JP2021180165A - 燃料電池セル構造及び燃料電池セル構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素析出及び触媒劣化の双方を抑制することのできる燃料電池セル構造を実現する。【解決手段】電極層及び電解質層が金属支持層の一方の面に支持され他方の面にセパレータが取り付けられる内部改質型の燃料電池セルを含み、金属支持層とセパレータとの間に燃料流路が形成される燃料電池セル構造であって、燃料流路の上流領域において金属支持層に設けられた第１改質触媒層と、燃料流路の下流領域において金属支持層に設けられた第２改質触媒層と、燃料流路のガス流れ方向における第１改質触媒層の端部に設けられるとともに、該第１改質触媒層をバイパスして金属支持層に燃料が流出することを抑制する燃料流出防止膜と、を備える燃料電池セル構造を提供する。特に、第１改質触媒層は、第２改質触媒層に比べて炭素析出を抑制する効果が高い材料により構成され、燃料流出防止膜は、炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収材を含む。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池セル構造、及び燃料電池セル構造の製造方法に関する。

特許文献１には、燃料電極と酸化剤電極とを電解質マトリックスを介して対向するように配置した単電池が提案されている。この単電池では、燃料電極に設けられた燃料通路に燃料改質触媒が充填される。特に、特許文献１の単電池では、燃料通路の燃料の流れ方向の上流側に、下流側よりも炭素析出性の低い燃料改質触媒が配置される

特開昭６３−３１０５７４号公報

しかしながら、炭素析出性の低い燃料改質触媒は、炭素酸化物（特に二酸化炭素）に対して反応性を示す触媒材料（バリウムなど）で構成される。このため、当該触媒材料が炭素酸化物と反応することにより劣化するという問題があった。

このような事情に鑑み、本発明の目的は、炭素析出及び触媒劣化の双方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にある。

本発明のある態様によれば、電極層及び電解質層が金属支持層の一方の面に支持されるとともに他方の面にセパレータが取り付けられる内部改質型の燃料電池セルを含み、金属支持層の他方の面とセパレータの表面との間の空間に燃料流路が形成され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、燃料流路の上流領域において金属支持層の他方の面に設けられた第１改質触媒層と、燃料流路の下流領域において金属支持層の他方の面に設けられた第２改質触媒層と、燃料流路のガス流れ方向における第１改質触媒層の端部に設けられるとともに、該第１改質触媒層をバイパスして金属支持層に燃料が流出することを抑制する燃料流出防止膜と、を備える。そして、第１改質触媒層は、第２改質触媒層に比べて改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い材料により構成され、燃料流出防止膜は、第１改質触媒層における改質反応により生成される炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収材を含む。

本発明によれば、炭素析出及び触媒劣化の双方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１は、各実施形態及び変形例に共通する燃料電池セル構造の構成を説明する図である。 図２は、燃料電池セル構造の要部（図１の丸囲み部分）拡大図である。 図３は、第１実施形態に係る燃料電池セル構造の詳細な構成を説明する図である。 図４は、第１改質触媒層及び燃料流出防止膜の構造を模式的に示す図である。 図５は、第１改質触媒層の端部が燃料流出防止膜に重なることによる作用効果を説明するための図である。 図６は、燃料電池セル構造の製造方法に係る各工程を説明する図である。 図７Ａは、第２実施形態に係る燃料電池セル構造の構成を説明する図である。 図７Ｂは、図７Ａ（ｂ）の部分拡大図である。 図８は、変形例１に係る燃料電池セル構造の構成を説明する図である。 図９は、変形例２に係る製造方法の技術的意義を説明する図である。 図１０は、変形例３に係る燃料電池スタックの構成を説明する図である。

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。

（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４つを示す）のセルユニット２０とセパレータ３０が順次積層されてなる直接内部改質型の積層型燃料電池である。

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。

＜セルユニット２０＞
本実施形態のセルユニット２０は、金属支持層２２の一方の面（第１表面２２ａ）に燃料極層（アノード電極層２４）、電解質層２６及び空気極層（カソード電極層２８）がこの順で積層されることで構成される。特に、本実施形態の燃料電池スタック１０は、セルユニット２０の金属支持層２２の他方の面（第２表面２２ｂ）にセパレータ３０が設けられ、このセパレータ３０を介して隣接するセルユニット２０が積層されてなるメタルサポート型燃料電池として構成される。そして、燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３２が金属支持層２２の第２表面２２ｂとセパレータ３０の第１表面３０ａの間の空間として構成される。また、酸化剤ガス（空気）を供給するための酸化剤ガス流路３４は、セパレータ３０の第２表面３０ｂと隣接するセルユニット２０のカソード電極層２８との間の空間として構成される。

＜金属支持層２２＞
金属支持層２２は、アノード電極層２４、電解質層２６、及びカソード電極層２８を支持すると共に、燃料ガス流路３２に接触する第２表面２２ｂに第１改質触媒層４０及び第２改質触媒層４２（図２に以降で示す）が設けられている。なお、第１改質触媒層４０及び第２改質触媒層４２の詳細については後述する。

金属支持層２２は、アノード電極層２４、電解質層２６、及びカソード電極層２８を支持するための一定の機械的強度を備えるとともに、ガス透過性及び電子伝導性を有する多孔質の金属材料により形成される。金属支持層２２として、例えば、金属粒子や金属繊維を焼結又はプレス加工等によって固めたものや、金属板をエッチング処理や機械的処理により穴を開けて多孔質体としたもの等を使用することができる。特に、金属支持層２２を、金属粒子を焼結させた多孔質体により構成することが好ましい。

上記金属支持層２２を構成する具体的な金属材料としては、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、又はこれらの合金（特にステンレス鋼）などを挙げることができる。より具体的には、金属支持層２２を構成する金属材料として、フェライト系ステンレス鋼が挙げられる。特に、フェライト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４２０、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４０等のＳＵＳ４００系が挙げられる。より好ましくは、Ｃｒｏｆｅｒ（登録商標）２２合金（ＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ・ＶＤＭ社製）、ＺＭＧ（登録商標）２３２Ｇ１０（日立金属株式会社製）、ＩＴＭ（Ｐｌａｎｓｅｅ社製）、又はＳａｎｅｒｇｙＨＴ（Ｓａｎｄｖｉｋ社製）などのＦｅ−Ｃｒ合金が用いられる。

＜アノード電極層２４＞
アノード電極層２４は、燃料極であって、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。さらに、アノード電極層２４は、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。

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。

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、又はエーテル等である。特に、本実施形態では、メタン（ＣＨ₄）燃料が用いられる。

＜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。

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。

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：Ｚｒ_1-xＹ_xＯ₂）、ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア：Ｚｒ_1-xＳ_cxＯ₂）、ＳＤＣ（サマリウムドープトセリア：Ｃｅ_1-xＳｍ_xＯ₂）、ＧＤＣ（ガドリウムドープトセリア：Ｃｅ_1-xＧｄ_xＯ₂）、又はＬＳＧＭ（ランタンストロンチウムマグネシウムガレート：Ｌａ_1-xＳｒ_xＧａ_1-yＭｇ_yＯ₃）などを用いることができる。

＜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。

＜セパレータ３０＞
セパレータ３０は、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。このような凹凸状構造を有することにより、セパレータ３０の第１表面３０ａと金属支持層２２の第２表面２２ｂの間に燃料ガス流路３２が形成されるとともに、セパレータ３０の第２表面３０ｂと金属支持層２２の第１表面２２ａの間に酸化剤ガス流路３４が構成されることとなる。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形成される。特に、本実施形態のセパレータ３０の第１表面３０ａには、金属支持層２２の第１表面２２ａに接触する突起部３０ｃが形成されている。

＜第１改質触媒層４０及び第２改質触媒層４２＞
図２は、燃料電池スタック１０の要部（図１の丸囲み部分）拡大図である。図示のように、燃料電池スタック１０の金属支持層２２の第２表面２２ｂには、燃料ガス流路３２における燃料ガス入口３２ａに相対的に近い上流領域Ａ_uにおいて第１改質触媒層４０における燃料ガス入口３２ａに相対的に遠い燃料ガス流路３２の下流領域Ａ_dにおいて第２改質触媒層４２が設けられている。

第１改質触媒層４０は、炭素析出が抑制されつつ燃料ガスを水素ガスに変換する改質反応を促進する材料により構成される。特に、第１改質触媒層４０は、酸化物で構成される担体（触媒担体４０ａ）に触媒の微粒子（触媒粒子４０ｂ）が担持されることで構成される。

第１改質触媒層４０の触媒担体４０ａは、例えば、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、若しくは酸化カルシウム（ＣａＯ）などの金属酸化物、当該金属酸化物の１種若しくは２種以上の混合物、又はこれらの固溶体により構成される。特に、第１改質触媒層４０の触媒担体４０ａは、ＢＺＣＹ（ＢａＺｒ_xＣｅ_yＹ_zＯ_w：ｘ，ｙ，ｚ，ｗは任意の化学量論組成）により構成されることが好ましい。

第１改質触媒層４０の触媒粒子４０ｂは、例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、若しくはランタン（Ｌａ）等の遷移金属、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、若しくはパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属、又はこれらの１種若しくは２種以上の混合物で構成される微粒子（特にナノ粒子）により構成される。

一方、第２改質触媒層４２は、燃料ガスを水素ガスに変換する改質反応（特に水蒸気改質反応）を促進する材料により構成される。特に、第２改質触媒層４２の担体は、アルミナ等で構成される。また、第２改質触媒層４２の触媒粒子は、例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、若しくは銅（Ｃｕ）等の遷移金属、ランタン（Ｌａ）等の希土類元素、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、若しくはパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属、又はこれらの１種若しくは２種以上の混合物で構成される微粒子（特にナノ粒子）により構成される。

ここで、燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_uに第１改質触媒層４０を設け、下流領域Ａ_dに水蒸気改質反応を促進する第２改質触媒層４２を設ける意義について説明する。

本実施形態の燃料電池スタック１０のような直接内部改質型のＳＯＦＣでは、炭化水素系燃料（特にメタン燃料）がスタック内部の燃料ガス流路３２を流れる過程において、当該燃料が改質（主に水蒸気改質反応）される。この改質反応は、以下の化学式（１）のように、メタン成分と水とを反応させることによって水素及び酸化炭素成分（ＣＯ又はＣＯ₂など）を生成する吸熱反応である。

［化１］
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂−Ｑ・・・（１）

このため、メタン成分を反応させる観点から十分な水分が確保されていない場合にはこの水蒸気改質反応が進まず、触媒材料と意図しない反応を起こし、当該触媒表面に発電性能の低下の要因となる炭素析出が生じることがある。そして、特に、直接内部改質型のＳＯＦＣの場合、燃料ガス入口３２ａに比較的近い燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_uにおいては、燃料ガスの改質が十分に進行しておらず発電反応が生じにくい。このため、燃料ガス入口３２ａから離れた下流領域Ａ_dに比べて、発電による生成水が少なく水分が不足する傾向にある。その結果、上流領域Ａ_uでは、下流領域Ａ_dに比べてメタン成分と触媒材料との意図しない反応に起因する炭素析出が生じやすくなる。

したがって、本実施形態の燃料電池スタック１０では、水分が不足し易い燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_uにおいては、通常の改質触媒材料よりも活性が高く炭素析出抑制効果がより高い第１改質触媒層４０を配置している。これにより、水分が少ない上流領域Ａ_uにおいても、炭素析出を抑制しつつ発電に必要な水素を生成することができる。

一方で、本発明者らは、この炭素析出抑制効果の高い第１改質触媒層４０に含有される金属材料が改質反応で生じる一酸化炭素又は二酸化炭素などの炭素酸化物と反応してＢａＣＯ₃、ＣａＣｏ₃、又はＭｇＣＯ₃などの金属炭酸塩が生成され、当該金属炭酸塩が触媒を劣化させるという問題点を見出した。本発明者らは、鋭意研鑽の結果、この問題点を解消し得る構成を備えた本実施形態の燃料電池スタック１０を開発するに至った。以下では、当該問題点を解消する燃料電池スタック１０の構成を詳細に説明する。

なお、本明細書において「燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_u」とは、メタン成分の水蒸気改質反応を適切に進行させる観点から定まる一定量の生成水を確保できない程度に燃料ガス入口３２ａに近い領域を意味する。すなわち、「燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_u」は、水蒸気改質反応を促進する第２改質触媒層４２を配置すると仮定した場合に、炭素析出が燃料電池スタック１０に要求される発電性能を確保する観点から許容される限度を超えて生じる領域に相当する。

一方、「燃料ガス流路３２の下流領域Ａ_d」とは、メタン成分の水蒸気改質反応を適切に進行させる観点から定まる一定量の生成水を確保できる程度に燃料ガス入口３２ａから遠い領域を意味する。すなわち、「燃料ガス流路３２の下流領域Ａ_d」は、水蒸気改質反応を促進する第２改質触媒層４２を配置しても、炭素析出が燃料電池スタック１０に要求される発電性能を確保する観点から許容される限度以下となる領域に相当する。「燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_u」及び「燃料ガス流路３２の下流領域Ａ_d」の間の境界となる具体的な位置は、燃料電池スタック１０の設計などに応じて適宜決まるものであるが、例えば、セルユニット２０のガス流れ方向Ｙにおける略中央位置（燃料ガス入口３２ａと燃料ガス出口３２ｂの略中間位置）に設定することができる。

図３は、本実施形態の燃料電池スタック１０の詳細な構成を説明する図である。特に図３には、図２に示す燃料電池スタック１０をガス流れ方向Ｙに沿って視た場合の概略構成を示している。図示のように、本実施形態の燃料電池スタック１０では、第１改質触媒層４０が、金属支持層２２の第２表面２２ｂに燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_uにおいて、電極幅方向Ｘ及びガス流れ方向Ｙにおける所定範囲に伸張するように設けられている。特に、第１改質触媒層４０は、電極幅方向Ｘにおいてセパレータ３０の突起部３０ｃが金属支持層２２の第２表面２２ｂに接合する部分を避けて複数（図３では３つ）設けられている。

さらに、第１改質触媒層４０の電極幅方向Ｘにおける端部４１（特に両端部４１，４１）の位置には、燃料流出防止膜４４が設けられている。燃料流出防止膜４４は、一定の加熱流動性を有し、炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収材により構成される。具体的に、燃料流出防止膜４４を構成する炭素酸化物吸収材としては、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、若しくはマグネシウム（Ｍｇ）等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属が挙げられる。

特に、燃料流出防止膜４４は、第１改質触媒層４０の端部４１と、金属支持層２２の第２表面２２ｂ及びセパレータ３０の接合部分（溶接部４６の付近）と、の間を充填するように設けられる。

図４は、第１改質触媒層４０及び燃料流出防止膜４４の構造を模式的に示した図である。図示のように、第１改質触媒層４０は、触媒担体４０ａの外表面に触媒粒子４０ｂが担持された構造をとる。また、第１改質触媒層４０の端部４１は、積層方向Ｚにおいて燃料流出防止膜４４の一部に重なるように張り出している。

この構造により、第１改質触媒層４０における改質反応により生じる炭素酸化物は、燃料流出防止膜４４により吸収される。したがって、炭素酸化物と触媒材料との間の意図しない反応に起因する触媒劣化を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１０によれば、第１改質触媒層４０の端部４１に燃料流出防止膜４４が設けられているため、燃料ガス流路３２を流れる燃料ガス（炭化水素ガス）が、第１改質触媒層４０の端部４１（特に両端部４１，４１）をバイパスして金属支持層２２の方へ流出することが防止される。これにより、燃料ガスの金属支持層２２への接触に起因する炭素析出を防止することができる。特に、本実施形態の燃料電池スタック１０では、上述した第１改質触媒層４０の端部４１と金属支持層２２の第２表面２２ｂの間に燃料流出防止膜４４が挟持される構成をとっていることで、燃料流出防止膜４４による燃料ガスの流出に対するシール機能がより向上し、金属支持層２２における炭素析出がより確実に抑制される。

さらに、上述した第１改質触媒層４０の端部４１の一部が積層方向Ｚにおいて燃料流出防止膜４４に重なる構成により、以下で説明するさらなる作用効果が実現される。

図５は、第１改質触媒層４０の端部４１が燃料流出防止膜４４に重なることによる作用効果を説明するための図である。特に図５（ａ）は、第１改質触媒層４０の端部４１が燃料流出防止膜４４に重ならない例、特に燃料流出防止膜４４が第１改質触媒層４０の端部４１よりも厚肉に構成された例（端部４１の厚さＤ２が燃料流出防止膜４４の厚さＤ１以下となる例）を示している。一方、図５（ｂ）には、第１改質触媒層４０の端部４１が燃料流出防止膜４４に重なる構成（本実施形態の燃料電池スタック１０の構成）を示している。より詳細には、図５（ｂ）に示す例では、第１改質触媒層４０の端部４１が燃料流出防止膜４４よりも厚肉に構成される。すなわち、第１改質触媒層４０の端部４１の厚さＤ２が燃料流出防止膜４４の厚さＤ１よりも大きくなるように構成される。

ここで、燃料流出防止膜４４は、第１改質触媒層４０の端部４１と金属支持層２２の表面の間をシールする機能を実現する観点から、充填性を持たせるために高温環境下において一定の流動性を示す性質を持つ。したがって、図５（ａ）の構成であると、燃料流出防止膜４４が第１改質触媒層４０の側（太い矢印で示す方向）に流れて第１改質触媒層４０の気孔を塞ぎ、触媒性能を低下させる可能性が想定される。これに対して、図５（ｂ）の構成であれば、第１改質触媒層４０の端部４１が燃料流出防止膜４４の流入をブロックする作用が得られ、第１改質触媒層４０の気孔を塞ぐ現象の発生を抑制することができる。

次に、本実施形態の燃料電池スタック１０の製造方法について説明する。

図６は、燃料電池スタック１０の製造方法に係る各工程を説明する図である。

先ず、図６（ａ）に示すように、セルユニット２０の金属支持層２２に、燃料流出防止膜４４を形成する。より詳細には、金属支持層２２の第２表面２２ｂに、複数の燃料流出防止膜４４（図６では２つ）を、それぞれの間にセパレータ３０の突起部３０ｃを挿入するための電極幅方向Ｘに延在するスペースＳを確保しつつ形成する。特に、燃料流出防止膜４４は、原料スラリーを金属支持層２２の第２表面２２ｂにスクリーン印刷し、その後乾燥させることで形成される。

次に、図６（ｂ）に示すように、第１改質触媒層４０を、その端部４１が燃料流出防止膜４４に重なるように金属支持層２２の第２表面２２ｂに施す。より詳細には、第１改質触媒層４０の原料スラリーを、燃料流出防止膜４４と重なる端部４１を形成するようにマスキングして金属支持層２２の第２表面２２ｂにスクリーン印刷し、その後高温処理して乾燥させる。なお、この高温処理によって、燃料流出防止膜４４が流動して第１改質触媒層４０及び金属支持層２２の第２表面２２ｂに対してより好適に密着する。このため、燃料流出防止膜４４は、燃料ガス流路３２から金属支持層２２の第２表面２２ｂへのガスの通路となり得る隙間を埋めるように充填されることとなる。すなわち、燃料流出防止膜４４による燃料ガスの金属支持層２２への流出に対するシール機能がより好適に確保される。

次に、図６（ｃ）に示すように、セパレータ３０を、金属支持層２２に設置する。より詳細には、セパレータ３０を、その第１表面３０ａに形成された突起部３０ｃが隣接する燃料流出防止膜４４の間のスペースＳに入り込んで金属支持層２２の第２表面２２ｂに当接するように配置する。

そして、図６（ｄ）に示すように、セパレータ３０の突起部３０ｃと金属支持層２２の第２表面２２ｂとの接触部分Ｃｐに対してレーザー溶接を行うことで、金属支持層２２にセパレータ３０を接合する。

特に、本実施形態では、セパレータ３０の第１表面３０ａに突起部３０ｃが構成されていることで、セパレータ３０と金属支持層２２の接触部分Ｃｐを一定以上の面積とすることができるため、溶接時の入熱量を低下させることができる。また、この突起部３０ｃの形状により、セパレータ３０が第１改質触媒層４０を金属支持層２２の第２表面２２ｂに押し付ける状態で当該金属支持層２２に接合される。このため、金属支持層２２に対する第１改質触媒層４０の固定をより安定させることができる。

上記図６（ａ）〜図６（ｄ）の工程を、燃料電池スタック１０に含まれるセル積層数に応じた所定回数繰り返すことで、複数のセルユニット２０が積層された燃料電池スタック１０を構成することができる。

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。

本実施形態の燃料電池スタック１０は、電極層（アノード電極層２４及びカソード電極層２８）及び電解質層２６が金属支持層２２の一方の面（第１表面２２ａ）に支持されるとともに他方の面（第２表面２２ｂ）にセパレータ３０が取り付けられる内部改質型（特に直接内部改質型）の燃料電池セル（セルユニット２０）を含み、金属支持層２２の第２表面２２ｂとセパレータ３０の表面（第１表面３０ａ）との間の空間に燃料流路（燃料ガス流路３２）が形成される燃料電池セル構造として構成される。

この燃料電池スタック１０は、燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_uにおいて金属支持層２２の第２表面２２ｂに設けられた第１改質触媒層４０と、燃料ガス流路３２の下流領域Ａ_dにおいて金属支持層２２の第２表面２２ｂに設けられた第２改質触媒層４２と、燃料ガス流路３２のガス流れ方向Ｙにおける第１改質触媒層４０の端部４１に設けられるとともに、該第１改質触媒層４０をバイパスして金属支持層２２に燃料ガスが流出することを抑制する燃料流出防止膜４４と、を備える。

そして、この燃料電池スタック１０では、第１改質触媒層４０は、第２改質触媒層４２に比べて改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い材料により構成される。さらに、燃料流出防止膜４４には、第１改質触媒層４０における改質反応により生成される炭素酸化物（ＣＯ又はＣＯ₂）を吸収する炭素酸化物吸収材を含む。

これにより、発電による生成水が不足して炭素が析出し易い燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_uにおいては第１改質触媒層４０により炭素析出が抑制される一方、発電による生成水が豊富な下流領域Ａ_dにおいては第２改質触媒層４２により改質反応の効率が確保される。さらに、燃料流出防止膜４４によって、燃料ガスが第１改質触媒層４０の端部４１に生じ得る隙間から金属支持層２２へ流出することを回避するとともに、第１改質触媒層４０における改質反応により生じる炭素酸化物を吸収することができる。したがって、発電による生成水が比較的少ない燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_uにおける炭素析出を抑制しつつ、第１改質触媒層４０における改質反応で生じる炭素酸化物と触媒材料との間の接触に起因した触媒劣化の双方を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１０では、第１改質触媒層４０は、酸化物で構成される担体（触媒担体４０ａ）に触媒粒子４０ｂが担持されることで構成される。特に、触媒担体４０ａは、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は酸化カルシウム（ＣａＯ）などの金属酸化物、当該金属酸化物の１種若しくは２種以上の混合物、及びこれらの固溶体から成る群から選択される材料により構成される。また、触媒粒子４０ｂは、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、若しくは銅（Ｃｕ）等の遷移金属、ランタン（Ｌａ）等の希土類元素、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、又はパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属、及びこれらの１種又は２種以上の混合物から成る群から選択される材料により構成される微粒子（特にナノ粒子）である。

これにより、第１改質触媒層４０に求められる高い炭素析出の抑制効果を好適に実現することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１０では、第１改質触媒層４０の端部４１は、燃料流出防止膜４４に対して積層方向Ｚにおいて重なるように構成される。

これにより、第１改質触媒層４０の端部４１が燃料流出防止膜４４の当該第１改質触媒層４０の内部への流入をブロックするように作用するので、燃料流出防止膜４４が第１改質触媒層４０の気孔を塞ぐことに起因する触媒性能の低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、上記燃料電池スタック１０を製造する製造方法が提供される。この製造方法は、燃料電池セル（セルユニット２０）における金属支持層２２の表面に燃料流出防止膜４４を施す工程（図６（ａ））と、金属支持層２２の第２表面２２ｂに第１改質触媒層４０を施す工程（図６（ｂ））と、セパレータ３０を金属支持層２２の第２表面２２ｂに配置する工程（図６（ｃ））と、セパレータ３０と金属支持層２２の第２表面２２ｂをレーザー溶接する工程（図６（ｄ））と、を含む。

これにより、上記構成を有する燃料電池スタック１０を製造するための好適な方法が実現される。

（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。

図７Ａは、本実施形態による燃料電池スタック１０の構成を説明する図である。特に、図７Ａ（ａ）は燃料電池スタック１０の概略側面図であり、図７Ａ（ｂ）は燃料電池スタック１０の概略断面図である。また、図７Ｂは、図７Ａ（ｂ）の部分拡大図である。

図示のように、本実施形態の燃料電池スタック１０では、金属支持層２２の第２表面２２ｂに対向するセパレータ３０の第１表面３０ａにおける略全域に亘って炭素析出抑制触媒層５２が設けられている。

この炭素析出抑制触媒層５２は、第１改質触媒層４０と同様に、改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い材料により構成される。すなわち、炭素析出抑制触媒層５２は、酸化物で構成される担体に触媒粒子が担持されることで構成される。

特に、炭素析出抑制触媒層５２を構成する担体は、例えば、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は酸化カルシウム（ＣａＯ）などの金属酸化物、当該金属酸化物の１種若しくは２種以上の混合物、及びこれらの固溶体から成る群から選択される材料により構成される。

また、触媒粒子は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、若しくは銅（Ｃｕ）等の遷移金属、ランタン（Ｌａ）等の希土類元素、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、又はパラジウム（Ｐｄ）等の貴金属、及びこれらの１種又は２種以上の混合物から成る群から選択される材料により構成される微粒子（特にナノ粒子）である。

なお、製造上の観点などから、炭素析出抑制触媒層５２は第１改質触媒層４０と同一の材料により構成されることが好ましい。

さらに、本実施形態の燃料電池スタック１０では、セパレータ３０の第１表面３０ａと炭素析出抑制触媒層５２の間に、セパレータ３０の第１表面３０ａの略全域に亘って炭素酸化物吸収層５４が設けられる。

この炭素酸化物吸収層５４は、燃料流出防止膜４４と同様に、一定の加熱流動性を有し、炭素酸化物（ＣＯ又はＣＯ₂）を吸収する炭素酸化物吸収材により構成される。特に、炭素析出抑制触媒層５２は、酸化物で構成される担体に触媒粒子が担持されることで構成される。より詳細には、炭素析出抑制触媒層５２を構成する炭素酸化物吸収材としては、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、若しくはマグネシウム（Ｍｇ）等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属が挙げられる。

なお、製造上の観点などから、炭素酸化物吸収層５４は燃料流出防止膜４４と同一の材料により構成されることが好ましい。

上述した炭素酸化物吸収層５４及び炭素析出抑制触媒層５２は、例えばスクリーン印刷などの塗工方法により、この順でセパレータ３０の第１表面３０ａに施される。すなわち、セパレータ３０の第１表面３０ａにおいて炭素酸化物吸収層５４及び炭素析出抑制触媒層５２からなる複合層が形成されることとなる。この構成による技術的意義について以下に説明する。

既に説明したように、セパレータ３０はＦｅ又はＣｒなどの導電性金属材料（特に遷移金属材料）で構成されているため、金属支持層２２と同様に炭素に対する反応性が高い。そのため、第１改質触媒層４０における改質反応により発生する炭素がセパレータ３０の第１表面３０ａに接触することで、当該第１表面３０ａにおいて炭素析出が発生することが想定される。

これに対して、本実施形態では、セパレータ３０の第１表面３０ａに炭素析出抑制触媒層５２が設けられることで、セパレータ３０における炭素析出を抑制することができる。さらに、セパレータ３０の第１表面３０ａの略全域に炭素酸化物吸収層５４が設けられることで、改質反応で生じる炭素酸化物が炭素酸化物吸収層５４によって吸収されるので、炭素析出抑制触媒層５２の劣化が抑制される。

特に、本実施形態では、第１表面３０ａの略全域に亘って炭素析出抑制触媒層５２が設けられているため、セパレータ３０の屈曲形状によって第１改質触媒層４０に向かう方向に誘導される炭素酸化物を当該炭素析出抑制触媒層５２で好適に遮断することができる。このため、炭素酸化物と第１改質触媒層４０の接触をより確実に防止することができる。

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。

本実施形態の燃料電池スタック１０において、セパレータ３０には、金属支持層２２と対向する第１表面３０ａの略全域に亘って第２改質触媒層４２に比べて改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い炭素析出抑制触媒層５２が設けられる。

これにより、第１改質触媒層４０で生じる炭素が当該炭素に対して反応性の低い炭素析出抑制触媒層５２で遮断されることとなるので、セパレータ３０の第１表面３０ａにおける炭素析出をより確実に抑制することができる。

さらに、本実施形態では、セパレータ３０には、該セパレータ３０の第１表面３０ａと炭素析出抑制触媒層５２の間に、炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収層５４が設けられる。

これにより、第１改質触媒層４０で生じる炭素酸化物が炭素酸化物吸収層５４で吸収されるので、炭素酸化物と炭素析出抑制触媒層５２の反応に起因する炭素析出抑制触媒層５２の劣化を好適に抑制することができる。

以下では、上記第１実施形態又は第２実施形態において適用可能な各変形例１〜３について説明する。なお、変形例１〜３を説明するための各図８〜図１０においては、第１実施形態で説明した構成（図３等に示す構成）を前提とする燃料電池スタック１０を示している。しかしながら、これは、各変形例１〜３の構成が第１実施形態の燃料電池スタック１０の構成を前提とすることに限定される趣旨ではない。すなわち、第２実施形態で説明した構成を基本構成として、変形例１〜３のそれぞれの構成の少なくとも一つを採用してなる燃料電池スタック１０も、本願明細書等に開示される範囲に含まれる。

（変形例１）
図８は、変形例１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、変形例１の燃料電池スタック１０では、電極幅方向Ｘに沿って並ぶ複数（図８では３つ）の燃料ガス流路３２−１，３２−２，３２−３の内、幅方向外側の燃料ガス流路３２−１，３２−３の部分にそれぞれ設けられる第１改質触媒層４０−１、４０−３が、幅方向内側の燃料ガス流路３２−２の部分に設けられる第１改質触媒層４０−２よりも積層方向Ｚにおいて厚く形成される。より具体的には、第１改質触媒層４０−１、４０−３における触媒粒子４０ｂ−１、４０ｂ−３の触媒担体４０ａ−１、４０ａ−３に対する担持量が、触媒粒子４０ｂ−２の触媒担体４０ａ−２に対する担持量に比べて多くなるように構成されている。この構成をとることによる技術的意義について説明する。

直接内部改質型の燃料電池スタック１０においては、発電時における電気化学反応（発熱反応）がより活発に生じる幅方向内側が相対的に高温となり、そうでない幅方向外側は相対的に低温になる。すなわち、セルユニット２０の発電領域を構成する面内において幅方向内側と幅方向外側の温度差に起因する温度分布が生じる。この温度分布の発生により、セルユニット２０の面内において燃料ガスの粘性にバラツキが生じる。したがって、気体の粘度における温度依存特性に基づくと、高温の幅方向内側における燃料ガスの粘度は低温の幅方向外側におけるそれと比べて高くなる。このため、高温の幅方向内側の燃料ガス流路３２−２における燃料ガス流量が相対的に小さくなり、低温の幅方向外側の燃料ガス流路３２−１，３２−３における燃料ガス流量が相対的に大きくなる。その結果、セルユニット２０の幅方向外側において、炭素析出が起こりやすくなる。これに対して、図８に示す変形例１の構成であれば、幅方向外側に配置される第１改質触媒層４０−１、４０−３が幅方向内側に配置される第１改質触媒層４０−２よりも厚く構成されている。すなわち、第１改質触媒層４０−１、４０−３の炭素析出抑制効果が第１改質触媒層４０−２よりも向上するので、燃料ガス流量がより大きい幅方向外側における炭素析出をより確実に抑制することができる。

（変形例２）
変形例２では、図６において説明した燃料電池スタック１０の製造方法の一工程に関する他の態様が提供される。具体的に、変形例２の製造方法では、セパレータ３０を金属支持層２２に溶接する工程（図６（ｄ）参照）を、燃料ガス流路３２における上流領域Ａ_uにおける溶接の入熱量が下流領域Ａ_dにおける入熱量よりも大きくなるように実行する。このように工程を実行することによる技術的意義について説明する。

発電による生成水が不足し易い燃料ガス流路３２の上流領域Ａ_uでは、下流領域Ａ_dに比べて炭素析出がより生じ易い。一方で、燃料ガス流路３２の下流領域Ａ_dは、発電による生成水が比較的豊富に存在するため、当該生成水によって炭素析出の要因となる反応の発生が阻害される。したがって、炭素析出がより生じ易い上流領域Ａ_uでは、そうでない下流領域Ａ_dよりも燃料ガスと金属支持層２２の接触をより確実に回避する構成を採用することが望まれる。

このような要求に対して、変形例２では、セパレータ３０を金属支持層２２に溶接する工程において、燃料ガス流路３２における上流領域Ａ_uにおける溶接の入熱量が下流領域Ａ_dにおける入熱量よりも大きくする。これにより、図９に示す構成の燃料電池スタック１０が得られる。

図９に示す燃料電池スタック１０では、上流領域Ａ_uにおける溶接ビード４６ｕが下流領域Ａ_dにおける溶接ビード４６ｄよりも太く構成されている。これにより、上流領域Ａ_uにおいては、太い溶接ビード４６ｕによって燃料ガスの金属支持層２２へのパスをより確実に遮断することができる。一方で、上流領域Ａ_uに比べて燃料ガスの遮断要求が低い下流領域Ａ_dにおいては溶接ビード４６ｄが相対的に細く構成されるため、溶接ビード４６ｄによる燃料ガス流路３２における設計に対する精度も維持することができる。

（変形例３）
図１０は、変形例３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、変形例３では、セパレータ３０のばね性をより向上させる観点から、図３等に示すセパレータ３０の形状と異なる形状のセパレータ３０が採用されている。これにより、セパレータ３０と金属支持層２２の接合強度をより向上させることができる。なお、図１０に示す形状以外であっても、セパレータ３０の本来の機能を確保できる範囲において、ばね性を向上させることのできる任意の形状を採用することもできる。

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。

また、上記各実施形態及び各変形例は、相互に矛盾しない範囲で任意に組み合わせることが可能である。

１０ 燃料電池スタック
２０ セルユニット
２２ 金属支持層
２４ アノード電極層
２６ 電解質層
２８ カソード電極層
３０ セパレータ
３０ａ 第１表面
３０ｂ 第２表面
３０ｃ 突起部
３２ 燃料ガス流路
３４ 酸化剤ガス流路
４０ 第１改質触媒層
４１ 両端部
４２ 第２改質触媒層
４４ 燃料流出防止膜
５２ 炭素析出抑制触媒層
５４ 炭素酸化物吸収層

Claims (6)

1. 電極層及び電解質層が金属支持層の一方の面に支持されるとともに他方の面にセパレータが取り付けられる内部改質型の燃料電池セルを含み、前記金属支持層の他方の面と前記セパレータの表面との間の空間に燃料流路が形成される燃料電池セル構造であって、
   前記燃料流路の上流領域において前記金属支持層の他方の面に設けられた第１改質触媒層と、
   前記燃料流路の下流領域において前記金属支持層の他方の面に設けられた第２改質触媒層と、
   前記燃料流路のガス流れ方向における前記第１改質触媒層の端部に設けられるとともに、該第１改質触媒層をバイパスして前記金属支持層に燃料が流出することを抑制する燃料流出防止膜と、
   を備え、
   前記第１改質触媒層は、前記第２改質触媒層に比べて改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い材料により構成され、
   前記燃料流出防止膜は、前記第１改質触媒層における前記改質反応により生成される炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収材を含む、
   燃料電池セル構造。
2. 請求項１に記載の燃料電池セル構造であって、
   前記第１改質触媒層は、酸化物で構成される担体に触媒粒子が担持されることで構成される、
   燃料電池セル構造。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池セル構造であって、
   前記第１改質触媒層の端部は、前記燃料流出防止膜に対して積層方向において重なるように構成される、
   燃料電池セル構造。
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、
   前記セパレータには、該セパレータの表面の略全域に亘って前記第２改質触媒層に比べて改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い炭素析出抑制触媒層が設けられる、
   燃料電池セル構造。
5. 請求項４に記載の燃料電池セル構造であって、
   前記セパレータには、該セパレータの表面と前記炭素析出抑制触媒層の間に、炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収層が設けられる、
   燃料電池セル構造。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池セル構造を製造する製造方法であって、
   前記燃料電池セルにおける前記金属支持層の他方の面に前記燃料流出防止膜を施す工程と、
   前記金属支持層の他方の面に前記第１改質触媒層を施す工程と、
   前記セパレータを前記金属支持層の表面に配置する工程と、
   前記セパレータと前記金属支持層の表面をレーザー溶接する工程と、を含む、
   燃料電池セル構造の製造方法。

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