JP6757777B2 - 燃料電池セル、及びセルスタック装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セル、及びセルスタック装置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。各支持基板の基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基端部から供給された燃料ガスのうち未反応のガスは、ガス流路の先端部から外部へと排出される。

特開２０１６−１７１０６４号公報

上述したような燃料電池スタックにおいて、燃料ガスの使用効率を向上させることが要望されている。そこで本発明の課題は、燃料ガスの使用効率を向上させ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。

本発明の第１側面に係る燃料電池セルは、基端部及び先端部を有する。この燃料電池セルは、少なくとも１つの第１ガス流路と、少なくとも１つの第２ガス流路と、複数の発電素子部と、を備える。第１ガス流路は、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第１ガス流路と第２ガス流路とは、燃料電池セルの先端部において互いに連通する。各発電素子部は、第１及び第２ガス流路が延びる方向に沿って間隔をあけて配置される。各発電素子部のうち、最も先端側に配置された第１先端側発電素子部の面積は、他の発電素子部の面積の平均値よりも大きい。

この構成によれば、第１ガス流路を流れた燃料ガスのうち未反応ガスは、燃料電池セルの先端部から外部へと排出されるのではなく、第２ガス流路を流れてさらに発電素子部の発電に使用される。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。このような構成の燃料電池セルにおいて、本発明者らは鋭意研究した結果、複数の発電素子部のうち、第１先端側発電素子部において、発電効率が低下するという問題が生じ得ることを見出した。詳細には、第１先端側発電素子部において、燃料極における電解質との界面の雰囲気が酸化雰囲気になって界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化し、その結果、界面近傍における反応抵抗が大きくなって先端側発電素子部の発電効率が低下するという問題が生じ得ることを見出した。この問題を解決すべく、上述した構成の燃料電池セルでは、第１先端側発電素子部の面積を他の発電素子部の面積の平均値よりも大きくしている。この構成によれば、第１先端側発電素子部における電流密度が他の発電素子部よりも小さくなる。この結果、界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化することを抑制することができ、ひいては、第１先端側発電素子部の発電効率が低下することを抑制することができる。

好ましくは、各発電素子部のうち、第１先端側発電素子部の面積が最も大きい。

好ましくは、第１先端側発電素子部と隣り合う第２先端側発電素子部の面積は、第２先端側発電素子部よりも基端側にある各発電素子部の面積の平均値よりも大きい。

好ましくは、第２先端側発電素子部の面積は、第２先端側発電素子部よりも基端側にある各発電素子部の各面積よりも大きい。

好ましくは、燃料電池セルは、連通流路をさらに備える。連通流路は、燃料電池セルの先端部において、第１及び第２ガス流路が延びる方向と交差する方向に延びる。第１ガス流路と第２ガス流路とは、連通流路を介して互いに連通する。

本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、上述したいずれかの燃料電池セルと、マニホールドとを備える。マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。マニホールドは、燃料電池セルの基端部を支持する。第１ガス流路はガス供給室と連通し、第２ガス流路はガス回収室と連通する。

本発明によれば、燃料ガスの使用効率を向上させることができる。

セルスタック装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの上面図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 基端部における燃料電池セルの断面図。 先端部における燃料電池セルの断面図。 セルスタック装置の正面図。 燃料電池セルの拡大断面図。 空気極及び反応防止膜の記載を省略した燃料電池セルの正面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。

以下、本発明に係る燃料電池セル及びセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、燃料電池セルの一例として固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を用いて説明する。図１はセルスタック装置を示す斜視図、図２はマニホールドの断面図である。なお、図１及び図２において、いくつかの燃料電池セルの記載を省略している。

［セルスタック装置］
図１に示すように、セルスタック装置１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１０と、を備えている。

［マニホールド］
図２に示すように、マニホールド２は、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。また、マニホールド２は、燃料電池セル１０から排出されたガスを回収するように構成されている。マニホールド２は、ガス供給室２１とガス回収室２２とを有している。ガス供給室２１には、燃料処理器７０から燃料ガスが供給される。ガス回収室２２は、各燃料電池セル１０にて使用された燃料ガスを回収する。

マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。

図３に示すように、マニホールド本体部２３の天板部２３１には、複数の貫通孔２３２が形成されている。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各貫通孔２３２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連通している。なお、各貫通孔２３２は、ガス供給室２１と連通する部分とガス回収室２２と連通する部分とに分かれていてもよい。

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の略中央部において、マニホールド本体部２３の長さ方向に延びている。仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を完全に仕切っている必要は無く、仕切板２４とマニホールド本体部２３との間に隙間が形成されていてもよい。

図２に示すように、ガス供給室２１の底面には、ガス供給口２１１が形成されている。また、ガス回収室２２の底面には、ガス排出口２２１が形成されている。ガス供給口２１１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。一方、ガス排出口２２１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。

［燃料電池セル］
図４は、セルスタック装置の断面図を示している。図４に示すように、燃料電池セル１０は、マニホールド２から上方に延びている。燃料電池セル１０は、基端部１０１及び先端部１０２を有している。燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。

図１に示すように、各燃料電池セル１０は、主面同士が対向するように並べられている。また、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に沿って間隔をあけて並べられている。すなわち、燃料電池セル１０の配列方向は、マニホールド２の長さ方向に沿っている。なお、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。

図４及び図５に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４と、複数の発電素子部５と、連通部材３と、を有している。各発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。なお、第１主面４５に形成される発電素子部５の数と第２主面４６に形成される発電素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。

［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上下方向に延びている。詳細には、支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、扁平状であり、基端部４１と先端部４２とを有している。基端部４１及び先端部４２は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の基端部４１は下端部を意味し、支持基板４の先端部４２は上端部を意味する。

支持基板４の基端部４１は、マニホールド２に取り付けられる。例えば、支持基板４の基端部４１は、接合材などによってマニホールド２の天板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、天板部２３１に形成された貫通孔２３４に挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、貫通孔２３４に挿入されていなくてもよい。このように支持基板４の基端部４１がマニホールド２に取り付けられることによって、支持基板４の基端部４１は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連結している。

支持基板４は、複数の第１ガス流路４３と、複数の第２ガス流路４４とを有している。第１ガス流路４３は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第１ガス流路４３は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第１ガス流路４３は、支持基板４を貫通している。各第１ガス流路４３は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１ガス流路４３は、等間隔に配置されていることが好ましい。支持基板４は、長さ方向（ｘ軸方向）よりも幅方向（ｙ軸方向）の寸法の方が長くてもよい。

図４に示すように、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１は、第１ガス流路４３の中心間の距離である。例えば、第１ガス流路４３のピッチｐ１は、基端部４１、中央部、及び先端部４２のそれぞれにおいて測定したピッチの平均値とすることができる。

第１ガス流路４３は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第１ガス流路４３は、基端部１０１側において、ガス供給室２１と連通している。

第２ガス流路４４は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第２ガス流路４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３と実質的に平行に延びている。

第２ガス流路４４は、支持基板４を貫通している。各第２ガス流路４４は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第２ガス流路４４は、等間隔に配置されていることが好ましい。

隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２は、例えば、１〜５ｍｍ程度である。この隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２は、第２ガス流路４４の中心間の距離である。例えば、第２ガス流路４４のピッチｐ２は、基端部４１、中央部、及び先端部４２のそれぞれにおいて測定したピッチの平均値とすることができる。なお、各第２ガス流路４４間のピッチｐ２は、各第１ガス流路４３間のピッチｐ１と実質的に等しいことが好ましい。

第２ガス流路４４は、燃料電池セル１０の先端部１０２から基端部１０１に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第２ガス流路４４は、基端部１０１側において、マニホールド２のガス回収室２２と連通している。

隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、例えば、１〜１０ｍｍ程度である。この隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、第１ガス流路４３の中心と第２ガス流路４４の中心との距離である。例えば、ピッチｐ０は、支持基板４の第１端面４１１において測定することができる。

隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１よりも大きい。また、隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２よりも大きい。

第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、燃料電池セル１０の先端部１０２側において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４３と、第２ガス流路４４とが、連通部材３の連通流路３０を介して連通している。

第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失よりも小さくなるように構成されている。

例えば、各第１ガス流路４３の流路断面積は、各第２ガス流路４４の流路断面積よりも大きくすることができる。なお、第１ガス流路４３の数と第２ガス流路４４との数とが異なる場合は、各第１ガス流路４３の流路断面積の合計値が、各第２ガス流路４４の流路断面積の合計値よりも大きくすることができる。

特に限定されるものではないが、各第２ガス流路４４の流路断面積の合計値は、各第１ガス流路４３の流路断面積の合計値の２０〜９５％程度とすることができる。なお、第１ガス流路４３の流路断面積は、例えば、０.５〜２０ｍｍ^２程度とすることができる。また、第２ガス流路４４の流路断面積は、例えば、０.１〜１５ｍｍ^２程度とすることができる。

なお、第１ガス流路４３の流路断面積は、第１ガス流路４３が延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した切断面における第１ガス流路４３の流路断面積を言う。また、第１ガス流路４３の流路断面積は、基端部４１側の任意の箇所における流路断面積と、中央部の任意の箇所における流路断面積と、先端部４２側の任意の箇所における流路断面積との平均値とすることができる。

また、第２ガス流路４４の流路断面積は、第２ガス流路４４が延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した切断面における第２ガス流路４４の流路断面積を言う。また、第２ガス流路４４の流路断面積は、基端部４１側の任意の箇所における流路断面積と、中央部の任意の箇所における流路断面積と、先端部４２側の任意の箇所における流路断面積との平均値とすることができる。

図５に示すように、支持基板４は、第１主面４５と、第２主面４６とを有している。第１主面４５と第２主面４６とは、互いに反対を向いている。第１主面４５及び第２主面４６は、各発電素子部５を支持している。第１主面４５及び第２主面４６は、支持基板４の厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。また、支持基板４の各側面４７は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面４７は、湾曲していてもよい。図１に示すように、各支持基板４は、第１主面４５と第２主面４６とが対向するように配置されている。

図５に示すように、支持基板４は、発電素子部５を支持している。支持基板４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。支持基板４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、支持基板４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４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。

支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０〜７％程度である。

［発電素子部］
複数の発電素子部５が、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。各発電素子部５は、第１及び第２ガス流路４３，４４が延びる方向（ｘ軸方向）に沿って間隔をあけて配置される。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、基端部４１から先端部４２に向かって互いに間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部５は、インターコネクタ９によって、互いに直列に接続されている。

発電素子部５は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。発電素子部５は、支持基板４の幅方向において第１部分５１と第２部分５２とに区画される。なお、第１部分５１と第２部分５２との厳密な境界はない。例えば、燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、支持基板４の長さ方向視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界と重複する部分を、第１部分５１と第２部分５２との境界部とすることができる。

支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１ガス流路４３は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第２ガス流路４４は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。なお、複数の第１ガス流路４３のうち、一部の第１ガス流路４３が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数の第２ガス流路４４のうち、一部の第２ガス流路４４が第２部分５２と重複していなくてもよい。

図６は、第１ガス流路４３に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。なお、第２ガス流路４４に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、第２ガス流路４４の流路断面積が異なる以外は、図６と同じである。

発電素子部５は、燃料極６、電解質７、及び空気極８を有している。また、発電素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。燃料極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極６は、燃料極集電部６１と燃料極活性部６２とを有する。

燃料極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、燃料極集電部６１は、凹部４９内に充填されており、凹部４９と同様の外形を有する。各燃料極集電部６１は、第１凹部６１１及び第２凹部６１２を有している。燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に配置されている。詳細には、燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に充填されている。

燃料極集電部６１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６１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６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部６２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６２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６２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質７は、燃料極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９から他のインターコネクタ９まで長さ方向に延びている。すなわち、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質７とインターコネクタ９とが交互に配置されている。また、電解質７は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。

電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０〜７％程度である。電解質７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構成される焼成体である。電解質７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。電解質７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、平面視において、燃料極活性部６２と略同一の形状である。反応防止膜１１は、電解質７を介して、燃料極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと空気極活性部８１内のＳｒとが反応して電解質７と空気極活性部８１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１１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１１の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極８は、燃料極６と協働して電解質７を挟むように配置されている。空気極８は、空気極活性部８１及び空気極集電部８２を有している。

空気極活性部８１は、反応防止膜１１上に配置されている。空気極活性部８１は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。空気極活性部８１は、空気極集電部８２よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、空気極活性部８１における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部８２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。

空気極活性部８１は、多孔質の材料から構成される。空気極活性部８１は焼成体である。空気極活性部８１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、空気極活性部８１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極活性部８１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電部８２は、空気極活性部８１上に配置されている。空気極集電部８２は、空気極活性部８１から、隣の発電素子部５に向かって延びている。空気極集電部８２は、インターコネクタ９を介して隣の発電素子部５の燃料極集電部６１と電気的に接続されている。なお、燃料極集電部６１と空気極集電部８２とは、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）において、発電領域から互いに反対側に延びている。なお、発電領域とは、平面視（ｚ軸方向視）において、燃料極活性部６２と電解質７と空気極活性部８１とが重複する領域である。

空気極集電部８２は、電子伝導性を有する多孔質材料から構成される。空気極集電部８２は、焼成体である。空気極集電部８２は、空気極活性部８１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部８２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

空気極集電部８２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、空気極集電部８２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、空気極集電部８２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。なお、空気極集電部８２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

インターコネクタ９は、ｘ軸方向において隣り合う発電素子部５を電気的に接続するように構成されている。インターコネクタ９は、隣り合う発電素子部５の一方の発電素子部５の燃料極６と、他方の発電素子部５の空気極８とを電気的に接続している。詳細には、インターコネクタ９は、一方の発電素子部５の燃料極集電部６１と、他方の発電素子部５の空気極集電部８２とを電気的に接続している。

このように、各発電素子部５は、インターコネクタ９によって、第１及び第２主面４５、４６のそれぞれにおいて燃料電池セル１０の先端部１０２から基端部１０１まで直列に接続されている。

インターコネクタ９は、例えば、燃料極集電部６１の第２凹部６１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ９は、第２凹部６１２内に埋設（充填）されている。インターコネクタ９は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ９は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９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。インターコネクタ９の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

図７に示すように、各燃料電池セル１０において最も基端側に配置されたインターコネクタ９ｄは、第１主面４５に配置される発電素子部５と、第２主面に配置される発電素子部５とを電気的に接続している。なお、各燃料電池セル１０の各主面４５，４６において最も基端側に配置された一対の発電素子部５は、互いに隣り合っている。また、本実施形態では、第２主面４６において最も基端側に配置されたインターコネクタ９が、各燃料電池セル１０において最も基端側に配置されたインターコネクタである。

第１主面４５において最も基端側に配置された発電素子部５の空気極集電部８２は、第１主面４５から側面４７を介して第２主面４６まで延びている。すなわち、この最も基端側に配置された発電素子部５の空気極集電部８２は、環状に延びている。そして、第２主面４６において最も基端側に配置されたインターコネクタ９は、第１主面４５から第２主面４６まで延びる空気極集電部８２と、第２主面４６において最も基端側に配置された発電素子部５の燃料極集電部６１と、を電気的に接続している。

このように、第１主面４５において直列接続された複数の発電素子部５と、第２主面４６において直列接続された複数の発電素子部５とは、インターコネクタ９によって、燃料電池セル１０の基端部１０１において直列接続されている。

［連通部材］
図４に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部４２に取り付けられている。そして、連通部材３は、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを連通させる連通流路３０を有している。詳細には、連通流路３０は、各第１ガス流路４３と各第２ガス流路４４とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４３から各第２ガス流路４４まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路３０の数は、第１ガス流路４３の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路３０のみによって、複数の第１ガス流路４３と複数の第２ガス流路４４とが連通されている。

連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。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、緻密層３１の気孔率は、０〜７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した電解質７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。

［集電部材］
図８に示すように、集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の間に配置されている。そして、集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０を互いに電気的に接続している。集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の先端部１０２同士を接合している。例えば、集電部材１２は、支持基板４の両主面に配置された複数の発電素子部５のうち、最も先端側に配置された発電素子部５よりも先端側に配置されている。集電部材１２は、隣り合う燃料電池セル１０の最も先端側に配置された発電素子部５同士を電気的に接続している。なお、各燃料電池セル１０の各主面４５，４６において最も先端側に配置された発電素子部５は、隣の燃料電池セル１０の最も先端側に配置された発電素子部５と隣り合っている。

集電部材１２は、導電性接合材１０３を介して、発電素子部５から延びる空気極集電部８２に接合される。導電性接合材１０３としては、周知の導電性セラミックス等を用いることができる。例えば、導電性接合材１０３は、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３などから選ばれる少なくとも１種によって構成することができる。

このように、各燃料電池セル１０において最も先端側に配置された第１先端側インターコネクタ９ｂは、集電部材１２及び空気極集電部８２を介して、隣り合う一対の燃料電池セル１０の発電素子部５同士を電気的に接続している。本実施形態では、第１主面４５において最も先端側に配置されたインターコネクタ９が、各燃料電池セル１０において最も先端側に配置されたインターコネクタである。

［発電素子部の面積］
図９に示すように、各発電素子部５は、支持基板４上において、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって互いに間隔をあけて配置されている。この各発電素子部５のうち、最も先端側（図９の一番上側）に配置された発電素子部５を第１先端側発電素子部５ａと称する。なお、先端側とは、燃料電池セル１０の連通流路３０に近い側を言う。最も先端側に配置された発電素子部５とは、最も連通流路３０に近い発電素子部５と同義である。

また、第１先端側発電素子部５ａと隣り合う発電素子部５を第２先端側発電素子部５ｂと称する。第２先端側発電素子部５ｂは、図９の上から二番目の発電素子部である。

第１先端側発電素子部５ａの面積は、他の発電素子部５の面積の平均値よりも大きい。すなわち、第１先端側発電素子部５ａを除いた各発電素子部５の面積の平均値よりも、第１先端側発電素子部５ａの面積の方が大きい。好ましくは、第１先端側発電素子部５は、各発電素子部５のうち最も大きい面積を有する。

発電素子部５の面積は、発電素子部５の厚さ方向に沿って見た状態（ｚ軸方向視）において、燃料極活性部６２、電解質７、及び空気極活性部８１が重複する部分の面積を言う。第１先端側発電素子部５ａは、他の発電素子部５と比べて、幅方向（ｙ軸方向）の寸法を同じにして、長手方向（ｘ軸方向）の寸法を変えることによって、面積を大きくすることが好ましい。

各発電素子部５の面積の比較は、各発電素子部５が形成された支持基板４の面毎に行う。例えば、支持基板４の両面に各発電素子部５が形成されている場合、支持基板４の第１主面４５に形成された第１先端側発電素子部５ａの面積は、支持基板４の第１主面４５に形成された他の各発電素子部５の面積の平均値よりも大きくなるように設計される。また、支持基板４の第２主面４６に形成された第１先端側発電素子部５ａの面積は、支持基板４の第２主面４６に形成された他の各発電素子部５の面積の平均値よりも大きくなるように設計される。

また、第２先端側発電素子部５ｂの面積は、第２先端側発電素子部５ｂよりも基端側にある各発電素子部５の面積の平均値よりも大きい。すなわち、第１及び第２先端側発電素子部５ａ、５ｂを除いた各発電素子部５の面積の平均値よりも、第２先端側発電素子部５ｂの面積の方が大きい。好ましくは、第２先端側発電素子部５ｂの面積は、第２先端側発電素子部５ｂよりも基端側にある各発電素子部５の各面積よりも大きい。例えば、第２先端側発電素子部５ｂは、第１先端側発電素子部５ａの次に大きい面積を有する。

好ましくは、第１及び第２先端側発電素子部５ａ、５ｂを除いた他の各発電素子部５の面積の平均値Ｓ０に対する、第１先端側発電素子部５ａの面積Ｓａの割合Ｓａ／Ｓ０は、１．０５以上とすることが好ましい。また、上記割合Ｓａ／Ｓ０は、３．０以下とすることが好ましい。

好ましくは、第１及び第２先端側発電素子部５ａ、５ｂを除いた他の各発電素子部５の面積の平均値Ｓ０に対する、第２先端側発電素子部５ｂの面積Ｓｂの割合Ｓｂ／Ｓ０は、１．１以上とすることが好ましい。また、上記割合Ｓｂ／Ｓ０は、２．８以下とすることが好ましい。

なお、発電素子部５の面積は、例えば、任意の２点においてｘｚ断面を作成し、各ｘｚ断面において発電素子部５のｘ軸方向の長さを測定して平均値を算出する。また、任意の２点においてｙｚ断面を作成し、各ｙｚ断面において発電素子部５のｙ軸方向の長さを測定して平均値を算出する。そして、この各平均値を乗算することによって、発電素子部５の面積を算出することができる。

［インターコネクタの接触面の面積］
図１０に示すように、インターコネクタ９は、空気極８と接触する接触面９１を有する。接触面９１は、空気極８の空気極集電部８２と接触する面である。インターコネクタ９の外周縁部は、電解質７によって覆われており、空気極集電部８２とは接触していない。このため、インターコネクタ９の外周縁部は接触面９１ではない。

図１１は、燃料電池セル１０の正面図である。なお、図１１では、インターコネクタ９の接触面９１が見えるように、空気極活性部８１及び反応防止膜１１の記載を省略している。図１１に示すように、本実施形態では、インターコネクタ９の接触面９１は、電解質７の開口部から露出している面である。

図１１に示すように、各インターコネクタ９のうち、燃料電池セル１０の中央部に配置された中央インターコネクタ９ａの接触面９１の面積は、他のインターコネクタ９の接触面９１の面積の平均値よりも小さい。本実施形態では、各燃料電池セル１０は、１０個のインターコネクタ９を有している。このため、基端側から５番目のインターコネクタ９と、先端側から５番目のインターコネクタ９との双方が、中央インターコネクタ９ａである。

中央インターコネクタ９ａの接触面９１の面積は、各インターコネクタ９のうち、最も先端側に配置された第１先端側インターコネクタ９ｂの接触面９１の面積よりも小さい。また、中央インターコネクタ９ａの接触面９１の面積は、第２先端側インターコネクタ９ｃの接触面９１の面積よりも小さい。この第２先端側インターコネクタ９ｃは、第１先端側インターコネクタ９ｂと隣り合うインターコネクタである。すなわち、第２先端側インターコネクタ９ｃは、先端側から２番目のインターコネクタ９である。第２先端側インターコネクタ９ｃの接触面９１は、第１先端側インターコネクタ９ｂの接触面９１と実質的に同じ面積を有してもよい。なお、第１先端側インターコネクタ９ｂは本発明の先端側インターコネクタの一例である。

中央インターコネクタ９ａの接触面９１の面積は、各インターコネクタ９のうち、最も基端側に配置された第１基端側インターコネクタ９ｄの接触面９１の面積よりも小さい。また、中央インターコネクタ９ａの接触面９１の面積は、第２基端側インターコネクタ９ｅの接触面９１の面積よりも小さい。この第２基端側インターコネクタ９ｅは、第１基端側インターコネクタ９ｄと隣り合うインターコネクタである。すなわち、第２基端側インターコネクタ９ｅは、基端側から２番目のインターコネクタ９である。第２基端側インターコネクタ９ｅの接触面９１は、第１基端側インターコネクタ９ｄの接触面９１と実質的に同じ面積を有してもよい。なお、第１基端側インターコネクタ９ｄは、本発明の基端側インターコネクタの一例である。

一対の中央インターコネクタ９ａ、第１及び第２先端側インターコネクタ９ｂ、９ｃ、並びに第１及び第２基端側インターコネクタ９ｄ，９ｅを除いた他のインターコネクタ９の接触面９１の面積は、例えば、中央インターコネクタ９ａの接触面９１の面積と実質的に同じとすることができる。

好ましくは、第１先端側インターコネクタ９ｂの接触面９１の面積の平均値Ｔｂに対する、中央インターコネクタ９ａの接触面９１の面積Ｔａの割合Ｔａ／Ｔｂは、０．３〜０．９程度とすることが好ましい。

また、第１基端側インターコネクタ９ｄの接触面９１の面積の平均値Ｔｄに対する、中央インターコネクタ９ａの接触面９１の面積Ｔａの割合Ｔａ／Ｔｄは、０．３〜０．９程度とすることが好ましい。

中央インターコネクタ９ａの接触面９１は、第１先端側インターコネクタ９ｂの接触面９１又は第１基端側インターコネクタ９ｄの接触面９１と比べて、幅方向（ｙ軸方向）の寸法を同じにして、長手方向（ｘ軸方向）の寸法ｄを変えることによって、面積を小さくすることが好ましい。

なお、インターコネクタ９の面積は、例えば、任意の２点においてｘｚ断面を作成し、各ｘｚ断面においてインターコネクタ９のｘ軸方向の長さを測定して平均値を算出する。また、任意の２点においてｙｚ断面を作成し、各ｙｚ断面においてインターコネクタ９のｙ軸方向の長さを測定して平均値を算出する。そして、この各平均値を乗算することによって、インターコネクタ９の面積を算出することができる。

各インターコネクタ９の面積の比較は、各インターコネクタ９が形成された支持基板４の面毎に行う。例えば、支持基板４の両面に各インターコネクタ９が形成されている場合、支持基板４の第１主面４５に形成された中央インターコネクタ９ａの接触面９１の面積は、支持基板４の第１主面４５に形成された他の各インターコネクタ９の接触面９１の面積の平均値よりも大きくなるように設計される。また、支持基板４の第２主面４６に形成された中央インターコネクタ９ａの接触面９１の面積は、支持基板４の第２主面４６に形成された他の各インターコネクタ９の接触面９１の面積の平均値よりも大きくなるように設計される。

［発電方法］
上述したように構成されたセルスタック装置１００では、燃料ガスをマニホールド２のガス供給室２１に供給するとともに、燃料電池セル１０を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極８において下記（１）式に示す化学反応が起こり、燃料極６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、ガス供給室２１に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０の第１ガス流路４３内を流れ、各発電素子部５の燃料極６において、上記（２）式に示す化学反応が起こる。各燃料極６において未反応であった燃料ガスは、第１ガス流路４３を出て連通部材３の連通流路３０を介して第２ガス流路４４へ供給される。そして、第２ガス流路４４へ供給された燃料ガスは、再度、燃料極６において上記（２）式に示す化学反応が起こる。第２ガス流路４４を流れる過程において燃料極６において未反応であった燃料ガスは、マニホールド２のガス回収室２２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。

変形例１
上記実施形態では、セルスタック装置１００の全ての燃料電池セル１０において、各発電素子部５のうち第１先端側発電素子部５ａが最も大きい面積を有していたが、これに限定されない。例えば、セルスタック装置１００の複数の燃料電池セル１０のうち、少なくとも一つの燃料電池セル１０において、第１先端側発電素子部５ａの面積が他の発電素子部５の面積の平均値よりも大きければよい。すなわち、複数の燃料電池セル１０のうち、いくつかの燃料電池セル１０において、第１先端側発電素子部５ａの面積が他の発電素子部５の面積の平均値以下であってもよい。

変形例２
各燃料電池セル１０の第１及び第２主面４５、４６のそれぞれにおいて、各発電素子部５のうち第１先端側発電素子部５ａの面積が他の発電素子部５の面積の平均値よりも大きかったが、これに限定されない。例えば、各燃料電池セル１０の第１及び第２主面４５，４６の一方において、第１先端側発電素子部５ａの面積が他の発電素子部５の面積の平均値よりも大きく、第１及び第２主面４５，４６の他方において、第１先端側発電素子部５ａの面積が他の各発電素子部５の面積の平均値以下であってもよい。

変形例３
上記実施形態では、各燃料電池セル１０が有するインターコネクタ９の数が偶数であってため、中央インターコネクタ９ａが２つ存在したが、インターコネクタ９の数が奇数の場合、中央インターコネクタ９ａの数は１つとなる。

変形例４
上記実施形態では、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、連通部材３が有する連通流路３０によって連通されていたが、この構成に限定されない。例えば、図１２に示すように、支持基板４が、内部に連通流路３０を有していてもよい。この場合、セルスタック装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この支持基板４内に形成された連通流路３０によって、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とが連通されている。

変形例５
上記実施形態では、支持基板４は、複数の第１ガス流路４３を有しているが、１つの第１ガス流路４３のみを有していてもよい。同様に、支持基板４は、複数の第２ガス流路４４を有しているが、１つの第２ガス流路４４のみを有していてもよい。

変形例６
上記実施形態では、燃料電池セル１０はマニホールド２から上方に延びるように構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、マニホールド２から下方に延びていてもよい。この場合、燃料処理器７０は、例えばマニホールド２の上方に配置される。また、マニホールド２の底面は上方を向いている。

変形例７
上記実施形態のマニホールド２では、１つのマニホールド本体部２３を仕切板２４で仕切ることによって、ガス供給室２１とガス回収室２２とを画定しているが、マニホールド２の構成はこれに限定されない。例えば、２つのマニホールド本体部２３によってマニホールド２を構成することもできる。この場合、１つのマニホールド本体部２３がガス供給室２１を有し、別のマニホールド本体部２３がガス回収室２２を有している。

２ マニホールド
２１ ガス供給室
２２ ガス回収室
５ 発電素子部
５ａ 第１先端側発電素子部
５ｂ 第２先端側発電素子部
１０ 燃料電池セル
３０ 連通流路
４３ 第１ガス流路
４４ 第２ガス流路

Claims (8)

1. 基端部及び先端部を有する燃料電池セルであって、
   前記燃料電池セルの基端部から先端部に延び、前記燃料電池セルの基端部から先端部へガスを導く少なくとも１つの第１ガス流路と、
   前記燃料電池セルの基端部から先端部に延び、前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通し、前記燃料電池セルの先端部から基端部へガスを導く少なくとも１つの第２ガス流路と、
   前記第１及び第２ガス流路が延びる方向に沿って間隔をあけて配置される複数の発電素子部と、
   前記第１ガス流路及び前記第２ガス流路が形成された扁平状の支持基板と、
   を備え、
   前記各発電素子部のうち、最も先端側に配置された第１先端側発電素子部の面積は、他の発電素子部の面積の平均値よりも大きく、
   前記第１ガス流路及び前記第２ガス流路は、前記支持基板の長さ方向に延びるとともに、前記支持基板の幅方向に配列される、
   燃料電池セル。
   
2. 前記各発電素子部のうち、前記第１先端側発電素子部の面積が最も大きい、
   請求項１に記載の燃料電池セル。
   
3. 前記第１先端側発電素子部と隣り合う第２先端側発電素子部の面積は、前記第２先端側発電素子部よりも基端側にある各発電素子部の面積の平均値よりも大きい、
   請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
   
4. 前記第２先端側発電素子部の面積は、前記第２先端側発電素子部よりも基端側にある各発電素子部の各面積よりも大きい、
   請求項３に記載の燃料電池セル。
   
5. 前記燃料電池セルの先端部において、前記第１及び第２ガス流路が延びる方向と交差する方向に延びる連通流路をさらに備え、
   前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とは、前記連通流路を介して互いに連通する、
   請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
   
6. 前記少なくとも１つの第１ガス流路は、複数の前記第１ガス流路を含み、
   前記少なくとも１つの第２ガス流路は、複数の前記第２ガス流路を含み、
   前記複数の第１ガス流路の流路断面積の合計値は、前記複数の第２ガス流路の流路断面積の合計値よりも大きい、
   請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池セル。
   
7. 前記少なくとも１つの第１ガス流路は、複数の前記第１ガス流路を含み、
   隣り合う前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とのピッチは、隣り合う前記第１ガス流路のピッチよりも大きい、
   請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池セル。
   
8. 請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池セルと、
   ガス供給室及びガス回収室を有し、前記燃料電池セルの基端部を支持するマニホールドと、
   を備え、
   前記第１ガス流路は、前記ガス供給室と連通し、
   前記第２ガス流路は、前記ガス回収室と連通する、
   セルスタック装置。

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