JP2020119660A - 燃料電池セル、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。
図2に示すように、マニホールド2は、複数の燃料電池セル10のそれぞれにガスを分配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、改質器などを介して燃料ガス供給源から燃料ガスが供給される。ガス回収室22は、各燃料電池セル10にて使用された燃料ガスのオフガスを回収する。
図4は、セルスタック装置の断面図を示している。図4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。燃料電池セル10は、基端部101及び先端部102を有している。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。すなわち、マニホールド2は、各燃料電池セル10の基端部101を支持している。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。
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、板状である。詳細には、支持基板4は、正面視(z軸方向視)が長方形状である。支持基板4は、長手方向(x軸方向)と幅方向(y軸方向)とを有している。なお、支持基板4は、長手方向の寸法が幅方向の寸法よりも長い。本実施形態では、図4の上下方向(x軸方向)が支持基板4の長手方向であり、図4の左右方向が(y軸方向)が支持基板4の幅方向である。
図5に示すように、複数の発電素子部5が、支持基板4上に配置されている。なお、本実施形態では、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、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のどちらか一方のみに支持されていてもよい。
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。燃料極6は、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。各燃料極6は、支持基板4上に配置されている。各燃料極6は、支持基板4の長手方向(x軸方向)において、互いに間隔をあけて配置されている。
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3主面611を有している。
燃料極活性部62は、燃料極集電部61の第3主面611上に配置されている。このため、燃料極活性部62は、凹部49から突出している。すなわち、燃料極活性部62は、燃料極集電部61に埋設されていない。燃料極活性部62の端縁は、第3主面611上において、燃料極集電部61の端縁よりも内側に形成されている。詳細には、燃料極活性部62は、燃料極集電部61よりも平面視(z軸方向視)の面積が小さい。そして、燃料極活性部62は、第3主面611内に収まっている。
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9から他のインターコネクタ9まで支持基板4の長手方向に延びている。すなわち、支持基板4の長手方向において、電解質7とインターコネクタ9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。
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、厚さ方向視において、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と空気極活性部81内のSrとが反応して電解質7と空気極活性部81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、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される。空気極8は、焼成体である。空気極8は、燃料極6と協働して電解質7を挟むように配置されている。空気極8は、空気極活性部81及び空気極集電部82を有している。
空気極活性部81は、反応防止膜11上に配置されている。空気極活性部81は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。空気極活性部81は、空気極集電部82よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、空気極活性部81における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部82における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
空気極集電部82は、空気極活性部81上に配置されている。空気極集電部82は、空気極活性部81から、隣の発電素子部5に向かって延びている。空気極集電部82は、インターコネクタ9を介して隣の発電素子部5の燃料極集電部61と電気的に接続されている。なお、燃料極集電部61と空気極集電部82とは、支持基板4の長手方向(x軸方向)において、発電領域から互いに反対側に延びている。なお、発電領域とは、燃料電池セル10の厚さ方向視(z軸方向視)において、燃料極活性部62と電解質7と空気極活性部81とが重複する領域である。
インターコネクタ9は、支持基板4の長手方向において隣り合う発電素子部5同士を電気的に接続するように構成されている。インターコネクタ9は、隣り合う発電素子部5の一方の発電素子部5の燃料極6と、他方の発電素子部5の空気極8とを電気的に接続している。詳細には、インターコネクタ9は、一方の発電素子部5の燃料極集電部61と、他方の発電素子部5の空気極集電部82とを電気的に接続している。
図4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。
図8に示すように、セルスタック装置100は、集電部材12をさらに有している。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。集電部材12は、隣り合う燃料電池セル10の最も先端側に配置された発電素子部5同士を電気的に接続している。
図6に示すように、支持基板4の第1主面45上に配置された複数の発電素子部5は、支持基板4の長手方向に配列されている。同様に、支持基板4の第2主面46上に配置された複数の発電素子部5も、支持基板4の長手方向に配列されている。なお、第1主面45上に配置された複数の発電素子部5と、第2主面46上に配置された複数の発電素子部5とは、基本的に同じ構成であるので、以下では第1主面45上に配置された複数の発電素子部5に基づいて説明する。
上述したように構成されたセルスタック装置100では、燃料ガスをマニホールド2のガス供給室21に供給するとともに、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。
図10に示すように、各燃料極6の長さが、支持基板4の長手方向の中央に近い燃料極6ほど長くなっていてもよい。すなわち、上述した空気極8と同様に、中央燃料極6aの長さdが端部燃料極6bの長さdよりも長くてもよい。なお、端部発電素子部5の燃料極6を端部燃料極6bと称し、中央発電素子部5の燃料極6を中央燃料極6aと称する。燃料極6の長さとして、燃料極集電部61の長さを測定してもよいし、燃料極活性部62の長さを測定してもよい。
上記実施形態では、支持基板4の幅は略一定であったが、特にこれに限定されない。図11に示すように、支持基板4の幅は一定でなくてもよい。詳細には、支持基板4の長手方向の中央部における支持基板4の幅w1は、支持基板4の長手方向の両端部における支持基板4の幅w3よりも大きい。例えば、支持基板4の長手方向の中央部における幅w1は、支持基板4の長手方向の両端部における幅w2よりも、0.1〜5.0mm程度大きくすることができる。なお、支持基板4の幅は、長手方向の中央部から両端部に向かって漸減している。
上記実施形態では、2つの端部空気極8bのうち、基端側の端部空気極8bの長さと先端側の端部空気極8bの長さは互いに実質的に同じであるが、これに限定されない。例えば、基端側の端部空気極8bの方が先端側の端部空気極8bより長くてもよい。また、先端側の端部空気極8bの方が基端側の端部空気極8bより長くてもよい。
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12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。
上記実施形態では、燃料電池セル10からのオフガスをマニホールド2のガス回収室22によって回収しているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル10の先端部からオフガスを排出して燃焼させてもよい。この場合、マニホールド2は、仕切板24を有しておらず、ガス供給室21とガス回収室22とに分かれていなくてよい。
21 ガス供給室
22 ガス回収室
4 支持基板
5 発電素子部
6 燃料極
7 電解質
8 空気極
Claims (12)
- 板状の支持基板と、
前記支持基板上において前記支持基板の長手方向に配列される複数の発電素子部と、
を備え、
前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板の幅方向に延びる電極を有し、
前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部のうち、中央に配置される前記発電素子部の電極の長さは、両端に配置される前記発電素子部の電極の長さよりも長い、
燃料電池セル。
- 前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部のうち、中央に配置される前記発電素子部の電極の長さが最も長い、
請求項1に記載の燃料電池セル。
- 前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部のうち、両端に配置される一対の前記発電素子部のうち少なくとも一方の発電素子部の電極の長さが最も短い、
請求項1又は2に記載の燃料電池セル。
- 前記支持基板の長手方向に配列される前記複数の発電素子部の電極のそれぞれの長さは、中央に近い電極ほど長い、
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有し、
前記電極は、前記外側電極である、
請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有し、
前記電極は、前記内側電極である、
請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記複数の発電素子部のそれぞれは、前記支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有し、
前記電極は、前記内側電極及び前記外側電極である、
請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記支持基板は、前記長手方向における中央部の幅が前記長手方向における両端部の幅よりも大きい、
請求項1から7のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 請求項1から8のいずれかに記載された、複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルのそれぞれにガスを分配するマニホールドと、
を備える、セルスタック装置。
- 前記マニホールドは、ガス供給室と、ガス回収室と、を有し、
前記複数の燃料電池セルのそれぞれは、
前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池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、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池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、
請求項9に記載のセルスタック装置。
- 前記燃料電池セルは、前記マニホールドに支持される基端部と、前記基端部と反対側の先端部とを有し、
前記両端に配置される前記発電素子部のうち、前記基端部側に配置される発電素子部の電極の長さは、前記先端部側に配置される発電素子部の電極の長さよりも長い、
請求項9又は10に記載のセルスタック装置。
- 前記燃料電池セルは、前記マニホールドに支持される基端部と、前記基端部と反対側の先端部とを有し、
前記両端に配置される前記発電素子部のうち、前記先端部側に配置される発電素子部の電極の長さは、前記基端部側に配置される発電素子部の電極の長さよりも長い、
請求項9又は10に記載のセルスタック装置。
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