JP6275223B1 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ガスの使用効率を向上させることのできる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタックは、複数の第1発電素子部21a、第1支持基板5a、複数の第2発電素子部21b、第2支持基板5b、及び連通部材3を備えている。第1支持基板5aは、第1基板本体部、第1緻密層、及び第1ガス流路を有する。第1緻密層は、第1基板本体部を覆う。第2支持基板5bは、第2基板本体部、第2緻密層、及び第2ガス流路を有する。第2緻密層は、第2基板本体部を覆う。連通部材3は、第1支持基板5aの遠位端部502aと第2支持基板5bの遠位端部502bとの間を延び、第1ガス流路と第2ガス流路とを連通させる。各第2発電素子部21bのうち、最も近位側に配置された近位第2発電素子部21bの面積は、他の第2発電素子部21bの面積の平均値よりも大きい。【選択図】図4
Description
本発明は、燃料電池スタックに関するものである。
複数のセルと、各セルにガスを分配するマニホールドと、を備えた燃料電池スタックが知られている。各セルは、多孔質の支持基板と、各支持基板に支持される発電素子部とを備えている。各支持基板の近位端部がマニホールドに挿入されることによって、各支持基板のガス流路にマニホールドから燃料ガスが供給される。各支持基板のガス流路の近位端部から供給された燃料ガスのうち未反応のガスは、ガス流路の遠位端部から外部へと排出される。
上述したような燃料電池スタックにおいて、燃料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、燃料ガスの使用効率を向上させることのできる燃料電池スタックを提供することにある。
本発明のある側面に係る燃料電池スタックは、第1支持基板と、複数の第1発電素子部と、第2支持基板と、複数の第2発電素子部と、マニホールドと、連通部材とを備えている。第1支持基板は、第1基板本体部、第1基板本体部を覆う第1緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延びる第1ガス流路、を有している。各第1発電素子部は、第1支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される。第2支持基板は、第2基板本体部、第2基板本体部を覆う第2緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延びる第2ガス流路、を有する。各第2発電素子部は、第2支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される。マニホールドは、第1支持基板及び第2支持基板の各近位端部を支持する。連通部材は、第1支持基板の遠位端部と第2支持基板の遠位端部とに亘って延び、第1ガス流路と第2ガス流路とを連通させる。各第2発電素子部のうち、最も近位側に配置された近位第2発電素子部の面積は、他の第2発電素子部の面積の平均値よりも大きい。
この構成によれば、第1支持基板の第1ガス流路を流れた燃料ガスのうち未反応ガスは、第1ガス流路の遠位端部から外部へと排出されるのではなく、連通部材を介して第2ガス流路へと流れる。このため、燃料ガスの使用効率を向上させることができる。
また、第1支持基板は、第1基板本体部を覆う第1緻密層を有しており、第2支持基板は、第2基板本体部を覆う第2緻密層を有している。第1及び第2緻密層は、第1及び第2基板本体部よりも緻密であるため、第1ガス流路内を流れる燃料ガスが、第1及び第2基板本体部内を通って第2ガス流路へ流れることを抑制することができる。また、この第1緻密層は、第1基板本体部を覆うように形成すればよく、容易に形成することができる。
また、燃料ガスを第1支持基板の第1ガス流路を流した後、連通部材を介して第2支持基板の第2ガス流路に流す過程において、燃料ガスは各発電素子部において消費される。このため、第1ガス流路内を流れる燃料ガスよりも、第2ガス流路内を流れる燃料ガスの方が、燃料ガスの濃度が低くなっている。燃料ガスの濃度が低くなり、発電素子部に必要な燃料ガスが不足すると、燃料極における電解質との界面の雰囲気が酸化雰囲気になる。この結果、界面近傍に存在するNiがNiOに変化し、界面近傍における反応抵抗が大きくなり、その発電素子部の発電効率が低下するという問題が生じ得る。この問題は、最も下流側に配置される近位第2発電素子部で生じ易い。
これに対して、本発明に係る燃料電池スタックでは、最も下流側に配置される近位第2発電素子部の面積を他の第2発電素子部の面積の平均値よりも大きくしているため、近位第2発電素子部における電流密度が他の第2発電素子部よりも小さくなる。この結果、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、ひいては、近位第2発電素子部の発電効率が低下することを抑制することができる。
好ましくは、各第2発電素子部のうち、最も遠位側に配置された遠位第2発電素子部の面積は、他の第2発電素子部の面積の平均値よりも大きい。本発明に係る燃料電池スタックは、第2支持基板の遠位端部側において未反応ガスを燃焼させるような構成ではない。そして、遠位第2発電素子部は遠位側に配置されており放熱しやすいため、他の第2発電素子部に比べて低温になる傾向にある。このため、遠位第2発電素子部は、他の第2発電素子部に比べて電気抵抗が大きくなるおそれがある。これに対して、遠位第2発電素子部の面積を、他の第2発電素子部の面積の平均値よりも大きくすることによって、遠位第2発電素子部における電気抵抗を小さくすることができる。これにより、第2支持基板に配置された複数の第2発電素子部全体としての内部抵抗が低減し、発電効率が向上する。
好ましくは、近位第2発電素子部及び遠位第2発電素子部の少なくとも一方の面積は、各第2発電素子部のうち中央部に配置される第2発電素子部の面積よりも大きい。
好ましくは、各第1発電素子部のうち、最も近位側に配置された近位第1発電素子部の面積は、他の第1発電素子部の面積の平均値よりも大きい。近位発電素子部は、支持基板端に配置されており放熱しやすい。また、供給される燃料ガスが十分に予熱されていない場合、最もガス供給側に配置された近位第1発電素子部が燃料ガスによって冷却されてしまう。この結果、他の第1発電素子部に比べて近位第1発電素子部の電気抵抗が大きくなるおそれがある。これに対して、近位第1発電素子部の面積を、他の第1発電素子部の面積の平均値よりも大きくすることによって、近位第1発電素子部における電気抵抗を小さくすることができる。これにより、第1支持基板に配置された複数の第1発電素子部全体としての内部抵抗が低減し、発電効率が向上する。なお、近位第2発電素子部については、放熱に由来した低温下の観点からも面積を拡大することで発電効率の向上を期待できる。
好ましくは、各第1発電素子部のうち、最も遠位側に配置された遠位第1発電素子部の面積は、他の第1発電素子部の面積の平均値よりも大きい。本発明に係る燃料電池スタックは、第1支持基板の遠位端部側において未反応ガスを燃焼させるような構成ではない。そして、遠位第1発電素子部は遠位側に配置されており放熱しやすいため、他の第1発電素子部に比べて低温になる傾向にある。このため、遠位第1発電素子部は、他の第1発電素子部に比べて電気抵抗が大きくなるおそれがある。これに対して、遠位第1発電素子部の面積を、他の第1発電素子部の面積の平均値よりも大きくすることによって、遠位第1発電素子部における電気抵抗を小さくすることができる。これにより、第1支持基板に配置された複数の第1発電素子部全体としての内部抵抗が低減し、発電効率が向上する。
好ましくは、近位第1発電素子部及び遠位第1発電素子部の少なくとも一方の面積は、各第1発電素子部のうち中央部に配置される第1発電素子部の面積よりも大きい。
好ましくは、燃料電池スタックは、複数の第1インターコネクタと、複数の第2インターコネクタとをさらに備えている。各第1インターコネクタは、各第1発電素子部と電気的に接続される。各第2インターコネクタは、各第2発電素子部と電気的に接続される。
好ましくは、各第1インターコネクタのうち、最も近位側に配置された近位第1インターコネクタの面積は、他の第1インターコネクタの面積の平均値よりも大きい。この構成によれば、近位第1インターコネクタの面積が、他の第1インターコネクタの面積の平均値よりも大きいため、近位第1インターコネクタの電流密度が小さくなり、近位第1インターコネクタの電気抵抗を小さくすることができる。この結果、温度低下によって近位第1インターコネクタの電気抵抗が大きくなった場合であっても、近位第1インターコネクタの電気抵抗と他の第1インターコネクタの電気抵抗との差を小さくすることができる。これにより、第1支持基板に配置された複数の第1発電素子部全体としての内部抵抗が低減し、発電効率が向上する。
好ましくは、各第1インターコネクタのうち、最も遠位側に配置された遠位第1インターコネクタの面積は、他の第1インターコネクタの面積の平均値よりも大きい。この構成によれば、遠位第1インターコネクタの面積が、他の第1インターコネクタの面積の平均値よりも大きいため、遠位第1インターコネクタの電流密度が小さくなり、遠位第1インターコネクタの電気抵抗を小さくすることができる。この結果、温度低下によって遠位第1インターコネクタの電気抵抗が大きくなった場合であっても、遠位第1インターコネクタの電気抵抗と他の第1インターコネクタの電気抵抗との差を小さくすることができる。これにより、第1支持基板に配置された複数の第1発電素子部全体としての内部抵抗が低減し、発電効率が向上する。
好ましくは、近位第1インターコネクタ及び遠位第1インターコネクタの少なくとも一方の面積は、各第1インターコネクタのうち中央部に配置される第1インターコネクタの面積よりも大きい。
好ましくは、各第2インターコネクタのうち、最も近位側に配置された近位第2インターコネクタの面積は、他の第2インターコネクタの面積の平均値よりも大きい。この構成によれば、近位第2インターコネクタの面積が、他の第2インターコネクタの面積の平均値よりも大きいため、近位第2インターコネクタの電流密度が小さくなり、近位第2インターコネクタの電気抵抗を小さくすることができる。この結果、温度低下によって近位第2インターコネクタの電気抵抗が大きくなった場合であっても、近位第2インターコネクタの電気抵抗と他の第2インターコネクタの電気抵抗との差を小さくすることができる。これにより、第2支持基板に配置された複数の第2発電素子部全体としての内部抵抗が低減し、発電効率が向上する。
好ましくは、各第2インターコネクタのうち、最も遠位側に配置された遠位第2インターコネクタの面積は、他の第2インターコネクタの面積の平均値よりも大きい。この構成によれば、遠位第2インターコネクタの面積が、他の第2インターコネクタの面積の平均値よりも大きいため、遠位第2インターコネクタの電流密度が小さくなり、遠位第2インターコネクタの電気抵抗を小さくすることができる。この結果、温度低下によって遠位第2インターコネクタの電気抵抗が大きくなった場合であっても、遠位第2インターコネクタの電気抵抗と他の第2インターコネクタの電気抵抗との差を小さくすることができる。これにより、第2支持基板に配置された複数の第2発電素子部全体としての内部抵抗が低減し、発電効率が向上する。
好ましくは、近位第2インターコネクタ及び遠位第2インターコネクタの少なくとも一方の面積は、各第2インターコネクタのうち中央部に配置される第2インターコネクタの面積よりも大きい。
好ましくは、マニホールドは、第1室と第2室とを有している。第1ガス流路は、第1室と連通している。第2ガス流路は、第2室に連通している。この構成によれば、第1室に燃料ガスを供給することによって、燃料ガスは、第1ガス流路、連通部材、第2ガス流路の順でスムーズに流れることができる。
好ましくは、マニホールドは、マニホールド本体部と、仕切板とを有する。マニホールド本体部は、空間部を有する。仕切板は、空間部を第1室と第2室とに仕切る。この構成によれば、第1及び第2室を有するマニホールドを容易に製造することができる。
好ましくは、第1緻密層は第1電解質を含み、第2緻密層は第2電解質を含む。
本発明に係る燃料電池スタックは、燃料ガスの使用効率を向上させることができる。
以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、燃料電池スタックを示す斜視図である。なお、図1において、いくつかの第1及び第2セルの記載を省略している。
[燃料電池スタック]
図1に示すように、燃料電池スタック100は、複数の第1セル10aと、複数の第2セル10bと、連通部材3と、マニホールド4と、を備えている。なお、以下では、第1セル10aの構成部材の符号の末尾に「a」を付し、第2セル10bの構成部材の符号の末尾に「b」を付す。第1セル10aと第2セル10bとは、実質的に同じ構成であるため、以下では第1セル10aの構成部材のみを説明し、第2セル10bの構成部材については第1セル10aの構成部材と対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
図1に示すように、燃料電池スタック100は、複数の第1セル10aと、複数の第2セル10bと、連通部材3と、マニホールド4と、を備えている。なお、以下では、第1セル10aの構成部材の符号の末尾に「a」を付し、第2セル10bの構成部材の符号の末尾に「b」を付す。第1セル10aと第2セル10bとは、実質的に同じ構成であるため、以下では第1セル10aの構成部材のみを説明し、第2セル10bの構成部材については第1セル10aの構成部材と対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
[マニホールド]
マニホールド4は、第1及び第2セル10a、10bを支持するように構成されている。マニホールド4は、第1室41と第2室42とを有している。第1室41にはガス供給部101が接続されており、第2室42にはガス排出部102が接続されている。第1室41には、ガス供給部101を介して燃料ガスが供給される。また、第2室42内の燃料ガスは、ガス排出部102を介してマニホールド4から排出される。
マニホールド4は、第1及び第2セル10a、10bを支持するように構成されている。マニホールド4は、第1室41と第2室42とを有している。第1室41にはガス供給部101が接続されており、第2室42にはガス排出部102が接続されている。第1室41には、ガス供給部101を介して燃料ガスが供給される。また、第2室42内の燃料ガスは、ガス排出部102を介してマニホールド4から排出される。
マニホールド4は、マニホールド本体部43と、仕切板44とを有している。マニホールド本体部43は、内部に空間を有している。マニホールド本体部43は、直方体状である。マニホールド本体部43の上板部431には、複数の第1及び第2挿入孔(図示省略)が形成されている。第1セル10aは第1挿入孔に挿入され、第2セル10bは第2挿入孔に挿入される。なお、第1挿入孔は第1室41と連通しており、第2挿入孔は第2室42と連通している。
各第1挿入孔は、マニホールド本体部43の長手方向(z軸方向)に間隔をあけて並んでいる。また、各第2挿入孔も、マニホールド本体部43の長手方向(z軸方向)に間隔をあけて並んでいる。第1挿入孔と第2挿入孔とは、マニホールド本体部43の幅方向(y軸方向)に間隔をあけて並んでいる。
仕切板44は、マニホールド本体部43の空間を第1室41と第2室42とに仕切っている。詳細には、仕切板44は、マニホールド本体部43の略中央部において、マニホールド本体部43の長手方向に延びている。仕切板44は、マニホールド本体部43の空間を完全に仕切っている必要は無く、仕切板44とマニホールド本体部43との間に隙間が形成されていてもよい。
[第1セル]
第1セル10aは、マニホールド4の第1室41の上方に配置されている。第1セル10aは、マニホールド4の第1挿入孔に挿入されている。第2セル10bは、マニホールド4の第2室42の上方に配置されている。第2セル10bは、マニホールド4の第2挿入孔に挿入されている。
第1セル10aは、マニホールド4の第1室41の上方に配置されている。第1セル10aは、マニホールド4の第1挿入孔に挿入されている。第2セル10bは、マニホールド4の第2室42の上方に配置されている。第2セル10bは、マニホールド4の第2挿入孔に挿入されている。
各第1セル10aは、主面同士が対向するように並べられている。また、各第1セル10aは、マニホールド4の長手方向に沿って間隔をあけて並べられている。なお、各第1セル10aは、マニホールド4の長手方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。各第2セル10bは、主面が対向するように並べられている。また、各第2セル10bは、マニホールド4の長手方向に沿って間隔をあけて並べられている。なお、各第2セル10bは、マニホールド4の長手方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。第1セル10aの列と、第2セル10bの列とは、実質的に平行に配置されている。第1セル10aと第2セル10bとは、側面が対向するように配置されている。
図2及び図3に示すように、第1セル10aは、第1支持基板5aと、複数の第1発電素子部21aと、複数の第1インターコネクタ91aと、を有している。各第1発電素子部21aは、第1支持基板5aの第1主面503a及び第2主面504aに支持されている。なお、特に限定されるものではないが、例えば、第1支持基板5aの第1主面503aに形成される第1発電素子部21aの数は、3〜30個程度である。第2主面504aに形成される第1発電素子部21aの数も同程度である。なお、第1主面503aに形成される第1発電素子部21aの数と第2主面504aに形成される第1発電素子部21aの数とは、互いに異なっていてもよい。
[第1支持基板]
第1支持基板5aは、第1基板本体部51aと、第1緻密層52aと、複数の第1ガス流路53aとを有している。また、第1支持基板5aは、近位端部501aと遠位端部502aとを有している。近位端部501a及び遠位端部502aは、第1支持基板5aの長手方向(x軸方向)における両端部である。第1支持基板5aの近位端部501aは、マニホールド4の第1挿入孔に挿入される。マニホールド4は、第1支持基板5aの近位端部501aを支持する。
第1支持基板5aは、第1基板本体部51aと、第1緻密層52aと、複数の第1ガス流路53aとを有している。また、第1支持基板5aは、近位端部501aと遠位端部502aとを有している。近位端部501a及び遠位端部502aは、第1支持基板5aの長手方向(x軸方向)における両端部である。第1支持基板5aの近位端部501aは、マニホールド4の第1挿入孔に挿入される。マニホールド4は、第1支持基板5aの近位端部501aを支持する。
第1支持基板5aは、第1主面503aと、第2主面504aと、一対の側面505aとを有している。第1主面503aと第2主面504aとは、互いに反対を向いている。第1主面503a及び第2主面504aは、各第1発電素子部21aを支持している。第1主面503a及び第2主面504aは、第1支持基板5aの厚さ方向(z軸方向)を向いている。各側面505aは、第1支持基板5aの幅方向(y軸方向)を向いている。各側面505aは、湾曲していてもよい。図1に示すように、各第1支持基板5aは、第1主面503aと第2主面504aとが対向するように配置されている。
図2及び図3に示すように、第1基板本体部51aは、第1発電素子部21aを支持している。第1基板本体部51a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。第1基板本体部51a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、第1基板本体部51a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。第1基板本体部51a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。
第1緻密層52aは、第1基板本体部51aを覆っている。第1緻密層52aは、第1ガス流路53aを流れる燃料ガスが第1基板本体部51aを通って第2ガス流路53bへと流れることを抑制することができればよく、第1基板本体部51aの全面を覆っている必要は無い。本実施形態では、第1緻密層52aは、第1基板本体部51aの各主面、及び各側面を覆っている。すなわち、第1緻密層52aは、第1支持基板5aの各主面503a、504aを構成するとともに、第1支持基板5aの各側面505aを構成している。なお、本実施形態では、第1緻密層52aは、後述する第1電解質7aと、第1インターコネクタ91aとによって構成されている。第1緻密層52aは、第1基板本体部51aよりも緻密である。例えば、第1緻密層52aの気孔率は、0〜7%程度である。
第1ガス流路53aは、第1支持基板5aの近位端部501aから遠位端部502aまで延びている。第1ガス流路53aは、第1支持基板5aの長手方向(x軸方向)に沿って延びている。また、第1ガス流路53aは、第1基板本体部51a内を貫通して延びている。第1ガス流路53aの近位端部531aは、第1室41と連通している。また、第1ガス流路53aの遠位端部532aは、後述する連通部材3の流路30と連通している。
[第1発電素子部]
図3に示すように、複数の第1発電素子部21aが、第1支持基板5aの第1主面503a及び第2主面504aに支持されている。各第1発電素子部21aは、第1支持基板5a上において、近位端部501aから遠位端部502b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、各第1発電素子部21aは、第1支持基板5aの長手方向(x軸方向)に沿って、間隔をあけて配置されている。また、第1支持基板5a上において、各第1発電素子部21aは、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。
図3に示すように、複数の第1発電素子部21aが、第1支持基板5aの第1主面503a及び第2主面504aに支持されている。各第1発電素子部21aは、第1支持基板5a上において、近位端部501aから遠位端部502b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、各第1発電素子部21aは、第1支持基板5aの長手方向(x軸方向)に沿って、間隔をあけて配置されている。また、第1支持基板5a上において、各第1発電素子部21aは、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。
第1発電素子部21aは、第1燃料極6a、第1電解質7a、及び第1空気極8aを有している。また、第1発電素子部21aは、第1反応防止膜11aをさらに有している。第1燃料極6a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。第1燃料極6aは、第1燃料極集電部61aと第1燃料極活性部62aとを有する。
第1燃料極集電部61aは、凹部513a内に配置されている。凹部513aは、第1基板本体部51aに形成されている。詳細には、第1燃料極集電部61aは、凹部513a内に充填されており、凹部513aと同様の外形を有する。各第1燃料極集電部61aは、凹部611a及び凹部612aを有している。第1燃料極活性部62aは、凹部611a内に配置されている。詳細には、第1燃料極活性部62aは、凹部611a内に充填されている。
第1燃料極集電部61a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、第1燃料極集電部61a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。第1燃料極集電部61aの厚さ、並びに凹部513aの深さは、50〜500μm程度である。
第1燃料極活性部62a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、第1燃料極活性部62a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。第1燃料極活性部62aの厚さは、5〜30μmである。
第1電解質7aは、第1燃料極6a上を覆うように配置されている。詳細には、第1電解質7aは、一の第1インターコネクタ91aから他の第1インターコネクタ91aまで長手方向に延びている。すなわち、長手方向において、第1電解質7aと第1インターコネクタ91aとが交互に配置されている。また、第1電解質7aは、第1基板本体部51aの各主面及び各側面を覆っている。
第1電解質7aは、第1基板本体部51aよりも緻密である。例えば、第1電解質7aの気孔率は、0〜7%程度である。第1電解質7a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。第1電解質7a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。第1電解質7aの厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
第1反応防止膜11aは、緻密な材料から構成される焼成体である。第1反応防止膜11aは、平面視において、第1燃料極活性部62aと略同一の形状である。第1反応防止膜11aは、第1電解質7aを介して、第1燃料極活性部62aと対応する位置に配置されている。第1反応防止膜11aは、第1電解質7a内のYSZと第1空気極8a内のSrとが反応して第1電解質7aと第1空気極8a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。第1反応防止膜11a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。第1反応防止膜11aの厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
第1空気極8aは、第1反応防止膜11a上に配置されている。第1空気極8a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。第1空気極8a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、第1空気極8a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。第1空気極8aの厚さは、例えば、10〜100μmである。
[電気的接続部]
第1電気的接続部9aは、隣り合う第1発電素子部21aを電気的に接続するように構成されている。第1電気的接続部9aは、第1インターコネクタ91a及び第1空気極集電膜92aを有する。第1インターコネクタ91aは、凹部612a内に配置されている。詳細には、第1インターコネクタ91aは、凹部612a内に埋設(充填)されている。第1インターコネクタ91a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。第1インターコネクタ91aは、第1基板本体部51aよりも緻密である。例えば、第1インターコネクタ91aの気孔率は、0〜7%程度である。第1インターコネクタ91a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。第1インターコネクタ91aの厚さは、例えば、10〜100μmである。
第1電気的接続部9aは、隣り合う第1発電素子部21aを電気的に接続するように構成されている。第1電気的接続部9aは、第1インターコネクタ91a及び第1空気極集電膜92aを有する。第1インターコネクタ91aは、凹部612a内に配置されている。詳細には、第1インターコネクタ91aは、凹部612a内に埋設(充填)されている。第1インターコネクタ91a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。第1インターコネクタ91aは、第1基板本体部51aよりも緻密である。例えば、第1インターコネクタ91aの気孔率は、0〜7%程度である。第1インターコネクタ91a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。第1インターコネクタ91aの厚さは、例えば、10〜100μmである。
第1空気極集電膜92aは、隣り合う第1発電素子部21aの第1インターコネクタ91aと第1空気極8aとの間を延びるように配置される。例えば、図3の左側に配置された第1発電素子部21aの第1空気極8aと、図3の右側に配置された第1発電素子部21aの第1インターコネクタ91aとを電気的に接続するように、第1空気極集電膜92aが配置されている。第1空気極集電膜92a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。
第1空気極集電膜92a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。第1空気極集電膜92aの厚さは、例えば、50〜500μm程度である。
[第2セル]
図4及び図5に示すように、第2セル10bは、第2支持基板5bと、複数の第2発電素子部21bと、複数の第2インターコネクタ91bと、を有している。
図4及び図5に示すように、第2セル10bは、第2支持基板5bと、複数の第2発電素子部21bと、複数の第2インターコネクタ91bと、を有している。
第2支持基板5bは、第2基板本体部51b、第2緻密層52b、及び第2ガス流路53bを有している。また、第2支持基板5bは、近位端部501bと遠位端部502bとを有している。第2支持基板5bの近位端部501bは、マニホールド4の第2挿入孔に挿入されている。
第2支持基板5bは、第1主面503bと、第2主面504bと、一対の側面505bとを有している。第2支持基板5bの第1主面503bは、第1支持基板5aの第1主面503aと同じ方向を向いている。また、第2支持基板5bの第2主面504bは、第1支持基板5aの第2主面504aと同じ方向を向いている。隣り合う一対の第1及び第2支持基板5a、5bは、各第1主面503a、503bが実質的に同一面内に配置されており、各第2主面504a、504bが実質的に同一面内に配置されている。なお、各第1主面503a、503bは、各支持基板5a、5bの厚さ方向(z軸方向)において、互いにずれていてもよい。同様に、第2主面504a、504bも、各支持基板5a、5bの厚さ方向(z軸方向)において、互いにずれていてもよい。
第2基板本体部51bは、複数の第2発電素子部21bを支持している。第2緻密層52bは、第2基板本体部51bを覆っている。第2ガス流路53bは、第2支持基板5bの近位端部501bから遠位端部502bまで延びている。
各第2発電素子部21bは、第2支持基板5bの第1主面503b及び第2主面504bに支持されている。各第2発電素子部21bは、第2支持基板5bの長手方向(x軸方向)に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、特に限定されるものではないが、各主面503b、504bに形成される第2発電素子部21bの数は、3〜30個程度とすることができる。なお、第1主面503bに形成される第2発電素子部21bの数と第2主面504bに形成される第2発電素子部21bの数とは、互いに異なっていてもよい。また、第1セル10aの有する第1発電素子部21aの数と、第2セル10bの有する第2発電素子部21bの数とは、互いに異なっていてもよい。また、第2支持基板5b上において、各第2発電素子部21bは、第2電気的接続部9bによって、互いに直列に接続されている。
第2発電素子部21bは、第2燃料極6b、第2電解質7b、及び第2空気極8bを有している。上述したように、各第2セル10bは、第1セル10aと実質的に同じ構成であるため、詳細な説明を省略する。
図1に示すように、第1支持基板5aの側面505aと第2支持基板5bの側面505bとが対向するように、第1及び第2支持基板5a、5bが配置されている。第1支持基板5aと第2支持基板5bとの間は隙間が形成されていてもよい。または、第1支持基板5aの側面505aと第2支持基板5bの側面505bとが接触していてもよい。
[連通部材]
図6に示すように、連通部材3は、第1支持基板5aの遠位端部502aと第2支持基板5bの遠位端部502bとに亘って延びている。そして、連通部材3は、第1ガス流路53aと第2ガス流路53bとを連通させる流路30を有している。詳細には、流路30は、各第1ガス流路53aの遠位端部532aと各第2ガス流路53bの遠位端部532bとを連通する。流路30は、各第1ガス流路53aから各第2ガス流路53bまで延びる空間によって構成されている。連通部材3は、第1支持基板5aと第2支持基板5bとに接合されていることが好ましい。
図6に示すように、連通部材3は、第1支持基板5aの遠位端部502aと第2支持基板5bの遠位端部502bとに亘って延びている。そして、連通部材3は、第1ガス流路53aと第2ガス流路53bとを連通させる流路30を有している。詳細には、流路30は、各第1ガス流路53aの遠位端部532aと各第2ガス流路53bの遠位端部532bとを連通する。流路30は、各第1ガス流路53aから各第2ガス流路53bまで延びる空間によって構成されている。連通部材3は、第1支持基板5aと第2支持基板5bとに接合されていることが好ましい。
連通部材3は、多孔質である。また、連通部材3は、その外側面を構成する第3緻密層31を有している。第3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、第3緻密層31の気孔率は、0〜7%程度である。この第3緻密層31は、連通部材3と同じ材料や、上述した第1及び第2電解質7a、7b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。
[第1発電素子部の面積]
図7に示すように、各第1発電素子部21aは、第1支持基板5a上において、近位端部501aから遠位端部502aに向かって互いに間隔をあけて配置されている。この各第1発電素子部21aのうち、最も近位側(図7の一番下側)に配置された第1発電素子部21aを近位第1発電素子部21aと称する。なお、近位側とは、ガスが供給される側、すなわち、燃料マニホールド4に近い側を言う。最も近位側に配置された第1発電素子部21aとは、最も燃料マニホールド4に近い第1発電素子部21aと同義である。
図7に示すように、各第1発電素子部21aは、第1支持基板5a上において、近位端部501aから遠位端部502aに向かって互いに間隔をあけて配置されている。この各第1発電素子部21aのうち、最も近位側(図7の一番下側)に配置された第1発電素子部21aを近位第1発電素子部21aと称する。なお、近位側とは、ガスが供給される側、すなわち、燃料マニホールド4に近い側を言う。最も近位側に配置された第1発電素子部21aとは、最も燃料マニホールド4に近い第1発電素子部21aと同義である。
また、各第1発電素子部21aのうち、最も遠位側(図7の一番上側)に配置された第1発電素子部21aを遠位第1発電素子部21aとする。なお、遠位側とは、燃料マニホールド4から遠い側を言う。最も遠位側に配置された第1発電素子部21aとは、最も燃料マニホールド4から遠い第1発電素子部21aと同義である。
近位第1発電素子部21aの面積は、他の第1発電素子部21aの面積の平均値よりも大きい。すなわち、近位第1発電素子部21aを除いた各第1発電素子部21aの面積の平均値よりも、近位第1発電素子部21aの面積の方が大きい。また、遠位第1発電素子部21aの面積は、他の第1発電素子部21aの面積の平均値よりも大きい。すなわち、遠位第1発電素子部21aを除いた各第1発電素子部21aの面積の平均値よりも、遠位第1発電素子部21aの面積の方が大きい。なお、第1発電素子部21aの面積は、第1発電素子部21aの厚さ方向に沿って見た状態(z軸方向視)において、第1燃料極活性部62a、第1電解質7a、及び第1空気極8aが重複する部分の面積を言う。近位及び遠位第1発電素子部21aは、他の第1発電素子部21aと比べて、幅方向(y軸方向)の寸法を同じにして、長手方向(x軸方向)の寸法を変えることによって、面積を大きくすることが好ましい。
各第1発電素子部21aの面積の比較は、各第1発電素子部21aが形成された第1支持基板5aの面毎に行う。例えば、第1支持基板5aの両面に各第1発電素子部21aが形成されている場合、第1支持基板5aの第1主面503aに形成された近位第1発電素子部21aの面積は、第1支持基板5aの第1主面503aに形成された他の各第1発電素子部21aの面積の平均値よりも大きくなるように設計される。また、第1支持基板5aの第2主面504aに形成された近位第1発電素子部21aの面積は、第1支持基板5aの第2主面504aに形成された他の各第1発電素子部21aの面積の平均値よりも大きくなるように設計される。
近位及び遠位第1発電素子部21aは、他の各第1発電素子部21aよりも大きい面積を有することが好ましい。例えば、近位第1発電素子部21aは、他の全ての第1発電素子部21aよりも大きい面積を有する。または、遠位第1発電素子部21aは、他の全ての第1発電素子部21aよりも大きい面積を有する。なお、近位第1発電素子部21aと遠位第1発電素子部21aとは、互いに同じ面積を有していてもよい。
また、近位及び遠位第1発電素子部21aの面積は、各第1発電素子部21aのうち、長手方向の中央部に配置された第1発電素子部21aの面積よりも大きい。なお、第1支持基板5a上に配置される第1発電素子部21aの数が偶数の場合、長手方向の中央部には2つの第1発電素子部21aが配置されることになる。そして、近位及び遠位第1発電素子部21aの面積は、この2つの第1発電素子部21aの各面積よりも大きい。
好ましくは、他の各第1発電素子部21aの面積の平均値S0に対する、近位又は遠位第1発電素子部21aの面積Saの割合Sa/S0は、1.1以上とすることが好ましい。また、上記割合Sa/S0は、2.5以下とすることが好ましい。
[第2発電素子部の面積]
各第2発電素子部21bは、第2支持基板5b上において、近位端部501bから遠位端部502bに向かって互いに間隔をあけて配置されている。この各第2発電素子部21bのうち、最も近位側(図7の一番下側)に配置された第2発電素子部21bを近位第2発電素子部21bとする。また、各第2発電素子部21bのうち、最も遠位側(図7の一番上側)に配置された第2発電素子部21bを遠位第2発電素子部21bとする。
各第2発電素子部21bは、第2支持基板5b上において、近位端部501bから遠位端部502bに向かって互いに間隔をあけて配置されている。この各第2発電素子部21bのうち、最も近位側(図7の一番下側)に配置された第2発電素子部21bを近位第2発電素子部21bとする。また、各第2発電素子部21bのうち、最も遠位側(図7の一番上側)に配置された第2発電素子部21bを遠位第2発電素子部21bとする。
近位第2発電素子部21bの面積は、他の第2発電素子部21bの面積の平均値よりも大きい。すなわち、近位第2発電素子部21bを除いた各第2発電素子部21bの面積の平均値よりも、近位第2発電素子部21bの面積の方が大きい。また、遠位第2発電素子部21bの面積も、他の第2発電素子部21bの面積の平均値よりも大きい。すなわち、遠位第2発電素子部21bを除いた各第2発電素子部21bの面積の平均値よりも、遠位第2発電素子部21bの面積の方が大きい。なお、第2発電素子部21bの面積は、第2発電素子部21bの厚さ方向に沿って見た状態(z軸方向視)において、第2燃料極活性部62b、第2電解質7b、及び第2空気極8bが重複する部分の面積を言う。近位及び遠位第2発電素子部21bは、他の第2発電素子部21bと比べて、幅方向(y軸方向)の寸法を同じにして、長手方向(x軸方向)の寸法を変えることによって、面積を大きくすることが好ましい。なお、各第2発電素子部21bの面積の比較は、各第2発電素子部21bが形成された第2支持基板5bの面毎に行う。
近位及び遠位第2発電素子部21bは、他の各第2発電素子部21bよりも大きい面積を有することが好ましい。例えば、近位第2発電素子部21bは、他の全ての第2発電素子部21bよりも大きい面積を有する。または、遠位第2発電素子部21bは、他の全ての第2発電素子部21bよりも大きい面積を有する。なお、近位第2発電素子部21bと遠位第2発電素子部21bとは、互いに同じ面積を有していてもよい。
また、近位及び遠位第2発電素子部21bの面積は、各第2発電素子部21bのうち、長手方向の中央部に配置された第2発電素子部21bの面積よりも大きい。なお、第2支持基板5b上に配置される第2発電素子部21bの数が偶数の場合、長手方向の中央部には2つの第2発電素子部21bが配置されることになる。そして、近位及び遠位第2発電素子部21bの面積は、この2つの第2発電素子部21bの各面積よりも大きい。
好ましくは、他の各第2発電素子部21bの面積の平均値S0に対する、近位又は遠位第2発電素子部21bの面積Sbの割合Sb/S0は、1.1以上とすることが好ましい。また、上記割合Sb/S0は、2.5以下とすることが好ましい。
[第1インターコネクタの面積]
図8に示すように、各第1インターコネクタ91aは、近位端部から遠位端部に向かって、互いに間隔をあけて配置されている。各第1インターコネクタ91aは、第1発電素子部21aと電気的に接続されている。詳細には、各第1インターコネクタ91aは、隣り合う第1発電素子部21aを電気的に接続する。
図8に示すように、各第1インターコネクタ91aは、近位端部から遠位端部に向かって、互いに間隔をあけて配置されている。各第1インターコネクタ91aは、第1発電素子部21aと電気的に接続されている。詳細には、各第1インターコネクタ91aは、隣り合う第1発電素子部21aを電気的に接続する。
各第1インターコネクタ91aのうち、最も近位側(図8の左側)に配置された第1インターコネクタ91aを近位第1インターコネクタ91aと称する。また、各第1インターコネクタ91aのうち、最も遠位側(図8の右側)に配置された第1インターコネクタ91aを遠位第1インターコネクタ91aと称する。
近位第1インターコネクタ91aは、近位第1発電素子部21aよりも近位側に配置されていてもよい。この場合、近位第1インターコネクタ91aは、近位第1発電素子部21aと、第1集電部材12aとを電気的に接続する。詳細には、近位第1インターコネクタ91aは、第1空気極集電膜92aとともに、近位第1発電素子部21aと第1集電部材12aとを電気的に接続する。なお、第1集電部材12aは、隣り合う第1セル10a同士を電気的に接続する。
近位第1インターコネクタ91aの面積は、他の第1インターコネクタ91aの面積の平均値よりも大きい。すなわち、近位第1インターコネクタ91aを除いた各第1インターコネクタ91aの面積の平均値よりも、近位第1インターコネクタ91aの面積の方が大きい。また、遠位第1インターコネクタ91aの面積も、他の第1インターコネクタ91aの面積の平均値よりも大きい。すなわち、遠位第1インターコネクタ91aを除いた各第1インターコネクタ91aの面積の平均値よりも、遠位第1インターコネクタ91aの面積の方が大きい。なお、第1インターコネクタ91aの面積は、第1インターコネクタ91aの厚さ方向に沿って見た状態(z軸方向視)の面積を言う。近位及び遠位第1インターコネクタ91aは、他の第1インターコネクタ91aと比べて、幅方向(y軸方向)の寸法を同じにして、長手方向(x軸方向)の寸法を変えることによって、面積を大きくすることが好ましい。なお、各第1インターコネクタ91aの面積の比較は、各第1インターコネクタ91aが形成された第1支持基板5aの面毎に行う。
近位及び遠位第1インターコネクタ91aは、他の各第1インターコネクタ91aよりも大きい面積を有することが好ましい。例えば、近位第1インターコネクタ91aは、他の全ての第1インターコネクタ91aよりも大きい面積を有する。または、遠位第1インターコネクタ91aは、他の全ての第1インターコネクタ91aよりも大きい面積を有する。なお、近位第1インターコネクタ91aと遠位第1インターコネクタ91aとは、互いに同じ面積を有していてもよい。
近位及び遠位第1インターコネクタ91aの面積は、各第1インターコネクタ91aのうち、長手方向の中央部に配置された第1インターコネクタ91aの面積よりも大きい。なお、第1支持基板5a上に配置される第1インターコネクタ91aの数が偶数の場合、長手方向の中央部には2つの第1インターコネクタ91aが配置されることになる。そして、近位及び遠位第1インターコネクタ91aの面積は、この2つの第1インターコネクタ91aの各面積よりも大きい。
好ましくは、他の各第1インターコネクタ91aの面積の平均値S0に対する、近位または遠位第1インターコネクタ91aの面積Saの割合Sa/S0は、1.1以上とすることが好ましい。また、上記割合Sa/S0は、2.5以下とすることが好ましい。
[第2インターコネクタの面積]
図9に示すように、各第2インターコネクタ91bは、近位端部から遠位端部に向かって、互いに間隔をあけて配置されている。各第2インターコネクタ91bは、第2発電素子部21bと電気的に接続される。詳細には、各第2インターコネクタ91bは、隣り合う第2発電素子部21bを電気的に接続する。
図9に示すように、各第2インターコネクタ91bは、近位端部から遠位端部に向かって、互いに間隔をあけて配置されている。各第2インターコネクタ91bは、第2発電素子部21bと電気的に接続される。詳細には、各第2インターコネクタ91bは、隣り合う第2発電素子部21bを電気的に接続する。
各第2インターコネクタ91bのうち、最も近位側(図9の左側)に配置された第2インターコネクタ91bを近位第2インターコネクタ91bと称する。また、各第2インターコネクタ91bのうち、最も遠位側(図9の右側)に配置された第2インターコネクタ91bを遠位第2インターコネクタ91bと称する。
近位第2インターコネクタ91bは、近位第2発電素子部21bよりも近位側に配置されていてもよい。この場合、近位第2インターコネクタ91bは、近位第2発電素子部21bと、第2集電部材12bとを電気的に接続する。詳細には、近位第2インターコネクタ91bは、第2空気極集電膜92bとともに、近位第2発電素子部21bと第2集電部材12bとを電気的に接続する。
近位第2インターコネクタ91bの面積は、他の第2インターコネクタ91bの面積の平均値よりも大きい。すなわち、近位第2インターコネクタ91bを除いた各第2インターコネクタ91bの面積の平均値よりも、近位第2インターコネクタ91bの面積の方が大きい。また、遠位第2インターコネクタ91bの面積も、他の第2インターコネクタ91bの面積の平均値よりも大きい。すなわち、遠位第2インターコネクタ91bを除いた各第2インターコネクタ91bの面積の平均値よりも、遠位第2インターコネクタ91bの面積の方が大きい。なお、第2インターコネクタ91bの面積は、第2インターコネクタ91bの厚さ方向に沿って見た状態(z軸方向視)の面積を言う。近位及び遠位第2インターコネクタ91bは、他の第2インターコネクタ91bと比べて、幅方向(y軸方向)の寸法を同じにして、長手方向(x軸方向)の寸法を変えることによって、面積を大きくすることが好ましい。なお、各第2インターコネクタ91bの面積の比較は、各第2インターコネクタ91bが形成された第2支持基板5bの面毎に行う。
近位及び遠位第2インターコネクタ91bは、他の各第2インターコネクタ91bよりも大きい面積を有することが好ましい。例えば、近位第2インターコネクタ91bは、他の全ての第2インターコネクタ91bよりも大きい面積を有する。または、遠位第2インターコネクタ91bは、他の全ての第2インターコネクタ91bよりも大きい面積を有する。なお、近位第2インターコネクタ91bと遠位第2インターコネクタ91bとは、互いに同じ面積を有していてもよい。
近位及び遠位第2インターコネクタ91bの面積は、各第2インターコネクタ91bのうち、長手方向の中央部に配置された第2インターコネクタ91bの面積よりも大きい。なお、第2支持基板5b上に配置される第2インターコネクタ91bの数が偶数の場合、長手方向の中央部には2つの第2インターコネクタ91bが配置されることになる。そして、近位及び遠位第2インターコネクタ91bの面積は、この2つの第2インターコネクタ91bの各面積よりも大きい。
好ましくは、他の各第2インターコネクタ91bの面積の平均値S0に対する、近位または遠位第2インターコネクタ91bの面積Saの割合Sa/S0は、1.1以上とすることが好ましい。また、上記割合Sa/S0は、2.5以下とすることが好ましい。
[発電方法]
上述したように構成された燃料電池スタック100では、マニホールド4の第1室41に水素ガスなどの燃料ガスを供給するとともに、第1及び第2セル10a、10bを空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、第1空気極8a及び第2空気極8bにおいて下記(1)式に示す化学反応が起こり、第1燃料極6a及び第2燃料極6b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)
上述したように構成された燃料電池スタック100では、マニホールド4の第1室41に水素ガスなどの燃料ガスを供給するとともに、第1及び第2セル10a、10bを空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、第1空気極8a及び第2空気極8bにおいて下記(1)式に示す化学反応が起こり、第1燃料極6a及び第2燃料極6b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、第1室41に供給された燃料ガスは、各第1セル10aの第1ガス流路53a内を流れ、各第1発電素子部21aの第1燃料極6aにおいて、上記(2)式に示す化学反応が起こる。各第1燃料極6aにおいて未反応であった燃料ガスは、第1ガス流路53aを出て連通部材3の流路30を介して第2ガス流路53bへ供給される。そして、第2ガス流路53bへ供給された燃料ガスは、第2セル10bの第2燃料極6bにおいて上記(2)式に示す化学反応が起こる。第2燃料極6bにおいて未反応であった燃料ガスは、マニホールド4の第2室42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。
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セル10aにおいて、近位第1発電素子部21a、及び遠位第1発電素子部21aの両方が他の第1発電素子部21aの面積の平均値よりも大きい面積を有しているが、特にこれに限定されない。たとえば、近位及び遠位第1発電素子部21aのどちらか一方のみが他の第1発電素子部21aの面積の平均値よりも大きい面積を有する構成であってもよい。
上記実施形態では、第1セル10aにおいて、近位第1発電素子部21a、及び遠位第1発電素子部21aの両方が他の第1発電素子部21aの面積の平均値よりも大きい面積を有しているが、特にこれに限定されない。たとえば、近位及び遠位第1発電素子部21aのどちらか一方のみが他の第1発電素子部21aの面積の平均値よりも大きい面積を有する構成であってもよい。
変形例2
上記実施形態では、第2セル10bにおいて、近位第2発電素子部21b、及び遠位第2発電素子部21bの両方が他の第2発電素子部21bの面積の平均値よりも大きい面積を有しているが、特にこれに限定されない。たとえば、近位及び遠位第2発電素子部21bのどちらか一方のみが他の第2発電素子部21bの面積の平均値よりも大きい面積を有する構成であってもよい。
上記実施形態では、第2セル10bにおいて、近位第2発電素子部21b、及び遠位第2発電素子部21bの両方が他の第2発電素子部21bの面積の平均値よりも大きい面積を有しているが、特にこれに限定されない。たとえば、近位及び遠位第2発電素子部21bのどちらか一方のみが他の第2発電素子部21bの面積の平均値よりも大きい面積を有する構成であってもよい。
変形例3
上記実施形態では、第1セル10aにおいて、近位第1インターコネクタ91a、及び遠位第1インターコネクタ91aの両方が他の第1インターコネクタ91aの面積の平均値よりも大きい面積を有しているが、特にこれに限定されない。たとえば、近位及び遠位第1インターコネクタ91aのどちらか一方のみが他の第1インターコネクタ91aの面積の平均値よりも大きい面積を有する構成であってもよい。
上記実施形態では、第1セル10aにおいて、近位第1インターコネクタ91a、及び遠位第1インターコネクタ91aの両方が他の第1インターコネクタ91aの面積の平均値よりも大きい面積を有しているが、特にこれに限定されない。たとえば、近位及び遠位第1インターコネクタ91aのどちらか一方のみが他の第1インターコネクタ91aの面積の平均値よりも大きい面積を有する構成であってもよい。
変形例4
上記実施形態では、第2セル10bにおいて、近位第2インターコネクタ91b、及び遠位第2インターコネクタ91bの両方が他の第2インターコネクタ91bの面積の平均値よりも大きい面積を有しているが、特にこれに限定されない。たとえば、近位及び遠位第2インターコネクタ91bのどちらか一方のみが他の第2インターコネクタ91bの面積の平均値よりも大きい面積を有する構成であってもよい。
上記実施形態では、第2セル10bにおいて、近位第2インターコネクタ91b、及び遠位第2インターコネクタ91bの両方が他の第2インターコネクタ91bの面積の平均値よりも大きい面積を有しているが、特にこれに限定されない。たとえば、近位及び遠位第2インターコネクタ91bのどちらか一方のみが他の第2インターコネクタ91bの面積の平均値よりも大きい面積を有する構成であってもよい。
変形例5
上記実施形態では、第1支持基板5aは複数の第1ガス流路53aを有しているが、第1ガス流路53aの数は1つでもよい。なお、この場合、第1ガス流路53aは扁平状であることが好ましい。
上記実施形態では、第1支持基板5aは複数の第1ガス流路53aを有しているが、第1ガス流路53aの数は1つでもよい。なお、この場合、第1ガス流路53aは扁平状であることが好ましい。
変形例6
上記実施形態では、第1主面503aに配置された各第1発電素子部21aは、互いに直列に接続されているが、第1主面503aに配置された各第1発電素子部21aの全てが直列に接続されている必要は無い。なお、他の主面503b、504a、504bに配置された各発電素子部についても同様である。
上記実施形態では、第1主面503aに配置された各第1発電素子部21aは、互いに直列に接続されているが、第1主面503aに配置された各第1発電素子部21aの全てが直列に接続されている必要は無い。なお、他の主面503b、504a、504bに配置された各発電素子部についても同様である。
変形例7
第1セル10aにおいて、第1主面503aに形成された各第1発電素子部21aと第2主面504aに形成された各第1発電素子部21a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。なお、第2セル10bにおいて同様である。
第1セル10aにおいて、第1主面503aに形成された各第1発電素子部21aと第2主面504aに形成された各第1発電素子部21a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。なお、第2セル10bにおいて同様である。
変形例8
上記実施形態では、各第1発電素子部21aは、第1主面503aと第2主面504a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。なお、各第2発電素子部21bについても同様である。
上記実施形態では、各第1発電素子部21aは、第1主面503aと第2主面504a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。なお、各第2発電素子部21bについても同様である。
変形例9
上記実施形態では、第1支持基板5a及び第2支持基板5bは、平板型に構成されているが、円筒型に構成されていてもよい。
上記実施形態では、第1支持基板5a及び第2支持基板5bは、平板型に構成されているが、円筒型に構成されていてもよい。
変形例10
上記実施形態の燃料電池スタック100は、第1セル10a及び第2セル10bをそれぞれ複数備えているが、第1セル10a及び第2セル10bをそれぞれ1枚ずつ備えるような構成であってもよい。
上記実施形態の燃料電池スタック100は、第1セル10a及び第2セル10bをそれぞれ複数備えているが、第1セル10a及び第2セル10bをそれぞれ1枚ずつ備えるような構成であってもよい。
変形例11
上記実施形態では、燃料電池スタック100が第1セル10aと第2セル10bとの組を複数備えているが、少なくとも1組の第1セル10a及び第2セル10bが本発明に係る構成を有していればよい。
上記実施形態では、燃料電池スタック100が第1セル10aと第2セル10bとの組を複数備えているが、少なくとも1組の第1セル10a及び第2セル10bが本発明に係る構成を有していればよい。
変形例12
上記実施形態では、隣り合う第1セル10a間を電気的に接続する第1集電部材12aは、近位第1インターコネクタ91aと電気的に接続しているが、特にこれに限定されない。例えば、第1集電部材12aは、近位第1インターコネクタ91a以外の第1インターコネクタ91aと電気的に接続されていてもよい。また、複数の第1集電部材12aによって、隣り合う第1セル10a間を電気的に接続していてもよい。さらには第1セル10aと第2セル10bとが電気的に接続されていてもよい。
上記実施形態では、隣り合う第1セル10a間を電気的に接続する第1集電部材12aは、近位第1インターコネクタ91aと電気的に接続しているが、特にこれに限定されない。例えば、第1集電部材12aは、近位第1インターコネクタ91a以外の第1インターコネクタ91aと電気的に接続されていてもよい。また、複数の第1集電部材12aによって、隣り合う第1セル10a間を電気的に接続していてもよい。さらには第1セル10aと第2セル10bとが電気的に接続されていてもよい。
変形例13
第1セル10aの幅(y軸方向の寸法)と第2セル10bの幅(y軸方向の寸法)とは異なっていてもよい。詳細には、第1発電素子部21aの幅(y軸方向の寸法)と第2発電素子部21bの幅(y軸方向の寸法)は異なっていてもよい。例えば、第2セル10bを流れる燃料ガスの濃度は第1セル10aを流れる燃料ガスの濃度よりも低くなるため、第2発電素子部21bの幅を第1発電素子部21aの幅よりも広くすることが好ましい。
第1セル10aの幅(y軸方向の寸法)と第2セル10bの幅(y軸方向の寸法)とは異なっていてもよい。詳細には、第1発電素子部21aの幅(y軸方向の寸法)と第2発電素子部21bの幅(y軸方向の寸法)は異なっていてもよい。例えば、第2セル10bを流れる燃料ガスの濃度は第1セル10aを流れる燃料ガスの濃度よりも低くなるため、第2発電素子部21bの幅を第1発電素子部21aの幅よりも広くすることが好ましい。
変形例14
各第1セル10aの幅は、互いに異なっていてもよい。詳細には、各第1発電素子部21aの幅は、互いに異なっていてもよい。例えば、ある第1支持基板5aに形成された各第1発電素子部21aの幅と、別の第1支持基板5aに形成された各第1発電素子部21aの幅とは、異なっていてもよい。なお、各第2セル10bの幅についても同様である。
各第1セル10aの幅は、互いに異なっていてもよい。詳細には、各第1発電素子部21aの幅は、互いに異なっていてもよい。例えば、ある第1支持基板5aに形成された各第1発電素子部21aの幅と、別の第1支持基板5aに形成された各第1発電素子部21aの幅とは、異なっていてもよい。なお、各第2セル10bの幅についても同様である。
変形例15
上記実施形態では、第1セル10a及び第2セル10bは、マニホールド4の長手方向(z軸方向)に並んでいるが、マニホールド4の幅方向(y軸方向)に並んでいてもよい。
上記実施形態では、第1セル10a及び第2セル10bは、マニホールド4の長手方向(z軸方向)に並んでいるが、マニホールド4の幅方向(y軸方向)に並んでいてもよい。
変形例16
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(第1及び第2支持基板5a、5b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。
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(第1及び第2支持基板5a、5b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17
上記実施形態では、連通部材3の流路30は空間によって構成されていたが、連通部材3の流路30の構成はこれに限定されない。例えば、図10に示すように、連通部材3の流路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。
上記実施形態では、連通部材3の流路30は空間によって構成されていたが、連通部材3の流路30の構成はこれに限定されない。例えば、図10に示すように、連通部材3の流路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。
21a :第1発電素子部
21b :第2発電素子部
3 :連通部材
5a :第1支持基板
51a :第1基板本体部
52a :第1緻密層
53a :第1ガス流路
501a :近位端部
502a :遠位端部
5b :第2支持基板
51b :第2基板本体部
52b :第2緻密層
53b :第2ガス流路
501b :近位端部
502b :遠位端部
91a 第1インターコネクタ
91b 第2インターコネクタ
100 :燃料電池スタック
21b :第2発電素子部
3 :連通部材
5a :第1支持基板
51a :第1基板本体部
52a :第1緻密層
53a :第1ガス流路
501a :近位端部
502a :遠位端部
5b :第2支持基板
51b :第2基板本体部
52b :第2緻密層
53b :第2ガス流路
501b :近位端部
502b :遠位端部
91a 第1インターコネクタ
91b 第2インターコネクタ
100 :燃料電池スタック
Claims (13)
- 第1基板本体部、前記第1基板本体部を覆う第1緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延び燃料ガスが供給される第1ガス流路、を有し、厚さ方向に配列される複数の第1支持基板と、
前記第1支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される複数の第1発電素子部と、
第2基板本体部、前記第2基板本体部を覆う第2緻密層、及び前記近位端部から遠位端部まで延び燃料ガスが供給される第2ガス流路、を有し、厚さ方向に配列される複数の第2支持基板と、
前記第2支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される複数の第2発電素子部と、
前記第1支持基板及び前記第2支持基板の各近位端部を支持するマニホールドと、
前記第1支持基板の遠位端部と前記第2支持基板の遠位端部とに亘って延び、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連通させる連通部材と、
を備え、
前記各第2発電素子部のうち、最も近位側に配置された近位第2発電素子部の面積は、他の前記第2発電素子部の面積の平均値よりも大きく、
前記マニホールドは、ガス供給部が接続される第1室と、ガス排出部が接続される第2室と、を有し、
前記第1支持基板と前記第2支持基板とは、前記第1支持基板及び前記第2支持基板の幅方向に配列され、
前記第1ガス流路の近位端部は、前記第1室と連通し、
前記第2ガス流路の近位端部は、前記第2室と連通する、
燃料電池スタック。
- 前記各第2発電素子部のうち、最も遠位側に配置された遠位第2発電素子部の面積は、他の前記第2発電素子部の面積の平均値よりも大きい、
請求項1に記載の燃料電池スタック。
- 前記各第1発電素子部のうち、最も近位側に配置された近位第1発電素子部の面積は、他の前記第1発電素子部の面積の平均値よりも大きい、
請求項1又は2に記載の燃料電池スタック。
- 前記各第1発電素子部のうち、最も遠位側に配置された遠位第1発電素子部の面積は、他の前記第1発電素子部の面積の平均値よりも大きい、
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池スタック。
- 前記各第1発電素子部と電気的に接続される複数の第1インターコネクタと、
前記各第2発電素子部と電気的に接続される複数の第2インターコネクタと、
をさらに備える、請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池スタック。
- 前記各第1インターコネクタのうち、最も近位側に配置された近位第1インターコネクタの面積は、他の第1インターコネクタの面積の平均値よりも大きい、
請求項5に記載の燃料電池スタック。
- 前記各第1インターコネクタのうち、最も遠位側に配置された遠位第1インターコネクタの面積は、他の第1インターコネクタの面積の平均値よりも大きい、
請求項5又は6に記載の燃料電池スタック。
- 前記各第2インターコネクタのうち、最も近位側に配置された近位第2インターコネクタの面積は、他の第2インターコネクタの面積の平均値よりも大きい、
請求項5から7のいずれかに記載の燃料電池スタック。
- 前記各第2インターコネクタのうち、最も遠位側に配置された遠位第2インターコネクタの面積は、他の第2インターコネクタの面積の平均値よりも大きい、
請求項5から8のいずれかに記載の燃料電池スタック。
- 第1基板本体部、前記第1基板本体部を覆う第1緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延び燃料ガスが供給される第1ガス流路、を有する第1支持基板と、
前記第1支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される複数の第1発電素子部と、
第2基板本体部、前記第2基板本体部を覆う第2緻密層、及び前記近位端部から遠位端部まで延び燃料ガスが供給される第2ガス流路、を有する第2支持基板と、
前記第2支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される複数の第2発電素子部と、
前記第1支持基板及び前記第2支持基板の各近位端部を支持するマニホールドと、
前記第1支持基板の遠位端部と前記第2支持基板の遠位端部とに亘って延び、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連通させる連通部材と、
前記各第1発電素子部と電気的に接続される複数の第1インターコネクタと、
前記各第2発電素子部と電気的に接続される複数の第2インターコネクタと、
を備え、
前記各第2発電素子部のうち、最も近位側に配置された近位第2発電素子部の面積は、他の前記第2発電素子部の面積の平均値よりも大きく、
前記各第1インターコネクタのうち、最も近位側に配置された近位第1インターコネクタの面積は、他の第1インターコネクタの面積の平均値よりも大きい、
燃料電池スタック。
- 第1基板本体部、前記第1基板本体部を覆う第1緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延び燃料ガスが供給される第1ガス流路、を有する第1支持基板と、
前記第1支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される複数の第1発電素子部と、
第2基板本体部、前記第2基板本体部を覆う第2緻密層、及び前記近位端部から遠位端部まで延び燃料ガスが供給される第2ガス流路、を有する第2支持基板と、
前記第2支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される複数の第2発電素子部と、
前記第1支持基板及び前記第2支持基板の各近位端部を支持するマニホールドと、
前記第1支持基板の遠位端部と前記第2支持基板の遠位端部とに亘って延び、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連通させる連通部材と、
前記各第1発電素子部と電気的に接続される複数の第1インターコネクタと、
前記各第2発電素子部と電気的に接続される複数の第2インターコネクタと、
を備え、
前記各第2発電素子部のうち、最も近位側に配置された近位第2発電素子部の面積は、他の前記第2発電素子部の面積の平均値よりも大きく、
前記各第1インターコネクタのうち、最も遠位側に配置された遠位第1インターコネクタの面積は、他の第1インターコネクタの面積の平均値よりも大きい、
燃料電池スタック。
- 第1基板本体部、前記第1基板本体部を覆う第1緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延び燃料ガスが供給される第1ガス流路、を有する第1支持基板と、
前記第1支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される複数の第1発電素子部と、
第2基板本体部、前記第2基板本体部を覆う第2緻密層、及び前記近位端部から遠位端部まで延び燃料ガスが供給される第2ガス流路、を有する第2支持基板と、
前記第2支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される複数の第2発電素子部と、
前記第1支持基板及び前記第2支持基板の各近位端部を支持するマニホールドと、
前記第1支持基板の遠位端部と前記第2支持基板の遠位端部とに亘って延び、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連通させる連通部材と、
前記各第1発電素子部と電気的に接続される複数の第1インターコネクタと、
前記各第2発電素子部と電気的に接続される複数の第2インターコネクタと、
を備え、
前記各第2発電素子部のうち、最も近位側に配置された近位第2発電素子部の面積は、他の前記第2発電素子部の面積の平均値よりも大きく、
前記各第2インターコネクタのうち、最も近位側に配置された近位第2インターコネクタの面積は、他の第2インターコネクタの面積の平均値よりも大きい、
燃料電池スタック。
- 第1基板本体部、前記第1基板本体部を覆う第1緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延び燃料ガスが供給される第1ガス流路、を有する第1支持基板と、
前記第1支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される複数の第1発電素子部と、
第2基板本体部、前記第2基板本体部を覆う第2緻密層、及び前記近位端部から遠位端部まで延び燃料ガスが供給される第2ガス流路、を有する第2支持基板と、
前記第2支持基板上において、近位端部から遠位端部に向かって互いに間隔をあけて配置される複数の第2発電素子部と、
前記第1支持基板及び前記第2支持基板の各近位端部を支持するマニホールドと、
前記第1支持基板の遠位端部と前記第2支持基板の遠位端部とに亘って延び、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連通させる連通部材と、
前記各第1発電素子部と電気的に接続される複数の第1インターコネクタと、
前記各第2発電素子部と電気的に接続される複数の第2インターコネクタと、
を備え、
前記各第2発電素子部のうち、最も近位側に配置された近位第2発電素子部の面積は、他の前記第2発電素子部の面積の平均値よりも大きく、
前記各第2インターコネクタのうち、最も遠位側に配置された遠位第2インターコネクタの面積は、他の第2インターコネクタの面積の平均値よりも大きい、
燃料電池スタック。
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