JP5824560B1 - 燃料電池のスタック構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】セル間空間における広範囲に亘って均一に空気を供給できる「空気をスタックへ供給する一態様」を備えた、燃料電池のスタック構造体を提供すること。【解決手段】燃料マニホールド２００の上壁の上にｚ軸方向に沿ってスタック状に整列する複数のセル１００に対して、セルの幅方向における第１側（ｙ軸正方向側）には空気マニホールド６００が配置され、セルの幅方向における第２側（ｙ軸負方向側）には壁８００が配置される。空気マニホールド６００に設けられた供給孔６１０は、上下方向において集電部材４００（隣接するセル間を電気的に接続する部材）とはオーバラップせず且つ最下発電素子部ＡＳとはオーバラップする位置に配置され、且つ、セルの幅方向における第２側（ｙ軸負方向側）に向けて開口している。壁８００は、複数のセル１００のセルの幅方向における第２側の側端面を覆うように上下方向及びｚ軸方向に沿って延在している。【選択図】図２２

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、スタック状に整列した複数の燃料電池セルが燃料マニホールドの上壁に接合・支持された固体酸化物形燃料電池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）。各セルは、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平板状の支持基板と、前記支持基板の平面における前記長手方向に沿う互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられた複数の発電素子部と、を備えている。このセルの構成は「横縞型」とも呼ばれる。燃料マニホールドは、第１内部空間を有する。燃料マニホールドは、各セルが燃料マニホールドの上壁から上方に向けて前記長手方向に沿ってそれぞれ突出するように、且つ、上方から見たとき、前記各セルが第１方向に沿ってそれぞれ延在し且つ前記複数のセルが前記第１方向と直角の第２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、且つ、前記第１内部空間と前記複数のセルの前記燃料ガス流路のそれぞれの燃料ガス流入側の一端部とが連通するように、前記各セルの前記支持基板の前記長手方向における燃料ガス流入側の一端部を前記上壁に対して接合・支持している。

このようなスタック構造体では、通常、隣り合うセルの間を電気的に接続する集電部材が、隣り合うセルの間の空間（以下、「セル間空間」と呼ぶ）にそれぞれ設けられる。上記文献に記載されたスタック構造体では、各集電部材が、複数の発電素子部のうち上下方向における最も下側に設けられた発電素子部（最下発電素子部）より下側に配置されている。換言すれば、各集電部材が、燃料マニホールドの上壁から突出する対応するセルの根元側（即ち、燃料ガス流入側）に接続されている。これは、セルの根元側より温度が高いセルの先端側（即ち、燃料ガス排出側）に集電部材を設けると、集電部材とセルとの接合部位にて剥離が発生し易いことに因る。ガス排出口から排出された余剰の燃料ガスが周囲の空気（酸素）と反応（燃焼）することによって、その燃焼による熱を受けてセルの先端側の温度は局所的に高くなる。

特許第５５５１８０３号公報

上記のようなスタック構造体では、通常、空気マニホールドが設けられる。空気マニホールドは、前記スタック状に整列する前記複数のセルに対して前記第１方向における第１側に配置され、且つ、第２内部空間を有する。空気マニホールドは、前記第２内部空間と連通する供給孔を備える。この空気マニホールドの供給孔から、それぞれのセル間空間に向けて空気が供給される。

ところで、上記のようなスタック構造体において高出力を得るためには、空気利用率を高める必要がある。空気利用率を高めるためには、空気をセル間空間の広範囲に亘ってできる限り均一に供給する必要がある。このためには、空気をスタックへ供給する態様、具体的には、空気マニホールドの供給孔の位置、及び、セル間空間内における空気の移動経路等、をどのように設定するかが非常に重要である、と考えられる。

この点、上記文献では、空気をスタックへ供給する態様について、「空気は、隣り合うセルの間の隙間に沿って、セルの幅方向（前記第１方向）に流される。」と記載されている。しかしながら、空気マニホールドの供給孔の具体的な位置、及び、セル間空間内における空気の具体的な移動経路等については、何ら記載されていない。

本発明は、セル間空間における広範囲に亘って均一に空気を供給できる「空気をスタックへ供給する一態様」を備えた、燃料電池のスタック構造体を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池のスタック構造体の特徴は、「空気マニホールドの供給孔が、上下方向において前記集電部材とはオーバラップせず且つ前記最下発電素子部とはオーバラップする位置に配置され、且つ、前記第１方向における前記第１側と反対の第２側に向けて開口している」点、並びに、「前記スタック状に整列する前記複数のセルに対して前記第１方向における前記第２側に配置された壁であって、前記複数のセルの前記第１方向における前記第２側の側端面を覆うように前記上下方向及び前記第２方向に沿って延在する壁を備えた」点、にある。

ここにおいて、前記壁は、前記スタック状に整列する前記複数のセルの前記第１方向における第２側の側端面に接触していることが、前記壁と前記第２側の側端面との間の隙間から空気が漏れない点において好ましいが、そうでなくてもよい。前記空気マニホールドは、前記スタック状に整列する前記複数のセルの前記第１方向における第１側の側端面に接触していることが、前記空気マニホールドと前記第１側の側端面との間の隙間から空気が漏れない点において好適であるが、そうでなくてもいい。

また、前記空気マニホールドは、前記燃料マニホールドの上壁に固定されていることが好ましいが、そうでなくてもよい。また、前記壁は、前記燃料マニホールドの上壁に固定されていることが好ましいが、そうでなくてもよい。前記各セルの両側の平面にて前記複数の発電素子部がそれぞれ形成されていることが好適である。なお、前記隣り合うセル同士は接触していない。

上記本発明の特徴によれば、空気マニホールドの供給孔が、上下方向において最下発電素子部とオーバラップする位置に配置される。従って、空気マニホールドの供給孔から流出した空気は、前記第１方向の第１側から第２側に向けて前記第１方向（セルの幅方向）に沿って、セル間空間における最下発電素子部の近傍部分を進行し、その後、前記壁に当たる。これにより、セル間空間におけるセルの根元側の部分の圧力がセルの幅方向の全域に亘って相対的に上昇し得る。この結果、セル間空間における最下発電素子部の近傍部分をセルの幅方向に沿って進行している空気は、セルの幅方向の全域に亘って、進行方向を変えて上方（セルの先端側）に向けて移動し始め得る（後述する図２２を参照）。セル間空間を上方に向けて移動していく空気は、セル間空間における最下発電素子部より上方に位置する１つ又は複数の発電素子部の近傍部分を順に通過し、その後、セル間空間におけるセルの先端側から外部に排出される。この結果、セル間空間における広範囲に亘って均一に空気を供給することができる。

加えて、上記本発明の特徴によれば、空気マニホールドの供給孔が、上下方向において集電部材とはオーバラップしない位置に配置される。従って、空気マニホールドの供給孔から流出した空気は、集電部材に向けて進行し難い。一般に、空気は、空気マニホールド内などで予熱された後にスタックに向けて供給される。この予熱では、空気の温度を燃料電池の作動温度（発電温度、例えば、６００〜８００℃程度）まで高めることは困難である。従って、実際には、予熱された３００〜５００℃程度の空気が空気マニホールドの供給孔から流出し易い。ここで、空気マニホールドの供給孔から流出した空気が集電部材に向けて進行するように構成される場合、空気が集電部材（典型的には、ＳＵＳ材料で構成される）に当たることによって集電部材の温度が低下し、集電部材の電気抵抗が増大し得る。この結果、スタック全体での発電出力が低下し得る。加えて、空気が集電部材に当たることによって空気の流れに乱れが生じ、セル間空間における空気のスムーズな流れが阻害され易くなる。これに対し、本発明では、空気マニホールドの供給孔から流出した空気が集電部材に向けて進行し難いので、空気が集電部材に当たり難い。この結果、上述した「集電部材の電気抵抗の増大」の問題、並びに、「空気の流れの乱れの発生」の問題が発生し難い。

上記本発明に係るスタック構造体において、前記供給孔が、前記第２方向において複数のセル間空間に対応する位置にそれぞれ独立して形成されていてもよいが、前記供給孔が、前記スタック状に整列する前記複数のセルのうち前記第２方向における両端に位置する２つのセルの間に亘って、前記第２方向に連続して延在する単一の長穴であることが好適である。これによれば、スタックに対する空気マニホールドの第２方向における相対的な組み付け位置にずれが生じた場合であっても、空気が、それぞれのセル間空間に向けて安定して供給され易くなる。

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２−２線に対応する断面図である。 図１に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。 図１に示すセルの作動状態を説明するための図である。 図１に示すセルの作動状態における電流の流れを説明するための図である。 図１に示す支持基板を示す斜視図である。 図１に示すセルの製造過程における第１段階における図２に対応する断面図である。 図１に示すセルの製造過程における第２段階における図２に対応する断面図である。 図１に示すセルの製造過程における第３段階における図２に対応する断面図である。 図１に示すセルの製造過程における第４段階における図２に対応する断面図である。 図１に示すセルの製造過程における第５段階における図２に対応する断面図である。 図１に示すセルの製造過程における第６段階における図２に対応する断面図である。 図１に示すセルの製造過程における第７段階における図２に対応する断面図である。 図１に示すセルの製造過程における第８段階における図２に対応する断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池のスタック構造体の全体の斜視図である。 図１５に示した燃料マニホールドの全体の斜視図である。 図１６に示した支持板に形成された挿入孔の拡大図である。 挿入孔とセルの一端部との接合部の様子を示した横断面図である。 挿入孔とセルの一端部との接合部の様子を示した縦断面図である。 空気マニホールドと、スタックと、壁との位置関係を示した図である。 図２０に示した空気マニホールドの正面図である。 セル間空間を空気が移動する経路を説明するための図である。 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の図２０に対応する図である。 図２３に示した変形例における空気マニホールドの正面図である。

（スタック構造体に使用されるセルの構成の一例）
先ず、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタック構造体に使用されるセル１００について説明する。図１に示すように、このセル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）の同形の発電素子部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の全体の厚さＬ３は、１〜５ｍｍである（Ｌ２＞Ｌ３）。このセル１００の全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板１０の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図１に加えて、このセル１００の図１に示す２−２線に対応する部分断面図である図２を参照しながら、このセル１００の詳細について説明する。図２は、代表的な１組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａのそれぞれの構成（の一部）、並びに、発電素子部Ａ，Ａ間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａ間の構成も、図２に示す構成と同様である。

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。後述する図６に示すように、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。本例では、各凹部１２は、支持基板１０の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板１０の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。

支持基板１０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、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１０は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒（炭化水素系のガスの改質触媒）として機能し得る。

また、絶縁性セラミックスとしては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、「ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）が使用されてもよい。

このように、支持基板１０が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板１０の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路１１から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板１０が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板１０の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。

支持基板１０の厚さは、１〜５ｍｍである。以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板１０の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板１０の下面側の構成についても同様である。

図２及び図３に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）に形成された各凹部１２には、燃料極集電部２１の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極集電部２１は直方体状を呈している。各燃料極集電部２１の上面（外側面）には、凹部２１ａが形成されている。各凹部２１ａは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。

各凹部２１ａには、燃料極活性部２２の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極活性部２２は直方体状を呈している。燃料極集電部２１と燃料極活性部２２とにより燃料極２０が構成される。燃料極２０（燃料極集電部２１＋燃料極活性部２２）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。各燃料極活性部２２の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ａ内で燃料極集電部２１と接触している。

各燃料極集電部２１の上面（外側面）における凹部２１ａを除いた部分には、凹部２１ｂが形成されている。各凹部２１ｂは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。

各凹部２１ｂには、インターコネクタ３０が埋設（充填）されている。従って、各インターコネクタ３０は直方体状を呈している。インターコネクタ３０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。各インターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。

燃料極２０（燃料極集電部２１及び燃料極活性部２２）の上面（外側面）と、インターコネクタ３０の上面（外側面）と、支持基板１０の主面とにより、１つの平面（凹部１２が形成されていない場合の支持基板１０の主面と同じ平面）が構成されている。即ち、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で、段差が形成されていない。

燃料極活性部２２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、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。燃料極集電部２１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、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。燃料極活性部２２の厚さは、５〜３０μｍであり、燃料極集電部２１の厚さ（即ち、凹部１２の深さ）は、５０〜５００μｍである。

このように、燃料極集電部２１は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部２２は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部２２における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部２１における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。

インターコネクタ３０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３０の厚さは、１０〜１００μｍである。

燃料極２０及びインターコネクタ３０がそれぞれの凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ３０が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜４０により覆われている。固体電解質膜４０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。固体電解質膜４０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。固体電解質膜４０の厚さは、３〜５０μｍである。

即ち、燃料極２０がそれぞれの凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ３０と固体電解質膜４０とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層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。

なお、図２に示すように、本例では、固体電解質膜４０が、燃料極２０の上面、インターコネクタ３０の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板１０の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。

固体電解質膜４０における各燃料極活性部２２と接している箇所の上面には、反応防止膜５０を介して空気極６０が形成されている。反応防止膜５０は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極６０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。反応防止膜５０及び空気極６０を上方からみた形状は、燃料極活性部２２と略同一の長方形である。

反応防止膜５０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５０の厚さは、３〜５０μｍである。空気極６０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６０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６０の厚さは、１０〜１００μｍである。

なお、反応防止膜５０が介装されるのは、ＳＯＦＣ作製時又は作動中のＳＯＦＣ内において固体電解質膜４０内のＹＳＺと空気極６０内のＳｒとが反応して固体電解質膜４０と空気極６０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である。

ここで、燃料極２０と、固体電解質膜４０と、反応防止膜５０と、空気極６０とが積層されてなる積層体が、「発電素子部Ａ」に対応する（図２を参照）。即ち、支持基板１０の上面には、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ている。

各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２では、右側の）発電素子部Ａのインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極６０、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の上面に、空気極集電膜７０が形成されている。空気極集電膜７０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。空気極集電膜７０を上方からみた形状は、長方形である。

空気極集電膜７０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７０の厚さは、５０〜５００μｍである。

このように各空気極集電膜７０が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２では、右側の）発電素子部Ａの燃料極２０（特に、燃料極集電部２１）とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板１０の上面に配置されている複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」が、「電気的接続部」に対応する。

なお、インターコネクタ３０は、前記「電気的接続部」における「緻密な材料で構成された第１部分」に対応し、気孔率は１０％以下である。空気極集電膜７０は、前記「電気的接続部」における「多孔質の材料で構成された第２部分」に対応し、気孔率は２０〜６０％である。

以上、説明した図１に示す「横縞型」のセル１００に対して、図４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（特に、各空気極集電膜７０）を「酸素を含むガス」（空気等）に曝す（或いは、支持基板１０の上下面に沿って酸素を含むガスを流す）ことにより、固体電解質膜４０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。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− （於：空気極６０） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （於：燃料極２０） …（２）

発電状態においては、図５に示すように、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図４に示すように、このセル１００全体から（具体的には、図４において最も手前側の発電素子部Ａのインターコネクタ３０と最も奥側の発電素子部Ａの空気極６０とを介して）電力が取り出される。

（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のセル１００の製造方法の一例について図６〜図１４を参照しながら簡単に説明する。図６〜図１４において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が「焼成前」であることを表す。

先ず、図６に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇが作製される。この支持基板の成形体１０ｇは、例えば、支持基板１０の材料（例えば、ＣＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図６に示す７−７線に対応する部分断面を表す図７〜図１４を参照しながら説明を続ける。

図７に示すように、支持基板の成形体１０ｇが作製されると、次に、図８に示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体２１ｇがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図９に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体２１ｇ、及び各燃料極活性部２２ｇは、例えば、燃料極２０の材料（例えば、ＮｉとＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。

続いて、図１０に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面における「燃料極活性部の成形体２２ｇが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、ＬａＣｒＯ_３）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。

次に、図１１に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数のインターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体３０ｇが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜４０ｇが形成される。固体電解質膜の成形膜４０ｇは、例えば、固体電解質膜４０の材料（例えば、ＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。

次に、図１２に示すように、固体電解質膜の成形体４０ｇにおける各燃料極の成形体２２ｇと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜５０ｇが形成される。各反応防止膜の成形膜５０ｇは、例えば、反応防止膜５０の材料（例えば、ＧＤＣ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。

そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体１０ｇが、空気中にて１５００℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したセル１００において空気極６０及び空気極集電膜７０が形成されていない状態の構造体が得られる。

次に、図１３に示すように、各反応防止膜５０の外側面に、空気極の成形膜６０ｇが形成される。各空気極の成形膜６０ｇは、例えば、空気極６０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。

次に、図１４に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜６０ｇと、他方の発電素子部のインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の外側面に、空気極集電膜の成形膜７０ｇが形成される。各空気極集電膜の成形膜７０ｇは、例えば、空気極集電膜７０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。

そして、このように成形膜６０ｇ、７０ｇが形成された状態の支持基板１０が、空気中にて１０５０℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したセル１００が得られる。以上、図１に示したセル１００の製造方法の一例について説明した。

なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極２０中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、これらの導電性を獲得するため、その後、支持基板１０側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが８００〜１０００℃で１〜１０時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。

（スタック構造体の全体構成の一例）
次に、上述したセル１００を用いた本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタック構造体について説明する。図１５に示すように、このスタック構造体は、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燃料マニホールド２００と、を備えている。燃料マニホールド２００の全体は、ステンレス鋼等の材料で構成されている。燃料マニホールド２００は、内部空間（直方体状の空間、前記第１内部空間に対応）を備えた、長手方向（ｚ軸方向）を有する直方体状の筐体である。

燃料マニホールド２００の上壁（天板、換言すれば、ガスタンクの天板（平板））は、多数のセル１００を支持するための支持板２１０を兼ねている。また、燃料マニホールド２００には、外部から燃料マニホールド２００の内部空間に燃料ガスを導入するための導入通路２２０が、支持板２１０上にて、燃料マニホールド２００の長手方向（ｚ軸方向）の一方側（ｚ軸正方向側）の端部に設けられている。導入通路２２０と燃料マニホールド２００の内部空間とは連通している。

各セル１００が支持板２１０（＝マニホールド２００の上壁）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、上方から見たとき、各セル１００がｙ軸方向（前記第１方向）に沿ってそれぞれ延在し且つ複数のセル１００がｚ軸方向（前記第２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の長手方向（ｘ軸方向）における燃料ガス流入側の端部が、支持板２１０にて接合・支持されている。燃料マニホールド２００の内部空間と、複数のセル１００の燃料ガス流路１１のそれぞれとは連通している。各セル１００の長手方向（ｘ軸方向）における燃料ガス排出側の端部は、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１６に示すように、支持板２１０（＝マニホールド２００の上壁）の表面には、燃料マニホールド２００の内部空間と連通する多数の挿入孔２１１（貫通孔）が形成されている。各挿入孔２１１には、対応するセル１００の燃料ガス流入側の一端部がそれぞれ挿入される。

図１７に示すように、本実施形態では、複数の挿入孔２１１は同形である。各挿入孔２１１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。また、複数の挿入孔２１１は、ｙ軸方向において同じ位置に、且つ、ｚ軸方向において同じ間隔をおいて配置されている。

各挿入孔２１１の長さＬ４は、セル１００の一端部の側面の長さＬ２（図１を参照）より０．２〜３ｍｍ大きい。同様に、各挿入孔２１１の幅Ｌ５は、セル１００の一端部の側面の幅Ｌ３（図１を参照）より０．２〜３ｍｍ大きい。即ち、図１８、１９に示すように、セル１００の一端部が挿入孔２１１に挿入された状態では、挿入孔２１１の内壁とセル１００の一端部の外壁との間に隙間が形成される。換言すれば、セル１００の一端部が挿入孔２１１に遊嵌される。なお、図１８、図１９（特に、図１８）では、前記隙間が誇張して描かれている。

図１８、図１９に示すように、挿入孔２１１とセル１００の一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設けられている。これにより、各挿入孔２１１と対応するセル１００の一端部とがそれぞれ接合・固定されている。図１９に示すように、各セル１００のガス流路１１の一端部は、燃料マニホールド２００の内部空間と連通している。

また、図１９に示すように、隣接するセル１００、１００の間の空間（以下、「セル間空間」とも呼ぶ）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２０と他方のセル１００の空気極６０）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。各セル間空間の幅（ｚ軸方向の距離）は同じである。

なお、図１９から理解できるように、集電部材４００は、複数の発電素子部Ａのうち上下方向（ｘ軸方向）における最も下側に設けられた発電素子部Ａ（以下、「最下発電素子部ＡＳ」とも呼ぶ）より下側に配置されている。換言すれば、集電部材４００は、燃料マニホールド２００の上壁から突出するセル１００の根元側（即ち、燃料ガス流入側）に接続されている。これは、セル１００の根元側より温度が高いセル１００の先端側（即ち、燃料ガス排出側）に集電部材４００を設けると、集電部材４００とセル１００との接合部位にて剥離が発生し易いことに因る。ガス排出口から排出された余剰の燃料ガスが周囲の空気（酸素）と反応（燃焼）することによって、その燃焼による熱を受けてセル１００の先端側の温度は局所的に高くなる。

接合材３００は、ＭｇＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系や、ＭｇＯ−ＢａＯ−ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系等の結晶化ガラスで構成される。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（セラミックス）を指す。結晶化ガラスの結晶化度は、具体的には、例えば、「ＸＲＤ等を用いて結晶相を同定し、ＳＥＭ及びＥＤＳ、或いは、ＳＥＭ及びＥＰＭＡ等を用いて結晶化後のガラスの組織や組成分布を観察した結果に基づいて、結晶相領域の体積割合を算出する」ことによって得ることができる。

また、図２０〜図２２に示すように、このスタック構造体は、それぞれのセル間空間に空気を供給するための空気マニホールド６００を備えている。空気マニホールド６００は、内部空間（直方体状の空間、前記第２内部空間に対応）を備えた、長手方向（ｚ軸方向）を有する直方体状の筐体である。

特に、図２０及び図２２に示すように、空気マニホールド６００は、燃料マニホールド２００の上壁にて、スタック状に整列する複数のセル１００に対してｙ軸方向（セルの幅方向）における第１側（ｙ軸正方向側）にて、複数のセル１００から離れて配置されている。空気マニホールド６００は、第２内部空間と連通する供給孔６１０を備える。この供給孔６１０から、それぞれのセル間空間に向けて空気が供給される。

供給孔６１０は、空気マニホールド６００におけるスタック側（ｙ軸負方向側）の側面に形成されている。従って、供給孔６１０は、ｙ軸方向（セルの幅方向）における第１側と反対の第２側（ｙ軸負方向側）に向けて開口している。図２１に示すように、本実施形態では、複数の円形の供給孔６１０が、ｚ軸方向に沿うように、ｚ軸方向において複数のセル間空間に対応する位置にそれぞれ独立して形成されている。

図１９及び図２２に示すように、供給孔６１０は、上下方向（ｘ軸方向）において「集電部材４００とはオーバラップせず、且つ、最下発電素子部ＡＳとはオーバラップする位置」に配置されている。本実施形態では、供給孔６１０は、上下方向（ｓ軸方向）において「最下発電素子部ＡＳの中央部に対応する位置」に配置されている。

また、図２０及び図２２に示すように、このスタック構造体は、セル間空間内における空気の移動経路を制御するための壁８００が、燃料マニホールド２００の上壁にて、スタック状に整列した複数のセル１００に対してｙ軸方向（セルの幅方向）における第２側（ｙ軸負方向側）に配置されている。

壁８００は、スタック状に整列した複数のセル１００のｙ軸方向（セルの幅方向）における第２側（ｙ軸負方向側）の側端面を覆うように、ｘ−ｚ平面方向に沿って延在している。本実施形態では、壁８００は、平板状を呈しており、スタック状に整列した複数のセル１００のセルの幅方向における第２側の側端面に接触している。

なお、図２０に示すように、本実施形態では、セル間空間内における空気の移動経路を制御するため、壁８００に加えて、一対の壁７００も、燃料マニホールド２００の上壁にて配置されている。一対の壁７００は、スタック状に整列した複数のセル１００のうちｚ軸方向の両端に位置する一対のセル１００に対して、平行、且つ、各セル間空間の幅（ｚ軸方向の距離）と同じ距離だけｚ軸方向に離れて配置されている。換言すれば、本実施形態では、スタック状に整列した複数のセル１００は、上方からみたとき、四方のうち、空気マニホールド６００と向かい合う方向を除いた三方について、一対の壁７００、及び、壁８００によって覆われている。

以上、説明した燃料電池の片持ちスタック構造を稼働させる際には、図１５、図１９、図２０、及び、図２２に示すように、高温（例えば、６００〜８００℃）の燃料ガス（水素等）及び「空気」を流通させる。即ち、図１５、及び、図１９に示すように、導入通路２２０から導入された燃料ガスは、燃料マニホールド２００の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔２１１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の他端（自由端）から外部に排出される。

一方、図１９、図２０、及び、図２２に示すように、図示しない導入通路から空気マニホールド６００の内部空間に導入された空気は、それぞれの供給孔６１０から流出する。ここで、上述のように、空気マニホールド６００の供給孔６１０は、上下方向（ｘ軸方向）において「最下発電素子部ＡＳとはオーバラップする位置」に配置されている。従って、それぞれの供給孔６１０から流出した空気は、セルの幅方向（ｙ軸方向）に沿って、それぞれのセル間空間における最下発電素子部ＡＳの近傍部分を進行し、その後、壁８００に当たる。これにより、それぞれのセル間空間におけるセル１００の根元側の部分の圧力がセル１００の幅方向（ｙ軸方向）の全域に亘って相対的に上昇し得る。この結果、セル間空間における最下発電素子部ＡＳの近傍部分をセル１００の幅方向に沿って進行している空気は、セル１００の幅方向の全域に亘って、進行方向を変えて上方（セル１００の先端側）に向けて移動し始め得る（特に、図２２を参照）。セル間空間を上方に向けて移動していく空気は、セル間空間における最下発電素子部ＡＳより上方に位置する１つ又は複数の発電素子部Ａの近傍部分を順に通過し（特に、図１９を参照）、その後、セル間空間におけるセル１００の先端側から外部に排出される（特に、図２２を参照）。この結果、セル間空間における広範囲に亘って均一に空気を供給することができる。即ち、空気利用率を高めることができ、この結果、スタック構造体において高出力を得ることができる。

加えて、上述のように、空気マニホールド６００の供給孔６１０は、上下方向（ｘ軸方向）において「集電部材４００とはオーバラップしない位置」に配置されている。従って、供給孔６１０から流出した空気は、集電部材４００に向けて進行し難い。一般に、空気は、空気マニホールド６００内などで予熱された後にスタックに向けて供給される。この予熱では、空気の温度を燃料電池の作動温度（発電温度、例えば、６００〜８００℃程度）まで高めることは困難である。従って、実際には、予熱された３００〜５００℃程度の空気が供給孔６１０から流出し易い。ここで、供給孔６１０から流出した空気が集電部材４００に向けて進行するように構成される場合、空気が集電部材４００（典型的には、ＳＵＳ材料で構成される）に当たることによって集電部材４００の温度が低下し、集電部材４００の電気抵抗が増大し得る。この結果、スタック全体での発電出力が低下し得る。加えて、空気が集電部材４００に当たることによって空気の流れに乱れが生じ、セル間空間における空気のスムーズな流れが阻害され易くなる。これに対し、上述したスタック構造では、供給孔６１０から流出した空気が集電部材４００に向けて進行し難いので、空気が集電部材４００に当たり難い。この結果、上述した「集電部材の電気抵抗の増大」の問題、並びに、「空気の流れの乱れの発生」の問題が発生し難い。

上述した片持ちスタック構造は、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、完成した燃料マニホールド２００、完成した空気マニホールド６００、一対の壁７００、及び、壁８００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のそれぞれの一端部が、支持板２１０の対応する挿入孔２１１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２１１とセル１００の一端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。その際、図１９に示すように、ペーストが支持板２１０の表面から上方に向けてはみ出す程度まで前記接合部に供給されてもよい。

次に、上記のように充填された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が機能を発揮し、各セルの一端部が対応する挿入孔２１１にそれぞれ接合・固定される。換言すれば、各セル１００の一端部が接合材３００を用いて支持板２１０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から取り外される。その後、燃料マニホールド２００の上壁の所定の位置に、空気マニホールド６００、一対の壁７００、及び、壁８００が固設されて、上述した片持ちスタック構造体が完成する。

本発明は上記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、上記実施形態では、図２０、及び、図２１に示すように、複数の円形の供給孔６１０が、ｚ軸方向に沿うように、ｚ軸方向において複数のセル間空間に対応する位置にそれぞれ独立して形成されているが、図２０、及び、図２１にそれぞれ対応する図２３、及び、図２４に示すように、供給孔６１０が、スタック状に整列する複数のセル１００のうちｚ軸方向における両端に位置するセル１００の間に亘って、ｚ軸方向に連続して延在する単一の長穴であってもよい。これによれば、スタックに対する空気マニホールド６００のｚ軸方向における相対的な組み付け位置にずれが生じた場合であっても、空気が、それぞれのセル間空間に向けて安定して供給され易くなる。

また、上記実施形態では、空気マニホールド６００が燃料マニホールド２００の上壁に固定されているが、空気マニホールド６００がその他の部材に固定されていてもよい。また、壁８００が燃料マニホールド２００の上壁に固定されているが、壁８００がその他の部材に固定されていてもよい。

また、壁８００がスタック状に整列する複数のセル１００のｙ軸方向における第２側（ｙ軸負方向側）の側端面に接触しているが、同側端面に接触していなくてもよい。また、空気マニホールド６００がスタック状に整列する複数のセル１００のｙ軸方向における第１側（ｙ軸正方向側）の側端面に接触していないが、同側端面に接触していてもよい。壁８００、及び、空気マニホールド６００の何れに関しても、複数のセル１００の側端面に接触している態様の方が、接触していない態様に比べて、前記側端面との間の隙間から空気が漏れない点において好ましい。

また、上記実施形態では、燃料マニホールド２００の上壁が複数のセル１００を支持するための支持板２１０を兼ねているが（即ち、支持板２１０が燃料マニホールド２００と一体で構成されているが）、燃料マニホールド２００の内部空間と複数のセル１００のガス流路１１とが連通する限りにおいて、支持板２１０が燃料マニホールド２００とが別体で構成されていてもよい。

１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、２０…燃料極、４０…固体電解質膜、６０…空気極、Ａ…発電素子部、１００…セル、２００…燃料マニホールド、２１０…支持板、２１１…挿入孔、３００…接合材、４００…集電部材、６００…空気マニホールド、６１０…供給孔、８００…壁

Claims (2)

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平板状の支持基板と、前記支持基板の平面における前記長手方向に沿う互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ且つ少なくとも燃料極、固体電解質膜、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、を含む複数の燃料電池セルと、
   第１内部空間を有する燃料マニホールドであって、前記各セルが燃料マニホールドの上壁から上方に向けて前記長手方向に沿ってそれぞれ突出するように、且つ、上方から見たとき、前記各セルが第１方向に沿ってそれぞれ延在し且つ前記複数のセルが前記第１方向と直角の第２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、且つ、前記第１内部空間と前記複数のセルの前記燃料ガス流路のそれぞれの燃料ガス流入側の一端部とが連通するように、前記各セルの前記支持基板の前記長手方向における燃料ガス流入側の一端部を前記上壁に対して接合・支持する燃料マニホールドと、
   前記スタック状に整列する前記複数のセルに対して前記第１方向における第１側に配置され且つ第２内部空間を有する空気マニホールドであって、前記隣り合うセルの間のそれぞれの空間に向けて空気を供給するための前記第２内部空間と連通する供給孔を備えた空気マニホールドと、
   隣り合う前記セルの間のそれぞれの空間において、前記複数の発電素子部のうち上下方向における最も下側に設けられた発電素子部である最下発電素子部より下側に配置され、前記隣り合うセルの間を電気的に接続する複数の集電部材と、
   を備えた燃料電池のスタック構造体であって、
   前記供給孔は、上下方向において前記集電部材とはオーバラップせず且つ前記最下発電素子部とはオーバラップする位置に配置され、且つ、前記第１方向における前記第１側と反対の第２側に向けて開口しており、
   前記スタック状に整列する前記複数のセルに対して前記第１方向における前記第２側に配置された壁であって、前記複数のセルの前記第１方向における前記第２側の側端面を覆うように前記上下方向及び前記第２方向に沿って延在する壁を備えた、燃料電池のスタック構造体。
2. 請求項１に記載の燃料電池のスタック構造体において、
   前記供給孔は、前記スタック状に整列する前記複数のセルのうち前記第２方向における両端に位置する２つのセルの間に亘って、前記第２方向に連続して延在する単一の長穴である、燃料電池のスタック構造体。