JP6487600B1 - 燃料電池セル - Google Patents
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Abstract
Description
図3に示すように、燃料マニホールド200は、燃料ガスを各燃料電池セル301に分配するように構成されている。燃料マニホールド200は、中空状であり、内部空間を有している。燃料マニホールド200の内部空間には、導入管201を介して燃料ガスが供給される。燃料マニホールド200は、互いに間隔をあけて並ぶ複数の貫通孔202を有している。各貫通孔202は、燃料マニホールド200の天板203に形成されている。各貫通孔202は、燃料マニホールド200の内部空間と外部とを連通する。
図2に示すように、各燃料電池セル301は、燃料マニホールド200から延びている。詳細には、各燃料電池セル301は、燃料マニホールド200の天板203から上方(x軸方向)に延びている。すなわち、各燃料電池セル301の長手方向(x軸方向)は、上方に延びている。
支持基板20は、支持基板20の長手方向(x軸方向)に沿って延びる複数のガス流路21を内部に有している。各ガス流路21は、互いに実質的に平行に延びている。支持基板20は、第1主面22aと、第2主面22bと、複数の凹部23と、桟部24とを有している。第2主面22bは、第1主面22aと反対側の面である。第2主面22b、および第2主面22b上の構成は、第1主面22a、及び第1主面22a上の構成と実質的に同じであるため、その詳細な説明を省略する。
各発電素子部10は、支持基板20の第1主面22a上に支持されている。各発電素子部10は、支持基板20の幅方向(y軸方向)に延びている。各発電素子部10は、支持基板20の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル301は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。
燃料極4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4は、燃料極集電部41と燃料極活性部42とを有する。各燃料極4は、支持基板20上に配置されている。各燃料極4は、支持基板20の長手方向(x軸方向)において、互いに間隔をあけて配置されている。
燃料極集電部41は、凹部23内に収容されている。詳細には、燃料極集電部41は、凹部23内に充填されており、凹部23と同様の外形を有する。各燃料極集電部41は、第3主面411を有している。
燃料極活性部42は、燃料極集電部41の第3主面411上に配置されている。このため、燃料極活性部42は、凹部23から突出している。すなわち、燃料極活性部42は、燃料極集電部41に埋設されていない。燃料極活性部42の端縁は、第3主面411上において、燃料極集電部41の端縁よりも内側に形成されている。詳細には、燃料極活性部42は、燃料極集電部41よりも平面視(z軸方向視)の面積が小さい。そして、燃料極活性部42は、第3主面411内に収まっている。
電解質5は、燃料極4上に配置される。詳細には、電解質5は、燃料極活性部42を覆うように配置される。また、電解質5は、支持基板20上に配置されている。すなわち、電解質5は、桟部24上に配置されている。電解質5は、燃料極集電部41の外周縁部上にも配置されている。
反応防止膜7は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜7は、電解質5と空気極活性部61との間に配置されている。反応防止膜7は、電解質5内のYSZと空気極活性部61内のSrとが反応して電解質5と空気極活性部61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7は、電解質5と空気極集電部62との間にも配置されている。反応防止膜7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7の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。なお、反応防止膜7は、電解質5と空気極集電部62との間にも配置されるように長手方向(x軸方向)に延びていてもよい。
空気極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。空気極6は、電解質5を基準に、燃料極4と反対側に配置されている。空気極6は、空気極活性部61(外側電極活性部の一例)と空気極集電部62(外側電極集電部の一例)とを有している。
空気極活性部61は、反応防止膜7上に配置されている。空気極活性部61は、酸化物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61は、空気極集電部62よりも酸化物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61おける、気孔部分を除いた全体積に対する酸化物イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部62における、気孔部分を除いた全体積に対する酸化物イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
空気極集電部62は、空気極活性部61上に配置されている。空気極集電部62は、空気極活性部61の外周縁部の一部を除いて空気極活性部61を覆っている。空気極集電部62は、空気極活性部61から、隣の発電素子部10に向かって延びている。詳細には、空気極活性部61は、隣の発電素子部10の燃料極集電部41上に配置されるインターコネクタ31まで延びている。
図5に示すように、インターコネクタ31は、支持基板20の長手方向(x軸方向)において隣り合う発電素子部10を電気的に接続するように構成されている。詳細には、インターコネクタ31は、一方の発電素子部10の燃料極集電部41と、他方の発電素子部10の空気極集電部62とを電気的に接続している。
図4及び図8に示すように、表裏間接続部材8は、第1主面22a上の発電素子部10と、第2主面22b上の発電素子部10とを電気的に直列に接続している。詳細には、表裏間接続部材8は、ガス排出側に配置された第1及び第2主面22a、22b上の各発電素子部10を互いに電気的に接続している。なお、ガス排出側に配置された第2主面22b上の発電素子部10は、空気極集電部62を有しておらず、空気極集電部62の代わりに表裏間接続部材8を有している。そして、表裏間接続部材8は、第2主面22b上の発電素子部10の空気極活性部61と、第1主面22a上の発電素子部10の燃料極集電部41上に配置されたインターコネクタ31とを電気的に接続する。
以上のように構成された燃料電池セル301は、隣り合う燃料電池セル301と、集電部材302によって電気的に接続されている。図2に示すように、集電部材302は、一対の燃料電池セル301間に配置されている。そして、集電部材302は、厚さ方向(z軸方向)において隣り合う燃料電池セル301同士を電気的に接続するよう、導電性を有している。
以上のように構成されたセルスタック装置100は、次のようにして発電する。燃料マニホールド200を介して各燃料電池セル301のガス流路21内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板20の両面を酸素を含むガス(空気等)に曝す。
(1/2)・O2+2e−→O2− …(1)
H2+O2−→H2O+2e− …(2)
次に、燃料電池セル301の製造方法の一例について説明する。
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。
上記実施形態では、各空気極活性部61は、複数の空気供給用凹部612を有しているが、1つの空気供給用凹部612のみを有していてもよい。
上記実施形態では、空気供給用凹部612が長手方向の一方の端部に形成されているが、空気供給用凹部612が形成される位置はこれに限定されない。例えば、図10に示すように、空気供給用凹部612は、幅方向の少なくとも一方の端部に形成されていてもよい。また、空気供給用凹部612は、長手方向の一方の端部、及び幅方向の両端部の全てに形成されていてもよい。
上記実施形態では、空気供給用凹部612は、空気極活性部61と空気極集電部62との境界部に形成されているが、空気供給用凹部612の形成される位置はこれに限定されない。例えば、空気供給用凹部612は、上記境界部から離れた位置に形成されていてもよい。
上記実施形態では、空気極活性部61の外周縁部611のうち、幅方向(y軸方向)の両端部と長手方向(x軸方向)の一方の端部が露出しているが、露出される外周縁部611はこれに限定されない。例えば、図11に示すように、長手方向の一方の端部のみが露出していてもよいし、図12に示すように、幅方向の両端部のみが露出していてもよい。
上記実施形態では、空気供給用凹部612を切込みであるとして説明したが、空気供給用凹部612は切込みに限定されない。例えば、空気供給用凹部612は、ドリルなどによって形成された穴であってもよい。
上記実施形態では、内側電極を燃料極4とし、外側電極を空気極6としたが、内側電極を空気極6とし、外側電極を燃料極4としてもよい。
上記実施形態では、支持基板20の凹部23内に燃料極集電部41が収容されているが、燃料電池セル301の構成はこれに限定されない。例えば、支持基板20は凹部23を有していなくてもよい。この場合、燃料極集電部41は、支持基板20の第1主面22a上に配置される。
上記実施形態では、空気極活性部61は、空気極集電部62よりも酸化物イオン伝導性を有する物質の含有率が大きいが、空気極6の構成はこれに限定されない。例えば、空気極活性部61と空気極集電部62とは、酸化物イオン伝導性を有する物質の含有率が同じであってもよい。例えば、空気極活性部61及び空気極集電部62は、酸化物イオン伝導性を有する材料のみから構成されていてもよい。
上記実施形態では、各空気供給用凹部612は、幅方向(y軸方向)に沿って配列されているが、これに限定されない。例えば、図13に示すように、各空気供給用凹部612は、支持基板20の長手方向(x軸方向)に沿って配列されていてもよい。各空気供給用凹部612は、互いに間隔をあけて配置されている。また、図14に示すように、各空気供給用凹部612は、支持基板20の幅方向に配列されるとともに、長手方向にも配列されていてもよい。
5 電解質
6 空気極
61 空気極活性部
611 外周縁部
612 空気供給用凹部
62 空気極集電部
10 発電素子部
20 支持基板
Claims (9)
- 支持基板と
前記支持基板上に配置される発電素子部と、
を備え、
前記発電素子部は、前記支持基板側から順に、内側電極、電解質、及び外側電極を有し、
前記外側電極は、外側電極活性部と、外周縁部の少なくとも一部を除いて前記外側電極活性部を覆うように配置される外側電極集電部と、を有し、
前記外側電極活性部は、露出した前記外周縁部において、前記電解質に向かって延びるガス供給用凹部を有する、
燃料電池セル。
- 前記ガス供給用凹部は、前記外側電極活性部上に形成された切込みである、
請求項1に記載の燃料電池セル。
- 前記ガス供給用凹部は、前記外側電極活性部と前記外側電極集電部との境界部に配置される、
請求項1又は2に記載の燃料電池セル。
- 前記ガス供給用凹部は、前記外側電極活性部と前記外側電極集電部との境界部に沿って前記支持基板の幅方向に延びる、
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記ガス供給用凹部は、前記外側電極活性部と前記外側電極集電部との境界部に沿って前記支持基板の長手方向に延びる、
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記外側電極集電部は、前記外側電極活性部よりも厚い、
請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記外側電極活性部は、複数の前記ガス供給用凹部を有し、
前記各ガス供給用凹部は、互いに間隔をあけて配列する、
請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記各ガス供給用凹部は、前記支持基板の幅方向に沿って配列する、
請求項7に記載の燃料電池セル。
- 前記各ガス供給用凹部は、前記支持基板の長手方向に沿って配列する、
請求項7に記載の燃料電池セル。
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