特許 6239707 燃料電池スタック、及び燃料電池セル

(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】6239707

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】燃料電池スタック、及び燃料電池セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0202 20160101AFI20171120BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20171120BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 Y

   !H01M8/12

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-167115(P2016-167115)

(22)【出願日】2016年8月29日

【審査請求日】2017年5月29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】三浦 遥平

(72)【発明者】

【氏名】小笠原 徳之

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

【審査官】 太田 一平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０５１６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１８１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１７０４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１３５７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５３１２４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７５３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３３１８７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３４２０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１７１５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１３８０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０１２４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１９５３３４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８ − ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料マニホールドと、
長手方向に沿って延びるガス流路を含む支持基板、前記支持基板上において前記長手方向に沿って互いに間隔をあけて配置される複数の発電素子部、及び前記各発電素子部と電気的に接続される複数のインターコネクタを有し、前記燃料マニホールドから延びる燃料電池セルと、
を備え、
前記各インターコネクタのうち、最もガス供給側に配置された基端側インターコネクタの面積は、他のインターコネクタの面積の平均値よりも大きい、
燃料電池スタック。

【請求項2】

前記各インターコネクタのうち、前記基端側インターコネクタの面積が最も大きい、
請求項１に記載の燃料電池スタック。

【請求項3】

前記基端側インターコネクタの面積は、前記各インターコネクタのうち前記長手方向の中央部に配置される中央インターコネクタの面積よりも大きい、
請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。

【請求項4】

前記他のインターコネクタの面積の平均値（Ｓ０）に対する、前記基端側インターコネクタの面積Ｓａの割合（Ｓａ／Ｓ０）は、１．１以上である、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタック。

【請求項5】

長手方向に沿って延びるガス流路を含む支持基板と、
前記支持基板上において前記長手方向に沿って互いに間隔をあけて配置される複数の発電素子部と、
前記各発電素子部を電気的に接続する複数のインターコネクタと、
を備え、
前記各インターコネクタのうち、最もガス供給側に配置された基端側インターコネクタの面積は、他のインターコネクタの面積の平均値よりも大きい、
燃料電池セル。

【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、及び燃料電池セルに関するものである。

【背景技術】

【0002】

燃料電池スタックは、燃料マニホールドと、燃料マニホールドから延びる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、支持基板と、複数の発電素子部と、複数のインターコネクタとを有している。支持基板は、長手方向に延びるガス流路を有している。各発電素子部は、支持基板上において長手方向に間隔をあけて配置されている。各発電素子部は、インターコネクタによって電気的に接続されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５５５１８０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したような燃料電池スタックにおいて、発電効率を向上させることが要求されている。そこで、本発明の課題は、発電効率をより向上させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明者らは、鋭意研究の結果、ガス供給側のインターコネクタが、燃料電池セルの発電効率の低下の要因となることを見出した。すなわち、各発電素子部は、燃料ガス及び空気が供給されて発電する。ここで、供給される燃料ガス又は空気が十分に予熱されていない場合、最もガス供給側に配置された基端側インターコネクタが燃料ガス又は空気によって冷却されてしまう。この結果、他のインターコネクタに比べて基端側インターコネクタの電気抵抗が大きくなってしまい、燃料電池セルの発電効率が低くなるおそれがある。

【0006】

そこで、本発明の第１側面に係る燃料電池スタックは、燃料マニホールドと、燃料電池セルとを備えている。燃料電池セルは、燃料マニホールドから延びている。燃料電池セルは、支持基板、複数の発電素子部、及び複数のインターコネクタを有する。支持基板は、長手方向に沿って延びるガス流路を含む。各発電素子部は、支持基板上に配置されている。また、各発電素子部は、長手方向に沿って互いに間隔をあけて配置されている。各インターコネクタは、各発電素子部と電気的に接続されている。各インターコネクタのうち、最もガス供給側に配置された基端側インターコネクタの面積は、他のインターコネクタの面積の平均値よりも大きい。

【0007】

この構成によれば、最もガス供給側に配置された基端側インターコネクタの面積が、他のインターコネクタの面積の平均値よりも大きいため、基端側インターコネクタの電流密度が小さくなり、基端側インターコネクタの電気抵抗を小さくすることができる。この結果、温度低下によって基端側インターコネクタの電気抵抗が大きくなった場合であっても、基端側インターコネクタの電気抵抗と他のインターコネクタの電気抵抗との差を小さくすることができる。したがって、燃料電池セルの発電効率を向上させることができる。

【0008】

好ましくは、各インターコネクタのうち、基端側インターコネクタの面積が最も大きい。

【0009】

好ましくは、基端側インターコネクタは、各インターコネクタのうち長手方向の中央部に配置される中央インターコネクタの面積よりも大きい。通常、長手方向の中央に配置される中央インターコネクタの温度が最も高くなるため、中央インターコネクタの電気抵抗と基端側インターコネクタの電気抵抗との差が最も大きくなる。そこで、基端側インターコネクタの面積を中央インターコネクタの面積よりも大きくすることで、基端側インターコネクタの電気抵抗と中央インターコネクタの電気抵抗との差を小さくすることができる。この結果、燃料電池セルの発電効率を向上させることができる。

【0010】

好ましくは、他のインターコネクタの面積の平均値（Ｓ０）に対する、基端側インターコネクタの面積（Ｓａ）の割合（Ｓａ／Ｓ０）は、１．１以上である。

【0011】

本発明の第２側面に係る燃料電池セルは、支持基板と、複数の発電素子部と、複数のインターコネクタとを備えている。支持基板は、長手方向に沿って延びるガス流路を含んでいる。各発電素子部は、支持基板上において長手方向に沿って互いに間隔をあけて配置される。各インターコネクタは、各発電素子部を電気的に接続している。各インターコネクタのうち、最もガス供給側に配置された基端側インターコネクタの面積は、他のインターコネクタの面積の平均値よりも大きい。

【0012】

この構成によれば、最もガス供給側に配置された基端側インターコネクタの面積が、他のインターコネクタの面積の平均値よりも大きいため、基端側インターコネクタの電流密度が小さくなり、基端側インターコネクタの電気抵抗を小さくすることができる。この結果、温度低下によって基端側インターコネクタの電気抵抗が大きくなった場合であっても、基端側インターコネクタの電気抵抗と他のインターコネクタの電気抵抗との差を小さくすることができる。したがって、燃料電池セルの発電効率を向上させることができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係る燃料電池スタックによれば、発電効率を向上させることができる。

【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】燃料電池セルの断面図。

【図8】燃料電池セルと燃料マニホールドとの接合部を示す図。

【図9】燃料電池スタックへのガス供給方法を示す図。

【図10】電流の流れ方向を示す燃料電池セルの断面図。

【図11】燃料電池スタックの製造方法を示す図。

【図12】燃料電池スタックの製造方法を示す図。

【図13】実施例に係る燃料電池セルの概略図。

【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。

【0016】

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１００は、燃料マニホールド２００と、複数の燃料電池セル３０１と、を備えている。

【0017】

［燃料マニホールド］
図３に示すように、燃料マニホールド２００は、燃料ガスを各燃料電池セル３０１に分配するように構成されている。燃料マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有している。燃料マニホールド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。燃料マニホールド２００は、互いに間隔をあけて並ぶ複数の貫通孔２０２を有している。各貫通孔２０２は、燃料マニホールド２００の天板２０３に形成されている。各貫通孔２０２は、燃料マニホールド２００の内部空間と外部とを連通する。

【0018】

［燃料電池セル］
図２に示すように、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド２００から延びている。詳細には、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド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（ｘ軸方向）は、上方に延びている。図４及び図５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、複数のインターコネクタ３１を備えている。

【0019】

［支持基板］
支持基板２０は、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）に沿って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。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。

【0020】

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。

【0021】

［発電素子部］
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、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。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。長手方向に隣り合う発電素子部１０は、電気的接続部３０によって互いに電気的に接続されている。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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（ｚ軸方向視）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。

【0029】

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。

【0030】

［電気的接続部］
電気的接続部３０は、支持基板２０の長手方向に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。また、後述する集電部材３０２と発電素子部１０との間に配置された電気的接続部３０は、集電部材３０２と発電素子部１０とを電気的に接続する。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。

【0031】

［インターコネクタ］
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。

【0032】

図６に示すように、各インターコネクタ３１は、各発電素子部１０と電気的に接続されている。隣り合う各発電素子部１０の間に配置されたインターコネクタ３１は、隣り合う各発電素子部１０を互いに電気的に接続する。詳細には、インターコネクタ３１は、空気極集電膜３２とともに、隣り合う各発電素子部１０を互いに電気的に接続する。

【0033】

最もガス供給側（図６の一番左側）に配置された発電素子部１０よりもガス供給側に配置されたインターコネクタ３１は、その発電素子部１０と、後述する集電部材３０２とを電気的に接続する。詳細には、インターコネクタ３１は、空気極集電膜３２とともに、発電素子部１０と集電部材３０２とを電気的に接続する。

【0034】

なお、各インターコネクタ３１のうち、最もガス供給側（図６の一番左側）に配置されたインターコネクタ３１を基端側インターコネクタ３１ａとする。ガス供給側とは、ガスが供給される側、すなわち、燃料マニホールド２００側を言う。最もガス供給側に配置されたインターコネクタ３１とは、最も燃料マニホールド２００に近いインターコネクタ３１と同義である。

【0035】

最もガス排出側（図６の一番右側）に配置された発電素子部１０よりもガス排出側に配置されたインターコネクタ３１は、その発電素子部１０と後述する表裏間接続部材３０３とを電気的に接続する。

【0036】

基端側インターコネクタ３１ａの面積は、他のインターコネクタ３１の面積の平均値よりも大きい。なお、インターコネクタ３１の面積は、インターコネクタ３１の厚さ方向に沿って見た状態（ｚ軸方向視）の面積を言う。基端側インターコネクタ３１ａは、他のインターコネクタ３１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。

【0037】

各インターコネクタ３１の面積の比較は、各インターコネクタ３１が形成された支持基板２０の面毎に行う。例えば、支持基板２０の両面に各インターコネクタ３１が形成されている場合、支持基板２０の一方面に形成された基端側インターコネクタ３１ａの面積は、支持基板２０の一方面に形成された他の各インターコネクタ３１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２０の他方面に形成された基端側インターコネクタ３１ａの面積は、支持基板２０の他方面に形成された他の各インターコネクタ３１の面積の平均値よりも大きくなるように設計される。

【0038】

基端側インターコネクタ３１ａは、各インターコネクタ３１のうちで最も大きい面積を有することが好ましい。例えば、基端側インターコネクタ３１ａは、他の全てのインターコネクタ３１の面積よりも大きい。なお、他のインターコネクタ３１のうち、基端側インターコネクタ３１ａと同じ面積を有するものがあってもよい。例えば、各インターコネクタ３１のうち最もガス排出側に配置されたインターコネクタ３１、すなわち、各インターコネクタ３１のうち最も燃料マニホールド２００から遠い位置に配置されたインターコネクタ３１の面積が、基端側インターコネクタ３１ａの面積と同じであってもよい。

【0039】

また、基端側インターコネクタ３１ａの面積は、各インターコネクタ３１のうち、長手方向の中央部に配置された中央インターコネクタ３１の面積よりも大きい。なお、支持基板２０上に配置されるインターコネクタ３１の数が偶数の場合、長手方向の中央部には２つのインターコネクタ３１が配置されることになる。そして、基端側インターコネクタ３１ａの面積は、この２つのインターコネクタ３１の各面積よりも大きい。

【0040】

好ましくは、他の各インターコネクタ３１の面積の平均値Ｓ０に対する、基端側インターコネクタ３１ａの面積Ｓａの割合Ｓａ／Ｓ０は、１．１以上とすることが好ましい。また、上記割合Ｓａ／Ｓ０は、２．５以下とすることが好ましい。

【0041】

［空気極集電膜］
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。

【0042】

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。

【0043】

［集電部材］
以上のように構成された燃料電池セル３０１は、隣り合う燃料電池セル３０１と、集電部材３０２によって電気的に接続されている。図２に示すように、集電部材３０２は、一対の燃料電池セル３０１間に配置されている。そして、集電部材３０２は、厚さ方向（ｚ軸方向）において隣り合う燃料電池セル３０１同士を電気的に接続するよう、導電性を有している。詳細には、集電部材３０２は、燃料電池セル３０１のガス供給側において、隣り合う燃料電池セル３０１同士を接続している。集電部材３０２は、基端側インターコネクタ３１ａよりもガス供給側に配置されている。詳細には、図７に示すように、集電部材３０２は、基端側インターコネクタ３１ａから延びる空気極集電膜３２上に配置されている。

【0044】

集電部材３０２は、ブロック状である。例えば、集電部材３０２は、直方体状又は円柱状である。集電部材３０２は、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。この集電部材３０２は、例えば、可撓性を有していない。

【0045】

集電部材３０２は、第１接合材１０１によって、各燃料電池セル３０１に接合されている。すなわち、第１接合材１０１は、各集電部材３０２と各燃料電池セル３０１とを接合している。第１接合材１０１は、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３等よりなる群から選ばれる少なくとも１種である。

【0046】

［表裏間接続部材］
図６に示すように、燃料電池セル３０１は、表裏間接続部材３０３を有している。表裏間接続部材３０３は、支持基板２０の一方面において最もガス排出側に配置された発電素子部１０と、支持基板２０の他方面において最もガス排出側に配置された発電素子部１０とを、電気的に接続している。表裏間接続部材３０３は、例えば、上述した空気極集電膜３２において説明した材料によって形成することができる。

【0047】

図２に示すように、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド２００に支持されている。詳細には、各燃料電池セル３０１は、第２接合材１０２によって、燃料マニホールド２００の天板２０３に固定されている。より詳細には、図９に示すように、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド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２接合材１０２によって燃料マニホールド２００に固定されている。

【0048】

第２接合材１０２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２接合材１０２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。第２接合材１０２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２接合材１０２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２接合材１０２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。

【0049】

燃料マニホールド２００から突出している各燃料電池セル３０１の長手方向（ｘ軸方向）の長さは、１００〜３００ｍｍ程度とすることができる。また、各燃料電池セル３０１は、燃料電池セル３０１の厚さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。この燃料電池セル３０１同士の間隔は、１〜５ｍｍ程度とすることができる。

【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。燃料マニホールド２００を介して各燃料電池セル３０１のガス流路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。

【0051】

酸素を含むガスは、例えば、図９に示すように、幅方向（ｙ軸方向）に沿って流れるように、燃料マニホールド２００の天板２０３に沿って流れる。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、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、燃料ガス、及び酸素を含むガスを供給された各発電素子部１０において、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）
発電状態においては、電流は、図１０において矢印で示すように流れる。インターコネクタ３１、及び発電素子部１０において、電流は厚さ方向に流れる。

【0053】

［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。

【0054】

まず、燃料マニホールド２００と複数の燃料電池セル３０１とを準備する。そして、図１１に示すように、各燃料電池セル３０１を集電部材３０２及び第１接合材１０１によって接続し、セル集合体３００を作製する。なお、この段階では第１接合材１０１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。

【0055】

次に、図１２に示すように、セル集合体３００の各燃料電池セル３０１の端部を燃料マニホールド２００の各貫通孔２０２に挿入する。なお、各燃料電池セル３０１が第１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。

【0056】

次に、燃料電池セル３０１が挿入された状態の貫通孔２０２内に第２接合材１０２を充填する。なお、第２接合材１０２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。

【0057】

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１接合材１０１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２接合材１０２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２接合材１０２が機能を発揮し、各燃料電池セル３０１の近位端部が燃料マニホールド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。

【0058】

［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。

【0059】

変形例１
上記実施形態では、支持基板２０は平板状であったが、円筒状であってもよい。すなわち、燃料電池セル３０１は、円筒型であってもよい。

【0060】

変形例２
複数の燃料電池セル３０１のうち、少なくとも１つの燃料電池セル３０１において、基端側インターコネクタ３１ａの面積が、他のインターコネクタ３１の面積の平均値よりも大きくなっていればよい。例えば、複数の燃料電池セル３０１のうち、いくつかの燃料電池セル３０１において、基端側インターコネクタ３１ａの面積が、他のインターコネクタ３１の面積と同じ、又は他のインターコネクタ３１の面積よりも小さくてもよい。

【実施例】

【0061】

以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。

【0062】

Ｎｏ．１〜９に係る燃料電池セル３０１を以下のように作製した。

【0063】

上述したように構成された燃料電池セル３０１を作製した。各燃料電池セル３０１は、長手方向に間隔をあけて配置された８個の発電素子部１０を有する。各発電素子部１０は、電気的接続部３０によって直列に接続した。なお、各発電素子部１０の間のそれぞれに電気的接続部３０が配置されるとともに、最もガス供給側の発電素子部１０よりもガス供給側にも１つの電気的接続部３０が配置されている。電気的接続部３０の数は、発電素子部１０の数と同じである。各発電素子部１０及び電気的接続部３０は、支持基板２０の一方の面のみに形成した。

【0064】

各燃料電池セル３０１において、各インターコネクタ３１の面積Ｓａ〜Ｓｈを表１の通りとした。なお、各インターコネクタ３１の面積Ｓａ〜Ｓｈは、最もガス供給側から順に並んでいる（図１３参照）。また、各インターコネクタ３１の幅方向の寸法は同じであり、長手方向の寸法を調整することによって各インターコネクタ３１の面積を調整した。また、各燃料電池セル３０１において、各インターコネクタ３１の面積以外の構成は同じである。表１のＳ０は、各燃料電池セル３０１における、基端側インターコネクタ３１ａ以外の他のインターコネクタ３１の面積の平均値である。

【0065】

（評価方法）
以上のようにして作製した各燃料電池セル３０１を１つの燃料マニホールド２００に挿入して、燃料マニホールド２００を介して各燃料電池セル３０１のガス流路２１に燃料ガスを供給した。また、幅方向に沿って、基端側インターコネクタ３１ａの下方から空気を供給した。そして、各燃料電池セル３０１の起電力を測定し、各サンプルを評価した。この評価結果を表１に示す。なお、評価条件は、温度が７５０℃、電流密度が０．２Ａ/ｃｍ^２、燃料利用率が８０％、空気利用率が４０％であった。

【0066】

【表1】

【0067】

表１より、基端側インターコネクタ３１ａの面積を、他のインターコネクタ３１の面積の平均値Ｓ０よりも大きくすることによって、起電力が大きくなることが分かった。また、他のインターコネクタ３１ａの面積の平均値Ｓ０に対する、基端側インターコネクタ３１ａの割合（Ｓａ／Ｓ０）を１．１以上とすることで、より起電力が大きくなっていることが分かった。

【符号の説明】

【0068】

２００ 燃料マニホールド
３０１ 燃料電池セル
１０ 発電素子部
２０ 支持基板
２１ ガス流路
３１ インターコネクタ
３１ａ 基端側インターコネクタ

【要約】

【課題】発電効率を向上させる。
【解決手段】燃料電池セル３０１は、支持基板２０、複数の発電素子部１０、及び複数のインターコネクタ３１を有する。支持基板２０は、長手方向に沿って延びるガス流路２１を含む。各発電素子部１０は、支持基板２０上において、長手方向に沿って互いに間隔をあけて配置されている。各インターコネクタ３１は、各発電素子部１０と電気的に接続されている。各インターコネクタ３１のうち、最もガス供給側に配置された基端側インターコネクタ３１ａの面積は、他のインターコネクタ３１の面積の平均値よりも大きい。
【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】

【図13】