(57)【要約】【課題】接合部の長寿命化を図った，セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池を提供する。【解決手段】セパレータ付燃料電池セルは，固体電解質層を空気極および燃料極で挟んで構成される燃料電池セル本体と，表面と裏面とに開口する開口部を有し，Ａｇを含む接合材で構成される接合部を介して，該裏面側が前記燃料電池セル本体に取り付けられる，板状の金属製セパレータと，を具備する，セパレータ付燃料電池セルであって，前記接合部よりも前記開口部側でかつ前記金属製セパレータの裏面と前記セル本体との間に前記開口部の全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を含む封止部と，前記金属製セパレータを挟んで，前記封止部と対向する位置における，前記金属製セパレータの表面上に配置され，前記封止材と同じ材料で構成される拘束部と，を備える。【選択図】図３
2014049321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層を空気極および燃料極で挟んで構成される燃料電池セル本体と，
表面と裏面とに開口する開口部を有し，Ａｇを含む接合材で構成される接合部を介して，該裏面側が前記燃料電池セル本体に取り付けられる，板状の金属製セパレータと，
を具備する，セパレータ付燃料電池セルであって，
前記接合部よりも前記開口部側でかつ前記金属製セパレータの裏面と前記セル本体との間に前記開口部の全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を含む封止部と，
前記金属製セパレータを挟んで，前記封止部と対向する位置における，前記金属製セパレータの表面上に配置され，前記封止材と同じ材料で構成される拘束部と，
を備えることを特徴とするセパレータ付燃料電池セル。
【請求項２】
前記拘束部が，前記開口部の全周にわたって配置される，
ことを特徴とする請求項１記載のセパレータ付燃料電池セル。
【請求項３】
前記金属製セパレータの開口部側面に配置された連結部によって，前記封止部と前記拘束部とが一体に形成されている，
ことを特徴とする請求項１または２に記載のセパレータ付燃料電池セル。
【請求項４】
金属製セパレータの熱膨張係数よりも，拘束部を構成する材料の熱膨張係数の方が小さい，
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセパレータ付燃料電池セル。
【請求項５】
前記封止部と前記接合部との間に，間隙を有する，
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセパレータ付燃料電池セル本体。
【請求項６】
前記封止材の熱膨張係数が，常温から３００℃の温度範囲内において，８ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下である，
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセパレータ付燃料電池セル本体。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセパレータ付燃料電池セル本体，
を具備することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下，「ＳＯＦＣ」又は単に「燃料電池」とも記す場合がある）が知られている。ＳＯＦＣは，例えば，板状の固体電解質層の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを多数積層したスタック（燃料電池スタック）を有する。燃料極および空気極それぞれに，燃料ガス（例えば，水素）および酸化剤ガス（例えば，空気中の酸素）を供給し，固体電解質層を介して化学反応させることで，電力を発生させる。
【０００３】
燃料電池セルは，燃料ガスと酸化剤ガスとが存在する区画を区分するセパレータに，接合して，用いられる。この接合に，通例，Ａｇロウ等のロウ材から構成される接合部が用いられ，燃料ガスと酸化剤ガスが隔離される。
【０００４】
ここで，ＳＯＦＣの稼動時に，燃料極側の水素と空気極側の酸素が，接合部中を拡散，反応し，接合部にボイドを生成することが知られている。接合部でのボイドの生成を防止するために，ガスの拡散速度が遅い各種Ａｇ合金を接合部として用いる技術が開示されている（特許文献１，２参照）。ガスの拡散速度が遅い材料を用いることで，ロウ材の寿命を長くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２０７８６３号公報
【特許文献２】特表２０１１−５２２３５３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，特許文献１，２の技術では，接合部（燃料電池）の長寿命化を図れるものの，例えば，数万時間もの実用的に十分な寿命を確保するのは容易ではなかった。
本発明は，接合部の長寿命化を図った，セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池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】
【０００７】
本発明に係るセパレータ付燃料電池セルは，固体電解質層を空気極および燃料極で挟んで構成される燃料電池セル本体と，表面と裏面とに開口する開口部を有し，Ａｇを含む接合材で構成される接合部を介して，該裏面側が前記燃料電池セル本体に取り付けられる，板状の金属製セパレータと，を具備する，セパレータ付燃料電池セルであって，前記接合部よりも前記開口部側でかつ前記金属製セパレータの裏面と前記セル本体との間に前記開口部の全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を含む封止部と，前記金属製セパレータを挟んで，前記封止部と対向する位置における，前記金属製セパレータの表面上に配置され，前記封止材と同じ材料で構成される拘束部と，を備えることを特徴とする。
【０００８】
同じ材料で構成されている（熱膨張係数も同じ）封止部と拘束部とで金属製セパレータを挟んでいるため，燃料電池稼働時の金属製セパレータの変形が抑制される。その結果，封止部が金属製セパレータの変形によって破損して，接合部へ燃料ガスもしくは酸化剤ガスが到達することが抑制される。
【０００９】
前記拘束部は，前記開口部の全周にわたって配置されていることが好ましい。
封止部が開口部の全周にわたって配置されている。このため，拘束部を開口部の全周にわたって配置することで，開口部の全周にわたって，金属製セパレータの変形を抑制できる。
【００１０】
前記金属製セパレータの開口部側面に配置された連結部によって，前記封止部と前記拘束部とが一体に形成されていることが好ましい。
封止部と拘束部とが一体となることで，金属製セパレータの変形（撓み）のさらなる抑制が可能となる。
また，封止部と拘束部との一体化は，封止部の幅の実質的増大に寄与し，封止部による封止性が向上する。
【００１１】
金属製セパレータの熱膨張係数よりも，拘束部を構成する材料の熱膨張係数の方が小さくても良い。
金属製セパレータ，拘束部はそれぞれ，金属，ガラスから構成され，金属製セパレータよりも拘束部の熱膨張係数の方が小さいことが通例である。このような条件でも，拘束部による金属製セパレータの変形（撓み）の抑制が可能である。
【００１２】
前記接合部と前記封止部との間に，間隙を有しても良い。
接合部と封止部とが接触していなくても，金属製セパレータの変形（撓み）の抑制は可能である。また，間隙にガスが入っていても少量であり，接合部の信頼性等への影響は小さい。
【００１３】
前記封止材の熱膨張係数が，常温から３００℃の温度範囲内において，８ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。
この範囲の熱膨張係数において，燃料電池稼働時の金属製セパレータの変形の抑制が可能である。
【００１４】
本発明に係る燃料電池スタックは，上記のセパレータ付燃料電池セル，を具備する。
上記のセパレータ付燃料電池セルを用いることで，燃料電池スタック全体としての信頼性が向上する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば，金属製セパレータの変形による封止部の破損を抑制することで，接合部のボイドの発生を抑制することで長寿命化を図った，セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】固体酸化物形燃料電池１０を表す斜視図である。
【図２】固体酸化物形燃料電池１０の模式断面図である。
【図３】燃料電池セル４０の断面図である。
【図４】燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０）を分解した状態を表す分解斜視図である。
【図５Ａ】製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【図５Ｂ】製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【図５Ｃ】製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【図５Ｄ】製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【図５Ｅ】製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【図６】燃料電池セル４０ａの断面図である。
【図７】燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０）を分解した状態を表す分解斜視図である。
【図８Ａ】製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【図８Ｂ】製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【図８Ｃ】製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【図８Ｄ】製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【図８Ｅ】製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【図９】燃料電池セル４０ｂの断面図である。
【図１０】燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０）を分解した状態を表す分解斜視図である。
【図１１】固体酸化物形燃料電池１０の耐久性試験の結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下，本発明に係る固体酸化物形燃料電池について図面を用いて説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は，本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）１０を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池１０は，燃料ガス（例えば，水素）と酸化剤ガス（例えば，空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電する。
【００１９】
固体酸化物形燃料電池１０は，エンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）が積層され，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）およびナット３５で固定される。
【００２０】
図２は，固体酸化物形燃料電池１０の模式断面図である。
固体酸化物形燃料電池１０は，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層して構成される燃料電池スタックである。ここでは，判り易さのために，４つの燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層しているが，一般には，２０〜６０個程度の燃料電池セル４０を積層することが多い。
【００２１】
エンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）は，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）に対応する貫通孔３１，３２（３２ａ，３２ｂ），３３（３３ａ，３３ｂ）を有する。
エンドプレート１１，１２は，積層される燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を押圧，保持する保持板であり，かつ燃料電池セル４０（１）〜４０（４）からの電流の出力端子でもある。
【００２２】
図３は，燃料電池セル４０の断面図である。図４は，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０）を分解した状態を表す分解斜視図である。
【００２３】
図３に示すように，燃料電池セル４０は，いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルであり，インターコネクタ４１，４５，集電体４２，枠部４３を備える。
【００２４】
燃料電池セル本体４４は，固体電解質層５６を空気極（カソード，空気極層ともいう）５５，および，燃料極（アノード，燃料極層ともいう）５７で挟んで構成される。固体電解質層５６の酸化剤ガス流路４７側，燃料ガス流路４８側それぞれに，空気極５５，燃料極５７が配置される。
【００２５】
空気極５５としては，ペロブスカイト系酸化物（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），各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。
【００２６】
固体電解質層５６としては，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)，ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。
【００２７】
燃料極５７としては，金属が好ましく，Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットやＮｉ基合金が使用できる。
【００２８】
インターコネクタ４１，４５は，燃料電池セル本体４４間の導通を確保し，かつ燃料電池セル本体４４間でのガスの混合を防止し得る，導電性（例えば，ステンレス鋼等の金属）を有する板状の部材である。
【００２９】
なお，燃料電池セル本体４４間には，１個のインターコネクタ（４１若しくは４５）のみが配置される（直列に接続される二つの燃料電池セル本体４４の間に一つのインターコネクタを共有しているため）。また，最上層および最下層の燃料電池セル本体４４それぞれでは，インターコネクタ４１，４５に替えて，導電性を有するエンドプレート１１，１２が配置される。
【００３０】
集電体４２は，燃料電池セル本体４４（空気極５５）とインターコネクタ４１との間の導通を確保するためのものであり，例えば，ニッケル合金等の金属材料からなる。また，集電体４２が，弾性を有していてもよい。
【００３１】
枠部４３は，酸化剤ガス，燃料ガスが流れる開口４６を有する。この開口４６は，気密に保持され，かつ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路４７，燃料ガスが流れる燃料ガス流路４８に区分される。また，本実施形態の枠部４３は，空気極フレーム５１，絶縁フレーム５２，金属製セパレータ５３，燃料極フレーム５４で構成される。
【００３２】
空気極フレーム５１は，空気極５５側に配置される金属製の枠体で，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，酸化剤ガス流路４７を区画する。
【００３３】
絶縁フレーム５２は，インターコネクタ４１，４５間を電気的に絶縁する枠体で，例えば，Ａｌ２Ｏ３などのセラミックスやマイカ，バーミキュライトなどが使用でき，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，酸化剤ガス流路４７を区画する。具体的には，絶縁フレーム５２は，インターコネクタ４１，４５の間において，一方の面が空気極フレーム５１に，他方の面が金属製セパレータ５３に接触して配置されている。この結果，絶縁フレーム５２により，インターコネクタ４１，４５間が電気的に絶縁されている。
【００３４】
金属製セパレータ５３は，開口部５８を有する枠状の金属製の薄板（例えば，厚さ：０．１ｍｍ）であり，燃料電池セル本体４４の固体電解質層５６に取り付けられ，かつ酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を防止する金属製の枠体である。金属製セパレータ５３によって，枠部４３の開口４６内の間隙が，酸化剤ガス流路４７と燃料ガス流路４８に区切られ，酸化剤ガスと燃料ガスとの混合が防止される。
【００３５】
金属製セパレータ５３には，金属製セパレータ５３の上面と下面の間を貫通する貫通孔によって開口部５８が形成され，この開口部５８内に，燃料電池セル本体４４の空気極５５が配置される。また，この開口部５８に燃料電池セル本体４４が接合，封止される。金属製セパレータ５３が接合された燃料電池セル本体４４を「セパレータ付燃料電池セル５０」という。なお，この詳細は後述する。
【００３６】
燃料極フレーム５４は，絶縁フレーム５２と同様に，燃料極５７側に配置される絶縁フレームであり，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，燃料ガス流路４８を区画する。
【００３７】
空気極フレーム５１，絶縁フレーム５２，金属製セパレータ５３，燃料極フレーム５４は，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）が挿入されるか，もしくは酸化剤ガスか燃料ガスが流通する貫通孔３１，３２（３２ａ，３２ｂ），３３（３３ａ，３３ｂ）をそれぞれの周辺部に有する。
【００３８】
（セパレータ付燃料電池セル５０の詳細）
本実施形態に係るセパレータ付燃料電池セル５０は，接合部６１，封止部６２，拘束部６３を有する。燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の間に接合部６１，封止部６２が配置される。開口部５８に沿って，金属製セパレータ５３の下面と固体電解質層５６の上面が接合部６１で接合され，封止部６２で封止される。拘束部６３は，封止部６２に対応して，金属製セパレータ５３の上面に配置される。
【００３９】
接合部６１は，Ａｇを含むロウ材から構成され，開口部５８に沿って，全周にわたって，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接合する。接合部６１（Ａｇロウ）は，例えば，２〜６ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
【００４０】
接合部６１の材質として，Ａｇを主成分とする各種のロウ材を採用できる。例えば，ロウ材として，Ａｇと酸化物の混合体，例えば，Ａｇ−Ａｌ２Ｏ３（ＡｇとＡｌ２Ｏ３（アルミナ）の混合体）を利用できる。Ａｇと酸化物の混合体としては，Ａｇ−ＣｕＯ，Ａｇ−ＴｉＯ２，Ａｇ−Ｃｒ２Ｏ３，Ａｇ−ＳｉＯ２も挙げることができる。また，ロウ材として，Ａｇと他の金属の合金（例えば，Ａｇ−Ｇｅ−Ｃｒ，Ａｇ−Ｔｉ，Ａｇ−Ａｌ）も利用できる。
【００４１】
Ａｇを含むロウ材（Ａｇロウ）は，大気雰囲気でもロウ付け温度で酸化し難い。このため，Ａｇロウを用いて，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを大気雰囲気で接合でき，工程の効率上，好ましい。
【００４２】
封止部６２は，開口部５８に沿って，全周にわたって，接合部６１よりも開口部５８側（内周側）に配置され，金属製セパレータ５３の開口部５８内にある酸化剤ガスと開口部５８外にある燃料ガスとの混合を防ぐために燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３間を封止する。
【００４３】
封止部６２が接合部６１よりも開口部５８側（内周側）に配置されることから，接合部６１が酸化剤ガスに接触することが無くなり，酸化剤ガス流路４７側から接合部６１への酸素の移動が阻止される。この結果，水素と酸素の反応によって接合部６１にボイドが発生して，ガスリークすることを防止できる。
封止部６２は，例えば，０．２〜４ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
【００４４】
拘束部６３は，金属製セパレータ５３を挟んで，封止部６２と対向する位置における，金属製セパレータ５３の表面上に，開口部５８の全周にわたって，配置される。
拘束部６３は，封止部６２と同じ材料（熱膨張係数も同じ）で構成され，封止部６２と共に，金属製セパレータ５３を挟む。この結果，固体酸化物形燃料電池１０の稼動時での金属製セパレータ５３の変形が抑制される。
【００４５】
なお，「同じ材料」とは，完全に同一のみならず，実質的に同一の材料をも含むものとする。上述した剥がれ（封止性の低下）防止に寄与するのであれば，多少の組成の相違は許容される。例えば，１重量％程度組成比が相違する材料は，実質的に同一の材料として良い。
【００４６】
拘束部６３が配置されて無い場合，固体酸化物形燃料電池１０の稼働時には，金属製セパレータ５３と封止部６２とが共に７００℃程度に加熱され共に変形する（熱膨張）。ここで，金属製セパレータ５３と封止部６２とでは熱膨張係数が異なることから，両者の変形量に差が発生し，金属製セパレータ５３が反るような変形を与える熱応力が金属製セパレータ５３と封止部６２との間に発生する。その結果，封止部６２と金属製セパレータ５３との界面が剥離し，封止部６２による封止性が低下する可能性がある。
【００４７】
封止部６２と対向する位置に，封止材と同じ材料で構成される拘束部６３が配置されていると，固体酸化物形燃料電池１０の稼働時に，金属製セパレータ５３と封止部６２間（金属製セパレータ５３の裏面側）に発生する熱応力と，金属製セパレータ５３と拘束部６３間（金属製セパレータ５３の表面側）に発生する熱応力とが釣合う。この結果，金属製セパレータ５３の反るような変形が抑制され，金属製セパレータ５３と封止部６２間の剥がれ（封止部６２による封止性の低下）が防止される。
【００４８】
金属製セパレータ５３の厚みが厚いと，金属製セパレータ５３の剛性が高くなって，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３間の熱膨張差に起因する応力を緩和し難くなり，その結果、燃料電池セル本体４４が割れる可能性がある。一方，金属製セパレータ５３が薄いと，剛性が低くなるので、熱膨張差に起因する応力を緩和し易くなり、燃料電池セル本体４４の割れの発生が抑制されるが，接合部６１を構成する接合材と封止部６２を構成する封止材との、冷却時における熱膨張差に起因した金属製セパレータ５３の反り上がりが発生し易くなる。ここでは，金属製セパレータ５３を薄くして，上記接合材と上記封止材の熱膨張差に起因する応力を緩和し易くすると共に，拘束部６３によって反りを防止している。
【００４９】
ここでは，接合部６１（ロウ材）と同様に，封止部６２を金属製セパレータ５３と燃料電池セル本体４４の間に配置している。このため，封止部６２に印加される応力は，せん断応力であり，封止部６２が割れ難くなる。
【００５０】
封止部６２の厚みは，その配置箇所からして，接合部６１（ロウ材）と同等になる。
拘束部６３は薄いと拘束効果が小さいので，封止部６２と同等以上の厚さがあるのが好ましい。
【００５１】
封止部６２には，ガラスを含む封止材，具体的には，ガラス，ガラスセラミックス（結晶化ガラス），ガラスとセラミックスの複合物を利用できる。一例として，ＳＣＨＯＴＴ社製ガラス：Ｇ０１８−３１１が使用できる。
【００５２】
封止部６２が開口部５８の全周にわたって配置されていることから，拘束部６３を開口部５８の全周にわたって配置することで，開口部５８の全周にわたって，金属製セパレータ５３の変形を抑制できる。
【００５３】
金属製セパレータ５３の熱膨張係数よりも，拘束部６３を構成する材料の熱膨張係数の方が小さくても良い。
金属製セパレータ５３，拘束部６３はそれぞれ，金属，ガラスから構成され，金属製セパレータ５３よりも拘束部６３の熱膨張係数の方が小さいことが通例である。このような条件でも，拘束部６３による金属製セパレータ５３の変形の抑制が可能である。
【００５４】
なお，後述のように，封止材の熱膨張係数が，常温から３００℃の温度範囲内において，８ｐｐｍ／Ｋ以上，１２ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。
【００５５】
以下，上述したセパレータ付燃料電池セル５０（金属製セパレータ５３が接合された燃料電池セル本体４４）の製造方法につき説明する。図５Ａ〜図５Ｅは，製造中のセパレータ付燃料電池セル５０を表す断面図である。
【００５６】
まずは例えば，ＳＵＨ２１（１８Ｃｒ−３Ａｌ（Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼の一種））からなる板材を打ち抜いて，開口部５８を有する金属製セパレータ５３を製造した。
【００５７】
また，燃料極５７のグリーンシートの一方の表面に，固体電解質層５６のシートを貼り付けて，積層体を形成し，該積層体を一旦焼成した。その後，空気極５５の材料を印刷し，焼成して燃料電池セル本体４４を作成した。
【００５８】
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれにロウ材６１１，６１２を配置する（図５Ａ参照）。例えば，ペースト状のＡｇを含むロウ材を所定形状に燃料電池セル本体４４の固体電解質層５６の上面と金属製セパレータ５３の下面に印刷することで，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれにロウ材６１１，６１２を配置した。
なお，ロウ材６１１，６１２の配置の手法としては，上記以外に，ディスペンサ等を用いて行ってもよい。
ロウ材６１１，６１２は，例えば，２〜６ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
【００５９】
次いで，燃料電池セル本体４４の固体電解質層５６の上面に封止材６２１を配置する（図５Ｂ参照）。例えば，封止材としてガラスを含むペーストを印刷することで，燃料電池セル本体４４の固体電解質層５６の上面に封止材６２１を配置できる。
封止材６２１は，例えば，０．２〜４ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
【００６０】
なお，封止材６２１の配置の手法としては，上記以外に，ディスペンサを用いて行ってもよい。
封止材６２１は，固体電解質層５６の上面ではなく，金属製セパレータ５３の下面に印刷してもよい。また，封止材６２１は，固体電解質層５６の上面，金属製セパレータ５３の下面の双方に配置しても良い。
【００６１】
ロウ材６１１，６１２及び封止材６２１を溶融し，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接合する（接合部６１の形成）と同時に，封止部６２を形成する（図５Ｃ参照）。ロウ材６１１，６１２が配置された燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接触させ，例えば，８５０〜１１００℃で加熱することで，ロウ材６１１，６１２が溶融し，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とが接合される。このとき封止材６２１も同時に溶融し，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とが封止される。
【００６２】
金属製セパレータ５３の上に封止材６２１と同じ組成からなる拘束材６３１を配置する（図５Ｄ参照）。例えば，金属製セパレータ５３の上面に封止材としてガラスを含むペーストを印刷することで，所定の位置に拘束材６３１を配置することができる。拘束材６３１の配置の手法としては，上記以外に，ディスペンサを用いて行ってもよい。
拘束材６３１は，例えば，０．２〜４ｍｍの幅，１０〜２００μｍの厚さを有し，かつ封止材６２１よりも厚い。
【００６３】
封止材６２１および拘束材６３１を溶融し，拘束部６３を形成する（図５Ｅ参照）。接合部６１で接合され，かつ封止部６２で封止され，さらに拘束材６３１が配置された燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３を，例えば，８５０〜１１００℃で加熱することで，拘束材６３１が溶融し，拘束部６３が形成される。
【００６４】
以上の工程を経て，本実施例のセパレータ付燃料電池セル５０（金属製セパレータ５３が接合された燃料電池セル本体４４）を作成した。
【００６５】
（固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）１０の製造方法）
例えば，ＳＵＨ２１からなる板材を所定の形状に打ち抜き，空気極フレーム５１，燃料極フレーム５４を製造した。一方，エンドプレート１１，１２，インターコネクタ４１，４５は，例えば，日立金属製ＺＭＧ２３２材からなる板材を所定の形状に打ち抜いて製造できる。絶縁フレーム５２は，例えば，マイカよりなる板材を加工して製造できる。
【００６６】
上述した製造方法で作成したセパレータ付燃料電池セル５０の燃料電池セル本体４４の空気極５５側には，金属製セパレータ５３上に，絶縁フレーム５２と空気極フレーム５１とインターコネクタ４１の順で，燃料極５７側には，燃料極フレーム５４とインターコネクタ４５の順で，それぞれを配置し，燃料電池セル４０を製造できる。
【００６７】
複数の燃料電池セル４０を積層し，最上層と最下層にはエンドプレート１１，１２が配置し，ボルト２１〜２３とナット３５によって，エンドプレート１１，１２で複数の燃料電池セル４０を挟んで固定し，燃料電池スタック１０を作成した。
【００６８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態を説明する。図５は，第２の実施形態に係る燃料電池セル４０ａの断面図である。図６は，第２の実施形態に係る燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０ａ）を分解した状態を表す分解斜視図である。
【００６９】
燃料電池セル４０ａは，開口部５８の側面に配置され，封止部６２ａの構成材料（封止材）と同じ材料で構成される連結部６４を有する。即ち，封止部６２ａと拘束部６３ａが連結部６４により連結され，一体に形成されている。
【００７０】
封止部６２ａと拘束部６３ａとが一体となることで，金属製セパレータ５３の変形（撓み）のさらなる抑制が可能となる。既述のように，拘束部６３ａは，封止部６２ａと同じ材料（熱膨張係数も同じ）で構成され，封止部６２ａと共に，金属製セパレータ５３を挟むことで，固体酸化物形燃料電池１０の稼働時での金属製セパレータ５３の変形が抑制される。開口部５８に沿って，金属製セパレータ５３の上下に加え，開口部５８の側面にも，封止部６２ａの構成材料（封止材）と同じ材料（熱膨張係数も実質的に同じ）が配置されることで，金属製セパレータ５３の変形がより効果的に阻止される。
【００７１】
また，封止部６２ａと拘束部６３ａとの一体化は，封止部６２ａの幅，いわゆるシールパスの実質的増大に寄与し，封止部６２ａによる封止性が向上する。既述のように，封止部６２ａは，酸化剤ガス流路４７から接合部６１への酸化剤ガスの移動を阻止するので封止部６２ａと拘束部６３ａとが一体化することで，酸化剤ガス流路４７から接合部６１に至る経路上での，封止部６２ａの長さ（シールパス）が長くなる。この結果，封止部６２ａによる封止性がより向上する。
【００７２】
本実施例にセパレータ付燃料電池セル５０ａ（金属製セパレータ５３が接合された燃料電池セル本体４４）は以下の製造方法で作成した。図８Ａ〜図８Ｅは，製造中のセパレータ付燃料電池セル５０ａを表す断面図である。
【００７３】
接合部６１，封止部６２，拘束部６３を形成する工程以外は，同じ工程にて行ったので，説明は諸略し，ここでは，接合部６１，封止部６２，拘束部６３を形成する工程について説明する。
【００７４】
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれにロウ材６１１，６１２を配置する（図８Ａ参照）。例えば，ペースト状のＡｇを含むロウ材を所定形状に燃料電池セル本体４４の固体電解質層５６の上面と金属製セパレータ５３の下面に印刷することで，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれにロウ材６１１，６１２を配置した。
なお，ロウ材６１１，６１２の配置の手法としては，上記以外に，ディスペンサ等を用いて行ってもよい。
ロウ材６１１，６１２は，例えば，２〜６ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
【００７５】
ロウ材６１１，６１２を溶融し，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接合する（接合部６１の形成，図８Ｂ参照）。ロウ材６１１，６１２が配置された燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接触させ，例えば，８５０〜１１００℃で加熱することで，ロウ材６１１，６１２が溶融し，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とが接合される。
【００７６】
燃料電池セル本体４４から金属製セパレータ５３の上に封止材６２１と同じ組成からなる拘束材６３１を配置する（図８Ｃ参照）。例えば，封止材としてガラスを含むペーストをディスペンサ塗布することで，燃料電池セル本体４４から金属製セパレータ５３にかけて拘束材６３１を配置できる。なお，拘束材６３１の配置の手法としては，上記以外に，印刷で行ってもよい。
拘束材６３１は，例えば，０．２〜４ｍｍの幅，１０〜２００μｍの厚さを有する。
【００７７】
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３との間の間隙に，封止材６２１を配置する（図８Ｄ参照）。例えば，真空脱泡によって，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３との間の気泡を抜くことで，封止材６２１を配置できる。
【００７８】
真空脱泡するには，例えば，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３を容器内に収容し，真空ポンプ等で空気を抜き，容器内を真空状態とする。このようにすると，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の間隙内の気泡（空気）が封止材６２１を通って，容器内に排出される（真空脱泡）。この結果，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の間隙内が封止材６２１で満たされる（封止材６２１の配置）。
なお，このときの気泡の排出には，封止材６２１の粘度がある程度低いことが好ましい。例えば，封止材６２１の温度を室温よりも上げて，粘度を低下させることが考えられる。
【００７９】
封止材６２１および拘束材６３１を溶融し，封止部６２と拘束部６３を形成する（図８Ｅ参照）。接合部６１で接合され，かつ封止材６２１および拘束材６３１が配置された燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３を，例えば，８５０〜１１００℃で加熱することで，封止材６２１および拘束材６３１が溶融し，封止部６２と拘束部６３が形成される。
【００８０】
以上の工程を経て，本実施例のセパレータ付燃料電池セル５０ａ（金属製セパレータ５３が接合された燃料電池セル本体４４）を作成した。
【００８１】
（第２の実施形態の変形例）
第２の実施形態の変形例を説明する。図９は，第２の実施形態の変形例に係る燃料電池セル４０ｂの断面図である。図１０は，第２の実施形態の変形例に係る燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０ｂ）を分解した状態を表す分解斜視図である。
【００８２】
燃料電池セル４０ｂでは，接合部６１と封止部６２ｂの間に間隙（空間）を有する。このように，接合部６１と封止部６２ｂとが接触していなくても，金属製セパレータ５３の変形の抑制は可能である。
【００８３】
燃料電池セル４０ａ，４０ｂでは，接合部６１と封止部６２ａ，６２ｂが開口部５８の全周に亘って，接触している，または間隙を有する。その中間の態様として，開口部５８の周の一部で接合部６１と封止部６２ａ，６２ｂとが接触し，開口部５８の周の一部で接合部６１と封止部６２ｂとが接触しないことも考えられる。
また，燃料電池セル４０のように，連結部６４を有しない状態において，接合部６１と封止部６２の間に間隙（空間）を有しても良い。
【００８４】
（固体酸化物形燃料電池１０の耐久試験）
以下，固体酸化物形燃料電池１０の耐久試験につき説明する。ここでは，第２の実施形態に対応する形状の固体酸化物形燃料電池１０を作成，試験した。
【００８５】
〈試料〉
作成した試料（固体酸化物形燃料電池１０）を説明する。境界部長さＬを変化させて，次の試料を作成した。境界部長さＬは，封止材６２１の酸化剤ガス雰囲気界面と燃料ガス雰囲気界面間の直線距離である。
【００８６】
・金属製セパレータ５３
金属製セパレータ５３の構成材料：フェライト系ＳＵＳ（ＳＵＨ２１）
・接合部６１
接合部６１の構成材料（ロウ材）：Ａｇロウ
接合部６１の厚さ：１０〜８０μｍ
接合部６１の幅：４ｍｍ
接合部６１の形成方法：  ロウ材を含むペーストを印刷し，大気中で溶融
・封止部６２，拘束部６３，連結部６４
封止部６２，拘束部６３，連結部６４の構成材料：  熱膨張係数１０ｐｐｍ／Ｋのガラス
【００８７】
〈試験方法〉
燃料ガスとして水素，酸化剤ガスとして大気を用い，金属製セパレータ５３が７５０℃の状態で，５００時間，固体酸化物形燃料電池１０として，動作させた。
【００８８】
試験後の試料での接合部６１の空孔率を測定した。試料を分解し，接合部６１の断面を観察することで，空孔率を測定した。具体的には，光学顕微鏡で断面写真を撮影し，空孔部（黒色）と健全部（白色部）の面積比を算出し，空孔率とした。孔が無いものが空孔率０％となる。
【００８９】
図１１に，境界長さＬと空孔率Ｒの関係を表す。境界長さＬを１００μｍ以上とすることで，空孔率Ｒを著しく低減できることが判る。このことは，封止部６２と拘束部６３の連結すること（連結部６４）が，封止部６２による封止の確実性を向上し，接合部６１での空孔の発生防止に有効であることを示す。
【００９０】
ここで，熱膨張係数の多少の相違は許容される。常温から３００℃の温度範囲内において，８ｐｐｍ／Ｋ以上１２ｐｐｍ／Ｋ以下程度の封止材を利用可能である。
【００９１】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では，アノード支持タイプの燃料電池セルに適用するために，固体電解質層５６の上面（空気極５５側）に金属製セパレータ５３が接合されている。これに対して，例えば，固体電解質支持タイプやカソード支持タイプなどでは，固体電解質層５６の下面（燃料極５７側）に金属製セパレータ５３を接合しても良い。この場合，燃料極５７は，固体電解質層５６より小さく形成され，かつ開口部５８内に配置され，酸化性ガスに晒されないようにされる。
【符号の説明】
【００９２】
１０   固体酸化物形燃料電池
１０   燃料電池スタック
１１，１２     エンドプレート
２１-２３     ボルト
３１，３２     貫通孔
３５   ナット
４０   燃料電池セル
４１，４５     インターコネクタ
４２   集電体
４３   枠部
４４   燃料電池セル本体
４５   インターコネクタ
４６   開口
４７   酸化剤ガス流路
４８   燃料ガス流路
５０   セパレータ付燃料電池セル
５１   空気極フレーム
５２   絶縁フレーム
５３   金属製セパレータ
５４   燃料極フレーム
５５   空気極
５６   固体電解質層
５７   燃料極
５８   開口部
６１   接合部
６１１，６１２ ロウ材
６２   封止部
６２１ 封止材
６３   拘束部
６３１ 拘束材
６４   連結部
【図１】
2014049321.tif 000003
【図２】
2014049321.tif 000004
【図３】
2014049321.tif 000005
【図４】
2014049321.tif 000006
【図５Ａ】
2014049321.tif 000007
【図５Ｂ】
2014049321.tif 000008
【図５Ｃ】
2014049321.tif 000009
【図５Ｄ】
2014049321.tif 000010
【図５Ｅ】
2014049321.tif 000011
【図６】
2014049321.tif 000012
【図７】
2014049321.tif 000013
【図８Ａ】
2014049321.tif 000014
【図８Ｂ】
2014049321.tif 000015
【図８Ｃ】
2014049321.tif 000016
【図８Ｄ】
2014049321.tif 000017
【図８Ｅ】
2014049321.tif 000018
【図９】
2014049321.tif 000019
【図１０】
2014049321.tif 000020
【図１１】
2014049321.tif 000021