JP5881594B2

JP5881594B2 - 燃料電池スタック及びその製造方法

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Publication number: JP5881594B2
Application number: JP2012279222A
Authority: JP
Inventors: 幸彦清弘; 水野　淳; 水野　　淳
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: JP2014123498A

Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有する燃料電池スタック及びその製造方法に関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池スタックでは、効率的に出力電圧を得るために、燃料電池同士を所望の加圧状態で積層させる必要がある。さらに、反応ガス、例えば、燃料ガス及び空気の漏れを可及的に阻止するために、積層方向に加圧して反応ガスマニホールドを確実にシールする必要がある。

このため、例えば、特許文献１に開示されている固体酸化物型燃料電池セル板が知られている。この固体酸化物型燃料電池セル板は、図１１に示すように、固体酸化物型燃料電池セル１ａと、前記固体酸化物型燃料電池セル１ａを支持するとともに、燃料ガスと空気とを分離するセル支持体２ａと、前記固体酸化物型燃料電池セル１ａと前記セル支持体２ａとを接着するための接合部３ａとを備えている。

セル支持体２ａは、金属製リング４ａと、前記金属製リング４ａの表面をガラスにより被覆した保護被膜層５ａとを備えている。接合部３ａは、電解質層６ａに接着された第１のガラス層７ａと保護被膜層５ａと前記第１のガラス層７ａとの間に配置されてこれらを接着する第２のガラス層８ａとを備えている。

そして、第２のガラス層８ａの軟化点は、保護被膜層５ａ及び第１のガラス層７ａの軟化点よりも低く設定されている。

また、特許文献２に開示されている固体電解質形燃料電池スタックは、燃料ガスに接する燃料極と空気に接する空気極とを有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを複数積層して構成されている。

固体電解質形燃料電池スタックの積層方向両側には、外縁保持部材が設けられ、前記外縁保持部材は、ボルト及びナットにより締め付けられて、固体電解質形燃料電池スタックを両側から押圧している。外縁保持部材は、固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端面の外周縁部のみを押圧する枠体で構成されている。

さらにまた、特許文献３に開示されている固体電解質型燃料電池は、図１２に示すように、発電用セル１ｂを集電板２ｂ、３ｂにより挟持して構成されている。発電用セル１ｂは、セラミック薄膜４ｂの両面に負極５ｂ及び正極６ｂを有している。集電板２ｂの外端部の凹部７ｂと、集電板３ｂの外端部の凸部８ｂとの間に、ガラス質の第１のシール部材９ｂ１が挟持されている。集電板３ｂの凸部８ｂの内方には、セラミック薄膜４ｂの外端部との間に位置して、ガラス質の第２のシール部材９ｂ２が配設されている。

特開２００７−１１５４８１号公報特開２００７−３１７４９０号公報特開平８−７９０２号公報

上記の特許文献１では、固体酸化物型燃料電池セル１ａと金属製のセル支持体２ａとのガスシール性を保つものであり、燃料ガスや空気のマニホールド部との高さ調整機能は、個別の調整装置（図示せず）により行わなければならない。このため、構成が複雑化するとともに、マニホールド部と集電部との積層高さを個別に調整しなければならず、作業性が低下するという問題がある。

また、上記の特許文献２では、マニホールド部は、パッキンとボルトで締め付けシールする一方、固体電解質体の外周は、前記マニホールド部の変位を吸収するための金属箔が設けられている。従って、高さ調整は、金属箔で行う一方、絶縁は、別の構成により行っている。これにより、構成が複雑化して経済的ではないという問題がある。

また、上記の特許文献３では、第１のシール部材９ｂ１により圧力Ｐが吸収され、発電用セル１ｂの破損を防止している。このため、第１のシール部材９ｂ１で圧力を吸収することにより、第２のシール部材９ｂ２が不安定になるという問題がある。しかも、集電部の荷重が小さくなり、性能低下やばらつきが発生するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、マニホールド部のシール性及び集電部の電気伝導性を向上させることが可能な燃料電池スタック及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有する燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックでは、電解質・電極接合体は、カソード電極の平面寸法が電解質の平面寸法よりも小さく設定されることにより、該電解質の外周縁部が該カソード電極の外周部外方に露呈する電解質表出部を有している。

セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及びカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる挟持部と、少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成されるマニホールド部とを備えている。

一方、セパレータ間には、電解質表出部に跨って電解質・電極接合体の外方に位置し且つ少なくとも燃料ガス供給連通孔又は酸化剤ガス供給連通孔が形成されるフレーム部材が介装されている。

そして、フレーム部材とセパレータの酸化剤ガス通路側の面との間には、第１シール部材が配置され、前記フレーム部材と前記セパレータの燃料ガス通路側の面との間には、第２シール部材が配置され、前記フレーム部材と電解質表出部との間には、第３シール部材が配置されている。

そして、第１シール部材、第２シール部材及び第３シール部材は、ガラス系シール部材であり、前記第１シール部材のガラス成分含有割合は、前記第２シール部材のガラス成分含有割合よりも高く、且つ、前記第１シール部材のガラス成分含有割合は、前記第３シール部材のガラス成分含有割合よりも高く設定される。

このため、第１シール部材の軟化点は、第２シール部材の軟化点よりも低く、且つ、前記第１シール部材の軟化点は、第３シール部材の軟化点よりも低く設定されることになる。従って、軟化点の高い、すなわち、強度の高い第２シール部材及び第３シール部材は、アノード側のシール性を高めることができる一方、軟化点の低い、すなわち、柔軟性を有する第１シール部材は、カソード側の接触性を高めることが可能になる。これにより、マニホールド部のシール性と電解質・電極接合体の電気伝導性とを向上させることが可能になる。

さらに、この燃料電池スタックでは、第１シール部材、第２シール部材及び第３シール部材は、ガラス系シール部材であり、前記第１シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第２シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く、且つ、前記第１シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第３シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く設定される。

さらにまた、この燃料電池スタックでは、第２シール部材と第３シール部材とは、同一材料で構成されることが好ましい。このため、第２シール部材及び第３シール部材の製造コストが良好に削減されるとともに、取り扱い作業性が有効に向上する。

また、この燃料電池スタックでは、第１シール部材の軟化点は、固体酸化物形燃料電池の運転温度よりも低温であり、且つ第２シール部材及び第３シール部材の軟化点は、前記運転温度よりも高温であることが好ましい。従って、燃料電池スタックの運転中に、第１シール部材が確実に軟化して所望の柔軟性を有することができ、カソード側の接触性を高めることが可能になるので、良好な発電性能が遂行可能になる。

さらに、この燃料電池スタックでは、第２シール部材は、フレーム部材の少なくとも燃料ガス供給連通孔又は酸化剤ガス供給連通孔を囲繞し、且つ、前記フレーム部材の第３シール部材に対応する部位よりも外縁に配置されることが好ましい。これにより、電解質・電極接合体のアノード側から燃料ガスが漏れることを確実に抑制することができる。

さらにまた、この燃料電池スタックでは、フレーム部材は、第２シール部材が配置される部位の厚さが、第３シール部材が配置される部位の厚さよりも大きく設定されることが好ましい。このため、積層時の厚さが抑制され、燃料電池スタックの積層方向の小型化が容易に遂行される。

また、本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有するとともに、前記電解質・電極接合体は、前記カソード電極の平面寸法が前記電解質の平面寸法よりも小さく設定されることにより、該電解質の外周縁部が該カソード電極の外周部外方に露呈する電解質表出部を有し、前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる挟持部と、少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成されるマニホールド部と、を備える燃料電池スタックの製造方法に関するものである。

この製造方法は、電解質・電極接合体の前駆体を焼成して焼成体を得る第１工程と、セパレータの燃料ガス通路側の面に、該燃料ガス通路に対応して前記焼成体、前記焼成体を囲繞し且つ少なくとも燃料ガス供給連通孔又は酸化剤ガス供給連通孔に対応して第２シール部材、電解質表出部に対応して第３シール部材、及び、前記電解質表出部に跨って前記電解質・電極接合体の外方に位置し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔が形成されるフレーム部材が、それぞれ配置され、これらを一体に焼成して結合部材を得る第２工程と、前記結合部材同士を積層するとともに、カソード電極に対応して集電体を配置し、且つ、一方の前記結合部材を構成する前記フレーム部材と、一方の前記結合部材に隣接する他方の前記結合部材を構成する前記セパレータの前記酸化剤ガス通路側の面との間に、第１シール部材を介装し、これらを焼成する第３工程とを有している。

そして、第１シール部材、第２シール部材及び第３シール部材は、ガラス系シール部材であり、前記第１シール部材のガラス成分含有割合は、前記第２シール部材のガラス成分含有割合よりも高く、且つ、前記第１シール部材のガラス成分含有割合は、前記第３シール部材のガラス成分含有割合よりも高く設定されている。一方、第１シール部材、第２シール部材及び第３シール部材は、ガラス系シール部材であり、前記第１シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第２シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く、且つ、前記第１シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第３シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く設定されている。

本発明によれば、第１シール部材の軟化点は、第２シール部材の軟化点よりも低く、且つ、前記第１シール部材の軟化点は、第３シール部材の軟化点よりも低く設定されている。このため、柔軟性を有する第１シール部材と強度の高い第２シール部材及び第３シール部材とを用いることにより、燃料電池スタックの各部位に最適な荷重を付与することができる。従って、マニホールド部のシール性と電解質・電極接合体の電気伝導性とを向上させることが可能になる。これにより、特に電気抵抗の高いカソード電極と集電体又はセパレータとの接触性が向上し、電気伝導性が良好に向上する。

また、本発明によれば、第２工程では、軟化点の高い第２シール部材及び第３シール部材によりアノード側のシール性を向上させることができる。さらに、第３工程では、軟化点の低い第１シール部材によりカソード側の接触性を向上させることが可能になる。このため、マニホールド部のシール性と電解質・電極接合体の電気伝導性とを良好に向上させることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。前記燃料電池スタックを構成する固体酸化物形燃料電池の分解斜視説明図である。前記固体酸化物形燃料電池の、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。前記固体酸化物形燃料電池の、図３中、Ｖ−Ｖ線断面図である。シール部材の種類の説明図である。前記シール部材の軟化点温度及び主成分の説明図である。本発明に係る製造方法を説明する斜視図である。前記製造方法により焼成された結合部材の斜視説明図である。前記製造方法を説明する斜視図である。特許文献１の固体酸化物型燃料電池セル板の説明図である。特許文献３の固体電解質型燃料電池の断面説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の固体酸化物形燃料電池１２を矢印Ｃ方向（鉛直方向）に積層して構成される。この燃料電池スタック１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。固体酸化物形燃料電池１２は、燃料ガス（水素含有ガス、例えば、水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する。

固体酸化物形燃料電池１２は、図３〜図５に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）１４の両面に、カソード電極１６及びアノード電極１８が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２０を備える。カソード電極１６は、アノード電極１８及び電解質１４よりも小さな平面寸法に設定され、前記電解質１４の外周縁部には、前記カソード電極１６の外周部外方に露呈する電解質表出部１４ａが形成される。

カソード電極１６には、集電体１９が積層される。集電体１９は、カソード電極１６と略同一の寸法に設定されるとともに、比較的肉厚に形成され、例えば、ニッケル等の金属からなる発泡金属や金属メッシュ等により構成される。

電解質・電極接合体２０は、矩形状（長方形状又は正方形状）に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

固体酸化物形燃料電池１２は、長方形状（又は正方形状）を有する一対のセパレータ（インターコネクタ）２２間に、金属製フレーム部材２３と第１シール部材２４ａ、第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃとを介装した状態で、単一の電解質・電極接合体２０を挟んで構成される。

固体酸化物形燃料電池１２は、図３に示すように、長方形状（又は正方形状）を有しており、長辺方向（矢印Ａ方向）一端側には、複数、例えば、３つの酸化剤ガス供給連通孔２６ａが短辺方向（矢印Ｂ方向）に配列して形成される。固体酸化物形燃料電池１２の長辺方向他端側には、矢印Ｂ方向に配列して、例えば、３つの酸化剤ガス排出連通孔２６ｂが形成される。

固体酸化物形燃料電池１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）一端側には、例えば、１つの燃料ガス供給連通孔２８ａが形成される。固体酸化物形燃料電池１２の短辺方向他端側には、例えば、１つの燃料ガス排出連通孔２８ｂが形成される。

セパレータ２２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される。セパレータ２２において、電解質・電極接合体２０のカソード電極１６に対向する面２２ａに、前記カソード電極１６の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路３０が形成される。酸化剤ガス通路３０は、矢印Ａ方向に延在する複数本の流路溝により構成されるとともに、両端が酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂの近傍で終端する。

セパレータ２２において、電解質・電極接合体２０を構成するアノード電極１８に対向する面２２ｂには、前記アノード電極１８の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路３２が形成される。燃料ガス通路３２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝により構成されるとともに、両端が、燃料ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂの近傍で終端する。

セパレータ２２は、酸化剤ガス通路３０及び燃料ガス通路３２が個別に表裏である両方の面２２ａ、２２ｂに設けられ、電解質・電極接合体２０を挟持する挟持部３４と、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂが積層方向に形成される酸化剤ガスマニホールド部３６、及び燃料ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂが積層方向に形成される燃料ガスマニホールド部３８とを備える。

図３〜図５に示すように、フレーム部材２３は、セパレータ２２の外形寸法と同一の寸法に設定され、内部に開口部２３ａが形成される。開口部２３ａは、カソード電極１６の外形寸法よりも大きく且つ電解質１４の外形寸法よりも小さい寸法に設定される（図４参照）。フレーム部材２３は、開口部２３ａの周壁部に電解質１４の外形寸法に対応して厚さ方向に切り欠いた薄肉部２３ｂが設けられる。図４に示すように、薄肉部２３ｂの厚さｔ１は、フレーム部材２３の他の部位の厚さｔ２よりも小さく設定される。

図３及び図５に示すように、フレーム部材２３の酸化剤ガス通路３０に対向する面側には、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと開口部２３ａとを連通する溝部４０ａが形成されるとともに、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと前記開口部２３ａとを連通する溝部４０ｂが形成される。

第１シール部材２４ａは、略額縁形状を有し、各酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス通路３０とを連通するための入口連結路４２ａと、各酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと前記酸化剤ガス通路３０とを連通する出口連結路４２ｂとを有する。

第１シール部材２４ａは、フレーム部材２３と同一の外形寸法及び同一の開口寸法に設定される。第２シール部材２４ｂは、額縁状を有し、フレーム部材２３と、すなわち、セパレータ２２と同一の外形寸法に設定される。

第２シール部材２４ｂには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス通路３２とを連通するための入口連結路４４ａと、燃料ガス排出連通孔２８ｂと前記燃料ガス通路３２とを連通する出口連結路４４ｂとが形成される。第２シール部材２４ｂの開口寸法は、電解質１４の外形寸法と同一寸法に設定される。

第３シール部材２４ｃは、額縁状を有し、電解質１４の外形寸法と同一の外形寸法を有するとともに、開口寸法は、カソード電極１６の外形寸法よりも大きく設定される。

図４及び図５に示すように、第１シール部材２４ａは、フレーム部材２３とセパレータ２２の面２２ａ（酸化剤ガス通路３０側の面）との間に配置され、第２シール部材２４ｂは、前記フレーム部材２３と前記セパレータ２２の面２２ｂ（燃料ガス通路３２側の面）との間に配置される。第３シール部材２４ｃは、フレーム部材２３と電解質１４の電解質表出部１４ａとの間に、すなわち、薄肉部２３ｂと前記電解質表出部１４ａとの間に配置される。

第１シール部材２４ａの軟化点は、第２シール部材２４ｂの軟化点よりも低く、且つ前記第１シール部材２４ａの軟化点は、第３シール部材２４ｃの軟化点よりも低く設定される。本実施形態では、第１シール部材２４ａ、第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃは、ガラス系シール部材で構成される。

図６に示すように、第１シール部材２４ａには、シール種β（実施例１）又はシール種γ（実施例２）が使用される一方、第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃには、同一のシール種αが使用される。シール種α、β及びγの軟化点温度及び主成分は、図７に示される。ガラス成分は、例えば、ＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）を主成分とするとともに、非ガラス成分としてセラミックス成分、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）が含まれる。

第１シール部材２４ａのガラス成分含有割合（モル％又は重量％）は、第２シール部材２４ｂのガラス成分含有割合よりも高く、且つ前記第１シール部材２４ａのガラス成分含有割合は、第３シール部材２４ｃのガラス成分含有割合よりも高く設定される。また、第１シール部材２４ａの非ガラス成分含有割合（モル％又は重量％）は、第２シール部材２４ｂの非ガラス成分含有割合よりも低く、且つ前記第１シール部材２４ａの非ガラス成分含有割合は、第３シール部材２４ｃの非ガラス成分含有割合よりも低く設定される。

固体酸化物形燃料電池１２の運転温度は、７００℃〜７５０℃前後であり、第１シール部材２４ａの軟化点は、前記運転温度よりも低温に設定され、且つ第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃの軟化点は、前記運転温度よりも高温に設定される。

図１及び図２に示すように、複数の固体酸化物形燃料電池１２は、矢印Ｃ方向に積層されることにより、積層体４６が構成される。積層体４６は、電極シート４９ａ及び絶縁プレート４８ａを介装して下部エンドプレート（基台部）５０上に載置される。

下部エンドプレート５０は、矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向の寸法が、積層体４６の各寸法よりも大きな寸法に設定されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、燃料ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂが形成される（図２参照）。

下部エンドプレート５０には、周辺部に沿って複数のねじ孔５２が形成される。ねじ孔５２は、例えば、下部エンドプレート５０の四隅近傍及び各辺の略中央部に形成される。なお、下部エンドプレート５０には、図示しないが、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給及び排出を行うためのマニホールドが装着される。

積層体４６の積層方向上端（他端）には、電極シート４９ｂ及び絶縁プレート４８ｂを介装して上部エンドプレート５４が配置される。上部エンドプレート５４の矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向の寸法は、積層体４６の各寸法と同寸法に設定されるとともに、前記上部エンドプレート５４は、長方形状（又は正方形状）の平板で構成される。

上部エンドプレート５４上には、荷重プレート（架台部）５６が積層される。荷重プレート５６の周縁部に孔部５８が形成され、前記孔部５８にボルト６０が挿入されるとともに、前記ボルト６０は、下部エンドプレート５０のねじ孔５２にねじ込まれる。

次に、燃料電池スタック１０を製造する方法について、以下に説明する。

先ず、電解質１４の両面にカソード電極１６及びアノード電極１８が設けられた電解質・電極接合体２０の前駆体が用意される。この前駆体が焼成されることにより、焼成体が得られる（第１工程）。

そこで、図８に示すように、セパレータ２２の面２２ｂ上には、焼成体である電解質・電極接合体２０、前記電解質・電極接合体２０を囲繞して第２シール部材２４ｂ、該電解質・電極接合体２０の電解質表出部１４ａに対応して第３シール部材２４ｃ、及び前記電解質表出部１４ａに跨って前記電解質・電極接合体２０の外方に位置してフレーム部材２３が、それぞれ配置される。これらは、一体に焼成されることにより、図９に示すように、結合部材７０が得られる（第２工程）。

第２工程における焼成処理では、焼成温度として、例えば、７７０℃〜９００℃に設定され、１℃／ｍｉｎ〜５℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温するとともに、１２０ｍｉｎ〜２５０ｍｉｎだけ維持される。さらに、焼成荷重としては、１００Ｎ〜５００Ｎが付与される。

さらに、図１０に示すように、結合部材７０同士が積層されるとともに、カソード電極１６に対応して集電体１９を配置し、且つ一方の前記結合部材７０を構成するフレーム部材２３と、隣接する他方の結合部材７０を構成するセパレータ２２の面２２ａとの間に、第１シール部材２４ａが介装される。これらは、焼成処理により一体化される（第３工程）。

この焼成処理では、焼成温度が６５０℃〜８５０℃に設定され、１℃／ｍｉｎ〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温させた後、３０ｍｉｎ〜２５０ｍｉｎだけ維持される。また、焼成荷重は、１００Ｎ〜５００Ｎの後、１００Ｎ〜１０００Ｎが付与される。その際、焼成温度は、第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃの軟化点（７７０℃）を超過する領域が存在しているが、ガラス成分は、軟化点を通過しても、即座に固体から液体に変化するものではない。

さらに、第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃは、結合部材７０を得るための焼成段階でバインダが揮発している。従って、第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃは、２回目の焼成処理では潰れがほとんどなく、第１シール部材２４ａのバインダの揮発及び低軟化点による潰れが主となり、問題となることはない。これにより、燃料電池スタック１０が一体化される。

このように製造された燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

図２に示すように、燃料電池スタック１０を構成する下部エンドプレート５０には、図示しないマニホールドを介して燃料ガス（例えば、水素ガス）と酸化剤ガスである、例えば、空気とが供給される。空気は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに沿って鉛直上方向に移動する。

各固体酸化物形燃料電池１２では、図３及び図５に示すように、第１シール部材２４ａの酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する入口連結路４２ａを通って、セパレータ２２の酸化剤ガス通路３０に供給される。空気は、酸化剤ガス通路３０を矢印Ａ方向に移動しながら、電解質・電極接合体２０のカソード電極１６に供給された後、第１シール部材２４ａの出口連結路４２ｂから酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに排出される。

一方、燃料ガスは、図３及び図４に示すように、燃料ガス供給連通孔２８ａに沿って鉛直上方向に移動し、第２シール部材２４ｂの入口連結路４４ａを通って、各固体酸化物形燃料電池１２を構成するセパレータ２２の燃料ガス通路３２に供給される。燃料ガスは、燃料ガス通路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質・電極接合体２０のアノード電極１８に供給された後、第２シール部材２４ｂの出口連結路４４ｂから燃料ガス排出連通孔２８ｂに排出される。

従って、電解質・電極接合体２０では、アノード電極１８に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極１６に空気が供給される。これにより、酸化物イオンが、電解質１４を通ってアノード電極１８に移動し、化学反応により発電が行われる。

この場合、本実施形態では、図４及び図５に示すように、フレーム部材２３とセパレータ２２の面２２ａとの間には、第１シール部材２４ａが配置され、前記フレーム部材２３と前記セパレータ２２の面２２ｂとの間には、第２シール部材２４ｂが配置され、前記フレーム部材２３と電解質表出部１４ａとの間には、第３シール部材２４ｃが配置されている。

そして、第１シール部材２４ａの軟化点は、第２シール部材２４ｂの軟化点よりも低く、且つ、前記第１シール部材２４ａの軟化点は、第３シール部材２４ｃの軟化点よりも低く設定されている。このため、柔軟性を有する第１シール部材２４ａと強度の高い第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃとを用いることにより、燃料電池スタック１０の各部位に最適な荷重を付与することができる。

従って、酸化剤ガスマニホールド部３６及び燃料ガスマニホールド部３８のシール性と、電解質・電極接合体２０の電気伝導性とを、向上させることが可能になる。これにより、特に電気抵抗の高いカソード電極１６と集電体１９（又はセパレータ２２）との接触性が向上し、電気伝導性が良好に向上するという効果が得られる。

また、本実施形態によれば、第２工程では、軟化点の高い第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃにより、アノード側のシール性を向上させることができる。さらに、第３工程では、軟化点の低い第１シール部材２４ａにより、カソード側の接触性を向上させることが可能になる。このため、酸化剤ガスマニホールド部３６及び燃料ガスマニホールド部３８のシール性と、電解質・電極接合体２０の電気伝導性とを、向上させることが可能になる。

さらにまた、第１シール部材２４ａ、第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃは、ガラス系シール部材である。そして、第１シール部材２４ａのガラス成分（ＳｉＯ₂）含有割合は、第２シール部材２４ｂのガラス成分含有割合よりも高く、且つ、前記第１シール部材２４ａのガラス成分含有割合は、第３シール部材２４ｃのガラス成分含有割合よりも高く設定されている。

従って、第１シール部材２４ａの軟化点は、第２シール部材２４ｂの軟化点よりも低く、且つ、前記第１シール部材２４ａの軟化点は、第３シール部材２４ｃの軟化点よりも低く設定されることになる。

これにより、軟化点の高い、すなわち、強度の高い第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃは、アノード側のシール性を高めることができる一方、軟化点の低い、すなわち、柔軟性を有する第１シール部材２４ａは、カソード側の接触性を高めることが可能になる。このため、酸化剤ガスマニホールド部３６及び燃料ガスマニホールド部３８のシール性と、電解質・電極接合体２０の電気伝導性とを、向上させることが可能になる。

また、第１シール部材２４ａ、第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃは、ガラス系シール部材である。そして、第１シール部材２４ａの非ガラス成分（Ａｌ₂Ｏ₃）含有割合は、第２シール部材２４ｂの非ガラス成分含有割合よりも低く、且つ、前記第１シール部材２４ａの非ガラス成分含有割合は、第３シール部材２４ｃの非ガラス成分含有割合よりも低く設定されている。

さらに、第２シール部材２４ｂと第３シール部材２４ｃとは、同一材料で構成されている。従って、第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃの製造コストが良好に削減されるとともに、取り扱い作業性が有効に向上する。

さらにまた、第１シール部材２４ａの軟化点は、固体酸化物形燃料電池１２の運転温度よりも低温であり、且つ第２シール部材２４ｂ及び第３シール部材２４ｃの軟化点は、前記運転温度よりも高温である。これにより、燃料電池スタック１０の運転中に、第１シール部材２４ａが確実に軟化して所望の柔軟性を有することができ、カソード側の接触性を高めることが可能になるので、良好な発電性能が遂行可能になる。

また、第２シール部材２４ｂは、フレーム部材２３の少なくとも燃料ガス供給連通孔２８ａ又は酸化剤ガス供給連通孔２６ａを囲繞し、且つ、前記フレーム部材２３の第３シール部材２４ｃに対応する部位よりも外縁に配置されている。このため、電解質・電極接合体２０のアノード側から燃料ガスが漏れることを確実に抑制することができる。

さらに、フレーム部材２３は、第２シール部材２４ｂが配置される部位（薄肉部２３ｂ）の厚さが、第３シール部材２４ｃが配置される部位の厚さよりも大きく設定されている。従って、積層時の厚さが抑制され、燃料電池スタック１０の積層方向の小型化が容易に遂行される。

１０…燃料電池スタック１２…固体酸化物形燃料電池
１４…電解質１６…カソード電極
１８…アノード電極１９…集電体
２０…電解質・電極接合体２２…セパレータ
２４ａ〜２４ｃ…シール部材２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔２８ａ…燃料ガス供給連通孔
２８ｂ…燃料ガス排出連通孔３０…酸化剤ガス通路
３２…燃料ガス通路３４…挟持部
３６…酸化剤ガスマニホールド部３８…燃料ガスマニホールド部
４６…積層体７０…結合部材

Claims

電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有する燃料電池スタックであって、
前記電解質・電極接合体は、前記カソード電極の平面寸法が前記電解質の平面寸法よりも小さく設定されることにより、該電解質の外周縁部が該カソード電極の外周部外方に露呈する電解質表出部を有し、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる挟持部と、
少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成されるマニホールド部と、
を備える一方、
前記セパレータ間には、前記電解質表出部に跨って前記電解質・電極接合体の外方に位置し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔が形成されるフレーム部材が介装され、
前記フレーム部材と前記セパレータの前記酸化剤ガス通路側の面との間には、第１シール部材が配置され、前記フレーム部材と前記セパレータの前記燃料ガス通路側の面との間には、第２シール部材が配置され、前記フレーム部材と前記電解質表出部との間には、第３シール部材が配置されるとともに、
前記第１シール部材、前記第２シール部材及び前記第３シール部材は、ガラス系シール部材であり、
前記第１シール部材のガラス成分含有割合は、前記第２シール部材のガラス成分含有割合よりも高く、且つ、前記第１シール部材のガラス成分含有割合は、前記第３シール部材のガラス成分含有割合よりも高く設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有する燃料電池スタックであって、
前記電解質・電極接合体は、前記カソード電極の平面寸法が前記電解質の平面寸法よりも小さく設定されることにより、該電解質の外周縁部が該カソード電極の外周部外方に露呈する電解質表出部を有し、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる挟持部と、
少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成されるマニホールド部と、
を備える一方、
前記セパレータ間には、前記電解質表出部に跨って前記電解質・電極接合体の外方に位置し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔が形成されるフレーム部材が介装され、
前記フレーム部材と前記セパレータの前記酸化剤ガス通路側の面との間には、第１シール部材が配置され、前記フレーム部材と前記セパレータの前記燃料ガス通路側の面との間には、第２シール部材が配置され、前記フレーム部材と前記電解質表出部との間には、第３シール部材が配置されるとともに、
前記第１シール部材、前記第２シール部材及び前記第３シール部材は、ガラス系シール部材であり、
前記第１シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第２シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く、且つ、前記第１シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第３シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２シール部材と前記第３シール部材とは、同一材料で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１シール部材の軟化点は、前記固体酸化物形燃料電池の運転温度よりも低温であり、且つ第２シール部材及び前記第３シール部材の軟化点は、前記運転温度よりも高温であることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２シール部材は、前記フレーム部材の少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔を囲繞し、且つ、前記フレーム部材の前記第３シール部材に対応する部位よりも外縁に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記フレーム部材は、前記第２シール部材が配置される部位の厚さが、前記第３シール部材が配置される部位の厚さよりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有するとともに、
前記電解質・電極接合体は、前記カソード電極の平面寸法が前記電解質の平面寸法よりも小さく設定されることにより、該電解質の外周縁部が該カソード電極の外周部外方に露呈する電解質表出部を有し、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる挟持部と、
少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成されるマニホールド部と、
を備える燃料電池スタックの製造方法であって、
前記電解質・電極接合体の前駆体を焼成して焼成体を得る第１工程と、
前記セパレータの前記燃料ガス通路側の面に、該燃料ガス通路に対応して前記焼成体、前記焼成体を囲繞し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔に対応して第２シール部材、前記電解質表出部に対応して第３シール部材、及び、前記電解質表出部に跨って前記電解質・電極接合体の外方に位置し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔が形成されるフレーム部材が、それぞれ配置され、これらを一体に焼成して結合部材を得る第２工程と、
前記結合部材同士を積層するとともに、前記カソード電極に対応して集電体を配置し、且つ、一方の前記結合部材を構成する前記フレーム部材と、一方の前記結合部材に隣接する他方の前記結合部材を構成する前記セパレータの前記酸化剤ガス通路側の面との間に、第１シール部材を介装し、これらを焼成する第３工程と、
を有し、
前記第１シール部材、前記第２シール部材及び前記第３シール部材は、ガラス系シール部材であり、
前記第１シール部材のガラス成分含有割合は、前記第２シール部材のガラス成分含有割合よりも高く、且つ、前記第１シール部材のガラス成分含有割合は、前記第３シール部材のガラス成分含有割合よりも高く設定されることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有するとともに、
前記電解質・電極接合体は、前記カソード電極の平面寸法が前記電解質の平面寸法よりも小さく設定されることにより、該電解質の外周縁部が該カソード電極の外周部外方に露呈する電解質表出部を有し、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる挟持部と、
少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成されるマニホールド部と、
を備える燃料電池スタックの製造方法であって、
前記電解質・電極接合体の前駆体を焼成して焼成体を得る第１工程と、
前記セパレータの前記燃料ガス通路側の面に、該燃料ガス通路に対応して前記焼成体、前記焼成体を囲繞し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔に対応して第２シール部材、前記電解質表出部に対応して第３シール部材、及び、前記電解質表出部に跨って前記電解質・電極接合体の外方に位置し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔が形成されるフレーム部材が、それぞれ配置され、これらを一体に焼成して結合部材を得る第２工程と、
前記結合部材同士を積層するとともに、前記カソード電極に対応して集電体を配置し、且つ、一方の前記結合部材を構成する前記フレーム部材と、一方の前記結合部材に隣接する他方の前記結合部材を構成する前記セパレータの前記酸化剤ガス通路側の面との間に、第１シール部材を介装し、これらを焼成する第３工程と、
を有し、
前記第１シール部材、前記第２シール部材及び前記第３シール部材は、ガラス系シール部材であり、
前記第１シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第２シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く、且つ、前記第１シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第３シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く設定されることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。