JP6291622B1 - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】隙間部の少なくとも一部において接合材を十分に充填する。【解決手段】燃料電池スタック１００は、マニホールドと、燃料電池セル１と、第１接合材３と、受け部材７と、を備えている。マニホールドは、挿入孔２７が形成された上壁２２を有する。燃料電池セル１は、ガス流路１２１を有し、挿入孔２７に挿入される。第１接合材３は、挿入孔２７の内壁面と燃料電池セル１の外側面との第１隙間部２７１に充填され、マニホールドと燃料電池セル１とを接合する。受け部材７は、第１隙間部２７１の少なくとも一部と対向するように上壁２２の裏面に取り付けられる。【選択図】図９

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、マニホールドと、燃料電池セルとを備えている。マニホールドは、燃料電池セルにガスを供給するように構成されている。具体的には、マニホールドは、底壁、側壁、及び上壁を有している。この底壁、側壁、及び上壁は、マニホールドの内部空間を画定している。

上壁は、挿入孔を有している。この挿入孔に燃料電池セルが挿入されている。そして、挿入孔に燃料電池セルが挿入された状態において、接合材によって燃料電池セルが上壁に接合されている。

特開２０１５−７６３３９号公報

上述した燃料電池スタックにおいて、挿入孔の内壁面と燃料電池セルとの間に隙間部が形成されている。この隙間部の少なくとも一部において接合材を十分に充填することによって、燃料電池セルを上壁に強固に接合することができる。そこで本発明は、隙間部の少なくとも一部において接合材を十分に充填することにある。

本発明のある側面に係る燃料電池スタックは、マニホールドと、燃料電池セルと、接合材と、受け部材と、を備えている。マニホールドは、挿入孔が形成された上壁を有する。燃料電池セルは、ガス流路を有し、挿入孔に挿入される。接合材は、挿入孔の内壁面と燃料電池セルの外側面との第１隙間部に充填され、マニホールドと燃料電池セルとを接合する。受け部材は、第１隙間部の少なくとも一部と対向するように上壁の裏面に取り付けられる。

第１隙間部に接合材を十分に充填しようとすると、接合材の一部が第１隙間部を介してマニホールドの内部空間に落下してしまうおそれがある。これに対して、本発明に係る燃料電池スタックによれば、受け部材が第１隙間部の少なくとも一部と対向している。このため、その第１隙間部の受け部材が対向している部分において、マニホールドの内部空間に接合材を落下させることなく接合材を十分に充填させることができる。また、受け部材を上壁に取り付けることによって、上壁を補強することもできる。

好ましくは、受け部材は、隙間部の全体と対向するように上壁の裏面に取り付けられる。

好ましくは、受け部材は、貫通孔を有する板状である。貫通孔は、挿入孔よりも小さく、ガス流路と対向する位置に形成される。

好ましくは、受け部材は、燃料電池セルの底面の外周縁部と対向する。

好ましくは、側壁は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する傾斜部を有する。この構成によれば、ガス導入口からマニホールドの内部空間に導入されたガスは、上方に向かって拡散される。

好ましくは、側壁は、下方に向かって外方に広がるように傾斜する傾斜部を有する。

好ましくは、側壁の全体は、傾斜部として構成される。すなわち、側壁全体が、上方又は下方に向かって外方に広がるように傾斜している。

好ましくは、傾斜部は、ガス導入口を有する。

好ましくは、側壁は、一対の第１側壁と、一対の第２側壁とを有している。各第１側壁は、第１方向において互いに対向する。各第２側壁は、第１方向と直交する第２方向において互いに対向する。

好ましくは、ガス導入口は、一対の第１側壁のうち一方の第１側壁に形成されている。ガス導入口が形成された第１側壁は、傾斜部として構成される。すなわち、ガス導入口が形成された第１側壁の全体が、上方に向かって外方に広がるように傾斜している。

好ましくは、第１側壁と第２側壁との第１境界部の内側面は、Ｒ形状である。

好ましくは、底壁と側壁との第２境界部の内側面は、Ｒ形状である。

好ましくは、マニホールドは、側壁の上端部から外方に延びる第１フランジ部をさらに備える。上壁は、第１フランジ部に固定される。

好ましくは、側壁と第１フランジ部との第３境界部の内側面は、Ｒ形状である。

好ましくは、第３境界部と上壁との間に第２隙間部が形成される。この第２隙間部を有さないマニホールドに比べて、この第２隙間部においてマニホールドが変形しやすくなる。このため、例えば、マニホールドに燃料電池セルを接合材によって固定している場合において、その接合材に生じる応力が低減するため、燃料電池スタックの信頼性が向上する。

好ましくは、上壁と側壁との第４境界部の内側面は、Ｒ形状である。

好ましくは、マニホールドは、側壁の下端部から外方に延びる第２フランジ部をさらに備える。底壁は、第２フランジ部に固定される。

好ましくは、側壁と第２フランジ部との第５境界部の内側面は、Ｒ形状である。

好ましくは、第５境界部と底壁との間に第３隙間部が形成される。

本発明によれば、隙間部の少なくとも一部において接合材を十分に充填できる。

燃料電池スタックの斜視図。 燃料電池スタックの断面図。 図２のIII−III線断面図。 図２のIV−IV線断面図。 マニホールドの拡大断面図。 図３のVI−VI線断面図。 マニホールドの拡大断面図。 上壁の平面図。 燃料電池スタックの拡大断面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 受け部材を内部空間から見た図。 変形例に係る受け部材を内部空間から見た図。 変形例に係る受け部材を内部空間から見た図。 変形例に係るマニホールドの断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大断面図。 変形例に係るマニホールドの断面図。 変形例に係るマニホールドの断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大断面図。

［燃料電池スタック］
以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１〜図３に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セル１と、マニホールド２と、第１接合材３（本発明の接合材の一例）と、受け部材７と、を備えている。

［マニホールド］
マニホールド２は、各燃料電池セル１にガスを分配するように構成されている。マニホールド２は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド２の内部空間には、導入管２０１を介して燃料ガスなどのガスが導入される。マニホールド２は、この内部空間と外部とを連通する複数の挿入孔２７を有している。

マニホールド２は、各燃料電池セル１を支持している。マニホールド２は、マニホールド本体２１と、上壁２２とを備えている。マニホールド本体２１と上壁２２とは、互いに別部材であって接合されている。なお、マニホールド本体２１と上壁２２とは、一体的に形成されていてもよい。このマニホールド本体２１と上壁２２とによって、マニホールド２の内部空間を画定している。

マニホールド本体２１は、略直方体状であって、上面が開口した内部空間を有する。詳細には、マニホールド本体２１は、錐台状である。マニホールド本体２１は、底壁２３と、一対の第１側壁２４と、一対の第２側壁２５と、を有している。また、マニホールド本体２１は、第１フランジ部２６を有していてもよい。

底壁２３は、平面視（ｘ軸方向視）において、矩形状である。各第１側壁２４及び各第２側壁２５は、底壁２３の周縁部から上方に延びている。一対の第１側壁２４は、マニホールド２の内部空間の奥行き方向（ｚ軸方向）において、互いに対向するように配置されている。また、一対の第２側壁２５は、マニホールド２の内部空間の幅方向（ｙ軸方向）において、互いに対向するように配置されている。なお、奥行き方向（ｚ軸方向）は、本発明の第１方向に相当する。また、幅方向（ｙ軸方向）は、本発明の第２方向に相当する。

図４及び図５に示すように、第１側壁２４及び第２側壁２５は、上方に向かって外方に広がるように傾斜している。すなわち、第１側壁２４及び第２側壁２５の全体は、本発明の傾斜部として構成されている。特に限定されるものではないが、例えば、第１側壁２４及び第２側壁２５と、底壁２３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側壁２４及び第２側壁２５が傾斜しているため、マニホールド２の内部空間を底壁２３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２の内部空間を、底壁２３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２の内部空間を、底壁２３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。

一対の第１側壁２４のうち一方の第１側壁２４は、ガス導入口２４１を有している。このガス導入口２４１が形成された第１側壁２４に、導入管２０１が取り付けられる。例えば、図５に示すように、導入管２０１は、第１側壁２４の外側面に当接されている。そして、導入管２０１の流路とガス導入口２４１とが連通している。なお、導入管２０１は底壁２３に対して平行に取り付けられていなくてもよい。ガス導入口２４１は、第１側壁２４の幅方向（ｙ軸方向）の中央に形成されていることが好ましい。このガス導入口２４１から、マニホールド２の内部空間にガスが導入される。

ガス導入口２４１は、奥行き方向（ｚ軸方向）に開口している。また、ガス導入口２４１が形成された第１側壁２４が上方を向くように傾斜しているため、ガス導入口２４１も上方を向くように傾斜している。ガス導入口２４１は、円形状に形成されている。

マニホールド２の内部空間に導入されるガスの流速は、マニホールド２の内部空間において、０．６０〜４５ｍ／ｓ程度とすることが好ましい。なお、この流速は、燃料電池セル１の発電時、０℃・１ａｔｍ換算における流速である。流速は、マニホールド２内に導入される流量とマニホールド２の内部空間の断面積とから算出することができる。

第１フランジ部２６は、各第１側壁２４及び各第２側壁２５の上端部から外方に延びている。第１フランジ部２６は、環状である。

マニホールド本体２１は、１つの部材によって構成されている。すなわち、底壁２３と各第１側壁２４と各第２側壁２５と各第１フランジ部２６とは、１つの部材によって構成されている。例えば、マニホールド本体２１は、耐熱性を有するような金属あるいは絶縁性セラミックスによって形成される。より具体的には、マニホールド本体２１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、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（ステアタイト）、及び２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（フォルステライト）よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。このマニホールド本体２１の板厚は、例えば、０．８〜３．０ｍｍ程度とすることが好ましい。

図６に示すように、第１側壁２４と、第２側壁２５との第１境界部２０ａの内側面は、Ｒ形状である。この第１境界部２０ａの内側面の曲率半径は、３〜３０ｍｍ程度とすることができる。なお、第１境界部２０ａの内側面とは、マニホールド２の内部空間を臨む面である。

図４及び図７に示すように、底壁２３と、第１側壁２４及び第２側壁２５との第２境界部２０ｂの内側面は、Ｒ形状である。この第２境界部２０ｂの内側面の曲率半径は、２〜２０ｍｍ程度とすることができる。なお、第２境界部２０ｂの内側面とは、マニホールド２の内部空間を臨む面である。

第１側壁２４及び第２側壁２５と、第１フランジ部２６との第３境界部２０ｃの内側面は、Ｒ形状である。この第３境界部２０ｃの内側面の曲率半径は、１〜１０ｍｍ程度とすることができる。なお、第３境界部２０ｃの内側面とは、マニホールド２の内部空間を臨む面である。

図７に示すように、マニホールド２の内部空間の高さ方向（ｘ軸方向）において、第３境界部２０ｃと上壁２２との間に第２隙間部２８が形成されている。すなわち、上壁２２の下面と第１フランジ部２６の上面とは接触している一方、上壁２２の下面と第３境界部２０ｃの内側面とは接触していない。第２隙間部２８は、全周に亘って形成されている。

図４に示すように、上壁２２は、マニホールド本体２１の上面を塞ぐように、マニホールド本体２１上に配置されている。詳細には、上壁２２は、第１フランジ部２６に固定されている。マニホールド２の内部空間を密閉するため、上壁２２が全周に亘ってマニホールド本体２１と接合されている。例えば、上壁２２とマニホールド本体２１とは、結晶化ガラスによって接合されている。上壁２２は、上述したマニホールド本体２１の材料の少なくとも一種から形成することができる。

図８に示すように、上壁２２は、各燃料電池セル１が取り付けられるように構成されている。詳細には、上壁２２は、複数の挿入孔２７を有している。各挿入孔２７は、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。また、各挿入孔２７は、マニホールド２の奥行き方向（ｚ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。

図６及び図７に示すように、マニホールド２の内部空間は、互いに直交する奥行きＤ、幅Ｗ１、及び高さＨを有している。奥行きＤは、ガスの導入方向（ｚ軸方向）における内部空間の寸法である。すなわち、奥行きＤは、一対の第１側壁２４間の距離である。

幅Ｗ１は、平面視（ｘ軸方向視）において奥行きＤと直交する方向における内部空間の寸法である。すなわち、幅Ｗは、一対の第２側壁２５間の距離である。また、高さＨは、奥行きＤ及び幅Ｗ１と直交する方向における内部空間の寸法である。すなわち、高さＨは、上壁２２と底壁２３との距離である。

内部空間の奥行きＤは、５０〜４５０ｍｍ程度とすることができる。また、内部空間の幅Ｗ１は、３０〜２００ｍｍ程度とすることができる。また、内部空間の高さＨは５〜５０ｍｍ程度とすることができる。

［燃料電池セル］
図１から図３に示すように、各燃料電池セル１は、マニホールド２に取り付けられている。各燃料電池セル１は、マニホールド２から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル１は、マニホールド２の上壁２２から上方に延びている。燃料電池セル１の長手方向（ｘ軸方向）の長さは１００〜３００ｍｍ程度とすることができる。

図９に示すように、燃料電池セル１の下端部１０１は、挿入孔２７内に挿入されている。燃料電池セル１の下端部１０１が挿入孔２７内に挿入された状態において、燃料電池セル１の下端部１０１の外周面と挿入孔２７の内壁面との間には第１隙間部２７１が形成されている。この第１隙間部２７１に第１接合材３が充填されている。

図１及び図２に示すように、各燃料電池セル１は、マニホールド２の奥行き方向（ｚ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。なお、図１では各燃料電池セル１が１列に配置されているが、各燃料電池セル１は、複数列に配置されていてもよい。燃料電池セル１の枚数は、１列につき１〜５０枚程度である。各燃料電池セル１は、各主面が奥行き方向（ｚ軸方向）を向くように配置されている。各燃料電池セル１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１の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル１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１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又は金属などによって形成されている。

図１０に示すように、燃料電池セル１は、複数の発電素子部１１と、支持基板１２とを備えている。各発電素子部１１は、支持基板１２の両面に支持されている。なお、各発電素子部１１は、支持基板１２の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１１は、燃料電池セル１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、本実施形態に係る燃料電池セル１は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。

各発電素子部１１は、電気的接続部１７（図１１参照）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１の上端部１０２側において、支持基板１２の一方面に形成された発電素子部１１と他方面に形成された発電素子部１１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１１は、直列に接続されている。

図３に示すように、支持基板１２は、支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）に延びる複数のガス流路１２１を内部に有している。ガス流路１２１は、マニホールド２の内部空間と連通している。各ガス流路１２１は、支持基板１２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。すなわち、各ガス流路１２１は、マニホールド２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る。各ガス流路１２１の面積は、０．１〜３０ｍｍ^２程度とすることができる。

支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）は、燃料電池セル１の長手方向と同じ方向である。各ガス流路１２１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１２１は、支持基板１２の長手方向の両端面において開口している。

図１１に示すように、支持基板１２は、複数の第１凹部１２３を有している。各第１凹部１２３は、支持基板１２の両面に形成されている。各第１凹部１２３は支持基板１２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１２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１２は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、支持基板１２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１２の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

各発電素子部１１は、燃料極１３、電解質１４、及び空気極１５を有している。また、各発電素子部１１は、反応防止膜１６をさらに有している。燃料極１３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１３は、燃料極集電部１３１と燃料極活性部１３２とを有する。

燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に配置されている。詳細には、燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に充填されており、第１凹部１２３と同様の外形を有する。各燃料極集電部１３１は、第２凹部１３１ａ及び第３凹部１３１ｂを有している。燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に配置されている。詳細には、燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に充填されている。

燃料極集電部１３１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１３１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１３１の厚さ、並びに第１凹部１２３の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部１３２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１３２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１３２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質１４は、燃料極１３上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４は、あるインターコネクタ１７１から次のインターコネクタ１７１まで長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル１の長手方向において、電解質１４とインターコネクタ１７１とが交互に配置されている。

電解質１４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１４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、電解質１４は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質１４の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１６は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１６は、電解質１４と空気極１５との間に配置されている。反応防止膜１６は、電解質１４内のＹＳＺと空気極１５内のＳｒとが反応して電解質１４と空気極１５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１６は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜１６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１６の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極１５は、反応防止膜１６上に配置されている。空気極１５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１５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、空気極１５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）、又は、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。空気極１５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１５の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部１７は、隣り合う発電素子部１１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１７は、インターコネクタ１７１及び空気極集電部１７２を有する。インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。詳細には、インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に埋設（充填）されている。インターコネクタ１７１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１７１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、インターコネクタ１７１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１７１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電部１７２は、インターコネクタ１７１と空気極１５との間を延びるように配置される。例えば、図１１の左側に配置された発電素子部１１の空気極１５と、インターコネクタ１７１とを電気的に接続するように、空気極集電部１７２が配置されている。空気極集電部１７２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１７２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、空気極集電部１７２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、空気極集電部１７２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電部１７２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

図９に示すように、燃料電池セル１の下端部１０１は、緻密膜１８によって覆われている。詳細には、緻密膜１８は、支持基板１２を覆っている。緻密膜１８は、空気極集電部１７２と支持基板１２との間から下方に向かって延びている。

緻密膜１８は、緻密膜１８の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜１８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１８の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜１８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１８は、上述した電解質１４と反応防止膜１６とによって構成することができる。緻密膜１８を構成する電解質１４は、支持基板１２を覆っており、インターコネクタ１７１から支持基板１２の下端近傍まで延びている。また、緻密膜１８を構成する反応防止膜１６は、電解質１４と空気極集電部１７２との間に配置されている。なお、緻密膜１８は、電解質１４のみで構成されていてもよいし、電解質１４及び反応防止膜１６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１をマニホールド２に固定する。詳細には、第１接合材３は、燃料電池セル１とマニホールド２の上壁２２とを接合している。第１接合材３は、燃料電池セル１の下端部１０１とマニホールド２の上壁２２とを接合している。第１接合材３は、挿入孔２７の第１隙間部２７１に充填されている。また、第１接合材３は、緻密膜１８と接触している。

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、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、第１接合材３の材料として、非晶質ガラス、ろう材、又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。

［受け部材］
受け部材７は、上壁２２の裏面に取り付けられている。受け部材７は、例えば、上壁２２の裏面に接合されている。このように受け部材７が上壁２２の裏面に取り付けられているため、上壁２２は受け部材７によって補強されている。なお、上壁２２の裏面は、マニホールド２の内部空間を臨む面である。受け部材７は、第１隙間部２７１と対向するように配置されている。

図１２は、マニホールド２の内部空間から見た受け部材７の平面図である。図１２に示すように、受け部材７は、板状に形成されている。受け部材７の板厚は、例えば、０．５〜３．０ｍｍ程度である。受け部材７は、複数の貫通孔７１を有している。各貫通孔７１は、各ガス流路１２１と対向するように配置されている。このため、各貫通孔７１を介して、各ガス流路１２１へガスを供給することができる。

各貫通孔７１は、奥行き方向（ｚ軸方向）において、互いに間隔をあけて配置されている。各貫通孔７１は、上壁２２の挿入孔２７よりも小さい面積を有する。また、各貫通孔７１は、燃料電池セル１の底面よりも小さい面積を有することが好ましい。

詳細には、燃料電池セル１の底面は、挿入孔２７より一回り小さい。そして、貫通孔７１は、燃料電池セル１の底面よりも一回り小さい。受け部材７は、燃料電池セル１の底面の外周縁部と対向する。すなわち、燃料電池セル１の底面は、外周縁部を除いて、貫通孔７１から露出している。

より詳細には、貫通孔７１の長さＬ１は、燃料電池セル１の幅Ｗ２よりも小さい。また、燃料電池セル１の幅Ｗ２は、挿入孔２７の長さＬ２よりも小さい。そして、貫通孔７１の幅Ｗ３は、燃料電池セル１の厚さｔよりも小さい。また、燃料電池セル１の厚さｔは、挿入孔２７の幅Ｗ４よりも小さい。

図９に示すように、各貫通孔７１は、挿入孔２７よりも小さい面積を有しているため、受け部材７は、第１隙間部２７１に第１接合材３を下方から受けることができる。すなわち、受け部材７は、第１隙間部２７１の下面を画定している。このため、第1接合材３を第１隙間部２７１に充填させても、マニホールド２の内部空間に第1接合材３が落下することを防ぐことができる。

受け部材７は、例えば、金属材料、又はセラミックス材料などによって構成することができる。詳細には、受け部材７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、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（ステアタイト）、及び２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２（フォルステライト）よりなる群から選ばれる少なくとも１種などによって構成することができる。

［発電方法］
以上のように構成された燃料電池スタック１００は、次のようにして発電する。マニホールド２を介して各燃料電池セル１のガス流路１２１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１２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１４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。この燃料電池スタック１００を外部の負荷に接続すると、空気極１５において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３において下記（２）式に示す電気化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

［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
上記実施形態では、受け部材７は、第１隙間部２７１の全体と対向するように配置されているが、受け部材７は、第１隙間部２７１の少なくとも一部と対向するように配置されていればよい。この構成によれば、第１隙間部２７１のうち、受け部材７と対向する部分において、第１接合材３を十分に充填させることができる。

変形例２
上記実施形態では、受け部材７は貫通孔７１を有する板状であり、第１隙間部２７１の全体と対向するように配置されているが、受け部材７の構成はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、一対の受け部材７は、奥行き方向（ｚ軸方向）に延びるように構成されており、貫通孔７１を有していなくてもよい。各受け部材７は、ガス流路１２１とは対向しないように配置されている。各受け部材７は、挿入孔２７の内壁面と燃料電池セル１の側面との第１隙間部２７１と対向するように配置されている。すなわち、第１隙間部２７１のうち、マニホールド２の幅方向（ｙ軸方向）の両端部に位置する第１隙間部２７１と対向するように、一対の受け部材７が上壁２２の裏面に取り付けられている。

また、図１４に示すように、複数の受け部材７は、幅方向（ｙ軸方向）に延びるように構成されており、貫通孔７１を有していなくてもよい。受け部材７は、各挿入孔２７の間に配置されている。そして、各受け部材７は、第１隙間部２７１のうち、幅方向（ｙ軸方向）に延びる部分と対向するように配置されている。すなわち、各受け部材７は、挿入孔２７の内壁面と燃料電池セル１の主面との第１隙間部２７１と対向するように配置されている。

変形例３
上記実施形態では、燃料電池セル１は、複数の発電素子部１１を有している横縞型であったが、燃料電池セル１は、長手方向に延びる一つの発電素子部を有するような縦縞型であってもよい。また、燃料電池セル１は、横縞円筒型であってもよい。

変形例４
上記実施形態では、第１側壁２４及び第２側壁２５が傾斜部として構成されているが、ガス導入口２４１が形成された第１側壁２４のみが傾斜部として構成されており、残りの第１側壁２４及び第２側壁２５は傾斜していなくてもよい。または、ガス導入口２４１が形成された第１側壁２４の全体が傾斜部として構成されていなくてもよい。例えば、図１５に示すように、第１側壁２４の一部分２４２のみが傾斜部として構成されていてもよい。この場合、ガス導入口２４１は、この傾斜部２４２に形成されている。

変形例５
上記実施形態では、第１側壁２４及び第２側壁２５が傾斜部として構成されているが、第１側壁２４及び第２側壁２５は、傾斜していなくてもよい。

変形例６
上記実施形態では、マニホールド本体２１の上面が開口しており、上壁２２によってマニホールド本体２１の上面が封鎖されているが、マニホールド２の構成はこれに限定されない。

例えば、図１６に示すように、マニホールド本体２１は、下面が開口しており、底壁２３によってマニホールド本体２１の下面を封鎖するような構成であってもよい。この場合、マニホールド本体２１は、上壁２２と、一対の第１側壁２４と、一対の第２側壁２５と、を有している。また、マニホールド本体２１は、第２フランジ部２９を有していてもよい。第２フランジ部２９は、第１側壁２４及び第２側壁２５の下端部から外方に延びている。

上壁２２と、第１側壁２４及び第２側壁２５との第４境界部２０ｄの内側面は、Ｒ形状である。この第４境界部２０ｄの内側面の曲率半径は、２〜２０ｍｍ程度とすることができる。なお、第４境界部２０ｄの内側面とは、マニホールド２の内部空間を臨む面である。

第１側壁２４及び第２側壁２５と、第２フランジ部２９との第５境界部２０ｅの内側面は、Ｒ形状である。この第５境界部２０ｅの内側面の曲率半径は、１〜１０ｍｍ程度とすることができる。なお、第５境界部２０ｅの内側面とは、マニホールド２の内部空間を臨む面である。

図１７に示すように、マニホールド２の内部空間の高さ方向（ｘ軸方向）において、第５境界部２０ｅと底壁２２との間に第３隙間部３０が形成されている。すなわち、底壁２３の上面と第２フランジ部２９の下面とは接触している一方、底壁２３の上面と第５境界部２０ｅの内側面とは接触していない。第３隙間部３０は、全周に亘って形成されている。

図１６に示すように、底壁２３は、マニホールド本体２１の上面を塞ぐように、マニホールド本体２１上に配置されている。詳細には、底壁２３は、第２フランジ部２９に固定されている。マニホールド２の内部空間を密閉するため、底壁２３が全周に亘ってマニホールド本体２１と接合されている。例えば、底壁２３とマニホールド本体２１とは、結晶化ガラスによって接合されている。底壁２３は、上述したマニホールド本体２１の材料の少なくとも一種から形成することができる。

変形例７
上記実施形態では、第１側壁２４及び第２側壁２５は、上方に向かって外方に広がるように傾斜していたが、第１側壁２４及び第２側壁２５の構成はこれに限定されない。例えば、図１８及び図１９に示すように、第１側壁２４及び第２側壁２５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。なお、第１側壁２４及び第２側壁２５の全体が、本発明の傾斜部として構成されている。特に限定されるものではないが、例えば、第１側壁２４及び第２側壁２５と、上壁２２とがなす角度βは、９０．１〜１３５°程度とすることができる。本変形例において、上壁２２、第１側壁２４、及び第２側壁２５によって、マニホールド本体２１を構成することが好ましい。そして、このマニホールド本体２１の開口する下面を封鎖するように、底壁２３はマニホールド本体２１に取り付けられる。

１ 燃料電池セル
２ マニホールド
２０ａ 第１境界部
２０ｂ 第２境界部
２０ｃ 第３境界部
２２ 上壁
２３ 底壁
２４ 第１側壁
２５ 第２側壁
２６ 第１フランジ部
２７ 挿入孔
２７１ 第１隙間部
３ 第１接合材
７ 受け部材

Claims (19)

1. 挿入孔が形成された上壁を有するマニホールドと、
   ガス流路を有し、前記挿入孔に挿入される燃料電池セルと、
   前記挿入孔の内壁面と前記燃料電池セルの外側面との隙間部に充填され、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、
   前記隙間部の少なくとも一部と対向するように前記上壁の裏面に取り付けられる受け部材と、
   を備える、燃料電池スタック。
   
2. 前記受け部材は、前記隙間部の全体と対向するように前記上壁の裏面に取り付けられる、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
   
3. 前記受け部材は、貫通孔を有する板状であり、
   前記貫通孔は、前記挿入孔よりも小さく、前記ガス流路と対向する位置に形成される、
   請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
   
4. 前記受け部材は、前記燃料電池セルの底面の外周縁部と対向する、
   請求項３に記載の燃料電池スタック。
   
5. 前記マニホールドの側壁は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する傾斜部を有する、
   請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
6. 前記マニホールドの側壁は、下方に向かって外方に広がるように傾斜する傾斜部を有する、
   請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
7. 前記側壁の全体は、前記傾斜部として構成される、
   請求項５又は６に記載の燃料電池スタック。
   
8. 前記傾斜部は、ガス導入口を有する、
   請求項５から７のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
9. 前記マニホールドの側壁は、
   第１方向において互いに対向する一対の第１側壁と、
   前記第１方向と直交する第２方向において互いに対向する一対の第２側壁と、
   を有する請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
10. 前記ガス導入口は、前記一対の第１側壁のうち一方の第１側壁に形成され、
    前記ガス導入口が形成された第１側壁は、前記傾斜部として構成される、
    請求項８に従属する請求項９に記載の燃料電池スタック。
    
11. 前記第１側壁と前記第２側壁との第１境界部の内側面は、Ｒ形状である、
    請求項９又は１０に記載の燃料電池スタック。
    
12. 前記マニホールドの底壁と前記マニホールドの側壁との第２境界部の内側面は、Ｒ形状である、
    請求項１から１１のいずれかに記載の燃料電池スタック。
    
13. 前記マニホールドの側壁の上端部から外方に延びる第１フランジ部をさらに備え、
    前記上壁は、前記第１フランジ部に固定される、
    請求項１から１２のいずれかに記載の燃料電池スタック。
    
14. 前記側壁と前記第１フランジ部との第３境界部の内側面は、Ｒ形状である、
    請求項１３に記載の燃料電池スタック。
    
15. 前記第３境界部と前記上壁との間に第２隙間部が形成される、
    請求項１４に記載の燃料電池スタック。
    
16. 前記上壁と前記マニホールドの側壁との第４境界部の内側面は、Ｒ形状である、
    請求項１から１５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
    
17. 前記マニホールドの側壁の下端部から外方に延びる第２フランジ部をさらに備え、
    前記マニホールドの底壁は、前記第２フランジ部に固定される、
    請求項１から１６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
    
18. 前記側壁と前記第２フランジ部との第５境界部の内側面は、Ｒ形状である、
    請求項１７に記載の燃料電池スタック。
    
19. 前記第５境界部と前記底壁との間に第３隙間部が形成される、
    請求項１８に記載の燃料電池スタック。

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