JP6922053B2 - 燃料電池セル、及びセルスタック装置 - Google Patents
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Description
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。
図1及び図2に示すように、マニホールド2は、各燃料電池セル10の第2端部102を支持している。マニホールド2は、複数の燃料電池セル10のそれぞれにガスを分配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21bとガス回収室21aとを有している。ガス供給室21bには、改質器などを介して燃料ガス供給源から燃料ガスが供給される。ガス回収室21aは、各燃料電池セル10から排出された燃料ガス(オフガス)を回収する。
図4は、セルスタック装置の断面図を示している。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、第1端部101及び第2端部102を有している。燃料電池セル10は、第2端部102がマニホールド2に取り付けられている。このように、燃料電池セル10の第2端部102は、マニホールド2側の端部であり、第1端部101は、マニホールド2から離れた側の端部である。本実施形態では、燃料電池セル10の第2端部102は燃料電池セル10の下端部であり、燃料電池セル10の第1端部101は燃料電池セル10の上端部である。
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、板状である。詳細には、支持基板4は、正面視(z軸方向視)が長方形状である。支持基板4は、長手方向(x軸方向)と幅方向(y軸方向)とを有している。なお、支持基板4は、長手方向の寸法が幅方向の寸法よりも長い。本実施形態では、図4の上下方向(x軸方向)が支持基板4の長手方向であり、図4の左右方向が(y軸方向)が支持基板4の幅方向である。
図5に示すように、複数の発電素子部5は、支持基板4に支持されている。なお、本実施形態では、複数の発電素子部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、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のどちらか一方のみに支持されていてもよい。
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。燃料極6は、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。各燃料極6は、支持基板4上に配置されている。各燃料極6は、支持基板4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3主面611を有している。
燃料極活性部62は、燃料極集電部61の第3主面611上に配置されている。このため、燃料極活性部62は、凹部49から突出している。すなわち、燃料極活性部62は、燃料極集電部61に埋設されていない。燃料極活性部62の端縁は、第3主面611上において、燃料極集電部61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62は、燃料極集電部61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62は、第3主面611内に収まっている。
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9から他のインターコネクタ9まで支持基板4の長手方向に延びている。すなわち、支持基板4の長手方向において、電解質7とインターコネクタ9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。
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、厚さ方向視において、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と空気極活性部81内のSrとが反応して電解質7と空気極活性部81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)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11の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
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。空気極8は、焼成体である。空気極8は、燃料極6と協働して電解質7を挟むように配置されている。空気極8は、空気極活性部81及び空気極集電部82を有している。
空気極活性部81は、反応防止膜11上に配置されている。空気極活性部81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81は、空気極集電部82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81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は、空気極集電部82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82は、空気極活性部81上に配置されている。空気極集電部82は、空気極活性部81から、隣の発電素子部5に向かって延びている。空気極集電部82は、インターコネクタ9を介して隣の発電素子部5の燃料極集電部61と電気的に接続されている。なお、燃料極集電部61と空気極集電部82とは、支持基板4の長手方向(x軸方向)において、発電領域から互いに反対側に延びている。なお、発電領域とは、燃料電池セル10の厚さ方向視(z軸方向視)において、燃料極活性部62と電解質7と空気極活性部81とが重複する領域である。
インターコネクタ9は、支持基板4の長手方向において隣り合う発電素子部5同士を電気的に接続するように構成されている。インターコネクタ9は、隣り合う発電素子部5の一方の発電素子部5の燃料極6と、他方の発電素子部5の空気極8とを電気的に接続している。詳細には、インターコネクタ9は、一方の発電素子部5の燃料極集電部61と、他方の発電素子部5の空気極集電部82とを電気的に接続している。
図4に示すように、水素透過膜13は、端部発電素子部5aとガス排出口411aとの間に配置されている。すなわち、水素透過膜13は、端部発電素子部5aよりも第2端部102側に配置されている。水素透過膜13は、支持基板4に支持されている。
図4に示すように、連通部材3は、支持基板4の先端部に取り付けられている。なお、支持基板4の先端部とは、支持基板4の第1及び第2ガス流路41a、41bが延びる方向の端部のうち、マニホールド2から離れた側の端部である。そして、連通部材3は、第1ガス流路41aと第2ガス流路41b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41aと各第2ガス流路41bとを連通する。連通流路30は、各第1ガス流路41aから各第2ガス流路41bまで延びる空間によって構成されている。
図9に示すように、セルスタック装置100は、集電部材12をさらに有している。集電部材12は、隣り合う燃料電池セル10の間に配置されている。そして、集電部材12は、隣り合う燃料電池セル10を互いに電気的に接続している。複数の燃料電池セル10は、集電部材12を介して、互いに直列接続されている。
上述したように構成されたセルスタック装置100では、水素を含む燃料ガスをマニホールド2のガス供給室21b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)・O2+2e−→O2− …(1)
H2+O2−→H2O+2e− …(2)
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。
図10に示すように、水素透過膜13は、支持基板4の第1主面45と第2主面46との両方に形成されていてもよい。また、水素透過膜13は、支持基板4の各側面47に形成されていてもよい。この場合、水素透過膜13は、支持基板4の周囲に沿って環状に形成されている。
上記実施形態では、各燃料電池セル10は、複数の発電素子部5を有していたが、各燃料電池セル10は、1つの発電素子部5のみを有していてもよい。この場合、水素透過膜13は、発電素子部5とガス排出口411aとの間に配置される。
上記実施形態では、燃料電池セル10は、第1ガス流路41aと第2ガス流路41bとを有しているが、燃料電池セル10の構成はこれに限定されない。例えば、図11に示すように、燃料電池セル10は、第2ガス流路41bを有していなくてもよい。この場合、マニホールド2は、ガス回収室21aは有していない。また、燃料電池セル10は、連通部材3を有していない。
上記実施形態では、第1ガス流路41aと第2ガス流路41b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12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41aと第2ガス流路41bとが連通されている。
上記実施形態では、端部緻密膜14を電解質7によって構成しているが、この端部緻密膜14は、これに限定されない。例えば、端部緻密膜14は、酸化イットリウム(Y2O3)と酸化マグネシウム(MgO)を含む混合膜によって構成してもよい。また、端部緻密膜14は、スピネル(例えば、Al−MgOスピネル)によって構成することもできる。
上記実施形態では、水素透過膜13は、BaZrO3によって構成されているが、これに限定されない。例えば、水素透過膜13は、ゼオライト、またはパラジウム箔などによって構成してもよい。また、発電素子部5を構成する電解質7の少なくとも一部を水素透過膜13にしてもよい。
上記実施形態では、水素透過膜13は、プロトンを透過させるように構成されているがこれに限定されない。例えば、水素透過膜13は、水素分子を透過させるように構成されていてもよい。
上記実施形態では、電解質7は、酸化物イオン伝導性を有していたが、プロトン伝導性を有していてもよい。具体的には、電解質7は、BaZrO3から構成されてもよい。この場合、空気極8において下記(3)式に示す化学反応が起こり、燃料極6において下記(4)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
O2+4H++4e−→2H2O …(3)
H2→2H++2e− …(4)
図13に示すように、支持基板4の第1主面45に形成された凹部451は、底面451bから開口面451aに向かって広がる形状としてもよい。すなわち、開口面451aは、底面451bよりも大きい面積を有する。凹部451の断面形状は、台形状である。
21a ガス回収室
21b ガス供給室
4 多孔質基材
41a 第1ガス流路
411a ガス排出口
41b 第2ガス流路
411b ガス供給口
5 発電素子部
10 燃料電池セル
13 水素透過膜
100 燃料電池スタック
Claims (9)
- 多孔質の支持基板と、
前記支持基板内を延び、ガス排出口を有する第1ガス流路と、
前記支持基板に支持される発電素子部と、
前記発電素子部と前記ガス排出口との間において前記支持基板に支持され、前記支持基板の外部と前記第1ガス流路との間に介在し、水素を透過させる水素透過膜と、
前記支持基板の前記発電素子部よりも前記ガス排出口側の領域であって前記水素透過膜が形成されていない領域を覆う端部緻密膜と、
を備える、燃料電池セル。
- ガス供給口を有する第2ガス流路をさらに備え、
前記第1ガス流路は、前記燃料電池セルの第1端部から第2端部に向かって延び、
前記ガス排出口は、前記燃料電池セルの第2端部において開口し、
前記第2ガス流路は、前記燃料電池セルの第1端部において、前記第1ガス流路と連通する、
請求項1に記載の燃料電池セル。
- 前記水素透過膜は、電子伝導性を有する、
請求項1又は2に記載の燃料電池セル。
- 前記水素透過膜は、BaZrO 3 を含む、
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記発電素子部は、複数の発電素子部を有し、
前記複数の発電素子部は、前記第1ガス流路が延びる方向に沿って配列され、
前記水素透過膜は、前記複数の発電素子部のうち、最も前記ガス排出口側に配置される端部発電素子部と前記ガス排出口との間に配置される、
請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記水素透過膜は、前記発電素子部と電気的に隔離される、
請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 前記支持基板は、主面上に凹部を有しており、
前記支持基板の凹部は、底面から開口面に向かって広がる形状であり、
前記水素透過膜は、前記凹部内に配置される、
請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池セル。
- 請求項1から7のいずれかに記載された燃料電池セルと、
前記燃料電池セルにガスを供給するマニホールドと、
を備える、セルスタック装置。
- 請求項2に記載された燃料電池セルと、
ガス供給室及びガス回収室を有するマニホールドと、
を備え、
前記第1ガス流路は、前記ガス回収室と連通し、
前記第2ガス流路は、前記ガス供給室と連通する、
セルスタック装置。
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