JP6907031B2

JP6907031B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP6907031B2
Application number: JP2017109716A
Authority: JP
Inventors: 大野　猛; 大野　　猛
Original assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Current assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2037-06-02
Also published as: JP2018206568A

Description

本明細書によって開示される技術は、燃料電池スタックに関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣは、一般に、所定の方向（以下、「配列方向」という）に並べて配置された複数の燃料電池セルと、ガス供給体とを備える燃料電池スタックの形態で利用される。各燃料電池セルは、上記配列方向に直交する所定の方向（以下、「セル軸方向」という）に貫通する個別ガス流路が形成されるとともに燃料極を含む多孔質の支持体と、該支持体の外表面側に配置された電解質層と、該電解質層を挟んで燃料極と対向する空気極と、を含む。ガス供給体は、複数の燃料電池セルに対して個別ガス流路方向の一方側に配置され、複数の燃料電池セルの個別ガス流路におけるセル軸方向の上記一方側の第１の開口端に連通する共有ガス流路が内部に形成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１５６００７号公報

上述した支持体およびガス供給体を備える燃料電池スタックでは、支持体に形成された個別ガス流路とガス供給体に形成された共有ガス流路とは互いに略直交している。このため、共有ガス流路から個別ガス流路にガスが流れ込み難く、共有ガス流路から個別ガス流路へのガスの導入効率が低く、その結果、燃料電池スタックにおけるガスの利用効率が低くなるおそれがある。

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本明細書に開示される燃料電池スタックは、第１の方向に貫通する個別ガス流路が形成されるとともに燃料極および空気極の一方の電極を含む多孔質の支持体と、前記支持体の外表面側に配置された電解質層と、前記電解質層を挟んで前記一方の電極と対向する他方の電極と、をそれぞれ含み、前記第１の方向に直交する第２の方向に並べて配置された複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルに対して前記第１の方向の一方側に配置され、前記複数の燃料電池セルの前記個別ガス流路における前記第１の方向の前記一方側の第１の開口端に連通する共有ガス流路が内部に形成されたガス供給体と、を備える燃料電池スタックにおいて、少なくとも１つの前記支持体の前記第２の方向と前記第１の方向との両方に平行な特定断面において、前記共有ガス流路に流れるガスの流れ方向は、前記第２の方向の一方側から他方側であり、前記少なくとも１つの前記支持体は、前記個別ガス流路を構成し、前記第１の開口端から前記個別ガス流路の下流側に向かって前記第２の方向の前記他方側に傾斜する第１の傾斜部と、前記個別ガス流路を構成するとともに前記第１の傾斜部より前記第２の方向の前記一方側に位置し、前記第１の開口端から前記個別ガス流路の下流側に向かって前記第２の方向の前記他方側に傾斜する第２の傾斜部と、を含む。本燃料電池スタックによれば、少なくとも１つの支持体の特定断面において、該支持体は、第１の傾斜部と第２の傾斜部とを含む。第１の傾斜部は、個別ガス流路を構成し、第１の開口端から個別ガス流路の下流側に向かって第２の方向の他方側に傾斜している。第２の傾斜部は、個別ガス流路を構成するとともに第１の傾斜部より第２の方向の一方側に位置し、第１の開口端から個別ガス流路の下流側に向かって第２の方向の他方側に傾斜している。これにより、共有ガス流路から個別ガス流路にガスが流れ込みやすくなり、共有ガス流路から個別ガス流路へのガスの導入効率が高くなり、燃料電池スタックにおけるガスの利用効率を向上させることができる。

（２）上記燃料電池スタックにおいて、さらに、前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向において、前記個別ガス流路の前記第１の開口端の位置における幅の最大値は、前記個別ガス流路の中央部における幅の最大値より大きい構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、第１の方向と第２の方向との両方に直交する第３の方向において個別ガス流路の第１の開口端の位置における幅の最大値が個別ガス流路の中央部における幅の最大値と同じである構成に比べて、共有ガス流路から個別ガス流路へのガスの導入効率がより高くなり、燃料電池スタックにおけるガスの利用効率をさらに向上させることができる。

（３）上記燃料電池スタックにおいて、さらに、前記第２の方向において、前記個別ガス流路の前記第１の開口端とは反対側の第２の開口端の位置における幅の最大値は、前記個別ガス流路の中央部における幅の最大値より小さい構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、第２の方向において個別ガス流路の第２の開口端の位置における幅の最大値が個別ガス流路の中央部における幅の最大値より大きい構成に比べて、個別ガス流路内から外部にガスが排出されにくくなるため、燃料電池スタックにおけるガスの利用効率をさらに向上させることができる。

（４）上記燃料電池スタックにおいて、さらに、前記特定断面において、前記少なくとも１つの前記支持体は、前記個別ガス流路を構成し、前記個別ガス流路の前記第１の開口端とは反対側の第２の開口端から前記個別ガス流路の上流側に向かって前記第２の方向の前記他方側に傾斜する第３の傾斜部と、前記個別ガス流路を構成するとともに前記第３の傾斜部より前記第２の方向の前記他方側に位置し、前記第２の開口端から前記個別ガス流路の上流側に向かって前記第２の方向の前記他方側に傾斜する第４の傾斜部と、を含むことを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、少なくとも１つの支持体の特定断面において、該支持体の個別ガス流路は、さらに、第３の傾斜部と第４の傾斜部とを含む。第３の傾斜部は、個別ガス流路の第１の開口端とは反対側の第２の開口端から個別ガス流路の上流側に向かって第２の方向の他方側に傾斜している。第４の傾斜部は、第３の傾斜部より第２の方向の他方側に位置し、第２の開口端から個別ガス流路の上流側に向かって第２の方向の他方側に傾斜している。特定断面において、個別ガス経路を構成し、互いに対向する一対の内壁面のうち、第２の方向の他方側の内壁面付近では、第２の方向の一方側の内壁面付近に比べて、ガスの流束が大きい（ガス密度が高い）。第４の傾斜部は、このガスの流束が大きい側に位置する上記他方側の内壁面において、該ガスの流れを変更するように傾斜している。これにより、個別ガス流路から支持体外部にガスが排出されにくくなり、個別ガス流路内において発電反応への利用率が高くなり、燃料電池スタックにおけるガスの利用効率を向上させることができる。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。

本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＹ断面構成を示す説明図である。本実施形態におけるセル１１０の燃料極１１６の詳細構成を示す説明図である。図４のＶ−Ｖの位置における燃料極１１６のＸＺ断面構成を示す説明図である。本実施形態におけるセル１１０の製造方法の一例を示すフローチャートである。

Ａ．本実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成（一部省略）を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＹ断面構成（一部省略）を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向といい、Ｚ軸負方向を下方向といい、Ｚ軸に直交する方向を水平方向というが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。

図１から図３に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では２４個の）セル１１０と、複数の（本実施形態では８個の）集電部材１０４と、絶縁多孔体１０６と、一対のガスシール部材１０８と、マニホールド３００とを備える。セル１１０は、特許請求の範囲における燃料電池セルに相当し、マニホールド３００は、特許請求の範囲におけるガス供給体に相当する。

（セル１１０の構成）
各セル１１０は、筒状（チューブ状）の部材である。燃料電池スタック１００に含まれる２４個のセル１１０は、各セル１１０の軸方向が略平行になるように、互いに間隔を空けて配置されている。具体的には、２４個のセル１１０は、第１の水平方向（Ｘ軸方向）に３個ずつ並べて配置され、該第１の水平方向に直交する第２の水平方向（Ｙ軸方向）に８個ずつ並べて配置されている。第２の水平方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。

各セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の一方側に配置された空気極（カソード）１１４と、電解質層１１２の一方側に配置された燃料極（アノード）１１６とを備える。本実施形態のセル１１０は、燃料極１１６によってセル１１０を構成する他の層（電解質層１１２および空気極１１４等）を支持する燃料極支持形のセルである。

燃料極１１６は、略円筒状の多孔質部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）とセラミックス粒子（例えば、ＹＳＺの粒子）とのサーメットにより構成されている。Ｎｉは、触媒として機能するとともに、燃料極１１６における電子伝導性を向上させる機能を有する。燃料極１１６には、セル１１０の軸方向（Ｚ軸方向）に延びる貫通孔である個別ガス流路１１７が形成されている。後述するように、個別ガス流路１１７には、燃料電池スタック１００の外部からマニホールド３００を介して燃料ガスＦＧが導入される。燃料極１１６の詳細構成については後述する。燃料極１１６は、特許請求の範囲における支持体および一方の電極に相当し、セル１１０の軸方向は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

電解質層１１２は、燃料極１１６の外周面側に配置された略円筒状の緻密質部材であり、固体酸化物を含むように構成されている。すなわち、本実施形態のセル１１０は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。電解質層１１２に含まれる固体酸化物は、例えば、ランタンガレート系ペロブスカイト型酸化物（例えば、一般式Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＧａ_１−ｙＭｇ_ｙＯ_３−δ（ただし、０．０５≦ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．３）で表される酸化物（以下、「ＬＳＧＭ」という））である。

空気極１１４は、電解質層１１２の外周面側に配置された略円筒状の多孔質部材であり、空気極材料を含むように構成されている。空気極１１４に含まれる空気極材料は、例えば、一般式Ｂａ_１−ｘＬａ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３−δ（ただし、０．３≦ｘ≦０．７、０≦ｙ≦１）で表される酸化物（以下、「ＢＬＣＦ」（ただしｙ＝０のときは「ＢＬＣ」）という）や、一般式Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３−δ（ただし、０．３≦ｘ≦０．７、０≦ｙ≦１）で表される酸化物（以下、「ＬＳＣＦ」（ただしｙ＝０のときは「ＬＳＣ」）という）である。なお、図２に示すように、空気極１１４は、セル１１０の軸方向における両端部には設けられておらず、両端部を除く部分にのみ設けられている。すなわち、セル１１０の両端部では、電解質層１１２が、空気極１１４に覆われずに露出している。空気極１１４は、特許請求の範囲における他方の電極に相当する。

図２に示すように、各セル１１０の一方の端部（電解質層１１２が空気極１１４に覆われずに露出している部分）には、燃料極１１６が電解質層１１２に覆われず、代わりに金属シール部材１０９により覆われている部分が存在する。金属シール部材１０９は、緻密な金属層であり、ガスシールとして機能すると共に、燃料極１１６の集電端子として機能する。なお、第２の水平方向（Ｙ軸方向）に隣り合う２つのセル１１０の内、一方のセル１１０において金属シール部材１０９が設置される端部は、他方のセル１１０において金属シール部材１０９が設置される端部とは反対側の端部となっている。

（他の部材の構成）
各集電部材１０４は、ガス透過性を有する導電性材料により形成されている。図２および図３に示すように、各集電部材１０４は、各セル１１０を囲むように形成された３つの円筒部分１４２と、円筒部分１４２同士を連結する連結部分１４４とを含む。第１の水平方向（Ｘ軸方向）に並ぶ３つのセル１１０が各集電部材１０４の３つの円筒部分１４２内に配置されることにより、それらのセル１１０が互いに電気的に接続される。また、８つの集電部材１０４は、絶縁多孔体１０６を間に挟みつつ、第２の水平方向（Ｙ軸方向）に並べて配置されている。

図２に示すように、各集電部材１０４は、上下方向（Ｚ軸方向）に沿って、第１の集電部材１０４Ａと第２の集電部材１０４Ｂとに分割されている。第１の集電部材１０４Ａと第２の集電部材１０４Ｂとは、両者の間に配置された絶縁部材１０５によって互いに電気的に絶縁されている。第１の集電部材１０４Ａは、セル１１０における金属シール部材１０９が配置された部分の外周面側に配置されており、第２の集電部材１０４Ｂは、セル１１０における空気極１１４が配置された部分の外周面側に配置されている。

絶縁多孔体１０６は、多孔質の絶縁性材料（例えば、多孔質の絶縁性セラミックス）により形成されている。図２に示すように、絶縁多孔体１０６における所定の位置には、第２の水平方向（Ｙ軸方向）に延びる貫通孔が形成されており、該貫通孔に導電性部材が充填されて導電接続部１０７が構成されている。この導電接続部１０７により、第２の水平方向に隣り合う２つのセル１１０の内、一方のセル１１０の周囲に配置された第２の集電部材１０４Ｂと、他方のセル１１０の周囲に配置された第１の集電部材１０４Ａとが、電気的に接続されている。そのため、図２において破線の矢印で示すように、あるセル１１０の燃料極１１６から空気極１１４を経て、該セル１１０の周囲に配置された第２の集電部材１０４Ｂと導電接続部１０７とを通り、該セル１１０の１つ上側または１つ下側に位置するセル１１０の周囲に配置された第１の集電部材１０４Ａおよび金属シール部材１０９を通って燃料極１１６に至る導電パスＥＰが形成される。

一対のガスシール部材１０８は、絶縁性の板状部材であり、例えばガラスにより形成されている。ガスシール部材１０８には、複数の貫通孔１０８Ａが形成されている。一方のガスシール部材１０８は、各セル１１０の軸方向（Ｚ軸方向）の一端付近に配置されており、該ガスシール部材１０８の各貫通孔１０８Ａに各セル１１０の一方の端部が挿入されている。また、他方のガスシール部材１０８は、各セル１１０の軸方向の他端付近に配置されており、該ガスシール部材１０８の各貫通孔１０８Ａに各セル１１０の他方の端部が挿入されている。一対のガスシール部材１０８によって、燃料電池スタック１００内を流通するガスの漏洩が防止される。

マニホールド３００は、第２の水平方向（Ｙ軸方向）に延びる共有ガス流路３０２が内部に形成された箱状体であり、マニホールド３００における第２の水平方向の一方側（Ｙ軸負方向側）に、共有ガス流路３０２に連通する共通ガス導入孔３０４が形成されている。また、マニホールド３００の天板３００Ａには、複数の挿入孔３０６が該天板３００Ａを上下方向に貫くように形成されており、複数の挿入孔３０６のそれぞれに各セル１１０における電解質層１１２の露出部分（各セル１１０の下端部分）が挿入されている。これにより、共有ガス流路３０２は、各セル１１０の個別ガス流路１１７に連通している。なお、各セル１１０における電解質層１１２の露出部分と、マニホールド３００の各挿入孔３０６との間は、ガラスシール材（図示せず）によってシールされている。以下、セル１１０におけるマニホールド３００側の端部（下面）に形成された個別ガス流路１１７の開口端を、上流側開口端１１７Ｕといい、セル１１０におけるマニホールド３００とは反対側の端部（上面）に形成された個別ガス流路１１７の開口端を、下流側開口端１１７Ｄという。上流側開口端１１７Ｕは、特許請求の範囲における第１の開口端に相当し、下流側開口端１１７Ｄは、特許請求の範囲における第２の開口端に相当する。

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図１および図２に示すように、マニホールド３００の共通ガス導入孔３０４に水素を含む燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、共有ガス流路３０２内において、概ね、第２の水平方向（Ｙ軸方向）の共通ガス導入孔３０４側（Ｙ軸負方向側）から、共通ガス導入孔３０４とは反対側（Ｙ軸正方向側）に向かって流れる。共有ガス流路３０２内を流れる燃料ガスＦＧの一部が、各セル１１０の燃料極１１６に形成された個別ガス流路１１７内に進入する。また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００に酸素を含む酸化剤ガスＯＧ（例えば空気）が供給されると、酸化剤ガスＯＧは、絶縁多孔体１０６および集電部材１０４を透過して、各セル１１０の空気極１１４に至る。各セル１１０の燃料極１１６に燃料ガスＦＧが供給され、空気極１１４に酸化剤ガスＯＧが供給されると、各セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。各セル１１０は、集電部材１０４および上述した導電パスＥＰにより互いに電気的に接続されており、また、燃料電池スタック１００の第２の水平方向（Ｙ軸方向）の両端には、図示しない端子部材が設けられている。各セル１１０における発電により生じた電力は、負極側および正極側の端子部材に接続された導線等を通して外部に取り出される。なお、複数の燃料電池スタック１００を所定方向に配列して燃料電池モジュールを構成してもよい。

Ａ−３．燃料極１１６の詳細構成：
図４は、本実施形態におけるセル１１０の燃料極１１６の詳細構成を示す説明図である。図４には、図２のＸ１部における燃料極１１６のＹＺ断面構成が拡大して示されている。図５は、図４のＶ−Ｖの位置における燃料極１１６のＸＺ断面構成を示す説明図である。燃料極１１６のＹＺ断面は、特許請求の範囲における特定断面に相当する。

（個別ガス流路１１７の上流側の構成）
図２および図４に示すように、セル１１０（燃料極１１６）のＹＺ断面において、共有ガス流路３０２に流れる燃料ガスＦＧの主たるガスの流れ方向Ｆ１は、共有ガス流路３０２の延長方向に沿った上記第２の水平方向（Ｙ軸方向）の共通ガス導入孔３０４側（Ｙ軸負方向側以下、「ガスの流れ方向Ｆ１の上流側」という）から、共通ガス導入孔３０４とは反対側（Ｙ軸正方向側以下、「ガスの流れ方向Ｆ１の下流側」という）である。各燃料極１１６の個別ガス流路１１７は、第１の傾斜部２０１Ｕと第２の傾斜部２０２Ｕとを含む。第１の傾斜部２０１Ｕは、個別ガス流路１１７を構成し、上流側開口端１１７Ｕから個別ガス流路１１７の下流側（Ｚ軸正方向側）に向かってガスの流れ方向Ｆ１の下流側に傾斜している。第２の傾斜部２０２Ｕは、個別ガス流路１１７を構成するとともに第１の傾斜部２０１Ｕよりガスの流れ方向Ｆ１の上流側に位置し、上流側開口端１１７Ｕから個別ガス流路１１７の下流側に向かってガスの流れ方向Ｆ１の下流側に傾斜している。

具体的には、個別ガス流路１１７は、該個別ガス流路１１７のセル１１０の軸方向（Ｚ軸方向）の中央に位置する中央部１１７Ｍと、中央部１１７Ｍの上流側開口端１１７Ｕ側に位置する上流側部１１７ＥＵとを含む。中央部１１７Ｍは、該個別ガス流路１１７のセル１１０の軸方向に略平行な方向に直線状に延びている。なお、図３に示すように、中央部１１７Ｍの軸方向に直交する断面（ＸＹ断面）における開口形は、略円形である。上流側部１１７ＥＵは、上流側開口端１１７Ｕから中央部１１７Ｍに近づくに連れて、ガスの流れ方向Ｆ１の上流側（Ｙ軸負方向側）から下流側（Ｙ軸正方向側）に位置するように傾斜している。セル１１０のＹＺ断面において、個別ガス流路１１７の上流側部１１７ＥＵを構成し、互いに対向する一対の対向線（個別ガス流路１１７と燃料極１１６との境界線）のうち、ガスの流れ方向Ｆ１の下流側に位置する一方の対向線が第１の傾斜部２０１Ｕであり、ガスの流れ方向Ｆ１の上流側に位置する他方の対向線が第２の傾斜部２０２Ｕである。

また、図４に示すように、第２の水平方向（Ｙ軸方向）において、個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＹＭは、個別ガス流路１１７の上流側開口端１１７Ｕの位置における幅の最大値ＹＵより大きい。また、図５に示すように、第１の水平方向（Ｘ軸方向）において、個別ガス流路１１７の上流側開口端１１７Ｕの位置における幅の最大値ＸＵは、個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＸＭより大きい。なお、本実施形態では、上述したように、中央部１１７Ｍの開口形は略円形であるため、中央部１１７Ｍの第２の水平方向の幅の最大値ＹＭと第１の水平方向の幅の最大値ＸＭとは略同一であるが、互いに異なるとしてもよい。第１の水平方向は、特許請求の範囲における第３の方向に相当する。

（個別ガス流路１１７の下流側の構成）
図４に示すように、各燃料極１１６の個別ガス流路１１７は、さらに、第３の傾斜部２０１Ｄと第４の傾斜部２０２Ｄとを含む。第３の傾斜部２０１Ｄは、個別ガス流路１１７を構成し、下流側開口端１１７Ｄから個別ガス流路１１７の上流側（Ｚ軸負方向側）に向かってガスの流れ方向Ｆ１の下流側に傾斜している。第４の傾斜部２０２Ｄは、個別ガス流路１１７を構成するとともに第３の傾斜部２０１Ｄよりガスの流れ方向Ｆ１の下流側に位置し、下流側開口端１１７Ｄから個別ガス流路１１７の上流側に向かってガスの流れ方向Ｆ１の下流側に傾斜している。

具体的には、個別ガス流路１１７は、さらに、中央部１１７Ｍの下流側開口端１１７Ｄ側に位置する下流側部１１７ＥＤを含む。下流側部１１７ＥＤは、下流側開口端１１７Ｄから中央部１１７Ｍに近づくに連れて、ガスの流れ方向Ｆ１の上流側（Ｙ軸負方向側）から下流側（Ｙ軸正方向側）に位置するように傾斜している。セル１１０のＹＺ断面において、個別ガス流路１１７の下流側部１１７ＥＤを構成し、互いに対向する一対の対向線（個別ガス流路１１７と燃料極１１６との境界線）のうち、ガスの流れ方向Ｆ１の上流側に位置する一方の対向線が第３の傾斜部２０１Ｄであり、ガスの流れ方向Ｆ１の下流側に位置する他方の対向線が第４の傾斜部２０２Ｄである。

また、図４に示すように、第２の水平方向（Ｙ軸方向）において、個別ガス流路１１７の下流側開口端１１７Ｄの位置における幅の最大値ＹＤは、個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＹＭより小さい。また、図５に示すように、第１の水平方向（Ｘ軸方向）において、個別ガス流路１１７の下流側開口端１１７Ｄの位置における幅の最大値ＸＤは、個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＸＭより大きい。

Ａ−４．セル１１０の製造方法：
次に、上述した構成のセル１１０の製造方法について説明する。図６は、本実施形態におけるセル１１０の製造方法の一例を示すフローチャートである。

はじめに、燃料極成形体を作製する（Ｓ１１０）。具体的には、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とセラミックス（例えばＹＳＺ）との混合粉末に、バインダーおよび造孔材を加えて十分に混合し、水を添加することにより、粘土状の混合物を得る。この粘土状の混合物を押出成形機に投入して略円筒状に形成することにより、燃料極成形体を得る。得られた燃料極成形体の軸方向の両端部を切断機によって切断して所定の寸法の燃料極成形体を得る（Ｓ１２０）。このとき、燃料極成形体の両端部のそれぞれを、軸方向に略直交する同一方向から切断刃によって切断する。この切断により、燃料極成形体の両端部に、切断方向に突出するバリが形成される。このバリの形成により、燃料極成形体の一方の端部に第１の傾斜部２０１Ｕと第２の傾斜部２０２Ｕとが形成されるとともに、燃料極成形体の他方の端部に第３の傾斜部２０１Ｄと第４の傾斜部２０２Ｄとが形成される。なお、バリの高さ（各傾斜部の傾斜角度）は、例えば、切断刃の厚さ、逃げ角、切断速度等を変更することにより調整することができる。

次に、燃料極成形体の外周側の表面に、電解質層用スラリーをディップコートによって成膜する（Ｓ１３０）。具体的には、例えば、ＬＳＧＭ等のランタンガレート系ペロブスカイト型酸化物の粉末に、ポリビニルブチラール等に代表されるバインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を混合し、電解質層用スラリーを得る。そして、燃料極成形体の表面を必要に応じてマスキングした後、燃料極成形体を電解質層用スラリーに浸漬させ、ゆっくりと取り出すことにより、燃料極成形体の外周側の表面に電解質層用スラリーを成膜する。

次に、電解質層用スラリーが成膜された燃料極成形体の焼成を行う（Ｓ１４０）。具体的には、該燃料極成形体を、例えば１３００℃〜１４００℃で焼成する。この焼成工程により、燃料極成形体が燃料極１１６となり、電解質層用スラリーが電解質層１１２となり、その結果、燃料極１１６と電解質層１１２とを備える積層体が得られる。

次に、積層体の電解質層１１２側の表面に、空気極用スラリーをディップコートによって成膜する（Ｓ１５０）。具体的には、空気極材料（例えば、ＢＬＣＦ、ＢＬＣ、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ）に必要に応じてＡｇ等の他の粉末を混合し、さらにバインダー、分散剤、可塑剤および溶媒を混合して、空気極用スラリーを得る。そして、積層体の表面を必要に応じてマスキングした後、積層体を空気極用スラリーに浸漬させ、ゆっくりと取り出すことにより、積層体の電解質層１１２側の表面に空気極用スラリーを成膜する。

次に、空気極用スラリーが成膜された積層体の焼成を行う（Ｓ１６０）。具体的には、該積層体を、例えば１０００℃〜１１５０℃で焼成する。この焼成工程により、空気極用スラリーが空気極１１４となり、その結果、燃料極１１６と電解質層１１２と空気極１１４とを備える積層体、すなわち、セル１１０が得られる。

Ａ−５．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態のセル１１０では、各燃料極１１６の個別ガス流路１１７は、第１の傾斜部２０１Ｕと第２の傾斜部２０２Ｕとを含む（図４参照）。第１の傾斜部２０１Ｕは、個別ガス流路１１７を構成し、上流側開口端１１７Ｕから個別ガス流路１１７の下流側（Ｚ軸正方向側）に向かってガスの流れ方向Ｆ１の下流側に傾斜している。第２の傾斜部２０２Ｕは、個別ガス流路１１７を構成するとともに第１の傾斜部２０１Ｕよりガスの流れ方向Ｆ１の上流側に位置し、上流側開口端１１７Ｕから個別ガス流路１１７の下流側に向かってガスの流れ方向Ｆ１の下流側に傾斜している。このため、個別ガス流路１１７が全長にわたって流れ方向Ｆ１に略直交する方向に延びている構成に比べて、マニホールド３００の共有ガス流路３０２から各セル１１０の個別ガス流路１１７に燃料ガスＦＧが流れ込みやすくなる。その結果、共有ガス流路３０２から個別ガス流路１１７への燃料ガスＦＧの導入効率が高くなり、燃料電池スタックにおける燃料ガスＦＧの利用効率（共有ガス流路３０２に供給される燃料ガスＦＧの量に対する、セル１１０にて発電に利用される燃料ガスＦＧの量の割合）を向上させることができる。

また、本実施形態では、第１の水平方向（Ｘ軸方向）において、個別ガス流路１１７の上流側開口端１１７Ｕの位置における幅の最大値ＸＵは、個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＸＭより大きい（図５参照）。このため、第１の水平方向において、個別ガス流路１１７の上流側開口端１１７Ｕの位置における幅の最大値ＸＵが個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＸＭ以下である構成に比べて、共有ガス流路３０２から個別ガス流路１１７への燃料ガスＦＧの導入効率がより高くなり、燃料電池スタックにおける燃料ガスＦＧの利用効率をさらに向上させることができる。

また、本実施形態では、各燃料極１１６の個別ガス流路１１７は、さらに、第３の傾斜部２０１Ｄと第４の傾斜部２０２Ｄとを含む（図４参照）。第３の傾斜部２０１Ｄは、個別ガス流路１１７を構成し、下流側開口端１１７Ｄから個別ガス流路１１７の上流側（Ｚ軸負方向側）に向かってガスの流れ方向Ｆ１の下流側に傾斜している。第４の傾斜部２０２Ｄは、個別ガス流路１１７を構成するとともに第３の傾斜部２０１Ｄよりガスの流れ方向Ｆ１の下流側に位置し、下流側開口端１１７Ｄから個別ガス流路１１７の上流側に向かってガスの流れ方向Ｆ１の下流側に傾斜している。このため、例えば、個別ガス流路１１７が全長にわたって流れ方向Ｆ１に略直交する方向に延びている構成に比べて、各セル１１０の個別ガス流路１１７から燃料極１１６の外部に燃料ガスＦＧが排出されにくくなる。ここで、ＹＺ断面（特定断面）において、個別ガス経路１１７を構成し、互いに対向する一対の内壁面１１７Ａ，１１７Ｂのうち、ガスの流れ方向Ｆ１の下流側の内壁面１１７Ｂ付近では、ガスの流れ方向Ｆ１の上流側の内壁面１１７Ａ付近に比べて、燃料ガスＦＧの流束が大きい（ガス密度が高い）。第４の傾斜部２０２Ｄは、燃料ガスＦＧの流束が大きい側に位置する下流側の内壁面１１７Ｂにおいて、燃料ガスＦＧの流れを変更するように傾斜している。このため、特に、多くの燃料ガスＦＧが個別ガス流路１１７内に滞留し、燃料極１１６内に吸収されるため、各セル１１０における燃料ガスＦＧの利用効率が高くなり、燃料電池スタック全体における燃料ガスＦＧの利用効率を向上させることができる。

また、本実施形態では、第２の水平方向（Ｙ軸方向）において、個別ガス流路１１７の下流側開口端１１７Ｄの位置における幅の最大値ＹＤは、個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＹＭより小さい（図４参照）。このため、第２の水平方向（Ｙ軸方向）において、個別ガス流路１１７の下流側開口端１１７Ｄの位置における幅の最大値ＹＤが個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＹＭより大きい構成に比べて、各セル１１０の個別ガス流路１１７から燃料極１１６の外部に燃料ガスＦＧが排出されにくくなるため、各セル１１０における燃料ガスＦＧの利用効率が高くなり、燃料電池スタック全体における燃料ガスＦＧの利用効率を向上させることができる。

Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態における燃料電池スタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、支持体として、略円筒状の多孔質部材で形成された燃料極１１６を例示したが、これに限らず、例えば、燃料極とは別の材料で形成された略円筒状の多孔質体（電極支持体）と、該多孔質体の外表面側に配置された燃料極とを備える構成であるとしてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池セルとして、燃料極支持形のセルを例示したが、これに限らず、例えば、空気極を含む支持体によって燃料電池セルを構成する他の層（電解質層および燃料極等）を支持する空気極支持形のセルであるとしてもよい。この場合、空気極は、特許請求の範囲における一方の電極に相当し、燃料極は、特許請求の範囲における他方の電極に相当する。

また、上記実施形態では、ガス供給体として、セル１１０の並び方向（第２の水平方向）の一方側に共通ガス導入孔３０４が形成されたマニホールド３００を例示したが、これに限らず、例えば、マニホールド３００のガス供給体におけるセル１１０の並び方向の中央部に共通ガス導入孔が形成されており、共通ガス導入孔から供給された燃料ガスＦＧが、共有ガス流路３０２の第２の水平方向の両側のそれぞれに流れる構成であるとしてもよい。この場合、共通ガス導入孔から共有ガス流路３０２の第２の水平方向の両側のそれぞれに向かう方向が、特許請求の範囲における共有ガス流路に流れるガスの流れ方向に相当する。

また、上記実施形態において、第２の水平方向において、個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＹＭは、個別ガス流路１１７の上流側開口端１１７Ｕの位置における幅の最大値ＹＵ以下であるとしてもよい。また、第１の水平方向において、個別ガス流路１１７の上流側開口端１１７Ｕの位置における幅の最大値ＸＵが個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＸＭ以下であるとしてもよい。

また、上記実施形態において、各燃料極１１６の個別ガス流路１１７は、第３の傾斜部２０１Ｄと第４の傾斜部２０２Ｄとの少なくとも１つを含まないとしてもよい。例えば、個別ガス流路１１７の下流側部１１７ＥＤは、中央部１１７Ｍと同様、セル１１０の軸方向に沿って直線状に延びているとしてもよい。また、個別ガス流路１１７は、第３の傾斜部２０１Ｄの代わりに、下流側開口端１１７Ｄから個別ガス流路１１７の上流側（Ｚ軸負方向側）に向かってガスの流れ方向Ｆ１の上流側に傾斜している傾斜部を含むとしてもよい。また、個別ガス流路１１７は、第４の傾斜部２０２Ｄの代わりに、下流側開口端１１７Ｄから個別ガス流路１１７の上流側に向かってガスの流れ方向Ｆ１の上流側に傾斜している傾斜部を含むとしてもよい。また、第２の水平方向（Ｙ軸方向）において、個別ガス流路１１７の下流側開口端１１７Ｄの位置における幅の最大値ＹＤは、個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＹＭ以上であるとしてもよい。また、第１の水平方向（Ｘ軸方向）において、個別ガス流路１１７の下流側開口端１１７Ｄの位置における幅の最大値ＸＤは、個別ガス流路１１７の中央部１１７Ｍの幅の最大値ＸＭ以下であるとしてもよい。

例えば、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれるセル１１０の個数は、あくまで一例であり、セル１１０の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、燃料電池スタック１００を構成する複数のセル１１０のすべてにおいて、上記実施形態において説明したセル１１０の構成が採用されている必要はなく、燃料電池スタック１００を構成する複数のセル１１０の少なくとも１つにおいて、上記実施形態において説明したセル１１０の構成が採用されていれば、該セル１１０に関して上述した効果を得ることができる。また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の円筒型のセル１１０が並べて配置された構成であるが、本発明は、平板型のセルや、複数の平板型のセルが並べて配置された燃料電池スタックにも同様に適用可能である。

また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。例えば、上記実施例において、固体電解質材料として、ＬＳＧＭＣが用いられてもよいし、空気極材料として、ＢＳＣＦが用いられてもよい。

１００：燃料電池スタック１０４：集電部材１０４Ａ：第１の集電部材１０４Ｂ：第２の集電部材１０５：絶縁部材１０６：絶縁多孔体１０７：導電接続部１０８：ガスシール部材１０８Ａ：貫通孔１０９：金属シール部材１１０：セル１１２：電解質層１１４：空気極１１６：燃料極１１７：個別ガス流路１１７Ｄ：下流側開口端１１７ＥＤ：下流側部１１７ＥＵ：上流側部１１７Ｍ：中央部１１７Ｕ：上流側開口端１４２：円筒部分１４４：連結部分２０１Ｄ：第３の傾斜部２０１Ｕ：第１の傾斜部２０２Ｄ：第４の傾斜部２０２Ｕ：第２の傾斜部３００：マニホールド３００Ａ：天板３０２：共有ガス流路３０４：共通ガス導入孔３０６：挿入孔ＥＰ：導電パスＦ１：流れ方向ＦＧ：燃料ガスＯＧ：酸化剤ガス

Claims

第１の方向に貫通する個別ガス流路が形成されるとともに燃料極および空気極の一方の電極を含む多孔質の支持体と、前記支持体の外表面側に配置された電解質層と、前記電解質層を挟んで前記一方の電極と対向する他方の電極と、をそれぞれ含み、前記第１の方向に直交する第２の方向に並べて配置された複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルに対して前記第１の方向の一方側に配置され、前記複数の燃料電池セルの前記個別ガス流路における前記第１の方向の前記一方側の第１の開口端に連通する共有ガス流路が内部に形成されたガス供給体と、を備える燃料電池スタックにおいて、
少なくとも１つの前記支持体の前記第２の方向と前記第１の方向との両方に平行な特定断面において、
前記共有ガス流路に流れるガスの流れ方向は、前記第２の方向の一方側から他方側であり、
前記少なくとも１つの前記支持体は、
前記個別ガス流路を構成し、前記第１の開口端から前記個別ガス流路の下流側に向かって前記第２の方向の前記他方側に傾斜する第１の傾斜部と、
前記個別ガス流路を構成するとともに前記第１の傾斜部より前記第２の方向の前記一方側に位置し、前記第１の開口端から前記個別ガス流路の下流側に向かって前記第２の方向の前記他方側に傾斜する第２の傾斜部と、を含むことを特徴とする、燃料電池スタック。
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、さらに、
前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向において、前記個別ガス流路の前記第１の開口端の位置における幅の最大値は、前記個別ガス流路の中央部における幅の最大値より大きいことを特徴とする、燃料電池スタック。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、さらに、
前記第２の方向において、前記個別ガス流路の前記第１の開口端とは反対側の第２の開口端の位置における幅の最大値は、前記個別ガス流路の中央部における幅の最大値より小さいことを特徴とする、燃料電池スタック。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、さらに、
前記特定断面において、
前記少なくとも１つの前記支持体は、
前記個別ガス流路を構成し、前記個別ガス流路の前記第１の開口端とは反対側の第２の開口端から前記個別ガス流路の上流側に向かって前記第２の方向の前記他方側に傾斜する第３の傾斜部と、
前記個別ガス流路を構成するとともに前記第３の傾斜部より前記第２の方向の前記他方側に位置し、前記第２の開口端から前記個別ガス流路の上流側に向かって前記第２の方向の前記他方側に傾斜する第４の傾斜部と、を含むことを特徴とする、燃料電池スタック。