(57)【要約】      （修正有）【課題】接合対象となる異種材料それぞれの機能を維持しつつ、両者を適切な接合力により気密に接合するシール部を備える燃料電池を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池は、燃料極１３と、空気極１２と、これら両者の間に設けられた電解質１１と、を有する燃料電池の単セルと、燃料極に流通する燃料ガスと空気極に流通する空気とを分離するセパレータ１６と、セパレータと電解質とを気密に接合するシール部１７と、を備え、シール部は、電解質に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つと、セパレータに含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つとを含有するガラス組成物からなる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、これら両者の間に設けられた電解質と、を有する燃料電池の単セルと、
前記燃料極に流通する燃料ガスと前記空気極に流通する空気とを分離するセパレータと、
前記セパレータと前記電解質とを気密に接合するシール部と、を備え、
前記シール部は、
前記電解質に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つと、前記セパレータに含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つとを含有するガラス組成物からなる燃料電池。
【請求項２】
前記電解質は、Ｂａ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｙ、Ｓｃ、Ｇｄからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素を含み、かつ、前記セパレータは、ＡｌまたはＳｉを含む、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記シール部は、
前記電解質に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも２つと、前記セパレータに含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも２つとを含有する請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電解質はプロトン伝導体を含む請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記プロトン伝導体は、組成式がＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３（０．０５≦ｘ≦０．５；Ｍ＝Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ）である請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記セパレータは、表層にＡｌ２Ｏ３皮膜が形成された金属組成物から構成されている請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記セパレータは、前記金属組成物として、Ａｌを含有するフェライト系ステンレスから構成されている請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記フェライト系ステンレスの母材中に、Ａｌが０．５ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下の範囲の割合で含有されている請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記フェライト系ステンレスの母材中に、さらにＳｉが０．１ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下の範囲の割合で含有されている請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記シール部は、Ａｌ、Ｂａ、およびＳｉを含んでおり、
Ａｌ、Ｂａ、およびＳｉそれぞれの含有比率は、酸化物換算で、
ＳｉＯ２が５ｗｔ％以上、９５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、
Ａｌ２Ｏ３が４．９ｗｔ％以上、３５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、
ＢａＯが０．１ｗｔ％以上、９０ｗｔ％以下となる範囲の値となる請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記シール部は、
前記電解質との界面部である電解質側界面部のうち、前記空気と接する側の領域である第１電解質側界面部と、
前記シール部の厚み方向における、前記第１電解質側界面部からの所定の範囲である第１電解質側周縁部と、
前記セパレータとの界面部であるセパレータ側界面部のうち、前記空気と接する側の領域である第１セパレータ側界面部と、
前記シール部の厚み方向における、前記第１セパレータ側界面部からの所定の範囲である第１セパレータ側周縁部と、
前記電解質側界面部のうち、前記燃料ガスと接する側の領域である第２電解質側界面部と、
前記シール部の厚み方向における、前記第２電解質側界面部からの所定の範囲である第２電解質側周縁部と、
前記セパレータ側界面部のうち、前記燃料ガスと接する側の領域である第２セパレータ側界面部と、
前記シール部の厚み方向における、前記第２セパレータ側界面部からの所定の範囲である第２セパレータ側周縁部と、を有しており、
前記燃料電池の運転温度である６００℃の温度条件下において、
前記第１電解質側界面部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含んでおり、
前記第１電解質側周縁部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含んでおり、
前記第１セパレータ側界面部は、ＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５を含む混合物を含み、該混合物においてＡｌ２ＳｉＯ５のモル分率がＢａＳｉ２Ｏ５のモル分率よりも高くなっており、
前記第１セパレータ側周縁部は、ＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５を含む混合物を含んでおり、
前記第２電解質側界面部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含んでおり、
前記第２電解質側周縁部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含んでおり、
前記第２セパレータ側界面部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含み、該混合物においてＢａＡｌ２Ｏ４のモル分率がＢａ２ＳｉＯ４のモル分率よりも高くなっており、
前記第２セパレータ側周縁部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含む請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記プロトン伝導体の組成式ＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３においてＭは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄのうちの少なくとも１つの元素を含有するものであり、
前記シール部は、Ａｌ、Ｂａ、Ｓｉ、ならびにＺｒまたはＭを含む請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記シール部において、Ａｌ、Ｂａ、Ｓｉ、ならびにＺｒまたはＭそれぞれの含有比率は、酸化物換算で、
ＳｉＯ２が５ｗｔ％以上、９５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、
Ａｌ２Ｏ３が４．７ｗｔ％以上、３５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、
ＢａＯが０．１ｗｔ％以上、９０ｗｔ％以下となる範囲の値となっており、
さらにＺｒＯ２が０．１ｗ％以上、５ｗｔ％以下となる範囲の値となるか、またはＭの酸化物が０．１ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下となる範囲の値となる請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記シール部は、前記電解質側界面部および前記セパレータ側界面部それぞれにおいて含まれるＢａの濃度の方が、該電解質側界面部と該セパレータ側界面部との間の中間領域におけるＢａの濃度よりも高くなる請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記シール部は、前記空気と接する面を有した第１シール層と、前記燃料ガスと接する面を有した第２シール層とを積層させて形成されており、
前記第１シール層に含まれるＢａの濃度が、第２シール層に含まれるＢａの濃度よりも高くなる請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記第１シール層は、
前記シール部の厚み方向に積層された、前記第１電解質側界面部を含む第３シール層と、前記第１セパレータ側界面部を含む第４シール層とから形成されており、
前記第３シール層に含まれるＢａの濃度が前記第４シール層に含まれるＢａの濃度よりも高くなる請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記第２シール層は、ＢａＯを０．１ｗｔ％の割合で含んでおり、
前記第３シール層は、ＢａＯを７８ｗｔ％の割合で含んでおり、
前記第４シール層は、ＢａＯを３０ｗｔ％の割合で含んでいる請求項１６に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気と燃料とを利用して発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、小型で、かつ高い発電効率を有しており、さらには発電時の熱を利用することで総合効率を高めることができるため分散型発電システムのデバイスとして用いられている。特に、高温作動する固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する）は、総合効率に占める発電効率が高いため、発電重視の分散型発電システム用機器として開発が進められている。
【０００３】
ＳＯＦＣの単セルは、燃料極、空気極、および電解質から構成されており、燃料極に燃料ガスが、空気極に空気（酸化剤ガス）が供給される。そして、単セルは、供給される燃料ガスと空気とを分離するためセパレータを備えている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された燃料電池スタックでは、セパレータは中央に孔が形成されたフレーム形状をしており、孔縁部が、電解質の空気極側表面の周縁部と対向するように配置されている。そして、この対向する部分同士の間に接合部（シール部）が設けられており、この接合部を介してセパレータと電解質とが接合されている。このような構成によって、特許文献１に開示された燃料電池スタックでは、空気極に面する空気流通領域と燃料極に面する燃料ガス流通領域とが区画され、一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークを抑制することができる。
【０００４】
また、ＳＯＦＣにおいて単セルと金属製部材との封着材（シール部）としてガラス組成物を用いることが提案されている（特許文献２）。特許文献２に係るガラス組成物は、酸化物換算でＳｉＯ２：４０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３：０〜５．０質量％、Ｂ２Ｏ３：０〜８．０質量％、ＭｇＯ：２０〜３０質量％、ＣａＯ：１０〜２４質量％となり、且つ、ＭｇＯとＣａＯの合計が４０〜５４質量％となる組成比を有する。このような組成比とすることで、ＳＯＦＣにおける封着に適した熱膨張係数と有しつつ、ＳＯＦＣを構成する構成材料との反応性の低いガラス組成物とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２０１６／１７８３９４号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１１／１０５５１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上記した特許文献２に係る従来技術のシール部は、異種材料に対して反応性が低いため異種材料間の接合性に問題があった。
【０００７】
本発明は一例として、接合対象となる異種材料それぞれの機能を維持しつつ、適切な接合力により異種材料を気密に接合することができるシール部を備える燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、これら両者の間に設けられた電解質と、を有する燃料電池の単セルと、前記燃料極に流通する燃料ガスと前記空気極に流通する空気とを分離するセパレータと、前記セパレータと前記電解質とを気密に接合するシール部と、を備え、前記シール部は、前記電解質に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つと、前記セパレータに含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つとを含有するガラス組成物からなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様に係る燃料電池は、以上のように構成され、接合対象となる異種材料それぞれの機能を維持しつつ、両者を適切な接合力により気密に接合するシール部を備えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池が備える燃料電池スタックの概略構成の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池スタックのＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池スタックのＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】図２に示す単セル、セパレータ、およびシール部の構成の一例を模式的に示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１の変形例１に係る単セル、セパレータ、およびシール部の構成の一例を模式的に示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１の変形例２に係る単セル、セパレータ、およびシール部の構成の一例を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１の変形例３に係る単セル、セパレータ、およびシール部の構成の一例を模式的に示す図である。
【図８】図２に示す単セル、セパレータ、およびシール部の構成と反応生成物が生成される位置を模式的に示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る単セル、セパレータ、およびシール部の構成の一例を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る単セル、セパレータ、およびシール部の構成の一例を模式的に示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係る単セル、セパレータ、およびシール部の構成の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
特許文献１に開示された燃料電池スタックのように、電解質とセパレータとを気密に接合し、一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークを抑制する構成において、本発明者らは、電解質とセパレータとの間を気密に接合するシール部について鋭意検討した。
【００１２】
まず、このようなシール部として、ガラス組成物の使用が考えられる。ガラス組成物は、ＳＯＦＣの動作温度よりも１００度〜１５０度程度高温で溶融して、セラミクス製の電解質と、ステンレス等の金属製のセパレータ部材とを気密に接合することができる。
【００１３】
ところで、シール部としてガラス組成物を用いる場合、該ガラス組成物と電解質との間、およびガラス組成物とセパレータとの間における、熱膨張係数の相違だけではなく、反応性についても考慮する必要がある。つまり、本発明者らは、電解質およびセパレータそれぞれとガラス組成物との間において、熱膨張係数だけを調整したとしても、反応性が低いと、接合力が悪くなることを見出した。例えば、特許文献２に開示されたガラス組成物を、異種材料間、すなわちＳＯＦＣにおけるセラミクス製電解質と金属製セパレータとの間の接合に利用する場合、ガラス組成物を異種材料間の接合に適した熱膨張係数となるように調整することが可能ではある。しかしながら、特許文献２に開示されたガラス組成物は、異種材料に対して反応性が低いため異種材料間の接着性に問題があることを見出した。
【００１４】
一方、異種材料とガラス組成物との間での反応性が高すぎると、電解質およびセパレータを構成する一部の元素を引き抜き、電解質およびセパレータの組成が変化してしまう可能性がある。このため、電解質の導電率が低下したり、セパレータの耐食性が低下したりする可能性があることに気が付いた。特にセパレータはＣｒ飛散抑制の機能をもたせるために、その表面にＡｌ２Ｏ３皮膜が形成されているが、セパレータとガラス組成物との間での反応性が高すぎるとこのＡｌ２Ｏ３皮膜が部分的に剥離、分解および破壊してしまう。このため、セパレータからのＣｒ飛散量が増加し、空気極がＣｒ被毒してしまい、単セルの発電性能が低下する。
【００１５】
そこで、本発明者らは、熱膨張係数を合わせつつ、異種材料とガラス組成物との間における反応性の高さを適切とする必要があることを見出した。特に、電解質およびセパレータ間をガラス組成物により気密に接合するにあたり、各電解質およびセパレータを構成する一部の元素が引き抜かれるような状況であっても各電解質およびセパレータの機能を維持するようにすることが重要であることを見出した。具体的には、電解質およびセパレータそれぞれの機能を維持するように、これらとガラス組成物とが接する界面（界面部）における化学反応性を適切な高さとするとともに、界面を介して共通の元素が自己拡散する構成とすることが必要となることを見出した。
【００１６】
上記した本発明者らの知見は、これまで明らかにされていなかったものであり、新規の課題を発見し、顕著な作用効果を奏する新規な技術的特徴を有するものである。本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
【００１７】
本発明の第１の態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、これら両者の間に設けられた電解質と、を有する燃料電池の単セルと、前記燃料極に流通する燃料ガスと前記空気極に流通する空気とを分離するセパレータと、前記セパレータと前記電解質とを気密に接合するシール部と、を備え、前記シール部は、前記電解質に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つと、前記セパレータに含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つとを含有するガラス組成物からなる。ここで半金属元素とは、Ｂ、Ｓｉ等である。
【００１８】
上記構成によると、燃料電池が備えるシール部は、電解質に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つと、前記セパレータに含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つとを含有するガラス組成物からなる。このため、シール部と電解質との間、ならびにシール部とセパレータとの間それぞれにおいて、共通する元素の自己拡散により両者の間における接合力を高めることができる。さらに、シール部が電解質に含まれる金属元素または半金属元素を引き抜いてしまい電解質の一部が分解して、該電解質の導電率が低下することを防ぐことができる。また、シール部がセパレータに含まれる金属元素または半金属元素を引き抜いてしまい、例えば、セパレータの表面に形成されたＡｌ２Ｏ３皮膜などの被膜を分解および破壊しセパレータの耐食性を低下させたり、セパレータから空気極へ飛散するＣｒを抑制する機能を低下させたりすることを防ぐことができる。
【００１９】
よって本発明の第１の態様に係る燃料電池は、接合対象となる異種材料それぞれの機能を維持しつつ、両者を適切な接合力により気密に接合するシール部を備えることができるという効果を奏する。
【００２０】
本発明の第２の態様に係る燃料電池は、上記した第１の態様において、前記電解質は、Ｂａ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｙ、Ｓｃ、Ｇｄからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素を含み、かつ、前記セパレータは、ＡｌまたはＳｉを含む構成であってもよい。
【００２１】
本発明の第３の態様に係る燃料電池は、上記した第１または第２の態様において、前記シール部は、前記電解質に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも２つと、前記セパレータに含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも２つとを含有する構成であってもよい。
【００２２】
上記構成によると、シール部と電解質との間、ならびにシール部とセパレータとの間において共通する金属元素または半金属元素の種類が少なくとも２つ存在する。このため、シール部と電解質との間、ならびにシール部とセパレータとの間において自己拡散する共通の元素の種類が少なくとも２種類となり、接合力をさらに高めることができる。
【００２３】
本発明の第４の態様に係る燃料電池は、上記した第１から第３の態様のいずれか１つの態様において、前記電解質はプロトン伝導体を含む構成であってもよい。
【００２４】
本発明の第５の態様に係る燃料電池は、上記した第４の態様において、前記プロトン伝導体は、組成式がＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３（０．０５≦ｘ≦０．５；Ｍ＝Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ）であってもよい。
【００２５】
本発明の第６の態様に係る燃料電池は、上記した第５の態様において、前記セパレータは、表層にＡｌ２Ｏ３皮膜が形成された金属組成物から構成されていてもよい。
【００２６】
上記構成によるとセパレータの表層にＡｌ２Ｏ３皮膜が形成されるため、セパレータは、優れた耐食性を有することができる。さらに、セパレータを構成する金属組成物にＣｒが含まれている場合、該セパレータから空気極へ飛散するＣｒを抑制することができる。このため、空気極がＣｒに被毒して単セルの発電性能が低下することを防ぐことができる。
【００２７】
本発明の第７の態様に係る燃料電池は、上記した第６の態様において、前記セパレータは、前記金属組成物として、Ａｌを含有するフェライト系ステンレスから構成されていてもよい。
【００２８】
本発明の第８の態様に係る燃料電池は、上記した第７の態様において、前記フェライト系ステンレスの母材中に、Ａｌが０．５ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下の範囲の割合で含有された構成であってもよい。
【００２９】
上記構成によると、フェライト系ステンレスの母材中に、Ａｌが０．５ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下の範囲の割合で含有された構成であるため、セパレータの表層にＡｌ２Ｏ３皮膜を形成することができる。
【００３０】
このため、セパレータは、優れた耐食性を有することができる。さらに、セパレータを構成するステンレスに含まれるＣｒが空気極へ飛散することを抑制することができる。よって、空気極がＣｒに被毒して単セルの発電性能が低下することを防ぐことができる。
【００３１】
本発明の第９の態様に係る燃料電池は、上記した第８の態様において、前記フェライト系ステンレスの母材中に、さらにＳｉが０．１ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下の範囲の割合で含有されていてもよい。
【００３２】
上記構成によると、フェライト系ステンレスの母材中に、Ｓｉが０．１ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下の範囲の割合で含有された構成であるため、セパレータの耐熱性を高めることができる。
【００３３】
なお、フェライト系ステンレスの母材中にＳｉが１ｗｔ％以上の割合で含有された場合、セパレータは脆くなるためＳｉが含有される割合は１ｗｔ％以下が好適である。
【００３４】
本発明の第１０の態様に係る燃料電池は、上記した第９の態様において、前記シール部は、Ａｌ、Ｂａ、およびＳｉを含んでおり、Ａｌ、Ｂａ、およびＳｉそれぞれの含有比率は、酸化物換算で、ＳｉＯ２が５ｗｔ％以上、９５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、Ａｌ２Ｏ３が４．９ｗｔ％以上、３５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、ＢａＯが０．１ｗｔ％以上、９０ｗｔ％以下となる範囲の値となる構成であってもよい。
【００３５】
Ａｌ、Ｂａ、およびＳｉそれぞれの含有比率を、酸化物換算で上記した割合とすることで、シール部には過剰にＢａＯが含まれないこととなる。換言すると、シール部を構成するガラス組成物中におけるＢａ化合物（ＢａＣＯ３は除く）の生成によって、ガラス組成物中のＢａが使い切られるような割合となっている。このため、シール部が空気および燃料ガスに曝されることで、空気および燃料ガスに含有されるＣＯ２とＢａＯとが反応してＢａＣＯ３が生成されてしまうことを防ぐことができる。
【００３６】
本発明の第１１の態様に係る燃料電池は、上記した第１０の態様において、前記シール部は、前記電解質との界面部である電解質側界面部のうち、前記空気と接する側の領域である第１電解質側界面部と、前記シール部の厚み方向における、前記第１電解質側界面部からの所定の範囲である第１電解質側周縁部と、前記セパレータとの界面部であるセパレータ側界面部のうち、前記空気と接する側の領域である第１セパレータ側界面部と、前記シール部の厚み方向における、前記第１セパレータ側界面部からの所定の範囲である第１セパレータ側周縁部と、前記電解質側界面部のうち、前記燃料ガスと接する側の領域である第２電解質側界面部と、前記シール部の厚み方向における、前記第２電解質側界面部からの所定の範囲である第２電解質側周縁部と、前記セパレータ側界面部のうち、前記燃料ガスと接する側の領域である第２セパレータ側界面部と、前記シール部の厚み方向における、前記第２セパレータ側界面部からの所定の範囲である第２セパレータ側周縁部と、を有しており、前記燃料電池の運転温度である６００℃の温度条件下において、前記第１電解質側界面部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含んでおり、前記第１電解質側周縁部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含んでおり、前記第１セパレータ側界面部は、ＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５を含む混合物を含み、該混合物においてＡｌ２ＳｉＯ５のモル分率がＢａＳｉ２Ｏ５のモル分率よりも高くなっており、前記第１セパレータ側周縁部は、ＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５を含む混合物を含んでおり、前記第２電解質側界面部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含んでおり、前記第２電解質側周縁部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含んでおり、前記第２セパレータ側界面部は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含み、該混合物においてＢａＡｌ２Ｏ４のモル分率がＢａ２ＳｉＯ４のモル分率よりも高くなっており、前記第２セパレータ側周縁部はＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含んでもよい。
【００３７】
上記したように電解質側界面部およびセパレータ側界面部それぞれに酸化物が生成されるため電解質とシール部、およびセパレータとシール部それぞれの間における接合力が高まる。
【００３８】
本発明の第１２の態様に係る燃料電池は、上記した第９の態様において、前記プロトン伝導体の組成式ＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３においてＭは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄのうち少なくとも１つの元素を含有するものであり、前記シール部は、Ａｌ、Ｂａ、Ｓｉ、ならびにＺｒまたはＭを含んでもよい。
【００３９】
本発明の第１３の態様に係る燃料電池は、上記した第１２の態様において、前記シール部において、Ａｌ、Ｂａ、Ｓｉ、ならびにＺｒまたはＭそれぞれの含有比率は、酸化物換算で、ＳｉＯ２が５ｗｔ％以上、９５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、Ａｌ２Ｏ３が４．７ｗｔ％以上、３５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、ＢａＯが０．１ｗｔ％以上、９０ｗｔ％以下となる範囲の値となっており、さらにＺｒＯ２が０．１ｗ％以上、５ｗｔ％以下となる範囲の値となるか、またはＭの酸化物が０．１ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下となる範囲の値となってもよい。
【００４０】
Ａｌ、Ｂａ、Ｓｉ、ならびにＺｒそれぞれの含有比率を、酸化物換算で上記した割合とする、あるいはＭを上記した割合とすることで、シール部には過剰にＢａＯが含まれないこととなる。換言すると、シール部を構成するガラス組成物中におけるＢａ化合物（ＢａＣＯ３は除く）の生成によって、ガラス組成物中のＢａが使い切られるような割合となっている。このため、シール部が空気および燃料ガスに曝されることで、空気および燃料ガスに含有されるＣＯ２とＢａＯとが反応してＢａＣＯ３が生成されてしまうことを防ぐことができる。
【００４１】
本発明の第１４の態様に係る燃料電池は、上記した第１１の態様において、前記シール部は、前記電解質側界面部および前記セパレータ側界面部それぞれにおいて含まれるＢａの濃度の方が、該電解質側界面部と該セパレータ側界面部との間の中間領域におけるＢａの濃度よりも高くなるように構成されていてもよい。
【００４２】
本発明の第１５の態様に係る燃料電池は、上記した第１１の態様において、前記シール部は、前記空気と接する面を有した第１シール層と、前記燃料ガスと接する面を有した第２シール層とを積層させて形成されており、前記第１シール層に含まれるＢａの濃度が、第２シール層に含まれるＢａの濃度よりも高くなる構成であってもよい。
【００４３】
ここで、空気と接する第１シール層においてセパレータとの界面部には、ＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５が生成され、電解質との界面部には、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成されるため、それぞれの反応生成物の生成に際してＢａが用いられる。
【００４４】
上記構成によると第１シール層の方が第２シール層よりも含まれるＢａの濃度が高いため、上記した反応生成物の生成に際して電解質から第１シール層へと引き抜かれるＢａの量を抑制することができる。
【００４５】
また、このように第１シール層において電解質との界面部およびセパレータとの界面部それぞれに上記した酸化物が生成されるため、電解質とシール部、およびセパレータとシール部それぞれの間における接合力が高まる。
【００４６】
本発明の第１６の態様に係る燃料電池は、上記した第１５の態様において、前記第１シール層は、前記シール部の厚み方向に積層された、前記第１電解質側界面部を含む第３シール層と、前記第１セパレータ側界面部を含む第４シール層とから形成されており、前記第３シール層に含まれるＢａの濃度が前記第４シール層に含まれるＢａの濃度よりも高くなるように構成されていてもよい。
【００４７】
本発明の第１７の態様に係る燃料電池は、上記した第１６の態様において、前記第２シール層は、ＢａＯを０．１ｗｔ％の割合で含んでおり、前記第３シール層は、ＢａＯを７８ｗｔ％の割合で含んでおり、前記第４シール層は、ＢａＯを３０ｗｔ％の割合で含んでいてもよい。
【００４８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、上記した各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態等は、上記した各態様を限定するものではない。
【００４９】
なお、以下では、全ての図を通じて同一または対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する場合がある。また、図面はそれぞれの構成要素を模式的に示したものであり、形状および寸法比等については正確な表示ではない場合がある。
【００５０】
（実施の形態１）
[燃料電池スタックの構成]
図１〜３を参照して実施の形態１に係る燃料電池が備える燃料電池スタック１の構成について説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池が備える燃料電池スタック１の概略構成の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示す燃料電池スタック１のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１に示す燃料電池スタック１のＢ−Ｂ線断面図である。
【００５１】
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軸の正方向を上方向と称し、負方向を下方向と称する場合がある。なお、図１および２に示す燃料電池スタック１は、Ｚ軸方向に単セル１０を積層させる構成であるが必ずしも単セル１０の積層方向はＺ軸方向に限定されるものではない。また、本明細書では燃料電池として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に挙げて説明するがこれに限定されるものではない。
【００５２】
図１〜３に示すように燃料電池スタック１は、上底に第１エンドプレート２０が配置され、下底に第２エンドプレート２１が配置されており、第１エンドプレート２０と第２エンドプレート２１とによって、上下方向（Ｚ軸方向）に積層された複数の単セル１０を含む層を挟みこむように構成されている。
【００５３】
第１エンドプレート２０および第２エンドプレート２１は、矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレス、またはステンレスとその表面に導電性セラミクス部材（例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４を）をコーティングしたものから形成することができる。これら第１エンドプレート２０および第２エンドプレート２１によって複数の単セル１０を含む層が挟持されている。第１エンドプレート２０は燃料電池スタック１のプラス側の出力端子とし、第２エンドプレート２１は燃料電池スタック１のマイナス側の出力端子として機能する。
【００５４】
図１〜３では特に図示していないが、第１エンドプレート２０または第２エンドプレート２１の周縁部において、一方側の辺（第１の辺）に空気を供給する空気供給口（不図示）が設けられ、この一方側の辺(第１の辺)と対向する位置にある他方側の辺（第２の辺）に空気を排出する空気排出口（不図示）が設けられていてもよい。また、空気供給口が設けられている第１の辺と直行する辺のうち、一方側の辺(第３の辺)に燃料ガスを供給する燃料ガス供給口（不図示）が設けられ、この一方側の辺(第３の辺)と対向する位置にある他方側の辺（第４の辺）に燃料ガスを排出する燃料ガス排出口（不図示）が設けられていてもよい。
【００５５】
なお、燃料ガスとしては、３００〜７００℃の、水素、および都市ガスまたはＬＰＧなどの炭化水素燃料ガスを改質した改質ガスなどが例示できる。
【００５６】
図２に示すように、空気供給口（不図示）を介して供給された空気は、単セル１０における空気極１２側の外周（空気極側集電体１４が設けられる側）を通過して空気排出口(不図示)を介して排出される。
【００５７】
また、図３に示すように、燃料ガス供給口（不図示）を介して供給された燃料ガスは、単セル１０における燃料極１３側の外周（燃料極側集電体１５が設けられる側）を通過して燃料ガス排出口(不図示)を介して排出される。
【００５８】
以上のように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタック１では、空気および燃料ガスは、それぞれの流れ方向がＸ-Ｙ平面において実質的にクロスするように流通している。
【００５９】
（単セルの構成）
次に、上記した図２を参照して燃料電池の燃料電池スタック１が備える単セル１０の構成について説明する。
【００６０】
図２に示すように、燃料電池の単セル１０は、電解質１１と、電解質１１を挟んで上下方向（単セル１０の積層方向）に互いに対向するように配置された空気極１２および燃料極１３とを備えてなる構成である。なお、図２に示すように本発明の実施の形態１に係る燃料電池の単セル１０は、燃料極１３によって電解質１１および空気極１２を支持する燃料極支持形の単セルとなっているがこれに限定されるものではなく、空気極１２によって電解質１１および燃料極１３を支持する空気極支持形の単セルであってもよい。または、電解質１１によって燃料極１３および空気極１２を支持する電解質支持形の単セルでもよい。
【００６１】
また、単セル１０は、図２に示すように、空気極１２に供給される空気と燃料極１３に供給される燃料ガスとを分離するためのセパレータ１６が設けられている。
【００６２】
電解質１１は、矩形の平板形状の緻密成形体であって、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）系、ランタンガレート系(Ｌａの一部をＳｒで置換、Ｇａの一部をＭｇで置換)、またはセリア系（Ｃｅの一部をＧｄで置換）の酸化物イオン伝導体で構成されてもよいし、プロトン伝導体で構成されてもよい。電解質１１は、イオン導電率が高いもの（例えば、イオン導電率が０．００１Ｓ/ｃｍより高く、好ましくは０．０１Ｓ/ｃｍ以上となるもの）であり、かつ電子導電率が低いもの（例えば、電子導電率が電解質のイオン導電率よりも１桁以上低いもの、好ましくは２桁以上低いもの）が望ましい。
【００６３】
プロトン伝導体としては、例えば、組成式がＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３（０．０５≦ｘ≦０．５；Ｍ＝Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ）で構成されてもよい。望ましくは、Ｙｂをドープしたジルコン酸バリウム（ＢＺＹｂ）としてもよい。電解質１１の厚みは、１μｍ以上であり５０μｍ以下の範囲の値となる。電解質１１の厚みは、発電性能の点から考慮すると薄い方が好ましいが、強度の点から考慮すると厚い方が良好となる。このため、電解質１１の厚みは両者の中間的な範囲となる５μｍ以上であり３０μｍ以下となることがより好ましい。
【００６４】
燃料極１３は、電子およびプロトンの混合伝導体であることが好ましく、水素または改質ガスなどの還元ガスに安定な組成となる物質から構成されていることが好ましい。例えば、燃料極１３は、ニッケル（Ｎｉ）とＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３（０．０５≦ｘ≦０．５；Ｍ＝Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ）との混合物より構成することができる。このように構成される場合、ニッケル（Ｎｉ）とＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３との重量比は、例えば、６０：４０とすることができる。なお、燃料極１３はこの組成に限定されるものではない。燃料極１３の厚さは、支持体として１００μｍ以上であり２ｍｍ以下の範囲の値となることが好ましい。
【００６５】
空気極１２は、電子およびプロトンの混合伝導体であることが好ましく、例えば、ＬＳＣ：Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３、（０．０５≦ｘ０．５)、ＬＳＣＦ：Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＦｅＯ３、（０．０５≦ｘ≦０．５、０．０５≦ｙ０．９５)が挙げられる。空気極１２の厚さは、イオンと電子との混合導電性の点、ならびに酸素の拡散性の点から１μｍ以上であり、１００μｍ以下となる範囲の値が好ましい。
【００６６】
セパレータ１６は、中央に矩形の孔が形成された枠形状の部材であり、表層にＡｌ２Ｏ３皮膜が形成される金属組成物から構成される。この金属組成物としては、例えば、Ａｌを含有したフェライト系ステンレスが挙げられる。枠形状であるセパレータ１６の内周部分（孔縁部）は、図２に示すように電解質１１の周縁部であって、空気極１２が配置される側の面と対向するように配置されている。そして、セパレータ１６は、対向するこの電解質１１の周縁部にシール部１７を介して接合されている。燃料電池スタック１では、このセパレータ１６によって、空気極１２に面し、空気が流通する領域である空気流通領域３０と燃料極１３に面し、燃料ガスが流通する領域である燃料ガス流通領域３１とに区画される。このように、燃料電池スタック１は、セパレータ１６を備えるため、一方の電極側から他の電極側へのガスのリークを防ぐことができる。セパレータ１６に関する詳細については後述する。
【００６７】
また、単セル１０の空気極１２の外側には、空気極側集電体１４が設けられ、燃料極１３の外側には、燃料極側集電体１５がそれぞれ設けられており、単セル１０、空気極側集電体１４、および燃料極側集電体１５の上下を一対のインターコネクタ９によって挟み込んだ構成となっている。もしくは、インターコネクタ９は、空気極側集電体１４、または、燃料極側集電体１５のいずれか一方側にだけ設けられた構成であってもよい。
【００６８】
インターコネクタ９は、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することができる。インターコネクタ９は、積層される単セル１０間の電気的導通を確保するとともに、単セル１０間での反応ガスの混合を防止する。図２に示すように隣接する単セル１０同士の間には１つのインターコネクタ９が配置されており、隣接する単セル１０によって１つのインターコネクタ９が共用される構成となっている。
【００６９】
空気極側フレーム１８は、中央部に矩形の孔が形成された枠形状の部材であり、例えば、マイカ、サーミキュライト、またはバーミキュライト等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１８の中央部に形成された孔によって空気極１２と面する空気流通領域３０を形成することができる。空気極側フレーム１８は、上下方向（ｚ軸方向）に圧縮力が加えられた状態で、セパレータ１６とインターコネクタ９とに接触した状態となっており、空気流通領域３０を流通する空気が燃料電池スタック１の外部に漏れないようにシールする。
【００７０】
燃料極側フレーム１９は、中央部に矩形の孔が形成された枠形状の部材であり、金属により形成されている。燃料極側フレーム１９の中央部に形成された孔によって燃料極１３と面する燃料ガス流通領域３１を形成することができる。燃料極側フレーム１９は、上下方向（ｚ軸方向）に圧縮力が加えられた状態で、セパレータ１６とインターコネクタ９とに接触した状態となっており、燃料ガス流通領域３１を流通する燃料ガスが燃料電池スタック１の外部に漏れないようにシールする。
【００７１】
（セパレータの構成）
図２および図４を参照してセパレータの詳細な構成について説明する。図４は、図２に示す単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成の一例を模式的に示す図である。
【００７２】
セパレータ１６は、図２および図４に示すように空気（空気流通領域３０）と燃料ガス（燃料ガス流通領域３１）とを分離する機能を有する。さらにセパレータ１６は、シール部１７を介して単セル１０の電解質１１と接合されており、燃料電池の例えば起動停止時において生じる単セル１０の膨張収縮の影響を吸収する機能を有する。セパレータ１６は、上記したように、表層にＡｌ２Ｏ３皮膜が形成される金属組成物から形成される。表層に形成されるＡｌ２Ｏ３皮膜の厚みは、０．１μｍ以上、好ましくは１μｍ〜１００μｍの範囲となる。セパレータ１６を形成する金属組成物としては、例えばステンレス、好ましくは単セル１０の線膨張係数（例えば、８ｐｐｍ／Ｋ〜１３ｐｐｍ／Ｋ）に近い、Ａｌを含有するフェライト系ステンレスが挙げられる。セパレータ１６を形成する金属組成物の一例としては、日新製鋼製ＮＣＡ−１、または新日鉄住金製ＮＳＳＣ（登録商標）２１ＭＫなどがある。これらフェライト系ステンレスは、Ｆｅ、Ｃｒ、およびＡｌの他に、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｉなどを含有しており、酸素を取り込んで表層にＡｌ２Ｏ３被膜またはＣｒ２Ｏ３皮膜が生成される。なお、このようなフェライト系ステンレスにより形成されたセパレータ１６において、表層にＡｌ２Ｏ３皮膜を形成させるために、シール部１７との接合前に予め５００度以上に昇温してもよい。望ましくは、表層にＡｌ２Ｏ３皮膜が形成された金属組成物をセパレータ１６として用いる場合には、セパレータ１６と電解質１１とをシール部１７を介して接着（融着）する工程の前に、セパレータ１６の金属組成物を３時間、８００℃で加熱し、空気中において、表層にＡｌ２Ｏ３皮膜を生成する工程を設けてもよい。
【００７３】
また、セパレータ１６が上記したフェライト系ステンレスによって形成される場合、該フェライト系ステンレスの母材中に、Ａｌが０．５ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下の範囲の割合で含有されている構成としてもよい。つまり、セパレータ１６の表層にＡｌ２Ｏ３皮膜を形成するためには、フェライト系ステンレスの母材中におけるＡｌの含有量は０．５ｗｔ％以上とする必要がある。さらに加工時の溶接を良好とするためには、フェライト系ステンレスの母材中におけるＡｌの含有量は５ｗｔ％以下、より好ましくは３ｗｔ％以下とすることが必要となる。また、このフェライト系ステンレスの母材中において、さらにＳｉが０．１ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下の範囲の割合で含有されていてもよい。
【００７４】
セパレータ１６の板厚は、０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲の値となることが望ましい。これは燃料電池の発電時における運転温度である５００〜７００℃の温度帯での単セル１０の膨張収縮の影響を緩和させるための弾性機能を維持するためである。
【００７５】
また、セパレータ１６および電解質１１は、燃料電池スタック１の動作温度が平均６００℃程度（作動最高温度６５０℃程度）の場合、７００℃〜８５０℃、好ましくは８００℃〜８５０℃の温度範囲で空気中にてシール部１７を介して接着（融着）される構成であってもよい。
【００７６】
（シール部の構成）
次に、図２および図４を参照してシール部１７の詳細な構成について説明する。シール部１７は、セパレータ１６と電解質１１とを気密に接合する部材であり主としてセラミックスを含有するガラス組成物により構成される。シール部１７は、セパレータ１６と電解質１１とを接合させる機能とともに、両者の間をシールして空気と燃料ガスを分離する機能を有する。図２および図４に示すように、シール部１７は、枠形状であるセパレータ１６の内周部分の領域であって、電解質１１と対向する面と、電解質１１の周縁部の領域であって、セパレータ１６と対向する面との間に配置され、両者を気密に接合している。
【００７７】
シール部１７は、電解質１１およびセパレータ１６それぞれとシール部１７とが接する界面における化学反応性を適切な高さとするとともに、界面を介して共通の元素が自己拡散する構成となっている。具体的には、シール部１７は電解質１１に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つと、セパレータ１６に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つとを含有するガラス組成物から構成される。例えば、電解質１１が、組成式ＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３（Ｍ＝Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ）であるプロトン伝導体から構成され、セパレータ１６が母材中にＡｌが含有されたフェライト系ステンレスから構成される場合、シール部１７は、セパレータ１６に含まれているＡｌと、電解質１１に含まれているＢａ、Ｚｒ、およびＭのいずれか１つとを少なくとも含有するガラス組成物から構成される。例えば、シール部１７は、ＢａＯ、Ａｌ２Ｏ３、およびＳｉＯ２を主成分とするガラス組成物から構成され、１０μｍ〜０．５ｍｍの厚みを有するものとすることができる。なお、ここではシール部１７の厚みとは、セパレータ１６と電解質１１との間であり、シール部１７の厚み方向とは、単セル１０の積層方向（図２におけるＺ軸方向）とする。また、上記では、シール部１７に含まれる金属元素の例として、Ａｌ、Ｂａ、Ｚｒ、およびＭ（Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ）を挙げた。シール部１７に含まれる半金属元素の例としては、例えば、ホウ素（Ｂ）およびケイ素（Ｓｉ）等が挙げられる。
【００７８】
シール部１７は、上記したように、電解質１１に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つと、セパレータ１６に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも１つとを含有する。このため、シール部１７と電解質１１との間、およびシール部１７とセパレータ１６との間それぞれにおいて共通する元素の自己拡散により両者の接合力を高めることができる。さらに、シール部１７が電解質１１に含まれる金属元素または半金属元素を大量に引き抜いてしまい電解質１１の機能が損なわれてしまうことを防ぐことができる。同様に、シール部１７がセパレータ１６に含まれる金属元素または半金属元素を大量に引き抜いてしまいセパレータ１６の機能が損なわれてしまうことを防ぐことができる。
【００７９】
上記した構成を有するシール部１７、ならびにセパレータ１６および電解質１１の組合せの一例としては、以下の組合せが挙げられる。すなわち、セパレータ１６をＡｌ２Ｏ３が表層に形成されるＡｌを含有したフェライト系ステンレスとし、シール部１７をＢａＯ、Ａｌ２Ｏ３を含むガラス組成物（ＢａＯ−Ａｌ２Ｏ３含有ガラス組成物）とし、電解質１１を、Ｙｂをドープしたジルコン酸バリウム（ＢＺＹｂ）とする。なお、シール部１７の厚さは、１０μｍ〜２ｍｍとすることができる。
【００８０】
なお、電解質１１に含まれる金属元素は、上記した例に限定されるものではなく、電解質１１は、Ｂａ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｓｒ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｙ、Ｓｃ、Ｇｄからなる群から選ばれる少なくとも一つの金属元素を含み、かつセパレータ１６は、ＡｌまたはＳｉを含んでもよい。
【００８１】
さらには、シール部１７は、電解質１１に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも２つと、セパレータ１６に含まれる金属元素または半金属元素のうちの少なくとも２つとを含有するガラス組成物から構成されていてもよい。例えば、電解質１１が、組成式ＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３（Ｍ＝Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ）であるプロトン伝導体から構成され、セパレータ１６が母材中にＡｌおよびＳｉが含有されたフェライト系ステンレスから構成される場合、シール部１７は、セパレータ１６に含まれているＡｌおよびＳｉと、電解質１１に含まれているＢａ、Ｚｒ、およびＭのいずれか２つとを少なくとも含有するガラス組成物から構成されてもよい。例えば、電解質１１（プロトン伝導体）のＭがＹｂである場合、シール部１７は、Ａｌ、Ｂａ、およびＳｉ、ならびにＺｒまたはＹｂを含む。シール部１７と電解質１１との間、ならびにシール部１７とセパレータ１６との間において共通する金属元素または半金属元素の種類が多くなればなるほど両者の間で自己拡散する共通の元素の種類が多くなり接合性がさらに高まる。
【００８２】
上記したようにセパレータ１６および電解質１１それぞれと共通する金属元素または半金属元素を少なくとも２つ有するシール部１７と、セパレータ１６および電解質１１の組合せの一例としては、以下の組合せが挙げられる。すなわち、セパレータ１６をＡｌ２Ｏ３が表層に形成されるＡｌおよびＳｉを含有したフェライト系ステンレスとし、シール部１７をＢａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２を含むガラス組成物（ＢａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２含有ガラス組成物）とし、電解質１１を、組成式がＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３（０．０５≦ｘ≦０．５；Ｍ＝Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ）となるプロトン伝導体を含む構成であってもよい。望ましくは、Ｙｂをドープしたジルコン酸バリウム（ＢＺＹｂ）としてもよい。特に、シール部１７は、上記したようにＡｌ、Ｂａ、およびＳｉを含んでおり、Ａｌ、Ｂａ、およびＳｉそれぞれの含有比率は、酸化物換算で、ＳｉＯ２が５ｗｔ％以上であり９５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、Ａｌ２Ｏ３が４．９ｗｔ％以上であり３５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、ＢａＯが０．１ｗｔ％以上であり９０ｗｔ％以下となる範囲の値となる。
【００８３】
さらにシール部１７は、上記したＡｌ、Ｂａ、およびＳｉに加えて、ＺｒまたはＭ（Ｍは、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｙ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄのうち少なくとも１つの元素を含有するもの）を含んでもよく、好ましくは、シール部１７は上記したＡｌ、Ｂａ、およびＳｉに加えてＹｂを含んでもよい。この構成の場合、シール部１７において、Ａｌ、Ｂａ、Ｓｉ、ならびにＺｒまたはＭの含有比率は、酸化物換算で、ＳｉＯ２が５ｗｔ％以上であり９５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、Ａｌ２Ｏ３が４．７ｗｔ％以上であり３５ｗｔ％以下となる範囲の値となり、ＢａＯが０．１ｗｔ％以上であり９０ｗｔ％以下となる範囲の値となっており、さらにＺｒＯ２が０．１ｗ％以上であり５ｗｔ％以下となる範囲の値となるか、またはＭの酸化物が０．１ｗｔ％以上であり５ｗｔ％以下となる範囲の値となる。なお、ＭはＹｂであることが好適である。また、シール部１７の厚さは、１０μｍ〜２ｍｍとすることができる。
【００８４】
なお、シール部１７のセパレータ１６および電解質１１に対する接合性は、セパレータ１６の表層に形成されたＡｌ２Ｏ３皮膜の機能や、電解質１１の性能維持のため、Ａｌ２Ｏ３皮膜を破壊するほど大量のＡｌをセパレータ１６から引き抜いたり、電解質１１から大量のＢａ等を引き抜いたりするほど大きくならないようにしなければならない。つまり、シール部１７は、セパレータ１６から引き抜くＡｌの量がＡｌ２Ｏ３皮膜を破壊しない範囲であり、電解質１１から引き抜くＢａの量が電解質１１の性能を維持できる範囲となるような大きさの接合力を有するようにすることが重要である。
【００８５】
電解質１１がＢＺＹｂから構成される場合、電解質１１の性能に影響を及ぼすＢａは、電解質１１の空気極１２側の主面には存在していない。そこで、シール部１７は、電解質１１の周縁部の領域であって、セパレータ１６と対向する面（空気極１２側の主面）に配置され、電解質１１の性能に直接的に影響しないＢａと反応して接合する。あるいは、シール部１７は、電解質１１の性能に影響を及ぼさない範囲でわずかなＢａを電解質１１の内部から引き抜くことができるものであることが好適である。このように接合に際してシール部１７は電解質１１の内部からわずかなＢａを引き抜く構成の場合、電解質１１の内部におけるＢａＣＯ３の生成を抑制することが可能となる。電解質１１の内部において、ＢａＣＯ３が生成されると電解質１１のワレ、ヒビなどの要因となり信頼性が低下するため、ＢａＣＯ３の生成が抑制される構成の方が有利である。
【００８６】
（変形例１）
なお、本発明の実施の形態１に係るシール部１７は、図４に示すように、所定の厚みを有し、セパレータ１６と電解質１１との互いに対向する主面を接合させる構成であった。しかしながらシール部１７の接合位置はこのような位置に限定されるものではない。例えば、図５に示すように、枠形状であるセパレータ１６と電解質１１とを接触させた状態で、セパレータ１６の内周部分の端部と電解質１１の空気極１２側の主面とを接合させる構成であってもよい。図５は、本発明の実施の形態１の変形例１に係る単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成の一例を模式的に示す図である。
【００８７】
（変形例２）
また、図５に示す変形例１のようにセパレータ１６と電解質１１とを直接、接触させて接合させるのではなく、図６に示すようにセパレータ１６と電解質１１との間に中間材４０を充填した上で、セパレータ１６と電解質１１とをシール部１７を介して接合する構成であってもよい。図６は、本発明の実施の形態１の変形例２に係る単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成の一例を模式的に示す図である。
【００８８】
中間材４０としては、ＡｇロウまたはＮｉロウを用いることができる。変形例２では、中間材４０を設けるため、図５に示す変形例１の構成のようにセパレータ１６と電解質１１とを直接、接触させて接合させる構成とすることができない場合であっても、セパレータ１６と電解質１１との接合を可能とする。
【００８９】
（変形例３）
また、本発明の実施の形態１に係る燃料電池スタック１では、セパレータ１６とインターコネクタ９とを別々に設けた構成であったが、この構成に限定されるものではない。例えば、図７に示すようにセパレータ１６がインターコネクタの機能も有しており、該セパレータ１６に設けられている空気極側集電体１４の一部を、シール部１７を介して電解質１１と接合する構成であってもよい。図７は、本発明の実施の形態１の変形例３に係る単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成の一例を模式的に示す図である。
【００９０】
（シール部で生成される反応生成物）
次に、図４に示すように、セパレータ１６が接合された本発明の実施の形態１に係る単セル１０の構成を例に挙げて、シール部１７において生成される反応生成物について説明する。特に図８に示す８箇所の領域について生成される反応生成物について説明する。この８箇所は、以下の位置となる。すなわち、シール部１７と電解質１１との界面部（電解質側界面部）であって、空気と接触する領域およびその領域の周辺と燃料ガスと接触する領域およびその領域の周辺、ならびにシール部１７とセパレータ１６との界面部（セパレータ側界面部）であって、空気と接触する領域およびその領域の周辺と燃料ガスと接触する領域およびその領域の周辺とした。図８は、図２に示す単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成と反応生成物が生成される位置を模式的に示す図である。なお、燃料電池の運転温度である６００℃の温度条件下において、生成される反応生成物を調べた。
【００９１】
具体的には、シール部１７における１つ目の領域は、電解質側界面部のうち、空気流通領域３０内を流通する空気と接する側の領域である第１電解質側界面部５０ａである。２つ目の領域は、シール部１７の厚み方向における、第１電解質側界面部５０ａからの所定の範囲（例えば、第１電解質側界面部５０ａからシール部１７の厚み方向に０．１〜２０００μｍの範囲）である第１電解質側周縁部５０ａ１である。３つ目の領域は、セパレータ側界面部のうち、空気流通領域３０内を流通する空気と接する側の領域である第１セパレータ側界面部５０ｂである。４つ目の領域は、シール部１７の厚み方向における、第１セパレータ側界面部５０ｂからの所定の範囲（例えば、第１セパレータ側界面部５０ｂからシール部１７の厚み方向に０．１〜２０００μｍの範囲）である第１セパレータ側周縁部５０ｂ１である。５つ目の領域は、電解質側界面部のうち、燃料ガス流通領域３１内を流通する燃料ガスと接する側の領域である第２電解質側界面部５０ｃである。６つ目の領域は、シール部１７の厚み方向における、第２電解質側界面部５０ｃからの所定の範囲（例えば、第２電解質側界面部５０ｃからシール部１７の厚み方向に０．１〜２０００μｍの範囲）である第２電解質側周縁部５０ｃ１である。７つ目の領域は、セパレータ側界面部のうち、燃料ガス流通領域３１内を流通する燃料ガスと接する側の領域である第２セパレータ側界面部５０ｄである。８つ目の領域は、シール部１７の厚み方向における、第２セパレータ側界面部５０ｄからの所定の範囲（例えば、第２セパレータ側界面部５０ｄからシール部１７の厚み方向に０．１〜２０００μｍの範囲）である第２セパレータ側周縁部５０ｄ１である。
【００９２】
第１電解質側界面部５０ａには、シール部１７に含まれるＡｌ、Ｂａ、および電解質１１（電解質１１の界面部近傍）に含まれるＢａが反応してＢａＡｌ２Ｏ４が生成される。さらに、第１電解質側界面部５０ａにはシール部１７に含まれるＳｉ、Ｂａおよび電解質１１（電解質１１の界面部近傍）に含まれるＢａが反応してＢａ２ＳｉＯ４が生成される。これら酸化物で存在する状態が熱力学的に安定した状態となるためである。よって、第１電解質側界面部５０ａは、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含むこととなる。
【００９３】
第１電解質側周縁部５０ａ１にも、第１電解質側界面部５０ａと同様に、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成される。よって、第１電解質側周縁部５０ａ１は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含むこととなる。
【００９４】
なお、Ｂａは、シール部１７に含まれるＢａが優先的に反応に用いられるが、不足分は、電解質１１から引き抜かれるものと考えられる。このように、シール部１７は、空気流通領域３０側において電解質１１との界面部およびその周辺にＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成されるため、電解質１１との接合性を強くすることができる。さらにまた、電解質１１では、Ｂａのモル量がＺｒおよびＭ、望ましくは、Ｙｂそれぞれの和の合計モル量よりも小さい方が、化学的にも性能的にも安定化しやすい。このため、電解質１１とシール部１７との接合に際して、一部のＢａが電解質１１から引き抜かれることにより良好な性能および信頼性を実現することができる。
【００９５】
また、第１セパレータ側界面部５０ｂには、セパレータ１６に含まれるＡｌとシール部１７に含まれるＢａ、ＡｌおよびＳｉとが反応してＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５が生成される。このため、第１セパレータ側界面部５０ｂは、ＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５を含む混合物を含むこととなる。ただし、この混合物においてＡｌ２ＳｉＯ５のモル分率がＢａＳｉ２Ｏ５のモル分率よりも高くなっている（Ａｌ２ＳｉＯ５がリッチとなっている）。第１セパレータ側周縁部５０ｂ１にもセパレータ１６に含まれるＡｌとシール部１７に含まれるＢａ、Ａｌ、およびＳｉとが反応してＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５が生成される。このため、第１セパレータ側周縁部５０ｂ１は、ＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５を含む混合物を含むこととなる。このように、シール部１７は、空気流通領域３０側においてセパレータ１６との界面およびその周辺にＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５が生成されるため、セパレータ１６との接合性を強くすることができる。
【００９６】
また、第２電解質側界面部５０ｃには、第１電解質側界面部５０ａと同様に、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成され、第２電解質側周縁部５０ｃ１には、第１電解質側周縁部５０ａ１と同様にＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成される。このため、第２電解質側界面部５０ｃは、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含むこととなる。また、第２電解質側周縁部５０ｃ１は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含むこととなる。
【００９７】
なお、５５０℃よりも低い、例えば、５００℃の温度条件下では、第２電解質側界面部５０ｃおよび第２電解質側周縁部５０ｃ１ではＢａＣＯ３が生成されやすくなる。電解質側界面部およびその近傍にＢａＣＯ３が生成されると、その生成の際に電解質１１からＢａをシール部１７に多く引き抜いてしまい電解質１１の一部が分解して、該電解質１１の導電率が低下する可能性がある。このようにＢａＣＯ３の生成は、単セル１０の発電性能の不安定化の要因となりうるため、本実施の形態に係る燃料電池の運転温度は５５０℃以上、特に６００℃付近(６００℃±３０℃)であることが好ましい。
【００９８】
以上のように、シール部１７は、燃料ガス流通領域３１側において電解質１１との界面およびその周辺にＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成されるため、電解質１１との接合性を強くすることができる。
【００９９】
また、第２セパレータ側界面部５０ｄには、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成される。このため、第２セパレータ側界面部５０ｄは、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含むこととなる。ただし、この混合物においてＢａＡｌ２Ｏ４のモル分率がＢａＳｉＯ４のモル分率よりも高くなっている（ＢａＡｌ２Ｏ４がリッチとなっている）。また、第２セパレータ側周縁部５０ｄ１には、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成される。このため、第２セパレータ側周縁部５０ｄ１は、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４を含む混合物を含むこととなる。
【０１００】
なお、５５０℃よりも低い、例えば、５００℃の温度条件下では、第２セパレータ側界面部５０ｄおよび第２セパレータ側周縁部５０ｄ１ではＢａＣＯ３が生成されやすくなる。第２セパレータ側界面部５０ｄおよび第２セパレータ側周縁部５０ｄ１にＢａＣＯ３が生成されると、燃料電池の起動停止の際、ＢａＣＯ３がＢａＯ＋ＣＯ２に分解されて、機械的に脆くなる。このため、燃料電池の運転温度は５５０℃以上好ましくは、６００℃付近(±３０℃の意味)であることが好ましい。
【０１０１】
以上のように、シール部１７は、燃料ガス流通領域３１側においてセパレータ１６との界面およびその周辺にＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成されるため、セパレータ１６との接合性を強くすることができる。
【０１０２】
また、以上のように、シール部１７では、第１電解質側界面部５０ａ、第２電解質側界面部５０ｃ、第１セパレータ側界面部５０ｂ、および第２セパレータ側界面部５０ｄそれぞれにはＢａを含む反応生成物が生成される。一方、シール部１７の電解質側界面部とセパレータ側界面部との間の中間領域では、Ｂａを含む反応生成物が生成される際に一部のＢａが引き抜かれる。このため、シール部１７は、電解質側界面部およびセパレータ側界面部それぞれにおいて含まれるＢａの濃度の方が、電解質側界面部とセパレータ側界面部との間の中間領域におけるＢａの濃度よりも高くなる。
【０１０３】
(実施の形態２)
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の燃料電池スタック１が備える単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成について説明する。なお、本発明の実施の形態２に係る燃料電池において、本発明の実施の形態１に係る燃料電池と同様な部材には同様の符号を付しその詳細な説明については省略する。
【０１０４】
まず、図９を参照して実施の形態２に係る燃料電池の燃料電池スタック１の構成について説明する。図９は、本発明の実施の形態２に係る単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成の一例を模式的に示す図である。図９に示すように、実施の形態２に係る燃料電池スタック１は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１の構成と比較して、シール部１７が２層（第１シール層１７ａおよび第２シール層１７ｂ）から構成されている点で相違する。それ以外の点については実施の形態１に係る燃料電池スタック１と同様となる。
【０１０５】
すなわち、シール部１７は、空気流通領域３０を流通する空気と接する面を有した第１シール層１７ａと、燃料ガス流通領域３１を流通する燃料ガスと接する面を有した第２シール層１７ｂとを積層させて形成されている。換言すると、実施の形態２に係るシール部１７は、実施の形態１に係る備えるシール部１７をＹ軸方向において２つの層に分割した構成となっており、第１シール層１７ａの方が第２シール層１７ｂよりも空気極３に近い位置に配置されている。そして、第１シール層１７ａに含まれるＢａの濃度が、第２シール層１７ｂに含まれるＢａの濃度よりも高くなる構成となっていることが好ましい。
【０１０６】
つまり、上記したように、第１シール層１７ａに含まれる第１セパレータ側界面部５０ｂおよび第１セパレータ側周縁部５０ｂ１では、ＢａＳｉ２Ｏ５およびＡｌ２ＳｉＯ５が生成され、セパレータ１６とシール部１７との接合性が向上する。
【０１０７】
ここで、第１シール層１７ａに含まれるＢａの濃度が小さい場合、主としてセパレータ１６に形成されたＡｌ２Ｏ３皮膜と第１シール層１７ａおよびセパレータ１６に含まれるＳｉとが反応してＡｌ２ＳｉＯ５と同時にＢａＳｉ２Ｏ５が生成される。そこで、ガラス組成物の成分中にＡｌ２ＳｉＯ５を生成当量比とほぼ同等のＡｌ、もしくはわずかに少ない量のＡｌを含有させることで、セパレータ１６に形成されたＡｌ２Ｏ３皮膜中のＡｌの引き抜きを最小限に抑制しつつ、シール部１７とセパレータ１６との接合性を向上させることがきる。さらにまた、セパレータ１６の耐熱性、耐食性、耐摩耗性、強度が低下したり、セパレータ１６から空気極１２へ飛散するＣｒを抑制する機能が低下したりすることを防ぐことができる。このため、第１シール層１７ａに含まれるＢａの濃度が高くなるように構成する。
【０１０８】
また、上記したように第１シール層１７ａに含まれる第１電解質側界面部５０ａおよび第１電解質側周縁部５０ａ１では、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成される。このためこれら反応生成物の生成に際して、電解質１１中の一部のＢａが第１シール層１７ａ側に引き抜かれてしまう。このように、電解質１１中から引き抜かれるＢａを抑制するために、第１シール層１７ａに含まれるＢａの濃度が高くなるように構成する。
【０１０９】
一方で、第２シール層１７ｂについては、Ｂａ濃度が高くなると、特に、電解質側界面部において燃料ガスと接触する部分（第２電解質側界面部５０ｃ）およびセパレータ側界面部において燃料ガスと接触する部分（第２セパレータ側界面部５０ｄ）において、燃料ガスに含まれる炭素（Ｃ）と、第２シール層１７ｂに含まれるＢａとによってＢａＣＯ３が生成されやすくなる。特に、燃料電池の運転温度（６００℃）よりも低い５５０℃になるとＢａＣＯ３の生成量が増加する。ここで、電解質側界面部においてＢａＣＯ３が生成されると、単セル１０の発電性能が不安定化するため、第２シール層１７ｂに含まれるＢａの濃度はできるだけ小さい方が好適である。第２シール層１７ｂに含まれるＢａの重量の割合は、好ましくは第２シール層１７ｂに含まれるＢａＯとして０．１ｗｔ％以下となることが望ましい。
【０１１０】
なお、本発明の実施の形態２に係る燃料電池の燃料電池スタック１についても、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の燃料電池スタック１の変形例１〜３と同様の変形例を有してもよい。
【０１１１】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る燃料電池の燃料電池スタック１が備える単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成について説明する。なお、本発明の実施の形態３に係る燃料電池において、本発明の実施の形態１、２に係る燃料電池と同様な部材には同様の符号を付しその詳細な説明については省略する。
【０１１２】
まず、図１０を参照して実施の形態３に係る燃料電池の燃料電池スタック１の構成について説明する。図１０は、本発明の実施の形態３に係る単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成の一例を模式的に示す図である。図１０に示すように、実施の形態３に係る燃料電池スタック１は、実施の形態２に係る燃料電池スタック１の構成と比較して、シール部１７を構成する第１シール層１７ａが第３シール層１７ａ１および第４シール層１７ａ２から構成されている点で相違する。それ以外の点については実施の形態２に係る燃料電池スタック１と同様となる。
【０１１３】
すなわち、実施の形態３に係る第１シール層１７ａは、シール部１７の厚み方向（Ｚ軸方向）に積層された、第１電解質側界面部を含む第３シール層１７ａ１と、第１セパレータ側界面部を含む第４シール層１７ａ２とから形成されている。換言すると、実施に形態３に係る第１シール層１７ａは、シール部１７の厚み方向（Ｚ軸方向）において分割した２つの層（第３シール層１７ａ１および第４シール層１７ａ２）から構成されている。そして、第３シール層１７ａ１に含まれるＢａの濃度が第４シール層１７ａ２に含まれるＢａの濃度よりも高くなるように構成されていてもよい。つまり、Ｂａの濃度は、第３シール層１７ａ１、第４シール層１７ａ２、第２シール層１７ｂの順に小さくなることが好ましい。
【０１１４】
第４シール層１７ａ２に含まれる第１セパレータ側界面部５０ｂにはＢａＳｉ２Ｏ５が生成され、第１セパレータ側周縁部５０ｂ１にはＡｌ２ＳｉＯ５が生成されることで、シール部１７とセパレータ１６との間の接合性が向上する。ここで、第４シール層１７ａ２に含まれるＢａの濃度が小さい場合、主としてセパレータ１６に形成されたＡｌ２Ｏ３皮膜と第４シール層１７ａ２およびセパレータ１６に含まれるＳｉとが反応してＡｌ２ＳｉＯ５が生成されてしまう。ここでＳｉが多くＡｌ２ＳｉＯ５の生成が多くなる場合、セパレータ１６に形成されたＡｌ２Ｏ３皮膜からＡｌを引き抜いてしまい、セパレータ１６のＣｒ飛散抑制能力を低下させてしまう。そこで、このＡｌ２ＳｉＯ５の生成を抑制するために、ＢａＳｉ２Ｏ５を優先して生成させるようにする。このため、第４シール層１７ａ２に含まれるＢａの濃度が高くなるように構成する。
【０１１５】
第３シール層１７ａ１に含まれる第１電解質側界面部５０ａにはＢａＡｌ２Ｏ４が生成され、第１電解質側周縁部５０ａ１では、Ｂａ２ＳｉＯ４が生成されることで、シール部１７と電解質１１との間の接合性が向上する。ここで、第３シール層１７ａ１では、ＢａＡｌ２Ｏ４およびＢａ２ＳｉＯ４が生成されるため、第４シール層１７ａ２よりもＢａがより多く消費される。そこで、電解質１１中から引き抜かれるＢａを抑制するために、第３シール層１７ａ１に含まれるＢａの濃度が第４シール層１７ａ２に含まれるＢａの濃度より高かくなるように構成してもよい。
【０１１６】
なお、第３シール層１７ａ１に含有されるＢａ、Ａｌ、Ｓｉの比率は、Ｂａ：Ａｌ：Ｓｉ＝１７：６：７であり、第３シール層１７ａ１におけるそれぞれの酸化物換算での重量比が、ＢａＯ：０．５Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝７８：９．２：１３となることが好適である。また、第４シール層１７ａ２に含有されるＢａ、Ａｌ、Ｓｉの比率は、Ｂａ：Ａｌ：Ｓｉ＝２：６：７であり、第４シール層１７ａ２におけるそれぞれの酸化物換算での重量比が、ＢａＯ：０．５Ａｌ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝３０：３０：４０となることが好適である。
【０１１７】
一方、第２シール層１７ｂについては、実施の形態２において上記したように、単セル１０の発電性能の不安定化を防ぐために、Ｂａの濃度はできるだけ小さい方が好適である。
【０１１８】
つまり、シール部１７は、第２シール層１７ｂが、ＢａＯを０．１ｗｔ％の割合で含んでおり、第３シール層１７ａ１が、ＢａＯを７８ｗｔ％の割合で含んでおり、第４シール層１７ａ２が、ＢａＯを３０ｗｔ％の割合で含んでいる構成であってもよい。
【０１１９】
なお、本発明の実施の形態３に係る燃料電池の燃料電池スタック１についても、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の燃料電池スタック１の変形例１〜３と同様の変形例を有してもよい。
【０１２０】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る燃料電池の燃料電池スタック１が備える単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成について説明する。なお、本発明の実施の形態４に係る燃料電池において、本発明の実施の形態１、２、３に係る燃料電池と同様な部材には同様の符号を付しその詳細な説明については省略する。
【０１２１】
まず、図１１を参照して実施の形態３に係る燃料電池の燃料電池スタック１の構成について説明する。図１１は、本発明の実施の形態４に係る単セル１０、セパレータ１６、およびシール部１７の構成の一例を模式的に示す図である。図１１に示すように、実施の形態４に係る燃料電池スタック１は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１の構成と比較して、シール部１７が、シール部１７の厚み方向（Ｚ軸方向）に積層された２層（第５シール層１７ｃおよび第６シール層１７ｄ）から構成されている点で相違する。それ以外の点については実施の形態に係る燃料電池スタック１と同様となる。
【０１２２】
すなわち、実施の形態４に係るシール部１７は、シール部１７の厚み方向（Ｚ軸方向）に積層された、電解質側界面部を含む第５シール層１７ｃと、セパレータ側界面部を含む第６シール層１７ｄとから形成されている。そして、第５シール層１７ｃは、空気流通領域３０を流通する空気と接する側の方が、燃料ガス流通領域３１を流通する燃料ガスと接する側よりもＢａの濃度が高くなるように濃度差が設けられた構成であってもよい。同様に、第６シール層１７ｄは、空気流通領域３０を流通する空気と接する側の方が、燃料ガス流通領域３１を流通する燃料ガスと接する側よりもＢａの濃度が高くなるように濃度差が設けられた構成であってもよい。また、第５シール層１７ｃの方が第６シール層１７ｄよりもＢａの濃度が低くなるように構成されている。第５シール層１７ｃに含まれるＢａの重量の割合は０．１〜１ｗｔ％であり第６シール層１７ｄに含まれるＢａの重量の割合は５〜９０ｗｔ％であってもよい。
【０１２３】
なお、本発明の実施の形態４に係る燃料電池の燃料電池スタック１についても、本発明の実施の形態１に係る燃料電池の燃料電池スタック１の変形例１〜３と同様の変形例を有してもよい。
【０１２４】
本発明の実施の形態１〜４に係る燃料電池は、上記した燃料電池スタック１に対して、燃料ガスとして、炭化水素燃料ガスを改質反応により改質して生成した改質ガスを供給する構成としてもよい。このように構成する場合、改質反応に必要な機器を適宜設けられてもよい。例えば、改質反応に必要な機器としては、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器、蒸発器、および該蒸発器に水を供給する水供給器等が設けられる。
【０１２５】
また、燃料電池スタック１に供給される空気については、発電時において燃料電池スタック１で生じた熱、発電に利用されなかった空気および燃料ガスを燃焼させた燃焼熱等により３００℃〜７００℃程度まで加温されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明の一態様に係る燃料電池が備えるシール部は、従来に比べ、燃料ガスと空気とを分離するセパレータと電解質との気密な接合状態を長時間にわたって維持することができる。このため、本発明の一態様に係る燃料電池は、単セルの発電性能、信頼性、および耐久性について良好な状態を維持することができる。シール部は、例えば、固体酸化物形燃料電池におけるスタッキング部材の接合に利用できる。
【符号の説明】
【０１２７】
１      燃料電池スタック
３      空気極
９      インターコネクタ
１０      単セル
１１      電解質
１２      空気極
１３      燃料極
１４      空気極側集電体
１５      燃料極側集電体
１６      セパレータ
１７      シール部
１７ａ    第１シール層
１７ａ１  第３シール層
１７ａ２  第４シール層
１７ｂ    第２シール層
１７ｃ    第５シール層
１７ｄ    第６シール層
３０      空気流通領域
３１      燃料ガス流通領域
４０      中間材
５０ａ    第１電解質側界面部
５０ａ１  第１電解質側周縁部
５０ｂ    第１セパレータ側界面部
５０ｂ１  第１セパレータ側周縁部
５０ｃ    第２電解質側界面部
５０ｃ１  第２電解質側周縁部
５０ｄ    第２セパレータ側界面部
５０ｄ１  第２セパレータ側周縁部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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