(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと、
前記燃料電池セルが挿入されるセル支持孔を有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、前記燃料電池セルと前記セル支持孔との隙間に配置される充填部と、前記充填部の外側に配置される溜まり部とを有し、
前記燃料電池セルの外面に垂直な断面において、前記充填部と前記燃料電池セルとの第１接触長さに対する、前記溜まり部と前記燃料電池セルとの第２接触長さの比は、０．２５以上２９．８０以下であり、
前記第１接触長さは、０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、前記第２接触長さは、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である、
燃料電池のスタック構造体。
【請求項２】
前記燃料電池セルの外面に垂直な断面において、前記第１接触長さに対する、前記溜まり部と前記マニホールドとの第３接触長さの比は、０．０５以上２９．６０以下である、
請求項１に記載の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】
従来の燃料電池のスタック構造体は、燃料電池セルと、マニホールドと、接合材（シール材）とを備える（特許文献１を参照）。マニホールドは、燃料電池セルが挿入されるセル支持孔（貫通孔）を有する。接合材は、支持基板とセル支持孔とを接合する。
【０００３】
このスタック構造体では、接合材が、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間（空気に曝される空間）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している。すなわち、接合材は、シール材として機能している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１００６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スタック構造体では、稼働時には、熱膨張及び熱収縮等による熱応力が、燃料電池セル及びマニホールドに発生する。すると、この熱応力によって、接合材にクラックが局所的に発生してしまうおそれがある。ここで、局所的に発生したクラックが、熱応力によって、さらに成長すると、このクラックが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通路となり、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おそれがある。このため、クラックに起因するガスリークの発生を抑制する様々な試みがなされ、この問題を解決するための技術が期待されている。
【０００６】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ガスリークが発生しにくいスタック構造体を、提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池のスタック構造体は、燃料電池セルと、マニホールドと、接合材とを備える。マニホールドは、燃料電池セルが挿入されるセル支持孔を有する。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、燃料電池セルとセル支持孔との隙間に配置される充填部と、充填部の外側に配置される溜まり部とを有する。燃料電池セルの外面に垂直な断面において、充填部と燃料電池セルとの第１接触長さに対する、溜まり部と燃料電池セルとの第２接触長さの比は、０．２５以上２９．８０以下である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガスリークが発生しにくいスタック構造体を、提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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の全体斜視図である。
【図２】セルの全体斜視図である。
【図３】マニホールドの全体斜視図である。
【図４】セル及びマニホールドの部分拡大断面図である。
【図５】マニホールドの支持板に形成された挿入孔の拡大図である。
【図６】接合材が配置される部分の拡大断面図である。
【図７】燃料電池のスタック構造体において、接合材が配置される部分の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜スタック構造体の構成＞
ここでは、本発明に係るスタック構造体の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
スタック構造体１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に用いられる構造体である。なお、本実施形態では、図１に示すように、ｘ，ｙ，ｚ座標系が設定されている。
【００１２】
スタック構造体１は、複数のセル１００と、マニホールド２００と、接合材３００とを備えている。
【００１３】
＜セル＞
各セル１００は、燃料電池セルである。図１に示すように、各セル１００は、マニホールド２００に設けられる。セル１００は、互いに間隔を隔てて並べられる。図２及び図４に示すように、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端部１０ａ（流入側端部）は、接合材３００によってマニホールド２００に接合される。セル１００のｘ軸方向において燃料ガスが排出される側の端部１０ｂ（排出側端部）は、自由端となっている。このように支持基板１０がマニホールド２００に配置されるスタック構造は、一般的に「片持ちスタック構造体」と表現される。
【００１４】
図２に示すように、セル１００は、実質的に平板状に形成されている。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軸方向に対応している。
【００１５】
セル１００は、ｘ軸方向の長さＬ１がｙ軸方向の長さＬ２より長くなるように形成されている。ｘ軸方向の長さＬ１は特に制限されないが、５０ｍｍ以上且つ５００ｍｍ以下の範囲内に設定することができる。ｙ軸方向の長さＬ２は特に制限されないが、１０ｍｍ以上且つ１００ｍｍ以下の範囲内に設定することができる。ｚ軸方向の長さＬ３は特に制限されないが、１ｍｍ以上且つ５ｍｍ以下の範囲内に設定することができる。
【００１６】
図２に示すように、各セル１００は、複数の発電素子部Ａと、支持基板１０と、シール膜２０とを有する。
【００１７】
各発電素子部Ａは、燃料極、固体電解質膜、及び空気極を有する。各発電素子部Ａは、燃料極、固体電解質膜、及び空気極の順に積層された積層焼成体である。ここでは、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）とから構成される。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）から構成される。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）から構成される。
【００１８】
複数の発電素子部Ａは、支持基板１０に設けられる。複数（例えば４個）の発電素子部Ａは、電気的に直列に接続される。
【００１９】
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。
【００２０】
支持基板１０は、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。
【００２１】
支持基板１０の内部には、複数（例えば６個）の燃料ガス流路１１（貫通孔）が形成されている。各燃料ガス流路１１は、ｘ軸方向に延びている。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ている。
【００２２】
シール膜２０は、支持基板１０の外表面を覆う。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、ＳｃＳＺ、ガラス、スピネル酸化物などが挙げられる。シール膜２０は、各発電素子部Ａの固体電解質膜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、各発電素子部Ａの固体電解質膜と一体的に形成されていてもよい。
【００２３】
＜マニホールド＞
マニホールド２００は、複数のセル１００それぞれに燃料ガスを供給するためのものである。図３及び図４に示すように、マニホールド２００は、実質的に直方体状の筐体である。マニホールド２００では、高さ方向（上方）、短手方向（幅方向）、及び長手方向が、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向に各別に対応している。
【００２４】
図３及び図４に示すように、マニホールド２００は、基部２１０と、支持板２２０（上壁）とを有している。基部２１０は、金属例えばステンレス鋼等から構成されている。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。
【００２５】
支持板２２０は、金属例えばステンレス鋼等から構成されている。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の開口部を塞いでいる。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）。すなわち、内部空間Ｓ１は、基部２１０（底部及び壁部）と支持板２２０とによって構成される。この内部空間Ｓ１には、燃料ガスが導入される。
【００２６】
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、金属例えばステンレス鋼等から構成されている。導入管２３０は、マニホールド２００の支持板２２０に、接合・固定されている。具体的には、導入管２３０は、支持板２２０に形成された貫通孔（図示しない）に挿入された状態で、支持板２２０に溶接される。
【００２７】
上記の構成を有するマニホールド２００は、図３、図４、及び図５に示すように、複数のセル１００を支持する。具体的には、マニホールド２００の支持板２２０が、複数のセル支持孔２２１を有している。各セル支持孔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、各セル支持孔２２１は、支持板２２０をｘ軸方向（高さ方向）に貫通している（図４を参照）。各セル支持孔２２１は、ｚ軸方向（長手方向）に所定の間隔を隔てて形成されている（図３及び図５を参照）。また、各セル支持孔２２１は、ｙ軸方向（短手方向）にも所定の間隔を隔てて形成されている（図３を参照）。
【００２８】
図４に示すように、各セル支持孔２２１には、各セル１００が配置される。詳細には、各セル１００の燃料ガス流路１１が内部空間Ｓ１に連通するように、各セル支持孔２２１には、各セル１００の流入側端部１０ａが挿入される。
【００２９】
図５に示すように、各セル支持孔２２１をマニホールド２００の外側（外部空間）から見た場合（ｘ軸に沿って見た場合）、各セル支持孔２２１は、一方向に長く形成され、且つ両端部が円弧状に形成されている。すなわち、各セル支持孔２２１は、長円形状に形成されている。各セル支持孔２２１は、ｙ軸方向の長さＬ４（長手方向の長さ）がｚ軸方向の長さＬ５（短手方向の長さ・幅方向の長さ）より長くなるように形成されている。
【００３０】
各セル支持孔２２１におけるｙ軸方向の長さＬ４は、各セル１００の流入側端部１０ａの外面におけるｙ軸方向の長さＬ２よりも大きい。各セル支持孔２２１のｙ軸方向の長さＬ４及び各セル１００のｙ軸方向の長さＬ２の差は、例えば０．１ｍｍ以上且つ１．０ｍｍ以下の範囲内である。
【００３１】
また、各セル支持孔２２１におけるｚ軸方向の長さＬ５は、各セル１００の流入側端部１０ａの側面におけるｚ軸方向の長さＬ３よりも大きい。各セル支持孔２２１のｚ軸方向の長さＬ５及び各セル１００のｚ軸方向の長さＬ３の差は、例えば０．１ｍｍ以上且つ１．０ｍｍ以下の範囲内である。
【００３２】
すなわち、図５に示すように、各セル１００の流入側端部１０ａが、各セル支持孔２２１に挿入された状態では、各セル支持孔２２１の内面と各セル１００の流入側端部１０ａの外面との間には、隙間Ｇが形成される。隙間Ｇは、セル１００の方向ｒに沿って、セル１００の外周面周りに形成される。隙間Ｇは、全周にわたって一定であってもよいが一定でなくてもよい。この隙間Ｇには、接合材３００が配置される。
【００３３】
＜接合材＞
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、又はＳｉＯ２−ＭｇＯ系のものが用いられる。なお、結晶化ガラスとしては、ＳｉＯ２−ＭｇＯ系のものが最も好ましい。
【００３４】
ここで用いられる結晶化ガラスは、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、且つ全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスである。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。
【００３５】
接合材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及び複数のセル１００の外側の外部空間の空気との混合を防止する。具体的には、図４、図５、及び図６に示すように、接合材３００は、マニホールド２００と各セル１００との間に配置され、マニホールド２００と各セル１００とを接合する。これにより、接合材３００は、内部空間Ｓ１（燃料ガスに曝される空間）と外部空間（空気に曝される空間）とを区画する。すなわち、接合材３００は、シール材として機能する。
【００３６】
なお、図４、図５、及び図６では、説明を容易にするために、各部材の形状が誇張して描かれている。
【００３７】
図４及び図６に示すように、接合材３００は、マニホールド２００の各セル支持孔２２１と各セル１００との隙間Ｇを、マニホールド２００及び各セル１００の外側から塞ぐように、隙間Ｇに充填される。
【００３８】
具体的には、図６に示すように、接合材３００は、充填部３０１と、溜まり部３０２とを有する。充填部３０１は、隙間Ｇに配置される。充填部３０１は、ｘ軸方向において、隙間Ｇの外部空間側（隙間Ｇの上部）に充填される。充填部３０１は、各セル１００の流入側端部１０ａの外面、及びマニホールド２００の各セル支持孔２２１の内面に接触して、両者を接合・固定する。
【００３９】
この状態において、充填部３０１の下面は、各セル１００の流入側端部１０ａの外面に対して、鈍角Ｄに形成されている。鈍角Ｄは、セル１００の外面に沿う方向ｒ（図５を参照）の全周において連続的に成立していてもよいが、方向ｒにおいて断続的に成立していてもよい。図６では、各セル１００をｘｚ平面で切断した断面における鈍角Ｄを、一例として、示している。これにより、充填部３０１の下面、及びセル１００の流入側端部１０ａの外面によって構成される隅角部には、応力集中が発生しづらい。
【００４０】
溜まり部３０２は、隙間Ｇの外側において、各セル１００の流入側端部１０ａの外面、及びマニホールド２００の外面（支持板２２０における外部空間側の面）に接触して、両者を接合・固定する。
【００４１】
隙間Ｇのｘ軸方向における充填部３０１の下方、すなわち隙間Ｇの内部空間側（隙間Ｇの下部）には、接合材３００が未充填である未充填空間Ｓ２（空間の一例）が設けられている。言い換えると、未充填空間Ｓ２は、隙間Ｇの接合材３００とマニホールド２００の内部空間Ｓ１との間に設けられている。
【００４２】
上記のように接合材３００が隙間Ｇに配置された状態では、図６に示すように、充填部３０１（隙間Ｇの接合材３００）が、第１領域Ｒ１においてセル１００に接触する。また、溜まり部３０２が、第２領域Ｒ２においてセル１００に接触する。
【００４３】
第１領域Ｒ１は、充填部３０１がセル１００に接触する面である。第１領域Ｒ１は、セル１００の外面に沿う方向ｒにおいて、セル１００に接触し接着する。第１領域Ｒ１のｘ軸方向の長さは、第１接触長さＣ１によって定義される。
【００４４】
第２領域Ｒ２は、溜まり部３０２がセル１００に接触し接着する面である。第２領域Ｒ２は、セル１００の外面に沿う方向ｒにおいて、セル１００に接触し接着する。第２領域Ｒ２のｘ軸方向の長さは、第２接触長さＣ２によって定義される。
【００４５】
第１接触長さＣ１に対する第２接触長さＣ２の比（Ｃ２／Ｃ１）は、０．２５以上２９．８０以下である。これによって、セル１００とマニホールド２００を接合材３００で強固に接合できるとともに、接合材３００におけるクラックを抑えてガスリークを抑制することができる。
【００４６】
第１接触長さＣ１は特に制限されないが、接合材３００のガスシール性を考慮すると、セル支持孔２２１の長さＴ０の５％以上であることが好ましい。第１接触長さＣ１は、例えば０．０５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることができる。第２接触長さＣ２は特に制限されないが、接合材３００のガスシール性を考慮すると、セル支持孔２２１の長さＴ０の５％以上であることが好ましい。第２接触長さＣ２は、例えば０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることができる。
【００４７】
ここで、第１接触長さＣ１は、次のように求められる。まず、図５に示す４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４において、セル１００の外面に垂直な断面を観察して、接合材３００の充填部３０１がセル１００と接触する領域を確認する。測定位置Ｍ１，Ｍ２は、セル１００の幅方向両端に位置し、互いに対向する。測定位置Ｍ３，Ｍ４は、セル１００の幅方向中央両側に位置し、互いに対向する。次に、４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４それぞれにおいて、充填部３０１がセル１００と接触する接触長さを測定する。そして、４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４で測定された接触長さの算術平均値を第１接触長さＣ１とする。
【００４８】
第２接触長さＣ２は、第１接触長さＣ１と同様、次のように求められる。まず、図５に示す４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４において、セル１００の外面に垂直な断面を観察して、接合材３００の溜まり部３０２がセル１００と接触する領域を確認する。次に、４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４それぞれにおいて、溜まり部３０２がセル１００と接触する接触長さを測定する。そして、４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４で測定された接触長さの算術平均値を第２接触長さＣ２とする。
【００４９】
図６に示すように、溜まり部３０２は、第３領域Ｒ３においてマニホールド２００に接触する。第３領域Ｒ３は、溜まり部３０２がマニホールド２００のうち支持板２２０の外面に接触し接着する。第３領域Ｒ３は、セル１００の外面に沿う方向ｒにおいて、マニホールド２００に接触し接着する。第３領域Ｒ３のｚ軸方向の長さは、第３接触長さＣ３によって定義される。
【００５０】
第１接触長さＣ１に対する第３接触長さＣ３の比（Ｃ３／Ｃ１）は、０．０５以上２９．６０以下が好ましい。これによって、接合材の強度をより向上させることができるため、接合材３００からのガスリークをさらに抑制できる。
【００５１】
第３接触長さＣ３は特に制限されないが、例えば０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることができる。第３接触長さＣ３は、第１接触長さＣ１と同様、図５に示す４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４それぞれにおいて測定された接触長さの算術平均値である。
【００５２】
図６に示すように、充填部３０１は、第４領域Ｒ４においてセル支持孔２２１に接触する。第４領域Ｒ４は、充填部３０１がマニホールド２００のうちセル支持孔２２１の内周面に接触し接着する。第４領域Ｒ４は、セル１００の外面に沿う方向ｒにおいて、マニホールド２００に接触し接着する。第４領域Ｒ４のｘ軸方向の長さは、第４接触長さＣ４によって定義される。
【００５３】
第４接触長さＣ４は、第１接触長さＣ１とは異なっており、第１接触長さＣ１よりも短い。第４接触長さＣ４に対する第１接触長さＣ１の比（Ｃ１／Ｃ４）は、１．１９以上３９．４０以下であることが好ましい。これによって、充填部３０１の内面をセル１００の外面及びセル支持孔２２１の内周面それぞれに対して斜めに傾けることができる。従って、第１接触長さＣ１と第４接触長さＣ４が同じである場合に比べて、充填部３０１の内面とセル１００の外面との境界付近や充填部３０１の内面とセル支持孔２２１の内周面との境界付近における応力集中が抑えられる。その結果、充填部３０１におけるクラックの発生が抑えられる。
【００５４】
第４接触長さＣ４は特に制限されないが、例えば０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることができる。第４接触長さＣ４は、第１接触長さＣ１と同様、図５に示す４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４それぞれにおいて測定された接触長さの算術平均値である。
【００５５】
また、隙間Ｇの間隔Ｋに対する第１接触長さＣ１の比（Ｃ１／Ｋ）は特に制限されないが、０．０５以上であることが好ましい。これによって、ガスリークを適切に発生しにくくでき、且つセル１００とセル支持孔２２１との接合力を適切に向上できる。隙間Ｇの間隔Ｋは、例えば０．１ｍｍ以上且つ１．０ｍｍ以下の範囲内に設定することができるが、これに限られるものではない。
【００５６】
なお、各サンプルのセル支持孔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を考慮すると、隙間Ｇの間隔Ｋを０．１ｍｍ未満に設定することは容易ではない。また、隙間Ｇの間隔Ｋを、敢えて０．１ｍｍ未満に設定しようとすると製造コストが増大するおそれがある。このため、隙間Ｇの間隔Ｋは、０．１ｍｍ以上に設定することが好ましい。
【００５７】
隙間Ｇの間隔Ｋは、次のように求められる。まず、図５に示す４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４において、セル１００の外面に垂直な断面を観察して、隙間Ｇを確認する。次に、４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４それぞれにおいて、隙間Ｇの間隔を測定する。そして、４つの測定位置Ｍ１〜Ｍ４で測定された隙間Ｇの間隔の算術平均値を間隔Ｋとする。
【００５８】
＜その他の構造＞
図４に示すように、スタック構造体１は、集電部材４００，５００をさらに有している。集電部材４００は、隣接するセル１００の間に設けられている。詳細には、集電部材４００は、一方のセル１００の燃料極と、他方のセル１００の空気極とを電気的に直列に接続するために、隣接するセル１００の間に設けられている。集電部材４００は、例えば、金属メッシュ等から構成される。また、集電部材５００は、各セル１００に設けられている。詳細には、集電部材５００は、各セル１００の表側と裏側とを電気的に直列に接続するために、各セル１００に設けられている。
【００５９】
＜スタック構造体の動作＞
上記のスタック構造体１は、例えば、次のように動作する。スタック構造体１では、高温（例えば、６００〜８００℃）の燃料ガス（水素ガス等）が、導入管２３０からマニホールド２００の内部空間Ｓ１へと導入される。すると、この燃料ガスが、各セル１００の燃料ガス流路１１に導入される。そして、燃料ガスが燃料ガス流路１１を通過すると、燃料ガス流路１１の排出側端部の排出口から外部へと排出される。一方で、空気（酸素を含むガス等）が、隣接するセル１００間の空間において、セル１００のｙ軸方向に通過する。
【００６０】
このように燃料ガス及び空気を移動させることによって、各発電素子部Ａでは、酸素分圧差すなわち電位差が、固体電解質膜の表裏面間に生じる。この状態で、セル１００が外部の負荷に電気的に接続されると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こる。これにより、セル１００内にて電流が流れて発電状態となる。この発電状態において、セル１００から電力が取り出される。
【００６１】
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−    （於：空気極）  …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        （於：燃料極）  …（２）
＜スタック構造体の組立て＞
上述のスタック構造体１は、例えば、次のように組み立てられる。
【００６２】
まず、セル１００の流入側端部１０ａの表面に、接合材３００と親和性の高い材料（以下、「親和性材料」という。）を塗布して熱処理（結晶化処理）する。
【００６３】
この際、図６に示すように、流入側端部１０ａの表面のうちセル支持孔２２１に対向する領域における塗布長さＴ１と、その外側の領域における塗布長さＴ２とを調整することによって、第１接触長さＣ１に対する第２接触長さＣ２の比（Ｃ２／Ｃ１）を０．２５以上２９．８０以下に制御できる。また、塗布長さＴ１を調整することによって、第４接触長さＣ４に対する第１接触長さＣ１の比（Ｃ１／Ｃ４）を１．１９以上３９．４０以下に制御できる。さらに、塗布長さＴ２を調整することによって、第１接触長さＣ１に対する第３接触長さＣ３の比（Ｃ３／Ｃ１）を０．０５以上２９．６０以下に制御できる。
【００６４】
次に、複数のセル１００が、スタック状に整列された状態で、所定の治具等を用いて固定される。続いて、複数のセル１００がスタック状に整列・固定された状態で、複数のセル１００の流入側端部１０ａが、マニホールド２００における複数のセル支持孔２２１に、各別に挿入される。
【００６５】
続いて、接合材３００が、マニホールド２００及び各セル１００の外側から隙間Ｇを塞ぐように供給されると、充填部３０１及び溜まり部３０２が形成される。このときに、セル１００に塗布された塗布長さＴ１の親和性材料に対する接合材３００の濡れ性が、マニホールド２００のセル支持孔２２１の内表面に対する接合材３００の濡れ性よりも高いため、図６に示すように、第１接触長さＣ１が第４接触長さＣ４よりも長くなる。また、セル１００に塗布された塗布長さＴ２の親和性材料に対する接合材３００の濡れ性が、マニホールド２００の外表面に対する接合材３００の濡れ性と異なるため、図６に示すように、第２接触長さＣ２と第３接触長さＣ３とがそれぞれ調整される。
【００６６】
最後に、接合材３００（例えば非晶質材料のペースト）に対して、熱処理（結晶化処理）が施される。この熱処理によって非晶質材料の温度が結晶化温度に到達すると、非晶質材料の内部において結晶相が生成され、接合材３００が結晶化する。この結果、非晶質材料が固化・セラミックス化し、結晶化ガラスとなる。
【００６７】
これにより、この結晶化ガラスで構成される接合材３００によって、各セル１００の流入側端部１０ａがマニホールド２００の各セル支持孔２２１に接合・固定される。言い換えると、各セル１００の流入側端部１０ａが、接合材３００によって、マニホールド２００の支持板２２０に接合・支持される。その後、上述した所定の治具が複数のセル１００から取り外され、スタック構造体１が完成する。
【００６８】
＜他の実施形態＞
上述した実施形態では、充填部３０１がセル支持孔２２１と接触する第４接触長さＣ４が、充填部３０１がセル１００と接触する第１接触長さＣ１よりも短いこととしたが、これに限られるものではない。例えば、図７に示すように、第４接触長さＣ４は、第１接触長さＣ１よりも長くてもよい。また、図示しないが、第４接触長さＣ４は、第１接触長さＣ１と同じであってもよい。
【００６９】
これらの場合であっても、第１接触長さＣ１に対する第２接触長さＣ２の比（Ｃ２／Ｃ１）を０．２５以上２９．８０以下とすることによって、接合材３００におけるクラックを抑えてガスリークを抑制することができる。
【００７０】
なお、第１接触長さＣ１に対する第２接触長さＣ２の比は、図７に示すように、接合材３００を隙間Ｇに充填する前にセル支持孔２２１の内周面に予め塗布される親和性材料の塗布長さＴ４によって調整することができる。
【実施例】
【００７１】
以下において本発明に係るセルの実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
【００７２】
（サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１４の作製）
以下のようにして、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１４の燃料電池スタック構造体を作製した。サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．１４は、図６に示した構成を有する
まず、長さ２００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚み２ｍｍのセルを準備した。セルの外面は、ＹＳＺシール膜によって覆われている。セルの内部には、燃料流路が形成されている。
【００７３】
次に、セルの一端部の外面全周に親和性材料としての非晶質材料のペーストを塗布した後、熱処理（８５０℃、１時間）することによって親和性材料を結晶化した。この際、図６に示したように、セル支持孔に対向する領域における塗布長さＴ１と、その外側の領域における塗布長さＴ２とを調整することによって、表１に示すように、接合材の充填部とセルとの第１接触長さＣ１と、接合材の溜まり部とセルとの第２接触長さＣ２と、接合材の溜まり部とマニホールドとの第３接触長さＣ３とをサンプルごとに変更した。
【００７４】
次に、セル支持孔を有するステンレス鋼製のマニホールドを準備して、セルの一端部をセル支持孔に挿入した。
【００７５】
次に、接合材としての非晶質材料のペーストをセルとセル支持孔の隙間に充填した後、熱処理（８５０℃、１時間）することによって接合材を結晶化した。
【００７６】
（サンプルＮｏ．１５〜Ｎｏ．２８の作製）
以下のようにして、サンプルＮｏ．１５〜Ｎｏ．２８の燃料電池スタック構造体を作製した。サンプルＮｏ．１５〜Ｎｏ．２８は、図７に示した構成を有する
まず、長さ２００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚み２ｍｍのセルを準備した。セルの外面は、ＹＳＺシール膜によって覆われている。セルの内部には、燃料流路が形成されている。
【００７７】
次に、セル支持孔を有するステンレス鋼製のマニホールドを準備した。
【００７８】
次に、セル支持孔の内周面全周に親和性材料としての非晶質材料のペーストを塗布した後、熱処理（８５０℃、１時間）することによって親和性材料を結晶化した。この際、図７に示したように、セルの外面における塗布長さＴ２と、セル支持孔２２１の内周面における塗布長さＴ４とを調整することによって、表２に示すように、接合材の充填部とセルとの第１接触長さＣ１と、接合材の溜まり部とセルとの第２接触長さＣ２と、接合材の溜まり部とマニホールドとの第３接触長さＣ３とをサンプルごとに変更した。
【００７９】
次に、セルの一端部をセル支持孔に挿入した。
【００８０】
次に、接合材としての非晶質材料のペーストをセルとセル支持孔の隙間に充填した後、熱処理（８５０℃、１時間）することによって接合材を結晶化した。
【００８１】
（接合材の観察）
まず、各サンプルにおいて、セルの幅方向両端の２箇所とセルの幅方向中央両側の２箇所とにおけるセルの外面に垂直な断面を露出させた。
【００８２】
次に、各サンプルの４つの断面を、走査型電子顕微鏡（日本電子社製、型式ＪＳＭ６６１０ＬＶ）で観察することによって、第１乃至第３接触長さＣ１〜Ｃ３を算出した。第１乃至第３接触長さＣ１〜Ｃ３は、４つの断面それぞれにおける測定値の算術平均値である。算出結果を表１及び表２にまとめて示す。
【００８３】
（接合材形成後のガスリーク試験）
各サンプルの燃料流路の出口をゴムキャップで封止した後、加圧した燃料ガスをマニホールドに導入した。
【００８４】
次に、各サンプルを液体中に浸漬させて、接合材から気泡が発生するか否かを目視で観察した。表１及び表２では、気泡が発生したサンプルが「リークあり」と評価され、気泡が発生しなかったサンプルが「リークなし」と評価されている。
【００８５】
（熱サイクル試験後のガスリーク試験）
各サンプルの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２時間で常温から７５０度まで上昇させた後、４時間で常温まで低下させる工程を１０サイクル繰り返した。
【００８６】
次に、各サンプルの燃料流路の出口をゴムキャップで封止した後、加圧した燃料ガスをマニホールドに導入した。
【００８７】
次に、各サンプルを液体中に浸漬させて、接合材から気泡が発生するか否かを目視で観察した。表１及び表２では、気泡が発生したサンプルが「リークあり」と評価され、気泡が発生しなかったサンプルが「リークなし」と評価されている。
【００８８】
【表１】
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【表２】
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【００８９】
表１および表２に示すように、第１接触長さＣ１に対する第２接触長さＣ２の比（Ｃ２／Ｃ１）を０．２５以上２９．８０以下としたサンプルＮｏ．３〜１２，１７〜２６では、接合材形成後における接合材からのガスリークを抑制できた。これは、第１接触長さＣ１に対する第２接触長さＣ２の比を適正値に制御することによって、セルとマニホールドを接合材で強固に接合でき、かつ、接合材におけるクラックを抑えることができたためである。
【００９０】
また、表１および表２に示すように、サンプルＮｏ．３〜１２，１７〜２６のうち、第１接触長さＣ１に対する第３接触長さＣ３の比（Ｃ３／Ｃ１）を０．０５以上２９．６０以下としたサンプルＮｏ．４〜１１，１８〜２５では、熱サイクル試験後においても、接合材からのガスリークを抑制できた。これは、第１接触長さＣ１に対する第３接触長さＣ３の比を適正値に制御することによって、接合材の強度をより向上させることができたためである。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
燃料電池のスタック構造体に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１  スタック構造体
１００  セル
２００  マニホールド
２２１  セル支持孔
３００，３００ａ  接合材
１０  支持基板
１１  燃料ガス流路
Ａ  発電素子部
Ｃ１  第１接触長さ
Ｃ２  第２接触長さ
Ｃ３  第３接触長さ
Ｃ４  第４接触長さ
Ｇ  隙間
Ｋ  隙間の間隔
Ｓ１  内部空間
Ｓ２  未充填空間
【要約】
【課題】ガスリークが発生しにくいスタック構造体１を、提供する。
【解決手段】スタック構造体１は、セル１００と、マニホールド２００と、接合材３００とを備える。マニホールド２００は、セル１００が挿入されるセル支持孔２２１を有する。接合材３００は、セル１００とマニホールド２００とを接合する。接合材３００は、セル１００とセル支持孔２２１との隙間に配置される充填部３０１と、充填部３０１の外側に配置される溜まり部３０２とを有する。セル１００の外面に垂直な断面において、充填部３０１とセル１００との第１接触長さＣ１に対する、溜まり部３０２とセル１００との第２接触長さＣ２の比は、０．２５以上２９．８０以下である。
【選択図】図６【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１】
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