特開 2022-104068 電気化学セルスタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022104068

(43)【公開日】2022-07-08

(54)【発明の名称】電気化学セルスタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2483 20160101AFI20220701BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20220701BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2483

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020219058

(22)【出願日】2020-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100132045

【弁理士】

【氏名又は名称】坪内 伸

(72)【発明者】

【氏名】内 一隆

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA12

5H126AA23

5H126BB04

5H126BB05

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE11

5H126EE22

5H126JJ03

(57)【要約】

【課題】燃料ガスや酸化剤ガスの流れの均一化を図り、発電効率を向上させることができる。
【解決手段】電気化学セルスタック１０では板状の電気化学セル１１を積層させる。電気化学セル１１は燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する。電気化学セル１１の積層方向における一方の第１の外面Ｓ１に燃料ガスの入口１３が位置する。第１の外面Ｓ１の裏側の第２の外面Ｓ２に燃料ガスの出口１４が位置する。第１の外面Ｓ１及び第２の外面Ｓ２の一方の酸化剤ガスの入口１５が位置し他方に酸化剤ガスの出口１６が位置する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する板状の電気化学セルを積層させた電気化学セルスタックであって、
前記電気化学セルの積層方向における一方の第１の外面に燃料ガスの入口が位置し、該第１の外面の裏側の第２の外面に燃料ガスの出口が位置し
前記第１の外面及び前記第２の外面の一方に酸化剤ガスの入口が位置し、他方に酸化剤ガスの出口が位置する
電気化学セルスタック。

【請求項2】

請求項１に記載の電気化学セルスタックにおいて、
前記燃料ガスの入口及び前記燃料ガスの出口は、前記積層方向に垂直な任意の一方向における前記電気化学セルスタックの両端に位置し、
前記酸化剤ガスの入口及び前記酸化剤ガスの出口は、前記積層方向に垂直な任意の一方向における前記電気化学セルスタックの両端に位置する
電気化学セルスタック。

【請求項3】

請求項２に記載の電気化学セルスタックにおいて、
前記酸化剤ガスの入口は、前記積層方向から見て、前記燃料ガスの入口及び前記燃料ガスの出口を結ぶ線分の中心よりも該燃料ガスの入口側に位置する
電気化学セルスタック。

【請求項4】

請求項３に記載の電気化学セルスタックにおいて、
前記積層方向から見て、前記燃料ガスの入口及び前記燃料ガスの出口を結ぶ線分と、前記酸化剤ガスの入口及び酸化剤ガスの出口を結ぶ線分とが交差する
電気化学セルスタック。

【請求項5】

請求項３に記載の電気化学セルスタックにおいて、
前記積層方向から見て、前記燃料ガスの入口及び前記燃料ガスの出口を結ぶ線分の延長線と、前記酸化剤ガスの入口及び酸化剤ガスの出口を結ぶ線分の延長線とが交差する関係又は平行な関係である
電気化学セルスタック。

【請求項6】

請求項２に記載の電気化学セルスタックにおいて、
前記積層方向から見て、前記燃料ガスの入口及び前記燃料ガスの出口を結ぶ線分と、前記酸化剤ガスの入口及び酸化剤ガスの出口を結ぶ線分とが交点において交差し、
前記積層方向から見た、前記燃料ガスの入口及び前記交点を結ぶ線分と、前記酸化剤ガスの入口及び前記交点を結ぶ線分との間の角度が４５°を超え、１３５°未満である
電気化学セルスタック。

【請求項7】

請求項１に記載の電気化学セルスタックにおいて、
前記燃料ガスの入口及び前記燃料ガスの出口の組、並びに前記酸化剤ガスの入口及び前記酸化剤ガスの出口の組の少なくとも一方において、積層方向における入口側に位置する少なくとも１つの電気化学セルの流路は入口に連結され、積層された全電気化学セルの流路は前記積層方向から見て該入口とは異なる位置で内部流路に連結され、前記全電気化学セルの中で該入口に連結された電気化学セル以外の電気化学セルの流路は前記積層方向から見て前記内部流路とは異なる位置で出口に連結される
電気化学セルスタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電気化学セルスタックに関するものである。

【背景技術】

【0002】

燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池が知られている。燃料電池では、発電の最小単位となる電気化学セルを積層させた電気化学セルスタックとして組込まれる（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－２２５０７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

発電効率を向上させるためには、積層させた複数の電気化学セルの間で、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを均一化させることが好ましい。しかし、流れの均一化は難しかった。

【0005】

従って、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを均一化させ、発電効率を向上させた電気化学セルスタックを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による電気化学セルスタックは、
燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する板状の電気化学セルを積層させた電気化学セルスタックであって、
前記電気化学セルの積層方向における一方の第１の外面に燃料ガスの入口が位置し、該第１の外面の裏側の第２の外面に燃料ガスの出口が位置し
前記第１の外面及び前記第２の外面の一方に酸化剤ガスの入口が位置し、他方に酸化剤ガスの出口が位置する。

【発明の効果】

【0007】

上記のように構成された本開示に係る電気化学セルスタックによれば、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを均一化させ、発電効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施形態に係る電気化学セルスタックの斜視図である。

【図2】図１の電気化学セルスタックの上面図である。

【図3】図１の電気化学セルの厚さ方向に沿った断面図である。

【図4】図３におけるＩＶ―ＩＶ線に沿った電気化学セルの断面図である。

【図5】図３におけるＶ―Ｖ線に沿った電気化学セルの断面図である。

【図6】ガスの入口及び出口を同じ面に位置させる電気化学セルスタックにおけるガスの流路を説明するための概念図である。

【図7】第２の実施形態に係る電気化学セルスタックの斜視図である。

【図8】図７の電気化学セルスタックの上面図である。

【図9】第３の実施形態に係る電気化学セルスタックの斜視図である。

【図10】図９の電気化学セルスタックの上面図である。

【図11】第４の実施形態に係る電気化学セルスタックの斜視図である。

【図12】図１１の電気化学セルスタックの上面図である。

【図13】図１１の入口側電気化学セルの厚さ方向に沿った断面図である。

【図14】図１３におけるＸＩＶ―ＸＩＶ線に沿った入口側電気化学セルの断面図である。

【図15】図１３におけるＸＶ―ＸＶ線に沿った入口側電気化学セルの断面図である。

【図16】図１１の出口側電気化学セルの厚さ方向に沿った断面図である。

【図17】図１６におけるＸＶＩＩ―ＸＶＩＩ線に沿った出口側電気化学セルの断面図である。

【図18】図１６におけるＸＶＩＩＩ―ＸＶＩＩＩ線に沿った出口側電気化学セルの断面図である。

【図19】図１１の電気化学セルスタック内の燃料ガスの流れを説明するための概念図である。

【図20】図１１の電気化学セルスタック内の酸化剤ガスの流れを説明するための概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示を適用した電気化学セルスタックの実施形態について、図面を参照して説明する。

【0010】

図１に示すように、本開示の第１の実施形態に係る電気化学セルスタック１０は、複数の板状の電気化学セル１１を積層させることにより構成される。積層させた電気化学セル１１は、積層方向における両端から第１のエンドプレート１２ａ及び第２のエンドプレート１２ｂにより挟まれていてよい。

【0011】

電気化学セルスタック１０の積層方向から見た形状は、例えば、矩形、六角形、円形等の任意の形状であってよい。第１の実施形態において、電気化学セルスタック１０の積層方向から見た形状は、矩形である。

【0012】

積層方向における一方の第１の外面Ｓ１に燃料ガスの入口１３が位置する。第１の外面Ｓ１の積層方向における裏側の第２の外面Ｓ２に燃料ガスの出口１４が位置する。電気化学セルスタック１０では、第１の外面Ｓ１及び第２の外面Ｓ２の一方に酸化剤ガスの入口１５が位置し、他方に酸化剤ガスの出口１６が位置する。第１の実施形態においては、第１の外面Ｓ１に酸化剤ガスの入口１５が位置し、第２の外面Ｓ２に酸化剤ガスの出口１６が位置する。

【0013】

図２に示すように、燃料ガスの入口１３及び燃料ガスの出口１４は、積層方向に垂直な任意の一方向（図２における上下方向）における電気化学セルスタック１０の両端に位置してよい。酸化剤ガスの入口１５及び酸化剤ガスの出口１６は、積層方向に垂直な任意の一方向（図２における上下方向）における電気化学セルスタック１０の両端に位置してよい。

【0014】

燃料ガスの入口１３及び燃料ガスの出口１４は、第１の外面Ｓ１の外縁が互いに平行な２辺を含む構成においては、それぞれ当該２辺の近傍に位置してよい。酸化剤ガスの入口１５及び酸化剤ガスの出口１６は、積層方向から見て、それぞれ当該２辺の近傍に位置してよい。

【0015】

酸化剤ガスの入口１５は、積層方向から見て、燃料ガスの入口１３及び燃料ガスの出口１４を結ぶ線分の中心よりも燃料ガスの入口１３側に位置してよい。なお、本願明細書において、入口及び出口を結ぶ線分は、入口及び出口の中心を結ぶ線分であってよい。酸化剤ガスの出口１６は、積層方向から見て、燃料ガスの入口１３及び燃料ガスの出口１４を結ぶ線分の中心よりも燃料ガスの出口１４側に位置してよい。

【0016】

積層方向から見て、燃料ガスの入口１３及び燃料ガスの出口１４を結ぶ線分と、酸化剤ガスの入口１５及び酸化剤ガスの出口１６を結ぶ線分とが交差してよい。例えば、積層方向から見て、燃料ガスの入口１３及び燃料ガスの出口１４を結ぶ線分は、第１の外面Ｓ１の外縁において燃料ガスの入口１３の近傍の一辺に対して傾斜していてよい。積層方向から見て、酸化剤ガスの入口１５及び酸化剤ガスの出口１６を結ぶ線分は、第１の外面Ｓ１の外縁において酸化剤ガスの入口１５近傍の一辺に対して傾斜していてよい。

【0017】

電気化学セルスタック１０は、電池装置の一部として、積層方向が地表における鉛直方向に平行になるように設置されてよい。積層方向が鉛直方向に平行になるように設置される構成においては、更に、第１の面が鉛直下方を向くように設置されることが好ましい。または、電気化学セルスタック１０は、電池装置の一部として、積層方向が地表において水平になるように設置されてよい。積層方向が水平になるように設置される構成においては、更に、燃料ガスの出口１４及び酸化剤ガスの出口１６が、燃料ガスの入口１３及び酸化剤ガスの入口１５よりも上方に位置するように設置されてよい。

【0018】

図３に示すように、電気化学セル１１では、板状の電解質膜１７が、両板面側から、燃料極１８及び空気極１９を介して２枚のインターコネクタ２０に挟持されてよい。２枚のインターコネクタ２０の間は、フレーム２１により密封されてよい。

【0019】

電気化学セル１１は、固体酸化物形燃料電池、固体高分子形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池であってよい。燃料極１８及び空気極１９は、それぞれの方式に適した材料が用いられてよく、それぞれの方式に適した構造を有してよい。

【0020】

インターコネクタ２０は、例えば、金属製の板状であり、電気化学セル１１の板面と同じ形状であってよい。インターコネクタ２０には、板面に平行な複数の畝部２２が設けられてよい。インターコネクタ２０は、畝部２２を介して燃料極１８に接触してよい。インターコネクタ２０は、畝部２２を介して空気極１９に接触してよい。

【0021】

フレーム２１は、電気絶縁性を有する材料により形成されてよい。フレーム２１は、インターコネクタ２０の板面の外縁に沿った枠状であってよい。フレーム２１は、２枚のインターコネクタ２０の畝部２２が設けられた面を互いに対向させた状態で、当該２枚のインターコネクタ２０の外縁近傍において板面に密着してよい。

【0022】

図４、５に示すように、フレーム２１には、インターコネクタ２０とともに、第１の燃料ガス通過孔２３、第２の燃料ガス通過孔２４、第１の酸化剤ガス通過孔２５、及び第２の酸化剤ガス通過孔２６が形成されてよい。第１の燃料ガス通過孔２３、第２の燃料ガス通過孔２４、第１の酸化剤ガス通過孔２５、及び第２の酸化剤ガス通過孔２６は、フレーム２１の厚さ方向、言換えると、枠の軸方向に平行で貫通していてよい。

【0023】

図３に示すように、電解質膜１７、インターコネクタ２０、及びフレーム２１により、燃料極１８側に燃料ガス室ＦＲが画定される。また、電解質膜１７、インターコネクタ２０、及びフレーム２１により、空気極１９側に酸化剤ガス室ＯＲが画定される。図４に示すように、フレーム２１の一部に孔が形成されることにより、燃料ガス室ＦＲと、第１の燃料ガス通過孔２３及び第２の燃料ガス通過孔２４とが連通してよい。図５に示すように、フレーム２１の一部に孔が形成されることにより、酸化剤ガス室ＯＲと、第１の酸化剤ガス通過孔２５及び第２の酸化剤ガス通過孔２６とが連通してよい。

【0024】

電気化学セル１１は、各電気化学セル１１の第１の燃料ガス通過孔２３が連続し、各電気化学セル１１の第２の燃料ガス通過孔２４が連続し、各電気化学セル１１の第１の酸化剤ガス通過孔２５が連続し、各電気化学セル１１の第２の酸化剤ガス通過孔２６が連続するように、積層されてよい。図１に示すように、このように積層させることにより、全電気化学セル１１の第１の燃料ガス通過孔２３により、積層方向に平行な燃料ガス供給孔２７が形成されてよい。また、全電気化学セル１１の第１の酸化剤ガス通過孔２５により、積層方向に平行な酸化剤ガス供給孔２８が形成されてよい。また、全電気化学セル１１の第２の燃料ガス通過孔２４により、積層方向に平行な燃料ガス排出孔２９が形成されてよい。また、全電気化学セル１１の第２の酸化剤ガス通過孔２６により、積層方向に平行な酸化剤ガス排出孔３０が形成されてよい。

【0025】

第１のエンドプレート１２ａは、第１の外面Ｓ１側に位置してよい。第２のエンドプレート１２ｂは、第２の外面Ｓ２側に位置してよい。第１のエンドプレート１２ａには、孔状の燃料ガスの入口１３と、酸化剤ガスの入口１５及び酸化剤ガスの出口１６の一方とが形成されてよい。第２のエンドプレート１２ｂには、孔状の燃料ガスの出口１４と、酸化剤ガスの入口１５及び酸化剤ガスの出口１６の他方とが形成されてよい。前述のように、第１の実施形態においては、第１のエンドプレート１２ａに酸化剤ガスの入口１５が形成され、第２のエンドプレート１２ｂに酸化剤ガスの出口１６が形成される。

【0026】

燃料ガスの入口１３及び燃料ガス供給孔２７は連続してよい。燃料ガスの出口１４及び燃料ガス排出孔２９は連続してよい。酸化剤ガスの入口１５及び酸化剤ガス供給孔２８は連続してよい。酸化剤ガスの出口１６及び酸化剤ガス排出孔３０は連続してよい。

【0027】

燃料ガスの入口１３から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給孔２７を介して各燃料ガス室ＦＲに流入してよい。酸化剤ガスの入口１５から供給される酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔２８を介して各酸化剤ガス室ＯＲに流入してよい。各電気化学セル１１の燃料ガス室ＦＲに供給される燃料ガス及び各電気化学セル１１の酸化剤ガス室ＯＲに供給される酸化剤ガスの電気化学反応により、各電気化学セル１１は発電する。

【0028】

以上のような構成の第１の実施形態の電気化学セルスタック１０では、第１の外面Ｓ１に燃料ガスの入口１３が位置し、第２の外面Ｓ２に燃料ガスの出口１４が位置し、第１の外面Ｓ１及び第２の外面Ｓ２の一方に酸化剤ガスの入口１５が位置し、他方に酸化剤ガスの出口１６が位置する。例えば、一般的な電気化学セルスタックにおいて、燃料ガス及び酸化剤ガスそれぞれの入口及び出口を同一の面に位置させることが考えられる。そのような構造においては、図６に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスは入口ＩＮから積層方向の一方向に向かって流れ、各電気化学セル１１’内を積層方向に垂直な方向に流れ、積層方向の逆方向に向かって折返して流れて、出口ＯＵＴから排出される。これに対し、第１の実施形態の電気化学セルスタック１０は、燃料ガス及び酸化剤ガスそれぞれは、積層方向において一方向に流れるため、燃料ガス及び酸化剤ガスが効率よく全体に行きわたり得るので、発電効率を向上させ得る。

【0029】

また、第１の実施形態の電気化学セルスタック１０では、第１の外面Ｓ１に燃料ガスの入口１３及び酸化剤ガスの入口１５が位置し、第２の外面Ｓ２に燃料ガスの出口１４及び酸化剤ガスの出口１６が位置する。このような構成により、電気化学セルスタック１０は、積層方向が鉛直方向に平行且つ第１の外面Ｓ１が鉛直下方に位置するように配置した場合、燃料ガス及び酸化剤ガスは鉛直下方から上方に一方向に流れる。したがって、電気化学セルスタック１０は、複数の電気化学セル１１の間で、圧力損失を低減し得る。その結果、電気化学セルスタック１０は積層された複数の電気化学セル１１間のガスの到達量の差を低減し得る。特に積層数が大きい場合、一般的な電気化学セルスタックにおいては、燃料ガス、酸化剤ガスともに、入口ＩＮ及び出口ＯＵＴから離れた電気化学セル１１’にはガスが到達しにくい。そのため、一般的な電気化学セルスタックでは、新しいガスが入らず古いガスが滞留することによる性能バラツキ、寿命バラツキが生じ得た。一方で、上述の構成を有する電気化学セルスタック１０は、複数の電気化学セル１１の間で、ガスの到達量の差を低減し得ることにより、性能バラツキ及び寿命バラツキの発生を低減し、発電効率を向上できる。

【0030】

また、第１の実施形態の電気化学セルスタック１０では、燃料ガスの入口１３及び出口１４は積層方向に垂直な任意の一方向における電気化学セルスタック１０の両端に位置し、酸化剤ガスの入口１５及び出口１６は、積層方向に垂直な任意の一方向における電気化学セルスタック１０の両端に位置する。このような構成により、電気化学セルスタック１０は、各電気化学セル１１において、燃料ガスを燃料ガス室ＦＲ全体に、酸化剤ガスを酸化剤ガス室全体に行きわたらせることができるので、発電効率を向上させ得る。

【0031】

また、第１の実施形態の電気化学セルスタック１０では、酸化剤ガスの入口１５は、積層方向から見て、燃料ガスの入口１３及び出口１４を結ぶ線分の中心よりも燃料ガスの入口１３側に位置する。それにより、電気化学セルスタック１０は、高温の燃料ガス及び酸化剤ガスは下方から上方に流れる距離を長くできるため、複数の電気化学セル１１の間で、より圧力損失が低減し、より発電効率を向上させ得る。

【0032】

また、第１の実施形態の電気化学セルスタック１０では、積層方向から見て、電気化学セルスタック１０の平行な２辺の一方の辺の近傍に燃料ガスの入口１３及び酸化剤ガスの入口１５が位置し、他方の辺の近傍に燃料ガスの出口１４及び酸化剤ガスの出口１６が位置する。このような構成により、電気化学セルスタック１０は、積層方向が水平方向に平行且つ燃料ガスの入口１３及び酸化剤ガス１３の近傍の辺が鉛直下方に位置するように配置した場合、燃料ガス及び酸化剤ガスは鉛直下方から上方に一方向に流れる。したがって、電気化学セルスタック１０は、複数の電気化学セル１１の間で、圧力損失を低減し得る。

【0033】

また、第１の実施形態の電気化学セルスタック１０では、積層方向から見て、燃料ガスの入口１３及び出口１４を結ぶ線分と、酸化剤ガスの入口１５及び出口１６を結ぶ線分とが交差する。このような構成により、電気化学セルスタック１０は、燃料ガスを燃料ガス室ＦＲ全体に、酸化剤ガスを酸化剤ガス室全体により行きわたらせることができるので、発電効率を更に向上させ得る。

【0034】

次に、本開示の第２の実施形態に係る電気化学セルスタックについて説明する。第２の実施形態では、燃料ガスの入口及び出口と、酸化剤ガスの入口及び出口との位置が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成を有する部位には同じ符号を付す。

【0035】

図７に示すように、第２の実施形態の電気化学セルスタック１００において、第１の実施形態と類似して、積層方向における一方の第１の外面Ｓ１に燃料ガスの入口１３０が位置する。また、第２の外面Ｓ２に燃料ガスの出口１４が位置する。第２の実施形態においては、第１の実施形態と異なり、第１の外面Ｓ１に酸化剤ガスの出口１６０が位置し、第２の外面Ｓ２に酸化剤ガスの入口１５０が位置する。

【0036】

図８に示すように、燃料ガスの入口１３０及び燃料ガスの出口１４は、第１の実施形態と類似して、積層方向に垂直な任意の一方向（図８における上下方向）における電気化学セルスタック１０の両端に位置してよい。第１の実施形態に類似して、酸化剤ガスの入口１５０及び酸化剤ガスの出口１６０は、積層方向に垂直な任意の一方向（図８における上下方向）における電気化学セルスタック１００の両端に位置してよい。

【0037】

酸化剤ガスの入口１５０は、第１の実施形態に類似して、積層方向から見て、燃料ガスの入口１３０及び燃料ガスの出口１４を結ぶ線分の中心よりも燃料ガスの入口１３０側に位置してよい。酸化剤ガスの出口１６０は、第１の実施形態に類似して、積層方向から見て、燃料ガスの入口１３０及び燃料ガスの出口１４を結ぶ線分の中心よりも燃料ガスの出口１４側に位置してよい。

【0038】

第１の実施形態と異なり、積層方向から見て、燃料ガスの入口１３０及び燃料ガスの出口１４を結ぶ線分と、酸化剤ガスの入口１５０及び酸化剤ガスの出口１６０を結ぶ線分とが交差しない。言換えると、積層方向から見て、燃料ガスの入口１３０及び燃料ガスの出口１４を結ぶ線分の延長線と、酸化剤ガスの入口１５０及び酸化剤ガスの出口１６０を結ぶ線分の延長線とが交差する関係、又は平行な関係である。

【0039】

電気化学セルスタック１００は、電池装置の一部として、積層方向が地表に対して水平になるように設置されてよい。積層方向が水平になるように設置される構成においては、更に、燃料ガスの出口１４及び酸化剤ガスの出口１６０が、燃料ガスの入口１３０及び酸化剤ガスの入口１５０よりも上方に位置するように設置されてよい。

【0040】

以上のような構成の第２の実施形態の電気化学セルスタック１００では、第１の実施形態と類似して、第１の外面Ｓ１に燃料ガスの入口１３０が位置し、第２の外面Ｓ２に燃料ガスの出口１４が位置し、第１の外面Ｓ１及び第２の外面Ｓ２の一方に酸化剤ガスの入口１５０が位置し、他方に酸化剤ガスの出口１６０が位置する。したがって、電気化学セルスタック１００は、第１の実施形態と類似して、燃料ガス及び酸化剤ガスが効率よく全体に行き亘り得るので、発電効率を向上させ得る。

【0041】

また、第２の実施形態の電気化学セルスタック１００では、第１の実施形態に類似して、燃料ガスの入口１３０及び出口１４は積層方向に垂直な任意の一方向における電気化学セルスタック１００の両端に位置し、酸化剤ガスの入口１５０及び出口１６０は、積層方向に垂直な任意の一方向における電気化学セルスタック１０の両端に位置する。したがって、電気化学セルスタック１００は、各電気化学セル１１において、燃料ガスを燃料ガス室ＦＲ全体に、酸化剤ガスを酸化剤ガス室全体に行きわたらせることができるので、発電効率を向上させ得る。

【0042】

また、第２の実施形態の電気化学セルスタック１００では、酸化剤ガスの入口１５０は積層方向から見て燃料ガスの入口１３０及び燃料ガスの出口１４を結ぶ線分の中心よりも燃料ガスの入口１３０側に位置し、積層方向から見て、燃料ガスの入口１３０及び燃料ガスの出口１４を結ぶ線分の延長線と、酸化剤ガスの入口１５０及び酸化剤ガスの出口１６０を結ぶ線分の延長線とが交差する関係又は平行な関係である。このような構成により、電気化学セルスタック１００は、燃料ガスの入口１３０及び燃料ガスの出口１４と、酸化剤ガスの入口１５０及び酸化剤ガスの出口１６０とを互いに離し得る。したがって、電気化学セルスタック１００は、燃料ガスの入口１３０及び燃料ガスの出口１４と、酸化剤ガスの入口１５０及び酸化剤ガスの出口１６０とを別々に接続する配管の干渉を回避させるための設計における自由度を向上させる。

【0043】

次に、本開示の第３の実施形態に係る電気化学セルスタックについて説明する。第３の実施形態では、燃料ガスの入口及び出口と、酸化剤ガスの入口及び出口との位置が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第３の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成を有する部位には同じ符号を付す。

【0044】

図９に示すように、第３の実施形態の電気化学セルスタック１０１において、第１の実施形態と類似して、積層方向における一方の第１の外面Ｓ１に燃料ガスの入口１３１が位置する。また、第２の外面Ｓ２に燃料ガスの出口１４１が位置する。第３の実施形態においては、第１の実施形態と類似して、第１の外面Ｓ１に酸化剤ガスの入口１５１が位置し、第２の外面Ｓ２に酸化剤ガスの出口１６１が位置する。

【0045】

図１０に示すように、燃料ガスの入口１３１及び燃料ガスの出口１４１は、第１の実施形態に類似して、積層方向に垂直な任意の一方向（図１０における上下方向）における電気化学セルスタック１０１の両端に位置してよい。酸化剤ガスの入口１５１及び酸化剤ガスの出口１６１は、第１の実施形態に類似して、積層方向に垂直な任意の一方向（図１０における左右方向）における電気化学セルスタック１０１の両端に位置してよい。

【0046】

積層方向から見て、燃料ガスの入口１３１及び燃料ガスの出口１４１を結ぶ線分と、酸化剤ガスの入口１５１及び酸化剤ガスの出口１６１を結ぶ線分とが交点ＩＰ１において交差してよい。第３の実施形態では、第１の実施形態と異なり、積層方向から見た、燃料ガスの入口１３１及び交点ＩＰ１を結ぶ線分と、酸化剤ガスの入口１５１及び交点ＩＰ１を結ぶ線分との間の角度が４５°を超え、１３５°未満であってよい。より具体的には、当該角度は９０°であってよい。また、燃料ガスの入口１３１及び燃料ガスの出口１４１を結ぶ線分は、第１の外面Ｓ１の外縁において燃料ガスの入口１３１の近傍の一辺に垂直であってよい。また、酸化剤ガスの入口１５１及び酸化剤ガスの出口１６１を結ぶ線分は、第１の外面Ｓ１の外縁において酸化剤ガスの入口１５１の近傍の一辺に垂直であってよい。

【0047】

以上のような構成の第３の実施形態の電気化学セルスタック１０１では、第１の実施形態と類似して、第１の外面Ｓ１に燃料ガスの入口１３１が位置し、第２の外面Ｓ２に燃料ガスの出口１４１が位置し、第１の外面Ｓ１及び第２の外面Ｓ２の一方に酸化剤ガスの入口１５１が位置し、他方に酸化剤ガスの出口１６１が位置する。したがって、電気化学セルスタック１０１は、第１の実施形態と類似して、燃料ガス及び酸化剤ガスが効率よく全体に行き亘り得るので、発電効率を向上させ得る。

【0048】

また、第３の実施形態の電気化学セルスタック１０１では、第１の実施形態に類似して、燃料ガスの入口１３１及び出口１４１は積層方向に垂直な任意の一方向における電気化学セルスタック１０１の両端に位置し、酸化剤ガスの入口１５１及び出口１６１は、積層方向に垂直な任意の一方向における電気化学セルスタック１０１の両端に位置する。したがって、電気化学セルスタック１０１は、各電気化学セル１１において、燃料ガスを燃料ガス室ＦＲ全体に、酸化剤ガスを酸化剤ガス室全体に行きわたらせることができるので、発電効率を向上させ得る。

【0049】

また、第３の実施形態の電気化学セルスタック１０１では、積層方向から見た、燃料ガスの入口１３１及び交点ＩＰを結ぶ線分と、酸化剤ガスの入口１５１及び交点ＩＰを結ぶ線分との間の角度が４５°を超え、１３５°未満である。このような構成により、電気化学セルスタック１０１は、燃料ガスの入口１３１及び燃料ガスの出口１４１、並びに酸化剤ガスの入口１５１及び酸化剤ガスの出口１６１を互いに離し得る。したがって、電気化学セルスタック１０１は、燃料ガスの入口１３１及び燃料ガスの出口１４１、並びに酸化剤ガスの入口１５１及び酸化剤ガスの出口１６１に別々に接続する配管の干渉を回避させるための設計における自由度を向上させる。

【0050】

次に、本開示の第４の実施形態に係る電気化学セルスタックについて説明する。第４の実施形態では、燃料ガスの入口及び出口と、酸化剤ガスの入口及び出口との位置、及び電気化学セルの構造が第１の実施形態と異なっている。以下に、第１の実施形態と異なる点を中心に第４の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同じ構成を有する部位には同じ符号を付す。

【0051】

図１１に示すように、第４の実施形態の電気化学セルスタック１０２は、第１の実施形態に類似して、積層させた電気化学セル１１２と、積層させた電気化学セル１１２を積層方向における両端から挟持する第１のエンドプレート１２２ａ及び第２のエンドプレート１２２ｂとを含んでよい。電気化学セルスタック１０２において、第１の実施形態と類似して、積層方向における一方の第１の外面Ｓ１に燃料ガスの入口１３２が位置する。また、第２の外面Ｓ２に燃料ガスの出口１４２が位置する。第４の実施形態においては、第１の実施形態と類似して、第１の外面Ｓ１に酸化剤ガスの入口１５２が位置し、第２の外面Ｓ２に酸化剤ガスの出口１６２が位置する。

【0052】

第４の実施形態では第１の実施形態と異なり、電気化学セルスタック１０２において、燃料ガスの入口１３２及び燃料ガスの出口１４２の組、並びに酸化剤ガスの入口１５２及び酸化剤ガスの出口１６２の組の少なくとも一方において、積層方向における入口側に位置する少なくとも１つの電気化学セル１１２の流路は入口に連結される。また、積層された全電気化学セル１１２の流路は積層方向から見て当該入口とは異なる位置で内部流路に連結される。全電気化学セル１１２の中で、当該入口に連結された電気化学セル１１２以外の電気化学セル１１２の流路は積層方向から見て内部流路とは異なる位置で出口に連結される。このような構造について、以下に詳細に説明する。

【0053】

図１２に示すように、燃料ガスの入口１３２及び燃料ガスの出口１４２の組と、後述する燃料ガスの内部流路３１２とは、積層方向に垂直な任意の方向（図１２における上下方向）における電気化学セルスタック１０２に両端に位置してよい。酸化剤ガスの入口１５２及び酸化剤ガスの出口１６２の組と、後述する酸化剤ガスの内部流路３２２とは、積層方向に垂直な任意の方向（図１２における左右方向）における電気化学セルスタック１０２に両端に位置してよい。

【0054】

積層方向から見て、燃料ガスの入口１３２及び燃料ガスの出口１４２の第１の中心点Ｃ１と燃料ガスの内部流路３１２とを結ぶ線分と、酸化剤ガスの入口１５２及び酸化剤ガスの出口１６２の第２の中心点Ｃ２と酸化剤ガスの内部流路３２２を結ぶ線分とが交点ＩＰ２において交差してよい。第４の実施形態では、第１の実施形態と異なり、積層方向から見た、第１の中心点Ｃ１及び交点ＩＰ２を結ぶ線分と、第２の中心点Ｃ２及び交点ＩＰ２を結ぶ線分との間の角度が４５°を超え、１３５°未満であってよい。より具体的には、当該角度は９０°であってよい。また、第１の中心点Ｃ１及び燃料ガスの内部流路３１２を結ぶ線分は、第１の外面Ｓ１の外縁において燃料ガスの入口１３２の近傍の一辺に垂直であってよい。また、第２の中心点Ｃ２及び酸化剤ガスの内部流路３２２を結ぶ線分は、第１の外面Ｓ１の外縁において酸化剤ガスの入口１５２の近傍の一辺に垂直であってよい。

【0055】

図１１に示すように、電気化学セル１１２は、入口側電気化学セル１１２ａ及び出口側電気化学セル１１２ｂを含む。入口側電気化学セル１１２ａ及び出口側電気化学セル１１２ｂの数は、同一であってよい。

【0056】

図１３に示すように、入口側電気化学セル１１２ａは、第１の実施形態と類似して、板状の電解質膜１７が、両板面側から、燃料極１８及び空気極１９を介して２枚の入口側インターコネクタ２０２ａに挟持されてよい。２枚の入口側インターコネクタ２０２ａの間は、入口側フレーム２１２ａにより密封されてよい。

【0057】

図１４、１５に示すように、入口側フレーム２１２ａには、第１の実施形態と異なり、入口側インターコネクタ２０２ａとともに、第１の燃料ガス通過孔２３２、第３の燃料ガス通過孔３３２、第１の酸化剤ガス通過孔２５２、及び第３の酸化剤ガス通過孔３４２が形成されてよい。第１の燃料ガス通過孔２３２、第３の燃料ガス通過孔３３２、第１の酸化剤ガス通過孔２５２、及び第３の酸化剤ガス通過孔３４２は、入口側フレーム２１２ａの厚さ方向、言換えると、枠の軸方向に平行で貫通していてよい。

【0058】

図１４に示すように、入口側フレーム２１２ａの一部に孔が形成されることにより、燃料ガス室ＦＲと、第１の燃料ガス通過孔２３２及び第３の燃料ガス通過孔３３２とが連通してよい。図１５に示すように、入口側フレーム２１２ａの一部に孔が形成されることにより、酸化剤ガス室ＯＲと、第１の酸化剤ガス通過孔２５２及び第３の酸化剤ガス通過孔３４２とが連通してよい。

【0059】

図１６に示すように、出口側電気化学セル１１２ｂは、第１の実施形態と類似して、板状の電解質膜１７が、両板面側から、燃料極１８及び空気極１９を介して２枚の出口側インターコネクタ２０２ｂに挟持されてよい。２枚の出口側インターコネクタ２０２ｂの間は、出口側フレーム２１２ｂにより密封されてよい。

【0060】

図１７、１８に示すように、出口側フレーム２１２ｂには、第１の実施形態と異なり、出口側インターコネクタ２０２ｂとともに、第２の燃料ガス通過孔２４２、第３の燃料ガス通過孔３３２、第２の酸化剤ガス通過孔２６２、及び第３の酸化剤ガス通過孔３４２が形成されてよい。第２の燃料ガス通過孔２４２、第３の燃料ガス通過孔３３２、第２の酸化剤ガス通過孔２６２、及び第３の酸化剤ガス通過孔３４２は、出口側フレーム２１２ｂの厚さ方向、言換えると、枠の軸方向に平行で貫通していてよい。

【0061】

図１７に示すように、出口側フレーム２１２ｂの一部に孔が形成されることにより、燃料ガス室ＦＲと、第２の燃料ガス通過孔２４２及び第３の燃料ガス通過孔３３２とが連通してよい。図１８に示すように、出口側フレーム２１２ｂの一部に孔が形成されることにより、酸化剤ガス室ＯＲと、第２の酸化剤ガス通過孔２６２及び第３の酸化剤ガス通過孔３４２とが連通してよい。

【0062】

入口側電気化学セル１１２ａは、各入口側電気化学セル１１２ａの第１の燃料ガス通過孔２３２が連続し、各入口側電気化学セル１１２ａの第３の燃料ガス通過孔３３２が連続し、各入口側電気化学セル１１２ａの第１の酸化剤ガス通過孔２５２が連続し、各入口側電気化学セル１１２ａの第３の酸化剤ガス通過孔３４２が連続するように、積層されてよい。

【0063】

出口側電気化学セル１１２ｂは、各出口側電気化学セル１１２ｂの第２の燃料ガス通過孔２４２が連続し、各出口側電気化学セル１１２ｂの第３の燃料ガス通過孔３３２が連続し、各出口側電気化学セル１１２ｂの第２の酸化剤ガス通過孔２６２が連続し、各出口側電気化学セル１１２ｂの第３の酸化剤ガス通過孔３４２が連続するように、積層されてよい。

【0064】

積層させた複数の入口側電気化学セル１１２ａと積層させた複数の出口側電気化学セル１１２ｂは、各入口側電気化学セル１１２ａ及び各出口側電気化学セル１１２ｂの第３の燃料ガス通過孔３３２が連続し、各入口側電気化学セル１１２ａ及び各出口側電気化学セル１１２ｂの第３の燃料ガス通過孔３３２が連続するように積層されてよい。

【0065】

図１１に示すように、このように積層させることにより、複数の入口側電気化学セル１１２ａの第１の燃料ガス通過孔２３２により、積層方向に平行な燃料ガス供給孔２７２が形成されてよい。上述の構成により、燃料ガス供給孔２７２は、各入口側電気化学セル１１２ａの燃料ガス室ＦＲ（電気化学セルの流路）に連結される。

【0066】

また、複数の入口側電気化学セル１１２ａの第１の酸化剤ガス通過孔２５２により、積層方向に平行な酸化剤ガス供給孔２８２が形成されてよい。上述の構成により、酸化剤ガス供給孔２８２は、各入口側電気化学セル１１２ａの酸化剤ガス室ＯＲ（電気化学セルの流路）に連結される。

【0067】

また、複数の出口側電気化学セル１１２ｂの第２の燃料ガス通過孔２４２により、積層方向に平行な燃料ガス排出孔２９２が形成されてよい。上述の構成により、燃料ガス排出孔２９２は、各出口側電気化学セル１１２ｂの燃料ガス室ＦＲ（電気化学セルの流路）に連結される。

【0068】

また、複数の出口側電気化学セル１１２ｂの第２の酸化剤ガス通過孔２６２により、積層方向に平行な酸化剤ガス排出孔３０２が形成されてよい。上述の構成により、酸化剤ガス排出孔３０２は、各出口側電気化学セル１１２ｂの酸化剤ガス室ＯＲ（電気化学セルの流路）に連結される。

【0069】

また、全入口側電気化学セル１１２ａ及び全出口側電気化学セル１１２ｂの第３の燃料ガス通過孔３３２により、積層方向に平行な燃料ガスの内部流路３１２が形成されてよい。上述の構成により、燃料ガスの内部流路３１２は、各入口側電気化学セル１１２ａ及び各出口側電気化学セル１１２ｂの燃料ガス室ＦＲ（電気化学セルの流路）に連結される。

【0070】

また、全入口側電気化学セル１１２ａ及び全出口側電気化学セル１１２ｂの第３の酸化剤ガス通過孔３４２により、積層方向に平行な酸化剤ガスの内部流路３２２が形成されてよい。上述の構成により、酸化剤ガスの内部流路３２２は、各入口側電気化学セル１１２ａ及び各出口側電気化学セル１１２ｂの酸化剤ガス室ＯＲ（電気化学セルの流路）に連結される。

【0071】

図１１に示すように、第１のエンドプレート１２２ａは、第１の外面Ｓ１側に位置してよい。第２のエンドプレート１２２ｂは、第２の外面Ｓ２側に位置してよい。第１のエンドプレート１２２ａには、孔状の燃料ガスの入口１３２と、酸化剤ガスの入口１５２とが形成されてよい。第２のエンドプレート１２２ｂには、孔状の燃料ガスの出口１４２と、酸化剤ガスの出口１６２とが形成されてよい。

【0072】

燃料ガスの入口１３２及び燃料ガス供給孔２７２は連続してよい。したがって、燃料ガスの入口１３２は、燃料ガス供給孔２７２を介して、入口側電気化学セル１１２ａの燃料ガス室ＦＲ（電気化学セルの流路）に連結される。燃料ガスの出口１４２及び燃料ガス排出孔２９２は連続してよい。したがって、燃料ガスの出口１４２は、燃料ガス排出孔２９２を介して、出口側電気化学セル１１２ｂの燃料ガス室ＦＲ（電気化学セルの流路）に連結される。酸化剤ガスの入口１５２及び酸化剤ガス供給孔２８２は連続してよい。したがって、酸化剤ガスの入口１５は、酸化剤ガス供給孔２８２を介して、入口側電気化学セル１１２ａの酸化剤ガス室ＯＲ（電気化学セルの流路）に連結される。酸化剤ガスの出口１６２及び酸化剤ガス排出孔３０２は連続してよい。したがって、酸化剤ガスの出口１６２は、酸化剤ガス排出孔３０２を介して、出口側電気化学セル１１２ｂの酸化剤ガス室ＯＲ（電気化学セルの流路）に連結される。

【0073】

図１９に示すように、燃料ガスの入口１３２から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給孔２７２を介して入口側電気化学セル１１２ａの各燃料ガス室ＦＲに流入してよい。各燃料ガス室ＦＲに流入した燃料ガスは、燃料ガスの内部流路３１２に流出して、出口側電気化学セル１１２ｂの各燃料ガス室ＦＲに流入してよい。出口側電気化学セル１１２ｂの各燃料ガス室ＦＲに流入した燃料ガスは、燃料ガス排出孔２９２及び燃料ガスの出口１４２を介して電気化学セルスタック１０２から排出されてよい。

【0074】

図２０に示すように、酸化剤ガスの入口１５２から供給される酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔２８２を介して入口側電気化学セル１１２ａの各酸化剤ガス室ＯＲに流入してよい。各酸化剤ガス室ＯＲに流入した燃料ガスは、酸化剤ガスの内部流路３２２に流出して、出口側電気化学セル１１２ｂの各酸化剤ガス室ＯＲに流入してよい。出口側電気化学セル１１２ｂの各酸化剤ガス室ＯＲに流入した燃料ガスは、酸化剤ガス排出孔３０２２及び酸化剤ガスの出口１６２を介して電気化学セルスタック１０２から排出されてよい。

【0075】

以上のような構成の第４の実施形態の電気化学セルスタック１０２では、第１の実施形態と類似して、第１の外面Ｓ１に燃料ガスの入口１３２が位置し、第２の外面Ｓ２に燃料ガスの出口１４２が位置し、第１の外面Ｓ１及び第２の外面Ｓ２の一方に酸化剤ガスの入口１５２が位置し、他方に酸化剤ガスの出口１６２が位置する。したがって、電気化学セルスタック１０２は、第１の実施形態と類似して、燃料ガス及び酸化剤ガスが効率よく全体に行き亘り得るので、発電効率を向上させ得る。

【0076】

また、第４の実施形態の電気化学セルスタック１０２では、燃料ガスの入口１３２及び燃料ガスの出口１４２の組、並びに酸化剤ガスの入口１５２及び酸化剤ガスの出口１６２の組の少なくとも一方において、積層方向における入口側に位置する少なくとも１つの電気化学セル１１２の流路は入口に連結され、積層された全電気化学セルの流路は積層方向から見て当該入口とは異なる位置で内部流路に連結され、全電気化学セル１１２の中で当該入口に連結された電気化学セル１１２以外の電気化学セル１１２の流路は積層方向から見て内部流路とは異なる位置で出口に連結される。このような構成により、電気化学セルスタック１０２では、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方が内部で通過する流路が長く形成され得る。したがって、電気化学セルスタック１０２は、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方をガスの流路全体により行きわたらせ得るので、発電効率を向上させ得る。

【0077】

本開示の内容は、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことができる。したがって、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれる。例えば、各実施形態において、各機能部、各手段、各ステップなどは論理的に矛盾しないように他の実施形態に追加し、若しくは、他の実施形態の各機能部、各手段、各ステップなどと置き換えることが可能である。また、各実施形態において、複数の各機能部、各手段、各ステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本開示の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。

【符号の説明】

【0078】

１０、１００、１０１、１０２ 電気化学セルスタック
１１、１１２ 電気化学セル
１１２ａ 入口側電気化学セル
１１２ｂ 出口側電気化学セル
１２ａ、１２２ａ 第１のエンドプレート
１２ｂ 第２のエンドプレート
１３、１３０、１３１、１３２ 燃料ガスの入口
１４、１４１、１４２ 燃料ガスの出口
１５、１５０、１５１、１５２ 酸化剤ガスの入口
１６、１６０、１６１、１６２ 酸化剤ガスの出口
１７ 電解質膜
１８ 燃料極
１９ 空気極
２０ インターコネクタ
２０２ａ 入口側インターコネクタ
２１ フレーム
２１２ａ 入口側フレーム
２１２ｂ 出口側フレーム
２２ 畝部
２３、２３２ 第１の燃料ガス通過孔
２４、２４２ 第２の燃料ガス通過孔
２５、２５２ 第１の酸化剤ガス通過孔
２６、２６２ 第２の酸化剤ガス通過孔
２７、２７２ 燃料ガス供給孔
２８、２８２ 酸化剤ガス供給孔
２９、２９２ 燃料ガス排出孔
３０，３０２ 酸化剤ガス排出孔
３１２ 燃料ガスの内部流路
３２２ 酸化剤ガスの内部流路
３３２ 第３の燃料ガス通過孔
３４２ 第３の酸化剤ガス通過孔
Ｃ１ 第１の中心点
Ｃ２ 第２の中心点
ＦＲ 燃料ガス室
ＩＰ１、ＩＰ２ 交点
ＯＲ 酸化剤ガス室
Ｓ１ 第１の外面
Ｓ２ 第２の外面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】