JP2018113246A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】端部集電部材における電力損失を抑制する。【解決手段】燃料電池スタック１００は、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。端部集電部材３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。端部集電部材３は、下側発電素子部と接合される接合部と、接合部から下方に延びる引出し部と、を有する。端部集電部材３は、一つの部材によって構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、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）。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へと取り出される。

特開２０１６−１７１０６４号公報

発電効率を向上させるため、端部集電部材における電力損失を抑制することが好ましい。

本発明の課題は、端部集電部材における電力損失を抑制することにある。

本発明のある側面に係る燃料電池スタックは、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。燃料電池セルは、支持基板、及び複数の発電素子部を有している。支持基板は、マニホールドから上方に延びる。各発電素子部は、支持基板上において上下方向に配列される。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。端部集電部材は、下側発電素子部と接合される接合部と、接合部から下方に延びる引出し部と、を有する。端部集電部材は、一つの部材によって構成される。

この構成によれば、端部集電部材における電力損失を抑制することができる。具体的には、まず、発電素子部が配置されている領域は、高温となる。一方で、一般的に金属材料は高温になるほど電気抵抗が大きくなる。そのため、端部集電部材の抵抗は、温度が高いほど大きくなる。端部集電部材は、燃料電池セルで生成された電力を外部に取り出すという部品の性質上、電気の流れる導電距離が長くなるため、電力の損失が大きいことが課題であった。これに対して、本発明に係る端部集電部材は、下方に延びる引出し部を有している。この引出し部は、接合部から下方に延びているため、発電素子部よりも下方に位置している。このため、端部集電部材の引出し部は、比較的に低温の領域に配置されるため、抵抗が大きくなることを抑制することができる。この結果、端部集電部材における電力損失を抑制することができる。

好ましくは、下側発電素子部は、発電素子本体部と、発電素子本体部と電気的に接続された電気的接続部と、を有する。

接合部は、発電素子本体部に接合されていてもよいし、電気的接続部に接合されていてもよい。

好ましくは、引出し部の幅は、接合部の幅よりも小さい。

好ましくは、引出し部は、下方に延びる鉛直部と、鉛直部から側方に延びる延在部と、を有する。

好ましくは、延在部は、鉛直部から離れるにつれて、マニホールドの上面から離れるように傾斜して延びる。

好ましくは、延在部は、鉛直部から離れるにつれて、マニホールドの上面に近付くように傾斜して延びる。

好ましくは、引出し部は、引出し本体部と、中間部とを有する。中間部は、引出し本体部と接合部との間に配置される。引出し本体部の幅は、接合部の幅よりも小さい。中間部の幅は、接合部の幅よりも小さく、引出し本体部の幅よりも大きい。この構成によれば、接合部によって集電された電流が引出し部に流れる際の電流集中を緩和することができる。

好ましくは、中間部の幅は、接合部から離れるにつれて小さくなる。この構成によれば、上述した電流集中をより緩和することができる。

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。すなわち、接合部と引出し部とは、一枚の金属板から構成されることが好ましい。例えば、接合部と引出し部とが別の部材から構成される場合、接合部と引出し部とを接合する箇所が生じる。すると、この接合箇所での抵抗発生による電力損失が問題となる。これに対して、接合部と引出し部とが一枚の金属板から構成された場合、上述したような接合箇所が生じない。このため、接合箇所での抵抗が発生せず、燃料電池セルから電流を外部に取出す際の電力損失をより低減することができる。

好ましくは、接合部及び引出し部は、表面に酸化皮膜を有する。引出し部の酸化皮膜は、接合部の酸化皮膜よりも薄い。この構成によれば、端部集電部材を酸化皮膜によって保護することができる。また、引出し部の酸化皮膜を薄くすることによって、引出し部における電気抵抗を低くすることができる。

好ましくは、燃料電池スタックは、下側発電素子部と接合部とを接合する第１接合材をさらに備える。接合部は、Ｃｒを含む合金によって構成される基材と、基材を覆う酸化クロム膜とを有する。下側発電素子部の外表面に垂直な断面において、接合部は、外表面に対して角度を有する第１面と、外表面に対して角度を有する第２面と、第１面と第２面とによって形成される角部とを含む。角部は、第１面及び第２面それぞれよりも外表面に近接している。

本発明によれば、端部集電部材における電力損失を抑制することができる。

燃料電池スタックの斜視図。 燃料電池スタックの断面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 燃料電池スタックの拡大断面図。 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。 変形例に係る燃料電池スタックの拡大断面図。 変形例に係る端部集電部材の断面図。 変形例に係る端部集電部材の断面図。 変形例に係る端部集電部材の断面図。 変形例に係る端部集電部材の断面図。

［燃料電池スタック］
以下、本発明に係る燃料電池スタック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、燃料電池スタック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、を備えている。この燃料電池スタック１００は、筐体１５０によって覆われている。筐体１５０の材質は、例えば、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基合金などである。

［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の材質は、上述したインターコネクタ１１２の材質のいずれかとすることができる。

第２接続部１１４は、上述した空気極集電部１５２と同じ材料から構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から構成される燃料電池セル集合体から電力を取り出すように構成されている。すなわち、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、各端部集電部材３が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。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。

図６に示すように、引出し部３２は、接合部３１から下方に延びている。引出し部３２の幅Ｗ２は、接合部３１の幅Ｗ１よりも小さい。引出し部３２は、例えば、接合部３１の下端の幅方向（ｙ軸方向）の中央部から延びている。

引出し部３２は、鉛直部３２１と、延在部３２２と、を有している。鉛直部３２１は、引出し部３２のうち上下方向に延びる部分であり、接合部３１から下方に延びている。また、延在部３２２は、引出し部３２のうち水平方向に延びる部材である。延在部３２２は、鉛直部３２１の下端部から側方に延びている。詳細には、延在部３２２は、鉛直部３２１の下端部から水平方向に延びている。また、延在部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、延在部３２２は、上壁２２に沿って延びている。延在部３２２は、上壁２２と間隔をあけて延びている。延在部３２２と上壁２２との絶縁性を確保するために、延在部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の先端部は、筐体１５０を超えて、筐体１５０の外部まで延びている。具体的には、延在部３２２の先端部が筐体１５０の外部まで延びている。例えば、筐体１５０は取出し孔を有しており、引出し部３２はこの取出し孔を介して筐体１５０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。

［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。なお、燃料電池セル１がマニホールド２に固定された状態において、貫通孔２７とガス流路１２１とが連通している。

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燃料電池スタック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。この燃料電池スタック１００を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）

なお、燃料ガスは、ガス流路１２１内を上方に向かって流れる。そして、ガス流路１２１から燃料電池セル１の上方に排出された燃料ガスは、空気と反応して燃焼する。このため、燃料電池セル１の上方は高温となっている。

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

変形例１
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の鉛直部３２１は、上下方向と実質的に平行に延びているが、鉛直部３２１の構成はこれに限定されない。例えば、図７に示すように、鉛直部３２１は、上下方向に対して傾斜した状態で下方に延びていてもよい。詳細には、鉛直部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。

変形例３
上記実施形態では、引出し部３２の幅Ｗ２は一定であるが、引出し部３２の幅Ｗ２は一定でなくてもよい。例えば、図８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、上記実施形態の延在部３２２に相当し、中間部３２４は、上記実施形態の鉛直部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Ｗ４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９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、端部集電部材３の引出し部３２の幅Ｗ２は、接合部３１の幅Ｗ１よりも小さいが、端部集電部材３の構成はこれに限定されない。例えば、図１０に示すように、引出し部３２の幅Ｗ２は、接合部３１の幅Ｗ１と略同じであってもよい。この場合、接合部３１から同じ幅の鉛直部３２１が下方に延びている。接合部３１は、下側発電素子部３１ａに接合される部分であり、鉛直部３２１は接合部３１から下方に延びる部分であって下側発電素子部３１ａに接合されていない。

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１１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、延在部３２２は、マニホールドの上面と略平行に延びているが、特にこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、延在部３２２は、鉛直部３２１から離れるにつれて、マニホールドの上壁２２の上面から離れるように傾斜して延びていてもよい。また、図１３に示すように、延在部３２２は、鉛直部３２１から離れるにつれて、マニホールド２の上壁２２の上面に近付くように傾斜して延びていてもよい。このときのマニホールド２の上壁２２の上面に対する延在部３２２の角度θは、特に制限されないが、例えば、約０．５〜２０度とすることができる。

変形例７
図１４に示すように、接合部３１及び引出し部３２は、表面に酸化皮膜３００を有していてもよい。引出し部３２の酸化皮膜は、接合部３１の酸化皮膜よりも薄い。具体的には、接合部３１の酸化皮膜の厚さは、例えば、０．５〜４０μｍ程度であり、引出し部３２の酸化皮膜３００の厚さは、例えば、０．１〜２０μｍ程度である。なお、接合部３１のうち、第１接合材１０１と接する面には、酸化皮膜３００を有していなくてもよいし有していてもよい。

接合部３１の酸化皮膜３００の厚さは、例えば、接合部３１の中央部を接合部３１と直交する面で切断し、その切断面にて測定することができる。また、引出し部３２の酸化皮膜３００の厚さは、例えば、延在部３２２の任意の位置において延在部３２２に垂直な面で切断し、その切断面にて測定することができる。

本変形例において、接合部３１及び引出し部３２は、例えば、Ｃｒ（クロム）を含有する合金等によって構成される。このような合金としては、Ｆｅ−Ｃｒ系合金鋼（ステンレス鋼など）、又はＮｉ−Ｃｒ系合金鋼などを用いることができる。また、上述した酸化皮膜３００としては、酸化クロム膜などを例示することができる。接合部３１を引出し部３２よりも高温で熱処理することによって、引出し部３２の酸化皮膜３００を接合部３１の酸化皮膜３００よりも薄くすることができる。

変形例８
上記実施形態では、端部集電部材３の接合部３１は、下側発電素子部１１ａの外表面Ｓと略平行に延びているが、これに限定されず、以下のような構成とすることができる。

図１５に示すように、端部集電部材３の接合部３１は、第１接合材１０１を介して、下側発電素子部１１ａの外表面Ｓに接合される。接合部３１は、表面に酸化クロム膜３０１Ｙを有している。具体的には、接合部３１は、基材３０１Ｘと酸化クロム膜３０１Ｙとを有する。

基材３０１Ｘは、板状に形成される。基材３０１Ｘの厚みは特に制限されないが、例えば０．１〜４．０ｍｍとすることができる。

基材３０１Ｘは、Ｃｒ（クロム）を含有する合金によって構成される。このような合金としては、Ｆｅ−Ｃｒ系合金鋼（ステンレス鋼など）、又はＮｉ−Ｃｒ系合金鋼などを用いることができる。基材３０１ＸにおけるＣｒの含有割合は特に制限されないが、例えば４〜３０質量％とすることができる。

基材３０１Ｘは、Ｔｉ（チタン）やＡｌ（アルミニウム）を含有していてもよい。基材３０１ＸにおけるＴｉの含有割合は特に制限されないが、例えば０．０１〜１．０ａｔ．％とすることができる。基材３０１ＸにおけるＡｌの含有割合は特に制限されないが、例えば０．０１〜０．４ａｔ．％とすることができる。基材３０１Ｘは、ＴｉをＴｉＯ_２（チタニア）として含有していてもよいし、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）として含有していてもよい。

酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘ上に形成される。酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘを覆う。酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘの表面全体を覆っていることが好ましいが、基材３０１Ｘの表面を部分的に覆っていなくてもよい。酸化クロム膜３０１Ｙの厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ〜２０μｍとすることができる。

酸化クロム膜３０１Ｙは、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を主成分として含む。具体的には、酸化クロム膜３０１Ｙは、酸化クロムを５０ｗｔ％以上含む。酸化クロム膜３０１Ｙは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉなどを不純物として含有していてもよい。酸化クロム膜３０１Ｙは、ＲＦ（radio-frequency）マグネトロンスパッタ装置を用いてＣｒターゲットをＡｒスパッタリングし、反応ガス（例えば、酸素）との反応により酸化物を成膜することによって形成することができる。

図１５に示すように、基材３０１Ｘは、下側発電素子部１１ａの外表面Ｓに垂直な断面において、第１面Ｙ１、第２面Ｙ２及び角部Ｙ３を含む。

第１面Ｙ１は、下側発電素子部１１ａの外表面Ｓに対して角度を有する。すなわち、第１面Ｙ１は、外表面Ｓと平行ではなく、外表面Ｓに対して傾斜している。第１面Ｙ１は、角部Ｙ３側に向かうほど外表面Ｓに近づく。外表面Ｓに対する第１面Ｙ１の角度θ１は特に制限されないが、例えば０．５度〜４５度とすることができる。なお、図１５に示す例では、第１面Ｙ１が平坦に形成されているが、実際には微小な凹凸が形成されていてもよい。

第１面Ｙ１において、酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘを覆っていることが好ましい。第１面Ｙ１に形成された酸化クロム膜３０１Ｙの厚みは、角部Ｙ３に近づくほど厚く形成されていてもよい。

第２面Ｙ２は、第１面Ｙ１に連なる。第２面Ｙ２は、下側発電素子部１１ａの外表面Ｓに対して角度を有する。すなわち、第２面Ｙ２は、外表面Ｓと平行ではなく、外表面Ｓに対して傾斜している。第２面Ｙ２は、角部Ｙ３側に向かうほど外表面Ｓに近づく。外表面Ｓに対する第２面Ｙ２の角度θ２は特に制限されないが、例えば４５度〜１３５度とすることができる。

また、第２面Ｙ２は、第１面Ｙ１に対して角度を有する。すなわち、第２面Ｙ２は、第１面Ｙ１と平行ではなく、第１面Ｙ１に対して傾斜している。第１面Ｙ１に対する第２面Ｙ２の角度θ３は特に制限されないが、例えば３０度〜１３５度とすることができる。なお、図１５に示す例では、第２面Ｙ２が平坦に形成されているが、実際には微小な凹凸が形成されていてもよい。

第２面Ｙ２において、酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘを覆っていることが好ましい。第２面Ｙ２に形成された酸化クロム膜３０１Ｙの厚みは、角部Ｙ３に近づくほど厚く形成されていてもよい。

角部Ｙ３は、第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とによって形成される。本実施形態において、「第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とによって形成される」とは、“第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とによって規定される”、“第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とによって区画される”、及び“第１面Ｙ１と第２面Ｙ２との間に設けられる”のうち少なくとも１つを意味する。

角部Ｙ３は、第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とが屈曲するように連なることで形成されていてもよいし、第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とが他の１以上の面（湾曲面又は屈曲面）を介して連なることで形成されていてもよい。

角部Ｙ３において、酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘを覆っていることが好ましい。角部Ｙ３に形成された酸化クロム膜３０１Ｙは、角部Ｙ３周辺において他の部分よりも厚く形成されていてもよい。

角部Ｙ３は、第１面Ｙ１及び第２面Ｙ２それぞれよりも下側発電素子部１１ａの外表面Ｓに近接している。角部Ｙ３は、端部集電部材３の第１先端部３０１ａに設けられる。本変形例において、角部Ｙ３は、端部集電部材３のうち、下側発電素子部１１ａの外表面Ｓに最も近接する部位である。角部Ｙ３から外表面Ｓまでの距離Ｄは特に制限されないが、０．５〜２０００μｍとすることができる。

下側発電素子部１１ａから端部集電部材３に流れる電流は、端部集電部材３のうち下側発電素子部１１ａの外表面Ｓに近接する角部Ｙ３に集中する。角部Ｙ３に電流が集中すると、角部Ｙ３の温度が上昇するため、角部Ｙ３に形成された酸化クロム膜３０１Ｙの温度が上昇して、酸化クロム膜３０１Ｙの電気抵抗が低下する。その結果、下側発電素子部１１ａから端部集電部材３へスムーズに電流を流すことができるため、下側発電素子部１１ａと端部集電部材３との電気的接続性を向上させることができる。

また、角部Ｙ３を形成する第１面Ｙ１及び第２面Ｙ２のそれぞれが外表面Ｓに対して角度を有しているため、角部Ｙ３を第１導電性接合材１０２ａに挿入した際に、第１導電性接合材１０２ａ中の気泡を角部Ｙ３周辺から排除することができる。その結果、下側発電素子部１１ａと端部集電部材３との電気的接続性を更に向上させることができる。

１ 燃料電池セル
１１ 発電素子部
1１ａ 下側発電素子部
１１０ 発電素子本体部
１１１ 電気的接続部
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 鉛直部
３２２ 延在部
３２３ 引出し本体部
３２４ 中間部
１００ 燃料電池スタック

Claims (13)

1. マニホールドと、
   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、を有する燃料電池セルと、
   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端部集電部材と、
   を備え、
   前記端部集電部材は、前記下側発電素子部と接合される接合部と、前記接合部から下方に延びる引出し部と、を有し、一つの部材によって構成される、
   燃料電池スタック。
   
2. 前記下側発電素子部は、発電素子本体部と、前記発電素子本体部と電気的に接続された電気的接続部と、を有する、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
   
3. 前記接合部は、前記発電素子本体部に接合される、
   請求項２に記載の燃料電池スタック。
   
4. 前記接合部は、前記電気的接続部に接合される、
   請求項２に記載の燃料電池スタック。
   
5. 前記引出し部の幅は、前記接合部の幅よりも小さい、
   請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
6. 前記引出し部は、下方に延びる鉛直部と、前記鉛直部から側方に延びる延在部と、を有する、
   請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
7. 前記延在部は、前記鉛直部から離れるにつれて、前記マニホールドの上面から離れるように傾斜して延びる、
   請求項６に記載の燃料電池スタック。
   
8. 前記延在部は、前記鉛直部から離れるにつれて、前記マニホールドの上面に近付くように傾斜して延びる、
   請求項６に記載の燃料電池スタック。
   
9. 前記引出し部は、引出し本体部と、前記引出し本体部と前記接合部との間に配置される中間部と、を有し、
   前記引出し本体部の幅は、前記接合部の幅よりも小さく、
   前記中間部の幅は、前記接合部の幅よりも小さく、前記引出し本体部の幅よりも大きい、
   請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
10. 前記中間部の幅は、前記接合部から離れるにつれて小さくなる、
    請求項９に記載の燃料電池スタック。
    
11. 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１０のいずれかに記載の燃料電池スタック。
    
12. 前記接合部及び前記引出し部は、表面に酸化皮膜を有し、
    前記引出し部の酸化皮膜は、前記接合部の酸化皮膜よりも薄い、
    請求項１から１１のいずれかに記載の燃料電池スタック。
    
13. 前記下側発電素子部と前記接合部とを接合する第１接合材をさらに備え、
    前記接合部は、Ｃｒを含む合金によって構成される基材と、前記基材を覆う酸化クロム膜とを有し、
    前記下側発電素子部の外表面に垂直な断面において、前記接合部は、前記外表面に対して角度を有する第１面と、前記外表面に対して角度を有する第２面と、前記第１面と前記第２面とによって形成される角部とを含み、
    前記角部は、前記第１面及び前記第２面それぞれよりも前記外表面に近接している、
    請求項１から１２のいずれかに記載の燃料電池スタック。

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