(57)【要約】【課題】ガスリークを抑制するとともに耐久性を向上するセルスタック装置を提供する。【解決手段】本発明のセルスタック装置１は、燃料電池セル１００と、マニホールド２００と、接合材と、を備えている。燃料電池セル１００は、上下方向に延びる。マニホールド２００は、燃料電池セル１００の下端部を支持する。接合材は、燃料電池セル１００とマニホールド２００とを接合する。接合材は、第１領域３１０及び第２領域３２０からなる。第１領域３１０は、マニホールド２００の内部空間に露出する露出面３０１を有する。第２領域３２０は、第１領域３１０よりも外部側に位置する。第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比は、１．２５以上２００以下である。【選択図】図６
2020072000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと、
前記燃料電池セルを支持するマニホールドと、
前記燃料電池セルと前記マニホールドとを接合する接合材と、
を備え、
前記接合材は、
前記マニホールドの内部空間に露出する露出面を有する第１領域と、
前記第１領域よりも外部側に位置する第２領域と、
からなり、
前記第１領域の気孔率は、前記第２領域の気孔率よりも大きく、
前記第２領域の気孔率に対する前記第１領域の気孔率の比は、１．２５以上２００以下である、
セルスタック装置。
【請求項２】
燃料電池セルと、
前記燃料電池セルを支持するマニホールドと、
前記燃料電池セルと前記マニホールドとを接合する接合材と、
を備え、
前記接合材は、
前記マニホールドの内部空間に露出する露出面を有する第１領域と、
前記第１領域よりも外部側に位置する第２領域と、
からなり、
前記第１領域の気孔率は、前記第２領域の気孔率よりも大きく、
前記接合材における前記露出面からの距離に対する、前記第１領域における前記露出面からの距離の比は、０．０００５０以上０．１０以下である、
セルスタック装置。
【請求項３】
上下方向に延びる燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの下端部を支持するマニホールドと、
前記燃料電池セルと前記マニホールドとを接合する接合材と、
を備え、
前記接合材は、
前記マニホールドの内部空間に露出する露出面を有する第１領域と、
前記第１領域よりも外部側に位置する第２領域と、
からなり、
前記第１領域の気孔率は、前記第２領域の気孔率よりも大きく、
前記露出面は、前記マニホールドの上面の延びる方向と交差する方向に延び、かつ前記第１領域と前記第２領域との境界は、前記露出面に沿った面である、
セルスタック装置。
【請求項４】
上下方向に延びる燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの下端部を支持するマニホールドと、
前記燃料電池セルと前記マニホールドとを接合する接合材と、
を備え、
前記接合材は、
前記マニホールドの内部空間に露出する露出面を有する第１領域と、
前記第１領域よりも外部側に位置する第２領域と、
からなり、
前記第１領域の気孔率は、前記第２領域の気孔率よりも大きく、
前記第１領域と前記第２領域との境界は、前記マニホールドの上面よりも下方に位置している、
セルスタック装置。
【請求項５】
前記第１領域は、前記露出面からの距離が５０μｍ未満である、
請求項１から４のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項６】
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、
請求項１から５のいずれか１項に記載のセルスタック装置。
【請求項７】
前記第１領域の気孔率は、２５％以下であり、
前記第２領域の気孔率は、０．１％以上である、
請求項６に記載のセルスタック装置。
【請求項８】
前記第１領域の気孔径は、０．１μｍ以上２０μｍ以下である、
請求項１から７のいずれか１項に記載のセルスタック装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルスタック装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の燃料電池セルと、この燃料電池セルの一端が固定されるマニホールドと、を固定するシール材とを備えるセルスタック装置が知られている。このようなセルスタック装置として、例えば、２０１６−２２５０３５号公報（特許文献１）が挙げられる。
【０００３】
特許文献１の接合材としてのシール材は、マニホールドの内部空間側である内側表面と、燃料電池セルの他端側である外側表面とを有しており、内側表面は、外側表面よりも表面粗さが大きい。表面粗さが大きい内側表面に優先的にクラックを発生させることによって、ガスリークを伴う外側表面のクラックを防止することが特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２２５０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１のシール材において、内側表面に優先的にクラックを発生させることができない場合があった。この場合、マニホールドの内部空間と、マニホールドの外部空間とを繋ぐクラックが発生し、内部空間に導入された燃料ガスが、内部空間から外部空間へと漏れ出してしまう。このため、上記特許文献１のセルスタック装置は、ガスリークを十分に抑制できないという問題があった。
【０００６】
本発明は、接合材におけるクラックを抑制できるセルスタック装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、接合材にクラックが発生するという問題は、セルスタック装置の動作時にマニホールドが変形することにより、接合材の下側に引張応力が加えられることに起因していることを見出した。そこで、本発明者は、接合材に加えられる引張応力を緩和する手段を鋭意研究して、本発明を完成させた。
【０００８】
本発明の第１側面に係るセルスタック装置は、燃料電池セルと、マニホールドと、接合材と、を備えている。マニホールドは、燃料電池セルを支持する。接合材は、燃料電池セルとマニホールドとを接合する。接合材は、第１領域及び第２領域からなる。第１領域は、マニホールドの内部空間に露出する露出面を有する。第２領域は、第１領域よりも外部側に位置する。第１領域の気孔率は、第２領域の気孔率よりも大きい。第２領域の気孔率に対する第１領域の気孔率の比は、１．２５以上２００以下である。
【０００９】
本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、燃料電池セルと、マニホールドと、接合材と、を備えている。マニホールドは、燃料電池セルを支持する。接合材は、燃料電池セルとマニホールドとを接合する。接合材は、燃料電池セルとマニホールドとを接合する。接合材は、第１領域及び第２領域からなる。第１領域は、マニホールドの内部空間に露出する露出面を有する。第２領域は、第１領域よりも外部側に位置する。第１領域の気孔率は、第２領域の気孔率よりも大きい。接合材における露出面からの距離に対する、第１領域における露出面からの距離の比は、０．０００５０以上０．１０以下である。
【００１０】
本発明の第３側面に係るセルスタック装置は、燃料電池セルと、マニホールドと、接合材と、を備えている。燃料電池セルは、上下方向に延びる。マニホールドは、燃料電池セルの下端部を支持する。接合材は、燃料電池セルとマニホールドとを接合する。接合材は、第１領域及び第２領域からなる。第１領域は、マニホールドの内部空間に露出する露出面を有する。第２領域は、第１領域よりも外部側に位置する。第１領域の気孔率は、第２領域の気孔率よりも大きい。接合材の露出面は、マニホールドの上面の延びる方向と交差する方向に延び、かつ第１領域と第２領域との境界は、露出面に沿った面である。
【００１１】
本発明の第４側面に係るセルスタック装置は、燃料電池セルと、マニホールドと、接合材と、を備えている。燃料電池セルは、上下方向に延びる。マニホールドは、燃料電池セルの下端部を支持する。接合材は、燃料電池セルとマニホールドとを接合する。接合材は、第１領域及び第２領域からなる。第１領域は、マニホールドの内部空間に露出する露出面を有する。第２領域は、第１領域よりも外部側に位置する。第１領域の気孔率は、第２領域の気孔率よりも大きい。第１領域と第２領域との境界は、マニホールドの上面よりも下方に位置している。
【００１２】
これらの構成によれば、接合材は、気孔率が大きい第１領域と、気孔率の小さい第２領域とを有する。これにより、引張応力が加えられる露出面近傍の第１領域の変形性を向上できる。また、応力が加えられる露出面から離隔した第２領域によって、接合材の強度低下を抑制できる。
【００１３】
第２領域の気孔率に対する第１領域の気孔率の比（第１領域の気孔率／第２領域の気孔率）が１．２５以上２００以下であると、第１領域の応力緩和と、第２領域の強度低下の抑制とを効果的に発現することができる。
【００１４】
また、接合材における露出面からの距離Ｌに対する、第１領域３１０における露出面からの距離Ｌ１の比（Ｌ１／Ｌ）が０．０００５０以上０．１０以下であると、第１領域の応力緩和と、第２領域の強度低下の抑制とを効果的に発現することができる。
【００１５】
また、第１領域と第２領域との境界が露出面に沿った面であると、引張応力が加えられる露出面から第１領域が均等に位置する。このため、第１領域の応力緩和と、第１領域の応力緩和と、第２領域の強度低下の抑制との効果が局所的になることを防止できる。
【００１６】
また、第１領域と第２領域との境界は、マニホールドの上面よりも下方に位置していると、マニホールド内に第１及び第２領域が位置する。このため、第１領域の応力緩和と、第１領域の応力緩和と、第２領域の強度低下の抑制との効果が局所的になることを防止できる。
【００１７】
以上より、本発明の第１〜第４側面に係るセルスタック装置は、第１領域による応力緩和と、残部の第２領域による強度低下の抑制とによって、接合材におけるクラックを抑制できる。
【００１８】
好ましくは、第１領域は、露出面からの距離が５０μｍ未満である。
【００１９】
好ましくは、第１領域の気孔率は、５％以上であり、第２領域の気孔率は、４％以下である。好ましくは、第１領域の気孔率は、２５％以下であり、第２領域の気孔率は、０．１％以上である。
【００２０】
好ましくは、第１領域の気孔径は、０．１μｍ以上２０μｍ以下である。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明は、接合材におけるクラックを抑制できるセルスタック装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】セルスタック装置の斜視図。
【図２】セルスタック装置の断面図。
【図３】セルスタック装置の断面図。
【図４】燃料電池セルの斜視図。
【図５】燃料電池セルの断面図。
【図６】セルスタック装置の拡大断面図。
【図７】セルスタック装置の製造方法の断面図。
【図８】セルスタック装置の製造方法の断面図。
【図９】従来のセルスタック装置の課題を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、各図におけるｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向のそれぞれは、マニホールドの高さ方向、短手方向（幅方向）、及び長手方向に対応する。また、各図におけるｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向のそれぞれは、各燃料電池セル及び支持基板の長手方向、短手方向（幅方向）、及び厚さ方向に対応する。また、本明細書の「上」及び「下」は、マニホールド及びセルスタック装置を水平面に載置したときのマニホールドの高さ方向（ｘ軸方向）を基準とする。
【００２４】
図１〜図６を参照して、本発明の一実施の形態であるセルスタック装置及び燃料電池セルについて説明する。セルスタック装置及び燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に用いられる。
【００２５】
［セルスタック装置］
図１〜図３に示すように、セルスタック装置１は、複数の燃料電池セル１００と、マニホールド２００と、第１接合材３００とを備えている。各燃料電池セル１００は、マニホールド２００によって支持されている。第１接合材３００は、各燃料電池セル１００と、マニホールド２００とを接合する。
【００２６】
［燃料電池セル］
図１〜図３に示すように、燃料電池セル１００は、マニホールド２００から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル１００は、マニホールド２００の上壁２３０から上方に延びている。燃料電池セル１００の下端部１０１は、マニホールド２００の挿入孔２３１内に挿入されている。なお、燃料電池セル１００の下端部１０１が挿入孔２３１内に挿入された状態において、燃料電池セル１００の下端部１０１の外周面と挿入孔２３１の内壁面との間には隙間が形成されている。この隙間に第１接合材３００が充填されている。このため、燃料電池セル１００の下端部１０１は、マニホールド２００に支持されている。一方、燃料電池セル１００の上端部１０２は、自由端である。燃料電池セル１００は、マニホールド２００によって、片持ち状態で支持され、自立している。
【００２７】
各燃料電池セル１００は、マニホールド２００の長手方向に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。図２に示すように、各燃料電池セル１００は、第１集電部材４を介して互いに電気的に接続されている。第１集電部材４は、各燃料電池セル１００の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル１００を接続している。なお、第１集電部材４は、第２接合材５によって各燃料電池セル１００に接合されている。第１集電部材４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４は、酸化物セラミックスの焼成体または金属などによって形成されている。
【００２８】
図２〜図６に示すように、燃料電池セル１００は、支持基板１１０と、複数の発電素子部１２０とを備えている。各発電素子部１２０は、支持基板１１０の両面に支持されている。なお、各発電素子部１２０は、支持基板１１０の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１２０は、燃料電池セル１００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。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池セル１００は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。
【００２９】
各発電素子部１２０は、電気的接続部１６０（図５参照）によって互いに電気的に接続されている。また、燃料電池セル１００の上端部１０２側において、支持基板１１０の一方面に形成された発電素子部１２０と他方面に形成された発電素子部１２０とが第２集電部材６（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１２０は、直列に接続されている。
【００３０】
支持基板１１０は、燃料電池セル１００の長手方向に延びる複数のガス流路１１１を内部に有している。ガス流路１１１は、マニホールド２００の挿入孔２３１を介して、マニホールド２００の内部空間と連通している。
【００３１】
支持基板１１０の長手方向は、燃料電池セル１００の長手方向と同じ方向である。各ガス流路１１１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１１１は、燃料電池セル１００の長手方向の両端部において開口している。
【００３２】
支持基板１１０は、絶縁性であり、例えば、セラミックスで形成される。具体的には、支持基板１１０は、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成されてもよいし、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とＹ２Ｏ３（酸化イットリウム）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（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１１０は、多孔質である。支持基板１１０の気孔率は、例えば、２０〜６０％である。
【００３３】
図５に示すように、支持基板１１０は、複数の第１凹部１１２を有している。各第１凹部１１２は、支持基板１１０の両面に形成されている。各第１凹部１１２は、支持基板１１０の長手方向において互いに間隔をあけて形成されている。
【００３４】
各発電素子部１２０は、燃料極１３０、電解質１４０、及び空気極１５０を有している。また、各発電素子部１２０は、反応防止膜１２１をさらに有している。
【００３５】
燃料極１３０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１３０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１１２内に配置されている。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。
【００３６】
燃料極集電部１３１は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺとから構成されてもよいし、ＮｉＯとＹ２Ｏ３とから構成されてもよいし、ＮｉＯとＣＳＺとから構成されてもよい。燃料極集電部１３１の厚さ、すなわち第１凹部１１２の深さは、例えば、５０〜５００μｍである。
【００３７】
燃料極活性部１３２は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺとから構成されてもよいし、ＮｉＯとＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（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、例えば、５〜３０μｍである。
【００３８】
電解質１４０は、燃料極１３０上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４０は、あるインターコネクタ１６１から他のインターコネクタ１６１まで燃料電池セル１００の長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル１００の長手方向において、電解質１４０とインターコネクタ１６１とが交互に配置されている。
【００３９】
電解質１４０は、イオン伝導性を有し、か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１４０は、例えば、ＹＳＺから構成されてもよいし、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質１４０の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。
【００４０】
反応防止膜１２１は、緻密な材料から構成される焼成体であり、平面視において、燃料極活性部１３２と略同一の形状であり、燃料極活性部１３２と略同じ位置に配置されている。反応防止膜１２１は、電解質１４０内のＹＳＺと空気極１５０内のＳｒ（ストロンチウム）とが反応して電解質１４０と空気極１５０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１２１は、例えば、ＧＤＣから構成される。反応防止膜１２１の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。
【００４１】
空気極１５０は、反応防止膜１２１上に配置されている。空気極１５０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１５０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（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１５０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１５０の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００４２】
電気的接続部１６０は、隣り合う発電素子部１２０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１６０は、インターコネクタ１６１及び空気極集電膜１６２を有する。インターコネクタ１６１は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。インターコネクタ１６１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１６１は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成されてもよいし、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（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１６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００４３】
空気極集電膜１６２は、隣り合う発電素子部１２０のインターコネクタ１６１と空気極１５０との間を延びるように配置される。空気極集電膜１６２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。空気極集電膜１６２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３から構成されてもよいし、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３から構成されてもよいし、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１６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍである。
【００４４】
図６に示すように、燃料電池セル１００の下端部１０１は、緻密膜１２２によって覆われている。詳細には、緻密膜１２２は、支持基板１１０を覆っている。緻密膜１２２は、下端部側に形成された発電素子部１２０と電気的に接続されている。詳細には、緻密膜１２２は、電気的接続部１６０と電気的に接続されている。緻密膜１２２は、空気極集電膜１６２と支持基板１１０との間から近位側に向かって延びている。
【００４５】
緻密膜１２２は、緻密膜１２２の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜１２２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１２２の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜１２２は、絶縁性セラミックスで構成されている。
【００４６】
具体的には、緻密膜１２２は、上述した電解質１４０と反応防止膜１２１とによって構成することができる。緻密膜１２２を構成する電解質１４０は、支持基板１１０を覆っており、インターコネクタ１６１から支持基板１１０の下端近傍まで延びている。また、緻密膜１２２を構成する反応防止膜１２１は、電解質１４０と空気極集電膜１６２との間に配置されている。なお、緻密膜１２２は、電解質１４０のみで構成されていてもよいし、電解質１４０及び反応防止膜１２１以外の材料によって構成されていてもよい。
【００４７】
［マニホールド］
図１〜図３に示すように、マニホールド２００は、燃料電池セル１００に反応ガスを供給する。マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有している。図１に示すように、マニホールド２００の内部空間には、導入配管Ｐを介して燃料ガスが供給される。図２に示すように、マニホールド２００は、この内部空間と外部とを連通する複数の挿入孔２３１を有している。
【００４８】
マニホールド２００は、実質的に直方体状である。図３に示すように、マニホールド２００は、上方が開口する箱状のマニホールド本体と、開口を塞ぐ板状部材とを備えている。詳細には、マニホールド本体は、底壁２１０と、側壁２２０と、第１フランジ部２４０とを備えている。マニホールド本体の開口を塞ぐ板状部材は、上壁２３０である。
【００４９】
底壁２１０、側壁２２０、及び第１フランジ部２４０は、一体成形されている。一体成形された底壁２１０、側壁２２０及び第１フランジ部２４０と、上壁２３０とは、互いに別部材であり、接合されている。底壁２１０、側壁２２０、上壁２３０、及び第１フランジ部２４０は、例えば、耐熱性を有するような金属で構成されている。
【００５０】
底壁２１０は、平面視（ｘ軸方向視）が矩形状である。底壁２１０は、平面視において、長手方向と幅方向とを有している。
【００５１】
側壁２２０は、底壁２１０の外周部から上方に延びている。側壁２２０は、図１に示すように、一対の第１側壁２２１と、一対の第２側壁２２２とを有している。
【００５２】
一対の第１側壁２２１は、底壁２１０の対向する一対の縁部のそれぞれから上方に延びている。詳細には、各第１側壁２２１は、底壁２１０の縁部のうち、長手方向に延びる一対の縁部から上方に延びている。第１側壁２２１は、マニホールド２００の長手方向に延びている。すなわち、複数の燃料電池セル１００の並ぶ方向に延びている。一対の第１側壁２２１は、マニホールド２００の幅方向において、互いに対向している。
【００５３】
一対の第２側壁２２２は、底壁２１０の残りの対向する縁部から上方に延びている。詳細には、各第２側壁２２２は、底壁２１０の縁部のうち、幅方向に延びる一対の縁部から上方に延びている。また、各第２側壁２２２は、マニホールド２００の幅方向に延びている。すなわち、各第２側壁２２２は、燃料電池セル１００の幅方向に延びている。各第２側壁２２２は、マニホールド２００の長手方向において、互いに対向している。一対の第２側壁２２２のうち、一方の第２側壁２２２に導入配管Ｐが接続されている。このため、一方の第２側壁２２２は、導入配管Ｐが接続されるための貫通孔を有している。
【００５４】
第１フランジ部２４０は、側壁２２０の上端部から外方に延びている。詳細には、第１フランジ部２４０は、各第１側壁２２１及び各第２側壁２２２の上端から外方に延びている。第１フランジ部２４０は、環状である。
【００５５】
第１側壁２２１と第２側壁２２２との第１境界部２０２は、Ｒ形状である。具体的には、第１側壁２２１と第２側壁２２２との第１境界部２０２の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第１境界部２０２の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば３〜３０ｍｍである。４つの第１境界部２０２は、マニホールド２００の高さ方向に延びる。
【００５６】
図３に示すように、底壁２１０と側壁２２０との第２境界部２０３は、Ｒ形状である。具体的には、底壁２１０と、第１側壁２２１及び第２側壁２２２との第２境界部２０３の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第２境界部２０３の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば２〜２０ｍｍである。第２境界部２０３は、環状である。
【００５７】
側壁２２０と第１フランジ部２４０との第３境界部２０４は、Ｒ形状である。具体的には、第１側壁２２１及び第２側壁２２２と、第１フランジ部２４０との第３境界部２０４の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第３境界部２０４の側面及び外側面の曲率半径は、例えば１〜１０ｍｍである。第３境界部２０４は、環状である。
【００５８】
なお、本明細書における「Ｒ形状」とは、円弧状に湾曲している形状である。また、第１〜第３境界部２０２〜２０４の内側面とは、マニホールド２００の内部空間を臨む面である。第１〜第３境界部２０２〜２０４の外側面とは、マニホールド２００の外側を臨む面である。
【００５９】
上壁２３０は、側壁２２０の上端部を塞ぐように構成されている。具体的には、上壁２３０の外周部は、第１フランジ部２４０上に配置されている。マニホールド２００の内部空間を密閉するため、上壁２３０が全周に渡って、第１フランジ部２４０に接合されている。上壁２３０は、例えば、接合材、溶接などによって、第１フランジ部２４０に接合されている。
【００６０】
図２に示すように、上壁２３０は、燃料電池セル１００が挿入される挿入孔２３１を複数有している。各挿入孔２３１は、マニホールド２００の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。また、挿入孔２３１は、マニホールド２００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。
【００６１】
［第１接合材］
第１接合材３００は、燃料電池セル１００をマニホールド２００に固定する。詳細には、第１接合材３００は、燃料電池セル１００の下端部１０１とマニホールド２００の上壁２３０とを接合している。また、第１接合材３００は、緻密膜１２２と接触している。なお、燃料電池セル１００がマニホールド２００に固定された状態において、挿入孔２３１とガス流路１１１とが連通している。
【００６２】
第１接合材３００は、マニホールド２００の内部空間（燃料ガスに曝される空間）と、セルスタック装置１の外部（酸素を含有するガスに曝される空間）とを区画することによって、燃料ガスと酸素を含有するガスとの混合を防止する機能を有している。このため、図６に示すように、第１接合材３００は、燃料ガスに曝される面である露出面３０１と、酸素を含有するガスに曝される外表面３０２とを有している。露出面３０１は、マニホールド２００の内部空間に露出する。なお、露出面３０１は、マニホールド２００の内部空間と連なる空間に露出してもよい。外表面３０２は、セルスタック装置１の外部に露出する。
【００６３】
露出面３０１は、図６に示すように、マニホールド２００の上壁２３０の上面２３２の延びる方向と交差する方向に延びている。本実施形態では、露出面３０１は、マニホールドの挿入孔２３１の外周部から中央部に向けて上方に傾斜するように延びる。また、露出面３０１と外表面３０２とは、略平行である。なお、露出面３０１及び外表面３０２は、図６では模式的に平面で示しているが、実際には凹凸が形成されている。
【００６４】
第１接合材３００は、第１領域３１０と、第２領域３２０とからなる。つまり、第１接合材３００は、２層構造である。
【００６５】
第１領域３１０は、露出面３０１を有する内側領域である。第２領域３２０は、第１領域３１０よりも外部側に位置している。第２領域３２０は、外表面３０２を有する外側領域である。
【００６６】
第１領域３１０の気孔率は、第２領域３２０の気孔率よりも大きい。このため、第１領域３１０は、高い変形性を有し、第２領域３２０は、高い強度及びシール性を有している。
【００６７】
第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比（第１領域３１０の気孔率／第２領域３２０の気孔率）は、１．２５以上２００以下であり、好ましくは６．３０以上４０．０以下である。上記範囲内とすることで、シール性と応力緩和との効果を両立することができる。
【００６８】
第１領域３１０の気孔率は、好ましくは５％以上２５％以下であり、より好ましくは５％以上２０％以下である。５％以上であると、変形性がより向上し、応力を緩和する効果がより得られる。２５％以下であると、強度低下の影響が小さい。
【００６９】
第２領域３２０の気孔率は、好ましくは０．１％以上４％以下であり、より好ましくは０．１％以上３％以下である。４％以下であると、良好なシール性を確保できる。第２領域３２０の気孔率についてはシール性の観点でより小さいほど好ましいが、作製容易性の観点から０．１％以上が好ましい。
【００７０】
上記「気孔率」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像を画像解析により気孔部分を数値化することで測定される値である。具体的には、ＦＥ−ＳＥＭで１０００〜２００００倍に拡大した画像をＭＶＴｅｃ社製の画像解析ソフトＨＡＬＣＯＮによって解析する。解析後の断面画像上で接合材を構成する材料部分と気孔部分とのそれぞれの面積占有率を求め、気孔部分の面積占有率を気孔率として定義する。断面画像は、第１領域３１０及び第２領域３２０ともに各１０視野について撮影して気孔率を数値化し、その平均値を第１領域３１０及び第２領域３２０の気孔率とする。
【００７１】
第１領域３１０の気孔径は、例えば０．１μｍ以上２０μｍであり、好ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、より好ましくは０．２μｍ以上８μｍ以下である。０．１μｍ以上であると、変形性が向上し、応力をより緩和する効果が得られる。２０μｍ以下であると、強度低下の影響が小さい。
【００７２】
上記「気孔径」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像の画像解析により求めた気孔の円相当径の値である。ここで、円相当径とは、断面の画像解析により求められる測定対象（粒子や気孔）の面積値を有する円の直径である。気孔率の算出と同様に、断面画像は１０視野について撮影して気孔径を数値化する。各視野の平均気孔径を算出し、１０視野の平均気孔径をさらに平均したものを気孔径として定義する。
【００７３】
なお、第１領域３１０及び第２領域３２０の気孔率及び気孔径は、例えば、熱処理前に添加される有機成分を含有する造孔材の大きさ及び量（体積割合）を調整することによって制御できる。
【００７４】
第１領域３１０と第２領域３２０との境界Ｂは、露出面３０１に沿った面である。すなわち、露出面３０１に沿った方向が境界Ｂである。本実施形態では、境界Ｂは、露出面３０１及び外表面３０２と略平行である。なお、境界Ｂは、図６では模式的に平面で示しているが、実際には凹凸が形成される。
【００７５】
境界Ｂは、マニホールド２００の上面２３２よりも下方に位置している。詳細には、境界Ｂの最上端は、上面２３２よりも下方に位置している。このため、上面２３２の下方には、第１領域３１０及び第２領域３２０が存在する。図６では、上面２３２の下方には、第１領域３１０全体、及び第２領域３２０の一部が存在する。
【００７６】
第１接合材３００における露出面３０１からの距離Ｌに対する、第１領域３１０における露出面３０１からの距離Ｌ１の比（Ｌ１／Ｌ）は、０．０００５以上０．１０以下であり、好ましくは０．００１３以上０．０５０以下である。上記範囲内とすることで、第１接合材３００の強度と応力緩和との効果を両立することができる。
【００７７】
なお、「第１接合材３００における露出面３０１からの距離Ｌ」は、露出面３０１と外表面３０２とを結ぶ距離の最大値である。詳細には、距離Ｌは、露出面３０１のそれぞれの位置における接線に垂直な直線において、露出面３０１から外表面３０２までの長さを求め、最大の長さをＬとする。また「第１領域３１０における露出面からの距離Ｌ１」は、露出面３０１と境界Ｂとを結ぶ距離の最大値である。詳細には、距離Ｌ１は、露出面３０１のそれぞれの位置における接線に垂直な直線において、露出面３０１から境界Ｂまでの長さを求め、最大長さをＬ１とする。
【００７８】
具体的には、境界Ｂは、露出面３０１からの距離Ｌ１が５０μｍ未満の位置であることが好ましい。すなわち、第１領域３１０は、露出面３０１からの距離Ｌ１が０μｍを超えて５０μｍ未満の領域であることが好ましく、距離Ｌ１が２μｍ以上４５μｍ以下の領域であることがより好ましい。
【００７９】
また、燃料電池セルの幅方向に沿った断面（ｚ軸方向視）において、第１接合材３００の面積に対する第１領域３１０の面積の比（第１領域３１０の面積／第１接合材３００の面積）は、例えば０．０００５以上０．１０以下であり、好ましくは０．００１３以上０．０５０以下である。上記範囲内とすることで、ガラス強度と応力緩和との効果を両立することができる。
【００８０】
なお、第１領域３１０及び第２領域３２０の距離及び面積は、第１領域３１０及び第２領域３２０となるべき材料を塗布する量及び範囲を調整することによって制御できる。
【００８１】
第１領域３１０と第２領域３２０とを構成する材料は、同じであってもよく、異なっていてもよい。第１接合材３００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、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、またはＳｉＯ２−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３００の材料として、非晶質ガラス、ろう材、また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３００は、ＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系及びＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。
【００８２】
ここで、第１領域３１０及び第２領域３２０は、さらに気孔率の異なる複数の部分を有していてもよい。この場合、第１接合材３００は、上側に向けて気孔率が減少することが好ましい。つまり、第１接合材３００の気孔率は、露出面３０１から上方に向けて常に同じまたは減少している。
【００８３】
［製造方法］
続いて、本実施の形態のセルスタック装置１の製造方法について図１〜図８を参照して説明する。
【００８４】
まず、複数の燃料電池セル１００と、マニホールド２００とを準備する。そして、図７に示すように、第１集電部材４、及び第２接合材５となる材料によって、各燃料電池セル１００を互いに接続し、セル集合体１０３を作製する。なお、この段階では第２接合材５となる材料は焼成されておらず、各燃料電池セル１００は互いに仮止めの状態である。
【００８５】
次に、図８に示すように、セル集合体１０３の各燃料電池セル１００の下端部１０１をマニホールド２００の各挿入孔２３１に挿入する。なお、各燃料電池セル１００が厚さ方向に沿って所定の間隔を保持するための治具を用いてもよい。
【００８６】
次に、図２に示すように、挿入孔２３１に挿入された燃料電池セル１００とマニホールドの上壁２３０とを接合するように第１接合材３００となる材料を塗布する。なお、第１接合材３００となる材料は、燃料電池セル１００の付け根に沿って塗布されている。また、第１接合材３００となる材料は、燃料電池セル１００の下端部１０１の外周面と挿入孔２３１の内壁面との隙間に充填されていてもよい。
【００８７】
第１接合材となる材料を塗布する工程では、例えば、以下のように行う。まず、マニホールド２００の挿入孔２３１に、第１領域３１０となる材料を充填する。その後、第１領域３１０となる材料上に、第２領域３２０となる材料を配置する。この工程では、熱処理後に、第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比が１．２５以上２００以下になるように、第１領域３１０及び第２領域３２０となる材料に、造孔材を添加する。また、熱処理後に、Ｌ１／Ｌが０．０００５０以上０．１０以下になるように、第１領域３１０及び第２領域３２０となる材料に、造孔材を添加する。また、熱処理後に、境界Ｂが露出面３０１に沿った面で、かつマニホールドの上面２３２よりも下方に位置するように、第１領域３１０及び第２領域３２０となる材料を配置する。
【００８８】
次に、第１接合材３００及び第２接合材５となる材料に対して熱処理が加えられる。この熱処理によって、第１接合材３００及び第２接合材５が固化され、セルスタック装置１が完成する。詳細には、第２接合材５は、熱処理を施されることによって焼成される。この結果、各燃料電池セル１００と第１集電部材４とが固定される。また、第１接合材３００は、熱処理を施されることによって、非晶質材料の温度が結晶化温度まで到達する。そして、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３００が機能を発揮し、各燃料電池セル１００の下端部１０１がマニホールド２００の上壁２３０に固定される。
【００８９】
上記工程を実施することによって、図１〜図６に示すセルスタック装置を製造できる。
【００９０】
［動作］
本実施の形態のセルスタック装置１の動作について、図１〜図６を参照して説明する。セルスタック装置１は、例えば以下のように動作する。
【００９１】
マニホールド２００を介して各燃料電池セル１００のガス流路１１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１１０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１４０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１を外部の負荷に接続すると、空気極１５０において下記の式１に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３０において下記の式２に示す電気化学反応が起こる。
（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−      ・・・（式１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        ・・・（式２）
【００９２】
さらに、支持基板１１０のガス流路１１１を流れる燃料ガスのうち発電に使用されなかった余剰燃料ガスは、ガス流路１１１の他端側に位置する排出口から外部に排出される。そして、排出口から排出される余剰燃料ガスと、酸素を含むガスとを混合して、燃焼する。
【００９３】
［作用］
続いて、本実施の形態のセルスタック装置１の作用について説明する。
【００９４】
まず、上記特許文献１などの従来のセルスタック装置の問題について、図９を参照して、説明する。従来のセルスタック装置の動作時には、マニホールド２００が撓む。このため、図９に示すように、接合材３５０の下側に引張応力が加えられる。この引張応力に起因して、接合材３５０にクラックが発生することがある。このクラックが成長して、マニホールドの内部空間と、マニホールドの外部空間とを繋ぐ場合がある。この場合、内部空間に導入された燃料ガスが、内部空間から外部空間へと漏れ出してしまう。このため、従来のセルスタック装置は、ガスリークを十分に抑制できないという問題があった。
【００９５】
そこで、第１接合材３００の下側に加えられる引張応力を緩和するために、本発明者は、第１接合材３００におけるマニホールド２００に露出する露出面３０１近傍の気孔率を大きくして、変形性を確保することを考えた。つまり、気孔により、第１接合材３００をマニホールド２００の撓みに応じて曲がりやすくするという技術的思想に想到した。一方で気孔率が大きすぎると、第１接合材３００全体としての強度低下を生じ、クラックが生じてしまうという問題に対処することを考えた。このように、第１領域３１０の応力緩和と第２領域３２０の強度とを両立することによりクラックを抑制する第１接合材３００を実現するために、鋭意検討した結果、第１接合材３００の距離Ｌに対する第１領域３１０の距離Ｌ１の比を制御することを見出し、下記の表１の知見を得た。
【００９６】
【表１】
2020072000.tif 000003
【００９７】
表１は、図６に示すように、第１接合材３００の露出面３０１が挿入孔２３１の側面から燃料電池セル１００に向けて上方に傾斜するように形成されたセルスタック装置に関する。４０個の燃料電池セルがマニホールドに固定されている。第１接合材は、結晶化ガラスである。セルスタック装置において燃料電池セル１００の幅方向（ｚ軸方向）に沿った断面において、第１接合材３００の気孔率を測定する。気孔率が大きい第１領域３１０と気孔率の小さい第２領域３２０との境界Ｂが位置する露出面３０１からの距離Ｌ１、及び第１接合材３００における露出面３０１からの距離Ｌは、上記の表１に記載の通りである。
【００９８】
第１接合材において、第１領域の気孔率は４１〜４２％であり、第２領域の気孔率は０．２〜０．３％である。なお、「気孔率」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像を画像解析により気孔部分を数値化することで測定した。具体的には、ＦＥ−ＳＥＭで１０００〜２００００倍に拡大した画像をＭＶＴｅｃ社製の画像解析ソフトＨＡＬＣＯＮによって解析した。解析後の断面画像上でガラス材料部分と気孔部分とのそれぞれの面積占有率を求め、気孔部分の面積占有率を気孔率として定義した。断面画像は、第１領域３１０及び第２領域３２０ともに各１０視野について撮影して気孔率を数値化し、その平均値を第１領域３１０及び第２領域３２０の気孔率とした。
【００９９】
また、第１領域３１０の気孔径は、０．１μｍである。なお、「気孔径」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像の画像解析により求めた気孔の円相当径の値である。円相当径とは、断面の画像解析により求められる測定対象（粒子及び気孔）の面積値を有する円の直径である。気孔率の算出と同様に、断面画像は１０視野について撮影して気孔径を数値化した。各視野の平均気孔径を算出し、１０視野の平均気孔径をさらに平均したものを気孔径として定義した。
【０１００】
サンプルＮｏ．１〜２２のセルスタック装置について、熱サイクル試験により、ガスリーク量及びクラックの有無を調べた。具体的には、各セルスタック装置を電気炉内に設置し、室温から８５０℃まで昇降温速度４００℃／ｈｒでの上げ下げを２０回繰り返した後、電気炉から取り出して、ガスリーク量とクラック発生の有無とを調べた。その結果を上記表１に記載する。
【０１０１】
上記表１において、ガスリーク量については、燃料電池セル１００のガス流路１１１出口端部を封止した上でマニホールド２００の導入配管Ｐよりアルゴンガスを供給し、マニホールド２００内部を印加圧２０ｋＰａまで高めて保持し、その時のガスリーク量を測定した。クラック有無の確認については、第１接合材の表面に浸透探傷剤を塗布し、マイクロスコープで観察することにより行った。
【０１０２】
表１に示すように、気孔率の大きい第１領域を有していないサンプルＮｏ．１、６、１１及び１６は、ほとんど変形できない。また、気孔率の大きい第１領域を有するが割合の小さいサンプルＮｏ．２２は、変形量が小さすぎる。このため、熱サイクル試験（動作）時にマニホールド２００が変形すると、マニホールド２００の内部空間に露出する露出面３０１からクラックが発生してしまう。その結果、マニホールドの内部と外部とを繋ぐクラックが発生し、内部空間に導入されたアルゴンガスが外部空間へと漏れ出してしまった。
【０１０３】
一方、気孔率の大きい第１領域３１０を有するサンプルＮｏ．２〜４、７〜１０、１２〜１５、１７〜２０は、Ｌ１／Ｌが０．０００５０以上であったので、十分に変形が可能であった。このため、熱サイクル試験時の応力によってマニホールド２００が変形しても、第１接合材３００に発生する引張応力を緩和できる。つまり、サンプルＮｏ．２〜４、７〜１０、１２〜１５、１７〜２０では、第１領域３１０の変形による応力緩和が有効に機能することで、第１接合材３００におけるクラックを抑制できる。その結果、サンプルＮｏ．２〜４、７〜１０、１２〜１５、１７〜２０では、ガスリークが発生しないことを確認した。
【０１０４】
また、第１領域が大きいサンプルＮｏ．５及び２１は、Ｌ１／Ｌが０．１０であるサンプルＮｏ．４と比べて、変形性は同程度である。このことから、Ｌ１／Ｌが０．１０を超えても、変形性を大きく向上できないことがわかる。したがって、Ｌ１／Ｌが０．１０以下であっても、第１接合材３００の高い変形性を発現できるので、動作時のマニホールドの撓みに有効である。
【０１０５】
さらに、サンプルＮｏ．５及び２１は、変形性は高いものの、第２領域３２０が小さくなるので、第１接合材３００を構成するガラス全体としての強度低下を生じ、クラックが多く生じてしまった。その結果、マニホールドの内部と外部とを繋ぐクラックが発生し、内部空間に導入されたアルゴンガスが外部空間へと漏れ出してしまった。
【０１０６】
なお、サンプルＮｏ．２〜４、７〜１０、１２〜１５、１７〜２０において、第１領域３１０と第２領域３２０との境界は、露出面に沿った面である。また、サンプルＮｏ．２〜４、７〜１０、１２〜１５、１７〜２０において、第１領域３１０と第２領域３２０との境界Ｂは、マニホールド２００の上面２３２よりも下方に位置する。
【０１０７】
以上より、本実施の形態の第１接合材３００は、第１接合材３００における露出面３０１からの距離Ｌに対する、第１領域３１０における露出面３０１からの距離Ｌの比（Ｌ１／Ｌ）が０．０００５０以上０．１０以下である。したがって、この第１接合材３００を備える本実施の形態のセルスタック装置１は、高い変形性と、高い強度とを両立できるので、クラックを抑制できる。よって、本発明のセルスタック装置は、クラックに起因したガスリークを抑制できる。
【０１０８】
また、サンプルＮｏ．２〜４、７〜９、１２〜１４、１７〜１９は、第１領域３１０を、露出面３０１からの距離を５０μｍ未満に制御したので、第１接合材３００におけるクラックをより抑制できた。
【０１０９】
また、本発明者は、第１領域３１０の応力緩和と第２領域３２０の強度とを両立することによりクラックを抑制する第１接合材３００を実現するために、鋭意検討した結果、第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比（第１領域３１０の気孔率の比／第２領域３２０の気孔率）を制御することを見出し、下記の表２の知見を得た。
【０１１０】
【表２】
2020072000.tif 000004
【０１１１】
表２は、図６に示すように、第１接合材３００の露出面３０１が挿入孔２３１の側面から燃料電池セル１００に向けて上方に傾斜するように形成されたセルスタック装置に関する。４０個の燃料電池セルがマニホールドに固定されている。第１接合材は、結晶化ガラスである。なお、サンプルＮｏ．２３〜４１のＬ１／Ｌは０．００４８〜０．０００５２であった。セルスタック装置において燃料電池セル１００の幅方向（ｚ軸方向）に沿った断面において、第１接合材３００の気孔率を測定する。第１領域３１０及び第２領域３２０の気孔率は、上記の表２に記載の通りである。サンプルＮｏ．２３〜４１のセルスタック装置のガスリーク量及びクラック有無について、サンプルＮｏ．１〜２２と同様の熱サイクル試験で評価した。
【０１１２】
表２に示すように、第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比が１．２５以上２００以下であるサンプルＮｏ．２３〜２６、２８〜４０のセルスタック装置は、ガスリークが生じなかった。
【０１１３】
第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比が１．２５未満であるサンプルＮｏ．４１は、変形性が小さいため、クラックが多く生じ、内部空間に導入されたアルゴンガスが外部空間へと漏れ出した。また、第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比が２００を超えるサンプルＮｏ．２７は、強度低下によりクラックが多く生じ、内部空間に導入されたアルゴンガスが外部空間へと漏れ出した。
【０１１４】
また、表２に示すように、第１領域の気孔率が５％以上であり、第２領域３２０の気孔率が４％以下のサンプルＮｏ．２４〜２６、２８〜３９は、この範囲外のサンプルＮｏ．２３及び４０に比べて、クラック発生を抑制できる。このため、第１領域の変形性を高めるとともに、第２領域の強度を高めることによる効果をより発現できる。
【０１１５】
なお、サンプルＮｏ．２３〜２６、２８〜４０において、第１領域３１０と第２領域３２０との境界は、露出面３０１に沿った面である。また、サンプルＮｏ．２３〜２６、２８〜４０において、第１領域３１０と第２領域３２０との境界Ｂは、マニホールド２００の上面２３２よりも下方に位置する。
【０１１６】
以上より、本実施の形態の第１接合材３００は、第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比１．２５以上２００以下である。したがって、この第１接合材３００を備える本実施の形態のセルスタック装置１は、高い変形性と、高い強度とを両立できるので、クラックを抑制できる。よって、本発明のセルスタック装置は、クラックに起因したガスリークを抑制できる。
【０１１７】
さらに、本発明者は、上記サンプルＮｏ．４のセルスタック装置において、第１領域３１０の気孔径による効果について、下記の表３の知見を得た。なお、サンプルＮｏ．４２〜４７のセルスタック装置のガスリーク量及びクラック有無について、サンプルＮｏ．４と同様の熱サイクル試験で評価した。
【０１１８】
【表３】
2020072000.tif 000005
【０１１９】
表３に示すように、第１領域３１０の気孔径が０．１μｍ以上２０μｍ以下のサンプルＮｏ．４、４３〜４６は、この範囲外のサンプルＮｏ．４２及び４７に比べて、クラック発生を抑制できる。このため、第１領域３１０の変形性を高めることによる効果をより発現できる。
【０１２０】
なお、サンプルＮｏ．４２及び４７のセルスタック装置においては、Ｌ１／Ｌが０．０００５０以上０．１０以下であるので、微小なクラックは発生したものの、ガスリークは生じなかった。
【０１２１】
また、本発明者は、第１領域３１０の応力緩和と第２領域３２０の強度とを両立することによりクラックを抑制する第１接合材を実現するために、鋭意検討した結果、第１接合材３００の露出面３０１と境界Ｂを制御することを見出し、下記の知見を得た。
【０１２２】
第１接合材３００の露出面３０１がマニホールドの上面２３２の延びる方向と交差する方向に延び、かつ境界Ｂが上面２３２と平行な面のサンプルＮｏ．４８を準備した。サンプルＮｏ．４８のＬ１／Ｌは、０．０００４９であり、第２領域の気孔率に対する第１領域の気孔率の比は、１．２４であった。
【０１２３】
このサンプルＮｏ．４８のセルスタック装置のガスリーク量及びクラック有無について、サンプルＮｏ．１〜２２と同様の熱サイクル試験で評価した。その結果、サンプルＮｏ．４８は、マニホールド２００の内部空間に露出する露出面３０１からクラックが発生する。その結果、マニホールドの内部と外部とを繋ぐクラックが発生し、内部空間に導入されたアルゴンガスが外部空間へと漏れ出してしまった。
【０１２４】
図６に示すように、第１接合材３００の露出面３０１がマニホールドの上面２３２の延びる方向と交差する方向に延び、かつ境界Ｂが露出面３０１に沿った面であるサンプルＮｏ．２〜４、７〜１０、１２〜１５、１７〜２０、２３〜２６、２８〜４０は、第１領域３１０の高い変形性と、第２領域３２０の高い強度とをバランスよく両立できるので、クラックを抑制できる。よって、本発明のセルスタック装置は、クラックに起因したガスリークを抑制できる。
【０１２５】
また、本発明者は、第１領域３１０の応力緩和と第２領域３２０の強度とを両立することによりクラックを抑制する第１接合材を実現するために、鋭意検討した結果、マニホールドの上面２３２に対する境界Ｂの位置を制御することを見出し、下記の知見を得た。
【０１２６】
第１領域３１０と第２領域３２０との境界Ｂがマニホールドの上面２３２よりも上方に位置するサンプルＮｏ．４９を準備した。サンプルＮｏ．４９のＬ１／Ｌは、０．０００４９であり、第２領域の気孔率に対する第１領域の気孔率の比は、１．２４であった。
【０１２７】
このサンプルＮｏ．４９のセルスタック装置のガスリーク量及びクラック有無について、サンプルＮｏ．１〜２２と同様の熱サイクル試験で評価した。その結果、サンプルＮｏ．４９は、マニホールド２００の内部空間に露出する露出面３０１からクラックが発生する。その結果、マニホールドの内部と外部とを繋ぐクラックが発生し、内部空間に導入されたアルゴンガスが外部空間へと漏れ出してしまった。
【０１２８】
図６に示すように、第１領域３１０と第２領域３２０との境界Ｂがマニホールド２００の上面２３２よりも下方に位置するサンプルＮｏ．２〜４、７〜１０、１２〜１５、１７〜２０、２３〜２６、２８〜４０は、第１領域３１０の高い変形性と、第２領域３２０の高い強度とをバランスよく両立できるので、クラックを抑制できる。よって、本発明のセルスタック装置は、クラックに起因したガスリークを抑制できる。
【０１２９】
変形例１
上記実施形態のセルスタック装置は、支持基板１１０の１つの主面上に複数の発電素子部１２０が配置された横縞型を例に挙げて説明したが、本発明のセルスタック装置は、支持基板の１つの主面上に１つの発電素子が配置される縦縞型であってもよい。また、本実施の形態のセルスタック装置１は、円筒平板型の支持基板１１０を備えているが、本発明のセルスタック装置は、円筒型の支持基板を備えていてもよい。
【０１３０】
変形例２
上記実施形態では、マニホールド２００に形成された１つの挿入孔２３１に１つの燃料電池セルの下端部が挿入されているが、本発明では、１つの挿入孔に複数の燃料電池セルが挿入されていてもよい。
【０１３１】
変形例３
上記実施形態のマニホールド２００は、側壁２２０の上面が開口し、その上面を上壁２３０が塞いでいる構造であるが、本発明のマニホールドは、これに限定されない。例えば、側壁及び上壁が一体であって、側壁の下面が開口し、その下面を底壁が塞いでいる構造であってもよい。
【０１３２】
変形例４
上記実施形態のマニホールド２００は、側壁２２０が底壁２１０から略垂直に上方に延びているが、本発明のマニホールドは、これに限定されない。例えば、側壁２２０は、上方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよく、下方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１        セルスタック装置
１００    燃料電池セル
２００    マニホールド
３００    第１接合材
３０１    露出面
３０２    外表面
３１０    第１領域
３２０    第２領域
Ｂ        境界
Ｌ，Ｌ１  距離
【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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