JP6748764B2 - マニホールド及びセルスタック装置 - Google Patents

Description

本発明は、マニホールド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、マニホールドと、複数の燃料電池セルと、ガス供給管とを備えている。マニホールドは、各燃料電池セルにガスを供給している（例えば特許文献１）。

特許文献１のマニホールドは、ガス供給管の他端と接合されている。ガス供給管の他端は、マニホールドにガスを供給する。マニホールドは、ガス供給管の他端と離隔して、かつ他端を覆う整流板を有している。整流板は、開口部を有している。開口部は、複数の燃料電池セルのうち整流板から離れた端部の燃料電池セルに向かってガスが流出するように設けられている。

国際公開第２０１８／０７９６６５号

特許文献１では、複数の燃料電池セルのうち整流板から離れた端部の燃料電池セルに向かって、整流板の開口部からガスが流出する。この場合、流速の大きいガスが供給される燃料電池セルと、流速の小さいガスが供給される燃料電池セルとが存在する。このため、各燃料電池セルに対するガス供給量の差が大きいという問題があった。そこで本発明は、燃料電池セルへのガス供給量の差を低減することにある。

本発明のある側面に係るマニホールドは、互いに間隔をあけて配置される複数の燃料電池セルにガスを供給するためのマニホールドである。マニホールドは、側壁、天壁、底壁、及び気流変更部材を備える。天壁は、燃料電池セルが取り付けられるように構成されている。底壁は、天壁に向かって開口するガス供給口を有する。気流変更部材は、側壁、天壁及び底壁によって画定されるガス供給室内に配置される。ガス供給室は、燃料電池セルの配列方向において、中心より第１端部側の第１領域、及び中心より第２端部側の第２領域を有する。気流変更部材は、ガス供給口から供給されるガスを、ガス供給室内に供給する供給部を有する。供給部は、第１領域に位置する。供給部は、側壁のうち第１領域を画定する第１側壁部に向かうように、ガスを供給する。

この構成によれば、気流変更部材によって、ガス供給口から供給されるガスの流れる方向を、供給部に近い第１領域の第１側壁部に向かうように変更できる。このため、ガス供給室内に供給されたガスは、供給部近傍の側壁に衝突するので、その流速を低減させる。流速を低減したガスが、各燃料電池セルに供給される。この結果、燃料電池セルへのガス供給量の差を低減することができる。

好ましくは、気流変更部材は、ガス供給口を覆う。また供給部は、第１側壁部に向かって開口する開口部である。

好ましくは、気流変更部材は、底壁から天壁に向けて延びる側部を有する。開口部は、側部に形成されている。

好ましくは、平面視において、ガス供給口の断面積に対する、気流変更部材の内部空間の断面積の比は、２．２６以上である。

好ましくは、マニホールドの内部空間の高さに対する、気流変更部材の内部空間の高さの比は、０．７８以下である。

好ましくは、気流変更部材は、フランジを有する。フランジは、外周部に形成され、かつ底壁と接続される。

本発明のある側面に係るセルスタック装置は、マニホールド、及び燃料電池セルを備える。燃料電池セルは、マニホールドから延びる。

好ましくは、マニホールドは、ガス回収室をさらに含む。燃料電池セルは、少なくとも１つの第１ガス流路及び第２ガス流路を有する。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、燃料電池セルへのガス供給量の差を低減することができる。

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。 気流変更部材の斜視図。 燃料電池セルの斜視図。 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。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るマニホールドの断面図。

以下、本発明に係る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、ガス供給管とを備えている。

［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、燃料処理器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、直方体状である。マニホールド本体部２３は、天壁２３１、側壁２３２及び底壁２３３を有している。天壁２３１、側壁２３２及び底壁２３３は、マニホールド本体部２３の内部空間を画定している。

底壁２３３は、平面視（ｘ軸方向視）において、矩形状である。側壁２３２は、第１側壁２３２ａ、第２側壁２３２ｂ、第３側壁２３２ｃ、及び第４側壁２３２ｄを有している。第１〜第４側壁２３２ａ〜２３２ｄは、底壁２３３の周縁部から上方に延びている。第１側壁２３２ａ及び第３側壁２３２ｃは、マニホールド本体部２３の内部空間の奥行き方向（ｚ軸方向）において、互いに対向するように配置されている。また、第２側壁２３２ｂ及び第４側壁２３２ｄは、マニホールド本体部２３の内部空間の幅方向（ｙ軸方向）において、互いに対向するように配置されている。

図３及び図４に示すように、天壁２３１は、側壁２３２の上面を塞ぐように、側壁２３２上に配置されている。天壁２３１は、各燃料電池セル１０が取り付けられるように構成されている。詳細には、図３に示すように、マニホールド本体部２３の天壁２３１には、複数の貫通孔２３１ａが形成されている。各貫通孔２３１ａ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２３１ａ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２３１ａは、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連通している。なお、各貫通孔２３１ａは、ガス供給室２１と連通する部分とガス回収室２２と連通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。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必要は無く、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。ガス供給室２１及びガス回収室２２は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に沿って延びる。

図２に示すように、ガス供給室２１は、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２を有している。第１領域Ｒ１は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、中心Ｃより第１端部２０１側の領域である。第２領域Ｒ２は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、中心Ｃより第２端部２０２側の領域である。第１端部２０１及び第２端部２０２は、配列方向において、互いに反対側に位置する。このように、ガス供給室２１は、配列方向の中心Ｃを基準として、配列方向に沿って、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との２つに区画される。

本実施形態では、ガス供給室２１は、底壁２３３、第１側壁２３２ａ、第２側壁２３２ｂ、第３側壁２３２ｃ、仕切板２４及び天壁２３１によって画定されている。ガス供給室２１を画定する側壁は、第１側壁２３２ａ、第２側壁２３２ｂ、第３側壁２３２ｃ、及び仕切板２４である。側壁のうち第１領域Ｒ１を画定する第１側壁部は、第１側壁２３２ａと、第２側壁２３２ｂにおける第１端部２０１側の部分と、仕切板２４における第１端部２０１側の部分とである。側壁のうち第２領域Ｒ２を画定する第２側壁部は、第２側壁２３２ｂにおける第２端部２０２側の部分と、仕切板２４における第２端部２０２側の部分と、第３側壁２３２ｃとである。

ガス回収室２２は、底壁２３３、第１側壁２３２ａ、第３側壁２３２ｃ、第４側壁２３２ｄ、仕切板２４及び天壁２３１によって画定されている。ガス回収室２２を画定する側壁は、第１側壁２３２ａ、第３側壁２３２ｃ、第４側壁２３２ｄ、及び仕切板２４である。

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。ガス供給口２１１は、第１領域Ｒ１に開口している。すなわち、ガス供給口２１１は、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。なお、本実施形態のガス供給口２１１は、第１側壁２３２ａと、間隔を隔てて設けられている。ガス供給口２１１は、第１側壁２３２ａとは、例えば、６ｍｍ以上離隔している。

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。ガス供給口２１１及びガス排出口２２１は、天壁２３１に向かって開口している。ガス供給口２１１及びガス排出口２２１は、円形状に形成されている。

ガス供給口２１１が形成された底壁２３３には、燃料ガス供給管Ｐ１が取り付けられる。例えば、図４に示すように、燃料ガス供給管Ｐ１は、先端面が底壁２３３の内側面と同一平面上に位置するように取り付けられている。そして、燃料ガス供給管Ｐ１の流路とガス供給口２１１とが連通している。ガス供給口２１１から、マニホールド２の内部空間にガスが導入される。

ガス供給口２１１を介してマニホールド２の内部空間に供給するガスの流速は、ガス供給口２１１において、０．１〜４５ｍ／ｓ程度とすることが好ましい。なお、この流速は、燃料電池セル１０の発電時、０℃・１ａｔｍ換算における流速である。流速は、ガス供給口２１１に導入される流量とガス供給口２１１の断面積とから算出することができる。

図４に示すように、マニホールド２は、気流変更部材７０をさらに備えている。気流変更部材７０は、ガス供給室２１内に配置されている。気流変更部材７０は、ガス供給口２１１から供給されるガスを、ガス供給室２１内に供給する図５に示す供給部７１を有している。供給部７１は、図２に示す第１領域Ｒ１に位置している。供給部７１は、側壁のうち第１領域Ｒ１を画定する第１側壁部に向かうように、ガスを供給する。このように、気流変更部材７０は、側壁のうち第１領域Ｒ１を画定する第１側壁部に向かうように、ガス供給口２１１から導入されるガスの流れを変更する。すなわち、気流変更部材７０は、側壁のうち第２領域Ｒ２を画定する第２側壁部に向けて、ガス供給口２１１から導入されるガスが流れないように構成されている。詳細には、気流変更部材７０によって、燃料ガス供給管Ｐ１からガス供給口２１１を介してガス供給室２１に導入された燃料ガスは、図２に示す第１領域Ｒ１を画定する第１側壁部に向かって流れる。気流変更部材７０は、供給部７１に最も近い第１領域Ｒ１を画定する第１側壁２３２ａに向かうようにガスの流れを変更することが好ましい。

図４及び図５に示すように、気流変更部材７０は、ガス供給口２１１を覆う。気流変更部材７０は、ガス供給口２１１の一部を覆ってもよいが、全体を覆うことが好ましい。図５に示すように、気流変更部材７０は、第１側壁部に向かって開口する供給部７１を有する。供給部７１と第１側壁部との最短距離は、供給部７１と中心Ｃとの距離よりも短いことが好ましい。供給部７１は、第１領域Ｒ１を画定する側壁のうち、第１側壁２３２ａが最も近い。このため、供給部７１は、第１側壁２３２ａに向けて開口する。詳細には、図５に示すように、気流変更部材７０は、下方及び側方に開口を有する箱状部材である。気流変更部材７０は、マニホールド２の底壁２３３から天壁２３１に向けて延びる側部７２を有している。この側部７２に、供給部７１が設けられている。

本実施形態の気流変更部材７０は、側部７２、及び上部７３を有する。上部７３は、側部７２の上端と連なる。側部７２は、三方が閉じたコ字状である。側部７２及び上部７３は、第１側壁部に向けて延びる。側部７２は、ガス供給口２１１を囲む。側部７２において開いた一方は、第１側壁部に向かって開口する供給部７１を構成する。供給部７１は、側部７２及び上部７３で形成される気流変更部材７０の内部から、気流変更部材７０の外部であるガス供給室２１にガスを排出する。側部７２は、溶接、接合材などによって、底壁２３３に固定されている。

気流変更部材７０は、側部７２及び上部７３によって気流変更部材７０の内部空間を画定する。気流変更部材７０の内部空間には、ガス供給口２１１から供給されるガスが流れる。平面視（ｘ軸方向視）において、ガス供給口２１１の断面積に対する、気流変更部材７０の内部空間の断面積の比（気流変更部材７０の断面積／ガス供給口の断面積）は、２．２６以上であることが好ましい。面積の比が２．２６以上の場合、ガス供給口２１１から供給される燃料ガスが第１ガス流路４３に直接流れることを効果的に抑制できる。面積の比（気流変更部材７０の断面積／ガス供給口の断面積）は、大きいほど好ましいが、面積の比の上限値は、例えば４８である。

なお、本実施形態の気流変更部材７０の平面視における内部空間の断面積は、平面視における上部７３の内壁の面積である。上記面積の比は、気流変更部材７０がガス供給口２１１の全体を覆うように配置された状態での値である。

図４に示すように、マニホールド２の内部空間の高さＨ１に対する、気流変更部材７０の内部空間の高さＨ２の比（気流変更部材７０の高さ／マニホールドの高さ）は、０．７８以下であることが好ましい。高さの比が０．７８以下の場合、ガス供給口２１１から供給される燃料ガスが第１ガス流路４３に直接流れることを効果的に抑制できる。高さの比の下限値は、例えば０．０８である。

なお、高さＨ１、Ｈ２は、マニホールド２の底壁２３３から天壁２３１に向かう方向の距離である。本実施形態の気流変更部材７０の内部空間の高さＨ２は、底壁２３３の上面から気流変更部材７０の上部７３の内壁までの距離である。

気流変更部材７０を構成する材料は特に限定されないが、例えば気孔率が１０％以下の緻密体である。具体的には、気流変更部材７０は、金属などによって構成することができる。

ガス供給口２１１から気流変更部材７０内に導入されたガスは、気流変更部材７０によって、第１側壁部に向かうように流れる方向を変更する。このため、供給部７１からガス供給室２１内に供給されたガスは、第１側壁部に衝突する。第１側壁部に衝突したガスは、その流速を低減させる。流速が低減したガスは、各燃料電池セルの第１ガス流路４３に到達する。すなわち、ガス供給室２１に供給されたガスが第１側壁部に衝突した結果、各第１ガス流路４３に供給されるガスの流速のばらつきが抑制される。したがって、各第１ガス流路４３に供給されるガス供給量の差を低減することができる。

［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。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と燃料ガス供給管Ｐ１とオフガス供給管Ｐ２とから構成されている。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４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。図６に示すように、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、接合材などによってマニホールド２の天壁２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、天壁２３１に形成された貫通孔２３１ａに挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、貫通孔２３１ａ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２１及びガス回収室２２と連結している。

支持基板４は、複数の第１ガス流路４３と、複数の第２ガス流路４４とを有している。第１ガス流路４３は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第１ガス流路４３は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第１ガス流路４３と、燃料電池セル１０とは、同じ方向に延びる。第１ガス流路４３は、支持基板４を貫通している。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。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。

第１ガス流路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、第１ガス流路４３は、基端部１０１側において、ガス供給室２１と連通している。

第２ガス流路４４は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第２ガス流路４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３と実質的に平行に延びている。

第２ガス流路４４は、支持基板４を貫通している。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。

第２ガス流路４４は、燃料電池セル１０の先端部１０２から基端部１０１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、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。

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。

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ガス流路４３及び第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路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。このような構成として、例えば、各第１ガス流路４３の流路断面積は、各第２ガス流路４４の流路断面積よりも大きい。なお、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失よりも大きくなるように構成されてもよい。

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、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、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。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、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。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、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。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。

［燃料ガス供給管］
図４に示すように、燃料ガス供給管Ｐ１は、マニホールド２の底壁２３３に設けられたガス供給口２１１に連結されている。燃料ガス供給管Ｐ１は、溶接、接合材などによって、底壁２３３に固定されている。そして、燃料ガス供給管Ｐ１のガス流路と、マニホールド２のガス供給室２１とが連通している。燃料ガス供給管Ｐ１は、ガス供給室２１に燃料ガスを供給する。

燃料ガス供給管Ｐ１は、第１ガス流路４３の延びる方向と同じ方向に延びる。なお、燃料ガス供給管Ｐ１の少なくとも一部は、第１ガス流路４３の延びる方向と交差する方向に延びてもよい。燃料ガス供給管Ｐ１の一端部は、改質器などの燃料処理器（図示せず）と連結される。燃料処理器は、マニホールド２のガス供給室２１に供給される燃料ガスを生成する。燃料ガス供給管Ｐ１の他端部は、ガス供給口２１１と連結される。

［オフガス供給管］
オフガス供給管Ｐ２は、マニホールド２の底壁２３３に設けられたガス排出口２２１に連結されている。オフガス供給管Ｐ２は、溶接、接合材などによって、底壁２３３に固定されている。そして、オフガス供給管Ｐ２の流路と、マニホールド２のガス回収室２２とが連通している。オフガス供給管Ｐ２は、ガス回収室２２からのオフガスを排出する。

オフガス供給管Ｐ２は、第２ガス流路４４の延びる方向と同じ方向に延びる。なお、オフガス供給管Ｐ２の少なくとも一部は、第２ガス流路４４の延びる方向と交差する方向に延びてもよい。オフガス供給管Ｐ２の一端部は、燃料処理器（図示せず）と連結される。燃料処理器は、オフガスを燃焼する燃焼部を有している。オフガス供給管Ｐ２の他端部は、ガス排出口２２１と連結される。

［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、燃料処理器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。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）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋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、ガス供給室２１に燃料ガスが供給されるが、空気などの酸素を含むガスが供給されてもよい。

変形例２
上記実施形態では、気流変更部材７０の側部７２が底壁２３３に固定されているが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、気流変更部材７０は、外周部に形成されたフランジ７４をさらに有してもよい。フランジ７４は、側部７２の下端部から外方に延びている。フランジ７４は、底壁２３３の内側面と平行に延びる。フランジ７４は、底壁２３３と接続されている。フランジ７４と底壁２３３との接続方法は限定されず、溶接、接合材などを採用できる。

変形例３
上記実施形態では、気流変更部材７０は、側部７２及び上部７３を有する箱状であったが、これに限定されない。例えば、図９に示すように、気流変更部材７０は、半球体状であってもよい。

変形例４
上記実施形態では、マニホールド２の底壁２３３に、ガス排出口２２１が形成されているが、ガス排出口２２１の形成位置はこれに限定されない。例えば、ガス排出口２２１は、マニホールド２の側壁２３２に形成されていてもよいし、マニホールド２の天壁２３１に形成されていてもよい。

変形例５
上記実施形態では、燃料ガス供給管Ｐ１の先端面は底壁２３３の内側面と同一平面上に位置するように取り付けられているが、これに限定されない。例えば、燃料ガス供給管Ｐ１の先端面は底壁２３３の外側面と同一平面上に位置するように取り付けられてもよい。また、燃料ガス供給管Ｐ１の先端面は、ガス供給室２１の内部空間に突出してもよい。

変形例６
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。

変形例７
図１１に示すように、支持基板４は、第１支持基板４ａと第２支持基板４ｂとに分かれていてもよい。この場合、第１支持基板４ａに第１ガス流路４３が形成され、第２支持基板４ｂに第２ガス流路４４が形成される。

変形例８
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。

変形例９
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。また、ガス回収室２２は、省略されてもよい。

変形例１０
上記実施形態では、マニホールド２のガス供給口２１１が第１領域Ｒ１に形成されているが、これに限定されない。すなわち、上記実施形態では、ガス供給口２１１が第１領域Ｒ１に位置し、気流変更部材７０は、ガス供給口２１１が位置する第１領域Ｒ１を画定する第１側壁部に向かうように、ガスの流れを変更しているが、これに限定されない。例えば、ガス供給口２１１の一部または全部が第２領域Ｒ２に位置してもよい。なお、ガス供給口２１１は、ガス供給室２１の配列方向の中心Ｃに位置してもよい。ガス供給口２１１の位置によらず、気流変更部材７０の供給部７１は、第１領域Ｒ１に位置する。そして、気流変更部材７０は、供給部７１が位置する第１領域Ｒ１を画定する第１側壁部に向かうように、ガスの流れを変更する。供給部７１の位置は、例えば側部７２を第１側壁部に向けて延在する形状にすることによって、任意に調整できる。一例として、ガス供給口２１１は中心Ｃに位置し、側部７２及び上部７３は第１側壁２３２ａに向けて配列方向（ｚ軸方向）に延在する形状であり、供給部７１は第１側壁２３２ａに向かって開口する。

変形例１１
図２のガス供給口２１１は、複数の燃料電池セル１０のうち、配列方向（ｚ軸方向）において第１端部２０１側に位置する燃料電池セル１０（図１２の第１端部セル１０ａ）よりも、第１端部２０１側に形成されている。本変形例では、図１２に示すように、ガス供給口２１１は、配列方向において第１端部セル１０ａよりも、第２端部２０２側に形成されている。そして、気流変更部材７０の供給部７１は、第１端部セル１０ａよりも第１端部２０１側に位置する。

変形例１２
上記実施形態では、第１〜第４側壁２３２ａ〜２３２ｄは底壁２３３から略垂直に上方に延びているが、本発明のマニホールドは、これに限定されない。例えば、第１〜第４側壁２３２ａ〜２３２ｄの少なくとも１つは、上方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよい。また、例えば、第１〜第４側壁２３２ａ〜２３２ｄの少なくとも１つは、下方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよい。

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。

変形例１４
上記実施形態では、燃料電池セル１０は、複数のガス流路を有しているが、これに限定されない。例えば、マニホールド２は、ガス供給室からなり、燃料電池セル１０は、１つのガス流路を有してもよい。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（サンプルＮｏ．１〜２９）
サンプルＮｏ．１〜２９は、図１、図３〜図７及び図１２に示すマニホールド２を備えるセルスタック装置１００を製造した。詳細には、各サンプルについて、マニホールド本体部２３を、プレス加工によって、直方体状の内部空間を有するように作製した。マニホールド本体部２３の内部空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切る仕切板２４を設けた。図１２に示すように、ガス供給口２１１は、ガス供給室２１の底壁２３３の第１領域Ｒ１の中央部に形成した。

次に、図５に示す構造の気流変更部材７０を、溶接によって底壁２３３に固定した。各サンプルの気流変更部材７０は、ガス供給口２１１を囲い、かつ第１側壁２３２ａに向かって開口していた。

各サンプルのガス供給口２１１の平面視における断面積と、気流変更部材７０の平面視における内部空間の断面積とを、下記の表１に示す。また、各サンプルのマニホールド２の内部空間の高さＨ１と、気流変更部材７０の内部空間の高さＨ２とを、下記の表１に記載する。

次に、ガラス接合材によって、５個の燃料電池セル１０をマニホールド２の天壁２３１に取り付けた。各燃料電池セルの幅方向は、マニホールド２の幅方向と平行であった。各燃料電池セルは、マニホールド２の奥行き方向（ｚ軸方向）において互いに等間隔に設置した。

（サンプルＮｏ．３０）
サンプルＮｏ．３０のマニホールド及びセルスタック装置は、サンプルＮｏ．１〜２９と基本的には同様であったが、気流変更部材７０を設けない点において異なっていた。

（評価方法）
以上のように作製した各サンプルを以下の条件で、燃料利用率により評価した。
・マニホールド２を介して燃料ガスを供給し、各燃料電池セル１０の両面に空気を供給する。なお、燃料ガスは６２℃加湿水素を使用した。
・温度：７５０℃
・電流密度：０．００３Ａ／ｍｍ^２通電
（なお、電流密度はｚ軸方向から見た際にｘｙ平面に形成された１つの発電素子部の空気極面積測定結果に対する値とする。）

なお、燃料利用率は、供給する燃料ガス量に対する各発電素子部５が発電時消費する燃料ガス合計量の占める割合のことである。各燃料電池セル１０は、その長手方向に間隔をあけて配置された５個の発電素子部５を有する。発電素子部５の長手方向の寸法は全て同一とした。表１において、燃料利用率が９０％で発電したサンプルを◎、８８％で発電したサンプルを○、８５％で発電したサンプルを△、８０％で発電したサンプルを×とした。

（評価結果）
表１に示すように、気流変更部材７０を備えていないサンプルＮｏ．３０の燃料利用率に比べて、気流変更部材７０を備えるサンプルＮｏ．１〜２９の燃料利用率は大きかった。このことから、気流変更部材７０によって、各燃料電池セルへの燃料ガスの供給量の差を低減できることが確認できた。

また、面積の比が２．２６未満で高さの比が０．７８を超えるサンプルＮｏ．２９の燃料利用率に比べて、面積の比が２．２６以上及び高さの比が０．７８以下の少なくとも一方を満たすサンプルＮｏ．１〜２８の燃料利用率は大きかった。

さらに、面積の比が２．２６以上または高さの比が０．７８以下のサンプルＮｏ．１、４、８、１２、１９及び２３の燃料利用率に比べて、面積の比が２．２６以上で高さの比が０．７８以下のサンプルＮｏ．２、３、５〜７、９〜１１、１３〜１８、２０〜２２、２４〜２８の燃料利用率は大きかった。このことから、面積の比が２．２６以上で高さの比が０．７８以下にすることによって、各燃料電池セルへの燃料ガスの供給量の差を特に低減できることが確認できた。

ここで、本実施例では、ガス供給口２１１がガス供給室２１の第１領域Ｒ１の中央部に形成されたマニホールド２について説明したが、本発明者は、ガス供給口２１１が第１領域Ｒ１の他の位置に形成された場合においても、同様の効果があるという知見を有している。

また、本実施例では、第１側壁２３２ａにおける第１端部２０１側の部分に向けて開口する気流変更部材７０について説明したが、本発明者は、第２側壁２３２ｂにおける第１端部２０１側の部分、または、仕切板２４における第１端部２０１側の部分に向かって開口する気流変更部材についても、同様の効果があるという知見を有している。

２ マニホールド
２１ ガス供給室
２２ ガス回収室
１０ 燃料電池セル
７０ 気流変更部材

Claims (5)

1. 互いに間隔をあけて配置される複数の燃料電池セルにガスを供給するためのマニホールドであって、
   側壁と、
   前記燃料電池セルが取り付けられるように構成された天壁と、
   前記天壁に向かって開口するガス供給口を有する底壁と、
   前記側壁、前記天壁及び前記底壁によって画定されるガス供給室内に配置される気流変更部材と、
   を備え、
   前記ガス供給室は、前記燃料電池セルの配列方向において、中心より第１端部側の第１領域と、前記中心より第２端部側の第２領域と、を有し、
   前記気流変更部材は、前記ガス供給口から供給される前記ガスを、前記ガス供給室内に供給する供給部を有し、
   前記供給部は、前記第１領域に位置し、かつ、前記側壁のうち前記第１領域を画定する第１側壁部に向かうように、前記ガスを供給し、
   前記ガス供給口は、前記第１領域に開口しており、
   前記気流変更部材は、前記ガス供給口を覆い、
   前記供給部は、前記第１側壁部のみに向かって開口する開口部であり、
   平面視において、前記ガス供給口の断面積に対する、前記気流変更部材の内部空間の断面積の比は、２．２６以上であり、
   前記マニホールドの内部空間の高さに対する、前記気流変更部材の内部空間の高さの比は、０．７８以下である、
   マニホールド。
   
2. 前記気流変更部材は、前記底壁から前記天壁に向けて延びる側部を有し、
   前記開口部は、前記側部に形成されている、
   請求項１に記載のマニホールド。
   
3. 前記気流変更部材は、外周部に形成され、かつ前記底壁と接続されるフランジを有する、
   請求項１又は請求項２に記載のマニホールド。
   
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のマニホールドと、
   前記マニホールドから延びる燃料電池セルと、
   を備える、セルスタック装置。
   
5. 前記マニホールドは、ガス回収室をさらに含み、
   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４に記載のセルスタック装置。
   

Images