JP6820993B2 - 電気化学装置 - Google Patents
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Description
(燃料電池装置1の構成)
第1実施形態に係る燃料電池装置1の構成について説明する。図1は、燃料電池装置1の構成を示す断面図である。
燃料電池セル10は、いわゆる平板型の燃料電池セルである。燃料電池セル10は、電解質11、燃料極12、空気極13、燃料極側集電部14、及び空気極側集電部15を有する。
インターコネクタ20は、空気極13と対向して配置される。インターコネクタ20は、燃料電池セル10との間に酸化剤ガス室S2を形成する。インターコネクタ20は、空気極側集電部15を介して空気極13と電気的に接合される。インターコネクタ20は、燃料電池装置1が複数積層された場合、隣接する2つの燃料電池セル10の間に挟まれる。
セパレータ30は、燃料電池セル10の周囲を取り囲むように配置される。本実施形態に係るセパレータ30は、電解質11の第2主面11Tの外縁全周に接合され、空気極13を取り囲むように配置される。ただし、セパレータ30は、電解質11の側面に接合されていてもよい。
酸化剤ガス供給部40は、本発明に係る「ガス供給部」の一例である。酸化剤ガス供給部40は、燃料電池セル10の側方に配置される。酸化剤ガス供給部40は、金属材料(例えば、ステンレスなど)によって構成される。酸化剤ガス供給部40は、酸化剤ガス供給路41と酸化剤ガス供給口42とを有する。
酸化剤ガス排出部50は、燃料電池セル10の側方に配置される。酸化剤ガス排出部50は、金属材料(例えば、ステンレスなど)によって構成される。酸化剤ガス排出部50は、酸化剤ガス排出路51と酸化剤ガス排出口52とを有する。
燃料電池セル10の作動中、空気極13に供給される酸化剤ガスに含まれる酸化剤は、酸化剤ガスの流通方向D1における上流側から下流側に流れるに従って電極反応に利用される。そのため、酸化剤ガスに含まれる酸化剤の濃度は、下流側に比べて上流側の方が高く、空気極13の上流側部位では下流側部位よりも電極反応が活発になって発熱しやすい。その結果、空気極13のうち上流側部位及び下流側部位の間に熱応力が発生して、燃料電池セル10に損傷(割れや層間剥離など)が生じるおそれがある。
上記第1実施形態では、空気極13の上流側部位に供給される酸化剤ガスの温度を、空気極13の下流側部位に供給される酸化剤ガスの温度よりも低くすることによって燃料電池セル10の損傷を抑制できる構成について説明した。
本変形例に係る燃料電池装置2の構成について説明する。図2は、燃料電池装置2の構成を示す断面図である。
燃料ガス供給部60は、本発明に係る「ガス供給部」の一例である。燃料ガス供給部60は、燃料電池セル10の側方に配置される。燃料ガス供給部60は、金属材料(例えば、ステンレスなど)によって構成される。燃料ガス供給部60は、燃料ガス供給路61と燃料ガス供給口62とを有する。
燃料ガス排出部70は、燃料電池セル10の側方に配置される。燃料ガス排出部70は、金属材料(例えば、ステンレスなど)によって構成される。燃料ガス排出部70は、燃料ガス排出路71と燃料ガス排出口72とを有する。
燃料電池セル10の作動中、燃料極12に供給される燃料ガスに含まれる燃料は、燃料ガスの流通方向D2における上流側から下流側に流れるに従って電極反応に利用される。従って、燃料ガスに含まれる燃料の濃度は、下流側に比べて上流側の方が高いため、燃料極12の上流側部位では、燃料極12の下流側部位よりも電極反応が活発になって発熱しやすい。その結果、燃料極12のうち上流側部位及び下流側部位の間に熱応力が発生して、燃料電池セル10に損傷(割れや層間剥離など)が生じるおそれがある。
(燃料電池装置3の構成)
第2実施形態に係る燃料電池装置3の構成について説明する。図3は、燃料電池装置3の構成を示す断面図である。
マニホールド100は、燃料電池セル101に燃料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100は、燃料電池セル101から排出された燃料ガスを回収するように構成されている。
図3に示すように、燃料電池セル101は、マニホールド100から上方に延びる。燃料電池セル101の基端部は、マニホールド100の貫通孔100bに挿入されており、接合材などによって固定されている。
燃料電池セル101の作動中、燃料極6に供給される燃料ガスに含まれる燃料は、ガス流路(第1ガス流路102a、第2ガス流路102b及び連通流路103a)の燃料ガス供給口102cから燃料ガス排出口102dに流れるに従って電極反応に利用される。従って、燃料ガスに含まれる燃料の濃度は、下流側に比べて上流側の方が高いため、燃料極6のうち上流側部位(燃料ガス供給口102c付近の部位)では、燃料極6のうち下流側部位(燃料ガス排出口102d付近の部位)よりも電極反応が活発になって発熱しやすい。その結果、燃料極6の上流側部位及び下流側部位の間に熱応力が発生して、燃料電池セル101に損傷(割れや層間剥離など)が生じるおそれがある。
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。
以下のようにして、上記第1実施形態に係る平板型の燃料電池装置1(図1参照)の構成を有するサンプルNo.1〜12を作製した。
以下のようにして、上記第1実施形態の変形例に係る平板型の燃料電池装置2(図2参照)の構成を有するサンプルNo.13〜24を作製した。
以下のようにして、上記第2実施形態に係る片持ち式横縞型の燃料電池装置3(図3参照)の構成を有するサンプルNo.25〜36を作製した。
サンプルNo.1〜36を定常的に10時間作動させた後、各サンプルを室温まで降温し、ガスリーク有無とセル損傷有無とに基づいてクラック評価を行った。その結果を下表1に記載する。
10 燃料電池セル
10S 第1端部
10T 第2端部
11 電解質
12 燃料極
13 空気極
20 インターコネクタ
S1 燃料ガス室
S2 酸化剤ガス
30 セパレータ
40 酸化剤ガス供給部
42 酸化剤ガス供給口
50 酸化剤ガス排出部
52 酸化剤ガス排出口
2 燃料電池装置
60 燃料ガス供給部
62 燃料ガス供給口
70 燃料ガス排出部
72 燃料ガス排出口
3 燃料電池装置
101 燃料電池セル
102 支持基板
102a 第1ガス流路
102b 第2ガス流路
102c 燃料ガス供給口
102d 燃料ガス排出口
103a 連通流路
Claims (4)
- 第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に配置される電解質とを有するセラミックス製燃料電池セルと、
前記第1電極と対向して配置され、前記セラミックス製燃料電池セルとの間にガス室を形成するインターコネクタと、
前記ガス室に作動用ガスを供給するためのガス供給口を有するガス供給部と、
前記ガス室から前記作動用ガスを排出するためのガス排出口を有するガス排出部と、
を備え、
前記ガス室内において、前記セラミックス製燃料電池セルのうち前記ガス供給口側の第1端部の上方における前記作動用ガスの第1温度は、前記セラミックス製燃料電池セルのうち前記ガス排出口側の第2端部の上方における前記作動用ガスの第2温度よりも低く、
前記第1温度及び前記第2温度の温度差は、3度以上40度以下である、
セラミックス製燃料電池装置。 - 前記第1温度及び前記第2温度の温度差は、5度以上20度以下である、
請求項1に記載のセラミックス製燃料電池装置。 - 内側電極と、
外側電極と、
前記内側電極と前記外側電極との間に配置される電解質と、
前記内側電極に供給される作動用ガスを流通させるガス流路と、
を備え、
前記ガス流路のガス供給口における前記作動用ガスの第3温度は、前記ガス流路のガス排出口における前記作動用ガスの第4温度よりも低く、
前記第3温度及び前記第4温度の温度差は、1度以上20度以下である、
セラミックス製燃料電池セル。 - 前記第3温度及び前記第4温度の温度差は、3度以上15度以下である、
請求項3に記載のセラミックス製燃料電池セル。
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