(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが、長手方向を有し且つその内部に前記長手方向に沿う燃料ガス流路が形成された支持基板と、前記支持基板の表面に設けられ且つ少なくとも燃料極、固体電解質膜、及び空気極が積層されてなる発電素子部と、を含む複数の燃料電池セルと、
内部空間を有する燃料マニホールドであって、前記各セルが燃料マニホールドの上壁から上方に向けて前記長手方向に沿ってそれぞれ突出するように、且つ、上方から見たとき、前記複数のセルが第１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、且つ、前記内部空間と前記複数のセルの前記燃料ガス流路のそれぞれの燃料ガス流入側の一端部とが連通するように、前記各セルの前記支持基板の前記長手方向における燃料ガス流入側の一端部を前記上壁に対して接合・支持する燃料マニホールドと、
それぞれが、対応する隣り合う前記セルの間の空間に配置され、前記対応する隣り合うセルの間を電気的に接続する複数の集電部材と、
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、
前記複数の集電部材は、酸化物セラミックスの焼成体で構成された複数の第１部材と、ばね構造を有し且つ金属で構成された１つ又は複数の第２部材と、からなり、
前記複数の集電部材は、前記第２部材が前記第１方向において連続して配置されないように、前記第１方向に沿って配置された、燃料電池のスタック構造体。
【請求項２】
支持板を有する燃料マニホールドと、
前記燃料マニホールドに支持される複数の燃料電池セルであって、前記燃料マニホールドの支持板から延び、互いに間隔をあけて第1方向に沿って配置される複数の燃料電池セルと、
前記各燃料電池セルの間に配置され、隣り合う前記各燃料電池セルを電気的に接続する、酸化物セラミックスの焼成体で構成された第１部材と、
前記第１部材及び前記複数の燃料電池セルによって構成された複数のセル集電体の間に配置され、隣り合う前記各セル集電体を電気的に接続する、バネ構造を有し且つ金属で構成された第２部材と、
を備える、燃料電池のスタック構造体。
【請求項３】
前記第１部材及び前記第２部材は、前記第２部材が連続して配置されないよう、前記第1方向に沿って配置される、
請求項２に記載の燃料電池のスタック構造体。
【請求項４】
前記第１方向において、各セル集合体の近位端部の幅に対する、各セル集合体の遠位端部の幅の割合は、０．９５８〜１．０６である、
請求項２又は３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】
従来より、スタック状に整列した複数の燃料電池セルが燃料マニホールドの上壁に接合・支持された固体酸化物形燃料電池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）。各セルは、長手方向を有し且つその内部に前記長手方向に沿う燃料ガス流路が形成された支持基板と、前記支持基板の表面に設けられ且つ少なくとも燃料極、固体電解質膜、及び空気極が積層されてなる発電素子部と、を備えている。
【０００３】
燃料マニホールドは、内部空間を有する。燃料マニホールドは、各セルが燃料マニホールドの上壁から上方に向けて前記長手方向に沿ってそれぞれ突出するように、且つ、上方から見たとき、前記複数のセルが第１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、且つ、前記内部空間と前記複数のセルの前記燃料ガス流路のそれぞれの燃料ガス流入側の一端部とが連通するように、前記各セルの前記支持基板の前記長手方向における燃料ガス流入側の一端部を前記上壁に対して接合・支持している。隣り合う前記セルの間の空間（以下、「セル間空間」と呼ぶ）には、隣り合うセルの間を電気的に接続する集電部材がそれぞれ設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５５１８０３号公報
【発明の概要】
【０００５】
近年、導電性を有する酸化物セラミックスの焼成体（バルク体）で構成された前記集電部材が提案されてきている。前記集電部材がステンレス等で構成される場合には、燃料電池の稼働状態にて高温の集電部材の表面から蒸発したクロム（Ｃｒ）が電極に到達することによって、電極（特に、空気極）の反応を劣化させる現象（所謂、クロム被毒）が発生し易い。これに対し、前記集電部材が酸化物セラミックスの焼成体で構成される場合、上記クロム被毒の問題が発生し得ない。
【０００６】
ところで、上記スタック構造体では、各構成部品の形状・寸法のばらつき、並びに、各構成部品の高温時での変形等に起因して、隣り合うセルの相対位置関係にずれが発生し得る。この問題は、スタック数（スタック状に整列するセルの枚数）が大きい場合に特に発生し易い。
【０００７】
酸化物セラミックスの焼成体（バルク体）は、ばね構造を有さないので、変形し難い。従って、上記のような隣り合うセルの相対位置関係のずれに起因して集電部材に応力が作用した場合、この応力が緩和され難い。この結果、集電部材とセルとの接合箇所等にクラックが発生して隣り合うセルの間での電気的な接続が良好に維持されない、という問題が発生し得る。
【０００８】
本発明は、この問題に対処するためになされたものであり、隣り合うセル間を電気的に接続する集電部材として酸化物セラミックスの焼成体（バルク体）が使用される燃料電池のスタック構造体であって、隣り合うセル間での電気的な接続が良好に維持され易いものを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明に係る燃料電池のスタック構造体の特徴は、「前記複数の集電部材が、酸化物セラミックスの焼成体（バルク体、ばね構造を有さない）で構成された複数の第１部材と、ばね構造を有し且つ金属で構成された１つ又は複数の第２部材と、からなり、且つ、前記複数の集電部材が、前記第２部材が前記第１方向において連続して配置されないように、前記第１方向に沿って配置された点」にある。ここで、前記第２部材の外表面にセラミックスで構成されたコーティング膜が形成されてもよい。このコーティング膜は、緻密質（気孔率が１０％以下）の膜であっても、多孔質（気孔率が１０％より大きい）の膜であってもよい。これにより、第２部材がクロムを含む金属で構成される場合において、第２部材の表面から蒸発したクロムに起因する上記クロム被毒の問題が発生し難くなる。
【００１０】
上記本発明の特徴によれば、第２部材が第１方向において連続して配置されないことによって、複数の第２部材が第１方向において特定の箇所に集まって配置されることなく、第１方向において広い範囲に亘って配置される。この第２部材は、ばね構造を有するので、変形し易い。従って、第２部材が介在する隣り合うセルの間に相対位置関係のずれが発生した場合には、その第２部材が変形することによって、そのずれに起因してその第２部材に作用する応力が緩和され得る。この結果、第２部材とセルとの接合箇所等にクラックが発生し難くなる。
【００１１】
また、第１部材が介在する隣り合うセルの間に相対位置関係のずれが発生した場合には、その隣り合うセルの近くに位置する第２部材が変形し得ることによって、その隣り合うセルの相対位置関係のずれが小さくなり得る。従って、そのずれに起因してその第１部材に作用する応力が緩和され得る。この結果、第１部材とセルとの接合箇所等にクラックが発生し難くなる。以上より、スタック全体として、集電部材とセルとの接合箇所等にクラックが発生し難くなるので、隣り合うセルの間での電気的な接続が良好に維持され易い。
【００１２】
上記本発明の特徴にある「複数の集電部材の配置」は、例えば、以下の手順によって得られる。即ち、隣り合うセルが集電部材としての第１部材によって接合されたスタック数が２以上の部分的なスタック（以下、「セル集合体」と呼ぶ）が複数準備される。次に、これら複数のセル集合体が、全てのセルが一列に整列するように配置される。そして、隣り合うセル集合体の間で向かい合う２つのセル（以下、「対向セル」と呼ぶ）が、集電部材としての第２部材によって接合される。ここで、第１部材が連続して配置される最大数をＮ以下（Ｎ：自然数）とするためには、各セル集合体のスタック数を（Ｎ＋１）以下とすればよい。
【００１３】
上記のように、複数のセル集合体を利用してスタック構造体を得る場合、対向セルについて、相対位置関係のずれが特に発生し易い。この点、対向セルは、変形し易い第２部材によって接合されている。従って、この第２部材と対向セルとの接合箇所等にクラックが発生し難くなるので、対向セルの間での電気的な接続が良好に維持され易い。
【００１４】
本発明の第２側面に係る燃料電池のスタック構造体は、燃料マニホールドと、複数の燃料電池セルと、第１部材と、第２部材とを備える。燃料マニホールドは、支持板を有する。各燃料電池セルは、燃料マニホールドに支持される。また、各燃料電池セルは、燃料マニホールドの支持板から延び、互いに間隔をあけて第1方向に沿って配置される。第１部材は、各燃料電池セルの間に配置され、隣り合う各燃料電池セルを電気的に接続している。この第１部材と各燃料電池セルによって、セル集合体が構成される。第１部材は、導電性の酸化物セラミックスの焼成体で構成されている。第２部材は、各セル集合体の間に配置され、隣り合うセル集合体を電気的に接続する。第２部材は、ばね構造を有し且つ金属で構成されている。
【００１５】
この構成によれば、各燃料電池セルを電気的に接続する第１部材は導電性の酸化物セラミックスの焼成体で構成されているため、上述したクロム被毒の問題を抑制できる。また、各セル集合体を電気的に接続する第２部材はばね構造を有している。このため、第２部材が変形することによって、各セル集合体間の位置ずれを吸収することができる。この結果、第２部材とセルとの接合箇所等にクラックが発生し難くなる。
【００１６】
好ましくは、第１部材及び第２部材は、第２部材が連続して配置されないよう、第1方向に沿って配置される。この構成によれば、複数の第２部材が第１方向において特定の箇所に集まって配置されることがなく、第１方向において広い範囲に亘って配置されている。このため、第２部材がステンレス鋼などのクロムを含む金属で構成される場合であっても、第２部材に起因するクロム被毒の問題を抑制することができる。
【００１７】
好ましくは、第１方向において、各セル集合体の近位端部の幅に対する、各セル集合体の遠位端部の幅の割合が、０．９５８〜１．０６である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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２−２線に対応する断面図である。
【図３】図１に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。
【図４】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５】図１に示すセルの作動状態における電流の流れを説明するための図である。
【図６】図１に示す支持基板を示す斜視図である。
【図７】図１に示すセルの製造過程における第１段階における図２に対応する断面図である。
【図８】図１に示すセルの製造過程における第２段階における図２に対応する断面図である。
【図９】図１に示すセルの製造過程における第３段階における図２に対応する断面図である。
【図１０】図１に示すセルの製造過程における第４段階における図２に対応する断面図である。
【図１１】図１に示すセルの製造過程における第５段階における図２に対応する断面図である。
【図１２】図１に示すセルの製造過程における第６段階における図２に対応する断面図である。
【図１３】図１に示すセルの製造過程における第７段階における図２に対応する断面図である。
【図１４】図１に示すセルの製造過程における第８段階における図２に対応する断面図である。
【図１５】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の斜視図である。
【図１６】図１５に示した燃料マニホールドの全体の斜視図である。
【図１７】図１６に示した支持板に形成された挿入孔の拡大図である。
【図１８】挿入孔とセルの一端部との接合部の様子を示した横断面図である。
【図１９】挿入孔とセルの一端部との接合部の様子を示した縦断面図である。
【図２０】スタック全体における複数の集電部材の配置を示した側面図である。
【図２１】空気マニホールドと、スタックと、壁との位置関係を示した図である。
【図２２】図２０に示した空気マニホールドの正面図である。
【図２３】セル間空間を空気が移動する経路を説明するための図である。
【図２４】セル集合体の構成を説明するための図である。
【図２５】本実施形態に係るスタック構造体についてのセル集合体を用いた製造過程の第１段階を示した図２０に対応する図である。
【図２６】本実施形態に係るスタック構造体についてのセル集合体を用いた製造過程の第２段階を示した図２０に対応する図である。
【図２７】本実施形態に係るスタック構造体についてのセル集合体を用いた他の製造過程の第１段階を示した図２０に対応する図である。
【図２８】本実施形態に係るスタック構造体についてのセル集合体を用いた他の製造過程の第２段階を示した図２０に対応する図である。
【図２９】セル集合体を用いて組み付けられた比較例に係るスタック構造体を示した図２０に対応する図である。
【図３０】本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池のスタック構造体の図２０に対応する図である。
【図３１】図３０に示した変形例における空気マニホールドの正面図である。
【図３２】本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池のスタック構造体を示す図である。
【図３３】本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池のスタック構造体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（スタック構造体に使用されるセルの構成の一例）
先ず、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタック構造体に使用されるセル１００について説明する。図１に示すように、このセル１００は、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）の同形の発電素子部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、長方形である。例えば、セル１００の長手方向の長さＬ１は５０〜５００ｍｍとすることができ、好ましくは、１５０〜３００ｍｍである。また、セル１００の長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さＬ２は、１０〜１００ｍｍとすることができる。セル１００の長手方向の長さＬ１は、幅方向の長さＬ２よりも長い（Ｌ１＞Ｌ２）。このセル１００の全体の厚さＬ３は、１〜５ｍｍである（Ｌ２＞Ｌ３）。このセル１００の全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板１０の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図１に加えて、このセル１００の図１に示す２−２線に対応する部分断面図である図２を参照しながら、このセル１００の詳細について説明する。図２は、代表的な１組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａのそれぞれの構成（の一部）、並びに、発電素子部Ａ，Ａ間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａ間の構成も、図２に示す構成と同様である。
【００２１】
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。後述する図６に示すように、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。本例では、各凹部１２は、支持基板１０の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板１０の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。
【００２２】
支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、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（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）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。
【００２３】
支持基板１０は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒（炭化水素系のガスの改質触媒）として機能し得る。
【００２４】
また、絶縁性セラミックスとしては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、「ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）が使用されてもよい。
【００２５】
このように、支持基板１０が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板１０の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路１１から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板１０が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板１０の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。
【００２６】
支持基板１０の厚さは、１〜５ｍｍである。以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板１０の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板１０の下面側の構成についても同様である。
【００２７】
図２及び図３に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）に形成された各凹部１２には、燃料極集電部２１の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極集電部２１は直方体状を呈している。各燃料極集電部２１の上面（外側面）には、凹部２１ａが形成されている。各凹部２１ａは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。
【００２８】
各凹部２１ａには、燃料極活性部２２の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極活性部２２は直方体状を呈している。燃料極集電部２１と燃料極活性部２２とにより燃料極２０が構成される。燃料極２０（燃料極集電部２１＋燃料極活性部２２）は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部２２の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ａ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００２９】
各燃料極集電部２１の上面（外側面）における凹部２１ａを除いた部分には、凹部２１ｂが形成されている。各凹部２１ｂは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。
【００３０】
各凹部２１ｂには、インターコネクタ３０が埋設（充填）されている。従って、各インターコネクタ３０は直方体状を呈している。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００３１】
燃料極２０（燃料極集電部２１及び燃料極活性部２２）の上面（外側面）と、インターコネクタ３０の上面（外側面）と、支持基板１０の主面とにより、１つの平面（凹部１２が形成されていない場合の支持基板１０の主面と同じ平面）が構成されている。即ち、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で、段差が形成されていない。
【００３２】
燃料極活性部２２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）とから構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極集電部２１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）とから構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極活性部２２の厚さは、５〜３０μｍであり、燃料極集電部２１の厚さ（即ち、凹部１２の深さ）は、５０〜５００μｍである。
【００３３】
このように、燃料極集電部２１は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部２２は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部２２における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部２１における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。
【００３４】
インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（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３０の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００３５】
燃料極２０及びインターコネクタ３０がそれぞれの凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ３０が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜４０により覆われている。固体電解質膜４０は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜４０は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。固体電解質膜４０の厚さは、３〜５０μｍである。
【００３６】
即ち、燃料極２０がそれぞれの凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ３０と固体電解質膜４０とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層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。
【００３７】
なお、図２に示すように、本例では、固体電解質膜４０が、燃料極２０の上面、インターコネクタ３０の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板１０の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
【００３８】
固体電解質膜４０における各燃料極活性部２２と接している箇所の上面には、反応防止膜５０を介して空気極６０が形成されている。反応防止膜５０は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極６０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜５０及び空気極６０を上方からみた形状は、燃料極活性部２２と略同一の長方形である。
【００３９】
反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜５０の厚さは、３〜５０μｍである。空気極６０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）から構成され得る。或いは、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６０は、ＬＳＣＦからなる第１層（内側層）とＬＳＣからなる第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極６０の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００４０】
なお、反応防止膜５０が介装されるのは、ＳＯＦＣ作製時又は作動中のＳＯＦＣ内において固体電解質膜４０内のＹＳＺと空気極６０内のＳｒとが反応して固体電解質膜４０と空気極６０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である。
【００４１】
ここで、燃料極２０と、固体電解質膜４０と、反応防止膜５０と、空気極６０とが積層されてなる積層体が、「発電素子部Ａ」に対応する（図２を参照）。即ち、支持基板１０の上面には、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ている。
【００４２】
各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２では、右側の）発電素子部Ａのインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極６０、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の上面に、空気極集電膜７０が形成されている。空気極集電膜７０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜７０を上方からみた形状は、長方形である。
【００４３】
空気極集電膜７０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）から構成され得る。或いは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、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７０の厚さは、５０〜５００μｍである。
【００４４】
このように各空気極集電膜７０が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２では、右側の）発電素子部Ａの燃料極２０（特に、燃料極集電部２１）とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板１０の上面に配置されている複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」が、「電気的接続部」に対応する。
【００４５】
なお、インターコネクタ３０は、前記「電気的接続部」における「緻密な材料で構成された第１部分」に対応し、気孔率は１０％以下である。空気極集電膜７０は、前記「電気的接続部」における「多孔質の材料で構成された第２部分」に対応し、気孔率は２０〜６０％である。
【００４６】
以上、説明した図１に示す「横縞型」のセル１００に対して、図４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（特に、各空気極集電膜７０）を「酸素を含むガス」（空気等）に曝す（或いは、支持基板１０の上下面に沿って酸素を含むガスを流す）ことにより、固体電解質膜４０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。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−    （於：空気極６０）  …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        （於：燃料極２０）  …（２）
【００４７】
発電状態においては、図５に示すように、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図４に示すように、このセル１００全体から（具体的には、図４において最も手前側の発電素子部Ａのインターコネクタ３０と最も奥側の発電素子部Ａの空気極６０とを介して）電力が取り出される。
【００４８】
（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のセル１００の製造方法の一例について図６〜図１４を参照しながら簡単に説明する。図６〜図１４において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
【００４９】
先ず、図６に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇが作製される。この支持基板の成形体１０ｇは、例えば、支持基板１０の材料（例えば、ＣＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図６に示す７−７線に対応する部分断面を表す図７〜図１４を参照しながら説明を続ける。
【００５０】
図７に示すように、支持基板の成形体１０ｇが作製されると、次に、図８に示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体２１ｇがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図９に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体２１ｇ、及び各燃料極活性部２２ｇは、例えば、燃料極２０の材料（例えば、ＮｉとＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。
【００５１】
続いて、図１０に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面における「燃料極活性部の成形体２２ｇが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、ＬａＣｒＯ３）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。
【００５２】
次に、図１１に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数のインターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体３０ｇが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜４０ｇが形成される。固体電解質膜の成形膜４０ｇは、例えば、固体電解質膜４０の材料（例えば、ＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。
【００５３】
次に、図１２に示すように、固体電解質膜の成形体４０ｇにおける各燃料極の成形体２２ｇと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜５０ｇが形成される。各反応防止膜の成形膜５０ｇは、例えば、反応防止膜５０の材料（例えば、ＧＤＣ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
【００５４】
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体１０ｇが、空気中にて１５００℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したセル１００において空気極６０及び空気極集電膜７０が形成されていない状態の構造体が得られる。
【００５５】
次に、図１３に示すように、各反応防止膜５０の外側面に、空気極の成形膜６０ｇが形成される。各空気極の成形膜６０ｇは、例えば、空気極６０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
【００５６】
次に、図１４に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜６０ｇと、他方の発電素子部のインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の外側面に、空気極集電膜の成形膜７０ｇが形成される。各空気極集電膜の成形膜７０ｇは、例えば、空気極集電膜７０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
【００５７】
そして、このように成形膜６０ｇ、７０ｇが形成された状態の支持基板１０が、空気中にて１０５０℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したセル１００が得られる。以上、図１に示したセル１００の製造方法の一例について説明した。
【００５８】
なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極２０中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、これらの導電性を獲得するため、その後、支持基板１０側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが８００〜１０００℃で１〜１０時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。
【００５９】
（スタック構造体の全体構成の一例）
次に、上述したセル１００を用いた本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のスタック構造体について説明する。図１５に示すように、このスタック構造体は、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燃料マニホールド２００と、を備えている。燃料マニホールド２００の全体は、ステンレス鋼等の材料で構成されている。燃料マニホールド２００は、内部空間（直方体状の空間、前記内部空間に対応）を備えた、長手方向（ｚ軸方向）を有する直方体状の筐体である。
【００６０】
燃料マニホールド２００は、複数のセル１００を支持するための支持板２１０を有している。なお、燃料マニホールド２００の上壁（天板、換言すれば、ガスタンクの天板（平板））が、支持板２１０を兼ねている。また、燃料マニホールド２００には、外部から燃料マニホールド２００の内部空間に燃料ガスを導入するための導入通路２２０が、支持板２１０上にて、燃料マニホールド２００の長手方向（ｚ軸方向）の一方側（ｚ軸正方向側）の端部に設けられている。導入通路２２０と燃料マニホールド２００の内部空間とは連通している。
【００６１】
この燃料マニホールド２００は、各セル１００を支持している。各セル１００は、燃料マニホールド２００の支持板２１０から延びている。詳細には、各セル１００は、支持板２１０（＝マニホールド２００の上壁）から上方（ｘ軸正方向）に向かって延びている。すなわち、各セル１００は、支持板２１０から突出するように延びている。また、各セル１００は、互いに間隔をあけて第１方向に沿って配置される。詳細には、上方から見たとき、各セル１００がｙ軸方向に沿ってそれぞれ延在し且つ複数のセル１００がｚ軸方向（前記第１方向）に沿って互いに離れてスタック状に整列している。各セル１００の長手方向（ｘ軸方向）における燃料ガス流入側の端部は、支持板２１０にて接合・支持されている。燃料マニホールド２００の内部空間と、複数のセル１００の燃料ガス流路１１のそれぞれとは連通している。各セル１００の長手方向（ｘ軸方向）における燃料ガス排出側の端部は、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。
【００６２】
図１６に示すように、支持板２１０（＝マニホールド２００の上壁）には、燃料マニホールド２００の内部空間と連通する複数の挿入孔２１１（貫通孔）が形成されている。各挿入孔２１１には、対応するセル１００の燃料ガス流入側の一端部がそれぞれ挿入される。
【００６３】
図１７に示すように、本実施形態では、複数の挿入孔２１１は互いに同形である。各挿入孔２１１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。また、複数の挿入孔２１１は、ｙ軸方向において同じ位置に、且つ、ｚ軸方向において同じ間隔をおいて配置されている。
【００６４】
各挿入孔２１１の長さＬ４は、セル１００の一端部の側面の長さＬ２（図１を参照）より大きい。例えば、各挿入孔２１１の長さＬ４は、セル１００の一端部の側面の長さＬ２より０．２〜３ｍｍ程度大きい。同様に、各挿入孔２１１の幅Ｌ５は、セル１００の一端部の側面の幅Ｌ３（図１を参照）より大きい。例えば、各挿入孔２１１の幅Ｌ５は、セル１００の一端部の側面の幅Ｌ３（図１を参照）より０．２〜３ｍｍ程度大きい。即ち、図１８、１９に示すように、セル１００の一端部が挿入孔２１１に挿入された状態では、挿入孔２１１の内壁とセル１００の一端部の外壁との間に隙間が形成される。換言すれば、セル１００の一端部が挿入孔２１１に遊嵌される。なお、図１８、図１９（特に、図１８）では、前記隙間が誇張して描かれている。
【００６５】
図１８、図１９に示すように、挿入孔２１１とセル１００の一端部との接合部のそれぞれにおいて、固化された第１接合材３００が前記隙間に充填されるように設けられている。これにより、各挿入孔２１１と対応するセル１００の一端部とがそれぞれ接合・固定されている。図１９に示すように、各セル１００のガス流路１１の一端部は、燃料マニホールド２００の内部空間と連通している。
【００６６】
第１接合材３００は、結晶化ガラスで構成されている。例えば、第１接合材３００は、ＭｇＯ−ＣａＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系や、ＭｇＯ−ＢａＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系等の結晶化ガラスで構成される。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（セラミックス）を指す。結晶化ガラスの結晶化度は、具体的には、例えば、「ＸＲＤ等を用いて結晶相を同定し、ＳＥＭ及びＥＤＳ、或いは、ＳＥＭ及びＥＰＭＡ等を用いて結晶化後のガラスの組織や組成分布を観察した結果に基づいて、結晶相領域の体積割合を算出する」ことによって得ることができる。
【００６７】
また、図１９に示すように、隣接するセル１００、１００の間の空間（以下、「セル間空間」とも呼ぶ）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２０と他方のセル１００の空気極６０）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。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。
【００６８】
図１９及び図２０に示すように、セル間空間に介在する集電部材４００として、第１部材４００Ａと第２部材４００Ｂとが存在する。第１部材４００Ａは、酸化物セラミックスの焼成体（バルク体）で構成されている。第１部材４００Ａは、ばね構造を有していない。第１部材４００Ａは、隣り合うセル１００の間に配置される。そして、第１部材４００Ａは、隣り合うセル１００を電気的に接続して、セル集合体４０１を構成する。すなわち、セル集合体４０１は、複数のセル１００と、各セル１００の間に配置された第１部材４００Ａとを有する。なお、図２０では、３つのセル１００と２つの第１部材４００Ａとから構成されたセル集合体４０１が例示されている。
【００６９】
第１部材４００Ａは、導電性を有する酸化物セラミックスの焼成体によって構成されている。このような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、又は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又は（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又は（Ｍｎ，Ｆｅ）３Ｏ４等が挙げられる。
【００７０】
第１部材４００Ａは、第２接合材３０１によって、セル１００に接合されている。すなわち、第２接合材３０１は、第１部材４００Ａとセル１００とを接合している。第２接合材３０１は、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等よりなる群から選ばれる少なくとも１種である。
【００７１】
第２部材４００Ｂは、ばね構造を有する金属で構成されている。第２部材４００Ｂは、各セル集合体４０１の間に配置されており、隣り合う各セル集合体４０１を電気的に接続している。この例では、複数の集電部材４００が、ｚ軸方向の一側から他側に向けて「連続する複数の（具体的には、２つの）第１部材４００Ａ」と「単一の第２部材４００Ｂ」とが交互に配置されるように、且つ、「連続する複数の第１部材４００Ａ」がｚ軸方向の両端部にてそれぞれ配置されるように、ｚ軸方向に沿って整列している。換言すれば、第２部材４００Ｂがｚ軸方向において連続して配置されていない。
【００７２】
第２部材４００Ｂの材料（金属）としては、ステンレス鋼やＮｉ基合金等が挙げられる。第２部材４００Ｂのばね構造は、金属板を折り曲げることによって構成されてもよいし、コイルスプリング構造であってもよい。第２部材４００Ｂは、第１部材４００Ａと同様に、第２接合材３０１によってセル１００と接合される。
【００７３】
第２部材４００Ｂの外表面にセラミックスで構成されたコーティング膜が形成されてもよい。これにより、第２部材４００Ｂがステンレス鋼などのクロムを含む金属で構成される場合において、第２部材４００Ｂの表面から蒸発したクロムに起因する上記クロム被毒の問題が発生し難くなる。このコーティング膜は、緻密質（気孔率が１０％以下）の膜であっても、多孔質（気孔率が１０％より大きい）の膜であってもよい。
【００７４】
なお、図１９から理解できるように、集電部材４００（４００Ａ、４００Ｂ）は、複数の発電素子部Ａのうち上下方向（ｘ軸方向）における最も下側に設けられた発電素子部Ａ（以下、「最下発電素子部ＡＳ」とも呼ぶ）より下側に配置されている。換言すれば、集電部材４００は、燃料マニホールド２００の上壁から突出するセル１００の根元側（即ち、燃料ガス流入側）に接続されている。これは、セル１００の根元側より温度が高いセル１００の先端側（即ち、燃料ガス排出側）に集電部材４００を設けると、集電部材４００とセル１００との接合部位にて剥離が発生し易いことに因る。ガス排出口から排出された余剰の燃料ガスが周囲の空気（酸素）と反応（燃焼）することによって、その燃焼による熱を受けてセル１００の先端側の温度は局所的に高くなる。なお、集電部材４００（４００Ａ、４００Ｂ）は、燃料マニホールド２００の上壁から突出するセル１００の先端部分（即ち、燃料ガス排出側の部分）に接続されてもよい。この場合、例えば、集電部材４００（４００Ａ、４００Ｂ）は、複数の発電素子部Ａのうち上下方向（ｘ軸方向）における最も上側に設けられた発電素子部Ａより上側に配置され得る。
【００７５】
また、図２１〜図２３に示すように、このスタック構造体は、それぞれのセル間空間に空気を供給するための空気マニホールド６００を備えている。空気マニホールド６００は、内部空間（直方体状の空間）を備えた、長手方向（ｚ軸方向）を有する直方体状の筐体である。
【００７６】
特に、図２１及び図２３に示すように、空気マニホールド６００は、燃料マニホールド２００の上壁にて、スタック状に整列する複数のセル１００に対してｙ軸方向（セルの幅方向）における第１側（ｙ軸正方向側）にて、複数のセル１００から離れて配置されている。空気マニホールド６００は、その内部空間と連通する供給孔６１０を備える。この供給孔６１０から、それぞれのセル間空間に向けて空気が供給される。
【００７７】
供給孔６１０は、空気マニホールド６００におけるスタック側（ｙ軸負方向側）の側面に形成されている。従って、供給孔６１０は、ｙ軸方向（セルの幅方向）における第１側と反対の第２側（ｙ軸負方向側）に向けて開口している。図２２に示すように、本実施形態では、複数の円形の供給孔６１０が、ｚ軸方向に沿うように、ｚ軸方向において複数のセル間空間に対応する位置にそれぞれ独立して形成されている。
【００７８】
図１９及び図２３に示すように、供給孔６１０は、上下方向（ｘ軸方向）において「集電部材４００とはオーバラップせず、且つ、最下発電素子部ＡＳとはオーバラップする位置」に配置されている。本実施形態では、供給孔６１０は、上下方向（ｓ軸方向）において「最下発電素子部ＡＳの中央部に対応する位置」に配置されている。
【００７９】
また、図２１及び図２３に示すように、このスタック構造体は、セル間空間内における空気の移動経路を制御するための壁８００が、燃料マニホールド２００の上壁にて、スタック状に整列した複数のセル１００に対してｙ軸方向（セルの幅方向）における第２側（ｙ軸負方向側）に配置されている。
【００８０】
壁８００は、スタック状に整列した複数のセル１００のｙ軸方向（セルの幅方向）における第２側（ｙ軸負方向側）の側端面を覆うように、ｘ−ｚ平面方向に沿って延在している。本実施形態では、壁８００は、平板状を呈しており、スタック状に整列した複数のセル１００のセルの幅方向における第２側の側端面に接触している。
【００８１】
なお、図２１に示すように、本実施形態では、セル間空間内における空気の移動経路を制御するため、壁８００に加えて、一対の壁７００も、燃料マニホールド２００の上壁にて配置されている。一対の壁７００は、スタック状に整列した複数のセル１００のうちｚ軸方向の両端に位置する一対のセル１００に対して、平行、且つ、各セル間空間の幅（ｚ軸方向の距離）と同じ距離だけｚ軸方向に離れて配置されている。換言すれば、本実施形態では、スタック状に整列した複数のセル１００は、上方からみたとき、四方のうち、空気マニホールド６００と向かい合う方向を除いた三方について、一対の壁７００、及び、壁８００によって覆われている。
【００８２】
以上、説明した燃料電池の片持ちスタック構造を稼働させる際には、図１５、図１９、図２１、及び、図２３に示すように、高温（例えば、６００〜８００℃）の燃料ガス（水素等）及び「空気」を流通させる。即ち、図１５、及び、図１９に示すように、導入通路２２０から導入された燃料ガスは、燃料マニホールド２００の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔２１１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の他端（自由端）から外部に排出される。
【００８３】
一方、図１９、図２１、及び、図２３に示すように、図示しない導入通路から空気マニホールド６００の内部空間に導入された空気は、それぞれの供給孔６１０から流出する。それぞれの供給孔６１０から流出した空気は、セルの幅方向（ｙ軸方向）に沿って、それぞれのセル間空間における最下発電素子部ＡＳの近傍部分を進行し、その後、壁８００に当たる。これにより、それぞれのセル間空間におけるセル１００の根元側の部分の圧力がセル１００の幅方向（ｙ軸方向）の全域に亘って相対的に上昇し得る。この結果、セル間空間における最下発電素子部ＡＳの近傍部分をセル１００の幅方向に沿って進行している空気は、セル１００の幅方向の全域に亘って、進行方向を変えて上方（セル１００の先端側）に向けて移動し始め得る（特に、図２３を参照）。セル間空間を上方に向けて移動していく空気は、セル間空間における最下発電素子部ＡＳより上方に位置する１つ又は複数の発電素子部Ａの近傍部分を順に通過し（特に、図１９を参照）、その後、セル間空間におけるセル１００の先端側から外部に排出される（特に、図２３を参照）。この結果、セル間空間における広範囲に亘って均一に空気を供給することができる。即ち、空気利用率を高めることができ、この結果、スタック構造体において高出力を得ることができる。
【００８４】
上述した燃料電池のスタック構造体は、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、完成した燃料マニホールド２００、完成した空気マニホールド６００、一対の壁７００、及び、壁８００が準備される。
【００８５】
次に、図２４に示すセル集合体４０１が複数作製される。図２４に示すセル集合体４０１は、スタック数が「３」である。各セル集合体４０１において、各第１部材４００Ａの両端部は、対応する隣接するセル１００の側面部と、第２接合材３０１を用いてそれぞれ接合される。なお、この時点では、第１部材４００Ａとセル１００との固定は仮止めであり、第２接合材３０１は焼結されていない。なお、第１部材４００Ａが連続して配置される最大数をＮ以下（Ｎ：自然数）とするためには、各セル集合体４０１のスタック数を（Ｎ＋１）以下とすればよい。
【００８６】
次いで、図２５に示すように、所定の治具等を用いて、複数のセル集合体４０１が、全てのセル１００がｚ軸方向に沿って所定の間隔を空けて一列に整列するように、スタック状に固定される。この状態が維持されながら、複数のセル集合体４０１に含まれるそれぞれのセル１００の一端部が、支持板２１０の対応する挿入孔２１１に一度に挿入される。続いて、第１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２１１とセル１００の一端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。その際、図１９に示すように、ペーストが支持板２１０の表面から上方に向けてはみ出す程度まで前記接合部に供給されてもよい。
【００８７】
次に、上記のように充填された第１接合材３００及び第２接合材３０１に熱処理が加えられる。この熱処理によって第１接合材３００である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第１接合材３００が機能を発揮し、各セルの一端部が対応する挿入孔２１１にそれぞれ接合・固定される。換言すれば、各セル１００の一端部が第１接合材３００を用いて支持板２１０にそれぞれ接合・支持される。また、上記熱処理によって、第２接合材３０１も焼成し、第１部材４００Ａとセル１００とを接合・支持するようになる。その後、前記所定の治具が複数のセル１００から取り外される。
【００８８】
次いで、図２６に示すように、隣り合うセル集合体４０１の間で向かい合う２つのセル（以下、「対向セル」と呼ぶ）の間のセル間空間に、それぞれ、集電部材４００としての第２部材４００Ｂが配置される。各第２部材４００Ｂの両端部（電気的接合部）は、対応する対向セル１００の側面部（電気的接合部）と、第２接合材３０１を用いてそれぞれ接合される。この結果、各対向セル１００が電気的にそれぞれ接続される。即ち、スタックを構成する全てのセル１００が、ｚ軸方向に沿って電気的に直列に接続される。その後、燃料マニホールド２００の上壁の所定の位置に、空気マニホールド６００、一対の壁７００、及び、壁８００が固設されて、上述した片持ちスタック構造体が完成する。
【００８９】
上述した図２５及び図２６に示した例では、複数のセル集合体４０１が支持板２１０に組み付けられた後に、各セル集合体４０１の間に第２部材４００Ｂがそれぞれ組み付けられているが、図２７及び図２８に示す例のように、各セル集合体４０１の間に第２部材４００Ｂがそれぞれ組み付けられた後に、複数のセル集合体４０１が支持板２１０に組み付けられてもよい。また、上述した図２５〜図２８に示した例では、複数のセル集合体４０１が作製される過程を経ているが、セル集合体４０１が作製される過程を経ることなく、全てのセル１００のそれぞれの一端部が、支持板２１０の対応する挿入孔２１１に一度に挿入されてもよい。
【００９０】
（作用・効果）
一般に、上述のようなスタック構造体では、各構成部品の形状・寸法のばらつき、並びに、各構成部品の高温時での変形等に起因して、隣り合うセルの相対位置関係にずれが発生し得る。この問題は、スタック数が大きい場合に特に発生し易い。ここで、酸化物セラミックスの焼成体（バルク体）で構成される第１部材４００Ａは、ばね構造を有さないので、変形し難い。これに対し、ばね構造を有する金属で構成された第２部材４００Ｂは、変形し易い。
【００９１】
上記本実施形態では、セル間空間に介在する集電部材４００として、複数の第１部材４００Ａのみならず、複数の第２部材４００Ｂが存在する。複数の第２部材４００Ｂは、ｚ軸方向において連続して配置されないように配置されている。即ち、複数の第２部材４００Ｂがｚ軸方向において特定の箇所に集まって配置されることなく、ｚ軸方向において広い範囲に亘って配置される。
【００９２】
従って、第２部材４００Ｂが介在する隣り合うセル１００の間に相対位置関係のずれが発生した場合には、その第２部材４００Ｂが変形することによって、そのずれに起因してその第２部材４００Ｂに作用する応力が緩和され得る。この結果、第２部材４００Ｂとセル１００との接合箇所等にクラックが発生し難くなる。
【００９３】
また、第１部材４００Ａが介在する隣り合うセル１００の間に相対位置関係のずれが発生した場合には、その隣り合うセル１００の近くに位置する第２部材４００Ｂが変形し得ることによって、その隣り合うセル１００の相対位置関係のずれが小さくなり得る。従って、そのずれに起因してその第１部材４００Ａに作用する応力が緩和され得る。この結果、第１部材４００Ａとセル１００との接合箇所等にクラックが発生し難くなる。以上より、スタック全体として、集電部材４００とセル１００との接合箇所等にクラックが発生し難くなるので、隣り合うセル１００の間での電気的な接続が良好に維持され易い。
【００９４】
更には、上述した図２５〜図２８に示したように、複数のセル集合体４０１を利用してスタック構造体を得る場合、上記「対向セル」について、相対位置関係のずれが特に発生し易い。この点、図２９に示すように、対向セルが、変形し難い第１部材４００Ａで接合されると（微細なドットで示した第１部材４００Ａを参照）、この第１部材４００Ａと対向セルとの接合箇所等にクラックが発生し易くなる。
【００９５】
これに対し、上述した図２５〜図２８に示した例では、対向セルが、変形し易い第２部材４００Ｂによって接合されている。従って、この第２部材４００Ｂと対向セルとの接合箇所等にクラックが発生し難くなるので、対向セルの間での電気的な接続が良好に維持され易い。
【００９６】
本発明は上記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、セル間空間に介在する集電部材４００として、複数の第１部材４００Ａに加えて、複数の第２部材４００Ｂが含まれているが、集電部材４００として、複数の第１部材４００Ａに加えて、１つの第２部材４００Ｂが含まれていてもよい。
【００９７】
また、上記本実施形態では、図２１、及び、図２２に示すように、複数の円形の供給孔６１０が、ｚ軸方向に沿うように、ｚ軸方向において複数のセル間空間に対応する位置にそれぞれ独立して形成されているが、図２１、及び、図２２にそれぞれ対応する図３０、及び、図３１に示すように、供給孔６１０が、スタック状に整列する複数のセル１００のうちｚ軸方向における両端に位置するセル１００の間に亘って、ｚ軸方向に連続して延在する単一の長穴であってもよい。これによれば、スタックに対する空気マニホールド６００のｚ軸方向における相対的な組み付け位置にずれが生じた場合であっても、空気が、それぞれのセル間空間に向けて安定して供給され易くなる。
【００９８】
また、上記本実施形態では、空気マニホールド６００が燃料マニホールド２００の上壁に固定されているが、空気マニホールド６００がその他の部材に固定されていてもよい。また、壁８００が燃料マニホールド２００の上壁に固定されているが、壁８００がその他の部材に固定されていてもよい。また、壁８００がスタック状に整列する複数のセル１００のｙ軸方向における第２側（ｙ軸負方向側）の側端面に接触しているが、同側端面に接触していなくてもよい。
【００９９】
また、上記本実施形態では、燃料マニホールド２００の上壁が複数のセル１００を支持するための支持板２１０を兼ねているが（即ち、支持板２１０が燃料マニホールド２００と一体で構成されているが）、燃料マニホールド２００の内部空間と複数のセル１００のガス流路１１とが連通する限りにおいて、支持板２１０が燃料マニホールド２００とが別体で構成されていてもよい。また、上記本実施形態では、平板状を呈するセル１００の両側面に発電素子部Ａがそれぞれ設けられているが、平板状を呈するセル１００の一側面にのみ発電素子部Ａが設けられていても良い。更には、セルが円筒状を呈していてもよい。
【０１００】
また、上記実施形態では、集電部材４００は、第２部材４００Ｂが連続して配置されていないが、第２部材４００Ｂは連続して配置されていてもよい。例えば、図３２に示すように、第２部材４００Ｂは、セル集合体４０１を構成していないセル１００を介して、隣り合うセル集合体４０１を電気的に接合してもよい。具体的には、セル集合体４０１、第２部材４００Ｂ、セル１００、第２部材４００Ｂ、セル集合体４０１の順で電気的に接合されていてもよい。
【０１０１】
また、上記実施形態では、第１接合材３００と第２接合材３０１とに対して同時に熱処理を施しているが、別々に熱処理を施してもよい。すなわち、まず、複数のセル集合体４０１を作製し、この各セル集合体４０１の第２接合材３０１に熱処理を施して第２接合材３０１を焼成する。そして、各セル集合体４０１の各セル１００のそれぞれの一端部を支持板２１０の各挿入孔２１１に挿入する。その後、第１接合材３００を挿入孔２１１内に充填し、第１接合材３００に熱処理を施す。
【０１０２】
図３３に示すように、第１方向（ｚ方向）において、各セル集合体４０１の近位端部４０２の幅Ｌ６に対する、各セル集合体４０１の遠位端部４０３の幅Ｌ７の割合（Ｌ７／Ｌ６）は、０．９５８〜１．０６としてもよい。なお、この割合（Ｌ７／Ｌ６）は、０．９７０〜１．０６とすることがより好ましい。また、割合（Ｌ７／Ｌ６）は、１．０を除く。各セル集合体４０１の近位端部４０２は、燃料マニホールド２００側の端部であり、各セル集合体４０１の遠位端部４０３は、燃料マニホールド２００から離れた側の端部である。このようにセル集合体４０１を構成することによって、各セル１００、特に支持基板１０にクラックが発生することを防ぐことができる。なお、幅Ｌ６に対する幅Ｌ７の割合（Ｌ７／Ｌ６）を上記範囲内に収めるためには、例えば、セル１００（主に支持基板１０）、燃料マニホールド２００、第１部材４００Ａ、第２部材４００Ｂ、第１接合材３００、第２接合材３０１の熱膨張性係数を精密に合わせこむことが好ましい。目安としては各材料の熱膨張係数としては、±０．５ｐｐｍ/Ｋの範囲内に合わせこむことが好ましい。また、遠位端部側（Ｌ７側）のセル１００の傾きを制御するための仮固定治具を使って接合処理をすることも効果的である。
【０１０３】
（実施例）
以下において、セル集合体４０１の近位端部の幅Ｌ６に対する遠位端部の幅Ｌ７の割合（Ｌ７／Ｌ６）と、クラックの発生の有無との関係について評価した試験について説明する。
【０１０４】
まず、セル集合体４０１を形成した。具体的には、各セル集合体４０１は、５〜２０枚のセル１００によって構成された。各セル１００（支持基板１０）の幅Ｌ２は５０ｍｍ、長さＬ１は２００ｍｍ、厚さは３ｍｍとした。また、各セル１００を構成する支持基板１０の材質は、ＭｇＯ−ＭｇＡｌ２Ｏ４とした。これら各セル１００の間に第１部材４００Ａを配置した。そして、第１部材４００Ａとセル１００とを（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４（第２接合材３０１）によって接合した。ここで、各セル１００の間隔は３ｍｍとし、第１部材４００Ａの厚さは、２．５ｍｍとした。第１部材４００Ａは、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３によって形成した。
【０１０５】
次に、セル集合体４０１を燃料マニホールド２００に取り付けた。詳細には、各セル１００を、燃料マニホールド２００の各挿入孔２１１に挿入した。そして、各セル１００が挿入された状態の各挿入孔２１１に、第１接合材３００としてＳｉＯ２-ＭｇＯ-Ｂ２Ｏ３系のシール材料を充填した。
【０１０６】
次に、燃料マニホールド２００にセル集合体４０１が取り付けられた状態で、熱処理を行い、第１接合材３００であるＳｉＯ２-ＭｇＯ-Ｂ２Ｏ３系のシール材料を結晶化ガラスとするとともに、第２接合材３０１である（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４を焼成させた。この結果、燃料マニホールド２００にセル集合体４０１が固定された。このようにして形成されたスタック構造体において、セル集合体４０１の近位端部４０２の幅Ｌ６と遠位端部４０３の幅Ｌ７とを測定した。具体的には、デジタルノギスまたはレーザー式自動計測器を用いて、幅Ｌ６と幅Ｌ７の寸法データを取得した。測定値は５回測定したデータの平均値を採用した。そして、各スタック構造体について、近位端部４０２の幅Ｌ６に対する遠位端部４０３の幅Ｌ７の割合（Ｌ７／Ｌ６）と、クラック発生の有無との関係について評価した。なお、クラックの発生の有無は、目視にて確認した。また、セル１００の支持基板１０に生じたクラックの発生の有無について確認した。この結果を、表１に示す。
【０１０７】
【表１】
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【０１０８】
表１の結果より、割合（Ｌ７／Ｌ６）が０．９５８〜１．０６であるとき、クラックの発生が抑制されることが分かった。また、割合（Ｌ７／Ｌ６）を０．９７０〜１．０６とすることによって、クラックの発生を防ぐことができることが分かった。なお、上記実施例では、長さ２００ｍｍのセル１００を用いて評価を行ったが、セル１００の長さが１５０ｍｍ、又は２５０ｍｍであっても同様の傾向が見られることを確認した。
【符号の説明】
【０１０９】
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、２０…燃料極、４０…固体電解質膜、６０…空気極、Ａ…発電素子部、１００…セル、２００…燃料マニホールド、２１０…支持板、２１１…挿入孔、３００…接合材、４００…集電部材、４００Ａ…第１部材、４００Ｂ…第２部材、６００…空気マニホールド、６１０…供給孔、８００…壁
【要約】
【課題】隣り合うセル間を電気的に接続する集電部材として酸化物セラミックスの焼成体が使用される燃料電池のスタック構造体であって、隣り合うセル間での電気的な接続が良好に維持され易いものを提供すること。
【解決手段】燃料マニホールド２００の上壁の上にｚ軸方向に沿って複数のセル１００がスタック状に整列している。隣り合うセル１００の間にはそれぞれ、セル１００間を電気的に接続する集電部材４００が介装されている。複数の集電部材４００は、酸化物セラミックスの焼成体で構成された複数の第１部材４００Ａ（バルク体）と、ばね構造を有し且つ金属で構成された１つ又は複数の第２部材４００Ｂと、からなる。第２部材４００Ｂは、ｚ軸方向において連続して配置されない。
【選択図】図２０【図１９】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３２】
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【図３３】
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【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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【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図３０】
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【図３１】
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