１    天板
２３２    底板
２３３    側板
２４    仕切板
１０    燃料電池セル
４３    第１ガス流路
４４    第２ガス流路
【図１】
2020042948.tif 000003
【図２】
2020042948.tif 000004
【図３】
2020042948.tif 000005
【図４】
2020042948.tif 000006
【図５】
2020042948.tif 000007
【図６】
2020042948.tif 000008
【図７】
2020042948.tif 000009
【図８】
2020042948.tif 000010
【図９】
2020042948.tif 000011
【図１０】
2020042948.tif 000012
【図１１】
2020042948.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月26日(2019.2.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
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10月4日(2019.10.4)
【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】
基端部から先端部に延び且つ前記先端部で互いに連通する第１及び第２ガス流路を有する電気化学セルにガスを供給するためのマニホールドであって、
前記電気化学セルの基端部を支持する天板、側板、及び底板を有するマニホールド本体と、
前記底板から天板に向かって延び、前記マニホールド本体の内部空間をガス供給室とガス回収室とに仕切る仕切板と、
を備え、
前記仕切板は、前記天板に近付くにつれて前記側板に近付くように傾斜している、
マニホールド。
【請求項２】
前記仕切板は、前記天板、前記側板、及び前記底板よりも薄い、
請求項１に記載のマニホールド。
【請求項３】
前記仕切板は、前記天板側の端部が前記ガス供給室側の側板に近付くように傾斜する、
請求項１又は２に記載のマニホールド。
【請求項４】
前記仕切板は、前記天板側の端部が前記ガス回収室側の側板に近付くように傾斜する、
請求項１又は２に記載のマニホールド。
【請求項５】
前記天板は、前記仕切板が延びる方向と交差する方向に延びる凸部を有する、
請求項１から４のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項６】
電気化学セルと、
前記電気化学セルの基端部を支持する請求項１から５のいずれかに記載のマニホールドと、
を備え、
前記電気化学セルは、
前記ガス供給室と連通し、前記電気化学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、前記電気化学セル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、
を有する、
セルスタック装置。