JP6655690B1 - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マニホールドに生じる応力を低減できる燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置１００は、燃料電池セル１０、マニホールド２、燃料処理器７０、及び配管８０を備えている。マニホールド２は、ガス供給室２０ａ及びガス回収室２０ｂを有する。燃料処理器７０は、ガス供給室２１に供給される燃料ガスを生成する。配管８０は、燃料処理器７０とマニホールド２とを連結する。燃料ガス供給管Ｐ１は、燃料ガスをガス供給室２１に供給する。配管８０は、第１筒状部８１及び第２筒状部８２を有する。第１筒状部８１は、ガス供給室２０ａ及びガス回収室２０ｂの一方と連通する。第２筒状部８２は、ガス供給室２０ａ及びガス回収室２０ｂの他方と連通する。第２筒状部８２は、第１筒状部８１内を延びる。【選択図】図８

Description

本発明は、燃料電池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備えている。特許文献１に開示されたセルスタック装置では、マニホールドは、ガス供給室とガス回収室とを有している。ガス供給室には、燃料ガスが供給される供給部が接続されている。ガス回収室には、マニホールドから燃料ガスを排出する排出部が接続されている。

特許第６０３０２６０号公報

上記特許文献１の供給部及び排出部は、マニホールドの側板に取り付けられている。供給部及び排出部が燃料処理器に接続される場合、供給部及び排出部を通じてマニホールドに応力が加えられて、クラックが生じる恐れがある。そこで、本発明の課題は、マニホールドに生じる応力を低減することができる燃料電池装置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装置は、燃料電池セルと、マニホールドと、燃料処理器と、配管と、を備えている。マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。また、マニホールドは、燃料電池セルを支持する。燃料処理器は、ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する。燃料ガス供給管は、燃料処理器とマニホールドとを連結する。配管は、第１筒状部と、第２筒状部と、を有する。第１筒状部は、ガス供給室及びガス回収室の一方と連通する。第２筒状部は、ガス供給室及びガス回収室の他方と連通する。また第２筒状部は、第１筒状部内を延びる。

この構成によれば、配管は、第１筒状部と、その内部に延びる第２筒状部とを備えている。そして、第１筒状部はガス供給室及びガス回収室の一方と連通し、第２筒状部はガス供給室及びガス回収室の他方と連通している。このため、１つの配管で、燃料ガスをガス供給室に供給することと、ガス回収室からのオフガスを排出することとが可能である。したがって、２つの配管のそれぞれをマニホールドに連結する場合に比べて、本発明はマニホールドに生じる応力を低減できる。

好ましくは、第１筒状部は、ガス供給室と連通し、第２筒状部は、ガス回収室と連通する。

第１筒状部及び第２筒状部の一部が、互いに接触していてもよい。あるいは、第１筒状部及び第２筒状部は、互いに非接触であってもよい。

好ましくは、燃料処理器は、マニホールドの底面と対向するように配置される。より好ましくは、配管は、マニホールドの底面の中央部に取り付けられている。

好ましくは、マニホールドは、第１マニホールド本体と、第２マニホールド本体と、を有する。第１マニホールド本体は、第１筒状部と連通する。第２マニホールド本体は、第２筒状部と連通し、第１マニホールド本体内に配置される。

好ましくは、燃料電池セルは、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、を有する。第１ガス流路は、ガス供給室と連通し、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、ガス回収室と連通し、燃料電池セルの基端部から先端部に延びて燃料電池セルの先端部において第１ガス流路と連通する。

本発明によれば、マニホールドに生じる応力を低減することができる。

燃料電池装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 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。 燃料電池セルの断面図。 燃料電池装置の概略図。 セルスタック装置及び配管の断面図。 変形例に係るセルスタック装置及び配管の断面図。 変形例に係る配管の断面図。 変形例に係るセルスタック装置及び配管の断面図。

以下、本発明に係る燃料電池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は燃料電池装置を示す斜視図、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。

［燃料電池装置］
図１に示すように、燃料電池装置１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１０と、燃料処理器７０と、配管８０（図８及び図９参照）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。

図２及び図３に示すように、マニホールド２は、第１マニホールド本体２ａと、第２マニホールド本体２ｂとを有している。第１マニホールド本体２ａは、第１ガス室を有している。本実施形態では、第１ガス室は、燃料処理器７０から供給された燃料ガスを燃料電池セル１０に供給する。すなわち、第１ガス室は、燃料処理器７０から燃料ガスが供給されるガス供給室２０ａである。ガス供給室２０ａは、後述する燃料電池セル１０のガス往路４３と連通している。ガス供給室２０ａは、第１マニホールド本体２ａの内部空間のうち、第２マニホールド本体２ｂが占める空間を除いた空間である。

第１マニホールド本体２ａは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向に延びている）。すなわち、ガス供給室２０ａは、燃料電池セル１０の配列方向に延びている。マニホールド２は、燃料電池セル１０の配列方向において、第１端部２０１と第２端部２０２とを有している。なお、図２の中心線Ｃは、配列方向におけるマニホールド２の中心を示している。

詳細には、第１マニホールド本体２ａは、第１天板２１ａ、第１底板２２ａ、及び第１側板２３ａを有している。第１天板２１ａ、第１底板２２ａ、及び第１側板２３ａによって、ガス供給室２０ａを画定している。第１マニホールド本体２ａは、直方体状である。

例えば、第１底板２２ａと第１側板２３ａとは１つの部材で構成されている。第１天板２１ａは、第１側板２３ａの上端部と接合している。なお、第１天板２１ａと第１側板２３ａとが１つの部材で構成されており、第１底板２２ａが第１側板２３ａの下端部と接合していてもよい。

第１側板２３ａは、一対の第１側板部２３１ａと、一対の第１連結部２３２ａとを有する。各第１側板部２３１ａは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。各第１連結部２３２ａは、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各第１連結部２３２ａは、一対の第１側板部２３１ａの端部同士を連結している。

図４に示すように、第１天板２１ａは、複数の第１貫通孔２１１ａを有している。各第１貫通孔２１１ａは、ガス供給室２０ａとガス往路４３とを連通させている。各第１貫通孔２１１ａは、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各第１貫通孔２１１ａの配列方向（ｚ軸方向）は、燃料電池セル１０の配列方向と同義である。

各第１貫通孔２１１ａは、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。なお、各第１貫通孔２１１ａは、後述する各第２貫通孔２１１ｂと一体的に形成されている。

図２及び図３に示すように、第２マニホールド本体２ｂは、第２ガス室を有している。本実施形態では、第２ガス室は、燃料電池セル１０から排出された燃料ガスを回収する。すなわち、第２ガス室は、各燃料電池セル１０にて使用された燃料ガスを回収するガス回収室２０ｂである。ガス回収室２０ｂは、後述する燃料電池セル１０のガス復路４４と連通している。

第２マニホールド本体２ｂは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。すなわち、ガス回収室２０ｂは、燃料電池セル１０の配列方向に延びている。

第２マニホールド本体２ｂは、第１マニホールド本体２ａ内においてマニホールド２の幅方向の中央部に配置されている。なお、第２マニホールド本体２ｂは、マニホールド２の幅方向において、第２マニホールド本体２ｂの中心と第１マニホールド本体２ａの中心とが完全に一致するように配置されている必要はなく、第２マニホールド本体２ｂの中心が第１マニホールド本体２ａの中心からずれていてもよい。ガス回収室２０ｂは、マニホールド２の幅方向において、一対のガス供給室２０ａの間に配置される。

第２マニホールド本体２ｂは、第２天板２１ｂ、第２底板２２ｂ、及び第２側板２３ｂを有している。第２天板２１ｂ、第２底板２２ｂ、及び第２側板２３ｂによって、ガス回収室２０ｂを画定している。第２マニホールド本体２ｂは、直方体状である。

例えば、第２底板２２ｂと第２側板２３ｂとは１つの部材で構成されている。第２天板２１ｂは、第２側板２３ｂの上端部と接合している。なお、第２天板２１ｂと第２側板２３ｂとが１つの部材で構成されており、第２底板２２ｂが第２側板２３ｂの下端部と接合していてもよい。

第２側板２３ｂは、一対の第２側板部２３１ｂと、一対の第２連結部２３２ｂとを有する。各第２側板部２３１ｂは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。各第２連結部２３２ｂは、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各第２連結部２３２ｂは、一対の第２側板部２３１ｂ同士を連結している。

第２底板２２ｂは、第１底板２２ａと間隔をあけて配置されている。このため、第１底板２２ａと第２底板２２ｂとの間の空間は、ガス供給室２０ａの一部となっている。また、第２側板２３ｂは、第１側板２３ａと間隔をあけて配置されている。このため、第１側板２３ａと第２側板２３ｂとの間の空間は、ガス供給室２０ａの一部となっている。

第２天板２１ｂは、第１天板２１ａの一部によって構成されている。すなわち、第１天板２１ａの一部は、第２マニホールド本体２ｂの第２天板２１ｂとして機能している。詳細には、第２マニホールド本体２ｂの第２底板２２ｂ及び第２側板２３ｂからなる箱体が、第１天板２１ａに取り付けられている。

図４に示すように、第２天板２１ｂは、複数の第２貫通孔２１１ｂを有している。各第２貫通孔２１１ｂは、ガス回収室２０ｂとガス復路４４とを連結させている。各第２貫通孔２１１ｂは、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各第２貫通孔２１１ｂの配列方向（ｚ軸方向）は、燃料電池セル１０の配列方向と同義である。

各第２貫通孔２１１ｂは、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各第２貫通孔２１１ｂは、ガス回収室２０ｂと連通している。なお、各第２貫通孔２１１ｂは、上述したように、各第１貫通孔２１１ａと一体的に形成されている。

図５に示すように、第１及び第２天板２１ａ、２１ｂは、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。詳細には、接合材１０３が第１及び第２天板２１ａ、２１ｂと燃料電池セル１０の基端部１０１とを接合する。接合材１０３は、燃料電池セル１０の基端部１０１の周囲に沿って環状に形成されている。なお、第１及び第２天板２１ａ、２１ｂは、燃料電池セル１０を本実施形態のように直接的に支持してもよいし、燃料電池セル１０との間に別の部材を介して燃料電池セル１０を間接的に支持していてもよい。

［燃料電池セル］
図５は、セルスタック装置の断面図を示している。なお、セルスタック装置は、複数の燃料電池セル１０とマニホールド２とから構成されている。図５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。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。

図５及び図６に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４と、複数の発電素子部５と、連通部材３と、を有している。各発電素子部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、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。

［支持基板］
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、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。

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１０３などによってマニホールド２の第１及び第２天板２１ａ、２１ｂに取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、第１及び第２天板２１ａ、２１ｂに形成された第１及び第２貫通孔２１１ａ、２１１ｂに挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、第１及び第２貫通孔２１１ａ、２１１ｂに挿入されていなくてもよい。このように支持基板４の基端部４１がマニホールド２に取り付けられることによって、支持基板４の基端部４１は、ガス供給室２０ａ及びガス回収室２０ｂと連結している。

支持基板４は、複数のガス往路４３（第１ガス流路の一例）と、複数のガス復路４４（第２ガス流路の一例）とを有している。燃料電池セル１０において、ガス供給室２０ａと連通するガス往路４３が燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）の両端部に配置されている。そして、ガス回収室２０ｂと連通するガス復路４４は、燃料電池セル１０の幅方向の中央部に配置されている。

ガス往路４３は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、ガス往路４３は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。ガス往路４３は、支持基板４を貫通している。各ガス往路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、各ガス往路４３は、等間隔に配置されていることが好ましい。支持基板４は、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。

図５に示すように、隣り合うガス往路４３のピッチｐ１は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合うガス往路４３のピッチｐ１は、ガス往路４３の中心間の距離である。例えば、ガス往路４３のピッチｐ１は、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。

ガス往路４３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。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、ガス往路４３は、基端部１０１側において、第１マニホールド本体２ａのガス供給室２０ａと連通している。

ガス復路４４は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、ガス復路４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。ガス復路４４は、ガス往路４３と実質的に平行に延びている。

ガス復路４４は、支持基板４を貫通している。各ガス復路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、各ガス復路４４は、等間隔に配置されていることが好ましい。

隣り合うガス復路４４のピッチｐ２は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合うガス復路４４のピッチｐ２は、ガス復路４４の中心間の距離である。例えば、ガス復路４４のピッチｐ２は、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、各ガス復路４４間のピッチｐ２は、各ガス往路４３間のピッチｐ１と実質的に等しいことが好ましい。

ガス復路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。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、ガス復路４４は、基端部１０１側において、第２マニホールド本体２ｂのガス回収室２０ｂと連通している。

隣り合うガス往路４３とガス復路４４とのピッチｐ０は、例えば、１〜１０ｍｍ程度である。この隣り合うガス往路４３とガス復路４４とのピッチｐ０は、ガス往路４３の中心とガス復路４４の中心との距離である。例えば、ピッチｐ０は、支持基板４の基端面４１１において測定することができる。

隣り合うガス往路４３とガス復路４４とのピッチｐ０は、隣り合うガス往路４３のピッチｐ１よりも大きい。また、隣り合うガス往路４３とガス復路４４とのピッチｐ０は、隣り合うガス復路４４のピッチｐ２よりも大きい。

ガス往路４３とガス復路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、ガス往路４３と、ガス復路４４とが、連通部材３の連通流路３０を介して連通している。

ガス往路４３及びガス復路４４は、ガス往路４３内におけるガスの圧力損失がガス復路４４内におけるガスの圧力損失よりも小さくなるように構成されている。

例えば、各ガス往路４３の流路断面積は、各ガス復路４４の流路断面積よりも大きくすることができる。なお、ガス往路４３の数とガス復路４４との数とが異なる場合は、各ガス往路４３の流路断面積の合計値が、各ガス復路４４の流路断面積の合計値よりも大きくすることができる。

特に限定されるものではないが、各ガス復路４４の流路断面積の合計値は、各ガス往路４３の流路断面積の合計値の２０〜９５％程度とすることができる。なお、ガス往路４３の流路断面積は、例えば、０.５〜２０ｍｍ^２程度とすることができる。また、ガス復路４４の流路断面積は、例えば、０.１〜１５ｍｍ^２程度とすることができる。

なお、ガス往路４３の流路断面積は、ガス往路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ガス往路４３の流路断面積を言う。また、ガス往路４３の流路断面積は、基端部４１側の任意の箇所における流路断面積と、中央部の任意の箇所における流路断面積と、先端部４２側の任意の箇所における流路断面積との平均値とすることができる。

また、ガス復路４４の流路断面積は、ガス復路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ガス復路４４の流路断面積を言う。また、ガス復路４４の流路断面積は、基端部４１側の任意の箇所における流路断面積と、中央部の任意の箇所における流路断面積と、先端部４２側の任意の箇所における流路断面積との平均値とすることができる。

図６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。図１に示すように、各支持基板４は、第１主面４５と第２主面４６とが対向するように配置されている。

図６に示すように、支持基板４は、発電素子部５を支持している。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Ｙ_２Ｏ_３（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ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（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、ガス往路４３及びガス復路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９１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。

［発電素子部］
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、基端部４１から先端部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。

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２０ａとガス回収室２０ｂ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、ガス往路４３は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、ガス復路４４は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。なお、複数のガス往路４３のうち、一部のガス往路４３が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数のガス復路４４のうち、一部のガス復路４４が第２部分５２と重複していなくてもよい。

図７は、ガス往路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、ガス復路４４に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、ガス復路４４の流路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Ｙ_２Ｏ_３（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９１から他のインターコネクタ９１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９１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８内のＳｒとが反応して電解質７と空気極８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）Ｏ_２（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、反応防止膜１１上に配置されている。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焼成体である。空気極８は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（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）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（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８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８の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

［電気的接続部］
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、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（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。

空気極集電膜９２は、隣り合う発電素子部５のインターコネクタ９１と空気極８との間を延びるように配置される。例えば、図７の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図７の右側に配置された発電素子部５のインターコネクタ９１とを電気的に接続するように、空気極集電膜９２が配置されている。空気極集電膜９２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。

空気極集電膜９２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（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）ＣｏＯ_３（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。空気極集電膜９２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［連通部材］
図５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、ガス往路４３とガス復路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、各ガス往路４３と各ガス復路４４とを連通する。連通流路３０は、各ガス往路４３から各ガス復路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、ガス往路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、複数のガス往路４３と複数のガス復路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。

［燃料処理器］
図８に示すように、燃料処理器７０は、マニホールド２のガス供給室２０ａに供給される燃料ガスを生成する。例えば、燃料処理器７０は、改質器である。燃料処理器７０は、原料ガス（天然ガス、液化石油ガス、灯油など）を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。例えば、下記（１）式及び（２）式に示すように、都市ガスの主成分であるメタン（ＣＨ_４）及び水蒸気から、燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（１）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（２）

燃料処理器７０は、二重円筒式である。燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向（ｘ軸方向）に延びている。本実施形態では燃料電池セル１０及び燃料処理器７０は、上下方向に延びている。なお、燃料処理器７０は、長さ方向（ｘ軸方向）の寸法の方が、幅方向（ｙ軸方向）の寸法よりも長い。

燃料処理器７０は、改質部７１と燃焼部７２とを有している。燃料処理器７０の内側の円筒内が燃焼部７２を構成している。そして、燃料処理器７０の内側の円筒と外側の円筒との間の空間が改質部７１を構成している。改質部７１と燃焼部７２とは、仕切られている。

改質部７１内には触媒が収容されている。改質部７１は、原料ガス供給管Ｐ１および水蒸気供給管Ｐ２が連結されている。この原料ガス供給管Ｐ１を介して、改質部７１内に原料ガスが供給される。また、水蒸気供給管Ｐ２を介して、改質部７１内に水蒸気が供給される。この改質部７１内において、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する。

燃焼部７２は、ガス回収室２０ｂから排出されたオフガスを燃焼するように構成されている。詳細には、燃焼部７２は、バーナ７２１を有している。バーナ７２１は、燃料処理器７０の筐体に設けられている。バーナ７２１には、配管８０及び空気供給管Ｐ３が連結されている。配管８０を介して、ガス回収室２０ｂ内のオフガスがバーナ７２１に排出される。バーナ７２１は、オフガスに空気を混合させて燃焼させる。

燃料処理器７０は、マニホールド２の底面と対向するように配置されている。本実施形態では、燃料処理器７０は、マニホールド２の下方に配置されている。すなわち、マニホールド２から各燃料電池セル１０が上方に延びている場合は、燃料処理器７０はマニホールド２の下方に配置される。

燃料処理器７０は、第１排出部７３を有している。本実施形態において、第１排出部７３は、燃料処理器７０に形成された開口部である。第１排出部７３は、生成した燃料ガスをガス供給室２０ａへと排出する。

第１排出部７３は、燃料処理器の軸方向端面に形成されている。第１排出部７３は、マニホールド２側に開口している。第１排出部７３は、配管８０と連結されている。第１排出部７３は、燃料電池セル１０の先端面よりもマニホールド２側に配置されている。本実施形態のように、燃料電池セル１０の先端部１０２が上端部であり、基端部１０１が下端部である場合、第１排出部７３は、燃料電池セル１０の先端面よりも下方に配置されている。そして、第１排出部７３とマニホールド２との距離は、燃料電池セル１０の先端面とマニホールド２との距離よりも短い。

燃料処理器７０は、第２排出部７４を有している。本実施形態では、第２排出部７４は、筒状の部材であるが、単なる開口であってもよい。第２排出部７４は、燃焼部７２からのガスを排出する。第２排出部７４は、水平面よりも下方を向いている。なお本実施形態では、第２排出部７４は、真下を向いているが、第２排出部７４の排出方向は、水平面よりも下方を向いていればよい。例えば、第２排出部７４の排出方向と水平面とのなす角度が３度以上とすることが好ましい。

［配管］
図８及び図９に示すように、配管８０は、燃料処理器７０とマニホールド２とを連結する。詳細には、配管８０は、燃料処理器７０の上面と、マニホールド２の底面とを連結する。配管８０は、マニホールド２の底面の中央部に取り付けられている。底面の中央部とは、幅方向（ｙ軸）及び長さ方向（ｚ軸）の中心部である。配管８０は、上下方向（ｘ軸方向）に延びる。

配管８０は、第１筒状部８１と、第２筒状部８２と、を有する。第２筒状部８２は、第１筒状部８１内を延びる。なお、筒状とは、断面視において円形であってもよく、多角形であってもよい。本実施形態の配管８０は、二重円筒である。

第１筒状部８１は、ガス供給室２０ａ及びガス回収室２０ｂの一方と連通する。第２筒状部８２は、ガス供給室２０ａ及びガス回収室２０ｂの他方と連通する。本実施形態では、第１筒状部８１はガス供給室２０ａに連通し、第２筒状部８２はガス回収室２０ｂに連通している。

第１筒状部８１は、燃料処理器７０で生成された燃料ガスを、マニホールド２のガス供給室２０ａに供給する。すなわち、第１筒状部８１の内部には、マニホールド２に供給する燃料ガスが流れる。本実施形態の第１筒状部８１は、燃料処理器７０の第１排出部７３と、ガス供給室２０ａとを連結する。なお、第１筒状部８１は、燃焼部７２と連通していない。このため、第１排出部７３から排出された第１筒状部８１内の燃料ガスが燃焼部７２に流れない。第１筒状部８１は、ガス供給室２０ａから第１排出部７３に向かって延びている。

第２筒状部８２は、マニホールド２のガス回収室２０ｂからのオフガスを、燃料処理器７０に供給する。すなわち、第２筒状部８２の内部には、燃料処理器７０に供給するオフガスが流れる。本実施形態の第２筒状部８２は、バーナ７２１と、ガス回収室２０ｂとを連結する。第２筒状部８２は、ガス回収室２０ｂからバーナ７２１に向かって延びている。

このように、配管８０は、燃料処理器７０で生成された燃料ガスをマニホールド２のガス供給室２０ａに供給する供給管と、マニホールド２のガス回収室２０ｂのオフガスを燃料処理器に排出する排出管との役割を担う。すなわち、供給管及び排出管を１つの配管８０で実現している。

また、第１筒状部８１を通るガスの温度と、第２筒状部８２を通るガスの温度は異なる。この場合、第１筒状部８１を流れるガスと、第２筒状部８２を流れるガスとは、互いに熱交換が可能である。本実施形態のように、第２筒状部８２を通るガスの温度が第１筒状部８１を流れるガスの温度よりも高いと、熱効率が高くなる。

図９に示すように、第１筒状部８１の内径Ｄ８１１は、例えば３〜３１ｍｍである。第１筒状部８１の外径Ｄ８１２は、例えば４〜３４ｍｍである。第２筒状部８２の内径Ｄ８２１は、例えば１〜２３ｍｍである。第２筒状部８２の外径Ｄ８２２は、例えば２〜２６ｍｍである。なお、内径Ｄ８１１、Ｄ８２１及び外径Ｄ８１２、Ｄ８２２のそれぞれは、連結部分を除いた延在する部分において、上端部、中央部及び下端部のそれぞれにおいて測定した内径及び外径の平均値とすることができる。

第１筒状部８１及び第２筒状部８２は、互いに非接触である。すなわち、第１筒状部８１の内壁と、第２筒状部８２の外壁とは、接触している部分がない。すなわち、第１筒状部８１の中心軸及び第２筒状部８２の中心軸は、互いに一致している。第１筒状部８１及び第２筒状部８２は、互いに直線的に延びてもよく、湾曲していてもよい。

［発電方法］
上述したように構成された燃料電池装置１００では、燃料処理器７０によって生成された燃料ガスをマニホールド２のガス供給室２０ａ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（３）式に示す化学反応が起こり、燃料極６において下記（４）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（３）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（４）

詳細には、ガス供給室２０ａに供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０のガス往路４３内を流れ、各発電素子部５の燃料極６において、上記（４）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、ガス往路４３を出て連通部材３の連通流路３０を介してガス復路４４へ供給される。そして、ガス復路４４へ供給された燃料ガスは、再度、燃料極６において上記（４）式に示す化学反応が起こる。ガス復路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２０ｂ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ガス室がガス供給室２０ａであり、第２ガス室がガス回収室２９ｂであるが、図１０に示すように、第１ガス室がガス回収室２０ｂであり、第２ガス室がガス供給室２０ａであってもよい。この場合、配管８０の第１筒状部８１内をオフガスが流れ、第２筒状部８２内をマニホールド２に供給する燃料ガスが流れる。

変形例２
上記実施形態では、第１筒状部８１及び第２筒状部８２は、互いに非接触であるが、図１１に示すように、第１筒状部８１及び第２筒状部８２の一部は、互いに接触していてもよい。詳細には、第１筒状部８１の内壁及び第２筒状部８２の外壁の一部が、互いに接触していてもよい。第１筒状部８１の中心軸に対して、第２筒状部８２の中心軸は傾斜している。なお、図１１では、第１筒状部８１が直線的に延び、第２筒状部８２が湾曲しているが、これに限定されない。第１筒状部８１が湾曲し、第２筒状部８２が直線的に延びてもよく、第１筒状部８１及び第２筒状部８２が互いに湾曲していてもよい。また、第１筒状部８１及び第２筒状部８２が互いに直線的に延びてもよい。この場合、例えば第１筒状部８１及び第２筒状部８２は、線接触する。

変形例３
上記実施形態では、配管８０は、マニホールド２の底面の中央部に取り付けられているが、図１２に示すように、マニホールド２の底面の中央部以外に取り付けられてもよい。本変形例では、第２マニホールド本体２ｂは、第１マニホールド本体２ａ内において、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）の一方の端部に寄って配置されている。

また、燃料電池セル１０において、一方のガス供給室２０ａと連通するガス往路４３は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）の一方側に配置されている。そして、ガス回収室２０ｂと連通するガス復路４４は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）の他方側に配置されている。

変形例４
上記実施形態では、マニホールド２の底面に、配管８０が連結されているが、配管８０の連結位置はこれに限定されない。例えば、配管８０は、マニホールド２の側面に取り付けられてもよいし、マニホールド２の上面に取り付けられてもよい。

変形例５
上記実施形態では、燃料処理器７０は、改質器によって構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料処理器７０は、改質器に加えて、ＣＯ変性器及びＣＯ浄化器などを有していてもよい。ＣＯ変性器は、改質器で発生した一酸化炭素および水から二酸化炭素及び水素を生成するように構成されている。また、ＣＯ浄化器は、改質器で発生した一酸化炭素に酸素を加えて、二酸化炭素へ変化させるように構成されている。

変形例６
上記実施形態では、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向に延びているが、これに限定されない。例えば、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向と交差する方向（ｙ軸方向又はｚ軸方向）に延びていてもよい。詳細には、燃料電池セル１０が上下方向に延びる場合、燃料処理器７０は水平方向に延びていてもよい。この場合、例えば、配管８０は、燃料処理器７０の側面に連結されている。

変形例７
上記実施形態では、燃料処理器７０は、マニホールド２の底面と対向するように配置されているが、燃料処理器７０の配置はこれに限定されない。例えば、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０の側面および主面の少なくとも一方と対向するように配置されていてもよい。このとき、燃料処理器７０の一部が燃料電池セル１０の先端面よりも上方に配置されていてもよい。

変形例８
上記実施形態では、マニホールド２は、第１マニホールド本体２ａと、この第１マニホールド本体２ａ内に配置される第２マニホールド本体２ｂとを備えているが、これに限定されない。マニホールド２は、内部空間をガス供給室２０ａとガス回収室２０ｂとに仕切る仕切板を備えていてもよい。

変形例９
上記実施形態では、ガス往路４３とガス復路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、支持基板４が、内部に連通流路を有していてもよい。この場合、燃料電池装置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によって、ガス往路４３とガス復路４４とが連通されている。

変形例１０
支持基板４は、第１支持基板と第２支持基板とに分かれていてもよい。この場合、第１支持基板にガス往路４３が形成され、第２支持基板にガス復路４４が形成される。

変形例１１
上記実施形態では、支持基板４は、複数のガス往路４３を有しているが、１つのガス往路４３のみを有していてもよい。同様に、支持基板４は、複数のガス復路４４を有しているが、１つのガス復路４４のみを有していてもよい。

変形例１２
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。この場合、燃料処理器７０は、例えばマニホールド２の上方に配置される。また、マニホールド２の底面は上方を向いている。

変形例１３
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。

２ マニホールド
２０ａ ガス供給室
２０ｂ ガス回収室
１０ 燃料電池セル
７０ 燃料処理器
８０ 配管
８１ 第１筒状部
８２ 第２筒状部

Claims (8)

1. 燃料電池セルと、
   ガス供給室及びガス回収室を有し、前記燃料電池セルを支持するマニホールドと、
   前記ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する燃料処理器と、
   前記燃料処理器と前記マニホールドとを連結する配管と、
   を備え、
   前記配管は、
   前記ガス供給室及び前記ガス回収室の一方と連通する第１筒状部と、
   前記ガス供給室及び前記ガス回収室の他方と連通し、前記第１筒状部内を延びる第２
   筒状部と、
   を有し、
   前記第１筒状部は、前記ガス供給室と連通し、
   前記第２筒状部は、前記ガス回収室と連通する、
   燃料電池装置。
   
2. 燃料電池セルと、
   ガス供給室及びガス回収室を有し、前記燃料電池セルを支持するマニホールドと、
   前記ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する燃料処理器と、
   前記燃料処理器と前記マニホールドとを連結する配管と、
   を備え、
   前記配管は、
   前記ガス供給室及び前記ガス回収室の一方と連通する第１筒状部と、
   前記ガス供給室及び前記ガス回収室の他方と連通し、前記第１筒状部内を延びる第２筒状部と、
   を有し、
   前記第１筒状部の一端部は、前記ガス供給室及び前記ガス回収室の一方のみと連通し、前記第１筒状部の他端部は、前記燃料処理器と連通する、
   燃料電池装置。
   
3. 前記第１筒状部及び前記第２筒状部の一部は、互いに接触している、
   請求項１または２に記載の燃料電池装置。
   
4. 前記燃料処理器は、前記マニホールドの底面と対向するように配置される、
   請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池装置。
   
5. 前記配管は、前記マニホールドの底面の中央部に取り付けられている、
   請求項４に記載の燃料電池装置。
   
6. 前記マニホールドは、
   前記第１筒状部と連通する第１マニホールド本体と、
   前記第２筒状部と連通し、前記第１マニホールド本体内に配置される第２マニホール
   ド本体と、
   を有する、
   請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池装置。
   
7. 前記燃料電池セルは、
   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１から６のいずれかに記載の燃料電池装置。
   
8. 前記第１筒状部の内側面と、前記第２筒状部の外側面とは、対向する、
   請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池装置。

Images