特許 6705931 セルスタック装置

(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】6705931

(24)【登録日】2020年5月18日

(45)【発行日】2020年6月3日

(54)【発明の名称】セルスタック装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20200525BHJP

   H01M 8/2484 20160101ALI20200525BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20200525BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20200525BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 N

   H01M8/2484

   H01M8/02

   !H01M8/12 101

   !H01M8/12 102C

【請求項の数】7

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2019-111361(P2019-111361)

(22)【出願日】2019年6月14日

【審査請求日】2019年6月14日

(31)【優先権主張番号】特願2018-227350(P2018-227350)

(32)【優先日】2018年12月4日

(33)【優先権主張国】JP

【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】小原 隆平

(72)【発明者】

【氏名】田中 裕己

(72)【発明者】

【氏名】菅 博史

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

【審査官】 大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１８／１９８６１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１８−９２８４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−７３５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−８１９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−９２９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６５５０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

天壁、側壁及び底壁を有するマニホールドと、
前記天壁から延びる燃料電池セルと、
前記底壁に連結され、かつ前記マニホールドのガス供給室内にガスを供給するガス供給管と、
を備え、
前記燃料電池セルは、基端部から先端部に延びる少なくとも１つのガス流路を有し、
前記ガス供給管は、前記ガスの供給方向が前記ガス流路の延びる方向と交差するように構成され、
前記燃料電池セルは、互いに間隔をあけて複数配置され、
前記ガス供給室は、前記燃料電池セルの配列方向において、中心より第１端部側の第１領域と、前記中心より第２端部側の第２領域と、を有し、
前記ガス供給管の先端面は、前記第１領域に位置し、
前記ガスの供給方向は、前記側壁のうち前記第１領域を画定する第１側壁部に向かう方向である、
セルスタック装置。

【請求項2】

前記ガス供給管は、前記先端面から前記ガスを供給し、
前記ガス供給管の先端部は、前記ガス流路の延びる方向に対して交差する方向に延びる、
請求項１に記載のセルスタック装置。

【請求項3】

前記ガス供給管の先端部は、前記マニホールド内に配置される、
請求項２に記載のセルスタック装置。

【請求項4】

前記ガス供給管は、前記マニホールド内で前記先端部と連結された本体部をさらに含む、
請求項３に記載のセルスタック装置。

【請求項5】

前記先端面は、前記配列方向において、複数の前記燃料電池セルのうち前記第１端部側に位置する前記燃料電池セルよりも、前記第１端部側に位置する、請求項１から４のいずれかに記載のセルスタック装置。

【請求項6】

前記ガスの供給方向と、前記ガス流路の延びる方向とのなす角度は、０度を超えて１３５度以下である、
請求項１から５のいずれかに記載のセルスタック装置。

【請求項7】

前記マニホールドは、ガス回収室をさらに含み、
前記燃料電池セルは、
前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通する、少なくとも１つの第２ガス流路と、
を有する、
請求項１から６のいずれかに記載のセルスタック装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セルスタック装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

セルスタック装置は、マニホールドと、複数の燃料電池セルと、ガス供給管とを備えている。マニホールドは、各燃料電池セルにガスを供給している。ガス供給管は、マニホールド内にガスを供給する。このようなセルスタック装置として、例えば特許文献１に開示の燃料電池が挙げられる。特許文献１のガス供給管は、マニホールドの内部に配設され、反応ガスを噴出する複数の噴出孔が形成されてなる。また、特許文献１のガス供給管は、各々の噴出孔から噴出される反応ガスをマニホールドの内部に供給する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５４０３３５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のガス供給管は、マニホールドの底壁と間隔をおいて配置されている。すなわち、特許文献１には、ガス供給管をマニホールドの底壁に固定した場合に、反応ガスを均等に供給する技術は開示されていない。マニホールドの底壁からガスを供給する場合にも、各燃料電池セルに対するガス供給量の差は小さい方が好ましい。そこで本発明は、燃料電池セルへのガス供給量の差を低減することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明のある側面に係るセルスタック装置は、マニホールドと、燃料電池セルと、ガス供給管と、を備える。マニホールドは、天壁、側壁及び底壁を有する。燃料電池セルは、天壁から延びる。ガス供給管は、底壁に連結される。また、ガス供給管は、マニホールドのガス供給室にガスを供給する。ガス供給管は、ガスの供給方向がガス流路の延びる方向と交差するように構成される。

【0006】

この構成によれば、マニホールドの底壁にガス供給管が連結されたセルスタック装置において、ガス供給管は、ガスの供給方向がガス流路の延びる方向と交差するように構成されている。このため、底壁から供給されたガスの延長線上に、燃料電池セルのガス流路が延びることを防止できる。すなわち、底壁から供給されたガスが、一部のガス流路に局所的に供給されることを防止できる。したがって、燃料電池セルへのガス供給量の差を低減することができる。

【0007】

なお、燃料電池セルへのガス供給量の差とは、各燃料電池セルへのガス供給量の差と、燃料電池セルの複数のガス流路へのガス供給量の差とを含む。

【0008】

好ましくは、ガス供給管は、先端面からガスを供給する。ガス供給管の先端部は、ガス流路の延びる方向に対して傾斜する方向に延びる。

【0009】

好ましくは、先端部は、マニホールド内に配置される。

【0010】

好ましくは、ガス供給管は、マニホールド内で先端部と連結された本体部をさらに含む。

【0011】

好ましくは、ガス供給管は、先端部と連結された本体部をさらに含む。本体部は、マニホールド内で先端部と連結されている。

【0012】

好ましくは、燃料電池セルは、互いに間隔をあけて複数配置される。ガス供給室は、燃料電池セルの配列方向において、中心より第１端部側の第１領域と、中心より第２端部側の第２領域と、を有する。先端面は、第１領域に位置する。ガスの供給方向は、側壁のうち第１領域を画定する第１側壁部に向かう方向である。

【0013】

好ましくは、先端面は、配列方向において、複数の燃料電池セルのうち第１端部側に位置する燃料電池セルよりも、第１端部側に位置する。

【0014】

好ましくは、ガスの供給方向と、ガス流路の延びる方向とのなす角度は、０度を超えて１３５度以下である。

【0015】

好ましくは、マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を含む。ガス供給室は、ガス供給管からガスが供給される。燃料電池セルは、少なくとも１つの第１ガス流路及び第２ガス流路を有する。第１ガス流路は、ガス供給室と連通し、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、ガス回収室と連通し、燃料電池セルの基端部から先端部に延びて燃料電池セルの先端部において第１ガス流路と連通する。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、燃料電池セルへのガス供給量の差を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】セルスタック装置の斜視図。

【図2】マニホールドの断面図。

【図3】マニホールドの上面図。

【図4】セルスタック装置の断面図。

【図5】燃料電池セルの斜視図。

【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。

【図10】変形例に係るマニホールド及びガス供給管の断面図。

【図11】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】

【0018】

以下、本発明に係るセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、燃料電池セルの一例として固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を用いて説明する。図１はセルスタック装置を示す斜視図、図２はマニホールドの断面図である。なお、図１及び図２において、いくつかの燃料電池セルの記載を省略している。

【0019】

［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。

【0020】

［マニホールド］
図２に示すように、マニホールド２は、燃料電池セル１０にガスを供給するように構成されている。また、マニホールド２は、燃料電池セル１０から排出されたガスを回収するように構成されている。マニホールド２は、ガス供給室２１とガス回収室２２とを有している。ガス供給室２１には、燃料処理器から燃料ガスが供給される。ガス回収室２２は、各燃料電池セル１０にて使用された燃料ガスを回収する。

【0021】

マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。マニホールド本体部２３は、天壁２３１、側壁２３２及び底壁２３３を有している。天壁２３１、側壁２３２及び底壁２３３は、マニホールド本体部２３の内部空間を画定している。

【0022】

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

【0023】

図３及び図４に示すように、天壁２３１は、側壁２３２の上面を塞ぐように、側壁２３２上に配置されている。天壁２３１は、各燃料電池セル１０が取り付けられるように構成されている。詳細には、図３に示すように、マニホールド本体部２３の天壁２３１には、複数の貫通孔２３１ａが形成されている。各貫通孔２３１ａは、マニホールド本体部２３の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔２３１ａは、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各貫通孔２３１ａは、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連通している。なお、各貫通孔２３１ａは、ガス供給室２１と連通する部分とガス回収室２２と連通する部分とに分かれていてもよい。

【0024】

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の略中央部において、マニホールド本体部２３の長さ方向に延びている。仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を完全に仕切っている必要は無く、仕切板２４とマニホールド本体部２３との間に隙間が形成されていてもよい。ガス供給室２１及びガス回収室２２は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に沿って延びる。

【0025】

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

【0026】

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

【0027】

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

【0028】

図２に示すように、ガス供給室２１の底面には、ガス供給口２１１が形成されている。また、ガス回収室２２の底面には、ガス排出口２２１が形成されている。ガス供給口２１１は、第１領域Ｒ１に開口している。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。なお、本実施形態のガス供給口２１１は、第１側壁２３２ａと、間隔を隔てて設けられている。ガス供給口２１１は、第１側壁２３２ａとは、例えば、６ｍｍ以上離隔している。

【0029】

一方、ガス排出口２２１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。ガス供給口２１１及びガス排出口２２１は、天壁２３１に向かって開口している。ガス供給口２１１及びガス排出口２２１は、円形状に形成されている。

【0030】

［燃料電池セル］
図４は、セルスタック装置の断面図を示している。なお、セルスタック装置は、複数の燃料電池セル１０とマニホールド２と燃料ガス供給管７０とオフガス供給管８０とから構成されている。図４に示すように、燃料電池セル１０は、マニホールド２から上方に延びている。燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。

【0031】

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。

【0032】

図４に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４と、複数の発電素子部５と、連通部材３と、を有している。図５に示すように、各発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。なお、第１主面４５に形成される発電素子部５の数と第２主面４６に形成される発電素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。

【0033】

［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。

【0034】

支持基板４の基端部４１は、マニホールド２に取り付けられる。例えば、支持基板４の基端部４１は、接合材などによってマニホールド２の天壁２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、天壁２３１に形成された貫通孔２３１ａに挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、貫通孔２３１ａに挿入されていなくてもよい。このように支持基板４の基端部４１がマニホールド２に取り付けられることによって、支持基板４の基端部４１は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連結している。

【0035】

支持基板４は、複数の第１ガス流路４３と、複数の第２ガス流路４４とを有している。第１ガス流路４３は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第１ガス流路４３は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第１ガス流路４３と、燃料電池セル１０とは、同じ方向に延びる。第１ガス流路４３は、支持基板４を貫通している。各第１ガス流路４３は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１ガス流路４３は、等間隔に配置されていることが好ましい。支持基板４は、長さ方向（ｘ軸方向）よりも幅方向（ｙ軸方向）の寸法の方が長くてもよい。

【0036】

第１ガス流路４３は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第１ガス流路４３は、基端部１０１側において、ガス供給室２１と連通している。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

第２ガス流路４４は、燃料電池セル１０の先端部１０２から基端部１０１に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第２ガス流路４４は、基端部１０１側において、マニホールド２のガス回収室２２と連通している。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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

【0043】

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。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。

【0044】

図５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４に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部４２に取り付けられている。そして、連通部材３は、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを連通させる連通流路３０を有している。詳細には、連通流路３０は、各第１ガス流路４３と各第２ガス流路４４とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４３から各第２ガス流路４４まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路３０の数は、第１ガス流路４３の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路３０のみによって、複数の第１ガス流路４３と複数の第２ガス流路４４とが連通されている。

【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】

［燃料ガス供給管］
図４に示すように、燃料ガス供給管７０は、マニホールド２の底壁２３３に連結されている。詳細には、燃料ガス供給管７０は、底壁２３３に設けられたガス供給口２１１に挿入されている。燃料ガス供給管７０は、溶接、接合材などによって、底壁２３３に固定されている。そして、燃料ガス供給管７０のガス流路と、マニホールド２のガス供給室２１とが連通している。

【0064】

燃料ガス供給管７０は、マニホールド２のガス供給室２１に燃料ガスを供給する。燃料ガス供給管７０は、ガスの供給方向Ｄ１が第１ガス流路４３の延びる方向Ｄ２と交差するように構成されている。本実施形態のガスの供給方向Ｄ１は、底壁２３３に沿った方向（ｙｚ平面）である。ガスの供給方向Ｄ１は、図４ではマニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）であるが、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）であってもよい。燃料ガス供給管７０から供給された燃料ガスは、天壁２３１、側壁２３２などの部材に衝突してから、第１ガス流路４３に供給される。

【0065】

燃料ガス供給管７０は、本体部７１及び先端部７２を含む。本体部７１及び先端部７２は、１つの部材によって構成されてもよく、複数の部材によって構成されてもよい。

【0066】

本体部７１は、第１ガス流路４３の延びる方向Ｄ２と同じ方向に延びる。本体部７１の一部は、第１ガス流路４３の延びる方向Ｄ２と交差する方向に延びてもよい。本体部７１の一端部は、改質器などの燃料処理器（図示せず）と連結される。燃料処理器は、マニホールド２のガス供給室２１に供給される燃料ガスを生成する。本体部７１の他端部は、先端部７２と連結される。本実施形態の本体部７１は、マニホールド２内で先端部７２と連結されている。

【0067】

燃料ガス供給管７０は、先端面７３からガスを供給する。詳細には、燃料ガス供給管７０の先端面７３は開口しており、この先端面７３からガスが排出される。先端部７２は、先端面７３を有する。先端部７２は、マニホールド２内に配置される。先端部７２は、第１ガス流路４３の延びる方向Ｄ２に対して交差する方向に延びる。すなわち、先端部７２の延長線上に燃料電池セル１０の第１ガス流路４３が延びていない。

【0068】

燃料電池セル１０と同じ方向に延びる本体部７１の他端部と、燃料電池セル１０と異なる方向に延びる先端部７２とは、マニホールド２内に位置する。マニホールド２内に位置する本体部７１の長さＬ１は、０．１〜５０ｍｍ程度とすることができる。先端部７２の長さＬ２は、３〜２００ｍｍ程度とすることができる。先端部７２と底壁２３３とは、離隔している。先端面７３のｘ軸方向の高さＬ３は、０．５〜５５ｍｍ程度とすることができる。先端面７３のｘ軸方向の高さＬ３は、ガスを供給する先端面７３の開口と、底壁２３３の内側面とのｘ軸方向の最短距離である。

【0069】

本実施形態の先端部７２は、曲線的に延びる部分を有する。すなわち、先端部７２は、Ｒ形状を有する。図４において、先端部７２の底壁２３３側の曲率半径は、４．５〜４０ｍｍ程度とすることができる。先端部７２の天壁２３１側の曲率半径は、７．５〜５５ｍｍ程度とすることができる。また、マニホールド２の側壁２３２の高さに対する、先端部７２の天壁２３１側の曲率半径の比は、０．１３〜０．９３程度とすることができる。

【0070】

ガスの供給方向Ｄ１と、第１ガス流路４３の延びる方向Ｄ２とのなす角度θは、０度を含まない。詳細には、燃料ガス供給管７０の先端面７３と、最短距離の燃料電池セル１０の第１ガス流路４３とは、一直線上に位置しない。このため、燃料ガス供給管７０から供給された燃料ガスは、他の部材に衝突せずにそのまま第１ガス流路４３に供給されることを防止できる。角度θは、０度を超えて１８０度未満であり、好ましくは４５度以上１３５度以下であり、より好ましくは９０度近傍である。図４のガスの供給方向Ｄ１は、底壁２３３に向かうベクトルを有しない。

【0071】

先端面７３は、第１領域Ｒ１（図２参照）に位置する。本実施形態では、燃料ガス供給管７０の連結位置であるガス供給口２１１は、第１領域Ｒ１に位置する。ガスの供給方向Ｄ１は、側壁のうち第１領域Ｒ１を画定する第１側壁部に向かう方向である。本実施形態では、燃料ガス供給管７０の先端部７２は、第１側壁部に向かって傾斜する。この場合、燃料ガス供給管７０からガス供給室２１に導入された燃料ガスは、第１側壁部に向かい、第１側壁部に衝突して、その流速を低減させる。流速を低減したガスが、第１ガス流路４３に到達する。このため、各第１ガス流路４３に供給される燃料ガスの流速のばらつきが抑制される。この観点から、ガスの供給方向Ｄ１は、先端面７３に最も近い第１側壁２３２ａに向かう方向であることが好ましい。すなわち、先端部７２は、第１側壁２３２ａに向けて傾斜していることが好ましい。

【0072】

燃料ガス供給管７０からマニホールド２の内部空間に供給するガスの流速は、ガス供給口２１１において、０．１〜４５ｍ／ｓ程度とすることが好ましい。なお、この流速は、燃料電池セル１０の発電時、０℃・１ａｔｍ換算における流速である。流速は、ガス供給口２１１に導入される流量とガス供給口２１１の断面積とから算出することができる。

【0073】

［オフガス供給管］
オフガス供給管８０は、マニホールド２の底壁２３３に連結されている。詳細には、オフガス供給管８０は、底壁２３３に設けられたガス排出口２２１に取り付けられている。そして、オフガス供給管８０の流路と、マニホールド２のガス回収室２２とが連通している。燃料ガス供給管７０は、ガス回収室２２からのオフガスを排出する。

【0074】

オフガス供給管８０は、第２ガス流路４４の延びる方向Ｄ２と同じ方向に延びる。オフガス供給管８０の一部は、第２ガス流路４４の延びる方向Ｄ２と交差する方向に延びてもよい。オフガス供給管８０の一端部は、燃料処理器（図示せず）と連結される。燃料処理器は、オフガスを燃焼する燃焼部を有している。オフガス供給管８０の他端部は、ガス排出口２２１と連結される。本実施形態のオフガス供給管８０は、マニホールド２内に突出していない。

【0075】

本実施形態のオフガス供給管８０の外径は、燃料ガス供給管７０の外径よりも大きい。また、オフガス供給管８０の内径は、燃料ガス供給管７０の内径よりも大きい。

【0076】

［発電方法］
上述したように構成されたセルスタック装置１００では、燃料処理器によって生成された燃料ガスをマニホールド２のガス供給室２１に供給するとともに、燃料電池セル１０を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極８において下記（１）式に示す化学反応が起こり、燃料極６において下記（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

【0077】

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。

【0078】

［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。

【0079】

変形例１
上記実施形態では、ガス供給管はマニホールドに燃料ガスを供給するが、空気などの酸素を含むガスを供給してもよい。

【0080】

変形例２
上記実施形態では、ガスの供給方向Ｄ１と、第１ガス流路４３の延びる方向Ｄ２とのなす角度は９０度であったが、０度でなければ、これに限定されない。例えば、図７に示すように、ガスの供給方向Ｄ１は、天壁２３１に向かうベクトルを有してもよい。詳細には、ガスの供給方向Ｄ１と、第１ガス流路４３の延びる方向Ｄ２とのなす角度θは、例えば０度を超えて４５度以下である。

【0081】

変形例３
上記実施形態及び変形例２では、燃料ガス供給管７０の先端部７２は曲線的に延びているが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、先端部７２は、直線的に延びてもよい。この場合、本体部７１と先端部７２との境界部の内側面及び外側面は、Ｒ形状であってもよい。

【0082】

変形例４
上記実施形態では、燃料ガス供給管７０の先端面７３から燃料ガスが供給されるが、これに限定されない。例えば、燃料ガス供給管７０の先端部７２は、燃料ガスを排出する１または複数の孔を有してもよい。

【0083】

変形例５
上記実施形態では、燃料ガス供給管７０の先端部７２及び本体部７１の一部がマニホールド内に配置されているが、これに限定されない。例えば、燃料ガス供給管７０の先端部７２が、マニホールド２の底壁２３３に連結されてもよい。また、例えば、先端部７２がマニホールド２内に配置され、本体部７１の他端が底壁２３３に連結されてもよい。この場合、図４における長さＬ１は０である。先端部７２の少なくとも一部は、底壁２３３に当接してもよい。

【0084】

変形例６
上記実施形態では、マニホールド２のガス供給口２１１が第１領域Ｒ１に形成されているが、これに限定されない。すなわち、上記実施形態では、燃料ガス供給管７０の連結位置であるガス供給口２１１が第１領域Ｒ１に位置し、ガスの供給方向Ｄ１は、ガス供給口２１１が位置する第１領域Ｒ１を画定する第１側壁部に向かう方向であるが、これに限定されない。例えば、ガス供給口２１１の一部または全部が第２領域Ｒ２に位置してもよい。なお、ガス供給口２１１は、ガス供給室２１の配列方向の中心Ｃに位置してもよい。ガス供給口２１１の位置によらず、先端面７３は、第１領域Ｒ１に位置し、ガスの供給方向Ｄ１は、先端面７３が位置する第１領域Ｒ１を画定する第１側壁部に向かうことが好ましい。先端面７３の位置は、例えば先端部７２を第１側壁部に向けて延在する形状にすることによって、任意に調整できる。一例として、ガス供給口２１１は中心Ｃに位置し、マニホールド２内に配置された先端部７２は第１側壁２３２ａに向けて配列方向（ｚ軸方向）に延在する形状であり、先端面７３は第１側壁２３２ａに向かって開口する。

【0085】

また別の例として、図１０に示すように、ガス供給口２１１は、複数の燃料電池セル１０のうち、配列方向（ｚ軸方向）において第１端部２０１側に位置する燃料電池セル１０（図１０の第１端部セル１０ａ）よりも、第２端部２０２側に形成されている。マニホールド２内に配置された先端部７２は、ガス供給口２１１から第１側壁２３２ａに向けて配列方向に延在する。先端面７３は、第１端部セル１０ａよりも第１端部２０１側に位置する。

【0086】

なお、図１０では、先端面７３は第１側壁２３２ａに向かって開口するが、先端面７３は、第２側壁２３２ｂにおける第１端部２０１側の部分、または、仕切板２４における第１端部２０１側の部分に向かって開口してもよい。

【0087】

変形例７
上記実施形態では、マニホールド２の底壁２３３に、ガス排出口２２１が形成されているが、ガス排出口２２１の形成位置はこれに限定されない。例えば、ガス排出口２２１は、マニホールド２の側壁２３２に形成されていてもよいし、マニホールド２の天壁２３１に形成されていてもよい。

【0088】

変形例８
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９に示すように、支持基板４が、内部に連通流路３０を有していてもよい。この場合、セルスタック装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この支持基板４内に形成された連通流路３０によって、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とが連通されている。

【0089】

変形例９
図１１に示すように、支持基板４は、第１支持基板４ａと第２支持基板４ｂとに分かれていてもよい。この場合、第１支持基板４ａに第１ガス流路４３が形成され、第２支持基板４ｂに第２ガス流路４４が形成される。

【0090】

変形例１０
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。

【0091】

変形例１１
上記実施形態のマニホールド２では、１つのマニホールド本体部２３を仕切板２４で仕切ることによって、ガス供給室２１とガス回収室２２とを画定しているが、マニホールド２の構成はこれに限定されない。例えば、２つのマニホールド本体部２３によってマニホールド２を構成することもできる。この場合、１つのマニホールド本体部２３がガス供給室２１を有し、別のマニホールド本体部２３がガス回収室２２を有している。また、ガス回収室２２は、省略されてもよい。

【0092】

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

【0093】

変形例１３
上記実施形態の燃料電池セル１０は、各発電素子部５が支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている、いわゆる横縞型の燃料電池セルであるが、燃料電池セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、支持基板４の第１主面４５に１つの発電素子部５が支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。この場合、支持基板４の第２主面４６に一つの発電素子部５が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。

【0094】

変形例１４
上記実施形態では、マニホールド２は、複数の燃料電池セル１０を支持しているが、１つの燃料電池セル１０を支持してもよい。この場合、燃料電池セルは、複数のガス流路を有している。

【0095】

変形例１５
上記実施形態では、燃料電池セル１０は、複数のガス流路を有しているが、これに限定されない。例えば、マニホールド２は、ガス供給室からなり、燃料電池セル１０は、１つのガス流路を有してもよい。この場合、セルスタック装置は、複数の燃料電池セルを支持する。

【符号の説明】

【0096】

２ マニホールド
１０ 燃料電池セル
２１ ガス供給室
２２ ガス回収室
７０ ガス供給管

【要約】

【課題】燃料電池セルへのガス供給量の差を低減するセルスタック装置を提供する。
【解決手段】セルスタック装置は、マニホールド２と、燃料電池セル１０と、ガス供給管７０と、を備える。マニホールド２は、天壁２３１、側壁２３２及び底壁２３３を有する。燃料電池セル１０は、天壁２３１から延びる。ガス供給管８０は、底壁２３３に連結され、かつマニホールド２のガス供給室２１にガスを供給する。ガス供給管７０は、ガスの供給方向Ｄ１が第１ガス流路４３の延びる方向Ｄ２と交差するように構成される。
【選択図】図４

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】