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(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】P2024038678
(43)【公開日】2024-03-21
(54)【発明の名称】電気化学反応モジュール
(51)【国際特許分類】
H01M 8/2483 20160101AFI20240313BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20240313BHJP
H01M 8/0228 20160101ALN20240313BHJP
H01M 8/021 20160101ALN20240313BHJP
【ＦＩ】
H01M8/2483
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
H01M8/0228
H01M8/021
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022142884
(22)【出願日】2022-09-08
(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】柿沼 保夫
(72)【発明者】
【氏名】島津 めぐみ
【テーマコード（参考）】
5H126
【Ｆターム（参考）】
5H126AA23
5H126BB06
5H126DD05
5H126EE11
5H126GG02
5H126JJ05
(57)【要約】
【課題】排出マニホールドから排出されたガスが供給される後段装置において、該ガスに対象元素が含まれることに起因する不具合の発生を抑制する。
【解決手段】電気化学反応モジュールは、それぞれ固体酸化物からなる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含む複数の単セルと、少なくとも１つのマニホールド画定部材と、流路画定部材とを備える。少なくとも１つのマニホールド画定部材は、各単セルの空気極と燃料極との一方である特定電極に面する各セル側ガス流路を通過したガスが流れる排出マニホールドを画定する第１表面を有するマニホールド画定部材を含む。流路画定部材は、ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素を含有し、排出マニホールドに対して上流側に位置する上流側ガス流路を画定する表面を有する。マニホールド画定部材の第１表面に、対象元素と化合物を形成する特定元素を含む特定化合物が存在する。
【選択図】図８
【解決手段】電気化学反応モジュールは、それぞれ固体酸化物からなる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含む複数の単セルと、少なくとも１つのマニホールド画定部材と、流路画定部材とを備える。少なくとも１つのマニホールド画定部材は、各単セルの空気極と燃料極との一方である特定電極に面する各セル側ガス流路を通過したガスが流れる排出マニホールドを画定する第１表面を有するマニホールド画定部材を含む。流路画定部材は、ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素を含有し、排出マニホールドに対して上流側に位置する上流側ガス流路を画定する表面を有する。マニホールド画定部材の第１表面に、対象元素と化合物を形成する特定元素を含む特定化合物が存在する。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固体酸化物からなる電解質層と、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、をそれぞれ含み、所定の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単セルと、
少なくとも１つのマニホールド画定部材であって、各前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に面する各セル側ガス流路を通過したガスが流れる排出マニホールドを画定する第１表面を有するマニホールド画定部材を含む、少なくとも１つのマニホールド画定部材と、
ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素を含有し、前記排出マニホールドに対して上流側に位置する上流側ガス流路を画定する表面を有する流路画定部材と、
を備える電気化学反応モジュールにおいて、
前記マニホールド画定部材の前記第１表面に、前記対象元素と化合物を形成する特定元素を含む特定化合物が存在する、
ことを特徴とする電気化学反応モジュール。
少なくとも１つのマニホールド画定部材であって、各前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に面する各セル側ガス流路を通過したガスが流れる排出マニホールドを画定する第１表面を有するマニホールド画定部材を含む、少なくとも１つのマニホールド画定部材と、
ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素を含有し、前記排出マニホールドに対して上流側に位置する上流側ガス流路を画定する表面を有する流路画定部材と、
を備える電気化学反応モジュールにおいて、
前記マニホールド画定部材の前記第１表面に、前記対象元素と化合物を形成する特定元素を含む特定化合物が存在する、
ことを特徴とする電気化学反応モジュール。
【請求項2】
請求項１に記載の電気化学反応モジュールにおいて、
前記第１表面を有する前記マニホールド画定部材は、
金属部と、
前記金属部の表面を覆うコート層と、
を有し、
前記第１表面である前記コート層の表面に、前記特定化合物が離散的に形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応モジュール。
前記第１表面を有する前記マニホールド画定部材は、
金属部と、
前記金属部の表面を覆うコート層と、
を有し、
前記第１表面である前記コート層の表面に、前記特定化合物が離散的に形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応モジュール。
【請求項3】
請求項２に記載の電気化学反応モジュールにおいて、
前記金属部は、前記特定元素を含有する、
ことを特徴とする電気化学反応モジュール。
前記金属部は、前記特定元素を含有する、
ことを特徴とする電気化学反応モジュール。
【請求項4】
請求項２または請求項３に記載の電気化学反応モジュールにおいて、
前記コート層の表面における前記特定元素の含有割合は、前記金属部における前記特定元素の含有割合よりも大きい、
ことを特徴とする電気化学反応モジュール。
前記コート層の表面における前記特定元素の含有割合は、前記金属部における前記特定元素の含有割合よりも大きい、
ことを特徴とする電気化学反応モジュール。
【請求項5】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応モジュールにおいて、
前記少なくとも１つのマニホールド画定部材は、各前記電気化学反応単セルの前記セル側ガス流路にガスを供給する供給マニホールドを画定する第２表面を有するマニホールド画定部材を含み、
前記マニホールド画定部材の前記第２表面に、前記特定化合物が存在する、
ことを特徴とする電気化学反応モジュール。
前記少なくとも１つのマニホールド画定部材は、各前記電気化学反応単セルの前記セル側ガス流路にガスを供給する供給マニホールドを画定する第２表面を有するマニホールド画定部材を含み、
前記マニホールド画定部材の前記第２表面に、前記特定化合物が存在する、
ことを特徴とする電気化学反応モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応モジュールに関する。
【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、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）が知られている。ＳＯＦＣは、一般に、複数の単セルが所定の方向に並べられた燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールの形態で利用される。
【0003】
燃料電池スタックには、ガスを排出する排出マニホールドが形成されている。より具体的には、燃料電池スタックには、各単セルの空気極に面するセル側ガス流路を通過したガスが流れる酸化剤ガス排出マニホールドと、各単セルの燃料極に面するセル側ガス流路を通過したガスが流れる燃料ガス排出マニホールドと、の少なくとも一方が形成されている（例えば、特許文献１参照）。排出マニホールドから排出されたガスは、後段装置（例えば、燃焼器、他の燃料電池スタック、該排出マニホールドが形成された当該燃料電池スタック）に供給されることがある。
【0004】
また、燃料電池モジュールには、上記排出マニホールドに対して上流側に位置する上流側ガス流路が形成されている。上流側ガス流路の少なくとも一部は、流路画定部材の表面により画定される。流路画定部材は、ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素を含有する材料により形成されることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０２１－２２５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
流路画定部材が上記対象元素（Ｍｎおよび／またはＦｅ）を含有する材料により形成された構成において、運転時等において燃料電池モジュールが高温（例えば、６００℃以上）になると、流路画定部材に含有される対象元素が上流側ガス流路を流れるガス中に飛散する。上流側ガス流路を流れるガスは、排出マニホールドを介して燃料電池スタックから排出された後、上述した後段装置に供給される。そのため、後段装置に供給されるガスに対象元素が含まれることとなり、後段装置において、対象元素が酸化物（例えば、Ｍｎ３Ｏ４やＦｅ２Ｏ３）として析出することに起因する不具合（例えば、燃焼器における燃焼ノズルの詰まり、他の燃料電池スタックや当該燃料電池スタックにおける電解質層のクラック）が発生するおそれがある。
【0007】
なお、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電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の構成単位である電解単セルが複数並べられた電解セルスタックを含む電解セルモジュールにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルといい、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックといい、燃料電池モジュールと電解セルモジュールとをまとめて電気化学反応モジュールという。
【0008】
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。
【0010】
（１）本明細書に開示される電気化学反応モジュールは、複数の電気化学反応単セルと、少なくとも１つのマニホールド画定部材と、流路画定部材とを備える。複数の電気化学反応単セルは、それぞれ、固体酸化物からなる電解質層と、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含み、所定の方向に並べて配置されている。少なくとも１つのマニホールド画定部材は、各前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に面する各セル側ガス流路を通過したガスが流れる排出マニホールドを画定する第１表面を有するマニホールド画定部材を含む。流路画定部材は、ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素を含有し、前記排出マニホールドに対して上流側に位置する上流側ガス流路を画定する表面を有する。前記マニホールド画定部材の前記第１表面に、前記対象元素と化合物を形成する特定元素を含む特定化合物が存在する。
【0011】
本電気化学反応モジュールでは、排出マニホールドを画定する第１表面を有するマニホールド画定部材における該第１表面に、ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素と化合物を形成する特定元素を含む特定化合物が存在する。そのため、運転時等において電気化学反応モジュールが高温にされた際に流路画定部材に含まれる対象元素が上流側ガス流路に飛散しても、上流側ガス流路に対して下流側に位置する排出マニホールドにおいて、特定化合物に含まれる特定元素によって対象元素を捕捉することができる。そのため、排出マニホールドから排出されたガスが供給される後段装置において、該ガスに対象元素が含まれることに起因する不具合の発生を抑制することができる。
【0012】
（２）上記電気化学反応モジュールにおいて、前記第１表面を有する前記マニホールド画定部材は、金属部と、前記金属部の表面を覆うコート層と、を有し、前記第１表面である前記コート層の表面に、前記特定化合物が離散的に形成されている構成としてもよい。本構成を採用すれば、特定化合物に含まれる特定元素によって対象元素が捕捉される反応の際の体積膨張・収縮に起因する応力を分散させることができ、その結果、コート層におけるクラックの発生を抑制することができる。
【0013】
（３）上記電気化学反応モジュールにおいて、前記金属部は、前記特定元素を含有する構成としてもよい。本構成を採用すれば、マニホールド画定部材において、金属部からコート層の表面に特定元素を継続的に供給することができ、コート層の表面に存在する特定化合物による対象元素の捕捉機能を継続的に維持することができる。
【0014】
（４）上記電気化学反応モジュールにおいて、前記コート層の表面における前記特定元素の含有割合は、前記金属部における前記特定元素の含有割合よりも大きい構成としてもよい。本構成を採用すれば、コート層の表面において、特定元素により対象元素を効果的に捕捉することができる。
【0015】
（５）上記電気化学反応モジュールにおいて、前記少なくとも１つのマニホールド画定部材は、各前記電気化学反応単セルの前記セル側ガス流路にガスを供給する供給マニホールドを画定する第２表面を有するマニホールド画定部材を含み、前記マニホールド画定部材の前記第２表面に、前記特定化合物が存在する構成としてもよい。本構成を採用すれば、供給マニホールドを通って各電気化学反応単セルのセル側ガス流路に供給されるガス中の対象元素を、第２表面に存在する特定化合物によって捕捉することができ、セル側ガス流路に対象元素が飛散することに起因する不具合（例えば、電解質層のクラック等）の発生を抑制することができる。
【0016】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応モジュール（燃料電池モジュールまたは電解セルモジュール）やその製造方法等の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本実施形態における燃料電池モジュール１０の構成を模式的に示す説明図
【図2】本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図
【図8】燃料極側フレーム１４０の詳細構成を示す説明図
【図9】燃料極側フレーム１４０の詳細構成を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【0018】
Ａ．実施形態：
Ａ－１．燃料電池モジュール１０の構成：
図１は、本実施形態における燃料電池モジュール１０の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１００と、その他の装置（後述する改質・加熱器３３０等）とを備える。以下では、まず燃料電池スタック１００の構成について説明し、その後、燃料電池モジュール１０を構成する他の装置の構成について説明する。燃料電池モジュール１０は特許請求の範囲における電気化学反応モジュールの一例である。
Ａ－１．燃料電池モジュール１０の構成：
図１は、本実施形態における燃料電池モジュール１０の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１００と、その他の装置（後述する改質・加熱器３３０等）とを備える。以下では、まず燃料電池スタック１００の構成について説明し、その後、燃料電池モジュール１０を構成する他の装置の構成について説明する。燃料電池モジュール１０は特許請求の範囲における電気化学反応モジュールの一例である。
【0019】
Ａ－２．燃料電池スタック１００の構成：
図２は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。また、図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図４は、図２のＩＶ－ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。図５は、図２のＶ－Ｖの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている（他の図においても同様）。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。
図２は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。また、図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図４は、図２のＩＶ－ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。図５は、図２のＶ－Ｖの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている（他の図においても同様）。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。
【0020】
図２から図５に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という。）１０２と、下端用セパレータ１８９と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの一方（以下、「上側エンドプレート１０４」という。）は、７つの発電単位１０２から構成される発電ブロック１０３の上側に配置されており、一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの他方（以下、「下側エンドプレート１０６」という。）は、発電ブロック１０３の下側に配置された下端用セパレータ１８９の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、発電ブロック１０３および下端用セパレータ１８９を上下から挟むように配置されている。
【0021】
図２および図５に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（上側エンドプレート１０４、各発電単位１０２、下端用セパレータ１８９）のＺ軸方向回りの外周の４つの角部付近には、各層を上下方向に貫通する孔が形成されており、下側エンドプレート１０６のＺ軸方向回りの外周の４つの角部付近における上側の表面には、ネジ孔が形成されている。これらの各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上下方向に延びるボルト孔１０９を構成している。以下の説明では、ボルト孔１０９を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、ボルト孔１０９と呼ぶ場合がある。
【0022】
各ボルト孔１０９にはボルト２２が挿入されている。各ボルト２２の下端部は下側エンドプレート１０６に形成されたネジ孔に螺号しており、各ボルト２２の上端部にはナット２４が嵌められている。ナット２４の下側の表面は、絶縁シート２６を介してエンドプレート１０４の上側の表面に当接している。このような構成のボルト２２およびナット２４により、燃料電池スタック１００の各層が一体に締結されている。なお、絶縁シート２６は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
【0023】
また、図２から図４に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（各発電単位１０２、下端用セパレータ１８９、下側エンドプレート１０６）のＺ軸方向回りの周縁部には、各層を上下方向に貫通する４つの孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、最上部の発電単位１０２から下側エンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。
【0024】
図２および図３に示すように、１つの連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の後述する空気室１６６に供給するガス流路である空気極側供給マニホールド１６１として機能し、他の１つの連通孔１０８は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へ排出するガス流路である空気極側排出マニホールド１６２として機能する。酸化剤ガスＯＧとしては、例えば空気が使用される。空気極側供給マニホールド１６１は、特許請求の範囲における供給マニホールドの一例であり、空気極側排出マニホールド１６２は、特許請求の範囲における排出マニホールドの一例である。
【0025】
また、図２および図４に示すように、他の１つの連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の後述する燃料室１７６に供給するガス流路である燃料極側供給マニホールド１７１として機能し、他の１つの連通孔１０８は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へ排出するガス流路である燃料極側排出マニホールド１７２として機能する。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。燃料極側供給マニホールド１７１は、特許請求の範囲における供給マニホールドの一例であり、燃料極側排出マニホールド１７２は、特許請求の範囲における排出マニホールドの一例である。
【0026】
なお、本明細書において、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２の少なくとも一部を画定する表面を有する部材を、マニホールド画定部材という。本実施形態では、マニホールド画定部材は、下側エンドプレート１０６、下端用セパレータ１８９、および、発電単位１０２を構成する各部材（後述する単セル用セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ用セパレータ１８０）である。
【0027】
燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部２９とを有している。分岐部２９の孔は本体部２８の孔と連通している。各ガス通路部材２７の分岐部２９には、ガス配管（図示せず）が接続される。図３に示すように、空気極側供給マニホールド１６１の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、空気極側供給マニホールド１６１に連通しており、空気極側排出マニホールド１６２の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、空気極側排出マニホールド１６２に連通している。また、図４に示すように、燃料極側供給マニホールド１７１の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料極側供給マニホールド１７１に連通しており、燃料極側排出マニホールド１７２の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料極側排出マニホールド１７２に連通している。なお、各ガス通路部材２７と下側エンドプレート１０６の表面との間には、絶縁シート２６が介在している。
【0028】
（エンドプレート１０４，１０６の構成）
図２から図５に示すように、一対のエンドプレート１０４，１０６は、Ｚ軸方向視での外形が略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。一対のエンドプレート１０４，１０６の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔３２，３４が形成されている。Ｚ軸方向視で、一対のエンドプレート１０４，１０６のそれぞれに形成された孔３２，３４の輪郭線は、後述する各単セル１１０を内包している。そのため、各ボルト２２およびナット２４による締結によって生じるＺ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位１０２の周縁部（後述する各単セル１１０より外周側の部分）に作用する。また、本実施形態では、上側エンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側エンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。
図２から図５に示すように、一対のエンドプレート１０４，１０６は、Ｚ軸方向視での外形が略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。一対のエンドプレート１０４，１０６の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔３２，３４が形成されている。Ｚ軸方向視で、一対のエンドプレート１０４，１０６のそれぞれに形成された孔３２，３４の輪郭線は、後述する各単セル１１０を内包している。そのため、各ボルト２２およびナット２４による締結によって生じるＺ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位１０２の周縁部（後述する各単セル１１０より外周側の部分）に作用する。また、本実施形態では、上側エンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側エンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。
【0029】
（下端用セパレータ１８９の構成）
図３から図５に示すように、下端用セパレータ１８９は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば金属により形成されている。下端用セパレータ１８９の周縁部は、発電ブロック１０３と下側エンドプレート１０６との間に挟み込まれた状態で、下側エンドプレート１０６と例えば溶接により接合されており、下側エンドプレート１０６と電気的に接続されている。
図３から図５に示すように、下端用セパレータ１８９は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば金属により形成されている。下端用セパレータ１８９の周縁部は、発電ブロック１０３と下側エンドプレート１０６との間に挟み込まれた状態で、下側エンドプレート１０６と例えば溶接により接合されており、下側エンドプレート１０６と電気的に接続されている。
【0030】
（発電単位１０２の構成）
図６は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。
図６は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。
【0031】
図６および図７に示すように、発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）１１０と、単セル用セパレータ１２０と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１９０と、インターコネクタ用セパレータ１８０と、空気極側フレーム１３０と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電部１４４と、を備えている。単セル用セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ用セパレータ１８０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する各連通孔１０８を構成する孔と、各ボルト孔１０９を構成する孔とが形成されている。
【0032】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された中間層１１８とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、中間層１１８）を支持する燃料極支持形の単セルである。単セル１１０は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルの一例である。
【0033】
電解質層１１２は、Ｚ軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）等の安定化ジルコニア）を含むように構成されている。すなわち、本実施形態の単セル１１０は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。空気極１１４は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、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））を含むように構成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、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基合金等により形成されている。中間層１１８は、Ｚ軸方向視で空気極１１４と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とＹＳＺとを含むように構成されている。中間層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、ＳｒＺｒＯ３）が生成されることを抑制する機能を有する。
【0034】
単セル用セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１２１が形成された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における貫通孔１２１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部における上側の表面に対向している。単セル用セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えば、Ａｇロウ）により形成された接合部１２４により、単セル１１０（電解質層１１２）と接合されている。単セル用セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリーク（クロスリーク）が抑制される。
【0035】
単セル用セパレータ１２０は、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部を含む内側部１２６と、内側部１２６より外周側に位置する外側部１２７と、内側部１２６と外側部１２７とを連結する連結部１２８とを備える。本実施形態では、内側部１２６および外側部１２７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部１２８は、内側部１２６と外側部１２７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部１２８における下側（燃料室１７６側）の部分は凸部となっており、連結部１２８における上側（空気室１６６側）の部分は凹部となっている。このため、連結部１２８は、Ｚ軸方向における位置が内側部１２６および外側部１２７とは異なる部分を含んでいる。
【0036】
単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１付近には、ガラスを含むガラスシール部１２５が配置されている。ガラスシール部１２５は、接合部１２４に対して空気室１６６側に位置しており、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部の表面と、単セル１１０（本実施形態では電解質層１１２）の表面との両方に接触するように形成されている。ガラスシール部１２５により、上述したクロスリークが効果的に抑制される。
【0037】
インターコネクタ１９０は、略矩形の平板形状の平板部１５０と、平板部１５０から空気極１１４側に突出した複数の略柱状の空気極側集電部１３４と、を有する導電性の部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１９０における空気室１６６に面する側の表面の少なくとも一部には、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性の被覆層１９４が形成されている。また、インターコネクタ１９０における燃料室１７６に面する側の表面の少なくとも一部には、酸化被膜１９８が形成されている。酸化被膜１９８は、例えばＣｒ２Ｏ３（クロミア）を含む内層と、例えばＭｎＣｒ２Ｏ４を含む外層と、から構成されている。以下では、被覆層１９４および酸化被膜１９８に覆われたインターコネクタ１９０を、単にインターコネクタ１９０という。インターコネクタ１９０は、ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素を含有している。なお、インターコネクタ１９０は、燃料室１７６の一部を画定する表面を有する。燃料室１７６は、燃料極側排出マニホールド１７２に対して上流側に位置する上流側ガス流路である。そのため、インターコネクタ１９０は、上流側ガス流路を画定する表面を有する流路画定部材に該当する。
【0038】
各発電単位１０２において、上側のインターコネクタ１９０は、単セル１１０に対して上側に配置されている。上側のインターコネクタ１９０の各空気極側集電部１３４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、単セル１１０の空気極１１４に接合されており、これにより単セル１１０の空気極１１４に電気的に接続されている。また、各発電単位１０２において、下側のインターコネクタ１９０は、単セル１１０に対して下側に配置されており、後述する燃料極側集電部１４４を介して、単セル１１０の燃料極１１６に電気的に接続されている。インターコネクタ１９０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を抑制する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１９０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１９０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１９０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は下端用セパレータ１８９を備えているため、燃料電池スタック１００において最も下側に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１９０を備えていない（図３から図５参照）。
【0039】
インターコネクタ用セパレータ１８０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１８１が形成された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。インターコネクタ用セパレータ１８０における貫通孔１８１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、インターコネクタ１９０の平板部１５０の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。ある発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ用セパレータ１８０のうち、上側のインターコネクタ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の空気室１６６と、該発電単位１０２に対して上側に隣り合う他の発電単位１０２の燃料室１７６とを区画する。また、ある発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ用セパレータ１８０のうち、下側のインターコネクタ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の燃料室１７６と、該発電単位１０２に対して下側に隣り合う他の発電単位１０２の空気室１６６とを区画する。このように、インターコネクタ用セパレータ１８０により、発電単位１０２の周縁部における発電単位１０２間のガスのリークが抑制される。なお、燃料電池スタック１００において最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０に接合されたインターコネクタ用セパレータ１８０は、上側エンドプレート１０４に電気的に接続されている。
【0040】
インターコネクタ用セパレータ１８０は、インターコネクタ用セパレータ１８０の貫通孔周囲部を含む内側部１８６と、内側部１８６より外周側に位置する外側部１８７と、内側部１８６と外側部１８７とを連結する連結部１８８とを備える。本実施形態では、内側部１８６および外側部１８７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部１８８は、内側部１８６と外側部１８７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部１８８における下側（空気室１６６側）の部分は凸部となっており、連結部１８８における上側（燃料室１７６側）の部分は凹部となっている。このため、連結部１８８は、Ｚ軸方向における位置が内側部１８６および外側部１８７とは異なる部分を含んでいる。
【0041】
空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム１３０は、単セル用セパレータ１２０の周縁部における上側の表面と、上側のインターコネクタ用セパレータ１８０の周縁部における下側の表面とに接触しており、両者の間のガスシール性（すなわち、空気室１６６のガスシール性）を確保するシール部材として機能する。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ用セパレータ１８０間（すなわち、一対のインターコネクタ１９０間）間が電気的に絶縁される。空気極側フレーム１３０には、空気極側供給マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する空気極側供給連通流路１３２と、空気室１６６と空気極側排出マニホールド１６２とを連通する空気極側排出連通流路１３３とが形成されている。空気室１６６と、空気極側供給連通流路１３２と、空気極側排出連通流路１３３とを合わせた空間（ガス流路）は、特許請求の範囲におけるセル側ガス流路の一例である。
【0042】
燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成された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。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム１４０は、単セル用セパレータ１２０の周縁部における下側の表面と、下側のインターコネクタ用セパレータ１８０の周縁部における上側の表面とに接触している。燃料極側フレーム１４０には、燃料極側供給マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料極側供給連通流路１４２と、燃料室１７６と燃料極側排出マニホールド１７２とを連通する燃料極側排出連通流路１４３とが形成されている。燃料室１７６と、燃料極側供給連通流路１４２と、燃料極側排出連通流路１４３とを合わせた空間（ガス流路）は、特許請求の範囲におけるセル側ガス流路の一例である。
【0043】
燃料極側集電部１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、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とをつなぐ連接部とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６の下側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１９０の上側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下側に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１９０を備えていないため、該発電単位１０２における燃料極側集電部１４４のインターコネクタ対向部１４６は、下端用セパレータ１８９に接触している。燃料極側集電部１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１９０（または下端用セパレータ１８９）とを電気的に接続する。なお、燃料極側集電部１４４の電極対向部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、燃料極側集電部１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電部１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１９０（または下端用セパレータ１８９）との電気的接続が良好に維持される。
【0044】
Ａ－３．燃料電池モジュール１０における燃料電池スタック１００以外の装置の構成：
次に、燃料電池モジュール１０における燃料電池スタック１００以外の装置の構成について説明する。図１に示すように、燃料電池モジュール１０は、蒸発器３１０および改質・加熱器３３０を含む補助器３００と、各装置間を結ぶ各種流路とを備える。各装置（燃料電池スタック１００、補助器３００）は、断熱材３５０によって囲まれた断熱空間３５１に収容されている。なお、図１では、便宜的に、断熱材３５０は全装置の周囲を覆う単純な四角形状をなすものとしてあるが、実際には、全装置の周囲を覆い、かつ、各装置の周囲を覆っている。図１では、燃料極側のガス（原燃料ガスＲＦＧ、燃料ガスＦＧ、および燃料オフガスＦＯＧを含む）の流れを一点鎖線で示し、空気極側のガス（酸化剤ガスＯＧおよび酸化剤オフガスＯＯＧを含む）の流れを実線で示し、排ガスＥＧの流れを破線で示し、水の流れを二点鎖線で示している。
次に、燃料電池モジュール１０における燃料電池スタック１００以外の装置の構成について説明する。図１に示すように、燃料電池モジュール１０は、蒸発器３１０および改質・加熱器３３０を含む補助器３００と、各装置間を結ぶ各種流路とを備える。各装置（燃料電池スタック１００、補助器３００）は、断熱材３５０によって囲まれた断熱空間３５１に収容されている。なお、図１では、便宜的に、断熱材３５０は全装置の周囲を覆う単純な四角形状をなすものとしてあるが、実際には、全装置の周囲を覆い、かつ、各装置の周囲を覆っている。図１では、燃料極側のガス（原燃料ガスＲＦＧ、燃料ガスＦＧ、および燃料オフガスＦＯＧを含む）の流れを一点鎖線で示し、空気極側のガス（酸化剤ガスＯＧおよび酸化剤オフガスＯＯＧを含む）の流れを実線で示し、排ガスＥＧの流れを破線で示し、水の流れを二点鎖線で示している。
【0045】
蒸発器３１０は、内部に空間が形成された箱形部材であり、例えば金属により形成されている。蒸発器３１０は、水ＷＡを蒸発させて水蒸気を生成するための装置である。蒸発器３１０には、水ＷＡを導入するための純水導入流路２５１が接続されている。純水導入流路２５１は、主として配管により構成されており、純水導入流路２５１上には、いずれの図示しないイオン交換樹脂と、浄水タンク・フロートと、流量制御機構とが設けられている。給水源から純水導入流路２５１に供給された水ＷＡは、イオン交換樹脂においてカルシウムイオン等の除去が行われ、浄水タンク・フロートにおいて浄化・貯留され、流量制御機構により制御された流量で、純水として蒸発器３１０に導入される。
【0046】
また、蒸発器３１０には、原燃料ガスＲＦＧを導入するための原燃料ガス導入流路２６１が接続されている。原燃料ガス導入流路２６１は、主として配管により構成されており、原燃料ガス導入流路２６１上には、いずれも図示しない流量制御機構と、水素添加脱硫器とが設けられている。ガス源から原燃料ガス導入流路２６１に供給された原燃料ガスＲＦＧは、水素添加脱硫器において硫黄成分を除去された状態で、流量制御機構により制御された流量で蒸発器３１０に導入される。
【0047】
また、蒸発器３１０には、改質・加熱器３３０のハウジング３３５（後述）から蒸発器３１０へ排ガスＥＧを送り出すための排ガス中継流路２２６と、蒸発器３１０から改質・加熱器３３０の改質器３３１（後述）へ混合ガスを送り出すための混合ガス流路２２８と、蒸発器３１０から排ガスＥＧを排出するための排ガス排出流路（図示せず）とが接続されている。これらの流路は、主として配管により構成されている。
【0048】
改質・加熱器３３０は、改質器３３１と、燃焼器３３３と、ハウジング３３５とを備える。ハウジング３３５は、例えば金属により形成された密閉型の容器であり、改質器３３１と燃焼器３３３とを収容している。ハウジング３３５は、内壁３３６と外壁３３７とを有する二重壁構造に構成されており、内壁３３６と外壁３３７との間に形成された空気流路３３８には、伝熱用フィン３３９が配置されている。なお、図１では、伝熱用フィン３３９の一部の図示が省略されている。ハウジング３３５には、酸化剤ガスＯＧ（空気）を導入するための空気導入流路２７１が接続されている。空気導入流路２７１は、主として配管により構成されており、空気導入流路２７１上には流量制御機構（図示せず）が設けられている。空気導入流路２７１に供給された酸化剤ガスＯＧは、流量制御機構により制御された流量でハウジング３３５の空気流路３３８に導入される。また、ハウジング３３５には、燃料電池スタック１００の空気極側供給マニホールド１６１に向けて酸化剤ガスＯＧを送り出すための空気極側ガス供給流路６１が接続されている。空気極側ガス供給流路６１は、主として配管により構成されている。
【0049】
改質器３３１は、内部に空間が形成された箱形部材であり、例えば金属により形成されている。改質器３３１は、原燃料ガスＲＦＧを改質（水蒸気改質）して燃料ガスＦＧを生成するための装置である。改質器３３１内には、改質反応を促進させる触媒が配置されている。上述したように、改質器３３１には、蒸発器３１０から改質器３３１へ混合ガスを送り出すための混合ガス流路２２８が接続されている。また、改質器３３１には、燃料電池スタック１００の燃料極側供給マニホールド１７１に向けて燃料ガスＦＧを送り出すための燃料極側ガス供給流路７１が接続されている。燃料極側ガス供給流路７１は、主として配管により構成されている。
【0050】
燃焼器３３３は、内部に空間が形成された箱形部材であり、例えば金属により形成されている。燃焼器３３３は、酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧを燃焼させるための装置である。燃焼器３３３内には、酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧの燃焼を促進させる触媒が配置されていてもよい。燃焼器３３３には、燃料電池スタック１００の空気極側排出マニホールド１６２から酸化剤オフガスＯＯＧが送り出される空気極側ガス排出流路２４０と、燃料電池スタック１００の燃料極側排出マニホールド１７２から燃料オフガスＦＯＧが送り出される燃料極側ガス排出流路２３０とが接続されている。これらの流路は、主として配管により構成されている。
【0051】
Ａ－４．燃料電池モジュール１０の動作：
次に、燃料電池モジュール１０の動作について説明する。図１に示すように、酸化剤ガスＯＧは、空気導入流路２７１を介して、改質・加熱器３３０のハウジング３３５に形成された空気流路３３８内に導入される。空気流路３３８内に導入された酸化剤ガスＯＧは、燃焼器３３３によって生成された燃焼熱によって加熱されつつ空気流路３３８内を流れ、温度が上昇した状態で空気極側ガス供給流路６１を介して燃料電池スタック１００の空気極側供給マニホールド１６１に供給される。図３および図６に示すように、空気極側供給マニホールド１６１に供給された酸化剤ガスＯＧは、各発電単位１０２の空気極側供給連通流路１３２を介して空気室１６６に供給される。
次に、燃料電池モジュール１０の動作について説明する。図１に示すように、酸化剤ガスＯＧは、空気導入流路２７１を介して、改質・加熱器３３０のハウジング３３５に形成された空気流路３３８内に導入される。空気流路３３８内に導入された酸化剤ガスＯＧは、燃焼器３３３によって生成された燃焼熱によって加熱されつつ空気流路３３８内を流れ、温度が上昇した状態で空気極側ガス供給流路６１を介して燃料電池スタック１００の空気極側供給マニホールド１６１に供給される。図３および図６に示すように、空気極側供給マニホールド１６１に供給された酸化剤ガスＯＧは、各発電単位１０２の空気極側供給連通流路１３２を介して空気室１６６に供給される。
【0052】
また、図１に示すように、原燃料ガス導入流路２６１を介して蒸発器３１０に原燃料ガスＲＦＧが供給されると共に、純水導入流路２５１を介して蒸発器３１０に水ＷＡが供給されると、蒸発器３１０において、排ガス中継流路２２６を介して導入された排ガスＥＧの熱を利用して水ＷＡを蒸発させることにより水蒸気が生成されると共に、この水蒸気が原燃料ガスＲＦＧと混合される。水蒸気と混合された原燃料ガスＲＦＧは、混合ガス流路２２８を介して蒸発器３１０から改質器３３１に導入され、改質器３３１において水蒸気改質され、その結果、水素リッチな燃料ガスＦＧが生成される。生成された燃料ガスＦＧは、燃料極側ガス供給流路７１を介して燃料電池スタック１００の燃料極側供給マニホールド１７１に供給される。図４および図７に示すように、燃料極側供給マニホールド１７１に供給された燃料ガスＦＧは、各発電単位１０２の燃料極側供給連通流路１４２を介して燃料室１７６に供給される。
【0053】
各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、各発電単位１０２の単セル１１０において酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素と燃料ガスＦＧに含まれる水素と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。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は一方のインターコネクタ１９０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電部１４４を介して他方のインターコネクタ１９０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２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。
【0054】
図１、図３および図６に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から空気極側排出連通流路１３３を介して空気極側排出マニホールド１６２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、燃料電池スタック１００から空気極側ガス排出流路２４０を介して燃焼器３３３に導入される。また、図１、図４および図７に示すように、各発電単位１０２の燃料室１７６から燃料極側排出連通流路１４３を介して燃料極側排出マニホールド１７２に排出された燃料オフガスＦＯＧは、燃料電池スタック１００から燃料極側ガス排出流路２３０を介して燃焼器３３３に導入される。燃焼器３３３に導入された酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧは、燃焼器３３３において混合されて燃焼され、その後、排ガスＥＧとして排ガス中継流路２２６を介して蒸発器３１０へと排出される。なお、燃焼器３３３において発生する熱により、改質器３３１における改質反応が促進されると共に、燃料電池スタック１００が加熱される。
【0055】
Ａ－５．燃料極側フレーム１４０の詳細構成：
図８および図９は、燃料極側フレーム１４０の詳細構成を示す説明図である。図８には、図７のＸ１部の構成を拡大して示しており、図９には、図７のＸ２部の構成を拡大して示している。
図８および図９は、燃料極側フレーム１４０の詳細構成を示す説明図である。図８には、図７のＸ１部の構成を拡大して示しており、図９には、図７のＸ２部の構成を拡大して示している。
【0056】
上述したように、燃料極側フレーム１４０は、マニホールドの少なくとも一部を画定する表面を有するマニホールド画定部材である。より具体的には、図８に示すように、燃料極側フレーム１４０は、燃料オフガスＦＯＧを排出する燃料極側排出マニホールド１７２を画定する第１表面４１を有する。また、図９に示すように、燃料極側フレーム１４０は、燃料ガスＦＧを供給する燃料極側供給マニホールド１７１を画定する第２表面４２を有する。
【0057】
図８および図９に示すように、燃料極側フレーム１４０は、金属部１４０ａと、金属部１４０ａの表面を覆うコート層１４０ｂとを有する。金属部１４０ａは、例えばフェライト系ステンレスにより構成されている。コート層１４０ｂは、内層１４０ｃと、内層１４０ｃの外側を覆う外層１４０ｄとを含む。上述した第１表面４１および第２表面４２は、コート層１４０ｂ（外層１４０ｄ）の表面である。内層１４０ｃは、例えばＣｒ２Ｏ３（クロミア）により構成され、外層１４０ｄは、例えばＡｌ２Ｏ３（アルミナ）により構成される。外層１４０ｄをアルミナにより構成することにより、金属部１４０ａに含まれるＣｒがマニホールド中に飛散することを効果的に抑制することができる。
【0058】
図８に示すように、燃料極側フレーム１４０において燃料極側排出マニホールド１７２を画定する第１表面４１には、特定化合物４３が存在する。特定化合物４３は、上述した対象元素（ＭｎとＦｅとの少なくとも一方）と化合物を形成する特定元素を含む化合物である。特定元素は、例えばＴｉ、Ｓ等であり、特定化合物は、例えばＴｉＯ２（チタニア）、Ａｌ２（ＳＯ４）３（硫酸アルミニウム）等である。図８に示すように、燃料極側フレーム１４０の第１表面４１には、特定化合物４３が離散的に（島状に）形成されている。特定化合物４３は対象元素と化合物を形成する特定元素を含むため、燃料極側排出マニホールド１７２を流れる燃料オフガスＦＯＧに対象元素（例えば、Ｍｎ）が含まれると、該対象元素は第１表面４１に存在する特定化合物４３によって捕捉される。
【0059】
同様に、図９に示すように、燃料極側フレーム１４０において燃料極側供給マニホールド１７１を画定する第２表面４２にも、特定化合物４３が存在する。燃料極側フレーム１４０の第２表面４２には、特定化合物４３が離散的に（島状に）形成されている。燃料極側供給マニホールド１７１を流れる燃料ガスＦＧに対象元素（例えば、Ｍｎ）が含まれると、該対象元素は第２表面４２に存在する特定化合物４３によって捕捉される。
【0060】
なお、本実施形態では、燃料極側フレーム１４０の金属部１４０ａが、特定元素を含有している。ただし、燃料極側フレーム１４０のコート層１４０ｂの表面における特定元素の含有割合は、金属部１４０ａにおける特定元素の含有割合よりも大きい。なお、コート層表面における特定元素の含有割合は、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）を用いてコート層表面を１０００倍以下（例えば１０００倍）に拡大した視野の中で任意の１０箇所をポイント分析したときの、１０箇所の特定元素の含有割合の平均値である。具体的には、ポイント分析により検出された酸素を除く無機元素の質量濃度の総和を１００％とした場合の特定元素の割合を特定元素の含有割合とすることができる。また、金属部における特定元素の含有割合については、ＥＤＳを用いて金属部断面を１０００倍以下（例えば１０００倍）に拡大した視野の中で任意の１０箇所をポイント分析したときの、１０箇所の特定元素の含有割合の平均値である。特定元素の含有割合の求め方は、コート層表面の特定元素の含有割合と同様である。
【0061】
このような構成の燃料極側フレーム１４０は、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、および特定元素を所定の濃度で含むフェライト系ステンレスの基材に対して熱処理（例えば、大気中１０００℃、１０時間）を行うことにより製造することができる。すなわち、このような熱処理により、金属部１４０ａに内層１４０ｃおよび外層１４０ｄが形成され、さらに、外層１４０ｄを構成する粒子の粒界から特定元素が酸化物として析出し、外層１４０ｄの表面に島状の特定化合物４３が形成される。ただし、燃料極側フレーム１４０の製造方法として、他の方法（例えば、燃料極側フレーム１４０の表面に特定化合物４３を塗布して付着させる方法等）が採用されてもよい。
【0062】
Ａ－６．実施例：
サンプルの燃料電池スタック１００を作製した。このとき、燃料極側フレーム１４０におけるマニホールドを画定する表面に、特定化合物４３としてのチタニアを配置させた。この燃料電池スタック１００を対象として、８５０℃、２０００時間の耐久試験を行った。燃料利用率は８２％、電流密度は０．４７Ａ／ｃｍ２とした。耐久試験後、燃料電池スタック１００を解体し、燃料極側フレーム１４０におけるマニホールドを画定する表面のＥＤＳマッピングを行ったところ、ＭｎとＴｉのマッピング位置が重なっていた。そのため、マニホールドを流れるガス中の対象元素であるＭｎを特定化合物４３によって捕捉できることが確認された。
サンプルの燃料電池スタック１００を作製した。このとき、燃料極側フレーム１４０におけるマニホールドを画定する表面に、特定化合物４３としてのチタニアを配置させた。この燃料電池スタック１００を対象として、８５０℃、２０００時間の耐久試験を行った。燃料利用率は８２％、電流密度は０．４７Ａ／ｃｍ２とした。耐久試験後、燃料電池スタック１００を解体し、燃料極側フレーム１４０におけるマニホールドを画定する表面のＥＤＳマッピングを行ったところ、ＭｎとＴｉのマッピング位置が重なっていた。そのため、マニホールドを流れるガス中の対象元素であるＭｎを特定化合物４３によって捕捉できることが確認された。
【0063】
また、別のサンプルの燃料電池スタック１００を用いて同様の耐久試験を行い、燃料極側フレーム１４０におけるマニホールドを画定する表面のＥＤＳマッピングを行ったところ、ＦｅとＴｉのマッピング位置が重なっていた。そのため、マニホールドを流れるガス中の対象元素であるＦｅを特定化合物４３によって捕捉できることが確認された。
【0064】
Ａ－７．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、所定の方向に並べて配置された複数の単セル１１０と、マニホールド画定部材である燃料極側フレーム１４０と、流路画定部材であるインターコネクタ１９０とを備える。各単セル１１０は、固体酸化物からなる電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを含む。燃料極側フレーム１４０は、各単セル１１０の燃料極１１６に面するセル側ガス流路（燃料室１７６、燃料極側供給連通流路１４２および燃料極側排出連通流路１４３）を通過したガスが流れる燃料極側排出マニホールド１７２を画定する第１表面４１を有する。インターコネクタ１９０は、ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素を含有し、燃料極側排出マニホールド１７２に対して上流側に位置する上流側ガス流路（燃料室１７６）を画定する表面を有する。燃料極側フレーム１４０において燃料極側排出マニホールド１７２を画定する第１表面４１に、対象元素と化合物を形成する特定元素を含む特定化合物４３が存在する。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、所定の方向に並べて配置された複数の単セル１１０と、マニホールド画定部材である燃料極側フレーム１４０と、流路画定部材であるインターコネクタ１９０とを備える。各単セル１１０は、固体酸化物からなる電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを含む。燃料極側フレーム１４０は、各単セル１１０の燃料極１１６に面するセル側ガス流路（燃料室１７６、燃料極側供給連通流路１４２および燃料極側排出連通流路１４３）を通過したガスが流れる燃料極側排出マニホールド１７２を画定する第１表面４１を有する。インターコネクタ１９０は、ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素を含有し、燃料極側排出マニホールド１７２に対して上流側に位置する上流側ガス流路（燃料室１７６）を画定する表面を有する。燃料極側フレーム１４０において燃料極側排出マニホールド１７２を画定する第１表面４１に、対象元素と化合物を形成する特定元素を含む特定化合物４３が存在する。
【0065】
このように、本実施形態では、各単セル１１０の燃料極１１６に面するセル側ガス流路を通過したガスが流れる燃料極側排出マニホールド１７２を画定する第１表面４１を有する燃料極側フレーム１４０における該第１表面４１に、ＭｎとＦｅとの少なくとも一方である対象元素と化合物を形成する特定元素を含む特定化合物４３が存在する。そのため、運転時等において燃料電池モジュール１０が高温にされた際にインターコネクタ１９０に含まれる対象元素が上流側ガス流路（燃料室１７６）に飛散しても、上流側ガス流路に対して下流側に位置する燃料極側排出マニホールド１７２において、特定化合物に含まれる特定元素によって対象元素を捕捉することができる。そのため、燃料極側排出マニホールド１７２から排出されたガスが供給される後段装置(例えば、燃焼器３３３)において、該ガスに対象元素が含まれることに起因する不具合（例えば、燃焼器３３３における燃焼ノズルの詰まり）の発生を抑制することができる。
【0066】
また、本実施形態では、第１表面４１を有する燃料極側フレーム１４０は、金属部１４０ａと、金属部１４０ａの表面を覆うコート層１４０ｂとを有し、第１表面４１であるコート層１４０ｂの表面に、特定化合物４３が離散的に形成されている。そのため、特定化合物４３に含まれる特定元素によって対象元素が捕捉される反応の際の体積膨張・収縮に起因する応力を分散させることができ、その結果、コート層１４０ｂにおけるクラックの発生を抑制することができる。
【0067】
また、本実施形態では、燃料極側フレーム１４０の金属部１４０ａは、特定元素を含有する。そのため、燃料極側フレーム１４０において、金属部１４０ａからコート層１４０ｂの表面に特定元素を継続的に供給することができ、コート層１４０ｂの表面に存在する特定化合物４３による対象元素の捕捉機能を継続的に維持することができる。
【0068】
また、本実施形態では、燃料極側フレーム１４０のコート層１４０ｂの表面における特定元素の含有割合は、金属部１４０ａにおける特定元素の含有割合よりも大きい。そのため、コート層１４０ｂの表面において、特定元素により対象元素を効果的に捕捉することができる。
【0069】
また、本実施形態では、燃料極側フレーム１４０は、各単セル１１０のセル側ガス流路にガスを供給する燃料極側供給マニホールド１７１を画定する第２表面４２を有し、第２表面４２にも特定化合物４３が存在する。そのため、燃料極側供給マニホールド１７１を通って各単セル１１０のセル側ガス流路に供給される燃料ガスＦＧ中の対象元素を、第２表面４２に存在する特定化合物４３によって捕捉することができ、セル側ガス流路に対象元素が飛散することに起因する不具合（例えば、電解質層１１２のクラック等）の発生を抑制することができる。
【0070】
Ｂ．変形例：
本明細書に開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
本明細書に開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
【0071】
上記実施形態における燃料電池モジュール１０やその構成部材の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、燃料極側フレーム１４０におけるマニホールドを画定する表面に特定化合物４３が離散的に形成されているが、該表面に特定化合物４３が連続的に形成されていてもよい。
【0072】
上記実施形態では、燃料極側フレーム１４０が金属部１４０ａとコート層１４０ｂとを有しているが、燃料極側フレーム１４０がコート層１４０ｂを有さないとしてもよい。また、上記実施形態では、燃料極側フレーム１４０のコート層１４０ｂが内層１４０ｃと外層１４０ｄとを含んでいるが、コート層１４０ｂが単層構成であってもよいし、３層以上の構成であってもよい。また、上記実施形態では、金属部１４０ａが特定元素を含有しているが、金属部１４０ａが特定元素を含有していないとしてもよい。また、上記実施形態では、コート層１４０ｂの表面における特定元素の含有割合は、金属部１４０ａにおける特定元素の含有割合よりも大きいとしているが、必ずしもこのような大小関係である必要はない。
【0073】
上記実施形態では、燃料極側フレーム１４０におけるマニホールドを画定する表面に特定化合物４３が存在しているが、これに代えて、あるいは、これと共に、他のマニホールド画定部材（例えば、下側エンドプレート１０６、下端用セパレータ１８９、単セル用セパレータ１２０、インターコネクタ用セパレータ１８０等）におけるマニホールドを画定する表面に特定化合物４３が存在していてもよい。
【0074】
マニホールド画定部材における燃料極側排出マニホールド１７２を画定する表面に特定化合物４３が存在するが、当該マニホールド画定部材または他のマニホールド画定部材における燃料極側供給マニホールド１７１を画定する表面には特定化合物４３が存在しないとしてもよい。反対に、マニホールド画定部材における燃料極側供給マニホールド１７１を画定する表面に特定化合物４３が存在するが、当該マニホールド画定部材または他のマニホールド画定部材における燃料極側排出マニホールド１７２を画定する表面には特定化合物４３が存在しないとしてもよい。
【0075】
上記実施形態では、燃料極側の排出マニホールドおよび／または供給マニホールドの表面に特定化合物４３が存在するとしているが、これに代えて、あるいは、これと共に、空気極側の排出マニホールドおよび／または供給マニホールドの表面に特定化合物４３が存在するとしてもよい。特定化合物４３が存在するマニホールドに対応する電極（燃料極１１６および／または空気極１１４）は、特許請求の範囲における特定電極の一例である。
【0076】
上記実施形態では、流路画定部材としてのインターコネクタ１９０が対象元素（Ｍｎおよび／またはＦｅ）を含有しているが、これに代えて、あるいは、これと共に、他の流路画定部材（例えば、下側エンドプレート１０６、下端用セパレータ１８９、単セル用セパレータ１２０、インターコネクタ用セパレータ１８０、ガス通路部材２７、燃料電池スタック１００に接続される空気極側ガス供給流路６１や燃料極側ガス供給流路７１を形成する各種配管等）が対象元素を含有しているとしてもよい。また、流路画定部材の形成材料は、金属であってもよいし、セラミックスであってもよいし、それ以外の材料であってもよい。
【0077】
上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本明細書に開示される技術は、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電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解単セルや、電解単セルを複数備える電解セルスタックを含む電解セルモジュールにも同様に適用可能である。なお、電解セルの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池モジュール１０を電解セルモジュールと読み替え、燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルモジュールの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、マニホールドを介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、マニホールドを介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セルモジュールにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用すると、マニホールドから排出されたガスが供給される後段装置において、該ガスに対象元素が含まれることに起因する不具合の発生を抑制することができる。
【0078】
上記実施形態では、いわゆる平板型の燃料電池スタックを例に用いて説明したが、本明細書に開示される技術は、平板型に限らず、他のタイプ（いわゆる円筒平板型や円筒形）の燃料電池（または電解セル）にも同様に適用可能である。
【符号の説明】
【0079】
１０：燃料電池モジュール ２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 ３２，３４：孔 ４１：第１表面 ４２：第２表面 ４３：特定化合物 ６１：空気極側ガス供給流路 ７１：燃料極側ガス供給流路 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０３：発電ブロック １０４：上側エンドプレート １０６：下側エンドプレート １０８：連通孔 １０９：ボルト孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １１８：中間層 １２０：単セル用セパレータ １２１：貫通孔 １２４：接合部 １２５：ガラスシール部 １２６：内側部 １２７：外側部 １２８：連結部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：空気極側供給連通流路 １３３：空気極側排出連通流路 １３４：空気極側集電部 １４０：燃料極側フレーム １４０ａ：金属部 １４０ｂ：コート層 １４０ｃ：内層 １４０ｄ：外層 １４１：孔 １４２：燃料極側供給連通流路 １４３：燃料極側排出連通流路 １４４：燃料極側集電部 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４９：スペーサー １５０：平板部 １６１：空気極側供給マニホールド １６２：空気極側排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料極側供給マニホールド １７２：燃料極側排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：インターコネクタ用セパレータ １８１：貫通孔 １８６：内側部 １８７：外側部 １８８：連結部 １８９：下端用セパレータ １９０：インターコネクタ １９４：被覆層 １９６：導電性接合材 １９８：酸化被膜 ２２６：排ガス中継流路 ２２８：混合ガス流路 ２３０：燃料極側ガス排出流路 ２４０：空気極側ガス排出流路 ２５１：純水導入流路 ２６１：原燃料ガス導入流路 ２７１：空気導入流路 ３００：補助器 ３１０：蒸発器 ３３０：改質・加熱器 ３３１：改質器 ３３３：燃焼器 ３３５：ハウジング ３３６：内壁 ３３７：外壁 ３３８：空気流路 ３３９：伝熱用フィン ３５０：断熱材 ３５１：断熱空間
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】