(57)【要約】【課題】ガスリークを抑制するとともに耐久性を向上するセルスタック装置を提供する。【解決手段】本発明のセルスタック装置（１）は、燃料電池セル（１００）と、この燃料電池セル（１００）が挿入される挿入孔（２３１）を有するマニホールド（２００）と、燃料電池セル（１００）とマニホールド（２００）とを接合する第１接合材（３００）と、を備えている。第１接合材（３００）は、マニホールド（２００）の内部空間に露出する露出面（３０１）からの距離（Ｌ１）が５０μｍ未満の第１領域（３１０）と、この第１領域（３１０）よりも外部側に位置する第２領域（３２０）と、からなる。第１領域（３１０）の気孔率は、第２領域（３２０）の気孔率よりも大きい。【選択図】図７
2019036530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと、
前記燃料電池セルが挿入される挿入孔を有するマニホールドと、
前記燃料電池セルと、前記マニホールドとを接合する接合材と、
を備え、
前記接合材は、
前記マニホールドの内部空間に露出する露出面からの距離が５０μｍ未満の第１領域と、
前記第１領域よりも外部側に位置する第２領域と、
からなり、
前記第１領域の気孔率は、前記第２領域の気孔率よりも大きい、セルスタック装置。
【請求項２】
前記第１領域の気孔率は、５％以上であり、
前記第２領域の気孔率は、４％以下である、請求項１に記載のセルスタック装置。
【請求項３】
前記第１領域の気孔率は、２５％以下であり、
前記第２領域の気孔率は、０．１％以上である、請求項２に記載のセルスタック装置。
【請求項４】
前記第１領域の気孔径は、０．１μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセルスタック装置。
【請求項５】
前記マニホールドは、
上方または下方が開口する箱状のマニホールド本体と、
前記開口を塞ぐ板状部材と、
を備え、
前記マニホールド本体は、
複数の平板部と、
前記平板部を連結する角部と、
を有し、
前記角部の厚さは、前記平板部の厚さよりも小さい、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセルスタック装置。
【請求項６】
前記マニホールドは、台座に配置されるマニホールドであって、
底壁と、
前記底壁から上方に延びる側壁と、
前記側壁の上端部を塞ぎ、かつ前記燃料電池セルが接合される上壁と、
前記底壁に取り付けられ、かつ前記台座に接する複数の突起部と、
を備え、
前記突起部は、前記底壁を構成する材料と異なる材料で構成されている、請求項１〜５のいずれか１項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、セルスタック装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の燃料電池セルと、この燃料電池セルの一端が固定されるマニホールドと、燃料電池セルとマニホールドとを固定するシール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、２０１６−２２５０３５号公報（特許文献１）が挙げられる。
【０００３】
特許文献１の接合材としてのシール材は、マニホールドの内部空間側である内側表面と、燃料電池セルの他端側である外側表面とを有しており、内側表面は、外側表面よりも表面粗さが大きい。表面粗さが大きい内側表面に優先的にクラックを発生させることによって、ガスリークを伴う外側表面のクラックを防止することが特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２２５０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１のシール材において、内側表面に優先的にクラックを発生させることができない場合があった。この場合、マニホールドの内部空間と、マニホールドの外部空間とを繋ぐクラックが発生し、内部空間に導入された燃料ガスが、内部空間から外部空間へと漏れ出してしまう。このため、上記特許文献１のセルスタック装置は、ガスリークを十分に抑制できないという問題があった。
【０００６】
本発明は、接合材におけるクラックを抑制できるセルスタック装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、接合材にクラックが発生するという問題は、セルスタック装置の動作時にマニホールドが変形することにより、接合材の下側に引張応力が加えられることに起因していることを見出した。そこで、本発明者は、接合材に加えられる引張応力を緩和する手段を鋭意研究して、本発明を完成させた。
【０００８】
本発明のセルスタック装置は、燃料電池セルと、この燃料電池セルが挿入される挿入孔を有するマニホールドと、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材と、を備え、接合材は、マニホールドの内部空間に露出する露出面からの距離が５０μｍ未満の第１領域と、この第１領域よりも外部側に位置する第２領域と、からなり、第１領域の気孔率は、第２領域の気孔率よりも大きい。
【０００９】
本発明のセルスタック装置によれば、マニホールドの内部空間に露出する露出面からの距離が５０μｍ未満の第１領域の気孔率は、外部側に位置する第２領域の気孔率よりも大きい。これにより、引張応力が加えられる露出面近傍の第１領域の変形性を向上できる。このため、セルスタック装置の動作時にマニホールドが変形しても、変形性の高い第１領域によって、接合材に発生する引張応力を緩和できる。したがって、接合材のクラックを抑制できる。
【００１０】
また、接合材において、引張応力が加えられる露出面から離隔した第２領域の気孔率は小さい。このため、第２領域によって、接合材の強度低下を抑制できる。したがって、接合材のクラックを抑制できる。
【００１１】
以上より、本発明のセルスタック装置は、露出面からの距離が５０μｍ未満の第１領域による応力緩和と、残部の第２領域による強度低下の抑制とによって、接合材におけるクラックを抑制できる。
【００１２】
本発明のセルスタック装置において好ましくは、第１領域の気孔率は、５％以上であり、第２領域の気孔率は、４％以下である。本発明のセルスタック装置においてより好ましくは、第１領域の気孔率は、２５％以下であり、第２領域の気孔率は、０．１％以上である。
【００１３】
これにより、第１領域の変形性と、第２領域の強度とを、より向上できる。このため、接合材におけるクラックをより抑制できる。
【００１４】
本発明のセルスタック装置において好ましくは、第１領域の気孔径は、０．１μｍ以上２０μｍ以下である。
【００１５】
これにより、第１領域の変形性と、第２領域の強度とを、より向上できる。このため、接合材におけるクラックをより抑制できる。
【００１６】
本発明のセルスタック装置において好ましくは、マニホールドは、上方または下方が開口する箱状のマニホールド本体と、開口を塞ぐ板状部材と、を備え、マニホールド本体は、複数の平板部と、平板部を連結する角部と、を有し、角部の厚さは、平板部の厚さよりも小さい。
【００１７】
箱状のマニホールド本体において平板部の厚さよりも角部の厚さが小さい。このため、セルスタック装置の動作時に、高温になり温度分布が生じると、角部が優先的に変形する。角部が歪みを吸収できるので、燃料電池セルとマニホールドとの接合領域の変形を抑制できる。したがって、マニホールドと燃料電池セルとを接合する接合材に、マニホールドの変形に起因したクラックを抑制することができる。
【００１８】
本発明のセルスタック装置において好ましくは、マニホールドは、台座に配置されるマニホールドであって、底壁と、底壁から上方に延びる側壁と、側壁の上端部を塞ぎ、かつ燃料電池セルが接合される上壁と、底壁に取り付けられ、かつ台座に接する複数の突起部と、を備え、突起部は、底壁を構成する材料と異なる材料で構成されている。
【００１９】
セルスタック装置の動作時において、燃料電池セルがマニホールドよりも高温になる場合に、底壁から台座に高温の熱を伝達する経路は、複数の突起部になる。複数の突起部と台座とが接触しているため、マニホールドと台座との接触面積を低減できる。このため、マニホールドから台座への熱損失を抑制できる。また、突起部及び底壁を構成する材料は異なるので、底壁に取り付ける突起部の自由度が高い。このため、仕様に応じて、マニホールドから台座への熱損失を効果的に抑制できる位置に突起部を設けることができる。したがって、マニホールドの温度低下を効果的に抑制できるため、燃料電池セルを接合する接合材に加えられる応力を抑制できる。よって、接合材におけるクラックを抑制できるので、接合材から反応ガスが漏れ出すことを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明は、接合材におけるクラックを抑制できるセルスタック装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施の形態のセルスタック装置を示す斜視図である。
【図２】実施の形態のセルスタック装置を示す断面図である。
【図３】実施の形態のセルスタック装置を示す断面図である。
【図４】実施の形態の燃料電池セルを示す斜視図である。
【図５】実施の形態の燃料電池セルを示す断面図である。
【図６】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。
【図７】実施の形態の別のセルスタック装置を示す拡大断面図である。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】従来のセルスタック装置の課題を説明するための模式図である。
【図１１】変形例のセルスタック装置を示す拡大断面図である。
【図１２】別の変形例のセルスタック装置を示す拡大断面図である。
【図１３】変形例４のセルスタック装置を示す断面図である。
【図１４】変形例５のセルスタック装置を示す断面図である。
【図１５】変形例７のセルスタック装置を示す断面図である。
【図１６】変形例８のセルスタック装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１〜図７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燃料電池セルについて説明する。セルスタック装置及び燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に用いられる。
【００２４】
［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、複数の燃料電池セル１００と、マニホールド２００と、第１接合材３００とを備えている。各燃料電池セル１００は、マニホールド２００によって支持されている。第１接合材３００は、各燃料電池セル１００と、マニホールド２００とを接合する。
【００２５】
［燃料電池セル］
図１〜図３に示すように、燃料電池セル１００は、マニホールド２００から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル１００は、マニホールド２００の上壁２３０から上方に延びている。燃料電池セル１００の下端部１０１は、マニホールド２００の挿入孔２３１内に挿入されている。なお、燃料電池セル１００の下端部１０１が挿入孔２３１内に挿入された状態において、燃料電池セル１００の下端部１０１の外周面と挿入孔２３１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３００が充填されている。このため、燃料電池セル１００の下端部１０１は、マニホールド２００に固定されている。一方、燃料電池セル１００の上端部１０２は、自由端である。燃料電池セル１００は、マニホールド２００によって、片持ち状態で支持され、自立している。
【００２６】
各燃料電池セル１００は、マニホールド２００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１００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１００の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル１００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１００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。
【００２７】
図２〜図７に示すように、燃料電池セル１００は、支持基板１１０と、複数の発電素子部１２０とを備えている。各発電素子部１２０は、支持基板１１０の両面に支持されている。なお、各発電素子部１２０は、支持基板１１０の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１２０は、燃料電池セル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。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池セル１００は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。
【００２８】
各発電素子部１２０は、電気的接続部１６０（図５参照）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１００の上端部１０２側において、支持基板１１０の一方面に形成された発電素子部１２０と他方面に形成された発電素子部１２０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１２０は、直列に接続されている。
【００２９】
支持基板１１０は、燃料電池セル１００の長手方向に延びる複数のガス流路１１１を内部に有している。ガス流路１１１は、マニホールド２００の挿入孔２３１を介して、マニホールド２００の内部空間と連通している。
【００３０】
支持基板１１０の長手方向は、燃料電池セル１００の長手方向と同じ方向である。各ガス流路１１１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１１１は、燃料電池セル１００の長手方向の両端部において開口している。
【００３１】
支持基板１１０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１１０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Ｙ２Ｏ３（酸化イットリウム）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１１０は、多孔質である。支持基板１１０の気孔率は、例えば、２０〜６０％である。
【００３２】
図５に示すように、支持基板１１０は、複数の第１凹部１１２を有している。各第１凹部１１２は、支持基板１１０の両面に形成されている。各第１凹部１１２は、支持基板１１０の長手方向において互いに間隔をあけて形成されている。
【００３３】
各発電素子部１２０は、燃料極１３０、電解質１４０、及び空気極１５０を有している。また、各発電素子部１２０は、反応防止膜１２１をさらに有している。
【００３４】
燃料極１３０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１３０は、燃料極集電部１３１と、燃料極活性部１３２とを有する。燃料極集電部１３１は、第１凹部１１２内に配置されている。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。
【００３５】
燃料極集電部１３１は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺとから構成されてもよいし、ＮｉＯとＹ２Ｏ３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１３１の厚さ、すなわち第１凹部１１２の深さは、例えば、５０〜５００μｍである。
【００３６】
燃料極活性部１３２は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺとから構成されてもよいし、ＮｉＯとＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（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、例えば、５〜３０μｍである。
【００３７】
電解質１４０は、燃料極１３０上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４０は、あるインターコネクタ１６１から他のインターコネクタ１６１まで燃料電池セル１００の長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル１００の長手方向において、電解質１４０とインターコネクタ１６１とが交互に配置されている。
【００３８】
電解質１４０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１４０は、例えば、ＹＳＺ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１４０の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。
【００３９】
反応防止膜１２１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１３２と略同一の形状であり、燃料極活性部１３２と略同じ位置に配置されている。反応防止膜１２１は、電解質１４０内のＹＳＺと空気極１５０内のＳｒ（ストロンチウム）とが反応して電解質１４０と空気極１５０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１２１は、例えば、ＧＤＣから構成される。反応防止膜１２１の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。
【００４０】
空気極１５０は、反応防止膜１２１上に配置されている。空気極１５０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１５０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）、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）、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。また、空気極１５０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１５０の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００４１】
電気的接続部１６０は、隣り合う発電素子部１２０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１６０は、インターコネクタ１６１及び空気極集電膜１６２を有する。インターコネクタ１６１は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。インターコネクタ１６１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１６１は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成されてもよいし、（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１６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００４２】
空気極集電膜１６２は、隣り合う発電素子部１２０のインターコネクタ１６１と空気極１５０との間を延びるように配置される。空気極集電膜１６２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１６２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３から構成されてもよいし、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３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１６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍである。
【００４３】
図６に示すように、燃料電池セル１００の下端部１０１は、緻密膜１２２によって覆われている。詳細には、緻密膜１２２は、支持基板１１０を覆っている。緻密膜１２２は、下端部側に形成された発電素子部１２０と電気的に接続されている。詳細には、緻密膜１２２は、電気的接続部１６０と電気的に接続されている。緻密膜１２２は、空気極集電膜１６２と支持基板１１０との間から近位側に向かって延びている。
【００４４】
緻密膜１２２は、緻密膜１２２の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜１２２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１２２の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜１２２は、絶縁性セラミックスで構成されている。
【００４５】
具体的には、緻密膜１２２は、上述した電解質１４０と反応防止膜１２１とによって構成することができる。緻密膜１２２を構成する電解質１４０は、支持基板１１０を覆っており、インターコネクタ１６１から支持基板１１０の下端近傍まで延びている。また、緻密膜１２２を構成する反応防止膜１２１は、電解質１４０と空気極集電膜１６２との間に配置されている。なお、緻密膜１２２は、電解質１４０のみで構成されていてもよいし、電解質１４０及び反応防止膜１２１以外の材料によって構成されていてもよい。
【００４６】
［マニホールド］
図１〜図３に示すように、マニホールド２００は、燃料電池セル１００に反応ガスを供給する。マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有している。図１に示すように、マニホールド２００の内部空間には、導入配管Ｐを介して燃料ガスが供給される。図２に示すように、マニホールド２００は、この内部空間と外部とを連通する複数の挿入孔２３１を有している。
【００４７】
マニホールド２００は、実質的に直方体状である。図３に示すように、マニホールド２００は、上方が開口する箱状のマニホールド本体と、開口を塞ぐ板状部材とを備えている。詳細には、マニホールド本体は、底壁２１０と、側壁２２０と、第１フランジ部２４０とを備えている。マニホールド本体の開口を塞ぐ板状部材は、上壁２３０である。
【００４８】
底壁２１０、側壁２２０、及び第１フランジ部２４０は、一体成形されている。一体成形された底壁２１０、側壁２２０及び第１フランジ部２４０と、上壁２３０とは、互いに別部材であり、接合されている。底壁２１０、側壁２２０、上壁２３０、及び第１フランジ部２４０は、例えば、耐熱性を有するような金属で構成されている。
【００４９】
底壁２１０は、平面視（ｘ軸方向視）が矩形状である。底壁２１０は、平面視において、長手方向と幅方向とを有している。
【００５０】
側壁２２０は、底壁２１０の外周部から上方に延びている。側壁２２０は、図１に示すように、一対の第１側壁２２１と、一対の第２側壁２２２とを有している。
【００５１】
一対の第１側壁２２１は、底壁２１０の対向する一対の縁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２２１は、底壁２１０の縁部のうち、長手方向に延びる一対の縁部から上方に延びている。第１側壁２２１は、マニホールド２００の長手方向に延びている。すなわち、複数の燃料電池セル１００の並ぶ方向に延びている。一対の第１側壁２２１は、マニホールド２００の幅方向において、互いに対向している。
【００５２】
一対の第２側壁２２２は、底壁２１０の残りの対向する縁部から上方に延びている。詳細には、各第２側壁２２２は、底壁２１０の縁部のうち、幅方向に延びる一対の縁部から上方に延びている。また、各第２側壁２２２は、マニホールド２００の幅方向に延びている。すなわち、各第２側壁２２２は、燃料電池セル１００の幅方向に延びている。各第２側壁２２２は、マニホールド２００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２２２のうち、一方の第２側壁２２２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２２２は、導入配管Ｐが接続されるための貫通孔を有している。
【００５３】
第１フランジ部２４０は、側壁２２０の上端部から外方に延びている。詳細には、第１フランジ部２４０は、各第１側壁２２１及び各第２側壁２２２の上端から外方に延びている。第１フランジ部２４０は、環状である。
【００５４】
第１側壁２２１と第２側壁２２２との第１境界部２０２は、Ｒ形状である。具体的には、第１側壁２２１と第２側壁２２２との第１境界部２０２の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第１境界部２０２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２０２は、マニホールド２００の高さ方向に延びる。
【００５５】
図３に示すように、底壁２１０と側壁２２０との第２境界部２０３は、Ｒ形状である。具体的には、底壁２１０と、第１側壁２２１及び第２側壁２２２との第２境界部２０３の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第２境界部２０３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２０３は、環状である。
【００５６】
側壁２２０と第１フランジ部２４０との第３境界部２０４は、Ｒ形状である。具体的には、第１側壁２２１及び第２側壁２２２と、第１フランジ部２４０との第３境界部２０４の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第３境界部２０４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２０４は、環状である。
【００５７】
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２０２〜２０４の内側面とは、マニホールド２００の内部空間を臨む面である。第１〜第３境界部２０２〜２０４の外側面とは、マニホールド２００の外側を臨む面である。
【００５８】
上壁２３０は、側壁２２０の上端部を塞ぐように構成されている。具体的には、上壁２３０の外周部は、第１フランジ部２４０上に配置されている。マニホールド２００の内部空間を密閉するため、上壁２３０が全周に渡って、第１フランジ部２４０に接合されている。上壁２３０は、例えば、接合材、溶接などによって、第１フランジ部２４０に接合されている。
【００５９】
図２に示すように、上壁２３０は、燃料電池セル１００が挿入される挿入孔２３１を複数有している。各挿入孔２３１は、マニホールド２００の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。また、挿入孔２３１は、マニホールド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。
【００６０】
［第１接合材］
第１接合材３００は、燃料電池セル１００をマニホールド２００に固定する。詳細には、第１接合材３００は、燃料電池セル１００の下端部１０１とマニホールド２００の上壁２３０とを接合している。また、第１接合材３００は、緻密膜１２２と接触している。なお、燃料電池セル１００がマニホールド２００に固定された状態において、挿入孔２３１とガス流路１１１とが連通している。
【００６１】
第１接合材３００は、マニホールド２００の内部空間（燃料ガスに曝される空間）と、セルスタック装置１の外部（酸素を含有するガスに曝される空間）とを区画することによって、燃料ガスと酸素を含有するガスとの混合を防止する機能を有している。このため、図６に示すように、第１接合材３００は、燃料ガスに曝される面である露出面３０１と、酸素を含有するガスに曝される外表面３０２とを有している。露出面３０１は、マニホールド２００の内部空間に露出する。外表面３０２は、セルスタック装置１の外部に露出する。
【００６２】
なお、露出面３０１は、図６では模式的に平面で示しているが、実際には凹凸が形成されている。また、露出面３０１は、図６に示すように、マニホールド２００の上壁２３０の上面２３２に沿って延びてもよく、図７に示すように、上面２３２と交差する方向に延びてもよい。また、図６に示すように露出面３０１と外表面３０２とは平行でなくてもよく、図７に示すように露出面３０１と外表面３０２とは略平行であってもよい。
【００６３】
また、図６に示すように、第１接合材３００は、第１領域３１０と、第２領域３２０とからなる。つまり、第１接合材３００は、２層構造である。第１領域３１０と第２領域３２０との境界Ｂは、露出面３０１と略平行である。すなわち、露出面３０１に沿った方向が境界Ｂである。なお、境界Ｂは、図６では模式的に平面で示しているが、実際には凹凸が形成される。具体的には、境界Ｂは、露出面３０１からの距離Ｌ１が５０μｍ未満の位置である。境界Ｂは、マニホールド２００の上面２３２よりも下方に位置している。
【００６４】
第１領域３１０は、露出面３０１を有する内側領域である。第１領域３１０は、露出面３０１からの距離Ｌ１が０μｍを超えて５０μｍ未満の領域であり、距離Ｌ１が２μｍ以上４５μｍ以下の領域であることが好ましく、距離Ｌ１が５μｍ以上４０μｍ以下の領域であることがより好ましい。
【００６５】
なお、「露出面からの距離Ｌ１」は、図６に示すように露出面３０１が上面２３２に略平行の場合には、第１領域３１０においてマニホールドの高さ方向（ｘ軸方向）の距離である。図７に示すように露出面３０１が上面２３２と交差する場合には、距離Ｌ１は、露出面３０１から第１接合材３００の内部に向けた長さであって、露出面３０１のそれぞれの位置における接線に垂直な直線の長さである。
【００６６】
第２領域３２０は、第１領域３１０よりも外部側に位置している。第２領域３２０は、外表面３０２を有する外側領域である。
【００６７】
第１領域３１０の気孔率は、第２領域３２０の気孔率よりも大きい。このため、第１領域３１０は、高い変形性を有し、第２領域３２０は、高い強度及びシール性を有している。
【００６８】
第１領域３１０の気孔率は、好ましくは５％以上２５％以下であり、より好ましくは５％以上２０％以下である。５％以上であると、変形性がより向上し、応力を緩和する効果がより得られる。一方、２５％を超えると強度低下の影響が顕在化しやすいため、２５％以下が好ましい。
【００６９】
第２領域３２０の気孔率は、好ましくは０．１％以上４％以下であり、より好ましくは０．１％以上３％以下である。４％以下であると、良好なシール性を確保できる。第２領域３２０の気孔率についてはシール性の観点でより小さいほど好ましいが、作製容易性の観点から０．１％以上が好ましい。
【００７０】
上記「気孔率」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像を画像解析により気孔部分を数値化することで測定される値である。具体的には、ＦＥ−ＳＥＭで７５００倍に拡大した画像をＭＶＴｅｃ社製の画像解析ソフトＨＡＬＣＯＮによって解析する。解析後の断面画像上で接合材を構成する材料部分と気孔部分とのそれぞれの面積占有率を求め、気孔部分の面積占有率を気孔率として定義する。断面画像は、第１領域３１０及び第２領域３２０ともに各１０視野について撮影して気孔率を数値化し、その平均値を第１領域３１０及び第２領域３２０の気孔率とする。
【００７１】
第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比（第１領域３１０の気孔率／第２領域３２０の気孔率）は、好ましくは１．３以上２５０００以下であり、より好ましくは１．７以上２０００以下であり、より一層好ましくは４．３以上５０以下である。上記範囲内とすることで、シール性と応力緩和との効果を両立することができる。
【００７２】
第１領域３１０の気孔径は、例えば０．１μｍ以上２０μｍであり、好ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、より好ましくは０．２μｍ以上８μｍ以下である。０．１μｍ以上であると、変形性が向上し、応力をより緩和する効果が得られる。２０μｍを超えると強度低下の影響が顕在化しやすいため、２０μｍ以下であることが好ましい。
【００７３】
上記「気孔径」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像の画像解析により求めた気孔の円相当径の値である。ここで、円相当径とは、断面の画像解析により求められる測定対象（粒子や気孔）の面積値を有する円の直径である。気孔率の算出と同様に、断面画像は１０視野について撮影して気孔径を数値化する。各視野の平均気孔径を算出し、１０視野の平均気孔径をさらに平均したものを気孔径として定義する。
【００７４】
なお、第１領域３１０及び第２領域３２０の気孔率及び気孔径は、例えば、熱処理前に添加される有機成分を含有する造孔材の大きさ及び量（体積割合）を調整することによって制御できる。
【００７５】
第１接合材３００における露出面３０１からの最大距離Ｌに対する第１領域３１０を区画する露出面３０１からの距離Ｌ１の比（Ｌ１／Ｌ）は、０．５未満である。詳細には、境界Ｂから外表面３０２への最大距離（Ｌ−Ｌ１）は、距離Ｌ１よりも大きい。つまり、第１領域３１０よりも第２領域３２０は、大きい。
【００７６】
比（Ｌ１／Ｌ）は、好ましくは０．０００２以上０．５以下であり、より好ましくは０．０００５以上０．３以下であり、より一層好ましくは０．０００５以上０．０１以下である。上記範囲内とすることで、第１接合材３００の強度と応力緩和との効果を両立することができる。
【００７７】
燃料電池セルの幅方向に沿った断面（ｚ軸方向視）において、第１接合材３００の面積に対する第１領域３１０の面積の比（第１領域３１０の面積／第１接合材３００の面積）は、好ましくは０．０００２以上０．５以下であり、より好ましくは０．００２以上０．３以下である。上記範囲内とすることで、ガラス強度と応力緩和との効果を両立することができる。
【００７８】
なお、第１領域３１０及び第２領域３２０の距離及び面積は、第１領域３１０及び第２領域３２０となるべき材料を塗布する量及び範囲を調整することによって制御できる。
【００７９】
第１領域３１０と第２領域３２０とを構成する材料は、同じであってもよく、異なっていてもよい。第１接合材３００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、または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３００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３００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。
【００８０】
ここで、第１領域３１０及び第２領域３２０は、さらに気孔率の異なる複数の部分を有していてもよい。この場合、第１接合材３００は、上側に向けて気孔率が単調減少することが好ましい。つまり、第１接合材３００の気孔率は、露出面３０１から上方に向けて常に同じまたは減少している。
【００８１】
［製造方法］
続いて、本実施の形態のセルスタック装置１の製造方法について図１〜図９を参照して説明する。
【００８２】
まず、複数の燃料電池セル１００と、マニホールド２００とを準備する。そして、図８に示すように、第１集電部材４、及び第２接合材５となる材料によって、各燃料電池セル１００を互いに接続し、セル集合体１０３を作製する。なお、この段階では第２接合材５となる材料は焼成されておらず、各燃料電池セル１００は互いに仮止めの状態である。
【００８３】
次に、図９に示すように、セル集合体１０３の各燃料電池セル１００の下端部１０１をマニホールド２００の各挿入孔２３１に挿入する。なお、各燃料電池セル１００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。
【００８４】
次に、図２に示すように、挿入孔２３１に挿入された燃料電池セル１００とマニホールドの上壁２３０とを接合するように第１接合材３００となる材料を塗布する。なお、第１接合材３００となる材料は、燃料電池セル１００の付け根に沿って塗布されている。また、第１接合材３００となる材料は、燃料電池セル１００の下端部１０１の外周面と挿入孔２３１の内壁面との隙間に充填されていてもよい。
【００８５】
第１接合材となる材料を塗布する工程では、例えば、以下のように行う。まず、マニホールド２００の挿入孔２３１に、第１領域３１０となる材料を充填する。この際には、熱処理後に、マニホールドに露出する露出面３０１からの距離Ｌ１が５０μｍ未満となるように、第１領域３１０となる材料を充填する。その後、第１領域３１０となる材料上に、第２領域３２０となる材料を配置する。第１領域３１０及び第２領域３２０となる材料には、造孔材を添加する。第１領域３１０となる材料に含まれる造孔材の大きさ及び量（体積割合）は、第２領域３２０となる材料に含まれる造孔材よりも大きい。
【００８６】
次に、第１接合材３００及び第２接合材５となる材料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３００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１００と第１集電部材４とが固定される。また、第１接合材３００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３００が機能を発揮し、各燃料電池セル１００の下端部１０１がマニホールド２００の上壁２３０に固定される。
【００８７】
上記工程を実施することによって、図１〜図７に示すセルスタック装置を製造できる。
【００８８】
［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７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。
【００８９】
マニホールド２００を介して各燃料電池セル１００のガス流路１１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１１０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１４０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１５０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１３０において下記の式２に示す電気化学反応が起こる。
（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−      ・・・（式１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        ・・・（式２）
【００９０】
さらに、支持基板１１０のガス流路１１１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１１１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。
【００９１】
［作用］
続いて、本実施の形態のセルスタック装置１の作用について説明する。
【００９２】
まず、上記特許文献１などの従来のセルスタック装置の問題について、図１０を参照して、説明する。従来のセルスタック装置の動作時には、マニホールド２００が撓む。このため、図１０に示すように、接合材３５０の下側に引張応力が加えられる。この引張応力に起因して、接合材３５０にクラックが発生することがある。このクラックが成長して、マニホールドの内部空間と、マニホールドの外部空間とを繋ぐ場合がある。この場合、内部空間に導入された燃料ガスが、内部空間から外部空間へと漏れ出してしまう。このため、従来のセルスタック装置は、ガスリークを十分に抑制できないという問題があった。
【００９３】
そこで、第１接合材３００の下側に加えられる引張応力を緩和するために、本発明者は、第１接合材３００におけるマニホールド２００に露出する露出面３０１近傍の気孔率を大きくして、変形性を確保することを考えた。つまり、気孔により、第１接合材３００をマニホールド２００の撓みに応じて曲がりやすくするという技術的思想に想到した。一方で、大きな気孔率の領域が大きいと、第１接合材３００全体としての強度低下を生じ、クラックが生じてしまうという問題に対処することを考えた。このように、第１領域３１０の応力緩和と強度とを両立することによりクラックを抑制する第１接合材を実現するために、鋭意検討した結果、第１領域３１０の露出面からの距離Ｌ１を制御することを見出し、下記の表１の知見を得た。
【００９４】
【表１】
2019036530.tif 000003
【００９５】
上記表１は、図７に示すように、第１接合材３００の露出面３０１が挿入孔２３１の側面から燃料電池セル１００に向けて上方に傾斜するように形成されたセルスタック装置に関する。２０個の燃料電池セルがマニホールドに固定されている。第１接合材は、結晶化ガラスである。セルスタック装置において燃料電池セル１００の幅方向（ｚ軸方向）に沿った断面において、第１接合材３００の気孔率を測定する。気孔率が大きい第１領域３１０と気孔率の小さい第２領域３２０との境界Ｂが位置する露出面３０１からの距離Ｌ１は、上記の表１に記載の通りである。第１接合材３００における露出面３０１からの最大距離Ｌは、４ｍｍであり、実施例１〜５及び比較例１、２とも同じである。
【００９６】
第１接合材において、第１領域の気孔率は５％であり、第２領域の気孔率は０．１％である。なお、「気孔率」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像を画像解析により気孔部分を数値化することで測定した。具体的には、ＦＥ−ＳＥＭで７５００倍に拡大した画像をＭＶＴｅｃ社製の画像解析ソフトＨＡＬＣＯＮによって解析した。解析後の断面画像上でガラス材料部分と気孔部分とのそれぞれの面積占有率を求め、気孔部分の面積占有率を気孔率として定義した。断面画像は、第１領域３１０及び第２領域３２０ともに各１０視野について撮影して気孔率を数値化し、その平均値を第１領域３１０及び第２領域３２０の気孔率とした。
【００９７】
また、第１領域３１０の気孔径は、０．１μｍである。なお、「気孔径」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像の画像解析により求めた気孔の円相当径の値である。円相当径とは、断面の画像解析により求められる測定対象（粒子及び気孔）の面積値を有する円の直径である。気孔率の算出と同様に、断面画像は１０視野について撮影して気孔径を数値化した。各視野の平均気孔径を算出し、１０視野の平均気孔径をさらに平均したものを気孔径として定義した。
【００９８】
実施例１〜５及び比較例１、２のセルスタック装置について、熱サイクル試験により、ガスリーク量及びクラックの有無を調べた。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、ガスリーク量とクラック発生の有無とを調べた。その結果を上記表１に記載する。
【００９９】
上記表１において、ガスリーク量については、燃料電池セル１００のガス流路１１１出口端部を封止した上でマニホールド２００の導入配管Ｐよりアルゴンガスを供給し、マニホールド２００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。クラック有無の確認については、第１接合材の表面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行った。
【０１００】
表１に示すように、気孔率の大きい第１領域を有していない比較例１は、ほとんど変形できない。このため、熱サイクル試験（動作）時にマニホールド２００が変形すると、マニホールド２００の内部空間に露出する露出面３０１から多くのクラックが多く発生してしまう。その結果、マニホールドの内部と外部とを繋ぐクラックが発生し、内部空間に導入されたアルゴンガスが外部空間へと漏れ出してしまった。
【０１０１】
一方、気孔率の大きい第１領域を有する実施例１〜５は、変形が可能であった。このため、熱サイクル試験時の応力によってマニホールド２００が変形しても、第１接合材３００に発生する引張応力を緩和できる。つまり、実施例１〜５では、第１領域３１０の変形による応力緩和が有効に機能することで、第１接合材３００におけるクラックを抑制できる。その結果、実施例１〜５では、ガスリークが発生しないことを確認した。
【０１０２】
また、第１領域が大きい比較例２は、露出面からの距離Ｌ１が４５μｍである実施例５と比べて、変形性は同程度である。このことから、距離Ｌ１が５０μｍ以上であっても、変形性を大きく向上できないことがわかる。したがって、気孔率が相対的に大きい第１領域３１０が露出面３０１から０μｍを超えて５０μｍ未満であっても、第１接合材３００の高い変形性を発現できるので、動作時のマニホールドの撓みに有効である。
【０１０３】
さらに、比較例２は、変形性は高いものの、第２領域３２０が小さくなるので、第１接合材３００を構成するガラス全体としての強度低下を生じ、クラックが多く生じてしまった。その結果、マニホールドの内部と外部とを繋ぐクラックが発生し、内部空間に導入されたアルゴンガスが外部空間へと漏れ出してしまった。
【０１０４】
このように、実施例１〜５は、第１接合材３００において、変形性を確保するための第１領域３１０を小さくして、強度を確保するための第２領域を大きくしている。特に、露出面３０１から５μｍ以上４０μｍ以下の実施例２〜４のセルスタック装置は、第１領域３１０による変形性と第２領域３２０による強度とによって、クラック発生を非常に抑制できる。
【０１０５】
なお、第１領域３１０と第２領域３２０との境界は、露出面に沿った面であるという知見も得ている。
【０１０６】
以上より、本実施の形態の第１接合材３００は、マニホールド２００の内部空間に露出する露出面３０１からの距離Ｌ１が５０μｍ未満の第１領域３１０と、第１領域３１０よりも外部側に位置する第２領域３２０とからなり、第１領域３１０の気孔率は第２領域３２０の気孔率よりも大きい。したがって、この第１接合材３００を備える本実施の形態のセルスタック装置１は、高い変形性と、高い強度とを両立できるので、クラックを抑制できる。よって、本発明のセルスタック装置は、クラックに起因したガスリークを抑制できる。
【０１０７】
また、本発明者は、上記実施例３のセルスタック装置において、第１領域３１０及び第２領域３２０の気孔率による効果について、下記の表２の知見を得た。なお、表２におけるガスリーク量及びクラック有無について、実施例１〜５と同様の熱サイクル試験で評価した。
【０１０８】
【表２】
2019036530.tif 000004
【０１０９】
表２に示すように、第１領域の気孔率が５％以上２５％以下であり、第２領域３２０の気孔率が０．１％以上４％以下の実施例３、６及び７は、この範囲外の実施例８及９に比べて、クラック発生を抑制できる。このため、第１領域の変形性を高めるとともに、第２領域の強度を高めることによる効果をより発現できる。
【０１１０】
なお、実施例８及び実施例９のセルスタック装置においては、露出面からの距離Ｌ１が５０μｍ未満の第１領域３１０を有しているので、微小なクラックは発生したものの、ガスリークは生じなかった。
【０１１１】
さらに、本発明者は、上記実施例３のセルスタック装置において、第１領域３１０の気孔径による効果について、下記の表３の知見を得た。なお、表３におけるガスリーク量及びクラック有無について、実施例１〜５と同様の熱サイクル試験で評価した。
【０１１２】
【表３】
2019036530.tif 000005
【０１１３】
表３に示すように、第１領域３１０の気孔径が０．１μｍ以上２０μｍ以下の実施例３、１０〜１３は、この範囲外の実施例１４及び１５に比べて、クラック発生を抑制できる。このため、第１領域の変形性を高めることによる効果をより発現できる。
【０１１４】
なお、実施例１４及び実施例１５のセルスタック装置においては、露出面からの距離Ｌ１が５０μｍ未満の第１領域３１０を有しているので、微小なクラックは発生したものの、ガスリークは生じなかった。
【０１１５】
変形例１
ここで、上述した実施の形態では、第１接合材３００の露出面３０１は、燃料電池セル１００の下端面１１６よりも上方に位置しているが、本発明の露出面は、燃料電池セルの下端面よりも下方に位置してもよい。例えば、図１１及び図１２に示すように、第１接合材３００は、燃料電池セル１００の下端面１１６の少なくとも一部を覆っていてもよい。なお、第１接合材３００は、支持基板１１０を構成する材料よりも曲げ強度及び気孔率が高い材料である。このため、第１接合材３００において下端面１１６を覆う部分は、燃料電池セル１００の下端部の強度を高めるための被覆膜となる。
【０１１６】
この場合であっても、第１接合材３００は、露出面３０１からの距離Ｌ１が５０μｍ未満の第１領域３１０と、第１領域３１０よりも外部側に位置するとともに第１領域３１０よりも気孔率の大きい第２領域３２０とからなる。第１領域３１０と第２領域３２０との境界Ｂは、図１１に示すように、燃料電池セル１００の下端面１１６の下方に位置してもよく、図１２に示すように、下端面１１６の上方に位置してもよく、下端面１１６と同一平面上に位置してもよい（図示せず）。
【０１１７】
変形例２
上述した実施の形態のセルスタック装置は、支持基板１１０の１つの主面上に複数の発電素子部１２０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１１０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。
【０１１８】
変形例３
また、実施の形態では、マニホールド２００に形成された１つの挿入孔２３１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つの挿入孔に複数の燃料電池セルが挿入されていてもよい。
【０１１９】
変形例４
図１３に示すように、マニホールド本体において、角部が他の部分よりも薄くなるように構成されていてもよい。詳細には、マニホールド本体は、複数の平板部と、この平板部を連結する角部とを有している。平板部は、平坦な板状の部分である。なお、角部は、角を形成する部分、すなわち、角近傍である。本変形例では、複数の平板部は、底壁２１０の大部分を占める矩形状の平板部と、第１側壁２２１及び第２側壁２２２の大部分を占める４つの矩形状の平板部と、第１フランジ部２４０の大部分を占める環状の平板部とを有している。角部は、第１〜第３境界部２０２〜２０４であるので、環状の隅角部を含む。このように、本変形例のマニホールド本体は、複数の平板部と、複数の角部とからなる。
【０１２０】
なお、角部はＲ形状であるが、角部の形状は特に限定されない。角部は、複数の平面部が直交してなる直角であってもよく、複数の平面部の交差部分を平面状に湾曲している形状（Ｃ面取りされた形状）であってもよい。
【０１２１】
角部の厚さＴ２は、平板部の厚さＴ１よりも小さい。このため、角部は、平面部よりも優先して変形する部位であり、変形可能部である。複数の平板部の厚さが異なる場合には、最小の厚さを厚さＴ１とする。マニホールド本体は複数の角部を有し、複数の角部の厚さが異なる場合には、最小の厚さをＴ２とする。本実施の形態では、すべての角部の厚さＴ２が平板部の厚さＴ１よりも小さい。なお、厚さＴ１、Ｔ２は、板厚である。
【０１２２】
角部の厚さＴ２は、平板部の厚さＴ１の７０．０％以上９９．５％以下であることが好ましく、７５．０％以上９８．０％以下であることがより好ましい。７０．０％以上の場合、マニホールドの強度を向上でき、７５．０％以上の場合、マニホールドの強度をより向上できる。９９．５％以下の場合、変形しやすいので、第１接合材３００の変形を抑制することで、第１接合材３００におけるクラックを抑制でき、９８．０％以下の場合、第１接合材３００におけるクラックを効果的に抑制できる。また、７０．０％以上の場合、加工時にマニホールドの角部が破断することを防止できる。
【０１２３】
平板部の厚さＴ１は、例えば、０．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下である。角部の厚さＴ２は、例えば、０．３５ｍｍ以上３．９ｍｍ以下である。
【０１２４】
なお、図１３のマニホールド本体は複数の角部を有しており、すべての角部の厚さＴ２が平板部の厚さＴ１よりも小さいが、本発明のマニホールドはこれに限定されない。マニホールドが複数の角部を有する場合には、複数の角部の少なくとも１つの角部が平板部の厚さよりも小さい。この場合であっても、厚さの小さい角部が優先的に変形するので、同様の効果を有する。
【０１２５】
また、マニホールド２００が複数の角部を有する場合には、複数の角部の少なくとも１つの角部が平板部の厚さよりも小さければ、他の角部が平板部の厚さと同じであっても、大きくてもよい。マニホールド２００において、底壁２１０と側壁２２０との第２境界部２０３の厚さが平板部の厚さよりも小さいことが好ましい。この場合、側壁２２０と第１フランジ部２４０との第３境界部２０４の厚さは、平板部の厚さよりも大きくてもよい。
【０１２６】
本変形例の製造方法において、上方が開口する箱状のマニホールド本体を準備する工程では、例えば、角部となる部分が平板部となる部分よりも薄い板状の材料を準備して、箱状にプレス成形する。具体的には、例えば以下のように実施する。マニホールド本体となる平板状の材料を準備する。この材料において、角部となる部分の厚さを他の部分よりも薄くなるように加工する。加工された材料に対して、深絞り加工を行って、底壁２１０と側壁２２０と第１フランジ部２４０とからなるマニホールド本体を形成する。なお、上方が開口する箱状のマニホールド本体を準備する工程において、プレス加工により箱状に成型した後に、切削加工により、角部となる部分の厚さを他の部分よりも薄くしてもよい。
【０１２７】
変形例５
本実施の形態のマニホールド２００は、側壁２２０の上面が開口し、その上面を上壁２３０が塞いでいる構造であるが、本発明のマニホールドは、これに限定されない。例えば、図１４に示すように、側壁及び上壁が一体であって、側壁の下面が開口し、その下面を底壁が塞いでいる構造であってもよい。
【０１２８】
詳細には、マニホールド本体は、上壁２３０と、上壁２３０から下方に延びる側壁２２０と、側壁２２０の下端部から外方に延びる第２フランジ部２４１と、を含む。上壁２３０と側壁２２０との第４境界部２０５は、Ｒ形状であり、角部を構成する。すなわち、上壁２３０と側壁２２０との第４境界部２０５の厚さＴ２は、平板部の厚さＴ１よりも小さいことが好ましい。この場合、側壁２２０と第２フランジ部２４１との第５境界部２０６は、Ｒ形状であるが、平板部の厚さよりも小さくてもよく、大きくてもよい。底壁２１０は、下方が開口する箱状のマニホールド本体の開口を塞ぐ板状部材である。
【０１２９】
変形例６
本実施の形態のマニホールド２００は、側壁２２０が底壁２１０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、側壁２２０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く、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。なお、実施の形態及び変形例４のように上方が開口するマニホールド本体の側壁２２０は、底壁２１０から上方に向かって広がるように傾斜していることが好ましい。変形例５のように下方が開口するマニホールド本体の側壁２２０は、上壁２３０から下方に向かって広がるように傾斜していることが好ましい。
【０１３０】
変形例７
図１５に示すように、マニホールド２００は、突起部２５０をさらに備えていてもよい。突起部２５０は、底壁２１０に複数取り付けられている。詳細には、複数の突起部２５０は、底壁２１０の下面２１２に取り付けられている。このため、台座Ｐにマニホールド２００を配置すると、複数の突起部２５０が台座Ｐに接する。複数の突起部２５０は、底壁２１０の下面２１２に、偏析せずに、分散している。このため、マニホールド２００は、安定して台座Ｐに配置される。
【０１３１】
なお、底壁２１０は、上面２１１と、下面２１２とを有している。上面２１１は、鉛直方向上側の面であり、上壁２３０と対向する。下面２１２は、鉛直方向下側の面であり、台座Ｐと対向する。上面２１１及び下面２１２は、平坦な面である。
【０１３２】
突起部２５０を構成する材料は、底壁２１０を構成する材料と異なる材料で構成されていれば特に限定されないが、金属を除く材料で構成されていることが好ましく、無機材料で構成されていることがより好ましい。無機材料としては、セラミックスであることが好ましい。ＳＯＦＣは高温で作動するが、金属材料は高温環境下で一定応力を連続的に与えられると高温クリープ変形が発生し、形状が変わってしまう恐れがある。マニホールド２００の底壁２１０に取り付けられて台座Ｐに接する突起部２５０には、セルスタック装置１全体の荷重がかかるため、高温クリープ変形が懸念される。一方、無機材料では金属材料と比較して高温クリープ現象に対する耐性が高いため、台座と接する突起部２５０として無機材料を用いることが好ましい。
【０１３３】
また、突起部２５０は、底壁２１０を構成する材料の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する材料で構成されていることが好ましい。このような材料として、例えば、鉱物、セラミックス、ガラス、または繊維が挙げられる。鉱物としては、例えば、マイカ（雲母）、バーミキュライト、石英などが挙げられる。セラミックスとしては、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、酸化鉄、酸化クロムなどが挙げられる。ガラスとしては、例えば、結晶化ガラスなどが挙げられる。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、またはＳｉＯ２−ＭｇＯ系が採用され得る。繊維としては、例えば、石英ウール、アルミナ、シリカアルミナなどが挙げられる。
【０１３４】
突起部２５０を構成する材料の熱伝導率は、４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましく、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることがより好ましい。底壁２１０から台座Ｐへの熱伝導を低減できるので、熱伝導率は低いほど好ましいが、容易に実現できる観点から、下限値は、例えば０．０１Ｗ／ｍ・Ｋである。上記熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により７５０℃で測定される値である。
【０１３５】
台座Ｐと対向する面の表面粗さＲｚは、０．０１ｚ以上であることが好ましく、０．０５ｚ以上であることがより好ましい。底壁２１０と台座Ｐとの接触面積を低減できるので、表面粗さＲｚは高いほど好ましいが、セルスタック装置１の高さを考慮すると、上限値は、例えば１０ｚである。
【０１３６】
上記「台座Ｐと対向する面」とは、本変形例では、底壁２１０の下面２１２と突起部２５０とで構成される面である。上記表面粗さＲｚは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１に準拠して測定される値である。
【０１３７】
底壁２１０の下面２１２の面積に対する、突起部２５０と台座Ｐとが接触する面積の比（接触する面積／下面２１２の面積）は、１５％以下であることが好ましく、１０％以下であることがより好ましい。
【０１３８】
突起部２５０は、下方に突出する凸形状である。突起部２５０は、例えば、下方（下面２１２から台座Ｐに）に向けて幅が小さい。突起部２５０は、部材として設けられる突起部と、粒子からなる突起部とを含む。突起部２５０と台座Ｐとの接触は、点接触であってもよい。また、突起部２５０が部材である場合には、例えば、平面視において矩形の片状であってもよく、繊維の切片であってもよい。
【０１３９】
本変形例の製造方法において、突起部２５０を底壁２１０の下面２１２に取り付ける工程では、例えば以下のように実施する。結晶化ガラスなどの突起部２５０となる材料を準備する。この材料を、底壁２１０の下面２１２に接するように配置して、焼き付ける。
【０１４０】
変形例８
変形例７のように、突起部２５０を底壁２１０に取り付ける態様において、マニホールド２００は、コーティング膜２６０をさらに備えていてもよい。図１６に示すように、コーティング膜２６０は、底壁２１０の下面２１２に形成されている。突起部２５０は、コーティング膜２６０を介して底壁２１０に取り付けられている。突起部２５０の少なくとも一部は、コーティング膜２６０から下方に突出している。なお、突起部２５０と同じ部材がコーティング膜２６０に埋設されていてもよい。
【０１４１】
また、コーティング膜２６０は、露出する表面全体に形成されている。つまり、コーティング膜２６０が、外部に露出する。具体的には、コーティング膜２６０は、底壁２１０、第１側壁２２１、第２側壁２２２、上壁２３０、及び第１フランジ部２４０の表面全体に形成されている。なお、マニホールド２００の各部材を被覆するコーティング膜は、同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。
【０１４２】
マニホールド２００の部材（例えば上壁２３０）を構成する材料がクロムを含んでいる場合、その部材の表面全体にコーティング膜２６０が形成されることにより、クロムが揮発することを防止できる。
【０１４３】
コーティング膜２６０は、例えばガラス、セラミックスなどで構成されており、ガラスで構成されていることがより好ましい。ガラスとしては、例えば結晶化ガラスを用いることができる。この結晶化ガラスは、第１接合材３００と同様の材料であってもよい。セラミックスとしては、アルミナ、シリカ、ペロブスカイト系材料、スピネル系材料などを用いることができる。コーティング膜２６０は、複数の層で構成されてもよい。また、コーティング膜２６０は、突起部２５０と同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。
【０１４４】
コーティング膜２６０の厚みは、例えば３〜２００μｍである。コーティング膜２６０の気孔率は、例えば０〜３０％である。
【０１４５】
本変形例の製造方法では、例えば、コーティング膜２６０を形成し、その後に突起部２５０を形成する。具体的には、まず、マニホールド本体の表面全体、つまり露出する面全体に、コーティング膜２６０となるペーストを形成する。ペーストは、例えばガラス粉末を含み、クロムは含まない。ペーストは、例えば、塗布、ディッピング法などによって形成される。
【０１４６】
次に、底壁２１０の下面２１２に形成されたペーストに、突起部２５０となる材料を付着して、この状態で焼成する。この工程では、焼成容器（セッター）に突起部となる材料を配置し、次いで、この材料上に底壁２１０の下面２１２を配置し、この状態で焼成してもよい。
【０１４７】
今回開示された実施の形態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。
【符号の説明】
【０１４８】
１  セルスタック装置、４  第１集電部材、５  第２接合材、６  第２集電部材、１００  燃料電池セル、１０１  下端部、１０２  上端部、１０３  セル集合体、１１０  支持基板、１１１  ガス流路、１１２  第１凹部、１２０  発電素子部、１２１  反応防止膜、１２２  緻密膜、１３０  燃料極、１３１  燃料極集電部、１３１ａ  第２凹部、１３１ｂ  第３凹部、１３２  燃料極活性部、１４０  電解質、１５０  空気極、１６０  電気的接続部、１６１  インターコネクタ、１６２  空気極集電膜、２００  マニホールド、２０２〜２０６  境界部、２１０  底壁、２１１  上面、２１２  下面、２２０  側壁、２３０  上壁、２３１  挿入孔、２３２  上面、２４０  フランジ部、２５０  突起部、２６０  コーティング膜、３００  第１接合材、３０１  露出面、３０２  外表面、３１０  第１領域、３２０  第２領域、Ｂ  境界、Ｌ，Ｌ１  距離、Ｐ  導入配管。
【図１】
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【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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【図１５】
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【図１６】
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