(57)【要約】【課題】本発明は、マニホールドからのＣｒによる劣化を抑制する燃料電池セル及びセルスタック装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池セル（１００）は、Ｃｒを含む材料で形成されたマニホールド（２００）に、下端部（１０１）が支持される燃料電池セルであって、上下方向に延びる外表面（１１２）と、この外表面（１１２）の下端に連なる下端面（１１６）とを有する支持基板（１１０）と、外表面（１１２）に設けられるとともに、燃料極（１３０）、電解質（１４０）、及び空気極（１５０）を有する発電素子部（１２０）と、下端面（１１６）の少なくとも一部を覆うとともに、Ｃｒを含む化合物で構成された被覆部（１７０）とを備えている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロムを含む材料で構成されたマニホールドに、下端部が支持される燃料電池セルであって、
上下方向に延びる外表面と、前記外表面の下端に連なる下端面とを有する支持基板と、
前記外表面に設けられるとともに、燃料極、電解質、及び空気極を有する発電素子部と、
前記下端面の少なくとも一部を覆うとともに、クロムを含む化合物で構成された被覆部と、
を備える、燃料電池セル。
【請求項２】
前記下端面は、Ｃ面を含む、請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記下端面は、上方または下方に湾曲している、請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの下端部を支持するとともに、クロムを含む材料で構成されたマニホールドと、
前記マニホールドと、前記燃料電池セルとを接合する接合材と、
を備える、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、燃料電池セル及びセルスタック装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マニホールドと、このマニホールドから上方に延びる複数の燃料電池セルと、マニホールドと燃料電池セルとを接合する接合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、国際公開第２０１６／１５８６８４号（特許文献１）が挙げられる。
【０００３】
特許文献１のセルスタック装置は、内側においてシール材によって燃料電池セルの一端を固定している枠体と、この枠体の一端部に接合されており、かつ枠体より剛性が低い板状体とを有するマニホールドを備えることが開示されている。また、特許文献１のマニホールドを構成する枠体及び板状体の材料は、フェライト系のステンレス等を用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１５８６８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１のマニホールドを備えるセルスタック装置を動作すると、マニホールドを構成するステンレスのクロム（Ｃｒ）が放出され、シール材に付着する場合がある。この場合、シール材の絶縁性が低下してしまい、シール材が劣化してしまう。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑み、セルスタック装置に用いたときに、マニホールドからのＣｒによる劣化を抑制する燃料電池セルを提供することを一の課題とする。また、Ｃｒによる劣化を抑制するセルスタック装置を提供することを他の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記問題を解決するべく鋭意検討した結果、マニホールドから放出されたＣｒを、燃料電池セルにおいて影響が小さい領域に効率的に集めることに着眼して、本発明を完成させた。
【０００８】
すなわち、本発明は、クロムを含む材料で構成されたマニホールドに、下端部が支持される燃料電池セルであって、上下方向に延びる外表面と、この外表面の下端に連なる下端面とを有する支持基板と、外表面に設けられるとともに、燃料極、電解質、及び空気極を有する発電素子部と、下端面の少なくとも一部を覆うとともに、クロムを含む化合物で構成された被覆部と、を備えている。
【０００９】
本発明によれば、燃料電池セルの下端面の少なくとも一部に、Ｃｒを含む化合物で構成された被覆部が形成されている。被覆部はＣｒを含む化合物で構成されているので、被覆部がＣｒを捕獲するゲッター材として機能する。この被覆部は、マニホールドに相対的に近い支持基板の下端面に形成されているので、効率的にＣｒを捕獲できる。このため、本発明の燃料電池セルの下端部とマニホールドとを接合する接合材に、マニホールドから放出されたＣｒが付着することを抑制できる。これにより、接合材の絶縁性の低下を抑制できる。また、支持基板の下端面にＣｒが集められても、影響が小さい。したがって、本発明の燃料電池セルをセルスタック装置に用いたときに、マニホールドからのＣｒによる劣化を抑制することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池セルにおいて、下端面は、Ｃ面を含んでいてもよい。また、本発明の燃料電池セルにおいて、下端面は、上方または下方に湾曲していてもよい。燃料電池セルの形態をこのように制御することによって、支持基板の下端面に被覆部を容易に形成できる。
【００１１】
本発明のセルスタック装置は、上記の燃料電池セルと、燃料電池セルの下端部を支持するとともに、クロムを含む材料で構成されたマニホールドと、このマニホールドと燃料電池セルとを接合する接合材と、を備えている。
【００１２】
本発明のセルスタック装置によれば、支持基板の下端面に形成された被覆部に、マニホールドからのＣｒを集めることができる。このため、接合材に、Ｃｒが付着することを抑制できる。したがって、マニホールドからのＣｒによる劣化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明は、セルスタック装置に用いたときに、マニホールドからのＣｒによる劣化を抑制する燃料電池セルを提供することができる。また、Ｃｒによる劣化を抑制す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】
【００１４】
【図１】実施の形態１のセルスタック装置を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１のセルスタック装置を示す断面図である。
【図３】実施の形態１のセルスタック装置を示す断面図である。
【図４】実施の形態１の燃料電池セルを示す斜視図である。
【図５】実施の形態１の燃料電池セルを示す断面図である。
【図６】実施の形態１のセルスタック装置を示す拡大断面図である。
【図７】実施の形態１のセルスタック装置を示す別の拡大断面図である。
【図８】実施の形態１のセルスタック装置を示す別の拡大断面図である。
【図９】実施の形態１のセルスタック装置の製造方法を示す断面図である。
【図１０】実施の形態１のセルスタック装置の製造方法を示す断面図である。
【図１１】実施の形態２のセルスタック装置を構成する燃料電池セル及び接合材を示す模式図である。
【図１２】実施の形態３のセルスタック装置を構成する燃料電池セル及び接合材を示す模式図である。
【図１３】実施の形態４のセルスタック装置を構成する燃料電池セル及び接合材の断面を示す模式図である。
【図１４】実施の形態５のセルスタック装置を構成する燃料電池セル及び接合材の断面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（実施の形態１）
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。実施の形態１の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。
【００１７】
［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。
【００１８】
［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、図２に示すように、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に固定されている。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。
【００１９】
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。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。第１集電部材４は、例えば、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。
【００２０】
図２〜図４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、被覆部１７０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。
【００２１】
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。
【００２２】
＜支持基板＞
図３に示すように、支持基板１１０は、燃料電池セル１００の長手方向（上下方向）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。
【００２３】
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。
【００２４】
支持基板１１０は、導電性であってもよく、絶縁性であってもよい。支持基板１１０が絶縁性である場合、支持基板１１０は、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。
【００２５】
支持基板１１０は、上下方向に延びる外表面１１２と、この外表面１１２の下端に連なる下端面１１６と、外表面１１２の上端に連なる上端面１１７と、を有している。
【００２６】
本実施の形態の支持基板１１０は、長手方向に延びる扁平な円筒平板型である。このため、図４に示すように、支持基板１１０は、第１主面１１３と、この第１主面１１３の反対側の第２主面１１４と、第１主面１１３と第２主面１１４とを接続する一対の側端面１１５とを有している。第１主面１１３、第２主面１１４及び一対の側端面１１５は、支持基板１１０の外表面を構成する。第１主面１１３と第２主面１１４とは、ガス流路１１１を挟んで対向し、互いに平行に延びる。第１主面１１３と第２主面１１４との間隔、すなわち支持基板１１０の厚さは、例えば１〜１０ｍｍである。一対の側端面１１５は、幅方向の両端である。第１主面１１３及び第２主面１１４は平面であり、一対の側端面１１５は、曲面である。
【００２７】
下端面１１６は、第１主面１１３、第２主面１１４及び一対の側端面１１５の下端と連なっている。下端面１１６は、下方を向く面である。詳細には、下端面１１６は、支持基板１１０の下端に位置し、上下方向と交差する方向に延びる面である。上端面１１７は、第１主面１１３、第２主面１１４及び一対の側端面１１５の上端と連なっている。上端面１１７は、上方を向く面である。下端に位置する下端面１１６と、上端に位置する上端面１１７とは、対向している。下端面１１６には、ガス流路１１１の導入口が形成されており、上端面１１７には、ガス流路１１１の排出口が形成されている。
【００２８】
図５に示すように、支持基板１１０の外表面１１２は、複数の第１凹部１１２ａを有している。各第１凹部１１２ａは、支持基板１１０の両面（第１主面１１３及び第２主面１１４）に形成されている。各第１凹部１１２ａ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。
【００２９】
＜発電素子部＞
図５に示すように、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。
【００３０】
詳細には、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１１２ａ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。
【００３１】
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１１２ａの深さは、例えば、５０〜５００μｍである。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
＜被覆部＞
図２〜図４及び図６に示すように、支持基板１１０の下端面１１６の少なくとも一部を覆うように、被覆部１７０が形成されている。被覆部１７０は、マニホールド２００の内部空間に露出している。
【００４３】
被覆部１７０は、Ｃｒを捕獲するＣｒゲッター材である。被覆部１７０は、Ｃｒを含む化合物で構成されている。Ｃｒを含む化合物は、Ｃｒ元素と他の１種以上の元素とが化学結合した物質であり、例えば、酸化クロム（ＣｒＯ、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｒＯ３）、クロム酸マグネシウム（ＣｒＭｇＯ４）、クロム酸ニッケル（ＣｒＮｉＯ４、Ｃｒ２ＮｉＯ７）、クロム酸アルミニウム（Ａｌ２（ＣｒＯ４）３）、クロム酸ストロンチウム（ＳｒＣｒＯ４）などが挙げられる。被覆部１７０は、Ｏ（酸素）元素及び支持基板１１０に含まれる元素の少なくとも一方と、Ｃｒ元素とが化学結合した物質を含む材料で形成されることが好ましい。
【００４４】
被覆部１７０は、支持基板１１０の下端面１１６の少なくとも一部を覆っており、図４では、下端面１１６の外周部の全周を覆っている。なお、被覆部１７０は、下端面１１６の全体を被覆してもよい。また、図６に示すように、被覆部１７０は、ガス流路１１１を含む幅方向（ｚ軸方向）の断面視において、下端面１１６の全体を被覆している。
【００４５】
さらに、被覆部１７０は、外表面１１２における発電素子部１２０よりも下方に位置する下端面１１６近傍に形成されていてもよい。また、被覆部１７０は、第１接合材３００の露出面３０１の一部に形成されていてもよいが、第１接合材３００のマニホールド２００に露出する露出面３０１全体には形成されていない。被覆部１７０は、第１接合材３００に形成されていないことが好ましい。つまり、被覆部１７０は、支持基板１１０の下端面１１６近傍のみに形成されていることが好ましい。
【００４６】
被覆部１７０は、膜状である。被覆部１７０の厚さは、図６に示すように一定であってもよく、一定でなくてもよい。被覆部１７０の最大厚さは、例えば、０．１μｍ〜１０μｍである。
【００４７】
なお、被覆部１７０は、１層で構成されてもよく、異なる材料で形成された複数層で構成されてもよい。また、被覆部１７０は、連続する１つの部材でもよく、複数の領域に分離して形成された複数の部材でもよい。
【００４８】
被覆部１７０は、支持基板１１０の下端面１１６の少なくとも一部に、直接的または間接的に設けられる。具体的には、被覆部１７０は、図６に示すように、支持基板１１０の下端面１１６に接していてもよく、図７に示すように、中間層１８０を介して取り付けられていてもよい。図７の場合、燃料電池セル１００は、支持基板１１０の下端面１１６に接するように形成された中間層１８０と、中間層１８０に接するように形成された被覆部１７０とを備えている。
【００４９】
中間層１８０は、例えば、下端面１１６と被覆部１７０との接着の役割を有している。中間層１８０は、例えば、ガラス、セラミックスなどで構成されており、ガラスであることが好ましい。ガラスとしては、例えば結晶化ガラスを用いることができる。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、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、中間層１８０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、中間層１８０は、ＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ５−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。なお、中間層１８０は、第１接合材３００と異なる材料であってもよく、同じ材料であってもよい。
【００５０】
［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。
【００５１】
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、底壁２１０と、側壁２２０と、上壁２３０と、フランジ部２４０とを備えている。
【００５２】
底壁２１０、側壁２２０、及びフランジ部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、及びフランジ部２４０は、Ｃｒを含む材料で形成されており、例えば、耐熱性を有するような金属で構成されている。このような金属は、例えば、ステンレス鋼などである。
【００５３】
底壁２１０は、平面視（ｘ軸方向視）が矩形状である。側壁２２０は、底壁２１０の外周部から上方に延びている。フランジ部２４０は、側壁２２０の上端部から外方に延びている。フランジ部２４０は、環状である。
【００５４】
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、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、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、フランジ部２４０に接合されている。
【００５５】
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。
【００５６】
［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。
【００５７】
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及び図７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。外表面３０２は、セルスタック装置１の外部に露出する。
【００５８】
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。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−Ｂ２Ｏ５−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。
【００５９】
図６及び図７に示す第１接合材３００の露出面３０１は、支持基板１１０の下端面１１６よりも上方に位置している。図８に示すように、第１接合材３００の露出面３０１は、支持基板１１０の下端面１１６と同一平面上に位置していてもよい。このため、図６〜図８に示す被覆部１７０は、露出面３０１よりも下方に位置している。このように、被覆部１７０の下端面１７１は、露出面３０１よりも下方に位置していることが好ましい。また、被覆部１７０と第１接合材３００とは離隔していることが好ましい。なお、図６〜図８では、露出面３０１及び下端面１７１は、模式的に平面で示しているが、実際は凹凸が形成される。
【００６０】
［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１０を参照して説明する。
【００６１】
まず、図９に示すように、支持基板１１０上に発電素子部１２０を形成したセル体１０３を複数準備する。次に、支持基板１１０の下端面１１６に、被覆部１７０を形成する。この工程では、例えば、Ｃｒを含む化合物を含有するペーストを支持基板１１０の下端面１１６に塗布し、ペーストに熱を加える。なお、複数層を有する被覆部１７０を形成するときには、それぞれの層となる材料を下端面１１６に形成する。
【００６２】
また、マニホールド２００を準備する。そして、第１集電部材４、及び第２接合材５となる材料によって、各セル体１０３を互いに接続し、セル集合体１０４を作製する。なお、この段階では第２接合材５は焼成されておらず、各セル体１０３は互いに仮止めの状態である。
【００６３】
次に、図１０に示すように、セル集合体１０４の各セル体の下端部１０１をマニホールド２００の各挿入孔２３１に挿入する。なお、各セル体１０３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。
【００６４】
次に、図２に示すように、挿入孔２３１に挿入されたセル体１０３とマニホールド２００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。
【００６５】
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となる材料は、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。
【００６６】
なお、被覆部１７０となるペーストに熱を加える工程は、第１接合材３００及び第２接合材５の熱処理と同じ工程でもよく、別工程でもよい。
【００６７】
上記工程を実施することによって、図１〜図８に示す燃料電池セル１００及びセルスタック装置１を製造できる。
【００６８】
［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８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。
【００６９】
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）
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。
【００７０】
［効果］
以上説明したように、本実施の形態の燃料電池セル１００及びセルスタック装置１は、上下方向に延びる外表面１１２と、この外表面１１２の下端に連なる下端面１１６とを有する支持基板１１０と、外表面１１２に設けられるとともに、燃料極１３０、電解質１４０、及び空気極１５０を有する発電素子部１２０と、支持基板１１０の下端面１１６の少なくとも一部を覆うとともに、Ｃｒを含む化合物で構成された被覆部１７０と、を備えている。
【００７１】
上述したセルスタック装置１の製造工程における熱処理工程、セルスタック装置１の動作等によって高温になったときなどに、マニホールド２００の底壁２１０、側壁２２０、上壁２３０及びフランジ部２４０の少なくとも１つの部材を構成するＣｒが放出する場合がある。放出したＣｒは、マニホールド２００の内部空間に露出するとともに、マニホールド２００に最も近い位置に設けられたＣｒゲッターとしての被覆部１７０に優先的に付着する。放出したＣｒを被覆部１７０に効率的に集めることができるので、第１接合材３００及び発電素子部１２０等の他の領域にＣｒが付着することを抑制できる。第１接合材３００へのＣｒ付着を抑制することによって、第１接合材３００の絶縁性低下及び強度低下を抑制できる。また、発電素子部１２０へのＣｒ付着を抑制することによって、性能の劣化を抑制でき、特に空気極１５０のいわゆるＣｒ被毒を抑制できる。さらに、燃料電池セル１００の下端面１１６には、発電素子部１２０が形成されないので、Ｃｒが付着しても影響が小さい。このため、燃料電池セル１００及び第１接合材３００の劣化を抑制できる。したがって、本実施の形態の燃料電池セル１００及びセルスタック装置１は、マニホールドからのＣｒによる劣化を抑制することができる。
【００７２】
（実施の形態２）
図１１に示す実施の形態２の燃料電池セル及びセルスタック装置１ａは、基本的には実施の形態１の燃料電池セル及びセルスタック装置１と同様の構成を備えているが、実施の形態２の被覆部１７０の下端面１７１は、第１接合材３００の露出面３０１と、上下方向において同じ位置である点において異なる。つまり、露出面３０１と下端面１７１とは、同一平面上に位置する。なお、図１１は、被覆部１７０と第１接合材３００とを模式的に示したものであって、露出面３０１及び下端面１７１を、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。後述する実施の形態３〜５の燃料電池セル及びセルスタック装置について、被覆部１７０と第１接合材３００とを模式的に示した図１２〜図１４も同様である。
【００７３】
（実施の形態３）
図１２に示す実施の形態３の燃料電池セル及びセルスタック装置１ｂは、基本的には実施の形態２の燃料電池セル及びセルスタック装置１ａと同様の構成を備えているが、実施の形態３の支持基板１１０の下端面１１６は、Ｃ面１１６ａを含み、Ｃ面１１６ａ下に被覆部１７０が形成されている点において異なる。
【００７４】
具体的には、支持基板１１０の下端面１１６は、水平方向に延びる水平面１１６ｂと、この水平面１１６ｂと連なるＣ面１１６ａとからなる。水平面１１６ｂは、ガス流路１１１を形成する縁部から外表面１１２側に延びる。Ｃ面１１６ａは、外表面１１２と連なるコーナー部がＣ面取りされてなる。なお、「Ｃ面」とは、面と面とが作る稜線を平面状に面取りした面である。
【００７５】
Ｃ面１１６ａ下に形成された被覆部１７０の下端面１７１は、水平面１１６ｂと同一平面上に位置する。このため、被覆部１７０の厚さは、外表面１１２に向けてテーパ状に大きくなる。
【００７６】
なお、被覆部１７０は、水平面１１６ｂの少なくとも一部をさらに覆っていてもよい。また、本発明の支持基板の下端面は、Ｃ面ではなく、Ｒ面を含んでいてもよい。「Ｒ面」とは、面と面とが作る稜線を、外側または内側に凸の円弧状に面取りした面（円弧面）である。
【００７７】
（実施の形態４）
図１３に示す実施の形態４の燃料電池セル及びセルスタック装置１ｃは、基本的には実施の形態２の燃料電池セル及びセルスタック装置１と同様の構成を備えているが、実施の形態４の支持基板１１０の下端面１１６は上方に湾曲している点において異なる。つまり、下端面１１６は、上向きの円弧状である。
【００７８】
湾曲している下端面１１６下に、被覆部１７０が形成されている。被覆部１７０の下端面１７１は、支持基板１１０の下端面１１６のコーナー部と同一平面上に位置している。このため、被覆部１７０の厚さは、コーナー部から中央部に向けて大きくなる。
【００７９】
（実施の形態５）
図１４に示す実施の形態５の燃料電池セル及びセルスタック装置１ｄは、基本的には実施の形態２の燃料電池セル及びセルスタック装置１と同様の構成を備えているが、実施の形態５の支持基板１１０の下端面１１６は下方に湾曲している点において異なる。つまり、下端面１１６は、下向きの円弧状である。
【００８０】
湾曲している下端面１１６下に、被覆部１７０が形成されている。被覆部１７０の下端面１７１は、支持基板１１０の下端面１１６の中央部と同一平面上に位置している。このため、被覆部１７０の厚さは、コーナー部から中央部に向けて小さくなる。
【００８１】
実施の形態４及び５の燃料電池セル及びセルスタック装置１ｃ、１ｄは、支持基板１１０の下端面１１６に、被覆部１７０を形成しやすいという製造上の利点を有している。
【００８２】
（変形例）
ここで、上述した実施の形態１〜５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、実施の形態１〜５のセルスタック装置は、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。
【００８３】
また、実施の形態１〜５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、側壁の下端面が開口し、その下端面を底壁が塞いでいる構造であってもよい。
【００８４】
また、実施の形態１〜５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。
【００８５】
以上のように本発明の実施の形態及び変形例について説明を行なったが、各実施の形態及び変形例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８６】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ  セルスタック装置、４  第１集電部材、５  第２接合材、６  第２集電部材、１００  燃料電池セル、１０１  下端部、１０２  上端部、１０３  セル体、１０４  セル集合体、１１０  支持基板、１１１  ガス流路、１１２，３０２  外表面、１１２ａ  第１凹部、１１３  第１主面、１１４  第２主面、１１５  側端面、１１６，１７１  下端面、１１６ａ  Ｃ面、１１６ｂ  水平面、１１７  上端面、１２０  発電素子部、１２１  反応防止膜、１２２  緻密膜、１３０  燃料極、１３１  燃料極集電部、１３１ａ  第２凹部、１３１ｂ  第３凹部、１３２  燃料極活性部、１４０  電解質、１５０  空気極、１６０  電気的接続部、１６１  インターコネクタ、１６２  空気極集電膜、１７０  被覆部、１８０  中間層、２００  マニホールド、２１０  底壁、２２０  側壁、２３０  上壁、２３１  挿入孔、２４０  フランジ部、３００  第１接合材、３０１  露出面、Ｐ  導入配管。
【図１】
2019075196.tif 000003
【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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【図１３】
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【図１４】
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