JP2020043048A - マニホールド、セルスタック装置、及び電気化学セル - 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マニホールド本体２ａと、第２マニホールド本体２ｂとを備える。第１マニホールド本体２ａは、第１ガス流路４３と連通する第１ガス室２０ａを有する。第２マニホールド本体２ｂは、第２ガス流路４４と連通する第２ガス室２０ｂを有する。第２マニホールド本体２ｂは、第１マニホールド本体２ａ内に配置されている。【選択図】図５

Description

本発明は、マニホールド、セルスタック装置、及び電気化学セル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。なお、ガス供給室は、燃料電池セルにガスを供給し、ガス回収室は、燃料電池セルから排出されたガスを回収する。

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第１ガス室を有する。第２マニホールド本体は、第２ガス流路と連通する第２ガス室を有する。第２マニホールド本体は、第１マニホールド本体内に配置されている。

この構成によれば、従来のマニホールドのように仕切板でマニホールド本体をガス供給室とガス回収室とに仕切るのではなく、第１マニホールド本体内に第２マニホールド本体を配置することによって、第１ガス室と第２ガス室とに分けている。このように、本願の第１側面に係るマニホールドは、仕切板を有していないため、仕切板の膨張による天板の変形を防止することができる。なお、第１ガス室をガス供給室とし第２ガス室をガス回収室としてもよいし、第１ガス室をガス回収室とし第２ガス室をガス供給室としてもよい。

好ましくは、第１マニホールドは、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ガス流路と第１ガス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ガス流路と第２ガス室とを連通させるための第２貫通孔を含む。

好ましくは、第２天板は、第１天板の一部によって構成される。この構成によれば、第２側板と第２底板とから構成される箱体を第１天板に取り付けるだけで第１ガス室と第２ガス室とに分けることができる。このため、第１ガス室と第２ガス室とを有するマニホールドを容易に作製することができる。

好ましくは、第１底板と第２底板とは、互いに間隔をあけている。この構成によれば、マニホールドの底板となる第１底板は、第１ガス室内のみに露出し、第２ガス室内には露出しないため、第１底板に温度分布が生じることを抑制することができる。これに対して、従来のように仕切板によってガス供給室とガス回収室とに分かれるマニホールドでは、底板はガス供給室内とガス回収室内との両方に露出している。ガス供給室内とガス回収室内とではガスの温度が異なるため、ガス供給室内とガス回収室内との両方に露出する底板に温度分布が生じる。

好ましくは、第１側板と第２側板とは、互いに間隔をあけている。

好ましくは、マニホールドは、複数の電気化学セルにガスを供給するように構成されている。第１マニホールド本体及び第２マニホールド本体は、電気化学セルの配列方向に延びている。第２マニホールド本体は、第１マニホールド本体内において、マニホールドの幅方向の一方の端部側に寄って配置される。

好ましくは、マニホールドは、複数の電気化学セルにガスを供給するように構成されている。第１マニホールド本体及び第２マニホールド本体は、電気化学セルの配列方向に延びている。第２マニホールド本体は、第１マニホールド本体内において、マニホールドの幅方向の中央部に配置される。

好ましくは、マニホールドは、第２ガス管と、第２ガスシール部とをさらに備える。第２ガス管は、第１マニホールド本体を貫通し、第２マニホールド本体に取り付けられる。第２ガスシール部は、第１マニホールド本体と第２ガス管との隙間を封止する。第２ガスシール部は、第１マニホールド本体の外側面上に配置される。

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、第１ガス室と連通する。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、第２ガス室と連通する。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。

本発明の第３側面に係る電気化学セルは、先端部及び基端部を有する電気化学セルである。この電気化学セルは、支持基板と、少なくとも１つの発電素子部と、複数の第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ガス流路は、支持基板内を基端部から先端部に向かって延びる。第１ガス流路は、当該電気化学セルの幅方向の両端部に配置される。第２ガス流路は、支持基板内を基端部から先端部に向かって延びる。第２ガス流路は、先端部において第１ガス流路と連通する。第２ガス流路は、当該電気化学セルの幅方向の中央部に配置される。

好ましくは、複数の第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。

好ましくは、各第１ガス流路の流路断面積は、各第２ガス流路の流路断面積よりも大きい。

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、複数の第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小さい。

好ましくは、各第１ガス流路の流路断面積は、各第２ガス流路の流路断面積よりも小さい。

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。

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。 変形例に係るマニホールドの断面図。

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、第１ガス室２０ａを有している。本実施形態では、第１ガス室２０ａは、ガス供給源（図示省略）から供給された燃料ガスを燃料電池セル１０に供給する。第１ガス室２０ａは、後述する燃料電池セル１０のガス往路４３と連通している。第１ガス室２０ａは、第１マニホールド本体２ａの内部空間のうち、第２マニホールド２ｂが占める空間を除いた空間である。

第１マニホールド本体２ａは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向に延びている）。すなわち、第１ガス室２０ａは、燃料電池セル１０の配列方向に延びている。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、第１ガス室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、一対の第１側板部２３１ａと、一対の第１連結部２３２ａとを有する。各第１側板部２３１ａは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。各第１連結部２３２ａ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連結部２３２ａは、一対の第１側板部２３１ａの端部同士を連結している。

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、第１ガス室２０ａとガス往路４３とを連通させている。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。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ガス室２０ｂを有している。本実施形態では、第２ガス室２０ｂは、燃料電池セル１０から排出された燃料ガスを回収する。第２ガス室２０ｂは、後述する燃料電池セル１０のガス復路４４と連通している。

第２マニホールド本体２ｂは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。すなわち、第２ガス室２０ｂは、燃料電池セル１０の配列方向に延びている。

第２マニホールド本体２ｂは、第１マニホールド本体２ａ内に配置されている。第２マニホールド本体２ｂは、第１マニホールド本体２ａ内において、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）の一方の端部に寄って配置されている。本実施形態では、第２マニホールド本体２ｂは、第１マニホールド本体２ａ内において、図３の右側に寄って配置されている。

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、第２ガス室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、一対の第２側板部２３１ｂと、一対の第２連結部２３２ｂとを有する。各第２側板部２３１ｂは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。各第２連結部２３２ｂ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連結部２３２ｂは、一対の第２側板部２３１ｂ同士を連結している。

第２底板２２ｂは、第１底板２２ａと間隔をあけて配置されている。このため、第１底板２２ａと第２底板２２ｂとの間の空間は、第１ガス室２０ａの一部となっている。また、第２側板２３ｂは、第１側板２３ａと間隔をあけて配置されている。このため、第１側板２３ａと第２側板２３ｂとの間の空間は、第１ガス室２０ａの一部となっている。

第２天板２１ｂは、第１天板２１ａの一部によって構成されている。すなわち、第１天板２１ａの一部は、第２マニホールド本体２ｂの第２天板２１ｂとして機能している。詳細には、第２マニホールド本体２ｂの第２底板２２ｂ及び第２側板２３ｂからなる箱体が、第１天板２１ａに取り付けられている。

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、第２ガス室２０ｂとガス復路４４とを連結させている。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、第２ガス室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。

［第１ガス管］
図２に示すように、第１ガス管１２は、第１ガス室２０ａにガスを供給するように構成されている。第１ガス管１２は、第１ガス室２０ａと連通している。詳細には、第１ガス管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、第１ガス室２０ａと連通している。

第１ガス管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、第１ガス管１２は、例えば、第１連結部２３２ａに取り付けられている。なお、第１ガス管１２は、第１連結部２３２ａ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、第１ガス管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。

［第２ガス管］
第２ガス管１３は、第２ガス室２０ｂからガスを回収するように構成されている。第２ガス管１３は、第２ガス室２０ｂと連通している。第２ガス管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側において第２ガス室２０ｂと連通している。

第２ガス管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、第２ガス管１３は、例えば、第２連結部２３２ｂに取り付けられている。なお、第２ガス管１３が取り付けられる第２連結部２３２ｂは、第１ガス管１２が取り付けられる第１連結部２３２ａと反対側に配置されている。

第２ガス管１３は、第１マニホールド本体２ａを貫通している。詳細には、第２ガス管１３は、第１マニホールド本体２ａの第１側板２３ａを貫通して延びている。なお、第２ガス管１３は、第１マニホールド本体２ａの第１側板２３ａのうち、第１連結部２３２ａを貫通して延びている。

第２ガス管１３は、第２連結部２３２ｂ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、第２ガス管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。

第１ガス管１２は、第２ガス管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、第１ガス管１２によるガス供給方向は、第２ガス管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、複数のガス往路４３（第１ガス流路の一例）と、複数のガス復路４４（第２ガス流路の一例）とを有している。ガス往路４３は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、ガス往路４３は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。ガス往路４３は、支持基板４を貫通している。各ガス往路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、各ガス往路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、隣り合うガス往路４３のピッチｐ１は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合うガス往路４３のピッチｐ１は、ガス往路４３の中心間の距離である。例えば、ガス往路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。

ガス往路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、ガス往路４３は、基端部１０１側において、第１マニホールド本体２ａの第１ガス室２０ａと連通している。

ガス復路４４は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、ガス復路４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。ガス復路４４は、ガス往路４３と実質的に平行に延びている。

ガス復路４４は、支持基板４を貫通している。各ガス復路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、各ガス復路４４は、等間隔に配置されていることが好ましい。

隣り合うガス復路４４のピッチｐ２は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合うガス復路４４のピッチｐ２は、ガス復路４４の中心間の距離である。例えば、ガス復路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、各ガス復路４４間のピッチｐ２は、各ガス往路４３間のピッチｐ１と実質的に等しいことが好ましい。

ガス復路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、ガス復路４４は、基端部１０１側において、第２マニホールド本体２ｂの第２ガス室２０ｂと連通している。

隣り合うガス往路４３とガス復路４４とのピッチｐ０は、例えば、１〜１０ｍｍ程度である。この隣り合うガス往路４３とガス復路４４とのピッチｐ０は、ガス往路４３の中心とガス復路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。

隣り合うガス往路４３とガス復路４４とのピッチｐ０は、隣り合うガス往路４３のピッチｐ１よりも大きい。また、隣り合うガス往路４３とガス復路４４とのピッチｐ０は、隣り合うガス復路４４のピッチｐ２よりも大きい。

ガス往路４３とガス復路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、ガス往路４３と、ガス復路４４とが、連通部材３の連通流路３０を介して連通している。

ガス往路４３及びガス復路４４は、ガス往路４３内におけるガスの圧力損失がガス復路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ガス往路４３及びガス復路４４のそれぞれが複数本ある場合、各ガス往路４３内におけるガスの圧力損失の平均値が、各ガス復路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、ガス往路４３及びガス復路４４が構成される。

例えば、各ガス往路４３の流路断面積は、各ガス復路４４の流路断面積よりも大きくすることができる。なお、ガス往路４３の数とガス復路４４との数とが異なる場合は、各ガス往路４３の流路断面積の合計値が、各ガス復路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、各ガス復路４４の流路断面積の合計値は、各ガス往路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、ガス往路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、ガス復路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、ガス往路４３の流路断面積は、ガス往路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ガス往路４３の流路断面積を言う。また、ガス往路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、ガス復路４４の流路断面積は、ガス復路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ガス復路４４の流路断面積を言う。また、ガス復路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、ガス往路４３及びガス復路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、第１ガス室２０ａと第２ガス室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、ガス往路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、ガス復路４４は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。なお、複数のガス往路４３のうち、一部のガス往路４３が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数のガス復路４４のうち、一部のガス復路４４が第２部分５２と重複していなくてもよい。

図７は、ガス往路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、ガス復路４４に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、ガス復路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及び空気極集電部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。

空気極集電部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、空気極集電部９２が配置されている。空気極集電部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。空気極集電部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、ガス往路４３とガス復路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、各ガス往路４３と各ガス復路４４とを連通する。連通流路３０は、各ガス往路４３から各ガス復路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、ガス往路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、複数のガス往路４３と複数のガス復路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の第１ガス室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、第１ガス管１２から第１ガス室２０ａに供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０のガス往路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、ガス往路４３を出て連通部材３の連通流路３０を介してガス復路４４へ供給される。そして、ガス復路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。ガス復路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の第２ガス室２０ｂへ回収される。そして、第２ガス管１３は、第２ガス室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、ガス往路４３が本発明の第１ガス流路に相当し、ガス復路４４が本発明の第２ガス流路に相当していたがこれに限定されない。例えば、図８に示すように、ガス往路４３が本発明の第２ガス流路に相当し、ガス復路４４が本発明の第１ガス流路に相当していてもよい。すなわち、ガス往路４３が第２ガス室２０ｂと連通し、ガス復路４４が第１ガス室２０ａと連通する。この場合、第２ガス管１３から第２ガス室２０ｂに燃料ガスが供給される。そして、第２ガス室２０ｂは燃料ガスを燃料電池セル１０に供給する。燃料電池セル１０から排出された未反応の燃料ガスを第１ガス室２０ａが回収する。そして、第１ガス管１２を介して第１ガス室２０ａから燃料ガスが排出される。

変形例２
上記実施形態では、第２マニホールド本体２ｂは、第１マニホールド本体２ａ内においてマニホールド２の幅方向の一方の端部側に寄って配置されているが、これに限定されない。例えば、図９に示すように、第２マニホールド本体２ｂは、第１マニホールド本体２ａ内においてマニホールド２の幅方向の中央部に配置されていてもよい。なお、第２マニホールド本体２ｂは、マニホールド２の幅方向において、第２マニホールド本体２ｂの中心と第１マニホールド本体２ａの中心とが完全に一致するように配置されている必要はなく、第２マニホールド本体２ｂの中心が第１マニホールド本体２ａの中心からずれていてもよい。

第１マニホールド本体２ａは、一対の第１ガス室２０ａを有する。一対の第１ガス室２０ａは、第１マニホールド本体２内において、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）の両端部に配置される。そして、第２ガス室２０ｂは、マニホールド２の幅方向において、一対の第１ガス室２０ａの間に配置される。なお、一対の第１ガス室２０ａは、連通していてもよいし、連通していなくてもよい。本変形例２では、第１底板２２ａと第２底板２２ｂとの間の空間を介して、一対の第１ガス室２０ａが連通している。

また、燃料電池セル１０において、第１ガス室２０ａと連通する複数の第１ガス流路（本変形例２ではガス往路４３）が燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）の両端部に配置されている。そして、第２ガス室２０ｂと連通する第２ガス流路（本変形例２ではガス復路４４）は、燃料電池セル１０の幅方向の中央部に配置されている。

この変形例２では、第１ガス流路はガス往路４３であり、第２ガス流路はガス復路４４である。このため、第１ガス室２０ａは、燃料ガス供給源から供給された燃料ガスを燃料電池セル１０へと供給する。また、第２ガス室２０ｂは、燃料電池セル１０から排出された未反応の燃料ガスを回収する。

複数のガス往路４３の流路断面積の合計値は、複数のガス復路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。この場合、例えば、各ガス往路４３の流路断面積を、前記各ガス復路４４の流路断面積よりも大きくしてもよいし、ガス流路４３の数を、ガス復路４４の数よりも多くしてもよい。

なお、複数のガス往路４３の流路断面積の合計値は、複数のガス復路４４の流路断面積の合計値よりも小さくしてもよい。この場合、例えば、各ガス往路４３の流路断面積を、各ガス復路４４の流路断面積よりも小さくしてもよいし、ガス流路４３の数を、ガス復路４４の数よりも少なくしてもよい。

この変形例２においても、上記実施形態と同様に、隣り合うガス往路４３とガス復路４４とのピッチは、隣り合うガス往路４３のピッチよりも大きい。また、隣り合うガス往路４３とガス復路４４とのピッチは、隣り合うガス復路４４のピッチよりも大きい。

なお、本変形例２において、図１０に示すように、第２ガス室２０ｂに燃料ガス供給源から燃料ガスを供給し、第１ガス室２０ａで燃料電池セル１０から排出された未反応の燃料ガスを回収してもよい。この場合、第１ガス室２０ａと連通する第１ガス流路がガス復路４４であり、第２ガス室２０ｂと連通する第２ガス流路がガス往路４３である。

変形例３
上記実施形態では、ガス往路４３とガス復路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１１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、ガス往路４３とガス復路４４とが連通されている。

変形例４
上記実施形態では、支持基板４は、複数のガス往路４３を有しているが、１つのガス往路４３のみを有していてもよい。同様に、支持基板４は、複数のガス復路４４を有しているが、１つのガス復路４４のみを有していてもよい。

変形例５
図１２に示すように、マニホールド２は、ガスシール部２４を有していてもよい。ガスシール部２４は、第１側板２３ａと第２ガス管１３との隙間を密閉している。詳細には、ガスシール部２４は、第１側板２３ａの貫通孔の内壁面と、第２ガス管１３の外周面との隙間を密閉している。第２ガスシール部２４は、第２ガス管１３の外周面に沿って環状に形成されている。

第２ガスシール部２４は、第１マニホールド本体２ａの外側面上に配置されている。詳細には、第２ガスシール部２４は、第１側板２３ａの外側面上に配置されている。このガスシール部２４は、例えば、ガラス、セラミックス、又はろう材などによって構成することができる。その他にも、ガスシール部２４は、溶接部によって構成することもできる。

変形例６
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７
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８
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 第１ガス室
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 第２ガス室
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

Claims (17)

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第１ガス室を有する第１マニホールド本体と、
   前記第２ガス流路と連通する第２ガス室を有し、前記第１マニホールド本体内に配置される第２マニホールド本体と、
   を備える、
   マニホールド。
   
2. 前記第１マニホールドは、前記第１ガス流路と前記第１ガス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マニホールドは、前記第２ガス流路と前記第２ガス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側板とを有する、
   請求項１に記載のマニホールド。
   
3. 前記第２天板は、前記第１天板の一部によって構成される、
   請求項２に記載のマニホールド。
   
4. 前記第１底板と前記第２底板とは、互いに間隔をあけている、
   請求項２または３に記載のマニホールド。
   
5. 前記第１側板と前記第２側板とは、互いに間隔をあけている、
   請求項２から４のいずれかに記載のマニホールド。
   
6. 前記マニホールドは、複数の電気化学セルにガスを供給するように構成されており、
   前記第１マニホールド本体及び前記第２マニホールド本体は、前記電気化学セルの配列方向に延びており、
   前記第２マニホールド本体は、前記第１マニホールド本体内において、前記マニホールドの幅方向の一方の端部側に寄って配置される、
   請求項１から５のいずれかに記載のマニホールド。
   
7. 前記マニホールドは、複数の電気化学セルにガスを供給するように構成されており、
   前記第１マニホールド本体及び前記第２マニホールド本体は、前記電気化学セルの配列方向に延びており、
   前記第２マニホールド本体は、前記第１マニホールド本体内において、前記マニホールドの幅方向の中央部に配置される、
   請求項１から５のいずれかに記載のマニホールド。
   
8. 前記第１マニホールド本体を貫通し、前記第２マニホールド本体に取り付けられる第２ガス管と、
   前記第１マニホールド本体と前記第２ガス管との隙間を封止する第２ガスシール部と、をさらに備え、
   前記第２ガスシール部は、前記第１マニホールド本体の外側面上に配置される、
   請求項１から７のいずれかに記載のマニホールド。
   
9. 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８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、
   前記第１ガス室と連通し、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、
   前記第２ガス室と連通し、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。
   
10. 先端部及び基端部を有する電気化学セルであって、
    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基端部から前記先端部に向かって延び、当該電気化学セルの幅方向の両端部に配置される複数の第１ガス流路と、
    前記支持基板内を前記基端部から前記先端部に向かって延び、前記先端部において前記第１ガス流路と連通し、当該電気化学セルの幅方向の中央部に配置される、少なくとも１つの第２ガス流路と、
    を備える、
    電気化学セル。
    
11. 前記複数の第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１０に記載の電気化学セル。
    
12. 前記各第１ガス流路の流路断面積は、前記各第２ガス流路の流路断面積よりも大きい、
    請求項１１に記載の電気化学セル。
    
13. 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１１又は１２に記載の電気化学セル。
    
14. 前記複数の第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小さい、
    請求項１０に記載の電気化学セル。
    
15. 前記各第１ガス流路の流路断面積は、前記各第２ガス流路の流路断面積よりも小さい、
    請求項１４に記載の電気化学セル。
    
16. 前記第１ガス流路の数は、前記第２ガス流路の数よりも少ない、
    請求項１４又は１５に記載の電気化学セル。
    
17. 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１０から１６のいずれかに記載の電気化学セル。
    
    
    

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