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JP7578018B2 - Fuel cell and fuel cell stack - Google Patents

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JP7578018B2
JP7578018B2 JP2021023712A JP2021023712A JP7578018B2 JP 7578018 B2 JP7578018 B2 JP 7578018B2 JP 2021023712 A JP2021023712 A JP 2021023712A JP 2021023712 A JP2021023712 A JP 2021023712A JP 7578018 B2 JP7578018 B2 JP 7578018B2
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Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池を構成する燃料電池セル及び燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack that constitute a solid oxide fuel cell.

特許文献1には、平板状に形成された電極反応体の両面に、格子状に開口が形成された集電体を接合したセルで構成した燃料電池スタックが記載されている。また、特許文献1の燃料電池スタックにおいては、各セルにおいて点対称に位置する外部引出し端子が集電体によって接続されることにより、隣接するセルが電気的に接続されている。 Patent document 1 describes a fuel cell stack made up of cells in which current collectors with lattice-shaped openings are joined to both sides of a flat electrode reactant. In addition, in the fuel cell stack of Patent document 1, adjacent cells are electrically connected by connecting the external lead-out terminals located point-symmetrically in each cell with the current collectors.

特開平06-060905号公報Japanese Patent Application Publication No. 06-060905

燃料電池セルの電極触媒層は、一般に、数十ミクロン程度の薄膜で形成されているので、面方向に電流が流れるときにはオーム損が大きい。そして、集電体として格子状に開口が形成された集電体を用いる場合、集電体と接続する格子部分においては集電体を電流が流れる。しかし、開口部分においては、電流は、電極触媒層内を面方向に沿って流れる。したがって、格子状に開口を形成した集電体を用いると、オーム損が大きい。その結果、燃料電池スタックの発電電力(エネルギー)が損失するという問題がある。 The electrode catalyst layer of a fuel cell is generally formed of a thin film of several tens of microns, so there is a large ohmic loss when current flows in the surface direction. If a current collector with lattice-shaped openings is used as the current collector, current flows through the current collector in the lattice part connected to the current collector. However, in the opening part, the current flows in the surface direction within the electrode catalyst layer. Therefore, when a current collector with lattice-shaped openings is used, there is a large ohmic loss. As a result, there is a problem of loss of generated power (energy) from the fuel cell stack.

本発明は、オーム損を低減した固体酸化物型の燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供すること目的とする。 The present invention aims to provide a solid oxide fuel cell and a fuel cell stack that reduce ohmic losses.

本発明のある態様に係る燃料電池セルは、アノード極層と、カソード極層と、アノード極層とカソード極層とに挟持される固体電解質層と、を積層して構成される燃料電池セルである。この燃料電池セルは、さらに、第1金属多孔体層と、第1金属フレームと、第2金属多孔体層と、第2金属フレームと、を備える。第1金属多孔体層は、面方向に連通する複数の空孔を有する金属多孔体によって平板状に形成され、固体電解質層とともにアノード極層を挟持し、複数の空孔によってアノード極層にアノードガスを供給する。第1金属フレームは、第1金属多孔体層の外周部において電気的に接続することによって、第1金属多孔体層を介してアノード極層と電気的に接続し、かつ、第1金属多孔体層を支持する。第2金属多孔体層は、金属多孔体によって平板状に形成され、固体電解質層とともにカソード極層を挟持し、複数の空孔によってカソード極層にカソードガスを供給する。第2金属フレームは、第2金属多孔体層の外周部において第2金属多孔体層と電気的に接続することによって、第2金属多孔体層を介してカソード極層と電気的に接続し、かつ、第2金属多孔体層を支持する。 A fuel cell according to an embodiment of the present invention is a fuel cell constructed by stacking an anode layer, a cathode layer, and a solid electrolyte layer sandwiched between the anode layer and the cathode layer. The fuel cell further includes a first metal porous body layer, a first metal frame, a second metal porous body layer, and a second metal frame. The first metal porous body layer is formed in a flat plate shape by a metal porous body having a plurality of pores communicating in the surface direction, sandwiches the anode layer together with the solid electrolyte layer, and supplies anode gas to the anode layer through the plurality of pores. The first metal frame is electrically connected to the anode layer through the first metal porous body layer by electrically connecting to the outer periphery of the first metal porous body layer, and supports the first metal porous body layer. The second metal porous body layer is formed in a flat plate shape by a metal porous body, sandwiches the cathode layer together with the solid electrolyte layer, and supplies cathode gas to the cathode layer through the plurality of pores. The second metal frame is electrically connected to the second metal porous layer at the outer periphery of the second metal porous layer, thereby electrically connecting to the cathode layer via the second metal porous layer and supporting the second metal porous layer.

本発明によれば、オーム損を低減した固体酸化物型の燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供することができる。 The present invention provides a solid oxide fuel cell and a fuel cell stack with reduced ohmic losses.

図1は、セルスタックの外観斜視図である。FIG. 1 is an external perspective view of a cell stack. 図2は、セルスタックの分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of the cell stack. 図3は、セルの分解斜視図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of the cell. 図4は、セルの断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the cell. 図5は、スタックの部分断面図である。FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the stack. 図6は、アノードガスの流れを示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing the flow of the anode gas. 図7は、カソードガスの流れを示す説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram showing the flow of the cathode gas. 図8は、金属多孔体層を介したアノードガス及びカソードガスの供給態様を示す説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram showing a mode of supply of anode gas and cathode gas via a metal porous layer. 図9は、セル及びセルスタックにおいて電流が流れる経路を示す説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram showing paths along which current flows in a cell and a cell stack. 図10は、第1比較例のセルの断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view of the cell of the first comparative example. 図11は、第1比較例のセルを流れる電流の経路を示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing a path of a current flowing through a cell of the first comparative example. 図12は、格子集電体の位置ずれによる不具合を示す説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram showing a defect caused by misalignment of a grid current collector. 図13は、第2比較例に係るセルスタック及びセルの模式的な断面図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a cell stack and a cell according to a second comparative example. 図14は、アクティブエリアの形状、バスバーの設置範囲、及び、電流の経路を示す説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram showing the shape of the active area, the installation range of the bus bar, and the current path. 図15は、バスバーの設置範囲と電流の経路を示す説明図である。FIG. 15 is an explanatory diagram showing the installation range of the busbar and the current path. 図16は、アクティブエリアの温度分布を示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing the temperature distribution in the active area.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.

[セルスタックの構造]
図1は、セルスタック100の外観斜視図である。セルスタック100は、固体酸化物型燃料電池(SOFC)に用いられる燃料電池セルスタック(固体酸化物型燃料電池セルスタック)である。セルスタック100は、複数の固体酸化物型燃料電池セル(燃料電池セル)を積み重ねるように配列し、各々の固体酸化物型燃料電池セルを電気的に接続することによって形成される。燃料電池システムは、1または複数のセルスタック100を用いて構成される。以下、セルスタック100を構成する各個の固体酸化物型燃料電池セルを、燃料電池セル、または、さらに簡単にセル10という。セル10は、一般に、単セルと称される場合がある。
[Cell stack structure]
FIG. 1 is an external perspective view of a cell stack 100. The cell stack 100 is a fuel cell stack (solid oxide fuel cell stack) used in a solid oxide fuel cell (SOFC). The cell stack 100 is formed by arranging a plurality of solid oxide fuel cells (fuel cell) in a stacked manner and electrically connecting each of the solid oxide fuel cell cells. A fuel cell system is configured using one or a plurality of cell stacks 100. Hereinafter, each solid oxide fuel cell constituting the cell stack 100 will be referred to as a fuel cell, or more simply, a cell 10. The cell 10 may generally be referred to as a single cell.

図1に示すように、セルスタック100は全体として概ね平板状である。このため、セルスタック100を構成するセル10も平板状である。また、セルスタック100は概ね直方体状であり、セル10の積み重ね方向(以下、スタック方向という)に垂直な表面は概ね長方形状に形成される。 As shown in FIG. 1, the cell stack 100 is generally flat overall. Therefore, the cells 10 that make up the cell stack 100 are also flat. The cell stack 100 is generally rectangular, and the surface perpendicular to the stacking direction of the cells 10 (hereinafter referred to as the stacking direction) is generally rectangular.

以下、セルスタック100及びセル10等に関して、セル10のスタック方向に垂直な表面を、表裏の区別なく単に表面という。表面の短手方向をX方向とし、長手方向をY方向とし、セル10のスタック方向をZ方向とする。そして、セルスタック100及びセル10等において、Z方向に平行な面を側面という。また、セルスタック100及びセル等に関して、X方向、Y方向、及び、Z方向を、それぞれ横方向、縦方向、及び、高さ方向(または厚さ方向)という場合がある。XYZ各方向は右手系を構成するように正方向を定める。 Hereinafter, with respect to the cell stack 100 and cells 10, etc., the surface perpendicular to the stacking direction of the cells 10 will simply be referred to as the surface, without distinction between the front and back. The short direction of the surface will be the X direction, the long direction will be the Y direction, and the stacking direction of the cells 10 will be the Z direction. In the cell stack 100 and cells 10, etc., the surfaces parallel to the Z direction will be referred to as the side. Also, with respect to the cell stack 100 and cells, etc., the X direction, Y direction, and Z direction may be referred to as the horizontal direction, vertical direction, and height direction (or thickness direction), respectively. The positive direction of each of the X, Y, and Z directions is defined to form a right-handed system.

また、XYZ各方向の負側の端を「基端」といい、正側の端を「先端」という。セルスタック100及びセル10等の方向に関して、「上」とはZ方向正側をいい、「下」とはZ方向負側をいう。また、セルスタック100及びセル10等の長さに関して、X方向の長さを「長さ」といい、Y方向の長さを「幅」という。本実施形態においては、アノードガス及びカソードガスがセルスタック100内を流れる方向がY方向正側である。そして、Z方向は、セルスタック100の厚み方向である。なお、以下、図4等において示す本実施形態の断面図は、図1においてA-Aで示す位置における断面である。 The negative end in each of the X, Y and Z directions is called the "base end" and the positive end is called the "tip end". With respect to the direction of the cell stack 100 and the cells 10, etc., "up" refers to the positive side in the Z direction and "down" refers to the negative side in the Z direction. With respect to the length of the cell stack 100 and the cells 10, etc., the length in the X direction is called the "length" and the length in the Y direction is called the "width". In this embodiment, the direction in which the anode gas and cathode gas flow within the cell stack 100 is the positive side in the Y direction. The Z direction is the thickness direction of the cell stack 100. Note that the cross-sectional views of this embodiment shown below in Figure 4 and other figures are taken at the position indicated by A-A in Figure 1.

セルスタック100は、インレット11、アウトレット12、アクティブエリア13、及び、バスバー14,15を備える。 The cell stack 100 has an inlet 11, an outlet 12, an active area 13, and bus bars 14 and 15.

インレット11は、アノードガス及びカソードガスを、セルスタック100に供給するためのガス供給孔である。本実施形態においては、インレット11は、セルスタック100のX方向基端側に設けられている。アノードガスは、燃料または改質された燃料(改質燃料)であり、例えば、水素やメタン等の炭化水素系燃料である。カソードガスはいわゆる酸化剤であり、例えば、空気である。本実施形態では、インレット11は、ガス供給孔として、アノードガスを供給するためのアノードガス供給孔16bと、カソードガスを供給するためのカソードガス供給孔16a,16cと、を備える。本実施形態のインレット11は、カソードガス供給孔16a、アノードガス供給孔16b、及び、カソードガス供給孔16cがこの順に一列に配列されている。但し、アノードガス供給孔及びカソードガス供給孔の個数及び配列は任意である。 The inlet 11 is a gas supply hole for supplying anode gas and cathode gas to the cell stack 100. In this embodiment, the inlet 11 is provided on the X-direction base end side of the cell stack 100. The anode gas is a fuel or a reformed fuel (reformed fuel), for example, a hydrocarbon fuel such as hydrogen or methane. The cathode gas is a so-called oxidizer, for example, air. In this embodiment, the inlet 11 has, as gas supply holes, an anode gas supply hole 16b for supplying anode gas, and cathode gas supply holes 16a and 16c for supplying cathode gas. In the inlet 11 of this embodiment, the cathode gas supply hole 16a, the anode gas supply hole 16b, and the cathode gas supply hole 16c are arranged in a row in this order. However, the number and arrangement of the anode gas supply holes and the cathode gas supply holes are arbitrary.

アウトレット12は、アノードオフガス及びカソードオフガスを排出するためのガス排出孔である。本実施形態においては、アウトレット12は、セルスタック100のX方向先端側に設けられている。アノードオフガス及びカソードオフガスは、セルスタック100から排出されるアノードガス等及びカソードガス等である。本実施形態では、アウトレット12は、ガス排出孔として、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出孔17bと、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出孔17a,17cと、を備える。カソードオフガス排出孔17a、アノードオフガス排出孔17b、及び、カソードオフガス排出孔17cがこの順に一列に配列されている。但し、アノードオフガス排出孔及びカソードオフガス排出孔の個数及び配列は任意である。 The outlet 12 is a gas exhaust hole for exhausting anode off-gas and cathode off-gas. In this embodiment, the outlet 12 is provided at the tip side of the cell stack 100 in the X direction. The anode off-gas and cathode off-gas are anode gas, etc., and cathode gas, etc., exhausted from the cell stack 100. In this embodiment, the outlet 12 includes, as gas exhaust holes, an anode off-gas exhaust hole 17b for exhausting anode off-gas, and cathode off-gas exhaust holes 17a and 17c for exhausting cathode off-gas. The cathode off-gas exhaust hole 17a, the anode off-gas exhaust hole 17b, and the cathode off-gas exhaust hole 17c are arranged in a row in this order. However, the number and arrangement of the anode off-gas exhaust holes and the cathode off-gas exhaust holes are arbitrary.

以下では、インレット11を構成するガス供給孔とアウトレット12を構成するガス排出孔をまとめてガス流通孔という。また、説明においてアノードガスとカソードガスの区別が不要なときには、アノードガス、アノードオフガス、カソードガス、及び、カソードオフガスをまとめて単にガスという。 In the following, the gas supply holes constituting the inlet 11 and the gas exhaust holes constituting the outlet 12 are collectively referred to as gas flow holes. In addition, when it is not necessary to distinguish between anode gas and cathode gas in the explanation, anode gas, anode off-gas, cathode gas, and cathode off-gas are collectively referred to simply as gas.

アクティブエリア13は、アノードガス及びカソードガスを使用して実際に発電が行われる領域である。アクティブエリア13は、インレット11とアウトレット12の間に、すなわちセルスタック100の中央部分に形成される。 The active area 13 is the area where electricity is actually generated using the anode gas and cathode gas. The active area 13 is formed between the inlet 11 and the outlet 12, i.e., in the central part of the cell stack 100.

バスバー14,15は、セルスタック100を構成するセル10を電気的に接続することにより、セル10で発電された電力を集電する集電体である。バスバー14,15は、例えば金属製であり、少なくとも発電によって生じた電力を実質的に損失しない程度の電気伝導性を有する。バスバー14は、セルスタック100の長手方向に沿って、X方向正側の側面に取り付けられる。バスバー15は、セルスタック100の長手方向に沿って、X方向負側の側面に取り付けられる。本実施形態においては、バスバー14,15は、スタックされたセル10を直列に接続する。 The bus bars 14 and 15 are current collectors that electrically connect the cells 10 that make up the cell stack 100, thereby collecting the power generated by the cells 10. The bus bars 14 and 15 are made of, for example, metal, and have electrical conductivity that is sufficient to substantially prevent the loss of power generated by power generation. The bus bar 14 is attached to the side surface on the positive side in the X direction along the longitudinal direction of the cell stack 100. The bus bar 15 is attached to the side surface on the negative side in the X direction along the longitudinal direction of the cell stack 100. In this embodiment, the bus bars 14 and 15 connect the stacked cells 10 in series.

図2は、セルスタック100の分解斜視図である。図2に示すように、セルスタック100は、複数のセル10と、ガスケットアセンブリ18a,18bと、を交互に積み重ねたスタック構造を有する。 Figure 2 is an exploded perspective view of the cell stack 100. As shown in Figure 2, the cell stack 100 has a stack structure in which multiple cells 10 and gasket assemblies 18a, 18b are stacked alternately.

各々のセル10は、インレット11及びアウトレット12に対応する位置に、それぞれ開口を有する。すなわち、各々のセル10は、インレット11に対応して、アノードガス供給孔16b及びカソードガス供給孔16a,16cをそれぞれ形成する複数の開口を有する。同様に、各々のセル10は、アウトレット12に対応して、アノードオフガス排出孔17b及びカソードオフガス排出孔17a,17cをそれぞれ形成する複数の開口を有する。 Each cell 10 has openings at positions corresponding to the inlet 11 and the outlet 12. That is, each cell 10 has a plurality of openings that form an anode gas supply hole 16b and cathode gas supply holes 16a, 16c, respectively, corresponding to the inlet 11. Similarly, each cell 10 has a plurality of openings that form an anode off-gas exhaust hole 17b and cathode off-gas exhaust holes 17a, 17c, respectively, corresponding to the outlet 12.

各セル10の構造はいずれも同じであり、各セル10は、アクティブエリア13に、電極触媒層32が露呈する。電極触媒層32は、アノード電極、固体電解質、及び、カソード電極等が積層された積層体であり、その表面には、アノードとして機能する表面と、カソードとして機能する表面の区別がある。このため、セル10にも表裏の区別がある。以下、セル10の表面のうち、アノードとして機能する側の表面をアノード面22といい、カソードとして機能する側の表面をカソード面23という。セルスタック100は、アノード面22同士を対向させ、かつ、カソード面23同士を対向させるように、表裏を反転させながら複数のセル10が交互に積み重ねられたセル配列を有する。セル10の構造及び電極触媒層32の層構造等については、詳細を後述する。 The structure of each cell 10 is the same, and the electrode catalyst layer 32 is exposed in the active area 13 of each cell 10. The electrode catalyst layer 32 is a laminate in which an anode electrode, a solid electrolyte, a cathode electrode, etc. are stacked, and the surface of the electrode catalyst layer 32 is divided into a surface that functions as an anode and a surface that functions as a cathode. Therefore, the cell 10 also has a front and back. Hereinafter, the surface of the cell 10 that functions as an anode is referred to as the anode surface 22, and the surface that functions as a cathode is referred to as the cathode surface 23. The cell stack 100 has a cell arrangement in which multiple cells 10 are stacked alternately while being inverted so that the anode surfaces 22 face each other and the cathode surfaces 23 face each other. The structure of the cell 10 and the layer structure of the electrode catalyst layer 32 will be described in detail later.

また、上記のセル配列において、隣接する2つのセル10は所定間隔で離間されている。セル10間の離間間隔は、セル10間に配置されるガスケットアセンブリ18a,18bの厚みによって調整される。 In addition, in the above cell arrangement, two adjacent cells 10 are spaced apart at a predetermined distance. The distance between the cells 10 is adjusted by the thickness of the gasket assemblies 18a, 18b disposed between the cells 10.

ガスケットアセンブリ18aは、絶縁体で形成され、上記のセル配列において、隣接するセル10のアノード面22同士が対向する箇所に配置される。すなわち、ガスケットアセンブリ18aは、アノード用である。ガスケットアセンブリ18aは、外縁封止材26、ガス流通孔封止材27、及び、通気支持材28(通ガス支持材)を含む。 The gasket assembly 18a is made of an insulator and is arranged in the above cell arrangement where the anode faces 22 of adjacent cells 10 face each other. In other words, the gasket assembly 18a is for the anode. The gasket assembly 18a includes an outer edge sealant 26, a gas flow hole sealant 27, and a vent support 28 (gas flow support).

外縁封止材26は、セルスタック100が形成されたときに、隣接するセル10に当接することにより、それらのセル10間の空間(以下、セル間空間という)を封止する。したがって、外縁封止材26は、セル間空間を外界(セルスタック100の外部)から隔離する。 When the cell stack 100 is formed, the peripheral sealing material 26 contacts adjacent cells 10 to seal the space between those cells 10 (hereinafter referred to as the inter-cell space). Therefore, the peripheral sealing material 26 isolates the inter-cell space from the outside world (outside the cell stack 100).

ガス流通孔封止材27は、インレット11及びアウトレット12を形成するガス流通孔の一部を、その外周において封止する。より具体的には、ガス流通孔封止材27は、例えばその中央部分にガス流通孔を形成する開口を有する。このため、ガス流通孔封止材27は、スタック方向へのガスの流通を妨げない。一方、ガス流通孔封止材27は、セルスタック100が形成されたときに、上下のセル10に挟持されることで、セル間空間内外へのガスの流通を遮る。 The gas flow hole sealing material 27 seals a portion of the gas flow holes that form the inlet 11 and the outlet 12 at their outer periphery. More specifically, the gas flow hole sealing material 27 has an opening that forms a gas flow hole, for example, in its center. Therefore, the gas flow hole sealing material 27 does not impede the flow of gas in the stack direction. On the other hand, when the cell stack 100 is formed, the gas flow hole sealing material 27 is sandwiched between the upper and lower cells 10, thereby blocking the flow of gas into and out of the inter-cell space.

アノード用のガスケットアセンブリ18aにおいては、ガス流通孔封止材27は、カソードガス供給孔16a,16c及びカソードオフガス排出孔17a,17cの外周をそれぞれ封止する。すなわち、ガスケットアセンブリ18aのガス流通孔封止材27は、スタック方向へのカソードガス及びカソードオフガスの流通を許容しつつ、セル間空間内外へのカソードガスの流通を遮る。 In the anode gasket assembly 18a, the gas flow hole sealant 27 seals the outer periphery of the cathode gas supply holes 16a, 16c and the cathode off-gas exhaust holes 17a, 17c. That is, the gas flow hole sealant 27 of the gasket assembly 18a blocks the flow of cathode gas into and out of the inter-cell space while allowing the flow of cathode gas and cathode off-gas in the stack direction.

通気支持材28は、セルスタック100が形成されたときに、一部のガス流通孔の外周部分において上下のセル10を支持する。通気支持材28は、ガス流通孔封止材27と同様に、例えばその中央部分にガス流通孔を形成する開口を有する。このため、通気支持材28は、スタック方向へのガスの流通を妨げない。一方、通気支持材28は、ガス流通孔封止材27と異なり、例えばこの開口を中心として放射状に、複数の通気溝(通ガス溝)を有する。このため、通気支持材28はガスの流通も妨げない。したがって、通気支持材28は、通気(通ガス)可能に、上下のセル10を支持する。 When the cell stack 100 is formed, the ventilation support material 28 supports the upper and lower cells 10 at the outer periphery of some of the gas flow holes. Like the gas flow hole sealing material 27, the ventilation support material 28 has an opening that forms a gas flow hole, for example, in its center. Therefore, the ventilation support material 28 does not impede the flow of gas in the stack direction. On the other hand, unlike the gas flow hole sealing material 27, the ventilation support material 28 has multiple ventilation grooves (gas passage grooves) radially from the opening, for example. Therefore, the ventilation support material 28 does not impede the flow of gas. Therefore, the ventilation support material 28 supports the upper and lower cells 10 in a manner that allows ventilation (gas passage).

アノード用のガスケットアセンブリ18aにおいては、通気支持材28は、アノードガス供給孔16b及びアノードオフガス排出孔17bの外周において、上下のセル10を支持する。このため、セル間空間内外へのアノードガス及びアノードオフガスの流通は許容される。 In the anode gasket assembly 18a, the ventilation support material 28 supports the upper and lower cells 10 on the outer periphery of the anode gas supply hole 16b and the anode off-gas exhaust hole 17b. This allows the anode gas and anode off-gas to flow into and out of the inter-cell space.

ガスケットアセンブリ18bは、前述のセル配列において、隣接するセル10のカソード面23同士が対向する箇所に配置される。すなわち、ガスケットアセンブリ18bは、カソード用である。 The gasket assembly 18b is disposed at a location where the cathode faces 23 of adjacent cells 10 face each other in the cell arrangement described above. In other words, the gasket assembly 18b is for the cathode.

カソード用のガスケットアセンブリ18bは、アノード用のガスケットアセンブリ18aと同様に、絶縁体で形成され、外縁封止材26、ガス流通孔封止材27、及び、通気支持材28を含む。但し、ガスケットアセンブリ18bでは、ガス流通孔封止材27は、アノードガス供給孔16b及びアノードオフガス排出孔17bの外周をそれぞれ封止する。また、カソード用のガスケットアセンブリ18bでは、通気支持材28は、カソードガス供給孔16a,16c及びカソードオフガス排出孔17a,17cの外周において上下のセル10を支持する。したがって、ガスケットアセンブリ18bは、セル間空間内外へのアノードガスの流通を遮り、カソードガスの流通を許容する。 The gasket assembly 18b for the cathode is formed of an insulator, similar to the gasket assembly 18a for the anode, and includes an outer edge sealant 26, a gas flow hole sealant 27, and a ventilation support material 28. However, in the gasket assembly 18b, the gas flow hole sealant 27 seals the outer periphery of the anode gas supply hole 16b and the anode off-gas exhaust hole 17b. In the gasket assembly 18b for the cathode, the ventilation support material 28 supports the upper and lower cells 10 on the outer periphery of the cathode gas supply holes 16a, 16c and the cathode off-gas exhaust holes 17a, 17c. Therefore, the gasket assembly 18b blocks the flow of anode gas into and out of the inter-cell space, and allows the flow of cathode gas.

[セル及び電極触媒層の構造]
図3は、セル10の分解斜視図である。図3に示すように、セル10は、第1金属フレーム31、電極触媒層32、シールセル33、及び、第2金属フレーム34を備える。
[Structure of cell and electrode catalyst layer]
Fig. 3 is an exploded perspective view of the cell 10. As shown in Fig. 3, the cell 10 includes a first metal frame 31, an electrode catalyst layer 32, a seal cell 33, and a second metal frame .

第1金属フレーム31は、電極触媒層32を、その外周部48(図4参照)において支持する金属製の支持体である。また、第1金属フレーム31は、電極触媒層32の外周部48(図4参照)において電極触媒層32と電気的に接続する。具体的には、第1金属フレーム31は、電極触媒層32のアノード極層41側において、電極触媒層32と電気的に接続しつつ、これを支持する。このため、第1金属フレーム31は、第1金属多孔体層45に接続される。これにより、第1金属フレーム31は、第1金属多孔体層45を介してアノード極層41と電気的に接続し、かつ、第1金属多孔体層45を支持する。その結果、第1金属フレーム31は、セル10においてアノード極となる集電体を構成する。 The first metal frame 31 is a metal support that supports the electrode catalyst layer 32 at its outer periphery 48 (see FIG. 4). The first metal frame 31 is electrically connected to the electrode catalyst layer 32 at the outer periphery 48 (see FIG. 4) of the electrode catalyst layer 32. Specifically, the first metal frame 31 supports the electrode catalyst layer 32 while electrically connecting it to the electrode catalyst layer 32 on the anode layer 41 side of the electrode catalyst layer 32. Therefore, the first metal frame 31 is connected to the first metal porous layer 45. As a result, the first metal frame 31 is electrically connected to the anode layer 41 via the first metal porous layer 45 and supports the first metal porous layer 45. As a result, the first metal frame 31 constitutes a current collector that becomes the anode electrode in the cell 10.

また、第1金属フレーム31は、中央部に設けられた開口によって電極触媒層32を露呈する。すなわち、セル10の表面のうち、第1金属フレーム31が設けられた表面は、アノード面22であり、第1金属多孔体層45が露呈される。電極触媒層32のうち、少なくとも第1金属フレーム31から露呈される部分は、アクティブエリア13を形成する。この他、第1金属フレーム31は、ガス流通孔を形成する開口と、バスバー14,15と接続する接続部を有する。 The first metal frame 31 also exposes the electrode catalyst layer 32 through an opening provided in the center. That is, the surface of the cell 10 on which the first metal frame 31 is provided is the anode surface 22, and the first metal porous layer 45 is exposed. At least the portion of the electrode catalyst layer 32 exposed from the first metal frame 31 forms the active area 13. In addition, the first metal frame 31 has openings that form gas flow holes and connection parts that connect to the bus bars 14 and 15.

電極触媒層32は、アノードガスとカソードガスを隔離しつつ、所定イオンの導通を許容することにより、アノードガスとカソードガスの反応を補助する。電極触媒層32は、アノードガスとカソードガスを反応させるための基本構成として、少なくとも、アノード極層41、固体電解質層43(図4参照)、及び、カソード極層42(図4参照)を、この順に積層した積層体(以下、基本積層体44という(図4参照))を含む。 The electrode catalyst layer 32 assists the reaction between the anode gas and the cathode gas by isolating the anode gas and the cathode gas while allowing the conduction of certain ions. The electrode catalyst layer 32 includes, as the basic structure for reacting the anode gas and the cathode gas, at least an anode electrode layer 41, a solid electrolyte layer 43 (see FIG. 4), and a cathode electrode layer 42 (see FIG. 4) stacked in this order (hereinafter referred to as the basic stack 44 (see FIG. 4)).

シールセル33は、セル10を形成したときに、電極触媒層32の側面を封止する封止部材である。また、シールセル33は絶縁体で形成され、セル10を形成したときに、第1金属フレーム31と第2金属フレーム34に挟持される。このため、シールセル33は、第1金属フレーム31と第2金属フレーム34の絶縁支持体としても機能する。したがって、シールセル33には、電極触媒層32の表面を全て露呈する開口を備える。また、シールセル33は、ガス流通孔を形成する開口を備える。 The seal cell 33 is a sealing member that seals the side of the electrode catalyst layer 32 when the cell 10 is formed. The seal cell 33 is also formed of an insulator, and is sandwiched between the first metal frame 31 and the second metal frame 34 when the cell 10 is formed. Therefore, the seal cell 33 also functions as an insulating support for the first metal frame 31 and the second metal frame 34. Therefore, the seal cell 33 has an opening that exposes the entire surface of the electrode catalyst layer 32. The seal cell 33 also has an opening that forms a gas flow hole.

第2金属フレーム34は、電極触媒層32を支持する金属製の支持体である。また、第2金属フレーム34は、電極触媒層32の外周部49において電極触媒層32と電気的に接続する。具体的には、第2金属フレーム34は、電極触媒層32のカソード極層42側において、電極触媒層32と接続し、これを支持する。このため、第2金属フレーム34は、第2金属多孔体層46に接続される。これにより、第2金属フレーム34は、第2金属多孔体層46を介してカソード極層42と電気的に接続し、かつ、第2金属多孔体層46を支持する。その結果、第2金属フレーム34は、セル10においてカソード極となる集電体を構成する。 The second metal frame 34 is a metal support that supports the electrode catalyst layer 32. The second metal frame 34 is electrically connected to the electrode catalyst layer 32 at the outer periphery 49 of the electrode catalyst layer 32. Specifically, the second metal frame 34 is connected to and supports the electrode catalyst layer 32 on the cathode layer 42 side of the electrode catalyst layer 32. Therefore, the second metal frame 34 is connected to the second metal porous layer 46. As a result, the second metal frame 34 is electrically connected to the cathode layer 42 via the second metal porous layer 46 and supports the second metal porous layer 46. As a result, the second metal frame 34 constitutes a current collector that serves as the cathode electrode in the cell 10.

また、第2金属フレーム34は、中央部に設けられた開口によって電極触媒層32を露呈する。すなわち、セル10の表面のうち、第2金属フレーム34が設けれられた表面は、カソード面23であり、第2金属多孔体層46が露呈される。電極触媒層32のうち、少なくとも第2金属フレーム34から露呈される部分は、アクティブエリア13を形成する。この他、第2金属フレーム34は、ガス流通孔を形成する開口と、バスバー14,15と接続する接続部を有する。 The second metal frame 34 also exposes the electrode catalyst layer 32 through an opening provided in the center. That is, the surface of the cell 10 on which the second metal frame 34 is provided is the cathode surface 23, and the second metal porous layer 46 is exposed. At least the portion of the electrode catalyst layer 32 exposed from the second metal frame 34 forms the active area 13. In addition, the second metal frame 34 has openings that form gas flow holes and connection parts that connect to the bus bars 14, 15.

図4は、セル10の断面図である。図4に示すように、電極触媒層32は、アノード極層41と、カソード極層42と、アノード極層41及びカソード極層42に挟持される固体電解質層43と、からなる基本積層体44を含む。 Figure 4 is a cross-sectional view of the cell 10. As shown in Figure 4, the electrode catalyst layer 32 includes a basic laminate 44 consisting of an anode layer 41, a cathode layer 42, and a solid electrolyte layer 43 sandwiched between the anode layer 41 and the cathode layer 42.

アノード極層41は、いわゆる燃料極として機能する平板状の薄膜である。アノード極層41は、例えば、セラミック、または、セラミックと金属とからなるサーメット等によって形成される。アノード極層41は、燃料極として機能し得る程度に、アノードガスを透過し得るガス透過性、電気伝導性、及び、イオン電導性を有する。また、アノード極層41は、アノードガスと、固体電解質層43を伝動した酸化物イオン(例えば酸素イオン)と、の反応を促進する触媒として機能する。 The anode layer 41 is a flat thin film that functions as a so-called fuel electrode. The anode layer 41 is formed, for example, from ceramic or a cermet made of ceramic and metal. The anode layer 41 has gas permeability, electrical conductivity, and ion conductivity that allow the anode gas to pass through it, to the extent that it can function as a fuel electrode. The anode layer 41 also functions as a catalyst that promotes the reaction between the anode gas and oxide ions (e.g., oxygen ions) that have been transmitted through the solid electrolyte layer 43.

カソード極層42は、いわゆる酸化剤極(空気極)として機能する平板状の薄膜である。カソード極層42は、例えば、金属酸化物によって形成される。カソード極層42は、酸化剤極として機能し得る程度に、カソードガスを透過し得るガス透過性、電気伝導性、及び、イオン電導性を有する。また、カソード極層42は、カソードガスが含む酸化剤(例えば酸素)のイオン化を促進する触媒として機能する。 The cathode layer 42 is a flat thin film that functions as a so-called oxidizer electrode (air electrode). The cathode layer 42 is formed, for example, from a metal oxide. The cathode layer 42 has gas permeability, electrical conductivity, and ion conductivity that allow the cathode gas to pass through, to the extent that it can function as an oxidizer electrode. The cathode layer 42 also functions as a catalyst that promotes ionization of the oxidizer (e.g., oxygen) contained in the cathode gas.

固体電解質層43は、イオン伝導性を有する固体電解質の平板状の薄膜であり、酸化剤イオンを伝導する。固体電解質層43は、例えば、固体酸化物セラミックによって形成される。セラミックとは、無機物の焼結体をいい、非金属酸化物だけでなく、金属酸化物を含む。 The solid electrolyte layer 43 is a flat thin film of a solid electrolyte having ion conductivity, and conducts oxidant ions. The solid electrolyte layer 43 is formed, for example, from a solid oxide ceramic. Ceramics refers to sintered bodies of inorganic materials, and include not only nonmetallic oxides but also metallic oxides.

そして、本実施形態の電極触媒層32は、上記の基本積層体44に加えて、第1金属多孔体層45と、第2金属多孔体層46と、をさらに備える。 The electrode catalyst layer 32 of this embodiment further includes a first metal porous layer 45 and a second metal porous layer 46 in addition to the basic laminate 44.

第1金属多孔体層45は、少なくともアクティブエリア13において、アノード極層41を一様に覆うように形成された平板状の金属薄膜であり、基本積層体44をアノード極層41側から支持する。したがって、電極触媒層32の層構造においては、第1金属多孔体層45は固体電解質層43とともにアノード極層41を挟持する。また、第1金属多孔体層45は、基本積層体44を支持し得る程度に、アノード極層41よりも厚く形成される。例えば、第1金属多孔体層45は、アノード極層41よりも1桁程度厚く形成される。 The first metal porous layer 45 is a flat metal thin film formed to uniformly cover the anode layer 41 at least in the active area 13, and supports the basic laminate 44 from the anode layer 41 side. Therefore, in the layer structure of the electrode catalyst layer 32, the first metal porous layer 45 sandwiches the anode layer 41 together with the solid electrolyte layer 43. The first metal porous layer 45 is formed thicker than the anode layer 41 to the extent that it can support the basic laminate 44. For example, the first metal porous layer 45 is formed thicker than the anode layer 41 by about one order of magnitude.

第1金属多孔体層45は、金属多孔体によって形成される。金属多孔体とは、金属製の多孔体である。第1金属多孔体層45は、例えば、ニッケルやクロム等を含有するステンレス鋼(SUS)によって形成される。また、多孔体とは、図示しない無数の微小な空孔を実質的にランダムに内包し、それらの空孔が実質的にランダムに連通している部材をいう。したがって、第1金属多孔体層45が含む複数の空孔は、面方向(XY面内方向)に連通する。また、第1金属多孔体層45が含む複数の空孔は表面間に連通しており、面内における空孔の分布は実質的に一様である。 The first metal porous layer 45 is formed of a metal porous body. The metal porous body is a porous body made of metal. The first metal porous layer 45 is formed of, for example, stainless steel (SUS) containing nickel, chromium, etc. Also, the porous body refers to a member that contains countless tiny pores (not shown) arranged substantially randomly, and these pores are substantially randomly connected. Therefore, the multiple pores contained in the first metal porous layer 45 are connected in the surface direction (XY plane direction). Also, the multiple pores contained in the first metal porous layer 45 are connected between the surfaces, and the distribution of the pores in the surface is substantially uniform.

このため、第1金属多孔体層45は、面方向(XY面内方向)及び厚さ方向(Z方向)に一様な電気伝導性を有する良導体であり、全体として実質的に連続的な金属板として振る舞う。その上で、第1金属多孔体層45は、複数の空孔によって、一方の露呈した表面(Z方向負側の表面)からアノード極層41に接合する他方の表面(Z方向正側の表面)に、実質的に一様にアノードガスを透過する。したがって、一方の露呈した表面にアノードガスが供給されたときには、第1金属多孔体層45は、複数の空孔によってアノード極層41にアノードガスを供給する。 Therefore, the first metal porous layer 45 is a good conductor with uniform electrical conductivity in the surface direction (XY in-plane direction) and thickness direction (Z direction), and behaves as a substantially continuous metal plate overall. In addition, the first metal porous layer 45 allows the anode gas to pass substantially uniformly from one exposed surface (the surface on the negative side in the Z direction) to the other surface (the surface on the positive side in the Z direction) joined to the anode layer 41 through the multiple pores. Therefore, when the anode gas is supplied to one exposed surface, the first metal porous layer 45 supplies the anode gas to the anode layer 41 through the multiple pores.

第2金属多孔体層46は、少なくともアクティブエリア13において、カソード極層42を一様に覆うように形成された平板状の金属薄膜であり、基本積層体44をカソード極層42側から支持する。したがって、電極触媒層32の層構造においては、第2金属多孔体層46は、固体電解質層43とともにカソード極層42を挟持する。また、第1金属多孔体層45は、基本積層体44を支持し得る程度に、カソード極層42よりも厚く形成される。例えば、第2金属多孔体層46は、カソード極層42よりも1桁程度厚く形成される。 The second metal porous layer 46 is a flat metal thin film formed to uniformly cover the cathode layer 42 at least in the active area 13, and supports the basic laminate 44 from the cathode layer 42 side. Therefore, in the layer structure of the electrode catalyst layer 32, the second metal porous layer 46 sandwiches the cathode layer 42 together with the solid electrolyte layer 43. The first metal porous layer 45 is formed thicker than the cathode layer 42 to the extent that it can support the basic laminate 44. For example, the second metal porous layer 46 is formed thicker than the cathode layer 42 by about one order of magnitude.

第2金属多孔体層46は、第1金属多孔体層45と同様に、金属多孔体によって形成される。したがって、第2金属多孔体層46は、面方向(XY面内方向)及び厚さ方向(Z方向)に一様な電気伝導性を有する良導体であり、全体として実質的に連続的な金属板として振る舞う。また、第2金属多孔体層46が含む複数の空孔は、面方向(XY面内方向)に連通している。そして、第2金属多孔体層46が含む複数の空孔は表面間に連通しており、面内における空孔の分布は実質的に一様である。このため、第2金属多孔体層46は、複数の空孔によって、一方の露呈した表面(Z方向正側の表面)からカソード極層42に接合する他方の表面(Z方向負側の表面)に、実質的に一様にカソードガスを透過する。したがって、一方の露呈した表面にカソードガスが供給されたときには、第2金属多孔体層46は、複数の空孔によってカソード極層42にカソードガスを供給する。 The second metal porous layer 46 is formed of a metal porous body, similar to the first metal porous layer 45. Therefore, the second metal porous layer 46 is a good conductor having uniform electrical conductivity in the surface direction (XY in-plane direction) and thickness direction (Z direction), and behaves as a substantially continuous metal plate as a whole. In addition, the multiple pores contained in the second metal porous layer 46 are connected in the surface direction (XY in-plane direction). The multiple pores contained in the second metal porous layer 46 are connected between the surfaces, and the distribution of the pores in the surface is substantially uniform. Therefore, the second metal porous layer 46 allows the cathode gas to pass through substantially uniformly from one exposed surface (surface on the positive side of the Z direction) to the other surface (surface on the negative side of the Z direction) joined to the cathode electrode layer 42 through the multiple pores. Therefore, when cathode gas is supplied to one exposed surface, the second metal porous layer 46 supplies the cathode gas to the cathode layer 42 through the multiple pores.

上記のように、電極触媒層32は、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46によって基本積層体44を両面から支持する構造を有する。また、電極触媒層32は、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46によって、第1金属フレーム31及び第2金属フレーム34に接合する。具体的には、第1金属多孔体層45は、その外周部48の一部または全部において第1金属フレーム31と電気的に接続する。本実施形態においては、接続部分における電気抵抗(オーム損)をより良く低減するために、第1金属多孔体層45と第1金属フレーム31は、外周部48のほぼ全部において、溶接等の金属接合の方法によって接合される。同様に、第2金属多孔体層46は、その外周部49の一部または全部において第2金属フレーム34と電気的に接続する。本実施形態においては、接続部分における電気抵抗(オーム損)をより良く低減するために、第2金属多孔体層46と第2金属フレーム34は、外周部49のほぼ全部において溶接等の金属接合の方法によって接合される。 As described above, the electrode catalyst layer 32 has a structure in which the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 support the basic laminate 44 from both sides. The electrode catalyst layer 32 is also joined to the first metal frame 31 and the second metal frame 34 by the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46. Specifically, the first metal porous layer 45 is electrically connected to the first metal frame 31 at a part or all of its outer periphery 48. In this embodiment, in order to better reduce the electrical resistance (ohmic loss) at the connection portion, the first metal porous layer 45 and the first metal frame 31 are joined by a metal joining method such as welding at almost the entirety of the outer periphery 48. Similarly, the second metal porous layer 46 is electrically connected to the second metal frame 34 at a part or all of its outer periphery 49. In this embodiment, in order to better reduce electrical resistance (ohmic loss) at the connection portion, the second metal porous layer 46 and the second metal frame 34 are joined by a metal joining method such as welding around almost the entire outer periphery 49.

上記のように、セル10は、いわゆるメタルサポートセルである。従来の典型的なメタルサポートセルは、アノード極層41側またはカソード極層42側のいずれか一方だけを金属製の支持体によって支持する。一方、本実施形態におけるセル10は、アノード側及びカソード側の両方が金属製の支持体によって支持されている。したがって、従来の典型的なメタルサポートセルが片側メタルサポートセルであるのに対して、本実施形態のセル10は、いわば両側メタルサポートセルである。 As described above, cell 10 is a so-called metal-supported cell. In a typical conventional metal-supported cell, only one of the anode layer 41 side or the cathode layer 42 side is supported by a metal support. In contrast, cell 10 in this embodiment is supported by metal supports on both the anode side and the cathode side. Therefore, while a typical conventional metal-supported cell is a one-sided metal-supported cell, cell 10 in this embodiment is, so to speak, a two-sided metal-supported cell.

なお、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46を形成する具体的な方法は任意である。したがって、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は、金属繊維からなるフェルトや不織布、または、金属粒子の焼結体等によって形成することができる。但し、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は、金属粒子の焼結体であることが好ましい。他の方法による場合と比較して、金属粒子の焼結体は電気伝導性や剛性(強度)が優れる。このため、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は、金属粒子の処決体であることが好ましい。 The specific method for forming the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 is arbitrary. Therefore, the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 can be formed from felt or nonwoven fabric made of metal fibers, or a sintered body of metal particles. However, it is preferable that the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 are sintered bodies of metal particles. Compared to cases using other methods, sintered bodies of metal particles have excellent electrical conductivity and rigidity (strength). For this reason, it is preferable that the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 are treated bodies of metal particles.

本実施形態では、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は、共焼成によって、基本積層体44と一体の焼結体として形成される。具体的には、まず、電極触媒層32の各層を形成するためのスラリーとして、第1金属多孔体スラリー、アノードスラリー、電解質スラリー、カソードスラリー、及び、第2金属多孔体スラリーが調製される。次に、各スラリーはシート状に成形され、電極触媒層32における積層順に合わせて積層して貼り合わせられ、成形スラリー積層体が形成される。その後、この成形スラリー積層体が脱脂及び共焼成されることにより、電極触媒層32が形成される。 In this embodiment, the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 are formed as a sintered body integral with the basic laminate 44 by co-firing. Specifically, first, a first metal porous body slurry, an anode slurry, an electrolyte slurry, a cathode slurry, and a second metal porous body slurry are prepared as slurries for forming each layer of the electrode catalyst layer 32. Next, each slurry is formed into a sheet, and the sheets are laminated and stuck together in the stacking order in the electrode catalyst layer 32 to form a molded slurry laminate. The molded slurry laminate is then degreased and co-fired to form the electrode catalyst layer 32.

[セルスタックの詳細な構造]
図5は、セルスタック100の部分断面図である。図5に示すように、アノード面22同士を対向させ、かつ、カソード面23同士を対向させるセル配列と、ガスケットアセンブリ18a,18bの内部構造によって、アノード面22同士が対向するセル間空間は、アノードガスが流通するアノードガス流路FPaとなる。同様に、カソード面23同士が対向するセル間空間は、カソードガスが流通するカソードガス流路FPcとなる。
[Detailed structure of cell stack]
5 is a partial cross-sectional view of the cell stack 100. As shown in Fig. 5, due to the cell arrangement in which the anode surfaces 22 face each other and the cathode surfaces 23 face each other, and the internal structure of the gasket assemblies 18a, 18b, the inter-cell space between the opposing anode surfaces 22 becomes an anode gas flow path FPa through which the anode gas flows. Similarly, the inter-cell space between the opposing cathode surfaces 23 becomes a cathode gas flow path FPc through which the cathode gas flows.

アノードガス流路FPaは、隣接した2つのセル10に対してアノードガスを供給する。すなわち、セルスタック100においては、アノードガス流路FPaは2つのセル10に供用される。アノードガス流路FPaの高さH1は、ガスケットアセンブリ18aの厚さによって任意に調節可能である。このため、アノードガス流路FPaの断面積は任意に調節可能である。 The anode gas flow path FPa supplies anode gas to two adjacent cells 10. That is, in the cell stack 100, the anode gas flow path FPa serves two cells 10. The height H1 of the anode gas flow path FPa can be adjusted as desired by the thickness of the gasket assembly 18a. Therefore, the cross-sectional area of the anode gas flow path FPa can be adjusted as desired.

カソードガス流路FPcは、隣接した2つのセル10に対してカソードガスを供給する。すなわち、セルスタック100においては、カソードガス流路FPcは2つのセル10に供用される。カソードガス流路FPcの高さH2は、ガスケットアセンブリ18bの厚さによって任意に調節可能である。このため、カソードガス流路FPcの断面積も任意に調節可能である。 The cathode gas flow path FPc supplies cathode gas to two adjacent cells 10. That is, in the cell stack 100, the cathode gas flow path FPc serves two cells 10. The height H2 of the cathode gas flow path FPc can be adjusted as desired by the thickness of the gasket assembly 18b. Therefore, the cross-sectional area of the cathode gas flow path FPc can also be adjusted as desired.

なお、セルスタック100が発電をするときには、例えば、通常、カソードガスの流量は、アノードガスの流量よりも大きい。このため、本実施形態においては、アノードガス及びカソードガスの各流量等に応じて、アノードガス流路FPaにおけるアノードガスの圧力損失と、カソードガス流路FPcにおけるカソードガスの圧力損失と、がそれぞれ個別に調節される。具体的には、カソードガス流路FPcの高さH2は、アノードガス流路FPaの高さH1よりも高く設定される。すなわち、ガスケットアセンブリ18bはガスケットアセンブリ18aよりも厚く形成されており、その結果、H2>H1となっている。これにより、セルスタック100では、カソードガス流路FPcの断面積は、アノードガス流路FPaの断面積よりも大きくなっている。このように、アノードガス流路FPa及びカソードガス流路FPcにおける圧力損失が各々に低減されると、図示しないブロアやポンプ等、アノードガス及びカソードガスをセルスタック100に供給する機器が省電力化される。また、アノードガス及びカソードガスの圧力損失が適切に調整されたときには、アクティブエリア13における発電反応等がほぼ均一に生じる。このため、アノードガス及びカソードガスの圧力損失が低減されることによって、アクティブエリア13に温度分布が生じ難くなる。 When the cell stack 100 generates power, for example, the flow rate of the cathode gas is usually greater than the flow rate of the anode gas. For this reason, in this embodiment, the pressure loss of the anode gas in the anode gas flow path FPa and the pressure loss of the cathode gas in the cathode gas flow path FPc are individually adjusted according to the flow rates of the anode gas and the cathode gas. Specifically, the height H2 of the cathode gas flow path FPc is set higher than the height H1 of the anode gas flow path FPa. That is, the gasket assembly 18b is formed thicker than the gasket assembly 18a, and as a result, H2>H1. As a result, in the cell stack 100, the cross-sectional area of the cathode gas flow path FPc is greater than the cross-sectional area of the anode gas flow path FPa. In this way, when the pressure loss in the anode gas flow path FPa and the cathode gas flow path FPc is reduced, the power consumption of devices that supply the anode gas and cathode gas to the cell stack 100, such as blowers and pumps (not shown), is reduced. Furthermore, when the pressure loss of the anode gas and cathode gas is appropriately adjusted, the power generation reaction and the like in the active area 13 occurs almost uniformly. Therefore, by reducing the pressure loss of the anode gas and cathode gas, temperature distribution is less likely to occur in the active area 13.

バスバー14,15は、溶接等の金属接合によって、各セル10の第1金属フレーム31及び第2金属フレーム34と接合される。これにより、バスバー14,15は、隣接するセル10を電気的に接続する。 The bus bars 14, 15 are joined to the first metal frame 31 and the second metal frame 34 of each cell 10 by metal joining such as welding. In this way, the bus bars 14, 15 electrically connect adjacent cells 10.

本実施形態においては、バスバー14は、あるセル10(図5中段のセル10)のアノード極である第1金属フレーム31と、このセル10に隣接する図5上段のセル10に、カソード極である第2金属フレーム34において接続する。そして、バスバー15は、バスバー14が第1金属フレーム31に接続する図5中段のセル10と、そのカソード極である第2金属フレーム34において接続する。さらに、バスバー15は、バスバー14が第2金属フレーム34に接続する図5下段のセル10と、アノード極である第1金属フレーム31において接続する。すなわち、バスバー14は隣接する2つのセル10を直列に接続し、バスバー15は、バスバー14によって直列に接続されたセル10の組をさらに直列に接続する。逆に、バスバー15が隣接する2つのセル10を直列に接続しており、バスバー14が、バスバー15によって直列に接続されたセル10の組をさらに直列に接続しているともいえる。 In this embodiment, the bus bar 14 connects the first metal frame 31, which is the anode of a certain cell 10 (the cell 10 in the middle row of FIG. 5), to the cell 10 in the upper row of FIG. 5 adjacent to this cell 10, at the second metal frame 34, which is the cathode. The bus bar 15 connects the cell 10 in the middle row of FIG. 5, to which the bus bar 14 connects to the first metal frame 31, at the second metal frame 34, which is the cathode. Furthermore, the bus bar 15 connects the cell 10 in the lower row of FIG. 5, to which the bus bar 14 connects to the second metal frame 34, at the first metal frame 31, which is the anode. In other words, the bus bar 14 connects two adjacent cells 10 in series, and the bus bar 15 further connects the set of cells 10 connected in series by the bus bar 14 in series. Conversely, it can be said that the bus bar 15 connects two adjacent cells 10 in series, and the bus bar 14 further connects the sets of cells 10 connected in series by the bus bar 15 in series.

[アノードガス及びカソードガスの流れ]
図6は、アノードガスの流れを示す説明図である。図6において太線矢印で示すように、アノードガス供給孔16bを流れるアノードガスは、通気支持材28の通気溝から放射状にアノードガス流路FPaに噴出する。これにより、アノードガスは、アノードガス流路FPaに供給される。そして、アノードガス流路FPa内において、アノードガスは、アノード面22に沿ってほぼ平行かつほぼ一様にX方向正側に向けて流れる。その後、アノードガスは、アノードオフガス排出孔17bに対応して設けられた通気支持材28の通気溝を介して、アノードオフガス排出孔17bに排出される。
[Anode and cathode gas flows]
6 is an explanatory diagram showing the flow of the anode gas. As shown by the thick arrows in FIG. 6, the anode gas flowing through the anode gas supply holes 16b is jetted radially from the ventilation grooves of the ventilation support material 28 into the anode gas flow path FPa. As a result, the anode gas is supplied to the anode gas flow path FPa. In the anode gas flow path FPa, the anode gas flows substantially parallel to and substantially uniformly along the anode surface 22 toward the positive side in the X direction. The anode gas is then discharged to the anode off-gas discharge hole 17b through the ventilation grooves of the ventilation support material 28 provided in correspondence with the anode off-gas discharge hole 17b.

図7は、カソードガスの流れを示す説明図である。図7において太破線矢印で示すように、カソードガス供給孔16a,16cを流れるカソードガスは、2つの通気支持材28から、各々の通気溝を介して放射状に噴出する。これにより、カソードガスは、カソードガス流路FPcに供給される。そして、カソードガス流路FPc内において、カソードガスは、カソード面23に沿ってほぼ平行かつほぼ一様にX方向正側に向けて流れる。その後、カソードガスは、カソードオフガス排出孔17a,17cにそれぞれ対応して設けられた2つの通気支持材28の通気溝を介して、カソードオフガス排出孔17a及びカソードオフガス排出孔18cに排出される。 Figure 7 is an explanatory diagram showing the flow of cathode gas. As shown by the thick dashed arrows in Figure 7, the cathode gas flowing through the cathode gas supply holes 16a and 16c is ejected radially from the two ventilation support materials 28 through their respective ventilation grooves. This allows the cathode gas to be supplied to the cathode gas flow path FPc. In the cathode gas flow path FPc, the cathode gas flows almost parallel to and almost uniformly along the cathode surface 23 toward the positive side of the X direction. The cathode gas is then discharged to the cathode off-gas exhaust hole 17a and the cathode off-gas exhaust hole 18c through the ventilation grooves of the two ventilation support materials 28 provided corresponding to the cathode off-gas exhaust holes 17a and 17c, respectively.

図8は、金属多孔体層を介したアノードガス及びカソードガスの供給態様を示す説明図である。図8に示すように、アノードガスは、上記のようにアノードガス流路FPaを流通する間に、第1金属多孔体層45と当接する。これにより、アノードガスは、第1金属多孔体層45の空孔を通り、アノード極層41に供給される。第1金属多孔体層45の極微小な空孔は一様に形成されているので、少なくともアクティブエリア13の範囲内においては、アノードガスは、アノード極層41の全面に一様に供給される。すなわち、少なくともアクティブエリア13においては、第1金属多孔体層45の存在によってアノードガスがアノード極層41に到達しない部分はない。このため、アノードガスは、アノード極層41の全面に実質的に一様に到達する。 Figure 8 is an explanatory diagram showing the supply state of anode gas and cathode gas through the metal porous layer. As shown in Figure 8, the anode gas comes into contact with the first metal porous layer 45 while flowing through the anode gas flow path FPa as described above. As a result, the anode gas passes through the pores of the first metal porous layer 45 and is supplied to the anode layer 41. Since the extremely small pores of the first metal porous layer 45 are uniformly formed, the anode gas is supplied uniformly to the entire surface of the anode layer 41 at least within the range of the active area 13. That is, at least in the active area 13, there is no part where the anode gas does not reach the anode layer 41 due to the presence of the first metal porous layer 45. Therefore, the anode gas reaches the entire surface of the anode layer 41 substantially uniformly.

また、カソードガスは、上記のようにカソードガス流路FPcを流通する間に、第2金属多孔体層46と当接する。これにより、カソードガスは、第2金属多孔体層46の空孔を通り、カソード極層42に供給される。第2金属多孔体層46の極微小な空孔は一様に形成されているので、少なくともアクティブエリア13の範囲内においては、カソードガスは、カソード極層42の全面に一様に供給される。すなわち、少なくともアクティブエリア13においては、第2金属多孔体層46の存在によってカソードガスがカソード極層42に到達しない部分はない。このため、カソードガスは、カソード極層42の全面に実質的に一様に到達する。 In addition, while the cathode gas flows through the cathode gas flow path FPc as described above, it comes into contact with the second metal porous layer 46. As a result, the cathode gas passes through the pores of the second metal porous layer 46 and is supplied to the cathode layer 42. Since the extremely small pores of the second metal porous layer 46 are uniformly formed, the cathode gas is supplied uniformly to the entire surface of the cathode layer 42 at least within the range of the active area 13. In other words, at least in the active area 13, there is no part where the cathode gas does not reach the cathode layer 42 due to the presence of the second metal porous layer 46. Therefore, the cathode gas reaches the entire surface of the cathode layer 42 substantially uniformly.

[セル及びセルスタックにおける電流の流れ]
図9は、セル10及びセルスタック100において電流が流れる経路を示す説明図である。図9に太線矢印で示すように、図9下段のあるセル10においては、電流が、バスバー14を介して、カソード極である第2金属フレーム34に流入する。この電流は、第2金属フレーム34に接続された第2金属多孔体層46に沿って、その面方向に流れる。これは、第2金属多孔体層46が良導体であり、カソード極層42よりも電気抵抗が低いからである。
[Current flow in cells and cell stacks]
Fig. 9 is an explanatory diagram showing paths along which current flows in a cell 10 and a cell stack 100. As shown by the bold arrow in Fig. 9, in a certain cell 10 in the lower part of Fig. 9, current flows into the second metal frame 34, which is the cathode, via the bus bar 14. This current flows in the planar direction along the second porous metal layer 46 connected to the second metal frame 34. This is because the second porous metal layer 46 is a good conductor and has a lower electrical resistance than the cathode layer 42.

また、太破線矢印で示すように、このセル10が発電することによって、第2金属多孔体層46に流入した電流及び発電によって生じる電流は、基本積層体44(カソード極層42、固体電解質層43、及び、アノード極層41)を通って、第1金属多孔体層45に流入する。 In addition, as shown by the thick dashed arrow, when the cell 10 generates electricity, the current that flows into the second metal porous layer 46 and the current generated by the power generation flow through the basic laminate 44 (cathode layer 42, solid electrolyte layer 43, and anode layer 41) and into the first metal porous layer 45.

ここで、基本積層体44が第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46に比べて薄く、導電性が悪い。このため、基本積層体44の面方向の電気抵抗が第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46の面方向の電気抵抗が大きい。また、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46がそれぞれアノードガス及びカソードガスをアクティブエリア13にほぼ一様に供給するので、アクティブエリア13においては、その全範囲においてほぼ一様に発電が行われる。これらのことから、面方向への電流の伝搬は専ら第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46によって行われる。したがって、セル10においては、基本積層体44における電流の流れは、電極触媒層32の表面にほぼ垂直な方向となる。 Here, the basic laminate 44 is thinner and less conductive than the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46. Therefore, the electrical resistance in the surface direction of the basic laminate 44 is greater than the electrical resistance in the surface direction of the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46. In addition, since the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 supply the anode gas and the cathode gas to the active area 13 almost uniformly, power is generated almost uniformly in the entire range of the active area 13. For these reasons, the propagation of current in the surface direction is carried out exclusively by the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46. Therefore, in the cell 10, the current flow in the basic laminate 44 is almost perpendicular to the surface of the electrode catalyst layer 32.

第1金属多孔体層45に流入した電流は、第1金属多孔体層45に沿って面方向に伝搬する。その後、バスバー15を伝搬して、図9上段の隣接するセル10の第2金属フレーム34に流入する。 The current that flows into the first metal porous layer 45 propagates in the planar direction along the first metal porous layer 45. It then propagates through the bus bar 15 and flows into the second metal frame 34 of the adjacent cell 10 in the upper row of Figure 9.

隣接するセル10に流入した電流は、太線矢印で示すように、図9下段のセル10と同様にして、第2金属多孔体層46に流入し、その面方向に流れる。そして、この隣接するセル10が発電することによって、流入した電流及び発電により生じた電流は、太破線矢印で示すように、基本積層体44の部分をほぼ垂直に流れ、第1金属多孔体層45に流入する。第1金属多孔体層45に流入した電流は、その面方向に伝搬し、第1金属フレーム31及びバスバー14を伝搬して、次のセル10の第2金属フレーム34に流入する。以降は上記の繰り返しである。 As shown by the thick arrow, the current that flows into the adjacent cell 10 flows into the second metal porous layer 46 in the same manner as the cell 10 in the lower row of Figure 9, and flows in the direction of its surface. Then, as this adjacent cell 10 generates power, the current that has flowed in and the current generated by the power generation flows almost vertically through the basic stack 44, as shown by the thick dashed arrow, and flows into the first metal porous layer 45. The current that has flowed into the first metal porous layer 45 propagates in the direction of its surface, propagates through the first metal frame 31 and bus bar 14, and flows into the second metal frame 34 of the next cell 10. The above process is then repeated.

[セル及びセルスタックの作用]
以下、第1比較例及び第2比較例の対比により、上記のように構成されるセル10及びセルスタック100の作用を説明する。
[Function of Cell and Cell Stack]
The operation of the cell 10 and the cell stack 100 configured as described above will be explained below by comparing a first comparative example with a second comparative example.

(1)第1比較例との対比
図10は、第1比較例のセル210の断面図である。第1比較例のセル210は、上記実施形態に係るセル10の第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46を、格子状の開口を有する格子集電体211に置き換えたものであり、その他の構成は上記実施形態と同様であるとする。また、第1比較例では、このセル210を上記実施形態と同様のセル配列によってセルスタックを構成するものとする。
(1) Comparison with First Comparative Example Fig. 10 is a cross-sectional view of a cell 210 of the first comparative example. The cell 210 of the first comparative example is a cell in which the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 of the cell 10 according to the above embodiment are replaced with a lattice current collector 211 having lattice-shaped openings, and the other configuration is the same as that of the above embodiment. In the first comparative example, the cell 210 is arranged in the same manner as in the above embodiment to form a cell stack.

格子集電体211は、金属薄板に複数の開口を設けることにより形成される。このため、アノードガス及びカソードガスは、格子集電体211によって遮られる。すなわち、図10に示すように、アノードガスは、格子集電体211の開口部分においてのみアノード極層41に到達する。同様に、カソードガスは、格子集電体211の開口部分においてのみカソード極層42に到達する。したがって、2つの格子集電体211は、開口の位置を揃えるように位置合わせして配置される。そして、第1比較例のセル210におけるアクティブエリアは、Z方向において、2つの格子集電体211の開口が揃った範囲に限られる。 The lattice collector 211 is formed by providing a number of openings in a metal sheet. Therefore, the anode gas and the cathode gas are blocked by the lattice collector 211. That is, as shown in FIG. 10, the anode gas reaches the anode layer 41 only at the openings of the lattice collector 211. Similarly, the cathode gas reaches the cathode layer 42 only at the openings of the lattice collector 211. Therefore, the two lattice collectors 211 are aligned so that the positions of the openings are aligned. The active area in the cell 210 of the first comparative example is limited to the range in the Z direction where the openings of the two lattice collectors 211 are aligned.

図11は、第1比較例のセル210を流れる電流の経路を示す説明図である。図11に示すように、あるセル210においては、電流は、太線矢印で示すように、第2金属フレーム34を介して、カソード極層42側の格子集電体211に流入し、この格子集電体211に沿って伝搬する。但し、格子集電体211は開口が設けられているので、面方向への電流の伝搬は、格子集電体211だけでなく、カソード極層42を介して行われる。すなわち、格子集電体211を用いると、少なからず、カソード極層42を面方向に流れる電流が生じる。カソード極層42は、極めて薄く形成されるので、面方向の電気抵抗は非常に高い。このため、カソード極層42を面方向に流れる電流には、この高い電気抵抗によって、エネルギー損(いわゆるオーム損)が生じる。 11 is an explanatory diagram showing the path of the current flowing through the cell 210 of the first comparative example. As shown in FIG. 11, in a certain cell 210, the current flows into the lattice collector 211 on the cathode layer 42 side through the second metal frame 34 as shown by the thick arrow, and propagates along the lattice collector 211. However, since the lattice collector 211 has an opening, the current propagates in the surface direction through not only the lattice collector 211 but also the cathode layer 42. In other words, when the lattice collector 211 is used, a current flows through the cathode layer 42 in the surface direction to a certain extent. Since the cathode layer 42 is formed extremely thin, the electrical resistance in the surface direction is very high. Therefore, the current flowing in the surface direction through the cathode layer 42 generates energy loss (so-called ohmic loss) due to this high electrical resistance.

また、第1比較例のセル210は、アクティブエリアは開口部分に限られるので、カソード極層42側の格子集電体211に流入した電流及び発電によって生じた電流は、太破線矢印で示すように、格子集電体211の開口部分においてアノード極層41に向けて流れる。このため、アノード極層41に到達した電流は、アノード極層41を面方向に伝搬し、アノード極層41側に設けられた格子集電体211に流入する。そして、アノード極層41は、カソード極層42と同様に極めて薄く形成されるので、面方向の電気抵抗は非常に高い。したがって、アノード極層41に到達した電流には、この高い電気抵抗によって、さらにオーム損が生じる。 In addition, in the cell 210 of the first comparative example, the active area is limited to the opening, so the current that flows into the lattice collector 211 on the cathode layer 42 side and the current generated by power generation flow toward the anode layer 41 at the opening of the lattice collector 211, as shown by the thick dashed arrow. Therefore, the current that reaches the anode layer 41 propagates in the surface direction through the anode layer 41 and flows into the lattice collector 211 provided on the anode layer 41 side. And, since the anode layer 41 is formed extremely thin like the cathode layer 42, the electrical resistance in the surface direction is very high. Therefore, the current that reaches the anode layer 41 further generates ohmic loss due to this high electrical resistance.

そして、第1比較例のセル210を用いてセルスタックを構成するときには、各々のセル210において上記のオーム損が生じる。特に、所望の出力電圧を確保するために、直列に接続するセル210の数が多いほど、オーム損が大きくなる。 When a cell stack is constructed using the cells 210 of the first comparative example, the above-mentioned ohmic losses occur in each cell 210. In particular, the more cells 210 are connected in series to ensure the desired output voltage, the greater the ohmic losses become.

本実施形態に係るセル10と、第1比較例のセル210と、を比較すると、本実施形態に係るセル10は、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46を用いているので、第1比較例のセル210で生じるようなオーム損はほぼ発生しない。すなわち、本実施形態に係るセル10によれば、第1比較例のセル210と比較して、オーム損が低減される。セルスタックは複数のセルで構成されるので、この特徴はセルスタックにおいて、より顕著に現れる。すなわち、本実施形態に係るセルスタック100は、セル10を用いて構成されるので、第1比較例のセル210によって構成するセルスタックと比較して、顕著にオーム損が低減される。特に、本実施形態に係るセルスタック100は、セル10を直列に接続するので、第1比較例のセル210を直列に接続するセルスタックと比較して、特に顕著にオーム損が低減される。 Comparing the cell 10 according to this embodiment with the cell 210 according to the first comparative example, the cell 10 according to this embodiment uses the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46, so there is almost no ohmic loss as occurs in the cell 210 according to the first comparative example. That is, according to the cell 10 according to this embodiment, the ohmic loss is reduced compared to the cell 210 according to the first comparative example. Since the cell stack is composed of multiple cells, this characteristic is more pronounced in the cell stack. That is, since the cell stack 100 according to this embodiment is composed of the cell 10, the ohmic loss is significantly reduced compared to the cell stack composed of the cell 210 according to the first comparative example. In particular, since the cell stack 100 according to this embodiment connects the cells 10 in series, the ohmic loss is particularly significantly reduced compared to the cell stack in which the cells 210 according to the first comparative example are connected in series.

また、本実施形態に係るセル10は、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46が露呈される領域の全部がアクティブエリア13である。このため、本実施形態に係るセル10は、第1比較例のセル210よりも、発電に寄与する電極触媒層32の面積が大きい。その結果、本実施形態に係るセル10は、第1比較例のセル210よりも、面積当たりの発電効率、すなわち発電性能が良い。セルスタック100を構成することにより、この特徴はより顕著になる。 In addition, in the cell 10 according to this embodiment, the entire area where the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 are exposed is the active area 13. Therefore, in the cell 10 according to this embodiment, the area of the electrode catalyst layer 32 that contributes to power generation is larger than that of the cell 210 of the first comparative example. As a result, the cell 10 according to this embodiment has better power generation efficiency per area, i.e., better power generation performance, than the cell 210 of the first comparative example. This feature becomes more pronounced by constructing the cell stack 100.

図12は、格子集電体211の位置ずれによる不具合を示す説明図である。図12に示すように、第1比較例のセル210において、製造誤差等によって、表裏の格子集電体211に位置ずれがあるとする。第1比較例のセル210においては、アクティブエリアが2つの格子集電体211の開口が揃った範囲に限られる中、このように2つの格子集電体211に位置ずれがあると、実効的なアクティブエリアAEは、格子集電体211の開口よりもさらに狭くなる。 Figure 12 is an explanatory diagram showing a defect caused by misalignment of the lattice collector 211. As shown in Figure 12, in the cell 210 of the first comparative example, the front and back lattice collectors 211 are misaligned due to manufacturing errors or the like. In the cell 210 of the first comparative example, the active area is limited to the range where the openings of the two lattice collectors 211 are aligned. If the two lattice collectors 211 are misaligned in this way, the effective active area AE becomes even narrower than the openings of the lattice collectors 211.

これに対し、本実施形態に係るセル10は、実質的に一様な第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46を用いているので、格子集電体211のような位置ずれは生じない。このため、本実施形態に係るセル10では、露呈された電極触媒層32のほぼ全面がアクティブエリア13となる。このため、本実施形態に係るセル10は、第1比較例のセル210と比較して、極僅かな製造誤差等には依存せずに良好な発電性能が得られる。 In contrast, the cell 10 according to this embodiment uses a substantially uniform first metal porous layer 45 and second metal porous layer 46, so there is no misalignment as occurs with the lattice collector 211. Therefore, in the cell 10 according to this embodiment, almost the entire surface of the exposed electrode catalyst layer 32 becomes the active area 13. Therefore, compared to the cell 210 of the first comparative example, the cell 10 according to this embodiment can obtain good power generation performance without being dependent on extremely slight manufacturing errors, etc.

また、第1比較例のセル210においては、表裏の格子集電体211の位置ずれによって、局所的な応力が発生する。このため、基本積層体44にクラック212が生じる場合がある(図11参照)。クラック212が生じると、その程度によって、セル210の一部または全部が機能しなくなる。クラック212は、格子集電体211を基本積層体44に張り合わせるとき等、製造時に生じる場合があるほか、セル210の使用及び使用終了の繰り返しによる熱伸縮によっても生じ得る。 In addition, in the cell 210 of the first comparative example, localized stress occurs due to misalignment of the lattice collectors 211 on the front and back. This can cause cracks 212 in the basic laminate 44 (see FIG. 11). If cracks 212 occur, depending on the extent of the cracks, part or all of the cell 210 will no longer function. The cracks 212 can occur during manufacturing, such as when bonding the lattice collectors 211 to the basic laminate 44, and can also occur due to thermal expansion and contraction caused by repeated use and discontinuance of the cell 210.

これに対し、本実施形態に係るセル10は、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46はそれぞれ一様にアノード極層41及びカソード極層42を覆っている。このため、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は、基本積層体44に対して局所的な応力を発生させない。したがって、本実施形態に係るセル10は、製造時に、及び、繰り返しの使用において、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46に起因したクラックが基本積層体44にほぼ生じることがない。このため、本実施形態に係るセル10は、第1比較例のセル210に対して、製造適正に優れる。その上、本実施形態に係るセル10は、熱伸縮に対して耐久性が高く、繰り返しの使用に対して安定である。 In contrast, in the cell 10 according to this embodiment, the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 uniformly cover the anode layer 41 and the cathode layer 42, respectively. Therefore, the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 do not generate local stress in the basic laminate 44. Therefore, in the cell 10 according to this embodiment, cracks caused by the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 hardly occur in the basic laminate 44 during manufacturing and repeated use. Therefore, the cell 10 according to this embodiment is superior in manufacturing suitability to the cell 210 of the first comparative example. In addition, the cell 10 according to this embodiment is highly durable against thermal expansion and contraction and is stable against repeated use.

なお、本実施形態に係るセル10は、基本積層体44を、基本積層体44よりも1桁程度厚い第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46によって挟持する層構造を有する。そして、電極触媒層32の伸縮するときには、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46の伸縮が支配的である。また、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は、基本積層体44に対して対称に配置されており、伸縮や反り等に関する性質は実質的に同質のものである。このため、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46を有するセル10は、製造時または繰り返し使用時において、基本積層体44に反り(曲げ)を生じさせるような内部応力が発生し難い。この観点においても、本実施形態に係るセル10は、製造適正に優れ、かつ、繰り返しの使用に対して安定である。 The cell 10 according to this embodiment has a layer structure in which the basic laminate 44 is sandwiched between the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46, which are about one order of magnitude thicker than the basic laminate 44. When the electrode catalyst layer 32 expands and contracts, the expansion and contraction of the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 is dominant. In addition, the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 are arranged symmetrically with respect to the basic laminate 44, and are substantially the same in terms of properties related to expansion and contraction, warping, etc. For this reason, the cell 10 having the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 is unlikely to generate internal stress that causes warping (bending) of the basic laminate 44 during manufacturing or repeated use. From this perspective, the cell 10 according to this embodiment is also excellent in manufacturing suitability and stable against repeated use.

(2)第2比較例との対比
図13は、第2比較例に係るセルスタック300及びセル310の模式的な断面図である。第2比較例に係るセルスタック300及びセル310は、従来の典型的な形態のものである。図13に示すように、セル310は、いわゆる片側メタルサポートセルである。すなわち、セル310は、本実施形態に係るセル10から、第1金属多孔体層45及び第1金属フレーム31を除いた構成となっている。このため、セル310では、アノード極層41側において、第1金属多孔体層45ではなく、アノード極層41の表面が露呈される。一方、カソード極層42側においては、本実施形態に係るセル10と同様に、第2金属多孔体層46が露呈される。
(2) Comparison with the Second Comparative Example FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a cell stack 300 and a cell 310 according to the second comparative example. The cell stack 300 and the cell 310 according to the second comparative example are of a typical conventional form. As shown in FIG. 13, the cell 310 is a so-called one-side metal support cell. That is, the cell 310 is configured by removing the first metal porous layer 45 and the first metal frame 31 from the cell 10 according to the present embodiment. Therefore, in the cell 310, the surface of the anode layer 41 is exposed on the anode layer 41 side, not the first metal porous layer 45. On the other hand, on the cathode layer 42 side, the second metal porous layer 46 is exposed, similar to the cell 10 according to the present embodiment.

セルスタック300は、セパレータ311を介して複数のセル310が積み重ねられることによって形成される。また、セルスタック300においては、セル310は、表裏の関係を一定にしてスタックされる。例えば、図13においては、下段のセル310はZ方向負側に第2金属多孔体層46を向け、Z方向正側にアノード極層41を向けて配置される。そして、上段のセル310は、その向きは、下段のセル310と同様に、Z方向負側に第2金属多孔体層46を向け、Z方向正側にアノード極層41を向けて、下段のセル310に積み重ねれられれる。 The cell stack 300 is formed by stacking a number of cells 310 with separators 311 between them. In the cell stack 300, the cells 310 are stacked with the front and back facing in a fixed relationship. For example, in FIG. 13, the lower cell 310 is arranged with the second metal porous layer 46 facing the negative side of the Z direction and the anode layer 41 facing the positive side of the Z direction. The upper cell 310 is stacked on the lower cell 310 with the second metal porous layer 46 facing the negative side of the Z direction and the anode layer 41 facing the positive side of the Z direction, just like the lower cell 310.

セパレータ311は、Y方向に向けて平行に延伸する複数の溝が設けられている。そして、これら複数の溝によって形成されるセパレータ311の頂部311a,311cは、セルスタック300を形成したときに、隣接するセル310のアノード極層41と第2金属多孔体層46に当接する。これにより、隣接するセル310間に形成されるセル間空間は、セパレータ311によって複数の平行な区間に区切られる。これらの区間のうち、アノード極層41に隣接する区間は、アノードガス流路FPaとして用いられる。一方、第2金属多孔体層46(カソード極層42)に隣接する区間は、カソードガス流路FPcとして用いられる。 The separator 311 has multiple grooves extending in parallel in the Y direction. The tops 311a and 311c of the separator 311 formed by these multiple grooves abut against the anode layer 41 and the second metal porous layer 46 of the adjacent cells 310 when the cell stack 300 is formed. As a result, the inter-cell space formed between the adjacent cells 310 is divided into multiple parallel sections by the separator 311. Of these sections, the section adjacent to the anode layer 41 is used as the anode gas flow path FPa. On the other hand, the section adjacent to the second metal porous layer 46 (cathode layer 42) is used as the cathode gas flow path FPc.

また、セパレータ311は例えば金属製である。このため、セパレータ311は、頂部311aが第2金属多孔体層46に当接することによって、第2金属多孔体層46を介して、あるセル310(図13上段のセル310)のカソード極層42に電気的に接続する。また、セパレータ311は、頂部311cがアノード極層41と当接することによって、隣接するセル310(図13下段のセル310)のアノード極層41と電気的に接続する。そして、セパレータ311の端部は、セル間空間の外部に延伸して設けられる。このため、セパレータ311は、集電体として機能する。 The separator 311 is made of, for example, metal. Therefore, the top 311a of the separator 311 abuts against the second metal porous layer 46, and the separator 311 is electrically connected to the cathode layer 42 of a certain cell 310 (cell 310 in the upper row of FIG. 13) through the second metal porous layer 46. The top 311c of the separator 311 abuts against the anode layer 41, and the separator 311 is electrically connected to the anode layer 41 of an adjacent cell 310 (cell 310 in the lower row of FIG. 13). The end of the separator 311 is provided so as to extend outside the inter-cell space. Therefore, the separator 311 functions as a current collector.

本実施形態に係るセル10と、上記のように構成される第2比較例のセル310と、を比較すると、本実施形態に係るセル10は、アノード極層41側に第1金属多孔体層45が設けられているのに対し、第2比較例のセル310はこれを有しない点が異なる。このため、本実施形態に係るセル10は、アノード極層41側を面方向に伝搬する電流が、電気抵抗が低い第1金属多孔体層45を流れるのに対し、第2比較例のセル310では、セパレータ311に流入する前に電気抵抗が高いアノード極層41を流れる。このため、本実施形態に係るセル10では、第2比較例のセル310と比較しても、オーム損が低減される。 Comparing the cell 10 according to this embodiment with the cell 310 according to the second comparative example configured as described above, the cell 10 according to this embodiment is different in that the first metal porous layer 45 is provided on the anode layer 41 side, whereas the cell 310 according to the second comparative example does not have this. Therefore, in the cell 10 according to this embodiment, the current propagating in the surface direction on the anode layer 41 side flows through the first metal porous layer 45, which has low electrical resistance, whereas in the cell 310 according to the second comparative example, the current flows through the anode layer 41, which has high electrical resistance, before flowing into the separator 311. Therefore, in the cell 10 according to this embodiment, the ohmic loss is reduced compared to the cell 310 according to the second comparative example.

また、本実施形態に係るセルスタック100と、第2比較例のセルスタック300と、を比較すると、第2比較例のセルスタック300はセパレータ311を用いているのに対し、本実施形態に係るセルスタック100はセパレータ311を用いない。そして、第2比較例のセルスタック300では、セパレータ311を用いる結果、アノードガス流路FPa及びカソードガス流路FPcが狭窄された複数の流路に分断されている。これに対し、本実施形態に係るセルスタック100では、セル間空間の全部が1つのアノードガス流路FPaまたはカソードガス流路FPcとして機能するので、第2比較例のセルスタック300よりもこれらの流路の断面積が大きい。したがって、本実施形態に係るセルスタック100は、第2比較例のセルスタック300と比較して、アノードガス流路FPaを流通するアノードガスの圧力損失、及び、カソードガス流路FPcを流通するカソードガスの圧力損失が低減されている。その結果、本実施形態に係るセルスタック100によれば、図示しないブロアやポンプ等、アノードガス及びカソードガスをセルスタック100に供給する機器が省電力化される。 In addition, when comparing the cell stack 100 according to the present embodiment with the cell stack 300 according to the second comparative example, the cell stack 300 according to the second comparative example uses a separator 311, whereas the cell stack 100 according to the present embodiment does not use the separator 311. In the cell stack 300 according to the second comparative example, the separator 311 is used, and as a result, the anode gas flow path FPa and the cathode gas flow path FPc are divided into a plurality of narrowed flow paths. In contrast, in the cell stack 100 according to the present embodiment, the entire inter-cell space functions as one anode gas flow path FPa or cathode gas flow path FPc, so that the cross-sectional areas of these flow paths are larger than those of the cell stack 300 according to the second comparative example. Therefore, the cell stack 100 according to the present embodiment has a reduced pressure loss of the anode gas flowing through the anode gas flow path FPa and the pressure loss of the cathode gas flowing through the cathode gas flow path FPc compared to the cell stack 300 according to the second comparative example. As a result, the cell stack 100 according to this embodiment reduces the power consumption of devices that supply anode gas and cathode gas to the cell stack 100, such as blowers and pumps (not shown).

また、第2比較例のセルスタック300では、各々のアノードガス流路FPa及びカソードガス流路FPcは、それぞれ1つのセル310に対してアノードガス及びカソードガスを供給する。これに対し、本実施形態に係るセルスタック100では、1つのアノードガス流路FPa及びカソードガス流路FPcは、隣接する2つのセル10に、それぞれアノードガス及びカソードガスを供給する。すなわち、本実施形態に係るセルスタック100は、第2比較例のセルスタック300において必要な2つ分の流路を1つの流路にまとめた構成となっている。このため、本実施形態に係るセルスタック100は、第2比較例のセルスタック300と比較して、薄く、小型に形成することができる。また、本実施形態に係るセルスタック100は、第2比較例のセルスタック300と比較して、高集積化できる。 In the cell stack 300 of the second comparative example, each anode gas flow path FPa and cathode gas flow path FPc supplies anode gas and cathode gas to one cell 310. In contrast, in the cell stack 100 of this embodiment, one anode gas flow path FPa and cathode gas flow path FPc supplies anode gas and cathode gas to two adjacent cells 10, respectively. That is, the cell stack 100 of this embodiment is configured to combine the two flow paths required in the cell stack 300 of the second comparative example into one flow path. Therefore, the cell stack 100 of this embodiment can be formed thinner and smaller than the cell stack 300 of the second comparative example. In addition, the cell stack 100 of this embodiment can be highly integrated compared to the cell stack 300 of the second comparative example.

特に、本実施形態に係るセルスタック100は、アノードガス流路FPa及びカソードガス流路FPcが細く分断されていない。また、アノードガス及びカソードガスの圧力損失が低減されている。このため、アノードガス流路FPa及びカソードガス流路FPcの高さH1,H2を、第2比較例よりも低く設定することができる。このことも、本実施形態に係るセルスタック100の薄型化、小型化、及び、高集積化に寄与する。 In particular, in the cell stack 100 according to this embodiment, the anode gas flow path FPa and the cathode gas flow path FPc are not divided into thin sections. In addition, the pressure loss of the anode gas and the cathode gas is reduced. Therefore, the heights H1, H2 of the anode gas flow path FPa and the cathode gas flow path FPc can be set lower than in the second comparative example. This also contributes to making the cell stack 100 according to this embodiment thinner, more compact, and more highly integrated.

[アクティブセルの形状及びバスバーの設置範囲]
上記実施形態に係るセル10及びセルスタック100においては、アクティブエリア13の形状、及び、バスバー14,15の設置範囲は任意である。但し、アクティブエリア13の形状や、バスバー14,15の設置範囲は、以下のように定めることが好ましい。
[Active cell shape and busbar installation range]
In the cell 10 and cell stack 100 according to the above embodiment, the shape of the active area 13 and the installation range of the bus bars 14, 15 are arbitrary. However, it is preferable that the shape of the active area 13 and the installation range of the bus bars 14, 15 are determined as follows.

図14は、アクティブエリア13の形状、バスバー14,15の設置範囲、及び、電流の経路を示す説明図である。図14に示すように、アクティブエリア13の幅を「W1」、アクティブエリア13の長さを「L1」とする。このとき、アクティブエリア13の形状を、長さL1と幅W1の比であるアスペクト比L1/W1が1よりも大きい高アスペクト比の形状にすることが好ましい。例えば、アクティブエリア13は、概ね、長さL1が幅W1よりも大きい長方形状であることが特に好ましい。 Figure 14 is an explanatory diagram showing the shape of the active area 13, the installation range of the bus bars 14, 15, and the current path. As shown in Figure 14, the width of the active area 13 is "W1" and the length of the active area 13 is "L1". In this case, it is preferable that the shape of the active area 13 has a high aspect ratio, in which the aspect ratio L1/W1, which is the ratio of the length L1 to the width W1, is greater than 1. For example, it is particularly preferable that the active area 13 is generally rectangular in shape, in which the length L1 is greater than the width W1.

すなわち、アノードガス及びカソードガスの流れ方向(Y方向)を第1方向とし、この第1方向に垂直な方向(X方向)を第2方向とするときに、アクティブエリア13は、第2方向(X方向)と比較して第1方向(Y方向)に長い形状であることが好ましい。 In other words, when the flow direction (Y direction) of the anode gas and cathode gas is defined as a first direction and the direction perpendicular to this first direction (X direction) is defined as a second direction, it is preferable that the active area 13 has a shape that is longer in the first direction (Y direction) than in the second direction (X direction).

このように、アクティブエリア13の形状を高アスペクト比の形状にすると、アノードガス流路FPaにおけるアノードガスの分配性が良く、アノードガス流路FPa内でアノードガスがほぼ均一に流通する。同様に、カソードガス流路FPcにおけるカソードガスの分配性が良く、カソードガス流路FPc内でカソードガスがほぼ均一に流通する。 In this way, when the active area 13 is shaped to have a high aspect ratio, the anode gas is distributed well in the anode gas flow path FPa, and the anode gas flows almost uniformly within the anode gas flow path FPa. Similarly, the cathode gas is distributed well in the cathode gas flow path FPc, and the cathode gas flows almost uniformly within the cathode gas flow path FPc.

また、バスバー14,15は、セル配列に対して、アノードガス及びカソードガスの流れ方向である第1方向(Y方向)に平行に取り付けられる。そして、バスバー14,15は、第1方向(Y方向)に沿った長さL2が、アクティブエリア13の第1方向(Y方向)に沿った長さL1以上であることが好ましい。 The bus bars 14 and 15 are attached to the cell array parallel to the first direction (Y direction), which is the flow direction of the anode gas and cathode gas. It is preferable that the length L2 of the bus bars 14 and 15 along the first direction (Y direction) is equal to or greater than the length L1 of the active area 13 along the first direction (Y direction).

このように、バスバー14,15の長さL2をアクティブエリア13の長さL1以上にすると、図14に太線矢印で示すように、発電された電気(電流)は、アクティブエリア13を、一方のバスバー14から他方のバスバー15に向けて、概ね第2方向(X方向)に対して平行に、かつ、第1方向(Y方向)に関して均一に流れる。すなわち、バスバー14からバスバー15に流れる電流の電流密度は、アクティブエリア13の全体においてほぼ均一(一定)である。このため、電流が流れることによって生じる熱はアクティブエリア13に均一に生じるので、アクティブエリア13における局所的あるいは全体的な熱分布の発生が抑制される。したがって、バスバー14,15をアクティブエリア13の長さL1以上にすると、アクティブエリア13の全面を用いて、均一に効率良く発電が行われる。 In this way, when the length L2 of the busbars 14 and 15 is made equal to or greater than the length L1 of the active area 13, the generated electricity (current) flows through the active area 13 from one busbar 14 to the other busbar 15, generally parallel to the second direction (X direction), and uniformly in the first direction (Y direction), as shown by the bold arrow in FIG. 14. That is, the current density of the current flowing from the busbar 14 to the busbar 15 is almost uniform (constant) throughout the active area 13. Therefore, the heat generated by the current flow is generated uniformly in the active area 13, and the occurrence of local or overall heat distribution in the active area 13 is suppressed. Therefore, when the busbars 14 and 15 are made equal to or greater than the length L1 of the active area 13, electricity is generated uniformly and efficiently using the entire surface of the active area 13.

特に、前述のように、アクティブエリア13が高アスペクト比の形状であるときには、アクティブエリア13の幅W1が長さL1に比べて短いので、発電によって生じる電気がアクティブエリア13を伝達する距離が短い。このため、アクティブエリア13におけるオーム損が低減される。その結果、発電によって生じる電気の回収率(利用率)が高い。すなわち、バスバー14,15の長さL2をアクティブエリア13の長さL1以上にすると、セルスタック100の発電性能が向上する。 In particular, as described above, when the active area 13 has a high aspect ratio shape, the width W1 of the active area 13 is shorter than the length L1, so the distance that electricity generated by power generation travels through the active area 13 is short. This reduces ohmic loss in the active area 13. As a result, the recovery rate (utilization rate) of electricity generated by power generation is high. In other words, if the length L2 of the bus bars 14, 15 is made equal to or greater than the length L1 of the active area 13, the power generation performance of the cell stack 100 is improved.

なお、バスバー14,15の長さL2は、アクティブエリア13の長さL1と概ね等しいことが特に好ましい。これは、上記のようにセルスタック100の発電性能を向上しつつ、セル10及びセルスタック100の長さを必要最小限に短く形成できるからである。バスバー14,15の長さL2がアクティブエリア13の長さL1と「概ね等しい」とは、バスバー14,15の長さL2が、上記のようにセルスタック100の発電性能を向上し得る程度の長さを有することをいう。したがって、バスバー14,15の長さL2が、アクティブエリア13の長さL1よりも若干短いことも許容される。 It is particularly preferable that the length L2 of the busbars 14, 15 is approximately equal to the length L1 of the active area 13. This is because the length of the cells 10 and the cell stack 100 can be made as short as possible while improving the power generation performance of the cell stack 100 as described above. The length L2 of the busbars 14, 15 being "approximately equal" to the length L1 of the active area 13 means that the length L2 of the busbars 14, 15 has a length that can improve the power generation performance of the cell stack 100 as described above. Therefore, it is also acceptable for the length L2 of the busbars 14, 15 to be slightly shorter than the length L1 of the active area 13.

図15は、バスバー14,15の設置範囲と電流の経路を示す説明図である。図15に示すように、セルスタック100において、アノードガス及びカソードガスが平行に流通するときには、バスバー14,15の長さL2が、アクティブエリア13の長さL1よりも短くてもよい。この場合、バスバー14,15は、アクティブエリア13に対して、アノードガス及びカソードガスの上流側(Y方向負側)に偏在して設けられていることが好ましい。なお、アノードガス及びカソードガスの流れに関して「平行」とは、アノードガス及びカソードガスの各流路が概ね平行であって、かつ、同じ方向に向けてアノードガス及びカソードガスが流れることをいう。 Figure 15 is an explanatory diagram showing the installation range of the bus bars 14, 15 and the current path. As shown in Figure 15, when the anode gas and cathode gas flow in parallel in the cell stack 100, the length L2 of the bus bars 14, 15 may be shorter than the length L1 of the active area 13. In this case, it is preferable that the bus bars 14, 15 are arranged unevenly on the upstream side of the anode gas and cathode gas (negative side in the Y direction) with respect to the active area 13. Note that "parallel" with respect to the flow of the anode gas and cathode gas means that the flow paths of the anode gas and cathode gas are approximately parallel and that the anode gas and cathode gas flow in the same direction.

このように、アノードガス及びカソードガスの上流側にバスバー14,15を偏在させると、太線矢印で示すように、アクティブエリア13をバスバー14からバスバー15に向けて流れる電流は、アクティブエリア13の一部に集中する。このように電流が集中する電流集中エリア401では、相対的に電流が過疎である電流過疎エリア402と比較して、発熱(ジュール熱)が大きい。そして、アノードガス及びカソードガスが平行に流通するときには、アクティブエリア13に温度分布が生じる場合があるが、上記のようにバスバー14,15を偏在させることで、その温度分布が是正される。 In this way, when the bus bars 14, 15 are unevenly positioned on the upstream side of the anode gas and cathode gas, the current flowing through the active area 13 from the bus bar 14 to the bus bar 15 is concentrated in a part of the active area 13, as shown by the thick arrow. In the current concentration area 401 where the current is concentrated in this way, more heat (Joule heat) is generated than in the current sparse area 402 where the current is relatively sparse. When the anode gas and cathode gas flow in parallel, a temperature distribution may occur in the active area 13, but by unevenly positioning the bus bars 14, 15 as described above, the temperature distribution is corrected.

図16は、アクティブエリア13の温度分布を示すグラフである。図16に一点鎖線で示すように、アノードガス及びカソードガスが平行かつ同じ方向に向けて流れるときには、アクティブエリア13には、インレット11からアウトレット12にかけて温度が上昇する温度分布が生じる場合がある。このため、バスバー14,15をアノードガス及びカソードガスの上流に偏在させることによって、アクティブエリア13の上流側に電流集中エリア401を生じさせると、電流集中エリア401の温度が上昇する。その結果、実線で示すように、アクティブエリア13の温度分布が是正される。なお、図16に二点鎖線で示すラインは、発電効率が最も良くなる理想的な温度を示す。 Figure 16 is a graph showing the temperature distribution of the active area 13. As shown by the dashed line in Figure 16, when the anode gas and cathode gas flow in parallel and in the same direction, a temperature distribution may occur in the active area 13 where the temperature increases from the inlet 11 to the outlet 12. For this reason, if the bus bars 14, 15 are biased upstream of the anode gas and cathode gas to generate a current concentration area 401 on the upstream side of the active area 13, the temperature of the current concentration area 401 will increase. As a result, as shown by the solid line, the temperature distribution of the active area 13 is corrected. Note that the two-dot dashed line in Figure 16 indicates the ideal temperature at which power generation efficiency is maximized.

したがって、上記のように、アノードガス及びカソードガスが平行に流れるときに、その上流側にバスバー14,15を偏在させると、セル10及びセルスタック100の発電性能が向上する。 Therefore, as described above, when the anode gas and cathode gas flow in parallel, distributing the bus bars 14, 15 on the upstream side improves the power generation performance of the cell 10 and the cell stack 100.

アクティブエリア13の長さL1に対するバスバー14,15の長さL2は、実験またはシミュレーション等に基づいて、適合により定められる。また、アクティブエリア13よりもバスバー14,15を短くするときには、バスバー14,15は、アクティブエリア13の基端から設置されていることが好ましい。但し、バスバー14,15の設置位置がアクティブエリア13の基端から多少ずれており、アクティブエリア13の基端部分にも電流過疎エリア402が生じた場合でも、上記の発電性能向上効果を奏する。したがって、バスバー14,15は、例えば、先端側の電流過疎エリア402と基端側の電流過疎エリア402(図示しない)を比較したときに、先端側の電流過疎エリア402の方が大きく(長く)なるように設置されていればよい。 The length L2 of the busbars 14 and 15 relative to the length L1 of the active area 13 is determined by suitability based on experiments, simulations, etc. In addition, when the busbars 14 and 15 are shorter than the active area 13, it is preferable that the busbars 14 and 15 are installed from the base end of the active area 13. However, even if the installation position of the busbars 14 and 15 is slightly shifted from the base end of the active area 13 and a current sparse area 402 occurs in the base end portion of the active area 13, the above-mentioned power generation performance improvement effect is achieved. Therefore, the busbars 14 and 15 may be installed so that, for example, when comparing the current sparse area 402 on the tip side with the current sparse area 402 on the base end side (not shown), the current sparse area 402 on the tip side is larger (longer).

また、セル10がいわゆる内部改質型であるときには、燃料を改質する改質触媒は、電流集中エリア401の範囲の一部または全部に設けられていることが好ましい。具体的には、各セル10の第1金属多孔体層45が、バスバー14,15があることによってアクティブエリア13に形成される電流集中エリア401の範囲の一部または全部に、改質触媒を備えるように構成する。改質触媒は、例えば塗布または含浸等の方法によって、第1金属多孔体層45に備えることができる。 When the cell 10 is a so-called internal reforming type, it is preferable that the reforming catalyst that reforms the fuel is provided in part or all of the current concentration area 401. Specifically, the first metal porous layer 45 of each cell 10 is configured to include the reforming catalyst in part or all of the current concentration area 401 formed in the active area 13 by the presence of the bus bars 14, 15. The reforming catalyst can be provided in the first metal porous layer 45 by a method such as coating or impregnation.

燃料の改質反応は吸熱反応であるから、図16において一点鎖線で示す温度分布が、より顕著になる。このため、上記のように、改質触媒が電流集中エリア401の範囲に設けられていると、改質反応による温度低下を電流の集中による発熱で補い、セル10及びセルスタック100の温度分布を理想的な温度分布に近づけることができる。これにより、セル10を内部改質型とする場合でも、セル10及びセルスタック100の発電性能が向上する。 Because the fuel reforming reaction is an endothermic reaction, the temperature distribution shown by the dashed line in FIG. 16 becomes more pronounced. For this reason, as described above, if the reforming catalyst is provided within the current concentration area 401, the temperature drop due to the reforming reaction is compensated for by heat generated by the current concentration, and the temperature distribution of the cell 10 and cell stack 100 can be brought closer to the ideal temperature distribution. This improves the power generation performance of the cell 10 and cell stack 100 even when the cell 10 is an internal reforming type.

なお、上記実施形態においては、セルスタック100を構成するときに、バスバー14,15によって複数のセル10を直列に接続しているが、発電によって得るべき所望の電流及び電圧に応じて、セルスタック100を構成する複数のセル10の一部または全部が並列に接続されていてもよい。セル10を並列に接続するときには、バスバー14,15によって、隣接するセル10の第1金属フレーム31同士、及び、隣接するセル10の第2金属フレーム34同士がそれぞれ接続される。また、セル10を並列に接続するときには、ガスケットアセンブリ18a,18bの一部または全部を、金属等の導電性材料によって形成することで、バスバー14,15を省略することができる。例えば、ガスケットアセンブリ18a,18bの外縁封止材26を導電性材料で形成することにより、隣接するセル10の第1金属フレーム31同士、及び、第2金属フレーム34同士がそれぞれ電気的に接続される。このように、バスバー14,15を省略すれば、より容易に、かつ、より低コストに、セル10及びセルスタック100を形成することができる。 In the above embodiment, when constructing the cell stack 100, the multiple cells 10 are connected in series by the bus bars 14 and 15. However, some or all of the multiple cells 10 constituting the cell stack 100 may be connected in parallel depending on the desired current and voltage to be obtained by power generation. When connecting the cells 10 in parallel, the first metal frames 31 of adjacent cells 10 and the second metal frames 34 of adjacent cells 10 are connected by the bus bars 14 and 15. When connecting the cells 10 in parallel, the bus bars 14 and 15 can be omitted by forming some or all of the gasket assemblies 18a and 18b from a conductive material such as metal. For example, by forming the outer edge sealing material 26 of the gasket assemblies 18a and 18b from a conductive material, the first metal frames 31 of adjacent cells 10 and the second metal frames 34 of adjacent cells 10 are electrically connected to each other. In this way, by omitting the bus bars 14 and 15, the cells 10 and the cell stack 100 can be formed more easily and at a lower cost.

なお、上記実施形態では、セルスタック100において、アノードガス及びカソードガスの流れ方向が平行であるが、アノードガス及びカソードガスを対向して流すことができる。例えば、アノードガスが上記実施形態と同様にアノードガス供給孔16bからアノードオフガス排出孔17bに流れるように、セル10に対してアノードガス供給機器(図示しない)を接続する。一方で、カソードガスは、上記実施形態とは逆に、カソードオフガス排出孔17a,17cからカソードガス供給孔16a,16cが流れるように、セル10に対してカソードガス供給機器(図示しない)を接続する。これにより、セル10内においては、アノードガスとカソードガスが対向して流れる。アノードガス及びカソードガスの流れに関して「対向」とは、アノードガス及びカソードガスの各流路が概ね平行であって、かつ、互いに逆向きにアノードガス及びカソードガスが流れることをいう。ここでいう「対向」は、逆平行と称される場合がある。 In the above embodiment, the flow directions of the anode gas and the cathode gas in the cell stack 100 are parallel, but the anode gas and the cathode gas can be made to flow in opposite directions. For example, an anode gas supply device (not shown) is connected to the cell 10 so that the anode gas flows from the anode gas supply hole 16b to the anode off-gas exhaust hole 17b as in the above embodiment. On the other hand, a cathode gas supply device (not shown) is connected to the cell 10 so that the cathode gas flows from the cathode off-gas exhaust holes 17a, 17c to the cathode gas supply holes 16a, 16c, in the opposite direction to the above embodiment. As a result, the anode gas and the cathode gas flow in opposite directions within the cell 10. With regard to the flow of the anode gas and the cathode gas, "opposite" means that the flow paths of the anode gas and the cathode gas are approximately parallel, and the anode gas and the cathode gas flow in opposite directions. Here, "opposite" may be referred to as anti-parallel.

以上のように、本実施形態に係る燃料電池セル(セル10)は、アノード極層41と、カソード極層42と、アノード極層41とカソード極層42とに挟持される固体電解質層43と、を積層して構成される燃料電池セルである。この燃料電池セル(セル10)は、さらに、第1金属多孔体層45と、第1金属フレーム31と、第2金属多孔体層46と、第2金属フレーム34と、を備える。第1金属多孔体層45は、面方向に連通する複数の空孔を有する金属多孔体によって平板状に形成され、固体電解質層とともにアノード極層を挟持し、複数の空孔によってアノード極層にアノードガスを供給する。第1金属フレーム31は、第1金属多孔体層45の外周部48において電気的に接続することによって、第1金属多孔体層45を介してアノード極層41と電気的に接続し、かつ、第1金属多孔体層45を支持する。第2金属多孔体層46は、金属多孔体によって平板状に形成され、固体電解質層43とともにカソード極層42を挟持し、複数の空孔によってカソード極層42にカソードガスを供給する。第2金属フレーム34は、第2金属多孔体層46の外周部49において第2金属多孔体層46と電気的に接続することによって、第2金属多孔体層46を介してカソード極層42と電気的に接続し、かつ、第2金属多孔体層46を支持する。 As described above, the fuel cell (cell 10) according to this embodiment is a fuel cell configured by stacking an anode layer 41, a cathode layer 42, and a solid electrolyte layer 43 sandwiched between the anode layer 41 and the cathode layer 42. This fuel cell (cell 10) further includes a first metal porous layer 45, a first metal frame 31, a second metal porous layer 46, and a second metal frame 34. The first metal porous layer 45 is formed in a flat plate shape by a metal porous body having a plurality of pores communicating in the surface direction, and sandwiches the anode layer together with the solid electrolyte layer, and supplies anode gas to the anode layer through the plurality of pores. The first metal frame 31 is electrically connected to the anode layer 41 through the first metal porous layer 45 by electrically connecting at the outer periphery 48 of the first metal porous layer 45, and supports the first metal porous layer 45. The second metal porous layer 46 is formed into a flat plate shape using a porous metal body, and sandwiches the cathode layer 42 together with the solid electrolyte layer 43, and supplies cathode gas to the cathode layer 42 through a plurality of pores. The second metal frame 34 is electrically connected to the second metal porous layer 46 at the outer periphery 49 of the second metal porous layer 46, and is therefore electrically connected to the cathode layer 42 via the second metal porous layer 46 and supports the second metal porous layer 46.

このように、本実施形態に係る燃料電池セル(セル10)は、良導体であってガス透過性を有する第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46によって、アノード極層41側とカソード極層42側の両側が支持されている。このため、燃料電池セルが発電することにより、その面方向に電流が流れるときには、電流は、電気抵抗が高いアノード極層41やカソード極層42ではなく、専ら、電気抵抗が低い第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46を流れる。このため、少なからずアノード極層41やカソード極層42を面方向に電流が流れる従来の燃料電池セルと比較して、本実施形態に係る燃料電池セルはオーム損が低減される。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルは、発電によって生じる電気を低損失で取り出すことができる点で発電性能が良い。 In this way, the fuel cell (cell 10) according to this embodiment is supported on both the anode layer 41 side and the cathode layer 42 side by the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46, which are good conductors and have gas permeability. Therefore, when the fuel cell generates electricity and current flows in the surface direction, the current flows not through the anode layer 41 or the cathode layer 42, which have high electrical resistance, but exclusively through the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46, which have low electrical resistance. Therefore, compared to conventional fuel cells in which current flows in the surface direction through the anode layer 41 or the cathode layer 42, the ohmic loss is reduced in the fuel cell according to this embodiment. Therefore, the fuel cell according to this embodiment has good power generation performance in that the electricity generated by power generation can be extracted with low loss.

また、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は、アノード極層41へのアノードガスの供給及びカソード極層42へのカソードガスの供給を妨げない。このため、本実施形態に係る燃料電池セル(セル10)は、アクティブエリア13が広い。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルは、発電量が多いという点で発電性能が良い。 In addition, the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 do not impede the supply of anode gas to the anode layer 41 and the supply of cathode gas to the cathode layer 42. Therefore, the fuel cell (cell 10) according to this embodiment has a large active area 13. Therefore, the fuel cell according to this embodiment has good power generation performance in that it generates a large amount of power.

さらに、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は金属製であり、アノード極層41、固体電解質層43、及び、カソード極層42からなる基本積層体44を挟み込む形態でこれらを支持するので、本実施形態に係る燃料電池セルは強度が高い。このため、本実施形態に係る燃料電池セルは、例えば熱伸縮を伴う繰り返しの使用によってもクラック212等の不具合を生じ難い。 Furthermore, the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 are made of metal and support the basic laminate 44 consisting of the anode layer 41, the solid electrolyte layer 43, and the cathode layer 42 in a sandwiched manner, so that the fuel cell according to this embodiment has high strength. For this reason, the fuel cell according to this embodiment is less likely to develop defects such as cracks 212 even when used repeatedly with thermal expansion and contraction.

本実施形態に係る燃料電池セル(セル10)においては、第1金属多孔体層45は、アノード極層41を一様に覆うように形成され、第2金属多孔体層46は、カソード極層42を一様に覆うように形成されている。このため、アクティブエリア13には、アノード極層41及びカソード極層42が露呈される部分(開口等)がない。すなわち、アノード極層41やカソード極層42を面方向に電流が流れざるを得ない箇所がない。このため、本実施形態に係る燃料電池セルでは、アクティブエリア13の全面においてオーム損が低減される。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルは発電性能が良い。 In the fuel cell (cell 10) according to this embodiment, the first metal porous layer 45 is formed to uniformly cover the anode layer 41, and the second metal porous layer 46 is formed to uniformly cover the cathode layer 42. Therefore, the active area 13 does not have any portion (opening, etc.) where the anode layer 41 and the cathode layer 42 are exposed. In other words, there is no portion where a current is forced to flow in the planar direction through the anode layer 41 or the cathode layer 42. Therefore, in the fuel cell according to this embodiment, ohmic loss is reduced over the entire surface of the active area 13. Therefore, the fuel cell according to this embodiment has good power generation performance.

本実施形態に係る燃料電池セル(セル10)においては、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は、面方向に一様な電気伝導性を有する。すなわち、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は、それぞれ全体として、実質的に一様な金属板として機能する。このため、発電によって生じた電気が、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46を伝って面方向に流れるとしても、殆どオーム損がない。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルは発電性能が良い。 In the fuel cell (cell 10) according to this embodiment, the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 have uniform electrical conductivity in the planar direction. That is, the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 each function as a substantially uniform metal plate as a whole. Therefore, even if the electricity generated by power generation flows in the planar direction through the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46, there is almost no ohmic loss. Therefore, the fuel cell according to this embodiment has good power generation performance.

本実施形態に係る燃料電池セル(セル10)においては、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46は、金属粒子の焼結体である。金属粒子の焼結によって形成される金属多孔体は、他の方法で製造される金属多孔体と比較して、電気伝導性が優れる。このため、第1金属多孔体層45及び第2金属多孔体層46が金属粒子の焼結体で形成されていることで、本実施形態に係る燃料電池セルは、オーム損が特に低減されている。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルは発電性能が良い。 In the fuel cell (cell 10) according to this embodiment, the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 are sintered bodies of metal particles. Metal porous bodies formed by sintering metal particles have superior electrical conductivity compared to metal porous bodies manufactured by other methods. Therefore, since the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 are formed of sintered bodies of metal particles, the ohmic loss of the fuel cell according to this embodiment is particularly reduced. Therefore, the fuel cell according to this embodiment has good power generation performance.

本実施形態に係る燃料電池スタック(セルスタック100)は、上記の燃料電池セル(セル10)を用いて形成される。この燃料電池スタックは、第1金属多孔体層45が露呈する燃料電池セルの表面をアノード面22とし、第2金属多孔体層46が露呈する燃料電池セルの表面をカソード面23とするときに、アノード面22同士を対向させ、かつ、カソード面23同士を対向させるように、表裏を反転させながら複数の燃料電池セルが所定間隔で交互に積み重ねられたセル配列を備える。また、燃料電池スタックでは、上記のセル配列において隣接する燃料電池セル間でアノード面22が対向する空間(セル間空間)に、アノードガスが流通するアノードガス流路FPaが形成される。また、燃料電池スタックでは、上記のセル配列において隣接する燃料電池セル間でカソード面23同士が対向する空間(セル間空間)に、カソードガスが流通するカソードガス流路FPcが形成される。そして、燃料電池スタックは、上記のセル配列において隣接する燃料電池セルを電気的に接続するバスバーを備える。 The fuel cell stack (cell stack 100) according to this embodiment is formed using the above fuel cell (cell 10). This fuel cell stack has a cell arrangement in which a plurality of fuel cell cells are alternately stacked at a predetermined interval while being inverted so that the anode faces 22 face each other and the cathode faces 23 face each other when the surface of the fuel cell where the first metal porous layer 45 is exposed is the anode face 22 and the surface of the fuel cell where the second metal porous layer 46 is exposed is the cathode face 23. In addition, in the fuel cell stack, an anode gas flow path FPa through which the anode gas flows is formed in the space (inter-cell space) where the anode faces 22 face each other between adjacent fuel cell cells in the above cell arrangement. In addition, in the fuel cell stack, a cathode gas flow path FPc through which the cathode gas flows is formed in the space (inter-cell space) where the cathode faces 23 face each other between adjacent fuel cell cells in the above cell arrangement. And the fuel cell stack has a bus bar that electrically connects adjacent fuel cell cells in the above cell arrangement.

上記のように、本実施形態に係る燃料電池スタック(セルスタック100)は、前述の燃料電池セル(セル10)を用いて形成されるので、各々の燃料電池セルにおいてオーム損が少ない。また、発電量が多く、強度が高い。このため、セルスタック100は発電性能が良い。 As described above, the fuel cell stack (cell stack 100) according to this embodiment is formed using the above-mentioned fuel cell (cell 10), so there is little ohmic loss in each fuel cell. In addition, the amount of electricity generated is large and the strength is high. For this reason, the cell stack 100 has good power generation performance.

本実施形態に係る燃料電池スタック(セルスタック100)においては、バスバー14,15は、上記のセル配列において隣接する燃料電池セル間で、第1金属多孔体層45と第2金属多孔体層46とを電気的に接続することにより、燃料電池セルを直列に接続する。このため、本実施形態に係る燃料電池スタックは、高電圧を発生させることができる点において発電性能が良い。 In the fuel cell stack (cell stack 100) according to this embodiment, the bus bars 14, 15 electrically connect the first metal porous layer 45 and the second metal porous layer 46 between adjacent fuel cell cells in the above-mentioned cell arrangement, thereby connecting the fuel cell cells in series. Therefore, the fuel cell stack according to this embodiment has good power generation performance in that it can generate high voltage.

また、本実施形態に係る燃料電池スタック(セルスタック100)においては、バスバー14,15は、上記のセル配列において隣接する燃料電池セル間で、第1金属多孔体層同士及び第2金属多孔体層46同士をそれぞれ接続することにより、燃料電池セルを並列に接続することができる。このため、本実施形態に係る燃料電池スタックは、大電流を発生させることができる点において発電性能が良い。 In addition, in the fuel cell stack (cell stack 100) according to this embodiment, the bus bars 14, 15 connect the first metal porous body layers and the second metal porous body layers 46 between adjacent fuel cell cells in the above-mentioned cell arrangement, respectively, thereby enabling the fuel cell cells to be connected in parallel. Therefore, the fuel cell stack according to this embodiment has good power generation performance in that it can generate a large current.

本実施形態に係る燃料電池スタック(セルスタック100)では、カソード面23の間隔であるカソードガス流路FPcの高さH2が、アノード面22の間隔であるアノードガス流路FPaの高さH1よりも大きい。このため、本実施形態に係る燃料電池スタックは、アノードガス流路FPaにおけるアノードガスの圧力損失と、カソードガス流路FPcにおけるカソードガスの圧力損失が各々に低減されている。その結果、アノードガス及びカソードガスをセルスタック100に供給する機器が省電力化される。 In the fuel cell stack (cell stack 100) according to this embodiment, the height H2 of the cathode gas flow path FPc, which is the spacing between the cathode surfaces 23, is greater than the height H1 of the anode gas flow path FPa, which is the spacing between the anode surfaces 22. Therefore, in the fuel cell stack according to this embodiment, the pressure loss of the anode gas in the anode gas flow path FPa and the pressure loss of the cathode gas in the cathode gas flow path FPc are both reduced. As a result, the equipment that supplies the anode gas and cathode gas to the cell stack 100 consumes less power.

本実施形態に係る燃料電池スタック(セルスタック100)では、平行に、または、対向して流れるアノードガス及びカソードガスの流れ方向を第1方向(Y方向)、第1方向に垂直な方向を第2方向(X方向)とするときに、発電が行われるアクティブエリア13は、第2方向と比較して第1方向に長い。このように、アクティブエリア13の形状を高アスペクト比の形状にすると、アノードガス流路FPaにおけるアノードガスの分配性、及び、カソードガス流路FPcにおけるカソードガスの分配性が良い。その結果、本実施形態に係る燃料電池スタック(セルスタック100)は、発電性能が良い。 In the fuel cell stack (cell stack 100) according to this embodiment, when the flow direction of the anode gas and cathode gas flowing in parallel or opposite directions is the first direction (Y direction) and the direction perpendicular to the first direction is the second direction (X direction), the active area 13 where power generation occurs is longer in the first direction than in the second direction. In this way, when the shape of the active area 13 is made to have a high aspect ratio, the distribution of the anode gas in the anode gas flow path FPa and the distribution of the cathode gas in the cathode gas flow path FPc are good. As a result, the fuel cell stack (cell stack 100) according to this embodiment has good power generation performance.

本実施形態に係る燃料電池スタック(セルスタック100)では、バスバー14,15は、前述のセル配列に対して第1方向(Y方向)に平行に取り付けられ、バスバー14,15の第1方向に沿った長さL2が、アクティブエリア13の第1方向に沿った長さL1以上である。このため、アクティブエリア13の全体において電流密度が均一である。その結果、アクティブエリア13における局所的あるいは全体的な熱分布の発生が抑制され、アクティブエリア13の全面を用いて、均一に効率良く発電が行われる。 In the fuel cell stack (cell stack 100) according to this embodiment, the bus bars 14, 15 are attached parallel to the cell arrangement in the first direction (Y direction), and the length L2 of the bus bars 14, 15 along the first direction is equal to or greater than the length L1 of the active area 13 along the first direction. Therefore, the current density is uniform throughout the active area 13. As a result, the occurrence of local or global heat distribution in the active area 13 is suppressed, and power is generated uniformly and efficiently using the entire surface of the active area 13.

本実施形態に係る燃料電池スタック(セルスタック100)では、アノードガス及びカソードガスが平行に流通するときに、バスバー14,15は、前述のセル配列に対して第1方向(Y方向)に平行に取り付けられ、バスバー14,15の第1方向に沿った長さL2が、アクティブエリア13の第1方向に沿った長さL1よりも短く形成される場合がある。この場合、バスバー14,15は、アクティブエリア13に対して、アノードガス及びカソードガスの上流側に偏在して設けられる。このように、アノードガス及びカソードガスが平行に流れるときに、その上流側にバスバー14,15を偏在させると、アクティブエリア13に生じる温度分布が是正される。その結果、本実施形態にっかる燃料電池スタックは、発電性能が良い。 In the fuel cell stack (cell stack 100) according to this embodiment, when the anode gas and the cathode gas flow in parallel, the bus bars 14 and 15 are attached in parallel to the first direction (Y direction) with respect to the cell arrangement described above, and the length L2 of the bus bars 14 and 15 along the first direction may be shorter than the length L1 of the active area 13 along the first direction. In this case, the bus bars 14 and 15 are arranged so as to be biased toward the upstream side of the anode gas and the cathode gas with respect to the active area 13. In this way, when the anode gas and the cathode gas flow in parallel, the temperature distribution occurring in the active area 13 is corrected by biasing the bus bars 14 and 15 to the upstream side. As a result, the fuel cell stack according to this embodiment has good power generation performance.

特に、上記のケースにおいて燃料電池セルを内部改質型とするときには、第1金属多孔体層45は、バスバー14,15があることによってアクティブエリア13に形成される電流集中エリア401の範囲の一部または全部に、燃料を改質する改質触媒を備える。このように、改質触媒が電流集中エリア401の範囲に設けられていると、改質反応による温度低下を電流の集中による発熱で補い、燃料電池スタックの温度分布を理想的な温度分布に近づけることができる。これにより、燃料電池セル(セル10)を内部改質型とする場合でも、燃料電池スタック(セルスタック100)の発電性能が向上する。 In particular, in the above case, when the fuel cell is an internal reforming type, the first metal porous layer 45 is provided with a reforming catalyst that reforms the fuel in part or all of the range of the current concentration area 401 formed in the active area 13 by the presence of the bus bars 14, 15. In this way, when the reforming catalyst is provided in the range of the current concentration area 401, the temperature drop due to the reforming reaction is compensated for by heat generated by the current concentration, and the temperature distribution of the fuel cell stack can be made closer to the ideal temperature distribution. This improves the power generation performance of the fuel cell stack (cell stack 100) even when the fuel cell (cell 10) is an internal reforming type.

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態及び各変形例で説明した構成は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を限定する趣旨ではない。 The above describes the embodiments of the present invention, but the configurations described in the above embodiments and each modified example are merely examples of application of the present invention and are not intended to limit the technical scope of the present invention.

10 :セル
11 :インレット
12 :アウトレット
13 :アクティブエリア
14 :バスバー
15 :バスバー
18a :ガスケットアセンブリ
18b :ガスケットアセンブリ
31 :第1金属フレーム
32 :電極触媒層
34 :第2金属フレーム
41 :アノード極層
42 :カソード極層
43 :固体電解質層
45 :第1金属多孔体層
46 :第2金属多孔体層
100 :セルスタック
10: Cell 11: Inlet 12: Outlet 13: Active area 14: Bus bar 15: Bus bar 18a: Gasket assembly 18b: Gasket assembly 31: First metal frame 32: Electrode catalyst layer 34: Second metal frame 41: Anode layer 42: Cathode layer 43: Solid electrolyte layer 45: First metal porous layer 46: Second metal porous layer 100: Cell stack

Claims (12)

アノード極層と、カソード極層と、前記アノード極層と前記カソード極層とに挟持される固体電解質層と、を積層して構成される燃料電池セルであって、
面方向に連通する複数の空孔を有する金属多孔体によって平板状に形成され、前記固体電解質層とともに前記アノード極層を挟持し、複数の前記空孔によって前記アノード極層にアノードガスを供給する第1金属多孔体層と、
前記第1金属多孔体層の外周部において電気的に接続することによって、前記第1金属多孔体層を介して前記アノード極層と電気的に接続し、かつ、前記第1金属多孔体層を支持する第1金属フレームと、
前記金属多孔体によって平板状に形成され、前記固体電解質層とともに前記カソード極層を挟持し、複数の前記空孔によって前記カソード極層にカソードガスを供給する第2金属多孔体層と、
前記第2金属多孔体層の外周部において前記第2金属多孔体層と電気的に接続することによって、前記第2金属多孔体層を介して前記カソード極層と電気的に接続し、かつ、前記第2金属多孔体層を支持する第2金属フレームと、
を備える燃料電池セル。
A fuel cell configured by stacking an anode layer, a cathode layer, and a solid electrolyte layer sandwiched between the anode layer and the cathode layer,
a first metal porous body layer formed in a flat plate shape using a metal porous body having a plurality of pores communicating in a surface direction, the first metal porous body layer sandwiching the anode layer together with the solid electrolyte layer, and supplying an anode gas to the anode layer through the plurality of pores;
a first metal frame that is electrically connected to the anode layer via the first metal porous body layer by being electrically connected to an outer periphery of the first metal porous body layer and that supports the first metal porous body layer;
a second metal porous layer formed in a flat plate shape using the metal porous body, sandwiching the cathode layer together with the solid electrolyte layer, and supplying a cathode gas to the cathode layer through a plurality of the pores;
a second metal frame that is electrically connected to the second metal porous body layer at an outer periphery of the second metal porous body layer, thereby electrically connecting to the cathode layer via the second metal porous body layer and supporting the second metal porous body layer;
A fuel cell comprising:
請求項1に記載の燃料電池セルであって、
前記第1金属多孔体層は、前記アノード極層を一様に覆うように形成され、
前記第2金属多孔体層は、前記カソード極層を一様に覆うように形成されている、
燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 1 ,
the first metal porous layer is formed so as to uniformly cover the anode layer,
The second metal porous layer is formed so as to uniformly cover the cathode layer.
Fuel cell.
請求項1または2に記載の燃料電池セルであって、
前記第1金属多孔体層及び前記第2金属多孔体層は、前記面方向に一様な電気伝導性を有する、
燃料電池セル。
3. The fuel cell according to claim 1 or 2,
The first metal porous layer and the second metal porous layer have uniform electrical conductivity in the planar direction.
Fuel cell.
請求項1~3のいずれか1項に記載の燃料電池セルであって、
前記第1金属多孔体層及び前記第2金属多孔体層は、金属粒子の焼結体である、
燃料電池セル。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The first metal porous layer and the second metal porous layer are sintered bodies of metal particles.
Fuel cell.
請求項1~4のいずれか1項に記載の燃料電池セルを用いて形成される燃料電池スタックであって、
前記第1金属多孔体層が露呈する前記燃料電池セルの表面をアノード面とし、前記第2金属多孔体層が露呈する前記燃料電池セルの表面をカソード面とするときに、
前記アノード面同士を対向させ、かつ、前記カソード面同士を対向させるように、表裏を反転させながら複数の前記燃料電池セルが所定間隔で交互に積み重ねられたセル配列と、
前記セル配列において隣接する前記燃料電池セル間で前記アノード面が対向する空間に形成され、前記アノードガスが流通するアノードガス流路と、
前記セル配列において隣接する前記燃料電池セル間で前記カソード面が対向する空間に形成され、前記カソードガスが流通するカソードガス流路と、
前記セル配列において隣接する前記燃料電池セルを電気的に接続するバスバーと、
を備える燃料電池スタック。
A fuel cell stack formed using the fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
When a surface of the fuel cell where the first metal porous body layer is exposed is an anode surface and a surface of the fuel cell where the second metal porous body layer is exposed is a cathode surface,
a cell array in which a plurality of the fuel cell units are stacked alternately at predetermined intervals while being inverted so that the anode surfaces face each other and the cathode surfaces face each other;
an anode gas flow path formed in a space between adjacent fuel cells in the cell array where the anode surfaces face each other, and through which the anode gas flows;
a cathode gas flow path formed in a space between adjacent fuel cells in the cell array where the cathode surfaces face each other, and through which the cathode gas flows;
a bus bar electrically connecting adjacent fuel cell units in the cell array;
A fuel cell stack comprising:
請求項5に記載の燃料電池スタックであって、
前記バスバーは、前記セル配列において隣接する前記燃料電池セル間で、前記第1金属多孔体層と前記第2金属多孔体層とを電気的に接続することにより、前記燃料電池セルを直列に接続する燃料電池スタック。
6. The fuel cell stack according to claim 5,
The bus bar electrically connects the first metal porous body layer and the second metal porous body layer between adjacent fuel cell units in the cell array, thereby connecting the fuel cell units in series.
請求項5に記載の燃料電池スタックであって、
前記バスバーは、前記セル配列において隣接する前記燃料電池セル間で、前記第1金属多孔体層同士及び前記第2金属多孔体層同士をそれぞれ接続することにより、前記燃料電池セルを並列に接続する燃料電池スタック。
6. The fuel cell stack according to claim 5,
The bus bar connects the first metal porous body layers and the second metal porous body layers between adjacent fuel cell units in the cell arrangement, thereby connecting the fuel cell units in parallel.
請求項5~7のいずれか1項に記載の燃料電池スタックであって、
前記カソード面の間隔である前記カソードガス流路の高さが、前記アノード面の間隔である前記アノードガス流路の高さよりも大きい、
燃料電池スタック。
A fuel cell stack according to any one of claims 5 to 7,
a height of the cathode gas flow channel, which is the distance between the cathode surfaces, is greater than a height of the anode gas flow channel, which is the distance between the anode surfaces;
Fuel cell stack.
請求項5~8のいずれか1項に記載の燃料電池スタックであって、
平行に、または、対向して流れる前記アノードガス及び前記カソードガスの流れ方向を第1方向、前記第1方向に垂直な方向を第2方向とするときに、発電が行われるアクティブエリアは、前記第2方向と比較して前記第1方向に長い、
燃料電池スタック。
A fuel cell stack according to any one of claims 5 to 8,
When a flow direction of the anode gas and the cathode gas flowing in parallel or opposite directions is defined as a first direction, and a direction perpendicular to the first direction is defined as a second direction, an active area in which power is generated is longer in the first direction than in the second direction.
Fuel cell stack.
請求項9に記載の燃料電池スタックであって、
前記バスバーは、前記セル配列に対して前記第1方向に平行に取り付けられ、
前記バスバーの前記第1方向に沿った長さが、前記アクティブエリアの前記第1方向に沿った長さ以上である、
燃料電池スタック。
10. The fuel cell stack of claim 9,
the bus bar is attached in parallel to the cell array in the first direction;
a length of the bus bar along the first direction is equal to or greater than a length of the active area along the first direction;
Fuel cell stack.
請求項9に記載の燃料電池スタックであって、
前記アノードガス及び前記カソードガスが平行に流通するときに、
前記バスバーは、前記セル配列に対して前記第1方向に平行に取り付けられ、
前記バスバーの前記第1方向に沿った長さが、前記アクティブエリアの前記第1方向に沿った長さよりも短く、
前記バスバーは、前記アクティブエリアに対して、前記アノードガス及び前記カソードガスの上流側に偏在して設けられている、
燃料電池スタック。
10. The fuel cell stack of claim 9,
When the anode gas and the cathode gas flow in parallel,
the bus bar is attached in parallel to the cell array in the first direction;
a length of the bus bar along the first direction is shorter than a length of the active area along the first direction;
the bus bar is provided unevenly on the upstream side of the anode gas and the cathode gas with respect to the active area;
Fuel cell stack.
請求項11に記載の燃料電池スタックであって、
前記第1金属多孔体層は、前記バスバーがあることによって前記アクティブエリアに形成される電流集中エリアの範囲の一部または全部に、燃料を改質する改質触媒を備える、
燃料電池スタック。
12. The fuel cell stack of claim 11,
the first metal porous layer is provided with a reforming catalyst for reforming fuel in a part or the whole of a range of a current concentration area formed in the active area by the presence of the bus bar;
Fuel cell stack.
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