JP6543752B1 - 電気化学セル、及びセルスタック装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池セル10は、多孔質の支持基板4と、発電素子部5とを備えている。支持基板4は、ガス供給室21及びガス回収部22と連結する第1端部41、及び第1端部41と反対側の第2端部42を有する。支持基板4は、第1ガス流路43および第2ガス流路44を有する。第1ガス流路43は、第1端部41から第2端部42に向かって延びる。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、第2端部42側において第1ガス流路43と連通する。第2ガス流路44は、第2端部42から第1端部41に向かって延びている。第2ガス流路44は、ガス回収室22と連通する。支持基板4は、発電素子部5よりも第1端部41側において、ガスが当該支持基板4内を流れて第1ガス流路43と第2ガス流路44との間で流通するように構成される。
【選択図】図4
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。
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(ガス供給部の一例)とガス回収室22(ガス回収部の一例)とを有している。ガス供給室21にはガス供給管101が接続されており、ガス回収室22にはガス回収管102が接続されている。ガス供給室21には、ガス供給管101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102を介してマニホールド2から回収される。
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、下端部がマニホールド2に取り付けられている。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。
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、第1端部41と第2端部42とを有している。第1端部41及び第2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。
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、第1端部41から第2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。
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及び空気極集電膜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、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。インターコネクタ91の厚さは、例えば、10〜100μmである。
図4に示すように、連通部材3は、支持基板4の第2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。なお、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。
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)・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。
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。
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。
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。
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第2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第1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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
上記実施形態では、本発明の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、本発明の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。このように、本発明に係る電気化学セルを固体酸化物形電解セルとして用いた場合、例えば、次のような効果を得ることができる。
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 :第1端部
42 :第2端部
43 :第1ガス流路
44 :第2ガス流路
5 :発電素子部
10 :燃料電池セル
100 :セルスタック装置
Claims (6)
- ガス供給部及びガス回収部に連結される電気化学セルであって、
前記ガス供給部及び前記ガス回収部と連結する第1端部、及び前記第1端部と反対側の第2端部、を有する扁平状であり、多孔質の支持基板と、
前記支持基板の主面に配置される発電素子部と、
を備え、
前記支持基板は、
前記第1端部から前記第2端部に向かって延び、前記ガス供給部と連通する少なくとも1つの第1ガス流路と、
前記第2端部側において前記第1ガス流路と連通し、前記第2端部から前記第1端部に向かって延び、前記ガス回収部と連通する少なくとも1つの第2ガス流路と、
を有し、
前記支持基板は、前記発電素子部よりも前記第1端部側において、ガスが当該支持基板内を流れて前記第1ガス流路と前記第2ガス流路との間で流通するように構成される、
電気化学セル。
- 前記支持基板は、前記第2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に記載の電気化学セル。
- 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し、前記支持基板の第2端部に取り付けられる連通部材をさらに備える、
請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記少なくとも1つの第1ガス流路は、複数の第1ガス流路を含み、
前記少なくとも1つの第2ガス流路は、複数の第2ガス流路を含み、
前記連通流路は、1つのみである、
請求項2又は3に記載の電気化学セル。
- 隣り合う前記第1ガス流路と前記第2ガス流路との間隔は、隣り合う前記第1ガス流路の間隔よりも大きい、
請求項1から4のいずれかに記載の電気化学セル。
- 請求項1から5のいずれかに記載の電気化学セルと、
前記支持基板の第1端部を支持するマニホールドと、
を備え、
前記マニホールドは、前記第1ガス流路と連通するガス供給室と、前記第2ガス流路と連通するガス回収室と、を有する、
セルスタック装置。
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