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WO2021221071A1 - 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

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 Download PDF

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WO2021221071A1
WO2021221071A1 PCT/JP2021/016845 JP2021016845W WO2021221071A1 WO 2021221071 A1 WO2021221071 A1 WO 2021221071A1 JP 2021016845 W JP2021016845 W JP 2021016845W WO 2021221071 A1 WO2021221071 A1 WO 2021221071A1
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WO
WIPO (PCT)
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flow path
cell
metal
gas flow
gas
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2021/016845
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English (en)
French (fr)
Inventor
裕明 瀬野
哲朗 藤本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US17/922,278 priority patent/US20230178776A1/en
Priority to JP2022518095A priority patent/JP7500712B2/ja
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    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to cells, cell stack devices, modules and module accommodating devices.
  • a fuel cell having a plurality of fuel cell cells which is one of the cells capable of obtaining electric power by using a fuel gas such as a hydrogen-containing gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas such as air as next-generation energy.
  • a fuel gas such as a hydrogen-containing gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas such as air as next-generation energy.
  • Various cell stack devices have been proposed.
  • the cell according to one aspect of the embodiment includes an element portion and a metal member.
  • the metal member has a first gas flow path and a second gas flow path, and supports the element portion.
  • the first gas flows through the first gas flow path.
  • the second gas flows through the second gas flow path.
  • the cell stack device of the present disclosure has a cell stack including a plurality of the cells described above.
  • the module of the present disclosure includes the cell stack device described above and a storage container for accommodating the cell stack device.
  • the module accommodating device of the present disclosure includes the module described above, an auxiliary machine for operating the module, and an outer case for accommodating the module and the auxiliary equipment.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of a cell according to an embodiment.
  • FIG. 1B is a side view of an example of the element portion of the cell according to the embodiment as viewed from the air electrode side.
  • FIG. 1C is a side view of an example of the element portion of the cell according to the embodiment as viewed from the fuel electrode side.
  • FIG. 2A is a perspective view showing an example of the cell stack device according to the embodiment.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line XX shown in FIG. 2A.
  • FIG. 2C is a top view showing an example of the cell stack device according to the embodiment.
  • FIG. 3A is an enlarged cross-sectional view of the region A shown in FIG. 1A.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing another example of the region A shown in FIG. 1A.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing an example of a cell according to the first modification of the embodiment.
  • FIG. 4B is a development view showing an example of the structure according to the embodiment.
  • FIG. 4C is a development view showing another example of the structure according to the embodiment.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing an example of a cell according to the second modification of the embodiment.
  • FIG. 5B is a perspective view showing an example of the second flow path plate according to the modified example.
  • FIG. 6A is a perspective view showing another example of the second flow path plate.
  • FIG. 6B is a perspective view showing another example of the second flow path plate.
  • FIG. 6C is a perspective view showing another example of the second flow path plate.
  • FIG. 6D is a perspective view showing another example of the second flow path plate.
  • FIG. 7 is an external perspective view showing an example of the module according to the embodiment.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view schematically showing an example of the module accommodating device according to the embodiment.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of the cell 1 according to the embodiment
  • FIG. 1B is a side view showing an example of the element portion of the cell 1 according to the embodiment as viewed from the air electrode 5 side
  • FIG. 1C is a side view. It is a side view which is seen from the fuel electrode 3 side as an example of the element part which the cell 1 which concerns on embodiment have. It should be noted that FIGS. 1A to 1C show an enlarged part of each configuration of the cell 1.
  • the cell 1 is a hollow flat plate type.
  • the shape of the entire cell 1 viewed from the side surface is, for example, a side length of 5 cm to 50 cm in the length direction L, and a length W in the width direction orthogonal to the length direction L. Is a rectangle of 1 cm to 10 cm.
  • the thickness of the entire cell 1 in the thickness direction T is, for example, 1 mm to 5 mm.
  • the cell 1 includes an element portion, a first member 6, a second member 8, and a flow path member 2.
  • the first member 6, the flow path member 2, and the second member 8 have a laminated structure in which a plurality of metal members are stacked in the thickness direction T.
  • the first member 6, the flow path member 2, and the second member 8 are examples of metal members.
  • the element portion is located on one side of the first member 6.
  • Such an element unit has a fuel electrode 3, a solid electrolyte layer 4, and an air electrode 5.
  • the air pole 5 and the fuel pole 3 do not extend to the upper end and the lower end of the cell 1.
  • the solid electrolyte layer 4 is exposed on the surface.
  • the solid electrolyte layer 4 is located on the end faces of the fuel electrode 3 in the width direction W and the length direction L.
  • a material having a gas blocking property may be located on the end face of the fuel electrode 3.
  • the material having a gas blocking property may be, for example, glass.
  • the first member 6 supports the fuel electrode 3, and the other side opposite to the one side faces the first gas flow path 2a.
  • the first gas flow path 2a has an inlet and an outlet for fuel gas at the end of the cell 1 in the length direction L.
  • the fuel gas supplied to the inlet of the first gas flow path 2a flows through the first gas flow path 2a and is discharged to the outside of the cell 1 from the outlet of the first gas flow path 2a.
  • the first direction from the inlet to the outlet of the first gas flow path 2a is the length direction L of the cell 1.
  • the first member 6 has an opening 6a penetrating one surface and the other surface.
  • the first member 6 has gas permeability, and for example, fuel gas can be permeated through the opening 6a.
  • One surface of the second member 8 supports the air electrode 5, and the other surface faces the second gas flow path 23a. Further, the second member 8 has an opening 8a penetrating between one surface and the other surface.
  • the second member 8 has gas permeability, and for example, oxygen-containing gas can be permeated through the opening 8a.
  • the flow path member 2 has a first flow path plate 7, a second flow path plate 9, and a partition member 18.
  • the first flow path plate 7 has a first gas flow path 2a through which fuel gas flows.
  • the first gas flow path 2a communicates with the opening 6a, and the fuel gas flowing through the first gas flow path 2a is supplied to the fuel electrode 3 through the opening 6a.
  • the second flow path plate 9 has a second gas flow path 23a through which oxygen-containing gas flows.
  • the second gas flow path 23a communicates with the opening 8a, and the oxygen-containing gas flowing through the second gas flow path 23a is supplied to the air electrode 5 through the opening 8a.
  • the partition member 18 is located between the first flow path plate 7 and the second flow path plate 9, and airtightly seals the first gas flow path 2a and the second gas flow path 23a, respectively.
  • the partition member 18 has a gas blocking property, and for example, does not allow the fuel gas flowing through the first gas flow path 2a and the oxygen-containing gas flowing through the second gas flow path 23a to permeate.
  • the partition member 18 also serves as a conductive member for electrically connecting adjacent cells 1 in series.
  • the material of the metal member may be, for example, stainless steel.
  • the metal member may contain, for example, a metal oxide.
  • one surface of a portion exposed to the oxidizing atmosphere (for example, the second member 8, the second flow path plate 9 and the partition member 18).
  • the coating may be located on the side).
  • cell 1 may have a coating layer located between the metal member and the oxidizing atmosphere and containing at least one of zinc, manganese and cobalt.
  • the durability of the metal member can be increased, so that the durability of the cell 1 can be increased.
  • the coating film may be positioned on a portion of the metal member exposed to the reducing atmosphere (for example, the other surface side of the first member 6, the first flow path plate 7 and the partition member 18).
  • cell 1 may have a coating layer that is located between the metal member and the reducing atmosphere and contains CeO 2.
  • the durability of the metal member can be increased, so that the durability of the cell 1 can be increased.
  • the material of the fuel electrode 3 generally known materials can be used.
  • porous conductive ceramics such as ZrO 2 in which calcium oxide, magnesium oxide, or a rare earth element oxide is solid-dissolved, and ceramics containing Ni and / or NiO may be used.
  • the rare earth element oxide such as Y 2 O 3 is used.
  • Calcium oxide, magnesium oxide or a rare earth element oxide it may be referred to as stabilized zirconia ZrO 2 being dissolved.
  • Stabilized zirconia also includes partially stabilized zirconia.
  • the solid electrolyte layer 4 is an electrolyte and bridges ions between the fuel electrode 3 and the air electrode 5. At the same time, the solid electrolyte layer 4 has a gas blocking property and makes it difficult for a leak between the fuel gas and the oxygen-containing gas to occur.
  • Material of the solid electrolyte layer 4 for example, 3 mol% to 15 mol% of the rare earth oxide may be a ZrO 2 solid-solved.
  • the rare earth element oxide such as Y 2 O 3 is used.
  • other materials may be used as the material of the solid electrolyte layer 4.
  • the material of the air electrode 5 is not particularly limited as long as it is generally used for the air electrode.
  • the material of the air electrode 5 may be, for example, a conductive ceramic such as a so-called ABO 3 type perovskite type oxide.
  • the material of the air electrode 5 may be, for example, a composite oxide in which Sr and La coexist at the A site.
  • a composite oxide La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3, La x Sr 1-x MnO 3, La x Sr 1-x FeO 3, La x Sr 1-x CoO 3 and the like can be mentioned. Note that x is 0 ⁇ x ⁇ 1 and y is 0 ⁇ y ⁇ 1.
  • the air electrode 5 has gas permeability.
  • the open porosity of the air electrode 5 may be, for example, 20% or more, particularly in the range of 30% to 50%.
  • sealing portion 5a may be located around the air electrode 5.
  • the sealing portion 5a is located between the solid electrolyte layer 4 and the second member 8, and seals the flow of oxygen-containing gas between the air electrode 5 and the outside.
  • the sealing portion 5a may be, for example, glass or a metal member.
  • FIGS. 2A to 2C are perspective views showing an example of the cell stack device 10 according to the embodiment
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line XX shown in FIG. 2A
  • FIG. 2C is a cell stack device according to the embodiment. It is a top view which shows an example of 10.
  • the cell stack device 10 includes a cell stack 11 having a plurality of cells 1 arranged (stacked) in the thickness direction T of the cells 1 (see FIG. 1A), and a fixing member 12.
  • the fixing member 12 has a joining member 13 and a supporting member 14.
  • the support member 14 supports the cell 1.
  • the joining material 13 joins the cell 1 and the support member 14.
  • the support member 14 has a support body 15 and a gas tank 16.
  • the support 15 and the gas tank 16 which are the support members 14 are made of metal and have conductivity.
  • the support 15 has an insertion hole 15a into which the lower ends of the plurality of cells 1 are inserted.
  • the lower ends of the plurality of cells 1 and the inner walls of the insertion holes 15a are joined by a joining material 13.
  • the gas tank 16 has an opening for supplying fuel gas to the plurality of cells 1 through the insertion holes 15a, and a concave groove 16a located around the opening.
  • the outer peripheral end of the support 15 is fixed to the gas tank 16 by the fixing material 21 filled in the concave groove 16a of the gas tank 16.
  • the fuel gas is stored in the internal space 22 formed by the support 15 which is the support member 14 and the gas tank 16.
  • a gas flow pipe 20 is connected to the gas tank 16.
  • the fuel gas is supplied to the gas tank 16 through the gas flow pipe 20, and is supplied from the gas tank 16 to the first gas flow path 2a (see FIG. 1A) inside the cell 1.
  • the fuel gas supplied to the gas tank 16 is generated by the reformer 102 (see FIG. 7) described later.
  • Hydrogen-rich fuel gas can be generated by steam reforming raw fuel.
  • the fuel gas contains steam.
  • a cell stack 11 having a plurality of cells 1 includes a cell stack 11 in two rows, two supports 15, and a gas tank 16.
  • the two-row cell stack 11 has a plurality of cells 1, respectively.
  • Each cell stack 11 is fixed to each support 15.
  • the gas tank 16 has two through holes on the upper surface.
  • Each support 15 is arranged in each through hole.
  • the internal space 22 is formed by one gas tank 16 and two supports 15.
  • the shape of the insertion hole 15a is, for example, an oval shape when viewed from above.
  • the length of the cell 1 in the arrangement direction that is, the thickness direction T is larger than the distance between the two end current collecting members 17 located at both ends of the cell stack 11.
  • the width of the insertion hole 15a is, for example, larger than the length of the cell 1 in the width direction W (see FIG. 1A).
  • the shape of the insertion hole 15a may be a substantially rectangular shape that is long in the arrangement direction of the cells 1.
  • the joint portion between the inner wall of the insertion hole 15a and the lower end portion of the cell 1 is filled with the joining material 13 and solidified.
  • the inner wall of the insertion hole 15a and the lower end portions of the plurality of cells 1 are joined and fixed, respectively, and the lower end portions of the cell 1 are joined and fixed to each other.
  • the first gas flow path 2a of each cell 1 communicates with the internal space 22 of the support member 14 at the lower end portion.
  • the joining material 13 and the fixing material 21 those having low conductivity such as glass can be used.
  • a specific material of the bonding material 13 and the fixing material 21 amorphous glass or the like may be used, and in particular, crystallized glass or the like may be used.
  • the crystallized glass for example, SiO 2 -CaO-based, MgO-B 2 O 3 based, La 2 O 3 -B 2 O 3 -MgO based, La 2 O 3 -B 2 O 3 -ZnO system, SiO 2 it may be used any of materials such as -CaO-ZnO, may be especially a material of SiO 2 -MgO system.
  • a partition member 18 which is a conductive member is interposed between adjacent cells 1 among the plurality of cells 1.
  • the end current collecting member 17 is electrically connected to the outermost cell 1 in the arrangement direction of the plurality of cells 1.
  • the end current collecting member 17 is connected to a conductive portion 19 projecting to the outside of the cell stack 11.
  • the conductive portion 19 collects electricity generated by the power generation of the cell 1 and draws it to the outside.
  • the end current collecting member 17 is not shown.
  • the conductive portion 19 of the cell stack device 10 is divided into a positive electrode terminal 19A, a negative electrode terminal 19B, and a connection terminal 19C.
  • the positive electrode terminal 19A is a positive electrode when the electric power generated by the cell stack 11 is output to the outside, and is electrically connected to the end current collecting member 17 on the positive electrode side of the cell stack 11A.
  • the negative electrode terminal 19B is a negative electrode when the electric power generated by the cell stack 11 is output to the outside, and is electrically connected to the end current collecting member 17 on the negative electrode side of the cell stack 11B.
  • connection terminal 19C electrically connects the negative electrode side end current collecting member 17 in the cell stack 11A and the positive electrode side end current collecting member 17 in the cell stack 11B.
  • FIG. 3A is an enlarged cross-sectional view of the region A shown in FIG. 1A.
  • the coating layer 61 is located on the surface of the first member 6 on the fuel electrode 3 side.
  • a conductive adhesive material 31 is located between the fuel electrode 3 and the first member 6 (coating layer 61), and the fuel electrode 3 and the first member 6 (coating layer 61) are adhered to each other. ..
  • the coating layer 61 is a natural oxide film composed of, for example, chromium oxide (Cr 2 O 3). Further, the coating layer 61 may contain conductive particles and titanium. Conductive particles include, for example, nickel.
  • the adhesive 31 contains, for example, conductive particles such as Ni and inorganic oxides such as TiO 2 and Y 2 O 3. The adhesive material 31 has gas permeability and conductivity.
  • the adhesive material 31 was located between the fuel electrode 3 and the first member 6 (coating layer 61), but the adhesive material 31 does not have to be located.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing another example of the region A shown in FIG. 1A.
  • the fuel electrode 3 and the first member 6 (coating layer 61) may face each other without using an adhesive.
  • the fuel electrode 3 as the first electrode facing the opening 6a may be positioned so as to project inside the opening 6a (for example, the state 3a). By projecting the fuel electrode 3 into the opening 6a, the bonding strength between the fuel electrode 3 and the first member 6 (coating layer 61) is improved even when the adhesive is not used, for example, and the cell 1 Durability is improved.
  • the fuel electrode 3 may be located away from the opening 6a (for example, the state 3b). Further, the adhesive material 31 (see FIG. 3A) may be located between the fuel electrode 3 and the first member 6 (coating layer 61), and the adhesive material 31 may be located inside the opening 6a.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing an example of a cell according to the first modification of the embodiment.
  • the cell 1A has a metal structure 40 located between the element portions adjacent to each other in the thickness direction T.
  • the structure 40 has a first support portion 41, a partition portion 42, a second support portion 43, and connection portions 44 and 45.
  • the structure 40 is an example of a metal material.
  • first support portion 41 supports the fuel electrode 3 of the element portion, and the other side opposite to one side faces the first gas flow path 2a. Further, the first support portion 41 has an opening 41a that penetrates one surface and the other surface. The opening 41a communicates the first gas flow path 2a with the fuel electrode 3.
  • the first support portion 41 is an example of the first metal portion.
  • the partition portion 42 is an example of the second metal portion.
  • One side of the second support portion 43 supports the air electrode 5 of the element portion of the adjacent cell 1A, and the other side opposite to the one side faces the second gas flow path 23a. Further, the second support portion 43 has an opening 43a that penetrates one surface and the other surface. The opening 43a communicates the second gas flow path 23a with the air electrode 5.
  • the second support portion 43 is an example of the fourth metal portion.
  • the connecting portion 44 connects the first support portion 41 and the partition portion 42.
  • the connecting portion 44 is located on one end side in the width direction W and connects the first supporting portion 41 and the partition portion 42. Further, a spacer 46 is located on the other end side in the width direction W with the first gas flow path 2a in between, ensuring the airtightness of the first gas flow path 2a and the strength of the structure 40.
  • the connecting portion 45 connects the partition portion 42 and the second support portion 43.
  • the connecting portion 45 is located on the other end side in the width direction W and connects the partition portion 42 and the second support portion 43. Further, a spacer 47 is located on the other end side in the width direction W with the second gas flow path 23a in between, ensuring the airtightness of the second gas flow path 23a and the strength of the structure 40.
  • the conductivity is increased as compared with the case where a plurality of metal materials are laminated, and the internal resistance of the cell 1A is reduced, so that the battery performance is improved. do.
  • the number of parts the number of joints or adhesive points between the members is reduced, for example, it becomes relatively easy to secure the airtightness of the first gas flow path 2a, and the durability of the cell 1A can be improved. ..
  • FIG. 4B is a development view showing an example of the structure 40 according to the embodiment.
  • FIG. 4C is a development view showing another example of the structure 40 according to the embodiment.
  • the openings 41a and 43a are not shown.
  • the structure 40 can be manufactured by bending a rectangular plate-shaped member made of a metal material.
  • the structure 40 shown in FIG. 4A can be manufactured by folding the line L1 into a mountain fold and the line L2 into a valley fold.
  • a structure 40A similar to the structure 40 may be produced by bending a rectangular plate-shaped member made of a metal material.
  • the first support portion 41A, the partition portion 42A, the second support portion 43A and the connection portion 44A, and the connection portion 50 are formed by folding the line L1 in a mountain fold and the line L2 in a valley fold.
  • the first support portion 41A, the partition portion 42A, the second support portion 43A, and the connection portion 44A correspond to the first support portion 41, the partition portion 42, the second support portion 43, and the connection portion 44 shown in FIG. 4B, respectively.
  • the configuration corresponding to the connection portion 45 may be configured by, for example, a spacer.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing an example of a cell according to the second modification of the embodiment.
  • FIG. 5B is a perspective view showing an example of the first flow path plate according to the modified example.
  • the cell 1B has the same configuration as the cell 1 according to the embodiment, except that the cell 1B has the first flow path plate 7A instead of the first flow path plate 7.
  • the first flow path plate 7A has a reinforcing portion 7a and an opening portion 7b.
  • the opening 7b penetrates the first flow path plate 7A in the thickness direction T (see FIG. 5A) and extends in the length direction L (see FIG. 5A).
  • a plurality of openings 7b are arranged side by side in the width direction W of the first flow path plate 7A.
  • the reinforcing portion 7a is a portion sandwiched between adjacent openings 7b.
  • the reinforcing portion 7a is an example of the third metal portion.
  • one surface of the reinforcing portion 7a of the first flow path plate 7A faces the first member 6, and the other surface opposite to the one surface faces the partition member 18.
  • the opening 7b of the first flow path plate 7A is the first gas flow path 2a through which the fuel gas flows.
  • the first flow path plate 7A instead of the first flow path plate 7, it is possible to suppress deformation of the metal member such as bending of the first member 6 and / or the partition member 18. Therefore, since the durability of the metal member is increased, the durability of the cell 1B can be increased.
  • the reinforcing portion 7a gives a pressure loss to the fuel gas flowing through the opening 7b (first gas flow path 2a). Therefore, the fuel gas flowing through the opening 7b (first gas flow path 2a) is easily supplied to the fuel electrode 3 via the opening 6a side. As a result, the power generation performance of the cell 1B is improved.
  • the reinforcing portion 7a may be positioned as an individual member, for example, or may be positioned as a member integrated with other members located around the first gas flow path 2a, such as a partition member 18. .. Further, although not shown, a reinforcing portion may be located inside the second gas flow path 23a.
  • the reinforcing member 2A has an outer edge portion 23, a reinforcing portion 24, a flow path portion 25, and a back surface portion 26.
  • the outer edge portion 23 and the reinforcing portion 24 are portions that come into contact with the first member 6.
  • the flow path portion 25 is a portion corresponding to the first gas flow path 2a (see FIG. 1A) located between the flow path portion 25 and the first member 6.
  • a second flow path plate 9 is located on the back surface portion 26. That is, the reinforcing member 2A can be used in place of, for example, the first flow path plate 7A and the partition member 18 shown in FIG. 5A.
  • the reinforcing member 2B is different from the reinforcing member 2A in that the convex portion 27 and the concave portion 28 are located on the back surface portion 26.
  • the recess 28 located on the back surface 26 can be used as a gas flow path (second gas flow path 23a) through which oxygen-containing gas flows.
  • the convex portion 27 can be used as a reinforcing portion for suppressing bending and deformation of the second member 8.
  • the reinforcing member 2C is different from the reinforcing member 2A in that it has a plurality of reinforcing portions 29 protruding from the flow path portion 25 instead of the reinforcing portion 24 extending in the length direction. Even when such a reinforcing member 2C is used, the durability of the metal member including the first member 6 can be improved. Therefore, the durability of the cell 1B including the reinforcing member 2C is improved.
  • the reinforcing member 2C having the reinforcing portion 29 has a larger pressure loss applied to the fuel gas flowing through the flow path portion 25 than the reinforcing member 2A having the reinforcing portion 24. Therefore, the fuel gas flowing through the flow path portion 25 is likely to be supplied to the fuel electrode 3 through the opening 6a side of the first member 6. As a result, the power generation performance of the cell 1B is improved.
  • the reinforcing member 2D having the reinforcing portion 30 extending in the width direction intersecting the length direction in which the fuel gas flows may be located in the cell 1B. Since the reinforcing portion 30 extends so as to intersect the direction in which the fuel gas flows, the pressure applied to the fuel gas flowing in the flow path portion 25 is compared with the case where the reinforcing portion 24 extends in the direction in which the fuel gas flows. The loss will be large. Therefore, the fuel gas flowing through the flow path portion 25 is likely to be supplied to the fuel electrode 3 through the opening 6a side of the first member 6. As a result, the power generation performance of the cell 1B is improved.
  • the length direction in which the fuel gas flows is the first direction, that is, the direction from the inlet to the outlet of the first gas flow path 2a.
  • the width direction is a second direction, that is, a direction that intersects with the first direction.
  • FIG. 7 is an external perspective view showing the module according to the embodiment, in which the front surface and the rear surface, which are a part of the storage container 101, are removed, and the cell stack device 10 of the fuel cell stored inside is taken out to the rear. Shown.
  • the module 100 includes a storage container 101 and a cell stack device 10 housed in the storage container 101.
  • a reformer 102 is arranged above the cell stack device 10.
  • the reformer 102 reforms raw fuels such as natural gas and kerosene to generate fuel gas, which is supplied to cell 1.
  • the raw fuel is supplied to the reformer 102 through the raw fuel supply pipe 103.
  • the reformer 102 may include a vaporizing unit 102a for vaporizing water and a reforming unit 102b.
  • the reforming unit 102b includes a reforming catalyst (not shown), and reforms the raw material fuel into a fuel gas.
  • Such a reformer 102 can perform steam reforming, which is a highly efficient reforming reaction.
  • the fuel gas generated by the reformer 102 is supplied to the first gas flow path 2a (see FIG. 1A) of the cell 1 through the gas flow pipe 20, the gas tank 16, and the support member 14.
  • the temperature inside the module 100 at the time of normal power generation becomes about 500 ° C. to 1000 ° C. due to the combustion of gas and the power generation of the cell 1.
  • the durability of the module 100 can be enhanced by accommodating and configuring the cell stack device 10 including a plurality of highly durable cells 1.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing an example of the module accommodating device according to the embodiment.
  • the module accommodating device 110 according to the embodiment includes an outer case 111, a module 100 shown in FIG. 7, and an auxiliary machine (not shown).
  • the auxiliary device operates the module 100.
  • the module 100 and auxiliary equipment are housed in the outer case 111. In FIG. 8, a part of the configuration is omitted.
  • the exterior case 111 of the module accommodating device 110 shown in FIG. 8 has a support column 112 and an exterior plate 113.
  • the partition plate 114 vertically partitions the inside of the outer case 111.
  • the space above the partition plate 114 in the outer case 111 is the module storage chamber 115 for accommodating the module 100, and the space below the partition plate 114 in the outer case 111 accommodates the auxiliary equipment for operating the module 100.
  • the auxiliary machine accommodated in the auxiliary machine accommodating chamber 116 is omitted.
  • the partition plate 114 has an air flow port 117 for flowing the air of the auxiliary machine accommodating chamber 116 to the module accommodating chamber 115 side.
  • the exterior plate 113 constituting the module accommodating chamber 115 has an exhaust port 118 for exhausting the air in the module accommodating chamber 115.
  • module accommodating device 110 as described above, by providing the module accommodating chamber 115 with a highly durable module 100, the durability of the module accommodating device 110 can be enhanced.
  • the module 100 and the module accommodating device 110 using the cells 1A and 1B shown in FIGS. 4A and 5A, respectively, are also the module 100 and the module accommodating device shown in FIGS. 7 and 8, respectively. It can be configured as 110.
  • the cell 1A using the structure 40 in which the first support portion 41, the partition portion 42, the second support portion 43, and the connection portions 44, 45 are integrated has been described, but a part of the structure 40 is described. It may be used to make a cell.
  • the first support portion 41, the partition portion 42, and the connection portion 44 may be integrated, and the current collecting member may be positioned on the back surface of the partition portion 42 instead of the second support portion 43 and the connection portion 45.
  • the fuel cell, the fuel cell stack device, the fuel cell module, and the fuel cell device are shown as examples of the “cell”, the “cell stack device”, the “module”, and the “module accommodating device”.
  • Other examples may be an electrolytic cell, an electrolytic cell stacking device, an electrolytic module and an electrolytic device, respectively.
  • the cell 1 includes an element portion and a metal member.
  • the metal member has a first gas flow path 2a and a second gas flow path 23a, and supports the element portion.
  • the first gas flows through the first gas flow path 2a.
  • the second gas flows through the second gas flow path 23a.
  • the cell stack device 10 has a cell stack 11 including a plurality of cells 1 described above. Thereby, the durability of the cell stack device 10 can be improved.
  • the module 100 includes the cell stack device 10 described above and a storage container 101 for accommodating the cell stack device 10. This makes it possible to increase the durability of the module 100.
  • the module accommodating device 110 includes the module 100 described above, an auxiliary machine for operating the module 100, and an outer case for accommodating the module 100 and the auxiliary equipment. Thereby, the durability of the module accommodating device 110 can be improved.

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Abstract

セルは、素子部と、金属部材とを備える。金属部材は、第１ガス流路と、第２ガス流路とを有し、素子部を支持する。第１ガス流路には、第１ガスが流れる。第２ガス流路には、第２ガスが流れる。

Description

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
　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２０１６－１９５０２９号公報
　実施形態の一態様に係るセルは、素子部と、金属部材とを備える。金属部材は、第１ガス流路と、第２ガス流路とを有し、前記素子部を支持する。第１ガス流路には、第１ガスが流れる。第２ガス流路には、第２ガスが流れる。
　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、実施形態に係るセルの一例を示す断面図である。 図１Ｂは、実施形態に係るセルが有する素子部の一例を空気極側からみた側面図である。 図１Ｃは、実施形態に係るセルが有する素子部の一例を燃料極側からみた側面図である。 図２Ａは、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、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３Ａは、図１Ａに示す領域Ａを拡大した断面図である。 図３Ｂは、図１Ａに示す領域Ａの別の例を示す断面図である。 図４Ａは、実施形態の第１変形例に係るセルの一例を示す断面図である。 図４Ｂは、実施形態に係る構造体の一例を示す展開図である。 図４Ｃは、実施形態に係る構造体の別の例を示す展開図である。 図５Ａは、実施形態の第２変形例に係るセルの一例を示す断面図である。 図５Ｂは、変形例に係る第２流路板の一例を示す斜視図である。 図６Ａは、第２流路板の別の例を示す斜視図である。 図６Ｂは、第２流路板の別の例を示す斜視図である。 図６Ｃは、第２流路板の別の例を示す斜視図である。 図６Ｄは、第２流路板の別の例を示す斜視図である。 図７は、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８は、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。
　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。
＜セルの構成＞
　まず、図１Ａ～図１Ｃを参照しながら、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、実施形態に係るセル１の一例を示す断面図であり、図１Ｂは、実施形態に係るセル１が有する素子部の一例を空気極５側からみた側面図であり、図１Ｃは、実施形態に係るセル１が有する素子部の一例を燃料極３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、素子部と、第１部材６と、第２部材８と、流路部材２とを備えている。第１部材６、流路部材２および第２部材８は、複数の金属製部材を厚み方向Ｔに重ねた積層構造を有している。第１部材６、流路部材２および第２部材８は、金属部材の一例である。
　素子部は、第１部材６の一方面側に位置している。かかる素子部は、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１Ｂ、図１Ｃに示すように、空気極５、燃料極３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、図１Ａに示すように、燃料極３の幅方向Ｗおよび長さ方向Ｌの端面には、固体電解質層４が位置している。燃料極３の端面に固体電解質層４が位置することにより、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークが生じにくくなる。なお、固体電解質層４に代えて、ガス遮断性を有する材料を燃料極３の端面に位置させてもよい。ガス遮断性を有する材料は、たとえば、ガラスであってもよい。
　以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。
　第１部材６は、一方面が燃料極３を支持しており、一方面とは反対側の他方面が第１ガス流路２ａに面している。第１ガス流路２ａは、セル１の長さ方向Ｌの端部に燃料ガスの入口および出口を有している。第１ガス流路２ａの入口に供給された燃料ガスは、第１ガス流路２ａを流通し、第１ガス流路２ａの出口からセル１の外部に排出される。この場合、第１ガス流路２ａの入口から出口に向かう第１方向は、セル１の長さ方向Ｌである。また、第１部材６は、一方面と他方面とを貫通する開口６ａを有している。第１部材６は、ガス透過性を有しており、たとえば、開口６ａを通じた燃料ガスの透過が可能である。
　第２部材８は、一方面が空気極５を支持しており、他方面が第２ガス流路２３ａに面している。また、第２部材８は、一方面と他方面とを貫通する開口８ａを有している。第２部材８は、ガス透過性を有しており、たとえば、開口８ａを通じた酸素含有ガスの透過が可能である。
　流路部材２は、第１流路板７と、第２流路板９と、仕切部材１８とを有している。
　第１流路板７は、一方面が第１部材６に面しており、一方面とは反対側の他方面が仕切部材１８に面している。第１流路板７は、燃料ガスが流れる第１ガス流路２ａを有している。第１ガス流路２ａは、開口６ａに連通しており、第１ガス流路２ａを流れる燃料ガスは、開口６ａを通じて燃料極３に供給される。
　第２流路板９は、一方面が第２部材８に面しており、一方面とは反対側の他方面が仕切部材１８に面している。第２流路板９は、酸素含有ガスが流れる第２ガス流路２３ａを有している。第２ガス流路２３ａは、開口８ａに連通しており、第２ガス流路２３ａを流れる酸素含有ガスは、開口８ａを介して空気極５に供給される。
　仕切部材１８は、第１流路板７と第２流路板９との間に位置しており、第１ガス流路２ａおよび第２ガス流路２３ａをそれぞれ気密に封止している。仕切部材１８は、ガス遮断性を有しており、たとえば、第１ガス流路２ａを流れる燃料ガスおよび第２ガス流路２３ａを流れる酸素含有ガスを透過させない。仕切部材１８は、隣接するセル１の間を電気的に直列に接続するための導電部材を兼ねている。
　金属部材（第１部材６、流路部材２および第２部材８）の材料は、たとえば、ステンレス鋼であってもよい。金属部材は、たとえば、金属酸化物を含有してもよい。
　また、金属部材（第１部材６、流路部材２および第２部材８）のうち、酸化雰囲気に露出する部分（たとえば、第２部材８、第２流路板９および仕切部材１８の一方面側）に被膜を位置させてもよい。たとえば、セル１は、金属部材と酸化雰囲気との間に位置し、亜鉛、マンガンおよびコバルトのうち少なくともいずれか１つを含有する被覆層を有してもよい。
　これにより、高温動作時に金属部材の金属材料に含まれるクロム（Ｃｒ）が酸化雰囲気に脱離しにくくなる。したがって、実施形態によれば、金属部材の耐久性を高めることができることから、セル１の耐久性を高めることができる。
　また、金属部材のうち、還元雰囲気に露出する部分（たとえば、第１部材６、第１流路板７および仕切部材１８の他方面側）に被膜を位置させてもよい。たとえば、セル１は、金属部材と還元雰囲気との間に位置し、ＣｅＯ２を含有する被覆層を有してもよい。
　これにより、金属部材のうち、還元雰囲気に露出する部分から構成元素が脱離しにくくなる。したがって、実施形態によれば、金属部材の耐久性を高めることができることから、セル１の耐久性を高めることができる。
　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ＺｒＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ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、Ｙ２Ｏ３などが用いられる。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ＺｒＯ２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ＺｒＯ２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、Ｙ２Ｏ３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ＡＢＯ３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、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏｙＦｅ１－ｙＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＭｎＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＦｅＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏＯ３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。
　また、空気極５の周囲に、封止部５ａが位置してもよい。封止部５ａは、固体電解質層４と第２部材８の間に位置しており、空気極５と外部との間の酸素含有ガスの流通を封止する。封止部５ａは、たとえばガラスであってもよく、金属部材であってもよい。
＜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、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Ｘ－Ｘ線の断面図であり、図２Ｃは、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に燃料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の内部の第１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７参照）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の第１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、ＳｉＯ２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ２Ｏ３系、Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＭｇＯ系、Ｌａ２Ｏ３－Ｂ２Ｏ３－ＺｎＯ系、ＳｉＯ２－ＣａＯ－ＺｎＯなどの材料のいずれかを用いてもよく、特にＳｉＯ２－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、導電部材である仕切部材１８が介在している。
　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。
　図３Ａは、図１Ａに示す領域Ａを拡大した断面図である。図３Ａに示すように、第１部材６のうち、燃料極３側の表面には、被覆層６１が位置している。燃料極３と第１部材６（被覆層６１）との間には、導電性の接着材３１が位置しており、燃料極３と第１部材６（被覆層６１）とを接着している。
　被覆層６１は、たとえば酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）で構成される自然酸化膜である。また、被覆層６１は、導電性粒子とチタンとを含有してもよい。導電性粒子は、たとえばニッケルを含む。接着材３１は、たとえばＮｉ等の導電性粒子と、ＴｉＯ２、Ｙ２Ｏ３等の無機酸化物とを含む。接着材３１は、ガス透過性と導電性とを有する。
　図３Ａに示した例では、燃料極３と第１部材６（被覆層６１）との間に接着材３１が位置していたが、接着材３１が位置しなくてもよい。
　図３Ｂは、図１Ａに示す領域Ａの別の例を示す断面図である。図３Ｂに示すように、燃料極３と第１部材６（被覆層６１）とは、接着材を介さずに面してもよい。また、開口６ａと向かい合う第１電極としての燃料極３は、開口６ａの内部に突出して位置してもよい（たとえば、状態３ａ）。燃料極３が開口６ａの内部に突出することにより、たとえば接着材を介さない場合であっても、燃料極３と第１部材６（被覆層６１）との接合強度が向上し、セル１の耐久性が向上する。
　なお、燃料極３は、開口６ａから離間して位置してもよい（たとえば、状態３ｂ）。また、燃料極３と第１部材６（被覆層６１）との間に接着材３１（図３Ａ参照）が位置し、開口６ａの内部に接着材３１が位置してもよい。
＜セルの変形例＞
　図４Ａは、実施形態の第１変形例に係るセルの一例を示す断面図である。図４Ａに示すように、セル１Ａは、厚み方向Ｔに隣り合う素子部の間に位置する金属製の構造体４０を有している。構造体４０は、第１支持部４１と、仕切部４２と、第２支持部４３と、接続部４４，４５とを有している。構造体４０は、金属材料の一例である。
　第１支持部４１は、一方面が素子部の燃料極３を支持しており、一方面とは反対側の他方面が第１ガス流路２ａに面している。また、第１支持部４１は、一方面と他方面とを貫通する開口４１ａを有している。開口４１ａは、第１ガス流路２ａと燃料極３とを連通させる。第１支持部４１は、第１金属部の一例である。
　仕切部４２は、一方面が第１ガス流路２ａに面しており、一方面とは反対側の他方面が第２ガス流路２３ａに面している。仕切部４２は、第２金属部の一例である。
　第２支持部４３は、一方面が隣のセル１Ａが有する素子部の空気極５を支持しており、一方面とは反対側の他方面が第２ガス流路２３ａに面している。また、第２支持部４３は、一方面と他方面とを貫通する開口４３ａを有している。開口４３ａは、第２ガス流路２３ａと空気極５とを連通させる。第２支持部４３は、第４金属部の一例である。
　接続部４４は、第１支持部４１と仕切部４２とを接続する。接続部４４は、幅方向Ｗの一端側に位置し、第１支持部４１と仕切部４２とを接続する。また、第１ガス流路２ａを挟んで幅方向Ｗの他端側には、スペーサ４６が位置しており、第１ガス流路２ａの気密性および構造体４０の強度を確保している。
　接続部４５は、仕切部４２と第２支持部４３とを接続する。接続部４５は、幅方向Ｗの他端側に位置し、仕切部４２と第２支持部４３とを接続する。また、第２ガス流路２３ａを挟んで幅方向Ｗの他端側には、スペーサ４７が位置しており、第２ガス流路２３ａの気密性および構造体４０の強度を確保している。
　このように構造体４０を１つの連続する金属材料で構成することにより、複数の金属材料を積層した場合と比較して導電性が高まり、セル１Ａの内部抵抗が低減することで電池性能が向上する。また、部品点数が低減することで部材間の接合または接着箇所が低減し、たとえば第１ガス流路２ａの気密性の確保が比較的容易になるとともに、セル１Ａの耐久性を高めることができる。
　次に、構造体４０の作成例について、図４Ｂ、図４Ｃを用いて説明する。図４Ｂは、実施形態に係る構造体４０の一例を示す展開図である。図４Ｃは、実施形態に係る構造体４０の別の例を示す展開図である。なお、図４Ｂ、図４Ｃでは、開口４１ａ，４３ａの図示を省略した。
　図４Ｂに示すように、構造体４０は、金属材料からなる長方形の板状部材を折り曲げることにより作製することができる。具体的には、たとえば、ラインＬ１を山折り、ラインＬ２を谷折りとすることで、図４Ａに示した構造体４０を作製することができる。
　また、図４Ｃに示すように、金属材料からなる長方形の板状部材を折り曲げることにより構造体４０と類似した構造体４０Ａを作製してもよい。図４Ｃに示した例では、ラインＬ１を山折り、ラインＬ２を谷折りとすることで、第１支持部４１Ａ、仕切部４２Ａ、第２支持部４３Ａおよび接続部４４Ａと、接続部５０とを有する構造体４０Ａが得られる。第１支持部４１Ａ、仕切部４２Ａ、第２支持部４３Ａおよび接続部４４Ａは、図４Ｂに示す第１支持部４１、仕切部４２、第２支持部４３および接続部４４にそれぞれ対応する。接続部４５に対応する構成は、たとえばスペーサなどで構成してもよい。
　図５Ａは、実施形態の第２変形例に係るセルの一例を示す断面図である。図５Ｂは、変形例に係る第１流路板の一例を示す斜視図である。
　図５Ａに示すように、セル１Ｂは、第１流路板７に代えて第１流路板７Ａを有することを除き、実施形態に係るセル１と同じ構成を有している。
　図５Ｂに示すように、第１流路板７Ａは、補強部７ａと開口部７ｂとを有する。開口部７ｂは、第１流路板７Ａを厚み方向Ｔ（図５Ａ参照）に貫通し、長さ方向Ｌ（図５Ａ参照）に延びている。開口部７ｂは、第１流路板７Ａの幅方向Ｗに複数並んで位置している。補強部７ａは、隣り合う開口部７ｂの間に挟まれた部分である。補強部７ａは、第３金属部の一例である。
　また、第１流路板７Ａの補強部７ａは、一方面が第１部材６に面しており、一方面とは反対側の他方面が仕切部材１８に面している。一方、第１流路板７Ａの開口部７ｂは、燃料ガスが流れる第１ガス流路２ａである。
　第１流路板７に代えて第１流路板７Ａが位置することにより、たとえば第１部材６および／または仕切部材１８の撓みなど、金属部材の変形を抑えることができる。このため、金属部材の耐久性を高めることから、セル１Ｂの耐久性を高めることができる。
　また、補強部７ａは、開口部７ｂ（第１ガス流路２ａ）を流れる燃料ガスに圧力損失を与える。このため、開口部７ｂ（第１ガス流路２ａ）を流れる燃料ガスが開口６ａ側を介して燃料極３に供給されやすくなる。これにより、セル１Ｂの発電性能が向上する。
　なお、補強部７ａは、たとえば個別の部材として位置してもよく、また、たとえば仕切部材１８など、第１ガス流路２ａの周囲に位置する他の部材と一体の部材として位置してもよい。また、図示はしないが、第２ガス流路２３ａの内部に補強部が位置してもよい。
＜補強部の変形例＞
　上記した例では、第１流路板７Ａが補強部７ａを有する例について説明したが、これに限らない。図６Ａ～図６Ｄは、補強部材の例を示す斜視図である。
　図６Ａに示すように、補強部材２Ａは、外縁部２３と、補強部２４と、流路部２５と、背面部２６とを有する。
　外縁部２３および補強部２４は、第１部材６に当接する部分である。流路部２５は、第１部材６との間に位置する第１ガス流路２ａ（図１Ａ参照）に対応する部分である。また、背面部２６には、第２流路板９が位置する。すなわち、補強部材２Ａは、たとえば図５Ａに示す第１流路板７Ａおよび仕切部材１８に代替して使用することができる。
　また、図６Ｂに示すように、補強部材２Ｂは、背面部２６に凸部２７と凹部２８とが位置する点で補強部材２Ａと相違する。背面部２６に位置する凹部２８は、酸素含有ガスが流れるガス流路（第２ガス流路２３ａ）として利用することができる。凸部２７は、第２部材８の撓み、変形を抑える補強部として利用することができる。
　また、図６Ｃに示すように、補強部材２Ｃは、長さ方向に延びる補強部２４に代えて流路部２５から突出する複数の補強部２９を有する点で補強部材２Ａと相違する。このような補強部材２Ｃを用いた場合であっても、第１部材６を含めた金属部材の耐久性を向上することができる。このため、かかる補強部材２Ｃを備えるセル１Ｂの耐久性が向上する。
　また、補強部２９を有する補強部材２Ｃは、補強部２４を有する補強部材２Ａと比較して、流路部２５を流れる燃料ガスに与える圧力損失が大きくなる。このため、流路部２５を流れる燃料ガスが第１部材６の開口６ａ側を介して燃料極３に供給されやすくなる。これにより、セル１Ｂの発電性能が向上する。
　また、図６Ｄに示すように、燃料ガスが流れる長さ方向に交差する幅方向に延びる補強部３０を有する補強部材２Ｄをセル１Ｂに位置させてもよい。補強部３０が燃料ガスの流れる方向に交差するように延びていることで、燃料ガスが流れる方向に沿って延びる補強部２４を有する場合と比較して流路部２５を流れる燃料ガスに与える圧力損失が大きくなる。このため、流路部２５を流れる燃料ガスが第１部材６の開口６ａ側を介して燃料極３に供給されやすくなる。これにより、セル１Ｂの発電性能が向上する。なお、燃料ガスが流れる長さ方向とは第１方向、すなわち第１ガス流路２ａの入口から出口に向かう方向である。幅方向とは第２方向、すなわち第１方向と交差する方向である。
＜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７を用いて説明する。図７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７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１０１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の第１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、耐久性の高いセル１を複数備え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、モジュール１００の耐久性を高めることができる。
＜モジュール収容装置＞
　図８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７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８においては一部構成を省略して示している。
　図８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。
　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、耐久性の高いモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、モジュール収容装置１１０の耐久性を高めることができる。
　なお、図示による説明は省略するが、図４Ａ、図５Ａに示すセル１Ａ、１Ｂをそれぞれ用いたモジュール１００およびモジュール収容装置１１０についても、図７および図８にそれぞれ示したモジュール１００およびモジュール収容装置１１０のように構成することができる。
＜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について説明する。
　図４Ａでは、第１支持部４１、仕切部４２、第２支持部４３および接続部４４，４５を一体とする構造体４０を用いたセル１Ａについて説明したが、かかる構造体４０の一部を用いてセルを作製してもよい。たとえば、第１支持部４１、仕切部４２および接続部４４を一体とするとともに、第２支持部４３および接続部４５に代えて、仕切部４２の背面に集電部材を位置させてもよい。
　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、素子部と、金属部材とを備える。金属部材は、第１ガス流路２ａと、第２ガス流路２３ａとを有し、素子部を支持する。第１ガス流路２ａには、第１ガスが流れる。第２ガス流路２３ａには、第２ガスが流れる。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１を複数備えるセルスタック１１を有する。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、モジュール１００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、モジュール収容装置１１０の耐久性を高めることができる。
　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　　　仕切部材
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ガスが流れる第１ガス流路と、第２ガスが流れる第２ガス流路とを有し、前記素子部を支持する金属部材と
    　を備えるセル。
  2. 　前記金属部材は、
    　　前記第１ガス流路と前記素子部との間に位置し、前記第１ガス流路と前記素子部との間で前記第１ガスを透過可能である第１金属部と、
    　　前記第１ガス流路と前記第２ガス流路との間に位置し、前記第１ガスおよび前記第２ガスを透過させない第２金属部と
    　を有する請求項１に記載のセル。
  3. 　前記第１金属部および前記第２金属部は、連続する金属材料で構成されている
    　請求項２に記載のセル。
  4. 　前記第２ガス流路を挟んで前記第２金属部の反対側に位置する第４金属部をさらに備え、
    　前記第１金属部、前記第２金属部および前記第４金属部は、連続する金属材料で構成されている
    　請求項２または３に記載のセル。
  5. 　前記第２ガス流路を挟んで前記第２金属部の反対側に位置する第４金属部をさらに備え、
    　前記第４金属部と酸化雰囲気との間に位置し、亜鉛、マンガンおよびコバルトのうち、少なくともいずれか１つを含有する被覆層を有する
    　請求項２～４のいずれか１つに記載のセル。
  6. 　前記第１金属部は、前記素子部と前記第１ガス流路とを連通させる開口を有する
    　請求項２～５のいずれか１つに記載のセル。
  7. 　前記開口と向かい合う前記素子部の第１電極は、前記開口の内部に突出し、または前記開口から離間して位置している
    　請求項６に記載のセル。
  8. 　前記金属部材は、前記第１ガス流路の内部に位置する補強部を備える
    　請求項１～７のいずれか１つに記載のセル。
  9. 　前記金属部材は、前記第１ガス流路の内部に位置し、前記第１金属部および前記第２金属部に面する補強部を備える
    　請求項２～７のいずれか１つに記載のセル。
  10. 　前記金属部材は、前記第１金属部と前記第２金属部との間に位置し、前記補強部を有する第３金属部を備える
    　請求項９に記載のセル。
  11. 　前記第１ガス流路が、第１ガスの入口と出口を有し、
    　前記補強部は、前記入口から前記出口に向かう第１方向に交差する第２方向に延びている
    　請求項８～１０のいずれか１つに記載のセル。
  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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