JP2023132332A - 電気化学セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥の発生を抑制することができる電気化学セルスタックを提供する。【解決手段】実施の形態による電気化学セルスタックは、平板型の電気化学セルと、電気化学セルと交互に積層されたセパレータと、燃料極導電部材と、空気極導電部材と、を備えている。電気化学セルは、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に介在された電解質層と、を含んでいる。燃料極導電部材は、燃料極とセパレータとの間に介在されている。空気極導電部材は、空気極とセパレータとの間に介在されている。燃料極導電部材および空気極導電部材の少なくとも一方は、１０－２ＧＰａ～１０ＧＰａのヤング率を有している。【選択図】図２

Description

本実施の形態は、電気化学セルスタックに関する。

新エネルギを生み出す原料の一つとして、水素が挙げられる。この水素の利用技術として、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギを電気エネルギに変換する燃料電池が知られている。燃料電池は高いエネルギ利用効率を有しており、大規模分散電源、家庭用電源、移動用電源として開発が進められている。燃料電池は、温度域、使用する材料または燃料の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等に分類される。このうち固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の効率は高いことが知られている。ＳＯＦＣでは、固体酸化物からなる電解質層を含む電気化学セルを使用しており、電気化学反応を行うことにより電気エネルギが得られる。

一方、水素の製造方法としては、水の電気分解反応法が知られている。電気分解反応法のうちの１つとして、高温の水蒸気の状態で電気分解を行う高温水蒸気電解法が挙げられる。この高温水蒸気電解法は、一般的な水の電気分解法と比較して効率が高いという特徴を有している。その動作原理は、ＳＯＦＣとは逆の反応に基づく。高温水蒸気電解法においても、ＳＯＦＣと同様に固体酸化物からなる電解質層を含む電気化学セル（ＳＯＥＣ）を使用する。

ＳＯＦＣおよびＳＯＥＣに使用する固体酸化物型電気化学セルは、平板型、円筒型、円筒平板型、ハニカム形など種々の形状で構成され得る。電気化学セルは積層されて、スタックが構成される。例えば、平板型の電気化学セルは、導電性を有するセパレータを介して積層されて、電気化学セルスタックが構成される。セパレータは、アノード／カソード雰囲気を隔離するとともに、電気化学セル同士を電気的に接続する役割を持つ。また、セパレータは、反応／排出ガスの流れの均一化の役割も担うこともある。

上述したように、平板型の電気化学セルを用いた電気化学セルスタックにおいては、電気化学セルとセパレータとが積層されている。このため、電気化学セルおよびセパレータの寸法精度が低下したり、何らかの組立不良が発生したりすることにより、欠陥の発生が懸念される。

特開２０２０－１４４９８５号公報

実施の形態は、このような点を考慮してなされたものであり、欠陥の発生を抑制することができる電気化学セルスタックを提供することを目的とする。

実施の形態による電気化学セルスタックは、平板型の電気化学セルと、電気化学セルと交互に積層されたセパレータと、燃料極導電部材と、空気極導電部材と、を備えている。電気化学セルは、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に介在された電解質層と、を含んでいる。燃料極導電部材は、燃料極とセパレータとの間に介在されている。空気極導電部材は、空気極とセパレータとの間に介在されている。燃料極導電部材および空気極導電部材の少なくとも一方は、１０^－２ＧＰａ～１０ＧＰａのヤング率を有している。

実施の形態によれば、欠陥の発生を抑制することができる。

図１は、第１の実施の形態による電気化学セルスタックを示す外形斜視図である。 図２は、図１に示す電気化学セルスタックを示す部分断面図であって、後述する図３のＡ－Ａ線に沿った部分断面図である。 図３は、図２に示すセパレータと燃料極導電部材を示す上面図である。 図４は、図１に示す電気化学セルスタックを示す部分断面図であって、図３のＢ－Ｂ線に沿った部分断面図である。 図５は、図３の変形例を示す上面図である。 図６は、第２の実施の形態による電気化学セルスタックを示す部分断面図であって、後述する図７のＣ－Ｃ線に沿った部分断面図である。 図７は、図６に示すセパレータと燃料極導電部材を示す上面図である。 図８は、第２の実施の形態による電気化学セルスタックを示す部分断面図であって、図７のＤ－Ｄ線に沿った部分断面図である。

以下、図面を参照して、本実施の形態による電気化学セルスタックについて説明する。なお、図面においては、理解のし易さの便宜上、適宜縮尺及び縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

（第１の実施の形態）
まず、図１～図５を参照して、第１の実施の形態による電気化学セルスタック１について説明する。

図１および図２に示すように、電気化学セルスタック１は、電気化学セル１０をそれぞれ含む複数のセルユニット２を備えている。セルユニット２は、平板型の電気化学セル１０と、セパレータ２０と、燃料極導電部材３０と、空気極導電部材４０と、支持部材５０と、絶縁部材６０と、を備えている。複数のセルユニット２が積層されて、積層体３が構成されている。図１に示すように、積層体３を上下両側から締付板４で押圧することにより、電気化学セルスタック１が組み立てられている。締付板４は、ボルトおよびナット等で締め付けられて、積層体３を押圧している。

図２に示すように、電気化学セル１０は、燃料極１１と、空気極１２と、電解質層１３と、を含んでいる。電解質層１３は、燃料極１１と空気極１２との間に介在されている。空気極１２は、燃料極１１および電解質層１３よりも小さい平面形状を有している。空気極１２の周囲で、電解質層１３が露出している。電気化学セル１０は、後述するＸ方向およびＹ方向に沿うような矩形状の平面形状を有していてもよく、正方形または長方形の平面形状を有していてもよい。しかしながら、電気化学セル１０の平面形状は、円形であってもよく、任意である。

電気化学セル１０は、固体酸化物型のセルであってもよい。また、電気化学セル１０は、電極支持型または電解質支持型であってもよく、電気化学セル１０の支持型は任意である。

電気化学セル１０は、燃料極１１に供給された燃料ガス、空気極１２に供給された空気が電気化学反応を行うように構成されている。電気化学セルスタック１がＳＯＦＣとして用いられる場合には、電気エネルギを生成する発電反応が行われる。この場合、燃料ガスは、水素を主成分とするガス、炭化水素系燃料を改質したガス、またはアンモニアガスであってもよい。電気化学セルスタック１がＳＯＥＣとして用いられる場合には、電気エネルギを用いて電気分解反応が行われる。この場合、燃料ガスとしての水蒸気または二酸化炭素ガスが電気分解されてもよい。

セパレータ２０は、電気化学セル１０と交互に積層されている。セパレータ２０は、導電性を有しているとともに、ガス不透過性を有している。セパレータ２０によって、燃料ガスの雰囲気と空気の雰囲気が隔離されている。

セパレータ２０は、燃料極導電部材３０、燃料極１１および電解質層１３を収容するセパレータ凹部２１を含んでいてもよい。セパレータ凹部２１は、電気化学セル１０が矩形状の平面形状を有する場合、後述するＸ方向およびＹ方向に沿うような矩形状の平面形状を有していてもよい。セパレータ凹部２１の深さは、燃料極導電部材３０、燃料極１１および電解質層１３の合計厚さと等しくてもよい。

セパレータ２０は、枠板部２２と、凸板部２３と、を含んでいてもよい。枠板部２２は、セパレータ凹部２１の周囲に形成されており、矩形枠状の平面形状を有していてもよい。枠板部２２は、支持部材５０と絶縁部材６０に挟持される部分である。

凸板部２３は、枠板部２２から突出している。凸板部２３は、セパレータ凹部２１を画定している。凸板部２３は、底板部２４と、側板部２５と、を含んでいる。底板部２４は、枠板部２２と平行であってもよい。底板部２４は、燃料極導電部材３０と空気極導電部材４０に挟持される部分である。側板部２５は、枠板部２２および底板部２４に垂直であってもよい。本実施の形態によるセパレータ凹部２１は、矩形状の断面形状を有している。

セパレータ２０は、単一の部品として形成されている。より具体的には、枠板部２２および凸板部２３は、一体に連続状に形成されている。このようなセパレータ２０は、任意の加工方法を用いて作製することができるが、例えば、板金加工またはプレス加工で作製されていてもよい。セパレータ２０の板厚は、例えば、１．０ｍｍ以下であってもよく、０．５ｍｍ以下であってもよい。

燃料極導電部材３０は、燃料極１１とセパレータ２０との間に介在されている。燃料極導電部材３０は、燃料極１１に当接するとともにセパレータ２０の底板部２４に当接している。燃料極導電部材３０の側面３０ａは、セパレータ２０の側板部２５に対向している。燃料極導電部材３０は、導電性を有している。燃料極導電部材３０は、後述するＸ方向およびＹ方向に沿うような矩形状の平面形状を有していてもよい。

空気極導電部材４０は、空気極１２とセパレータ２０との間に介在されている。空気極導電部材４０は、空気極１２に当接するとともにセパレータ２０の底板部２４に当接している。空気極導電部材４０の側面４０ａは、絶縁部材６０の内側面６０ａに対向している。空気極導電部材４０は、導電性を有している。空気極導電部材４０は、後述するＸ方向およびＹ方向に沿うような矩形状の平面形状を有していてもよい。

支持部材５０は、セパレータ２０の枠板部２２に対して凸板部２３の側の面に配置されている。図２に示す例では、支持部材５０は、枠板部２２の下側に配置されている。支持部材５０は、枠板部２２と絶縁部材６０との間に介在されている。支持部材５０は、枠板部２２に密着していてもよい。支持部材５０は、凸板部２３を収容する支持開口５１を含んでいてもよい。支持開口５１を画定する支持部材５０の内側面は、側板部２５に当接、または近接して離間していてもよい。支持部材５０は、セパレータ凹部２１が矩形状の平面形状を有する場合、矩形枠状の平面形状を有していてもよい。支持部材５０の厚さは、凸板部２３の高さと等しくてもよいが、凸板部２３の高さよりも大きくてもよい。支持部材５０は、導電性を有していてもよく、または絶縁性を有していてもよい。

絶縁部材６０は、セパレータ２０の枠板部２２に対して凸板部２３とは反対側の面に配置されている。図２に示す例では、絶縁部材６０は、枠板部２２の上側に配置されている。絶縁部材６０は、枠板部２２と支持部材５０との間に介在されている。絶縁部材６０は、空気極１２および空気極導電部材４０を収容する絶縁開口６１を含んでいてもよい。絶縁開口６１は、上述した内側面６０ａによって画定されている。絶縁部材６０は、電気化学セル１０が矩形状の平面形状を有する場合、矩形枠状の平面形状を有していてもよい。絶縁部材６０は、電解質層１３に当接する位置まで延びている。絶縁部材６０の内側部分は、空気極１２の周囲で露出された電解質層１３に当接しており、絶縁部材６０と電解質層１３との間の気密性を確保している。また、絶縁部材６０は、隣のセルユニット２のセパレータ２０の底板部２４にも当接している。絶縁部材６０は、絶縁性を有しているとともに、ガス不透過性を有している。絶縁部材６０によって、燃料ガスの雰囲気と空気の雰囲気が隔離されている。

上述したように締付板４から負荷される押圧力によって、電気化学セル１０、セパレータ２０、燃料極導電部材３０および空気極導電部材４０が押圧される。このことにより、積層体３内の導電性を確保するとともに、気密性を確保している。

図２～図４に示すように、電気化学セルスタック１は、燃料供給流路７０と、燃料排出流路７５と、空気供給流路８０と、空気排出流路８５と、を備えている。図２は、図３に示すＡ－Ａ線に沿った断面図であり、図４は、図３に示すＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図３に示すように、Ｘ方向と、Ｘ方向に直交するＹ方向を定義し、以下説明する。積層体３の積層方向Ｄは、Ｘ方向に直交するとともにＹ方向に直交する方向である。

燃料供給流路７０は、燃料極１１に燃料ガスを供給するように構成されている。燃料排出流路７５は、燃料極１１から燃料ガスを排出するように構成されている。

図２に示すように、燃料供給流路７０は、燃料供給主流路７１と、燃料供給個別流路７２と、を含んでいる。燃料供給主流路７１は、積層体３を積層方向Ｄに延びるように形成されており、セパレータ２０の枠板部２２、支持部材５０および絶縁部材６０を貫通している。燃料供給個別流路７２は、燃料供給主流路７１から燃料極導電部材３０の燃料流路３１（後述）に燃料ガスを供給するように形成されている。図２および図３に示すように、燃料供給個別流路７２は、セパレータ２０の枠板部２２のうち凸板部２３とは反対側の面に凹状に形成された流路凹部７２ａと、絶縁部材６０とによって画定されていてもよい。

燃料排出流路７５は、燃料排出主流路７６と、燃料排出個別流路７７と、を含んでいる。燃料排出主流路７６は、積層体３を積層方向Ｄに延びるように形成されている。燃料排出個別流路７７は、燃料極導電部材３０の燃料流路３１から燃料排出主流路７６に燃料ガスを排出するように形成されている。図２および図３に示すように、燃料排出個別流路７７は、セパレータ２０の枠板部２２のうち凸板部２３とは反対側の面に凹状に形成された流路凹部７７ａと、絶縁部材６０とによって画定されていてもよい。

図３に示すように、燃料供給主流路７１は、Ｘ方向における燃料極導電部材３０の一側に配置されている。燃料排出主流路７６は、Ｘ方向における燃料極導電部材３０の他側に配置されている。燃料極導電部材３０は、燃料供給主流路７１と燃料排出主流路７６との間に配置されている。図３に示す例では、燃料供給主流路７１および燃料排出主流路７６は、１つずつ形成されているが、燃料供給主流路７１の個数および燃料排出主流路７６の個数は任意である。

図３に示すように、積層方向Ｄで見たときに、燃料極導電部材３０とセパレータ２０との間に、燃料空間３２が形成されている。燃料空間３２は、燃料極導電部材３０の側面３０ａと凸板部２３の側板部２５とが離間することにより、燃料空間３２が形成されている。燃料空間３２は、燃料極導電部材３０に対して燃料供給主流路７１の側に形成された燃料入口空間３２ａと、燃料排出主流路７６の側に形成された燃料出口空間３２ｂと、を含んでいる。燃料入口空間３２ａは、Ｘ方向における燃料極導電部材３０の一側に配置され、燃料出口空間３２ｂは、Ｘ方向における燃料極導電部材３０の他側に配置されている。

燃料空間３２は、積層方向Ｄで見たときに、燃料極１１とセパレータ２０との間および電解質層１３とセパレータ２０との間にも形成されている。図２および図４に示すように、燃料空間３２は、積層方向Ｄに、電気化学セル１０の電解質層１３と側板部２５との間の位置まで延びている。燃料空間３２は、燃料極１１、電解質層１３、凸板部２３、燃料極導電部材３０および絶縁部材６０によって画定されていてもよい。

図２～図４に示すように、燃料極導電部材３０は、燃料極１１に供給される燃料ガスが流れる複数の燃料流路３１を含んでいてもよい。燃料流路３１の一端は、燃料入口空間３２ａに開口し、燃料流路３１の他端は、燃料出口空間３２ｂに開口している。燃料流路３１は、燃料極導電部材３０の燃料極１１の側の面に凹状に形成されていてもよい。このような構成により、燃料流路３１に、燃料供給主流路７１から燃料供給個別流路７２および燃料入口空間３２ａを通過した燃料ガスが流入する。燃料流路３１を通過した燃料ガスは、燃料出口空間３２ｂを通過して燃料排出個別流路７７に排出される。図３に示すように、燃料流路３１は、Ｘ方向に延びる直線流路として構成されていてもよいが、燃料流路３１の構成は、特に限られることはない。例えば、燃料流路３１は、サーペンタイン流路等によって構成されていてもよい。図３においては、便宜上、１つの燃料流路３１を、１本の線で表している。

図３に示すように、燃料極導電部材３０は、遮蔽部３３を含んでいてもよい。遮蔽部３３は、燃料空間３２において、燃料流路３１を通過することなく、燃料供給主流路７１から燃料排出主流路７６に向かって燃料ガスが流れることを防止するように構成されている。図３に示すように、遮蔽部３３は、燃料極導電部材３０に対してＹ方向の両側に形成されている。各遮蔽部３３は、側板部２５のうちのＹ方向に隣り合う部分に当接、または近接して離間していてもよい。遮蔽部３３は、積層方向Ｄで見たときに燃料空間３２に突出するように形成されていてもよい。遮蔽部３３によって、燃料入口空間３２ａと燃料出口空間３２ｂとが区画されている。図３および図４に示すように、遮蔽部３３が存在する位置では、燃料空間３２は形成されていない。２つの遮蔽部３３は、Ｘ方向において、同じ位置に配置されていてもよく、互いに異なる位置に配置されていてもよい。

図４に示すように、遮蔽部３３は、積層方向Ｄにおいて電解質層１３に対応する位置まで延びている。より具体的には、遮蔽部３３は、電解質層１３と側板部２５との間の位置まで積層方向Ｄに延びている。遮蔽部３３は、絶縁部材６０に当接していてもよい。このようにして、遮蔽部３３は、燃料空間３２における燃料ガスの流れを遮蔽している。

空気供給流路８０は、空気極１２に空気を供給するように構成されている。空気排出流路８５は、空気極１２から空気を排出するように構成されている。

図４に示すように、空気供給流路８０は、空気供給主流路８１と、空気供給個別流路８２と、を含んでいる。空気供給主流路８１は、積層体３を積層方向Ｄに延びるように形成されており、セパレータ２０の枠板部２２、支持部材５０および絶縁部材６０を貫通している。空気供給個別流路８２は、空気供給主流路８１から空気極導電部材４０の空気流路４１（後述）に空気を供給するように形成されている。空気供給個別流路８２は、図４に示すように絶縁部材６０に凹状に形成されていてもよいが、支持部材５０に形成されていてもよい。

図４に示すように、空気排出流路８５は、空気排出主流路８６と、空気排出個別流路８７と、を含んでいる。空気排出主流路８６は、積層体３を積層方向Ｄに延びるように形成されている。空気排出個別流路８７は、空気極導電部材４０の空気流路４１から空気排出主流路８６に空気を排出するように形成されている。空気排出個別流路８７は、図４に示すように絶縁部材６０に凹状に形成されていてもよいが、支持部材５０に形成されていてもよい。

図３に示すように、空気供給主流路８１は、Ｙ方向における空気極導電部材４０の一側に配置されている。空気排出主流路８６は、Ｙ方向における空気極導電部材４０の他側に配置されている。空気極導電部材４０は、空気供給主流路８１と空気排出主流路８６との間に配置されている。図３に示す例では、空気供給主流路８１および空気排出主流路８６は、１つずつ形成されているが、空気供給主流路８１の個数および空気排出主流路８６の個数は任意である。

図４に示すように、空気極導電部材４０と絶縁部材６０との間に、空気空間４２が形成されている。本実施の形態による空気空間４２は、絶縁開口６１内において、空気極導電部材４０の周囲に形成されている。より具体的には、空気極導電部材４０の側面４０ａと絶縁部材６０の内側面６０ａとが離間することにより、空気空間４２が形成されている。空気空間４２は、積層方向Ｄに延びて、電気化学セル１０の空気極１２の周囲にも形成されている。空気空間４２は、空気極１２、電解質層１３、底板部２４、空気極導電部材４０および絶縁部材６０によって画定されていてもよい。

図２および図４に示すように、空気極導電部材４０は、空気極１２に供給される空気が流れる複数の空気流路４１を含んでいてもよい。空気流路４１の両端は、空気空間４２に開口している。空気流路４１は、空気極導電部材４０の空気極１２の側の面に凹状に形成されていてもよい。空気流路４１の流路断面積は、上述した燃料流路３１の燃料断面積よりも大きくてもよい。このような構成により、空気流路４１に、空気供給主流路８１から空気供給個別流路８２および空気空間４２を通過した空気が流入する。空気流路４１を通過した空気は、空気空間４２および空気排出個別流路８７を通過して空気排出主流路８６に排出される。空気流路４１は、Ｙ方向に延びる直線流路として構成されていてもよいが、空気流路４１の構成は、特に限られることはない。例えば、空気流路４１は、サーペンタイン流路等によって構成されていてもよい。

燃料極導電部材３０および空気極導電部材４０は、５００℃～１０００℃の高温条件下においても、導電性を有している。また、導電部材３０、４０は、柔軟性を有していてもよい。導電部材３０、４０は、多孔質構造または繊維状構造等の構造を有していてもよい。

より具体的には、燃料極導電部材３０および空気極導電部材４０の少なくとも一方は、１０^－２ＧＰａ～１０ＧＰａのヤング率を有していてもよい。本実施の形態においては、燃料極導電部材３０および空気極導電部材４０の両方が、１０^－２ＧＰａ～１０ＧＰａのヤング率を有している。しかしながら、このことに限られることはなく、燃料極導電部材３０および空気極導電部材４０の一方が１０^－２ＧＰａ～１０ＧＰａのヤング率を有していれば、他方は、１０^－２ＧＰａ～１０ＧＰａのヤング率を有していなくてもよい。ヤング率を１０^－２ＧＰａ以上とすることにより、導電部材３０、４０は、締付板４による押圧力に対する機械的強度を確保することができる。ヤング率を１０ＧＰａ以下とすることにより、導電部材３０、４０は、柔軟性を有することができる。導電部材３０、４０のヤング率とは、導電部材３０、４０を構成する後述の成分で作製された中実状の部材から得られるヤング率ではなく、上述した多孔質構造または繊維状構造で作製された部材から得られるヤング率であってもよい。ヤング率は、常温環境下での値であってもよい。電気化学セルスタック１の組立は常温環境下で行われるため、常温環境下でのヤング率が規定されていればよい。ヤング率の求め方としては、例えば、静的測定法などが挙げられる。静的測定法は、試験片に引張あるいは圧縮、曲げ、ねじりなどの静的荷重を加え、応力とひずみを測定して求める方法である。測定装置としては、例えば、インストロン社製の精密万能試験機（5566型）または島津製作所社製の材料試験機（オートグラフAG-25TD）などが挙げられる。このような装置を用いた測定から得られた応力－ひずみ曲線のグラフから、ヤング率を求めてもよい。

このような導電部材３０、４０の材料の例としては、特に限られることはない。例えば、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ａｌおよびこれらの成分の少なくとも２つを含む合金等を、導電部材３０、４０の材料の例として挙げることができる。

次に、このような構成からなる本実施の形態による電気化学セルスタック１の動作について説明する。

燃料供給主流路７１に供給された燃料ガスは、燃料供給個別流路７２および燃料空間３２を通過して、燃料極導電部材３０の燃料流路３１に流入する。燃料ガスは、燃料流路３１を流れながら、燃料極１１に供給される。一方、空気供給主流路８１に供給された空気は、空気供給個別流路８２および空気空間４２を通過して、空気極導電部材４０の空気流路４１に流入する。空気は、空気流路４１を流れながら、空気極１２に供給される。そして、電気化学セル１０において電気化学反応が行われる。電気化学セルスタック１がＳＯＦＣとして用いられる場合、燃料ガスと空気で発電反応が行われ、電気エネルギが生成される。電気化学セルスタック１がＳＯＥＣとして用いられる場合、電気分解反応が行われ、燃料ガスが電気分解される。

燃料流路３１を通過した燃料ガスは、燃料空間３２および燃料排出個別流路７７を通過して、燃料排出主流路７６に供給される。空気流路４１を通過した空気は、空気空間４２および空気排出個別流路８７を通過して、空気排出主流路８６に排出される。

このようにして、燃料極１１に燃料ガスが連続的に供給されるとともに、空気極１２に空気が連続的に供給されて、電気化学反応が行われる。

このように本実施の形態によれば、燃料極導電部材３０および空気極導電部材４０は、１０^－２ＧＰａ～１０ＧＰａのヤング率を有している。このことにより、各導電部材３０、４０が柔軟性を有することができる。このため、燃料極導電部材３０は、セパレータ２０の底板部２４に密に当接することができるとともに、燃料極１１に密に当接することができる。空気極導電部材４０は、セパレータ２０の底板部２４に密に当接することができるとともに、空気極１２に密に当接することができる。例えば、電気化学セル１０、セパレータ２０、各導電部材３０、４０の寸法精度が低い場合、またはこれらの部材に反りが存在している場合であっても、各導電部材３０、４０が変形して、他の部材と密に当接することができる。この場合、電気化学セルスタック１の導電性を向上させることができる。また、燃料極導電部材３０とセパレータ２０の底板部２４との間に、燃料ガスが流れる隙間が形成されることを抑制でき、燃料流路３１に均等に燃料ガスを流すことができる。同様に、空気極導電部材４０とセパレータ２０の底板部２４との間に、空気が流れる隙間が形成されることを抑制でき、空気流路４１に均等に空気を流すことができる。この結果、欠陥の発生を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、セパレータ２０は、燃料極導電部材３０、燃料極１１および電解質層１３を収容するセパレータ凹部２１を含んでいる。このことにより、電気化学セルスタック１の厚さを低減することができる。

また、本実施の形態によれば、セパレータ凹部２１を画定する凸板部２３を含み、凸板部２３が、枠板部２２から突出している。このことにより、セパレータ凹部２１を有するセパレータ２０を容易に作製することができる。例えば、セパレータ２０を、板金加工やプレス加工で容易に作製することができる。

また、本実施の形態によれば、枠板部２２の凸板部２３の側の面に支持部材５０が配置されている。このことにより、凸板部２３を含むセパレータ２０であっても、支持部材５０を介在させることにより、セパレータ２０を容易に積層することができる。

また、本実施の形態によれば、枠板部２２の凸板部２３とは反対側の面に絶縁部材６０が配置されている。このことにより、積層方向Ｄにおいて隣り合う枠板部２２同士を電気的に絶縁することができる。このため、各導電部材３０、４０に集電させることができる。

また、本実施の形態によれば、絶縁部材６０は、電解質層１３に当接する位置まで延びている。このことにより、絶縁部材６０と電解質層１３との間で気密性を確保することができる。このため、燃料ガスの雰囲気と空気の雰囲気とを隔離することができる。

また、本実施の形態によれば、燃料極導電部材３０が、燃料極１１に供給される燃料ガスが流れる燃料流路３１を含んでいる。このことにより、セパレータ２０に、燃料ガスを流す流路を形成することを不要にできる。このため、セパレータ２０に、加工歪などが発生することを抑制でき、組立不良による欠陥が発生することを抑制できる。

また、本実施の形態によれば、燃料極導電部材３０は、積層方向Ｄで見たときに燃料極導電部材３０とセパレータ２０との間に形成された燃料空間３２において、燃料流路３１を通過することなく、燃料供給主流路７１から燃料排出主流路７６に向かう燃料ガスの流れを遮蔽する遮蔽部３３を含んでいる。このことにより、燃料ガスが、燃料極導電部材３０の燃料流路３１を通過することなく排出されることを防止できる。このため、燃料ガスを効率良く燃料極１１に供給することができ、電気化学反応の効率を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、遮蔽部３３は、積層方向Ｄにおいて、電解質層１３に対応する位置まで延びている。このことにより、電気化学セル１０とセパレータ２０との間に燃料空間３２が形成されている場合であっても、燃料流路３１を通過することなく、燃料供給主流路７１から燃料排出主流路７６に向かう燃料ガスが流れることを防止できる。このため、燃料ガスが、燃料極導電部材３０の燃料流路３１を通過することなく排出されることをより一層防止できる。このため、燃料ガスを、より一層効率良く燃料極１１に供給することができ、電気化学反応の効率を、より一層向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、空気極導電部材４０が、空気極１２に供給される空気が流れる空気流路４１を含んでいる。このことにより、セパレータ２０に、空気を流す流路を形成することを不要にできる。このため、セパレータ２０に、加工歪などが発生することを抑制でき、組立不良による欠陥が発生することを抑制できる。

なお、上述した本実施の形態においては、遮蔽部３３が、燃料極導電部材３０に対してＹ方向の両側に形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、図６に示すように、遮蔽部３３は、燃料極導電部材３０に対してＸ方向の一側に形成されていてもよい。図６に示すように、２つの遮蔽部３３が、燃料供給主流路７１の側に配置されていてもよい。あるいは、２つの遮蔽部３３は、燃料排出主流路７６の側に配置されていてもよい。一方の遮蔽部３３が、燃料供給主流路７１の側に配置され、他方の遮蔽部３３が、燃料排出主流路７６の側に配置されていてもよい。

また、上述した本実施の形態においては、セパレータ２０が、燃料極導電部材３０、燃料極１１および電解質層１３を収容するセパレータ凹部２１を含んでいる例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、セパレータ２０は、セパレータ凹部２１を含んでいなくてもよい。この場合、セパレータ２０は、全体として平坦状に形成されていてもよい。この場合、例えば、支持部材５０は、枠板部２２の凸板部２３とは反対側の面に配置されてもよい。

また、上述した本実施の形態においては、遮蔽部３３が、積層方向Ｄにおいて電解質層１３に対応する位置まで延びて、燃料ガスの流れを遮蔽する例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、遮蔽部３３は積層方向Ｄに延びていなくてもよい。この場合、燃料極１１および電解質層１３が、積層方向Ｄで見たときに遮蔽部３３に重なる位置で、遮蔽部３３と同様の遮蔽部（図示せず）をそれぞれ含んでいてもよい。

（第２の実施の形態）
次に、図６～図８を用いて、第２の実施の形態による電気化学セルスタックについて説明する。

図６～図８に示す第２の実施の形態においては、セパレータの側板部が底板部に対して傾斜している点が主に異なり、他の構成は、図１～図５に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６～図８において、図１～図５に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示すように、本実施の形態によるセパレータ２０の側板部２５は、底板部２４に対して傾斜している。側板部２５は、底板部２４から枠板部２２に向かって、積層体３の外側に広がるように傾斜している。セパレータ凹部２１は、逆向きの台形状の断面形状を有している。側板部２５は、枠板部２２に対しても傾斜している。

本実施の形態による遮蔽部３３は、図７に示すように、燃料極導電部材３０のＸ方向に延びており、セパレータ２０の側板部２５のうちのＸ方向に隣り合う部分に当接、または近接して離間していてもよい。遮蔽部３３によって、燃料入口空間３２ａと燃料出口空間３２ｂとが区画されている。図７および図８に示すように、遮蔽部３３が存在する位置では、燃料空間３２は形成されていない。

本実施の形態による燃料極導電部材３０は、燃料極１１および電解質層１３を収容する導電部材凹部３４を含んでいる。導電部材凹部３４は、上述した２つの遮蔽部３３によって画定されていてもよい。遮蔽部３３は、積層方向Ｄにおいて絶縁部材６０に当接していてもよい。

このように本実施の形態によれば、セパレータ２０の側板部２５が、底板部２４に対して傾斜している。このことにより、セパレータ２０を、より一層容易に作製することができる。例えば、セパレータ２０は、プレス加工で容易に作製することができる。

また、本実施の形態によれば、燃料極導電部材３０は、燃料極１１および電解質層１３を収容する導電部材凹部３４を含んでいる。このことにより、燃料極導電部材３０とセパレータ２０の底板部２４との間に、燃料ガスが流れる隙間が形成されることを抑制でき、燃料流路３１に均等に燃料ガスを流すことができる。また、電気化学セル１０を、導電部材凹部３４内に収容することができ、電気化学セル１０が、燃料極導電部材３０に対して位置ずれすることを防止できる。

なお、上述した本実施の形態においては、燃料極導電部材３０は、燃料極１１および電解質層１３を収容する導電部材凹部３４を含んでいる例について説明した。このような導電部材凹部３４は、図１～図６に示す第１の実施の形態による燃料極導電部材３０に含まれていてもよい。この場合、図１～図６に示す第１の実施の形態による遮蔽部３３が、図８に示す遮蔽部３３と同様に構成されていてもよい。

以上述べた実施の形態によれば、欠陥の発生を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、適宜組み合わせることも可能である。

１：電気化学セルスタック、１０：電気化学セル、１１：燃料極、１２：空気極、１３：電解質層、２０：セパレータ、２１：セパレータ凹部、２２：枠板部、２３：凸板部、３０：燃料極導電部材、３０ａ：側面、３１：燃料流路、３２：燃料空間、３３：遮蔽部、３４：導電部材凹部、４０：空気極導電部材、４０ａ：側面、４１：空気流路、４２：空気空間、５０：支持部材、５１：支持開口、６０：絶縁部材、６１：絶縁開口、７１：燃料供給主流路、７６：燃料排出主流路、８１：空気供給主流路、８６：空気排出主流路、Ｄ：積層方向

Claims (11)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に介在された電解質層と、を含む、平板型の電気化学セルと、
   前記電気化学セルと交互に積層されたセパレータと、
   前記燃料極と前記セパレータとの間に介在された燃料極導電部材と、
   前記空気極と前記セパレータとの間に介在された空気極導電部材と、を備え、
   前記燃料極導電部材および前記空気極導電部材の少なくとも一方は、１０^－２ＧＰａ～１０ＧＰａのヤング率を有している、電気化学セルスタック。
2. 前記セパレータは、前記燃料極導電部材、前記燃料極および前記電解質層を収容するセパレータ凹部を含む、請求項１に記載の電気化学セルスタック。
3. 前記セパレータは、前記セパレータ凹部の周囲に設けられた枠板部と、前記枠板部から突出した、前記セパレータ凹部を画定する凸板部と、を含む、請求項２に記載の電気化学セルスタック。
4. 前記枠板部の前記凸板部の側の面に配置された支持部材を更に備え、
   前記支持部材は、前記凸板部を収容する支持開口を含む、請求項３に記載の電気化学セルスタック。
5. 前記枠板部の前記凸板部とは反対側の面に配置された絶縁部材を更に備え、
   前記絶縁部材は、前記空気極および前記空気極導電部材を収容する絶縁開口を含む、請求項３または４に記載の電気化学セルスタック。
6. 前記絶縁部材は、前記電解質層に当接する位置まで延びている、請求項５に記載の電気化学セルスタック。
7. 前記凸板部は、底板部と、側板部と、を含み、
   前記側板部は、前記底板部に対して傾斜している、請求項３～６のいずれか一項に記載の電気化学セルスタック。
8. 前記燃料極導電部材は、前記燃料極および前記電解質層を収容する導電部材凹部を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の電気化学セルスタック。
9. 前記燃料極導電部材は、前記燃料極に供給される燃料ガスが流れる燃料流路を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の電気化学セルスタック。
10. 前記セパレータを貫通し、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給主流路と、
    前記セパレータを貫通し、前記燃料極から前記燃料ガスを排出する燃料排出主流路と、を備え、
    前記燃料極導電部材は、積層方向で見たときに前記燃料極導電部材と前記セパレータとの間に形成された燃料空間において、前記燃料流路を通過することなく、前記燃料供給主流路から前記燃料排出主流路に向かって前記燃料ガスが流れることを防止する遮蔽部を含む、請求項９に記載の電気化学セルスタック。
11. 前記遮蔽部は、前記積層方向において、前記電解質層に対応する位置まで延びている、請求項１０に記載の電気化学セルスタック。

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