JP7027621B1 - セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

Abstract

セルは、素子部と、支持基板とを備える。支持基板は、第１方向に反応ガスが流れるガス流路を有し、素子部を支持する。素子部は、第１方向に交差する第２方向に第１長さを有する第１部分と、第１部分よりもガス流路の下流側に位置し、第２方向に第１長さとは異なる第２長さを有する第２部分とを含む。

Description

本開示は、セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス等の燃料ガス（水素含有ガス）と空気等の酸素含有ガスとを反応ガスとして用いて電力を得ることができるセルの１種である燃料電池セルを複数有する燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。

特開２０１５－１６２３５７号公報

実施形態の一態様に係るセルは、素子部と、支持基板とを備える。支持基板は、第１方向に反応ガスが流れるガス流路を有し、素子部を支持する。前記素子部は、前記第１方向に交差する第２方向に第１長さを有する第１部分と、前記第１部分よりも前記ガス流路の下流側に位置し、前記第２方向に前記第１長さとは異なる第２長さを有する第２部分とを含む。

また、本開示のセルスタック装置は、上記に記載のセルを複数備えるセルスタックを有する。

また、本開示のモジュールは、上記に記載のセルスタック装置と、セルスタック装置を収納する収納容器とを備える。

また、本開示のモジュール収容装置は、上記に記載のモジュールと、モジュールの運転を行うための補機と、モジュールおよび補機を収容する外装ケースとを備える。

図１Ａは、第１の実施形態に係るセルの一例を示す横断面図である。 図１Ｂは、第１の実施形態に係るセルの一例を空気極側からみた側面図である。 図１Ｃは、第１の実施形態に係る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は、第１の実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す斜視図である。 図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。 図２Ｃは、第１の実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す上面図である。 図３は、第１の実施形態の変形例に係るセルの一例を空気極側からみた側面図である。 図４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５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６Ａは、第２の実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す断面図である。 図６Ｂは、第２の実施形態に係るセルの一例を示す横断面図である。 図６Ｃは、第２の実施形態に係るセルの一例を空気極側からみた側面図である。 図７Ａは、第２の実施形態の変形例に係るセルの一例を空気極側からみた側面図である。 図７Ｂは、第２の実施形態の変形例に係るセルの別の例を空気極側からみた側面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するセル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの開示が限定されるものではない。

また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係、比率などが異なる部分が含まれている場合がある。

［第１の実施形態］
＜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。

図１Ａは、第１の実施形態に係るセル１の一例を示す横断面図であり、図１Ｂは、第１の実施形態に係るセル１の一例を空気極５側からみた側面図であり、図１Ｃは、第１の実施形態に係るセル１の一例をインターコネクタ６側からみた側面図である。なお、図１Ａ～図１Ｃは、セル１の各構成の一部を拡大して示している。

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。

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７と、インターコネクタ６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。

素子部７は、支持基板２の平坦面ｎ１上に位置している。素子部７は、燃料極３と、固体電解質層４と、空気極５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６が位置している。

また、図１Ｂに示すように、空気極５はセル１の上端および下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層４のみが表面に露出している。なお、側面視した空気極５の形状については後述する。

また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ６がセル１の上端および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６および固体電解質層４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４が露出している。インターコネクタ６は、セル１の下端まで延びていなくてもよい。

以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。

支持基板２は、反応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。ガス流路２ａは、幅方向Ｗに交差する長さ方向Ｌ（図１Ｂ参照）に沿って位置している。支持基板２は、ガス透過性を有し、ガス流路２ａに流れる反応ガスを燃料極３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、素子部で生じた電気をインターコネクタ６に集電する。

空気極５は、部分５ａ，５ｂを有する。部分５ｂは、セル１の長さ方向Ｌの一端側に位置し、部分５ａは、長さ方向Ｌの他端側に位置している。部分５ａ，５ｂはそれぞれ、幅方向Ｗに所定の長さを有しており、それぞれ長さ方向Ｌに延びている。

図１Ｂに示す例では、反応ガスとしての燃料ガスは、長さ方向Ｌに沿って位置するガス流路２ａを、セル１の一端側から他端側に向かって流れる。すなわち、部分５ｂは、燃料ガスが流れるガス流路２ａの上流側に位置しており、部分５ａは、ガス流路２ａの下流側に位置している。

ここで、素子部７は、固体電解質層４を挟んで燃料極３と空気極５とが重なり合う部分をいう。すなわち、本実施形態では、平面視した素子部７は、空気極５が位置する部分と一致する。素子部７では、発電時に熱が発生する。素子部７における発熱量は、発電量に相関する。このため、素子部７の幅方向Ｗの長さを一定にすれば、長さ方向Ｌの全体にわたり、発熱量は同程度となる。

しかしながら、セル１の一端側で発生した熱の一部は、燃料ガスの流れに沿うようにガス流路２ａの下流側に位置するセル１の他端側に伝達されるので、セル１には長さ方向Ｌに沿って温度勾配が生じやすい。すなわち、ガス流路２ａの下流側に位置するセル１の他端側は、上流側に位置する一端側よりも高温になりやすい。セル１に温度勾配が生じると、高温になる他端側では、一端側よりも発電量及び発熱量が大きくなるとともに、劣化がより進行し、セル１の電池性能が低下する懸念がある。

そこで、本実施形態では、第１方向としての長さ方向Ｌの上流側と下流側との間で、素子部７の第２方向としての幅方向Ｗの長さを異ならせることとした。実施形態では、第１電極としての空気極５は、部分５ｂと、部分５ｂよりもガス流路２ａの下流側に位置し、部分５ｂよりも第２方向としての幅方向Ｗの長さが小さい部分５ａとを有する。部分５ｂに対応する素子部７の幅方向Ｗの長さを第１長さ、部分５ａに対応する素子部７の幅方向Ｗの長さを第２長さとしたとき、第２長さは、第１長さよりも小さい。

これにより、セル１の長さ方向Ｌに沿った温度勾配を低減することができる。したがって、実施形態によれば、電池性能の低下を低減することができる。

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。たとえば、鉄族金属成分は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。

燃料極３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３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としては、たとえば、Ｙ_２Ｏ_３などを用いられる。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。

固体電解質層４は、電解質であり、燃料極３と空気極５との間のイオンの橋渡しをする。同時に、固体電解質層４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。

固体電解質層４の材料は、たとえば、３モル％～１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２であってもよい。この希土類元素酸化物としては、たとえば、Ｙ_２Ｏ_３などが用いられる。なお、上記特性を有する限りにおいては、固体電解質層４の材料に他の材料などを用いてもよい。

空気極５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５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の導電性セラミックスであってもよい。

空気極５の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒとＬａ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。

また、空気極５は、ガス透過性を有している。空気極５の開気孔率は、たとえば２０％以上、特に３０％～５０％の範囲であってもよい。

インターコネクタ６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ない。

また、インターコネクタ６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６は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。

＜セルスタック装置の構成＞
次に、上述したセル１を用いた本実施形態に係るセルスタック装置１０について、図２Ａ～図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、第１の実施形態に係るセルスタック装置１０の一例を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すＡ－Ａ線の断面図であり、図２Ｃは、第１の実施形態に係るセルスタック装置１０の一例を示す上面図である。

図２Ａに示すように、セルスタック装置１０は、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。

固定部材１２は、接合材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。接合材１３は、セル１と支持部材１４とを接合する。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、金属製であり導電性を有している。

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、接合材１３で接合されている。

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に充填された固定材２１によって、ガスタンク１６に固定されている。

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４参照）で生成される。

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。

図２Ａに示す例では、複数のセル１を有するセルスタック１１が２列のセルスタック１１、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、複数のセル１をそれぞれ有する。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。

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。なお、挿入孔１５ａの形状は、セル１の配列方向に長い略矩形状であってもよい。

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、接合材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。

接合材１３および固定材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。接合材１３および固定材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。

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。

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３と他方のセル１の空気極５とを電気的に直列に接続する。より具体的には、隣接する一方のセル１の燃料極３と電気的に接続されたインターコネクタ６と、他方のセル１の空気極５とを接続している。

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、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。

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。

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。

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。

＜変形例＞
図３は、第１の実施形態の変形例に係るセルの一例を空気極側からみた側面図である。図３に示すように、空気極５は、燃料ガスが流れるガス流路２ａ（図１Ａ参照）の下流側の端部５ｃの方が上流側の端部５ｄよりも幅方向Ｗの長さが小さい略台形状を有する点で上記した実施形態に係る空気極５と相違する。端部５ｄに対応する、ガス流路２ａの上流側に位置する素子部７の端部が、実施形態に係るセル１における素子部７の第１部分に相当する。端部５ｃに対応する、ガス流路２ａの下流側に位置する素子部７の端部が、実施形態に係るセル１における素子部７の第２部分に相当する。また、第１部分の幅方向Ｗの長さを第１長さ、第２部分の幅方向Ｗの長さを第２長さとしたとき、第２長さは、第１長さよりも小さい。

このように、素子部７の幅方向Ｗの長さを連続的に異ならせることによっても、セル１の長さ方向Ｌに沿った温度勾配を低減することができる。したがって、本変形例に係るセル１によれば、電池性能の低下を低減することができる。

なお、上記した実施形態および変形例に係るセル１では、素子部７の第２部分はガス流路２ａの下流側の端部に位置していたが、第１部分よりもガス流路２ａの下流側の領域に位置していてもよい。

＜モジュール＞
次に、上述したセルスタック装置１０を用いた本開示の実施形態に係るモジュール１００について、図４を用いて説明する。図４は、実施形態に係るモジュールを示す外観斜視図であり、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。

図４に示すように、モジュール１００は、収納容器１０１、および収納容器内に収納されたセルスタック装置１０を備えている。また、セルスタック装置１０の上方には、改質器１０２が配置されている。

かかる改質器１０２は、天然ガス、灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成し、セル１に供給する。原燃料は、原燃料供給管１０３を通じて改質器１０２に供給される。なお、改質器１０２は、水を気化させる気化部１０２ａと、改質部１０２ｂとを備えていてもよい。改質部１０２ｂは、図示しない改質触媒を備えており、原燃料を燃料ガスに改質する。このような改質器１０２は、効率の高い改質反応である水蒸気改質を行うことができる。

そして、改質器１０２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０、ガスタンク１６、および支持部材１４を通じて、セル１のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。

また、上述の構成のモジュール１００では、ガスの燃焼およびセル１の発電に伴い、通常発電時におけるモジュール１００内の温度が５００～１０００℃程度となる。

このようなモジュール１００においては、上述したように、電池性能の低下を低減するセルスタック装置１０を収納して構成されることにより、電池性能の低下を低減するモジュール１００とすることができる。

＜モジュール収容装置＞
図５は、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。実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、図４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５においては一部構成を省略して示している。

図５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５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。

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。

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、電池性能の低下を低減するモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、電池性能の低下を低減するモジュール収容装置１１０とすることができる。

［第２の実施形態］
つづいて、第２の実施形態に係るセルスタック装置およびセルについて、図６Ａ～図６Ｃを参照しながら説明する。図６Ａは、第２の実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す断面図である。図６Ｂは、第２の実施形態に係るセルの一例を示す横断面図である。図６Ｃは、第２の実施形態に係るセルの一例を空気極側からみた側面図である。

第２の実施形態に係るセルスタック装置１０Ａは、図６Ａに示すように、燃料ガスを流通させる配管２２ａから、複数の素子部７をそれぞれ支持する複数の支持基板２が長さ方向Ｌに延びており、各セル１Ａを構成している。各セル１Ａを構成する支持基板２の内部には、配管２２ａからのガスが流れるガス流路２ａが設けられている。各セル１Ａは、導電部材１８を介して直列に接続されている。

図６Ｂに示すように、セル１Ａは、支持基板２と、一対の素子部７と、封止部８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。

一対の素子部７は、支持基板２の平坦面ｎ１，ｎ２上に、互いに対向するように位置している。また、封止部８は、支持基板２の側面ｍを覆うように位置している。

図６Ｃに示すように、セル１Ａは、たとえば平坦面ｎ１側に複数の空気極５を有している。複数の空気極５は、セル１Ａの長さ方向Ｌに沿って位置する空気極５Ａ～５Ｃを有している。空気極５Ａ～５Ｃはそれぞれ、素子部７の各素子を構成する。空気極５Ｃは、セル１Ａの長さ方向Ｌの一端側に、空気極５Ａは、長さ方向Ｌの他端側に、それぞれ位置している。空気極５Ｂは、空気極５Ａ、５Ｃの間に位置している。セル１は、平坦面ｎ１側だけでなく、平坦面ｎ２側に複数の空気極を有していてもよい。

また、燃料ガスは、セル１Ａの一端側から他端側に向かってガス流路２ａを流れる。上記したように、ガス流路２ａの下流側に位置するセル１Ａでは、上流側よりも温度が上昇し、温度勾配が生じることで電池性能が低下する懸念がある。

そこで、本実施形態では、長さ方向Ｌの下流側に位置する空気極５の幅方向Ｗの長さを小さくすることとした。実施形態では、第１電極としての空気極５は、ガス流路２ａの下流側に位置する素子部７の方が、ガス流路２ａの上流側に位置する素子部７よりも幅方向Ｗの長さが小さい。具体的には、ガス流路２ａの下流側に位置する空気極５Ａに対応する素子部７を第２素子とし、空気極５Ａよりもガス流路２ａの上流側に位置する空気極５Ｃに対応する素子部７を第１素子としたとき、第２素子の幅方向Ｗの長さである第２長さは、第１素子の幅方向Ｗの長さである第１長さよりも小さい。

これにより、セル１の長さ方向Ｌに沿った温度勾配を低減することができる。したがって、実施形態によれば、電池性能の低下を低減することができる。

なお、図６Ｃに示した例では、空気極５Ｂに対応する第３素子の幅方向Ｗの長さである第３長さは、空気極５Ｃに対応する第１素子の幅方向Ｗの長さである第１長さと同じであるとしたが、これに限らず、たとえば第２長さと同じとしてもよい。

＜変形例＞
図７Ａは、第２の実施形態の変形例に係るセルの一例を空気極側からみた側面図である。図７Ｂは、第２の実施形態の変形例に係るセルの別の例を空気極側からみた側面図である。

図７Ａに示すセル１Ａは、長さ方向Ｌに沿って位置する空気極５Ａ～５Ｃに対応する素子部７の各素子が、幅方向Ｗの長さがそれぞれ異なる点で上記した実施形態に係るセル１Ａと相違する。具体的には、長さ方向Ｌの上流側に位置する空気極５Ｃよりも空気極５Ｂの方が、空気極５に対応する素子部７の幅方向Ｗの長さが小さく、さらに空気極５Ｂよりも空気極５Ａの方が、空気極５に対応する素子部７の幅方向Ｗの長さが小さい。

また、図７Ｂに示すセル１Ａは、空気極５Ａ～５Ｃに対応する素子部７の各素子がそれぞれ、燃料ガスが流れるガス流路２ａの下流側の端部の方が上流側の端部よりも幅方向Ｗの長さが小さい略台形状を有する点で図７Ａに示すセル１Ａと相違する。具体的には、ガス流路２ａの下流側に位置する空気極５Ａに対応する素子部７を第２素子とし、空気極５Ａよりもガス流路２ａの上流側に位置する空気極５Ｃに対応する素子部７を第１素子とする。第１素子の上流側の端部が、幅方向Ｗに第１長さを有する第１部分であり、下流側の端部が、幅方向Ｗに第１長さよりも小さい第２長さを有する第２部分である。第２素子の上流側の端部が、幅方向Ｗに第３長さを有する第３部分であり、下流側の端部が、幅方向Ｗに第３長さよりも小さい第４長さを有する第４部分である。

このように、空気極５の幅方向Ｗの長さを連続的に異ならせることによっても、セル１の長さ方向Ｌに沿った温度勾配を低減することができる。したがって、本変形例に係るセル１によれば、電池性能の低下を低減することができる。

なお、図７Ａ、図７Ｂに示した例では、各空気極５に対応する各素子の幅方向Ｗの長さをガス流路２ａの上流側から下流側に向けて段階的に異ならせることとしたが、これに限らない。たとえば、図７Ａにおいて、空気極５Ｂに対応する素子の幅方向Ｗの長さを、空気極５Ａに対応する第２素子の幅方向Ｗの長さよりも大きくしてもよく、空気極５Ｃに対応する第１素子の幅方向Ｗの長さよりも小さくしてもよい。

また、図７Ｂにおいて、たとえば、空気極５Ａ～５Ｃに対応する素子部７の各素子のうち、少なくとも一つが図示したように平面視で略台形状を有することとしてもよい。

＜その他の変形例＞
つづいて、実施形態のその他の変形例に係るセルスタック装置について説明する。

上述の実施形態では、中空平板型の支持基板を用いた場合を例示したが、円筒型の支持基板を用いたセルスタック装置に適用することもできる。

また、上記実施形態では、支持基板上に燃料極が設けられ、空気極がセルの表面に配置された例を示したが、これとは逆の配置、すなわち支持基板上に空気極が設けられ、燃料極がセルの表面に配置されたセルスタック装置に適用することもできる。

また、上記実施形態では、「セル」、「セルスタック装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。

以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

以上のように、実施形態に係るセル１は、素子部７と、支持基板２とを備える。支持基板２は、第１方向に反応ガスが流れるガス流路２ａを有し、素子部７を支持する。素子部７は、第１方向に交差する第２方向に第１長さを有する第１部分と、第１部分よりもガス流路２ａの下流側に位置し、第２方向に第１長さとは異なる第２長さを有する第２部分と、を含む。これにより、セル１の耐久性を高めることができる。

また、実施形態に係るセルスタック装置１０は、上記に記載のセルを複数備える。これにより、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。

また、実施形態に係るモジュール１００は、上記に記載のセルスタック装置１０と、セルスタック装置１０を収納する収納容器１０１とを備える。これにより、電池性能の低下を低減するモジュール１００とすることができる。

また、実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、上記に記載のモジュール１００と、モジュール１００の運転を行うための補機と、モジュール１００および補機を収容する外装ケースとを備える。これにより、電池性能の低下を低減するモジュール収容装置１１０とすることができる。

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、添付の請求の範囲及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。

１ セル
１０ セルスタック装置
１１ セルスタック
１２ 固定部材
１３ 接合材
１４ 支持部材
１５ 支持体
１６ ガスタンク
１７ 端部集電部材
１８ 導電部材
１００ モジュール
１１０ モジュール収容装置

Claims (14)

1. 素子部と、
   第１方向に反応ガスが流れるガス流路を有し、前記素子部を支持する支持基板と
   を備え、
   前記素子部は、１つの素子からなり、前記素子は、前記第１方向に交差する第２方向に第１長さを有する第１部分と、前記第１部分よりも前記ガス流路の下流側に位置し、前記第２方向に前記第１長さとは異なる第２長さを有する第２部分と、を含む
   セル。
2. 前記第２長さは、前記第１長さよりも小さい
   請求項１に記載のセル。
3. 前記第１部分は、前記素子部における前記ガス流路の上流側の端部である
   請求項１または２に記載のセル。
4. 前記第２部分は、前記ガス流路の下流側の領域に位置している
   請求項１～３のいずれか１つに記載のセル。
5. 前記第２部分は、前記素子部における前記ガス流路の下流側の端部である
   請求項４に記載のセル。
6. 前記素子部の前記第２方向の長さは、前記ガス流路の上流側よりも下流側の方が小さい
   請求項１～５のいずれか１つに記載のセル。
7. 素子部と、
   第１方向に反応ガスが流れるガス流路を有し、前記素子部を支持する支持基板と
   を備え、
   前記素子部は、前記第１方向に交差する第２方向に第１長さを有する第１部分と、前記第１部分よりも前記ガス流路の下流側に位置し、前記第２方向に前記第１長さとは異なる第２長さを有する第２部分と、を含み、
   前記素子部が、前記ガス流路の上流側の端部に位置する前記第１部分を含む第１素子と、前記第１素子よりも前記ガス流路の下流側に位置し、前記第２部分を含む第２素子とを含み、前記第１部分から前記第２部分にむかって前記素子部の前記第２方向の長さが段階的または連続的に小さくなる
   セル。
8. 素子部と、
   第１方向に反応ガスが流れるガス流路を有し、前記素子部を支持する支持基板と
   を備え、
   前記素子部が、１つの第１素子と、前記第１素子よりも前記ガス流路の下流側に位置する１つの第２素子とを含み、
   前記第１素子または前記第２素子が、前記第１方向に交差する第２方向に第１長さを有する第１部分と、前記第１部分よりも前記ガス流路の下流側に位置し、前記第２方向に前記第１長さとは異なる第２長さを有する第２部分とを有する
   セル。
9. 前記第１部分は前記第１素子の前記ガス流路の上流側の端部であり、前記第２部分は前記第１素子の前記下流側の端部である
   請求項８に記載のセル。
10. 前記前記第１素子が前記第１部分と前記第２部分とを有し、
    前記第２素子が、前記第２方向に第３長さを有する第３部分と、前記第３部分よりも前記ガス流路の下流側に位置し、前記第２方向に前記第３長さよりも小さい第４長さを有する第４部分とを有する
    請求項８に記載のセル。
11. 前記第４長さは、前記第２長さより小さい
    請求項１０に記載のセル。
12. 請求項１～１１のいずれか１つに記載のセルを複数備えるセルスタックを有する
    セルスタック装置。
13. 請求項１２に記載のセルスタック装置と、
    前記セルスタック装置を収納する収納容器と
    を備えるモジュール。
14. 請求項１３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。

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