JP6118230B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は，燃料電池スタックに関する。
電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下，「ＳＯＦＣ」又は単に「燃料電池」とも記す場合がある）が知られている。ＳＯＦＣは，例えば，板状の固体電解質層の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを多数積層したスタック（燃料電池スタック）を有する。燃料極および空気極それぞれに，燃料ガス（例えば，水素）および酸化剤ガス（例えば，空気中の酸素）を供給し，固体電解質層を介して化学反応させることで，電力を発生させる。
燃料電池セルは，燃料ガスと酸化剤ガスとが存在する区画を区分するセパレータに，接合して，用いられる。この接合に，通例，Ａｇロウ等のロウ材から構成される接合部が用いられ，燃料ガスと酸化剤ガスが隔離される。
燃料電池では，供給ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれかまたは双方）のリーク防止および電極（燃料極および空気極のいずれかまたは双方）への均一な供給を確保することが，効率的な発電のために重要である。
ここで，平板型単電池（前記燃料電池セルに該当）に合金製の保持薄板枠（前記セパレータに該当）をろう付けしたり，ガラス系シール剤を用いて封止したりする技術が開示されている（特許文献１参照）。また，複数の並列流路の入口および出口に，燃料の流れの障壁となるリブを設けることで，並列流路の流れの均一性を高くする技術が開示されている（特許文献２参照）。
しかしながら，特許文献１，２の技術では，供給ガスのリーク防止および電極への均一な供給を確保するのは必ずしも容易ではなかった。
燃料電池の稼動時に，燃料極側の水素と空気極側の酸素が，ロウ材中を拡散，反応し，ボイドを生成することで，ガスリークが発生する畏れがある。
また，特許文献２のように，リブを設けることは，部材の複雑な加工が必要となり，時間，費用を要する畏れがある。
本発明は，供給ガスのリーク防止および電極への均一な供給により，発電効率の向上を図った，燃料電池スタックを提供することを目的とする。
燃料電池の稼動時に，燃料極側の水素と空気極側の酸素が，ロウ材中を拡散，反応し，ボイドを生成することで，ガスリークが発生する畏れがある。
また，特許文献２のように，リブを設けることは，部材の複雑な加工が必要となり，時間，費用を要する畏れがある。
本発明は，供給ガスのリーク防止および電極への均一な供給により，発電効率の向上を図った，燃料電池スタックを提供することを目的とする。
（１）本発明に係る燃料電池スタックは，
第１インターコネクタおよび第２インターコネクタと，
これらインターコネクタ間に配置され，前記第１インターコネクタに対向する第１主面および前記第２インターコネクタに対向する第２主面，および前記第１主面および前記第２主面間を貫通する貫通孔を有する，板状の金属製セパレータと，
空気極，燃料極，およびこれらの間に配置される固体電解質層を有し，前記固体電解質層が，前記第１インターコネクタと前記第１主面との間に，前記空気極および燃料極のいずれかの電極が平面視で前記貫通孔内に配置され，前記電極が前記ガス流入部から前記ガス流出部に向かう方向に沿う1対の辺を有する，燃料電池単セル本体と，
前記燃料電池単セル本体と，前記金属製セパレータの第１主面と，を接合し，Ａｇを含むロウ材から成る，接合部と，
前記接合部よりも前記貫通孔側の，前記燃料電池単セル本体と前記第１主面の間に，前記貫通孔の全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を有する，封止部と，
前記第２主面と前記第２インターコネクタとの間に，酸化剤ガスおよび燃料ガスのいずれかの供給ガスを流入させるガス流入部と，
前記ガス流入部から前記第２主面と前記第２インターコネクタとの間に流入し，前記電極の表面上を通過した前記供給ガスを流出させるガス流出部と，
前記金属製セパレータを挟んで，前記封止部と対向する位置における，前記金属製セパレータの第２主面上に，前記ガス流入部と対向して配置され，前記封止材と同じ材料または前記封止材よりも大きな熱膨張係数を有する材料で構成される拘束部と，
前記第２主面と前記第２インターコネクタの間に，互いに対向して配置され，前記ガス流入部から，前記拘束部を越えて流入し，前記ガス流出部から流出する供給ガスの流れを前記ガス流入部から前記ガス流出部に向かう方向に沿う範囲に制限するように，前記1対の辺それぞれに沿って配置される，一対の流れ制限部と，
を具備することを特徴とする。
第１インターコネクタおよび第２インターコネクタと，
これらインターコネクタ間に配置され，前記第１インターコネクタに対向する第１主面および前記第２インターコネクタに対向する第２主面，および前記第１主面および前記第２主面間を貫通する貫通孔を有する，板状の金属製セパレータと，
空気極，燃料極，およびこれらの間に配置される固体電解質層を有し，前記固体電解質層が，前記第１インターコネクタと前記第１主面との間に，前記空気極および燃料極のいずれかの電極が平面視で前記貫通孔内に配置され，前記電極が前記ガス流入部から前記ガス流出部に向かう方向に沿う1対の辺を有する，燃料電池単セル本体と，
前記燃料電池単セル本体と，前記金属製セパレータの第１主面と，を接合し，Ａｇを含むロウ材から成る，接合部と，
前記接合部よりも前記貫通孔側の，前記燃料電池単セル本体と前記第１主面の間に，前記貫通孔の全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を有する，封止部と，
前記第２主面と前記第２インターコネクタとの間に，酸化剤ガスおよび燃料ガスのいずれかの供給ガスを流入させるガス流入部と，
前記ガス流入部から前記第２主面と前記第２インターコネクタとの間に流入し，前記電極の表面上を通過した前記供給ガスを流出させるガス流出部と，
前記金属製セパレータを挟んで，前記封止部と対向する位置における，前記金属製セパレータの第２主面上に，前記ガス流入部と対向して配置され，前記封止材と同じ材料または前記封止材よりも大きな熱膨張係数を有する材料で構成される拘束部と，
前記第２主面と前記第２インターコネクタの間に，互いに対向して配置され，前記ガス流入部から，前記拘束部を越えて流入し，前記ガス流出部から流出する供給ガスの流れを前記ガス流入部から前記ガス流出部に向かう方向に沿う範囲に制限するように，前記1対の辺それぞれに沿って配置される，一対の流れ制限部と，
を具備することを特徴とする。
本発明では，「燃料電池単セル本体と，前記金属製セパレータの第１主面と，を接合し，Ａｇを含むロウ材から成る，接合部」および「接合部よりも前記貫通孔側の，前記燃料電池単セル本体と前記第１主面の間に，前記貫通孔の全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を有する封止部」を備えることで，燃料電池スタックの供給ガスがリークする畏れを低減できる。
燃料電池の稼動時に，燃料極側の水素と空気極側の酸素が，接合部中を拡散，反応し，接合部にボイドを生成する畏れがある。これに対して，ガラスを含む封止部が接合部（ロウ材）への供給ガスの到達を阻止し，ロウ材中でのボイドの発生を防止できる。また，接合部（ロウ材）が存在することで，封止部に印加される応力は，燃料電池単セル本体と金属製セパレータ間での応力の一部のみで済むので，ガラスを含む封止部が割れる畏れが低減される。さらに拘束部が存在することで，金属製セパレータの燃料電池単セル本体からの反り上がりが抑止されるため，ガラスを含む封止部が割れる畏れがより低減される。
また，「第２主面と前記第２インターコネクタの間に，互いに対向して配置され，前記ガス流入部から，前記拘束部を越えて流入し，前記ガス流出部から流出する供給ガスの流れを前記ガス流入部から前記ガス流出部に向かう方向に沿う範囲に制限するように，前記1対の辺それぞれに沿って配置される，一対の流れ制限部」を備えることで，電極（空気極および燃料極のいずれか）への供給ガスの均一な供給が容易となり発電効率の向上が図れる。
即ち，供給ガスは拘束部を越えて電極上に流入することで，拘束部が一種のダムとして機能し，電極上に均一に供給ガスを供給し易くなる（供給ガスの分配）。その上，一対の流れ制限部が電極外への供給ガスの逃げを制限することで，供給ガスの効率的かつ均一な供給が確保され，発電効率の向上が図れる。
即ち，供給ガスは拘束部を越えて電極上に流入することで，拘束部が一種のダムとして機能し，電極上に均一に供給ガスを供給し易くなる（供給ガスの分配）。その上，一対の流れ制限部が電極外への供給ガスの逃げを制限することで，供給ガスの効率的かつ均一な供給が確保され，発電効率の向上が図れる。
ここで，封止部と拘束部がそれぞれ，供給ガスの封止および分配の機能を持たせることで，供給ガスのリークの防止および供給ガスの均一な供給の双方を簡素な構成で実現できる。
以上のように，本発明では，封止部，拘束部，および流れ制限部を用いた比較的簡素な構成で，供給ガスのリーク防止および電極への均一な供給を可能とし，発電効率の向上を図ることができる。
（２）前記拘束部が，前記貫通孔の全周にわたって配置されても良い。
拘束部を貫通孔の全周にわたって配置することで，貫通孔全周にわたって封止部の破損抑止が実現可能となり，且つ，貫通孔内（電極上）での供給ガスの供給の均一性が向上する。
拘束部を貫通孔の全周にわたって配置することで，貫通孔全周にわたって封止部の破損抑止が実現可能となり，且つ，貫通孔内（電極上）での供給ガスの供給の均一性が向上する。
（３）前記金属製セパレータの前記貫通孔の内面に配置された連結部によって，前記封止部と前記拘束部とが連結されていても良い。
封止部と拘束部とが連結され，一体化することで，封止部の幅の実質的増大に寄与し，封止部による封止性が向上する。
封止部と拘束部とが連結され，一体化することで，封止部の幅の実質的増大に寄与し，封止部による封止性が向上する。
（４）前記流れ制限部が，セラミックフェルト，マイカ，バーミキュライトのいずれかを含んでも良い。
これらの材料は，耐熱性および柔軟性を有することから，高温となる電極付近で拘束部等の形状に応じて変形することで，流れ制限部と拘束部等間の隙間からの供給ガスの逃げを防止できる。
これらの材料は，耐熱性および柔軟性を有することから，高温となる電極付近で拘束部等の形状に応じて変形することで，流れ制限部と拘束部等間の隙間からの供給ガスの逃げを防止できる。
本発明によれば，供給ガスのリーク防止および電極への均一な供給により，発電効率の向上を図った，燃料電池スタックを提供できる。
以下，本発明に係る固体酸化物形燃料電池について図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は，本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）１０を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池１０は，燃料ガス（例えば，水素）と酸化剤ガス（例えば，空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電する。
図１は，本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）１０を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池１０は，燃料ガス（例えば，水素）と酸化剤ガス（例えば，空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電する。
固体酸化物形燃料電池１０では，エンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）が積層され，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）およびナット３５で固定される。
ボルト２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）は，燃料ガスまたは酸化剤ガス（供給ガス）の流路として機能する空洞をその内部または外部に有する。ここでは，ボルト２２，２３の内部に供給ガスの流路として機能する空洞が配置されている。これに対して，ボルト２２，２３の外周と貫通孔３２，３３の間を供給ガスの流路としても良い。
ボルト２２ａ，２２ｂがそれぞれ，酸化剤ガスを燃料電池セル４０に供給，排出する。また，ボルト２３ａ，２３ｂがそれぞれ，燃料ガスを燃料電池セル４０に供給，排出する。
図２，図３はそれぞれ，Ｙ方向，Ｘ方向での固体酸化物形燃料電池１０の模式断面図である。
固体酸化物形燃料電池１０は，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層して構成される燃料電池スタックである。ここでは，判り易さのために，４つの燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層しているが，一般には，２０〜６０個程度の燃料電池セル４０を積層することが多い。
固体酸化物形燃料電池１０は，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層して構成される燃料電池スタックである。ここでは，判り易さのために，４つの燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層しているが，一般には，２０〜６０個程度の燃料電池セル４０を積層することが多い。
エンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）は，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）に対応する貫通孔３１，３２（３２ａ，３２ｂ），３３（３３ａ，３３ｂ）を有する。
エンドプレート１１，１２は，積層される燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を押圧，保持する保持板であり，かつ燃料電池セル４０（１）〜４０（４）からの電流の出力端子でもある。
エンドプレート１１，１２は，積層される燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を押圧，保持する保持板であり，かつ燃料電池セル４０（１）〜４０（４）からの電流の出力端子でもある。
図４は，燃料電池セル４０の断面図である。図５は，燃料電池単セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル）を分解した状態を表す分解斜視図である。
図４に示すように，燃料電池セル４０は，いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池単セル本体４４，インターコネクタ４１，４５，集電体４２ａ，４２ｂ，枠部４３を備える。
燃料電池単セル本体４４は，固体電解質層５６を空気極（カソード，空気極層ともいう）５５，および，燃料極（アノード，燃料極層ともいう）５７で挟んで構成される。固体電解質層５６の酸化剤ガス流路４７側，燃料ガス流路４８側それぞれに，空気極５５，燃料極５７が配置される。
燃料ガスは，ボルト２３ａの燃料ガス流路（ボルト２３ａの内部または外部に配置される空洞）を通って，ガス流入部Ｉ１から燃料ガス流路４８に流入し，ガス流出部Ｏ１からボルト２３ｂの燃料ガス流路に流出する。
酸化剤ガスは，ボルト２２ａの酸化剤ガス流路（ボルト２２ａの内部または外部に配置される空洞）を通って，ガス流入部Ｉ２から酸化剤ガス流路４７に流入し，ガス流出部Ｏ２からボルト２２ｂの酸化剤ガス流路に流出する。
空気極５５は，上方から見て（平面視で）貫通孔５８内に配置される。空気極５５は，矩形の平板形状をなし，ガス流入部Ｉ２からガス流出部Ｏ２に向かう方向に沿う1対の辺５５ａを有する。
空気極５５としては，ペロブスカイト系酸化物（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）が使用できる。
固体電解質層５６としては，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)，ＳＤＣ(サマリウムドープセリア)，ＧＤＣ(ガドリニウムドープセリア)，ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。
燃料極５７としては，金属が好ましく，Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットやＮｉ基合金が使用できる。
インターコネクタ４１，４５は，燃料電池単セル本体４４間の導通を確保し，かつ燃料電池単セル本体４４間でのガスの混合を防止し得る，導電性（例えば，ステンレス鋼等の金属）を有する板状の部材である。
なお，燃料電池単セル本体４４間には，１個のインターコネクタ（４１若しくは４５）が配置される（直列に接続される二つの燃料電池単セル本体４４の間に一つのインターコネクタを共有しているため）。また，最上層および最下層の燃料電池単セル本体４４それぞれでは，インターコネクタ４１，４５に替えて，導電性を有するエンドプレート１１，１２が配置される。
集電体４２ａは，燃料電池単セル本体４４の空気極５５とインターコネクタ４１との間の導通を確保するためのものであり，例えば，インターコネクタ４１に形成された凸部である。集電体４２ｂは，燃料電池単セル本体４４の燃料極５７とインターコネクタ４１との間の導通を確保するためのものであり，例えば，通気性を有するニッケルフェルトやニッケルメッシュ等を用いることができる。
枠部４３は，酸化剤ガス，燃料ガスが流れる開口４６を有する。この開口４６内は，気密に保持され，かつ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路４７，燃料ガスが流れる燃料ガス流路４８に区分される。また，本実施形態の枠部４３は，空気極フレーム５１，絶縁フレーム５２，金属製セパレータ５３，燃料極フレーム５４で構成される。
空気極フレーム５１は，空気極５５側に配置される金属製の枠体で，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，酸化剤ガス流路４７を区画する。
絶縁フレーム５２は，インターコネクタ４１，４５間を電気的に絶縁する枠体で，例えば，Ａｌ２Ｏ３などのセラミックスやマイカ，バーミキュライトなどが使用でき，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，酸化剤ガス流路４７を区画する。具体的には，絶縁フレーム５２は，インターコネクタ４１，４５の間において，一方の面が空気極フレーム５１に，他方の面が金属製セパレータ５３に接触して配置されている。この結果，絶縁フレーム５２により，インターコネクタ４１，４５間が電気的に絶縁されている。
金属製セパレータ５３は，貫通孔５８を有する枠状の金属製の薄板（例えば，厚さ：０．１ｍｍ）であり，燃料電池単セル本体４４の固体電解質層５６に取り付けられ，かつ酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を防止する金属製の枠体である。金属製セパレータ５３によって，枠部４３の開口４６内の間隙が，酸化剤ガス流路４７と燃料ガス流路４８に区切られ，酸化剤ガスと燃料ガスとの混合が防止される。
金属製セパレータ５３には，金属製セパレータ５３の上面（第２主面）と下面（第１主面）の間を貫通する貫通孔によって貫通孔５８が形成される。この貫通孔５８内に，燃料電池単セル本体４４の空気極５５が配置される。また，この貫通孔５８の周囲に燃料電池単セル本体４４が接合，封止される。金属製セパレータ５３が接合された燃料電池単セル本体４４を「セパレータ付燃料電池セル」という。なお，この詳細は後述する。
燃料極フレーム５４は，絶縁フレーム５２と同様に，燃料極５７側に配置される絶縁フレームであり，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，燃料ガス流路４８を区画する。
空気極フレーム５１，絶縁フレーム５２，金属製セパレータ５３，燃料極フレーム５４は，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）が挿入されるか，もしくは酸化剤ガスか燃料ガスが流通する貫通孔３１，３２（３２ａ，３２ｂ），３３（３３ａ，３３ｂ）をそれぞれの周辺部に有する。
（セパレータ付燃料電池セル５０の詳細）
本実施形態に係るセパレータ付燃料電池セル５０は，接合部６１，封止部６２，拘束部６３，流れ制限部７１を有する。燃料電池単セル本体４４と金属製セパレータ５３の間に接合部６１，封止部６２が配置される。貫通孔５８に沿って，金属製セパレータ５３の下面と固体電解質層５６の上面が接合部６１で接合され，封止部６２で封止される。拘束部６３は，封止部６２に対応して，金属製セパレータ５３の上面に配置される。
本実施形態に係るセパレータ付燃料電池セル５０は，接合部６１，封止部６２，拘束部６３，流れ制限部７１を有する。燃料電池単セル本体４４と金属製セパレータ５３の間に接合部６１，封止部６２が配置される。貫通孔５８に沿って，金属製セパレータ５３の下面と固体電解質層５６の上面が接合部６１で接合され，封止部６２で封止される。拘束部６３は，封止部６２に対応して，金属製セパレータ５３の上面に配置される。
接合部６１は，Ａｇを含むロウ材から成り，貫通孔５８に沿って，全周にわたって，燃料電池単セル本体４４と金属製セパレータ５３の下面（第１主面）とを接合する。接合部６１（Ａｇロウ）は，例えば，２〜６ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
接合部６１の材質として，Ａｇを主成分とする各種のロウ材を採用できる。例えば，ロウ材として，Ａｇと酸化物の混合体，例えば，Ａｇ−Ａｌ２Ｏ３（ＡｇとＡｌ２Ｏ３（アルミナ）の混合体）を利用できる。Ａｇと酸化物の混合体としては，Ａｇ−ＣｕＯ，Ａｇ−ＴｉＯ２，Ａｇ−Ｃｒ２Ｏ３，Ａｇ−ＳｉＯ２も挙げることができる。また，ロウ材として，Ａｇと他の金属の合金（例えば，Ａｇ−Ｇｅ−Ｃｒ，Ａｇ−Ｔｉ，Ａｇ−Ａｌのいずれか）も利用できる。
Ａｇを含むロウ材（Ａｇロウ）は，大気雰囲気でもロウ付け温度で酸化し難い。このため，Ａｇロウを用いて，燃料電池単セル本体４４と金属製セパレータ５３とを大気雰囲気で接合でき，工程の効率上，好ましい。
封止部６２は，貫通孔５８に沿って，その全周にわたって，接合部６１よりも貫通孔５８側（内周側）に配置され，金属製セパレータ５３の貫通孔５８内にある酸化剤ガスと貫通孔５８外にある燃料ガスとの混合を防ぐために燃料電池単セル本体４４と金属製セパレータ５３の下面（第１主面）間を封止する。封止部６２が接合部６１よりも貫通孔５８側に配置されることから，接合部６１が酸化剤ガスに接触することが無くなり，酸化剤ガス流路４７側から接合部６１への酸素の移動が阻止される。この結果，水素と酸素の反応によって接合部６１にボイドが発生してガスリークすることを防止できる。
さらに，封止部６２は金属製セパレータ５３と燃料電池単セル本体４４の間に配置されることから，封止部６２に働く熱応力が，引張応力ではなくせん断応力になる。このため，封止材が割れにくくなり，また封止部６２と金属製セパレータ５３若しくは燃料電池単セル本体４４との界面での剥がれを抑制でき，封止部６２の信頼性を向上できる。
封止部６２は，例えば，０．０５〜４ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
封止部６２は，例えば，０．０５〜４ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
拘束部６３は，金属製セパレータ５３を挟んで，封止部６２と対向する位置における，金属製セパレータ５３の上面（第２主面）上に，貫通孔５８の全周にわたって，配置される。
拘束部６３は，封止部６２の構成材料（封止材）と同一の材料，または封止材よりも大きな熱膨張係数を有する材料で構成されている。
拘束部６３は，封止部６２の構成材料（封止材）と同一の材料，または封止材よりも大きな熱膨張係数を有する材料で構成されている。
拘束部６３が封止材よりも大きな熱膨張係数を有する材料で構成されている場合，固体酸化物形燃料電池１０の使用時（７００℃程度）には，金属製セパレータ５３が，封止部６２側に湾曲して，封止部６２を押す（圧接）方向に力が働き，封止部６２と金属製セパレータ５３との間の界面での剥がれ（封止部６２による封止性の低下）を抑制し，気密封止性が向上される。
また，封止部６２が貫通孔５８の全周にわたって配置されていることから，拘束部６３を貫通孔５８の全周にわたって配置することで，貫通孔５８の全周にわたって，金属製セパレータ５３の変形を抑制できる。
封止部６２，拘束部６３は，具体的には，ガラス，ガラスセラミックス（結晶化ガラス），ガラスとセラミックスの複合物等の封止材料から構成できる。
封止部６２は常温から３００℃の温度範囲内において，熱膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下の封止材から構成され，拘束部６３は封止材に比べて熱膨張係数が０．５ｐｐｍ／Ｋ〜２ｐｐｍ／Ｋ高い拘束材から構成される。
封止部６２は常温から３００℃の温度範囲内において，熱膨張係数が８ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下の封止材から構成され，拘束部６３は封止材に比べて熱膨張係数が０．５ｐｐｍ／Ｋ〜２ｐｐｍ／Ｋ高い拘束材から構成される。
金属製セパレータ５３の熱膨張係数よりも，拘束部６３を構成する材料の熱膨張係数の方が小さくても良い。
金属製セパレータ５３，拘束部６３はそれぞれ，金属，ガラスから構成され，金属製セパレータ５３よりも拘束部６３の熱膨張係数の方が小さいことが通例である。このような条件でも，拘束部６３による金属製セパレータ５３の変形（撓み）の抑制が可能である。
金属製セパレータ５３，拘束部６３はそれぞれ，金属，ガラスから構成され，金属製セパレータ５３よりも拘束部６３の熱膨張係数の方が小さいことが通例である。このような条件でも，拘束部６３による金属製セパレータ５３の変形（撓み）の抑制が可能である。
金属製セパレータ５３は，耐酸化耐久性の観点からＳＵＨ２１（１８Ｃｒ−３Ａｌ）のようなＡｌ添加フェライト系ＳＵＳ材を使用する。そのため，金属製セパレータ５３の熱膨張係数は，常温から３００℃の温度範囲内において，１０〜１４ｐｐｍ／Ｋとなる。封止材は，引張応力には弱く割れやすいが，圧縮応力には強いので，封止材の熱膨張係数は金属製セパレータ５３より低いことが好ましく，具体的には，常温から３００℃の温度範囲内において，８ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。
一対の流れ制限部７１は，金属製セパレータ５３の上面（第２主面）及び固体電解質層５６の上面とインターコネクタ４１の間に，空気極５５の1対の辺５５ａそれぞれに沿って，互いに対向して配置される。
図５に示すように，酸化剤ガス（Ｇ）は，ガス流入部Ｉ２から，拘束部６３を越えて，酸化剤ガス流路４７に流入し，空気極５５（電極）上を通過し，再び拘束部６３を越えて，ガス流出部Ｏ２に流出する。
このとき，次のように，空気極５５への酸化剤ガス（供給ガス）の均一な供給が容易となり発電効率の向上が図れる。即ち，ガス流入部Ｉ２から供給された酸化剤ガス（Ｇ）は，拘束部６３によって，平面視でガス流れ方向と垂直方向に分配された後に，空気極５５上（電極面）に流れ出す（ダム効果）。これに加えて，一対の流れ制限部７１は，ガス流入部Ｉ２から，拘束部６３を越えて流入し，ガス流出部Ｏ２から流出する酸化剤ガス（供給ガス）の流れをガス流入部からガス流出部に向かう方向に沿う範囲に制限する。
即ち，酸化剤ガスは拘束部６３を越えて空気極５５（電極）上に流入することで，拘束部６３が一種のダムとして機能し，空気極５５上に均一に供給ガスを供給し易くなる（供給ガスの分配）。その上，一対の流れ制限部７１が空気極５５外への酸化剤ガスの逃げを制限することで，酸化剤ガスの効率的かつ均一な供給が確保され，発電効率の向上が図れる。
特に，封止部６２と拘束部６３がそれぞれ，酸化剤ガスの封止および分配の機能を有することで，酸化剤ガスのリークの防止および酸化剤ガスの均一な供給の双方を新たな部材の追加や加工をすること無く，簡素な構成で実現できる。
また，前記拘束部６３が，前記貫通孔５８の全周にわたって配置されることで，貫通孔５８内（電極上）での供給ガスの供給の均一性が向上する。
特に，封止部６２と拘束部６３がそれぞれ，酸化剤ガスの封止および分配の機能を有することで，酸化剤ガスのリークの防止および酸化剤ガスの均一な供給の双方を新たな部材の追加や加工をすること無く，簡素な構成で実現できる。
また，前記拘束部６３が，前記貫通孔５８の全周にわたって配置されることで，貫通孔５８内（電極上）での供給ガスの供給の均一性が向上する。
流れ制限部７１は，セラミックフェルト，マイカ，バーミキュライトのいずれかから構成できる。これらの材料は，耐熱性および柔軟性を有することから，高温となる空気極５５付近で拘束部６３等の形状に応じて変形することで，流れ制限部７１と拘束部６３等間の隙間からの酸化剤ガス（供給ガス）の逃げを防止できる。
以上のように，固体酸化物形燃料電池１０では，封止部６２，拘束部６３，および流れ制限部７１を用いた比較的簡素な構成で，供給ガスのリーク防止および電極への均一な供給を可能とし，発電効率の向上を図ることができる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態を説明する。図６は，第２の実施形態に係る燃料電池セル４０ａの断面図である。図７は，第２の実施形態に係る燃料電池単セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０ａ）を分解した状態を表す分解斜視図である。
第２の実施形態を説明する。図６は，第２の実施形態に係る燃料電池セル４０ａの断面図である。図７は，第２の実施形態に係る燃料電池単セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０ａ）を分解した状態を表す分解斜視図である。
燃料電池セル４０ａは，貫通孔５８の側面に配置される連結部６４を有する。即ち，封止部６２ａと拘束部６３ａが連結部６４により連結され，一体に形成されている。
封止部６２ａと拘束部６３ａとの一体化は，封止部６２ａの幅の実質的増大に寄与し，封止部６２ａによる封止の確実性が向上する。既述のように，封止部６２ａは，酸化剤ガス流路４７から接合部６１への酸化剤ガスの移動を阻止する。封止部６２ａと拘束部６３ａとが一体化することで，酸化剤ガス流路４７から接合部６１に至る経路上での，封止部６２ａの長さ（幅，シールパス）が大きくなる。この結果，封止部６２ａによる封止の確実性がより向上する。
なお，本実施形態では，封止部６２ａと拘束部６３ａの構成材料の境界が比較的明確であり，この境界で成分が不連続的に変化している。これに対して，封止部６２ａと拘束部６３ａの構成材料の境界において，成分が連続的に変化し，従い，境界が不明確（ぼやける）となることも許容される。
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では，空気極５５側に流れ制限部７１が配置され，空気極５５への酸化剤ガスの供給の均一性が保持された。これに対して，燃料極５７側に流れ制限部７１を配置し，燃料極５７への燃料ガスの供給の均一性を保持しても良い。即ち，制限部７１は，空気極５５側および燃料極５７側のいずれか一方または双方に配置できる。
１０ 固体酸化物形燃料電池
１１，１２ エンドプレート
２１（２２ａ，２２ｂ），２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ） ボルト
３１，３２ 貫通孔
３５ ナット
４０ 燃料電池セル
４１，４５ インターコネクタ
４２ａ，４２ｂ 集電体
４３ 枠部
４４ 燃料電池単セル本体
４６ 開口
４７ 酸化剤ガス流路
４８ 燃料ガス流路
５０ セパレータ付燃料電池セル
５１ 空気極フレーム
５２ 絶縁フレーム
５３ 金属製セパレータ
５４ 燃料極フレーム
５５ 空気極
５５ａ 辺
５６ 固体電解質層
５７ 燃料極
５８ 貫通孔
６１ 接合部
６２ 封止部
６２ａ 封止部
６３ 拘束部
６４ 連結部
７１ 流れ制限部
Ｉ１，Ｉ２ ガス流入部
Ｏ１，Ｏ２ ガス流出部
１１，１２ エンドプレート
２１（２２ａ，２２ｂ），２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ） ボルト
３１，３２ 貫通孔
３５ ナット
４０ 燃料電池セル
４１，４５ インターコネクタ
４２ａ，４２ｂ 集電体
４３ 枠部
４４ 燃料電池単セル本体
４６ 開口
４７ 酸化剤ガス流路
４８ 燃料ガス流路
５０ セパレータ付燃料電池セル
５１ 空気極フレーム
５２ 絶縁フレーム
５３ 金属製セパレータ
５４ 燃料極フレーム
５５ 空気極
５５ａ 辺
５６ 固体電解質層
５７ 燃料極
５８ 貫通孔
６１ 接合部
６２ 封止部
６２ａ 封止部
６３ 拘束部
６４ 連結部
７１ 流れ制限部
Ｉ１，Ｉ２ ガス流入部
Ｏ１，Ｏ２ ガス流出部
Claims (4)
- 第１インターコネクタおよび第２インターコネクタと，
これらインターコネクタ間に配置され，前記第１インターコネクタに対向する第１主面および前記第２インターコネクタに対向する第２主面，および前記第１主面および前記第２主面間を貫通する貫通孔を有する，板状の金属製セパレータと，
空気極，燃料極，およびこれらの間に配置される固体電解質層を有し，前記固体電解質層が，前記第１インターコネクタと前記第１主面との間に，前記空気極および燃料極のいずれかの電極が平面視で前記貫通孔内に配置された，燃料電池単セル本体と，
前記燃料電池単セル本体と，前記金属製セパレータの第１主面と，を接合し，Ａｇを含むロウ材から成る，接合部と，
前記接合部よりも前記貫通孔側の，前記燃料電池単セル本体と前記第１主面の間に，前記貫通孔の全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を有する，封止部と，
前記第２主面と前記第２インターコネクタとの間に，酸化剤ガスおよび燃料ガスのいずれかの供給ガスを流入させるガス流入部と，
前記ガス流入部から前記第２主面と前記第２インターコネクタとの間に流入し，前記電極の表面上を通過した前記供給ガスを流出させるガス流出部と，
前記金属製セパレータを挟んで，前記封止部と対向する位置における，前記金属製セパレータの第２主面上に，前記ガス流入部と対向して配置され，前記封止材と同じ材料または前記封止材よりも大きな熱膨張係数を有する材料で構成される拘束部と，
を具備する燃料電池スタックであって，
前記電極は，前記ガス流入部から前記ガス流出部に向かう方向に沿う1対の辺を有し，
前記ガス流入部および前記ガス流出部は，平面視で前記貫通孔および前記拘束部よりも外周側に配置され，
前記燃料電池スタックは，さらに，前記第２主面と前記第２インターコネクタの間に，互いに対向して配置され，前記ガス流入部から，前記拘束部を越えて流入し，前記ガス流出部から流出する供給ガスの流れを前記ガス流入部から前記ガス流出部に向かう方向に沿う範囲に制限するように，前記1対の辺それぞれに沿って配置される，一対の流れ制限部を具備することを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記拘束部が，前記貫通孔の全周にわたって配置される，
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。 - 前記金属製セパレータの前記貫通孔の内面に配置された連結部によって，前記封止部と前記拘束部とが連結されている，
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。 - 前記流れ制限部が，セラミックフェルト，マイカ，バーミキュライトのいずれかを含む，
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
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