(57)【要約】【課題】発電効率を犠牲にすることなく、耐久性を向上させることができる燃料電池システムの製造方法を提供する。【解決手段】燃料発生部材と、燃料電池部とを備える燃料電池システムの製造方法であって、前記燃料電池部の燃料極と前記燃料発生部材とが内部に配置され、内部と外部との間でガスを流通させることができるガス流通部が少なくとも二つ設けられる空間を形成する形成工程と、前記形成工程後に、前記ガス流通部を利用して、前記空間内のガスを前記燃料と同種の第１ガス、前記燃料の酸化物と同種の第２ガス、又は第１ガスと第２ガスの混合ガスに置換し、前記空間内に存在するガスの全分子数を前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数に調整する置換工程と、前記置換工程後に、前記ガス流通部を閉鎖して前記空間を閉空間にする閉鎖工程とを備える。【選択図】図１
2013218905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応により燃料を発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤と前記燃料発生部材から供給される燃料との反応により発電を行う燃料電池部とを備える燃料電池システムの製造方法であって、
前記燃料電池部の燃料極と前記燃料発生部材とが内部に配置され、内部と外部との間でガスを流通させることができるガス流通部が少なくとも二つ設けられる空間を形成する形成工程と、
前記形成工程後に、前記ガス流通部を利用して、前記空間内のガスを前記燃料と同種の第１ガス、前記燃料の酸化物と同種の第２ガス、又は第１ガスと第２ガスの混合ガスに置換し、前記空間内に存在するガスの全分子数を前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数に調整する置換工程と、
前記置換工程後に、前記ガス流通部を閉鎖して前記空間を閉空間にする閉鎖工程とを備えることを特徴とする燃料電池システムの製造方法。
【請求項２】
前記置換工程において、前記空間を室温にした状態で、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧よりも小さくなるように調整することによって、前記空間内に存在するガスの全分子数を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの製造方法。
【請求項３】
前記置換工程において、前記空間を室温よりも高温にした状態で、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧になるように調整することによって、前記空間内に存在するガスの全分子数を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの製造方法。
【請求項４】
前記燃料が水素であり、
前記閉鎖工程において、前記ガス流通部それぞれに対して、複数の互いに異なる閉鎖手法を用いて前記ガス流通部を多重に閉鎖することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応により燃料を発生する燃料発生部材を備える燃料電池システムの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、典型的には、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質膜等を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。
【０００３】
燃料電池は、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになるだけでなく、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０３０６２５号
【特許文献２】特開２００８−８４８４９号公報
【特許文献３】特開２０１０−１０３０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、燃料電池部と、化学反応により還元性物質である燃料を発生し、前記化学反応の逆反応により再生可能な燃料発生部材とを備える２次電池型燃料電池システムが開示されている。特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池システムでは、燃料電池部の燃料極と燃料発生部材とを封じた空間が閉空間になっており、その閉空間内に燃料ガスが存在する。
【０００６】
燃料電池部の動作温度、燃料発生部材において前記化学反応が起こるために必要な温度、及び燃料発生部材において前記化学反応の逆反応が起こるために必要な温度はそれぞれ常温より高いため、２次電池型燃料電池システムの発電動作時及び充電動作時は、動作停止時に比べて前記閉空間の温度が上昇し、その温度上昇に伴って前記閉空間内の圧力が高くなり、前記閉空間の内部と外部との圧力差が大きくなる。
【０００７】
そのため、前記閉空間を形成するための部材は上記圧力差に耐えうる強度を備えている必要があるが、前記閉空間を形成するための部材の一部である燃料電池部の電解質は、発電効率を向上させるために薄膜化されており、強度が弱く、破損が生じやすい。つまり、発電効率の向上と耐久性の向上との両立が課題となる。
【０００８】
ここで、燃料電池における圧力の調整方法について、例えば特許文献２では、燃料電池の運転停止時における燃料極と酸化剤極間の圧力差を抑えることを目的として、燃料電池の発電停止方法が燃料電池の燃料流路を大気に開放する大気開放段階を有するようにしている。しかしながら、特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池システムのように、閉空間内に存在するガスを燃料電池部の燃料極と燃料発生部材との間で循環させて利用する場合は、閉空間を大気開放することはできない。また、特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池システムのように、閉空間内に存在するガスを燃料電池部の燃料極と燃料発生部材との間で循環させて利用する場合は、運転停止時ではなく、発電動作時及び充電動作時に圧力差が生じている。
【０００９】
また、例えば特許文献３では、温度低下時の外気が改質装置に流入することを防止して、触媒の外気による劣化を防止することを目的として、燃料の改質装置を高圧封止するようにしている。しかしながら、特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池システムのように、閉空間内に存在するガスを燃料電池部の燃料極と燃料発生部材との間で循環させて利用する場合は、閉空間に外気は流入しない。また、特許文献１で開示されている２次電池型燃料電池システムのように、閉空間内に存在するガスを燃料電池部の燃料極と燃料発生部材との間で循環させて利用する場合に、閉空間を高圧封止すると、閉空間の内部と外部との圧力差がより一層大きくなる。
【００１０】
本発明は、上記の状況に鑑み、発電効率を犠牲にすることなく、耐久性を向上させることができる燃料電池システムの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池システムの製造方法は、化学反応により燃料を発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤と前記燃料発生部材から供給される燃料との反応により発電を行う燃料電池部とを備える燃料電池システムの製造方法であって、前記燃料電池部の燃料極と前記燃料発生部材とが内部に配置され、内部と外部との間でガスを流通させることができるガス流通部が少なくとも二つ設けられる空間を形成する形成工程と、前記形成工程後に、前記ガス流通部を利用して、前記空間内のガスを前記燃料と同種の第１ガス、前記燃料の酸化物と同種の第２ガス、又は第１ガスと第２ガスの混合ガスに置換し、前記空間内に存在するガスの全分子数を前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数に調整する置換工程と、前記置換工程後に、前記ガス流通部を閉鎖して前記空間を閉空間にする閉鎖工程とを備える構成（第１の構成）とする。なお、室温とは、例えば２５℃であり、具体的には０℃〜４０℃程度の範囲において適宜選択される或る温度であり、常温ともいう。
【００１２】
上記第１の構成の製造方法によって得られる燃料電池システムは、燃料電池部の動作時に、燃料電池部の燃料極と燃料発生部材とが内部に配置される閉空間の内部と外部との圧力差が大きくなることを抑えることができる。したがって、発電効率を犠牲にすることなく、耐久性を向上させることができる。
【００１３】
また、上記第１の構成の製造方法において、前記置換工程が、前記空間内のガスを前記燃料と同種の第１ガス、前記燃料の酸化物と同種の第２ガス、又は第１ガスと第２ガスの混合ガスに置換し、前記空間を室温にした状態で、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧よりも小さくなるように調整することによって、前記空間内に存在するガスの全分子数を前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数に調整する工程である構成（第２の構成）としてもよい。
【００１４】
また、上記第１の構成の製造方法において、前記置換工程が、前記空間内のガスを前記燃料と同種の第１ガス、前記燃料の酸化物と同種の第２ガス、又は第１ガスと第２ガスの混合ガスに置換し、前記空間を室温よりも高温にした状態で、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧になるように調整することによって、前記空間内に存在するガスの全分子数を前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数に調整する工程である構成（第３の構成）としてもよい。
【００１５】
また、上記第１〜第３のいずれかの構成の製造方法において、前記燃料が水素であり、前記閉鎖工程が、前記置換工程後に、前記ガス流通部それぞれに対して、複数の互いに異なる閉鎖手法を用いて前記ガス流通部を多重に閉鎖して前記空間を閉空間にする工程である構成（第４の構成）としてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る製造方法によって得られる燃料電池システムは、燃料電池部の動作時に、燃料電池部の燃料極と燃料発生部材とが内部に配置される閉空間の内部と外部との圧力差が大きくなることを抑えることができる。したがって、発電効率を犠牲にすることなく、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態における形成工程前半の概要を示す模式図である。
【図３】第１実施形態における形成工程前半の変形例の概要を示す模式図である。
【図４】第１実施形態における形成工程後半の概要を示す模式図である。
【図５】第１実施形態における置換工程の概要を示す模式図である。
【図６】第１実施形態における置換工程の変形例の概要を示す模式図である。
【図７】第１実施形態における閉鎖工程の変形例の概要を示す模式図である。
【図８】第１実施形態における閉鎖工程の変形例の概要を示す模式図である。
【図９】第１実施形態における閉鎖工程の変形例の概要を示す模式図である。
【図１０】第２実施形態における置換工程の概要を示す模式図である。
【図１１】第２実施形態における置換工程の変形例の概要を示す模式図である。
【図１２】第３実施形態における置換工程の概要を示す模式図である。
【図１３】本発明に係る製造方法によって得られる燃料電池システムの他の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。尚、本発明は、後述する実施形態に限られない。
【００１９】
＜＜第１実施形態＞＞
＜燃料電池システム＞
本発明の第１実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池システムの概略構成を図１に示す。図１に示す燃料システムは、燃料発生部材１と、燃料発生部材１及び燃料電池部２を収容する容器３と、第１の配管４と、第１のバルブ５と、第２の配管６と、第２のバルブ７とを備えている。また、必要に応じて、容器３内に燃料発生部材１や燃料電池部２の温度を調節するヒーター、ガスを強制的に循環させる循環器等を設けてもよい。
【００２０】
第１のバルブ５及び第２のバルブ７が閉じられると、燃料電池部２の電解質膜２Ａと、容器３と、第１の配管４と、第１のバルブ５と、第２の配管６と、第２のバルブ７とによって、燃料電池部２の燃料極２Ｂと燃料発生部材１とが内部に配置される閉空間が形成される。
【００２１】
＜燃料発生部材＞
燃料発生部材１の材料としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、化学反応によって燃料を発生するものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にＦｅは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Ａｌ、Ｒｄ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏが挙げられ、添加される金属酸化物としてはＳｉＯ2、ＴｉＯ2が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、燃料発生部材１として、Ｆｅを主体とする燃料発生部材を用いる。
【００２２】
また、燃料発生部材１においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。燃料発生部材１の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、燃料発生部材１の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。
【００２３】
また、触媒としてＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＮｄなどを添加してもよい。
【００２４】
＜燃料電池部＞
燃料電池部２は、図１に示す通り、電解質膜２Ａの両面に燃料極２Ｂと酸化剤極である空気極２Ｃを接合したＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane Electrode Assembly)である。なお、図１では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。
【００２５】
電解質膜２Ａの材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用いることができ、また例えば、ナフィオン（デュポン社の商標）、カチオン導電性ポリマー、アニオン導電性ポリマー等の固体高分子電解質を用いることができるが、これらに限定されることなく、水素イオンを通すものや酸素イオンを通すもの、また、水酸化物イオンを通すもの等、燃料電池の電解質としての特性を満たすものであればよい。なお、本実施形態においては、電解質膜２Ａとして、酸素イオン又は水酸化物イオンを通す電解質、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用いる。この場合、発電動作時に燃料極２Ｂ側に発生した水蒸気を用いた化学反応によって燃料発生部材１から水素を発生させることができる。
【００２６】
電解質膜２Ａは、固体酸化物電解質の場合であれば、電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法；Chemical Vapor Deposition - Electrochemical Vapor Deposition）等を用いて形成することができ、固体高分子電解質の場合であれば、塗布法等を用いて形成することができる。
【００２７】
燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば、電解質膜２Ａに接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極２Ｂの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｎｉ−Ｆｅ系サーメットやＮｉ−ＹＳＺ系サーメット等を用いることができる。また、空気極２Ｃの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ系化合物やＬａ−Ｃｏ−Ｃｅ系化合物等を用いることができる。燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。
【００２８】
＜動作時の化学反応＞
次に、図１に示す燃料システムの動作時において起きる化学反応について説明する。
【００２９】
例えば燃料を水素にした場合、本実施形態では、発電動作時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（１）式の反応が起こる。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（１）
【００３０】
上記の（１）式の反応によって生成された電子は、燃料極２Ｂから外部負荷（不図示）を通って、空気極２Ｃに到達し、空気極２Ｃにおいて下記の（２）式の反応が起こる。
１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-  …（２）
【００３１】
そして、上記の（２）式の反応によって生成された酸素イオンは、電解質膜２Ａを通って、燃料極２Ｂに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部２が発電動作を行うことになる。
【００３２】
また、燃料発生部材１は、本実施形態では、下記の（３）式に示すＦｅの酸化反応により、燃料電池部２から供給される水蒸気を消費して、水素ガスを発生させ、水素ガスを燃料電池部２に供給する。
４Ｈ2Ｏ＋３Ｆｅ→４Ｈ2＋Ｆｅ3Ｏ4  …（３）
【００３３】
なお、図１に示す燃料電池システムは、発電動作のみならず充電動作も行うことができる２次電池型燃料電池システムである。充電動作時には、燃料電池部２が外部電源（不図示）に接続されて電気分解器として作動して、上記の（１）式及び（２）式の逆反応が起こり、燃料極２Ｂ側において水蒸気が消費され水素ガスが生成され、燃料発生部材１は、上記の（３）式の逆反応である還元反応により、酸化鉄から鉄への変化を進めて鉄残量を増やし、すなわち燃料発生部材１は再生されて、燃料電池部２から供給される水素ガスを消費して、水蒸気を発生させ、水蒸気を燃料電池部２に供給する。
【００３４】
＜形成工程＞
図１に示す燃料電池システムの製造時の形成工程において、まず始めに、第１の開口部３Ａ及び第２の開口部３Ｂが設けられている第１のパッケージ部材３＿１の内部に燃料発生部材１及び燃料電池部２を配置して、セラミックボンドやガラスシールのような封止部材３＿３を用いて第１のパッケージ部材３＿１と電解質膜２Ａとを気密に接続し、その後、第１のパッケージ部材３＿１と第２のパッケージ部材３＿２を組み合わせて、封止部材３＿３を用いて第１のパッケージ部材３＿１と第２のパッケージ部材３＿２を接続する（図２参照）。第１のパッケージ部材３＿１と第２のパッケージ部材３＿２と封止部材３＿３とによって容器３が構成される。
【００３５】
なお、上述した容器３の形成方法とは異なり、封止部材３＿３を用いて第１のパッケージ部材３＿１と第２のパッケージ部材３＿２と電解質膜２Ａとを同時に接続するようにしてもよい（図３参照）。
【００３６】
また、容器３を形成するときに燃料極２Ｂと空気極２Ｃのそれぞれから容器３の外部に接続端子を引き出すようにしてもよい。
【００３７】
容器３を形成した後に、図４に示すように、容器３に設けている第１の開口部３Ａに第１の配管４の一端を気密に接続し、容器３に設けている第２の開口部３Ｂに第２の配管６の一端を気密に接続する。なお、第１の配管４の経路上には第１のバルブ５を配置し、第２の配管６の経路上には第２のバルブ７を配置している。
【００３８】
第１のバルブ５を開くことで、第１の開口部３Ａに気密に接続された第１の配管４が、容器３の内部と外部との間でガスを流通させることができる第１のガス流通部となる。同様に、第２のバルブ７を開くことで、第２の開口部３Ｂに気密に接続された第２の配管６が、容器３の内部と外部との間でガスを流通させることができる第２のガス流通部となる。
【００３９】
第１の配管４及び第２の配管６は、セラミクスクロス、ＳＵＳ（ステンレス）、ガラス、樹脂などの気密性を有する材料で構成されている。また、配管自体が高温になる場合は、セラミクスクロス、ＳＵＳ（ステンレス）、ガラスなどの耐熱性材料で構成されることが好ましい。容器３の第１の開口部３Ａ及び第２の開口部３Ｂへの接続方法としては、溶接、陽極接合などの気密性の高い接合方法が好ましい。溶接の場合は、容器３に用いる材料の熱膨張係数と、第１の配管４及び第２の配管６に用いる材料の熱膨張係数とが互いに近いことが好ましい。また、陽極接合の場合は、容器３に用いる材料と第１の配管４及び第２の配管６に用いる材料の組み合わせを、接合可能なガラスと金属にすることが好ましい。金属材料としては、例えば、鉄、ステンレス鋼、シリコン、銅、アルミニウム又はこれらの合金等を挙げることができ、ガラス材料としては、例えば、硼珪酸ガラス、ソーダ石灰ガラス等を挙げることができる。
【００４０】
＜置換工程＞
図１に示す燃料電池システムの製造時の置換工程において、図５に示すように第１の配管４と水素供給装置８側の配管９とをスウェージロック（登録商標）などの継ぎ手１１を用いて気密に接続し、第２の配管６を排気装置１４側の配管１３とをスウェージロックなどの継ぎ手１２を用いて気密に接続する。なお、配管９の経路上にはバルブやレギュレータなどの圧力調整器１０を配置している。また、本実施形態では、配管同士を継ぎ手で接続しているが、接続チューブや溶接などで接続するようにしてもよい。
【００４１】
水素供給装置８としては、例えば、水素ボンベ、水素吸蔵合金などの高純度の水素を供給できるものを挙げることができる。排気装置１４としては、例えば、ダクト、気体吸引用ポンプなどを挙げることができる。
【００４２】
電解質膜２Ａと容器３とで囲まれ燃料発生部材１及び燃料極２Ｂが内部に配置されている空間に水素供給装置８から水素を供給し、電解質膜２Ａと容器３とで囲まれ燃料発生部材１及び燃料極２Ｂが内部に配置されている空間内部の気体を排気装置１４が排気する。これにより、電解質膜２Ａと容器３とで囲まれ燃料発生部材１及び燃料極２Ｂが内部に配置されている空間内のガスが水素ガスに置換される。
【００４３】
このとき、電解質膜２Ａと容器３とで囲まれ燃料発生部材１及び燃料極２Ｂが内部に配置されている空間を室温にした状態で、水素供給装置８からの供給量と排気装置１４への排気量とを調節して、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧よりも小さくする。これにより、前記空間内に存在するガスの全分子数が、前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数になる。
【００４４】
前記空間内のガスが水素ガスに十分に置換され、尚且つ、前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなった時点で置換工程を終了する。図６に示すように、前記空間内に水素濃度検出センサーや酸素濃度検出センサーなどのガス濃度検出センサー１５を設け、ガス濃度検出センサー１５の検出結果に基づいて空間内のガス置換状況を把握するようにしてもよい。なお、本実施形態では、前記空間内のガスを燃料と同種のガスに置換しているが、燃料の酸化物と同種のガスに置換してもよく、前記２種類のガスの混合ガスに置換してもよい。
【００４５】
＜閉鎖工程＞
置換工程の終了後に、第１のバルブ５及び第２のバルブ７を閉じて前記空間を閉空間にする閉鎖工程を実行し、継ぎ手１１及び１２を外すと、図１に示す燃料電池システムが完成する。なお、本実施形態では、第１のバルブ５及び第２のバルブ７を閉じることで、第１のガス流通部及び第２のガス流通部を閉鎖しているが、バルブの代わりに、例えば図７に示すような圧着、図８に示すような封着などを用いて第１のガス流通部及び第２のガス流通部を閉鎖してもよい。封着の場合、形状変化部材１６は、最初はガスを流通するための空隙が確保された状態で第１の配管４及び第２の配管６内に固定されており、所定の温度以上になると、溶融して形状変化を起こし、図８に示すように第１の配管４及び第２の配管６を塞ぐ。形状変化部材１６の材料としては、例えば、低融点ガラス（ホウ酸塩系、ケイ酸塩系、ゲルマネート系、バナデート系、リン酸塩系、砒酸塩系、テルライド系など）、低融点金属などの中から、燃料電池システムの作動温度（例えば６００℃）より高い融点の材料を選ぶことができる。
【００４６】
また、上述した実施形態では、第１のガス流通部及び第２のガス流通部それぞれに対して単一の閉鎖手法を用いて第１のガス流通部及び第２のガス流通部を閉鎖したが、第１のガス流通部及び第２のガス流通部それぞれに対して複数の互いに異なる閉鎖手法を用いて第１のガス流通部及び第２のガス流通部を多重に閉鎖してもよい。例えば、バルブ、圧着、封着などを用いた閉鎖に加えて、耐熱シール材、耐熱無機接着剤、配管に嵌めこまれる穴埋め部材などを用いた閉鎖を実行するとよい。圧着と耐熱無機接着剤１７を用いた多重閉鎖の例を図９に示す。燃料が水素である場合、分子量が小さいため燃料が閉鎖部分から漏れやすいので、多重に閉鎖することは特に有用である。
【００４７】
ここで、気体の状態方程式ＰＶ＝ｎＲＴ（Ｐ：空間内の圧力、Ｖ：空間の体積、ｎ：空間内の気体分子数、Ｒ：気体定数、Ｔ：空間の絶対温度）を用いて、上述した製造方法によって得られる前記閉空間の内部と外部との圧力差の抑制効果について考察する。
【００４８】
上記（１）式とその逆反応及び上記（４）式とその逆反応から分かるように前記閉空間内の気体分子数は変化しないので、燃料電池システムを動作させるために前記閉空間の絶対温度Ｔを高くした場合、上記閉空間の体積Ｖが一定であるため、前記閉空間内の圧力Ｐinが増加する。よって、前記閉空間内の圧力Ｐinと前記閉空間の外部の圧力Ｐout（大気圧）との圧力差ΔＰによって、燃料電池部２の電解質膜２Ａに応力がかかる。
【００４９】
ところが、上述した製造方法では、前記空間内に存在するガスの全分子数が、前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数になっているので、温度上昇時（燃料電池システムの動作時）における前記閉空間内の圧力Ｐinの増加が抑制され、前記圧力差ΔＰが小さくなり、燃料電池部２の電解質膜２Ａに
かかる応力が小さくなる。したがって、発電効率を犠牲にすることなく、耐久性を向上させることができる。
【００５０】
前記圧力差ΔＰは前記閉空間の絶対温度Ｔによって変化する。室温と燃料電池システム
の動作時温度との中間の温度における前記閉空間内の圧力Ｐinが大気圧と等しくなるように、置換工程において前記空間内に存在するガスの全圧を調整すると、前記圧力差ΔＰの
最大値（室温時の前記圧力差ΔＰ又は燃料電池システムの動作時の前記圧力差ΔＰ）を最
小にすることができる。
【００５１】
＜＜第２実施形態＞＞
本発明の第２実施形態に係る製造方法は、本発明の第１実施形態に係る製造方法において置換工程を次のように変更する。
【００５２】
図１に示す燃料電池システムの製造時の置換工程において、図１０に示すように容器３を加熱炉１８内に設置し、第１の配管４と水素供給装置８側の配管９とをスウェージロックなどの継ぎ手１１を用いて気密に接続し、第２の配管６と排気装置１４側の配管１３とをスウェージロックなどの継ぎ手１２を用いて気密に接続する。なお、配管９の経路上にはバルブやレギュレータなどの圧力調整器１０を配置している。また、本実施形態では、配管同士を継ぎ手で接続しているが、接続チューブや溶接などで接続するようにしてもよい。また、本実施形態では、容器３全体を加熱炉１８内に設置したが、前記閉空間の少なくとも一部が加熱炉１８内に入っていればよい。また、１つの加熱炉１８内に複数の容器３を入れて同時に加熱しても構わない。また、第２の配管６を排気装置１４に接続せず、大気開放してもよい。
【００５３】
水素供給装置８としては、例えば、水素ボンベ、水素吸蔵合金などの高純度の水素を供給できるものを挙げることができる。排気装置１４としては、例えば、ダクト、気体吸引用ポンプなどを挙げることができる。
【００５４】
電解質膜２Ａと容器３とで囲まれ燃料発生部材１及び燃料極２Ｂが内部に配置されている空間に水素供給装置８から水素を供給し、電解質膜２Ａと容器３とで囲まれ燃料発生部材１及び燃料極２Ｂが内部に配置されている空間内部の気体を排気装置１４が排気する。これにより、電解質膜２Ａと容器３とで囲まれ燃料発生部材１及び燃料極２Ｂが内部に配置されている空間内のガスが水素ガスに置換される。
【００５５】
このとき、加熱炉１８内の温度を室温よりも高い温度に保ち、より好ましくは加熱炉１８内の温度を室温より高く、かつ、燃料電池部２の動作温度より低い状態に保ち、電解質膜２Ａと容器３とで囲まれ燃料発生部材１及び燃料極２Ｂが内部に配置されている空間の温度を室温よりも高くした状態で、水素供給装置８からの供給量と排気装置１４への排気量とを調節して、前記空間内に存在するガスの全圧を大気圧と等しくする。これにより、前記空間内に存在するガスの全分子数が、前記空間が室温であるときに前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧よりも小さくなるような数になる。
【００５６】
前記空間内のガスが水素ガスに十分に置換され、尚且つ、前記空間内に存在するガスの全圧が大気圧と等しくなった時点で置換工程を終了する。図１１に示すように、前記空間内に水素濃度検出センサーや酸素濃度検出センサーなどのガス濃度検出センサー１５を設け、ガス濃度検出センサー１５の検出結果に基づいて空間内のガス置換状況を把握するようにしてもよい。なお、本実施形態では、前記空間内のガスを燃料と同種のガスに置換しているが、燃料の酸化物と同種のガスに置換してもよく、前記２種類のガスの混合ガスに置換してもよい。
【００５７】
＜＜第３実施形態＞＞
本発明の第３実施形態に係る製造方法は、本発明の第２実施形態に係る製造方法において置換工程を次のように変更する。
【００５８】
図１２に示すように、配管９の経路上に圧力調整器を配置しないようにし、それ以外は本発明の第２実施形態に係る製造方法の置換工程と同様にする。なお、本発明の第２実施形態に係る製造方法での変形例は本発明の第３実施形態に係る製造方法にも適用することができる。
【００５９】
＜＜変形例＞＞
また、上述した各実施形態の製造方法で得られる燃料電池システムは、燃料発生部材１と燃料電池部２とを同一の容器３に収容した構造であるが、図１３に示すように燃料発生部材１と燃料電池装置２とを別々の容器に収容した構造であってもよい。
【００６０】
また、上述した各実施形態の製造方法で得られる燃料電池システムは、電解質膜２Ａとして酸素イオンを伝導する電解質を用いて、発電の際に燃料極２Ｂ側で水を発生させるようにしている。この構成によれば、燃料を燃料発生部材１から燃料電池部２に供給するためのガス流路によって燃料発生部材１とつながっている電極側（燃料極２Ｂ側）で水を発生するため、装置の簡素化や小型化に有利である。一方、特開２００９−９９４９１号公報に開示された燃料電池のように、燃料電池部２の電解質として水素イオンを通す固体高分子電解質を用いることも可能である。但し、この場合には、発電の際空気極２Ｃ側で水が発生されることになるため、この水を燃料発生部材１に伝搬する流路を設ければよい。そして、前記流路が空気極２Ｃから燃料発生部材１への水の伝播のみを行う構成とし、燃料発生部材１及び燃料極２Ｂを内部に配置する閉空間（前記流路とつながっているが、ガスの流出がないため、広義の閉空間に含まれる）内に存在するガスの全分子数を一定に保つようにすればよい。
【００６１】
また、上述した各実施形態の製造方法で得られる燃料電池システムでは、１つの燃料電池部２が発電も水の電気分解も行っているが、燃料発生部材１が、燃料電池（例えば発電専用の固体酸化物燃料電池）と水の電気分解器（例えば水の電気分解専用の固体酸化物燃料電池）それぞれにガス流路上並列に接続される構成にしてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１  燃料発生部材
２  燃料電池部
２Ａ  電解質膜
２Ｂ  燃料極
２Ｃ  空気極
３  容器
３＿１  第１のパッケージ部材
３＿２  第２のパッケージ部材
３＿３  封止部材
３Ａ  第１の開口部
３Ｂ  第２の開口部
４  第１の配管
５  第１のバルブ
６  第２の配管
７  第２のバルブ
８  水素供給装置
９、１３  配管
１０  圧力調整器
１１、１２  継ぎ手
１４  排気装置
１５  ガス濃度検出センサー
１６  形状変化部材
１７  耐熱無機接着剤
１８  加熱炉
【図１】
2013218905.tif 000003
【図２】
2013218905.tif 000004
【図３】
2013218905.tif 000005
【図４】
2013218905.tif 000006
【図５】
2013218905.tif 000007
【図６】
2013218905.tif 000008
【図７】
2013218905.tif 000009
【図８】
2013218905.tif 000010
【図９】
2013218905.tif 000011
【図１０】
2013218905.tif 000012
【図１１】
2013218905.tif 000013
【図１２】
2013218905.tif 000014
【図１３】
2013218905.tif 000015