JP2019192364A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】断熱性能と通電性能を両立することができる燃料電池スタックを提供することである。【解決手段】燃料電池スタック１０は、上部エンドプレート２２、絶縁層５２、集電断熱部４０および複数の発電セルが積層されてなる。集電断熱部は、空孔が形成された導電性材料からなる空孔層４１と、空孔層の少なくとも発電セル側に固着した導電性材料からなる薄板４２と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックは、発電セルを複数積層し、その積層方向の端部にエンドプレートおよび集電板を配置して構成されている。燃料電池スタックの積層方向の端部では、エンドプレートや集電板等の構成部材に熱が奪われるため、起動時等に端部付近の発電セルを所望の温度まで昇温することができずに発電性能が低下する可能性がある。

例えば、下記特許文献１には、端部付近の放熱を抑制するために集電板と発電セルとの間に断熱部材を設けた燃料電池スタックが開示されている。

特許第５６０８７１３号公報

しかしながら、上記特許文献１の燃料電池スタックでは、断熱部材が配置されることによって発電セルと集電板との間の接触抵抗が高くなり導電性能が低下してしまう。

そこで、本発明の目的は、断熱性能と通電性能を両立することができる燃料電池スタックを提供することである。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池スタックは、エンドプレート、絶縁層、集電断熱部および複数の発電セルを積層してなる。前記集電断熱部は、空孔が形成された導電性材料からなる空孔層と、前記空孔層の少なくとも前記発電セル側に固着した導電性材料からなる薄板と、を有する。

本発明に係る燃料電池スタックによれば、集電断熱部は、空孔層を有することによって、積層方向の伝熱面積および熱容量が小さくなるため、断熱性能を向上できる。また、空孔層および薄板は、導電性材料からなり、互いに固着されているため、導電性能を確保することができる。これにより、燃料電池スタックは、断熱性能と通電性能を両立することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図である。 図１に示す燃料電池スタックの分解斜視図である。 図１の３−３線に沿う燃料電池スタックの部分断面図である。 反応ガスの流れを説明するための図であり、セルユニットをカソード側から見た平面図であるである。 図２に示す集電断熱部の構成を説明するための斜視図である。 図２に示す集電断熱部の部分斜視図である。 集電断熱部の空孔層および薄板を示す平面図である。 図６の一点鎖線で囲んだ部分８Ａを拡大して示す空孔層の斜視図である。 図７に示す反応領域に配置された空孔層を示す平面図である。 空孔層の空孔率と、積層方向の伝熱量および面方向の通電抵抗との関係を示すグラフである。 空孔層の高さと、積層方向の伝熱量および面方向の通電抵抗との関係を示すグラフである。 図１に示すセルユニットの分解斜視図である。 図１０に示すメタルサポートセルアッセンブリーの分解斜視図である。 変形例１に係る集電断熱部を示す平面図である。 変形例２に係る集電断熱部を示す平面図である。 変形例３に係る集電断熱部の構成を説明するための斜視図である。 図１４の１５−１５線に沿う集電断熱部の部分断面図である。 図１４に示す第１空孔層の平面図である。 図１４に示す第２空孔層の平面図である。 変形例４に係る空孔層の平面図である。 変形例５に係る燃料電池スタックの部分断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１〜図１１を参照して、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０について説明する。本実施形態の燃料電池スタック１０は、電解質として例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に用いられる。

以下の説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を図中に示す。Ｘ軸およびＹ軸は水平方向、Ｚ軸は上下方向にそれぞれ平行な軸を示す。

図１は、実施形態に係る燃料電池スタック１０を示す斜視図である。図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数のセルユニット１００が上下方向Ｚに積層された積層体１１と、積層体１１を上下方向から挟み込むように積層された下部エンドプレート２１および上部エンドプレート２２と、を有する。

以下、図中にＺ軸で示す燃料電池スタック１０の上下方向を「積層方向」とも称する。Ｘ軸およびＹ軸で示す水平方向をセルユニット１００の面に沿う「面方向」とも称する。面方向は、積層方向に直交する方向に相当する。また、セルユニット１００は、積層方向Ｚからの平面視において略長方形状を有する。Ｙ軸は、平面視におけるセルユニット１００の長手方向に平行な軸を示し、Ｘ軸は、平面視におけるセルユニット１００の短手方向に平行な軸を示す。

図２は、図１に示す燃料電池スタック１０の分解斜視図である。図３は、図１の３−３線に沿う燃料電池スタック１０の部分断面図である。図２に示すように、セルユニット１００の積層体１１の積層方向Ｚの下端と下部エンドプレート２１との間には、集電板３０および絶縁層５１が配置されている。図２および図３に示すように、セルユニット１００の積層体１１の積層方向Ｚの上端と上部エンドプレート２２との間には、集電断熱部４０および絶縁層５２が配置されている。

セルユニット１００の積層体１１、下部エンドプレート２１、上部エンドプレート２２、集電板３０、集電断熱部４０および絶縁層５１、５２は、エアシェルター（図示せず）の内部に収容される。エアシェルターは、カソードガスＣＧが外部に漏れないように封止する機能を有する。これにより、燃料電池スタック１０は、セルユニット１００の外側とエアシェルターとの間をカソードガスＣＧが流通するオープンカソード構造として構成されている。

図４は、反応ガスの流れを説明するため図であり、セルユニット１００をカソード側から見た平面図である。図４に示すように、燃料電池スタック１０は、アノードガス（燃料ガス）ＡＧを流通させるアノードガス流入口１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよびアノードガス流出口１０ｄ、１０ｅと、カソードガス（酸化剤ガス）ＣＧを流通させるカソードガス流入口１０ｆ、１０ｇおよびカソードガス流出口１０ｈ、１０ｉ、１０ｊと、を有している。以下、アノードガス流入口１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよびアノードガス流出口１０ｄ、１０ｅをマニホールド部１０ａ〜１０ｅと称する。

図４中に破線矢印で示すように、アノードガスＡＧは、アノードガス流入口１０ａ、１０ｂ、１０ｃから流入し、セルユニット１００のアクティブエリア１２を通ってアノードガス流出口１０ｄ、１０ｅに向かって流れる。図４中に実線矢印で示すように、カソードガスＣＧは、カソードガス流入口１０ｆ、１０ｇから流入し、セルユニット１００のアクティブエリア１２を通ってカソードガス流出口１０ｈ、１０ｉ、１０ｊに向かって流れる。ここで、アクティブエリア１２とは、セルユニット１００のうち発電に寄与する領域である。

燃料電池スタック１０の起動時において、カソードガスＣＧは、加熱された高温の状態で燃料電池スタック１０に供給される。これにより、カソードガスＣＧは、セルユニット１００のアクティブエリア１２を起動に必要な温度まで昇温させることができる。

図４に示すように、マニホールド部１０ａ〜１０ｅの周囲にはガスの流れを制限する複数のマニホールド用シール部１３が配置されている。マニホールド用シール部１３は、耐熱性およびシール性を有する材料から形成される。このような材料としては、例えば、バーミキュライト（蛭石）を主原料とするサーミキュライト（登録商標）などが挙げられる。

（下部エンドプレート２１、上部エンドプレート２２）
図２に示すように、下部エンドプレート２１および上部エンドプレート２２は、セルユニット１００の積層体１１を上下から保持する。

下部エンドプレート２１には、マニホールド部１０ａ〜１０ｅを構成するアノード用開口部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅが形成されている。また、下部エンドプレート２１には、カソードガス流入口１０ｆ、１０ｇおよびカソードガス流出口１０ｈ、１０ｉ、１０ｊを構成するカソード用開口部２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、２１ｉ、２１ｊがさらに形成されている。

（集電板３０）
集電板３０は、導電性材料で構成されて集電機能を有する。集電板３０、電力を取り出す端子（図示せず）を介して外部機器と接続されて電力の入出力を行う。図２に示すように、集電板３０は、セルユニット１００と同様の外形形状を有し、マニホールド部１０ａ〜１０ｅを構成するアノード用開口部が形成されている。

（集電断熱部４０）
図５〜図７を参照して、集電断熱部４０について説明する。図５は、図２に示す集電断熱部４０の構成を説明するための斜視図である。図６は、図２に示す集電断熱部４０の部分斜視図である。図７は、集電断熱部４０の空孔層４１および薄板４２を示す平面図である。

図５および図６に示すように、集電断熱部４０は、空孔４１ｈが形成された導電性材料からなる空孔層４１と、空孔層４１に固着した導電性材料からなる２枚の薄板４２、４３と、電流を取り出す電流取出し部４４（図３を参照）と、を有している。図５および図６に示すように、集電断熱部４０は、空孔層４１を２枚の薄板４２、４３によって積層方向Ｚの両側から挟持したサンドイッチ構造を有している。集電断熱部４０は、サンドイッチ構造によって高い剛性を有する。

集電断熱部４０は、空孔層４１を有するため、積層方向Ｚの伝熱面積および熱容量が小さくなるため、断熱性能を向上できる。また、空孔層４１および薄板４２、４３は、導電性材料からなり、互いに固着されているため、導電性能を確保することができる。その結果、集電断熱部４０は、集電機能と断熱機能の両方を兼ね備えることができる。なお、空孔層４１の断熱性能および通電性能の制御については後述において詳細に説明する。

図６に示すように、空孔層４１は、複数の開口部４１ａを備えるハニカム構造を有している。開口部４１ａには、積層方向Ｚに貫通した空孔４１ｈが形成されている。空孔層４１は、ハニカム構造によって積層方向Ｚの剛性が高く構成されている。

図７に示すように、本実施形態の空孔層４１は、薄板４２の一部に配置されている。本実施形態では、空孔層４１は、同一面内においてマニホールド部１０ａ〜１０ｅの周囲に配置されたマニホールド用シール部１３（図４を参照）と積層方向Ｚに重なるシール領域４５、および発電セル１１１（アクティブエリア１２）と積層方向Ｚに重なる反応領域４６のみに配置される。

空孔層４１をシール領域４５および反応領域４６のみに配置することによって、空孔層４１の体積を低減することができる。これにより、集電断熱部４０の熱容量を低減し、断熱性能をさらに向上することができる。

シール領域４５に配置された空孔層４１の空孔４１ｈの形状は、反応領域４６に配置された空孔層４１の空孔４１ｈの形状と異なる。図７に示すように、シール領域４５に配置された空孔層４１の空孔４１ｈを比較的小さくすることによって、剛性を向上させることができる。その結果、マニホールド用シール部１３の変形や破損を抑制し、シール機能を確保することができる。また、反応領域４６に配置された空孔層４１の空孔４１ｈを比較的大きく形成することによって空孔率を高めることができる。これにより、反応領域４６の断熱性能を向上させることができる。

薄板４２、４３は、空孔層４１の積層方向Ｚの端部に固着されている。ここで、本明細書中、「固着」には、ろう付け、溶接、拡散接合等による接合方法が含まれるものと定義する。製造容易性の観点から、上記接合方法の中では、ろう付けが好ましく用いられ得る。なお、本明細書中、「薄板」とは、板厚０．１〜０．３ｍｍ程度の薄い板のことを意味する。

空孔層４１および薄板４２、４３の形成材料は、導電性を有する限りにおいて特に限定されないが、例えば、金属材料を用いることができる。

電流取出し部４４は、図３および図７に示すように、空孔層４１に連結され、面方向Ｙ（積層方向Ｚに交差する方向）から電流を取り出す。面方向Ｙから電流を取り出すことによって、通電方向を面方向Ｙに設定することができる。これにより、積層方向Ｚの断熱性能を向上させるとともに面方向Ｙの通電性能を向上させるように設計することができる。さらに、上部エンドプレート２２に電流を積層方向Ｚに取り出すための孔をあける必要がないため、積層方向Ｚのスタッキング荷重が抜けることを抑制することができる。

電流取出し部４４は、図７に示すように、空孔層４１の側面に面接触して導電接合されている。また、図３に示すように、電流取出し部４４は、薄板４２に接触しないように配置されている。これにより、発電セル１１１側の薄板４２からの伝熱経路が空孔層４１を通るように設計することができる。空孔層４１は、電流取出し部４４よりも断熱性が高いため、空孔層４１を通る伝熱経路とすることによって、断熱性能をさらに向上させることができる。

また、図７に示すように、電流取出し部４４は、空孔層４１と同一面内において反応領域４６よりもカソードガスＣＧの流れ方向の下流側（図４を参照）に配置される。これにより、カソードガスＣＧの流れ方向の上流側から薄板４２を介して伝わった熱が電流取出し部４４に奪われることを抑制して熱損失を抑えることができる。

図７に示すように、集電断熱部４０には、カソードガスＣＧの流れを制限するカソードガス用シール部６０が配置されている。図７に示すように、カソードガス用シール部６０は、集電断熱部４０のうちカソードガス流入口１０ｆ、１０ｇに対向する部分のみに配置され、カソードガスＣＧが空孔層４１に流れ込むことを防止する。これにより、カソードガスＣＧの熱が集電断熱部４０に奪われることを防止することができる。また、図７に示すように、カソードガス用シール部６０を集電断熱部４０のうちカソードガス流入口１０ｆ、１０ｇに対向する部分のみに配置することによって製造コストを削減することができる。

カソードガス用シール部６０は、耐熱性およびシール性を有する材料から形成される。カソードガス用シール部６０の形成材料は、マニホールド用シール部１３と同様の材料を使用することができる。

（空孔層４１の断熱性能および通電性能の制御）
次に、空孔層４１の断熱性能および通電性能の制御について説明する。

一般的に、時間に依存しない定常状態の場合、伝熱量Ｑは、以下の式で表される。

伝熱量Ｑ［Ｗ］＝−λ×Ａ_ｈ×ｄＴ／ｄｋ・・・（式１）

ここで、λは、熱伝導率、Ａ_ｈは、伝熱方向に直交する断面積（以下、「伝熱面積」と称する。）、ｄＴ／ｄｋは、伝熱方向の温度勾配である。なお、熱は高温側から低温側へ流れるためｄＴ／ｄｋ＜０となる。

また、時間に依存する非定常状態の場合では、以下の式が成り立つ。

ｄＴ／ｄｔ＝ｈ×Ａ_ｈ／（Ｃ_ｐ×ｍ）×ΔＴ・・・（式２）

ここで、ｄＴ／ｄｔは、単位時間当たりの温度変化、ｈは、熱伝達率、Ｃ_ｐは、定圧比熱、ｍは、伝熱対象物の質量である。

上記（式１）および（式２）に示すように、定常状態および非定常状態のいずれの場合においても伝熱し易さの指標となる伝熱量Ｑ（またはｄＴ／ｄｔ）は、伝熱面積Ａ_ｈおよび熱伝導率λ（または熱伝達率ｈ）に比例する。

また、物体の電気抵抗Ｒは、以下の式で表される。

電気抵抗Ｒ［Ω］＝ρ×Ｌ_ｋ／Ａ_ｅ・・・（式３）

ここで、ρは、電気抵抗率、Ｌ_ｋは、通電対象物の長さ、Ａ_ｅは、通電方向に直交する断面積（以下、「通電面積」と称する。）である。

上記（式３）に示すように、電気抵抗Ｒは、通電面積Ａ_ｅに反比例する。

上記のように、伝熱量Ｑは、伝熱面積Ａ_ｈに比例する。一方で、電気抵抗Ｒは、通電面積Ａ_ｅに反比例する。したがって、伝熱方向と通電方向が同じ方向の場合、断熱性能と通電性能はトレードオフの関係になる。すなわち、断熱性能を確保する観点からは、伝熱面積を小さくして伝熱量を減らす方が好ましい。一方で、通電性能を確保する観点からは、通電面積を大きくして電気抵抗を小さくする方が好ましい。

図８Ａ〜図９Ｂを参照して、本実施形態に係る空孔層４１の断熱性能および通電性能の制御について説明する。なお、空孔層４１は、主に断熱性能および通電性能に寄与する反応領域４６に配置されたもののみを考慮する。図８Ａは、図６の一点鎖線で囲んだ部分８Ａを拡大して示す空孔層４１の斜視図である。図８Ｂは、図７に示す一の反応領域４６に配置された空孔層４１を示す平面図である。

図８Ａを参照して、開口部４１ａの積層方向Ｚに沿う長さを高さＨとし、開口部４１ａの面方向ＸＹの最大長さを最大幅Ｗとする。開口部４１ａの最大幅Ｗは、図８Ｂに示すように空孔層４１を積層方向Ｚから平面視した際の空孔４１ｈの最大幅に相当する。

熱が積層方向Ｚに伝熱する場合、伝熱面積Ａ_ｈは、空孔層４１の積層方向Ｚに直交する断面積である。本実施形態では、空孔層４１は、複数の開口部４１ａを備えるハニカム構造を有しているため、空孔層４１の積層方向Ｚの伝熱面積Ａ_ｈは、空孔層４１の空孔率を用いて以下の式で表される。

Ａ_ｈ＝全体面積Ａ_０×（１−空孔率）・・・（式４）

例えば、空孔率が０．８〜０．９５の場合、空孔層４１の積層方向Ｚの伝熱面積Ａ_ｈは、以下の式で表される。

Ａ_ｈ＝全体面積Ａ_０×（１−０．８〜０．９５）＝０．０５〜０．２Ａ_０・・・（式５）

上記（式５）より、空孔層４１は、空孔４１ｈを有することによって伝熱面積Ａ_ｈを低減できることが分かる。

ここで、図８Ｂに示すように、略長方形の反応領域４６の長手方向Ｙに沿う長さをＬ_Ｙとし、反応領域４６の短手方向Ｘに沿う長さをＬ_Ｘとした場合、反応領域４６の面積は、（Ｌ_Ｙ×Ｌ_Ｘ）となる。本実施形態では、図７に示すように、２つの反応領域４６が並列に配置されているため、全体面積Ａ_０は、２×（Ｌ_Ｙ×Ｌ_Ｘ）となる。

さらに、空孔層４１の積層方向Ｚの伝熱面積Ａ_ｈは、図８Ａに示すように、開口部４１ａの板厚ｔ、開口部４１ａの周長Ｌ_０および開口部４１ａの数ｎを用いて以下の式で表される。

Ａ_ｈ＝板厚ｔ×開口部の周長Ｌ_０×開口部の数ｎ・・・（式６）

上記（式１）に（式４）を代入して、空孔層４１の積層方向Ｚの伝熱量Ｑは、以下の式で表される。

伝熱量Ｑ［Ｗ］＝−λ×（全体面積Ａ_０×（１−空孔率））×ｄＴ／Ｈ・・・（式７）

ここで、Ｈは、空孔層４１の高さである。

また、面方向Ｙに通電する場合、通電面積Ａ_ｅは、面方向Ｙに直交する断面積である。空孔層４１の面方向Ｙの通電面積Ａ_ｅは、空孔層４１の空孔率との関係で以下の式で表される。

Ａ_ｅ＝Ｌ_Ｘ×（１−空孔率）×Ｈ・・・（式８）

上記（式３）に（式８）を代入して、空孔層４１の面方向Ｙの電気抵抗Ｒは、以下の式で表される。

電気抵抗Ｒ［Ω］＝ρ×Ｌ_Ｙ／（Ｌ_Ｘ×（１−空孔率）×Ｈ）・・・（式９）

図９Ａは、上記（式７）および（式９）から得られた空孔層４１の空孔率と、積層方向Ｚの伝熱量および面方向Ｙの通電抵抗との関係を示すグラフである。図９Ａに示すように、空孔率を低減させると図９Ａ中に実線で示すように積層方向Ｚの伝熱量が増加してしまう。これにより、空孔層４１の断熱性能が低下する。一方で、空孔率を増加させると図９Ａ中に破線で示すように面方向Ｙの通電抵抗が増加してしまう。これにより、空孔層４１の通電性能が低下する。すなわち、断熱性能は、空孔率が高い方が高くなり、通電性能は、空孔率が低い方が高くなる。図９Ａの結果を基に、断熱性能と通電性能を両立させることのできる空孔率を選択することによって最適な設計をすることができる。

図９Ｂは、上記（式７）および（式９）をから得られた空孔層４１の高さＨと、積層方向Ｚの伝熱量および面方向Ｙの通電抵抗との関係を示すグラフである。図９Ｂに示すように、空孔層４１の高さＨを増加させると積層方向Ｚの伝熱量および面方向Ｙの通電抵抗が低下する。この結果から、空孔層４１の高さＨを増加させると断熱性能および通電性能を向上できることが分かる。

以上説明した図９Ａおよび図９Ｂの結果から、本実施形態のように伝熱方向を積層方向Ｚ、通電方向を面方向Ｙに設定することによって、断熱性能と通電性能を両立する制御を比較的容易に行うことができる。

本実施形態では、断熱性能と通電性能を両立する制御の一つとして、開口部４１ａの高さＨは、開口部４１ａの最大幅Ｗよりも大きくなる（Ｈ＞Ｗ）ように設計する。これにより、空孔層４１の高さＨが比較的高くなるため、積層方向Ｚの断熱性能および面方向Ｙの通電性能を向上させることができる。また、開口部４１ａの最大幅Ｗを比較的小さくすることによって、開口部４１ａの空孔４１ｈが小さくなるため空孔層４１の空孔率を低くすることができる。これにより、面方向Ｙの通電性能を向上させることができる。

（絶縁層５１、５２）
図２に示すように、絶縁層５１は、下部エンドプレート２１と、集電板３０との間に配置されて両者を絶縁する。絶縁層５２は、上部エンドプレート２２と、集電断熱部４０との間に配置されて両者を絶縁する。

絶縁層５１は、下部エンドプレート２１と同様の外形形状を有し、マニホールド部１０ａ〜１０ｅを構成するアノード用開口部、およびカソードガス流入口１０ｆ、１０ｇ、カソードガス流出口１０ｈ、１０ｉ、１０ｊを構成するカソード用開口部が形成されている。絶縁層５２は、上部エンドプレート２２および集電断熱部４０の薄板４２、４３と同様の外形形状を有し、開口部を備えない板状部材からなる。

絶縁層５１、５２は、表面に絶縁コートを施した金属等の導電性材料によって形成してもよいし、マイカやセラミック等の絶縁材料によって形成してもよい。燃料電池スタック１０の強度を確保する観点からは、絶縁層５１、５２は、曲げや引張に強い金属に絶縁コートを施して形成することが好ましい。

（セルユニット１００）
図１０は、セルユニット１００の分解斜視図である。図１０に示すように、セルユニット１００は、メタルサポートセルアッセンブリー１１０と、メタルサポートセル１１０Ｍとの間にガスが流通するための流路部１２１を区画形成するセパレータ１２０と、ばね部１３０と、集電補助層１４０と、を積層して構成される。

図１１は、メタルサポートセルアッセンブリー１１０の分解斜視図である。図１１に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１１０は、長手方向Ｙに沿って複数（本実施形態では、２つ）並べて配置したメタルサポートセル（Ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｃｅｌｌ：ＭＳＣ）１１０Ｍと、メタルサポートセル１１０Ｍの外周を保持するセルフレーム１１３と、を有する。

図１１に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍは、発電セル１１１と、発電セル１１１を上下方向の一方側から支持する金属製のメタルサポート部１１２と、を有する。メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れる。

図３を参照して、燃料電池スタック１０は、メタルサポートセルアッセンブリー１１０、セパレータ１２０、ばね部１３０および集電補助層１４０の各構成部材間を接合した接合部１５０をさらに有する。ここで、本明細書中、「接合」とは、ろう付け、溶接、焼結接合等の材質的結合、接着等の化学的結合、ボルト締め、リベット締め、かしめ等の機械的結合を広く含むものと定義する。

（発電セル１１１）
発電セル１１１は、図１１に示すように、電解質１１１Ｅの両側に一対の電極であるアノード１１１Ａおよびカソード１１１Ｃを配置して構成される。

電解質１１１Ｅは、カソード１１１Ｃからアノード１１１Ａに向かって酸化物イオンを伝導させつつ、ガスと電子を通過させない性質を有する。電解質１１１Ｅの形成材料は、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、スカンジウム等をドープした安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスが挙げられる。

アノード１１１Ａは、燃料極であって、アノードガス（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード１１１Ａは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、アノードガスを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード１１１Ａの形成材料は、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させたものが挙げられる。

カソード１１１Ｃは、酸化剤極であって、カソードガス（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード１１１Ｃは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード１１１Ｃの形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。

（メタルサポート部１１２）
メタルサポート部１１２は、図１１に示すように、発電セル１１１をアノード１１１Ａの側から支持するものである。メタルサポート部１１２は、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質の金属である。メタルサポート部１１２の形成材料は、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。

（セルフレーム１１３）
セルフレーム１１３は、図１１に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍを周囲から保持するものである。セルフレーム１１３は、長手方向Ｙに沿って並べて配置された複数（本実施形態では、２つ）の開口部１１３Ｈを有する。セルフレーム１１３の開口部１１３Ｈには、メタルサポートセル１１０Ｍが配置される。メタルサポートセル１１０Ｍの外周は、セルフレーム１１３の開口部１１３Ｈの内縁に接合される。セルフレーム１１３の形成材料は、例えば、表面に絶縁コートを施した金属等の導電性材料が挙げられる。

セルフレーム１１３は、図１０および図１１に示すように、マニホールド部１０ａ〜１０ｅを構成するアノード用開口部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅを有している。

（セパレータ１２０）
図１０に示すように、セパレータ１２０は、メタルサポートセル１１０Ｍの発電セル１１１と対向する領域に流路部１２１を有する。図３に示すように、流路部１２１は、発電セル１１１との間にガスの流路を区画形成する凹凸形状を有している。セパレータ１２０の形成材料は、例えば、金属が挙げられる。セパレータ１２０の流路部１２１以外の領域には、絶縁処理が施されている。

図１０に示すように、セパレータ１２０の流路部１２１は、凹凸形状が短手方向Ｘに延在するように略直線状に形成されている。これにより、流路部１２１に沿って流れるガスの流れ方向は、短手方向Ｘとなる。

セパレータ１２０には、マニホールド部１０ａ〜１０ｅを構成するアノード用開口部１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅが形成されている。

（集電補助層１４０）
集電補助層１４０は、ガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にして、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との電気的な接触を補助する。集電補助層１４０は、例えば、金網状のエキスパンドメタルから形成することができる。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池スタック１０の作用効果を説明する。

本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、上部エンドプレート２２（エンドプレートに相当）、絶縁層５２、集電断熱部４０および複数の発電セル１１１が積層されてなる。集電断熱部４０は、空孔４１ｈが形成された導電性材料からなる空孔層４１と、空孔層４１の少なくとも発電セル１１１側に固着した導電性材料からなる薄板４２と、を有する。

上記燃料電池スタック１０によれば、集電断熱部４０は、空孔層４１を有することによって、積層方向Ｚの伝熱面積および熱容量が小さくなるため、断熱性能を向上できる。また、空孔層４１および薄板４２、４３は、導電性材料からなり、互いに固着されているため、導電性能を確保することができる。これにより、燃料電池スタックは、断熱性能と通電性能を両立することができる。さらに、集電断熱部４０が集電機能と断熱機能の両方を兼ね備えるため、集電板とは別に断熱部材を設ける場合に比べて、積層方向Ｚの厚みを低減して燃料電池スタック１０の小型化を図ることができる。

また、空孔４１ｈの少なくとも一部は、積層方向Ｚに貫通する。空孔層４１は、積層方向Ｚに貫通した空孔４１ｈが形成された開口部４１ａを有する。開口部４１ａの空孔４１ｈの大きさ等の形状を制御することによって、集電断熱部４０の断熱性能（放熱量）を制御することができる。

また、開口部４１ａの高さＨは、開口部４１ａの最大幅Ｗよりも大きい。これにより、空孔層４１の高さＨが比較的高くなるため、積層方向Ｚの断熱性能および面方向Ｙの通電性能を向上させることができる。また、開口部４１ａの面方向Ｙの最大幅Ｗを比較的小さくすることによって、開口部４１ａの空孔４１ｈが小さくなるため空孔層４１の空孔率を低下させることができる。これにより、面方向Ｙの通電性能を向上させることができる。

また、集電断熱部４０は、空孔層４１に連結され、面方向Ｙ（積層方向に交差する方向）から電流を取り出す電流取出し部４４をさらに有する。面方向Ｙから電流を取り出すことによって、通電方向を面方向Ｙに設定することができる。これにより、積層方向Ｚの断熱性能を向上させるとともに面方向Ｙの通電性能を向上させるように設計することができる。

また、電流取出し部４４は、薄板４２に接触しないように配置されるため、伝熱経路が空孔層４１を通るように設計することができる。これにより、断熱性能をさらに向上させることができる。

また、電流取出し部４４は、空孔層４１と同一面内において発電セル１１１と積層方向Ｚに重なる反応領域４６よりもカソードガスＣＧ（反応ガス）の流れ方向の下流側に配置される。これにより、カソードガスＣＧの流れ方向の上流側から薄板４２を介して伝わった熱が電流取出し部４４に奪われることを抑制して熱損失を抑えることができる。

また、空孔層４１には、同一面内において、形状が異なる複数の空孔４１ｈが形成される。空孔層４１の空孔４１ｈの形状を調整することによって、剛性、断熱性、通電性などの特性を必要な領域に付与することができる。

また、燃料電池スタック１０は、アノードガス（反応ガス）の流れを制限するマニホールド用シール部１３（シール部に相当）をさらに有する。空孔層４１は、同一面内において、マニホールド用シール部１３と積層方向Ｚに重なるシール領域４５および発電セル１１１と積層方向Ｚに重なる反応領域４６に配置される。シール領域４５に配置された空孔層４１の空孔４１ｈの形状は、反応領域４６に配置された空孔層４１の空孔４１ｈの形状と異なる。例えば、シール領域４５に配置された空孔層４１の空孔４１ｈを比較的小さくすることによって、剛性を向上させることができる。その結果、マニホールド用シール部１３の変形や破損を抑制し、シール機能を確保することができる。また、反応領域４６に配置された空孔層４１の空孔４１ｈを比較的大きく形成することによって空孔率を高めることができるため、断熱性能を向上させることができる。

また、空孔層４１は、シール領域４５および反応領域４６のみに配置されるため、集電断熱部４０の熱容量を低減することができる。

次に、集電断熱部の変形例について説明する。なお、前述した実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

＜変形例１＞
図１２は、変形例１に係る集電断熱部を示す平面図である。前述した実施形態では、反応領域４６に配置された空孔層４１の複数の空孔４１ｈの形状は略同一に形成されていたが（図７を参照）、図１２に示すように、変形例１に係る集電断熱部の空孔層２４１は、反応領域４６内に配置された空孔層２４１の複数の空孔の形状が異なるように構成されている。また、空孔層２４１は、反応領域４６のみに配置されている。

変形例１では、空孔層２４１は、同一面内において反応領域４６に対して電流取出し部４４が配置された側は、他方側と空孔の形状が異なるように構成されている。具体的には、空孔層２４１は、同一面内に２つ配置された反応領域４６のそれぞれにおいて、第１空孔層２４１ａおよび第２空孔層２４１ｂを有する。第２空孔層２４１ｂは、第１空孔層２４１ａよりも電流取出し部４４側に配置される。第１空孔層２４１ａは、第２空孔層２４１ｂよりも空孔率が高くなるように形成されている。第２空孔層２４１ｂには、電流取出し部４４が連結される。

図９Ａを用いて説明したように、断熱性能は、空孔率が高い方が高くなり、通電性能は、空孔率が低い方が高くなる。したがって、第１空孔層２４１ａの断熱性能は、第２空孔層２４１ｂよりも高くなる。一方で、第２空孔層２４１ｂの通電性能は、第１空孔層２４１ａよりも高くなる。

上記の構成によれば、電流取出し部４４側の第１空孔層２４１ａがより高い断熱性能を有するため、カソードガスＣＧの上流側に配置される第１空孔層２４１ａにおいてより確実に伝熱量を低減することができる。すなわち、面方向ＸＹの伝熱経路の上流側で熱の移動を抑制することができる。また、電流取出し部４４が連結される第２空孔層２４１ｂがより高い通電性能を有するため、集電断熱部の集電機能を向上させることができる。

また、カソードガス用シール部１６０は、集電断熱部の外周のうち、カソードガスＣＧの上流側から電流取出し部４４が配置された位置までを囲むように配置されている。このように配置することによって、カソードガスＣＧがカソードガス流入口１０ｆ、１０ｇから空孔層２４１に流れ込むことをより確実に防止することができる。また、カソードガス用シール部１６０は、電流取出し部４４が配置された位置からカソードガスＣＧの下流側には配置されていないため電流取出し部４４の取り出し口を確保することができる。

以上説明したように変形例１に係る空孔層２４１は、同一面内において反応領域４６に対して電流取出し部４４が配置された側は、他方側と空孔の形状が異なるように構成されている。これにより、同一面内で空孔層２４１の空孔の形状を調整することによって、集電断熱部はより効果的に断熱性能および通電性能を発揮することができる。

なお、同一面内に配置された空孔の形状が異なる空孔層は、２つに限定されず、３つ以上とすることができる。

＜変形例２＞
図１３は、変形例２に係る集電断熱部を示す平面図である。変形例２に係る集電断熱部は、カソードガス用シール部２６０は、電流取出し部４４が配置された部分を除く集電断熱部の外周の全周に配置されている点で前述した変形例１と異なる。これにより、カソードガスＣＧが空孔層４１に流れ込むことをより確実に防止することができる。

＜変形例３＞
図１４は、変形例３に係る集電断熱部の構成を説明するための斜視図である。図１５は、図１４の１５−１５線に沿う集電断熱部の部分断面図である。図１４および図１５に示すように、変形例３に係る集電断熱部の空孔層３４１は、積層方向Ｚに積層された複数の層を有し、複数の層の空孔の形状はそれぞれ異なる点で前述した実施形態と異なる。

図１４および図１５に示すように、空孔層３４１は、積層方向Ｚに積層された第１空孔層３４１ａおよび第２空孔層３４１ｂを有する。第１空孔層３４１ａは、発電セル１１１側の薄板４２に隣接して配置され、第２空孔層３４１ｂは、上部エンドプレート２２側の薄板４３に隣接して配置される。

図１６Ａは、図１４および図１５に示す第１空孔層３４１ａの平面図である。図１６Ｂは、図１４および図１５に示す第２空孔層３４１ｂの平面図である。図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、第１空孔層３４１ａは、第２空孔層３４１ｂよりも空孔率が高く形成されている。

上記の構成によれば、発電セル１１１側の空孔率が高い第１空孔層３４１ａがより高い断熱性能を有するため、第１空孔層３４１ａから上部エンドプレート２２側への伝熱量をより確実に低減することができる。すなわち、積層方向Ｚの伝熱経路の上流側で熱の移動を抑制することができる。また、空孔率が低い第２空孔層３４１ｂがより高い通電性能を有するため、集電断熱部の通電性能を確保することができる。これにより、集電断熱部は、断熱性能および通電性能をより確実に両立することができる。

以上説明したように、変形例３に係る集電断熱部の空孔層３４１は、積層方向Ｚに積層された複数の層３４１ａ、３４１ｂを有し、複数の層３４１ａ、３４１ｂの空孔の形状はそれぞれ異なる。複数の層３４１ａ、３４１ｂの空孔の形状を調整することによって、集電断熱部はより効果的に断熱性能および通電性能を発揮することができる。

なお、積層方向Ｚに積層された複数の層は、２層に限定されず、３層以上とすることができる。

＜変形例４＞
図１７は、変形例４に係る空孔層４４１の平面図である。変形例４に係る空孔層４４１は、空孔４４１ｈの少なくとも一部に充填剤４４１ａを含有する点で前述した実施形態と異なる。

充填剤４４１ａは、熱伝導率が比較的低い材料であれば特に限定されないが、例えば、フュームドシリカ等を用いることができる。充填剤４４１ａを空孔４４１ｈ内に配置することによって、空孔４４１ｈ内の空気が対流して伝熱することを抑制し、断熱性能を向上させることができる。

充填剤４４１ａは、空孔層４４１の積層方向Ｚの発電セル１１１側に設けることが好ましい。これにより、空孔層４４１の発電セル１１１側がより高い断熱性能を有するため、空孔層４４１のうち充填剤４４１ａが充填された部位から上部エンドプレート２２側への伝熱量をより確実に低減することができる。すなわち、積層方向Ｚの伝熱経路の上流側で熱の移動を抑制することができる。

なお、充填剤４４１ａにカーボンブラック等の導電材料を添加することによって導電性を備えるように形成することもできる。これによって、空孔層４４１の通電性能をさらに向上させることができる。

＜変形例５＞
図１８は、変形例５に燃料電池スタックの部分断面図である。変形例５に燃料電池スタックの集電断熱部５４０は、上部エンドプレート２２側の薄板を備えず、薄板４２が発電セル１１１側のみに設けられている点で前述した実施形態と異なる。

図１８に示すように、集電断熱部５４０の空孔層４１の上部エンドプレート２２側には、絶縁層５２が固着されている。これにより、集電断熱部５４０と上部エンドプレート２２との間を絶縁するとともに、集電断熱部５４０の剛性を向上させることができる。さらに、集電断熱部５４０の部品点数を削減して製造コストを低減することができる。

以上、実施形態および変形例を通じて本発明に係る燃料電池スタックを説明したが、本発明は実施形態および変形例において説明した内容のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。

例えば、空孔層は、発泡金属で形成されてもよい。発泡金属としては、独立発泡または連続発泡のいずれであってもよい。通電性能および断熱性能を高める観点から、独立発泡がより好ましい。

また、空孔層は、同一面内において、シール領域および反応領域以外の領域に配置してもよい。この場合、シール領域、反応領域およびその他の領域の空孔層の空孔の形状を異なるように形成してもよい。

また、絶縁層は、エンドプレートまたは集電断熱部の薄板に絶縁材料をコーティングして形成してもよい。

また、前述した実施形態およびその変形例では、燃料電池スタックは、オープンカソード構造として説明したが、セルユニット内にカソード用のマニホールド部を形成したクローズドカソード構造として構成してもよい。

また、前述した実施形態およびその変形例において、燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ、Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）として説明したが、固体高分子膜形燃料電池（ＰＥＭＦＣ、Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ、Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）または溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ、Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）として構成してもよい。

また、実施形態およびその変形例において説明した燃料電池スタックの各構成は、特許請求の範囲に記載された発明と矛盾することのない限りにおいて適宜組み合わせることができ、明細書において説明した組み合わせのみに限定されることはない。

また、実施形態およびその変形例において説明した燃料電池スタックの各部の構造や部材の配置等は適宜変更することができ、図示により説明した付加的な部材の使用の省略や、その他の付加的な部材の使用等も適宜に行い得る。

１０ 燃料電池スタック、
２１ 下部エンドプレート、
２２ 上部エンドプレート（エンドプレート）、
３０ 集電板、
４０、５４０ 集電断熱部、
４１、２４１、３４１、４４１ 空孔層、
４１ａ 開口部、
４１ｈ、４４１ｈ 空孔、
４４１ａ 充填剤、
４２ （発電セル側の）薄板、
４３ （上部エンドプレート側の）薄板、
４４ 電流取出し部、
４５ シール領域、
４６ 反応領域、
５１、５２ 絶縁層、
６０、１６０、２６０ カソードガス用シール部、
１００ セルユニット、
１１０ メタルサポートセルアッセンブリー、
１１０Ｍ メタルサポートセル、
１１１ 発電セル、
１１２ メタルサポート部、
１１３ セルフレーム、
１３０ ばね部、
１４０ 集電補助層、
１５０ 接合部、
ＡＧ アノードガス、
ＣＧ カソードガス、
Ｈ 空孔層の高さ、
Ｗ 開口部の面方向の最大幅、
Ｘ 短手方向（面方向、積層方向に交差する方向）、
Ｙ 長手方向（面方向、積層方向に交差する方向）、
Ｚ 積層方向。

Claims (10)

1. エンドプレート、絶縁層、集電断熱部および複数の発電セルを積層した燃料電池スタックであって、
   前記集電断熱部は、
   空孔が形成された導電性材料からなる空孔層と、
   前記空孔層の少なくとも前記発電セル側に固着した導電性材料からなる薄板と、を有する、燃料電池スタック。
2. 前記空孔の少なくとも一部は、積層方向に貫通し、
   前記空孔層は、積層方向に貫通した前記空孔が形成された開口部を有する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記開口部の高さは、前記開口部の最大幅よりも大きい、請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記集電断熱部は、前記空孔層に連結され、積層方向に交差する方向から電流を取り出す電流取出し部をさらに有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記電流取出し部は、前記薄板に接触しないように配置される、請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記電流取出し部は、前記空孔層と同一面内において前記発電セルと積層方向に重なる反応領域よりもガスの流れ方向の下流側に配置される、請求項４または請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 前記空孔層には、同一面内において、形状が異なる複数の前記空孔が形成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
8. 反応ガスの流れを制限するシール部をさらに有し、
   前記空孔層は、同一面内において、前記シール部と積層方向に重なるシール領域および前記発電セルと積層方向に重なる反応領域に配置され、
   前記シール領域に配置された前記空孔層の前記空孔の形状は、前記反応領域に配置された前記空孔層の前記空孔の形状と異なる、請求項７に記載の燃料電池スタック。
9. 前記空孔層は、前記シール領域および前記反応領域のみに配置される、請求項８に記載の燃料電池スタック。
10. 前記空孔層は、積層方向に積層された複数の層を有し、
    前記複数の層の前記空孔の形状はそれぞれ異なる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。