WO2018051954A1 - マイカ製部材、電気化学反応単位、および、電気化学反応セルスタック - Google Patents

マイカ製部材、電気化学反応単位、および、電気化学反応セルスタック Download PDF

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WO2018051954A1
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fuel
intensity peak
cell stack
power generation
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暁 石田
朋来 村田
良二 谷村
小野　達也
堀田　信行
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日本特殊陶業株式会社
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the technology disclosed in this specification relates to a mica member.
  • a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) is known as one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • the fuel cell power generation unit that constitutes the SOFC includes a fuel cell single cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction across the electrolyte layer, an air electrode side member, and a fuel electrode side member And comprising.
  • the air electrode side member constitutes an air chamber facing the air electrode
  • the fuel electrode side member constitutes a fuel chamber facing the fuel electrode.
  • the air electrode side member and the fuel electrode side member are formed of mica (see Patent Documents 1 and 2).
  • Some mica contains Si (silicon) binder.
  • Si contained in the fuel electrode side member may be scattered around due to a temperature rise due to power generation operation.
  • the scattered Si adheres to the surface of the oxygen ion conductive material constituting the fuel electrode, thereby reducing the three-phase interface as a reaction field and changing (decreasing) the power generation performance of the fuel cell power generation unit.
  • a technique is known in which mica is heated in advance at a temperature lower than 850 (° C.) to disperse Si contained in the binder and then used as a fuel electrode side member (see Patent Document 3).
  • the mica member disclosed in this specification is a mica member, and in X-ray crystal structure analysis (XRD), an intensity peak of KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 , A crystal structure including an intensity peak of Mg 2 SiO 4 is provided.
  • XRD X-ray crystal structure analysis
  • the inventor of the present invention has found that a member made of mica has an intensity peak of KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (soft mica) and Mg 2 SiO 4 (forsterite) in X-ray crystal structure analysis (XRD).
  • the ratio of the intensity peak of the Mg 2 SiO 4 (120) plane to the intensity peak of the KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (003) plane is 0.00. It is good also as a structure which is 001 or more. According to this mica member, the ratio of the intensity peak of the Mg 2 SiO 4 (120) plane to the intensity peak of the KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (003) plane is 0.001 or more. Therefore, the presence of Si in the form of Mg 2 SiO 4 can more reliably suppress the scattering of Si.
  • the ratio of the intensity peak of the Mg 2 SiO 4 (120) plane to the intensity peak of the KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (003) plane is 0.00. It is good also as a structure which is 15 or less. According to this mica member, the ratio of the intensity peak of the Mg 2 SiO 4 (120) plane to the intensity peak of the KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (003) plane is 0.15 or less. Therefore, it can be said that Si is sufficiently present as KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 , and it is possible to suppress degradation of the original characteristics of mica such as sealing properties.
  • the ratio of the intensity peak of the Mg 2 SiO 4 (120) plane to the intensity peak of the KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (003) plane is 0.00. It is good also as a structure which is 003 or more. According to this mica member, the ratio of the intensity peak of the Mg 2 SiO 4 (120) plane to the intensity peak of the KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (003) plane is 0.003 or more. Therefore, the presence of Si in the form of Mg 2 SiO 4 can more reliably suppress the scattering of Si.
  • the ratio of the intensity peak of the Mg 2 SiO 4 (120) plane to the intensity peak of the KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (003) plane is 0.00.
  • the configuration may be 029 or less.
  • the ratio of the intensity peak of the Mg 2 SiO 4 (120) plane to the intensity peak of the KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (003) plane is 0.029 or less. Therefore, it can be said that Si is sufficiently present as KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 , and it is possible to suppress degradation of the original characteristics of mica such as sealing properties.
  • the structural member may be formed by the mica member described in (1) to (5) above. According to this electrochemical reaction unit, it is possible to suppress the performance of the electrochemical reaction unit from being deteriorated due to the scattering of Si into the air chamber or the fuel chamber.
  • the electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction units arranged in the first direction, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction units is the above It is good also as a structure characterized by being the electrochemical reaction unit of (6).
  • the technology disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, mica-made members, structural members, electrochemical reaction single cells (fuel cell single cells or electrolytic cells), electrochemical It can be realized in the form of a reaction unit (fuel cell power generation unit), an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack) including a plurality of electrochemical reaction single cells, a manufacturing method thereof, and the like.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in an embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position of III-III in FIG. It is explanatory drawing which shows XZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing an X-ray diffraction pattern of Sample 2.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing an X-ray diffraction pattern of Sample 3.
  • FIG. 6 is explanatory drawing which shows the X-ray-diffraction pattern of the sample 4.
  • 6 is an explanatory diagram showing an X-ray diffraction pattern of Sample 5.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 in the present embodiment
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG.
  • XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction are shown.
  • the positive Z-axis direction is referred to as “upward”
  • the negative Z-axis direction is referred to as “downward”. It may be installed in different orientations.
  • the fuel cell stack corresponds to the electrochemical reaction cell stack in the claims.
  • the fuel cell stack 100 includes a plurality (seven in this embodiment) of power generation units 102 and a pair of end plates 104 and 106.
  • the seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in the present embodiment).
  • the pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an assembly composed of seven power generation units 102 from above and below.
  • the arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.
  • a plurality of (eight in the present embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z direction of each layer (power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100.
  • the holes formed in each layer and corresponding to each other communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106.
  • the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the communication holes 108 are also referred to as “communication holes 108”.
  • the bolts 22 extending in the vertical direction are inserted into the communication holes 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolts 22 and nuts 24 fitted on both sides of the bolts 22. 2 and 3, between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the end plate 104 constituting the upper end of the fuel cell stack 100, and the bolt An insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of 22 and the lower surface of the end plate 106 constituting the lower end of the fuel cell stack 100.
  • an insulating sheet disposed between the nut 24 and the surface of the end plate 106 on the upper and lower sides of the gas passage member 27 and the gas passage member 27, respectively. 26 is interposed.
  • the insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic powder sheet, a glass sheet, a glass ceramic composite agent, or the like.
  • the outer diameter of the shaft portion of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108. Therefore, a space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108.
  • the fuel cell stack 100 is located near the midpoint of one side (the X-axis positive direction side of two sides parallel to the Y-axis) on the outer periphery around the Z-direction.
  • the space formed by the bolt 22 (bolt 22A) and the communication hole 108 into which the bolt 22A is inserted is introduced with the oxidant gas OG from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is generated by each power generation.
  • oxidant gas introduction manifold 161 that is a gas flow path to be supplied to the unit 102, and is the midpoint of the side opposite to the side (X-axis negative direction side of two sides parallel to the Y-axis)
  • the space formed by the bolts 22 (bolts 22B) located in the vicinity and the communication holes 108 into which the bolts 22B are inserted has an oxidant off-gas OOG that is a gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102.
  • Burning Functions as the oxidizing gas discharging manifold 162 for discharging to the outside of the cell stack 100. In the present embodiment, for example, air is used as the oxidant gas OG.
  • the vicinity of the midpoint of one side (the side on the Y axis positive direction side of two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z direction The space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located at the position and the communication hole 108 into which the bolt 22D is inserted is introduced with the fuel gas FG from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is generated for each power generation.
  • the space formed by the (bolt 22E) and the communication hole 108 into which the bolt 22E is inserted is a fuel cell stack in which the fuel off-gas FOG that is the gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is supplied to the fuel cell stack. 00 and to the outside to function as a fuel gas discharge manifold 172 for discharging.
  • the fuel gas FG for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used.
  • the fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27.
  • Each gas passage member 27 has a hollow cylindrical main body portion 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branched from the side surface of the main body portion 28.
  • the hole of the branch part 29 communicates with the hole of the main body part 28.
  • a gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27.
  • a forming the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161.
  • the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 ⁇ / b> B that forms the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162. Further, as shown in FIG. 3, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 ⁇ / b> E forming the discharge manifold 172 communicates with the fuel gas discharge manifold 172.
  • the pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are formed of, for example, stainless steel.
  • One end plate 104 is disposed on the upper side of the power generation unit 102 located on the uppermost side, and the other end plate 106 is disposed on the lower side of the power generation unit 102 located on the lowermost side.
  • a plurality of power generation units 102 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106.
  • the upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100
  • the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.
  • (Configuration of power generation unit 102) 4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 2, and FIG. 5 is adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units.
  • the power generation unit 102 that is the minimum unit of power generation includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, and a fuel electrode side frame. 140, a fuel electrode side current collector 144, and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102.
  • a hole corresponding to the above-described communication hole 108 into which the bolt 22 is inserted is formed in the peripheral portion around the Z direction in the separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the interconnector 150.
  • the power generation unit 102 corresponds to an electrochemical reaction unit in the claims.
  • the interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is formed of, for example, ferritic stainless steel.
  • the interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents reaction gas from being mixed between the power generation units 102.
  • one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102.
  • the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150 and is located at the bottom.
  • the power generation unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).
  • the single cell 110 includes an electrolyte layer 112 and an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 that face each other in the vertical direction (the arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween.
  • the single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode-supported single cell that supports the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 with the fuel electrode 116.
  • the electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate-shaped member and contains at least Zr.
  • solid oxide such as YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), CaSZ (calcia stabilized zirconia), and the like. It is formed by things.
  • the air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, a perovskite oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)).
  • LSCF larovskite oxide
  • LSM lanthanum strontium cobalt iron oxide
  • LSM lanthanum strontium manganese oxide
  • LNF lanthanum nickel iron
  • the fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-like member, and is formed of, for example, Ni (nickel), cermet made of Ni and ceramic particles, Ni-based alloy, or the like.
  • the single cell 110 (power generation unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the separator 120 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal.
  • the peripheral part of the hole 121 in the separator 120 is opposed to the peripheral part of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side.
  • the separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag brazing) disposed in the facing portion.
  • the separator 120 divides the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and gas leaks from one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion of the single cell 110. It is suppressed.
  • the single cell 110 to which the separator 120 is bonded is referred to as “single cell with separator”.
  • the air electrode side frame 130 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of an insulator such as mica, for example.
  • the hole 131 of the air electrode side frame 130 forms an air chamber 166 that faces the air electrode 114.
  • the air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral edge portion of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge portion of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. .
  • the pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102 is electrically insulated by the air electrode side frame 130.
  • the air electrode side frame 130 has an oxidant gas supply passage 132 communicating the oxidant gas introduction manifold 161 and the air chamber 166, and an oxidant gas communicating the air chamber 166 and the oxidant gas discharge manifold 162.
  • a discharge communication hole 133 is formed.
  • the fuel electrode side frame 140 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 141 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal.
  • the hole 141 of the fuel electrode side frame 140 forms a fuel chamber 176 that faces the fuel electrode 116.
  • the fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral portion of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral portion of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116.
  • the fuel electrode side frame 140 has a fuel gas supply communication hole 142 that connects the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that connects the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. And are formed.
  • the fuel electrode side current collector 144 is disposed in the fuel chamber 176.
  • the fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 that connects the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146.
  • the electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. In contact.
  • the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 has a lower end plate. 106 is in contact. Since the fuel electrode side current collector 144 has such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected. Note that a spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146.
  • the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144.
  • the electrical connection with is maintained well.
  • the spacer 149 corresponds to a mica member or a structural member in the claims.
  • the air electrode side current collector 134 is disposed in the air chamber 166.
  • the air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of current collector elements 135 having a substantially quadrangular prism shape, and is formed of, for example, ferritic stainless steel.
  • the air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114.
  • the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 includes the upper end plate. 104 is in contact. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected.
  • the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be formed as an integral member.
  • the oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. Then, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the oxidant gas introduction manifold 161 oxidizes each power generation unit 102. It is supplied to the air chamber 166 through the agent gas supply communication hole 132. Further, as shown in FIGS.
  • the fuel gas FG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. Then, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the fuel gas supply communication of each power generation unit 102 from the fuel gas introduction manifold 171.
  • the fuel chamber 176 is supplied through the hole 142.
  • each power generation unit 102 When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, power is generated by an electrochemical reaction between the oxidant gas OG and the fuel gas FG in the single cell 110. Is called. This power generation reaction is an exothermic reaction.
  • the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to one interconnector 150 via the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is connected via the fuel electrode side current collector 144.
  • the other interconnector 150 is electrically connected.
  • the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series.
  • each power generation unit 102 electrical energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as output terminals of the fuel cell stack 100. Since SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is heated by a heater (after the start-up until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation. (Not shown).
  • the oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 via the oxidant gas discharge communication hole 133 as shown in FIGS.
  • the fuel cell stack 100 is connected to the branch portion 29 via a gas pipe (not shown) through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the agent gas discharge manifold 162. Is discharged outside.
  • the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication hole 143, and further to the fuel gas.
  • the gas passage member 27 provided at the position of the discharge manifold 172 passes through the body portion 28 and the branch portion 29 and passes through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 to the outside of the fuel cell stack 100. Discharged.
  • spacer 149 In X-ray crystal structure analysis (XRD), the spacer 149 has an intensity peak (the peak of diffraction intensity) of KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (hereinafter referred to as “soft mica”), Mg 2 SiO 4 (hereinafter referred to as “forsterite”).
  • the X-ray diffraction pattern obtained by analyzing the forming material of the spacer 149 by XRD includes a soft mica intensity peak and a forsterite intensity peak.
  • the intensity peak ratio which is the ratio of the intensity peak on the face of the mirror index 120 of forsterite to the intensity peak on the face of the mirror index 003 of mica is 0.001 or more And it is preferable that it is 0.029 or less.
  • a method of manufacturing the fuel cell stack 100 having the above-described configuration is, for example, as follows.
  • the single cell 110 can be manufactured by a known method.
  • a fuel electrode substrate layer green sheet, a fuel electrode active layer green sheet, and an electrolyte layer green sheet are prepared, a fuel electrode substrate layer green sheet, a fuel electrode active layer green sheet, and an electrolyte layer green sheet; And degrease at about 280 ° C. Further, firing is performed at about 1350 ° C. to obtain a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116.
  • the air electrode 114 is formed by spray-coating the liquid mixture which mixed the material for forming an air electrode on the surface of the electrolyte layer 112 in the said laminated body, and baking at 1100 degreeC. Through the above steps, the unit cell 110 having the above-described configuration is manufactured.
  • the spacer 149 can be manufactured as follows. For example, a plate-shaped raw material member is formed by punching a mica sheet formed of soft mica (product number D581AK) having a thickness of 0.2 (mm) or more and 0.6 (mm) or less manufactured by Okabe Mica Industry Co., Ltd. Is made. Next, this raw material member is placed in a heating furnace and heated in the atmosphere at a temperature of 1000 (° C.) or higher for 4 hours or longer. Thereby, the spacer 149 having the above-described crystal structure can be manufactured.
  • a plate-shaped raw material member is formed by punching a mica sheet formed of soft mica (product number D581AK) having a thickness of 0.2 (mm) or more and 0.6 (mm) or less manufactured by Okabe Mica Industry Co., Ltd. Is made. Next, this raw material member is placed in a heating furnace and heated in the atmosphere at a temperature of 1000 (° C.) or higher for 4 hours or longer. Thereby, the spacer 149 having the above-
  • the spacer 149 is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 of the fuel electrode side current collector 144.
  • the separator 120 to which the single cell 110 is brazed, and the air electrode side frame 130 are disposed. Thereby, the power generation unit 102 can be produced. Then, by performing the remaining assembly steps, the manufacture of the fuel cell stack 100 having the above-described configuration is completed.
  • Performance evaluation of each sample Each performance performed using a plurality of samples 1 to 6 (spacers) produced by each of a plurality of production methods having different conditions for the heat treatment of the mica raw material member (hereinafter referred to as “mica heat treatment”). The evaluation will be described.
  • the fuel cell stack 100 having the above-described configuration was assembled using each of the plurality of samples 1 to 6, and the durability deterioration rate (power generation deterioration rate) was measured.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the results of performance evaluation for each sample.
  • Samples 1 to 5 are spacers 149 having the above-described structure manufactured by the above-described manufacturing method, and sample 6 is a spacer manufactured by a manufacturing method having different mica heat treatment conditions from the above-described manufacturing method.
  • X-ray diffraction patterns were obtained by XRD (powder X-ray diffraction method) for samples 1 to 5 prepared by the respective production methods. Specifically, the X-ray diffraction patterns of Samples 1 to 5 were obtained by irradiating and analyzing the plane part of the plate-like mica using an X-ray diffractometer.
  • 7 to 11 are explanatory diagrams showing the X-ray diffraction patterns of the samples 1 to 5.
  • FIG. The vertical axis represents the diffraction intensity (CPS), and the horizontal axis represents the diffraction angle 2 ⁇ (deg).
  • Example 1 In the manufacturing method of Sample 1, the heating temperature in the mica heat treatment is 1000 (° C.), and the heating time is 30 hours.
  • the X-ray diffraction pattern of Sample 1 is as shown in FIG.
  • the X-ray diffraction pattern of Sample 1 was compared with a database of diffraction patterns of known substances (in this embodiment, for example, a PDF card (Powder Diffraction File)).
  • the X-ray diffraction pattern of sample 1 shows, for example, intensities on the surfaces of the mirror indices 120, 211, and 221 of forsterite in addition to the intensity peak (see diffraction angle D2) on the surface of the soft mica mirror index 003. It was confirmed that peaks (diffraction angles D1, D3, D4) were included. Therefore, it can be judged that this sample 1 has soft mica crystals and forsterite crystals.
  • the intensity peak ratio of sample 1 is 0.0012.
  • Example 2 In the manufacturing method of Sample 2, the heating temperature in the mica heat treatment is 1100 (° C.), and the heating time is 5 hours.
  • the X-ray diffraction pattern of Sample 2 is as shown in FIG.
  • the X-ray diffraction pattern of Sample 2 is in addition to the intensity peak (see diffraction angle D2) on the surface of the soft mica Miller index 003 as in Sample 1.
  • the intensity peaks (diffraction angles D1, D3, D4) on the surfaces of Forsterite's Miller indices 120, 211, 221 are included. Therefore, it can be judged that Sample 2 has soft mica crystals and forsterite crystals.
  • the intensity peak ratio of sample 2 is 0.0031.
  • Example 3 In the manufacturing method of Sample 3, the heating temperature in the mica heat treatment is 1100 (° C.), and the heating time is 30 hours.
  • the X-ray diffraction pattern of Sample 3 is as shown in FIG.
  • the X-ray diffraction pattern of sample 3 is the intensity peak on the surface of the soft mica mirror index 003 as in samples 1 and 2 (see diffraction angle D2).
  • intensity peaks diffraction angles D1, D3, D4
  • the intensity peak ratio of sample 3 is 0.0282.
  • Example 4 In the manufacturing method of Sample 4, the heating temperature in the mica heat treatment is 1000 (° C.), and the heating time is 120 hours.
  • the X-ray diffraction pattern of Sample 4 is as shown in FIG.
  • the X-ray diffraction pattern of Sample 4 is the intensity peak on the surface of the soft mica Miller index 003 as in Samples 1 and 2 (see diffraction angle D2).
  • intensity peaks diffraction angles D1, D3, D4
  • the intensity peak ratio of Sample 4 is 0.1500.
  • Example 5 In the manufacturing method of Sample 5, the heating temperature in the mica heat treatment is 850 (° C.), and the heating time is 5 hours.
  • the X-ray diffraction pattern of Sample 5 is as shown in FIG.
  • the X-ray diffraction pattern of Sample 5 is different from Samples 1 to 3 and is an intensity peak on the surface of soft mica with a Miller index of 003 (see diffraction angle D2). ), But almost no forsterite intensity peak was confirmed. Therefore, it can be determined that this sample 5 has soft mica crystals but no forsterite crystals.
  • the intensity peak ratio of sample 5 is 0.0002.
  • Example 6 In the manufacturing method of Sample 6, the heating temperature in the mica heat treatment is 1300 (° C.), and the heating time is 30 hours. As a result of performing the mica heat treatment under these conditions, the sample 6 was damaged, and thus qualitative analysis and performance evaluation could not be performed.
  • the output voltage of the fuel cell stack 100 when the current density was 0.55 (A / cm 2 ) was measured, and the measured value was used as the initial voltage.
  • the air electrode 114 is supplied with air as the oxidant gas OG, and the fuel electrode 116 is supplied with 4% water vapor and hydrogen as the fuel gas FG, and the rated power generation operation is started.
  • the post-test voltage is the output voltage of the fuel cell stack 100 when the temperature is lower than that during the energization test, the voltage difference becomes significant, so that the voltage drop can be more clearly evaluated. And about each sample, it was set as "(circle)" when the voltage drop is less than determination voltage (for example, 65 (mV)), and set as "x" when it is more than determination voltage. Note that the initial voltage is measured for the fuel cell stack 100 within 1000 hours after the fuel cell stack 100 is shipped in a state where power generation is possible and rated power generation is performed.
  • Si scattering amount For each of the fuel cell stacks 100 including the samples 1 to 5 for which the above-described (voltage drop) performance evaluation was performed, the surface of Si exposed to the fuel gas FG in the fuel electrode 116 of the single cell 110 of the fuel cell stack 100 was measured. The amount of adhesion was measured. By measuring this amount of adhesion, the amount of Si scattering in each of samples 1 to 5 can be obtained.
  • the method for measuring the amount of scattered Si is as follows. A measurement sample including a surface exposed to the fuel gas FG in the fuel electrode 116 of the single cell 110 is prepared. The amount of Si adhering to the surface of the measurement sample exposed to the fuel gas FG is analyzed by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • a measurement sample is set in a SIMS device, and the surface of the measurement sample exposed to the fuel gas FG is irradiated with primary ions. Thereby, secondary ions jump out of the measurement sample surface, and the amount of Si deposited can be measured by mass analysis of the secondary ions.
  • This Si adhesion amount is used as it is as the Si scattering amount of Samples 1 to 5.
  • Samples 1 to 4 have soft mica crystals and forsterite crystals, so the intensity peak ratio of samples 1 to 4 is higher than that of sample 5.
  • the intensity peak ratio is preferably 0.001 or more and 0.15 or less. If the intensity peak ratio is 0.001 or more, the scattering of Si can be more reliably suppressed. However, the higher the intensity peak ratio, the lower the inherent properties of mica such as sealing properties. For this reason, if intensity peak ratio is 0.15 or less, it can control that the original characteristic of mica falls.
  • the intensity peak ratio is preferably 0.003 or more, and more preferably 0.025 or more. The intensity peak ratio is more preferably 0.029 or less.
  • the intensity peak ratio increases and the voltage drop decreases as the heating temperature in the mica heat treatment increases. That is, the higher the heating temperature in the mica heat treatment, the more the raw material member can be made into a stable crystal structure in which Si is less likely to scatter.
  • the heating temperature in the mica heat treatment is preferably less than 1300 (° C.).
  • the longer the heating time the greater the intensity peak ratio and the smaller the voltage drop. That is, the longer the heating time in the mica heat treatment, the more the raw material member can be made into a stable crystal structure in which Si is less likely to scatter.
  • the inventor of the present invention is that the member made of mica has an intensity peak of KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (soft mica) and Mg 2 SiO 4 (forsterite) in XRD.
  • the spacer 149 has a crystal structure including an intensity peak of KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 and an intensity peak of Mg 2 SiO 4 in XRD. Si scattering can be suppressed.
  • the ratio of the intensity peak of the Mg 2 SiO 4 (120) plane to the intensity peak of the KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (003) plane is 0.001 or more, the Si Can be suppressed. Moreover, since the said ratio is 0.029 or less, it can suppress that the original characteristics of mica, such as a sealing performance, fall.
  • the ratio of the intensity peak of the Mg 2 SiO 4 (120) plane to the intensity peak of the KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (003) plane is 0.003 or more, the Si is more reliably detected. Can be suppressed. Moreover, if the said ratio is 0.15 or less, it can suppress more effectively that the original characteristics of mica, such as a sealing performance, will fall.
  • the spacer 149 is exemplified as the mica member or the structural member, but the present invention is not limited to this, and the present invention may be applied to the air electrode side frame 130 formed of mica. Further, the present invention may be applied to the fuel electrode side frame 140 as long as the fuel electrode side frame 140 is formed of mica. Moreover, you may apply this invention about the member made from mica used other than SOFC.
  • the intensity peak ratio in the X-ray diffraction pattern of the spacer 149 is preferably 0.001 or more and 0.029 or less.
  • the ratio may be 0.03 or more.
  • it may be a member made of mica having a crystal structure including an intensity peak of KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 and an intensity peak of Mg 2 SiO 4 at least in XRD.
  • the number of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of power generation units 102 is appropriately determined according to the output voltage required for the fuel cell stack 100 or the like.
  • the nuts 24 are fitted on both sides of the bolt 22, but the bolt 22 has a head, and the nut 24 is fitted only on the opposite side of the head of the bolt 22. Also good.
  • the end plates 104 and 106 function as output terminals.
  • separate members for example, the end plate 104 connected to the end plates 104 and 106, respectively.
  • 106 and the power generation unit 102 may function as output terminals.
  • each manifold may be provided separately from each communication hole 108 into which each bolt 22 is inserted.
  • one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102.
  • Two power generation units 102 may be provided with respective interconnectors 150.
  • the upper interconnector 150 of the uppermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 and the lower interconnector 150 of the lowermost power generation unit 102 are omitted. These interconnectors 150 may be provided without being omitted.
  • the fuel electrode side current collector 144 may have the same configuration as the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode side current collector 144 and the adjacent interconnector 150 are an integral member. It may be. Further, the fuel electrode side frame 140 instead of the air electrode side frame 130 may be an insulator. The air electrode side frame 130 and the fuel electrode side frame 140 may have a multilayer structure.
  • each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be formed of other materials.
  • the city gas is reformed to obtain the hydrogen-rich fuel gas FG
  • the fuel gas FG may be obtained from other raw materials such as LP gas, kerosene, methanol, gasoline, Pure hydrogen may be used as the fuel gas FG.
  • all the single cells 110 included in the fuel cell stack 100 are configured to satisfy the above-described example range, but at least included in the fuel cell stack 100. If one power generation unit 102 has such a configuration, it is possible to achieve both improvement in power generation characteristics of the single cell 110 and maintenance of strength.
  • the SOFC that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted.
  • the present invention can be similarly applied to an electrolytic cell unit that is a minimum unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cell units.
  • SOEC solid oxide electrolytic cell
  • the configuration of the electrolytic cell stack is well known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, and therefore will not be described in detail here. It is a configuration. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, and the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit.
  • the electrolysis cell stack when the electrolysis cell stack is operated, a voltage is applied between the two electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode). Water vapor as a source gas is supplied. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out of the electrolysis cell stack through the communication hole.
  • the electrolytic cell unit and the electrolytic cell stack having such a configuration as in the above embodiment, if the fuel electrode 116 is configured in the above embodiment, the electrochemical reaction characteristics of the electrolytic cell and the strength can be maintained. Both can be achieved.

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Abstract

Ｓｉ（シリコン）の飛散を抑制することができることが可能な技術を開示する。 マイカ製部材は、マイカ製部材であって、Ｘ線結晶構造解析（ＸＲＤ）において、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２の強度ピークと、Ｍｇ２ＳｉＯ４の強度ピークとを含む結晶構造を備えることを特徴とする。ＸＲＤにおいて、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２の強度ピークと、Ｍｇ２ＳｉＯ４の強度ピークとを含む結晶構造を備えるため、Ｓｉの飛散を抑制することができる。

Description

マイカ製部材、電気化学反応単位、および、電気化学反応セルスタック
　本明細書に開示される技術は、マイカ製部材に関する。
　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を構成する燃料電池発電単位は、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燃料電池単セルと、空気極側部材と、燃料極側部材と、を備える。空気極側部材は、空気極に面する空気室を構成しており、燃料極側部材は、燃料極に面する燃料室を構成している。このような燃料電池発電単位の中には、空気極側部材や燃料極側部材がマイカにより形成されたものがある（特許文献１，２参照）。
　マイカには、Ｓｉ（シリコン）系のバインダーが含まれるものがある。このようなＳｉ系のバインダーが含まれるマイカによって燃料極側部材が形成されている場合、発電運転による温度上昇によって燃料極側部材に含まれるＳｉが周囲に飛散することがある。飛散したＳｉは、例えば、燃料極を構成する酸素イオン伝導性物質の表面に付着することによって、反応場となる三相界面が減少して燃料電池発電単位の発電性能が変化する（低下する）おそれがある。そこで、マイカを予め８５０（℃）未満の温度で加熱することによって、バインダーに含まれるＳｉを飛散させた上で、燃料極側部材として使用する技術が知られている（特許文献３参照）。
特開平４－１６２３１２号公報 特開平７－２８２８３５号公報 特開２０１５－１２５９８１号公報
　マイカに含まれるバインダーだけでなく、マイカ自体にもＳｉが含まれる。このため、８５０（℃）未満の温度で加熱する上記技術ではバインダーに含まれるＳｉの飛散を抑制できたとしても、マイカ自体に含まれるＳｉの飛散を抑制できないおそれがある。
　なお、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）の最小構成単位である電解セルに使用されるマイカ製部材にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池セル単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位という。さらには、電気化学反応単位以外の製品に使用されるマイカ製部材にも共通の課題である。
　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。
　本明細書に開示される技術は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本明細書に開示されるマイカ製部材は、マイカ製部材であって、Ｘ線結晶構造解析（ＸＲＤ）において、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２の強度ピークと、Ｍｇ２ＳｉＯ４の強度ピークとを含む結晶構造を備える。本件の発明者は、マイカ製部材が、Ｘ線結晶構造解析（ＸＲＤ）において、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（軟質マイカ）の強度ピークと、Ｍｇ２ＳｉＯ４（フォルステライト）の強度ピークとを含む結晶構造を備える場合、ＸＲＤにおいて、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２の強度ピークのみを有する純粋な軟質マイカに比べて、Ｓｉの飛散を抑制することができることを実験等によって見出した。そこで、本マイカ製部材によれば、ＸＲＤにおいて、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２の強度ピークと、Ｍｇ２ＳｉＯ４の強度ピークとを含む結晶構造を備えるため、Ｓｉの飛散を抑制することができる。これは、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２の結晶構造よりも、Ｍｇ２ＳｉＯ４の結晶構造の方が、安定的であり、結晶構造の分解が起こりづらいことに起因してＳｉの飛散が抑制されたものと考えられる。
（２）上記マイカ製部材において、前記ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、前記Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率は、０．００１以上である構成としてもよい。本マイカ製部材によれば、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率が０．００１以上であるため、Ｍｇ２ＳｉＯ４の形でＳｉが存在することにより、より確実にＳｉの飛散を抑制することができる。
（３）上記マイカ製部材において、前記ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、前記Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率は、０．１５以下である構成としてもよい。本マイカ製部材によれば、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率が０．１５以下であるため、Ｓｉが、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２としても十分に存在していると言え、シール性などのマイカの本来の特性が低下することを抑制することができる。
（４）上記マイカ製部材において、前記ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、前記Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率は、０．００３以上である構成としてもよい。本マイカ製部材によれば、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率が０．００３以上であるため、Ｍｇ２ＳｉＯ４の形でＳｉが存在することにより、より確実にＳｉの飛散を抑制することができる。
（５）上記マイカ製部材において、前記ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、前記Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率は、０．０２９以下である構成としてもよい。本マイカ製部材によれば、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率が０．０２９以下であるため、Ｓｉが、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２としても十分に存在していると言え、シール性などのマイカの本来の特性が低下することを抑制することができる。
（６）上記電気化学反応単位において、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単セルと、前記空気極に面する空気室または前記燃料極に面する燃料室に面する構造部材と、を備える電気化学反応単位において、前記構造部材は、上記（１）から（５）のマイカ製部材により形成されている構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、空気室や燃料室内にＳｉが飛散することによって電気化学反応単位の性能が低下することを抑制することができる。
（７）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、上記（６）の電気化学反応単位であることを特徴とする構成としてもよい。
　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、マイカ製部材、構造部材、電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解セル）、電気化学反応単位（燃料電池発電単位）、複数の電気化学反応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。
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。 各サンプルについての性能評価の結果を示す説明図である。 サンプル１のＸ線回折パターンを示す説明図である。 サンプル２のＸ線回折パターンを示す説明図である。 サンプル３のＸ線回折パターンを示す説明図である。 サンプル４のＸ線回折パターンを示す説明図である。 サンプル５のＸ線回折パターンを示す説明図である。
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」といい、Ｚ軸負方向を「下方向」というものとするが、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。なお、燃料電池スタックは、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックに相当する。
　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。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。
　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」という。
　各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、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。
　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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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。
　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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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。
　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。
（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。
（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。
　図４および図５に示すように、発電の最小単位である発電単位１０２は、単セル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方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。発電単位１０２は、特許請求の範囲における電気化学反応単位に相当する。
　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）。
　単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で電解質層１１２および空気極１１４を支持する燃料極支持形の単セルである。
　電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、少なくともＺｒを含んでおり、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＣａＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、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）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、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。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）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。
　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孔１２１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。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。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、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。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が抑制される。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０を「セパレータ付き単セル」という。
　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。
　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。
　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。スペーサー１４９は、特許請求の範囲におけるマイカ製部材、構造部材に相当する。
　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形成されていてもよい。
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。
　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。
　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。
Ａ－３．スペーサー１４９の詳細構成：
　スペーサー１４９は、Ｘ線結晶構造解析（ＸＲＤ）において、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（以下、「軟質マイカ」という）の強度ピーク（回折強度の頂点）と、Ｍｇ２ＳｉＯ４（以下、「フォルステライト」という）の強度ピークとを含む結晶構造を備える。換言すれば、スペーサー１４９の形成材料をＸＲＤで分析して得られるＸ線回折パターンは、軟質マイカの強度ピークと、フォルステライトの強度ピークとを含む。また、スペーサー１４９の形成材料のＸ線回折パターンにおいて、マイカのミラー指数００３の面における強度ピークに対する、フォルステライトのミラー指数１２０の面における強度ピークの比率である強度ピーク比は、０．００１以上、かつ、０．０２９以下であることが好ましい。
Ａ－４．燃料電池スタック１００の製造方法：
　上述した構成の燃料電池スタック１００の製造方法は、例えば、以下の通りである。単セル１１０は、公知の方法により作製することができる。例えば、燃料極基板層用グリーンシートと燃料極活性層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとを準備し、燃料極基板層用グリーンシートと燃料極活性層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとを貼り付けて約２８０℃で脱脂する。さらに、約１３５０℃にて焼成を行い、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。また、空気極を形成するための材料を混合した混合液を、上記積層体における電解質層１１２の表面に噴霧塗布し、１１００℃で焼成することによって空気極１１４が形成される。以上の工程により、上述した構成の単セル１１０が製造される。
　スペーサー１４９は、次のようにして作製することができる。例えば岡部マイカ工業所製の厚み０．２（ｍｍ）以上、０．６（ｍｍ）以下の軟質マイカ（製品番号Ｄ５８１ＡＫ）により形成されたマイカシートに対して、パンチング加工によって、平板状の原料部材を作製する。次に、この原料部材を加熱炉内に入れ、大気中にて、１０００（℃）以上の温度で、４時間以上、加熱する。これにより、上述した結晶構造を備えるスペーサー１４９を作製することができる。
　その後、スペーサー１４９を、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間に配置する。そして、一対のインターコネクタ１５０の間に、燃料極側集電体１４４および燃料極側フレーム１４０と、単セル１１０がロウ付けされたセパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０とを配置する。これにより、発電単位１０２を作製することができる。そして、その他、残りの組み立て工程を行うことにより、上述した構成の燃料電池スタック１００の製造が完了する。
Ａ－５．各サンプルの性能評価：
　上述のマイカの原料部材の加熱処理（以下、「マイカ加熱処理」という）の条件が互いに異なる複数の作製方法のそれぞれによって作製された複数のサンプル１～６（スペーサー）を用いて行った各性能評価について説明する。各サンプルについての性能評価では、複数のサンプル１～６のそれぞれを用いて、上述した構成の燃料電池スタック１００を組み立て、耐久劣化率（発電劣化率）を測定した。図６は、各サンプルについての性能評価の結果を示す説明図である。
（サンプルについて）
　サンプル１～５は、上述の作製方法により作製された上記構成のスペーサー１４９であり、サンプル６は、上述の作製方法とはマイカ加熱処理の条件が異なる作製方法により作製されたスペーサーである。それぞれの作製方法により作成されたサンプル１～５について、ＸＲＤ（粉末Ｘ線回折法）により、Ｘ線回折パターンを得た。具体的には、Ｘ線回折装置を用いて、板状のマイカの平面部分にＸ線を照射して分析することによって、各サンプル１～５のＸ線回折パターンを得た。図７から図１１は、各サンプル１～５のＸ線回折パターンを示す説明図である。縦軸は回折強度（ＣＰＳ）であり、横軸は回折角度２θ（ｄｅｇ）である。
　（サンプル１）
　サンプル１の作製方法では、マイカ加熱処理における加熱温度が１０００（℃）であり、加熱時間が３０時間である。サンプル１のＸ線回折パターンは、図７に示す通りである。このサンプル１のＸ線回折パターンと、既知物質の回折パターンのデータベース（本実施形態では、例えばＰＤＦカード（Ｐｏｗｄｅｒ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｆｉｌｅ））とを対比した。その結果、サンプル１のＸ線回折パターンは、軟質マイカのミラー指数００３の面における強度ピーク（回折角度Ｄ２参照）に加えて、例えばフォルステライトのミラー指数１２０，２１１，２２１の面のそれぞれにおける強度ピーク（回折角度Ｄ１，Ｄ３，Ｄ４）を含むことが確認された。したがって、このサンプル１は、軟質マイカの結晶とフォルステライトの結晶とを有すると判断できる。また、サンプル１の上記強度ピーク比は、０．００１２である。
　（サンプル２）
　サンプル２の作製方法では、マイカ加熱処理における加熱温度が１１００（℃）であり、加熱時間が５時間である。サンプル２のＸ線回折パターンは、図８に示す通りである。このサンプル２のＸ線回折パターンとＰＤＦカードとを対比した結果、サンプル２のＸ線回折パターンは、サンプル１と同様、軟質マイカのミラー指数００３の面における強度ピーク（回折角度Ｄ２参照）に加えて、例えばフォルステライトのミラー指数１２０，２１１，２２１の面のそれぞれにおける強度ピーク（回折角度Ｄ１，Ｄ３，Ｄ４）を含むことが確認された。したがって、このサンプル２は、軟質マイカの結晶とフォルステライトの結晶とを有すると判断できる。また、サンプル２の上記強度ピーク比は、０．００３１である。
　（サンプル３）
　サンプル３の作製方法では、マイカ加熱処理における加熱温度が１１００（℃）であり、加熱時間が３０時間である。サンプル３のＸ線回折パターンは、図９に示す通りである。このサンプル３のＸ線回折パターンとＰＤＦカードとを対比した結果、サンプル３のＸ線回折パターンは、サンプル１，２と同様、軟質マイカのミラー指数００３の面における強度ピーク（回折角度Ｄ２参照）に加えて、例えばフォルステライトのミラー指数１２０，２１１，２２１の面のそれぞれにおける強度ピーク（回折角度Ｄ１，Ｄ３，Ｄ４）を含むことが確認された。したがって、このサンプル３は、軟質マイカの結晶とフォルステライトの結晶とを有すると判断できる。また、サンプル３の上記強度ピーク比は、０．０２８２である。
　（サンプル４）
　サンプル４の作製方法では、マイカ加熱処理における加熱温度が１０００（℃）であり、加熱時間が１２０時間である。サンプル４のＸ線回折パターンは、図１０に示す通りである。このサンプル４のＸ線回折パターンとＰＤＦカードとを対比した結果、サンプル４のＸ線回折パターンは、サンプル１，２と同様、軟質マイカのミラー指数００３の面における強度ピーク（回折角度Ｄ２参照）に加えて、例えばフォルステライトのミラー指数１２０，２１１，２２１の面のそれぞれにおける強度ピーク（回折角度Ｄ１，Ｄ３，Ｄ４）を含むことが確認された。したがって、このサンプル４は、軟質マイカの結晶とフォルステライトの結晶とを有すると判断できる。また、また、サンプル４の上記強度ピーク比は、０．１５００である。
　（サンプル５）
　サンプル５の作製方法では、マイカ加熱処理における加熱温度が８５０（℃）であり、加熱時間が５時間である。サンプル５のＸ線回折パターンは、図１１に示す通りである。このサンプル５のＸ線回折パターンとＰＤＦカードとを対比した結果、サンプル５のＸ線回折パターンは、サンプル１～３とは異なり、軟質マイカのミラー指数００３の面における強度ピーク（回折角度Ｄ２参照）を含むことは確認できたが、フォルステライトの強度ピークを含むことはほとんど確認できなかった。したがって、このサンプル５は、軟質マイカの結晶を有するが、フォルステライトの結晶を有しないと判断できる。また、サンプル５の上記強度ピーク比は、０．０００２である。
　（サンプル６）
　サンプル６の作製方法では、マイカ加熱処理における加熱温度が１３００（℃）であり、加熱時間が３０時間である。この条件でマイカ加熱処理を行った結果、サンプル６が破損したため、定性分析や性能評価を行うことができなかった。
（性能評価の方法について）
　（電圧低下）
　各サンプル１～５を備えるそれぞれの燃料電池スタック１００（つまり、４台の燃料電池スタック１００）について、まず、８５０（℃）で、空気極１１４に酸化剤ガスＯＧとして空気を供給し、燃料極１１６に燃料ガスＦＧとして４０％の水蒸気と水素とを供給しつつ、４００時間、通電試験を行った。この通電試験によれば、燃料電池スタック１００の温度が定格発電運転時より高いため、燃料電池スタック１００内を、Ｓｉ（シリコン）が飛散し易い環境下にすることができる。また、この通電試験開始時において、電流密度が０．５５（Ａ／ｃｍ２）のときの燃料電池スタック１００の出力電圧を測定し、その測定値を、初期電圧とした。その後、約７００（℃）で、空気極１１４に酸化剤ガスＯＧとして空気を供給し、燃料極１１６に燃料ガスＦＧとして４％の水蒸気と水素とを供給しつつ、定格発電運転を開始し、電流密度が０．５５（Ａ／ｃｍ２）であるときの燃料電池スタック１００の出力電圧（試験後電圧）を測定し、初期電圧と試験後電圧との差である電圧低下（ｍＶ）を算出した。電圧低下が大きいほど、発電劣化率が大きいことを意味する。試験後電圧は、通電試験時より温度が低いときの燃料電池スタック１００の出力電圧であることによって電圧差が顕著になるため、電圧低下をより明確に評価することができる。そして、各サンプルについて、電圧降下が判定電圧（例えば６５（ｍＶ））未満である場合「○」とし、判定電圧以上である場合「×」とした。なお、初期電圧とは、燃料電池スタック１００が発電可能な状態で出荷され、定格発電が行われてから１０００時間以内の燃料電池スタック１００について測定するものとする。
　（Ｓｉの飛散量）
　上述の（電圧低下）の性能評価を行ったサンプル１～５を備えるそれぞれの燃料電池スタック１００について、燃料電池スタック１００の単セル１１０の燃料極１１６における燃料ガスＦＧに晒された表面のＳｉの付着量を測定した。この付着量を測定することで、各サンプル１～５におけるＳｉ飛散量とすることができる。Ｓｉの飛散量の測定方法は次の通りである。単セル１１０の燃料極１１６における燃料ガスＦＧに晒された表面を含む測定サンプルを準備する。この測定用サンプルに対し、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により、測定用サンプルの燃料ガスＦＧに晒された表面に付着したＳｉの付着量を分析する。具体的には、ＳＩＭＳの装置に測定用サンプルをセットして、測定用サンプルにおける燃料ガスＦＧに晒された表面に対し、一次イオンを照射する。これにより、測定用サンプル表面から二次イオンが飛び出し、この二次イオンを質量分析することでＳｉの付着量を測定することができる。このＳｉの付着量をそのまま、サンプル１～５のＳｉ飛散量とする。
（性能評価結果について）
　まず、サンプル１～５の評価結果について検討する。図６に示すように、電圧降下の評価では、サンプル１～４の判定結果は「〇」であるのに対し、サンプル５の判定結果は「×」であった。また、サンプル１～４のＳｉの飛散量は６００～６９０（ｐｐｍ）であるのに対し、サンプル５のＳｉの飛散量は９００（ｐｐｍ）であり、サンプル１～４では、サンプル５に比べて、Ｓｉの飛散量が抑制されていることが確認できる。また、上述したように、サンプル１～４は、軟質マイカの結晶とフォルステライトの結晶とを有するのに対し、サンプル５は、軟質マイカの結晶を有するが、フォルステライトの結晶を有しない。
　これらのことから、Ｓｉの飛散量の抑制の要因は、軟質マイカの結晶とフォルステライトの結晶とを有する結晶構造にあると推測される。すなわち、サンプル１～４は、軟質マイカの結晶とフォルステライトの結晶とを有することによって、軟質マイカの結晶を有するが、フォルステライトの結晶を有しないサンプル５に比べて、Ｓｉが飛散し難い（Ｓｉとの結合が強い）安定した結晶構造になったといえる。飛散したＳｉは、例えば、燃料極１１６を構成する酸素イオン伝導性物質の表面に付着することによって、反応場となる三相界面が減少して燃料電池スタック１００の発電性能が変化する（低下する）おそれがある。しかし、サンプル１～４では、サンプル５に比べて、Ｓｉの飛散量が抑制されたことによって、燃料電池スタック１００の電圧降下を抑制することができたと推測される。
　また、サンプル１～４では、軟質マイカの結晶とフォルステライトの結晶とを有するため、サンプル１～４の強度ピーク比は、サンプル５の強度ピーク比に比べて高い。特に、強度ピーク比は、０．００１以上、かつ、０．１５以下であることが好ましい。強度ピーク比が０．００１以上であれば、より確実にＳｉの飛散を抑制することができる。ただし、強度ピーク比が高くなるほど、シール性などのマイカの本来の特性が低下するおそれがある。このため、強度ピーク比が０．１５以下であれば、マイカの本来の特性が低下することを抑制することができる。さらに、強度ピーク比は、０．００３以上であることが好ましく、さらに、０．０２５以上であることがより好ましい。また、強度ピーク比は、０．０２９以下であることがより好ましい。
　次に、サンプル１～４の評価結果について検討する。サンプル１，３の評価結果によれば、マイカ加熱処理における加熱温度が高いほど、強度ピーク比が大きくなるとともに、電圧降下が小さくなっている。すなわち、マイカ加熱処理における加熱温度が高いほど、原料部材を、よりＳｉが飛散し難い安定した結晶構造にすることができる。ただし、サンプル６の評価結果によれば、マイカ加熱処理における加熱温度は、１３００（℃）未満であることが好ましいといえる。また、サンプル２，３の評価結果によれば、マイカ加熱処理における加熱温度が同じであれば、加熱時間が長いほど、強度ピーク比が大きくなるとともに、電圧降下が小さくなっている。すなわち、マイカ加熱処理における加熱時間が長いほど、原料部材を、よりＳｉが飛散し難い安定した結晶構造にすることができる。
Ａ－６．本実施形態の効果：
　上述したように、本件の発明者は、マイカ製部材が、ＸＲＤにおいて、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（軟質マイカ）の強度ピークと、Ｍｇ２ＳｉＯ４（フォルステライト）の強度ピークとを含む結晶構造を備える場合、ＸＲＤにおいて、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２の強度ピークのみを有する純粋な軟質マイカに比べて、Ｓｉの飛散を抑制することができることを実験等によって見出した。そこで、本実施形態によれば、スペーサー１４９は、ＸＲＤにおいて、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２の強度ピークと、Ｍｇ２ＳｉＯ４の強度ピークとを含む結晶構造を備えるため、Ｓｉの飛散を抑制することができる。
　また、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率が０．００１以上であるため、より確実にＳｉの飛散を抑制することができる。また、上記比率が０．０２９以下であるため、シール性などのマイカの本来の特性が低下することを抑制することができる。
　さらに、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率が０．００３以上であれば、より確実にＳｉの飛散を抑制することができる。また、上記比率が０．１５以下であれば、シール性などのマイカの本来の特性が低下することを、より効果的に抑制することができる。
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。
　上記実施形態では、マイカ製部材や構造部材として、スペーサー１４９を例示したが、これに限定されず、マイカで形成される空気極側フレーム１３０について本発明を適用してもよい。また、燃料極側フレーム１４０がマイカで形成される構成であれば、当該燃料極側フレーム１４０について本発明を適用してもよい。また、ＳＯＦＣ以外で使用されるマイカ製部材について本発明を適用してもよい。
　また、上記実施形態では、スペーサー１４９のＸ線回折パターンにおける上記強度ピーク比は、０．００１以上、かつ、０．０２９以下であることが好ましいとしたが、これに限定されず、例えば強度ピーク比が０．０３以上であるとしてもよい。要するに、少なくとも、ＸＲＤにおいて、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２の強度ピークと、Ｍｇ２ＳｉＯ４の強度ピークとを含む結晶構造を備えるマイカ製部材であればよい。
　また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
　また、上記実施形態では、ボルト２２の両側にナット２４が嵌められているとしているが、ボルト２２が頭部を有し、ナット２４はボルト２２の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。
　また、上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート１０４，１０６の代わりに、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと接続された別部材（例えば、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと発電単位１０２との間に配置された導電板）が出力端子として機能するとしてもよい。
　また、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト２２が挿入される各連通孔１０８とは別に設けてもよい。
　また、上記実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合には、１つのインターコネクタ１５０が隣接する２つの発電単位１０２に共有されるとしているが、このような場合でも、２つの発電単位１０２がそれぞれのインターコネクタ１５０を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ１５０や、最も下に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０は省略されているが、これらのインターコネクタ１５０を省略せずに設けてもよい。
　また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体１４４と隣接するインターコネクタ１５０とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０は、多層構成であってもよい。
　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。
　また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを得るとしているが、ＬＰガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスＦＧを得るとしてもよいし、燃料ガスＦＧとして純水素を利用してもよい。
　また、上記実施形態（または変形例、以下同様）では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての単セル１１０について、上記実施例範囲を満たす構成であるとしているが、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの発電単位１０２について、そのような構成となっていれば、単セル１１０の発電特性の向上と強度の維持とを両立させることができる。
　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の電解セル（ＳＯＥＣ）の最小単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位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、各電解セル単位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単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様に、燃料極１１６を上記実施形態の構成とすれば、電解セルの電気化学反応特性の向上と強度の維持とを両立させることができる。
２２：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　１０４，１０６：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：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　ＦＧ：燃料ガス　ＦＯＧ：燃料オフガス　ＯＧ：酸化剤ガス　ＯＯＧ：酸化剤オフガス

Claims (7)

  1. 　マイカ製部材であって、
    　Ｘ線結晶構造解析（ＸＲＤ）において、ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２の強度ピークと、Ｍｇ２ＳｉＯ４の強度ピークとを含む結晶構造を備えることを特徴とする、マイカ製部材。
  2. 　請求項１に記載のマイカ製部材において、
    　前記ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、前記Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率は、０．００１以上であることを特徴とするマイカ製部材。
  3. 　請求項１または請求項２に記載のマイカ製部材において、
    　前記ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、前記Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率は、０．１５以下であることを特徴とするマイカ製部材。
  4. 　請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のマイカ製部材において、
    　前記ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、前記Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率は、０．００３以上であることを特徴とするマイカ製部材。
  5. 　請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のマイカ製部材において、
    　前記ＫＭｇ３（Ｓｉ３Ａｌ）Ｏ１０（ＯＨ）２（００３）面の強度ピークに対する、前記Ｍｇ２ＳｉＯ４（１２０）面の強度ピークの比率は、０．０２９以下であることを特徴とするマイカ製部材。
  6. 　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単セルと、前記空気極に面する空気室または前記燃料極に面する燃料室に面する構造部材と、を備える電気化学反応単位において、
    　前記構造部材は、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のマイカ製部材により形成されていることを特徴とする、電気化学反応単位。
  7. 　前記第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
    　前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、請求項６に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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