特開 2024-150025 電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応セルスタック用の流路形成部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024150025

(43)【公開日】2024-10-23

(54)【発明の名称】電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応セルスタック用の流路形成部材

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20241016BHJP

   H01M 8/0276 20160101ALI20241016BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20241016BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241016BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20241016BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20241016BHJP

   C25B 9/77 20210101ALI20241016BHJP

   C25B 9/60 20210101ALI20241016BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20241016BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2465

H01M8/0276

H01M8/0273

C25B9/00 A

C25B1/04

C25B9/23

C25B9/77

C25B9/60

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023063231

(22)【出願日】2023-04-10

(71)【出願人】

【識別番号】519322392

【氏名又は名称】森村ＳＯＦＣテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001911

【氏名又は名称】弁理士法人アルファ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】島津 めぐみ

(72)【発明者】

【氏名】堀田 信行

(72)【発明者】

【氏名】赤木 陽祐

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021CA15

4K021DA17

4K021DB06

4K021DB36

4K021DB46

4K021DB53

5H126AA27

5H126BB06

5H126EE11

5H126JJ03

(57)【要約】

【課題】流路形成部材の応力緩和性を確保しつつ、層状粒子が一律に第２の方向に沿った構成に比べて、流路形成部材からのガス漏れを抑制する。
【解決手段】電気化学反応セルスタックは、複数の単セルを備え、前記空気極および前記燃料極のうちの一方が面するガス室に連通する連通路が形成されている。電気化学反応セルスタックは、第１の部材と、前記第１の部材に対向するように配置される第２の部材と、前記第１の部材と前記第２の部材との間に配置され、前記ガス室および前記連通路を含むガス流路と、前記ガス流路以外の空間との間を隔てる流路形成部材とを有する。前記流路形成部材は、複数の層状粒子からなる層状構造を有する。前記流路形成部材の端に位置する第１の層状粒子が存在する。第１の層状粒子の第１の角度は、中央に位置する第２の層状粒子の第２の角度と差がある。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質層と前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含む複数の単セルを備え、
前記空気極および前記燃料極のうちの一方が面するガス室に連通する連通路が形成された電気化学反応セルスタックにおいて、
第１の部材と、
前記第１の部材に対向するように配置される第２の部材と、
前記第１の部材と前記第２の部材との間に配置され、前記ガス室および前記連通路を含むガス流路と、前記ガス流路以外の空間との間を隔てる流路形成部材とを有し、
前記流路形成部材は、前記第１の部材と前記第２の部材とが対向する第１の方向に積層される複数の層状粒子からなる層状構造を有し、
前記流路形成部材のうち、前記第１の方向に沿った少なくとも１つの特定断面において、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記流路形成部材の端に位置する第１の層状粒子であって、前記第２の方向に対する第１の角度が、前記第２の方向における前記流路形成部材の中央に位置する第２の層状粒子が前記第２の方向に対してなす第２の角度と差がある第１の層状粒子が存在する、ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項2】

請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第１の角度と前記第２の角度との差の絶対値は、１．４度以上である、ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項3】

請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第１の角度の絶対値は、９０度未満である、ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項4】

請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定断面において、前記流路形成部材の第２の方向の幅は、前記第１の方向の幅の３倍以上である、ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項5】

電気化学反応セルスタック用の流路形成部材であって、
第１の方向に積層される複数の層状粒子からなる層状構造を有し、
前記流路形成部材のうち、前記第１の方向に沿った少なくとも１つの特定断面において、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記流路形成部材の端に位置する第１の層状粒子であって、前記第２の方向に対する第１の角度が、前記第２の方向における前記流路形成部材の中央に位置する第２の層状粒子が前記第２の方向に対してなす第２の角度と差がある第１の層状粒子が存在する、ことを特徴とする電気化学反応セルスタック用の流路形成部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示される技術は、電気化学反応セルスタック用の流路形成部材に関する。

【背景技術】

【0002】

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣは、一般に、複数の構成単位（電気化学反応単位）が所定の方向に並べて配置された燃料電池スタックの形態で利用される。各電気化学反応単位は、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、を備える単セルと、空気極に面する空気流路、および燃料極に面する燃料流路の周囲をそれぞれ囲む空気極フレームおよび燃料極フレームと、を備える。空気極フレームは、例えばマイカにより形成されている（特許文献１参照）。マイカは、上記所定の方向に積層される複数の層状粒子からなる層状構造を有する。このため、燃料電池スタックに生じる応力を空気極フレームにより緩和することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１７０６３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

空気極フレームは、空気極と、その空気極以外の空間（例えば外部空間）との間を隔てるように配置され、空気極に面する空気流路からのガス漏れを抑制することが好ましい。しかし、従来、空気極フレームに用いられるマイカは、複数の層状粒子が上記所定の方向に垂直な面方向に沿って互いに平行に並んだ層状構造である。このため、空気流路内のガスが、層状粒子同士の隙間を介して外部空間に漏れ出るおそれがある。なお、空気流路からのガス漏れが生じると、例えば燃料電池の発電効率が低下するなどの問題が生じる。

【0005】

このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の構成単位である電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも共通の問題である。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の課題である。また、このような課題は、空気極フレームに限らず、他の流路形成部材にも共通の問題である。流路形成部材は、電気化学反応セルスタックを構成する２つの部材の間に配置され、電気化学反応セルスタックに形成された所定のガス流路と、それ以外の空間とを隔てる部材であり、かつ、複数の層状粒子からなる層状構造を有する部材である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、電解質層と前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含む複数の単セルを備える。電気化学反応セルスタックには、前記空気極および前記燃料極のうちの一方が面するガス室に連通する連通路が形成されている。電気化学反応セルスタックは、第１の部材と、前記第１の部材に対向するように配置される第２の部材と、前記第１の部材と前記第２の部材との間に配置され、前記ガス室および前記連通路を含むガス流路と、前記ガス流路以外の空間との間を隔てる流路形成部材とを有する。前記流路形成部材は、前記第１の部材と前記第２の部材とが対向する第１の方向に積層される複数の層状粒子からなる層状構造を有する。前記流路形成部材のうち、前記第１の方向に沿った少なくとも１つの特定断面において、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記流路形成部材の端に位置する第１の層状粒子であって、前記第２の方向に対する第１の角度が、前記第２の方向における前記流路形成部材の中央に位置する第２の層状粒子が前記第２の方向に対してなす第２の角度と差がある第１の層状粒子が存在する。

【0007】

本電気化学反応セルスタックでは、第２の層状粒子の存在により、流路形成部材の応力緩和性が確保される。また、第１の層状粒子の存在により、ガス室内のガスが流路形成部材を構成する粒状素子同士の間を通過して外部空間に漏れ出ることが抑制される。このため、本電気化学反応セルスタックによれば、流路形成部材の応力緩和性を確保しつつ、層状粒子が一律に第２の方向に沿った構成に比べて、流路形成部材からのガス漏れを抑制することができる。

【0008】

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の角度と前記第２の角度との差の絶対値は、１．４度以上である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、例えば第１の角度と第２の角度との差の絶対値が１．４度未満である構成に比べて、流路形成部材からのガス漏れを効果的に抑制することができる。

【0009】

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の角度の絶対値は、９０度未満である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、例えば第１の角度の絶対値が９０度である構成に比べて、第１の層状粒子の存在に起因する流路形成部材の応力緩和性の低下を抑制することができる。

【0010】

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定断面において、前記流路形成部材の第２の方向の幅は、前記第１の方向の幅の３倍以上である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、例えば流路形成部材の第２の方向の幅が第１の方向の幅の３倍未満である構成に比べて、ガス室と外部空間との間の流路形成部材内の経路が長い分だけ、流路形成部材の応力緩和性を確保しつつ、流路形成部材からのガス漏れを効果的に抑制することができる。

【0011】

（５）本明細書に開示される流路形成部材は、電気化学反応セルスタック用の流路形成部材であって、第１の方向に積層される複数の層状粒子からなる層状構造を有し、前記流路形成部材のうち、前記第１の方向に沿った少なくとも１つの特定断面において、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記流路形成部材の端に位置する第１の層状粒子であって、前記第２の方向に対する第１の角度が、前記第２の方向における前記流路形成部材の中央に位置する第２の層状粒子が前記第２の方向に対してなす第２の角度と差がある第１の層状粒子が存在する。本流路形成部材によれば、流路形成部材の応力緩和性を確保しつつ、層状粒子が一律に第２の方向に沿った構成に比べて、流路形成部材からのガス漏れを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態の燃料電池スタックの外観構成を示す斜視図

【図2】実施形態の燃料電池スタックを図１のＩＩ－ＩＩ線で切断して示す断面図

【図3】実施形態の燃料電池スタックを図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線で切断して示す断面図

【図4】実施形態の燃料電池スタックを図１のＩＶ－ＩＶ線で切断して示す断面図

【図5】実施形態の燃料電池スタックにおける隣り合う２つの電気化学反応単位を、図１のＩＩ－ＩＩ線と同じ位置で切断して示す断面図

【図6】実施形態の燃料電池スタックにおける隣り合う２つの電気化学反応単位を、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線と同じ位置で切断して示す断面図

【図7】図５における空気極フレーム１３０の第１の部分Ｘ１を拡大して示す模式図

【図8】図７における空気極フレーム１３０の分割領域Ｅ１における層状構造を示す模式図

【図9】空気極フレーム１３０の各部分Ｘ１～Ｘ４の製法を示す模式図

【図10】実施形態の空気極フレーム１３０と比較例の空気極フレーム１３０Ｘとのガスの流れを示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0013】

本明細書によって開示される技術の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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およ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。

【0014】

＜実施形態＞
実施形態を、図１から図１０を参照しつつ説明する。本実施形態の燃料電池スタック１０（電気化学反応セルスタックの一例）は、固体酸化物を含む電解質層１１２を備える固体酸化物形の燃料電池に用いられる。

【0015】

（燃料電池スタック１０の全体構成）
燃料電池スタック１０は、図１から図４に示すように、発電ブロック１００と、末端セパレータ２３０と、第１プレート２３２と、第２プレート２６０と、第１ターミナルプレート２４０と、第２ターミナルプレート２５０と、絶縁部２２０と、第１エンドプレート２１０と、第２エンドプレート２７０と、４つのガス通路部材２８０と、を備える。第１エンドプレート２１０、絶縁部２２０、末端セパレータ２３０、第１ターミナルプレート２４０、発電ブロック１００、第２ターミナルプレート２５０、第２プレート２６０、および第２エンドプレート２７０は、ほぼ同じ大きさの矩形の外形を有しており、所定の配列方向（図２の上下方向）に、この順に重なって配置されている。

【0016】

燃料電池スタック１０は、図１および図４に示すように、４つの角部付近に、それぞれ、第１エンドプレート２１０から第２エンドプレート２７０まで貫通するボルト孔ＢＨを有している。各ボルト孔ＢＨにはボルトＢが挿入されている。各ボルトＢの両端部にはナットＮがねじ付けられている。これらのボルトＢおよびナットＮにより、第１エンドプレート２１０から第２エンドプレート２７０までの部材が一体に締結されている。図２から図４に示すように、第１プレート２３２は末端セパレータ２３０に支持されており、４つのガス通路部材２８０は第２エンドプレート２７０に接続されている。

【0017】

発電ブロック１００は、図２から図４に示すように、所定の配列方向（図２の上下方向）に並んで配置された複数（本実施形態では７つ）の電気化学反応単位１００Ｕ（以下、「反応単位１００Ｕ」と略記することがある）によって構成される。

【0018】

（電気化学反応単位１００Ｕの全体構成）
図５および図６に示すように、電気化学反応単位１００Ｕは、単セル１１０と、単セル用セパレータ１２０（第１の部材の一例）と、空気極フレーム１３０と、燃料極フレーム１４０と、燃料極集電部材１４４と、２つのインターコネクタ１９０と、２つのＩＣ用セパレータ１８０（第２の部材の一例）と、を備える。一方のＩＣ用セパレータ１８０、空気極フレーム１３０、単セル用セパレータ１２０、燃料極フレーム１４０、他方のＩＣ用セパレータ１８０が、この順に重なって配置されている。単セル１１０は単セル用セパレータ１２０に支持され、２つのインターコネクタ１９０は２つのＩＣ用セパレータ１８０にそれぞれ支持され、燃料極集電部材１４４は単セル１１０とインターコネクタ１９０との間に配されている。

【0019】

図５および図６に示すように、ＩＣ用セパレータ１８０およびインターコネクタ１９０は、隣り合う２つの反応単位１００Ｕに共有されている。但し、図２に示すように、複数の反応単位１００Ｕのうち一端（図２の下端）に位置する反応単位１００Ｕは、燃料極フレーム１４０に隣り合うＩＣ用セパレータ１８０とインターコネクタ１９０とを備えておらず、燃料極フレーム１４０に第２ターミナルプレート２５０が重なっている。

【0020】

（単セル１１０）
単セル１１０は、電解質層１１２と、空気極１１４と、燃料極１１６と、を備える。図５および図６に示すように、空気極１１４と、電解質層１１２と、燃料極１１６とが、この順に重なって配されており、電解質層１１２と空気極１１４との間には、反応防止層１１８が介在している。本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６によって単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、反応防止層１１８）が支持される燃料極支持形の単セルである。

【0021】

電解質層１１２は、矩形の平板状の部材であって、空気極１１４が配された一面（図５、図６の上面）と、燃料極１１６が配され、一面に平行な他面（図５、図６の下面）と、を有する。電解質層１１２は、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含む層である。空気極１１４は、電解質層１１２より小さい矩形の外形を有する層であり、例えばペロブスカイト型酸化物（例えば、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物））を含む。燃料極１１６は、電解質層１１２と略同じ大きさの矩形の外形を有する層であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等を含む。反応防止層１１８は、空気極１１４と略同じ大きさの矩形の外形を有する層であり、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）を含む。反応防止層１１８は、空気極１１４から拡散した元素（例えば、Ｓｒ）が電解質層１１２に含まれる元素（例えば、Ｚｒ）と反応して高抵抗な物質（例えば、ＳｒＺｒＯ_３）が生成されることを抑制する機能を有する。

【0022】

（単セル用セパレータ１２０）
単セル用セパレータ１２０は、図５および図６に示すように、中央付近に略矩形の貫通孔１２１を有する矩形のフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。単セル用セパレータ１２０の板厚は、比較的薄く、例えば０．０５ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下である。単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１の周縁部は、電解質層１１２の一面（空気極１１４が配された面：図５、図６の上面）の周縁部に、接合部１２４によって接合されている。接合部１２４は、例えばロウ材（Ａｇロウ）により形成されている。

【0023】

（空気極フレーム１３０）
空気極フレーム１３０は、図５および図６に示すように、中央付近に略矩形の貫通孔１３１を有する矩形のフレーム状の部材であり、例えばマイカにより形成されている。空気極フレーム１３０の厚さは、０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。

【0024】

（燃料極フレーム１４０）
燃料極フレーム１４０は、図６に示すように、中央付近に略矩形の貫通孔１４１を有する矩形のフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。

【0025】

（ＩＣ用セパレータ１８０）
ＩＣ用セパレータ１８０は、図５および図６に示すように、中央付近に貫通孔１８１を有する矩形のフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。

【0026】

（インターコネクタ１９０、および、燃料極集電部材１４４）
インターコネクタ１９０は、図５および図６に示すように、矩形の平板形状の平板部１９１と、平板部１９１の一面から空気極１１４に向かって突出した複数の板状の空気極集電部１９２と、被覆層１９３と、を備えている。平板部１９１と空気極集電部１９２とは、導電性を有し、金属（例えば、フェライト系ステンレス）により形成されている。被覆層１９３は、導電性を有し、空気極集電部１９２の表面と、平板部１９１において空気極集電部１９２が配された面と、を覆うように配されている。平板部１９１は、ＩＣ用セパレータ１８０における貫通孔１８１の周縁部に、例えば溶接により接合されている。

【0027】

燃料極集電部材１４４は、インターコネクタ１９０と燃料極１１６とを接続する部材であって、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等の導電性材料により形成されている。燃料極集電部材１４４は、図５および図６に示すように、インターコネクタ対向部１４６と、インターコネクタ対向部１４６に平行な電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備え、全体としてＵ字状をなしている。電極対向部１４５は、燃料極１１６に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１９０の平板部１９１に接触している。

【0028】

上記したように、インターコネクタ１９０は、隣り合う２つの反応単位１００Ｕに共有されている。より具体的には、図５および図６に示すように、空気極集電部１９２は、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性接合材１９６を介して、隣り合う２つの反応単位１００Ｕのうち一方に備えられる単セル１１０の空気極１１４に接合されており、これにより空気極１１４に電気的に接続されている。平板部１９１は、燃料極集電部材１４４を介して、隣り合う２つの反応単位１００Ｕのうち他方に備えられる単セル１１０の燃料極１１６に電気的に接続されている。これにより、隣り合う２つの反応単位１００Ｕ間の電気的導通が確保されている。

【0029】

但し、上述したように、複数の反応単位１００Ｕのうち一端（図２の下端）に位置する反応単位１００Ｕは、燃料極１１６側のインターコネクタ１９０を備えていない。この反応単位１００Ｕに備えられる燃料極１１６は、燃料極集電部材１４４を介して第２ターミナルプレート２５０に接続されている。

【0030】

電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極集電部材１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による反応単位１００Ｕの変形に追随し、燃料極集電部材１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１９０（または第２ターミナルプレート２５０）との電気的接続が良好に維持される。

【0031】

（空気室３１３および燃料室３２３）
図５および図６に示すように、単セル用セパレータ１２０および単セル１１０と、空気極フレーム１３０と、ＩＣ用セパレータ１８０およびインターコネクタ１９０と、で区画される空間は、空気極１１４に面し、酸化剤ガスＯＧが流通する空気室３１３（ガス室の一例）となっている。空気極フレーム１３０は、空気室３１３を全周にわたって外部空間から区画するとともに、単セル用セパレータ１２０とＩＣ用セパレータ１８０との間をシールし、空気室３１３から外部空間へガスが漏れ出ることを防ぐ役割を果たしている。

【0032】

また、単セル用セパレータ１２０および単セル１１０と、燃料極フレーム１４０と、ＩＣ用セパレータ１８０およびインターコネクタ１９０と、で区画される空間は、燃料極１１６に面し、燃料ガスＦＧが流通する燃料室３２３となっている。燃料極フレーム１４０は、燃料室３２３を全周にわたって外部空間から区画するとともに、単セル用セパレータ１２０とＩＣ用セパレータ１８０との間をシールし、燃料室３２３から外部空間へガスが漏れ出ることを防ぐ役割を果たしている。

【0033】

単セル用セパレータ１２０により、空気室３１３と燃料室３２３とが区画され、単セル１１０の周辺において空気極１１４側から燃料極１１６側、または燃料極１１６側から空気極１１４側へのガスのリーク（クロスリーク）が抑制される。また、ＩＣ用セパレータ１８０とインターコネクタ１９０とにより、隣り合う反応単位１００Ｕ間のガスのリークが抑制される。

【0034】

（第１エンドプレート２１０）
第１エンドプレート２１０は、１枚の板状部材をプレス加工（屈曲）することにより形成された部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。第１エンドプレート２１０は、図１から図４に示すように、中央付近に貫通孔２１２を有する矩形のフレーム状の平面部２１１と、平面部２１１から絶縁部２２０と反対方向（図２の上方）に突出する外側凸部２１３および内側凸部２１４と、を備えている。平面部２１１は、上述したボルト孔ＢＨを構成する孔を有している。外側凸部２１３は、平面部２１１の外周縁から突出している。外側凸部２１３は、平面部２１１の外周部の全周にわたって形成されている。内側凸部２１４は、平面部２１１の内周縁から突出している。内側凸部２１４は、平面部２１１の内周部の全周にわたって形成されている。

【0035】

（絶縁部２２０）
絶縁部２２０は、中央付近に貫通孔を有する矩形のフレーム状の部材であり、例えば絶縁性材料により形成されている。絶縁部２２０は、図２に示すように、第１エンドプレート２１０と末端セパレータ２３０との間に挟み込まれており、これにより、第１エンドプレート２１０と末端セパレータ２３０との絶縁性が確保されている。

【0036】

（末端セパレータ２３０）
末端セパレータ２３０は、図２から図４に示すように、中央付近に貫通孔２３１を有する矩形のフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。

【0037】

（第１プレート２３２）
第１プレート２３２は、矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。第１プレート２３２は、図２から図４に示すように、末端セパレータ２３０における貫通孔２３１の周縁部分に、例えば溶接により接合されている。末端セパレータ２３０と第１プレート２３２とは、発電ブロック１００を燃料電池スタック１０の外部空間から区画する。

【0038】

第１プレート２３２は、発電ブロック１００を構成する複数の反応単位１００Ｕのうち他端（図２の上端）に配された反応単位１００Ｕに備えられるインターコネクタ１９０に、燃料極集電部材１４４と同一構造の接続部材を介して接続されており、これにより、この反応単位１００Ｕと第１プレート２３２とが電気的に接続されている。

【0039】

（第１ターミナルプレート２４０）
第１ターミナルプレート２４０は、中央付近に貫通孔２４１を有する矩形のフレーム状の部材であり、例えば表面にアルミナの酸化被膜を形成するフェライト系ステンレス等の導電材料により形成されている。第１ターミナルプレート２４０は、発電ブロック１００を構成する複数の反応単位１００Ｕのうち他端（図２の上端）に配された反応単位１００Ｕに、第１プレート２３２、および末端セパレータ２３０を介して電気的に接続されている。第１ターミナルプレート２４０の一端部（図２の右端部）は、発電ブロック１００から側方に張り出しており、この張り出し部分は、燃料電池スタック１０のプラス側の出力端子として機能する。

【0040】

（第２ターミナルプレート２５０）
第２ターミナルプレート２５０は、矩形の板状の部材であり、例えば表面にアルミナの酸化被膜を形成するフェライト系ステンレス等の導電材料により形成されている。上述したように、第２ターミナルプレート２５０は、上述したように、複数の反応単位１００Ｕのうち一端（図２の下端）に配された反応単位１００Ｕに備えられる燃料極１１６に、燃料極集電部材１４４を介して接続されており、これにより、この反応単位１００Ｕと第２ターミナルプレート２５０とが電気的に接続されている。第２ターミナルプレート２５０の一端部（図２の右端部）は、発電ブロック１００から側方に張り出しており、この張り出し部分は、燃料電池スタック１０のマイナス側の出力端子として機能する。

【0041】

（第２プレート２６０）
第２プレート２６０は、矩形の平板状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。第２プレート２６０の周縁部は、第２ターミナルプレート２５０と第２エンドプレート２７０との間に挟み込まれており、これにより、第２ターミナルプレート２５０と第２エンドプレート２７０との絶縁性が確保されている。

【0042】

（第２エンドプレート２７０）
第２エンドプレート２７０は、１枚の板状部材をプレス加工（屈曲）することにより形成された部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。第２エンドプレート２７０は、中央付近に貫通孔２７２を有する矩形のフレーム状の平面部２７１と、平面部２７１から第２ターミナルプレート２５０と反対方向（図２の下方）に突出する外側凸部２７３および内側凸部２７４と、を備えている。平面部２７１は、上述したボルト孔ＢＨを構成する孔を有している。外側凸部２７３は、平面部２７１の外周縁から突出している。外側凸部２７３は、平面部２７１の外周部の全周にわたって形成されている。内側凸部２７４は、平面部２７１の内周縁から突出している。内側凸部２７４は、平面部２７１の内周部の全周にわたって形成されている。

【0043】

（マニホールド３１１、３１２、３２１、３２２）
図１、図２および図３に示すように、燃料電池スタック１０は、発電ブロック１００から第２エンドプレート２７０まで貫通する４つの孔を有している。４つの孔は、それぞれ、酸化剤ガス供給マニホールド３１１（連通路の一例）、酸化剤ガス排出マニホールド３１２（連通路の一例）、燃料ガス供給マニホールド３２１、燃料ガス排出マニホールド３２２である。

【0044】

図２に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド３１１は、燃料電池スタック１０の外部から導入された酸化剤ガスＯＧを各反応単位１００Ｕの空気室３１３に供給するガス流路である。酸化剤ガス排出マニホールド３１２は、各反応単位１００Ｕの空気室３１３から排出された酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１０の外部へ排出するガス流路である。酸化剤ガスＯＧとしては、例えば空気が使用される。酸化剤ガス供給マニホールド３１１と酸化剤ガス排出マニホールド３１２とは、空気室３１３を挟んで、互いに反対側に配されている。

【0045】

図３に示すように、燃料ガス供給マニホールド３２１は、燃料電池スタック１０の外部から導入された燃料ガスＦＧを各反応単位１００Ｕの燃料室３２３に供給するガス流路である。燃料ガス排出マニホールド３２２は、各反応単位１００Ｕの燃料室３２３から排出された燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１０の外部へ排出するガス流路である。燃料ガスＦＧとしては、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。燃料ガス供給マニホールド３２１と燃料ガス排出マニホールド３２２とは、燃料室３２３を挟んで、互いに反対側に配されている。

【0046】

空気極フレーム１３０は、図５に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド３１１と空気室３１３とを連通する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、空気室３１３と酸化剤ガス排出マニホールド３１２とを連通する酸化剤ガス排出連通流路１３３と、を有している。

【0047】

また、各燃料極フレーム１４０は、図６に示すように、燃料ガス供給マニホールド３２１と燃料室３２３とを連通する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料室３２３と燃料ガス排出マニホールド３２２とを連通する燃料ガス排出連通流路１４３と、を有している。

【0048】

（ガス通路部材２８０）
４つのガス通路部材２８０のそれぞれは、図２および図３に示すように、本体部２８１と、フランジ部２８２と、を備えている。本体部２８１は、両端が開口した筒状をなしている。フランジ部２８２は、本体部２８１の一端（図２の下端）から外側に張り出すように設けられている。フランジ部２８２は、複数のボルト孔２８４を有している。各ボルト孔２８４には、燃料電池スタック１０を外部装置に接続するためのボルト（図示せず）が挿入される。４つのガス通路部材２８０に備えられる本体部２８１の一端（図２、図３の上端）が、第２エンドプレート２７０に対して例えば溶接により接合され、本体部２８１の内部空間は、それぞれマニホールド３１１、３１２、３２１、３２２に連通している。各本体部２８１には、ガスの供給または排出のためのガス配管が接続されている。

【0049】

（燃料電池スタック１０の動作）
図２および図５に示すように、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２８０を介して酸化剤ガス供給マニホールド３１１に供給され、酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して空気室３１３に供給される。酸化剤ガスＯＧは、空気室３１３の内部を、酸化剤ガス供給連通流路１３２から酸化剤ガス排出連通流路１３３に向かって流れていく。

【0050】

また、図３および図６に示すように、燃料ガスＦＧは、ガス配管からガス通路部材２８０を介して燃料ガス供給マニホールド３２１に供給され、各燃料極フレーム１４０が有する燃料ガス供給マニホールド３２１を構成する孔から、燃料ガス供給連通流路１４２を介して燃料室３２３に供給される。

【0051】

各反応単位１００Ｕの空気室３１３に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室３２３に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。上記したように、インターコネクタ１９０は、隣り合う２つの反応単位１００Ｕに共有されており、インターコネクタ１９０によって隣り合う２つの反応単位１００Ｕ間の導通が確保されている。つまり、燃料電池スタック１０に含まれる複数の反応単位１００Ｕは、電気的に直列に接続されている。また、複数の反応単位１００Ｕのうち一端（図２の下端）に位置する反応単位１００Ｕには、第２ターミナルプレート２５０が電気的に接続されており、他端（図２の上端）に位置する反応単位１００Ｕには、第１ターミナルプレート２４０が電気的に接続されている。これにより、燃料電池スタック１０の出力端子として機能するターミナルプレート２４０、２５０から、各反応単位１００Ｕにおいて生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１０が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

【0052】

図２および図５に示すように、各反応単位１００Ｕの空気室３１３から酸化剤ガス排出連通流路１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド３１２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、本体部２８１の内部空間を通って燃料電池スタック１０の外部に排出される。また、図３および図６に示すように、各反応単位１００Ｕの燃料室３２３から燃料ガス排出連通流路１４３を介して燃料ガス排出マニホールド３２２に排出された燃料オフガスＦＯＧは、本体部２８１の内部空間を通って燃料電池スタック１０の外部に排出される。

【0053】

（空気極フレーム１３０の詳細構成）
上述したように、空気極フレーム１３０（流路形成部材の一例）は、単セル用セパレータ１２０とＩＣ用セパレータ１８０との間に配置されている。以下、空気室３１３と酸化剤ガス供給マニホールド３１１と酸化剤ガス排出マニホールド３１２とを含む空間を「酸化剤ガス流路」という。空気極フレーム１３０は、酸化剤ガス流路と、燃料室３２３（ガス流路以外の空間の一例）や燃料電池スタック１０の外部空間（ガス流路以外の空間の一例）との間を隔てている。

【0054】

具体的には、図５に示すように、空気極フレーム１３０のうち、酸化剤ガス供給マニホールド３１１を構成する貫通孔と空気極フレーム１３０の外周面との間の第１の部分Ｘ１は、酸化剤ガス流路と燃料電池スタック１０の外部空間との間を隔てている。空気極フレーム１３０のうち、酸化剤ガス排出マニホールド３１２を構成する貫通孔と空気極フレーム１３０の外周面との間の第２の部分Ｘ２は、酸化剤ガス流路と燃料電池スタック１０の外部空間との間を隔てている。また、図６に示すように、空気極フレーム１３０のうち、燃料ガス供給マニホールド３２１を構成する貫通孔と貫通孔１３１との間の第３の部分Ｘ３は、酸化剤ガス流路と燃料ガス供給マニホールド３２１（燃料室３２３）との間を隔てている。空気極フレーム１３０のうち、燃料ガス排出マニホールド３２２を構成する貫通孔と貫通孔１３１との間の第４の部分Ｘ４は、酸化剤ガス流路と燃料ガス排出マニホールド３２２（燃料室３２３）との間を隔てている。

【0055】

空気極フレーム１３０（各部分Ｘ１～Ｘ４）は、単セル用セパレータ１２０とＩＣ用セパレータ１８０とが対向する上記所定の配列方向（図２の上下方向 第１の方向の一例）に積層される複数の層状粒子４００からなる層状構造を有する。具体的には、空気極フレーム１３０は、上述したように、マイカにより形成されている。

【0056】

ここで、空気極フレーム１３０のうち、配列方向に沿った少なくとも１つの特定断面（例えばＸＺ断面）において、第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌと、第２の層状粒子４００Ｃとが存在する。第１の層状粒子４００Ｒは、配列方向に直交する面方向（図２の左右方向 第２の方向の一例）において、空気極フレーム１３０における各部分Ｘ１～Ｘ４の右端部に位置する層状粒子４００である。第１の層状粒子４００Ｌは、面方向において、空気極フレーム１３０における各部分Ｘ１～Ｘ４の左端部に位置する層状粒子４００である。第２の層状粒子４００Ｃは、面方向において、各部分Ｘ１～Ｘ４の中央部（中央線Ｃが通過する部分）に位置する層状粒子４００である。

【0057】

第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌについて、面方向に沿った所定の基準ベクトルＶに対する相対角度を、第１の角度θ１とし、第２の層状粒子４００Ｃについて、基準ベクトルＶに対する相対角度を、第２の角度θ２とする。第１の層状粒子４００Ｒの第１の角度θ１と、第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２とは差がある。また、第１の層状粒子４００Ｌの第１の角度θ１と、第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２とは差がある。

【0058】

以下、空気極フレーム１３０の第１の部分Ｘ１を例に挙げて具体的に説明する。図７に示すように、空気極フレーム１３０の第１の部分Ｘ１を、配列方向（Ｚ軸方向）に等間隔に１０個の領域に分割する。分割された各領域を、分割領域Ｅ（Ｅ１～Ｅ１０）という。少なくとも１つの分割領域Ｅにおいて、第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌの少なくとも一方の第１の角度θ１と、第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２とに差があればよい。なお、空気極フレーム１３０の各部分Ｘ１～Ｘ４において、第１の角度θ１と第２の角度θ２との角度差がある領域（分割領域Ｅの数）は、全領域（１０個の分割領域Ｅ）に対して３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましい。

【0059】

図８には、基準ベクトルＶと測定領域ＴＲ，ＴＬ，ＴＣとが示されている。基準ベクトルＶは、面方向（Ｘ軸方向）に平行であり、かつ、Ｘ軸負方向に向いている。第１の角度θ１と第２の角度θ２とは、いずれも、層状粒子４００が基準ベクトルＶに対して上側（Ｚ軸正方向側）に傾斜する場合、正の角度とし、層状粒子４００が基準ベクトルＶに対して下側（Ｚ軸負方向側）に傾斜する場合、負の角度とする。測定領域ＴＲ，ＴＬ，ＴＣは、第１の角度θ１と第２の角度θ２とを特定するための領域である。測定領域ＴＲ，ＴＬ，ＴＣは、いずれも同一サイズであり、面方向に所定の幅Ｗ（例えば３００μｍ）を有し、かつ、分割領域Ｅと同じ高さＨを有する。

【0060】

図８に示すように、第１の層状粒子４００Ｒの第１の角度θ１を特定するため、右側に位置する測定領域ＴＲの右辺は、空気極フレーム１３０の右端に一致している。この測定領域ＴＲには、複数の第１の層状粒子４００Ｒが存在する。各第１の層状粒子４００Ｒについて、右端を基点として基準ベクトルＶに対する相対角度を、それぞれの第１の角度θ１として特定する。なお、図８に示す第１の層状粒子４００Ｒの第１の角度θ１は、正の角度である。測定領域ＴＲに存在する全ての第１の層状粒子４００Ｒの第１の角度θ１の平均値を、分割領域Ｅ１における第１の層状粒子４００Ｒの第１の角度θ１とする。

【0061】

第１の層状粒子４００Ｌの第１の角度θ１を特定するため、左側に位置する測定領域ＴＬの左辺は、空気極フレーム１３０の左端に一致している。この測定領域ＴＬには、複数の第１の層状粒子４００Ｌが存在する。各第１の層状粒子４００Ｌについて、右端を基点として基準ベクトルＶに対する相対角度を、それぞれの第１の角度θ１として特定する。なお、図８に示す第１の層状粒子４００Ｌの第１の角度θ１は、負の角度である。測定領域ＴＬに存在する全ての第１の層状粒子４００Ｌの第１の角度θ１の平均値を、分割領域Ｅ１における第１の層状粒子４００Ｌの第１の角度θ１とする。

【0062】

第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２を特定するため、測定領域ＴＣは、第１の部分Ｘ１の中央部（中央線Ｃ）を含んでいる。この測定領域ＴＣには、複数の第２の層状粒子４００Ｃが存在する。各第２の層状粒子４００Ｃについて、右端を基点として基準ベクトルＶに対する相対角度を、それぞれの第２の角度θ２として特定する。なお、図８に示す第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２は、正の角度である。測定領域ＴＣに存在する全ての第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２の平均値を、分割領域Ｅ１における第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２とする。

【0063】

次に、第１の層状粒子４００Ｒの第１の角度θ１と第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２との差の絶対値は、１．４度以上であることが好ましい。また、第１の層状粒子４００Ｌの第１の角度θ１と、第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２との差の絶対値は、１．４度以上であることが好ましい。

【0064】

第１の層状粒子４００Ｒの第１の角度θ１の絶対値は、９０度未満であることが好ましい。また、第１の層状粒子４００Ｌの第１の角度θ１の絶対値は、９０度未満であることが好ましい。

【0065】

特定断面において、空気極フレーム１３０の各部分Ｘ１～Ｘ４の面方向の幅Ｄは、上下方向の高さＨの３倍以上であることが好ましい（図７参照）。

【0066】

（空気極フレーム１３０の製法）
上述したように、空気極フレーム１３０の各部分Ｘ１～Ｘ４では、同一の分割領域Ｅにおいて、中央部に位置する第２の層状粒子４００Ｃは、面方向に略平行であり、端に位置する第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｃは、いずれも、面方向に対して傾斜している。このような層状構造を有する各部分Ｘ１～Ｘ４の製法の一例では次の通りである。

【0067】

図９に示すように、マイカ素材１３０Ａに対して、金型５００を用いてプレス加工を施すことにより、空気極フレーム１３０の各部分Ｘ１～Ｘ４を作成することができる。マイカ素材１３０Ａは、ほぼ全ての層状粒子が面方向（図９のＸ軸方向）に沿った層状構造を有している。金型５００は、第１の型５１０と第２の型５２０とを含む。第１の型５１０は、ベース部５１２と周壁部５１４とを有する。周壁部５１４は、マイカ素材１３０Ａの周囲を囲む筒状の部分である。ベース部５１２は、周壁部５１４の一端側（図９のＺ軸正方向側）を封止する平板状部分である。ベース部５１２のうち、周壁部５１４内に向けられる面の周縁部には溝５１３が形成されている。溝５１３は、周壁部５１４に向かうにつれて深さが深くなるように傾斜したテーパ面５１５を有している。第２の型５２０は、第１の型５１０の周壁部５１４内に進入可能な平板状の部材である。

【0068】

例えばマイカ素材１３０Ａを第２の型５２０の上に配置し、第１の型５１０と第２の型５２０とでマイカ素材１３０Ａをプレスする。すると、マイカ素材１３０Ｂが形成される。マイカ素材１３０Ｂは、マイカ素材１３０Ａの端が、ベース部５１２の溝５１３の形状に沿って傾斜した突起１３２Ｂを有する形状である。次に、マイカ素材１３０Ｂの突起１３２Ｂの先端の一部を切除することにより、マイカ素材１３０Ｃが形成される。このマイカ素材１３０Ｃが、空気極フレーム１３０の各部分Ｘ１～Ｘ４の層状構造を有する。

【0069】

（作用効果）
以上のように本実施形態の燃料電池スタック１０は、複数の電気化学反応単位１００Ｕを備える。各電気化学反応単位１００Ｕは、空気極１１４と、電解質層１１２と、燃料極１１６とがこの順に重なっている単セル１１０と、空気極１１４が面する空気室３１３を外部空間から区画する空気極フレーム１３０と、空気極フレーム１３０と隣接する単セル用セパレータ１２０と、同じく空気極フレーム１３０と隣接するＩＣ用セパレータ１８０と、を備える。各電気化学反応単位１００Ｕにおいて、空気極フレーム１３０のうち、配列方向に沿った少なくとも１つの特定断面（例えばＸＺ断面）において、第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌと、第２の層状粒子４００Ｃとが存在する。空気極フレーム１３０における各部分Ｘ１～Ｘ４の端部に位置する第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌの第１の角度θ１は、各部分Ｘ１～Ｘ４の中央部に位置する第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２とは異なる。要するに、各部分Ｘ１～Ｘ４の特定断面には、端部に位置し、かつ、中央部に位置する第２の層状粒子４００Ｃに対して傾斜した第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌが存在する。

【0070】

上記の構成によれば、空気極フレーム１３０における第２の層状粒子４００Ｃの存在により、空気極フレーム１３０の応力緩和性が確保される。また、第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌの存在により、空気室３１３内のガスＧ（酸化剤ガスＯＧ、酸化剤オフガスＯＯＧ）が流路形成部材を構成する層状粒子４００同士の間を通過して外部空間や燃料室３２３に漏れ出ることが抑制される。このため、本実施形態によれば、空気極フレーム１３０の応力緩和性を確保しつつ、層状粒子が一律に面方向に沿った構成に比べて、空気極フレーム１３０からのガス漏れを抑制することができる。

【0071】

具体的には、図１０の下段に示す比較例の空気極フレーム１３０Ｘでは、中央部に位置する第２の層状粒子４００Ｃだけでなく、端部に位置する第１の層状粒子４００ＲＸ，４００ＬＸも面方向に沿って延びている。このため、空気極フレーム１３０Ｘには、面方向に沿って直線状に延びる経路が比較的に多く存在することにより、ガスＧが酸化剤ガス流路から他の空間に漏れ出やすい。これに対して、図１０の上段に示す本実施形態の空気極フレーム１３０では、中央部に位置する第２の層状粒子４００Ｃは面方向に沿って延びており、端部に位置する第１の層状粒子４００ＲＸ，４００ＬＸは面方向に対して傾斜している。このため、空気極フレーム１３０には、端部が面方向に対して部分的に傾斜した経路が比較的に多く存在することにより、ガスＧが酸化剤ガス流路から他の空間に漏れ出にくくなる。

【0072】

本実施形態では、第１の層状粒子４００Ｒの第１の角度θ１と第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２との差の絶対値は、１．４度以上であることが好ましい。このような構成によれば、例えば第１の角度θ１と第２の角度θ２との差の絶対値が１．４度未満である構成に比べて、空気極フレーム１３０からのガス漏れを効果的に抑制することができる。

【0073】

本実施形態では、第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌの第１の角度θ１の絶対値は、９０度未満であることが好ましい。このような構成によれば、例えば第１の角度θ１の絶対値が９０度である構成に比べて、第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌの存在に起因する空気極フレーム１３０の応力緩和性の低下を抑制することができる。なお、本実施形態では、空気極フレーム１３０が絶縁性材料（マイカ）により形成されている。このため、本実施形態によれば、第１の角度θ１が９０度である構成に比べて、層状粒子４００の表面を通る単セル用セパレータ１２０とＩＣ用セパレータ１８０との間の沿面距離が長くなるため、絶縁性が上がる。

【0074】

本実施形態では、特定断面において、空気極フレーム１３０の各部分Ｘ１～Ｘ４の面方向の幅Ｄは、上下方向の幅（高さ）Ｈの３倍以上であることが好ましい。本実施形態によれば、例えば空気極フレーム１３０の各部分Ｘ１～Ｘ４の面方向の幅Ｄが上下方向の幅Ｈの３倍未満である構成に比べて、空気室３１３と、その空気室３１３以外の空間（燃料室３２３や外部空間）との間の空気極フレーム１３０内の経路が長い分だけ、空気極フレーム１３０の応力緩和性を確保しつつ、空気極フレーム１３０からのガス漏れを効果的に抑制することができる。

【0075】

（本実施形態の性能評価）
次に、本実施形態の性能評価について説明する。９つの空気極フレーム１３０のサンプルを作製し、各サンプルを用いた燃料電池スタック１０について性能評価を行った。以下の表１は、性能評価の結果を示す。

【0076】

【表1】

【0077】

表１に示すように、各サンプル（サンプルＳ１～Ｓ９）は、基本的には、上記で説明した空気極フレーム１３０と同様の構成であり、上記の製造方法により製造されたものである。但し、９つのサンプル（サンプルＳ１～Ｓ９）の空気極フレーム１３０は、次の要素のうち、少なくとも１つが互いに異なる。
・端部に位置する第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌの第１の角度θ１
・中央部に位置する第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２
・第１の角度θ１と第２の角度θ２との角度差
・空気極フレーム１３０のうち、空間を隔てる部分の高さＨに対する幅Ｄの比率
なお、これらの値の取得方法は次の取りである。各サンプルの空気極フレーム１３０を切断した断面を、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影する。その撮影して得られたＳＥＭ画像を画像解析することにより、各サンプルの上記値を取得することができる。

【0078】

（１）初期発電性能について
各サンプルを用いた燃料電池スタック１０について、約７００（℃）で空気極１１４に酸化剤ガスＯＧを供給し、燃料極１１６に燃料ガスＦＧを供給し、電流密度が０．５５Ａ／ｃｍ^２のときの単セル１１０の出力電圧を測定し、その測定値を、初期電圧（定格発電運転前の出力電圧）とした。

【0079】

燃料電池スタック１０の初期発電性能については、各サンプルについて、初期電圧が所定の第１の判定閾値以上であったサンプルを「良（△）」と評価し、初期電圧が第１の判定閾値未満であったサンプルを「不良（×）」と評価した。初期電圧が、第１判定閾値よりも高い第２の判定閾値以上であったサンプルを「最良（〇）」と評価した。

【0080】

（２）信頼性（応力緩和特性）について
燃料電池スタック１０の信頼性については、各サンプルについて、熱サイクル試験を５０サイクル行った後の電圧低下率が所定の第１のレベル以下であったサンプルを「最良（〇）」と評価し、熱サイクル試験を５０サイクル行った後の電圧低下率が第１のレベルを超えたサンプルを「良（△）」と評価した。

【0081】

なお、熱サイクル試験は下記の手順で実施した。まず初期発電性能を調べるために、約７００℃で空気極１１４に酸化剤ガスＯＧを供給し、燃料極１１６に燃料ガスＦＧを供給し、電流密度が０．５５Ａ／ｃｍ^２のときの単セル１１０の出力電圧を測定した。その測定値を、初期電圧（熱サイクル試験前の出力電圧）とした。次に、空気極１１４に酸化剤ガスＯＧを供給し、燃料極１１６に燃料ガスＦＧを供給し、かつ電流密度は０Ａ／ｃｍ^２の状態で、約７０℃まで降温した。室温から約７００℃への昇温、その後の７００℃から７０℃への降温を１サイクルとし、計５０サイクル繰り返した。５０サイクル終了後、再度約７００℃に昇温し、空気極１１４に酸化剤ガスＯＧを供給し、燃料極１１６に燃料ガスＦＧを供給し、電流密度が０．５５Ａ／ｃｍ^２のときの単セル１１０の出力電圧を測定した。その測定値を、熱サイクル後の出力電圧とした。熱サイクル５０サイクル後の電圧低下率は、「（初期電圧―熱サイクル後の出力電圧）÷初期電圧」で算出した。

【0082】

表１に示すように、角度差が０．０度であるサンプルＳ１では、初期発電性能が「不良（×）」された。一方、角度差が１．０度以上であったサンプルＳ２～Ｓ９では、初期発電性能が「良（△）」または「最良（〇）」と評価された。これは、空気極フレーム１３０の端部に位置する第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌの第１の角度θ１が、中央部に位置する第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２と差があることにより、空気極フレーム１３０からのガス漏れが抑制され、初期電圧の低下が抑制されることを意味する。また、サンプルＳ２～Ｓ６では、高さＨに対する幅Ｄの比率が共通するものの、サンプルＳ２では、初期発電性能が「良（△）」と評価され、サンプルＳ３～Ｓ６では初期発電性能が「最良（〇）」と評価された。これは、角度差が５．０度以上であれば、空気極フレーム１３０からのガス漏れが効果的に抑制され、初期電圧の低下がさらに抑制されることを意味する。

【0083】

第１の角度θ１が９０度であるサンプルＳ６では、信頼性が「良（△）」と評価され、第１の角度θ１が９０度未満であるサンプルＳ１～Ｓ５，Ｓ７～Ｓ９（特にサンプルＳ５）では、信頼性が「最良（〇）」と評価された。これは、第１の角度θ１が９０度未満であることにより、空気極フレーム１３０の応力緩和性が確保されることを意味する。

【0084】

サンプルＳ３～Ｓ９では、角度差が１．５度以上であるものの、サンプルＳ７では、初期発電性能が「良（△）」と評価され、サンプルＳ３～Ｓ６，Ｓ８，Ｓ９では初期発電性能が「最良（〇）」と評価された。これは、高さＨに対する幅Ｄの比率が３以上であれば、空気極フレーム１３０からのガス漏れを効果的に抑制できることを意味する。

【0085】

＜他の実施形態＞
上記実施形態では、流路形成部材（空気極フレーム１３０）の材質としてマイカを例示したが、マイカ以外に、例えばバーミキュライトなど、複数の層状粒子からなる層状構造を有する材質であればよい。なお、流路形成部材の材質は、絶縁性を有しない材質でもよい。

【0086】

上記実施形態では、流路形成部材として、空気極フレーム１３０を例示したが、例えば燃料室３２３とそれ以外の空間との間を隔てる燃料極フレーム１４０などでもよい。要するに、流路形成部材は、２つの部材の間に配置され、ガス室（空気室３１３または燃料室３２３）と、それ以外の空間とを隔てる部材であればよい。また、例えば金属支持型の単セルを備える電気化学反応セルスタックでは、単セルに電気的に接続される集電体と金属支持体との間に配置される部材が流路形成部材である。また、例えば電解質支持型の単セルを備える電気化学反応セルスタックでは、単セルの電解質と集電体との間に配置される部材が流路形成部材である。

【0087】

上記実施形態において、第１の層状粒子４００Ｒの第１の角度θ１と第１の層状粒子４００Ｌの第１の角度θ１との一方だけが、第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２と差がある構成でもよい。上記実施形態において、第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌの第１の角度θ１と第２の層状粒子４００Ｃの第２の角度θ２との差の絶対値が、１．４度未満である構成でもよい。上記実施形態において、第１の層状粒子４００Ｒ，４００Ｌの第１の角度θ１は、９０度でもよい。上記実施形態において、空気極フレーム１３０の各部分Ｘ１～Ｘ４の面方向の幅Ｄは、上下方向の幅Ｈの３倍未満でもよい。

【0088】

上記実施形態では、電気化学反応セルスタックが、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）に用いられるセルスタックであったが、上記の構成は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池に用いられるセルスタック、あるいは、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位を単セルとして備える電解セルスタックにも適用可能である。

【符号の説明】

【0089】

１０：燃料電池スタック １００：発電ブロック １００Ｕ：反応単位 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １１８：反応防止層 １２０：単セル用セパレータ １２１：貫通孔 １２４：接合部 １３０，１３０Ｘ：空気極フレーム １３０Ａ～１３０Ｃ：マイカ素材 １３２：酸化剤ガス供給連通流路 １３２Ｂ：突起 １３３：酸化剤ガス排出連通流路 １４０：燃料極フレーム １４２：燃料ガス供給連通流路 １４３：燃料ガス排出連通流路 １４４：燃料極集電部材 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １８０：ＩＣ用セパレータ １９０：インターコネクタ １９１：平板部 １９２：空気極集電部 １９３：被覆層 １９６：導電性接合材 ２１０：第１エンドプレート ２２０：絶縁部 ２３０：末端セパレータ ２３２：第１プレート ２４０：第１ターミナルプレート ２５０：第２ターミナルプレート ２６０：第２プレート ２７０：第２エンドプレート ２８０：ガス通路部材 ２８１：本体部 ２８２：フランジ部 ３１１：酸化剤ガス供給マニホールド ３１２：酸化剤ガス排出マニホールド ３１３：空気室 ３２１：燃料ガス供給マニホールド ３２２：燃料ガス排出マニホールド ３２３：燃料室 ４００：層状粒子 ４００Ｃ：第２の層状粒子 ４００Ｒ，４００Ｌ：第１の層状粒子 ４００ＲＸ，４００ＬＸ：第１の層状粒子 ５００：金型 ５１０：第１の型 ５１２：ベース部 ５１３：溝 ５１４：周壁部 ５１５：テーパ面 ５２０：第２の型 Ｂ：ボルト Ｎ：ナット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】