(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
セラミックスまたは金属とシリカ成分とを含むフェルト部材と、
を備える電気化学反応単位において、
前記フェルト部材は、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室における、ガスの主たる流れ方向に直交する方向の両端の位置に配置されており、
前記フェルト部材は、前記フェルト部材が含有するセラミックスまたは金属に応じた第１の結晶構造を有しており、かつ、ＳｉＯ２の結晶構造である第２の結晶構造を有していることを特徴とする、電気化学反応単位。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学反応単位において、さらに、
前記特定電極に面する前記ガス室を構成する孔が形成されたフレーム部材と、
前記特定電極に電気的に接続された集電部材と、
を備え、
前記フェルト部材は、前記第１の方向に直交する方向において、前記集電部材における外側表面と前記フレーム部材における前記孔の表面との間に配置されていることを特徴とする、電気化学反応単位。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単位において、
前記フェルト部材は、前記セラミックスとしてのアルミナを含むことを特徴とする、電気化学反応単位。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
前記電気化学反応単位は、燃料電池発電単位であることを特徴とする、電気化学反応単位。
【請求項５】
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１から請求項４までのいずれか一項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。
【請求項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、セラミックスまたは金属とシリカ成分とを含むフェルト部材であって、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室における、ガスの主たる流れ方向に直交する方向の両端の位置に配置されたフェルト部材と、を備える電気化学反応単位の製造方法において、
セラミックスまたは金属とシリカ成分とを含むフェルト原材料を準備する工程と、
前記フェルト原材料を１０００℃以上で熱処理することにより、前記フェルト部材を作成する工程と、
を備えることを特徴とする、電気化学反応単位の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。
【背景技術】
【０００２】
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の構成単位である燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という）は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という）を備える。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向（以下、「第１の方向」という）に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。【０００３】
発電単位には、単セル周辺の空間を埋めて発電効率を向上させる等の目的で、フェルト部材が充填されることがある。このようなフェルト部材には、柔軟性および耐熱性が要求される。そのため、フェルト部材は、例えば、金属を含むフェルト材料（例えば、ニッケルフェルト）やセラミックスを含むフェルト材料（例えば、アルミナフェルト）により構成される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１６６５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セラミックスを含むフェルト材料や金属を含むフェルト材料は、Ｓｉ等の汚染物質を含むことがある。そのため、上記従来の構成では、フェルト部材からＳｉ等の汚染物質が飛散し、該汚染物質による被毒を原因とした単セルの性能低下が発生するおそれがある。【０００６】
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）の構成単位である電解セル単位にも共通の問題である。なお、本明細書では、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて、電気化学反応単位と呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応単位にも共通の課題である。【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。【０００９】
（１）本明細書に開示される電気化学反応単位は、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、セラミックスまたは金属とシリカ成分とを含むフェルト部材と、を備える電気化学反応単位において、前記フェルト部材は、第１の結晶構造を有しており、かつ、ＳｉＯ２の結晶構造である第２の結晶構造を有している。本電気化学反応単位によれば、フェルト部材が、第１の結晶構造を有しており、かつ、ＳｉＯ２の結晶構造である第２の結晶構造を有しているため、フェルト部材からのＳｉや他の汚染物質の飛散を抑制することができ、Ｓｉや他の汚染物質による被毒を原因とした単セルの性能低下の発生を抑制することができる。【００１０】
（２）上記電気化学反応単位において、前記フェルト部材は、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室に配置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、特定電極に面するガス室にフェルト部材が配置されているために、フェルト部材から飛散したＳｉや他の汚染物質による被毒を原因とした単セルの性能低下が発生しやすい構成において、フェルト部材からのＳｉや他の汚染物質の飛散を抑制することができ、Ｓｉや他の汚染物質による被毒を原因とした単セルの性能低下の発生を抑制することができる。【００１１】
（３）上記電気化学反応単位において、前記フェルト部材は、前記特定電極に面する前記ガス室における、ガスの主たる流れ方向に直交する方向の両端の位置に配置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、フェルト部材の存在により、特定電極に面するガス室に供給されたガスが反応にあまり寄与しない領域を通過してガス室から排出されることを抑制することによって反応効率を向上させつつ、フェルト部材からのＳｉや他の汚染物質の飛散を抑制することができ、Ｓｉや他の汚染物質による被毒を原因とした単セルの性能低下の発生を抑制することができる。【００１２】
（４）上記電気化学反応単位において、さらに、前記特定電極に面する前記ガス室を構成する孔が形成されたフレーム部材と、前記特定電極に電気的に接続された集電部材と、を備え、前記フェルト部材は、前記第１の方向に直交する方向において、前記集電部材における外側表面と前記フレーム部材における前記孔の表面との間に配置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、フェルト部材の存在により、特定電極に面するガス室に供給されたガスが反応にあまり寄与しない領域を通過してガス室から排出されることを抑制することによって反応効率を向上させつつ、フェルト部材からのＳｉや他の汚染物質の飛散を抑制することができ、Ｓｉや他の汚染物質による被毒を原因とした単セルの性能低下の発生を抑制することができる。【００１３】
（５）上記電気化学反応単位において、前記フェルト部材は、前記セラミックスとしてのアルミナを含む構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、フェルト部材からのＳｉや他の汚染物質の飛散を抑制しつつ、フェルト部材の耐熱性や柔軟性を向上させることができる。【００１４】
（６）上記電気化学反応単位において、前記電気化学反応単位は、燃料電池発電単位である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、Ｓｉや他の汚染物質による被毒を原因とした単セルの発電性能低下の発生を抑制することができる。【００１５】
（７）また、本明細書に開示される電気化学反応単位の製造方法は、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、セラミックスまたは金属とシリカ成分とを含むフェルト部材と、を備える電気化学反応単位の製造方法において、セラミックスまたは金属とシリカ成分とを含むフェルト原材料を準備する工程と、前記フェルト原材料を１０００℃以上で熱処理することにより、前記フェルト部材を作成する工程と、を備えることを特徴とする。本電気化学反応単位の製造方法によれば、フェルト原材料を１０００℃以上で熱処理することによってフェルト部材を作成することにより、フェルト部材に、第１の結晶構造を持たせ、かつ、ＳｉＯ２の結晶構造である第２の結晶構造を持たせることができ、Ｓｉや他の汚染物質の飛散の少ないフェルト部材を得ることができ、Ｓｉや他の汚染物質による被毒を原因とした単セルの性能低下が発生しにくい電気化学反応単位を得ることができる。【００１６】
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、電気化学反応単位（燃料電池発電単位または電解セル単位）、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（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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る。
【図２】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３】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４】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５】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６】図４および図５のＶＩ−ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。
【図７】図４および図５のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。
【図８】燃料電池スタック１００の製造方法を示すフローチャートである。
【図９】性能評価結果を示す説明図である。
【図１０】性能評価に用いた各サンプルのＸＲＤ分析の結果を示す説明図である。
【図１１】性能評価に用いた各サンプルのＸＲＤ分析の結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．実施形態：
Ａ−１．装置構成：
（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呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、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。
【００１９】
燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という）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。
【００２０】
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と呼ぶ場合がある。
【００２１】
各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、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。
【００２２】
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が挿通された連通孔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が挿通された連通孔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。
【００２３】
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が挿通された連通孔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が挿通された連通孔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。
【００２４】
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。
【００２５】
（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。
【００２６】
（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。また、図６は、図４および図５のＶＩ−ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４および図５のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。
【００２７】
図４および図５に示すように、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が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。
【００２８】
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）。
【００２９】
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。
【００３０】
電解質層１１２は、Ｚ方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な（気孔率が低い）層である。電解質層１１２は、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）、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）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、Ｚ方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な（電解質層１１２より気孔率が高い）層である。空気極１１４は、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、Ｚ方向視で電解質層１１２と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な（電解質層１１２より気孔率が高い）層である。燃料極１１６は、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。
【００３１】
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。
【００３２】
図６に示すように、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。
【００３３】
図７に示すように、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。
【００３４】
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、本実施形態では、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。また、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
【００３５】
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。
【００３６】
また、本実施形態の発電単位１０２は、さらに、フェルト部材４１を備える。図４および図６に示すように、フェルト部材４１は、空気室１６６において、酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）の両端の位置（Ｚ軸方向において単セル１１０の空気極１１４と重ならない位置）に充填されている。すなわち、フェルト部材４１は、Ｚ軸方向に直交する方向（Ｙ軸方向）において、空気極側集電体１３４における外側表面と空気極側フレーム１３０における孔１３１の表面との間に配置されている。また、図５および図７に示すように、フェルト部材４１は、燃料室１７６において、燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（Ｙ軸方向）に直交する方向（Ｘ軸方向）の両端の位置（Ｚ軸方向において単セル１１０の空気極１１４と重ならない位置）にも充填されている。すなわち、フェルト部材４１は、Ｚ軸方向に直交する方向（Ｘ軸方向）において、燃料極側集電体１４４における外側表面と燃料極側フレーム１４０における孔１４１の表面との間に配置されている。フェルト部材４１の存在により、空気室１６６に供給された酸化剤ガスＯＧまたは燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧが、発電にあまり寄与しない領域を通過して空気室１６６または燃料室１７６から排出されることを抑制することができ、発電効率を向上させることができる。なお、本実施形態における空気極１１４および燃料極１１６は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。また、本実施形態における空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当し、本実施形態における空気極側集電体１３４および燃料極側集電体１４４は、特許請求の範囲における集電部材に相当する。
【００３７】
フェルト部材４１は、アルミナ−シリカ（二酸化ケイ素）系のフェルト材料により構成されている。すなわち、フェルト部材４１は、セラミックスであるアルミナと、シリカ成分とを含んでいる。フェルト部材４１がアルミナを含むことにより、フェルト部材４１の耐熱性や柔軟性を向上させることができる。本実施形態で使用されるフェルト部材４１は、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有すると共に、ＳｉＯ２の結晶構造も有している。Ａｌ２Ｏ３の結晶構造は、特許請求の範囲における第１の結晶構造に相当し、ＳｉＯ２の結晶構造は、特許請求の範囲における第２の結晶構造に相当する。
【００３８】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２、図４および図６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、図５および図７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。
【００３９】
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に含まれる酸素と燃料ガスＦＧに含まれる水素と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。
【００４０】
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、図４および図６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、図５および図７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。
【００４１】
Ａ−３．燃料電池スタック１００の製造方法：
次に、燃料電池スタック１００の製造方法について説明する。図８は、燃料電池スタック１００の製造方法を示すフローチャートである。はじめに、フェルト原材料を準備する（Ｓ１１０）。フェルト原材料としては、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有する市販のアルミナ−シリカ系のフェルト原材料が使用される。アルミナ−シリカ系のフェルト原材料は、アルミナを含むと共に、シリカ成分として非晶質のシリカを含んでいる。
【００４２】
次に、フェルト原材料を１０００℃以上で熱処理し、その後、成形することにより、フェルト部材４１を作製する（Ｓ１２０）。なお、熱処理の温度は、例えば、１３００℃以下とすることができる。また、熱処理の時間は、例えば、８〜１２時間とすることができる。フェルト原材料を１０００℃以上で熱処理することにより、フェルト原材料に含まれるシリカ成分としての非晶質のシリカが、結晶性のシリカとなる。そのため、作製されたフェルト部材４１は、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有すると共に、ＳｉＯ２の結晶構造を有することとなる。
【００４３】
次に、公知の方法により発電単位１０２を作製する（Ｓ１３０）。このとき、上述したように、Ｓ１２０で作製したフェルト部材４１を、空気室１６６および燃料室１７６の所定の位置に充填する。
【００４４】
最後に、作製された発電単位１０２を所定の配列方向（上下方向）に複数並べて配置し、各部材を組み立てることにより、燃料電池スタック１００を作製する（Ｓ１４０）。以上の工程により、上述した構成の燃料電池スタック１００の製造が完了する。
【００４５】
Ａ−４．性能評価：
上述したフェルト部材４１を構成するフェルト材料について行った性能評価について、以下説明する。図９は、性能評価結果を示す説明図である。また、図１０および図１１は、性能評価に用いた各サンプルのＸＲＤ分析（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）の結果を示す説明図である。
【００４６】
（各サンプルについて）
図９に示すように、性能評価では、アルミナ−シリカ系のフェルト材料の４つのサンプル（サンプルＳ１〜Ｓ４）を用いた。サンプルＳ１およびＳ２は、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有する材料である。一方、サンプルＳ３およびＳ４は、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有しない材料である。図１０には、各サンプルを代表して、サンプルＳ２およびＳ４についてのＸＲＤ分析結果が示されている。サンプルＳ２については、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造に由来する３３度付近でのピークが観察されたのに対し、サンプルＳ４については、そのようなピークは観察されなかった。なお、図示しないが、サンプルＳ１については、サンプルＳ２と同様に、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造に由来するピークが観察され、サンプルＳ３については、サンプルＳ４と同様に、そのようなピークは観察されなかった。
【００４７】
また、図９に示すように、サンプルＳ１およびＳ３は、１０００℃で熱処理（１０時間）が行われたものである。一方、サンプルＳ２およびＳ４に対しては、そのような熱処理は行われていない。上述したように、アルミナ−シリカ系のフェルト材料に対して１０００℃以上で熱処理を行うと、フェルト材料に含まれるシリカ成分としての非晶質のシリカが、結晶性のシリカとなる。そのため、サンプルＳ１およびＳ３は、ＳｉＯ２の結晶構造を有しており、サンプルＳ２およびＳ４は、ＳｉＯ２の結晶構造を有していない。図１１には、各サンプルを代表して、サンプルＳ１およびＳ２についてのＸＲＤ分析結果が示されている。サンプルＳ１については、ＳｉＯ２の結晶構造に由来する２２度付近でのピークが観察されたのに対し、サンプルＳ２については、そのようなピークは観察されなかった。なお、図示しないが、サンプルＳ３については、サンプルＳ１と同様に、ＳｉＯ２の結晶構造に由来するピークが観察され、サンプルＳ４については、サンプルＳ２と同様に、そのようなピークは観察されなかった。
【００４８】
各サンプルについて、ＸＲＤ分析におけるＡｌ２Ｏ３の結晶構造に由来するピークの強度に対する、ＳｉＯ２の結晶構造に由来するピークの強度の比（結晶ピーク強度比）を算出した。なお、各結晶構造に由来するピークが存在しない場合には、強度はゼロであるとした。サンプルＳ１では、結晶ピーク強度比は０．６１であった。一方、サンプルＳ２およびＳ４では、ＳｉＯ２の結晶構造に由来するピークが存在しないため、結晶ピーク強度比はゼロであった。また、サンプルＳ３では、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造に由来するピークが存在しないため、結晶ピーク強度比は無限大であった。このように、サンプルＳ１のフェルト材料では、熱処理によって結晶性のシリカを含むようになったことが確認された。
【００４９】
（評価項目および評価方法について）
本性能評価では、Ｓｉ飛散試験と、耐久特性試験との２つの項目について評価を行った。Ｓｉ飛散試験では、各サンプルについて、るつぼの中にサンプルおよび単セル１１０を所定の間隔をあけて設置し、湿度４０％の水素雰囲気で、８５０℃、１００時間の熱処理を行い、その後、ＸＲＦ分析（Ｘ−Ｒａｙ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）にて、単セル１１０の表面のＳｉ量（ｐｐｍ）を定量化した。Ｓｉ量が１００ｐｐｍ未満である場合に合格（〇）と判定し、Ｓｉ量が１００ｐｐｍ以上である場合に不合格（×）と判定した。
【００５０】
また、耐久特性試験では、サンプルＳ１およびＳ４を対象に、サンプルのフェルト材料により構成されたフェルト部材４１を備える燃料電池スタック１００について、８５０℃で１００時間の定格発電運転を行った後、温度７００℃、電流密度０．５５Ａ／ｃｍ２での電圧を測定し、初期電圧との差分からη抵抗の増加量（Δη（Ω））を算出した。Δηが０．１Ω未満である場合に合格（〇）と判定し、Δηが０．１Ω以上である場合に不合格（×）と判定した。なお、耐久特性試験後に、Ｄ−ＳＩＭＳ分析（Ｄｙｎａｍｉｃ−Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）により、燃料極１１６における電解質層１１２側の部分（電極活性のある部分）のＳｉ被毒量（ｐｐｍ）を求めた。
【００５１】
（評価結果）
Ｓｉ飛散試験において、サンプルＳ１では、Ｓｉ量が１００ｐｐｍ未満（検出限界以下）であったため、合格（〇）と判定された。サンプルＳ１のフェルト材料は、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有すると共にＳｉＯ２の結晶構造も有しているため、Ｓｉの飛散を抑制することができたものと考えられる。一方、サンプルＳ２，Ｓ３，Ｓ４では、Ｓｉ量が１００ｐｐｍ以上であったため、不合格（×）と判定された。サンプルＳ２のフェルト材料は、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有しているが、ＳｉＯ２の結晶構造を有していないため、Ｓｉの飛散を抑制することができなかったものと考えられる。また、サンプルＳ３のフェルト材料は、サンプルＳ１と同様にＳｉＯ２の結晶構造を有しているが、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有していないため、Ｓｉの飛散を抑制することはできなかった。これは、フェルト材料が、ＳｉＯ２の結晶構造を有していても、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有していないと、フェルト材料の形状を保持することができず、かつ、耐熱性も劣るため、試験中に粒状となったフェルト材料が飛散したためであると考えられる。また、サンプルＳ４のフェルト材料は、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造もＳｉＯ２の結晶構造も有していないため、Ｓｉの飛散を抑制することができなかったものと考えられる。以上のように、Ｓｉ飛散試験の結果から、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有すると共にＳｉＯ２の結晶構造も有するフェルト材料を用いてフェルト部材４１を構成すれば、フェルト部材４１からのＳｉの飛散を抑制できることが確認された。
【００５２】
また、耐久特性試験において、サンプルＳ１では、Δηが０．１Ω未満（０．０６Ω）であったため、合格（〇）と判定された。サンプルＳ１のフェルト材料は、Ｓｉ飛散試験においてＳｉ量が僅かであったため、汚染物質としてのＳｉによる単セル１１０の被毒が抑制され、η抵抗（η抵抗の内の活性化分極）の増加が抑制されたものと考えられる。なお、サンプルＳ１では、燃料極１１６のＳｉ被毒量が２００ｐｐｍと少なかった。一方、サンプルＳ４では、Δηが０．１Ω以上（０．１２Ω）であったため、不合格（×）と判定された。サンプルＳ４のフェルト材料は、Ｓｉ飛散試験においてＳｉ量が多かったため、汚染物質としてのＳｉによって単セル１１０が被毒し、η抵抗が増加したものと考えられる。なお、サンプルＳ４では、燃料極１１６のＳｉ被毒量が８５０ｐｐｍと多かった。サンプルＳ２については、形状を保持することができず、組み付けができなかったため、耐久特性試験を実施することができなかった。また、サンプルＳ３については、熱処理によってフェルト材料が収縮したため、耐久特性試験を実施することができなかった。
【００５３】
以上説明した性能評価の結果から、フェルト部材４１が、セラミックス（アルミナ）とシリカ成分とを含むと共に、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有しており、かつ、ＳｉＯ２の結晶構造を有していれば、フェルト部材４１からのＳｉ等の汚染物質の飛散を抑制することができ、Ｓｉ等の汚染物質による被毒を原因とした単セル１１０の性能低下の発生を抑制することができることが確認された。なお、Ｓｉ等の汚染物質の飛散を抑制するためには、フェルト材料におけるＳｉの含有量を少なくすることが好ましい。しかしながら、Ｓｉの含有量が少ないフェルト材料は、ハンドリング性が低下し、組み付け時に割れたり粉々になったりする等の問題が発生するおそれがある。
【００５４】
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。
【００５５】
上記実施形態における燃料電池スタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態におけるフェルト部材４１の充填位置は、あくまで一例であり、フェルト部材４１を燃料電池スタック１００の他の位置に充填してもよい。
【００５６】
また、上記実施形態では、フェルト部材４１は、アルミナ−シリカ系のフェルト材料により構成されているが、他のアルミナ以外のセラミックス−シリカ系のフェルト材料により構成されていてもよい。あるいは、フェルト部材４１は、金属−シリカ系のフェルト材料（例えば、ニッケルフェルト）により構成されていてもよい。このような構成においても、フェルト部材４１が、セラミックスまたは金属とシリカ成分とを含むと共に、含有するセラミックスまたは金属に応じた結晶構造（第１の結晶構造）を有しており、かつ、ＳｉＯ２の結晶構造（第２の結晶構造）を有していれば、フェルト部材４１からのＳｉ等の汚染物質の飛散を抑制することができ、Ｓｉ等の汚染物質による被毒を原因とした単セル１１０の性能低下の発生を抑制することができる。
【００５７】
また、本明細書において、部材（または部材のある部分、以下同様）Ａを挟んで部材Ｂと部材Ｃとが互いに対向するとは、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとが隣接する形態に限定されず、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層１１２と空気極１１４との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、空気極１１４と燃料極１１６とは電解質層１１２を挟んで互いに対向すると言える。
【００５８】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の平板形の発電単位１０２が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば国際公開第２０１２／１６５４０９号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。
【００５９】
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電解セル（ＳＯＥＣ）の構成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号公報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、単セル１１０を電解単セル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においても、上述した構成のフェルト部材４１が採用されれば、フェルト部材４１からのＳｉ等の汚染物質の飛散を抑制することができ、Ｓｉ等の汚染物質による被毒を原因とした単セル１１０の性能低下の発生を抑制することができる。
【００６０】
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
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  ４１：フェルト部材  １００：燃料電池スタック  １０２：燃料電池発電単位  １０４：エンドプレート  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
【図１】
0006573719.tif 000002
【図２】
0006573719.tif 000003
【図３】
0006573719.tif 000004
【図４】
0006573719.tif 000005
【図５】
0006573719.tif 000006
【図６】
0006573719.tif 000007
【図７】
0006573719.tif 000008
【図８】
0006573719.tif 000009
【図９】
0006573719.tif 000010
【図１０】
0006573719.tif 000011
【図１１】
0006573719.tif 000012