(57)【要約】【課題】運転温度が低温域となる場合であっても、封着性を適切に維持した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、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と、セパレータと電解質とを気密に接合する、ガラス組成物から構成されるシール部と、を備え、シール部は、少なくとも、燃料ガスおよび空気と接するそれぞれの界面からシール部内に向かう所定の領域である第１領域においてＢａを実質的に含有していない。【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、ガラス組成物から構成されるシール部と、を備え、
前記シール部は、少なくとも、前記燃料ガスおよび前記空気と接するそれぞれの界面からシール部内に向かう所定の領域である第１領域においてＢａを実質的に含有していない、燃料電池。
【請求項２】
前記シール部は、前記第１領域を除く残余の領域である第２領域において、Ｂａを含有する請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質は、プロトン伝導体を含む請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
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３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記プロトン伝導体の組成式ＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３においてＭは、Ｙｂである請求項４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、酸化ホウ素、アルカリ金属酸化物、および酸化アルミニウムのいずれも実質的に含有せずモル％表示でＳｉＯ２：４０〜５５％、ＢａＯ：１８〜３５％、ＴｉＯ２＋ＺｒＯ２：０．１〜１０％、ＺｎＯ：０〜１５％、ＣａＯ：０〜２０％、ＭｇＯ：０〜９％、ＳｒＯ：０〜５％、Ｌａ２Ｏ３：０〜２％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における電極汚染の危険のある元素を含有せず、封着に適した強度と熱膨張係数を有する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】ＷＯ２０１５／０４６１９５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に係るシール部に含まれるＢａは、ＳＯＦＣの運転温度が６００℃以下という低温域となる場合において、炭酸塩で存在する状態が熱力学的に安定した状態となる。そのため、燃料電池の封着にＢａを含むシール部を用いた場合、シール部と炭素を含むガスとが接触する領域では、ＢａＣＯ３が生成される。ここで、ＢａＣＯ３が生成された部分はもろく崩れやすくなるため、シール部は封着性が低下する。
【０００７】
本発明は一例として、運転温度が低温域となる場合であっても、封着性を適切に維持した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、ガラス組成物から構成されるシール部と、を備え、前記シール部は、少なくとも、前記燃料ガスおよび前記空気と接するそれぞれの界面からシール部内に向かう所定の領域である第１領域においてＢａを実質的に含有していない。
【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、運転温度が低温域となる場合であっても、封着性を適切に維持した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】本発明の実施の形態の変形例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。
【図９】本発明の実施の形態の変形例５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。シール部と電解質およびセパレータそれぞれとの反応性、あるいはシール部と雰囲気中のガスとの反応性は、当然ながらＳＯＦＣの運転温度によって変化する。つまり、本発明者らは、シール部を構成する元素の安定的な組成は、ＳＯＦＣの運転が低温運転にある時の温度領域（以下、低温域）と、通常の発電運転にある時の温度域とでは組成が異なることを見出した。そして、ＳＯＦＣが低温運転の時の温度領域では、ガラス組成物において含有されていると封着性に影響を及ぼす元素があることを見出した。
【００１４】
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するシール部として利用する場合、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は可能である。しかしながら、特許文献２に開示されたガラス組成物が含有するＢａは、低温域において二酸化炭素と反応し、自発的にＢａＣＯ３へ変化するため、異種材料間の封着性に問題があることを見出した。
【００１５】
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。
【００１６】
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、ガラス組成物から構成されるシール部と、を備え、前記シール部は、少なくとも、前記燃料ガスおよび前記空気と接するそれぞれの界面からシール部内に向かう所定の領域である第１領域においてＢａを実質的に含有していない構成であってもよい。
【００１７】
ここで、第１領域とは、空気および燃料ガスそれぞれと接する界面からシール部内に向かって、これら空気および燃料ガスの分子が侵入可能な領域であって、空気および燃料ガスに含まれる二酸化炭素の影響を受ける領域である。
【００１８】
上記構成によると、ガラス組成物から構成されたシール部において、少なくとも第１領域にはＢａが実質的に含有されていない。このため、燃料電池の運転温度が低温域（例えば、６００℃以下）となる場合であっても、シール部においてＢａＣＯ３が生成されることがないため、シール部の封着性の低下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、運転温度が低温域となる場合であっても、封着性を適切に維持した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、前記シール部は、前記第１領域を除く残余の領域である第２領域において、Ｂａを含有してもよい。
【００２１】
ここで第２領域とは、燃料ガスおよび空気と接するそれぞれの界面からシール部内に向かう所定の領域である第１領域を除く領域である。つまり、第２領域は、シール部において燃料ガスおよび空気と接触しない領域であるといえる。
【００２２】
上記構成によると、シール部の第２領域において、Ｂａを含有するため、シール部を構成するガラス組成物内にＢａＯを生成することができる。このため、ガラス組成物の軟化点を下げ、膨張係数を上げることができる。
【００２３】
それ故、本発明の第２の態様に係る燃料電池では、低温で、セパレータと電解質との封着に適正した熱膨張係数を有するシール部を容易に形成することができる。
【００２４】
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、前記電解質はプロトン伝導体を含む構成であってもよい。
【００２５】
本発明の第４の態様に係る燃料電池は、上記した第３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。
【００２６】
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の組成式ＢａＺｒ１−ｘＭｘＯ３においてＭは、Ｙｂであってもよい。
【００２７】
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。
【００２８】
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ありで、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。
【００２９】
（実施の形態）
[燃料電池スタックの構成]
図１〜３を参照して実施の形態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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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の辺と直交する辺のうち、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
以上のように、本発明の実施の形態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。
【００３８】
（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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（孔の縁部分）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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
空気極側フレーム２８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２８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２８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。
【００４９】
燃料極側フレーム２９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２９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２９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。
【００５０】
（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。
【００５１】
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。
【００５２】
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％未満の範囲の割合で含有されていてもよい。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。
【００５５】
シール部１７は、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〜２ｍｍ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。
【００５６】
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、Ａｌ２Ｏ３とＳiＯ２を主成分とするガラス組成物とし、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。
【００５７】
さらにまた、本実施の形態に係るシール部１７は、少なくとも、空気および燃料ガスと接するそれぞれの界面から所定範囲となる第１領域１８においては、Ｂａを実質的に含有しないガラス組成物から構成されている。ここで、「Ｂａを実質的に含有しない」とは、例えば、電解質１１側または第２領域１９から拡散によりＢａが移動し、不可避的にＢａが含有されてしまうような場合については除外するということを意味する。また、第１領域１８とは、空気および燃料ガスそれぞれと接する界面からシール部１７内に向かって、これら空気および燃料ガスの分子が侵入可能な領域であって、空気および燃料ガスに含まれる二酸化炭素の影響を受ける領域である。より具体的には、第１領域１８とは、図４に示すシール部１７の構成では、空気流通領域３０側の面（空気と接する側の界面）から空気が侵入可能な領域と、燃料ガス流通領域３１側の面（燃料ガスと接する側の界面）から燃料ガスが侵入可能な領域とすることができる。例えば、図４に示すシール部１７において、第１領域１８を、空気と接する側の界面からシール部１７の幅方向（ｙ軸方向）に数百μmから１mmの間の範囲となる領域と、燃料ガスと接する側の界面からシール部１７の幅方向（ｙ軸方向）に数百μmから１mmの間の範囲となる領域とを合わせた領域とすることができる。
【００５８】
このようにシール部１７は、少なくとも第１領域１８においてＢａを含まない構成であるため、燃料電池の運転温度が例えば、６００℃以下の低温域となる場合において、空気および燃料ガスに含まれる二酸化炭素と反応しＢａＣＯ３を生成してしまうことを防ぐことができる。なお、シール部１７における第１領域１８以外の領域である第２領域１９については、Ｂａを含んでもよい。すなわち、第２領域１９にＢａが含有されている場合、シール部１７はガラス組成物内にＢａＯを含む領域を有する。
【００５９】
このように、シール部１７がガラス組成物内にＢａＯを含む領域を有する場合、ＢａＯはガラス組成物の軟化点を下げ、膨張係数を上げることができるため、第１領域１８で燃料ガスあるいは空気中のＣＯ２との反応を抑制しつつ、第２領域１９によって低温で、セパレータ１６と電解質１１との封着に適正した熱膨張係数を有するシール部１７を容易に形成することができる。
【００６０】
また、シール部１７のセパレータ１６および電解質１１それぞれに対する接合性は、セパレータ１６の表層に形成されたＡｌ２Ｏ３皮膜の機能、ならびに電解質１１の性能を維持するために、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。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。
【００６１】
（変形例１）
なお、本発明の実施の形態に係るシール部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。
【００６２】
なお、変形例１に係るシール部１７では、第１領域１８は、空気流通領域３０側の面（空気と接する側の界面）から空気が侵入してくる範囲を含む領域となる。具体的には、第１領域１８は、空気と接する側の界面からシール部１７の幅方向（ｙ軸方向）に数百μmから１mmの間の範囲となる領域となる。そして、変形例１に係るシール部１７において、この第１領域１８を除く範囲が第２領域１９となり、この第２領域１９にはＢａが含まれる構成としてもよい。
【００６３】
（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。
【００６４】
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。
【００６５】
なお、変形例２に係るシール部１７では、第１領域１８は、変形例１と同様に、空気流通領域３０側の面（空気と接する側の界面）から空気が侵入してくる範囲を含む領域となる。具体的には、第１領域１８は、空気と接する側の界面からシール部１７の幅方向（ｙ軸方向）に数百μmから１mmの間の範囲となる領域となる。そして、変形例２に係るシール部１７において、この第１領域１８を除く範囲が第２領域１９となり、この第２領域１９には、Ｂａが含まれる構成としてもよい。
【００６６】
（変形例３）
また、本発明の実施の形態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。
【００６７】
なお、変形例３に係るシール部１７では、第１領域１８は、空気流通領域３０側の面（空気と接する側の界面）から空気が侵入してくる範囲を含む領域と、燃料ガス流通領域３１側の面（燃料ガスと接する側の界面）から燃料ガスが侵入してくる範囲とを含む領域とすることができる。例えば、図７に示す変形例３に係るシール部１７において、第１領域１８を、空気と接する側の界面からシール部１７の幅方向（ｙ軸方向）に数百μmから１mmの間の範囲となる領域と、燃料ガスと接する側の界面からシール部１７の幅方向（ｙ軸方向）に数百μmから１mmの間の範囲となる領域とすることができる。そして、変形例３に係るシール部１７において、この第１領域１８を除く範囲が第２領域１９となり、この第２領域１９には、Ｂａが含まれる構成としてもよい。
【００６８】
（変形例４）
また、図４に示す本実施の形態に係る燃料電池の構成と同様にシール部１７がセパレータ１６と電解質１１との間に配置された構成において、図８に示すように、シール部１７が第１シール層１７ａと第２シール層１７ｂとから構成されてもよい。図８は、本発明の実施の形態の変形例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。
【００６９】
つまり、変形例４に係るシール部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とを積層させた構成を有する。換言すると、変形例４に係るシール部１７は、実施の形態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２シール層１７ｂが第１シール層１７ａよりも空気極３側に配置された構成となっている。
【００７０】
変形例４に係るシール部１７の第１シール層１７ａは、図８に示すように、上面はセパレータ１６と接し、下面は電解質１１と接し、側面のうち、空気極側に位置する面（図８において右側の側面）は第２シール層１７ｂと接する。一方、第２シール層１７ｂと接する面と対向する面であって図８において第１シール層１７ａの左側の側面は、燃料ガス流通領域３１を流通する燃料ガスに曝されている。そこで、第１シール層１７ａにおいて燃料ガスが接する界面から所定の範囲となる第１領域１８にはＢａを含めない構成とする。
【００７１】
変形例４に係るシール部１７の第２シール層１７ｂは、図８に示すように、上面はセパレータ１６と接し、下面は電解質１１と接し、側面のうち、空気極側に位置する面（図８において右側の側面）は、空気流通領域３０を流通する空気と接する。一方、空気と接する面と対向する面であって図８において第２シール層１７ｂの左側の側面は、第１シール層１７ａと接している。そこで、第２シール層１７ｂにおいて空気が接する界面から所定の範囲となる第１領域１８にはＢａを含めない構成とする。そして、変形例４に係るシール部１７において、この第１領域１８を除く範囲が第２領域１９となり、この第２領域１９には、Ｂａが含まれる構成としてもよい。
【００７２】
（変形例５）
また、図４に示す本実施の形態に係る燃料電池の構成と同様にシール部１７がセパレータ１６と電解質１１との間に配置された構成において、図９に示すように、シール部１７が第１シール層１７ａ、第２シール層１７ｂ、および第３シール層１７ｃから構成されてもよい。図９は、本発明の実施の形態の変形例５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。
【００７３】
つまり、変形例５に係るシール部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、第１シール層１７ａと第２シール層１７ｂとの間に設けられた第３シール層１７ｃと、を積層させた構成を有する。換言すると、変形例５に係るシール部１７は、実施の形態に係る備えるシール部１７をＹ軸方向において３つの層に分割した構成となっており、空気極３側から順に、第２シール層１７ｂ、第３シール層１７ｃ、第１シール層１７ａが配置された構成となっている。
【００７４】
そして、第１シール層１７ａおよび第２シール層１７ｂそれぞれが、第１領域１８となっており、第１シール層１７ａおよび第２シール層１７ｂにはＢａを含めない構成とする。一方、第３シール層１７ｃが第２領域１９となっており、第３シール層１７ｃにはＢａが含まれていてもよい。
【００７５】
以上のように、変形例５に係るシール部１７は、Ｂａを含むことができない第１領域１８とＢａを含めることができる第２領域１９とを異なる層としているため、シール部１７の製造を容易とする。
【００７６】
なお、本発明の実施の形態に係る燃料電池は、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。
【００７７】
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】
【００７８】
本発明の一態様に係る燃料電池が備えるシール部は、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必要となる燃料電池において広く利用することができる。さらにまた、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も利用できる。
【符号の説明】
【００７９】
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
１７ｂ  第２シール層
１７ｃ  第３シール層
１８    第１領域
１９    第２領域
２６ａ  空気供給口
２６ｂ  空気排出口
２７ａ  燃料ガス供給口
２７ｂ  燃料ガス排出口
２８  空気極側フレーム
２９  燃料極側フレーム
３０  空気流通領域
３１  燃料ガス流通領域
４０  中間材
【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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