JP2020042949A - マニホールド、及びセルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】天板の変形を抑制することのできるマニホールド及びセルスタック装置を提供する。【解決手段】マニホールド２は、第１及び第２マニホールド本体２ａ、２ｂを備える。第１マニホールド本体２ａは第１ガス流路４３と連通するガス供給室２０ａを有し、第２マニホールド本体２ｂは第２ガス流路４４と連通するガス回収室２０ｂを有する。第１マニホールド本体２ａは、第１天板２１ａ、第１底板２２ａ、及び第１側板２３ａを有する。第１天板２１ａは、第１ガス流路４３とガス供給室２０ａとを連通させるための第１貫通孔２１１ａを含む。第２マニホールド本体２ｂは、第２天板２１ｂ、第２底板２２ｂ、及び第２側板２３ｂを有する。第２天板２１ｂは、第２ガス流路４４とガス回収室２０ｂとを連通させるための第２貫通孔２１１ｂを含む。第１底板２２ａと第２底板２２ｂとは、互いに別部材で構成されている。【選択図】図５

Description

本発明は、マニホールド、及びセルスタック装置に関するものである。

セルスタック装置は、電気化学セル及びマニホールドを備えている。特許文献１に開示されたセルスタック装置では、マニホールドは、電気化学セルの一例である燃料電池セルの基端部を支持している。マニホールドは、ガス供給室とガス回収室とを有している。詳細には、マニホールドは、内部空間を有するマニホールド本体と、仕切板とを有している。仕切板は、マニホールド本体の底板から天板に向かって延び、マニホールド本体の内部空間をガス供給室とガス回収室とに仕切っている。

特許第６０３０２６０号公報

セルスタック装置は運転時において高温となるため、仕切板が熱膨張することがある。仕切板は、マニホールドの天板と当接しているため、仕切板が熱膨張することによって、天板を押圧して変形させてしまうおそれがある。天板が変形すると、天板に支持された電気化学セルの基端部や電気化学セルを天板に接合する接合材などにクラックが生じるといったような問題が生じる。このため、天板の変形は抑制することが好ましい。そこで、本発明の課題は、天板の変形を抑制することのできるマニホールド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側面に係るマニホールドは、電気化学セルにガスを供給するためのマニホールドである。電気化学セルは、第１及び第２ガス流路を有する。第１及び第２ガス流路は、電気化学セルの基端部から先端部に延び、且つ電気化学セルの先端部で互いに連通する。マニホールドは、第１マニホールド本体と、第２マニホールド本体と、を備える。第１マニホールド本体は、第１ガス流路と連通するガス供給室を有する。第２マニホールド本体は、第２ガス流路と連通するガス回収室を有する。第１マニホールド本体は、第１天板と、第１底板と、第１側板とを有する。第１天板は、第１ガス流路とガス供給室とを連通させるための第１貫通孔を含む。第２マニホールド本体は、第２天板と、第２底板と、第２側板とを有する。第２天板は、第２ガス流路とガス回収室とを連通させるための第２貫通孔を含む。第１底板と第２底板とは、互いに別部材で構成されている。

この構成によれば、マニホールドの底板は第１底板と第２底板とに分かれているため、従来のように一枚で構成されている底板に比べて変形しやすい。このため、熱膨張によって第１及び第２側板が熱膨張したとき、この第１及び第２側板が第１及び第２天板を押圧する力が第１及び第２底板の変形によって緩和される。この結果、第１及び第２天板の変形を抑制することができる。

好ましくは、第１天板と第２天板とは、１つの部材で構成されている。

好ましくは、第１貫通孔と第２貫通孔とは、一体的に構成される。

好ましくは、第１天板と第２天板とは、別部材で構成されている。

本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、電気化学セルと、上述したいずれかのマニホールドとを備えている。マニホールドは、電気化学セルの基端部を支持する。電気化学セルは、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、ガス供給室と連通する。第１ガス流路は、電気化学セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、ガス回収室と連通する。第２ガス流路は、電気化学セルの基端部から先端部に延びる。第１ガス流路と第２ガス流路とは、電気化学セルの先端部において互いに連通する。

本発明によれば、天板の変形を抑制することのできるマニホールド及びセルスタック装置を提供することができる。

セルスタック装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの平面図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 変形例に係るマニホールドの断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。

以下、本発明に係るマニホールド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、図２はマニホールドの断面図である。なお、図１及び図２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。

図２及び図３に示すように、マニホールド２は、第１マニホールド本体２ａと、第２マニホールド本体２ｂとを有している。第１マニホールド本体２ａは、ガス供給室２０ａを有している。第２マニホールド本体２ｂは、ガス回収室２０ｂを有している。

ガス供給室２０ａ及びガス回収室２０ｂは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。マニホールド２は、燃料電池セル１０の配列方向において、第１端部２０１と第２端部２０２とを有している。なお、図２の中心線Ｃは、配列方向におけるマニホールド２の中心Ｃを示している。

詳細には、第１マニホールド本体２ａは、第１天板２１ａ、第１底板２２ａ、及び第１側板２３ａを有している。第１天板２１ａ、第１底板２２ａ、及び第１側板２３ａによって、ガス供給室２０ａを画定している。第１マニホールド本体２ａは、直方体状である。

例えば、第１底板２２ａと第１側板２３ａとは１つの部材で構成されている。第１天板２１ａは、第１側板２３ａの上端部と接合している。なお、第１天板２１ａと第１側板２３ａとが１つの部材で構成されており、第１底板２２ａが第１側板２３ａの下端部と接合していてもよい。

第１側板２３ａは、第１外側側板部２３１ａ及び第１内側側板部２３２ａを有する。第１外側側板部２３１ａ及び第１内側側板部２３２ａは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。第１外側側板部２３１ａは、第２マニホールド本体２ｂの反対側に配置されている。第１内側側板部２３２ａは、第２マニホールド本体２ｂ側に配置されている。

また、第１側板２３ａは、一対の第１連結側板部２３３ａを有している。各第１連結側板部２３３ａは、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各第１連結側板部２３３ａは、第１外側側板部２３１ａの端部と第１内側側板部２３２ａの端部とを連結している。

第１外側側板部２３１ａ、第１内側側板部２３２ａ、及び一対の第１連結側板部２３３ａは、１つの部材によって構成されていてもよい。また、第１内側側板部２３２ａのみ別部材で構成し、第１外側側板部２３１ａ及び一対の第１連結側板部２３３ａを一つの部材で構成してもよい。

図４に示すように、第１天板２１ａは、複数の第１貫通孔２１１ａを有している。各第１貫通孔２１１ａは、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各第１貫通孔２１１ａの配列方向（ｚ軸方向）は、燃料電池セル１０の配列方向と同義である。

各第１貫通孔２１１ａは、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各第１貫通孔２１１ａは、ガス供給室２０ａと連通している。なお、各第１貫通孔２１１ａは、後述する各第２貫通孔２１１ｂと一体的に形成されている。

図２及び図３に示すように、第２マニホールド本体２ｂは、第２天板２１ｂ、第２底板２２ｂ、及び第２側板２３ｂを有している。第２天板２１ｂ、第２底板２２ｂ、及び第２側板２３ｂによって、ガス回収室２０ｂを画定している。第２マニホールド本体２ｂは、直方体状である。

例えば、第２底板２２ｂと第２側板２３ｂとは１つの部材で構成されている。第２天板２１ｂは、第２側板２３ｂの上端部と接合している。なお、第２天板２１ｂと第２側板２３ｂとが１つの部材で構成されており、第２底板２２ｂが第２側板２３ｂの下端部と接合していてもよい。

第２側板２３ｂは、第２外側側板部２３１ｂ及び第２内側側板部２３２ｂを有する。第２外側側板部２３１ｂ及び第２内側側板部２３２ｂは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。第２外側側板部２３１ｂは、第１マニホールド本体２ａと反対側に配置されている。第２内側側板部２３２ｂは、第１マニホールド本体２ａ側に配置されている。第２内側側板部２３２ｂは、第１内側側板部２３２ａと対向している。好ましくは、第１内側側板部２３２ａと第２内側側板部２３２ｂとは、間隔をあけて配置されている。

また、第２側板２３ｂは、一対の第２連結側板部２３３ｂを有している。各第２連結側板部２３３ｂは、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各第２連結側板部２３３ｂは、第２外側側板部２３１ｂの端部と第２内側側板部２３２ｂの端部とを連結している。

第２外側側板部２３１ｂ、第２内側側板部２３２ｂ、及び一対の第２連結側板部２３３ｂは、１つの部材によって構成されていてもよい。また、第２内側側板部２３２ｂのみ別部材で構成し、第２外側側板部２３１ｂ及び一対の第２連結側板部２３３ｂを一つの部材で構成してもよい。

第２底板２２ｂは、第１底板２２ａと別部材によって構成されている。好ましくは、第１底板２２ａと第２底板２２ｂとは互いに間隔をあけて配置されている。

第２天板２１ｂは、第１天板２１ａと一体的に構成されている。例えば、第１天板２１ａと第２天板２１ｂとは、一枚の板状部材によって構成されていてもよい。この場合、一枚の板状部材のうち、ガス供給室２０ａと対向する部分が第１天板２１ａであり、ガス回収室２０ｂと対向する部分が第２天板２１ｂである。

図４に示すように、第２天板２１ｂは、複数の第２貫通孔２１１ｂを有している。各第２貫通孔２１１ｂは、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各第２貫通孔２１１ｂの配列方向（ｚ軸方向）は、燃料電池セル１０の配列方向と同義である。

各第２貫通孔２１１ｂは、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各第２貫通孔２１１ｂは、ガス回収室２０ｂと連通している。なお、各第２貫通孔２１１ｂは、上述したように、各第１貫通孔２１１ａと一体的に形成されている。

図５に示すように、第１及び第２天板２１ａ、２１ｂは、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。詳細には、接合材１０３が第１及び第２天板２１ａ、２１ｂと燃料電池セル１０の基端部１０１とを接合する。接合材１０３は、燃料電池セル１０の基端部１０１の周囲に沿って環状に形成されている。なお、第１及び第２天板２１ａ、２１ｂは、燃料電池セル１０を本実施形態のように直接的に支持してもよいし、燃料電池セル１０との間に別の部材を介して燃料電池セル１０を間接的に支持していてもよい。

［ガス供給管］
図２に示すように、ガス供給管１２は、ガス供給室２０ａにガスを供給するように構成されている。ガス供給管１２は、ガス供給室２０ａと連通している。詳細には、ガス供給管１２は、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側において、ガス供給室２０ａと連通している。

ガス供給管１２は、第１マニホールド本体２ａに取り付けられている。詳細には、ガス供給管１２は、例えば、第１連結側板部２３３ａに取り付けられている。なお、ガス供給管１２は、第１連結側板部２３３ａから、燃料電池セル１０の配列方向に沿ってガスを供給している。すなわち、ガス供給管１２によるガス供給方向は、燃料電池セル１０の配列方向に沿っている。

［ガス回収管］
ガス回収管１３は、ガス回収室２０ｂからガスを回収するように構成されている。ガス回収管１３は、ガス回収室２０ｂと連通している。ガス回収管１３は、燃料電池セル１０の配列方向において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側においてガス回収室２０ｂと連通している。

ガス回収管１３は、第２マニホールド本体２ｂに取り付けられている。詳細には、ガス回収管１３は、例えば、第２連結側板部２３３ｂに取り付けられている。なお、ガス回収管１３が取り付けられる第２連結側板部２３３ｂは、ガス供給管１２が取り付けられる第１連結側板部２３３ａと反対側に配置されている。

ガス回収管１３は、第２連結側板部２３３ｂから、燃料電池セル１０の配列方向に沿ってガスを回収している。すなわち、ガス回収管１３によるガス回収方向は、燃料電池セル１０の配列方向に沿っている。

ガス供給管１２は、ガス回収管１３のガス回収方向に沿ってガスを供給している。すなわち、ガス供給管１２によるガス供給方向は、ガス回収管１３によるガス回収方向と実質的に同じである。

［燃料電池セル］
図５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。詳細には、燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部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。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５及び図６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、基端部４１と先端部４２とを有している。基端部４１及び先端部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。本実施形態では、支持基板４の基端部４１は下端部を意味し、支持基板４の先端部４２は上端部を意味する。

支持基板４の基端部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の基端部４１は、接合材１０３などによってマニホールド２の第１及び第２天板２１ａ、２１ｂに取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、第１及び第２天板２１ａ、２１ｂに形成された第１及び第２貫通孔２１１ａ、２１１ｂに挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、第１及び第２貫通孔２１１ａ、２１１ｂに挿入されていなくてもよい。

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５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、基端部４１、中央部、及び先端部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、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２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、基端部１０１側において、第１マニホールド本体２ａのガス供給室２０ａ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、基端部４１、中央部、及び先端部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、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２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、基端部１０１側において、第２マニホールド本体２ｂのガス回収室２０ｂ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の基端面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、燃料電池セル１０の先端部１０２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^２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^２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、基端部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、先端部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、基端部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、先端部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６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６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_２Ｏ_３（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_２Ｏ_４（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、基端部４１から先端部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２０ａとガス回収室２０ｂ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７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Ｙ_２Ｏ_３（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_２（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_３（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_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（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_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（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。

空気極集電膜９２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（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_３（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５に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部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。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。

［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、第１マニホールド本体２ａのガス供給室２０ａ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_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

詳細には、ガス供給管１２からガス供給室２０ａ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、第２マニホールド本体２ｂのガス回収室２０ｂへ回収される。そして、ガス回収管１３は、ガス回収室２０ｂからガスを回収する。

［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天板２１ａと第２天板２１ｂとが１つの部材で構成されているが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、第１天板２１ａと第２天板２１ｂとは、別々の部材で構成されていてもよい。この場合、第１天板２１ａと第２天板２１ｂとは、一体的に構成されていることが好ましい。例えば、第１天板２１ａと第２天板２１ｂとが接合材１０４によって接合されていてもよい。

変形例２
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３
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４
上記実施形態では、マニホールド２の第１及び第２天板２１ａ、２１ｂが上方を向き、第１及び第２底板２２ａ、２２ｂが下方を向くように配置されているが、マニホールド２の配置はこれに限定されない。例えば、マニホールド２の第１及び第２天板２１ａ、２１ｂが下方を向き、第１及び第２底板２２ａ、２２ｂが上方を向くように配置されていてもよい。この場合、燃料電池セル１０は、第１及び第２天板２３１から下方に延びる。

変形例５
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６
上記実施形態では、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、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
２ａ 第１マニホールド本体
２０ａ ガス供給室
２１ａ 第１天板
２１１ａ 第１貫通孔
２２ａ 第１底板
２３ａ 第１側板
２ｂ 第２マニホールド本体
２０ｂ ガス回収室
２１ｂ 第２天板
２１１ｂ 第２貫通孔
２２ｂ 第２底板
２３ｂ 第２側板
１０ 燃料電池セル
４３ 第１ガス流路
４４ 第２ガス流路

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 (5)

1. 基端部から先端部に延び且つ前記先端部で互いに連通する第１及び第２ガス流路を有する電気化学セルにガスを供給するためのマニホールドであって、
   前記第１ガス流路と連通するガス供給室を有する第１マニホールド本体と、
   前記第２ガス流路と連通するガス回収室を有する第２マニホールド本体と、
   を備え、
   前記第１マニホールド本体は、前記第１ガス流路と前記ガス供給室とを連通させるための第１貫通孔を含む第１天板と、第１底板と、第１側板とを有し、
   前記第２マニホールド本体は、前記第２ガス流路と前記ガス回収室とを連通させるための第２貫通孔を含む第２天板と、第２底板と、第２側板とを有し、
   前記第１底板と前記第２底板とは、互いに別部材で構成されている、
   マニホールド。
   
2. 前記第１天板と前記第２天板とは、１つの部材で構成されている、
   請求項１に記載のマニホールド。
   
3. 前記第１貫通孔と前記第２貫通孔とは、一体的に構成される、
   請求項２に記載のマニホールド。
   
4. 前記第１天板と前記第２天板とは、別部材で構成されている、
   請求項１に記載のマニホールド。
   
5. 電気化学セルと、
   前記電気化学セルの基端部を支持する請求項１から４のいずれかに記載のマニホールドと、
   を備え、
   前記電気化学セルは、
   前記ガス供給室と連通し、前記電気化学セルの基端部から先端部に延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
   前記ガス回収室と連通し、前記電気化学セルの基端部から先端部に延びて前記電気化学セルの先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、
   を有する、
   セルスタック装置。

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