JP6488333B2 - 燃料電池セル及びセルスタック装置 - Google Patents
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Description
図1〜図7を参照して、本発明の一実施の形態であるセルスタック装置及び燃料電池セルについて説明する。セルスタック装置及び燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)に用いられる。なお、図1〜図7におけるx軸方向、y軸方向、及びz軸方向のそれぞれは、各燃料電池セル100及び支持基板110の長手方向、短手方向(幅方向)、及び厚さ方向に対応する。
図1に示すように、セルスタック装置10は、複数の燃料電池セル100と、マニホールド20とを備えている。各燃料電池セル100は、マニホールド20によって支持されている。
図1に示すように、燃料電池セル100は、一端(図1における下側)から他端(図1における上側)に向けて延びる。燃料電池セル100の一端部は、マニホールド20に固定されている。燃料電池セル100の他端は、自由端である。燃料電池セル100は、マニホールド20によって、片持ち状態で支持され、自立している。
図2及び図3に示すように、支持基板110は、第1反応ガスが流れるガス流路111を有している。ガス流路111は、一端から他端に向けて延びる。第1反応ガスは、ガス流路111において、一端側から供給され、他端側から排出される。つまり、ガス流路111の一端側に、第1反応ガスの流入口が形成され、他端側に、第1反応ガスの排出口が形成されている。ガス流路111の排出口は、外部空間に直接接続される。このため、ガス流路を流れる第1反応ガスは、排出口から外部空間に直ちに排出される。
図2及び図3に示すように、支持基板110の外表面には、複数の発電素子部120が配置されている。複数の発電素子部120は、支持基板110の1つの主面上において、電気的に直列に接続されている。発電素子部120は、支持基板110のガス流路111を流れる第1反応ガスと、支持基板110の外表面を流れる第2反応ガスとによって発電する。
図2、図3、図5〜図7に示すように、熱伝導部材170は、支持基板110の他端側に配置されている。具体的には、熱伝導部材170は、マニホールド20に支持されて自立する支持基板110の上端部の第1主面112及び第2主面113を覆うように嵌合している。熱伝導部材170は、支持基板110の上端部のみに配置され、支持基板110の下端部には配置されない。
図8に示す本実施の形態の変形例1における燃料電池セルは、基本的には図6に示す実施の形態における燃料電池セルと同様の構成を備えているが、熱伝導部172の上端の位置において異なる。
図9及び図10に示す本実施の形態の変形例2における燃料電池セルは、基本的には図5及び図6に示す実施の形態における燃料電池セルと同様の構成を備えているが、変形例2の熱伝導部材170が載置部171を有していない点において異なる。
図11〜図13に示す本実施の形態の変形例3における燃料電池セルは、基本的には、図5及び図6に示す実施の形態における燃料電池セルと同様の構成を備えているが、変形例3の熱伝導部172は支持基板110の外表面の他端部の全周を覆っていない点において異なる。
図14に示す変形例4の燃料電池セルは、基本的には図8に示す変形例1における燃料電池セルと同様の構成を備えているが、変形例4の熱伝導部172は支持基板110の外表面の他端の全周を覆っていない点において異なる。また、本実施の形態の変形例4における燃料電池セルは、基本的には図12に示す変形例3における燃料電池セルと同様の構成を備えているが、熱伝導部172の上端の位置において異なる。
図15に示す本実施の形態の変形例5における燃料電池セルは、基本的には図5及び図6に示す実施の形態における燃料電池セルと同様の構成を備えているが、変形例5の載置部175が支持基板110の他端面116において相対的に温度の高い領域と当接する点において異なる。
本実施の形態の熱伝導部材170は、支持基板110の1つの主面上に複数の発電素子部120が配置された横縞型の燃料電池セルに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明の熱伝導部材は、支持基板の1つの主面上に1つの発電素子が配置される縦縞型の燃料電池に適用してもよい。ただし、MgO等のセラミックスが支持基板に採用される横縞型の燃料電池セルは、支持基板の熱伝導率が小さいので、熱伝導部材170の適用効果は、横縞型の燃料電池セルにて極めて大きく現れる。
本実施の形態及びその変形例のセルスタック装置10の動作について、図1〜図15を参照して説明する。セルスタック装置10は、例えば以下のように動作する。
(1/2)O2+2e−→O2− ・・・(式1)
H2+O2−→H2O+2e− ・・・(式2)
これにより、燃料電池セル100内にて電流が流れ、発電状態となる。この発電状態において、燃料電池セル100から電力が取り出される。
本実施の形態及びその変形例における燃料電池セル及びセルスタック構造体の効果について、主に図16〜図18を参照して説明する。なお、図16は、図5の支持基板110の2つのガス流路111を上方から見たときの模式図である。図17は、図5の支持基板110の2つのガス流路111と、そのガス流路111を挟んで対向する外表面を覆う熱伝導部172を有する熱伝導部材170とを上方から見たときの模式図である。図18は、燃焼時、ガス流路111を挟んで対向する熱伝導部172と、支持基板110とを示す模式図である。
20 :マニホールド
21 :導入管
100 :燃料電池セル
110 :支持基板
111 :ガス流路
112 :第1主面
113 :第2主面
114 :側端面
115 :一端面
116 :他端面
117 :第1凹部
119 :突起部
120 :発電素子部
121 :反応防止膜
130 :燃料極
131 :燃料極集電部
131a :第2凹部
131b :第3凹部
132 :燃料極活性部
140 :電解質
150 :空気極
160 :電気的接続部
161 :インターコネクタ
162 :空気極集電膜
170 :熱伝導部材
171 :載置部
172 :熱伝導部
175 :載置部
D1 :距離
D2 :距離
H :隙間
L :距離
R1 :排出口近傍
R2 :外表面近傍
Claims (7)
- 一端から他端に向けて延びるとともに、反応ガスが前記一端側から供給されて前記他端側から排出されるガス流路を有する絶縁性の支持基板と、
前記支持基板の外表面に配置され、燃料極、電解質、及び空気極を有する発電素子部と、
前記支持基板の前記他端側に配置される金属製の熱伝導部材と、
を備え、
前記熱伝導部材は、前記支持基板の前記他端側において前記ガス流路を挟んで対向する外表面を、全体で覆う熱伝導部を有し、
前記支持基板の前記他端近傍で余剰の前記反応ガスが燃焼される、燃料電池セル。 - 前記支持基板は、幅方向に沿って設けられた複数の前記ガス流路を有する円筒平板型であり、
前記熱伝導部は、幅方向において両端に位置する前記ガス流路間を挟んで対向する外表面を被覆する、請求項1に記載の燃料電池セル。 - 前記支持基板と、前記熱伝導部とは、少なくとも一部において隙間を介して対向する、請求項1または2に記載の燃料電池セル。
- 前記熱伝導部材は、非接合状態で配置される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池セル。
- 前記熱伝導部材は、前記支持基板の前記他端に位置する面上に載置されるとともに、前記熱伝導部と連なる載置部をさらに有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池セル。
- 前記載置部は、前記支持基板の前記他端に位置する面において相対的に温度の低い領域と当接する、請求項5に記載の燃料電池セル。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの前記一端側の前記ガス流路に前記反応ガスを供給するマニホールドと、
を備える、セルスタック装置。
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