特許 6586504 セルスタック装置

(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】6586504

(24)【登録日】2019年9月13日

(45)【発行日】2019年10月2日

(54)【発明の名称】セルスタック装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20190919BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20190919BHJP

   H01M 8/2484 20160101ALI20190919BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20190919BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20190919BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/2465

   H01M8/2484

   H01M8/02

   !H01M8/12 102C

【請求項の数】8

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2018-235578(P2018-235578)

(22)【出願日】2018年12月17日

【審査請求日】2019年2月21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】田中 裕己

(72)【発明者】

【氏名】寺澤 玄太

(72)【発明者】

【氏名】龍 崇

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−０４５７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−２２４５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−２１２０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１４９３４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００− ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

貫通孔を含む天板を有するマニホールドと、
前記貫通孔を覆うように前記マニホールドの天板と対向する基端面を有し、前記マニホールドから延びる板状の燃料電池セルと、
前記マニホールドの天板と前記燃料電池セルの基端面との隙間に充填され、前記マニホールドと前記燃料電池セルとを接合する接合材と、
を備え、
前記接合材は、前記燃料電池セルの幅方向の中央部に位置する中央領域と、前記幅方向の端部に位置する端部領域と、を有し、
前記中央領域における気孔径は、前記端部領域における気孔径よりも大きい、
セルスタック装置。

【請求項2】

前記幅方向の中央部における前記燃料電池セルの基端面と前記天板との距離は、前記幅方向の端部における前記燃料電池セルの基端面と前記天板との距離よりも大きい、
請求項１に記載のセルスタック装置。

【請求項3】

前記燃料電池セルの基端面と前記マニホールドの天板との距離は、前記幅方向の両端部から中央部に向かって徐々に大きくなる、
請求項２に記載のセルスタック装置。

【請求項4】

前記燃料電池セルの基端面は、前記幅方向の中央部が前記幅方向の両端部よりも前記天板から離れるように湾曲する、
請求項２又は３に記載のセルスタック装置。

【請求項5】

前記天板は、前記幅方向の中央部が前記幅方向の両端部よりも前記燃料電池セルの基端面から離れるように湾曲する、
請求項２から４のいずれかに記載のセルスタック装置。

【請求項6】

前記燃料電池セルの基端面は、前記幅方向の両端部において、前記天板と当接する、
請求項２から５のいずれかに記載のセルスタック装置。

【請求項7】

前記中央領域における気孔率は、前記端部領域における気孔率よりも大きい、
請求項１から６のいずれかに記載のセルスタック装置。

【請求項8】

貫通孔を含む天板を有するマニホールドと、
前記貫通孔を覆うように前記マニホールドの天板と対向する基端面を有し、前記マニホールドから延びる板状の燃料電池セルと、
前記マニホールドの天板と前記燃料電池セルの基端面との隙間に充填され、前記マニホールドと前記燃料電池セルとを接合する接合材と、
を備え、
前記接合材は、前記燃料電池セルの幅方向の中央部に位置する中央領域と、前記幅方向の端部に位置する端部領域と、を有し、
前記中央領域における気孔率は、前記端部領域における気孔率よりも大きい、
セルスタック装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セルスタック装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

セルスタック装置は、燃料電池セル及びマニホールドを有している。燃料電池セルは、マニホールドの天板から上方に延びている。また、燃料電池セルは、接合材によって、マニホールドの天板に固定されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６−２２５０３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したセルスタック装置において、燃料電池セルの幅方向の中央部が高温となるため、接合材の中央領域に応力が発生し易くクラックが発生するおそれがあるという問題があった。

【0005】

本発明の課題は、接合材におけるクラックの発生を抑制することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の第１側面に係るセルスタック装置は、マニホールドと、板状の燃料電池セルと、接合材とを備えている。マニホールドは、貫通孔を含む天板を有する。燃料電池セルは、貫通孔を覆うようにマニホールドの天板と対向する基端面を有する。燃料電池セルは、マニホールドから延びる。接合材は、マニホールドの天板と燃料電池セルの基端面との隙間に充填される。接合材は、マニホールドと燃料電池セルとを接合する。接合材は、燃料電池セルの幅方向の中央部に位置する中央領域と、幅方向の端部に位置する端部領域と、を有する。中央領域における気孔径は、端部領域における気孔径よりも大きい。

【0007】

この構成によれば、中央領域における気孔径が端部領域における気孔径に比べて大きいため、接合材の中央領域は端部領域に比べて変形しやすい。このため、接合材の中央領域に生じる応力を緩和することができ、接合材におけるクラックの発生を抑制することができる。

【0008】

好ましくは、幅方向の中央部における燃料電池セルの基端面と天板との距離は、幅方向の端部における燃料電池セルの基端面と天板との距離よりも大きい。

【0009】

好ましくは、燃料電池セルの基端面とマニホールドの天板との距離は、幅方向の両端部から中央部に向かって徐々に大きくなる。

【0010】

好ましくは、燃料電池セルの基端面は、幅方向の中央部が幅方向の両端部よりも天板から離れるように湾曲する。

【0011】

好ましくは、天板は、幅方向の中央部が幅方向の両端部よりも燃料電池セルの基端面から離れるように湾曲する。

【0012】

好ましくは、燃料電池セルの基端面は、幅方向の両端部において、天板と当接する。

【0013】

好ましくは、中央領域における気孔率は、端部領域における気孔率よりも大きい。

【0014】

本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、マニホールドと、板状の燃料電池セルと、接合材と、を備えている。マニホールドは、貫通孔を含む天板を有する。燃料電池セルは、貫通孔を覆うようにマニホールドの天板と対向する基端面を有する。燃料電池セルは、マニホールドから延びる。接合材は、マニホールドの天板と燃料電池セルの基端面との隙間に充填される。接合材は、マニホールドと燃料電池セルとを接合する。接合材は、燃料電池セルの幅方向の中央部に位置する中央領域と、幅方向の端部に位置する端部領域と、を有する。中央領域における気孔率は、端部領域における気孔率よりも大きい。

【0015】

この構成によれば、中央領域における気孔率が端部領域における気孔率に比べて大きいため、接合材の中央領域は端部領域に比べて変形しやすい。このため、接合材の中央領域に生じる応力を緩和することができ、接合材におけるクラックの発生を抑制することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、接合材におけるクラックの発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】セルスタック装置の斜視図。

【図2】マニホールドの断面図。

【図3】マニホールドの上面図。

【図4】セルスタック装置の断面図。

【図5】燃料電池セルの斜視図。

【図6】燃料電池セルの断面図。

【図7】マニホールドの拡大平面図。

【図8】セルスタック装置の拡大正面図。

【図9】セルスタック装置の拡大断面図。

【図10】図９のＸ−Ｘ線断面図。

【図11】変形例に係るセルスタック装置の図９に相当する図。

【図12】変形例に係るセルスタック装置の図９に相当する図。

【図13】変形例に係るセルスタック装置の図９に相当する図。

【図14】変形例に係るセルスタック装置の図１０に相当する図。

【図15】変形例に係るセルスタック装置の断面図。

【図16】変形例に係るマニホールドの図３に相当する図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明に係るセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、セルスタック装置を示す斜視図である。なお、図１において、いくつかの燃料電池セルの記載を省略している。

【0019】

［セルスタック装置］
図１に示すように、セルスタック装置１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１０と、接合材１０４とを備えている。

【0020】

［マニホールド］
マニホールド２は、複数の燃料電池セル１０にガスを供給するように構成されている。また、マニホールド２は、燃料電池セル１０から排出されたガスを回収するように構成されている。

【0021】

図２は、マニホールドの断面図である。図２において、一部の貫通孔のみを想像線で示している。図２に示すように、マニホールド２は、ガス供給室２１とガス回収室２２とを有している。ガス供給室２１には、改質器などを介して燃料ガス供給源から燃料ガスが供給される。ガス回収室２２は、各燃料電池セル１０にて使用された燃料ガスのオフガスを回収する。

【0022】

マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。

【0023】

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の略中央部において、マニホールド本体部２３の長さ方向に延びている。なお、本実施形態では、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を完全に仕切っているが、仕切板２４とマニホールド本体部２３との間に隙間が形成されていてもよい。

【0024】

ガス供給室２１の底面には、ガス供給口２１１が形成されている。また、ガス回収室２２の底面には、ガス排出口２２１が形成されている。なお、ガス供給口２１１はガス供給室２１の側面又は上面に形成されていてもよいし、ガス排出口２２１はガス回収室２２の側面又は上面に形成されていてもよい。

【0025】

ガス供給口２１１は、例えば、後述する配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。一方、ガス排出口２２１は、例えば、配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。

【0026】

図２から図４に示すように、マニホールド２は、天板２３１、底板２３２、及び側板２３３を有している。なお、この天板２３１、底板２３２、及び側板２３３によって、マニホールド本体部２３が構成されている。底板２３２と側板２３３とは１つの部材で構成されている。天板２３１は、側板２３３の上端部と接合している。なお、天板２３１と側板２３３とが１つの部材で構成されており、底板２３２が側板２３３の下端部と接合していてもよい。

【0027】

図３に示すように、マニホールド２の天板２３１は、複数の貫通孔２３４及び複数の桟部２３５を有している。また、天板２３１は、複数の連結補強部２３６を有している。各貫通孔２３４は、マニホールド２の内部と外部とを連通している。各貫通孔２３４は、ガス供給室２１及びガス回収室２２に開口している。

【0028】

連結補強部２３６は、貫通孔２３４を配列方向に横切り、一対の桟部２３５同士を連結している。すなわち、連結補強部２３６は、隣り合う一対の桟部２３５のうち一方の桟部２３５から、貫通孔２３４を横切って他方の桟部２３５まで延びている。

【0029】

貫通孔２３４は、貫通孔２３４を横切る連結補強部２３６によって複数の分割孔に分割されている。なお、本実施形態では、各貫通孔２３４は、第１分割孔２３４ａと第２分割孔２３４ｂとに分割されている。

【0030】

図２に示すように、第１分割孔２３４ａは、ガス供給室２１と連通している。また、第２分割孔２３４ｂは、ガス回収室２２と連通している。連結補強部２３６は、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界部に配置されている。すなわち、連結補強部２３６は、平面視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界部と重複している。なお、本実施形態では、連結補強部２３６は、平面視（ｘ軸方向視）において、仕切板２４と重複している。

【0031】

［燃料電池セル］
図４は、セルスタック装置の断面図を示している。図４に示すように、燃料電池セル１０は、マニホールド２の天板２３１から上方に延びている。燃料電池セル１０は、板状であって、基端部１０１及び先端部１０２を有している。燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。

【0032】

図４及び図５に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４、複数の第１ガス流路４１、複数の第２ガス流路４２、及び複数の発電素子部５を有している。また、燃料電池セル１０は、連通流路３０を有している。

【0033】

［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、扁平状であり、基端部４３と先端部４４とを有している。基端部４３及び先端部４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の基端部４３は下端部を意味し、支持基板４の先端部４４は上端部を意味する。本実施形態では、支持基板４は、幅方向（ｙ軸方向）に比べて長さ方向（ｘ軸方向）の寸法の方が長いが、長さ方向よりも幅方向の寸法の方が長くてもよい。

【0034】

図５に示すように、支持基板４は、第１主面４５と、第２主面４６とを有している。第１主面４５と第２主面４６とは、互いに反対を向いている。第１主面４５及び第２主面４６は、各発電素子部５を支持している。第１主面４５及び第２主面４６は、支持基板４の厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。また、支持基板４の各側面４７は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面４７は、湾曲していてもよい。

【0035】

支持基板４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４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、支持基板４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。支持基板４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。

【0036】

支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１ガス流路４１及び第２ガス流路４２から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９１とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０〜７％程度である。

【0037】

［第１及び第２ガス流路］
図４に示すように、複数の第１ガス流路４１及び複数の第２ガス流路４２は、支持基板４内に形成されている。第１及び第２ガス流路４１、４２は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。本実施形態では、第１及び第２ガス流路４１、４２は、支持基板４内を上下方向に延びている。第１及び第２ガス流路４１、４２は、支持基板４を貫通している。

【0038】

各第１ガス流路４１は、支持基板４の幅方向（ｙ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ガス流路４１は、実質的に等間隔に配置されていることが好ましい。また、各第２ガス流路４２は、支持基板４の幅方向（ｙ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２ガス流路４２は、実質的に等間隔に配置されていることが好ましい。

【0039】

第１ガス流路４１は、基端部４１１及び先端部４１２を有している。第１ガス流路４１の基端部４１１はマニホールド２側に位置する。また、第１ガス流路４１の先端部４１２は、基端部４１１の反対側の端部である。なお、本実施形態において、第１ガス流路４１の下端部が基端部４１１であり、第１ガス流路４１の上端部が先端部４１２である。

【0040】

第２ガス流路４２は、基端部４２１及び先端部４２２を有している。第２ガス流路４２の基端部４２１は、マニホールド２側に位置する。また、第２ガス流路４２の先端部４２２は、基端部４２１の反対側の端部である。なお、本実施形態において、第２ガス流路４２の下端部が基端部４２１であり、第２ガス流路４２の上端部が先端部４２２である。

【0041】

第１ガス流路４１は、第１分割孔２３４ａを介して、マニホールド２のガス供給室２１と連通している。第２ガス流路４２は、第２分割孔２３４ｂを介して、マニホールド２のガス回収室２２と連通している。

【0042】

図４に示すように、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とは、燃料電池セル１０の先端部１０２において互いに連通している。すなわち、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とは、それぞれの先端部４１２，４２２において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とが、連通流路３０を介して連通している。

【0043】

各第１ガス流路４３の流路断面積の合計値が、各第２ガス流路４４の流路断面積の合計値よりも大きくすることができる。

【0044】

［発電素子部］
図５に示すように、各発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。なお、第１主面４５に形成される発電素子部５の数と第２主面４６に形成される発電素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。

【0045】

各発電素子部５は、第１及び第２ガス流路４１、４２が延びる方向（ｘ軸方向）に沿って配列されている。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、基端部４３から先端部４４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、各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部５は、後述する電気的接続部９によって、互いに直列に接続されている。

【0046】

発電素子部５は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。発電素子部５は、支持基板４の幅方向において第１部分５１と第２部分５２とに区画される。なお、第１部分５１と第２部分５２との厳密な境界はない。例えば、燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、支持基板４の長さ方向視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界と重複する部分を、第１部分５１と第２部分５２との境界部とすることができる。

【0047】

支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１ガス流路４１は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。このため、発電素子部５の第１部分５１は、主に各第１ガス流路４１から燃料ガスが供給される。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第２ガス流路４２は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。このため、発電素子部５の第２部分５２は、主に各第２ガス流路４２から燃料ガスが供給される。なお、複数の第１ガス流路４１のうち、一部の第１ガス流路４１が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数の第２ガス流路４２のうち、一部の第２ガス流路４２が第２部分５２と重複していなくてもよい。

【0048】

図６は、第１ガス流路４１に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。なお、第２ガス流路４２に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、第２ガス流路４２の流路断面積が異なる以外は、図６と同じである。

【0049】

発電素子部５は、燃料極６、電解質７、及び空気極８を有している。また、発電素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。燃料極６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。燃料極６は、燃料極集電部６１と燃料極活性部６２とを有する。

【0050】

燃料極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、燃料極集電部６１は、凹部４９内に充填されており、凹部４９と同様の外形を有する。各燃料極集電部６１は、第１凹部６１１及び第２凹部６１２を有している。燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に配置されている。詳細には、燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に充填されている。

【0051】

燃料極集電部６１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６１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。燃料極集電部６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

【0052】

燃料極活性部６２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６２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６２の厚さは、５〜３０μｍである。

【0053】

電解質７は、燃料極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９１から他のインターコネクタ９１まで長さ方向に延びている。すなわち、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質７とインターコネクタ９１とが交互に配置されている。また、電解質７は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。

【0054】

電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０〜７％程度である。電解質７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。電解質７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。電解質７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

【0055】

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

【0056】

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

【0057】

［電気的接続部］
電気的接続部９は、隣り合う発電素子部５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９は、インターコネクタ９１及び空気極集電膜９２を有する。インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に埋設（充填）されている。インターコネクタ９１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。インターコネクタ９１は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９１の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９１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。インターコネクタ９１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

【0058】

空気極集電膜９２は、隣り合う発電素子部５のインターコネクタ９１と空気極８との間を延びるように配置される。例えば、図６の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図６の右側に配置された発電素子部５のインターコネクタ９１とを電気的に接続するように、空気極集電膜９２が配置されている。空気極集電膜９２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。空気極集電部８２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

【0059】

空気極集電膜９２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。空気極集電膜９２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

【0060】

［連通部材］
図４に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部４４に取り付けられている。そして、連通部材３は、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とを連通させる連通流路３０を有している。詳細には、連通流路３０は、各第１ガス流路４１の先端部４１２と各第２ガス流路４２の先端部４２２とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４１から各第２ガス流路４２まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。

【0061】

連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。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、緻密層３１の気孔率は、０〜７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した電解質７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。

【0062】

図１に示すように、各燃料電池セル１０は、主面同士が対向するように配列されている。また、各燃料電池セル１０は、配列方向（ｚ軸方向）に沿って配列されている。本実施形態では、各燃料電池セル１０は、配列方向に沿って等間隔に配置されているが、等間隔でなくてもよい。

【0063】

［燃料電池セルの取付構造］
図４に示すように、燃料電池セル１０の基端面１０３は、天板２３１と対向している。すなわち、燃料電池セル１０の基端部１０１は、貫通孔２３４内に挿入されていない。図７に示すように、燃料電池セル１０の基端面１０３は、貫通孔２３４を覆っている。第１分割孔２３４ａは、複数の第１ガス流路４１と連通している。また、第２分割孔２３４ｂは、複数の第２ガス流路４２と連通している。なお、連結補強部２３６は、燃料電池セル１０の基端面１０３のうち、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２との間の領域と、接合材１０４を介して、対向している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端面１０３は、下端面を意味する。

【0064】

貫通孔２３４は、配列方向（ｚ軸方向）の寸法が、各ガス流路４１、４２の直径よりも大きい。詳細には、第１分割孔２３４ａは、配列方向の寸法が、第１ガス流路４１の直径よりも大きい。また、第２分割孔２３４ｂは、配列方向の寸法が、第２ガス流路４３の直径よりも大きい。このように構成されているため、燃料電池セル１０の変形などによって燃料電池セル１０の基端部１０１の位置が設計値から多少ずれた場合であっても、貫通孔２３４と各ガス流路４１，４２とが連通する状態を維持できる。

【0065】

燃料電池セル１０の基端面１０３は、外周縁部と、外周縁部に囲まれた中央部とを有している。基端面１０３の中央部は、貫通孔２３４と対向している。すなわち、燃料電池セル１０の基端面１０３は、平面視（ｘ軸方向視）において、貫通孔２３４よりも一回り大きい。

【0066】

図８に示すように、燃料電池セル１０の基端部１０１は、接合材１０４によって、天板２３１に固定されている。接合材１０４は、燃料電池セル１０の基端部１０１に沿って環状に形成されている。

【0067】

図９に示すように、接合材１０４は、燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との隙間に充填されている。なお、図１０に示すように、接合材１０４は、基端面１０３の外周縁と天板２３１との間に充填されている。そして、接合材１０４は、基端面１０３の中央部と天板２３１との間には充填されていない。すなわち、第１ガス流路４１及び第２ガス流路４２と、貫通孔２３４とが連通するように、第１ガス流路４１及び第２ガス流路４２と、貫通孔２３４との間には接合材１０４は充填されていない。

【0068】

図９に示すように、接合材１０４は、燃料電池セル１０の幅方向の中央部に位置する中央領域Ａ１と、幅方向の端部に位置する端部領域Ａ２と、を有する。接合材１０４の中央領域Ａ１は、燃料電池セル１０の基端面１０３と天板２３１との間に充填された接合材１０４のうち、燃料電池セル１０の幅方向の中心近傍の領域を言う。具体的には、接合材１０４の中央領域Ａ１は、接合材１０４を燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に５等分したうちの中央の領域を言う。また、接合部１０４の端部領域Ａ２は、接合材１０４を燃料電池セル１０の幅方向に５等分したうちの端部の領域を言う。

【0069】

中央領域Ａ１における気孔径は、端部領域Ａ２における気孔径よりも大きい。例えば、中央領域Ａ１における気孔径は、０．０１〜０．９５ｍｍ程度である。また、端部領域Ａ２における気孔径は、０．００５〜０．２５ｍｍ程度である。中央領域Ａ１における気孔径は、端部領域Ａ２における気孔径の１．１〜１００倍程度である。なお、中央領域Ａ１における気孔径は、他の領域における気孔径よりも大きい。

【0070】

気孔径は、気孔の円相当径の値とする。気孔の円相当径の値は、接合材１０４の断面画像を画像解析することによって求めることができる。なお、円相当径とは、接合材１０４の断面画像を画像解析することによって求められる気孔の面積に相当する真円の、直径を意味する。

【0071】

具体的には、まず、燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との隙間に充填されている接合材１０４を燃料電池セル１０の主面と平行な面（Ｘ−Ｙ平面）で切断することによって、接合材１０４の断面を形成する。

【0072】

この接合材１０４の断面をＦＥ−ＳＥＭで撮影し、接合材１０４の断面画像を作成する。なお、ＦＥ−ＳＥＭによって撮影する際、燃料電池セル１０の基端面１０３と天板２３１とがＦＥ−ＳＥＭの視野内に収まる範囲で拡大する。

【0073】

このＦＥ−ＳＥＭによって撮影された断面画像をＭＶＴｅｃ社製の画像解析ソフトＨＡＬＣＯＮによって解析する。なお、この画像解析ソフトによって、中央領域Ａ１及び端部領域Ａ２の全範囲をそれぞれ解析する。そして、中央領域Ａ１及び端部領域Ａ２のそれぞれを解析して得られた気孔径のうち、中央領域Ａ１及び端部領域Ａ２のそれぞれで気孔径の大きいものから順に１０個ずつを選定する。この１０個の気孔径を平均したものを中央領域Ａ１及び端部領域Ａ２のそれぞれの気孔径とする。なお、気孔径が大きいものほど、応力緩和効果が高い。

【0074】

なお、中央領域Ａ１及び端部領域Ａ２における気孔径は、例えば、熱処理前に添加される有機成分を含有する造孔材の大きさを調整することによって制御できる。

【0075】

図４に示すように、接合材１０４は、連結補強部２３６と燃料電池セル１０の基端面１０３との間に充填されている。このため、ガス供給室２１内の燃料ガスが、連結補強部２３６と燃料電池セル１０の基端面１０３との隙間を介してガス回収室２２へと流れることを防止することができる。

【0076】

接合材１０４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、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、またはＳｉＯ_２−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、接合材１０４の材料として、非晶質ガラス、ろう材、またはセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、接合材１０４は、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_５−Ａｌ_２Ｏ_３系及びＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。

【0077】

図９に示すように、燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）において異なっている。燃料電池セル１０の幅方向の中央部における燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離ｄ１は、燃料電池セル１０の幅方向の端部における燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離ｄ２よりも大きい。

【0078】

燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離は、幅方向（ｙ軸方向）の両端部から中央部に向かって徐々に大きくなる。燃料電池セル１０の基端面１０３は、幅方向（ｙ軸方向）の中央部が幅方向の両端部よりも天板２３１から離れるように湾曲している。例えば、燃料電池セル１０の正面視（ｚ軸方向視）において、基端面１０３は、円弧状に形成されている。

【0079】

本実施形態では、燃料電池セル１０の基端面１０３は、幅方向の両端部において、天板２３１と当接している。詳細には、燃料電池セル１０の基端面１０３は、幅方向の両端部の一部が天板２３１と当接している。

【0080】

燃料電池セル１０の幅方向の中央部における燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離ｄ１は、例えば、０．０２〜１ｍｍ程度である。この距離ｄ１は、例えば、燃料電池セル１０を幅方向に５等分したうちの中央部の基端面１０３と天板２３１との距離を任意の３箇所で測定してそれらを平均したものである。

【0081】

また、燃料電池セル１０の幅方向の端部における燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離ｄ２は、例えば、０．０１〜０．３ｍｍ程度である。この距離ｄ２は、例えば、燃料電池セル１０を幅方向に５等分したうちの端部の基端面１０３と天板２３１との距離を任意の３箇所で測定してそれらを平均したものである。

【0082】

［発電方法］
上述したように構成されたセルスタック装置１００では、マニホールド２のガス供給室２１に水素ガスなどの燃料ガスを供給するとともに、燃料電池セル１０を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極８において下記（１）式に示す化学反応が起こり、燃料極６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）

【0083】

詳細には、ガス供給室２１に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０の第１ガス流路４１内を流れ、各発電素子部５の燃料極６において、上記（２）式に示す化学反応が起こる。各燃料極６において未反応であった燃料ガスは、第１ガス流路４１を出て連通流路３０を介して第２ガス流路４２へ供給される。そして、第２ガス流路４２へ供給された燃料ガスは、再度、燃料極６において上記（２）式に示す化学反応が起こる。第２ガス流路４２を流れる過程において燃料極６において未反応であった燃料ガスは、マニホールド２のガス回収室２２へ回収される。

【0084】

［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。

【0085】

変形例１
上記実施形態では、中央領域Ａ１における気孔径は、端部領域Ａ２における気孔径よりも大きいが、これに限定されない。例えば、中央領域Ａ１における気孔径は、端部領域Ａ２における気孔径よりも小さくてもよい。この場合、中央領域Ａ１における気孔率が、端部領域Ａ２における気孔率よりも大きい。

【0086】

例えば、中央領域Ａ１における気孔率は、５〜６０％程度である。そして、端部領域Ａ２における気孔率は、０．５〜２０％程度である。中央領域Ａ１における気孔率は、端部領域Ａ２における気孔率よりも４〜５０％程度大きい。なお、中央領域Ａ１における気孔率は、他の領域における気孔率よりも大きい。

【0087】

気孔率は、接合材１０４の断面画像を画像解析することによって求められる。具体的には、上述した気孔径を求める方法と同様の方法で、ＦＥ−ＳＥＭで接合材１０４の断面画像を作成する。そして、この接合材１０４の断面画像をＭＶＴｅｃ社製の画像解析ソフトＨＡＬＣＯＮによって画像解析する。この画像解析後の断面画像上で、接合材１０４を構成する材料部分と気孔部分とのそれぞれの面積占有率を求め、気孔部分の面積占有率を気孔率とする。なお、気孔率は、中央領域Ａ１及び端部領域Ａ２のそれぞれの全範囲を対象として算出する。

【0088】

なお、中央領域Ａ１及び端部領域Ａ２における気孔率は、例えば、熱処理前に添加される有機成分を含有する造孔材の大きさ及び量（体積割合）を調整することによって制御できる。

【0089】

変形例２
中央領域Ａ１における気孔径が、端部領域Ａ２における気孔径よりも大きく、且つ、中央領域Ａ１における気孔率が、端部領域Ａ２における気孔率よりも大きくてもよい。

【0090】

変形例３
上記実施形態では、燃料電池セル１０の基端面１０３が湾曲していたが、これに限定されない。例えば、図１１に示すように、天板２３１が湾曲していてもよい。すなわち、天板２３１は、幅方向の中央部が幅方向の両端部よりも燃料電池セル１０の基端面１０３から離れるように湾曲している。例えば、燃料電池セル１０の正面視（ｚ軸方向視）において、天板２３１の桟部２３５は、円弧状に湾曲している。

【0091】

また、図１２に示すように、燃料電池セル１０の基端面１０３が湾曲し、且つ天板２３１の桟部２３５が湾曲していてもよい。

【0092】

変形例４
上記実施形態では、燃料電池セル１０の幅方向の中央部における燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離ｄ１は、燃料電池セル１０の幅方向の端部における燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離ｄ２よりも大きくなっているが、これに限定されない。

【0093】

例えば、図１３に示すように、燃料電池セル１０の基端面１０３と天板２３１との距離が幅方向において実質的に一定であってもよい。また、燃料電池セル１０の基端面１０３と天板２３１との距離が燃料電池セル１０の幅方向の中央部よりも端部の方が大きくてもよい。

【0094】

変形例５
上記実施形態では、連結補強部２３６は、燃料電池セル１０の境界領域４０３における基端面１０３と対向しているがこれに限定されない。連結補強部２３６は、第１領域４０１又は第２領域４０２における基端面１０３と対向する位置に形成されていてもよい。

【0095】

変形例６
図１４に示すように、接合材１０４は、一部が貫通孔２３４と重なるように、貫通孔２３４と第１又は第２ガス流路４１，４２との間にはみ出ていてもよい。また、接合材１０４の一部が、第１又は第２ガス流路４１，４２の基端部４１１、４２１の内壁面を覆っていてもよい。この接合材１０４によって、第１又は第２ガス流路４１，４２の基端部４１１，４２１の強度を向上させることができる。

【0096】

また、接合材１０４の一部が、貫通孔２３４の内壁面の少なくとも一部を覆っていてもよい。これにより、接合材１０４が天板２３１から剥離することを抑制できる。

【0097】

変形例７
図１５に示すように、セルスタック装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この場合、例えば、支持基板４内に連通流路３０が形成されていてもよい。この連通流路３０は、支持基板４の先端部４４において、幅方向（ｙ軸方向）に延びている。

【0098】

変形例８
上記実施形態では、貫通孔２３４は、複数の分割孔２３４ａに分割されているが、貫通孔２３４の構成はこれに限定されない。例えば、図１６に示すように、貫通孔２３４は複数の分割孔２３４ａに分割されていなくてもよい。すなわち、天板２３１は、連結補強部２３６を有していなくてもよい。

【0099】

変形例７
上記実施形態の燃料電池セル１０は、各発電素子部５が支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている、いわゆる横縞型の燃料電池セルであるが、燃料電池セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、支持基板４の第１主面４５に１つの発電素子部５が支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。この場合、支持基板４の第２主面４６に一つの発電素子部５が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。

【0100】

変形例８
上記実施形態では、燃料電池セル１０からのオフガスをマニホールド２のガス回収室２２によって回収しているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル１０の先端部からオフガスを排出して燃焼させてもよい。この場合、マニホールド２は、仕切板２４を有しておらず、ガス供給室２１とガス回収室２２とに分かれていなくてよい。

【符号の説明】

【0101】

２ マニホールド
２３１ 天板
２３４ 貫通孔
１０ 燃料電池セル
１０３ 基端面
１０４ 接合材
Ａ１ 中央領域
Ａ２ 端部領域

【要約】

【課題】接合材におけるクラックの発生を抑制する。
【解決手段】セルスタック装置１００は、マニホールド２、板状の燃料電池セル１０、及び接合材１０４を備えている。マニホールド２は、貫通孔を含む天板２３１を有する。燃料電池セル１０は、貫通孔を覆うように天板２３１と対向する基端面１０３を有する。接合材１０４は、天板２３１と燃料電池セル１０の基端面１０３との隙間に充填される。接合材１０４は、燃料電池セル１０の幅方向の中央部に位置する中央領域Ａ１と、幅方向の端部に位置する端部領域Ａ２と、を有する。中央領域Ａ１における気孔径は、端部領域Ａ２における気孔径よりも大きい。
【選択図】図９

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】