特許 7079220 電気化学反応セルスタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-24

(45)【発行日】2022-06-01

(54)【発明の名称】電気化学反応セルスタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0276 20160101AFI20220525BHJP

   H01M 8/0271 20160101ALI20220525BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20220525BHJP

   H01M 8/1226 20160101ALI20220525BHJP

   H01M 8/021 20160101ALI20220525BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20220525BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20220525BHJP

   C25B 9/01 20210101ALI20220525BHJP

   C25B 9/60 20210101ALI20220525BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0276

H01M8/0271

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

H01M8/12 102B

H01M8/1226

H01M8/021

C25B1/042

C25B9/00 A

C25B9/01

C25B9/60

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019080071

(22)【出願日】2019-04-19

(65)【公開番号】P2020177839

(43)【公開日】2020-10-29

【審査請求日】2021-01-05

(73)【特許権者】

【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】特許業務法人アルファ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小野 達也

(72)【発明者】

【氏名】石田 暁

【審査官】守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０２２８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１５５１１２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－００４７６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｃ２５Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気極と、燃料極と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された電解質層と、をそれぞれ含む複数の電気化学反応単セルと、
貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの表面に接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、
前記セパレータの前記貫通孔周囲部と前記電気化学反応単セルの表面とを接合する接合部と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記セパレータは、Ｐ（リン）を含有すると共に、前記燃料極に供給されるガスのガス流路を向いた第１の表面を有し、
前記接合部は、前記ガス流路を向いた第２の表面を有し、
さらに、前記セパレータの前記第１の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも前記セパレータの前記第１の表面と前記接合部の前記第２の表面との境界まで達しているＰ拡散抑制部を備え、
前記Ｐ拡散抑制部は、さらに、前記接合部の前記第２の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも前記接合部の前記第２の表面と前記電解質層の側面との境界まで達している、
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Ｐ拡散抑制部は、さらに、前記燃料極の側面の少なくとも一部を覆っている、
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または請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記セパレータは、
前記貫通孔周囲部を含み、前記貫通孔の軸方向である第１の方向に直交する第２の方向に略平行な第１の平坦部と、
前記第２の方向に略平行な第２の平坦部と、
前記第１の方向における位置が前記第１の平坦部および前記第２の平坦部とは異なる部分を含み、前記第１の平坦部と前記第２の平坦部とを連結する連結部と、
を備え、
前記Ｐ拡散抑制部は、前記連結部から離間している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項4】

空気極と、燃料極と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された電解質層と、をそれぞれ含む複数の電気化学反応単セルと、
貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの表面に接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、
前記セパレータの前記貫通孔周囲部と前記電気化学反応単セルの表面とを接合する接合部と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記セパレータは、Ｐ（リン）を含有すると共に、前記燃料極に供給されるガスのガス流路を向いた第１の表面を有し、
前記接合部は、前記ガス流路を向いた第２の表面を有し、
さらに、前記セパレータの前記第１の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも前記セパレータの前記第１の表面と前記接合部の前記第２の表面との境界まで達しているＰ拡散抑制部を備え、
前記セパレータは、
前記貫通孔周囲部を含み、前記貫通孔の軸方向である第１の方向に直交する第２の方向に略平行な第１の平坦部と、
前記第２の方向に略平行な第２の平坦部と、
前記第１の方向における位置が前記第１の平坦部および前記第２の平坦部とは異なる部分を含み、前記第１の平坦部と前記第２の平坦部とを連結する連結部と、
を備え、
前記Ｐ拡散抑制部は、前記連結部から離間している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【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、電気化学反応セルスタックに関する。

【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１つとして、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、所定の方向に並べて配置された複数の燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）を備える燃料電池スタックの形態で利用される。各単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。

【0003】

燃料電池スタックの中には、貫通孔が形成され、該貫通孔を取り囲む部分が単セルに接合され、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室とを区画すると共にＰ（リン）を含有するセパレータと、セパレータの貫通孔を取り囲む部分と単セルとを接合する接合部と、を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１４－４９３２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

Ｐを含有するセパレータを備えた上述の燃料電池スタックでは、セパレータの表面が燃料室内に露出しているため、セパレータから拡散したＰが、燃料極に供給されるガスと共に燃料極付近に移動するおそれがある。しかし、従来、セパレータから拡散したＰの燃料極付近への移動が燃料電池スタックの性能に与える影響について十分に検討されておらず、改善の余地があった。

【0006】

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の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の構成単位である電解単セルを複数備える電解セルスタック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呼び、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呼ぶ。

【0007】

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】

【0008】

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。

【0009】

（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、空気極と、燃料極と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された電解質層と、をそれぞれ含む複数の電気化学反応単セルと、貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの表面に接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、前記セパレータの前記貫通孔周囲部と前記電気化学反応単セルの表面とを接合する接合部と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記セパレータは、Ｐ（リン）を含有すると共に、前記燃料極に供給されるガスのガス流路を向いた第１の表面を有し、前記接合部は、前記ガス流路を向いた第２の表面を有し、さらに、前記セパレータの前記第１の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも前記セパレータの前記第１の表面と前記接合部の前記第２の表面との境界まで達しているＰ拡散抑制部を備える。

【0010】

本電気化学反応セルスタックでは、セパレータは、Ｐを含有すると共に、燃料極に供給されるガスのガス流路を向いた第１の表面を有する。また、セパレータと電気化学反応単セルとを接合する接合部は、ガス流路を向いた第２の表面を有する。電気化学反応セルスタックの運転開始後、セパレータの第１の表面から拡散したＰが燃料極に供給されるガスに運ばれて燃料極付近に移動し、燃料極における反応場に付着し、電気化学反応セルスタックの性能が低下するおそれがある。これに対して、本電気化学反応セルスタックでは、Ｐ拡散抑制部を備える。Ｐ拡散抑制部は、セパレータの第１の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくともセパレータの第１の表面と接合部の第２の表面との境界まで達している。このため、セパレータの第１の表面の内、電気化学反応単セルの近傍から拡散するＰが、燃料極付近に移動することが抑制される。これにより、本電気化学反応セルスタックによれば、セパレータの第１の表面がＰ拡散抑制部に覆われていない構成に比べて、セパレータから拡散したＰの付着に起因する電気化学反応セルスタックの性能低下を抑制することができる。

【0011】

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記Ｐ拡散抑制部は、さらに、前記接合部の前記第２の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも前記接合部の前記第２の表面と前記電解質層の側面との境界まで達している構成としてもよい。セパレータから拡散したＰは、接合部を通過して燃料極付近に移動するおそれがある。これに対して、本電気化学反応セルスタックでは、Ｐ拡散抑制部は、さらに、接合部の第２の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも接合部の第２の表面と電解質層の側面との境界まで達している。このため、セパレータの第１の表面から拡散するＰだけでなく、セパレータから拡散して接合部を通過するＰが燃料極付近に移動することが抑制される。これにより、本電気化学反応セルスタックによれば、接合部の第２の表面がＰ拡散抑制部に覆われていない構成に比べて、セパレータから拡散したＰの付着に起因する電気化学反応セルスタックの性能低下を、より効果的に抑制することができる。

【0012】

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記Ｐ拡散抑制部は、さらに、前記燃料極の側面の少なくとも一部を覆っている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックでは、Ｐ拡散抑制部は、さらに、燃料極の側面の少なくとも一部を覆っている。このため、セパレータから拡散したＰが、燃料極の側面を介して燃料極の反応場に流れ込んで付着することが抑制される。これにより、本電気化学反応セルスタックによれば、燃料極の側面がＰ拡散抑制部に覆われていない構成に比べて、セパレータから拡散したＰの付着に起因する電気化学反応セルスタックの性能低下を、より効果的に抑制することができる。

【0013】

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記セパレータは、前記貫通孔周囲部を含み、前記貫通孔の軸方向である第１の方向に直交する第２の方向に略平行な第１の平坦部と、前記第２の方向に略平行な第２の平坦部と、前記第１の方向における位置が前記第１の平坦部および前記第２の平坦部とは異なる部分を含み、前記第１の平坦部と前記第２の平坦部とを連結する連結部と、を備え、前記Ｐ拡散抑制部は、前記連結部から離間している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックでは、Ｐ拡散抑制部は、セパレータの連結部から離間している。このため、Ｐ拡散抑制部がセパレータの連結部に接触している構成に比べて、Ｐ拡散抑制部の存在に起因してセパレータの応力緩和機能が低下することを抑制することができる。

【0014】

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、電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）、電気化学反応セルスタックを備える電気化学反応システム（燃料電池システムまたは電解セルシステム）、それら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】

【0015】

【図1】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。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ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3】図１のＩＩＩ－ＩＩＩ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。

【図4】図２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5】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ＹＺ断面構成を示す説明図である。

【図6】セパレータ１２０の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。

【図7】図５のＶＩＩ－ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。

【図8】性能評価結果を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

Ａ．実施形態：
Ａ－１．装置構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１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り、図２は、図１（および後述する図７）のＩＩ－ＩＩ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３は、図１（および後述する図７）のＩＩＩ－ＩＩＩ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。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４以降についても同様である。また、本明細書では、Ｚ軸に直交する方向を面方向という。

【0017】

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、「発電単位」という）１０２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は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。

【0018】

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８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、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート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。

【0019】

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２および図３に示すように、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の上端を構成するエンドプレート１０４の上側表面との間、および、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の下端を構成するエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。ただし、後述のガス通路部材２７が設けられた箇所では、ナット２４とエンドプレート１０６の表面との間に、ガス通路部材２７とガス通路部材２７の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート２６とが介在している。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。

【0020】

各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、空気が使用される。また、本実施形態では、酸化剤ガス導入マニホールド１６１への酸化剤ガスＯＧの導入のために、ブロワ（図示せず）が用いられる。また、酸化剤ガスＯＧが酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入される前に、熱交換（例えば、燃料電池スタック１００から排出された酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとを燃焼させたときに発生する熱との熱交換）を利用して、酸化剤ガスＯＧの予加熱が行われるとしてもよい。

【0021】

また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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に供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、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。

【0022】

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。また、図２に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成するボルト２２Ａの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を形成するボルト２２Ｂの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。また、図３に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１を形成するボルト２２Ｄの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２を形成するボルト２２Ｅの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。

【0023】

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート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、下側のエンドプレート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。

【0024】

（発電単位１０２の構成）
図４は、図２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５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ＹＺ断面構成を示す説明図である。また、図６は、セパレータ１２０の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図であり、図７は、図５のＶＩＩ－ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。

【0025】

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４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１５０とを備えている。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１５０におけるＺ軸回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。なお、上述したように、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２を備えているため、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）単セル１１０を備えていると言える。

【0026】

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、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１５０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防止する。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１５０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１５０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１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２および図３参照）。

【0027】

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、平板型の単セルであり、また、燃料極１１６で電解質層１１２および空気極１１４を支持する燃料極支持形の単セルである。

【0028】

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、緻密な層である。電解質層１１２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。このように、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、多孔質な層である。空気極１１４は、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）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子（例えば、ＹＳＺ）とからなるサーメットにより形成されている。

【0029】

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。図６に示すように、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１２２」という）は、単セル１１０における上下方向の一方側（図面中の上側）の表面の周縁部に対向している。なお、本実施形態では、空気極１１４はＺ軸方向視における大きさが電解質層１１２より小さいため、セパレータ１２０における貫通孔周囲部１２２は、単セル１１０における上側の表面の内、電解質層１１２により構成された表面に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置された接合部１２４により、単セル１１０（電解質層１１２）と接合されている。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とが区画される。接合部１２４は、例えばＡｇ（銀）ロウ材により形成されている。

【0030】

接合部１２４に対して空気室１６６側には、ガラスを含む空気室側ガラスシール部１２５が配置されている。空気室側ガラスシール部１２５は、セパレータ１２０の貫通孔周囲部１２２の表面と、単セル１１０（本実施形態では単セル１１０を構成する電解質層１１２）の表面との両方に接触するように形成されている。空気室側ガラスシール部１２５により、空気室１６６と燃料室１７６との間のガスリーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。

【0031】

なお、本実施形態では、接合部１２４が、セパレータ１２０と単セル１１０とが対向する領域から空気室１６６側にはみ出すように形成されており、空気室側ガラスシール部１２５は、接合部１２４における上記はみ出した箇所に接するように形成されている。すなわち、接合部１２４の一部は、空気室側ガラスシール部１２５により覆われている。また、本実施形態では、空気室側ガラスシール部１２５が、セパレータ１２０における単セル１１０に対向する側とは反対側（上側）の表面を覆っており、空気室側ガラスシール部１２５と接合部１２４とがセパレータ１２０を挟んでＺ軸方向に互いに対向している。

【0032】

セパレータ１２０は、貫通孔周囲部１２２を含むと共にＺ軸方向（上下方向）に直交する方向（すなわち、面方向）に略平行な第１の平坦部１２６と、第１の平坦部１２６より外周側に位置すると共に面方向に略平行な第２の平坦部１２７とを備える。第１の平坦部１２６と第２の平坦部１２７とのＺ軸方向における位置は、互いに略同一である。

【0033】

セパレータ１２０は、さらに、第１の平坦部１２６の端部と第２の平坦部１２７の端部とを連結する連結部１２８を備える。本実施形態では、連結部１２８は、第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７の位置から燃料室１７６側（下側）に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、連結部１２８における燃料室１７６側（下側）は凸部となり、連結部１２８における空気室１６６側（上側）は凹部となる。このように、連結部１２８は、Ｚ軸方向における位置が第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７とは異なる部分を含む。なお、連結部１２８は、Ｚ軸方向視で、貫通孔１２１を取り囲むように形成されている。また、セパレータ１２０における連結部１２８は、例えば、プレス加工により形成される。セパレータ１２０の連結部１２８は、上述した構成であるため、面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能する。そのため、本実施形態のセパレータ１２０は、連結部１２８を備えない構成と比較して、連結部１２８の位置で面方向に変形しやすい。

【0034】

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、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。すなわち、空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０とインターコネクタ１５０とにより挟持されている。そのため、空気極側フレーム１３０によって、空気室１６６のシール（コンプレッションシール）が実現される。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１５０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。

【0035】

図７に示すように、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ガス室用孔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は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している（図４および図５参照）。

【0036】

図７に示すように、燃料極側フレーム１４０のガス室用孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する孔である。ガス室用孔１４１は、燃料ガスＦＧの供給方向（Ｙ軸方向）に互いに対向する第１の内面ＩＰ１および第２の内面ＩＰ２を有する。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１４１の第１の内面ＩＰ１に開口する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１４１の第２の内面ＩＰ２に開口する燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。

【0037】

空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。また、空気極側集電体１３４は、インターコネクタ１５０と一体の部材として構成されていてもよい。

【0038】

燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体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１４７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における電解質層１１２に対向する側とは反対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１５０における燃料極１１６に対向する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において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。燃料極側集電体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１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。なお、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、燃料極側集電体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、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）との電気的接続が良好に維持される。

【0039】

Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３、図５および図７に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

【0040】

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、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は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０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１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

【0041】

各発電単位１０２の空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、図２および図４に示すように、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１６２に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、図３、図５および図７に示すように、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１７２に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

【0042】

Ａ－３．燃料室側ガラスシール部１２９について：
具体的には、図６および図７に示すように、本実施形態では、セパレータ１２０は、燃料ガス供給連通流路１４２から燃料極１１６に供給される燃料ガスＦＧのガス流路（図５から図７における燃料ガスＦＧの流れを示す矢印参照）（燃料室１７６）を向いた燃料室側下面１１９を有する。燃料室側下面１１９は、セパレータ１２０の下面の内、単セル１１０と燃料極側フレーム１４０との間に位置する表面部分であり、Ｚ軸方向（セパレータ１２０の貫通孔１２１の軸方向）視で、単セル１１０の全周を囲む環状（矩形環状）の表面部分である。燃料室側下面１１９は、第１の燃料室側下面１１９Ａと、一対の第２の燃料室側下面１１９Ｂと、第３の燃料室側下面１１９Ｃと、から構成されている（図７参照）。第１の燃料室側下面１１９Ａは、燃料室側下面１１９の内、単セル１１０に対して燃料ガスＦＧのガス流路の上流側に位置する表面部分である。一対の第２の燃料室側下面１１９Ｂは、燃料室側下面１１９の内、Ｚ軸方向視で、単セル１１０に対して燃料ガスＦＧのガス流路の側方に位置する一対の表面部分である。第３の燃料室側下面１１９Ｃは、燃料室側下面１１９の内、単セル１１０に対して燃料ガスＦＧのガス流路の下流側に位置する表面部分である。また、接合部１２４は、燃料室側表面１２３を有する。図７に示すように、接合部１２４は、Ｚ軸方向視で、単セル１１０（セパレータ１２０の貫通孔１２１）の全周を囲むように形成されている。このため、接合部１２４は、セパレータ１２０と単セル１１０とのいずれにも接触せず、かつ、燃料ガスＦＧのガス流路（燃料室１７６）側を向いた燃料室側表面１２３を有している。すなわち、燃料室側表面１２３は、Ｚ軸方向視で、単セル１１０（セパレータ１２０の貫通孔１２１）の全周を囲むように位置している環状（矩形環状）の表面である。なお、燃料室側下面１１９は、特許請求の範囲における第１の表面に相当し、燃料室側表面１２３は、特許請求の範囲における第２の表面に相当する。

【0043】

また、図６および図７に示すように、本実施形態における燃料電池スタック１００は、燃料室側ガラスシール部１２９を備える。燃料室側ガラスシール部１２９は、ガラス（結晶化ガラス）を含む緻密体であり、燃料室側ガラスシール部１２９の気孔率は、３０％以下であることが好ましく、１５％以下であることがより好ましい。燃料室側ガラスシール部１２９は、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９を覆うと共に、燃料室側下面１１９と接合部１２４の燃料室側表面１２３との境界である第１の境界Ｂ１（図６参照）まで達している。本実施形態では、燃料室側ガラスシール部１２９は、Ｚ軸方向視で、単セル１１０（セパレータ１２０の貫通孔１２１）の全周を囲むように環状（矩形環状）に形成されている。このため、燃料室側ガラスシール部１２９は、該燃料室側ガラスシール部１２９の全周にわたって、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９を覆うと共に、第１の境界Ｂ１まで達している（図７参照）。なお、燃料室側ガラスシール部１２９は、特許請求の範囲におけるＰ拡散抑制部に相当する。

【0044】

また、図６に示すように、燃料室側ガラスシール部１２９は、さらに、該燃料室側ガラスシール部１２９の全周にわたって、接合部１２４の燃料室側表面１２３を覆うと共に、接合部１２４と電解質層１１２との境界である第２の境界Ｂ２まで達している。また、本実施形態では、接合部１２４が、Ｚ軸方向視でセパレータ１２０と単セル１１０とが対向する領域から燃料室１７６側にはみ出すように形成されており、燃料室側ガラスシール部１２９は、接合部１２４におけるはみ出した部分１２４Ａの表面全体を覆うように形成されている。接合部１２４におけるはみ出した部分１２４Ａは、Ｚ軸方向において、燃料室側ガラスシール部１２９とセパレータ１２０との間に挟まれている。接合部１２４がはみ出し部分１２４Ａを含むことにより、例えば、単セル１１０とセパレータ１２０とのロウ付け接合の際に、局所的なロウ溜まりの発生を抑制することができる。すなわち、ロウ付け接合する際には、加熱によって溶融したロウ材のうち、単セル１１０とセパレータ１２０との間からはみ出した余分のロウ材は、予めはみ出すように形成されたロウ材層に沿って流出する。そのため、ロウ付け接合の際に、はみ出したロウ材が、局所的に溜まってロウ溜まりが形成されにくい。その結果、局所的なロウ溜まりの発生によるセル割れの発生を抑制することができる（例えば特開２０１５－１３５８０７号公報参照）。なお、図６では、燃料室側ガラスシール部１２９は、はみ出し部分１２４Ａの表面全体に接触しているが、はみ出した部分１２４Ａの表面の少なくとも一部から離間していてもよい。

【0045】

また、図６および図７に示すように、燃料室側ガラスシール部１２９は、さらに、該燃料室側ガラスシール部１２９の全周にわたって、燃料極１１６の側面１１６Ａを覆っている。

【0046】

また、上述したように、燃料室側ガラスシール部１２９は、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９を覆っているが、セパレータ１２０の連結部１２８から離間している。すなわち、燃料室側ガラスシール部１２９は、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９の内、第１の平坦部１２６に対応する下面部分のみ覆いつつ、第１の平坦部１２６と連結部１２８との境界である第３の境界Ｂ３までは達していない。なお、燃料室側ガラスシール部１２９と連結部１２８（第３の境界Ｂ３）とは、０．１ｍｍ以上離間していることが好ましい。

【0047】

Ａ－４．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スタック１００は、空気極１１４と、燃料極１１６と、空気極１１４と燃料極１１６との間に配置された電解質層１１２と、をそれぞれ含む複数の単セル１１０を備える。また、燃料電池スタック１００は、セパレータ１２０を備える。セパレータ１２０は、貫通孔１２１が形成され、該セパレータ１２０の貫通孔周囲部１２２が単セル１１０の表面に接合され、空気室１６６と燃料室１７６とを区画している。また、燃料電池スタック１００は、１２４を備える。接合部１２４は、セパレータ１２０と単セル１１０との間に配置され、セパレータ１２０と単セル１１０とを接合している。ここで、セパレータ１２０は、例えば、ステンレスにより形成されている。ステンレスは、一般に、不純物としてＰ（例えば０．０２ｗ％程度）を含有している。このため、燃料電池スタック１００の運転開始後、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９から拡散したＰが燃料極１１６に供給される燃料ガスＦＧに運ばれて燃料極１１６付近に移動し、燃料極１１６における反応場に付着（被毒）し、燃料電池スタック１００の性能が低下するおそれがある。

【0048】

なお、従来、一般にセパレータ１２０に含有しているＰは微量であるため、燃料極１１６へのＰの付着が燃料電池スタック１００の性能に与える影響はほとんどないと考えられていた。このため、従来の燃料電池スタックでは、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９の全体が燃料室１７６に露出していた。しかし、燃料電池スタック１００のさらに高い性能が要求される等の事情の下、本願発明者は、鋭意研究を重ねた結果、燃料極１１６へのＰの付着は、燃料電池スタック１００の性能に影響を与え、特に、燃料電池スタック１００の運転時間が長期化（例えば５０００時間以上）すると、その影響は顕著に現れる、ことを新たに見出した。

【0049】

これに対して、上述したように、本実施形態における燃料電池スタック１００は、セパレータ１２０から燃料極１１６側へのＰの拡散抑制のために、燃料室側ガラスシール部１２９を備えている。すなわち、燃料室側ガラスシール部１２９は、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９を覆うと共に、燃料室側下面１１９と接合部１２４の燃料室側表面１２３との境界である第１の境界Ｂ１（図６参照）まで達している。このため、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９の内、単セル１１０の近傍から拡散するＰが、燃料極１１６付近に移動することが抑制される。これにより、本実施形態によれば、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９の全体が燃料室１７６に露出している構成に比べて、セパレータ１２０から拡散したＰの付着に起因する燃料電池スタック１００の性能低下を抑制することができる。

【0050】

また、燃料電池スタック１００の運転開始後、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９の内、単セル１１０に対して燃料ガスＦＧのガス流路の上流側に位置する第１の燃料室側下面１１９Ａから拡散したＰが、特に多く、燃料極１１６に供給される燃料ガスＦＧに運ばれて燃料極１１６付近に移動し、燃料極１１６における反応場に付着（被毒）しやすい。これに対して、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部１２９は、第１の燃料室側下面１１９Ａを覆うと共に、第１の燃料室側下面１１９Ａと接合部１２４の第１の燃料室側表面１２３Ａとの境界（第１の境界Ｂ１）まで達している。このため、燃料極１１６へのＰの付着による燃料電池スタック１００の性能の低下を効果的に抑制することができる。

【0051】

また、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９の内、第１の燃料室側下面１１９Ａだけでなく、Ｚ軸方向で単セル１１０に対して燃料ガスＦＧのガス流路の側方に位置する一対の第２の燃料室側下面１１９Ｂから拡散したＰも、燃料極１１６に供給される燃料ガスＦＧに運ばれて燃料極１１６の下流側付近に移動し、燃料極１１６における反応場に付着し、燃料電池スタック１００の性能が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部１２９は、第２の燃料室側下面１１９Ｂを覆うと共に、第２の燃料室側下面１１９Ｂと接合部１２４の第２の燃料室側表面１２３Ｂとの境界（第１の境界Ｂ１）まで達している。このため、燃料極１１６へのＰの付着による燃料電池スタック１００の性能の低下を効果的に抑制することができる。

【0052】

また、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９の内、単セル１１０に対して燃料ガスＦＧのガス流路の下流側に位置する第３の燃料室側下面１１９Ｃから拡散したＰが、例えば燃料室１７６内における燃料ガス排出連通流路１４３の周囲付近で滞留して逆流する燃料ガスＦＧに運ばれて燃料極１１６における反応場に付着し、燃料電池スタック１００の性能が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部１２９は、第３の燃料室側下面１１９Ｃを覆うと共に、第３の燃料室側下面１１９Ｃと接合部１２４の第３の燃料室側表面１２３Ｃとの境界（第１の境界Ｂ１）まで達している。このため、燃料極１１６へのＰの付着による燃料電池スタック１００の性能低下を効果的に抑制することができる。

【0053】

また、セパレータ１２０に含有されるＰは、接合部１２４を通過して燃料極１１６付近に移動するおそれがある。これに対して、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部１２９は、さらに、接合部１２４の燃料室側表面１２３を覆うと共に、接合部１２４と電解質層１１２との境界である第２の境界Ｂ２まで達している。このため、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９から燃料室１７６に拡散したＰが燃料極１１６付近に移動することだけでなく、セパレータ１２０から接合部１２４を通過するＰが燃料極１１６付近に移動することが抑制される。これにより、本実施形態によれば、接合部１２４の燃料室側表面１２３がＰ拡散抑制部に覆われていない構成に比べて、セパレータ１２０から拡散したＰの付着に起因する燃料電池スタック１００の性能低下を、より効果的に抑制することができる。なお、電解質層１１２は、接合部１２４に比べて緻密であり、セパレータ１２０から拡散したＰは電解質層１１２を通過しにくい。このため、セパレータ１２０からのＰは、特に、接合部１２４におけるはみ出し部分１２４Ａを通過して燃料室１７６を介して燃料極１１６付近に移動する。このため、本実施形態のように、燃料室側ガラスシール部１２９がはみ出し部分１２４Ａの全体を覆うように形成されていれば、セパレータ１２０から拡散したＰの付着に起因する燃料電池スタック１００の性能低下を、さらに効果的に抑制することができる。

【0054】

また、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部１２９は、さらに、燃料極１１６の側面１１６Ａを覆っている。このため、セパレータ１２０から拡散したＰが、燃料極１１６の側面１１６Ａを介して燃料極１１６の反応場に流れ込んで付着することが抑制される。これにより、本実施形態によれば、燃料極１１６の側面１１６Ａが燃料室１７６に露出した構成に比べて、セパレータ１２０から拡散したＰの付着に起因する燃料電池スタック１００の性能低下を、より効果的に抑制することができる。

【0055】

また、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部１２９は、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９を覆っているが、セパレータ１２０の連結部１２８から離間している。燃料室側ガラスシール部１２９がセパレータ１２０の連結部１２８に接触している構成に比べて、燃料室側ガラスシール部１２９の存在に起因してセパレータ１２０の応力緩和機能が低下することを抑制することができる。

【0056】

Ａ－５．性能評価：
特性が互いに異なる複数の燃料電池スタック１００のサンプルを作製し、該サンプルを用いて性能評価を行った。図８は、性能評価結果を示す説明図である。

【0057】

Ａ－５－１．各サンプルについて：
図８に示すように、本性能評価には、燃料電池スタックの６個のサンプル（サンプル１１～６）が用いられた。各サンプルは、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９を覆うシール部１２９（Ｐ拡散抑制部）の有無と、シール部１２９が覆う範囲と、シール部１２９の気孔率との少なくとも１つが互いに異なる。具体的には、サンプル１は、上述の燃料電池スタック１００に対して、シール部１２９を備えておらず、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９の全体が燃料室１７６に露出している点とで異なる。サンプル２は、上述の燃料電池スタック１００に対して、シール部１２９の形成材料がセラミックフェルトである点と、シール部１２９が燃料室側下面１１９と接合部１２４の燃料室側表面１２３との境界である第１の境界Ｂ１まで達していると共に、電解質層１１２の側面１１２Ａがシール部１２９および接合部１２４のいずれにも覆われておらず、燃料室１７６に露出している点と、で異なる。サンプル３は、上述の燃料電池スタック１００に対して、シール部１２９の形成材料が結晶化ガラスである点で共通するが、シール部１２９が上記第１の境界Ｂ１まで達していると共に、電解質層１１２の側面１１２Ａがシール部１２９および接合部１２４のいずれにも覆われておらず、燃料室１７６に露出している点と、で異なる。サンプル４は、上述の燃料電池スタック１００に対して、シール部１２９の形成材料が結晶化ガラスである点で共通するが、シール部１２９が上記第１の境界Ｂ１まで達していると共に、電解質層１１２の側面１１２Ａが、接合部１２４ではなく、シール部１２９に覆われている点と、で異なる。サンプル５，６は、上述の燃料電池スタック１００と略同じ構成である。但し、サンプル６におけるシール部１２９（燃料室側ガラスシール部１２９）とセパレータ１２０における連結部１２８との離間距離は、サンプル５におけるシール部１２９とセパレータ１２０における連結部１２８との離間距離より短い。また、サンプル２におけるシール部１２９の気孔率は、２１％であり、サンプル２～６におけるシール部１２９の気孔率は、いずれも５．４％である。

【0058】

なお、各サンプルのシール部１２９における気孔率は、以下の方法により特定される。シール部１２９の断面について、ＦＩＢ－ＳＥＭによるＳＥＭ画像（例えば１０００倍）を得て、得られた画像について、平行な複数の線を所定の間隔（例えば１μｍから５μｍ間隔）で引く。各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、直線の全長に対する気孔にあたる部分の長さの合計の比を、当該線上における気孔率とする。得られた画像に引かれた複数の直線における気孔率の平均値を算出することにより、シール部１２９における気孔率を特定する。なお、比較的に気孔率が高い材料（例えばセラミックフェルトやマイカ）により形成されたシール部１２９における気孔率は、以下の方法により特定される。シール部１２９の断面について、ＦＩＢ－ＳＥＭによるＳＥＭ画像（例えば１０００倍）を得て、得られた画像を二値化し、二値化された画像における黒部分と白部分との面積割合から、シール部１２９における気孔率を特定する。

【0059】

また、各サンプルについて、電解質層１１２の厚さは、３μｍ以上、９μｍ以下であり、燃料極１１６の厚さは、３００μｍ以上、１０００μｍ以下であり、セパレータ１２０の厚さは、５０μｍ以上、２００μｍ以下である。また、接合部１２４のはみ出し部分１２４Ａの厚さは、１０μｍ以上、２００μｍ以下であり、はみ出し部分１２４Ａのはみ出し長さは、１０μｍ以上、３００μｍ以下であり、燃料室側ガラスシール部１２９の厚さは、２００μｍ以上である。

【0060】

Ａ－５－２．評価項目および評価方法：
本性能評価では、燃料極１１６におけるＰ付着量（ｐｐｍ）と、燃料電池スタックの劣化率％との２つ項目について評価を行った。具体的には、各サンプルについて、約７５０℃で１２年相当の熱加速条件（例えば８５０℃で、１万時間）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を供給する試験を行う。燃料極１１６におけるＰ付着量については、Ｄ－ＳＩＭＳ分析（Ｄｙｎａｍｉｃ－Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて測定した。また、試験開始時に、電流密度が０．５５（Ａ／ｃｍ^２）のときの燃料電池スタックの出力電圧を測定して初期電圧とし、試験終了時に、密度が０．５５（Ａ／ｃｍ^２）のときの燃料電池スタックの出力電圧を測定して終了時電圧とし、初期電圧に対する、初期電圧と終了時電圧力との差の比率を、燃料電池スタックの劣化率（％）とした。

【0061】

燃料電池スタックの劣化率が１０％以上であった場合に「不良（×）」と判定し、燃料電池スタックの劣化率が２％より高く、かつ、１０％未満であった場合に「良（○）」と判定し、燃料電池スタックの劣化率が２％以下であった場合に「優秀（◎）」と判定した。

【0062】

Ａ－５－３．評価結果：
図８に示すように、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９の全体が燃料室１７６に露出しているサンプル１では、燃料電池スタックの劣化率が１０％であったため、「不良（×）」と判定された。また、燃料極１１６におけるＰ付着量は、９００ｐｐｍであり、相対的に高かった。これらのことから、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９が燃料室１７６に露出していると、燃料電池スタックの運転開始後、セパレータ１２０から拡散したＰが燃料極１１６に供給される燃料ガスＦＧに運ばれて燃料極１１６付近に移動し、燃料極１１６における反応場に付着し、燃料電池スタックの劣化が進行することが分かる。

【0063】

セラミックフェルト製のシール部によってセパレータ１２０の燃料室側下面１１９が覆われたサンプル２では、燃料電池スタックの劣化率が８％であったため、「良（○）」と判定された。また、燃料極１１６におけるＰ付着量は、７００ｐｐｍであり、サンプル１の燃料極１１６におけるＰ付着量に比べて低かった。これらのことから、シール部によってセパレータ１２０の燃料室側下面１１９を覆うことによって、セパレータ１２０から拡散して燃料極１１６に付着するＰの量を低減することができ、燃料電池スタックの劣化の進行を抑制できることがわかる。

【0064】

サンプル２に対して、ラミックフェルトより気孔率が低い結晶化ガラス製のシール部によってセパレータ１２０の燃料室側下面１１９が覆われたサンプル３では、燃料電池スタックの劣化率が４％であったため、「良（○）」と判定された。また、燃料極１１６におけるＰ付着量は、１５０ｐｐｍであり、サンプル２の燃料極１１６におけるＰ付着量に比べて低かった。また、サンプル４でも、燃料電池スタックの劣化率が５％であったため、「良（○）」と判定され、燃料極１１６におけるＰ付着量は、１７０ｐｐｍであり、サンプル２の燃料極１１６におけるＰ付着量に比べて低かった。これらのことから、シール部の気孔率が高い程、セパレータ１２０から拡散して燃料極１１６に付着するＰの量を低減することができ、燃料電池スタックの劣化の進行を、より効果的に抑制できることがわかる。

【0065】

サンプル３，４に対して、燃料極１１６の側面１１６Ａがシール部に覆われたサンプル５では、燃料電池スタックの劣化率が２％であったため、「優秀（◎）」と判定された。また、燃料極１１６におけるＰ付着量は、６０ｐｐｍであり、サンプル３，４の燃料極１１６におけるＰ付着量に比べて低かった。これらのことから、燃料極１１６の側面１１６Ａをシール部で覆うことにより、セパレータ１２０から拡散して燃料極１１６に付着するＰの量を低減することができ、燃料電池スタックの劣化の進行を、より効果的に抑制できることがわかる。

【0066】

サンプル５に対して、シール部とセパレータ１２０における連結部１２８との離間距離より短いサンプル６では、燃料電池スタックの劣化率が１％であったため、「優秀（◎）」と判定された。また、燃料極１１６におけるＰ付着量は、５０ｐｐｍであり、サンプル５の燃料極１１６におけるＰ付着量に比べて低かった。これらのことから、シール部とセパレータ１２０における連結部１２８との離間距離を短くする程、セパレータ１２０から拡散して燃料極１１６に付着するＰの量を低減することができ、燃料電池スタックの劣化の進行を、より効果的に抑制できることがわかる。

【0067】

Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、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。

【0068】

上記実施形態における単セル１１０、発電単位１０２または燃料電池スタック１００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、燃料電池スタック１００が空気室側ガラスシール部１２５を備えているが、燃料電池スタック１００が空気室側ガラスシール部１２５を備えないとしてもよい。また、上記実施形態では、セパレータ１２０が、Ｚ軸方向における位置が第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７とは異なる部分を含む連結部１２８を備えているが、セパレータ１２０が連結部１２８を備えないとしてもよい。また、セパレータ１２０における連結部１２８は、第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７の位置から空気室１６６側（上側）に突出するように湾曲した形状を有しているとしてもよい。

【0069】

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。例えば、接合部１２４は、Ａｇを含まない材料により形成されたものでもよい。

【0070】

また、上記実施形態における燃料室側ガラスシール部１２９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、燃料室側ガラスシール部１２９は、結晶化ガラスにより形成されていたが、例えばＹＳＺ、セラミックフェルト（例えばアルミナフェルト）やマイカにより形成されたものでもよい。また、上記実施形態では、Ｐ拡散抑制部として、燃料室側ガラスシール部１２９を例示したが、ガラス以外の材料により形成されたものでもよい。要するに、Ｐ拡散抑制部は、セパレータ１２０に含まれるＰが燃料室１７６に拡散することを抑制できる程度の密度の構造を有していればよい。また、Ｐの含有率（０％を含む）がセパレータ１２０におけるＰの含有率より少ない材料により形成されたものであることが好ましい。なお、Ｐ拡散抑制部の気孔率は、３０％以下であることが好ましく、１５％以下であることがより好ましい。

【0071】

また、上記実施形態では、電解質層１１２の側面が接合部１２４におけるはみ出し部分１２４Ａに覆われた構成であったが、電解質層１１２の側面が接合部１２４に覆われていない構成であってもよい（図８のサンプル２～４参照）。また、上記実施形態において、接合部１２４は、はみ出し部分１２４Ａを有しない構成であってもよい。また、上記実施形態において、燃料室側ガラスシール部１２９が接合部１２４の燃料室側表面１２３を覆っていない構成（図８のサンプル２，３参照）、燃料室側ガラスシール部１２９が接合部１２４の燃料室側表面１２３の一部だけを覆っている構成や、燃料室側ガラスシール部１２９が燃料極１１６の側面１１６Ａを覆っていない構成であってもよい（図８のサンプル２～４参照）。また、上記実施形態において、燃料室側ガラスシール部１２９は、第１の平坦部１２６と連結部１２８との境界である第３の境界Ｂ３まで達している構成であってもよい。

【0072】

また、上記実施形態において、燃料室側ガラスシール部１２９は、セパレータ１２０の燃料室側下面１１９の内、貫通孔１２１の軸（Ｚ軸）の周方向における一部分だけを覆っている構成であってもよい。例えば、燃料室側ガラスシール部１２９は、燃料室側下面１１９の内、第１の燃料室側下面１１９Ａと第２の燃料室側下面１１９Ｂと第３の燃料室側下面１１９Ｃとのいずれか１つだけ、または２つだけを覆う構成であってもよい。また、第１の燃料室側下面１１９Ａを覆うシール部と、第２の燃料室側下面１１９Ｂを覆うシール部と、第３の燃料室側下面１１９Ｃを覆うシール部との少なくとも２つは、形成材料および気孔率の少なくとも１つが異なる構成であってもよい。

【0073】

上記実施形態では、燃料電池スタック１００が備えられた複数の単セル１１０のそれぞれに接合された全てのセパレータ１２０について、該セパレータ１２０の燃料室側下面１１９が燃料室側ガラスシール部１２９に覆われた構成であったが、複数の単セル１１０のそれぞれに接合された一部のセパレータ１２０だけについて、該セパレータ１２０の燃料室側下面１１９が燃料室側ガラスシール部１２９に覆われた構成であってもよい。

【0074】

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は、平板型の単セル１１０を複数備える構成であるが、本発明は、他のタイプ（例えば円筒型）の単セルを複数備える燃料電池スタックにも同様に適用可能である。

【0075】

また、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、本発明は、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、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号公報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スタック１００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、電解セルスタックの運転の際には、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、連通孔１０８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、連通孔１０８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単位および電解セルスタックにおいても、本発明を適用することにより、セパレータから拡散したＰの付着に起因する電気化学反応セルスタックの性能低下を抑制することができる。

【符号の説明】

【0076】

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 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０４，１０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１２Ａ：側面 １１４：空気極 １１６：燃料極 １１６Ａ：側面 １１９：燃料室側下面 １１９Ａ：第１の燃料室側下面 １１９Ｂ：第２の燃料室側下面 １１９Ｃ：第３の燃料室側下面 １２０：セパレータ １２１：貫通孔 １２２：貫通孔周囲部 １２３：燃料室側表面 １２３Ａ：第１の燃料室側表面 １２３Ｂ：第２の燃料室側表面 １２３Ｃ：第３の燃料室側表面 １２４：接合部 １２４Ａ：はみ出し部分 １２５：空気室側ガラスシール部 １２６：第１の平坦部 １２７：第２の平坦部 １２８：連結部 １２９：燃料室側ガラスシール部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通流路 １３３：酸化剤ガス排出連通流路 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １４０：燃料極側フレーム １４１：ガス室用孔 １４２：燃料ガス供給連通流路 １４３：燃料ガス排出連通流路 １４４：燃料極側集電体 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 １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 Ｂ１：第１の境界 Ｂ２：第２の境界 Ｂ３：第３の境界 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＩＰ１：第１の内面 ＩＰ２：第２の内面 ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】