JP2020042980A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】積層方向における発電ユニットの厚みが大きくなるのを抑制しながら、セルのカソードとセパレータとの接続不良の発生を抑制することが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】この燃料電池１００では、発電ユニット１０は、アノード１７ａとセパレータ１１との間に設けられ、アノード１７ａとセパレータ１１とを電気的に接続する発泡性ニッケル多孔体１５と、アノード１７ａとセパレータ１１との間において、発泡性ニッケル多孔体１５と同一の層に隣り合うように配置されるセラミックファイバーシート１６とを含む。そして、セラミックファイバーシート１６のアノード１７ａ側への付勢力は、発泡性ニッケル多孔体１５のアノード１７ａ側への付勢力よりも大きくなるように構成されている。【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池に関し、特に、複数積層された発電ユニットを備える燃料電池に関する。

従来、複数積層された発電ユニットを備える燃料電池が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、平板状の燃料電池セルが複数積層された積層体を備える燃料電池が開示されている。燃料電池セルは、導電性を有する板状のインターコネクタ（以下、下方インターコネクタという）と、下方インターコネクタの上方に配置されるセル本体と、セル本体の上方に配置される導電性を有する板状のインターコネクタ（以下、上方インターコネクタという）とを含む。また、セル本体の下方インターコネクタに対向する面には燃料極（以下、アノードという）が形成され、セル本体の上方インターコネクタに対向する面には空気極（以下、カソードという）が形成されている。また、下方インターコネクタとアノードとの間には、下方インターコネクタとアノードとを電気的に接続する下方集電部材が設けられている。また、上方インターコネクタとカソードとの間には、上方インターコネクタとカソードとを電気的に接続する上方集電部材が設けられている。

また、上記特許文献１では、上方集電部材は、Ｎｉの板状部材から構成されている。また、下方集電部材は、下方インターコネクタに面接触する板状のコネクタ接続部と、アノードに面接触する板状のアノード接続部と、コネクタ接続部とアノード接続部とを連結する連結部とを含む。連結部は、水平方向（燃料電池セルが積層される積層方向に直交する方向）から見て、Ｕ字形状を有する。そして、Ｕ字形状の連結部の弾性によって、コネクタ接続部が下方インターコネクタ側に付勢され、アノード接続部がアノード側に付勢されている。これにより、温度変化などに起因してセル本体が変形した場合でも、下方インターコネクタとセル本体のアノードとの接続不良が発生するのを抑制することが可能になる。また、Ｕ字形状の連結部の弾性によって、セル本体が上方に付勢される（押し上げられる）。これにより、温度変化などに起因してセル本体が変形した場合でも、上方インターコネクタとセル本体のカソードとの接続不良の発生を抑制することが可能であると考えられる。

また、上記特許文献１では、下方集電部材のコネクタ接続部とアノード接続部との間に、スペーサが設けられている。つまり、コネクタ接続部とスペーサとアノード接続部とが、燃料電池セルの積層方向に沿って、積層されている。また、スペーサは、下方集電部材より柔軟な材質により形成されている。このため、スペーサのセル本体への付勢力は、下方集電部材の付勢力よりも小さい。

特開２０１３−７３７６０号公報

上記特許文献１に記載の燃料電池では、上方インターコネクタ（セパレータ）とセル本体のカソードとの接続不良の発生を抑制するために、Ｕ字形状の連結部を有する下方集電部材が用いられている。そして、下方集電部材のコネクタ接続部と下方集電部材のアノード接続部との間にスペーサが設けられている。このため、積層方向における下方集電部材の厚みが比較的大きくなるため、積層方向における燃料電池セル（発電ユニット）の厚みが比較的大きくなるという問題点がある。また、燃料電池セル（発電ユニット）の厚みが比較的大きくなることにより、所定の高さに収容可能な燃料電池セルの数が少なくなるので、出力（瞬間あたりの出力（ｋＷ））が低下する。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、積層方向における発電ユニットの厚みが大きくなるのを抑制しながら、セルのカソードとセパレータとの接続不良の発生を抑制することが可能な燃料電池を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による燃料電池は、複数積層された発電ユニットを備え、発電ユニットは、積層方向の一方側の面にアノードが設けられ、積層方向の他方側の面にカソードが設けられたセルと、アノードに対向するように配置されるセパレータと、アノードとセパレータとの間に設けられ、アノードとセパレータとを電気的に接続する金属多孔体と、アノードとセパレータとの間において、金属多孔体と同一の層に隣り合うように配置される弾性体とを含み、弾性体のアノード側への付勢力は、金属多孔体のアノード側への付勢力よりも大きくなるように構成されている。

この発明の一の局面による燃料電池では、上記のように、アノードとセパレータとの間において、金属多孔体と同一の層に隣り合うように弾性体を配置する。そして、弾性体のアノード側への付勢力は、金属多孔体のアノード側への付勢力よりも大きくなるように構成されている。これにより、金属多孔体のアノード側への付勢力よりも大きい弾性体のアノード側への付勢力によってセルを積層方向の上方側に付勢することができる。その結果、セルのカソードとセパレータとの接続不良が発生するのを抑制することができる。また、弾性体は、金属多孔体と同一の層に隣り合うように配置されるので、弾性体と金属多孔体とが積層されている場合と比べて、積層方向における発電ユニットの厚みが大きくなるのを抑制することができる。これらによって、積層方向における発電ユニットの厚みが大きくなるのを抑制しながら、セルのカソードとセパレータとの接続不良の発生を抑制することができる。また、発電ユニットの厚みが大きくなるのを抑制することによって、所定の高さに収容可能な発電ユニットの数が少なくなるのを抑制することができるので、出力が低下するのを抑制することができる。

上記一の局面による燃料電池において、好ましくは、弾性体は、シート状の無機繊維により構成されている。ここで、板状の金属を折り曲げて弾性体を構成した場合、弾性体がセラミックなどにより構成されているセルと点接触するため、応力集中によりセルが破損する恐れがある。そこで、弾性体をシート状の無機繊維により構成することによって、応力集中に起因してセルが破損するのを抑制することができる。

この場合、好ましくは、シート状の無機繊維により構成されている弾性体は、アルミナとシリカとを主成分とする繊維であるセラミックファイバーがシート状に構成されたセラミックファイバーシートを含む。このように構成すれば、セラミックファイバーシートは、耐熱性が比較的高いので、運転時に高温になる燃料電池においてセラミックファイバーシートが変質することに起因してセラミックファイバーシートの付勢力が低下するのを抑制することができる。

上記弾性体がセラミックファイバーシートを含む燃料電池において、好ましくは、セラミックファイバーシートの厚みは、セルの厚みの０．２倍以上、５．０倍以下である。このように構成すれば、発電ユニットの厚みが大きくなるのを抑制することができるので、所定の高さに収容可能な発電ユニットの数が少なくなるのを抑制することができる。その結果、出力が低下するのを抑制することができる。

上記一の局面による燃料電池において、好ましくは、金属多孔体のアノード側の高さ位置と、弾性体のアノード側の高さ位置とは、積層方向において、略同じになるように構成されている。このように構成すれば、弾性体のアノード側の高さ位置が、金属多孔体のアノード側の高さ位置よりも高くなることに起因して、金属多孔体とアノードとの電気的な接続が解除されることを抑制することができる。

上記一の局面による燃料電池において、好ましくは、金属多孔体には、開口部が設けられており、弾性体は、金属多孔体の開口部の内部に配置されている。このように構成すれば、弾性体の側面が金属多孔体に取り囲まれた状態となるので、弾性体が水平方向に移動するのを抑制することができる。

この場合、好ましくは、積層方向から見て、金属多孔体の開口部と弾性体とは、略同一の形状を有する。ここで、金属多孔体の開口部の形状と弾性体の形状とが異なる場合、金属多孔体の開口部の中心と弾性体の中心とがずれることに起因して、比較的大きなデッドスペースが生じる。このため、弾性体の下方に配置されるセパレータに設けられた燃料ガスの流路において、弾性体に覆われている部分と覆われていない部分とにおける燃料ガスの流れに偏りが生じる（燃料ガスの均一な流れが損なわれる）。その結果、燃料電池の性能が低下する恐れがある。そこで、金属多孔体の開口部と弾性体とを略同一の形状を有するように構成することによって、開口部と弾性体との間に比較的大きなデッドスペースが生じるのを抑制することができるので、燃料電池の性能が低下するのを抑制することができる。

上記開口部と弾性体とが略同一の形状を有する燃料電池において、好ましくは、積層方向から見て、金属多孔体の開口部と弾性体とは、略矩形形状を有する。このように構成すれば、金属多孔体に複数の弾性体を配置する場合、弾性体が円形形状に形成されている場合と異なり、複数の弾性体を密に配置しやすくなる。

上記金属多孔体に開口部が設けられている燃料電池において、好ましくは、金属多孔体の開口部と、弾性体とは、複数個ずつ設けられている。このように構成すれば、比較的大きな１つの弾性体のみが設けられている場合では、電子が比較的大きな１つの弾性体を迂回するように流れる必要があり、電子の流れの経路が長くなってしまう。そこで、金属多孔体の開口部と弾性体とを複数個ずつ設けることによって、複数の弾性体の間の金属多孔体の部分を電子が流れることができるので、電子の流れの経路が長くなるのを抑制することができる。

上記一の局面による燃料電池において、好ましくは、積層方向から見て、弾性体の面積は、アノードの表面積の２０％以上８０％以下である。ここで、弾性体の面積がアノードの表面積の２０％未満の場合では、弾性体の付勢力が不足することに起因して、セルのカソードとセパレータとの接触不良が発生する場合がある。また、弾性体の面積がアノードの表面積の８０％を超えた場合、金属多孔体の面積が比較的小さくなるので、金属多孔体からアノードへの電流の流れを阻害する場合がある。そこで、上記のように、弾性体の面積をアノードの表面積の２０％以上８０％以下にすることによって、弾性体の付勢力を確保しながら、電流の流れが阻害されるのを抑制することができる。

上記一の局面による燃料電池において、好ましくは、積層方向から見て、弾性体とセルのカソードとは、オーバラップするように配置されている。このように構成すれば、弾性体の付勢力を、カソードに適切に伝えることができるので、カソードとセパレータとの接続不良の発生を効果的に抑制することができる。

上記一の局面による燃料電池において、好ましくは、弾性体は、アノードに直接接触した状態で、アノードを付勢するように構成されている。このように構成すれば、弾性体の付勢力をアノードに直接伝えることができるので、弾性体によってアノードを確実に付勢することができる。

上記一の局面による燃料電池において、好ましくは、金属多孔体は、発泡性ニッケル多孔体を含む。このように構成すれば、発泡性ニッケル多孔体の内部の隙間を介して、燃料ガスをセルのアノード側に流通させることができる。

上記一の局面による燃料電池において、好ましくは、金属多孔体とセパレータとの間に配置される金属メッシュ部をさらに備える。ここで、セパレータには、燃料ガスを流通させるための溝部が設けられる場合がある。この場合、金属多孔体によって溝部が塞がれる場合がある。そこで、上記のように、金属多孔体とセパレータとの間に金属メッシュ部を配置することによって、セパレータの溝部が金属多孔体によって塞がれるのを抑制することができる。

上記一の局面による燃料電池において、好ましくは、セパレータの表面上に、セルの外周を取り囲むように配置される枠形状のセルホルダと、セルホルダの表面上に設けられる枠形状の絶縁部材と、セルと絶縁部材とに跨るように配置されるシール部材とをさらに備える。このように構成すれば、シール部材によって、アノード側とカソード側とが分離されるので、燃料ガスと空気とが混合するのを抑制することができる。

本発明によれば、上記のように、積層方向における発電ユニットの厚みが大きくなるのを抑制しながら、セルのカソードとセパレータとの接続不良の発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池（発電ユニット）の断面図である。 本発明の一実施形態による発電ユニットの断面図（焼成処理後）である。 本発明の一実施形態による燃料電池（発電ユニット）の分解斜視図である。 本発明の一実施形態による発電ユニットの断面図（焼成処理前）である。 本発明の一実施形態による発泡性ニッケル多孔体およびセラミックファイバーシートの平面図である。 セラミックファイバーシートの厚みと、付勢力との関係を示す図である。 変形例による発泡性ニッケル多孔体およびセラミックファイバーシートの平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（燃料電池の構成）
図１〜図５を参照して、本実施形態による燃料電池１００の構成について説明する。なお、燃料電池１００は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。また、燃料電池１００は、発電ユニット１０を複数積層することにより構成されている。

図２を参照して、発電ユニット１０の構成について説明する。発電ユニット１０には、セパレータ１１、セルホルダ１２、絶縁部材１３、金属メッシュ部１４、発泡性ニッケル多孔体１５、セラミックファイバーシート１６、セル１７、および、セル押さえ１８が積層されている。

セパレータ１１は、導電性を有するとともに、セル１７のアノード１７ａに対向するように配置されている。また、セパレータ１１とアノード１７ａとは、電気的に接続されている。また、セパレータ１１の上方側には、燃料ガスの流路となる溝部１１ａ（図３参照）が設けられている。セパレータ１１の下方側には、空気の流路となる溝部１１ｂが設けられている。

また、セパレータ１１の表面上には、セル１７の外周を取り囲むように配置される枠形状のセルホルダ１２が設けられている。

絶縁部材１３は、セルホルダ１２の表面上に設けられ、枠形状を有する。絶縁部材１３は、たとえば、ジルコニアシートや、セラミックフィラーを含むガラスシートを含む。また、セルホルダ１２の上面には、ガラスシール１３ａが設けられている。

セル１７は、アノード１７ａ、固体電解質層１７ｂ、および、カソード１７ｃを含む。なお、セル１７は、Ｚ１方向側の面にカソード１７ｃが形成され、カソード１７ｃが形成される面とは反対側の面（Ｚ２方向側の面）にアノード１７ａが形成されている。また、アノード１７ａは、固体電解質層１７ｂのＺ２方向側表面の略全面上に設けられている。カソード１７ｃは、固体電解質層１７ｂのＺ１方向側の表面の一部上に設けられている。なお、Ｚ１方向側は、特許請求の範囲の「積層方向の一方側」の一例である。また、Ｚ２方向側は、特許請求の範囲の「積層方向の他方側」の一例である。

金属メッシュ部１４は、発泡性ニッケル多孔体１５とセパレータ１１との間に配置されている。金属メッシュ部１４は、たとえば、エッチングニッケル（パンチングメタル）からなる。

発泡性ニッケル多孔体１５は、アノード１７ａとセパレータ１１との間に配置されている。発泡性ニッケル多孔体１５は、アノード１７ａとセパレータ１１とを電気的に接続する。なお、発泡性ニッケル多孔体１５は、特許請求の範囲の「金属多孔体」の一例である。

ここで、本実施形態では、アノード１７ａとセパレータ１１との間において、発泡性ニッケル多孔体１５と同一の層に隣り合うように、シート状の無機繊維により構成されているセラミックファイバーシート１６が配置されている。なお、セラミックファイバーシート１６とは、アルミナとシリカとを主成分とする繊維であるセラミックファイバーがシート状に構成されたものを意味する。そして、後述する還元処理後（燃料電池１００の完成後）において、セラミックファイバーシート１６のアノード１７ａ側への付勢力は、発泡性ニッケル多孔体１５のアノード１７ａ側への付勢力よりも大きくなるように構成されている。言い換えると、セラミックファイバーシート１６に荷重が加えられたときの反力が、発泡性ニッケル多孔体１５に荷重が加えられたときの反力よりも大きい。なお、発泡性ニッケル多孔体１５は、Ｚ方向にほとんど伸縮しない。一方、セラミックファイバーシート１６は、Ｚ方向に伸縮する。このため、セラミックファイバーシート１６の付勢力は、発泡性ニッケル多孔体１５の付勢力よりも大きくなる。なお、セラミックファイバーシート１６は、特許請求の範囲の「弾性体」の一例である。また、アルミナとシリカとを主成分とするセラミックファイバーシートは、無機繊維であるジルコニア繊維やカーボン繊維に比べて、比較的安価に入手することが可能である。また、シリカの比率よりアルミナの比率を高くすると、耐熱性が向上するとともに、化学的安定性が向上する。

また、図２に示すように、セラミックファイバーシート１６の厚みｔ１１は、セル１７の厚みｔ１２の０．２倍以上、５．０倍以下である。なお、セラミックファイバーシート１６の厚みｔ１１とは、還元処理後のセラミックファイバーシート１６の厚みｔ１１を意味する。

また、発泡性ニッケル多孔体１５のアノード１７ａ側の高さ位置ｈ１と、セラミックファイバーシート１６のアノード１７ａ側の高さ位置ｈ２とは、Ｚ方向（積層方向）において、略同じである。つまり、発泡性ニッケル多孔体１５のアノード１７ａ側の表面１５ａと、セラミックファイバーシート１６のアノード１７ａ側の表面１６ａとが略面一になる。発泡性ニッケル多孔体１５の表面１５ａは、アノード１７ａに面接触している。これにより、発泡性ニッケル多孔体１５とアノード１７ａとが電気的に接続される。また、セル１７は、じん性（材料の破壊に対する抵抗性）に富むので、セラミックファイバーシート１６の付勢力に対して形状が変化する。これにより、セラミックファイバーシート１６の表面１６ａがアノード１７ａに面接触することにより、セル１７が変形して、セラミックファイバーシート１６の付勢力がアノード１７ａに伝達される。

なお、図４に示すように、還元処理前のセラミックファイバーシート１６のアノード１７ａ側の高さ位置ｈ１２（厚み）は、発泡性ニッケル多孔体１５のアノード１７ａ側の高さ位置ｈ１１よりも大きい。なお、還元処理とは、以下の処理を意味する。まず、比較的高温の炉（図示せず）の内部において、積層された発電ユニット１０が積層方向に加圧された状態で昇温される。なお、発電ユニット１０の昇温は、酸素含有雰囲気下で行われる。また、セル１７の製造時には、アノード１７ａに含まれるＮｉ（ニッケル）は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）の状態となっている。次に、アノード１７ａに還元用のガス（水素を含むアノードガス）が供給されることにより、ＮｉＯが還元されて、Ｎｉになる。その結果、アノード１７ａが導電性を獲得する。上記のアノード１７ａのＮｉＯを還元することを、還元処理という。また、還元処理（熱処理）を施すことによって、ジルコニアシートやセラミックフィラーを含むガラスシートからなる絶縁部材１３が潰れる。その結果、セラミックファイバーシート１６に力が加わり、発泡性ニッケル多孔体１５の高さ位置ｈ１とセラミックファイバーシート１６の高さ位置ｈ２とが一致するようになる。

また、図２に示すように、発泡性ニッケル多孔体１５の下方側の裏面１５ｂと金属メッシュ部１４とが面接触している。これにより、発泡性ニッケル多孔体１５の裏面１５ｂと金属メッシュ部１４とが電気的に接続される。また、セラミックファイバーシート１６の下方側の裏面１６ｂが金属メッシュ部１４に面接触することにより、セラミックファイバーシート１６の付勢力が金属メッシュ部１４に伝達される。

また、図５に示すように、発泡性ニッケル多孔体１５には、開口部１５ｃが設けられている。セラミックファイバーシート１６は、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃの内部に配置されている。つまり、セラミックファイバーシート１６の側面１６ｃは、発泡性ニッケル多孔体１５に取り囲まれている。

また、Ｚ方向（積層方向）から見て、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃとセラミックファイバーシート１６とは、略同一の形状を有する。具体的には、Ｚ方向から見て、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃとセラミックファイバーシート１６とは、略矩形形状（長方形形状）を有する。また、発泡性ニッケル多孔体１５も矩形形状を有する。そして、発泡性ニッケル多孔体１５は、長辺がＸ方向に沿うように配置されている。開口部１５ｃの長辺と、セラミックファイバーシート１６の長辺とは、Ｙ方向に沿うように配置されている。また、発泡性ニッケル多孔体１５が矩形形状を有するので、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃを矩形形状にすることにより、開口部１５ｃを大きく形成することが可能である。

また、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃと、セラミックファイバーシート１６とは、複数個ずつ設けられている。具体的には、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃと、セラミックファイバーシート１６とは、３個ずつ設けられている。３個の開口部１５ｃ（３個のセラミックファイバーシート１６）は、Ｘ方向に隣り合うように配置されている。

また、Ｚ方向から見て、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃとセラミックファイバーシート１６との間には、隙間Ｃが設けられている。隙間Ｃは、セラミックファイバーシート１６の全周に渡って設けられている。隙間Ｃの幅Ｗは、セル１７をセラミックファイバーシート１６の上方に配置してセラミックファイバーシート１６が変形した場合でも、セラミックファイバーシート１６が、発泡性ニッケル多孔体１５の表面１５ａとアノード１７ａとの間に入り込まない程度に調整されている。

また、Ｚ方向から見て、セラミックファイバーシート１６の面積は、アノード１７ａの表面積の２０％以上８０％以下である。ここで、燃料電池１００の運転と停止を繰り返し行うと、発電ユニット１０の昇温と降温とが繰り返し行われる。この昇温と降温との繰り返しを、サーマルサイクルという。そして、セラミックファイバーシート１６の面積を、アノード１７ａの表面積の２０％以上にすることにより、１００回のサーマルサイクルが行われた場合における発電効率の低下が１％以内になることが、発明者による実験により確認されている。また、セラミックファイバーシート１６の面積が、カソード１７ｃの表面積よりも大きくなると、電流の流れが阻害される。また、カソード１７ｃの面積は、アノード１７ａの表面積の８０％程度である。そこで、セラミックファイバーシート１６の面積を、アノード１７ａの表面積の２０％以上８０％以下とすることにより、セラミックファイバーシート１６の付勢力を確保しながら（つまり、カソード１７ｃとセパレータ１１との接触を確保しながら）、電流の流れが阻害されるのを抑制することが可能になる。なお、発泡性ニッケル多孔体１５の表面１５ａとアノード１７ａとは、発泡性ニッケル多孔体１５（Ｎｉ）と、アノード１７ａのＮｉ層とが固相の拡散によって、互いに接合されている。このため、サーマルサイクルにおいて、発泡性ニッケル多孔体１５とアノード１７ａとの接触不良が生じるのが抑制される。

また、Ｚ方向から見て、セラミックファイバーシート１６とセル１７のカソード１７ｃとは、オーバラップするように配置されている。つまり、セル１７のカソード１７ｃの直下に、セラミックファイバーシート１６が配置されている。また、複数のセラミックファイバーシート１６は、Ｚ方向から見て、カソード１７ｃの中心Ｃ１を通るＸ方向に沿った線分Ｌ１、および、カソード１７ｃの中心Ｃ１を通るＹ方向に沿った線分Ｌ２に対して、線対称になるように配置されている。これにより、複数のセラミックファイバーシート１６からカソード１７ｃに対してバラランス良く付勢力がセル１７のアノード１７ａに伝達される。その結果、セル１７のカソード１７ｃがセパレータ１１に適切に当接する。

また、図２に示すように、セラミックファイバーシート１６は、アノード１７ａに直接接触した状態で、アノード１７ａを付勢するように構成されている。つまり、セラミックファイバーシート１６とアノード１７ａとの間には、他の部材は、介在しない。

セル押さえ１８は、セル１７のカソード１７ｃには接触しないように、セル１７と絶縁部材１３とに跨るように配置されている。なお、セル押さえ１８の下面には、セル１７と絶縁部材１３とに跨るようにガラスシール１８ａが設けられている。また、セル押さえ１８の上面とセパレータ１１との間には、ガラスシール１８ｂが設けられている。なお、セル押さえ１８は、特許請求の範囲の「シール部材」の一例である。また、セル１７のカソード１７ｃと、絶縁部材１３とが同電位であれば、セル押さえ１８は、カソード１７ｃには接触した状態で、セル１７と絶縁部材１３とに跨るように配置されていてもよい。

また、セル１７の上方に配置されるセパレータ１１とカソード１７ｃとの間には、集電部材１９が設けられている。集電部材１９は、たとえば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３のようなペロフスカイト系酸化物の導電性のペーストを塗布することにより構成されている。

また、図１に示すように、発電ユニット１０が複数積層されることにより、セルスタック２０が構成されている。また、セルスタック２０は、複数積層されている。また、最上段のセルスタック２０の上面には、エンドプレート３０が配置されている。エンドプレート３０は、金属製である。そして、積層された発電ユニット１０により発電された電力は、金属製のエンドプレート３０を介して取り出される。

エンドプレート３０の上面上には、マイカ（雲母）からなる絶縁プレート３１が配置されている。また、絶縁プレート３１の上面上には、金属製（ＳＵＳ）の押圧プレート３２が配置されている。押圧プレート３２および絶縁プレート３１は、図示しない加圧部材（たとえば、ばね部材）により押圧されるように構成されている。

次に、図６を参照して、セラミックファイバーシート１６の弾性変形について説明する。

図６の横軸は、セラミックファイバーシート１６の厚みを表している。また、縦軸は、セラミックファイバーシート１６の付勢力を表している。また、図６の黒の四角は、焼成処理の前のセラミックファイバーシート１６の付勢力を表している。また、図６の黒の三角は、焼成処理の後のセラミックファイバーシート１６の付勢力を表している。図６に示すように、セラミックファイバーシート１６の厚みが、荷重がかけられていない状態のｔ０の場合、付勢力は、０である。そして、焼成処理の前および焼成処理の後の両方において、セラミックファイバーシート１６に荷重をかけて厚みを小さくすることにより、付勢力が徐々に大きくなることが確認された。そして、厚みｔ１において、付勢力Ｆが得られることが確認された。なお、厚みｔ１は、焼成処理の後の、Ｚ方向における金属メッシュ部１４とアノード１７ａとの間の距離Ｄ（図２参照）に相当する。つまり、完成後（還元処理後）のセラミックファイバーシート１６の厚みに相当する。また、付勢力Ｆは、カソード１７ｃとセパレータ１１との接触不良の発生を抑制するために十分な付勢力である。なお、図６の焼成処理の後のセラミックファイバーシート１６の付勢力を示す実線において、最も厚みの小さい実験値（最も左側の黒三角）よりも厚みの小さい側（左側）の実線は、実際の実験値に対応する実線を外挿したものを表している。

なお、図６の破線に示すような、厚みを小さくしてもほとんど付勢力が変化しない一方、厚みがある厚みよりも小さくなると急に付勢力が大きくなるような物質は、本発明の「弾性体」として好ましくない。たとえば、発泡性ニッケル多孔体１５のように高温でもほとんど変形しないような物質（剛体のような物質）は、本発明の「弾性体」として適していない。セル１７と発泡性ニッケル多孔体１５とが接触している場合には、発泡性ニッケル多孔体１５はセル１７に対して反力を生じる一方、セル１７が変形した場合、セル１７と発泡性ニッケル多孔体１５とが離間してセル１７に対して反力を生じなくなる（付勢できなくなる）ためである。そこで、セラミックファイバーシート１６のように、厚みを小さくすると徐々に付勢力が大きくなる物質（厚みに対して付勢力の大きさが緩やかに変化する物質）が、本発明の「弾性体」として適している。セル１７の変形に追従するようにセラミックファイバーシート１６が変形して、セル１７に対する付勢力が維持できるからである。

（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、アノード１７ａとセパレータ１１との間に、発泡性ニッケル多孔体１５と同一の層に隣り合うようにセラミックファイバーシート１６を配置する。そして、セラミックファイバーシート１６のアノード１７ａ側への付勢力は、発泡性ニッケル多孔体１５のアノード１７ａ側への付勢力よりも大きくなるように構成されている。これにより、発泡性ニッケル多孔体１５のアノード１７ａ側への付勢力よりも大きいセラミックファイバーシート１６のアノード１７ａ側への付勢力によってセル１７を積層方向の上方側に付勢することができる。その結果、セル１７のカソード１７ｃとセパレータ１１との接続不良が発生するのを抑制することができる。また、セラミックファイバーシート１６は、発泡性ニッケル多孔体１５と同一の層に隣り合うように配置されるので、セラミックファイバーシート１６と発泡性ニッケル多孔体１５とが積層されている場合と比べて、積層方向における発電ユニット１０の厚みが大きくなるのを抑制することができる。これらによって、積層方向における発電ユニット１０の厚みが大きくなるのを抑制しながら、セル１７のカソード１７ｃとセパレータ１１との接続不良の発生を抑制することができる。また、発電ユニット１０の厚みが大きくなるのを抑制することによって、所定の高さに収容可能な発電ユニット１０の数が少なくなるのを抑制することができるので、出力（瞬間あたりの出力（ｋＷ））が低下するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、発泡性ニッケル多孔体１５と同一の層に隣り合うようにセラミックファイバーシート１６を配置する。ここで、板状の金属を折り曲げて弾性体を構成した場合、弾性体がセラミックなどにより構成されているセル１７と点接触するため、応力集中によりセルが破損する恐れがある。そこで、弾性体をセラミックファイバーシート１６により構成することによって、応力集中に起因してセル１７が破損するのを抑制することができる。また、セラミックファイバーシート１６は、耐熱性が比較的高いので、運転時に高温になる燃料電池１００においてセラミックファイバーシート１６が変質することに起因してセラミックファイバーシート１６の付勢力が低下するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、セラミックファイバーシート１６の厚みｔ１１は、セル１７の厚みｔ１２の０．２倍以上、５．０倍以下である。これにより、発電ユニット１０の厚みが大きくなるのを抑制することができるので、所定の高さに収容可能な発電ユニット１０の数が少なくなるのを抑制することができる。その結果、出力が低下するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、発泡性ニッケル多孔体１５のアノード１７ａ側の高さ位置ｈ１と、セラミックファイバーシート１６のアノード１７ａ側の高さ位置ｈ２とは、積層方向において、略同じになるように構成されている。これにより、セラミックファイバーシート１６のアノード１７ａ側の高さ位置ｈ２が、発泡性ニッケル多孔体１５のアノード１７ａ側の高さ位置ｈ１よりも高くなることに起因して、発泡性ニッケル多孔体１５とアノード１７ａとの電気的な接続が解除されることを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、発泡性ニッケル多孔体１５には、開口部１５ｃが設けられており、セラミックファイバーシート１６は、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃの内部に配置されている。これにより、セラミックファイバーシート１６の側面１６ｃが発泡性ニッケル多孔体１５に取り囲まれた状態となるので、セラミックファイバーシート１６が水平方向に移動するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、積層方向から見て、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃとセラミックファイバーシート１６とは、略同一の形状を有する。ここで、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃの形状とセラミックファイバーシート１６の形状とが異なる場合、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃの中心とセラミックファイバーシート１６の中心とがずれることに起因して、比較的大きなデッドスペースが生じる。このため、セラミックファイバーシート１６の下方に配置されるセパレータ１１に設けられた燃料ガスの流路において、セラミックファイバーシート１６に覆われている部分と覆われていない部分とにおける燃料ガスの流れに偏りが生じる（燃料ガスの均一な流れが損なわれる）。その結果、燃料電池１００の性能が低下する恐れがある。そこで、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃとセラミックファイバーシート１６とを略同一の形状を有するように構成することによって、開口部１５ｃとセラミックファイバーシート１６との間に比較的大きなデッドスペースが生じるのを抑制することができるので、燃料電池１００の性能が低下するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、積層方向から見て、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃとセラミックファイバーシート１６とは、略矩形形状を有する。このように構成すれば、発泡性ニッケル多孔体１５に複数のセラミックファイバーシート１６を配置する場合、セラミックファイバーシート１６が円形形状に形成されている場合と異なり、複数のセラミックファイバーシート１６を密に配置しやすくなる。

また、本実施形態では、上記のように、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃと、セラミックファイバーシート１６とは、複数個ずつ設けられている。このように構成すれば、比較的大きな１つのセラミックファイバーシート１６のみが設けられている場合では、電子が比較的大きな１つのセラミックファイバーシート１６を迂回するように流れる必要があり、電子の流れの経路が長くなってしまう。そこで、発泡性ニッケル多孔体１５の開口部１５ｃとセラミックファイバーシート１６とを複数個ずつ設けることによって、複数のセラミックファイバーシート１６の間の発泡性ニッケル多孔体１５の部分を電子が流れることができるので、電子の流れの経路が長くなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、積層方向から見て、セラミックファイバーシート１６の面積は、アノード１７ａの表面積の２０％以上８０％以下である。ここで、セラミックファイバーシート１６の面積がアノード１７ａの表面積の２０％未満の場合では、セラミックファイバーシート１６の付勢力が不足することに起因して、セル１７のカソード１７ｃとセパレータ１１との接触不良が発生する場合がある。また、セラミックファイバーシート１６の面積がアノード１７ａの表面積の８０％を超えた場合、発泡性ニッケル多孔体１５の面積が比較的小さくなるので、発泡性ニッケル多孔体１５からアノード１７ａへの電流の流れを阻害する場合がある。そこで、上記のように、セラミックファイバーシート１６の面積をアノード１７ａの表面積の２０％以上８０％以下にすることによって、セラミックファイバーシート１６の付勢力を確保しながら、電流の流れが阻害されるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、積層方向から見て、セラミックファイバーシート１６とセル１７のカソード１７ｃとは、オーバラップするように配置されている。これにより、セラミックファイバーシート１６の付勢力を、カソード１７ｃに適切に伝えることができるので、カソード１７ｃとセパレータ１１との接続不良の発生を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、セラミックファイバーシート１６は、アノード１７ａに直接接触した状態で、アノード１７ａを付勢するように構成されている。これにより、セラミックファイバーシート１６の付勢力をアノード１７ａに直接伝えることができるので、セラミックファイバーシート１６によってアノード１７ａを確実に付勢することができる。

また、本実施形態では、上記のように、セパレータ１１とアノード１７ａとの間に、発泡性ニッケル多孔体１５を配置する。これにより、発泡性ニッケル多孔体１５の内部の隙間（図示せず）を介して、燃料ガスをセル１７のアノード１７ａ側に流通させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、発泡性ニッケル多孔体１５とセパレータ１１との間に金属メッシュ部１４を配置する。ここで、セパレータ１１には、燃料ガスを流通させるための溝部１１ａが設けられており、発泡性ニッケル多孔体１５によって溝部１１ａが塞がれる場合がある。そこで、上記のように、発泡性ニッケル多孔体１５とセパレータ１１との間に金属メッシュ部１４を配置することによって、セパレータ１１の溝部１１ａが発泡性ニッケル多孔体１５によって塞がれるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、セパレータ１１の表面上に、セル１７の外周を取り囲むように配置される枠形状のセルホルダ１２と、セルホルダ１２の表面上に設けられる枠形状の絶縁部材１３と、セル１７のカソード１７ｃには接触しないように、セル１７と絶縁部材１３とに跨るように配置されるセル押さえ１８とを配置する。これにより、セル押さえ１８によって、アノード１７ａ側とカソード１７ｃ側とが分離されるので、燃料ガスと空気とが混合するのを抑制することができる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態および実施例は、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、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池以外の燃料電池である、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）などでもよい。

また、上記実施形態では、本発明の「弾性体」として、セラミックファイバーシートを用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、本発明の「弾性体」として、セラミックファイバーシート以外の弾性体（ばねなど）を用いてもよい。また、本発明の「弾性体」として、セラミックファイバーシート以外のジルコニア繊維やカーボン繊維などの無機繊維を用いてもよい。

また、上記実施形態では、セラミックファイバーシートが発泡性ニッケル多孔体の開口部の内部に配置されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、発泡性ニッケル多孔体の外側に、セラミックファイバーシートを配置してもよい。

また、上記実施形態では、発泡性ニッケル多孔体の開口部とセラミックファイバーシートとが略矩形形状を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図７に示す変形例による発泡性ニッケル多孔体１１５およびセラミックファイバーシート１１６のように、Ｚ方向から見て、発泡性ニッケル多孔体１１５の開口部１１５ｃとセラミックファイバーシート１１６とが略丸形形状を有していてもよい。また、発泡性ニッケル多孔体の開口部とセラミックファイバーシートとが楕円形状であってもよい。

また、上記実施形態では、発泡性ニッケル多孔体の開口部とセラミックファイバーシートとが３個ずつ設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、発泡性ニッケル多孔体の開口部とセラミックファイバーシートとが、３個以外の数ずつ設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、セラミックファイバーシートが、アノードに直接接触した状態でアノードを付勢する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、セラミックファイバーシートとアノードとの間に、別の部材が介在していてもよい。

また、上記実施形態では、本発明の「金属多孔体」として発泡性ニッケル多孔体を用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、発泡性ニッケル多孔体以外の金属多孔体を用いることも可能である。

１０ 発電ユニット
１１ セパレータ
１２ セルホルダ
１３ 絶縁部材
１４ 金属メッシュ部
１５ 発泡性ニッケル多孔体（金属多孔体）
１５ｃ 開口部
１６ セラミックファイバーシート（弾性体）
１７ セル
１７ａ アノード
１７ｃ カソード
１８ セル押さえ（シール部材）
１００ 燃料電池
Ｃ 隙間

Claims (15)

1. 複数積層された発電ユニットを備え、
   前記発電ユニットは、
   積層方向の一方側の面にアノードが設けられ、前記積層方向の他方側の面にカソードが設けられたセルと、
   前記アノードに対向するように配置されるセパレータと、
   前記アノードと前記セパレータとの間に設けられ、前記アノードと前記セパレータとを電気的に接続する金属多孔体と、
   前記アノードと前記セパレータとの間において、前記金属多孔体と同一の層に隣り合うように配置される弾性体とを含み、
   前記弾性体の前記アノード側への付勢力は、前記金属多孔体の前記アノード側への付勢力よりも大きくなるように構成されている、燃料電池。
2. 前記弾性体は、シート状の無機繊維により構成されている、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記シート状の無機繊維により構成されている弾性体は、アルミナとシリカとを主成分とする繊維であるセラミックファイバーがシート状に構成されたセラミックファイバーシートを含む、請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記セラミックファイバーシートの厚みは、前記セルの厚みの０．２倍以上、５．０倍以下である、請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記金属多孔体の前記アノード側の高さ位置と、前記弾性体の前記アノード側の高さ位置とは、前記積層方向において、略同じになるように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記金属多孔体には、開口部が設けられており、
   前記弾性体は、前記金属多孔体の前記開口部の内部に配置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記積層方向から見て、前記金属多孔体の前記開口部と前記弾性体とは、略同一の形状を有する、請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記積層方向から見て、前記金属多孔体の前記開口部と前記弾性体とは、略矩形形状を有する、請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記金属多孔体の前記開口部と、前記弾性体とは、複数個ずつ設けられている、請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
10. 前記積層方向から見て、前記弾性体の面積は、前記アノードの表面積の２０％以上８０％以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
11. 前記積層方向から見て、前記弾性体と前記セルの前記カソードとは、オーバラップするように配置されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
12. 前記弾性体は、前記アノードに直接接触した状態で、前記アノードを付勢するように構成されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
13. 前記金属多孔体は、発泡性ニッケル多孔体を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
14. 前記金属多孔体と前記セパレータとの間に配置される金属メッシュ部をさらに備える、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池。
15. 前記セパレータの表面上に、前記セルの外周を取り囲むように配置される枠形状のセルホルダと、
    前記セルホルダの表面上に配置される枠形状の絶縁部材と、
    前記セルと前記絶縁部材とに跨るように配置されるシール部材とをさらに備える、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池。

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