(57)【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】第１支持基板５ａは、第１基板本体部、第１緻密層、及び第１ガス流路を有する。第１緻密層は、第１基板本体部を覆う。第２支持基板５ｂは、第２基板本体部、第２緻密層、及び第２ガス流路を有する。第２緻密層は、第２基板本体部を覆う。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との間を延び、第１ガス流路と第２ガス流路とを連通させる。中央領域に配置される各連通部材３の流路の断面積の平均値は、第１及び第２端部領域に配置される各連通部材３の流路の断面積の平均値よりも大きい。【選択図】図１
2018073548.tif 000002
【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第１ガス流路、を有し、第１方向において互いに間隔をあけて配置される複数の第１支持基板と、
前記各第１支持基板上に配置される複数の第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第２ガス流路、を有し、前記第１方向において互いに間隔をあけて配置される複数の第２支持基板と、
前記各第２支持基板上に配置される複数の第２発電素子部と、
前記各第１支持基板及び前記各第２支持基板の近位端部を支持するマニホールドと、
前記各第１支持基板の遠位端部と前記各第２支持基板の遠位端部とに亘って延びる複数の連通部材と、
を備え、
前記各連通部材は、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連通させる流路を有し、
前記各連通部材が配置される領域は、前記第１方向において、第１端部領域、中央領域、及び第２端部領域に分けられ、
前記中央領域に配置される各連通部材の流路の断面積の平均値は、前記第１及び第２端部領域に配置される各連通部材の流路の断面積の平均値よりも大きい、
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記各連通部材のうち、前記第１方向の中央に配置された連通部材の流路の断面積は、前記第１方向の両端に配置された各連通部材の流路の断面積よりも大きい、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記連通部材は、多孔質である、
請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記連通部材は、外側面を構成する第３緻密層を有する、
請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記流路は、前記連通部材内の気孔によって構成される、
請求項３または４に記載に燃料電池スタック。
【請求項６】
前記連通部材は、前記流路として前記第１ガス流路から前記第２ガス流路へと延びる空間を内部に有している、
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記連通部材は、金属によって構成される、
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
当該燃料電池スタックは、複数の前記第１発電素子部と、複数の前記第２発電素子部と、を備え、
前記各第１発電素子部は、前記第１支持基板の長手方向に沿って間隔をあけて配置されており、
前記各第２発電素子部は、前記第２支持基板の長手方向に沿って間隔をあけて配置される、
請求項１から７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、多孔質の支持基板と、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、複数の第１支持基板と、複数の第１発電素子部と、複数の第２支持基板と、複数の第２発電素子部と、マニホールドと、複数の連通部材と、を備えている。各第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第１ガス流路、を有する。各第１支持基板は、第１方向において互いに間隔をあけて配置される。各第１発電素子部は、各第１支持基板上に配置される。各第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第２ガス流路、を有する。各第２支持基板は、第１方向において互いに間隔をあけて配置される。各第２発電素子部は、各第２支持基板上に配置される。マニホールドは、各第１支持基板及び各第２支持基板の近位端部を支持する。各連通部材は、各第１支持基板の遠位端部と各第２支持基板の遠位端部とに亘って延びる。各連通部材は、第１ガス流路と第２ガス流路とを連通させる流路を有する。各連通部材が配置される領域は、第１方向において、第１端部領域、中央領域、及び第２端部領域に分けられる。中央領域に配置される各連通部材の流路の断面積の平均値は、第１及び第２端部領域に配置される各連通部材の流路の断面積の平均値よりも大きい。
【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、連通部材の流路を介して第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】
第１セルは第１発電素子部と第１支持基板とを有しており、第２セルは第２発電素子部と第２支持基板とを有している。中央領域に配置される第１及び第２セルは、第１及び第２端部領域に配置される第１及び第２セルよりも高温となる傾向にある。ガスは高温になるほど粘性があがるため、中央領域に配置される第１及び第２セルは、第１及び第２端部領域に配置される第１及び第２セルよりガス供給量が少なくなる傾向にある。その結果、中央領域に配置された各セルに対して燃料枯渇に由来したクラックの発生するおそれがある。
【０００９】
これに対して、本発明に係る燃料電池スタックでは、中央領域に配置される各連通部材の流路の断面積の平均値が、第１及び第２端部領域に配置される各連通部の流路の断面積の平均値よりも大きくなっている。その結果、各セルへのガス供給量のバラツキを低減し、流量バラツキに由来したクラックの発生を抑制することができる。
【００１０】
好ましくは、各連通部材のうち、第１方向の中央に配置された連通部材の流路の断面積は、第１方向の両端に配置された各連通部材の流路の断面積よりも大きい。
【００１１】
連通部材は、多孔質であってもよい。この場合、連通部材は、外側面を構成する第３緻密層を有していることが好ましい。また、上述した流路は、連通部材内の気孔によって構成することができる。
【００１２】
連通部材は、上記流路として、第１ガス流路から第２ガス流路まで延びる空間を有していてもよい。
【００１３】
連通部材は、金属によって構成されていてもよい。
【００１４】
好ましくは、第１支持基板及び第２支持基板は、第１支持基板の側面と第２支持基板の側面とが対向するように配置される。
【００１５】
好ましくは、第１支持基板と第２支持基板とは、互いに間隔をあけて配置される。例えば燃料電池スタックが多数のセルを有して大型化した場合などに、この間隔に空気を流すことによってスタック内の温度分布を均一化することができる。
【００１６】
好ましくは、燃料電池スタックは、第１及び第２支持基板を支持するマニホールドをさらに備える。このマニホールドによって、各ガス流路へ燃料ガスを分配することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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】
【００２０】
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】
【００２１】
【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】燃料電池スタックの側面図。
【図８】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】
【００２２】
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。
【００２３】
［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、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。
【００２４】
［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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
［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。
【００２９】
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（ｚ軸方向）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。
【００３０】
図２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２ａとを有している。なお、各第１発電素子部２ａの大きさは、互いに異なっていてもよい。各第１発電素子部２ａは、第１支持基板５ａの一方の主面５０３ａのみに支持されていてもよいし、第１支持基板５ａの両方の主面５０３ａに支持されていてもよい。なお、本実施形態では、各第１発電素子部２ａは、第１支持基板５ａの両方の主面５０３ａに支持されている。なお、一方の主面５０３ａに配置される第１発電素子部２ａの数と他方の主面５０３ａに配置される第１発電素子部２ａの数は異なっていてもよい。各第１発電素子部２ａは、第１電気的接続部９ａ（図３参照）によって互いに電気的に接続されている。
【００３１】
［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。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に支持されている。詳細には、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。
【００３２】
第１支持基板５ａは、２つの主面５０３ａと、２つの側面５０４ａを有している。各主面５０３ａは、各第１発電素子部２ａを支持している。各主面５０３ａ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５０４ａ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５０４ａ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、主面５０３ａ同士が対向するように配置されている。第１支持基板５ａは、第１方向（ｚ軸方向）において互いに間隔をあけて配置される。なお、本実施形態では、第１方向は、マニホールド４の長手方向と平行に延びている。
【００３３】
図２に示すように、第１基板本体部５１ａは、第１発電素子部２ａ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Ｙ２Ｏ３（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ＭｇＡｌ２Ｏ４（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。
【００３４】
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を構成するとともに、第１支持基板５ａの各側面５０４ａ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。
【００３５】
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。
【００３６】
［第１発電素子部］
図３に示すように、第１発電素子部２ａ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２ａ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。
【００３７】
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の両面に形成されている。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。
【００３８】
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Ｙ２Ｏ３（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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り、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）Ｏ２（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。
【００４３】
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）Ｏ３（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）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（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。
【００４４】
第１電気的接続部９ａは、隣り合う第１発電素子部２ａ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、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（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。
【００４５】
第１空気極集電膜９２ａは、隣り合う第１発電素子部２ａ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２ａ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２ａ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。
【００４６】
第１空気極集電膜９２ａは、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（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）ＣｏＯ３（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。
【００４７】
［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と第２発電素子部２ｂとを有している。第２支持基板５ｂは、第２基板本体部５１ｂ、第２緻密層５２ｂ、及び第２ガス流路５３ｂを有している。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に支持されている。詳細には、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。第２基板本体部５１ｂは、複数の第２発電素子部２ｂ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。
【００４８】
第２発電素子部２ｂ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。なお、第２発電素子部２ｂは、第１発電素子部２ａよりも、燃料ガスに接触する面積が大きくしてもよい。すなわち、第２燃料極６ｂの面積は、第１燃料極６ａの面積よりも大きくしてもよい。また、第２空気極８ｂの面積は、第１空気極８ａの面積よりも大きくしてもよい。もちろん、第２燃料極６ｂの面積は、第１燃料極６ａの面積と同じであってもよいし、第１燃料極６ａの面積より小さくてもよい。また、第２空気極８ｂの面積は、第１空気極８ａの面積と同じであってもよいし、第１空気極８ａの面積より小さくてもよい。また、各第２発電素子部２ｂの大きさは互いに異なっていてもよい。また、一方の主面５０３ｂに配置される第２発電素子部２ｂの数と、他方の主面５０３ｂに配置される第２発電素子部２ｂの数は、互いに異なっていてもよい。
【００４９】
図１に示すように、各第２支持基板５ｂは、第１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。各第１支持基板５ａの列と、各第２支持基板５ｂの列とは、第１方向と直交する第２方向（ｙ軸方向）において、隣り合っている。第１支持基板５ａの側面５０４ａと第２支持基板５ｂの側面５０４ｂ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５０４ａと第２支持基板５ｂの側面５０４ｂとが接触していてもよい。また、第１支持基板５ａの主面５０３ａと第２支持基板５ｂの主面５０３ｂとは、同一面内に配置されていなくてもよく、例えば厚さ方向（ｚ軸方向）においてずれていてもよい。
【００５０】
［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。
【００５１】
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。
【００５２】
図７に示すように、各連通部材３が配置される領域Ｒは、第１方向（ｚ軸方向）において、第１端部領域Ｒ１、中央領域Ｒ２、及び第２端部領域Ｒ３に分けられている。例えば、各連通部材３が配置される領域Ｒを第１方向（ｚ軸方向）において３等分する。そして、一方の端部に配置される領域を第１端部領域Ｒ１とし、中央に配置される領域を中央領域Ｒ２とし、他方の端部に配置される領域を第２端部領域Ｒ３とする。
【００５３】
なお、各第１セル１０ａ及び各第２セル１０ｂも、第１端部領域Ｒ１、中央領域Ｒ２、及び第２端部領域Ｒ３のいずれかに配置されている。詳細には、第１端部領域Ｒ１に配置された連通部材３が取り付けられた第１及び第２セル１０ａ、１０ｂは、第１端部領域Ｒ１に配置される。中央領域Ｒ２に配置された連通部材３が取り付けられた第１及び第２セル１０ａ、１０ｂは、中央領域Ｒ２に配置される。そして、第２端部領域Ｒ３に配置された連通部材３が取り付けられた第１及び第２セル１０ａ、１０ｂは、第２端部領域Ｒ３に配置される。
【００５４】
中央領域Ｒ２に配置される各連通部材３の流路３０の断面積の平均値は、第１及び第２端部領域Ｒ１，Ｒ３に配置される各連通部材３の流路３０の断面積の平均値よりも大きい。なお、図６に示すように、各流路３０の断面積は、第１セル１０ａと対向する第１領域Ｒ４の任意の点における流路３０の断面積と、第２セル１０ｂと対向する第２領域Ｒ５の任意の点における流路３０の断面積と、第１領域Ｒ４と第２領域Ｒ５との間の第３領域Ｒ６の任意の点の断面積との平均値とする。各断面積は、流路３０が延びる方向（ｙ軸方向）と直交する面（ｘｚ平面）で切断した流路３０の断面積である。なお、各連通部材３の大きさは互いに異なっていてもよい。
【００５５】
図７に示すように、例えば、各連通部材３のうち、第１方向（ｚ軸方向）の中央に配置された連通部材３の流路３０の断面積は、第１方向の両端に配置された各連通部材３の流路の断面積よりも大きいことが好ましい。また、中央領域Ｒ２に配置される各連通部材３の流路３０の断面積は、第１及び第２端部領域Ｒ１、Ｒ３に配置される各連通部材３の流路３０の断面積よりも大きいことが好ましい。
【００５６】
［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）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−      …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−          …（２）
【００５７】
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２ａ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。
【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、第１室４１に燃料ガスを供給し、第２室４２から燃料ガスを排出しているが、燃料ガスの流れは特にこれに限定されない。例えば、第２室４２に燃料ガスを供給し、第１室４１から燃料ガスを排出してもよい。すなわち、第２ガス流路、連通部材３、第１ガス流路の順で燃料ガスを流してもよい。
【００６０】
変形例２
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ガス流路５３ａの数は１つでもよい。なお、この場合、第１ガス流路５３ａは扁平状であることが好ましい。また、第１セル１０ａ及び第２セル１０ｂは、円筒型や縦縞型であってもよい。
【００６１】
変形例３
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。
【００６２】
変形例４
上記実施形態では、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。
【００６３】
変形例５
また、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８に示すように、連通部材３が多孔質体の場合、連通部材３には上記実施形態のような空間が形成されていなくてもよい。この場合、連通部材３の流路３０は、連通部材３の多孔質部分によって構成することができる。各流路３０の断面積は、多孔質部分の断面積とすることができる。
【符号の説明】
【００６４】
２ａ      ：第１発電素子部
２ｂ      ：第２発電素子部
３        ：連通部材
３０      ：流路
３１      ：第３緻密層
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
５３１ａ  ：近位端部
５３２ａ  ：遠位端部
５０１ａ  ：近位端部
５０２ａ  ：遠位端部
５０４ａ  ：側面
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
５３２ｂ  ：遠位端部
５０１ｂ  ：近位端部
５０２ｂ  ：遠位端部
５０４ｂ  ：側面
１００    ：燃料電池スタック
【図１】
2018073548.tif 000003
【図２】
2018073548.tif 000004
【図３】
2018073548.tif 000005
【図４】
2018073548.tif 000006
【図５】
2018073548.tif 000007
【図６】
2018073548.tif 000008
【図７】
2018073548.tif 000009
【図８】
2018073548.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月17日(2017.10.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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て燃料ガスが供給される第１ガス流路、を有し、第１方向において互いに間隔をあけて配置される複数の第１支持基板と、
前記各第１支持基板上に配置される複数の第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て燃料ガスが供給される第２ガス流路、を有し、前記第１方向において互いに間隔をあけて配置される複数の第２支持基板と、
前記各第２支持基板上に配置される複数の第２発電素子部と、
前記各第１支持基板及び前記各第２支持基板の近位端部を支持するマニホールドと、
前記各第１支持基板の遠位端部と前記各第２支持基板の遠位端部とに亘って延びる複数の連通部材と、
を備え、
前記各連通部材は、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連通させる流路を有し、
前記各連通部材が配置される領域は、前記第１方向において、第１端部領域、中央領域、及び第２端部領域に分けられ、
前記中央領域に配置される各連通部材の流路の断面積の平均値は、前記第１及び第２端部領域に配置される各連通部材の流路の断面積の平均値よりも大きく、
前記連通部材は、多孔質である、
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記各連通部材のうち、前記第１方向の中央に配置された連通部材の流路の断面積は、前記第１方向の両端に配置された各連通部材の流路の断面積よりも大きい、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記連通部材は、外側面を構成する第３緻密層を有する、
請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記流路は、前記連通部材内の気孔によって構成される、
請求項１から３のいずれかに記載に燃料電池スタック。
【請求項５】
前記連通部材は、前記流路として前記第１ガス流路から前記第２ガス流路へと延びる空間を内部に有している、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記連通部材は、金属によって構成される、
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
当該燃料電池スタックは、複数の前記第１発電素子部と、複数の前記第２発電素子部と、を備え、
前記各第１発電素子部は、前記第１支持基板の長手方向に沿って間隔をあけて配置されており、
前記各第２発電素子部は、前記第２支持基板の長手方向に沿って間隔をあけて配置される、
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
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て燃料ガスが供給される第１ガス流路、を有し、第１方向において互いに間隔をあけて配置される複数の第１支持基板と、
前記各第１支持基板上に配置される複数の第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て燃料ガスが供給される第２ガス流路、を有し、前記第１方向において互いに間隔をあけて配置される複数の第２支持基板と、
前記各第２支持基板上に配置される複数の第２発電素子部と、
前記各第１支持基板及び前記各第２支持基板の近位端部を支持するマニホールドと、
前記各第１支持基板の遠位端部と前記各第２支持基板の遠位端部とに亘って延びる複数の連通部材と、
を備え、
前記各連通部材は、前記第１ガス流路と前記第２ガス流路とを連通させる流路を有し、
前記各連通部材が配置される領域は、前記第１方向において、第１端部領域、中央領域、及び第２端部領域に分けられ、
前記中央領域に配置される各連通部材の流路の断面積の平均値は、前記第１及び第２端部領域に配置される各連通部材の流路の断面積の平均値よりも大きく、
前記連通部材は、金属によって構成される、
燃料電池スタック。