JP6378741B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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。燃料電池セルは、マニホールドに取り付けられている。燃料電池セルは、マニホールドの内部空間と連通するガス流路を有している。

特開２０１５−７６３３９号公報

マニホールド内に導入されたガスは、燃料電池セルのガス流路へと供給される。マニホールドからガス流路内に流れ込む際のガスの流速変化が大きいと、燃料電池セルの発電素子部へガスを安定的に供給することが困難になる。その結果、得られる出力が不安定になる。そこで、本発明は、ガス流路における流速変化を抑制することのできる燃料電池スタックを提供することを課題とする。

本発明の第１側面に係る燃料電池スタックは、マニホールドと、少なくとも１つの燃料電池セルと、を備えている。マニホールドは、互いに直交する奥行き、幅、及び高さを含む内部空間、を有する。燃料電池セルは、マニホールドに取り付けられる。少なくとも１つの燃料電池セルは、全体で複数のガス流路を有している。例えば、燃料電池スタックが１つの燃料電池セルのみを備える場合、その１つの燃料電池セルは複数のガス流路を有している。また、燃料電池スタックが複数の燃料電池セルを備える場合、各燃料電池セルが１つのガス流路を有していてもよいし、各燃料電池セルが複数のガス流路を有していてもよい。ガス流路は、内部空間と連通する。マニホールドは、ガス導入口を有している。奥行き方向に直交する断面における内部空間の面積Ａ１に対する、各ガス流路の平均面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）は、０．００００６０以上である。

この構成によれば、奥行き方向に直交する断面における内部空間の面積Ａ１に対する、各ガス流路の平均面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）が０．００００６０以上であるため、マニホールドからガス流路に流れ込む際のガスの流速変化を抑制することができる。この結果、燃料電池セルの上流域でのガス供給が安定化する。

好ましくは、ガス導入口は、奥行き方向に開口する。

好ましくは、奥行き方向に直交する断面における内部空間の面積Ａ１に対する、ガス流路の平均面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）は、０．０３５以下である。この構成によれば、燃料ガスが希薄になりやすい下流域でのガス供給が安定化する。

本発明の第２側面に係る燃料電池スタックは、マニホールドと、燃料電池セルとを備えている。マニホールドは、内部空間を有している。内部空間は、互いに直交する奥行き、幅、及び高さを含む。燃料電池セルは、内部空間と連通するガス流路を内部に有している。燃料電池セルは、マニホールドに取り付けられる。マニホールドは、ガス導入口を有している。奥行き方向に直交する断面における内部空間の面積Ａ１に対する、ガス流路の面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）は、０．００００６０以上である。

この構成によれば、奥行き方向に直交する断面における内部空間の面積Ａ１に対する、ガス流路の面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）が０．００００６０以上であるため、マニホールドからガス流路に流れ込む際のガスの流速変化を抑制することができる。この結果、燃料電池セルの上流域でのガス供給が安定化する。

好ましくは、ガス導入口は、奥行き方向に開口する。

好ましくは、奥行き方向に直交する断面における内部空間の面積Ａ１に対する、ガス流路の面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）は、０．０３５以下である。この構成によれば、燃料ガスが希薄になる下流域でのガス供給が安定化する。

好ましくは、燃料電池セルが複数のガス流路を有する場合において、ガス流路間における各ガス流路の面積のバラつきは、平均値に対して２０％以内である。この構成によれば、各ガス流路間におけるガス流量の差を小さくすることができる。

好ましくは、マニホールドは、底壁と、側壁と、上壁と、を有する。側壁は、底壁から上方に延びる。上壁は、各燃料電池が取り付けられるように構成されている。底壁、側壁、及び上壁は、内部空間を画定する。

好ましくは、側壁は、一対の第１側壁と、一対の第２側壁と、を有する。一対の第１側壁は、奥行き方向において互いに対向する。一対の第２側壁は、奥行き方向と直交する幅方向において互いに対向する。

好ましくは、一対の第１側壁のうち一方の側壁は、ガス導入口を有する。

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。この構成によれば、マニホールドからガス流路に流れ込む際のガスの流速変化をさらに抑制することができる。

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。この構成によれば、マニホールドからガス流路に流れ込む際のガスの流速変化をさらに抑制することができる。

好ましくは、マニホールドは、側壁から外方に延びる第１フランジ部をさらに有する。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。この構成によれば、マニホールドからガス流路に流れ込む際のガスの流速変化をさらに抑制することができる。

好ましくは、第３境界部と上壁との間に第１隙間部が形成される。この第１隙間部を有さないマニホールドに比べて、この第１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、上壁と第１側壁及び第２側壁との第４境界部の内側面は、Ｒ形状である。この構成によれば、マニホールドからガス流路に流れ込む際のガスの流速変化をさらに抑制することができる。

好ましくは、マニホールドは、第１側壁及び第２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、第１側壁及び第２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。この構成によれば、マニホールドからガス流路に流れ込む際のガスの流速変化をさらに抑制することができる。

好ましくは、第５境界部と底壁との間に第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。

本発明によれば、ガス流路における流速変化を抑制することができる。

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。 マニホールドの拡大断面図。 図３のVII−VII線断面図。 マニホールドの拡大断面図。 上壁の平面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池スタックの拡大断面図。 燃料電池セルの断面図。 燃料電池スタックの拡大断面図。 燃料電池スタックの製造方法を示す断面図。 燃料電池スタックの製造方法を示す断面図。 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、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貫通孔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。内部空間は、直方体状であることが好ましいが、内部空間の形状は特に限定されない。

マニホールド本体２１は、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、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）が矩形状である。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。奥行き方向と幅方向とは、平面視（ｘ軸方向視）において互いに直交する。

図４に示すように、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から、マニホールド２の内部空間にガスが導入される。すなわち、マニホールド２の内部空間の奥行き方向に沿ってガスが導入される。

ガス導入口２４１は、円形状に形成されている。ガス導入口２４１は、第１側壁２４において、第１側壁２４の中央部に形成されていることが好ましい。

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。本実施形態では、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。なお、図６に示すように、導入管２０１はガス導入口２４１に挿入されていてもよい。また、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。

マニホールド２の内部空間に導入されるガスの流速は、０．０１０〜２．５ｍ／ｓ程度とすることが好ましい。なお、この流速は、燃料電池セル発電時、０℃・１ａｔｍ換算での流速である。流速は、マニホールド２内に導入される流量と内部空間の面積Ａ１とから算出することができる。

図４に示すように、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。

図７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８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８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1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1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９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、複数の貫通孔２７を有している。各貫通孔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、各貫通孔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７及び図８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Ｗ、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Ｗ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Ｗ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Ｗ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の下端部１０１は、貫通孔２７内に挿入されている。この際、燃料電池セル１の下端部は上壁２２から５ｍｍ程度、下方に突出していてもよい。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。なお、燃料電池セル１の下端部１０１が貫通孔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の外周面と貫通孔２７の内壁面との間には隙間が形成されている。この隙間に第１接合材３が充填されていてもよい。

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）に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。また、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。なお、長手方向に沿って各燃料電池セル１は等間隔に配置されていなくてもよい。また、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、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１２参照）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は、円形状の断面を有している。各ガス流路１２１の流路径は、直径０．３〜５．０ｍｍ程度にすることができる。なお、この流路径は、支持基板１２の長手方向において均一であることが好ましいが、特にこれに限定されない。

燃料電池セル１の各ガス流路１２１のうち、両端部に形成されたガス流路１２１は、マニホールド２の内部空間の幅方向の端部と対応するように配置されている。例えば、幅方向（ｙ軸方向）の両端部に形成されたガス流路１２１の下端面の中心と、第２側壁２５の内壁面との距離Ｌ１は、０.５〜１５ｍｍ程度である。また、図１１に示すように、奥行き方向（ｚ軸方向）におけるガス導入口２４１とガス流路１２１の下端面の中心との距離Ｌ２は、１〜３０ｍｍ程度である。

図３に示すように、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。

奥行き方向（ｚ軸方向）に直交する断面におけるマニホールド２の内部空間の面積Ａ１に対する、各ガス流路１２１の平均面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）は、０．００００６０以上である。また、この割合（Ａ２／Ａ１）は、０．０３５以下とすることが好ましい。各ガス流路１２１の面積のバラつきは、平均値に対して２０％以内とすることが好ましい。なお、各ガス流路１２１の平均面積Ａ２とは、マニホールド２の内部空間と連通する全てのガス流路１２１の各面積を平均したものである。

なお、上記面積Ａ１は、３箇所において測定した断面積の平均値とすることができる。例えば、一対の第１側壁２４から５ｍｍ離れた地点２箇所と、マニホールド２の内部空間の中心地点との計３箇所で測定した各測定値の平均値を面積Ａ１とすることができる。なお、各断面積は、各断面の画像をＣＡＤソフトに読み込むことで算出した。なお、上記３箇所における幅Ｗは、互いに１０ｍｍほどばらついていてもよい。高さＨも同様である。

また、各ガス流路１２１の各面積Ａ２は、ガス流路１２１の下端面から１ｍｍ上方の箇所で測定した。ガス流路１２１の面積Ａ２は、ガス流路１２１が延びる方向と直交する断面における面積を意味する。なお、燃料電池セル１が１つのみであり、また、その燃料電池セル１が１つのガス流路１２１のみを有する場合、平均面積Ａ２は、そのガス流路１２１の面積と同義である。

図１２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から他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１２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１３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との間から下端側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。また、第１接合材３は、緻密膜１８と接触している。なお、燃料電池セル１がマニホールド２に固定された状態において、貫通孔２７とガス流路１２１とが連通している。

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。

［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）

［製造方法］
次に、上述したように構成された燃料電池スタックの製造方法について説明する。

まず、マニホールド２と複数の燃料電池セル１とを準備する。そして、図１４に示すように、第１集電部材４、及び第２接合材５によって、各燃料電池セル１を互いに接続し、セル集合体３００を作製する。なお、この段階では第２接合材５は焼成されておらず、各燃料電池セル１は互いに仮止めの状態である。

次に、図１５に示すように、セル集合体３００の各燃料電池セル１の下端部１０１をマニホールド２の各貫通孔２７に挿入する。なお、各燃料電池セル１が厚さ方向に沿って所定の間隔を保持するための治具を用いてもよい。

次に、図２に示すように、貫通孔２７に挿入された燃料電池セル１とマニホールドの上壁２２とを接合するように第１接合材３を塗布する。なお、第１接合材３は、燃料電池セル１の付け根に沿って塗布されている。また、第１接合材３は、燃料電池セル１の下端部１０１の外周面と貫通孔２７の内壁面との隙間に充填されていてもよい。

次に、第１接合材３及び第２接合材５に対して熱処理が加えられる。この熱処理によって、第１接合材３及び第２接合材５が固化され、燃料電池スタック１００が完成する。詳細には、第２接合材５は、熱処理を施されることによって焼成される。この結果、各燃料電池セル１と第１集電部材４とが固定される。また、第１接合材３は、熱処理を施されることによって、非晶質材料の温度が結晶化温度まで到達する。そして、結晶化温度下にて材料の内部で結晶相が生成されて、結晶化が進行していく。この結果、非晶質材料が固化・セラミックス化されて、結晶化ガラスとなる。これにより、結晶化ガラスで構成される第１接合材３が機能を発揮し、各燃料電池セル１の下端部１０１がマニホールド２の上壁２２に固定される。

［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
上記実施形態では、燃料極集電部１３１が第２凹部１３１ａ及び第３凹部１３１ｂを有しているが、燃料極集電部１３１の構成はこれに限定されない。例えば、燃料極集電部１３１は第２凹部１３１ａ及び第３凹部１３１ｂなどの凹部を有していなくてもよい。この場合、燃料極活性部１３２は、燃料極集電部１３１上に形成されており、燃料極集電部１３１に埋設されていない。また、インターコネクタ１７１は、燃料極集電部１３１上に形成されており、燃料極集電部１３１に埋設されていない。

変形例２
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３
上記実施形態では、ガス導入口２４１は円形状であったが、ガス導入口２４１の形状は特にこれに限定されず、例えば、楕円形状や矩形状であってもよい。また、上記実施形態では、ガス流路１２１は円形状であったが、ガス流路１２１の形状がこれに限定されず、例えば、楕円形状であってもよい。

変形例３
上記実施形態では、ガス導入口２４１は、第１側壁２４に形成されているが、ガス導入口２４１の形成箇所はこれに限定されない。例えば、ガス導入口２４１は、上壁２２に形成されていてもよい。

変形例４
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２３との間に第２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２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の下面を塞ぐように、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。

以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。

以下のようにして、サンプルＮｏ．１〜３、６〜８、１２〜１８、２０〜３７、３９、４０の燃料電池スタックを作製した。各サンプルのマニホールド２を、プレス加工によって、直方体状の内部空間を有するように作製した。各サンプルにおける面積Ａ１、及び平均面積Ａ２は表１に示すとおりである。なお、ガス導入口２４１は第1側壁２４の中央部に形成されており、導入管２０１は、図５に示すように、第１側壁２４の外側面中央に当接されている。

以上のように作製されたマニホールド２の上壁２２に、１〜５０枚の燃料電池セル１を取り付けた。各サンプルにおける燃料電池セル１の枚数は表１に示すとおりである。燃料電池セル１の幅方向は、マニホールド２の幅方向と平行とした。各燃料電池セル１は、マニホールド２の奥行き方向において互いに等間隔に配置された。

各燃料電池セル１は、複数本のガス流路１２１を有している。各サンプルにおけるガス流路１２１の本数は、表１に示すとおりである。各ガス流路１２１は、支持基板１２の幅方向において等間隔に形成されている。各燃料電池セル１の幅方向の両端部に形成されたガス流路１２１は、マニホールド２の内部空間の幅方向の端部と対応するように配置されている。なお、平面視において、各ガス流路１２１は、マニホールド２の内部空間に対して、均等に配置されている。すなわち、各ガス流路１２１は、燃料電池セル１の幅方向の全体に亘って配置されている。なお、その他の構成は、各サンプル間で基本的に同じとした。

以上のように作製した各サンプルを以下のように評価した。
・マニホールド２を介して燃料ガスを供給し、燃料電池セル１の両面に空気を供給。なお、燃料ガスは６２℃加湿水素を使用した。
・温度：７５０℃
・電流密度：０．００３Ａ／ｍｍ^２通電
（なお、電流密度はｚ軸方向から見た際にｘｙ平面に形成された空気極面積測定結果に対する値とする。）
・燃料利用率：８０％
なお、燃料利用率は、供給する燃料ガス量に対する各発電素子部１１が発電時消費する燃料ガス合計量の占める割合のことである。各燃料電池セル１は、その長手方向に間隔をあけて配置された５個の発電素子部１１を有する。各発電素子部１１の長手方向の寸法は全て同一とした。

以上の条件下で１時間発電したサンプルのＳＥＭによる断面微構造観察を実施した。なお、比較のため発電を実施していない同一寸法のサンプルに対しても同一の観察を実施した。発電後、燃料電池セル１に微構造変化が確認されたサンプルを×、確認されなかったサンプルを○とした。その評価結果を表１に評価結果１として示す。なお、微構造変化はいずれも燃料電池セル１の上流付近（燃料電池セル１の下端部）で確認された。これは割合（Ａ２／Ａ１）が０．００００６０より小さくなるとガス流路１２１内に燃料ガスが流れ込む際の流速変化が大きく、燃料電池セル１の上流付近の流れが乱れるため、燃料ガスが安定的に供給されにくくなったことが原因と推定される。

次にサンプルＮｏ．１〜３、６〜８、１２〜１８、２０〜３７、３９、４０のうち微構造変化が確認されなかった寸法のサンプルを再度作製し、燃料利用率８５％で１時間発電後、微構造観察を実施した。燃料利用率以外の発電・観察条件は上記試験と同一とした。発電後、燃料電池セル１に微構造変化が確認されたサンプルを○、確認されなかったサンプルを◎とした。その評価結果を表１において評価結果２として示す。なお、微構造変化はいずれも燃料電池セル１の下流付近（燃料電池セル１の上端部）で確認された。これは割合（Ａ２／Ａ１）が０．０３５より大きくなるとガス流路１２１内での燃料ガスの流速が遅く、燃料ガスが希薄な下流付近で燃料が安定的に供給されにくくなったことが原因と推定される。

１ 燃料電池セル
１２１ ガス流路
２ マニホールド
２２ 上壁
２３ 底壁
２４ 第１側壁
２４１ ガス導入口
２５ 第２側壁
２６ 第１フランジ部
２０ａ 第１境界部
２０ｂ 第２境界部
２０ｃ 第３境界部

Claims (19)

1. 互いに直交する奥行き、幅、及び高さを含む内部空間、を有するマニホールドと、
   前記マニホールドに取り付けられる少なくとも１つの燃料電池セルと、
   を備え、
   前記少なくとも１つの燃料電池セルは、全体で複数のガス流路を有し、
   前記各ガス流路は、前記内部空間と連通し、
   前記マニホールドは、ガス導入口を有しており、
   奥行き方向に直交する断面における前記内部空間の面積Ａ１に対する、前記各ガス流路の平均面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）は、０．００００６０以上である、
   燃料電池スタック。
   
2. 前記ガス導入口は、奥行き方向に開口する、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
   
3. 奥行き方向に直交する断面における前記内部空間の面積Ａ１に対する、前記ガス流路の平均面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）は、０．０３５以下である、
   請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
   
4. 前記各ガス流路間における前記各ガス流路の面積のバラつきは、２０％以内である、
   請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
5. 互いに直交する奥行き、幅、及び高さを含む内部空間、を有するマニホールドと、
   前記内部空間と連通するガス流路を内部に有し、前記マニホールドに取り付けられる燃料電池セルと、
   を備え、
   前記マニホールドは、ガス導入口を有しており、
   奥行き方向に直交する断面における前記内部空間の面積Ａ１に対する、前記ガス流路の面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）は、０．００００６０以上である、
   燃料電池スタック。
   
6. 前記ガス導入口は、奥行き方向に開口する、
   請求項５に記載の燃料電池スタック。
   
7. 奥行き方向に直交する断面における前記内部空間の面積Ａ１に対する、前記ガス流路の面積Ａ２の割合（Ａ２／Ａ１）は、０．０３５以下である、
   請求項５又は６に記載の燃料電池スタック。
   
8. 前記マニホールドは、
   底壁と、
   前記底壁から上方に延びる側壁と、
   前記各燃料電池が取り付けられるように構成された上壁と、
   を有し、
   前記底壁、前記側壁、及び前記上壁は、前記内部空間を画定する、
   請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池スタック。
   
9. 前記側壁は、
   奥行き方向において互いに対向する一対の第１側壁と、
   前記奥行き方向と直交する幅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８に記載の燃料電池スタック。
   
10. 前記一対の第１側壁のうち一方の側壁は、前記ガス導入口を有する、
    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. 前記底壁と前記側壁との第２境界部の内側面は、Ｒ形状である、
    請求項８から１１のいずれかに記載の燃料電池スタック。
    
13. 前記マニホールドは、前記側壁から外方に延びる第１フランジ部をさらに有し、
    前記上壁は、前記第１フランジ部に固定される、
    請求項８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1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. 前記上壁と前記第１側壁及び第２側壁との第４境界部の内側面は、Ｒ形状である、
    請求項９から１１のいずれかに記載の燃料電池スタック。
    
17. 前記マニホールドは、前記第１側壁及び前記第２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有し、
    前記底壁は、前記第２フランジ部に固定される、
    請求項９から１１、１６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
    
18. 前記第１側壁及び前記第２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２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。
    

Images