JP6605111B1 - 燃料電池セル、及びセルスタック装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池セルにおける出力を向上する。【解決手段】燃料電池セル１０は、支持基板４と、少なくとも１つの発電素子部５と、少なくとも１つの第１ガス流路４３と、少なくとも１つの第２ガス流路４４とを備えている。発電素子部５は、支持基板４上に配置される。第１及び第２ガス流路４３，４４は、支持基板４内を基端部１０１から先端部１０２に向かって延び、先端部１０２において互いに連通している。少なくとも１つの第１ガス流路４３の断面積の合計値は、少なくとも１つの第２ガス流路４４の断面積の合計値よりも小さい。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池セル、及びセルスタック装置に関するものである。
セルスタック装置は、燃料電池セル及びマニホールドを有している。燃料電池セルは、マニホールドから上方に延びており、マニホールドからの燃料ガスの供給を受けて発電する。
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、燃料電池セルにおける出力の向上が要望されている。そこで、本発明の課題は、燃料電池セルにおける出力を向上することにある。
本発明の第１側面に係る燃料電池セルは、先端部及び基端部を有する。この燃料電池セルは、支持基板と、少なくとも１つの発電素子部と、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ガス流路とを備えている。発電素子部は、支持基板上に配置される。第１及び第２ガス流路は、支持基板内を基端部から先端部に向かって延び、先端部において互いに連通している。少なくとも１つの第１ガス流路の断面積の合計値は、少なくとも１つの第２ガス流路の断面積の合計値よりも小さい。
このように、少なくとも１つの第１ガス流路の断面積の合計値を、少なくとも１つの第２ガス流路の断面積の合計値よりも小さくすることによって、燃料電池セルにおける出力を向上させることができる。
好ましくは、少なくとも１つの第２ガス流路の断面積の合計値（Ｓ２）に対する、少なくとも１つの第１ガス流路の断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）は、０．９２以下である。
好ましくは、少なくとも１つの第１ガス流路の各断面積は、少なくとも１つの第２ガス流路の各断面積よりも小さい。
好ましくは、第１ガス流路の数は、第２ガス流路の数よりも少ない。
好ましくは、燃料電池セルは、連通流路をさらに備える。連通流路は、燃料電池セルの先端部において、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ガス流路とを連通する。
本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、上記いずれかの燃料電池セルと、マニホールドとを備える。マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。マニホールドは、燃料電池セルの基端部を支持する。少なくとも１つの第１ガス流路は、ガス供給室と連通する。少なくとも１つの第２ガス流路は、ガス回収室と連通する。
本発明によれば、燃料電池セルにおける出力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。 マニホールドの上面図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの斜視図。 支持基板の断面図。 燃料電池セルの断面図。 基端部における燃料電池セルの断面図。 先端部における燃料電池セルの断面図。 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。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。
以下、本発明に係る燃料電池セル及び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、燃料電池セルの一例として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はマニホールドの断面図である。なお、図１及び図２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］
図２に示すように、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、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。
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。
図３に示すように、マニホールド本体部２３の天板部２３１には、複数の貫通孔２３２が形成されている。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に開口している。なお、各貫通孔２３２は、ガス供給室２１に開口する部分とガス回収室２２に開口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。なお本実施形態では、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が、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。
図２に示すように、ガス供給室２１の底面には、ガス供給口２１１が形成されている。また、ガス回収室２２の底面には、ガス排出口２２１が形成されている。なお、ガス供給口２１１はガス供給室２１の側面又は上面に形成されていてもよいし、ガス排出口２２１はガス回収室２２の側面又は上面に形成されていてもよい。
ガス供給口２１１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。一方、ガス排出口２２１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。
［燃料電池セル］
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。
図１に示すように、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。本実施形態では、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るが、等間隔でなくてもよい。
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、複数の第１ガス流路４３、複数の第２ガス流路４４、及び複数の発電素子部５を有している。また、燃料電池セル１０は、連通流路３０を有している。
［支持基板］
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。本実施形態では、支持基板４は、幅方向（ｙ軸方向）に比べて長さ方向（ｘ軸方向）の寸法の方が長いが、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。
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の天板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、天板部２３１に形成された貫通孔２３２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。
図５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。
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。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９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。
［第１及び第２ガス流路］
第１及び第２ガス流路４３、４４は、支持基板４内を延びている。第１及び第２ガス流路４３、４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。すなわち、第１及び第２ガス流路４３、４４は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。第１及び第２ガス流路４３，４４のそれぞれは、互いに実質的に平行に延びている。なお、第１及び第２ガス流路４３、４４は、支持基板４を貫通している。
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１０１側においてガス供給室２１と連通しており、第２ガス流路４４は基端部１０１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。
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。また、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。
図４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、支持基板４の基端部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。
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、支持基板４の基端部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。
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、燃料電池セル１０の基端面１１１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。
このように、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０を第１ガス流路４３間のピッチｐ１、及び第２ガス流路４４間のピッチｐ２よりも大きくすることによって、隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを分けている。この第１ガス流路４３と第２ガス流路４４との間の領域を境界領域４０３と称する。
図６に示すように、支持基板４は、第１領域４０１、第２領域４０２、及び境界領域４０３を有している。第１領域４０１、第２領域４０２、及び境界領域４０３のそれぞれの領域は、支持基板４を幅方向（ｙ軸方向）に区画することによってできる領域である。第１領域４０１は、第１ガス流路４３が形成される領域である。第２領域４０２は、第２ガス流路４４が形成される領域である。境界領域４０３は、第１領域４０１と第２領域４０２との間の領域である。境界領域４０３によって、第１領域４０１と第２領域４０２とが隔てられている。
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及び第２ガス流路の断面積］
各第１ガス流路４３の断面積の合計値は、各第２ガス流路４４の断面積の合計値よりも小さい。このため、各第１ガス流路４３内を流れるガスの圧力損失の合計値は、各第２ガス流路４４内を流れるガスの圧力損失の合計値よりも大きい。なお、本実施形態では、各第１ガス流路４３の断面積のそれぞれは、各第２ガス流路４４の断面積のそれぞれよりも小さい。
各第２ガス流路４４の断面積の合計値（Ｓ２）に対する、各第１ガス流路４３の断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）は、出力向上の観点から、例えば、０．９２以下とすることが好ましい。また、この割合（Ｓ１／Ｓ２）は、特に限定されるものではないが、製造上の観点から、例えば、０．０２以上とすることができる。なお、第１ガス流路４３の断面積は、例えば、０．１〜２５ｍｍ２程度とすることができる。また、第２ガス流路４４の断面積は、例えば、０．５〜３０ｍｍ２程度とすることができる。
なお、第１ガス流路４３の断面積は、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の断面積を言う。また、第１ガス流路４３の断面積は、基端部１０１側の任意の箇所における断面積と、中央部の任意の箇所における断面積と、先端部１０２側の任意の箇所における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の断面積を言う。また、第２ガス流路４４の断面積は、基端部１０１側の任意の箇所における断面積と、中央部の任意の箇所における断面積と、先端部１０２側の任意の箇所における断面積との平均値とすることができる。
［発電素子部］
各発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５又は第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、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。
各発電素子部５は、第１及び第２ガス流路４３，４４が延びる方向（ｘ軸方向）に沿って間隔をあけて配置される。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、基端部１０１から先端部１０２に向かって互いに間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部５は、インターコネクタ９によって、互いに直列に接続されている。
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、各第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。このため、発電素子部５の第１部分５１は、主に各第１ガス流路４３から燃料ガスが供給される。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、各第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。このため、発電素子部５の第２部分５２は、主に各第２ガス流路４４から燃料ガスが供給される。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７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の断面積が異なる以外は、図７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。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９から他のインターコネクタ９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。
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、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。
空気極活性部８１は、多孔質の材料から構成される。空気極活性部８１は焼成体である。空気極活性部８１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、空気極活性部８１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。空気極活性部８１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
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２０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、平面視（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。
空気極集電部８２は、電子伝導性を有する多孔質材料から構成される。空気極集電部８２は、焼成体である。空気極集電部８２は、空気極活性部８１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部８２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
空気極集電部８２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、空気極集電部８２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、空気極集電部８２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。なお、空気極集電部８２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。
［インターコネクタ］
インターコネクタ９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。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。
このように、各発電素子部５は、インターコネクタ９によって、第１及び第２主面４５、４６のそれぞれ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。
インターコネクタ９は、例えば、燃料極集電部６１の第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９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９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９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９の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９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９の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
図８に示すように、各燃料電池セル１０において最も基端側に配置されたインターコネクタ９ｄは、第１主面４５に配置される発電素子部５と、第２主面に配置される発電素子部５とを電気的に接続している。なお、各燃料電池セル１０の各主面４５，４６において最も基端側に配置された一対の発電素子部５は、インターコネクタ９ｄを介して互いに隣り合っている。また、本実施形態では、第２主面４６において最も基端側に配置されたインターコネクタ９ｄが、各燃料電池セル１０において最も基端側に配置されたインターコネクタである。
第１主面４５において最も基端側に配置された発電素子部５の空気極集電部８２は、第１主面４５から側面４７を介して第２主面４６まで延びている。すなわち、この最も基端側に配置された発電素子部５の空気極集電部８２は、環状に延びている。そして、第２主面４６において最も基端側に配置されたインターコネクタ９ｄは、第１主面４５から第２主面４６まで延びる空気極集電部８２と、第２主面４６において最も基端側に配置された発電素子部５の燃料極集電部６１と、を電気的に接続している。
このように、第１主面４５において直列接続された複数の発電素子部５と、第２主面４６において直列接続された複数の発電素子部５とは、インターコネクタ９ｄ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、連通流路３０を有している。連通流路３０は、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを連通する。すなわち、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、連通流路３０を介して互いに連通している。
連通流路３０は、燃料電池セル１０の先端部１０２において、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。すなわち、連通流路３０は、第１及び第２ガス流路４３，４４と交差する方向に延びている。各第１ガス流路４３及び各第２ガス流路４４は、先端部１０２において、連通流路３０と連通している。
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９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。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。なお、各燃料電池セル１０の各主面４５，４６において最も先端側に配置された発電素子部５は、隣の燃料電池セル１０の最も先端側に配置された発電素子部５と隣り合っている。
集電部材１２は、導電性接合材１０３を介して、発電素子部５から延びる空気極集電部８２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）３Ｏ４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３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。
このように、各燃料電池セル１０において、最も先端側に配置されたインターコネクタ９ｂは、集電部材１２及び空気極集電部８２を介して、隣り合う一対の燃料電池セル１０の発電素子部５同士を電気的に接続している。本実施形態では、第１主面４５において最も先端側に配置されたインターコネクタ９が、各燃料電池セル１０において最も先端側に配置されたインターコネクタである。
［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、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。例えば、燃料電池セル１０の上方から燃料電池セル１０に向かって空気を供給する。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）
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、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、連通流路３０は、支持基板４内に形成されていてもよい。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２
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。この場合、第１ガス流路４３の断面積の合計値とは、その１つの第１ガス流路４３の断面積を意味する。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。この場合、第２ガス流路４４の断面積の合計値とは、その１つの第２ガス流路４４の断面積を意味する。
変形例３
各第１ガス流路４３の断面積は、互いに異なっていてもよい。また、各第２ガス流路４４の断面積は、互いに異なっていてもよい。
変形例４
上記実施形態では、第１ガス流路４３の数と第２ガス流路４４の数とは互いに同じであったが、これに限定されない。例えば、図１１に示すように、第１ガス流路４３の数を、第２ガス流路４４の数よりも少なくしてもよい。すなわち、ガス供給室２１と連通するガス流路の数をガス回収室２２と連通するガス流路の数よりも少なくしてもよい。この場合、各第１ガス流路４３の各断面積は、各第２ガス流路４４の各断面積と同じであってもよい。また、第１ガス流路４３の断面積の合計値が第２ガス流路４４の断面積の合計値以上にならない範囲であれば、各第１ガス流路４３の各断面積は、各第２ガス流路４４の各断面積よりも大きくてもよい。
なお、図１１に示す構成では、第１ガス流路４３間のピッチｐ１を広げることで第１ガス流路４３の数を第２ガス流路４４の数よりも少なくしているが、セルスタック装置１００は、他の構成によって第１ガス流路４３の数を第２ガス流路４４の数よりも少なくしてもよい。例えば、図１２に示すように、第１領域４０１を第２領域４０２よりも小さくすることによって、第１ガス流路４３の数を第２ガス流路４４の数よりも少なくしてもよい。この場合、境界領域４０３は、幅方向（ｙ軸方向）において支持基板４の中央から第１領域４０１側に寄っている。また、マニホールド２は、ガス供給室２１がガス回収室２２よりも小さくなるように構成されている。例えば、仕切板２４を中央よりもガス供給室２１側に移動させることによって、ガス供給室２１をガス回収室２２よりもちいさくすることができる。
変形例５
上記実施形態では、燃料電池セル１０はマニホールド２から上方に延びるように構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、マニホールド２から下方に延びていてもよい。
変形例６
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。
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。
図１２に示すような構成のセルスタック装置１００において、表１に示すように、各第２ガス流路４４の断面積の合計値（Ｓ２）に対する、各第１ガス流路４３の断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）を変えて、それぞれサンプルＮｏ．１〜１０を作成した。なお、本実施例では、第１ガス流路４３の断面積と第２ガス流路４４の断面積は互いに同じとし、第１ガス流路４３の本数及び第２ガス流路４４の本数を表１に示すように変えることによって、各第１ガス流路４３の断面積の合計値（Ｓ１）及び各第２ガス流路４４の断面積の合計値（Ｓ２）を変えている。各サンプルＮｏ．１〜１０に係る燃料電池セル１０において、第１ガス流路４３の断面積の合計値（Ｓ１）及び第２ガス流路４４の断面積の合計値（Ｓ２）以外の構成は基本的に同じとしている。
（評価方法）
以上のように作製した各燃料電池セル１０を以下の条件で起電力を測定し、各サンプルの評価を行った。まず、各燃料電池セル１０をマニホールド２に挿入し、第１ガス流路４３をガス供給室２１と連通させ、第２ガス流路４４をガス回収室２２と連通させた。そして、マニホールド２のガス供給室２１に燃料ガスを供給し、燃料電池セル１０の両面に空気を供給した。第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４を流れたオフガスはガス回収室２２にて回収した。評価条件は、温度が７５０℃、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２、燃料利用率が８０％、空気利用率が５％であった。
Figure 0006605111
表１に示すように、各第１ガス流路４３の断面積の合計値を、各第２ガス流路４４の断面積の合計値よりも小さくすることによって、燃料電池セル１０の出力を向上できることが分かった。
２ マニホールド
２１ ガス供給室
２２ ガス回収室
５ 発電素子部
１０ 燃料電池セル
３０ 連通流路
４３ 第１ガス流路
４４ 第２ガス流路

Claims (6)

  1. 先端部及び基端部を有する燃料電池セルであって、
    支持基板と、
    前記支持基板上に配置される少なくとも１つの発電素子部と、
    前記支持基板内を前記基端部から前記先端部に向かって延びる複数の第１ガス流路と、
    前記支持基板内を前記基端部から前記先端部に向かって延び、前記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、
    を備え、
    前記少なくとも１つの第１ガス流路の断面積の合計値は、前記少なくとも１つの第２ガス流路の断面積の合計値よりも小さく、
    隣り合う前記第１ガス流路と前記第２ガス流路との間のピッチは、隣り合う前記第１ガ
    ス流路間のピッチよりも大きい、
    燃料電池セル。
  2. 前記少なくとも１つの第２ガス流路の断面積の合計値（Ｓ２）に対する、前記少なくとも１つの第１ガス流路の断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）は、０．９２以下である、
    請求項１に記載の燃料電池セル。
  3. 前記少なくとも１つの第１ガス流路の各断面積は、前記少なくとも１つの第２ガス流路の各断面積よりも小さい、
    請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
  4. 前記第１ガス流路の数は、前記第２ガス流路の数よりも少ない、
    請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
  5. 前記燃料電池セルの先端部において前記少なくとも１つの第１ガス流路と前記少なくとも１つの第２ガス流路とを連通する連通流路をさらに備える、
    請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池セルと、
    ガス供給室及びガス回収室を有し、前記燃料電池セルの基端部を支持するマニホールドと、
    を備え、
    前記少なくとも１つの第１ガス流路は、前記ガス供給室と連通し、
    前記少なくとも１つの第２ガス流路は、前記ガス回収室と連通する、
    セルスタック装置。
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