(57)【要約】【課題】ガス導入口に最も近い燃料電池セルへのガス供給量を安定させる。【解決手段】マニホールド２は、底壁２３と、側壁２４と、上壁２２とを備えている。側壁２４は、ガス導入口２４１を有している。また、側壁２４は、底壁２３から上方に延びる。上壁２２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。側壁２４は、傾斜部として構成されている。傾斜部は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する。ガス導入口２４１は、傾斜部に形成される。【選択図】図５
2018077969.tif 000002
【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、
を備え、
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傾斜部を有し、
前記ガス導入口は、前記傾斜部に形成される、
マニホールド。
【請求項２】
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に記載のマニホールド。
【請求項３】
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、前記傾斜部として構成される、
請求項２に記載のマニホールド。
【請求項４】
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２又は３に記載のマニホールド。
【請求項５】
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４のいずれかに記載のマニホールド。
【請求項６】
前記側壁の上端部から外方に延びるフランジ部をさらに備え、
前記上壁は、前記フランジ部に固定される、
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】
前記側壁と前記フランジ部との第３境界部の内側面は、Ｒ形状である、
請求項６に記載のマニホールド。
【請求項８】
前記第３境界部と前記上壁との間に隙間部が形成される、
請求項７に記載のマニホールド。
【請求項９】
前記側壁の全体は、前記傾斜部として構成される、
請求項１から８のいずれか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、従来の燃料電気スタックは、ガス導入口に最も近い燃料電池セルへのガス供給量が不安定であるため、ガス導入口に最も近い燃料電池セルとその他の燃料電池セルとの間のガス供給量の差が大きくなるおそれがあった。そこで、本発明は、ガス導入口に最も近い燃料電池セルへのガス供給量を安定させることにある。
【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。側壁は、傾斜部を有している。傾斜部は、上方に向かって外方に広がるように傾斜する。ガス導入口は、傾斜部に形成される。
【０００６】
この構成によれば、ガス導入口が形成される傾斜部が上方に向かって外方に広がるように傾斜しているため、ガス導入口からマニホールド内に導入されたガスは、マニホールド内において上方に向かって拡散される。この結果、ガス導入口に最も近い燃料電池セルへのガス供給量が安定する。
【０００７】
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。
【０００８】
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、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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フランジ部をさらに備える。上壁は、フランジ部に固定される。
【００１２】
好ましくは、側壁とフランジ部との第３境界部の内側面は、Ｒ形状である。
【００１３】
好ましくは、第３境界部と上壁との間に隙間部が形成される。この隙間部を有さないマニホールドに比べて、この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。
【００１４】
好ましくは、側壁の全体は、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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガス導入口に最も近い燃料電池セルへのガス供給量を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［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。
【００１８】
［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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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ガス導入口２４１の断面積とから算出することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
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）、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。
【００２８】
導入管２０１は、例えば、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、Ｎｉ基合金、ＭｇＯ、及びＭｇＡｌ２Ｏ４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。
【００２９】
マニホールド本体２１の熱膨張係数ａと、導入管２０１の熱膨張係数ｂとの差（ｂ−ａ）は、６．０ｐｐｍ／K以下とすることが好ましい。この構成によれば、マニホールド本体に生じる熱応力を低減でき、ひいては、クラックの発生を抑制できる。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
マニホールド本体２１の肉厚ｔ１に対する導入管２０１の肉厚ｔ２の割合（ｔ２／ｔ１）は、０．１〜４．０程度とすることができる。なお、マニホールド本体２１の肉厚ｔ１は、例えば、０．５〜３．０ｍｍ程度である。また、導入管２０１の肉厚ｔ２は、例えば、０．３〜２．０ｍｍ程度である。
【００４０】
マニホールド２の内部空間の幅Ｗに対する導入管２０１の外径ｄの割合（ｄ／Ｗ）は、０．０２〜０．３程度とすることができる。また、マニホールド２の内部空間の高さＨに対する、導入管２０１の外径ｄの割合（ｄ／Ｈ）は、０．０６〜０．８程度とすることができる。なお、導入管２０１の外径ｄは、例えば、３．０〜１０ｍｍ程度である。これらのような構成とすることによって、導入管２０１とマニホールド２との接合箇所におけるクラックの発生を低減することができる。
【００４１】
［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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
［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。
【００６５】
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。
【００６６】
［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）
【００６７】
［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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
［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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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、この傾斜部２４２に形成されている。
【符号の説明】
【００７７】
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    フランジ部
２８    隙間部
【図１】
2018077969.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年10月5日(2017.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、ガス導入口に最も近い燃料電池セルへのガス供給量が不安定であるため、ガス導入口に最も近い燃料電池セルとその他の燃料電池セルとの間のガス供給量の差が大きくなるおそれがあった。そこで、本発明は、ガス導入口に最も近い燃料電池セルへのガス供給量を安定させることにある。