JP2016149345A - 燃料電池のスタック構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】片持ちスタック構造体であって、接合材における「ガスリーク」が発生し難いものを提供すること。【解決手段】スタック状に整列した複数の燃料電池セル１００のそれぞれの燃料ガス流入側端部が、燃料ガス用のマニホールドの上壁２２０に形成された挿入孔２２１に挿入され、接合材３００を用いて上壁２２０に接合・支持されている。接合材の断面について、その断面に存在する気孔の径のうちの最大値をａ、接合材とセルの燃料ガス流入側端部の側面とが接触する接合部における上下方向の長さをｂ、接合材と上壁の上面とが接触する接合部におけるセルの燃料ガス流入側端部の側面から最も離れた端と、セルの燃料ガス流入側端部の側面と、の間の距離をｃとしたとき、０．１０ｍｍ≦ａ≦０．４７ｍｍ、０．１４≦ａ／ｂ≦０．３６、且つ、０．１２≦ａ／ｃ≦０．３５である。【選択図】図９

Description

本発明は、燃料電池のスタック構造体に関する。

従来より、「それぞれが、長手方向を有し且つその内部に前記長手方向に沿う燃料ガス流路が形成された支持基板を含む、複数の燃料電池セル」と、「燃料ガスが導入される内部空間を有するマニホールドであって、前記長手方向が上下方向と一致するように前記各セルがマニホールドの上壁から上方に向けてそれぞれ突出し、且つ、前記複数のセルがスタック状に整列し、且つ、前記内部空間と前記各セルの前記燃料ガス流路とが連通するように、前記各セルの前記支持基板の燃料ガス流入側端部を前記上壁にて接合材を用いて接合・支持するマニホールド」と、を備えた固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）のスタック構造体が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

この構造体では、前記マニホールドの上壁には、１つ又は複数の孔が形成されている。前記接合材が、前記各支持基板の燃料ガス流入側端部が対応する前記孔に対応して位置付けられた状態にて前記１つ又は複数の孔を塞ぐように、且つ、前記上壁の上面、及び、前記セルの燃料ガス流入側端部の側面に連続的に接触するように、充填されることによって、前記上壁と前記各支持基板の燃料ガス流入側端部とが接合されている。換言すれば、前記接合材は、マニホールドの内部空間（燃料ガスに曝される空間）と、スタック構造体の外部（空気に曝される空間、以下、単に「外部」と呼ぶ）と、を区画することによって、燃料ガスと空気との混合を防止する機能（以下、「シール機能」と呼ぶ）を果たす。この構造体では、各セルの燃料ガス排出側端（上端）が自由端となっている。従って、この構造体は、「片持ちスタック構造体」とも呼ばれる。

特開２００５−１００６８７号公報

ところで、上述したスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、「前記接合材における外部に面する表面を起点とする、前記接合材の内部に向かうクラック」が発生する場合がある。これは、前記接合材における外部に面する表面に応力が集中し易いことに起因する、と考えられる。このクラックの成長によって、このクラックが「前記接合材における外部に面する表面」から「前記接合材におけるマニホールドの内部空間に面する表面」まで貫通する場合がある。以下、このように貫通するクラックを「貫通クラック」と呼ぶ。

この「貫通クラック」が形成されると、前記接合材による上記「シール機能」が維持され得なくなり、前記接合材における「外部に面する表面」から燃料ガスが漏れ出る現象（以下、「ガスリーク」と呼ぶ）が発生する場合がある。

上述したスタック構造体が通常の環境下で稼働される場合と異なり、上述したスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働される場合には、上述したクラックの発生を確実に回避することは非常に困難である。しかしながら、上述したクラックの僅かな発生が許容されたとしても、このクラックの成長によって形成され得る上記「貫通クラック」に起因する「ガスリーク」が発生する頻度を低減することは重要である、と考えられる。

以上より、本発明は、上述したスタック構造体であって、接合材における「ガスリーク」が発生し難いものを提供することを目的とする。

本発明の第１側面に係る燃料電池のスタック構造体は、上述と同じ複数のセルと、上述と同じマニホールドと、を備える。即ち、前記マニホールドの上壁には、１つ又は複数の孔が形成され、前記接合材が、前記各セルの燃料ガス流入側端部が対応する前記孔に対応して位置付けられた状態にて前記１つ又は複数の孔を塞ぐように、且つ、前記上壁の上面、及び、前記セルの燃料ガス流入側端部の側面に接触するように、充填されることによって、前記マニホールドの上壁と前記各セルの燃料ガス流入側端部とが接合されている。

本発明に係るスタック構造体の特徴は、前記接合材が、その内部に複数の気孔を含み、前記セルの燃料ガス流入側端部の側面に垂直、且つ上下方向に沿う、前記接合材の断面について、前記断面に存在する前記複数の気孔の気孔径のうちの最大値（以下、「最大気孔径」と呼ぶ）をａとし、前記接合材と前記セルの燃料ガス流入側端部の側面とが（連続的に）接触する接合部における上下方向の長さ（以下、「第１接合部長さ」と呼ぶ）をｂとし、前記接合材と前記上壁の上面とが（連続的に）接触する接合部における前記セルの燃料ガス流入側端部の側面から最も離れた端と、前記セルの燃料ガス流入側端部の側面と、の間の距離（以下、「第２接合部長さ」と呼ぶ）をｃとしたとき、０．１０ｍｍ≦ａ≦０．４７ｍｍであり、０．１４≦ａ／ｂ≦０．３６であり、０．１２≦ａ／ｃ≦０．３５である、ことにある。

通常、スタック構造体の組立時に使用される前記接合材用のペースト（熱処理前）に不可避的に含まれる気泡等に起因して、前記接合材（熱処理後）の内部には、複数の気孔が形成される。

本発明者は、接合材について、「最大気孔径ａ」、「第１接合部長さｂ」、及び、「第２接合部長さｃ」の組み合わせを、上述のように調整することによって、上述したスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合であっても、上述した「貫通クラック」が発生し難いこと、従って、上述した「ガスリーク」が発生し難いこと、を見出した（詳細は後述する）。

本発明の第２側面に係る燃料電池のスタック構造体は、マニホールドと、燃料電池セルと、接合材とを備えている。マニホールドは、挿入孔を含む上壁を有する。燃料電池セルは、挿入孔に挿入される。接合材は、挿入孔を塞ぐように、上壁と燃料電池セルとを接合する。接合材は、上壁の上面、及び、燃料電池セルの側面に接触している。接合材は、複数の気孔を内部に含んでいる。燃料電池セルの側面に垂直、且つ上下方向に沿う、接合材の断面について、断面に存在する前記複数の気孔の気孔径のうちの最大値をａとする。また、前記接合材の断面について、接合材と燃料電池セルの側面とが接触する接合部における上下方向の長さをｂとする。また、前記接合材の断面について、接合材と上壁の上面とが接触する接合部における燃料電池セルの側面から最も離れた端と、燃料電池セルの側面と、の間の距離をｃとする。このとき、０．１０ｍｍ≦ａ≦０．４７ｍｍであり、０．１４≦ａ／ｂ≦０．３６であり、０．１２≦ａ／ｃ≦０．３５である。

接合材は、挿入孔の内壁面に接触していてもよいし、接触していなくてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池のスタック構造体に使用される１つのセルを示す斜視図である。 図１に示すセルの作動状態を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るスタック構造体の全体の斜視図である。 図３に示したマニホールドの全体の斜視図である。 図４に示した支持板（上壁）に形成された挿入孔の拡大図である。 挿入孔とセルの流入側端部との接合部の様子を示した横断面図である。 図６の７−７線の断面図である。 図３に示したスタック構造体に対して燃料ガス及び空気が供給・排出される様子を示した図である。 接合材の断面の拡大図である。 本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池のスタック構造体における図６に対応する図である。 図１０の１１−１１線の断面図である。 本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池のスタック構造体における図９に対応する図である。

（スタック構造体に使用されるセルの構成の一例）
先ず、本発明に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタック構造体の実施形態に使用されるセル１００の一例について、図１〜図２を参照しながら説明する。

図１に示すセル１００は、長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状の支持基板１０の上下面（互いに平行な両側の主面（平面））のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。

このセル１００の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向（ｘ軸方向）の辺の長さＬ１が５０〜５００ｍｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さＬ２が１０〜１００ｍｍの長方形である（Ｌ１＞Ｌ２）。このセル１００の厚さＬ３（ｚ軸方向の距離）は、１〜５ｍｍである（Ｌ２＞Ｌ３）。

このセル１００は支持基板１０を備える。支持基板１０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。支持基板１０の内部には、長手方向に延びる複数（本例では、６本）の燃料ガス流路１１（貫通孔）が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）で構成され得る。

支持基板１０の上下面のそれぞれに配置された各発電素子部Ａは、燃料極、固体電解質膜、及び空気極が少なくともこの順に積層された積層焼成体である。燃料極は、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）とで構成され得る。固体電解質膜は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）で構成され得る。空気極は、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）で構成され得る。

ＳＯＦＣの作動温度（６００〜８００℃）に維持された図１に示す「横縞型」のセル１００に対して、図２に示すように、支持基板１０の燃料ガス流路１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１０の上下面に沿って酸素を含むガス（空気等）を流すことにより、各発電素子部Ａにおいて、固体電解質膜の表裏面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、セル１００を外部の負荷に電気的に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、セル１００内にて電流が流れる(発電状態)。この発電状態にて、セル１００から電力が取り出される。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ_２ ⁻ （於：空気極） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ_２ ⁻→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （於：燃料極） …（２）

（スタック構造体の全体構成の一例）
次に、上述したセル１００を用いた本発明に係るＳＯＦＣのスタック構造体の実施形態（以下、「本実施形態」とも呼ぶ）について説明する。図３に示すように、本実施形態は、多数のセル１００と、多数のセル１００のそれぞれに燃料ガスを供給するためのマニホールド２００と、を備えている。マニホールド２００は、長手方向（ｚ軸方向）を有する直方体状の筐体である。

マニホールド２００は、例えば、「底壁と側壁とを備え且つ上方に向けて開口する基部２１０」と、「基部２１０の上に配置され且つ前記開口を塞ぐ平板状の支持板（上壁）２２０」と、で構成される。支持板２２０は、多数のセル１００を支持する機能を備える。マニホールド２００（＝基部２１０＋支持板２２０）は、例えば、ステンレス鋼等で構成されている。

図３、及び図４に示すように、マニホールド２００には、外部からマニホールド２００の内部空間に燃料ガスを導入するための導入管２３０が設けられている。図３、及び図４に示す例では、導入管２３０は、支持板２２０の四隅部の１つから上方（ｘ軸正方向）に向けて突出するように、支持板２２０に対して接合・固定されている。導入管２３０も、例えば、ステンレス鋼等で構成されている。この導入管２３０は、例えば、支持板２２０に形成された貫通孔に挿入された状態にて溶接されることによって、支持板２２０に接合・固定されている。

各セル１００が、支持板２２０から上方（ｘ軸正方向）に向けてそれぞれ突出するように、且つ、複数のセル１００がマニホールド２００の長手方向（ｚ軸方向）に沿って互いに離れてスタック状に整列するように、各セル１００における支持基板１０の長手方向（ｘ軸方向）の燃料ガス流入側の端部（以下、「流入側端部」と呼ぶ）が、支持板２２０に対して接合材を用いて接合・支持されている。各セル１００における支持基板１０の長手方向（ｘ軸方向）の燃料ガス排出側の端部（以下、「排出側端部」と呼ぶ）は、自由端となっている。従って、このスタック構造は、「片持ちスタック構造」と表現することができる。

図４に示すように、支持板２２０（マニホールド２００の上壁）には、マニホールド２００の内部空間と連通する多数の挿入孔２２１が、ｚ軸方向において同じ間隔をおいて形成されている。各挿入孔２２１には、対応するセル１００（より具体的には、支持基板１０）の流入側端部がそれぞれ挿入されている。

図５に示すように、各挿入孔２２１の形状は、長さＬ４、幅Ｌ５のｙ軸方向に延在する長円形状（Ｌ４＞Ｌ５）を呈している。挿入孔２２１の長さＬ４は、セル１００の流入側端部の側面の長さＬ２（図１を参照）より０．２〜３ｍｍ大きい。同様に、挿入孔２２１の幅Ｌ５は、セル１００の流入側端部の側面の幅Ｌ３（図１を参照）より０．２〜３ｍｍ大きい。即ち、図６、及び図７に示すように、セル１００（支持基板１０）の流入側端部が挿入孔２２１に挿入された状態では、挿入孔２２１の内壁とセル１００（支持基板１０）の流入側端部の外壁との間に隙間が形成される。なお、図６、及び図７（特に、図６）では、前記隙間が誇張して描かれている。

図６、及び図７に示すように、挿入孔２２１とセル１００（支持基板１０）の流入側端部との接合部のそれぞれにおいて、固化された接合材３００が前記隙間に充填されるように（即ち、挿入孔２２１を塞ぐように）設けられている。これにより、各挿入孔２２１と対応するセル１００の流入側端部とがそれぞれ接合・固定される。加えて、接合材３００は、マニホールド２００の内部空間（燃料ガスに曝される空間）と、スタック構造体の外部（空気に曝される空間、以下、単に「外部」と呼ぶ）と、を区画することによって、燃料ガスと空気との混合を防止する機能（上記「シール機能」）を果たしている。図７に示すように、各セル１００のガス流路１１の流入側端部は、マニホールド２００の内部空間と連通している。

接合材３００は、例えば、結晶化ガラスで構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３系が採用され得るが、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系のものが最も好ましい。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３００の材料として、非晶質ガラス、ろう材、セラミックス等が採用されてもよい。

また、図７に示すように、隣接するセル１００、１００の間には、隣接するセル１００、１００の間（より詳細には、一方のセル１００の燃料極と他方のセル１００の空気極）を電気的に直列に接続するための集電部材４００が介在している。集電部材４００は、例えば、金属メッシュ等で構成される。加えて、各セル１００について表側と裏側とを電気的に直列に接続するための集電部材５００も設けられている。

以上、説明した本実施形態（片持ちスタック構造）を作動させる際には、ＳＯＦＣの作動温度に維持された本実施形態に対して、図８に示すように、高温（例えば、６００〜８００℃）の燃料ガス（水素等）及び「酸素を含むガス（空気等）」を流通させる。導入管２３０から導入された燃料ガスは、マニホールド２００の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔２２１を介して対応するセル１００のガス流路１１にそれぞれ導入される。各ガス流路１１を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路１１の排出側端（排出口）から外部に排出される。空気は、スタック構造の内部における隣接するセル１００間の空間を、セル１００の幅方向（ｙ軸方向）に沿って流される。この結果、各セル１００が上述した発電状態となり、各セル１００（従って、スタック構造体）から電力が取り出される。

上述した本実施形態は、例えば、以下の手順で組み立てられる。先ず、必要な枚数の完成したセル１００、並びに、完成したマニホールド２００が準備される。次いで、所定の治具等を用いて、複数のセル１００がスタック状に整列・固定される。次に、複数のセル１００がスタック状に整列・固定された状態が維持されながら、複数のセル１００のそれぞれの流入側端部が、支持板２２０の対応する挿入孔２２１に一度に挿入される。次いで、接合材３００用の非晶質材料（非晶質ガラス）のペーストが、挿入孔２２１とセル１００の流入側端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。

次に、上記のように充填された接合材３００用の非晶質材料ペーストに熱処理（結晶化処理）が加えられる。この熱処理によって前記非晶質材料の温度がその結晶化温度まで到達すると、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接合材３００が上記「シール機能」を発揮するとともに、各セル１００の流入側端部が対応する挿入孔２２１にそれぞれ接合・固定される。換言すれば、各セル１００の流入側端部が接合材３００を用いて支持板２２０にそれぞれ接合・支持される。その後、前記所定の治具が複数のセル１００から取り外されて、上記本実施形態（片持ちスタック構造体）が完成する。

（接合材におけるガスリークの抑制）
上記本実施形態に係るスタック構造体が、通常の環境下とは異なり、熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、「接合材３００における外部に面する表面を起点とする、接合材３００の内部に向かうクラック」が発生する場合がある。これは、接合材３００における外部に面する表面に応力が集中し易いことに起因する、と考えられる。このクラックの成長によって、このクラックが「接合材３００における外部に面する表面」から「接合材３００におけるマニホールド２００の内部空間に面する表面」まで貫通する場合がある。以下、このように貫通するクラックを「貫通クラック」と呼ぶ。

この「貫通クラック」が形成されると、接合材３００による上記「シール機能」が維持され得なくなり、接合材３００における「外部に面する表面」から燃料ガスが漏れ出る現象（上記「ガスリーク」）が発生する場合がある。

上記スタック構造体が、通常の環境下で稼働される場合と異なり、熱応力的に過酷な環境下で稼働される場合には、上述したクラックの発生を確実に回避することは非常に困難である。しかしながら、上述したクラックの僅かな発生が許容されたとしても、このクラックの成長によって形成され得る上記「貫通クラック」に起因する上記「ガスリーク」が発生する頻度を低減することは重要である。

通常、上述した接合材３００用の非晶質材料ペースト（熱処理前）に不可避的に含まれる気泡等に起因して、接合材３００（熱処理後）の内部には、複数の気孔が含まれる。ここで、接合材３００の内部に含まれる気孔の気孔径は、前記ペーストに造孔材を含ませるとともに、その造孔材の量及び径を調整することによって、容易に調整することができる。接合材３００の内部において、複数の気孔は、概ね均一に分布していることが好適である。なお、或る断面上に存在する気孔の径とは、「その断面上にてその気孔が占める面積と同じ面積を有する等価円の直径」と定義される。

図９は、スタック構造体における１つのセル１００の燃料ガス流入側端部の側面に垂直、且つ、上下方向（ｘ軸方向）に沿う、接合材３００の断面の一例を示す。図９に示すように、この断面において、「接合材３００とセル１００の燃料ガス流入側端部の側面とが連続的に接触する接合部における上下方向（ｘ軸方向）の長さ」（第１接合部長さ）を「ｂ」とし、「接合材３００と支持板（上壁）２２０の上面とが連続的に接触する接合部におけるセル１００の燃料ガス流入側端部の側面から最も離れた端と、セル１００の燃料ガス流入側端部の側面と、の間の距離」（第２接合部長さ）を「ｃ」と定義する。

また、「この断面に存在する複数の気孔の気孔径のうちの最大値」（最大気孔径）を「ａ」と定義する。ここで、「最大気孔径ａ」に着目したのは、成長していくクラックの先端が気孔に到達する際、その気孔の気孔径が大きいほど、そのクラックの成長が止まり易いからである。気孔径が大きいほど、クラックの成長が止まり易いのは、気孔径が大きいほど、気孔の内壁の曲率半径が大きいことによって応力が集中し難くなることに起因する、と考えられる。

本発明者は、「最大気孔径ａ」、「第１接合部長さｂ」、及び、「第２接合部長さｃ」の組み合わせに関し、接合材３００において上述した「貫通クラック」が発生し難い条件（従って、上述した「ガスリーク」が発生し難い条件）を見出した。以下、このことを確認した試験について説明する。

（試験）
この試験では、図３に示したスタック構造体について、「最大気孔径ａ」、「第１接合部長さｂ」、及び、「第２接合部長さｃ」（従って、ａ／ｂ、及び、ａ／ｃ）の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表１に示すように、２０種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して、「スタック数（セル１００の数）＝１０」の１つのサンプル（スタック構造体）が作製された。サンプル毎に（従って、各サンプルに含まれる１０個のセル１００に関して）、ａ／ｂ、及び、ａ／ｃの組み合わせが同じとされた。各セル１００について、ａ／ｂ、及び、ａ／ｃの測定に使用された上記「断面」（セル１００の燃料ガス流入側端部の側面に垂直、且つ、上下方向に沿う接合材３００の断面）としては、支持基板１０の燃料ガス流入側端部における主面に垂直、且つ、上下方向に沿う接合材３００の１つの断面が使用された。

各サンプル（図３に示すＳＯＦＣのスタック構造体）について、各セル１００は、長さ（ｘ軸方向）が５０〜５００ｍｍ、幅（ｙ軸方向）が１０〜１００ｍｍ、厚さ（ｚ軸方向）が１〜５ｍｍの薄板状を呈していた。各セル１００の支持基板１００の材質は、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）等であった。各セル１００の支持基板１００について、焼成温度は１３００〜１６００℃、焼成時間は１〜２０時間であった。各セル１００には、１〜２０本のガス流路１１が形成されていた。マニホールド２００（＝基部２１０＋支持板２２０）の材質は、ステンレス鋼であった。支持板２２０の挿入孔２２１に挿入された各セル１００の流入側端部の外壁と挿入孔２２１の内壁との間に形成される隙間（Ｌ４−Ｌ２、Ｌ５−Ｌ３、図６を参照）は、０．２〜３ｍｍであった。接合材３００の材質は、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３系の結晶化ガラス、又は、非晶質ガラス、ろう材、セラミックスであった。

各サンプルについて、接合材３００（熱処理後）に含まれる複数の気孔の気孔径の調整（従って、最大気孔径ａの調整）は、上述した接合材３００用のペーストに含まれる造孔材の量及び径を調整することによってなされた。前記ペーストに対する熱処理は、７００〜１０００℃にて、１〜１０時間に亘って行われた。各セル１００について、前記「断面」において、接合材３００に含まれる複数の気孔の気孔径は、０．０１〜０．４７ｍｍであった。また、前記「断面」において、最大気孔径ａは、０．１０〜０．４７ｍｍであった。接合材３００の気孔率（前記「断面」において、接合材３００の全領域の面積に対する、接合材３００内における気孔に対応する領域の面積の総和の割合）は３．１〜１０面積％であった。

この試験では、各サンプルについて、「各燃料流路に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで２時間で上げた後に７５０℃から常温まで４時間で下げるパターン」を１０回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、上記「ガスリーク」の発生の有無が確認された。この確認は、各サンプル（スタック構造体、図３を参照）について、各セル１００の燃料ガス流路１１における燃料ガス排出側端部の開口をゴムキャップ等の封止材を用いてそれぞれ封止した状態にて、導入管２３０から加圧したガスを流した際に、接合材３００から前記ガスの漏れが発生するか否かを確認することによって行われた。前記ガスの漏れが発生するか否かの確認は、サンプルを液体中に浸漬させた状態にて気泡が発生するか否かを目視で観察することによって行われた。この結果は表１に示すとおりである。

表１から理解できるように、ａ／ｂが０．１４未満又は０．３６より大きい、又は、ａ／ｃが０．１２未満又は０．３５より大きいと、接合材３００における「ガスリーク」が発生し易い。これは、理由は不明であるが、これらの条件が成立する場合、接合材３００にて上述した「貫通クラック」が発生し易いことに基づく、と考えられる。

以上、表１の結果より、０．１０ｍｍ≦ａ≦０．４７ｍｍであり、０．１４≦ａ／ｂ≦０．３６であり、且つ、０．１２≦ａ／ｃ≦０．３５であると、上述したスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合においても、接合材３００における「ガスリーク」が発生し難くなる、ということができる。

なお、本発明者は、通常の条件・環境下（定常運転状態、燃料利用率が一定の運転状態）にて上述したスタック構造体が使用される場合、ａ／ｂが０．１４未満又は０．３６より大きい、又は、ａ／ｃが０．１２未満又は０．３５より大きくても、接合材３００における「ガスリーク」が発生し難いことを別途確認している。

本発明は上記本実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記本実施形態では、隣り合う発電素子部の間が電気的に接続された所謂「横縞型」のセルが採用されているが、支持基板の表面に発電素子部が１つのみ設けられたセルが採用されてもよい。

また、上記本実施形態では、支持板２２０に形成された１つの挿入孔２２１に１つのセル１００の流入側端部が挿入されているが、支持板２２０に形成された１つの挿入孔２２１に２つ以上のセル１００の流入側端部が挿入されていてもよい。

更には、図６及び図７にそれぞれ対応する図１０及び図１１に示すように、支持板２２０に形成された１つの（唯一の）挿入孔２２１に複数のセル１００の流入側端部の全てが挿入されていてもよい。この場合、少なくとも、接合材３００における「挿入孔２１１の内壁とセル１００の流入側端部の外壁との間に充填された部分」について、上述した「０．１０ｍｍ≦ａ≦０．４７ｍｍであり、０．１４≦ａ／ｂ≦０．３６であり、且つ、０．１２≦ａ／ｃ≦０．３５」という条件が成立していれば、上述したスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合においても、接合材３００における「ガスリーク」が発生し難いことを別途確認している。

更には、上記本実施形態では、マニホールド２００の天板が多数のセル１００を支持するための支持板２２０を兼ねているが（即ち、支持板２２０がマニホールド２００と一体で構成されているが）、マニホールドの内部空間と複数のセルのガス流路とが連通する限りにおいて、支持板がマニホールドとは別体で構成されていてもよい。

また、上記本実施形態では、支持基板１０が平板状を呈しているが、支持基板が円筒状を呈していても良い。この場合、円筒状の支持基板の内側空間がガス流路として機能する。

また、上記実施形態では、接合材３００は、支持板２２０の上面と燃料電池セル１００の側面のみに接触しているが、接合材３００の構成は特にこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、接合材３００は、支持板２２０の上面と燃料電池セル１００の側面に加えて、挿入孔２２１の内壁面に接触していてもよい。

１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１００…セル、２００…マニホールド、２１０…基部、２２０…支持板、２２１…挿入孔、３００…接合材、Ａ…発電素子部

Claims (3)

1. それぞれが、長手方向を有し且つその内部に前記長手方向に沿う燃料ガス流路が形成された支持基板と、前記支持基板の表面に設けられ且つ少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部と、を含む、複数の燃料電池セルと、
   燃料ガスが導入される内部空間を有するマニホールドであって、前記長手方向が上下方向と一致するように前記各セルがマニホールドの上壁から上方に向けてそれぞれ突出し、且つ、前記複数のセルがスタック状に整列し、且つ、前記内部空間と前記各セルの前記燃料ガス流路とが連通するように、前記各セルの燃料ガス流入側端部を前記上壁にて接合材を用いて接合・支持するマニホールドと、
   を備えた燃料電池のスタック構造体であって、
   前記マニホールドの上壁には、１つ又は複数の孔が形成され、
   前記接合材が、前記各セルの燃料ガス流入側端部が対応する前記孔に対応して位置付けられた状態にて前記１つ又は複数の孔を塞ぐように、且つ、前記上壁の上面、及び、前記セルの燃料ガス流入側端部の側面に接触するように、充填されることによって、前記上壁と前記各セルの燃料ガス流入側端部とが接合され、
   前記接合材は、その内部に複数の気孔を含み、
   前記セルの燃料ガス流入側端部の側面に垂直、且つ上下方向に沿う、前記接合材の断面について、
   前記断面に存在する前記複数の気孔の気孔径のうちの最大値をａとし、
   前記接合材と前記セルの燃料ガス流入側端部の側面とが接触する接合部における上下方向の長さをｂとし、
   前記接合材と前記上壁の上面とが接触する接合部における前記セルの燃料ガス流入側端部の側面から最も離れた端と、前記セルの燃料ガス流入側端部の側面と、の間の距離をｃとしたとき、
   ０．１０ｍｍ≦ａ≦０．４７ｍｍであり、０．１４≦ａ／ｂ≦０．３６であり、０．１２≦ａ／ｃ≦０．３５である、燃料電池のスタック構造体。
2. 挿入孔を含む上壁を有するマニホールドと、
   前記挿入孔に挿入される燃料電池セルと、
   前記挿入孔を塞ぐように、前記上壁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、前記上壁の上面、及び、前記燃料電池セルの側面に接触しており、
   前記接合材は、複数の気孔を内部に含み、
   前記燃料電池セルの側面に垂直、且つ上下方向に沿う、前記接合材の断面について、
   前記断面に存在する前記複数の気孔の気孔径のうちの最大値をａとし、
   前記接合材と前記燃料電池セルの側面とが接触する接合部における上下方向の長さをｂとし、
   前記接合材と前記上壁の上面とが接触する接合部における前記燃料電池セルの側面から最も離れた端と、前記燃料電池セルの側面と、の間の距離をｃとしたとき、
   ０．１０ｍｍ≦ａ≦０．４７ｍｍであり、０．１４≦ａ／ｂ≦０．３６であり、０．１２≦ａ／ｃ≦０．３５である、
   燃料電池のスタック構造体。
3. 前記接合材は、前記挿入孔の内壁面に接触する、
   請求項１又は２に記載の燃料電池のスタック構造体。

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