WO2020049760A1 - マニホールド、セルスタック装置、及び電気化学セル - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a manifold, a cell stack device, and an electrochemical cell.
- the cell stack device includes an electrochemical cell and a manifold.
- the manifold supports a base end of a fuel cell, which is an example of an electrochemical cell.
- the manifold has a gas supply chamber and a gas recovery chamber.
- the manifold has a manifold body having an internal space and a partition plate. The partition plate extends from the bottom plate of the manifold body toward the top plate, and partitions the internal space of the manifold body into a gas supply chamber and a gas recovery chamber.
- the gas supply chamber supplies gas to the fuel cell, and the gas recovery chamber collects gas discharged from the fuel cell.
- an object of the present invention is to provide a manifold and a cell stack device that can suppress deformation of a top plate.
- the manifold according to the first aspect of the present invention is a manifold for supplying a gas to an electrochemical cell.
- the electrochemical cell has first and second gas flow paths.
- the first and second gas flow paths extend from the proximal end to the distal end of the electrochemical cell and communicate with each other at the distal end of the electrochemical cell.
- the manifold includes a first manifold main body and a second manifold main body.
- the first manifold body has a first gas chamber communicating with the first gas flow path.
- the second manifold main body has a second gas chamber communicating with the second gas flow path.
- the second manifold body is disposed inside the first manifold body.
- the first manifold body is disposed within the first manifold body, thereby providing the first manifold body. It is divided into a gas chamber and a second gas chamber.
- the manifold according to the first aspect of the present application does not include the partition plate, it is possible to prevent the top plate from being deformed due to the expansion of the partition plate.
- the first gas chamber may be a gas supply chamber and the second gas chamber may be a gas recovery chamber, or the first gas chamber may be a gas recovery chamber and the second gas chamber may be a gas supply chamber.
- the first manifold has a first top plate, a first bottom plate, and a first side plate.
- the first top plate includes a first through hole for communicating the first gas flow path with the first gas chamber.
- the second manifold has a second top plate, a second bottom plate, and a second side plate.
- the second top plate includes a second through hole for communicating the second gas flow path with the second gas chamber.
- the second top plate is constituted by a part of the first top plate.
- the box composed of the second side plate and the second bottom plate can be divided into the first gas chamber and the second gas chamber simply by attaching to the first top plate. Therefore, a manifold having the first gas chamber and the second gas chamber can be easily manufactured.
- the first bottom plate and the second bottom plate are spaced from each other. According to this configuration, since the first bottom plate serving as the bottom plate of the manifold is exposed only in the first gas chamber and not exposed in the second gas chamber, it is possible to suppress the occurrence of temperature distribution in the first bottom plate. .
- the bottom plate is exposed to both the gas supply chamber and the gas recovery chamber. Since the gas temperature is different between the gas supply chamber and the gas recovery chamber, a temperature distribution occurs on the bottom plate exposed to both the gas supply chamber and the gas recovery chamber.
- the first side plate and the second side plate are spaced from each other.
- the manifold is configured to supply gas to the plurality of electrochemical cells.
- the first manifold body and the second manifold body extend in the direction in which the electrochemical cells are arranged.
- the second manifold main body is disposed within the first manifold main body toward one end of the manifold in the width direction.
- the manifold is configured to supply gas to the plurality of electrochemical cells.
- the first manifold body and the second manifold body extend in the direction in which the electrochemical cells are arranged.
- the second manifold main body is disposed in the first manifold main body at the center in the width direction of the manifold.
- the manifold further includes a second gas pipe and a second gas seal part.
- the second gas pipe extends through the first manifold body and is attached to the second manifold body.
- the second gas seal seals a gap between the first manifold body and the second gas pipe.
- the second gas seal portion is disposed on an outer surface of the first manifold body.
- a cell stack device includes an electrochemical cell and any of the above-described manifolds.
- the manifold supports the proximal end of the electrochemical cell.
- the electrochemical cell has at least one first gas flow path and at least one second gas flow path.
- the first gas passage communicates with the first gas chamber.
- the first gas flow path extends from the proximal end to the distal end of the electrochemical cell.
- the second gas passage communicates with the second gas chamber.
- the second gas flow path extends from the proximal end to the distal end of the electrochemical cell.
- the first gas flow path and the second gas flow path communicate with each other at the tip of the electrochemical cell.
- the electrochemical cell according to the third aspect of the present invention is an electrochemical cell having a distal end and a proximal end.
- the electrochemical cell includes a support substrate, at least one power generation element, a plurality of first gas channels, and at least one second gas channel.
- the power generation element is disposed on the support substrate.
- the first gas flow path extends from the base end toward the front end in the support substrate.
- the first gas channels are arranged at both ends in the width direction of the electrochemical cell.
- the second gas flow path extends from the base end toward the front end in the support substrate.
- the second gas flow path communicates with the first gas flow path at the tip.
- the second gas flow path is arranged at the center in the width direction of the electrochemical cell.
- the total value of the flow path cross-sectional areas of the plurality of first gas flow paths is larger than the total value of the flow path cross-sectional areas of at least one second gas flow path.
- the cross-sectional area of each first gas flow path is larger than the cross-sectional area of each second gas flow path.
- the number of the first gas passages is larger than the number of the second gas passages.
- the total value of the cross-sectional areas of the plurality of first gas flow paths is smaller than the total value of the cross-sectional areas of the at least one second gas flow path.
- the cross-sectional area of each first gas passage is smaller than the cross-sectional area of each second gas passage.
- the number of the first gas passages is larger than the number of the second gas passages.
- the pitch between adjacent first gas flow paths and the second gas flow path is larger than the pitch between adjacent first gas flow paths.
- FIG. 2 is a perspective view of a cell stack device. Sectional drawing of a manifold. Sectional drawing of a manifold. The top view of a manifold. Sectional drawing of a cell stack apparatus. The perspective view of a fuel cell. Sectional drawing of a fuel cell. Sectional drawing of the cell stack apparatus concerning a modification. Sectional drawing of the cell stack apparatus concerning a modification. Sectional drawing of the cell stack apparatus concerning a modification. Sectional drawing of the cell stack apparatus concerning a modification. Sectional drawing of the manifold which concerns on a modification.
- FIG. 1 is a perspective view showing a cell stack device
- FIG. 2 is a sectional view of a manifold. In FIGS. 1 and 2, some fuel cells are not shown.
- the cell stack device 100 includes a manifold 2 and a plurality of fuel cells 10.
- the manifold 2 is configured to supply gas to the fuel cell 10. Further, the manifold 2 is configured to collect gas discharged from the fuel cell 10.
- the manifold 2 has a first manifold body 2a and a second manifold body 2b.
- the first manifold body 2a has a first gas chamber 20a.
- the first gas chamber 20a supplies the fuel cell 10 with a fuel gas supplied from a gas supply source (not shown).
- the first gas chamber 20a communicates with a gas outward path 43 of the fuel cell 10 described later.
- the first gas chamber 20a is a space excluding the space occupied by the second manifold 2b in the internal space of the first manifold main body 2a.
- the first manifold body 2a is arranged in the direction in which the fuel cells 10 are arranged (extending in the z-axis direction). That is, the first gas chamber 20a extends in the direction in which the fuel cells 10 are arranged.
- the manifold 2 has a first end 201 and a second end 202 in the arrangement direction of the fuel cells 10.
- the center line C in FIG. 2 indicates the center of the manifold 2 in the arrangement direction.
- the first manifold main body 2a has a first top plate 21a, a first bottom plate 22a, and a first side plate 23a.
- the first gas chamber 20a is defined by the first top plate 21a, the first bottom plate 22a, and the first side plate 23a.
- the first manifold body 2a has a rectangular parallelepiped shape.
- first bottom plate 22a and the first side plate 23a are formed by one member.
- the first top plate 21a is joined to the upper end of the first side plate 23a.
- the first top plate 21a and the first side plate 23a may be formed of one member, and the first bottom plate 22a may be joined to the lower end of the first side plate 23a.
- the first side plate 23a has a pair of first side plate portions 231a and a pair of first connection portions 232a. Each first side plate portion 231a extends in the direction in which the fuel cells 10 are arranged (the z-axis direction). Each first connecting portion 232a extends in the width direction (y-axis direction) of the fuel cell 10. Each first connecting portion 232a connects the ends of the pair of first side plate portions 231a.
- the first top plate 21a has a plurality of first through holes 211a.
- Each of the first through holes 211a communicates the first gas chamber 20a with the gas forward path 43.
- the first through holes 211a are arranged at intervals in the length direction of the manifold 2 (z-axis direction).
- the arrangement direction (z-axis direction) of each first through hole 211a is the same as the arrangement direction of the fuel cells 10.
- Each first through hole 211a extends in the width direction (y-axis direction) of the manifold 2.
- Each first through hole 211a is formed integrally with each second through hole 211b described later.
- the second manifold main body 2b has a second gas chamber 20b.
- the second gas chamber 20b collects the fuel gas discharged from the fuel cell 10.
- the second gas chamber 20b communicates with a gas return path 44 of the fuel cell 10 described later.
- the second manifold body 2b extends in the direction in which the fuel cells 10 are arranged (the z-axis direction). That is, the second gas chamber 20b extends in the direction in which the fuel cells 10 are arranged.
- the second manifold body 2b is disposed inside the first manifold body 2a.
- the second manifold main body 2b is disposed in the first manifold main body 2a near one end of the manifold 2 in the width direction (y-axis direction).
- the second manifold main body 2b is disposed in the first manifold main body 2a toward the right side in FIG.
- the second manifold body 2b has a second top plate 21b, a second bottom plate 22b, and a second side plate 23b.
- the second gas chamber 20b is defined by the second top plate 21b, the second bottom plate 22b, and the second side plate 23b.
- the second manifold body 2b has a rectangular parallelepiped shape.
- the second bottom plate 22b and the second side plate 23b are formed by one member.
- the second top plate 21b is joined to the upper end of the second side plate 23b.
- the second top plate 21b and the second side plate 23b may be formed of one member, and the second bottom plate 22b may be joined to the lower end of the second side plate 23b.
- the second side plate 23b has a pair of second side plate portions 231b and a pair of second connection portions 232b. Each second side plate portion 231b extends in the direction in which the fuel cells 10 are arranged (the z-axis direction). Each second connecting portion 232b extends in the width direction (y-axis direction) of the fuel cell 10. Each second connecting portion 232b connects the pair of second side plate portions 231b to each other.
- the second bottom plate 22b is arranged at an interval from the first bottom plate 22a. For this reason, the space between the first bottom plate 22a and the second bottom plate 22b is a part of the first gas chamber 20a. Further, the second side plate 23b is arranged at an interval from the first side plate 23a. For this reason, the space between the first side plate 23a and the second side plate 23b is a part of the first gas chamber 20a.
- the second top plate 21b is constituted by a part of the first top plate 21a. That is, a part of the first top plate 21a functions as the second top plate 21b of the second manifold body 2b. Specifically, a box body including the second bottom plate 22b and the second side plate 23b of the second manifold body 2b is attached to the first top plate 21a.
- the second top plate 21b has a plurality of second through holes 211b.
- Each second through hole 211b connects the second gas chamber 20b and the gas return path 44.
- the second through holes 211b are arranged at intervals in the length direction of the manifold 2 (z-axis direction).
- the arrangement direction (z-axis direction) of each second through-hole 211b is the same as the arrangement direction of the fuel cells 10.
- Each second through-hole 211b extends in the width direction of the manifold 2 (y-axis direction). Each second through hole 211b communicates with the second gas chamber 20b. Each of the second through holes 211b is formed integrally with each of the first through holes 211a as described above.
- the first and second top plates 21a and 21b support the base end 101 of each fuel cell 10.
- the joining material 103 joins the first and second top plates 21 a and 21 b and the base end portion 101 of the fuel cell 10.
- the bonding material 103 is formed in an annular shape along the periphery of the base end 101 of the fuel cell 10.
- the first and second top plates 21a and 21b may directly support the fuel cell 10 as in the present embodiment, or the fuel cell 10 and the fuel cell 10 may be provided with another member between them.
- the battery cells 10 may be indirectly supported.
- the first gas pipe 12 is configured to supply gas to the first gas chamber 20a.
- the first gas pipe 12 communicates with the first gas chamber 20a.
- the first gas pipe 12 communicates with the first gas chamber 20a on the first end 201 side of the center C of the manifold 2 in the arrangement direction of the fuel cells 10 (z-axis direction). .
- the first gas pipe 12 is attached to the first manifold body 2a. Specifically, the first gas pipe 12 is attached to, for example, the first connecting portion 232a. The first gas pipe 12 supplies gas from the first connecting portion 232a along the direction in which the fuel cells 10 are arranged. That is, the gas supply direction by the first gas pipe 12 is along the arrangement direction of the fuel cells 10.
- the second gas pipe 13 is configured to collect gas from the second gas chamber 20b.
- the second gas pipe 13 communicates with the second gas chamber 20b.
- the second gas pipe 13 communicates with the second gas chamber 20 b on the second end 202 side of the center C of the manifold 2 in the arrangement direction of the fuel cells 10.
- the second gas pipe 13 is attached to the second manifold body 2b. Specifically, the second gas pipe 13 is attached to, for example, the second connecting portion 232b. Note that the second connecting portion 232b to which the second gas pipe 13 is attached is disposed on the opposite side to the first connecting portion 232a to which the first gas pipe 12 is attached.
- the second gas pipe 13 penetrates the first manifold body 2a. Specifically, the second gas pipe 13 extends through the first side plate 23a of the first manifold body 2a. The second gas pipe 13 extends through the first connecting portion 232a of the first side plate 23a of the first manifold body 2a.
- the second gas pipe 13 collects gas from the second connecting portion 232b along the direction in which the fuel cells 10 are arranged. That is, the gas recovery direction by the second gas pipe 13 is along the arrangement direction of the fuel cells 10.
- the first gas pipe 12 supplies gas along the gas recovery direction of the second gas pipe 13. That is, the gas supply direction by the first gas pipe 12 is substantially the same as the gas recovery direction by the second gas pipe 13.
- the fuel cell 10 extends upward from the manifold 2. Specifically, the fuel cell 10 has the base end 101 attached to the manifold 2. In the present embodiment, the base end 101 of the fuel cell 10 means the lower end, and the front end 102 of the fuel cell 10 means the upper end.
- the fuel cells 10 are arranged such that their main surfaces face each other.
- the fuel cells 10 are arranged at intervals along the length direction (z-axis direction) of the manifold 2. That is, the arrangement direction of the fuel cells 10 is along the length direction of the manifold 2.
- the fuel cells 10 need not be arranged at regular intervals along the length direction of the manifold 2.
- the fuel cell unit 10 includes a support substrate 4, a plurality of power generation element units 5, and a communication member 3.
- Each power generating element unit 5 is supported by the first main surface 45 and the second main surface 46 of the support substrate 4.
- the number of the power generation element portions 5 formed on the first main surface 45 and the number of the power generation element portions 5 formed on the second main surface 46 may be the same or different.
- the sizes of the power generating elements 5 may be different from each other.
- the support substrate 4 extends vertically from the manifold 2. Specifically, the support substrate 4 extends upward from the manifold 2.
- the support substrate 4 is flat and has a base end 41 and a tip 42.
- the base 41 and the distal end 42 are both ends in the length direction (x-axis direction) of the support substrate 4.
- the base end 41 of the support substrate 4 means the lower end
- the front end 42 of the support substrate 4 means the upper end.
- the base end 41 of the support substrate 4 is attached to the manifold 2.
- the base end 41 of the support substrate 4 is attached to the first and second top plates 21a and 21b of the manifold 2 by a bonding material 103 or the like.
- the base end portion 41 of the support substrate 4 is inserted into first and second through holes 211a and 211b formed in the first and second top plates 21a and 21b. Note that the base end 41 of the support substrate 4 may not be inserted into the first and second through holes 211a and 211b.
- the support substrate 4 has a plurality of gas outward paths 43 (an example of a first gas flow path) and a plurality of gas return paths 44 (an example of a second gas flow path).
- the gas outward path 43 extends vertically in the support substrate 4. That is, the gas outward path 43 extends in the length direction (x-axis direction) of the support substrate 4.
- the gas outward path 43 penetrates the support substrate 4.
- the gas outward paths 43 are arranged at intervals in the width direction of the support substrate 4 (y-axis direction). In addition, it is preferable that each gas outward path 43 is arranged at equal intervals.
- the support substrate 4 may be longer in the width direction (y-axis direction) than in the length direction (x-axis direction).
- the pitch p1 between the adjacent gas outward paths 43 is, for example, about 1 to 5 mm.
- the pitch p1 between the adjacent gas outward paths 43 is the distance between the centers of the gas outward paths 43.
- the pitch p1 of the gas outward path 43 can be an average value of the pitch measured at each of the base end 41, the center, and the end 42.
- the gas outward path 43 extends from the base end 101 to the front end 102 of the fuel cell 10.
- the gas forward path 43 communicates with the first gas chamber 20 a of the first manifold body 2 a on the base end 101 side.
- the gas return path 44 extends in the support substrate 4 in the up-down direction. That is, the gas return path 44 extends in the length direction (x-axis direction) of the support substrate 4. The gas return path 44 extends substantially parallel to the gas forward path 43.
- the gas return path 44 penetrates the support substrate 4.
- the gas return paths 44 are arranged at an interval in the width direction (y-axis direction) of the support substrate 4.
- the gas return paths 44 are preferably arranged at equal intervals.
- the pitch p2 of the adjacent gas return paths 44 is, for example, about 1 to 5 mm.
- the pitch p2 between the adjacent gas return paths 44 is the distance between the centers of the gas return paths 44.
- the pitch p2 of the gas return path 44 can be an average value of the pitch measured at each of the base end 41, the center, and the end 42.
- the pitch p2 between the gas return paths 44 is preferably substantially equal to the pitch p1 between the gas forward paths 43.
- the gas return path 44 extends from the base end 101 to the front end 102 of the fuel cell 10. When the fuel cell 10 is mounted on the manifold 2, the gas return path 44 communicates with the second gas chamber 20 b of the second manifold body 2 b on the base end 101 side.
- the pitch p0 between the adjacent gas outward path 43 and the gas return path 44 is, for example, about 1 to 10 mm.
- the pitch p0 between the adjacent gas forward path 43 and the gas return path 44 is the distance between the center of the gas forward path 43 and the center of the gas return path 44.
- the pitch p0 can be measured on the base end face 411 of the support substrate 4.
- the pitch p0 between the adjacent gas forward path 43 and the gas return path 44 is larger than the pitch p1 between the adjacent gas forward paths 43. Further, the pitch p0 between the adjacent gas return path 43 and the gas return path 44 is larger than the pitch p2 of the adjacent gas return path 44.
- the gas forward path 43 and the gas return path 44 communicate with each other on the tip end 102 side of the fuel cell 10. Specifically, the gas outward path 43 and the gas return path 44 communicate with each other via the communication flow path 30 of the communication member 3.
- the gas forward path 43 and the gas return path 44 are configured such that the gas pressure loss in the gas forward path 43 is smaller than the gas pressure loss in the gas return path 44.
- the average value of the gas pressure loss in each gas forward path 43 is the average of the gas pressure loss in each gas return path 44.
- the gas forward path 43 and the gas return path 44 are configured to be smaller than the values.
- each gas outward path 43 can be larger than the cross-sectional area of each gas return path 44.
- the total value of the flow path cross-sectional areas of each gas forward path 43 is set to be larger than the total value of the flow path cross-sectional areas of each gas return path 44. be able to.
- the total value of the flow path cross-sectional area of each gas return path 44 can be about 20 to 95% of the total value of the flow path cross-sectional area of each gas forward path 43.
- the cross-sectional area of the gas outward path 43 can be, for example, about 0.5 to 20 mm 2 .
- the cross-sectional area of the gas return path 44 can be, for example, about 0.1 to 15 mm 2 .
- the flow path cross-sectional area of the gas outward path 43 refers to the flow path cross-sectional area of the gas outward path 43 on a cutting plane (yz plane) cut in a plane (yz plane) orthogonal to the direction in which the gas outward path 43 extends (x-axis direction).
- the cross-sectional area of the flow path of the gas outward path 43 includes the cross-sectional area of the flow path at an arbitrary position on the base end portion 41 side, the cross-sectional area of the flow path at an arbitrary position of the central portion, and the cross-sectional area of an arbitrary position on the distal end portion 42 side. It can be an average value with the flow path cross-sectional area.
- the flow path cross-sectional area of the gas return path 44 refers to the flow path cross-sectional area of the gas return path 44 in a section plane (yz plane) cut perpendicular to the direction (x-axis direction) in which the gas return path 44 extends.
- the cross-sectional area of the flow path of the gas return path 44 includes a cross-sectional area of the flow path at an arbitrary position on the base end portion 41 side, a cross-sectional area of the flow path at an arbitrary position of the central portion, and an arbitrary position on the distal end portion 42 side. It can be an average value with the flow path cross-sectional area.
- the support substrate 4 has a first main surface 45 and a second main surface 46.
- the first main surface 45 and the second main surface 46 are opposite to each other.
- the first main surface 45 and the second main surface 46 support each power generation element unit 5.
- the first main surface 45 and the second main surface 46 face the thickness direction (the z-axis direction) of the support substrate 4.
- Each side surface 47 of the support substrate 4 faces the width direction (y-axis direction) of the support substrate 4.
- Each side surface 47 may be curved.
- each support substrate 4 is arranged such that the first main surface 45 and the second main surface 46 face each other.
- the support substrate 4 supports the power generation element unit 5.
- the support substrate 4 is made of a porous material having no electron conductivity.
- the support substrate 4 is made of, for example, CSZ (calcia-stabilized zirconia).
- the support substrate 4 may be composed of NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), or composed of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria).
- it may be composed of MgO (magnesium oxide) and MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel).
- the porosity of the support substrate 4 is, for example, about 20 to 60%. This porosity is measured, for example, by the Archimedes method or microstructure observation.
- the support substrate 4 is covered with the dense layer 48.
- the dense layer 48 is configured to suppress the gas diffused into the support substrate 4 from the gas outward path 43 and the gas return path 44 from being discharged to the outside.
- the dense layer 48 covers the first main surface 45, the second main surface 46, and the side surfaces 47 of the support substrate 4.
- the dense layer 48 includes the electrolyte 7 described later and an interconnector 91.
- the dense layer 48 is denser than the support substrate 4. For example, the porosity of the dense layer 48 is about 0 to 7%.
- the plurality of power generation elements 5 are supported on the first main surface 45 and the second main surface 46 of the support substrate 4.
- the power generating elements 5 are arranged in the length direction (x-axis direction) of the support substrate 4. More specifically, the power generating element units 5 are arranged on the support substrate 4 at intervals from the base end 41 toward the distal end 42. That is, the power generating elements 5 are arranged at intervals along the length direction (x-axis direction) of the support substrate 4.
- the power generating elements 5 are connected in series to each other by an electrical connection 9 described later.
- the power generation element portion 5 extends in the width direction (y-axis direction) of the support substrate 4.
- the power generation element section 5 is divided into a first portion 51 and a second portion 52 in the width direction of the support substrate 4. Note that there is no strict boundary between the first portion 51 and the second portion 52.
- a portion overlapping the boundary between the first gas chamber 20 a and the second gas chamber 20 b when viewed in the length direction (viewed in the x-axis direction) of the support substrate 4 is removed. , The boundary between the first portion 51 and the second portion 52.
- the gas outward path 43 overlaps the first portion 51 of the power generation element unit 5.
- the gas return path 44 overlaps the second portion 52 of the power generation element unit 5. Note that, of the plurality of gas outward paths 43, some of the gas outward paths 43 do not have to overlap with the first portion 51. Similarly, of the plurality of gas return paths 44, some of the gas return paths 44 may not overlap with the second portion 52.
- FIG. 7 is a cross-sectional view of the fuel cell 10 cut along the gas outward path 43.
- the cross-sectional view of the fuel cell 10 cut along the gas return path 44 is the same as FIG. 7 except that the flow path cross-sectional area of the gas return path 44 is different.
- the power generation element section 5 has a fuel electrode 6, an electrolyte 7, and an air electrode 8. Further, the power generation element unit 5 further has a reaction prevention film 11.
- the fuel electrode 6 is a fired body made of a porous material having electron conductivity.
- the anode 6 has an anode current collector 61 and an anode active unit 62.
- the fuel electrode current collector 61 is disposed in the recess 49.
- the recess 49 is formed in the support substrate 4.
- the anode current collector 61 is filled in the recess 49 and has the same outer shape as the recess 49.
- Each anode current collector 61 has a first recess 611 and a second recess 612.
- the fuel electrode active part 62 is arranged in the first recess 611.
- the fuel electrode active portion 62 is filled in the first concave portion 611.
- the fuel electrode current collector 61 may be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria-stabilized zirconia). Alternatively, the fuel electrode current collector 61 may be composed of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or composed of NiO (nickel oxide) and CSZ (calcia-stabilized zirconia). Is also good.
- the thickness of the anode current collector 61 and the depth of the recess 49 are about 50 to 500 ⁇ m.
- the fuel electrode active portion 62 can be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia).
- the fuel electrode active part 62 may be composed of NiO (nickel oxide) and GDC (gadolinium-doped ceria).
- the thickness of the anode active part 62 is 5 to 30 ⁇ m.
- the electrolyte 7 is disposed so as to cover the fuel electrode 6. Specifically, the electrolyte 7 extends in the length direction from one interconnector 91 to another interconnector 91. That is, the electrolytes 7 and the interconnectors 91 are arranged alternately in the length direction (x-axis direction) of the support substrate 4. In addition, the electrolyte 7 covers the first main surface 45, the second main surface 46, and each side surface 47 of the support substrate 4.
- the electrolyte 7 is denser than the support substrate 4.
- the porosity of the electrolyte 7 is about 0 to 7%.
- the electrolyte 7 is a fired body made of a dense material having ion conductivity and no electron conductivity.
- the electrolyte 7 can be composed of, for example, YSZ (8YSZ) (yttria-stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of LSGM (lanthanum gallate).
- the thickness of the electrolyte 7 is, for example, about 3 to 50 ⁇ m.
- the reaction prevention film 11 is a fired body made of a dense material.
- the reaction prevention film 11 has substantially the same shape as the fuel electrode active portion 62 in a plan view.
- the reaction prevention film 11 is disposed at a position corresponding to the fuel electrode active portion 62 via the electrolyte 7.
- the reaction prevention film 11 suppresses the occurrence of a phenomenon in which YSZ in the electrolyte 7 reacts with Sr in the air electrode 8 to form a reaction layer having a large electric resistance at the interface between the electrolyte 7 and the air electrode 8. It is provided in.
- the thickness of the reaction prevention film 11 is, for example, about 3 to 50 ⁇ m.
- the air electrode 8 is disposed on the reaction prevention film 11.
- the air electrode 8 is a fired body made of a porous material having electron conductivity.
- LSF (La, Sr) FeO 3 (lanthanum strontium ferrite)
- LNF La (Ni, Fe) O 3 (lanthanum nickel ferrite)
- LSC (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite), etc. It may be configured.
- the air electrode 8 may be constituted by two layers of a first layer (inner layer) made of LSCF and a second layer (outer layer) made of LSC.
- the thickness of the air electrode 8 is, for example, 10 to 100 ⁇ m.
- the electrical connection section 9 is configured to electrically connect the adjacent power generation element sections 5.
- the electrical connection section 9 has an interconnector 91 and an air electrode current collector 92.
- the interconnector 91 is arranged in the second concave portion 612. Specifically, the interconnector 91 is embedded (filled) in the second recess 612.
- the interconnector 91 is a fired body made of a dense material having electron conductivity.
- the interconnector 91 is denser than the support substrate 4.
- the porosity of the interconnector 91 is about 0 to 7%.
- the interconnector 91 can be made of, for example, LaCrO 3 (lanthanum chromite). Alternatively, it may be composed of (Sr, La) TiO 3 (strontium titanate).
- the thickness of the interconnector 91 is, for example, 10 to 100 ⁇ m.
- the air electrode current collector 92 is disposed so as to extend between the interconnector 91 of the adjacent power generation element unit 5 and the air electrode 8.
- the air electrode current collector 5 is electrically connected to the air electrode 8 of the power generation element unit 5 arranged on the left side of FIG. 7 and the interconnector 91 of the power generation element unit 5 arranged on the right side of FIG.
- the part 92 is arranged.
- the air electrode current collector 92 is a fired body made of a porous material having electron conductivity.
- the communication member 3 is attached to the front end portion 42 of the support substrate 4. And the communication member 3 has the communication flow path 30 which connects the gas outward path 43 and the gas return path 44. Specifically, the communication flow path 30 communicates each gas forward path 43 and each gas return path 44.
- the communication flow path 30 is configured by a space extending from each gas outward path 43 to each gas return path 44. It is preferable that the communication member 3 is joined to the support substrate 4. Further, the communication member 3 is preferably formed integrally with the support substrate 4.
- the number of the communication flow paths 30 is smaller than the number of the gas outward paths 43. In the present embodiment, the plurality of gas forward paths 43 and the plurality of gas return paths 44 communicate with each other by only one communication flow path 30.
- the communication member 3 is, for example, porous.
- the communication member 3 has a dense layer 31 constituting the outer surface.
- the dense layer 31 is formed more densely than the main body of the communication member 3.
- the porosity of the dense layer 31 is about 0 to 7%.
- the dense layer 31 can be formed of the same material as the communication member 3, the material used for the above-described electrolyte 7, crystallized glass, or the like.
- the fuel gas supplied from the first gas pipe 12 to the first gas chamber 20 a flows in the gas outward path 43 of each fuel cell 10, and passes through the fuel electrode 6 of each power generation element unit 5 (2).
- the chemical reaction shown in equation (1) occurs.
- the fuel gas that has not reacted at each fuel electrode 6 exits the gas forward path 43 and is supplied to the gas return path 44 via the communication flow path 30 of the communication member 3.
- the fuel gas supplied to the gas return path 44 undergoes the chemical reaction represented by the above formula (2) again at the fuel electrode 6.
- Fuel gas that has not reacted at the fuel electrode 6 in the process of flowing through the gas return path 44 is recovered to the second gas chamber 20b of the second manifold body 2b.
- the second gas pipe 13 collects gas from the second gas chamber 20b.
- the gas forward path 43 corresponds to the first gas flow path of the present invention
- the gas return path 44 corresponds to the second gas flow path of the present invention
- the present invention is not limited to this.
- the gas forward path 43 may correspond to the second gas flow path of the present invention
- the gas return path 44 may correspond to the first gas flow path of the present invention. That is, the gas outward path 43 communicates with the second gas chamber 20b, and the gas return path 44 communicates with the first gas chamber 20a.
- the fuel gas is supplied from the second gas pipe 13 to the second gas chamber 20b.
- the second gas chamber 20 b supplies the fuel gas to the fuel cell 10.
- the unreacted fuel gas discharged from the fuel cell 10 is collected by the first gas chamber 20a.
- the fuel gas is discharged from the first gas chamber 20a via the first gas pipe 12.
- the second manifold main body 2b is disposed closer to one end of the manifold 2 in the width direction in the first manifold main body 2a, but is not limited thereto.
- the second manifold main body 2b may be disposed in the first manifold main body 2a at the center of the manifold 2 in the width direction.
- the second manifold main body 2b does not need to be arranged so that the center of the second manifold main body 2b and the center of the first manifold main body 2a completely coincide with each other in the width direction of the manifold 2.
- the center of the main body 2b may be shifted from the center of the first manifold main body 2a.
- the first manifold body 2a has a pair of first gas chambers 20a.
- the pair of first gas chambers 20 a are arranged at both ends in the width direction (y-axis direction) of the manifold 2 in the first manifold body 2.
- the second gas chamber 20b is arranged between the pair of first gas chambers 20a in the width direction of the manifold 2. Note that the pair of first gas chambers 20a may or may not communicate.
- a pair of first gas chambers 20a communicate with each other via a space between the first bottom plate 22a and the second bottom plate 22b.
- a plurality of first gas passages (the gas forward path 43 in the second modification) communicating with the first gas chamber 20a are provided at both ends in the width direction (y-axis direction) of the fuel cell 10. Are located.
- the second gas flow path (the gas return path 44 in the second modification) communicating with the second gas chamber 20b is arranged at the center of the fuel cell 10 in the width direction.
- the first gas flow path is the gas outward path 43, and the second gas flow path is the gas return path 44.
- the first gas chamber 20 a supplies the fuel gas supplied from the fuel gas supply source to the fuel cell 10.
- the second gas chamber 20b collects unreacted fuel gas discharged from the fuel cell 10.
- the total value of the flow path cross-sectional areas of the plurality of gas outward paths 43 can be larger than the total value of the flow path cross-sectional areas of the plurality of gas return paths 44.
- the flow path cross-sectional area of each gas outward path 43 may be larger than the flow path cross-sectional area of each gas return path 44, or the number of gas flow paths 43 may be larger than the number of gas return paths 44. May be more.
- the total value of the cross-sectional areas of the plurality of gas outgoing paths 43 may be smaller than the total value of the cross-sectional areas of the plurality of gas returning paths 44.
- the flow path cross-sectional area of each gas outward path 43 may be smaller than the flow path cross-sectional area of each gas return path 44, or the number of gas flow paths 43 may be smaller than the number of gas return paths 44. May be.
- the pitch between the adjacent gas outgoing paths 43 and the gas returning path 44 is larger than the pitch between the adjacent gas outgoing paths 43 as in the above-described embodiment. Further, the pitch between the adjacent gas return path 43 and the gas return path 44 is larger than the pitch between the adjacent gas return paths 44.
- the fuel gas is supplied from the fuel gas supply source to the second gas chamber 20b, and the unreacted fuel discharged from the fuel cell 10 in the first gas chamber 20a.
- the gas may be recovered.
- the first gas flow path communicating with the first gas chamber 20a is the gas return path 44
- the second gas flow path communicating with the second gas chamber 20b is the gas outward path 43.
- the gas forward path 43 and the gas return path 44 are communicated with each other by the communication flow path 30 of the communication member 3, but the present invention is not limited to this configuration.
- the support substrate 4 may have a communication channel 30 inside.
- the cell stack device 100 does not need to include the communication member 3.
- the communication channel 30 formed in the support substrate 4 connects the gas forward path 43 and the gas return path 44.
- the support substrate 4 has a plurality of gas outward paths 43, but may have only one gas outward path 43. Similarly, the support substrate 4 has a plurality of gas return paths 44, but may have only one gas return path 44.
- the manifold 2 may have a gas seal portion 24.
- the gas seal portion 24 seals a gap between the first side plate 23a and the second gas pipe 13. More specifically, the gas seal portion 24 seals a gap between the inner wall surface of the through hole of the first side plate 23 a and the outer peripheral surface of the second gas pipe 13.
- the second gas seal part 24 is formed in an annular shape along the outer peripheral surface of the second gas pipe 13.
- the second gas seal portion 24 is disposed on the outer surface of the first manifold body 2a. Specifically, the second gas seal portion 24 is arranged on the outer side surface of the first side plate 23a.
- the gas seal portion 24 can be made of, for example, glass, ceramics, brazing material, or the like.
- the gas seal part 24 can also be comprised by a welding part.
- the first and second top plates 21a and 21b of the manifold 2 are arranged so as to face upward, and the first and second bottom plates 22a and 22b are arranged so as to face downward. It is not limited to.
- the first and second top plates 21a and 21b of the manifold 2 may be arranged so as to face downward, and the first and second bottom plates 22a and 22b may be arranged so as to face upward.
- the fuel cells 10 extend downward from the first and second top plates 231.
- the fuel cell 10 of the above embodiment is a so-called horizontal stripe type fuel cell in which the power generating elements 5 are arranged in the length direction (x-axis direction) of the support substrate 4.
- the configuration is not limited to this.
- the fuel cell 10 may be a so-called vertical stripe type fuel cell in which one power generation element unit 5 is supported on the first main surface 45 of the support substrate 4.
- one power generation element unit 5 may be supported on the second main surface 46 of the support substrate 4 or may not be supported.
- the electrochemical cell is used as a solid oxide fuel cell (SOFC), but is not limited to this.
- SOFC solid oxide fuel cell
- an electrochemical cell can be used as a solid oxide electrolytic cell (SOEC).
Landscapes
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Abstract
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)とを備える。第1マニホールド本体(2a)は、第1ガス流路(43)と連通する第1ガス室(20a)を有する。第2マニホールド本体(2b)は、第2ガス流路(44)と連通する第2ガス室(20b)を有する。第2マニホールド本体(2b)は、第1マニホールド本体(2a)内に配置されている。
Description
本発明は、マニホールド、セルスタック装置、及び電気化学セルに関するものである。
セルスタック装置は、電気化学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、電気化学セルの一例である燃料電池セルの基端部を支持している。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。詳細には、マニホールドは、内部空間を有するマニホールド本体と、仕切板とを有している。仕切板は、マニホールド本体の底板から天板に向かって延び、マニホールド本体の内部空間をガス供給室とガス回収室とに仕切っている。なお、ガス供給室は、燃料電池セルにガスを供給し、ガス回収室は、燃料電池セルから排出されたガスを回収する。
セルスタック装置は運転時において高温となるため、仕切板が熱膨張することがある。仕切板は、マニホールドの天板と当接しているため、仕切板が熱膨張することによって、天板を押圧して変形させてしまうおそれがある。天板が変形すると、天板に支持された電気化学セルの基端部や電気化学セルを天板に接合する接合材などにクラックが生じるといったような問題が生じる。このため、天板の変形は抑制することが好ましい。そこで、本発明の課題は、天板の変形を抑制することのできるマニホールド及びセルスタック装置を提供することにある。
本発明の第1側面に係るマニホールドは、電気化学セルにガスを供給するためのマニホールドである。電気化学セルは、第1及び第2ガス流路を有する。第1及び第2ガス流路は、電気化学セルの基端部から先端部に延び、且つ電気化学セルの先端部で互いに連通する。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、を備える。第1マニホールド本体は、第1ガス流路と連通する第1ガス室を有する。第2マニホールド本体は、第2ガス流路と連通する第2ガス室を有する。第2マニホールド本体は、第1マニホールド本体内に配置されている。
この構成によれば、従来のマニホールドのように仕切板でマニホールド本体をガス供給室とガス回収室とに仕切るのではなく、第1マニホールド本体内に第2マニホールド本体を配置することによって、第1ガス室と第2ガス室とに分けている。このように、本願の第1側面に係るマニホールドは、仕切板を有していないため、仕切板の膨張による天板の変形を防止することができる。なお、第1ガス室をガス供給室とし第2ガス室をガス回収室としてもよいし、第1ガス室をガス回収室とし第2ガス室をガス供給室としてもよい。
好ましくは、第1マニホールドは、第1天板と、第1底板と、第1側板とを有する。第1天板は、第1ガス流路と第1ガス室とを連通させるための第1貫通孔を含む。第2マニホールドは、第2天板と、第2底板と、第2側板とを有する。第2天板は、第2ガス流路と第2ガス室とを連通させるための第2貫通孔を含む。
好ましくは、第2天板は、第1天板の一部によって構成される。この構成によれば、第2側板と第2底板とから構成される箱体を第1天板に取り付けるだけで第1ガス室と第2ガス室とに分けることができる。このため、第1ガス室と第2ガス室とを有するマニホールドを容易に作製することができる。
好ましくは、第1底板と第2底板とは、互いに間隔をあけている。この構成によれば、マニホールドの底板となる第1底板は、第1ガス室内のみに露出し、第2ガス室内には露出しないため、第1底板に温度分布が生じることを抑制することができる。これに対して、従来のように仕切板によってガス供給室とガス回収室とに分かれるマニホールドでは、底板はガス供給室内とガス回収室内との両方に露出している。ガス供給室内とガス回収室内とではガスの温度が異なるため、ガス供給室内とガス回収室内との両方に露出する底板に温度分布が生じる。
好ましくは、第1側板と第2側板とは、互いに間隔をあけている。
好ましくは、マニホールドは、複数の電気化学セルにガスを供給するように構成されている。第1マニホールド本体及び第2マニホールド本体は、電気化学セルの配列方向に延びている。第2マニホールド本体は、第1マニホールド本体内において、マニホールドの幅方向の一方の端部側に寄って配置される。
好ましくは、マニホールドは、複数の電気化学セルにガスを供給するように構成されている。第1マニホールド本体及び第2マニホールド本体は、電気化学セルの配列方向に延びている。第2マニホールド本体は、第1マニホールド本体内において、マニホールドの幅方向の中央部に配置される。
好ましくは、マニホールドは、第2ガス管と、第2ガスシール部とをさらに備える。第2ガス管は、第1マニホールド本体を貫通し、第2マニホールド本体に取り付けられる。第2ガスシール部は、第1マニホールド本体と第2ガス管との隙間を封止する。第2ガスシール部は、第1マニホールド本体の外側面上に配置される。
本発明の第2側面に係るセルスタック装置は、電気化学セルと、上述したいずれかのマニホールドとを備えている。マニホールドは、電気化学セルの基端部を支持する。電気化学セルは、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、第1ガス室と連通する。第1ガス流路は、電気化学セルの基端部から先端部に延びる。第2ガス流路は、第2ガス室と連通する。第2ガス流路は、電気化学セルの基端部から先端部に延びる。第1ガス流路と第2ガス流路とは、電気化学セルの先端部において互いに連通する。
本発明の第3側面に係る電気化学セルは、先端部及び基端部を有する電気化学セルである。この電気化学セルは、支持基板と、少なくとも1つの発電素子部と、複数の第1ガス流路と、少なくとも1つの第2ガス流路と、を備える。発電素子部は、支持基板上に配置される。第1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る。第1ガス流路は、当該電気化学セルの幅方向の両端部に配置される。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る。第2ガス流路は、先端部において第1ガス流路と連通する。第2ガス流路は、当該電気化学セルの幅方向の中央部に配置される。
好ましくは、複数の第1ガス流路の流路断面積の合計値は、少なくとも1つの第2ガス流路の流路断面積の合計値よりも大きい。
好ましくは、各第1ガス流路の流路断面積は、各第2ガス流路の流路断面積よりも大きい。
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多い。
好ましくは、複数の第1ガス流路の流路断面積の合計値は、少なくとも1つの第2ガス流路の流路断面積の合計値よりも小さい。
好ましくは、各第1ガス流路の流路断面積は、各第2ガス流路の流路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多い。
好ましくは、隣り合う第1ガス流路と第2ガス流路との間のピッチは、隣り合う第1ガス流路間のピッチよりも大きい。
本発明によれば、天板の変形を抑制することのできるマニホールド及びセルスタック装置を提供することができる。
以下、本発明に係るマニホールド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、電気化学セルの一例として燃料電池セル、より具体的には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。
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]
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、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20aを有している。本実施形態では、第1ガス室20aは、ガス供給源(図示省略)から供給された燃料ガスを燃料電池セル10に供給する。第1ガス室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。第1ガス室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、第1ガス室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、第1ガス室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、第1ガス室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20bを有している。本実施形態では、第2ガス室20bは、燃料電池セル10から排出された燃料ガスを回収する。第2ガス室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、第2ガス室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内に配置されている。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(y軸方向)の一方の端部に寄って配置されている。本実施形態では、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、図3の右側に寄って配置されている。
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、第2ガス室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、第1ガス室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、第1ガス室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、第2ガス室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、第2ガス室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。
[第1ガス管]
図2に示すように、第1ガス管12は、第1ガス室20aにガスを供給するように構成されている。第1ガス管12は、第1ガス室20aと連通している。詳細には、第1ガス管12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側において、第1ガス室20aと連通している。
図2に示すように、第1ガス管12は、第1ガス室20aにガスを供給するように構成されている。第1ガス管12は、第1ガス室20aと連通している。詳細には、第1ガス管12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側において、第1ガス室20aと連通している。
第1ガス管12は、第1マニホールド本体2aに取り付けられている。詳細には、第1ガス管12は、例えば、第1連結部232aに取り付けられている。なお、第1ガス管12は、第1連結部232aから、燃料電池セル10の配列方向に沿ってガスを供給している。すなわち、第1ガス管12によるガス供給方向は、燃料電池セル10の配列方向に沿っている。
[第2ガス管]
第2ガス管13は、第2ガス室20bからガスを回収するように構成されている。第2ガス管13は、第2ガス室20bと連通している。第2ガス管13は、燃料電池セル10の配列方向において、マニホールド2の中心Cよりも第2端部202側において第2ガス室20bと連通している。
第2ガス管13は、第2ガス室20bからガスを回収するように構成されている。第2ガス管13は、第2ガス室20bと連通している。第2ガス管13は、燃料電池セル10の配列方向において、マニホールド2の中心Cよりも第2端部202側において第2ガス室20bと連通している。
第2ガス管13は、第2マニホールド本体2bに取り付けられている。詳細には、第2ガス管13は、例えば、第2連結部232bに取り付けられている。なお、第2ガス管13が取り付けられる第2連結部232bは、第1ガス管12が取り付けられる第1連結部232aと反対側に配置されている。
第2ガス管13は、第1マニホールド本体2aを貫通している。詳細には、第2ガス管13は、第1マニホールド本体2aの第1側板23aを貫通して延びている。なお、第2ガス管13は、第1マニホールド本体2aの第1側板23aのうち、第1連結部232aを貫通して延びている。
第2ガス管13は、第2連結部232bから、燃料電池セル10の配列方向に沿ってガスを回収している。すなわち、第2ガス管13によるガス回収方向は、燃料電池セル10の配列方向に沿っている。
第1ガス管12は、第2ガス管13のガス回収方向に沿ってガスを供給している。すなわち、第1ガス管12によるガス供給方向は、第2ガス管13によるガス回収方向と実質的に同じである。
[燃料電池セル]
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。詳細には、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。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。詳細には、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。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。
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。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の第1ガス室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の第2ガス室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。なお、本実施形態のようにガス往路43及びガス復路44のそれぞれが複数本ある場合、各ガス往路43内におけるガスの圧力損失の平均値が、各ガス復路44内におけるガスの圧力損失の平均値よりも小さくなるように、ガス往路43及びガス復路44が構成される。
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、0.5~20mm2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、0.1~15mm2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、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。
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、第1ガス室20aと第2ガス室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)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、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)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及び空気極集電部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。
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及び空気極集電部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。
空気極集電部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、空気極集電部92が配置されている。空気極集電部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。
空気極集電部92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、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、Ag(銀)、Ag-Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電部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。
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。
[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、第1マニホールド本体2aの第1ガス室20a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)
上述したように構成されたセルスタック装置100では、第1マニホールド本体2aの第1ガス室20a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)
詳細には、第1ガス管12から第1ガス室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(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、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(2)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、第2マニホールド本体2bの第2ガス室20bへ回収される。そして、第2ガス管13は、第2ガス室20bからガスを回収する。
[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。
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、ガス往路43が本発明の第1ガス流路に相当し、ガス復路44が本発明の第2ガス流路に相当していたがこれに限定されない。例えば、図8に示すように、ガス往路43が本発明の第2ガス流路に相当し、ガス復路44が本発明の第1ガス流路に相当していてもよい。すなわち、ガス往路43が第2ガス室20bと連通し、ガス復路44が第1ガス室20aと連通する。この場合、第2ガス管13から第2ガス室20bに燃料ガスが供給される。そして、第2ガス室20bは燃料ガスを燃料電池セル10に供給する。燃料電池セル10から排出された未反応の燃料ガスを第1ガス室20aが回収する。そして、第1ガス管12を介して第1ガス室20aから燃料ガスが排出される。
上記実施形態では、ガス往路43が本発明の第1ガス流路に相当し、ガス復路44が本発明の第2ガス流路に相当していたがこれに限定されない。例えば、図8に示すように、ガス往路43が本発明の第2ガス流路に相当し、ガス復路44が本発明の第1ガス流路に相当していてもよい。すなわち、ガス往路43が第2ガス室20bと連通し、ガス復路44が第1ガス室20aと連通する。この場合、第2ガス管13から第2ガス室20bに燃料ガスが供給される。そして、第2ガス室20bは燃料ガスを燃料電池セル10に供給する。燃料電池セル10から排出された未反応の燃料ガスを第1ガス室20aが回収する。そして、第1ガス管12を介して第1ガス室20aから燃料ガスが排出される。
変形例2
上記実施形態では、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の幅方向の一方の端部側に寄って配置されているが、これに限定されない。例えば、図9に示すように、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てもよい。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。
上記実施形態では、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の幅方向の一方の端部側に寄って配置されているが、これに限定されない。例えば、図9に示すように、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てもよい。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。
第1マニホールド本体2aは、一対の第1ガス室20aを有する。一対の第1ガス室20aは、第1マニホールド本体2内において、マニホールド2の幅方向(y軸方向)の両端部に配置される。そして、第2ガス室20bは、マニホールド2の幅方向において、一対の第1ガス室20aの間に配置される。なお、一対の第1ガス室20aは、連通していてもよいし、連通していなくてもよい。本変形例2では、第1底板22aと第2底板22bとの間の空間を介して、一対の第1ガス室20aが連通している。
また、燃料電池セル10において、第1ガス室20aと連通する複数の第1ガス流路(本変形例2ではガス往路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、第2ガス室20bと連通する第2ガス流路(本変形例2ではガス復路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。
この変形例2では、第1ガス流路はガス往路43であり、第2ガス流路はガス復路44である。このため、第1ガス室20aは、燃料ガス供給源から供給された燃料ガスを燃料電池セル10へと供給する。また、第2ガス室20bは、燃料電池セル10から排出された未反応の燃料ガスを回収する。
複数のガス往路43の流路断面積の合計値は、複数のガス復路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。この場合、例えば、各ガス往路43の流路断面積を、前記各ガス復路44の流路断面積よりも大きくしてもよいし、ガス流路43の数を、ガス復路44の数よりも多くしてもよい。
なお、複数のガス往路43の流路断面積の合計値は、複数のガス復路44の流路断面積の合計値よりも小さくしてもよい。この場合、例えば、各ガス往路43の流路断面積を、各ガス復路44の流路断面積よりも小さくしてもよいし、ガス流路43の数を、ガス復路44の数よりも少なくしてもよい。
この変形例2においても、上記実施形態と同様に、隣り合うガス往路43とガス復路44とのピッチは、隣り合うガス往路43のピッチよりも大きい。また、隣り合うガス往路43とガス復路44とのピッチは、隣り合うガス復路44のピッチよりも大きい。
なお、本変形例2において、図10に示すように、第2ガス室20bに燃料ガス供給源から燃料ガスを供給し、第1ガス室20aで燃料電池セル10から排出された未反応の燃料ガスを回収してもよい。この場合、第1ガス室20aと連通する第1ガス流路がガス復路44であり、第2ガス室20bと連通する第2ガス流路がガス往路43である。
変形例3
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、図11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、ガス往路43とガス復路44とが連通されている。
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、図11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、ガス往路43とガス復路44とが連通されている。
変形例4
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。
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5
図12に示すように、マニホールド2は、ガスシール部24を有していてもよい。ガスシール部24は、第1側板23aと第2ガス管13との隙間を密閉している。詳細には、ガスシール部24は、第1側板23aの貫通孔の内壁面と、第2ガス管13の外周面との隙間を密閉している。第2ガスシール部24は、第2ガス管13の外周面に沿って環状に形成されている。
図12に示すように、マニホールド2は、ガスシール部24を有していてもよい。ガスシール部24は、第1側板23aと第2ガス管13との隙間を密閉している。詳細には、ガスシール部24は、第1側板23aの貫通孔の内壁面と、第2ガス管13の外周面との隙間を密閉している。第2ガスシール部24は、第2ガス管13の外周面に沿って環状に形成されている。
第2ガスシール部24は、第1マニホールド本体2aの外側面上に配置されている。詳細には、第2ガスシール部24は、第1側板23aの外側面上に配置されている。このガスシール部24は、例えば、ガラス、セラミックス、又はろう材などによって構成することができる。その他にも、ガスシール部24は、溶接部によって構成することもできる。
変形例6
上記実施形態では、マニホールド2の第1及び第2天板21a、21bが上方を向き、第1及び第2底板22a、22bが下方を向くように配置されているが、マニホールド2の配置はこれに限定されない。例えば、マニホールド2の第1及び第2天板21a、21bが下方を向き、第1及び第2底板22a、22bが上方を向くように配置されていてもよい。この場合、燃料電池セル10は、第1及び第2天板231から下方に延びる。
上記実施形態では、マニホールド2の第1及び第2天板21a、21bが上方を向き、第1及び第2底板22a、22bが下方を向くように配置されているが、マニホールド2の配置はこれに限定されない。例えば、マニホールド2の第1及び第2天板21a、21bが下方を向き、第1及び第2底板22a、22bが上方を向くように配置されていてもよい。この場合、燃料電池セル10は、第1及び第2天板231から下方に延びる。
変形例7
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8
上記実施形態では、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、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。
上記実施形態では、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、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。
2 マニホールド
2a 第1マニホールド本体
20a 第1ガス室
21a 第1天板
211a 第1貫通孔
22a 第1底板
23a 第1側板
2b 第2マニホールド本体
20b 第2ガス室
21b 第2天板
211b 第2貫通孔
22b 第2底板
23b 第2側板
10 燃料電池セル
43 第1ガス流路
44 第2ガス流路
2a 第1マニホールド本体
20a 第1ガス室
21a 第1天板
211a 第1貫通孔
22a 第1底板
23a 第1側板
2b 第2マニホールド本体
20b 第2ガス室
21b 第2天板
211b 第2貫通孔
22b 第2底板
23b 第2側板
10 燃料電池セル
43 第1ガス流路
44 第2ガス流路
Claims (17)
- 基端部から先端部に延び且つ前記先端部で互いに連通する第1及び第2ガス流路を有する電気化学セルにガスを供給するためのマニホールドであって、
前記第1ガス流路と連通する第1ガス室を有する第1マニホールド本体と、
前記第2ガス流路と連通する第2ガス室を有し、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、
を備える、
マニホールド。
- 前記第1マニホールドは、前記第1ガス流路と前記第1ガス室とを連通させるための第1貫通孔を含む第1天板と、第1底板と、第1側板とを有し、
前記第2マニホールドは、前記第2ガス流路と前記第2ガス室とを連通させるための第2貫通孔を含む第2天板と、第2底板と、第2側板とを有する、
請求項1に記載のマニホールド。
- 前記第2天板は、前記第1天板の一部によって構成される、
請求項2に記載のマニホールド。
- 前記第1底板と前記第2底板とは、互いに間隔をあけている、
請求項2または3に記載のマニホールド。
- 前記第1側板と前記第2側板とは、互いに間隔をあけている、
請求項2から4のいずれかに記載のマニホールド。
- 前記マニホールドは、複数の電気化学セルにガスを供給するように構成されており、
前記第1マニホールド本体及び前記第2マニホールド本体は、前記電気化学セルの配列方向に延びており、
前記第2マニホールド本体は、前記第1マニホールド本体内において、前記マニホールドの幅方向の一方の端部側に寄って配置される、
請求項1から5のいずれかに記載のマニホールド。
- 前記マニホールドは、複数の電気化学セルにガスを供給するように構成されており、
前記第1マニホールド本体及び前記第2マニホールド本体は、前記電気化学セルの配列方向に延びており、
前記第2マニホールド本体は、前記第1マニホールド本体内において、前記マニホールドの幅方向の中央部に配置される、
請求項1から5のいずれかに記載のマニホールド。
- 前記第1マニホールド本体を貫通し、前記第2マニホールド本体に取り付けられる第2ガス管と、
前記第1マニホールド本体と前記第2ガス管との隙間を封止する第2ガスシール部と、をさらに備え、
前記第2ガスシール部は、前記第1マニホールド本体の外側面上に配置される、
請求項1から7のいずれかに記載のマニホールド。
- 電気化学セルと、
前記電気化学セルの基端部を支持する請求項1から8のいずれかに記載のマニホールドと、
を備え、
前記電気化学セルは、
前記第1ガス室と連通し、前記電気化学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、
前記第2ガス室と連通し、前記電気化学セルの基端部から先端部に延びて前記電気化学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、
セルスタック装置。
- 先端部及び基端部を有する電気化学セルであって、
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、当該電気化学セルの幅方向の両端部に配置される複数の第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ガス流路と連通し、当該電気化学セルの幅方向の中央部に配置される、少なくとも1つの第2ガス流路と、
を備える、
電気化学セル。
- 前記複数の第1ガス流路の流路断面積の合計値は、前記少なくとも1つの第2ガス流路の流路断面積の合計値よりも大きい、
請求項10に記載の電気化学セル。
- 前記各第1ガス流路の流路断面積は、前記各第2ガス流路の流路断面積よりも大きい、
請求項11に記載の電気化学セル。
- 前記第1ガス流路の数は、前記第2ガス流路の数よりも多い、
請求項11又は12に記載の電気化学セル。
- 前記複数の第1ガス流路の流路断面積の合計値は、前記少なくとも1つの第2ガス流路の流路断面積の合計値よりも小さい、
請求項10に記載の電気化学セル。
- 前記各第1ガス流路の流路断面積は、前記各第2ガス流路の流路断面積よりも小さい、
請求項14に記載の電気化学セル。
- 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14又は15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、
請求項10から16のいずれかに記載の電気化学セル。
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