JP6435035B1

JP6435035B1 - マニホールド及びセルスタック装置

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Publication number: JP6435035B1
Application number: JP2017210822A
Authority: JP
Inventors: 中村　俊之; 俊之中村; 崇龍; 哲二高木; 誠大森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: JP2019083157A

Abstract

【課題】クラックを抑制できるマニホールド及びセルスタック装置を提供する。【解決手段】本発明のマニホールド（１００）は、上方が開口する本体部（１０１）と、燃料電池セル（２００）に反応ガスを供給するための孔部を有し、かつ本体部（１０１）の開口を塞ぐ蓋部（１３０）と、を備えている。本体部（１０１）は、底壁（１１０）と、底壁（１１９）から上方に延びる側壁（１２０）と、側壁（１２０）の上端部から外方に延びるフランジ部（１４０）と、を含む。蓋部（１３０）は、孔部を有するとともに、フランジ部（１４０）と接合される平板部材（１３１）と、平板部材（１３１）において長手方向に延びる一対の端部のそれぞれから下方に延びるとともに、本体部（１３０）の外方に配置される延出部材（１３２）と、を含む。延出部材（１３２）の上下方向の高さは、本体部（１０１）の上下方向の高さよりも短い。【選択図】図３

Description

本発明は、マニホールド及びセルスタック装置に関する。

従来、マニホールドと、このマニホールドから上方に延びる複数の燃料電池セルと、マニホールドと燃料電池セルとを接合する接合材とを備えるセルスタック装置が知られている。このようなセルスタック装置として、例えば、特開２０１７−１１７６５９号公報（特許文献１）が挙げられる。

特許文献１のセルスタック装置は、マニホールド本体と、蓋部材と、一対の脚部と、を有するマニホールドを備えることが記載されている。マニホールド本体は、載置面に載置される底壁と、底壁の長手方向に延びる一対の縁部のそれぞれから上方に延びる一対の第１側壁と、を有している。蓋部材は、マニホールド本体の上面を塞ぐ。一対の脚部は、マニホールド本体の一対の側壁の外方に配置され、載置面と当接するように構成されている。

特開２０１７−１１７６５９号公報

上記特許文献１のセルスタック装置は、高温で使用されるので、マニホールドに温度分布が生じる。この温度分布に起因して、マニホールドが歪み、脚部の一部が載置面から突き上げられる場合があることを本発明者は初めて明らかにした。この場合、上記特許文献１のマニホールドは載置面に対して傾いてしまう。このため、マニホールド本体と蓋部材との接合部、マニホールドと燃料電池セルとの接合材などのセルスタック装置の一部に応力が加えられ、クラックが発生するおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑み、クラックを抑制できるマニホールド及びセルスタック装置を提供することを課題とする。

上記特許文献１の問題は、マニホールド本体の底壁の変形が大きいことに起因していることを本発明者は見出した。底壁が大きく変形すると、セルスタック装置の少なくとも一部に歪みが発生してしまい、クラックの起点となってしまう。そこで、本発明者は、マニホールドのアンバランスな変形を抑制する手段について鋭意検討した結果、本発明を完成させた。

すなわち、本発明のマニホールドは、燃料電池セルに反応ガスを供給するためのマニホールドであって、上方が開口する本体部と、燃料電池セルの下端部に反応ガスを供給するための孔部を有し、かつ本体部の開口を塞ぐ蓋部と、を備え、本体部は、底壁と、この底壁から上方に延びる側壁と、この側壁の上端部から外方に延びるフランジ部と、を含み、蓋部は、孔部を有するとともに、フランジ部と接合される平板部材と、この平板部材において長手方向に延びる一対の端部のそれぞれから下方に延びるとともに、本体部の外方に配置される延出部材と、を含み、延出部材の上下方向の高さは、本体部の上下方向の高さよりも短い。

本発明のマニホールドによれば、本体部の外方に延出部材を配置しているので、蓋部の剛性を高めることができる。このため、蓋部の変形が大きくなることを抑制できる。また、延出部材の上下方向の高さは、本体部の上下方向の高さよりも短いので、底壁の変形が大きくなることを抑制できる。このようにマニホールドのアンバランスな変形を抑制しているので、マニホールドをセルスタック装置に用いたときに、セルスタック装置の一部に応力が加えられることを抑制できる。したがって、クラックを抑制できる。

本発明のマニホールドにおいて好ましくは、本体部の断面二次モーメントに対する蓋部の断面二次モーメントの比は、０．１１以上０．９９以下である。

本発明者はマニホールドの全体的な変形を抑制する手段について鋭意研究した結果、マニールドを構成する本体部及び蓋部の曲げ剛性のバランスをとることに着想を得た。そこで、本体部及び蓋部について、曲げ剛性の指標である断面二次モーメントの比を上記のように制御している。これにより、セルスタック装置の一部に応力が加えられることをより抑制できるので、クラックをより抑制できる。

本発明のマニホールドにおいて好ましくは、蓋部の厚みは、本体部の厚みよりも大きい。

これにより、蓋部の剛性を高めることができるので、セルスタック装置に用いたときに、接合材におけるクラックをより抑制できる。

本発明のセルスタック装置は、上記いずれかのマニホールドと、このマニホールドから反応ガスが供給される燃料電池セルと、マニホールドと燃料電池セルとを接合する接合材と、を備える。

本発明のセルスタック装置によれば、アンバランスな変形を抑制できるマニホールドを備えている。このため、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材におけるクラックを抑制できる。

以上説明したように、本発明は、クラックを抑制できるマニホールド及びセルスタック装置を提供することができる。

実施の形態のセルスタック装置を示す斜視図である。実施の形態のセルスタック装置を示す断面図である。実施の形態のセルスタック装置を示す断面図である。実施の形態のマニホールドを示す断面図である。実施の形態のマニホールドを構成する蓋部を示す平面図である。実施の形態の燃料電池セルを示す斜視図である。実施の形態の燃料電池セルを示す断面図である。実施の形態のセルスタック装置を示す拡大断面図である。実施の形態のセルスタック装置の製造方法を示す断面図である。実施の形態のセルスタック装置の製造方法を示す断面図である。比較例１のセルスタック装置を示す断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、各図におけるｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向のそれぞれは、マニホールドの高さ方向、短手方向（幅方向）、及び長手方向に対応する。また、各図におけるｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向のそれぞれは、各燃料電池セル及び支持基板の長手方向、短手方向（幅方向）、及び厚さ方向に対応する。また、本明細書の「上」及び「下」は、マニホールド及びセルスタック装置を水平面に載置したときのマニホールドの高さ方向（ｘ軸方向）を基準とする。

図１〜図８を参照して、本発明の一実施の形態であるセルスタック装置及びマニホールドについて説明する。セルスタック装置及びマニホールドは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）に用いられる。

［セルスタック装置］
図１〜図３に示すように、セルスタック装置１は、マニホールド１００と、複数の燃料電池セル２００と、第１接合材３とを備えている。各燃料電池セル２００は、マニホールド１００によって支持されている。第１接合材３は、マニホールド１００と、各燃料電池セル２００とを接合する。

［マニホールド］
図１〜図３に示すように、マニホールド１００は、燃料電池セル２００に反応ガスを供給する。図１に示すように、マニホールド１００の内部空間には、導入配管Ｐを介して燃料ガスなどの反応ガスが供給される。図２に示すように、マニホールド１００は、この内部空間と外部とを連通する複数の孔部１３１ａを有している。

マニホールド１００は、実質的に直方体状であって、内部空間を有している。マニホールド１００は、図３及び図４に示すように、上方が開口する本体部１０１と、開口を塞ぐ蓋部１３０とを備えている。本体部１０１は、底壁１１０と、側壁１２０と、フランジ部１４０とを備えている。

底壁１１０、側壁１２０、及びフランジ部１４０は、一体成形されている。一体成形された底壁１１０、側壁１２０及びフランジ部１４０と、蓋部１３０とは、互いに別部材であり、接合されている。

底壁１１０、側壁１２０、蓋部１３０、及びフランジ部１４０は、例えば、耐熱性を有するような金属で構成されている。このような金属は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金などである。

底壁１１０は、平面視（ｘ軸方向視）が矩形状である。底壁１１０は、平面視において、長手方向と幅方向とを有している。

側壁１２０は、底壁１１０から上方に延びる。側壁１２０は、図１に示すように、一対の第１側壁１２１と、一対の第２側壁１２２とを有している。

一対の第１側壁１２１は、底壁１１０の対向する一対の端部のそれぞれから上方に延びている。詳細には、各第１側壁１２１は、底壁１１０の端部のうち、長手方向に延びる一対の側端から上方に延びている。第１側壁１２１は、マニホールド１００の長手方向に延びている。すなわち、複数の燃料電池セル２００の並ぶ方向に延びている。一対の第１側壁１２１は、マニホールド１００の幅方向において、互いに対向している。

一対の第２側壁１２２は、底壁１１０の残りの対向する端部から上方に延びている。詳細には、各第２側壁１２２は、底壁１１０の端部のうち、幅方向に延びる一対の側端から上方に延びている。また、各第２側壁１２２は、マニホールド１００の幅方向に延びている。すなわち、各第２側壁１２２は、燃料電池セル２００の幅方向に延びている。各第２側壁１２２は、マニホールド１００の長手方向において、互いに対向している。一対の第２側壁１２２のうち、一方の第２側壁１２２に導入配管Ｐが接続されている。このため、一方の第２側壁１２２は、導入配管Ｐが接続されるための貫通孔を有している。

フランジ部１４０は、側壁１２０の上端部から外方に延びている。詳細には、フランジ部１４０は、各第１側壁１２１及び各第２側壁１２２の上端から外方に延びている。フランジ部１４０は、環状である。

第１側壁１２１と第２側壁１２２との第１境界部１０２は、Ｒ形状である。具体的には、第１側壁１２１と第２側壁１２２との第１境界部１０２の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第１境界部１０２の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば３〜３０ｍｍである。４つの第１境界部１０２は、マニホールド１００の高さ方向に延びる。

図３及び図４に示すように、底壁１１０と側壁１２０との第２境界部１０３は、Ｒ形状である。具体的には、底壁１１０と、第１側壁１２１及び第２側壁１２２との第２境界部１０３の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第２境界部１０３の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば２〜２０ｍｍである。第２境界部１０３は、環状である。

側壁１２０とフランジ部との第３境界部１０４は、Ｒ形状である。具体的には、第１側壁１２１及び第２側壁１２２と、フランジ部１４０との第３境界部１０４の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第３境界部１０４の側面及び外側面の曲率半径は、例えば１〜１０ｍｍである。第３境界部１０４は、環状である。

なお、本明細書における「Ｒ形状」とは、円弧状に湾曲している形状である。また、第１〜第３境界部１０２〜１０４の内側面とは、マニホールド１００の内部空間を臨む面である。第１〜第３境界部１０２〜１０４の外側面とは、マニホールド１００の外側を臨む面である。

蓋部１３０は、側壁１２０の上端部を塞ぐように構成されている。具体的には、蓋部１３０は、側壁１２０の上面を閉じる。蓋部１３０には、燃料電池セル２００が接合される。

詳細には、蓋部１３０は、平板部材１３１と、延出部材１３２とを含んでいる。延出部材１３２は、平板部材１３１において長手方向に延びる一対の端部のそれぞれから下方に延びる。平板部材１３１と延出部材１３２とは、別部材が接合されてもよいが、本実施の形態では一体成形されている。

平板部材１３１は、平坦な板状の部材である。平板部材１３１は、平面視において、本体部１０１を包含する。このため、平板部材１３１は、本体部１０１の上面全体を塞ぐ。平板部材１３１は、図５に示すように、平面視において矩形状である。

平板部材１３１の外周部は、フランジ部１４０上に配置されており、フランジ部１４０に接合されている。平板部材１３１は、例えば、接合材、溶接などによって、フランジ部１４０に接合されている。

図２に示すように、平板部材１３１は、燃料電池セル２００の下端部に反応ガスを供給するための孔部１３１ａを有している。本実施の形態では、図５に示すように、平板部材１３１は、複数の孔部１３１ａを有している。各孔部１３１ａは、マニホールド１００の幅方向に延びている。また、各孔部１３１ａは、マニホールド１００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。

延出部材１３２は、平板部材１３１を補強するためのリブである。図１に示すように、延出部材１３２は、平板部材１３１の短手方向の両端部から下方に延びるとともに、本体部１０１の長手方向に沿って延びている。なお、延出部材１３２は、図１のように平板部材１３１において長手方向に延びる一対の端部の一部から下方に延びてもよく、平板部材１３１において長手方向に延びる一対の端部全体から下方に延びてもよい。また、延出部材１３２は、平板部材１３１において短手方向に延びる一対の端部から、下方に延びてもよい。また、延出部材１３２は、平板部材１３１の外周全体から下方に延びてもよい。

延出部材１３２は、本体部１０１の外方に配置されている。具体的には、延出部材１３２は、側壁１２０及びフランジ部１４０の外方に配置され、フランジ部１４０及び側壁１２０の一部を被覆している。

図４に示すように、延出部材１３２の上下方向の高さＴ１は、本体部１０１の上下方向の高さＴ２よりも短い。このため、延出部材１３２は、マニホールド１００の底壁１１０を台座に載置したときに、台座に接触しない。

なお、「（上下方向の）高さ」とは、マニホールド１００の底壁１１０を水平面に載置したときの鉛直方向の距離である。また、延出部材１３２の高さＴ１は、延出部材１３２（蓋部１３０）の最大高さである。

図３及び図４に示すように、平板部材１３１と延出部材１３２との第４境界部１０５は、Ｒ形状である。具体的には、平板部材１３１と延出部材１３２との第４境界部１０５の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第４境界部１０５の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば１．０〜１０ｍｍである。なお、第４境界部１０５の内側面とは、本体部１０１を臨む面である。第４境界部１０５の外側面とは、マニホールド１００の外側を臨む面である。

本体部１０１の断面二次モーメント（ｌｙ２）に対する蓋部１３０の断面二次モーメント（ｌｙ１）の比（ｌｙ１／ｌｙ２）は、０．１１以上０．９９以下であり、０．１２以上０．９０以下であることが好ましく、０．１５以上０．８０以下であることがより好ましい。０．１１以上であると、マニホールド１００に温度分布が発生したときに、蓋部１３０の平板部材１３１が変形することを抑制できる。この場合、第１接合材３に応力が加えられることを抑制できるので、第１接合材３にクラックを抑制できる。０．９９以下であると、本体部１０１の変形が大きくなることを抑制できる。この場合、蓋部１３０と本体部１０１との接合部でクラックが発生する、本体部１０１が傾く等の問題を低減できる。

上記断面二次モーメントは、蓋部１３０及び本体部１０１の形状、寸法により計算される値である。比（ｌｙ１／ｌｙ２）を大きくする場合には、例えば蓋部１３０の延出部材１３２を長くする、蓋部１３０の厚さを大きくする等によって制御できる。比（ｌｙ１／ｌｙ２）を小さくする場合には、本体部１０１の厚さや高さを大きくする等によって制御できる。

［燃料電池セル］
図１〜図３に示すように、各燃料電池セル２００は、マニホールド１００から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル２００は、マニホールド１００の蓋部１３０から上方に延びている。燃料電池セル２００の下端部２０１は、マニホールド１００の孔部１３１ａ内に挿入されている。なお、燃料電池セル２００の下端部２０１が孔部１３１ａ内に挿入された状態において、燃料電池セル２００の下端部２０１の外周面と孔部１３１ａ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が充填されている。

各燃料電池セル２００は、マニホールド１００の長手方向に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。図２に示すように、各燃料電池セル２００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２００の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル２００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２００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または金属などによって形成されている。

図６に示すように、燃料電池セル２００は、支持基板２１０と、複数の発電素子部２２０とを備えている。各発電素子部２２０は、支持基板２１０の両面に支持されている。なお、各発電素子部２２０は、支持基板２１０の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部２２０は、燃料電池セル２００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、本実施の形態に係る燃料電池セル２００は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。

各発電素子部２２０は、電気的接続部２６０（図７参照）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２００の上端部２０２側において、支持基板２１０の一方面に形成された発電素子部２２０と他方面に形成された発電素子部２２０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２２０は、直列に接続されている。

支持基板２１０は、燃料電池セル２００の長手方向に延びる複数のガス流路２１１を内部に有している。ガス流路２１１は、マニホールド１００の孔部１３１ａを介して、マニホールド１００の内部空間と連通している。

支持基板２１０の長手方向は、燃料電池セル２００の長手方向と同じ方向である。各ガス流路２１１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路２１１は、燃料電池セル２００の長手方向の両端部において開口している。

図７に示すように、支持基板２１０は、複数の第１凹部２１２を有している。各第１凹部２１２は、支持基板２１０の両面に形成されている。各第１凹部２１２は、支持基板２１０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２１０は、絶縁性であり、例えば、セラミックスで形成される。具体的には、支持基板２１０は、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成されてもよいし、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２１０は、多孔質である。支持基板２１０の気孔率は、例えば、２０〜６０％である。

各発電素子部２２０は、燃料極２３０、電解質２４０、及び空気極２５０を有している。また、各発電素子部２２０は、反応防止膜２２１をさらに有している。

燃料極２３０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２３０は、燃料極集電部２３１と、燃料極活性部２３２とを有する。燃料極集電部２３１は、第１凹部２１２内に配置されている。各燃料極集電部２３１は、第２凹部２３１ａ及び第３凹部２３１ｂを有している。燃料極活性部２３２は、第２凹部２３１ａ内に配置されている。

燃料極集電部２３１は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺ（８ＹＳＺ）とから構成されてもよいし、ＮｉＯとＹ_２Ｏ_３とから構成されてもよいし、ＮｉＯとＣＳＺとから構成されてもよい。燃料極集電部２３１の厚さ、すなわち第１凹部２１２の深さは、５０〜５００μｍである。

燃料極活性部２３２は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺ（８ＹＳＺ）とから構成されてもよいし、ＮｉＯとＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（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２３２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質２４０は、燃料極２３０上を覆うように配置されている。詳細には、電解質２４０は、あるインターコネクタ２６１から他のインターコネクタ２６１まで燃料電池セル２００の長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル２００の長手方向において、電解質２４０とインターコネクタ２６１とが交互に配置されている。

電解質２４０は、イオン伝導性を有し、か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２４０は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）から構成されてもよいし、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質２４０の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。

反応防止膜２２１は、緻密な材料から構成される焼成体であり、平面視において、燃料極活性部２３２と略同一の形状であり、燃料極活性部２３２と略同じ位置に配置されている。反応防止膜２２１は、電解質２４０内のＹＳＺと空気極２５０内のＳｒとが反応して電解質２４０と空気極２５０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２２１は、例えば、ＧＤＣから構成される。反応防止膜２２１の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。

空気極２５０は、反応防止膜２２１上に配置されている。空気極２５０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２５０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）、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）、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。また、空気極２５０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２５０の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部２６０は、隣り合う発電素子部２２０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２６０は、インターコネクタ２６１及び空気極集電膜２６２を有する。インターコネクタ２６１は、第３凹部２３１ｂ内に配置されている。インターコネクタ２６１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２６１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成されてもよいし、（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２６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜２６２は、隣り合う発電素子部２２０のインターコネクタ２６１と空気極２５０との間を延びるように配置される。空気極集電膜２６２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。空気極集電膜２６２は、例えば、ＬＳＣＦから構成されてもよいし、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３から構成されてもよいし、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜２６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍである。

図８に示すように、燃料電池セル２００の下端部２０１は、緻密膜２２２によって覆われている。詳細には、緻密膜２２２は、支持基板２１０を覆っている。緻密膜２２２は、下端部側に形成された発電素子部２２０と電気的に接続されている。詳細には、緻密膜２２２は、電気的接続部２６０と電気的に接続されている。緻密膜２２２は、空気極集電膜２６２と支持基板２１０との間から近位側に向かって延びている。

緻密膜２２２は、緻密膜２２２の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜２２２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２２２の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜２２２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２２２は、上述した電解質２４０と反応防止膜２２１とによって構成することができる。緻密膜２２２を構成する電解質２４０は、支持基板２１０を覆っており、インターコネクタ２６１から支持基板２１０の下端近傍まで延びている。また、緻密膜２２２を構成する反応防止膜２２１は、電解質２４０と空気極集電膜２６２との間に配置されている。なお、緻密膜２２２は、電解質２４０のみで構成されていてもよいし、電解質２４０及び反応防止膜２２１以外の材料によって構成されていてもよい。

［第１接合材］
図１〜図３及び図８に示すように、第１接合材３は、燃料電池セル２００をマニホールド１００に固定する。詳細には、第１接合材３は、燃料電池セル２００の下端部２０１とマニホールド１００の蓋部１３０とを接合している。また、第１接合材３は、緻密膜２２２と接触している。なお、燃料電池セル２００がマニホールド１００に固定された状態において、孔部１３１ａとガス流路２１１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、または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、また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。

［製造方法］
続いて、本実施の形態のセルスタック装置１及びマニホールド１００の製造方法について図１〜図１０を参照して説明する。

まず、上方が開口し、底壁１１０と側壁１２０とフランジ部１４０とを有する本体部１０１を準備する。また、平板部材１３１と延出部材１３２とを有する蓋部１３０を準備する。次いで、平板部材１３１とフランジ部１４０とを接合する。接合する方法は、特に限定されず、溶接してもよく、結晶化ガラスによって接合してもよい。

以上の工程を実施することにより、本実施の形態のマニホールド１００を製造できる。また、複数の燃料電池セル２００を準備する。

そして、図９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２００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２００は互いに仮止めの状態である。

次に、図１０に示すように、セル集合体３００の各燃料電池セル２００の下端部２０１をマニホールド１００の各孔部１３１ａに挿入する。なお、各燃料電池セル２００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及び図３に示すように、孔部１３１ａに挿入された燃料電池セル２００とマニホールドの蓋部１３０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２００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２００の下端部２０１の外周面と孔部１３１ａ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を熱処理する。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、セルスタック装置１が完成する。詳細には、第２接合材５が焼成されることによって、各燃料電池セル２００と第１集電部材４とが固定される。また、第１接合材３が焼成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２００の下端部２０１がマニホールド１００の蓋部１３０に固定される。

［動作］
本実施の形態のセルスタック装置１の動作について、図１〜図８を参照して説明する。セルスタック装置１は、例えば以下のように動作する。

マニホールド１００を介して各燃料電池セル２００のガス流路２１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板２１０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２４０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。このセルスタック装置１を外部の負荷に接続すると、空気極２５０において下記の式１に示す電気化学反応が起こり、燃料極２３０において下記の式２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− ・・・（式１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（式２）
さらに、支持基板２１０のガス流路２１１を流れる燃料ガスのうち発電に使用されなかった余剰燃料ガスは、ガス流路２１１の他端側に位置する排出口から外部に排出される。そして、排出口から排出される余剰燃料ガスと、酸素を含むガスとを混合して、燃焼する。

（変形例）
上述した実施の形態のセルスタック装置は、支持基板２１０の１つの主面上に複数の発電素子部２２０が配置された横縞型を例に挙げて説明したが、本発明のセルスタック装置は、支持基板の１つの主面上に１つの発電素子が配置される縦縞型であってもよい。また、本実施の形態のセルスタック装置１は、円筒平板型の支持基板２１０を備えているが、本発明のセルスタック装置は、円筒型の支持基板を備えていてもよい。

また、本実施の形態では、第１側壁１２１及び第２側壁１２２は底壁１１０から略垂直に上方に延びているが、本発明のマニホールドは、これに限定されない。例えば、第１側壁１２１及び第２側壁１２２の少なくとも一方は、上方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよい。また、例えば、第１側壁１２１及び第２側壁１２２の少なくとも一方は、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。

また、導入配管Ｐは、マニホールド１００の側壁１２０に取り付けられているが、導入配管Ｐの取り付け位置はこれに限定されない。例えば、導入配管Ｐは、マニホールド１００の蓋部１３０に取り付けられていてもよい。

また、実施の形態では、孔部１３１ａは、燃料電池セル２００の下端部が挿入される挿入孔であるが、本発明の孔部は、燃料電池セルの下端部に反応ガスを供給するためのものであれば、特に限定されない。

また、実施の形態では、マニホールド２００に形成された１つの孔部１３１ａに１つの燃料電池セルの下端部が挿入されているが、本発明では、１つの孔部に複数の燃料電池セルが挿入されていてもよい。

本実施例では、本体部の上下方向の高さよりも短い延出部材を有する蓋部を備えることによる効果と、本体部の断面二次モーメントに対する蓋部の断面二次モーメントの比による効果とについて調べた。なお、以下の実施例１〜３及び比較例１、２の断面二次モーメントは、蓋部及び本体部の形状、寸法により計算し、小数点第３位を四捨五入した値である。

（実施例１）
実施例１のマニホールドは、図４に示すマニホールド１００である。具体的には、マニホールド１００の高さＴは２５ｍｍで、蓋部１３０の延出部材１３２の高さＴ１が６．５ｍｍで、本体部１０１の高さＴ２は１５．０ｍｍであった。蓋部１３０の厚さは１．５ｍｍであり、本体部１０１の厚さは１．５ｍｍであった。本体部１０１の断面二次モーメント（ｌｙ２）は、２７３０ｍｍ^４であり、蓋部１３０の断面二次モーメント（ｌｙ１）は、２９９ｍｍ^４であった。このため、実施例１のマニホールドにおいて、本体部１０１の断面二次モーメントに対する蓋部１３０の断面二次モーメントの比（ｌｙ１／ｌｙ２）は、０．１１であった。

（実施例２）
実施例２のマニホールドは、実施例１と基本的には同様であったが、蓋部１３０が異なっていた。具体的には、本体部１０１は、実施例１と同様であった。蓋部１３０の延出部材１３２の高さＴ１が１０．０ｍｍで、蓋部１３０の厚さは１．５ｍｍであった。蓋部１３０の断面二次モーメント（ｌｙ１）は、９６４ｍｍ^４であった。このため、実施例２のマニホールド１００において、本体部１０１の断面二次モーメントに対する蓋部１３０の断面二次モーメントの比（ｌｙ１／ｌｙ２）は、０．３５であった。

（実施例３）
実施例３のマニホールドは、実施例１のマニホールドと基本的に同様の構成を備えていたが、蓋部１３０が異なっていた。具体的には、本体部１０１は、実施例１と同様であった。蓋部１３０の延出部材１３２の高さＴ１が１４．５ｍｍで、蓋部１３０の厚さは１．５ｍｍであった。蓋部１３０の断面二次モーメント（ｌｙ１）は、２７１０ｍｍ^４であった。このため、実施例３のマニホールド１００において、本体部１０１の断面二次モーメントに対する蓋部１３０の断面二次モーメントの比（ｌｙ１／ｌｙ２）は、０．９９であった。

（比較例１）
比較例１のマニホールドは、図１１に示すマニホールドである。具体的には、マニホールドの高さＴ１は１６．５ｍｍで、蓋部の高さＴ３は１．５ｍｍで、本体部１０１の高さＴ２は１５．０ｍｍであった。蓋部１３０の厚さは１．５ｍｍであり、本体部１０１の厚さは１．５ｍｍであった。本体部１０１の断面二次モーメント（ｌｙ２）は、２７３０ｍｍ^４であり、蓋部１３０の断面二次モーメント（ｌｙ１）は、１５ｍｍ^４であった。このため、比較例１のマニホールドにおいて、本体部の断面二次モーメントに対する蓋部の断面二次モーメントの比（ｌｙ１／ｌｙ２）は、０．０１であった。

（比較例２）
比較例２のマニホールドは、実施例１のマニホールドと基本的に同様の構成を備えていたが、延出部材の上下方向の高さが本体部の上下方向の高さよりも長い点において異なっていた。具体的には、図４に相当する高さＴ、Ｔ１、Ｔ２で説明すると、比較例２のマニホールドの高さＴは１６．５ｍｍで、蓋部の延出部材の高さＴ１は１６．０ｍｍで、本体部の高さＴ２は１５ｍｍであった。また、蓋部の厚さは１．５ｍｍであった。本体部の断面二次モーメント（ｌｙ２）は、２７３０ｍｍ^４であり、蓋部の断面二次モーメント（ｌｙ１）は、２９１３ｍｍ^４であった。このため、比較例２のマニホールドにおいて、本体部の断面二次モーメントに対する蓋部の断面二次モーメントの比（ｌｙ１／ｌｙ２）は、１．０７であった。

（評価方法）
実施例１〜３及び比較例１、２のマニホールドに、接合材を用いて燃料電池セルを接合したセルスタック装置において、熱サイクル試験により、クラック及びガスリークの有無を調べた。具体的には、各セルスタック装置を電気炉内に設置し、室温から８００℃まで昇降温速度４００℃／ｈｒでの上げ下げを１０回繰り返した後、電気炉から取り出して、クラック発生の有無及びガスリーク量を調べた。

蓋部と本体部との接合部、及び第１接合材に浸透探傷剤を塗布し、マイクロスコープで観察することによりクラックの有無を確認した。また、燃料電池セル２００のガス流路２１１出口端部を封止した上でマニホールド１００の導入配管Ｐよりアルゴンガスを供給し、マニホールド１００内部を印加圧２０ｋＰａまで高めて保持し、その時のガスリーク量を測定した。その結果を下記の表１に示す。表１において、「○」はクラックがなく、ガスリークがなかったことを意味し、「×」はクラックがあり、ガスリークがあったことを意味する。

（評価結果）
表１に示すように、本体部の上下方向の高さよりも短い延出部材を有する蓋部を備える実施例１〜３は、マニホールド１００が全体的に変形することを抑制できた。このため、マニホールドと燃料電池セルとを接合する第１接合材３を含めたセルスタック装置１全体において、クラックを抑制できることがわかった。このため、実施例１〜３のマニホールドを備えるセルスタック装置１は、マニホールド１００に導入される反応ガスが外部に漏れ出すことを抑制できることがわかる。なお、この実施例１〜３においては、本体部１０１の断面二次モーメントに対する蓋部１３０の断面二次モーメントの比（ｌｙ１／ｌｙ２）が０．１１以上０．９９以下であった。

一方、延出部を備えていない比較例１は、マニホールドの蓋部が大きく変形したので、第１接合材３にクラックが発生した。なお、比較例１においては、本体部の断面二次モーメントに対する蓋部の断面二次モーメントの比（ｌｙ１／ｌｙ２）が０．１１未満であった。

また、マニホールドの本体部の外方に配置されるとともに、本体部の上下方向の高さよりも長い延出部材を有する蓋部を備える比較例２は、マニホールドの本体部が大きく変形したので、第１接合材におけるクラックは抑制できたものの、本体部と蓋部との接合部にクラックが発生した。なお、比較例２においては、本体部の断面二次モーメントに対する蓋部の断面二次モーメントの比（ｌｙ１／ｌｙ２）が０．９９を超えていた。

以上より、本実施例によれば、本体部の外方に配置されるとともに、本体部の上下方向の高さよりも短い延出部材を有する蓋部を備えることによって、マニホールドの全体的な変形を抑制することができ、第１接合材３及びマニホールドにおけるクラックを抑制できることが確認できた。また、本体部１０１の断面二次モーメントに対する蓋部１３０の断面二次モーメントの比（ｌｙ１／ｌｙ２）を０．１１以上０．９９以下に制御することによっても、第１接合材３及びマニホールドにおけるクラックを抑制できることが確認できた。

以上のように本発明の実施の形態及び実施例について説明を行なったが、各実施の形態及び実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１セルスタック装置、３第１接合材、４第１集電部材、５第２接合材、６第２集電部材、１００マニホールド、１０１本体部、１０２第１境界部、１０３第２境界部、１０４第３境界部、１０５第４境界部、１０６第５境界部、１０７第６境界部、１１０底壁、１２０側壁、１２１第１側壁、１２２第２側壁、１３０蓋部、１３１平板部材、１３１ａ孔部、１３２延出部材、１３３側壁部材、１３４フランジ部材、１４０フランジ部、２００燃料電池セル、２０１下端部、２０２上端部、２１０支持基板、２１１ガス流路、２１２第１凹部、２２０発電素子部、２２１反応防止膜、２２２緻密膜、２３０燃料極、２３１燃料極集電部、２３１ａ第２凹部、２３１ｂ第３凹部、２３２燃料極活性部、２４０電解質、２５０空気極、２６０電気的接続部、２６１インターコネクタ、２６２空気極集電膜、３００セル集合体、Ｐ導入配管、Ｔ，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３高さ。

Claims

燃料電池セルに反応ガスを供給するためのマニホールドであって、
上方が開口する本体部と、
前記燃料電池セルの下端部に反応ガスを供給するための孔部を有し、かつ前記本体部の開口を塞ぐ蓋部と、
を備え、
前記本体部は、
底壁と、
前記底壁から上方に延びる側壁と、
前記側壁の上端部から外方に延びるフランジ部と、
を含み、
前記蓋部は、
前記孔部を有するとともに、前記フランジ部と接合される平板部材と、
前記平板部材において長手方向に延びる一対の端部のそれぞれから下方に延びるとともに、前記本体部の外方に配置される延出部材と、
を含み、
前記延出部材の上下方向の高さは、前記本体部の上下方向の高さよりも短い、マニホールド。
前記本体部の断面二次モーメントに対する前記蓋部の断面二次モーメントの比は、０．１１以上０．９９以下である、請求項１に記載のマニホールド。
前記蓋部の厚さは、前記本体部の厚さよりも大きい、請求項１または２に記載のマニホールド。
請求項１〜３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反応ガスが供給される燃料電池セルと、
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、
を備える、セルスタック装置。