JP6159868B1 - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を向上させた燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタックは、マニホールドと、複数の燃料電池セル１０と、を備える。マニホールドは、複数の挿入孔４１１を有する。各燃料電池セル１０は、挿入孔４１１に挿入された状態でマニホールドに接合される。各燃料電池セル１０は、幅方向において、近位端部１０１及び遠位端部１０２を有している。少なくとも１つの燃料電池セル１０は、隣り合う他の燃料電池セル１０に対して、幅方向にずれている。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、マニホールドと、複数の燃料電池セルとを備えている（特許文献１参照）。各燃料電池セルは、マニホールドから上方に延びている。詳細には、マニホールドは複数の挿入孔を有しており、各挿入孔に燃料電池セルが挿入されている。また、燃料電池セルが挿入孔に挿入された状態で、燃料電池セルはマニホールドに接合されている。

特開２０１５−１６４０９４号公報

上述した燃料電池スタックにおいて、発電時に各燃料電池セルが発熱するために、燃料電池スタックの中央部分が高温になるという問題があった。

本発明の課題は、放熱性を向上させた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、マニホールドと、複数の燃料電池セルと、を備える。マニホールドは、内部空間、及び内部空間と連通する挿入部、を有する。各燃料電池セルは、挿入部に挿入された状態でマニホールドに接合される。各燃料電池セルは、幅方向において、近位端部及び遠位端部を有している。少なくとも１つの燃料電池セルは、隣り合う他の燃料電池セルに対して、幅方向にずれている。

このように、本発明に係る燃料電池スタックでは、少なくとも１つの燃料電池セルが幅方向にずれているため、遠位端部又は近位端部が幅方向に突出した状態となる。この結果、この突出した部分において放熱されるため、放熱性を向上させることができる。

好ましくは、幅方向における各燃料電池セルの中心位置の平均値を平均中心線としたとき、少なくとも１つの燃料電池セルにおいて、平均中心線から遠位端部までの距離（ｗ２）に対する、平均中心線から近位端部までの距離（ｗ１）の割合（ｗ１／ｗ２）は、０．９９以下である。

好ましくは、各燃料電池セルのうち、幅方向に最もずれている燃料電池セルにおいて、平均中心線から遠位端部までの距離（ｗ２）に対する、平均中心線から遠位端部までの距離（ｗ１）の割合（ｗ１／ｗ２）は、０．９６以下である。

好ましくは、燃料電池スタックは、近位端部と挿入部の内壁面とによって画定される隙間を覆うカバー部材をさらに備える。

好ましくは、近位端部と挿入部の内壁面との距離ｄ１は、遠位端部と内壁面との距離ｄ２よりも大きい。

好ましくは、少なくとも１つの燃料電池セルの遠位端部は、隣り合う燃料電池セルの近位端部及び遠位端部のうち近いほうの端部に対して、幅方向に１．０ｍｍ以上ずれている。

好ましくは、各燃料電池は、幅方向において交互に異なる側にずれる。

好ましくは、挿入部は、複数の挿入孔を有する。そして、複数の挿入孔のそれぞれに燃料電池セルが挿入される。

好ましくは、各挿入孔は、幅方向に延びている。そして、各挿入孔の両端部の位置は、幅方向において実質的に互いに同じである。

好ましくは、燃料電池スタックは、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材をさらに備える。

好ましくは、接合材は、ガラス材料を含む。

本発明に係る燃料電池スタックによれば、放熱性を向上させることができる。

燃料電池スタックの斜視図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの拡大断面図。 燃料電池スタックの断面図。 蓋部材の平面図。 蓋部材の拡大平面図。 カバー部材の斜視図。 第１隙間を中心とした燃料電池スタックの拡大断面図。 第２隙間を中心とした燃料電池スタックの拡大断面図。 燃料電池スタックの斜視図。 変形例に係るカバー部材の斜視図。 変形例に係る蓋部材の平面図。 変形例に係る蓋部材の拡大平面図。 変形例に係る第１隙間を中心とした燃料電池スタックの拡大断面図。

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。なお、以下の説明において、特に断りの無い場合、幅方向とは、燃料電池セルの幅方向を意味する。

図１に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セル１０と、マニホールド２０と、カバー部材５と、接合材６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。マニホールド２０は、各燃料電池セル１０にガスを供給する。

［燃料電池セル］
各燃料電池セル１０は、マニホールド２０から上方に延びている。燃料電池セル１０の長手方向（ｘ軸方向）は、上下方向に延びている。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。以下、この各燃料電池セル１０が並ぶ方向（ｚ軸方向）を並び方向と言う。各燃料電池セル１０は、集電部材（図示省略）を介して互いに電気的に接続されている。集電部材は、導電性を有する材料から形成されている。例えば、集電部材は、酸化物セラミックスの焼成体又は金属などによって形成されている。

図２に示すように、燃料電池セル１０は、複数の発電素子部１１と、支持基板１２とを備えている。各発電素子部１１は、支持基板１２の両面に配置されている。なお、各発電素子部１１は、支持基板１２の片面のみに配置されていてもよい。各発電素子部１１は、燃料電池セル１０の長手方向（ｘ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１０は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。各発電素子部１１は、電気的接続部１７（図３参照）によって互いに電気的に接続されている。

支持基板１２は、燃料電池セル１０の長手方向に延びる複数のガス流路１２１を内部に有している。なお、支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）は、燃料電池セル１０の長手方向と同じ方向である。各ガス流路１２１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１２１は、燃料電池セル１０の長手方向の両端部において開口している。

図３に示すように、支持基板１２は、複数の第１凹部１２３を有している。各第１凹部１２３は、支持基板１２の両面に形成されている。各第１凹部１２３は支持基板１２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。

支持基板１２は、絶縁性である。すなわち、支持基板１２は、電子伝導性を有していない。支持基板１２は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、支持基板１２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。支持基板１２は、多孔質である。支持基板１２の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

各発電素子部１１は、燃料極１３、電解質１４、及び空気極１５を有している。また、各発電素子部１１は、反応防止膜１６をさらに有している。燃料極１３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。燃料極１３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１２３内に配置されている。詳細には、燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に充填されており、第１凹部１２３と同様の外形を有する。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。詳細には、燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に充填されている。

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）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部１３１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。燃料極集電部１３１の厚さ、並びに第１凹部１２３の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

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）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部１３２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１３２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質１４は、燃料極１３上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４は、あるインターコネクタ１７１から他のインターコネクタ１７１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１４とインターコネクタ１７１とが交互に配置されている。

電解質１４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。電解質１４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、電解質１４は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質１４の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１６は、緻密な材料からなる焼成体であり、平面視（ｘ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１６は、電解質１４内のＹＳＺと空気極１５内のＳｒとが反応して電解質１４と空気極１５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１６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。反応防止膜１６の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極１５は、反応防止膜１６上に配置されている。空気極１５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。空気極１５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、空気極１５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）、又は、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。空気極１５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。空気極１５の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部１７は、隣り合う発電素子部１１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１７は、インターコネクタ１７１及び空気極集電膜１７２を有する。インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。詳細には、インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に埋設（充填）されている。インターコネクタ１７１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。インターコネクタ１７１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、インターコネクタ１７１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。インターコネクタ１７１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜１７２は、隣り合う発電素子部１１のインターコネクタ１７１と空気極１５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発電素子部１１の空気極１５と、図３の右側に配置された発電素子部１１のインターコネクタ１７１とを電気的に接続するように、空気極集電膜１７２が配置されている。空気極集電膜１７２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。

空気極集電膜１７２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、空気極集電膜１７２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、空気極集電膜１７２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜１７２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［マニホールド］
図１及び図４に示すように、マニホールド２０は、各燃料電池セル１０にガスを供給するように構成されている。燃料ガスなどのガスが、導入配管２０１を介して、マニホールド２０の内部空間に供給される。マニホールド２０は、各燃料電池セル１０を支持している。マニホールド２０は、マニホールド本体３と、蓋部材４と、を有する。また、マニホールド２０は、内部空間と、挿入部４１（図５参照）とを有している。

図４に示すように、マニホールド本体３は、直方体状であって、上面が開口した内部空間を有する。マニホールド本体３は、底壁３１、及び側壁３２を有している。なお、底壁３１及び側壁３２は、１つの部材によって構成されている。マニホールド本体３は、例えば、金属によって形成される。より具体的には、マニホールド本体３は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びＮｉ基合金よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。

底壁３１は、平面視（ｘ軸方向視）が矩形状である。底壁３１は、平面視において、長手方向（ｚ軸方向）と幅方向（ｙ軸方向）を有している。側壁３２は、底壁３１の周縁から上方に延びている。すなわち、側壁３２は、底壁３１の長手方向に延びる一対の縁部と短手方向に延びる一対の縁部とから延びている。

側壁３２は、側壁本体部３２１と、フランジ部３２２と、を有している。側壁本体部３２１は、底壁３１から上方に延びる部分である。側壁本体部３２１は、内部空間の側面を画定している。フランジ部３２２は、側壁本体部３２１の上端部から外方に延びる部分である。なお、側壁本体部３２１とフランジ部３２２とは一体的に延びている。

蓋部材４は、マニホールド本体３の上面を塞ぐように構成されている。蓋部材４の外周縁部は、側壁３２上に配置されており、側壁３２に接合されている。詳細には、蓋部材４の外周縁部は、フランジ部３２２上に接合されている。例えば、蓋部材４は、接合材によって側壁３２に接合されていてもよいし、溶接などによって側壁３２に溶融接合されていてもよい。なお、この接合材としては、後述する接合材の材料として記載した材料を用いることができる。

図５に示すように、蓋部材４は、平面視（ｘ軸方向視）が矩形状である。蓋部材４は、挿入部４１を有している。挿入部４１は、複数の挿入孔４１１によって構成されている。各挿入孔４１１には、各燃料電池セル１０の下端部が挿入される。各挿入孔４１１は、マニホールド２０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。すなわち、各挿入孔４１１は、燃料電池セル１０の幅方向に延びている。また、各挿入孔４１１は、マニホールド２０の長手方向において、互いに間隔をあけて整列している。各挿入孔４１１は、隣り合う挿入孔４１１と端部が互いに揃った状態で、整列されている。すなわち、各挿入孔４１１の両端部は、隣り合う各挿入孔４１１の両端部と幅方向（ｙ軸方向）において実質的に同じ位置に配置される。

蓋部材４は、例えば、金属によって形成される。より具体的には、蓋部材４は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びＮｉ基合金よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。

図４に示すように、マニホールド２０は、各燃料電池セル１０を支持している。詳細には、各挿入孔４１１には、各燃料電池セル１０の下端部が挿入されている。各燃料電池セル１０は、挿入孔４１１に挿入された状態でマニホールド２０に接合されている。詳細には、後述する接合材６によって、各燃料電池セル１０はマニホールド２０に接合されている。

図６は、各燃料電池セル１０が挿入された状態の蓋部材４の平面図である。図６に示すように、各燃料電池セル１０は、その幅方向（ｙ軸方向）において、近位端部１０１及び遠位端部１０２を有している。近位端部１０１及び遠位端部１０２は、幅方向における端部である。近位端部１０１と遠位端部１０２とは、互いに反対側を向いている。

近位端部１０１とは、燃料電池セル１０の幅方向の両端部のうち、平均中心線Ｏに近い方の端部を意味する。近位端部１０１は、燃料電池セル１０の幅方向の両端部のうち、挿入孔４１１の内壁面との距離が遠い方の端部である。なお、平均中心線Ｏとは、各燃料電池セル１０の幅方向の中心位置の平均値を通る直線を意味する。具体的には、平面視（ｘ軸方向視）において、各燃料電池セル１０の幅方向の中心位置を特定する。そして、各燃料電池セル１０の中心位置の平均値を算出し、この平均値を通り且つ幅方向に直行する直線を平均中心線Ｏとする。

遠位端部１０２とは、燃料電池セル１０の幅方向の両端部のうち、平均中心線Ｏから遠い方の端部を意味する。遠位端部１０２は、燃料電池セル１０の幅方向の両端部のうち、挿入孔４１１の内壁面との距離が近い方の端部を言う。例えば、燃料電池セル１０が挿入孔４１１内において幅方向の第１側に寄せられている場合、幅方向の第１側を向く端部が遠位端部１０２となる。また、燃料電池セル１０が幅方向の第２側に寄せられている場合、幅方向の第２側を向く端部が遠位端部１０２となる。

各燃料電池セル１０の両端面は、例えば、湾曲面である。平面視（ｘ軸方向視）において、各燃料電池セル１０の両端面は、円弧状となっている。近位端部１０１を含む端面と挿入孔４１１の内壁面とによって第１隙間１０３が形成されている。また、遠位端部１０２を含む端面と挿入孔４１１の内壁面とによって第２隙間１０４が形成されている。第１隙間１０３は、第２隙間１０４よりも大きい。

少なくとも１つの燃料電池セル１０は、隣り合う他の燃料電池セル１０に対して、幅方向にずれている。具体的には、少なくとも１つの燃料電池セル１０の遠位端部１０２は、隣り合う燃料電池セル１０の近位端部１０１及び遠位端部１０２のうち近い方の端部（本実施形態では近位端部１０１）に対して幅方向にずれている。このずれ量ｄ３は、放熱性の観点からは、例えば、約１．０ｍｍ以上とすることが好ましい。

本実施形態では、各燃料電池セル１０は、幅方向において交互に異なる側にずれている。すなわち、幅方向の第１側（図６の上側）にずれる燃料電池セル１０と、幅方向の第２側（図６の下側）にずれる燃料電池セル１０とが並び方向（ｚ方向）に交互に並んでいる。

幅方向の中心位置が平均中心線Ｏから最もずれている燃料電池セル１０において、平均中心線Ｏから遠位端部１０２までの距離ｗ２に対する、平均中心線Ｏから近位端部１０１までの距離ｗ１の割合ｗ１／ｗ２は、放熱性の観点から、約０．９９以下とすることが好ましい。また、前記割合ｗ１／ｗ２は、集電部材が燃料電池セル１０から剥離することを防止する観点からは、約０．６６以上とすることが好ましい。なお、各燃料電池セル１０の幅Ｗ（＝ｗ１＋ｗ２）は、例えば、２０〜２００ｍｍ程度とすることができる。

ここで、上述したように、各挿入孔４１１は、幅方向（ｙ軸方向）において互いに異なる側にずれていない。すなわち、各挿入孔４１１の両端部の位置は、幅方向（ｙ軸方向）において実質的に互いに同じである。このため、各燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）において、近位端部１０１と挿入孔４１１の内壁面との距離ｄ１は、遠位端部１０２と挿入孔４１１の内壁面との距離ｄ２よりも大きい。

［カバー部材］
図７に示すように、カバー部材５は、板状の部材であって、凹部５１を有している。凹部５１は、燃料電池セル１０の並び方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて配置されている。凹部５１は、対応する各燃料電池セル１０の近位端部１０１に沿った形状を有している。具体的には、平面視（ｘ軸方向視）において、凹部５１は円弧状となっている。

カバー部材５は、例えば金属製である。より具体的には、カバー部材５は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びＮｉ基合金よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。なお、カバー部材５は、セラミックスであってもよい。具体的には、カバー部材５は、ジルコニア、マグネシア、スピネル、及び結晶化ガラスよりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。

図１及び図４に示すように、カバー部材５は、蓋部材４上に配置されており、第１隙間１０３を上方から塞いでいる。カバー部材５は、マニホールド２０の蓋部材４に接合されている。なお、カバー部材５は、マニホールド２０の蓋部材４と、接合材によって接合されていてもよいし、溶接などによって溶融接合されていてもよい。なお、接合材は、後述する接合材６の材料として記載した材料を採用することができる。

［接合材］
図８は、第２隙間１０４を中心とした燃料電池スタック１００の拡大断面図である。図８に示すように、接合材６は、燃料電池セル１０とマニホールド２０とを接合している。接合材６は、第２隙間１０４内に充填されている。なお、接合材６は、第２隙間１０４内を埋めるとともに、第２隙間１０４内から上方に溢れ出た状態となっている。接合材６は、燃料電池セル１０の遠位端部１０２、マニホールド２０の蓋部材４の上面、及び挿入孔４１１の内壁面と接触している。

接合材６は、ガラス材料を含んでいる。好ましくは、接合材６は、結晶化ガラスである。この結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系が採用され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスを指す。なお、接合材６の材料として、非晶質ガラス等が採用されてもよい。具体的には、接合材６は、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_５−Ａｌ_２Ｏ_３系及びＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。

燃料電池セル１０の支持基板１２の外周面、特に、燃料電池セル１０のうち、接合材６と接触する遠位端部１０２は、例えば、セラミックスによって形成されている。例えば、遠位端部１０２は、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、及びＭｇＯ（酸化マグネシウム）よりなる群からなる少なくとも１種によって形成されている。なお、近位端部１０１も同様の材料で形成されている。

図９は、第１隙間１０３を中心とした燃料電池スタック１００の拡大断面図である。図９に示すように、接合材６は、カバー部材５と燃料電池セル１０とを接合している。接合材６は、カバー部材５の上面、及び燃料電池セル１０の近位端部１０１と接触している。なお、カバー部材５と燃料電池セル１０との間に隙間が形成されている場合は、接合材６はその隙間に充填されることが好ましい。接合材６は、燃料電池セル１０の下端部を囲むように配置されている。

［製造方法］
次に、上述したように構成された燃料電池スタック１００の製造方法について説明する。

まず、マニホールド２０の蓋部材４の各挿入孔４１１に、各燃料電池セル１０の下端部を挿入する。なお、この時点では、各燃料電池セル１０は幅方向にずれていなくてもよい。また、蓋部材４を予めマニホールド本体３に接合していてもよいし、各燃料電池セル１０を蓋部材４に接合した後に、その蓋部材４をマニホールド本体３に接合してもよい。

次に、少なくとも１つの燃料電池セル１０を、例えば、幅方向の第１側（図４の左側）に押圧して、各挿入孔４１１内において幅方向の第１側に寄せる。すなわち、少なくとも１つの燃料電池セル１０を隣り合う他の燃料電池セル１０に対して幅方向にずらす。詳細には、次のようにして、各燃料電池セル１０を幅方向の第１側に寄せる。まず、カバー部材５を第１隙間１０３上に配置する。ここで、カバー部材５は、第１隙間１０３を塞いでいる。カバー部材５の各凹部５１は、各燃料電池セル１０の近位端部１０１と対向している。そして、カバー部材５によって各燃料電池セル１０を幅方向の第１側（図４の左側）に押圧し、挿入孔４１１内において燃料電池セル１０を幅方向の第１側に寄せる。このとき、カバー部材５の各凹部５１の内壁面は、各燃料電池セル１０の近位端部１０１に当接している。

燃料電池セル１０が幅方向の第１側に寄せられた結果、その燃料電池セル１０は、隣り合う他の燃料電池セル１０に対して、幅方向にずれる。次に、接合材６によって、各燃料電池セル１０をマニホールド２０に接合する。接合材６は、燃料電池セル１０が挿入された挿入孔４１１の隙間を充填するように塗布される。

次に、カバー部材５を蓋部材４に接合する。例えば、カバー部材５を蓋部材４に溶接したり、接合材を介してカバー部材５を蓋部材４に接合する。なお、接合材６を塗布する前に、カバー部材５を蓋部材４に接合してもよい。

以上のように構成された燃料電池スタック１００は、次のようにして発電する。マニホールド２０を介して各燃料電池セル１０の各ガス流路１２１内に燃料ガス（水素ガス等）を供給するとともに、燃料電池セル１０の両面を酸素を含むガス（空気等）に曝すことにより、電解質１４の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。この燃料電池スタック１００を外部の負荷に接続すると、空気極１５において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３において下記（２）式に示す電気化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

酸素を含むガスは、例えば、図１０に示すように、各燃料電池セル１０の幅方向の第１側から各燃料電池セル１０の間に供給される。詳細には、燃料電池スタック１００は、ガス供給部材４００をさらに備えている。ガス供給部材４００は、各燃料電池セル１０の間に空気などのガスを供給するように構成されている。なお、ガス供給部材４００は、ガスを幅方向に沿って供給するように構成されている。

詳細には、ガス供給部材４００は、複数のガス供給孔４０１を有している。各ガス供給孔４０１は、燃料電池セル１０の並び方向に間隔をあけて配置されている。各燃料電池セル１０の下端部に向かってから供給されたガスが効率的に上方へ流れるよう、幅方向（ｙ軸方向）において案内板がガス供給部材４００と反対側に設置されていてもよい。案内板は、平板状であって、各燃料電池セル１０の長手方向に延びるとともに、燃料電池セル１０の並び方向に延びている。

［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
上記実施形態に係る燃料電池スタック１００は、１つのカバー部材５につき１つの第１隙間１０３を覆っていたが、１つのカバー部材５が複数の第１隙間１０３を覆っていてもよい。例えば、隣り合う燃料電池セル１０が幅方向において同じ側にずれているとき、図１１に示すような複数の凹部５１を有するカバー部材５を用いれば、複数の第１隙間１０３を覆うことができる。また、燃料電池スタック１００は、カバー部材５を備えていなくてもよい。

変形例２
上記実施形態では、蓋部材４の挿入部４１は、複数の挿入孔４１１から構成されているが、挿入部４１の構成はこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、蓋部材４の挿入部４１は、１つの挿入孔４１１から構成されていてもよい。そして、複数の燃料電池セル１０が、１つの挿入孔４１１内に挿入されていてもよい。

変形例３
上記実施形態では、各燃料電池セル１０が幅方向において交互に異なる側にずれているが、各燃料電池セル１０の配置はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、１つの燃料電池セル１０が幅方向の第２側（図１３の下側）にずれており、残りの燃料電池セル１０が幅方向の第１側（図１３の上側）にずれていてもよい。

変形例４
上記実施形態では、接合材６は、第２隙間１０４内を充填していたが、特にこれに限定されない。例えば、図１４に示すように、接合材６は、第２隙間１０４の上方に位置しており、第２隙間１０４を充填していなくてもよい。すなわち、接合材６は、遠位端部１０２及び蓋部材４の上面に接触しており、挿入孔４１１の内壁面とは接触していなくてもよい。

変形例５
上記実施形態では、幅方向の最もずれている燃料電池セル１０において、割合ｗ１／ｗ２が約０．９６以下としていたが、幅方向の中心位置が平均中心線Ｏからずれている燃料電池セル１０の少なくとも１つにおいて、割合ｗ１／ｗ２が０．９９以下であればよい。同様に、幅方向の中心位置が平均中心線Ｏからずれている燃料電池セル１０の少なくとも一つにおいて、割合ｗ１／ｗ２が０．６６以上であればよい。

以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。

実施例１〜２２、及び比較例１〜４に係る燃料電池スタックを以下のように作製した。

まず、上記実施形態と同様の構成のマニホールド２０及び燃料電池セル１０を準備した。なお、蓋部材４は３つの挿入孔４１１を有している。そして、１つの挿入孔４１１につき１枚の燃料電池セル１０を挿入し、接合材６によって挿入孔４１１の隙間を充填するとともに、燃料電池セル１０をマニホールド２０に接合した。なお、実施例１〜２２では、３つの燃料電池セル１０のうち、並び方向の中央に配置された燃料電池セル１０を幅方向において最もずらした。両端に配置された各燃料電池セル１０は、幅方向において互いに同じ位置に配置した。比較例１〜４では、３つの燃料電池セル１０は、幅方向において同じ位置に配置されており、幅方向においてずれていない。

また、各燃料電池セル１０の間に集電部材を配置し、各集電部材と各燃料電池セルとを（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４によって接合した。なお、集電部材は、ステンレス材によって作製した。

実施例１〜２２、及び比較例１〜４の燃料電池スタック１００において、各燃料電池セル１０の幅Ｗ、幅方向において最もずれている燃料電池セル１０の距離ｗ１、ｗ２、割合ｗ１／ｗ２、及びズレ量ｄ３は表１に示す通りである。

（評価方法）
以上のようにして作製された実施例１〜２２、及び比較例１〜４の燃料電池スタック１００に対して、放熱性の評価を行った。具体的には、燃料電池スタック１００について発電試験を実施し、各燃料電池セル間および両端の燃料電離セルの外側に熱電対を設置し、温度分布を測定することにより評価を行った。表1では、各燃料電池セル間に設置した熱電対と両端の燃料電池セルの外側に設置した熱電対の温度差が１０%未満になったものを「○」、１０％以上になったものを「×」と評価した。

また、実施例１〜２２に対して、熱サイクル試験を実施し、集電部材による燃料電池セルの接合状態の評価を行った。具体的には、大気中において、７５０℃に加熱し、1時間保持したあと、室温に戻す熱処理を２０回繰り返した。表１では、熱処理後に剥離が見られなかったものを「○」と評価し、剥離が生じたものを「×」と評価した。

表１に示すように、放熱性について、実施例１〜２２では、燃料電池セルスタック中央部と外側の温度差が１０％未満であったのに対して、比較例１〜４では、燃料電池セルスタック中央部と外側の温度差が１０％以上となった。この結果より、少なくとも１つの燃料電池セル１０を幅方向にずらすことによって、燃料電池スタック１００の放熱性が向上し、燃料電池セルスタックの温度分布が改善することが分かった。

また、表１に示すように、実施例１〜１８のように燃料電池セル１０を幅方向にずらした燃料電池スタック１００において、ｗ１／ｗ２を０．６６以上とすることによって、集電部材の剥離を防止することができることが分かった。すなわち、実施例１〜１８では、熱処理後も集電部材と燃料電池セルとが剥離しておらず、初期の接合状態を維持していた。これは、実施例１〜１８において、割合ｗ１／ｗ２を０．６６以上にしたことによって、熱サイクルによって接合部に発生する応力が緩和されたためであると考えられる。

５ ：カバー部材
６ ：接合材
１０ ：燃料電池セル
２０ ：マニホールド
４１ ：挿入部
１００ ：燃料電池スタック
１０１ ：近位端部
１０２ ：遠位端部
４１１ ：挿入孔

Claims (10)

1. 内部空間、及び前記内部空間と連通する挿入部、を有するマニホールドと、
   前記挿入部に挿入された状態で前記マニホールドに接合される複数の燃料電池セルと、
   を備え、
   前記各燃料電池セルは、幅方向において、近位端部及び遠位端部を有し、
   少なくとも１つの前記燃料電池セルは、隣り合う他の燃料電池セルに対して、前記幅方向にずれており、
   前記挿入部は、複数の挿入孔を有し、
   前記複数の挿入孔のそれぞれに燃料電池セルが挿入され、
   前記各挿入孔は、前記幅方向に延びており、
   前記各挿入孔の両端部の位置は、前記幅方向において実質的に互いに同じである、
   燃料電池スタック。
   
2. 前記幅方向における前記各燃料電池セルの中心位置の平均値を通り且つ前記幅方向に直行する直線を平均中心線としたとき、前記少なくとも１つの燃料電池セルにおいて、前記平均中心線から前記遠位端部までの距離（ｗ２）に対する、前記平均中心線から前記近位端部までの距離（ｗ１）の割合（ｗ１／ｗ２）は、０．９９以下である、
   請求項１に記載に燃料電池スタック。
   
3. 前記各燃料電池セルのうち、前記幅方向に最もずれている燃料電池セルにおいて、前記平均中心線から前記遠位端部までの距離（ｗ２）に対する、前記平均中心線から前記遠位端部までの距離（ｗ１）の割合（ｗ１／ｗ２）は、０．９６以下である、
   請求項２に記載の燃料電池スタック。
   
4. 前記各燃料電池は、前記幅方向において交互に異なる側にずれる、
   請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
5. 前記近位端部と前記挿入部の内壁面とによって画定される隙間を覆うカバー部材をさらに備える、
   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. 前記近位端部と前記挿入部の内壁面との距離ｄ１は、前記遠位端部と前記内壁面との距離ｄ２よりも大きい、
   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. 前記燃料電池セルと前記マニホールドとを接合する接合材をさらに備える、
   請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
8. 前記接合材は、ガラス材料を含む、
   請求項７に記載の燃料電池スタック。
   
9. 内部空間、及び前記内部空間と連通する挿入部、を有するマニホールドと、
   前記挿入部に挿入された状態で前記マニホールドに接合される複数の燃料電池セルと、
   を備え、
   前記各燃料電池セルは、幅方向において、近位端部及び遠位端部を有し、
   少なくとも１つの前記燃料電池セルは、隣り合う他の燃料電池セルに対して、前記幅方向にずれており、
   前記近位端部と前記挿入部の内壁面とによって画定される隙間を覆うカバー部材をさらに備える、
   燃料電池スタック。
   
10. 内部空間、及び前記内部空間と連通する挿入部、を有するマニホールドと、
    前記挿入部に挿入された状態で前記マニホールドに接合される複数の燃料電池セルと、
    を備え、
    前記各燃料電池セルは、幅方向において、近位端部及び遠位端部を有し、
    少なくとも１つの前記燃料電池セルは、隣り合う他の燃料電池セルに対して、前記幅方向にずれており、
    前記近位端部と前記挿入部の内壁面との距離ｄ１は、前記遠位端部と前記内壁面との距離ｄ２よりも大きい、
    燃料電池スタック。

Images