7194155 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】2022-12-13

(45)【発行日】2022-12-21

(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 8/0282 20160101AFI20221214BHJP

   H01M 8/0215 20160101ALI20221214BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20221214BHJP

   C25B 13/04 20210101ALI20221214BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20221214BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0282

H01M8/0215

C25B13/02 302

C25B13/04 302

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020175839

(22)【出願日】2020-10-20

(65)【公開番号】P2022067233

(43)【公開日】2022-05-06

【審査請求日】2021-11-26

(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】石田 暁

【審査官】山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０８８２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１３５８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０２２８９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１１３５０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８－ ８／２４９５

Ｃ２５Ｂ １／００－ ９／７７

Ｃ２５Ｂ １３／００－１５／０８

(57)【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第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に面するガス室と、
前記第１の方向に貫通する貫通孔が形成され、前記第１の方向視で前記貫通孔を取り囲む部分である貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの周縁部と接合され、前記ガス室を画定するセパレータと、
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前記周縁部とを接合するロウ付け部であって、金属と金属酸化物とを含有するロウ付け部と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記ロウ付け部は、前記第１の方向視において、前記電気化学反応単セルと前記セパレータとの重複部分に重ならない部分であって、前記ガス室に露出する部分である露出部分と、前記露出部分よりも内側に位置する内側部分と、を有し、
前記露出部分と前記内側部分とは、共通の金属酸化物を含有し、
前記露出部分における前記共通の金属酸化物の量は、前記内側部分における前記共通の金属酸化物の量と比較して、多く、
前記金属が、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、およびＮｉからなる群から選択され、
前記共通の金属酸化物が、Ａｌ _２ Ｏ _３ 、ＳｉＯ _２ 、Ｃｒ _２ Ｏ _３ 、ＭｇＯ、ＣａＯ、およびＹ _２ Ｏ _３ からなる群から選択され、前記金属よりも融点が高い金属酸化物である、
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、
前記セパレータは、前記セパレータの表面のうちの前記ロウ付け部に接する部分である周辺部分の少なくとも一部分が、前記共通の金属酸化物で形成されている、
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、
前記金属は、Ａｇであり、
前記共通の金属酸化物は、アルミナである、
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セルスタックにおいて、
前記特定電極は、前記燃料極であり、
前記セパレータの貫通孔周囲部は、前記セパレータにおける前記電気化学反応単セルに対向する表面において、前記電気化学反応単セルの周縁部と接合されており、
前記露出部分は、前記第１の方向視において、前記電気化学反応単セルの外側に位置している、
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種類の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、燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という。）が所定の方向（以下、「第１の方向」という。）に複数並べて配置された積層体（以下、「発電ブロック」という。）を備える燃料電池スタックの形態で利用される。発電単位は、燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という。）を備える。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで第１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】

上記構成の発電単位は、更に、セパレータと、フレーム部材（例えば、周辺部材）とを備える。フレーム部材には、燃料極（または空気極）に面するガス室を構成するガス室用孔が形成されている。セパレータには、第１の方向に貫通する貫通孔が形成されている。セパレータは、第１の方向視で貫通孔を取り囲む部分である貫通孔周囲部が、単セルの周縁部と、ロウ材を含むロウ付け部を介して接合されることにより、燃料極（または空気室）に面するガス室を画定する。ロウ付け部は、例えば、ＡｇとＡｌ_２Ｏ_３とを含有している。また、ロウ付け部は、例えば、第１の方向視において、単セルの外周より外側に張り出した部分と、セパレータの貫通孔の内周より内側に張り出した部分とを有している（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２０１５－１３５８０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

燃料電池スタックは、比較的高温（例えば、７００℃から１０００℃）で発電が行われる。一方、ロウ付け部に含まれるＡｇの融点は、比較的低い。このため、燃料電池スタックの運転中において、ロウ付け部に含まれるＡｇがガス室へと蒸散して、燃料極や空気極を汚染するおそれがある（燃料極または空気極の被毒）。このように燃料極や空気極の被毒が発生すると、発電単位の性能が低下し、ひいては、燃料電池スタックの性能が低下するおそれがある。

【0006】

なお、このような課題は、Ａｇ以外の金属を含有するロウ付け部を備える燃料電池スタックにも共通の課題である。また、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。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。

【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、電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に面するガス室と、前記第１の方向に貫通する貫通孔が形成され、前記第１の方向視で前記貫通孔を取り囲む部分である貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの周縁部と接合され、前記ガス室を画定するセパレータと、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前記周縁部とを接合するロウ付け部であって、金属と金属酸化物とを含有するロウ付け部と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記ロウ付け部は、前記第１の方向視において、前記電気化学反応単セルと前記セパレータとの重複部分に重ならない部分であって、前記ガス室に露出する部分である露出部分と、前記露出部分よりも内側に位置する内側部分と、を有し、前記露出部分と前記内側部分とは、共通の金属酸化物を含有し、前記露出部分における前記共通の金属酸化物の量は、前記内側部分における前記共通の金属酸化物の量と比較して、多い。本電気化学反応セルスタックでは、ロウ付け部における露出部分と、内側部分とは、共通の金属酸化物（以下、「特定金属酸化物」という）を含有している。また、露出部分における特定金属酸化物の量は、内側部分における特定金属酸化物の量と比較して多い。特定金属酸化物の融点は、金属の融点と比較して、比較的高い。このように、ガス室に露出する露出部分に、融点が比較的高い特定金属酸化物を配置することにより、電気化学反応セルスタックの運転中において、内側部分に含有される融点の比較的低い金属が、ガス室へと蒸散することを抑制することができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、ロウ付け部に含まれる金属が燃料極や空気極を被毒することを抑制し、ひいては、電気化学反応セルスタックの性能が低下することを抑制することができる。

【0010】

（２）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、前記セパレータの表面のうちの前記ロウ付け部に接する部分である周辺部分の少なくとも一部分が、前記共通の金属酸化物で形成されている構成としてもよい。換言すれば、本電気化学反応セルスタックでは、セパレータの周辺部分の上記一部分がロウ付け部に含まれる特定金属酸化物と同じ金属酸化物で形成されている。これにより、セパレータの周辺部分の上記一部分とロウ付け部との接着性が向上し、ロウ付け部によるシール性を向上させることができる。

【0011】

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記金属は、Ａｇであり、前記共通の金属酸化物は、アルミナである構成としてもよい。ロウ付け部に含有される特定金属酸化物を、比較的融点の高いアルミナとすることにより、電気化学反応セルスタックの運転中において、ロウ付け部中の金属が、ガス室へと蒸散することをより効率的に抑制することができる。また、Ａｇを含有するロウ材（Ａｇロウ）は、大気雰囲気でもロウ付け温度で酸化しにくい。すなわち、ロウ付け部に含有される金属をＡｇとすることにより、電気化学反応単セルとセパレータとを大気雰囲気で接合することができ、工程の効率が向上する。

【0012】

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定電極は、前記燃料極であり、前記セパレータの貫通孔周囲部は、前記セパレータにおける前記電気化学反応単セルに対向する表面において、前記電気化学反応単セルの周縁部と接合されており、前記露出部分は、前記第１の方向視において、前記電気化学反応単セルの外側に位置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によれば、電気化学反応セルスタックの運転中において、ロウ付け部に含有される金属が、燃料室へと蒸散して、燃料極を被毒することを抑制し、ひいては、電気化学反応セルスタックの性能が低下することを抑制することができる。

【0013】

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、複数の電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解単セル）を備える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）、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】

【0014】

【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】接合部１２４の詳細構成を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

Ａ．実施形態：
Ａ－１．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、面方向と呼ぶ。

【0016】

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。

【0017】

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軸方向回りの周縁部には、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。

【0018】

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。

【0019】

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軸方向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、例えば空気が使用される。

【0020】

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軸方向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。

【0021】

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。

【0022】

（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。

【0023】

（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。

【0024】

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という。）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軸方向回りの周縁部には、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。

【0025】

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）。

【0026】

単セル１１０は、空気極（カソード)１１４と、燃料極（アノード）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とを備える。本実施形態では、燃料極１１６の厚さ（上下方向のサイズ）が空気極１１４や電解質層１１２の厚さより厚く、燃料極１１６が単セル１１０を構成する他の層を支持している。すなわち、本実施形態の単セル１１０は、燃料極支持型の単セルである。

【0027】

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））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。燃料極１１６は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。

【0028】

図４および図５に示すように、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る。本実施形態において、セパレータ１２０は、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で形成されている。セパレータ１２０の板厚は、比較的薄く、例えば０．０５ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下程度である。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。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。すなわち、セパレータ１２０は、燃料室１７６を画定している。このように、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。燃料室１７６は、特許請求の範囲におけるガス室に相当する。

【0029】

本実施形態では、単セル１１０とセパレータ１２０とを接合する接合部１２４は、Ａｇを含有するロウ材により形成されている。接合部１２４を構成するロウ材としては、例えば、Ａｇと金属酸化物との混合体（例えば、Ａｇ－Ａｌ_２Ｏ_３（ＡｇとＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）との混合体）、Ａｇ－ＣｕＯ、Ａｇ－ＴｉＯ_２、Ａｇ－Ｃｒ_２Ｏ_３、Ａｇ－ＳｉＯ_２等）を用いることができる。接合部１２４におけるＡｇ濃度は、９０ｗｔ％以上、９８ｗｔ％以下であることが好ましい。Ａｇを含有するロウ材（Ａｇロウ）は大気雰囲気でもロウ付け温度で酸化し難いため、接合部１２４としてＡｇロウを用いると、単セル１１０とセパレータ１２０とを大気雰囲気で接合することができ、工程の効率上好ましい。接合部１２４は、特許請求の範囲におけるロウ付け部に相当する。また、Ａｇは、特許請求の範囲における金属に相当する。接合部１２４の構成については、後にさらに詳述する。

【0030】

また、本実施形態では、接合部１２４は、セパレータ１２０の貫通孔１２１の全周にわたって配置されている。図４および図５に示すように、接合部１２４は、燃料極１１６に供給されるガス（燃料ガスＦＧ）の流路に面しており、より具体的には燃料室１７６に面している。本実施形態では、面方向（Ｚ軸に直交する方向）の位置に関し、接合部１２４における外周側（燃料室１７６に面する側）の端部の位置が、単セル１１０（電解質層１１２）の端部の位置より外周側に位置している。すなわち、接合部１２４が、単セル１１０（電解質層１１２）とセパレータ１２０との間の空間から外周側に突出している。換言すれば、接合部１２４は、Ｚ軸方向視において、単セル１１０とセパレータ１２０との重複部分ＯＰと、重複部分ＯＰに重ならない部分ＮＰ（以下、「非重複部分ＮＰ」という）とを有している（図４の部分拡大図参照）。接合部１２４のＺ軸方向視での幅（重複部分ＯＰと非重複部分ＮＰとの合計長さ）は、例えば３ｍｍ～１２ｍｍであることが好ましく、接合部１２４の厚さ（Ｚ軸方向のサイズ）は、例えば１０μｍ～１００μｍであることが好ましい。また、接合部１２４の非重複部分ＮＰの長さは、例えば１ｍｍ～４ｍｍであることが好ましい。

【0031】

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。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孔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孔１３３とが形成されている。

【0032】

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、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。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と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。

【0033】

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。なお、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６における燃料極側集電体１４４に対向する表面の全領域の内、合計１０～５０％の面積の領域に接していることが好ましい。

【0034】

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とインターコネクタ１５０とが一体の部材として構成されていてもよい。また、空気極側集電体１３４が導電性のコートによって覆われていてもよく、また、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間に両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。

【0035】

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孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３および図５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孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

【0036】

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。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。

【0037】

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孔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および図５に示すように、燃料ガス排出連通孔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。

【0038】

Ａ－３．接合部１２４の詳細構成：
次に、接合部１２４の構成について、図６を参照して、さらに詳細に説明する。図６は、接合部１２４の詳細構成を示す説明図である。図６には、接合部１２４（より詳しくは、非重複部分ＮＰ）の一部分（図４のＸ１部）のＸＺ断面構成が拡大して示されている。上述したように、本実施形態における接合部１２４は、Ａｇと金属酸化物（本実施形態では、Ａｌ_２Ｏ_３）とを含んでいる。図６には、接合部１２４に含まれるＡｇの粒子（以下、「Ａｇ粒子」という）ＰＡ１と、金属酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）の粒子（以下、「金属酸化物粒子」という）ＰＡ２とが、模式的に示されている。

【0039】

図６に示すように、接合部１２４の非重複部分ＮＰは、燃料室１７６に露出する露出部分３１０と、露出部分３１０よりも内側に位置する内側部分３２０と、を有している。本実施形態において、露出部分３１０は、Ｚ軸方向視において、単セル１１０の外側に位置している。図４の部分拡大図に示すように、露出部分３１０は、非重複部分ＮＰの側面Ｓ１２４ｓと、下面Ｓ１２４ｕとから構成されている。

【0040】

上述のように、接合部１２４の非重複部分ＮＰは、Ａｇと金属酸化物（より具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３）とを含んでいる。換言すれば、露出部分３１０と内側部分３２０とは、ともに、Ａｌ_２Ｏ_３を含有している。また、本実施形態の接合部１２４では、露出部分３１０に含まれるＡｌ_２Ｏ_３の量は、内側部分３２０に含まれるＡｌ_２Ｏ_３の量と比較して多い。より具体的には、例えば、単位体積当たりのＡｌ_２Ｏ_３の含有率は、露出部分３１０において２０ｗｔ％以上、１００ｗｔ％以下であり、内側部分３２０において２ｗｔ％以上、１０ｗｔ％以下である。また、Ｚ軸方向における厚みは、例えば、露出部分３１０において１μｍ以上、２０μｍ以下であり、内側部分３２０において１０μｍ以上、１００μｍ以下である。また、上述のように、本実施形態のセパレータ１２０は、Ａｌ_２Ｏ_３で形成されている。すなわち、セパレータ１２０は、接合部１２４に含まれる金属酸化物と同じ金属酸化物で形成されている。なお、本実施形態では、燃料電池スタック１００が備えるすべてのセパレータ１２０および接合部１２４において、上述のような構成が採用されている。

【0041】

Ａ－４．セパレータ１２０を備える単セル１１０の製造方法：
本実施形態におけるセパレータ１２０を備える単セル１１０の製造方法は、例えば以下の通りである。

【0042】

まず、周知の方法により、貫通孔１２１が形成されたセパレータ１２０と、単セル１１０とを作製する。一方、接合部１２４を構成するためのペースト状のＡｇロウ材（例えば、３ｗｔ％のＡｌ_２Ｏ_３を含むＡｇロウ材）およびペースト状のＡｌ_２Ｏ_３を準備する。

【0043】

次に、セパレータ１２０の表面のうち、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する表面（以下、「セパレータ１２０の下面」ともいう）において、接合部１２４（重複部分ＯＰおよび非重複部分ＮＰ）が形成される部分に上記Ａｇロウ材をスクリーン印刷する。

【0044】

次に、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部を、セパレータ１２０の下面におけるＡｇロウ材が印刷された部分へと配置する。このとき、非重複部分ＮＰが形成されるよう位置合わせして、単セル１１０（電解質層１１２）をセパレータ１２０へと配置する。

【0045】

次に、非重複部分ＮＰが形成される部分において、上記Ａｇロウ材の表面にペースト状のＡｌ_２Ｏ_３を塗布する。ペースト状のＡｌ_２Ｏ_３の塗布は、例えば、スクリーン印刷により行うことができる。その後、所定の温度（例えば、１０００℃）に加熱して、ロウ付けを行う。以上により、セパレータ１２０を備える単セル１１０を製造することができる。

【0046】

Ａ－５．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、電解質層１１２と、空気極１１４と、燃料極１１６とを含む単セル１１０と、燃料極１１６に面する燃料室１７６と、貫通孔１２１が形成されたセパレータ１２０とを備えている。セパレータ１２０の貫通孔周囲部は、単セル１１０の周縁部と接合され、燃料室１７６を画定している。また、燃料電池スタック１００は、セパレータ１２０の貫通孔周囲部と、単セル１１０の周縁部とを接合する接合部１２４を有している。接合部１２４は、金属と金属酸化物とを含有している。本実施形態の燃料電池スタック１００では、接合部１２４は、非重複部分ＮＰにおいて、露出部分３１０と、内側部分３２０とを有している。露出部分３１０と、内側部分３２０とは、ともに、共通の金属酸化物（より具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３）を含有しており、露出部分３１０におけるＡｌ_２Ｏ_３の量は、内側部分３２０におけるＡｌ_２Ｏ_３の量と比較して多い。Ａｌ_２Ｏ_３の融点は、金属（より具体的には、Ａｇ）の融点と比較して、比較的高い。このように、燃料室１７６に露出する露出部分３１０に、融点が比較的高いＡｌ_２Ｏ_３を配置することにより、燃料電池スタック１００の運転中において、内側部分３２０に含有される融点の比較的低いＡｇが、燃料室１７６へと蒸散することを抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、接合部１２４に含まれるＡｇが燃料極１１６を被毒することを抑制し、ひいては、燃料電池スタック１００の性能が低下することを抑制することができる。

【0047】

また、接合部１２４に含有される金属酸化物を、比較的融点の高いアルミナとすることにより、燃料電池スタック１００の運転中において、接合部１２４中のＡｇが、燃料室１７６へと蒸散することをより効率的に抑制することができる。また、Ａｇを含有するロウ材（Ａｇロウ）は、大気雰囲気でもロウ付け温度で酸化しにくい。すなわち、接合部１２４に含有される金属をＡｇとすることにより、単セル１１０とセパレータ１２０とを大気雰囲気で接合することができ、工程の効率が向上する。

【0048】

本実施形態の燃料電池スタック１００において、セパレータ１２０は、Ａｌ_２Ｏ_３で形成されている。換言すれば、燃料電池スタック１００では、セパレータ１２０が、接合部１２４に含有されている金属酸化物と同じ金属酸化物で形成されている。これにより、セパレータ１２０と接合部１２４との接着性が向上し、接合部１２４によるシール性を向上させることができる。

【0049】

Ａ－６．接合部１２４におけるＡｌ_２Ｏ_３の含有率の特定方法：
接合部１２４におけるＡｌ_２Ｏ_３の含有率の特定方法は、以下の通りである。接合部１２４の露出部分３１０および内側部分３２０におけるＡｇ／Ａｌを測定する。この測定は、例えば、ＳＥＭ－ＥＤＳ分析により行うことができる。具体的には、露出部分３１０については、その表面部分を、内側部分３２０については、例えば、燃料電池スタック１００のＸＺ断面において、Ｚ軸方向における接合部１２４の中央部分を、測定することとすることができる。Ａｌ_２Ｏ_３の含有率は、上記分析結果で得られたＡｇ重量とＡｌ_２Ｏ_３重量との合計に占めるＡｌ_２Ｏ_３重量を計算することにより特定することができる。

【0050】

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。

【0051】

上記実施形態における燃料電池スタック１００の構成や燃料電池スタック１００を構成する各部分の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。上記実施形態では、燃料電池スタック１００が備えるすべてのセパレータ１２０および接合部１２４において、上記構成が採用されているとしたが、これに限定されず、燃料電池スタック１００が備える少なくとも一のセパレータ１２０および接合部１２４において、上記構成が採用された構成であってもよい。

【0052】

また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記実施形態では、接合部１２４に含有される金属として、Ａｇを採用しているが、Ａｕ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｎｉ等の他の金属を利用可能である。また、上記実施形態では、接合部１２４に含有される金属酸化物として、Ａｌ_２Ｏ_３を採用しているが、ＳｉＯ_２,ＴｉＯ_２,Ｃｒ_２Ｏ_３，ＭｇＯ，ＭｎＯ_２，ＣａＯ，Ｙ_２Ｏ_３等の他の金属酸化物を利用可能である。また、例えば、上記実施形態では、燃料極１１６に含まれる酸化物イオン伝導性セラミックスとして、ＹＳＺを採用しているが、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）やＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）等の他の酸化物イオン伝導性セラミックスを利用可能である。

【0053】

また、上記実施形態におけるセパレータ１２０は、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）で形成されているが、これに限定されず、フェライト系ステンレス等の金属からなる基材の表面にアルミナ被膜が形成されている構成であってもよい。また、このような構成において、アルミナ被膜は、少なくとも接合部１２４と接する部分に形成されていればよく、セパレータ１２０の全面または部分的に形成されうる。また、セパレータ１２０の形成材料は、アルミナに限定されず、他の金属酸化物であってもよいが、接合部１２４との接着性の向上の観点から、接合部１２４に含まれる金属酸化物と共通の金属酸化物であることが好ましい。

【0054】

また、上記実施形態において、接合部１２４の非重複部分ＮＰは、燃料室１７６に面して位置しており、露出部分３１０は、燃料室１７６に露出しているが、このような形態に限定されない。すなわち、接合部１２４の非重複部分が空気室１６６に面して位置し、露出部分が空気室１６６に露出する構成であってもよい。このような構成において、露出部分は、Ｚ軸方向視において、単セル１１０の内側に位置することとなる。このような構成においては、接合部１２４に含まれるＡｇが空気極１１４を被毒することを抑制し、ひいては、燃料電池スタックの性能が低下することを抑制することができる。

【0055】

また、上記実施形態におけるセパレータ１２０を備える単セル１１０の製造方法は、あくまで一例であり、種々変更可能である。

【0056】

また、上記実施形態では、電気化学反応単位として、クロスフロータイプの発電単位１０２を例示したが、これに限らず、酸化剤ガスの主たる流れ方向と燃料ガスの主たる流れ方向とが略反対方向（互いに対向する方向）であるカウンタフロータイプの構成や、酸化剤ガスの主たる流れ方向と燃料ガスの主たる流れ方向とが同じ方向であるコフロータイプの構成でもよい。

【0057】

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の平板形の単セル１１０が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば国際公開第２０１２／１６５４０９号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。

【0058】

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、各電解単セル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スタックにおいても、セパレータ１２０と単セル１１０とを接合する接合部１２４を有し、接合部１２４のうち、燃料室１７６（空気室１６６）に露出する部分である非重複部分ＮＰに、上記構成を採用すれば、接合部１２４に含まれるＡｇが燃料極１１６（空気極１１４）を被毒することを抑制し、ひいては、燃料電池スタック１００の性能が低下することを抑制することができる。

【0059】

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本発明は、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（または電解セル）にも適用可能である。

【符号の説明】

【0060】

２２：ボルト ２２Ａ：ボルト ２２Ｂ：ボルト ２２Ｄ：ボルト ２２Ｅ：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：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：貫通孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 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 ３１０：露出部分 ３２０：内側部分 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＮＰ：非重複部分 ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス ＯＰ：重複部分 Ｓ１２４ｓ：側面 Ｓ１２４ｕ：下面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】