(57)【要約】【課題】発電効率をより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、一対の燃料電池セル３０１と、複数の集電部材３０２とを備えている。各燃料電池セル３０１は、長手方向に間隔をあけて配置される複数の発電素子部１０を有している。各集電部材３０２は、一対の燃料電池セル３０１の間において燃料電池セル３０１の幅方向に互いに間隔をあけて配置されている。また、各集電部材３０２は、一対の燃料電池セル３０１を電気的に接続する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に延びるガス流路、及び前記長手方向に間隔をあけて配置される複数の発電素子部、を有する一対の燃料電池セルと、
前記一対の燃料電池セルの間において互いに間隔をあけて前記燃料電池セルの幅方向に配置され、前記一対の燃料電池セルを電気的に接続する複数の集電部材と、
を備える、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記各集電部材は、前記燃料電池セルの幅方向に互いに間隔をあけて配置される、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記燃料電池セルの幅方向において、前記燃料電池セルの長さ（Ｗ１）に対する、前記複数の集電部材の長さの合計値（Ｗ２）の割合（Ｗ２／Ｗ１）が、０．２〜０．８である、
請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
少なくとも一対の隣り合う前記集電部材は、前記燃料電池セルの長手方向視において重なるように配置されている、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記燃料電池セルの幅方向において、前記複数の集電部材の長さの合計値（Ｗ２）に対する、前記集電部材の重なり部分の長さの合計値（Ｌ）の割合（Ｌ／Ｗ２）が、０．５未満である、
請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記集電部材は、酸化物セラミックスの焼成体で構成される、
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】
前記各燃料電池セルにガスを分配するマニホールドをさらに備え、
前記各燃料電池セルは、前記マニホールドの天板から上方に延びる、
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】
前記一対の燃料電池セル間において、前記各集電部材と前記マニホールドの天板との間にガスを供給するように構成されるガス供給部材をさらに備える、
請求項７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】
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）。詳細には、燃料マニホールドは複数の挿入孔を有しており、この挿入孔に各燃料電池セルが挿入されている。そして、各燃料電池セルは、接合材を用いて燃料マニホールドに固定されている。また、各燃料電池セルは、集電部材を介して電気的に接続されている。この集電部材は、接合材を介して各燃料電池セルに接合されている。
【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、一対の燃料電池セルと、複数の集電部材とを備えている。各燃料電池セルは、その長手方向に延びるガス流路を有している。また、各燃料電池セルは、長手方向に間隔をあけて配置される複数の発電素子部、を有している。各集電部材は、一対の燃料電池セルの間において互いに間隔をあけて燃料電池セルの幅方向に配置されている。また、各集電部材は、一対の燃料電池セルを電気的に接続する。
【０００６】
一対の燃料電池セルを１つの集電部材によって電気的に接続する燃料電池スタックに比べて、一対の燃料電池セルを複数の集電部材によって電気的に接続する方が、接合面積が同じであっても、発電効率を向上させることができる。詳細には、複数の集電部材によって一対の燃料電池セル電気的に接続することによって、一方の燃料電池セルから他方の燃料電池セルへと流れる電流を燃料電池セルの幅方向に分散させることができる。この結果、燃料電池スタックにおける抵抗過電圧を低減させ、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【０００７】
好ましくは、各集電部材は、燃料電池セルの幅方向に互いに間隔をあけて配置される。この場合、燃料電池セルの幅方向において、燃料電池セルの長さ（Ｗ１）に対する、複数の集電部材の長さの合計値（Ｗ２）の割合（Ｗ２／Ｗ１）は０．２〜０．８とすることが好ましい。
【０００８】
このように、割合「Ｗ２／Ｗ１」を０．２〜０．８とすることによって、より燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。具体的には、割合「Ｗ２／Ｗ１」を０．２以上とすることによって、各集電部材における電流集中が緩和される。この結果、各集電部材における電気抵抗の増大が抑制されるため、燃料電池の発電効率をより向上させることができる。また、割合「Ｗ２／Ｗ１」を０．８以下とすることによって、各集電部材の間隔を介して、燃料電池セルの長手方向に空気が流れ易くなり、温度分布の偏りが抑制される。この結果、集電部材における電気抵抗の増大を抑制でき、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【０００９】
少なくとも一対の隣り合う集電部材は、燃料電池セルの長手方向視において重なるように配置されていてもよい。この場合、燃料電池セルの幅方向において、複数の集電部材の長さの合計値（Ｗ２）に対する、集電部材の重なり部分の長さの合計値（Ｌ）の割合（Ｌ／Ｗ２）は、０．５未満であることが好ましい。
【００１０】
このように、少なくとも一対の隣り合う集電部材を重なるように配置することによって、どちらか一方の集電部材に不具合が発生した場合であっても、集電部材の電気抵抗が増大してしまうことを緩和できる。また、上記割合「Ｌ／Ｗ２」を０．５未満とすることによって、発電性能を向上させることができる。
【００１１】
好ましくは、集電部材は、酸化物セラミックスの焼成体で構成される。
【００１２】
好ましくは、燃料電池スタックは、各燃料電池セルにガスを分配するマニホールドをさらに備える。そして、各燃料電池セルは、マニホールドの天板から上方に延びる。
【００１３】
好ましくは、燃料電池スタックは、ガス供給部材をさらに備える。ガス供給部材は、一対の燃料電池セル間において、各集電部材とマニホールドの天板との間にガスを供給するように構成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る燃料電池スタックによれば、発電効率をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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】燃料電池スタックの正面図。
【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】燃料電池スタックの製造方法を示す図。
【図１１】燃料電池スタックの製造方法を示す図。
【図１２】変形例に係る燃料電池スタックの断面図。
【図１３】変形例に係る燃料電池スタックの断面図。
【図１４】変形例に係る燃料電池スタックの断面図。
【図１５】変形例に係る燃料電池スタックの断面図。
【図１６】変形例に係る燃料電池スタックの断面図。
【図１７】比較例に係る燃料電池スタックの正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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、複数の集電部材３０２と、を備えている。
【００１８】
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、第１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。なお、本実施形態において、燃料マニホールド２００の長手方向は第１方向に沿って延びている。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。
【００１９】
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の長手方向は、上方に延びている。
【００２０】
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。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。
【００２１】
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。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。
【００２２】
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。支持基板２０の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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）Ｏ２（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。
【００３０】
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）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、空気極６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）、又は、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。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。
【００３１】
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、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、ＬａＣｒＯ３（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）ＴｉＯ３（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】
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。
【００３３】
空気極集電膜３２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、空気極集電膜３２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、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。
【００３４】
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、複数の集電部材３０２によって電気的に接続されている。図２に示すように、各集電部材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。詳細には、集電部材３０２は、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。集電部材３０２は、複数の発電素子部１０のうち、最も近位側（燃料マニホールド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上に配置されている。なお、「近位」及び「遠位」とは、燃料マニホールド２００を基準にした燃料電池セル３０１の長手方向の位置関係を示す。
【００３５】
図７に示すように、一対の燃料電池セル３０１間に配置された各集電部材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。この各集電部材３０２の間隔は、等間隔であってもよいし、ばらついていてもよい。また、各集電部材３０２のうち、少なくとも一対の集電部材３０２が幅方向において間隔をあけて配置されていればよく、各集電部材３０２のうち、隣り合う集電部材３０２と間隔をあけずに配置されているものがあってもよい。
【００３６】
燃料電池セル３０１の幅方向において、燃料電池セル３０１の長さＷ１に対する、ｎ個の集電部材３０２の長さ（ｗ１、ｗ２、・・・、ｗｎ）の合計値Ｗ２の割合（Ｗ２／Ｗ１）は、０．２〜０．８とすることが好ましい。なお、燃料電池セル３０１の幅方向における燃料電池セル３０１の長さＷ１とは、燃料電池セル３０１の幅方向に沿って測定した長さを言う。また、燃料電池セル３０１の幅方向における集電部材３０２の長さｗｎとは、燃料電池セル３０１の幅方向に沿って測定した長さを言う。また、特に限定されるものではないが、燃料電池セル３０１の長さＷ１は、２０〜２００mm程度とすることが好ましく、各集電部材３０２の長さｗｎは、１．０〜２０ｍｍ程度とすることが好ましい。また、一対の燃料電池セル３０１間に配置される各集電部材３０２の数ｎは、例えば、２〜２０個程度とすることが好ましい。
【００３７】
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。本実施形態では各集電部材３０２の大きさは互いに同じであるが、各集電部材３０２の大きさは異なっていてもよい。例えば、第１方向（ｚ軸方向）に沿って見た各集電部材３０２の面積が、互いに異なっていてもよい。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）ＭｎＯ３、又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等が挙げられる。スピネル酸化物としては、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４、又は（Ｍｎ，Ｆｅ）３Ｏ４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。
【００３８】
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）３Ｏ４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等よりなる群から選ばれる少なくとも１種である。
【００３９】
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８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。
【００４０】
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、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ２−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、ＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３系及びＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。
【００４１】
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、第１方向に間隔をあけて並んでいる。第１方向における燃料電池セル３０１同士の間隔は、１〜５ｍｍ程度とすることができる。
【００４２】
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）式に示す化学反応が起こり、燃料極４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）
【００４３】
酸素を含むガスは、例えば、図９に示すように、幅方向に沿って流れるように、集電部材３０２と燃料マニホールド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と燃料マニホールド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。
【００４４】
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。
【００４５】
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１０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。
【００４６】
次に、図１１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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
［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。
【００５０】
変形例１
例えば、上記実施形態では、各集電部材３０２は、幅方向（ｙ軸方向）に沿って整列しているが、ばらつきがあってもよい。図１２に示すように、隣り合う集電部材３０２は、燃料電池セル３０１の長手方向視において重なるように配置されていてもよい。この場合、燃料電池セル３０１の幅方向において、複数の集電部材３０２の長さの合計値（Ｗ２）に対する、各集電部材３０２の重なり部分の長さｌ１、ｌ２、・・・ｌｍの合計値Ｌ（＝ｌ１＋ｌ２＋・・・＋ｌｍ）の割合（Ｌ／Ｗ２）が０．５未満であることが好ましい。
【００５１】
変形例２
図１３に示すように、各集電部材３０２は、燃料電池セル１００の幅方向に平行に配置されていなくもよい。この場合、燃料電池セル３０１の幅方向における各集電部材の長さｗｎは、燃料電池セル１００の幅方向と平行な寸法を測定する。
【００５２】
変形例３
少なくとも一対の燃料電池セル３０１を接合する各集電部材３０２が幅方向に間隔をあけて配置されていればよい。例えば、一部の燃料電池セル３０１間を接合する集電部材は、幅方向に間隔をあけていなくてもよい。
【００５３】
変形例４
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１４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。
【００５４】
変形例５
上記実施形態では、各燃料電池セル３０１の各発電素子部１０は全て直列に接続されているが、並列に接続されていてもよい。例えば、図１５に示すように、各燃料電池セル３０１の上部領域Ｒ１に形成された各発電素子部１０と、各燃料電池セル３０１の下部領域Ｒ２に形成された各発電素子部１０とが並列に接続されていてもよい。この場合、隣り合う燃料電池セル３０１を上部領域Ｒ１において電気的に接続する各集電部材３０２と、隣り合う燃料電池セル３０１を下部領域Ｒ２において電気的に接続する各集電部材３０２とが形成されている。
【００５５】
例えば、一対の燃料電池セル３０１間の近位端部３０３及び遠位端部３０４のそれぞれにおいて、各集電部材３０２が一対の燃料電池セル３０１間を電気的に接続している。そして、上部領域Ｒ１と下部領域Ｒ２とのそれぞれに、表裏間接続部材３０５が設けられている。表裏間接続部材３０５は、支持基板２０の一方の面に形成された発電素子部１０と、支持基板２０の他方の面に形成された発電素子部１０とを電気的に接続している。
【００５６】
なお、一部の燃料電池セル３０１のみで各発電素子部１０が並列に接続されており、他の燃料電池セル３０１では各発電素子部１０が直列に接続されていてもよい。
【００５７】
変形例６
図１６に示すように、各燃料電池セル３０１の各発電素子部１０を並列に接続してもよい。すなわち、各集電部材３０２は、燃料電池セル３０１の長手方向（ｘ軸方向）の中央部において、隣り合う燃料電池セル３０１を電気的に接続している。そして、各燃料電池セル３０１の近位端部３０３及び遠位端部３０４のそれぞれにおいて、表裏間接続部材３０５が設けられている。各表裏間接続部材３０５は、支持基板２０の一方の面に形成された発電素子部１０と、支持基板２０の他方の面に形成された発電素子部１０とを電気的に接続している。
【００５８】
変形例７
上記実施形態では、各集電部材３０２は、発電素子部１０から延びる空気極集電膜３２上に配置されているが、各集電部材３０２が配置される場所はこれに限定されない。例えば、各集電部材３０２は、発電素子部１０上に配置されていてもよいし、インターコネクタ３１上に配置されていてもよい。このように、各集電部材３０２は、隣り合う燃料電池セル３０１を電気的に接続していれば、どの部材上に配置されていてもよい。
【実施例】
【００５９】
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。
【００６０】
［試験Ａ］
（実施例）
実施例として、サンプルＮｏ．１〜９に係る燃料電池スタックを以下のように作製した。
【００６１】
まず、上述したように構成された一対の燃料電池セル３０１を作製した。各燃料電池セル３０１は、その長手方向に間隔をあけて配置された５個の発電素子部１０を有する。この燃料電池セル３０１間に２〜２０個の集電部材３０２を配置し、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３を介して、各集電部材３０２と、１対の燃料電池セル３０１とを接合した。各集電部材３０２は、燃料電池セル３０１の幅方向に間隔をあけて配置した。この各集電部材３０２の間隔は略等間隔とした。
【００６２】
各集電部材３０２は、直方体状である。各集電部材３０２は、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３によって形成した。各サンプルにおける燃料電池セル３０１の長さＷ１、及び各集電部材３０２の長さの合計値Ｗ２は表１に示される通りである。なお、燃料電池セル３０１の長さＷ１は、長手方向において各集電部材３０２が形成された位置で幅方向（ｙ軸方向）に対して測定した。また、各集電部材３０２の長さｗｎは、厚さ方向（ｚ軸方向）において任意の位置で各集電部材３０２を切断し、その断面形状の幅方向（ｙ軸方向）において測定した。なお、各集電部材３０２が燃料電池セル３０１の幅方向に沿って並んでいない場合、少なくとも1つの集電部材３０２が形成された任意の位置において、燃料電池セル３０１の長さＷ１を測定すればよい。
【００６３】
各サンプルにおいて、燃料電池セル３０１の幅方向の長さＷ１、及び各集電部材３０２の幅方向の長さの合計値Ｗ２以外の構成は、同じである。
【００６４】
（比較例）
比較例として、図１７に示すような、１つの集電部材によって１対の燃料電池セル３０１を接続した燃料電池スタック１００を作製した。また、比較例におけるその他の構成は、実施例の各サンプルと同じである。
【００６５】
（評価方法）
以上のようにして作製した各サンプルに対して、燃料マニホールド２００を介して６２℃加湿水素ガスを供給した。また、幅方向に沿って、燃料マニホールド２００の天板２０３と各集電部材３０２との間に空気を供給した。そして、各サンプルにおいて抵抗過電圧を計測し、各サンプルを評価した。この評価結果を表１に示す。なお、表１では、抵抗過電圧が２．０Ｖ以下のサンプルを「○」と評価し、抵抗過電圧が２．１〜２．９Ｖであるサンプルを「△」と評価し、抵抗過電圧が３．０Ｖ以上のサンプルを「×」と評価した。なお、各サンプルの評価条件は以下の通りとした。
・雰囲気温度：７５０℃
・電流密度：０．００３Ａ／ｍｍ２通電時
（なお、電流密度はｚ軸方向から見た際にｘｙ平面に形成された１つの発電素子部１０の空気極面積測定結果に対する値とする。）
・各サンプルにおける一対の燃料電池セル３０１全体の抵抗過電圧を測定。
【００６６】
【表１】
2018032612.tif 000003
【００６７】
表１に示すように、比較例とサンプルＮｏ．４の実施例とを比較すると、Ｗ２／Ｗ１が同じであるにも関わらず、実施例の方が比較例に比べて抵抗過電圧が低いことがわかった。これは、次の理由によるものと考えられる。すなわち、幅方向に間隔をあけて複数の集電部材３０２を配置することによって、一方の燃料電池セル３０１から他方の燃料電池セル３０１へと流れる電流を燃料電池セル３０１の幅方向に分散させることができる。この結果、燃料電池スタック１００の抵抗過電圧が低減したものと考えられる。この結果より、接合面積が同じであれば、複数の集電部材３０２に分けて、各集電部材３０２を幅方向に間隔をあけて配置することで、燃料電池スタック１００の発電効率を向上させることができることが分かった。
【００６８】
また、表１のサンプルＮｏ．３〜９の結果より、割合「Ｗ２／Ｗ１」を０．２〜０．８とすることによって、評価が「○」となることが分かった。この割合「Ｗ２／Ｗ１」を０．２以上とすることによって評価が「○」となる理由は、各集電部材３０２における電流集中が緩和されて、各集電部材３０２における電気抵抗の増大が抑制されるためであると考えられる。また、割合「Ｗ２／Ｗ１」を０．８以下とすることによって評価が「○」となる理由は、各集電部材３０２の間隔を介して、燃料電池セル３０１の長手方向に空気が流れ易くなることによって温度分布の偏りが抑制され、この結果、各集電部材３０２の電気抵抗の増大を抑制できるためであると考えられる。
【００６９】
［試験Ｂ］
（実施例）
変形例１の実施例として、サンプルＮｏ．１０〜１９に係る燃料電池スタックを以下のように作製した。
【００７０】
まず、上述したように構成された一対の燃料電池セル３０１を作製した。各燃料電池セル３０１は、その長手方向に間隔をあけて配置された５個の発電素子部１０を有する。この燃料電池セル３０１間に３〜２０個の集電部材３０２を配置し、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３を介して、各集電部材３０２と、１対の燃料電池セル３０１とを接合した。なお、各サンプルにおいて、少なくとも一対の隣り合う集電部材３０２は、図１２に示すように、燃料電池セル３０１の長手方向視において重なるように配置されている。
【００７１】
各集電部材３０２は、直方体状である。各集電部材３０２は、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３によって形成した。各サンプルにおける各集電部材３０２の長さの合計値Ｗ２、及び重なり部分の長さの合計値Ｌは表２に示される通りである。なお、各集電部材３０２の長さｗｎ及び重なり部分の長さｌｍは、厚さ方向（ｚ軸方向）において任意の位置で各集電部材３０２を切断し、その断面形状において測定した。
【００７２】
各サンプルにおいて、各集電部材３０２の幅方向の長さの合計値Ｗ２、重なり部分の長さの合計値Ｌ以外の構成は、同じである。
【００７３】
（評価方法）
以上のようにして作製した各サンプルに対して、燃料マニホールド２００を介して６２℃加湿水素ガスを供給した。また、幅方向に沿って、燃料マニホールド２００の天板２０３と各集電部材３０２との間に空気を供給した。そして、各サンプルにおいて抵抗過電圧を計測し、各サンプルを評価した。この評価結果を表２に示す。なお、表２では、抵抗過電圧が１．３Ｖ以下のサンプルを「○」と評価し、抵抗過電圧が１．４Ｖ〜２．０Ｖであるサンプルを「△」と評価した。なお、各サンプルの評価条件は以下の通りとした。
・雰囲気温度：７５０℃
・電流密度：０．００３Ａ／ｍｍ２通電時
（なお、電流密度はｚ軸方向から見た際にｘｙ平面に形成された１つの発電素子部１０の空気極面積測定結果に対する値とする。）
・各サンプルにおける一対の燃料電池セル３０１全体の抵抗過電圧を測定。
【００７４】
【表２】
2018032612.tif 000004
【００７５】
表２に示すように、割合「Ｌ／Ｗ２」を０．５未満とすることによって、評価が「○」となることが分かった。これは、割合「Ｌ／Ｗ２」を０．５未満とすることによって、各集電部材３０２における電流集中が緩和されて、各集電部材３０２における電気抵抗の増大が抑制されるためであると考えられる。
【符号の説明】
【００７６】
１０      ：発電素子部
２１      ：ガス流路
１００    ：燃料電池スタック
２０３    ：天板
３０１    ：燃料電池セル
３０２    ：集電部材
４００    ：ガス供給部材
【図１】
2018032612.tif 000005
【図２】
2018032612.tif 000006
【図３】
2018032612.tif 000007
【図４】
2018032612.tif 000008
【図５】
2018032612.tif 000009
【図６】
2018032612.tif 000010
【図７】
2018032612.tif 000011
【図８】
2018032612.tif 000012
【図９】
2018032612.tif 000013
【図１０】
2018032612.tif 000014
【図１１】
2018032612.tif 000015
【図１２】
2018032612.tif 000016
【図１３】
2018032612.tif 000017
【図１４】
2018032612.tif 000018
【図１５】
2018032612.tif 000019
【図１６】
2018032612.tif 000020
【図１７】
2018032612.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月6日(2017.3.6)
【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】
長手方向に延びるガス流路、及び前記長手方向に間隔をあけて配置される複数の発電素子部、を有する一対の燃料電池セルと、
前記一対の燃料電池セルの間において互いに間隔をあけて前記燃料電池セルの幅方向に配置され、前記一対の燃料電池セルを電気的に接続する複数の集電部材と、
を備え、
少なくとも一対の隣り合う前記集電部材は、前記燃料電池セルの長手方向視において重なるように配置されている、
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記燃料電池セルの幅方向において、前記複数の集電部材の長さの合計値（Ｗ２）に対する、前記集電部材の重なり部分の長さの合計値（Ｌ）の割合（Ｌ／Ｗ２）が、０．５未満である、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記集電部材は、酸化物セラミックスの焼成体で構成される、
請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記各燃料電池セルにガスを分配するマニホールドをさらに備え、
前記各燃料電池セルは、前記マニホールドの天板から上方に延びる、
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】
前記一対の燃料電池セル間において、前記各集電部材と前記マニホールドの天板との間にガスを供給するように構成されるガス供給部材をさらに備える、
請求項４に記載の燃料電池スタック。