JP6114372B1 - 燃料電池のスタック構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルを安定的に支持可能なスタック構造体を、提供する。【解決手段】燃料電池のスタック構造体１は、セル１００と、マニホールド２００とを、備えている。セル１００は、発電素子部Ａと、支持基板１０と、１対の突出部２０とを、有する。１対の突出部２０は、支持基板１０の幅方向における支持基板１０の両端部に、各別に設けられる。マニホールド２００は、開口を有する本体部２１０と、開口を塞ぐ蓋部２２０とを、有する。蓋部２２０には、支持基板１０及び突出部２０が配置される。ここで、支持基板１０の幅方向において、開口側の本体部２１０の外寸Ｗ１は、支持基板１０に設けられた１対の突出部２０の外寸Ｗ２より小さい。【選択図】図４

Description

本発明は、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及び２を参照）。これらのスタック構造体では、燃料電池セルが、マニホールドにおいて互いに対向する１対の壁部の内側に配置されている。

特許文献１のスタック構造体では、燃料電池セルが、１対の壁部の内側において天板で支持されている（図５を参照）。特許文献２のスタック構造体では、１対の壁部の内側において１対の壁部の内面で支持されている（図１８を参照）。

特開２００７−１８００００公報 特開２００８−６６１２７公報

従来のスタック構造体では、燃料電池セルが、１対の壁部の内側において天板で支持されている。この場合、天板には、燃料電池セルを支持する折り返し部が、形成されている。このため、折り返し部に作用する曲げ応力によって、天板が変形してしまうおそれがある。また、この場合、天板を特別な形状に形成する必要があるため、マニホールドの形状、例えば天板の形状が、複雑になるおそれがある。

また、従来のスタック構造体では、燃料電池セルが、１対の壁部の内側において１対の壁部の内面で支持されている。この場合、燃料ガスが、壁部の内面近傍に配置される燃料電池セルの燃料ガス流路に、案内されづらい。また、この場合、壁部の内面を特別な形状に形成する必要があるため、マニホールドの形状、例えば壁部の形状が、複雑になるおそれがある。

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、燃料電池セルを安定的に支持可能なスタック構造体を、提供することにある。また、本発明の別の目的は、燃料ガスを燃料電池セルに安定的に供給可能なスタック構造体を、提供することにある。さらに、本発明の別の目的は、シンプルな構成で構成可能なスタック構造体を、提供することにある。

（１）本発明の一側面に係る燃料電池のスタック構造体は、燃料電池セルと、マニホールドとを、備えている。燃料電池セルは、発電素子部と、支持基板と、１対の突出部とを、有する。発電素子部は、燃料極、電解質、及び空気極を有する。支持基板は、燃料ガス流路を有し、発電素子部を支持する。１対の突出部は、支持基板の幅方向における支持基板の両端部に、各別に設けられる。マニホールドは、開口を有する本体部と、開口を塞ぐ蓋部とを、有する。蓋部には、支持基板及び突出部が配置される。ここで、支持基板の幅方向において、開口側の本体部の外寸は、支持基板に設けられた１対の突出部の外寸より小さい。

本スタック構造体では、支持基板の幅方向において、開口側の本体部の外寸が、支持基板に設けられた１対の突出部の外寸より小さいので、開口側の本体部が、燃料電池セル（支持基板）と載置面との間に配置される。これにより、燃料電池セルを本体部の外周部で安定的に支持することができる。すなわち、本スタック構造体では、燃料電池セルを安定的に支持することができる。

また、１対の突出部の間に支持基板が設けられているので、支持基板をマニホールドの外周部より内側に配置することができる。これにより、燃料ガスを、マニホールドの外周近傍に配置される支持基板の燃料ガス流路に、安定的に供給することができる。すなわち、本スタック構造体では、燃料ガスを燃料電池セルに安定的に供給することができる。

さらに、本スタック構造体では、マニホールドを特別な形状に形成することなく、燃料電池セルをマニホールドによって支持することができる。すなわち、本スタック構造体では、シンプルな構成で構成することができる。

（２）本発明の別の側面に係る燃料電池のスタック構造体では、本体部は、底部と、１対の壁部とを、有することが好ましい。１対の壁部は、底部の外周部から延び、且つ支持基板の幅方向において互いに対向する。支持基板の幅方向において、開口側の１対の壁部の外寸は、支持基板に設けられた１対の突出部の外寸より小さい。このように構成しても、上記（１）と同様の効果を得ることができる。

（３）本発明の別の側面に係る燃料電池のスタック構造体では、１対の壁部それぞれの外面を含む平面が、支持基板及び突出部の少なくともいずれか一方に交わるように、１対の壁部が、形成されていることが好ましい。この構成によって、支持基板の荷重を、１対の突出部を介して、１対の壁部に効果的に伝達することができる。

（４）本発明の別の側面に係る燃料電池のスタック構造体では、本体部が、鍔部をさらに有していることが好ましい。鍔部は、開口側の１対の壁部それぞれに設けられる。蓋部は、鍔部に配置される。１対の突出部それぞれは、鍔部に接触する。この場合、蓋部によって、本体部の開口を確実に塞ぐことができる。また、支持基板を、１対の突出部を介して、本体部の外周部で安定的に支持することができる。

（５）本発明の別の側面に係る燃料電池のスタック構造体では、支持基板が蓋部に挿通され、支持基板の一部が内部空間に配置されることが好ましい。内部空間は、蓋部が本体部を塞ぐことによって、マニホールドに形成される。この場合、支持基板がマニホールドの内部空間に配置されるので、燃料ガスを、マニホールドの外周近傍に配置される支持基板の燃料ガス流路に、より安定的に供給することができる。

（６）本発明の別の側面に係る燃料電池のスタック構造体では、支持基板及び突出部が、接合材を介して、蓋部に配置されることが好ましい。突出部は、接合材と同じ材質によって、支持基板に形成される。これにより、突出部における接合材との親和性を向上することができ、突出部を蓋部に確実に接合することができる。

（７）本発明の別の側面に係る燃料電池のスタック構造体では、突出部が、支持基板と同じ材質によって、支持基板に形成されることが好ましい。これにより、支持基板及び突出部を確実に接合することができる。

本発明によれば、スタック構造体において、燃料電池セルを安定的に支持することができる。また、本発明によれば、スタック構造体において、燃料ガスを燃料電池セルに安定的に供給することができる。さらに、本発明によれば、スタック構造体をシンプルな構成で構成することができる。

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。 マニホールドを上方から見た上面図。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池のスタック構造体におけ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燃料電池のスタック構造体におけ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燃料電池のスタック構造体におけるセル及び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。

各発電素子部Ａは、燃料極、電解質、及び空気極を、有する。詳細には、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、１対の突出部２０とを、有する。なお、図２では、説明を容易にするために、１対の突出部２０を誇張して示している。

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）Ｏ２（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）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。

各支持基板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、各支持基板１０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、各支持基板１０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。

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、１対の突出部２０とともに、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。このようにして、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。

１対の突出部２０は、ｙ軸方向（幅方向）における各支持基板１０の両端部に、各別に設けられる。各突出部２０は、接合材３００と同じ材質によって、各支持基板１０の両端部に各別に形成される。接合材３００の材質については、後述する。

図２から図４に示すように、１対の突出部２０は、各支持基板１０の両端部から外方に各別に突出している。詳細には、ｙ軸方向（幅方向）において、各支持基板１０に設けられた１対の突出部２０の外寸Ｗ２が、開口側の本体部２１０の外寸Ｗ１より大きくなるように、各突出部２０は各支持基板１０の両端部からｙ軸方向（幅方向）に突出している。例えば、ｙ軸方向において、支持基板１０の外寸に対する各突出部２０（１対の突出部２０のいずれか一方）の突出量の比は、０．０２以上且つ０．２以下の範囲に設定されている。

各突出部２０は、支持基板１０と同じ材料、又は接合材と同じ材料から、構成される。ここでは、各突出部２０は、次のように形成される。まず、各突出部２０を形成するために、各支持基板１０の両端部それぞれには、支持基板１０と同じ材料又は接合材と同じ材料が、塗布される。詳細には、各突出部２０の外形を所定の形状に形成するための型枠を、各支持基板１０の両端部に配置し、上記の材料が各支持基板１０の両端部に塗布される。この状態で、塗布した材料が乾燥した後、型枠が取り外され、各支持基板１０の両端部に塗布した材料に対して焼成処理を施すことによって、各突出部２０が各支持基板１０に形成される。

なお、各突出部２０の焼成処理は、焼成前の支持基板１０の成形体に対して行ってもよいし、焼成後の支持基板１０の成形体に対して行ってもよい。

各突出部２０は、マニホールド２００に配置される。詳細には、各突出部２０は、マニホールド２００の蓋部２２０に配置される。より詳細には、各突出部２０は、接合材３００を介して、蓋部２２０のセル挿入孔２２１に、配置される。すなわち、１対の突出部２０は、支持基板１０とともに、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、１対の突出部２０が、支持基板１０とともに、蓋部２２０に設けられた状態において、各突出部２０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と、各支持基板１０に設けられた一対の突出部２０とは、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。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）、及び流入側端部におけるｙ軸方向（幅方向）の両端部に各別に設けられた１対の突出部２０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の流入側端部及び１対の突出部２０とは、上述したように、接合材３００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。このように成型された本体部２１０では、ｙ軸方向（幅方向）において、開口側の本体部２１０の外寸Ｗ１が、１対の突出部２０の外寸Ｗ２より小さい。

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５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５を参照）に、連続的に形成されている。

図４及び図５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５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。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１．０ｍｍ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５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５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５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５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。

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、１対の突出部２０の外寸Ｗ２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、１対の突出部２０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、各第１壁部２２２の外面を含む平面Ｈが、各セル１００に交わるように、各第１壁部２２２は構成されている。ここでは、各第１壁部２２２の外面を含む平面Ｈが、突出部２０に交わるように、各第１壁部２２２は構成されている。なお、この平面Ｈが、ｙ軸方向における各セル１００の両端部１００ａに交わるように、１対の第１壁部２２２が形成されていてもよい。

図１及び図５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５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。

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５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（例えば１対の突出部２０）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、１対の突出部２０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５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５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。

図３及び図４に示すように、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。蓋部２２０には、複数のセル１００（複数の支持基板１０、及び複数の突出部２０）が、配置される。

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。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、各セル１００が接合材３００によって蓋部２２０に接合されると、各セル１００は、鍔部２１３に支持される。詳細には、各セル１００の１対の突出部２０が、鍔部２１３の支持部２１３ａに接触し支持される。

上記のように、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、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の内寸が、１対の突出部２０の外寸Ｗ２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の流入側端部及び１対の突出部２０が、挿入される。ここで、１対の突出部２０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、各突出部２０は、マニホールド２００における本体部２１０の鍔部２１３（支持部２１３）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、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３系、又はＳｉＯ２−ＭｇＯ系のものが、用いられる。なお、結晶化ガラスとしては、ＳｉＯ２−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）式に示す電気化学反応が起こる。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）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− （於：空気極） …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋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）燃料電池のスタック構造体１は、セル１００と、マニホールド２００とを、備えている。セル１００は、発電素子部Ａと、支持基板１０と、１対の突出部２０とを、有する。発電素子部Ａは、燃料極、電解質、及び空気極を有する。支持基板１０は、燃料ガス流路１１を有し、発電素子部Ａを支持する。１対の突出部２０は、支持基板１０の幅方向における支持基板１０の両端部に、各別に設けられる。マニホールド２００は、開口を有する本体部２１０と、開口を塞ぐ蓋部２２０とを、有する。蓋部２２０には、支持基板１０及び突出部２０が配置される。ここで、支持基板１０の幅方向において、開口側の本体部２１０の外寸Ｗ１は、支持基板１０に設けられた１対の突出部２０の外寸Ｗ２より小さい。

本スタック構造体１では、支持基板１０の幅方向において、開口側の本体部２１０の外寸Ｗ１が、支持基板１０に設けられた１対の突出部２０の外寸Ｗ２より小さいので、開口側の本体部２１０が、セル１００（支持基板１０）と載置面との間に配置される。これにより、セル１００を本体部２１０の外周部で安定的に支持することができる。すなわち、本スタック構造体１では、セル１００を安定的に支持することができる。

また、１対の突出部２０の間に支持基板１０が設けられているので、支持基板１０をマニホールド２００の外周部より内側に配置することができる。これにより、燃料ガスを、マニホールド２００の外周近傍に配置される支持基板１０の燃料ガス流路１１に、安定的に供給することができる。すなわち、本スタック構造体１では、燃料ガスをセル１００に安定的に供給することができる。なお、マニホールド２００の外周近傍に配置される燃料ガス流路は、例えば、ｙ軸方向（幅方向）において各支持基板１０の両側に配置された燃料ガス流路である。

さらに、本スタック構造体１では、マニホールド２００を特別な形状に形成することなく、セル１００をマニホールド２００によって支持することができる。すなわち、本スタック構造体１では、シンプルな構成で構成することができる。

（２）燃料電池のスタック構造体１では、本体部２１０は、底部２１１と、１対の第１壁部２２２とを、有することが好ましい。１対の第１壁部２２２は、底部２１１の外周部から延び、且つ支持基板１０の幅方向において互いに対向する。支持基板１０の幅方向において、開口側の１対の第１壁部２２２の外寸Ｗ１は、支持基板１０に設けられた１対の突出部２０の外寸Ｗ２より小さい。このように構成しても、上記（１）と同様の効果を得ることができる。

（３）燃料電池のスタック構造体１では、１対の第１壁部２２２それぞれの外面を含む平面Ｈが、各支持基板１０及び突出部２０の少なくともいずれか一方に交わるように、１対の第１壁部２２２が、形成されていることが好ましい。この構成によって、支持基板１０の荷重を、１対の突出部２０を介して、１対の第１壁部２２２に効果的に伝達することができる。

（４）燃料電池のスタック構造体１では、本体部２１０が、鍔部２１３をさらに有していることが好ましい。鍔部２１３は、開口側の１対の第１壁部２２２それぞれに設けられる。蓋部２２０は、鍔部２１３に配置される。１対の突出部２０それぞれは、鍔部２１３に接触する。この場合、蓋部２２０によって、本体部２１０の開口を確実に塞ぐことができる。また、支持基板１０を、１対の突出部２０を介して、本体部２１０の外周部で安定的に支持することができる。

（５）燃料電池のスタック構造体１では、支持基板１０が蓋部２２０に挿通され、支持基板１０の一部が内部空間に配置されることが好ましい。内部空間は、蓋部２２０が本体部２１０を塞ぐことによって、マニホールド２００に形成される。この場合、支持基板１０がマニホールド２００の内部空間に配置されるので、燃料ガスを、マニホールド２００の外周近傍に配置される支持基板１０の燃料ガス流路１１に、より安定的に供給することができる。

（６）燃料電池のスタック構造体１では、支持基板１０及び突出部２０が、接合材を介して、蓋部２２０に配置されることが好ましい。突出部２０は、接合材と同じ材質によって、支持基板１０に形成される。これにより、突出部２０における接合材との親和性を向上することができ、突出部２０を蓋部２２０に確実に接合することができる。

（７）燃料電池のスタック構造体１では、突出部２０が、支持基板１０と同じ材質によって、支持基板１０に形成されることが好ましい。これにより、支持基板１０及び突出部２０を確実に接合することができる。

＜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、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６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。この場合においても、セル１００の幅方向（ｙ軸方向）において、開口側の本体部２１０の外寸Ｗ１は、１対の突出部２０の外寸Ｗ２より小さい。なお、図６に示した例では、各第１壁部２２２の外面を含む平面Ｈが、各支持基板１０の両端部それぞれに交わるように、各第１壁部２２２は構成されている。

この場合、例えば、１対の第１壁部２２２の開口端２２２ａの間隔は、１対の第１壁部２２２の底部２１１側の間隔より大きい。また、１対の第２壁部２２３の開口端の間隔は、１対の第２壁部２２３の底部２１１側の間隔より大きい。このように構成すると、本体部２１０の内部の燃料ガスを、各セル１００によりスムーズに案内することができる。

（Ｂ）前記実施形態では、突出部２０が、接合材と同じ材質によって構成される場合の例を、示した。これに代えて、突出部２０を、支持基板１０と同じ材質によって構成されるようにしてもよい。これにより、各突出部２０を各支持基板１０に確実に接合することができる。

（Ｃ）前記実施形態では、各支持基板１０の流入側端部が、蓋部２２０のセル挿入孔２２１の内部に配置される場合の例を、示した。具体的には、ｘ軸方向において、各支持基板１０の流入側端部の端面と、１対の突出部２０の端面とが、実質的に同一面である場合の例を示した（図４を参照）。これに代えて、図７に示すように、各支持基板１０の流入側端部の端面１０ａが、１対の突出部２０の端面２０ａよりｘ軸方向（上方）にオフセットしていてもよい。なお、この場合においても、各支持基板１０の流入側端部の端面１０ａは、セル挿入孔２２１の内部に配置される。このように構成しても、上述した効果と同様の効果を得ることができる。

（Ｄ）前記実施形態では、各支持基板１０の流入側端部が、蓋部２２０のセル挿入孔２２１に配置される場合の例を、示した。これに代えて、図８に示すように、各支持基板１０の流入側端部を、蓋部２２０のセル挿入孔２２１に挿通し、マニホールド２００の内部空間Ｓ１に配置されるようにしてもよい。これにより、マニホールド２００の燃料ガスを、マニホールド２００の外周近傍（第１壁部２２２の近傍）に配置される燃料ガス流路に、より安定的に供給することができる。ここで、マニホールド２００の外周近傍に配置される燃料ガス流路は、例えば、ｙ軸方向（幅方向）において各支持基板１０の両側に配置された燃料ガス流路である。

（Ｅ）前記実施形態では、突出部２０が先細り形状に形成される場合の例を示したが、突出部２０の形状は、前記実施形態に限定されない。すなわち、突出部２０を、セル挿入孔２２１に配置でき、且つ鍔部２１３に接触させることができれば、突出部２０の形状は、どのような形状であってもよい。

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
１０ 支持基板
２０ 突出部
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
Ｈ 第１壁部の外面を含む平面
Ｒ１ 第１曲率半径
Ｒ２ 第２曲率半径
Ｗ１ 開口側の本体部の外寸
Ｗ２ １対の突出部の外寸

Claims (7)

1. 燃料電池のスタック構造体であって、
   燃料極、電解質、及び空気極を有する発電素子部と、燃料ガス流路を有し前記発電素子部を支持する支持基板と、前記支持基板の幅方向における前記支持基板の両端部に各別に設けられる１対の突出部とを、有する燃料電池セルと、
   開口を有する本体部と、前記開口から外方に延びる鍔部と、前記支持基板及び前記突出部が配置され且つ前記開口を塞ぐ蓋部とを、有するマニホールドと、
   を備え、
   前記蓋部は、前記鍔部に配置され、前記支持基板の幅方向において、開口側の前記本体部の外寸は、前記支持基板に設けられた１対の前記突出部の外寸より小さい、
   燃料電池のスタック構造体。
   
2. 前記本体部は、底部と、前記底部の外周部から延び且つ前記幅方向において互いに対向する１対の壁部とを、有し、
   前記幅方向において、開口側の１対の前記壁部の外寸は、前記支持基板に設けられた１対の前記突出部の外寸より小さい、
   請求項１に記載のスタック構造体。
   
3. １対の前記壁部それぞれの外面を含む平面が、前記支持基板及び前記突出部の少なくと
   もいずれか一方に交わるように、１対の前記壁部は、形成されている、
   請求項２に記載のスタック構造体。
   
4. 前記鍔部は、開口側の１対の前記壁部それぞれに設けられ、
   前記蓋部は、前記鍔部に配置され、
   １対の前記突出部それぞれは、前記鍔部に接触する、
   請求項２又は３に記載のスタック構造体。
   
5. 前記蓋部が前記本体部を塞ぐことによって、前記マニホールドには内部空間が形成され、
   前記支持基板は前記蓋部に挿通され、前記支持基板の一部は前記内部空間に配置される、
   請求項２から４のいずれか１項に記載のスタック構造体。
   
6. 前記支持基板及び前記突出部は、接合材を介して、前記蓋部に配置され、
   前記突出部は、前記接合材と同じ材質によって、前記支持基板に形成される、
   請求項２から５のいずれか１項に記載のスタック構造体。
   
7. 前記突出部は、前記支持基板と同じ材質によって、前記支持基板に形成される、
   請求項２から５のいずれか１項に記載のスタック構造体。

Images