JP6026045B1 - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料極から排出される未反応燃料ガスの回収が可能であり、且つ容易に製造することのできる燃料電池スタックの提供。【解決手段】表面が緻密層で覆われ、かつ、複数の発電素子が直列に配置され、さらに内部にガス流路を持つ第１支持基板５ａと、同様の構造を持つ第２支持基板５ｂに対して、両者のガス流路を連通させる連通部材３から構成される燃料電池スタック１００。連通部材３は、第１支持基板５ａの遠位端部５０２ａと第２支持基板５ｂの遠位端部５０２ｂとの間に設けられ、未反応燃料ガスの回収を可能にする。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

複数のセルと、各セルにガスを分配するマニホールドと、を備えた燃料電池スタックが知られている。各セルは、多孔質の支持基板と、各支持基板に支持される発電素子部とを備えている。各支持基板の近位端部がマニホールドに挿入されることによって、各支持基板のガス流路にマニホールドから燃料ガスが供給される。各支持基板のガス流路の近位端部から供給された燃料ガスのうち未反応のガスは、ガス流路の遠位端部から外部へと排出される。

特許文献１に記載の燃料電池スタックは、燃料ガスの使用効率を向上させるため、遠位端部から外部へと排出される未反応ガスを回収するように構成されている。具体的には、支持基板は、往路用のガス流路と復路用のガス流路とを有している。往路用のガス流路に供給された燃料ガスのうち未反応のガスは、復路用のガス流路で再度発電に利用される。また、復路用のガス流路を流れた燃料ガスは、遠位端部から外部へ排出されるのではなく、近位端部からマニホールドへと回収される。

支持基板は多孔質であるため、燃料ガスは、往路用のガス流路を最後まで流れることなく復路用のガス流路へ流れてしまうことがある。すなわち、燃料ガスが、往路用のガス流路の途中で支持基板内を通って復路用のガス流路へと流れてしまうことがある。このようなショートカットを防止するために、往路用のガス流路と復路用のガス流路との間に緻密質部材が挿入されている。

特開２０１５−５３１８６号公報

上述したような燃料電池スタックは、多孔質の支持基板の内部に緻密質部材を挿入する必要があるため、製造することが困難であるという問題がある。そこで本発明の課題は、ガスを回収可能であり、且つ容易に製造することのできる燃料電池スタックを提供することにある。

本発明のある側面に係る燃料電池スタックは第１支持基板、第１発電素子部、第２発電素子部、第２支持基板、第３発電素子部、第４発電素子部、及び連通部材を備えている。第１支持基板は、第１基板本体部、第１緻密層、及び第１ガス流路を有する。第１緻密層は、第１基板本体部を覆う。第１ガス流路は、近位端部から遠位端部まで延びる。第１発電素子部は、第１支持基板の第１主面に支持される。第２発電素子部は、第１支持基板の第２主面に支持される。第２支持基板は、第２基板本体部、第２緻密層、及び第２ガス流路を有する。第２緻密層は、第２基板本体部を覆う。第２ガス流路は、近位端部から遠位端部まで延びる。第３発電素子部は、第２支持基板の第１主面に支持される。第３発電素子部は、第１発電素子部と直列に接続されている。第４発電素子部は、第２支持基板の第２主面に支持される。第４発電素子部は、第２発電素子部と直列に接続される。連通部材は、前記第１支持基板の遠位端部と前記第２支持基板の遠位端部との間を延び第１ガス流路と第２ガス流路とを連通させる。

この構成によれば、第１支持基板の第１ガス流路を流れた燃料ガスのうち未反応ガスは、第１ガス流路の遠位端部から外部へと排出されるのではなく、連通部材を介して第２ガス流路へと流れる。このため、燃料ガスの使用効率を向上させることができる。また、第１支持基板は、第１基板本体部を覆う第１緻密層を有しており、第２支持基板は、第２基板本体部を覆う第２緻密層を有している。第１及び第２緻密層は、第１及び第２基板本体部よりも緻密であるため、第１ガス流路内を流れる燃料ガスが、第１及び第２基板本体部内を通って第２ガス流路へ流れることを抑制することができる。また、この第１緻密層は、第１基板本体部を覆うように形成すればよく、容易に形成することができる。

第１発電素子部及び第３発電素子部からなる第１発電素子部集合体は、第２発電素子部及び第４発電素子部からなる第２発電素子部集合体と直列に接続されていてもよい。

第１発電素子部及び第３発電素子部からなる第１発電素子部集合体は、第２発電素子部及び第４発電素子部からなる第２発電素子部集合体と並列に接続されていてもよい。

好ましくは、第１支持基板及び第２支持基板は、第１支持基板の側面と第２支持基板の側面とが対向するように配置される。

好ましくは、当該燃料電池スタックは、複数の第１発電素子部と、複数の第２発電素子部と、複数の第３発電素子部と、複数の前記第４発電素子部と、を備える。各第１及び第２発電素子部は、第１支持基板の長手方向に沿って間隔をあけて配置されている。各第３及び第４発電素子部は、第２支持基板の長手方向に沿って間隔をあけて配置される。

好ましくは、各第１発電素子部は、互いに直列に接続される。好ましくは、各第２発電素子部は、互いに直列に接続される。好ましくは、各第３発電素子部は、互いに直列に接続される。好ましくは、各第４発電素子部は、互いに直列に接続される。

好ましくは、燃料電池スタックは、第１及び第２支持基板を支持するマニホールドをさらに備える。このマニホールドによって、各ガス流路へ燃料ガスを分配することができる。

好ましくは、マニホールドは、第１室と第２室とを有している。第１ガス流路は、第１室と連通している。第２ガス流路は、第２室に連通している。この構成によれば、第１室に燃料ガスを供給することによって、燃料ガスは、第１ガス流路、連通部材、第２ガス流路の順でスムーズに流れることができる。

好ましくは、マニホールドは、マニホールド本体部と、仕切板とを有する。マニホールド本体部は、空間部を有する。仕切板は、空間部を第１室と第２室とに仕切る。この構成によれば、第１及び第２室を有するマニホールドを容易に製造することができる。

好ましくは、第１緻密層は第１電解質を含み、第２緻密層は第２電解質を含む。

本発明に係る燃料電池スタックは、ガスを回収可能であり、且つこの燃料電池スタックを容易に製造することができる。

燃料電池スタックの斜視図。 第１セルの斜視図。 第１セルの断面図。 第２セルの斜視図。 第２セルの断面図。 燃料電池スタックの断面図。 各発電素子部間の電気的な接続関係を表す概略図。 変形例に係る燃料電池スタックの断面図。 変形例に係る各発電素子部間の電気的な接続関係を表す概略図。 変形例に係る各発電素子部間の電気的な接続関係を表す概略図。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、燃料電池スタックを示す斜視図である。なお、図１において、いくつかの第１及び第２セルの記載を省略している。

［燃料電池スタック］
図１に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の第１セル１０ａと、複数の第２セル１０ｂと、連通部材３と、マニホールド４と、を備えている。なお、以下では、第１セル１０ａの構成部材の符号の末尾に「ａ」を付し、第２セル１０ｂの構成部材の符号の末尾に「ｂ」を付す。第１セル１０ａと第２セル１０ｂとは、実質的に同じ構成であるため、以下では第１セル１０ａの構成部材のみを説明し、第２セル１０ｂの構成部材については第１セル１０ａの構成部材と対応する符号を付して詳細な説明を省略する。

［マニホールド］
マニホールド４は、第１及び第２セル１０ａ、１０ｂを支持するように構成されている。マニホールド４は、第１室４１と第２室４２とを有している。第１室４１にはガス供給部１０１が接続されており、第２室４２にはガス排出部１０２が接続されている。第１室４１には、ガス供給部１０１を介して燃料ガスが供給される。また、第２室４２内の燃料ガスは、ガス排出部１０２を介してマニホールド４から排出される。

マニホールド４は、マニホールド本体部４３と、仕切板４４とを有している。マニホールド本体部４３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部４３は、直方体状である。マニホールド本体部４３の上板部４３１には、複数の第１及び第２挿入孔（図示省略）が形成されている。第１セル１０ａは第１挿入孔に挿入され、第２セル１０ｂは第２挿入孔に挿入される。なお、第１挿入孔は第１室４１と連通しており、第２挿入孔は第２室４２と連通している。

各第１挿入孔は、マニホールド本体部４３の長手方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。また、各第２挿入孔も、マニホールド本体部４３の長手方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。第１挿入孔と第２挿入孔とは、マニホールド本体部４３の幅方向（ｙ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。

仕切板４４は、マニホールド本体部４３の空間を第１室４１と第２室４２とに仕切っている。詳細には、仕切板４４は、マニホールド本体部４３の略中央部において、マニホールド本体部４３の長手方向に延びている。仕切板４４は、マニホールド本体部４３の空間を完全に仕切っている必要は無く、仕切板４４とマニホールド本体部４３との間に隙間が形成されていてもよい。

［第１セル］
第１セル１０ａは、マニホールド４の第１室４１の上方に配置されている。第１セル１０ａは、マニホールド４の第１挿入孔に挿入されている。第２セル１０ｂは、マニホールド４の第２室４２の上方に配置されている。第２セル１０ｂは、マニホールド４の第２挿入孔に挿入されている。

各第１セル１０ａは、主面同士が対向するように並べられている。また、各第１セル１０ａは、マニホールド４の長手方向に沿って間隔をあけて並べられている。各第２セル１０ｂは、主面が対向するように並べられている。また、各第２セル１０ｂは、マニホールド４の長手方向に沿って間隔をあけて並べられている。第１セル１０ａの列と、第２セル１０ｂの列とは、実質的に平行に配置されている。第１セル１０ａと第２セル１０ｂとは、側面が対向するように配置されている。

図２及び図３に示すように、第１セル１０ａは、第１支持基板５ａと、複数の第１発電素子部２１ａと、複数の第２発電素子部２２ａとを有している。各第１発電素子部２１ａは、第１支持基板５ａの第１主面５０３ａに支持されている。各第２発電素子部２２ａは、第１支持基板５ａの第２主面５０４ａに支持されている。

［第１支持基板］
第１支持基板５ａは、第１基板本体部５１ａと、第１緻密層５２ａと、複数の第１ガス流路５３ａとを有している。また、第１支持基板５ａは、近位端部５０１ａと遠位端部５０２ａとを有している。近位端部５０１ａ及び遠位端部５０２ａは、第１支持基板５ａの長手方向（ｘ軸方向）における両端部である。第１支持基板５ａの近位端部５０１ａは、マニホールド４の第１挿入孔に挿入される。

第１支持基板５ａは、第１主面５０３ａと、第２主面５０４ａと、一対の側面５０５ａとを有している。第１主面５０３ａと第２主面５０４ａとは、互いに反対を向いている。第１主面５０３ａは、各第１発電素子部２１ａを支持している。第２主面５０４ａは、各第２発電素子部２２ａを支持している。第１主面５０３ａ及び第２主面５０４ａは、第１支持基板５ａの厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。各側面５０５ａは、第１支持基板５ａの幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面５０５ａは、湾曲していてもよい。図１に示すように、各第１支持基板５ａは、第１主面５０３ａと第２主面５０４ａとが対向するように配置されている。

図２及び図３に示すように、第１基板本体部５１ａは、第１発電素子部２１ａ及び第２発電素子部２２ａを支持している。第１基板本体部５１ａは、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。第１基板本体部５１ａは、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成される。または、第１基板本体部５１ａは、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。第１基板本体部５１ａの気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法、又は微構造観察により測定される。

第１緻密層５２ａは、第１基板本体部５１ａを覆っている。第１緻密層５２ａは、第１ガス流路５３ａを流れる燃料ガスが第１基板本体部５１ａを通って第２ガス流路５３ｂへと流れることを抑制することができればよく、第１基板本体部５１ａの全面を覆っている必要は無い。本実施形態では、第１緻密層５２ａは、第１基板本体部５１ａの各主面、及び各側面を覆っている。すなわち、第１緻密層５２ａは、第１支持基板５ａの各主面５０３ａを構成するとともに、第１支持基板５ａの各側面５０５ａを構成している。なお、本実施形態では、第１緻密層５２ａは、後述する第１電解質７ａと、第１インターコネクタ９１ａとによって構成されている。第１緻密層５２ａは、第１基板本体部５１ａよりも緻密である。例えば、第１緻密層５２ａの気孔率は、０〜７％程度である。

第１ガス流路５３ａは、第１支持基板５ａの近位端部５０１ａから遠位端部５０２ａまで延びている。第１ガス流路５３ａは、第１支持基板５ａの長手方向（ｘ軸方向）に沿って延びている。また、第１ガス流路５３ａは、第１基板本体部５１ａ内を貫通して延びている。第１ガス流路５３ａの近位端部５３１ａは、第１室４１と連通している。また、第１ガス流路５３ａの遠位端部５３２ａは、後述する連通部材３の流路３０と連通している。

［第１発電素子部］
図３に示すように、複数の第１発電素子部２１ａが、第１支持基板５ａの第１主面５０３ａに支持されている。各第１発電素子部２１ａは、第１支持基板５ａの長手方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。また、第１支持基板５ａ上において、各第１発電素子部２１ａは、第１電気的接続部９ａによって、互いに直列に接続されている。

第１発電素子部２１ａは、第１燃料極６ａ、第１電解質７ａ、及び第１空気極８ａを有している。また、第１発電素子部２１ａは、第１反応防止膜１１ａをさらに有している。第１燃料極６ａは、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。第１燃料極６ａは、第１燃料極集電部６１ａと燃料極活性部６２ａとを有する。

第１燃料極集電部６１ａは、凹部５１３ａ内に配置されている。凹部５１３ａは、第１基板本体部５１ａの両面に形成されている。詳細には、第１燃料極集電部６１ａは、凹部５１３ａ内に充填されており、凹部５１３ａと同様の外形を有する。各第１燃料極集電部６１ａは、凹部６１１ａ及び凹部６１２ａを有している。燃料極活性部６２ａは、凹部６１１ａ内に配置されている。詳細には、燃料極活性部６２ａは、凹部６１１ａ内に充填されている。

第１燃料極集電部６１ａ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）とから構成され得る。或いは、第１燃料極集電部６１ａは、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。第１燃料極集電部６１ａの厚さ、並びに凹部５１３ａの深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部６２ａ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）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部６２ａは、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６２ａの厚さは、５〜３０μｍである。

第１電解質７ａは、第１燃料極６ａ上を覆うように配置されている。詳細には、第１電解質７ａは、一の第１インターコネクタ９１ａから他の第１インターコネクタ９１ａまで長手方向に延びている。すなわち、長手方向において、第１電解質７ａと第１インターコネクタ９１ａとが交互に配置されている。また、第１電解質７ａは、第１基板本体部５１ａの各主面及び各側面を覆っている。

第１電解質７ａは、第１基板本体部５１ａよりも緻密である。例えば、第１電解質７ａの気孔率は、０〜７％程度である。第１電解質７ａは、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。第１電解質７ａは、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。第１電解質７ａの厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

第１反応防止膜１１ａは、緻密な材料からなる焼成体であり、平面視において、燃料極活性部６２ａと略同一の形状である。第１反応防止膜１１ａは、第１電解質７ａを介して、燃料極活性部６２ａと対応する位置に配置されている。第１反応防止膜１１ａは、第１電解質７ａ内のＹＳＺと第１空気極８ａ内のＳｒとが反応して第１電解質７ａと第１空気極８ａ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。第１反応防止膜１１ａは、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。第１反応防止膜１１ａの厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

第１空気極８ａは、第１反応防止膜１１ａ上に配置されている。第１空気極８ａは、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。第１空気極８ａ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）から構成され得る。或いは、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、第１空気極８ａは、ＬＳＣＦからなる第１層（内側層）とＬＳＣからなる第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。第１空気極８ａの厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

第１電気的接続部９ａは、隣り合う第１発電素子部２１ａを電気的に接続するように構成されている。第１電気的接続部９ａは、第１インターコネクタ９１ａ及び第１空気極集電膜９２ａを有する。第１インターコネクタ９１ａは、凹部６１２ａ内に配置されている。詳細には、第１インターコネクタ９１ａは、凹部６１２ａ内に埋設（充填）されている。第１インターコネクタ９１ａは、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。第１インターコネクタ９１ａは、第１基板本体部５１ａよりも緻密である。例えば、第１インターコネクタ９１ａの気孔率は、０〜７％程度である。第１インターコネクタ９１ａは、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（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。第１インターコネクタ９１ａの厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

第１空気極集電膜９２ａは、隣り合う第１発電素子部２１ａの第１インターコネクタ９１ａと第１空気極８ａとの間を延びるように配置される。例えば、図３の左側に配置された第１発電素子部２１ａの第１空気極８ａと、図３の右側に配置された第１発電素子部２１ａの第１インターコネクタ９１ａとを電気的に接続するように、第１空気極集電膜９２ａが配置されている。第１空気極集電膜９２ａは、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。

第１空気極集電膜９２ａ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）から構成され得る。或いは、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。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。第１空気極集電膜９２ａの厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［第２発電素子部］
複数の第２発電素子部２２ａが、第１支持基板５ａの第２主面５０４ａに支持されている。各第２発電素子部２２ａは、第１支持基板５ａの長手方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。また、第１支持基板５ａ上において、各第２発電素子部２２ａは、互いに直列に接続されている。第２発電素子部２２ａは、配置される位置以外は、第１発電素子部２１ａと同じ構成であるため、詳細な説明を省略する。

［第２セル］
図４及び図５に示すように、第２セル１０ｂは、第２支持基板５ｂと、複数の第３発電素子部２１ｂと、複数の第４発電素子部２２ｂとを有している。

第２支持基板５ｂは、第２基板本体部５１ｂ、第２緻密層５２ｂ、及び第２ガス流路５３ｂを有している。また、第２支持基板５ｂは、近位端部５０１ｂと遠位端部５０２ｂとを有している。第２支持基板５ｂの近位端部５０１ｂは、マニホールド４の第２挿入孔に挿入されている。

第２支持基板５ｂは、第１主面５０３ｂと、第２主面５０４ｂと、一対の側面５０５ｂとを有している。第２支持基板５ｂの第１主面５０３ｂは、第１支持基板５ａの第１主面５０３ａと同じ方向を向いている。また、第２支持基板５ｂの第２主面５０４ｂは、第１支持基板５ａの第２主面５０４ａと同じ方向を向いている。隣り合う一対の第１及び第２支持基板５ａ、５ｂは、各第１主面５０３ａ、５０３ｂが実質的に同一面内に配置されており、各第２主面５０４ａ、５０４ｂが実質的に同一面内に配置されている。なお、各第１主面５０３ａ、５０３ｂは、各支持基板５ａ、５ｂの厚さ方向（ｚ軸方向）において、互いにずれていてもよい。同様に、第２主面５０４ａ、５０４ｂも、各支持基板５ａ、５ｂの厚さ方向（ｚ軸方向）において、互いにずれていてもよい。

第２基板本体部５１ｂは、複数の第３発電素子部２１ｂ及び複数の第４発電素子部２２ｂを支持している。第２緻密層５２ｂは、第２基板本体部５１ｂを覆っている。第２ガス流路５３ｂは、第２支持基板５ｂの近位端部５０１ｂから遠位端部５０２ｂまで延びている。

各第３発電素子部２１ｂは、第２支持基板５ｂの第１主面５０３ｂに支持されている。各第３発電素子部２１ｂは、第２支持基板５ｂの長手方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。また、第２支持基板５ｂ上において、各第３発電素子部２１ｂは、第２電気的接続部９ｂによって、互いに直列に接続されている。

各第４発電素子部２２ｂは、第２支持基板５ｂの第２主面５０４ｂに支持されている。各第４発電素子部２２ｂは、第２支持基板５ｂの長手方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。また、第２支持基板５ｂ上において、各第４発電素子部２２ｂは、互いに直列に接続されている。

第３発電素子部２１ｂは、第２燃料極６ｂ、第２電解質７ｂ、及び第２空気極８ｂを有している。上述したように、各第２セル１０ｂは、第１セル１０ａと実質的に同じ構成であるため、詳細な説明を省略する。同様に、第４発電素子部２２ｂの詳細な説明を省略する。なお、第１〜第４発電素子部２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂは、互いに大きさが異なってもよいし、形成される数が異なってもよい。例えば、第３発電素子部２１ｂは、第１発電素子部２１ａよりも、燃料ガスに接触する面積が大きくしてもよい。すなわち、第２燃料極６ｂの面積は、第１燃料極６ａの面積よりも大きくしてもよい。また、第２空気極８ｂの面積は、第１空気極８ａの面積よりも大きくしてもよい。もちろん、第２燃料極６ｂの面積は、第１燃料極６ａの面積と同じであってもよいし、第１燃料極６ａの面積より小さくてもよい。また、第２空気極８ｂの面積は、第１空気極８ａの面積と同じであってもよいし、第１空気極８ａの面積より小さくてもよい。第４発電素子部２２ｂも、これらと同様である。

図１に示すように、第１支持基板５ａの側面５０５ａと第２支持基板５ｂの側面５０５ｂとが対向するように、第１及び第２支持基板５ａ、５ｂが配置されている。第１支持基板５ａと第２支持基板５ｂとの間は隙間が形成されていてもよい。または、第１支持基板５ａの側面５０５ａと第２支持基板５ｂの側面５０５ｂとが接触していてもよい。

［連通部材］
図６に示すように、連通部材３は、第１支持基板５ａの遠位端部５０２ａと第２支持基板５ｂの遠位端部５０２ｂとに亘って延びている。そして、連通部材３は、第１ガス流路５３ａと第２ガス流路５３ｂとを連通させる流路３０を有している。詳細には、流路３０は、各第１ガス流路５３ａの遠位端部５３２ａと各第２ガス流路５３ｂの遠位端部５３２ｂとを連通する。流路３０は、各第１ガス流路から各第２ガス流路まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、第１支持基板５ａと第２支持基板５ｂとに接合されていることが好ましい。

連通部材３は、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する第３緻密層３１を有している。第３緻密層３１は、連通部材３の本体よりも緻密に形成されている。例えば、第３緻密層３１の気孔率は、０〜７％程度である。この第３緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した第１及び第２電解質７ａ、７ｂに使用される材料、結晶化ガラス等によって形成することができる。

［電気接続］
図７は、各発電素子部間の電気的な接続関係を示す概略図である。図７の矢印は、その電気的な接続関係を示している。図７に示すように、幅方向（ｙ軸方向）において隣り合う各第１及び第２セル１０ａ、１０ｂにおいて、第１支持基板５ａの第１主面５０３ａ上に支持される第１発電素子部２１ａと、第２支持基板５ｂの第１主面５０３ａ上に支持される第３発電素子部２１ｂとは、互いに直列に接続されている。例えば、第１支持基板５ａと第２支持基板５ｂとの間を延びる集電部材によって、第１発電素子部２１ａと第３発電素子部２１ｂとが電気的に接続される。この直列に接続された第１発電素子部２１ａと第３発電素子部２１ｂとは、第１発電素子部集合体２０１を構成する。なお、この第１発電素子部２１ａと第３発電素子部２１ｂとを接続する集電部材は、Ｆｅ−Ｃｒ合金、又は白金などによって形成することができる。

また、幅方向（ｙ軸方向）において隣り合う各第１及び第２セル１０ａ、１０ｂにおいて、第１支持基板５ａの第２主面５０４ａ上に支持される第２発電素子部２２ａと、第２支持基板５ｂの第２主面５０４ｂ上に支持される第４発電素子部２２ｂとは、互いに直列に接続されている。例えば、第１支持基板５ａと第２支持基板５ｂとの間を延びる集電部材によって、第２発電素子部２２ａと第４発電素子部２２ｂとが電気的に接続される。この直列に接続された第２発電素子部２２ａと第４発電素子部２２ｂとは、第２発電素子部集合体２０２を構成する。なお、この第２発電素子部２２ａと第４発電素子部２２ｂとを接続する集電部材は、Ｆｅ−Ｃｒ合金、又は白金などによって形成することができる。

第１発電素子部集合体２０１は、第２発電素子部集合体２０２と直列に接続されている。なお、この燃料電池スタック１００は、複数の第１発電素子部集合体２０１と、複数の第２発電素子部集合体２０２と、を備えている。各第１発電素子部集合体２０１及び各第２発電素子部集合体２０２は、互いに直列に接続されている。なお、第１発電素子部集合体２０１と第２発電素子部集合体２０２とは、交互に接続されている。

［発電方法］
上述したように構成された燃料電池スタック１００では、マニホールド４の第１室４１に水素ガスなどの燃料ガスを供給するとともに、第１及び第２セル１０ａ、１０ｂを空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、第１空気極８ａ及び第２空気極８ｂにおいて下記（１）式に示す化学反応が起こり、第１燃料極６ａ及び第２燃料極６ｂにおいて下記（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ_２ ⁻ …（１）
Ｈ_２＋Ｏ_２ ⁻→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

詳細には、第１室４１に供給された燃料ガスは、各第１セル１０ａの第１ガス流路５３ａ内を流れ、各第１及び第２発電素子部２１ａ、２２ａの第１燃料極６ａにおいて、上記（２）式に示す化学反応が起こる。各第１燃料極６ａにおいて未反応であった燃料ガスは、第１ガス流路５３ａを出て連通部材３の流路３０を介して第２ガス流路５３ｂへ供給される。そして、第２ガス流路５３ｂへ供給された燃料ガスは、第２セル１０ｂの各第３及び第４発電素子部２１ｂ、２２ｂの第２燃料極６ｂにおいて上記（２）式に示す化学反応が起こる。第２燃料極６ｂにおいて未反応であった燃料ガスは、マニホールド４の第２室４２へ回収される。

［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。

例えば、上記実施形態では、第１室４１に燃料ガスを供給し、第２室４２から燃料ガスを排出しているが、燃料ガスの流れは特にこれに限定されない。例えば、第２室４２に燃料ガスを供給し、第１室４１から燃料ガスを排出してもよい。すなわち、第２ガス流路、連通部材３、第１ガス流路の順で燃料ガスを流してもよい。

また、上記実施形態では、第１支持基板５ａは複数の第１ガス流路５３ａを有しているが、第１ガス流路５３ａの数は１つでもよい。なお、この場合、第１ガス流路５３ａは扁平状であることが好ましい。

また、上記実施形態では、第１セル１０ａ及び第２セル１０ｂは、マニホールド４の長手方向（ｚ軸方向）に並んでいるが、マニホールド４の幅方向（ｙ軸方向）に並んでいてもよい。

上記実施形態では、連通部材３は多孔質であるが、連通部材３は金属によって構成されていてもよい。具体的には、連通部材３は、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｎｉ基合金、又はＭｇＯ系セラミックス材料（第１及び第２支持基板５ａ、５ｂと同じ材料でも良い）などによって構成することができる。

また、上記実施形態では、連通部材３の流路３０は空間によって構成されていたが、連通部材３の流路３０の構成はこれに限定されない。例えば、図８に示すように、連通部材３の流路３０は、連通部材３内に形成された複数の気孔によって構成することができる。

また、図９に示すように、第１発電素子部集合体２０１と、第２発電素子部集合体２０２とは、互いに並列に接続されてもよい。詳細には、互いに直列に接続された複数の第１発電素子部集合体２０１と、互いに直列に接続された複数の第２発電素子部集合体２０２とが、互いに並列に接続されている。

また、図１０に示すように、第１発電素子部集合体２０１と第２発電素子部集合体２０２とが互いに並列に接続されているだけでなく、各第１発電素子部集合体２０１が互いに並列に接続されていてもよい。また、各第２発電素子部集合体２０２も、互いに並列に接続されていてもよい。

また、全ての第１発電素子部２１ａが第３発電素子部２１ｂと直列に接続されている必要は無く、一部の第１発電素子部２１ａが第３発電素子部２１ｂと直列に接続されていなくてもよい。なお、同様に、一部の第２発電素子部２２ａが、第４発電素子部２２ｂと直列に接続されていなくてもよい。

また、上記実施形態と変形例とを適宜組み合わせることも可能である。

また、上記各実施形態における電流の流れ方向は特に限定されるものではなく、上記各実施形態の図７、９，１０において矢印で示した電流の流れは逆方向であってもよい。

また、上記実施形態では、各支持基板５ａ、５ｂの各主面５０３ａ、５０４ａ、５０３ｂ、５０４ｂに複数の発電素子部２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂが形成されているが、各発電素子部２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂの数はこれに限定されない。例えば、各主面５０３ａ、５０４ａ、５０３ｂ、５０４ｂ上に形成される各発電素子部２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂの数は１つであってもよい。

２１ａ ：第１発電素子部
２２ａ ：第２発電素子部
２１ｂ ：第３発電素子部
２２ｂ ：第４発電素子部
３ ：連通部材
５ａ ：第１支持基板
５１ａ ：第１基板本体部
５２ａ ：第１緻密層
５３ａ ：第１ガス流路
５０１ａ ：近位端部
５０２ａ ：遠位端部
５０５ａ ：側面
５ｂ ：第２支持基板
５１ｂ ：第２基板本体部
５２ｂ ：第２緻密層
５３ｂ ：第２ガス流路
５０１ｂ ：近位端部
５０２ｂ ：遠位端部
５０４ｂ ：側面
１００ ：燃料電池スタック

Claims (7)

1. 第１基板本体部、前記第１基板本体部を覆う第１緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延びる第１ガス流路、を有する第１支持基板と、
   前記第１支持基板の第1主面に支持される第１発電素子部と、
   前記第１支持基板の第２主面に支持される第２発電素子部と、
   第２基板本体部、前記第２基板本体部を覆う第２緻密層、及び前記近位端部から遠位端部まで延びる第２ガス流路、を有する第２支持基板と、
   前記第２支持基板の第１主面に支持され、前記第１発電素子部と直列に接続される第３発電素子部と、
   前記第２支持基板の第２主面に支持され、前記第２発電素子部と直列に接続される第４発電素子部と、
   前記第１支持基板及び前記第２支持基板の各近位端部を支持するマニホールドと、
   前記第１支持基板の遠位端部と前記第２支持基板の遠位端部とに亘って延び、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連通させる連通部材と、
   を備える、燃料電池スタック。
2. 第１基板本体部、前記第１基板本体部を覆う第１緻密層、及び近位端部から遠位端部に向かう方向にガスを流す第１ガス流路、を有する第１支持基板と、
   前記第１支持基板の第1主面に支持される第１発電素子部と、
   前記第１支持基板の第２主面に支持される第２発電素子部と、
   第２基板本体部、前記第２基板本体部を覆う第２緻密層、及び前記方向と対向する方向である遠位端部から近位端部に向かう方向にガスを流す第２ガス流路、を有する第２支持基板と、
   前記第２支持基板の第１主面に支持され、前記第１発電素子部と直列に接続される第３発電素子部と、
   前記第２支持基板の第２主面に支持され、前記第２発電素子部と直列に接続される第４発電素子部と、
   前記第１支持基板の遠位端部と前記第２支持基板の遠位端部とに亘って延び、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連通させる連通部材と、
   を備える、燃料電池スタック。
3. 前記第１発電素子部及び前記第３発電素子部からなる第１発電素子部集合体は、前記第２発電素子部及び前記第４発電素子部からなる第２発電素子部集合体と直列に接続される、
   請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記第１発電素子部及び前記第３発電素子部からなる第１発電素子部集合体は、前記第２発電素子部及び前記第４発電素子部からなる第２発電素子部集合体と並列に接続される、
   請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
5. 前記第１支持基板及び前記第２支持基板は、前記第１支持基板の側面と前記第２支持基板の側面とが対向するように配置される、
   請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
6. 当該燃料電池スタックは、複数の前記第１発電素子部と、複数の前記第２発電素子部と、複数の前記第３発電素子部と、複数の前記第４発電素子部と、を備え、
   前記各第１及び第２発電素子部は、前記第１支持基板の長手方向に沿って間隔をあけて配置されており、
   前記各第３及び第４発電素子部は、前記第２支持基板の長手方向に沿って間隔をあけて配置される、
   請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
7. 前記各第１発電素子部は、互いに直列に接続され、
   前記各第２発電素子部は、互いに直列に接続され、
   前記各第３発電素子部は、互いに直列に接続され、
   前記各第４発電素子部は、互いに直列に接続される、
   請求項６に記載の燃料電池スタック。

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