JP2020009729A - 電気化学セル、及びセルスタック装置 - Google Patents

電気化学セル、及びセルスタック装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ガスの使用効率を向上させる。【解決手段】電気化学セル10は、多孔質の支持基板4と、発電素子部5とを備えている。支持基板4は、少なくとも1つの第1ガス流路43と、少なくとも1つの第2ガス流路44とを有する。第1ガス流路43は、第1端部41から第2端部42に向かって延び、ガス供給室21と連通する。第2ガス流路44は、第2端部42側において第1ガス流路43と連通する。第2ガス流路44は、第2端部42から第1端部41に向かって延び、ガス回収室22と連通する。緻密層12は、支持基板4の第1端面411から発電素子部5までの間において、第1ガス流路43の内壁面を覆っている。【選択図】図6

Description

本発明は、電気化学セル、及びセルスタック装置に関するものである。
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。支持基板の第1端部からガス流路に供給ガスが供給される一方で、支持基板の第2端部から未反応のガスが外部へと排出される。
特開2016−171064号公報
上述したような電気化学セル及び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電気化学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側面に係る電気化学セルは、ガス供給部及びガス回収部に連結されるように構成されている。この電気化学セルは、多孔質の支持基板と、発電素子部と、緻密層と、を備えている。支持基板は、扁平状である。支持基板は、ガス供給部及び前記ガス回収部と連結する第1端部、及び第1端部と反対側の第2端部を有する。発電素子部は、支持基板の主面に配置される。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端部から第2端部に向かって延びる。また、第1ガス流路は、ガス供給部と連通する。第2ガス流路は、第2端部側において第1ガス流路と連通する。第2ガス流路は、第2端部から第1端部に向かって延びている。第2ガス流路は、ガス回収部と連通する。緻密層は、支持基板の第1端部側における第1端面から発電素子部までの間において、第1ガス流路の内壁面を覆っている。
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。
また、第1ガス流路の内壁面は、第1端面から発電素子部までの間において緻密層によって覆われている。このため、内壁面が緻密層によって覆われていない構造のものと比べて、発電素子部に到着する前に第1ガス流路から第2ガス流路へとガスが流れて回収されることを抑制することができる。
好ましくは、緻密層は、支持基板の第1端面から発電素子部までの間において、第2ガス流路の内壁面を覆う。
好ましくは、緻密層は、支持基板の前記第1端面を覆う。
好ましくは、支持基板は、第2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。
好ましくは、電気化学セルは、連通部材をさらに備える。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。連通部材は、支持基板の第2端部に取り付けられる。
好ましくは、少なくとも1つの第1ガス流路は、複数の第1ガス流路を含む。また、少なくとも1つの第2ガス流路は、複数の第2ガス流路を含む。そして、連通流路は、1つのみである。
本発明の第2側面に係る電気化学セルは、ガス供給部及びガス回収部に連結されるように構成されている。この電気化学セルは、多孔質の支持基板と、発電素子部と、緻密層と、を備えている。支持基板は、扁平状である。支持基板は、ガス供給部及び前記ガス回収部と連結する第1端部、及び第1端部と反対側の第2端部を有する。発電素子部は、支持基板の主面に配置される。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端部から第2端部に向かって延びる。また、第1ガス流路は、ガス供給部と連通する。第2ガス流路は、第2端部側において第1ガス流路と連通する。第2ガス流路は、第2端部から第1端部に向かって延びている。第2ガス流路は、ガス回収部と連通する。緻密層は、支持基板の第1端面を覆っている。
本発明の第3側面に係るセルスタック装置は、上記いずれかの電気化学セルと、支持基板の第1端部を支持するマニホールドと、を備える。マニホールドは、第1ガス流路と連通するガス供給室と、第2ガス流路と連通するガス回収室と、を有する。
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。 マニホールドの平面図。 燃料電池セルの斜視図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの断面図。 燃料電池セルの下端部における断面図。 変形例に係る燃料電池セルの下端部における断面図。 変形例に係る燃料電池セルの下端部における断面図。 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、本発明に係る電気化学セル及びセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、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。
[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。
[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。マニホールド2は、ガス供給室21(ガス供給部の一例)とガス回収室22(ガス回収部の一例)とを有している。ガス供給室21にはガス供給管101が接続されており、ガス回収室22にはガス回収管102が接続されている。ガス供給室21には、ガス供給管101を介して燃料ガスが供給される。また、ガス回収室22内の燃料ガスは、ガス回収管102を介してマニホールド2から回収される。
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2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(図示省略)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と連通している。なお、各貫通孔232は、ガス供給室21と連通する部分とガス回収室22と連通する部分とに分かれていてもよい。
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。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。
[燃料電池セル]
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、下端部がマニホールド2に取り付けられている。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。
図3及び図4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。
[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、第1端部41と第2端部42とを有している。第1端部41及び第2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。本実施形態において、第1端部41は支持基板4の下端部であり、第2端部42は支持基板4の上端部である。
支持基板4の第1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の第1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の第1端部41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の第1端部41は、貫通孔232に挿入されていなくてもよい。このように支持基板4の第1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の第1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。
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。
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、第1端部41、中央部、及び第2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。
第1ガス流路43は、支持基板4の第1端部41から第2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、第1端部41側において、ガス供給室21と連通している。
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。
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。
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、第1端部41、中央部、及び第2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。
第2ガス流路44は、支持基板4の第2端部42から第1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、第1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。
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、第1端部41、中央部、及び第2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。
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。
第1ガス流路43と第2ガス流路44とは、支持基板4の第2端部42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。
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。
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。
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、0.5〜20mm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、0.1〜15mm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、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、第1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、第2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。
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、第1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、第2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。
図3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。
図3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Y(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MgAl(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。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、第2緻密層48によって覆われている。第2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、第2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、第2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。第2緻密層48は、支持基板4よりも緻密である。例えば、第2緻密層48の気孔率は、0〜7%程度である。
[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、第1端部41から第2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。
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。
図5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5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Y(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)O(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)O(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)FeO(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO(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、LaCrO(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO(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5の左側に配置された発電素子部5の空気極8と、図5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。
空気極集電膜92は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O(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)CoO(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の第2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。なお、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。
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第3緻密層31を有している。第3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、第3緻密層31の気孔率は、0〜7%程度である。この第3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。
[緻密層]
図6に示すように、燃料電池セル10は、第1緻密層12をさらに有している。この第1緻密層12が本発明の緻密層に相当する。第1緻密層12は、支持基板4の第1端面411から発電素子部5までの間において、第1ガス流路43及び第2ガス流路44の内壁面を覆っている。
第1ガス流路43及び第2ガス流路44の内壁面を延びる第1緻密層12は、複数の発電素子部5のうち、最も第1端面411側にある発電素子部5まで延びている。例えば、第1主面45と第2主面46との両方に発電素子部5が配置されている場合、第1主面45又は第2主面46に配置された全ての発電素子部5のうち、最も第1端面411側にある発電素子部5まで、第1緻密層12は延びている。
第1ガス流路43及び第2ガス流路44の内壁面を覆うように形成された第1緻密層12は、詳細には、第1端面411から発電素子部5の活性領域Aまで延びている。ここで、発電素子部5の活性領域Aとは、燃料電池セル10の正面視(z軸方向視)において、空気極8と燃料極活性部62とが重複する活性領域Aを言う。第1ガス流路43及び第2ガス流路44の内壁面を覆うように延びる第1緻密層12の長さL1は、第1端面411から空気極8までの距離L2と略同じであるか、距離L2よりも短いことが好ましい。
第1ガス流路43及び第2ガス流路44の内壁面において、第1緻密層12は、第1端面411から発電素子部5までの間のみに形成されている。すなわち、第1緻密層12は、発電素子部5よりも第2端部42側には形成されていない。なお、精度のばらつきにより、第1緻密層112の長さL1は、第1端面411から燃料極活性部62までの距離L2よりも長くなってもよい。
第1緻密層12は、第1ガス流路43及び第2ガス流路44の内壁面だけでなく、支持基板4の第1端面411も覆っている。第1緻密層12は、好ましくは、第1ガス流路43及び第2ガス流路44の開口部分を除いた第1端面411の全体を覆っている。この第1端面411に形成される第1緻密層12と、第1ガス流路43及び第2ガス流路44の内壁面に形成される第1緻密層12とは、一体となっていることが好ましいが、別体となっていてもよい。
第1緻密層12は、支持基板4よりも緻密である。すなわち、第1緻密層12の気孔率は、支持基板4の気孔率よりも小さい。例えば、第1緻密層12の気孔率は、0〜20%程度とすることができ、好ましくは0〜7%程度とすることができる。
第1緻密層12は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、LSGM(ランタンガレート)、及びガラスから選択される少なくとも1種によって構成することができる。第1緻密層12の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、0.1〜1mm程度である。
この第1緻密層12は、例えば、ディップコーティングによって、第1ガス流路43、第2ガス流路44、及び第1端面411を覆うように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)・O+2e→O2− …(1)
+O2−→HO+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。
[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、第1緻密層12は、第1ガス流路43及び第2ガス流路44の両方の内壁面に形成されているが、これに限定されない。例えば、第1緻密層12は、第1ガス流路43のみに形成されており、第2ガス流路44に形成されていなくてもよい。
変形例2
上記実施形態では、第1緻密層12は、複数の第1ガス流路43の全ての内壁面に形成されているが、これに限定されない。例えば、第1緻密層12は、複数の第1ガス流路43のうち、第2ガス流路44と隣り合う第1ガス流路43の内壁面のみに形成されていてもよい。
変形例3
上記実施形態では、第1緻密層12は、第1ガス流路43の内壁面に連続して延びているが特にこれに限定されない。例えば、第1緻密層12は、断続的に延びていてもよい。
変形例4
上記実施形態では、第1緻密層12は、第1ガス流路43及び第2ガス流路44の内壁面、及び第1端面411の両方に形成されているが、これに限定されない。例えば、図7に示すように、第1緻密層12は、第1端面411のみに形成されており、第1ガス流路43及び第2ガス流路44の内壁面には形成されていなくてもよい。また、図8に示すように、第1緻密層12は、第1ガス流路43及び第2ガス流路44の内壁面のみに形成されており、第1端面411には形成されていなくてもよい。
変形例5
支持基板4の第1端面411から発電素子部5までの間における支持基板4の気孔率を、支持基板4の他の部分の気孔率よりも小さくすることができる。例えば、支持基板4の第1端面411から発電素子部5までの部分に、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、LSGM(ランタンガレート)、及びガラスから選択される少なくとも1種を含侵させることができる。もしくは、支持基板4を生成する際の焼成温度や時間などを調整することによって、支持基板4の第1端面411から発電素子部5までの部分を、支持基板4の他の部分よりも緻密化させてもよい。
変形例6
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。
変形例7
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。
変形例8
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10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。
変形例9
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第2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第1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。
変形例10
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。
変形例11
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。
変形例12
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13
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14
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15
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。
変形例16
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17
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11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18
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19
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。
変形例20
上記実施形態では、本発明の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、本発明の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。
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端部
411 :第1端面
42 :第2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 :緻密層
100 :セルスタック装置
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。

Claims (8)

  1. ガス供給部及びガス回収部に連結される電気化学セルであって、
    前記ガス供給部及び前記ガス回収部と連結する第1端部、及び前記第1端部と反対側の第2端部、を有する扁平状であり、多孔質の支持基板と、
    前記支持基板の主面に配置される発電素子部と、
    前記支持基板よりも緻密な緻密層と、
    を備え、
    前記支持基板は、
    前記第1端部から前記第2端部に向かって延び、前記ガス供給部と連通する少なくとも1つの第1ガス流路と、
    前記第2端部側において前記第1ガス流路と連通し、前記第2端部から前記第1端部に向かって延び、前記ガス回収部と連通する少なくとも1つの第2ガス流路と、
    を有し、
    前記緻密層は、前記支持基板の前記第1端部側における第1端面から前記発電素子部までの間において、前記第1ガス流路の内壁面を覆う、
    電気化学セル。
  2. 前記緻密層は、前記支持基板の第1端面から前記発電素子部までの間において、前記第2ガス流路の内壁面を覆う、
    請求項1に記載の電気化学セル。
  3. 前記緻密層は、前記支持基板の前記第1端面を覆う、
    請求項1又は2に記載の電気化学セル。
  4. 前記支持基板は、前記第2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3のいずれかに記載の電気化学セル。
  5. 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し、前記支持基板の第2端部に取り付けられる連通部材をさらに備える、
    請求項1から3のいずれかに記載の電気化学セル。
  6. 前記少なくとも1つの第1ガス流路は、複数の第1ガス流路を含み、
    前記少なくとも1つの第2ガス流路は、複数の第2ガス流路を含み、
    前記連通流路は、1つのみである、
    請求項4又は5に記載の電気化学セル。
  7. ガス供給部及びガス回収部に連結される電気化学セルであって、
    前記ガス供給部及び前記ガス回収部と連結する第1端部、及び前記第1端部と反対側の第2端部、を有する扁平状であり、多孔質の支持基板と、
    前記支持基板の主面に配置される発電素子部と、
    前記支持基板よりも緻密な緻密層と、
    を備え、
    前記支持基板は、
    前記第1端部から前記第2端部に向かって延び、前記ガス供給部と連通する少なくとも1つの第1ガス流路と、
    前記第2端部側において前記第1ガス流路と連通し、前記第2端部から前記第1端部に向かって延び、前記ガス回収部と連通する少なくとも1つの第2ガス流路と、
    を有し、
    前記緻密層は、前記支持基板の前記第1端部側における第1端面を覆う、
    電気化学セル。
  8. 請求項1から7のいずれかに記載の電気化学セルと、
    前記支持基板の第1端部を支持するマニホールドと、
    を備え、
    前記マニホールドは、前記第1ガス流路と連通するガス供給室と、前記第2ガス流路と連通するガス回収室と、を有する、
    セルスタック装置。
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