JP2015156352A - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シール材の割れを防止するとともに、ガス漏れを好適に防止できる燃料電池及びその製造方法を提供すること。【解決手段】燃料極（３５）側の空間（３１）に連通する燃料マニホールド（６２、６６）及び空気極（３９）側の空間（３３）に連通する空気マニホールド（６４、６８）のうち少なくとも一方が、積層方向に沿って延びるように設けられている。また、燃料マニホールド（６２、６６）及び空気マニホールド（６４、６８）の少なくとも一方の周囲には、燃料電池（１）を構成する部材（４７、４３、５１）によって積層方向から挟まれるとともに、少なくとも一方のマニホールド（６２、６４、６６、６８）を囲むように、燃料電池セル（３）が広がる平面に沿って、コンプレッションシール材（９１）とガラスシール材（９３）とが並列に配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池等の燃料電池のガスシールに関し、燃料電池内部に２種のガス(燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガス)を分離した状態で導入して発電を行う燃料電池及びその製造方法に関する。

従来より、例えば固体酸化物形燃料電池として、例えば平板状の固体酸化物層（固体電解質層）の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガスに接する空気極を設け、更に燃料極や空気極に到る流路（燃料流路、空気流路）等を設けて燃料電池セルを構成し、この燃料電池セルとインターコネクタ板とを交互に積層してスタック化したもの（燃料電池スタック）が知られている。

詳しくは、前記燃料電池セルとしては、例えば、燃料極及び空気極を備えた固体酸化物層からなる単セルと、固体酸化物層に接合されて燃料ガスと酸化剤ガスの流路を分離するセパレータと、燃料極の周囲に配置された燃料極フレームと、空気極の周囲に配置された空気極フレームと、燃料電池セルの板厚方向の外側に配置されたインターコネクタ等から構成されたものが知られている。

また、燃料電池スタックでは、積層された燃料電池セルの燃料流路や空気流路に、燃料ガスや空気を供給するため、或いは、燃料電池セルの燃料流路や空気流路から、（反応後の）燃料ガスや空気を排出するために、燃料電池スタックの外縁部分（フレーム部分）に、燃料電池スタックを積層方向に貫くように、燃料ガス用のマニホールドと空気用のマニホールドが設けられたものが知られている。

更に、近年では、燃料電池の積層された単セルの間などからガス（特に燃料ガス）がリーク（漏出）することを防止するために、燃料電池スタックを構成する各部材間（例えばインターコネクタとセパレータとの間など）において、単セルの外縁部分を枠状に囲むとともに、マニホールドの周囲を囲むように、シール材を配置する技術が開発されている。

上述したシール材を用いてガスシールする技術としては、マイカ等の（圧力を加えてシールする）コンプレッションシール材を用いた技術（特許文献１参照）や、ガラスやガラスセラミックからなるシール材を用いた技術（特許文献２、３）や、マニホールドの周囲を同心状に囲むセラミック製のシール材を用いた技術（特許文献４参照）などが提案されえている。

特開２０１２−１２４０２０号公報 特開２００９−４３５５０号公報 特開２００２−１４１０８３号公報 特開２００５−２９４１５３号公報

しかしながら、コンプレッションシール材を用いてガスシールする場合には、コンプレッションシール材とインターコネクタやセパレータとの界面からのガス漏れを完全に防止することは難しいという問題があった。また、コンプレッションシール材自身からのガス漏れが生じることもあった。そして、このようにガス漏れ（特に燃料ガスのガス漏れ）が発生すると、発電効率の低下や、漏れたガスの後処理の必要があるという問題があった。

また、ガラスを材料とするシール材を用いる場合には、シール性は高いが、強い力が加わった場合などには、ガラス割れが発生することがあった。しかも、ガラスが軟化するような高温環境下では、ガラスが変形して周囲に広がり積層方向の厚さ変化が発生する。その場合、その後の熱サイクルなどでガラス割れが発生したり、さらには、例えば燃料電池セル間における電気的な接続が保てないことがあった。

更に、セラミック製の環状のシール材を用いる場合には、強い力が加わった場合には、シール材に割れが生じて、ガス漏れが発生する恐れがあった。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、シール材の割れを防止するとともに、ガス漏れを好適に防止できる燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

（１）本発明は、第１態様（燃料電池）として、電解質層と、該電解質層の一方の面に設けられて燃料ガスに接する燃料極と、該電解質層の他方の面に設けられて酸化剤ガスに接する空気極と、を有する板状の燃料電池セルが、複数積層されるとともに、該燃料電池セルが前記積層方向から押圧された状態で組み付けられた平板型の燃料電池において、前記燃料電池には、前記燃料極側の空間に連通する燃料マニホールド及び前記空気極側の空間に連通する酸化剤マニホールドのうち少なくとも一方が、前記積層方向に延びるように設けられており、前記燃料マニホールド及び前記酸化剤マニホールドの少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドの周囲には、前記燃料電池を構成する部材によって前記積層方向から挟まれるとともに、前記少なくとも一方のマニホールドを囲むように、前記燃料電池セルが広がる平面に沿って、コンプレッションシール材とガラスシール材とが並列に配置されていることを特徴とする。

本第１態様では、燃料マニホールドや酸化剤マニホールドの周囲には、燃料電池を構成する部材（例えばセパレータやインターコネクタやエンドプレート等）によって積層方向から挟まれるとともに、前記マニホールドを囲むように、燃料電池セルが広がる平面（即ちマニホールドの延びる軸方向に対する外周方向：径方向）に沿って、コンプレッションシール材とガラスシール材とが並列に配置されている。

従って、コンプレッションシール材及びガラスシール材によって（特に周囲に密着するガラスシール材によって）、各マニホールドと燃料電池を構成する部材との間におけるガス漏れを好適に防止することができる。なお、ここで防止とは、完全に防止の意味だけではなく、従来よりも、リークを低減できる意味を含むものである（以下同様）
また、積層方向から大きな力が加わった場合でも、コンプレッションシール材によって、過大な力がガラスシール材に加わることを抑制できるので、ガラスシール材が割れることを防止でき、この点からも好適にガス漏れを防止することができる。

更に、高温環境下で使用されてガラスが軟化した場合でも、コンプレッションシール材によって、ガラスシール材の過度の変形が抑制されるので、積層方向の厚さを維持することが出来、熱サイクルが加わってもガラス割れを抑制することができる。また、安定した電気接続も可能となる。

このように、本第１態様では、ガス漏れ（特に燃料ガスのガス漏れ）の発生を好適に防止できるので、発電効率が高く、漏れたガスの後処理の必要が無い（又は後処理が容易である）などの顕著な効果を奏する。

なお、ここで、マニホールドとは、積層方向に延びるガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）の流路であって、その流路の途中でガスの流路が分岐している。
（２）本発明は、第２態様として、前記少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドの周囲に、環状に前記ガラスシール材が配置されているとともに、該ガラスシール材の外周側に、前記コンプレッションシール材が配置されていることを特徴とする。

本第２態様では、ガラスシール材の外周側を囲むようにコンプレッションシール材が配置されている。よって、ガラスが軟化した場合でも、ガラスが周囲に広がり難いという利点がある。

（３）本発明は、第３態様として、前記少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドの周囲に、環状に前記コンプレッションシール材が配置されているとともに、該コンプレッションシール材の外周側に、前記ガラスシール材が配置されていることを特徴とする。

本第３態様では、コンプレッションシール材の外側を囲むようにガラスシール材が配置されている。よって、ガラスシール材の面積を十分に確保することができるので、ガラスによるガスシール性が高いという利点がある。

（４）本発明は、第４態様として、前記燃料電池は、ボルト締めによって、前記積層方向に押圧されて組み付けられていることを特徴とする。
本第４態様では、ボルト（及びボルトに螺合するナット）によって、燃料電池を締め付け押圧して固定するので、固定が容易であるとともに、確実に固定できるという利点がある。

（５）本発明は、第５態様として、前記燃料電池を構成する部材は、前記燃料極側の空間と空気極側の空間とを分離するセパレータ、前記燃料電池セルを区分するとともに各燃料電池セル間の導通を確保するインターコネクタ、前記燃料電池の積層方向の端部を構成するエンドプレートのうち、少なくとも１種であることを特徴とする。

本第５態様は、燃料電池を構成する部材を例示したものである。
つまり、燃料電池を構成する部材としては、燃料極側の空間（燃料流路）と空気極側の空間（空気流路）とを分離するセパレータや、燃料電池の構成単位である燃料電池セルを区分するとともに、各燃料電池セル間の導通を確保するインターコネクタや、燃料電池の積層方向の端部を構成する部材であるエンドプレートが挙げられる。

（６）本発明は、第６態様として、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とは、各燃料電池セル間を分離するインターコネクタ又は前記燃料電池の積層側の端部に配置されたエンドプレートと、前記電解質層に接合されて前記燃料極側の空間と前記空気極側の空間とを分離するセパレータとの間に配置されていることを特徴とする。

本第６態様は、コンプレッションシール材とガラスシール材を配置する場所を例示したものである。これによって、インターコネクタ又はエンドプレートとセパレータとの間からガス漏れを好適に防止できる。

（７）本発明は、第７態様（燃料電池の製造方法）として、前記第１〜第６態様のいずれかに記載の燃料電池を製造する燃料電池の製造方法において、前記燃料電池を構成する部材によって前記積層方向において挟まれるとともに、前記積層方向に沿って設けられた前記燃料マニホールド及び前記酸化剤マニホールドの少なくとも一方の周囲を囲むように、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材となるガラス材料とを同一平面上に配置する第１工程と、前記第１工程の後に、前記燃料電池の積層方向より圧力を加えて、前記コンプレッションシール材を押圧する第２工程と、前記第２工程の後に、前記ガラス材料が軟化する温度以上で加熱し、その後冷却することによって、前記ガラスシール材を形成するとともに、該ガラスシール材を、前記燃料電池を構成する部材に接合する第３工程と、を有することを特徴とする。

本第７態様では、コンプレッションシール材とガラスシール材となるガラス材料とを、燃料電池を構成する部材によって積層方向において挟まれるように配置するとともに、積層方向に沿って設けられた燃料マニホールド及び酸化剤マニホールドの少なくとも一方の周囲を囲むように、（例えばセパレータ等の表面の）同一平面上に配置し、その後、燃料電池の積層方向より圧力を加えて、コンプレッションシール材を押圧し、その後、ガラス材料が軟化する温度以上で加熱し、その後冷却する（即ち軟化したガラス材料を冷却して固化させる）。これによって、ガラスシール材を形成するとともに、ガラスシール材を、燃料電池を構成する部材（例えばセパレータやインターコネクタ）に接合する。

この製造方法によって、上述した燃料電池を好適に製造することができる。
なお、以下に、本発明の各構成について説明する。
・前記燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が挙げられる。

・コンプレッションシール材とは、（積層方向における）押圧によって自身が変形して周囲（積層方向）の構成に密着してガスシールを行う部材である。このコンプレッションシール材としては、例えばマイカ又はバーミキュライトからなるシート状等の部材を用いることができる。

このコンプレッションシール材としては、ガスシール性に加え、一定以上は圧縮されない弾性ストッパーとしての機能や、電気絶縁性等を有するものを採用できる。
・ガラスシール材としては、通常のガラス（例えば非結晶化ガラス）を用いることができるが、それ以外に、結晶化ガラス、部分結晶化ガラス（半結晶化ガラス）を用いることができる。また、ガラス成分以外に、セラミックなど各種の材料を添加してもよい。

なお、ガラスの組成としては特に限定されず、燃料電池の製造時に、加熱によって軟化し、積層方向の部材に密着してガスシールできる周知の材料から適宜選択して使用することができる。

また、ガラスシール材を形成する際には、プリフォーム（仮焼したガラス）やシート状のガラス材料を配置する方法や、ガラスペーストによる印刷、ガラス材料のディスペンサーによる塗布などの方法を採用できる。

なお、ガラスシール材は、燃料マニホールドの周囲のみに配置してもよい。
・各燃料電池セルを積層方向から押圧する部材として、ボルトを使用する場合には、ボルトの熱膨張係数としてガラスシール材の熱膨張係数より大きいものが好ましい。これにより、燃料電池の運転時等（ガラスが軟化しないとき）に、ボルトによってガラスシール材に圧縮応力をかけることができるので、（引張応力が加わる場合に比べて）ガラスの割れを低減できる。

・また、ガラスシール材に十分な圧縮力を加えるためには、（ボルトに螺合する）ナットの直下、即ち、ナットをボルトの軸方向に沿って投影した場合に、その投影領域内にガラスシール材が一部又は全体が存在するように配置することが望ましい。なお、ナットの外径の２倍（ナットの径方向の寸法の２倍）の範囲内にガラスシール材が存在していることが好ましい。

・なお、積層方向に延びる燃料マニホールド及び空気マニホールドと、これらのマニホールドに挿入される前記ボルトとを、同軸に配置することができる。

（ａ）は実施例１の固体酸化物形燃料電池の平面図、（ｂ）はその固体酸化物形燃料電池の側面図である。 固体酸化物形燃料電池を積層方向に破断した状態を示す説明図である。 固体酸化物形燃料電池のカセットを分解した状態を示す斜視図である。 固体酸化物形燃料電池のカセットとガスシール部との積層部分を分解して示す斜視図である。 カセット上に配置されたコンプレッションシール材及びガラスシール材からなるガスシール部を示す平面図である。 （ａ）は燃料ガスの流路を示す説明図、（ｂ）は空気の流路を示す説明図である。 固体酸化物形燃料電池の製造手順を示す説明図である。 ガラスシール材によるシールの状態を示す説明図である。 実施例２の固体酸化物形燃料電池のガスシール部を示す平面図である。 実施例２の固体酸化物形燃料電池で用いる空気極フレームを示す斜視図である。 実施例３の固体酸化物形燃料電池のガスシール部を示す平面図である。 実施例４の固体酸化物形燃料電池を積層方向に破断した状態を示す説明図である。 実施例４の固体酸化物形燃料電池のナットの周囲のガスシール部を示す平面図である。

以下、本発明が適用された燃料電池及びその製造方法の実施例について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施例では、燃料電池として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に挙げて説明する。

ａ）まず、本実施例１の固体酸化物形燃料電池の概略構成について説明する。なお、以下では「固体酸化物形」を省略する。
図１に示す様に、燃料電池１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電を行う装置である。

この燃料電池１は、発電単位（発電セル）である平板形の燃料電池セル３が、複数個（例えば２４段）積層された燃料電池スタック５と、燃料電池スタック５を積層方向（図１（ｂ）の上下方向）貫く複数のボルト１１〜１８と、各ボルト１１〜１８の端部（ここでは上部）に螺合する各ナット１９（総称）とを備えている。

なお、前記燃料電池スタック５は、複数個の燃料電池セル３が電気的に直列に接続されたものである。
また、図１（ａ）に示す様に、各ボルト１１〜１８のうち、第２ボルト１２に螺合するナット１９には、燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス導入管２１が設けられ、第４ボルト１４に螺合するナット１９には、酸化剤ガス（以下、単に空気と記す）を燃料電池１に供給する空気導入管２３が設けられ、第６ボルト１６に螺合するナット１９には、発電後の燃料ガスを燃料電池１から排出する燃料ガス排出管２５が設けられ、第８ボルト１８に螺合するナット１９には、発電後の空気を燃料電池１から排出する空気排出管２７が設けられている。

以下、各構成について説明する。
・図２に示す様に、前記燃料電池スタック５を構成する各燃料電池セル３は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの板状の燃料電池セル３であり、この燃料電池セル３には、上下一対の（導電性を有する）インターコネクタ４３、４３の間に、燃料ガスが流れる燃料流路３１と空気が流れる空気流路３３とが分離して設けられている。

また、燃料電池セル３には、燃料流路３１側に、板状の燃料極（アノード）３５が配置されているとともに、燃料極３５の表面（図２上側）には、薄膜の固体電解質層である固体酸化物層３７が形成されている。更に、固体酸化物層３７の表面（図２上側）には、薄膜の空気極（カソード）３９が形成されている。なお、燃料極３５と固体酸化物層３７と空気極３９とをセル本体（単セル）４１と称する。

更に、燃料電池セル３内には、燃料極３５と図２下側のインターコネクタ４３との間に、（金属メッシュ等からなる通気性を有する）燃料極側集電体５３が配置され、また、各インターコネクタ４３の一方（図２下方）の表面には、空気極側集電体５５となるブロック状の多数の凸部が一体に形成されている。

また、この燃料電池セル３は、セル本体（単セル）４１を囲むように、空気極３９側のシート状のガスシール部４５と、セル本体（単セル）４１の外縁部（詳しくは固体酸化物層３７の外縁部）の上面に接合して空気流路３３と燃料流路３１との間を遮断するセパレータ４７と、燃料流路３１側に配置された燃料極フレーム４９とを備えており、それらが積層されて一体に構成されている。

なお、燃料電池１の積層方向の両端の（インターコネクタ４３と同様な導電性を有する）板材を、エンドプレート５１と称する。
ここで、固体酸化物層３７としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極３５としては、Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極３９としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。

更に、インターコネクタ４３、エンドプレート５１、セパレータ４７、燃料極フレーム４９としては、例えばＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４等のフェライト系ステンレスからなる金属板が使用できる。また、各ボルト１１〜１８やナット１９は、例えばインコネル（登録商標）からなる金属部材を採用できる。

なお、各金属板の熱膨張係数としては、８〜１４×１０^−６／Ｋ（２０〜３００℃）の範囲を採用でき、ボルト１１〜１８やナット１９の熱膨張係数としては、金属板より熱膨張係数が大きな例えば１６×１０^−６／Ｋ（２０〜３００℃）を採用できる。

・以下に、燃料電池セル３を構成する各部材について、更に詳細に説明する。
なお、燃料電池セル３の平面形状は正方形であるので、燃料電池セル３を構成する各部材の平面形状も正方形である。

図３に分解して示す様に、燃料極側集電体５３が載置されたインターコネクタ４３と、燃料極フレーム４９と、セル本体（単セル）４１に接合されたセパレータ４７とは、同図の上下方向に積層されて、（後述するレーザー溶接によって）一体となって、燃料電池のカセット５７として構成されている。

このうち、インターコネクタ４３は、正方形の板材であり、その外縁部には、前記ボルト１１〜１８が貫挿される挿通孔（第１〜第８挿通孔）６１〜６８が、ほぼ等間隔に形成されている。つまり、インターコネクタ４３の四隅と各辺の中点に対応する位置に、８箇所に挿通孔６１〜６８（なお、各部材における挿通孔には同じ番号を付す）が形成されている。

前記挿通孔６１〜６８のうち、四隅の第１、第３、第５、第７挿通孔６１、６３、６５、６７は、燃料ガスや空気のガス流路として用いられない丸孔である。
また、対向する辺に設けられた第２、第６挿通孔６２、６６は、辺に沿った寸法が長い長円形である、このうち、第２挿通孔６２が、燃料ガスを燃料電池セル３内の燃料流路３１に導入する燃料ガスの導入路（燃料ガスの導入側の燃料マニホールド）である。一方、第６挿通孔６６が、燃料ガスを燃料電池セル３内の燃料流路３１から排出する燃料ガスの排出路（燃料ガスの排出側の燃料マニホールド）である。

更に、他の対向する辺に設けられた第４、第８挿通孔６４、６８は丸孔であり、このうち、第４挿通孔６４が、空気を燃料電池セル３内の空気流路３３に導入する空気の導入路（空気の導入側の空気マニホールド）である。一方、第８挿通孔６８が、空気を燃料電池セル３内の空気流路３３から排出する空気の排出路（空気の排出側の空気マニホールド）である。

なお、各燃料マニホールドや空気マニホールドと、各燃料マニホールドや空気マニホールドに挿通される各ボルト１１〜１８とは、それぞれ同軸に配置されている。
前記燃料極フレーム４９は、正方形の枠状の板材であり、その外縁部には、前記ボルト１１〜１８が貫挿される前記第１〜第８挿通孔６１〜６８が形成されている。

このうち、第２、第６挿通孔６２、６６には、長手方向に（貫通孔である）スリット７１、７３が形成されており、燃料極フレーム４９のインターコネクタ４３側（同図下側）には、各スリット７１、７３と枠内の開口部７５とを連通するように、複数の（燃料ガスの流路となる）溝７７、７９が形成されている。

前記セパレータ４７は、正方形の枠状の板材であり、その外縁部には、前記ボルト１１〜１８が貫挿される前記第１〜第８挿通孔６１〜６８が形成されている。
そして、上述した構成のカセット５７は、図４に示すように、間にシート状のガスシール部４５を介して積層されている。

特に、本実施例１におけるガスシール部４５は、図５に示すように、マイカからなるシート状のコンプレッションシール材９１と、ガラスからなるガラスシール材９３とから構成されている。なお、コンプレッションシール材９１及びガラスシール材９３は、電気絶縁性を有している。

具体的には、燃料電池セル３の積層方向（図５の紙面の厚み方向）に延びる燃料マニホールドの周囲には、燃料電池スタック５を構成するインターコネクタ４３（又はエンドプレート５１）やセパレータ４７によって積層方向から挟まれるとともに、燃料マニホールドを外側（外周側）から囲むように、燃料電池セル３が広がる平面（紙面の広がる平面）に沿って、ガラスシール材９３とコンプレッションシール材９１とが内側から順番に並列に配置されている。

つまり、ボルト１２、１６、従って燃料マニホールドである第２、第６挿通孔６２、６６の軸方向から見て（平面視にて）、燃料マニホールドの周囲を軸方向と垂直の径方向から囲むように、ガラスシール材９３とコンプレッションシール材９１とが、同心状に配置されている。すなわち、内側に環状のガラスシール材９３が配置され、その外周側を全て囲むように、コンプレッションシール材９１が配置されている。

詳しくは、コンプレッションシール材９１は、正方形の枠状の部材であり、その外縁部には、前記ボルト１１〜１８が貫挿される前記第１〜第８挿通孔６１〜６８が形成されている。なお、コンプレッションシール材９１の厚みは、組み付ける前は０．４０ｍｍであり、組み付け後は０．３６ｍｍである。

このうち、第１、第３、第５、第７挿通孔６１、６３、６５、６７は丸孔であり、第４、第８挿通孔６４、６８は、それより直径が大きな丸孔であり、第２、第６挿通孔６２、６６は、長円形の長孔である。

また、コンプレッションシール材９１には、空気の流路として、各第４、第８挿通孔６４、６８と枠内の開口部９９と連通するように、それぞれ連通路９５、９７が設けられている。

また、第２、第６挿通孔６２、６６の内周側には、積層方向（図５の紙面と垂直方向）から見て、セパレータ４７の第２、第６挿通孔６２、６６の周囲を囲むように、厚み０．３ｍｍ×幅３．０ｍｍの環状のガラスシール材９３が配置されている。

このガラスシール材９３は、ガラスを含む（例えばガラスを主成分とする）ガス封止材である。ここでは、例えば、市販の結晶化ガラスのプリフォーム（仮焼結体）を用いることができ、その軟化点は例えば７７０℃である。

また、このガラスシール材９３としては、熱膨張係数が周囲の金属板（例えばフェライト系ステンレス製）の熱膨張係数に近いもの、例えば熱膨張係数が８〜１４×１０^−６／Ｋ（２０〜３００℃）が望ましく（例えば１１×１０^−６／Ｋ（２０〜３００℃））、例えばＳＣＨＯＴＴ社製のＧ０１８−３１１を用いることができる。

なお、燃料電池１の運転温度は、例えば７００℃であるが、ガスシール部４５近傍では、６５０℃程度であるので、ガラスシール材９３として、運転時のガスシール部４５の温度より軟化点の高いものが用いられる。

ｂ）次に、本実施例１におけるガスの流路について簡単に説明する。
＜燃料ガスの流路＞
図６（ａ）に示すように、燃料ガス導入管２１から燃料電池スタック５内に導入された燃料ガスは、第２ボルト１２が挿通される（導入側の燃料マニホールドである）第２挿通孔６２に導入される。

なお、第２ボルト１２の先端（同図上方）には、軸方向に溝（図示せず）が形成してあり、この溝を介して燃料ガス導入管２１内の空間と第２挿通孔６２内とが連通している（燃料ガスの排出側と、空気の導入側及び排出側も、同様な構造となっている）。

この燃料ガスは、第２挿通孔６２から、各燃料電池セル３の燃料極フレーム４９の溝７７を介して、燃料電池セル３の内部の燃料流路３１内に導入される。
その後、燃料電池セル３内にて発電に寄与した残余の燃料ガスは、燃料極フレーム４９の他の溝７９を介して、第６ボルト１６が挿通される（排出側の燃料マニホールドである）第６挿通孔６６を介して、燃料ガス排出管２５から燃料電池スタック５外に排出される。

＜空気の流路＞
図６（ｂ）に示すように、空気導入管２３から燃料電池スタック５内に導入された空気は、第４ボルト１４が挿通される（導入側の空気マニホールドである）第４挿通孔６４に導入される。

この空気は、第４挿通孔６４から、各燃料電池セル３のコンプレッションシール材９１の連通路９５を介して、燃料電池セル３の内部の空気流路３３内に導入される。
その後、燃料電池セル３内にて発電に寄与した残余の空気は、コンプレッションシール材９１の他の連通路９７を介して、第８ボルト１８が挿通される（排出側の空気マニホールドである）第８挿通孔６８を介して、空気排出管２７から燃料電池スタック５外に排出される。

ｃ）次に、燃料電池１の製造方法について説明する。
図７（ａ）に示すように、定法に従って、燃料極３５と固体酸化物層３７と空気極３９とが一体となった（正方形の板状の）セル本体（単セル）４１を作製し、このセル本体（
単セル）４１の外縁部に枠状のセパレータ４７をろう付けする。

次に、図７（ｂ）に示すように、燃料極フレーム４９をセパレータ４７とインターコネクタ４３（又はエンドプレート５１）とで挟み、レーザー溶接によって、燃料極フレーム４９とセパレータ４７とインターコネクタ４３（又はエンドプレート５１）とを一体に接合して、燃料電池のカセット５７を作製する。

なお、レーザー溶接によって、燃料マニホールドである第２、第６挿通孔６２、６６と、空気マニホールドである第４、第８挿通孔６４、６８との周囲を、それぞれ環状に接合するとともに、セパレータ４７とインターコネクタ４３（又はエンドプレート５１）との外縁部を環状に接合する。

従って、燃料電池のカセット５７の内部の燃料流路３１と燃料マニホールド（第２、第６挿通孔６２、６６）と空気マニホールド（第４、第８挿通孔６４、６８）との間のガスリークは完全に防止される。

次に、図７（ｃ）に示すように、燃料電池の各カセット５７の間に、コンプレッションシール材９１及びガラスシール材９３（となるガラス材料）からなるガスシール部４５を配置する。

詳しくは、前記図５に示すように、各セパレータ４７の表面の同一平面上において、燃料マニホールド（第２、第６挿通孔６２、６６）を完全に囲むように環状のガラスシール材９３（となるガラス材料）を配置するとともに、ガラスシール材９３（となるガラス材料）の周囲を完全に囲むようにコンプレッションシール材９１を配置する。

その後、前記図７（ｃ）に示すように、各挿通孔６１〜６８に各ボルト１１〜１８を挿通し、ボルト１１〜１８及びナット１９を締め付けることによって、燃料電池スタック５を積層方向（図７（ｃ）の上下方向）に押圧して、燃料電池スタック５を一体化する。

この段階では、図８（ａ）に示すように、コンプレッションシール材９１の厚みは０．３６ｍｍであり、（軟化する前の）ガラスシール材９３（となるガラス材料）の厚み０．３０ｍｍより大きいので、ガラスシール材９３（となるガラス材料）とインターコネクタ４３（又はエンドプレート５１）との間には、若干の隙間がある。

次に、燃料電池スタック５（詳しくはガラスシール材９３となるガラス材料）を、ガラスの結晶化温度以上の例えば８５０℃に２時間加熱し、ガラスを結晶化させる。ガラスの軟化点（７７０℃）から結晶化温度の昇温過程で、ガラスシール材９３は軟化し、図８（ｂ）に示すように、自身の表面張力によって丸くなって、上方に凸の状態となり、最終的に上方のインターコネクタ４３（又はエンドプレート５１）に接触する。さらに、８５０℃−２時間の加熱によってガラスは結晶化する。

その後、冷却することによって、図８（ｃ）に示すように、ガラスシール材９３は、セパレータ４７とインターコネクタ４３（又はエンドプレート５１）とに強固に接合する。
なお、ガラスを加熱するとガラスシール材９３が軟化するが、上述のように、ボルト１１〜１８の熱膨張係数は、セパレータ４７、インターコネクタ４３、燃料極フレーム４９等のような積層方向に配置された金属板の熱膨張係数や、ガラスシール材９３の熱膨張係数より大きいので、ガラスの加熱時には、燃料電池スタック５は全体が緩んだ状態となる（ボルト１１〜１８の押圧力は減るが、無くなっている訳ではない）。その後、冷却されると、ボルト１１〜１８等が積層方向に縮んで（元に戻って）圧縮場となっているので、ガラスシール材９３が圧縮された状態で封止される（即ちガラスによって封止される）。

このようにして、ガスシールの構成が実現されるとともに、燃料電池１が完成する。
ｄ）本実施例１の効果について説明する。
本実施例１では、燃料マニホールドである第２、第６挿通孔６２、６６と、空気マニホールドである第４、第８挿通孔６４、６８との周囲には、セパレータ４７やインターコネクタ４３（又はエンドプレート５１）によって積層方向から挟まれるとともに、各マニホールドを囲むように、ガスシール部４５が配置されている。

詳しくは、（例えば図５に示す平面視で）各マニホールドを囲むように、燃料電池セル３が広がる平面（即ち各マニホールドの径方向）に沿って、環状のガラスシール材９３が配置され、更にそのガラスシール材９３を同一平面上にて径方向から囲むように、コンプレッションシール材９１が並列に配置されている。

従って、コンプレッションシール材９１及びガラスシール材９３によって（特に周囲に密着するガラスシール材９３によって）、各マニホールドとセパレータ４７やインターコネクタ４３等との間におけるガス漏れを好適に防止することができる。

また、積層方向から大きな力が加わった場合でも、コンプレッションシール材９１によって、過大な力がガラスシール材９３に加わることを抑制できるので、ガラスシール材９３が割れることを防止でき、この点からも好適にガス漏れを防止することができる。

更に、高温環境下で使用されてガラスが軟化した場合でも、コンプレッションシール材９１によって、ガラスシール材９３の過度の変形が抑制されるので、ガラスが周囲に広がって電気接続性が低下することを防止できる。

このように、本実施例１では、燃料ガスのガス漏れの発生を好適に防止できるので、発電効率が高く、漏れたガスの後処理の必要が無い（又は後処理が容易である）という顕著な効果を奏する。

また、本実施例１では、ボルト１１〜１８とナット１９とによって、燃料電池スタック５を締め付け押圧して固定するので、固定が容易であるとともに、確実に固定できるという利点がある。

更に、燃料電池１の運転の実施（ＯＮ）及び停止（ＯＦＦ）に応じて、燃料電池１の温度が変動するが、本実施例１では、上述した構成（各部の熱膨張係数の関係）によって、温度が変動しても、ガラスシール材９３等を常に押圧できるので、その点からも、ガス漏れを防止できるという利点がある。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例２は、実施例１とは、燃料電池のガスシール部の構成が異なるので、ガスシール部について説明する。なお、その他の構成については、前記実施例１と同様な番号を使用する。

図９に示すように、本実施例２の燃料電池１のガスシール部１０１では、燃料マニホールドである第２、第６挿通孔６２、６６の周囲を、環状のガラスシール材１０３、１０５で囲むとともに、空気マニホールドである第４、第８挿通孔６４、６８の周囲も、環状のガラスシール材１０７、１０９で囲んでいる。

また、コンプレッションシール材１１１は、実施例１と同様に四角枠状であり、各ガラスシール材１０３、１０５、１０７、１０９の外周を囲むように配置されている。
更に、本実施例２では、ガスシール部１０１とセパレータ４７との間に、図１０に示すように、実施例１の枠状の燃料極フレーム４９と同様な（但し向きは平面視で９０度異なっている）空気極フレーム１１８を配置している（実施例３も同様）。

この空気極フレーム１１８は、第４、第８挿通孔６４、６８から辺に沿って延びる貫通孔であるスリット１１３、１１４とスリット１１３、１１４から空気極３９側に延びる溝１１６、１１７とを有する枠状の部材であり、空気極フレーム１１８のスリット１１３、１１４及び溝１１６、１１７とを介して、第４、第８挿通孔６４、６８と空気極３９側とを連通している。

従って、本実施例２では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、燃料ガスのリークだけでなく、空気のリークも防止できる。よって、ガス流量を精度良く調節できるので、より精密に燃料電池１の運転を行うことができるという利点がある。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例３は、実施例１とは、燃料電池のガスシール部の構成が異なるので、ガスシール部について説明する。なお、その他の構成については、前記実施例１と同様な番号を使用する。

図１１に示すように、本実施例３の燃料電池１のガスシール部１２１は、実施例１と同様な材料からなるコンプレッションシール材１２３、１２５とガラスシール材１２７とから構成されているが、その配置が逆である。

詳しくは、実施例１にてガラスシール材が用いられる場所、即ち、燃料マニホールドである第２、第６挿通孔６２、６６の周囲に、環状のコンプレッションシール材１２３、１２５が配置されている。また、実施例１にてコンプレッションシール材が用いられる場所に、即ち、コンプレッションシール材１２３、１２５の周囲を囲むように、四角枠状のガラスシール材１２７が配置されている。

よって、本実施例３では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、ガラスのシール部分が多いので、ガスシール性に優れているという利点がある。

次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例４は、実施例１とは、燃料電池のボルト及びナットのガスシール部分の構成が異なるので、このガスシール部分について説明する。なお、その他の構成については、前記実施例１と同様な番号を使用する。

図１２に示す様に、本実施例４の燃料電池１では、実施例１と同様な構成の燃料電池スタック５を積層方向に貫くように、（実施例１と同様に）複数のボルト１３１が配置されている。

特に本実施例４では、ボルト１３１に螺合するナット１３３と一方（同図上方）のエンドプレート１３５との間に、環状の第１ガスシール部１３７が設けられており、且つ、ボルト１３１の頭部１３９と他方（同図下方）のエンドプレート１４１との間に、（第１ガスシール部１３７と同様な）環状の第２ガスシール部１４３が設けられている。

なお、本発明の燃料電池を構成する部材には、上記のボルト１３１、及び上記のエンドプレート１３５、１４１が含まれる。
ここで、ボルト１３１が挿通される挿通孔１４５は、前記実施例１と同様な燃料マニホールドであるが、前記実施例２と同様に、燃料マニホールドと空気マニホールドの両方でもよい。

このうち、第１ガスシール部１３７は、ボルト１３１（及び挿通孔１４５）の周囲を囲むように配置された環状のコンプレッションシール材１４７と、コンプレッションシール材１４７の周囲を囲むとともに、ナット１３３やエンドプレート１３５に接合した環状のガラスシール材１４９とから構成されている。

同様に、第２ガスシール部１４３は、ボルト１３１（及び挿通孔１４５）の周囲を囲むように配置された環状のコンプレッションシール材１５１と、コンプレッションシール材１５１の周囲を囲むとともに、ボルト１３１の頭部１３９やエンドプレート１４１に接合した環状のガラスシール材１５３とから構成されている。

なお、前記ガラスシール材１４９、１５３としては、例えば前記実施例１のガラスシール材９３と同様な材料などを使用できる。
上述した構成、例えば第１ガスシール部１３７を形成する場合には、図１３に示すように、ボルト１３１の周囲に環状のコンプレッションシール材１４７を配置するとともに、コンプレッションシール材１４７の周囲に環状のガラスシール材１４９を配置する。

そして、ボルト１３１及びナット１３３を締め付けて、燃料電池１を押圧して組み付けた後に、加熱によってガラスシール材１４９、１５３を軟化させて、周囲の部材と接合させ、その後冷却する。

本実施例４は、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、燃料電池スタック５とナット１３３やボルト１３１の頭部１３９との隙間からガスがリークすることを効果的に防止できるという利点がある。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
（１）例えば、燃料電池スタックを積層方向に押圧する方法としては、上述したボルト及びナットの螺合による締め付け以外に、例えば積層方向に荷重を加えるように錘を乗せる方法、バネを利用して積層方向に押圧する方法などが挙げられる。

（２）前記ボルトとしては、例えば（内部に空間の無い）中実のボルトや、（例えば軸方向に沿って空間がある）中空のボルトなどを採用できる。
なお、各燃料マニホールドや空気マニホールドと、各燃料マニホールドや空気マニホールドに挿通される各ボルトとは、それぞれ同軸に配置されていなくともよい（図示せず）。また、各ボルトは、各燃料マニホールドや空気マニホールドの外部に配置されていてもよい（図示せず）。

（３）また、本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に限らず、運転温度域が約６００℃以上の高温タイプの燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等に適用可能である。

１…（固体酸化物形）燃料電池
３…燃料電池セル
５…燃料電池スタック
１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１３１…ボルト
１９、１３３…ナット
３５…燃料極
３７…固体酸化物層
３９…空気極
４１…セル本体（単セル）
４３…インターコネクタ
４５、１０１、１２１、１３７、１４３…ガスシール部
４７…セパレータ
４９…燃料極フレーム
５１、１３５、１４１…エンドプレート
５７…カセット
６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７、６８、１４５…挿通孔
９１、１１１、１２３、１２５、１４７、１５１…コンプレッションシール材
９３、１０３、１０５、１０７、１０９、１２７、１４９、１５３…ガラスシール材

Claims (7)

1. 電解質層と、該電解質層の一方の面に設けられて燃料ガスに接する燃料極と、該電解質層の他方の面に設けられて酸化剤ガスに接する空気極と、を有する板状の燃料電池セルが、複数積層されるとともに、該燃料電池セルが前記積層方向から押圧された状態で組み付けられた平板型の燃料電池において、
   前記燃料電池には、前記燃料極側の空間に連通する燃料マニホールド及び前記空気極側の空間に連通する酸化剤マニホールドのうち少なくとも一方が、前記積層方向に延びるように設けられており、
   前記燃料マニホールド及び前記酸化剤マニホールドの少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドの周囲には、前記燃料電池を構成する部材によって前記積層方向から挟まれるとともに、前記少なくとも一方のマニホールドを囲むように、前記燃料電池セルが広がる平面に沿って、コンプレッションシール材とガラスシール材とが並列に配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドの周囲に、環状に前記ガラスシール材が配置されるとともに、該ガラスシール材の外周側に、前記コンプレッションシール材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドの周囲に、環状に前記コンプレッションシール材が配置されるとともに、該コンプレッションシール材の外周側に、前記ガラスシール材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記燃料電池は、ボルト締めによって、前記積層方向に押圧されて組み付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記燃料電池を構成する部材は、前記燃料極側の空間と前記空気極側の空間とを分離するセパレータ、前記燃料電池セルを区分するとともに各燃料電池セル間の導通を確保するインターコネクタ、前記燃料電池の積層方向の端部を構成するエンドプレートのうち、少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とは、各燃料電池セル間を分離するインターコネクタ又は前記燃料電池の積層側の端部に配置されたエンドプレートと、前記電解質層に接合されて前記燃料極側の空間と前記空気極側の空間とを分離するセパレータとの間に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池を製造する燃料電池の製造方法において、
   前記燃料電池を構成する部材によって前記積層方向において挟まれるとともに、前記積層方向に沿って設けられた前記燃料マニホールド及び前記酸化剤マニホールドの少なくとも一方の周囲を囲むように、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材となるガラス材料とを同一平面上に配置する第１工程と、
   前記第１工程の後に、前記燃料電池の積層方向より圧力を加えて、前記コンプレッションシール材を押圧する第２工程と、
   前記第２工程の後に、前記ガラス材料が軟化する温度以上で加熱し、その後冷却することによって、前記ガラスシール材を形成するとともに、該ガラスシール材を、前記燃料電池を構成する部材に接合する第３工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。