JP2019016539A - セルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合材におけるクラックの発生を抑制できるセルスタック装置を提供する。【解決手段】セルスタック装置１００は、複数の燃料電池セル群１１０と、マニホールド２と、複数の第１接合材と、応力緩衝機構９と、を備えている。各燃料電池セル群１１０は、複数の第１燃料電池セル１を有する。マニホールド２は、各燃料電池セル群１１０を支持する天板２２を有する。各第１接合材は、第１燃料電池セル１とマニホールド２とを接合する。応力緩衝機構９は、各燃料電池セル群１１０の間に介在し、天板２２に生じる応力を緩衝するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、セルスタック装置に関するものである。

セルスタック装置は、マニホールドと、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、マニホールドに支持されており、マニホールドから上方に延びている。詳細には、マニホールドに形成された貫通孔内に燃料電池セルの下端部が挿入されており、燃料電池セルの下端部とマニホールドとが接合材によって接合されている。

特開２０１５−１６４０９４号公報

上述したような構成のセルスタック装置において、接合材は、貫通孔からガスが漏出することを防止する機能も有している。このため、接合材にクラックが発生することは好ましくない。そこで、本発明の課題は、接合材におけるクラックの発生を抑制できるセルスタック装置を提供することにある。

本発明のある側面に係るセルスタック装置は、複数の燃料電池セル群と、マニホールドと、複数の第１接合材と、応力緩衝機構と、を備えている。各燃料電池セル群は、複数の第１燃料電池セルを有する。マニホールドは、各燃料電池セル群を支持する天板を有する。各第１接合材は、第１燃料電池セルとマニホールドとを接合する。応力緩衝機構は、各燃料電池セル群の間に介在し、天板に生じる応力を緩衝するように構成されている。

従来の構成のセルスタック装置では、燃料電池セルとマニホールドとを接合材によって接合していた。この従来構成のセルスタック装置では、マニホールドにおける温度分布の偏りによってマニホールドの天板が撓むことがある。このマニホールドの天板の撓みによって接合材に応力が作用し、接合材にクラックが発生するおそれがあった。

これに対して、本発明に係るセルスタック装置では、複数の燃料電池セル群を有し、この各燃料電池セル群の間に応力緩衝機構を設けている。このため、各燃料電池セル群を支持する天板に応力が生じても、その応力を応力緩衝機構によって緩衝することができる。この結果、第１接合材に作用する応力が低減し、第１接合材にクラックが発生することを抑制することができる。

好ましくは、応力緩衝機構は、第２燃料電池セルと、中間部材と、第２接合材と、第３接合材とを有している。中間部材は、天板と第２燃料電池セルとの間に配置され、可撓性を有する。第２接合材は、中間部材と第２燃料電池セルとを接合する。第３接合材は、中間部材と天板とを接合し、第２接合材と間隔をあけて配置される。このように、第２燃料電池セル２は、可撓性を有する中間部材を介して天板に接合されている。また、中間部材と燃料電池セルとを接合する第２接合材と、中間部材とマニホールドとを接合する第３接合材とは、互いに間隔をあけて配置されている。このため、この第２接合材と第３接合材との間において中間部材が撓むため、天板の撓みなどによって生じた応力を中間部材によって吸収することができる。この結果、第１接合材、第２接合材、及び第３接合材に作用する応力が低減し、第１接合材、第２接合材、及び第３接合材にクラックが発生することを抑制することができる。

好ましくは、中間部材は、筒状である。

好ましくは、第２燃料電池セルの一方の端部は、中間部材内に挿入される。

好ましくは、中間部材は、天板と対向する段差面を有する。この構成によれば、段差面によって中間部材とマニホールドとの接合面積を増やすことができ、ひいては、良好なシール性及び接合強度を確保することができる。

好ましくは、中間部材の一方の端部は、天板部に形成される貫通孔内に挿入される。

好ましくは、中間部材は、金属製である。

好ましくは、中間部材は、マニホールドから離れるにつれて第２燃料電池セルとの間隔が小さくなるように、第２燃料電池セルに沿って延びる。

好ましくは、中間部材は、マニホールドから離れるにつれて第２燃料電池セルとの間隔が大きくなるように、第２燃料電池セルに沿って延びる。

好ましくは、天板は、複数の天板部を有する。各天板部は、燃料電池セル群を支持する。応力緩衝機構は、各天板部の間に介在する可撓性部材を有する。この構成によれば、天板が撓むと可撓性部材も撓むため、天板に生じた応力を可撓性部材によって低減することができる。この結果、第１接合材、第２接合材、及び第３接合材に作用する応力が低減し、第１接合材、第２接合材、及び第３接合材にクラックが発生することを抑制することができる。

好ましくは、可撓性部材は、弾性体によって構成される。

好ましくは、各第１燃料電池セルは、天板の長手方向に沿って配列される。

本発明によれば、接合材におけるクラックの発生を抑制できる。

セルスタック装置の斜視図。 セルスタック装置の断面図。 図２のIII−III線断面図。 図２のIV−IV線断面図。 図３のＶ−Ｖ線断面図。 マニホールドの拡大断面図。 天板の平面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 セルスタック装置の拡大断面図。 応力緩衝機構の断面図。 中間部材の斜視図。 変形例に係る応力緩衝機構の断面図。 変形例に係る応力緩衝機構の断面図。 変形例に係る応力緩衝機構の断面図。 変形例に係る応力緩衝機構の断面図。 変形例に係るマニホールドの断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大断面図。 変形例に係るセルスタック装置の斜視図。

［セルスタック装置］
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〜図３に示すように、セルスタック装置１００は、複数の燃料電池セル群１１０と、マニホールド２と、複数の第１接合材８と、応力緩衝機構９とを備えている。なお、本実施形態では、図１に示すように、３つの燃料電池セル群１１０と、２つの応力緩衝機構９とを備えているが、燃料電池セル群１１０及び応力緩衝機構９の数はこれに限定されない。

［マニホールド］
マニホールド２は、各第１燃料電池セル１にガスを分配するように構成されている。マニホールド２は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド２の内部空間には、燃料ガスなどのガスが導入される。マニホールド２は、この内部空間と外部とを連通する複数の貫通孔２７を有している。また、貫通孔２７は、後述する第１燃料電池セル１及び第２燃料電池セル１ａの各ガス流路１２１と連通している。マニホールド２は、各燃料電池セル群１１０を支持している。

マニホールド２は、略直方体状であって、内部空間を有する。詳細には、マニホールド２は、錐台状である。マニホールド２は、底壁２３と、一対の第１側壁２４と、一対の第２側壁２５と、天板２２と、を有している。また、マニホールド２は、第１フランジ部２６を有していてもよい。

底壁２３と、一対の第１側壁２４と、一対の第２側壁２５と、天板２２とによってマニホールド２の内部空間が画定されている。マニホールド２のうち、底壁２３，一対の第１側壁２４、及び一対の第２側壁２５は、互いに一体的に形成されている。そして、天板２２は、これらとは別部材で構成されている。天板２２は、底壁２３，各第１側壁２４，及び各第２側壁２５に対して、接合材や溶接などによって接合されている。なお、天板２２は、底壁２３，一対の第１側壁２４，及び一対の第２側壁２５と一体的に形成されていてもよい。

底壁２３は、平面視（ｘ軸方向視）において、矩形状である。各第１側壁２４及び各第２側壁２５は、底壁２３の周縁部から上方に延びている。一対の第１側壁２４は、マニホールド２の内部空間の奥行き方向（ｚ軸方向）において、互いに対向するように配置されている。また、一対の第２側壁２５は、マニホールド２の内部空間の幅方向（ｙ軸方向）において、互いに対向するように配置されている。なお、マニホールド２は、奥行き方向に沿って延びている。すなわち、マニホールド２の内部空間及びマニホールド２の本体は、幅方向（ｙ軸方向）よりも奥行き方向（ｚ軸方向）の方が長い。

図４に示すように、第１側壁２４及び第２側壁２５は、上方に向かって外方に広がるように傾斜している。特に限定されるものではないが、例えば、第１側壁２４及び第２側壁２５と、底壁２３とがなす角度αは、９０．１〜１３５°程度とすることができる。このように第１側壁２４及び第２側壁２５が傾斜しているため、底壁２３と平行な面（ｙｚ平面）でマニホールド２の内部空間を切断した断面積は、上方にいくにつれて大きくなる。また、底壁２３に垂直で幅方向（ｙ軸方向）に延びる面（ｘｙ平面）でマニホールド２の内部空間を切断した断面は、台形状となっている。また、底壁２３に垂直で奥行き方向（ｚ軸方向）に延びる面（ｘｚ平面）でマニホールド２の内部空間を切断した断面も、台形状となっている。

一対の第１側壁２４のうち一方の第１側壁２４は、ガス導入口２４１を有している。このガス導入口２４１が形成された第１側壁２４に、導入管２０１が取り付けられる。ガス導入口２４１は、第１側壁２４の幅方向（ｙ軸方向）の中央に形成されていることが好ましい。このガス導入口２４１から、マニホールド２の内部空間にガスが導入される。

第１フランジ部２６は、各第１側壁２４及び各第２側壁２５の上端部から外方に延びている。第１フランジ部２６は、環状である。

底壁２３と各第１側壁２４と各第２側壁２５と各第１フランジ部２６とは、１つの部材によって構成されている。例えば、底壁２３、各第１側壁２４、各第２側壁２５、及び各第１フランジ部２６は、耐熱性を有するような金属あるいは絶縁性セラミックスによって形成される。より具体的には、底壁２３、各第１側壁２４、各第２側壁２５、及び各第１フランジ部２６は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びＮｉ基合金、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（ステアタイト）、及び２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（フォルステライト）よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。

図５に示すように、第１側壁２４と、第２側壁２５との第１境界部２０ａの外側面及び内側面は、Ｒ形状である。この第１境界部２０ａの内側面の曲率半径は、３〜３０ｍｍ程度とすることができる。なお、第１境界部２０ａの内側面とは、マニホールド２の内部空間を臨む面であり、外側面とはマニホールド２の外部を臨む面である。

図４及び図６に示すように、底壁２３と、第１側壁２４及び第２側壁２５との第２境界部２０ｂの外側面及び内側面は、Ｒ形状である。この第２境界部２０ｂの内側面の曲率半径は、２〜２０ｍｍ程度とすることができる。なお、第２境界部２０ｂの内側面とは、マニホールド２の内部空間を臨む面であり、外側面とはマニホールド２の外部を臨む面である。

第１側壁２４及び第２側壁２５と、第１フランジ部２６との第３境界部２０ｃの外側面及び内側面は、Ｒ形状である。この第３境界部２０ｃの内側面の曲率半径は、１〜１０ｍｍ程度とすることができる。なお、第３境界部２０ｃの内側面とは、マニホールド２の内部空間を臨む面であり、外側面とはマニホールド２の外部を臨む面である。

図６に示すように、マニホールド２の内部空間の高さ方向（ｘ軸方向）において、第３境界部２０ｃと天板２２との間に第１隙間部２８が形成されている。すなわち、天板２２の下面と第１フランジ部２６の上面とは接触している一方、天板２２の下面と第３境界部２０ｃの内側面とは接触していない。第１隙間部２８は、全周に亘って形成されている。

図４に示すように、天板２２は、内部空間の上面を塞ぐように配置されている。詳細には、天板２２は、第１フランジ部２６に固定されている。マニホールド２の内部空間を密閉するため、天板２２が全周に亘って第１フランジ部２６と接合されている。例えば、天板２２と第１フランジ部２６とは、溶接又は接合材などによって接合されている。天板２２は、底壁２３、各第１側壁２４、各第２側壁２５、及び各第１フランジ部２６の材料として説明した材料の少なくとも一種から形成することができる。

図７に示すように、天板２２は、平面視において、奥行き方向（ｚ軸方向）に延びている。すなわち、天板２２の長手方向は、奥行き方向に沿っている。天板２２は、各燃料電池セル群１１０が取り付けられるように構成されている。すなわち、天板２２は、各燃料電池セル群１１０を支持するように構成されている。詳細には、天板２２は、複数の貫通孔２７を有している。各貫通孔２７は、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。また、各貫通孔２７は、マニホールド２の奥行き方向（ｚ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。

図５及び図６に示すように、マニホールド２の内部空間は、互いに直交する奥行きＤ、幅Ｗ、及び高さＨを有している。奥行きＤは、ガスの導入方向（ｚ軸方向）における内部空間の寸法である。すなわち、奥行きＤは、一対の第１側壁２４間の距離である。

幅Ｗは、平面視（ｘ軸方向視）において奥行きＤと直交する方向における内部空間の寸法である。すなわち、幅Ｗは、一対の第２側壁２５間の距離である。また、高さＨは、奥行きＤ及び幅Ｗと直交する方向における内部空間の寸法である。すなわち、高さＨは、天板２２と底壁２３との距離である。

内部空間の奥行きＤは、５０〜４５０ｍｍ程度とすることができる。また、内部空間の幅Ｗは、３０〜２００ｍｍ程度とすることができる。また、内部空間の高さＨは５〜５０ｍｍ程度とすることができる。内部空間の奥行きＤは、幅Ｗよりも大きいことが好ましい。

［燃料電池セル群］
図１及び図２に示すように、各燃料電池セル群１１０は、複数の第１燃料電池セル１を有している。本実施形態では、各燃料電池セル群１１０は、５つの第１燃料電池セル１を有しているが、各燃料電池セル群１１０が有する第１燃料電池セル１の数はこれに限定されない。なお、各燃料電池セル群１１０が有する第１燃料電池セル１の数は、例えば、２〜２０程度とすることができる。

各第１燃料電池セル１は、マニホールド２に取り付けられている。各第１燃料電池セル１は、マニホールド２から上方に延びている。詳細には、各第１燃料電池セル１は、マニホールド２の天板２２に支持されており、天板２２から上方に延びている。

第１燃料電池セル１の下端部１０１は、貫通孔２７内に挿入されている。この際、第１燃料電池セル１の下端部は天板２２から５ｍｍほど下方に突出していてもよい。第１燃料電池セル１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。なお、第１燃料電池セル１の下端部１０１が貫通孔２７内に挿入された状態において、第１燃料電池セル１の下端部１０１の外周面と貫通孔２７の内壁面との間には隙間が形成されている。この隙間を塞ぐように第１接合材８が形成されている。

各第１燃料電池セル１は、マニホールド２の長手方向（ｚ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各第１燃料電池セル１の配列方向（ｚ軸方向）は、マニホールド２の長手方向（ｚ軸方向）に沿っている。なお、図１では各第１燃料電池セル１が１列に配置されているが、各第１燃料電池セル１は、複数列に配置されていてもよい。各第１燃料電池セル１は、各主面がマニホールド２の長手方向（ｚ軸方向）を向くように配置されている。

各第１燃料電池セル１は、第１集電部材６を介して互いに電気的に接続されている。第１集電部材６は、各第１燃料電池セル１の間に配置されており、隣り合う各第１燃料電池セル１を接続している。なお、第１集電部材６は、接合材によって各第１燃料電池セル１に接合されている。また、いくつかの第１集電部材６は、第１燃料電池セル１と第２燃料電池セル１ａとを接合している。第１集電部材６は、導電性を有する材料から形成されている。例えば、第１集電部材６は、酸化物セラミックスの焼成体又は金属などによって形成されている。

図８に示すように、第１燃料電池セル１は、複数の発電素子部１１と、支持基板１２とを備えている。各発電素子部１１は、支持基板１２の両面に支持されている。なお、各発電素子部１１は、支持基板１２の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１１は、第１燃料電池セル１の長手方向（ｘ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る第１燃料電池セル１は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。

各発電素子部１１は、電気的接続部１７（図９参照）によって互いに電気的に接続されている。また、第１燃料電池セル１の上端部１０２側において、支持基板１２の一方面に形成された発電素子部１１と他方面に形成された発電素子部１１とが第２集電部材７（図２参照）によって電気的に接続されている。なお、各発電素子部１１は、直列に接続されている。

図３に示すように、支持基板１２は、支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）に延びる複数のガス流路１２１を内部に有している。ガス流路１２１は、マニホールド２の内部空間と連通している。各ガス流路１２１は、支持基板１２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。すなわち、各ガス流路１２１は、マニホールド２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る。各ガス流路１２１の面積は、０．１〜３０ｍｍ^２程度とすることができる。

支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）は、第１燃料電池セル１の長手方向と同じ方向である。各ガス流路１２１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１２１は、支持基板１２の長手方向の両端面において開口している。

図９に示すように、支持基板１２は、複数の第１凹部１２３を有している。各第１凹部１２３は、支持基板１２の両面に形成されている。各第１凹部１２３は支持基板１２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。

支持基板１２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１２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１２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１２の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

各発電素子部１１は、燃料極１３、電解質１４、及び空気極１５を有している。また、各発電素子部１１は、反応防止膜１６をさらに有している。燃料極１３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１３は、燃料極集電部１３１と燃料極活性部１３２とを有する。

燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に配置されている。詳細には、燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に充填されており、第１凹部１２３と同様の外形を有する。各燃料極集電部１３１は、第２凹部１３１ａ及び第３凹部１３１ｂを有している。燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に配置されている。詳細には、燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に充填されている。

燃料極集電部１３１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１３１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１３１の厚さ、並びに第１凹部１２３の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部１３２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１３２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１３２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質１４は、燃料極１３上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４は、あるインターコネクタ１７１から次のインターコネクタ１７１まで長手方向に延びている。すなわち、第１燃料電池セル１の長手方向において、電解質１４とインターコネクタ１７１とが交互に配置されている。

電解質１４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１４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１４は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質１４の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１６は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１６は、電解質１４と空気極１５との間に配置されている。反応防止膜１６は、電解質１４内のＹＳＺと空気極１５内のＳｒとが反応して電解質１４と空気極１５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１６は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜１６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１６の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極１５は、反応防止膜１６上に配置されている。空気極１５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１５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、空気極１５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）、又は、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。空気極１５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１５の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部１７は、隣り合う発電素子部１１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１７は、インターコネクタ１７１及び空気極集電部１７２を有する。インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。詳細には、インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に埋設（充填）されている。インターコネクタ１７１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１７１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、インターコネクタ１７１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１７１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電部１７２は、インターコネクタ１７１と空気極１５との間を延びるように配置される。例えば、図９の左側に配置された発電素子部１１の空気極１５と、インターコネクタ１７１とを電気的に接続するように、空気極集電部１７２が配置されている。空気極集電部１７２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１７２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、空気極集電部１７２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、空気極集電部１７２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電部１７２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

図１０に示すように、第１燃料電池セル１の下端部１０１は、緻密膜１８によって覆われている。詳細には、緻密膜１８は、支持基板１２を覆っている。緻密膜１８は、空気極集電部１７２と支持基板１２との間から下方に向かって延びている。

緻密膜１８は、緻密膜１８の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜１８の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。このガスシール機能を発揮するため、この緻密膜１８の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜１８は、絶縁性セラミックスで構成されている。

具体的には、緻密膜１８は、上述した電解質１４と反応防止膜１６とによって構成することができる。緻密膜１８を構成する電解質１４は、支持基板１２を覆っており、インターコネクタ１７１から支持基板１２の下端近傍まで延びている。また、緻密膜１８を構成する反応防止膜１６は、電解質１４と空気極集電部１７２との間に配置されている。なお、緻密膜１８は、電解質１４のみで構成されていてもよいし、電解質１４及び反応防止膜１６以外の材料によって構成されていてもよい。

［第1接合材］
第１接合材８は、第１燃料電池セル１とマニホールド２とを接合している。詳細には、第１接合材８は、第１燃料電池セル１とマニホールド２の天板２２とを接合している。第１接合材８は、天板２２の貫通孔２７の外周縁に沿って環状に形成されている。この第１接合材８によって、第１燃料電池セル１と天板２２との隙間が埋められている。すなわち、第１接合材８は、第１燃料電池セル１と天板２２との隙間からガスが漏出することを防止するよう、この隙間をシールしている。なお、第１接合材８は、緻密膜１８と接触している。

第１接合材８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、又は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、第１接合材８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１接合材８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。

第１接合材８は、非晶質材料（非晶質ガラス）のペーストを、第１燃料電池セル１と天板２２との隙間を埋めるように塗布し、これに熱処理を加えることによって形成される。この熱処理によって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第１接合材８が形成される。

［応力緩衝機構］
図１に示すように、応力緩衝機構９は、各燃料電池セル群１１０の間に設けられている。詳細には、天板２２の長手方向（ｚ軸方向）に沿って、燃料電池セル群１１０と、応力緩衝機構９とが交互に配列されている。応力緩衝機構９は、天板２２に生じる応力を緩衝するように構成されている。

図１１に示すように、応力緩衝機構９は、第２燃料電池セル１ａと、中間部材３と、第２接合材４と、第３接合材５とを備えている。なお、第２燃料電池セル１ａの構成は、上述した第１燃料電池セル１と同じであるため、詳細な説明を省略する。

［中間部材］
図１２に示すように、中間部材３は、筒状である。中間部材３は、一対の平板部３１と一対の連結部３２とを有している。一対の平板部３１は、互いに平行に延びている。各平板部３１は、第１燃料電池セル１の各主面に沿って、第１燃料電池セル１の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。

一対の連結部３２は、一対の平板部３１を連結している。詳細には、各連結部３２は、一対の平板部３１の端部同士を連結している。各連結部３２は、第１燃料電池セル１の側面に沿って延びている。本実施形態では、第１燃料電池セル１の各側面は湾曲しているため、各連結部３２も湾曲している。

図１１に示すように、中間部材３は、第２燃料電池セル１ａと天板２２との間に配置されている。中間部材３は、マニホールド２の貫通孔２７から上方に延びるように配置されている。第２燃料電池セル１ａは、中間部材３を介して天板２２に支持されている。

中間部材３は、第２燃料電池セル１ａの下端部１０１を囲むように配置されている。すなわち、第２燃料電池セル１ａの下端部１０１は、中間部材３内に挿入されている。なお、中間部材３の内側面は、第２燃料電池セル１ａの下端部１０１と対向している。この中間部材３と対向する第２燃料電池セル１ａの下端部１０１は絶縁性を有しているため、中間部材３と第２燃料電池セル１ａとは電気的に接続されていない。

中間部材３は、平面視において実質的に貫通孔２７の相似形であり、貫通孔２７よりも小さい。中間部材３の軸方向（ｘ軸方向）の一方の端部は、貫通孔２７内に挿入されている。具体的には、中間部材３の下端部が貫通孔２７内に挿入されている。中間部材３は、貫通孔２７から上方に突出している。なお、中間部材３は、貫通孔２７内において、第２燃料電池セル１ａの外周面と、貫通孔２７の内壁面との隙間に配置されている。

中間部材３は、可撓性を有している。中間部材３は、例えば、金属製であり、好ましくは、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、又はニッケル基合金などから構成されている。中間部材３の板厚ｔは、例えば、０．１〜１．２ｍｍ程度である。

［第２接合材］
第２接合材４は、第２燃料電池セル１ａと中間部材３とを接合している。詳細には、第２接合材４は、第２燃料電池セル１ａの下端部１０１と中間部材３の上端部とを接合している。第２接合材４は、中間部材３の上端部に沿って環状に形成されている。この第２接合材４によって、第２燃料電池セル１ａと中間部材３との隙間が埋められている。すなわち、第２接合材４は、第２燃料電池セル１ａと中間部材３との隙間からガスが漏出することを防止するよう、この隙間をシールしている。

第２接合材４の材料は、第１接合材８の材料として説明した材料のいずれかとすることができる。第１接合材８の材料と第２接合材４の材料とは、互いに同じとすることが好ましい。

第２接合材４は、非晶質材料（非晶質ガラス）のペーストを、第２燃料電池セル１ａと中間部材３との隙間を埋めるように塗布し、これに熱処理を加えることによって形成される。この熱処理によって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第２接合材４が形成される。

［第３接合材］
第３接合材５は、天板２２と中間部材３とを接合している。第３接合材５は、天板２２の貫通孔２７の外周縁に沿って環状に形成されている。この第３接合材５によって、天板２２と中間部材３との隙間が埋められている。すなわち、第３接合材５は、天板２２と中間部材３との隙間からガスが漏出することを防止するよう、この隙間をシールしている。

第３接合材５の材料は、第１接合材８の材料として説明した材料のいずれかとすることができる。第１接合材８、第２接合材４，及び第３接合材５の材料は、互いに同じとすることが好ましい。

第３接合材５は、非晶質材料（非晶質ガラス）のペーストを、天板２２と中間部材３との隙間を埋めるように塗布し、これに熱処理を加えることによって形成される。この熱処理によって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第３接合材５が形成される。

第２接合材４と第３接合材５とは、互いに間隔をあけて配置されている。詳細には、第２接合材４と第３接合材５とは、中間部材３が延びる方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、第２接合材４と第３接合材５とは、上下方向において、互いに間隔をあけて配置されている。第２接合材４は、第３接合材５の上方に配置されている。第２接合材４の下端から第３接合材５の上端の間において、中間部材３には、第２接合材４及び第３接合材５が付着していない。この中間部材３のうち、第２接合材４及び第３接合材５が付着していない部分における軸方向の長さＬは、１．０〜１０ｍｍ程度とすることが好ましい。

［発電方法］
以上のように構成されたセルスタック装置１００は、次のようにして発電する。マニホールド２を介して各第１燃料電池セル１及び各第２燃料電池セル１ａのガス流路１２１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１２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１４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。このセルスタック装置１００を外部の負荷に接続すると、空気極１５において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３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）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

このセルスタック装置１００の作動温度は、一般的に７００〜１０００℃程度と高温であるため、温度分布によってマニホールド２の下部の方が上部よりも温度が高くなることがある。このマニホールド２内の温度分布によって、天板２２は長手方向の中央部が下方に凹むように撓むことがある。

このように天板２２が撓んだ場合、本実施形態に係るセルスタック装置１００では、応力緩衝機構９によって、天板２２に生じた応力を低減することができる。詳細には、天板２２の撓みに伴い中間部材３が撓むため、中間部材３によって天板に生じた応力を低減することができる。この結果、第１接合材８、第２接合材４、及び第３接合材５に作用する応力が低減し、第１接合材８、第２接合材４、及び第３接合材５におけるクラックの発生を抑制することができる。

［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。

変形例１
図１３に示すように、中間部材３は、第１段差面３３及び第２段差面３４を有していてもよい。詳細には、中間部材３は、小径部３５と大径部３６とを有している。小径部３５は、貫通孔２７内に挿入されている。大径部３６は、第２燃料電池セル１ａの下端部１０１が挿入されている。

第１段差面３３及び第２段差面３４は、小径部３５と大径部３６との境界部によって構成されている。第１段差面３３は、貫通孔２７の周辺部と対向している。第１段差面３３は、中間部材３の外側面に形成される段差面であり、下方を向いている。また、第２段差面３４は、中間部材３の内側面に形成される段差面であり、上方を向いている。この第２段差面３４上に第１燃料電池セル１が載置されている。

第１段差面３３と天板２２との隙間には、第３接合材５が充填されている。平面視において、小径部３５は貫通孔２７よりも小さいが、大径部３６は貫通孔２７よりも大きい。なお、小径部３５及び大径部３６は、実質的に貫通孔２７の相似形である。

変形例２
図１４に示すように、中間部材３は、マニホールド２から離れるにつれて第２燃料電池セル１ａとの間隔が小さくなるように、第２燃料電池セル１ａに沿って延びていてもよい。具体的には、中間部材３は、上方に向かって、第２燃料電池セル１ａとの間隔が小さくなっている。このため、中間部材３は、上端の開口面積が下端の開口面積よりも小さい。

変形例３
図１５に示すように、中間部材３は、マニホールド２から離れるにつれて第２燃料電池セル１ａとの間隔が大きくなるように、第２燃料電池セル１ａに沿って延びていてもよい。具体的には、中間部材３は、上方に向かって、第２燃料電池セル１ａとの間隔が大きくなっている。このため、中間部材３は、上端の開口面積が下端の開口面積よりも大きい。

変形例４
上記実施形態では、第２接合材４は、第３接合材５の上方に位置していたが、これに限定されない。例えば、図１６に示すように、第２接合材４は第３接合材５の下方に位置していてもよい。具体的には、中間部材３は、マニホールド２の貫通孔２７から下方に延びている。第２接合材４は、中間部材３の下端部と第１燃料電池セル１の下端部１０１とを接合している。第３接合材５は、中間部材３の上端部とマニホールド２の天板２２とを接合している。

変形例５
上記実施形態では、中間部材３は筒状であったが、中間部材３の構成はこれに限定されない。例えば、中間部材３は、一対の平板部３１のみで構成されており、一対の連結部３２を有していなくてもよい。また、一般的に、天板２２の幅方向（ｙ軸方向）の中央部においても最も応力が生じるため、この部分のみに平板部３１を配置してもよい。なお、中間部材３が配置されていない部分においては、接合材が第２燃料電池セル１ａと天板２２とを接合している。

変形例６
上記実施形態では、第１燃料電池セル１及び第２燃料電池セル１ａは、複数の発電素子部１１を有している横縞型であったが、第１燃料電池セル１は、長手方向に延びる一つの発電素子部を有するような縦縞型であってもよい。また、第１燃料電池セル１は、横縞円筒型であってもよい。

変形例７
上記実施形態では、第１側壁２４及び第２側壁２５は、上方に向かって外方に広がるように傾斜しているが、第１側壁２４及び第２側壁２５は、傾斜していなくてもよい。

変形例８
上記実施形態では、底壁２３、一対の第１側壁２４、及び一対の第２側壁２５が一体的に形成されており、これらの上面を天板２２によって封鎖しているが、マニホールド２の構成はこれに限定されない。

例えば、図１７に示すように、マニホールド２は、天板２２、一対の第１側壁２４、及び一対の第２側壁２５が一体的に形成されており、底壁２３がこれらと別部材で形成されていてもよい。底壁２３は、マニホールド２の下面を封鎖するように構成されている。また、マニホールド２は、第１フランジ部２６の代わりに第２フランジ部２９を有していてもよい。第２フランジ部２９は、第１側壁２４及び第２側壁２５の下端部から外方に延びている。

天板２２と、第１側壁２４及び第２側壁２５との第４境界部２０ｄの外側面及び内側面は、Ｒ形状である。この第４境界部２０ｄの内側面の曲率半径は、２〜２０ｍｍ程度とすることができる。なお、第４境界部２０ｄの内側面とはマニホールド２の内部空間を臨む面であり、外側面とはマニホールド２の外部を臨む面である。

第１側壁２４及び第２側壁２５と、第２フランジ部２９との第５境界部２０ｅの外側面及び内側面は、Ｒ形状である。この第５境界部２０ｅの内側面の曲率半径は、１〜１０ｍｍ程度とすることができる。なお、第５境界部２０ｅの内側面とは、マニホールド２の内部空間を臨む面であり、外側面とはマニホールド２の外部を臨む面である。

図１８に示すように、マニホールド２の内部空間の高さ方向（ｘ軸方向）において、第５境界部２０ｅと底壁２３との間に第２隙間部３０が形成されている。すなわち、底壁２３の上面と第２フランジ部２９の下面とは接触している一方、底壁２３の上面と第５境界部２０ｅの内側面とは接触していない。第２隙間部３０は、全周に亘って形成されている。

図１７に示すように、底壁２３は、マニホールド２の下面を塞ぐように、第２フランジ部２９に固定されている。マニホールド２の内部空間を密閉するため、底壁２３が全周に亘って第２フランジ部２９と接合されている。例えば、底壁２３と第２フランジ部２９とは、溶接又は接合材などによって接合されている。

変形例９
上記実施形態では、導入管２０１は、第１側壁２４に取り付けられていたが、導入管２０１の取り付け位置はこれに限定されない。例えば、図１９に示すように、導入管２０１は、マニホールド２の天板２２に取り付けられており、天板２２から上方に延びていてもよい。

変形例１０
中間部材３は、表面がコーティングされていてもよい。例えば、中間部材３は、上述した第２接合材４及び第３接合材５と同じ材料でコーティングされていてもよい。なお、この中間部材３のコーティング膜の膜厚は、約２００μｍ以下である。この膜厚によって、コーティング膜と第２接合材４及び第３接合材５とを区別することができる。このようにコーティング膜厚を約２００μｍ以下とすることで、中間部材３の可撓性が保たれる。

変形例１１
上記実施形態では、応力緩衝機構９は、第２燃料電池セル１ａ、中間部材３、第２接合材４、及び第３接合材５によって構成されていたが、応力緩衝機構９の構成はこれに限定されない。

例えば、図２０に示すように、応力緩衝機構９は、可撓性部材９１によって構成されていてもよい。この変形例に係るセルスタック装置１００において、天板２２は、複数の天板部２２０を有している。各天板部２２０は、燃料電池セル群１１０を支持している。

可撓性部材９１は、各天板部２２０の間に介在している。すなわち、各天板部２２０は、可撓性部材９１を介して互いに連結されている。可撓性部材９１は、例えば、弾性体などによって構成することができる。具体的には、可撓性部材９１は、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、又はニッケル基合金などによって構成することができる。

１ 第１燃料電池セル
１１０ 燃料電池セル群
１ａ 第２燃料電池セル
２ マニホールド
２２ 天板
２２０ 天板部
３ 中間部材
４ 第２接合材
５ 第３接合材
８ 第１接合材
９ 応力緩衝機構
９１ 可撓性部材

Claims (12)

1. それぞれが複数の第１燃料電池セルを有する複数の燃料電池セル群と、
   前記各燃料電池セル群を支持する天板を有するマニホールドと、
   前記各第１燃料電池セルと前記マニホールドとを接合する複数の第１接合材と、
   前記各燃料電池セル群の間に介在し、前記天板に生じる応力を緩衝する応力緩衝機構と、
   を備える、セルスタック装置。
   
2. 前記応力緩衝機構は、
   第２燃料電池セルと、
   前記天板と前記第２燃料電池セルとの間に配置され、可撓性を有する中間部材と、
   前記中間部材と前記第２燃料電池セルとを接合する第２接合材と、
   前記中間部材と前記天板とを接合し、前記第２接合材と間隔をあけて配置される第３接合材と、
   を有する、請求項１に記載のセルスタック装置。
   
3. 前記中間部材は、筒状である、
   請求項２に記載のセルスタック装置。
   
4. 前記第２燃料電池セルの一方の端部は、前記中間部材内に挿入される、
   請求項３に記載のセルスタック装置。
   
5. 前記中間部材は、前記天板と対向する段差面を有する、
   請求項３又は４に記載のセルスタック装置。
   
6. 前記中間部材の一方の端部は、前記天板部に形成される貫通孔内に挿入される、
   請求項２から５のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
7. 前記中間部材は、金属製である、
   請求項２から６のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
8. 前記中間部材は、前記マニホールドから離れるにつれて前記第２燃料電池セルとの間隔が小さくなるように、前記第２燃料電池セルに沿って延びる、
   請求項２から７のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
9. 前記中間部材は、前記マニホールドから離れるにつれて前記第２燃料電池セルとの間隔が大きくなるように、前記第２燃料電池セルに沿って延びる、
   請求項２から７のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
10. 前記天板は、複数の天板部を有し、
    前記各天板部は、前記燃料電池セル群を支持し、
    前記応力緩衝機構は、前記各天板部の間に介在する可撓性部材を有する、
    請求項１に記載のセルスタック装置。
    
11. 前記可撓性部材は、弾性体によって構成される、
    請求項１０に記載のセルスタック装置。
    
12. 前記各第1燃料電池セルは、前記天板の長手方向に沿って配列される、
    請求項１から１１のいずれかに記載のセルスタック装置。

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