DE112019000043T5 - Brennstoffzelle und Zellenstapelvorrichtung - Google Patents

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gas channels
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Ryuhei OHARA
Hirofumi Kan
Makoto Ohmori
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

Eine Brennstoffzelle (10) weist ein Trägersubstrat (4), mindestens einen Stromerzeugungselementabschnitt (5), mindestens einen ersten Gaskanal (43) und mindestens einen zweiten Gaskanal (44) auf. Der Stromerzeugungselementabschnitt (5) ist auf dem Trägersubstrat (4) angeordnet. Die ersten und zweiten Gaskanäle (43, 44) erstrecken sich von einem proximalen Endabschnitt (101) hin zu einem distalen Endabschnitt (102) in dem Trägersubstrat (4) und sind miteinander in dem distalen Endabschnitt (102) verbunden. Die Summe eines Querschnittsbereichs des mindestens einen ersten Gaskanals (43) ist kleiner als die Summe eines Querschnittsbereichs des mindestens einen zweiten Gaskanals (44).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und eine Zellenstapelvorrichtung.
  • STAND DER TECHNIK
  • Eine Zellenstapelvorrichtung weist eine Brennstoffzelle und einen Verteiler auf. Die Brennstoffzelle erstreckt sich von dem Verteiler aufwärts und erzeugt elektrischen Strom, während ihr Brenngas von dem Verteiler zugeführt wird.
  • LISTE DER DOKUMENTE
  • PATENTLITERATUR
  • Patentliteratur 1: JP 2016-171064A
  • KURZDARSTELLUNG
  • TECHNISCHES PROBLEM
  • Es besteht ein Bedarf nach einer Verbesserung des Ausgangs einer Brennstoffzelle in einer Zellenstapelvorrichtung wie der oben beschriebenen. In dieser Hinsicht zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, den Ausgang einer Brennstoffzelle zu verbessern.
  • LÖSUNG DES PROBLEMS
  • Eine Brennstoffzelle gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen distalen Endabschnitt und einen proximalen Endabschnitt auf. Die Brennstoffzelle weist ein Trägersubstrat, mindestens einen Stromerzeugungselementabschnitt, mindestens einen ersten Gaskanalund mindestens einen zweiten Gaskanal auf. Der Stromerzeugungselementabschnitt ist auf dem Trägersubstrat angeordnet. Die ersten und zweiten Gaskanäle erstrecken sich von dem proximalen Endabschnitt hin zu dem distalen Endabschnitt in dem Trägersubstrat und sind miteinander in dem distalen Endabschnitt verbunden. Die Summe eines Querschnittsbereichs des mindestens einen ersten Gaskanals ist kleiner als die Summe eines Querschnittsbereichs des mindestens einen zweiten Gaskanals.
  • Infolge der Summe des Querschnittsbereichs des mindestens einen ersten Gaskanals, die gegenüber der Summe des Querschnittsbereichs des mindestens einen zweiten Gaskanals verkleinert wird, kann der Ausgang der Brennstoffzelle verbessert werden.
  • Vorzugsweise beträgt ein Verhältnis (S1/S2) der Summe (S1) des Querschnittsbereichs des mindestens einen ersten Gaskanals zu der Summe (S2) des Querschnittsbereichs des mindestens einen zweiten Gaskanals 0,92 oder weniger.
  • Vorzugsweise weist der mindestens eine erste Gaskanal einen kleineren Querschnittsbereich auf als der des mindestens einen zweiten Gaskanals.
  • Vorzugsweise ist die Anzahl von ersten Gaskanälen kleiner als die Anzahl von zweiten Gaskanälen.
  • Vorzugsweise weist die Brennstoffzelle ferner einen Verbindungskanal auf. Der Verbindungskanal verbindet den mindestens einen ersten Gaskanal und den mindestens einen zweiten Gaskanal miteinander in dem distalen Endabschnitt der Brennstoffzelle.
  • Vorzugsweise weist die Brennstoffzelle mehrere der ersten Gaskanäle auf.
  • Vorzugsweise ist ein Abstand zwischen einem ersten Gaskanal und einem zweiten Gaskanal, die benachbart zueinander sind, größer als ein Abstand zwischen ersten Gaskanälen, die benachbart zueinander sind.
  • Eine Zellenstapelvorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine der vorangehend beschriebenen Brennstoffzellen und einen Verteiler auf. Der Verteiler weist eine Gaszuführkammer und eine Gassammelkammer auf. Der Verteiler ist eingerichtet, um den proximalen Endabschnitt der Brennstoffzelle zu tragen. Der mindestens eine erste Gaskanal ist mit der Gaszuführkammer verbunden. Der mindestens eine zweite Gaskanal ist mit der Gassammelkammer verbunden.
  • VORTEILHAFTE WIRKUNGEN
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Ausgang einer Brennstoffzelle verbessert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Zellenstapelvorrichtung.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Verteilers.
    • 3 ist eine Draufsicht des Verteilers.
    • 4 ist eine Querschnittsansicht der Zellenstapelvorrichtung.
    • 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Brennstoffzelle.
    • 6 ist eine Querschnittsansicht eines Trägersubstrats.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle.
    • 8 ist eine Querschnittsansicht eines proximalen Endabschnitts einer Brennstoffzelle.
    • 9 ist eine Querschnittsansicht eines distalen Endabschnitts einer Brennstoffzelle.
    • 10 ist eine Querschnittsansicht einer Zellenstapelvorrichtung gemäß einer Veränderung.
    • 11 ist eine Querschnittsansicht einer Zellenstapelvorrichtung gemäß einer Veränderung.
    • 12 ist eine Querschnittsansicht einer Zellenstapelvorrichtung gemäß einer Veränderung.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform einer Brennstoffzelle und einer Zellenstapelvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es wird angemerkt, dass in der vorliegenden Ausführungsform eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) als Beispiel für Brennstoffzellen beschrieben wird. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Zellenstapelvorrichtung zeigt, und 2 ist eine Querschnittsansicht eines Verteilers. Es wird angemerkt, dass einige Brennstoffzellen in 1 und 2 weggelassen wurden.
  • Zellenstapelvorrichtung
  • Wie in 1 zu sehen ist, weist eine Zellenstapelvorrichtung 100 einen Verteiler 2 und mehrere Brennstoffzellen 10 auf.
  • Verteiler
  • Wie in 2 zu sehen ist, ist der Verteiler 2 eingerichtet, um den Brennstoffzellen 10 Gas zuzuführen. Der Verteiler 2 ist auch eingerichtet, um Gas zu sammeln, das von den Brennstoffzellen 10 ausgestoßen wird. Der Verteiler 2 weist eine Gaszuführkammer 21 und eine Gassammelkammer 22 auf. Brenngas wird der Gaszuführkammer 21 über einen Reformer oder dergleichen von einer Brenngas-Zuführquelle zugeführt. Die Gassammelkammer 22 sammelt Abgas aus dem in den Brennstoffzellen 10 verwendeten Brenngas.
  • Der Verteiler 2 weist einen Verteiler-Hauptkörper 23 und eine Unterteilungsplatte 24 auf. Der Verteiler-Hauptkörper 23 weist einen Innenraum auf. Der Verteiler-Hauptkörper 23 weist eine rechteckige parallelepipedische Form auf.
  • Wie in 3 zu sehen ist, ist ein Deckplattenabschnitt 231 des Verteiler-Hauptkörpers 23 mit mehreren Durchgangslöchern 232 versehen. Die Durchgangslöcher 232 sind in Intervallen in einer Längenrichtung (der Z-Achsenrichtung) des Verteiler-Hauptkörpers 23 angeordnet. Die Durchgangslöcher 232 erstrecken sich in einer Breitenrichtung (der Y-Achsenrichtung) des Verteiler-Hauptkörpers 23. Die Durchgangslöcher 232 öffnen in die Gaszuführkammer 21 und die Gassammelkammer 22. Es wird angemerkt, dass jedes Durchgangsloch 232 in einen Abschnitt, der in die Gaszuführkammer 21 öffnet, und einen Abschnitt, der in die Gassammelkammer 22 öffnet, aufgeteilt werden kann.
  • Die Unterteilungsplatte 24 unterteilt den Raum des Verteiler-Hauptkörpers 23 in die Gaszuführkammer 21 und die Gassammelkammer 22. Insbesondere erstreckt sich die Unterteilungsplatte 24 in der Längenrichtung des Verteiler-Hauptkörpers 23 an einem im Wesentlichen mittigen Abschnitt des Verteiler-Hauptkörpers 23. Es wird angemerkt, dass, obwohl die Unterteilungsplatte 24 den Raum des Verteiler-Hauptkörpers 23 in der vorliegenden Ausführungsform vollständig unterteilt, ein Spalt zwischen der Unterteilungsplatte 24 und dem Verteiler-Hauptkörper 23 gebildet sein kann.
  • Wie in 2 zu sehen ist, ist eine Bodenfläche der Gaszuführkammer 21 mit einem Gaszuführanschluss 211 versehen. Auch eine Bodenfläche der Gassammelkammer 22 ist mit einem Gaszuführanschluss 221 versehen. Es wird angemerkt, dass der Gaszuführanschluss 211 in einer Seitenfläche oder einer oberen Fläche der Gaszuführkammer 21 gebildet sein kann und der Gasausstoßanschluss 221 in einer Seitenfläche oder einer oberen Fläche der Gassammelkammer 22 gebildet sein kann.
  • Der Gaszuführanschluss 211 ist zum Beispiel auf einer Seite eines ersten Endabschnitts 201 in Bezug auf eine Mitte C des Verteilers 2 in einer Anordnungsrichtung (der Z-Achsenrichtung) der Brennstoffzellen 10 angeordnet. Andererseits ist der Gasausstoßanschluss 221 zum Beispiel auf einer Seite eines zweiten Endabschnitts 202 in Bezug auf die Mitte C des Verteilers 2 in der Anordnungsrichtung (der Z-Achsenrichtung) der Brennstoffzellen 10 angeordnet.
  • Brennstoffzelle
  • 4 ist eine Querschnittsansicht der Zellenstapelvorrichtung. Wie in 4 zu sehen ist, erstreckt sich die Brennstoffzelle 10 von dem Verteiler 2 aufwärts. Die Brennstoffzelle 10 weist einen proximalen Endabschnitt 101 und einen distalen Endabschnitt 102 auf. Der proximale Endabschnitt 101 der Brennstoffzelle 10 ist an dem Verteiler 2 angebracht. Das heißt, dass der Verteiler 2 den proximalen Endabschnitt 101 jeder Brennstoffzelle 10 trägt. In dieser Ausführungsform bezieht sich der proximale Endabschnitt 101 der Brennstoffzelle 10 auf einen unteren Endabschnitt davon und der distale Endabschnitt 102 der Brennstoffzelle 10 bezieht sich auf einen oberen Endabschnitt davon.
  • Wie in 1 zu sehen ist, sind die Brennstoffzellen 10 derart angeordnet, dass Hauptflächen der Brennstoffzellen 10 einander zugewandt sind. Die Brennstoffzellen 10 sind auch in Intervallen in der Längenrichtung (der Z-Achsenrichtung) des Verteilers 2 angeordnet. Das heißt, dass die Anordnungsrichtung der Brennstoffzellen 10 entlang der Längenrichtung des Verteilers 2 ist. Die Brennstoffzellen 10 sind in dieser Ausführungsform in gleichen Intervallen in der Längenrichtung des Verteilers 2 angeordnet, die Brennstoffzellen 10 müssen jedoch nicht in gleichen Intervallen angeordnet sein.
  • Wie in 4 und 5 zu sehen ist, weist die Brennstoffzelle 10 ein Trägersubstrat 4, mehrere erste Gaskanäle 43, mehrere zweite Gaskanäle 44 und mehrere Stromerzeugungselementabschnitte 5 auf. Die Brennstoffzelle 10 weist auch einen Verbindungskanal 30 auf.
  • Trägersubstrat
  • Das Trägersubstrat 4 erstreckt sich von dem Verteiler 2 aufwärts. Das Trägersubstrat 4 weist eine flache Form auf und weist einen proximalen Endabschnitt 41 und einen distalen Endabschnitt 42 auf. Der proximale Endabschnitt 41 und der distale Endabschnitt 42 sind beide Endabschnitte des Trägersubstrats 4 in seiner Längenrichtung (der X-Achsenrichtung). In dieser Ausführungsform bezieht sich der proximale Endabschnitt 41 des Trägersubstrats 4 auf einen unteren Endabschnitt davon und der distale Endabschnitt 42 des Trägersubstrats 4 bezieht sich auf einen oberen Endabschnitt davon. Obwohl in dieser Ausführungsform die Länge des Trägersubstrats 4 in der Längenrichtung (der X-Achsenrichtung) länger ist als die Länge des Trägersubstrats 4 in der Breitenrichtung (der Y-Achsenrichtung), kann die Länge des Trägersubstrats 4 in der Breitenrichtung (der Y-Achsenrichtung) länger sein als die Länge des Trägersubstrats 4 in der Längenrichtung (der X-Achsenrichtung).
  • Der proximale Endabschnitt 41 des Trägersubstrats 4 ist an dem Verteiler 2 angebracht. Zum Beispiel ist der proximale Endabschnitt 41 des Trägersubstrats 4 an dem Deckplattenabschnitt 231 des Verteilers 2 mittels eines Bindematerials oder dergleichen angebracht. Insbesondere ist der proximale Endabschnitt 41 des Trägersubstrats 4 in ein Durchgangsloch 232, das in dem Deckplattenabschnitt 231 gebildet ist, eingesetzt. Es wird angemerkt, dass der proximale Endabschnitt 41 des Trägersubstrats 4 nicht in das Durchgangsloch 232 eingesetzt sein muss.
  • Wie in 5 zu sehen ist, weist das Trägersubstrat 4 eine erste Hauptfläche 45 und eine zweiten Hauptfläche 46 auf. Die erste Hauptfläche 45 und die zweite Hauptfläche 46 sind einander zugewandt. Die erste Hauptfläche 45 und die zweite Hauptfläche 46 tragen die Stromerzeugungselementabschnitte 5. Die erste Hauptfläche 45 und die zweite Hauptfläche 46 sind in der Dickenrichtung (der Z-Achsenrichtung) des Trägersubstrats 4 ausgerichtet. Auch Seitenflächen 47 des Trägersubstrats 4 sind in der Breitenrichtung (der Y-Achsenrichtung) des Trägersubstrats 4 ausgerichtet. Die Seitenflächen 47 können gekrümmt sein.
  • Das Trägersubstrat 4 besteht aus einem porösen Material ohne Elektronenleitfähigkeit. Das Trägersubstrat 4 besteht zum Beispiel aus CSZ (Calcium-stabilisiertem Zirkondioxid). Alternativ kann das Trägersubstrat 4 auch aus NiO (Nickeloxid) und YSZ (8YSZ) (Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkondioxid), NiO (Nickeloxid) und Y2O3 (Yttriumoxid) oder MgO (Magnesiumoxid) und MgAl2O4 (Magnesiumoxid-Aluminiumoxid-Spinell) bestehen. Das Trägersubstrat 4 weist zum Beispiel eine Porosität von etwa 20% bis 60% auf. Die Porosität wird zum Beispiel unter Verwendung des Archimedes-Verfahrens oder durch Mikrostrukturbetrachtung gemessen.
  • Das Trägersubstrat 4 ist durch eine kompakte Schicht 48 abgedeckt. Die kompakte Schicht 48 ist eingerichtet, um zu verhindern, dass Gas, das von den ersten Gaskanälen 43 und den zweiten Gaskanälen 44 in das Trägersubstrat 4 diffundiert wird, nach außen ausgestoßen wird. In dieser Ausführungsform deckt die kompakte Schicht 48 die erste Hauptfläche 45, die zweite Hauptfläche 46 und die Seitenflächen 47 des Trägersubstrats 4 ab. Es wird angemerkt, dass in dieser Ausführungsform die kompakte Schicht 48 aus Elektrolyten 7 und Zwischenverbindern 9 besteht, die später beschrieben werden. Die kompakte Schicht 48 ist kompakter als das Trägersubstrat 4. Zum Beispiel weist die kompakte Schicht 48 eine Porosität von etwa 0% bis 7% auf.
  • Erste und zweite Gaskanäle
  • Die ersten und zweiten Gaskanäle 43 und 44 erstrecken sich in das Trägersubstrat 4. Die ersten und zweiten Gaskanäle 43 und 44 erstrecken sich in der Längenrichtung (der X-Achsenrichtung) des Trägersubstrats 4. Das heißt, dass sich die ersten und zweiten Gaskanäle 43 und 44 von dem proximalen Endabschnitt 101 der Brennstoffzelle 10 hin zu dem distalen Endabschnitt 102 davon erstrecken. Die ersten und zweiten Gaskanäle 43 und 44 erstrecken sich im Wesentlichen parallel zueinander. Es wird angemerkt, dass die ersten und zweiten Gaskanäle 43 und 44 durch das Trägersubstrat 4 verlaufen.
  • In einem Zustand, in dem die Brennstoffzellen 10 an dem Verteiler 2 angebracht sind, sind die ersten Gaskanäle 43 mit der Gaszuführkammer 21 auf der Seite des proximalen Endabschnitts 101 verbunden und die zweiten Gaskanäle 44 sind mit der Gassammelkammer 22 des Verteilers 2 auf der Seite des proximalen Endabschnitts 101 verbunden.
  • Die ersten Gaskanäle 43 sind in Intervallen in der Breitenrichtung (der Y-Achsenrichtung) des Trägersubstrats 4 angeordnet. Es wird angemerkt, dass die ersten Gaskanäle 43 vorzugsweise in gleichen Intervallen angeordnet sind. Auch die zweiten Gaskanäle 44 sind in Intervallen in der Breitenrichtung (der Y-Achsenrichtung) des Trägersubstrats 4 angeordnet. Es wird angemerkt, dass die zweiten Gaskanäle 44 vorzugsweise in gleichen Intervallen angeordnet sind.
  • Wie in 4 zu sehen ist, beträgt ein Abstand p1 zwischen benachbarten ersten Gaskanälen 43 zum Beispiel etwa 1 bis 5 mm. Der Abstand p1 zwischen benachbarten ersten Gaskanälen 43 gibt die Distanz zwischen Mitten von benachbarten ersten Gaskanälen 43 an. Zum Beispiel kann ein Durchschnittswert von Abständen, der durch Messen von Abständen von ersten Gaskanälen 43 in dem proximalen Endabschnitt 41, einem mittigen Abschnitt und dem distalen Endabschnitt 42 des Trägersubstrats 4 erhalten wird, als Abstand p1 zwischen ersten Gaskanälen 43 verwendet werden.
  • Ein Abstand p2 zwischen benachbarten zweiten Gaskanälen 44 beträgt zum Beispiel etwa 1 bis 5 mm. Der Abstand p2 zwischen benachbarten zweiten Gaskanälen 44 gibt die Distanz zwischen Mitten von benachbarten zweiten Gaskanälen 44 an. Zum Beispiel kann ein Durchschnittswert von Abständen, der durch Messen von Abständen von zweiten Gaskanälen 44 in dem proximalen Endabschnitt 41, dem mittigen Abschnitt und dem distalen Endabschnitt 42 des Trägersubstrats 4 erhalten wird, als Abstand p2 zwischen zweiten Gaskanälen 44 verwendet werden. Es wird angemerkt, dass der Abstand p2 zwischen zweiten Gaskanälen 44 vorzugsweise im Wesentlichen gleich dem Abstand p1 zwischen ersten Gaskanälen 43 ist.
  • Ein Abstand p0 zwischen einem ersten Gaskanal 43 und einem zweiten Gaskanal 44, die benachbart zueinander sind, beträgt zum Beispiel etwa 1 bis 10 mm. Der Abstand p0 zwischen dem ersten Gaskanal 43 und dem zweiten Gaskanal 44, die benachbart zueinander sind, gibt die Distanz zwischen der Mitte des ersten Gaskanals 43 und der Mitte des zweiten Gaskanals 44 an. Zum Beispiel kann der Abstand p0 an einer proximalen Endfläche 111 der Brennstoffzelle 10 gemessen werden.
  • Der Abstand p0 zwischen dem ersten Gaskanal 43 und dem zweiten Gaskanal 44, die benachbart zueinander sind, ist größer als der Abstand p1 zwischen benachbarten ersten Gaskanälen 43. Auch der Abstand p0 zwischen dem ersten Gaskanal 43 und dem zweiten Gaskanal 44, die benachbart zueinander sind, ist größer als der Abstand p2 zwischen benachbarten zweiten Gaskanälen 44.
  • Infolge eines Vergrößerns des Abstands p0 zwischen dem ersten Gaskanal 43 und dem zweiten Gaskanal 44 gegenüber demAbstandp1 zwischen den ersten Gaskanälen 43 und dem Abstand p2 zwischen zweiten Gaskanälen 44 in dieser Weise sind der erste Gaskanal 43 und der zweite Gaskanal 44, die benachbart zueinander sind, voneinander getrennt. Ein Bereich zwischen dem ersten Gaskanal 43 und dem zweiten Gaskanal 44 wird als Grenzbereich 403 bezeichnet.
  • Wie in 6 zu sehen ist, weist das Trägersubstrat 4 einen ersten Bereich 401, einen zweiten Bereich 402 und den Grenzbereich 403 auf. Der erste Bereich 401, der zweite Bereich 402 und der Grenzbereich 403 sind durch Definieren des Trägersubstrats 4 in der Breitenrichtung (der Y-Achsenrichtung) gebildet. Der erste Bereich 401 ist ein Bereich, in dem die ersten Gaskanäle 43 gebildet sind. Der zweite Bereich 402 ist ein Bereich, in dem die zweiten Gaskanäle 44 gebildet sind. Der Grenzbereich 403 ist ein Bereich zwischen dem ersten Bereich 401 und dem zweiten Bereich 402. Der erste Bereich 401 und der zweite Bereich 402 sind voneinander durch den Grenzbereich 403 getrennt.
  • Die ersten Gaskanäle 43 und die zweiten Gaskanäle 44 sind miteinander auf der Seite des distalen Endabschnitts 102 der Brennstoffzelle 10 verbunden. Insbesondere sind die ersten Gaskanäle 43 und die zweiten Gaskanäle 44 miteinander über den Verbindungskanal 30 eines Verbindungselements 3 verbunden.
  • Querschnittsbereiche von ersten und zweiten Gaskanälen
  • Die Summe von Querschnittsbereichen der ersten Gaskanäle 43 ist kleiner als die Summe von Querschnittsbereichen der zweiten Gaskanäle 44. Daher ist die Summe von Druckverlusten von Gas, das durch die ersten Gaskanäle 43 strömt, größer als die Summe von Druckverlusten von Gas, das durch die zweiten Gaskanäle 44 strömt. Es wird angemerkt, dass in dieser Ausführungsform jeder erste Gaskanal 43 einen kleineren Querschnittsbereich aufweist als der jedes zweiten Gaskanals 44.
  • Ein Verhältnis (S1/S2) der Summe (S1) der Querschnittsbereiche der ersten Gaskanäle 43 zu der Summe (S2) der Querschnittsbereiche der zweiten Gaskanäle 44 ist vorzugsweise zum Beispiel mit 0,92 oder weniger hinsichtlich einer Verbesserung des Ausgangs festgelegt. Auch das Verhältnis (S1/S2) kann zum Beispiel mit 0,02 oder mehr hinsichtlich einer Erzeugung festgelegt sein, obgleich dies keine besondere Beschränkung ist. Es wird angemerkt, dass der Querschnittsbereich jedes ersten Gaskanals 43 mit zum Beispiel etwa 0,1 bis 25 mm2 festgelegt sein kann. Auch der Querschnittsbereich jedes zweiten Gaskanals 44 kann mit zum Beispiel etwa 0,5 bis 30 mm2 festgelegt sein.
  • Es wird angemerkt, dass sich der Querschnittsbereich des ersten Gaskanals 43 auf den Querschnittsbereich des ersten Gaskanals 43 in dem Querschnitt bezieht, der durch Schneiden des ersten Gaskanals 43 entlang einer Ebene (YZ-Ebene) orthogonal zu der Richtung (der X-Achsenrichtung), in der sich der erste Gaskanal 43 erstreckt, erhalten wird. Auch ein Durchschnittswert des Querschnittsbereichs an einer beliebigen Position auf der Seite des proximalen Endabschnitts 101, des Querschnittsbereichs an einer beliebigen Position eines mittigen Abschnitts und des Querschnittsbereichs an einer beliebigen Position auf der Seite des distalen Endabschnitts 102 kann als Querschnittsbereich des ersten Gaskanals 43 verwendet werden.
  • Ebenso bezieht sich der Querschnittsbereich des zweiten Gaskanals 44 auf den Querschnittsbereich des zweiten Gaskanals 44 in dem Querschnitt, der durch Schneiden des zweiten Gaskanals 44 entlang einer Ebene (YZ-Ebene) orthogonal zu der Richtung (der X-Achsenrichtung), in der sich der zweite Gaskanal 44 erstreckt, erhalten wird. Auch ein Durchschnittswert des Querschnittsbereichs an einer beliebigen Position auf der Seite des proximalen Endabschnitts 101, des Querschnittsbereichs an einer beliebigen Position eines mittigen Abschnitts und des Querschnittsbereichs an einer beliebigen Position auf der Seite des distalen Endabschnitts 102 kann als Querschnittsbereich des zweiten Gaskanals 44 verwendet werden.
  • Stromerzeugungselementabschnitt
  • Die Stromerzeugungselementabschnitte 5 sind jeweils auf der ersten Hauptfläche 45 oder der zweiten Hauptfläche 46 des Trägersubstrats 4 getragen. Es wird angemerkt, dass die Anzahl von Stromerzeugungselementabschnitten 5, die auf der ersten Hauptfläche 45 gebildet sind, und die Anzahl von Stromerzeugungselementabschnitten 5, die auf der zweiten Hauptfläche 46 gebildet sind, gleich sein oder voneinander abweichen können. Ebenso können die Stromerzeugungselementabschnitte 5 zueinander unterschiedliche Größe aufweisen.
  • Die Stromerzeugungselementabschnitte 5 sind in Intervallen in der Richtung (der X-Achsenrichtung) angeordnet, in der sich die ersten und zweiten Gaskanäle 43 und 44 erstrecken. Insbesondere sind die Stromerzeugungselementabschnitte 5 in Intervallen von dem proximalen Endabschnitt 101 hin zu dem distalen Endabschnitt 102 auf dem Trägersubstrat 4 angeordnet. Es wird angemerkt, dass die Stromerzeugungselementabschnitte 5 miteinander durch die Zwischenverbinder 9 in Reihe verbunden sind.
  • Die Stromerzeugungselementabschnitte 5 erstrecken sich jeweils in der Breitenrichtung (der Y-Achsenrichtung) des Trägersubstrats 4. Die Stromerzeugungselementabschnitte 5 sind jeweils in einen ersten Abschnitt 51 und einen zweiten Abschnitt 52 in der Breitenrichtung des Trägersubstrats 4 aufgeteilt. Es wird angemerkt, dass es keine strikte Grenze zwischen dem ersten Abschnitt 51 und dem zweiten Abschnitt 52 gibt. Zum Beispiel kann in einem Zustand, in dem die Brennstoffzellen 10 an dem Verteiler 2 angebracht sind, in einer Längsansicht (der X-Achsenansicht) des Trägersubstrats 4, ein Abschnitt, der die Grenze zwischen der Gaszuführkammer 21 und der Gassammelkammer 22 überlappt, als Grenzabschnitt zwischen dem ersten Abschnitt 51 und dem zweiten Abschnitt 52 bezeichnet werden.
  • In der Dickenansicht (der Z-Achsenansicht) des Trägersubstrats 4 überlappen die ersten Gaskanäle 43 die ersten Abschnitte 51 der Stromerzeugungselementabschnitte 5. Daher wird den ersten Abschnitten 51 der Stromerzeugungselementabschnitte 5 Brenngas hauptsächlich von den ersten Gaskanälen 43 zugeführt. Ebenso überlappen in der Dickenansicht (derZ-Achsenansicht) des Trägersubstrats 4 die zweiten Gaskanäle 44 die zweiten Abschnitte 52 der Stromerzeugungselementabschnitte 5. Daher wird den zweiten Abschnitten 52 der Stromerzeugungselementabschnitte 5 Brenngas hauptsächlich von den zweiten Gaskanälen 44 zugeführt. Es wird angemerkt, dass einige der ersten Gaskanäle 43 die ersten Abschnitte 51 nicht überlappen müssen. Ähnlich müssen einige der zweiten Gaskanäle 44 die zweiten Abschnitte 52 nicht überlappen.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 10, die entlang des ersten Gaskanals 43 geschnitten wurde. Es wird angemerkt, dass die Querschnittsansicht der Brennstoffzelle 10, die entlang des zweiten Gaskanals 44 geschnitten wurde, die gleiche ist wie die in 7, mit der Ausnahme, dass sich der Querschnittsbereich des zweiten Gaskanals 44 von dem in 7 unterscheidet.
  • Die Stromerzeugungselementabschnitte 5 weisen jeweils eine Brennstoffelektrode 6, einen Elektrolyt 7 und eine Luftelektrode 8 auf. Auch die Stromerzeugungselementabschnitte 5 weisen jeweils ferner einen reaktionsverhindernden Film 11 auf. Die Brennstoffelektrode 6 ist ein gesinterter Körper, der aus einem porösen Material mit Elektronenleitfähigkeit besteht. Die Brennstoffelektrode 6 weist einen Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 und einen brennstoffelektrodenaktiven Abschnitt 62 auf.
  • Der Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 ist in einer Vertiefung 49 angeordnet. Die Vertiefung 49 ist in dem Trägersubstrat 4 gebildet. Insbesondere ist die Vertiefung 49 mit dem Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 gefüllt und der Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 weist eine äußere Form auf, die die gleiche ist wie die Form der Vertiefung 49. Jeder Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 weist eine erste Vertiefung 611 und eine zweite Vertiefung 612 auf. Der Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 62 ist in der ersten Vertiefung 611 angeordnet. Insbesondere ist die erste Vertiefung 611 mit dem brennstoffelektrodenaktiven Abschnitt 62 gefüllt.
  • Der Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 kann zum Beispiel aus NiO (Nickeloxid) und YSZ (8YSZ) (Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkondioxid) bestehen. Alternativ kann der Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 auch aus NiO (Nickeloxid) und Y2O3 (Yttriumoxid) oder NiO (Nickeloxid) und CSZ (Calcium-stabilisiertem Zirkondioxid) bestehen. Der Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 weist eine Dicke von etwa 50 bis 500 µm auf und die Vertiefung 49 weist eine Tiefe von etwa 50 bis 500 µm auf.
  • Der brennstoffelektrodenaktive Abschnitt 62 kann zum Beispiel aus NiO (Nickeloxid) und YSZ (8YSZ) (Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkondioxid) bestehen. Alternativ kann der brennstoffelektrodenaktive Abschnitt 62 auch aus NiO (Nickeloxid) und GDC (Gadolinium-dotiertem Ceroxid) bestehen. Der brennstoffelektrodenaktive Abschnitt 62 weist eine Dicke von 5 bis 30 µm auf.
  • Der Elektrolyt 7 ist die Brennstoffelektrode 6 abdeckend angeordnet. Insbesondere erstreckt sich der Elektrolyt 7 in der Längenrichtung von dem Zwischenverbinder 9 zu einem anderen Zwischenverbinder 9. Das heißt, dass die Elektrolyten 7 und die Zwischenverbinder 9 in einer abwechselnden Weise in der Längenrichtung (der X-Achsenrichtung) des Trägersubstrats 4 angeordnet sind. Zudem decken die Elektrolyten 7 die erste Hauptfläche 45, die zweite Hauptfläche 46 und die Seitenflächen 47 des Trägersubstrats 4 ab.
  • Der Elektrolyt 7 ist kompakter als das Trägersubstrat 4. Zum Beispiel weist der Elektrolyt 7 eine Porosität von etwa 0% bis 7% auf. Der Elektrolyt 7 ist ein gesinterter Körper, der aus einem porösen Material mit Ionenleitfähigkeit und ohne Elektronenleitfähigkeit besteht. Der Elektrolyt 7 kann zum Beispiel aus YSZ (8YSZ) (Yttriumoxid-stabilisertem Zirkondioxid) bestehen. Alternativ kann der Elektrolyt 7 auch aus LSGM (Lanthangallat) bestehen. Der Elektrolyt 7 weist zum Beispiel eine Dicke von etwa 3 bis 50 µm auf.
  • Der reaktionsverhindernde Film 11 ist ein gesinterter Körper, der aus einem kompakten Material besteht. Der reaktionsverhindernde Film 11 weist in einer Draufsicht eine Form auf, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die des brennstoffelektrodenaktiven Abschnitts 62. Der reaktionsverhindernde Film 11 ist in einer Position entsprechend dem brennstoffelektrodenaktiven Abschnitt 62 über den Elektrolyt 7 angeordnet. Der reaktionsverhindernde Film 11 ist vorgesehen, um das Auftreten eines Phänomens zu unterdrücken, bei dem eine Reaktionsschicht mit großem elektrischem Widerstand an einer Schnittstelle zwischen dem Elektrolyt 7 und einem luftelektrodenaktiven Abschnitt 81 durch eine Reaktion zwischen YSZ in dem Elektrolyt 7 und Sr in dem luftelektrodenaktiven Abschnitt 81 gebildet wird. Der reaktionsverhindernde Film 11 kann zum Beispiel aus GDC=(Ce, Gd) O2 (Gadolinium-dotiertem Ceroxid) bestehen. Der reaktionsverhindernde Film 11 weist zum Beispiel eine Dicke von etwa 3 bis 50 µm auf.
  • Die Luftelektrode 8 ist angeordnet, um den Elektrolyt 7 in Zusammenwirken mit der Brennstoffelektrode 6 sandwichartig einzuschließen. Die Luftelektrode 8 weist einen luftelektrodenaktiven Abschnitt 81 und einen Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 auf.
  • Der luftelektrodenaktive Abschnitt 81 ist auf dem reaktionsverhindernden Film 11 angeordnet. Der luftelektrodenaktive Abschnitt 81 weist eine Sauerstoffionenleitfähigkeit und Elektronenleitfähigkeit auf. Eine Substanz, die eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, ist mit einem höheren Verhältnis in dem luftelektrodenaktiven Abschnitt 81 enthalten als in dem Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82. Insbesondere ist ein Volumenverhältnis der Substanz mit Sauerstoffionenleitfähigkeit zu dem Gesamtvolumen des luftelektrodenaktiven Abschnitts 81 ausschließlich Poren höher als ein Volumenverhältnis der Substanz mit Sauerstoffionenleitfähigkeit zu dem Gesamtvolumen des Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitts 82 ausschließlich Poren.
  • Der luftelektrodenaktive Abschnitt 81 besteht aus einem porösen Material. Der luftelektrodenaktive Abschnitt 81 besteht aus einem gesinterten Körper. Der luftelektrodenaktive Abschnitt 81 kann zum Beispiel aus LSCF=(La, Sr) (Co, Fe)O3 (Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit) bestehen. Alternativ kann der luftelektrodenaktive Abschnitt 81 auch aus LSF=(La, Sr) FeO3 (Lanthan-Strontium-Ferrit), LNF=La(Ni, Fe)O3 (Lanthan-Nickel-Ferrit), LSC=(La, Sr)CoO3 (Lanthan-Strontium-Cobaltit) oder dergleichen bestehen. Der luftelektrodenaktive Abschnitt 81 kann auch aus zwei Schichten einer ersten Schicht (inneren Schicht), die aus LSCFbesteht, und einer zweiten Schicht (äußeren Schicht), die aus LCS besteht, bestehen. Der luftelektrodenaktive Abschnitt 81 weist zum Beispiel eine Dicke von 10 bis 100 µm auf.
  • Der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 ist auf dem luftelektrodenaktiven Abschnitt 81 angeordnet. Der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 erstreckt sich von dem luftelektrodenaktiven Abschnitt 81 hin zu einem benachbarten Stromerzeugungselementabschnitt 5. Der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 ist mit dem Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 des benachbarten Stromerzeugungselementabschnitts 5 über den Zwischenverbinder 9 elektrisch verbunden. Es wird angemerkt, dass sich der Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 und der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 hin zu voneinander gegenüberliegenden Seiten von einem Stromerzeugungsbereich in der Längenrichtung (der X-Achsenrichtung) des Trägersubstrats 20 erstrecken. Es wird angemerkt, dass sich der Stromerzeugungsbereich auf einen Bereich bezieht, in dem der brennstoffelektrodenaktive Abschnitt 62, der Elektrolyt 7 und der luftelektrodenaktive Abschnitt 81 einander in einer Draufsicht (der z-Achsenansicht) überlappen.
  • Der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 besteht aus einem porösen Material mit Elektronenleitfähigkeit. Der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 besteht aus einem gesinterten Körper. Der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 weist vorzugsweise eine höhere Elektronenleitfähigkeit auf als die des luftelektrodenaktiven Abschnitts 81. Eine Konfiguration, in der der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, und eine Konfiguration, in der der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 keine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, sind möglich.
  • Der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 kann zum Beispiel aus LSCF=(La, Sr)(Co, Fe)O3 (Lanthan-Strontium-Cobalt-Ferrit) bestehen. Alternativ kann der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 auch aus LSC=(La, Sr)CoO3 (Lanthan-Strontium-Cobaltit) bestehen. Alternativ kann der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 auch aus Ag (Silber) oder Ag-Pd (Silber-Palladium-Legierung) bestehen. Es wird angemerkt, dass der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 zum Beispiel eine Dicke von etwa 50 bis 500 µm aufweist.
  • Zwischenverbinder
  • Der Zwischenverbinder 9 ist eingerichtet, um Stromerzeugungselementabschnitte 5, die benachbart zueinander in der X-Achsenrichtung sind, miteinander elektrisch zu verbinden. Der Zwischenverbinder 9 verbindet die Brennstoffelektrode 6 der benachbarten Stromerzeugungselementabschnitte 5 und die Luftelektrode 8 des anderen Stromerzeugungselementabschnitts 5 elektrisch miteinander. Insbesondere verbindet der Zwischenverbinder 9 den Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 des einen Stromerzeugungselementabschnitts 5 und den Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 des anderen Stromerzeugungselementabschnitts 5 elektrisch miteinander.
  • Daher sind die Stromerzeugungselementabschnitte 5 miteinander durch die Zwischenverbinder 9 von dem distalen Endabschnitt 102 der Brennstoffzelle 10 zu dem proximalen Endabschnitt 101 davon auf jeder von der ersten und zweiten Hauptfläche 45 und 46 in Reihe verbunden.
  • Der Zwischenverbinder 9 ist zum Beispiel in der zweiten Vertiefung 612 des Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitts 61 angeordnet. Insbesondere ist der Zwischenverbinder 9 in der zweiten Vertiefung 612 eingebettet (die zweite Vertiefung 612 ist mit dem Zwischenverbinder 9 gefüllt) . Der Zwischenverbinder 9 ist ein gesinterter Körper, der aus einem kompakten Material mit Elektronenleitfähigkeit besteht. Der Zwischenverbinder 9 ist kompakter als das Trägersubstrat 4. Zum Beispiel weist der Zwischenverbinder 9 eine Porosität von etwa 0% bis 7% auf. Der Zwischenverbinder 9 kann zum Beispiel aus LaCrO3 (Lanthan-Chromit) bestehen. Alternativ kann der Zwischenverbinder 9 auch aus (Sr, La)TiO3 (Strontium-Titanat) bestehen. Der Zwischenverbinder 9 weist zum Beispiel eine Dicke von 10 bis 100 µm auf.
  • Wie in 8 zu sehen ist, verbindet ein Zwischenverbinder 9d, der am nächsten zu der proximalen Endseite in jeder Brennstoffzelle 10 angeordnet ist, die Stromerzeugungselementabschnitte 5, die auf der ersten Hauptfläche 45 angeordnet sind, und die Stromerzeugungselementabschnitte 5, die auf der zweiten Hauptfläche angeordnet sind, elektrisch miteinander. Es wird angemerkt, dass ein Paar von Stromerzeugungselementabschnitten 5, die am nächsten zu der proximalen Endseite angeordnet sind, jeweils auf der Hauptfläche 45 und 46 in jeder Brennstoffzelle 10 über den Zwischenverbinder 9d benachbart zueinander sind. Auch in dieser Ausführungsform ist der Zwischenverbinder 9d, der am nächsten zu der proximalen Endseite auf der zweiten Hauptfläche 46 angeordnet ist, der Zwischenverbinder, der am nächsten zu der proximalen Endseite in jeder Brennstoffzelle 10 angeordnet ist.
  • Der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 des Stromerzeugungselementabschnitts 5, der am nächsten zu der proximalen Endseite auf der ersten Hauptfläche 45 angeordnet ist, erstreckt sich von der ersten Hauptfläche 45 über die Seitenflächen 47 zu der zweiten Hauptfläche 46. Das heißt, dass sich der Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82 dieses Stromerzeugungselementabschnitts 5, der am nächsten zu der proximalen Endseite angeordnet ist, in der Form einer Schlaufe erstreckt. Der Zwischenverbinder 9d, der am nächsten zu der proximalen Endseite auf der zweiten Hauptfläche 46 angeordnet ist, verbindet den Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82, der sich von der ersten Hauptfläche 45 zu der zweiten Hauptfläche 46 erstreckt, und den Brennstoffelektrode-Stromabnehmerabschnitt 61 des Stromerzeugungselementabschnitts 5, der am nächsten zu der proximalen Endseite auf der zweiten Hauptfläche 46 angeordnet ist, elektrisch miteinander.
  • Daher sind die mehreren Stromerzeugungselementabschnitte 5, die miteinander in Reihe auf der ersten Hauptfläche 45 verbunden sind, und die mehreren Stromerzeugungselementabschnitte 5, die miteinander in Reihe auf der zweiten Hauptfläche 46 verbunden sind, miteinander in Reihe durch den Zwischenverbinder an dem proximalen Endabschnitt 101 der Brennstoffzelle 10 verbunden.
  • Verbindungselement
  • Wie in 4 zu sehen ist, ist das Verbindungselement 3 an dem distalen Endabschnitt 42 des Trägersubstrats 4 angebracht. Das Verbindungselement 3 weist den Verbindungskanal 30 auf. Der Verbindungskanal 30 verbindet die ersten Gaskanäle 43 und die zweiten Gaskanäle 44 miteinander. Das heißt, dass die ersten Gaskanäle 43 und die zweiten Gaskanäle 44 miteinander über den Verbindungskanal 30 verbunden sind.
  • Der Verbindungskanal 30 erstreckt sich in der Breitenrichtung (der Y-Achsenrichtung) der Brennstoffzelle 10 an dem distalen Endabschnitt 102 der Brennstoffzelle 10. Das heißt, dass sich der Verbindungskanal 30 in einer Richtung erstreckt, die die ersten und zweiten Gaskanäle 43, 44 schneidet. Die ersten Gaskanäle 43 und die zweiten Gaskanäle 44 sind mit dem Verbindungskanal 30 an dem distalen Endabschnitt 102 verbunden.
  • Das Verbindungselement 3 ist vorzugsweise an das Trägersubstrat 4 angebunden. Auch das Verbindungselement 3 ist vorzugsweise einstückig mit dem Trägersubstrat 4 gebildet. Die Anzahl von Verbindungskanälen 30 ist kleiner als die Anzahl von ersten Gaskanälen 43. In dieser Ausführungsform sind die mehreren ersten Gaskanäle 43 und die mehreren zweiten Gaskanäle 44 miteinander durch einen einzigen Verbindungskanal 30 verbunden.
  • Das Verbindungselement 3 ist zum Beispiel ein poröses Element. Auch das Verbindungselement 3 weist eine kompakte Schicht 31 auf, die die äußere Fläche davon bildet. Die kompakte Schicht 31 ist kompakter als der Hauptkörper des Verbindungselements 3. Zum Beispiel weist die kompakte Schicht 31 eine Porosität von etwa 0% bis 7% auf. Diese kompakte Schicht 31 kann aus dem gleichen Material wie das Verbindungselement 3, einem Material, das in dem vorangehend beschriebenen Elektrolyt 7 verwendet wird, kristallisiertem Glas oder dergleichen hergestellt sein.
  • Stromabnehmerelement
  • Wie in 9 zu sehen ist, ist ein Stromabnehmerelement 12 zwischen benachbarten Brennstoffzellen 10 angeordnet. Das Stromabnehmerelement 12 verbindet benachbarte Brennstoffzellen 10 elektrisch miteinander. Das Stromabnehmerelement 12 bindet die distalen Endabschnitte 102 der benachbarten Brennstoffzellen 10 aneinander. Zum Beispiel ist das Stromabnehmerelement 12 näher zu der distalen Endseite im Vergleich zu dem Stromerzeugungselementabschnitt 5 angeordnet, das am nächsten zu der distalen Endseite aus den mehreren Stromerzeugungselementabschnitten 5 angeordnet ist, die auf beiden der Hauptflächen des Trägersubstrats 4 angeordnet sind. Das Stromabnehmerelement 12 verbindet Stromerzeugungselementabschnitte 5, die am nächsten zu der distalen Endseite jeweils auf benachbarten Brennstoffzellen 10 angeordnet sind, elektrisch miteinander. Es wird angemerkt, dass Stromerzeugungselementabschnitte 5, die am nächsten zu der distalen Endseite jeweils auf den Hauptflächen 45 und 46 jeder Brennstoffzelle 10 angeordnet sind, benachbart zu dem Stromerzeugungselementabschnitt 5 sind, der am nächsten zu der distalen Endseite auf der benachbarten Brennstoffzelle 10 angeordnet ist.
  • Das Stromabnehmerelement 12 ist an den Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitt 82, der sich von den Stromerzeugungselementabschnitten 5 erstreckt, über ein elektrisch leitfähiges Material 103 angebunden. Eine allgemein bekannte elektrisch leitfähige Keramik oder dergleichen kann als elektrisch leitfähiges Material 103 verwendet werden. Zum Beispiel kann das elektrisch leitfähige Material 103 aus mindestens einem Material bestehen, das aus (Mn, Co)3O4, (La, Sr)MnO3, (La, Sr) (Co, Fe)O3 und dergleichen ausgewählt ist.
  • Daher verbindet auf jeder Brennstoffzelle 10 ein Zwischenverbinder 9b, der am nächsten zu der distalen Endseite angeordnet ist, die Stromerzeugungselementabschnitte 5 von jedem Paar von Brennstoffzellen 10, die benachbart zueinander angeordnet sind, über das Stromabnehmerelement 12 und die Luftelektrode-Stromabnehmerabschnitte 82 elektrisch. In dieser Ausführungsform ist der Zwischenverbinder 9, der am nächsten zu der distalen Endseite auf der ersten Hauptfläche 45 angeordnet ist, der Zwischenverbinder, der am nächsten zu der distalen Endseite auf jeder Brennstoffzelle 10 angeordnet ist.
  • Verfahren zum Erzeugen von Strom
  • In der Zellenstapelvorrichtung 100, die wie vorangehend beschrieben eingerichtet ist, wird der Gaszuführkammer 21 des Verteilers 2 Brenngas zugeführt und die Brennstoffzellen 10 sind dem Sauerstoff enthaltenden Gas, wie etwa Luft, ausgesetzt. Zum Beispiel wird Luft von oben hin zu den Brennstoffzellen 10 zugeführt. Dann findet in der Luftelektrode 8 eine chemische Reaktion statt, die durch Gleichung (1) angegeben ist, eine chemische Reaktion, die durch Gleichung (2) angegebenist, findet in der Brennstoffelektrode 6 statt und es fließt Strom. (1/2)•O2+2e-→O2- (1) H2+O2-→H2O+2e- (2)
  • Insbesondere strömt Brenngas, das der Gaszu führkammer 21 zugeführt wird, durch die ersten Gaskanäle 43 der Brennstoffzellen 10 und die chemische Reaktion, die vorangehend durch Gleichung (2) angegeben ist, findet in den Brennstoffelektroden 6 der Stromerzeugungselementabschnitte 5 statt. Nicht umgesetztes Brenngas in den Brennstoffelektroden 6 verlässt die ersten Gaskanäle 43 und wird den zweiten Gaskanälen 44 über den Verbindungskanal 30 des Verbindungselements 3 zugeführt. Dann wird Brenngas, das den zweiten Gaskanälen 44 zugeführt wird, wieder in den Brennstoffelektroden 6 der chemischen Reaktion unterzogen, die vorangehend durch Gleichung (2) angegeben wurde. Nicht umgesetztes Brenngas in den Brennstoffelektroden 6 wird in einem Prozess, in dem Brenngas durch die zweiten Gaskanäle 44 strömt, in der Gassammelkammer 22 des Verteilers 2 gesammelt.
  • Veränderungen
  • Obgleich vorangehend eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht darauf und es können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne die Idee der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Veränderung 1
  • Obgleich in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform die ersten Gaskanäle 43 und die zweiten Gaskanäle 44 miteinander durch den Verbindungskanal 30 des Verbindungselements 3 verbunden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann der Verbindungskanal 30 in dem Trägersubstrat 4 gebildet sein, wie in 10 zu sehen ist. In diesem Fall muss die Zellenstapelvorrichtung 100 das Verbindungselement 3 nicht aufweisen. Die ersten Gaskanäle 43 und die zweiten Gaskanäle 44 sind miteinander durch den Verbindungskanal 30, der in dem Trägersubstrat 4 gebildet ist, verbunden.
  • Veränderung 2
  • Obwohl das Trägersubstrat 4 in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform mehrere erste Gaskanäle 43 aufweist, ist auch eine Konfiguration möglich, in der das Trägersubstrat 4 nur einen einzigen ersten Gaskanal 43 aufweist. In diesem Fall entspricht die Summe von Querschnittsbereichen von ersten Gaskanälen 43 dem Querschnittsbereich des einzigen ersten Gaskanals 43. Ähnlich, obwohl das Trägersubstrat 4 mehrere zweite Gaskanäle 44 aufweist, ist auch eine Konfiguration möglich, in der das Trägersubstrat 4 nur einen einzigen zweiten Gaskanal 44 aufweist. In diesem Fall entspricht die Summe von Querschnittsbereichen von zweiten Gaskanälen 44 dem Querschnittsbereich des einzigen zweiten Gaskanals 44.
  • Veränderung 3
  • Die ersten Gaskanäle 43 können zueinander unterschiedliche Querschnittsbereiche aufweisen. Auch die zweiten Gaskanäle 44 können zueinander unterschiedliche Querschnittsbereiche aufweisen.
  • Veränderung 4
  • Obwohl in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform die Anzahl von ersten Gaskanälen 43 die gleiche ist wie die Anzahl von zweiten Gaskanälen 44, ist die Anzahl von ersten Gaskanälen 43 nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel, wie in 11 zu sehen ist, kann die Anzahl von ersten Gaskanälen 43 kleiner sein als die Anzahl von zweiten Gaskanälen 44. Das heißt, dass die Anzahl von Gaskanälen, die mit der Gaszuführkammer 21 verbunden ist, kleiner sein kann als die Anzahl von Gaskanälen, die mit der Gassammelkammer 22 verbunden sind. In diesem Fall kann jeder erste Gaskanal 43 den gleichen Querschnittsbereich aufweisen wie jeder der zweiten Gaskanäle 44. Auch jeder erste Gaskanal 43 kann einen größeren Querschnittsbereich aufweisen als der von jedem der zweiten Gaskanäle 44, solange die Summe der Querschnittsbereiche der ersten Gaskanäle 43 ungleich oder größer ist als die Summe der Querschnittsbereiche der zweiten Gaskanäle 44.
  • Es wird angemerkt, dass in der in 11 dargestellten Konfiguration, infolge eines Erweiterns des Abstands p1 zwischen ersten Gaskanälen 43, die Anzahl von ersten Gaskanälen 43 gegenüber der Anzahl von zweiten Gaskanälen 44 verkleinert wird, in der Zellenstapelvorrichtung 100 jedoch die Anzahl von ersten Gaskanälen 43 gegenüber der Anzahl von zweiten Gaskanälen 44 unter Verwendung einer anderen Konfiguration verkleinert wird. Zum Beispiel, wie in 12 zu sehen ist, kann die Anzahl von ersten Gaskanälen 43 gegenüber der Anzahl von zweiten Gaskanälen 44 durch Herstellen des ersten Bereichs 401 kleiner als der zweite Bereich 402 verkleinert werden. In diesem Fall befindet sich der Grenzbereich 403 auf der Seite des ersten Bereichs 401 in der Breitenrichtung (der Y-Achsenrichtung) in Bezug auf die Mitte des Trägersubstrats 4. Auch der Verteiler 2 ist derart eingerichtet, dass die Gaszuführkammer 21 kleiner ist als die Gassammelkammer 22. Zum Beispiel, infolge eines Bewegens der Unterteilungsplatte 24 hin zu der Gaszuführkammer 21 in Bezug auf die Mitte, kann die Gaszuführkammer 21 kleiner hergestellt werden als die Gassammelkammer 22.
  • Veränderung 5
  • Obwohl die Brennstoffzellen 10 in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform eingerichtet sind, um sich von dem Verteiler 2 aufwärts zu erstrecken, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel können sich die Brennstoffzellen 10 von dem Verteiler 2 abwärts erstrecken.
  • Veränderung 6
  • Obwohl, infolge eines Unterteilens eines Verteiler-Hauptkörpers 23 unter Verwendung der Unterteilungsplatte 24, die Gaszuführkammer 21 und die Gassammelkammer 22 in dem Verteiler 2 der vorangehend beschriebenen Ausführungsform definiert sind, ist die Konfiguration des Verteilers 2 nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann der Verteiler 2 auch aus zwei Verteiler-Hauptkörpern 23 bestehen. In diesem Fall weist der Verteiler-Hauptkörper 23 die Gaszuführkammer 21 auf und der andere Verteiler-Hauptkörper 23 weist die Gassammelkammer 22 auf.
  • Beispiele
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung spezifischer unter Verwendung von Beispielen und Vergleichsbeispielen beschrieben. Es wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Beispiele im Folgenden beschränkt ist.
  • Probe Nr. 1 bis Probe Nr. 10 wurden durch Verändern eines Verhältnisses (S1/S2) der Summe (S1) von Querschnittsbereichen der ersten Gaskanäle 43 zu der Summe (S2) von Querschnittsbereichen der zweiten Gaskanäle 44, wie in Tabelle 1 dargestellt, in einer Zellenstapelvorrichtung 100 mit einer Konfiguration, wie in 12 zu sehen ist, hergestellt. Es wird angemerkt, dass in den Beispielen die Summe (S1) der Querschnittsbereiche der ersten Gaskanäle 43 und die Summe (S2) der Querschnittsbereiche der zweiten Gaskanäle 44 durch Verändern der Anzahl von ersten Gaskanälen 43 und der Anzahl von zweiten Gaskanälen 44, wie in Tabelle 1 dargestellt, verändert werden, während der Querschnittsbereich jedes ersten Gaskanals 43 und der Querschnittsbereich jedes zweiten Gaskanals 44 zueinander gleich festgelegt wird. Brennstoffzellen 10 gemäß Probe Nr. 1 bis Probe Nr. 10 weisen im Grunde zueinander die gleiche Konfiguration auf, mit Ausnahme der Summe (S1) der Querschnittsbereiche der ersten Gaskanäle 43 und der Summe (S2) der Querschnittsbereiche der zweiten Gaskanäle 44.
  • Bewertungsverfahren
  • Jede Probe wurde durch Messen einer elektromotorischen Kraft von Brennstoffzellen 10, die wie vorangehend beschrieben hergestellt wurden, unter den folgenden Bedingungen bewertet. Als Erstes wurden die Brennstoffzellen 10 in den Verteiler 2 eingesetzt, um die ersten Gaskanäle 43 mit der Gaszuführkammer 21 zu verbinden und die zweiten Gaskanäle 44 mit der Gassammelkammer 22 zu verbinden. Dann wurde der Gaszuführkammer 21 des Verteilers 2 Brenngas zugeführt und es wurde beiden Flächen der Brennstoffzellen 10 Luft zugeführt. Abgas, das durch die ersten Gaskanäle 43 und die zweiten Gaskanäle 44 geströmt war, wurde in der Gassammelkammer 22 gesammelt. Es wurde eine Bewertung unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: einer Temperatur von 750°C, einer Stromdichte von 0,2 A/cm2, einer Brennstoffnutzungsrate von 80% und einer Luftnutzungsrate von 5%. Tabelle 1
    Nr. Anzahl von ersten Gaskanälen Anzahl von zweiten Gaskanälen S1/S2 Durchschnittliche Zellenausgangsspannung
    1 25 25 1 0,799
    2 24 26 0,92 0,810
    3 21 29 0,72 0,815
    4 18 32 0,56 0,817
    5 15 35 0,43 0,819
    6 12 38 0,32 0,822
    7 9 41 0,22 0,825
    8 6 44 0,14 0,828
    9 4 46 0,10 0,832
    10 1 49 0,02 0,835
  • Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurde herausgefunden, dass infolge der Summe der Querschnittsbereiche der ersten Gaskanäle 43, die gegenüber der Summe der Querschnittsbereiche der zweiten Gaskanäle 44 verkleinert wird, der Ausgang der Brennstoffzellen 10 verbessert werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 2:
    Verteiler
    21:
    Gaszuführkammer
    22:
    Gassammelkammer
    5:
    Stromerzeugungselementabschnitt
    10:
    Brennstoffzelle
    30:
    Verbindungskanal
    43:
    Erster Gaskanal
    44:
    Zweiter Gaskanal
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2016171064 A [0003]

Claims (8)

  1. Brennstoffzelle, die einen distalen Endabschnitt und einen proximalen Endabschnitt aufweist, wobei die Brennstoffzelle Folgendes umfasst: ein Trägersubstrat; mindestens einen Stromerzeugungselementabschnitt, der auf dem Trägersubstrat angeordnet ist; mindestens einen ersten Gaskanal, der sich von dem proximalen Endabschnitt hin zu dem distalen Endabschnitt in dem Trägersubstrat erstreckt; und mindestens einen zweiten Gaskanal, der sich von dem proximalen Endabschnitt hin zu dem distalen Endabschnitt in dem Trägersubstrat erstreckt, wobei der zweite Gaskanal mit dem ersten Gaskanal in dem distalen Endabschnitt verbunden ist, wobei die Summe eines Querschnittsbereichs des mindestens einen ersten Gaskanals kleiner ist als die Summe eines Querschnittsbereichs des mindestens einen zweiten Gaskanals.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis (S1/S2) der Summe (S1) des Querschnittsbereichs des mindestens einen ersten Gaskanals zu der Summe (S2) des Querschnittsbereichs des mindestens einen zweiten Gaskanals 0,92 oder weniger beträgt.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine erste Gaskanal einen kleineren Querschnittsbereich aufweist als der des mindestens einen zweiten Gaskanals.
  4. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anzahl der ersten Gaskanäle kleiner ist als die Anzahl der zweiten Gaskanäle.
  5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend einen Verbindungskanal, der den mindestens einen ersten Gaskanal und den mindestens einen zweiten Gaskanal miteinander in dem distalen Endabschnitt der Brennstoffzelle verbindet.
  6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Brennstoffzelle mehrere der ersten Gaskanäle umfasst.
  7. Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei ein Abstand zwischen einem ersten Gaskanal und einem zweiten Gaskanal, die benachbart zueinander sind, größer ist als ein Abstand zwischen ersten Gaskanälen, die benachbart zueinander sind.
  8. Zellenstapelvorrichtung, umfassend: die Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und einen Verteiler, der eine Gaszuführkammer und eine Gassammelkammer aufweist, wobei der Verteiler den proximalen Endabschnitt der Brennstoffzelle trägt, wobei der mindestens eine erste Gaskanal mit der Gaszuführkammer verbunden ist und der mindestens eine zweite Gaskanal mit der Gassammelkammer verbunden ist.
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