JP2019053952A - マニホールド及びセルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歩留まりを向上できるマニホールド及びセルスタック装置を提供する。【解決手段】本発明のマニホールド（１００）は、燃料電池セル（２００）に反応ガスを供給するためのマニホールドであって、燃料電池セル（２００）が接合されるとともに、下方に開口を有する本体部（１０１）と、本体部（１０１）の下面（１０１ａ）を塞ぐ底壁（１１０）と、を備え、本体部（１０１）の下面（１０１ａ）及び底壁（１１０）の下面（１１２）が上方に湾曲することで、底壁（１１０）の下面（１１２）下に外部と連通する開空間が設けられる。本発明のセルスタック装置（１）は、マニホールド（１００）と、マニホールド（１００）から反応ガスが供給される燃料電池セル（２００）と、マニホールド（１００）と燃料電池セル（２００）とを接合する接合材（３）とを備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、マニホールド及びセルスタック装置に関する。

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。

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には、マニホールドと燃料電池セルとを接合するためのシール材を備えることが開示されている。

国際公開第２０１６／１５８６８４号

上記特許文献１には、マニホールドに燃料電池セルをシール材で接合することが開示されている。このため、セルスタック装置を製造するためには、焼成する工程が必要である。しかしながら、焼成する工程を実施することによって、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材にクラックが発生する場合があり、歩留まりが悪いという問題がある。

そこで、本発明は、歩留まりを向上できるマニホールド及びセルスタック装置を提供することを課題とする。

歩留まりが悪いという問題は、焼成後のマニホールドの大きな温度分布に起因していることを本発明者は見出した。台座にマニホールドを載置して焼成すると、台座の温度が高いので、台座上の底壁は冷却されにくい。一方、底壁上の本体部の上方は、空気と接するので冷却されやすい。このため、底壁から本体部の上方にかけて温度が低くなる温度分布が形成される。この上下方向の温度分布によって、マニホールドが変形し、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材にクラックが発生してしまう。そこで、本発明者は、焼成後にマニホールドに生じる温度分布を小さくするために鋭意研究した結果、本発明を完成させた。

すなわち、本発明のマニホールドは、燃料電池セルに反応ガスを供給するためのマニホールドであって、燃料電池セルが接合されるとともに、下方に開口を有する本体部と、この本体部の下面を塞ぐ底壁と、を備え、本体部の下面及び底壁の下面が上方に湾曲することで、底壁の下面下に外部と連通する開空間が設けられている。

本発明のマニホールドによれば、本体部の下面及び底壁の下面が上方に湾曲しているので、底壁の下面下に外部と連通する開空間が設けられている。このため、マニホールドを台座に載置して焼成する際に、底壁の下面と台座との間に開空間が形成される。この開空間に外部から空気が流入できることで、焼成後に底壁の冷却を促進できる。また、底壁において台座との接触面積を低減できるので、底壁の冷却を促進できる。これにより、マニホールドの上下方向の温度分布を小さくすることができる。したがって、焼成による接合材におけるクラックを防止できる。よって、歩留まりを向上できる。

本発明のマニホールドにおいて好ましくは、底壁は、平面視において矩形状であり、底壁の少なくとも１つのコーナー部と本体部とが当接している。

これにより、底壁の下面と台座との間に形成される開空間に、空気が流動できる。このため、焼成工程後の底壁の冷却をより促進できるので、焼成によって接合材におけるクラックをより防止できる。したがって、歩留まりをより向上できる。

本発明のマニホールドにおいて好ましくは、本体部の下面及び底壁の下面が接触している。

これにより、底壁と本体部の下面との間で熱伝導が促進され、冷却された底壁により本体部の下面を冷却でき、マニホールドの温度分布を小さくすることができる。このため、焼成によって接合材におけるクラックをより防止できる。したがって、歩留まりをより向上できる。

本発明のマニホールドにおいて好ましくは、本体部の下面と底壁との間に、空間が設けられている。

この構成によれば、焼成によって底壁及び本体部の少なくとも一方が変形しても、変形が許容される空間が設けられている。このため、本体部と底壁との押し合いによってマニホールドに加えられる応力を低減できる。したがって、接合材におけるクラックを防止できるので、歩留まりをより向上できる。

本発明のマニホールドにおいて好ましくは、空間は、中央部に設けられる。

これにより、中央部にマニホールドの変形が許容される空間が設けられる。マニホールドにおいては中央部が変形しやすいので、応力を効果的に抑制できる。したがって、接合材におけるクラックを防止できるので、歩留まりをより向上できる。

本発明のマニホールドにおいて好ましくは、本体部は、上壁と、この上壁から下方に延びる側壁と、この側壁の下端部から外方に延びるフランジ部とを含み、底壁は、フランジ部に接合される。

これにより、本体部の下面及び底壁の下面が上方に湾曲しているマニホールドを容易に実現できる。

本発明のセルスタック装置は、上記いずれかのマニホールドと、マニホールドから反応ガスが供給される燃料電池セルと、マニホールドと燃料電池セルとを接合する接合材と、を備えている。

本発明のセルスタック装置は、本体部の下面及び底壁の下面が上方に湾曲することで、底壁の下面下に外部と連通する開空間が設けられているマニホールドを備えている。このため、焼成によって接合材におけるクラックを防止できる。よって、歩留まりを向上できる。

以上説明したように、本発明は、歩留まりを向上できるマニホールド及びセルスタック装置を提供することができる。

実施の形態１のセルスタック装置を示す斜視図である。 実施の形態１のセルスタック装置を示す断面図である。 実施の形態１のセルスタック装置を示す断面図である。 実施の形態１のマニホールドを示す側面図である。 実施の形態１のマニホールドを構成する上壁を示す平面図である。 実施の形態１の燃料電池セルを示す斜視図である。 実施の形態１の燃料電池セルを示す断面図である。 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。 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。 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。 実施の形態２のセルスタック装置を示す断面図である。 実施の形態２のマニホールドにおいて封止材を省略した状態を示す側面図である。

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。

（実施の形態１）
図１〜図８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マニホールドについて説明する。セルスタック装置及びマニホールドは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に用いられる。

［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、マニホールド１００と、複数の燃料電池セル２００と、第１接合材３とを備えている。各燃料電池セル２００は、マニホールド１００によって支持されている。第１接合材３は、マニホールド１００と、各燃料電池セル２００とを接合する。

［マニホールド］
図１〜図３に示すように、マニホールド１００は、燃料電池セル２００に反応ガスを供給する。マニホールド１００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１００の内部空間には、導入配管Ｐを介して燃料ガスなどの反応ガスが供給される。図２に示すように、マニホールド１００は、この内部空間と外部とを連通する複数の挿入孔１２１を有している。

図１〜図３に示すように、マニホールド１００は、本体部１０１と、底壁１１０とを有している。本体部１０１は、燃料電池セル２００が接合されるとともに、下方に開口を有している。底壁１１０は、開口した本体部１０１の下面１０１ａを塞いでいる。

詳細には、本体部１０１は、上壁１２０と、側壁１３０と、フランジ部１４０とを有している。上壁１２０、側壁１３０及びフランジ部１４０は、一体成形されている。一体成形された上壁１２０、側壁１３０及びフランジ部１４０と、底壁１１０とは、互いに別部材である。本体部１０１と底壁１１０とは、接合されている。本体部１０１及び底壁１１０は、例えばステンレス鋼などの金属で構成されている。

図１〜図４に示すように、上壁１２０には、燃料電池セル２００が接合される。このため、図５に示すように、上壁１２０は、複数の挿入孔１２１を有している。各挿入孔１２１には、各燃料電池セル２００の下端部２０１が挿入される。各挿入孔１２１は、マニホールド１００の幅方向に延びている。また、各挿入孔１２１は、マニホールド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。

側壁１３０は、上壁１２０から下方に延びる。側壁１３０は、図１に示すように、一対の第１側壁１３１と、一対の第２側壁１３２とを有している。

一対の第１側壁１３１は、上壁１２０の対向する一対の縁部のそれぞれから下方に延びている。詳細には、各第１側壁１３１は、上壁１２０の縁部のうち、長手方向に延びる一対の縁部から下方に延びている。第１側壁１３１は、マニホールド１００の長手方向に延びている。すなわち、複数の燃料電池セル２００の並ぶ方向に延びている。一対の第１側壁１３１は、マニホールド１００の幅方向において、互いに対向している。

一対の第２側壁１３２は、上壁１２０の残りの対向する縁部から下方に延びている。詳細には、各第２側壁１３２は、上壁１２０の縁部のうち、幅方向に延びる一対の縁部から下方に延びている。また、各第２側壁１３２は、マニホールド１００の幅方向に延びている。すなわち、各第２側壁１３２は、燃料電池セル２００の幅方向に延びている。各第２側壁１３２は、マニホールド１００の長手方向において、互いに対向している。一対の第２側壁１３２のうち、一方の第２側壁１３２に導入配管Ｐが接続されている。このため、一方の第２側壁１３２は、導入配管Ｐが接続されるための貫通孔を有している。

フランジ部１４０は、側壁１３０の下端部から外方に延びている。具体的には、フランジ部１４０は、各第１側壁１３１及び各第２側壁１３２の下端から外方に延びている。フランジ部１４０は、環状である。

第１側壁１３１と、第２側壁１３２との第１境界部１０４の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第１境界部１０４の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば３〜３０ｍｍである。

図３に示すように、上壁１２０と、第１側壁１３１及び第２側壁１３２との第２境界部１０５の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第２境界部１０５の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば２〜２０ｍｍである。

第１側壁１３１及び第２側壁１３２と、フランジ部１４０との第３境界部１０６の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第３境界部１０６の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば１〜１０ｍｍである。

なお、第１〜第３境界部１０４〜１０６の内側面とは、マニホールド１００の内部空間を臨む面である。第１〜第３境界部１０４〜１０６の外側面とは、マニホールド１００の外側を臨む面である。

本体部１０１の下面１０１ａは、開口をなす面である。下面１０１ａの内郭は、開口の外郭となる。下面１０１ａは、本体部１０１の外周部下方に位置する。本実施の形態の下面１０１ａは、側壁１３０の下面及びフランジ部１４０の下面である。

図３及び図４に示すように、本体部１０１の下面１０１ａは、上方に湾曲している。換言すると、下面１０１ａは、上壁１２０に向けて反っている。さらに換言すると、下面１０１ａの中央部と上壁１２０との距離は、下面１０１ａの端部と上壁１２０との距離よりも小さい。本実施の形態では、本体部１０１の下面１０１ａは、上向きの円弧状である。なお、フランジ部１４０の上面も下面と同様に上方に湾曲している。

底壁１１０は、本体部１０１の下面１０１ａを塞ぐ。つまり、底壁１１０は、本体部１０１の開口を塞いで、本体部１０１の下面１０１ａを閉じる。本実施の形態では、底壁１１０の外周部は、フランジ部１４０下に配置されている。底壁１１０は、例えば溶接によって、フランジ部１４０に接合されている。

底壁１１０は、平面視（ｘ軸方向視）において矩形状であり、長手方向（ｚ軸方向）と幅方向（ｙ軸方向）とを有している。底壁１１０は、平板であり、上面１１１と下面１１２とを有している。上面１１１と下面１１２とは、高さ方向において、互いに対向している。

底壁１１０の下面１１２は、上方に湾曲している。換言すると、下面１１２は、上壁１２０に向けて反っている。さらに換言すると、下面１１２の中央部と上壁１２０との距離は、下面１１２の端部と上壁１２０との距離よりも小さい。

底壁１１０の上面１１１も、下面１１２と同様に上方に湾曲している。このため、底壁１１０は、上に凸に湾曲した形状、すなわちアーチ状を有している。本実施の形態では、底壁１１０の上面１１１及び下面１１２は、上向きの円弧状である。

本実施の形態では、底壁１１０の４箇所のコーナー部１１３が下方に位置し、中央部が上方に位置する。つまり、上面１１１及び下面１１２において、一方のコーナー部１１３から中央部にかけて上方に位置し、中央部から他方のコーナー部１１３に向けて下方に位置する。このため、マニホールド１００を台座に配置すると、４箇所のコーナー部１１３のみで支持されるので、マニホールド１００は４点支持構造を有している。

図１、図３及び図４に示すように、本実施の形態では、本体部１０１の下面１０１ａの少なくとも一部と、底壁１１０の上面１１１とは、接触している。なお、本体部１０１の下面１０１ａ全体が底壁１１０の上面１１１に接触してもよく、本体部１０１の下面１０１ａの一部が底壁１１０の上面１１１に接触してもよい。本実施の形態では、下面１０１ａの半分以上の領域が、底壁１１０の上面１１１に接触している。

また、下面１０１ａと、底壁１１０の上面１１１とは、同じ曲率半径を有している。また、本体部の下面１０１ａと、底壁１１０の上面１１１と、底壁１１０の下面１１２とは、同じ曲率半径を有している。

［燃料電池セル］
図１〜図３に示すように、各燃料電池セル２００は、マニホールド１００から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル２００は、マニホールド１００の上壁１２０から上方に延びている。燃料電池セル２００の下端部２０１は、マニホールド１００の挿入孔１２１内に挿入されている。なお、燃料電池セル２００の下端部２０１が挿入孔１２１内に挿入された状態において、燃料電池セル２００の下端部２０１の外周面と挿入孔１２１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が充填されている。

各燃料電池セル２００は、マニホールド１００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。図２に示すように、各燃料電池セル２００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２００の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル２００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２００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または金属などによって形成されている。

図６に示すように、燃料電池セル２００は、支持基板２１０と、複数の発電素子部２２０とを備えている。各発電素子部２２０は、支持基板２１０の両面に支持されている。なお、各発電素子部２２０は、支持基板２１０の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部２２０は、燃料電池セル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。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池セル２００は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。

各発電素子部２２０は、電気的接続部２６０（図７参照）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２００の上端部２０２側において、支持基板２１０の一方面に形成された発電素子部２２０と他方面に形成された発電素子部２２０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２２０は、直列に接続されている。

支持基板２１０は、燃料電池セル２００の長手方向に延びる複数のガス流路２１１を内部に有している。ガス流路２１１は、マニホールド１００の挿入孔１２１を介して、マニホールド１００の内部空間と連通している。

支持基板２１０の長手方向は、燃料電池セル２００の長手方向と同じ方向である。各ガス流路２１１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路２１１は、燃料電池セル２００の長手方向の両端部において開口している。

図７に示すように、支持基板２１０は、複数の第１凹部２１２を有している。各第１凹部２１２は、支持基板２１０の両面に形成されている。各第１凹部２１２は、支持基板２１０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２１０は、絶縁性であり、例えば、セラミックスで形成される。具体的には、支持基板２１０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Ｙ_２Ｏ_３（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２１０は、多孔質である。支持基板２１０の気孔率は、例えば、２０〜６０％である。

各発電素子部２２０は、燃料極２３０、電解質２４０、及び空気極２５０を有している。また、各発電素子部２２０は、反応防止膜２２１をさらに有している。

燃料極２３０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２３０は、燃料極集電部２３１と、燃料極活性部２３２とを有する。燃料極集電部２３１は、第１凹部２１２内に配置されている。各燃料極集電部２３１は、第２凹部２３１ａ及び第３凹部２３１ｂを有している。燃料極活性部２３２は、第２凹部２３１ａ内に配置されている。

燃料極集電部２３１は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺとから構成されてもよいし、ＮｉＯとＹ_２Ｏ_３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２３１の厚さ、すなわち第１凹部２１２の深さは、例えば、５０〜５００μｍである。

燃料極活性部２３２は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺとから構成されてもよいし、ＮｉＯ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２３２の厚さは、例えば、５〜３０μｍである。

電解質２４０は、燃料極２３０上を覆うように配置されている。詳細には、電解質２４０は、あるインターコネクタ２６１から他のインターコネクタ２６１まで燃料電池セル２００の長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル２００の長手方向において、電解質２４０とインターコネクタ２６１とが交互に配置されている。

電解質２４０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２４０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２４０の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。

反応防止膜２２１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２３２と略同一の形状であり、燃料極活性部２３２と略同じ位置に配置されている。反応防止膜２２１は、電解質２４０内のＹＳＺと空気極２５０内のＳｒとが反応して電解質２４０と空気極２５０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２２１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２から構成される。反応防止膜２２１の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。

空気極２５０は、反応防止膜２２１上に配置されている。空気極２５０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２５０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）、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）、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。また、空気極２５０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２５０の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部２６０は、隣り合う発電素子部２２０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２６０は、インターコネクタ２６１及び空気極集電膜２６２を有する。インターコネクタ２６１は、第３凹部２３１ｂ内に配置されている。インターコネクタ２６１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２６１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成されてもよいし、（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２６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜２６２は、隣り合う発電素子部２２０のインターコネクタ２６１と空気極２５０との間を延びるように配置される。空気極集電膜２６２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２６２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３から構成されてもよいし、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３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２６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍである。

図８に示すように、燃料電池セル２００の下端部２０１は、緻密膜２２２によって覆われている。詳細には、緻密膜２２２は、支持基板２１０を覆っている。緻密膜２２２は、下端部側に形成された発電素子部２２０と電気的に接続されている。詳細には、緻密膜２２２は、電気的接続部２６０と電気的に接続されている。緻密膜２２２は、空気極集電膜２６２と支持基板２１０との間から近位側に向かって延びている。

緻密膜２２２は、緻密膜２２２の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜２２２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２２２の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜２２２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２２２は、上述した電解質２４０と反応防止膜２２１とによって構成することができる。緻密膜２２２を構成する電解質２４０は、支持基板２１０を覆っており、インターコネクタ２６１から支持基板２１０の下端近傍まで延びている。また、緻密膜２２２を構成する反応防止膜２２１は、電解質２４０と空気極集電膜２６２との間に配置されている。なお、緻密膜２２２は、電解質２４０のみで構成されていてもよいし、電解質２４０及び反応防止膜２２１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２００をマニホールド１００に固定する。詳細には、第１接合材３は、燃料電池セル２００の下端部２０１とマニホールド１００の上壁１２０とを接合している。また、第１接合材３は、緻密膜２２２と接触している。なお、燃料電池セル２００がマニホールド１００に固定された状態において、挿入孔１２１とガス流路２１１とが連通している。

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、または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、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。

［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。

マニホールド１００を介して各燃料電池セル２００のガス流路２１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板２１０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２４０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２５０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２３０において下記の式２に示す電気化学反応が起こる。
（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− ・・・（式１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（式２）
さらに、支持基板２１０のガス流路２１１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２１１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。

［製造方法］
続いて、本実施の形態のセルスタック装置１及びマニホールド１００の製造方法について図１〜図１０を参照して説明する。

まず、燃料電池セル２００が接合され、下方に開口を有する本体部１０１を準備する。この工程では、例えば、本体部１０１となる板状部材に対して、深絞り加工を行って、上壁１２０と側壁１３０とフランジ部１４０とを含む本体部１０１を形成する。この工程では、本体部１０１の下面１０１ａが上壁１２０に向けて湾曲するように本体部１０１を形成する。

また、底壁１１０を準備する。この工程では、例えばプレス成形によって、上方に湾曲している下面１１２を有する底壁１１０を形成する。

次に、底壁１１０とフランジ部１４０とを対向するように配置して、底壁１１０と本体部１０１とを接合する。接合する方法は、特に限定されず、溶接してもよく、ガラス接合してもよい。

以上の工程を実施することにより、本実施の形態のマニホールド１００を製造できる。また、複数の燃料電池セル２００を準備する。

そして、図９に示すように、第１集電部材４及び第２接合材５によって、各燃料電池セル２００を互いに接続し、セル集合体３００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、各燃料電池セル２００は互いに仮止めの状態である。

次に、図１０に示すように、セル集合体３００の各燃料電池セル２００の下端部２０１をマニホールド１００の各挿入孔１２１に挿入する。なお、各燃料電池セル２００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。

次に、図２及び図３に示すように、挿入孔１２１に挿入された燃料電池セル２００とマニホールドの上壁１２０とを接合するように第１接合材３を塗布する。なお、第１接合材３は、燃料電池セル２００の付け根に沿って塗布されている。また、第１接合材３は、燃料電池セル２００の下端部２０１の外周面と挿入孔１２１の内壁面との隙間に充填されていてもよい。

次に、第１接合材３及び第２接合材５を熱処理（焼成）する。この熱処理によって、第１接合材３及び第２接合材５が固化され、セルスタック装置１が完成する。詳細には、第２接合材５が焼成されることによって、各燃料電池セル２００と第１集電部材４とが固定される。また、第１接合材３が焼成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３が機能を発揮し、各燃料電池セル２００の下端部２０１がマニホールド１００の上壁１２０に固定される。

なお、マニホールドの製造方法において、本体部１０１と底壁１１０との接合材がガラス材料である場合、底壁１１０と本体部１０１とを仮止めの状態とし、仮止めした接合材の熱処理と、第１接合材３及び第２接合材５の熱処理とを同時に行ってもよい。

以上の工程を実施することにより、本実施の形態のセルスタック装置１を製造できる。上記熱処理工程では、熱処理装置のセッターなどの台座に、マニホールドを載置する。本実施の形態では、本体部１０１の下面１０１ａ及び底壁１１０の下面１１２が上方に湾曲することで、底壁１１０の下面１１２下に外部と連通する開空間が設けられているので、下面１１２と台座との間に開空間が形成される。この開空間を流動する空気によって、熱処理工程後に、底壁１１０の冷却を促進できる。また、底壁１１０の下面１１２が上方に湾曲しているので、底壁１１０における台座との接触面積を低減できる。このため、台座からの入熱を抑えることができるので、底壁１１０の冷却を促進できる。したがって、熱処理後のマニホールドの上下方向の温度分布を低減できる。よって、熱処理工程によって第１接合材３などにクラックが生じることを防止できるので、歩留まりを向上できる。

なお、本明細書において「開空間」とは、セルスタック装置１の外部と連通する空間を意味する。

また、底壁１１０の全てのコーナー部１１３が他の部分よりも下方に位置している場合には、熱処理工程において、コーナー部１１３で支持されて台座に配置される。これにより、コーナー部１１３間に開空間が形成されるので、空気の流入及び流出が可能になる。つまり、台座と底壁１１０との間の空気は閉じ込められず、循環可能である。このため、底壁１１０の下面１１２下全体の冷却が促進されるので、底壁１１０の下面１１２において内周側の領域も冷却することができる。したがって、上下方向の温度分布が小さくなるので、熱処理工程によるクラックをより防止できる。

なお、上記特許文献１には、本体部に相当する枠体が湾曲していないので、底壁に相当する板状体の下面下に外部と連通する空間が設けられていない。板状体下に閉空間が設けられても、熱処理工程後に、マニホールドに大きな温度分布が生じるので、第１接合材に相当するシール材におけるクラックを抑制することはできない。

（実施の形態２）
図１１及び図１２を参照して、実施の形態２のマニホールド１５０及びセルスタック装置２について説明する。実施の形態２のマニホールド１５０及びセルスタック装置２は、基本的には実施の形態１と同様の構成を備えているが、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間に空間Ｓが設けられている点において異なる。底壁１１０は、封止材１０２（図１１参照）によって、フランジ部１４０に接合されている。

詳細には、図１１及び図１２に示すように、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間には、空間Ｓが設けられている。つまり、下面１０１ａの一部と底壁１１０とは当接しているが、下面１０１ａの残部と底壁１１０とは接触していない。本体部１０１の下面１０１ａの曲率半径は、底壁１１０の曲率半径よりも大きい。本実施の形態では、空間Ｓは、フランジ部１４０の下面と、底壁１１０の上面１１１との間に設けられている。つまり、底壁１１０の上面１１１とフランジ部１４０の下面とは、空間Ｓを介して対向している。空間Ｓは、本体部１０１及び底壁１１０の少なくとも一方が変形したときの変形を受け入れる変形吸収空間である。

空間Ｓは、中央部に設けられている。本体部１０１の下面１０１ａは外周部に位置しているので、空間Ｓは、外周部中央に設けられている。具体的には、空間Ｓは、長手方向（ｚ軸方向）、すなわち燃料電池セル２００の並ぶ方向の中央部に設けられている。また、空間Ｓは、短手方向（ｙ軸方向）、すなわち燃料電池セル２００の幅方向の中央部にも設けられている。このため、本実施の形態の本体部１０１は、底壁１１０のコーナー部１１３と当接している。

また、空間Ｓは、端部から中央部に向けて大きくなる。本実施の形態では、一方のコーナー部１１３から中央部にかけて空間Ｓは大きくなり、中央部から他方のコーナー部１１３に向けて空間Ｓが小さくなる。具体的には、図１２に示すマニホールド１５０の長手方向において、中央部の空間Ｓの高さＤ１は、端部近傍の空間Ｓの高さＤ２よりも大きい。空間Ｓにおける最大の高さ、すなわち長手方向の中央部の空間の高さＤ１は、０．１〜５．０ｍｍである。

図１１に示すように、封止材１０２は、空間Ｓを維持して、本体部１０１と底壁１１０とを接合している。つまり、封止材１０２は、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０とを封止する。封止材１０２は、マニホールド１５０の内部空間と外部空間とを区画する。このため、マニホールド１５０の内部空間に導入される反応ガスと、マニホールド１５０の外部空間の空気とが混合されることを防止する。

詳細には、封止材１０２は、底壁１１０及び本体部１０１の下端の外周部全体に設けられている。本実施の形態の封止材１０２は、フランジ部１４０の外周部と底壁１１０の外周部とを、全周に渡って取り囲む。また、封止材１０２は、高さ方向において、底壁１１０の側面からフランジ部１４０の側面に渡って設けられている。

封止材１０２は、特に限定されないが、例えば、溶接材またはガラス接合材である。溶接材は、本体部１０１及び底壁１１０と同じ材料である。ガラス接合材は、結晶化ガラスが好適である。なお、封止材１０２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。

なお、空間Ｓには、弾性可能な材料で形成された部材が配置されていてもよい。この部材は、本体部１０１及び底壁１１０を構成する材料よりも熱伝導率の低いことが好ましい。この場合には、断熱効果をさらに有する。このような部材を構成する材料として、例えばアルミナ−シリカ系の断熱材などが挙げられる。

実施の形態２のマニホールド１５０の製造方法は、基本的には実施の形態１と同様であるが、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間に空間Ｓが設けられるように本体部１０１及び底壁１１０を準備する工程において異なる。

底壁１１０とフランジ部１４０とを対向するように配置すると、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間には、空間Ｓが形成される。空間Ｓを維持した状態で、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０とを封止材１０２で封止する。封止する方法は、特に限定されないが、溶接してもよく、結晶化ガラスによって接合してもよい。

実施の形態２のマニホールド１５０及びセルスタック装置２は、本体部１０１の下面１０１ａ及び底壁１１０の下面１１２が上方に湾曲するととともに、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間に空間Ｓが設けられている。これにより、熱処理工程後の温度差によって底壁１１０及び本体部１０１の少なくとも一方が変形しても、空間Ｓがその変形を許容できる。このため、本体部１０１と底壁１１０との押し合いによってマニホールド１５０に加えられる応力を低減できる。したがって、第１接合材３にクラックが生じることを防止できるので、歩留まりをより向上できる。

（変形例）
上述した実施の形態１及び２のセルスタック装置１、２は、本体部１０１の下面１０１ａ及び底壁１１０の下面１１２の４辺全てが上方に湾曲している構造を例に挙げて説明した。本発明のマニホールドは、底壁の下面下に外部と連通する開空間が設けられていれば、特に限定されない。例えば、本体部１０１の下面１０１ａ及び底壁１１０の下面１１２の１辺のみが上方に湾曲してもよい。また、本体部１０１の下面１０１ａ及び底壁１１０の下面１１２の１辺の一部が上方に湾曲してもよい。

また、実施の形態１及び２のセルスタック装置１、２は、支持基板２１０の１つの主面上に複数の発電素子部２２０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及び２のセルスタック装置１、２は、円筒平板型の支持基板２１０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。

また、実施の形態１及び２のマニホールド１００、１５０は、フランジ部１４０を有する本体部１０１を備える構造を例に挙げて説明したが、本発明の本体部はフランジ部を有していなくてもよい。

また、本実施の形態のマニホールド１００は、平面視において矩形状の底壁１１０を備えているが、本発明のマニホールドの底壁の形状は、これに限定されない。

また、実施の形態１及び２では、第１側壁１３１及び第２側壁１３２は底壁１１０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、第１側壁１３１及び第２側壁１３２の少なくとも一方は、上方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよい。また、例えば、第１側壁１３１及び第２側壁１３２の少なくとも一方は、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。

また、実施の形態１及び２では、導入配管Ｐは、マニホールド１００、１５０の側壁１３０に取り付けられているが、導入配管Ｐの取り付け位置はこれに限定されない。例えば、導入配管Ｐは、マニホールド１００、１５０の上壁１２０に取り付けられていてもよい。

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。

１，２ セルスタック装置、３ 第１接合材、４ 第１集電部材、５ 第２接合材、６ 第２集電部材、１００，１５０ マニホールド、１０１ 本体部、１０１ａ，１１２ 下面、１０２ 封止材、１０４ 第１境界部、１０５ 第２境界部、１０６ 第３境界部、１１０ 底壁、１１１ 上面、１１３ コーナー部、１２０ 上壁、１２１ 挿入孔、１３０ 側壁、１３１ 第１側壁、１３２ 第２側壁、１４０ フランジ部、２００ 燃料電池セル、２０１ 下端部、２０２ 上端部、２１０ 支持基板、２１１ ガス流路、２１２ 第１凹部、２２０ 発電素子部、２２１ 反応防止膜、２２２ 緻密膜、２３０ 燃料極、２３１ 燃料極集電部、２３１ａ 第２凹部、２３１ｂ 第３凹部、２３２ 燃料極活性部、２４０ 電解質、２５０ 空気極、２６０ 電気的接続部、２６１ インターコネクタ、２６２ 空気極集電膜、３００ セル集合体、Ｄ１，Ｄ２ 高さ、Ｐ 導入配管、Ｓ 空間。

Claims (7)

1. 燃料電池セルに反応ガスを供給するためのマニホールドであって、
   前記燃料電池セルが接合されるとともに、下方に開口を有する本体部と、
   前記本体部の下面を塞ぐ底壁と、
   を備え、
   前記本体部の下面及び前記底壁の下面が上方に湾曲することで、前記底壁の前記下面下に外部と連通する開空間が設けられる、マニホールド。
2. 前記底壁は、平面視において矩形状であり、
   前記底壁の少なくとも１つのコーナー部が下方に位置している、請求項１に記載のマニホールド。
3. 前記本体部の下面及び前記底壁の下面が接触している、請求項１または２に記載のマニホールド。
4. 前記本体部の下面と前記底壁との間に、空間が設けられている、請求項１または２に記載のマニホールド。
5. 前記空間は、中央部に設けられる、請求項４に記載のマニホールド。
6. 前記本体部は、上壁と、前記上壁から下方に延びる側壁と、前記側壁の下端部から外方に延びるフランジ部とを含み、
   前記底壁は、前記フランジ部に接合される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマニホールド。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のマニホールドと、
   前記マニホールドから反応ガスが供給される燃料電池セルと、
   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。

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