JP6922053B2 - 燃料電池セル、及びセルスタック装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セル、及びセルスタック装置に関するものである。

特許文献１に示すように、燃料電池セルは、支持基板、ガス流路、及び発電素子部を備えている。ガス流路は、支持基板内に形成されている。発電素子部は支持基板に支持されている。支持基板内のガス流路に燃料ガスが供給されることによって、発電素子部が発電する。燃料電池セルは、発電素子部において使用されなかった燃料ガスをガス流路から排出する。

特開２０１５−６９７０１号公報

燃料電池セルが排出する燃料ガス（オフガス）中には水素、水蒸気、一酸化炭素、及び二酸化炭素が含まれている。このオフガス中の水素濃度を低下させることが要望されている。そこで、本発明の課題は、オフガス中の水素濃度を低下させることにある。

本発明の第１側面に係る燃料電池セルは、多孔質の支持基板と、第１ガス流路と、発電素子部と、水素透過膜とを備える。第１ガス流路は、支持基板内を延びる。第１ガス流路は、ガス排出口を有する。発電素子部は、支持基板に支持される。水素透過膜は、発電素子部とガス排出口との間において支持基板に支持される。水素透過膜は、支持基板の外部と第１ガス流路との間に介在する。水素透過膜は、水素を透過させる。

この構成によれば、第１ガス流路内に水素を含む燃料ガスを流し、支持基板の外部に酸化剤ガス（例えば、空気）を流すと、発電素子部が発電する。そして、発電素子部とガス排出口との間における第１ガス流路内には、発電素子部において使用されなかった燃料ガスが流れる。この発電素子部とガス排出口との間における第１ガス流路内から、水素透過膜を介して燃料ガス中の水素が、支持基板の外部へと供給される。この結果、オフガス中の水素濃度を低下させることができる。なお、水素を透過させるとは、プロトンを透過させることだけでなく、水素分子を透過させることも含む概念である。すなわち、水素透過膜は、プロトンを透過させるものだけでなく、分子ふるいとして水素分子を透過させるものも含む。

また、オフガス中の水素濃度が低下することによって、一酸化炭素濃度を低下させることができる。詳細には、オフガス中において、水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ⇔ＣＯ_２＋Ｈ_２）によって平衡が取られている。この中でＨ_２を除去すれば全体の反応が右側に進み、一酸化炭素濃度も低下させることができる。したがって、一酸化炭素および水素の処理負荷を減らすことができる。

好ましくは、燃料電池セルは、ガス供給口を有する第２ガス流路をさらに備える。第１ガス流路は、燃料電池セルの第１端部から第２端部に向かって延びる。ガス排出口は、燃料電池セルの第２端部において開口する。第２ガス流路は、燃料電池セルの第１端部において、第１ガス流路と連通する。

好ましくは、水素透過膜は、電子伝導性を有する。

好ましくは、水素透過膜は、ＢａＺｒＯ_３を含む。

好ましくは、発電素子部は、複数の発電素子部を有する。複数の発電素子部は、ガス流路が延びる方向に沿って配列される。水素透過膜は、複数の発電素子部のうち、最もガス排出口側に配置される端部発電素子部とガス排出口との間に配置される。

好ましくは、水素透過膜は、発電素子部と電気的に隔離される。

好ましくは、支持基板は、主面上に凹部を有している。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る。水素透過膜は、凹部内に配置される。

本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、上記いずれかの燃料電池セルと、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。

本発明の第３側面に係るセルスタック装置は、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、を備える。燃料電池セルは、多孔質の支持基板と、第１ガス流路と、第２ガス流路と、発電素子部と、水素透過膜とを備える。第１ガス流路は、支持基板内を延びる。第１ガス流路は、ガス排出口を有する。発電素子部は、支持基板に支持される。水素透過膜は、発電素子部とガス排出口との間において支持基板に支持される。水素透過膜は、支持基板の外部と第１ガス流路との間に介在する。水素透過膜は、水素を透過させる。第２ガス流路は、ガス供給口を有する。第１ガス流路は、燃料電池セルの第１端部から第２端部に向かって延びる。ガス排出口は、燃料電池セルの第２端部において開口する。第２ガス流路は、燃料電池セルの第１端部において、第１ガス流路と連通する。第１ガス流路は、ガス回収室と連通する。第２ガス流路は、ガス供給室と連通する。

本発明によれば、オフガス中の水素濃度を低下させることができる。

セルスタック装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの上面図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 第２端部における燃料電池セルの断面図。 第２端部における燃料電池セルの断面図。 第１端部における燃料電池セルの断面図。 変形例に係る燃料電池セルの断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係る燃料電池セルの第２端部の断面図。

以下、本発明に係る燃料電池セル及び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。

［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。

［マニホールド］
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。

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、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。

図３に示すように、マニホールド本体部２３の天板部２３１には、複数の貫通孔２３２が形成されている。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の長手方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔２３２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２３２は、ガス供給室２１ｂ及びガス回収室２１ａと連通している。なお、各貫通孔２３２は、ガス供給室２１ｂと連通する部分とガス回収室２１ａと連通する部分とに分かれていてもよい。

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１ｂとガス回収室２１ａ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の長手方向に延びている。

図２に示すように、ガス供給室２１ｂの底面には、ガス供給孔２１１が形成されている。また、ガス回収室２１ａの底面には、ガス排出孔２２１が形成されている。ガス供給孔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よりも一方側に配置されている。一方、ガス排出孔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よりも他方側に配置されている。すなわち、ガス供給孔２１１とガス排出孔２２１は、燃料電池セル１０の配列方向において、マニホールド２の中心Ｃを基準に、互いに反対側に配置されている。

［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。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。

燃料電池セル１０の第２端部１０２は、接合材などによってマニホールド２の天板部２３１に取り付けられる。詳細には、燃料電池セル１０の第２端部１０２は、天板部２３１に形成された貫通孔２３２に挿入されている。なお、燃料電池セル１０の第２端部１０２は、貫通孔２３２に挿入されていなくてもよい。すなわち、燃料電池セル１０の第２端面１０４によって貫通孔２３２を覆うように、燃料電池セル１０が天板部２３１上に載置されていてもよい。

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の長手方向（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の長手方向に沿っている。

図４及び図５に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４と、複数の第１ガス流路４１ａと、複数の第２ガス流路４１ｂと、複数の発電素子部５と、水素透過膜１３と、を有している。また、燃料電池セル１０は、連通部材３をさらに有している。

［支持基板、第１及び第２ガス流路］
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。

複数の第１ガス流路４１ａ及び複数の第２ガス流路４１ｂは、支持基板４内を延びている。詳細には、第１ガス流路４１ａは、支持基板４内を燃料電池セル１０の第１端部１０１から第２端部１０２に向かって延びている。また、第２ガス流路４１ｂは、支持基板４内を燃料電池セル１０の第２端部１０２から第１端部１０１に向かって延びている。第１及び第２ガス流路４１ａ、４１ｂは、支持基板４の長手方向に延びている。第１及び第２ガス流路４１ａ、４１ｂは、支持基板４を貫通している。

各第１ガス流路４１ａは、支持基板４の幅方向において互いに間隔をあけて配置されている。また、各第２ガス流路４１ｂも、支持基板４の幅方向において互いに間隔をあけて配置されている。なお、第１ガス流路４１ａと第２ガス流路４１ｂとの間隔は、第１ガス流路４１ａ同士の間隔よりも大きく、第２ガス流路４１ｂ同士の間隔よりも大きいことが好ましい。

第１ガス流路４１ａは、ガス排出口４１１ａを有している。ガス排出口４１１ａは、燃料電池セル１０の第２端部１０２において開口している。詳細には、ガス排出口４１１ａは、燃料電池セル１０の第２端面１０４において開口している。なお、燃料電池セル１０の第２端面１０４は、第２端部１０２側の端面である。この第２端面１０４は、マニホールド２側を向いている。

第１ガス流路４１ａのガス排出口４１１ａは、ガス回収室２１ａに開口している。すなわち、第１ガス流路４１ａは、ガス回収室２１ａと連通している。このガス排出口４１１ａから、オフガスが排出される。

第２ガス流路４１ｂは、ガス供給口４１１ｂを有している。ガス供給口４１１ｂは、燃料電池セル１０の第２端部１０２において開口している。詳細には、ガス供給口４１１ｂは、燃料電池セル１０の第２端面１０４において開口している。

第２ガス流路４１ｂのガス供給口４１１ｂは、ガス供給室２１ｂに開口している。すなわち、第２ガス流路４１ｂは、ガス供給室２１ｂと連通している。このガス供給口４１１ｂから、燃料ガスが供給される。

第１ガス流路４１ａと第２ガス流路４１ｂとは、燃料電池セル１０の第１端部１０１側において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４１ａと、第２ガス流路４１ｂとが、後述する連通部材３の連通流路３０を介して連通している。

第１及び第２ガス流路４１ａ、４１ｂは、第１ガス流路４１ａ内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４１ｂ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いる。

例えば、各第１ガス流路４１ａの流路断面積は、各第２ガス流路４１ｂの流路断面積よりも小さくすることができる。なお、第１ガス流路４１ａの数と第２ガス流路４１ｂとの数とが異なる場合は、各第１ガス流路４１ａの流路断面積の合計値が、各第２ガス流路４１ｂの流路断面積の合計値よりも小さくすることができる。

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。

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。

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４１ａ及び第２ガス流路４１ｂ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９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。

図６に示すように、支持基板４は、複数の凹部４９と、複数の桟部５０とを有している。複数の凹部４９は、支持基板４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。複数の凹部４９のそれぞれは、支持基板４の幅方向に延びている。なお、複数の凹部４９のそれぞれは、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）の両端部には形成されていない。

桟部５０は、一対の凹部４９の間に配置される。すなわち、一対の凹部４９の間の部分が桟部５０となる。桟部５０は、支持基板４の幅方向に延びている。支持基板４の長手方向において、凹部４９と桟部５０とが交互に配置される。

［発電素子部］
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。

複数の発電素子部５は、第１及び第２ガス流路４１ａ、４１ｂが延びる方向に沿って配列されている。詳細には、複数の発電素子部５は、支持基板４の長手方向に配列されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル１０は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。複数の発電素子部５は、インターコネクタ９によって、互いに直列に接続されている。

複数の発電素子部５のうち、最も第２端部１０２側に配置される発電素子部５を端部発電素子部５ａと称する。すなわち、端部発電素子部５ａは、複数の発電素子部５の中で、マニホールド２の最も近くに配置されている。

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の長手方向視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２１ｂとガス回収室２１ａ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。

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４１ａ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４１ｂ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４１ａのうち、一部の第１ガス流路４１ａ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４１ｂのうち、一部の第２ガス流路４１ｂが第２部分５２と重複していなくてもよい。

図６は、第１ガス流路４１ａに沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。

図６に示すように、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。支持基板４側から、燃料極６、電解質７、空気極８の順で配置されている。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］
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］
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。

燃料極集電部６１の第３主面６１１は、支持基板４の第１主面４５と実質的に同一面上にある。すなわち、支持基板４の第１主面４５と、各燃料極集電部６１の第３主面６１１とによって、一つの面が構成されている。なお、第３主面６１１は、第１主面４５と完全に同一面上になくてもよい。例えば、第１主面４５と第３主面６１１との間に、２０μｍ以下程度の段差があってもよい。第３主面６１１は平坦面を構成している。

燃料極集電部６１は、電子伝導性を有する。燃料極集電部６１は、燃料極活性部６２よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。燃料極集電部６１は、酸化物イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

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。

［燃料極活性部］
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。

燃料極活性部６２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。燃料極活性部６２は、燃料極集電部６１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、燃料極活性部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は、燃料極集電部６１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。

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。

［電解質］
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。

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。

［反応防止膜］
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）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。

［空気極］
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］
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。

空気極活性部８１は、多孔質の材料から構成される。空気極活性部８１は焼成体である。空気極活性部８１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、空気極活性部８１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。空気極活性部８１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

［空気極集電部］
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。

空気極集電部８２は、電子伝導性を有する多孔質材料から構成される。空気極集電部８２は、焼成体である。空気極集電部８２は、空気極活性部８１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部８２は、酸化物イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

空気極集電部８２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、空気極集電部８２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、空気極集電部８２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。なお、空気極集電部８２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［インターコネクタ］
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。

このように、各発電素子部５は、インターコネクタ９によって、第１及び第２主面４５、４６のそれぞれにおいて燃料電池セル１０の第１端部１０１から第２端部１０２まで直列に接続されている。

インターコネクタ９は、燃料極集電部６１の第３主面６１１上に配置されている。インターコネクタ９は、支持基板４の長手方向において、燃料極活性部６２と間隔をあけて配置されている。

インターコネクタ９は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される。インターコネクタ９は、焼成体である。インターコネクタ９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９の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９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９の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

図７に示すように、各燃料電池セル１０において最も第２端部１０２側に配置されたインターコネクタ９は、第１主面４５に配置される発電素子部５と、第２主面４６に配置される発電素子部５とを電気的に接続している。

第２主面４６において最も第２端部１０２側に配置された端部発電素子部５ａの空気極集電部８２は、第２主面４６から側面４７を介して第１主面４５まで延びている。すなわち、この最も第２端部側に配置された端部発電素子部５ａの空気極集電部８２は、環状に延びている。そして、第１主面４５において最も第２端部１０２側に配置されたインターコネクタ９は、第２主面４６から第１主面４５まで延びる空気極集電部８２と、第１主面４５において最も第２端部１０２側に配置された端部発電素子部５の燃料極集電部６１と、を電気的に接続している。

このように、第１主面４５において直列接続された複数の発電素子部５と、第２主面４６において直列接続された複数の発電素子部５とは、インターコネクタ９によって、燃料電池セル１０の第２端部１０２において直列接続されている。

［水素透過膜］
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及び図７に示すように、水素透過膜１３は、支持基板４の外部と第１ガス流路４１ａとの間に介在している。なお、図４及び図８に示すように、水素透過膜１３は、支持基板の外部と第２ガス流路４１ｂとの間には介在していない。

図４に示すように、水素透過膜１３は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。燃料電池セル１０の正面視（ｚ軸方向視）において、水素透過膜１３は、各第１ガス流路４１ａと重複している。一方、燃料電池セル１０の正面視（ｚ軸方向視）において、水素透過膜１３は、各第２ガス流路４１ｂとは重複していない。すなわち、水素透過膜１３は、各第１ガス流路４１ａが形成される領域内において、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。そして、水素透過膜１３は、各第２ガス流路４１ｂが形成される領域内には配置されていない。

図７に示すように、支持基板４は、端部発電素子部５ａよりも第２端部１０２側であり且つ水素透過膜１３が形成されていない領域において、電子伝導性を有さない端部緻密膜１４によって覆われている。水素透過膜１３は、端部緻密膜１４から露出している。水素透過膜１３は、酸化剤ガスが供給される空間内に露出されている。

端部緻密膜１４は、緻密性を有する。詳細には、端部緻密膜１４は、支持基板４よりも緻密である。例えば、端部緻密膜１４の気孔率は、０〜７％程度である。端部緻密膜１４は、第１及び第２ガス流路４１ａ、４１ｂ内を流れる燃料ガスを透過させない。端部緻密膜１４は、例えば、上述した電解質７によって構成することができる。

端部緻密膜１４は、水素透過膜１３の外周縁部と重複するように配置されている。すなわち、水素透過膜１３は、外周縁部を除いて、端部緻密膜１４から露出している。水素透過膜１３は、端部発電素子部５ａと電気的に隔離されている。

水素透過膜１３は、支持基板４の第１主面４５上に形成されている。なお、水素透過膜１３は、第２主面４６上に形成されていてもよい。水素透過膜１３は、例えば、支持基板４の第１主面４５に形成された凹部４５１内に形成されている。

水素透過膜１３は、緻密性を有する。詳細には、水素透過膜１３は、支持基板４よりも緻密である。例えば、水素透過膜１３の気孔率は、０〜７％程度である。水素透過膜１３は、第１ガス流路４１ａ内を流れる燃料ガスを透過させない。

水素透過膜１３は、水素を透過させる。詳細には、水素透過膜１３は、プロトンを透過させる。また、水素透過膜１３は、電子伝導性を有することが好ましい。すなわち、水素透過膜１３は、プロトン・電子混合導電性を有する。具体的には、水素透過膜１３は、水素分離膜を用いることができる。

水素透過膜１３は、例えば、ＢａＺｒＯ_３を含む。水素透過膜１３は、ＢａＺｒＯ_３を主成分として含んでいる。

［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。

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４１ａ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４１ａと複数の第２ガス流路４１ｂとが連通されている。

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。

［集電部材］
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。

集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の第１端部１０１同士を接合している。例えば、集電部材１２は、支持基板４の両主面に配置された複数の発電素子部５のうち、最も第１端部１０１側に配置された発電素子部５よりも第１端部１０１側に配置されている。集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の最も第１端部１０１側に配置された発電素子部５同士を電気的に接続している。

集電部材１２は、導電性接合材１０３を介して、発電素子部５から延びる空気極集電部８２に接合される。導電性接合材１０３としては、周知の導電性セラミックス等を用いることができる。例えば、導電性接合材１０３は、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３などから選ばれる少なくとも１種によって構成することができる。

［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、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）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

詳細には、ガス供給室２１ｂに供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０の第２ガス流路４１ｂ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２ガス流路４１ｂを出て連通部材３の連通流路３０を介して第１ガス流路４１ａへ供給される。そして、第１ガス流路４１ａ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。

端部発電素子部５ａよりも下流側、すなわち、端部発電素子部５ａとガス排出口４１１ａとの間において、第１ガス流路４１ａ内を流れる燃料ガス中の一部の水素が支持基板４の外部へと供給される。そのため、オフガス中の水素濃度を低下させることができる。また、この結果、オフガス中の一酸化炭素濃度を低下させることができる。

［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。

変形例１
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。

変形例２
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。

変形例３
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。

マニホールド２は、燃料電池セル１０の第１端部１０１を支持している。そして、燃料電池セルの第２端部１０２は、マニホールド２と反対側に配置されている。第１ガス流路４１ａのガス排出口４１１ａは、マニホールド２と反対側に開口している。このため、本変形例において、マニホールド２を基準にした水素透過膜１３の位置は、上記実施形態と逆になっている。また、端部発電素子部５ａも、複数の発電素子部５の中で、マニホールド２から最も遠くに配置されている。

変形例４
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。

変形例５
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（Ｙ_２Ｏ_３）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。

変形例６
上記実施形態では、水素透過膜１３は、ＢａＺｒＯ_３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。

変形例７
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。

変形例８
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、ＢａＺｒＯ_３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。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（３）
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（４）

変形例９
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。

詳細には、凹部４５１は、開口面４５１ａ、底面４５１ｂ、及び側面４５１ｃによって画定されている。側面４５１ｃは、底面４５１ｂの外周縁から第１主面４５に向かって傾斜して延びている。開口面４５１ａと側面４５１ｃとがなす角度は、鋭角である。底面４５１ｂと側面４５１ｂとがなす角度は、鈍角である。開口面４５１ａは、側面４５１ｃの先端縁によって画定される。開口面４５１ａは、凹部４５１と外部との境界面である。

水素透過膜１３は、凹部４５１内に隙間なく配置されている。すなわち、水素透過膜１３は、凹部４５１と同様の形状になっている。

２ マニホールド
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)

1. 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。
   
2. 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。
   
3. 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。
   
4. 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。
   
5. 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。
   
6. 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。
   
7. 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。
   
8. 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。
   
9. 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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