(57)【要約】【課題】燃料電池のセルスタックにガスを給排気するためのマニホールド部のシール性能を安定に維持でき、ガス漏れを防止するようにした燃料電池のマニホールド構造およびその製造方法を提供する。【解決手段】金属製のガス通路形成部材を構成するマニホールド部材４４と、絶縁材製のガス通路形成部材を構成するマニホールドコネクタ４５を交互に積層することにより、燃料ガスをインターコネクタ１２に給排気するマニホールドＭ１，Ｍ２のマニホールド本体４０をそれぞれ構成する。マニホールド部材４４とマニホールドコネクタ４５の接合部をロウ材４６によって接合する。【選択図】  図４
2007053043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルとインターコネクタとを交互に複数個積層して形成したセルスタックと、このセルスタックの各インターコネクタに燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する複数のマニホールドとを備え、前記燃料ガスと酸化剤ガスの供給により発電を行なう燃料電池において、
前記マニホールドを、金属製のガス通路形成部材と、この金属製ガス通路形成部材の途中に設けられ各セル間が前記金属製ガス通路形成部材を介して電気的に短絡するのを防止する絶縁材製ガス通路形成部材とで構成し、前記金属製ガス通路形成部材と前記絶縁材製ガス通路形成部材をロウ材によって接合したことを特徴とする燃料電池のマニホールド構造。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池のマニホールド構造において、
前記マニホールドを、マニホールド本体と、このマニホールド本体と各インターコネクタとを接続する金属製ガス通路形成部材を構成する複数本の金属製パイプとで構成し、
前記マニホールド本体を、金属製ガス通路形成部材を構成する複数のマニホールド部材と、絶縁材製ガス通路形成部材を構成する複数のマニホールドコネクタとで構成し、
前記マニホールド部材と前記マニホールドコネクタを交互に積層し、その接合部をロウ材によって接合したことを特徴とする燃料電池のマニホールド構造。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池のマニホールド構造において、
前記マニホールドを、金属製ガス通路形成部材を構成するマニホールド本体と、一端が前記各インターコネクタにそれぞれ接続された金属製ガス通路形成部材を構成する複数本の金属製パイプと、各金属製パイプの他端と前記マニホールド本体との間にそれぞれ介在された絶縁材製ガス通路形成部材を構成する絶縁部材とで構成し、
前記絶縁部材と前記マニホールド本体と前記金属製パイプとの接合部をロウ材によってそれぞれ接合したことを特徴とする燃料電池のマニホールド構造。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池のマニホールド構造において、
前記マニホールドを、金属製ガス通路形成部材を構成するマニホールド本体と、一端が前記各インターコネクタにそれぞれ接続され、他端が前記マニホールド本体にそれぞれ接続された金属製ガス通路形成部材を構成する複数本の金属製パイプと、各金属製パイプの一端と前記各インターコネクタとの間にそれぞれ介在された絶縁材製ガス通路形成部材を構成する複数の絶縁部材とで構成し、
前記絶縁部材と前記インターコネクタと前記金属製パイプとの接合部をロウ材によってそれぞれ接合したことを特徴とする燃料電池のマニホールド構造。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池のマニホールド構造において、
前記マニホールドを、金属製ガス通路形成部材を構成するマニホールド本体と、このマニホールド本体と各インターコネクタとを接続する複数本のパイプとで構成し、
前記パイプを金属製ガス通路形成部材を構成するパイプ部材と、このパイプ部材の中間部に介在された絶縁材製ガス通路形成部材を構成する絶縁パイプとで構成し、前記パイプ部材と前記絶縁パイプの接合部をロウ材によって接合したことを特徴とする燃料電池のマニホールド構造。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の燃料電池のマニホールド構造において、
金属製ガス通路形成部材が耐熱合金で、絶縁材製ガス通路形成部材が前記マニホールド部材と熱膨張係数の差が小さいセラミックスであることを特徴とする燃料電池のマニホールド構造。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池のマニホールド構造において、
前記セラミックスがアルミナ、ジルコニア、カルシア、マグネシア、シリカを主成分とするセラミックスおよびこれらを任意に複合してなる複合セラミックスの中のいずれか１つであることを特徴とする燃料電池のマニホールド構造。
【請求項８】
請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の燃料電池のマニホールド構造において、
前記ロウ材の主成分が銀ロウ、ニッケルロウ、金ロウ、パラジウムロウのうちのいずれか１つであることを特徴とする燃料電池のマニホールド構造。
【請求項９】
請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の燃料電池のマニホールド構造において、
前記ロウ材を用いるロウ付けの接合部に、セラミックスと反応する活性金属が存在することを特徴とする燃料電池のマニホールド構造。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載の燃料電池のマニホールド構造の製造方法であって、
金属製ガス通路形成部材を構成する部材と絶縁材製ガス通路形成部材を構成する部材とのロウ材による接合工程を、セラミックスと反応する活性金属を数％含んだロウ材を用いて行うことを特徴とする燃料電池のマニホールド構造の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載の燃料電池のマニホールド構造の製造方法であって、
金属製ガス通路形成部材を構成する部材と絶縁材製ガス通路形成部材を構成する部材とのロウ材による接合工程において、ロウ材による接合前の接合予定部に予め活性金属をコーティングしてからロウ材による接合を行うことを特徴とする燃料電池のマニホールド構造の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１記載の燃料電池のマニホールド構造の製造方法において、
金属製ガス通路形成部材を構成する部材と絶縁材製ガス通路形成部材を構成する部材とのロウ材による接合工程を、真空中、水素または不活性ガスの雰囲気中で行うことを特徴とする燃料電池のマニホールド構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のマニホールド構造およびその製造方法に関し、特に平板型の固体酸化物からなる電解質層を備えた平板型固体酸化物形燃料電池のセルスタックにガスを給排気するマニホールド構造およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平板型の固体酸化物形燃料電池（SOFC:Solid Oxide Fuel Cell）は、平板型の固体酸化物からなる電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ形成した空気極および燃料極とで平板型の単セルを形成し、前記燃料極と空気極に燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する通路を有するセパレータ（以下、インターコネクタという）と前記単セルとを交互に複数個積層して電気的に直列に接続することにより燃料電池スタック（以下、セルスタックという）を形成し、前記ガスの給排気のための通路（以下、マニホールドという）からインターコネクタを介して前記各単セルの各極に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行なうようにした燃料電池である。この固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度が高い（７００°〜１０００℃）ため高温の熱を利用することができるという利点を有している。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池の出力電圧を高めるためには、各セル間の密着度を高めて接続部分での電力の伝達損失を低減する必要がある。また、各単セルに対して燃料ガスと酸化剤ガスの給排気を行なうためのマニホールドもガス漏れしないようにする必要がある。また、マニホールドは、高温において強い酸化性ガス（酸化剤側ガス）もしくは強い還元性ガス（燃料側ガス）に晒されても変性したり劣化しないこと、さらには加工性や経済性に優れた材料で構成されていることが要求される。
【０００４】
このような観点からインターコネクタと同様に、マニホールドを金属製のガス通路形成部材によって製作することが望ましいが、実際には全てのマニホールド構成部材を金属製のガス通路形成部材で製作するとセルがマニホールドを介して短絡し、発電ができなくなる。そこで、絶縁材製のガス通路形成部材をマニホールド構成部材の中に設けることにより、セル間の短絡を防止する方法が採られている。
【０００５】
例えば、マニホールドをガスの共通通路であるマニホールド本体と、各インターコネクタとマニホールド本体を接続するパイプとで構成し、パイプに金属製のパイプを用いる場合において、マニホールド本体を金属製のガス通路形成部材を構成するマニホールド部材と絶縁材製のガス通路形成部材を構成するマニホールドコネクタの２部材で構成し、これらを交互に複数段積層することによりセル間の短絡を防止している。
【０００６】
この場合、マニホールドを全て絶縁材料で製作するとセルの短絡の問題は解消されるが、絶縁材料の場合は十分な加工性と高温における強度をもつ材料が知られていないので、現状では金属材料からなるマニホールド部材と絶縁材料からなるマニホールドコネクタを交互に重ねて構成することが最適な構造とされている。マニホールド部材としては、通常耐食性ステンレスを代表とする金属材料が用いられている。一方、マニホールドコネクタとしては、通常セラミックスが用いられる。
【０００７】
また、マニホールド本体をセルスタックから離間させてこれらを接続する金属製のパイプを長く形成すると、マニホールド全体を燃料電池の運転温度より低い温度環境下に置くことは可能であり、この場合にはプラスチック材料などの加工性のよい絶縁材料でマニホールド部材を製作することも可能である。しかし、パイプを長くするとそれだけ燃料電池の占有面積が大きくなるため、スペース効率が悪く、またセルに供給するガスの温度が低くなるため発電特性が悪化するという問題が生じ実際的ではない。
【０００８】
また、金属製のマニホールド部材と絶縁材料からなるマニホールドコネクタを交互に複数段積層してマニホールド本体を形成したマニホールドにおいては、一般に金属で構成されるマニホールド部材とセラミックス等の絶縁体で構成されるマニホールドコネクタの熱膨張係数が異なるため、この熱膨張係数差によるガス漏れを防止するためにシール材を用いてマニホールド部材とマニホールドコネクタとの接合部をシールしている。シール材としては、ほう珪酸ガラスやバリウム珪酸ガラスなどのガラス材料や、ガラスウールとガラス材料の混合物、アルミナ接着剤とガラス材料の混合物等が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−０１９２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記した従来のマニホールド構造においては、シール材としてほう珪酸ガラスやバリウム珪酸ガラスなどのガラス材料や、ガラスウールとガラス材料の混合物、アルミナ接着剤とガラス材料の混合物等を用いているため、金属部材と絶縁部材を完全には密着させることが困難であり、その隙間からガスが漏れ信頼性の高いマニホールド構造を得ることができないという問題があった。また、ガラス材料は、融解と固化を繰り返すことにより劣化したり成分が昇華するため、信頼性が低いという問題もある。
【００１１】
本発明は、上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池のセルスタックにガスを給排気するためのマニホールド部を構成する金属製のガス通路形成部材と絶縁材製のガス通路形成部材との接合部からのガス漏れを防止し、高いシール性能を安定に維持できるようにした燃料電池のマニホールド構造およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、単セルとインターコネクタとを交互に複数個積層して形成したセルスタックと、このセルスタックの各インターコネクタに燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する複数のマニホールドとを備え、前記燃料ガスと酸化剤ガスの供給により発電を行なう燃料電池において、前記マニホールドを、金属製のガス通路形成部材と、この金属製ガス通路形成部材の途中に設けられ各セル間が前記金属製ガス通路形成部材を介して電気的に短絡するのを防止する絶縁材製ガス通路形成部材とで構成し、前記金属製ガス通路形成部材と前記絶縁材製ガス通路形成部材をロウ材によって接合したものである。
【００１３】
また、本発明は、前記マニホールドを、マニホールド本体と、このマニホールド本体と各インターコネクタとを接続する金属製ガス通路形成部材を構成する複数本の金属製パイプとで構成し、前記マニホールド本体を、金属製ガス通路形成部材を構成する複数のマニホールド部材と、絶縁材製ガス通路形成部材を構成する複数のマニホールドコネクタとで構成し、前記マニホールド部材と前記マニホールドコネクタを交互に積層し、その接合部をロウ材によって接合したものである。
【００１４】
また、本発明は、前記マニホールドを、金属製ガス通路形成部材を構成するマニホールド本体と、一端が前記各インターコネクタにそれぞれ接続された金属製ガス通路形成部材を構成する複数本の金属製パイプと、各金属製パイプの他端と前記マニホールド本体との間にそれぞれ介在された絶縁材製ガス通路形成部材を構成する絶縁部材とで構成し、前記絶縁部材と前記マニホールド本体と前記金属製パイプとの接合部をロウ材によってそれぞれ接合したものである。
【００１５】
また、本発明は、前記マニホールドを、金属製ガス通路形成部材を構成するマニホールド本体と、一端が前記各インターコネクタにそれぞれ接続され、他端が前記マニホールド本体にそれぞれ接続された金属製ガス通路形成部材を構成する複数本の金属製パイプと、各金属製パイプの一端と前記各インターコネクタとの間にそれぞれ介在された絶縁材製ガス通路形成部材を構成する複数の絶縁部材とで構成し、前記絶縁部材と前記インターコネクタと前記金属製パイプとの接合部をロウ材によってそれぞれ接合したものである。
【００１６】
また、本発明は、前記マニホールドを、金属製ガス通路形成部材を構成するマニホールド本体と、このマニホールド本体と各インターコネクタとを接続する複数本のパイプとで構成し、前記パイプを金属製ガス通路形成部材を構成するパイプ部材と、このパイプ部材の中間部に介在された絶縁材製ガス通路形成部材を構成する絶縁パイプとで構成し、前記パイプ部材と前記絶縁パイプの接合部をロウ材によって接合したものである。
【００１７】
また、本発明は、金属製ガス通路形成部材を構成する部材が耐熱合金で、絶縁材製ガス通路形成部材を構成する部材が前記金属製ガス通路形成部材を構成する部材と熱膨張係数の差が小さいセラミックスからなるものである。
【００１８】
また、本発明は、前記セラミックスがアルミナ、ジルコニア、カルシア、マグネシア、シリカを主成分とするセラミックスおよびこれらを任意に複合してなる複合セラミックスの中のいずれか１つからなるものである。
【００１９】
また、本発明は、前記ロウ材の主成分が銀ロウ、ニッケルロウ、金ロウ、パラジウムロウのうちのいずれか１つからなるものである。
【００２０】
また、本発明は、前記ロウ材を用いるロウ付けの接合部に、セラミックスと反応する活性金属が存在するものである。
【００２１】
また、本発明は、金属製ガス通路形成部材を構成する部材と絶縁材製ガス通路形成部材を構成する部材とのロウ材による接合工程を、セラミックスと反応する活性金属を数％含んだロウ材を用いて行うものである。
【００２２】
また、本発明は、金属製ガス通路形成部材を構成する部材と絶縁材製ガス通路形成部材を構成する部材とのロウ材による接合工程において、ロウ材による接合前の接合予定部に予め活性金属をコーティングしてからロウ材による接合を行うものである。
【００２３】
さらに、本発明は、金属製ガス通路形成部材を構成する部材と絶縁材製ガス通路形成部材を構成する部材とのロウ材による接合工程を、真空中、水素または不活性ガスの雰囲気中で行うようにしたものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明においては、金属製ガス通路形成部材と絶縁材製ガス通路形成部材の接合部をロウ付けという原子レベルの相互拡散を利用して接合しているので気密性が高く、高いシール性能を安定した状態で維持することができ、ガス漏れを防止することができる。また、ロウ材はガラス材料に比べて熱による劣化が少なく長期信頼性に優れている。
【００２５】
また、本発明においては、ロウ材としてセラミックスと反応する活性金属を数％含んだ銀ロウ、ニッケルロウ、金ロウ、パラジウムロウのうちのいずれか１つを用いているので、耐熱合金からなる金属製ガス通路形成部材とセラミックスからなる絶縁材製ガス通路形成部材を良好に接合することができる。
【００２６】
また、本発明において、ロウ材を用いるロウ付けの接合部にセラミックスと反応する活性金属を存在させる方法としては、ロウ材自体にセラミックスと反応する活性金属を含ませる方法と、接合予定部に予め活性金属をコーティングしておく方法と、活性金属を含んだロウ材を使用する方法と接合予定部に活性金属をコーティングする方法を併用する方法とがある。
【００２７】
さらに、本発明においては、ロウ材による金属製ガス通路形成部材と絶縁材製ガス通路形成部材の接合工程を真空中、水素または不活性ガスの雰囲気中で行うようにしているので、ロウ材の酸化による劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る燃料電池のマニホールド構造の一実施の形態を示す断面図、図２は燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セルの側面図、図３はセルスタックとマニホールドの概略構成を示す図、図４は燃料ガスの流れを示すセルスタックとマニホールドの断面図、図５は酸化剤ガスの流れを示すセルスタックとマニホールドの断面図、図６はセルスタックとマニホールドの分解斜視図、図７〜図１０は本発明の他の実施の形態を示す図である。
【００２９】
図１〜図６において、全体を符号１で示す平板型固体酸化物形燃料電池は、セルスタック２と、このセルスタック２の周囲に配設され各単セル３（以下、セルともいう）に対して燃料ガス、酸化剤ガスの給排気を行う４つのマニホールドＭ１〜Ｍ４と、セルスタック２を加圧する加圧機構４を備えている。
【００３０】
図１において、セルスタック２は、単セル３とインターコネクタ１２を交互に必要な段数積層することにより形成されており、断熱プレート１３上に押え板１４を介して設置されている。
【００３１】
前記各マニホールドＭ１〜Ｍ４は、断熱プレート１３上に押え板１５を介して設置された後述するマニホールド本体４０と、このマニホールド本体４０とセルスタック２の各インターコネクタ１２をそれぞれ接続する複数本のパイプ３７（３７ａ，３７ｂ）または３８（３８ａ，３８ｂ）とで構成されている。また、マニホールドＭ１（図１、図３、図４、図６）は、セルスタック２に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドＭ２はセルスタック２から燃料ガスの排気ガスを排気する排気マニホールドを構成し、マニホールドＭ３（図５、図６）はセルスタック２に対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドＭ４はセルスタック２から酸化剤ガスの排気ガスを排気する排気マニホールドを構成している。なお、マニホールドＭ１〜Ｍ４は、セルスタック２の周りに略９０°の間隔をおいて配設されている。
【００３２】
前記セルスタック２を加圧する加圧機構４は、セルスタック２上に押え板１６を介して設置された加圧手段としての圧縮ばね７と、この圧縮ばね７上に設置されたプレート１７と、このプレート１７と前記断熱プレート１３および押え板１４を貫通する４本の連結ロッド１８と、これらのロッド１８の両端部にそれぞれ螺着されたナット１９等で構成されている。
【００３３】
加圧機構４によりセルスタック２に加えられる荷重は、各連結ロッド１８に螺合しているナット１９を締め付けるかまたは弛めて圧縮ばね７の弾発力を変えることによって自由に調整することができる。圧縮ばね７としては、耐熱、耐食性に優れた窒化珪素を主成分とするセラミックス製のばねが用いられる。これにより、圧縮ばね７を燃料電池１の動作温度と同じ高温度環境下におくことができる。以下、平板型固体酸化物形燃料電池１の各部の構成等を図２〜図６に基づいて詳述する。
【００３４】
図２および図３において、固体酸化物形燃料電池１の単セル３は、平板形の燃料極基板（以下、燃料極という）２５と、この燃料極２５の上に積層形成された平板型固体酸化物からなる電解質層２６および空気極２７とからなり、これによって燃料極支持型のセルを構成している。
【００３５】
単セル３の構成材料としては、一般に開発が行われているすべての材料系に対して適用することができる。例えば、電解質層２６の材料としては、Ｓｃ2Ｏ3およびＡｌ2Ｏ3を添加した安定化ＺｒＯ2 （ＳＡＳＺ）やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのジルコニア系材料を、燃料極２５の材料としては、これらジルコニア系材料と酸化ニッケルとの混合サーメットを、それぞれ用いることができる。
【００３６】
空気極２７の材料にはランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などの一般的な空気極材料を用いることができるが、本発明では合金製のインターコネクタ１２を用いている観点から、燃料電池１の動作温度は８００℃以下とすることが好ましいので、低温での特性がより優れているランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）やランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣｏ）などの材料を用いることが好ましい。
【００３７】
単セル３の厚みはおよそ１ｍｍ程度である。セル３の面積は必要とされる出力に応じて決められるが、およそ１０〜１０００ｃｍ2 程度である。この場合、セル３の８００℃から１０００℃までの平均熱膨張係数は１０〜１１×１０-6／Ｋ程度である。
【００３８】
セル３の各電極２５，２７とインターコネクタ１２との電気的な接続は、インターコネクタ１２のそれぞれの表面の平坦性を確保することが困難なことから、変形可能な集電材２８，２９（図３の楕円内参照：図６には２８のみ図示）を介して行うことが好ましい。
【００３９】
燃料極２５側の集電材２８としては、銀の多孔体や発泡体、メッシュの他に、ニッケルの多孔体や発泡体、メッシュ等も用いることができる。ただし、ニッケルには炭化水素燃料の分解反応に対する触媒効果があるので、用いる際には注意が必要である。
【００４０】
空気極２７側の集電材２９としては、金、銀、白金などの貴金属の多孔体や発泡体、メッシュなどを用いることができる。しかし、耐酸化性と経済性のバランスから銀を多孔体や発泡体、メッシュなどの変形できる形状で用いることが好ましい。また、この集電材２９とセル３との接合をより強固にするために空気極２７側には空気極材料と同一の材料のペースト剤などを配置して焼結するとよい。インターコネクタ１２側にも銀ペーストや銀ロウなどの接続剤を用いることにより良好な接続を得ることができる。
【００４１】
図３〜図６において、インターコネクタ１２は、円板状に形成されて上面中央に形成した凹陥部３１内に単セル３、燃料極集電材２８および空気極集電材２９を収納し、これらを電気的に直列に接続するとともに、単セル３への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を可能にしている。単セル３は、燃料極２５を下にし、集電材２８，２９によってサンドイッチされた状態で凹陥部３１に収納されている。
【００４２】
インターコネクタ１２の内部には、燃料ガス用のガス供給通路３４ａとガス排気通路３４ｂが形成されており、その一端が前記凹陥部３１にそれぞれ開口し、他端がインターコネクタ１２の外周面にそれぞれ開口し、給気パイプ３７ａと排気パイプ３７ｂの一端がそれぞれ接続されている。そして、給気パイプ３７ａと排気パイプ３７ｂの他端は、マニホールドＭ１，Ｍ２のマニホールド本体４０にそれぞれ接続されている。
【００４３】
また、インターコネクタ１２の下面側には、円板状の凸部３２が一体に突設されており、この凸部３２の内部には酸化剤ガス用のガス給気通路３５ａとガス排気通路３５ｂ（図５）が形成されている。これらのガス給気通路３５ａ、ガス排気通路３５ｂの一端は凸部３２の下面中央にそれぞれ開口し、他端は凸部３２の外周面にそれぞれ開口し、給気パイプ３８ａと排気パイプ３８ｂの一端がそれぞれ接続されている。給気パイプ３８ａと排気パイプ３８ｂの他端は、マニホールドＭ３，Ｍ４のマニホールド本体４０にそれぞれ接続されている。
【００４４】
図１において、前記加圧機構４の押え板１６は、最上段の単セル３に対して酸化剤ガスを供給する必要がある。このため、押え板１６にも酸化剤ガス用のガス給気通路とガス排気通路（いずれも図示せず）が形成されており、またこれらの通路には給気パイプ３８ａと排気パイプ３７ｂ（図示せず）がそれぞれ接続されている。
【００４５】
このようなインターコネクタ１２は、単セル３と交互に複数段積層されて加圧機構４により加圧されることにより、凸部３２が空気極集電材２９を下段側の単セル３の空気極２７に押し付けている。なお、給気パイプ３７ａ，３８ａ、排気パイプ３７ｂ，３８ｂを総称して呼ぶときは単にパイプ３７、パイプ３８という。
【００４６】
単セル３のスタック化は、インターコネクタ１２の凹陥部３１内に単セル３と集電材２８，２９を収納してシールしたものをスタックに必要な段数積層することにより行う。そして、加圧機構４によってセルスタック２に所定の荷重をかけることにより、セル３間の良好な電気的接続を得ることができる。すなわち、セル３とインターコネクタ１２を積層してセルスタック２を製作する際には、インターコネクタセル１２−燃料極集電材２８−単セル３−空気極集電材２９−インターコネクタセル１２の順に順次積層することによりセルスタック２を製作する。そして、このようなセルスタック２を加圧機構４によって加圧し、所定の荷重を加える。加圧機構４によってセルスタック２を加圧すると、各インターコネクタ１２の凸部３２と押え板１６は空気極集電材２９を各単セル３の空気極２７に押し付け、燃料極２５が燃料極集電材２８をインターコネクタ１２の凹陥部３１の底面に押し付ける。このため、積層されている全ての単セル３の燃料極２５と燃料極集電材２８、および空気極２７と空気極集電材２９がそれぞれ密着して電気的に直列に接続され、これにより発電時に高い電圧が得られる。
【００４７】
インターコネクタ１２および押え板１６の材料としては、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス材料をはじめとする各種耐熱金属材料を用いることができる。特に、フェライト系ステンレス鋼でＡｌを１％以上含むものが熱的性質の適合性の観点からもっとも好ましい。その中でも、Ａｌを１％以上〜１０％未満含むようなフェライト系ステンレス鋼が機械的性質も良好で好ましい。この場合もＡｌが３％以上含まれるほうがより好ましい。このような金属には、例えば日新製鋼製ＮＣＡ−１（Ｆｅ：１８％、Ｃｒ：３％、Ａｌ）などの鋼種がある。ただし、電気的な接続を行うため耐熱金属の表面にできる酸化被膜の電気抵抗がなるべく小さいことが好ましい。
【００４８】
代表的な耐熱金属材料の線熱膨張係数は１１〜１６×１０-6／Ｋ程度であり、セル３の熱膨張係数と比べて一般に大きい。したがって、セル３とインターコネクタ１２（押え板１６も同様）とをガスシールする際にはこの熱膨張係数の違いを吸収できるような方法でシールすることが望ましい。このため、例えば単セル３をインターコネクタ１２の凹陥部３１内に配置し、セル３の外縁部とインターコネクタ１２とをシール材４１（図３参照：図６には図示せず）によってガスシールする。このようなシール材４１によるガスシールは、ほう珪酸ガラスなどの燃料電池１の動作温度よりも軟化点の低いガラス材料を用いることにより実現できる。
【００４９】
前記各マニホールドＭ１〜Ｍ４は略同一構造であり、前述したマニホールド本体４０と、このマニホールド本体４０と前記各インターコネクタ１２を接続する複数本のパイプ３７，３８とで構成されている。
【００５０】
また、マニホールド本体４０は、セル３間のリーク電流の発生を防止するために金属製のマニホールド部材４４と、絶縁材料で製作されたマニホールドコネクタ４５を交互に複数個積み重ねることにより形成されており、さらにガス漏れを防止し高いシール性能を確保するためにマニホールド部材４４とマニホールドコネクタ４５の接合部をロウ材４６（図４、図５、図６）によって接合し、両部材間の隙間をシールしている。また、各マニホールド部材４４には、前記パイプ３７または３８の一端がそれぞれ接続されており、その接合部が同じくロウ材４６によって接合されている。ここで、パイプ３７，３８とマニホールド部材４４とは金属製ガス通路形成部材（部品）を構成し、マニホールドコネクタ４５は絶縁材製ガス通路形成部材（部品）を構成している。なお、本実施の形態においては、マニホールドＭ１〜Ｍ４の数を各１つとしているが、必要とする燃料ガスおよび酸化剤ガスの量が多いときおよび構造上の制約がある場合には１つ以上適当な数を設けることができる。
【００５１】
各マニホールドＭ１〜Ｍ４のマニホールド本体４０を金属製のマニホールド部材４４と、絶縁材料からなるマニホールドコネクタ４５を交互に積層して構築する理由は、上記した通りセル３どうしがマニホールドＭ１〜Ｍ４を介してそれぞれ短絡するのを防止するためである。
【００５２】
前記マニホールド部材４４は、図４〜図６に示すように中空の円筒状に形成されており、前記パイプ３７またはパイプ３８の一端が接続されている。マニホールド部材４４の材料としては、高温において酸化剤ガス（強い酸化性）や燃料ガス（還元性）に晒されても変成したり劣化しない材料であることが要求される。このため、例えば耐熱ステンレス、インコネル、ハステロイなどの耐熱性金属が用いられる。
【００５３】
また、セルスタック２とマニホールド部材４４を接続するパイプ３７，３８もＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱ステンレスやインコネル、ハステロイなどの耐熱金属製パイプが用いられる。また、パイプ３７，３８にはマニホールド部材４４と同様に電気伝導性がない方が好ましいため、表面にＡｌ2Ｏ3の被膜をつくるＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ耐熱合金などを使用することができる。燃料に炭化水素系の燃料を用いてセル３まで直接に導入する場合には、特に、表面にＡｌ2Ｏ3の被膜をつくる耐熱合金を用いるほうが炭化水素燃料をセル３に安定に供給できるため好ましい。
【００５４】
パイプ３７，３８は、それぞれ直径が１〜５ｍｍ、できれば２〜３ｍｍ程度の細いものであり、互いの位置を変えることができるように変形することができるようになっている。パイプ３７，３８としては、変形の容易さの観点からは細ければ細いほうが好ましいが、単セル３に供給しなければならない燃料ガスおよび酸化剤ガスは単セル３の電極面積が１０ｃｍ2 以上ある場合には１００ｍｌ／ｍｉｎ以上の流量が必要となるため、最低でも１ｍｍ以上の直径は必要である。現実的なセル３の大きさとしてはおおよそ１００ｃｍ2 〜４００ｃｍ2 程度となるため、必要とされる流量は１０００ｍｌ／ｍｉｎ程度となる。この場合には外径１．５８７ｍｍ（１／１６インチ）または３．１７５ｍｍ（１／８インチ）のパイプを用いることができる。これ以上大きな面積の単セル３を用いる場合には、パイプ３７，３８の直径を大きくするよりもパイプ３７，３８の本数を増やすほうが好ましい。
【００５５】
マニホールドコネクタ４５の材質としては、マニホールド部材４４と熱膨張係数の差が小さいセラミックスやマイカ（雲母）が用いられる。現実的には、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3），ジルコニア（ＺｒＯ2 ）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、シリカ（ＳｉＯ2 、石英）を主成分とするセラミックスや複合セラミックスなどが用いられる。ただし、ジルコニアなどの酸素イオン導電体は、電解質としての機能により燃料を消費する可能性があるので、燃料極側のマニホールドコネクタとして用いるのは好適ではない。また、混合物の代表物としてはマセライトと呼ばれるマシーナブルセラミックスがある。特に、マニホールド部材４４が耐熱ステンレスの場合は、マグネシアが好適であり、またマグネシアとアルミナ等他のセラミックスをマトリックスとした複合材料も好適である。一方、マニホールド部材４４がチタンまたはコバールの場合は、アルミナが好適である。
【００５６】
ロウ材４６としては、セラミックスと反応する活性金属（チタン、ジルコニウム、ニオブ、ハフニウムなど）を数％含んだ銀ロウ、ニッケルロウ、金ロウ、パラジウムロウが好適である。ロウ材４６の適正な溶融温度としては、銀ロウの場合は８００〜９００℃、ニッケルロウの場合は１０００〜１２００℃、金ロウの場合は９００〜１１００℃、パラジウムロウの場合は８００〜１２００℃が好適である。なお、ロウ材４６についても、高温において強い酸化性ガス（酸化剤ガス）もしくは強い還元性ガス（燃料ガス）に晒されても変成したり劣化しない材料であることが好ましい。
【００５７】
ロウ材４６によるマニホールド部材４４とマニホールドコネクタ４５との接合に際しては、ロウ材４６をマニホールド部材４４またはマニホールドコネクタ４５に塗布し、酸化を防止するために真空中（１×１０-3ｔｏｒｒ以上）、水素の雰囲気中または不活性ガス（Ｎ2 ，Ａｒなど）の雰囲気中でロウ付けすることが好ましい。
【００５８】
また、特にろう付けに際して活性金属を含まないロウ材によってロウ付けする場合、マニホールド部材４４とマニホールドコネクタ４５との接合予定部に予め活性金属をスパッタリングなどの方法によってコーティングしておくことが好ましい。この場合においても活性金属を含むロウ材を用いた場合と同様な効果が得られる。
【００５９】
また、ロウ付けに際しては、接合予定部に予め活性金属をコーティングしておき、活性金属を含んだロウ材を用いてロウ付けしてもよい。
【００６０】
このような構造からなる燃料電池１において、空気極２７と燃料極２５は、電解質層２６を介して隔離されており、空気極２７には酸化剤ガスが供給され、燃料極２５には燃料である水素と一酸化炭素がそれぞれ供給されている。すなわち、酸化剤ガスは、図５に示すように給気用のマニホールドＭ３のマニホールド本体４０、給気パイプ３８ａおよびガス給気通路３５ａを通って各インターコネクタ１２の凹陥部３１内に上方から供給されると、単セル３の空気極２７に接触する。電解質層２６と空気極２７の界面では、電極反応に寄与する三層界面が形成されており、下記（１）式に示す空気極反応により酸化剤ガス中の酸素と電子が反応して酸素イオンに変わる。そして、この酸素イオンは、電解質層２６の内部を移動して燃料極２５に到達する。なお、未反応の酸化剤ガスはガス排気通路３５ｂ、排気パイプ３８ｂおよび排気用マニホールドＭ４のマニホールド本体４０を通って外部に排出される。
【００６１】
（空気極反応）
1/2Ｏ2 ＋２ｅ- →Ｏ2-      ・・・（１）
【００６２】
一方、給気用のマニホールドＭ１に供給された燃料ガスは、図３、図４および図６に示すようにマニホールド本体４０、給気パイプ３７ａ、ガス給気通路３４ａを通って各インターコネクタ１２の凹陥部３１内に供給されると、単セル３の燃料極２５に接触する。燃料極２５では、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット、Ｐｔ等から形成された燃料極２５の働きで、空気極２７から電解質層２６の内部を通って移動してきた酸素イオンが下記（２）式および（３）式に示す反応により燃料極２５に供給された水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成される。そして、生成物のガスおよび未反応の燃料ガスは、ガス排気通路３４ｂ、排気パイプ３７ｂおよび排気用マニホールドＭ２のマニホールド本体４０を通って外部に排気される。
【００６３】
（燃料極反応）
Ｈ2 ＋Ｏ2- →Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ2- →ＣＯ2＋２ｅ-  ・・・（３）
【００６４】
燃料極２５で生成した電子は、外部回路を移動して空気極２７に到達する。空気極２７に到達した電子は、前記（１）式で示した空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で電気エネルギーを出力として取り出すことができる。
【００６５】
以上のように本発明においては単セル３とインターコネクタ１２を交互に積層し、各セル３の燃料極２５に燃料ガスを供給し、空気極２７に酸化剤ガスを供給することにより、図４および図５に示したようなガス供給系と電気的接続が実現され、これにより接続損失の少ない高出力な固体酸化物形燃料電池１を実現できる。
【００６６】
また、本発明においては各マニホールドＭ１〜Ｍ４のマニホールド本体４０を構成する金属製のマニホールド部材４４と絶縁材料からなるマニホールドコネクタ４５をロウ材４６によって接合したので、熱的に安定で信頼性の高いマニホールド本体４０を構築することができる。すなわち、ロウ材４６による接合は、ガラス材料と異なり原子レベルの相互拡散を用いた接合であるため、気密性が高く、燃料電池１の作動時にマニホールド部材４４とマニホールドコネクタ４５が膨張してもその接合部に隙間が生じ難く、燃料ガスや酸化剤ガスの漏洩を確実に防止することができる。また、ロウ材４６は熱による劣化が少なく、長期間にわって安定しているため、特に作動温度が高い固体酸化物形燃料電池１のマニホールドＭ１〜Ｍ４にシール材として用いて好適である。
【００６７】
また、図７に示すようにセルスタック２の加圧機構４と同様な加圧機構５０を用いてマニホールドＭ１（Ｍ２〜Ｍ４も同様）のマニホールド本体４０に所定の荷重を加えると、マニホールド部材４４とマニホールドコネクタ４５との密着度が高くなり、シール性能をより一層向上させることができる。
【００６８】
図８（ａ）、（ｂ）は本発明に係るマニホールド構造の他の実施の形態を示す要部の斜視図および断面図である。
同図において、セルスタックの各インターコネクタに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給または排気するマニホールドＭは、一本の筒体からなり金属製のガス通路形成部材を構成するマニホールド本体６０と、このマニホールド本体６０と各インターコネクタとを接続する、同じく金属製のガス通路形成部材を構成する細い複数本のパイプ３７（３８）と、前記マニホールド本体６０と各パイプ３７との接続部にそれぞれ介在された絶縁材製ガス通路形成部材を構成する絶縁部材６１とで構築されている。絶縁部材６１は、マニホールド本体６０の周面に形成した嵌合孔に嵌め込まれ、ロウ材４６によって接合されている。パイプ３７の一端部は、絶縁部材６１の中央に形成した挿通孔よりマニホールド本体６０内に挿入され、同じくロウ材４６によって絶縁部材６１に接合されている。
【００６９】
このようなマニホールド構造においても、パイプ３７とマニホールド本体６０を絶縁部材６１によって電気的に絶縁しているので、上記した実施の形態と同様にマニホールドＭによるセル間の短絡を防止することができる。
【００７０】
また、図８に示す実施の形態の変形例として、絶縁部材６１をマニホールド本体６０とパイプ３７（３８）との接合部に介在させる代わりに、各インターコネクタ１２とパイプ３７（３８）との接合部に絶縁部材６１を介在させ、インターコネクタ１２とパイプ３７（３８）と絶縁部材６１との接合部をロウ材によってそれぞれ接合しても同様にマニホールドＭによるセル間の短絡を防止することができる。
【００７１】
図９（ａ）、（ｂ）は本発明に係るマニホールド構造の他の実施の形態を示す要部の斜視図および断面図である。
この実施の形態は、セルスタックの各インターコネクタに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給または排気するマニホールドＭを、一本の筒体からなり金属製のガス通路形成部材を構成するマニホールド本体６０と、このマニホールド本体６０と各インターコネクタとを接続する複数本のパイプ３７（３８）とで構築している。前記パイプ３７は金属製のガス通路形成部材を構成するパイプ部材７０と、このパイプ部材７０の中間部に介在された絶縁材製のガス通路形成部材を構成する絶縁パイプ７１とからなり、パイプ部材７０と絶縁パイプ７１の接合部をロウ材４６によって接合している。なお、マニホールド本体６０とパイプ部材７０の接合部もロウ材４６によって接合されている。
【００７２】
このような構造からなるマニホールド構造においても、パイプ部材７０の中間部を絶縁パイプ７１によって電気的に絶縁しているので、上記した実施の形態と同様な効果が得られる。
【００７３】
図９においては、絶縁パイプ７１の内径をパイプ部材７０の外径より大きく形成し、２本のパイプ部材７０の端部外周面に絶縁パイプ７１を嵌合してロウ付けするようにした例を示したが、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように絶縁パイプ７１の外径をパイプ部材７０の内径より小さく形成し、２本のパイプ部材７０の端部内周面に絶縁パイプ７１を嵌挿してロウ付けするようにしてもよい。
【００７４】
本発明は燃料極支持型の単セル３を用いたが、十分な強度を有する平板型固体電解質板の表裏面に燃料極、空気極をそれぞれ配置した電解質支持型の単セルに対しても適用することができる。この場合、システム側の要求として排気ガスを回収する必要がなければ、特に単セル３とインターコネクタ１２をシールする必要はない。また、燃料極支持型であってもマニホールドを燃料ガス供給用と酸化剤ガス供給用のマニホールドＭ１，Ｍ３のみとし、排気ガス用のマニホールドＭ２，Ｍ４を省略することが可能である。特に、酸化剤ガスは空気または酸素が用いられるため、回収してその熱を利用する場合以外は回収する意味が少ない。
【００７５】
燃料ガスの排気ガスを回収するマニホールドＭ２がない場合、未反応燃料ガスが燃料電池１の雰囲気中に垂れ流しとなり、５００〜１０００℃という運転条件下では燃えてしまい燃料の利用率が低下する。また、燃料極反応により反応生成物として水または二酸化炭素が生成され、この生成物を速やかにセル近傍から除去しないと、燃料の消費が進まなくなり、これからも燃料の利用率が低下する。したがって、効率の高い燃料電池を目指す上ではマニホールドＭ２を備えていることが望ましい。しかし、システム構成を簡素化するために未反応燃料ガスを燃やすようにした場合は、マニホールドＭ２を省略することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る燃料電池のマニホールド構造の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セルの側面図である。
【図３】セルスタックとマニホールドの概略構成を示す図である。
【図４】燃料ガスの流れを示すセルスタックとマニホールドの断面図である。
【図５】酸化剤ガスの流れを示すセルスタックとマニホールドの断面図である。
【図６】セルスタックとマニホールドの分解斜視図である。
【図７】本発明の他の実施の形態を示す要部の正面図である。
【図８】（ａ）（ｂ）は本発明に係るマニホールド構造の他の実施の形態を示す要部の斜視図および断面図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は本発明に係るマニホールド構造の他の実施の形態を示す要部の斜視図および断面図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は本発明に係るマニホールド構造のさらに他の実施の形態を示す要部の斜視図および断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１…固体酸化物形燃料電池、２…セルスタック、３…単セル、４…加圧機構、７…圧縮ばね、１２…インターコネクタ、２５…燃料極、２６…電解質層、２７…空気極、２８，２９…集電材、３４ａ、３５ａ…ガス給気通路、３４ｂ，３５ｂ…ガス排気通路、３７ａ，３８ａ…給気パイプ、３７ｂ，３８ｂ…排気パイプ、４０…マニホールド本体、４４…マニホールド部材、４５…マニホールドコネクタ、４１…シール材、４６…ロウ材、６０…マニホールド本体、６１…絶縁部材、７０…パイプ部材、７１…絶縁パイプ、Ｍ，Ｍ１〜Ｍ４…マニホールド。
【図１】
2007053043.tif 000003
【図２】
2007053043.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007053043.tif 000007
【図６】
2007053043.tif 000008
【図７】
2007053043.tif 000009
【図８】
2007053043.tif 000010
【図９】
2007053043.tif 000011
【図１０】
2007053043.tif 000012