JP6535804B1 - マニホールド、及びセルスタック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マニホールドと燃料電池セルの間の密閉性が十分な、信頼性が向上した、マニホールド及びセルスタック装置の提供。【解決手段】マニホールドは、燃料電池セルの基端部を支持するマニホールドであって、底板、側板、及び天板２１を備えている。天板２１は、載置部２１４及び支持部２１５を含む。載置部２１４には、基端部の第１部分１０１ａが載置される。載置部２１４は、燃料電池セルにガスが連通する貫通孔２１１ａを有する。支持部２１５は、基端部の第２部分１０１ｂを支持する。支持部２１５は、基端部の第２部分１０１ｂが挿入される挿入孔２１１ｂを有する。挿入孔２１１ｂは、貫通孔２１１ａと第１方向に１列に並ぶ。第１方向と直交する第２方向において、挿入孔２１１ｂは貫通孔２１１ａよりも大きい寸法を有する。【選択図】図１２

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ものである。

セルスタック装置は、複数の燃料電池セルと、マニホールドとを有している。マニホールドは、各燃料電池セルにガスを供給するために、複数の貫通孔を有している。例えば特許文献１のセルスタック装置は、複数の燃料電池セルを複数の貫通孔にそれぞれ挿入して固定している。

特許第４５７８１１４号公報

特許文献１のセルスタック装置では、燃料電池セルの基端部全体が挿入孔に挿入された状態で、シール材によりガスシールされている。この場合、シール材によるガスシールが容易ではない。このため、マニホールドと燃料電池セルとの間の密閉性が十分でなく、信頼性が低いという問題がある。

本発明の課題は、信頼性を向上するマニホールド及びセルスタック装置を提供することにある。

本発明の第１側面に係るマニホールドは、燃料電池セルの基端部を支持するマニホールドであって、底板、側板、及び天板を備えている。天板は、載置部及び支持部を含む。載置部には、基端部の第１部分が載置される。載置部は、燃料電池セルにガスが連通する貫通孔を有する。支持部は、基端部の第２部分を支持する。支持部は、基端部の第２部分が挿入される挿入孔を有する。挿入孔は、貫通孔と第１方向に１列に並ぶ。第１方向と直交する第２方向において、挿入孔は貫通孔よりも大きい寸法を有する。

この構成によれば、第２方向において、貫通孔よりも大きく、かつ挿入孔よりも小さい寸法を有する燃料電池セルの基端部の第１の部分を、載置部上に載置できる。この際に、支持部により燃料電池セルの位置を規制できる。載置部により天板上に載置された燃料電池セルとマニホールドとは、容易に接合できる。このため、マニホールドと燃料電池セルとの間の密閉性を向上できるので、信頼性を向上できる。

好ましくは、支持部は、載置部に対して、底板から離れるように突出する。

好ましくは、貫通孔と挿入孔とは、第１方向において互いに分離されている。

好ましくは、第１マニホールド本体及び第２マニホールド本体を含む。第１マニホールド本体は、貫通孔と連通する。第２マニホールド本体は、挿入孔と連通する。第１及び第２マニホールド本体の一方は、第１及び第２マニホールド本体の他方の内部に配置される。

本発明の第２側面に係るセルスタック装置は、上記いずれかのマニホールドと、天板から延びる燃料電池セルと、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。

好ましくは、挿入孔は、燃料電池セルの位置を規制する。

好ましくは、貫通孔及び挿入孔は、燃料電池セルに形成された複数のガス流路と連通する。

好ましくは、マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。燃料電池セルは、少なくとも１つの第１ガス流路と、少なくとも１つの第２ガス流路とを有する。第１ガス流路は、ガス回収室と連通する。第２ガス流路は、ガス供給室と連通する。第１及び第２ガス流路は、燃料電池セルの基端部から先端部に延びる。また、第１及び第２ガス流路は、燃料電池セルの先端部において互いに連通する。

好ましくは、貫通孔は、第１及び第２ガス流路の一方と連通する。

本発明によれば、信頼性を向上することができる。

セルスタック装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの上面図。 マニホールドの拡大平面図。 天板の断面図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 天板と燃料電池セルとの接合部分の断面図。 天板と燃料電池セルとの接合部分の断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大平面図。 変形例に係る天板の断面図。 変形例に係る天板の断面図。 変形例に係るマニホールドの拡大平面図。 変形例に係る天板の断面図。 変形例に係るセルスタック装置の断面図。 変形例に係る天板の断面図。 図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ線断面図。 図１９のセルスタック装置の別の態様を示す断面図。

以下、本発明に係るマニホールド及びセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、セルスタック装置を示す斜視図である。なお、図１において、いくつかの燃料電池セルの記載を省略している。

［セルスタック装置］
図１に示すように、セルスタック装置１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１０とを備えている。

［マニホールド］
マニホールド２は、複数の燃料電池セル１０にガスを供給するように構成されている。また、マニホールド２は、燃料電池セル１０から排出されたガスを回収するように構成されている。

図２及び図３は、マニホールドの断面図である。図２において、一部の貫通孔のみを仮想線で示している。図２及び図３に示すように、マニホールド２は、第１マニホールド本体２ａと、第２マニホールド本体２ｂとを有している。

第１マニホールド本体２ａ及び第２マニホールド本体２ｂは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。すなわち、ガス回収室２０ａ及びガス供給室２０ｂは、燃料電池セル１０の配列方向に延びている。マニホールド２は、燃料電池セル１０の配列方向において、第１端部２０１と第２端部２０２とを有している。なお、図２の中心Ｃは、配列方向におけるマニホールド２の中心を示している。

第１マニホールド本体２ａは、第１底板２２ａ、及び第１側板２３ａを有している。第２マニホールド本体２ｂは、第２底板２２ｂ及び第２側板２３ｂを有している。第１及び第２マニホールド本体の天板２１は、１つの部材で構成されている。第１マニホールド本体２ａ及び第２マニホールド本体２ｂは、直方体状である。

第１マニホールド本体２ａは、ガス回収室２０ａを有している。天板２１、第１底板２２ａ、及び第１側板２３ａによって、ガス回収室２０ａを画定している。本実施形態では、ガス回収室２０ａは、燃料電池セル１０から排出された燃料ガスを回収する。ガス回収室２０ａは、後述する燃料電池セル１０の第１ガス流路４１と連通している。ガス回収室２０ａは、第１マニホールド本体２ａの内部空間のうち、第２マニホールド本体２ｂが占める空間を除いた空間である。

例えば、第１底板２２ａと第１側板２３ａとは１つの部材で構成されている。天板２１は、第１側板２３ａの上端部と接合している。なお、天板２１と第１側板２３ａとが１つの部材で構成されており、第１底板２２ａが第１側板２３ａの下端部と接合していてもよい。

第１底板２２ａには、ガス排出口２２１が形成されている。なお、ガス排出口２２１は第１側板２３ａ又は天板２１に形成されていてもよい。ガス排出口２２１は、例えば、後述する配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。

第１側板２３ａは、一対の第１側板部２３１ａと、一対の第１連結部２３２ａとを有する。各第１側板部２３１ａは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。各第１連結部２３２ａは、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各第１連結部２３２ａは、一対の第１側板部２３１ａの端部同士を連結している。

第２マニホールド本体２ｂは、第１マニホールド本体２ａ内においてマニホールド２の幅方向の中央部に配置されている。なお、第２マニホールド本体２ｂは、マニホールド２の幅方向において、第２マニホールド本体２ｂの中心と第１マニホールド本体２ａの中心とが完全に一致するように配置されている必要はなく、第２マニホールド本体２ｂの中心が第１マニホールド本体２ａの中心からずれていてもよい。ガス供給室２０ｂは、マニホールド２の幅方向において、一対のガス回収室２０ａの間に配置される。

第２マニホールド本体２ｂの第２底板２２ｂ及び第２側板２３ｂからなる箱体が、天板２１に取り付けられている。例えば、第２底板２２ｂと第２側板２３ｂとは１つの部材で構成されている。天板２１は、第２側板２３ｂの上端部と接合している。第２マニホールド本体２ｂの第２底板２２ｂ及び第２側板２３ｂからなる箱体が、天板２１に取り付けられている。なお、天板２１と第２側板２３ｂとが１つの部材で構成されており、第２底板２２ｂが第２側板２３ｂの下端部と接合していてもよい。

第２マニホールド本体２ｂは、ガス供給室２０ｂを有している。天板２１、第２底板２２ｂ、及び第２側板２３ｂによって、ガス供給室２０ｂを画定している。本実施形態では、ガス供給室２０ｂは、改質器などを介して燃料ガス供給源から供給された燃料ガスを燃料電池セル１０に供給する。ガス供給室２０ｂは、後述する燃料電池セル１０の第２ガス流路４２と連通している。

第２底板２２ｂには、ガス供給口２２２が形成されている。なお、ガス供給口２２２は第２側板２３ｂ又は天板２１に形成されていてもよい。ガス供給口２２２は、例えば、配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。

第２側板２３ｂは、一対の第２側板部２３１ｂと、一対の第２連結部２３２ｂとを有する。各第２側板部２３１ｂは、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）に延びている。各第２連結部２３２ｂは、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各第２連結部２３２ｂは、一対の第２側板部２３１ｂ同士を連結している。

第２底板２２ｂは、第１底板２２ａと間隔をあけて配置されている。このため、第１底板２２ａと第２底板２２ｂとの間の空間は、ガス回収室２０ａの一部となっている。また、第２側板２３ｂは、第１側板２３ａと間隔をあけて配置されている。このため、第１側板２３ａと第２側板２３ｂとの間の空間は、ガス回収室２０ａの一部となっている。

［天板の構成］
図４は、マニホールド２の平面図である。図５は、マニホールド２の拡大平面図である。図５において、燃料電池セル１０と貫通孔２１１ａ及び挿入孔２１１ｂとの配置関係を示すため、配列方向端部に配置された燃料電池セル１０の基端面１０３を仮想線で示している。図６は、天板の断面図である。図６において、燃料電池セル１０の側面を仮想線で示している。図４〜図６に示すように、天板２１は、複数の貫通孔２１１ａ及び複数の挿入孔２１１ｂを有している。

各貫通孔２１１ａは、ガス回収室２０ａと第１ガス流路４１とを連通させている。各挿入孔２１１ｂは、ガス供給室２０ｂと第２ガス流路４２とを連通させている。なお、貫通孔２１１ａ及び挿入孔２１１ｂは、天板２１を貫通する孔である。

図４及び図５に示すように、各貫通孔２１１ａ及び各挿入孔２１１ｂは、第１方向（ｙ軸方向）に延びている。なお、この各貫通孔２１１ａ及び各挿入孔２１１ｂが延びる方向を第１方向と称する。また第１方向（ｙ軸方向）と直交する方向を第２方向（ｚ軸方向）と称する。本実施形態では、各貫通孔２１１ａ及び各挿入孔２１１ｂは、天板２１の幅方向に延びている。また、各貫通孔２１１ａ及び各挿入孔２１１ｂは、天板２１の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。第２方向は、燃料電池セル１０の配列方向である。

挿入孔２１１ｂは、貫通孔２１１ａと第１方向（ｙ軸方向）に１列に並ぶ。本実施形態では、第１方向において、貫通孔２１１ａ、挿入孔２１１ｂ、及び貫通孔２１１ａの順で１列に並んでいる。なお、本実施形態では、第１方向において貫通孔２１１ａ及び挿入孔２１１ｂが並ぶ列の数は、複数である。

貫通孔２１１ａと挿入孔２１１ｂとは、第１方向において互いに分離されている。なお、貫通孔２１１ａと挿入孔２１１ｂとは、連結されてもよい。本実施形態では、貫通孔２１１ａ及び挿入孔２１１ｂのそれぞれは、長孔形状である。

第２方向（ｚ軸方向）において、挿入孔２１１ｂは貫通孔２１１ａよりも大きい寸法を有している。詳細には、第２方向において、挿入孔２１１ｂは、燃料電池セル１０の基端部１０１よりも大きい寸法を有する。第２方向において、貫通孔２１１ａは、燃料電池セル１０の基端部１０１よりも小さい寸法を有する。

天板２１は、載置部２１４及び支持部２１５を含む。図５及び図６に示すように、載置部２１４は、燃料電池セル１０の基端部１０１の第１部分１０１ａを載置する。載置部２１４は、貫通孔２１１ａを有している。支持部２１５は、燃料電池セル１０の基端部１０１の第２部分１０１ｂを支持する。支持部２１５は、挿入孔２１１ｂを有している。

天板２１において、載置部２１４は、第１方向（ｙ軸方向）の両端部に配置されている。天板２１において、支持部２１５は、第１方向の中央部に配置されている。すなわち、第１方向において、載置部２１４は、支持部２１５を挟んで両端部に配置されている。載置部２１４及び支持部２１５は、第２方向（ｚ軸方向）に延びる。

図６に示すように、支持部２１５は、載置部２１４に対して、第１底板２２ａから離れるように突出する。本実施形態では、支持部２１５は、載置部２１４よりも上方に位置する。詳細には、載置部２１４及び支持部２１５は、平板である。載置部２１４と支持部２１５との境界部分には、段差部が形成される。

［燃料電池セル］

図７は、セルスタック装置の断面図を示している。図７に示すように、燃料電池セル１０は、マニホールド２から上方に延びている。燃料電池セル１０は、基端部１０１及び先端部１０２を有している。燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。基端部１０１は、基端面１０３を有している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。

図８に示すように、基端部１０１は、第１部分１０１ａ及び第２部分１０１ｂを有している。第１及び第２部分１０１ａ、１０１ｂのそれぞれは、基端部１０１を幅方向（ｙ軸方向）に区画することによってできる領域である。第１部分１０１ａは、第１ガス流路４１が形成される領域である。第２部分１０１ｂは、第２ガス流路４２が形成される領域である。第２部分１０１ｂによって、２つの第１部分１０１ａが隔てられている。第１部分１０１ａは、マニホールド２の載置部２１４に対向する。第２部分１０１ｂは、支持部２１５の挿入孔２１１ｂに挿入される。

図７及び図８に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４、複数の第１ガス流路４１、複数の第２ガス流路４２、及び複数の発電素子部５を有している。また、燃料電池セル１０は、連通流路３０を有している。

［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、扁平状であり、基端部４３と先端部４４とを有している。基端部４３及び先端部４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の基端部４３は下端部を意味し、支持基板４の先端部４４は上端部を意味する。本実施形態では、支持基板４は、幅方向（ｙ軸方向）に比べて長さ方向（ｘ軸方向）の寸法の方が長いが、長さ方向よりも幅方向の寸法の方が長くてもよい。

図７に示すように、支持基板４は、第１主面４５と、第２主面４６とを有している。第１主面４５と第２主面４６とは、互いに反対を向いている。第１主面４５及び第２主面４６は、各発電素子部５を支持している。第１主面４５及び第２主面４６は、支持基板４の厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。また、支持基板４の各側面４７は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面４７は、湾曲していてもよい。

支持基板４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４は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成される。または、支持基板４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４の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法、又は微構造観察により測定される。

支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１ガス流路４１及び第２ガス流路４２から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９１とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０〜７％程度である。

［第１及び第２ガス流路］
図７及び図８に示すように、複数の第１ガス流路４１及び複数の第２ガス流路４２は、支持基板４内に形成されている。燃料電池セル１０において、ガス回収室２０ａと連通する第１ガス流路４１が燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）の両端部に配置されている。そして、ガス回収室２０ａと連通する第２ガス流路４２は、燃料電池セル１０の幅方向の中央部に配置されている。

第１及び第２ガス流路４１、４２は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。本実施形態では、第１及び第２ガス流路４１、４２は、支持基板４内を上下方向に延びている。第１及び第２ガス流路４１、４２は、支持基板４を貫通している。

各第１ガス流路４１は、支持基板４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。各第１ガス流路４１は、実質的に等間隔に配置されていることが好ましい。また、各第２ガス流路４２は、支持基板４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。各第２ガス流路４２は、実質的に等間隔に配置されていることが好ましい。

第１ガス流路４１は、基端部４１１及び先端部４１２を有している。第１ガス流路４１の基端部４１１はマニホールド２側に位置する。また、第１ガス流路４１の先端部４１２は、基端部４１１の反対側の端部である。なお、本実施形態において、第１ガス流路４１の下端部が基端部４１１であり、第１ガス流路４１の上端部が先端部４１２である。

第２ガス流路４２は、基端部４２１及び先端部４２２を有している。第２ガス流路４２の基端部４２１は、マニホールド２側に位置する。また、第２ガス流路４２の先端部４２２は、基端部４２１の反対側の端部である。なお、本実施形態において、第２ガス流路４２の下端部が基端部４２１であり、第２ガス流路４２の上端部が先端部４２２である。

第１ガス流路４１は、貫通孔２１１ａを介して、マニホールド２のガス回収室２０ａと連通している。第２ガス流路４２は、挿入孔２１１ｂを介して、マニホールド２のガス供給室２０ｂと連通している。

図７に示すように、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とは、燃料電池セル１０の先端部１０２において互いに連通している。すなわち、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とは、それぞれの先端部４１２、４２２において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とが、連通流路３０を介して連通している。

［発電素子部］
図８に示すように、各発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。なお、第１主面４５に形成される発電素子部５の数と第２主面４６に形成される発電素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。

各発電素子部５は、第１及び第２ガス流路４１、４２が延びる方向（ｘ軸方向）に沿って配列されている。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、基端部４３から先端部４４に向かって互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部５は、後述する電気的接続部９によって、互いに直列に接続されている。

発電素子部５は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。発電素子部５は、支持基板４の幅方向において第１部分５１と第２部分５２とに区画される。なお、第１部分５１と第２部分５２との厳密な境界はない。例えば、燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、支持基板４の長さ方向視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２０ｂとガス回収室２０ａとの境界と重複する部分を、第１部分５１と第２部分５２との境界部とすることができる。

支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１ガス流路４１は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。このため、発電素子部５の第１部分５１は、主に各第１ガス流路４１から燃料ガスが供給される。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第２ガス流路４２は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。このため、発電素子部５の第２部分５２は、主に各第２ガス流路４２から燃料ガスが供給される。なお、複数の第１ガス流路４１のうち、一部の第１ガス流路４１が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数の第２ガス流路４２のうち、一部の第２ガス流路４２が第２部分５２と重複していなくてもよい。

図９は、第１ガス流路４１に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。なお、第２ガス流路４２に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、第２ガス流路４２の流路断面積が異なる以外は、図９と同じである。

発電素子部５は、燃料極６、電解質７、及び空気極８を有している。また、発電素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。燃料極６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６は、燃料極集電部６１と燃料極活性部６２とを有する。

燃料極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、燃料極集電部６１は、凹部４９内に充填されており、凹部４９と同様の外形を有する。各燃料極集電部６１は、第１凹部６１１及び第２凹部６１２を有している。燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に配置されている。詳細には、燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に充填されている。

燃料極集電部６１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６１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６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部６２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６２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６２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質７は、燃料極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９１から他のインターコネクタ９１まで長さ方向に延びている。すなわち、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質７とインターコネクタ９１とが交互に配置されている。また、電解質７は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。

電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０〜７％程度である。電解質７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７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、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、平面視において、燃料極活性部６２と略同一の形状である。反応防止膜１１は、電解質７を介して、燃料極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと空気極８内のＳｒとが反応して電解質７と空気極８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１１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１１の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極８は、反応防止膜１１上に配置されている。空気極８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８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、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８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８の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

［電気的接続部］
電気的接続部９は、隣り合う発電素子部５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９は、インターコネクタ９１及び空気極集電膜９２を有する。インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に埋設（充填）されている。インターコネクタ９１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９１は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９１の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９１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、（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９１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜９２は、隣り合う発電素子部５のインターコネクタ９１と空気極８との間を延びるように配置される。例えば、図９の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図９の右側に配置された発電素子部５のインターコネクタ９１とを電気的に接続するように、空気極集電膜９２が配置されている。空気極集電膜９２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８２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

空気極集電膜９２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、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、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９２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［連通部材］
図７に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部４４に取り付けられている。そして、連通部材３は、第１ガス流路４１と第２ガス流路４２とを連通させる連通流路３０を有している。詳細には、連通流路３０は、各第１ガス流路４１の先端部４１２と各第２ガス流路４２の先端部４２２とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４１から各第２ガス流路４２まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。

連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。緻密層３１は、連通部材３の本体よりも緻密に形成されている。例えば、緻密層３１の気孔率は、０〜７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した電解質７に使用される材料、結晶化ガラス等によって形成することができる。

図１に示すように、各燃料電池セル１０は、主面同士が対向するように配列されている。また、各燃料電池セル１０は、配列方向（ｚ軸方向）に沿って配列されている。本実施形態では、各燃料電池セル１０は、配列方向に沿って等間隔に配置されているが、等間隔でなくてもよい。

［燃料電池セルと天板との配置関係］
図６及び図１０に示すように、燃料電池セル１０の基端部１０１の第１部分１０１ａは、天板２１の載置部２１４と対向している。図５に示すように、第２方向（ｚ軸方向）において、貫通孔２１１ａは、燃料電池セル１０の第１部分１０１ａよりも小さい寸法を有する。本実施形態の燃料電池セル１０の基端面１０３の第１部分１０１ａは、平面視（ｘ軸方向視）において、貫通孔２１１ａよりも一回り大きい。図５及び図１０に示すように、第１部分１０１ａは、貫通孔２１１ａを覆っている。貫通孔２１１ａは、複数の第１ガス流路４１と連通している。

また、貫通孔２１１ａの第２方向の寸法は、第１ガス流路４１の直径よりも大きい。このように構成されていると、燃料電池セル１０の変形などによって燃料電池セル１０の基端部１０１の位置が設計値から多少ずれた場合であっても、貫通孔２１１ａと第１ガス流路４１とが連通する状態を維持できる。

図６及び図１１に示すように、燃料電池セル１０の基端部１０１の第２部分１０１ｂは、挿入孔２１１ｂに挿入されている。図５に示すように、第２方向（ｚ軸方向）において、挿入孔２１１ｂは、燃料電池セル１０の第２部分１０１ｂよりも大きい寸法を有する。燃料電池セル１０の基端部１０１の第２部分１０１ｂは、平面視（ｘ軸方向視）において、挿入孔２１１ｂよりも一回り小さい。挿入孔２１１ｂは、燃料電池セル１０の位置を規制する。挿入孔２１１ｂは、複数の第２ガス流路４２と連通している。

燃料電池セル１０の基端部１０１は、天板２１に固定されている。例えば、図７に示すように、燃料電池セル１０の基端部１０１は、接合材１０４などによって、天板２１に固定されている。詳細には、図１０に示すように、燃料電池セル１０の基端部１０１の第１部分１０１ａが貫通孔２１１ａを覆うように配置され、かつ図１１に示すように、第２部分１０１ｂが挿入孔２１１ｂに挿入された状態で、燃料電池セル１０の基端部１０１が天板２１に接合材１０４などによって固定されている。接合材１０４は、燃料電池セル１０の基端部１０１に沿って環状に形成されている。

［製造方法］
載置部２１４及び支持部２１５を含む天板２１を備えるマニホールド２を準備する。次に、載置部２１４に燃料電池セル１０の基端部１０１の第１部分１０１ａが載置され、支持部２１５の挿入孔２１１ｂに基端部１０１の第２部分１０１ｂが挿入されるように、燃料電池セル１０を天板２１に配置する。挿入孔２１１ｂによって、燃料電池セル１０の配列方向の移動が規制された状態で、燃料電池セル１０と天板２１とを接合材１０４で接合する。その後、熱処理を施すことによって、接合材１０４を形成する。以上の工程によって、図１のセルスタック装置を製造できる。

［発電方法］
上述したように構成されたセルスタック装置１００では、マニホールド２のガス供給室２０ｂに水素ガスなどの燃料ガスを供給するとともに、燃料電池セル１０を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極８において下記（１）式に示す化学反応が起こり、燃料極６において下記（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

詳細には、ガス供給室２０ｂに供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０の第２ガス流路４２内を流れ、各発電素子部５の燃料極６において、上記（２）式に示す化学反応が起こる。各燃料極６において未反応であった燃料ガスは、第２ガス流路４２を出て連通流路３０を介して第１ガス流路４１へ供給される。そして、第１ガス流路４１へ供給された燃料ガスは、再度、燃料極６において上記（２）式に示す化学反応が起こる。第１ガス流路４１を流れる過程において燃料極６において未反応であった燃料ガスは、マニホールド２のガス回収室２０ａへ回収される。

［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、天板２１は、第１方向（ｙ軸方向）の両端部に配置された載置部２１４と、第１方向の中央部に配置された支持部２１５とを含んでいるが、これに限定されない。例えば、図１２及び図１３に示すように、支持部２１５は、第１方向の両端部に配置されてもよい。また、載置部２１４は、第１方向の中央部に配置されてもよい。

本変形例では、燃料電池セル１０の基端部１０１の第１部分１０１ａは、第１方向の中央部に位置する領域である。この第１部分１０１ａは、載置部２１４に載置される。燃料電池セル１０の第２部分１０１ｂは、第１方向の両端部に位置する領域である。この第２部分１０１ｂは、挿入孔２１１ｂに挿入される。

変形例２
上記実施形態では、載置部２１４と支持部２１５との境界部分は、段差構造を有しているが、これに限定されない。例えば、図１４に示すように、支持部２１５は、第１方向（ｙ軸方向）の端縁に向かって、底板と反対側に向かって湾曲している。載置部２１４は平板である。なお、図１４に示すマニホールドの天板２１は、例えば図１２に示す貫通孔２１１ａ及び挿入孔２１１ｂを有する。

変形例３
上記実施形態では、貫通孔２１１ａと挿入孔２１１ｂとは、第１方向（ｙ軸方向）において互いに分離されているが、これに限定されない。例えば、図１５に示すように、貫通孔２１１ａと挿入孔２１１ｂとは、一体であってもよい。詳細には、第１方向において、挿入孔２１１ｂの両端部は、貫通孔２１１ａと連なっている。

本変形例では、第１方向の両端部に位置する貫通孔２１１ａは、隣り合う貫通孔２１１ａと、第１方向に互いに分離されているが、連なっていてもよい。

図１６に示すように、本変形例の支持部２１５を構成する天板２１の支持部２１５は、円弧状に湾曲している。載置部２１４は、平板である。

変形例４
上記実施形態では、第１マニホールド本体２ａは、貫通孔２１１ａと連通し、第２マニホールド本体２ｂは挿入孔２１１ｂと連通しているが、これに限定されない。第１マニホールド本体２ａは、挿入孔２１１ｂと連通し、第２マニホールド本体２ｂは、貫通孔２１１ａと連通してもよい。この構造は、例えば図１２に示す天板２１を備える場合に、実現される。

変形例５
上記実施形態では、第１マニホールド本体２ａがガス回収室２０ａを有し、第２マニホールド本体２ｂがガス供給室２０ｂを有しているが、これに限定されない。第１マニホールド本体２ａがガス供給室を有し、第２マニホールド本体２ｂがガス回収室を有してもよい。この構造は、例えば、図１２及び図１３に示すマニホールドによって実現される。

変形例６
上記実施形態では、マニホールド２は、第１マニホールド本体２ａ及び第２マニホールド本体２ｂを備えるが、これに限定されない。すなわち、マニホールド２は、ガス供給室２０ｂ及びガス回収室２０ａを有するが、これに限定されない。マニホールド２は、１つのマニホールド本体から構成されてもよい。すなわち、マニホールド２は、ガス供給室のみを有してもよい。

変形例７
上記実施形態では、支持部２１５は、載置部２１４に対して、底板から離れるように突出しているが、これに限定されない。ｘ軸方向において、載置部２１４と支持部２１５とは同一面上に位置してもよく、載置部２１４が支持部２１５よりも底板側に位置してもよい。これらの構造は、燃料電池セル１０の基端部１０１において、挿入孔２１１ｂに挿入される第２部分１０１ｂを、載置部２１４上に載置される第１部分１０１ａよりも底板側に突出させることにより実現される。

変形例８
図１７に示すように、セルスタック装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この場合、例えば、支持基板４内に連通流路３０が形成されていてもよい。この連通流路３０は、支持基板４の先端部４４において、幅方向（ｙ軸方向）に延びている。

変形例９
上記実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０３の第１部分１０１ａの外周縁部の全面が天板２１と当接していたが、第１部分１０１ａの外周縁部の少なくとも一部が天板２１と当接していなくてもよい。すなわち、基端面１０３の第１部分１０１ａと、天板２１の載置部２１４との間に隙間が形成されていてもよい。

図１８は、燃料電池セル１０の側面と、第１及び第２ガス流路４１、４２とを仮想線で示している。例えば、図１８に示すように、燃料電池セル１０の正面視（ｚ軸方向視）において、基端面１０３は、円弧状に形成されている。燃料電池セル１０の基端面１０３の第１部分１０１ａの一部が、天板２３１の載置部２１４と当接している。燃料電池セル１０の基端面１０３の第１部分１０１ａとマニホールド２の天板２１の載置部２１４との距離は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）において異なっている。

図１９に示すように、接合材１０４は、燃料電池セル１０の基端面１０３と、マニホールド２の天板２１の載置部２１４との隙間に充填されている。詳細には、接合材１０４は、第１部分１０１ａの外周縁と載置部２１４との間に充填されている。そして、接合材１０４は、基端面１０３の中央部と天板２３１との間には充填されていない。すなわち、第１ガス流路４１と、貫通孔２１１ａとが連通するように、第１ガス流路４１と貫通孔２１１ａとの間には接合材１０４は充填されていない。

なお、図２０に示すように、接合材１０４は、一部が貫通孔２１１ａと重なるように、貫通孔２１１ａと第１ガス流路４１との間にはみ出ていてもよい。また、接合材１０４の一部が、第１ガス流路４１の基端部４１１の内壁面を覆っていてもよい。この接合材１０４によって、第１ガス流路４１の基端部４１１の強度を向上させることができる。

また、接合材１０４の一部が、貫通孔２１１ａの内壁面の少なくとも一部を覆っていてもよい。これにより、接合材１０４が載置部２１４から剥離することを抑制できる。

変形例１０
上記実施形態の燃料電池セル１０は、各発電素子部５が支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている、いわゆる横縞型の燃料電池セルであるが、燃料電池セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、支持基板４の第１主面４５に１つの発電素子部５が支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。この場合、支持基板４の第２主面４６に一つの発電素子部５が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。

変形例１１
上記実施形態では、燃料電池セル１０からのオフガスをマニホールド２のガス回収室２２によって回収しているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル１０の先端部からオフガスを排出して燃焼させてもよい。

２ マニホールド
２１ 天板
２１１ａ 貫通孔
２１１ｂ 挿入孔
２１４ 載置部
２１５ 支持部
１０ 燃料電池セル
１００ セルスタック装置。

Claims (9)

1. 燃料電池セルの基端部を支持するマニホールドであって、
   底板、側板、及び天板を備え、
   前記天板は、
   前記基端部の第１部分が載置される載置部と、
   前記基端部の第２部分を支持する支持部と、
   を含み、
   前記載置部は、前記燃料電池セルにガスが連通する貫通孔を有し、
   前記支持部は、前記貫通孔と第１方向に１列に並び、前記基端部の第２部分が挿入される挿入孔を有し、
   前記第１方向と直交する第２方向において、前記挿入孔は前記貫通孔よりも大きい寸法を有する、
   マニホールド。
   
2. 前記支持部は、前記載置部に対して、前記底板から離れるように突出する、
   請求項１に記載のマニホールド。
   
3. 前記貫通孔と前記挿入孔とは、前記第１方向において互いに分離されている、
   請求項１または２に記載のマニホールド。
   
4. 前記貫通孔と連通する第１マニホールド本体と、
   第２マニホールド本体と、
   を含み、
   前記第１及び第２マニホールド本体の一方は、前記第１及び第２マニホールド本体の他方の内部に配置される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のマニホールド。
   
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のマニホールドと、
   前記天板から延びる燃料電池セルと、
   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。
   
6. 前記挿入孔は、前記燃料電池セルの位置を規制する、
   請求項５に記載のセルスタック装置。
   
7. 前記貫通孔は、前記燃料電池セルに形成された複数のガス流路と連通する、
   請求項５または６に記載のセルスタック装置。
   
8. 前記マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有し、
   前記燃料電池セルは、
   前記ガス回収室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びる少なくとも１つの第１ガス流路と、
   前記ガス供給室と連通し、前記燃料電池セルの基端部から先端部に延びて前記燃料電池セルの先端部において前記第１ガス流路と連通する、少なくとも１つの第２ガス流路と、
   を有する、
   請求項５から７のいずれか１項に記載のセルスタック装置。
   
9. 前記貫通孔は、前記第１及び第２ガス流路の一方と連通する、
   請求項８に記載のセルスタック装置。

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