特許 6594496 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6594496

(24)【登録日】2019年10月4日

(45)【発行日】2019年10月23日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/026 20160101AFI20191010BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALI20191010BHJP

   H01M 8/1226 20160101ALI20191010BHJP

   H01M 8/243 20160101ALI20191010BHJP

   H01M 8/2484 20160101ALI20191010BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20191010BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20191010BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20191010BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20191010BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/026

   H01M8/0258

   H01M8/1226

   H01M8/243

   H01M8/2484

   H01M8/249

   H01M8/0662

   H01M8/0606

   !H01M8/12 101

   !H01M8/12 102C

【請求項の数】3

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-132679(P2018-132679)

(22)【出願日】2018年7月12日

【審査請求日】2019年2月26日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】小笠原 徳之

(72)【発明者】

【氏名】菅 博史

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

(72)【発明者】

【氏名】龍 崇

【審査官】 守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１８／０９６９２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０６−０６８９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１２８６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１９９９７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１８４７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０５３１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１０２３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２１１２６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９４０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０６６２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０１７０２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／０６

Ｈ０１Ｍ ８／１２

Ｈ０１Ｍ ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水蒸気改質によって原料ガスから水素含有ガスを生成する改質装置と、
前記改質装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する第１セルスタック装置と、
前記第１セルスタック装置から排出された未反応の水素含有ガスから水蒸気を除去する水蒸気除去装置と、
前記水蒸気除去装置によって水蒸気が除去された水素含有ガスを用いて発電する第２セルスタック装置と、
を備え、
前記改質装置は、前記水蒸気除去装置によって除去された水蒸気を用いて前記原料ガスを改質し、
前記第１セルスタック装置及び前記第２セルスタック装置の少なくとも一方は、ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、前記マニホールドから延びる燃料電池セルと、を有し、
前記燃料電池セルは、前記マニホールドから延びる多孔質の支持基板と、前記支持基板に支持される発電素子部と、を有し、
前記支持基板は、前記ガス供給室と連通し且つ前記支持基板の基端部から先端部に延びる複数の第１ガス流路と、前記ガス回収室と連通し且つ前記支持基板の基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通する少なくとも１つの第２ガス流路と、を有し、
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、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記支持基板は、前記支持基板の先端部において前記第１ガス流路と前記第２ガス流路を連通する連通流路をさらに有する、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記燃料電池セルは、前記支持基板の先端部に取り付けられる連通部材をさらに有し、
前記連通部材は、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連通する連通流路を有する、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

燃料電池セルと、燃料電池セルにガスを供給するマニホールドと、を備えたセルスタック装置が知られている。燃料電池セルは、ガス流路が形成された支持基板と、支持基板に支持される発電素子部とを備えている。支持基板の基端部からガス流路に供給ガスが供給される一方で、支持基板の先端部から未反応のガスが外部へと排出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６−１７１０６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したようなセルスタック装置において、ガスの使用効率を向上させることが要望されている。そこで本発明の課題は、ガスの使用効率を向上させることのできる燃料電池システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明のある側面に係る燃料電池システムは、改質装置、第１セルスタック装置、水蒸気除去装置、及び第２セルスタック装置を備えている。改質装置は、水蒸気改質によって原料ガスから水素含有ガスを生成する。第１セルスタック装置は、改質装置から供給される水素含有ガスを用いて発電する。水蒸気除去装置は、第１セルスタック装置から排出された未反応の水素含有ガスから水蒸気を除去する。第２セルスタック装置は、水蒸気除去装置によって水蒸気が除去された水素含有ガスを用いて発電する。改質装置は、水蒸気除去装置によって除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質する。第１セルスタック装置及び第２セルスタック装置の少なくとも一方は、ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、マニホールドから延びる燃料電池セルと、を有する。燃料電池セルは、マニホールドから延びる支持基板と、支持基板に支持される発電素子部と、を有する。支持基板は、少なくとも１つの第１ガス流路と、少なくとも１つの第２ガス流路とを有する。第１ガス流路は、ガス供給室と連通し、支持基板の基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、ガス回収室と連通する。そして、第２ガス流路は、支持基板の基端部から先端部に延び、燃料電池セルの先端部において第１ガス流路と連通する。

【0006】

この構成によれば、第１及び第２セルスタック装置の少なくとも一方において、第１ガス流路を流れたガスのうち未反応のガスは第２ガス流路を流れ、第２ガス流路を流れたガスのうちさらに未反応のガスは、ガスマニホールドのガス回収室にて回収される。このため、ガスの使用効率を向上させることができる。また、水蒸気除去装置によって除去された水蒸気を、改質装置による水蒸気改質に用いられる水蒸気として利用することができる。

【0007】

好ましくは、支持基板は、支持基板の先端部において第１ガス流路と第２ガス流路を連通する連通流路をさらに有する。

【0008】

好ましくは、燃料電池セルは、支持基板の先端部に取り付けられる連通部材をさらに有する。連通部材は、第１ガス流路と第２ガス流路とを連通する連通流路を有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ガスの使用効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】燃料電池システムのブロック図。

【図2】セルスタック装置の斜視図。

【図3】マニホールドの平面図。

【図4】燃料電池セルの斜視図。

【図5】セルスタック装置の断面図。

【図6】燃料電池セルの断面図。

【図7】変形例に係るセルスタック装置の断面図。

【図8】変形例に係るセルスタック装置の断面図。

【図9】変形例に係るセルスタック装置の断面図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明に係る燃料電池システム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。

【0012】

［燃料電池システム］
燃料電池システム１００は、改質装置１０１，第１セルスタック装置１０２、水蒸気除去装置１０３、及び第２セルスタック装置１０４を備えている。

【0013】

［改質装置１０１］
改質装置１０１は、第１セルスタック装置１０２に供給する水素含有ガスを生成する。詳細には、改質装置１０１は、水蒸気改質によって、原料ガス（例えばメタンガスなど）から水素含有ガスを生成する。なお、改質装置１０１は、水蒸気除去装置１０３によって除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質する。例えば、改質装置１０１は、貯水タンクなどに貯められた水を気化器などで気化されることで生成される水蒸気を用いて、原料ガスを改質する。そして、この貯水タンクに貯められた水は、例えば、水蒸気除去装置１０３によって除去された水蒸気を凝縮したものとすることができる。

【0014】

［第１セルスタック装置］
第１セルスタック装置１０２は、改質装置１０１の下流側に配置されている。第１セルスタック装置１０２は、改質装置１０１から供給される水素含有ガスを用いて発電する。なお、第１セルスタック装置１０２の詳細については後述する。

【0015】

［水蒸気除去装置］
水蒸気除去装置１０３は、第１セルスタック装置１０２の下流側に配置されている。水蒸気除去装置１０３は、第１セルスタック装置１０２から排出された未反応の水素含有ガスから水蒸気を除去するように構成されている。例えば、水蒸気除去装置１０３は、水蒸気分離膜を有している。水蒸気分離膜としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ、又はモルデナイト膜などを例示することができる。

【0016】

この水蒸気除去装置１０３によって除去された水蒸気は、上述したように改質装置１０１の水蒸気改質に使用される。詳細には、水蒸気除去装置１０３によって除去された水蒸気は凝縮されて、一旦、貯水タンクなどに貯められた後、気化器などによって気化されて、改質装置１０１へと供給される。

【0017】

［第２セルスタック装置］
第２セルスタック装置１０４は、水蒸気除去装置１０３の下流側に配置されている。第２セルスタック装置１０４は、水蒸気除去装置１０３によって水蒸気が除去された水素含有ガスを用いて発電するように構成されている。なお、第２セルスタック装置１０４の基本的な構成は第１セルスタック装置１０２と同じであるため、詳細な説明を省略する。

【0018】

［第１セルスタック装置の詳細な構成］
図２に示すように、第１セルスタック装置１０２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。

【0019】

［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、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にはガス供給管２０１が接続されており、ガス回収室２２にはガス回収管２０２が接続されている。ガス供給室２１には、ガス供給管２０１を介して燃料ガスが供給される。また、ガス回収室２２内の燃料ガスは、ガス回収管２０２を介してマニホールド２から回収される。

【0020】

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。

【0021】

図３に示すように、マニホールド本体部２３の上板部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と連通している。なお、各貫通孔２３２は、ガス供給室２１と連通する部分とガス回収室２２と連通する部分とに分かれていてもよい。

【0022】

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の略中央部において、マニホールド本体部２３の長さ方向に延びている。仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を完全に仕切っている必要は無く、仕切板２４とマニホールド本体部２３との間に隙間が形成されていてもよい。

【0023】

［燃料電池セル］
図２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１１１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１１１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１１２は上端部を意味する。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

［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。

【0027】

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の上板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、上板部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。このように支持基板４の基端部４１がマニホールド２に取り付けられることによって、支持基板４の基端部４１は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連結している。

【0028】

支持基板４は、複数の第１ガス流路４３と、複数の第２ガス流路４４とを有している。第１ガス流路４３は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第１ガス流路４３は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第１ガス流路４３は、支持基板４を貫通している。各第１ガス流路４３は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１ガス流路４３は、等間隔に配置されていることが好ましい。支持基板４は、長さ方向（ｘ軸方向）よりも幅方向（ｙ軸方向）の寸法の方が長くてもよい。

【0029】

図５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、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。

【0030】

第１ガス流路４３は、支持基板４の基端部４１から先端部４２に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第１ガス流路４３は、基端部４１側において、ガス供給室２１と連通している。

【0031】

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

【0032】

第２ガス流路４４は、支持基板４を貫通している。各第２ガス流路４４は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第２ガス流路４４は、等間隔に配置されていることが好ましい。

【0033】

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、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。

【0034】

第２ガス流路４４は、支持基板４の先端部４２から基端部４１に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第２ガス流路４４は、基端部４１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。

【0035】

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、支持基板４の第１端面４１１において測定することができる。

【0036】

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。

【0037】

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１１２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。

【0038】

第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失よりも小さくなるように構成されている。

【0039】

例えば、各第１ガス流路４３の流路断面積は、各第２ガス流路４４の流路断面積よりも大きくすることができる。なお、第１ガス流路４３の数と第２ガス流路４４との数とが異なる場合は、各第１ガス流路４３の流路断面積の合計値が、各第２ガス流路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。

【0040】

特に限定されるものではないが、各第２ガス流路４４の流路断面積の合計値は、各第１ガス流路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、第１ガス流路４３の流路断面積は、例えば、０.５〜２０ｍｍ^２程度とすることができる。また、第２ガス流路４４の流路断面積は、例えば、０.１〜１５ｍｍ^２程度とすることができる。

【0041】

なお、第１ガス流路４３の流路断面積は、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の流路断面積を言う。また、第１ガス流路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。

【0042】

また、第２ガス流路４４の流路断面積は、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の流路断面積を言う。また、第２ガス流路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。

【0043】

図４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２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。

【0044】

図４に示すように、支持基板４は、発電素子部５を支持している。支持基板４は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板４は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成される。または、支持基板４は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板４の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法、又は微構造観察により測定される。

【0045】

支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９１とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０〜７％程度である。

【0046】

［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。

【0047】

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。

【0048】

支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１ガス流路４３は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第２ガス流路４４は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。なお、複数の第１ガス流路４３のうち、一部の第１ガス流路４３が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数の第２ガス流路４４のうち、一部の第２ガス流路４４が第２部分５２と重複していなくてもよい。

【0049】

図６は、第１ガス流路４３に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。なお、第２ガス流路４４に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、第２ガス流路４４の流路断面積が異なる以外は、図６と同じである。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

燃料極集電部６１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部６１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、平面視において、燃料極活性部６２と略同一の形状である。反応防止膜１１は、電解質７を介して、燃料極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと空気極８内のＳｒとが反応して電解質７と空気極８との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜１１の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

【0057】

空気極８は、反応防止膜１１上に配置されている。空気極８は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極８は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極８は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極８の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

【0058】

［電気的接続部］
電気的接続部９は、隣り合う発電素子部５を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部９は、インターコネクタ９１及び空気極集電膜９２を有する。インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に埋設（充填）されている。インターコネクタ９１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ９１は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９１の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ９１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

【0059】

空気極集電膜９２は、隣り合う発電素子部５のインターコネクタ９１と空気極８との間を延びるように配置される。例えば、図６の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図６の右側に配置された発電素子部５のインターコネクタ９１とを電気的に接続するように、空気極集電膜９２が配置されている。空気極集電膜９２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。

【0060】

空気極集電膜９２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜９２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

【0061】

［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、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを連通させる連通流路３０を有している。詳細には、連通流路３０は、各第１ガス流路４３と各第２ガス流路４４とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４３から各第２ガス流路４４まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路３０の数は、第１ガス流路４３の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路３０のみによって、複数の第１ガス流路４３と複数の第２ガス流路４４とが連通されている。

【0062】

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。

【0063】

［発電方法］
上述したように構成された第１セルスタック装置１０２では、マニホールド２のガス供給室２１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）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

【0064】

詳細には、ガス供給管２０１からガス供給室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。そして、ガス回収管２０２は、ガス回収室２２からガスを回収する。

【0065】

［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。

【0066】

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７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、第１セルスタック装置１０２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。

【0067】

変形例２
各第１ガス流路４３の流路断面積は、互いに異なっていてもよい。また、各第２ガス流路４４の流路断面積は、互いに異なっていてもよい。また、第１ガス流路４３の流路断面積は、第２ガス流路４４の流路断面積と実質的に同じであってもよいし、第２ガス流路４４の流路断面積よりも小さくてもよい。

【0068】

変形例３
上記実施形態では、第２ガス流路４４の数は、第１ガス流路４３の数と同じであったが、第２ガス流路４４の数はこれに限定されない。例えば、図８に示すように、第２ガス流路４４の数は、第１ガス流路４３の数よりも少なくてもよい。

【0069】

変形例４
第１ガス流路４３は、その長さ方向（ｘ軸方向）において、均一な流路断面積を有していなくてもよい。特に、第１ガス流路４３の流路断面積は、燃料ガス濃度が低くなる先端部４２に近付くほど小さくなっていてもよい。また、第２ガス流路４４は、その長さ方向（ｘ軸方向）において、均一な流路断面積を有していなくてもよい。特に、第２ガス流路４４の流路断面積は、燃料ガス濃度が低くなる基端部４１に近付くほど小さくなっていてもよい。この構成によれば拡散性が向上し界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化することを抑制することができる。

【0070】

変形例５
上記実施形態では、第１及び第２ガス流路４３，４４は、円形状の断面を有しているが、第１及び第２ガス流路４３，４４の断面形状は、矩形状や楕円形状であってもよい。

【0071】

変形例６
上記実施形態では、支持基板４は、複数の第１ガス流路４３を有しているが、１つの第１ガス流路４３のみを有していてもよい。同様に、支持基板４は、複数の第２ガス流路４４を有しているが、１つの第２ガス流路４４のみを有していてもよい。

【0072】

変形例７
上記実施形態では、第１主面４５に配置された各発電素子部５は、互いに直列に接続されているが、第１主面４５に配置された各発電素子部５の全てが直列に接続されている必要は無い。なお、第２主面４６に配置された各発電素子部５についても同様である。

【0073】

変形例８
燃料電池セル１０において、第１主面４５に形成された各発電素子部５と第２主面４６に形成された各発電素子部５との間は、互いに電気的に接続されていなくてもよいし、複数の箇所で電気的に接続されていてもよい。

【0074】

変形例９
上記実施形態では、各発電素子部５は、第１主面４５と第２主面４６との両面に配置されているが、どちらか一方の面のみに配置されていてもよい。

【0075】

変形例１０
各燃料電池セル１０の幅は、互いに異なっていてもよい。また、各発電素子部５の幅は、互いに異なっていてもよい。例えば、ある支持基板４に形成された各発電素子部５の幅と、別の支持基板４に形成された各発電素子部５の幅とは、異なっていてもよい。

【0076】

変形例１１
実施形態では、連通部材３は多孔質であるが、連通部材３は金属によって構成されていてもよい。具体的には、連通部材３は、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｎｉ基合金、又はＭｇＯ系セラミックス材料（支持基板４と同じ材料でも良い）などによって構成することができる。

【0077】

変形例１２
上記実施形態では、連通部材３の連通流路３０は空間によって構成されていたが、連通部材３の連通流路３０の構成はこれに限定されない。例えば、図９に示すように、連通部材３の連通流路３０は、連通部材３内に形成された複数の気孔によって構成することができる。

【0078】

変形例１３
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。

【0079】

変形例１４
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。

【符号の説明】

【0080】

２ ：マニホールド
２１ ：ガス供給室
２２ ：ガス回収室
３ ：連通部材
３０ ：連通流路
４ ：支持基板
４１ ：基端部
４２ ：先端部
４３ ：第１ガス流路
４４ ：第２ガス流路
５ ：発電素子部
１０ ：燃料電池セル
１００ ：燃料電池システム
１０１ ：改質装置
１０２ ：第１セルスタック装置
１０３ ：水蒸気除去装置
１０４ ：第２セルスタック装置

【要約】

【課題】ガスの使用効率を向上させる。
【解決手段】改質装置１０１は水蒸気改質によって原料ガスから水素含有ガスを生成する。第１セルスタック装置１０２は改質装置１０１からの水素含有ガスで発電する。水蒸気除去装置１０３は第１セルスタック装置１０２から排出された水素含有ガスから水蒸気を除去する。第２セルスタック装置１０４は水蒸気除去装置１０３によって水蒸気が除去された水素含有ガスを用いて発電する。改質装置１０１は、水蒸気除去装置１０３によって除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質する。第１及び第２セルスタック装置１０２、１０４の少なくとも一方は、マニホールド及び燃料電池セルを有する。支持基板の第１ガス流路はガス供給室と連通し、第２ガス流路はガス回収室と連通する。第２ガス流路は、燃料電池セルの先端部において第１ガス流路と連通する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】