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(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】2025-04-28
(45)【発行日】2025-05-09
(54)【発明の名称】燃料電池セル構造
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0273 20160101AFI20250430BHJP
H01M 8/0282 20160101ALI20250430BHJP
C04B 37/02 20060101ALI20250430BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20250430BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0273
H01M8/0282
C04B37/02 Z
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2021051914
(22)【出願日】2021-03-25
(65)【公開番号】P2022149659
(43)【公開日】2022-10-07
【審査請求日】2024-01-16
(73)【特許権者】
【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002468
【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】三由 雄太郎
(72)【発明者】
【氏名】入月 桂太
【審査官】小森 重樹
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－０４９３２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１７２９４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－００３７９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２０７１７０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／００－８／０２９７
Ｈ０１Ｍ ８／０８－８／２４９５
Ｃ０４Ｂ ３７／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料極層、空気極層、及び前記燃料極層と前記空気極層の間に設けられる電解質層を有する燃料電池セル構造であって、前記電解質層の周縁部に設けられ、前記燃料極層に流通する燃料ガスと前記空気極層に流通する空気とを分離する枠状部材と、
前記枠状部材と前記電解質層を相互に接合するとともに、金属及びセラミックスを含む接合部材と、
前記枠状部材の内周部と該内周部に接触する前記接合部材の領域により画定されるシール対象領域を前記電解質層に対して気密に密着させるように設けられたシール部材と、を備え、
前記接合部材は、前記電解質層に含まれるセラミックスと、前記枠状部材を構成する金属と、を含有する組成物により構成される、
燃料電池セル構造。
【請求項2】
請求項１に記載の燃料電池セル構造であって、前記枠状部材及び前記接合部材には、前記シール対象領域よりも外周側に溶接部が設けられる、
燃料電池セル構造。
【請求項3】
請求項１に記載の燃料電池セル構造であって、前記シール部材は、前記接合部材に含まれる前記セラミックスと結合するガラスを主成分とするガラス組成物により構成される、
燃料電池セル構造。
【請求項4】
請求項１～３の何れか１項に記載の燃料電池セル構造であって、前記接合部材は、ガス遮蔽性を備えるように緻密に形成される、
燃料電池セル構造。
【請求項5】
請求項１～４の何れか１項に記載の燃料電池セル構造であって、前記接合部材は、前記シール部材と接する部分が多孔質に形成される、
燃料電池セル構造。
【請求項6】
請求項１～５の何れか１項に記載の燃料電池セル構造であって、前記枠状部材の内周部において、前記シール部材と接する表面に酸化物の被膜が形成される、
燃料電池セル構造。
【請求項7】
燃料極層、空気極層、及び前記燃料極層と前記空気極層の間に設けられる電解質層を有する燃料電池セル構造であって、
前記電解質層の周縁部に設けられ、前記燃料極層に流通する燃料ガスと前記空気極層に流通する空気とを分離する枠状部材と、
前記枠状部材と前記電解質層を相互に接合するとともに、金属及びセラミックスを含む接合部材と、
前記枠状部材の内周部と該内周部に接触する前記接合部材の領域により画定されるシール対象領域を前記電解質層に対して気密に密着させるように設けられたシール部材と、を備え、
前記枠状部材及び前記接合部材には、前記シール対象領域よりも外周側に溶接部が設けられ、
前記シール部材は、前記溶接部を覆うように構成される、
燃料電池セル構造。
【請求項8】
燃料極層、空気極層、及び前記燃料極層と前記空気極層の間に設けられる電解質層を有する燃料電池セル構造であって、
前記電解質層の周縁部に設けられ、前記燃料極層に流通する燃料ガスと前記空気極層に流通する空気とを分離する枠状部材と、
前記枠状部材と前記電解質層を相互に接合するとともに、金属及びセラミックスを含む接合部材と、
前記枠状部材の内周部と該内周部に接触する前記接合部材の領域により画定されるシール対象領域を前記電解質層に対して気密に密着させるように設けられたシール部材と、を備え、
前記接合部材は、前記金属に対する前記セラミックスの体積比率が前記枠状部材に近いほど小さく且つ前記電解質層に近いほど大きくなるように構成される、
燃料電池セル構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池セル構造に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１では、電解質の周縁部の領域に、シール部を設けた燃料電池の構造が提案されている。このシール部は、電解質の周縁部に設けられた金属の枠状のセパレータ（以下、「金属フレーム」と称する）と電解質膜とを気密に接合する。さらに、シール部は、電解質に含まれる金属元素又は半金属元素、及び金属フレームに含まれる金属又は半金属元素の双方を含むガラス組成物で構成される。これにより、シール部は、金属フレームと電解質とを接合させる機能、及び両者の間をシールして空気（酸化雰囲気）と燃料ガス（還元雰囲気）を分離する機能を発揮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１９－１８５８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、特許文献１のシール部は、外側の端部が還元雰囲気に晒される一方で、内側の端部が酸化雰囲気に晒される。そして、上述のように、シール部は金属成分を含むので、このようにシール部の内側が外側に比べてより酸化雰囲気に継続的に晒されることによって、当該シール部の内側部分に含まれる金属成分（例えば鉄）が局所的に酸化膨張して、当該シール部にクラックが生じる恐れがある。その結果、求められるシール性及び接合強度が十分に担保できないといった問題があった。
【0005】
このような事情に鑑み、本発明の目的は、シール性及び接合強度の低下を抑制することのできる燃料電池セル構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のある態様によれば、燃料極層、空気極層、及び燃料極層と空気極層の間に設けられる電解質層を有する燃料電池セル構造が提供される。この燃料電池セル構造は、電解質層の周縁部に設けられ、燃料極層に流通する燃料ガスと空気極層に流通する空気とを分離する枠状部材と、枠状部材と電解質層を相互に接合するとともに、金属及びセラミックスを含む接合部材と、枠状部材の内周部と該内周部に接触する接合部材の領域により画定されるシール対象領域を電解質層に対して気密に密着させるように設けられたシール部材と、を備え、接合部材は、電解質層に含まれるセラミックスと、枠状部材を構成する金属と、を含有する組成物により構成される。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、シール性及び接合強度の低下を抑制することのできる燃料電池セル構造を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0010】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る燃料電池セル構造としての燃料電池スタック１０の構成を説明する図である。なお、以下では、説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を各図中に示す。また、必要に応じて図中のＸ軸方向を「電極幅方向Ｘ」、Ｙ軸方向を「ガス流れ方向Ｙ」、及びＺ軸方向を「積層方向Ｚ」とそれぞれ称する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池セル構造としての燃料電池スタック１０の構成を説明する図である。なお、以下では、説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を各図中に示す。また、必要に応じて図中のＸ軸方向を「電極幅方向Ｘ」、Ｙ軸方向を「ガス流れ方向Ｙ」、及びＺ軸方向を「積層方向Ｚ」とそれぞれ称する。
【0011】
図示のように、本実施形態の燃料電池スタック１０は、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：ＳＯＦＣ）として構成される複数（図１では２つを示す）の単セル２０とセパレータ３０が順次積層されてなる積層型燃料電池である。
【0012】
特に、本実施形態の燃料電池スタック１０は、各種電気機器の電源等としての定置電源用途、及び電気自動車やハイブリッド自動車等の移動車両に搭載される移動体用の電源用途の何れにも適用可能である。
【0013】
＜単セル２０＞
本実施形態の単セル２０は、主として、アノード電極層２４、カソード電極層２８、電解質層２６、及び集電補助層２９を含む。そして、単セル２０におけるカソード電極層２８の一方面（電解質層２６に対向する面とは反対側の面）には、集電補助層２９を介してセパレータ３０が設けられる。
本実施形態の単セル２０は、主として、アノード電極層２４、カソード電極層２８、電解質層２６、及び集電補助層２９を含む。そして、単セル２０におけるカソード電極層２８の一方面（電解質層２６に対向する面とは反対側の面）には、集電補助層２９を介してセパレータ３０が設けられる。
【0014】
さらに、本実施形態の各単セル２０には、その周縁部（電極幅方向Ｘにおける端部）に支持・シール構造部Ｓが設けられている。この支持・シール構造部Ｓについては後に詳細に説明する。
【0015】
＜アノード電極層２４＞
アノード電極層２４は、燃料極層であって、燃料ガスと酸化剤ガス由来の酸化物イオンを反応させて、燃料ガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す機能を果たす層である。アノード電極層２４は、電解質層２６の図上の下面に接するように設けられた板状の多孔質部材として構成される。また、アノード電極層２４は、還元雰囲気Ｒｒに耐性を有するとともに、燃料ガスを透過させるガス透過性、電子伝導性、及びイオン電導性が高くなるように構成される。なお、本実施形態では、アノード電極層２４がカソード電極層２８よりも厚く且つより広い面積に構成されるとともに、燃料ガスを酸化物イオンと反応させる酸化反応に対する触媒機能を有する。特に、本実施形態の単セル２０は、このように肉厚に構成されたアノード電極層２４によりセル構造を支持するための機械的強度を確保したいわゆるアノードサポートセルとして構成されている。
アノード電極層２４は、燃料極層であって、燃料ガスと酸化剤ガス由来の酸化物イオンを反応させて、燃料ガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す機能を果たす層である。アノード電極層２４は、電解質層２６の図上の下面に接するように設けられた板状の多孔質部材として構成される。また、アノード電極層２４は、還元雰囲気Ｒｒに耐性を有するとともに、燃料ガスを透過させるガス透過性、電子伝導性、及びイオン電導性が高くなるように構成される。なお、本実施形態では、アノード電極層２４がカソード電極層２８よりも厚く且つより広い面積に構成されるとともに、燃料ガスを酸化物イオンと反応させる酸化反応に対する触媒機能を有する。特に、本実施形態の単セル２０は、このように肉厚に構成されたアノード電極層２４によりセル構造を支持するための機械的強度を確保したいわゆるアノードサポートセルとして構成されている。
【0016】
アノード電極層２４の構成材料としては、例えばニッケル若しくは鉄等の金属、又は該金属と固体酸化物セラミックスとのサーメット等が挙げられる。さらに、固体酸化物セラミックスとしては、希土類酸化物（例えば、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、及びＮｄ2Ｏ3なる群から選択される１種又は２種以上の材料）をドープした安定化ジルコニア、セリア系固溶体、又はペロブスカイト型酸化物（例えば、ＳｒＣｅＯ3、ＢａＣｅＯ3、ＣａＺｒＯ3、又はＳｒＺｒＯ3等）などが挙げられる。
【0017】
なお、本実施形態の燃料電池スタック１０において用いることが可能な燃料は、水素の発生源となる任意の炭化水素系燃料、特にアルカン、アルケン、アルキン、又は芳香族炭化水素の他、炭化水素以外の元素（例えば酸素）を含む官能基を含む、アルコール、アルデヒド、ケトン、又はエーテル等、特にメタン（ＣＨ4）燃料が用いられる。
【0018】
＜電解質層２６＞
電解質層２６は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離する機能を有する。電解質層２６は、カソード電極層２８からアノード電極層２４に向かって酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させないように構成される。特に、本実施形態の電解質層２６は、アノード電極層２４と略同一の面積で構成されている。
電解質層２６は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離する機能を有する。電解質層２６は、カソード電極層２８からアノード電極層２４に向かって酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させないように構成される。特に、本実施形態の電解質層２６は、アノード電極層２４と略同一の面積で構成されている。
【0019】
また、電解質層２６は、アノードガスやカソードガスを遮蔽し、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。より詳細に、電解質層２６の緻密度は、ガス遮蔽性を有する限りにおいて特に限定されないが、９０％以上あることが好ましく、９６％以上であることがより好ましく、９８％以上であることが特に好ましい。また、電解質層２６は、数十ミクロン程度の厚さを有する板体として形成されている。
【0020】
電解質層２６の構成材料としては、希土類酸化物（例えば、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、及びＮｄ2Ｏ3からなる群から選択される１種又は２種以上の材料）をドープした安定化ジルコニア、セリア系固溶体、又はペロブスカイト型酸化物（例えば、ＳｒＣｅＯ3、ＢａＣｅＯ3、ＣａＺｒＯ3、又はＳｒＺｒＯ3等）などの固体酸化物セラミックスが挙げられる。より具体的には、電解質層２６の構成材料として、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア：Ｚｒ1-xＹxＯ2）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア：Ｚｒ1-xＳcxＯ2）、ＳＤＣ（サマリウムドープトセリア：Ｃｅ1-xＳｍxＯ2）、ＧＤＣ（ガドリウムドープトセリア：Ｃｅ1-xＧｄxＯ2）、又はＬＳＧＭ（ランタンストロンチウムマグネシウムガレート：Ｌａ1-xＳｒxＧａ1-yＭｇyＯ3）などを用いることができる。
【0021】
＜カソード電極層２８＞
カソード電極層２８は、酸化剤極であって、酸化剤ガス（特に空気）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する機能を果たす層である。カソード電極層２８は、電解質層２６の積層方向Ｚにおける上面に接するように設けられた板状の多孔質部材として構成される。また、カソード電極層２８は、酸化雰囲気Ｒｏに耐性を有し、酸化剤ガスを透過させるガス透過性、電子伝導性、及びイオン電導性が高くなるように構成される。さらに、カソード電極層２８は、酸素分子を酸素イオンに変換する還元反応に対する触媒機能を有する。
カソード電極層２８は、酸化剤極であって、酸化剤ガス（特に空気）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する機能を果たす層である。カソード電極層２８は、電解質層２６の積層方向Ｚにおける上面に接するように設けられた板状の多孔質部材として構成される。また、カソード電極層２８は、酸化雰囲気Ｒｏに耐性を有し、酸化剤ガスを透過させるガス透過性、電子伝導性、及びイオン電導性が高くなるように構成される。さらに、カソード電極層２８は、酸素分子を酸素イオンに変換する還元反応に対する触媒機能を有する。
【0022】
カソード電極層２８の構成材料としては、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン（Ｍｎ）、及びコバルトからなる群から選択される１種の金属又は２種以上の金属からなる合金の酸化物が挙げられる。特に、カソード電極層２８の構成材料として、ランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（ＬＳＣＦ）を用いることができる。
【0023】
＜集電補助層２９＞
集電補助層２９は、例えば金網上のエキスパンドメタル等により形成され、セパレータ３０と単セル２０との電気的な接触を補助する。また、セパレータ３０は、鉄又はクロム等の導電性金属材料をプレス成型することにより、電極幅方向Ｘに延在する断面凹凸状の部材として構成される。当該断面形状により、セパレータ３０とアノード電極層２４の表面との間の空間が燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３２として構成される。また、セパレータ３０と集電補助層２９の表面との間の空間が酸化剤ガス（空気）を供給するための酸化剤ガス流路３４として構成される。
集電補助層２９は、例えば金網上のエキスパンドメタル等により形成され、セパレータ３０と単セル２０との電気的な接触を補助する。また、セパレータ３０は、鉄又はクロム等の導電性金属材料をプレス成型することにより、電極幅方向Ｘに延在する断面凹凸状の部材として構成される。当該断面形状により、セパレータ３０とアノード電極層２４の表面との間の空間が燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３２として構成される。また、セパレータ３０と集電補助層２９の表面との間の空間が酸化剤ガス（空気）を供給するための酸化剤ガス流路３４として構成される。
【0024】
＜支持・シール構造部Ｓ＞
本実施形態の支持・シール構造部Ｓは、単セル２０の周縁部に設けられる。
本実施形態の支持・シール構造部Ｓは、単セル２０の周縁部に設けられる。
【0025】
図２は、本実施形態における支持・シール構造部Ｓの構成を説明する図である。図示のように、支持・シール構造部Ｓは、主として、各単セル２０ごとに設けられた枠状部材としてのフレーム体４０、接合用枠体４２、シール部材４４、及び溶接部４６により構成される。
【0026】
フレーム体４０は、中央に矩形の孔が形成された枠形状の部材であり、電解質層２６の周縁部に沿うように設けられる。特に、本実施形態のフレーム体４０は、電解質層２６におけるカソード電極層２８と対向しない領域に配置されている。さらに、フレーム体４０の外周は単セル２０の外側に突出し、当該外側の端部がシール材６０を介してセパレータ３０の端部３０ａに接合されている。このような構造により、フレーム体４０は、振動等の外力から単セル２０の構造（特に、単セル２０に含まれる各層の層構造）を保持する機能を発揮する。また、フレーム体４０とセパレータ３０の端部３０ａの間には、これらの間の電気的導通を遮断する（短絡を防止する）ための絶縁部材６２が設けられている。
【0027】
また、本実施形態の支持・シール構造部Ｓでは、このフレーム体４０によってカソード電極層２８の周辺の酸化雰囲気Ｒｏとアノード電極層２４の周辺の還元雰囲気Ｒｒとが区画される。したがって、フレーム体４０は、上記単セル２０の保持機能を実現しつつ、還元雰囲気Ｒｒと酸化雰囲気Ｒｏとの間のガスの流通を遮断するために適切な材料、特に金属組成物で構成されることが好ましい。特に、金属組成物はステンレスであることが好ましく、アルミニウムを含有したフェライト系ステンレスであることがより好ましく、特に単セル２０の線膨張係数に近いものが好ましい。なお、フレーム体４０は、電解質層２６に対して接合用枠体４２を介して接着（融着）される。
【0028】
接合用枠体４２は、フレーム体４０と電解質層２６を接合する機能を有する部材である。接合用枠体４２もフレーム体４０と同様に枠状形状に構成される。なお、接合用枠体４２は所定の接合方法により電解質層２６と接合された後にフレーム体４０を加圧接合されることで、図２に示すフレーム体４０、接合用枠体４２、及び電解質層２６からなる層構造が実現される。特に、本実施形態の支持・シール構造部Ｓは、当該層構造が実現された状態において、フレーム体４０の内周面と接合用枠体４２の内周面が相互に略面一となるように構成されている。
【0029】
さらに、接合用枠体４２は、電解質層２６に含まれるセラミックスと同種のセラミックス、及びフレーム体４０を構成する金属と同種の金属を含有する組成物から構成される。例えば、電解質層２６がＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア：Ｚｒ1-xＹxＯ2）で構成され、特にフレーム体４０を構成する金属組成物として母材中にＡｌが含有されたフェライト系ステンレスが用いられる場合には、接合用枠体４２は、ＹＳＺ及びフェライト系ステンレスを含有する組成物により構成されることが好ましい。このように、接合用枠体４２がフレーム体４０及び電解質層２６とそれぞれ同種の金属及びセラミックスを含むことで、当該接合用枠体４２とフレーム体４０及び電解質層２６のそれぞれの接合における親和性が向上し、接合強度を高めることができる。さらに、接合用枠体４２は、還元雰囲気Ｒｒと酸化雰囲気Ｒｏとの間のガスの流通をある程度遮断することができる気密性を備えるように、一定程度の緻密性を有することが好ましい。
【0030】
シール部材４４は、フレーム体４０の内周部（以下、「フレーム体内周部４０ａ」と称する）と該フレーム体内周部４０ａに接触する接合部材の領域（以下、「接合部材内周部４２ａ」と称する）により画定されるシール対象領域Ｒｓを電解質層２６に対して気密に密着させるように設けられる。ここで、シール対象領域Ｒｓは、フレーム体内周部４０ａと接合部材内周部４２ａの接合界面付近の領域であって、還元雰囲気Ｒｒからの燃料ガス又は酸化雰囲気Ｒｏからの空気の流通路が生じ易い領域として定められる。
【0031】
これにより、還元雰囲気Ｒｒと酸化雰囲気Ｒｏとの間のガスの流通を遮断するシール機能が実現される。特に、このようにシール部材４４を設けることで、接合用枠体４２そのものに気密性を与えずとも、所望のシール機能が実現されることとなる。また、シール部材４４は、ガラスを主成分とするガラス組成物により構成される。これにより、シール部材４４にガラス由来の絶縁性がもたらされるため、短絡（フレーム体４０がアノード電極層２４と等電位となる場合に、アノード電極層２４とカソード電極層２８との間でフレーム体４０を介して生じる短絡）を抑制することも発揮される。特に、接合用枠体４２に含まれるセラミックス材料と結合するガラス組成物、例えば、ＢａＯ、Ａｌ2Ｏ3、及びＳｉＯ2を主成分（マトリックス）として、当該マトリックス中にリューサイト結晶等（ＫＡＳｉ2Ｏ6又は４ＳｉＯ2・Ａｌ2Ｏ3・Ｋ2Ｏ）を析出させたガラス組成物を用いることが好ましい。このように、シール部材４４がセラミックスと結合するガラスを主成分とするガラス組成物により構成されることで、当該シール部材４４と接合用枠体４２との間の接合強度をより高めることができる。
【0032】
溶接部４６は、フレーム体４０と接合用枠体４２との間において施される溶接により形成される。特に、本実施形態の溶接部４６は、フレーム体４０及び接合用枠体４２においてシール対象領域Ｒｓよりも外側（図上のＹ軸正方向外側）に形成される。より詳細には、フレーム体４０の側面から接合用枠体４２の側面の一部領域に対してレーザー溶接を行うことで、溶接部４６が形成される。このように、溶接部４６が形成されることによりフレーム体４０と接合用枠体４２との間の接合強度をより向上させることができる。さらに、本実施形態における支持・シール構造部Ｓの構成であれば溶接部４６を設けることにより以下で説明する作用効果も実現される。
【0033】
図３は、溶接部４６を設けたことにより作用効果を説明する図である。例えば、単セル２０を積み重ねて燃料電池スタック１０を構成するためのスタッキング圧力を付与した場合、或いは燃料電池スタック１０が設置される環境などに応じて生じる振動などによっては、単セル２０の周縁部に積層方向Ｚ（セル上下方向）の外力が作用することが想定される。これに対して、本実施形態の燃料電池セル構造であれば、当該外力を図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すフレーム体４０の変形により緩和して各層を当該外力から保護することができる。
【0034】
しかしながら、外力の大きさによってはフレーム体４０の変形が大きくなり、シール部材４４が接合用枠体４２及びシール部材４４（特にシール対象領域Ｒｓ）から剥離する要因となり得る。これに対して、本実施形態の燃料電池セル構造では、フレーム体４０及び接合用枠体４２におけるシール対象領域Ｒｓよりも外周側の溶接部４６の位置において接合強度がより高くなる（特に最も高くなる）ので、当該溶接部４６の位置のフレーム体４０の変形の起点とすることができる。すなわち、フレーム体４０に作用する外力の伝達を溶接部４６の位置で止めることができるので、シール対象領域Ｒｓにおいてシール部材４４が剥離することをより確実に防止することができる。特に、この作用効果は、燃料電池スタック１０が車両等の移動体に搭載される場合、すなわち燃料電池スタック１０を振動等による外力が生じ易い用途に用いる場合において特に有益である。
【0035】
以上説明した本実施形態の燃料電池スタック１０の構成及びそれによる作用効果についてまとめて説明する。
【0036】
本実施形態の燃料電池スタック１０は、燃料極層（アノード電極層２４）、空気極層（カソード電極層２８）、及びアノード電極層２４とカソード電極層２８の間に設けられた電解質層２６を有する燃料電池セル構造として構成される。特に、この燃料電池スタック１０は、電解質層２６の周縁部に設けられ、アノード電極層２４に流通する燃料ガスとカソード電極層２８に流通する空気とを分離する枠状部材としてのフレーム体４０と、フレーム体４０と電解質層２６を相互に接合するとともに、金属及びセラミックスを含む接合部材としての接合用枠体４２と、フレーム体４０の内周部（フレーム体内周部４０ａ）と該フレーム体内周部４０ａに接触する接合用枠体４２の領域（接合部材内周部４２ａ）により画定されるシール対象領域Ｒｓを電解質層２６に対して気密に密着させるように設けられる。
【0037】
これにより、接合用枠体４２に含有される金属成分及びセラミックス成分によってフレーム体４０及び電解質層２６に対する好適な接合性を確保する一方で、当該接合用枠体４２とは別に構成されたシール部材４４によって、アノード電極層２４の周辺の還元雰囲気Ｒｒとカソード電極層２８の周辺の酸化雰囲気Ｒｏとの間におけるガスの流通を遮断することができる。したがって、接合用枠体４２はシール部材４４により酸化雰囲気Ｒｏから隔離される一方、シール部材４４はフレーム体４０及び接合用枠体４２により還元雰囲気Ｒｒから隔離されることとなる。このため、接合用枠体４２及びシール部材４４の劣化が防止され、燃料電池セル構造（特に単セル２０を構成する各層）において求められるシール性及び接合強度の低下が抑制されることとなる。
【0038】
また、本実施形態の燃料電池スタック１０では、フレーム体４０及び接合用枠体４２には、シール対象領域Ｒｓよりも外周側に溶接部４６が設けられる。
【0039】
これにより、フレーム体４０と接合用枠体４２の間の接合をより強固にすることができる。特に、溶接部４６がシール対象領域Ｒｓよりも外周側に位置することで、スタッキング時や振動等で外力が入力した際に生じるフレーム体４０の曲げ変形を当該溶接部４６の位置で止めることができる。結果として、シール部材４４がシール対象領域Ｒｓから剥離することを抑制し、当該シール部材４４によるシール機能をより確実に維持することができる。
【0040】
さらに、本実施形態の燃料電池スタック１０では、接合用枠体４２は、電解質層２６と同種のセラミックス材料を含む。
【0041】
これにより、接合用枠体４２と電解質層２６の間の接合の親和性をより向上させることができ、燃料電池セル構造における各層の接合強度の低下をより確実に抑制することができる。
【0042】
特に、シール部材４４は、接合用枠体４２に含まれるセラミックス材料と結合するガラスを主成分とするガラス組成物により構成される。
【0043】
これにより、シール部材４４と接合用枠体４２との間の接合強度を高めることができ、当該シール部材４４によるシールの信頼性をより向上させることができる。また、シール部材４４にガラス由来の絶縁性をもたらすことができるので、短絡の防止にも寄与することができる。
【0044】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0045】
図４は、本実施形態における支持・シール構造部Ｓの構成を説明する図である。図示のように、本実施形態の燃料電池スタック１０における支持・シール構造部Ｓでは、接合用枠体４２に含有される金属に対するセラミックスの体積比率を、積層方向Ｚにおいて異なるようにした点で第１実施形態と異なる。
【0046】
特に、接合用枠体４２は、積層方向Ｚにおいてフレーム体４０に相対的に近い部分（以下、「フレーム側領域４２Ａ」とも称する）において、セラミックスの含有量が金属の含有量に比べて大きくなるように構成されている。一方、接合用枠体４２は、積層方向Ｚにおいて電解質層２６に相対的に近い部分（以下、「電解質側領域４２Ｂ」とも称する）において、金属の含有量がセラミックスの含有量に比べて大きくなるように構成されている。
【0047】
すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１０では、接合用枠体４２は、金属に対するセラミックスの体積比率がフレーム体４０に近いほど小さく且つ電解質層２６に近いほど大きくなるように構成される。
【0048】
これにより、接合用枠体４２のフレーム側領域４２Ａに多く含まれる金属によりフレーム体４０（特に、金属製のフレーム体４０）との間の接合強度を向上させるとともに、電解質側領域４２Ｂに多く含まれるセラミックスにより電解質層２６（特に、セラミックス材料を主構成成分とする電解質層２６）との接合強度を向上させることができる。
【0049】
さらに、本実施形態のように、フレーム体４０と接合用枠体４２との間を溶接する構成（溶接部４６を設ける構成）を採用した場合には、上述のように電解質側領域４２Ｂにおけるセラミックス含有量の比率を高くすることで、溶接ビードの伸長範囲を電解質層２６よりも手前（フレーム側領域４２Ａの部分）に留めることができる。結果として、溶接ビードに起因した電解質層２６における応力集中の発生を抑制することができ、当該電解質層２６をより好適に保護することができる。
【0050】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１又は第２実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１又は第２実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0051】
図５は、本実施形態における支持・シール構造部Ｓの構成を説明する図である。図示のように、本実施形態の燃料電池スタック１０における支持・シール構造部Ｓでは、接合用枠体４２に、さらにガス遮断性を備えるように緻密に形成される点で第１実施形態と異なる。
【0052】
これにより、接合用枠体４２自体に、還元雰囲気Ｒｒと酸化雰囲気Ｒｏとの間におけるガスの流通を遮断する機能をより確実与えることができるため、シール性がより向上する。
【0053】
さらに、本実施形態の支持・シール構造部Ｓでは、フレーム体４０の側面及び接合用枠体４２の側面の一部領域に亘り溶接部４６が形成されているので、当該溶接部４６の溶接ラインが還元雰囲気Ｒｒと酸化雰囲気Ｒｏとの間のガス遮断機能を奏することとなる。このため、接合用枠体４２自体及び溶接部４６の溶接ラインが二重のシール材として機能することとなるので、シール機能に冗長性を持たせてその信頼性を向上させることができる。
【0054】
なお、図５では、第１実施形態の支持・シール構造部Ｓを前提として接合用枠体４２を緻密に形成する例を示した。しかしながら、これに限られず、第２実施形態の支持・シール構造部Ｓを前提として接合用枠体４２を緻密に形成する構成を採用しても良い。
【0055】
（第４実施形態）
以下、第４実施形態について説明する。なお、第１～第３実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第４実施形態について説明する。なお、第１～第３実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0056】
【0057】
図示のように、本実施形態の燃料電池スタック１０における支持・シール構造部Ｓでは、接合用枠体４２においてシール部材４４と接する内周部（接合部材内周部４２ａ）が多孔質に形成される点で第１実施形態と異なる。なお、以下では、説明の便宜のため、この多孔質に形成される部分を「多孔質部４２Ｃ」とも称する。
【0058】
特に、多孔質部４２Ｃは、接合用枠体４２における他の部分と比較して相対的に多孔度（ポロシティ）が大きくなるように構成され、電極幅方向Ｘにおいて少なくともシール部材４４の一部がその内部に侵入することを許容する程度の長さに形成されている。なお、接合用枠体４２によるシール性（緻密性）をできるだけ確保する観点から、多孔質部４２Ｃはシール部材４４の進入を許容しつつも、電極幅方向Ｘに沿った長さができるだけ短くなるように（例えば、シール対象領域Ｒｓの電極幅方向Ｘにおける延在長さ以下となるように）構成することが好ましい。
【0059】
以上説明した本実施形態の燃料電池スタック１０では、接合用枠体４２は、シール部材４４と接する部分が多孔質に形成される。
【0060】
これにより、シール部材４４を接合用枠体４２の多孔質部４２Ｃに侵入させることができる。このため、シール部材４４と接合用枠体４２の間でアンカー効果を発揮させることができるので、シール部材４４と接合用枠体４２を含む単セル２０を構成する各層との間の接合強度をより向上させることができる。
【0061】
なお、図６では、第１実施形態の支持・シール構造部Ｓを前提として接合用枠体４２に多孔質部４２Ｃを構成する例を説明したが、これに限られず、第２実施形態又は第３実施形態の支持・シール構造部Ｓを前提として当該構成を採用しても良い。
【0062】
（第５実施形態）
以下、第５実施形態について説明する。なお、第１～第４実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第５実施形態について説明する。なお、第１～第４実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0063】
図７は、本実施形態における支持・シール構造部Ｓの構成を説明する図である。図示のように、本実施形態の燃料電池スタック１０における支持・シール構造部Ｓでは、フレーム体４０の内周部（フレーム体内周部４０ａ）において、シール部材４４と接する表面に酸化物の被膜（以下、「酸化物被膜５０」とも称する）が形成される点で第１実施形態と異なる。
【0064】
これにより、フレーム体４０とシール部材４４の接合を実質的に酸化物被膜５０とシール部材４４の間の接合により実現することができる。すなわち、接合強度の低いフレーム体４０の金属とシール部材４４のセラミックス（特にガラス）との間の接合を排することができるので、シール部材４４とフレーム体４０を含む各層との間の接合強度をより向上させることができる。
【0065】
なお、図７では、第１実施形態の支持・シール構造部Ｓを前提としてフレーム体内周部４０ａに酸化物被膜５０を設ける例を説明したが、これに限られず、第２～第４実施形態の何れかの支持・シール構造部Ｓを前提として当該構成を採用しても良い。
【0066】
（第６実施形態）
以下、第６実施形態について説明する。なお、第１～第５実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下、第６実施形態について説明する。なお、第１～第５実施形態の何れかと同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0067】
図８は、本実施形態における支持・シール構造部Ｓの構成を説明する図である。図示のように、本実施形態の燃料電池スタック１０における支持・シール構造部Ｓでは、シール部材４４が溶接部４６を覆うように設けられる点で第１実施形態と異なる。
【0068】
これにより、溶接部４６がシール部材４４により酸化雰囲気Ｒｏから保護されるので、溶接ラインの酸化による接合強度の低下が抑制される。結果として、燃料電池セル構造における各層の接合強度の低下をより確実に抑制することができる。
【0069】
なお、図８では、第１実施形態の支持・シール構造部Ｓを前提としてシール部材４４が溶接部４６を覆うように設けられる例を説明したが、これに限られず、第２～第５実施形態の何れかの支持・シール構造部Ｓを前提として当該構成を採用しても良い。
【0070】
（変形例）
図９は、変形例に係る燃料電池スタック１０の構成を説明する図である。図示のように、本変形例の燃料電池スタック１０では、アノード電極層２４をカソード電極層２８と略同一の厚さに構成するとともに、セパレータ３０とアノード電極層２４との間に金属支持体２２が設けられている点で、第１実施形態と異なる。すなわち、本変形例の燃料電池スタック１０は、金属支持体２２によりセル構造を支持するための機械的強度を確保したいわゆるメタルサポートセルとして構成されており、その上で、第１実施形態の支持・シール構造部Ｓが設けられている。
図９は、変形例に係る燃料電池スタック１０の構成を説明する図である。図示のように、本変形例の燃料電池スタック１０では、アノード電極層２４をカソード電極層２８と略同一の厚さに構成するとともに、セパレータ３０とアノード電極層２４との間に金属支持体２２が設けられている点で、第１実施形態と異なる。すなわち、本変形例の燃料電池スタック１０は、金属支持体２２によりセル構造を支持するための機械的強度を確保したいわゆるメタルサポートセルとして構成されており、その上で、第１実施形態の支持・シール構造部Ｓが設けられている。
【0071】
なお、図９では、メタルサポートセルに第１実施形態の支持・シール構造部Ｓを採用した例を説明したが、これに限られず、メタルサポートセルに第２～第６実施形態の何れかの支持・シール構造部Ｓを採用しても良い。
【0072】
また、上記各実施形態で説明した支持・シール構造部Ｓは、図１～図８に示したいわゆるアノードサポートセル、又は図９に示したメタルサポートセルに限られず、当該支持・シール構造部Ｓを設けることが可能な単セル２０のセル外周縁の構造を有するものであれば任意のタイプのものに適用することができる。例えば、アノード電極層２４に比べてカソード電極層２８を厚くして当該カソード電極層２８によりセル構造を支持するカソードサポートセル、又は電解質層２６を相対的に厚くして当該電解質層２６によりセル構造を支持する電解質サポートセルにおいて、上記各実施形態で説明した支持・シール構造部Ｓを適用しても良い。
【0073】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、上記各実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記各実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【0074】
例えば、フレーム体４０と接合用枠体４２との間の溶接部４６における溶接接合は必須でなく、これを省略するか、適宜、代替の接合手段を採用しても良い。代替の接合手段としては、例えば、フレーム体４０と接合用枠体４２との間のろう付けなど、これらの部材の間の金属結合を促進する接合手段が挙げられる。
【符号の説明】
【0075】
１０ 燃料電池スタック
２０ 単セル
２２ 金属支持体
２４ アノード電極層
２６ 電解質層
２８ カソード電極層
４０ フレーム体
４２ 接合用枠体
４４ シール部材
４６ 溶接部
５０ 酸化物被膜
２０ 単セル
２２ 金属支持体
２４ アノード電極層
２６ 電解質層
２８ カソード電極層
４０ フレーム体
４２ 接合用枠体
４４ シール部材
４６ 溶接部
５０ 酸化物被膜
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】