特許 6154042 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6154042

(24)【登録日】2017年6月9日

(45)【発行日】2017年6月28日

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/24 20160101AFI20170619BHJP

   H01M 8/2485 20160101ALI20170619BHJP

   H01M 8/2484 20160101ALI20170619BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20170619BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/24 E

   H01M8/24 S

   H01M8/24 M

   !H01M8/12

【請求項の数】1

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-93646(P2016-93646)

(22)【出願日】2016年5月9日

【審査請求日】2017年1月25日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

(72)【発明者】

【氏名】山村 嘉彦

(72)【発明者】

【氏名】清水 壮太

(72)【発明者】

【氏名】中村 俊之

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 梨沙子

【審査官】 松本 陶子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０７１７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１４４１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１８６６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２６５７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８００００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１２９２８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４

Ｈ０１Ｍ ８／２４８４

Ｈ０１Ｍ ８／２４８５

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

運転モードにおいて外部回路に電流を流すように構成された燃料電池スタックであって、
導電性の天板を有するマニホールドと、
発電素子部を有し、前記天板に支持される燃料電池セルと、
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と、
を備え、
前記運転モードにおいて、前記燃料電池スタックは、前記燃料電池セルから前記天板へ前記電流の一部を流すように構成され、
前記燃料電池スタックは、その定格電流の０．０１〜１％の電流を前記天板に流すように構成される、
燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

【背景技術】

【0002】

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）。各燃料電池セルは、マニホールドから上方に延びるように、マニホールドに支持されている。各燃料電池セルは、複数のガス流路を内部に有している。各燃料電池セルの各ガス流路に対して、マニホールドを介してガスが分配される。

【0003】

マニホールドは、天板に複数の貫通孔を有している。この貫通孔に燃料電池セルの下端部が挿入され、接合材によって燃料電池セルと天板とが接合される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５−１６４０９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したような構成の燃料電池スタックを運転させると、接合材にクラックが発生することがある。

【0006】

本発明の課題は、接合材のクラックの発生を抑制できる燃料電池スタックを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある側面に係る燃料電池スタックは、運転モードにおいて外部回路に電流を流すように構成されている。この燃料電池スタックは、マニホールドと、燃料電池セルと、接合材とを備えている。マニホールドは、導電性の天板を有する。燃料電池セルは、天板に支持される。接合材は、燃料電池セルとマニホールドとを接合する。運転モードにおいて、燃料電池スタックは、燃料電池セルから天板へ電流の一部を流すように構成されている。

【0008】

この構成によれば、まず、運転モードにおいて、燃料電池セルは高温となる。また、燃料電池セルから外部回路へと流れる電流の一部が天板を流れる。天板に電流が流れるとジュール熱によって天板の温度が上昇する。このため、天板と燃料電池セルとの間に配置される接合材の内部の温度勾配が小さくなる。この結果、接合材に発生する応力負荷が低減され、ひいては、接合材のクラックの発生を抑制することができる。

【0009】

好ましくは、燃料電池スタックは、その定格電流の０．０１％以上の電流を天板に流すように構成される。このように定格電流の０．０１％以上の電流を天板に流すことによって、天板の温度を十分に上昇させることができる。

【0010】

好ましくは、燃料電池スタックは、その定格電流の１％以下の電流を天板に流すように構成される。

【0011】

好ましくは、燃料電池セルは、近位端部と緻密膜とを有する。近位端部は、マニホールド側に配置される端部である。緻密膜は、発電素子部と電気的に接続している。また、緻密膜は、近位端部を覆う絶縁性セラミックスで構成されている。接合材は、緻密膜と天板とを接合する。この構成によれば、緻密膜及び接合材を介して、発電素子部からの電流の一部を天板に流すことができる。

【0012】

なお、燃料電池セルが上述したように緻密膜を有する場合、緻密膜は、電解質及び反応防止膜の少なくともいずれかを含むような構成とすることもできる。なお、緻密膜は、その他の構成とすることもできる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、燃料電池セルに供給されるガスを予熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】燃料電池スタックの斜視図。

【図2】燃料電池スタックの断面図。

【図3】燃料マニホールドの斜視図。

【図4】燃料電池セルの斜視図。

【図5】燃料電池セルの断面図。

【図6】燃料電池セルの断面図。

【図7】燃料電池セルとマニホールドとの接合部を示す図。

【図8】燃料電池スタックへのガス供給方法を示す図。

【図9】燃料電池スタックの製造方法を示す図。

【図10】燃料電池スタックの製造方法を示す図。

【図11】変形例に係る燃料電池スタックの断面図。

【図12】変形例に係る燃料電池スタックの断面図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。以下の説明において、「近位」及び「遠位」とは、マニホールド２００を基準にした燃料電池セル３０１の長手方向（ｘ軸方向）の位置関係を示す。

【0016】

［燃料電池スタック］
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１００は、マニホールド２００と、複数の燃料電池セル３０１と、第１接合材１０１と、を備えている。また、燃料電池スタック１００は、複数の集電部材３０２と、第２接合材１０２とを備えている。燃料電池セル３０１は、固体酸化物形燃料電池として構成されている。なお、第１接合材１０１が、本発明の接合材に相当する。

【0017】

［マニホールド］
図３に示すように、マニホールド２００は、燃料ガスを各燃料電池セル３０１に供給するように構成されている。マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド２００の内部空間には、導入管２０１を介して燃料ガスが供給される。マニホールド２００は、天板２０３と、マニホールド本体２０４と、を有している。マニホールド２００の長手方向は燃料電池セル３０１の厚さ方向（ｚ軸方向）に沿って延びている。

【0018】

マニホールド本体２０４は、底板と側板とを有している。具体的には、マニホールド本体２０４は、上面が開口した直方体状である。このマニホールド本体２０４の上面は、天板２０３によって封鎖されている。

【0019】

天板２０３は、複数の貫通孔２０２を有している。各貫通孔２０２は、燃料電池セル３０１の厚さ方向（ｚ軸方向）に沿って並ぶ複数の貫通孔２０２を有している。各貫通孔２０２は、マニホールド２００の内部空間と外部とを連通する。この貫通孔２０２を介して、ガスを各燃料電池セル３０１に供給する。

【0020】

天板２０３は、導電性を有している。例えば、天板２０３は、金属によって構成されており、具体的には、汎用フェライト系ステンレス鋼、ＳＯＦＣ専用フェライト系ステンレス鋼、またはニッケル系特殊鋼等によって構成されている。マニホールド本体２０４は、導電性を有していてもよいし有していなくてもよい。すなわち、天板２０３とマニホールド本体２０４とは、互いに同じ材料で構成されていてもよいし違う材料で構成されていてもよい。

【0021】

［燃料電池セル］
図４に示すように、燃料電池セル３０１は、複数の発電素子部１０と、支持基板２０とを備えている。各発電素子部１０は、支持基板２０の両面に支持されている。なお、各発電素子部１０は、支持基板２０の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１０は、燃料電池セル３０１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。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル３０１は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。

【0022】

各発電素子部１０は、電気的接続部３０（図５参照）によって互いに電気的に接続されている。また、図２に示すように、燃料電池セル３０１の遠位端部３０４側において、支持基板２０の一方面に形成された発電素子部１０と他方面に形成された発電素子部１０とが集電部材５００によって電気的に接続されている。なお、各発電素子部１０は、直列に接続されている。

【0023】

支持基板２０は、支持基板２０の長手方向に延びる複数のガス流路２１を内部に有している。各ガス流路２１は、互いに実質的に平行に延びている。

【0024】

図５に示すように、支持基板２０は、複数の第１凹部２２を有している。各第１凹部２２は、支持基板２０の両面に形成されている。各第１凹部２２は支持基板２０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。なお、各第１凹部２２は、支持基板２０の幅方向（ｙ軸方向）の両端部には形成されていない。

【0025】

支持基板２０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２０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２０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２０の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

【0026】

各発電素子部１０は、燃料極４、電解質５、及び空気極６を有している。また、各発電素子部１０は、反応防止膜７をさらに有している。燃料極４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４は、燃料極集電部４１と燃料極活性部４２とを有する。

【0027】

燃料極集電部４１は、第１凹部２２内に配置されている。詳細には、燃料極集電部４１は、第１凹部２２内に充填されており、第１凹部２２と同様の外形を有する。各燃料極集電部４１は、第２凹部４１ａ及び第３凹部４１ｂを有している。燃料極活性部４２は、第２凹部４１ａ内に配置されている。詳細には、燃料極活性部４２は、第２凹部４１ａ内に充填されている。

【0028】

燃料極集電部４１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４１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４１の厚さ、並びに第１凹部２２の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

【0029】

燃料極活性部４２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４２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４２の厚さは、５〜３０μｍである。

【0030】

電解質５は、燃料極４上を覆うように配置されている。詳細には、電解質５は、あるインターコネクタ３１から他のインターコネクタ３１まで長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル３０１の長手方向において、電解質５とインターコネクタ３１とが交互に配置されている。

【0031】

電解質５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５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５は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質５の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

【0032】

反応防止膜７は、緻密な材料からなる焼成体であり、平面視において、燃料極活性部４２と略同一の形状である。反応防止膜７は、電解質５を介して、燃料極活性部４２と対応する位置に配置されている。反応防止膜７は、電解質５内のＹＳＺと空気極６内のＳｒとが反応して電解質５と空気極６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７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７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

【0033】

空気極６は、反応防止膜７上に配置されている。空気極６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６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６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６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６の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

【0034】

電気的接続部３０は、隣り合う発電素子部１０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３０は、隣り合う発電素子部１０を直列に接続している。なお、電気的接続部３０は、隣り合う発電素子部１０を並列に接続していてもよい。

【0035】

電気的接続部３０は、インターコネクタ３１及び空気極集電膜３２を有する。インターコネクタ３１は、第３凹部４１ｂ内に配置されている。詳細には、インターコネクタ３１は、第３凹部４１ｂ内に埋設（充填）されている。インターコネクタ３１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３１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３１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３１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

【0036】

空気極集電膜３２は、隣り合う発電素子部１０のインターコネクタ３１と空気極６との間を延びるように配置される。例えば、図５の左側に配置された発電素子部１０の空気極６と、図５の右側に配置された発電素子部１０のインターコネクタ３１とを電気的に接続するように、空気極集電膜３２が配置されている。空気極集電膜３２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。

【0037】

空気極集電膜３２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３２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３２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３２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

【0038】

図２に示すように、各燃料電池セル３０１は、マニホールド２００の天板２０３に支持されている。各燃料電池セル３０１は、マニホールド２００の天板２０３から上方（ｘ軸方向）に延びている。すなわち、各燃料電池セル３０１の長手方向は、上方に延びている。各燃料電池セル３０１は、その厚さ方向（ｚ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各燃料電池セル３０１は、その厚さ方向において、対向するように配置されている。

【0039】

図６に示すように、燃料電池セル３０１の近位端部３０３は、緻密膜１１によって覆われている。詳細には、緻密膜１１は、支持基板２０を覆っている。緻密膜１１は、発電素子部１０と電気的に接続されている。詳細には、緻密膜１１は、電気的接続部３０と電気的に接続されている。緻密膜１１は、空気極集電膜３２と支持基板２０との間から近位側に向かって延びている。

【0040】

緻密膜１１は、緻密膜１１の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜１１の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。このガスシール機能を発揮するため、この緻密膜１１の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜１１は、絶縁性セラミックスで構成されている。

【0041】

具体的には、緻密膜１１は、上述した電解質５と反応防止膜７によって構成されている。電解質５は、支持基板２０を覆っており、インターコネクタ３１から支持基板２０の近位端近傍まで延びている。反応防止膜７は、電解質５を覆っている。なお、燃料電池セル３０１の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質５の方が反応防止膜７よりも長い。このため、電解質５の両端部は、反応防止膜７に覆われていない。

【0042】

［第１接合材］
図６及び図７に示すように、各燃料電池セル３０１は、マニホールド２００の貫通孔２０２に挿入されている。燃料電池セル３０１は、貫通孔２０２に挿入された状態で、第１接合材１０１によってマニホールド２００の天板２０３に固定されている。

【0043】

第１接合材１０１は、燃料電池セル３０１が挿入された状態の貫通孔２０２内に充填される。すなわち、第１接合材１０１は、燃料電池セル３０１の外周面と、貫通孔２０２を画定する壁面との隙間に充填される。上述したように、各燃料電池セル３０１の近位端部３０３の外周面は、緻密膜１１によって覆われている。このため、第１接合材１０１は、緻密膜１１と天板２０３とを接合している。なお、第１接合材１０１は、電解質５及び反応防止膜７の少なくとも一方と接触している。本実施形態では、電解質５の方が、反応防止膜７よりも近位側に延びている。このため、第１接合材１０１は、電解質５と反応防止膜７との両方に接触している。

【0044】

第１接合材１０１は、例えば、結晶化ガラスである。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、第１接合材１０１の材料として、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、第１接合材１０１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。

【0045】

［集電部材］
図２に示すように、集電部材３０２は、各燃料電池セル３０１の間に配置されている。集電部材３０２は、燃料電池セル３０１の厚さ方向（ｚ軸方向）において、隣り合う燃料電池セル３０１を互いに電気的に接続している。

【0046】

集電部材３０２は、第２接合材１０２を介して、各燃料電池セル３０１に接合されている。第２接合材１０２は、導電性であり、酸化物セラミックスの焼成体、貴金属系（Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ）、卑金属系（Ｎｉ、Ｎｉ基合金、Ｎｉとセラミックスのコンポジット）の材料によって形成される。具体的には、第１接合材１０１及び第２接合材１０１ｂは、例えば、ペロブスカイト酸化物、又はスピネル酸化物などが挙げられる。ペロブスカイト酸化物としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３等が挙げられる。スピネル酸化物としては、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、又は（Ｍｎ，Ｆｅ）_３Ｏ_４等よりなる群から選ばれる少なくとも１種によって形成される。

【0047】

集電部材３０２は、複数の発電素子部１０のうち、最も近位側（マニホールド２００側）に位置する発電素子部１０Ａよりも近位側に配置されている。詳細には、図６に示すように、集電部材３０２は、最も近位側に位置する発電素子部１０Ａから延びる空気極集電膜３２に接合されている。

【0048】

集電部材３０２は、ブロック状であり、例えば、直方体状又は円柱状である。集電部材３０２の厚さは、例えば、０．５〜５ｍｍ程度とすることができる。なお、集電部材３０２の厚さとは、厚さ方向（ｚ軸方向）の寸法を言う。

【0049】

集電部材３０２は、導電性であり、例えば、酸化物セラミックスの焼成体で構成されている。このような酸化物セラミックスとしては、例えば、ペロブスカイト酸化物、又はスピネル酸化物などが挙げられる。ペロブスカイト酸化物としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３等が挙げられる。スピネル酸化物としては、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、又は（Ｍｎ，Ｆｅ）_３Ｏ_４等が挙げられる。また、集電部材はＳＯＦＣ用特殊鋼（Ｆｅ−Ｃｒ合金）であってもよい。この集電部材３０２は、例えば、可撓性を有していない。

【0050】

［発電方法］
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２００を介して各燃料電池セル３０１の燃料ガス流路２１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板２０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５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６において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極４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）

【0051】

酸素を含むガスは、例えば、図８に示すように、幅方向に沿って流れるように、集電部材３０２とマニホールド２００との間の空間に供給される。詳細には、燃料電池スタック１００は、ガス供給部材４００をさらに有している。ガス供給部材４００は、各燃料電池セル３０１の間において、各集電部材３０２とマニホールド２００の天板２０３と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から供給されたガスが効率的に上方へ流れるよう、案内板４０１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４０１は、平板状であって、燃料電池セル３０１の長手方向に延びるとともに、燃料電池セル３０１の厚さ方向に延びている。

【0052】

以上のように発電する各発電素子部１０は、電気的接続部３０を介して、互いに直列に接続されている。また、各燃料電池セル３０１は、集電部材３０２を介して、互いに直列に接続されている。このように各燃料電池セルが接続された燃料電池スタック１００を外部回路（図示省略）に接続することで、外部回路へと電流を流すことができる。その一方で、本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、一部の電流を、緻密膜１１及び第１接合材１０１を介してマニホールド２００の天板２０３に流すように構成されている。具体的には、燃料電池スタック１００は、その定格電流の０．０１％以上の電流を天板２０３に流すように構成されている。好ましくは、燃料電池スタック１００は、その定格電流の０．０１〜１％の電流を天板２０３に流すように構成されている。なお、燃料電池スタック１００の定格電流は、例えば、０．１〜１００Ａ程度である。

【0053】

例えば、各燃料電池セル３０１の空気極集電膜３２の近位端からマニホールド２００の天板２０３の上面までの距離ｄ１や、燃料電池セル３０１と天板２０３との距離ｄ２、緻密膜１１の導電率及び膜厚、の少なくともいずれかを調整することなどによって、天板２０３に流す電流の大きさを調整することができる。なお、本実施形態において、燃料電池セル３０１と天板２０３との距離ｄ２とは、緻密膜１１の表面と貫通孔２０２の内壁面との距離を言う。

【0054】

具体的には、燃料電池セル３０１の長手方向（ｘ軸方向）において、距離ｄ１を１００ｍｍ以下程度にしたり、距離ｄ２を１ｍｍ以下としたり、緻密膜１１の導電率を０．０１Ｓ/ｃｍ以上とし膜厚を５μｍ以上としたりすることなどによって、燃料電池スタック１００の定格電流の０．０１％以上の電流を天板２０３に流すことができる。

【0055】

［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の製造方法について説明する。

【0056】

まず、マニホールド２００と複数の燃料電池セル３０１とを準備する。そして、図９に示すように、集電部材３０２、及び第２接合材１０２によって、各燃料電池セル３０１を互いに接続し、セル集合体３００を作製する。なお、この段階では第２接合材１０２は焼成されておらず、各燃料電池セル３０１は互いに仮止めの状態である。

【0057】

次に、図１０に示すように、セル集合体３００の各燃料電池セル３０１の下端部をマニホールド２００の各貫通孔２０２に挿入する。なお、各燃料電池セル３０１が厚さ方向に沿って所定の間隔を保持するための治具を用いてもよい。

【0058】

次に、図２に示すように、燃料電池セル３０１が挿入された状態の貫通孔２０２内に第１接合材１０１を充填する。なお、第１接合材１０１は、支持板の表面から上方に向けてはみ出す程度まで充填することが好ましい。

【0059】

次に、第１接合材１０１及び第２接合材１０２に対して熱処理が加えられる。この熱処理によって、第１接合材１０１及び第２接合材１０２が固化され、燃料電池スタック１００が完成する。詳細には、第２接合材１０２は、熱処理を施されることによって焼成される。この結果、各燃料電池セル３０１と集電部材３０２とが固定される。また、第１接合材１０１は、熱処理を施されることによって、非晶質材料の温度が結晶化温度まで到達する。そして、結晶化温度下にて材料の内部で結晶相が生成されて、結晶化が進行していく。この結果、非晶質材料が固化・セラミックス化されて、結晶化ガラスとなる。これにより、結晶化ガラスで構成される第１接合材１０１が機能を発揮し、各燃料電池セル３０１の近位端部がマニホールド２００に固定される。その後、所定の治具が燃料電池スタック１００から取り外される。

【0060】

［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。

【0061】

変形例１
上記実施形態では、一対の燃料電池セル３０１の間に１つの集電部材３０２が配置されていたが、燃料電池スタック１００の構成はこれに限定されない。例えば、図１１に示すように、一対の燃料電池セル３０１間に複数の集電部材３０２が配置されていてもよい。各集電部材３０２は、燃料電池セル３０１の幅方向（ｙ軸方向）に互いに間隔をあけて配置されている。

【0062】

変形例２
上記実施形態では、各集電部材３０２は、各燃料電池セル３０１の近位端部３０３側において、隣り合う燃料電池セル３０１同士を接続しているが、接続箇所はこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、各集電部材３０２は、各燃料電池セル３０１の遠位端部３０４において、隣り合う燃料電池セル３０１を接続していてもよい。

【0063】

変形例３
上記実施形態では、緻密膜１１は、電解質５と反応防止膜７とによって構成されていたが、緻密膜１１の構成はこれに限定されない。

【符号の説明】

【0064】

５ ：電解質
７ ：反応防止膜
１０ ：発電素子部
１１ ：緻密膜
１００ ：燃料電池スタック
１０１ ：第１接合材
２００ ：マニホールド
２０３ ：天板
３０１ ：燃料電池セル
３０３ ：近位端部

【要約】

【課題】接合材のクラックの発生を抑制できる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、運転モードにおいて外部回路に電流を流すように構成されている。この燃料電池スタックは、マニホールドと、燃料電池セル３０１と、第１接合材１０１とを備えている。マニホールドは、導電性の天板２０３を有する。燃料電池セル３０１は、天板２０３に支持される。第１接合材１０１は、燃料電池セル３０１とマニホールドとを接合する。運転モードにおいて、燃料電池スタックは、燃料電池セル３０１から天板２０３へ電流の一部を流すように構成されている。
【選択図】図６

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】