A.実施形態:
A-1.装置構成:
(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XZ断面構成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YZ断面構成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」というものとするが、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4以降についても同様である。なお、上下方向(Z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。燃料電池スタックは、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックに相当する。
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、「連通孔108」という。
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス供給マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス供給マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス供給マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス供給マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。また、図6は、図4および図5のVI-VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4および図5のVII-VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。
図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、スペーサー149と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。インターコネクタ150は、特許請求の範囲における第1の導電部材に相当する。
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。すなわち、空気極114および燃料極116は、電解質層112を挟んで上下方向に互いに対向している。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
電解質層112は、上下方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な(気孔率が低い)層である。ここでいう上下方向視は、「上下方向に平行な方向から見たとき」を意味する(以下における「上下方向視」も同様)。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、上下方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な(電解質層112より気孔率が高い)層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、上下方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な(電解質層112より気孔率が高い)層である。燃料極116の厚さは、例えば200μm~1000μmである。燃料極116における燃料極側集電体144の付近の部分の平均気孔率は、例えば25~60vol%であり、当該部分の平均気孔径は、例えば0.5μm~4μmである。このような構成である本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。なお、燃料極116は、特許請求の範囲における第1の電極に相当する。
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたろう材(例えばAgろう)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
図6に示すように、空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス供給マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
図7に示すように、燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス供給マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素が空気極側集電体134として機能する。また、空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ接触部146と、電極接触部145と、電極接触部145のX軸正方向側とインターコネクタ接触部146のX軸正方向側とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極接触部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触している。インターコネクタ接触部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。すなわち、インターコネクタ接触部146は、図4および図5に示すように、発電単位102に備えられた一対のインターコネクタ150の内、単セル110に対して下方(上下方向の一方)の側に配置されているインターコネクタ150の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ接触部146は、下側のエンドプレート106に接触している。なお、発電単位102に備えられた一対のインターコネクタ150の内、下側のインターコネクタ150は、特許請求の範囲における第1の導電部材に相当する。燃料極側集電体144は、特許請求の範囲における第2の導電部材に相当する。インターコネクタ接触部146は、特許請求の範囲における第1の接触部に相当する。電極接触部145は、特許請求の範囲における第2の接触部に相当する。本実施形態では、X軸方向は、特許請求の範囲における第2の方向に相当する。
本実施形態では、燃料極側集電体144は、例えばニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成される金属箔(例えば、厚さが10~800μm)により形成されている。図7における部分拡大図に示すように、燃料極側集電体144は、略矩形の金属箔に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。
燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、燃料極側集電体144のインターコネクタ接触部146と電極接触部145と連接部147と、後述の第1のインターコネクタ接合部148と、後述の第2のインターコネクタ接合部151とは一体の部材により構成されている。
電極接触部145とインターコネクタ接触部146との間には、例えばマイカ等により形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。なお、スペーサー149の板厚は、例えば0.5~3mmである。
A-2.燃料電池スタック100の動作:
図2、図4および図6に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス供給マニホールド161に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3、図5および図7に示すように、燃料ガス供給マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス供給マニホールド171に供給され、燃料ガス供給マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2、図4および図6に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3、図5および図7に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
A-3.燃料極側集電体144の周辺の詳細構成:
A-3―1.第1のインターコネクタ接合部148の詳細構成:
図8は、単セル110の一部分(図4のX1部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。本実施形態では、各発電単位102は、インターコネクタ150に接合された第1のインターコネクタ接合部148を備えている。本実施形態では、第1のインターコネクタ接合部148は、燃料極側集電体144を構成する、例えばニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成される金属箔の一部により形成されている。第1のインターコネクタ接合部148は、燃料極側集電体144と同様に、略矩形の金属箔に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。第1のインターコネクタ接合部148は、特許請求の範囲における第1の接合部材に相当する。
本実施形態では、各発電単位102の第1のインターコネクタ接合部148は、X軸方向に延伸している第1のX延伸部148Aと、第1のX延伸部148Aの内、X軸正方向側に接続され、上下方向に延伸している第1の上下延伸部148Bとを備えている。言い換えると、第1の上下延伸部148Bは、第1のX延伸部148Aの内、X軸方向のスペーサー149に近い側の端部に接続されている。当該第1のX延伸部148Aは、例えばスポット溶接により、インターコネクタ150に接合されている。なお、第1のインターコネクタ接合部148の第1のX延伸部148Aは、特許請求の範囲における第1の部分に相当する。第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、特許請求の範囲における第2の部分に相当する。
第1のインターコネクタ接合部148の一部は、スペーサー149に対して、X軸方向における当該燃料極側集電体144の連接部147の側とは反対側に配置されている。より詳細には、第1のインターコネクタ接合部148の一部である第1の上下延伸部148Bは、スペーサー149に対して、X軸方向における当該燃料極側集電体144の連接部147の側とは反対側に配置されている。
図8に示されたXZ断面において、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、上下方向に延伸している。従って、同断面(図8に示されたXZ断面)において、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、上下方向のベクトル成分を有する方向に延伸している。そのため、当該第1の上下延伸部148Bは、X軸方向に延伸している部分を有していない。なお、本実施形態では、図8に示されたXZ断面は、特許請求の範囲における特定断面に相当する。
本実施形態では、第1のインターコネクタ接合部148の上方の端E1の位置は、スペーサー149における上方の端E2の位置よりもインターコネクタ150の側である。そのため、第1のインターコネクタ接合部148は、単セル110から離隔している。
また、本実施形態では、各発電単位102の燃料極側集電体144は、燃料極側集電体144の連接部147とスペーサー149との間に空間180が形成されるように構成されている。
A-3―2.第2のインターコネクタ接合部151の詳細構成:
図9は、単セル110の一部分(図5のX2部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図である。本実施形態では、各発電単位102は、インターコネクタ150に接合された第2のインターコネクタ接合部151を備えている。第2のインターコネクタ接合部151は、スペーサー149に対してY軸方向の一方(Y軸正方向)の側と他方(Y軸負方向)の側とのそれぞれに配置されている。本実施形態では、第2のインターコネクタ接合部151は、燃料極側集電体144を構成する、例えばニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成される金属箔の一部により形成されている。第2のインターコネクタ接合部151は、燃料極側集電体144と同様に、略矩形の金属箔に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。第2のインターコネクタ接合部151は、特許請求の範囲における第2の接合部材に相当する。本実施形態では、Y軸方向は、特許請求の範囲における第3の方向に相当する。
本実施形態では、図9に示されたYZ断面において、各発電単位102におけるスペーサー149に対してY軸正方向の側の配置された第2のインターコネクタ接合部151は、Y軸方向に延伸しているY延伸部151Aと、Y延伸部151AのY軸負方向側の端部に接続され、上下方向に延伸している第2の上下延伸部151Bとを備えている。言い換えると、第2の上下延伸部151Bは、Y延伸部151Aの内、Y軸方向のスペーサー149に近い側の端部に接続されている。当該Y延伸部151Aは、例えばスポット溶接により、インターコネクタ150に接合されている。
各発電単位102の第2のインターコネクタ接合部151の一部は、スペーサー149に対してY軸正方向側に配置されている。より詳細には、第1のインターコネクタ接合部148の一部である第2の上下延伸部151Bは、スペーサー149に対してY軸正方向側に配置されている。
本実施形態では、図9に示されたYZ断面において、各発電単位102におけるスペーサー149に対してY軸負方向の側の配置された第2のインターコネクタ接合部151は、Y軸方向に延伸しているY延伸部151Aと、Y延伸部151AのY軸正方向側の端部に接続され、上下方向に延伸している第2の上下延伸部151Bとを備えている。言い換えると、第2の上下延伸部151Bは、Y延伸部151Aの内、Y軸方向のスペーサー149に近い側の端部に接続されている。当該Y延伸部151Aは、例えばスポット溶接により、インターコネクタ150に接合されている。
各発電単位102の第2のインターコネクタ接合部151の一部は、スペーサー149に対してY軸正方向側に配置されている。より詳細には、第1のインターコネクタ接合部148の一部である第2の上下延伸部151Bは、スペーサー149に対してY軸正方向側に配置されている。
A-4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100は、複数並べて配置された発電単位102を備えている。各発電単位102は、単セル110と、インターコネクタ150と、燃料極側集電体144と、スペーサー149とを備えている。単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(Z軸方向)に互いに対向する空気極114および燃料極116とを含む。インターコネクタ150は、単セル110に対して下方(上下方向の一方)の側に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ150の表面に接触するインターコネクタ接触部146と、燃料極116に接触する電極接触部145と、インターコネクタ接触部146と電極接触部145とをつなぐ連接部147とを備えている。スペーサー149は、燃料極側集電体144のインターコネクタ接触部146と電極接触部145との間に配置されている。各発電単位102の燃料極側集電体144は、一部がスペーサー149に対してX軸方向(図8に示されたXZ断面における上下方向に垂直な方向)における燃料極側集電体144の連接部147の側とは反対側に配置され、インターコネクタ150に接合された第1のインターコネクタ接合部148を備えている。
燃料電池スタック100において第1のインターコネクタ接合部148を備えない構成では、燃料電池スタック100の各部(例えば、燃料極116、インターコネクタ150)の熱膨張差などの要因から、燃料極側集電体144がスペーサー149を挟み込む力が確保できなくなり、スペーサー149のX軸方向の位置ずれが生じることがある。従って、この構成では、スペーサー149のX軸方向の位置ずれが生じることにより燃料室176(燃料極116が面する空間)内のガス(燃料ガスFG)の流れが悪化し、ひいては燃料電池スタック100の発電性能が低下するおそれがある。
これに対し、本実施形態の燃料電池スタック100では、上述の通り、各発電単位102の燃料極側集電体144は、一部がスペーサー149に対してX軸方向における燃料極側集電体144の連接部147の側とは反対側に配置され、インターコネクタ150に接合された第1のインターコネクタ接合部148を備えている。そのため、第1のインターコネクタ接合部148の存在により、スペーサー149のX軸方向の位置ずれが抑制される。従って、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、スペーサー149のX軸方向の位置ずれにより燃料室176内のガスの流れが悪化することに起因する燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、第1のインターコネクタ接合部148の上方(上下方向の上記一方とは反対の方向)の端E1の位置は、スペーサー149における上方(上下方向の上記一方とは反対の方向)の端E2の位置よりもインターコネクタ150の側である。そのため、第1のインターコネクタ接合部148は、単セル110から離隔している。
第1のインターコネクタ接合部148が単セル110に接触する(つまり、単セル110から離隔していない)構成においては、第1のインターコネクタ接合部148の存在により、燃料室176内と単セル110内との間のガスの流通が阻害され易く、これによりガスの拡散性が損なわれ易い。そのため、この構成では、単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となり易い。例えば、燃料室176から燃料極116へのガスの流通が阻害されることにより、ガスが燃料極116のX軸方向の中央部にまで至らないことがあり、単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となることがある。そのため、この構成では、単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となることにより、燃料電池スタック100の発電性能が低下するおそれがある。
これに対し、本実施形態の燃料電池スタック100では、上述の通り、第1のインターコネクタ接合部148における上下方向の端E1の位置は、スペーサー149の上方の端E2の位置よりもインターコネクタ150の側である。従って、第1のインターコネクタ接合部148は単セル110から離隔している。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100では、第1のインターコネクタ接合部148が単セル110に接触している構成と比べて、燃料室176内と単セル110内との間のガスの流通が阻害されることが抑制され、ひいては単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となることが抑制される。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となることに起因する燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、第1のインターコネクタ接合部148は、X軸方向に延伸している第1のX延伸部148Aと、第1のX延伸部148Aに接続された第1の上下延伸部148Bとを備えている。図8に示されたXZ断面において、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、上下方向(Z軸方向)のベクトル成分を有する方向に延伸している。そのため、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、X軸方向に延伸している部分を有していない。
例えば図10に示す比較例のように、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148BがX軸方向に延伸している部分(第1の上下延伸部148Bの上端部分)を有する構成では、第1のインターコネクタ接合部148の存在により、燃料室176(燃料極116が面する空間)内と単セル110内との間のガスの流通が特に阻害され易い。
これに対し、本実施形態の燃料電池スタック100では、上述の通り、図8に示されたXZ断面において、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、上下方向のベクトル成分を有する方向に延伸している。そのため、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、X軸方向に延伸している部分を有していない。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100では、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148BがX軸方向に延伸している部分を有する構成と比べて、燃料室176内と単セル110内との間のガスの流通が阻害されることが抑制され、ひいては単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となることが抑制される。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となることに起因する燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、第1のX延伸部148Aの内、X軸方向のスペーサー149に近い側の端部に接続されている。このような構成の第1のインターコネクタ接合部148は、X軸方向に位置ずれしようとするスペーサー149による荷重を受けたときに、移動したり変形(例えば、第1の上下延伸部148Bが曲がる、または折れる)したりしないように強固に耐えることができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、スペーサー149の位置ずれをより効果的に抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、各発電単位102の燃料極側集電体144は、燃料極側集電体144の連接部147とスペーサー149との間に空間180が形成されるように構成されている。
燃料電池スタック100の各部(例えば、燃料極116、インターコネクタ150)の熱膨張差等により燃料極116とインターコネクタ150との間が広がると、燃料極116と燃料極側集電体144の電極接触部145とが引き剥がされることがある。この結果、燃料極116と、燃料極側集電体144の電極接触部145との接触面積が小さくなり、これにより燃料電池スタック100の発電性能が低下することがある。
これに対し、本実施形態の燃料電池スタック100では、上述の通り、各発電単位102の燃料極側集電体144は、燃料極側集電体144の連接部147とスペーサー149との間に空間180が形成されるように構成されている。そのため、各発電単位102の燃料極側集電体144の電極接触部145の内、連接部147の側の部分と、インターコネクタ接触部146の内、連接部147の側の部分とは、いずれも燃料極116に接触していない。そのため、燃料極側集電体144は、燃料極116とインターコネクタ150との間が広がったときにある程度は自由に伸びることが可能である。従って、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、燃料極116とインターコネクタ150との間が広がることにより燃料極116と燃料極側集電体144の電極接触部145との接触面積が小さくなることを抑制することができ、ひいては燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、各発電単位102の燃料極側集電体144は、一部がスペーサー149に対してY軸方向(図8に示されたXZ断面に垂直な方向)の側に配置され、インターコネクタ150に接合された第2のインターコネクタ接合部151を備えている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100では、スペーサー149のY軸方向の位置ずれを抑制することもできる。
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(または変形例、以下同様)において、電極接触部145は、接合材を介して、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触している構成であってもよい。また、上記実施形態において、インターコネクタ接触部146は、接合材を介して、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している構成であってもよい。
また、上記実施形態では、第1のインターコネクタ接合部148および第2のインターコネクタ接合部151は、燃料極側集電体144を構成する部材(例えばニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成される金属箔)の一部により形成された構成であるが、第1のインターコネクタ接合部148および/または第2のインターコネクタ接合部151は、燃料極側集電体144を構成する部材とは別体の部材により構成されていてもよく、燃料極側集電体144を構成する部材の材質とは異なる材質である部材により構成されていてもよい。
また、上記実施形態の燃料電池スタック100は、第1のインターコネクタ接合部148における上方の端E1の位置が、スペーサー149の上方の端E2の位置よりもインターコネクタ150の側である構成とされているが、図11に示すように、第1のインターコネクタ接合部148における上方の端E1の位置が、スペーサー149の上方の端E2の位置と同一である構成が採用されてもよい。また、図12に示すように、第1のインターコネクタ接合部148における上方の端E1の位置が、スペーサー149の上方の端E2の位置よりもインターコネクタ150の側とは反対側である構成が採用されてもよい。これらの構成においても、第1のインターコネクタ接合部148が単セル110から離隔していれば、第1のインターコネクタ接合部148が単セル110に接触する構成と比べて、燃料室176内と単セル110内との間のガスの流通が阻害されることが抑制され、ひいては単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となることが抑制される。従って、これらの構成においても、単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となることに起因する燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
また、上記実施形態の燃料電池スタック100は、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bが、第1のX延伸部148Aの内、X軸方向のスペーサー149に近い側の端部に接続された構成であるが、当該第1の上下延伸部148Bが、第1のX延伸部148Aの内、X軸方向のスペーサー149の中心と重なる位置に接続された構成であってもよく、X軸方向のスペーサー149から遠い側の端部に接続された構成であってもよい。
また、上記実施形態の燃料電池スタック100は、図8に示されたXZ断面において、第1のインターコネクタ接合部148の全体がスペーサー149に対してX軸方向における燃料極側集電体144の連接部147の側とは反対側に配置された構成であってもよい。この構成においても、第1のインターコネクタ接合部148の存在により、スペーサー149のX軸方向の位置ずれを抑制することができる。
また、上記実施形態の燃料電池スタック100は、図9に示されたYZ断面において、第2のインターコネクタ接合部151の全体がスペーサー149に対してY軸方向の側に配置された構成であってもよい。この構成においても、第2のインターコネクタ接合部151の存在により、スペーサー149のY軸方向の位置ずれを抑制することができる。
また、上記実施形態の発電単位102は、第1のX延伸部148Aと第1の上下延伸部148Bとを備え、一部または全体がスペーサー149に対してX軸方向における当該燃料極側集電体144の連接部147の側とは反対側に配置された第1のインターコネクタ接合部148を備える構成である。発電単位102は、第1のインターコネクタ接合部148を備える構成に限られず、第1のインターコネクタ接合部148とは異なる構成の部材であって、一部または全体がX軸方向における当該燃料極側集電体144の連接部147の側とは反対側に配置された他の構成である部材(以下、「第1のインターコネクタ接合部148に相当する部材」という。)を備えていてもよい。
発電単位102が第1のインターコネクタ接合部148に相当する部材を備える例として、例えば、図13に示すように、上記実施形態において、発電単位102は、X軸方向に延伸している第2のX延伸部148Cと、第2のX延伸部148CのX軸正方向側の端部に接続され、上下方向に延伸している第3の上下延伸部148Dと、第3の上下延伸部148Dの上方側の端部に接続され、X軸正方向に延伸している第3のX延伸部148Eを備える第3のインターコネクタ接合部148Fを備える構成が採用されてもよい。第2のX延伸部148Cは、インターコネクタ150に接合されている。第3の上下延伸部148Dの全体(一部であってもよい)は、X軸方向における当該燃料極側集電体144の連接部147の側とは反対側に配置されている。この構成においても、第3のインターコネクタ接合部148Fの存在により、スペーサー149のX軸方向の位置ずれが抑制される。従って、この構成においても、スペーサー149のX軸方向の位置ずれにより燃料室176内のガスの流れが悪化することに起因する燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。なお、この構成では、第3のインターコネクタ接合部148Fが、特許請求の範囲における第1の接合部材に相当する。
発電単位102が第1のインターコネクタ接合部148に相当する部材を備える例として、例えば、図14に示すように、上記実施形態において、発電単位102は、インターコネクタ接触部146のX軸負方向側に接続され、上下方向に延伸している第4の上下延伸部148Gと、第4の上下延伸部148Gの上方の端部に接続され、X軸正方向に延伸する第4のX延伸部148Hとを備える第4のインターコネクタ接合部148Iを備える構成が採用されてもよい。燃料極側集電体144のインターコネクタ接触部146は、インターコネクタ150に接合されている。第4の上下延伸部148Gは、スペーサー149に対してX軸方向における燃料極側集電体144の連接部147の側とは反対側に配置されている。この構成においても、一部(全体であってもよい)がスペーサー149に対してX軸方向における燃料極側集電体144の連接部147の側とは反対側に配置され、インターコネクタ150に接合された燃料極側集電体144と一体に形成された第4のインターコネクタ接合部148Iの存在により、スペーサー149のX軸方向の位置ずれが抑制される。従って、この構成においても、スペーサー149のX軸方向の位置ずれにより燃料室176内のガスの流れが悪化することに起因する燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。なお、この構成では、第4のインターコネクタ接合部148Iが、特許請求の範囲における第1の接合部材に相当する。
同様に、発電単位102は、第2のインターコネクタ接合部151を備える構成に限られず、第2のインターコネクタ接合部151とは異なる構成の部材であって、一部または全体がスペーサー149に対してY軸方向の側に配置され、インターコネクタ150に接合された他の構成である部材(以下、「第2のインターコネクタ接合部151に相当する部材」という。)を備える構成であってもよい。この構成では、第2のインターコネクタ接合部151に相当する部材が、特許請求の範囲における第2の接合部材に相当する。
また、上記実施形態では、燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102において、インターコネクタ接触部146と、電極接触部145と、連接部147と、第1のインターコネクタ接合部148(図13の変形例では第3のインターコネクタ接合部148F、図14の変形例では第4のインターコネクタ接合部148I。以下同様)と、第2のインターコネクタ接合部151とを備える構成であるが、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも1つの発電単位102において、インターコネクタ接触部146と、電極接触部145と、連接部147と、第1のインターコネクタ接合部148および/または第2のインターコネクタ接合部151とを備える構成であれば、当該発電単位102の電極接触部145とインターコネクタ接触部146との間に配置されたスペーサー149の位置ずれを抑制することができる。
また、上記実施形態では、燃料極側集電体144は、燃料極側集電体144の連接部147とスペーサー149との間に空間180が形成される構成であるが、燃料極側集電体144の連接部147とスペーサー149との間に空間180が形成されないように燃料極側集電体144の連接部147とスペーサー149とが接触する構成であってもよい。
上記実施形態において、発電単位102は、スペーサー149に対してY軸正方向の側に配置された第2のインターコネクタ接合部151と、スペーサー149に対してY軸負方向の側に配置された第2のインターコネクタ接合部151とのいずれかのみを備える構成であってもよい。この構成においても、第2のインターコネクタ接合部151の存在により、スペーサー149のY軸方向の位置ずれを抑制することができる。
また、上記実施形態の燃料電池スタック100は、発電単位102は第2のインターコネクタ接合部151に備え、これによりスペーサー149のY軸方向の位置ずれを抑制する構成であるが、上記実施形態の燃料電池スタック100において、図15に示すように、発電単位102は第2のインターコネクタ接合部151を備えず、スペーサー149は上下方向視で燃料極側集電体144の外側まで突出する部分であってX軸方向視(上下方向に垂直な方向視)で燃料極側集電体144に重なる部分である突出部149Aを有する構成が採用されてもよい。なお、ここでいうX軸方向視は、「X軸方向に平行な方向から見たとき」を意味する(以下における「X軸方向視」も同様)。この構成では、スペーサー149の突出部149Aの存在により、スペーサー149のY軸方向の位置ずれが抑制される。
上記実施形態において、図8に示されたXZ断面において、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、上下方向(Z軸方向)以外の方向に延伸している構成であってもよい。例えば、図16に示すように、同断面(図8に示されたXZ断面)において、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、上下方向以外の方向であって、上下方向のベクトル成分を有する方向に延伸している構成であってもよい。また、同断面(図8に示されたXZ断面)において、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148Bは、上下方向に延伸している部分と、上下方向以外の方向であって、上下方向のベクトル成分を有する方向に延伸している部分とで構成されてもよい。これらの構成においても、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148BがX軸方向に延伸している部分を有していないことにより、第1のインターコネクタ接合部148の第1の上下延伸部148BがX軸方向に延伸している部分を有する構成と比べて、燃料室176内と単セル110内との間のガスの流通が阻害されることが抑制され、ひいては単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となることが抑制される。そのため、これらの構成においても、単セル110の各部に供給されるガスの量が不均一となることに起因する燃料電池スタック100の発電性能の低下を抑制することができる。
また、上記実施形態において、発電単位102は、上下方向に平行な断面であって、図8に示されたXZ断面とは異なる他の断面(以下、単に「他の断面」という。)においても、インターコネクタ接触部146と、電極接触部145と、連接部147と、第1のインターコネクタ接合部148および/または第2のインターコネクタ接合部151とを備える構成が採用されてもよい。この構成においては、他の断面の第1のインターコネクタ接合部148の存在により、他の断面における上下方向に垂直な方向におけるスペーサー149の位置ずれを抑制することができ、他の断面の第2のインターコネクタ接合部151の存在により、他の断面に垂直な方向におけるスペーサー149の位置ずれを抑制することができる。
上記実施形態の燃料電池スタック100において、空気極側集電体134が、単セル110に対して上方(上下方向の一方)の側に配置されたインターコネクタ150(以下、当該インターコネクタ150を特に指すときには「上側のインターコネクタ150」という。)の表面に接触するインターコネクタ接触部と、空気極114に接触する電極接触部と、当該インターコネクタ接触部と当該電極接触部とをつなぐ連接部と、一部または全体がX軸方向における当該連接部の側とは反対側に配置された第1のインターコネクタ接合部(以下、「空気極側の第1のインターコネクタ接合部」という。)とを備え、当該インターコネクタ接触部と当該電極接触部との間にスペーサー(スペーサー149と同様の材料および形状である部材。以下、「空気極側スペーサー」という。)が配置されている構成が採用されてもよい。この構成においても、上記実施形態の場合と同様の理由から、空気極側スペーサーのX軸方向およびY軸方向の位置ずれが問題となるが、空気極側の第1のインターコネクタ接合部の存在により、空気極側スペーサーのX軸方向の位置ずれを抑制することができる。なお、この構成では、空気極側の第1のインターコネクタ接合部は、特許請求の範囲における第1の接合部材に相当する。また、このような構成に換えて、または加えて、上記実施形態の燃料電池スタック100において、発電単位102は、空気極側スペーサーに対してY軸方向の側に配置された第2のインターコネクタ接合部であって、一部または全体が空気極側スペーサーに対してY軸方向の側に位置する第2のインターコネクタ接合部(以下、「空気極側の第2のインターコネクタ接合部」という。)を備える構成が採用されてもよい。この構成においても、上記実施形態の場合と同様の理由から、空気極側の第2のインターコネクタ接合部の存在により、空気極側スペーサーのY軸方向の位置ずれを抑制することができる。空気極側の第2のインターコネクタ接合部は、特許請求の範囲における第2の接合部材に相当する。なお、この構成では、本実施形態では、発電単位102に備えられた一対のインターコネクタ150の内、上側のインターコネクタ150が、特許請求の範囲における第1の導電部材に相当する。
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(SOEC)の最小単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016-81813号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替えればよい。