JP6077171B1 - マニホールド、及び燃料電池のスタック構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】クリープ変形を抑制可能なマニホールドを、提供する。【解決手段】マニホールド２００は、本体部２１０と、蓋部２２０とを、備える。本体部２１０は、底部２１１と、壁部２１２と、鍔部２１３とを、有する。壁部２１２は、底部２１１の外周部から延びる。鍔部２１３は、開口側の壁部２１２に設けられる。蓋部２２０には、セル１００が配置される。蓋部２２０は、鍔部２１３に接合される。ここで、蓋部２２０及び鍔部２１３の間には、緩和空間Ｓ２が設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、マニホールド、及び燃料電池のスタック構造体に関する。

従来の燃料電池のスタック構造体は、マニホールドと、燃料電池セルとを、備えている（特許文献１を参照）。マニホールドは、本体部と、天板とを、有している。ここでは、燃料電池セルが、天板に接合されている。また、天板が、本体部の壁部の先端部に接触した状態で、本体部の壁部に接合されている（図１８を参照）。

特開２００８−６６１２７公報

一般的に、スタック構造体は、高温下で使用される。特に、スタック構造体の使用時には、燃料電池セルまわりには、高温領域が形成される。

ここで、従来のスタック構造体では、マニホールドの天板がマニホールドの本体部に接触している。このため、従来のスタック構造体では、高温領域の温度が、マニホールドの天板に伝達され、さらにはマニホールドの天板からマニホールドの本体部へと伝達される。すなわち、従来のスタック構造体では、マニホールドの本体部が高温になりやすく、燃料電池セル及び天板を支持する本体部に、クリープによる変形が生じるおそれがあった。

また、マニホールドの本体部が変形すると、本体部に接合された天板、及び天板に接合された燃料電池セルの境界、例えば接合材において、応力集中が発生し、接合材にクラックが発生してしまうおそれがある。すなわち、マニホールドが、燃料電池セルを安定的に支持できないおそれがある。また、接合材にクラックが発生してしまうと、ガスリークが発生してしまうおそれがある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、クリープ変形を抑制可能なマニホールドを、提供することにある。本発明の別の目的は、安定的に動作させることができるスタック構造体を、提供することにある。

（１）本発明の一側面に係るマニホールドは、燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのものである。マニホールドは、本体部と、蓋部とを、備える。本体部は、底部と、壁部と、鍔部とを、有する。壁部は、底部の外周部から延びる。鍔部は、開口側の壁部に設けられる。蓋部には、燃料電池セルが配置される。蓋部は、鍔部に接合される。ここで、蓋部及び鍔部の間には、空間が設けられている。

本マニホールドでは、燃料電池セルまわり（蓋部の上方）の高温領域の温度が、蓋部及び本体部の鍔部の間の空間によって、蓋部から本体部へと直接的に伝達されにくい。このため、本マニホールドでは、本体部が高温になりにくく、本体部にクリープ変形が生じにくい。すなわち、本マニホールドでは、クリープ変形を抑制することができる。

（２）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、蓋部の外周部が、鍔部に接合されることが好ましい。蓋部の外周部及び燃料電池セルの間、且つ蓋部及び鍔部の間には、空間が設けられている。このように構成することによって、クリープ変形を効果的に抑制することができる。

（３）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、蓋部が、接合部と、空間形成部とを、有することが好ましい。蓋部の接合部は、鍔部に接合される。蓋部の空間形成部は、蓋部の接合部から燃料電池セルに向けて延びる。蓋部の空間形成部及び鍔部の間には、空間が形成される。このように構成することによって、クリープ変形を効果的に抑制することができる。

（４）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、燃料電池セル側における蓋部の空間形成部及び鍔部の間の距離が、蓋部の接合部側における蓋部の空間形成部及び鍔部の間の距離より、大きいことが好ましい。この場合、上記の空間を拡大することができるので、クリープ変形をより効果的に抑制することができる。

（５）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、蓋部の空間形成部及び鍔部の間の距離が、実質的に一定であることが好ましい。この場合、蓋部をシンプルに構成でき、且つクリープ変形を抑制することができる。

（６）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、燃料電池セルが、蓋部に挿通され、鍔部に支持されることが好ましい。これにより、燃料電池セルを安定的に支持することができる。

（７）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、燃料電池セルが、蓋部に配置され、蓋部に支持されることが好ましい。このように構成しても、クリープ変形を抑制することができる。

（８）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、壁部は、対向する一対の第1壁部と、対向する一対の第２壁部と、を有する。各第１壁部と各第２壁部との境界部の内側面及び外側面の少なくとも一方は、Ｒ形状である。

（９）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、壁部は、壁本体部と、壁本体部と底部とを連結する第１湾曲部と、を有する。第１湾曲部の内側面及び外側面の少なくとも一方は、Ｒ形状である。

（１０）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、壁部は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する。

（１１）本発明の一側面に係る燃料電池のスタック構造体は、上記の（１）から（１０）のいずれかのマニホールドと、マニホールドから燃料ガスが供給される燃料電池セルとを、備える。本スタック構造体は、上記の（１）から（１０）のいずれかのマニホールドを、備えているので、上記と同様の効果を得ることができる。また、スタック構造体を、安定的に動作させることができる。

本発明によれば、マニホールドのクリープ変形を抑制できる。また、本発明によれば、スタック構造体を、安定的に動作させることができる。

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斜視図。 セルの全体斜視図 セル及びマニホールドの断面図。 セル及びマニホールドの部分拡大断面図。 マニホールドの蓋部を上方から見た上面図。 マニホールドの本体部を上方から見た上面図。 本発明の他の実施形態に係るセル及びマニホールドの部分拡大断面図。 本発明の他の実施形態に係るセル及びマニホールドの部分拡大断面図。 本発明の他の実施形態に係るセル及びマニホールドの部分拡大断面図。 本発明の他の実施形態に係るマニホールドの部分拡大断面図。

＜スタック構造体の構成＞
ここでは、本発明に係るスタック構造体の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。

スタック構造体１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に用いられる構造体である。なお、本実施形態では、図１に示すように、座標系が設定されている。

図１に示すように、スタック構造体１は、複数のセル１００と、マニホールド２００とを、備えている。

以下では、図１に示すように、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向が、定義されている。例えば、各セル１００（後述する支持基板１０）では、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向が、長手方向、短手方向（幅方向）、及び厚み方向に、各別に対応している。

また、マニホールド２００では、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向が、高さ方向（上方）、短手方向（幅方向）、及び長手方向に、各別に対応している。ここで、マニホールド２００の短手方向（幅方向）は、セル１００における支持基板１０の幅方向に対応している。

なお、「ｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向」という文言は、各軸方向の正方向及び／又は負方向を含んだ意味で用いられることがある。

＜セル＞
各セル１００は、燃料電池セルである。各セル１００は、集電部材（図示省略）を介して互いに電気的に接続されている。集電部材は、導電性を有する材料から形成されている。例えば、集電部材は、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。

図１に示すように、各セル１００は、マニホールド２００に設けられる。詳細には、各セル１００は、マニホールド２００の蓋部２２０（後述する）に設けられる。

図２に示すように、各セル１００は、複数の発電素子部Ａと、支持基板１０とを、有する。各発電素子部Ａは、燃料極、固体電解質膜、反応防止膜、及び空気極を、有する。各発電素子部Ａは、燃料極、固体電解質膜、反応防止膜、及び空気極の順に積層された積層焼成体である。

燃料極は、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。燃料極は、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、構成される。固体電解質膜は、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、構成される。

反応防止膜は、緻密な材料からなる焼成体である。反応防止膜は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から、構成される。空気極は、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、構成される。

複数の発電素子部Ａは、支持基板１０に設けられる。詳細には、複数（例えば４個）の発電素子部Ａが、電気的に直列に接続された状態で、支持基板１０の両側面それぞれにおいて、支持基板１０の長手方向に所定の間隔を隔てて配置される。

支持基板１０（後述する緻密層を除く）は、電子伝導性を有さない多孔質の材料から構成された焼成体である。支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）で構成される。

図２に示すように、支持基板１０は、実質的に平板状に形成されている。例えば、支持基板１０は、ｘ軸方向の長さ（長手方向の長さ）がｙ軸方向の長さ（短手方向の長さ・幅方向の長さ）より長くなるように、形成されている。

支持基板１０は、発電素子部Ａを支持する。具体的には、支持基板１０の両側面、すなわち支持基板１０においてｚ方向に互いに対向する１対の平面（主面）それぞれには、複数（例えば４個）の発電素子部Ａが、ｘ軸方向（長手方向）に所定の間隔を隔てて設けられている。

支持基板１０の内部には、複数の燃料ガス流路１１（貫通孔）が、形成されている。具体的には、複数の燃料ガス流路１１が、ｙ軸方向（幅方向）に所定の間隔を隔てて形成されている。また、各燃料ガス流路１１は、ｘ軸方向（長手方向）に延びている。各燃料ガス流路１１は、各セル１００の長手方向の両端部において開口している。
また、支持基板１０には、緻密層例えば上述した固体電解質膜が、含まれる。ここでは、緻密層は、例えば上述した固体電解質膜から、構成されている。より具体的には、緻密層（固体電解質膜）は、発電素子部Ａの内部から、発電素子部Ａの外部に延び、支持基板１０の外周部（外周面）を構成している。

また、図３に示すように、ｙ軸方向（幅方向）において、各支持基板１０の外寸Ｗ２が、開口側の１対の壁部２１２（後述する１対の第１壁部２２２）の外寸Ｗ１より大きくなるように、各支持基板１０は形成されている。

各支持基板１０は、マニホールド２００に配置される。詳細には、各支持基板１０は、マニホールド２００の蓋部２２０に配置される。より詳細には、各支持基板１０は、接合材３００（後述する）を介して、蓋部２２０のセル挿入孔２２１（後述する）に、配置される。これにより、各支持基板１０は、セル挿入孔２２１に挿入され、接合材３００によって蓋部２２０に接合される。

このように、各支持基板１０が、蓋部２２０に設けられた状態において、各セル１００の両端部１００ａすなわち各支持基板１０の両端部は、鍔部２１３例えば支持部２１３ａ（後述する）に、接触する。

上記のような構成を有する各支持基板１０は、図１に示すように、ｚ軸方向に互いに間隔を隔てて並べて配置される。各支持基板１０のｘ軸方向（長手方向）において燃料ガスが流入する側の各支持基板１０の端部（流入側端部）は、固定端となっている。また、各支持基板１０のｘ軸方向（長手方向）において燃料ガスが排出される側の端部（排出側端部）は、自由端となっている。各支持基板１０の流入側端部は、接合材３００（後述する）によって、マニホールド２００に接合される。

＜マニホールド＞
マニホールド２００は、複数のセル１００それぞれに燃料ガスを供給するためのものである。図１及び図３に示すように、マニホールド２００は、本体部２１０と、蓋部２２０とを、有している。

本体部２１０は、金属例えばステンレス鋼等から、構成されている。本体部２１０は、１枚の板部材から形成される。具体的には、本体部２１０は、プレス加工によって、１枚の板部材から成型される。

図４に示すように、本体部２１０は、底部２１１と、壁部２１２と、鍔部２１３とを、有している。底部２１１と壁部２１２と鍔部２１３（後述する第２湾曲部２１３ｂ）とによって、ｘ軸方向（上方）に向けて開口する開口部が、形成される。底部２１１は、実質的に矩形板状に形成されている。底部２１１の外周部には、壁部２１２が一体に形成されている。言い換えると、底部２１１の外周部には、壁部２１２が連続的に形成されている。

図４及び図６に示すように、壁部２１２は、底部２１１の外周部を取り囲むように、底部２１１の外周部に一体に形成されている。壁部２１２は、壁本体部２１２ａと、第１湾曲部２１２ｂとを、有している。壁本体部２１２ａは、蓋部２２０と底部２１１との間に、配置される。壁本体部２１２ａは、底部２１１の外周部に沿い且つｘ軸方向に延びるように、構成されている。すなわち、壁本体部２１２ａは、底部２１１の外周部に沿った周方向Ｐ（図６を参照）に、連続的に形成されている。

図４及び図６に示すように、壁本体部２１２ａの内周面２１２ｃは、連続的に構成されている。内周面２１２ｃは、底部２１１の外周部に沿った周方向Ｐにおいて、壁本体部２１２ａの内面を連続的に形成する。例えば、図６に示すように、壁本体部２１２ａの４個の隅角部は、曲線によって形成される。これにより、連続面は、周方向に閉じる面から、構成される。

図４に示すように、第１湾曲部２１２ｂは、湾曲しており、壁本体部２１２ａと底部２１１とを、連結する。詳細には、第１湾曲部２１２ｂは、底部２１１の外周部から湾曲しながら壁本体部２１２ａに向けて延び、壁本体部２１２ａに接続されている。第１湾曲部２１２ｂの内側面及び外側面はＲ形状である。なお、第１湾曲部２１２ｂの内側面とは、マニホールド２００の内部空間を臨む面であり、第１湾曲部２１２ｂの外側面とは、マニホールド２００の外部を臨む面である。ここでは、第１湾曲部２１２ｂの内面の第１曲率半径Ｒ１が、例えば１．０以上且つ１０ｍｍ以下の範囲になるように、第１湾曲部２１２ｂは形成されている。

第１湾曲部２１２ｂは、壁本体部２１２ａと底部２１１とに、一体に形成されている。詳細には、第１湾曲部２１２ｂは、底部２１１側の壁本体部２１２ａに一体に形成され、且つ底部２１１の外周部に一体に形成されている。すなわち、図６に示すように、第１湾曲部２１２ｂは、底部２１１側の壁本体部２１２ａにおいて周方向Ｐに沿い且つ底部２１１の外周部を取り囲むように、壁本体部２１２ａと底部２１１とに連続的に形成されている。

図４及び図６に示すように、第１湾曲部２１２ｂの内面には、第１連続面２１２ｄが形成される。第１連続面２１２ｄは、底部２１１の外周部に沿った周方向Ｐにおいて、第１湾曲部２１２ｂの内面を連続的に形成する。例えば、ｘｙ断面（又はｘｚ断面）において上記の第１曲率半径Ｒ１を有する曲線を、周方向に連続的に形成することによって、第１連続面２１２ｄが形成される。これにより、第１連続面２１２ｄは、周方向に閉じる面から、構成される。

図４及び図６に示すように、上述した壁部２１２（壁本体部２１２ａ及び第１湾曲部２１２ｂ）は、１対の第１壁部２２２（１対の壁部の一例）と、１対の第２壁部２２３（図６を参照）とから、構成されている。ここで、１対の第１壁部２２２は、壁本体部２１２ａ及び第１湾曲部２１２ｂに含まれる。また、１対の第２壁部２２３は、壁本体部２１２ａ及び第１湾曲部２１２ｂに含まれる。

図４に示すように、１対の第１壁部２２２は、底部２１１の外周部からｘ軸方向（高さ方向）に延び、且つｙ軸方向（幅方向）において互いに対向している。また、開口側の第１壁部２２２、例えば第１壁部２２２の開口端２２２ａは、各セル１００と底部２１１との間に、配置される。

詳細には、第１壁部２２２の開口端２２２ａは、ｘ軸方向において、各セル１００の両端部１００ａと底部２１１との間に、配置される。また、スタック構造体１をｘ軸方向に見た場合に、第１壁部２２２の開口端２２２ａの少なくとも一部が、各セル１００における両端部１００ａ側の燃料ガス流路１１の内部に配置される。例えば、スタック構造体１をｘ軸方向に見た場合に、第１壁部２２２の開口端２２２ａの内面が、各セル１００における端部１００ａ側の燃料ガス流路１１の内部に、配置される。

ここでは、図３及び図４に示すように、ｙ軸方向（マニホールド２００の幅方向・セル１００の幅方向）において、１対の第１壁部２２２の開口端２２２ａにおける外寸Ｗ１が、セル１００の外寸Ｗ２（支持基板１０の外寸）より小さくなるように、１対の第１壁部２２２は形成されている。これにより、１対の第１壁部２２２の開口端２２２ａの外面は、セル１００の１対の側面１００ｂの間に、配置される。なお、第１壁部２２２の開口端２２２ａは、鍔部２１３が湾曲を開始する部分に対応している。

また、図３に示すように、１対の第１壁部２２２それぞれの外面を含む平面Ｈが、各セル１００に交わるように、第１壁部２２２は構成されている。詳細には、この平面Ｈが、ｙ軸方向における各セル１００（各支持基板１０）の両端部１００ａに交わるように、１対の第１壁部２２２が形成されている。

図１及び図６に示すように、１対の第２壁部２２３は、底部２１１の外周部からｘ軸方向（高さ方向）に延び、且つｚ軸方向（長手方向）において互いに対向している。第２壁部２２３は、底部２１１の外周部に沿った周方向Ｐ（図６を参照）において、第１壁部２２２と一体に形成されている。すなわち、第１壁部２２２及び第２壁部２２３は、周方向に連続的に形成されている。

なお、開口側の１対の第２壁部２２３は、鍔部２１３が湾曲を開始する部分に対応している。以下では、開口側の１対の第２壁部２２３それぞれを、第２壁部２２３の開口端と記す。

第１壁部２２２と第２壁部２２３との境界部２２４の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この境界部２２４の内側面及び外側面の曲率半径は、３〜３０ｍｍ程度とすることができる。なお、境界部２２４の内側面とは、マニホールド２００の内部空間を臨む面であり、境界部２２４の外側面とは、マニホールド２００の外側を臨む面である。

図４に示すように、鍔部２１３は、壁部２１２に設けられる。鍔部２１３は、壁部２１２から外方に延びている。鍔部２１３は、蓋部２２０を支持可能に構成されている。また、鍔部２１３は、各セル１００を支持可能に構成されている。

具体的には、図４及び図６に示すように、鍔部２１３は、支持部２１３ａと、第２湾曲部２１３ｂとを、有している。支持部２１３ａは、蓋部２２０及び各セル１００（支持基板１０）を支持する。支持部２１３ａは、第２湾曲部２１３ｂに一体に形成される。詳細には、支持部２１３ａは、第２湾曲部２１３ｂを取り囲むように、第２湾曲部２１３ｂと連続的に形成されている。支持部２１３ａは、第２湾曲部２１３ｂから外方に延び、実質的に板状に形成されている。

図４に示すように、第２湾曲部２１３ｂは、湾曲しており、支持部２１３ａと壁部２１２とを連結する。詳細には、第２湾曲部２１３ｂは、壁部２１２の開口端２１２ｅ（第１壁部２２２の開口端２２２ａ及び第２壁部２２３の開口端）から湾曲しながら外方に延び、支持部２１３ａに接続されている。例えば、第２湾曲部２１３ｂは、壁部２１２の開口端２１２ｅから湾曲しながら、各セル１００の両端部１００ａに向けて延び、支持部２１３ａに接続されている。ここでは、第２湾曲部２１３ｂの内面の第２曲率半径Ｒ２が、例えば１．０ｍｍ以上且つ８．０ｍｍ以下の範囲になるように、第２湾曲部２１３ｂは形成されている。

図４及び図６に示すように、第２湾曲部２１３ｂは、支持部２１３ａと壁部２１２とに、一体に形成されている。詳細には、第２湾曲部２１３ｂは、支持部２１３ａの内周部に一体に形成され、且つ壁部２１２の開口端２１２ｅに一体に形成されている。より詳細には、第２湾曲部２１３ｂは、支持部２１３ａの内周部において周方向Ｐに沿い且つ壁部２１２の開口端２１２ｅを取り囲むように、支持部２１３ａ及び壁部２１２に連続的に形成されている。

図４及び図６に示すように、第２湾曲部２１３ｂの内面には、第２連続面２１３ｃが形成される。第２連続面２１３ｃは、壁部２１２の開口端２１２ｅに沿った周方向（又は底部２１１の外周部に沿った周方向Ｐ）において、第２湾曲部２１３ｂの内面を連続的に形成する。例えば、ｘｙ断面（又はｘｚ断面）において上記の第２曲率半径Ｒ２を有する曲線を、周方向に連続的に形成することによって、第２連続面２１３ｃが形成される。これにより、第２連続面は、周方向に閉じる面から、構成される。

蓋部２２０は、本体部２１０と同じ材質から、構成されている。例えば、蓋部２２０は、金属例えばステンレス鋼等から、構成されている。図３及び図４に示すように、蓋部２２０は、本体部２１０に配置される。具体的には、蓋部２２０は、本体部２１０の鍔部２１３に配置される。より具体的には、蓋部２２０は、鍔部２１３の支持部２１３ａに配置される。そして、蓋部２２０が、固定手段例えば溶接により、鍔部２１３の支持部２１３ａに接合される。

詳細には、図４及び図５に示すように、蓋部２２０は、接合部３２０と、空間形成部３２１と、少なくとも１つの連結部３２２とを、有している。

接合部３２０は、本体部２１０の鍔部２１３に接合される部分である。接合部３２０は、蓋部２２０の外周部に設けられている。

具体的には、接合部３２０は、鍔部２１３の外周部、例えば支持部２１３ａに、接触可能に構成されている。より具体的には、接合部３２０は、実質的に鍔状に形成されている。接合部３２０は、複数のセル１００の外方において、鍔部２１３の外周部例えば支持部２１３ａに、配置される。そして、接合部３２０は、上述した固定手段例えば溶接により、鍔部２１３の外周縁例えば支持部２１３ａの外周縁に、接合される。

これにより、本体部２１０の開口部が、蓋部２２０によって塞がれ、本体部２１０に蓋部２２０が固定される。この状態において、図４に示すように、蓋部２２０及び鍔部２１３の間には、温度の伝達を緩和するための緩和空間Ｓ２（後述する）が、設けられる。

図４及び図５に示すように、空間形成部３２１は、接合部３２０から各セル１００に向けて延びる部分である。空間形成部３２１及び鍔部２１３の間には、緩和空間Ｓ２が形成される。詳細には、空間形成部３２１及び鍔部２１３の支持部２１３ａの間には、緩和空間Ｓ２が形成される。ここでは、緩和空間Ｓ２は、空間形成部３２１、鍔部２１３の支持部２１３ａ、及び複数のセル１００によって囲まれた空間である。この緩和空間Ｓ２によって、蓋部２２０から本体部２１０への温度の伝達が、緩和される。なお、隣接するセル１００の間には連結部３２２が配置されており（図５を参照）、隣接するセル１００の流入側端部及び連結部３２２の間の空間を、緩和空間Ｓ２に含んでもよい。

図４及び図５に示すように、空間形成部３２１は、接合部３２０に設けられている。空間形成部３２１は、鍔部２１３から離れた状態で、接合部３２０から各セル１００に向けて延びるように、接合部３２０に一体に形成されている。具体的には、ｘ軸方向（高さ方向）において、セル１００側の空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離ＬＭが、接合部３２０側の空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離ＬＳより大きくなるように、空間形成部３２１は接合部３２０に一体に形成されている。

ここでは、例えば、空間形成部３２１が接合部３２０に接続する部分すなわち空間形成部３２１の基端部３２１ａでは、ｘ軸方向において、空間形成部３２１及び鍔部２１３の支持部２１３ａの間の距離は、実質的にゼロである。そして、空間形成部３２１の基端部３２１ａからセル１００に向かうにつれて、空間形成部３２１及び鍔部２１３の支持部２１３ａの間の距離ＬＳは、徐々に大きくなる。そして、空間形成部３２１がセルに接合される部分すなわち空間形成部３２１の先端部３２１ｂでは、ｘ軸方向において、空間形成部３２１及び鍔部２１３の支持部２１３ａの間の距離ＬＭは、最大である。ここでは、距離ＬＭは、例えば０．１ｍｍ以上に設定されている。

また、図４及び図５に示すように、空間形成部３２１は、鍔部２１３から離れた状態で、複数のセル１００を取り囲むように、接合部３２０に一体に形成されている。具体的には、空間形成部３２１は、鍔部２１３から離れた状態で、接合部３２０の内周部に沿った周方向（又は底部２１１の外周部に沿った周方向Ｐ；図６を参照）において、複数のセル１００を取り囲むように、連続的に形成されている。なお、空間形成部３２１の先端部３２１ｂは、複数のセル１００に近接し、接合材３００（後述する）によって、各セル１００に接合される。

このように構成することによって、接合部３２０及び複数のセル１００の間、且つ空間形成部３２１及び鍔部２１３の支持部２１３ａの間には、上記の緩和空間Ｓ２が形成される。

図５に示すように、少なくとも１つの連結部３２２、例えば複数の連結部３２２は、空間形成部３２１において複数のセル１００を取り囲む部分、すなわち空間形成部３２１の先端部３２１ｂ（内周部）に、一体に形成される。

具体的には、複数の連結部３２２それぞれは、ｙ軸方向（マニホールド２００の幅方向・セル１００の幅方向）において、空間形成部３２１の先端部３２１ｂ（内周部）を連結する。また、複数の連結部３２２それぞれは、ｚ軸方向（長手方向）において互いに間隔を隔てて配置される。このように複数の連結部３２２を空間形成部３２１の先端部３２１ｂ（内周部）に形成することによって、セル挿入孔２２１（後述する）が形成される。

上記のように蓋部２２０が構成され、この蓋部２２０が本体部２１０の開口部を塞ぐことによって、マニホールド２００には、内部空間Ｓ１が形成される（図４を参照）。すなわち、内部空間Ｓ１は、本体部２１０（底部２１１、壁部２１２、及び鍔部２１３）と蓋部２２０とによって、構成される。内部空間Ｓ１には、燃料ガスが導入される。

燃料ガスは、導入管２３０（図１を参照）を介して、外部から内部空間Ｓ１に導入される。導入管２３０は、金属例えばステンレス鋼等から、構成されている。導入管２３０は、マニホールド２００の本体部２１０に、接合・固定されている。

上記の構成を有するマニホールド２００は、複数のセル１００（支持基板１０）を支持する。図３に示すように、マニホールド２００の蓋部２２０には、上述したように、複数のセル挿入孔２２１が、形成されている。各セル挿入孔２２１は、マニホールド２００の外側（外部空間）と内部空間Ｓ１とを連通するように、蓋部２２０をｘ軸方向（高さ方向）に貫通している。また、各セル挿入孔２２１は、ｚ軸方向（長手方向）に所定の間隔を隔てて形成されている。

各セル挿入孔２２１をマニホールド２００の外側（外部空間側）から見た場合（ｘ軸に沿って見た場合）、各セル挿入孔２２１は、一方向に長く形成され、且つ両端部が円弧状に形成されている。

ここでは、ｙ軸方向（各セルの挿入孔２２１の長手方向）における各セル挿入孔２２１の内寸Ａ１が、１対の第１壁部２２２の開口端２２２ａにおける外寸Ｗ１より大きくなるように、各セル挿入孔２２１が形成されている。また、各セル挿入孔２２１の内寸Ａ１が、各セル１００の外寸Ｗ２（各支持基板１０の外寸）より大きくなるように、各セル挿入孔２２１が形成されている。

各セル挿入孔２２１には、各セル１００（支持基板１０）が配置される。詳細には、各セル１００の燃料ガス流路１１が内部空間Ｓ１に連通するように、各セル挿入孔２２１には、各セル１００の支持基板１０の流入側端部が、挿入される。ここで、各セル１００の両端部１００ａすなわち各支持基板１０の両端部は、マニホールド２００における本体部２１０の鍔部２１３（支持部２１３ａ）に、接触させる。そして、各セル１００及びセル挿入孔２２１の間には、接合材３００が充填される（図３及び図４を参照）。これにより、各セル１００の両端部１００ａすなわち各支持基板１０の両端部は、マニホールド２００における本体部２１０の鍔部２１３（支持部２１３ａ）に、接触し支持される。
なお、図３及び図４では、接合材３００が、本体部２１０の鍔部２１３に接触するように表現されているが、接合材３００と鍔部２１３との間には、隙間が形成されていてもよい。

接合材３００は、例えば、結晶化ガラスで構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系のものが、用いられる。なお、結晶化ガラスとしては、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系のものが最も好ましい。

ここで用いられる結晶化ガラスは、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、且つ全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスである。なお、接合材３００の材料として、非晶質ガラス、ろう材、セラミックス等が採用されてもよい。

接合材３００は、マニホールド２００の内部空間Ｓ１の燃料ガスと、マニホールド２００及び複数のセル１００の外側の外部空間の空気との混合を、防止する。具体的には、接合材３００は、マニホールド２００と各セル１００との間の隙間に配置され、マニホールド２００と各セル１００とを接合する。これにより、接合材３００は、内部空間Ｓ１（燃料ガスに曝される空間）と外部空間（空気に曝される空間）とを区画する。すなわち、接合材３００は、シール材として機能する。

＜スタック構造体の動作＞
上記のスタック構造体１は、例えば、次のように動作する。スタック構造体１では、高温（例えば、６００〜８００℃）の燃料ガス（水素ガス等）が、導入管２３０からマニホールド２００の内部空間Ｓ１へと導入される。すると、この燃料ガスが、各セル１００の燃料ガス流路１１に導入される。そして、燃料ガスが燃料ガス流路１１を通過すると、燃料ガス流路１１の排出側端部の排出口から外部へと排出される。一方で、空気（酸素を含むガス等）が、隣接するセル１００間の空間において、セル１００のｙ軸方向（支持基板１０のｙ軸方向（幅方向）に、通過する。

このように燃料ガス及び空気を移動させることによって、各発電素子部Ａでは、酸素分圧差すなわち電位差が、固体電解質膜の表裏面間に生じる。この状態で、セル１００が外部の負荷に電気的に接続されると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こる。これにより、セル１００内にて電流が流れ、発電状態となる。この発電状態において、セル１００から電力が取り出される。

（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ_２ ⁻ （於：空気極） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ_２ ⁻→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （於：燃料極） …（２）

＜まとめ＞
上記実施形態は、下記のように表現可能である。

（１）マニホールド２００は、セル１００に燃料ガスを供給するためのものである。マニホールド２００は、本体部２１０と、蓋部２２０とを、備える。本体部２１０は、底部２１１と、壁部２１２と、鍔部２１３とを、有する。壁部２１２は、底部２１１の外周部から延びる。鍔部２１３は、開口側の壁部２１２に設けられる。蓋部２２０には、セル１００が配置される。蓋部２２０は、鍔部２１３に接合される。ここで、蓋部２２０及び鍔部２１３の間には、緩和空間Ｓ２が設けられている。

マニホールド２００では、セル１００まわり（蓋部２２０の上方）の高温領域の温度が、蓋部２２０及び本体部２１０の鍔部２１３の間の緩和空間Ｓ２によって、鍔部２１３から本体部２１０へと直接的に伝達されにくい。このため、マニホールド２００では、本体部２１０が高温になりにくく、本体部２１０にクリープ変形が生じにくい。すなわち、マニホールド２００では、クリープ変形を抑制することができる。

（２）マニホールド２００では、蓋部２２０の外周部が、鍔部２１３に接合されることが好ましい。この場合、蓋部２２０の外周部及びセル１００の間、且つ蓋部２２０及び鍔部２１３の間には、緩和空間Ｓ２が設けられる。このように構成することによって、クリープ変形を効果的に抑制することができる。

（３）マニホールド２００では、蓋部２２０が、接合部３２０と、空間形成部３２１とを、有することが好ましい。蓋部２２０の接合部３２０は、鍔部２１３に接合される。蓋部２２０の空間形成部３２１は、蓋部２２０の接合部３２０からセル１００に向けて延びる。蓋部２２０の空間形成部３２１及び鍔部２１３の間には、緩和空間Ｓ２が形成される。このように構成することによって、クリープ変形を効果的に抑制することができる。

（４）マニホールド２００では、セル１００側における蓋部２２０の空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離ＬＭが、蓋部２２０の接合部３２０側における蓋部２２０の空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離ＬＳより、大きいことが好ましい。この場合、上記の緩和空間Ｓ２を拡大することができるので、クリープ変形をより効果的に抑制することができる。

（５）マニホールド２００では、蓋部２２０の空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離が、実質的に一定であることが好ましい。この場合、蓋部２２０をシンプルに構成でき、且つクリープ変形を抑制することができる。

（６）マニホールド２００では、セル１００が、蓋部２２０に挿通され、鍔部２１３に支持されることが好ましい。これにより、セル１００を安定的に支持することができる。

（７）マニホールド２００では、セル１００が、蓋部２２０に配置され、蓋部２２０に支持されることが好ましい。このように構成しても、クリープ変形を抑制することができる。

（８）燃料電池のスタック構造体は、上記の（１）から（７）のいずれかのマニホールド２００と、マニホールド２００から燃料ガスが供給されるセル１００とを、備える。スタック構造体は、上記の（１）から（７）のいずれかのマニホールド２００を、備えているので、上記と同様の効果を得ることができる。また、スタック構造体を、安定的に動作させることができる。

＜他の実施形態＞
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。

（Ａ）前記実施形態では、セル１００側の空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離ＬＭが、接合部３２０側の空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離ＬＳより大きい場合の例を、示した。

これに代えて、図７に示すように、空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離ＬＭが、実質的に一定であってもよい。この場合、蓋部２２０は、例えば、実質的に板状に形成される。また、蓋部２２０の空間形成部３２１が鍔部２１３の支持部２１３ａから離れた状態で、蓋部２２０の外周部例えば蓋部２２０の外周縁（接合部３２０）が、固定手段例えば溶接により、鍔部２１３の支持部２１３ａの外周縁に、接合される。このように構成しても、上記の効果と同様の効果を得ることができる。

（Ｂ）前記実施形態では、各セル１００が鍔部２１３の支持部２１３ａに支持される場合の例を示した。これに代えて、各セル１００が蓋部２２０に支持されるようにしてもよい。また、他の実施形態（Ａ）の構成において、各セル１００が蓋部２２０に支持されるようにしてもよい。このように構成しても、上記の効果と同様の効果を得ることができる。

（Ｃ）前記実施形態では、緩和空間Ｓ２が、空間形成部３２１及び鍔部２１３（支持部２１３ａ）の間において、全体的に形成される場合の例を示した。これに代えて、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、緩和空間Ｓ２を、空間形成部３２１及び鍔部２１３（支持部２１３ａ）の間において、部分的に形成されるようにしてもよい。この場合、空間形成部３２１において緩和空間Ｓ２が形成される部分は、例えば、プレス加工又は切削加工によって形成される。この部分は、接合部３２０の内周部に沿った周方向（又は底部２１１の外周部に沿った周方向Ｐ；図６を参照）において、連続的に形成されていてもよいし断続的に形成されていてもよい。このように構成しても、上記の効果と同様の効果を得ることができる。

また、このように構成した場合、高温下において本体部２１０が熱膨張した場合、蓋部２２０の空間形成部３２１において緩和空間Ｓ２が形成される部分が、本体部２１０の変形に追随して変形することができる。このため、蓋部２２０及び各セル１００の境界、例えば接合材３００に、応力集中が発生しづらい。すなわち、接合材３００にクラックが発生しづらい。これにより、各セル１００をマニホールド２００によって安定的に支持することができる。

（Ｄ）前記実施形態では、空間形成部３２１の先端部３２１ｂにおける空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離ＬＭが、最大となる場合の例を示した。これに代えて、空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離が最大となる位置は、セル１００側であれば、前記実施形態に限定されず、どの位置であってもよい。例えば、空間形成部３２１の基端部３２１ａ及び空間形成部３２１の先端部３２１ｂの間において、距離が最大となるように、空間形成部３２１を形成してもよい。

（Ｅ）前記実施形態では、壁部２１２（壁本体部２１２ａ）が、底部２１１から高さ方向（ｘ軸方向）に向かって延びる場合の例を示したが、壁部２１２（壁本体部２１２ａ）が延びる方向は、前記実施形態に限定されない。

例えば、図９に示すように、壁部２１２（壁本体部２１２ａ）が、底部２１１に対して傾斜するように、マニホールド２００を構成してもよい。すなわち、第１壁部２２２及び第２壁部２２３は、上方に向かって外方に広がるように傾斜されていてもよい。特に限定されるものではないが、例えば、第１壁部２２２及び第２壁部２２３と、底部２１１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壁部２２２及び第２壁部２２３が傾斜しているため、マニホールド２００の内部空間を底部２１１と平行な面（ｙｚ平面）で切断した断面積は、上方にいくにつれて大きくなる。また、マニホールド２０の内部空間を、底部２１１に垂直で幅方向（ｙ軸方向）に延びる面（ｘｙ平面）で切断した断面は、台形状となっている。また、マニホールド２０の内部空間を、底部２１１に垂直で奥行方向（ｚ軸方向）に延びる面（ｘｚ平面）で切断した断面は、台形状となっている。

マニホールド、及び燃料電池のスタック構造体に広く適用可能である。

１ 燃料電池のスタック構造体
２００ マニホールド
１００ セル
１００ａ セルの両端部
２１０ 本体部
２２０ 蓋部
２１１ 底部
２１２ 壁部
２１２ａ 壁本体部
２１２ｂ 第１湾曲部
２１３ 鍔部
２１３ａ 支持部
２１３ｂ 第２湾曲部
２１３ｃ 第２連続面
２２２ 第１壁部
２２３ 第２壁部
３２０ 接合部
３２１ 空間形成部
ＬＭ 空間形成部３２１及び鍔部２１３の間の距離
Ｓ２ 緩和空間

Claims (11)

1. 燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドであって、
   底部と、前記底部の外周部から延びる壁部と、開口側の前記壁部に設けられる鍔部とを、有する本体部と、
   前記燃料電池セルが配置され、前記鍔部に接合される蓋部と、
   を備え、
   前記蓋部及び前記鍔部の間には、空間が設けられる、
   マニホールド。
   
2. 前記蓋部の外周部が、前記鍔部に接合され、
   前記蓋部の外周部及び前記燃料電池セルの間、且つ前記蓋部及び前記鍔部の間には、空間が設けられる、
   請求項１に記載のマニホールド。
   
3. 前記蓋部は、前記鍔部に接合される接合部と、前記接合部から前記燃料電池セルに向けて延び且つ前記鍔部との間に前記空間を形成する空間形成部とを、有する、
   請求項１又は２に記載のマニホールド。
   
4. 前記燃料電池セル側における前記空間形成部及び前記鍔部の間の距離は、前記接合部側における前記空間形成部及び前記鍔部の間の距離より、大きい、
   請求項３に記載のマニホールド。
   
5. 前記空間形成部及び前記鍔部の間の距離は、実質的に一定である、
   請求項３に記載のマニホールド。
   
6. 前記燃料電池セルは、前記蓋部に挿通され、前記鍔部に支持される、
   請求項１から５のいずれかに記載のマニホールド。
   
7. 前記燃料電池セルは、前記蓋部に配置され、前記蓋部に支持される、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のマニホールド。
   
8. 前記壁部は、対向する一対の第1壁部と、対向する一対の第２壁部と、を有し、
   前記各第１壁部と前記各第２壁部との境界部の内側面及び外側面の少なくとも一方は、Ｒ形状である、
   請求項１から７のいずれかに記載のマニホールド。
   
9. 前記壁部は、壁本体部と、前記壁本体部と前記底部とを連結する第１湾曲部と、を有し、
   前記第１湾曲部の内側面及び外側面の少なくとも一方は、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. 前記壁部は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する、
    請求項１から９のいずれかに記載のマニホールド。
    
11. 請求項１から１０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燃料ガスが供給される燃料電池セルと、
    を備える、燃料電池のスタック構造体。

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