JP6608084B1 - 電気化学セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】ガラスシール部を介するリーク電流を抑制可能な電気化学セルスタックを提供する。【解決手段】セルスタック１は、燃料電池セル１００と、マニホールド２００と、ガラスシール部３００とを備える。燃料電池セル１００は、支持基板１０と、支持基板１０上に配置される発電素子部Ａとを有する。マニホールド２００は、燃料電池セル１００の基端部１０ａを支持する。ガラスシール部３００は、燃料電池セル１００とマニホールド２００との間に配置される。燃料電池セル１００の表面に垂直な断面において、マニホールド２００は、燃料電池セル１００とガラスシール部３００との２つの交点Ｑ１，Ｑ２のうち発電素子部Ａ側の第１交点Ｑ１に最も近接するマニホールド最近接点Ｐ１を有する。ガラスシール部３００は、マニホールド最近接点Ｐ１を中心としてマニホールド２００の表面に沿って１００μｍ以内、かつ、マニホールド２００の表面から垂直方向に２０μｍ以内の第１領域３００ａを有する。第１領域３００ａの気孔率は、５％以上である。【選択図】図５

Description

本発明は、電気化学セルスタックに関する。

従来、電気化学セルスタックは、電気化学セルと、金属によって構成されるマニホールドと、結晶化ガラスによって構成されるガラスシール部とを備える（特許文献１を参照）。

特許文献１では、電気化学セルの一種である燃料電池セルが用いられている。マニホールドは、電気化学セルの基端部を支持する。ガラスシール部は、燃料電池セルとマニホールドとを接合する。ガラスシール部は、マニホールドの内部空間（例えば、燃料ガスが供給される空間）と外部空間（例えば、空気が供給される空間）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。

特開２００５−１００６８７号公報

しかしながら、電気化学セルスタックの作動中、電気化学セルとマニホールドとの狭小な隙間には大きな電界強度が生じるため、ガラスシール部を介して、電気化学セルからマニホールドに微弱なリーク電流が流れるおそれがある。

本発明は、ガラスシール部を介したリーク電流を抑制可能な電気化学セルスタックを提供することにある。

本発明に係る電気化学セルスタックは、電気化学セルと、マニホールドと、ガラスシール部とを備える。電気化学セルは、支持基板と、支持基板上に配置される発電素子部とを有する。マニホールドは、電気化学セルの基端部を支持する。ガラスシール部は、電気化学セルとマニホールドとの間に配置される。電気化学セルの表面に垂直な断面において、マニホールドは、電気化学セルとガラスシール部との２つの交点のうち発電素子部側の交点に最も近接するマニホールド最近接点を有する。断面において、ガラスシール部は、マニホールド最近接点を中心としてマニホールド表面に沿って１００μｍ以内、かつ、マニホールドの表面から垂直方向に２０μｍ以内の第１領域を有する。第１領域の気孔率は、５％以上である。

本発明によれば、ガラスシール部を介するリーク電流を抑制可能な電気化学セルスタックを提供することができる。

本発明の実施形態に係るセルスタックの全体斜視図である。 燃料電池の全体斜視図である。 マニホールドの全体斜視図である。 燃料電池及びマニホールドの部分拡大断面図である。 図４の部分拡大図である。

＜セルスタックの構成＞
本実施形態に係るセルスタック１の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、セルスタック１の全体斜視図である。図２は、マニホールド２００の全体斜視図である。図３は、燃料電池セル１００の全体斜視図である。図４は、燃料電池セル１００及びマニホールド２００の部分拡大断面図である。図４には、燃料電池セル１００の表面に垂直な断面が図示されている。なお、図１〜図４では、ｘ−ｙ−ｚ座標系が設定されている。

セルスタック１は、本発明に係る「電気化学セルスタック」の一例である。セルスタック１は、複数の燃料電池セル１００と、マニホールド２００と、ガラスシール部３００とを備える。

＜マニホールド＞
マニホールド２００は、複数の燃料電池セル１００それぞれに燃料ガスを供給するための中空体である。図１及び図２に示すように、マニホールド２００は、実質的に直方体状である。マニホールド２００の高さ方向、短手方向及び長手方向は、それぞれｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に対応する。

図１及び図２に示すように、マニホールド２００は、基部２１０と、支持板２２０とを有する。基部２１０は、金属材料（例えば、ステンレス鋼など）によって構成される。基部２１０は、底部と、底部を取り囲む側壁とを有している。底部と側壁とによって、上方に向けて開口する開口部が形成される。

支持板２２０は、金属材料（例えば、ステンレス鋼など）によって構成される。支持板２２０は、基部２１０上に配置される。具体的には、支持板２２０は、基部２１０の側壁の先端部に配置され、基部２１０の開口部を塞ぐ。このように、支持板２２０が基部２１０の開口部を塞ぐことによって、マニホールド２００には、内部空間Ｓ１が形成される（図４を参照）。この内部空間Ｓ１には、燃料ガスが導入される。

燃料ガスは、導入管２３０を介して、外部から内部空間Ｓ１に導入される。導入管２３０は、金属材料（例えば、ステンレス鋼など）によって構成される。導入管２３０は、マニホールド２００の支持板２２０に接合される。

マニホールド２００は、各燃料電池セル１００を支持する。具体的には、マニホールド２００の支持板２２０は、複数の貫通孔２２１を有している。各貫通孔２２１は、マニホールド２００の外側（外部空間）と内部空間Ｓ１とを連通するように、支持板２２０に形成されている。より具体的には、各貫通孔２２１は、支持板２２０をｘ軸方向（高さ方向）に貫通している。各貫通孔２２１は、ｚ軸方向（長手方向）に所定の間隔を隔てて形成されるとともに、ｙ軸方向（短手方向）にも所定の間隔を隔てて形成される。

＜燃料電池セル＞
燃料電池セル１００は、本発明に係る「電気化学セル」の一例である。図１に示すように、各燃料電池セル１００は、マニホールド２００に立設される。燃料電池セル１００は、互いに間隔を隔てて並べられる。

図３に示すように、燃料電池セル１００は、実質的に平板状に形成される。燃料電池セル１００の長手方向、短手方向及び厚み方向は、それぞれｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に対応する。

燃料電池セル１００のｘ軸方向の長さＬ１は特に制限されないが、５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下の範囲内に設定することができる。燃料電池セル１００のｙ軸方向の長さＬ２は特に制限されないが、１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に設定することができる。燃料電池セル１００のｚ軸方向の長さＬ３は特に制限されないが、１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内に設定することができる。

図４に示すように、燃料電池セル１００のｘ軸方向（長手方向）において燃料ガスが流入する側の基端部１０ａは、ガラスシール部３００によってマニホールド２００に接合される。燃料電池セル１００のｘ軸方向において燃料ガスが排出される側の先端部１０ｂは、自由端となっている。

図３に示すように、各燃料電池セル１００は、支持基板１０と、シール膜２０と、複数の発電素子部Ａとを有する。

支持基板１０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料から構成された焼成体である。支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）で構成される。

支持基板１０は、各発電素子部Ａを支持する。具体的には、支持基板１０の両主面には、複数の発電素子部Ａが、ｘ軸方向に所定の間隔を隔てて設けられている。

支持基板１０の内部には、複数の燃料ガス流路１１が形成される。各燃料ガス流路１１は、ｘ軸方向に延びる。各燃料ガス流路１１は、支持基板１０を貫通する。各燃料ガス流路１１は、ｙ軸方向（幅方向）に所定の間隔を隔てて形成される。

シール膜２０は、支持基板１０の外表面のうち各発電素子部Ａが配置された領域を除いた全面を覆う。シール膜２０は、各発電素子部Ａの側面に接続される。

シール膜２０は、緻密質材料によって構成することができる。緻密質材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、結晶化ガラス、スピネル酸化物、ＭｇＯ（マグネシア）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）などが挙げられる。シール膜２０の厚さは特に制限されないが、例えば、３〜５０μｍ程度とすることができる。シール膜２０の気孔率は特に制限されないが、２０％未満が好ましく、１０％以下がより好ましく、８％以下がさらに好ましい。シール膜２０は、後述する電解質層５、反応防止層７及びインターコネクタ３１とともにガスバリア層として機能する。

なお、シール膜２０は、後述する電解質層５と同じ材料によって構成されていてもよい。この場合、シール膜２０は、電解質層５と一体的に形成されていてもよい。

各発電素子部Ａは、支持基板１０上に配置される。各発電素子部Ａは、電気的に直列に接続される。発電素子部Ａの個数は特に制限されない。

ここで、図５は、図４の拡大図である。図５では、ｘ−ｙ平面に平行な断面が図示されている。図５に示すように、各発電素子部Ａは、燃料極４と電解質層５と空気極６と反応防止層７を有する。

燃料極４は、燃料極集電層４１と、燃料極活性層４２とを有する。

燃料極集電層４１は、支持基板１０に形成された第１凹部２２内に配置される。燃料極集電層４１は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。燃料極集電層４１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）の複合材料、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）の複合材料、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）の複合材料などによって構成することができる。燃料極集電層４１の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度とすることができる。

燃料極活性層４２は、燃料極集電層４１に形成された第２凹部４１ａ内に配置される。燃料極活性層４２は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。燃料極活性層４２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の複合材料、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）の複合材料などによって構成することができる。燃料極活性層４２の厚さは、例えば、５〜３０μｍとすることができる。

電解質層５は、燃料極４上に配置される。電解質層５は、あるインターコネクタ３１から他のインターコネクタ３１まで長手方向に延びる。従って、燃料電池３００の長手方向において、電解質層５とインターコネクタ３１とが交互に配置される。電解質層５とインターコネクタ３１は、支持基板１０側の燃料ガスと空気極６側の空気との混合を防止するガスバリア性を発揮する。また、電解質層５の外縁は、シール膜２０に接続される。

電解質層５の気孔率は、２０％未満が好ましく、１０％以下がより好ましく、８％以下がさらに好ましい。電解質層５の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度とすることができる。

電解質層５は、酸化物イオン伝導性が電子伝導性より高い緻密材料によって構成される。電解質層５は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＬＳＧＭ（ランタンガレート）などによって構成することができる。

反応防止層７は、電解質層５と空気極６の間に配置される。反応防止層７は、電解質層５内のＹＳＺと空気極６内のＳｒとが反応して電解質層５と空気極６との界面に電気抵抗の大きい反応層が形成されることを抑制する。

反応防止層７は、緻密材料によって構成される。反応防止層７は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）によって構成することができる。反応防止層７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度とすることができる。反応防止層７の気孔率は、２０％未満が好ましく、１０％以下がより好ましく、８％以下がさらに好ましい。反応防止層７は、電解質層５と同様、ガスバリア性を発揮する。

空気極６は、反応防止層７上に配置される。空気極６は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。空気極６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）、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）などによって構成することができる。空気極６の厚さは、例えば、１０〜１００μｍとすることができる。

電気的接続部３０は、隣り合う２つの発電素子部Ａ同士を電気的に接続する。本実施形態において、電気的接続部３０は、隣り合う発電素子部Ａ同士を直列に接続しているが、並列に接続していてもよい。電気的接続部３０は、インターコネクタ３１と、空気極集電層３２とを有する。

インターコネクタ３１は、燃料極集電層４１に形成された第３凹部４１ｂ内に配置される。インターコネクタ３１は、電子伝導性を有する緻密材料によって構成される。インターコネクタ３１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）や（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）によって構成することができる。インターコネクタ３１の気孔率は、２０％未満が好ましく、１０％以下がより好ましく、８％以下がさらに好ましい。インターコネクタ３１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍとすることができる。

空気極集電層３２は、隣り合う発電素子部Ａのインターコネクタ３１と空気極６との間を延びるように配置される。空気極集電層３２は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。空気極集電層３２は、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）などによって構成することができる。空気極集電層３２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度とすることができる。

＜ガラスシール部＞
ガラスシール部３００は、結晶化ガラスによって構成される。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、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系のものが用いられる。なお、結晶化ガラスとしては、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系のものが最も好ましい。

ガラスシール部３００を構成する結晶化ガラスは、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、かつ、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％未満である。

図４に示すように、ガラスシール部３００は、マニホールド２００の各貫通孔２２１と各燃料電池セル１００との隙間Ｇに充填される。ガラスシール部３００は、燃料電池セル１００とマニホールド２００とを接合する。これにより、ガラスシール部３００は、内部空間Ｓ１と外部空間とを区画する。ガラスシール部３００は、マニホールド２００の内部空間Ｓ１の燃料ガスと、マニホールド２００の外部空間の空気との混合を防止するシール材として機能する。

図５に示すように、ガラスシール部３００は、第１領域３００ａと、第２領域３００ｂとを含む。

第１領域３００ａは、燃料電池セル１００の表面に垂直な断面において、マニホールド２００の外縁上に設定されたマニホールド最近接点Ｐ１を中心としてマニホールド２００の表面に沿って１００μｍ以内、かつ、マニホールド２００の表面から垂直方向に２０μｍの領域である。第１領域３００ａの形状は、マニホールド２００の表面形状に応じて変わる。図５に示す例では、マニホールド２００のマニホールド最近接点Ｐ１が約９０度で屈曲する角上に位置するため、第１領域３００ａの形状は、マニホールド２００の表面に沿ったＬ字状である。

ここで、マニホールド２００のマニホールド最近接点Ｐ１は、マニホールド２００の外縁上において、第１交点Ｑ１に最も近接する位置を示す。第１交点Ｑ１とは、燃料電池セル１００とガラスシール部３００との２つの交点Ｑ１，Ｑ２のうち発電素子部Ａ側の交点である。第１交点Ｑ１は、マニホールド２００の外部空間に面し、第２交点Ｑ２は、マニホールド２００の内部空間Ｓ１に面する。第１交点Ｑ１は、本発明にかかる「交点」の一例である。

第２領域３００ｂは、第１領域３００ａに連なる。第２領域３００ｂは、燃料電池セル１００の表面に垂直な断面において、マニホールド２００のマニホールド最近接点Ｐ１を中心としてマニホールド２００の表面に沿って１００μｍ超、かつ、マニホールド２００の表面から垂直方向に２０μｍ超の領域である。第２領域３００ｂは、ガラスシール部３００のうち第１領域３００ａ以外の領域である。第２領域３００ｂの範囲は特に規定しなくてもよいが、後述するように、第２領域３００ｂの気孔率を測定する都合上、本実施形態では、マニホールド最近接点Ｐ１からマニホールド２００の表面に沿って１００μｍ超１０００μｍ以下、かつ、マニホールド２００の表面から垂直方向に２０μｍ超の範囲を第２領域３００ｂとして規定する。

第１領域３００ａの気孔率は、５％以上である。これにより、燃料電池スタック１の作動中、ガラスシール部３００を介して、燃料電池セル１００からマニホールド２００に微弱なリーク電流が流れることを抑制できる。

このような効果が得られる機序は、次の通りである。まず、燃料電池スタック１の作動中、燃料電池セル１００とマニホールド２００との隙間Ｇには電界が発生する。隙間Ｇに生じる電界の強度は、燃料電池セル１００とガラスシール部３００との２つの交点Ｑ１，Ｑ２のうち発電素子部Ａ側の第１交点Ｑ１において最も強くなる。そして、マニホールド２００の外縁上のうち第１交点Ｑ１に最も近接するマニホールド最近接点Ｐ１と第１交点Ｑ１との間に大きな電圧がかかる。そのため、燃料電池セル１００の外縁上においてマニホールド最近接点Ｐ１に最も近接するセル最近接点Ｒ１からマニホールド最近接点Ｐ１に向かう最短距離をリーク電流が流れやすくなる。しかしながら、ガラスシール部３００のうち第１領域３００ａの気孔率が５％以上であるため、リーク電流が第１領域３００ａを通過することが構造的に阻害される。すなわち、第１領域３００ａを構成する結晶化ガラスの組成に関わらず、第１領域３００ａの電気絶縁性を構造的に向上させることができる。その結果、燃料電池セル１００からマニホールド２００へのリーク電流が抑制される。

第１領域３００ａの気孔率は、７％以上が好ましく、１０％以上がより好ましい。これにより、ガラスシール部３００を介して、燃料電池セル１００からマニホールド２００にリーク電流が流れることをより抑制できる。

第１領域３００ａの気孔率の上限値は特に制限されないが、例えば６０％以下とすることができる。第１領域３００ａの気孔率の上限値は、５０％以下が好ましく、４０％以下がより好ましい。これにより、第１領域３００ａの骨格構造の強度を維持できるため、第１領域３００ａにクラックが生じることを抑制できる。

第２領域３００ｂの気孔率は特に制限されないが、例えば４％以下とすることができる。第２領域３００ｂの気孔率は、３％以下が好ましく、２％以下がより好ましい。これにより、第２領域３００ｂの骨格構造の強度を向上できるため、ガラスシール部３００全体としての骨格構造の強度を維持して、ガラスシール部３００にクラックが生じることを抑制できる。

第１領域３００ａの気孔率は、以下の手法で測定される。まず、燃料電池セル１００の表面に垂直な第１領域３００ａの断面をＦＥ−ＳＥＭ（電界放出形走査電子顕微鏡）で７５００倍に拡大した画像を取得する。次に、ＭＶＴｅｃ社製の画像解析ソフトＨＡＬＣＯＮによって、断面画像を解析することによって、気孔部分を強調表示する。次に、解析後の断面画像において、結晶化ガラスによって構成される固体部分の合計面積と、気孔部分の合計面積とを求める。次に、気孔部分の面積占有率を算出する。このような気孔部分の面積占有率を、ＦＥ−ＳＥＭの１０視野において算出して、それらの算術平均値を第１領域３００ａの気孔率とする。

第２領域３００ｂの気孔率は、上述した第１領域３００ａの気孔率と同じ手法で測定される。

第１領域３００ａに含まれる気孔の平均径は特に制限されないが、例えば、０．１μｍ〜１５μｍとすることができる。第１領域３００ａに含まれる気孔の平均径は、０．１μｍ〜１０μｍが好ましい。これにより、気孔の形成による接合材の強度低下を抑制することができる。

第１領域３００ａに含まれる気孔の平均径は、上述した解析後の断面画像１０視野において、各視野の平均円相当径を算出し、各視野の平均円相当径をさらに算術平均することによって得られる。円相当径とは、気孔の断面積と同じ面積を有する円の直径である。

＜その他の構造＞
図４に示すように、セルスタック１は、集電部材４００，５００をさらに有する。集電部材４００は、隣接する燃料電池セル１００の間に設けられる。詳細には、集電部材４００は、一方の燃料電池セル１００の燃料極４と、他方の燃料電池セル１００の空気極６とを電気的に直列に接続するために、隣接する燃料電池セル１００の間に設けられる。集電部材４００は、例えば、金属メッシュ等によって構成される。

集電部材５００は、各燃料電池セル１００に設けられる。詳細には、集電部材５００は、各燃料電池セル１００の表側と裏側とを電気的に直列に接続するために、各燃料電池セル１００に設けられている。

＜セルスタックの組立て＞
まず、マニホールド２００のマニホールド最近接点Ｐ１を中心として１００μｍ程度の範囲に、結晶化ガラス（例えば、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系）の材料と造孔材（例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂など）とを含むペーストを塗布することによって、ガラスシール部３００のうち第１領域３００ａの成形体を形成する。この際、造孔材の添加量を調整することによって、第１領域３００ａの気孔率を制御することができる。また、造孔材の粒径を調整することによって、第１領域３００ａの気孔径を制御することができる。

次に、複数の燃料電池セル１００をスタック状に整列した状態で所定の治具に固定し、各燃料電池セル１００の基端部１０ａをマニホールド２００の各貫通孔２２１に挿入する。

次に、結晶化ガラス（例えば、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系）の材料を含むペーストを燃料電池セル１００とマニホールド２００との隙間Ｇに充填することによって、ガラスシール部３００のうち第２領域３００ｂの成形体を形成する。この際、所望により造孔材をペーストに添加してもよい。造孔材の粒径及び添加量を調整することによって、第２領域３００ｂの気孔率を制御することができる。

次に、ガラスシール部３００の成形体に熱処理（７５０〜９００℃、１〜１０時間）を施す。この熱処理により、第２領域３００ｂに比べて気孔率の高い第１領域３００ａを含むガラスシール部３００が形成される。

＜他の実施形態＞
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。

（Ａ）上記実施形態では、電気化学セルスタックの一例として、燃料電池セルを備えるセルスタックについて説明したが、これに限られない。電気化学セルスタックは、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルなどの電気化学セルを備えていてもよい。

（Ｂ）上記実施形態において、燃料電池セル１００は、複数の発電素子部Ａが支持基板１０の長さ方向に配列された、いわゆる横縞型の燃料電池セルであることとしたが、燃料電池セル１００の構成はこれに限定されない。燃料電池セル１００は、例えば、縦縞型、円筒型など種々の形態を取りうる。ただし、燃料電池セル１００の表面に垂直な断面において、燃料電池セル１００とガラスシール部３００との２つの交点Ｑ１，Ｑ２の両方が発電素子部Ａと接している場合には、マニホールド２００の外部空間に面する方を第１交点Ｑ１とし、マニホールド２００の内部空間Ｓ１に面する方を第２交点Ｑ２とする。

（Ｃ）上記実施形態では、各燃料電池セル１００の基端部１０ａは、マニホールド２００の各貫通孔２２１に挿入されることとしたが、各貫通孔２２１の外側に配置されていてもよい。この場合、各燃料電池セル１００の基端部１０ａは、各貫通孔２２１から離れた位置において、ガラスシール部３００を介してマニホールド２００に固定される。

本発明の実施例として、図５に示す構成を有する接合体を作製した。ただし、本発明は以下に説明する実施例には限定されない。

＜実施例１〜６及び比較例１，２の接合体＞
まず、燃料電池セル１００と、貫通孔２２１が形成されたマニホールド２００とを準備した。

次に、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系の結晶化ガラスと造孔材（ポリメタクリル酸メチル樹脂）とを含むガラスペーストを、マニホールド２００のマニホールド最近接点Ｐ１を中心として１００μｍ程度の範囲にガラスペーストを塗布することによって、ガラスシール部３００のうち第１領域３００ａの成形体を形成した。この際、造孔材の添加量を調整することによって、表１に示すように、第１領域３００ａの気孔率をサンプルごとに変更した。

次に、治具に固定した燃料電池セル１００の基端部１０ａを、マニホールド２００の貫通孔２２１に挿入した。

次に、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系の結晶化ガラスと造孔材（ポリメタクリル酸メチル樹脂）とを含むガラスペーストを、燃料電池セル１００とマニホールド２００との隙間Ｇに充填することによって、ガラスシール部３００のうち第２領域３００ｂの成形体を形成した。この際、造孔材の添加量を調整することによって、表１に示すように、第２領域３００ｂの気孔率をサンプルごとに変更した。

次に、ガラスシール部３００の成形体に熱処理（８５０℃、５時間）を施すことによって、ガラスシール部３００を形成した。

＜リーク電流の測定＞
燃料電池セル１００の空気極集電層３２とマニホールド２００とに接続した一対の白金リード線を電流計に接続することによって、リーク電流測定回路を作製した。

次に、燃料電池セル１００を７５０℃で運転しながら、電流計でリーク電流値を計測した。実施例１〜６及び比較例１，２それぞれのリーク電流比を表１にまとめて示す。リーク電流比とは、計測されたリーク電流値を比較例１のリーク電流値で除した値である。表１では、リーク電流比が０．８以下のサンプルが○と評価され、リーク電流比が０．８超のサンプルが△と評価されている。

＜耐クラック性試験＞
燃料電池セル１００を昇温速度３００℃／ｈで５０℃から７５０℃まで昇温させた後、降温速度３００℃／ｈで７５０℃から５０℃まで降温させる工程を５０回繰り返した。

次に、光学顕微鏡でガラスシール部３００の外表面を観察して、ガラスシール部３００におけるクラックの有無を確認した。表１では、クラックが観察されなかったサンプルが○と評価され、長さ５００μｍ以下の微小なクラックが観察されたサンプルが△と評価されている。

表１に示すように、第１領域３００ａの気孔率を５％以上とした実施例１〜６では、第１領域３００ａの気孔率を５％未満とした比較例１，２に比べて、燃料電池セル１００からマニホールド２００にリーク電流が流れることを抑制できた。

また、実施例１〜６のうち第２領域３００ｂの気孔率を４％以下とした実施例１〜５では、第２領域３００ｂの気孔率を５％とした実施例６に比べて、ガラスシール部３００にクラックが生じることを抑制できた。

１ セルスタック
１００ 燃料電池セル
２００ マニホールド
２２１ 貫通孔
３００ ガラスシール部
３００ａ 第１領域
３００ｂ 第２領域
１０ 支持基板
１１ 燃料ガス流路
Ａ 発電素子部
Ｐ１ マニホールド最近接点
Ｑ１ 第１交点
Ｒ１ セル最近接点

Claims (1)

1. 支持基板と、前記支持基板上に配置される発電素子部とを有する電気化学セルと、
   前記電気化学セルの基端部を支持するマニホールドと、
   前記電気化学セルと前記マニホールドとの間に配置されるガラスシール部と、
   を備え、
   前記電気化学セルの表面に垂直な断面において、前記マニホールドは、前記電気化学セルと前記ガラスシール部の表面とが交わる２つの交点のうち前記発電素子部側の交点に最も近接するマニホールド最近接点を有し、
   前記断面において、前記ガラスシール部は、前記マニホールド最近接点を中心として前記マニホールドの表面に沿って１００μｍ以内、かつ、前記マニホールドの表面から垂直方向に２０μｍ以内の第１領域と、前記第１領域に連なる第２領域とを有し、
   前記第１領域の気孔率は、５％以上であり、
   前記第２領域の気孔率は、４％以下である、
   電気化学セルスタック。