JP2019106361A - 燃料電池セル、及びセルスタック装置 - Google Patents

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Abstract

【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、マニホールド２と、燃料電池セル１０とを備えている。マニホールド２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２を有する。燃料電池セル１０は、支持基板４、及び発電素子部を有する。支持基板４は、第１ガス流路４１、及び第２ガス流路４２を有する。第１ガス流路４１はガス供給室２１と連通し、第２ガス流路４２はガス回収室２２と連通する。第１ガス流路４１は、近位端部４１１においてガス供給室２１内に開口する。第２ガス流路４２は、近位端部４２１においてガス回収室２２内に開口する。第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とは、遠位端部４１２，４２２側において互いに連通している。第１ガス流路４１及び第２ガス流路４２は、第１ガス流路４１におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４２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る。
【選択図】図３

Description

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。
燃料電池セルと、燃料電池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。燃料電池セルは、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。支持基板の近位端部からガス流路に燃料ガスが供給される。支持基板のガス流路の近位端部から供給された燃料ガスのうち未反応のガスは、ガス流路の遠位端部から外部へと排出される。
特開２０１６−１７１０６４号公報
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燃料電池セル及びセルスタック装置を提供することにある。
本発明の第１側面に係る燃料電池セルは、遠位端部及び近位端部を有する。この燃料電池セルは、支持基板と、少なくとも１つの発電素子部と、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、を備える。発電素子部は、支持基板上に配置される。第１及び第２ガス流路は、支持基板内を近位端部から遠位端部に向かって延びる。第１及び第２ガス流路は、遠位端部において互いに連通する。第１ガス流路及び第２ガス流路は、第１ガス流路内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路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る。
この構成によれば、第１ガス流路を流れて発電素子部の発電に用いられたガスのうち未反応ガスは、第１ガス流路の遠位端部から外部へと排出されるのではなく、第２ガス流路を流れることによって、再び発電素子部の発電に用いられる。このため、ガスの使用効率を向上させることができる。
なお、第１及び第２ガス流路に燃料ガスを流した場合、以下のような問題が生じ得る。すなわち、燃料ガスは、第１ガス流路及び第２ガス流路を流れる過程において各発電素子部において消費される。そして、燃料ガスは第１ガス流路を流れた後に第２ガス流路を流れる。このため、第１ガス流路内を流れる燃料ガスよりも、第２ガス流路内を流れる燃料ガスの方が、燃料ガスの水素濃度が低くなっている。燃料ガスの水素濃度が低くなり、発電素子部に必要な水素が不足すると、燃料極における電解質との界面の雰囲気が酸化雰囲気になる。この結果、界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化し、界面近傍における反応抵抗が大きくなり、その発電素子部の発電効率が低下するという問題が生じ得る。
これに対して、本発明に係る燃料電池セルでは、第１ガス流路及び第２ガス流路は、第１ガス流路内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路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。この構成によれば、第１ガス流路内を流れるガスの流速よりも、第２ガス流路内を流れるガスの流速の方が大きくなる。この結果、発電素子部のうち第２ガス流路からガスが供給される部分に対するガス拡散性を向上させて、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。したがって、発電素子部の発電効率の低下を抑制することができる。
好ましくは、少なくとも１つの第１ガス流路の流路断面積の合計値は、少なくとも１つの第２ガス流路の流路断面積の合計値よりも大きい。
少なくとも１つの第２ガス流路の流路断面積の合計値（Ｓ２）に対する、少なくとも１つの第１ガス流路の流路断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）は、１．０５以上である。
好ましくは、燃料電池セルは、複数の第１ガス流路を備える。
好ましくは、第１ガス流路の数は、第２ガス流路の数よりも多い。
好ましくは、隣り合う第１ガス流路と前記第２ガス流路との間のピッチは、隣り合う第１ガス流路間のピッチよりも大きい。
好ましくは、燃料電池セルは、複数の第２ガス流路を備える。各第１ガス流路及び各第２ガス流路の各流路断面積は、互いに等しい。また、第１ガス流路間のピッチと第２ガス流路間のピッチとは互いに等しい。この構成によれば、１つの発電素子部に対してより均等にガスを供給することができる。なお、各流路断面積が互いに等しいとは、完全に同一である必要は無く、製造上の誤差を含んでいてもよい。また第１ガス流路間のピッチと第２ガス流路間のピッチとが互いに等しいとは、完全に同一である必要は無く、製造上の誤差を含んでいてもよい。
好ましくは、燃料電池セルは、連通流路をさらに備える。連通流路は、燃料電池セルの遠位端部において、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ガス流路とを連通する。
好ましくは、支持基板は、連通流路を内部に有する。
好ましくは、燃料電池セルは、支持基板のマニホールドと遠位端部に取り付けられる連通部材をさらに備える。連通部材は、連通流路を内部に有する。
好ましくは、少なくとも１つの発電素子部は、複数の発電素子部を含む。各発電素子部は、第１及び第２ガス流路が延びる方向に配列される。
好ましくは、発電素子部は、支持基板の幅方向に延びている。発電素子部は、支持基板の幅方向において、第１部分と第２部分とに区画される。支持基板の厚さ方向視において、第１ガス流路は、発電素子部の第１部分と重複する。支持基板の厚さ方向視において、第２ガス流路は、発電素子部の第２部分と重複する。
本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、上記いずれかの燃料電池セルと、マニホールドとを備える。マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。マニホールドは、燃料電池セルの近位端部を支持する。第１ガス流路は、ガス供給室と連通する。第２ガス流路は、ガス回収室と連通する。
本発明の第３側面に係るセルスタック装置は、マニホールドと、燃料電池セルとを備えている。マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。燃料電池セルは、支持基板、及び少なくとも１つの発電素子部を有する。支持基板は、マニホールドから第１方向に延びる。発電素子部は、支持基板に支持される。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ガス流路とを有する。第１ガス流路は、第１方向に延びてガス供給室と連通する。第２ガス流路は、第１方向に延びてガス回収室と連通する。第１ガス流路及び第２ガス流路のそれぞれは、マニホールド側に位置する近位端部と、近位端部と反対側の遠位端部と、を有する。第１ガス流路は、近位端部においてガス供給室内に開口する。第２ガス流路は、近位端部においてガス回収室内に開口する。第１ガス流路と第２ガス流路とは、遠位端部側において互いに連通している。第１ガス流路及び第２ガス流路は、第１ガス流路内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路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る。
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。
セルスタック装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの上面図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの斜視図。 支持基板の断面図。 燃料電池セルの断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。
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。図１は、セルスタック装置を示す斜視図である。なお、図１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。以下の説明において、近位及び遠位とは、マニホールドを基準にした位置を言う。例えば、近位端部とは、マニホールドに近い側の端部を意味し、遠位端部とは、マニホールドから遠い側の端部を意味する。
［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、連通部材３と、を備えている。
［マニホールド］
図２に示すように、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。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。
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。
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の長さ方向（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に開口している。なお、各貫通孔２３２は、ガス供給室２１に開口する部分とガス回収室２２に開口する部分とに分かれていてもよい。
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の長さ方向に延びている。なお、本実施形態では、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が、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。
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。なお、ガス供給口２１１はガス供給室２１の側面又は上面に形成されていてもよいし、ガス排出口２２１はガス回収室２２の側面又は上面に形成されていてもよい。
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。
［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、近位端部１０１及び遠位端部１０２を有している。燃料電池セル１０は、近位端部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の近位端部１０１を支持している。本実施形態では、燃料電池セル１０の近位端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の遠位端部１０２は上端部を意味する。
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。本実施形態では、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るが、等間隔でなくてもよい。
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、複数の第１ガス流路４１、複数の第２ガス流路４２、及び複数の発電素子部５を有している。また、燃料電池セル１０は、連通流路３０を有している。
［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、扁平状であり、近位端部４３と遠位端部４４とを有している。近位端部４３及び遠位端部４４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の近位端部４３は下端部を意味し、支持基板４の遠位端部４４は上端部を意味する。本実施形態では、支持基板４は、幅方向（ｙ軸方向）に比べて長さ方向（ｘ軸方向）の寸法の方が長いが、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。
支持基板４の近位端部４３は、マニホールド２に取り付けられる。例えば、支持基板４の近位端部４３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の近位端部４３は、上板部２３１に形成された貫通孔２３２に挿入されている。なお、支持基板４の近位端部４３は、貫通孔に挿入されていなくてもよい。
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。
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。
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４１及び第２ガス流路４２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。
［第１及び第２ガス流路］
複数の第１ガス流路４１及び複数の第２ガス流路４２は、支持基板４内に形成されている。第１ガス流路４１は、燃料電池セル１０の近位端部１０１から遠位端部１０２に向かって延びている。本実施形態では、第１ガス流路４１は、支持基板４内を上下方向に延びている。第１ガス流路４１は、支持基板４を貫通している。各第１ガス流路４１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４１は、実質的に等間隔に配置されていることが好ましい。
図４に示すように、第１ガス流路４１は、近位端部４１１と、遠位端部４１２とを有している。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４１の近位端部４１１は、マニホールド２側に位置する。また、第１ガス流路４１の遠位端部４１２は、近位端部４１１の反対側の端部である。なお、本実施形態において、第１ガス流路４１の下端部が近位端部４１１であり、第１ガス流路４１の上端部が遠位端部４１２である。
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４１は、マニホールド２のガス供給室２１と連通している。すなわち、第１ガス流路４１は、近位端部４１１においてガス供給室２１内に開口している。
第２ガス流路４２は、燃料電池セル１０の近位端部１０１から遠位端部１０２に向かって延びている。本実施形態では、第２ガス流路４２は支持基板４内を上下方向に延びている。第２ガス流路４２は、支持基板４を貫通している。各第２ガス流路４２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４２は、実質的に等間隔に配置されていることが好ましい。
第２ガス流路４２は、近位端部４２１と、遠位端部４２２とを有している。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４２の近位端部４２１は、マニホールド２側に位置する。また、第２ガス流路４２の遠位端部４２２は、近位端部４２１の反対側の端部である。なお、本実施形態において、第２ガス流路４２の下端部が近位端部４２１であり、第２ガス流路４２の上端部が遠位端部４２２である。
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４２は、マニホールド２のガス回収室２２と連通している。すなわち、第２ガス流路４２は、近位端部４２１においてガス供給室２１内に開口している。
隣り合う第１ガス流路４１間のピッチｐ１は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４１間のピッチｐ１は、隣り合う第１ガス流路４１の中心間の距離である。例えば、第１ガス流路４１間のピッチｐ１は、支持基板４の近位端部４３、中央部、及び遠位端部４４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。
隣り合う第２ガス流路４２間のピッチｐ２は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合う第２ガス流路４２間のピッチｐ２は、隣り合う第２ガス流路４２の中心間の距離である。例えば、第２ガス流路４２間のピッチｐ２は、支持基板４の近位端部４３、中央部、及び遠位端部４４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、第２ガス流路４２間のピッチｐ２は、第１ガス流路４１間のピッチｐ１と実質的に等しいことが好ましい。
隣り合う第１ガス流路４１と第２ガス流路４２との間のピッチｐ０は、例えば、１〜１０ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４１と第２ガス流路４２との間のピッチｐ０は、第１ガス流路４１の中心と第２ガス流路４２の中心との距離である。例えば、ピッチｐ０は、支持基板４の近位端部４３、中央部、及び遠位端部４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。
隣り合う第１ガス流路４１と第２ガス流路４２との間のピッチｐ０は、隣り合う第１ガス流路４１間のピッチｐ１よりも大きい。また、隣り合う第１ガス流路４１と第２ガス流路４２との間のピッチｐ０は、隣り合う第２ガス流路４２間のピッチｐ２よりも大きい。これらにより、第１ガス流路４１を流れるガスが支持基板４内を介して第２ガス流路４２へショートカットすることを抑制している。
このように、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２との間のピッチｐ０を第１ガス流路４１間のピッチｐ１、及び第２ガス流路４２間のピッチｐ２よりも大きくすることによって、隣り合う第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とを分けている。この第１ガス流路４１と第２ガス流路４２との間の領域を境界領域４０３と称する。
図６に示すように、支持基板４は、第１領域４０１、第２領域４０２、及び境界領域４０３を有している。第１領域４０１、第２領域４０２、及び境界領域４０３のそれぞれの領域は、支持基板４を幅方向（ｙ軸方向）に区画することによってできる領域である。第１領域４０１は、第１ガス流路４１が形成される領域である。第２領域４０２は、第２ガス流路４２が形成される領域である。境界領域４０３は、第１領域４０１と第２領域４０２との間の領域である。境界領域４０３によって、第１領域４０１と第２領域４０２とが隔てられている。
第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とは、燃料電池セル１０の遠位端部１０２において互いに連通している。すなわち、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とは、それぞれの遠位端部４１２，４２２において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４１の遠位端部４１２と、第２ガス流路４２の遠位端部４２２とが、連通流路３０を介して連通している。
［第１及び第２ガス流路の圧力損失］
第１ガス流路４１及び前記第２ガス流路４２は、第１ガス流路４１内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４２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、第１ガス流路４１の数と第２ガス流路４２との数とが異なる場合は、各第１ガス流路４１内におけるガスの圧力損失の合計値が、各第２ガス流路４２内におけるガスの圧力損失の合計値よりも小さくなるように、第１ガス流路４１及び前記第２ガス流路４２が構成される。
本実施形態では、各第１ガス流路４１の流路断面積の合計値を、各第２ガス流路４２の流路断面積の合計値よりも大きくしている。なお、本実施形態では、各第１ガス流路４１の流路断面積のそれぞれが、各第２ガス流路４２の流路断面積のそれぞれよりも大きい。
各第２ガス流路４２の流路断面積の合計値（Ｓ２）に対する、各第１ガス流路４１の流路断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）は、１．０５以上とすることが好ましい。また、この割合（Ｓ１／Ｓ２）は、３．０以下とすることができる。
なお、特に限定されるものではないが、第１ガス流路４１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４２の流路断面積は、例えば、０.１〜１５ｍｍ２程度とすることができる。
第１ガス流路４１の流路断面積は、第１ガス流路４１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４１の流路断面積を言う。また、第１ガス流路４１の流路断面積は、第１ガス流路４１の近位端部４１１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、遠位端部４１２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。
また、第２ガス流路４２の流路断面積は、第２ガス流路４２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４２の流路断面積を言う。また、第２ガス流路４２の流路断面積は、第２ガス流路４２の近位端部４２１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、遠位端部４２２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。
［発電素子部］
図５に示すように、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。
各発電素子部５は、第１及び第２ガス流路４１、４２が延びる方向（ｘ軸方向）に沿って配列されている。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、近位端部４３から遠位端部４４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。
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。
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４１は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。このため、発電素子部５の第１部分５１は、主に各第１ガス流路４１から燃料ガスが供給される。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４２は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。このため、発電素子部５の第２部分５２は、主に各第２ガス流路４２から燃料ガスが供給される。なお、複数の第１ガス流路４１のうち、一部の第１ガス流路４１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４２のうち、一部の第２ガス流路４２が第２部分５２と重複していなくてもよい。
図７は、第１ガス流路４１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４２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４２の流路断面積が異なる以外は、図７と同じである。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
［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。
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。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。
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。
［連通部材］
図４に示すように、連通部材３は、支持基板４の遠位端部４４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４１と第２ガス流路４２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４１の遠位端部４１２と各第２ガス流路４２の遠位端部４２２とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４１から各第２ガス流路４２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。
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。
［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）
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４１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４１を出て連通流路３０を介して第２ガス流路４２へ供給される。そして、第２ガス流路４２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４２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。
［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。
変形例１
上記実施形態では、燃料極集電部６１が第１凹部６１１及び第２凹部６１２を有しているが、燃料極集電部６１の構成はこれに限定されない。例えば、燃料極集電部６１は第１凹部６１１及び第２凹部６１２などの凹部を有していなくてもよい。この場合、燃料極活性部６２及びインターコネクタ９１は、燃料極集電部６１の主面上に形成されており、燃料極集電部６１に埋設されていない。
変形例２
各第１ガス流路４１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４２の流路断面積は、互いに異なっていてもよい。
変形例３
上記実施形態では、第２ガス流路４２の数は、第１ガス流路４１の数と同じであったが、第２ガス流路４２の数はこれに限定されない。例えば、図８に示すように、第２ガス流路４２の数は、第１ガス流路４１の数よりも少なくてもよい。すなわち、ガス回収室２２と連通するガス流路の数をガス供給室２１と連通するガス流路の数よりも少なくしてもよい。この場合、第２ガス流路４２の流路断面積の合計値が第１ガス流路４１の流路断面積の合計値より大きくならない範囲であれば、第２ガス流路４２の流路断面積は、第１ガス流路４１の流路断面積と同じ、または第１ガス流路４１の流路断面積よりも大きくてもよい。なお、上記実施形態と同様に、第２ガス流路４２の流路断面積は、第１ガス流路４１の流路断面積よりも小さくてもよい。また、第２ガス流路４２の流路断面積の合計値が第１ガス流路４１の流路断面積の合計値より大きくならない範囲であれば、第２ガス流路４２の数は、第１ガス流路４１の数より多くてもよい。
なお、図８に示す構成では、第２ガス流路４２間のピッチｐ２を広げることで第２ガス流路４２の数を第１ガス流路４１の数よりも少なくしているが、セルスタック装置１００は、他の構成によって第２ガス流路４２の数を第１ガス流路４１の数よりも少なくしてもよい。
例えば、図９に示すように、第２領域４０２を第１領域４０１よりも小さくすることによって、第２ガス流路４２の数を第１ガス流路４１の数よりも少なくしてもよい。この場合、第１ガス流路４１間のピッチｐ１と第２ガス流路４２間のピッチｐ２とは、互いに等しい。また、第１ガス流路４１の流路断面積と、第２ガス流路４２の流路断面積とは、互いに等しい。
境界領域４０３は、幅方向（ｙ軸方向）において支持基板４の中央から第２領域４０２側に寄っている。また、マニホールド２は、ガス回収室２２がガス供給室２１よりも小さくなるように構成されている。例えば、仕切板２４を中央よりもガス回収室２２側に移動させることによって、ガス回収室２２をガス供給室２１よりも小さくすることができる。
変形例４
第１ガス流路４１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４１の流路断面積は、燃料ガス濃度が低くなる遠位端部４１２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４２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４２の流路断面積は、燃料ガス濃度が低くなる近位端部４２１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に変化することを更に抑制することができる。
変形例５
上記実施形態では、第１及び第２ガス流路４１，４２は、円形状の断面を有しているが、第１及び第２ガス流路４１，４２の断面形状は、矩形状や楕円形状であってもよい。
変形例６
上記実施形態では、燃料電池セル１０は、複数の第１ガス流路４１を有しているが、１つの第１ガス流路４１のみを有していてもよい。この場合、第１ガス流路４１の流路断面積の合計値とは、その１つの第１ガス流路４１の断面積を意味する。同様に、燃料電池セル１０は、複数の第２ガス流路４２を有しているが、１つの第２ガス流路４２のみを有していてもよい。この場合、第２ガス流路４２の断面積の合計値とは、その１つの第２ガス流路４２の断面積を意味する。
変形例７
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。
変形例８
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。
変形例９
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。
変形例１０
各燃料電池セル１０の幅は、互いに異なっていてもよい。詳細には、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。
変形例１１
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。
変形例１２
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１０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。
変形例１３
図１１に示すように、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。この場合、例えば、支持基板４内に連通流路３０が形成されていてもよい。この連通流路３０は、支持基板４の遠位端部４４において、幅方向（ｙ軸方向）に延びている。
変形例１４
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。
変形例１５
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。
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。
図９に示すような構成のセルスタック装置１００において、表１に示すように、各第２ガス流路４２の流路断面積の合計値（Ｓ２）に対する、各第１ガス流路４１の流路断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）を変えて、それぞれサンプルＮｏ．１〜８を作成した。各サンプルＮｏ．１〜８において、第１ガス流路４１の流路断面積の合計値（Ｓ１）及び第２ガス流路４２の流路断面積の合計値（Ｓ２）以外の条件は基本的に同じとしている。
（評価方法）
以上のように作製したサンプルＮｏ．１〜８の燃料電池セル１０に対して連続発電試験を実施した。そして、連続発電試験の開始から１０００時間後の発電素子部５における発電効率の低下を評価した。なお、発電温度：７５０℃、電流密度：０．１５Ａ/ｃｍ２、燃料利用率：９０％で運転した際の燃料電池セルの平均出力電圧の変化率を、試験開始直後の平均出力電圧を基準として評価した。
Figure 2019106361
表１に示すように、各第１ガス流路４１の流路断面積の合計値（Ｓ１）を、各第２ガス流路の流路断面積の合計値（Ｓ２）よりも大きくすることによって、発電効率の低下を抑制できることが分かった。また、第２ガス流路４２の流路断面積の合計値（Ｓ２）に対する、第１ガス流路４１の流路断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）を１．０５以上とすることによって、発電効率の低下をさらに抑制できることが分かった。このように発電効率の低下を抑制できるのは、各第１ガス流路４１の流路断面積の合計値（Ｓ１）を、各第２ガス流路の流路断面積の合計値（Ｓ２）よりも大きくすることによって、いわゆる燃料枯れが抑制されたためであると考えられる。
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 ：第１ガス流路
４１１ ：近位端部
４１２ ：遠位端部
４２ ：第２ガス流路
４２１ ：近位端部
４２２ ：遠位端部
５ ：発電素子部
５１ ：第１部分
５２ ：第２部分
１０ ：燃料電池セル
１００ ：セルスタック装置
［第１及び第２ガス流路の圧力損失］
第１ガス流路４１及び第２ガス流路４２は、第１ガス流路４１内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４２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。

Claims (14)

  1. 遠位端部及び近位端部を有する燃料電池セルであって、
    支持基板と、
    前記支持基板上に配置される少なくとも１つの発電素子部と、
    前記支持基板内を前記近位端部から前記遠位端部に向かって延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
    前記支持基板内を前記近位端部から前記遠位端部に向かって延び、前記遠位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、
    を備え、
    前記第１ガス流路及び前記第２ガス流路は、前記第１ガス流路内におけるガスの圧力損失が前記第２ガス流路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る、
    燃料電池セル。
  2. 前記少なくとも１つの第１ガス流路の流路断面積の合計値は、前記少なくとも１つの第２ガス流路の流路断面積の合計値よりも大きい、
    請求項１に記載の燃料電池セル。
  3. 前記少なくとも１つの第２ガス流路の流路断面積の合計値（Ｓ２）に対する、前記少なくとも１つの第１ガス流路の流路断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）は、１．０５以上である、
    請求項２に記載の燃料電池セル。
  4. 前記燃料電池セルは、複数の前記第１ガス流路を備える、
    請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
  5. 前記第１ガス流路の数は、前記第２ガス流路の数よりも多い、
    請求項４に記載の燃料電池セル。
  6. 隣り合う前記第１ガス流路と前記第２ガス流路との間のピッチは、隣り合う前記第１ガス流路間のピッチよりも大きい、
    請求項４又は５に記載の燃料電池セル。
  7. 前記燃料電池セルは、複数の前記第２ガス流路を備え、
    前記各第１ガス流路及び前記各第２ガス流路の各流路断面積は、互いに等しく、
    前記第１ガス流路間のピッチと前記第２ガス流路間のピッチとは互いに等しい、
    請求項４から６のいずれかに記載の燃料電池セル。
  8. 前記燃料電池セルの遠位端部において前記少なくとも１つの第１ガス流路と前記少なくとも１つの第２ガス流路とを連通する連通流路をさらに備える、
    請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池セル。
  9. 前記支持基板は、前記連通流路を内部に有する、
    請求項８に記載の燃料電池セル。
  10. 前記支持基板の遠位端部に取り付けられる連通部材をさらに備え、
    前記連通部材は、前記連通流路を内部に有する、
    請求項８に記載の燃料電池セル。
  11. 前記少なくとも１つの発電素子部は、複数の発電素子部を含み、
    前記各発電素子部は、前記第１及び第２ガス流路が延びる方向に配列される、
    請求項１から１０のいずれかに記載の燃料電池セル。
  12. 前記発電素子部は、前記支持基板の幅方向に延び、
    前記発電素子部は、前記支持基板の幅方向において、第１部分と第２部分とに区画され、
    前記支持基板の厚さ方向視において、前記第１ガス流路は、前記発電素子部の第１部分と重複し、
    前記支持基板の厚さ方向視において、前記第２ガス流路は、前記発電素子部の第２部分と重複する、
    請求項１から１１のいずれかに記載の燃料電池セル。
  13. 請求項１から１２のいずれかに記載の燃料電池セルと、
    ガス供給室及びガス回収室を有し、前記燃料電池セルの近位端部を支持するマニホールドと、
    を備え、
    前記少なくとも１つの第１ガス流路は、前記ガス供給室と連通し、
    前記少なくとも１つの第２ガス流路は、前記ガス回収室と連通する、
    セルスタック装置。
  14. ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、
    前記マニホールドから第１方向に延びる支持基板、前記支持基板に支持される少なくとも１つの発電素子部、を有する燃料電池セルと、
    を備え、
    前記支持基板は、前記第１方向に延びて前記ガス供給室と連通する少なくとも１つの第１ガス流路と、前記第１方向に延びて前記ガス回収室と連通する少なくとも１つの第２ガス流路と、を有し、
    前記第１ガス流路及び前記第２ガス流路のそれぞれは、前記マニホールド側に位置する近位端部と、前記近位端部と反対側の遠位端部と、を有し、
    前記第１ガス流路は、前記近位端部において前記ガス供給室内に開口し、
    前記第２ガス流路は、前記近位端部において前記ガス回収室内に開口し、
    前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とは、前記遠位端部側において互いに連通しており、
    前記第１ガス流路及び前記第２ガス流路は、前記第１ガス流路内におけるガスの圧力損失が前記第２ガス流路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る、
    セルスタック装置。
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