(57)【要約】【課題】シール性が良好な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】内部にガスが流れる複数の筒状の燃料電池セルが接続部材を介して電気的に接続される燃料電池スタックであって、中央に貫通穴が形成された底部と底部の外周縁から延在する筒部とを有し、燃料電池セルの両端部にそれぞれ嵌合されると共に接続部材に接続される有底筒状のキャップを備え、キャップには、貫通穴の周囲に貫通穴に向かって傾斜して燃料電池セルの筒状の端部が当接可能な傾斜部が設けられる。【選択図】図２
2020017400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にガスが流れる複数の筒状の燃料電池セルが接続部材を介して電気的に接続される燃料電池スタックであって、
中央に貫通穴が形成された底部と該底部の外周縁から延在する筒部とを有し、前記燃料電池セルの両端部にそれぞれ嵌合されると共に前記接続部材に接続される有底筒状のキャップを備え、
前記キャップには、前記貫通穴の周囲に該貫通穴に向かって傾斜して前記燃料電池セルの筒状の端部が当接可能な傾斜部が設けられる
燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
前記傾斜部は、前記筒部の開口端側に凸となるテーパ状、または、前記開口端側に凹となるテーパ状に形成されている
燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
前記傾斜部は、テーパ状の傾斜面の開き角度が３０°から１５０°の範囲となるように形成されている
燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
前記傾斜部は、前記筒部の開口端側に凸となる球面または非球面の曲面状、または、前記開口端側に凹となる球面または非球面の曲面状に形成されている
燃料電池スタック。
【請求項５】
接続部材を介して電気的に接続され内部にガスが流れる複数の筒状の燃料電池セルと、中央に貫通穴が形成された底部と該底部の外周縁から延在する筒部とを有し前記燃料電池セルの両端部にそれぞれ嵌合されると共に前記接続部材に接続される有底筒状のキャップとを備え、前記キャップには、前記貫通穴の周囲に該貫通穴に向かって傾斜して前記燃料電池セルの筒状の端部が当接可能な傾斜部が設けられる燃料電池スタックにおける前記キャップの組み付け方法であって、
前記キャップの内面または前記燃料電池セルの両端部の外周面および端面に所定のペーストを塗布する工程と、
前記燃料電池セルの両端部にそれぞれ前記キャップを嵌める工程と、
前記キャップ同士の同軸を保持した状態で前記傾斜部が前記燃料電池セルの筒状の端部に当接するまで前記キャップを押し込む工程と、
前記傾斜部が前記燃料電池セルの筒状の端部に当接してから、所定の押圧力を前記キャップにさらに付与して前記燃料電池セルを挟持する工程と、
前記燃料電池セルを挟持したままの状態で前記所定のペーストを固化させる工程と、
を含む前記キャップの組み付け方法。
【請求項６】
内部にガスが流れる複数の筒状の燃料電池セルが前記ガスを分配するマニホールドに支持される燃料電池スタックであって、
中央に貫通穴が形成された底部と該底部の外周縁から延在する外筒部とを有し、前記燃料電池セルの端部に嵌合される有底筒状のキャップと、
前記キャップと前記マニホールドとの間に配設され、中央に貫通穴が形成された絶縁性のブッシュと、
前記キャップと前記ブッシュとの間をシールするシール材と、
を備え、
前記キャップは、前記貫通穴に内径の大きな大径穴と内径の小さな小径穴とに段付き状に形成された箇所を有し、
前記ブッシュは、前記貫通穴の縁から筒状に延在し、前記キャップの前記小径穴に嵌合される内筒部を有し、
前記シール材は、環状の平面部と、筒状に延在し前記キャップの前記大径穴と前記ブッシュの前記内筒部との隙間に充填された筒状部とを有する
燃料電池スタック。
【請求項７】
内部にガスが流れる複数の筒状の燃料電池セルが前記ガスを分配するマニホールドに支持される燃料電池スタックであって、
中央に貫通穴が形成された底部と該底部の外周縁から延在する外筒部とを有し、前記燃料電池セルの端部に嵌合される有底筒状のキャップと、
前記キャップと前記マニホールドとの間に配設され、中央に貫通穴が形成された絶縁性のブッシュと、
前記キャップと前記ブッシュとの間をシールするシール材と、
を備え、
前記ブッシュは、前記貫通穴に内径の大きな大径穴と内径の小さな小径穴とに段付き状に形成された箇所を有し、
前記キャップは、前記貫通穴の縁から筒状に延在し、前記ブッシュの前記小径穴に嵌合される内筒部を有し、
前記シール材は、環状の平面部と、筒状に延在し前記ブッシュの前記大径穴と前記キャップの前記内筒部との隙間に充填された筒状部とを有する
燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項６または７に記載の燃料電池スタックであって、
前記シール材は、前記平面部と前記筒状部とが一体的に形成されている
燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックおよびキャップの組み付け方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池スタックとしては、筒状の燃料電池セルと、燃料電池セルの端部に取り付けられた金属製の集電用の電極端子（キャップ）と、絶縁性を有するブッシュと、ブッシュを介して燃料電池セルを支持し各燃料電池セルに燃料ガスを分配する金属製のマニホールドと、各部材間に配置されるシール材と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１では、キャップの下面とブッシュの上面との間に、平面環状のガラスシール材が配置されている。また、特許文献２では、電極端子の内周側と燃料電池セルの外周側との間に、銀とガラスの混合物などの導電性のシール材が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０８２１９９号公報
【特許文献２】特開２００９−１２９７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した燃料電池セルは、焼成により製造されるため外径や真円度などの寸法公差が比較的大きくなることがある。また、シール材が配置される部材同士も、寸法公差や組み付けの誤差などが比較的大きくなることがある。これらの寸法公差や組み付けの誤差の影響により、燃料電池セルやキャップ、ブッシュの間で傾きや軸ずれなどが大きくなっている状態でシールが形成された場合、シール材の厚みが均一なものとならずに偏りが生じることがある。そうなると、シール材の厚みの薄い箇所でシール材が破損したり隙間が生じたりしてシール性が損なわれてしまう。
【０００５】
本発明は、シール性が良好な燃料電池スタックを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の第１の燃料電池スタックは、内部にガスが流れる複数の筒状の燃料電池セルが接続部材を介して電気的に接続される燃料電池スタックであって、中央に貫通穴が形成された底部と該底部の外周縁から延在する筒部とを有し、前記燃料電池セルの両端部にそれぞれ嵌合されると共に前記接続部材に接続される有底筒状のキャップを備え、前記キャップには、前記貫通穴の周囲に該貫通穴に向かって傾斜して前記燃料電池セルの筒状の端部が当接可能な傾斜部が設けられることを要旨とする。
【０００８】
ここで、筒状の燃料電池セルは寸法公差が比較的大きくなり易いため、公差内における最大外径の燃料電池セルでも嵌合できるように、内径に余裕をもってキャップを形成する必要がある。一方で、公差内における最小外径の燃料電池セルにキャップを嵌合する場合、燃料電池セルの外周面とキャップの内周面との隙間が大きくなるため、両者の軸ずれや傾きが大きな状態となることがある。その状態のまま燃料電池セルにキャップが組み付けられると、燃料電池セルやキャップを接続部材で接続した場合に電気的な接続不良が生じたり、燃料電池セルに過大な応力が作用して燃料電池セルが破損したり、隙間のシール性が不十分となったりするおそれがある。これに対して、本発明の第１の燃料電池スタックによれば、キャップの底部には、貫通穴の周囲に該貫通穴に向かって傾斜して燃料電池セルの筒状の端部が当接可能な傾斜部が設けられる。このため、燃料電池セルとキャップとの組み付け時において、燃料電池セルとキャップとが同軸となるように容易に調心することができるから、両者の隙間が大きくなる場合でも軸ずれや傾きを抑制することができる。これにより、燃料電池セルとキャップとの軸ずれや傾きに起因する電気的な接続不良や燃料電池セルの破損、シール性の低下を抑制することができる。
【０００９】
本発明の第１の燃料電池スタックにおいて、前記傾斜部は、前記筒部の開口端側に凸となるテーパ状、または、前記開口端側に凹となるテーパ状に形成されているものとしてもよい。こうすれば、簡易な構成で、燃料電池セルとキャップとが同軸となるように調心することができる。この態様の第１の燃料電池スタックにおいて、前記傾斜部は、テーパ状の傾斜面の開き角度が３０°から１５０°の範囲となるように形成されているものとしてもよい。こうすれば、燃料電池セルの筒状の端部と傾斜部とをスムーズに摺接させながら調心を行うことができる。
【００１０】
本発明の第１の燃料電池スタックにおいて、前記傾斜部は、前記筒部の開口端側に凸となる球面または非球面の曲面状、または、前記開口端側に凹となる球面または非球面の曲面状に形成されているものとしてもよい。こうすれば、簡易な構成で、燃料電池セルとキャップとが同軸となるように調心することができる。また、傾斜部を球面または非球面の曲面状とすることにより、燃料電池セルの筒状の端部と傾斜部とをスムーズに摺接させながら調心を行うことができる。
【００１１】
本発明のキャップの組み付け方法は、接続部材を介して電気的に接続され内部にガスが流れる複数の筒状の燃料電池セルと、中央に貫通穴が形成された底部と該底部の外周縁から延在する筒部とを有し前記燃料電池セルの両端部にそれぞれ嵌合されると共に前記接続部材に接続される有底筒状のキャップとを備え、前記キャップには、前記貫通穴の周囲に該貫通穴に向かって傾斜して前記燃料電池セルの筒状の端部が当接可能な傾斜部が設けられる燃料電池スタックにおける前記キャップの組み付け方法であって、前記キャップの内面または前記燃料電池セルの両端部の外周面および端面に所定のペーストを塗布する工程と、前記燃料電池セルの両端部にそれぞれ前記キャップを嵌める工程と、前記キャップ同士の同軸を保持した状態で前記傾斜部が前記燃料電池セルの筒状の端部に当接するまで前記キャップを押し込む工程と、前記傾斜部が前記燃料電池セルの筒状の端部に当接してから、所定の押圧力を前記キャップにさらに付与して前記燃料電池セルを挟持する工程と、前記燃料電池セルを挟持したままの状態で前記所定のペーストを固化させる工程と、を含むことを要旨とする。
【００１２】
本発明のキャップの組み付け方法は、キャップの筒部および底部の内面または燃料電池セルの両端部の外周面および端面に所定のペーストを塗布し、燃料電池セルの両端部にそれぞれキャップを嵌め、キャップ同士の同軸を保持した状態で傾斜部が燃料電池セルの筒状の端部に当接するまでキャップを押し込む。そして、傾斜部が燃料電池セルの筒状の端部に当接してから、所定の押圧力をキャップにさらに付与して燃料電池セルを挟持し、燃料電池セルを挟持したままの状態で所定のペーストを固化させる。このため、上述した燃料電池スタックと同様に、燃料電池セルとキャップとの軸ずれや傾きに起因する電気的な接続不良や燃料電池セルの破損、シール性の低下を適切に防止することができる。なお、所定のペーストとしては、キャップと燃料電池セルとの間に導電性の接合層を形成するためのペーストまたはキャップと燃料電池セルとの間にガスのシール層を形成するためのペーストなどとすることができる。また、所定の押圧力としては、燃料電池セルが破損しない程度の押圧力などとすることができる。
【００１３】
本発明の第２の燃料電池スタックは、内部にガスが流れる複数の筒状の燃料電池セルが前記ガスを分配するマニホールドに支持される燃料電池スタックであって、中央に貫通穴が形成された底部と該底部の外周縁から延在する外筒部とを有し、前記燃料電池セルの端部に嵌合される有底筒状のキャップと、前記キャップと前記マニホールドとの間に配設され、中央に貫通穴が形成された絶縁性のブッシュと、前記キャップと前記ブッシュとの間をシールするシール材と、を備え、前記キャップは、前記貫通穴に内径の大きな大径穴と内径の小さな小径穴とに段付き状に形成された箇所を有し、前記ブッシュは、前記貫通穴の縁から筒状に延在し、前記キャップの前記小径穴に嵌合される内筒部を有し、前記シール材は、環状の平面部と、筒状に延在し前記キャップの前記大径穴と前記ブッシュの前記内筒部との隙間に充填された筒状部とを有することを要旨とする。
【００１４】
ここで、燃料電池スタックの端部に嵌合されるキャップとマニホールドとの間に絶縁性のブッシュが配設される構造では、キャップやブッシュなどの各部品の寸法のバラツキが大きな場合、各部品同士の偏心や傾きなどが生じた状態でシール材が形成されることがある。そうなると、部品同士の隙間に形成されるシール材の厚みに部分的な偏りが生じて、シール性が不十分となったり、シール材に作用する応力によってシール材の破損を招いたりするおそれがある。これに対して、本発明の第２の燃料電池スタックによれば、キャップは貫通穴が大径穴と小径穴とに段付き状に形成された箇所を有し、ブッシュは小径穴に嵌合される内筒部を有するから、キャップの小径穴とブッシュの内筒部とにより両者の位置決めを行って、各部品同士の偏心や傾きなどが生じるのを抑制することができる。また、第２の燃料電池スタックでは、キャップとブッシュとの間をシールするシール材は、環状の平面部と、筒状に延在し大径穴と内筒部との隙間に充填された筒状部とを有するから、平面部のみを有するものに比してシール材の厚みを増してシール性の低下を抑制することができる。これにより、キャップやブッシュなどの各部品の寸法のバラツキに起因するシール性の低下やシール材の破損を抑制することができる。
【００１５】
本発明の第３の燃料電池スタックは、内部にガスが流れる複数の筒状の燃料電池セルが前記ガスを分配するマニホールドに支持される燃料電池スタックであって、中央に貫通穴が形成された底部と該底部の外周縁から延在する外筒部とを有し、前記燃料電池セルの端部に嵌合される有底筒状のキャップと、前記キャップと前記マニホールドとの間に配設され、中央に貫通穴が形成された絶縁性のブッシュと、前記キャップと前記ブッシュとの間をシールするシール材と、を備え、前記ブッシュは、前記貫通穴に内径の大きな大径穴と内径の小さな小径穴とに段付き状に形成された箇所を有し、前記キャップは、前記貫通穴の縁から筒状に延在し、前記ブッシュの前記小径穴に嵌合される内筒部を有し、前記シール材は、環状の平面部と、筒状に延在し前記ブッシュの前記大径穴と前記キャップの前記内筒部との隙間に充填された筒状部とを有することを要旨とする。
【００１６】
本発明の第３の燃料電池スタックでは、ブッシュは貫通穴が大径穴と小径穴とに段付き状に形成された箇所を有し、キャップは小径穴に嵌合される内筒部を有するから、第２の燃料電池スタックと同様に、ブッシュの小径穴とキャップの内筒部とにより両者の位置決めを行って、各部品同士の偏心や傾きなどが生じるのを抑制することができる。また、第２の燃料電池スタックと同様に、キャップとブッシュとの間をシールするシール材が平面部と筒状部とを有するから、平面部のみを有するものに比してシール材の厚みを増してシール性の低下を抑制することができる。これにより、キャップやブッシュなどの各部品の寸法のバラツキに起因するシール性の低下やシール材の破損を抑制することができる。
【００１７】
本発明の第２，第３の燃料電池スタックにおいて、前記シール材は、前記平面部と前記筒状部とが一体的に形成されているものとしてもよい。こうすれば、シール材に作用する力を平面部と筒状部とに分散させることができるから、シール材の破損をさらに抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態の発電モジュール１０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池セル４０の構成図である。
【図３】第１実施形態のキャップ５０の形状を示す説明図である。
【図４】キャップ組み付け工程を示す説明図である。
【図５】キャップ組み付けの様子を示す説明図である。
【図６】変形例のキャップ５０Ｂの形状を示す説明図である。
【図７】変形例のキャップ５０Ｃの形状を示す説明図である。
【図８】変形例のキャップ５０Ｄの形状を示す説明図である。
【図９】第２実施形態の燃料電池セル１４０の部分構成図である。
【図１０】キャップ１５０とブッシュ１６０の拡大図である。
【図１１】変形例の燃料電池セル１４０Ｂの部分構成図である。
【図１２】変形例のキャップ１５０Ｂとブッシュ１６０Ｂの拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、本発明を実施するための形態について説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
図１は第１実施形態の発電モジュール１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は第１実施形態の燃料電池セル４０の構成図であり、図３は第１実施形態のキャップ５０の形状を示す説明図である。発電モジュール１０は、図１に示すように、水蒸気を生成する気化器２２と、天然ガスやＬＰガスなどの原燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して水素を含む燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器２４と、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて発電する複数の燃料電池セル４０がスタッキングされた燃料電池スタック３０と、燃料ガス供給管２６を介して改質器２４と接続され改質器２４からの燃料ガスを各燃料電池セル４０に分配する燃料ガスマニホールド３４と、酸化剤ガスを各燃料電池セル４０に分配する酸化剤ガスマニホールド３８と、を備え、これらは、モジュールケース１１に収容されている。なお、発電モジュール１０は、その発電に伴って発生した熱を回収して給湯する図示しない給湯ユニット（貯湯タンク）と組み合わされることにより、燃料電池システムを構成する。
【００２１】
モジュールケース１１は、断熱性材料により箱形に形成され、原燃料ガス供給管１２と改質水供給管１４と空気供給管１６とが接続されている。原燃料ガス供給管１２は、供給源からの原燃料ガスを気化器２２へ供給する配管であり、その配管には開閉弁やポンプ、流量計、圧力計、脱硫器などが設けられている。改質水供給管１４は、改質水を気化器２２へ供給する配管であり、その配管には改質水タンクやポンプなどが設けられている。空気供給管１６は、酸化剤ガスとしてのエアを酸化剤ガスマニホールド３８へ供給する配管であり、その配管にはエアブロワや流量計などが設けられている。
【００２２】
また、モジュールケース１１には、気化器２２による水蒸気の生成や改質器２４による水蒸気改質反応などに必要な熱を供給するための燃焼部２８が設けられている。燃焼部２８は、燃料電池セル４０の発電反応に利用されなかった余剰の燃料ガス（アノードオフガス）および酸化剤ガス（カソードオフガス）を点火して燃焼させることにより、気化器２２や改質器２４を加熱する。燃焼部２８の燃焼により生成される燃焼排ガスは、モジュールケース１１の上部に設けられた燃焼排ガス排出管１８を介してケース外へ排出される。なお、燃焼排ガス排出管１８には図示しない熱交換器が接続され、熱交換器は、循環配管を介して貯湯タンクから供給される貯湯水を燃焼排ガスとの熱交換によって加温する。また、熱交換器を通過した燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換によって凝縮され、その凝縮水が改質水タンクへ回収される。
【００２３】
燃料電池セル４０は、図２に示すように、酸素イオン伝導体からなる緻密構造の円筒状の電解質層４２と、電解質層４２の内側に積層されたアノードとしての多孔質構造の燃料電極層（内側電極層）４４と、電解質層４２の外側に積層されたカソードとしての多孔質構造の酸化剤電極層（外側電極層）４６と、を備える円筒型の固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）セルとして構成されている。燃料電極層４４の内部には燃料ガスが流れる燃料ガス流路４４ａが形成されており、燃料電池セル４０は、燃料ガス流路４４ａと燃料ガスマニホールド３４とが連通するように燃料ガスマニホールド３４の支持板３６に立設支持されている。燃料電池セル４０の上下方向（長手方向）における両端部には燃料電極層４４と電気的に接続される集電用のキャップ５０が取り付けられる。また、燃料電池セル４０の下方に取り付けられるキャップ４０は、ブッシュ６０に支持されている。このため、燃料電池セル４０は、燃料ガスマニホールド３４の支持板３６に対し、キャップ５０とブッシュ６０とを介して支持されるものとなる。
【００２４】
電解質層４２は、例えば、Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープした安定化ジルコニア、Ｇｄ，Ｙ，Ｓｍなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープしたセリア、Ｎｉ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンガレート、などを用いることができる。
【００２５】
燃料電極層４４は、例えば、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＹ，Ｓｃ，Ｃｅなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープした安定化ジルコニアとの混合体、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＧｄ，Ｙ，Ｓｍなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープしたセリアとの混合体、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＳｒ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンガレートとの混合体、などを用いることができる。
【００２６】
酸化剤電極層４６は、例えば、Ｓｒ，Ｃａから選ばれる１種または２種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンコバルタイト、Ｓｒ，Ｆｅから選ばれる１種または２種をドープしたバリウムコバルタイト、銀、銀−パラジウム合金、白金、などを用いることができる。
【００２７】
なお、電解質層４２と酸化剤電極層４６との間には、ガドリニウムをドープしたセリア（ＧＤＣ）、イットリアをドープしたセリア（ＹＤＣ）、サマリウムをドープしたセリア（ＳＤＣ）などの希土類をドープしたセリア混合体を用いた反応防止層を設けることも好適である。
【００２８】
キャップ５０は、フェライト系ステンレスなどの導電性を有する金属材料により、一端側が開口した有底円筒状に形成されている。キャップ５０は、燃料ガスが流れる貫通穴５１が中央に形成され上面視で環状の底部５２と、底部５２の外周側から軸方向に円筒状に延在する外筒部５８と、底部５２の貫通穴５１の周囲から貫通穴５１に向かって開口側に凸となるようにテーパ状に傾斜したテーパ状凸部５４とを有し、これらが一体的に形成されている。テーパ状凸部５４は、燃料電池セル４０（燃料電極層４４）の筒状の端部に当接可能なテーパ状の傾斜面５５ａを有する。テーパ状の傾斜面５５ａの開き角度θは、組み付け時に燃料電池セル４０の筒状の端部がスムーズに摺接可能となるように、３０°から１５０°の範囲とするのが好適であり、７０°から１１０°の範囲とするのが更に好適である。
【００２９】
ブッシュ６０は、アルミナセラミックなどの絶縁性を有する絶縁性材料により、略円盤状に形成されている。ブッシュ６０は、上面にキャップ５０の形状に応じた窪み６２ａが形成されると共に中央に燃料ガスが流れる貫通穴６１が形成された円盤部６２と、窪み６２ａの形成面とは反対側の面における円盤部６２の内周側から軸方向に円筒状に延在する内筒部６４とを有し、これらが一体的に形成されている。円盤部６２と内筒部６４との中央を貫通する貫通穴６１は、キャップ５０の貫通穴５１に連通している。
【００３０】
図２に示すように、燃料電池セル４０の電解質層４２の両端部は酸化剤電極層４６の両端部から外方に突出すると共に燃料電極層４４の両端部は電解質層４２の両端部よりも外方に突出している。キャップ５０には、電解質層４２と燃料電極層４４の各端部が挿入され、キャップ５０のテーパ状凸部５４には、燃料電極層４４の端部が当接する。キャップ５０と燃料電極層４４との間は、導電性接合層４８によって電気的に接続される。導電性接合層４８は、例えば、白金、銀、銅、銀−パラジウム合金などの導電性ペーストやランタンクロマイトなどの導電性セラミックを用いて形成することができる。また、導電性接合層４８として、導電性耐熱接着剤を用いるものとしてもよい。
【００３１】
接続板３２は、例えば、フェライト系ステンレスなどの金属材料により形成され、図１に示すように、隣り合う２つの燃料電池セル４０のうち一方の燃料電池セル４０のキャップ５０（燃料電極層４４）と他方の燃料電池セル４０の酸化剤電極層４６とを電気的に接続する。複数の燃料電池セル４０は、隣り合う２つの燃料電池セル４０が接続板３２を介して連結されることにより、電気的に直列に接続される。
【００３２】
燃料ガスマニホールド３４は、上部が開口した箱型の部材であり、上部の開口を塞いで密閉空間を形成するように支持板３６が接合されている。支持板３６は、複数の貫通孔３６ａ（図２参照）が所定間隔で形成されており、それぞれの貫通孔３６ａにブッシュ６０の内筒部６４が嵌まるように燃料電池セル４０が挿入され、複数の燃料電池セル４０を立設した状態で支持する。これにより、燃料ガスマニホールド３４は、各燃料電池セル４０の燃料ガス流路４４ａと下方のキャップ５０の貫通穴５１とブッシュ６０の貫通穴６１とを介して連通し、燃料ガス供給管２６から供給される燃料ガスを各燃料電池セル４０の燃料ガス流路４４ａに供給（分配）する。燃料ガス流路４４ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路４４ａを通過し、余剰の燃料ガスが上方のキャップ５０の貫通穴５１から燃焼部２８へ排出される。燃料電池セル４０を通過した余剰の燃料ガスは、上述したように、酸化剤ガスと共に燃焼部２８にて燃焼され、燃焼排ガスとして燃焼排ガス排出管１８へ排出される。支持板３６は、例えば、フェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼などの金属材料により形成したり、絶縁性セラミックなど絶縁性材料により形成したりすることができる。
【００３３】
燃料電池セル４０とキャップ５０との間、即ち燃料電池セル４０（燃料電極層４４）の外周面とキャップ５０の開口端との間は、ガラスシール材７２によりシールされている。また、下方のキャップ５０とブッシュ６０との間、即ち下方のキャップ５０の底部５２の下面とブッシュ６０の円盤部６２の上面（受け面）との間は、ガラスシール材７４によりシールされている。また、ブッシュ６０と支持板３６との間、即ちブッシュ６０の円盤部６２の下面と支持板３６の上面との間は、ガラスシール材７６によりシールされている。これらのガラスシール材７２，７４，７６は、例えば、アルミナ−シリカ系結晶化ガラスなどの耐熱性およびシール性に優れた結晶化ガラスを用いて形成することができる。
【００３４】
酸化剤ガスマニホールド３８は、空気供給管１６と接続されており、各燃料電池セル４０の酸化剤電極層４６に酸化剤ガス（空気）を分配するための複数の供給口３８ａが形成されている。供給口３８ａから供給された酸化剤ガスは、隣り合う燃料電池セル４０の間を上方に向かって流れながら、発電反応に利用される。また、燃料電池セル４０の間を通過した余剰の酸化剤ガスは、燃料ガスと共に燃焼部２８にて燃焼される。
【００３５】
次に、燃料電池セル４０に対するキャップ５０の組み付け工程について説明する。図４はキャップ組み付け工程を示す説明図であり、図５はキャップ５０の組み付けの様子を示す説明図である。以下、図４のキャップ組み付け工程について図５を参照しながら説明する。キャップ組み付け工程では、まず、燃料電池セル４０の燃料電極層４４の露出部における外周面にガラスペースト（７６）を塗布すると共に、キャップ５０の底部５２および外筒部５８の内面に銀−パラジウム合金などの導電性ペースト（４８）を塗布する（Ｓ１００、図５（ａ）参照）。Ｓ１００では、ガラスペースト（７６）をキャップ５０の開口端近傍の内周面に塗布してもよいし、導電性ペースト（４８）を燃料電池セル４０の燃料電極層４４の端部の外周面や端面に塗布してもよい。
【００３６】
ここで、図５では図示を省略するが、燃料電池セル４０は、断面形状がＶ字状や円弧状などに形成された支持部に、軸方向の複数箇所で支持されているものなどとする。また、各キャップ５０は、３本爪や４本爪などの複数本のチャック爪Ｃを図中の左右方向に一対有する図示しないチャック装置により、外筒部５８の外周面や底部５２の外面を保持されている。チャック装置のチャック爪Ｃは、燃料電池セル４０を間に挟んで各キャップ５０を互いに同軸となるように保持すると共に互いに近接する方向と離間する方向とに移動可能となっている。また、チャック装置は、チャック爪Ｃの軸方向への変位量や押圧力などを調整可能であり、キャップ５０を取り付ける際のチャック爪Ｃの負荷を検出可能となっている。なお、支持部に支持される燃料電池セル４０と、チャック爪Ｃに保持される各キャップ５０とは、基本的には同軸となるようにチャック爪Ｃの保持位置が調整される。ただし、焼成により製造される燃料電池セル４０は外径や真円度などの寸法公差が比較的大きくなる場合がある。このため、燃料電池セル４０と各キャップ５０との間に、軸ずれや傾きなどが生じることがあり、図５（ａ）では傾きが生じている様子を図示している。
【００３７】
次に、燃料電池セル４０の両端側からキャップ５０を同軸に保持して燃料電池セル４０の両端に嵌める（Ｓ１１０）。続いて、キャップ５０の同軸を保持したまま燃料電池セル４０の筒状の端部に傾斜部５４の傾斜面５５ａが当接するまでキャップ５０を押し込む（Ｓ１２０、図５（ｂ）参照）。なお、チャック装置により検出される負荷の変化から、燃料電池セル４０の筒状の端部に傾斜部５４の傾斜面５５ａが当接したことを検知するものなどとすればよい。そして、燃料電池セル４０が破損しない程度の押圧力を両キャップ５０に付与した状態でさらにキャップ５０を押し込むことにより燃料電池セル４０を挟持する（Ｓ１３０）。これにより、燃料電池セル４０の筒状の端部が傾斜部５４の傾斜面５５ａに摺接しながらキャップ５０が両側から押し込まれるため、燃料電池セル４０と両キャップ５０とが同軸となるように調心されることになる（図５（ｃ）参照）。こうして、キャップ５０と燃料電池セル４０とを調心すると、両キャップ５０により燃料電池セル４０を挟持した状態を維持したままガラスペースト（７６）や導電性ペースト（４８）を乾燥させてから焼成して（Ｓ１４０）、キャップの組み付けが完成する。ガラスペースト（７６）や導電性ペースト（４８）が固化することにより、燃料電池セル４０とキャップ５０とが同軸で固定されることになる。このため、軸ずれや傾きが生じたまま燃料電池セル４０にキャップ５０が組み付けられることにより、ガラスシール材７６が不均一な厚みに形成されたり隙間が生じたりするのを抑制することができるから、シール性の低下を適切に防止することができる。また、軸ずれや傾きが生じたままキャップ５０が組み付けられた燃料電池セル４０が接続板３２を介して連結されることにより、燃料電池セル４０（キャップ５０）と接続板３２との間に隙間が生じて接続不良となったり、燃料電池セル４０に過大な応力が作用して燃料電池セル４０が破損したりするのを防止することができる。なお、ガラスペースト（７６）や導電性ペースト（４８）の乾燥は、例えば１５０℃などの所定の乾燥温度で行われる。また、乾燥が行われると、チャック爪Ｃによる保持を解除して、燃料電池セル４０とキャップ５０との組み付け体を焼成炉に入れることにより焼成が行われる。焼成は、例えば８５０℃などの所定の焼成温度で行われる。
【００３８】
以上説明した燃料電池スタック３０では、キャップ５０の底部５２には、貫通穴５１の周囲に貫通穴５１に向かって傾斜して燃料電池セル４０の筒状の端部が当接可能なテーパ状凸部５４が設けられる。このため、燃料電池セル４０とキャップ５０との組み付け時において、燃料電池セル４０とキャップ５０とが同軸となるように容易に調心することができるから、両者の隙間が大きくなる場合でも軸ずれや傾きを抑制することができ、軸ずれや傾きに起因する電気的な接続不良や燃料電池セル４０の破損、シール性の低下を適切に防止することができる。
【００３９】
また、テーパ状凸部５４は、キャップ５０の外筒部５８の開口端側に凸となるテーパ状に形成されているから、簡易な構成で燃料電池セル４０とキャップ５０とを調心することができる。さらに、テーパ状の傾斜面５５ａの開き角度を３０°から１５０°の範囲とするから、燃料電池セル４０の筒状の端部と傾斜面５５ａとをスムーズに摺接させながら調心を可能とすることができる。
【００４０】
上述した実施形態では、キャップ５０の底部５２にテーパ状凸部５４が設けられるものとしたが、これに限られず、貫通穴５１の周囲に貫通穴５１に向かって傾斜して燃料電池セル４０の筒状の端部が当接可能な傾斜部が設けられるものであればよい。図６〜図８はそれぞれ変形例のキャップ５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄの形状を示す説明図である。図６のキャップ５０Ｂは、テーパ状ではなく、外筒部５８の開口端側に凸となる球面状に形成された球面状凸部５４Ｂを有している。また、図７のキャップ５０Ｃは、外筒部５８の開口端側に凸状ではなく、開口端側に凹となるテーパ状に形成されたテーパ状凹部５４Ｃを有している。また、図８のキャップ５０Ｄは、外筒部５８の開口端側に凹となる球面状に形成された球面状凹部５４Ｄを有している。なお、これらはいずれも下方のキャップ５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄを例示するが、上方も同様の形状に形成されている。これらのキャップ５０Ｂ〜５０Ｄにおいても、実施形態と同様に、キャップ５０を燃料電池セル４０に組み付ける際に、球面状凸部５４Ｂの傾斜面５５ｂやテーパ状凹部５４Ｃの傾斜面５５ｃ、球面状凹部５４Ｄの傾斜面５５ｄが燃料電池セル４０の筒状の端部に摺接しながら調心することができる。なお、球面状凸部５４Ｂや球面状凹部５４Ｄは、球面状の曲面に限られず、楕円などの非球面状の曲面に形成されるものなどとしてもよい。また、テーパ状凹部５４Ｃは、テーパ状凸部５４と同様に、テーパ状の傾斜面５５ｃの開き角度θを３０°から１５０°の範囲とするのが好適であり、７０°から１１０°の範囲とするのが更に好適である。なお、キャップ５０Ｄは、底部５２の全体が球面状凹部５４Ｄとなるものを例示するが、キャップ５０Ｄのサイズや燃料電池セル４０のサイズに応じて傾斜面５５ｄの曲率や半径などを適宜設計することにより、平坦状の底部５２を形成してもよい。
【００４１】
上述した実施形態や変形例では、テーパ状の傾斜面５５ａ，５５ｃの開き角度θを３０°から１５０°の範囲とするものとしたが、貫通穴５１の周囲に貫通穴５１に向かって傾斜して燃料電池セル４０の筒状の端部が当接可能なテーパ状の傾斜部であればよく、開き角度θはこの範囲に限定されるものではない。
【００４２】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図９は第２実施形態の燃料電池セル１４０の部分構成図であり、図１０はキャップ１５０とブッシュ１６０の拡大図である。なお、図１０（ａ）はキャップ１５０とブッシュ１６０とを離間させて両者の間のガラスシール材１７４を省略して図示しており、図１０（ｂ）はキャップ１５０とブッシュ１６０との間にガラスシール材１７４が配置された状態を図示している。燃料電池セル１４０には、下端に有底円筒状に形成されたキャップ１５０が取り付けられており、キャップ１５０とマニホールド３６との間に、キャップ１５０の外径と略同じ外径の円盤状のブッシュ１６０が配設されている。なお、燃料電池セル１４０は、第１実施形態の燃料電池セル４０と同じ構成であり、各構成要素に同じ符号を用いる。
【００４３】
キャップ１５０は、第１実施形態と同様に金属材料により形成されている。キャップ１５０は、環状の底部１５２と、底部１５２の外周側から軸方向に円筒状に延在する外筒部１５８と、底部１５２の内周側から外筒部１５８と同方向に円筒状に延在する内筒部１５４とを有し、これらが一体的に形成されている。なお、底部１５２（内筒部１５４）の中心穴は、燃料ガスが流れる貫通穴１５１として形成されている。この貫通穴１５１は、キャップ１５０の底面（下方）側から、内径の大きな大径穴１５１Ｌと、大径穴１５１Ｌに同軸で連通する内径の小さな小径穴１５１Ｓとに段付き形状に形成されている。
【００４４】
ブッシュ１６０は、第１実施形態と同様に絶縁性材料により形成されている。ブッシュ１６０は、円盤部１６２と、円盤部１６２の内周側から軸方向下方に円筒状に延在する第１内筒部１６４と、円盤部１６２の内周側から第１内筒部１６６とは反対側即ち軸方向上方に延在する第２内筒部１６６とを有し、これらが一体的に形成されている。円盤部１６２と第１内筒部１６４と第２内筒部１６６との中央には、燃料ガスが流れる貫通穴１６１が形成されている。第１内筒部１６４は、支持板３６の貫通孔３６ａに嵌まり込む外径に形成されている。また、第２内筒部１６６は、キャップ１５０の貫通穴１５１の小径穴１５１Ｓに嵌まり込む外径に形成されている。なお、キャップ１５０の小径穴１５１Ｓは、第２内筒部１６６の外径寸法に対し例えば数十μｍ〜数百μｍ程度の第１の隙間を有する内径寸法に形成されており、大径穴１５１Ｌは第２内筒部１６６の外径寸法に対し例えば数百μｍから数ｍｍ程度であって第１の隙間よりも大きな第２の隙間を有する内径寸法に形成されている。
【００４５】
また、第１実施形態と同様に、燃料電池セル４０とキャップ５０との間はガラスシール材１７２によりシールされ、下方のキャップ５０とブッシュ６０との間はガラスシール材１７４によりシールされ、ブッシュ６０と支持板３６との間はガラスシール材１７６によりシールされている。これらのガラスシール材１７２，１７４，１７６は、第１実施形態と同様に、結晶化ガラスを用いて形成することができる。ガラスシール材１７４は、キャップ１５０の底部１５２の下面とブッシュ１６０の円盤部１６２の上面との間に充填された円環状の平面部１７４ａと、平面部１７４ａの内周側から筒状に延在しキャップ１５０の大径穴１５１Ｌと第２内筒部１６６との環状の隙間に充填された筒状部１７４ｂとを有し、これらが一体的に形成されている。なお、ガラスシール材１７４は、キャップ１５０の底部１５２の下面とブッシュ１６０の円盤部１６２の上面との間や、キャップ１５０の大径穴１５１Ｌと第２内筒部１６６との環状の隙間にガラスペーストを充填した状態で、焼成することにより形成される。
【００４６】
このように、第２実施形態の燃料電池スタックによれば、ブッシュ１６０の第２内筒部１６６がキャップ１５０の小径穴１５１Ｓに嵌め込まれるから、キャップ１５０とブッシュ１６０との位置決めを確実に行って偏心や傾きなどが生じるのを抑制することができる。また、ガラスシール材１７４の筒状部１７４ｂが、キャップ１５０の小径穴１５１Ｓと第２内筒部１６６との環状の隙間に充填されて形成される。このため、ガラスシール材１７４が平面部１７４ａのみを有するものなどに比して、軸方向におけるガラスシール材１７４の厚みを十分に確保することができるから、キャップ１５０とブッシュ１６０とに偏心や傾きなどが生じたとしても、キャップ１５０とブッシュ１６０との間のシール性の低下を抑制することができる。これにより、キャップ１５０やブッシュ１６０などの各部品の寸法のバラツキに起因するシール性の低下を抑制することができる。
【００４７】
また、ガラスシール材１７４は、平面部１７４ａと筒状部１７４ｂとが一体的に形成されるからシール性の低下をより抑制することができる。また、ガラスシール材１７４に作用する力を平面部１７４ａと筒状部１７４ｂとに分散させて、ガラスシール材１７４の破損を抑制することができる。また、平面部１７４ａにクラックなどの破損が生じたとしても、筒状部１７４ｂによりシールが可能であるからガスシールの信頼性を高めることができる。
【００４８】
この第２実施形態では、キャップ１５０の貫通穴１５１に段付き形状の箇所を有するものとしたが、これに限られず、ブッシュ１６０Ｂの貫通穴１６１Ｂに段付き形状の箇所を有するものとしてもよい。図１１は変形例の燃料電池セル１４０Ｂの部分構成図であり、図１２は変形例のキャップ１５０Ｂとブッシュ１６０Ｂの拡大図である。なお、図１２（ａ）はキャップ１５０Ｂとブッシュ１６０Ｂとを離間させて両者の間のガラスシール材２７４を省略して図示しており、図１２（ｂ）はキャップ１５０Ｂとブッシュ１６０Ｂとの間にガラスシール材２７４が配置された状態を図示している。
【００４９】
キャップ１５０Ｂは、底部１５２と、外筒部１５８と、底部１５２の内周側から外筒部１５８と逆方向に円筒状に延在する内筒部１５４Ｂとを有し、これらが一体的に形成されている。ブッシュ１６０Ｂは、円盤部１６２と、第１内筒部１６４とを有し、これらが一体的に形成されている。また、ブッシュ１６０Ｂの貫通穴１６１Ｂには、キャップ１５０側となる上面側に、内径の大きな大径穴１６１Ｌと、大径穴１６１Ｌに同軸で連通する内径の小さな小径穴１６１Ｓとに段付き形状に形成された箇所を有する。キャップ１５０Ｂの内筒部１５４Ｂは、ブッシュ１６０Ｂの小径穴１６１Ｓに嵌まり込む外径に形成されている。なお、ブッシュ１６０Ｂの小径穴１６１Ｓは、内筒部１５４Ｂの外径寸法に対し上述した第１の隙間を有する内径寸法に形成されており、大径穴１６１Ｌは内筒部１５４Ｂの外径寸法に対し上述した第２の隙間を有する内径寸法に形成されている。
【００５０】
また、キャップ１５０Ｂとブッシュ１６０Ｂとの間はガラスシール材２７４によりシールされている。このガラスシール材２７４は、キャップ１５０Ｂの底部１５２の下面とブッシュ１６０Ｂの円盤部１６２の上面との間に充填された円環状の平面部２７４ａと、平面部２７４ａの内周側から筒状に延在しブッシュ１６０Ｂの大径穴１６１Ｌと内筒部１５４Ｂとの環状の隙間に充填された筒状部２７４ｂとを有し、これらが一体的に形成されている。
【００５１】
この変形例においても、キャップ１５０Ｂの内筒部１５４Ｂがブッシュ１６０Ｂの小径穴１６１Ｓに嵌め込まれることで、キャップ１５０Ｂとブッシュ１６０Ｂとの偏心や傾きなどが生じるのを抑制することができる。また、ガラスシール材２７４の筒状部２７４ｂが、ブッシュ１６０Ｂの大径穴１６１Ｌと内筒部１５４Ｂとの環状の隙間に充填されて形成されるから、軸方向におけるガラスシール材２７４の厚みを十分に確保して、キャップ１５０Ｂとブッシュ１６０Ｂとの偏心や傾きなどが生じた場合でもシール性の低下を抑制することができる。また、ガラスシール材２７４に作用する力を平面部２７４ａと筒状部２７４ｂとに分散させて、ガラスシール材２７４の破損を抑制することができる。
【００５２】
第２実施形態では、平面部１７４ａ（２７４ａ）と筒状部１７４ｂ（２７４ｂ）とが一体的に形成されたガラスシール材１７４（２７４）を用いるものとしたが、これに限られず、平面部と筒状部とが分離した別体のシール材をそれぞれ用いるものとしてもよい。また、ガラスペーストを充填した状態で焼成することによりシール材を形成するものに限られず、シート状や円筒状のシール材を用いるものなどとしてもよい。
【００５３】
実施形態では、燃料電池セル４０を円筒状に構成するものとしたが、これに限られず、楕円筒状や角筒状などの円筒状以外の筒状に構成するものとしてもよい。
【００５４】
本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。第１および第２実施形態では、燃料電池セル４０，１４０（１４０Ｂ）が「燃料電池セル」に相当し、燃料電池スタック３０が「燃料電池スタック」に相当し、キャップ５０，１５０が「キャップ」に相当する。また、第１実施形態では、底部５２が「底部」に相当し、貫通穴５１が「貫通穴」に相当し、筒部４８が「筒部」に相当し、テーパ状凸部５４（球面状凸部５４Ｂ，テーパ状凹部５４Ｃ，球面状凹部５４Ｄ）が「傾斜部」に相当する。また、第２実施形態では、ブッシュ１６０，１６０Ｂが「ブッシュ」に相当し、ガラスシール材１７４，２７４が「シール材」に相当し、大径穴１５１Ｌ，１６１Ｌが「大径穴」に相当し、小径穴１５１Ｓ，１６１Ｓが「小径穴」に相当し、第２内筒部１６６や内筒部１５４Ｂが「内筒部」に相当し、ガラスシール材１７２の平面部１７４ａ，２７４ａが「平面部」に相当し、筒状部１７４ｂ，２７４ｂが「筒状部」に相当する。
【００５５】
なお、本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、本実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、本実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
【００５６】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、燃料電池スタックの製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  発電モジュール、１１  モジュールケース、１２  原燃料ガス供給管、１４  改質水供給管、１６  空気供給管、１８  燃焼排ガス排出管、２２  気化器、２４  改質器、２６  燃料ガス供給管、２８  燃焼部、３０  燃料電池スタック、３２  接続板、３４  燃料ガスマニホールド、３６  支持板、３６ａ  貫通孔、３８  酸化剤ガスマニホールド、３８ａ  供給口、４０，１４０，１４０Ｂ  燃料電池セル、４２  電解質層、４４  燃料電極層、４４ａ  燃料ガス流路、４６  酸化剤電極層、４８  導電性接合層、５０，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，１５０，１５０Ｂ  キャップ、５１，１５１  貫通穴、５２，１５２  底部、５４  テーパ状凸部、５４Ｂ  球面状凸部、５４Ｃ  テーパ状凹部、５４Ｄ  球面状凹部、５５ａ〜５５ｄ  傾斜面、５８  外筒部、６０，１６０，１６０Ｂ  ブッシュ、６１，１６１  貫通穴、６２，１６２  円盤部、６１，１６１，１６１Ｂ  貫通穴、６２ａ  窪み部、６４  内筒部、７２，７４，７６，１７２，１７４，１７６，２７４  ガラスシール材、１５１Ｌ  大径穴、１５１Ｓ  小径穴、１７４ａ，２７４ａ  平面環状部、１７４ｂ，２７４ｂ  内筒部、１５３，１５３Ｂ  内筒部、１６１Ｌ  大径穴、１６１Ｓ  小径穴、１６４  第１内筒部、１６６  第２内筒部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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