JP2020098690A - セルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マニホールドと燃料電池セルとの密閉性を向上させる。【解決手段】セルスタック装置１００は、マニホールド２と、燃料電池セル１０と、第１位置規制部材７０と、第２位置規制部材８０と、接合材１０６とを備える。燃料電池セル１０は、天板２３１から延びる。また燃料電池セル１０は、基端面１０３、第１側面１０４及び第２側面１０５を有する。基端面１０３は、天板２３１と対向する。第１位置規制部材７０は、天板２３１に固定され、第１側面１０４と対向する。第２位置規制部材８０は、幅方向において第１位置規制部材７０と間隔をあけて天板２３１に固定される。第２位置規制部材８０は、第２側面１０５と対向する。接合材１０６は、天板２３１と燃料電池セル１０とを接合する。接合材１０６は、第１及び第２位置規制部材７０、８０の間において、天板２３１及び燃料電池セル１０に接している。【選択図】図４

Description

本発明は、セルスタック装置に関するものである。

セルスタック装置は、マニホールドと、複数の燃料電池セルとを備えている。例えば特許文献１のセルスタック装置は、取付治具、押圧部材、取付治具収納枠体及びガスシール板をさらに備える。取付治具は、燃料電池セルの下端部が挿入固定されている。取付治具は、押圧部材によりマニホールド側に押圧固定されている。取付治具は、取付治具収納枠体内にガスシール板を介して収納されている。取付治具収納枠体は、枠状であり、マニホールドの天板に固定されている。

特許第３８９４８２０号公報

特許文献１のセルスタック装置では、マニホールドの天板と燃料電池セルとは、取付治具、取付治具収納枠体、及びガスシール板を介して固定されている。このため、マニホールドと燃料電池セルとの間の密閉性が十分でない。

本発明の課題は、マニホールドと燃料電池セルとの密閉性を向上させることのできるセルスタック装置を提供することにある。

本発明の第１側面に係るセルスタック装置は、マニホールドと、燃料電池セルと、第１位置規制部材と、第２位置規制部材と、接合材とを備える。マニホールドは、天板、側板及び底板を有する。燃料電池セルは、天板から延びる。また燃料電池セルは、基端面、第１側面及び第２側面を有する。基端面は、天板と対向する。第１側面及び第２側面は、幅方向を向く。第１位置規制部材は、天板に固定され、第１側面と対向する。第２位置規制部材は、幅方向において第１位置規制部材と間隔をあけて天板に固定される。また第２位置規制部材は、第２側面と対向する。接合材は、天板と燃料電池セルとを接合する。接合材は、第１位置規制部材と第２位置規制部材との間において、天板及び燃料電池セルに接している。

この構成によれば、天板上に燃料電池セルが載置される際に、第１及び第２位置規制部材によって、燃料電池セルの位置を規制できる。この第１位置規制部材と第２位置規制部材とは幅方向において間隔をあけて配置されている。このため、第１位置規制部材と第２位置規制部材との間において、接合材が天板及び燃料電池セルとに接した状態で、天板及び燃料電池セルが接合されている。したがって、マニホールドのガス密閉性を向上できる。

好ましくは、第１及び第２位置規制部材は、接合材に埋設されている。

好ましくは、第１及び第２位置規制部材は、金属製である。

好ましくは、複数の燃料電池セルを備える。各燃料電池セルは、互いに間隔をあけて配置される。第１位置規制部材は、各燃料電池セルの第１側面に対向して燃料電池セルの配列方向に沿って延びる。第２の位置規制部材は、各燃料電池セルの第２側面に対向して、燃料電池セルの配列方向に沿って延びる。

好ましくは、第１位置規制部材は、第１側面に沿った形状の凹部を有する。第２位置規制部材は、第２側面に沿った形状の凹部を有する。

好ましくは、マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。燃料電池セルは、少なくとも１つの第１ガス流路及び第２ガス流路を有する。第１ガス流路は、ガス供給室と連通し、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。第２ガス流路は、ガス回収室と連通し、燃料電池セルの基端部から先端部に延びて燃料電池セルの先端部において第１ガス流路と連通する。

本発明によれば、マニホールドと燃料電池セルとの密閉性を向上させることができる。

セルスタック装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 第１及び第２位置規制部材が固定されたマニホールドの上面図。 セルスタック装置の断面図。 マニホールドの拡大平面図。 燃料電池セルの斜視図。 支持基板の断面図。 燃料電池セルの断面図。 第１（第２）位置規制部材の斜視図。 １つの燃料電池セルに接合された接合材の平面図。 天板と燃料電池セルの接合部の拡大断面図。 天板と燃料電池セルの接合部の拡大断面図。 変形例に係る第１（第２）位置規制部材の斜視図。 変形例に係る第１及び第２位置規制部材が固定されたマニホールドの拡大平面図。 変形例に係るセルスタック装置の拡大断面図。 図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図。 図１６のセルスタック装置の別の態様を示す断面図。 変形例に係るセルスタック装置の拡大断面図。 変形例に係るマニホールドの上面図。 変形例に係るマニホールドの拡大平面図。

以下、本発明に係るセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、セルスタック装置を示す斜視図である。なお、図１において、いくつかの燃料電池セルの記載を省略している。

［セルスタック装置］
図１に示すように、セルスタック装置１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１０と、接合材１０６とを備えている。

［マニホールド］
マニホールド２は、複数の燃料電池セル１０にガスを供給するように構成されている。また、マニホールド２は、燃料電池セル１０から排出されたガスを回収するように構成されている。

図２は、マニホールドの断面図である。図２において、一部の貫通孔のみを想像線で示している。図２に示すように、マニホールド２は、ガス供給室２１とガス回収室２２とを有している。ガス供給室２１には、改質器などを介して燃料ガス供給源から燃料ガスが供給される。ガス回収室２２は、各燃料電池セル１０にて使用された燃料ガスのオフガスを回収する。

マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の略中央部において、マニホールド本体部２３の長さ方向に延びている。なお、本実施形態では、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を完全に仕切っているが、仕切板２４とマニホールド本体部２３との間に隙間が形成されていてもよい。

ガス供給室２１の底面には、ガス供給口２１１が形成されている。また、ガス回収室２２の底面には、ガス排出口２２１が形成されている。なお、ガス供給口２１１はガス供給室２１の側面又は上面に形成されていてもよいし、ガス排出口２２１はガス回収室２２の側面又は上面に形成されていてもよい。

ガス供給口２１１は、例えば、後述する配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃ１よりも第１端部２０１側に配置されている。一方、ガス排出口２２１は、例えば、配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃ１よりも第２端部２０２側に配置されている。

図２から図４に示すように、マニホールド２は、天板２３１、底板２３２、及び側板２３３を有している。なお、この天板２３１、底板２３２、及び側板２３３によって、マニホールド本体部２３が構成されている。底板２３２と側板２３３とは１つの部材で構成されている。天板２３１は、側板２３３の上端部と接合している。なお、天板２３１と側板２３３とが１つの部材で構成されており、底板２３２が側板２３３の下端部と接合していてもよい。

図３に示すように、マニホールド２の天板２３１は、複数の貫通孔２３４、複数の桟部２３５、複数の連結補強部２３６を有している。各貫通孔２３４は、マニホールド２の内部と外部とを連通している。各貫通孔２３４は、ガス供給室２１及びガス回収室２２に開口している。

各貫通孔２３４は、互いに間隔をあけて配列されている。なお、本実施形態では、各貫通孔２３４は、天板２３１の長さ方向に配列されている。

図５は、マニホールド２の拡大平面図である。図５において、燃料電池セル１０と貫通孔２３４との配置関係を示すため、配列方向端部に配置された燃料電池セル１０の基端面１０３を仮想線で示している。図５に示すように、各貫通孔２３４は、配列方向（ｚ軸方向）と交差する方向に延びている。好ましくは、各貫通孔２３４は、配列方向と実質的に直交する方向（ｙ軸方向）に延びている。なお、この各貫通孔２３４が延びる方向を延在方向と称する。

桟部２３５は、隣り合う一対の貫通孔２３４の間に配置されている。桟部２３５は、延在方向（ｙ軸方向）に延びている。

連結補強部２３６は、貫通孔２３４を配列方向に横切り、一対の桟部２３５同士を連結している。なお、複数の連結補強部２３６のうち、配列方向の端部に位置する連結補強部２３６は、桟部２３５と天板２３１の端部とを連結している。各連結補強部２３６は、配列方向に沿って配列されている。

貫通孔２３４は、貫通孔２３４を横切る連結補強部２３６によって複数の分割孔に分割されている。詳細には、貫通孔２３４は、第１分割孔２３４ａと第２分割孔２３４ｂとに分割されている。

第１分割孔２３４ａ及び第２分割孔２３４ｂは、長孔形状である。第１分割孔２３４ａ及び第２分割孔２３４ｂは、延在方向（ｙ軸方向）に延びている。図２に示すように、第１分割孔２３４ａは、ガス供給室２１と連通している。また、第２分割孔２３４ｂは、ガス回収室２２と連通している。連結補強部２３６は、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界部に配置されている。なお、本実施形態では、連結補強部２３６は、平面視（ｘ軸方向視）において、仕切板２４と重複している。

［燃料電池セル］
図４は、セルスタック装置の断面図を示している。図４に示すように、燃料電池セル１０は、マニホールド２の天板２３１から上方に延びている。燃料電池セル１０は、基端部１０１及び先端部１０２を有している。燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。

また、燃料電池セル１０は、その幅方向（ｙ軸方向）において、第１側面１０４及び第２側面１０５を有している。第１側面１０４及び第２側面１０５は、幅方向を向く端面である。第１側面１０４と第２側面１０５とは、互いに反対側を向いている。例えば、燃料電池セル１０の幅方向において、第１側面１０４は第１側（図４の左側）を向いており、第２側面１０５は第２側（図４の右側）を向いている。

図４及び図６に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４、複数の第１ガス流路４１、複数の第２ガス流路４２、及び複数の発電素子部５を有している。また、燃料電池セル１０は、連通流路３０を有している。

［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、扁平状であり、基端部４３と先端部４４とを有している。基端部４３及び先端部４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の基端部４３は下端部を意味し、支持基板４の先端部４４は上端部を意味する。本実施形態では、支持基板４は、幅方向（ｙ軸方向）に比べて長さ方向（ｘ軸方向）の寸法の方が長いが、長さ方向よりも幅方向の寸法の方が長くてもよい。

図６に示すように、支持基板４は、第１主面４５と、第２主面４６とを有している。第１主面４５と第２主面４６とは、互いに反対を向いている。第１主面４５及び第２主面４６は、各発電素子部５を支持している。第１主面４５及び第２主面４６は、支持基板４の厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。また、支持基板４の各側面４７は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面４７は、湾曲していてもよい。

支持基板４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４は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成される。または、支持基板４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４の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法、又は微構造観察により測定される。

支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１ガス流路４１及び第２ガス流路４２から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９１とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０〜７％程度である。

［第１及び第２ガス流路］
図４に示すように、複数の第１ガス流路４１及び複数の第２ガス流路４２は、支持基板４内に形成されている。第１及び第２ガス流路４１、４２は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。本実施形態では、第１及び第２ガス流路４１、４２は、支持基板４内を上下方向に延びている。第１及び第２ガス流路４１、４２は、支持基板４を貫通している。

各第１ガス流路４１は、支持基板４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。各第１ガス流路４１は、実質的に等間隔に配置されていることが好ましい。また、各第２ガス流路４２は、支持基板４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。各第２ガス流路４２は、実質的に等間隔に配置されていることが好ましい。

第１ガス流路４１は、基端部４１１及び先端部４１２を有している。第１ガス流路４１の基端部４１１はマニホールド２側に位置する。また、第１ガス流路４１の先端部４１２は、基端部４１１の反対側の端部である。なお、本実施形態において、第１ガス流路４１の下端部が基端部４１１であり、第１ガス流路４１の上端部が先端部４１２である。

第２ガス流路４２は、基端部４２１及び先端部４２２を有している。第２ガス流路４２の基端部４２１は、マニホールド２側に位置する。また、第２ガス流路４２の先端部４２２は、基端部４２１の反対側の端部である。なお、本実施形態において、第２ガス流路４２の下端部が基端部４２１であり、第２ガス流路４２の上端部が先端部４２２である。

第１ガス流路４１は、第１分割孔２３４ａを介して、マニホールド２のガス供給室２１と連通している。第２ガス流路４２は、第２分割孔２３４ｂを介して、マニホールド２のガス回収室２２と連通している。

図７に示すように、支持基板４は、第１領域４０１、第２領域４０２、及び境界領域４０３を有している。第１領域４０１、第２領域４０２、及び境界領域４０３のそれぞれの領域は、支持基板４を幅方向（ｙ軸方向）に区画することによってできる領域である。第１領域４０１は、第１ガス流路４１が形成される領域である。第２領域４０２は、第２ガス流路４２が形成される領域である。境界領域４０３は、第１領域４０１と第２領域４０２との間の領域である。境界領域４０３によって、第１領域４０１と第２領域４０２とが隔てられている。

図４に示すように、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とは、燃料電池セル１０の先端部１０２において互いに連通している。すなわち、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とは、それぞれの先端部４１２，４２２において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とが、連通流路３０を介して連通している。

［発電素子部］
図６に示すように、各発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。なお、第１主面４５に形成される発電素子部５の数と第２主面４６に形成される発電素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。

各発電素子部５は、第１及び第２ガス流路４１、４２が延びる方向（ｘ軸方向）に沿って配列されている。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、基端部４３から先端部４４に向かって互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部５は、後述する電気的接続部９によって、互いに直列に接続されている。

発電素子部５は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。発電素子部５は、支持基板４の幅方向において第１部分５１と第２部分５２とに区画される。なお、第１部分５１と第２部分５２との厳密な境界はない。例えば、燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、支持基板４の長さ方向視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界と重複する部分を、第１部分５１と第２部分５２との境界部とすることができる。

支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１ガス流路４１は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。このため、発電素子部５の第１部分５１は、主に各第１ガス流路４１から燃料ガスが供給される。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第２ガス流路４２は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。このため、発電素子部５の第２部分５２は、主に各第２ガス流路４２から燃料ガスが供給される。なお、複数の第１ガス流路４１のうち、一部の第１ガス流路４１が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数の第２ガス流路４２のうち、一部の第２ガス流路４２が第２部分５２と重複していなくてもよい。

図８は、第１ガス流路４１に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。なお、第２ガス流路４２に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、第２ガス流路４２の流路断面積が異なる以外は、図８と同じである。

発電素子部５は、燃料極６、電解質７、及び空気極８を有している。また、発電素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。燃料極６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６は、燃料極集電部６１と燃料極活性部６２とを有する。

燃料極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、燃料極集電部６１は、凹部４９内に充填されており、凹部４９と同様の外形を有する。各燃料極集電部６１は、第１凹部６１１及び第２凹部６１２を有している。燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に配置されている。詳細には、燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に充填されている。

燃料極集電部６１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６１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６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部６２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６２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６２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質７は、燃料極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９１から他のインターコネクタ９１まで長さ方向に延びている。すなわち、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質７とインターコネクタ９１とが交互に配置されている。また、電解質７は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。

電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０〜７％程度である。電解質７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７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。電解質７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、平面視において、燃料極活性部６２と略同一の形状である。反応防止膜１１は、電解質７を介して、燃料極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと空気極８内のＳｒとが反応して電解質７と空気極８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１１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１１の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極８は、反応防止膜１１上に配置されている。空気極８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８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、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８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８の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

［電気的接続部］
電気的接続部９は、隣り合う発電素子部５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９は、インターコネクタ９１及び空気極集電膜９２を有する。インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に埋設（充填）されている。インターコネクタ９１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９１は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９１の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９１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、（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９１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜９２は、隣り合う発電素子部５のインターコネクタ９１と空気極８との間を延びるように配置される。例えば、図８の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図８の右側に配置された発電素子部５のインターコネクタ９１とを電気的に接続するように、空気極集電膜９２が配置されている。空気極集電膜９２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８２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

空気極集電膜９２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、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、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９２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［連通部材］
図４に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部４４に取り付けられている。そして、連通部材３は、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とを連通させる連通流路３０を有している。詳細には、連通流路３０は、各第１ガス流路４１の先端部４１２と各第２ガス流路４２の先端部４２２とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４１から各第２ガス流路４２まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。

連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。緻密層３１は、連通部材３の本体よりも緻密に形成されている。例えば、緻密層３１の気孔率は、０〜７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した電解質７に使用される材料、結晶化ガラス等によって形成することができる。

図１に示すように、各燃料電池セル１０は、主面同士が対向するように配列されている。各燃料電池セル１０は、互いに間隔をあけて配置される。この燃料電池セルの配列する方向（ｚ軸方向）を配列方向と称する。本実施形態では、各燃料電池セル１０は、配列方向に沿って等間隔に配置されているが、等間隔でなくてもよい。

［燃料電池セルと貫通孔との配置関係］
図４に示すように、燃料電池セル１０の基端面１０３は、天板２３１と対向している。図５に示すように、燃料電池セル１０の基端面１０３は、貫通孔２３４を覆っている。第１分割孔２３４ａは、複数の第１ガス流路４１と連通している。また、第２分割孔２３４ｂは、複数の第２ガス流路４２と連通している。なお、連結補強部２３６は、燃料電池セル１０の境界領域４０３における基端面１０３と対向している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端面１０３は、下端面を意味する。

貫通孔２３４は、配列方向（ｚ軸方向）の寸法が、各ガス流路４１、４２の直径よりも大きい。詳細には、第１分割孔２３４ａは、配列方向の寸法が、第１ガス流路４１の直径よりも大きい。また、第２分割孔２３４ｂは、配列方向の寸法が、第２ガス流路４２の直径よりも大きい。このように構成されているため、燃料電池セル１０の変形などによって燃料電池セル１０の基端部１０１の位置が設計値から多少ずれた場合であっても、貫通孔２３４と各ガス流路４１，４２とが連通する状態を維持できる。

燃料電池セル１０の基端面１０３は、外周縁部と、外周縁部に囲まれた中央部とを有している。基端面１０３の外周縁部は、天板２３１と当接している。そして、基端面１０３の中央部は、貫通孔２３４と対向している。すなわち、燃料電池セル１０の基端面１０３は、平面視（ｘ軸方向視）において、貫通孔２３４よりも一回り大きい。なお、基端面１０３の中央部は、第１分割孔２３４ａと第２分割孔２３４ｂとの間において、連結補強部２３６と当接している。燃料電池セル１０は、貫通孔２３４内に挿入されていない。すなわち、燃料電池セル１０は、天板２３１に載置されている。

［第１及び第２位置規制部材］
図３及び図４に示すように、第１位置規制部材７０及び第２位置規制部材８０は、天板２３１に固定されている。詳細には、第１及び第２位置規制部材７０、８０は、天板２３１上において、貫通孔２３４と間隔をあけて配置される。すなわち、第１及び第２位置規制部材７０、８０と、貫通孔２３４とは、互いに重なり合わない。

第１及び第２位置規制部材７０、８０は、天板２３１と、接合材によって固定されてもよく、溶接などによって固定されてもよい。第１及び第２位置規制部材７０、８０を固定する接合材は、後述する接合材１０６の材料として記載した材料を採用することができる。

図３に示すように、第１位置規制部材７０は、燃料電池セル１０の第１側面１０４と対向する。第２位置規制部材８０は、燃料電池セル１０の第２側面１０５と対向する。第１及び第２位置規制部材７０、８０は、製造時に燃料電池セル１０が移動することを防止する。詳細には、第１及び第２位置規制部材７０、８０により、マニホールド２に燃料電池セル１０を取り付ける工程において、燃料電池セル１０の配列方向のずれを防止できる。

第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０とは、幅方向において間隔をあけて配置される。すなわち、第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０とは、燃料電池セル１０の基端部１０１の全周を囲っていない。

第１位置規制部材７０は、第１側面１０４に当接しなくてもよく、当接してもよい。第２位置規制部材７０は、第２側面１０５に当接しなくてもよく、当接してもよい。

図９に示すように、第１位置及び第２位置規制部材７０、８０のそれぞれは、板状の部材である。図３に示すように、第１及び第２位置規制部材７０、８０は、燃料電池セル１０の配列方向に沿って延びる。そして、第１位置規制部材７０は、各燃料電池セル１０の第１側面１０４に対向する。第２位置規制部材８０は、各燃料電池セル１０の第２側面１０５に対向する。第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０とは、貫通孔２３４の延在方向（ｙ軸方向）におけるマニホールド２の中心線Ｃ２に対して、互いに対称である。

第１位置及び第２位置規制部材７０、８０のそれぞれは、複数の凹部７１、８１を有している。第１及び第２位置規制部材７０、８０の各凹部７１、８１は、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて配置されている。第１位置規制部材７０の各凹部７１は、対応する各燃料電池セル１０の第１側面１０４に沿った形状を有している。第２位置規制部材８０の各凹部８１は、対応する各燃料電池セル１０の第２側面１０５に沿った形状を有している。凹部７１、８１の数は、燃料電池セル１０の数と同じである。具体的には、平面視（ｘ軸方向視）において、各凹部７１、８１は、円弧状となっている。

第１及び第２位置規制部材７０、８０は、例えば金属製である。より具体的には、第１及び第２位置規制部材７０、８０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基合金よりなる群から選ばれる少なくとも一種から形成されている。なお、第１及び第２位置規制部材７０、８０は、セラミックス製などであってもよい。

図９に示すように、第１及び第２位置規制部材７０、８０の厚みＷは、例えば１．５ｍｍ以下であり、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。この場合、第１及び第２位置規制部材７０、８０により、燃料電池セル１０の位置を規定でき、燃料電池セル１０の配列方向のずれを防止できる。また、天板２３１と第１及び第２位置規制部材７０、８０との段差を低減して、接合材１０６を容易に形成し、ガスシールを確保することができる。

図３に示すように、第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０との幅方向の間隔Ｌ１は、第１位置規制部材７０の凹部７１の深さＬ２よりも大きい。第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０との幅方向の間隔Ｌ１は、第２位置規制部材８０の凹部８１の深さＬ３よりも大きい。第１位置規制部材７０の凹部７１の深さＬ２に対する第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０との間隔Ｌ１の比（Ｌ１／Ｌ２）は、例えば、２以上１００以下である。第２位置規制部材８０の凹部８１の深さＬ３に対する第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０との間隔Ｌ１の比（Ｌ１／Ｌ３）は、例えば、２以上１００以下である。

［接合材］
図４に示すように、接合材１０６は、天板２３１と燃料電池セル１０とを接合している。詳細には、燃料電池セル１０の基端面１０３が貫通孔２３４を覆うように配置された状態で、燃料電池セル１０の基端部１０１が天板２３１に接合材１０６によって固定されている。接合材１０６は、燃料電池セル１０の基端部１０１の全周と、天板２３１とを接合している。すなわち、接合材１０６は、燃料電池セル１０の基端部１０１に沿って環状に形成されている。

図１０は、第１及び第２位置規制部材７０、８０と燃料電池セル１０とを接合材１０６で接合した状態を示す平面図である。図１１は、図１０においてＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。図１、図１０、図１１に示すように、接合材１０６は、第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０との間において、天板２３１及び燃料電池セル１０に接している。すなわち、接合材１０６は、燃料電池セル１０の幅方向に沿って２列に延びる。そして、接合材１０６は、天板２３１及び燃料電池セル１０に接している。詳細には、第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０との間において、天板２３１と燃料電池セル１０との間には、接合材１０６のみが配置されている。このように、接合材１０６は、天板２３１と燃料電池セル１０とを直接接合している。

図１２は、図１０におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。図１２に示すように、接合材１０６は、第１側面１０４側において、第１位置規制部材７０と天板２３１と燃料電池セル１０とに接している。詳細には、第１側面１０４側において、天板２３１と燃料電池セル１０との間には、天板２３１に固定された第１位置規制部材７０及び接合材１０６のみが配置されている。すなわち、接合材１０６と第１位置規制部材７０の上面とは接している。このように、第１側面１０４側では、接合材１０６は、天板２３１に固定された第１位置規制部材７０と燃料電池セル１０とを直接接合している。

また、接合材１０６は、第２側面１０５側において、第２位置規制部材８０と天板２３１と燃料電池セル１０とに接している。詳細には、第２側面１０５において、天板２３１と燃料電池セル１０との間には、天板２３１に固定された第２位置規制部材８０及び接合材１０６のみが配置されている。すなわち、接合材１０６と第２位置規制部材８０の上面とは接している。このように、第２側面１０５側では、接合材１０６は、天板２３１に固定された第２位置規制部材８０と燃料電池セル１０とを直接接合している。

図１２に示すように、第１及び第２位置規制部材７０、８０は、接合材１０６に埋設されている。すなわち、図１に示すように、第１及び第２位置規制部材７０、８０は、露出していない。この場合、マニホールド２と燃料電池セル１０との間の密閉性を向上できる。さらに、第１及び第２位置規制部材７０、８０が金属製の場合には、酸化による変形を防止できる。なお、第１及び第２位置規制部材７０、８０は、接合材に埋設されていなくてもよい。

接合材１０６は、ガラス材料を含んでいる。好ましくは、接合材１０６は、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、接合材１０６の材料として、非晶質ガラス等が採用されてもよい。具体的には、接合材１０６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。

［製造方法］
まず、天板２３１、底板２３２及び側板２３３を有するマニホールド２を準備する。次に、天板２３１に第１及び第２位置規制部材７０、８０を固定する。この工程では、天板２３１の貫通孔２３４に重複しないように、かつ互いに間隔をあけた状態で、第１及び第２位置規制部材７０、８０を天板２３１上にガラスなどの接合材で固定する。次に、第１位置規制部材７０の凹部７１に第１側面１０４が対向し、かつ第２位置規制部材８０の凹部８１に第２側面１０５が対向するように、燃料電池セル１０を天板２３１上に載置する。第１及び第２位置規制部材７０、８０によって、燃料電池セル１０の移動が規制された状態で、燃料電池セル１０と天板２３１とを接合材１０６で接合する。この工程では、第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０との間において、天板２３１及び燃料電池セル１０に接するように、接合材１０６となる材料を塗布する。また、第１及び第２位置規制部材７０、８０を埋設するように、接合材１０６となる材料を塗布する。その後、熱処理を施すことによって、接合材１０６を形成する。

第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０とは、幅方向において互いに間隔をあけて配置されるので、第１位置規制部材７０と第２位置規制部材８０との間において、天板２３１及び燃料電池セル１０に接するように、接合材１０６となる材料を配置できる。接合材１０６によって、天板２３１と燃料電池セル１０との間に隙間ができることを防止できる。したがって、マニホールド２と燃料電池セル１０との密閉性を向上させることができる。

［発電方法］
上述したように構成されたセルスタック装置１００では、マニホールド２のガス供給室２１に水素ガスなどの燃料ガスを供給するとともに、燃料電池セル１０を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極８において下記（１）式に示す化学反応が起こり、燃料極６において下記（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

詳細には、ガス供給室２１に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０の第１ガス流路４１内を流れ、各発電素子部５の燃料極６において、上記（２）式に示す化学反応が起こる。各燃料極６において未反応であった燃料ガスは、第１ガス流路４１を出て連通流路３０を介して第２ガス流路４２へ供給される。そして、第２ガス流路４２へ供給された燃料ガスは、再度、燃料極６において上記（２）式に示す化学反応が起こる。第２ガス流路４２を流れる過程において燃料極６において未反応であった燃料ガスは、マニホールド２のガス回収室２２へ回収される。

［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
上記実施形態のセルスタック装置１００は、１つの第１位置規制部材７０及び１つの第２位置規制部材８０を備えていたが、これに限定されない。セルスタック装置１００は、複数の第１位置規制部材７０を備えていてもよく、また、複数の第２位置規制部材８０を備えていてもよい。例えば、図１３に示すように、第１及び第２位置規制部材７０、８０のそれぞれは、１つの凹部７１、８１を有しており、図１４に示すように、１つの燃料電池セル１０のみに対向して配置されてもよい。また、複数の第１及び第２位置規制部材７０、８０は、当接してもよく、離隔してもよい。

また、上記実施形態のセルスタック装置１００は、複数の燃料電池セル１０の全ての第１及び第２側面１０４、１０５が第１及び第２位置規制部材７０、８０と対向しているが、これに限定されない。複数の燃料電池セル１０のうち、少なくとも１つの燃料電池セル１０の第１側面１０４及び第２側面１０５が、第１位置規制部材７０及び第２位置規制部材８０に対向してもよい。

変形例２
上記実施形態では、燃料電池セル１０の基端面１０３の外周縁部の全面が天板２３１と当接していたが、基端面１０３の外周縁部の少なくとも一部が天板２３１と当接していなくてもよい。すなわち、基端面１０３と天板２３１との間に隙間が形成されていてもよい。

例えば、図１５に示すように、燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）において異なっている。燃料電池セル１０の幅方向の中央部における燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離ｄ１は、燃料電池セル１０の幅方向の端部における燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離ｄ２よりも大きい。

燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離は、幅方向（ｙ軸方向）の両端部から中央部に向かって徐々に大きくなる。燃料電池セル１０の基端面１０３は、幅方向（ｙ軸方向）の中央部が幅方向の両端部よりも天板２３１から離れるように湾曲している。例えば、燃料電池セル１０の正面視（ｚ軸方向視）において、基端面１０３は、円弧状に形成されている。なお、天板２３１の桟部２３５が、幅方向の中央部が幅方向の両端部よりも燃料電池セル１０の基端面１０３から離れるように湾曲していてもよい。例えば、燃料電池セル１０の正面視（ｚ軸方向視）において、天板２３１の桟部２３５は、円弧状に湾曲していてもよい。

なお、燃料電池セル１０の幅方向の中央部とは、燃料電池セル１０の幅方向の中心近傍の領域を言う。具体的には、燃料電池セル１０の幅方向の中央部とは、燃料電池セル１０を幅方向に５等分したうちの中央部を言う。また、燃料電池セル１０の幅方向の端部とは、例えば、燃料電池セル１０を幅方向に５等分したうちの端部を言う。

燃料電池セル１０の基端面１０３は、幅方向の両端部において、天板２３１と当接している。詳細には、燃料電池セル１０の基端面１０３は、幅方向の両端部の一部が天板２３１と当接している。

燃料電池セル１０の幅方向の中央部における燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離ｄ１は、例えば、０．０２〜１ｍｍ程度である。この距離ｄ１は、例えば、燃料電池セル１０を幅方向に５等分したうちの中央部の基端面１０３と天板２３１との距離を任意の３箇所で測定してそれらを平均したものである。

また、燃料電池セル１０の幅方向の端部における燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との距離ｄ２は、例えば、０．０１〜０．３ｍｍ程度である。この距離ｄ２は、例えば、燃料電池セル１０を幅方向に５等分したうちの端部の基端面１０３と天板２３１との距離を任意の３箇所で測定してそれらを平均したものである。

接合材１０６は、燃料電池セル１０の基端面１０３とマニホールド２の天板２３１との隙間に充填されている。図１６に示すように、接合材１０６は、基端面１０３の外周縁と天板２３１との間に充填されている。そして、接合材１０６は、基端面１０３の中央部と天板２３１との間には充填されていない。すなわち、第１ガス流路４１及び第２ガス流路４２と、貫通孔２３４とが連通するように、第１ガス流路４１及び第２ガス流路４２と、貫通孔２３４との間には接合材１０６は充填されていない。

なお、図１７に示すように、接合材１０６は、一部が貫通孔２３４と重なるように、貫通孔２３４と第１又は第２ガス流路４１，４２との間にはみ出ていてもよい。また、接合材１０６の一部が、第１又は第２ガス流路４１，４２の基端部４１１、４２１の内壁面を覆っていてもよい。この接合材１０６によって、第１又は第２ガス流路４１，４２の基端部４１１，４２１の強度を向上させることができる。

また、接合材１０６の一部が、貫通孔２３４の内壁面の少なくとも一部を覆っていてもよい。これにより、接合材１０６が天板２３１から剥離することを抑制できる。

また、図１８に示すように、接合材１０６は、連結補強部２３６と燃料電池セル１０の基端面１０３との間に充填されている。このため、ガス供給室２１内の燃料ガスが、連結補強部２３６と燃料電池セル１０の基端面１０３との隙間を介してガス回収室２２へと流れることを防止することができる。

変形例３
上記実施形態では、貫通孔２３４は、複数の分割孔２３４ａに分割されているが、貫通孔２３４の構成はこれに限定されない。例えば、図１９に示すように、貫通孔２３４は複数の分割孔２３４ａに分割されていなくてもよい。すなわち、天板２３１は、連結補強部２３６を有していなくてもよい。

変形例４
図２０に示すように、セルスタック装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この場合、例えば、支持基板４内に連通流路３０が形成されていてもよい。この連通流路３０は、支持基板４の先端部４４において、幅方向（ｙ軸方向）に延びている。

変形例５
上記実施形態の燃料電池セル１０は、各発電素子部５が支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている、いわゆる横縞型の燃料電池セルであるが、燃料電池セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、支持基板４の第１主面４５に１つの発電素子部５が支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。この場合、支持基板４の第２主面４６に一つの発電素子部５が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。

変形例６
上記実施形態では、燃料電池セル１０からのオフガスをマニホールド２のガス回収室２２によって回収しているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル１０の先端部からオフガスを排出して燃焼させてもよい。この場合、マニホールド２は、仕切板２４を有しておらず、ガス供給室２１とガス回収室２２とに分かれていなくてよい。

２ マニホールド
２３１ 天板
２３２ 底板
２３３ 側板
１０ 燃料電池セル
１０４ 第１側面
１０５ 第２側面
７０ 第１位置規制部材
８０ 第２位置規制部材
１００ セルスタック装置
１０６ 接合材

Claims (6)

1. 天板、側板及び底板を有するマニホールドと、
   前記天板と対向する基端面、並びに幅方向を向く第１側面及び第２側面とを有し、前記天板から延びる燃料電池セルと、
   前記天板に固定され、前記第１側面と対向する第１位置規制部材と、
   前記幅方向において前記第１位置規制部材と間隔をあけて前記天板に固定され、前記第２側面と対向する第２位置規制部材と、
   前記天板と前記燃料電池セルとを接合する接合材と、
   を備え、
   前記接合材は、前記第１位置規制部材と前記第２位置規制部材との間において、前記天板及び前記燃料電池セルに接している、
   セルスタック装置。
   
2. 前記第１及び第２位置規制部材は、前記接合材に埋設されている、
   請求項１に記載のセルスタック装置。
   
3. 前記第１及び第２位置規制部材は、金属製である、
   請求項２に記載のセルスタック装置。
   
4. 複数の前記燃料電池セルを備え、
   各前記燃料電池セルは、互いに間隔をあけて配置され、
   前記第１位置規制部材は、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延びるとともに、各前記燃料電池セルの前記第１側面に対向し、
   前記第２の位置規制部材は、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延びるとともに、各前記燃料電池セルの前記第２側面に対向する、
   請求項１から３のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
5. 前記第１位置規制部材は、前記第１側面に沿った形状の凹部を有し、
   前記第２位置規制部材は、前記第２側面に沿った形状の凹部を有する、
   請求項１から４のいずれかに記載のセルスタック装置。
   
6. 前記マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有し、
   前記燃料電池セルは、
   前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
   前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通する、少なくとも１つの第２ガス流路と、
   を有する、
   請求項１から５のいずれかに記載のセルスタック装置。

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