JP5033324B2

JP5033324B2 - 燃料電池スタック及び燃料電池

Info

Publication number: JP5033324B2
Application number: JP2005346801A
Authority: JP
Inventors: 正明小畑; 仁英大嶋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: JP2007157351A

Description

本発明は、複数の燃料電池セルの一端部をマニホールドにそれぞれ固体し、マニホールド内のガスが燃料電池セル内を通過する燃料電池スタック及びそれを用いる燃料電池に関するものである

次世代エネルギーとして、近年、固体電解質形燃料電池セルを収納容器内に複数収容した燃料電池が種々提案されている。固体電解質形燃料電池セルは、例えば、酸素側電極の表面に固体電解質、燃料側電極を順次形成して構成されており、燃料側電極側に燃料（水素）を流し、酸素側電極側に空気（酸素）を流して６００〜１０００℃程度で発電される。

固体電解質形燃料電池の典型例においては、燃料電池セルの片端部がガスシールされてマニホールド上面の支持部材に固定され、この支持部材がマニホールドの上側開口部に接合されている。マニホールド内部には、マニホールドに接合されたガス供給管から燃焼ガスが供給され、燃料電池セル内のガス通路に流動せしめられる。

従来、非金属部材と金属部材とをタイトに接合するために、金属と非金属部材との間に、熱膨張率が金属と非金属との間にあるスペーサーを入れたり（例えば、特許文献１参照）、金属と非金属との間に、接合層として金属ロウ材層を形成したり（例えば、特許文献２参照）、金属と非金属との間の接合部材として銀又は銀合金を用いたり（例えば、特許文献３参照）、接合部に滑剤を介在させて引き抜きの摩擦係数を規定した（例えば、特許文献４）技術が開示されている。

特開２０００−２８５８１９号公報特開２００４−１４２９７１号公報特開２００２−０２０１８０号公報特開平６−１７０６５３号公報

近年、高温耐久性の観点から、セラミックスやガラス等の非金属製マニホールドが提案されつつあり、この非金属マニホールドとステンレス等の金属製のガス供給管との接合が要請されている。この場合は、振動等によりマニホールドとガス配管との接合部からガスが漏出するのを防止するために、ガス供給管がマニホールドにタイトに接合されていることが重要である。
ところで、金属配管と非金属マニホールドとの接合においては、金属と非金属との熱膨張差に起因する接合部のシール性の低下、非金属マニホールドの破壊、金属配管の振動に起因する接合部のシール不良、又は、金属配管の引き抜け等の問題点がある。
しかしながら、上記従来技術を金属配管と非金属マニホールドとの接合に用いた場合には、解決すべき問題点がある。第一に、ロウ材層等の接合層を形成する場合、ロウ材層と、金属及び非金属との組み合わせにおいて、使用しうるロウ材が制限される。
第二に、軟化シール材では、振動等により、簡単に非金属マニホールドから金属配管が引き抜けてしまう。
第三に、摩擦係数の規定では、長時間の使用により、金属と非金属との界面反応で摩擦係数が変化してくる可能性があり、耐久性の観点で問題がある。

上記問題点に鑑み、本発明は、金属部材からなる金属配管と非金属部材からなるマニホールドとの接合の組み合わせの自由度が高く、長時間の振動に曝されても引き抜け等が発生せず、耐久性及びシール性に優れた金属配管とマニホールドとの接合構造を有する燃料電池スタック及びそれを用いた燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の特徴を有する。本発明の燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルの一端部が固定されたガラスからなるマニホールドの壁に、該マニホールド内にガスを供給する金属部材からなる金属配管を挿通せしめて接合してなる燃料電池スタックであって、前記金属配管が、前記マニホールドの壁を挟み込み、該マニホールドの壁の外面に接合する一対の金属フランジを具備することを特徴とする。
このような燃料電池スタックでは、金属配管に金属フランジを設けるとともに、以下の特徴を有することにより、ガラスと金属部分との接合面積が大きくなるため、接合強度を上げ、マニホールドからのガス漏れ、若しくはマニホールド内へのガスの侵入を確実に防止することが可能になる。

さらに、本発明の燃料電池スタックは、前記金属配管が、前記マニホールドに埋設する突起部を具備することを特徴とする。
このような燃料電池スタックでは、金属配管に突起部を設けることにより、さらに、非金属部分と金属部分との接合面積が増えると共に、金属配管の引き抜け方向や回転方向に対して、これらを阻止する力を大きくすることができる。

さらに、本発明の燃料電池スタックは、前記金属フランジが、前記マニホールドに埋設する突起部を具備することを特徴とする。
このような燃料電池スタックでは、金属フランジに突起部を設けることにより、さらに、非金属部分と金属部分との接合面積が増えると共に、金属配管の引き抜け方向や回転方向に対して、これらを阻止する力を大きくすることができる。

さらに、本発明の燃料電池スタックは、前記金属フランジが、前記マニホールドの壁に埋設されていることを特徴とする。
このような燃料電池スタックでは、金属フランジをマニホールドに埋設することにより、非金属部分と金属部分との接合面積がさらに大きくなるため、接合強度を上げ、マニホールドからのガス漏れ、若しくはマニホールド内へのガスの侵入を確実に防止することができる。

本発明の燃料電池は、複数の固体電解質型燃料電池セルの一端部をマニホールドにそれぞれ固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記燃料電池が、上記に記載のいずれかの燃料電池スタックを具備することを特徴とする。
このような燃料電池では、マニホールドと金属配管との接続強度が高く、マニホールドからのガス漏れ、若しくはマニホールド内へのガスの侵入を確実に防止できる燃料電池スタックを具備することにより、信頼性を上げるとともに、発電効率を高める燃料電池を提供することができる。

本発明より、非金属部材からなるマニホールドと金属配管との接続強度が高く、マニホールドからのガス漏れ、若しくはマニホールド内へのガスの侵入を確実に防止できる燃料電池スタックを提供することができる。
また、本発明により、上記燃料電池スタックを用いることにより、信頼性及び発電効率の高い燃料電池を提供することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池の実施形態の一例を示す断面図である。図２は、図１の燃料電池を一部省略して示す斜視図である。図３は、図１の燃料電池に使用されている燃料電池スタックを示す斜視図である。図４は、図３の燃料電池スタックにおけるセルスタックを示す断面図。図５は、図３の発電ユニットを示す斜視図である。

図１及び図２を参照して説明すると、図示の燃料電池は略直方体形状のハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁１０、前断熱壁（図示していない）及び後断熱壁（図示していない）が配設されている。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。
前断熱壁及び／又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び／又は後断熱壁を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室１２内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。

ハウジング２内の下端部には下部ガス室１４が配置され、上端部には上部ガス室１６が配設されている。下部ガス室１４は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１５内に規定されており、同様に上部ガス室１６も上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１７内に規定されている。ハウジング２内の左右両側部には上下方向に延在する連通ガス室１８が配設されている。かかる連通ガス室１８は横方向（図１において左右方向）寸法が比較的小さい直方体形状のケース１９内に規定されている。
連通ガス室１８の各々の上面には前後方向に間隔をおいて３個の連通筒２０が付設されており、かかる連通筒２０を介して連通ガス室１８の各々が上部ガス室１６の下面両側部に連通されている。連通ガス室１８の各々の下端部内側は下部ガス室１４の両側面に直接的に連結されている。

従って、上部ガス室１６の両側部は連通ガス室１８を介して下部ガス室１４の両側部に連通せしめられている。下部ガス室１４の上面には横方向（図１において左右方向）に間隔をおいて上方に突出する５個の中空ガス噴出板２２が配設されている。かかるガス噴出板２２の下端は下部ガス室１４内に連通せしめられており、上部にはガス噴出孔（図示していない）が形成されている。

ハウジング２の両側部、更に詳しくは右側断熱壁８の内側及び左側断熱壁１０の内側には、全体として平板形状である熱交換器２４が配設されている。熱交換器２４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース２６から構成されている。
かかるケース２６内にはその横方向中間に位置する仕切板２８が配設されており、ケース２６内は内側に位置する排出路３０と外側に位置する流入路３２とに区画されている。排出路３０内には上下方向に間隔をおいて５枚の仕切壁３４及び３６が配置されている。更に詳述すると、排出路３０内には、その前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３４と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁３６とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路３０はジグザグ形態にせしめられている。なお、燃焼ガス排出路３０は、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

同様に、流入路３２内にも上下方向に間隔をおいて５枚の仕切壁３８及び４０、即ちその前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３８と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁４０とが交互に配置されており、かくして流入路３２もジグザグ形態にせしめられている。なお、流入路３２も、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。

ケース２６の内側壁の上端部には排出開口４２が形成されており、排出路３０は排出開口４２を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器２４の各々と上記連通ガス室１８との間及び連通ガス室１８の内面にも断熱部材４４及び４６が配設されているが、かかる断熱部材４４及び４６の上端は排出開口４２の下縁と実質上同高乃至これより幾分下方に位置せしめられており、排出開口４２は断熱部材４４及び４６の上方に残留せしめられている空間並びに連通ガス室１８の上端に配設された３個の連通筒２０間の空間を通して発電・燃焼室１２に連通せしめられている。

ケース２６の上壁における外側部には流入開口４８が形成されており、流入路３２はかかる流入開口４８を介して上部ガス室１６に連通せしめられている。熱交換器２４の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体５０は外側筒部材５２と内側筒部材５４とから構成されている。排出路３０の下端部は外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路３２の下端部は内側筒部材５４内に規定されている流入路に接続されている。

上述した下部ガス室１４の上面上には４個の発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄが配置されている。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄは、夫々、上述したガス噴出板２２間に位置せしめられており、所定間隔をおいて並設され、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄにより燃料電池スタック５７を構成している。図１及び図２と共に、図５を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース５８ａを具備している。

燃料ガス室５９ａを規定している燃料ガスマニホールド５８ａの上面上にはセルスタック６０ａが装着されている。セルスタック６０ａは上下方向に細長く延びる板状でかつ柱状の直立セル６２を燃料ガスマニホールド５８ａの長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置して構成されている。燃料電池セル６２の配列方向と、発電ユニット５６の配列方向は直交している。セル６２の各々は、図４に明確に図示する如く、電極支持基板６４、内側電極層である燃料極層６６、固体電解質層６８、外側電極層である酸素極層７０、及びインターコネクタ７２から構成されている。

電極支持基板６４は上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板６４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路７４が形成されている。セル６２の下端部は燃料マニホールド５８ａに、後述するように、例えば耐熱性に優れたシール材によって接合されている。
燃料ガスマニホールド５８ａの上壁には図１において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット（図示していない）が形成されており、電極支持基板６４の各々に形成されている燃料ガス通路７４がスリットの各々に、従って燃料ガス室５９ａに連通せしめられる。

インターコネクタ７２は電極支持基板６４の片面（図４のセルスタック６０ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層６６は電極支持基板６４の他面（図４のセルスタック６０ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。固体電解質層６８は燃料極層６６の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。酸素極層７０は、固体電解質層６８の主部上、即ち電極支持基板６４の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板６４を挟んでインターコネクタ７２に対向して位置せしめられている。

セルスタック６０ａにおける隣接するセル６２間には集電部材７６が配設されており、一方のセル６２のインターコネクタ７２と他方のセル６２の酸素極層７０とを接続している。セルスタック６０ａの両端、即ち図４において上端及び下端に位置するセル６２の片面及び他面にも集電部材７６が配設されている。セルスタック６０ａの両端に位置する集電部材７６には電力取出手段（図示していない）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング２の前壁（図示していない）及び／又は後壁（図示していない）を通してハウジング２外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄを相互に直列接続し、４個のセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。

セル６２について更に詳述すると、電極支持基板６４は燃料ガスを燃料極層６６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ７２を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。
燃料極層６６及び／又は固体電解質層６８との同時焼成により電極支持基板６４を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板６４を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

燃料極層６６は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアを称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。
固体電解質層６８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されている。
酸素極層７０は所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層７０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ７２は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ７２は電極支持基板６４に形成された燃料ガス通路７４を通る燃料ガス及び電極支持基板６４の外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。
集電部材７６は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。

図１乃至図３、５を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは、セルスタック６０ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である改質ケース７８ａも具備している。改質ケース７８ａの前端部側面には、改質された燃料ガスの燃料ガス送給管８０ａの一端即ち上端が接続されている。
燃料ガス送給管８０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管８０ａの他端は上記燃料ガスマニホールド５８ａの前面に接続されている。改質ケース７８ａの後面には改質される被改質ガス供給管８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは改質ケースから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出されている。燃料ガス送給管８０ａ、被改質ガス供給管８２ａの内部がガス供給路とされている。

被改質ガス供給管８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２ａを介して改質ケース７８ａに被改質ガスが供給される。改質ケース７８ａ内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。
図示の実施形態においては、改質ケース７８ａは燃料ガス送給管８０ａを介して燃料ガスマニホールド５８ａに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図５に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管８２ａの下面と燃料ガスマニホールド５８ａの後端部上面或いは後面との間に適宜の支持部材８４ａを付設することもできる。
発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの各々は、図１及び図２を参照することによって明確に理解されるとおり、ガス噴射板２２間にて下部ガス室１４を規定するケース１５の上面上に載置され、ボルトの如き適宜の固定手段（図示していない）によって所定位置に固定される。

上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを介して改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄに供給され、改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを通して燃料ガスマニホールド５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ内に規定されている燃料ガス室５９ａ、５９ｂ、５９ｃ及び５９ｄに供給され、次いでセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに供給される。

一方、空気でよい酸素含有ガスは二重筒体５０の内側筒部材５４内に規定されている流入路を通して熱交換器２４の流入路３２に供給され、次いで上部ガス室１６及び連通ガス室１８を通して下部ガス室１４に供給され、そしてガス噴出板２２の噴出孔からセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに向けて噴射される。
セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び酸素含有ガスは、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄは発電・燃焼室１２内に配設され、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器２４に形成されている排出開口４２から排出路３０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路３０を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体５０における排出路を流動する際には、二重筒体５０における流入路を酸素含有ガスが流動し、燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換が行われる。
そしてまた、燃焼ガスが熱交換器２４の排出路３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、酸素含有ガスが熱交換器２４の流入路３２をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で効果的に熱交換されて酸素含有ガスが余熱される。酸素含有ガスは上部ガス室１６、連通ガス室１８及び下部ガス室１４を通る際にも発電・燃焼室１２内の高温によって加熱される。
長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング２の前壁（図示していない）或いは後壁（図示していない）を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出す。

そして、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部におけるセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄのみを新しいものに交換して、再びハウジング２内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出し、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ自体を新しいものに或いは改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。
改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。

そして、本発明の燃料電池は、例えば、図６に示すように、マニホールド５８が、セル支持板９０ａと、一面が開口した箱状のマニホールド本体９０ｂとから構成され、マニホールド本体９０ｂの開口部を形成する壁９０ｂ１上面の内側部分に、開口部を取り囲む内側環状段差部９０ｂ２を形成し、内側環状段差部９０ｂ２にセル支持板９０ａの外周部を係合させて接合し、マニホールド本体９０ｂの開口部を前記セル支持板９０ａで閉塞してなる。言い換えると、セル支持板９０ａを、開口したマニホールド本体９０ｂの内側に嵌め込んで蓋をする構造となっている。

セル支持板９０ａは、燃料電池セル６２の下端部を保持固定する機能を有し、セル支持板９０aがマニホールド本体９０ｂに接合され、このセル支持板９０aに燃料電池セル６２の下端部が支持固定されている。このセル支持板９０ａは下面が開口する矩形箱状であり、幅方向に複数条のスリット９０ａ１が所定間隔を置いて平行に形成され、これらのスリット９０ａ１内に複数の燃料電池セル６２の下端部がそれぞれ収容された状態で、シール材によりガスシールされている。

ガスシール材としては、燃料電池の運転温度において固相状態の緻密で、かつ熱膨張係数がマニホールド本体９０ｂ及びセル支持板９０ａと近似するシール材が用いられ、このようなシール材としては、非晶質及び／又は結晶質を含むガラス材料、無機系セメントなど、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｎＯから構成される結晶質ガラスが用いられる。

セル支持板９０ａは、図６（ａ）に示すように、燃料電池セル６２の幅方向端部が、スリット９０ａ１から露出した幅方向端部（スリット底面９０ａ１２）に載置されるような寸法とされ、図６（ｂ）に示すように、燃料電池セル６２の幅方向端部が、セル支持板９０aから突出しないように構成されている。また、燃料電池セル６２の平坦な側面は、スリット９０ａ１の側面９０ａ１１と所定間隔を置いて離間している。

このマニホールド本体９０ｂの幅方向側壁の一方には、上述したように、ガス送給管８０（以下、「金属配管」ともいう）が接合されてる。本発明に係るマニホールド本体９０ｂは、高温耐久性の観点から、ガラス等の耐高温性に優れた非金属からなるものであり、ガス送給管８０は金属からなっている。ここで、金属とは、単一金属又はステンレス等の合金を含む金属である。この場合、マニホールド本体９０ｂとガス送給管８０との熱膨張率の差異等による接合部のシール性が問題を解決するため、本発明では、接続構造を以下のような形態にしている。

図７は、本発明に係るマニホールドとガス送給管との接続構造を示す断面図である。図７（ａ）に示す接続構造では、金属からなるガス送給管８０が一対の金属フランジを具備し、この金属フランジが、例えば、結晶化ガラス、セラミックス等の非金属からなるマニホールド本体９０ｂの壁を挟み込み、このマニホールド本体９０ｂの内面及び外面の壁に接合されている。図７（ｂ）に示す接続構造は、金属フランジ１０１が、マニホールド本体９０ｂの壁に埋設されている構造である。金属フランジ１０１の厚み側面及びマニホールド本体９０ｂを挟み込む接合面は、マニホールド本体９０ｂの壁の中に金属フランジの厚みの分だけ埋設され、マニホールドと接合しない面は、マニホールドの壁の面と段差を設けることなく、マニホールドの壁の一部を形成するような状態で接合されている。図７（ｃ）に示す接続構造は、図７（ａ）に示す接続構造の金属フランジの表面を、マニホールド本体９０ｂを構成する非金属材料で覆った構造である。

このように、ガス送給管８０に金属フランジを設けることにより、非金属部分と金属部分との接合面積が大きくなるため、接合強度が上がり、マニホールド５８からのガス漏れ、若しくはマニホールド５８内へのガスの侵入を確実に防止することができる。
さらに、図７（ｂ）や図７（ｃ）に示す接続構造では、非金属部分と金属部分との接合面積がさらに大きくなるため、接合強度が上がり、マニホールド５８からのガス漏れ、若しくはマニホールド内へのガスの侵入を確実に防止することができる。

図８は、図７（ａ）に示す接続構造の金属部分に突起部を備えた構造を示す断面図である。図８（ａ）では、ガス送給管８０に金属製の突起部１０２が備えられており、当該突起部１０２がマニホールドの壁に埋設されている。また、図８（ｂ）乃至（ｄ）では、金属フランジに金属製の突起部１０３、１０４、１０５が備えられて、当該突起部１０３、１０４、１０５がマニホールド本体９０ｂの壁の中に埋設されている。突起部１０２、１０３、１０４、１０５の形状は、金属配管の引き抜け若しくは押し込み方向の力又は回転方向に対してそれを阻止する様な形状が好適に用いられている。突起部１０２、１０３、１０４、１０５は溶接等により、金属配管又は金属フランジに設けられる。図８では、図７（ａ）に示す接続構造に突起部１０２、１０３、１０４、１０５を設けているが、図７（ｂ）、（ｃ）に示す金属配管８０や金属フランジ１０１に突起部１０２、１０３、１０４、１０５が備えられた接続構造にすることができることはいうまでもない。

このように、金属配管８０や金属フランジ１０１に突起部１０２、１０３、１０４、１０５を設けることにより、金属配管８０とマニホールド本体９０ｂとの接合面積がさらに増えると共に、金属配管８０の引き抜け若しくは押し込み方向又は回転方向に対して、これらを阻止する力を大きくすることができる。
次に、上記接続構造の製作について説明する。図９は、図７、８で示した本発明に係るマニホールド本体９０ｂと金属配管８０との接続構造の製作過程を示す図である。まず、図９に示すように、金属フランジ１０１を備えた金属配管８０を準備する。金属フランジ１０１は、丸形、角形等いずれの形状でもよく、その中央部に金属配管８０を挿通する穴を開け、マニホールドの壁を挟み込むように一対の金属フランジ１０１が間隔を開けて金属配管８０に溶接等で取り付けられている。ここで、図８に示す突起部１０２、１０３、１０４、１０５を金属フランジ１０１又は金属配管８０に取り付ける場合は、金属フランジ１０１を金属配管８０に挿通する前に取り付けることになる。

本発明に係るマニホールド５８は、鋳型成型により製作される。鋳型は、箱状のマニホールド本体９０ｂを製作するため、内側、外側の二つの鋳型からなる。外側の鋳型に金属配管８０を挿通した状態で、非金属材料を鋳型に流し込む。非金属材料は、結晶化ガラス粉末に分散剤、分散液を混合して製作されたガラスラリーが好適に用いられる。内側及び外側共にガラスラリーと濡れ性の悪い鋳型で、マニホールド形状が製作される。鋳型の材料としては、セラミックス製断熱材が好適に用いられる。ガラスラリーを鋳型に流し込んだ後は、空気中で、軟化点以上の温度で焼成する。焼成した後、冷却して鋳型を取り外してできあがる。
このように予め、突起部１０２、１０３、１０４、１０５を金属フランジ１０１や金属配管８０に取り付けて、鋳型に配置したあとにガラスラリーを流し込むことにより、図８に示すように、突起部をマニホールド本体９０ｂの壁の中に埋設させることができるようになる。

また、このような燃料電池では、マニホールドとガス送給管との接続強度が高く、マニホールドからのガス漏れ、若しくはマニホールド内へのガスの侵入を確実に防止できる燃料電池スタックを具備することにより、信頼性を上げるとともに、発電効率を高める燃料電池を提供することができる。

以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。
上記形態では、金属製のセル支持板９０ａを非金属からなるマニホールド本体９０ｂにシール材で接合したが、セルの立設固定を、例えば、結晶化ガラスでマニホールド本体の形成と同時に行ってもよい。

本発明に係る燃料電池の実施形態の一例を示す断面図である。図１の燃料電池を一部省略して示す斜視図である。図１の燃料電池に使用されている燃料電池スタックを示す斜視図である。図３の燃料電池スタックにおけるセルスタックを示す断面図である。図３の発電ユニットを示す斜視図である。スリットを有するセル支持板をマニホールド本体に内嵌し接合する状態を示すもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は分解断面図、（ｃ）は斜視図である。本発明に係るマニホールドとガス送給管との接続構造を示す断面図で、（ａ）は一実施形態、（ｂ）、（ｃ）は他の実施形態を示す図である。図７（ａ）に示す接続構造の金属部分に突起部を備えた構造を示す断面図である。（ａ）は一実施形態、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は他の実施形態を示す図である。マニホールドとガス送給管との接続構造の製作過程を示す図である。

符号の説明

２ハウジング
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ燃料ガスマニホールド
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄセルスタック
６２燃料電池セル
８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄガス送給管（金属配管）
９０ａセル支持板
９０ｂマニホールド本体
１０１金属フランジ
１０２、１０３、１０４、１０５突起部

Claims

複数の燃料電池セルの一端部が固定されたガラスからなるマニホールドの壁に、該マニホールド内にガスを供給する金属部材からなる金属配管を挿通せしめて接合してなる燃料電池スタックであって、
前記金属配管が、前記マニホールドの壁を挟み込み、該マニホールドの壁の外面に接合する一対の金属フランジを具備するとともに、前記金属配管が、前記マニホールドに埋設する突起部を具備し、前記金属配管および前記金属フランジが前記マニホールドに直に接合されていることを特徴とする燃料電池スタック。
複数の燃料電池セルの一端部が固定されたガラスからなるマニホールドの壁に、該マニホールド内にガスを供給する金属部材からなる金属配管を挿通せしめて接合してなる燃料電池スタックであって、
前記金属配管が、前記マニホールドの壁を挟み込み、該マニホールドの壁の外面に接合する一対の金属フランジを具備するとともに、前記金属フランジが、前記マニホールドに埋設する突起部を具備し、前記金属配管および前記金属フランジが前記マニホールドに直に接合されていることを特徴とする燃料電池スタック。
複数の燃料電池セルの一端部が固定されたガラスからなるマニホールドの壁に、該マニホールド内にガスを供給する金属部材からなる金属配管を挿通せしめて接合してなる燃料電池スタックであって、
前記金属配管が、前記マニホールドの壁を挟み込み、該マニホールドの壁の外面に接合する一対の金属フランジを具備するとともに、前記金属フランジは、前記マニホールドの壁に埋設されて、前記金属配管および前記金属フランジが前記マニホールドに直に接合されていることを特徴とする燃料電池スタック。
複数の固体電解質型燃料電池セルの一端部をマニホールドにそれぞれ固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記燃料電池が、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタックを具備することを特徴とする燃料電池。