(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが、第１長手方向を有し且つその内部に前記第１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、前記支持基板の表面に設けられ且つ少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部と、を含む、複数の燃料電池セルと、
燃料ガスが導入される内部空間を有するマニホールドであって、前記第１長手方向が上下方向と一致するように前記各セルがマニホールドの上壁から上方に向けてそれぞれ突出し、且つ、前記複数のセルがスタック状に整列し、且つ、前記内部空間と前記各セルの前記燃料ガス流路とが連通するように、前記各セルの燃料ガス流入側端部を前記上壁にて接合材を用いて接合・支持するマニホールドと、
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、
前記マニホールドの上壁には、それぞれが第２長手方向を有する複数の挿入孔が前記複数のセルのそれぞれに対応して形成され、
前記各セルについて、前記セルの幅方向が前記対応する挿入孔の前記第２長手方向に沿うように前記セルの燃料ガス流入側端部が対応する前記挿入孔に対応して位置付けられた状態にて前記対応する挿入孔を塞ぐように、且つ、前記上壁の上面、及び、前記セルの燃料ガス流入側端部の側面に接触するように、前記接合材が充填されることによって、前記上壁と前記セルの燃料ガス流入側端部とが接合され、
前記各挿入孔について、上方からみたとき、前記挿入孔の輪郭を形成する曲線上の異なる２点であり且つ２点の間の距離が最大となる２点を通る直線を第１直線（Ｈ１）とし、前記２点を両端とする線分の中点を通り且つ前記第１直線と垂直な直線を第２直線（Ｈ２）とし、
前記対応する挿入孔に対応して位置付けされた各セルについて、上方からみたとき、前記第１直線上における前記セルの燃料ガス流入側端部と前記対応する挿入孔との間の２か所の隙間の和をａとし、前記第２直線上における前記セルの燃料ガス流入側端部と前記対応する挿入孔との間の２か所の隙間の和をｂとしたとき、
ａ＞ｂが成立する、燃料電池のスタック構造体。
【請求項２】
挿入孔を含む上壁を有するマニホールドと、
前記挿入孔に挿入され、前記上壁から上方に延びる燃料電池セルと、
前記挿入孔を塞ぐように前記上壁と前記燃料電池セルとを接合する接合材と、
を備え、
前記挿入孔について、上方からみたとき、前記挿入孔の輪郭を形成する曲線上の異なる２点であり且つ２点の間の距離が最大となる２点を通る直線を第１直線（Ｈ１）とし、前記２点を両端とする線分の中点を通り且つ前記第１直線と垂直な直線を第２直線（Ｈ２）とし、
前記挿入孔に挿入された前記燃料電池セルについて、上方からみたとき、前記第１直線上における前記燃料電池セルと前記挿入孔との間の２か所の隙間の和をａとし、前記第２直線上における前記燃料電池セルと前記挿入孔との間の２か所の隙間の和をｂとしたとき、
ａ＞ｂが成立する、
燃料電池のスタック構造体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池のスタック構造体において、
１＜ａ／ｂ≦１０が成立する、燃料電池のスタック構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記第１直線上における前記２か所の隙間をａ１、ａ２（ａ１≧ａ２）とし、前記第２直線上における前記２か所の隙間をｂ１、ｂ２（ｂ１≧ｂ２）としたとき、１≦ａ１／ａ２≦１０が成立し、且つ、１≦ｂ１／ｂ２≦５が成立する、燃料電池のスタック構造体。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記接合材は、前記挿入孔の内壁面に接触する、燃料電池のスタック構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のスタック構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、「それぞれが、第１長手方向を有し且つその内部に前記第１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を含む、複数の燃料電池セル」と、「燃料ガスが導入される内部空間を有するマニホールドであって、前記第１長手方向が上下方向と一致するように前記各セルがマニホールドの上壁から上方に向けてそれぞれ突出し、且つ、前記複数のセルがスタック状に整列し、且つ、前記内部空間と前記各セルの前記燃料ガス流路とが連通するように、前記各セルの前記支持基板の燃料ガス流入側端部を前記上壁にて接合材を用いて接合・支持するマニホールド」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知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
この構造体では、前記マニホールドの上壁には、それぞれが第２長手方向を有する複数の孔が前記複数のセルのそれぞれに対応して形成されている。前記各セルについて、前記セルの幅方向が前記対応する孔の前記第２長手方向に沿うように前記セルの燃料ガス流入側端部が対応する前記孔に対応して位置付けられた状態にて前記対応する孔を塞ぐように、且つ、前記上壁の上面、及び、前記セルの燃料ガス流入側端部の側面に接触するように、前記接合材が充填されることによって、前記上壁と前記セルの燃料ガス流入側端部とが接合されている。換言すれば、前記接合材は、マニホールドの内部空間（燃料ガスに曝される空間）と、スタック構造体の外部（空気に曝される空間、以下、単に「外部」と呼ぶ）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機能（以下、「シール機能」と呼ぶ）を果たす。この構造体では、各セルの燃料ガス排出側端（上端）が自由端となっている。従って、この構造体は、「片持ちスタック構造体」とも呼ばれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１００６８７号公報
【発明の概要】
【０００５】
各セルについて、「セルの幅方向が対応する孔の第２長手方向に沿うようにセルの燃料ガス流入側端部が対応する孔に対応して位置付けられた状態における、セルの燃料ガス流入側端部と対応する孔との間の隙間」（以下、単に「隙間」と呼ぶこともある）の大きさに着目する。
【０００６】
上述のように、平板状の支持基板を有するセル（従って、平板状のセル）の場合、セルの幅がセルの厚さより大きい。従って、一般に、支持基板等の焼成時において、セルの幅方向の寸法変化量がセルの厚さ方向の寸法変化量より大きくなる。この結果、焼成後におけるセルの燃料ガス流入側端部について、幅方向の寸法のばらつき度合が厚さ方向の寸法のばらつき度合より大きくなり易い。一方、通常、各孔は、パンチ加工、切削加工等で形成されるので、各孔について、第２長手方向（上記幅方向に対応）の寸法のばらつき度合、及び、第２長手方向に垂直な方向（上記厚さ方向に対応）の寸法のばらつき度合は、同等程度となり易い。
【０００７】
従って、セル及び孔の両方の寸法のばらつきを考慮したときの、セルの幅方向の「隙間」の大きさの中央値（設計上の狙い値、デフォルト値）が小さい場合、セルの幅方向の実際の寸法が大きめになっていると、セルの幅方向の「隙間」の大きさが極端に小さく（或いは、ゼロに）なり易い。この結果、対応する孔に対してセルを組み付ける際の作業が行い難くなる、という問題が発生し易い。
【０００８】
以上より、本発明は、上述したスタック構造体において、対応する孔に対して平板状のセルを組み付ける際の作業が行い易いものを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の第１側面に係る燃料電池のスタック構造体は、上述と同じ複数のセルと、上述と同じマニホールドと、を備える。即ち、前記マニホールドの上壁には、それぞれが第２長手方向を有する複数の孔が前記複数のセルのそれぞれに対応して形成され、前記各セルについて、前記セルの幅方向が前記対応する孔の前記第２長手方向に沿うように前記セルの燃料ガス流入側端部が対応する前記孔に対応して位置付けられた状態にて前記対応する孔を塞ぐように、且つ、前記上壁の上面、及び、前記セルの燃料ガス流入側端部の側面に接触するように、前記接合材が充填されることによって、前記上壁と前記セルの燃料ガス流入側端部とが接合されている。
【００１０】
本発明に係るスタック構造体の特徴は、前記各孔について、上方からみたとき、前記孔の輪郭を形成する曲線上の異なる２点であり且つ２点の間の距離が最大となる２点を通る直線を第１直線（Ｈ１）とし、前記２点を両端とする線分の中点を通り且つ前記第１直線と垂直な直線を第２直線（Ｈ２）とし、前記対応する孔に対応して位置付けされた各セルについて、上方からみたとき、前記第１直線上における前記セルの燃料ガス流入側端部と前記対応する孔との間の２か所の隙間の和を「ａ」とし、前記第２直線上における前記セルの燃料ガス流入側端部と前記対応する孔との間の２か所の隙間の和を「ｂ」としたとき、「ａ＞ｂ」が成立する点にある。ここで、上記「ａ」はセルの幅方向の「隙間」に対応し、上記「ｂ」はセルの厚さ方向の「隙間」に対応する。
【００１１】
上記特徴によれば、セルの厚さ方向の「隙間」の大きさ（の中央値）に対してセルの幅方向の「隙間」の大きさ（の中央値）を相対的に大きめに設定できる。従って、セルの幅方向の実際の寸法が大きめになっていても、セルの幅方向の「隙間」の大きさが極端に小さくなり難い。この結果、対応する孔に対してセルを組み付ける際の作業が行い難くなる、という問題が発生し難い。
【００１２】
ところで、上述したスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、「前記接合材における外部に面する表面を起点とする、前記接合材の内部に向かうクラック」が発生する場合がある。これは、前記接合材における外部に面する表面に応力が集中し易いことに起因する、と考えられる。このクラックの成長によって、このクラックが「前記接合材における外部に面する表面」から「前記接合材におけるマニホールドの内部空間に面する表面」まで貫通する場合がある。以下、このように貫通するクラックを「貫通クラック」と呼ぶ。
【００１３】
この「貫通クラック」が形成されると、前記接合材による上記「シール機能」が維持され得なくなり、前記接合材における「外部に面する表面」から燃料ガスが漏れ出る現象（以下、「ガスリーク」と呼ぶ）が発生する場合がある。
【００１４】
上述したスタック構造体が通常の環境下で稼働される場合と異なり、上述したスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働される場合には、上述したクラックの発生を確実に回避することは非常に困難である。しかしながら、上述したクラックの僅かな発生が許容されたとしても、このクラックの成長によって形成され得る上記「貫通クラック」に起因する「ガスリーク」が発生する頻度を低減することは重要である、と考えられる。
【００１５】
この点、本発明者は、上記「隙間」に関する値「ａ」及び値「ｂ」について、「１＜ａ／ｂ≦１０」が成立するように、セルの厚さ方向の「隙間」の大きさ（の中央値）、及び、セルの幅方向の「隙間」の大きさ（の中央値）を設定することによって、上述したスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合であっても、上述した「貫通クラック」が発生し難いこと、従って、上述した「ガスリーク」が発生し難いこと、を見出した（詳細は後述する）。
【００１６】
本発明の第２側面に係る燃料電池のスタック構造体は、マニホールドと、燃料電池セルと、接合材とを備えている。マニホールドは、挿入孔を含む上壁を有する。燃料電池セルは、挿入孔に挿入され、上壁から上方に延びる。接合材は、挿入孔を塞ぐように上壁と燃料電池セルとを接合する。挿入孔について、上方からみたとき、挿入孔の輪郭を形成する曲線上の異なる２点であり且つ２点の間の距離が最大となる２点を通る直線を第１直線（Ｈ１）とし、２点を両端とする線分の中点を通り且つ前記第１直線と垂直な直線を第２直線（Ｈ２）とする。また、挿入孔に挿入された燃料電池セルについて、上方からみたとき、第１直線上における燃料電池セルと挿入孔との間の２か所の隙間の和をａとし、第２直線上における燃料電池セルと挿入孔との間の２か所の隙間の和をｂとする。このとき、ａ＞ｂが成立する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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２】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３】本発明の実施形態に係るスタック構造体の全体の斜視図である。
【図４】図３に示したマニホールドの全体の斜視図である。
【図５】図４に示した支持板（上壁）に形成された挿入孔の拡大図である。
【図６】挿入孔とセルの流入側端部との接合部の様子を示した横断面図である。
【図７】図６の７−７線の断面図である。
【図８】図３に示したスタック構造体に対して燃料ガス及び空気が供給・排出される様子を示した図である。
【図９】セルの燃料ガス流入側端部と対応する孔との間の「隙間」に関して定義される各種寸法を説明するための図である。
【図１０】セルが対応する孔に対して少し傾いている場合における図９に対応する図である。
【図１１】接合材の断面の拡大図である。
【図１２】変形例に係るスタック構造体の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（スタック構造体に使用されるセルの構成の一例）
先ず、本発明に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタック構造体の実施形態に使用されるセル１００の一例について、図１〜図２を参照しながら説明する。
【００１９】
図１に示すセル１００は、長手方向（第１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。
【００２０】
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（ｘ軸方向）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の厚さＬ３（ｚ軸方向の距離）は、１〜５ｍｍである（Ｌ２＞Ｌ３）。
【００２１】
このセル１００は支持基板１０を備える。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。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。支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）で構成され得る。
【００２２】
支持基板１０の上下面のそれぞれに配置された各発電素子部Ａは、燃料極、固体電解質膜、及び空気極が少なくともこの順に積層された積層焼成体である。燃料極は、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）とで構成され得る。固体電解質膜は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）で構成され得る。空気極は、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）で構成され得る。
【００２３】
ＳＯＦＣの作動温度（６００〜８００℃）に維持された図１に示す「横縞型」のセル１００に対して、図２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の上下面に沿って酸素を含むガス（空気等）を流すことにより、各発電素子部Ａにおいて、固体電解質膜の表裏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、セル１００を外部の負荷に電気的に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、セル１００内にて電流が流れる(発電状態)。この発電状態にて、セル１００から電力が取り出される。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−    （於：空気極）  …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        （於：燃料極）  …（２）
【００２４】
（スタック構造体の全体構成の一例）
次に、上述したセル１００を用いた本発明に係るＳＯＦＣのスタック構造体の実施形態（以下、「本実施形態」とも呼ぶ）について説明する。図３に示すように、本実施形態は、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マニホールド２００と、を備えている。マニホールド２００は、長手方向（ｚ軸方向）を有する直方体状の筐体である。
【００２５】
マニホールド２００は、例えば、「底壁と側壁とを備え且つ上方に向けて開口する基部２１０」と、「基部２１０の上に配置され且つ前記開口を塞ぐ平板状の支持板（上壁）２２０」と、で構成される。支持板２２０は、多数のセル１００を支持する機能を備える。マニホールド２００（＝基部２１０＋支持板２２０）は、例えば、ステンレス鋼等で構成されている。
【００２６】
図３、及び図４に示すように、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。図３、及び図４に示す例では、導入管２３０は、支持板２２０の四隅部の１つから上方（ｘ軸正方向）に向けて突出するように、支持板２２０に対して接合・固定されている。導入管２３０も、例えば、ステンレス鋼等で構成されている。この導入管２３０は、例えば、支持板２２０に形成された貫通孔に挿入された状態にて溶接されることによって、支持板２２０に接合・固定されている。
【００２７】
各セル１００が、支持板２２０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、複数のセル１００がマニホールド２００の長手方向（ｚ軸方向）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における支持基板１０の長手方向（ｘ軸方向）の燃料ガス流入側端部（以下、「流入側端部」と呼ぶ）が、支持板２２０に対して接合材を用いて接合・支持されている。各セル１００における支持基板１０の長手方向（ｘ軸方向）の燃料ガス排出側の端部（以下、「排出側端部」と呼ぶ）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。
【００２８】
図４に示すように、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２２１が、ｚ軸方向において同じ間隔をおいて形成されている。各挿入孔２２１は、長手方向（第２長手方向、ｙ軸方向）を有している。各挿入孔２２１には、セル１００の幅方向（ｙ軸方向）が対応する孔２２１の長手方向（ｙ軸方向）に沿うように、対応するセル１００（より具体的には、支持基板１０）の流入側端部がそれぞれ、挿入されている。
【００２９】
図５に示すように、各挿入孔２２１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。挿入孔２２１の長さＬ４は、セル１００の流入側端部の側面の長さＬ２（図１を参照）より０．１〜３ｍｍ大きい。或いは、０．９８≦Ｌ２／Ｌ４＜１である。同様に、挿入孔２２１の幅Ｌ５は、セル１００の流入側端部の側面の幅Ｌ３（図１を参照）より０．１〜３ｍｍ大きい。或いは、０．８≦Ｌ３／Ｌ５＜１である。即ち、図６、及び図７に示すように、セル１００（支持基板１０）の流入側端部が挿入孔２２１に挿入された状態では、挿入孔２２１の内壁とセル１００（支持基板１０）の流入側端部の外壁との間に「隙間」が形成される。なお、図６、及び図７（特に、図６）では、前記隙間が誇張して描かれている。
【００３０】
図６、及び図７に示すように、挿入孔２２１とセル１００（支持基板１０）の流入側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（即ち、挿入孔２２１を塞ぐように）設けられている。これにより、各挿入孔２２１と対応するセル１００の流入側端部とがそれぞれ接合・固定される。加えて、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、スタック構造体の外部（空気に曝される空間、以下、単に「外部」と呼ぶ）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機能（上記「シール機能」）を果たしている。図７に示すように、各セル１００のガス流路１１の流入側端部は、マニホールド２００の内部空間と連通している。なお、図７に示すように、各セル１００は、セル１００の流入側端部が対応する挿入孔２２１の内部に進入するように、対応する挿入孔２２１に挿入されていることが好適である。
【００３１】
接合材３００は、例えば、結晶化ガラスで構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３系が採用され得るが、ＳｉＯ２−ＭｇＯ系のものが最も好ましい。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、接合材３００の材料として、非晶質ガラス、ろう材、セラミックス等が採用されてもよい。
【００３２】
また、図７に示すように、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の燃料極と他方のセル１００の空気極）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。
【００３３】
以上、説明した本実施形態（片持ちスタック構造）を作動させる際には、ＳＯＦＣの作動温度に維持された本実施形態に対して、図８に示すように、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）」を流通させる。導入管２３０から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２２１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の排出側端（排出口）から外部に排出される。空気は、スタック構造の内部における隣接するセル１００間の空間を、セル１００の幅方向（ｙ軸方向）に沿って流される。この結果、各セル１００が上述した発電状態となり、各セル１００（従って、スタック構造体）から電力が取り出される。
【００３４】
上述した本実施形態は、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、並びに、完成したマニホールド２００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のそれぞれの流入側端部が、支持板２２０の対応する挿入孔２２１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２２１とセル１００の流入側端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。
【００３５】
次に、上記のように充填された接合材３００用の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前記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が上記「シール機能」を発揮するとともに、各セル１００の流入側端部が対応する挿入孔２２１にそれぞれ接合・固定される。換言すれば、各セル１００の流入側端部が接合材３００を用いて支持板２２０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から取り外されて、上記本実施形態（片持ちスタック構造体）が完成する。
【００３６】
（対応する挿入孔に対する各セルの組み付け性の向上）
以下、各セル１００について、挿入孔２２１の内壁とセル１００の流入側端部の外壁との間の「隙間」の大きさに着目する。図９及び図１０は、それぞれ、セル１００の流入側端部が対応する挿入孔２２１に対応して挿入・位置付けされた状態の一例を示す。図９は、セルの幅方向が挿入孔２２１の長手方向に一致している場合を示し、図１０は、セルの幅方向が挿入孔２２１の長手方向に対して少しずれている場合を示している。
【００３７】
図９及び図１０に示すように、上方（ｘ軸正方向）からみたとき、「挿入孔２２１の輪郭を形成する曲線上の異なる２点であり、且つ、２点の間の距離が最大となる２点」を、点Ａ、及び、点Ｂとする。本実施形態では、点Ａ、及び、点Ｂは、挿入孔２２１の長手方向（ｙ軸方向）の両端点に対応している。「点Ａ、及び、点Ｂを通る直線」を「第１直線Ｈ１」とし、「点Ａ、及び、点Ｂを両端とする線分の中点Ｏを通り、且つ、第１直線Ｈ１と垂直な直線」を「第２直線Ｈ２」とする。
【００３８】
また、図９及び図１０に示すように、上方からみたとき、「第１直線Ｈ１上における、２か所の隙間の大きさをａ１、ａ２（ａ１≧ａ２）とし、それらの和をａ（＝ａ１＋ａ２）とする。「第２直線Ｈ２上における、２か所の隙間の大きさをｂ１、ｂ２（ｂ１≧ｂ２）とし、それらの和をｂ（＝ｂ１＋ｂ２）とする。ここで、値「ａ」は、セル１００の幅方向の「隙間」に対応し、値「ｂ」は、セル１００の厚さ方向の「隙間」に対応する。
【００３９】
本実施形態では、全てのセル１００（に対応するそれぞれの「隙間」）について、「ａ＞ｂ」が成立している。以下、この構成の作用・効果について説明する。
【００４０】
本実施形態のように、平板状の支持基板１０を有するセル１００（従って、平板状のセル）の場合、セル１００の幅がセル１００の厚さより大きい。従って、一般に、支持基板１０等の焼成時において、セル１００の幅方向の寸法変化量がセル１００の厚さ方向の寸法変化量より大きくなる。この結果、焼成後におけるセル１００の流入側端部について、幅方向の寸法のばらつき度合が厚さ方向の寸法のばらつき度合より大きくなり易い。一方、各挿入孔２２１は、パンチ加工、切削加工等で形成される。従って、各孔２２１について、長手方向（ｙ軸方向、セル１００の幅方向に対応）の寸法のばらつき度合、及び、長手方向に垂直な方向（ｚ軸方向、セル１００の厚さ方向に対応）の寸法のばらつき度合は、同等程度となり易い。
【００４１】
従って、セル１００及び挿入孔２２１の両方の寸法のばらつきを考慮したときの、セル１００の幅方向の「隙間」の大きさの中央値（設計上の狙い値、デフォルト値）が小さい場合、セル１００の幅方向の実際の寸法が大きめになっていると、セル１００の幅方向の「隙間」の実際の大きさが極端に小さく（或いは、ゼロに）なり易い。この結果、対応する挿入孔２２１に対してセル１００を組み付ける際の作業が行い難くなる、という問題が発生し易い。
【００４２】
この点、本実施形態のように、「ａ＞ｂ」が成立していると、セル１００の厚さ方向の「隙間」の大きさ（の中央値）に対して、セル１００の幅方向の「隙間」の大きさ（の中央値）を相対的に大きめに設定できる。従って、セル１００の幅方向の実際の寸法が大きめになっていても、セル１００の幅方向の「隙間」（＝ａ）の実際の大きさが極端に小さくなり難い。この結果、対応する挿入孔２２１に対してセル１００を組み付ける際の作業が行い難くなる、という問題が発生し難い。即ち、対応する挿入孔２１１に対する各セル１００の組み付け性が向上する。
【００４３】
（接合材におけるガスリークの抑制）
上記本実施形態に係るスタック構造体が、通常の環境下とは異なり、熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、「接合材３００における外部に面する表面を起点とする、接合材３００の内部に向かうクラック」が発生する場合がある。これは、接合材３００における外部に面する表面に応力が集中し易いことに起因する、と考えられる。このクラックの成長によって、このクラックが「接合材３００における外部に面する表面」から「接合材３００におけるマニホールド２００の内部空間に面する表面」まで貫通する場合がある。以下、このように貫通するクラックを「貫通クラック」と呼ぶ。
【００４４】
この「貫通クラック」が形成されると、接合材３００による上記「シール機能」が維持され得なくなり、接合材３００における「外部に面する表面」から燃料ガスが漏れ出る現象（上記「ガスリーク」）が発生する場合がある。
【００４５】
上記スタック構造体が、通常の環境下で稼働される場合と異なり、熱応力的に過酷な環境下で稼働される場合には、上述したクラックの発生を確実に回避することは非常に困難である。しかしながら、上述したクラックの僅かな発生が許容されたとしても、このクラックの成長によって形成され得る上記「貫通クラック」に起因する上記「ガスリーク」が発生する頻度を低減することは重要である。
【００４６】
なお、図１１は、１つのセル１００の流入側端部の側面に垂直、且つ、上下方向（ｘ軸方向）に沿う、接合材３００の断面の一例を示す。図１１に示すように、この断面において、「接合材３００と支持板（上壁）２２０の上面とが連続的に接触する接合部におけるセル１００の流入側端部の側面から最も離れた端と、セル１００の流入側端部の側面と、の間の距離」を「ｃ」と呼び、この断面において、「接合材３００とセル１００の流入側端部の側面とが連続的に接触する接合部における上下方向（ｘ軸方向）の長さ」を「ｄ」と呼ぶ。
【００４７】
本発明者は、上述した値「ａ」及び値「ｂ」の組み合わせに関し、接合材３００において上述した「貫通クラック」が発生し難い条件（従って、上述した「ガスリーク」が発生し難い条件）を見出した。以下、このことを確認した試験Ａについて説明する。
【００４８】
（試験Ａ）
この試験Ａでは、図３に示したスタック構造体について、値「ａ」及び値「ｂ」の組み合わせ（従って、値「ａ／ｂ」）が異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表１に示すように、１５種類の水準（組み合わせ）が準備された。これら１５種類の水準のデータは、それぞれ、準備された３つのサンプル（それぞれが、「スタック数（セル１００の数）＝５」のスタック構造体）に含まれる１５個のセル１００（に対応するそれぞれの「隙間」）について測定された値である。表１から理解できるように、全ての水準において、「ａ＞ｂ」（１＜ａ／ｂ）が成立している。
【００４９】
【表１】
0005925400.tif 000002
【００５０】
各サンプル（図３に示すＳＯＦＣのスタック構造体）について、各セル１００は、長さ（ｘ軸方向）が５０〜５００ｍｍ、幅（ｙ軸方向）が１０〜１００ｍｍ、厚さ（ｚ軸方向）が１〜５ｍｍの薄板状を呈していた。各セル１００の支持基板１００の材質は、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）等であった。各セル１００の支持基板１００について、焼成温度は１３００〜１６００℃、焼成時間は１〜２０時間であった。各セル１００には、１〜２０本のガス流路１１が形成されていた。マニホールド２００（＝基部２１０＋支持板２２０）の材質は、ステンレス鋼であった。上記「隙間」の大きさ（Ｌ４−Ｌ２、Ｌ５−Ｌ３、図６を参照）は、０．１〜３ｍｍであった。或いは、０．９８≦Ｌ２／Ｌ４＜１であり、０．８≦Ｌ３／Ｌ５＜１であった。接合材３００の材質は、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３系の結晶化ガラス、又は、非晶質ガラス、ろう材、セラミックスであった。なお、上記「隙間」の大きさに関し、各サンプルの挿入孔２２１の形状のばらつき、各セル１００の反りのばらつき、及び各セル１００の主面の厚さのばらつき等、の形状精度に起因して、０．１ｍｍ未満の「隙間」を実現することができなかった。挿入孔２２１等の形状精度をこれ以上高くすると、製造コストが増大するので、製造コスト低減の観点から好ましくない。
【００５１】
各サンプルに含まれる各セル１００について、上記「隙間」に充填された接合材３００用のペーストに対する熱処理は、７００〜１０００℃にて、１〜１０時間に亘って行われた。また、各サンプルに含まれる各セル１００について、上記「長さｃ」は０．５〜３．１ｍｍであり、上記「長さｄ」は０．５〜３．５ｍｍであった。なお、上述した図１１に対応する接合材３００の断面における気孔率（＝（多数の気孔が占める面積の総和）／（断面全体の面積））は１〜７面積％であった。
【００５２】
この試験Ａでは、各サンプルについて、「各燃料流路に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで２時間で上げた後に７５０℃から常温まで４時間で下げるパターン」を１０回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、上記「ガスリーク」の発生の有無が確認された。この確認は、各サンプル（スタック構造体、図３を参照）について、各セル１００の燃料ガス流路１１における排出側端部の開口をゴムキャップ等の封止材を用いてそれぞれ封止した状態にて、導入管２３０から加圧したガスを流した際に、接合材３００から前記ガスの漏れが発生するか否かを確認することによって行われた。前記ガスの漏れが発生するか否かの確認は、サンプルを液体中に浸漬させた状態にて気泡が発生するか否かを目視で観察することによって行われた。この結果は表１に示すとおりである。
【００５３】
表１から理解できるように、ａ／ｂが１０より大きいと、接合材３００における「ガスリーク」が発生し易い。これらの条件が成立する場合、接合材３００にて上述した「貫通クラック」が発生し易いことに基づく、と考えられる。
【００５４】
以上、表１の結果より、（全てのセル１００について）１＜ａ／ｂ≦１０であると、上述したスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合においても、接合材３００における「ガスリーク」が発生し難くなる、ということができる。
【００５５】
なお、本発明者は、通常の条件・環境下（定常運転状態、燃料利用率が一定の運転状態）にて上述したスタック構造体が使用される場合、ａ／ｂが１０より大きくても、接合材３００における「ガスリーク」が発生し難いことを別途確認している。
【００５６】
また、本発明者は、上述した隙間ａ（＝ａ１＋ａ２）（ａ１≧ａ２）、及び、隙間ｂ（＝ｂ１＋ｂ２）（ｂ１≧ｂ２）に関し、１＜ａ／ｂ≦１０が成立している場合において、１≦ａ１／ａ２≦１０、且つ、１≦ｂ１／ｂ２≦５が成立していると、接合材３００における「ガスリーク」がより一層発生し難くなることも見出した。以下、このことを確認した試験Ｂについて説明する。
【００５７】
（試験Ｂ）
この試験Ｂでは、図３に示したスタック構造体について、値「ａ１／ａ２」、及び、値「ｂ１／ｂ２」の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表２に示すように、１５種類の水準（組み合わせ）が準備された。これら１５種類の水準のデータは、それぞれ、準備された３つのサンプル（それぞれが、「スタック数（セル１００の数）＝５」のスタック構造体）に含まれる１５個のセル１００（に対応するそれぞれの「隙間」）について測定された値である。なお、これら全ての水準において、１＜ａ／ｂ≦１０が成立していた。各サンプルについて、寸法、熱処理条件等、値「ａ１／ａ２」及び値「ｂ１／ｂ２」以外の諸条件は、試験Ａのものと同じであった。
【００５８】
【表２】
0005925400.tif 000003
【００５９】
この試験Ｂでは、各サンプルについて、試験Ａで実行された熱サイクル試験より熱応力的に過酷な熱サイクル試験、即ち、「各燃料流路に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで１時間で上げた後に７５０℃から常温まで２時間で下げるパターン」を２０回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、試験Ａと同様の手順によって、上記「ガスリーク」の発生の有無が確認された。この結果は表２に示すとおりである。
【００６０】
表２から理解できるように、熱応力的により過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、１≦ａ１／ａ２≦１０、且つ、１≦ｂ１／ｂ２≦５が成立していると、そうでない場合と比べて、接合材３００における「ガスリーク」がより発生し難くなる、ということができる。
【００６１】
以上、表１、及び表２の結果より、（全てのセル１００について）１＜ａ／ｂ≦１０であると、接合材３００における「ガスリーク」が発生し難く、更に、（全てのセル１００について）１≦ａ１／ａ２≦１０、且つ、１≦ｂ１／ｂ２≦５であると、接合材３００における「ガスリーク」がより一層発生し難い、ということができる。
【００６２】
本発明は上記本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、上記本実施形態では、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いるが、支持基板の表面に発電素子部が１つのみ設けられたセルが採用されてもよい。
【００６３】
更には、上記本実施形態では、マニホールド２００の天板が多数のセル１００を支持するための支持板２２０を兼ねているが（即ち、支持板２２０がマニホールド２００と一体で構成されているが）、マニホールドの内部空間と複数のセルのガス流路とが連通する限りにおいて、支持板がマニホールドとは別体で構成されていてもよい。
【００６４】
また、上記実施形態では、接合材３００は、支持板２２０の上面と燃料電池セル１００の側面のみに接触しているが、接合材３００の構成は特にこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、接合材３００は、支持板２２０の上面、挿入孔２２１の内壁面、及び燃料電池セル１００の側面に接触していてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１００…セル、２００…マニホールド、２１０…基部、２２０…支持板、２２１…挿入孔、２３０…導入管、３００…接合材、４００…集電部材、５００…集電部材、Ａ…発電素子部
【要約】
【課題】片持ちスタック構造体であって、対応する孔に対して平板状のセルを組み付ける
際の作業が行い易いものを提供すること。
【解決手段】スタック状に整列した複数の燃料電池セル１００のそれぞれの燃料ガス流入
側端部が、燃料ガス用のマニホールドの上壁２２０に形成された対応する挿入孔２２１に
それぞれ挿入され、接合材３００を用いて上壁２２０に接合・支持されている。上方から
みたとき、「挿入孔の輪郭を形成する曲線上の異なる２点であり且つ２点の間の距離が最
大となる２点Ａ，Ｂを通る直線」を「第１直線Ｈ１」とし、「２点Ａ，Ｂを両端とする線
分の中点Ｏを通り且つ第１直線Ｈ１と垂直な直線」を「第２直線Ｈ２」とし、第１直線Ｈ
１上における「隙間」の和をａ（＝ａ１＋ａ２）とし、第２直線Ｈ２上における隙間の和
をｂ（＝ｂ１＋ｂ２）としたとき、１＜ａ／ｂ≦１０が成立する。
【選択図】図９【図１】
0005925400.tif 000004
【図２】
0005925400.tif 000005
【図４】
0005925400.tif 000006
【図５】
0005925400.tif 000007
【図６】
0005925400.tif 000008
【図７】
0005925400.tif 000009
【図９】
0005925400.tif 000010
【図１０】
0005925400.tif 000011
【図１１】
0005925400.tif 000012
【図３】
0005925400.tif 000013
【図８】
0005925400.tif 000014
【図１２】
0005925400.tif 000015