JP6417857B2 - 燃料電池セルスタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルスタックに関し、さらに詳しくは、電解質として固体電解質を利用する燃料電池セルスタックに関する。

従来、アノードと固体電解質層とカソードとを有する平板形の燃料電池単セルを複数備える燃料電池セルスタックが知られている。

なお、先行する特許文献１には、固体電解質を挟んでアノードとカソードとを有する複数の燃料電池単セルが直列に接続されてなる複数のバンドルと、還元雰囲気となるアノードの側方であって隣り合うバンドル間に配置された銅製の均熱板とを有する燃料電池が開示されている。

特開２００９−２２４１４３号公報

電解質として固体電解質を用いる燃料電池セルスタックは、ガスの流れに応じてセルの発電分布が変わることや、セル自体の熱伝導率が低いため、燃料電池単セルに温度分布が生じやすい。温度分布が過度に大きくなると、それにより生じた応力が燃料電池単セルの破壊強度を上回り、燃料電池単セルが割れるという問題がある。

燃料電池単セルの温度分布を低減するため、従来技術では、隣り合う燃料電池単セルのアノード間に銅製の均熱板を配置することにより、燃料電池単セルの均熱化が図られている。しかしながら、このような構成では、燃料電池単セルのアノード全表面から輻射される輻射熱のほんの一部だけしか均熱板等の熱伝導部材に伝わらない。そのため、従来技術は、燃料電池単セルの温度分布を平滑化するのに不利である。また、従来技術は、より多くの輻射熱を熱伝導部材に伝えようとすると、熱伝導部材の使用量が多くなる。そのため、従来技術は、熱伝導部材の使用量を少なくすることが難しい。

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、燃料電池単セルの温度分布を平滑化しやすく、熱伝導部材の使用量を低減することが可能な燃料電池セルスタックを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、アノードと固体電解質層とカソードとを有する燃料電池単セルを複数備える燃料電池セルスタックであって、
上記燃料電池単セルは、上記アノードの外表面に上記燃料電池単セルの熱を輻射する熱輻射層を有しており、
該熱輻射層は、その外表面に内方に湾曲する曲面部を備えており、
該曲面部の法線が集中する法線集中部を含むように熱伝導部材が配置されており、
上記熱伝導部材は、支持部材に支持されており、
上記熱伝導部材は、その全部または一部が上記支持部材に埋没していることを特徴とする燃料電池セルスタックにある。
また、本発明の他の態様は、アノードと固体電解質層とカソードとを有する燃料電池単セルを複数備える燃料電池セルスタックであって、
上記燃料電池単セルは、上記アノードの外表面に上記燃料電池単セルの熱を輻射する熱輻射層を有しており、
該熱輻射層は、その外表面に内方に湾曲する曲面部を備えており、
該曲面部の法線が集中する法線集中部を含むように熱伝導部材が配置されており、
上記熱輻射層と上記熱伝導部材との間に燃料ガスが供給されるように構成されていることを特徴とする燃料電池セルスタックにある。

高温の固体表面から輻射される熱は、面の法線方向に出る性質がある。そのため、上記燃料電池セルスタックのアノード側において、燃料電池単セルから輻射される輻射熱は、熱輻射層が備える曲面部の法線方向に出る。法線方向に出た輻射熱は、曲面部の法線が集中する法線集中部に集中する。上記燃料電池セルスタックでは、この法線集中部を含むように熱伝導部材が配置されている。そのため、上記燃料電池セルスタックは、燃料電池単セルから輻射される輻射熱を効率的に熱伝導部材に集中させることができ、燃料電池単セルの温度分布を平滑化しやすい。また、上記燃料電池セルスタックは、法線集中部を含むように熱伝導部材が配置されており、法線集中部以外の部位に熱伝導部材を配置しなくて済むため、熱伝導部材の使用量を低減することができる。

よって、本発明によれば、燃料電池単セルの温度分布を平滑化しやすく、熱伝導部材の使用量を低減することが可能な燃料電池セルスタックを提供することができる。

実施例１の燃料電池セルスタックの要部を模式的に示す説明図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面を模式的に示す説明図である。 図１の燃料電池セルスタックを分解して示す説明図である。 図１の燃料電池セルスタックにおける熱伝導部材の詳細を示す説明図である。 図１の燃料電池セルスタックにおける熱輻射層の熱輻射を模式的に示す説明図である。 図１の燃料電池セルスタックにおける熱輻射層の曲面部の詳細を模式的に説明する説明図である。 実施例２の燃料電池セルスタックにおける熱伝導部材の詳細を示す説明図である。 実施例３の燃料電池セルスタックの断面を模式的に示す説明図である。 実施例３の燃料電池セルスタックにおける熱伝導部材の詳細を示す説明図である。

上記燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池単セルは、電解質として固体電解質を利用する固体電解質型の燃料電池単セルである。固体電解質層を構成する固体電解質としては、例えば、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックス等を用いることができる。なお、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と称される。

上記燃料電池セルスタックにおいて、熱輻射層は、具体的には、例えば、その外表面に１または２以上の溝部および／または窪み部を有することができ、上記溝部および／または窪み部が、内方に湾曲する曲面部を備える構成とすることができる。上記溝部を有する場合には、一方向に連続する曲面部を形成しやすい。そのため、この場合には、熱伝導部材を一方向に連続して配置しやすくなる。一方、上記窪み部を有する場合には、互いに独立する不連続な曲面部を形成しやすい。そのため、この場合には、熱伝導部材を自在に配置しやすくなる。また、曲面部は、具体的には、例えば、燃料ガスの流れ方向と垂直な断面で見た場合に、曲面部を示す曲線が略円弧状となるように形成することができる。また、曲面部は、球面状とすることもできるし、非球面状とすることもできる。

上記燃料電池セルスタックにおいて、熱伝導部材は、法線集中部を含むように配置されておればよい。好ましくは、熱伝導部材は、法線集中部に位置を合わせて配置されているとよい。この場合には、燃料電池単セルから輻射される輻射熱をより効率的に熱伝導部材に集中させることができるので、燃料電池単セルの温度分布をより一層平滑化しやすい。

熱伝導部材は、具体的には、例えば、銅を主成分とする金属材料より形成されているとよい。この場合には、熱伝導部材の熱伝導率に優れるため、燃料電池単セルの温度分布をより一層平滑化しやすい。なお、「銅を主成分とする」とは、５０質量％以上が銅であることを意味する。上記金属材料としては、より具体的には、純銅、銅合金等を例示することができる。また、熱伝導部材は、例えば、線状等の形状を呈することができる。この場合には、熱伝導部材を法線集中部に配置しやすい利点がある。また、この場合には、熱伝導部材を伝熱すべき方向に連続するように配置しやすい利点がある。

上記一態様に係る燃料電池セルスタックにおいて、熱伝導部材は、支持部材に支持されている。また、上記他の態様に係る燃料電池セルスタックにおいて、熱伝導部材は、支持部材に支持されている構成とすることができる。この構成によれば、法線集中部に熱伝導部材を比較的正確に位置合わせしやすくなる。また、複数の熱伝導部材を有する場合に、複数の熱伝導部材を法線集中部にまとめて配置しやすくなるので、製造性に優れた燃料電池セルスタックが得られる。なお、支持部材の材質としては、例えば、フェライト系ステンレス鋼、フェライト系耐熱クロム合金などの金属材料を例示することができる。

上記一態様に係る燃料電池セルスタックにおいて、熱伝導部材は、その全部または一部が支持部材に埋没している。また、上記他の態様に係る燃料電池セルスタックにおいて、熱伝導部材は、その全部または一部が支持部材に埋没している構成とすることができる。この構成によれば、周辺の高温雰囲気に露出する熱伝導部材の量が少なくなるため、高温雰囲気によって熱伝導部材が劣化するのを抑制しやすい。なお、熱伝導部材の全部が支持部材に埋没している場合には、上記劣化をより抑制しやすい。また、熱伝導部材の一部が支持部材に埋没している場合には、支持部材に熱伝導部材を後付けにより配置しやすくなるため、製造性に優れた燃料電池セルスタックが得られる。

上記燃料電池セルスタックにおいて、支持部材は、具体的には、アノード側に配置されるセパレータとすることができる。セパレータは、燃料電池セルスタックに通常使用される部材である。そのため、この場合には、別部材として支持部材を用いる必要がなくなり、燃料電池セルスタックの構造簡略化に寄与することができる。

なお、セパレータは、アノードに直接接触させるものであってもよいし、セパレータのアノード側表面に設けられた集電体をアノードに接触させるものであってもよい。なお、後者の場合、セパレータの一部である集電体に熱伝導部材を支持させることができる。

上記燃料電池セルスタックにおいて、熱伝導部材の表面は、発電温度で揮発しない低揮発性物質により被覆されている構成とすることができる。この場合には、比較的高温の発電時に、低揮発性物質によって熱伝導部材が保護され、熱伝導部材が揮発するのを抑制することができる。そのため、この場合には、熱伝導部材の耐久性が向上し、燃料電池単セルの温度分布を長期にわたって平滑化しやすい燃料電池セルスタックが得られる。熱伝導部材は、その表面の全てが低揮発性物質により被覆されていてもよいし、その表面の一部が低揮発性物質により被覆されていてもよい。好ましくは、熱伝導部材の揮発抑制効果が大きくなる等の観点から、燃料ガス雰囲気に直接曝される熱伝導部材の表面部位が低揮発性物質により被覆されているとよい。なお、「発電温度で揮発しない」とは、発電温度における物質の蒸気圧が無視できるほどに小さいことを意味する。発電温度としては、具体的には、例えば、７００〜８００℃の範囲を例示することができる。

上記低揮発性物質としては、具体的には、金属材料、酸化物等を用いることができる。金属材料としては、具体的には、例えば、ニッケル、ニッケル合金、白金、ロジウム等を例示することができる。また、酸化物としては、具体的には、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２などを例示することができる。これらのうち、好ましくは、被覆容易性、低コスト等の観点から、ニッケル、ニッケル合金を好適に用いることができる。

上記燃料電池セルスタックにおいて、熱伝導部材は、伝熱すべき方向に連続している構成とすることができる。この場合には、輻射熱による熱が伝熱すべき方向に伝達されやすくなり、燃料電池単セルの温度分布をより一層平滑化しやすい。伝熱すべき方向は、具体的には、燃料ガスの流れ方向と同方向とすることができる。

上記一態様に係る燃料電池セルスタックは、熱輻射層と熱伝導部材との間に燃料ガスが供給されるように構成されているとよい。また、上記他の態様に係る燃料電池セルスタックは、熱輻射層と熱伝導部材との間に燃料ガスが供給されるように構成されている。この構成によれば、燃料ガス自体による熱拡散も利用することができるので、燃料電池単セルの温度分布をより一層平滑化しやすい。

上記燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池単セルは、固体電解質層とカソードとの間に中間層を有することができる。なお、中間層は、主に、カソードを構成する材料と固体電解質層を構成する材料との反応を防止するための層である。

上記燃料電池単セルは、具体的には、固体電解質層と、固体電解質層の一方面に積層されたアノードと、アノードの外表面に積層された熱輻射層と、固体電解質層の他方面に中間層を介してまたは中間層を介さずに積層されたカソードとを有する構成とすることができる。

上記燃料電池単セルにおいて、各部位を構成する材料としては、以下のものを例示することができる。

固体電解質層を構成する固体電解質としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等の酸化ジルコニウム系酸化物；ランタンガレート系酸化物；ＣｅＯ_２、ＣｅＯ_２にＧｄ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｃａ、Ｄｒ、および、Ｈｏから選択される１種または２種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。固体電解質層の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは３〜２０μｍ、より好ましくは３〜１０μｍとすることができる。

アノードの材質としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ等の触媒と、上記酸化ジルコニウム系酸化物等の固体電解質との混合物などを例示することができる。なお、ＮｉＯは、発電時の還元雰囲気でＮｉとなる。アノードの厚みは、ガス拡散、電気抵抗、強度などの観点から、例えば、好ましくは、１００〜８００μｍ、より好ましくは、２００〜６００μｍとすることができる。

熱輻射層の材質としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ等の触媒と、上記酸化ジルコニウム系酸化物等の固体電解質との混合物などを例示することができる。なお、熱輻射層は、アノードへの燃料ガスの供給を妨げないように気孔を有していることが好ましい。また、熱輻射層は、曲面部の曲率半径が大きいほど、熱輻射層の厚みが薄いほど好ましい。曲面部の形成性が向上するからである。熱輻射層の厚みが薄いほど曲面部の形成性が向上するのは、製造時に、曲面部のない部分における熱輻射層の表面の形が崩れ難くなるためである。一方、熱輻射層は、曲面部の曲率半径が小さいほど、熱輻射層の厚みが薄いほど好ましい。熱輻射層の機能性が向上するからである。具体的には、曲面部の曲率半径が小さいほど、熱伝導部材が多く配置されることになり、また曲面部の比表面積も増加させることができる。また、熱輻射層の厚みが薄いほど、熱輻射層のガス拡散性を向上させることができる。なお、上記にいう曲面部の曲率半径とは、燃料ガスの流れ方向と垂直な断面で見た場合に、曲面部を示す曲線を円周の一部に含む円の半径を意味する。

以上を考慮すると、熱輻射層の厚みは、好ましくは５００μｍ以下、より好ましくは３００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下とすることができる。なお、熱輻射層の厚みは、形成性の観点から、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは３０μｍ以上、さらに好ましくは５０μｍ以上とすることができる。また、熱輻射層の曲面部の曲率半径は、好ましくは１００μｍ以上、より好ましくは３００μｍ以上、さらに好ましくは５００μｍ以上とすることができる。熱輻射層の曲面部の曲率半径は、好ましくは１０００μｍ以下、より好ましくは７００μｍ以下、さらに好ましくは６００μｍ以下とすることができる。なお、熱輻射層の厚みは、熱輻射層におけるアノードと接する面と、曲面部のない部分であって集電のためにセパレータ（あるいはセパレータの集電体）が接することになる熱輻射層の表面との間の距離をいう。

カソードの材質としては、例えば、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、ランタン−鉄系酸化物等の導電性を有するペロブスカイト型酸化物、上記ペロブスカイト型酸化物と上記酸化セリウム系酸化物等の固体電解質との混合物などを例示することができる。上記ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、例えば、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系酸化物（ｘ＝０．４、ｙ＝０．８等）、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系酸化物（ｘ＝０．４等）、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系酸化物（ｘ＝０．４等）、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系酸化物（ｘ＝０．４等）、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＳｒＣｏＯ_３系酸化物（ｘ＝０．５等）などを例示することができる。カソードの厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは２０〜１００μｍ、より好ましくは３０〜６０μｍとすることができる。

中間層の材質としては、上記酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。中間層の厚みは、オーミック抵抗の低減、カソードからの元素拡散防止などの観点から、好ましくは１〜１０μｍ、より好ましくは１〜５μｍとすることができる。

上記燃料電池セルスタックにおいて、熱輻射層は、具体的には、例えば、次のように形成することができる。アノードと固体電解質層とが接合された焼成体におけるアノードの外表面に、未焼成のペースト状の熱輻射層形成用材料を塗布する。次いで、塗布された熱輻射層形成用材料の表面に、曲面部に対応する突出部を有する型を押し付け、曲面部を転写する。次いで、型を剥離した後、上記熱輻射層形成用材料に最適な温度で焼成し、熱輻射層を形成する。その後、固体電解質層の表面にカソードを形成する。なお、中間層を形成する場合には、アノードと固体電解質層とが接合された焼成体を用い、中間層を形成した後に、アノードの表面に熱輻射層を形成し、その後、中間層の表面にカソードを形成すればよい。また、アノードと固体電解質層と中間層とが接合された焼成体を用い、熱輻射層の形成後に、中間層の表面にカソードを形成することもできる。

上記燃料電池セルスタックにおいて、セパレータとしての支持部材に熱伝導部材を支持させる場合、具体的には、例えば、次のように行うことができる。エッチングやプレス成形等により、板状の支持部材に熱伝導部材を嵌め込むための凹部を形成する。次いで、形成された凹部に熱伝導部材を嵌め込んで支持させる。なお、必要に応じて、少なくとも熱伝導部材の表面を覆うように、低揮発性物質の被膜を形成することができる。低揮発性物質は、その材質に合わせ、めっき法や蒸着法等を用いて形成することができる。

なお、上述した各構成は、上述した各作用効果等を得るなどのために必要に応じて任意に組み合わせることができる。

以下、実施例の燃料電池セルスタックについて、図面を用いて説明する。なお、同一部材については同一の符号を用いて説明する。

（実施例１）
実施例１の燃料電池セルスタックについて、図１〜図６を用いて説明する。

図１〜図６に示されるように、本例の燃料電池セルスタック１は、アノード２１と固体電解質層２２とカソード２４とを有する燃料電池単セル２を複数備えている。燃料電池単セル２は、アノード２１の外表面に燃料電池単セル２の熱を輻射する熱輻射層２０を有している。熱輻射層２０は、その外表面に内方に湾曲する曲面部２０１を備えている。燃料電池セルスタック１は、熱輻射層２０の曲面部２０１の法線２０２が集中する法線集中部３を含むように熱伝導部材４が配置されている。

なお、図１〜図４は、本例の燃料電池セルスタック１の要部を取り出して模式的に示したものであり、便宜上、燃料電池単セル２は複数描かれていない。本例の燃料電池セルスタック１は、具体的には、燃料電池単セル２がセパレータ５を介して複数積層された積層構造を有している。以下、詳説する。

本例において、燃料電池単セル２は、具体的には、固体電解質層２２と、固体電解質層２２の一方面に積層されたアノード２１と、アノード２１の外表面に積層された熱輻射層２０と、固体電解質層２２の他方面に中間層２３を介して積層されたカソード２４とを有しており、アノード２１を支持体とする。

固体電解質層２２を構成する固体電解質は、酸化ジルコニウム系酸化物であり、具体的には、８ｍｏｌ％のＹ_２Ｏ_３を含むイットリア安定化ジルコニア（以下、８ＹＳＺ）である。固体電解質層２２の厚みは、１０μｍである。アノード２１は、ＮｉまたはＮｉＯと固体電解質との混合物より層状に形成されている。アノード２１を構成する固体電解質は、具体的には、酸化ジルコニウム系酸化物である８ＹＳＺである。アノード２１の厚みは、４２０μｍである。カソード２４は、ペロブスカイト型酸化物と固体電解質とを含む混合物より層状に形成されている。カソード２４を構成するペロブスカイト型酸化物は、具体的には、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦ_ｙＯ_３（ｘ＝０．４、ｙ＝０．８、以下、ＬＳＣＦ）である。カソード２４を構成する固体電解質は、具体的には、酸化セリウム系酸化物であり、具体的には、１０ｍｏｌ％のＧｄがドープされたセリア（以下、１０ＧＤＣ）である。カソード２４の厚みは、４０μｍである。中間層２３は、酸化セリウム系酸化物より層状に形成されている。中間層２３を構成する酸化セリウム系酸化物は、具体的には、１０ＧＤＣである。中間層２３の厚みは、１０μｍである。

本例では、熱輻射層２０は、ＮｉまたはＮｉＯと固体電解質との混合物より曲面部２０１を有する層状に形成されている。熱輻射層２０を構成する固体電解質は、具体的には、酸化ジルコニウム系酸化物である８ＹＳＺである。図６に示されるように、曲面部２０１のない部分における熱輻射層２０の厚みｔは、１００μｍである。熱輻射層２０は、その外表面に複数の溝部２０３を有しており、溝部２０３が曲面部２０１を備えている。各溝部２０３は、互いに離間した状態で、燃料ガスの流れ方向Ｆに沿って形成されている。曲面部２０１は、図６に示されるように、燃料ガスの流れ方向Ｆと垂直な断面で見た場合に、曲面部２０１を示す曲線２０１ａが、略円弧状に形成されている。なお、図６中、Ｃは、曲線２０１ａを円周の一部に含む円であり、Ｒは円Ｃの曲率半径、Ｏは円Ｃの中心である。

本例において、熱伝導部材４は、銅を主成分とする金属材料より形成されている。上記金属材料は、具体的には、銅である。また、熱伝導部材４は、線状の形状を呈している。熱伝導部材４は、支持部材５に支持されている。支持部材５は、アノード側に配置されるセパレータである。

セパレータ５は、具体的には、板状のセパレータ本体５１と、セパレータ本体５１の一方表面に設けられた複数のリブ５２とを有している。セパレータ５の材料は、フェライト系耐熱クロム合金である。各リブ５２は、燃料ガスの流れ方向Ｆに沿って形成されるとともに、熱輻射層２０における各溝部２０３間の表面にその頂部が当接できるように配置されている。隣り合うリブ５２と、隣り合うリブ５２間におけるセパレータ本体５１部分と、熱輻射層２０の曲面部２０１とによって区画された空間７は、水素等の燃料ガスが流れる燃料ガス流路とされる。なお、図示はしないが、本例の燃料電池セルスタック１では、酸化剤ガスは、燃料ガスと同方向に平行に流れるようにカソード２４に供給される。

セパレータ５は、隣り合うリブ５２間の略中央部におけるセパレータ本体５１部分の表面に、燃料ガスの流れ方向Ｆに沿って凹部５３が形成されている。本例では、凹部５３が形成されている部分は、曲面部２０１の法線２０２が集中する法線集中部３と一致するように設計されている。

本例において、熱伝導部材４は、凹部５３に嵌め込まれることにより、支持部材５であるセパレータに支持されている。より具体的には、熱伝導部材４は、支持部材５であるセパレータに一部が埋没している。なお、熱伝導部材４は、支持部材５であるセパレータに全部が埋没していてもよい。熱伝導部材４は、支持部材５であるセパレータに支持された状態において、燃料ガスの流れ方向Ｆに沿って連続している。本例では、燃料ガスの流れ方向Ｆが伝熱すべき方向である。

本例では、熱輻射層２０と熱伝導部材４との間が燃料ガス流路とされており、この燃料ガス流路に燃料ガスが供給される。

次に、本例の燃料電池セルスタックの作用効果について説明する。

高温の固体表面から輻射される熱は、面の法線方向に出る性質がある。そのため、燃料電池セルスタック１のアノード２１側において、燃料電池単セル２から輻射される輻射熱Ｒは、熱輻射層２０が備える曲面部２０１の法線２０２の方向に出る。法線２０２の方向に出た輻射熱Ｒは、曲面部２０１の法線２０２が集中する法線集中部３に集中する。燃料電池セルスタック１では、この法線集中部３を含むように熱伝導部材４が配置されている。そのため、燃料電池セルスタック１は、燃料電池単セル２から輻射される輻射熱Ｒを効率的に熱伝導部材４に集中させることができる。それ故、燃料電池セルスタック１は、熱輻射層２０を有さず、アノード２１の外表面が平坦な燃料電池単セルを備える燃料電池セルスタックに比べ、燃料電池単セル２の温度分布を平滑化しやすい。また、燃料電池セルスタック１は、法線集中部３を含むように熱伝導部材４が配置されており、法線集中部３以外の部位に熱伝導部材４を配置しなくて済むため、熱伝導部材４の使用量を低減することができる。

（実施例２）
実施例２の燃料電池セルスタックについて、図７を用いて説明する。

本例の燃料電池セルスタック１は、熱伝導部材４の表面が、発電温度で揮発しない低揮発性物質６により被覆されている。その他の構成は、実施例１と同様である。

本例では、具体的には、セパレータ５の凹部５３に一部が埋没した状態で支持されている熱伝導部材４の露出部を覆うよう低揮発性物質６が形成されている。本例では、より具体的には、セパレータ５の燃料電池単セル２側の一面に、低揮発性物質６が形成されており、これにより、熱伝導部材４の露出部が低揮発性物質６により被覆されている。低揮発性物質６は、ニッケルめっきであり、厚みは、２０μｍである。

次に、本例の燃料電池セルスタックの作用効果について説明する。

本例の燃料電池セルスタック１は、比較的高温の発電時に、低揮発性物質６によって熱伝導部材４が保護され、熱伝導部材４が揮発するのを抑制することができる。そのため、本例の燃料電池セルスタック１は、熱伝導部材４の耐久性が向上し、燃料電池単セル２の温度分布を長期にわたって平滑化しやすい。その他の作用効果は、実施例１と同様である。

（実施例３）
実施例３の燃料電池セルスタックについて、図８、図９を用いて説明する。

本例の燃料電池セルスタック１は、セパレータ５が、板状のセパレータ本体５１と、セパレータ本体５１のアノード２１側表面に設けられた集電体５４とを有している。集電体５４は、複数の線状集電体５４０からメッシュ状に形成されている。本例では、セパレータ５の一部を構成する集電体５４に、複数の線状の熱伝導部材４が支持されている。線状の熱伝導部材４は、燃料ガスの流れ方向Ｆに沿って配置されている。集電体５４は、熱伝導部材４と法線集中部３との位置がずれないように、外周部がセパレータ本体５１に溶接等により固定されている。集電体５４は、具体的には、ニッケルメッシュである。なお、集電体５４の厚みは、線状の熱伝導部材４が配置された位置と法線集中部３とが一致するように調節されている。また、集電体５４は、熱輻射層２０における溝部２０３間の表面に当接するようにメッシュ間隔が調節されている。その他の構成は、実施例１と同様である。

次に、本例の燃料電池セルスタックの作用効果について説明する。

本例の燃料電池セルスタック１は、法線集中部３に熱伝導部材４を配置するにあたり、複数の線状集電体５４０からメッシュ状に形成され集電体５４における線状集電体５４０の一部を、線状の熱伝導部材４に変更するだけで済む。そのため、セパレータ本体５１の構造を比較的簡素にしやすく、生産性に優れた燃料電池セルスタック１が得られる。その他の作用効果は、実施例１と同様である。

＜実験例＞
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。
（材料準備）

ＮｉＯ粉末（平均粒子径：１μｍ）と、８ＹＳＺ粉末（平均粒子径：０．５μｍ）と、造孔剤としての球状の樹脂粒子（平均粒子径：１．５μｍ）と、ポリビニルブチラール（有機材料）と、酢酸イソアミル、２−ブタノールおよびエタノール（混合溶媒）とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。ＮｉＯ粉末と８ＹＳＺ粉末の質量比は、６５：３５である。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状のアノード形成用材料を準備した。

８ＹＳＺ粉末（平均粒子径：０．３μｍ）と、ポリビニルブチラール（有機材料）と、酢酸イソアミル、２−ブタノールおよびエタノール（混合溶媒）とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。このスラリーを、ドクターブレード法を用いて、プラスチック製の基材上に層状に塗工し、乾燥させることにより、シート状の固体電解質層形成用材料を準備した。

１０ＧＤＣ粉末（平均粒子径：０．２μｍ）と、エチルセルロース（有機材料）と、テルピネオール（溶媒）とをボールミルにて混合することにより、ペースト状の中間層形成用材料を準備した。

ＬＳＣＦ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）粉末（平均粒子径：０．４５μｍ）と、１０ＧＤＣ粉末（平均粒子径：０．２μｍ）と、エチルセルロース（有機材料）と、テルピネオール（溶媒）とをボールミルにて混合することにより、ペースト状のカソード形成用材料を準備した。なお、ＬＳＣＦ粉末と１０ＧＤＣ粉末の質量比は、９０：１０である。

ＮｉＯ粉末（平均粒子径：１μｍ）と、８ＹＳＺ粉末（平均粒子径：０．５μｍ）と、造孔剤としての球状の樹脂粒子（平均粒子径：１．５μｍ）と、エチルセルロース（有機材料）と、テルピネオール（溶媒）とをボールミルにて混合することによりペースト状の熱輻射層形成用材料を準備した。なお、ＮｉＯ粉末と８ＹＳＺ粉末の質量比は、６５：３５である。

（燃料電池単セル）
シート状のアノード形成用材料、シート状の固体電解質層形成用材料をこの順に積層し、圧着して積層体を得た。この際、シート状のアノード形成用材料は、５枚を重ね合わせて構成した。なお、圧着には、ＣＩＰ成形法を用いた。ＣＩＰ成形条件は、温度８０℃、加圧力５０ＭＰａ、加圧時間１０分という条件とした。また、上記圧着後、積層体を脱脂した。

次いで、上記積層体を１３５０℃で２時間焼成した。これにより、アノード、固体電解質層がこの順に積層された基板状の焼成体を得た。

次いで、この焼成体における固体電解質層の表面に、中間層形成用材料をスクリーン印刷法により塗布し、１２００℃で２時間焼成（焼付）することによって中間層を形成した。

次いで、この焼成体におけるアノードの表面に、熱輻射層形成用材料をスクリーン印刷法により平坦な層状に塗布した。

次いで、塗布された熱輻射層形成用材料の表面に、図１に示される曲面部に対応する突出部を有する型を押し付け、乾燥させることにより、曲面部を転写した。その後、型を剥離し、１３００℃で２時間で焼成し、熱輻射層を形成した。なお、曲面部の曲率半径は、５００μｍである。

次いで、上記焼成体における中間層の表面に、カソード形成用材料をスクリーン印刷法により塗布し、９００℃で２時間焼成（焼付）することによってカソードを形成した。これにより、燃料電池用アノードを支持体とする燃料電池単セルを得た。得られ燃料電池単セルにおいて、熱輻射層の厚みは１００μｍ、アノードの厚みは４２０μｍ、固体電解質層の厚みは１０μｍ、中間層の厚みは１０μｍ、カソードの厚みは４０μｍである。

（セパレータおよび熱伝導部材）
フェライト系耐熱クロム合金板の一方面をエッチングすることにより、図１に示される形状のリブを形成した。

また、隣り合うリブ間をさらにエッチングすることにより、隣り合うリブ間の略中央部におけるセパレータ本体部分の表面に、図１に示される形状の凹部を形成した。なお、リブの間隔は、６００μｍであり、リブの高さは、リブの頂点を熱輻射層に当接させたときに曲面部の法線集中部が凹部に一致する高さとした。

次いで、図１に示されるように、熱伝導部材としての銅線を凹部に埋入した。

次いで、図７に示されるように、セパレータのアノード側の表面に、低揮発性物質としての電解ニッケルめっき層を形成した。これにより、セパレータ、熱伝導部材を準備した。

次いで、図１に示されるように、セパレータと燃料電池単セルとが当接するように、セパレータを介して燃料電池単セルを複数積層した。これにより、燃料電池セルスタックを得た。得られた燃料電池セルスタックは、曲面部の法線が集中する法線集中部に熱伝導部材が配置されている。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。

１ 燃料電池セルスタック
２ 燃料電池単セル
２０ 熱輻射層
２０１ 曲面部
２１ アノード
２２ 固体電解質層
２４ カソード
３ 法線集中部
４ 熱伝導部材

Claims (7)

1. アノード（２１）と固体電解質層（２２）とカソード（２４）とを有する燃料電池単セル（２）を複数備える燃料電池セルスタック（１）であって、
   上記燃料電池単セル（２）は、上記アノード（２１）の外表面に上記燃料電池単セル（２）の熱を輻射する熱輻射層（２０）を有しており、
   該熱輻射層（２０）は、その外表面に内方に湾曲する曲面部（２０１）を備えており、
   該曲面部（２０１）の法線（２０２）が集中する法線集中部（３）を含むように熱伝導部材（４）が配置されており、
   上記熱伝導部材（４）は、支持部材（５）に支持されており、
   上記熱伝導部材（４）は、その全部または一部が上記支持部材（５）に埋没していることを特徴とする燃料電池セルスタック（１）。
2. 上記支持部材（５）は、上記アノード（２１）側に配置されるセパレータであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック（１）。
3. 上記熱伝導部材（４）の表面は、発電温度で揮発しない低揮発性物質（６）により被覆されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セルスタック（１）。
4. 上記熱伝導部材（４）は、伝熱すべき方向に連続していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セルスタック（１）。
5. 上記熱伝導部材（４）は、銅を主成分とする金属材料より形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セルスタック（１）。
6. 上記熱輻射層（２０）と上記熱伝導部材（４）との間に燃料ガスが供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セルスタック（１）。
7. アノード（２１）と固体電解質層（２２）とカソード（２４）とを有する燃料電池単セル（２）を複数備える燃料電池セルスタック（１）であって、
   上記燃料電池単セル（２）は、上記アノード（２１）の外表面に上記燃料電池単セル（２）の熱を輻射する熱輻射層（２０）を有しており、
   該熱輻射層（２０）は、その外表面に内方に湾曲する曲面部（２０１）を備えており、
   該曲面部（２０１）の法線（２０２）が集中する法線集中部（３）を含むように熱伝導部材（４）が配置されており、
   上記熱輻射層（２０）と上記熱伝導部材（４）との間に燃料ガスが供給されるように構成されていることを特徴とする燃料電池セルスタック（１）。

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