特許 6239721 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】6239721

(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

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/24 20160101AFI20171120BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20171120BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20171120BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/24 R

   H01M8/02 R

   H01M8/24 E

   H01M8/02 E

   !H01M8/12

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-214969(P2016-214969)

(22)【出願日】2016年11月2日

【審査請求日】2017年6月1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】伊藤 梨沙子

(72)【発明者】

【氏名】中村 俊之

(72)【発明者】

【氏名】菅 博史

(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２０１１−０６０７４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０２５１４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０５３１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３３５２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７１７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０２／０６９４３０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８ − ８／２４９５

Ｃ２５Ｂ １／００ − ９／２０

Ｃ２５Ｂ １３／００ − １５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１基板本体部、前記第１基板本体部を覆う第１緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延びる少なくとも１つの第１ガス流路、を有する第１支持基板と、
前記第１支持基板上に配置される第１発電素子部と、
第２基板本体部、前記第２基板本体部を覆う第２緻密層、及び前記近位端部から遠位端部まで延びる少なくとも１つの第２ガス流路、を有する第２支持基板と、
前記第２支持基板上に配置される第２発電素子部と、
前記第１支持基板及び前記第２支持基板の各近位端部を支持するマニホールドと、
前記第１支持基板の遠位端部と前記第２支持基板の遠位端部とに亘って延び、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連通させる連通部材と、
を備え、
前記第２ガス流路の断面積の合計値は、前記第１ガス流路の断面積の合計値よりも小さい、
燃料電池スタック。

【請求項2】

前記第２ガス流路の断面積は、前記第１ガス流路の断面積よりも小さい、
請求項１に記載の燃料電池スタック。

【請求項3】

前記第２支持基板が有する前記第２ガス流路の数は、前記第１支持基板が有する第１ガス流路の数よりも少ない、
請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。

【請求項4】

前記第２発電素子部の幅は、前記第１発電素子部の幅よりも小さい、
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】

前記第２基板本体部の厚さは、前記第１基板本体部の厚さよりも小さい、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタック。

【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】

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、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。各支持基板の近位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近位端部から供給された燃料ガスのうち未反応のガスは、ガス流路の遠位端部から外部へと排出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６−１７１０６４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、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。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明のある側面に係る燃料電池スタックは、第１支持基板と、第１発電素子部と、第２支持基板と、第２発電素子部と、マニホールドと、連通部材と、を備えている。第１支持基板は、第１基板本体部、第１基板本体部を覆う第１緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延びる少なくとも１つの第１ガス流路、を有する。第１発電素子部は、第１支持基板上に配置される。第２支持基板は、第２基板本体部、第２基板本体部を覆う第２緻密層、及び近位端部から遠位端部まで延びる少なくとも１つの第２ガス流路、を有する。第２発電素子部は、第２支持基板上に配置される。マニホールドは、第１支持基板及び第２支持基板の各近位端部を支持する。連通部材は、第１支持基板の遠位端部と第２支持基板の遠位端部とに亘って延び、第１ガス流路と第２ガス流路とを連通させる。第２ガス流路の断面積の合計値は、第１ガス流路の断面積の合計値よりも小さい。

【0006】

この構成によれば、第１支持基板の第１ガス流路を流れた燃料ガスのうち未反応ガスは、第１ガス流路の遠位端部から外部へと排出されるのではなく、連通部材を介して第２ガス流路へと流れる。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。

【0007】

また、第１支持基板は、第１基板本体部を覆う第１緻密層を有しており、第２支持基板は、第２基板本体部を覆う第２緻密層を有している。第１及び第２緻密層は、第１及び第２基板本体部よりも緻密であるため、第１ガス流路内を流れる燃料ガスが、第１及び第２基板本体部内を通って第２ガス流路へ流れることを抑制することができる。また、この第１緻密層は、第１基板本体部を覆うように形成すればよく、容易に形成することができる。

【0008】

また、燃料ガスを第１支持基板の第１ガス流路を流した後、連通部材を介して第２支持基板の第２ガス流路に流す過程において、燃料ガスは各発電素子部において消費される。このため、第１ガス流路内を流れる燃料ガスよりも、第２ガス流路内を流れる燃料ガスの方が、燃料ガスの濃度が低くなっている。燃料ガスの濃度が低くなり、発電素子部に必要な燃料ガスが不足すると、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る。この結果、界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化し、界面近傍における反応抵抗が大きくなり、その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。

【0009】

これに対して、本発明に係る燃料電池スタックでは、第２ガス流路の断面積の合計値は、第１ガス流路の断面積の合計値よりも小さい。この構成によれば、第１ガス流路内を流れるガスの流速よりも、第２ガス流路内を流れるガスの流速の方が大きくなる。この結果、第２支持基板内における第２発電素子部へのガス拡散性を向上させることができ、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る。なお、第１支持基板が有する第１ガス流路の数が１つの場合は、その第１ガス流路の断面積を合計値とする。また、第２支持基板が有する第２ガス流路の数が１つの場合は、その第２ガス流路の断面積を合計値とする。

【0010】

好ましくは、第２ガス流路の断面積は、第１ガス流路の断面積よりも小さい。第２ガス流路が複数ある場合、第２ガス流路の断面積を小さくすることで、拡散性向上に加えて各第２ガス流路を流れるガス流量差を低減することができる。この結果、第２ガス流路の界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯへ変化することを抑制できる。

【0011】

好ましくは、第２支持基板が有する第２ガス流路の数は、第１支持基板が有する第１ガス流路の数よりも少ない。

【0012】

好ましくは、第２発電素子部の幅は、第１発電素子部の幅よりも小さい。これにより第２ガス流路と第２発電素子部との距離が小さくなり、第２ガス流路の界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化することを更に抑制することができる。

【0013】

好ましくは、第２基板本体部の厚さは、第１基板本体部の厚さよりも小さい。これにより第２ガス流路と第２発電素子部との距離が小さくなり、第２ガス流路の界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化することを更に抑制することができる。

【0014】

好ましくは、マニホールドは、第１室と第２室とを有している。第１ガス流路は、第１室と連通している。第２ガス流路は、第２室に連通している。この構成によれば、第１室に燃料ガスを供給することによって、燃料ガスは、第１ガス流路、連通部材、第２ガス流路の順でスムーズに流れることができる。

【0015】

好ましくは、マニホールドは、マニホールド本体部と、仕切板とを有する。マニホールド本体部は、空間部を有する。仕切板は、空間部を第１室と第２室とに仕切る。この構成によれば、第１及び第２室を有するマニホールドを容易に製造することができる。

【0016】

好ましくは、第１緻密層は第１電解質を含み、第２緻密層は第２電解質を含む。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係る燃料電池スタックは、燃料ガスの使用効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】燃料電池スタックの斜視図。

【図2】第１セルの斜視図。

【図3】第１セルの断面図。

【図4】第２セルの斜視図。

【図5】第２セルの断面図。

【図6】燃料電池スタックの断面図。

【図7】変形例に係る燃料電池スタックの断面図。

【図8】変形例に係る燃料電池スタックの正面図。

【図9】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】

【0019】

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。図１は、燃料電池スタックを示す斜視図である。なお、図１において、いくつかの第１及び第２セルの記載を省略している。

【0020】

［燃料電池スタック］
図１に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の第１セル１０ａと、複数の第２セル１０ｂと、連通部材３と、マニホールド４と、を備えている。なお、以下では、第１セル１０ａの構成部材の符号の末尾に「ａ」を付し、第２セル１０ｂの構成部材の符号の末尾に「ｂ」を付す。第１セル１０ａと第２セル１０ｂとは、第１及び第２ガス流路５３ａ、５３ｂを除き実質的に同じ構成であるため、以下では第１セル１０ａの構成部材のみを説明し、第２セル１０ｂの構成部材については第１セル１０ａの構成部材と対応する符号を付して詳細な説明を省略する。

【0021】

［マニホールド］
マニホールド４は、第１及び第２セル１０ａ、１０ｂを支持するように構成されている。マニホールド４は、第１室４１と第２室４２とを有している。第１室４１にはガス供給部１０１が接続されており、第２室４２にはガス排出部１０２が接続されている。第１室４１には、ガス供給部１０１を介して燃料ガスが供給される。また、第２室４２内の燃料ガスは、ガス排出部１０２を介してマニホールド４から排出される。

【0022】

マニホールド４は、マニホールド本体部４３と、仕切板４４とを有している。マニホールド本体部４３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部４３は、直方体状である。マニホールド本体部４３の上板部４３１には、複数の第１及び第２挿入孔（図示省略）が形成されている。第１セル１０ａは第１挿入孔に挿入され、第２セル１０ｂは第２挿入孔に挿入される。なお、第１挿入孔は第１室４１と連通しており、第２挿入孔は第２室４２と連通している。

【0023】

各第１挿入孔は、マニホールド本体部４３の長手方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。また、各第２挿入孔も、マニホールド本体部４３の長手方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。第１挿入孔と第２挿入孔とは、マニホールド本体部４３の幅方向（ｙ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。

【0024】

仕切板４４は、マニホールド本体部４３の空間を第１室４１と第２室４２とに仕切っている。詳細には、仕切板４４は、マニホールド本体部４３の略中央部において、マニホールド本体部４３の長手方向に延びている。仕切板４４は、マニホールド本体部４３の空間を完全に仕切っている必要は無く、仕切板４４とマニホールド本体部４３との間に隙間が形成されていてもよい。

【0025】

［第１セル］
第１セル１０ａは、マニホールド４の第１室４１の上方に配置されている。第１セル１０ａは、マニホールド４の第１挿入孔に挿入されている。第２セル１０ｂは、マニホールド４の第２室４２の上方に配置されている。第２セル１０ｂは、マニホールド４の第２挿入孔に挿入されている。

【0026】

各第１セル１０ａは、主面同士が対向するように並べられている。また、各第１セル１０ａは、マニホールド４の長手方向に沿って間隔をあけて並べられている。なお、各第１セル１０ａは、マニホールド４の長手方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。各第２セル１０ｂは、主面が対向するように並べられている。また、各第２セル１０ｂは、マニホールド４の長手方向に沿って間隔をあけて並べられている。なお、各第２セル１０ｂは、マニホールド４の長手方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。第１セル１０ａの列と、第２セル１０ｂの列とは、実質的に平行に配置されている。第１セル１０ａと第２セル１０ｂとは、側面が対向するように配置されている。

【0027】

図２及び図３に示すように、第１セル１０ａは、第１支持基板５ａと、複数の第１発電素子部２１ａと、複数の第１インターコネクタ９１ａと、を有している。各第１発電素子部２１ａは、第１支持基板５ａの第１主面５０３ａ及び第２主面５０４ａに支持されている。なお、第１主面５０３ａに形成される第１発電素子部２１ａの数と第２主面５０４ａに形成される第１発電素子部２１ａの数とは、互いに異なっていてもよい。また、各第１発電素子部２１ａの大きさは、互いに異なっていてもよい。

【0028】

［第１支持基板］
第１支持基板５ａは、第１基板本体部５１ａと、第１緻密層５２ａと、複数の第１ガス流路５３ａとを有している。各第１ガス流路５３ａは、第１支持基板５ａの幅方向（ｙ軸方向）において互いに等間隔に配置されていることが好ましいが特にこれに限定されない。また、第１支持基板５ａは、近位端部５０１ａと遠位端部５０２ａとを有している。近位端部５０１ａ及び遠位端部５０２ａは、第１支持基板５ａの長手方向（ｘ軸方向）における両端部である。第１支持基板５ａの近位端部５０１ａは、マニホールド４の第１挿入孔に挿入される。マニホールド４は、第１支持基板５ａの近位端部５０１ａを支持する。なお、近位端部とは、ガスが供給される側に近い端部、すなわち、燃料マニホールド４に近い端部を言う。反対に、遠位端部とは、ガスが供給される側から遠い端部、すなわち、燃料マニホールド４から遠い端部を言う。

【0029】

第１支持基板５ａは、第１主面５０３ａと、第２主面５０４ａと、一対の側面５０５ａとを有している。第１主面５０３ａと第２主面５０４ａとは、互いに反対を向いている。第１主面５０３ａ及び第２主面５０４ａは、各第１発電素子部２１ａを支持している。第１主面５０３ａ及び第２主面５０４ａは、第１支持基板５ａの厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。各側面５０５ａは、第１支持基板５ａの幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面５０５ａは、湾曲していてもよい。図１に示すように、各第１支持基板５ａは、第１主面５０３ａと第２主面５０４ａとが対向するように配置されている。

【0030】

図２及び図３に示すように、第１基板本体部５１ａは、第１発電素子部２１ａを支持している。第１基板本体部５１ａ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。第１基板本体部５１ａ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、第１基板本体部５１ａ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。第１基板本体部５１ａ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。

【0031】

第１緻密層５２ａは、第１基板本体部５１ａを覆っている。第１緻密層５２ａは、第１ガス流路５３ａを流れる燃料ガスが第１基板本体部５１ａを通って第２ガス流路５３ｂへと流れることを抑制することができればよく、第１基板本体部５１ａの全面を覆っている必要は無い。本実施形態では、第１緻密層５２ａは、第１基板本体部５１ａの各主面、及び各側面を覆っている。すなわち、第１緻密層５２ａは、第１支持基板５ａの各主面５０３ａ、５０４ａを構成するとともに、第１支持基板５ａの各側面５０５ａを構成している。なお、本実施形態では、第１緻密層５２ａは、後述する第１電解質７ａと、第１インターコネクタ９１ａとによって構成されている。第１緻密層５２ａは、第１基板本体部５１ａよりも緻密である。例えば、第１緻密層５２ａの気孔率は、０〜７％程度である。

【0032】

各第１ガス流路５３ａは、第１支持基板５ａの近位端部５０１ａから遠位端部５０２ａまで延びている。第１ガス流路５３ａは、第１支持基板５ａの長手方向（ｘ軸方向）に沿って延びている。また、第１ガス流路５３ａは、第１基板本体部５１ａ内を貫通して延びている。第１ガス流路５３ａの近位端部５３１ａは、第１室４１と連通している。また、第１ガス流路５３ａの遠位端部５３２ａは、後述する連通部材３の流路３０と連通している。

【0033】

［第１発電素子部］
図３に示すように、複数の第１発電素子部２１ａが、第１支持基板５ａの第１主面５０３ａ及び第２主面５０４ａに支持されている。各第１発電素子部２１ａは、第１支持基板５ａ上において、近位端部５０１ａから遠位端部５０２ｂに向かって互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各第１発電素子部２１ａは、第１支持基板５ａの長手方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。また、第１支持基板５ａ上において、各第１発電素子部２１ａは、第１電気的接続部９ａによって、互いに直列に接続されている。

【0034】

第１発電素子部２１ａは、第１燃料極６ａ、第１電解質７ａ、及び第１空気極８ａを有している。また、第１発電素子部２１ａは、第１反応防止膜１１ａをさらに有している。第１燃料極６ａ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。第１燃料極６ａは、第１燃料極集電部６１ａと第１燃料極活性部６２ａとを有する。

【0035】

第１燃料極集電部６１ａは、凹部５１３ａ内に配置されている。凹部５１３ａは、第１基板本体部５１ａに形成されている。詳細には、第１燃料極集電部６１ａは、凹部５１３ａ内に充填されており、凹部５１３ａと同様の外形を有する。各第１燃料極集電部６１ａは、凹部６１１ａ及び凹部６１２ａを有している。第１燃料極活性部６２ａは、凹部６１１ａ内に配置されている。詳細には、第１燃料極活性部６２ａは、凹部６１１ａ内に充填されている。

【0036】

第１燃料極集電部６１ａ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、第１燃料極集電部６１ａ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。第１燃料極集電部６１ａの厚さ、並びに凹部５１３ａの深さは、５０〜５００μｍ程度である。

【0037】

第１燃料極活性部６２ａ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、第１燃料極活性部６２ａ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。第１燃料極活性部６２ａの厚さは、５〜３０μｍである。

【0038】

第１電解質７ａは、第１燃料極６ａ上を覆うように配置されている。詳細には、第１電解質７ａは、一の第１インターコネクタ９１ａから他の第１インターコネクタ９１ａまで長手方向に延びている。すなわち、長手方向において、第１電解質７ａと第１インターコネクタ９１ａとが交互に配置されている。また、第１電解質７ａは、第１基板本体部５１ａの各主面及び各側面を覆っている。

【0039】

第１電解質７ａは、第１基板本体部５１ａよりも緻密である。例えば、第１電解質７ａの気孔率は、０〜７％程度である。第１電解質７ａ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。第１電解質７ａ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。第１電解質７ａの厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

【0040】

第１反応防止膜１１ａは、緻密な材料から構成される焼成体である。第１反応防止膜１１ａは、平面視において、第１燃料極活性部６２ａと略同一の形状である。第１反応防止膜１１ａは、第１電解質７ａを介して、第１燃料極活性部６２ａと対応する位置に配置されている。第１反応防止膜１１ａは、第１電解質７ａ内のＹＳＺと第１空気極８ａ内のＳｒとが反応して第１電解質７ａと第１空気極８ａ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。第１反応防止膜１１ａ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。第１反応防止膜１１ａの厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

【0041】

第１空気極８ａは、第１反応防止膜１１ａ上に配置されている。第１空気極８ａ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。第１空気極８ａ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、第１空気極８ａ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。第１空気極８ａの厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

【0042】

［電気的接続部］
第１電気的接続部９ａは、隣り合う第１発電素子部２１ａを電気的に接続するように構成されている。第１電気的接続部９ａは、第１インターコネクタ９１ａ及び第１空気極集電膜９２ａを有する。第１インターコネクタ９１ａは、凹部６１２ａ内に配置されている。詳細には、第１インターコネクタ９１ａは、凹部６１２ａ内に埋設（充填）されている。第１インターコネクタ９１ａ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。第１インターコネクタ９１ａは、第１基板本体部５１ａよりも緻密である。例えば、第１インターコネクタ９１ａの気孔率は、０〜７％程度である。第１インターコネクタ９１ａ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。第１インターコネクタ９１ａの厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

【0043】

第１空気極集電膜９２ａは、隣り合う第１発電素子部２１ａの第１インターコネクタ９１ａと第１空気極８ａとの間を延びるように配置される。例えば、図３の左側に配置された第１発電素子部２１ａの第１空気極８ａと、図３の右側に配置された第１発電素子部２１ａの第１インターコネクタ９１ａとを電気的に接続するように、第１空気極集電膜９２ａが配置されている。第１空気極集電膜９２ａ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。

【0044】

第１空気極集電膜９２ａ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、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、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。第１空気極集電膜９２ａの厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

【0045】

［第２セル］
図４及び図５に示すように、第２セル１０ｂは、第２支持基板５ｂと、複数の第２発電素子部２１ｂと、複数の第２インターコネクタ９１ｂと、を有している。

【0046】

第２支持基板５ｂは、第２基板本体部５１ｂ、第２緻密層５２ｂ、及び複数の第２ガス流路５３ｂを有している。各第２流路５３ｂは、第２支持基板５ｂの幅方向（ｙ軸方向）において、互いに等間隔に配置されていることが好ましいが特にこれに限定されない。また、第２支持基板５ｂは、近位端部５０１ｂと遠位端部５０２ｂとを有している。第２支持基板５ｂの近位端部５０１ｂは、マニホールド４の第２挿入孔に挿入されている。

【0047】

第２支持基板５ｂは、第１主面５０３ｂと、第２主面５０４ｂと、一対の側面５０５ｂとを有している。第２支持基板５ｂの第１主面５０３ｂは、第１支持基板５ａの第１主面５０３ａと同じ方向を向いている。また、第２支持基板５ｂの第２主面５０４ｂは、第１支持基板５ａの第２主面５０４ａと同じ方向を向いている。隣り合う一対の第１及び第２支持基板５ａ、５ｂは、各第１主面５０３ａ、５０３ｂが実質的に同一面内に配置されており、各第２主面５０４ａ、５０４ｂが実質的に同一面内に配置されている。なお、各第１主面５０３ａ、５０３ｂは、各支持基板５ａ、５ｂの厚さ方向（ｚ軸方向）において、互いにずれていてもよい。同様に、第２主面５０４ａ、５０４ｂも、各支持基板５ａ、５ｂの厚さ方向（ｚ軸方向）において、互いにずれていてもよい。

【0048】

第２基板本体部５１ｂは、複数の第２発電素子部２１ｂを支持している。第２緻密層５２ｂは、第２基板本体部５１ｂを覆っている。第２ガス流路５３ｂは、第２支持基板５ｂの近位端部５０１ｂから遠位端部５０２ｂまで延びている。なお、第２基板本体部５１ｂの気孔率を、第１基板本体部５２ａの気孔率より高くしてもよい。この構成によれば、第２セル１０ｂでのガス拡散性を向上でき、界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化することを更に抑制することができる。

【0049】

各第２発電素子部２１ｂは、第２支持基板５ｂの第１主面５０３ｂ及び第２主面５０４ｂに支持されている。各第２発電素子部２１ｂは、第２支持基板５ｂの長手方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、第１主面５０３ｂに形成される第２発電素子部２１ｂの数と第２主面５０４ｂに形成される第２発電素子部２１ｂの数とは、互いに異なっていてもよい。また、第１セル１０ａの有する第１発電素子部２１ａの数と、第２セル１０ｂの有する第２発電素子部２１ｂの数とは、互いに異なっていてもよい。また、各第２発電素子部２１ｂの大きさは、互いに異なっていてもよい。また、第２支持基板５ｂ上において、各第２発電素子部２１ｂは、第２電気的接続部９ｂによって、互いに直列に接続されている。

【0050】

第２発電素子部２１ｂは、第２燃料極６ｂ、第２電解質７ｂ、及び第２空気極８ｂを有している。上述したように、各第２セル１０ｂは、第１セル１０ａと実質的に同じ構成であるため、詳細な説明を省略する。

【0051】

図１に示すように、第１支持基板５ａの側面５０５ａと第２支持基板５ｂの側面５０５ｂとが対向するように、第１及び第２支持基板５ａ、５ｂが配置されている。第１支持基板５ａと第２支持基板５ｂとの間は隙間が形成されていてもよい。または、第１支持基板５ａの側面５０５ａと第２支持基板５ｂの側面５０５ｂとが接触していてもよい。

【0052】

［連通部材］
図６に示すように、連通部材３は、第１支持基板５ａの遠位端部５０２ａと第２支持基板５ｂの遠位端部５０２ｂとに亘って延びている。そして、連通部材３は、第１ガス流路５３ａと第２ガス流路５３ｂとを連通させる流路３０を有している。詳細には、流路３０は、各第１ガス流路５３ａの遠位端部５３２ａと各第２ガス流路５３ｂの遠位端部５３２ｂとを連通する。流路３０は、各第１ガス流路５３ａから各第２ガス流路５３ｂまで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、第１支持基板５ａと第２支持基板５ｂとに接合されていることが好ましい。

【0053】

連通部材３は、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する第３緻密層３１を有している。第３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、第３緻密層３１の気孔率は、０〜７％程度である。この第３緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した第１及び第２電解質７ａ、７ｂ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。

【0054】

［流路面積］
各第２ガス流路５３ｂの断面積の合計値は、各第１ガス流路５３ａの断面積の合計値よりも小さい。詳細には、各第２ガス流路５３ｂの断面積は、各第１ガス流路５３ａの断面積よりも小さい。第１及び第２ガス流路５３ａ、５３ｂの断面が円形の場合、第２ガス流路５３ｂの直径は、第１ガス流路５３ａの直径よりも小さい。特に限定されるものではないが、各第２ガス流路５３ｂの断面積の合計値は、各第１ガス流路５３ａの断面積の合計値の４０〜９５％程度とすることができる。なお、第１ガス流路５３ａの断面積は、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５３ｂの断面積は、例えば、０.１〜１５ｍｍ^２程度とすることができる。

【0055】

なお、第１ガス流路５３ａの断面積は、第１ガス流路５３ａが延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した第１ガス流路５３ａの断面積を言う。また、第１ガス流路５３ａの断面積は、第１ガス流路５３ａの近位端部５３１ａの任意の箇所における断面積と、中央部の任意の箇所における断面積と、遠位端部５３２ａの任意の箇所における断面積との平均値とすることができる。

【0056】

また、第２ガス流路５３ｂの断面積は、第２ガス流路５３ｂが延びる方向（ｘ軸方向）と直交する面（ｙｚ平面）で切断した第２ガス流路５３ｂの断面積を言う。また、第２ガス流路５３ｂの断面積は、第２ガス流路５３ｂの近位端部５３１ｂの任意の箇所における断面積と、中央部の任意の箇所における断面積と、遠位端部５３２ｂの任意の箇所における断面積との平均値とすることができる。

【0057】

［発電方法］
上述したように構成された燃料電池スタック１００では、マニホールド４の第１室４１に水素ガスなどの燃料ガスを供給するとともに、第１及び第２セル１０ａ、１０ｂを空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、第１空気極８ａ及び第２空気極８ｂにおいて下記（１）式に示す化学反応が起こり、第１燃料極６ａ及び第２燃料極６ｂ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）

【0058】

詳細には、第１室４１に供給された燃料ガスは、各第１セル１０ａの第１ガス流路５３ａ内を流れ、各第１発電素子部２１ａの第１燃料極６ａにおいて、上記（２）式に示す化学反応が起こる。各第１燃料極６ａにおいて未反応であった燃料ガスは、第１ガス流路５３ａを出て連通部材３の流路３０を介して第２ガス流路５３ｂへ供給される。そして、第２ガス流路５３ｂへ供給された燃料ガスは、第２セル１０ｂの第２燃料極６ｂにおいて上記（２）式に示す化学反応が起こる。第２燃料極６ｂにおいて未反応であった燃料ガスは、マニホールド４の第２室４２へ回収される。

【0059】

［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。

【0060】

変形例１
各第１ガス流路５３ａの断面積は、互いに異なっていてもよい。また、各第２ガス流路５３ｂの断面積は、互いに異なっていてもよい。

【0061】

変形例２
上記実施形態では、第２支持基板５ｂが有する第２ガス流路５３ｂの数は、第１支持基板５ａが有する第１ガス流路５３ａの数と同じであったが、第２ガス流路５３ｂの数はこれに限定されない。例えば、図７に示すように、第２支持基板５ｂが有する第２ガス流路５３ｂの数は、第１支持基板５ａが有する第１ガス流路５３ａの数よりも少なくてもよい。この場合、第２ガス流路５３ｂの断面積の合計値が第１ガス流路５３ａの断面積の合計値より大きくならない範囲であれば、第２ガス流路５３ｂの断面積は、第１ガス流路５３ａの断面積と同じ、または第１ガス流路５３ａの断面積よりも大きくてもよい。なお、上記実施形態と同様に、第２ガス流路５３ｂの断面積は、第１ガス流路５３ａの断面積よりも小さくてもよい。また、第２ガス流路５３ｂの断面積の合計値が第１ガス流路５３ａの断面積の合計値より大きくならない範囲であれば、第２ガス流路５３ｂの数は、第１ガス流路５３ａの数より多くてもよい。

【0062】

変形例３
第２発電素子部２１ｂの幅は、第１発電素子部２１ａの幅と異なっていてもよい。例えば、図８に示すように、第２発電素子部２１ｂの幅は第１発電素子部２１ａの幅より小さくすることができる。なお、第１発電素子部２１ａの幅とは、第１ガス流路５３ａの配列方向（ｙ軸方向）における第１発電素子部２１ａの寸法を言う。この構成によれば、第２ガス流路５３ｂと第２発電素子部２１ｂとの距離が小さくなり、界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化することを更に抑制することができる。なお、第２支持基板５ｂの幅は、第１支持基板５ａの幅よりも小さくてもよい。

【0063】

変形例４
第１基板本体５１ａの厚みは、第２基板本体５１ｂの厚みと異なっていてもよい。たとえば、第２基板本体５１ｂの厚みを第１基板本体５１ａの厚みよりも小さくすることができる。この構成によれば、第２ガス流路５３ｂと第２発電素子部２１ｂとの距離が小さくなり、界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化することを更に抑制することができる。

【0064】

変形例５
第１ガス流路５３ａは、その長手方向（ｘ軸方向）において、均一な断面積を有していなくてもよい。特に、第１ガス流路５３ａの断面積は、燃料ガス濃度が低くなる遠位端部５３２ａに近付くほど小さくなっているとよい。また、第２ガス流路５３ｂは、その長手方向（ｘ軸方向）において、均一な断面積を有していなくてもよい。特に、第２ガス流路５３ｂの断面積は、燃料ガス濃度が低くなる近位端部５３１ｂに近付くほど小さくなっているとよい。この構成によれば拡散性が向上し界面近傍に存在するＮｉがＮｉＯに変化することを更に抑制することができる。

【0065】

変形例６
上記実施形態では、第１及び第２ガス流路５３ａ、５３ｂは、円形状の断面を有しているが、第１及び第２ガス流路５３ａ、５３ｂの断面形状は、矩形状や楕円形状であってもよい。

【0066】

変形例７
上記実施形態では、第１支持基板５ａは複数の第１ガス流路５３ａを有しているが、第１支持基板５ａは１つの第１ガス流路５３ａのみを有していてもよい。また、第２支持基板５ｂも、１つの第２ガス流路５３ｂのみを有していてもよい。

【0067】

変形例８
上記実施形態では、第１セル１０ａは複数の第１発電素子部２１ａを有しているが、第１セル１０ａは１つの第１発電素子部２１ａのみを有していてもよい。例えば、第１セル１０ａは、いわゆる縦縞型のセルであってもよい。同様に、第２セル１０ｂも１つの第２発電素子部２１ｂのみを有していてもよい。

【0068】

変形例９
上記実施形態では、第１主面５０３ａに配置された各第１発電素子部２１ａは、互いに直列に接続されているが、第１主面５０３ａに配置された各第１発電素子部２１ａの全てが直列に接続されている必要は無い。なお、他の主面５０３ｂ、５０４ａ、５０４ｂに配置された各発電素子部についても同様である。

【0069】

変形例１０
第１セル１０ａにおいて、第１主面５０３ａに形成された各第１発電素子部２１ａと第２主面５０４ａに形成された各第１発電素子部２１ａとの間は、互いに電気的に接続されていなくてもよいし、複数の箇所で電気的に接続されていてもよい。なお、第２セル１０ｂにおいて同様である。

【0070】

変形例１１
上記実施形態では、各第１発電素子部２１ａは、第１主面５０３ａと第２主面５０４ａの両面に配置されているが、どちらか一方の面のみに配置されていてもよい。なお、各第２発電素子部２１ｂについても同様である。

【0071】

変形例１２
上記実施形態では、第１支持基板５ａ及び第２支持基板５ｂは、平板型に構成されているが、円筒型に構成されていてもよい。

【0072】

変形例１３
上記実施形態の燃料電池スタック１００は、第１セル１０ａ及び第２セル１０ｂをそれぞれ複数備えているが、第１セル１０ａ及び第２セル１０ｂをそれぞれ１枚ずつ備えるような構成であってもよい。

【0073】

変形例１４
上記実施形態では、燃料電池スタック１００が第１セル１０ａと第２セル１０ｂとの組を複数備えているが、少なくとも１組の第１セル１０ａ及び第２セル１０ｂが本発明に係る構成を有していればよい。

【0074】

変形例１５
各第１セル１０ａの幅は、互いに異なっていてもよい。詳細には、各第１発電素子部２１ａの幅は、互いに異なっていてもよい。例えば、ある第１支持基板５ａに形成された各第１発電素子部２１ａの幅と、別の第１支持基板５ａに形成された各第１発電素子部２１ａの幅とは、異なっていてもよい。なお、各第２セル１０ｂの幅についても同様である。

【0075】

変形例１６
各第１セル１０ａの厚さは、互いに異なっていてもよい。詳細には、各第１基板本体５１ａの厚さは、互いに異なっていてもよい。なお、各第２セル１０ｂの厚さについても同様である。

【0076】

変形例１７
上記実施形態では、第１セル１０ａ及び第２セル１０ｂは、マニホールド４の長手方向（ｚ軸方向）に並んでいるが、マニホールド４の幅方向（ｙ軸方向）に並んでいてもよい。

【0077】

変形例１８
実施形態では、連通部材３は多孔質であるが、連通部材３は金属によって構成されていてもよい。具体的には、連通部材３は、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｎｉ基合金、又はＭｇＯ系セラミックス材料（第１及び第２支持基板５ａ、５ｂと同じ材料でも良い）などによって構成することができる。

【0078】

変形例１９
上記実施形態では、連通部材３の流路３０は空間によって構成されていたが、連通部材３の流路３０の構成はこれに限定されない。例えば、図９に示すように、連通部材３の流路３０は、連通部材３内に形成された複数の気孔によって構成することができる。

【符号の説明】

【0079】

２１ａ ：第１発電素子部
２１ｂ ：第２発電素子部
３ ：連通部材
５ａ ：第１支持基板
５１ａ ：第１基板本体部
５２ａ ：第１緻密層
５３ａ ：第１ガス流路
５０１ａ ：近位端部
５０２ａ ：遠位端部
５ｂ ：第２支持基板
５１ｂ ：第２基板本体部
５２ｂ ：第２緻密層
５３ｂ ：第２ガス流路
５０１ｂ ：近位端部
５０２ｂ ：遠位端部
１００ ：燃料電池スタック

【要約】

【課題】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。
【解決手段】燃料電池スタック１００は、第１支持基板５ａと、第１発電素子部と、第２支持基板５ｂと、第２発電素子部と、連通部材３と、マニホールド４とを備えている。第１支持基板５ａは、第１基板本体部、第１緻密層、及び複数の第１ガス流路５３ａを有する。第２支持基板は、第２基板本体部、第２緻密層、及び複数の第２ガス流路５３ｂ、を有する。連通部材３は、第１支持基板５ａの遠位端部５０２ａと第２支持基板５ｂの遠位端部５０２ｂとに亘って延び、第１ガス流路５３ａと第２ガス流路５３ｂとを連通させる。第２ガス流路５３ｂの断面積の合計値は、第１ガス流路５３ａの断面積の合計値よりも小さい。
【選択図】図６

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】