JP2020009729A - 電気化学セル、及びセルスタック装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (8)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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