JP2020064839A - セルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの使用効率を向上させる。【解決手段】セルスタック装置１００は、マニホールド２、電気化学セル１０、及び集電部材を備えている。マニホールド２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２を有する。電気化学セル１０は、マニホールド２から延びている。集電部材は、隣り合う電気化学セル１０の間に配置されている。集電部材は、電気化学セル１０の先端部において隣り合う電気化学セルを互いに電気的に接続する。電気化学セル１０の支持基板４は、第１ガス流路４３と、第２ガス流路４４とを有している。第１ガス流路４３は、ガス供給室２１と連通する。第２ガス流路４４は、ガス回収室３３と連通する。第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、電気化学セル１０の先端部において互いに連通する。【選択図】図５

Description

本発明は、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。支持基板の基端部からガス流路に供給ガスが供給される一方で、支持基板の先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セルスタック装置を提供することにある。

本発明のある側面に係るセルスタック装置は、マニホールドと、複数の電気化学セルと、集電部材と、を備えている。マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。各電気化学セルは、マニホールドから延びている。集電部材は、隣り合う電気化学セルの間に配置されている。そして、集電部材は、電気化学セルの先端部において隣り合う電気化学セルを互いに電気的に接続する。電気化学セルのそれぞれは、マニホールドから延びる支持基板と、支持基板に支持される発電素子部と、を有する。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ガス流路とを有している。第１ガス流路は、ガス供給室と連通する。また、第１ガス流路は、支持基板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。また、第２ガス流路は、支持基板の基端部から先端部に延びている。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。

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、電気学セルの先端部において隣り合う電気化学セルの間に集電部材が配置されているため、各電気化学セルの振動を低減することができる。この結果、セルスタック装置に対する振動による不具合を減少させることができる。

好ましくは、集電部材は、第１接合部、第２接合部、及び連結部を有する。第１接合部は、隣り合う電気化学セルのうち一方の電気化学セルと接合する。第２接合部は、隣り合う電気化学セルのうち他方の電気化学セルと接合する。連結部は、第１接合部と第２接合部とを連結する。

好ましくは、連結部は、弾性変形可能である。

好ましくは、集電部材は、金属製である。

好ましくは、支持基板は、支持基板の先端部において第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、支持基板の先端部に取り付けられる連通部材をさらに有する。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。

好ましくは、支持基板は第１主面及び第２主面を有する。少なくとも１つの発電素子部は、複数の第１発電素子部と、複数の第２発電素子部とを含む。各第１発電素子部は、第１主面上において第１及び第２ガス流路の延びる方向に沿って配列される。各第２発電素子部は、第２主面上において第１及び第２ガス流路の延びる方向に沿って配列される。電気化学セルは、第１発電素子部と第２発電素子部とを電気的に接続する電気的接続部をさらに有する。集電部材は、複数の第１発電素子部のうち最も電気化学セルの先端側に配置される第１発電素子部と、複数の第２発電素子部のうち最も電気化学セルの先端側に配置される第２発電素子部とを電気的に接続する。電気的接続部は、複数の第１発電素子部のうち最も電気化学セルの基端側に配置される第１発電素子部と、複数の第２発電素子部のうち最も電気化学セルの基端側に配置される第２基端側発電素子部とを電気的に接続する。

この構成によれば、電気化学セルを燃料電池セルとして機能させた場合、各電気化学セルにおいて、基端側の電圧は先端側の電圧よりも低くなる。この結果、電気化学セルからマニホールドへのリーク電流を低減することができる。

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。 マニホールドの断面図。 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。 燃料電池セルの断面図。 燃料電池セルの先端部における断面図。 集電部材の斜視図。 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。 変形例に係る第２電気的接続部の斜視図。 変形例に係る第２電気的接続部の斜視図。 変形例に係る第２電気的接続部が取り付けられた燃料電池セルの断面図。

以下、本発明に係る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はセルスタック装置の断面図である。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及び図２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、複数の集電部材１２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とガス回収室２２とを有している。ガス供給室２１にはガス供給管２０１が接続されており、ガス回収室２２にはガス回収管２０２が接続されている。ガス供給室２１には、ガス供給管２０１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２０２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。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。

図３に示すように、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、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。

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４及び図５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。また、図６及び図７に示すように、燃料電池セル１０は、第１電気的接続部９ａ及び第２電気的接続部９ｂを有している。

［支持基板］
図４及び図５に示すように、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の基端部４１は、上板部２３１に形成された貫通孔２３２（図２参照）に挿入されている。なお、支持基板４の基端部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の基端部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の基端部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、支持基板４の基端部４１から先端部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、基端部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、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、支持基板４の先端部４２から基端部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、基端部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、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、０.５〜２０ｍｍ^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４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及び図２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４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は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６上に配置されている。なお、複数の発電素子部５は、複数の第１発電素子部５ａと、複数の第２発電素子部５ｂとを含んでいる。各第１発電素子部５ａは第１主面４５上に配置されており、各第２発電素子部５ｂは第２主面４６上に配置されている（図６参照）。第１発電素子部５ａの数と第２発電素子部５ｂ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。

第１及び第２発電素子部５ａ、５ｂは、第１及び第２ガス流路４３、４４が延びる方向（ｘ軸方向）に沿って配列されている。すなわち、第１及び第２発電素子部５ａ、５ｂ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。

各発電素子部５は、後述する第１電気的接続部９ａによって、互いに直列に接続されている。また、第１主面４５に配置された発電素子部５と第２主面４６に配置された発電素子部５とは、燃料電池セル１０の基端部１０１側において、後述する第２電気的接続部９ｂによって、電気的に接続されている。

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６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６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。

［第１電気的接続部］
第１電気的接続部９ａは、発電素子部５から燃料電池セル１０の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。例えば、第１電気的接続部９ａは、ｘ軸方向において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。また、燃料電池セル１０の最も先端部１０２側に配置される第１電気的接続部９ａは、発電素子部５と集電部材１２とを電気的に接続している。なお、第１電気的接続部９ａは、支持基板４の第１主面４５と第２主面４６とに亘って延びていない。すなわち、第１電気的接続部９ａは、支持基板４の側面４７には形成されておらず、第１主面４５に形成された第１電気的接続部９ａと第２主面４６に形成された第１電気的接続部９ａとは繋がっていない。

このように、各第１発電素子部５ａは、第１電気的接続部９ａによって、第１主面４５において燃料電池セル１０の先端部１０２から基端部１０１まで直列に接続されている。また、各第２発電素子部５ｂは、第１電気的接続部９ａによって、第２主面４６上において燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２まで直列に接続されている。

隣り合う発電素子部５を接続する第１電気的接続部９ａ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６の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図６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。

［第２電気的接続部］
図７に示すように、第２電気的接続部９ｂは、同じ燃料電池セル１０の第１発電素子部５ａと第２発電素子部５ｂとを電気的に接続している。第２電気的接続部９ｂは、燃料電池セル１０の基端部１０１において、第１発電素子部５ａと第２発電素子部５ｂとを電気的に接続している。

詳細には、第２電気的接続部９ｂは、複数の第１発電素子部５ａのうち最も基端部１０１側に配置された第１発電素子部５ａと、複数の第２発電素子部５ｂのうち最も基端部１０１側に配置された第２発電素子部５ｂとを電気的に接続している。なお、本実施形態では、第２電気的接続部９ｂは、第１発電素子部５ａの空気極８と、第２発電素子部５ｂの燃料極集電部６１とを接続している。

第２電気的接続部９ｂは、空気極集電部９２とインターコネクタ９１とを有している。この第２電気的接続部９ｂの空気極集電部９２及びインターコネクタ９１は、上述した第１電気的接続部９ａの空気極集電部９２及びインターコネクタ９１と同様の構成であるため、詳細な説明を省略する。

第２電気的接続部９ｂは、支持基板４の第１主面４５と第２主面４６とに亘って延びている。すなわち、第２電気的接続部９ｂは、支持基板４の第１主面４５から両側面４７を介して第２主面４６まで延びている。第２電気的接続部９ｂは、環状である。なお、第２電気的接続部は、本発明の電気的接続部の一例である。

このように、第１主面４５において直列接続された複数の第１発電素子部５ａと、第２主面４６において直接接続された複数の第２発電素子部５ｂとは、第２電気的接続部９ｂによって、燃料電池セル１０の基端部１０１において直列接続されている。

［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。

［集電部材］
図２に示すように、集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の間に配置されている。そして、集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０を互いに電気的に接続している。集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の先端部１０２同士を接合している。例えば、集電部材１２は、支持基板４の両主面に配置された複数の発電素子部５のうち、最も先端側に配置された発電素子部５よりも先端側に配置されている。

図８に示すように、集電部材１２は、複数の第１発電素子部５ａのうち、最も燃料電池セル１０の先端側に配置される第１発電素子部５ａと、複数の第２発電素子部５ｂのうち、最も燃料電池セル１０の先端側に配置される第２発電素子部５ｂとを電気的に接続している。

集電部材１２は、導電性接合材１０３を介して、発電素子部５から延びる第１電気的接続部９ａに接合される。導電性接合材１０３としては、周知の導電性セラミックス等を用いることができる。例えば、導電性接合材１０３は、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３などから選ばれる少なくとも１種によって構成することができる。

図９に示すように、集電部材１２は、板状である。例えば、集電部材１２は、折り曲げ加工された金属板（例えば、ステンレス板）によって構成することができる。集電部材１２は、第１接合部１２１、第２接合部１２２、及び連結部１２３を有する。

図８に示すように、第１接合部１２１は、隣り合う燃料電池セル１０の一方に接合される。詳細には、第１接合部１２１は、導電性接合材１０３によって、燃料電池セル１０の発電素子部５から延びる第１電気的接続部９ａに接合される。なお、本実施形態において、第１接合部１２１が接合する第１電気的接続部９ａは、インターコネクタ９１と空気極集電部９２とによって構成されている。

図９に示すように、第１接合部１２１は、平板状に形成される。本実施形態において、第１接合部１２１は、幅方向（ｙ軸方向）に延びる矩形に形成されているが、第１接合部１２１の形状に特に制限はなく、三角以上の多角形、円形、楕円形、或いは、これら以外の複雑形状であってもよい。

図８に示すように、第２接合部１２２は、第１接合部１２１と電気的に接続される。第２接合部１２２は、隣り合う燃料電池セル１０の他方に接合される。詳細には、第２接合部１２２は、導電性接合材１０３によって、燃料電池セル１０の発電素子部５から延びる第１電気的接続部９ａに接合される。なお、本実施形態において、第２接合部１２２が接合する第１電気的接続部９ａは、空気極集電部９２によって構成されている。第２接合部１２２は、配列方向（ｚ軸方向）において第１接合部１２１と対向する。

図９に示すように、第２接合部１２２は、平板状に形成される。本実施形態において、第２接合部１２２は、第１接合部１２１と同様の形状を有しているが、第１接合部１２１と異なる形状であってもよい。第２接合部１２２の形状に特に制限はなく、三角以上の多角形、円形、楕円形、或いは、これら以外の複雑形状であってもよい。

第１接合部１２１及び第２接合部１２２には、複数の貫通孔１２４が形成される。各貫通孔１２４には、導電性接合材１０３が充填されている。これによって、燃料電池セル１０に対する第１接合部１２１及び第２接合部１２２の接合力を向上させることができる。導電性接合材１０３は、各貫通孔１２４から外側に突出していてもよく、さらに第１接合部１２１又は第２接合部１２２の外表面上に広がっていてもよい。

なお、各貫通孔１２４は、幅方向に沿って延びる矩形状に形成されているが、各貫通孔１２４の形状に特に制限はなく、円形、楕円形、三角以上の多角形、又は、これら以外の複雑形状であってもよい。また、貫通孔１２４の個数及び位置は適宜変更可能である。

連結部１２３は、第１接合部１２１と第２接合部１２２とを連結する。本実施形態において、連結部１２３は、一対の連結片１２３ａ、１２３ｂを有しているが、連結部１２３の構成はこれに限定されない。また、連結部１２３は、湾曲しているが、これに限られない。連結部１２３は、平板状であってもよいし、少なくとも１箇所で屈曲する形状であってもよい。連結部１２３は、弾性変形可能である。

また、本実施形態では、連結部１２３は集電部材１２の両端部に配置されているが、連結部１２３の位置は特に制限されない。

［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_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋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、全ての燃料電池セル１０が集電部材１２によって電気的に接合されているが、この構成に限定されない。例えば、複数の燃料電池セル１０のうちの一部の燃料電池セル１０のみが集電部材１２によって電気的に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１０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
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４
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１１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５
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先端部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基端部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６
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７
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８
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９
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１０
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１１
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１２
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１３
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１２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１４
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１５
上記実施形態では、集電部材１２は、支持基板４の両主面に配置された複数の発電素子部５のうち、最も先端側に配置された発電素子部５よりも先端側に配置されているが、集電部材１２の配置はこれに限定されない。例えば、集電部材１２は、最も先端側に配置された発電素子部５上に配置されていてもよい。

変形例１６
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。このように、いわゆる縦縞型の燃料電池セルの場合、集電部材１２は、発電素子部５の先端部側に配置されている。

変形例１７
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。

変形例１８
上記実施形態では、第２電気的接続部９ｂは、空気極集電部９２とインターコネクタ９１とによって構成されていたが、第２電気的接続部９ｂの構成はこれに限定されない。例えば、第２電気的接続部９ｂは、空気極集電部９２及びインターコネクタ９１とは別部材とすることができる。

例えば、各燃料電池セル１０は、図１３に示すような一対の第２電気的接続部９ｂを有していてもよい。各第２電気的接続部９ｂは、第１本体部９３、第２本体部９４、及び連結部９５を有している。第１本体部９３、第２本体部９４、及び連結部９５は１つの部材によって構成されている。第２電気的接続部９ｂは、例えば、金属によって構成されている。第２電気的接続部９ｂは、金属板、具体的にはステンレス板を折り曲げ加工することによって形成することができる。
なお、各燃料電池セル１０は、図１４に示すような１つの第２電気的接続部９ｂを有していてもよい。であってもよい。

図１５に示すように、第２電気的接続部９ｂは、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に沿って延びている。また、第２電気的接続部９ｂは、支持基板４の第１主面４５と第２主面４６とに亘って延びている。すなわち、第２電気的接続部９ｂは、支持基板４の第１主面４５から両側面４７を介して第２主面４６まで延びている。

第２電気的接続部９ｂは、第１主面４５に配置された第１発電素子部５ａと、第２主面４６に配置された第２発電素子部５ｂとを電気的に接続している。詳細には、第２電気的接続部９ｂの第１本体部９３が第１発電素子部５ａと電気的に接続される。第１本体部９３は、導電性接合材９６を介して、第１発電素子部５ａの空気極８に接続されている。なお、この導電性接合材９６は、周知の導電性セラミックス等を用いることができる。例えば、導電性接合材９６は、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３などから選ばれる少なくとも１種によって構成することができる。

また、第２電気的接続部９ｂの第２本体部９４が第２発電素子部５ｂと電気的に接続される。詳細には、第２本体部９４は、導電性接合材９６を介して、インターコネクタ９１に接合されている。このインターコネクタ９１は第２発電素子部５ｂの燃料極６と接続されている。

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 ：基端部
４２ ：先端部
４３ ：第１ガス流路
４４ ：第２ガス流路
５ ：発電素子部
５ａ ：第１発電素子部
５ｂ ：第２発電素子部
９ｂ ：第２電気的接続部
１０ ：燃料電池セル
１２ ：集電部材
１２１ ：第１接合部
１２２ ：第２接合部
１２３ ：連結部
１００ ：セルスタック装置

Claims (7)

1. ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、
   前記マニホールドから延びる複数の電気化学セルと、
   隣り合う前記電気化学セルの間に配置され、前記電気化学セルの先端部において前記隣り合う電気化学セルを互いに電気的に接続する集電部材と、
   を備え、
   前記電気化学セルのそれぞれは、
   前記マニホールドから延びる支持基板と、
   前記支持基板に支持される少なくとも１つの発電素子部と、
   を有し、
   前記支持基板は、
   前記ガス供給室と連通し、前記支持基板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、前記支持基板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。
   
2. 前記集電部材は、
   前記隣り合う電気化学セルのうち一方の電気化学セルと接合する第１接合部と、
   前記隣り合う電気化学セルのうち他方の電気化学セルと接合する第２接合部と、
   前記第１接合部と前記第２接合部とを連結する連結部と、
   を有する、
   請求項１に記載のセルスタック装置。
   
3. 前記連結部は、弾性変形可能である、
   請求項２に記載のセルスタック装置。
   
4. 前記集電部材は、金属製である、
   請求項１から３のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
5. 前記支持基板は、前記支持基板の先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セルスタック装置。
   
6. 前記電気化学セルは、前記支持基板の先端部に取り付けられる連通部材をさらに有し、
   前記連通部材は、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する、
   請求項１から４のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
7. 前記支持基板は第１主面及び第２主面を有し、
   前記少なくとも１つの発電素子部は、前記第１主面上において前記第１及び第２ガス流路の延びる方向に沿って配列される複数の第１発電素子部と、前記第２主面上において前記第１及び第２ガス流路の延びる方向に沿って配列される複数の第２発電素子部と、を含み、
   前記電気化学セルは、前記第１発電素子部と前記第２発電素子部とを電気的に接続する電気的接続部をさらに有し、
   前記集電部材は、前記複数の第１発電素子部のうち最も前記電気化学セルの先端側に配置される第１発電素子部と、前記複数の第２発電素子部のうち最も前記電気化学セルの先端側に配置される第２発電素子部と、を電気的に接続し、
   前記電気的接続部は、前記複数の第１発電素子部のうち最も前記電気化学セルの基端側に配置される第１発電素子部と、前記複数の第２発電素子部のうち最も前記電気化学セルの基端側に配置される第２発電素子部と、を電気的に接続する、
   請求項１から６のいずれかに記載のセルスタック装置。
   

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