特開 2024-64763 電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置

(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】P2024064763

(43)【公開日】2024-05-14

(54)【発明の名称】電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20240507BHJP

   H01M 8/2484 20160101ALI20240507BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20240507BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240507BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2465

H01M8/2484

H01M8/2475

H01M8/12 101

H01M8/12 102C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022173596

(22)【出願日】2022-10-28

(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】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山崎 晃治

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA22

5H126BB06

5H126CC02

5H126FF10

(57)【要約】

【課題】導電部材の劣化を低減する。
【解決手段】本開示による電気化学セル装置は、複数のセルと、導電部材と、支持部材とを有する。複数のセルは、第１セルと、第１セルと隣接する第２セルとを含む。導電部材は、第１セルおよび第２セルの間に位置する。支持部材は、複数のセルの第１方向における基端部を支持する。複数のセルは、第１方向において基端部の反対側に位置する先端部を有する。第１セルと第２セルとの間隔は、先端部において基端部より広い。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１セルと、前記第１セルと隣接する第２セルとを含む複数のセルと、
前記第１セルおよび前記第２セルの間に位置する導電部材と、
前記複数のセルの第１方向における基端部を支持する支持部材と
を有し、
前記複数のセルは、前記第１方向において前記基端部の反対側に位置する先端部を有し、
前記第１セルと前記第２セルとの間隔は、前記先端部において前記基端部より大きい
電気化学セル装置。

【請求項2】

前記第１セルと前記第２セルとの間隔は、前記先端部に向かうにつれて広くなる、
請求項１に記載の電気化学セル装置。

【請求項3】

前記第１セルおよび前記第２セルは、前記複数のセルの並び方向である第２方向における中央部に位置する
請求項１に記載の電気化学セル装置。

【請求項4】

前記複数のセルに対し、前記第１方向と直交する第３方向から気体を吐出する気体吐出部
を有し、
前記気体吐出部は、前記複数のセルの前記基端部に供給する前記気体の流量よりも多い流量で、前記複数のセルの前記先端部に前記気体を吐出する
請求項１に記載の電気化学セル装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１つに記載の電気化学セル装置と、
前記電気化学セル装置を収納する収納容器と
を備えるモジュール。

【請求項6】

請求項５に記載のモジュールと、
前記モジュールの運転を行うための補機と、
前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと
を備えるモジュール収容装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数備える燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。燃料電池セルは、水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができるセルの一種である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１３６２２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、導電部材の劣化を低減する技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様による電気化学セル装置は、複数のセルと、導電部材と、支持部材とを有する。複数のセルは、第１セルと、第１セルと隣接する第２セルとを含む。導電部材は、第１セルおよび第２セルの間に位置する。支持部材は、複数のセルの第１方向における基端部を支持する。複数のセルは、第１方向において基端部の反対側に位置する先端部を有する。第１セルと第２セルとの間隔は、先端部において基端部より広い。

【発明の効果】

【0006】

本開示によれば、導電部材の劣化を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1A】図１Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図である。

【図1B】図１Ｂは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図である。

【図1C】図１Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。

【図2A】図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図である。

【図2B】図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。

【図2C】図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。

【図3】図３は、電気化学セル装置における温度分布の一例を示す断面図である。

【図4】図４は、第１の実施形態に係る電気化学セル装置を拡大した断面図である。

【図5】図５は、第１の実施形態に係るモジュールの一例を示す外観斜視図である。

【図6】図６は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

【図7】図７は、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の他の一例を示す断面図である。

【図8】図８は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下に、本開示による電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置を実施するための形態（以下、「実施形態」と記載する）について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではない。また、各実施形態は、処理内容を矛盾させない範囲で適宜組み合わせることが可能である。また、以下の各実施形態において同一の部位には同一の符号を付し、重複する説明は省略される。

【0009】

また、以下に示す実施形態では、「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」といった表現が用いられる場合があるが、これらの表現は、厳密に「一定」、「直交」、「垂直」あるいは「平行」であることを要しない。すなわち、上記した各表現は、例えば製造精度、設置精度などのずれを許容するものとする。

【0010】

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数備える燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。燃料電池セルは、水素含有ガス等の燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができるセルの一種である。たとえば、特許文献１には、複数のセルと、隣接するセル間に位置する導電部材とを備えたセルスタック装置が開示されている。この種のセルスタック装置では、セルの基端側から燃料が供給される。そして、セルに供給された燃料は、セルの先端に向かって流れる。

【0011】

しかしながら、従来のセルスタック装置では、発電に使用されなかった燃料がセルスタックの先端側で燃焼するため、この燃焼による熱によってセルの先端側が基端側よりも高温になりやすい。その結果、セルスタックの基端側と比較して、セルスタックの先端側における導電部材の温度が高くなることで、セルスタックの先端側において導電部材が早く劣化するおそれがあった。導電部材の早期劣化は、セルスタック装置の寿命を縮めることに繋がる。

【0012】

そこで、導電部材の劣化を低減する技術が期待されている。

【0013】

（第１の実施形態）
＜電気化学セルの構成＞
まず、図１Ａ～図１Ｃを参照しながら、第１の実施形態に係る電気化学セル装置を構成する電気化学セルとして、固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。電気化学セル装置は、複数の電気化学セルを有するセルスタックを備えていてもよい。複数の電気化学セルを有する電気化学セル装置を、単にセルスタック装置と称する。

【0014】

図１Ａは、実施形態に係る電気化学セルの一例を示す横断面図であり、図１Ｂは、実施形態に係る電気化学セルの一例を空気極側からみた側面図であり、図１Ｃは、実施形態に係る電気化学セルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。なお、図１Ａ～図１Ｃは、電気化学セルの各構成の一部を拡大して示している。以下、電気化学セルを単にセルという場合もある。

【0015】

図１Ａ～図１Ｃに示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１Ｂに示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、たとえば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ～５０ｃｍで、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが、たとえば１ｃｍ～１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚み方向Ｔの厚さは、たとえば１ｍｍ～５ｍｍである。なお、長さ方向Ｌは、第１方向の一例であり、厚み方向Ｔは、並び方向である第２方向の一例である。

【0016】

図１Ａに示すように、セル１は、導電性の支持基板２と、素子部３と、インターコネクタ４とを備えている。支持基板２は、一対の対向する平坦面ｎ１、ｎ２、およびかかる平坦面ｎ１、ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。

【0017】

素子部３は、支持基板２の平坦面ｎ１上に設けられている。かかる素子部３は、燃料極５と、固体電解質層６と、空気極８とを有している。また、図１Ａに示す例では、セル１の平坦面ｎ２上にインターコネクタ４が位置している。なお、セル１は、固体電解質層６と空気極８との間に中間層７を備えていてもよい。

【0018】

また、図１Ｂに示すように、空気極８はセル１の長さ方向Ｌにおける下端（基端の一例）まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層６のみが平坦面ｎ１の表面に露出している。同様に、空気極８は、セル１の長さ方向Ｌにおける上端（先端の一例）まで延びていない。セル１の上端部でも、固体電解質層６のみが平坦面ｎ１の表面に露出している。また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ４は、セル１の下端まで延びていてもよい。セル１の下端部では、インターコネクタ４および固体電解質層６が表面に露出している。なお、図１Ａに示すように、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面では、固体電解質層６が露出している。インターコネクタ４は、セル１の下端まで延びていなくてもよい。

【0019】

以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。

【0020】

支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａを内部に有している。図１Ａに示す支持基板２の例は、６つのガス流路２ａを有している。支持基板２は、ガス透過性を有し、ガス流路２ａを流れる燃料ガスを燃料極５まで透過させる。支持基板２は、導電性を有していてもよい。導電性を有する支持基板２は、素子部３で生じた電気をインターコネクタ４に集電する。

【0021】

支持基板２の材料は、たとえば、鉄族金属成分および無機酸化物を含む。鉄族金属成分は、たとえば、Ｎｉ（ニッケル）および／またはＮｉＯであってもよい。無機酸化物は、たとえば、特定の希土類元素酸化物であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでもよい。

【0022】

燃料極５の材料には、一般的に公知のものを使用することができる。燃料極５は、多孔質の導電性セラミックス、たとえば酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスなどを用いてもよい。この希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される複数の希土類元素を含んでもよい。酸化カルシウム、酸化マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２を安定化ジルコニアと称する場合もある。安定化ジルコニアは、部分安定化ジルコニアも含む。導電性セラミックスは、たとえば後述する固体電解質層６に用いられる材料と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスであってもよい。

【0023】

固体電解質層６は、電解質であり、燃料極５と空気極８との間でイオンの受け渡しをする。同時に、固体電解質層６は、ガス遮断性を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを生じにくくする。

【0024】

固体電解質層６の材料は、たとえば、３モル％～１５モル％の希土類元素酸化物、酸化カルシウム、酸化マグネシウムが固溶したＺｒＯ_２であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。固体電解質層６は、たとえば、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、ＧｄまたはＹｂが固溶したＣｅＯ_２を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＺｒＯ_３を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＣｅＯ_３を含んでもよい。

【0025】

空気極８は、ガス透過性を有している。空気極８の開気孔率は、たとえば２０％～５０％、特に３０％～５０％の範囲であってもよい。

【0026】

空気極８の材料は、一般的に空気極に用いられるものであれば特に制限はない。空気極８の材料は、たとえば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物など導電性セラミックスでもよい。

【0027】

空気極８の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存する複合酸化物であってもよい。このような複合酸化物の例としては、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏ_ｙＦｅ_１－ｙＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＭｎＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＦｅＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏＯ_３などが挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。

【0028】

また、素子部３が中間層７を有する場合、中間層７は、拡散抑制層としての機能を有する。空気極８に含まれるＳｒ（ストロンチウム）などの元素が固体電解質層６に拡散すると、かかる固体電解質層６にたとえばＳｒＺｒＯ_３などの抵抗層が形成される。中間層７は、Ｓｒを拡散させにくくすることで、ＳｒＺｒＯ_３その他の電気絶縁性を有する酸化物が形成されにくくする。

【0029】

中間層７の材料は、一般的に空気極８と固体電解質層６との間の元素の拡散抑制層に用いられるものであれば特に制限はない。中間層７の材料は、たとえば、Ｃｅ（セリウム）を除く希土類元素が固溶した酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を含んでもよい。かかる希土類元素としては、たとえば、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）などを用いてもよい。

【0030】

また、インターコネクタ４は、緻密質であり、支持基板２の内部に位置するガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを生じにくくする。インターコネクタ４は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。

【0031】

インターコネクタ４の材料には、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）などを用いてもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスなどの燃料ガスおよび空気などの酸素含有ガスと接触しても還元も酸化もされにくい。また、インターコネクタ４の材料として金属または合金を用いてもよい。

【0032】

＜電気化学セル装置の構成＞
次に、上述したセル１を用いた本実施形態に係る電気化学セル装置について、図２Ａ～図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図であり、図２Ｃは、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す上面図である。

【0033】

図２Ａに示すように、セルスタック装置１０は、第２方向としてセル１の厚み方向Ｔ（図１Ａ参照）に配列（積層）された複数のセル１を有するセルスタック１１と、固定部材１２とを備える。

【0034】

固定部材１２は、固定材１３と、支持部材１４とを有する。支持部材１４は、セル１を支持する。固定材１３は、セル１を支持部材１４に固定する。また、支持部材１４は、支持体１５と、ガスタンク１６とを有する。支持部材１４である支持体１５およびガスタンク１６は、たとえば金属製であり導電性を有している。

【0035】

図２Ｂに示すように、支持体１５は、複数のセル１の下端部が挿入される挿入孔１５ａを有している。複数のセル１の下端部と挿入孔１５ａの内壁とは、固定材１３で接合されている。

【0036】

ガスタンク１６は、挿入孔１５ａを通じて複数のセル１に反応ガスを供給する開口部と、かかる開口部の周囲に位置する凹溝１６ａとを有する。支持体１５の外周の端部は、ガスタンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１によって、ガスタンク１６と接合されている。

【0037】

図２Ａに示す例では、支持部材１４である支持体１５とガスタンク１６とで形成される内部空間２２に燃料ガスが貯留される。ガスタンク１６にはガス流通管２０が接続されている。燃料ガスは、このガス流通管２０を通してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。ガスタンク１６に供給される燃料ガスは、後述する改質器１０２（図５参照）で生成される。

【0038】

水素リッチな燃料ガスは、原燃料を水蒸気改質などすることによって生成することができる。水蒸気改質により燃料ガスを生成する場合には、燃料ガスは水蒸気を含む。

【0039】

図２Ａに示す例では、セルスタック装置１０は、２列のセルスタック１１、支持部材１４を有している。支持部材１４は、２つの支持体１５およびガスタンク１６を備えている。２列のセルスタック１１はそれぞれ、複数のセル１を有する。各セルスタック１１は、各支持体１５に固定されている。ガスタンク１６は上面に２つの貫通孔を有している。各貫通孔には、各支持体１５が配置されている。内部空間２２は、１つのガスタンク１６と、２つの支持体１５とで形成される。図２Ａでは、２列のセルスタック１１を有するセルスタック装置１０を示したが、セルスタック装置は１列のセルスタック１１を有してもよいし、３列以上のセルスタック１１を有してもよい。なお、セルスタック１１の詳細については、後述する。

【0040】

挿入孔１５ａの形状は、たとえば、上面視で長円形状である。挿入孔１５ａは、たとえば、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの長さが、セルスタック１１の両端に位置する２つの端部集電部材１７の間の距離よりも大きい。挿入孔１５ａの幅は、たとえば、セル１の幅方向Ｗ（図１Ａ参照）の長さよりも大きい。

【0041】

図２Ｂに示すように、挿入孔１５ａの内壁とセル１の下端部との接合部は、固定材１３が充填され、固化されている。これにより、挿入孔１５ａの内壁と複数個のセル１の下端部とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の下端部同士が接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａは、下端部で支持部材１４の内部空間２２と連通している。

【0042】

固定材１３および接合材２１は、ガラスなどの導電性が低いものを用いることができる。固定材１３および接合材２１の具体的な材料としては、非晶質ガラスなどを用いてもよく、特に結晶化ガラスなどを用いてもよい。

【0043】

結晶化ガラスとしては、たとえば、ＳｉＯ_２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ_２Ｏ_３系、Ｌａ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３－ＭｇＯ系、Ｌａ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３－ＺｎＯ系、ＳｉＯ_２－ＣａＯ－ＺｎＯ系などの材料のいずれかを用いてもよく、特にＳｉＯ_２－ＭｇＯ系の材料を用いてもよい。

【0044】

また、図２Ｂに示すように、複数のセル１のうち隣接するセル１の間には、導電部材１８が介在している。導電部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極５と他方のセル１の空気極８とを電気的に直列に接続する。より具体的には、導電部材１８は、隣接する一方のセル１の燃料極５と電気的に接続されたインターコネクタ４と、他方のセル１の空気極８とを接続している。なお、インターコネクタ４が金属または合金である場合、インターコネクタ４と導電部材１８とが一体化していてもよいし、導電部材１８がインターコネクタ４を兼ねてもよい。

【0045】

また、図２Ｂに示すように、複数のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１には、端部集電部材１７が電気的に接続されている。端部集電部材１７は、セルスタック１１の外側に突出する導電部１９に接続されている。導電部１９は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す。なお、図２Ａでは、端部集電部材１７の図示を省略している。

【0046】

また、図２Ｃに示すように、セルスタック装置１０は、２つのセルスタック１１Ａ、１１Ｂが直列に接続され、一つの電池として機能する。そのため、セルスタック装置１０の導電部１９は、正極端子１９Ａと、負極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとに区別される。

【0047】

正極端子１９Ａは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の正極であり、セルスタック１１Ａにおける正極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。負極端子１９Ｂは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の負極であり、セルスタック１１Ｂにおける負極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。

【0048】

接続端子１９Ｃは、セルスタック１１Ａにおける負極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける正極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。

【0049】

＜発電時の温度分布＞
つづいて、電気化学セル装置における発電時の温度分布について、図３を参照しながら説明する。図３は、電気化学セル装置における温度分布の一例を示す断面図である。図３に示すセルスタック装置１０Ｘは、図２Ｂに示すセルスタック装置１０が有するセルスタック１１の一部を拡大視したものに相当する。なお、図３では、たとえばセル１、導電部材１８などを単純化して図示している。また、後述する他の図面でも、構成要素を単純化して図示する場合がある。説明を容易にするために、図３、後述する図４および図７では、セルスタック装置が有するセル１の数を８として図示している。

【0050】

図３に示すように、セル１の厚み方向Ｔに隣り合うセル１の間には、長さ方向Ｌに延びる導電部材１８が位置し、隣り合うセル１同士を電気的に接続している。セルスタック装置１０Ｘは、発電時には温度ｔ１～ｔ６が、ｔ１＞ｔ２＞ｔ３＞ｔ４＞ｔ５＞ｔ６の順にセル１の厚み方向Ｔ（第２方向）の中央に位置し、かつ固定材１３から離れた長さ方向Ｌ（第１方向）の上端側が高温となる。また、かかる部分から離れた厚み方向Ｔの端部側、長さ方向Ｌの下端側に向かって発電時の温度が低下する。

【0051】

第１実施形態に係る電気化学セル装置は、後述する改質器１０２およびセルスタック１１を高温状態に維持するために、セル１の上端側で未反応の燃料ガス（発電に使用されなかったオフガス）を燃焼させる。このため、セルスタック１１を構成するセル１において、セル１の長さ方向Ｌの上端側で温度が高く、セル１の長さ方向Ｌの下端側では温度が低くなる傾向にある。したがって、複数のセル１間の長さ方向Ｌの上端側の温度は、複数のセル１間の長さ方向Ｌの下端側の温度よりも高温となる。

【0052】

また、セル１を複数個配列してなるセルスタック１１においては、セル１は発電時にセル１自身のジュール熱や反応熱により熱エネルギーを放散するが、特に厚み方向Ｔ（第２方向）における中央部に配置された複数個のセル（たとえば、第１セル１ａおよび第２セル１ｂ）においては、セル１の両側に多数のセル１が配置されているため、熱エネルギーが放散されにくく高温となる傾向にある。一方、セル１の厚み方向Ｔにおける端部に配置された複数個のセル１は、隣接して配置されたセル１が少ない、もしくはないこととなり、熱エネルギーを放散しやすくなる。それにより、セル１の厚み方向Ｔにおける端部側に配置された燃料電池セルは温度が低下する傾向にある。このため、セル１の厚み方向Ｔの中央部の第１領域Ｒ１に配置された第１セル１ａおよび第２セル１ｂの間の温度は、セル１の厚み方向Ｔの両端部の第２領域Ｒ２に配置された隣り合うセル１間の温度よりも高温となる。

【0053】

上述したように、発電時における隣り合うセル１間にセル１の長さ方向Ｌ（第１方向）における温度ばらつきがあるため、隣り合うセル１間に位置する導電部材１８にも同様にセル１の長さ方向Ｌにおける温度のばらつきが生じる。具体的には、導電部材１８の温度は、下端側と比較して上端側の方が高くなる。この結果、導電部材１８は、上端側が早く劣化するおそれがある。そこで、本実施形態では、隣り合うセル１同士の間隔が、セル１の上端部に向かうにつれて広くなるセルスタック１１を適用する。図４は、第１の実施形態に係る電気化学セル装置を拡大した断面図である。

【0054】

図４に示すように、セルスタック１１の厚み方向Ｔにおける中央部には、第１セル１ａと、第１セル１ａと隣接する第２セル１ｂとが配置される。第１セル１ａと第２セル１ｂとの上端部における間隔Ｗ２は、第１セル１ａと第２セル１ｂとの下端部における間隔Ｗ１よりも大きい。かかる構成とすることで、隣接するセル１間の上端側において輻射熱の影響が小さくなることで、輻射熱による温度上昇が低減する。また、セル１間の間隔が広がることで、セル１間に熱がこもりにくくなる。これにより、セル１間の上端側と下端側との温度差が小さくなることで、セル１の上端側における導電部材１８の劣化を遅くすることができる。すなわち、導電部材を劣化しにくくすることができる。第１セル１ａと第２セル１ｂとの間隔は、図４に示すように、セル１の長さ方向Ｌの上端側に向かうにつれて広くなっていてもよい。

【0055】

第１セル１ａと第２セル１ｂとの間隔は、上端部における間隔Ｗ２が下端部における間隔Ｗ１より大きければよく、長さ方向Ｌにおける上端部と下端部の中間における間隔が、上端部における間隔Ｗ２と同じ、または間隔Ｗ２より大きくてもよい。隣接するセル１間における隙間の温度は、セル１の上端部よりも僅かに下側の位置、具体的には、セル１の発電領域における上端部において最も高くなる場合がある。これは、セル１の発電領域における上端部が、上述した燃料ガスの燃焼による温度上昇の影響と、発電による温度上昇の影響の両方を最も受ける場所だからである。このような場合は、上端部と下端部の中間、すなわち上端部よりも僅かに下側の位置における間隔を上端部における間隔Ｗ２より大きくすることで、中間における温度上昇を低減することができる。

【0056】

なお、セル１の発電領域とは、具体的には、燃料極５、固体電解質層６および空気極８が積層された領域（図１Ａおよび図１Ｂ参照）のことである。

【0057】

また、セルスタック１１を構成する複数のセル１のうち、中央部に配置された第１セル１ａおよび第２セル１ｂを上述の構成とすることで、端部よりも高温となりやすい中央部に配置されたセル１間の上端側の温度を低下させ、セル１間に配置される導電部材１８を劣化しにくくすることができる。なお、第１セル１ａおよび第２セル１ｂは、セルスタック１１が有する複数のセル１のうち、セルスタック１１の中央に最も近い２つのセル１である。なお、図３、図４では、セルスタックの両端に位置する端部集電部材１７の間隔は上端部と下端部で同じ間隔の場合を示したが、端部集電部材１７の上端部の間隔が下端部の間隔より大きくてもよい。

【0058】

＜モジュール＞
次に、上述したセルスタック装置１０を用いた本実施形態に係るモジュールについて、図５を用いて説明する。図５は、第１の実施形態に係るモジュールを示す外観斜視図である。図５では、収納容器１０１の一部である前面および後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。

【0059】

図５に示すように、モジュール１００は、収納容器１０１内に、セルスタック装置１０を収納して構成される。また、セルスタック装置１０の上方には、セル１に供給する燃料ガスを生成するための改質器１０２が配置されている。

【0060】

かかる改質器１０２では、原燃料供給管１０３を通じて供給される天然ガスや灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器１０２は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましい。改質器１０２は、水を気化させるための気化部１０２ａと、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部１０２ｂとを備えることで水蒸気改質を行うことができる。

【0061】

そして、改質器１０２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０を通じて固定部材１２に供給され、固定部材１２よりセル１の内部に設けられたガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。

【0062】

また、上述の構成のモジュール１００においては、通常発電時においては、上記燃焼、セル１の発電等に伴い、モジュール１００内の温度は５００℃～１０００℃程度となる。

【0063】

このようなモジュール１００においては、上述したように、耐久性が高いセルスタック装置１０を収納して構成されることにより、耐久性が高いモジュール１００とすることができる。

【0064】

＜モジュール収容装置＞
図６は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。モジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、図５で示したモジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。補器は、モジュール１００の運転を行う。モジュール１００および補器は、外装ケース１１１内に収容されている。なお、図６においては一部構成を省略して示している。

【0065】

図６に示すモジュール収容装置１１０の外装ケース１１１は、支柱１１２と外装板１１３とを有する。仕切板１１４は、外装ケース１１１内を上下に区画している。外装ケース１１１内の仕切板１１４より上側の空間は、モジュール１００を収容するモジュール収容室１１５であり、外装ケース１１１内の仕切板１１４より下側の空間は、モジュール１００を運転する補機を収容する補機収容室１１６である。なお、図８では、補機収容室１１６に収容する補機を省略して示している。

【0066】

また、仕切板１１４は、補機収容室１１６の空気をモジュール収容室１１５側に流すための空気流通口１１７を有している。モジュール収容室１１５を構成する外装板１１３は、モジュール収容室１１５内の空気を排気するための排気口１１８を有している。

【0067】

このようなモジュール収容装置１１０においては、上述したように、耐久性が高いモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、耐久性が高いモジュール収容装置１１０とすることができる。

【0068】

図７は、第１の実施形態に係る電気化学セル装置の他の一例を示す断面図である。図７に示すセルスタック装置１０は、セルスタック１１を構成する全てのセル１において、セル１の長さ方向Ｌの上端側と下端側とで隣り合うセル１同士の間隔が異なる点で、上記した実施形態に係るセルスタック装置１０と相違する。

【0069】

具体的には、図７において、隣り合うセル１ａ，１ｂは、上端側の間隔Ｗ２が下端側の間隔Ｗ１よりも大きく、下端側から上端側に向かうにつれて間隔が漸次広がる。また、隣り合うセル１ｂ，１ｃおよび隣り合うセル１ｄ，１ｅについても同様に、下端側から上端側に向かうにつれて間隔が漸次広がる。言い換えると、セルスタック１１においてセル１の厚み方向Ｔの中央部から端部に向かうにつれて、セル１の傾きが大きくなる。このため、本変形例によれば、より隣り合うセル１間の長さ方向Ｌにおける温度のばらつきを低減し、導電部材１８の劣化を減らすことができる。

【0070】

なお、セルスタック１１の構成は、上述した実施形態および変形例に限らない。たとえば、セル１の厚み方向Ｔの中央部に配置されたセル１ａ、１ｂを含む一部のセル１において、隣り合うセル１同士の間隔が、下端側から上端側に向かうにつれて漸次広がってもよい。また、上述した実施形態では、隣り合うセル１同士の上端側の間隔が下端側の間隔よりも大きい、または上端側の間隔と下端側の間隔とが等しい例について説明した。これに限らず、セルスタック１１を構成する全てのセル１のうち、厚み方向Ｔの端部に配置された一部のセル１において、隣り合うセル１同士の間隔が、下端側から上端側に向かうにつれて漸次狭くなっていてもよい。

【0071】

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る電気化学セル装置の一例を示す断面図である。図８に示すように、セルスタック装置１０は、セルスタック１１を構成する複数のセル１に対して、気体（酸素含有ガス）を吐出する気体吐出部３０を備えていてもよい。なお、図８では、セルスタック装置１０における気体（酸素含有ガス）の流れを矢印で示している。

【0072】

図８に示すように、気体吐出部３０は、複数のセル１に対して、セル１の長さ方向Ｌ（第１方向）と直交する第３方向から酸素含有ガスを吐出する。気体吐出部３０は、酸素含有ガス供給源３０ａと、酸素含有ガス供給路３０ｂと、複数の吐出孔３１，３２とを有する。酸素含有ガス供給路３０ｂは、酸素含有ガス供給源３０ａと複数の吐出孔３１，３２とを接続し、複数の吐出孔３１，３２に酸素含有ガスを供給する。

【0073】

複数の吐出孔３１，３２は、セル１の長さ方向Ｌに沿って配列される。複数の吐出孔３１，３２は、複数のセル１に対して、セル１の長さ方向Ｌと直交する第３方向から、隣り合うセル１間の隙間に酸素含有ガスを吐出する。

【0074】

上述したように、セル１は、セル１の上端側における燃焼による熱および発電に伴うジュール熱により温度が上昇する。このとき、セル１の外部を流れる酸素含有ガスの流量を多くするほど、隣り合うセル１間の温度を低下させることができる。また、第１セル１ａ、第２セル１ｂ間の間隔は、下端側よりも上端側の方が広いため、下端側と比較して上端側の方がセル１ａ、１ｂ間により多くの気体を流通させることが可能である。

【0075】

本実施形態では、気体吐出部３０は、複数のセル１の下端側に供給する酸素含有ガスの流量よりも多い流量で、複数のセル１の上端側に酸素含有ガスを吐出する。たとえば、図８に示すように、セル１の上端側に対する吐出孔３１の吐出面積を、セル１の下端側に対する吐出孔３２の吐出面積よりも大きくしてもよい。これにより、セル１間の上端側の温度をさらに低下させることができる。したがって、本実施形態によれば、セル１間に配置される導電部材をより劣化しにくくすることができる。

【0076】

なお、セル１の上端側と下端側とに対して吐出する酸素含有ガスの流量を調整する方法は、上述した方法に限られない。たとえば、セル１の上端側に対して酸素含有ガスを吐出する吐出孔３１と、セル１の下端側に対して酸素含有ガスを吐出する吐出孔３２とは、異なる酸素含有ガス供給源に接続されてもよい。これにより、たとえば、吐出孔３１，３２の吐出面積を異ならせることなく、吐出孔３１から吐出される酸素含有ガスの流量を吐出孔３２から吐出される酸素含有ガスの流量よりも多くすることができる。

【0077】

ところで、隣接するセル１間における隙間の温度は、セル１の上端部よりも僅かに下側の位置、具体的には、セル１の発電領域における上端部において最も高くなる場合がある。これは、セル１の発電領域における上端部が、上述した燃料ガスの燃焼による温度上昇の影響と、発電による温度上昇の影響の両方を最も受ける場所だからである。

【0078】

そこで、気体吐出部３０は、セル１の上端部に供給する酸素含有ガスの流量よりも多い流量で、セル１の発電領域における上端部に酸素含有ガスを供給してもよい。これにより、セル１の長さ方向Ｌにおける導電部材１８の温度のばらつきをさらに低減することができることから、導電部材１８の劣化をさらに低減することができる。

【0079】

なお、セル１の発電領域とは、具体的には、燃料極５、固体電解質層６および空気極８が積層された領域（図１Ａおよび図１Ｂ参照）のことである。

【0080】

一実施形態において、（１）電気化学セル装置（一例として、セルスタック装置１０）は、複数のセル（一例として、セル１）と、導電部材（一例として、導電部材１８）と、支持部材（一例として、支持部材１４）とを有する。複数のセルは、第１セル（一例として、第１セル１ａ）と、第１セルと隣接する第２セル（一例として、第２セル１ｂ）とを含む。導電部材は、第１セルおよび第２セルの間に位置する。支持部材は、複数のセルの第１方向における基端部を支持する。複数のセルは、第１方向において基端部の反対側に位置する先端部を有する。第１セルと第２セルとの間隔は、先端部において基端部より広い。

【0081】

（２）上記（１）の電気化学セル装置において、前記第１セルおよび前記第２セルの間隔は、前記先端部に向かうにつれて広くなってもよい。

【0082】

（３）上記（１）の電気化学セル装置において、前記第１セルおよび前記第２セルは、前記複数のセルの並び方向である第２方向における中央部に位置していてもよい。

【0083】

（４）上記（１）の電気化学セル装置は、前記複数のセルに対し、前記第１方向と直交する第３方向から気体を吐出する気体吐出部を有し、前記気体吐出部は、前記複数のセルの前記基端部に供給する前記気体の流量よりも多い流量で、前記複数のセルの前記先端部に前記気体を吐出してもよい。

【0084】

（５）モジュールは、上記（１）乃至（４）のいずれか１つに記載の電気化学セル装置と、前記電気化学セル装置を収納する収納容器とを備えていてもよい。

【0085】

（６）モジュール収容装置は、上記（５）に記載のモジュールと、前記モジュールの運転を行うための補機と、前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備えていてもよい。

【0086】

今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

【符号の説明】

【0087】

１ セル
２ 支持基板
３ 素子部
５ 燃料極
６ 固体電解質層
７ 中間層
１０ セルスタック装置
１１ セルスタック
１２ 固定部材
１３ 固定材
１４ 支持部材
１５ 支持体
１６ ガスタンク
２１ 接合材
２０ ガス流通管
２２ 内部空間
３０ 気体吐出部
１００ モジュール
１０１ 収納容器
１１０ モジュール収容装置
１１１ 外装ケース
１１２ 支柱
１１３ 外装板
１１４ 仕切板
１１７ 空気流通口

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】