燃料電池スタックおよび燃料電池
【課題】金属セパレータの酸化による劣化を抑制することができ、電圧降下を小さくすることが可能な燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１は、固体電解質層２１と、固体電解質層２１の一方面に設けられた燃料極層２２と、固体電解質層２１の他方面に設けられた空気極層２３とを備えた単セル２を、金属セパレータ３を介して複数積層してなる。空気極層２３は、固体電解質層２１に接して配置される多孔質層２３１と、多孔質層２３１における金属セパレータ３側の面に接して配置される緻密質層２３２とを有する。空気極層２３は、多孔質層２３１と緻密質層２３２との境界に、酸化剤ガスを流すガス流路２３３を有する。上記の燃料電池スタック１を複数積層配置し、燃料電池を構成する。
【解決手段】燃料電池スタック１は、固体電解質層２１と、固体電解質層２１の一方面に設けられた燃料極層２２と、固体電解質層２１の他方面に設けられた空気極層２３とを備えた単セル２を、金属セパレータ３を介して複数積層してなる。空気極層２３は、固体電解質層２１に接して配置される多孔質層２３１と、多孔質層２３１における金属セパレータ３側の面に接して配置される緻密質層２３２とを有する。空気極層２３は、多孔質層２３１と緻密質層２３２との境界に、酸化剤ガスを流すガス流路２３３を有する。上記の燃料電池スタック１を複数積層配置し、燃料電池を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質として固体電解質を利用した燃料電池スタックおよび燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応物質（燃料）と酸化剤（空気や酸素）とを電池内部に供給することによって電気エネルギーを発生させる変換器である。燃料電池の構造としては、固体電解質層の一方面に燃料極層、他方面に空気極層を配置した単セルを、セパレータを介して複数積層してスタック化し、さらにこの燃料電池スタックを複数積層してなる燃料電池が知られている。
【０００３】
上記燃料電池スタック、燃料電池においては、セパレータの一方面に燃料ガスを流すためのガス流路が形成されており、セパレータの他方面に酸化剤ガスを流すためのガス流路が形成されていることが多い（特許文献１の図８参照）。また、特許文献２に記載されるように、空気極層の内部にガス流路を形成する技術も提案されている。
【０００４】
上記のセパレータ材料としては、従来、セラミックスが使用されてきた。近年では、実用性、経済性などの観点から、金属材料を用いることが試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１５９７９０号公報（図８）
【特許文献２】特開平９−５０８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池スタックにおいて、上記のセパレータは、その一方面が還元雰囲気に曝され、その他方面が酸化雰囲気に曝される。セパレータ材料として金属材料を用いた金属セパレータの場合、とりわけ、酸化による劣化の問題が生じやすいという問題がある。一方、セラミックセパレータは、耐酸化性に優れるものの、金属セパレータに比べ、電気抵抗が高い。そのため、発電により生じた電流を取り出すときの電圧降下が大きいという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、金属セパレータの酸化による劣化を抑制することができ、電圧降下を小さくすることが可能な燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、固体電解質層と、該固体電解質層の一方面に設けられた燃料極層と、上記固体電解質層の他方面に設けられた空気極層とを備えた単セルを、金属セパレータを介して複数積層してなる燃料電池スタックであって、上記空気極層は、上記固体電解質層に接して配置される多孔質層と、該多孔質層における上記金属セパレータ側の面に接して配置される緻密質層とを有することを特徴とする燃料電池スタックにある（請求項１）。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池スタックは、上記のように、空気極層が、固体電解質層に接して配置される多孔質層と、多孔質層における金属セパレータ側の面に接して配置される緻密質層とを有する。そのため、空気極層の多孔質層に供給される酸化剤ガスが緻密質層によってガスシールされ、金属セパレータに酸化剤ガスが接触するのを抑制することができる。これにより、金属セパレータの酸化による劣化を抑制することができる。それ故、スタックの高信頼性化を図ることができる。
【００１０】
また、上記のように緻密質層によって酸化剤ガスがガスシールされるので、セパレータとして金属セパレータを用いることができるし、耐酸化性をそれほど考慮しなくて済むので、金属セパレータを構成する金属材料の選択自由度が高まり、電気抵抗の低い各種の金属材料から構成される金属セパレータを用いることが可能になる。これにより、セラミックス製のセパレータを用いた場合に比べ、発電により生じた電流を取り出すときの電圧降下を小さくすることができる。それ故、スタックの高性能化を図ることができる。
以上のように本発明によれば、金属セパレータの酸化による劣化を抑制することができ、電圧降下を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における、燃料電池スタックの構成を模式的に示す説明図である。
【図２】実施例１における、燃料電池スタックの単セルをガスの流れとともに示す説明図である。
【図３】実施例２における、燃料電池スタックの空気極層の変形例を示す説明図である。
【図４】実施例３における、燃料電池スタックの空気極層の変形例を示す説明図である。
【図５】実施例４における、燃料電池スタックの空気極層の変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の燃料電池スタックにおいて、上記固体電解質層を構成する固体電解質としては、例えば、イットリア、スカンジア等の酸化物が固溶されたジルコニアやセリア系固溶体などの固体酸化物セラミックス、フッ素系炭化水素等の高分子にスルホン酸基等の電解質基が導入された固体高分子電解質、リン酸塩ガラス等のイオン導電性ガラスなどを例示することができる。上記固体電解質層を構成する固体電解質としては、好ましくは、酸素イオン導電性を示す固体電解質であり、より好ましくは、ジルコニア系の固体酸化物セラミックスである。固体電解質層として固体酸化物層を用いた固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）スタックは、電池作動温度が高く、金属セパレータの酸化による劣化が問題となりやすい。そのため、本発明による効果が大きいからである。但し、本発明は、ＳＯＦＣスタックに限定されるものではない。
【００１３】
上記燃料電池スタックは、平板型、円筒型のいずれの構造であってもよい。好ましくは、比較的スタック化が容易な平板型であるとよい。また、上記単セルは、燃料極層、固体電解質層、空気極層のいずれの発電主要素を支持体として機能させてもよい。発電主要素以外のものを別途支持体として具備することもできる。また、燃料極層を構成する材料としては、例えば、ＳＯＦＣスタックの場合、金属ニッケル、酸化ニッケル、これらとイットリア安定化ジルコニア等のジルコニア系の固体酸化物セラミックスとのサーメットなどを例示することができる。
【００１４】
ここで、上記空気極は、多孔質層と緻密質層とを有している。本発明において、多孔質層は、空気極層に流す酸化剤ガスを透過させることができれば、その気孔率は特に限定されるものではない。気孔率分布も一様であってもよいし、厚み方向で異なっていてもよい。酸化剤ガスの拡散性、空気極層の製造性などを考慮して決定することができる。多孔質層は、１層または２層以上から構成することができる。
【００１５】
一方、本発明において、緻密質層にいう「緻密質」とは、空気極層に流す酸化剤ガスのガス透過性が無視できるほど小さいことをいう。緻密質層は、１層または２層以上から構成することができる。好ましくは、１層から構成されているとよい。単セルの厚みが薄くなり、スタックの小型化を図りやすくなるからである。上記多孔質層、緻密質層を構成する材料としては、例えば、ＳＯＦＣスタックの場合、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、ランタン−鉄系酸化物などの導電性を有するペロブスカイト型酸化物などを例示することができる。
【００１６】
上記空気極層において、多孔質層の厚みおよび緻密質層の厚みは、特に限定されるものではない。酸化剤ガスの拡散性、ガス流路の形成容易性、ガスシール性などを考慮して設定することができる。好ましくは、緻密質層の厚みは、多孔質層の厚みに対し、０．０５〜０．５倍の範囲内、より好ましくは、０．１〜０．２倍の範囲内にあるとよい。ガスシール性と酸化剤ガスの拡散性とのバランスがよいからである。多孔質層の厚みは、１００〜１０００μｍが好ましく、より好ましくは、２００〜５００μｍである。一方、緻密質層の厚みは、１０〜１００μｍが好ましく、より好ましくは、２０〜５０μｍである。
【００１７】
上記空気極層は、ＳＯＦＣスタックの場合、例えば、多孔化剤を含有する層状の多孔質層形成材料と、層状の緻密質層形成材料とを積層し、焼成することにより製造することができる。また、多孔質層形成材料と緻密質層形成材料とを押出成形し、焼成することにより製造することもできる。
【００１８】
上記燃料電池スタックにおいて、上記空気極層は、多孔質層と緻密質層との境界に酸化剤ガスを流すガス流路を有していることが好ましい（請求項２）。
この場合には、多孔質層の面方向に流れる酸化剤ガスを制御しやすくなる。そのため、スタックの性能向上に寄与することができる。上記ガス流路は、上記境界を挟んで多孔質層側に形成されていてもよいし、上記境界を挟んで緻密質層側に形成されていてもよい。上記境界を挟んで多孔質層と緻密質層とにまたがって形成することもできる。好ましくは、上記ガス流路は、上記境界を挟んで多孔質層側に形成されているとよい。ガス流路のみならず、ガス流路が形成されていない多孔質部位をも利用して酸化剤ガスを供給することができ、酸化剤ガスの拡散性に優れるからである。
【００１９】
また、上記ガス流路は、多孔質層に形成された複数の溝部と、緻密質層の表面とによって囲まれる空間より構成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、多孔質層と酸化剤ガスとが接触する面積が大きくなる。そのため、多孔質層中へ酸化剤ガスが拡散しやすくなる。また、ガス拡散に関与しない緻密質層の厚みを薄くし、その分、多孔質層の厚みを増すことができる。そのため、同じ厚みの空気極層を有する場合に比べ、酸化剤ガスの拡散性が向上し有利である。
【００２０】
また、上記緻密質層は、さらに、多孔質層の側面を覆っていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、多孔質層の平面だけでなく、多孔質の側面においても緻密質層によって酸化剤ガスがガスシールされる。そのため、酸化剤ガスと金属セパレータとの接触を抑制しやすく、金属セパレータの酸化による劣化の抑制を図りやすくなる。それ故、スタックの高信頼性化を図りやすくなる。
【００２１】
なお、上記緻密質層は、多孔質層の側面の一部を覆っていてもよいし、ガス流路となる部位を除いて多孔質層の側面の全てを覆っていてもよい。好ましくは、後者である。多孔質層の側面露出が少なくなるほど、多孔質層に供給される酸化剤ガスのガスシール性が向上し、金属セパレータの酸化による劣化を抑制する上で有利だからである。
【００２２】
上記金属セパレータは、金属材料から構成されている。上記の「金属」とは、純金属以外に合金も含む意味である。上記金属セパレータは、Ｃｒを含有する金属材料から構成されていてもよいが、Ｃｒを含有しない金属材料から構成されていることが好ましい（請求項５）。なお、「Ｃｒを含有しない金属材料」には、Ｃｒを不可避的不純物として含有する金属材料は含まれる。
【００２３】
ここで、Ｃｒを含有する金属セパレータを用いた従来の燃料電池スタックの場合、セパレータ表面に生成した保護被膜のＣｒ２Ｏ３が酸化してＣｒＯ３（ｇ）が蒸発し、これが空気極に凝縮するというＣｒ被毒が生じることがある。Ｃｒ被毒は、セル間の電気抵抗を増大させ、電池性能を低下させる。しかしながら、本発明の燃料電池スタックは、緻密質層によって酸化剤ガスがガスシールされるので、金属セパレータに酸化剤ガスが接触し難く、金属セパレータの酸化による劣化を抑制することができる。そのため、Ｃｒを含有する金属セパレータを用いた場合でも、Ｃｒ被毒の影響を受け難い構造であるといえる。さらに、上記金属セパレータがＣｒを含有しない金属材料から構成されている場合には、空気極層が緻密質層を有することと相まってＣｒ被毒の影響を回避しやすくなる。そのため、Ｃｒ被毒に起因してセル間の電気抵抗が増大するおそれがなくなり、スタックの高性能化に寄与することができる。とりわけ、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる固体酸化物形燃料電池は、作動温度が比較的高く、強い酸化雰囲気となるため、その効果が大きい。
【００２４】
上記Ｃｒを含有する金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、Ｃｒ基合金などを例示することができる。ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４０５等のフェライト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３１等のマルテンサイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５等のオーステナイト系ステンレス鋼などが挙げられる。一方、上記Ｃｒを含有しない金属材料としては、例えば、Ｎｉ基合金、Ｃｕ基合金、Ｆｅ基合金などを例示することができる。これらのうち、好ましくは、耐熱性に優れる観点から、Ｎｉ基合金である。Ｎｉ基合金としては、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｎｉ−Ｃｕ系合金、Ｎｉ−Ｍｏ系合金などが挙げられる。これらＮｉ基合金のうち、強度、熱膨張などの観点から、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金が好適である。
【００２５】
また、上記燃料電池スタックにおいて、上記単セルの熱膨張係数は、９．５〜１４．５×１０−６／Ｋの範囲内、上記金属セパレータの熱膨張係数は、９．５〜１４．５×１０−６／Ｋの範囲内にあることが好ましい。熱歪による部品間の接合部の剥離を防ぎやすくなるからである。より好ましくは、上記単セルの熱膨張係数は、１０〜１２×１０−６／Ｋの範囲内、上記金属セパレータの熱膨張係数は、１０〜１２×１０−６／Ｋの範囲内にあるとよい。
【００２６】
本発明の燃料電池は、上述した燃料電池スタックを有している（請求項６）。
そのため、金属セパレータの酸化による劣化に起因する出力低下を抑制しつつ、高電圧化を図ることができる。なお、燃料電池スタックは積層して配置することができる。
【実施例】
【００２７】
（実施例１）
本発明の実施例に係る燃料電池スタック、燃料電池について、図１、図２を用いて説明する。
本例の燃料電池スタック１は、平板型のスタックであり、図１に示すように、４つの単セル２が、セル間に配置された金属セパレータ３を介して積層されている。単セル２は、固体電解質層２１と、固体電解質層２１の一方面に設けられた燃料極層２２と、固体電解質層２１の他方面に設けられた空気極層２３とを備えている。固体電解質層２１には、イットリア安定化ジルコニア（厚み１０μｍ）を用いた。燃料極層２２には、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとのサーメット（厚み５００μｍ）を用いた。
【００２８】
空気極層２３は、多孔質層２３１と緻密質層２３２とを有している。多孔質層２３１は、固体電解質層２１に接して配置される。一方、緻密質層２３２は、多孔質層２３１における金属セパレータ３側の面に接して配置される。多孔質層２３１と緻密質層２３２とはともに同じ材料（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３）にて形成した。但し、多孔質層２３１は、酸化剤ガスとしての空気を通気させる程度に多孔質化した（気孔率は約３０％〜５０％）。一方、緻密質層２３２は、酸化剤ガスとしての空気を実質的に透過させない程度に緻密質化した。また、多孔質層２３１の厚みは３００μｍ、緻密質層２３２の厚みは５０μｍとした。
【００２９】
空気極層２３は、多孔質層２３１と緻密質層２３２との境界Ｂに、酸化剤ガスを流すガス流路２３３を有している。具体的には、ガス流路２３３は、複数の流路群から形成されている。複数の流路群は、多孔質層２３１に形成された複数の溝部２３３ａと、緻密質層２３２の表面とによって囲まれる空間２３３ｂより構成されている。これら流路群の一端部は、多孔質層２３１の一方の側端面に連通する。また、流路群の他端部は、多孔質層２３１の一方の側端面と対向する位置にある側端面に連通する。なお、溝部幅は２０００μｍ、溝部深さは２００μｍ、溝部のピッチは２０００μｍとした。
【００３０】
なお、空気極層２３は、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３粉末と多孔化剤とバインダーとを含有するペーストを塗工するとともに、バインダーにより流路パターンを形成した後、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３粉末とバインダーとを含有するスラリーを塗工し、焼成することにより作製した。この際、上記塗工にはスクリーン印刷法を用いた。
【００３１】
セル間に配置される金属セパレータ３は、平板状のステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）から構成されている。金属セパレータ３の厚みは１ｍｍとした。金属セパレータ３は、燃料極層２２側の面に、燃料ガスとしての水素ガスを流すガス流路３１を有している。なお、空気極層２３側の面は、平坦面とされている。本例では、酸化剤ガスを流すガス流路２３３が空気極層２３に形成されているからである。
【００３２】
本例の燃料電池スタック１は、図１に示すように、上記の単セル２、セル間の金属セパレータ３以外に、セル外の金属セパレータ１１、集電体１２、シール部材１３、一対の絶縁体１４、一対の固定部材１５、ガス供給マニフォルド１６、ガス排気マニフォルド１７などを有している。
【００３３】
セル外の金属セパレータ１１は、最上部の単セル２の上方（空気極層２３側）に積層配置されている。セル外の金属セパレータ１１は、セル間の金属セパレータ３と同じ材料からなる。但し、セル外の金属セパレータ１１は、両面ともガス流路が形成されていない。単セル２の燃料極層２２に燃料ガスを供給する必要がないからである。
【００３４】
集電体１２は、単セル２と金属セパレータ３、単セル２と金属セパレータ１１との間に配置されている。単セル２の燃料極層２２側と金属セパレータ３との間に配置する集電体１２には、Ｎｉフェルトを用いた。他にもＮｉメッシュなどを適用することができる。一方、単セル２の空気極層２３側と金属セパレータ３、１１との間に配置する集電体１２には、フェライト系Ｃｒ合金を用いた。他にも、銀系ペーストなどの導電性コンタクト材料を適用することができる。
【００３５】
シール部材１３は、単セル２の側端面に設けられている。本例では、単セル２の側端面のうち、ガス流路２３３以外の部分をガラスシール材にてシールした。
【００３６】
一対の絶縁体１４は、アルミナから板状に形成されている。一対の絶縁体１４は、金属セパレータ３を介して積層された両端の単セル２の外側に積層されている。また、これら一対の絶縁体１４の外側には、一対の固定部材１５が積層されている。燃料電池スタック１は、一方の固定部材１５から他方の固定部材１５にかけて、発電に影響がでないように、積層方向と垂直な方向にスタック１を貫通する貫通孔（不図示）を４つ有している。これら貫通孔には、締結部材としてのボルト（不図示）が挿通されるとともに、ボルトの先端には、相手側の締結部材であるナット（不図示）が取り付けられている。これら締結部材の締結力により、燃料電池スタック１は一対の固定部材１５間に挟持されている。
【００３７】
ガス供給マニフォルド１６は、単セル２の一方の側端面に設けられている。ガス供給マニフォルド１６は、その内部に、燃料ガス（矢印Ｆ）としての水素を金属セパレータ３へ供給する燃料ガス供給路１６１と、酸化剤ガス（矢印Ａ）としての空気を空気極層２３へ供給する酸化剤ガス供給路１６２とを有している。積層配置されたガス供給マニフォルド１６間において、燃料ガス供給路１６１、酸化剤ガス供給路１６２はそれぞれ連通している。燃料ガス供給路１６１の上流側端部は、ガス供給システム（不図示）に接続されている。一方、酸化剤ガス供給路１６２の上流側端部は、空気供給システム（不図示）に接続されている。
【００３８】
ガス排気マニフォルド１７は、単セル２の他方の側端面に設けられている。ガス排気マニフォルド１７は、その内部に、発電に使用されなかった燃料ガスをスタック１外へ排気する燃料ガス排気路１７１と、発電に使用されなかった酸化剤ガスをスタック１外へ排気する酸化剤ガス排気路１７２とを有している。積層配置されたガス排気マニフォルド１７間において、燃料ガス排気路１７１、酸化剤ガス排気路１７２はそれぞれ連通している。燃料ガス排気路１７１の下流側端部は、燃料ガス排気システム（不図示）に接続されている。一方、酸化剤ガス排気路１７２の下流側端部は、酸化剤ガス排気システム（不図示）に接続されている。
【００３９】
上記の燃料電池スタック１は、次のようにして作動させることができる。ガス供給マニフォルド１６の燃料ガス供給路１６１の上流側端部（Ｉｎ）から、水素ガス（燃料ガス）を供給する。水素ガスは、燃料ガス供給路１６１を流れ、各単セル２の燃料極層２２側に配置された金属セパレータ３に達する。金属セパレータ３に達した水素ガスは、金属セパレータ３内のガス流路３１を流れ、各単セル２の燃料極層２２に供給される。一方、ガス排気マニフォルド１７の酸化剤ガス供給路１６２の上流側端部（Ｉｎ）から、空気（酸化剤ガス）を供給する。空気は、酸化剤ガス供給路１６２を流れ、各単セル２の空気極層２３のうち、多孔質層２３１側に供給される。
【００４０】
各単セル２に供給された水素ガス、空気は、電池反応に供されて消費される。一方、電池反応に供されなかった水素ガスは、ガス排気マニフォルド１７内の燃料ガス排気路１７１を流れ、燃料ガス排気路１７１の下流側端部（Ｏｕｔ）から排気される。一方、電池反応に供されなかった空気は、ガス排気マニフォルド１７内の酸化剤ガス排気路１７２を流れ、酸化剤ガス排気路１７２の下流側端部（Ｏｕｔ）から排気される。
【００４１】
上記により、燃料電池スタック１は、各単セル２の燃料極層２２と空気極層２３と間に起電力が生じ、発電装置として機能することができる。発電による電力は、燃料極層２２側においては、燃料極層２２と金属セパレータ３との間に配設された集電体１２を介して燃料電池スタック１の下方に配置されている単セル２の燃料極層２２側の端部に取り出される。一方、空気極層２３側においては、空気極層２３と金属セパレータ３との間に配設された集電体１２を介して燃料電池スタック１の上方に配置されている単セル２の空気極層２３側の端部に取り出される。燃料電池スタック１全体の電力は、スタック両端部の間で取り出される。なお、本例の燃料電池スタック１は、６００〜９００℃の温度で好適に作動させることができる。
【００４２】
以上説明した本例によれば、空気極層２３の多孔質層２３１に供給される酸化剤ガスとしての空気が緻密質層２３２によってガスシールされ、金属セパレータ３に空気が接触するのを抑制することができる。これにより、金属セパレータ３の酸化による劣化を抑制することができる。それ故、スタック１の高信頼性化を図ることができる。
【００４３】
また、緻密質層２３２によって空気がガスシールされるので、セパレータとして金属セパレータを用いることができるし、耐酸化性をそれほど考慮しなくて済むので、金属セパレータ３を構成する金属材料の選択自由度が高まり、電気抵抗の低い各種の金属材料から構成される金属セパレータ３を用いることが可能になる。これにより、セラミックス製のセパレータを用いた場合に比べ、発電により生じた電流を取り出すときの電圧降下を小さくすることができる。
【００４４】
次に、本例の燃料電池（モジュール）について説明する。本例の燃料電池（不図示）は、上記した本例の燃料電池スタック１を有している。具体的には、本例の燃料電池は、燃料電池スタック１が３つ積層配置されており、各燃料電池スタック１間が直列に接続されている。
【００４５】
本例の燃料電池によれば、金属セパレータ３の酸化による劣化に起因する出力低下を抑制しつつ、高電圧化を図ることができる。なお、本例では、燃料電池スタック１を３つ積層配置したが、これに限定されることはなく、必要とする電圧値を考慮して、複数個積層配置することができる。
【００４６】
（実施例２）
本例は、図３に示すように、実施例１の燃料電池スタック１における単セル２の空気極層２３の構造を変更した例である。
本例の燃料電池スタック１は、図３に示すように、緻密質層２３２が、多孔質層２３１の側面を覆っている。具体的には、緻密質層２３２は、平面縁部に対向する一対の延設部２３２ａを有している。一対の延設部２３２ａは、積層方向から見て四角形状に形成された多孔質層２３１の４辺における側面のうち、酸化剤ガスである空気の流路と交差しない２つの対向する側面を被覆する。本例において、多孔質層２３１は、延設部２３２ａの約厚み分だけ固体電解質層２１より小さく形成されている。つまり、延設部２３２ａは、固体電解質層２１よりも内側に配置されている。その他は、実施例１と同様である。
【００４７】
このように構成した場合には、多孔質層２３１の平面だけでなく、多孔質層２３１の側面においても緻密質層２３２によって空気がガスシールされる。そのため、酸化剤ガスである空気と金属セパレータ３との接触を抑制しやすくなり、金属セパレータ３の酸化による劣化の抑制を図りやすくなる。さらに、延設部２３２ａが固体電解質層２１よりも内側に配置されているので、延設部２３２ａと燃料極層２２とを離隔しやすくなり、リークのおそれを回避しやすくなる。その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００４８】
（実施例３）
本例は、図４に示すように、実施例１の燃料電池スタック１における単セル２の空気極層２３の構造を変更した例である。
本例の燃料電池スタック１において、空気極層２３は、図４に示すように、多孔質層２３１と緻密質層２３２との境界Ｂに酸化剤ガスとしての空気を流すガス流路２３４を有している。但し、ガス流路２３４は、境界Ｂを挟んで緻密質層２３２側に形成されている。その他は、実施例１と同様である。
【００４９】
このような構成とした場合でも、緻密質層２３２によって酸化剤ガスとしての空気をガスシールすることができる。そのため、空気と金属セパレータ３との接触が抑制され、金属セパレータ３の酸化による劣化の抑制を図ることができる。その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５０】
（実施例４）
本例は、図５に示すように、実施例１の燃料電池スタック１における単セル２の空気極層２３の構造を変更した例である。
本例の燃料電池スタック１において、空気極層２３は、図５に示すように、多孔質層２３１と緻密質層２３２との境界Ｂに酸化剤ガスとしての空気を流すガス流路２３５を有している。但し、ガス流路２３５は、境界Ｂを挟んで多孔質層２３１と緻密質層２３２とにまたがって形成されている。その他は、実施例１と同様である。
【００５１】
このような構成とした場合でも、緻密質層２３２によって酸化剤ガスとしての空気をガスシールすることができる。そのため、空気と金属セパレータ３との接触が抑制され、金属セパレータ３の酸化による劣化の抑制を図ることができる。その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。
【符号の説明】
【００５２】
１ 燃料電池スタック
２ 単セル
２１ 固体電解質層
２２ 燃料極層
２３ 空気極層
２３１ 多孔質層
２３２ 緻密質層
２３２ａ 延設部
Ｂ 境界
２３３ ガス流路
２３３ａ 溝部
２３３ｂ 空間
２３４ ガス流路
２３５ ガス流路
３ （セル間）金属セパレータ
３１ ガス流路
１１ （セル外）金属セパレータ
１２ 集電体
１３ シール部材
１４ 絶縁体
１５ 固定部材
１６ ガス供給マニフォルド
１６１ 燃料ガス供給路
１６２ 酸化剤ガス供給路
１７ ガス排気マニフォルド
１７１ 燃料ガス排気路
１７２ 酸化剤ガス排気路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質として固体電解質を利用した燃料電池スタックおよび燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応物質（燃料）と酸化剤（空気や酸素）とを電池内部に供給することによって電気エネルギーを発生させる変換器である。燃料電池の構造としては、固体電解質層の一方面に燃料極層、他方面に空気極層を配置した単セルを、セパレータを介して複数積層してスタック化し、さらにこの燃料電池スタックを複数積層してなる燃料電池が知られている。
【０００３】
上記燃料電池スタック、燃料電池においては、セパレータの一方面に燃料ガスを流すためのガス流路が形成されており、セパレータの他方面に酸化剤ガスを流すためのガス流路が形成されていることが多い（特許文献１の図８参照）。また、特許文献２に記載されるように、空気極層の内部にガス流路を形成する技術も提案されている。
【０００４】
上記のセパレータ材料としては、従来、セラミックスが使用されてきた。近年では、実用性、経済性などの観点から、金属材料を用いることが試みられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１５９７９０号公報（図８）
【特許文献２】特開平９−５０８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池スタックにおいて、上記のセパレータは、その一方面が還元雰囲気に曝され、その他方面が酸化雰囲気に曝される。セパレータ材料として金属材料を用いた金属セパレータの場合、とりわけ、酸化による劣化の問題が生じやすいという問題がある。一方、セラミックセパレータは、耐酸化性に優れるものの、金属セパレータに比べ、電気抵抗が高い。そのため、発電により生じた電流を取り出すときの電圧降下が大きいという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、金属セパレータの酸化による劣化を抑制することができ、電圧降下を小さくすることが可能な燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、固体電解質層と、該固体電解質層の一方面に設けられた燃料極層と、上記固体電解質層の他方面に設けられた空気極層とを備えた単セルを、金属セパレータを介して複数積層してなる燃料電池スタックであって、上記空気極層は、上記固体電解質層に接して配置される多孔質層と、該多孔質層における上記金属セパレータ側の面に接して配置される緻密質層とを有することを特徴とする燃料電池スタックにある（請求項１）。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池スタックは、上記のように、空気極層が、固体電解質層に接して配置される多孔質層と、多孔質層における金属セパレータ側の面に接して配置される緻密質層とを有する。そのため、空気極層の多孔質層に供給される酸化剤ガスが緻密質層によってガスシールされ、金属セパレータに酸化剤ガスが接触するのを抑制することができる。これにより、金属セパレータの酸化による劣化を抑制することができる。それ故、スタックの高信頼性化を図ることができる。
【００１０】
また、上記のように緻密質層によって酸化剤ガスがガスシールされるので、セパレータとして金属セパレータを用いることができるし、耐酸化性をそれほど考慮しなくて済むので、金属セパレータを構成する金属材料の選択自由度が高まり、電気抵抗の低い各種の金属材料から構成される金属セパレータを用いることが可能になる。これにより、セラミックス製のセパレータを用いた場合に比べ、発電により生じた電流を取り出すときの電圧降下を小さくすることができる。それ故、スタックの高性能化を図ることができる。
以上のように本発明によれば、金属セパレータの酸化による劣化を抑制することができ、電圧降下を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における、燃料電池スタックの構成を模式的に示す説明図である。
【図２】実施例１における、燃料電池スタックの単セルをガスの流れとともに示す説明図である。
【図３】実施例２における、燃料電池スタックの空気極層の変形例を示す説明図である。
【図４】実施例３における、燃料電池スタックの空気極層の変形例を示す説明図である。
【図５】実施例４における、燃料電池スタックの空気極層の変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の燃料電池スタックにおいて、上記固体電解質層を構成する固体電解質としては、例えば、イットリア、スカンジア等の酸化物が固溶されたジルコニアやセリア系固溶体などの固体酸化物セラミックス、フッ素系炭化水素等の高分子にスルホン酸基等の電解質基が導入された固体高分子電解質、リン酸塩ガラス等のイオン導電性ガラスなどを例示することができる。上記固体電解質層を構成する固体電解質としては、好ましくは、酸素イオン導電性を示す固体電解質であり、より好ましくは、ジルコニア系の固体酸化物セラミックスである。固体電解質層として固体酸化物層を用いた固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）スタックは、電池作動温度が高く、金属セパレータの酸化による劣化が問題となりやすい。そのため、本発明による効果が大きいからである。但し、本発明は、ＳＯＦＣスタックに限定されるものではない。
【００１３】
上記燃料電池スタックは、平板型、円筒型のいずれの構造であってもよい。好ましくは、比較的スタック化が容易な平板型であるとよい。また、上記単セルは、燃料極層、固体電解質層、空気極層のいずれの発電主要素を支持体として機能させてもよい。発電主要素以外のものを別途支持体として具備することもできる。また、燃料極層を構成する材料としては、例えば、ＳＯＦＣスタックの場合、金属ニッケル、酸化ニッケル、これらとイットリア安定化ジルコニア等のジルコニア系の固体酸化物セラミックスとのサーメットなどを例示することができる。
【００１４】
ここで、上記空気極は、多孔質層と緻密質層とを有している。本発明において、多孔質層は、空気極層に流す酸化剤ガスを透過させることができれば、その気孔率は特に限定されるものではない。気孔率分布も一様であってもよいし、厚み方向で異なっていてもよい。酸化剤ガスの拡散性、空気極層の製造性などを考慮して決定することができる。多孔質層は、１層または２層以上から構成することができる。
【００１５】
一方、本発明において、緻密質層にいう「緻密質」とは、空気極層に流す酸化剤ガスのガス透過性が無視できるほど小さいことをいう。緻密質層は、１層または２層以上から構成することができる。好ましくは、１層から構成されているとよい。単セルの厚みが薄くなり、スタックの小型化を図りやすくなるからである。上記多孔質層、緻密質層を構成する材料としては、例えば、ＳＯＦＣスタックの場合、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、ランタン−鉄系酸化物などの導電性を有するペロブスカイト型酸化物などを例示することができる。
【００１６】
上記空気極層において、多孔質層の厚みおよび緻密質層の厚みは、特に限定されるものではない。酸化剤ガスの拡散性、ガス流路の形成容易性、ガスシール性などを考慮して設定することができる。好ましくは、緻密質層の厚みは、多孔質層の厚みに対し、０．０５〜０．５倍の範囲内、より好ましくは、０．１〜０．２倍の範囲内にあるとよい。ガスシール性と酸化剤ガスの拡散性とのバランスがよいからである。多孔質層の厚みは、１００〜１０００μｍが好ましく、より好ましくは、２００〜５００μｍである。一方、緻密質層の厚みは、１０〜１００μｍが好ましく、より好ましくは、２０〜５０μｍである。
【００１７】
上記空気極層は、ＳＯＦＣスタックの場合、例えば、多孔化剤を含有する層状の多孔質層形成材料と、層状の緻密質層形成材料とを積層し、焼成することにより製造することができる。また、多孔質層形成材料と緻密質層形成材料とを押出成形し、焼成することにより製造することもできる。
【００１８】
上記燃料電池スタックにおいて、上記空気極層は、多孔質層と緻密質層との境界に酸化剤ガスを流すガス流路を有していることが好ましい（請求項２）。
この場合には、多孔質層の面方向に流れる酸化剤ガスを制御しやすくなる。そのため、スタックの性能向上に寄与することができる。上記ガス流路は、上記境界を挟んで多孔質層側に形成されていてもよいし、上記境界を挟んで緻密質層側に形成されていてもよい。上記境界を挟んで多孔質層と緻密質層とにまたがって形成することもできる。好ましくは、上記ガス流路は、上記境界を挟んで多孔質層側に形成されているとよい。ガス流路のみならず、ガス流路が形成されていない多孔質部位をも利用して酸化剤ガスを供給することができ、酸化剤ガスの拡散性に優れるからである。
【００１９】
また、上記ガス流路は、多孔質層に形成された複数の溝部と、緻密質層の表面とによって囲まれる空間より構成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、多孔質層と酸化剤ガスとが接触する面積が大きくなる。そのため、多孔質層中へ酸化剤ガスが拡散しやすくなる。また、ガス拡散に関与しない緻密質層の厚みを薄くし、その分、多孔質層の厚みを増すことができる。そのため、同じ厚みの空気極層を有する場合に比べ、酸化剤ガスの拡散性が向上し有利である。
【００２０】
また、上記緻密質層は、さらに、多孔質層の側面を覆っていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、多孔質層の平面だけでなく、多孔質の側面においても緻密質層によって酸化剤ガスがガスシールされる。そのため、酸化剤ガスと金属セパレータとの接触を抑制しやすく、金属セパレータの酸化による劣化の抑制を図りやすくなる。それ故、スタックの高信頼性化を図りやすくなる。
【００２１】
なお、上記緻密質層は、多孔質層の側面の一部を覆っていてもよいし、ガス流路となる部位を除いて多孔質層の側面の全てを覆っていてもよい。好ましくは、後者である。多孔質層の側面露出が少なくなるほど、多孔質層に供給される酸化剤ガスのガスシール性が向上し、金属セパレータの酸化による劣化を抑制する上で有利だからである。
【００２２】
上記金属セパレータは、金属材料から構成されている。上記の「金属」とは、純金属以外に合金も含む意味である。上記金属セパレータは、Ｃｒを含有する金属材料から構成されていてもよいが、Ｃｒを含有しない金属材料から構成されていることが好ましい（請求項５）。なお、「Ｃｒを含有しない金属材料」には、Ｃｒを不可避的不純物として含有する金属材料は含まれる。
【００２３】
ここで、Ｃｒを含有する金属セパレータを用いた従来の燃料電池スタックの場合、セパレータ表面に生成した保護被膜のＣｒ２Ｏ３が酸化してＣｒＯ３（ｇ）が蒸発し、これが空気極に凝縮するというＣｒ被毒が生じることがある。Ｃｒ被毒は、セル間の電気抵抗を増大させ、電池性能を低下させる。しかしながら、本発明の燃料電池スタックは、緻密質層によって酸化剤ガスがガスシールされるので、金属セパレータに酸化剤ガスが接触し難く、金属セパレータの酸化による劣化を抑制することができる。そのため、Ｃｒを含有する金属セパレータを用いた場合でも、Ｃｒ被毒の影響を受け難い構造であるといえる。さらに、上記金属セパレータがＣｒを含有しない金属材料から構成されている場合には、空気極層が緻密質層を有することと相まってＣｒ被毒の影響を回避しやすくなる。そのため、Ｃｒ被毒に起因してセル間の電気抵抗が増大するおそれがなくなり、スタックの高性能化に寄与することができる。とりわけ、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる固体酸化物形燃料電池は、作動温度が比較的高く、強い酸化雰囲気となるため、その効果が大きい。
【００２４】
上記Ｃｒを含有する金属材料としては、例えば、ステンレス鋼、Ｃｒ基合金などを例示することができる。ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４０５等のフェライト系ステンレス鋼、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３１等のマルテンサイト系ステンレス鋼、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５等のオーステナイト系ステンレス鋼などが挙げられる。一方、上記Ｃｒを含有しない金属材料としては、例えば、Ｎｉ基合金、Ｃｕ基合金、Ｆｅ基合金などを例示することができる。これらのうち、好ましくは、耐熱性に優れる観点から、Ｎｉ基合金である。Ｎｉ基合金としては、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｎｉ−Ｃｕ系合金、Ｎｉ−Ｍｏ系合金などが挙げられる。これらＮｉ基合金のうち、強度、熱膨張などの観点から、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系合金が好適である。
【００２５】
また、上記燃料電池スタックにおいて、上記単セルの熱膨張係数は、９．５〜１４．５×１０−６／Ｋの範囲内、上記金属セパレータの熱膨張係数は、９．５〜１４．５×１０−６／Ｋの範囲内にあることが好ましい。熱歪による部品間の接合部の剥離を防ぎやすくなるからである。より好ましくは、上記単セルの熱膨張係数は、１０〜１２×１０−６／Ｋの範囲内、上記金属セパレータの熱膨張係数は、１０〜１２×１０−６／Ｋの範囲内にあるとよい。
【００２６】
本発明の燃料電池は、上述した燃料電池スタックを有している（請求項６）。
そのため、金属セパレータの酸化による劣化に起因する出力低下を抑制しつつ、高電圧化を図ることができる。なお、燃料電池スタックは積層して配置することができる。
【実施例】
【００２７】
（実施例１）
本発明の実施例に係る燃料電池スタック、燃料電池について、図１、図２を用いて説明する。
本例の燃料電池スタック１は、平板型のスタックであり、図１に示すように、４つの単セル２が、セル間に配置された金属セパレータ３を介して積層されている。単セル２は、固体電解質層２１と、固体電解質層２１の一方面に設けられた燃料極層２２と、固体電解質層２１の他方面に設けられた空気極層２３とを備えている。固体電解質層２１には、イットリア安定化ジルコニア（厚み１０μｍ）を用いた。燃料極層２２には、酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとのサーメット（厚み５００μｍ）を用いた。
【００２８】
空気極層２３は、多孔質層２３１と緻密質層２３２とを有している。多孔質層２３１は、固体電解質層２１に接して配置される。一方、緻密質層２３２は、多孔質層２３１における金属セパレータ３側の面に接して配置される。多孔質層２３１と緻密質層２３２とはともに同じ材料（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３）にて形成した。但し、多孔質層２３１は、酸化剤ガスとしての空気を通気させる程度に多孔質化した（気孔率は約３０％〜５０％）。一方、緻密質層２３２は、酸化剤ガスとしての空気を実質的に透過させない程度に緻密質化した。また、多孔質層２３１の厚みは３００μｍ、緻密質層２３２の厚みは５０μｍとした。
【００２９】
空気極層２３は、多孔質層２３１と緻密質層２３２との境界Ｂに、酸化剤ガスを流すガス流路２３３を有している。具体的には、ガス流路２３３は、複数の流路群から形成されている。複数の流路群は、多孔質層２３１に形成された複数の溝部２３３ａと、緻密質層２３２の表面とによって囲まれる空間２３３ｂより構成されている。これら流路群の一端部は、多孔質層２３１の一方の側端面に連通する。また、流路群の他端部は、多孔質層２３１の一方の側端面と対向する位置にある側端面に連通する。なお、溝部幅は２０００μｍ、溝部深さは２００μｍ、溝部のピッチは２０００μｍとした。
【００３０】
なお、空気極層２３は、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３粉末と多孔化剤とバインダーとを含有するペーストを塗工するとともに、バインダーにより流路パターンを形成した後、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３粉末とバインダーとを含有するスラリーを塗工し、焼成することにより作製した。この際、上記塗工にはスクリーン印刷法を用いた。
【００３１】
セル間に配置される金属セパレータ３は、平板状のステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）から構成されている。金属セパレータ３の厚みは１ｍｍとした。金属セパレータ３は、燃料極層２２側の面に、燃料ガスとしての水素ガスを流すガス流路３１を有している。なお、空気極層２３側の面は、平坦面とされている。本例では、酸化剤ガスを流すガス流路２３３が空気極層２３に形成されているからである。
【００３２】
本例の燃料電池スタック１は、図１に示すように、上記の単セル２、セル間の金属セパレータ３以外に、セル外の金属セパレータ１１、集電体１２、シール部材１３、一対の絶縁体１４、一対の固定部材１５、ガス供給マニフォルド１６、ガス排気マニフォルド１７などを有している。
【００３３】
セル外の金属セパレータ１１は、最上部の単セル２の上方（空気極層２３側）に積層配置されている。セル外の金属セパレータ１１は、セル間の金属セパレータ３と同じ材料からなる。但し、セル外の金属セパレータ１１は、両面ともガス流路が形成されていない。単セル２の燃料極層２２に燃料ガスを供給する必要がないからである。
【００３４】
集電体１２は、単セル２と金属セパレータ３、単セル２と金属セパレータ１１との間に配置されている。単セル２の燃料極層２２側と金属セパレータ３との間に配置する集電体１２には、Ｎｉフェルトを用いた。他にもＮｉメッシュなどを適用することができる。一方、単セル２の空気極層２３側と金属セパレータ３、１１との間に配置する集電体１２には、フェライト系Ｃｒ合金を用いた。他にも、銀系ペーストなどの導電性コンタクト材料を適用することができる。
【００３５】
シール部材１３は、単セル２の側端面に設けられている。本例では、単セル２の側端面のうち、ガス流路２３３以外の部分をガラスシール材にてシールした。
【００３６】
一対の絶縁体１４は、アルミナから板状に形成されている。一対の絶縁体１４は、金属セパレータ３を介して積層された両端の単セル２の外側に積層されている。また、これら一対の絶縁体１４の外側には、一対の固定部材１５が積層されている。燃料電池スタック１は、一方の固定部材１５から他方の固定部材１５にかけて、発電に影響がでないように、積層方向と垂直な方向にスタック１を貫通する貫通孔（不図示）を４つ有している。これら貫通孔には、締結部材としてのボルト（不図示）が挿通されるとともに、ボルトの先端には、相手側の締結部材であるナット（不図示）が取り付けられている。これら締結部材の締結力により、燃料電池スタック１は一対の固定部材１５間に挟持されている。
【００３７】
ガス供給マニフォルド１６は、単セル２の一方の側端面に設けられている。ガス供給マニフォルド１６は、その内部に、燃料ガス（矢印Ｆ）としての水素を金属セパレータ３へ供給する燃料ガス供給路１６１と、酸化剤ガス（矢印Ａ）としての空気を空気極層２３へ供給する酸化剤ガス供給路１６２とを有している。積層配置されたガス供給マニフォルド１６間において、燃料ガス供給路１６１、酸化剤ガス供給路１６２はそれぞれ連通している。燃料ガス供給路１６１の上流側端部は、ガス供給システム（不図示）に接続されている。一方、酸化剤ガス供給路１６２の上流側端部は、空気供給システム（不図示）に接続されている。
【００３８】
ガス排気マニフォルド１７は、単セル２の他方の側端面に設けられている。ガス排気マニフォルド１７は、その内部に、発電に使用されなかった燃料ガスをスタック１外へ排気する燃料ガス排気路１７１と、発電に使用されなかった酸化剤ガスをスタック１外へ排気する酸化剤ガス排気路１７２とを有している。積層配置されたガス排気マニフォルド１７間において、燃料ガス排気路１７１、酸化剤ガス排気路１７２はそれぞれ連通している。燃料ガス排気路１７１の下流側端部は、燃料ガス排気システム（不図示）に接続されている。一方、酸化剤ガス排気路１７２の下流側端部は、酸化剤ガス排気システム（不図示）に接続されている。
【００３９】
上記の燃料電池スタック１は、次のようにして作動させることができる。ガス供給マニフォルド１６の燃料ガス供給路１６１の上流側端部（Ｉｎ）から、水素ガス（燃料ガス）を供給する。水素ガスは、燃料ガス供給路１６１を流れ、各単セル２の燃料極層２２側に配置された金属セパレータ３に達する。金属セパレータ３に達した水素ガスは、金属セパレータ３内のガス流路３１を流れ、各単セル２の燃料極層２２に供給される。一方、ガス排気マニフォルド１７の酸化剤ガス供給路１６２の上流側端部（Ｉｎ）から、空気（酸化剤ガス）を供給する。空気は、酸化剤ガス供給路１６２を流れ、各単セル２の空気極層２３のうち、多孔質層２３１側に供給される。
【００４０】
各単セル２に供給された水素ガス、空気は、電池反応に供されて消費される。一方、電池反応に供されなかった水素ガスは、ガス排気マニフォルド１７内の燃料ガス排気路１７１を流れ、燃料ガス排気路１７１の下流側端部（Ｏｕｔ）から排気される。一方、電池反応に供されなかった空気は、ガス排気マニフォルド１７内の酸化剤ガス排気路１７２を流れ、酸化剤ガス排気路１７２の下流側端部（Ｏｕｔ）から排気される。
【００４１】
上記により、燃料電池スタック１は、各単セル２の燃料極層２２と空気極層２３と間に起電力が生じ、発電装置として機能することができる。発電による電力は、燃料極層２２側においては、燃料極層２２と金属セパレータ３との間に配設された集電体１２を介して燃料電池スタック１の下方に配置されている単セル２の燃料極層２２側の端部に取り出される。一方、空気極層２３側においては、空気極層２３と金属セパレータ３との間に配設された集電体１２を介して燃料電池スタック１の上方に配置されている単セル２の空気極層２３側の端部に取り出される。燃料電池スタック１全体の電力は、スタック両端部の間で取り出される。なお、本例の燃料電池スタック１は、６００〜９００℃の温度で好適に作動させることができる。
【００４２】
以上説明した本例によれば、空気極層２３の多孔質層２３１に供給される酸化剤ガスとしての空気が緻密質層２３２によってガスシールされ、金属セパレータ３に空気が接触するのを抑制することができる。これにより、金属セパレータ３の酸化による劣化を抑制することができる。それ故、スタック１の高信頼性化を図ることができる。
【００４３】
また、緻密質層２３２によって空気がガスシールされるので、セパレータとして金属セパレータを用いることができるし、耐酸化性をそれほど考慮しなくて済むので、金属セパレータ３を構成する金属材料の選択自由度が高まり、電気抵抗の低い各種の金属材料から構成される金属セパレータ３を用いることが可能になる。これにより、セラミックス製のセパレータを用いた場合に比べ、発電により生じた電流を取り出すときの電圧降下を小さくすることができる。
【００４４】
次に、本例の燃料電池（モジュール）について説明する。本例の燃料電池（不図示）は、上記した本例の燃料電池スタック１を有している。具体的には、本例の燃料電池は、燃料電池スタック１が３つ積層配置されており、各燃料電池スタック１間が直列に接続されている。
【００４５】
本例の燃料電池によれば、金属セパレータ３の酸化による劣化に起因する出力低下を抑制しつつ、高電圧化を図ることができる。なお、本例では、燃料電池スタック１を３つ積層配置したが、これに限定されることはなく、必要とする電圧値を考慮して、複数個積層配置することができる。
【００４６】
（実施例２）
本例は、図３に示すように、実施例１の燃料電池スタック１における単セル２の空気極層２３の構造を変更した例である。
本例の燃料電池スタック１は、図３に示すように、緻密質層２３２が、多孔質層２３１の側面を覆っている。具体的には、緻密質層２３２は、平面縁部に対向する一対の延設部２３２ａを有している。一対の延設部２３２ａは、積層方向から見て四角形状に形成された多孔質層２３１の４辺における側面のうち、酸化剤ガスである空気の流路と交差しない２つの対向する側面を被覆する。本例において、多孔質層２３１は、延設部２３２ａの約厚み分だけ固体電解質層２１より小さく形成されている。つまり、延設部２３２ａは、固体電解質層２１よりも内側に配置されている。その他は、実施例１と同様である。
【００４７】
このように構成した場合には、多孔質層２３１の平面だけでなく、多孔質層２３１の側面においても緻密質層２３２によって空気がガスシールされる。そのため、酸化剤ガスである空気と金属セパレータ３との接触を抑制しやすくなり、金属セパレータ３の酸化による劣化の抑制を図りやすくなる。さらに、延設部２３２ａが固体電解質層２１よりも内側に配置されているので、延設部２３２ａと燃料極層２２とを離隔しやすくなり、リークのおそれを回避しやすくなる。その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００４８】
（実施例３）
本例は、図４に示すように、実施例１の燃料電池スタック１における単セル２の空気極層２３の構造を変更した例である。
本例の燃料電池スタック１において、空気極層２３は、図４に示すように、多孔質層２３１と緻密質層２３２との境界Ｂに酸化剤ガスとしての空気を流すガス流路２３４を有している。但し、ガス流路２３４は、境界Ｂを挟んで緻密質層２３２側に形成されている。その他は、実施例１と同様である。
【００４９】
このような構成とした場合でも、緻密質層２３２によって酸化剤ガスとしての空気をガスシールすることができる。そのため、空気と金属セパレータ３との接触が抑制され、金属セパレータ３の酸化による劣化の抑制を図ることができる。その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００５０】
（実施例４）
本例は、図５に示すように、実施例１の燃料電池スタック１における単セル２の空気極層２３の構造を変更した例である。
本例の燃料電池スタック１において、空気極層２３は、図５に示すように、多孔質層２３１と緻密質層２３２との境界Ｂに酸化剤ガスとしての空気を流すガス流路２３５を有している。但し、ガス流路２３５は、境界Ｂを挟んで多孔質層２３１と緻密質層２３２とにまたがって形成されている。その他は、実施例１と同様である。
【００５１】
このような構成とした場合でも、緻密質層２３２によって酸化剤ガスとしての空気をガスシールすることができる。そのため、空気と金属セパレータ３との接触が抑制され、金属セパレータ３の酸化による劣化の抑制を図ることができる。その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。
【符号の説明】
【００５２】
１ 燃料電池スタック
２ 単セル
２１ 固体電解質層
２２ 燃料極層
２３ 空気極層
２３１ 多孔質層
２３２ 緻密質層
２３２ａ 延設部
Ｂ 境界
２３３ ガス流路
２３３ａ 溝部
２３３ｂ 空間
２３４ ガス流路
２３５ ガス流路
３ （セル間）金属セパレータ
３１ ガス流路
１１ （セル外）金属セパレータ
１２ 集電体
１３ シール部材
１４ 絶縁体
１５ 固定部材
１６ ガス供給マニフォルド
１６１ 燃料ガス供給路
１６２ 酸化剤ガス供給路
１７ ガス排気マニフォルド
１７１ 燃料ガス排気路
１７２ 酸化剤ガス排気路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層と、該固体電解質層の一方面に設けられた燃料極層と、上記固体電解質層の他方面に設けられた空気極層とを備えた単セルを、金属セパレータを介して複数積層してなる燃料電池スタックであって、
上記空気極層は、上記固体電解質層に接して配置される多孔質層と、該多孔質層における上記金属セパレータ側の面に接して配置される緻密質層とを有す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、上記空気極層は、上記多孔質層と上記緻密質層との境界に、酸化剤ガスを流すガス流路を有す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、上記ガス流路は、上記多孔質層に形成された複数の溝部と、上記緻密質層の表面とによって囲まれる空間より構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、上記緻密質層は、さらに、上記多孔質層の側面を覆っていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、上記金属セパレータは、Ｃｒを含有しない金属材料から構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
固体電解質層と、該固体電解質層の一方面に設けられた燃料極層と、上記固体電解質層の他方面に設けられた空気極層とを備えた単セルを、金属セパレータを介して複数積層してなる燃料電池スタックであって、
上記空気極層は、上記固体電解質層に接して配置される多孔質層と、該多孔質層における上記金属セパレータ側の面に接して配置される緻密質層とを有す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、上記空気極層は、上記多孔質層と上記緻密質層との境界に、酸化剤ガスを流すガス流路を有す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、上記ガス流路は、上記多孔質層に形成された複数の溝部と、上記緻密質層の表面とによって囲まれる空間より構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、上記緻密質層は、さらに、上記多孔質層の側面を覆っていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、上記金属セパレータは、Ｃｒを含有しない金属材料から構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックを有することを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１６０３６７（Ｐ２０１２−１６０３６７Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９７５６（Ｐ２０１１−１９７５６）
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
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