JP5909151B2

JP5909151B2 - 燃料電池のスタック構造体

Info

Publication number: JP5909151B2
Application number: JP2012123536A
Authority: JP
Inventors: 尚哉高瀬; 誠一水野; 俊明久野
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: JP2013251074A

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、「内部空間を有する燃料マニホールド」と、「それぞれが、長手方向を有する平板状を呈し且つその内部に前記長手方向に沿う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内側電極、固体電解質、及び外側電極がこの順で積層された発電素子部と、を含む平板状の複数のセル」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広く知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。

このスタック構造体では、前記複数のセルが前記燃料マニホールドの上面から上方に向かって前記長手方向に沿っ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するように、並びに、前記燃料マニホールドの前記内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記複数のセルの前記長手方向の一端部が前記燃料マニホールドの上壁にそれぞれ接合されている。各セルの長手方向の他端部は、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」とも呼ばれる。

特開２００７−０５９３７７号公報特開２０１０−０４９９４５号公報

図２３は、上記特許文献１に記載のＳＯＦＣのスタック構造体を模式的に示す。図２３から理解できるように、このスタック構造体では、「スタック構造体が載置される床面」にスタック構造体が載置された状態で、燃料マニホールドの底面（の全体）が前記床面と直接接触している。

図２４は、上記特許文献２に記載のＳＯＦＣのスタック構造体を模式的に示す。図２４から理解できるように、このスタック構造体では、テーブル（仕切板）の上面が「スタック構造体が載置される床面」として使用されている。従って、このスタック構造体でも、図２３と同様、「スタック構造体が載置される床面」にスタック構造体が載置された状態で、燃料マニホールドの底面（の全体）が前記床面と直接接触している、といえる。

このように、燃料マニホールドの底面が床面と直接接触する構成では、燃料マニホールドが有する熱が燃料マニホールドの底面から床面へと伝達し易い。この結果、燃料マニホールドの温度が低下して燃料マニホールド内のガスの温度が「ＳＯＦＣを稼働させるための適切な温度」から低下し易い、という問題があった。

本発明は、上記のような基本的構成を有する燃料電池のスタック構造体であって、ガスマニホールドの温度を適切な温度に調整し易いもの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は、上記の基本的特徴を有する。このスタック構造体の特徴は、「前記ガスマニホールドの外壁に固定された基部と、前記基部から延びるとともにその先端部の位置が前記ガスマニホールドの底面より下方に位置する脚部と、を備えた支持部材」を備えたことにある。

上記構成によれば、「スタック構造体が載置される床面」にスタック構造体が載置された状態において、支持部材の脚部（のみ）が床面と接触することによって、ガスマニホールドの底面（の全体）が前記床面から浮く。従って、ガスマニホールドの底面は、雰囲気のガス（具体的は、空気等）と接触する。一般に、空気の熱伝導率は、床面を構成する材質の熱伝導率よりも小さい。このことは、図２３、図２４に示した構成にて「ガスマニホールドが有する熱がガスマニホールドの底面から床面へと伝達していく流量」と比べて、上記構成にて「ガスマニホールドが有する熱がガスマニホールドの底面から雰囲気のガス（空気等）へと伝達していく流量」が小さいことを意味する。

この結果、上記構成では、ガスマニホールドの温度が低下してガスマニホールド内のガスの温度が「ＳＯＦＣを稼働させるための適切な温度」から低下する事態の発生を抑制することができる。加えて、スタック構造体が載置される床面」にスタック構造体が載置された状態で、ガスマニホールドの底面と床面との間の隙間に高温のガス（空気等）を供給することによって、ガスマニホールドの温度を高めることもできる。従って、燃料マニホールドの温度を上記適切な温度に調整することが容易となる。

前記支持部材の基部は、前記ガスマニホールドの底壁に固定されても良いが、前記支持部材の基部が、前記ガスマニホールドの側壁に固定されることが好適である。スタック構造体が床面に載置された状態において、支持部材の基部が前記ガスマニホールドの底壁に固定される構成では、（ガスマニホールドの上壁に接合されている）複数のセルの自重に基づく荷重は、ガスマニホールドの上壁、側壁、及び底壁の全てに作用する。従って、複数のセルの自重に起因するガスマニホールドの変形が比較的大きくなり易い。これに対し、支持部材の基部が前記ガスマニホールドの側壁に固定される構成では、複数のセルの自重に基づく荷重は、ガスマニホールドの上壁、及び側壁に作用する一方で、底壁には作用しない。従って、この点で、複数のセルの自重に起因するガスマニホールドの変形が抑制され得る。

また、上記本発明に係るスタック構造体において、前記ガスマニホールドが、「前記外壁のうちの底壁と側壁とを構成するとともに上方に開口を有する本体部」と、「前記外壁のうちの前記上壁を構成するとともに前記開口を覆うように前記本体部に固定された支持板」とで構成される場合、前記支持部材の基部が前記支持板に固定されることが好適である。

この構成では、複数のセルの自重に基づく荷重は、ガスマニホールドの上壁（＝支持板）のみに作用し、側壁、及び底壁には作用しない。従って、この点で、複数のセルの自重に起因するガスマニホールドの変形がより一層抑制され得る。

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。本発明の実施形態に係る「支持部材の基部が燃料マニホールドの底壁に固定される構成」を有する燃料電池のスタック構造体の全体の斜視図である。本発明の他の実施形態に係る「支持部材の基部が燃料マニホールドの底壁に固定される構成」を有する燃料電池のスタック構造体の全体の斜視図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの底壁に固定される構成の一例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの底壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの底壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。本発明の実施形態に係る「支持部材の基部が燃料マニホールドの側壁に固定される構成」を有する燃料電池のスタック構造体の全体の斜視図である。図７に示したスタック構造体の正面図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの側壁に固定される構成の一例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの側壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの側壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの側壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの側壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの側壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。本発明の実施形態に係る「支持部材の基部が燃料マニホールドの上壁に固定される構成」を有す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に示したスタック構造体の正面図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの上壁に固定される構成の一例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの上壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの上壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの上壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの上壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。支持部材の基部が燃料マニホールドの上壁に固定される構成の他の例を示す模式図である。従来（特許文献１）の燃料電池のスタック構造体の全体の斜視図である。従来（特許文献２）の燃料電池のスタック構造体の全体の斜視図である。

（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、セル１００では、平板状の多孔質の導電性支持体１１の一方の主面に、多孔質の燃料極１２、緻密な固体電解質１３、多孔質の導電性セラミックスからなる空気極１４が順次積層されている。また、空気極１４と反対側の導電性支持体１１の主面には、中間膜１５、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ１６、Ｐ型半導体材料からなる集電膜１７が順次形成されている。

セル１００は、第１長手方向（ｚ軸方向）を有する平板状を呈し、セル１００の長さＬ１（第１長手方向の長さ）は５０〜５００ｍｍであり、幅Ｌ２は１０〜１００ｍｍであり、厚さＬ３は１〜５ｍｍである（Ｌ１＞Ｌ２）。セル１００の第１長手方向（ｚ軸方向）の一端部の側面の形状（長さＬ２、幅Ｌ３の長円形状、Ｌ２＞Ｌ３）は、第２長手方向（ｘ軸方向）を有する。

また、導電性支持体１１の内部には、互いに平行な複数のガス流路（貫通孔）１８が長手方向（ｚ軸方向）に沿って幅方向（ｘ方向）に間隔をおいて形成されている。各ガス流路１８の断面形状は直径が０．５〜３ｍｍの円形である。隣り合うガス流路１８、１８の幅方向における間隔（ピッチ）は１〜５ｍｍである。なお、各ガス流路１８の断面形状は、楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であってもよい。

セル１００は、幅方向（長手方向と直角の方向）の両側にそれぞれ設けられた側端部Ｂ，Ｂと、側端部Ｂ，Ｂを連結する一対の平坦部Ａ，Ａと、から構成されている。一対の平坦部Ａ，Ａは平坦であり、ほぼ平行である。平坦部Ａ，Ａのうちの一方では、導電性支持体１１の一方の主面上に燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４が順に形成され、平坦部Ａ，Ａのうちの他方では、導電性支持体１１の他方の主面上に中間膜１５、インターコネクタ１６、集電膜１７が順に形成されている。

導電性支持体１１の幅は、１０〜１００ｍｍであり、厚さは、１〜５ｍｍであることが望ましい。導電性支持体１１のアスペクト比（幅／厚さ）は、５〜１００である。なお、導電性支持体１１の形状は、「薄板状」と表現されているが、幅方向の寸法及び厚さ方向の寸法の組み合わせに応じて、「楕円柱状」、或いは、「扁平状」とも表現され得る。

この導電性支持体１１は、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ及びＰｒから選ばれた１種以上からなる希土類元素酸化物とＮｉ及び／又はＮｉＯとを主成分とする材質から構成されることが望ましい。なお、Ｎｉに加えて、ＦｅやＣｕ等が含まれていてもよい。

また、導電性支持体１１は、「ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）」と、「絶縁性セラミックス」とを含んで構成される、と記載することもできる。絶縁性セラミックスとしては、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）、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」等が使用され得る。導電性支持体１１の導電率は、８００℃にて、１０〜２０００Ｓ／ｃｍである。導電性支持体１１の気孔率は、２０〜６０％である。

導電性支持体１１とインターコネクタ１６の間に形成される中間膜１５は、Ｎｉ及び／又はＮｉＯと希土類元素を含有するＺｒＯ_２を主成分とする材質、または希土類酸化物（例えばＹ_２Ｏ_３）から構成され得る。中間膜１５中のＮｉ化合物のＮｉ換算量は、全量中３５〜８０体積％であることが望ましく、更には、５０〜７０体積％であることがより望ましい。Ｎｉ換算量が３５体積％以上であることで、Ｎｉによる導電パスが増加して、中間膜１５の伝導度が向上する。この結果、中間膜１５に起因する電圧降下が小さくなる。また、Ｎｉ換算量が８０体積％以下であることで、導電性支持体１１とインターコネクタ１６の間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面における亀裂の発生が抑制され得る。

また、電圧降下の減少という観点から、中間膜１５の厚さは２０μｍ以下であることが望ましく、更には、１０μｍ以下であることが望ましい。

中希土類元素や重希土類元素の酸化物の熱膨張係数は、固体電解質１３における「Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２」の熱膨張係数より小さい。従って、Ｎｉとのサーメット材としての導電性支持体１１の熱膨張係数を固体電解質１３の熱膨張係数に近づけることができる。この結果、固体電解質１３のクラックや、固体電解質１３の燃料極１２からの剥離が抑制され得る。更には、熱膨張係数が小さい重希土類元素酸化物を用いることで、導電性支持体１１中のＮｉを多くでき、導電性支持体１１の電気伝導度を上げることができる。この観点からも、重希土類元素酸化物を用いることが望ましい。

なお、希土類元素酸化物の熱膨張係数の総和が固体電解質１３の熱膨張係数未満であれば、軽希土類元素のＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの酸化物は、中希土類元素、重希土類元素に加えて含有されていても問題はない。

また、精製途中の安価な複数の希土類元素を含む複合希土類元素酸化物を用いることにより、原料コストを大幅に下げることができる。この場合も、複合希土類元素酸化物の熱膨張係数が固体電解質１３の熱膨張係数未満であることが望ましい。

また、インターコネクタ１６表面にＰ型半導体、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる集電膜１７を設けることが望ましい。インターコネクタ１６表面に直接金属の集電部材を配して集電すると、非オーム接触に起因して、電位降下が大きくなる。オーム接触を確保して電位降下を少なくするためには、インターコネクタ１６にＰ型半導体からなる集電膜１７を接続する必要がある。Ｐ型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることが望ましい。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種を用いることが望ましい。

導電性支持体１１の主面に設けられた燃料極１２は、Ｎｉと希土類元素が固溶したＺｒＯ_２とから構成される。この燃料極１２の厚さは１〜３０μｍであることが望ましい。燃料極１２の厚さが１μｍ以上であることで、燃料極１２としての３層界面が十分に形成される。また、燃料極１２の厚さが３０μｍ以下であることで、固体電解質１３との熱膨張差による界面剥離が防止され得る。

この燃料極１２の主面に設けられた固体電解質１３は、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を含有したイットリア安定化ジルコニアＹＳＺ（緻密体なセラミックス）から構成される。固体電解質１３の厚さは、０．５〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質１３の厚さが０．５μｍ以上であることで、ガス透過が防止され得る。また、固体電解質１３の厚さが１００μｍ以下であることで、抵抗成分の増加が抑制され得る。

また、空気極１４は、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。空気極１４は、８００℃程度の中温域での電気伝導性が高いという観点から、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３系が望ましい。空気極１４の厚さは、集電性という観点から、１０〜１００μｍであることが望ましい。

インターコネクタ１６は、導電性支持体１１の内外間の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密体とされている。また、インターコネクタ１６の内外面は、燃料ガス、酸素含有ガスとそれぞれ接触するため、耐還元性、耐酸化性を有している。

このインターコネクタ１６の厚さは、３０〜２００μｍであることが望ましい。インターコネクタ１６の厚さが３０μｍ以上であることで、ガス透過が完全に防止され得、２００μｍ以下であることで、抵抗成分の増加が抑制され得る。

このインターコネクタ１６の端部と固体電解質１３の端部との間には、シール性を向上すべく、例えば、ＮｉとＺｒＯ_２、或いはＹ_２Ｏ_３からなる接合層を介在させても良い。

セル１００では、緻密な固体電解質１３は、導電性支持体１１の一方の主面上のみならず、導電性支持体１１の側端部を介して他方の主面上のインターコネクタ１６の側端面まで形成されている。即ち、固体電解質１３は、両側の側端部Ｂ，Ｂを形成するように、導電性支持体１１の他方の主面まで延設され、インターコネクタ１６と接合している。なお、側端部Ｂ，Ｂ（導電性支持体１１の側端部）は、発電に伴う加熱や冷却に伴い発生する熱応力を緩和するため、幅方向において外側に突出する曲面形状となっていることが望ましい。

次に、以上説明したようなセル１００の製法について説明する。先ず、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの元素を除く希土類元素酸化物粉末とＮｉ及び／又はＮｉＯ粉末が混合される。この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した導電性支持体材料が押し出し成形されて、板状の導電性支持体成形体が作製される。この成形体が乾燥、脱脂される。

また、希土類元素（Ｙ）が固溶したＺｒＯ_２粉末と有機バインダーと溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体が作製される。

次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して作製された、燃料極１２となるスラリーが、前記固体電解質成形体の一方側に塗布される。これにより、固体電解質成形体の一方側の面に燃料極成形体が形成される。

次に、導電性支持体成形体に、前記シート状の固体電解質成形体と燃料極成形体の積層体が、燃料極成形体が導電性支持体成形体に当接するように、導電性支持体成形体に巻き付けられる。

次に、この積層成形体の側端部Ｂ，Ｂを形成する位置の固体電解質成形体上に、上記のシート状の固体電解質成形体が更に数層積層され、乾燥される。また、固体電解質１３となるスラリーが固体電解質成形体上にスクリーン印刷されてもよい。なお、このとき脱脂が行われてもよい。

次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したインターコネクタ材料を用いて、シート状のインターコネクタ成形体が作製される。

また、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉と、有機バインダーと、溶媒を混合したスラリーを用いて、シート状の中間膜成形体が作製される。

次に、インターコネクタ成形体と中間膜成形体とが積層される。この積層体の中間膜成形体側が、露出した導電性支持体成形体側に当接するように、この積層体が導電性支持体成形体に積層される。

これにより、導電性支持体成形体の一方主面に、燃料極成形体、固体電解質成形体が順次積層されるとともに、他方主面に中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体が作製される。なお、各成形体は、ドクターブレードによるシート成形、印刷、スラリーディップ、並びにスプレーによる吹き付けなどにより作製され得る。また、各成形体は、これらの組み合わせにより作製され得る。

次に、積層成形体が脱脂処理され、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼成される。

次に、Ｐ型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒を混合して、ペーストが作製される。前記積層体がこのペースト中に浸漬される。そして、固体電解質１３、インターコネクタ１６の表面に、空気極成形体、集電膜成形体が、それぞれディッピング、或いは直接のスプレー塗布により形成される。これらの成形体が１０００〜１３００℃で焼き付けられることにより、セル１００が作製される。

なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、導電性支持体１１、燃料極１２、中間膜１５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、導電性支持体１１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２及び図３に示すように、このスタック構造体は、複数のセル１００と、複数のセル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、燃料マニホールド２００を支持する支持部材３００と、を備えている。

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。マニホールド２００は、本体部２１０と、支持板２２０とから構成される。本体部２１０は、マニホールド２００の外壁のうちの底壁と側壁とを構成するとともに、上方に開口を有する。支持板２２０は、マニホールド２００の外壁のうちの上壁を構成するとともに、前記開口を覆うように本体部２１０に固定されている。このように、マニホールド２００は、内部空間を有する筐体である。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。

支持板２２０（マニホールド２００の上壁、ガスタンクの天板）には、複数のセル１００が支持板２２０の上面から上方に向かって前記第１長手方向（図１のｚ軸方向）に沿ってそれぞれ平行に突出し且つ複数のセル１００が所定の間隔を空けてスタック状に整列するように、各セル１００の前記第１長手方向の一端部が接合・支持されている。各セル１００の前記第１長手方向の他端部は、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。

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（図示せず）が形成されている。各挿入孔に、対応するセル１００の一端部がそれぞれ挿入され、接合材を用いて固定されている。この接合材としては、結晶化ガラスが使用されることが好ましいが、非晶質ガラス、金属ろう材等が使用されてもよい。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系のものが好ましい。この結果、各セル１００のガス流路１８の一端部は、マニホールド２００の内部空間と連通している。また、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１２側と他方のセル１００の空気極１４側）を電気的に直列に接続するための接続部材（図示せず）が介在している。

支持部材３００の全体は、Ｃｒ系ステンレス、Ａｌ系ステンレス等の耐熱ステンレス、Ｎｉ合金等の材料で構成されている。図２及び図３に示す例では、支持部材３００は、マニホールド２００の底壁（の周縁部、隅部）に固定されている。図４〜図６は、支持部材３００がマニホールド２００の底壁に固定される場合の種々の例を示す。図４〜図６に示すように、支持部材３００は、マニホールド２００に固定される基部３１０と、基部３１０から延びる脚部３２０とで構成される。図４〜図６に示す例では、基部３１０は、マニホールド２００の底壁（の周縁部、隅部）に固定されている。脚部３２０の先端部の位置は、ガスマニホールド２００の底面より下方に位置する。このような支持部材３００の構成に基づく作用・効果については後述する。

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、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）」がスタック構造体に供給される。即ち、燃料ガスは、導入管２３０から導入される。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、各挿入孔を介して対応するセル１００のガス流路１８にそれぞれ導入される。各ガス流路１８を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路１８の他端（自由端）から外部に排出される。空気は、隣接するセル１００間の隙間に沿って、セル１００の幅方向（図１のｘ軸方向）に流される。このように空気を供給するため、燃料マニホールド２００に対応する空気マニホールドが使用されてもよい。

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、完成したマニホールド２００、必要な数の完成した前記接続部材、並びに、完成した支持部材３００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２２０の対応する挿入孔に一度に挿入される。次いで、接合材用のペーストが、挿入孔とセル１００の一端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。

次いで、各接続部材におけるセルとの接合面、及び／又は、各セル１００における接続部材との接合面に、接合材用のペーストが塗布される。続いて、隣接するセル１００、１００間のそれぞれに各接続部材が介装・配置されて、対応する接合面同士が貼り合わされる。

次に、それらのペーストに熱処理を加えてペーストを固化することによって、接合材が固化される。これにより、各セルの一端部が対応する挿入孔にそれぞれ接合・固定される。換言すれば、各セル１００の一端部が接合材を用いて支持板２１０にそれぞれ接合・支持される。加えて、各接続部材３００が、対応する隣接するセル１００、１００間において、一方のセルの空気極１４と他方のセルの集電膜１７とに接合材を用いて接合・固定される。この結果、隣接するセル１００、１００間が接続部材３００を介して電気的に直列に接続される。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。

そして、支持部材３００の基部３１０が、マニホールド２００の所定の位置に接着剤等を用いて固定される。これにより、上述した片持ちスタック構造体が完成する。なお、支持部材３００のマニホールド２００に対する固定は、「複数のセル１００とマニホールド２００との接合」、並びに、「隣接するセル１００、１００と接続部材との接合」の前に実行されてもよい。

（支持部材の全体的な形状に基づく作用・効果）
以下、支持部材３００が図２〜図６に示すような形状を有することによる作用・効果について説明する。上述のように、図２〜図６に示す支持部材３００の構成では、脚部３２０の先端部の位置がマニホールド２００の底面（底壁の下面）より下方に位置している。このことに基づき、以下の作用・効果が奏される。

＜効果１＞
「スタック構造体が載置される床面」にスタック構造体が載置された状態において、支持部材３００の脚部３２０のみが床面と接触する。これにより、マニホールド２００の底面の全体が床面から浮く。従って、マニホールド２００の底面は、雰囲気のガス（具体的は、空気）と接触する。ここで、空気の熱伝導率は、床面を構成する材質の熱伝導率よりも小さい。このことは、図２３、図２４に示した構成にて「ガスマニホールドが有する熱がガスマニホールドの底面から床面へと伝達していく流量」と比べて、上記構成にて「マニホールド２００が有する熱がマニホールド２００の底面から雰囲気のガス（空気等）へと伝達していく流量」が小さいことを意味する。この結果、上記構成では、マニホールド２００の温度が低下してマニホールド２００内の燃料ガスの温度が「ＳＯＦＣを稼働させるための適切な温度」から低下する事態の発生を抑制することができる。
＜効果２＞
「スタック構造体が載置される床面」にスタック構造体が載置された状態で、マニホールド２００の底面と床面との間の隙間に高温のガス（空気等）を供給することができる。これによって、マニホールド２００の温度を高めることができる。この結果、マニホールド２００の温度を上記適切な温度に調整することが容易となる。

（支持部材の基部がマニホールドに固定される位置に起因する更なる作用・効果）
図２〜図６に示す構成では、支持部材３００の基部３１０がマニホールド２００の底壁に固定されている。従って、スタック構造体が床面に載置された状態において、（マニホールド２００の上壁に接合されている）複数のセル１００の自重に基づく荷重は、マニホールド２００の上壁、側壁、及び底壁の全てに作用する。従って、複数のセル１００の自重に起因するマニホールド２００（即ち、筐体）の変形が比較的大きくなり易い。

これに対し、図７〜図１４に示す構成では、支持部材３００の基部３１０がマニホールド２００の側壁に固定されている。従って、スタック構造体が床面に載置された状態において、複数のセル１００の自重に基づく荷重は、マニホールド２００の上壁、及び側壁に作用する一方で、底壁には作用しない。従って、この点で、図２〜図６に示す構成と比べて、複数のセル１００の自重に起因するマニホールド２００の変形が抑制され得る。

また、図１５〜図２２に示す構成では、支持部材３００の基部３１０がマニホールド２００の支持板２２０（＝上壁）に固定されている。従って、スタック構造体が床面に載置された状態において、複数のセルの自重に基づく荷重は、ガスマニホールドの上壁（＝支持板２２０）のみに作用し、側壁、及び底壁には作用しない。従って、この点で、図７〜図１４に示す構成と比べて、複数のセル１００の自重に起因するマニホールド２００の変形がより一層抑制され得る。

以下、上述した＜効果１、２＞を確認した試験について付言する。この試験では、本実施形態に係る上述した図４〜６、図９〜１４、図１７〜図２２に示す形態のそれぞれの試験品、並びに、従来の形態に係る図２３〜２４に示す形態のそれぞれの試験品が準備された。

各試験品（スタック構造体）について、セル１００の枚数は１００枚であった。各セル１００のサイズ（図１におけるｘ軸、ｚ軸、ｙ軸方向の寸法）は、４０×２００×５ｍｍであった。スタック構造体の稼働条件として、温度は７５０℃、燃料（水素）利用率は７５％、空気利用率は３０％、電流値は０．５Ａに調整された。

そして、各試験品について、「燃料マニホールドの底面と床面との間の隙間」に高温（７５０℃）の空気を供給する場合と供給しない場合とでスタック構造体をそれぞれ稼働し、燃料マニホールド２００の温度、並びに、スタック構造体の発電出力がそれぞれ測定された。この結果は表１に示すとおりである。図９〜１４、及び、図１７〜図２２に示す形態については、図７及び図１５に示す開口Ａを利用して、前記隙間に高温の空気が供給された。

なお、図２３の形態では、「燃料マニホールドの底面と床面との間の隙間」が存在しないので、前記高温の空気の供給は行われていない。また、図２４の形態では、「燃料マニホールドの底面と床面との間の隙間」が存在しない一方で「燃料マニホールドを載置するテーブルの底面と床面との間の隙間」が存在するので、「テーブルの底面と床面との間の隙間」に高温（７５０℃）の空気が供給された。

表１から理解できるように、「空気未導入」の場合において、従来の構成（図２３〜図２４）と比べて、本実施形態の構成（図４〜６、図９〜１４、図１７〜図２２）では、燃料マニホールドの温度が高く、且つ、発電出力が高い。これは、空気の熱伝導率が「床面（又はテーブル）を構成する材質の熱伝導率」よりも小さいことに起因する、と考えられる即ち、これは、従来の構成（図２３、図２４）において「燃料マニホールドが有する熱が燃料マニホールドの底面から床面（又はテーブル）へと伝達していく流量」と比べて、本実施形態（図４〜６、図９〜１４、図１７〜図２２）において「マニホールド２００が有する熱がマニホールド２００の底面から雰囲気（空気）へと伝達していく流量」が小さいことに基づく、と考えられる。これによって、上記＜効果１＞が確認された。

また、表１から理解できるように、「空気未導入」の場合と比べて、「７５０℃空気導入」の場合の方が、燃料マニホールドの温度が高く、且つ、発電出力が高い。このように、「マニホールド２００の底面と床面との間の隙間」に高温の空気を供給することで、マニホールド２００の温度を高めることができる。これによって、上記＜効果２＞が確認された。

また、上記実施形態では、支持基板の表面に「燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる発電素子部」が１つのみ設けられたセルが複数枚積層された所謂「縦縞型」の構成が採用されているが、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて前記発電素子部がそれぞれ設けられ、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もよい。また、上記実施形態のセルでは、燃料極と空気極とを入れ替えてもよい。

１１…導電性支持体、１２…燃料極、１３…固体電解質、１４…空気極、１８…ガス流路、１００…セル、２００…燃料マニホールド、２１０…本体部、２２０…支持板、３００…支持部材、３１０…基部、３２０…脚部

Claims

内部空間を有するガスマニホールドと、
それぞれが、長手方向を有する平板状を呈し且つその内部に前記長手方向に沿う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内側電極、固体電解質、及び外側電極がこの順で積層された発電素子部と、を含む平板状の複数のセルであって、前記複数のセルが前記ガスマニホールドの上面から上方に向かって前記長手方向に沿っ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するように、並びに、
前記ガスマニホールドの前記内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記複数のセルの前記長手方向の一端部が前記ガスマニホールドの上壁にそれぞれ接合された、複数のセルと、
を備えた、燃料電池のスタック構造体であって、
前記ガスマニホールドの外壁に固定された基部と、前記基部から延びるとともにその先端部の位置が前記ガスマニホールドの底面より下方に位置する脚部と、を備えた支持部材を備え、
前記支持部材の上端面は、前記ガスマニホールドの上面よりも下方に位置し、
前記支持部材の基部の上端面は、前記ガスマニホールドの底壁外側面に固定された、
燃料電池のスタック構造体。
内部空間を有するガスマニホールドと、
それぞれが、長手方向を有する平板状を呈し且つその内部に前記長手方向に沿う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内側電極、固体電解質、及び外側電極がこの順で積層された発電素子部と、を含む平板状の複数のセルであって、前記複数のセルが前記ガスマニホールドの上面から上方に向かって前記長手方向に沿っ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するように、並びに、
前記ガスマニホールドの前記内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記複数のセルの前記長手方向の一端部が前記ガスマニホールドの上壁にそれぞれ接合された、複数のセルと、
を備えた、燃料電池のスタック構造体であって、
前記ガスマニホールドの外壁に固定された基部と、前記基部から延びるとともにその先端部の位置が前記ガスマニホールドの底面より下方に位置する脚部と、を備えた支持部材を備え、
前記支持部材の基部は、前記ガスマニホールドの側壁に固定された、
燃料電池のスタック構造体。