JP2022125885A - 燃料電池セル、及び、燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】オーム損を低減した固体酸化物型の燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料電池セル（セル１０）は、アノード極層４１と、カソード極層４２と、アノード極層４１とカソード極層４２とに挟持される固体電解質層４３と、を積層して構成される燃料電池セルである。この燃料電池セルは、さらに、第１金属多孔体層４５と、第１金属フレーム３１と、第２金属多孔体層４６と、第２金属フレーム３４と、を備える。第１金属多孔体層４５は、面方向に連通する複数の空孔を有する金属多孔体によって平板状に形成され、固体電解質層４３とともにアノード極層４１を挟持し、複数の空孔によってアノード極層４１にアノードガスを供給する。第２金属多孔体層４６は、金属多孔体によって平板状に形成され、固体電解質層４３とともにカソード極層４２を挟持し、複数の空孔によってカソード極層４２にカソードガスを供給する。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池を構成する燃料電池セル及び燃料電池スタックに関する。

特許文献１には、平板状に形成された電極反応体の両面に、格子状に開口が形成された集電体を接合したセルで構成した燃料電池スタックが記載されている。また、特許文献１の燃料電池スタックにおいては、各セルにおいて点対称に位置する外部引出し端子が集電体によって接続されることにより、隣接するセルが電気的に接続されている。

特開平０６－０６０９０５号公報

燃料電池セルの電極触媒層は、一般に、数十ミクロン程度の薄膜で形成されているので、面方向に電流が流れるときにはオーム損が大きい。そして、集電体として格子状に開口が形成された集電体を用いる場合、集電体と接続する格子部分においては集電体を電流が流れる。しかし、開口部分においては、電流は、電極触媒層内を面方向に沿って流れる。したがって、格子状に開口を形成した集電体を用いると、オーム損が大きい。その結果、燃料電池スタックの発電電力（エネルギー）が損失するという問題がある。

本発明は、オーム損を低減した固体酸化物型の燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供すること目的とする。

本発明のある態様に係る燃料電池セルは、アノード極層と、カソード極層と、アノード極層とカソード極層とに挟持される固体電解質層と、を積層して構成される燃料電池セルである。この燃料電池セルは、さらに、第１金属多孔体層と、第１金属フレームと、第２金属多孔体層と、第２金属フレームと、を備える。第１金属多孔体層は、面方向に連通する複数の空孔を有する金属多孔体によって平板状に形成され、固体電解質層とともにアノード極層を挟持し、複数の空孔によってアノード極層にアノードガスを供給する。第１金属フレームは、第１金属多孔体層の外周部において電気的に接続することによって、第１金属多孔体層を介してアノード極層と電気的に接続し、かつ、第１金属多孔体層を支持する。第２金属多孔体層は、金属多孔体によって平板状に形成され、固体電解質層とともにカソード極層を挟持し、複数の空孔によってカソード極層にカソードガスを供給する。第２金属フレームは、第２金属多孔体層の外周部において第２金属多孔体層と電気的に接続することによって、第２金属多孔体層を介してカソード極層と電気的に接続し、かつ、第２金属多孔体層を支持する。

本発明によれば、オーム損を低減した固体酸化物型の燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供することができる。

図１は、セルスタックの外観斜視図である。 図２は、セルスタックの分解斜視図である。 図３は、セルの分解斜視図である。 図４は、セルの断面図である。 図５は、スタックの部分断面図である。 図６は、アノードガスの流れを示す説明図である。 図７は、カソードガスの流れを示す説明図である。 図８は、金属多孔体層を介したアノードガス及びカソードガスの供給態様を示す説明図である。 図９は、セル及びセルスタックにおいて電流が流れる経路を示す説明図である。 図１０は、第１比較例のセルの断面図である。 図１１は、第１比較例のセルを流れる電流の経路を示す説明図である。 図１２は、格子集電体の位置ずれによる不具合を示す説明図である。 図１３は、第２比較例に係るセルスタック及びセルの模式的な断面図である。 図１４は、アクティブエリアの形状、バスバーの設置範囲、及び、電流の経路を示す説明図である。 図１５は、バスバーの設置範囲と電流の経路を示す説明図である。 図１６は、アクティブエリアの温度分布を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［セルスタックの構造］
図１は、セルスタック１００の外観斜視図である。セルスタック１００は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に用いられる燃料電池セルスタック（固体酸化物型燃料電池セルスタック）である。セルスタック１００は、複数の固体酸化物型燃料電池セル（燃料電池セル）を積み重ねるように配列し、各々の固体酸化物型燃料電池セルを電気的に接続することによって形成される。燃料電池システムは、１または複数のセルスタック１００を用いて構成される。以下、セルスタック１００を構成する各個の固体酸化物型燃料電池セルを、燃料電池セル、または、さらに簡単にセル１０という。セル１０は、一般に、単セルと称される場合がある。

図１に示すように、セルスタック１００は全体として概ね平板状である。このため、セルスタック１００を構成するセル１０も平板状である。また、セルスタック１００は概ね直方体状であり、セル１０の積み重ね方向（以下、スタック方向という）に垂直な表面は概ね長方形状に形成される。

以下、セルスタック１００及びセル１０等に関して、セル１０のスタック方向に垂直な表面を、表裏の区別なく単に表面という。表面の短手方向をＸ方向とし、長手方向をＹ方向とし、セル１０のスタック方向をＺ方向とする。そして、セルスタック１００及びセル１０等において、Ｚ方向に平行な面を側面という。また、セルスタック１００及びセル等に関して、Ｘ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向を、それぞれ横方向、縦方向、及び、高さ方向（または厚さ方向）という場合がある。ＸＹＺ各方向は右手系を構成するように正方向を定める。

また、ＸＹＺ各方向の負側の端を「基端」といい、正側の端を「先端」という。セルスタック１００及びセル１０等の方向に関して、「上」とはＺ方向正側をいい、「下」とはＺ方向負側をいう。また、セルスタック１００及びセル１０等の長さに関して、Ｘ方向の長さを「長さ」といい、Ｙ方向の長さを「幅」という。本実施形態においては、アノードガス及びカソードガスがセルスタック１００内を流れる方向がＹ方向正側である。そして、Ｚ方向は、セルスタック１００の厚み方向である。なお、以下、図４等において示す本実施形態の断面図は、図１においてＡ－Ａで示す位置における断面である。

セルスタック１００は、インレット１１、アウトレット１２、アクティブエリア１３、及び、バスバー１４，１５を備える。

インレット１１は、アノードガス及びカソードガスを、セルスタック１００に供給するためのガス供給孔である。本実施形態においては、インレット１１は、セルスタック１００のＸ方向基端側に設けられている。アノードガスは、燃料または改質された燃料（改質燃料）であり、例えば、水素やメタン等の炭化水素系燃料である。カソードガスはいわゆる酸化剤であり、例えば、空気である。本実施形態では、インレット１１は、ガス供給孔として、アノードガスを供給するためのアノードガス供給孔１６ｂと、カソードガスを供給するためのカソードガス供給孔１６ａ，１６ｃと、を備える。本実施形態のインレット１１は、カソードガス供給孔１６ａ、アノードガス供給孔１６ｂ、及び、カソードガス供給孔１６ｃがこの順に一列に配列されている。但し、アノードガス供給孔及びカソードガス供給孔の個数及び配列は任意である。

アウトレット１２は、アノードオフガス及びカソードオフガスを排出するためのガス排出孔である。本実施形態においては、アウトレット１２は、セルスタック１００のＸ方向先端側に設けられている。アノードオフガス及びカソードオフガスは、セルスタック１００から排出されるアノードガス等及びカソードガス等である。本実施形態では、アウトレット１２は、ガス排出孔として、アノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出孔１７ｂと、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス排出孔１７ａ，１７ｃと、を備える。カソードオフガス排出孔１７ａ、アノードオフガス排出孔１７ｂ、及び、カソードオフガス排出孔１７ｃがこの順に一列に配列されている。但し、アノードオフガス排出孔及びカソードオフガス排出孔の個数及び配列は任意である。

以下では、インレット１１を構成するガス供給孔とアウトレット１２を構成するガス排出孔をまとめてガス流通孔という。また、説明においてアノードガスとカソードガスの区別が不要なときには、アノードガス、アノードオフガス、カソードガス、及び、カソードオフガスをまとめて単にガスという。

アクティブエリア１３は、アノードガス及びカソードガスを使用して実際に発電が行われる領域である。アクティブエリア１３は、インレット１１とアウトレット１２の間に、すなわちセルスタック１００の中央部分に形成される。

バスバー１４，１５は、セルスタック１００を構成するセル１０を電気的に接続することにより、セル１０で発電された電力を集電する集電体である。バスバー１４，１５は、例えば金属製であり、少なくとも発電によって生じた電力を実質的に損失しない程度の電気伝導性を有する。バスバー１４は、セルスタック１００の長手方向に沿って、Ｘ方向正側の側面に取り付けられる。バスバー１５は、セルスタック１００の長手方向に沿って、Ｘ方向負側の側面に取り付けられる。本実施形態においては、バスバー１４，１５は、スタックされたセル１０を直列に接続する。

図２は、セルスタック１００の分解斜視図である。図２に示すように、セルスタック１００は、複数のセル１０と、ガスケットアセンブリ１８ａ，１８ｂと、を交互に積み重ねたスタック構造を有する。

各々のセル１０は、インレット１１及びアウトレット１２に対応する位置に、それぞれ開口を有する。すなわち、各々のセル１０は、インレット１１に対応して、アノードガス供給孔１６ｂ及びカソードガス供給孔１６ａ，１６ｃをそれぞれ形成する複数の開口を有する。同様に、各々のセル１０は、アウトレット１２に対応して、アノードオフガス排出孔１７ｂ及びカソードオフガス排出孔１７ａ，１７ｃをそれぞれ形成する複数の開口を有する。

各セル１０の構造はいずれも同じであり、各セル１０は、アクティブエリア１３に、電極触媒層３２が露呈する。電極触媒層３２は、アノード電極、固体電解質、及び、カソード電極等が積層された積層体であり、その表面には、アノードとして機能する表面と、カソードとして機能する表面の区別がある。このため、セル１０にも表裏の区別がある。以下、セル１０の表面のうち、アノードとして機能する側の表面をアノード面２２といい、カソードとして機能する側の表面をカソード面２３という。セルスタック１００は、アノード面２２同士を対向させ、かつ、カソード面２３同士を対向させるように、表裏を反転させながら複数のセル１０が交互に積み重ねられたセル配列を有する。セル１０の構造及び電極触媒層３２の層構造等については、詳細を後述する。

また、上記のセル配列において、隣接する２つのセル１０は所定間隔で離間されている。セル１０間の離間間隔は、セル１０間に配置されるガスケットアセンブリ１８ａ，１８ｂの厚みによって調整される。

ガスケットアセンブリ１８ａは、絶縁体で形成され、上記のセル配列において、隣接するセル１０のアノード面２２同士が対向する箇所に配置される。すなわち、ガスケットアセンブリ１８ａは、アノード用である。ガスケットアセンブリ１８ａは、外縁封止材２６、ガス流通孔封止材２７、及び、通気支持材２８（通ガス支持材）を含む。

外縁封止材２６は、セルスタック１００が形成されたときに、隣接するセル１０に当接することにより、それらのセル１０間の空間（以下、セル間空間という）を封止する。したがって、外縁封止材２６は、セル間空間を外界（セルスタック１００の外部）から隔離する。

ガス流通孔封止材２７は、インレット１１及びアウトレット１２を形成するガス流通孔の一部を、その外周において封止する。より具体的には、ガス流通孔封止材２７は、例えばその中央部分にガス流通孔を形成する開口を有する。このため、ガス流通孔封止材２７は、スタック方向へのガスの流通を妨げない。一方、ガス流通孔封止材２７は、セルスタック１００が形成されたときに、上下のセル１０に挟持されることで、セル間空間内外へのガスの流通を遮る。

アノード用のガスケットアセンブリ１８ａにおいては、ガス流通孔封止材２７は、カソードガス供給孔１６ａ，１６ｃ及びカソードオフガス排出孔１７ａ，１７ｃの外周をそれぞれ封止する。すなわち、ガスケットアセンブリ１８ａのガス流通孔封止材２７は、スタック方向へのカソードガス及びカソードオフガスの流通を許容しつつ、セル間空間内外へのカソードガスの流通を遮る。

通気支持材２８は、セルスタック１００が形成されたときに、一部のガス流通孔の外周部分において上下のセル１０を支持する。通気支持材２８は、ガス流通孔封止材２７と同様に、例えばその中央部分にガス流通孔を形成する開口を有する。このため、通気支持材２８は、スタック方向へのガスの流通を妨げない。一方、通気支持材２８は、ガス流通孔封止材２７と異なり、例えばこの開口を中心として放射状に、複数の通気溝（通ガス溝）を有する。このため、通気支持材２８はガスの流通も妨げない。したがって、通気支持材２８は、通気（通ガス）可能に、上下のセル１０を支持する。

アノード用のガスケットアセンブリ１８ａにおいては、通気支持材２８は、アノードガス供給孔１６ｂ及びアノードオフガス排出孔１７ｂの外周において、上下のセル１０を支持する。このため、セル間空間内外へのアノードガス及びアノードオフガスの流通は許容される。

ガスケットアセンブリ１８ｂは、前述のセル配列において、隣接するセル１０のカソード面２３同士が対向する箇所に配置される。すなわち、ガスケットアセンブリ１８ｂは、カソード用である。

カソード用のガスケットアセンブリ１８ｂは、アノード用のガスケットアセンブリ１８ａと同様に、絶縁体で形成され、外縁封止材２６、ガス流通孔封止材２７、及び、通気支持材２８を含む。但し、ガスケットアセンブリ１８ｂでは、ガス流通孔封止材２７は、アノードガス供給孔１６ｂ及びアノードオフガス排出孔１７ｂの外周をそれぞれ封止する。また、カソード用のガスケットアセンブリ１８ｂでは、通気支持材２８は、カソードガス供給孔１６ａ，１６ｃ及びカソードオフガス排出孔１７ａ，１７ｃの外周において上下のセル１０を支持する。したがって、ガスケットアセンブリ１８ｂは、セル間空間内外へのアノードガスの流通を遮り、カソードガスの流通を許容する。

［セル及び電極触媒層の構造］
図３は、セル１０の分解斜視図である。図３に示すように、セル１０は、第１金属フレーム３１、電極触媒層３２、シールセル３３、及び、第２金属フレーム３４を備える。

第１金属フレーム３１は、電極触媒層３２を、その外周部４８（図４参照）において支持する金属製の支持体である。また、第１金属フレーム３１は、電極触媒層３２の外周部４８（図４参照）において電極触媒層３２と電気的に接続する。具体的には、第１金属フレーム３１は、電極触媒層３２のアノード極層４１側において、電極触媒層３２と電気的に接続しつつ、これを支持する。このため、第１金属フレーム３１は、第１金属多孔体層４５に接続される。これにより、第１金属フレーム３１は、第１金属多孔体層４５を介してアノード極層４１と電気的に接続し、かつ、第１金属多孔体層４５を支持する。その結果、第１金属フレーム３１は、セル１０においてアノード極となる集電体を構成する。

また、第１金属フレーム３１は、中央部に設けられた開口によって電極触媒層３２を露呈する。すなわち、セル１０の表面のうち、第１金属フレーム３１が設けられた表面は、アノード面２２であり、第１金属多孔体層４５が露呈される。電極触媒層３２のうち、少なくとも第１金属フレーム３１から露呈される部分は、アクティブエリア１３を形成する。この他、第１金属フレーム３１は、ガス流通孔を形成する開口と、バスバー１４，１５と接続する接続部を有する。

電極触媒層３２は、アノードガスとカソードガスを隔離しつつ、所定イオンの導通を許容することにより、アノードガスとカソードガスの反応を補助する。電極触媒層３２は、アノードガスとカソードガスを反応させるための基本構成として、少なくとも、アノード極層４１、固体電解質層４３（図４参照）、及び、カソード極層４２（図４参照）を、この順に積層した積層体（以下、基本積層体４４という（図４参照））を含む。

シールセル３３は、セル１０を形成したときに、電極触媒層３２の側面を封止する封止部材である。また、シールセル３３は絶縁体で形成され、セル１０を形成したときに、第１金属フレーム３１と第２金属フレーム３４に挟持される。このため、シールセル３３は、第１金属フレーム３１と第２金属フレーム３４の絶縁支持体としても機能する。したがって、シールセル３３には、電極触媒層３２の表面を全て露呈する開口を備える。また、シールセル３３は、ガス流通孔を形成する開口を備える。

第２金属フレーム３４は、電極触媒層３２を支持する金属製の支持体である。また、第２金属フレーム３４は、電極触媒層３２の外周部４９において電極触媒層３２と電気的に接続する。具体的には、第２金属フレーム３４は、電極触媒層３２のカソード極層４２側において、電極触媒層３２と接続し、これを支持する。このため、第２金属フレーム３４は、第２金属多孔体層４６に接続される。これにより、第２金属フレーム３４は、第２金属多孔体層４６を介してカソード極層４２と電気的に接続し、かつ、第２金属多孔体層４６を支持する。その結果、第２金属フレーム３４は、セル１０においてカソード極となる集電体を構成する。

また、第２金属フレーム３４は、中央部に設けられた開口によって電極触媒層３２を露呈する。すなわち、セル１０の表面のうち、第２金属フレーム３４が設けれられた表面は、カソード面２３であり、第２金属多孔体層４６が露呈される。電極触媒層３２のうち、少なくとも第２金属フレーム３４から露呈される部分は、アクティブエリア１３を形成する。この他、第２金属フレーム３４は、ガス流通孔を形成する開口と、バスバー１４，１５と接続する接続部を有する。

図４は、セル１０の断面図である。図４に示すように、電極触媒層３２は、アノード極層４１と、カソード極層４２と、アノード極層４１及びカソード極層４２に挟持される固体電解質層４３と、からなる基本積層体４４を含む。

アノード極層４１は、いわゆる燃料極として機能する平板状の薄膜である。アノード極層４１は、例えば、セラミック、または、セラミックと金属とからなるサーメット等によって形成される。アノード極層４１は、燃料極として機能し得る程度に、アノードガスを透過し得るガス透過性、電気伝導性、及び、イオン電導性を有する。また、アノード極層４１は、アノードガスと、固体電解質層４３を伝動した酸化物イオン（例えば酸素イオン）と、の反応を促進する触媒として機能する。

カソード極層４２は、いわゆる酸化剤極（空気極）として機能する平板状の薄膜である。カソード極層４２は、例えば、金属酸化物によって形成される。カソード極層４２は、酸化剤極として機能し得る程度に、カソードガスを透過し得るガス透過性、電気伝導性、及び、イオン電導性を有する。また、カソード極層４２は、カソードガスが含む酸化剤（例えば酸素）のイオン化を促進する触媒として機能する。

固体電解質層４３は、イオン伝導性を有する固体電解質の平板状の薄膜であり、酸化剤イオンを伝導する。固体電解質層４３は、例えば、固体酸化物セラミックによって形成される。セラミックとは、無機物の焼結体をいい、非金属酸化物だけでなく、金属酸化物を含む。

そして、本実施形態の電極触媒層３２は、上記の基本積層体４４に加えて、第１金属多孔体層４５と、第２金属多孔体層４６と、をさらに備える。

第１金属多孔体層４５は、少なくともアクティブエリア１３において、アノード極層４１を一様に覆うように形成された平板状の金属薄膜であり、基本積層体４４をアノード極層４１側から支持する。したがって、電極触媒層３２の層構造においては、第１金属多孔体層４５は固体電解質層４３とともにアノード極層４１を挟持する。また、第１金属多孔体層４５は、基本積層体４４を支持し得る程度に、アノード極層４１よりも厚く形成される。例えば、第１金属多孔体層４５は、アノード極層４１よりも１桁程度厚く形成される。

第１金属多孔体層４５は、金属多孔体によって形成される。金属多孔体とは、金属製の多孔体である。第１金属多孔体層４５は、例えば、ニッケルやクロム等を含有するステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成される。また、多孔体とは、図示しない無数の微小な空孔を実質的にランダムに内包し、それらの空孔が実質的にランダムに連通している部材をいう。したがって、第１金属多孔体層４５が含む複数の空孔は、面方向（ＸＹ面内方向）に連通する。また、第１金属多孔体層４５が含む複数の空孔は表面間に連通しており、面内における空孔の分布は実質的に一様である。

このため、第１金属多孔体層４５は、面方向（ＸＹ面内方向）及び厚さ方向（Ｚ方向）に一様な電気伝導性を有する良導体であり、全体として実質的に連続的な金属板として振る舞う。その上で、第１金属多孔体層４５は、複数の空孔によって、一方の露呈した表面（Ｚ方向負側の表面）からアノード極層４１に接合する他方の表面（Ｚ方向正側の表面）に、実質的に一様にアノードガスを透過する。したがって、一方の露呈した表面にアノードガスが供給されたときには、第１金属多孔体層４５は、複数の空孔によってアノード極層４１にアノードガスを供給する。

第２金属多孔体層４６は、少なくともアクティブエリア１３において、カソード極層４２を一様に覆うように形成された平板状の金属薄膜であり、基本積層体４４をカソード極層４２側から支持する。したがって、電極触媒層３２の層構造においては、第２金属多孔体層４６は、固体電解質層４３とともにカソード極層４２を挟持する。また、第１金属多孔体層４５は、基本積層体４４を支持し得る程度に、カソード極層４２よりも厚く形成される。例えば、第２金属多孔体層４６は、カソード極層４２よりも１桁程度厚く形成される。

第２金属多孔体層４６は、第１金属多孔体層４５と同様に、金属多孔体によって形成される。したがって、第２金属多孔体層４６は、面方向（ＸＹ面内方向）及び厚さ方向（Ｚ方向）に一様な電気伝導性を有する良導体であり、全体として実質的に連続的な金属板として振る舞う。また、第２金属多孔体層４６が含む複数の空孔は、面方向（ＸＹ面内方向）に連通している。そして、第２金属多孔体層４６が含む複数の空孔は表面間に連通しており、面内における空孔の分布は実質的に一様である。このため、第２金属多孔体層４６は、複数の空孔によって、一方の露呈した表面（Ｚ方向正側の表面）からカソード極層４２に接合する他方の表面（Ｚ方向負側の表面）に、実質的に一様にカソードガスを透過する。したがって、一方の露呈した表面にカソードガスが供給されたときには、第２金属多孔体層４６は、複数の空孔によってカソード極層４２にカソードガスを供給する。

上記のように、電極触媒層３２は、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６によって基本積層体４４を両面から支持する構造を有する。また、電極触媒層３２は、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６によって、第１金属フレーム３１及び第２金属フレーム３４に接合する。具体的には、第１金属多孔体層４５は、その外周部４８の一部または全部において第１金属フレーム３１と電気的に接続する。本実施形態においては、接続部分における電気抵抗（オーム損）をより良く低減するために、第１金属多孔体層４５と第１金属フレーム３１は、外周部４８のほぼ全部において、溶接等の金属接合の方法によって接合される。同様に、第２金属多孔体層４６は、その外周部４９の一部または全部において第２金属フレーム３４と電気的に接続する。本実施形態においては、接続部分における電気抵抗（オーム損）をより良く低減するために、第２金属多孔体層４６と第２金属フレーム３４は、外周部４９のほぼ全部において溶接等の金属接合の方法によって接合される。

上記のように、セル１０は、いわゆるメタルサポートセルである。従来の典型的なメタルサポートセルは、アノード極層４１側またはカソード極層４２側のいずれか一方だけを金属製の支持体によって支持する。一方、本実施形態におけるセル１０は、アノード側及びカソード側の両方が金属製の支持体によって支持されている。したがって、従来の典型的なメタルサポートセルが片側メタルサポートセルであるのに対して、本実施形態のセル１０は、いわば両側メタルサポートセルである。

なお、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６を形成する具体的な方法は任意である。したがって、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は、金属繊維からなるフェルトや不織布、または、金属粒子の焼結体等によって形成することができる。但し、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は、金属粒子の焼結体であることが好ましい。他の方法による場合と比較して、金属粒子の焼結体は電気伝導性や剛性（強度）が優れる。このため、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は、金属粒子の処決体であることが好ましい。

本実施形態では、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は、共焼成によって、基本積層体４４と一体の焼結体として形成される。具体的には、まず、電極触媒層３２の各層を形成するためのスラリーとして、第１金属多孔体スラリー、アノードスラリー、電解質スラリー、カソードスラリー、及び、第２金属多孔体スラリーが調製される。次に、各スラリーはシート状に成形され、電極触媒層３２における積層順に合わせて積層して貼り合わせられ、成形スラリー積層体が形成される。その後、この成形スラリー積層体が脱脂及び共焼成されることにより、電極触媒層３２が形成される。

［セルスタックの詳細な構造］
図５は、セルスタック１００の部分断面図である。図５に示すように、アノード面２２同士を対向させ、かつ、カソード面２３同士を対向させるセル配列と、ガスケットアセンブリ１８ａ，１８ｂの内部構造によって、アノード面２２同士が対向するセル間空間は、アノードガスが流通するアノードガス流路ＦＰａとなる。同様に、カソード面２３同士が対向するセル間空間は、カソードガスが流通するカソードガス流路ＦＰｃとなる。

アノードガス流路ＦＰａは、隣接した２つのセル１０に対してアノードガスを供給する。すなわち、セルスタック１００においては、アノードガス流路ＦＰａは２つのセル１０に供用される。アノードガス流路ＦＰａの高さＨ１は、ガスケットアセンブリ１８ａの厚さによって任意に調節可能である。このため、アノードガス流路ＦＰａの断面積は任意に調節可能である。

カソードガス流路ＦＰｃは、隣接した２つのセル１０に対してカソードガスを供給する。すなわち、セルスタック１００においては、カソードガス流路ＦＰｃは２つのセル１０に供用される。カソードガス流路ＦＰｃの高さＨ２は、ガスケットアセンブリ１８ｂの厚さによって任意に調節可能である。このため、カソードガス流路ＦＰｃの断面積も任意に調節可能である。

なお、セルスタック１００が発電をするときには、例えば、通常、カソードガスの流量は、アノードガスの流量よりも大きい。このため、本実施形態においては、アノードガス及びカソードガスの各流量等に応じて、アノードガス流路ＦＰａにおけるアノードガスの圧力損失と、カソードガス流路ＦＰｃにおけるカソードガスの圧力損失と、がそれぞれ個別に調節される。具体的には、カソードガス流路ＦＰｃの高さＨ２は、アノードガス流路ＦＰａの高さＨ１よりも高く設定される。すなわち、ガスケットアセンブリ１８ｂはガスケットアセンブリ１８ａよりも厚く形成されており、その結果、Ｈ２＞Ｈ１となっている。これにより、セルスタック１００では、カソードガス流路ＦＰｃの断面積は、アノードガス流路ＦＰａの断面積よりも大きくなっている。このように、アノードガス流路ＦＰａ及びカソードガス流路ＦＰｃにおける圧力損失が各々に低減されると、図示しないブロアやポンプ等、アノードガス及びカソードガスをセルスタック１００に供給する機器が省電力化される。また、アノードガス及びカソードガスの圧力損失が適切に調整されたときには、アクティブエリア１３における発電反応等がほぼ均一に生じる。このため、アノードガス及びカソードガスの圧力損失が低減されることによって、アクティブエリア１３に温度分布が生じ難くなる。

バスバー１４，１５は、溶接等の金属接合によって、各セル１０の第１金属フレーム３１及び第２金属フレーム３４と接合される。これにより、バスバー１４，１５は、隣接するセル１０を電気的に接続する。

本実施形態においては、バスバー１４は、あるセル１０（図５中段のセル１０）のアノード極である第１金属フレーム３１と、このセル１０に隣接する図５上段のセル１０に、カソード極である第２金属フレーム３４において接続する。そして、バスバー１５は、バスバー１４が第１金属フレーム３１に接続する図５中段のセル１０と、そのカソード極である第２金属フレーム３４において接続する。さらに、バスバー１５は、バスバー１４が第２金属フレーム３４に接続する図５下段のセル１０と、アノード極である第１金属フレーム３１において接続する。すなわち、バスバー１４は隣接する２つのセル１０を直列に接続し、バスバー１５は、バスバー１４によって直列に接続されたセル１０の組をさらに直列に接続する。逆に、バスバー１５が隣接する２つのセル１０を直列に接続しており、バスバー１４が、バスバー１５によって直列に接続されたセル１０の組をさらに直列に接続しているともいえる。

［アノードガス及びカソードガスの流れ］
図６は、アノードガスの流れを示す説明図である。図６において太線矢印で示すように、アノードガス供給孔１６ｂを流れるアノードガスは、通気支持材２８の通気溝から放射状にアノードガス流路ＦＰａに噴出する。これにより、アノードガスは、アノードガス流路ＦＰａに供給される。そして、アノードガス流路ＦＰａ内において、アノードガスは、アノード面２２に沿ってほぼ平行かつほぼ一様にＸ方向正側に向けて流れる。その後、アノードガスは、アノードオフガス排出孔１７ｂに対応して設けられた通気支持材２８の通気溝を介して、アノードオフガス排出孔１７ｂに排出される。

図７は、カソードガスの流れを示す説明図である。図７において太破線矢印で示すように、カソードガス供給孔１６ａ，１６ｃを流れるカソードガスは、２つの通気支持材２８から、各々の通気溝を介して放射状に噴出する。これにより、カソードガスは、カソードガス流路ＦＰｃに供給される。そして、カソードガス流路ＦＰｃ内において、カソードガスは、カソード面２３に沿ってほぼ平行かつほぼ一様にＸ方向正側に向けて流れる。その後、カソードガスは、カソードオフガス排出孔１７ａ，１７ｃにそれぞれ対応して設けられた２つの通気支持材２８の通気溝を介して、カソードオフガス排出孔１７ａ及びカソードオフガス排出孔１８ｃに排出される。

図８は、金属多孔体層を介したアノードガス及びカソードガスの供給態様を示す説明図である。図８に示すように、アノードガスは、上記のようにアノードガス流路ＦＰａを流通する間に、第１金属多孔体層４５と当接する。これにより、アノードガスは、第１金属多孔体層４５の空孔を通り、アノード極層４１に供給される。第１金属多孔体層４５の極微小な空孔は一様に形成されているので、少なくともアクティブエリア１３の範囲内においては、アノードガスは、アノード極層４１の全面に一様に供給される。すなわち、少なくともアクティブエリア１３においては、第１金属多孔体層４５の存在によってアノードガスがアノード極層４１に到達しない部分はない。このため、アノードガスは、アノード極層４１の全面に実質的に一様に到達する。

また、カソードガスは、上記のようにカソードガス流路ＦＰｃを流通する間に、第２金属多孔体層４６と当接する。これにより、カソードガスは、第２金属多孔体層４６の空孔を通り、カソード極層４２に供給される。第２金属多孔体層４６の極微小な空孔は一様に形成されているので、少なくともアクティブエリア１３の範囲内においては、カソードガスは、カソード極層４２の全面に一様に供給される。すなわち、少なくともアクティブエリア１３においては、第２金属多孔体層４６の存在によってカソードガスがカソード極層４２に到達しない部分はない。このため、カソードガスは、カソード極層４２の全面に実質的に一様に到達する。

［セル及びセルスタックにおける電流の流れ］
図９は、セル１０及びセルスタック１００において電流が流れる経路を示す説明図である。図９に太線矢印で示すように、図９下段のあるセル１０においては、電流が、バスバー１４を介して、カソード極である第２金属フレーム３４に流入する。この電流は、第２金属フレーム３４に接続された第２金属多孔体層４６に沿って、その面方向に流れる。これは、第２金属多孔体層４６が良導体であり、カソード極層４２よりも電気抵抗が低いからである。

また、太破線矢印で示すように、このセル１０が発電することによって、第２金属多孔体層４６に流入した電流及び発電によって生じる電流は、基本積層体４４（カソード極層４２、固体電解質層４３、及び、アノード極層４１）を通って、第１金属多孔体層４５に流入する。

ここで、基本積層体４４が第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６に比べて薄く、導電性が悪い。このため、基本積層体４４の面方向の電気抵抗が第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６の面方向の電気抵抗が大きい。また、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６がそれぞれアノードガス及びカソードガスをアクティブエリア１３にほぼ一様に供給するので、アクティブエリア１３においては、その全範囲においてほぼ一様に発電が行われる。これらのことから、面方向への電流の伝搬は専ら第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６によって行われる。したがって、セル１０においては、基本積層体４４における電流の流れは、電極触媒層３２の表面にほぼ垂直な方向となる。

第１金属多孔体層４５に流入した電流は、第１金属多孔体層４５に沿って面方向に伝搬する。その後、バスバー１５を伝搬して、図９上段の隣接するセル１０の第２金属フレーム３４に流入する。

隣接するセル１０に流入した電流は、太線矢印で示すように、図９下段のセル１０と同様にして、第２金属多孔体層４６に流入し、その面方向に流れる。そして、この隣接するセル１０が発電することによって、流入した電流及び発電により生じた電流は、太破線矢印で示すように、基本積層体４４の部分をほぼ垂直に流れ、第１金属多孔体層４５に流入する。第１金属多孔体層４５に流入した電流は、その面方向に伝搬し、第１金属フレーム３１及びバスバー１４を伝搬して、次のセル１０の第２金属フレーム３４に流入する。以降は上記の繰り返しである。

［セル及びセルスタックの作用］
以下、第１比較例及び第２比較例の対比により、上記のように構成されるセル１０及びセルスタック１００の作用を説明する。

（１）第１比較例との対比
図１０は、第１比較例のセル２１０の断面図である。第１比較例のセル２１０は、上記実施形態に係るセル１０の第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６を、格子状の開口を有する格子集電体２１１に置き換えたものであり、その他の構成は上記実施形態と同様であるとする。また、第１比較例では、このセル２１０を上記実施形態と同様のセル配列によってセルスタックを構成するものとする。

格子集電体２１１は、金属薄板に複数の開口を設けることにより形成される。このため、アノードガス及びカソードガスは、格子集電体２１１によって遮られる。すなわち、図１０に示すように、アノードガスは、格子集電体２１１の開口部分においてのみアノード極層４１に到達する。同様に、カソードガスは、格子集電体２１１の開口部分においてのみカソード極層４２に到達する。したがって、２つの格子集電体２１１は、開口の位置を揃えるように位置合わせして配置される。そして、第１比較例のセル２１０におけるアクティブエリアは、Ｚ方向において、２つの格子集電体２１１の開口が揃った範囲に限られる。

図１１は、第１比較例のセル２１０を流れる電流の経路を示す説明図である。図１１に示すように、あるセル２１０においては、電流は、太線矢印で示すように、第２金属フレーム３４を介して、カソード極層４２側の格子集電体２１１に流入し、この格子集電体２１１に沿って伝搬する。但し、格子集電体２１１は開口が設けられているので、面方向への電流の伝搬は、格子集電体２１１だけでなく、カソード極層４２を介して行われる。すなわち、格子集電体２１１を用いると、少なからず、カソード極層４２を面方向に流れる電流が生じる。カソード極層４２は、極めて薄く形成されるので、面方向の電気抵抗は非常に高い。このため、カソード極層４２を面方向に流れる電流には、この高い電気抵抗によって、エネルギー損（いわゆるオーム損）が生じる。

また、第１比較例のセル２１０は、アクティブエリアは開口部分に限られるので、カソード極層４２側の格子集電体２１１に流入した電流及び発電によって生じた電流は、太破線矢印で示すように、格子集電体２１１の開口部分においてアノード極層４１に向けて流れる。このため、アノード極層４１に到達した電流は、アノード極層４１を面方向に伝搬し、アノード極層４１側に設けられた格子集電体２１１に流入する。そして、アノード極層４１は、カソード極層４２と同様に極めて薄く形成されるので、面方向の電気抵抗は非常に高い。したがって、アノード極層４１に到達した電流には、この高い電気抵抗によって、さらにオーム損が生じる。

そして、第１比較例のセル２１０を用いてセルスタックを構成するときには、各々のセル２１０において上記のオーム損が生じる。特に、所望の出力電圧を確保するために、直列に接続するセル２１０の数が多いほど、オーム損が大きくなる。

本実施形態に係るセル１０と、第１比較例のセル２１０と、を比較すると、本実施形態に係るセル１０は、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６を用いているので、第１比較例のセル２１０で生じるようなオーム損はほぼ発生しない。すなわち、本実施形態に係るセル１０によれば、第１比較例のセル２１０と比較して、オーム損が低減される。セルスタックは複数のセルで構成されるので、この特徴はセルスタックにおいて、より顕著に現れる。すなわち、本実施形態に係るセルスタック１００は、セル１０を用いて構成されるので、第１比較例のセル２１０によって構成するセルスタックと比較して、顕著にオーム損が低減される。特に、本実施形態に係るセルスタック１００は、セル１０を直列に接続するので、第１比較例のセル２１０を直列に接続するセルスタックと比較して、特に顕著にオーム損が低減される。

また、本実施形態に係るセル１０は、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６が露呈される領域の全部がアクティブエリア１３である。このため、本実施形態に係るセル１０は、第１比較例のセル２１０よりも、発電に寄与する電極触媒層３２の面積が大きい。その結果、本実施形態に係るセル１０は、第１比較例のセル２１０よりも、面積当たりの発電効率、すなわち発電性能が良い。セルスタック１００を構成することにより、この特徴はより顕著になる。

図１２は、格子集電体２１１の位置ずれによる不具合を示す説明図である。図１２に示すように、第１比較例のセル２１０において、製造誤差等によって、表裏の格子集電体２１１に位置ずれがあるとする。第１比較例のセル２１０においては、アクティブエリアが２つの格子集電体２１１の開口が揃った範囲に限られる中、このように２つの格子集電体２１１に位置ずれがあると、実効的なアクティブエリアＡＥは、格子集電体２１１の開口よりもさらに狭くなる。

これに対し、本実施形態に係るセル１０は、実質的に一様な第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６を用いているので、格子集電体２１１のような位置ずれは生じない。このため、本実施形態に係るセル１０では、露呈された電極触媒層３２のほぼ全面がアクティブエリア１３となる。このため、本実施形態に係るセル１０は、第１比較例のセル２１０と比較して、極僅かな製造誤差等には依存せずに良好な発電性能が得られる。

また、第１比較例のセル２１０においては、表裏の格子集電体２１１の位置ずれによって、局所的な応力が発生する。このため、基本積層体４４にクラック２１２が生じる場合がある（図１１参照）。クラック２１２が生じると、その程度によって、セル２１０の一部または全部が機能しなくなる。クラック２１２は、格子集電体２１１を基本積層体４４に張り合わせるとき等、製造時に生じる場合があるほか、セル２１０の使用及び使用終了の繰り返しによる熱伸縮によっても生じ得る。

これに対し、本実施形態に係るセル１０は、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６はそれぞれ一様にアノード極層４１及びカソード極層４２を覆っている。このため、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は、基本積層体４４に対して局所的な応力を発生させない。したがって、本実施形態に係るセル１０は、製造時に、及び、繰り返しの使用において、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６に起因したクラックが基本積層体４４にほぼ生じることがない。このため、本実施形態に係るセル１０は、第１比較例のセル２１０に対して、製造適正に優れる。その上、本実施形態に係るセル１０は、熱伸縮に対して耐久性が高く、繰り返しの使用に対して安定である。

なお、本実施形態に係るセル１０は、基本積層体４４を、基本積層体４４よりも１桁程度厚い第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６によって挟持する層構造を有する。そして、電極触媒層３２の伸縮するときには、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６の伸縮が支配的である。また、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は、基本積層体４４に対して対称に配置されており、伸縮や反り等に関する性質は実質的に同質のものである。このため、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６を有するセル１０は、製造時または繰り返し使用時において、基本積層体４４に反り（曲げ）を生じさせるような内部応力が発生し難い。この観点においても、本実施形態に係るセル１０は、製造適正に優れ、かつ、繰り返しの使用に対して安定である。

（２）第２比較例との対比
図１３は、第２比較例に係るセルスタック３００及びセル３１０の模式的な断面図である。第２比較例に係るセルスタック３００及びセル３１０は、従来の典型的な形態のものである。図１３に示すように、セル３１０は、いわゆる片側メタルサポートセルである。すなわち、セル３１０は、本実施形態に係るセル１０から、第１金属多孔体層４５及び第１金属フレーム３１を除いた構成となっている。このため、セル３１０では、アノード極層４１側において、第１金属多孔体層４５ではなく、アノード極層４１の表面が露呈される。一方、カソード極層４２側においては、本実施形態に係るセル１０と同様に、第２金属多孔体層４６が露呈される。

セルスタック３００は、セパレータ３１１を介して複数のセル３１０が積み重ねられることによって形成される。また、セルスタック３００においては、セル３１０は、表裏の関係を一定にしてスタックされる。例えば、図１３においては、下段のセル３１０はＺ方向負側に第２金属多孔体層４６を向け、Ｚ方向正側にアノード極層４１を向けて配置される。そして、上段のセル３１０は、その向きは、下段のセル３１０と同様に、Ｚ方向負側に第２金属多孔体層４６を向け、Ｚ方向正側にアノード極層４１を向けて、下段のセル３１０に積み重ねれられれる。

セパレータ３１１は、Ｙ方向に向けて平行に延伸する複数の溝が設けられている。そして、これら複数の溝によって形成されるセパレータ３１１の頂部３１１ａ，３１１ｃは、セルスタック３００を形成したときに、隣接するセル３１０のアノード極層４１と第２金属多孔体層４６に当接する。これにより、隣接するセル３１０間に形成されるセル間空間は、セパレータ３１１によって複数の平行な区間に区切られる。これらの区間のうち、アノード極層４１に隣接する区間は、アノードガス流路ＦＰａとして用いられる。一方、第２金属多孔体層４６（カソード極層４２）に隣接する区間は、カソードガス流路ＦＰｃとして用いられる。

また、セパレータ３１１は例えば金属製である。このため、セパレータ３１１は、頂部３１１ａが第２金属多孔体層４６に当接することによって、第２金属多孔体層４６を介して、あるセル３１０（図１３上段のセル３１０）のカソード極層４２に電気的に接続する。また、セパレータ３１１は、頂部３１１ｃがアノード極層４１と当接することによって、隣接するセル３１０（図１３下段のセル３１０）のアノード極層４１と電気的に接続する。そして、セパレータ３１１の端部は、セル間空間の外部に延伸して設けられる。このため、セパレータ３１１は、集電体として機能する。

本実施形態に係るセル１０と、上記のように構成される第２比較例のセル３１０と、を比較すると、本実施形態に係るセル１０は、アノード極層４１側に第１金属多孔体層４５が設けられているのに対し、第２比較例のセル３１０はこれを有しない点が異なる。このため、本実施形態に係るセル１０は、アノード極層４１側を面方向に伝搬する電流が、電気抵抗が低い第１金属多孔体層４５を流れるのに対し、第２比較例のセル３１０では、セパレータ３１１に流入する前に電気抵抗が高いアノード極層４１を流れる。このため、本実施形態に係るセル１０では、第２比較例のセル３１０と比較しても、オーム損が低減される。

また、本実施形態に係るセルスタック１００と、第２比較例のセルスタック３００と、を比較すると、第２比較例のセルスタック３００はセパレータ３１１を用いているのに対し、本実施形態に係るセルスタック１００はセパレータ３１１を用いない。そして、第２比較例のセルスタック３００では、セパレータ３１１を用いる結果、アノードガス流路ＦＰａ及びカソードガス流路ＦＰｃが狭窄された複数の流路に分断されている。これに対し、本実施形態に係るセルスタック１００では、セル間空間の全部が１つのアノードガス流路ＦＰａまたはカソードガス流路ＦＰｃとして機能するので、第２比較例のセルスタック３００よりもこれらの流路の断面積が大きい。したがって、本実施形態に係るセルスタック１００は、第２比較例のセルスタック３００と比較して、アノードガス流路ＦＰａを流通するアノードガスの圧力損失、及び、カソードガス流路ＦＰｃを流通するカソードガスの圧力損失が低減されている。その結果、本実施形態に係るセルスタック１００によれば、図示しないブロアやポンプ等、アノードガス及びカソードガスをセルスタック１００に供給する機器が省電力化される。

また、第２比較例のセルスタック３００では、各々のアノードガス流路ＦＰａ及びカソードガス流路ＦＰｃは、それぞれ１つのセル３１０に対してアノードガス及びカソードガスを供給する。これに対し、本実施形態に係るセルスタック１００では、１つのアノードガス流路ＦＰａ及びカソードガス流路ＦＰｃは、隣接する２つのセル１０に、それぞれアノードガス及びカソードガスを供給する。すなわち、本実施形態に係るセルスタック１００は、第２比較例のセルスタック３００において必要な２つ分の流路を１つの流路にまとめた構成となっている。このため、本実施形態に係るセルスタック１００は、第２比較例のセルスタック３００と比較して、薄く、小型に形成することができる。また、本実施形態に係るセルスタック１００は、第２比較例のセルスタック３００と比較して、高集積化できる。

特に、本実施形態に係るセルスタック１００は、アノードガス流路ＦＰａ及びカソードガス流路ＦＰｃが細く分断されていない。また、アノードガス及びカソードガスの圧力損失が低減されている。このため、アノードガス流路ＦＰａ及びカソードガス流路ＦＰｃの高さＨ１，Ｈ２を、第２比較例よりも低く設定することができる。このことも、本実施形態に係るセルスタック１００の薄型化、小型化、及び、高集積化に寄与する。

［アクティブセルの形状及びバスバーの設置範囲］
上記実施形態に係るセル１０及びセルスタック１００においては、アクティブエリア１３の形状、及び、バスバー１４，１５の設置範囲は任意である。但し、アクティブエリア１３の形状や、バスバー１４，１５の設置範囲は、以下のように定めることが好ましい。

図１４は、アクティブエリア１３の形状、バスバー１４，１５の設置範囲、及び、電流の経路を示す説明図である。図１４に示すように、アクティブエリア１３の幅を「Ｗ１」、アクティブエリア１３の長さを「Ｌ１」とする。このとき、アクティブエリア１３の形状を、長さＬ１と幅Ｗ１の比であるアスペクト比Ｌ１／Ｗ１が１よりも大きい高アスペクト比の形状にすることが好ましい。例えば、アクティブエリア１３は、概ね、長さＬ１が幅Ｗ１よりも大きい長方形状であることが特に好ましい。

すなわち、アノードガス及びカソードガスの流れ方向（Ｙ方向）を第１方向とし、この第１方向に垂直な方向（Ｘ方向）を第２方向とするときに、アクティブエリア１３は、第２方向（Ｘ方向）と比較して第１方向（Ｙ方向）に長い形状であることが好ましい。

このように、アクティブエリア１３の形状を高アスペクト比の形状にすると、アノードガス流路ＦＰａにおけるアノードガスの分配性が良く、アノードガス流路ＦＰａ内でアノードガスがほぼ均一に流通する。同様に、カソードガス流路ＦＰｃにおけるカソードガスの分配性が良く、カソードガス流路ＦＰｃ内でカソードガスがほぼ均一に流通する。

また、バスバー１４，１５は、セル配列に対して、アノードガス及びカソードガスの流れ方向である第１方向（Ｙ方向）に平行に取り付けられる。そして、バスバー１４，１５は、第１方向（Ｙ方向）に沿った長さＬ２が、アクティブエリア１３の第１方向（Ｙ方向）に沿った長さＬ１以上であることが好ましい。

このように、バスバー１４，１５の長さＬ２をアクティブエリア１３の長さＬ１以上にすると、図１４に太線矢印で示すように、発電された電気（電流）は、アクティブエリア１３を、一方のバスバー１４から他方のバスバー１５に向けて、概ね第２方向（Ｘ方向）に対して平行に、かつ、第１方向（Ｙ方向）に関して均一に流れる。すなわち、バスバー１４からバスバー１５に流れる電流の電流密度は、アクティブエリア１３の全体においてほぼ均一（一定）である。このため、電流が流れることによって生じる熱はアクティブエリア１３に均一に生じるので、アクティブエリア１３における局所的あるいは全体的な熱分布の発生が抑制される。したがって、バスバー１４，１５をアクティブエリア１３の長さＬ１以上にすると、アクティブエリア１３の全面を用いて、均一に効率良く発電が行われる。

特に、前述のように、アクティブエリア１３が高アスペクト比の形状であるときには、アクティブエリア１３の幅Ｗ１が長さＬ１に比べて短いので、発電によって生じる電気がアクティブエリア１３を伝達する距離が短い。このため、アクティブエリア１３におけるオーム損が低減される。その結果、発電によって生じる電気の回収率（利用率）が高い。すなわち、バスバー１４，１５の長さＬ２をアクティブエリア１３の長さＬ１以上にすると、セルスタック１００の発電性能が向上する。

なお、バスバー１４，１５の長さＬ２は、アクティブエリア１３の長さＬ１と概ね等しいことが特に好ましい。これは、上記のようにセルスタック１００の発電性能を向上しつつ、セル１０及びセルスタック１００の長さを必要最小限に短く形成できるからである。バスバー１４，１５の長さＬ２がアクティブエリア１３の長さＬ１と「概ね等しい」とは、バスバー１４，１５の長さＬ２が、上記のようにセルスタック１００の発電性能を向上し得る程度の長さを有することをいう。したがって、バスバー１４，１５の長さＬ２が、アクティブエリア１３の長さＬ１よりも若干短いことも許容される。

図１５は、バスバー１４，１５の設置範囲と電流の経路を示す説明図である。図１５に示すように、セルスタック１００において、アノードガス及びカソードガスが平行に流通するときには、バスバー１４，１５の長さＬ２が、アクティブエリア１３の長さＬ１よりも短くてもよい。この場合、バスバー１４，１５は、アクティブエリア１３に対して、アノードガス及びカソードガスの上流側（Ｙ方向負側）に偏在して設けられていることが好ましい。なお、アノードガス及びカソードガスの流れに関して「平行」とは、アノードガス及びカソードガスの各流路が概ね平行であって、かつ、同じ方向に向けてアノードガス及びカソードガスが流れることをいう。

このように、アノードガス及びカソードガスの上流側にバスバー１４，１５を偏在させると、太線矢印で示すように、アクティブエリア１３をバスバー１４からバスバー１５に向けて流れる電流は、アクティブエリア１３の一部に集中する。このように電流が集中する電流集中エリア４０１では、相対的に電流が過疎である電流過疎エリア４０２と比較して、発熱（ジュール熱）が大きい。そして、アノードガス及びカソードガスが平行に流通するときには、アクティブエリア１３に温度分布が生じる場合があるが、上記のようにバスバー１４，１５を偏在させることで、その温度分布が是正される。

図１６は、アクティブエリア１３の温度分布を示すグラフである。図１６に一点鎖線で示すように、アノードガス及びカソードガスが平行かつ同じ方向に向けて流れるときには、アクティブエリア１３には、インレット１１からアウトレット１２にかけて温度が上昇する温度分布が生じる場合がある。このため、バスバー１４，１５をアノードガス及びカソードガスの上流に偏在させることによって、アクティブエリア１３の上流側に電流集中エリア４０１を生じさせると、電流集中エリア４０１の温度が上昇する。その結果、実線で示すように、アクティブエリア１３の温度分布が是正される。なお、図１６に二点鎖線で示すラインは、発電効率が最も良くなる理想的な温度を示す。

したがって、上記のように、アノードガス及びカソードガスが平行に流れるときに、その上流側にバスバー１４，１５を偏在させると、セル１０及びセルスタック１００の発電性能が向上する。

アクティブエリア１３の長さＬ１に対するバスバー１４，１５の長さＬ２は、実験またはシミュレーション等に基づいて、適合により定められる。また、アクティブエリア１３よりもバスバー１４，１５を短くするときには、バスバー１４，１５は、アクティブエリア１３の基端から設置されていることが好ましい。但し、バスバー１４，１５の設置位置がアクティブエリア１３の基端から多少ずれており、アクティブエリア１３の基端部分にも電流過疎エリア４０２が生じた場合でも、上記の発電性能向上効果を奏する。したがって、バスバー１４，１５は、例えば、先端側の電流過疎エリア４０２と基端側の電流過疎エリア４０２（図示しない）を比較したときに、先端側の電流過疎エリア４０２の方が大きく（長く）なるように設置されていればよい。

また、セル１０がいわゆる内部改質型であるときには、燃料を改質する改質触媒は、電流集中エリア４０１の範囲の一部または全部に設けられていることが好ましい。具体的には、各セル１０の第１金属多孔体層４５が、バスバー１４，１５があることによってアクティブエリア１３に形成される電流集中エリア４０１の範囲の一部または全部に、改質触媒を備えるように構成する。改質触媒は、例えば塗布または含浸等の方法によって、第１金属多孔体層４５に備えることができる。

燃料の改質反応は吸熱反応であるから、図１６において一点鎖線で示す温度分布が、より顕著になる。このため、上記のように、改質触媒が電流集中エリア４０１の範囲に設けられていると、改質反応による温度低下を電流の集中による発熱で補い、セル１０及びセルスタック１００の温度分布を理想的な温度分布に近づけることができる。これにより、セル１０を内部改質型とする場合でも、セル１０及びセルスタック１００の発電性能が向上する。

なお、上記実施形態においては、セルスタック１００を構成するときに、バスバー１４，１５によって複数のセル１０を直列に接続しているが、発電によって得るべき所望の電流及び電圧に応じて、セルスタック１００を構成する複数のセル１０の一部または全部が並列に接続されていてもよい。セル１０を並列に接続するときには、バスバー１４，１５によって、隣接するセル１０の第１金属フレーム３１同士、及び、隣接するセル１０の第２金属フレーム３４同士がそれぞれ接続される。また、セル１０を並列に接続するときには、ガスケットアセンブリ１８ａ，１８ｂの一部または全部を、金属等の導電性材料によって形成することで、バスバー１４，１５を省略することができる。例えば、ガスケットアセンブリ１８ａ，１８ｂの外縁封止材２６を導電性材料で形成することにより、隣接するセル１０の第１金属フレーム３１同士、及び、第２金属フレーム３４同士がそれぞれ電気的に接続される。このように、バスバー１４，１５を省略すれば、より容易に、かつ、より低コストに、セル１０及びセルスタック１００を形成することができる。

なお、上記実施形態では、セルスタック１００において、アノードガス及びカソードガスの流れ方向が平行であるが、アノードガス及びカソードガスを対向して流すことができる。例えば、アノードガスが上記実施形態と同様にアノードガス供給孔１６ｂからアノードオフガス排出孔１７ｂに流れるように、セル１０に対してアノードガス供給機器（図示しない）を接続する。一方で、カソードガスは、上記実施形態とは逆に、カソードオフガス排出孔１７ａ，１７ｃからカソードガス供給孔１６ａ，１６ｃが流れるように、セル１０に対してカソードガス供給機器（図示しない）を接続する。これにより、セル１０内においては、アノードガスとカソードガスが対向して流れる。アノードガス及びカソードガスの流れに関して「対向」とは、アノードガス及びカソードガスの各流路が概ね平行であって、かつ、互いに逆向きにアノードガス及びカソードガスが流れることをいう。ここでいう「対向」は、逆平行と称される場合がある。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池セル（セル１０）は、アノード極層４１と、カソード極層４２と、アノード極層４１とカソード極層４２とに挟持される固体電解質層４３と、を積層して構成される燃料電池セルである。この燃料電池セル（セル１０）は、さらに、第１金属多孔体層４５と、第１金属フレーム３１と、第２金属多孔体層４６と、第２金属フレーム３４と、を備える。第１金属多孔体層４５は、面方向に連通する複数の空孔を有する金属多孔体によって平板状に形成され、固体電解質層とともにアノード極層を挟持し、複数の空孔によってアノード極層にアノードガスを供給する。第１金属フレーム３１は、第１金属多孔体層４５の外周部４８において電気的に接続することによって、第１金属多孔体層４５を介してアノード極層４１と電気的に接続し、かつ、第１金属多孔体層４５を支持する。第２金属多孔体層４６は、金属多孔体によって平板状に形成され、固体電解質層４３とともにカソード極層４２を挟持し、複数の空孔によってカソード極層４２にカソードガスを供給する。第２金属フレーム３４は、第２金属多孔体層４６の外周部４９において第２金属多孔体層４６と電気的に接続することによって、第２金属多孔体層４６を介してカソード極層４２と電気的に接続し、かつ、第２金属多孔体層４６を支持する。

このように、本実施形態に係る燃料電池セル（セル１０）は、良導体であってガス透過性を有する第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６によって、アノード極層４１側とカソード極層４２側の両側が支持されている。このため、燃料電池セルが発電することにより、その面方向に電流が流れるときには、電流は、電気抵抗が高いアノード極層４１やカソード極層４２ではなく、専ら、電気抵抗が低い第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６を流れる。このため、少なからずアノード極層４１やカソード極層４２を面方向に電流が流れる従来の燃料電池セルと比較して、本実施形態に係る燃料電池セルはオーム損が低減される。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルは、発電によって生じる電気を低損失で取り出すことができる点で発電性能が良い。

また、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は、アノード極層４１へのアノードガスの供給及びカソード極層４２へのカソードガスの供給を妨げない。このため、本実施形態に係る燃料電池セル（セル１０）は、アクティブエリア１３が広い。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルは、発電量が多いという点で発電性能が良い。

さらに、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は金属製であり、アノード極層４１、固体電解質層４３、及び、カソード極層４２からなる基本積層体４４を挟み込む形態でこれらを支持するので、本実施形態に係る燃料電池セルは強度が高い。このため、本実施形態に係る燃料電池セルは、例えば熱伸縮を伴う繰り返しの使用によってもクラック２１２等の不具合を生じ難い。

本実施形態に係る燃料電池セル（セル１０）においては、第１金属多孔体層４５は、アノード極層４１を一様に覆うように形成され、第２金属多孔体層４６は、カソード極層４２を一様に覆うように形成されている。このため、アクティブエリア１３には、アノード極層４１及びカソード極層４２が露呈される部分（開口等）がない。すなわち、アノード極層４１やカソード極層４２を面方向に電流が流れざるを得ない箇所がない。このため、本実施形態に係る燃料電池セルでは、アクティブエリア１３の全面においてオーム損が低減される。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルは発電性能が良い。

本実施形態に係る燃料電池セル（セル１０）においては、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は、面方向に一様な電気伝導性を有する。すなわち、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は、それぞれ全体として、実質的に一様な金属板として機能する。このため、発電によって生じた電気が、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６を伝って面方向に流れるとしても、殆どオーム損がない。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルは発電性能が良い。

本実施形態に係る燃料電池セル（セル１０）においては、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６は、金属粒子の焼結体である。金属粒子の焼結によって形成される金属多孔体は、他の方法で製造される金属多孔体と比較して、電気伝導性が優れる。このため、第１金属多孔体層４５及び第２金属多孔体層４６が金属粒子の焼結体で形成されていることで、本実施形態に係る燃料電池セルは、オーム損が特に低減されている。したがって、本実施形態に係る燃料電池セルは発電性能が良い。

本実施形態に係る燃料電池スタック（セルスタック１００）は、上記の燃料電池セル（セル１０）を用いて形成される。この燃料電池スタックは、第１金属多孔体層４５が露呈する燃料電池セルの表面をアノード面２２とし、第２金属多孔体層４６が露呈する燃料電池セルの表面をカソード面２３とするときに、アノード面２２同士を対向させ、かつ、カソード面２３同士を対向させるように、表裏を反転させながら複数の燃料電池セルが所定間隔で交互に積み重ねられたセル配列を備える。また、燃料電池スタックでは、上記のセル配列において隣接する燃料電池セル間でアノード面２２が対向する空間（セル間空間）に、アノードガスが流通するアノードガス流路ＦＰａが形成される。また、燃料電池スタックでは、上記のセル配列において隣接する燃料電池セル間でカソード面２３同士が対向する空間（セル間空間）に、カソードガスが流通するカソードガス流路ＦＰｃが形成される。そして、燃料電池スタックは、上記のセル配列において隣接する燃料電池セルを電気的に接続するバスバーを備える。

上記のように、本実施形態に係る燃料電池スタック（セルスタック１００）は、前述の燃料電池セル（セル１０）を用いて形成されるので、各々の燃料電池セルにおいてオーム損が少ない。また、発電量が多く、強度が高い。このため、セルスタック１００は発電性能が良い。

本実施形態に係る燃料電池スタック（セルスタック１００）においては、バスバー１４，１５は、上記のセル配列において隣接する燃料電池セル間で、第１金属多孔体層４５と第２金属多孔体層４６とを電気的に接続することにより、燃料電池セルを直列に接続する。このため、本実施形態に係る燃料電池スタックは、高電圧を発生させることができる点において発電性能が良い。

また、本実施形態に係る燃料電池スタック（セルスタック１００）においては、バスバー１４，１５は、上記のセル配列において隣接する燃料電池セル間で、第１金属多孔体層同士及び第２金属多孔体層４６同士をそれぞれ接続することにより、燃料電池セルを並列に接続することができる。このため、本実施形態に係る燃料電池スタックは、大電流を発生させることができる点において発電性能が良い。

本実施形態に係る燃料電池スタック（セルスタック１００）では、カソード面２３の間隔であるカソードガス流路ＦＰｃの高さＨ２が、アノード面２２の間隔であるアノードガス流路ＦＰａの高さＨ１よりも大きい。このため、本実施形態に係る燃料電池スタックは、アノードガス流路ＦＰａにおけるアノードガスの圧力損失と、カソードガス流路ＦＰｃにおけるカソードガスの圧力損失が各々に低減されている。その結果、アノードガス及びカソードガスをセルスタック１００に供給する機器が省電力化される。

本実施形態に係る燃料電池スタック（セルスタック１００）では、平行に、または、対向して流れるアノードガス及びカソードガスの流れ方向を第１方向（Ｙ方向）、第１方向に垂直な方向を第２方向（Ｘ方向）とするときに、発電が行われるアクティブエリア１３は、第２方向と比較して第１方向に長い。このように、アクティブエリア１３の形状を高アスペクト比の形状にすると、アノードガス流路ＦＰａにおけるアノードガスの分配性、及び、カソードガス流路ＦＰｃにおけるカソードガスの分配性が良い。その結果、本実施形態に係る燃料電池スタック（セルスタック１００）は、発電性能が良い。

本実施形態に係る燃料電池スタック（セルスタック１００）では、バスバー１４，１５は、前述のセル配列に対して第１方向（Ｙ方向）に平行に取り付けられ、バスバー１４，１５の第１方向に沿った長さＬ２が、アクティブエリア１３の第１方向に沿った長さＬ１以上である。このため、アクティブエリア１３の全体において電流密度が均一である。その結果、アクティブエリア１３における局所的あるいは全体的な熱分布の発生が抑制され、アクティブエリア１３の全面を用いて、均一に効率良く発電が行われる。

本実施形態に係る燃料電池スタック（セルスタック１００）では、アノードガス及びカソードガスが平行に流通するときに、バスバー１４，１５は、前述のセル配列に対して第１方向（Ｙ方向）に平行に取り付けられ、バスバー１４，１５の第１方向に沿った長さＬ２が、アクティブエリア１３の第１方向に沿った長さＬ１よりも短く形成される場合がある。この場合、バスバー１４，１５は、アクティブエリア１３に対して、アノードガス及びカソードガスの上流側に偏在して設けられる。このように、アノードガス及びカソードガスが平行に流れるときに、その上流側にバスバー１４，１５を偏在させると、アクティブエリア１３に生じる温度分布が是正される。その結果、本実施形態にっかる燃料電池スタックは、発電性能が良い。

特に、上記のケースにおいて燃料電池セルを内部改質型とするときには、第１金属多孔体層４５は、バスバー１４，１５があることによってアクティブエリア１３に形成される電流集中エリア４０１の範囲の一部または全部に、燃料を改質する改質触媒を備える。このように、改質触媒が電流集中エリア４０１の範囲に設けられていると、改質反応による温度低下を電流の集中による発熱で補い、燃料電池スタックの温度分布を理想的な温度分布に近づけることができる。これにより、燃料電池セル（セル１０）を内部改質型とする場合でも、燃料電池スタック（セルスタック１００）の発電性能が向上する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態及び各変形例で説明した構成は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を限定する趣旨ではない。

１０ ：セル
１１ ：インレット
１２ ：アウトレット
１３ ：アクティブエリア
１４ ：バスバー
１５ ：バスバー
１８ａ ：ガスケットアセンブリ
１８ｂ ：ガスケットアセンブリ
３１ ：第１金属フレーム
３２ ：電極触媒層
３４ ：第２金属フレーム
４１ ：アノード極層
４２ ：カソード極層
４３ ：固体電解質層
４５ ：第１金属多孔体層
４６ ：第２金属多孔体層
１００ ：セルスタック

Claims (12)

1. アノード極層と、カソード極層と、前記アノード極層と前記カソード極層とに挟持される固体電解質層と、を積層して構成される燃料電池セルであって、
   面方向に連通する複数の空孔を有する金属多孔体によって平板状に形成され、前記固体電解質層とともに前記アノード極層を挟持し、複数の前記空孔によって前記アノード極層にアノードガスを供給する第１金属多孔体層と、
   前記第１金属多孔体層の外周部において電気的に接続することによって、前記第１金属多孔体層を介して前記アノード極層と電気的に接続し、かつ、前記第１金属多孔体層を支持する第１金属フレームと、
   前記金属多孔体によって平板状に形成され、前記固体電解質層とともに前記カソード極層を挟持し、複数の前記空孔によって前記カソード極層にカソードガスを供給する第２金属多孔体層と、
   前記第２金属多孔体層の外周部において前記第２金属多孔体層と電気的に接続することによって、前記第２金属多孔体層を介して前記カソード極層と電気的に接続し、かつ、前記第２金属多孔体層を支持する第２金属フレームと、
   を備える燃料電池セル。
2. 請求項１に記載の燃料電池セルであって、
   前記第１金属多孔体層は、前記アノード極層を一様に覆うように形成され、
   前記第２金属多孔体層は、前記カソード極層を一様に覆うように形成されている、
   燃料電池セル。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池セルであって、
   前記第１金属多孔体層及び前記第２金属多孔体層は、前記面方向に一様な電気伝導性を有する、
   燃料電池セル。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池セルであって、
   前記第１金属多孔体層及び前記第２金属多孔体層は、金属粒子の焼結体である、
   燃料電池セル。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池セルを用いて形成される燃料電池スタックであって、
   前記第１金属多孔体層が露呈する前記燃料電池セルの表面をアノード面とし、前記第２金属多孔体層が露呈する前記燃料電池セルの表面をカソード面とするときに、
   前記アノード面同士を対向させ、かつ、前記カソード面同士を対向させるように、表裏を反転させながら複数の前記燃料電池セルが所定間隔で交互に積み重ねられたセル配列と、
   前記セル配列において隣接する前記燃料電池セル間で前記アノード面が対向する空間に形成され、前記アノードガスが流通するアノードガス流路と、
   前記セル配列において隣接する前記燃料電池セル間で前記カソード面が対向する空間に形成され、前記カソードガスが流通するカソードガス流路と、
   前記セル配列において隣接する前記燃料電池セルを電気的に接続するバスバーと、
   を備える燃料電池スタック。
6. 請求項５に記載の燃料電池スタックであって、
   前記バスバーは、前記セル配列において隣接する前記燃料電池セル間で、前記第１金属多孔体層と前記第２金属多孔体層とを電気的に接続することにより、前記燃料電池セルを直列に接続する燃料電池スタック。
7. 請求項５に記載の燃料電池スタックであって、
   前記バスバーは、前記セル配列において隣接する前記燃料電池セル間で、前記第１金属多孔体層同士及び前記第２金属多孔体層同士をそれぞれ接続することにより、前記燃料電池セルを並列に接続する燃料電池スタック。
8. 請求項５～７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、
   前記カソード面の間隔である前記カソードガス流路の高さが、前記アノード面の間隔である前記アノードガス流路の高さよりも大きい、
   燃料電池スタック。
9. 請求項５～８のいずれか１項に記載の燃料電池スタックであって、
   平行に、または、対向して流れる前記アノードガス及び前記カソードガスの流れ方向を第１方向、前記第１方向に垂直な方向を第２方向とするときに、発電が行われるアクティブエリアは、前記第２方向と比較して前記第１方向に長い、
   燃料電池スタック。
10. 請求項９に記載の燃料電池スタックであって、
    前記バスバーは、前記セル配列に対して前記第１方向に平行に取り付けられ、
    前記バスバーの前記第１方向に沿った長さが、前記アクティブエリアの前記第１方向に沿った長さ以上である、
    燃料電池スタック。
11. 請求項９に記載の燃料電池スタックであって、
    前記アノードガス及び前記カソードガスが平行に流通するときに、
    前記バスバーは、前記セル配列に対して前記第１方向に平行に取り付けられ、
    前記バスバーの前記第１方向に沿った長さが、前記アクティブエリアの前記第１方向に沿った長さよりも短く、
    前記バスバーは、前記アクティブエリアに対して、前記アノードガス及び前記カソードガスの上流側に偏在して設けられている、
    燃料電池スタック。
12. 請求項１１に記載の燃料電池スタックであって、
    前記第１金属多孔体層は、前記バスバーがあることによって前記アクティブエリアに形成される電流集中エリアの範囲の一部または全部に、燃料を改質する改質触媒を備える、
    燃料電池スタック。

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