(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池からマニホールドへのリーク電流を抑制可能な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１００は、導電性材料によって構成される天板２０３に形成された挿入孔２０２を有するマニホールドと、挿入孔２０２に端部が挿入される燃料電池とを備える。燃料電池は、多孔支持基板２０と、発電部１０と、多孔支持基板２０の外表面を覆う緻密シール層１１とを有する。緻密シール層１１のうち最大電界強度を示す領域は、緻密シール層１１のうちマニホールドの挿入孔２０２と対向する対向領域１１Ａから離れている。【選択図】図５
2018037400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料によって構成される天板に形成された挿入孔を有するマニホールドと、
前記挿入孔に端部が挿入される燃料電池と、
を備え、
前記燃料電池は、
内部にガス流路を有する絶縁性の多孔支持基板と、
前記多孔支持基板上に配置される発電部と、
前記多孔支持基板の外表面を覆う緻密シール層と、
を有し、
前記緻密シール層のうち最大電界強度を示す領域は、前記緻密シール層のうち前記マニホールドの前記挿入孔と対向する対向領域から離れている、
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記多孔支持基板における遷移金属の含有率は、３０００ｐｐｍ以下である、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記発電部は、前記緻密シール層に接続される電解質層を含み、
前記緻密シール層は、前記電解質層に接続される、
請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記緻密シール層は、結晶化ガラス、スピネル酸化物、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３から選択される少なくとも１種によって構成される、
請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記緻密シール層は、前記対向領域と前記発電部の間に配置される第１部分と、前記第１部分に接続され、前記対向領域を含む第２部分とを有し、
前記第１部分は、結晶化ガラス、スピネル酸化物、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３から選択される少なくとも１種によって構成される、
請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記多孔支持基板は、所定の軸心に沿って延びる平板状に形成されており、
前記第１部分は、前記軸心を中心とする周方向において、断続的又は連続的に延びる、
請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記軸心に平行な方向において、前記第１部分の幅は、前記発電部と前記対向領域との間隔の１０％以上である、
請求項６に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルと、導電性材料によって構成されるマニホールドとを備える（特許文献１）。各燃料電池の基端部は、マニホールドの挿入孔に挿入された状態で接合材によって固定される。
【０００３】
各燃料電池は、絶縁性の多孔支持基板と、多孔支持基板上に配置される複数の発電部と、多孔支持基板の外表面を覆う緻密シール層とを備える燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の緻密シール層は、発電部の電解質層と同じ材料（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））によって構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１６４０９４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、燃料電池からマニホールドに微弱なリーク電流が流れる場合があるという問題がある。本発明者等が鋭意検討した結果、燃料電池とマニホールドとの隙間に大きな電界強度が生じることがリーク電流の原因であるという知見を得た。リーク電流が流れる理由は、以下のとおりである。
【０００６】
特許文献１に記載の緻密シール層は、電解質層と同じ材料によって構成されているため、マイナス電荷の酸化物イオンを流すことができる。従って、緻密シール層のうちマニホールドに近接する領域において電位が大きくなりやすく、燃料電池の基端部とマニホールドとの狭小な隙間に大きな電界強度が生じる。そのため、当該隙間における電界強度が過剰に大きくなると、緻密シール層からマニホールドへ接合材を介してリーク電流が流れる。
【０００７】
本発明は、上述の新たな知見に基づいてなされたものであり、燃料電池からマニホールドへのリーク電流を抑制可能な燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタックは、導電性材料によって構成される天板に形成された挿入孔を有するマニホールドと、挿入孔に端部が挿入される燃料電池とを備える。燃料電池は、内部にガス流路を有する絶縁性の多孔支持基板と、多孔支持基板上に配置される発電部と、多孔支持基板の外表面を覆う緻密シール層とを有する。緻密シール層のうち最大電界強度を示す領域は、緻密シール層のうちマニホールドの挿入孔と対向する対向領域から離れている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池からマニホールドへのリーク電流を抑制可能な燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図
【図２】第１実施形態に係る燃料電池スタックの断面図
【図３】第１実施形態に係る燃料マニホールドの斜視図
【図４】第１実施形態に係る燃料電池の斜視図
【図５】図２の部分拡大図
【図６】第１実施形態に係る緻密シール層における電界強度のシミュレーション結果
【図７】第２実施形態に係る燃料電池の斜視図
【図８】第２実施形態に係る燃料電池スタックの拡大断面図
【図９】第２実施形態に係る緻密シール層における電界強度のシミュレーション結果
【発明を実施するための形態】
【００１１】
１．第１実施形態
（燃料電池スタック１００）
図１は、燃料電池スタック１００の斜視図である。図２は、燃料電池スタック１００の断面図である。図３は、マニホールド２００の斜視図である。図４は、燃料電池３００の斜視図である。燃料電池スタック１００は、マニホールド２００と燃料電池３００とを備える。
【００１２】
（マニホールド２００）
マニホールド２００は、図３に示すように、燃料ガスを各燃料電池３００に供給するように構成されている。マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有する。燃料ガスは、導入管２０１を介してマニホールド２００の内部空間に供給される。マニホールド２００は、天板２０３と、マニホールド本体２０４とを有する。
【００１３】
天板２０３は、複数の挿入孔２０２を有する。各挿入孔２０２は、マニホールド２００の内部空間と外部空間に連通する。各挿入孔２０２には、各燃料電池３００が挿入される。挿入孔２０２と燃料電池３００との間には、狭小な隙間が設けられる。天板２０３は、導電性材料によって構成される。天板２０３は、金属材料によって構成することができる。金属材料としては、例えばステンレス等を用いることができる。
【００１４】
マニホールド本体２０４は、上方が開口した直方体状に形成される。マニホールド本体２０４の上方は、天板２０３によって封止される。マニホールド本体２０４は、導電性を有していてもよいし、導電性を有していなくてもよい。
【００１５】
（燃料電池３００の概要）
各燃料電池３００の基端部は、マニホールド２００の各挿入孔２０２に挿入される。燃料電池３００の外周には空気が供給される。燃料電池３００は、挿入孔２０２に挿入された状態で、接合材１０１によって固定される。
【００１６】
接合材１０１は、燃料電池３００とマニホールド２００との間の狭小な隙間に充填される。接合材１０１は、電子伝導性の低い材料によって構成されることが好ましい。接合材１０１は、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックス等によって構成することができる。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ２−ＭｇＯ系が挙げられる。
【００１７】
各燃料電池３００は、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）である。燃料電池３００は、図４に示すように、複数の発電部１０と、緻密シール層１１と、多孔支持基板２０とを有する。
【００１８】
複数の発電部１０は、多孔支持基板２０上に配置される。各発電部１０は、多孔支持基板２０の両方の主面に配置されているが、多孔支持基板２０の片方の主面のみに配置されていてもよい。各発電部１０は、燃料電池３００の長手方向（図中、ｘ方向）において、互いに間隔をあけて配置される。
【００１９】
図２に示すように、隣接する２つの燃料電池３００において、一方の燃料電池３００のマニホールド２００に最も近い発電部１０は、集電部材３０１を介して、他方の燃料電池３００のマニホールド２００に最も近い発電部１０と電気的に接続される。また、各燃料電池３００において、一方の主面に配置されマニホールド２００から最も離れた発電部１０は、集電部材３０２を介して、他方の主面に配置されマニホールド２００から最も離れた発電部１０と電気的に接続される。
【００２０】
集電部材３０１と集電部材３０２は、酸化物セラミックスの焼成体、貴金属系材料（Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ）又は卑金属系材料（Ｎｉ、Ｎｉ基合金、Ｎｉとセラミックスのコンポジット）によって構成することができる。酸化物セラミックスとしては、例えば、ペロブスカイト酸化物やスピネル酸化物などが挙げられる。ペロブスカイト酸化物としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３や（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等が挙げられる。スピネル酸化物としては、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４や（Ｍｎ，Ｆｅ）３Ｏ４等が挙げられる。
【００２１】
図４に示すように、緻密シール層１１は、多孔支持基板２０の外表面を覆う。緻密シール層１１は、多孔支持基板２０の外表面のうち複数の発電部１０が配置された領域を除く全面を覆っている。本実施形態において、多孔支持基板２０の外表面には、一対の主面（すなわち、両板面）と一対の側面が含まれる。
【００２２】
図４に示すように、多孔支持基板２０は、平板状に形成される。多孔支持基板２０は、燃料ガスを流すための６本のガス流路２１を内部に有する。各ガス流路２１は、燃料電池３００の長手方向に沿って延びる。ガス流路２１の本数及びサイズは適宜変更可能である。
【００２３】
（燃料電池３００の詳細）
図５は、図２の部分拡大図である。
【００２４】
多孔支持基板２０は、複数の第１凹部２２を有する。複数の第１凹部２２は、多孔支持基板２０の両方の主面に形成される。
【００２５】
多孔支持基板２０は、電子伝導性を有さない絶縁性の多孔質材料によって構成される。多孔支持基板２０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＭｇＯ（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、ＭｇＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）の複合材料、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）の複合材料などによって構成することができる。多孔支持基板２０の気孔率は、２０％以上６０％以下とすることができる。
【００２６】
多孔支持基板２０における遷移金属の含有率は３０００ｐｐｍ以下であり、多孔支持基板２０は、遷移金属を含有していないことが特に好ましい。遷移金属としては、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、及びこれらの酸化物が挙げられる。遷移金属の含有率は、多孔支持基板の一部を破断して溶液に溶かし、ＩＣＰ発光分光分析法（高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法）により得た。ＩＣＰ発光分光分析装置は島津製作所社製、ＩＣＰＥ-９０００を用いた。多孔支持基板２０が複数種の遷移金属を含有する場合、遷移金属の含有率とは、複数種の遷移金属それぞれの含有率の合計である。多孔支持基板２０が遷移金属を酸化物の形態で含有する場合、運転中の還元雰囲気において、遷移金属酸化物の少なくとも一部は遷移金属に還元される。
【００２７】
各発電部１０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、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成することができる。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、第１凹部２２内に配置される。各燃料極集電層４１は、第２凹部４１ａ及び第３凹部４１ｂを有する。燃料極活性層４２は、第２凹部４１ａ内に配置される。
【００２８】
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Ｙ２Ｏ３（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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、多孔支持基板２０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、緻密シール層１１に接続される。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
反応防止層７は、電解質層５と空気極６の間に介挿される。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。
【００３４】
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）Ｏ２（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とともに上述のガスバリア性を発揮する。
【００３５】
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）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）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。
【００３６】
電気的接続部３０は、隣り合う２つの発電部１０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、隣り合う発電部１０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。
【００３７】
電気的接続部３０は、インターコネクタ３１及び空気極集電層３２を有する。インターコネクタ３１は、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、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）や（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（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。
【００３８】
空気極集電層３２は、隣り合う発電部１０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。
【００３９】
緻密シール層１１は、多孔支持基板２０の外表面を覆う。図５では、緻密シール層１１が、多孔支持基板２０の両主面それぞれのうちマニホールド２００側の基端部を覆っている様子が図示されているが、緻密シール層１１は、多孔支持基板２０の主面のうち複数の発電部１０が配置された領域を除いた全面を覆っている。緻密シール層１１は、マニホールド２００の挿入孔２０２と対向する対向領域１１Ａを含む。緻密シール層１１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。
【００４０】
緻密シール層１１は、発電部１０の側面に接触する。本実施形態において、緻密シール層１１は、発電部１０の電解質層５に接続される。緻密シール層１１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。緻密シール層１１は、多孔支持基板２０側の燃料ガスと緻密シール層１１の外周の空気との混合を防止するガスバリア性を発揮する。本実施形態において、緻密シール層１１は、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。
【００４１】
緻密シール層１１は、電解質層５の構成材料よりも電気抵抗の高い緻密材料によって構成される。緻密シール層１１は、例えば、結晶化ガラス、スピネル酸化物、ＭｇＯ（マグネシア）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）から選択される少なくとも１種によって構成することができる。
【００４２】
（緻密シール層１１における電界強度）
本実施形態において、多孔支持基板２０における遷移金属の含有率は３０００ｐｐｍ以下であり、緻密シール層１１は電気抵抗の高い緻密材料によって構成されている。
【００４３】
従って、多孔支持基板２０が遷移金属を過剰に含有する場合や、電解質層５に使用される材料で緻密シール層１１を構成する場合などに比べて、燃料電池３００の内部（具体的には、多孔支持基板２０や緻密シール層１１の内部）をマイナス電荷の酸化物イオンが流れることを抑えることができる。従って、燃料電池スタック１００の運転時において、緻密シール層１１のうちマニホールド２００に近接する領域における電位が大きくなりにくく、燃料電池３００の端部とマニホールド２００との狭小な隙間に大きな電界強度が生じにくい。そのため、緻密シール層１１のうち最大電界強度が発生する領域を、マニホールド２００と対向する対向領域１１Ａから離すことができる。その結果、緻密シール層１１からマニホールド２００へリーク電流が流れることを抑制できる。
【００４４】
ここで、図６（ａ）は、電解質層と同じＹＳＺで緻密シール層を構成した場合における電界強度のシミュレーション結果である。図６（ａ）から明らかなように、緻密シール層のうちマニホールドの挿入孔と対向する領域において最大電界強度が発生している。
【００４５】
一方、図６（ｂ）は、多孔支持基板における遷移金属の含有率は３０００ｐｐｍ以下であり、かつ、結晶化ガラスで緻密シール層を構成した場合における電界強度のシミュレーション結果である。図６（ｂ）から明らかなように、緻密シール層のうち発電部（具体的には、電解質層）との境界付近において最大電界強度が発生しており、マニホールドの挿入孔と対向する領域から離れていることが分かる。このように、緻密シール層のうち最大電界強度を示す領域が対向領域から離れているため、緻密シール層からマニホールドへのリーク電流を抑制することができる。
【００４６】
（燃料電池スタック１００の製造方法）
次に、燃料電池スタック１００の製造方法について説明する。
【００４７】
多孔支持基板２０の材料粉末に造孔材とバインダーを添加して調製した坏土を押出成形することによって、６本のガス流路２１と複数の第１凹部２２を有する多孔支持基板２０の成形体を形成する。
【００４８】
次に、燃料極集電層４１の材料をペースト化して、多孔支持基板２０の成形体の各第１凹部２２に充填することによって、第２凹部４１ａ及び第３凹部４１ｂを有する燃料極集電層４１の成形体を形成する。
【００４９】
次に、インターコネクタ３１の材料をペースト化して、燃料極集電層４１の成形体の第３凹部４１ｂに充填することによって、インターコネクタ３１の成形体を形成する。
【００５０】
次に、燃料極活性層４２の材料をペースト化して、燃料極集電層４１の成形体の第２凹部４１ａに充填することによって、燃料極活性層４２の成形体を形成する。
【００５１】
次に、電解質層５の材料をペースト化して、燃料極活性層４２の成形体上に印刷することによって、電解質層５の成形体を形成する。
【００５２】
次に、電解質層５の成形体上に反応防止層７の材料をディップ成形することによって、反応防止層７の成形体を形成する。
【００５３】
次に、多孔支持基板２０、燃料極４、インターコネクタ３１、電解質層５及び反応防止層７の成形体を共焼成（１３００〜１６００℃、２〜２０時間）する。
【００５４】
次に、緻密シール層１１の材料をペースト化して、多孔支持基板２０の外表面のうち露出している領域に印刷することによって、緻密シール層１１の成形体を形成する。そして、緻密シール層１１の成形体を焼成（１３００〜１５００℃、１〜１０時間）する。
【００５５】
次に、空気極６の材料をペースト化して、電解質層５上に印刷することによって、空気極６の成形体を形成する。続いて、空気極集電層３２の材料をペースト化して空気極６の成形体上に印刷することによって、空気極集電層３２の成形体を形成する。
【００５６】
次に、空気極７及び空気極集電層８の成形体を焼成（９００〜１１００℃、１〜２０時間）する。
【００５７】
次に、マニホールド２００を準備する。そして、集電部材３０１及び第２接合材１０２によって各燃料電池３００を互いに接続する。この段階において第２接合材１０２は熱処理されておらず、各燃料電池３００は互いに仮止めされた状態である。
【００５８】
次に、各燃料電池３００の下端部をマニホールド２００の各挿入孔２０２に挿入して、燃料電池３００と挿入孔２０２の隙間に第１接合材１０１を充填する。続いて、第１接合材１０１及び第２接合材１０２を熱処理することによって固化させる。
【００５９】
２．第２実施形態
第２実施形態に係る燃料電池スタック１１０の構成について説明する。第２実施形態に係る燃料電池スタック１１０は、緻密シール層１１に代えて緻密シール層１２を備えている点において、第１実施形態に係る燃料電池スタック１００と相違している。従って、以下においては、当該相違点について主に説明する。
【００６０】
図７は、燃料電池３００の斜視図である。図８は、燃料電池スタック１１０の拡大断面図である。燃料電池３００は、緻密シール層１２を備える。緻密シール層１２は、多孔支持基板２０の外表面を覆う。緻密シール層１２は、第１部分１２１と、第２部分１２２と、第３部分１２３とを有する。
【００６１】
第１部分１２１は、対向領域１２Ａと発電部１０との間に配置される。対向領域１２Ａは、燃料電池３００がマニホールド２００の挿入孔２０２に挿入された際に、挿入孔２０２の内周面と対向する領域である。第１部分１２１は、燃料電池３００の長手方向において、対向領域１２Ａから離れている。
【００６２】
本実施形態において、第１部分１２１は、多孔支持基板２０の軸心ＡＸを中心とする周方向において連続的に延びる。第１部分１２１は、多孔支持基板２０を周回するように環状に形成されている。
【００６３】
図８に示すように、多孔支持基板２０の軸心と平行な方向（すなわち、長手方向）において、第１部分１２１の幅Ｗ１は、発電部１０と対向領域１２Ａとの間隔Ｗ２の１０％以上であることが好ましく、２０％以上であることがより好ましい。発電部１０と対向領域１２Ａとの間隔Ｗ２は、燃料電池３００の長手方向における発電部１０とマニホールド２００の挿入孔２０２との間隔に等しい。
【００６４】
第１部分１２１は、電解質層５の構成材料よりも電気抵抗の高い緻密材料によって構成される。緻密シール層１１は、例えば、結晶化ガラス、スピネル酸化物、ＭｇＯ（マグネシア）、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）から選択される少なくとも１種によって構成することができる。
【００６５】
第２部分１２２は、第１部分１２１の外側に接続される。第２部分１２２は、対向領域１２Ａを含む。第２部分１２２は、第１部分１２１を挟んで、発電部１０と反対側に配置される。第３部分１２３は、第１部分１２１の内側に接続される。第３部分１２３は、多孔支持基板２０の外表面の大部分を覆っている。第３部分１２３は、各発電部１０の電解質層５と一体的に形成される。第３部分１２３は、各発電部１０の電解質層５を外側に延ばすことによって形成されている。第２部分１２２と第３部分１２３は、電解質層５に用いることのできる材料によって構成される。
【００６６】
（緻密シール層１２における電界強度）
本実施形態において、多孔支持基板２０における遷移金属の含有率は３０００ｐｐｍ以下であり、緻密シール層１２は対向領域１２Ａと発電部１０の間に配置された第１部分１２１を含む。第１部分１２１は、電気抵抗の高い緻密材料によって構成される。
【００６７】
従って、多孔支持基板２０が遷移金属を過剰に含有する場合や、電解質層５に使用される材料によって緻密シール層１２全体が構成される場合に比べて、燃料電池３００の内部（具体的には、多孔支持基板２０や緻密シール層１１の内部）をマイナス電荷の酸化物イオンが流れることを抑えることができる。従って、燃料電池スタック１００の運転時において、緻密シール層１２のうちマニホールド２００に近接する領域における電位が大きくなりにくく、燃料電池３００の端部とマニホールド２００との狭小な隙間に大きな電界強度が生じにくい。そのため、緻密シール層１２のうち最大電界強度が発生する領域を、マニホールド２００の挿入孔２０２と対向する対向領域１２Ａから離すことができる。その結果、緻密シール層１２からマニホールド２００へリーク電流が流れることを抑制できる。
【００６８】
ここで、図９（ａ）は、電解質層と同じＹＳＺで緻密シール層全体を構成した場合における電界強度のシミュレーション結果である。図９（ａ）から明らかなように、緻密シール層のうちマニホールドの挿入孔と対向する対向領域において最大電界強度が発生している。
【００６９】
一方、図９（ｂ）は、多孔支持基板における遷移金属の含有率は３０００ｐｐｍ以下であり、かつ、結晶化ガラスで構成される第１部分を含む緻密シール層を形成した場合における電界強度のシミュレーション結果である。図９（ｂ）から明らかなように、緻密シール層のうち第１部分と第３部分との境界付近において最大電界強度が発生しており、対向領域からは離れていることが分かる。このように、緻密シール層のうち最大電界強度の発生する領域が対向領域から離れているため、緻密シール層からマニホールドへのリーク電流を抑制することができる。
【００７０】
（燃料電池スタック１００の製造方法）
次に、燃料電池スタック１００の製造方法について説明する。
【００７１】
多孔支持基板２０の材料粉末に造孔材とバインダーを添加して調製した坏土を押出成形することによって、６本のガス流路２１と複数の第１凹部２２を有する多孔支持基板２０の成形体を形成する。
【００７２】
次に、燃料極集電層４１の材料をペースト化して、多孔支持基板２０の成形体の各第１凹部２２に充填することによって、第２凹部４１ａ及び第３凹部４１ｂを有する燃料極集電層４１の成形体を形成する。
【００７３】
次に、インターコネクタ３１の材料をペースト化して、燃料極集電層４１の成形体の第３凹部４１ｂに充填することによって、インターコネクタ３１の成形体を形成する。
【００７４】
次に、燃料極活性層４２の材料をペースト化して、燃料極集電層４１の成形体の第２凹部４１ａに充填することによって、燃料極活性層４２の成形体を形成する。
【００７５】
次に、電解質層５の材料をペースト化して、燃料極活性層４２の成形体上及び多孔支持基板２０の外表面全面に印刷することによって、電解質層５の成形体と緻密シール層１２のうち第２部分１２２及び第３部分１２３の成形体とを一体的に形成する。
【００７６】
次に、電解質層５の成形体上に反応防止層７の材料をディップ成形することによって、反応防止層７の成形体を形成する。
【００７７】
次に、多孔支持基板２０、燃料極４、インターコネクタ３１、電解質層５、反応防止層７及び緻密シール層１２の第２部分１２２及び第３部分１２３の成形体を共焼成（１３００〜１６００℃、２〜２０時間）する。
【００７８】
次に、緻密シール層１２の第２部分１２２と第３部分１２３の間に第１部分１２１のペースト材料を配置することによって、第１部分１２１の成形体を形成する。そして、第１部分１２１の成形体を焼成（１３００〜１５００℃、１〜１０時間）する。
【００７９】
次に、空気極６の材料をペースト化して、電解質層５上に印刷することによって、空気極６の成形体を形成する。続いて、空気極集電層３２の材料をペースト化して空気極６の成形体上に印刷することによって、空気極集電層３２の成形体を形成する。
【００８０】
次に、空気極７及び空気極集電層８の成形体を焼成（９００〜１１００℃、１〜２０時間）する。
【００８１】
次に、マニホールド２００を準備する。そして、集電部材３０１及び第２接合材１０２によって各燃料電池３００を互いに接続する。この段階において第２接合材１０２は焼成されておらず、各燃料電池３００は互いに仮止めされた状態である。
【００８２】
次に、各燃料電池３００の下端部をマニホールド２００の各挿入孔２０２に挿入して、燃料電池３００と挿入孔２０２の隙間に第１接合材１０１を充填する。続いて、第１接合材１０１及び第２接合材１０２を熱処理することによって固化させる。
【００８３】
（変形例）
以上、本発明の第１及び第２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。
【００８４】
上記第１及び第２実施形態において、マニホールド２００の構成について、図３を参照しながら説明したが、マニホールド２００の構成は適宜変更可能である。マニホールド２００は、燃料電池３００を挿入するための挿入孔２０２を有していればよい。
【００８５】
上記第１及び第２実施形態において、燃料電池３００の構成について、図４及び図５を参照しながら説明したが、燃料電池３００の構成は適宜変更可能である。燃料電池３００は、燃料極４、電解質層５及び空気極６を有する発電部１０を少なくとも１つ備えていればよい。
【００８６】
上記第１及び第２実施形態において、燃料電池３００の多孔支持基板２０は、平板状に形成されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、多孔支持基板２０は、円筒状に形成されていてもよい。
【００８７】
上記第２実施形態において、緻密シール層１２の第３部分１２３は、発電部１０の電解質層５と一体的に形成されることとしたが、電解質層５とは別に形成されていてもよい。この場合、緻密シール層１２の第３部分１２３は、電解質層５と同じ材料によって構成されてもよいし、電解質層５とは異なる材料によって構成されてもよい。
【００８８】
上記第２実施形態において、緻密シール層１２の第２部分１２２は、電解質層５に用いることのできる材料によって構成されることとしたが、これに限られるものではない。第２部分１２２は、電解質層５と異なる材料によって構成されてもよいし、第３部分１２３と異なる材料によって構成されてもよい。
【００８９】
上記第２実施形態において、緻密シール層１２の第１部分１２１は、周方向において連続的に延びることとしたが、これに限られるものではない。第１部分１２１は、周方向において断続的に延びていてもよい。すなわち、第１部分１２１は、破線上又は点線状に形成されていてもよい。また、第１部分１２１は、周方向において延びていなくてもよい。すなわち、第１部分１２１は、第２部分１２２の対向領域１２Ａから離れた位置にスポット的に配置されていてもよい。
【００９０】
上記第２実施形態において、緻密シール層１２の第１部分１２１は、環状に１本だけ形成されることとしたが、環状に複数本形成されていてもよい。
【００９１】
上記第２実施形態において、緻密シール層１２の第１部分１２１の成形体は、緻密シール層１２の第２部分１２２及び第３部分１２３の成形体を焼成した後に、単独で焼成することとしたが、これに限られるものではない。例えば、緻密シール層１２の第１部分１２１の成形体は、緻密シール層１２の第２部分１２２及び第３部分１２３の成形体と共焼成してもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１０      発電部
１１，１２      緻密シール層
１１Ａ，１２Ａ  対向領域
１２１    第１部分
１２２    第２部分
２０      多孔支持基板
１００    ：燃料電池スタック
２００    ：マニホールド
３００    ：燃料電池
【図１】
2018037400.tif 000003
【図２】
2018037400.tif 000004
【図３】
2018037400.tif 000005
【図４】
2018037400.tif 000006
【図５】
2018037400.tif 000007
【図６】
2018037400.tif 000008
【図７】
2018037400.tif 000009
【図８】
2018037400.tif 000010
【図９】
2018037400.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月22日(2017.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料によって構成される天板に形成された挿入孔を有するマニホールドと、
前記挿入孔に端部が挿入される燃料電池と、
を備え、
前記燃料電池は、
内部にガス流路を有する絶縁性の多孔支持基板と、
前記多孔支持基板上に配置される発電部と、
前記多孔支持基板の外表面を覆う緻密シール層と、
を有し、
前記緻密シール層のうち最大電界強度を示す領域は、前記緻密シール層のうち前記マニホールドの前記挿入孔と対向する対向領域から離れており、
前記多孔支持基板における遷移金属の含有率は、３０００ｐｐｍ以下である、
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記発電部は、前記緻密シール層に接続される電解質層を含み、
前記緻密シール層は、前記電解質層に接続される、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記緻密シール層は、結晶化ガラス、スピネル酸化物、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３から選択される少なくとも１種によって構成される、
請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
導電性材料によって構成される天板に形成された挿入孔を有するマニホールドと、
前記挿入孔に端部が挿入される燃料電池と、
を備え、
前記燃料電池は、
内部にガス流路を有する絶縁性の多孔支持基板と、
前記多孔支持基板上に配置される発電部と、
前記多孔支持基板の外表面を覆う緻密シール層と、
を有し、
前記緻密シール層のうち最大電界強度を示す領域は、前記緻密シール層のうち前記マニホールドの前記挿入孔と対向する対向領域から離れ、
前記発電部は、前記緻密シール層に接続される電解質層を含み、
前記緻密シール層は、前記電解質層に接続されており、
前記緻密シール層は、前記対向領域と前記発電部の間に配置される第１部分と、前記第１部分に接続され、前記対向領域を含む第２部分とを有し、
前記第１部分は、結晶化ガラス、スピネル酸化物、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３から選択される少なくとも１種によって構成される、
燃料電池スタック。
【請求項５】
前記多孔支持基板は、所定の軸心に沿って延びる平板状に形成されており、
前記第１部分は、前記軸心を中心とする周方向において、断続的又は連続的に延びる、
請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記軸心に平行な方向において、前記第１部分の幅は、前記発電部と前記対向領域との間隔の１０％以上である、
請求項５に記載の燃料電池スタック。