JP2018113243A - セルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筐体内の雰囲気温度の低下を抑制できるセルスタック装置を提供する。
【解決手段】セルスタック装置１００は、筐体９０と、マニホールド２と、燃料電池セル１と、端部集電部材３と、を備えている。筐体９０は、取出し孔９１を有する。マニホールド２及び燃料電池セル１は、筐体９０内に配置される。端部集電部材３は、燃料電池セル１と電気的に接続される。端部集電部材３は、接合部と、引出し部と、を有する。接合部は、燃料電池セル１に接合される。引出し部は、接合部から取出し孔９１を介して筐体９０の外部へと延びる。定格運転時において、筐体９０内における引出し部の温度が５００℃以上となるように、引出し部は発熱する。
【選択図】図２

Description

本発明は、セルスタック装置に関するものである。

セルスタック装置は、燃料電池セル、及びマニホールドを備えている（特許文献１）。また、セルスタック装置は筐体を備えており、燃料電池セル及びマニホールドは筐体内に配置されている。燃料電池セルは、マニホールドから上方に延びている。マニホールドは、燃料電池セルのガス流路に燃料ガスを供給する。また、燃料電池セルの外側面に酸素を含むガス（空気など）が供給される。燃料電池セルは、燃料ガス及び空気を用いて電力を生成する。この燃料電池セルによって生成された電力は、燃料電池セルに電気的に接続された端部集電部材によって外部回路へと取り出される。なお、端部集電部材は、筐体内から筐体外部へと延びている。

特開２０１６−１７１０６４号公報

燃料電池セルとして固体酸化物形燃料電池などを採用した場合では、燃料電池セルは高温で作動するため、筐体内の雰囲気温度は高温となっている。そして、燃料電池セルを効率的に発電させるためには、この筐体内の雰囲気温度の低下を抑制することが好ましい。

本発明の課題は、筐体内の雰囲気温度の低下を抑制できるセルスタック装置を提供することにある。

本件発明者らは、鋭意研究の結果、端部集電部材が筐体内の雰囲気温度低下の要因となることを見出した。すなわち、筐体の内部の熱が端部集電部材を介して筐体の外部へと放出され、この結果、筐体内の雰囲気温度が低下するおそれがある。

そこで、本発明のある側面に係るセルスタック装置は、筐体と、マニホールドと、燃料電池セルと、端部集電部材と、を備えている。筐体は、取出し孔を有する。マニホールドは、筐体内に配置される。燃料電池セルは、筐体内に配置され、マニホールドから延びる。端部集電部材は、燃料電池セルと電気的に接続される。端部集電部材は、接合部と、引出し部と、を有する。接合部は、燃料電池セルに接合される。引出し部は、接合部から取出し孔を介して筐体の外部へと延びる。引出し部は、発熱するように構成されている。定格運転時において、筐体内における引出し部の温度は５００℃以上となる。

この構成によれば、端部集電部材の引出し部のうち、筐体内における引出し部が、定格運転時において５００℃以上に発熱するため、この引出し部を介して筐体内の熱が筐体の外部へと放出されることを抑制することができる。この結果、筐体内の雰囲気温度の低下を抑制することができる。なお、筐体内の雰囲気温度は、例えば、約６００〜９００℃程度である。

好ましくは、取出し孔は、筐体の側面に形成される、

好ましくは、燃料電池セルは、マニホールドから上方に延びる支持基板、及び支持基板上において上下方向に配列される複数の発電素子部、を有する。

好ましくは、端部集電部材は、各発電素子部のうち、最も下方に配置される下側発電素子部と電気的に接続される。

好ましくは、引出し部は、接合部から下方に延びる第１部分と、第１部分から延びて筐体の外部へと延びる第２部分と、を有する。

好ましくは、端部集電部材は、一つの部材から構成される。

好ましくは、端部集電部材は、一枚の金属板から構成される。

好ましくは、引出し部は、導電部と、導電部を覆い且つ導電部よりも抵抗率が大きい抵抗部と、を有する。

本発明によれば、筐体内の雰囲気温度の低下を抑制することができる。

セルスタック装置の斜視図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 セルスタック装置の拡大断面図。 端部集電部材の斜視図。 端部集電部材の断面図。 変形例に係る端部集電部材の斜視図。 変形例に係る端部集電部材の側面断面図。 変形例に係る端部集電部材の斜視図。 変形例に係る端部集電部材の斜視図。 変形例に係る端部集電部材の斜視図。 変形例に係るセルスタック装置の拡大断面図。 変形例に係る端部集電部材の断面図。

［セルスタック装置］
以下、本発明に係るセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１及び図２に示すように、セルスタック装置１００は、複数の燃料電池セル１と、マニホールド２と、一対の端部集電部材３と、筐体９０と、を備えている。

筐体９０は、略直方体状であって、内部空間を有している。この筐体９０内に、各燃料電池セル１、及びマニホールド２が収容されている。筐体９０は、一対の取出し孔９１を有している。各取出し孔９１は、例えば、筐体９０の側面に形成されている。一方の取出し孔９１は、他方の取出し孔９１の反対側に配置されている。

各取出し孔９１は、正面視において、矩形状であってもよいし、円形状であってもよい。各取出し孔９１の大きさは、例えば、２０〜１００ｍｍ^２程度である。筐体９０は、金属材料から構成されている。例えば、筐体９０は、フェライト系またはオーステナイト系ステンレス鋼などによって構成されている。この筐体９０内の雰囲気温度は、定格運転時において、約６００〜９００℃程度となる。

［マニホールド］
マニホールド２は、各燃料電池セル１にガスを分配するように構成されている。マニホールド２は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド２の内部空間には、導入管２０１を介して燃料ガスなどのガスが供給される。マニホールド２は、この内部空間と外部とを連通する複数の貫通孔２７を有している。

マニホールド２は、各燃料電池セル１を支持している。マニホールド２は、マニホールド本体２１と、上壁２２とを備えている。マニホールド本体２１と上壁２２とは、互いに別部材であって接合されている。なお、マニホールド本体２１と上壁２２とは、一体的に形成されていてもよい。このマニホールド本体２１と上壁２２とによって、マニホールド２の内部空間を画定している。

マニホールド本体２１は、直方体状であって、上面が開口した内部空間を有する。詳細には、マニホールド本体２１は、底壁２３と、側壁２４と、を有している。側壁２４は、底壁２３の周縁部から上方に延びている。導入管２０１は、側壁２４に取り付けられており、マニホールド２の内部空間と連通している。導入管２０１は、例えば、上方に延びている。

例えば、マニホールド本体２１は、耐熱性を有するような金属あるいは絶縁性セラミックスによって形成される。より具体的には、マニホールド本体２１は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（ステアタイト）、及び２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（フォルステライト）よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。

上壁２２は、マニホールド本体２１の上面を塞ぐように、マニホールド本体２１に取り付けられている。例えば、上壁２２とマニホールド本体２１とは、結晶化ガラス等によって接合されている。上壁２２は、上述したマニホールド本体２１の材料の少なくとも一種から形成することができる。

上壁２２は、各燃料電池セル１が取り付けられるように構成されている。詳細には、上壁２２は、複数の貫通孔２７を有している。各貫通孔２７は、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。また、各貫通孔２７は、配列方向（ｚ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。

［燃料電池セル］
各燃料電池セル１は、マニホールド２から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル１は、マニホールド２の上壁２２から上方に延びている。燃料電池セル１の下端部は、貫通孔２７内に挿入されている。燃料電池セル１の下端部は、上壁２２から下方に突出していてもよい。燃料電池セルの長手方向（ｘ軸方向）の長さは、例えば、１００〜３００ｍｍ程度とすることができる。なお、燃料電池セル１の下端部が貫通孔２７内に挿入された状態において、燃料電池セル１の下端部の外周面と貫通孔２７の内壁面との間には隙間が形成されている。この隙間に、後述する第３接合材１０３が充填されていてもよい。

各燃料電池セル１は、配列方向（ｚ軸方向）に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。なお、各燃料電池セル１は、配列方向に沿って、等間隔に配置されていることが好ましいが、等間隔に配置されていなくてもよい。

図３に示すように、燃料電池セル１は、複数の発電素子部１１と、支持基板１２とを備えている。

［支持基板］
支持基板１２は、マニホールド２から上方に延びている。すなわち、支持基板１２は、上下方向に延びている。支持基板１２は、支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）に延びる複数のガス流路１２１を内部に有している。各ガス流路１２１は、支持基板１２の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。ガス流路１２１は、マニホールド２の内部空間と連通している。

支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）は、燃料電池セル１の長手方向と同じ方向である。各ガス流路１２１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１２１は、支持基板１２の長手方向の両端面において開口している。

図４に示すように、支持基板１２は、複数の第１凹部１２３を有している。各第１凹部１２３は、支持基板１２の両面に形成されている。各第１凹部１２３は支持基板１２の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。

支持基板１２は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板１２は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、支持基板１２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板１２の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

［発電素子部］
各発電素子部１１は、支持基板１２の両面に支持されている。なお、各発電素子部１１は、支持基板１２の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１１は、燃料電池セル１の長手方向（ｘ軸方向）において、配列されている。すなわち、各発電素子部１１は、上下方向に配列されている。本実施形態に係る燃料電池セル１は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。

各発電素子部１１は、発電素子本体部１１０と、電気的接続部１１１と、を有している。発電素子本体部１１０は、燃料極１３、電解質１４、及び空気極１５を有している。また、各発電素子部１１は、反応防止膜１６をさらに有している。燃料極１３は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極１３は、燃料極集電部１３１と燃料極活性部１３２とを有する。

燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に配置されている。詳細には、燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に充填されており、第１凹部１２３と同様の外形を有する。各燃料極集電部１３１は、第２凹部１３１ａ及び第３凹部１３１ｂを有している。燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に配置されている。詳細には、燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に充填されている。

燃料極集電部１３１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部１３１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部１３１の厚さ、並びに第１凹部１２３の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部１３２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部１３２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部１３２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質１４は、燃料極１３上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４は、隣り合うインターコネクタ１１２間を長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル１の長手方向において、電解質１４とインターコネクタ１１２とが交互に配置されている。

電解質１４は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質１４は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、電解質１４は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質１４の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１６は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１６は、電解質１４と空気極１５との間に配置されている。反応防止膜１６は、電解質１４内のＹＳＺと空気極１５内のＳｒとが反応して電解質１４と空気極１５との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。

反応防止膜１６は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜１６は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜１６の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極１５は、空気極活性部１５１と、空気極集電部１５２とを有している。空気極活性部１５１は、反応防止膜１６上に配置されている。空気極活性部１５１は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極活性部１５１は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極活性部１５１は、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、又は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。空気極活性部１５１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極活性部１５１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電部１５２は、空気極活性部１５１上に配置されている。空気極集電部１５２は、空気極活性部１５１上から隣の発電素子部１１に向かって延びている。詳細には、空気極集電部１５２は、隣の発電素子部１１の電気的接続部１１１であるインターコネクタ１１２まで延びている。空気極集電部１５２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。

空気極集電部１５２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極集電部１５２は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、空気極集電部１５２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電部１５２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

各発電素子部１１のうち、最も下方に配置される下側発電素子部１１ａを除いた残りの発電素子部１１は、電気的接続部１１１としてインターコネクタ１１２を有している。インターコネクタ１１２は、隣り合う発電素子本体部１１０同士を互いに電気的に接続するように構成されている。

インターコネクタ１１２は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。詳細には、インターコネクタ１１２は、第３凹部１３１ｂ内に埋設（充填）されている。インターコネクタ１１２は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ１１２は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、インターコネクタ１１２は、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ１１２の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

図５に示すように、各発電素子部１１のうち、最も下方に配置される下側発電素子部１１ａは、発電素子本体部１１０と、電気的接続部１１１とを有している。なお、支持基板１２の両面に発電素子部１１が配置されている場合、支持基板１２の両面のそれぞれに下側発電素子部１１ａが配置されている。電気的接続部１１１は、発電素子本体部１１０と電気的に接続している。また、電気的接続部１１１は、発電素子本体部１１０から下方に延びている。この下側発電素子部１１ａの電気的接続部１１１は、第１接続部１１３と、第２接続部１１４とを有している。

第１接続部１１３は、上述したインターコネクタ１１２と同様の構成を有している。すなわち、第１接続部１１３は、燃料極集電部１３１の第３凹部１３１ｂ内に配置されている。第１接続部１１３は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される。第１接続部１１３は、上述したインターコネクタ１１２の材料のいずれかで形成することができる。

第２接続部１１４は、上述した空気極集電部１５２の材料のいずれかで形成することができる。第２接続部１１４は、第１接続部１１３と電気的に接続されている。また、第２接続部１１４は、第１接続部１１３から下方に延びている。

燃料電池セル１の下端部は、緻密膜１８によって覆われている。詳細には、緻密膜１８は、支持基板１２を覆っている。緻密膜１８は、第２接続部１１４と支持基板１２との間から下方に延びている。

緻密膜１８は、緻密膜１８の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜１８の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。このガスシール機能を発揮するため、この緻密膜１８の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜１８は、絶縁性セラミックスで構成されている。

具体的には、緻密膜１８は、上述した電解質１４と反応防止膜１６とによって構成することができる。緻密膜１８を構成する電解質１４は、支持基板１２を覆っており、第１接続部１１３から支持基板１２の下端近傍まで延びている。また、緻密膜１８を構成する反応防止膜１６は、電解質１４と第２接続部１１４との間に配置されている。なお、緻密膜１８は、電解質１４のみで構成されていてもよいし、電解質１４及び反応防止膜１６以外の材料によって構成されていてもよい。

［端部集電部材］
図１及び図２に示すように、一対の端部集電部材３は、複数の燃料電池セル１から構成されるセルスタックから電力を取り出すように構成されている。各端部集電部材３は、各燃料電池セル１のうち、配列方向（ｚ軸方向）の両端部に配置される各燃料電池セル１に取り付けられている。なお、一対の端部集電部材３は、取り付けられる位置が互いに異なるだけであって互いの構成は実質的に同じであるため、以下では、一方の端部集電部材３のみについて説明する。

図５に示すように、端部集電部材３は、配列方向（ｚ軸方向）の端部に配置された燃料電池セル１の下側発電素子部１１ａと電気的に接続される。詳細には、端部集電部材３は、下側発電素子部１１ａの電気的接続部１１１に接続されている。

図６に示すように、端部集電部材３は、接合部３１と、引出し部３２とを有している。

端部集電部材３は、１つの部材によって構成されている。例えば、端部集電部材３は、一枚の金属板から構成されている。この端部集電部材３の板厚は、例えば、０．１〜２．０ｍｍ程度とすることができる。

端部集電部材３は、金属材料から構成されている。好ましくは、端部集電部材３は、ステンレス材料から構成される。具体的には、端部集電部材３は、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、又はＮｉ基合金から構成されている。

［接合部］
接合部３１は、燃料電池セル１に接合されるように構成されている。接合部３１は、板状である。具体的には、接合部３１は、配列方向視（ｚ軸方向視）において、矩形状を有している。接合部３１の幅Ｗ１は、例えば、下側発電素子部１１ａの幅と同じ程度とすることができる。

図５に示すように、接合部３１は、下側発電素子部１１ａに接合されている。詳細には、接合部３１は、電気的接続部１１１に接合されている。例えば、接合部３１は、第１接合材１０１によって、下側発電素子部１１ａに接合されている。なお、第１接合材１０１は、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３などから選ばれる少なくとも１種である。

［引出し部］
図６に示すように、引出し部３２は、接合部３１から延びている。引出し部３２は、全体として、接合部３１の面方向と直交する方向（ｚ軸方向）に延びている。好ましくは、引出し部３２は、例えば、接合部３１の下端中央部から延びている。引出し部３２の幅Ｗ２は、接合部３１の幅Ｗ１よりも小さい。なお、端部集電部材３の各部分の幅Ｗ１，Ｗ２は、第１方向（ｙ軸方向）における寸法を意味している。

引出し部３２は、第１部分３２１と、第２部分３２２と、を有している。第１部分３２１は、接合部３１の面方向に沿った方向に延びている。すなわち、第１部分３２１の主面と、接合部３１の主面とは、実質的に同一面上に配置されている。第１部分３２１は、接合部３１から第２方向（ｘ軸方向）に延びている。なお、第２方向は、同一面内において第１方向と直交する方向である。端部集電部材３が燃料電池セル１に取り付けられた状態において、第１部分３２１は、接合部３１から下方に延びている。

第２部分３２２は、第１部分３２１から屈曲して延びている。すなわち、第２部分３２２は、第１部分３２１の下端部から延びている。第２部分３２２は、接合部３１の面方向と直交する方向（ｚ軸方向）に沿って延びている。すなわち、第２部分３２２は、接合部３１の主面と直交する方向に延びている。

端部集電部材３が燃料電池セル１に取り付けられた状態において、第２部分３２２は、第１部分３２１の下端部から水平に延びている。詳細には、第２部分３２２は、燃料電池セル１から離れる方向に延びている。

図５に示すように、第２部分３２２は、上壁２２に沿って延びている。第２部分３２２は、上壁２２と間隔をあけて延びている。第２部分３２２と上壁２２との絶縁性を確保するために、第２部分３２２と上壁２２との間に電気絶縁性部材を配置していてもよい。

図２に示すように、引出し部３２は、筐体９０を超えて、筐体９０の外部まで延びている。具体的には、引出し部３２の第２部分３２２が筐体９０の外部まで延びている。引出し部３２は、筐体９０の取出し孔９１を介して筐体９０の外部へと延びている。この引出し部３２の先端部に、外部回路のリード線などが取り付けられている。例えば、引出し部３２の先端部には、リード線を取り付けるための取付孔又は取付凹部などが形成されていてもよい。

取出し孔９１における引出し部３２の断面積は、０．５〜６０ｍｍ^２程度である。また、引出し部３２が貫通した状態における取出し孔９１の隙間の面積は、例えば、２０〜５０ｍｍ^２程度である。この取出し孔９１の隙間は、例えば、断熱材などで封止することができる。

引出し部３２は、燃料電池セル１からの電流が流れることによって発熱するように構成されている。望ましくは、定格運転時において、筐体９０内における引出し部３２の温度が５００℃以上となるように、引出し部３２は発熱する。例えば、引出し部３２に電流が流れることによって発生するジュール熱によって引出し部３２は発熱する。

例えば、図７に示すように、引出し部３２は、導電部３２ａと、抵抗部３２ｂと、を有している。抵抗部３２ｂは、例えば、膜状である。抵抗部３２ｂは、導電部３２ａを覆うように形成されている。抵抗部３２ｂは、導電部３２ａよりも大きい抵抗率を有する。

導電部３２ａは、例えば、ステンレス鋼などによって形成することができる。また、抵抗部３２ｂは、例えば、セラミック膜などによって形成することができる。この構成によれば、抵抗部３２ｂによって引出し部３２の抵抗値が大きくなり、上述したように発熱することができる。なお、定格運転時において、引出し部３２に流れる電流は、０．１〜１００Ａ程度である。また、抵抗部３２ｂが、導電部３２ａを覆っているため、導電部３２ａからの放熱を抑制することができる。

［セル間集電部材］
各燃料電池セル１は、セル間集電部材４を介して互いに電気的に接続されている。セル間集電部材４は、各燃料電池セル１の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル１を電気的に接続している。セル間集電部材４は、導電性を有する材料から形成されている。例えば、セル間集電部材４は、酸化物セラミックスの焼成体又は金属材料などによって形成されている。なお、セル間集電部材４は、第２接合材１０２によって各燃料電池セル１に接合されている。第２接合材１０２は、例えば、第１接合材１０１の材料として挙げたいずれかの材料で構成することができる。

［表裏接続部材］
各燃料電池セル１において、支持基板１２の一方面に形成された発電素子部１１と、支持基板１２の他方面に形成された発電素子部１１とは、表裏接続部材５によって電気的に接続されている。詳細には、表裏接続部材５は、支持基板１２の一方面及び他方面のそれぞれにおいて最も上方に配置される各発電素子部１１同士を電気的に接続している。

［第３接合材］
各燃料電池セル１は、第３接合材１０３によって、マニホールド２に固定されている。第３接合材１０３は、燃料電池セル１とマニホールド２の上壁２２とを接合している。第３接合材１０３は、燃料電池セル１の下端部とマニホールド２の上壁２２とを接合している。図５に示すように、第３接合材１０３は、緻密膜１８と接触している。

第３接合材１０３は、例えば、結晶化ガラスである。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系が採用され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスを指す。なお、第３接合材１０３の材料として、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、第３接合材１０３は、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_５−Ａｌ_２Ｏ_３系及びＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。

［発電方法］
以上のように構成されたセルスタック装置１００は、次のようにして発電する。マニホールド２を介して各燃料電池セル１のガス流路１２１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１２の両面を酸素を含むガス（空気等）に曝すことにより、電解質１４の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。このセルスタック装置１００を端部集電部材３を用いて外部の負荷に接続すると、空気極１５において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３において下記（２）式に示す電気化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
上記実施形態では、燃料極集電部１３１が第２凹部１３１ａ及び第３凹部１３１ｂを有しているが、燃料極集電部１３１の構成はこれに限定されない。例えば、燃料極集電部１３１は第２凹部１３１ａ及び第３凹部１３１ｂなどの凹部を有していなくてもよい。この場合、燃料極活性部１３２は、燃料極集電部１３１上に形成されており、燃料極集電部１３１に埋設されていない。また、インターコネクタ１１２及び第１接続部１１３は、燃料極集電部１３１上に形成されており、燃料極集電部１３１に埋設されていない。

変形例２
上記実施形態では、端部集電部材３の第１部分３２１は、接合部３１の面方向に沿った方向に延びているが、第１部分３２１の構成はこれに限定されない。例えば、図８に示すように、第１部分３２１の面方向は、接合部３１の面方向に対して傾斜していてもよい。詳細には、第１部分３２１は、下方に行くにつれて燃料電池セル１から離れるように傾斜している。なお、図９に示すように、接合部３１の主面と、第１部分３２１の主面とがなす角度αは、９５〜１３０°程度とすることができる。

変形例３
図１０に示すように、引出し部３２は、引出し本体部３２３と、中間部３２４とを有していてもよい。なお、引出し本体部３２３は、上記実施形態の第２部分３２２に相当し、中間部３２４は、上記実施形態の第１部分３２１に相当している。

中間部３２４は、引出し本体部３２３と接合部３１との間に配置されている。中間部３２４は、接合部３１から下方に延びている。中間部３２４の幅Ｗ３は、接合部３１の幅Ｗ１よりも小さく、引出し本体部３２３の幅Ｗ４よりも大きい。なお、中間部３２４の幅Ｗ３は、接合部３１から離れるにつれて小さくなっている。中間部３２４の幅Ｗ３が引出し本体部３２３の幅Ｗ４よりも大きいとは、中間部３２４の上端部における幅Ｗ３が引出し本体部３２３の幅Ｗ３よりも大きいことを意味する。引出し本体部３２３の幅Ｗ４は、接合部３１の幅Ｗ１よりも小さい。

なお、中間部３２４の幅Ｗ３は、接合部３１から離れるにつれて小さくなっていなくてもよい。例えば、図１１に示すように、中間部３２４の幅Ｗ３は、一定であってもよい。

変形例４
上記実施形態では、引出し部３２は、第１部分３２１と、第２部分３２２とを有していたが、引出し部３２の構成はこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、引出し部３２は、第１部分３２１を有していなくてもよい。この場合、第２部分３２２が接合部３１から直接延びている。

変形例５
上記実施形態では、端部集電部材３は、下側発電素子部１１ａの電気的接続部１１１に接合されているが、特にこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、端部集電部材３は、下側発電素子部１１ａの発電素子本体部１１０に接合されていてもよい。この場合、下側発電素子部１１ａは、電気的接続部１１１を有していなくてもよい。

変形例６
上記実施形態では、端部集電部材３は、下側発電素子部１１ａに接合されているが、下側発電素子部１１ａ以外の発電素子部１１に接合されていてもよい。

変形例７
上記実施形態では、引出し部３２は、導電部３２ａと抵抗部３２ｂとを有しているが、引出し部３２の構成はこれに限定されない。例えば、図１４に示すように、引出し部３２は、抵抗部３２ｂの代わりに、断熱部３２ｃを有してもよい。断熱部３２ｃは、導電部３２ａを覆うように配置されている。この断熱部３２ｃは、導電部３２ａよりも熱伝導率が小さい。この断熱部３２ｃによれば、発熱した導電部３２ａの温度の低下を抑制することができる。なお、引出し部３２は、導電部３２ａ、抵抗部３２ｂ、及び断熱部３２ｃとの両方を有していてもよい。この場合、断熱部３２ｃは、抵抗部３２ｂを覆うように配置される。このような断熱部３２ｃは、例えば、熱伝導率の低いセラミック膜などによって形成することができる。

１ 燃料電池セル
１１ 発電素子部
１２ 支持基板
２ マニホールド
３ 端部集電部材
３１ 接合部
３２ 引出し部
３２１ 第１部分
３２２ 第２部分
９０ 筐体
９１ 取出し孔
１００ セルスタック装置

Claims (8)

1. 取出し孔を有する筐体と、
   前記筐体内に配置されるマニホールドと、
   前記筐体内に配置され、前記マニホールドから延びる燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルと電気的に接続される端部集電部材と、
   を備え、
   前記端部集電部材は、前記燃料電池セルに接合される接合部と、前記接合部から前記取出し孔を介して前記筐体の外部へと延びる引出し部と、を有し、
   前記引出し部は、発熱するように構成されており、定格運転時において、前記筐体内における前記引出し部の温度が５００℃以上となる、
   セルスタック装置。
   
2. 前記取出し孔は、前記筐体の側面に形成される、
   請求項１に記載のセルスタック装置。
   
3. 前記燃料電池セルは、前記マニホールドから上方に延びる支持基板、及び前記支持基板上において上下方向に配列される複数の発電素子部、を有する、
   請求項１又は２に記載のセルスタック装置。
   
4. 前記端部集電部材は、前記各発電素子部のうち、最も下方に配置される下側発電素子部と電気的に接続される、
   請求項３に記載のセルスタック装置。
   
5. 前記引出し部は、前記接合部から下方に延びる第１部分と、前記第１部分から前記取出し孔を介して前記筐体の外部へと延びる第２部分と、を有する、
   請求項１から４のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
6. 前記端部集電部材は、一つの部材から構成される、
   請求項１から５のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
7. 前記端部集電部材は、一枚の金属板から構成される、
   請求項１から６のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
8. 前記引出し部は、導電部と、前記導電部を覆い且つ前記導電部よりも抵抗率が大きい抵抗部と、を有する、
   請求項１から７のいずれかに記載のセルスタック装置。

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