特許 6452766 マニホールド、及びセルスタック装置

(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】6452766

(24)【登録日】2018年12月21日

(45)【発行日】2019年1月16日

(54)【発明の名称】マニホールド、及びセルスタック装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2484 20160101AFI20190107BHJP

   H01M 8/2485 20160101ALI20190107BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20190107BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/2484

   H01M8/2485

   H01M8/12 101

   H01M8/12 102C

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-133844(P2017-133844)

(22)【出願日】2017年7月7日

【審査請求日】2018年5月16日

【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】高木 哲二

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

【審査官】 太田 一平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−０６９１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１３４０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３２９５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１９６３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１２３８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１３３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５０９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０３３６３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１９５１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１５９３０２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８ − ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池セルと
前記燃料電池セルにガスを供給するためのマニホールドと、
前記燃料電池セルと前記マニホールドとを接合する第１接合材と、
を備え、
前記マニホールドは、底壁、側壁、及び上壁を備え、
前記上壁は、前記燃料電池セルの一方の端部が挿入される少なくとも一つの貫通孔を有し、
前記貫通孔を画定する内壁面は、前記燃料電池セルの外周面に沿って延びる主面と、前記主面と前記上壁の上面とを連結する湾曲面と、を有し、
前記燃料電池セルは、前記貫通孔内に一方の端部が挿入され、
前記第１接合材は、前記燃料電池セルと前記上壁とを接合し、
前記燃料電池セルの外周面と前記貫通孔の主面との間には隙間が形成されており、
前記第１接合材は、前記隙間に充填される、
セルスタック装置。

【請求項2】

前記上壁は、前記貫通孔の周辺部から下方に突出する突出部をさらに有する、
請求項１に記載のセルスタック装置。

【請求項3】

前記上壁は、複数の前記貫通孔を有する、
請求項１又は２に記載のセルスタック装置。

【請求項4】

前記各貫通孔は、前記燃料電池セルが１つずつ挿入されるように構成される、
請求項３に記載のセルスタック装置。

【請求項5】

前記湾曲面は、前記貫通孔の全周に亘って延びている、
請求項１から４のいずれかに記載のセルスタック装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

セルスタック装置は、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。

【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】

各燃料電池セルは、上壁に形成された挿入孔内に挿入されている。そして、各燃料電池セルは、接合材によって、上壁に接合されている。この接合材は、燃料電池セルの外周面と貫通孔の内壁面との隙間をシールする機能も有している。この隙間を接合材によってシールすることは、燃料ガスの漏出防止の観点から重要である。

【0005】

本発明の課題は、接合材によるシール性を向上させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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、側壁、及び上壁を備えている。上壁は、燃料電池セルの一方の端部が挿入される少なくとも一つの貫通孔を有している。貫通孔を画定する内壁面は、燃料電池セルの外周面に沿って延びる主面と、主面と上壁の上面とを連結する湾曲面と、を有している。

【0007】

この構成によれば、貫通孔の内壁面の上端部が湾曲面によって構成されている。このため、燃料電池セルと天板とを接合するように塗布された接合材が、この湾曲面に沿って、燃料電池セルの外周面と貫通孔の内壁面との隙間に流れ込み易くなる。この結果、燃料電池セルの外周面と貫通孔の内壁面との隙間に接合材を充填させやすくなり、接合材によるシール性を向上させることができる。

【0008】

好ましくは、上壁は、貫通孔の周辺部から下方に突出する突出部をさらに有する。この構成によれば、突出部の分だけ内壁面の面積が大きくなるため、接合材によるシール性をより向上することができる。

【0009】

好ましくは、上壁は、複数の貫通孔を有している。この場合、各貫通孔は、燃料電池セルが１つずつ挿入されるように構成されていることが好ましい。

【0010】

好ましくは、湾曲面は、貫通孔の全周に亘って延びている。

【0011】

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、貫通孔内に一方の端部が挿入される燃料電池セルと、燃料電池セルと上壁とを接合する第１接合材と、を備えている。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、接合材によるシール性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】セルスタック装置の斜視図。

【図2】セルスタック装置の断面図。

【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】マニホールドの拡大断面図。

【図10】燃料電池セルの斜視図。

【図11】燃料電池セルの断面図。

【図12】セルスタック装置の拡大断面図。

【図13】変形例に係るマニホールドの断面図。

【図14】変形例に係るマニホールドの拡大断面図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

［セルスタック装置］
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〜図３に示すように、セルスタック装置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、を備えている。

【0015】

［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。

【0016】

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。

【0017】

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、フランジ部２６を有していてもよい。

【0018】

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。

【0019】

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。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。

【0020】

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。

【0021】

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。フランジ部２６は、環状である。

【0022】

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。

【0023】

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の内側面及び外側面は、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り、外側面とはマニホールド２の外部を臨む面である。

【0024】

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の内側面及び外側面は、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り、外側面とはマニホールド２の外部を臨む面である。

【0025】

第１側壁２４及び第２側壁２５と、フランジ部２６との第３境界部２０ｃの内側面及び外側面は、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り、外側面とはマニホールド２の外部を臨む面である。

【0026】

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との間に隙間部２８が形成されている。すなわち、上壁２２の下面とフランジ部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。隙間部２８は、全周に亘って形成されている。

【0027】

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、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、接合材又は溶接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。

【0028】

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。この貫通孔２７に燃料電池セル１の下端部が挿入される。なお、各貫通孔２７には、燃料電池セル１が１つずつ挿入されている。すなわち、１つの貫通孔２７には、燃料電池セル１が１つだけ挿入されている。

【0029】

図９に示すように、貫通孔２７を画定する内壁面２７１は、主面２７１ａと、湾曲面２７１ｂとを有している。主面２７１ａは、燃料電池セル１の外周面に沿って延びている。具体的には、主面２７１ａは、垂直に延びている。なお、主面２７１ａは、傾斜していてもよい。例えば、主面２７１ａは、下方に向かって燃料電池セル１に近付くように傾斜していてもよい。

【0030】

湾曲面２７１ｂは、上壁２２の上面２２２と、主面２７１ａとを連結している。上面２２２、湾曲面２７１ｂ、及び主面２７１ａは、互いに連続している。湾曲面２７１ｂは、貫通孔２７の全周に亘って延びている。すなわち、湾曲面２７１ｂは、環状に形成されている。湾曲面２７１ｂは、上方を向くとともに、燃料電池セル１を向いている。湾曲面２７１ｂの曲率半径は、例えば、０．１〜３．０mm程度とすることができる。この湾曲面２７１ｂは、上方にいくにつれて、燃料電池セル１から離れるように湾曲している。

【0031】

上壁２２は、突出部２２１を有している。突出部２２１は、貫通孔２７の周辺部から下方に突出している。この突出部２２１の厚さｔは、例えば、０．３〜２．０ｍｍ程度である。また、突出部２２１の高さＨは、０．０５〜２．０ｍｍ程度である。なお、突出部２２１の高さHは、上壁２２の下面から突出部２２１の先端までの寸法である。突出部２２１は、例えば、バーリング加工によって形成することができる。突出部２２１は、垂直に延びていてもよいし、下方に向かって燃料電池セル１に近付くように傾斜していてもよい。

【0032】

［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。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２７１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（図９参照）。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

図１２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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

［第1接合材］
図９に示すように、第１接合材３は、第１燃料電池セル１とマニホールド２とを接合している。詳細には、第１接合材３は、第１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、上壁２２の貫通孔２７の外周縁に沿って環状に形成されている。第１接合材３は、第１燃料電池セル１の外周面と貫通孔２７の内壁面２７１との隙間内に充填されており、この隙間を埋めている。すなわち、第１接合材３は、第１燃料電池セル１の外周面と貫通孔２７の内壁面２７１との隙間からガスが漏出することを防止するよう、この隙間をシールしている。なお、第１接合材３は、緻密膜１８と接触している。

【0056】

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。

【0057】

第１接合材３は、非晶質材料（非晶質ガラス）のペーストを、第１燃料電池セル１の外周面と貫通孔２７の内壁面２７１との隙間を埋めるように塗布し、これに熱処理を加えることによって形成される。この熱処理によって非晶質材料の温度がその結晶化温度まで到達すると、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が形成される。なお、貫通孔２７の内壁面２７１の上端部は湾曲面２７１ｂによって構成されているため、上述したように塗布された第１接合材３は、湾曲面２７１ｂに沿って上記隙間内に流れ込み易い。

【0058】

［発電方法］
以上のように構成されたセルスタック装置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。このセルスタック装置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）

【0059】

［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。

【0060】

変形例１
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。

【0061】

変形例２
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は、傾斜していなくてもよい。

【0062】

変形例３
上記実施形態では、底壁２３、一対の第１側壁２４、及び一対の第２側壁２５がマニホールド本体２１を構成しているが、マニホールド２の構成はこれに限定されない。

【0063】

例えば、図１３に示すように、マニホールド２は、上壁２２、一対の第１側壁２４、及び一対の第２側壁２５がマニホールド本体２１を構成しており、底壁２３がこのマニホールド本体２１の下面を封鎖するように構成されていてもよい。また、マニホールド２は、第１フランジ部２６の代わりに第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。

【0064】

上壁２２と、第１側壁２４及び第２側壁２５との第４境界部２０ｄの内側面及び外側面は、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り、外側面とはマニホールド２の外部を臨む面である。

【0065】

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の内側面及び外側面は、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り、外側面とはマニホールド２の外部を臨む面である。

【0066】

図１４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。

【0067】

図１３に示すように、底壁２３は、マニホールド２の下面を塞ぐように、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が全周に亘って第２フランジ部２９と接合されている。例えば、底壁２３と第２フランジ部２９とは、溶接又は接合材などによって接合されている。

【0068】

変形例９
上記実施形態では、燃料電池セル１の支持基板１２の下端部が挿入孔２７内に挿入されているが、燃料電池セル１の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１は、支持基板１２の下端部に取り付けられる部材をさらに有しており、その部材が挿入孔２７に挿入されていてもよい。

【符号の説明】

【0069】

１ 燃料電池セル
２ マニホールド
２２ 上壁
２３ 底壁
２４ 第１側壁
２５ 第２側壁
２７ 貫通孔
２７１ 内壁面
２７１ａ 主面
２７１ｂ 湾曲面

【要約】

【課題】接合材によるシール性を向上させる。
【解決手段】マニホールド２は、燃料電池セル１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２は、底壁、側壁、及び上壁２２を備えている。上壁２２は、燃料電池セル１の一方の端部が挿入される貫通孔２７を有している。貫通孔２７を画定する内壁面２７１は、燃料電池セル１の外周面に沿って延びる主面２７１ａと、主面２７１ａと上壁２２の上面２２２とを連結する湾曲面２７１ｂと、を有している。
【選択図】図９

【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】