(57)【要約】【課題】発電効率を向上させる。【解決手段】燃料電池スタック１００は、燃料マニホールド２００と、燃料電池セル３０１とを備えている。燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド２００から延びている。燃料電池セル３０１は、支持基板２０、及び複数の発電素子部１０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。各発電素子部１０のうち、最もガス供給側に配置された基端側発電素子部１０ａの面積は、他の発電素子部１０の面積の平均値よりも大きい。【選択図】図６
2018037401.tif 000002
【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、及び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、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、
前記各発電素子部のうち、最もガス供給側に配置された基端側発電素子部の面積は、他の発電素子部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】
前記各発電素子部のうち、前記基端側発電素子部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】
前記基端側発電素子部の面積は、前記各発電素子部のうち前記長手方向の中央部に配置される中央発電素子部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】
前記基端側発電素子部の面積は、前記各発電素子部のうち、最もガス排出側に配置された先端側発電素子部の面積と同じである、
請求項１又は３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記他の発電素子部の面積の平均値（Ｓ０）に対する、前記基端側発電素子部の面積Ｓａの割合（Ｓａ／Ｓ０）は、１．１以上である、
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】
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、
を備え、
前記各発電素子部のうち、最もガス供給側に配置された基端側発電素子部の面積は、他の発電素子部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。
【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、ガス供給側の発電素子部が、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発電素子部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、他の発電素子部に比べて基端側発電素子部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、及び複数の発電素子部を有する。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。各発電素子部のうち、最もガス供給側に配置された基端側発電素子部の面積は、他の発電素子部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発電素子部の面積が、他の発電素子部の面積の平均値よりも大きいため、基端側発電素子部の電流密度が小さくなり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発電素子部の電気抵抗が大きくなった場合であっても、基端側発電素子部の電気抵抗と他の発電素子部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、各発電素子部のうち、基端側発電素子部の面積が最も大きい。
【０００９】
好ましくは、基端側発電素子部は、各発電素子部のうち長手方向の中央部に配置される中央発電素子部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発電素子部の温度が最も高くなるため、中央発電素子部の電気抵抗と基端側発電素子部の電気抵抗との差が最も大きくなる。そこで、基端側発電素子部の面積を中央発電素子部の面積よりも大きくすることで、基端側発電素子部の電気抵抗と中央発電素子部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】
基端側発電素子部の面積は、各発電素子部のうち、最もガス排出側に配置された先端側発電素子部の面積と同じであってもよい。この場合、基端側発電素子部の面積は、先端側発電素子部の面積と完全に同じである必要はなく、製造上の誤差による違いは生じ得る。
【００１１】
好ましくは、他の発電素子部の面積の平均値（Ｓ０）に対する、基端側発電素子部の面積（Ｓａ）の割合（Ｓａ／Ｓ０）は、１．１以上である。
【００１２】
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。各発電素子部のうち、最もガス供給側に配置された基端側発電素子部の面積は、他の発電素子部の面積の平均値よりも大きい。
【００１３】
この構成によれば、最もガス供給側に配置された基端側発電素子部の面積が、他の発電素子部の面積の平均値よりも大きいため、基端側発電素子部の電流密度が小さくなり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発電素子部の電気抵抗が大きくなった場合であっても、基端側発電素子部の電気抵抗と他の発電素子部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】
【００１４】
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】
【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】燃料電池スタックの正面図。
【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】
【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、を備えている。
【００１８】
［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。
【００１９】
［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。
【００２０】
［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。
【００２１】
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。
【００２２】
［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。
【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（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）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】
図６に示すように、各発電素子部１０は、支持基板２０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。この各発電素子部１０のうち、最もガス供給側（図６の下側）に配置された発電素子部１０を基端側発電素子部１０ａとする。なお、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発電素子部１０とは、最も燃料マニホールド２００に近い発電素子部１０と同義である。また、各発電素子部１０のうち、最もガス排出側（図６の上側）に配置された発電素子部１０を先端側発電素子部１０ｂとする。なお、ガス排出側とは、ガスが排出される側、すなわち、燃料マニホールド２００と反対側を言う。先端側発電素子部１０ｂは、各発電素子部１０の中で、燃料マニホールド２００から最も遠い位置にある。
【００３２】
基端側発電素子部１０ａの面積は、他の発電素子部１０の面積の平均値よりも大きい。なお、発電素子部１０の面積は、発電素子部１０の厚さ方向に沿って見た状態（ｚ軸方向視）において、燃料極活性部４２、電解質５、及び空気極６が重複する部分の面積を言う。基端側発電素子部１０ａは、他の発電素子部１０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。
【００３３】
各発電素子部１０の面積の比較は、各発電素子部１０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の両面に各発電素子部１０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発電素子部１０ａの面積は、支持基板２０の一方面に形成された他の各発電素子部１０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発電素子部１０ａの面積は、支持基板２０の他方面に形成された他の各発電素子部１０の面積の平均値よりも大きくなるように設計される。
【００３４】
基端側発電素子部１０ａは、各発電素子部１０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、基端側発電素子部１０ａは、他の全ての発電素子部１０の面積よりも大きい。なお、他の発電素子部１０のうち、基端側発電素子部１０ａと同じ面積を有するものがあってもよい。例えば、先端側発電素子部１０ｂの面積が、基端側発電素子部１０ａの面積と同じであってもよい。
【００３５】
また、基端側発電素子部１０ａの面積は、各発電素子部１０のうち、長手方向の中央部に配置された中央発電素子部１０の面積よりも大きい。なお、支持基板２０上に配置される発電素子部１０の数が偶数の場合、長手方向の中央部には２つの発電素子部１０が配置されることになる。そして、基端側発電素子部１０ａの面積は、この２つの発電素子部１０の各面積よりも大きい。
【００３６】
好ましくは、他の各発電素子部１０の面積の平均値Ｓ０に対する、基端側発電素子部１０ａ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。
【００３７】
［電気的接続部］
図５に示すように、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。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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
［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３０３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、基端側発電素子部１０ａ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。
【００４１】
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）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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
［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。
【００４７】
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、基端側発電素子部１０ａよりもガス供給側に供給される。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、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。
【００４８】
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）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−      …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋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。
【００４９】
［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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
［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。
【００５５】
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。
【００５６】
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、基端側発電素子部１０ａの面積が、他の発電素子部１０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、基端側発電素子部１０ａの面積が、他の発電素子部１０の面積と同じ、又は他の発電素子部１０の面積よりも小さくてもよい。
【実施例】
【００５７】
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。
【００５８】
Ｎｏ．１〜１０に係る燃料電池セル３０１を以下のように作製した。
【００５９】
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は、支持基板２０の一方の面のみに形成した。
【００６０】
各燃料電池セル３０１において、各発電素子部１０の面積Ｓａ〜Ｓｈを表１の通りとした。なお、各発電素子部１０の面積Ｓａ〜Ｓｈは、基端側発電素子部１０ａの面積Ｓａを１とした面積比で表記した。各発電素子部１０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、各発電素子部１０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発電素子部１０の面積を調整した。また、各燃料電池セル３０１において、各発電素子部１０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、基端側発電素子部１０ａ以外の他の発電素子部１０の面積の平均値である。
【００６１】
（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、基端側発電素子部１０ａ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/ｃｍ２、燃料利用率が８０％、空気利用率が４０％であった。
【００６２】
【表１】
2018037401.tif 000003
【００６３】
表１より、基端側発電素子部１０ａの面積Ｓａを、他の発電素子部１０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、他の発電素子部１０の面積の平均値Ｓ０に対する、基端側発電素子部１０ａの面積Ｓａの割合（Ｓａ／Ｓ０）を１．１０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】
【００６４】
１００    燃料電池スタック
２００    燃料マニホールド
３０１    燃料電池セル
１０      発電素子部
１０ａ    基端側発電素子部
１０ｂ    先端側発電素子部
２０    支持基板
２１    ガス流路
【図１】
2018037401.tif 000004
【図２】
2018037401.tif 000005
【図３】
2018037401.tif 000006
【図４】
2018037401.tif 000007
【図５】
2018037401.tif 000008
【図６】
2018037401.tif 000009
【図７】
2018037401.tif 000010
【図８】
2018037401.tif 000011
【図９】
2018037401.tif 000012
【図１０】
2018037401.tif 000013
【図１１】
2018037401.tif 000014
【図１２】
2018037401.tif 000015
【図１３】
2018037401.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月25日(2017.10.25)
【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】
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、及び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、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、
前記各発電素子部のうち、最もガス供給側に配置された基端側発電素子部の面積は、他の全ての発電素子部の面積のそれぞれよりも大きい、
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記他の発電素子部の面積の平均値（Ｓ０）に対する、前記基端側発電素子部の面積Ｓａの割合（Ｓａ／Ｓ０）は、１．１以上である、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
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、
を備え、
前記各発電素子部のうち、最もガス供給側に配置された基端側発電素子部の面積は、他の全ての発電素子部の面積のそれぞれよりも大きい、
燃料電池セル。