(57)【要約】【課題】従来の陽極接合法よりも、より多様な材料を接合することができる接合方法を提案する。【解決手段】酸素イオン伝導体と該酸素イオン伝導体と接合する被接合材とを、両者が接触するように配置する配置工程（ステップＳ１）と、酸素イオン伝導体を電圧印加装置の負極側に接続するとともに、被接合材を電圧印加装置の正極側に接続する接続工程（ステップＳ２）と、酸素イオン伝導体と被接合材との間に電圧を印加する電圧印加工程（ステップＳ３）とを含み、酸素イオン伝導体と被接合材との当接面が、互いに密接するように加工されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導体と該酸素イオン伝導体と接合する被接合材とを、両者が接触するように配置する配置工程と、
前記酸素イオン伝導体を電圧印加装置の負極側に接続するとともに、前記被接合材を前記電圧印加装置の正極側に接続する接続工程と、
前記酸素イオン伝導体と前記被接合材との間に電圧を印加する電圧印加工程と、
を含み、
前記酸素イオン伝導体と前記被接合材との当接面が、互いに密接するように加工されていることを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記被接合材は電子伝導性を有する、請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記被接合材は金属、Ｎ型半導体、又は接合時の温度にて電子伝導性を有する真性半導体の何れかで構成されている、請求項２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記被接合材は、その厚み方向に電子の通り抜けが可能な絶縁膜で構成されている、請求項２に記載の接合方法。
【請求項５】
前記酸素イオン伝導体は酸化物イオン伝導体である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項６】
前記配置工程において、２つの被接合材は、前記酸素イオン伝導体に接触するように配置され、
前記電圧印加工程は、前記２つの被接合材の間に第１の極性の電圧を印加する第１の電圧印加工程と、前記２つの被接合材の間に、前記第１の極性とは逆の第２の極性の電圧を印加する第２の電圧印加工程とを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項７】
前記被接合材は配管であり、
前記配置工程において、２つの前記配管は、前記酸素イオン伝導体からなるパッキンを介して相互に接続されるよう配置される、請求項６に記載の接合方法。
【請求項８】
前記被接合材は可撓性を有する金属テープ材であり、該金属テープ材と、該金属テープ材の一方の表面に設けられた前記酸素イオン伝導体からなる薄膜と、は接合シール用テープを構成しており、
前記配置工程において、前記接合シール用テープは、２つの配管を接続部で接続した後、前記接合シール用テープを該接合シール用テープの少なくとも一部が重なり合うように前記接続部に巻き回される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合方法。
【請求項９】
前記酸素イオン伝導体は、固体電解質層と、該固体電解質層の一方の表面に配置されたアノード材と、前記固体電解質層の他方の表面に配置されたカソード材とを有し、
前記被接合材はセパレータであり、
前記配置工程は、複数の前記酸素イオン伝導体と複数の前記セパレータとが交互に積層されるように行う、請求項６に記載の接合方法。
【請求項１０】
前記アノード材及び前記カソード材は、それぞれ複数の孔部を有し、
前記配置工程は、前記セパレータが前記複数の孔部の各々において前記固体電解質層に接触するように行う、請求項９に記載の接合方法。
【請求項１１】
前記電圧印加工程は、直流電圧を印加する工程であり、
前記酸素イオン伝導体と前記被接合材との間に交流電圧を印加する交流電圧印加工程をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気化学反応により材料を接合する方法の１つとして、陽極接合法が知られている（例えば、特許文献１参照）。陽極接合法は、ガラスと被接合材とを接触させ、被接合材側を陽極、ガラス側を陰極として、両者の間に直流電圧を印加することにより接合する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８３４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記陽極接合法により、材料間を強固に接合することができる。しかしながら、接合対象の材料がガラスと金属や半導体などと限定的であり、その用途が限られていた。
【０００５】
本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、従来の陽極接合法よりも、より多様な材料を接合することができる接合方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、第１の観点に係る接合方法は、酸素イオン伝導体と該酸素イオン伝導体と接合する被接合材とを、両者が接触するように配置する配置工程と、
前記酸素イオン伝導体を電圧印加装置の負極側に接続するとともに、前記被接合材を前記電圧印加装置の正極側に接続する接続工程と、
前記酸素イオン伝導体と前記被接合材との間に電圧を印加する電圧印加工程と、
を含み、
前記酸素イオン伝導体と前記被接合材との当接面が、互いに密接するように加工されていることを特徴とする接合方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、従来の陽極接合法よりも、より多様な材料を接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による接合方法のフローチャートである。
【図２】酸素イオン伝導体と被接合材とを接合する方法を説明する図である。
【図３】酸素イオン伝導体と２つの金属とを接合する実施例を説明する図である。
【図４】２つの配管を酸素イオン伝導体のパッキンを介して連結する実施例を説明する図である。
【図５】２つの配管を接合シール用テープを用いて連結する実施例を説明する図である。
【図６】固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の単セルの構造を示す図である。
【図７】セルスタックを作製する実施例を説明する図である。
【図８】別のセルスタックを作製する実施例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明による接合方法について説明する。図１は、本発明による接合方法のフローチャートを示している。本発明による接合方法は、酸素イオン伝導体と該酸素イオン伝導体と接合する被接合材とを、両者が接触するように配置する配置工程（ステップＳ１）と、酸素イオン伝導体を電圧印加装置の負極側に接続するとともに、被接合材を電圧印加装置の正極側に接続する接続工程（ステップＳ２）と、酸素イオン伝導体と被接合材との間に直流電圧を印加する直流電圧印加工程（ステップＳ３）とを含み、酸素イオン伝導体と被接合材との当接面が、互いに密接するように加工されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明者らは、従来の陽極接合法よりも多様な材料を接合することができる接合方法を確立すべく、様々な材料を様々な条件の下で接合することを試みた。その結果、図２に示すように、酸素イオン伝導体１及び被接合材２を、両者が接触するように配置し、酸素イオン伝導体１を電圧印加装置Ｖの負極側に、被接合材２を電圧印加装置Ｖの正極側にそれぞれ接続して直流電圧を印加したところ、両者が強固に接合されることを発見した。
【００１１】
上記の強固な接合が形成される理由は、酸素イオン伝導体１と被接合材２との間に電圧を印加すると、酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）１と被接合材２との間において、下記の式（１）〜（３）に示すような酸化反応が起きるためと考えられる。
【００１２】
Ｘ−Ｏ＋Ｏ２−＋Ｍ  →  Ｘ−Ｏ２−Ｍ＋２ｅ                  （１）
Ｏ２−＋Ｍ  →  Ｍ−Ｏ＋２ｅ                                （２）
Ｘ−Ｏ＋Ｏ２−＋Ｍ−Ｏ  →  Ｘ−Ｏ３−Ｍ＋２ｅ              （３）
【００１３】
上記酸化反応により、酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）１と被接合材（Ｍ）２との当接面では、酸素空孔位置に入った酸素イオンが電子を放出して被接合材（Ｍ）２並びに酸素イオン伝導体（Ｘ−Ｏ）１と新たに強固な結合（Ｘ−Ｏ３−Ｍ）を形成し、当接面にて強固な接合が形成されたものと考えられる。
【００１４】
また、本発明においては、配置工程を行うに当たり、酸素イオン伝導体１と被接合材２との当接面が、互いに密接するように加工されている。これにより、酸素イオン伝導体１と被接合材２との間の接合強度を高めることができる。このように、本発明によれば、従来の陽極接合法に比べて、より多様な材料を強固に接合することができるようになる。以下、本発明の各工程について説明する。
【００１５】
まず、ステップＳ１において、酸素イオン伝導体１と被接合材２とを、両者が接触するように配置する（配置工程）。例えば、図２に示すように、酸素イオン伝導体１と被接合材２とを接触させる。
【００１６】
酸素イオン伝導体１は、酸素イオンを透過させることができる層であり、本発明の接合方法により、被接合材２と接合を形成する層である。酸素イオン伝導体１の材料は、酸素イオンを透過させるものであれば特に限定されないが、酸化物イオン伝導体であることが好ましい。例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）をドープした安定化ジルコニア（ＹＳＺ）や酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、サマリア（Ｓｍ２Ｏ３）、ガドリア（Ｇｄ２Ｏ３）、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）などを用いることができる。また、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、ランタンガレート酸化物（ＬａＧａＯ３）、酸化インジウムバリウム（Ｂａ２Ｉｎ２Ｏ５）、酸化ニッケルランタン（Ｌａ２ＮｉＯ４）、フッ化ニッケルカリウム（Ｋ２ＮｉＦ４）などを用いることもできる。
【００１７】
なお、酸素イオン伝導体１の材料は、上記のものに限定されるものではなく、他の公知の酸素イオン伝導体材料を用いることができる。また、これらの材料は、１種を単独で用いることも、複数種を組み合わせて用いることもできる。
【００１８】
上記酸素イオン伝導体１は、代表的には、原料の粉末を有機バインダーと混ぜて圧力をかけて薄く延ばして高温の炉の中で加圧焼結するホットプレス法よって得られたものを用いることができる。より薄膜化された酸素イオン伝導体１は、ゾルゲル法により作成することができる。
【００１９】
被接合材２は、本発明の接合方法により、酸素イオン伝導体１と接合させる部材である。被接合材２は、酸素と安定な共有結合を形成できる材料であって、電子伝導性を有することが好ましい。これにより、被接合材２を効率的に酸化することができる。
【００２０】
電子伝導性を有し、かつ酸素と安定な結合を作る材料として、例えば金属ではＮｉ（ニッケル）やＴｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）などを使用できる。金属以外でも同様な性質を持つ材料として、Ｎ型の半導体を用いることができる。Ｎ型の半導体は、比較的低い温度でドナー準位にある電子が伝導帯に上がり電子伝導を示す。こうした半導体としては例えばＳｉやＳｉＣなどを使用することができる。
【００２１】
さらに、被接合材２の材料として、接合時の温度にて電子伝導性を有する真性半導体を用いることができる。これは、具体的には、バンドギャップの小さな真性半導体であり、接合時の温度にて価電子帯の電子が伝導帯に励起して高い電子伝導性を有するようになる。こうした真性半導体としては、例えば作業温度が４００℃以上の場合にはＳｉを用いることができる。室温での導電タイプは、Ｐ型、Ｎ型いずれであっても構わない。
【００２２】
また、被接合材２が電子伝導性を有していない絶縁体の酸化膜であっても、被接合材２を電子が被接合材２の厚み方向に通り抜け（トンネル）できる程度に薄く構成することにより、被接合材２に電子伝導性を有するようにすることができる。この場合の被接合材２の具体的な厚みは、被接合材２を構成する材料に依存するため、一概に規定できないが、例えば、被接合材２がＳｉＯ２で構成されている場合、実効的に５０Å程度の厚みであれば、その厚み方向に電子の通り抜けが可能である。ここで、「実効的に」としているのは、酸化膜の実効的な障壁厚みは電界によって変化するためである。高電圧が印加されるほど、通り抜けできる実効的な障壁の厚みは薄くなることが良く知られている。すなわち、電圧が非常に低い場合（１Ｖ程度）、絶縁体の厚みが５０Å程度であれば電流が流れるが、１００Åでは流れない。ところが、電圧を上げていくと、絶縁体の電界が上昇し、フアウラノーダハイムトンネルという現象が起こり、絶縁体中を電流が流れるようになる。これは、絶縁体の実効的な厚みが５０Å相当に減少したことを示している。
【００２３】
本発明においては、数１００Ｖの高電圧を印加することによって、酸素イオン伝導体１と被接合材２との当接面どうしを静電引力によって強く引き合わせる。当接面どうしが原子間距離程度まで接近すると、近接した当接面の原子間で上述した電気化学反応によって共有結合が形成される。したがって、接合予定面の平坦度は重要で、できるだけ鏡面に仕上げることが望ましい。具体的には、酸素イオン伝導体１と被接合材２との当接面が、鏡面研磨処理により、平坦に仕上げられているか、あるいは、酸素イオン伝導体１及び被接合材２の少なくとも一方が、互いが密接できるように薄く構成されていることが好ましい。これにより、酸素イオン伝導体１と被接合材２との間の接合強度を高めることができる。
【００２４】
次に、ステップＳ２において、酸素イオン伝導体１を電圧印加装置Ｖの負極側に接続するとともに、被接合材２を電圧印加装置Ｖの正極側に接続する（接続工程）。例えば、図２に示したように、酸素イオン伝導体１の負極に接続された電極板Ｐに接触させ、被接合材２の表面を正極に接続された電極板Ｐに接触させる。
【００２５】
なお、本接続工程は、酸素イオン伝導体１を電圧印加装置Ｖの負極側に、被接合材２を電圧印加装置Ｖの正極側に、それぞれ「直接」接続することを意図するものではなく、後述するステップＳ３において、被接合材２の電位が酸素イオン伝導体１の電位よりも高い状態で両者の間に電圧が印加されるように接続することを意図している。
【００２６】
続いて、ステップＳ３において、酸素イオン伝導体１と被接合材２との間に直流電圧を印加する（電圧印加工程）。具体的には、図２に示したように、酸素イオン伝導体１及び被接合材２を加熱しつつ、正極側の電極板Ｐと負極側の電極板Ｐとの間に直流電圧を印加する。酸素イオン伝導体１は、温度上昇とともに酸素イオン伝導度が上昇し、電気を流すようになる。これにより、酸素イオン伝導体１と被接合材２とが接合される。
【００２７】
酸素イオン伝導体１と被接合材２との間に印加する電圧は、作業温度によって酸素イオン伝導体の抵抗値が変わるため、温度に応じて最適な範囲がある。酸素イオン伝導体１の材料特性や接合後の使用条件を考慮して用途に応じて最適になるように選択する。作業温度や電圧が低すぎる場合には、酸素イオン伝導体１の酸素イオン伝導電流が少なくなり、接合形成に要する時間が長くなる。一方、温度が高い場合には、接合形成に要する時間は短くなるが、接合後の残留ストレスが大きくなり、耐久性の観点から不適である。電圧についても、高すぎる場合には、接合部以外への放電が発生して接合が困難になる。典型的には、温度条件３００℃以上５００℃以下の下で、電圧５０Ｖ以上５００Ｖ以下の範囲で最適値を選ぶのが好ましい。これにより、酸素イオン伝導体１と被接合材２とをより強固に接合することができる。
【００２８】
次に、酸素イオン伝導体１と被接合材２との間に電圧を印加する時間について説明する。負極側の電極板Ｐと酸素イオン伝導体１との接触面では、空気中の酸素が電極板Ｐから電子を受け取って電離し、酸素イオンとなる。生成された酸素イオンは酸素イオン伝導体１内を移動し、被接合材２との界面で電子を被接合材２に渡して、酸素イオン伝導体１及び被接合材２の構成原子と強固な共有結合を形成する。こうして被接合材２と酸素イオン伝導体１とが化学的に接合される。その際、酸素イオンが供給されて被接合材２と酸素イオン伝導体１との接合形成面積が拡大している間、電流は増加傾向を示す。そして接合がほぼ完了すると、電流は減少に転じる。この電流値が減少に転じる点をもって、電圧の印加を停止する目安にすることが好ましい。これにより、酸素イオン伝導体１と被接合材２とを接合面全面にわたって強固に接合することができる。
【００２９】
なお、ステップＳ３の（直流）電圧印加工程後に、酸素イオン伝導体１と被接合材２との間に交流電圧を印加することが好ましい（交流電圧印加工程）。上記（直流）電圧印加工程を１回行うのみでは、被接合材２の酸化が不完全となる可能性がある。そこで、上記電圧印加工程の後に、酸素イオン伝導体１と被接合材２との間に交流電圧を印加する。この正逆の電圧印加の繰り返しによって、酸化が不完全な部分が一旦還元された後、再度酸化され、酸素イオン伝導体１と被接合材２との接合部における未反応や未結合、不完全配置の原子をより安定な状態に遷移させることができる。これにより、酸素イオン伝導体１と被接合材２との接合をより強固なものにすることができる。
【００３０】
上記交流電圧印加工程において、交流電圧の周波数は、接合部の不完全な結合が酸化還元反応を起こすのに必要な時間に対応する周波数よりも低い周波数とするようにすることが好ましい。
【００３１】
こうして、酸素イオン伝導体１と被接合材２とを接合することができる。本発明の接合方法によれば、従来の陽極接合法よりも多様な材料を強固に接合することができる。
【００３２】
また、被接合材２が電子伝導性を有することにより、被接合材２を効率的に酸化することができる。このような電子伝導性を有する被接合材２として、Ｎ型の酸化物半導体、又は接合時の温度にて電子伝導性を有する真性半導体の何れかで構成することができる。また、被接合材２が電子伝導性を有していない絶縁体の酸化膜である場合であっても、被接合材２を電子がその厚み方向に通り抜け可能な程度に薄く構成することにより、被接合材２が電子伝導性を有するようにすることができる。
【００３３】
また、酸素イオン伝導体１が酸化物イオン伝導体であることにより、Ｏ２−イオンを酸素イオン伝導体１中を良好に移動させ、陽極側に移動させて排出させることができる。
【００３４】
また、（直流）電圧印加工程後に、酸素イオン伝導体１と被接合材２との間に交流電圧を印加することにより、酸化が不完全な部分が一旦還元された後、再度酸化され、酸素イオン伝導体１と被接合材２との接合部における未反応や未結合、不完全配置の原子をより安定な状態に遷移させることができ、酸素イオン伝導体１と被接合材２との接合をより強固なものにすることができる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の実施例を幾つか具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３６】
（実施例１：２つの金属の接合）
本実施例では、２つの金属を接合する。図３（ａ）は、酸素イオン伝導体１１及び接合対象の２つの金属１２、１３を示している。これらの金属１２、１３を、図３（ｂ）に示すように、酸素イオン伝導体１１の両表面に配置する。
【００３７】
次に、図３（ｃ）に示すように、金属１３を電圧印加装置Ｖの正極側の電極板Ｐに、被接合材１２を負極側の電極板Ｐにそれぞれ接続する。そして、酸素イオン伝導体１１及び金属１２、１３を加熱しつつ、金属１２と金属１３との間に直流電圧を印加する。これにより、酸素イオン伝導体１１と金属１３との間に接合（接合１）が形成される。
【００３８】
続いて、図３（ｄ）に示すように、金属１２と金属１３との間に印加する電圧の極性を反転し、酸素イオン伝導体１１及び金属１２、１３を加熱しつつ、金属１２と金属１３との間に直流電圧を印加する。これにより、酸素イオン伝導体１１と金属１２との間に接合（接合２）が形成される。こうして、２回の直流電圧の印加により、酸素イオン伝導体１１と２つの金属１２、１３とを強固に接合して積層体１０を形成することができる。
【００３９】
（実施例２：パッキンによる２本の配管の連結）
本実施例では、樹脂やゴム材料のパッキンが使用できない高温ガスや液体用の２本の配管を連結する。図４（ａ）は、連結対象の２本の配管２２、２３の断面を示している。この図に示すように、一方の配管２２の端部２２ａは、その先端に向かってテーパ加工されている。一方、他方の配管２３の端部２３ａは、その先端に向かって拡径されている。
【００４０】
上記配管２２の端部２２ａと、配管２３の端部２３ａとを、図４（ｂ）に示すように、酸素イオン伝導体からなるパッキン２１を介して接続する。これにより、配管２２の端部２２ａの外表面２２ｂとパッキン２１とが接触し、配管２３の端部２３ａの内表面２３ｂとパッキン２１とが接触するように配置される。
【００４１】
そして、図４（ｃ）に示すように、配管２２を電圧印加装置Ｖの負極側に、配管２３を正極側にそれぞれ接続し、パッキン２１及び配管２２、２３全体を加熱しつつ、配管２２と配管２３との間に直流電圧を印加する。これにより、パッキン２１と配管２３の端部２３ａの内表面２３ｂとが強固に接合される。
【００４２】
続いて、図４（ｄ）に示すように、配管２２と配管２３との間に印加する電圧の極性を反転し、パッキン２１及び配管２２、２３全体を加熱しつつ、配管２２と配管２３との間に直流電圧を印加する。これにより、パッキン２１と配管２２の端部２２ａの外表面２２ｂとが強固に接合される。こうして、配管２２と配管２３とが一体化され、図４（ｄ）に示すような連結された配管２０を得ることができる。
【００４３】
（実施例３：接合シール用テープによる２本の配管の連結）
本実施例では、樹脂やゴム材料のパッキンが使用できない高温ガスや液体用の２本の配管を、高温耐久性を有する接合シール用テープを用いて連結する。図５（ａ）は、２本の配管の連結に使用する接合シール用テープの断面を示している。この接合シール用テープ３１は、可撓性を有する金属テープ材３１ａの一方の表面に、ＣＶＤ法やＰＶＤ法により形成された酸素イオン伝導体薄膜３１ｂを有する。
【００４４】
図５（ｂ）は、連結対象の２本の配管３２、３３の断面を示している。これらの配管３２、３３は、配管３２の内径Ｄｉと配管３３の外径Ｄｏとが略一致するように構成されている。図５（ｃ）に示すように、配管３３の端部３３ａを配管３２の端部３２ａに挿入し、配管３２と配管３３とを接続する。
【００４５】
続いて、図５（ｄ）に示すように、配管３２と配管３３との接続部３４に、上記接合シール用テープ３１を該接合シール用テープ３１の少なくとも一部が重なり合うように接続部３４に巻き回す。なお、図５（ｄ）においては、接合シール用テープ３１が互いに完全に重なり合うように２回巻かれている。また、酸素イオン伝導体薄膜３１ｂが配管３３の外表面に接するように巻かれている。これにより、図５（ｅ）に示すようなテープの積層構造が形成される。
【００４６】
そして、図５（ｅ）に示すように、積層構造最表面の金属テープ材３１ａを電圧印加装置Ｖの負極側に、配管３３を正極側にそれぞれ接続し、接合シール用テープ３１及び配管３２、３３全体を加熱しつつ、積層構造最表面の金属テープ材３１ａと配管３３との間に直流電圧を印加する。これにより、接合シール用テープ３２の積層構造において、耐熱金属テープ３１ａと酸素イオン伝導体薄膜３１ｂとの間に接合１が形成され、また酸素イオン伝導体薄膜３１ｂと配管３３との間に接合２が形成され、配管３２と配管３３とが一体化される。こうして配管３２と配管３３とを強固に連結して、図５（ｅ）に示すような配管３０を得ることができる。
【００４７】
（実施例４：固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）の作製）
本実施例では、固体電解質を用いた燃料電池であるＳＯＦＣを作製する。図６は、ＳＯＦＣにおける発電単位である燃料電池セル（単セル）を示している。図６に示した単セル４０は、固体電解質層４１の一方の表面にアノード材４２が、他方の表面にカソード材４３がそれぞれ設けられた構成を有している。
【００４８】
固体電解質層４１は、ＹＳＺなどの酸素イオン伝導体とする。また、本実施例では、最終的に形成される単セル４０が、全体として酸素イオン伝導体であるように、アノード材４２は、電子伝導性を有する酸化物材料で構成する。例えば、Ｎｉと固体電解質層材料との混合体（サーメット）で構成できる。また、カソード材４３は、酸素イオン伝導と電子混合伝導性を有する酸化物材料で構成する。こうした酸化物材料としては、Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３、Ｌａ（Ｓｒ）ＦｅＯ３、Ｌａ（Ｓｒ）ＣｏＯ３、ＬａＮｉＯ４などを用いることができる。
【００４９】
図６に示した単セル４０は、例えば固体電解質層４１の一方の表面にアノード材４２の材料を、他方の表面にカソード材４３の材料を、それぞれペースト印刷した後、焼成することにより形成することができる。また、ＰＶＤ法により、アノード材４２、固体電解質層４１及びカソード材４３を薄膜として積層形成して形成することもできる。さらに、アノード材４２やカソード材４３にアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）や、ニッケル（Ｎｉ）等を用いた場合には、陽極接合により形成することもできる。
【００５０】
図７（ａ）は、複数の単セルをセパレータを介してスタックしたセルスタックを示している。図７（ａ）に示したセルスタック５０は、固体電解質層５１とアノード材５２とカソード材５３とからなる複数の単セルと複数のセパレータ５４とを備える。セルスタック５０において、アノード材５２は燃料極として、カソード材５３は空気極としてそれぞれ機能する。セパレータ５４は金属で構成されており、プレス成型によりその断面形状が台形状に構成され、平板部５４ａと立板部５４ｂとを有している。そして、固体電解質層５１の一方の表面にはアノード材５２が、他方の表面にはカソード材５３が配置されて単セルを構成しており、この単セルが積層方向に直列に接続されてセルスタック５０が構成されている。
【００５１】
このような断面形状が台形波状のセパレータ５４と、固体電解質層５１とアノード材５２とカソード材５３とを積層して積層体とすることにより、固体電解質層５１とアノード材５２又はカソード材５３との間に、酸化剤ガス流路５５及び燃料ガス流路５６が形成される。図７（ａ）に示したセルスタック５０においては、固体電解質層５１及びアノード材５２、カソード材５３の積層体を挟んで対向するセパレータ５４の台形波の位相が互いに反転するように構成されている。これにより、酸化剤ガス流路５５の直下に燃料ガス流路５６が配置される構成となり、カソード材（空気極）５３において生成された酸素イオンは、固体電解質層５１を介して直下の燃料ガス流路５６に移動して燃料ガスと反応することができ、イオン伝導の抵抗を小さくすることができる。
【００５２】
図７（ａ）に示したセルスタック５０は、以下のように得られる。まず、固体電解質層５１とアノード材５２とカソード材５３とからなる積層体を形成する。これは、例えば固体電解質層５１の一方の表面にアノード材５２の材料を、他方の表面にカソード材５３の材料を、それぞれペースト印刷した後、焼成することにより形成することができる。また、ＰＶＤ法により、アノード材５２、固体電解質層５１及びカソード材５３を薄膜として積層形成して積層体を形成することもできる。固体電解質層５１、アノード材５２及びカソード材５３の材料は、図６に示した単セル４０のものと同じ材料とする。これにより、形成された積層体（単セル）は、その全体が酸素イオン伝導体となる。
【００５３】
次に、上記積層体及びセパレータ５４を、図７（ａ）に示したように積層する。続いて、全体を加熱しつつ、図７（ｂ）に示すように、全てのカソード材５３を電圧印加装置Ｖの負極側に、全てのアノード材５２を正極側に接続して直流電圧を印加する。すると、セパレータ５４の表面５４ｄとアノード材５２との間で接合１が形成される。続いて、図７（ｃ）に示すように、電圧の極性を反転して、固体電解質層５１を挟んで対向するアノード材５２とカソード材５３との間に電圧を印加する。すると、セパレータ５４の表面５４ｃとカソード５３との間で接合２が形成される。こうして、固体電解質層５１とアノード材５２とカソード材５３とからなる積層体と、セパレータ５４とが接合されて、全体が一体化され、セルスタック５０が得られる。
【００５４】
ここで、得られたセルスタック５０の動作について説明する。まず、酸化剤ガス流路５５に、空気などの酸化剤ガスを流通させるとともに、燃料ガス流路５６に水素などの燃料ガスを流通させる。そして、セルスタック５０を加熱する。すると、カソード材（空気極）５３において、酸化剤ガスに含まれる酸素が図示しない外部回路から電子を受け取って酸素イオンとなる。生成された酸素イオンは、固体電解質層５１を通過してアノード材（燃料極）５２に移動し、燃料ガスと反応する。その際、電子を放出して外部回路に供給する。こうして発電が行われる。
【００５５】
上記セルスタック５０においては、固体電解質層５１を挟んで対向するアノード材５２及びカソード材５３間で発電が行われるため、固体電解質層５１の面積利用率は約１００％である。
【００５６】
（実施例５：固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）の作製）
図８は、図７と同様の構造を有するセルスタック６０を示している。なお、図８において、図７に示したセルスタック５０と同じ構成には同じ符号が付されている。図８に示したセルスタック６０と図７に示したセルスタック５０との相違は、図８のセルスタック６０においてはアノード材５２及びカソード材５３がそれぞれ複数の孔部５２ａ、５３ａを有し、セパレータ５４と固体電解質層５１に直接接触していることである。アノード材５２とカソード材５３は、ガス拡散性を持たせるために緻密性に低く、断続運転を繰り返すような過酷な運転条件では、接合強度やシール性に問題が生じることがある。本実施例では、緻密な固体電解質層５１にセパレータ５４を直接接合することによって、強固でシール性の高い接合を実現することができ、上述のような過酷な条件下での耐久性を向上させることができる。
【００５７】
上記アノード材５２の孔部５２ａ及びカソード材５３の孔部５３ａは、ペースト印刷の場合には、マスクを用いて孔部を形成する部分でペーストを塗らないようにすることにより孔部５２ａ、５３ａを形成することができる。また、ＰＶＤ法の場合には、単セルを形成した後に、フォトエッチングすることにより孔部５２ａ、５３ａを形成することができる。
【００５８】
図８に示したセルスタック６０は、図７に示したセルスタック５０と同様に作製することができるが、固体電解質層５１とアノード材５２とカソード材５３とからなる積層体とセパレータを積層する際に、セパレータ５４の平板部５４ａがアノード材５２の孔部５２ａ内またはカソード材５３の孔部５３ａ内に配置されて固体電解質層５１と接触するように配置し、図７のセルスタック５０と同様に、積層体を挟んで対向するセパレータ５４間に直流電圧を極性を反転して２回印加する。これにより、セパレータ５４の表面５４ｄと固体電解質層５１との間に接合１が形成され、セパレータ５４の表面５４ｃと固体電解質層５１との間に接合２が形成される。こうして、固体電解質層５１とアノード材５２とカソード材５３とからなる積層体とセパレータ５４とが接合されて全体が一体化され、セルスタック６０が得られる。
【００５９】
上記セルスタック６０においても、固体電解質層５１を挟んで対向するアノード材５２及びカソード材５３間で発電が行われ、固体電解質層５１の面積利用率は約１００％である。
【符号の説明】
【００６０】
１，１１  酸素イオン伝導体
２  被接合材
１０  積層体
１２，１３  金属
２０，２２，２３，３０，３２，３３  配管
２１  パッキン
２２ａ，２３ａ，３２ａ，３３ａ  端部
２２ｂ  外表面
２３ｂ  内表面
３１  接合シール用テープ
３１ａ  金属テープ材
３１ｂ  酸素イオン伝導体薄膜
３４  接続部
４０  燃料電池セル（単セル）
４１，５１  固体電解質層
４２，５２  アノード材
４３，５３  カソード材
５０，６０  セルスタック
５１  固体電解質層
５２ａ，５３ａ  孔部
５４  セパレータ
５４ａ  平板部
５４ｂ  立板部
５４ｃ，５４ｄ  セパレータの表面
５５  酸化剤ガス流路
５６  燃料ガス流路
【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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