(57)【要約】【課題】セルスタック装置に用いたときに、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材におけるクラックを抑制できるマニホールドを提供する。燃料電池セルとマニホールドとを接合する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。【解決手段】本発明のマニホールド（１００）は、燃料電池セル（２００）に反応ガスを供給するためのマニホールドであって、燃料電池セル（２００）が接合されるとともに、下方に開口を有する本体部（１０１）と、この本体部（１０１）の下面（１０１ａ）を塞ぐ底壁（１１０）と、を備え、本体部（１０１）の下面（１０１ａ）と底壁（１１０）との間に、空間（Ｓ）が設けられている。本発明のセルスタック装置（１）は、マニホールド（１００）と、マニホールド（１００）から反応ガスが供給される燃料電池セル（２００）と、マニホールド（１００）と燃料電池セル（２００）とを接合する接合材（３）とを備えている。【選択図】図３
2019057490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルに反応ガスを供給するためのマニホールドであって、
前記燃料電池セルが接合されるとともに、下方に開口を有する本体部と、
前記本体部の下面を塞ぐ底壁と、
を備え、
前記本体部の下面と前記底壁との間に、空間が設けられている、マニホールド。
【請求項２】
前記空間は、中央部に設けられる、請求項１に記載のマニホールド。
【請求項３】
前記空間は、端部から中央部に向けて大きくなる、請求項２に記載のマニホールド。
【請求項４】
前記底壁は、平面視において矩形状であり、
前記底壁のコーナー部と前記本体部とが当接している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項５】
前記本体部は、上壁と、前記上壁から下方に延びる側壁と、前記側壁の下端部から外方に延びるフランジ部とを含み、
前記底壁は、前記フランジ部に接合される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項６】
前記本体部の下面と前記底壁とを封止する封止材をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項７】
前記底壁は、上面と、下面とを有し、
前記上面及び前記下面は、平坦な面である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項８】
前記本体部の下面の面積に対する、前記本体部の下面において前記底壁と接触する面積は、０．１％以上５０％以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項９】
前記本体部は、
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１〜８のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項１０】
台座に配置されるマニホールドであって、
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をさらに備え、
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１〜９のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマニホールドと、
前記マニホールドから反応ガスが供給される燃料電池セルと、
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。
【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。
【背景技術】
【０００２】
従来、マニホールドと、このマニホールドから上方に延びる複数の燃料電池セル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、国際公開第２０１６／１５８６８４号（特許文献１）が挙げられる。
【０００３】
特許文献１のセルスタック装置は、内側においてシール材によって燃料電池セルの一端を固定している枠体と、この枠体の一端部に接合されており、かつ枠体より剛性が低い板状体とを有するマニホールドを備えることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１５８６８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１のセルスタック装置は、高温で使用されるので、マニホールドが高温になり、温度分布が生じる。このため、マニホールド全体が変形してしまう。マニホールド全体が変形すると、マニホールドと燃料電池セルとを接合するシール材に応力が集中し、シール材にクラックが発生してしまう。シール材にクラックが発生すると、クラックが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通路となり、内部空間に導入された反応ガスが、内部空間から外部空間へと漏れ出してしまうおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、セルスタック装置に用いたときに、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材におけるクラックを抑制できるマニホールドを提供することを一の課題とする。また、本発明は、燃料電池セルとマニホールドとを接合する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他の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のマニホールドは、燃料電池セルに反応ガスを供給するためのマニホールドであって、燃料電池セルが接合されるとともに、下方に開口を有する本体部と、この本体部の下面を塞ぐ底壁と、を備え、本体部の下面と底壁との間に、空間が設けられている。
【０００８】
本発明のマニホールドの本体部に燃料電池セルが接合されたセルスタック装置の使用時において、セルスタック装置が高温になると、マニホールドが変形する。マニホールドが変形しても、本体部の下面と底壁との間に、変形が許容される空間が設けられている。このため、本体部と底壁との押し合いによりマニホールドに加えられる応力を低減できる。これにより、マニホールドの本体部に接合される燃料電池セルと、マニホールドとを接合する接合材に加えられる応力を抑制できる。したがって、セルスタック装置に用いたときに、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材におけるクラックを抑制できる。
【０００９】
本発明のマニホールドにおいて好ましくは、上記空間は、中央部に設けられる。
【００１０】
これにより、中央部にマニホールドの変形が許容される空間が設けられる。マニホールドの使用時には、中央部が変形しやすいので、接合部に加えられる応力を効果的に抑制できる。したがって、セルスタック装置に用いたときに、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材におけるクラックをより抑制できる。
【００１１】
本発明のマニホールドにおいて好ましくは、空間は、端部から中央部に向けて大きくなる。
【００１２】
これにより、マニホールドの変形がより許容されるので、接合部に加えられる応力をより抑制できる。したがって、セルスタック装置に用いたときに、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材におけるクラックをより抑制できる。
【００１３】
本発明のマニホールドにおいて好ましくは、底壁は、平面視において矩形状であり、底壁のコーナー部と本体部とが当接している。
【００１４】
これにより、本体部の下面と底壁との間に設ける空間を大きくすることができる。このため、マニホールドの変形がより許容されるので、接合部に加えられる応力をより抑制できる。したがって、セルスタック装置に用いたときに、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材におけるクラックをより抑制できる。
【００１５】
本発明のマニホールドにおいて好ましくは、本体部は、上壁と、この上壁から下方に延びる側壁と、この側壁の下端部から外方に延びるフランジ部とを含み、底壁は、フランジ部に接合される。
【００１６】
これにより、本体部下面と底壁との間に空間が設けられているマニホールドを容易に実現できる。
【００１７】
本発明のマニホールドにおいて好ましくは、本体部の下面と底壁とを封止する封止材をさらに備えている。
【００１８】
これにより、マニホールドの内部空間に導入される反応ガスと、マニホールドの外部空間の空気とが混合されることを防止できる。
【００１９】
本発明のマニホールドにおいて好ましくは、底壁は、上面と下面とを有し、上面及び下面は、平坦な面である。
【００２０】
これにより、本体部の下面と底壁との間に、空間が設けられているマニホールドを容易に実現できる。
【００２１】
本発明のマニホールドにおいて好ましくは、本体部の下面の面積に対する、本体部の下面において底壁と接触する面積（底壁と接触する面積／下面の面積）は、０．１％以上５０％以下である。
【００２２】
これにより、クラックを効果的に抑制できるとともに、良好な接地性のマニホールドを実現できる。
【００２３】
本発明のマニホールドにおいて好ましくは、本体部は、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。
【００２４】
箱状の本体部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より抑制することができる。
【００２５】
本発明のマニホールドにおいて好ましくは、台座に配置されるマニホールドであって、底壁に取り付けられ、かつ台座に接する複数の突起部をさらに備え、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。
【００２６】
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より抑制できるので、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。
【００２７】
本発明のセルスタック装置は、上記いずれかのマニホールドと、このマニホールドから反応ガスが供給される燃料電池セルと、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。
【００２８】
本発明のセルスタック装置によれば、本体部の下面と底壁との間に空間が設けられているマニホールドを備えている。このため、セルスタック装置の使用時にマニホールドが変形しても、空間によって変形が許容される。したがって、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材に加えられる応力を抑制できるので、接合材におけるクラックを抑制できる。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明は、セルスタック装置に用いたときに、燃料電池セルとマニホールドとを接合する接合材におけるクラックを抑制できるマニホールドを提供することができる。また、本発明は、燃料電池セルとマニホールドとを接合する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】
【００３０】
【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】実施の形態のマニホールドを示す平面図である。
【図５】実施の形態のセルスタック装置において封止材を省略した状態を示す斜視図である。
【図６】実施の形態のマニホールドにおいて封止材を省略した状態を示す側面図である。
【図７】実施の形態のマニホールドを示す側面図である。
【図８】実施の形態の燃料電池セルを示す斜視図である。
【図９】実施の形態の燃料電池セルを示す断面図である。
【図１０】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１１】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１２】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１３】変形例３のマニホールドにおいて封止材を省略した状態を示す側面図である。
【図１４】変形例４のマニホールドにおいて封止材を省略した状態を示す側面図である。
【図１５】変形例６のセルスタック装置を示す断面図である。
【図１６】変形例９のセルスタック装置を示す断面図である。
【図１７】変形例１０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】
【００３１】
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。
【００３２】
図１〜図１０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マニホールドについて説明する。セルスタック装置及びマニホールドは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に用いられる。
【００３３】
［セルスタック装置］
図１〜図４に示すように、セルスタック装置１は、マニホールド１００と、複数の燃料電池セル２００と、第１接合材３とを備えている。各燃料電池セル２００は、マニホールド１００によって支持されている。第１接合材３は、マニホールド１００と、各燃料電池セル２００とを接合する。
【００３４】
［マニホールド］
図１〜図４に示すように、マニホールド１００は、燃料電池セル２００に反応ガスを供給する。マニホールド１００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１００の内部空間には、導入配管Ｐを介して燃料ガスなどの反応ガスが供給される。図２に示すように、マニホールド１００は、この内部空間と外部とを連通する複数の挿入孔１２１を有している。
【００３５】
図１〜図４に示すように、マニホールド１００は、本体部１０１と、底壁１１０と、封止材１０２と、を有している。本体部１０１は、燃料電池セル２００が接合されるとともに、下方に開口を有している。底壁１１０は、開口した本体部１０１の下面１０１ａを塞いでいる。本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間には、空間Ｓが設けられている。封止材１０２は、空間Ｓを維持して、本体部１０１と底壁１１０とを接合している。
【００３６】
本体部１０１は、上壁１２０と、側壁１３０と、フランジ部１４０とを有している。上壁１２０、側壁１３０及びフランジ部１４０は、一体成形されている。一体成形された上壁１２０、側壁１３０及びフランジ部１４０と、底壁１１０とは、互いに別部材である。本体部１０１及び底壁１１０は、例えばステンレス鋼などの金属で構成されている。
【００３７】
図１〜図３に示すように、上壁１２０には、燃料電池セル２００が接合される。このため、図４に示すように、上壁１２０は、複数の挿入孔１２１を有している。各挿入孔１２１には、各燃料電池セル２００の下端部２０１が挿入される。各挿入孔１２１は、マニホールド１００の幅方向に延びている。また、各挿入孔１２１は、マニホールド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。
【００３８】
側壁１３０は、上壁１２０から下方に延びる。側壁１３０は、図１に示すように、一対の第１側壁１３１と、一対の第２側壁１３２とを有している。
【００３９】
一対の第１側壁１３１は、上壁１２０の対向する一対の縁部のそれぞれから下方に延びている。詳細には、各第１側壁１３１は、上壁１２０の縁部のうち、長手方向に延びる一対の縁部から下方に延びている。第１側壁１３１は、マニホールド１００の長手方向に延びている。すなわち、複数の燃料電池セル２００の並ぶ方向に延びている。一対の第１側壁１３１は、マニホールド１００の幅方向において、互いに対向している。
【００４０】
一対の第２側壁１３２は、上壁１２０の残りの対向する縁部から下方に延びている。詳細には、各第２側壁１３２は、上壁１２０の縁部のうち、幅方向に延びる一対の縁部から下方に延びている。また、各第２側壁１３２は、マニホールド１００の幅方向に延びている。すなわち、各第２側壁１３２は、燃料電池セル２００の幅方向に延びている。各第２側壁１３２は、マニホールド１００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１３２のうち、一方の第２側壁１３２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１３２は、導入配管Ｐが接続されるための貫通孔を有している。
【００４１】
フランジ部１４０は、側壁１３０の下端部から外方に延びている。具体的には、フランジ部１４０は、各第１側壁１３１及び各第２側壁１３２の下端から外方に延びている。フランジ部１４０は、環状である。
【００４２】
第１側壁１３１と、第２側壁１３２との第１境界部１０４の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第１境界部１０４の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば３〜３０ｍｍである。
【００４３】
図３に示すように、上壁１２０と、第１側壁１３１及び第２側壁１３２との第２境界部１０５の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第２境界部１０５の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば２〜２０ｍｍである。
【００４４】
第１側壁１３１及び第２側壁１３２と、フランジ部１４０との第３境界部１０６の内側面及び外側面は、Ｒ形状である。この第３境界部１０６の内側面及び外側面の曲率半径は、例えば１〜１０ｍｍである。
【００４５】
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１０４〜１０６の内側面とは、マニホールド１００の内部空間を臨む面である。第１〜第３境界部１０４〜１０６の外側面とは、マニホールド１００の外側を臨む面である。
【００４６】
本体部１０１の下面１０１ａは、開口をなす面である。下面１０１ａの内郭は、開口の外郭となる。下面１０１ａは、本体部１０１の外周部下方に位置する。本実施の形態の下面１０１ａは、側壁１３０の下面及びフランジ部１４０の下面である。
【００４７】
本体部１０１の下面１０１ａは、上方に湾曲している。換言すると、下面１０１ａは、上壁１２０に向けて反っている。さらに換言すると、下面１０１ａの中央部と上壁１２０との距離は、下面１０１ａの端部と上壁１２０との距離よりも小さい。本実施の形態では、本体部１０１の下面１０１ａは、上向きの円弧状である。なお、フランジ部１４０の上面も下面と同様に上方に湾曲している。
【００４８】
底壁１１０は、本体部１０１の下面１０１ａを塞ぐ。つまり、底壁１１０は、本体部１０１の開口を塞いで、本体部１０１の下面１０１ａを閉じる。本実施の形態では、底壁１１０の外周部は、フランジ部１４０下に配置されている。底壁１１０は、封止材１０２によって、フランジ部１４０に接合される。底壁１１０は、溶接によってフランジ部１４０に接合されていることが好ましい。
【００４９】
底壁１１０は、平面視（ｘ軸方向視）において矩形状であり、長手方向（ｚ軸方向）と幅方向（ｙ軸方向）とを有している。底壁１１０は、平板であり、上面１１１と下面１１２とを有している。上面１１１と下面１１２とは、高さ方向において、互いに対向している。底壁１１０の上面１１１及び下面１１２は、平坦な面、すなわち水平方向に延びる面である。
【００５０】
図３、図５及び図６に示すように、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間には、空間Ｓが設けられている。つまり、下面１０１ａの一部と底壁１１０とは当接しているが、下面１０１ａの残部と底壁１１０とは接触していない。本実施の形態では、空間Ｓは、フランジ部１４０の下面と、底壁１１０の上面１１１との間に設けられている。つまり、底壁１１０の上面１１１とフランジ部１４０の下面とは、空間Ｓを介して対向している。空間Ｓは、本体部１０１及び底壁１１０の少なくとも一方が変形したときの変形を受け入れる変形吸収空間である。
【００５１】
空間Ｓは、中央部に設けられている。本体部１０１の下面１０１ａは外周部に位置しているので、空間Ｓは、外周部中央に設けられている。具体的には、空間Ｓは、長手方向（ｚ軸方向）、すなわち燃料電池セル２００の並ぶ方向の中央部に設けられている。また、空間Ｓは、短手方向（ｙ軸方向）、すなわち燃料電池セル２００の幅方向の中央部にも設けられている。このため、本実施の形態の本体部１０１は、底壁１１０のコーナー部１１３と当接している。具体的には、図５に示すように、本体部１０１は、４箇所のコーナー部１１３のみで当接しているので、４点支持構造を有している。
【００５２】
また、底壁１１０の上面１１１は平坦面であり、本体部１０１の下面１０１ａは上方に湾曲している。このため、空間Ｓは、端部から中央部に向けて大きくなる。本実施の形態では、一方のコーナー部１１３から中央部にかけて空間Ｓは大きくなり、中央部から他方のコーナー部１１３に向けて空間Ｓが小さくなる。具体的には、図６に示すマニホールドの長手方向において、中央部の空間Ｓの高さＤ１は、端部近傍の空間Ｓの高さＤ２よりも大きい。空間Ｓにおける最大の高さ、すなわち長手方向の中央部の空間の高さＤ１は、例えば０．１〜５．０ｍｍである。
【００５３】
また、下面１０１ａの面積全体に対する、底壁１１０と接触する面積の比（接触面積／下面の面積）は、例えば０．１〜５０％である。本実施の形態では、下面１０１ａの外周部（図６では外端）のみが底壁１１０の上面１１１と接している。
【００５４】
図３に示すように、封止材１０２は、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０とを封止する。つまり、封止材１０２は、空間Ｓを封止する。具体的には、図４に示すように、封止材１０２は、底壁１１０及び本体部１０１の下端の外周部全体に設けられている。本実施の形態の封止材１０２は、フランジ部１４０の外周部と底壁１１０の外周部とを、全周に渡って取り囲む。また、図７に示すように、封止材１０２は、高さ方向において、底壁１１０の側面からフランジ部１４０の側面に渡って設けられている。
【００５５】
封止材１０２は、特に限定されないが、例えば、溶接材またはガラス接合材である。溶接材は、本体部１０１及び底壁１１０と同じ材料である。ガラス接合材は、結晶化ガラスが好適である。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、封止材１０２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、封止材１０２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。
【００５６】
封止材１０２は、マニホールドの内部空間と外部空間とを区画する。このため、マニホールドの内部空間に導入される反応ガスと、マニホールドの外部空間の空気とが混合されることを防止する。
【００５７】
なお、空間Ｓには、可撓性を有する材料で形成された部材が配置されていてもよい。この部材は、本体部１０１及び底壁１１０を構成する材料よりも熱伝導率の低いことが好ましい。この場合には、断熱効果をさらに有する。このような部材を構成する材料として、例えばアルミナ−シリカ系の断熱材などが挙げられる。
【００５８】
［燃料電池セル］
図１〜図３に示すように、各燃料電池セル２００は、マニホールド１００から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル２００は、マニホールド１００の上壁１２０から上方に延びている。燃料電池セル２００の下端部２０１は、マニホールド１００の挿入孔１２１内に挿入されている。なお、燃料電池セル２００の下端部２０１が挿入孔１２１内に挿入された状態において、燃料電池セル２００の下端部２０１の外周面と挿入孔１２１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が充填されている。
【００５９】
各燃料電池セル２００は、マニホールド１００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２００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２００の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル２００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２００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。
【００６０】
図８に示すように、燃料電池セル２００は、支持基板２１０と、複数の発電素子部２２０とを備えている。各発電素子部２２０は、支持基板２１０の両面に支持されている。なお、各発電素子部２２０は、支持基板２１０の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部２２０は、燃料電池セル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。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池セル２００は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。
【００６１】
各発電素子部２２０は、電気的接続部２６０（図９参照）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２００の上端部２０２側において、支持基板２１０の一方面に形成された発電素子部２２０と他方面に形成された発電素子部２２０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２２０は、直列に接続されている。
【００６２】
支持基板２１０は、燃料電池セル２００の長手方向に延びる複数のガス流路２１１を内部に有している。ガス流路２１１は、マニホールド１００の挿入孔１２１を介して、マニホールド１００の内部空間と連通している。
【００６３】
支持基板２１０の長手方向は、燃料電池セル２００の長手方向と同じ方向である。各ガス流路２１１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路２１１は、燃料電池セル２００の長手方向の両端部において開口している。
【００６４】
図９に示すように、支持基板２１０は、複数の第１凹部２１２を有している。各第１凹部２１２は、支持基板２１０の両面に形成されている。各第１凹部２１２は、支持基板２１０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。
【００６５】
支持基板２１０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２１０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２１０は、多孔質である。支持基板２１０の気孔率は、例えば、２０〜６０％である。
【００６６】
各発電素子部２２０は、燃料極２３０、電解質２４０、及び空気極２５０を有している。また、各発電素子部２２０は、反応防止膜２２１をさらに有している。
【００６７】
燃料極２３０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２３０は、燃料極集電部２３１と、燃料極活性部２３２とを有する。燃料極集電部２３１は、第１凹部２１２内に配置されている。各燃料極集電部２３１は、第２凹部２３１ａ及び第３凹部２３１ｂを有している。燃料極活性部２３２は、第２凹部２３１ａ内に配置されている。
【００６８】
燃料極集電部２３１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２３１の厚さ、すなわち第１凹部２１２の深さは、例えば、５０〜５００μｍである。
【００６９】
燃料極活性部２３２は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺとから構成されてもよいし、ＮｉＯ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２３２の厚さは、例えば、５〜３０μｍである。
【００７０】
電解質２４０は、燃料極２３０上を覆うように配置されている。詳細には、電解質２４０は、あるインターコネクタ２６１から他のインターコネクタ２６１まで燃料電池セル２００の長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル２００の長手方向において、電解質２４０とインターコネクタ２６１とが交互に配置されている。
【００７１】
電解質２４０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２４０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２４０の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。
【００７２】
反応防止膜２２１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２３２と略同一の形状であり、燃料極活性部２３２と略同じ位置に配置されている。反応防止膜２２１は、電解質２４０内のＹＳＺと空気極２５０内のＳｒとが反応して電解質２４０と空気極２５０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２２１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２から構成される。反応防止膜２２１の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。
【００７３】
空気極２５０は、反応防止膜２２１上に配置されている。空気極２５０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２５０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２５０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２５０の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００７４】
電気的接続部２６０は、隣り合う発電素子部２２０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２６０は、インターコネクタ２６１及び空気極集電膜２６２を有する。インターコネクタ２６１は、第３凹部２３１ｂ内に配置されている。インターコネクタ２６１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２６１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２６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００７５】
空気極集電膜２６２は、隣り合う発電素子部２２０のインターコネクタ２６１と空気極２５０との間を延びるように配置される。空気極集電膜２６２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２６２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２６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍである。
【００７６】
図１０に示すように、燃料電池セル２００の下端部２０１は、緻密膜２２２によって覆われている。詳細には、緻密膜２２２は、支持基板２１０を覆っている。緻密膜２２２は、下端部側に形成された発電素子部２２０と電気的に接続されている。詳細には、緻密膜２２２は、電気的接続部２６０と電気的に接続されている。緻密膜２２２は、空気極集電膜２６２と支持基板２１０との間から近位側に向かって延びている。
【００７７】
緻密膜２２２は、緻密膜２２２の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜２２２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２２２の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜２２２は、絶縁性セラミックスで構成されている。
【００７８】
具体的には、緻密膜２２２は、上述した電解質２４０と反応防止膜２２１とによって構成することができる。緻密膜２２２を構成する電解質２４０は、支持基板２１０を覆っており、インターコネクタ２６１から支持基板２１０の下端近傍まで延びている。また、緻密膜２２２を構成する反応防止膜２２１は、電解質２４０と空気極集電膜２６２との間に配置されている。なお、緻密膜２２２は、電解質２４０のみで構成されていてもよいし、電解質２４０及び反応防止膜２２１以外の材料によって構成されていてもよい。
【００７９】
［第１接合材］
第１接合材３は、燃料電池セル２００をマニホールド１００に固定する。詳細には、第１接合材３は、燃料電池セル２００の下端部２０１とマニホールド１００の上壁１２０とを接合している。また、第１接合材３は、緻密膜２２２と接触している。なお、燃料電池セル２００がマニホールド１００に固定された状態において、挿入孔１２１とガス流路２１１とが連通している。
【００８０】
第１接合材３は、例えば、結晶化ガラスである。なお、第１接合材３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。
【００８１】
［製造方法］
続いて、本実施の形態のセルスタック装置１及びマニホールド１００の製造方法について図１〜図１２を参照して説明する。
【００８２】
まず、燃料電池セル２００が接合され、下方に開口を有する本体部１０１を準備する。この工程では、例えば、本体部１０１となる板状部材に対して、深絞り加工を行って、上壁１２０と側壁１３０とフランジ部１４０とを含む本体部１０１を形成する。この工程では、本体部１０１の下面１０１ａが上壁１２０に向けて湾曲するように本体部１０１を形成する。
【００８３】
また、底壁１１０を準備する。底壁１１０は、例えばプレス成形によって、板状に形成する。そして、底壁１１０とフランジ部１４０とを対向するように配置すると、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間には、空間Ｓが形成される。空間Ｓを維持した状態で、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０とを封止材１０２で封止する。封止する方法は、特に限定されないが、溶接してもよく、結晶化ガラスによって接合してもよい。
【００８４】
以上の工程を実施することにより、本実施の形態のマニホールド１００を製造できる。また、複数の燃料電池セル２００を準備する。
【００８５】
そして、図１１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２００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２００は互いに仮止めの状態である。
【００８６】
次に、図１２に示すように、セル集合体３００の各燃料電池セル２００の下端部２０１をマニホールド１００の各挿入孔１２１に挿入する。なお、各燃料電池セル２００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。
【００８７】
次に、図２及び図３に示すように、挿入孔１２１に挿入された燃料電池セル２００とマニホールドの上壁１２０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２００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２００の下端部２０１の外周面と挿入孔１２１の内壁面との隙間に充填されていてもよい。
【００８８】
次に、第１接合材３及び第２接合材５を熱処理する。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、セルスタック装置１が完成する。詳細には、第２接合材５が焼成されることによって、各燃料電池セル２００と第１集電部材４とが固定される。また、第１接合材３が焼成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２００の下端部２０１がマニホールド１００の上壁１２０に固定される。
【００８９】
以上の工程を実施することにより、本実施の形態のセルスタック装置１を製造できる。なお、封止材１０２がガラス材料である場合、底壁１１０と本体部１０１とを封止材１０２で仮止めの状態とし、封止材１０２の熱処理と、第１接合材３及び第２接合材５の熱処理とを同時に行ってもよい。
【００９０】
［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１０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。
【００９１】
マニホールド１００を介して各燃料電池セル２００のガス流路２１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板２１０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２４０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２５０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２３０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）
さらに、支持基板２１０のガス流路２１１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２１１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。
【００９２】
以上説明したように、本実施の形態におけるマニホールド１００において、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間に、空間Ｓが設けられている。また、本実施の形態におけるセルスタック装置１は、空間Ｓが設けられたマニホールド１００と、このマニホールド１００から反応ガスが供給される燃料電池セル２００と、マニホールド１００と燃料電池セル２００とを接合する第１接合材３とを備えている。
【００９３】
本実施の形態のマニホールド１００の本体部１０１に燃料電池セル２００が接合されたセルスタック装置１の使用時には、発電によってセルスタック装置１が高温になる。また、余剰の反応ガスを燃焼させる場合には、燃焼時によってセルスタック装置１が高温になる。このように、使用時にセルスタック装置１が高温になると、マニホールド全体が変形する。本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間の空間Ｓは、マニホールドの変形が許容される変形吸収空間である。このため、マニホールドが変形しても、空間Ｓによって、本体部１０１と底壁１１０との押圧を防止できるので、押圧に伴う応力集中を防止できる。これにより、マニホールド１００の本体部１０１に取り付けられる燃料電池セル２００と、マニホールド１００とを接合する第１接合材３に加えられる応力を抑制できる。したがって、第１接合材３におけるクラックを抑制できる。
【００９４】
さらに、燃料電池セル２００に加えられる応力を低減することもできる。したがって、燃料電池セル２００におけるクラックを抑制できる。
【００９５】
それに加えて、セルスタック装置１の使用時に、燃料電池セル２００がマニホールド１００よりも高温になる場合がある。この場合、上方が高温で下方が低温になる温度分布が形成される。本体部１０１と底壁１１０との間に設けられた空間Ｓは、断熱効果を有するので、下方への熱損失を低減できる。このため、セルスタック装置１の効率を向上することができる。この観点から、封止材１０２がガラス接合材である場合は、更に断熱効果を得ることができるので、セルスタック装置１の効率を更に向上することができる。
【００９６】
変形例１
ここで、実施の形態のセルスタック装置１は、支持基板２１０の１つの主面上に複数の発電素子部２２０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２１０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。
【００９７】
変形例２
上述した実施の形態のマニホールド１００は、フランジ部１４０を有する本体部１０１を備える構造を例に挙げて説明したが、本発明の本体部はフランジ部を有していなくてもよい。この場合、例えば、側壁の下面と底壁の上面との間に空間が設けられる。
【００９８】
変形例３
上述した実施の形態のマニホールド１００は、平面視において矩形状の底壁１１０を備えているが、本発明のマニホールドの底壁の形状は、これに限定されない。また、本発明の底壁は、上方に湾曲していてもよい。この場合、本体部の下面及び底壁が異なる曲率で上方に湾曲していてもよい。
【００９９】
変形例４
図１３に示すように、本体部１０１の下面１０１ａは平坦面であり、底壁１１０の上面１１１が下方に湾曲していてもよい。この場合も、空間Ｓは、端部から中央部に向けて大きくなる。なお、本変形例では、底壁１１０の下面１１２も下方に湾曲しているが、平坦面であってもよい。
【０１００】
変形例５
図１４に示すように、本体部１０１の下面１０１ａは下方に湾曲しており、底壁１１０の上面１１１が平坦面であってもよい。この場合は、空間Ｓは、端部に設けられる。具体的には、空間Ｓは、中央部から端部に向けて大きくなる。このように、本発明の空間Ｓが設けられる位置は、中央部に限定されない。なお、本変形例では、フランジ部１４０が下方に湾曲している。
【０１０１】
変形例６
図１５に示すように、本体部１０１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、本体部１０１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。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、上壁１２０の大部分を占める環状の平板部と、第１側壁１３１及び第２側壁１３２の大部分を占める４つの矩形状の平板部と、フランジ部１４０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１０４〜１０６であるので、環状の隅角部を含む。このように、本変形例の本体部は、複数の平板部と、複数の角部とからなる。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。本体部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。
【０１０４】
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３の変形を抑制することで、第１接合材３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３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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
なお、図１５の本体部１０１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。
【０１０７】
また、マニホールド１００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１００において、上壁１２０と側壁１３０との第２境界部１０５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１３０とフランジ部１４０との第３境界部１０６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。
【０１０８】
本変形例の製造方法において、下方が開口する箱状の本体部１０１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。本体部１０１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、上壁１２０と側壁１３０とフランジ部１４０とからなる本体部１０１を形成する。なお、下方が開口する箱状の本体部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。
【０１０９】
変形例７
上述した実施の形態では、第１側壁１３１及び第２側壁１３２は底壁１１０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、第１側壁１３１及び第２側壁１３２の少なくとも一方は、上方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよい。また、例えば、第１側壁１３１及び第２側壁１３２の少なくとも一方は、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。なお、変形例６の本体部の側壁１３０は、上壁１２０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。
【０１１０】
変形例８
上述した実施の形態では、導入配管Ｐは、マニホールド１００の側壁１３０に取り付けられているが、導入配管Ｐの取り付け位置はこれに限定されない。例えば、導入配管Ｐは、マニホールド１００の上壁１２０に取り付けられていてもよい。
【０１１１】
変形例９
図１６に示すように、マニホールド１００は、突起部１５０をさらに備えていてもよい。突起部１５０は、底壁１１０に複数取り付けられている。詳細には、複数の突起部１５０は、底壁１１０の下面１１２に取り付けられている。このため、台座にマニホールド１００を配置すると、複数の突起部１５０が台座に接する。複数の突起部１５０は、底壁１１０の下面１１２に、偏析せずに、分散している。このため、マニホールド１００は、安定して台座に配置される。
【０１１２】
突起部１５０を構成する材料は、底壁１１０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１００の底壁１１０に取り付けられて台座に接する突起部１５０には、セルスタック装置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１５０として無機材料を用いることが好ましい。
【０１１３】
また、突起部１５０は、底壁１１０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。
【０１１４】
突起部１５０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１１０から台座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。
【０１１５】
台座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１１０と台座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。
【０１１６】
上記「台座と対向する面」とは、本変形例では、底壁１１０の下面１１２と突起部１５０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。
【０１１７】
底壁１１０の下面１１２の面積に対する、突起部１５０と台座とが接触する面積の比（接触する面積／下面１１２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。
【０１１８】
突起部１５０は、下方に突出する凸形状である。突起部１５０は、例えば、下方（下面１１２から台座に）に向けて幅が小さい。突起部１５０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１５０と台座との接触は、点接触であってもよい。また、突起部１５０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。
【０１１９】
本変形例の製造方法において、突起部１５０を底壁１１０の下面１１２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１５０となる材料を準備する。この材料を、底壁１１０の下面１１２に接するように配置して、焼き付ける。
【０１２０】
変形例１０
変形例９のように、突起部１５０を底壁１１０に取り付ける態様において、マニホールド１００は、コーティング膜１６０をさらに備えていてもよい。図１７に示すように、コーティング膜１６０は、底壁１１０の下面１１２に形成されている。突起部１５０は、コーティング膜１６０を介して底壁１１０に取り付けられている。突起部１５０の少なくとも一部は、コーティング膜１６０から下方に突出している。なお、突起部１５０と同じ部材がコーティング膜１６０に埋設されていてもよい。
【０１２１】
また、コーティング膜１６０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１６０が、外部に露出する。具体的には、コーティング膜１６０は、底壁１１０、第１側壁１３１、第２側壁１３２、上壁１２０、及びフランジ部１４０の表面全体に形成されている。なお、マニホールド１００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。
【０１２２】
マニホールド１００の部材（例えば上壁１２０）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１６０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。
【０１２３】
コーティング膜１６０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３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１６０は、複数の層で構成されてもよい。また、コーティング膜１６０は、突起部１５０と同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。
【０１２４】
コーティング膜１６０の厚みは、例えば３〜２００μｍである。コーティング膜１６０の気孔率は、例えば０〜３０％である。
【０１２５】
本変形例の製造方法では、例えば、コーティング膜１６０を形成し、その後に突起部１５０を形成する。具体的には、まず、本体部の表面全体、つまり露出する面全体に、コーティング膜１６０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。
【０１２６】
次に、底壁１１０の下面１１２に形成されたペーストに、突起部１５０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１１０の下面１１２を配置し、この状態で焼成してもよい。
【実施例】
【０１２７】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１２８】
（サンプルＮｏ．２〜８）
サンプルＮｏ．２〜８のマニホールドは、図１〜図６に示すように、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間に空間が設けられていた。各サンプルの本体部１０１の下面１０１ａの面積に対する、本体部１０１の下面１０１ａにおいて底壁１１０と接触する面積の比（接触面積／下面の面積）を、下記の表１に記載する。なお、本体部１０１の下面１０１ａとは、本体部１０１において最も下方（ｘ軸方向における底壁１１０側）に位置する部材の下面である。このため、サンプルＮｏ．２〜８においては、下面１０１ａの面積とは、フランジ部１４０の下面全体の面積である。
【０１２９】
（サンプルＮｏ．１）
サンプルＮｏ．１のマニホールドは、本体部の下面と底壁との間に空間が設けられていない点において、サンプルＮｏ．２〜８のマニホールドと異なっていた。
【０１３０】
（評価方法）
サンプルＮｏ．１〜８のマニホールドに、接合材を用いて１０個の燃料電池セルを接合したセルスタック装置において、熱サイクル試験により、クラックの発生頻度及びガスリークの有無を調べた。
【０１３１】
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７５０℃まで４時間昇温、及び６時間降温の条件で、１０回の熱サイクル試験を実施した。それぞれの熱サイクル試験後に、電気炉からセルスタック装置を取り出して、クラック発生の有無及びガスリーク量を調べた。
【０１３２】
クラックの有無は、底壁と本体部との接合部、及び第１接合材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確認した。また、ガスリークについては、燃料電池セル２００のガス流路２１１出口端部を封止した上で、各マニホールドの導入配管Ｐよりアルゴンガスを供給し、マニホールド内部を印加圧２０ｋＰａまで高めて保持し、その時のガスリーク量を測定した。これらの結果を下記の表１に示す。
なお、下記の表１において、接地性について、非常に良好であったものを「◎」、良好であったものを「○」、悪かったものを「×」として示す。
【０１３３】
【表１】
2019057490.tif 000003
【０１３４】
（測定結果）
表１に示すように、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間に空間が設けられていなかったサンプルＮｏ．１のマニホールドは、１０回の熱サイクル試験うち１回において、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クラックが生じた。
【０１３５】
一方、本体部１０１の下面１０１ａと底壁１１０との間に空間が設けられているサンプルＮｏ．２〜８は、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通路となるクラックを抑制できた。
【０１３６】
特に、本体部１０１の下面１０１ａの面積に対する、底壁１１０と接触する面積の比（接触面積／下面の面積）が０．１％以上のサンプルＮｏ．３〜８のマニホールドは、１０回の熱サイクル試験において、クラックそのものを抑制できた。また、（接触面積／下面の面積）が５０％のサンプルＮｏ．１〜７は、接地性が非常に良好であった。このため、（接触面積／下面の面積）が０．１％以上５０％以下であると、クラックを効果的に抑制できるとともに、良好な接地性のマニホールドを実現できることがわかった。
【０１３７】
さらに、上述した熱サイクル試験において、４時間昇温の代わりに、１時間昇温の条件で、同様の試験を実施した。この急速昇温の条件においても、サンプルＮｏ．２〜８は、ガスリークに繋がるクラックの発生はなかった。さらには、サンプルＮｏ．３〜８は、クラックそのものの発生がなかった。このため、（接触面積／下面の面積）が１５％以上５０％以下であると、クラックをさらに効果的に抑制できるとともに、良好な接地性のマニホールドを実現できることがわかった。
【０１３８】
今回開示された実施の形態及び実施例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及び実施例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】
【０１３９】
１  セルスタック装置、３  第１接合材、４  第１集電部材、５  第２接合材、６  第２集電部材、１００  マニホールド、１０１  本体部、１０１ａ，１１２  下面、１０２  封止材、１０４  第１境界部、１０５  第２境界部、１０６  第３境界部、１１０  底壁、１１１  上面、１１３  コーナー部、１２０  上壁、１２１  挿入孔、１３０  側壁、１３１  第１側壁、１３２  第２側壁、１４０  フランジ部、１５０  突起部、１６０  コーティング膜、２００  燃料電池セル、２０１  下端部、２０２  上端部、２１０  支持基板、２１１  ガス流路、２１２  第１凹部、２２０  発電素子部、２２１  反応防止膜、２２２  緻密膜、２３０  燃料極、２３１  燃料極集電部、２３１ａ  第２凹部、２３１ｂ  第３凹部、２３２  燃料極活性部、２４０  電解質、２５０  空気極、２６０  電気的接続部、２６１  インターコネクタ、２６２  空気極集電膜、３００  セル集合体、Ｄ１，Ｄ２  高さ、Ｐ  導入配管、Ｓ  空間。
【図１】
2019057490.tif 000004
【図２】
2019057490.tif 000005
【図３】
2019057490.tif 000006
【図４】
2019057490.tif 000007
【図５】
2019057490.tif 000008
【図６】
2019057490.tif 000009
【図７】
2019057490.tif 000010
【図８】
2019057490.tif 000011
【図９】
2019057490.tif 000012
【図１０】
2019057490.tif 000013
【図１１】
2019057490.tif 000014
【図１２】
2019057490.tif 000015
【図１３】
2019057490.tif 000016
【図１４】
2019057490.tif 000017
【図１５】
2019057490.tif 000018
【図１６】
2019057490.tif 000019
【図１７】
2019057490.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月30日(2018.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルに反応ガスを供給するためのマニホールドであって、
前記燃料電池セルが接合されるとともに、下方に開口を有する本体部と、
前記本体部の前記開口を塞ぐ底壁と、
を備え、
前記本体部の下端面と前記底壁との間に、空間が設けられている、マニホールド。
【請求項２】
前記空間は、中央部に設けられる、請求項１に記載のマニホールド。
【請求項３】
前記空間は、端部から中央部に向けて大きくなる、請求項２に記載のマニホールド。
【請求項４】
前記底壁は、平面視において矩形状であり、
前記底壁のコーナー部と前記本体部とが当接している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項５】
前記本体部は、上壁と、前記上壁から下方に延びる側壁と、前記側壁の下端部から外方に延びるフランジ部とを含み、
前記底壁は、前記フランジ部に接合される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項６】
前記本体部の下端面と前記底壁とを封止する封止材をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項７】
前記底壁は、上面と、下面とを有し、
前記上面及び前記下面は、平坦な面である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項８】
前記本体部の下端面の面積に対する、前記本体部の下端面において前記底壁と接触する面積は、０．１％以上５０％以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項９】
前記本体部は、
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１〜８のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項１０】
台座に配置されるマニホールドであって、
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をさらに備え、
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１〜９のいずれか１項に記載のマニホールド。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマニホールドと、
前記マニホールドから反応ガスが供給される燃料電池セルと、
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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３３】
【表１】
2019057490.tif 000021