JP6134048B1 - 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】燃料電池セルを安定的に支持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、開口を有する本体部２１０と、開口を塞ぐ蓋部２２０とを、備えている。蓋部２２０は、本体部２１０に接合される。蓋部２２０には、セル１００が接合される。ここで、蓋部２２０の厚みｔ１は、本体部２１０の厚みｔ２より大きい。【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、本体部の板厚と、天板の板厚とが、実質的に同じ厚さに設定されている。燃料電池セルは、接合材によって天板に接合することによって、天板に支持されている。

特開２００７−１８００００公報

一般的に、スタック構造体は、高温下で使用される。このため、マニホールド（本体部及び天板）が熱膨張すると、マニホールドの天板及び燃料電池セルの境界、例えば接合材において、応力集中が発生するおそれがある。すなわち、従来のスタック構造体では、この応力集中によって、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、燃料電池セルを安定的に支持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、開口を有する本体部と、開口を塞ぐ蓋部とを、備えている。蓋部は、本体部に接合される。蓋部には、燃料電池セルが接合される。ここで、蓋部の厚みは、本体部の厚みより大きい。

本マニホールドは、燃料電池セルが接合される蓋部の厚みが、蓋部が接合される本体部の厚みより、厚くなるように構成されている。

このため、高温下において本体部が熱により変形したとしても、蓋部は本体部より剛性が高いので、蓋部は変形しづらい。このため、蓋部及び燃料電池セルの境界、例えば接合剤に、応力集中が発生しづらい。すなわち、接合材にクラックが発生しづらい。

このように、本マニホールドでは、蓋部の厚みを本体部の厚みより厚くすることによって、燃料電池セルを安定的に支持することができる。

（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、本体部に接合されることが好ましい。燃料電池セルは、蓋部の外周部の内側で蓋部に接合される。少なくとも蓋部の外周部の厚みは、本体部の厚みより大きい。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マニホールドでは、本体部の厚みに対する蓋部の厚みの比は、１．２以上且つ４．０以下であることが好ましい。この場合、マニホールドにおいて、燃料電池セルを安定的且つ効果的に支持することができる。

（４）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、燃料電池セルが、蓋部に接合され、且つ本体部に接触することが好ましい。この場合、燃料電池セルを蓋部に接合することによって、燃料電池セルが蓋部に位置決めされる。また、燃料電池セルを本体部に接触させることによって、燃料電池セルが本体部に支持される。このように構成することによって、燃料電池セルをより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マニホールドでは、本体部が、底部と、壁部と、鍔部とを、有することが好ましい。壁部は、底部の外周部から延びる。鍔部は、壁部に設けられる。鍔部には、燃料電池セルが接触する。このように構成しても、上記（４）と同様の効果を得ることができる。

（６）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、本体部は、底部と、底部の外周部から延びる壁部と、を有する。

（７）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。

（８）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。

（９）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。

（１０）本発明の別の側面に係るマニホールドでは、本体部は、壁部に設けられる鍔部をさらに有する。

（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、本スタック構造体では、接合材にクラックが発生しづらいので、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、マニホールドによっ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の全体斜視図。

＜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。なお、図１から図７は、説明を容易にするために、実際の寸法及び比率とは異なる模式図となっているものがある。

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。より詳細には、各セル１００は、マニホールド２００の蓋部２２０に接合材３００（後述する）によって接合され、且つマニホールド２００の本体部２１０（後述する）に接触し支持される。

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。

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。具体的には、各支持基板１０は、蓋部２２０の外周部２２０ａの内側で、蓋部２２０に接合される。より具体的には、各支持基板１０は、接合材３００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。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１０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。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（支持基板１０の側面１０ｃ）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。

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（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。

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、例えば、実質的に矩形板状に形成されている。蓋部２２０の厚みｔ１は、本体部２１０の厚みｔ２より大きい。

また、本体部２１０の厚みｔ２に対する蓋部２２０の厚みｔ１の比Ｔは、１．２以上且つ４．０以下の範囲に設定されている。具体的には、蓋部２２０の厚みｔ１は、例えば０．８ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下の範囲に設定されている。本体部２１０の厚みｔ２は、例えば０．５ｍｍ以上且つ３ｍｍ以下の範囲に設定されている。このように、蓋部２２０の厚みｔ１を本体部２１０の厚みｔ２より厚くすることによって、マニホールド２００全体の剛性を確保しながら、接合材３００のクラックの発生を抑制することができる。

蓋部２２０の厚みｔ１は、蓋部２２０におけるｘ軸方向の板厚である。本体部２１０の厚みｔ２は、底部２１１、壁部２１２、及び鍔部２１３において、実質的に同じ板厚である。
ここで、蓋部２２０及び本体部２１０それぞれには、コーティング膜が含まれる場合がある。例えば、コーティング膜は、組立て時（常温時）にはセラミックス膜を含み、使用時（高温時）にはセラミックス膜及び酸化皮膜を含む。なお、コーティング膜の有無にかかわらず、蓋部２２０の厚みｔ１及び本体部２１０の厚みｔ２それぞれは、±０．１ｍｍの誤差を含んでいる。

上記の蓋部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の外周部２２０ａ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、ｙ軸方向における各セル１００の両端部１００ａ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、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２１３）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、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）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− （於：空気極） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （於：燃料極） …（２）

＜試験１＞
この試験では、複数のサンプルを用いて、接合材３００のクラックの有無が評価される（以下に示す表１を参照）。詳細には、本体部の厚みｔ２に対する蓋部の厚みｔ１の比Ｔを変化させることによって、接合材３００のクラックの有無が評価される。

まず、サンプルの説明を行う。セル１００は、ｘ軸方向の長さが５０以上且つ５００ｍｍ以下の範囲内に設定され、ｙ軸方向の長さが１０以上１００ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、ｚ軸方向の長さは、１ｍｍ以上且つ５ｍｍ以下の範囲内に設定されている。

セル１００の支持基板１０の材質は、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）で構成されている。セル１００の支持基板１０は、１３００度〜１６００度の温度で、１時間〜２０時間の間、焼成される。セル１００には、１本〜２０本のガス流路１１が形成されている。

マニホールド２００の材質は、ステンレス鋼で構成される。蓋部２２０は、幅６０ｍｍ×縦２５０ｍｍ×厚みｔ１ｍｍから構成される。本体部２１０では、鍔部２１３が、ｙｚ平面において、幅５５ｍｍ×縦２４５ｍｍから構成される。また、本体部２１０では、壁部２１２の外寸が、ｙｚ平面において、幅４２ｍｍ×縦２３２ｍｍから構成される。また、本体部２１０（底部２１１、壁部２１２、及び鍔部２１３を含む）の高さは、３０ｍｍである。さらに、本体部２１０（底部２１１、壁部２１２、及び鍔部２１３を含む）の厚さは、ｔ２ｍｍである。

蓋部２２０及び本体部２１０の厚みｔ１，ｔ２の計測は、次のように行われている。まず、蓋部２２０及び本体部２１０それぞれが、ダレやバリ等を防ぐために樹脂包理され、研磨装置によって研磨される。次に、蓋部２２０及び本体部２１０の各断面における任意の１０箇所の各厚みｔ１，ｔ２（樹脂の部分を除く）が、計測される。最後に、１０箇所の各厚みｔ１，ｔ２の平均値が計算され、この平均値が各サンプルの厚みｔ１，ｔ２として用いられる。すなわち、表１の各サンプルの厚みｔ１，ｔ２は、上記の１０箇所の厚みの平均値である。

接合材３００の材質は、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系の結晶化ガラス、又は非晶質ガラス、ろう材、セラミックスで、構成されている。接合材３００は、７００度〜１０００度の温度で、１時間〜１０時間の間、接合材３００のペーストに対して熱処理が行われる。この結果、接合材３００が結晶化する。

上記の構成において、５本のセル１００を接合材３００によってマニホールド２００に接合することによって、スタック構造体１のサンプルが作製され、各サンプルに対して熱サイクル試験が実施された。

熱サイクル試験は、燃料流路に還元性の燃料ガスを流通させた状態で、各サンプルに対して行われる。熱サイクル試験では、“雰囲気温度を、２時間で常温から７５０度まで上昇させた後、４時間で常温まで低下させるパターン”を、１０回繰り返される。

その後、各サンプルに対して、クラックの有無が確認される。ここでは、まず、各サンプルについて、セル１００における燃料ガス流路１１の燃料ガス排出側端部の開口を、ゴムキャップ等の封止材を用いて封止する。この状態において、加圧ガスが導入管２３０に導入される。次に、このガスが接合材３００から漏れるか否かが、確認される。この確認は、各サンプルを液体中に浸漬させた状態で、気泡が発生するか否かを目視で観察することによって、行われる。

この結果が、評価結果として、表１に示されている。表１では、５本のセル全てでクラックが無かった場合を「◎」、５本のセルのうち１本のセルでクラックが有った場合を「○」、５本のセルのうち２本以上でクラックが生じていた場合を「×」と表記している。

表１を参照すると、水準１４〜１６ではＴが１であり接合材３００にクラックが発生した。また、水準１〜１１は、上記の比Ｔが、「１．２以上且つ４．０以下」である場合の例である。すなわち、水準１〜１１は、本実施形態に対応する場合の例である。この場合、接合材３００にはクラックの発生が確認されていない。さらに、水準１２〜１３は、上記の比Ｔが、「１よりも大きいが１．２より小さい」場合の例である。この場合、５本のセルのうち１本の接合材３００に軽微なクラックの発生が確認されている。しかし、この場合、軽微なクラックが発生しているものの、燃料ガスの漏れは確認されていない。

なお、Ｔが４．０より大きい場合については、蓋部２２０の板厚ｔ１が本体部２１０の板厚ｔ２に対して非常に厚くなる。このため、本体部２１０の剛性が不足し、蓋部２２０を支持する本体部２１０に僅かな変形が見られた。これにより、表１には敢えて記載してはいないが、水準１〜１０と同様に、接合材３００にはクラックの発生は確認されていない。

この評価結果をまとめると、本体部２１０の厚みｔ２に対する蓋部２２０の厚みｔ１の比Ｔが１より大きい場合、すなわち蓋部２２０の厚みｔ１が本体部２１０の厚みｔ２より大きい場合には、接合材３００へのクラック発生を抑制する効果が、得られる。特に、Ｔが「１．２以上且つ４．０以下」である場合には、接合材３００にはクラックが発生しないことが理解できる。

＜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、開口を有する本体部２１０と、開口を塞ぐ蓋部２２０とを、備えている。蓋部２２０は、本体部２１０に接合される。蓋部２２０には、セル１００が接合される。ここで、蓋部２２０の厚みｔ１は、本体部２１０の厚みｔ２より大きい。

本マニホールド２００は、セル１００が接合される蓋部２２０の厚みｔ１が、蓋部２２０が接合される本体部２１０の厚みｔ２より厚くなるように、構成されている。

このため、高温下において本体部２１０が熱により変形したとしても、蓋部２２０は本体部２１０より剛性が高いので、蓋部２２０は変形しづらい。このため、蓋部２２０及びセル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。

このように、本マニホールド２００では、蓋部２２０の厚みｔ１を本体部２１０の厚みｔ２より厚くすることによって、セル１００を安定的に支持することができる。

（２）マニホールド２００では、蓋部２２０の外周部２２０ａが、本体部２１０に接合されることが好ましい。セル１００は、蓋部２２０の外周部２２０ａの内側（セル挿入孔２２１）において蓋部２２０に接合される。少なくとも蓋部２２０の外周部２２０ａの厚みｔ１は、本体部２１０の厚みｔ２より大きい。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）マニホールド２００では、本体部２１０の厚みｔ２に対する蓋部２２０の厚みｔ１の比Ｔは、１．２以上且つ４．０以下であることが好ましい。この場合、マニホールド２００において、セル１００を安定的且つ効果的に支持することができる。

（４）マニホールド２００では、セル１００が、蓋部２２０に接合され、且つ本体部２１０に接触することが好ましい。この場合、セル１００を蓋部２２０に接合することによって、セル１００が蓋部２２０に位置決めされる。また、セル１００を本体部２１０に接触させることによって、セル１００が本体部２１０に支持される。このように構成することによって、蓋部２２０の厚みｔ１を本体部２１０の厚みｔ２より小さくしても、セル１００をより安定的に支持することができる。

（５）マニホールド２００では、本体部２１０が、底部２１１と、壁部２１２と、鍔部２１３とを、有することが好ましい。壁部２１２は、底部２１１の外周部から延びる。鍔部２１３は、壁部２１２に設けられる。鍔部２１３には、セル１００が接触する。このように構成しても、上記（４）と同様の効果を得ることができる。

（６）燃料電池のスタック構造体１は、上記の（１）から（５）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。本スタック構造体１は、上記の（１）から（５）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、本スタック構造体１では、接合材３００にクラックが発生しづらいので、スタック構造体１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、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。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。

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、セル１００の外寸Ｗ２より小さい。

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。

（Ｂ）前記実施形態では、蓋部２２０の厚みｔ１が、実質的に一定である場合の例を示した。これに代えて、例えば、図７に示すように、蓋部２２０の外周部２２０ａの厚みｔ１を、本体部２１０の厚みｔ２より大きくし、複数のセル１００の近傍（セル挿入孔２２１の近傍）における蓋部２２０の厚みを、蓋部２２０の外周部２２０ａの厚みｔ１より大きくしてもよい。

（Ｃ）前記実施形態では、本体部２１０の厚みｔ２は、底部２１１、壁部２１２、及び鍔部２１３において、実質的に同じ板厚である場合の例を示した。これに代えて、蓋部２２０の厚みｔ１が本体部２１０の厚みｔ２より大きければ、本体部２１０における底部２１１、壁部２１２、及び鍔部２１３の厚みの少なくとも１つが異なっていてもよい。

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 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
２２０ａ 蓋部の外周部
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 セルの外寸
ｔ１ 蓋部の厚み
ｔ２ 本体部の厚み
Ｔ 本体部の厚みに対する蓋部の厚みの比

Claims (10)

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、
   開口を有する本体部と、
   前記燃料電池セルが接合され、前記開口を塞ぐように前記本体部に接合される蓋部と、
   を備え、
   前記蓋部の厚みは、前記本体部の厚みより大きく、
   前記燃料電池セルは、前記蓋部に接合され且つ前記本体部に接触する、
   マニホールド。
   
2. 前記蓋部の外周部は、前記本体部に接合され、
   前記燃料電池セルは、前記蓋部の前記外周部の内側で前記蓋部に接合され、
   少なくとも前記蓋部の外周部の厚みは、前記本体部の厚みより大きい、
   請求項１に記載のマニホールド。
   
3. 前記本体部の厚みに対する前記蓋部の厚みの比は、１．２以上且つ４．０以下である、
   請求項１又は２に記載のマニホールド。
   
4. 前記本体部は、底部と、前記底部の外周部から延びる壁部と、前記壁部に設けられる鍔部とを、有し、
   前記燃料電池セルは、前記鍔部に接触する、
   請求項１から３のいずれかに記載のマニホールド。
   
5. 前記本体部は、底部と、前記底部の外周部から延びる壁部と、を有する、
   請求項１から３のいずれかに記載のマニホールド。
   
6. 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５に記載のマニホールド。
   
7. 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５又は６に記載のマニホールド。
   
8. 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５から７のいずれかに記載のマニホールド。
   
9. 前記本体部は、前記壁部に設けられる鍔部をさらに有する、
   請求項５から８のいずれかに記載のマニホールド。
   
10. 請求項１から９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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