JP2019016523A - 燃料電池セル及びセルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、クラックを抑制する燃料電池セル及びセルスタック装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池セル（１００）は、一端から他端に向けて延びるとともに、反応ガスが一端側から供給され他端側から排出されるガス流路を有する絶縁性の支持基板（１１０）と、支持基板（１１０）の外表面に配置され、燃料極、電解質、及び空気極を有する発電素子部と、支持基板（１１０）の他端側に配置される金属製の熱伝導部材（１７０）と、を備える。熱伝導部材（１７０）は、支持基板（１１０）の他端側において、ガス流路を挟んで対向する外表面を被覆する被覆部（１７３）と、この被覆部（１７３）と連なるとともに、支持基板（１１０）の他端から突出する突出部（１７４）と、を有する。被覆部（１７３）における一端から他端に向かう距離（Ｄ１）は、突出部（１７４）における一端から他端に向かう距離（Ｄ２）よりも長い。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池セル及びセルスタック装置に関する。

従来、ガス流路を有する支持基板と、この支持基板上に形成された燃料極、電解質、及び空気極とを有する発電素子部とを備える燃料電池セルが知られている。燃料電池セルにおいて、水素含有ガスを燃料極に供給するとともに、酸素含有ガスを空気極に供給することによって発電する。余剰の水素含有ガス及び酸素含有ガスを燃焼させて、熱源として用いられる。このような燃料電池セルとして、例えば、特開２０１２−１４８５０号公報（特許文献１）が挙げられる。

特許文献１に開示の燃料電池セルは、支持基板においてガス流路の排出口が位置する他端部に、金属製の筒状部材の一端部が装着されている。これにより、燃焼域を燃料電池セルの他端部から離すことができるので、燃焼域からの熱の影響を受けにくいことが特許文献１に開示されている。その結果、燃料電池セルの他端部の破壊を防ぐことができ、さらに反応ガスがガス流路に流れ込むことを抑制できるという効果を有することが特許文献１には開示されている。

特開２０１２−１４８５０号公報

上記特許文献１の燃料電池セルは、燃焼位置を遠ざけるために、筒状部材が取り付けられている。上記特許文献１に記載の効果を奏するためには、筒状部材と燃料電池セルとの接合部は、反応ガスが漏れて燃焼が起こることを防止する必要があるので、気密であることが要求される。接合部を気密にするために、接合材を用いると、接合部には残留応力などが発生しやすく、クラックの起点になってしまう。

そこで、本発明者は、上記特許文献１に開示の筒状部材と異なる観点から、余剰の反応ガスの燃焼時に支持基板に発生するクラックを抑制することを課題とした。すなわち、本発明は、クラックを抑制する燃料電池セル及びセルスタック装置を提供することを課題とする。

余剰の反応ガスの燃焼時に支持基板にクラックが発生するという問題は、支持基板の他端部において、ガス流路を流れる第１反応ガスの排出口近傍と、排出口を挟んで対向する外表面近傍との温度差によって、外表面近傍に引張応力が加えられることに起因することを本発明者は見出した。具体的には、支持基板における反応ガス排出口近傍は、燃焼による炎によって温度が最も高い。一方、支持基板の外表面近傍には第２反応ガスが流れるため温度が低い。燃焼時のこの大きな温度差によって、支持基板の外表面近傍に引張応力が加えられて、クラックの起点となることを本発明者は突き止めた。そこで、本発明者は、燃焼時に支持基板に生じる温度差を低減する手段について鋭意検討し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の燃料電池セルは、一端から他端に向けて延びるとともに、反応ガスが一端側から供給されて他端側から排出されるガス流路を有する絶縁性の支持基板と、この支持基板の外表面に配置され、燃料極、電解質、及び空気極を有する発電素子部と、支持基板の他端に配置される金属製の熱伝導部材と、を備え、熱伝導部材は、支持基板の他端において、ガス流路を挟んで対向する外表面を被覆する被覆部と、この被覆部と連なるとともに、支持基板の他端から突出する突出部と、を有し、被覆部における一端から他端に向かう距離は、突出部における一端から他端に向かう距離よりも長い。

本発明の燃料電池セルによれば、被覆部の距離は突出部の距離よりも長いので、支持基板の他端においてガス流路を挟んで対向する外表面近傍に熱伝導部材が配置される。余剰の反応ガスの燃焼時、支持基板の他端においてガス流路を挟んで対向する外表面近傍は、第２反応ガスが流れるため、相対的に温度が低い。この温度が低い領域近傍に、支持基板を構成する材料よりも熱伝導率の高い金属製の熱伝導部材が配置される。このため、燃焼により発生する熱を受けた熱伝導部材が、相対的に温度の低い外表面近傍に、高温の燃焼熱を伝達する。これにより、支持基板の他端の外表面近傍が加熱されるので、排出口近傍と外表面近傍との温度差を低減できる。したがって、支持基板の他端部の外表面近傍に加えられる引張応力を低減できるので、余剰の反応ガスの燃焼時に支持基板に発生するクラックを抑制できる。よって、燃料電池セルのクラックを抑制できる。

本発明の燃料電池セルにおいて好ましくは、支持基板は、幅方向に沿って設けられた複数のガス流路を有する円筒平板型であり、被覆部は、幅方向において両端に位置するガス流路間を挟んで対向する外表面を被覆する。

この構成によれば、円筒平板型の支持基板を備える燃料電池セルにおいて、余剰の反応ガスの燃焼時、支持基板において温度差が大きく、かつ温度が低くなる領域を被覆部が被覆している。このため、支持基板の他端部の外表面近傍に加えられる引張応力を効果的に低減できる。したがって、余剰の反応ガスの燃焼時に、燃料電池セルのクラックを効果的に抑制できる。

本発明の燃料電池セルにおいて好ましくは、支持基板と被覆部とは、少なくとも一部において隙間を介して対向する。

燃焼熱によって、熱伝導部材及び支持基板の少なくとも一方が熱膨張しても、隙間によって熱膨張を許容できる。

本発明の燃料電池セルにおいて好ましくは、熱伝導部材は、非接合状態で配置される。なお、「非接合状態」とは、支持基板と被覆部との間に他の部材（例えば、ガラス、金属ろう、セラミックス等）を介して、物理的に固定されていないことを指す。

上述したように、本発明は、燃焼時に熱伝導部材によって支持基板の他端の排出口近傍と外表面近傍との温度差を低減することで、支持基板に加えられる引張応力を低減することにより、クラックの発生を抑制している。このため、熱伝導部材と支持基板とを気密に接合しなくても、すなわち非接合状態でもクラックを抑制することができる。非接合状態であるために、熱伝導部材、支持基板や接合材との熱膨張差によって接合部周辺に残留応力が加えられて、クラックの起点になることを防止できる。

本発明の燃料電池セルにおいて好ましくは、熱伝導部材は、支持基板の他端に位置する面（他端面）上に載置されるとともに、被覆部及び突出部の少なくとも一方と連なる載置部をさらに有する。

これにより、支持基板の他端に熱伝導部材を配置できる構造を容易に実現できる。

本発明の燃料電池セルにおいて好ましくは、載置部は、支持基板の他端に位置する面（他端面）において相対的に温度の低い領域と当接する。

燃焼熱で加熱された載置部によって、支持基板の他端面において相対的に温度の低い領域を加熱できる。このため、支持基板の他端部において、燃焼の際に生じる温度差をより低減できる。したがって、クラックの発生をより抑制できる。

なお、上記「相対的に温度の低い領域」とは、支持基板のガス流路を流れる第１反応ガスと、支持基板の外表面を流れる第２反応ガスとによって発電する燃料電池において、余剰の第１反応ガスと第２反応ガスとの燃焼時に生じる温度分布に基づく。

本発明のセルスタック装置は、上記燃料電池セルと、この燃料電池セルの一端側のガス流路に反応ガスを供給するマニホールドとを備えている。

本発明のセルスタック装置によれば、燃焼による熱を熱伝導部材で支持基板の他端の外表面近傍に広げることによって、燃焼時のクラックの原因となる温度差を低減している燃料電池セルを備えている。このため、本発明のセルスタック装置は、クラックの発生を抑制することができる。

以上説明したように、本発明は、クラックを抑制する燃料電池セル及びセルスタック装置を提供することができる。

実施の形態のセルスタック装置を概略的に示す斜視図である。 実施の形態の燃料電池セルを概略的に示す斜視図である。 実施の形態の燃料電池セルを概略的に示す斜視図である。 実施の形態の燃料電池セルを概略的に示す拡大断面図である。 実施の形態の燃料電池セルを概略的に示す斜視図である。 実施の形態の燃料電池セルを概略的に示す平面図である。 図５におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。 従来の燃料電池セルの課題を説明する模式図である。 実施の形態の燃料電池セルの作用を説明する模式図である。 図９におけるＸ−Ｘ線に沿った模式図である。 実施の形態の変形例１の燃料電池セルを概略的に示す平面図である。 実施の形態の変形例２の燃料電池セルを概略的に示す斜視図である。 実施の形態の変形例２の燃料電池セルを概略的に示す平面図である。 実施の形態の変形例４の燃料電池セルを概略的に示す斜視図である。 実施の形態の変形例４の燃料電池セルを概略的に示す平面図である。 実施の形態の変形例４の燃料電池セルを概略的に示す正面図である。 実施の形態の変形例３の燃料電池セルを概略的に示す正面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

（実施の形態）
図１〜図７を参照して、本発明の一実施の形態であるセルスタック装置及び燃料電池セルについて説明する。セルスタック装置及び燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に用いられる。なお、図１〜図７におけるｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向のそれぞれは、各燃料電池セル１００及び支持基板１１０の長手方向、短手方向（幅方向）、及び厚さ方向に対応する。

＜セルスタック装置＞
図１に示すように、セルスタック装置１０は、複数の燃料電池セル１００と、マニホールド２０とを備えている。各燃料電池セル１００は、マニホールド２０によって支持されている。

マニホールド２０は、各燃料電池セル１００のガス流路１１１（図２参照）に第１反応ガスを分配する。マニホールド２０は、中空状の箱体であり、内部空間を有する。マニホールド２０の内部空間には、導入管２１を介して第１反応ガスが供給される。

＜燃料電池セル＞
図１に示すように、燃料電池セル１００は、一端（図１における下側）から他端（図１における上側）に向けて延びる。燃料電池セル１００の一端部は、マニホールド２０に固定されている。燃料電池セル１００の他端は、自由端である。燃料電池セル１００は、マニホールド２０によって、片持ち状態で支持され、自立している。

具体的には、複数の燃料電池セル１００の長手方向（ｘ軸方向）は、上方に延びている。また、各燃料電池セル１００は、マニホールド２０の長手方向（ｚ軸方向）に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。各燃料電池セル１００は、集電部材（図示せず）を介して互いに電気的に接続されている。集電部材は、例えば、酸化物セラミックスの焼成体、金属などの導電性を有する材料から形成されている。

図２〜図７に示すように、燃料電池セル１００は、支持基板１１０と、複数の発電素子部１２０と、熱伝導部材１７０と、を備えている。各発電素子部１２０は、支持基板１１０の両面に配置されている。なお、各発電素子部１２０は、支持基板１１０の片面のみに配置されていてもよい。各発電素子部１２０は、燃料電池セル１００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。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池セル１００は、いわゆる横縞型である。各発電素子部１２０は、電気的接続部１６０（図４参照）によって互いに電気的に接続されている。

［支持基板］
図２及び図３に示すように、支持基板１１０は、第１反応ガスが流れるガス流路１１１を有している。ガス流路１１１は、一端から他端に向けて延びる。第１反応ガスは、ガス流路１１１において、一端側から供給され、他端側から排出される。つまり、ガス流路１１１の一端側に、第１反応ガスの流入口が形成され、他端側に、第１反応ガスの排出口が形成されている。ガス流路１１１の排出口は、外部空間に直接接続される。このため、ガス流路を流れる第１反応ガスは、排出口から外部空間に直ちに排出される。

本実施の形態では、支持基板１１０は、燃料電池セル１００の長手方向に延びる複数のガス流路１１１を内部に有している。各ガス流路１１１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１１１は、燃料電池セル１００の長手方向の両端部において開口している。複数のガス流路１１１は、幅方向（ｙ軸方向）に沿って設けられている。各ガス流路１１１は、燃料電池セル１００の幅方向の両端部に形成されていないことが好ましい。

支持基板１１０は、絶縁性である。すなわち、支持基板１１０は、電子伝導性を有していない。支持基板１１０は、例えば、セラミックスで形成される。具体的には、支持基板１１０は、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成されてもよいし、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１１０は、多孔質である。支持基板１１０の気孔率は、例えば、２０〜６０％である。

本実施の形態の支持基板１１０は、長手方向に延びる扁平な円筒平板型である。このため、図５に示すように、支持基板１１０は、第１主面１１２と、この第１主面１１２の反対側の第２主面１１３と、第１主面１１２と第２主面１１３とを接続する一対の側端面１１４とを有している。第１主面１１２、第２主面１１３及び一対の側端面１１４は、支持基板１１０の外表面を構成する。第１主面１１２と第２主面１１３とは、ガス流路１１１を挟んで対向し、互いに平行に延びる。第１主面１１２と第２主面１１３との間隔、すなわち支持基板１１０の厚さは、例えば１〜１０ｍｍである。一対の側端面１１４は、幅方向（ｙ軸方向）の両端である。第１主面１１２及び第２主面１１３は平面であり、一対の側端面１１４は、平面もしくは曲面、もしくは平面と曲面との両方が存在する。

また、支持基板１１０は、一端（図５では下端）に位置する一端面１１５と、他端（図５では上端）に位置する他端面１１６とを有している。一端面１１５及び他端面１１６は、対向している。一端面１１５は、第１主面１１２、第２主面１１３及び一対の側端面１１４の一端と連なる。他端面１１６は、第１主面１１２、第２主面１１３及び一対の側端面１１４の一端と連なる。

図４に示すように、支持基板１１０は、複数の第１凹部１１７を有している。各第１凹部１１７は、支持基板１１０の第１主面１１２及び第２主面１１３に形成されている。各第１凹部１１７は支持基板１１０の長手方向において互いに間隔をあけて形成されている。

［発電素子］
図２及び図３に示すように、支持基板１１０の外表面には、複数の発電素子部１２０が配置されている。複数の発電素子部１２０は、支持基板１１０の１つの主面上において、電気的に直列に接続されている。発電素子部１２０は、支持基板１１０のガス流路１１１を流れる第１反応ガスと、支持基板１１０の外表面を流れる第２反応ガスとによって発電する。

図４に示すように、各発電素子部１２０は、燃料極１３０、電解質１４０、及び空気極１５０を有している。また、各発電素子部１２０は、反応防止膜１２１をさらに有している。本実施の形態では、支持基板１１０の第１主面１１２及び第２主面１１３上に燃料極１３０が配置され、燃料極１３０上に電解質１４０が配置され、電解質１４０上に反応防止膜１２１が配置され、反応防止膜１２１上に空気極１５０が配置されている。このため、第１反応ガスは、燃料極１３０に供給される燃料ガスであり、第２反応ガスは、空気極１５０に供給される酸素を含有するガスである。

燃料極１３０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１３０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１１７内に配置されている。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。

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、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、すなわち第１凹部１１７の深さは、５０〜５００μｍである。なお、酸化ニッケルは、還元性ガスが燃料極１３０に供給されることで金属ニッケルに変化する。

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）とから構成されてもよいし、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。なお、酸化ニッケルは、還元性ガスが燃料極１３０に供給されることで金属ニッケルに変化する。

電解質１４０は、燃料極１３０上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４０は、あるインターコネクタ１６１から他のインターコネクタ１６１まで燃料電池セル１００の長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル１００の長手方向において、電解質１４０とインターコネクタ１６１とが交互に配置されている。

電解質１４０は、イオン伝導性を有し、か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１４０は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成されてもよいし、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質１４０の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。

反応防止膜１２１は、緻密な材料から構成される焼成体であり、平面視（ｚ軸方向視）において、燃料極活性部１３２と略同一の形状であり、燃料極活性部１３２と略同じ位置に配置されている。反応防止膜１２１は、電解質１４０内のＹＳＺと空気極１５０内のＳｒとが反応して電解質１４０と空気極１５０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１２１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成される。反応防止膜１２１の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。

空気極１５０は、反応防止膜１２１上に配置されている。空気極１５０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１５０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）から構成されてもよいし、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）、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。また、空気極１５０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１５０の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部１６０は、隣り合う発電素子部１２０を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部１６０は、インターコネクタ１６１及び空気極集電膜１６２を有する。インターコネクタ１６１は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。インターコネクタ１６１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１６１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成されてもよいし、（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１６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜１６２は、隣り合う発電素子部１２０のインターコネクタ１６１と空気極１５０との間を延びるように配置される。空気極集電膜１６２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。空気極集電膜１６２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）から構成されてもよいし、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し、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜１６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍである。

［熱伝導部材］
図２、図３、図５〜図７に示すように、熱伝導部材１７０は、支持基板１１０の他端に配置されている。具体的には、熱伝導部材１７０は、マニホールド２０に支持されて自立する支持基板１１０の上端部の第１主面１１２及び第２主面１１３を覆うように嵌合している。熱伝導部材１７０は、支持基板１１０の上端部のみに配置され、支持基板１１０の下端部には配置されない。

熱伝導部材１７０は、金属製である。熱伝導部材１７０を構成する金属の熱伝導率は、支持基板１１０を構成する材料の熱伝導率よりも高い。熱伝導部材１７０は、例えば、耐熱性のＦｅ基合金（ステンレス鋼）、Ｆｅ−Ｎｉ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金等で構成される。燃焼により高温に長時間曝されることから、熱伝導部材１７０を構成する材料は、酸化被膜として酸化クロムを主成分とする膜や酸化アルミニウムを主成分とする膜を形成する金属材料が好ましく、さらに好ましくは高い耐酸化性を有する酸化アルミニウムを主成分とする膜を形成する金属材料が好ましい。なお、主成分とは、全体の５０質量％以上であることを意味する。また、支持基板１１０と熱伝導部材１７０とが当接する部分において、支持基板１１０中の元素と熱伝導部材１７０中の元素とが相互に反応することがある。反応によって支持基板１１０と熱伝導部材１７０とが意図せずに物理的に接合した状態になることがある。酸化クロムを主成分とする膜は、酸化クロムと支持基板１１０中の元素が反応しやすいが、酸化アルミニウムを主成分とする膜を形成する金属材料を用いた場合、酸化アルミニウムと支持基板１１０中の元素は反応性が乏しいため、支持基板１１０と熱伝導部材１７０間の相互反応が起こらず、意図せずに物理的に接合した状態になることを防止できる。そのため、熱伝導部材１７０を構成する材料は、酸化アルミニウムを主成分とする膜を形成する金属材料が最も好ましい。

図５及び図６に示すように、熱伝導部材１７０は、載置部１７１と、この載置部１７１と連なる熱伝導部１７２とを有する。熱伝導部１７２は、後述する被覆部１７３と、突出部１７４とを含む。載置部１７１と熱伝導部１７２とは、一体成形されてもよく、別部材が連結されることで形成されてもよい。図５及び図６においては、熱伝導部１７２の上端は、載置部１７１の下方に位置するが、この限りではない。

載置部１７１は、支持基板１１０の他端に位置する面（他端面１１６）において相対的に温度の低い領域上に載置される。ガス流路１１１の排出口は、その直上で燃焼する燃焼領域であるので、相対的に温度が高い。このため、本実施の形態の載置部１７１は、ガス流路１１１が形成されていない領域、すなわち非燃焼領域上に配置される。具体的には、載置部１７１は、支持基板１１０の他端面１１６において、幅方向（ｙ軸方向）の両端部上に載置されている。すなわち、載置部１７１は、支持基板１１０の他端面１１６上において、一対の側端面１１４から内側に延びるように構成されている。

自立した支持基板１１０上に載置部１７１を載置することで、熱伝導部材１７０が係止される。このため、熱伝導部材１７０は、非接合状態で配置される。つまり、熱伝導部材１７０は、載置部１７１によって、接合材などの他の部材を用いずに、取り付けられている。

載置部１７１は、支持基板１１０の他端面１１６において相対的に温度の低い領域と当接することが好ましい。なお、載置部１７１と支持基板１１０との間に、支持基板１１０を構成する材料よりも熱伝導率の高い材料で構成された部材がさらに配置されてもよい。

熱伝導部１７２は、支持基板１１０の他端側において、ガス流路１１１を挟んで対向する外表面に、燃焼により発生する高温の燃焼熱を伝達する。なお、「外表面」とは、一端から他端に向かう方向に延びる面である。また、「ガス流路１１１を挟んで対向する外表面」とは、ガス流路１１１を挟んで最も近い両側の外表面を意味する。例えば図５に示すように燃料電池セル１００の幅方向（ｙ軸方向）に沿って複数の長手方向に延びるガス流路１１１が設けられている場合には、「ガス流路１１１を挟んで対向する外表面」は、幅方向に延びる他端を有する第１主面１１２及び第２主面１１３である。

熱伝導部１７２は、支持基板１１０の他端側において、ガス流路１１１を挟んで対向するとともに、支持基板１１０の他端面１１６から突出する。換言すると、熱伝導部材１７０は、支持基板１１０の他端において、ガス流路１１１を挟んで対向する外表面を被覆する被覆部１７３と、支持基板１１０の他端から突出する突出部１７４とを有している。図５〜図７に示すように、平面視において、被覆部１７３は、支持基板１１０の第１主面１１２及び第２主面１１３と重なっている部分であり、突出部１７４は、支持基板１１０の他端面１１６から上方に突出している部分である。

被覆部１７３は、支持基板１１０においてガス流路１１１を挟んで対向する外表面の他端を覆っている。具体的には、被覆部１７３は、支持基板１１０においてガス流路１１１の排出口を挟んで対向する外表面の他端を含む他端部を覆っている。

被覆部１７３は、支持基板１１０においてガス流路１１１を挟んで対向する外表面の他端の一部を覆っていてもよいが、幅方向において両端に位置するガス流路１１１間を挟んで対向する外表面を被覆することが好ましい。本実施の形態では、ガス流路１１１を挟んで対向する外表面の他端の全部を覆っている。つまり、被覆部１７３は、第１主面１１２及び第２主面１１３の上端全体を覆っている。また、被覆部１７３は、支持基板１１０の外表面の他端の全周を覆っている。つまり、被覆部１７３は、支持基板１１０の他端面１１６の外郭全体を覆っている。具体的には、被覆部１７３は、第１主面１１２、第２主面１１３及び一対の側端面１１４の上端を含む上端部全体を覆っている。

突出部１７４は、被覆部１７３に連なる。突出部１７４と被覆部１７３とは、一体成形されている。突出部１７４は、被覆部１７３の上端全体から上方に延びている。被覆部１７３と突出部１７４とで構成される熱伝導部１７２は、筒状である。このため、本実施の形態の熱伝導部材１７０は、筒状の熱伝導部１７２と、この熱伝導部１７２の両端部上に連なる載置部１７１とを有する。熱伝導部１７２から支持基板１１０は突出しない。

図６及び図７に示すように、被覆部１７３における一端から他端に向かう距離（ｘ軸方向の距離）Ｄ１は、突出部１７４における一端から他端に向かう距離（ｘ軸方向の距離）Ｄ２よりも長い。本実施の形態では、熱伝導部１７２において、被覆部１７３の長手方向の距離Ｄ１は、突出部１７４の長手方向の距離Ｄ２よりも長い。距離Ｄ１は、例えば３ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、距離Ｄ２は、例えば０．２ｍｍ以上５ｍｍ未満である。距離Ｄ２に対する距離Ｄ１の比（距離Ｄ１／距離Ｄ２）は、例えば１．０５以上２５０以下である。このように、熱伝導部１７２において突出部１７４が占める割合が少ないので、熱伝導部材１７０は、燃焼により発生する炎を他端面１１６から遠ざけることを主目的としていない。

ここで、上記距離Ｄ１とは、被覆部１７３において、一端から他端に向かう最大の距離を意味する。上記距離Ｄ２とは、突出部１７４において、一端から他端に向かう最大の距離を意味する。

また、熱伝導部１７２において、支持基板１１０を被覆する被覆部１７３の面積は、支持基板１１０の他端から突出する突出部１７４の面積よりも大きい。被覆部１７３及び突出部１７４の面積とは、平面視において区画される領域の表面積である。

図７に示すように、熱伝導部１７２（被覆部１７３）は、支持基板１１０と隙間Ｈを介して対向している。つまり、被覆部１７３の少なくとも一部は、支持基板１１０の外表面と接触していない。被覆部１７３の対向する一部は、支持基板１１０と当接するとともに、被覆部１７３の残部が支持基板１１０と隙間Ｈを介して対向することが好ましい。この場合、被覆部１７３の当接する部分は、支持基板１１０と隙間を介さずに対向する。そのため、被覆部１７３が支持基板１１０を挟持できるので、セルスタック装置１０を容易に運搬できる。なお、「当接する」とは、被覆部１７３が支持基板１１０に接していることを意味する。本実施の形態では、被覆部１７３は、複数箇所で支持基板１１０に点接触している。

支持基板１１０と熱伝導部１７２との隙間Ｈは、好ましくは５００μｍ以下であり、より好ましくは２５０μｍ以下であり、より一層好ましくは１００μｍである。この隙間Ｈの好ましい範囲は、隙間が一定でない場合（一部が当接する場合を含む）には、最大の隙間を意味する。

なお、熱伝導部材１７０は、熱伝導率が高い金属製であるので、隙間を介していても、輻射熱によって受けた燃焼熱を支持基板１１０の外表面に伝達することができる。また、火炎の熱も輻射によって金属製の熱伝導部材１７０に直接伝わるため、支持基板１１０に当接していなくても、熱伝導の効果は十分に発現することができる。

ここで、本実施の形態の熱伝導部材１７０は、支持基板１１０の１つの主面上に複数の発電素子部１２０が配置された横縞型の燃料電池セルに適用した場合を例に挙げて説明したが、本発明の熱伝導部材は、支持基板の１つの主面上に１つの発電素子が配置される縦縞型の燃料電池に適用してもよい。ただし、ＭｇＯ等のセラミックスが支持基板に採用される横縞型の燃料電池セルは、支持基板の熱伝導率が小さいので、熱伝導部材１７０の適用効果は、横縞型の燃料電池セルにて極めて大きく現れる。

また、本実施の形態の熱伝導部材１７０は、円筒平板型の支持基板１１０に取り付けられる場合を例に挙げて説明したが、本発明の熱伝導部材は、円筒型の支持基板に取り付けられてもよい。また、本実施の形態の熱伝導部材１７０は、長手方向に延びるガス流路１１１を有する支持基板１１０に取り付けられた場合を例に挙げて説明したが、本発明の熱伝導部材は、短手方向に延びるガス流路を有する支持基板に取り付けられてもよい。つまり、一端から他端に向かう方向は、長手方向でもよく、短手方向でもよい。

また、本実施の形態では、熱伝導部材１７０は支持基板１１０の一部と離隔している構造を例に挙げて説明したが、本発明は、熱伝導部材１７０が支持基板１１０と隙間を介さずに嵌り合う構造であってもよい。

また、本実施の形態では、載置部１７１は、支持基板１１０の他端面１１６における幅方向両端部上に載置される構造を例に挙げて説明したが、本発明の載置部は、支持基板１１０の他端面１１６の外周全体上に載置される構造であってもよい。

＜セルスタック装置の動作＞
本実施の形態のセルスタック装置１０の動作について、図１〜図７を参照して説明する。セルスタック装置１０は、例えば以下のように動作する。

セルスタック装置１０では、第１反応ガスとしての燃料ガス（水素ガス等）を、導入管２１からマニホールド２０内に供給する。そして、この燃料ガスを、各燃料電池セル１００のガス流路１１１に供給する。一方、第２反応ガスとしての酸素含有ガス（空気等）を、各燃料電池セル１００の外側に供給する。

このように燃料ガス及び酸素含有ガスを移動させることによって、各発電素子部１２０では、酸素分圧差すなわち電位差が、電解質１４０の表裏面間に生じる。この状態で、燃料電池セル１００を外部の負荷に電気的に接続すると、空気極１５０において下記の式１に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３０において下記の式２に示す電気化学反応が起こる。
（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− ・・・（式１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（式２）
これにより、燃料電池セル１００内にて電流が流れ、発電状態となる。この発電状態において、燃料電池セル１００から電力が取り出される。

さらに、支持基板１１０のガス流路１１１を流れる燃料ガスのうち発電に使用されなかった余剰燃料ガスは、ガス流路１１１の他端側に位置する排出口から外部に排出される。そして、排出口から排出される余剰燃料ガスと、酸素含有ガスとを混合して、燃焼する。

＜効果＞
本実施の形態における燃料電池セル及びセルスタック装置の効果について、図８〜図１０を参照して説明する。なお、図８は、図５の支持基板１１０の２つのガス流路１１１を上方から見たときの模式図である。図９は、図５の支持基板１１０の２つのガス流路１１１と、そのガス流路１１１を挟んで対向する外表面を覆う被覆部１７３を有する熱伝導部材１７０とを上方から見たときの模式図である。図１０は、燃焼時、ガス流路１１１を挟んで対向する熱伝導部１７２と、支持基板１１０とを示す模式図である。

まず、図８を参照して、支持基板１１０にクラックが発生するメカニズムについて説明する。上述したように、燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼すると、燃焼による炎によって、支持基板１１０の他端に位置する燃料ガスの排出口近傍Ｒ１は、１０００〜１２００℃の高温になる。一方、支持基板１１０の外表面は、この高温の排出口から離れ、かつ、酸素含有ガスが流れるので、他端に位置する外表面近傍Ｒ２は、７００〜９００℃の低温になる。相対的に温度の高い排出口近傍Ｒ１と、相対的に温度の低い外表面近傍Ｒ２との距離Ｌは、０．５〜１ｍｍである。このため、支持基板１１０の他端側には、短い距離Ｌにおいて数百度の温度差がある大きな温度分布が生じてしまう。この温度分布によって、外表面近傍Ｒ２には、図８の矢印に示すように、燃料電池セル１００の幅方向（ｙ軸方向）に引張応力が加えられる。

そこで、本発明者は、上記特許文献１の筒状部材のように燃焼位置を遠ざけるのではなく、燃焼により支持基板１１０に生じる不均一な温度分布を低減するために鋭意検討し、図２、図３、図５〜図７に示すように、ヒートスプレッダとしての熱伝導部１７２を有する熱伝導部材１７０という着想を得た。すなわち、本実施の形態の燃料電池セル１００及びセルスタック装置１０は、支持基板１１０の他端側において、ガス流路１１１を挟んで対向する外表面を被覆する被覆部１７３と、この被覆部１７３と連なるとともに、支持基板１１０の他端から突出する突出部１７４とを有する熱伝導部材１７０を備え、被覆部１７３における一端から他端に向かう距離Ｄ１は、突出部１７４における一端から他端に向かう距離Ｄ２よりも長い。

続いて、図９及び図１０を参照して、本実施の形態の熱伝導部材１７０の作用について説明する。熱伝導部材１７０は熱伝導率の高い金属で構成されている。燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼は、支持基板１１０のガス流路１１１直上で起こる。この燃焼による炎によって、熱伝導部材１７０が加熱される。被覆部１７３の距離Ｄ１は突出部１７４の距離Ｄ２よりも長いので、熱伝導部材１７０の熱伝導部１７２において支持基板１１０を覆う領域が多い。また、熱伝導部１７２は、ガス流路１１１を挟んで対向する、相対的に温度の低い外表面近傍Ｒ２に配置される。このため、燃焼により発生する熱を受けた熱伝導部材１７０が、相対的に温度の低い外表面近傍Ｒ２に、高温の燃焼熱を伝達できる。特に、被覆部１７３は、高温の燃焼熱を、被覆している温度の低い外表面近傍Ｒ２に伝達できる。これにより、他端の外表面近傍Ｒ２が加熱されて、温度が上昇するので、排出口近傍Ｒ１と外表面近傍Ｒ２との温度差を低減できる。したがって、支持基板１１０の温度分布が小さくなるので、他端部の外表面近傍Ｒ２に加えられる引張応力を低減できる。よって、燃料電池セル１００のクラックの発生を抑制できる。

このように、熱伝導部材１７０の被覆部１７３及び突出部１７４が、支持基板１１０の外表面近傍Ｒ２に燃焼熱を伝達することによって引張応力を低減するという作用を奏するために、熱伝導部１７２において支持基板１１０から突出する距離Ｄ２を上記特許文献１のように大きくする必要がない。さらに、外表面近傍Ｒ２に燃焼熱を効率的に伝達するために、上記特許文献１と異なり、本実施の形態の熱伝導部材１７０において突出部１７４の距離Ｄ２は被覆部１７３の距離Ｄ１よりも短い。このように、本実施の形態の熱伝導部材１７０は、熱伝導部材の高い熱伝導を利用して、支持基板１１０においてガス流路１１１を挟んで対向する外表面近傍Ｒ２に燃焼熱を伝える部材であって、上記特許文献１に開示の筒状部材などの燃焼位置を遠ざけることを主目的とした部材ではない。つまり、本実施の形態の燃料電池セル１００及びセルスタック装置１０は、燃焼位置を遠ざけることを主目的とした部材を用いずに、クラックの発生を抑制することができる。

また、熱伝導部材１７０の熱伝導部１７２をヒートスプレッダとして作用させることによって、燃焼による熱を支持基板１１０の他端側の外表面に広げることで、支持基板１１０のクラックの原因となる温度分布を小さくしている。このため、熱伝導部材１７０と支持基板１１０との間に気密性が要求されない。したがって、本実施の形態では、熱伝導部材１７０を支持基板１１０に載置するだけであり、接合材を用いずに熱伝導部材１７０を支持基板１１０に取り付けている。さらに、本実施の形態では、支持基板１１０の他端部の強度を向上するための手段（例えば緻密な強化層の形成）が不要である。よって、本実施の形態の燃料電池セル１００及びセルスタック装置１０は、簡便な方法でクラックを効果的に防止できるので、工業的に有利である。

さらには、本実施の形態の熱伝導部材１７０は、支持基板１１０の他端面１１６において相対的に温度の低い領域上に載置される載置部１７１を有している。これにより、燃焼熱を受けた熱伝導部１７２から載置部１７１に燃焼熱が伝えられ、載置部１７１から載置部１７１下の他端面１１６における相対的に温度の低い領域に燃焼熱を伝えることができる。このため、支持基板１１０の他端面１１６において相対的に温度の低い領域を加熱できるので、支持基板１１０の他端面１１６における温度分布をさらに低減できる。

（変形例１）
図１１に示す本実施の形態の変形例１における燃料電池セルは、基本的には図６に示す実施の形態における燃料電池セルと同様の構成を備えているが、熱伝導部１７２の上端の位置において異なる。

詳細には、図６に示す本実施の形態の燃料電池セルの載置部１７１の上端は、熱伝導部１７２（突出部１７４）の上端よりも上方に位置している。一方、図１１に示す変形例１における燃料電池セルの載置部１７１の上端は、熱伝導部１７２の上端と同じ位置である。

なお、載置部１７１の上端は、熱伝導部１７２（突出部１７４）の上端よりも下方に位置してもよい。

（変形例２）
図１２及び図１３に示す本実施の形態の変形例２における燃料電池セルは、基本的には図５及び図６に示す実施の形態における燃料電池セルと同様の構成を備えているが、変形例２の熱伝導部材１７０は載置部を有していない点において異なる。

詳細には、変形例２の支持基板１１０は、他端近傍に設けられた突起部１１９をさらに有している。突起部１１９は、図１２及び図１３に示すように、一対の側端面１１４から幅方向（ｙ軸方向）に突出するように設けられている。熱伝導部材１７０は、筒状である。この熱伝導部材１７０の下端は、突起部１１９上に載置されている。

なお、突起部１１９は、支持基板１１０の側端面１１４以外に設けられてもよく、全周に渡って設けられてもよい。また、熱伝導部材１７０が載置部を有していない構造として、支持基板１１０及び熱伝導部１７２の少なくとも一方がテーパ形状であってもよい。このように、支持基板１１０の他端面１１６に載置される載置部１７１が省略された熱伝導部材１７０を用いても、熱伝導部材１７０は非接合状態で配置され得る。

（変形例３）
図１４〜図１６に示す本実施の形態の変形例３における燃料電池セルは、基本的には、図５及び図６に示す実施の形態における燃料電池セルと同様の構成を備えているが、変形例３の被覆部１７３は支持基板１１０の外表面の他端の全周を覆っていない点において異なる。

詳細には、図１４〜図１６に示すように、被覆部１７３は、幅方向において両端に位置するガス流路１１１ａ、１１１ｂ間を挟んで対向する外表面を被覆する。具体的には、被覆部１７３は、図１６に示す左端に位置するガス流路１１１ａから右端に位置するガス流路１１１ｂまで幅方向に延びる領域を挟んで対向する外表面を被覆し、残部の外表面を被覆していない。つまり、被覆部１７３は、支持基板１１０における外表面のうち幅方向両端部と、一対の側端面１１４とを被覆していない。

円筒平板型の支持基板１１０を備える燃料電池セルにおいて、余剰の反応ガスの燃焼時、支持基板１１０において温度差が非常に大きくなるのは、図９に示す排出口近傍Ｒ１と、排出口を挟んで対向する外表面近傍Ｒ２とである。その温度差が大きい部分において、温度が低くなる外表面近傍Ｒ２を被覆部１７３が被覆している。このため、燃焼による熱を支持基板１１０の温度の低い外表面近傍Ｒ２に広げることができるので、支持基板１１０のクラックの原因となる温度分布が小さくなる。したがって、変形例３の被覆部１７３のように、ガス流路１１１が形成されている領域を挟んで対向する外表面のみを被覆しても、支持基板１１０の他端部の外表面近傍Ｒ２に加えられる引張応力を効果的に低減できる。したがって、変形例３の燃料電池セル及びセルスタック装置は、余剰の反応ガスの燃焼時に、燃料電池セルのクラックを効果的に抑制できる。

なお、変形例３の熱伝導部材１７０の被覆部１７３は、支持基板１１０を挟持するように構成されていることが好ましい。さらに、被覆部１７３の一部は、支持基板１１０と当接して支持基板１１０を挟持するとともに、被覆部１７３の残部は、支持基板１１０と隙間を介して対向していることが好ましい。

（変形例４）
図１７に示す本実施の形態の変形例４における燃料電池セルは、基本的には図１６に示す変形例３における燃料電池セルと同様の構成を備えているが、変形例４の載置部１７５が支持基板１１０の他端面１１６において相対的に温度の高い領域と当接する点において異なる。

詳細には、変形例４の載置部１７５は、ガス流路１１１を挟んで対向する熱伝導部１７２を連結する。各載置部１７５は、厚さ方向（ｚ軸方向）に延びる。図１７に示す載置部１７５は、各ガス流路１１１間を横断するように複数設けられているが、単数であってもよく、所定のガス流路１１１間のみを横断するように複数設けられていてもよい。この場合であっても、熱伝導部材１７０を支持基板１１０に載置するだけでクラックの抑制が可能になるので、工業的に有利である。

以上のように本発明の実施の形態及び変形例について説明を行なったが、実施の形態及び変形例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態及び変形例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態及び変形例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ ：セルスタック装置
２０ ：マニホールド
２１ ：導入管
１００ ：燃料電池セル
１１０ ：支持基板
１１１ ：ガス流路
１１１ａ ：ガス流路
１１１ｂ ：ガス流路
１１２ ：第１主面
１１３ ：第２主面
１１４ ：側端面
１１５ ：一端面
１１６ ：他端面
１１７ ：第１凹部
１１９ ：突起部
１２０ ：発電素子部
１２１ ：反応防止膜
１３０ ：燃料極
１３１ ：燃料極集電部
１３１ａ ：第２凹部
１３１ｂ ：第３凹部
１３２ ：燃料極活性部
１４０ ：電解質
１５０ ：空気極
１６０ ：電気的接続部
１６１ ：インターコネクタ
１６２ ：空気極集電膜
１７０ ：熱伝導部材
１７１ ：載置部
１７２ ：熱伝導部
１７３ ：被覆部
１７４ ：突出部
１７５ ：載置部
Ｄ１ ：距離
Ｄ２ ：距離
Ｈ ：隙間
Ｌ ：距離
Ｒ１ ：排出口近傍
Ｒ２ ：外表面近傍

また、支持基板１１０は、一端（図５では下端）に位置する一端面１１５と、他端（図５では上端）に位置する他端面１１６とを有している。一端面１１５及び他端面１１６は、対向している。一端面１１５は、第１主面１１２、第２主面１１３及び一対の側端面１１４の一端と連なる。他端面１１６は、第１主面１１２、第２主面１１３及び一対の側端面１１４の他端と連なる。

Claims (7)

1. 一端から他端に向けて延びるとともに、反応ガスが前記一端側から供給されて前記他端側から排出されるガス流路を有する絶縁性の支持基板と、
   前記支持基板の外表面に配置され、燃料極、電解質、及び空気極を有する発電素子部と、
   前記支持基板の前記他端に配置される金属製の熱伝導部材と、
   を備え、
   前記熱伝導部材は、
   前記支持基板の前記他端において、前記ガス流路を挟んで対向する外表面を被覆する被覆部と、
   前記被覆部と連なるとともに、前記支持基板の前記他端から突出する突出部と、
   を有し、
   前記被覆部における前記一端から前記他端に向かう距離は、前記突出部における前記一端から前記他端に向かう距離よりも長い、燃料電池セル。
2. 前記支持基板は、幅方向に沿って設けられた複数の前記ガス流路を有する円筒平板型であり、
   前記被覆部は、幅方向において両端に位置する前記ガス流路間を挟んで対向する外表面を被覆する、請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記支持基板と前記被覆部とは、少なくとも一部において隙間を介して対向する、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
4. 前記熱伝導部材は、非接合状態で配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
5. 前記熱伝導部材は、前記支持基板の前記他端に位置する面上に載置されるとともに、前記被覆部及び前記突出部の少なくとも一方と連なる載置部をさらに有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
6. 前記載置部は、前記支持基板の前記他端に位置する面において相対的に温度の低い領域と当接する、請求項５に記載の燃料電池セル。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの前記一端側の前記ガス流路に前記反応ガスを供給するマニホールドと、
   を備える、セルスタック装置。

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