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WO2020095472A1 - 燃料電池セル、及びセルスタック装置 - Google Patents

燃料電池セル、及びセルスタック装置 Download PDF

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Publication number
WO2020095472A1
WO2020095472A1 PCT/JP2019/020713 JP2019020713W WO2020095472A1 WO 2020095472 A1 WO2020095472 A1 WO 2020095472A1 JP 2019020713 W JP2019020713 W JP 2019020713W WO 2020095472 A1 WO2020095472 A1 WO 2020095472A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas flow
gas
fuel cell
cross
support substrate
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/020713
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
隆平 小原
博史 菅
誠 大森
Original Assignee
日本碍子株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本碍子株式会社 filed Critical 日本碍子株式会社
Priority to CN201980001969.1A priority Critical patent/CN112913059A/zh
Priority to DE112019000043.8T priority patent/DE112019000043T5/de
Priority to US16/594,337 priority patent/US11380910B2/en
Publication of WO2020095472A1 publication Critical patent/WO2020095472A1/ja

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    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell and a cell stack device.
  • the cell stack device has a fuel cell and a manifold.
  • the fuel cell unit extends upward from the manifold and receives fuel gas supplied from the manifold to generate power.
  • the subject of this invention is improving the output in a fuel cell.
  • the fuel battery cell according to the first aspect of the present invention has a tip end portion and a base end portion.
  • This fuel battery cell includes a support substrate, at least one power generation element portion, at least one first gas flow path, and at least one second gas flow path.
  • the power generation element section is arranged on the support substrate.
  • the first and second gas flow paths extend in the support substrate from the base end portion toward the tip end portion, and communicate with each other at the tip end portion.
  • the total value of the cross-sectional areas of the at least one first gas flow channel is smaller than the total value of the cross-sectional areas of the at least one second gas flow channel.
  • the ratio (S1 / S2) of the total value (S1) of the cross-sectional areas of the at least one first gas flow channel to the total value (S2) of the cross-sectional area of the at least one second gas flow channel is 0. It is 92 or less.
  • each cross-sectional area of the at least one first gas flow passage is smaller than each cross-sectional area of the at least one second gas flow passage.
  • the number of first gas channels is smaller than the number of second gas channels.
  • the fuel cell unit further includes a communication channel.
  • the communication passage connects at least one first gas passage and at least one second gas passage at the tip of the fuel cell unit.
  • the fuel cell has a plurality of first gas flow paths.
  • the pitch between the adjacent first gas passages and the second gas passages is larger than the pitch between the adjacent first gas passages.
  • the cell stack device includes any one of the above fuel cells and a manifold.
  • the manifold has a gas supply chamber and a gas recovery chamber.
  • the manifold supports the base end portion of the fuel cell unit.
  • At least one first gas flow path communicates with the gas supply chamber.
  • At least one second gas flow path communicates with the gas recovery chamber.
  • the output of the fuel cell can be improved.
  • FIG. 3 is a perspective view of a fuel battery cell. Sectional drawing of a support substrate. Sectional drawing of a fuel cell. Sectional drawing of the fuel cell unit in a base end part. Sectional drawing of the fuel cell unit in a front-end
  • FIG. 1 is a perspective view showing a cell stack device
  • FIG. 2 is a sectional view of a manifold. It should be noted that some of the fuel cells are omitted in FIGS. 1 and 2.
  • 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 unit 10. Further, the manifold 2 is configured to collect the gas discharged from the fuel cell unit 10.
  • the manifold 2 has a gas supply chamber 21 and a gas recovery chamber 22. Fuel gas is supplied to the gas supply chamber 21 from a fuel gas supply source via a reformer or the like.
  • the gas recovery chamber 22 recovers the off gas of the fuel gas used in each fuel cell unit 10.
  • the manifold 2 has a manifold body 23 and a partition plate 24.
  • the manifold body 23 has a space inside.
  • the manifold main body 23 has a rectangular parallelepiped shape.
  • a plurality of through holes 232 are formed in the top plate 231 of the manifold body 23.
  • the through holes 232 are arranged at intervals in the length direction (z-axis direction) of the manifold main body 23.
  • Each through hole 232 extends in the width direction (y-axis direction) of the manifold main body 23.
  • Each through hole 232 opens in the gas supply chamber 21 and the gas recovery chamber 22.
  • each through hole 232 may be divided into a portion opening to the gas supply chamber 21 and a portion opening to the gas recovery chamber 22.
  • the partition plate 24 partitions the space of the manifold main body 23 into a gas supply chamber 21 and a gas recovery chamber 22.
  • the partition plate 24 extends in the length direction of the manifold main body 23 at a substantially central portion of the manifold main body 23.
  • the partition plate 24 completely partitions the space of the manifold main body 23, but a gap may be formed between the partition plate 24 and the manifold main body 23.
  • a gas supply port 211 is formed on the bottom surface of the gas supply chamber 21.
  • a gas outlet 221 is formed on the bottom surface of the gas recovery chamber 22.
  • the gas supply port 211 may be formed on the side surface or the upper surface of the gas supply chamber 21, and the gas discharge port 221 may be formed on the side surface or the upper surface of the gas recovery chamber 22.
  • the gas supply port 211 is arranged closer to the first end 201 than the center C of the manifold 2 in the arrangement direction of the fuel cells 10 (z-axis direction), for example.
  • the gas discharge port 221 is arranged closer to the second end 202 side than the center C of the manifold 2 in the arrangement direction of the fuel cells 10 (z-axis direction), for example.
  • FIG. 4 shows a sectional view of the cell stack device.
  • the fuel cell unit 10 extends upward from the manifold 2.
  • the fuel cell unit 10 has a base end portion 101 and a tip end portion 102.
  • the fuel cell unit 10 has a base end portion 101 attached to the manifold 2. That is, the manifold 2 supports the base end portion 101 of each fuel cell 10.
  • the base end portion 101 of the fuel cell unit 10 means the lower end portion
  • the tip end portion 102 of the fuel cell unit 10 means the upper end portion.
  • the fuel cells 10 are arranged so 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 are arranged at equal intervals along the length direction of the manifold 2, but they may not be evenly arranged.
  • the fuel cell unit 10 includes a support substrate 4, a plurality of first gas flow channels 43, a plurality of second gas flow channels 44, and a plurality of power generation element units 5. ..
  • the fuel cell unit 10 also has a communication channel 30.
  • the support substrate 4 extends upward from the manifold 2.
  • the support substrate 4 is flat and has a base end portion 41 and a tip end portion 42.
  • the base end portion 41 and the tip end portion 42 are both end portions in the length direction (x-axis direction) of the support substrate 4.
  • the base end portion 41 of the support substrate 4 means the lower end portion
  • the tip end portion 42 of the support substrate 4 means the upper end portion.
  • the support substrate 4 has a longer dimension in the length direction (x-axis direction) than in the width direction (y-axis direction), but is larger in the width direction (y-direction) than the length direction (x-axis direction). The dimension in the axial direction may be longer.
  • the base end portion 41 of the support substrate 4 is attached to the manifold 2.
  • the base end portion 41 of the support substrate 4 is attached to the top plate portion 231 of the manifold 2 with a bonding material or the like.
  • the base end portion 41 of the support substrate 4 is inserted into the through hole 232 formed in the top plate portion 231.
  • the base end portion 41 of the support substrate 4 may not be inserted into the through hole 232.
  • the support substrate 4 has a first main surface 45 and a second main surface 46.
  • the first major surface 45 and the second major surface 46 face each other.
  • the first main surface 45 and the second main surface 46 support each power generating element unit 5.
  • the first main surface 45 and the second main surface 46 face the thickness direction (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.
  • the support substrate 4 is made of a porous material having no electronic 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%. The porosity is measured by, for example, 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 in the support substrate 4 from the first gas flow channel 43 and the second gas flow channel 44 from being discharged to the outside.
  • the dense layer 48 covers the first main surface 45, the second main surface 46, and each side surface 47 of the support substrate 4.
  • the dense layer 48 is composed of the electrolyte 7 and the interconnector 9 described later.
  • the dense layer 48 is denser than the supporting substrate 4. For example, the porosity of the dense layer 48 is about 0 to 7%.
  • the first and second gas flow paths 43 and 44 extend inside the support substrate 4.
  • the first and second gas flow paths 43 and 44 extend in the length direction (x-axis direction) of the support substrate 4. That is, the first and second gas flow paths 43 and 44 extend from the base end portion 101 of the fuel cell unit 10 toward the front end portion 102.
  • Each of the first and second gas passages 43, 44 extends substantially parallel to each other.
  • the first and second gas flow paths 43 and 44 penetrate the support substrate 4.
  • the first gas flow channel 43 communicates with the gas supply chamber 21 on the base end 101 side, and the second gas flow channel 44 on the base end 101 side. It communicates with the gas recovery chamber 22 of the manifold 2.
  • the first gas flow paths 43 are arranged at intervals in the width direction (y-axis direction) of the support substrate 4. In addition, it is preferable that the first gas flow paths 43 are arranged at equal intervals. Further, the respective second gas flow channels 44 are arranged at intervals in the width direction (y-axis direction) of the support substrate 4. The second gas flow channels 44 are preferably arranged at equal intervals.
  • the pitch p1 of the adjacent first gas flow paths 43 is, for example, about 1 to 5 mm.
  • the pitch p1 of the adjacent first gas flow channels 43 is the distance between the centers of the first gas flow channels 43.
  • the pitch p1 of the first gas flow path 43 can be an average value of the pitches measured at the base end portion 41, the center portion, and the tip end portion 42 of the support substrate 4.
  • the pitch p2 of the adjacent second gas flow paths 44 is, for example, about 1 to 5 mm.
  • the pitch p2 of the adjacent second gas flow channels 44 is the distance between the centers of the second gas flow channels 44.
  • the pitch p2 of the second gas flow paths 44 can be an average value of the pitches measured at the base end portion 41, the center portion, and the tip end portion 42 of the support substrate 4.
  • the pitch p2 between the second gas flow paths 44 is preferably substantially equal to the pitch p1 between the first gas flow paths 43.
  • the pitch p0 between the adjacent first gas flow channel 43 and second gas flow channel 44 is, for example, about 1 to 10 mm.
  • the pitch p0 between the first gas flow channel 43 and the second gas flow channel 44 adjacent to each other is the distance between the center of the first gas flow channel 43 and the center of the second gas flow channel 44.
  • the pitch p0 can be measured on the base end surface 111 of the fuel cell 10.
  • the pitch p0 between the adjacent first gas flow passages 43 and the second gas flow passages 44 is larger than the pitch p1 between the adjacent first gas flow passages 43. Further, the pitch p0 between the adjacent first gas flow channels 43 and the second gas flow channels 44 is larger than the pitch p2 between the adjacent second gas flow channels 44.
  • the pitch p0 between the first gas flow channel 43 and the second gas flow channel 44 is made larger than the pitch p1 between the first gas flow channels 43 and the pitch p2 between the second gas flow channels 44.
  • the adjacent first gas flow channel 43 and second gas flow channel 44 are separated.
  • a region between the first gas flow channel 43 and the second gas flow channel 44 is referred to as a boundary region 403.
  • the support substrate 4 has a first region 401, a second region 402, and a boundary region 403.
  • Each of the first region 401, the second region 402, and the boundary region 403 is a region formed by partitioning the support substrate 4 in the width direction (y-axis direction).
  • the first region 401 is a region where the first gas flow channel 43 is formed.
  • the second region 402 is a region where the second gas flow channel 44 is formed.
  • the boundary area 403 is an area between the first area 401 and the second area 402. The boundary area 403 separates the first area 401 and the second area 402.
  • the first gas flow passage 43 and the second gas flow passage 44 communicate with each other on the side of the tip portion 102 of the fuel cell unit 10. Specifically, the first gas flow passage 43 and the second gas flow passage 44 are in communication with each other via the communication flow passage 30 of the communication member 3.
  • the ratio (S1 / S2) of the total value (S1) of the cross-sectional areas of the first gas flow channels 43 to the total value (S2) of the cross-sectional areas of the second gas flow channels 44 is, for example, from the viewpoint of improving the output. , 0.92 or less is preferable. Further, this ratio (S1 / S2) is not particularly limited, but can be set to, for example, 0.02 or more from the viewpoint of manufacturing.
  • the cross-sectional area of the first gas flow channel 43 can be set to, for example, about 0.1 to 25 mm 2 . Further, the cross-sectional area of the second gas flow channel 44 can be set to, for example, about 0.5 to 30 mm 2 .
  • the cross-sectional area of the first gas flow channel 43 is the cross-sectional area of the first gas flow channel 43 at a cutting plane cut along a plane (yz plane) orthogonal to the direction in which the first gas flow channel 43 extends (x-axis direction).
  • the cross-sectional area of the first gas flow channel 43 is the cross-sectional area at any location on the base end 101 side, the cross-sectional area at any location on the center, and the cross-section area at any location on the tip 102 side.
  • the cross-sectional area of the second gas flow passage 44 is the cross-sectional area of the second gas flow passage 44 at a cutting plane cut in a plane (yz plane) orthogonal to the direction (x-axis direction) in which the second gas flow passage 44 extends.
  • the cross-sectional area of the second gas flow channel 44 is the cross-sectional area at any location on the base end 101 side, the cross-sectional area at any location on the center, and the cross-section area at any location on the tip 102 side.
  • Each power generation element portion 5 is supported by the first main surface 45 or the second main surface 46 of the support substrate 4.
  • the number of power generation element portions 5 formed on the first main surface 45 and the number of power generation element portions 5 formed on the second main surface 46 may be the same or different from each other.
  • the size of each power generation element unit 5 may be different from each other.
  • the power generation element portions 5 are arranged at intervals along the direction in which the first and second gas flow paths 43 and 44 extend (x-axis direction).
  • the power generation element portions 5 are arranged on the support substrate 4 with a space from each other from the base end portion 101 toward the tip end portion 102.
  • the power generating element units 5 are connected to each other in series by an interconnector 9.
  • 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 gas supply chamber 21 and the gas recovery chamber 22 in the lengthwise view (viewed in the x-axis direction) of the support substrate 4 is It can be a boundary between the first portion 51 and the second portion 52.
  • each first gas flow path 43 overlaps with the first portion 51 of the power generation element unit 5. Therefore, the first portion 51 of the power generation element unit 5 is mainly supplied with the fuel gas from each of the first gas passages 43. Further, when viewed in the thickness direction of the support substrate 4 (viewed in the z-axis direction), each second gas flow path 44 overlaps the second portion 52 of the power generation element unit 5. Therefore, the fuel gas is mainly supplied to the second portion 52 of the power generation element section 5 from each of the second gas flow paths 44. Note that, of the plurality of first gas flow paths 43, some of the first gas flow paths 43 may not overlap the first portion 51. Similarly, some of the plurality of second gas passages 44 do not have to overlap the second portion 52.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the fuel cell 10 taken along the first gas flow path 43.
  • the cross-sectional view of the fuel cell unit 10 cut along the second gas flow channel 44 is the same as FIG. 7 except that the cross-sectional area of the second gas flow channel 44 is different.
  • the power generation element section 5 has a fuel electrode 6, an electrolyte 7, and an air electrode 8.
  • the power generation element unit 5 further includes a reaction prevention film 11.
  • the fuel electrode 6 is a fired body made of a porous material having electronic conductivity.
  • the fuel electrode 6 has a fuel electrode current collector 61 and a fuel electrode active portion 62.
  • the fuel electrode current collector 61 is arranged in the recess 49.
  • the recess 49 is formed in the support substrate 4. Specifically, the fuel electrode current collector 61 is filled in the recess 49 and has the same outer shape as the recess 49.
  • Each fuel electrode current collector 61 has a first recess 611 and a second recess 612.
  • the fuel electrode active portion 62 is arranged in the first recess 611. Specifically, the fuel electrode active portion 62 is filled in the first recess 611.
  • the fuel electrode current collector 61 can be made of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria-stabilized zirconia). Alternatively, the fuel electrode current collector 61 may be made of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or NiO (nickel oxide) and CSZ (calcia-stabilized zirconia). Good. The thickness of the fuel electrode current collector 61 and the depth of the recess 49 are about 50 to 500 ⁇ m.
  • the anode active portion 62 can be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria-stabilized zirconia). Alternatively, the anode active portion 62 may be composed of NiO (nickel oxide) and GDC (gadolinium-doped ceria). The thickness of the fuel electrode active portion 62 is 5 to 30 ⁇ m.
  • the electrolyte 7 is arranged so as to cover the fuel electrode 6. Specifically, the electrolyte 7 extends in the length direction from one interconnector 9 to another interconnector 9. That is, the electrolyte 7 and the interconnector 9 are alternately arranged in the length direction (x-axis direction) of the support substrate 4. Further, 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 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 arranged at a position corresponding to the fuel electrode active portion 62 via the electrolyte 7.
  • a phenomenon in which YSZ in the electrolyte 7 and Sr in the air electrode active portion 81 react to form a reaction layer having a large electric resistance at the interface between the electrolyte 7 and the air electrode active portion 81 occurs. It is provided in order to suppress.
  • the thickness of the reaction prevention film 11 is, for example, about 3 to 50 ⁇ m.
  • the air electrode 8 is arranged so as to sandwich the electrolyte 7 in cooperation with the fuel electrode 6.
  • the air electrode 8 has an air electrode active portion 81 and an air electrode current collecting portion 82.
  • the air electrode active portion 81 is arranged on the reaction prevention film 11.
  • the air electrode active portion 81 has electron conductivity as well as oxygen ion conductivity.
  • the air electrode active portion 81 has a higher content rate of the substance having oxygen ion conductivity than the air electrode current collector portion 82.
  • the volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity to the total volume excluding the pores in the air electrode active portion 81 is determined by the oxygen ion conduction in the total volume excluding the pores in the air electrode current collector 82. It is larger than the volume ratio of the substance having the property.
  • the air electrode active portion 81 is made of a porous material.
  • the air electrode active part 81 is a fired body.
  • 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 active portion 81 may be composed of 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 active portion 81 is, for example, 10 to 100 ⁇ m.
  • the air electrode current collector 82 is arranged on the air electrode active portion 81.
  • the air electrode current collector 82 extends from the air electrode active portion 81 toward the adjacent power generation element portion 5.
  • the air electrode current collector 82 is electrically connected to the fuel electrode current collector 61 of the adjacent power generating element 5 via the interconnector 9.
  • the fuel electrode current collector 61 and the air electrode current collector 82 extend from the power generation region to opposite sides in the longitudinal direction (x-axis direction) of the support substrate 20.
  • the power generation region is a region where the fuel electrode active portion 62, the electrolyte 7, and the air electrode active portion 81 overlap in a plan view (viewed in the z-axis direction).
  • the air electrode current collector 82 is made of a porous material having electronic conductivity.
  • the air electrode current collector 82 is a fired body. It is preferable that the air electrode current collector 82 has higher electron conductivity than the air electrode active portion 81.
  • the air electrode current collector 82 may or may not have oxygen ion conductivity.
  • the interconnector 9 is configured to electrically connect the power generation element units 5 that are adjacent to each other in the x-axis direction.
  • the interconnector 9 electrically connects the fuel electrode 6 of one power generating element portion 5 of the adjacent power generating element portions 5 to the air electrode 8 of the other power generating element portion 5.
  • the interconnector 9 electrically connects the fuel electrode current collector 61 of one power generating element unit 5 and the air electrode current collector 82 of the other power generating element unit 5.
  • the power generation element portions 5 are connected in series by the interconnector 9 from the tip portion 102 to the base portion 101 of the fuel cell 10 on each of the first and second main surfaces 45 and 46.
  • the interconnector 9 is arranged, for example, in the second recess 612 of the fuel electrode current collector 61. Specifically, the interconnector 9 is embedded (filled) in the second recess 612.
  • the interconnector 9 is a fired body made of a dense material having electronic conductivity.
  • the interconnector 9 is denser than the support substrate 4.
  • the interconnector 9 has a porosity of about 0 to 7%.
  • the interconnector 9 may be made of LaCrO 3 (lanthanum chromite), for example. Alternatively, it may be composed of (Sr, La) TiO 3 (strontium titanate).
  • the interconnector 9 has a thickness of, for example, 10 to 100 ⁇ m.
  • the interconnector 9d arranged on the most proximal side in each fuel cell 10 has a power generation element portion 5 arranged on the first main surface 45 and power generation arranged on the second main surface.
  • the element portion 5 is electrically connected.
  • the pair of power generating element portions 5 arranged on the most proximal sides of the main surfaces 45, 46 of the fuel cells 10 are adjacent to each other via the interconnector 9d.
  • the interconnector 9d that is arranged closest to the base end side in the second main surface 46 is the interconnector that is arranged closest to the base end side in each fuel cell 10.
  • the air electrode current collector 82 of the power generating element 5 arranged closest to the base end on the first main surface 45 extends from the first main surface 45 to the second main surface 46 via the side surface 47. That is, the air electrode current collecting portion 82 of the power generating element portion 5 arranged on the most proximal side extends in an annular shape.
  • the interconnector 9d disposed closest to the base end side of the second main surface 46 includes the air electrode current collector 82 extending from the first main surface 45 to the second main surface 46, and the base most of the second main surface 46.
  • the fuel electrode current collector 61 of the power generating element 5 arranged on the end side is electrically connected.
  • the plurality of power generating element units 5 connected in series on the first main surface 45 and the plurality of power generating element units 5 connected in series on the second main surface 46 are connected by the interconnector 9d. Are connected in series at the base end portion 101.
  • the communication member 3 is attached to the tip portion 42 of the support substrate 4.
  • the communication member 3 has a communication channel 30.
  • the communication passage 30 connects the first gas passage 43 and the second gas passage 44. That is, the first gas flow channel 43 and the second gas flow channel 44 are in communication with each other via the communication flow channel 30.
  • the communication channel 30 extends in the width direction (y-axis direction) of the fuel cell 10 at the tip portion 102 of the fuel cell 10. That is, the communication passage 30 extends in a direction intersecting with the first and second gas passages 43 and 44. Each first gas flow channel 43 and each second gas flow channel 44 communicates with the communication flow channel 30 at the tip 102.
  • the communication member 3 is preferably bonded to the support substrate 4. Further, the communication member 3 is preferably formed integrally with the support substrate 4.
  • the number of communication channels 30 is smaller than the number of first gas channels 43.
  • the plurality of first gas passages 43 and the plurality of second gas passages 44 communicate with each other through only one communication passage 30.
  • the communication member 3 is, for example, porous. Further, the communication member 3 has a dense layer 31 forming the outer side surface thereof. The dense layer 31 is formed more densely than the main body of the communication member 3. For example, 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 communicating member 3, the material used for the electrolyte 7 described above, crystallized glass, or the like.
  • the current collecting member 12 is arranged between the adjacent fuel cells 10.
  • the current collecting member 12 electrically connects the adjacent fuel cells 10 to each other.
  • the current collecting member 12 joins the tip portions 102 of the adjacent fuel cells 10 to each other.
  • the current collecting member 12 is arranged closer to the tip side than the power generating element portion 5 arranged closest to the tip side among the plurality of power generating element portions 5 arranged on both main surfaces of the support substrate 4.
  • the current collecting member 12 electrically connects the power generating element portions 5 arranged on the most tip side of the adjacent fuel cells 10 to each other.
  • the power generation element portion 5 arranged closest to the tip end on each of the main surfaces 45, 46 of each fuel battery cell 10 is adjacent to the power generation element portion 5 arranged closest to the tip end of the adjacent fuel battery cell 10. There is.
  • the current collecting member 12 is joined to the air electrode current collector 82 extending from the power generation element unit 5 via the conductive bonding material 103.
  • the conductive bonding material 103 known conductive ceramics or the like can be used.
  • the conductive bonding material 103 is made of at least one selected from (Mn, Co) 3 O 4 , (La, Sr) MnO 3 , and (La, Sr) (Co, Fe) O 3. You can
  • the interconnector 9b arranged closest to the tip side has the power generation element section of the pair of fuel cell cells 10 adjacent to each other via the current collecting member 12 and the air electrode current collecting section 82. 5 are electrically connected to each other.
  • the interconnector 9 arranged on the most front end side in the first main surface 45 is the interconnector arranged on the most front end side in each fuel cell 10.
  • the fuel gas is supplied to the gas supply chamber 21 of the manifold 2, and the fuel cell unit 10 is exposed to a gas containing oxygen such as air.
  • a gas containing oxygen such as air.
  • air is supplied from above the fuel cell 10 toward the fuel cell 10.
  • a chemical reaction represented by the following formula (1) occurs in the air electrode 8
  • a chemical reaction represented by the following formula (2) occurs in the fuel electrode 6, and an electric current flows.
  • the fuel gas supplied to the gas supply chamber 21 flows through the first gas flow path 43 of each fuel battery cell 10, and is represented by the formula (2) in the fuel electrode 6 of each power generation element unit 5.
  • a chemical reaction takes place.
  • the unreacted fuel gas in each fuel electrode 6 exits the first gas passage 43 and is supplied to the second gas passage 44 via the communication passage 30 of the communication member 3.
  • the fuel gas supplied to the second gas flow path 44 causes the chemical reaction shown in the above formula (2) to occur again in the fuel electrode 6.
  • the fuel gas that has not reacted in the fuel electrode 6 in the process of flowing through the second gas passage 44 is recovered in the gas recovery chamber 22 of the manifold 2.
  • the first gas flow channel 43 and the second gas flow channel 44 are connected by the communication flow channel 30 of the communication member 3, but the configuration is not limited to this.
  • the communication channel 30 may be formed in the support substrate 4.
  • the cell stack device 100 may not include the communication member 3.
  • the first gas flow channel 43 and the second gas flow channel 44 are connected by the communication flow channel 30 formed in the support substrate 4.
  • the support substrate 4 has the plurality of first gas flow passages 43, but may have only one first gas flow passage 43.
  • the total value of the cross-sectional areas of the first gas flow channel 43 means the cross-sectional area of the one first gas flow channel 43.
  • the support substrate 4 has a plurality of second gas flow paths 44, but may have only one second gas flow path 44.
  • the total value of the cross-sectional areas of the second gas flow channel 44 means the cross-sectional area of the one second gas flow channel 44.
  • the cross-sectional areas of the first gas flow paths 43 may be different from each other. Moreover, the cross-sectional areas of the respective second gas flow channels 44 may be different from each other.
  • the number of the first gas flow channels 43 and the number of the second gas flow channels 44 are the same, but the number is not limited to this.
  • the number of first gas passages 43 may be smaller than the number of second gas passages 44. That is, the number of gas flow paths communicating with the gas supply chamber 21 may be smaller than the number of gas flow paths communicating with the gas recovery chamber 22.
  • each cross-sectional area of each first gas flow channel 43 may be the same as each cross-sectional area of each second gas flow channel 44.
  • each cross-sectional area of each first gas flow channel 43 is It may be larger than each cross-sectional area of the two-gas channel 44.
  • the number of the first gas passages 43 is made smaller than the number of the second gas passages 44 by widening the pitch p1 between the first gas passages 43.
  • the device 100 may reduce the number of the first gas flow paths 43 to less than the number of the second gas flow paths 44 by other configurations.
  • the number of first gas passages 43 may be smaller than the number of second gas passages 44 by making the first region 401 smaller than the second region 402.
  • the boundary region 403 is closer to the first region 401 side from the center of the support substrate 4 in the width direction (y-axis direction).
  • the manifold 2 is configured such that the gas supply chamber 21 is smaller than the gas recovery chamber 22.
  • the gas supply chamber 21 can be made smaller than the gas recovery chamber 22 by moving the partition plate 24 closer to the gas supply chamber 21 side than the center.
  • the fuel cell unit 10 is configured to extend upward from the manifold 2, but the present invention is not limited to this.
  • the fuel cell unit 10 may extend downward from the manifold 2.
  • one manifold body 23 is partitioned by the partition plate 24 to define the gas supply chamber 21 and the gas recovery chamber 22, but the configuration of the manifold 2 is not limited to this.
  • the manifold 2 can be configured by the two manifold body portions 23. In this case, one manifold main body 23 has the gas supply chamber 21, and another manifold main body 23 has the gas recovery chamber 22.
  • the cross-sectional area of each first gas flow channel 43 with respect to the total value (S2) of the cross-sectional area of each second gas flow channel 44 is shown.
  • the ratio (S1 / S2) of the total value (S1) the sample No. 1 to 10 were created.
  • the cross-sectional area of the first gas flow channel 43 and the cross-sectional area of the second gas flow channel 44 are the same, and the number of first gas flow channels 43 and the number of second gas flow channels 44 are shown.
  • each fuel cell 10 was inserted into the manifold 2, the first gas flow channel 43 was connected to the gas supply chamber 21, and the second gas flow channel 44 was connected to the gas recovery chamber 22. Then, the fuel gas was supplied to the gas supply chamber 21 of the manifold 2, and the air was supplied to both surfaces of the fuel cell unit 10. The off gas flowing through the first gas passage 43 and the second gas passage 44 was recovered in the gas recovery chamber 22.
  • the evaluation conditions were a temperature of 750 ° C., a current density of 0.2 A / cm 2 , a fuel utilization rate of 80%, and an air utilization rate of 5%.
  • the total value of the cross-sectional area of each first gas flow channel 43 is made smaller than the total value of the cross-sectional area of each second gas flow channel 44 to improve the output of the fuel cell unit 10. I knew I could do it.

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Abstract

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

Description

燃料電池セル、及びセルスタック装置
　本発明は、燃料電池セル、及びセルスタック装置に関するものである。
　セルスタック装置は、燃料電池セル及びマニホールドを有している。燃料電池セルは、マニホールドから上方に延びており、マニホールドからの燃料ガスの供給を受けて発電する。
特開２０１６－１７１０６４号公報
　上述したようなセルスタック装置において、燃料電池セルにおける出力の向上が要望されている。そこで、本発明の課題は、燃料電池セルにおける出力を向上することにある。
　本発明の第１側面に係る燃料電池セルは、先端部及び基端部を有する。この燃料電池セルは、支持基板と、少なくとも１つの発電素子部と、少なくとも１つの第１ガス流路と、少なくとも１つの第２ガス流路とを備えている。発電素子部は、支持基板上に配置される。第１及び第２ガス流路は、支持基板内を基端部から先端部に向かって延び、先端部において互いに連通している。少なくとも１つの第１ガス流路の断面積の合計値は、少なくとも１つの第２ガス流路の断面積の合計値よりも小さい。
　このように、少なくとも１つの第１ガス流路の断面積の合計値を、少なくとも１つの第２ガス流路の断面積の合計値よりも小さくすることによって、燃料電池セルにおける出力を向上させることができる。
　好ましくは、少なくとも１つの第２ガス流路の断面積の合計値（Ｓ２）に対する、少なくとも１つの第１ガス流路の断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）は、０．９２以下である。
　好ましくは、少なくとも１つの第１ガス流路の各断面積は、少なくとも１つの第２ガス流路の各断面積よりも小さい。
　好ましくは、第１ガス流路の数は、第２ガス流路の数よりも少ない。
　好ましくは、燃料電池セルは、連通流路をさらに備える。連通流路は、燃料電池セルの先端部において、少なくとも１つの第１ガス流路と少なくとも１つの第２ガス流路とを連通する。
　好ましくは、燃料電池セルは、複数の第１ガス流路を備える。
　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。
　本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、上記いずれかの燃料電池セルと、マニホールドとを備える。マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。マニホールドは、燃料電池セルの基端部を支持する。少なくとも１つの第１ガス流路は、ガス供給室と連通する。少なくとも１つの第２ガス流路は、ガス回収室と連通する。
　本発明によれば、燃料電池セルにおける出力を向上させることができる。
セルスタック装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの上面図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの斜視図。 支持基板の断面図。 燃料電池セルの断面図。 基端部における燃料電池セルの断面図。 先端部における燃料電池セルの断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。
　以下、本発明に係る燃料電池セル及びセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、燃料電池セルの一例として固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を用いて説明する。図１はセルスタック装置を示す斜視図、図２はマニホールドの断面図である。なお、図１及び図２において、いくつかの燃料電池セルの記載を省略している。
　［セルスタック装置］
　図１に示すように、セルスタック装置１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１０と、を備えている。
　［マニホールド］
　図２に示すように、マニホールド２は、燃料電池セル１０にガスを供給するように構成されている。また、マニホールド２は、燃料電池セル１０から排出されたガスを回収するように構成されている。マニホールド２は、ガス供給室２１とガス回収室２２とを有している。ガス供給室２１には、改質器などを介して燃料ガス供給源から燃料ガスが供給される。ガス回収室２２は、各燃料電池セル１０にて使用された燃料ガスのオフガスを回収する。
　マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。
　図３に示すように、マニホールド本体部２３の天板部２３１には、複数の貫通孔２３２が形成されている。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各貫通孔２３２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２に開口している。なお、各貫通孔２３２は、ガス供給室２１に開口する部分とガス回収室２２に開口する部分とに分かれていてもよい。
　仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の略中央部において、マニホールド本体部２３の長さ方向に延びている。なお本実施形態では、仕切板２４はマニホールド本体部２３の空間を完全に仕切っているが、仕切板２４とマニホールド本体部２３との間に隙間が形成されていてもよい。
　図２に示すように、ガス供給室２１の底面には、ガス供給口２１１が形成されている。また、ガス回収室２２の底面には、ガス排出口２２１が形成されている。なお、ガス供給口２１１はガス供給室２１の側面又は上面に形成されていてもよいし、ガス排出口２２１はガス回収室２２の側面又は上面に形成されていてもよい。
　ガス供給口２１１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。一方、ガス排出口２２１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。
　［燃料電池セル］
　図４は、セルスタック装置の断面図を示している。図４に示すように、燃料電池セル１０は、マニホールド２から上方に延びている。燃料電池セル１０は、基端部１０１及び先端部１０２を有している。燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。
　図１に示すように、各燃料電池セル１０は、主面同士が対向するように並べられている。また、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に沿って間隔をあけて並べられている。すなわち、燃料電池セル１０の配列方向は、マニホールド２の長さ方向に沿っている。本実施形態では、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向に沿って等間隔に配置されているが、等間隔でなくてもよい。
　図４及び図５に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４、複数の第１ガス流路４３、複数の第２ガス流路４４、及び複数の発電素子部５を有している。また、燃料電池セル１０は、連通流路３０を有している。
　［支持基板］
　支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、扁平状であり、基端部４１と先端部４２とを有している。基端部４１及び先端部４２は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の基端部４１は下端部を意味し、支持基板４の先端部４２は上端部を意味する。本実施形態では、支持基板４は、幅方向（ｙ軸方向）に比べて長さ方向（ｘ軸方向）の寸法の方が長いが、長さ方向（ｘ軸方向）よりも幅方向（ｙ軸方向）の寸法の方が長くてもよい。
　支持基板４の基端部４１は、マニホールド２に取り付けられる。例えば、支持基板４の基端部４１は、接合材などによってマニホールド２の天板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、天板部２３１に形成された貫通孔２３２に挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、貫通孔２３２に挿入されていなくてもよい。
　図５に示すように、支持基板４は、第１主面４５と、第２主面４６とを有している。第１主面４５と第２主面４６とは、互いに反対を向いている。第１主面４５及び第２主面４６は、各発電素子部５を支持している。第１主面４５及び第２主面４６は、支持基板４の厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。また、支持基板４の各側面４７は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面４７は、湾曲していてもよい。
　支持基板４は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板４は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成される。または、支持基板４は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板４の気孔率は、例えば、２０～６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法、又は微構造観察により測定される。
　支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０～７％程度である。
　［第１及び第２ガス流路］
　第１及び第２ガス流路４３、４４は、支持基板４内を延びている。第１及び第２ガス流路４３、４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。すなわち、第１及び第２ガス流路４３、４４は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。第１及び第２ガス流路４３，４４のそれぞれは、互いに実質的に平行に延びている。なお、第１及び第２ガス流路４３、４４は、支持基板４を貫通している。
　燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第１ガス流路４３は、基端部１０１側においてガス供給室２１と連通しており、第２ガス流路４４は基端部１０１側においてマニホールド２のガス回収室２２と連通している。
　各第１ガス流路４３は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１ガス流路４３は、等間隔に配置されていることが好ましい。また、各第２ガス流路４４は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第２ガス流路４４は、等間隔に配置されていることが好ましい。
　図４に示すように、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１は、例えば、１～５ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１は、第１ガス流路４３の中心間の距離である。例えば、第１ガス流路４３のピッチｐ１は、支持基板４の基端部４１、中央部、及び先端部４２のそれぞれにおいて測定したピッチの平均値とすることができる。
　隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２は、例えば、１～５ｍｍ程度である。この隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２は、第２ガス流路４４の中心間の距離である。例えば、第２ガス流路４４のピッチｐ２は、支持基板４の基端部４１、中央部、及び先端部４２のそれぞれにおいて測定したピッチの平均値とすることができる。なお、各第２ガス流路４４間のピッチｐ２は、各第１ガス流路４３間のピッチｐ１と実質的に等しいことが好ましい。
　隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、例えば、１～１０ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、第１ガス流路４３の中心と第２ガス流路４４の中心との距離である。例えば、ピッチｐ０は、燃料電池セル１０の基端面１１１において測定することができる。
　隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１よりも大きい。また、隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２よりも大きい。
　このように、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０を第１ガス流路４３間のピッチｐ１、及び第２ガス流路４４間のピッチｐ２よりも大きくすることによって、隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを分けている。この第１ガス流路４３と第２ガス流路４４との間の領域を境界領域４０３と称する。
　図６に示すように、支持基板４は、第１領域４０１、第２領域４０２、及び境界領域４０３を有している。第１領域４０１、第２領域４０２、及び境界領域４０３のそれぞれの領域は、支持基板４を幅方向（ｙ軸方向）に区画することによってできる領域である。第１領域４０１は、第１ガス流路４３が形成される領域である。第２領域４０２は、第２ガス流路４４が形成される領域である。境界領域４０３は、第１領域４０１と第２領域４０２との間の領域である。境界領域４０３によって、第１領域４０１と第２領域４０２とが隔てられている。
　第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、燃料電池セル１０の先端部１０２側において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４３と、第２ガス流路４４とが、連通部材３の連通流路３０を介して連通している。
　［第１及び第２ガス流路の断面積］
　各第１ガス流路４３の断面積の合計値は、各第２ガス流路４４の断面積の合計値よりも小さい。このため、各第１ガス流路４３内を流れるガスの圧力損失の合計値は、各第２ガス流路４４内を流れるガスの圧力損失の合計値よりも大きい。なお、本実施形態では、各第１ガス流路４３の断面積のそれぞれは、各第２ガス流路４４の断面積のそれぞれよりも小さい。
　各第２ガス流路４４の断面積の合計値（Ｓ２）に対する、各第１ガス流路４３の断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）は、出力向上の観点から、例えば、０．９２以下とすることが好ましい。また、この割合（Ｓ１／Ｓ２）は、特に限定されるものではないが、製造上の観点から、例えば、０．０２以上とすることができる。なお、第１ガス流路４３の断面積は、例えば、０．１～２５ｍｍ２程度とすることができる。また、第２ガス流路４４の断面積は、例えば、０．５～３０ｍｍ２程度とすることができる。
　なお、第１ガス流路４３の断面積は、第１ガス流路４３が延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した切断面における第１ガス流路４３の断面積を言う。また、第１ガス流路４３の断面積は、基端部１０１側の任意の箇所における断面積と、中央部の任意の箇所における断面積と、先端部１０２側の任意の箇所における断面積との平均値とすることができる。
　また、第２ガス流路４４の断面積は、第２ガス流路４４が延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した切断面における第２ガス流路４４の断面積を言う。また、第２ガス流路４４の断面積は、基端部１０１側の任意の箇所における断面積と、中央部の任意の箇所における断面積と、先端部１０２側の任意の箇所における断面積との平均値とすることができる。
　［発電素子部］
　各発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５又は第２主面４６に支持されている。なお、第１主面４５に形成される発電素子部５の数と第２主面４６に形成される発電素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。
　各発電素子部５は、第１及び第２ガス流路４３，４４が延びる方向（ｘ軸方向）に沿って間隔をあけて配置される。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、基端部１０１から先端部１０２に向かって互いに間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部５は、インターコネクタ９によって、互いに直列に接続されている。
　発電素子部５は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。発電素子部５は、支持基板４の幅方向において第１部分５１と第２部分５２とに区画される。なお、第１部分５１と第２部分５２との厳密な境界はない。例えば、燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、支持基板４の長さ方向視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界と重複する部分を、第１部分５１と第２部分５２との境界部とすることができる。
　支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、各第１ガス流路４３は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。このため、発電素子部５の第１部分５１は、主に各第１ガス流路４３から燃料ガスが供給される。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、各第２ガス流路４４は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。このため、発電素子部５の第２部分５２は、主に各第２ガス流路４４から燃料ガスが供給される。なお、複数の第１ガス流路４３のうち、一部の第１ガス流路４３が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数の第２ガス流路４４のうち、一部の第２ガス流路４４が第２部分５２と重複していなくてもよい。
　図７は、第１ガス流路４３に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。なお、第２ガス流路４４に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、第２ガス流路４４の断面積が異なる以外は、図７と同じである。
　発電素子部５は、燃料極６、電解質７、及び空気極８を有している。また、発電素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。燃料極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極６は、燃料極集電部６１と燃料極活性部６２とを有する。
　燃料極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、燃料極集電部６１は、凹部４９内に充填されており、凹部４９と同様の外形を有する。各燃料極集電部６１は、第１凹部６１１及び第２凹部６１２を有している。燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に配置されている。詳細には、燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に充填されている。
　燃料極集電部６１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部６１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０～５００μｍ程度である。
　燃料極活性部６２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部６２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部６２の厚さは、５～３０μｍである。
　電解質７は、燃料極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９から他のインターコネクタ９まで長さ方向に延びている。すなわち、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質７とインターコネクタ９とが交互に配置されている。また、電解質７は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。
　電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０～７％程度である。電解質７は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質７は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質７の厚さは、例えば、３～５０μｍ程度である。
　反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、平面視において、燃料極活性部６２と略同一の形状である。反応防止膜１１は、電解質７を介して、燃料極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと空気極活性部８１内のＳｒとが反応して電解質７と空気極活性部８１との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜１１の厚さは、例えば、３～５０μｍ程度である。
　空気極８は、燃料極６と協働して電解質７を挟むように配置されている。空気極８は、空気極活性部８１及び空気極集電部８２を有している。
　空気極活性部８１は、反応防止膜１１上に配置されている。空気極活性部８１は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。空気極活性部８１は、空気極集電部８２よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、空気極活性部８１における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部８２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
　空気極活性部８１は、多孔質の材料から構成される。空気極活性部８１は焼成体である。空気極活性部８１は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極活性部８１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極活性部８１の厚さは、例えば、１０～１００μｍである。
　空気極集電部８２は、空気極活性部８１上に配置されている。空気極集電部８２は、空気極活性部８１から、隣の発電素子部５に向かって延びている。空気極集電部８２は、インターコネクタ９を介して隣の発電素子部５の燃料極集電部６１と電気的に接続されている。なお、燃料極集電部６１と空気極集電部８２とは、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）において、発電領域から互いに反対側に延びている。なお、発電領域とは、平面視（ｚ軸方向視）において、燃料極活性部６２と電解質７と空気極活性部８１とが重複する領域である。
　空気極集電部８２は、電子伝導性を有する多孔質材料から構成される。空気極集電部８２は、焼成体である。空気極集電部８２は、空気極活性部８１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部８２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
　空気極集電部８２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極集電部８２は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、空気極集電部８２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ－Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。なお、空気極集電部８２の厚さは、例えば、５０～５００μｍ程度である。
　［インターコネクタ］
　インターコネクタ９は、ｘ軸方向において隣り合う発電素子部５を電気的に接続するように構成されている。インターコネクタ９は、隣り合う発電素子部５の一方の発電素子部５の燃料極６と、他方の発電素子部５の空気極８とを電気的に接続している。詳細には、インターコネクタ９は、一方の発電素子部５の燃料極集電部６１と、他方の発電素子部５の空気極集電部８２とを電気的に接続している。
　このように、各発電素子部５は、インターコネクタ９によって、第１及び第２主面４５、４６のそれぞれにおいて燃料電池セル１０の先端部１０２から基端部１０１まで直列に接続されている。
　インターコネクタ９は、例えば、燃料極集電部６１の第２凹部６１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ９は、第２凹部６１２内に埋設（充填）されている。インターコネクタ９は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ９は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９の気孔率は、０～７％程度である。インターコネクタ９は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ９の厚さは、例えば、１０～１００μｍである。
　図８に示すように、各燃料電池セル１０において最も基端側に配置されたインターコネクタ９ｄは、第１主面４５に配置される発電素子部５と、第２主面に配置される発電素子部５とを電気的に接続している。なお、各燃料電池セル１０の各主面４５，４６において最も基端側に配置された一対の発電素子部５は、インターコネクタ９ｄを介して互いに隣り合っている。また、本実施形態では、第２主面４６において最も基端側に配置されたインターコネクタ９ｄが、各燃料電池セル１０において最も基端側に配置されたインターコネクタである。
　第１主面４５において最も基端側に配置された発電素子部５の空気極集電部８２は、第１主面４５から側面４７を介して第２主面４６まで延びている。すなわち、この最も基端側に配置された発電素子部５の空気極集電部８２は、環状に延びている。そして、第２主面４６において最も基端側に配置されたインターコネクタ９ｄは、第１主面４５から第２主面４６まで延びる空気極集電部８２と、第２主面４６において最も基端側に配置された発電素子部５の燃料極集電部６１と、を電気的に接続している。
　このように、第１主面４５において直列接続された複数の発電素子部５と、第２主面４６において直列接続された複数の発電素子部５とは、インターコネクタ９ｄによって、燃料電池セル１０の基端部１０１において直列接続されている。
　［連通部材］
　図４に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部４２に取り付けられている。そして、連通部材３は、連通流路３０を有している。連通流路３０は、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを連通する。すなわち、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、連通流路３０を介して互いに連通している。
　連通流路３０は、燃料電池セル１０の先端部１０２において、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。すなわち、連通流路３０は、第１及び第２ガス流路４３，４４と交差する方向に延びている。各第１ガス流路４３及び各第２ガス流路４４は、先端部１０２において、連通流路３０と連通している。
　連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路３０の数は、第１ガス流路４３の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路３０のみによって、複数の第１ガス流路４３と複数の第２ガス流路４４とが連通されている。
　連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。緻密層３１は、連通部材３の本体よりも緻密に形成されている。例えば、緻密層３１の気孔率は、０～７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した電解質７に使用される材料、結晶化ガラス等によって形成することができる。
　［集電部材］
　図９に示すように、集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の間に配置されている。そして、集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０を互いに電気的に接続している。集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の先端部１０２同士を接合している。例えば、集電部材１２は、支持基板４の両主面に配置された複数の発電素子部５のうち、最も先端側に配置された発電素子部５よりも先端側に配置されている。集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の最も先端側に配置された発電素子部５同士を電気的に接続している。なお、各燃料電池セル１０の各主面４５，４６において最も先端側に配置された発電素子部５は、隣の燃料電池セル１０の最も先端側に配置された発電素子部５と隣り合っている。
　集電部材１２は、導電性接合材１０３を介して、発電素子部５から延びる空気極集電部８２に接合される。導電性接合材１０３としては、周知の導電性セラミックス等を用いることができる。例えば、導電性接合材１０３は、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３などから選ばれる少なくとも１種によって構成することができる。
　このように、各燃料電池セル１０において、最も先端側に配置されたインターコネクタ９ｂは、集電部材１２及び空気極集電部８２を介して、隣り合う一対の燃料電池セル１０の発電素子部５同士を電気的に接続している。本実施形態では、第１主面４５において最も先端側に配置されたインターコネクタ９が、各燃料電池セル１０において最も先端側に配置されたインターコネクタである。
　［発電方法］
　上述したように構成されたセルスタック装置１００では、燃料ガスをマニホールド２のガス供給室２１に供給するとともに、燃料電池セル１０を空気などの酸素を含むガスに曝す。例えば、燃料電池セル１０の上方から燃料電池セル１０に向かって空気を供給する。すると、空気極８において下記（１）式に示す化学反応が起こり、燃料極６において下記（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ－→Ｏ２－　　　…（１）
Ｈ２＋Ｏ２－→Ｈ２Ｏ＋２ｅ－　　　　　…（２）
　詳細には、ガス供給室２１に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０の第１ガス流路４３内を流れ、各発電素子部５の燃料極６において、上記（２）式に示す化学反応が起こる。各燃料極６において未反応であった燃料ガスは、第１ガス流路４３を出て連通部材３の連通流路３０を介して第２ガス流路４４へ供給される。そして、第２ガス流路４４へ供給された燃料ガスは、再度、燃料極６において上記（２）式に示す化学反応が起こる。第２ガス流路４４を流れる過程において燃料極６において未反応であった燃料ガスは、マニホールド２のガス回収室２２へ回収される。
　［変形例］
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
　変形例１
　上記実施形態では、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、連通部材３が有する連通流路３０によって連通されていたが、この構成に限定されない。例えば、図１０に示すように、連通流路３０は、支持基板４内に形成されていてもよい。この場合、セルスタック装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この支持基板４内に形成された連通流路３０によって、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とが連通されている。
　変形例２
　上記実施形態では、支持基板４は、複数の第１ガス流路４３を有しているが、１つの第１ガス流路４３のみを有していてもよい。この場合、第１ガス流路４３の断面積の合計値とは、その１つの第１ガス流路４３の断面積を意味する。同様に、支持基板４は、複数の第２ガス流路４４を有しているが、１つの第２ガス流路４４のみを有していてもよい。この場合、第２ガス流路４４の断面積の合計値とは、その１つの第２ガス流路４４の断面積を意味する。
　変形例３
　各第１ガス流路４３の断面積は、互いに異なっていてもよい。また、各第２ガス流路４４の断面積は、互いに異なっていてもよい。
　変形例４
　上記実施形態では、第１ガス流路４３の数と第２ガス流路４４の数とは互いに同じであったが、これに限定されない。例えば、図１１に示すように、第１ガス流路４３の数を、第２ガス流路４４の数よりも少なくしてもよい。すなわち、ガス供給室２１と連通するガス流路の数をガス回収室２２と連通するガス流路の数よりも少なくしてもよい。この場合、各第１ガス流路４３の各断面積は、各第２ガス流路４４の各断面積と同じであってもよい。また、第１ガス流路４３の断面積の合計値が第２ガス流路４４の断面積の合計値以上にならない範囲であれば、各第１ガス流路４３の各断面積は、各第２ガス流路４４の各断面積よりも大きくてもよい。
　なお、図１１に示す構成では、第１ガス流路４３間のピッチｐ１を広げることで第１ガス流路４３の数を第２ガス流路４４の数よりも少なくしているが、セルスタック装置１００は、他の構成によって第１ガス流路４３の数を第２ガス流路４４の数よりも少なくしてもよい。例えば、図１２に示すように、第１領域４０１を第２領域４０２よりも小さくすることによって、第１ガス流路４３の数を第２ガス流路４４の数よりも少なくしてもよい。この場合、境界領域４０３は、幅方向（ｙ軸方向）において支持基板４の中央から第１領域４０１側に寄っている。また、マニホールド２は、ガス供給室２１がガス回収室２２よりも小さくなるように構成されている。例えば、仕切板２４を中央よりもガス供給室２１側に移動させることによって、ガス供給室２１をガス回収室２２よりもちいさくすることができる。
　変形例５
　上記実施形態では、燃料電池セル１０はマニホールド２から上方に延びるように構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、マニホールド２から下方に延びていてもよい。
　変形例６
　上記実施形態のマニホールド２では、１つのマニホールド本体部２３を仕切板２４で仕切ることによって、ガス供給室２１とガス回収室２２とを画定しているが、マニホールド２の構成はこれに限定されない。例えば、２つのマニホールド本体部２３によってマニホールド２を構成することもできる。この場合、１つのマニホールド本体部２３がガス供給室２１を有し、別のマニホールド本体部２３がガス回収室２２を有している。
　以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。
　図１２に示すような構成のセルスタック装置１００において、表１に示すように、各第２ガス流路４４の断面積の合計値（Ｓ２）に対する、各第１ガス流路４３の断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）を変えて、それぞれサンプルＮｏ．１～１０を作成した。なお、本実施例では、第１ガス流路４３の断面積と第２ガス流路４４の断面積は互いに同じとし、第１ガス流路４３の本数及び第２ガス流路４４の本数を表１に示すように変えることによって、各第１ガス流路４３の断面積の合計値（Ｓ１）及び各第２ガス流路４４の断面積の合計値（Ｓ２）を変えている。各サンプルＮｏ．１～１０に係る燃料電池セル１０において、第１ガス流路４３の断面積の合計値（Ｓ１）及び第２ガス流路４４の断面積の合計値（Ｓ２）以外の構成は基本的に同じとしている。
　（評価方法）
　以上のように作製した各燃料電池セル１０を以下の条件で起電力を測定し、各サンプルの評価を行った。まず、各燃料電池セル１０をマニホールド２に挿入し、第１ガス流路４３をガス供給室２１と連通させ、第２ガス流路４４をガス回収室２２と連通させた。そして、マニホールド２のガス供給室２１に燃料ガスを供給し、燃料電池セル１０の両面に空気を供給した。第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４を流れたオフガスはガス回収室２２にて回収した。評価条件は、温度が７５０℃、電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２、燃料利用率が８０％、空気利用率が５％であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
 
　表１に示すように、各第１ガス流路４３の断面積の合計値を、各第２ガス流路４４の断面積の合計値よりも小さくすることによって、燃料電池セル１０の出力を向上できることが分かった。
　２　　マニホールド
　２１　　ガス供給室
　２２　　ガス回収室
　５　　発電素子部
　１０　　燃料電池セル
　３０　　連通流路
　４３　　第１ガス流路
　４４　　第２ガス流路

Claims (8)

  1. 　先端部及び基端部を有する燃料電池セルであって、
    　支持基板と、
    　前記支持基板上に配置される少なくとも１つの発電素子部と、
    　前記支持基板内を前記基端部から前記先端部に向かって延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
    　前記支持基板内を前記基端部から前記先端部に向かって延び、前記先端部において前記第１ガス流路と連通する少なくとも１つの第２ガス流路と、
    を備え、
    　前記少なくとも１つの第１ガス流路の断面積の合計値は、前記少なくとも１つの第２ガス流路の断面積の合計値よりも小さい、
    燃料電池セル。
     
  2. 　前記少なくとも１つの第２ガス流路の断面積の合計値（Ｓ２）に対する、前記少なくとも１つの第１ガス流路の断面積の合計値（Ｓ１）の割合（Ｓ１／Ｓ２）は、０．９２以下である、
    請求項１に記載の燃料電池セル。
     
  3. 　前記少なくとも１つの第１ガス流路の各断面積は、前記少なくとも１つの第２ガス流路の各断面積よりも小さい、
    請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
     
  4. 　前記第１ガス流路の数は、前記第２ガス流路の数よりも少ない、
    請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
     
  5. 　前記燃料電池セルの先端部において前記少なくとも１つの第１ガス流路と前記少なくとも１つの第２ガス流路とを連通する連通流路をさらに備える、
    請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
     
  6. 　前記燃料電池セルは、複数の前記第１ガス流路を備える、
    請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池セル。
     
  7. 　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６に記載の燃料電池セル。
     
  8. 　請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池セルと、
    　ガス供給室及びガス回収室を有し、前記燃料電池セルの基端部を支持するマニホールドと、
    を備え、
    　前記少なくとも１つの第１ガス流路は、前記ガス供給室と連通し、
    　前記少なくとも１つの第２ガス流路は、前記ガス回収室と連通する、
    セルスタック装置。
     
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