特許第6324601号(P6324601)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】6324601
(24)【登録日】2018年4月20日
(45)【発行日】2018年5月16日
(54)【発明の名称】マニホールド
(51)【国際特許分類】
   H01M 8/2484 20160101AFI20180507BHJP
   H01M 8/12 20160101ALN20180507BHJP
【ＦＩ】
   H01M8/2484
   !H01M8/12 101
【請求項の数】20
【全頁数】21
(21)【出願番号】特願2017-195179(P2017-195179)
(22)【出願日】2017年10月5日
【審査請求日】2017年10月5日
(31)【優先権主張番号】特願2016-227827(P2016-227827)
(32)【優先日】2016年11月24日
(33)【優先権主張国】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000202
【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】中村 俊之
(72)【発明者】
【氏名】寺澤 玄太
(72)【発明者】
【氏名】田中 裕己
(72)【発明者】
【氏名】大森 誠
【審査官】 守安 太郎
(56)【参考文献】
【文献】 特開２０１６−０８１９１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】 特開２００９−２８９５３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】 特開２０１０−１２３３２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】 特開昭６３−２０７０５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】 実開平０５−０８８７５９（ＪＰ，Ｕ）
【文献】 特開２０１６−０８１９１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】 国際公開第２０１６／１５８６８４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】 特表２０１６−５３６７７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】 特開２０１７−０９８２３６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｍ ８／２４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池セルにガスを供給するためのマニホールドであって、
底壁と、
ガス導入口を有し、前記底壁から上方に延びる側壁と、
前記燃料電池セルが取り付けられるように構成された上壁と、
前記底壁、側壁、及び上壁によって画定される内部空間において、前記ガス導入口と対向するように配置されるガス分散部材と、
を備える、マニホールド。
【請求項2】
前記ガス分散部材は、緻密体である、
請求項１に記載のマニホールド。
【請求項3】
前記ガス分散部材は、多孔質体である、
請求項１に記載のマニホールド。
【請求項4】
前記ガス分散部材は、板状であり、上方に向かって前記ガス導入口に近付くように傾斜する、
請求項１から３のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項5】
前記ガス分散部材は、板状であり、上方に向かって前記ガス導入口から離れるように傾斜する、
請求項１から３のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項6】
前記側壁は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する第１傾斜部を有し、
前記ガス導入口は、前記第１傾斜部に形成される、
請求項１から５のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項7】
前記側壁の全体は、前記第１傾斜部として構成される、
請求項６に記載のマニホールド。
【請求項8】
前記側壁は、下方に向かって外方に広がるように傾斜する第２傾斜部を有し、
前記ガス導入口は、前記第２傾斜部に形成される、
請求項１から５のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項9】
前記側壁の全体は、前記第２傾斜部として構成される、
請求項８に記載のマニホールド。
【請求項10】
前記側壁は、
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９のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項11】
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、前記第１傾斜部として構成される、
請求項４又は５に従属する請求項６に記載のマニホールド。
【請求項12】
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１０に記載のマニホールド。
【請求項13】
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１から１２のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項14】
前記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１３のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項15】
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１４に記載のマニホールド。
【請求項16】
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１５に記載のマニホールド。
【請求項17】
前記上壁と前記側壁との第４境界部の内側面は、Ｒ形状である、
請求項１から１６のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項18】
前記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、
前記底壁は、前記第２フランジ部に固定される、
請求項１から１７のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項19】
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１８に記載のマニホールド。
【請求項20】
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１９に記載のマニホールド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マニホールドに関するものである。
【背景技術】
【0002】
燃料電池スタックは、マニホールドと、複数の燃料電池セルとを備えている。マニホールドは、各燃料電池セルにガスを分配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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１５−７６３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
各燃料電池セルに対するガス供給量の差は小さい方が好ましい。しかしながら、従来の燃料電池スタックは、ガス導入口に近い各燃料電池セルへのガス供給量が低くなるなど、各燃料電池セルに対するガス供給量の差が大きいという問題があった。そこで本発明は、各燃料電池セルへのガス供給量の差を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明のある側面に係るマニホールドは、燃料電池セルにガスを供給するように構成されている。このマニホールドは、底壁と、側壁と、上壁と、ガス拡散部材と、を備えている。側壁は、ガス導入口を有している。また、側壁は、底壁から上方に延びる。上壁は、燃料電池セルが取り付けられるように構成されている。底壁、側壁、及び上壁によって、マニホールドの内部空間が画定されている。ガス拡散部材は、マニホールドの内部空間に配置されている。また、ガス拡散部材は、ガス導入口と対向するように配置されている。
【0006】
この構成によれば、ガス分散部材がガス導入口と対向するように配置されているため、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、ガス分散部材に衝突し、分散される。この結果、各燃料電池セルに対するガス供給量の差が低減される。
【0007】
好ましくは、ガス分散部材は、緻密体である。この構成によれば、マニホールドの内部空間に導入されたガスは、ガス分散部材に衝突し、ガス分散部材を回避するように分散される。
【0008】
好ましくは、ガス分散部材は、多孔質体である。この構成によれば、マニホールドの内部空間に導入されたガスは、ガス分散部材内に侵入して分散される。
【0009】
好ましくは、ガス分散部材は、板状であり、上方に向かってガス導入口に近付くように傾斜する。
【0010】
好ましくは、ガス分散部材は、板状であり、上方に向かってガス導入口から離れるように傾斜する。
【0011】
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第１傾斜部を有する。そして、ガス導入口は、第１傾斜部に形成される。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。
【0012】
好ましくは、側壁の全体は、第１傾斜部として構成される。すなわち、側壁全体が、上方に向かって外方に広がるように傾斜している。
【0013】
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第２傾斜部を有する。そして、ガス導入口は、第２傾斜部に形成される。
【0014】
好ましくは、側壁の全体は、第２傾斜部として構成される。すなわち、側壁全体が、下方に向かって外方に広がるように傾斜している。
【0015】
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。
【0016】
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、第１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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【発明の効果】
【0026】
本発明によれば、各燃料電池セルへのガス供給量の差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】燃料電池スタックの斜視図。
【図2】燃料電池スタックの断面図。
【図3】図２のIII−III線断面図。
【図4】図２のIV−IV線断面図。
【図5】マニホールドの拡大断面図。
【図6】図３のVI−VI線断面図。
【図7】マニホールドの拡大断面図。
【図8】上壁の平面図。
【図9】燃料電池セルの斜視図。
【図10】燃料電池セルの断面図。
【図11】燃料電池スタックの拡大断面図。
【図12】燃料電池スタックの製造方法を示す断面図。
【図13】燃料電池スタックの製造方法を示す断面図。
【図14】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図15】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図16】変形例に係るマニホールドの拡大断面図。
【図17】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図18】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図19】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図20】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図21】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図22】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図23】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図24】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図25】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図26】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図27】変形例に係るマニホールドの断面図。
【図28】変形例に係るマニホールドの断面図。
【発明を実施するための形態】
【0028】
［燃料電池スタック］
以下、本発明に係るマニホールドが採用された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。
【0029】
［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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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、本発明の第１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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
マニホールド２の内部空間に導入されるガスの流速は、ガス導入口２４１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。
【0037】
図５及び図６に示すように、マニホールド２は、ガス分散部材２９をさらに有している。ガス分散部材２９は、マニホールド２の内部空間に配置されている。ガス分散部材２９は、ガス導入口２４１と対向するように配置されている。すなわち、ガス導入口２４１からマニホールド２の内部空間に導入されたガスが衝突するように、ガス分散部材２９が配置されている。なお、ガス分散部材２９は、奥行き方向（ｚ軸方向）において、中央よりもガス導入口２４１側に配置されていることが好ましい。より好ましくは、ガス分散部材２９は、奥行き方向において、ガス導入口２４１から５〜２００ｍｍ程度、離れるように配置されている。
【0038】
ガス分散部材２９は、板状である。ガス分散部材２９は、底壁２３から上方に延びている。ガス分散部材２９は、例えば、底壁２３に溶接されている。ガス分散部材２９と上壁２２との間には隙間が形成されている。なお、ガス分散部材２９と上壁２２とは互いに接触していてもよい。すなわち、ガス分散部材２９と上壁２２との間に隙間が形成されていなくてもよい。ガス分散部材２９は、内部空間の幅方向（ｙ軸方向）において、各第２側壁２５との間に隙間を形成している。
【0039】
ガス分散部材２９は、緻密体によって構成されている。例えば、ガス分散部材２９の気孔率は、１０％以下である。より具体的には、ガス分散部材２９は、金属板などによって構成することができる。ガス導入口２４１からマニホールド２の内部空間に導入されたガスは、ガス分散部材２９に衝突して分散される。詳細には、ガス分散部材２９に衝突したガスは、その流速を低減させて、ガス分散部材２９と各第２側壁２５との隙間を介してガス導入口２４１から遠ざかる方向へと流れる。
【0040】
図３及び図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。
【0041】
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）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）、ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）、ＭｇＯ・ＳｉＯ２（ステアタイト）、及び２ＭｇＯ・ＳｉＯ２（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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
［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ほど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。
【0052】
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。
【0053】
図９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。
【0054】
各発電素子部１１は、電気的接続部１７（図１０参照）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。
【0055】
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、０．１〜３０ｍｍ２程度とすることができる。
【0056】
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。
【0057】
図１０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。
【0058】
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Ｙ２Ｏ３（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ＭｇＡｌ２Ｏ４（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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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Ｙ２Ｏ３（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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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）Ｏ２（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。
【0067】
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）Ｏ３（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）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、又は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（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。
【0068】
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、ＬａＣｒＯ３（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）ＴｉＯ３（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。
【0069】
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１０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。
【0070】
空気極集電部１７２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（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）ＣｏＯ３（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。
【0071】
図１１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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
［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。
【0075】
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、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ２−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、ＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３系及びＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。
【0076】
［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）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …（２）
【0077】
［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。
【0078】
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１２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。
【0079】
次に、図１３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。
【0080】
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。
【0081】
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。
【0082】
［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。
【0083】
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。
【0084】
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。
【0085】
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、楕円形状や矩形状であってもよい。
【0086】
変形例４
上記実施形態では、第１側壁２４及び第２側壁２５が第１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のみが第１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の全体が第１傾斜部として構成されていなくてもよい。例えば、図１４に示すように、第１側壁２４の一部分２４２のみが第１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、この第１傾斜部２４２に形成されている。
【0087】
変形例５
上記実施形態では、第１側壁２４及び第２側壁２５が第１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。
【0088】
変形例６
図１５及び図１６に示すように、ガス分散部材２９は、多孔質体であってもよい。ガス分散部材２９の気孔率は、例えば、１０〜７０％程度とすることができる。この構成によれば、マニホールド２の内部空間に導入されたガスは、ガス分散部材２９の内部に侵入し、ガス分散部材２９内で分散された後、各燃料電池セル１へと供給される。なお、ガス分散部材２９と上壁２２との間の隙間は、形成されていてもよいし、形成されていなくてもよい。また、ガス分散部材２９と第１側壁２４又は第２側壁２５との間の隙間も、形成されていてもよいし、形成されていなくてもよい。
【0089】
変形例７
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。
【0090】
例えば、図１７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。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
図１８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。
【0094】
図１７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。
【0095】
変形例８
図１９及び図２０に示すマニホールド２では、ガス分散部材２９は、ガス導入口２４１と対向していない。ガス分散部材２９は多孔質体であり、マニホールド２の内部空間の上部に配置されている。なお、マニホールド２の内部空間の下部には何も配置されていない。この内部空間の下部に、ガス導入口２４１が開口している。このため、ガス導入口２４１からマニホールド２の内部空間に導入されたガスは、まず、内部空間の下部に導入される。その後、ガスは、内部空間の上部に送られてガス分散部材２９内で分散され、最終的に各燃料電池セル１へと供給される。
【0096】
変形例９
上記実施形態では、ガス分散部材２９の数は1つであったが、ガス分散部材２９の数はこれに限定されず、複数のガス分散部材２９が設けられていてもよい。例えば、図２１に示すように、複数のガス分散部材２９は、幅方向（ｙ軸方向）に配列されていてもよい。また、図２２に示すように、複数のガス分散部材２９は、奥行方向（ｚ軸方向）に配列されていてもよい。さらには、複数のガス分散部材２９は、幅方向に配列され且つ奥行方向に配列されていてもよい。
【0097】
また、複数のガス分散部材２９が設けられる場合、緻密体のガス分散部材２９と、多孔質体のガス分散部材２９とが混在していてもよい。
【0098】
変形例１０
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るが、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２３、２４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。すなわち、第１側壁２４及び第２側壁２５の全体は、本発明の第２傾斜部として構成されていてもよい。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。
【0099】
変形例１１
上記実施形態では、ガス分散部材２９は底壁２３に取り付けられているが、これに限定されない。例えば、図２５に示すように、ガス分散部材２９は、上壁２２に取り付けられていてもよい。この場合、例えば、ガス拡散部材２９と底壁２３との間には隙間が形成されている。
【0100】
変形例１２
上記実施形態では、ガス分散部材２９は底壁２３に対して垂直に配置されるが、ガス分散部材２９は、底壁２３に対して傾斜していてもよい。例えば、図２６に示すように、ガス分散部材２９は、上方に向かってガス導入口２４１に近付くように傾斜していてもよい。このときの底板２３に対するガス分散部材２９の傾斜角度γは、例えば、２０〜７０度程度である。
【0101】
この変形例１２では、導入口２４１が形成された第１側壁２４は、ガス分散部材２９と同じ方向に傾斜しているが、図２７に示すようにガス分散部材２９と反対方向に傾斜してもよい。また、導入口２４１が形成された第１側壁２４は、傾斜していなくてもよい。
【0102】
変形例１３
図２８に示すように、ガス分散部材２９は、上方に向かってガス導入口２４１から離れるように傾斜してもよい。このときの底板２３に対するガス分散部材２９の傾斜角度γは、例えば、２０〜７０度程度である。
【符号の説明】
【0103】
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
２４１ ガス導入口
２５ 第２側壁
２６ 第１フランジ部
２８ 第１隙間部
２９ ガス分散部材
【要約】
【課題】各燃料電池セルへのガス供給量の差を低減する。
【解決手段】マニホールド２は、底壁と、第１及び第２側壁２４、２５と、上壁と、ガス拡散部材２９と、を備えている。第１側壁２４は、ガス導入口２４１を有している。底壁、第１及び第２側壁２４，２５、及び上壁によって、マニホールド２の内部空間が画定されている。ガス拡散部材２９は、マニホールド２の内部空間に配置されている。また、ガス拡散部材２９は、ガス導入口２４１と対向するように配置されている。
【選択図】図６
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
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