JP2019220427A - 燃料電池セル及びセルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを十分に混合させることのでき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】燃料電池セルは、扁平状の燃料電池セル本体３と、キャップ部材４とを備えている。キャップ部材４は、燃料電池セル本体３の先端部に取り付けられる。キャップ部材４は、筒状部４０と、燃焼部とを有する。筒状部４０は、燃料電池セル本体３の先端部の外周面を覆うとともに、燃料電池セル本体３の先端面よりも先端側に延びる。燃焼部は、筒状部４０の先端面を塞ぐように配置され、ガス排出口を有する。筒状部４０の基端部４０ａは、幅方向において、中央部の方が両端部よりも、燃料電池セル本体３との隙間が大きい。【選択図】図８

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。

燃料電池セルは、燃料ガスが燃料極に供給されるとともに、酸素含有ガスが空気極に供給されることによって発電する。そして、燃料電池セルの発電に使用されずに排出された余剰の燃料ガス及び酸素含有ガスは、燃焼させられて熱源として用いられる（特許文献１）。例えば、特許文献１に記載の燃料電池セルでは、蓋状部材の内部空間で余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとが混合された後に排出されて燃焼する。

特開２０１１−０４９０２１号公報

上述したような構成の燃料電池セルにおいて、余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを十分に混合させることが好ましい。そこで、本発明は、余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを十分に混合させることのでき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。

本発明の第１側面に係る燃料電池セルは、扁平状の燃料電池セル本体と、キャップ部材とを備えている。燃料電池セル本体は、ガス流路、ガス流路の供給側となる基端部、及びガス流路の排出側となる先端部、を有する。キャップ部材は、燃料電池セル本体の先端部に取り付けられる。キャップ部材は、筒状部と、燃焼部とを有する。筒状部は、燃料電池セル本体の先端部の外周面を覆うとともに、燃料電池セル本体の先端面よりも先端側に延びる。燃焼部は、筒状部の先端面を塞ぐように配置され、ガス排出口を有する。筒状部の基端部は、幅方向において、中央部の方が両端部よりも、燃料電池セル本体との隙間が大きい。

この構成によれば、燃料電池セルの外周面に沿って流れた余剰の酸素含有ガス又は燃料ガスは、筒状部の基端部からキャップ部材内に流入し、燃料電池セル本体のガス流路から排出される余剰の燃料ガス又は酸素含有ガスと混合される。ここで、燃料電池セルの外側面に沿って流れた余剰の酸素含有ガス又は燃料ガスは、幅方向において中央部の方が両端部に比べて温度が高いために粘度が高くなって流れにくくなり、中央部において余剰の酸素含有ガス又は燃料ガスを十分に取り込みにくくなる。これに対して、本発明の第１側面に係る燃料電池セルのキャップ部材では、筒状部の基端部は、幅方向において中央部の方が両端部よりも燃料電池セル本体との隙間が大きくなっている。このため、中央部を流れる余剰の酸素含有ガス又は燃料ガスを十分にキャップ部材内に取り込むことができ、キャップ部材内で余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを十分に混合させることができる。

好ましくは、筒状部の基端部と燃料電池セル本体との隙間は、幅方向において、両端部から中央部に向かって徐々に大きくなる。

好ましくは、筒状部の基端部は、基端側に向かって燃料電池セル本体との隙間が大きくなる。この構成によれば、燃料電池セル本体の外側面に沿って流れた余剰の酸素含有ガス又は燃料ガスをより効率よくキャップ部材内に取り込むことができる。

好ましくは、筒状部の先端部は、ガス流路が延びる第１方向において、燃料電池セル本体との隙間が一定である。

好ましくは、筒状部は、筒状の熱伝導部と、筒状の突出部とを有する。熱伝導部は、燃料電池セル本体の先端部の外周面を覆う。突出部は、熱伝導部からガス流路が延びる第１方向に沿って延びる。燃焼部は、突出部を塞ぐように配置される。

好ましくは、熱伝導部は、第１方向において、突出部よりも長い。

好ましくは、燃焼部と筒状部との境界部は、面取り形状を有する。

本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、上記いずれかに記載の燃料電池セルと、燃料電池セル本体の基端部を支持するマニホールドと、を備える。

本発明は、余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを十分に混合させることのでき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。

セルスタック装置の斜視図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの正面図。 燃料電池セル本体の斜視図。 燃料電池セル本体の断面図。 図３のVI−VI線断面図。 図３のVII−VII線断面図。 燃料電池セルの底面図。 図７のIX-IX線断面図。 変形例に係る燃料電池セルの図２に相当する図。 変形例に係るキャップ部材の断面図。 変形例に係るキャップ部材の図６に相当する図。 変形例に係る燃料電池セルの図２に相当する図。

以下、本発明に係る燃料電池セル及び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。なお、以下の説明において、特に断りのない限り、長手方向、幅方向、及び厚さ方向は、燃料電池セルの長手方向（第１方向の一例）、幅方向、及び厚さ方向を意味する。

［セルスタック装置１００］
図１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１０と、マニホールド２０とを備えている。各燃料電池セル１０は、マニホールド２０によって支持されている。燃料電池セル１０は、マニホールド２０から上方に延びている。また、各燃料電池セル１０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。また、各燃料電池セル１０は、互いの主面同士が対向するように、厚さ方向に沿って配列されている。

各燃料電池セル１０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。マニホールド２０は、各燃料電池セル１０のガス流路３１（図２参照）に燃料ガスなどのガスを分配する。マニホールド２０は、中空状であり、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を介して燃料ガスが供給される。

［燃料電池セル１０］
図２及び図３に示すように、燃料電池セル１０は、燃料電池セル本体３と、キャップ部材４とを有している。燃料電池セル１０は扁平状である。

［燃料電池セル本体３］
図４に示すように、燃料電池セル本体３は、複数のガス流路３１、基端部３２、及び先端部３３を有している。燃料電池セル本体３の長手方向（ｘ軸方向）の一方の端部（図４の下端部）が基端部３２であり、他方の端部（図４の上端部）が先端部３３である。なお、燃料電池セル本体３の先端部３３は、主に支持基板１１０によって構成されている。詳細には、燃料電池セル本体３の先端部３３は、後述する電解質１４０などの緻密膜によって覆われた支持基板１１０によって構成されている。

ガス流路３１は、燃料電池セル本体３内を基端部３２から先端部３３へ延びている。すなわち、ガス流路３１は、燃料電池セル本体３の長手方向（ｘ軸方向）に延びている。また、各ガス流路３１は、燃料電池セル本体３の幅方向（ｙ軸方向）において間隔をあけ、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路３１は、燃料電池セル本体３の幅方向の両端部に形成されていないことが好ましい。なお、本実施形態では、燃料電池セル本体３の長手方向（ｘ軸方向）が本発明の第１方向に相当する。

燃料電池セル本体３の基端部３２は、燃料電池セル本体３のうち、ガス流路３１の供給側の端部である。燃料電池セル本体３は、基端部３２において、マニホールド２０に支持される。

燃料電池セル本体３の先端部３３は、燃料電池セル本体３のうち、ガス流路３１の排出側の端部である。先端部３３は、基端部３２と反対側の端部である。燃料電池セル本体３の先端部３３は、自由端である。燃料電池セル本体３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。

燃料電池セル本体３は、扁平状である。燃料電池セル本体３は、いわゆる円筒平板型の燃料電池セルである。図２に示すように、燃料電池セル本体３は、第１主面３０１と、この第１主面３０１の反対側の第２主面３０２と、第１主面３０１と第２主面３０２とを連結する一対の側面３０３とを有している。第１主面３０１、第２主面３０２、及び一対の側面３０３は、燃料電池セル本体３の外周面を構成する。第１主面３０１と第２主面３０２とは、互いに反対側を向いており、互いに平行に延びる。第１主面３０１と第２主面３０２との間隔は実質的に支持基板１１０の厚さに等しい。支持基板１１０の厚さは、例えば１〜１０ｍｍである。

燃料電池セル本体３は、基端面３０４（図２では下端面）と、先端面３０５（図２では上端面）とを有している。基端面３０４及び先端面３０５は、燃料電池セル本体３の長手方向における端面である。ガス流路３１は、基端面３０４から先端面３０５まで延びている。ガス流路３１は、基端面３０４及び先端面３０５において開口している。基端面３０４側においてガス流路３１内に燃料ガスが供給され、先端面３０５側においてガス流路３１から燃料ガスが排出される。すなわち、基端面３０４側に形成されたガス流路３１の開口は、ガスの供給口である。そして、先端面３０５側に形成されたガス流路３１の開口は、ガスの排出口である。なお、燃料電池セル本体３の基端面３０４は、マニホールド２０の内部空間に面している。

図４に示すように、燃料電池セル本体３は、支持基板１１０と、複数の発電素子部１２０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、燃料電池セル本体３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、本実施形態に係る燃料電池セル本体３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５参照）によって互いに電気的に接続されている。発電素子部１２０は、ガス流路３１を流れる燃料ガスと、燃料電池セル本体３の外周面を流れる酸化剤ガスとによって発電する。

［支持基板］
支持基板１１０は、上述したガス流路３１が内部に形成されている。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。

図５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の各主面に形成されている。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。

［発電素子部１２０］
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。

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１０の長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル１０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及び空気極集電部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。

空気極集電部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。空気極集電部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。空気極集電部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。空気極集電部１６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍである。

［キャップ部材４］
図２及び図３に示すように、キャップ部材４は、燃料電池セル本体３の先端部３３に取り付けられている。キャップ部材４は、燃料電池セル本体３の先端部３３の外周面を覆っている。本実施形態では、キャップ部材４は、燃料電池セル本体３の先端部３３上に載置されているだけであり、先端部３３とは接合されていない。

キャップ部材４は、金属製である。キャップ部材４を構成する金属の熱伝導率は、燃料電池セル本体３の先端部３３を主に構成する材料の熱伝導率よりも高い。詳細には、キャップ部材４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。

キャップ部材４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、キャップ部材４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、燃料電池セル本体３の先端部３３とキャップ部材４とが当接する部分において、燃料電池セル本体３中の元素とキャップ部材４中の元素とが相互に反応することがある。反応によって燃料電池セル本体３とキャップ部材４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、酸化クロムと燃料電池セル本体３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燃料電池セル本体３中の元素は反応性が乏しいため、燃料電池セル本体３とキャップ部材４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、キャップ部材４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。

キャップ部材４は、熱伝導部４１、突出部４２、及び燃焼部４３、を有する。熱伝導部４１、突出部４２、及び燃焼部４３は、１つの部材によって構成されていてもよいし、別部材を連結して構成されていてもよい。本実施形態では、熱伝導部４１、突出部４２、及び燃焼部４３は、１つの部材によって一体的に構成されている。なお、熱伝導部４１と突出部４２とによって、筒状部４０が構成されている。

熱伝導部４１は、筒状である。熱伝導部４１の外周面のうち、厚さ方向（ｚ軸方向）を向く面が主面であり、幅方向（ｙ軸方向）を向く面が側面である。熱伝導部４１は、燃料電池セル本体３の先端部３３の外周面を覆っている。熱伝導部４１は、燃料電池セル本体３の先端部３３の外周面と対向している。すなわち、熱伝導部４１は、燃料電池セル本体３の先端部３３における第１主面３０１、第２主面３０２、及び側面３０３と対向している。燃料電池セル本体３の熱伝導部４１は、燃焼部４３から伝達された熱を燃料電池セル本体３の先端部３３の外周面に伝達する。

図２、図３、及び図６に示すように、突出部４２は、筒状である。突出部４２は、熱伝導部４１から上方に延びている。突出部４２は、熱伝導部４１から連続して上方に延びている。すなわち、突出部４２と熱伝導部４１との間には段差部などが形成されていない。このため、突出部４２の主面と熱伝導部４１の主面とは、平面を構成している。なお、突出部４２の外周面のうち、厚さ方向（ｚ軸方向）を向く面が主面であり、幅方向（ｙ軸方向）を向く面が側面である。

突出部４２は、内側に凹む複数の狭窄部４２１を有している。本実施形態では、対となった狭窄部４２１を複数有している。なお、本実施形態では、突出部４２は２対の狭窄部４２１を有している。２対の狭窄部４２１は、突出部４２の各主面に配置されている。各狭窄部４２１は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に沿って延びている。各一対の狭窄部４２１は、互いに向かって近付くように内側に凹んでいる。すなわち、各一対の狭窄部４２１は、燃料電池セル１０の厚さ方向（ｚ軸方向）において内側に凹んでいる。各狭窄部４２１の深さＤ１は、例えば、０．５〜５．０ｍｍ程度である。なお、この深さＤ１は、狭窄部４２１の最も凹んだ位置における寸法を意味する。

一方の一対の狭窄部４２１と他方の一対の狭窄部４２１とは、幅方向（ｙ軸方向）において間隔をあけて配置されている。一方の一対の狭窄部４２１は、幅方向の第１端部側に配置されており、他方の一対の狭窄部４２１は、幅方向の第２端部側に配置されている。

一対の狭窄部４２１が形成された位置における突出部４２の厚さＴ１は、燃料電池セル本体３の厚さＴ２よりも小さいことが好ましい。このように構成することで、各狭窄部４２１の下面が燃料電池セル本体３の先端面３０５と当接する。好ましくは、各狭窄部４２１の下面は、ガス流路３１の開口が形成されていない領域で先端面３０５と当接している。このように各狭窄部４２１の下面が燃料電池セル本体３の先端面３０５と当接することで、キャップ部材４が燃料電池セル本体３に支持されている。なお、キャップ部材４は、燃料電池セル本体３と接合されていないが、接合材などによって燃料電池セル本体３と接合されていてもよい。

図３及び図６に示すように、燃料電池セル１０の長手方向において、熱伝導部４１の長さＬ１は、突出部４２の長さＬ２よりも長い。熱伝導部４１の長さＬ１は、例えば、３ｍｍ〜５０ｍｍ程度である。また、突出部４２の長さＬ２は、例えば、１〜２０ｍｍ程度である。突出部４２の長さＬ２に対する、熱伝導部４１の長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ２）は、例えば１．５〜５０程度である。

なお、熱伝導部４１の長さＬ１とは、燃料電池セル１０の長手方向（ｘ軸方向）における熱伝導部４１の寸法を意味する。熱伝導部４１の長さＬ１は、図３に示す正面視又は図６に示す側面視において、キャップ部材４の下端から燃料電池セル本体３の先端面３０５までの距離を言う。また、突出部４２の長さＬ２とは、燃料電池セル１０の長手方向（ｘ軸方向）における突出部４２の寸法を意味する。突出部４２の長さＬ２は、図３に示す正面視又は図６に示す側面視において、キャップ部材４の上端から燃料電池セル本体３の先端面３０５までの距離を言う。

図２，図３，及び図６に示すように、燃焼部４３は、筒状の突出部４２を塞ぐように配置されている。この燃焼部４３と、突出部４２と、燃料電池セル本体３の先端面３０５とによって、キャップ部材４の内部空間Ｓが画定されている。

燃焼部４３は、長手方向（ｘ軸方向）において燃料電池セル本体３の先端面３０５と間隔をあけて配置されている。燃焼部４３は、燃料電池セル本体３の先端面３０５と対向している。燃焼部４３は、平板状である。

燃焼部４３は、複数のガス排出口４３１を有している。各ガス排出口４３１は、貫通孔であって、燃料電池セル１０の長手方向に貫通している。各ガス排出口４３１は、燃料電池セル本体３のガス流路３１と同じ方向に延びている。各ガス排出口４３１は、キャップ部材４の内部空間Ｓと外部とを連通している。この燃焼部４３のガス排出口４３１からは、燃料電池セル本体３の発電に使用されなかった余剰ガスが排出される。ガス排出口４３１の数は、ガス流路３１の数と同じであってもよいし、異なっていてもよい。各ガス排出口４３１は、幅方向（ｙ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置される。

筒状部４０は、基端部４０ａを有している。この基端部４０ａは、筒状部４０のうち、燃料電池セル本体３の基端部３２側の端部である。本実施形態では、基端部４０ａは、筒状部４０の下端部である。筒状部４０の基端部４０ａは、熱伝導部４１の一部である。

図７に示すように、筒状部４０は、燃料電池セル本体３との間に隙間をあけて配置される。詳細には、筒状部４０は、燃料電池セル本体３の第１及び第２主面３０１，３０２との間に隙間をあけて配置される。この筒状部４０と燃料電池セル本体３との隙間を介して、余剰の酸素含有ガスがキャップ部材４の内部空間Ｓ内に取り込まれる。

図８に示すように、筒状部４０の基端部４０ａは、幅方向（ｙ軸方向）において、中央部の方が両端部よりも燃料電池セル本体３との隙間が大きくなっている。すなわち、幅方向の中央部における基端部４０ａと燃料電池セル本体３との第１隙間Ｇ１は、幅方向の両端部における基端部４０ａと燃料電池セル本体３との第２隙間Ｇ２よりも大きい。特に限定されるものではないが、例えば、第１隙間Ｇ１は、０．１〜１．５ｍｍ程度であり、第２隙間Ｇ２は、０．０１〜１ｍｍ程度である。第２隙間Ｇ２に対する第１隙間Ｇ１の割合（Ｇ１／Ｇ２）は、例えば、１．５〜１０程度である。

第１隙間Ｇ１は、燃料電池セル本体３の幅方向（ｙ軸方向）の中心における、キャップ部材４の基端縁と燃料電池セル本体３との距離である。また、第２隙間Ｇ２は、燃料電池セル本体３の第１主面３０１又は第２主面３０２の幅方向（ｙ軸方向）の端縁における、キャップ部材４の基端縁と燃料電池セル本体３との距離である。なお、キャップ部材４の幅方向及び燃料電池セル本体３の幅方向は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）と同じ方向である。

筒状部４０の基端部４０ａと燃料電池セル本体３との隙間は、幅方向（ｙ軸方向）において、両端部から中央部に向かって徐々に大きくなる。すなわち、第２隙間Ｇ２から第１隙間Ｇ１に向かって、基端部４０ａと燃料電池セル本体３との隙間は徐々に大きくなっている。キャップ部材４を下方から見るとキャップ部材４の各種面の基端縁は円弧状に形成されている。

図７に示すように、筒状部４０の基端部４０ａは、基端側（図７の下端側）に向かって燃料電池セル本体３との隙間が大きくなっている。この基端部４０ａと燃料電池セル本体３とのなす角度αは、幅方向の中央部の方が、幅方向両端部よりも大きい。この角度αは特に限定されないが、例えば、幅方向の中央部において、１〜３０°程度とすることができる。筒状部４０の基端部４０ａ以外の部分では、燃料電池セル本体３との隙間は、上下方向において略一定である。

熱伝導部４１は、熱伝導率が高い金属製であるため、熱伝導部４１と燃料電池セル本体３との間に隙間を有していても、燃料電池セル本体３の先端部３３の外周面に対し輻射熱によって伝達することができる。

熱伝導部４１の内側面と燃料電池セル本体３の先端部３３の側面３０３とは、接触していなくてもよいし、接触していてもよいし、部分的に接触していてもよい。図９に示すように熱伝導部４１の内側面と燃料電池セル本体３の先端部３３の側面３０３とが接触していない場合、両者の隙間Ｇ３は、例えば、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Ｇ３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。

［セルスタック装置の動作］
以上のように構成されたセルスタック装置１００の動作について説明する。セルスタック装置１００は、例えば以下のように動作する。

セルスタック装置１００では、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、各燃料電池セル本体３のガス流路３１に供給する。一方、酸素含有ガス（空気等）を、各燃料電池セル本体３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供給することによって、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１０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、燃料電池セル本体３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、燃料電池セル本体３から電力が取り出される。

そして、燃料電池セル本体３のガス流路３１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３１の排出口からキャップ部材４の内部空間Ｓに排出される。一方、燃料電池セル本体３の外側面に沿って流れる酸素含有ガスのうち発電に使用されなかった余剰酸素含有ガスは、キャップ部材４の基端部４０ａと燃料電池セル本体３との隙間からキャップ部材４の内部空間Ｓに取り込まれる。そして、余剰の燃料ガス及び酸素含有ガスは、キャップ部材４の内部空間Ｓで混合された後、キャップ部材４のガス排出口４３１を介して外部に排出されて燃焼する。

この燃焼により発生する熱は、燃焼部４３及び突出部４２を介して、熱伝導部４１へと伝達される。この結果、燃料電池セル本体３の先端部３３の外周面が加熱され、先端部３３の外周面と先端面３０５との温度差が小さくなる。

［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、筒状部４０の基端部４０ａのみにおいて第１隙間Ｇ１が第２隙間Ｇ２よりも大きくなっていたが、これに限定されない。例えば、図１０に示すように、基端部４０ａのみだけではなく筒状部４０の全体において第１隙間Ｇ１が第２隙間Ｇ２より大きくなっていてもよい。

変形例２
上記実施形態では、筒状部４０の基端部４０ａは、基端側に向かって燃料電池セル本体３との隙間が大きくなっているが、筒状部４０の形状はこれに限定されない。例えば、筒状部４０の基端部４０ａと燃料電池セル本体３との隙間は、燃料電池セル１０の長手方向（ｘ軸方向）において略一定であってもよい。

変形例３
図１１に示すように、筒状部４０と燃焼部４３との境界部４５は、面取り形状を有していてもよい。詳細には、燃焼部４３の主面（上面）と筒状部４０の主面との境界部４５は、面取り形状を有していてもよい。例えば、この境界部４５は、Ｒ面取り加工されていてもよいし、Ｃ面取り加工されていてもよい。このように境界部４５が面取り形状を有していることによって、下方からの酸素含有ガスがガス排出口４３１に回り込み、燃焼性が向上する。

変形例４
上記実施形態では、キャップ部材４は、支持基板１１０の各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本体３に取り付けられているが、キャップ部材４は、いわゆる縦縞型の燃料電池セル本体に取り付けることもできる。

変形例５
上記実施形態では、ガス流路３１は燃料電池セル本体３の長手方向に延びていたが、ガス流路３１は燃料電池セル本体３の短手方向に延びてもよい。この場合、燃料電池セル本体３の短手方向が本発明の第１方向に相当する。そして、燃料電池セル本体３の短手方向における一方の端部が基端部となりマニホールド２０に支持される。また、燃料電池セル本体３の短手方向における他方の端部が先端部となりキャップ部材４が取り付けられる。

変形例６
上記実施形態では、キャップ部材４の突出部４２における狭窄部４２１の断面形状は矩形状となっているが、狭窄部４２１の断面形状はこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、狭窄部４２１の断面形状は半円形状であってもよいし、他の形状であってもよい。

変形例７
上記実施形態では、各狭窄部４２１は、突出部４２の主面に形成されているが、各狭窄部４２１が形成される位置はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、一対の狭窄部４２１は、突出部４２の側面に形成されていてもよい。この場合、一対の狭窄部４２１は、互いに近付くように、燃料電池セル１０の幅方向に凹んでいる。

３ ：燃料電池セル本体
３１ ：ガス流路
３２ ：基端部
３３ ：先端部
４ ：キャップ部材
４０ ：突出部
４０ａ ：基端部
４１ ：熱伝導部
４２ ：突出部
４３ ：燃焼部
４３１ ：ガス排出口
４５ ：境界部
１０ ：燃料電池セル
２０ ：マニホールド
１００ ：セルスタック装置

Claims (7)

1. ガス流路、前記ガス流路の供給側となる基端部、及び前記ガス流路の排出側となる先端部、を有する扁平状の燃料電池セル本体と、
   前記燃料電池セル本体の先端部に取り付けられるキャップ部材と、
   を備え、
   前記キャップ部材は、
   前記燃料電池セル本体の前記先端部の外周面を覆うとともに、前記燃料電池セル本体の先端面よりも先端側に延びる筒状部と、
   前記筒状部の先端面を塞ぐように配置され、ガス排出口を有する燃焼部と、
   を有し、
   前記筒状部の基端部は、幅方向において、中央部の方が両端部よりも、前記燃料電池セル本体との隙間が大きい、
   燃料電池セル。
   
2. 前記筒状部の基端部と前記燃料電池セル本体との隙間は、幅方向において、前記両端部から中央部に向かって徐々に大きくなる、
   請求項１に記載の燃料電池セル。
   
3. 前記筒状部の基端部は、基端側に向かって前記燃料電池セル本体との隙間が大きくなる、
   請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
   
4. 前記筒状部は、
   前記燃料電池セル本体の前記先端部の外周面を覆う筒状の熱伝導部と、
   前記熱伝導部から前記ガス流路が延びる第１方向に沿って延びる筒状の突出部と、
   を有し、
   前記燃焼部は、前記突出部を塞ぐように配置される、
   請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
   
5. 前記熱伝導部は、前記第１方向において、前記突出部よりも長い、
   請求項４に記載の燃料電池セル。
   
6. 前記燃焼部と前記筒状部との境界部は、面取り形状を有する、
   請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池セル。
   
7. 請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池セルと、
   前記燃料電池セル本体の前記基端部を支持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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