JP2020017520A - 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。支持基板４の第１端部４１側における第１端面４１１と発電素子部５との距離Ｌに対する、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の割合（ｐ０／Ｌ）は、３．３以下である。【選択図】図４

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。支持基板の第１端部側における第１端面と発電素子部との距離Ｌに対する、隣り合う第１ガス流路と第２ガス流路とのピッチｐ０の割合（ｐ０／Ｌ）は、３．３以下である。
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、上述したように構成された電気化学セルを固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）として用いた場合、次のような効果を得ることができる。単に固体酸化物形燃料電池セルにおいて、ガス回収室にて回収したガスをガスバーナで燃焼させるシステムであれば、固体酸化物形燃料電池セルが瞬間的に燃料ガス利用率１００％となった場合に失火が生じるおそれがある。これに対して、上述したように割合（ｐ０／Ｌ）を３．３以下とした電気化学セルであれば、発電素子部に到達する前の未反応のガスが支持基板内を通って第１ガス流路から第２ガス流路へと流れるため、ガスバーナでその未反応のガスを燃焼させることができる。この結果、失火が生じることを抑制することができる。
好ましくは、上述した割合（ｐ０／Ｌ）を０．０２以上である。
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。そして、隣り合う第１ガス流路と第２ガス流路とのピッチｐ０は、隣り合う第１ガス流路のピッチｐ１よりも大きい。
好ましくは、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、隣り合う第１ガス流路と第２ガス流路とのピッチｐ０は、隣り合う第２ガス流路のピッチｐ２よりも大きい。
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。
好ましくは、隣り合う第１ガス流路と第２ガス流路とのピッチｐ０は、第１ガス流路と発電素子部５との距離Ｔよりも大きい。
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。
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、支持基板４の第１端面４１１において測定することができる。
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平均値が、各第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失の平均値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、０.５〜２０ｍｍ２程度とすることができる。また、第２ガス流路４４の流路断面積は、例えば、０.１〜１５ｍｍ２程度とすることができる。
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４３及び第２ガス流路４４から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９１とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０〜７％程度である。
［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）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。
［配置関係］
支持基板４は、第１端部４１側において第１端面４１１を有し、第２端部４２側において第２端面４２１を有している。第１端面４１１は、マニホールド２側を向く端面であり、第２端面４２１は、第１端面４１１と反対側を向く端面である。図４において、第１端面４１１は下端面であり、第２端面３２１は上端面である。
第１端面４１１と発電素子部５との距離Ｌに対する、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の割合（ｐ０／Ｌ）は、３．３以下である。また、距離Ｌに対するピッチｐ０の割合（ｐ０／Ｌ）は０．０２以上である。なお、第１端面４１１と発電素子部５との距離Ｌは、詳細には、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と第１端面４１１との距離である。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と第１端面４１１との距離である。
また、図６に示すように、第１端面４１１と発電素子部５との距離Ｌを測定する際における発電素子部５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。すなわち、第１端面４１１と発電素子部５との距離Ｌとは、第１端面４１１から活性領域Ａまでの距離を意味する。なお、本実施形態の図６に示す例では、空気極８の方が燃料極活性部６２よりも小さいため、第１端面４１１と発電素子部５との距離Ｌは、第１端面４１１から空気極８までの距離とすることができる。この距離Ｌは、例えば、隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４との中心を通るｘｚ面で燃料電池セル１０を切断して測定することができる。
このように、距離Ｌに対するピッチｐ０の割合（ｐ０／Ｌ）を３．３とすることによって、図４の矢印Ｇに示すように、ガスを第１ガス流路４３から第２ガス流路４４に向かって支持基板４内を流すことができる。すなわち、第１端面４１１から活性領域Ａまでの不活性領域において、ガスを第１ガス流路４３から第２ガス流路４４に向かって支持基板４内を流すことができる。また、距離Ｌに対するピッチｐ０の割合（ｐ０／Ｌ）を０．０２以上とすることによって、発電効率の低下を抑制することができる。
また、第１ガス流路４３と発電素子部５との距離Ｔよりも、ピッチｐ０の方が大きいように構成されている。この構成によれば、第１ガス流路４３内を流れて発電素子部５に到達した燃料ガスが、第１ガス流路４３から第２ガス流路４４へと流れるよりも、発電素子部５において優先的に利用され、発電効率を向上させることができる。なお、第１ガス流路４３と発電素子部５との距離Ｔとは、図５に示すように、第１ガス流路４３から燃料極活性部６２までの距離を意味する。
［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。
上述したように、ガス供給室２１に供給される燃料ガスは、基本的には、各第１ガス流路４３→連通流路３０→各第２ガス流路４４の順に流れる。一方、第１ガス流路４３を流れる燃料ガスのうち一部は、矢印Ｇのように、発電素子部５よりも第１端部４１側において、第１ガス流路４３から第２ガス流路４４に向かって支持基板４の内部を流れる。そして、第２ガス流路４４からガス回収室２２に送られる。この未反応の燃料ガスは、ガス回収室２２から回収されて、例えば、ガスバーナで燃やされる。このため、セルスタック装置１００が瞬間的に燃料利用率１００％となった場合であっても、ガスバーナでの失火を抑制することができる。
［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７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２
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３
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８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４
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５
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６
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。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９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
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１４
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１５
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。このように、本発明に係る電気化学セルを固体酸化物形電解セルとして用いた場合、例えば、次のような効果を得ることができる。
固体酸化物形電解セル１０は、第１ガス流路４３および第２ガス流路４４の順に水蒸気ガスを流して、水素ガスと酸素ガスとを生成する。ここで、生成されて第２ガス流路４４を流れる水素ガスが、発電素子部５よりも第１端部４１側において、支持基板４内を流れて第１ガス流路４３へと流れる。この結果、第１端部４１側に配置された発電素子部５の燃料極６に供給される水蒸気ガスに水素ガスが混入し、燃料極６のニッケルが酸化することを抑制することができる。
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。
（試験Ａ）
試験Ａでは、距離Ｌに対するピッチｐ０の割合（ｐ０／Ｌ）と、失火の有無との関係を確認した。まず、図４に示すような形状のセルスタック装置１００をサンプルＮｏ．１〜１６として作製した。なお、各セルスタック装置１００において、燃料電池セル１０の数は１つである。サンプルＮｏ．１〜１６において、距離Ｌに対するピッチｐ０の割合（ｐ０／Ｌ）を変えている。各セルスタック装置１００における燃料電池セル１０の高さ（ｘ軸方向の寸法）は５０〜１０００ｍｍ、幅（ｙ軸方向の寸法）は１０〜５００ｍｍとした。
なお、支持基板４の厚さ、及び気孔率は、燃料電池セルに一般的に用いられる支持基板と同程度（厚さ：１．５〜５ｍｍ程度、気孔率２０〜６０％程度）とした。なお、各サンプルにおいて、第１端面４１１と発電素子部５との距離Ｌに対する、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の割合（ｐ０／Ｌ）以外の構成は、基本的には同じとした。
（評価方法）
以上のように作製した各セルスタック装置１００において、ガス供給室２１を介して燃料電池セル１０の第１ガス流路４３に水素ガスを供給するとともに、燃料電池セル１０を空気に曝した。水素ガスは、燃料電池セルに水素ガスを供給する際の一般的な範囲（５〜１００ｋＰａ程度）の供給圧で供給した。そして、第１ガス流路４３、連通流路３０、第２ガス流路４４の順で流れてガス回収室２２に回収されたオフガスをガスバーナで燃焼させた。そして、定常運転（燃料利用率８０％運転）から燃料利用率１００％運転にパルス変動させ、燃料利用率１００％運転を０．５秒間継続させたときのオフガス燃焼の火炎温度を測定することで失火の有無を確認した。なお、燃料利用率１００％運転とは、発電素子部５まで到達した水素ガスが燃料電池セル１０の発電に全て使用される運転を言う。また、ガスバーナに供給する空気量は、燃料利用率８０％運転時のオフガス内の水素が完全燃焼する酸素量の２倍の酸素量を含むような量とした。この空気の流量は、燃料利用率８０％運転時と燃料利用率１００％運転時とで一定とした。
Figure 2020017520
表１に示すように、サンプルＮｏ．１〜１３において火炎温度は、６００度以上を維持しており、失火は生じていなかった。一方、サンプルＮｏ．１４〜１６では、火炎温度が低下し続けて測定が困難なため、失火が生じていると判断できる。以上の結果より、距離Ｌに対するピッチｐ０の割合（ｐ０／Ｌ）を３．３以下とすることによって、失火を防止することができることが分かった。
（試験Ｂ）
試験Ｂでは、試験Ａで作製したサンプルＮｏ．１〜１６に対して、燃料利用率８０％運転時の出力電圧を測定することによって、発電効率を評価した。その結果を表１に示す。なお、表１におけるｐ０／Ｌが１のとき、すなわち、サンプルＮｏ．９における出力電圧を基準にし、これより５％以上低下したサンプルの評価を「×」とし、サンプルＮｏ．９の出力電圧より５％以上低下していないサンプルの評価を「〇」とした。
表１に示すように、サンプルＮｏ．１〜２において発電効率が低く、サンプルＮｏ．３〜１６では発電効率が良好であることが分かった。この結果より、サンプルＮｏ．３〜１６のように距離Ｌに対するピッチｐ０の割合（ｐ０／Ｌ）を０．０２０以上とすることによって、発電効率の低下を抑制できることができることが分かった。
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
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
１００ ：セルスタック装置

Claims (9)

  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、
    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、
    前記支持基板の前記第１端部側における第１端面と前記発電素子部との距離Ｌに対する、隣り合う前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とのピッチｐ０の割合（ｐ０／Ｌ）は、３．３以下である、
    電気化学セル。
  2. 前記割合（ｐ０／Ｌ）は、０．０２以上である、
    請求項１に記載の電気化学セル。
  3. 前記少なくとも１つの第１ガス流路は、複数の前記第１ガス流路を含み、
    隣り合う前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とのピッチｐ０は、隣り合う前記第１ガス流路のピッチｐ１よりも大きい、
    請求項１又は２に記載の電気化学セル。
  4. 前記少なくとも１つの第２ガス流路は、複数の前記第２ガス流路を含み、
    隣り合う前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とのピッチｐ０は、隣り合う前記第２ガス流路のピッチｐ２よりも大きい、
    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４のいずれかに記載の電気化学セル。
  6. 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４のいずれかに記載の電気化学セル。
  7. 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５又は６に記載の電気化学セル。
  8. 隣り合う前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とのピッチｐ０は、前記第１ガス流路と前記発電素子部との距離Ｔよりも大きい、
    請求項１から７のいずれかに記載の電気化学セル。
  9. 請求項１から８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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