(57)【要約】シール部材による燃料室または空気室のシール性を向上させる。燃料電池スタックは、複数の発電単位を備え、複数の締結部材で締結されている。各発電単位は、単セルと、他の２つの部材に挟持されることにより燃料室と空気室との一方をシールするシール部材とを含む。少なくとも１つの発電単位に含まれるシール部材の他の２つの部材の内のいずれかと対向する表面における表面粗さＲａは、３．０μｍ以下である。
2016204017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記第１の方向に延びる複数の締結部材とを備え、前記複数の締結部材で締結された燃料電池スタックにおいて、
各前記発電単位は、
電解質層と前記電解質層を挟んで前記第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、
前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する貫通孔が形成され、前記第１の方向において他の２つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、を含み、
少なくとも１つの前記発電単位に含まれる前記シール部材の前記他の２つの部材の内のいずれかと対向する表面における表面粗さＲａは、３．０μｍ以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
少なくとも１つの前記発電単位に含まれる前記シール部材の前記他の２つの部材の内のいずれかと対向する表面におけるうねりＰａの標準偏差は、０．２以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記シール部材の前記他の２つの部材の内のいずれかと対向する表面におけるうねりＰａの平均値は、１．４μｍ以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項４】
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、前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する貫通孔が形成され、前記第１の方向において他の２つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、が前記第１の方向に並べて配置され、前記第１の方向に沿って延びる複数の締結部材で締結された燃料電池スタックの製造方法であって、
前記シール部材に前記第１の方向に沿った圧縮荷重を加える圧縮工程と、
前記圧縮工程の後に、複数の前記単セルと複数の前記シール部材とを前記複数の締結部材で締結する組立工程とを備えることを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池スタックの製造方法において、さらに、
前記圧縮工程の前に、前記シール部材を加熱する熱処理工程を備えることを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の燃料電池スタックの製造方法において、
前記圧縮工程における前記シール部材の単位面積あたりの前記圧縮荷重の値は、前記組立工程の完了時において複数の前記締結部材による前記燃料電池スタックの締結により前記シール部材に作用する単位面積あたりの荷重の値より大きいことを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法。
【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、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）は、一般に、所定の方向（以下、「配列方向」ともいう）に並べて配置された複数の発電単位を備える燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックは、上記配列方向に延びる複数の締結部材（例えばボルト）によって締結される。【０００３】
発電単位は、発電の最小単位であり、電解質層と、電解質層を挟んで上記配列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を備える。発電単位は、また、空気極に面する空気室をシールするシール部材を備える（例えば特許文献１参照）。シール部材は、空気室を構成する貫通孔が形成されたフレーム形状の部材であり、例えばマイカにより形成される。シール部材が上記配列方向において他の２つの部材に挟持されることにより、空気室がシールされる。シール部材を用いることにより、比較的簡単かつ低コストな構成で、空気室のシールが実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２１０４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術では、シール部材によって空気室からのガスリークを十分に抑制することができず、十分なシール性を得ることができないという問題がある。十分なシール性が得られないと、例えば、高温のガスがリークすることによって熱利用効率が低下し、燃料電池スタックの総合効率が低下するため、好ましくない。なお、このような課題は、発電単位が空気室をシールするシール部材を備える構成に限られず、発電単位が燃料極に面する燃料室をシールするシール部材を備える構成にも共通の課題である。また、このような課題は、ＳＯＦＣに限らず、他のタイプの燃料電池にも共通の課題である。【０００６】
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】
【０００７】
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。【０００８】
（１）本明細書に開示される燃料電池スタックは、第１の方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記第１の方向に延びる複数の締結部材とを備え、前記複数の締結部材で締結された燃料電池スタックにおいて、各前記発電単位は、電解質層と前記電解質層を挟んで前記第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、前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する貫通孔が形成され、前記第１の方向において他の２つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、を含み、少なくとも１つの前記発電単位に含まれる前記シール部材の前記他の２つの部材の内のいずれかと対向する表面における表面粗さＲａは、３．０μｍ以下であることを特徴とする。本燃料電池スタックによれば、シール部材の表面粗さＲａの値を抑え、シール部材の表面を介した燃料室または空気室からのガスの漏洩を効果的に抑制することができ、シール部材のガスシール性を向上させることができる。【０００９】
（２）上記燃料電池スタックにおいて、少なくとも１つの前記発電単位に含まれる前記シール部材の前記他の２つの部材の内のいずれかと対向する表面におけるうねりＰａの標準偏差は、０．２以下であることを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、シール部材のうねりＰａのばらつきを抑え、シール部材の表面を介した燃料室または空気室からのガスの漏洩をより効果的に抑制することができ、シール部材のガスシール性をさらに向上させることができる。【００１０】
（３）上記燃料電池スタックにおいて、前記シール部材の前記他の２つの部材の内のいずれかと対向する表面におけるうねりＰａの平均値は、１．４μｍ以下であることを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、シール部材のうねりＰａの値を抑え、シール部材の表面を介した燃料室または空気室からのガスの漏洩をより効果的に抑制することができ、シール部材のガスシール性をさらに向上させることができる。【００１１】
（４）本明細書に開示される燃料電池スタックの製造方法は、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、前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する貫通孔が形成され、前記第１の方向において他の２つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、が前記第１の方向に並べて配置され、前記第１の方向に沿って延びる複数の締結部材で締結された燃料電池スタックの製造方法であって、前記シール部材に前記第１の方向に沿った圧縮荷重を加える圧縮工程と、前記圧縮工程の後に、複数の前記単セルと複数の前記シール部材とを前記複数の締結部材で締結する組立工程とを備えることを特徴とする。本燃料電池スタックの製造方法によれば、シール部材のうねりＰａの値やうねりＰａのばらつきを抑えることができ、かつ、シール部材の気孔率を低下させることができ、シール部材の表面や内部を介した燃料室または空気室からのガスの漏洩をより効果的に抑制することができ、シール部材のガスシール性をさらに向上させることができる。【００１２】
（５）上記燃料電池スタックの製造方法において、さらに、前記圧縮工程の前に、前記シール部材を加熱する熱処理工程を備えることを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池スタックの製造方法によれば、熱処理工程によってシール部材内部のバインダー等が分解や揮発して気孔率が高くなっても、その後に圧縮工程を実行することによってシール部材の気孔率を低下させることができ、シール部材の内部を介した燃料室または空気室からのガスの漏洩をより効果的に抑制することができる。【００１３】
（６）上記燃料電池スタックの製造方法において、前記圧縮工程における前記シール部材の単位面積あたりの前記圧縮荷重の値は、前記組立工程の完了時において複数の前記締結部材による前記燃料電池スタックの締結により前記シール部材に作用する単位面積あたりの荷重の値より大きいことを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池スタックの製造方法によれば、圧縮工程を行うことによってシール部材のうねりＰａの値やうねりＰａのばらつき、気孔率をより効果的に低下させることができ、シール部材の表面や内部を介した燃料室または空気室からのガスの漏洩をさらに効果的に抑制することができる。【００１４】
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、燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、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】
【００１５】
【図１】第１実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池スタック１００の上側のＸＹ平面構成を示す説明図である。
【図３】第１実施形態における燃料電池スタック１００の下側のＸＹ平面構成を示す説明図である。
【図４】図１から図３のＩＶ−ＩＶ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５】図１から図３のＶ−Ｖ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６】図１から図３のＶＩ−ＶＩ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７】図５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８】図６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９】図７のＩＸ−ＩＸ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１０】図７のＸ−Ｘ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１１】熱交換部１０３のＸＹ断面構成を概略的に示す説明図である。
【図１２】本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法を示すフローチャートである。
【図１３】マイカシートＭＳの表面粗さＲａの測定結果の一例を示す説明図である。
【図１４】マイカシートＭＳのうねりＰａの測定結果の一例を示す説明図である。
【図１５】性能評価に用いた試験装置５００の構成を示す説明図である。
【図１６】性能評価に用いた試験装置５００の構成を示す説明図である。
【図１７】性能評価結果の一例を示す説明図である。
【図１８】マイカシートＭＳのヒステリシス特性を示す説明図である。
【図１９】マイカシートＭＳへの予荷重の有無の判定方法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
Ａ．実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１から図６は、本実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。図１には、燃料電池スタック１００の外観構成が示されており、図２には、燃料電池スタック１００の上側の平面構成が示されており、図３には、燃料電池スタック１００の下側の平面構成が示されており、図４には、図１から図３のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図５には、図１から図３のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図６には、図１から図３のＶＩ−ＶＩの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されている。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７以降についても同様である。
【００１７】
燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では６つの）発電単位１０２と、熱交換部１０３と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。６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。ただし、６つの発電単位１０２の内、３つの発電単位１０２は互いに隣接するように配置され、残りの３つの発電単位１０２も互いに隣接するように配置され、上記３つの発電単位１０２と上記残りの３つの発電単位１０２との間に熱交換部１０３が配置されている。すなわち、熱交換部１０３は、６つの発電単位１０２と熱交換部１０３とから構成される集合体における上下方向の中央付近に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、６つの発電単位１０２と熱交換部１０３と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。
【００１８】
燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、熱交換部１０３、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。
【００１９】
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。ボルト２２は、特許請求の範囲における締結部材に相当する。なお、図４から図６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。
【００２０】
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２から図４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つの頂点（Ｙ軸負方向側およびＸ軸負方向側の頂点）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、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２２Ｃ）と、そのボルト２２Ｃが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、熱交換部１０３から排出された酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に向けて運ぶガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド１６３として機能する。また、図２、図３および図５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から排出された酸化剤オフガス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。
【００２１】
また、図２、図３および図６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から排出された燃料オフガス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。
【００２２】
図４から図６に示すように、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４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に連通している。また、図５に示すように、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６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。
【００２３】
（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、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と熱交換部１０３と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。
【００２４】
（発電単位１０２の構成）
図７から図１０は、発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。図７には、図５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の断面構成が示されており、図８には、図６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の断面構成が示されており、図９には、図７のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２の断面構成が示されており、図１０には、図７のＸ−Ｘの位置における発電単位１０２の断面構成が示されている。
【００２５】
図７および図８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。
【００２６】
インターコネクタ１５０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４から図６参照）。
【００２７】
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。
【００２８】
電解質層１１２は、矩形の平板形状部材であり、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）、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、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、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。
【００２９】
セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔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もいう。
【００３０】
空気極側フレーム１３０は、図７から図９に示すように、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板状部材である。本実施形態では、空気極側フレーム１３０は、耐熱性、絶縁性、シール性、および、構造安定性に優れたマイカ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。すなわち、空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０とインターコネクタ１５０とにより挟持されている。そのため、空気極側フレーム１３０によって、空気室１６６のシール（コンプレッションシール）が実現される。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、酸化剤ガス供給マニホールド１６３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。空気極側フレーム１３０は、特許請求の範囲におけるシール部材に相当し、孔１３１は、特許請求の範囲における貫通孔に相当する。
【００３１】
燃料極側フレーム１４０は、図７、図８および図１０に示すように、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔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。
【００３２】
空気極側集電体１３４は、図７から図９に示すように、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、所定の間隔をあけて並べられた複数の四角柱状の導電性部材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することにより、空気極１１４とインターコネクタ１５０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。
【００３３】
燃料極側集電体１４４は、図７、図８および図１０に示すように、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、複数の電極対向部１４５と、各電極対向部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。各電極対向部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、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する。そのため、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０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との電気的接続が良好に維持される。
【００３４】
（熱交換部１０３の構成）
図１１は、熱交換部１０３の断面構成を概略的に示す説明図である。図１１には、配列方向に直交する方向における熱交換部１０３の断面構成が示されている。図４から図６および図１１に示すように、熱交換部１０３は、矩形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。熱交換部１０３の中央付近には、上下方向に貫通する孔１８２が形成されている。また、熱交換部１０３には、中央の孔１８２と酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成する連通孔１０８とを連通する連通孔１８４と、中央の孔１８２と酸化剤ガス供給マニホールド１６３を形成する連通孔１０８とを連通する連通孔１８６とが形成されている。熱交換部１０３は、熱交換部１０３の上側に隣接する発電単位１０２に含まれる下側のインターコネクタ１５０と、熱交換部１０３の下側に隣接する発電単位１０２に含まれる上側のインターコネクタ１５０とに挟持されている。これらのインターコネクタ１５０間において、孔１８２と連通孔１８４と連通孔１８６とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスＯＧを流す熱交換流路１８８として機能する。
【００３５】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
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に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給された酸化剤ガスＯＧは、図４および図１１に示すように、熱交換部１０３内に形成された熱交換流路１８８内に流入し、熱交換流路１８８を通って酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出される。熱交換部１０３は、上側および下側について発電単位１０２に隣接している。また、後述するように、発電単位１０２における発電反応は発熱反応である。そのため、酸化剤ガスＯＧが熱交換部１０３内の熱交換流路１８８を通過する際に、酸化剤ガスＯＧと発電単位１０２との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスＯＧの温度が上昇する。なお、酸化剤ガス導入マニホールド１６１は、各発電単位１０２の空気室１６６には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給されることはない。酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出された酸化剤ガスＯＧは、図４、図５、図７および図９に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６３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。
【００３６】
また、図６、図８および図１０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。
【００３７】
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、熱交換部１０３を介しているものの、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。
【００３８】
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５、図７および図９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６、図８および図１０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。
【００３９】
Ａ−３．燃料電池スタック１００の製造方法：
図１２は、本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法を示すフローチャートである。はじめに、空気極側フレーム１３０の形成材料である板状のマイカシートＭＳの表面を研磨する（Ｓ１２０）。この研磨工程は、例えば、マイカシートＭＳを、表面に研磨ペーパが巻き付けられた２つのローラの間を通過させることによって行われる。研磨工程により、マイカシートＭＳの両側の表面における微細な凹凸の程度が緩和され、表面粗さＲａの値が小さくなる。
【００４０】
図１３は、マイカシートＭＳの表面粗さＲａの測定結果の一例を示す説明図である。図１３には、３つのマイカシートＭＳのサンプルｎ１からｎ３について、研磨工程（図１２のＳ１２０）の前後での表面粗さＲａの測定結果の一例が示されている。研磨工程前では、すべてのサンプルにおいて表面粗さＲａは３．０（μｍ）より大きく、３つのサンプルの表面粗さＲａの平均値（ＡＶ）は３．７４（μｍ）であった。一方、研磨工程の後では、すべてのサンプルにおいて表面粗さＲａは３．０（μｍ）以下であり、３つのサンプルの表面粗さＲａの平均値（ＡＶ）は２．３３（μｍ）であった。このように、研磨工程により、マイカシートＭＳの表面粗さＲａは３．０（μｍ）以下に低下する。
【００４１】
なお、マイカシートＭＳの表面粗さＲａの定義は、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２０１３に準拠するものとする。また、マイカシートＭＳの表面粗さＲａは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６３３：２００１に準拠して、触針式で測定される。ただし、一旦、組み立てられた燃料電池スタック１００に含まれるマイカシートＭＳ（空気極側フレーム１３０）の表面粗さＲａを測定するためには、燃料電池スタック１００のボルト２２による締結を解除して、マイカシートＭＳを取り出す必要がある。この場合に、マイカシートＭＳ単体を取り出すことができた場合には、マイカシートＭＳの表面粗さＲａは触針式で測定される。一方、マイカシートＭＳが他の構成部材（例えばセパレータ１２０やインターコネクタ１５０）と固着して分離不可能である場合には、マイカシートＭＳと当該他の構成部材とを含む断面画像を撮像し、断面画像を解析して断面曲線を取得し、取得された断面曲線からＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２０１３に準拠してマイカシートＭＳの表面粗さＲａが算出される。
【００４２】
研磨工程の後、マイカシートＭＳに対する熱処理を実行する（図１２のＳ１３０）。本実施形態では、熱処理として、マイカシートＭＳを８５０℃の大気中に５時間置くものとした。この熱処理は、主として、マイカをシート状に形成するためのバインダー（接着剤）をとばすことによって、バインダーに含まれる汚染物質を取り除くことを目的として実行される。熱処理により、マイカシートＭＳ内部のバインダーがとばされるため、マイカシートＭＳの気孔率が高くなる。
【００４３】
熱処理の後、マイカシートＭＳをプレス機で圧縮する（図１２のＳ１４０）。本実施形態では、この圧縮工程において、マイカシートＭＳに８０ＭＰａから１００ＭＰａ程度の圧力が加わるような圧縮荷重を与えるものとした。なお、本明細書では、燃料電池スタック１００のボルト２２による締結後にマイカシートＭＳ（空気極側フレーム１３０）に作用する圧縮荷重（以下、「締結時荷重」という）と区別するため、この圧縮工程においてマイカシートＭＳに与える圧縮荷重を「予荷重」ともいう。本実施形態では、締結時荷重は、５ＭＰａから１５ＭＰａ程度である。すなわち、予荷重は、締結時荷重よりかなり大きい値に設定されている。圧縮工程により、マイカシートＭＳの平坦度が向上し、マイカシートＭＳのうねりＰａの値およびばらつきが小さくなる。さらに、圧縮工程により、マイカシートＭＳ内部の気孔がつぶされ、気孔率が低下する。なお、圧縮工程は、マイカシートＭＳの表面粗さＲａの値にはほとんど影響を及ぼさない。
【００４４】
図１４は、マイカシートＭＳのうねりＰａの測定結果の一例を示す説明図である。図１４には、マイカシートＭＳのサンプル上に設定された５つの直線状の測定ラインＭＬ１からＭＬ５について、圧縮工程（図１２のＳ１４０）において８０ＭＰａの予荷重を与える前後でのうねりＰａの測定結果の一例が示されている。圧縮工程の前では、すべての測定ラインＭＬにおいて、うねりＰａは１．４（μｍ）より大きく、５つの測定ラインＭＬのうねりＰａの平均値（ＡＶ）は１．６６（μｍ）、標準偏差（σ）は０．２５であった。一方、圧縮工程の後では、１つの測定ラインＭＬ２を除くすべての測定ラインＭＬにおいて、うねりＰａは１．４（μｍ）以下であり、５つの測定ラインＭＬのうねりＰａの平均値（ＡＶ）は１．３８（μｍ）、標準偏差（σ）は０．０４であった。このように、マイカシートＭＳに予荷重を与えることにより、マイカシートＭＳのうねりＰａの値が低下すると共に、うねりＰａの値のばらつきが大幅に低下する。
【００４５】
なお、マイカシートＭＳのうねりＰａの定義は、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２０１３に準拠するものとする。また、マイカシートＭＳのうねりＰａは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６３３：２００１に準拠して、触針式で測定される。
【００４６】
圧縮工程の後、マイカシートＭＳをはじめとする燃料電池スタック１００の各構成部材を組み立てる（図１２のＳ１５０）。以上の工程により、上述した構成の燃料電池スタック１００が製造される。
【００４７】
Ａ−４．空気極側フレーム１３０（マイカシートＭＳ）の性能評価：
上述した方法により製造される燃料電池スタック１００に含まれる空気極側フレーム１３０（マイカシートＭＳ）のガスシール性について、性能評価を実施した。図１５および図１６は、性能評価に用いた試験装置５００の構成を示す説明図である。また、図１７は、性能評価結果の一例を示す説明図である。
【００４８】
図１５および図１６に示すように、性能評価は、略円形の表面５１４を有する第１の治具５１０と、略円形の表面５２４を有する第２の治具５２０と、を備える試験装置５００を用いて行った。第１の治具５１０の表面５１４には開口５１６が形成されており、当該開口５１６にガス流入管５１２が接続されている。また、第２の治具５２０の表面５２４には開口５２６が形成されており、当該開口５２６にガス排出管５２２が接続されている。
【００４９】
性能評価では、平面形状がリング状であるマイカシートＭＳを、第１の治具５１０の表面５１４と第２の治具５２０の表面５２４とで挟持することによって、マイカシートＭＳの中空部分に空間を形成し、開口５１６を介して該空間にガス流入管５１２からのガスを流入させると共に、開口５２６を介して該空間からガス排出管５２２へとガスを排出させる。このときのガス流入管５１２におけるガス流量とガス排出管５２２におけるガス流量とを測定し、両者の差を、該空間からマイカシートＭＳの表面または内部を通るリーク経路ＬＲを介したガスのリーク量として算出した。なお、ガス流入管５１２のガス流量を１００ｍＬ／ｍｉｎとし、背圧を１０ｋＰａとした。また、マイカシートＭＳの周方向に直交する方向に沿った幅（シール幅）は５ｍｍとした。
【００５０】
図１７に示すように、性能評価には、研磨もせず予荷重も与えなかったタイプ１のマイカシートＭＳと、研磨したが予荷重は与えなかったタイプ２のマイカシートＭＳと、研磨もして予荷重も与えたタイプ３のマイカシートＭＳとのそれぞれについて、３つのサンプルを用い、マイカシートＭＳにかかる面圧を変化させつつ、マイカシートＭＳの単位長さ（内周長）あたりのリーク量（ｍＬ／ｍｉｎ／ｍ）を調べた。なお、タイプ１のマイカシートＭＳの表面粗さＲａは３．７（μｍ）であり、タイプ２およびタイプ３のマイカシートＭＳの表面粗さＲａは２．３（μｍ）であった。また、予荷重の大きさは８０ＭＰａとした。
【００５１】
図１７に示すように、一般に、マイカシートＭＳにかかる面圧が小さいほど、ガスシール性は低下する傾向にあるが、面圧の値にかかわらず、タイプ２のマイカシートＭＳのガスシール性は、タイプ１のマイカシートＭＳのガスシール性より高い。これは、マイカシートＭＳの研磨によって表面粗さＲａの値が小さくなり、マイカシートＭＳの表面を介したガスリークが抑制されるためであると考えられる。なお、マイカシートＭＳの研磨を行うことにより、サンプル間でのガスシール性のばらつきも小さくなっている。
【００５２】
また、面圧の値にかかわらず、タイプ３のマイカシートＭＳのガスシール性は、タイプ２のマイカシートＭＳのガスシール性よりさらに高い。これは、マイカシートＭＳに予荷重を与えることによってうねりＰａの値が小さくなり、マイカシートＭＳの表面を介したガスリークが抑制されるためであると考えられる。また、マイカシートＭＳに予荷重を与えることによってマイカシートＭＳの気孔率が低下し、マイカシートＭＳの内部を介したガスリークが抑制されるためでもあると考えられる。なお、マイカシートＭＳに予荷重を与えることにより、サンプル間でのガスシール性のばらつきもさらに小さくなっている。
【００５３】
なお、マイカシートＭＳは、圧縮力を加えた後に力を解放しても圧縮力を加える前の状態に戻らない特性（ヒステリシス特性）を有する。そのため、一旦、マイカシートＭＳに予荷重を加えれば、予荷重を取り除いた後も、良好なうねりＰａの値を維持する。従って、予荷重を与えたマイカシートＭＳにより空気極側フレーム１３０を形成すれば、空気極側フレーム１３０のガスシール性を向上させることができる。図１８は、マイカシートＭＳのヒステリシス特性を示す説明図である。図１８には、マイカシートＭＳの圧縮と解放とを繰り返した場合におけるリーク量（ｍＬ／ｍｉｎ）の測定結果が示されている。図１８に示すように、マイカシートＭＳの面圧を増加させると（Ｐ１）リーク量は減少するが、その後、マイカシートＭＳの面圧を減少させると（Ｒ１）、リーク量は増加するものの、その増加の傾きは前回の面圧増加時（Ｐ１）の傾きより緩やかとなる。同様に、その後、マイカシートＭＳの面圧を増加させると（Ｐ２）、前回の面圧減少時（Ｒ１）の傾きとほぼ同じ傾きでリーク量は減少するが、その後、マイカシートＭＳの面圧を減少させると（Ｒ２）、リーク量は増加するものの、その増加の傾きは前回の面圧増加時（Ｐ２）の傾きより緩やかとなる。このように、マイカシートＭＳはヒステリシス特性を有しているため、予荷重を与えたマイカシートＭＳにより空気極側フレーム１３０を形成すれば、空気極側フレーム１３０のガスシール性を向上させることができる。
【００５４】
また、マイカシートＭＳのヒステリシス特性を利用することにより、燃料電池スタック１００に含まれるマイカシートＭＳにより形成された空気極側フレーム１３０が、予荷重を与えられたものか否かを判定することができる。図１９は、マイカシートＭＳへの予荷重の有無の判定方法を示す説明図である。図１９には、マイカシートＭＳのひずみと圧力との関係が示されている。曲線Ｃ１は、マイカシートＭＳに予荷重を与えることなく製造された燃料電池スタック１００から取り出されたマイカシートＭＳにおける、ボルト２２付近の位置における特性曲線であり、曲線Ｃ２は、そのようなマイカシートＭＳにおける、ボルト２２とボルト２２との中間付近の位置における特性曲線である。また、曲線Ｃ３は、マイカシートＭＳに予荷重が与えられて製造された燃料電池スタック１００から取り出されたマイカシートＭＳにおける、ボルト２２付近の位置における特性曲線であり、曲線Ｃ４は、そのようなマイカシートＭＳにおける、ボルト２２とボルト２２との中間付近の位置における特性曲線である。
【００５５】
一般に、マイカシートＭＳに対する圧力を増加させるとひずみは大きくなる傾向にあるが、マイカシートＭＳはヒステリシス特性を有するため、過去に経験した圧力の値を超えると、圧力の増加に対するひずみの増加の割合が急激に大きくなる。この切り替わりの点が、各曲線における変曲点に相当する。
【００５６】
予荷重が与えられなかったマイカシートＭＳについては、締結時荷重が過去に経験した最大の荷重となる。ここで、マイカシートＭＳのボルト２２付近の位置における締結時荷重の値Ｐ２は、マイカシートＭＳのボルト２２とボルト２２との中間付近の位置における締結時荷重の値Ｐ１より大きい。そのため、曲線Ｃ１の変曲点における圧力Ｐ２は、曲線Ｃ２の変曲点における圧力Ｐ１より大きい。また、曲線Ｃ１と曲線Ｃ２とは、変曲点までの圧縮特性も互いに異なる。従って、燃料電池スタック１００から取り出したマイカシートＭＳにおけるボルト２２付近の位置と、ボルト２２とボルト２２との中間付近の位置とで、変曲点における圧力の値や変曲点までの圧縮特性が互いに異なれば、このマイカシートＭＳは予荷重が与えられなかったものであると判定できる。
【００５７】
一方、予荷重が与えられたマイカシートＭＳについては、ボルト２２付近の位置であっても、ボルト２２とボルト２２との中間付近の位置であっても、予荷重Ｐ３が過去に経験した最大の荷重である。そのため、曲線Ｃ３と曲線Ｃ４とは、変曲点における圧力の値が±２０％の値Ｐ３となる。また、曲線Ｃ３と曲線Ｃ４とは、変曲点までの圧縮特性も±２０％の値である。従って、燃料電池スタック１００から取り出したマイカシートＭＳにおけるボルト２２付近の位置と、ボルト２２とボルト２２との中間付近の位置とで、変曲点における圧力の値や変曲点までの圧縮特性が互いに±２０％の値であれば、このマイカシートＭＳは予荷重が与えられたものであると判定できる。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００の製造方法は、マイカシートＭＳを研磨する工程を備える。研磨されたマイカシートＭＳにより空気極側フレーム１３０を形成することにより、空気極側フレーム１３０の表面粗さＲａを３．０（μｍ）以下とすることができる。そのため、空気極側フレーム１３０の表面を介した空気室１６６からのガスの漏洩を効果的に抑制することができ、空気極側フレーム１３０のガスシール性を向上させることができる。
【００５９】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００の製造方法は、マイカシートＭＳに予荷重を与える圧縮工程を備える。マイカシートＭＳはヒステリシス特性を有するため、マイカシートＭＳに予荷重を与えることによって、マイカシートＭＳにより形成される空気極側フレーム１３０のうねりＰａの値やうねりＰａのばらつきを低下させることができる。具体的には、空気極側フレーム１３０のうねりＰａの平均値を１．４（μｍ）以下とすることができ、空気極側フレーム１３０のうねりＰａの標準偏差を０．２以下とすることができる。そのため、空気極側フレーム１３０のうねりＰａの値やうねりＰａのばらつきを抑え、空気極側フレーム１３０の表面を介した空気室１６６からのガスの漏洩をより効果的に抑制することができ、空気極側フレーム１３０のガスシール性をさらに向上させることができる。なお、空気極側フレーム１３０のうねりＰａの平均値や標準偏差は、空気極側フレーム１３０上に設定された任意の５つの測定ラインＭＬ上における測定結果から算出するものとする。
【００６０】
また、マイカシートＭＳに予荷重を与えることによって、マイカシートＭＳにより形成される空気極側フレーム１３０の気孔率も低下させることができるため、空気極側フレーム１３０の内部を介した空気室１６６からのガスの漏洩をより効果的に抑制することができ、空気極側フレーム１３０のガスシール性をさらに向上させることができる。
【００６１】
なお、本実施形態の燃料電池スタック１００の製造方法では、熱処理工程の後に圧縮工程が実行される。そのため、熱処理工程によってマイカシートＭＳ内部のバインダー等が分解や揮発して気孔率が高くなっても、その後に圧縮工程を実行することによってマイカシートＭＳの気孔率を低下させることができ、空気極側フレーム１３０の内部を介した空気室１６６からのガスの漏洩をより効果的に抑制することができる。
【００６２】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００の製造方法では、圧縮工程においてマイカシートＭＳに与えられる予荷重は、締結時荷重より大きい値に設定されている。そのため、圧縮工程を行うことによって空気極側フレーム１３０のうねりＰａの値やうねりＰａのばらつき、気孔率をより効果的に低下させることができ、空気極側フレーム１３０の表面や内部を介した空気室１６６からのガスの漏洩をさらに効果的に抑制することができる。
【００６３】
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。
【００６４】
上記実施形態では、空気極側フレーム１３０（マイカシートＭＳ）を研磨することにより、空気極側フレーム１３０の表面粗さＲａを３．０（μｍ）以下としているが、他の製造方法によって空気極側フレーム１３０の表面粗さＲａを３．０（μｍ）以下としてもよい。どのような製造方法を採用したとしても、空気極側フレーム１３０の表面粗さＲａを３．０（μｍ）以下とすれば、空気極側フレーム１３０の表面を介した空気室１６６からのガスの漏洩を効果的に抑制することができ、空気極側フレーム１３０のガスシール性を向上させることができる。
【００６５】
同様に、上記実施形態では、空気極側フレーム１３０（マイカシートＭＳ）に予荷重を与えることにより、空気極側フレーム１３０のうねりＰａの標準偏差を０．２以下とし、うねりＰａの平均値を１．４（μｍ）以下としているが、他の製造方法によって空気極側フレーム１３０のうねりＰａの標準偏差を０．２以下とし、うねりＰａの平均値を１．４（μｍ）以下としてもよい。どのような製造方法を採用したとしても、空気極側フレーム１３０のうねりＰａの標準偏差を０．２以下とし、または、うねりＰａの平均値を１．４（μｍ）以下とすれば、空気極側フレーム１３０のうねりＰａの値やうねりＰａのばらつきを抑え、空気極側フレーム１３０の表面を介した空気室１６６からのガスの漏洩をより効果的に抑制することができ、空気極側フレーム１３０のガスシール性をさらに向上させることができる。
【００６６】
また、上記実施形態では、予荷重は締結時荷重より大きい値に設定されているが、予荷重は、締結時荷重と同じか締結時荷重より小さい値に設定されてもよい。ただし、予荷重を締結時荷重より大きい値に設定すると、空気極側フレーム１３０のうねりＰａの値やうねりＰａのばらつき、気孔率をより効果的に低下させることができるため、好ましい。
【００６７】
また、上記実施形態では、マイカシートＭＳに対する熱処理が実行されているが、熱処理は必ずしも実行される必要は無い。
【００６８】
また、上記実施形態では、空気極側フレーム１３０の形成材料として、マイカが用いられているか、マイカに代えて、バーミキュライト、サーミキュライト、アルミナフェルト等の他の材料が用いられてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態では、空気室１６６をシールする空気極側フレーム１３０の表面粗さＲａやうねりＰａ、空気極側フレーム１３０を形成する際の研磨や予荷重について説明したが、燃料室１７６のシールが燃料極側フレーム１４０によるコンプレッションシールにより実現されている場合には、空気極側フレーム１３０に加えて、あるいは空気極側フレーム１３０に代えて、燃料極側フレーム１４０の表面粗さＲａやうねりＰａ、燃料極側フレーム１４０を形成する際の研磨や予荷重について上記実施形態と同様の構成および製造方法を採用すれば、燃料極側フレーム１４０による燃料室１７６のガスシール性を向上させることができる。なお、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０とは別に、シール部材を設け、そのシール部材の表面粗さＲａやうねりＰａ、研磨や予荷重について上記実施形態と同様の構成および製造方法を採用するとしてもよい。また、シール部材によるガスシール性の向上のため、シール部材（例えば、空気極側フレーム１３０）を挟持する２つの部材（例えば、セパレータ１２０およびインターコネクタ１５０）の表面は、極端な凹凸が無く、平面に近いことが好ましい。例えば、シール部材を挟持する２つの部材の表面の表面粗さＲａは、２．０μｍ以下であることが好ましく、１．０μｍ以下であることがより好ましく、０．５μｍ以下であることが一層好ましい。なお、シール部材を挟持する２つの部材の表面の表面粗さＲａは、上述のシール部材の表面粗さＲａと同様に、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１：２０１３に準拠して測定することができる。
【００７０】
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。
【００７１】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００の配列方向における熱交換部１０３の位置はあくまで一例であり、熱交換部１０３の位置は任意の位置に変更可能である。ただし、熱交換部１０３の位置は、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２の内、より高温になる発電単位１０２に隣接する位置であることが、燃料電池スタック１００の配列方向における熱分布の緩和のために好ましい。例えば、燃料電池スタック１００の配列方向中央付近の発電単位１０２がより高温になりやすい場合には、上記実施形態のように、燃料電池スタック１００の配列方向中央付近に熱交換部１０３を設けることが好ましい。また、燃料電池スタック１００が２つ以上の熱交換部１０３を備えていてもよい。
【００７２】
また、上記実施形態では、熱交換部１０３が酸化剤ガスＯＧの温度を上昇させるように構成されているが、熱交換部１０３が、酸化剤ガスＯＧに代えて燃料ガスＦＧの温度を上昇させるように構成されてもよいし、酸化剤ガスＯＧと共に燃料ガスＦＧの温度を上昇させるように構成されてもよい。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
また、上記実施形態において、電解質層１１２と空気極１１４との間に、例えばセリアを含む反応防止層を設け、電解質層１１２内のジルコニウム等と空気極１１４内のストロンチウム等とが反応することによる電解質層１１２と空気極１１４との間の電気抵抗の増大を抑制するとしてもよい。なお、本明細書において、Ａを挟んでＢとＣとが互いに対向するとは、ＡとＢまたはＣとが隣接することを必要とせず、ＡとＢまたは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との間に反応防止層が設けられた構成であっても、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。
【００８１】
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、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、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にも適用可能である。
【符号の説明】
【００８２】
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  １０３：熱交換部  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  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  １６３：酸化剤ガス供給マニホールド  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  １８２：孔  １８４：連通孔  １８６：連通孔  １８８：熱交換流路  ５００：試験装置  ５１０：治具  ５１２：ガス流入管  ５１４：表面  ５１６：開口  ５２０：治具  ５２２：ガス排出管  ５２４：表面  ５２６：開口
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年10月17日(2017.10.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記第１の方向に延びる複数の締結部材とを備え、前記複数の締結部材で締結された燃料電池スタックにおいて、
各前記発電単位は、
電解質層と前記電解質層を挟んで前記第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、
前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する貫通孔が形成され、前記第１の方向において他の２つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、を含み、
少なくとも１つの前記発電単位に含まれる前記シール部材の前記他の２つの部材の内のいずれかと対向する表面における表面粗さＲａは、３．０μｍ以下であり、
前記シール部材はヒステリシス特性を有し、
前記シール部材に与えられる圧力と前記シール部材に生ずるひずみとの関係を表す曲線における変曲点に関し、前記シール部材の内、前記複数の締結部材の内の１つの締結部材付近の位置における前記変曲点の前記圧力の値と、前記１つの締結部材と隣り合う他の前記締結部材との中間付近の位置における前記変曲点の前記圧力の値とは、±２０％の値であることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
少なくとも１つの前記発電単位に含まれる前記シール部材の前記他の２つの部材の内のいずれかと対向する表面におけるうねりＰａの標準偏差は、０．２以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記シール部材の前記他の２つの部材の内のいずれかと対向する表面におけるうねりＰａの平均値は、１．４μｍ以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項４】
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、前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する貫通孔が形成され、前記第１の方向において他の２つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、が前記第１の方向に並べて配置され、前記第１の方向に沿って延びる複数の締結部材で締結された燃料電池スタックの製造方法であって、
ヒステリシス特性を有する前記シール部材に前記第１の方向に沿った圧縮荷重を加える圧縮工程と、
前記圧縮工程の後に、複数の前記単セルと複数の前記シール部材とを前記複数の締結部材で締結する組立工程とを備え、
前記圧縮工程における圧縮荷重は、製造された前記燃料電池スタックを構成する前記シール部材に与えられる圧力と前記シール部材に生ずるひずみとの関係を表す曲線における変曲点に関し、前記シール部材の内、前記複数の締結部材の内の１つの締結部材付近の位置における前記変曲点の前記圧力の値と、前記１つの締結部材と隣り合う他の前記締結部材との中間付近の位置における前記変曲点の前記圧力の値とが、±２０％の値となる圧縮荷重であることを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池スタックの製造方法において、さらに、
前記圧縮工程の前に、前記シール部材を加熱する熱処理工程を備えることを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の燃料電池スタックの製造方法において、
前記圧縮工程における前記シール部材の単位面積あたりの前記圧縮荷重の値は、前記組立工程の完了時において複数の前記締結部材による前記燃料電池スタックの締結により前記シール部材に作用する単位面積あたりの荷重の値より大きいことを特徴とする、燃料電池スタックの製造方法。
【国際調査報告】
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