(57)【要約】【課題】簡単な構造で発電性能を向上できるセルユニットを提供する。【解決手段】セルユニット１００は、電解質層１１１Ｅ、アノード電極層１１１Ａおよびカソード電極層１１１Ｃを含む燃料電池セル１１１と、燃料電池セルを保持する保持フレーム１１３と、燃料電池セルによって発電した電流を集電する集電層１２０と、集電層との間にカソードガスＣＧの流路を形成するセパレータ１３０と、セパレータと保持フレームとの間に配置される絶縁部材１７０と、燃料電池セルの端部と保持フレームとが接合された接合部１８０と、接合部よりもカソードガスの上流側にカソードガスから遮蔽された空間部Ｓ１を区画形成する遮蔽部１９０と、を有する。【選択図】図５Ａ
2019216001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層、アノード電極層およびカソード電極層を含む燃料電池セルと、
前記燃料電池セルを保持する保持フレームと、
前記燃料電池セルによって発電した電流を集電する集電層と、
前記集電層との間にカソードガスの流路を形成するセパレータと、
前記セパレータと前記保持フレームとの間に配置される絶縁部材と、
前記燃料電池セルの端部と前記保持フレームとが接合された接合部と、
前記接合部よりも前記カソードガスの上流側に前記カソードガスから遮蔽された空間部を区画形成する遮蔽部と、
を有する、セルユニット。
【請求項２】
前記遮蔽部は、前記集電層および前記絶縁部材の少なくとも一方によって形成される、請求項１に記載のセルユニット。
【請求項３】
前記遮蔽部は、伝熱を抑制する遮熱層を有する、請求項１または請求項２に記載のセルユニット。
【請求項４】
前記遮熱層は、前記集電層の表面のうち少なくとも前記カソードガスと接触する面に設けられる、請求項３に記載のセルユニット。
【請求項５】
前記遮熱層は、前記保持フレームの表面のうち少なくとも前記空間部と接触する面に設けられる、請求項３または請求項４に記載のセルユニット。
【請求項６】
前記絶縁部材の熱伝導率は、前記保持フレームよりも小さい、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセルユニット。
【請求項７】
前記空間部の積層方向に沿う最大高さは、前記燃料電池セルの積層方向に沿う高さよりも大きい、請求項１〜６のいずれか１項に記載のセルユニット。
【請求項８】
前記保持フレームの曲げ剛性は、前記燃料電池セルの曲げ剛性よりも小さい、請求項１〜７のいずれか１項に記載のセルユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック用のセルユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、供給されたガスによって発電する燃料電池セルと、燃料電池セルによって発電した電流を集電する集電層と、集電層との間にガスの流路を形成するセパレータとを含むセルユニットを複数積層して構成される。
【０００３】
燃料電池スタックとしては、発電性能を向上させるために、ガスのシール性や起動時の高温環境に耐えられる耐熱性などの様々な要求性能を満たす構造が検討されている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１には、シール性を確保するためにセルユニットの端部に複数のシール材を配置した構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１７０３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、本発明者らが検討を行ったところ、上記特許文献１に開示されているような複雑なセルユニットの端部構造では、製造時間や製造コストが増加するとともに、発電性能を十分に向上させることができない場合があることが判明した。
【０００７】
したがって、本発明は、簡単な構造で発電性能を向上できるセルユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るセルユニットは、電解質層、アノード電極層およびカソード電極層を含む燃料電池セルと、前記燃料電池セルを保持する保持フレームと、前記燃料電池セルによって発電した電流を集電する集電層と、前記集電層との間にカソードガスの流路を形成するセパレータと、前記セパレータと前記保持フレームとの間に配置される絶縁部材と、を有する。該セルユニットは、前記燃料電池セルの端部と前記保持フレームとが接合された接合部と、前記接合部よりも前記カソードガスの上流側に前記カソードガスから遮蔽された空間部を区画形成する遮蔽部と、をさらに有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るセルユニットによれば、簡単な端部構造によって発電性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図である。
【図２】図１に示すセルユニットの分解斜視図である。
【図３】図２に示すセルアッセンブリーの分解斜視図である。
【図４】図１に示すセルユニットの上面図である。
【図５Ａ】図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図５Ｂ】図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図５Ｃ】図４のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図５Ｄ】図４のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
【図６Ａ】比較例に係るセルユニットの端部構造を示す断面図である。
【図６Ｂ】図５Ｂの一部を拡大して示す断面図である。
【図７Ａ】変形例１に係る燃料電池スタックを示す図５Ａに対応する断面図である。
【図７Ｂ】変形例１に係る燃料電池スタックを示す図５Ｂに対応する断面図である。
【図８Ａ】変形例２に係る燃料電池スタックを示す図５Ａに対応する断面図である。
【図８Ｂ】変形例２に係る燃料電池スタックを示す図５Ｂに対応する断面図である。
【図９Ａ】変形例３に係る燃料電池スタックを示す図５Ａに対応する断面図である。
【図９Ｂ】変形例３に係る燃料電池スタックを示す図５Ｂに対応する断面図である。
【図１０Ａ】変形例４に係る燃料電池スタックを示す図５Ａに対応する断面図である。
【図１０Ｂ】変形例４に係る燃料電池スタックを示す図５Ｂに対応する断面図である。
【図１１Ａ】変形例５に係る燃料電池スタックを示す図５Ａに対応する断面図である。
【図１１Ｂ】変形例５に係る燃料電池スタックを示す図５Ｂに対応する断面図である。
【図１１Ｃ】変形例５に係る燃料電池スタックを示す図５Ｃに対応する断面図である。
【図１１Ｄ】図１１ＡのＥ−Ｅ線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１２】
図１〜図６Ｂを参照して、実施形態に係るセルユニット１００について説明する。本実施形態のセルユニット１００は、電解質として例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体を用いた固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ：ＳＯＦＣ。以下、単に「ＳＯＦＣ」という。）に用いられる。
【００１３】
以下の説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を図中に示す。Ｘ軸およびＹ軸は水平方向、Ｚ軸は上下方向にそれぞれ平行な軸を示す。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る燃料電池スタック１０を示す分解斜視図である。図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数のセルユニット１００を上下方向に積層して構成される。以下、図中にＺ軸で示す燃料電池スタック１０の上下方向を「積層方向」とも称する。セルユニット１００には、アノードガスＡＧを流通させて供給および排出するためのマニホールド部１５０が形成されている。
【００１５】
［セルユニット１００］
図２は、セルユニット１００の分解斜視図である。図２に示すように、セルユニット１００は、燃料電池セル１１１を含むセルアッセンブリー１１０と、燃料電池セル１１１によって発電した電流を集電する集電層１２０と、集電層１２０との間にカソードガスＣＧの流路を形成するセパレータ１３０と、を有する。
【００１６】
［セルアッセンブリー１１０］
図３は、セルアッセンブリー１１０の分解斜視図である。図３に示すように、セルアッセンブリー１１０は、Ｙ方向（面方向）に沿って複数（本実施形態では、２つ）並べて配置したメタルサポートセル（Ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｃｅｌｌ：ＭＳＣ）１１０Ｍと、メタルサポートセル１１０Ｍの外周を保持する保持フレーム１１３と、を有する。保持フレーム１１３の曲げ剛性は、燃料電池セル１１１の曲げ剛性よりも小さくなるように構成されている。
【００１７】
図３に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質層１１１Ｅ、アノード電極層１１１Ａおよびカソード電極層１１１Ｃを含む燃料電池セル１１１と、燃料電池セル１１１を積層方向の一方側から支持する金属製のメタルサポート部１１２と、を有する。メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れる。
【００１８】
図４は、セルユニット１００の上面図である。図４に示すように、セルユニット１００は、マニホールド部１５０の周囲を封止してアノードガスＡＧの流れを制限する複数のシール部１６０と、セパレータ１３０とセルアッセンブリー１１０との間に配置される絶縁部材１７０と、をさらに有する。
【００１９】
本実施形態では、燃料電池スタック１０は、セルユニット１００の外側（図２〜図４の破線囲み部分）をカソードガスＣＧが自由に流通するオープンカソード構造として構成している。図４に示すように、マニホールド部１５０は、アノードガス（燃料ガス）ＡＧを流通させるアノードガス流入口１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃおよびアノードガス流出口１５０ｄ、１５０ｅを有する。セルユニット１００の外側には、カソードガス（酸化剤ガス）ＣＧを流通させるカソードガス流入口１５０ｆ、１５０ｇおよびカソードガス流出口１５０ｈ、１５０ｉ、１５０ｊが形成されている。
【００２０】
（シール部１６０）
シール部１６０は、耐熱性およびシール性を有する材料から形成される。このような材料としては、例えば、バーミキュライト（蛭石）を主原料とするサーミキュライト（登録商標）が挙げられる。
【００２１】
（絶縁部材１７０）
絶縁部材１７０は、セパレータ１３０と保持フレーム１１３との間に配置されて、カソードガスＣＧの流れを制限する。図４に示すように、絶縁部材１７０は、燃料電池セル１１１に対してカソードガスＣＧの流れ方向の上流側、セルユニット１００のＹ方向の端部、およびＹ方向に隣り合う燃料電池セル１１１の間に配置される。
【００２２】
絶縁部材１７０を構成する材料は、特に限定されないが、保持フレーム１１３よりも熱伝導率が小さい材料を用いることが好ましい。このような材料としては、例えば、マイカ（熱伝導率０．４Ｗ／（ｍ・Ｋ））などの断熱材を好適に用いることができる。
【００２３】
ＳＯＦＣに適用される燃料電池スタック１０は、約５００〜１２００℃の高温で作動する。このため、急速起動時には、高温に加熱されたカソードガスＣＧを流通させて燃料電池スタック１０を昇温させる。カソードガスＣＧは、カソードガス流入口１５０ｆ、１５０ｇからセルユニット１００の端部へ流れ込むため、セルユニット１００の端部は熱の影響によって変形したり破損したりする可能性がある。本実施形態では、カソードガスＣＧの熱の影響を簡単な構造で抑制し、発電性能を向上できるセルユニット１００の端部構造を提供する。以下、本実施形態に係るセルユニット１００の端部構造について説明する。
【００２４】
［セルユニット１００の端部構造］
図５Ａ〜図５Ｄは、セルユニット１００の端部構造の一部を示す断面図である。図５Ａは、図４のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図５Ｂは、図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、図５Ｃは、図４のＣ−Ｃ線に沿う断面図であり、図５Ｄは、図４のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
【００２５】
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、セルユニット１００の端部は、燃料電池セル１１１の端部と保持フレーム１１３とが接合された接合部１８０と、接合部１８０よりもカソードガスＣＧの上流側（図５Ａ、図５Ｂ中の右側）にカソードガスＣＧから遮蔽された空間部Ｓ１を区画形成する遮蔽部１９０と、を有する。
【００２６】
燃料電池セル１１１の端部と保持フレーム１１３とが接合された接合部１８０に隣接する保持フレーム１１３単体の部分（図５Ａ〜図５Ｃ中の破線囲み部分）は、燃料電池セル１１１および保持フレーム１１３が接合された接合部１８０に比べて熱容量が小さい。したがって、接合部１８０と保持フレーム１１３との間には、熱容量が大きく変化する境界が存在する。境界よりもセルユニット１００の端部側（外側）で熱容量の比較的小さい領域を領域Ａ１、境界よりもセルユニット１００の内側（中央側）で熱容量の比較的大きい領域Ａ２とする。遮蔽部１９０は、熱容量が比較的小さい領域Ａ１に空間部Ｓ１を区画形成する。
【００２７】
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、カソードガスＣＧの流れ方向の上流側（図４の上側）では、絶縁部材１７０は集電層１２０と保持フレーム１１３との間に配置される。これにより、図５Ｄに示すように、集電層１２０とセパレータ１３０との間にカソードガスＣＧの流路を確保しつつ、アノードガスＡＧの流路とカソードガスＣＧの流路とを隔ててアノードガスＡＧとカソードガスＣＧが混ざり合うことを防止することができる。
【００２８】
図５Ｃに示すように、セルユニット１００のＹ方向の端部では、絶縁部材１７０はセパレータ１３０と保持フレーム１１３との間に配置される。これにより、絶縁部材１７０はセルユニット１００のＹ方向の端部からガスがリークすることがないようにシールすることができる。
【００２９】
（接合部１８０）
接合部１８０の接合方法は、特に限定されないが、例えば、溶融溶接（融接）、抵抗溶接、圧接等の溶接やろう接（ろう付け）、焼結接合などが挙げられる。上記の中でも製造容易性の観点から、溶接が好ましく用いられる。
【００３０】
（遮蔽部１９０）
本実施形態では、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、遮蔽部１９０は、燃料電池セル１１１の端部、保持フレーム１１３、集電層１２０および絶縁部材１７０によって囲まれた領域に空間部Ｓ１、Ｓ２を区画形成する。
【００３１】
具体的には、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、集電層１２０および絶縁部材１７０の少なくとも一方を延在させて、両者を連結する。さらに、絶縁部材１７０と、燃料電池セル１１１の端部との間に隙間を設ける。これにより、空間部Ｓ１、Ｓ２を区画形成する。なお、空間部Ｓ１、Ｓ２は、カソードガスＣＧからの熱が遮蔽された空間である限りにおいて、密閉されずに外部と連通した空間でもよい。
【００３２】
空気の熱伝導率は、０．０２５（常温）〜０．０７（８００℃）と非常に低い。したがって、空間部Ｓ１、Ｓ２に接する構成部材は高温のカソードガスＣＧから直接の伝熱を受けずに熱伝導率の低い空間部Ｓ１、Ｓ２の空気や絶縁部材１７０を介した伝熱となるため昇温速度が遅くなる。
【００３３】
次に、比較例を参照して、本実施形態に係るセルユニット１００の端部構造の作用効果について説明する。図６Ａは、比較例に係るセルユニットの端部構造を示す断面図である。図６Ｂは、本実施形態に係るセルユニット１００の端部構造を示す図であり、図５Ｂの一部を拡大して示す断面図である。
【００３４】
高温のカソードガスＣＧから領域Ａ１と領域Ａ２へほぼ均等に熱が伝わった場合、図６Ａに示す比較例の構造では、熱容量の小さい領域Ａ１の昇温速度が、熱容量の大きい領域Ａ２の昇温速度よりも速くなる。したがって、領域Ａ１が領域Ａ２よりも温度が高くなり、領域Ａ１の熱膨張量が領域Ａ２よりも大きくなる。その結果、領域Ａ２の保持フレーム１１３単体の部分と領域Ａ１の接合部１８０との境界において、熱膨張量の差に伴う座屈変形が生じる。これにより、領域Ａ１の接合部１８０に対して燃料電池セル１１１と保持フレーム１１３を引き剥がす方向に応力が作用する。その結果、接合部１８０が破損する可能性がある。接合部１８０が破損すると、カソードガスＣＧがアノードガスＡＧの流路側へリークして、発電性能が大幅に低下してしまう虞がある。
【００３５】
特に、カソードガスＣＧは、上流側から下流側へ行くほど熱を奪われて温度が下がる。したがって、図６Ａに示すカソードガスＣＧの流れ方向の上流側（図４の上側）のセルユニット１００の端部では、熱容量の小さい領域Ａ１の方が熱容量の大きい領域Ａ２よりもカソードガスＣＧの温度が高温となる。このため、領域Ａ１と領域Ａ２との温度差がさらに大きくなり、領域Ａ１と領域Ａ２との熱膨張量の差がさらに大きくなって、接合部１８０が破損する可能性が高くなってしまう。
【００３６】
一方で、図６Ｂに示す本実施形態では、接合部１８０よりもカソードガスＣＧの上流側に空間部Ｓ１を区画形成することにより、接合部１８０に隣接する保持フレーム１１３単体の部分が加熱ガスであるカソードガスＣＧに直接暴露されないように構成されている。空間部Ｓ１を介することによって領域Ａ１への伝熱量が領域Ａ２よりも小さくなるため、熱容量の小さい領域Ａ１の昇温速度が図６Ａに示す比較例に比べて遅くなる。これにより、領域Ａ１と領域Ａ２との温度差が小さくなり、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差が比較例に比べて大幅に小さくなる。その結果、領域Ａ１と領域Ａ２との熱膨張量の差に起因して接合部１８０を引き剥がす方向に働く応力を極小化できるため、セルユニット１００の端部（特に、接合部１８０）の破損を抑制することができる。また、接合部１８０の破損によるカソードガスＣＧのリークも防止することができる。さらに、カソードガスＣＧの流れを妨げることなく接合部１８０の破損を抑制することができるため、効率的な起動時の昇温が可能となる。その結果、空間部Ｓ１を形成する簡単なセルユニット１００の端部構成で接合部の破損を抑制し、ガスリークを防止できることによって、発電性能を大幅に向上させることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、保持フレーム１１３の曲げ剛性は、燃料電池セル１１１の曲げ剛性よりも小さくなるように構成されているため、燃料電池セル１１１よりも保持フレーム１１３の方が変形しやすい。このため、仮に領域Ａ１と領域Ａ２との間に熱膨張量の差が生じても、領域Ａ１の保持フレーム１１３が変形することで燃料電池セル１１１への応力を緩和することができる。これにより、セルユニット１００の端部の破損をより確実に抑制することができる。
【００３８】
なお、上記では、図５Ａ、図５Ｂおよび図６Ｂに示すカソードガスＣＧの流れ方向の上流側に形成された空間部Ｓ１について述べたが、図５Ｃに示すセルユニット１００のＹ方向の端部に形成された空間部Ｓ２についても上記と同様の作用効果が得られる。
【００３９】
以下、セルユニット１００の各構成部材について詳細に説明する。
【００４０】
（燃料電池セル１１１）
再び図３を参照して、燃料電池セル１１１は、電解質層１１１Ｅの両側に一対の電極であるアノード電極層１１１Ａおよびカソード電極層１１１Ｃを積層して構成される。
【００４１】
アノード電極層１１１Ａは、燃料極であって、アノードガスＡＧ（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスＡＧの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード電極層１１１Ａは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスＡＧを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、アノードガスＡＧを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード電極層１１１Ａの形成材料は、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させたものが挙げられる。
【００４２】
カソード電極層１１１Ｃは、酸化剤極であって、カソードガスＣＧ（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード電極層１１１Ｃは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスＣＧを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード電極層１１１Ｃの形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。
【００４３】
電解質層１１１Ｅは、カソード電極層１１１Ｃからアノード電極層１１１Ａに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質層１１１Ｅは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質層１１１Ｅの形成材料は、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、スカンジウム等をドープした安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスが挙げられる。
【００４４】
（メタルサポート部１１２）
メタルサポート部１１２は、図３に示すように、燃料電池セル１１１をアノード電極層１１１Ａの側から支持するものである。メタルサポート部１１２は、ガス透過性および電子伝導性を有する。メタルサポート部１１２は、金属粉末からなる焼結体または金属の多孔体から形成される。メタルサポート部１１２の形成材料は、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。
【００４５】
（保持フレーム１１３）
保持フレーム１１３は、図３に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍを周囲から保持するものである。図３に示すように、保持フレーム１１３は、開口部１１３Ｈを有する。保持フレーム１１３の開口部１１３Ｈには、メタルサポートセル１１０Ｍが配置される。メタルサポートセル１１０Ｍの外周は、保持フレーム１１３の開口部１１３Ｈの内縁に接合される。保持フレーム１１３の形成材料は、例えば、表面に絶縁処理が施された金属が挙げられる。保持フレーム１１３の外周には、図３に示すように、マニホールド部１５０ａ〜１５０ｅを構成するアノード用開口部１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅが形成されている。
【００４６】
（セパレータ１３０）
セパレータ１３０は、積層方向に隣り合うセルアッセンブリー１１０間に配置される。図２に示すように、セパレータ１３０は、セルアッセンブリー１１０の燃料電池セル１１１と対向する領域に流路部１３１を有する。流路部１３１は、燃料電池セル１１１との間にカソードガスＣＧおよびアノードガスＡＧの流路を区画形成する凹凸形状を有している。セパレータ１３０の形成材料は、特に限定されないが、例えば、高温での耐食性を高めるために表面にＣｒ２Ｏ３が形成されたステンレス鋼などの金属が挙げられる。セパレータ１３０の流路部１３１以外の領域には、絶縁処理が施されている。セパレータ１３０外周には、図２に示すように、マニホールド部１５０ａ〜１５０ｅを構成するアノード用開口部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅが形成されている。
【００４７】
（集電層１２０）
集電層１２０は、例えば、エキスパンドメタル、発泡金属、メッシュ状の金属などの複数の孔が形成された導電性の多孔質体から形成することができる。集電層１２０は、ガス拡散性を確保しつつ、燃料電池セル１１１とセパレータ１３０との電気的な接触を補助して電子伝導性を向上することができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態に係るセルユニット１００は、燃料電池セル１１１と、保持フレーム１１３と、集電層１２０と、セパレータ１３０と、絶縁部材１７０と、を有する。セルユニット１００は、燃料電池セル１１１の端部と保持フレーム１１３とが接合された接合部１８０と、接合部１８０よりもカソードガスＣＧの上流側にカソードガスＣＧから遮蔽された空間部Ｓ１を区画形成する遮蔽部１９０と、をさらに有する。
【００４９】
上記セルユニット１００によれば、熱容量の比較的大きい接合部１８０（領域Ａ２）よりもカソードガスＣＧの上流側の熱容量の比較的小さい領域Ａ１に遮蔽部１９０の空間部Ｓ１を形成することによって、領域Ａ１に対してカソードガスＣＧの熱が伝達することを抑制できる。これにより、領域Ａ１と領域Ａ２との温度差が小さくなるため、領域Ａ１と領域Ａ２との熱膨張量の差が小さくなる。よって、接合部１８０を含むセルユニット１００の端部の破損を抑制することができる。特に、ＳＯＦＣのように急速起動時に高温の作動温度まで昇温させるような場合に領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差を抑え、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部（特に、接合部１８０）の破損を抑制することができる。これにより、接合部１８０の破損によるカソードガスＣＧのリークも防止することができる。また、カソードガスＣＧの流れを妨げることなく接合部１８０の破損を抑制することができるため、効率的な起動時の昇温が可能となる。その結果、簡単なセルユニット１００の端部構成でセルユニット１００の端部の破損を抑制し、ガスリークを防止できるため、発電性能を大幅に向上させることができる。
【００５０】
また、遮蔽部１９０は、集電層１２０および絶縁部材１７０の少なくとも一方によって形成される。燃料電池の構成部材として従来から用いられている集電層１２０や絶縁部材１７０によって遮蔽部１９０を形成することによって、新しい部材を追加で設ける必要がない。これにより、構造を簡略化でき、製造コストを削減することができる。
【００５１】
また、絶縁部材１７０の熱伝導率は、保持フレーム１１３よりも小さい。これにより、領域Ａ１の保持フレーム１１３のうち絶縁部材１７０に覆われた部分には高温のカソードガスＣＧが直接当たらず、熱伝導率の小さい絶縁部材１７０を介して伝熱するため、伝熱速度（昇温）が遅くなる。その結果、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差を抑え、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部（特に、接合部１８０）の破損をさらに抑制することができる。
【００５２】
また、保持フレーム１１３の曲げ剛性は、燃料電池セル１１１の曲げ剛性よりも小さくなるように構成されているため、燃料電池セル１１１よりも保持フレーム１１３の方が変形しやすい。このため、仮に領域Ａ１と領域Ａ２との間に熱膨張量の差が生じても、領域Ａ１の保持フレーム１１３が変形することで燃料電池セル１１１への応力を緩和することができる。これにより、セルユニット１００の端部の破損をより確実に抑制することができる。
【００５３】
以下、変形例について説明する。なお、前述した実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
＜変形例１＞
図７Ａおよび図７Ｂは、変形例１に係る燃料電池スタックを示す断面図である。変形例１に係る遮蔽部２９０は、空間部Ｓ１の積層方向に沿う最大高さＨ１が燃料電池セル１１１の積層方向に沿う高さＨ２よりも大きくなるように形成した点で前述した実施形態と異なる。
【００５５】
遮蔽部２９０は、集電層１２０をセパレータ１３０側に突出させることによって、空間部Ｓ１の積層方向に沿う最大高さＨ１が燃料電池セル１１１の積層方向に沿う高さＨ２よりも大きくなるように形成される。空間部Ｓ１の体積が増加するため、空間部Ｓ１を介した領域Ａ１への伝熱が前述した実施形態に比べてさらに遅くなり、領域Ａ１の保持フレーム１１３（図７Ａおよび図７Ｂ中の破線囲み部分）の昇温をさらに遅くできる。
【００５６】
＜変形例２＞
図８Ａおよび図８Ｂは、変形例２に係る燃料電池スタックを示す断面図である。変形例２に係る遮蔽部３９０は、絶縁部材１７０の積層方向に沿う高さ（厚み）Ｈ３を燃料電池セル１１１の積層方向に沿う高さＨ２よりも大きくした点で前述した実施形態と異なる。
【００５７】
絶縁部材１７０の厚みＨ３が厚く、空間部Ｓ１のＹ方向の幅Ｗ１が大きいほど、空間部Ｓ１の体積が増加するため、空間部Ｓ１を介した領域Ａ１への伝熱が前述した実施形態に比べてさらに遅くなり、領域Ａ１の保持フレーム１１３（図８Ａおよび図８Ｂ中の破線囲み部分）の昇温をさらに遅くできる。
【００５８】
上記変形例１および変形例２のように、空間部Ｓ１の体積を増加させることによって遮蔽部２９０、３９０による遮熱効果をさらに高めることができる。空間部Ｓ１の体積を増加させる観点から、空間部Ｓ１の（最大）高さＨ１と絶縁部材１７０の厚みＨ３は、セルユニット１００の厚みとカソードガスＣＧの圧損の制約の中で可能な限り大きくすることが好ましい。同様に、空間部Ｓ１のＹ方向の幅Ｗ１は、セルユニット１００の面積の制約の中で可能な限り大きくすることが好ましい。
【００５９】
＜変形例３＞
図９Ａおよび図９Ｂは、変形例３に係る燃料電池スタックを示す断面図である。変形例３に係る遮蔽部４９０は、集電層１２０および保持フレーム１１３の表面に絶縁処理を施した絶縁層４７０を有する点で前述した実施形態および変形例と異なる。遮蔽部４９０は、燃料電池セル１１１の端部、集電層１２０および保持フレーム１１３に囲まれた領域によって形成される。これにより、構成部材（絶縁部材１７０）を削減して構造をより簡単にすることができる。また、絶縁部材１７０の厚みを削減した分だけ、カソードガスＣＧの流路を大きく形成することができ、圧損を抑えることができる。
【００６０】
＜変形例４＞
図１０Ａおよび図１０Ｂは、変形例４に係る燃料電池スタックを示す断面図である。変形例４に係る遮蔽部５９０は、集電層１２０の表面のうち少なくともカソードガスＣＧと接触する面に設けられる遮熱層５２１と、保持フレーム１１３の表面のうち少なくとも空間部Ｓ１と接触する面に設けられる遮熱層５２２（遮熱コート）を有する点で前述した実施形態および変形例と異なる。
【００６１】
遮熱層５２１、５２２の構成材料としては、セパレータ１３０の表面に形成されたＣｒ２Ｏ３よりも放射率が小さい材料を用いることが好ましい。遮熱層５２１、５２２をセパレータ１３０の表面よりも放射率が小さい材料から構成することによって、遮蔽部５９０が高温のカソードガスＣＧから吸収する熱エネルギーをセパレータ１３０よりも低くすることができる。これにより、カソードガスＣＧからの熱をセパレータ１３０により多く吸収させることによって、遮蔽部５９０への伝熱量を小さくすることができる。
【００６２】
Ｃｒ２Ｏ３よりも放射率が小さい材料としては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＡｌまたはＡｌ２Ｏ３、ＳｎまたはＳｎ酸化物、ＣｏまたはＣｏ酸化物などを好適に使用できる。
【００６３】
上記変形例４によれば、遮蔽部５９０は、伝熱を抑制する遮熱層５２１、５２２を有するため、高温のカソードガスＣＧから遮蔽部５９０への伝熱量が低減する。これにより、遮蔽部５９０から熱容量が比較的小さい領域Ａ１への伝熱量（熱輻射量）も低減することができる。このため、セルユニット１００の端部側の領域Ａ１（特に、保持フレーム１１３）の昇温が遅くなる。その結果、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部（特に、接合部１８０）の破損を抑制し、ガスリークをより確実に防止できる。
【００６４】
また、遮熱層５２１は、集電層１２０の表面のうち少なくともカソードガスＣＧと接触する面に設けられるため、高温のカソードガスＣＧから遮蔽部５９０への伝熱量（熱輻射量）をさらに低減することができる。これにより、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部（特に、接合部１８０）の破損を抑制し、ガスリークをより一層確実に防止できる。
【００６５】
また、遮熱層５２２は、保持フレーム１１３の表面のうち少なくとも空間部Ｓ１と接触する面に設けられるため、高温のカソードガスＣＧから保持フレーム１１３への伝熱量（熱輻射量）をさらに低減することができる。これにより、保持フレーム１１３の昇温速度がさらに遅くなる。よって、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部の破損を抑制し、ガスリークをより一層確実に防止できる。
【００６６】
＜変形例５＞
図１１Ａ〜図１１Ｄは、変形例５に係る燃料電池スタックを示す断面図である。変形例５に係る遮蔽部６９０は、絶縁部材１７０と保持フレーム６１３との間に空間部Ｓ１を区画形成する点で前述した実施形態および変形例と異なる。
【００６７】
図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、接合部６８０は、燃料電池セル１１１の電解質層１１１Ｅと保持フレーム６１３とを接合する。接合部６８０の接合方法としては、セラミックス製の電解質層１１１Ｅと金属製の保持フレーム６１３とを接合可能な限りにおいて特に限定されないが、例えば、ろう材、接着剤、ガラス等の接合部材によって接合する方法や焼結結合などの溶接以外の接合方法を用いることができる。
【００６８】
領域Ａ１の保持フレーム６１３の一部は、アノードガスＡＧの流路側に凹んだ凹部６１３ａを形成し、カソードガスＣＧの流路側から当該凹部６１３ａを覆うように絶縁部材１７０が延在する。遮蔽部６９０は、凹部６１３ａと絶縁部材１７０によって囲まれた部分に空間部Ｓ１を区画形成する。
【００６９】
空間部Ｓ１を形成することによって、セルユニット１００の端部側の領域Ａ１（特に、保持フレーム６１３の凹部６１３ａ）の昇温速度が遅くなる。これにより、領域Ａ１と領域Ａ２との温度差が小さくなり、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差が大幅に小さくなる。さらに、カソードガスＣＧの流路側の空間部Ｓ１を絶縁部材１７０によって覆うことによって、カソードガスＣＧから保持フレーム１１３への伝熱をさらに抑制することができる。また、図１１Ｄに示すように、空間部Ｓ１はカソードガスＣＧの流路とアノードガスＡＧの流路の間に形成されるため、カソードガスＣＧおよびアノードガスＡＧの流れを妨げることがない。
【００７０】
図１１Ｃに示すように、セルユニット１００のＹ方向の端部では、セルユニット１００の端部側の領域Ａ１では保持フレーム６１３を覆うように絶縁部材１７０が延在する。これにより、カソードガスＣＧから保持フレーム６１３への伝熱を抑制することができる。
【００７１】
上記の作用により変形例５に係るセルユニット１００によれば、カソードガスＣＧの流れを妨げることなく、領域Ａ１と領域Ａ２の熱膨張量の差に起因するセルユニット１００の端部（特に、接合部６８０）の破損を抑制し、ガスリークをより確実に防止できる。その結果、簡単なセルユニット１００の端部構成でセルユニット１００の端部の破損を抑制し、ガスリークを防止できるため、発電性能を大幅に向上させることができる。
【００７２】
以上、実施形態および変形例を通じて本発明に係るセルユニットを説明したが、本発明は実施形態および変形例において説明した内容のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。
【００７３】
例えば、空間部に超低熱伝導率材料から構成される断熱材を配置してもよい。
【００７４】
また、集電層や絶縁部材などの燃料電池の構成部材として従来から用いられている部材を用いて遮蔽部を構成する形態に限定されず、新たな部材を設けて遮蔽部を構成してもよい。
【００７５】
また、前述した実施形態およびその変形例では、燃料電池スタックは、オープンカソード構造として説明したが、セルユニット内にカソード用のマニホールド部を形成したクローズドカソード構造として構成してもよい。
【００７６】
また、前述した実施形態およびその変形例において、燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）として説明したが、固体高分子膜形燃料電池（ＰＥＭＦＣ、Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ、Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）または溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ、Ｍｏｌｔｅｎ  Ｃａｒｂｏｎａｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）として構成してもよい。
【００７７】
また、実施形態およびその変形例において説明したセルユニットの各構成は、特許請求の範囲に記載された発明と矛盾することのない限りにおいて適宜組み合わせることができ、明細書において説明した組み合わせのみに限定されることはない。
【００７８】
また、実施形態およびその変形例において説明したセルユニットの各部の構造や部材の配置等は適宜変更することができ、図示により説明した付加的な部材の使用の省略や、その他の付加的な部材の使用等も適宜に行いうる。
【符号の説明】
【００７９】
１０      燃料電池スタック、
１００    セルユニット、
１１０    セルアッセンブリー、
１１０Ｍ  メタルサポートセル、
１１１    燃料電池セル、
１１１Ａ  アノード電極、
１１１Ｃ  カソード電極、
１１１Ｅ  電解質層、
１１２    メタルサポート部、
１１３、６１３  保持フレーム、
１２０    集電層、
１３０    セパレータ、
１５０    マニホールド部、
１６０    シール部、
１７０    絶縁部材、
１８０    接合部、
１９０、２９０、３９０、４９０、５９０、６９０  遮蔽部、
４７０    絶縁層、
５２１、５２２  遮熱層、
６８０    接合部材、
Ｓ１、Ｓ２  空間部、
ＡＧ      アノードガス、
ＣＧ      カソードガス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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