JP2018107114A - マニホールド - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルとマニホールド本体部との接合部にクラックが生じることを抑制する。【解決手段】マニホールド２は、マニホールド本体部２１と、導入管２０１と、を備えている。マニホールド本体部２１は、底壁２３、底壁２３から上方に延びる側壁２４、及び上壁２２を有している。導入管２０１は、側壁２４から側方に延びる水平部２０１ａ、水平部２０１ａから上方に延びる延在部２０１ｂ、及び変形部を有する。変形部は、延在部の下端から１００ｍｍ上方の点に対して、徐々に増加させながら荷重を水平方向に加えたときに、マニホールド本体部２１よりも先に変形するように構成される。【選択図】図５

Description

本発明は、マニホールドに関するものである。

燃料電池スタックは、マニホールドと、複数の燃料電池セルとを備えている。マニホールドは、各燃料電池セルにガスを分配するように構成されている。マニホールドは、マニホールド本体部、及び導入管を有している。マニホールド本体部には、燃料電池セルが取り付けられている。例えば、接合材などによって燃料電池セルはマニホールド本体部に接合されている。導入管は、マニホールド本体部に取り付けられている。この導入管を介してマニホールド本体部内に導入された燃料ガスが燃料電池セルに供給される。

特開２０１５−７６３３９号公報

上述したような燃料電池スタックの運転中において、燃料電池セルとマニホールド本体部との接合部にクラックが生じることがある。本発明の課題は、燃料電池セルとマニホールド本体部との接合部にクラックが生じることを抑制することにある。

本発明者らは、鋭意研究した結果、次のことがマニホールド本体部と燃料電池セルとの接合部に生じるクラックの要因の１つであることを見出した。すなわち、燃料電池スタックの運転中において導入管に荷重が作用すると、その荷重がマニホールド本体部に伝達する。そして、この荷重がマニホールド本体部を変形させ、このマニホールド本体部の変形がマニホールド本体部と燃料電池セルとの接合部にクラックを生じさせるおそれがある。そこで本発明では、導入管に掛かる荷重がマニホールド本体部に与える影響を低減させることを特徴とした。すなわち、本発明のある側面に係るマニホールドは、マニホールド本体部と、導入管と、を備えている。マニホールド本体部は、底壁、底壁から上方に延びる側壁、及び上壁を有している。導入管は、上方に延びる延在部、及び変形部、を有する。変形部は、延在部の下端から１００ｍｍ上方の点に対して、徐々に増加させながら荷重を水平方向に加えたときに、マニホールド本体部より先に変形するように構成される。

この構成によれば、燃料電池スタックの運転中において導入管に荷重が掛かった場合に、マニホールド本体部が変形するよりも前に変形部が変形する。この変形部の変形によって、導入管からマニホールド本体部に伝達される荷重が吸収され、ひいては導入管に作用した荷重がマニホールド本体部へ与える影響を抑えることができる。この結果、マニホールド本体部の変形を抑制することができ、ひいてはマニホールド本体部と燃料電池セルとの接合部にクラックが生じることを抑制することができる。

好ましくは、導入管は、側壁から側方に延びる水平部をさらに有している。延在部は、水平部から上方に延びている。

好ましくは、導入管は、延在部を含む導入管本体部と、導入管本体部と前記マニホールド本体部とを接合する接合部と、を有する。そして、変形部は、接合部によって構成される。この構成によれば、接合部が変形することによって、マニホールド本体部への影響を小さくすることができる。

好ましくは、側壁は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する傾斜部を有する。そして、ガス導入口は、傾斜部に形成される。この構成によれば、ガス導入口からマニホールドの内部空間に導入されたガスは、上方に向かって拡散される。

好ましくは、側壁の全体は、傾斜部として構成される。すなわち、側壁全体が、上方に向かって外方に広がるように傾斜している。

好ましくは、側壁は、一対の第１側壁と、一対の第２側壁とを有している。各第１側壁は、第１方向において互いに対向する。各第２側壁は、第１方向と直交する第２方向において互いに対向する。

好ましくは、ガス導入口は、一対の第１側壁のうち一方の第１側壁に形成されている。ガス導入口が形成された第１側壁は、傾斜部として構成される。すなわち、ガス導入口が形成された第１側壁の全体が、上方に向かって外方に広がるように傾斜している。

好ましくは、第１側壁と第２側壁との第１境界部の内側面は、Ｒ形状である。

好ましくは、底壁と側壁との第２境界部の内側面は、Ｒ形状である。

好ましくは、マニホールドは、側壁の上端部から外方に延びる第１フランジ部をさらに備える。上壁は、第１フランジ部に固定される。

好ましくは、側壁と第１フランジ部との第３境界部の内側面は、Ｒ形状である。

好ましくは、第３境界部と上壁との間に第１隙間部が形成される。この第１隙間部を有さないマニホールドに比べて、この第１隙間部においてマニホールドが変形しやすくなる。このため、例えば、マニホールドに燃料電池セルを接合材によって固定している場合において、その接合材に生じる応力が低減するため、燃料電池スタックの信頼性が向上する。

好ましくは、上壁と側壁との第４境界部の内側面は、Ｒ形状である。

好ましくは、マニホールドは、側壁の下端部から外方に延びる第２フランジ部をさらに備える。底壁は、第２フランジ部に固定される。

好ましくは、側壁と第２フランジ部との第５境界部の内側面は、Ｒ形状である。

好ましくは、第５境界部と底壁との間に第２隙間部が形成される。

本発明によれば、燃料電池セルとマニホールド本体部との接合部にクラックが生じることを抑制することができる。

燃料電池スタックの斜視図。 燃料電池スタックの断面図。 図２のIII−III線断面図。 図２のIV−IV線断面図。 マニホールドの拡大断面図。 図３のVI−VI線断面図。 マニホールドの拡大断面図。 上壁の平面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 燃料電池スタックの拡大断面図。 変形例に係るマニホールドの断面図。 変形例に係るマニホールドの断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大断面図。

［燃料電池スタック］
以下、本発明に係るマニホールドが採用された燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１〜図３に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セル１と、マニホールド２と、を備えている。

［マニホールド］
マニホールド２は、各燃料電池セル１にガスを分配するように構成されている。マニホールド２は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド２の内部空間には、燃料ガスなどのガスが導入される。マニホールド２は、この内部空間と外部とを連通する複数の貫通孔２７を有している。マニホールド２は、各燃料電池セル１を支持している。マニホールド２は、マニホールド本体部２１と、導入管２０１とを備えている。

［マニホールド本体部］
マニホールド本体部２１は、略直方体状であって、内部空間を有する。詳細には、マニホールド本体部２１は、錐台状である。マニホールド本体部２１は、底壁２３と、一対の第１側壁２４と、一対の第２側壁２５と、上壁２２と、を有している。また、マニホールド本体部２１は、第１フランジ部２６を有していてもよい。

底壁２３と、一対の第１側壁２４と、一対の第２側壁２５と、上壁２２とによってマニホールド本体部２１の内部空間が画定されている。マニホールド本体部２１のうち、底壁２３，一対の第１側壁２４、及び一対の第２側壁２５は、互いに一体的に形成されている。そして、上壁２２は、これらとは別部材で構成されている。上壁２２は、底壁２３，各第１側壁２４，及び各第２側壁２５に対して、接合材や溶接などによって接合されている。なお、上壁２２は、底壁２３，一対の第１側壁２４，及び一対の第２側壁２５と一体的に形成されていてもよい。

底壁２３は、平面視（ｘ軸方向視）において、矩形状である。各第１側壁２４及び各第２側壁２５は、底壁２３の周縁部から上方に延びている。一対の第１側壁２４は、マニホールド本体部２１の内部空間の奥行き方向（ｚ軸方向）において、互いに対向するように配置されている。また、一対の第２側壁２５は、マニホールド本体部２１の内部空間の幅方向（ｙ軸方向）において、互いに対向するように配置されている。なお、奥行き方向（ｚ軸方向）は、本発明の第１方向に相当する。また、幅方向（ｙ軸方向）は、本発明の第２方向に相当する。

図４及び図５に示すように、第１側壁２４及び第２側壁２５は、上方に向かって外方に広がるように傾斜している。すなわち、第１側壁２４及び第２側壁２５の全体は、本発明の傾斜部として構成されている。特に限定されるものではないが、例えば、第１側壁２４及び第２側壁２５と、底壁２３とがなす角度αは、９０．１〜１３５°程度とすることができる。このように第１側壁２４及び第２側壁２５が傾斜しているため、底壁２３と平行な面（ｙｚ平面）でマニホールド本体部２１の内部空間を切断した断面積は、上方にいくにつれて大きくなる。また、底壁２３に垂直で幅方向（ｙ軸方向）に延びる面（ｘｙ平面）でマニホールド本体部２１の内部空間を切断した断面は、台形状となっている。また、底壁２３に垂直で奥行方向（ｚ軸方向）に延びる面（ｘｚ平面）でマニホールド本体部２１の内部空間を切断した断面は、台形状となっている。

一対の第１側壁２４のうち一方の第１側壁２４は、ガス導入口２４１を有している。このガス導入口２４１が形成された第１側壁２４に、導入管２０１が取り付けられる。ガス導入口２４１は、第１側壁２４の幅方向（ｙ軸方向）の中央に形成されていることが好ましい。このガス導入口２４１から、マニホールド本体部２１の内部空間にガスが導入される。

ガス導入口２４１は、奥行き方向（ｚ軸方向）に開口している。また、ガス導入口２４１が形成された第１側壁２４が上方を向くように傾斜しているため、ガス導入口２４１も上方を向くように傾斜している。ガス導入口２４１は、円形状に形成されている。

マニホールド本体部２１の内部空間に導入されるガスの流速は、内部空間において、０．６０〜４５ｍ／ｓ程度とすることが好ましい。なお、この流速は、燃料電池セル１の発電時、０℃・１ａｔｍ換算における流速である。流速は、マニホールド本体部２１内に導入される流量と内部空間の断面積とから算出することができる。

第１フランジ部２６は、各第１側壁２４及び各第２側壁２５の上端部から外方に延びている。第１フランジ部２６は、環状である。

底壁２３と各第１側壁２４と各第２側壁２５と各第１フランジ部２６とは、１つの部材によって構成されている。例えば、マニホールド本体部２１は、耐熱性を有するような金属あるいは絶縁性セラミックスによって形成される。より具体的には、マニホールド本体部２１は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びＮｉ基合金、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（ステアタイト）、及び２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（フォルステライト）よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。

図６に示すように、第１側壁２４と、第２側壁２５との第１境界部２０ａの内側面は、Ｒ形状である。この第１境界部２０ａの内側面の曲率半径は、３〜３０ｍｍ程度とすることができる。なお、第１境界部２０ａの内側面とは、マニホールド本体部２１の内部空間を臨む面である。

図４及び図７に示すように、底壁２３と、第１側壁２４及び第２側壁２５との第２境界部２０ｂの内側面は、Ｒ形状である。この第２境界部２０ｂの内側面の曲率半径は、２〜２０ｍｍ程度とすることができる。なお、第２境界部２０ｂの内側面とは、マニホールド本体部２１の内部空間を臨む面である。

第１側壁２４及び第２側壁２５と、第１フランジ部２６との第３境界部２０ｃの内側面は、Ｒ形状である。この第３境界部２０ｃの内側面の曲率半径は、１〜１０ｍｍ程度とすることができる。なお、第３境界部２０ｃの内側面とは、マニホールド本体部２１の内部空間を臨む面である。

図７に示すように、マニホールド本体部２１の内部空間の高さ方向（ｘ軸方向）において、第３境界部２０ｃと上壁２２との間に第１隙間部２８が形成されている。すなわち、上壁２２の下面と第１フランジ部２６の上面とは接触している一方、上壁２２の下面と第３境界部２０ｃの内側面とは接触していない。第１隙間部２８は、全周に亘って形成されている。

図４に示すように、上壁２２は、内部空間の上面を塞ぐように配置されている。詳細には、上壁２２は、第１フランジ部２６に固定されている。マニホールド本体部２１の内部空間を密閉するため、上壁２２が全周に亘って第１フランジ部２６と接合されている。例えば、上壁２２と第１フランジ部２６とは、結晶化ガラスによって接合されている。上壁２２は、上述したマニホールド本体部２１の材料の少なくとも一種から形成することができる。

図８に示すように、上壁２２は、各燃料電池セル１が取り付けられるように構成されている。詳細には、上壁２２は、複数の貫通孔２７を有している。各貫通孔２７は、マニホールド本体部２１の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。また、各貫通孔２７は、マニホールド本体部２１の奥行き方向（ｚ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。

図６及び図７に示すように、マニホールド本体部２１の内部空間は、互いに直交する奥行きＤ、幅Ｗ、及び高さＨを有している。奥行きＤは、ガスの導入方向（ｚ軸方向）における内部空間の寸法である。すなわち、奥行きＤは、一対の第１側壁２４間の距離である。

幅Ｗは、平面視（ｘ軸方向視）において奥行きＤと直交する方向における内部空間の寸法である。すなわち、幅Ｗは、一対の第２側壁２５間の距離である。また、高さＨは、奥行きＤ及び幅Ｗと直交する方向における内部空間の寸法である。すなわち、高さＨは、上壁２２と底壁２３との距離である。

内部空間の奥行きＤは、５０〜４５０ｍｍ程度とすることができる。また、内部空間の幅Ｗは、３０〜２００ｍｍ程度とすることができる。また、内部空間の高さＨは５〜５０ｍｍ程度とすることができる。

［導入管］
図５に示すように、導入管２０１は、その内部を流れる燃料ガスなどをマニホールド本体部２１の内部空間に導入するように構成されている。すなわち、導入管２０１の流路とガス導入口２４１とが連通している。導入管２０１は、マニホールド本体部２１に取り付けられている。詳細には、導入管２０１の端部は、一方の第１側壁２４に取り付けられている。なお、導入管２０１の反対側の端部は、例えば、改質器などに取り付けられている。

導入管２０１は、導入管本体部２０１ｄと、接合部２０１ｃとを有している。導入管本体部２０１ｄの断面形状は、円形状である。導入管本体部２０１ｄの外径は、４〜１５ｍｍ程度とすることができる。また、導入管本体部２０１ｄの肉厚は、０．５〜２ｍｍ程度とすることができる。

導入管２０１は、第１側壁２４の外側面に接合されている。詳細には、導入管本体部２０１ｄが、接合部２０１ｃによって、第1側壁２４の外側面に接合されている。

導入管本体部２０１ｄは、水平部２０１ａと、延在部２０１ｂとを有している。水平部２０１ａは、第１側壁２４から側方に延びている。好ましくは、水平部２０１ａは、底壁２３と略平行に延びている。水平部２０１ａの長さＬ１は、１０〜５０ｍｍ程度とすることができる。

延在部２０１ｂは、水平部２０１ａから上方に延びている。詳細には、延在部２０１ｂは、水平部２０１ａの端部から上方に延びている。延在部２０１ｂは、好ましくは、底壁２３に対して略直交する方向（ｘ軸方向）に延びている。

水平部２０１ａと延在部２０１ｂとは１つの配管から構成されている。このため、水平部２０１ａと延在部２０１ｂとは、外径、内径、及び材質などが同じである。水平部２０１ａと延在部２０１ｂとがなす角度βは、８０〜１１０度とすることができ、約９０度とすることが好ましい。

接合部２０１ｃは、導入管本体部２０１ｄとマニホールド本体部２１とを接合している。詳細には、接合部２０１ｃは、水平部２０１ａとマニホールド本体部２１とを接合している。この接合部２０１ｃは、例えば、接合材、又は溶接部によって構成される。接合部２０１ｃは、水平部２０１ａと第１側壁２４との境界部を覆うように環状に形成されている。

導入管２０１は、変形部を有している。変形部は、例えば、水平部２０１ａの一部又は全部によって構成されていてもよいし、延在部２０１ｂの一部又は全部で構成されていてもよいし、水平部２０１ａと延在部２０１ｂとの境界部で構成されていてもよいし、これらの組み合わせによって構成されていてもよい。また、変形部は、接合部２０１ｃで構成されていてもよい。

変形部は、マニホールド本体部２１が変形するよりも先に、変形するように構成されている。詳細には、延在部２０１ｂの下端から１００ｍｍ上方の点に対して、荷重を徐々に増加させながら水平方向に加えると、変形部はマニホールド本体部２１よりも先に変形する。延在部２０１ｂに加えられる荷重速度は、例えば、１N／ｓｅｃとすることができる。なお、変形部は、弾性変形するように構成されていてもよいし、塑性変形するように構成されていてもよい。さらには、変形部は、破壊されてもよい。また、導入管２０１に荷重を掛ける際、マニホールド本体部２１は動かないように固定されている。荷重を掛ける方向は、例えば、燃料電池セル１から離れる方向である。

具体的には、上述したように延在部２０１ｂに掛かる荷重を徐々に増加させたときに、マニホールド本体部２１の上壁２２の中央部が上方又は下方に０．１ｍｍ以上撓む前に、延在部２０１ｂの力点が荷重の掛かる方向に０．５ｍｍ以上動くように変形部が変形する。例えば、水平部２０１ａと延在部２０１ｂとの境界部が変形し、延在部２０１ｂとの角度が広がるように、水平部２０１ａと延在部２０１ｂとの境界部が変形する。

変形部は、自立する程度の剛性を有していることが好ましい。すなわち、変形部は、変形部に外力を加えない限り変形しない程度の剛性を有していることが好ましい。例えば、変形部のヤング率は４０ＧＰａ以上である。これによって、導入管２０１の取り扱い性が向上する。

上述したような変形部は、例えば、水平部２０１ａ及び延在部２０１ｂの肉厚、水平部２０１ａ及び延在部２０１ｂの外径、水平部２０１ａ及び延在部２０１ｂの材質、水平部２０１ａの長さ、並びに側壁２４の肉厚などの少なくともいずれかを調整することによって、構成することができる。

水平部２０１ａ及び延在部２０１ｂは、例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びＮｉ基合金よりなる群から選ばれる少なくとも１種によって形成されている。また、接合部２０１ｃは、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、及びセラミックスよりなる群から選ばれる少なくとも１種によって形成されている。

［燃料電池セル］
図１から図３に示すように、各燃料電池セル１は、マニホールド本体部２１に取り付けられている。各燃料電池セル１は、マニホールド本体部２１から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル１は、マニホールド本体部２１の上壁２２から上方に延びている。燃料電池セル１の下端部１０１は、貫通孔２７内に挿入されている。この際、燃料電池セル１の下端部は上壁２２から５ｍｍほど下方に突出していてもよい。燃料電池セル１の長手方向（ｘ軸方向）の長さは１００〜３００ｍｍ程度とすることができる。なお、燃料電池セル１の下端部１０１が貫通孔２７内に挿入された状態において、燃料電池セル１の下端部１０１の外周面と貫通孔２７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３が充填されていてもよい。

各燃料電池セル１は、マニホールド本体部２１の奥行き方向（ｚ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。なお、図１では各燃料電池セル１が１列に配置されているが、各燃料電池セル１は、複数列に配置されていてもよい。燃料電池セル１の枚数は、１列につき１〜５０枚程度である。各燃料電池セル１は、各主面が奥行き方向（ｚ軸方向）を向くように配置されている。各燃料電池セル１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１の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル１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１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。例えば、第１集電部材４は、酸化物セラミックスの焼成体又は金属などによって形成されている。

複数の燃料電池セル１のうち、延在部２０１ｂに最も近い燃料電池セル１と、延在部２０１ｂとの距離Ｌ２は、例えば、５０ｍｍ以内とすることが好ましい。このように構成することによって、延在部２０１ｂ内を流れる燃料ガスを燃料電池セル１によって予熱することができる。

図９に示すように、燃料電池セル１は、複数の発電素子部１１と、支持基板１２とを備えている。各発電素子部１１は、支持基板１２の両面に支持されている。なお、各発電素子部１１は、支持基板１２の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１１は、燃料電池セル１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、本実施形態に係る燃料電池セル１は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。

各発電素子部１１は、電気的接続部１７（図１０参照）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１の上端部１０２側において、支持基板１２の一方面に形成された発電素子部１１と他方面に形成された発電素子部１１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１１は、直列に接続されている。

図３に示すように、支持基板１２は、支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）に延びる複数のガス流路１２１を内部に有している。ガス流路１２１は、マニホールド本体部２１の内部空間と連通している。各ガス流路１２１は、支持基板１２の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各ガス流路１２１は、マニホールド本体部２１の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置される。各ガス流路１２１の面積は、０．１〜３０ｍｍ^２程度とすることができる。

支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）は、燃料電池セル１の長手方向と同じ方向である。各ガス流路１２１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１２１は、支持基板１２の長手方向の両端面において開口している。

図１０に示すように、支持基板１２は、複数の第１凹部１２３を有している。各第１凹部１２３は、支持基板１２の両面に形成されている。各第１凹部１２３は支持基板１２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。

支持基板１２は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板１２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、支持基板１２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Ｙ_２Ｏ_３（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ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（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１２の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

各発電素子部１１は、燃料極１３、電解質１４、及び空気極１５を有している。また、各発電素子部１１は、反応防止膜１６をさらに有している。燃料極１３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１３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１２３内に配置されている。詳細には、燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に充填されており、第１凹部１２３と同様の外形を有する。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。詳細には、燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に充填されている。

燃料極集電部１３１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、燃料極集電部１３１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（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。燃料極集電部１３１の厚さ、並びに第１凹部１２３の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部１３２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、燃料極活性部１３２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。燃料極活性部１３２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質１４は、燃料極１３上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４は、あるインターコネクタ１７１から次のインターコネクタ１７１まで長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル１の長手方向において、電解質１４とインターコネクタ１７１とが交互に配置されている。

電解質１４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構成される焼成体である。電解質１４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、電解質１４は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質１４の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１６は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１６は、電解質１４と空気極１５との間に配置されている。反応防止膜１６は、電解質１４内のＹＳＺと空気極１５内のＳｒとが反応して電解質１４と空気極１５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１６は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜１６は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（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１６の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極１５は、反応防止膜１６上に配置されている。空気極１５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１５は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（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、空気極１５は、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、又は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（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。空気極１５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１５の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部１７は、隣り合う発電素子部１１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１７は、インターコネクタ１７１及び空気極集電部１７２を有する。インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。詳細には、インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に埋設（充填）されている。インターコネクタ１７１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１７１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、インターコネクタ１７１は、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（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１７１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電部１７２は、インターコネクタ１７１と空気極１５との間を延びるように配置される。例えば、図１０の左側に配置された発電素子部１１の空気極１５と、インターコネクタ１７１とを電気的に接続するように、空気極集電部１７２が配置されている。空気極集電部１７２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。

空気極集電部１７２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（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、空気極集電部１７２は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（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、空気極集電部１７２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電部１７２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

図１１に示すように、燃料電池セル１の下端部１０１は、緻密膜１８によって覆われている。詳細には、緻密膜１８は、支持基板１２を覆っている。緻密膜１８は、空気極集電部１７２と支持基板１２との間から下方に向かって延びている。

緻密膜１８は、緻密膜１８の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜１８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１８の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜１８は、絶縁性セラミックスで構成されている。

具体的には、緻密膜１８は、上述した電解質１４と反応防止膜１６とによって構成することができる。緻密膜１８を構成する電解質１４は、支持基板１２を覆っており、インターコネクタ１７１から支持基板１２の下端近傍まで延びている。また、緻密膜１８を構成する反応防止膜１６は、電解質１４と空気極集電部１７２との間に配置されている。なお、緻密膜１８は、電解質１４のみで構成されていてもよいし、電解質１４及び反応防止膜１６以外の材料によって構成されていてもよい。

［第1接合材］
第１接合材３は、燃料電池セル１をマニホールド本体部２１に固定する。詳細には、第１接合材３は、燃料電池セル１とマニホールド本体部２１の上壁２２とを接合している。第１接合材３は、燃料電池セル１の下端部１０１とマニホールド本体部２１の上壁２２とを接合している。また、第１接合材３は、緻密膜１８と接触している。

第１接合材３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、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−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、第１接合材３の材料として、非晶質ガラス、ろう材、又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３は、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_５−Ａｌ_２Ｏ_３系及びＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。

［発電方法］
以上のように構成された燃料電池スタック１００は、次のようにして発電する。マニホールド本体部２１を介して各燃料電池セル１のガス流路１２１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１２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１４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。この燃料電池スタック１００を外部の負荷に接続すると、空気極１５において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３において下記（２）式に示す電気化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

［変形例］
以上、本発明の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。

変形例１
上記実施形態では、燃料電池セル１は、複数の発電素子部１１を有している横縞型であったが、燃料電池セル１は、長手方向に延びる一つの発電素子部を有するような縦縞型であってもよい。また、燃料電池セル１は、横縞円筒型であってもよい。

変形例２
上記実施形態では、導入管本体部２０１ｄの断面形状は円形状であったが、矩形状や楕円形状などであってもよい。

変形例３
上記実施形態では、第１側壁２４及び第２側壁２５が傾斜部として構成されているが、ガス導入口２４１が形成された第１側壁２４のみが傾斜部として構成されており、残りの第１側壁２４及び第２側壁２５は傾斜していなくてもよい。または、ガス導入口２４１が形成された第１側壁２４の全体が傾斜部として構成されていなくてもよい。例えば、図１２に示すように、第１側壁２４の一部分２４２のみが傾斜部として構成されていてもよい。この場合、ガス導入口２４１は、この傾斜部２４２に形成されている。

変形例４
上記実施形態では、第１側壁２４及び第２側壁２５が傾斜部として構成されているが、第１側壁２４及び第２側壁２５は、傾斜していなくてもよい。

変形例５
上記実施形態では、底壁２３、一対の第１側壁２４、及び一対の第２側壁２５が一体的に形成されており、これらの上面を上壁２２によって封鎖しているが、マニホールド本体部２１の構成はこれに限定されない。

例えば、図１３に示すように、マニホールド本体部２１は、上壁２２、一対の第１側壁２４、及び一対の第２側壁２５が一体的に形成されており、底壁２３がこれらと別部材で形成されていてもよい。底壁２３は、マニホールド本体部２１の下面を封鎖するように構成されている。また、マニホールド本体部２１は、第１フランジ部２６の代わりに第２フランジ部２９を有していてもよい。第２フランジ部２９は、第１側壁２４及び第２側壁２５の下端部から外方に延びている。

上壁２２と、第１側壁２４及び第２側壁２５との第４境界部２０ｄの内側面は、Ｒ形状である。この第４境界部２０ｄの内側面の曲率半径は、２〜２０ｍｍ程度とすることができる。なお、第４境界部２０ｄの内側面とは、マニホールド本体部２１の内部空間を臨む面である。

第１側壁２４及び第２側壁２５と、第２フランジ部２９との第５境界部２０ｅの内側面は、Ｒ形状である。この第５境界部２０ｅの内側面の曲率半径は、１〜１０ｍｍ程度とすることができる。なお、第５境界部２０ｅの内側面とは、マニホールド本体部２１の内部空間を臨む面である。

図１４に示すように、マニホールド本体部２１の内部空間の高さ方向（ｘ軸方向）において、第５境界部２０ｅと底壁２２との間に第２隙間部３０が形成されている。すなわち、底壁２３の上面と第２フランジ部２９の下面とは接触している一方、底壁２３の上面と第５境界部２０ｅの内側面とは接触していない。第２隙間部３０は、全周に亘って形成されている。

図１３に示すように、底壁２３は、マニホールド本体部２１の下面を塞ぐように、第２フランジ部２９に固定されている。マニホールド本体部２１の内部空間を密閉するため、底壁２３が全周に亘って第２フランジ部２９と接合されている。例えば、底壁２３と第２フランジ部２９とは、結晶化ガラスによって接合されている。

変形例６
上記実施形態では、導入管本体部２０１ｄの先端面が第１側壁２４の外側面に当接されていたが、図１５に示すように、導入管本体部２０１ｄがガス導入口２４１に挿入されていてもよい。そして、導入管本体部２０１ｄの先端がマニホールド本体部２１の内部空間に配置されていてもよい。

変形例７
上記実施形態では、導入管本体部２０１ｄは、水平部２０１ａ及び延在部２０１ｂを有しているが、導入管本体部２０１ｄの構成はこれに限定されない。例えば、図１６に示すように、導入管本体部２０１ｄは、マニホールド本体部２１の上壁２２から上方に延びていてもよい。すなわち、導入管本体部２０１ｄは、延在部２０１ｂを有する一方で、水平部を有していなくてもよい。そして、導入管本体部２０１ｄの先端面は、上壁２２の上面に当接されていてもよい。または、導入管本体部２０１ｄは、上壁２２に形成されたガス導入口２２１に挿入されていてもよい。この場合、延在部２０１ｂの下端から１００ｍｍ上方の点とは、上壁２２の上面から１００ｍｍ上方の点を意味する。

変形例８
上記実施形態では、延在部２０１ｂは水平部２０１ａから屈曲して上方に延びているが、延在部２０１ｂが延びる方向はこれに限定されない。例えば、延在部２０１ｂは、下方や水平方向に延びていてもよい。荷重は、水平部２０１ａと延在部２０１ｂとの境界部から１００ｍｍ離れた点において、延在部２０１ｂに加えられる。

図１７に示すように、延在部２０１ｂが下方に延びる場合、延在部２０１ｂの上端から１００ｍｍ下方の点において、延在部２０１ｂに荷重を徐々に増加させながら水平方向に加える。

また、図１８に示すように、延在部２０１ｂが水平部２０１ａと交差する水平方向に延びる場合、延在部２０１ｂの端部から１００ｍｍ離れた点において、延在部２０１ｂに荷重を徐々に増加させながら水平方向に加える。

１ 燃料電池セル
２ マニホールド
２１ マニホールド本体部
２０ａ 第１境界部
２０ｂ 第２境界部
２０ｃ 第３境界部
２０ｄ 第４境界部
２０ｅ 第５境界部
２２ 上壁
２３ 底壁
２４ 第１側壁
２４１ ガス導入口
２５ 第２側壁
２６ 第１フランジ部
２８ 第１隙間部
２９ 第２フランジ部
３０ 第２隙間部
２０１ 導入管
２０１ａ 水平部
２０１ｂ 延在部
２０１ｃ 接合部
２０１ｄ 導入管本体部

Claims (17)

1. 底壁、前記底壁から上方に延びる側壁、及び上壁を有するマニホールド本体部と、
   上方に延びる延在部、及び変形部、を有し、前記マニホールド本体へガスを供給するように構成される導入管と、
   を備え、
   前記変形部は、前記延在部の下端から１００ｍｍ上方の点に対して、徐々に増加させながら荷重を水平方向に加えたときに、前記マニホールド本体部より先に変形するように構成される、
   マニホールド。
   
2. 前記導入管は、前記側壁から側方に延びる水平部をさらに有し、
   前記延在部は、前記水平部から上方に延びる、
   請求項１に記載のマニホールド。
   
3. 前記導入管は、前記延在部を含む導入管本体部と、前記導入管本体部と前記マニホールド本体部とを接合する接合部と、を有し、
   前記変形部は、前記接合部によって構成される、
   請求項１又は２に記載のマニホールド。
   
4. 前記側壁は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する傾斜部を有し、
   前記ガス導入口は、前記傾斜部に形成される、
   請求項１から３のいずれかに記載のマニホールド。
   
5. 前記側壁の全体は、前記傾斜部として構成される、
   請求項４に記載のマニホールド。
   
6. 前記側壁は、
   第１方向において互いに対向する一対の第１側壁と、
   前記第１方向と直交する第２方向において互いに対向する一対の第２側壁と、
   を有する請求項１から５のいずれかに記載のマニホールド。
   
7. 前記ガス導入口は、前記一対の第１側壁のうち一方の第１側壁に形成され、
   前記ガス導入口が形成された第１側壁は、前記傾斜部として構成される、
   請求項４又は５に従属する請求項６に記載のマニホールド。
   
8. 前記第１側壁と前記第２側壁との第１境界部の内側面は、Ｒ形状である、
   請求項６又は７に記載のマニホールド。
   
9. 前記底壁と前記側壁との第２境界部の内側面は、Ｒ形状である、
   請求項１から８のいずれかに記載のマニホールド。
   
10. 前記側壁の上端部から外方に延びる第１フランジ部をさらに備え、
    前記上壁は、前記第１フランジ部に固定される、
    請求項１から９のいずれかに記載のマニホールド。
    
11. 前記側壁と前記第１フランジ部との第３境界部の内側面は、Ｒ形状である、
    請求項１０に記載のマニホールド。
    
12. 前記第３境界部と前記上壁との間に第１隙間部が形成される、
    請求項１１に記載のマニホールド。
    
13. 前記上壁と前記側壁との第４境界部の内側面は、Ｒ形状である、
    請求項１から１２のいずれかに記載のマニホールド。
    
14. 前記側壁の下端部から外方に延びる第２フランジ部をさらに備え、
    前記底壁は、前記第２フランジ部に固定される、
    請求項１から１３のいずれかに記載のマニホールド。
    
15. 前記側壁と前記第２フランジ部との第５境界部の内側面は、Ｒ形状である、
    請求項１４に記載のマニホールド。
    
16. 前記第５境界部と前記底壁との間に第２隙間部が形成される、
    請求項１５に記載のマニホールド。
    
17. 底壁、前記底壁から上方に延びる側壁、及び上壁を有するマニホールド本体部と、
    前記側壁から側方に延びる水平部、前記水平部から屈曲して延びる延在部、及び変形部、を有し、前記マニホールド本体へガスを供給するように構成される導入管と、
    を備え、
    前記変形部は、前記延在部と前記水平部との境界部から１００ｍｍ離れた点において、前記延在部に徐々に増加させながら荷重を水平方向に加えたときに、前記マニホールド本体部より先に変形するように構成される、
    マニホールド。

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