(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された固体電解質層とが積層されたセル本体と、
前記セル本体の一方の面側に配置されて、厚み方向に貫通する開口部を備えるとともに、前記セル本体と接合する接合部を有する枠体状の隔離セパレータと、
を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記隔離セパレータの前記開口部は、方形の四隅において面取りされた第１の平面形状を有し、
前記セル本体の所定の層は、方形の四隅において面取りされた第２の平面形状を有し、
前記第１の平面形状が所定の間隔を介して前記第２の平面形状を取り囲む位置関係にあり、
前記第１の平面形状及び前記第２の平面形状のそれぞれの面取りされた平面形状は、Ｒ面取り形状であり、
前記第２の平面形状の前記Ｒ面取り形状の曲率半径は、前記第１の平面形状の前記Ｒ面取り形状の曲率半径よりも大きく、
前記所定の層が前記空気極層又は前記燃料極層であり、
平面視で前記所定の層である前記空気極層又は前記燃料極層が前記開口部から露出することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された固体電解質層とが積層されたセル本体と、
前記セル本体の一方の面側に配置されて、厚み方向に貫通する開口部を備えるとともに、前記セル本体と接合する接合部を有する枠体状の隔離セパレータと、
を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記隔離セパレータの前記開口部は、方形の四隅において面取りされた第１の平面形状を有し、
前記セル本体の所定の層は、方形の四隅において面取りされた第２の平面形状を有し、
前記第１の平面形状が所定の間隔を介して前記第２の平面形状を取り囲む位置関係にあり、
前記第１の平面形状及び前記第２の平面形状のそれぞれの面取りされた平面形状は、Ｃ面取り形状であり、
前記第１の平面形状と前記第２の平面形状とに挟まれた領域のうち、それぞれの前記Ｃ面取り形状が対向しない部分の幅をＷ１とし、それぞれの前記Ｃ面取り形状が対向する部分の幅をＷ４としたとき、Ｗ１＜Ｗ４であり、
前記所定の層が前記空気極層又は前記燃料極層であり、
平面視で前記所定の層である前記空気極層又は前記燃料極層が前記開口部から露出することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記所定の層は前記空気極層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記セル本体の支持基体となる層は、前記燃料極層であることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記セル本体の外周側の端部は、方形の四隅において面取りされた第３の平面形状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項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記接合部は、ロウ材によりなり、前記セル本体と前記隔離セパレータとがロウ付けにより接合されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記隔離セパレータは、可撓性を有する金属材料により形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも燃料極層と空気極層と固体電解質層とが積層されたセル本体と、燃料ガス流路と空気流路を隔離する隔離セパレータとが一体化された構造を有する平板型の固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、平板型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）が知られている。一般に平板型のＳＯＦＣは、固体電解質層の一方の側に燃料ガスと接する燃料極層を配置し、他方の側に酸化剤ガス（空気）と接する空気極層を配置してセル本体を形成し、このセル本体を隔離セパレータに接合することで、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路とを隔離する構造を有している。隔離セパレータは、例えば枠体状の金属板からなり、その開口部を取り囲んで接合する領域にロウ材等（接合部）を介してセル本体と一体的に接合されている。一般に、セル本体と隔離セパレータは方形の平面形状で形成されるが、隔離セパレータは軽量化等のため極めて薄く形成され、セル本体との接合部で破損しやすいことから、セル本体の各角部を面取りする構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。隔離セパレータによる良好なガスシール性を確保するには、接合部（以下、接合領域とも称する）を介してセル本体と隔離セパレータとを十分に密着した状態に保つことが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、セル本体と隔離セパレータとの接合領域は、セル本体の外周側と隔離セパレータの内周側（開口部）とに囲まれた方形のリング状となる。一般に、このような形状を有する接合領域においては、四辺の領域に比べて、四隅の角部に応力が集中しやすい傾向がある。接合領域の各角部に応力が集中すると、その部分でセル本体と隔離セパレータの密着性が保たれなくなり、ガスリークを発生させる要因となる。接合領域の四隅の角部への応力集中を緩和する構造としては、隔離セパレータの開口部の形状を、方形の各角部を面取りした形状にすることが有効である。しかし、このような構造を有する隔離セパレータにセル本体を接合した状態で、例えば、セル本体の上層側の方形の空気極層を開口部に露出させる構造とする場合、隔離セパレータの角部の面取り部分と空気極層の角部の間隔が狭くなる。その結果、空気極層が隔離セパレータ又は接合部と接触したり、あるいは接合部のロウ材等のマイグレーションが発生するなどにより電気的ショートが生じる恐れがある。一方、空気極層のサイズを中央寄りに縮小すれば、隔離セパレータの角部の面取り部分と空気極層の角部の間隔を十分に確保できるが、この場合は、単位セルの発電面積が小さくなることが避けられない。このように、隔離セパレータの内周側の四隅を面取りする構造を採用する場合、単位セルの良好な電気的信頼性と十分な発電面積の確保とを両立させることは困難であった。
【０００５】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、単位セルの発電面積の減少を防止しつつ、セル本体と隔離セパレータとの十分な間隔を保って良好な電気的信頼性を確保し得る固体酸化物形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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の固体酸化物形燃料電池は、少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された固体電解質層とが積層されたセル本体と、前記セル本体の一方の面側に配置されて、厚み方向に貫通する開口部を備えるとともに、前記セル本体と接合する接合部を有する枠体状の隔離セパレータとを備えて構成され、前記隔離セパレータの前記開口部は、方形の四隅において面取りされた第１の平面形状を有し、前記セル本体の所定の層は、方形の四隅において面取りされた第２の平面形状を有し、前記第１の平面形状が所定の間隔を介して前記第２の平面形状を取り囲む位置関係にあり、前記第１の平面形状及び前記第２の平面形状のそれぞれの面取りされた平面形状は、Ｒ面取り形状であり、前記第２の平面形状の前記Ｒ面取り形状の曲率半径は、前記第１の平面形状の前記Ｒ面取り形状の曲率半径よりも大きく、前記所定の層が前記空気極層又は前記燃料極層であり、平面視で前記所定の層である前記空気極層又は前記燃料極層が前記開口部から露出することを特徴としている。
また、上記課題を解決するために、本発明の固体酸化物形燃料電池は、少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された固体電解質層とが積層されたセル本体と、前記セル本体の一方の面側に配置されて、厚み方向に貫通する開口部を備えるとともに、前記セル本体と接合する接合部を有する枠体状の隔離セパレータとを備えた固体酸化物形燃料電池であって、前記隔離セパレータの前記開口部は、方形の四隅において面取りされた第１の平面形状を有し、前記セル本体の所定の層は、方形の四隅において面取りされた第２の平面形状を有し、前記第１の平面形状が所定の間隔を介して前記第２の平面形状を取り囲む位置関係にあり、前記第１の平面形状及び前記第２の平面形状のそれぞれの面取りされた平面形状は、Ｃ面取り形状であり、前記第１の平面形状と前記第２の平面形状とに挟まれた領域のうち、それぞれの前記Ｃ面取り形状が対向しない部分の幅をＷ１とし、それぞれの前記Ｃ面取り形状が対向する部分の幅をＷ４としたとき、Ｗ１＜Ｗ４であり、前記所定の層が前記空気極層又は前記燃料極層であり、平面視で前記所定の層である前記空気極層又は前記燃料極層が前記開口部から露出することを特徴としている。
【０００７】
本発明の固体酸化物形燃料電池によれば、燃料極層と空気極層と固体電解質層とが積層されたセル本体を隔離セパレータに接合し、開口部にセル本体の所定の層の表面を露出させる構造において、開口部の第１の平面形状が所定の間隔を介して所定の層の第２の平面形状を取り囲み、第１及び第２の平面形状がそれぞれ方形の四隅において面取りされている。よって、隔離セパレータと所定の層との距離を、所定の層の外周を面取りしない構造に比べ、第２の平面形状の角部の面取り量に応じて長くすることができる。そのため、隔離セパレータと所定の層が近接配置されたとき、接触や接合部のマイグレーション等に起因する電気的ショートを防止することができる。また、所定の層の外周を面取りしない構造では、隔離セパレータと所定の層との距離を確保するために所定の層のサイズを中央寄りに縮小する際に発電面積が減少するのに対し、本発明の構造によれば十分な発電面積を確保することができる。
【０００８】
前記セル本体は多様な構造で形成することができる。例えば、前記開口部に露出する所定の層を前記空気極層としてもよい。また例えば、前記セル本体の支持基体となる層は前記燃料極層としてもよい。すなわち、下層側から順に前記燃料極層、前記固体電解質層、前記空気極層を積層し、この順に平面サイズを縮小していくことで、前記空気極層の表面が前記開口部から露出する構造を実現することができる。なお、前記セル本体は、前記燃料極層、前記空気極層、前記固体電解質層に加えて他の機能層を含んでいてもよく、各層のうち支持基体とする層も特に制約されない。
【０００９】
前記第１及び第２の平面形状は、方形の各角部が除去されている限り多様な形状を適用することができるが、例えば、前記第１及び第２の平面形状の各角部を円弧状に面取りしたＲ面取り形状とすることができる。この場合、外側に位置する「隔離セパレータ」の内周形状：第１の平面形状のＲ面取りの曲率半径Ｒ１に比べ、内側に位置する「所定層」の外周形状：第２の平面形状のＲ面取りの曲率半径Ｒ２が小さくならないように（即ち、Ｒ１≦Ｒ２＋Ｗ）設定することが望ましい。この場合の曲率半径をそれぞれ適切に設定することで、前記第１及び第２の平面形状の間の領域を一定幅の帯状の領域とすることができ、部分的に幅が狭くなる箇所（特に、四隅などの電気的ショートしやすい箇所）における電気的信頼性（電気的ショートし難い）の低下を防止することができる。なお、Ｒ１＝Ｒ２＋Ｗに設定されたときに、第１の平面形状と第２の平面形状が四隅も含み一定の帯状幅として設けることができ、四隅において電気的ショートし難い構造に加え、所定層（例えば空気極層）の面積をより広く設けることもできる。また例えば、前記第１及び第２の平面形状の各角部を直線状に面取りしたＣ面取り形状としてもよい。
【００１０】
前記第１及び第２の平面形状に加えて、前記セル本体の外周側の端部の前記第３の平面形状を、方形の四隅において面取りしてもよい。これにより、前記第２及び第３の平面形状に囲まれた前記接合部において角部の鋭角や直角の部分に集中しやすい応力を緩和することができ、セル本体と隔離セパレータとの十分な密着性を保って単位セルのガスシール性を高めることができる。
【００１１】
前記接合領域における前記隔離セパレータと前記セル本体との接合は、特に制約されないが、例えば、ロウ材を用いることができる。例えば、前記隔離セパレータと前記セル本体のそれぞれの前記接合領域に相当する部分領域にロウ材を塗布した状態で、両者を位置合わせして加熱することにより、前記接合領域を介して前記セル本体を前記隔離セパレータに一体化することができる。また、前記隔離セパレータは、例えば、可撓性を有する金属材料により形成することができる。なお、本発明は、単位セルである固体酸化物形燃料電池セルに適用する場合のほか、複数の単位セルを積層して構成された固体酸化物形燃料電池スタックに対しても適用可能である。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べたように、本発明によれば、単位セルのセル本体と隔離セパレータとを接合する構造において、隔離セパレータの開口部と、開口部に露出するセル本体の所定の層とを、それぞれ方形の四隅において面取りした平面形状としたので、隔離セパレータと所定の層を近距離で配置する場合に問題となる電気的ショートを有効に防止し、電気的信頼性を向上させるとともに、所定の層をサイズの縮小を不要として、単位セルの十分な発電面積を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の固体酸化物形燃料電池の側面図である。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池の上面図である。
【図３】１個の単位セルに関し、各構成要素を分解した状態の模式的な断面構造図である。
【図４】単位セル内のインターコネクタの平面構造図である。
【図５】単位セル内のガスシール部の平面構造図である。
【図６】単位セル内の燃料極フレームの平面構造図である。
【図７】単位セル内の隔離セパレータの平面構造図である。
【図８】単位セル内のセル本体の平面構造図である。
【図９】図７の隔離セパレータに図８のセル本体を接合した状態の平面構造図である。
【図１０】第１実施形態の単位セルにおいて図７の隔離セパレータの構造と図８のセル本体の構造を採用する場合の効果を説明する図である。
【図１１】第１実施形態の単位セルの製造工程のうち、主に隔離セパレータとセル本体との接合工程について説明する図である。
【図１２】第２実施形態の単位セル内のセル本体の平面構造図である。
【図１３】図７の隔離セパレータに図１２のセル本体を接合した状態の平面構造図である。
【図１４】第２実施形態の単位セルにおいて図７の隔離セパレータの構造と図１２のセル本体の構造を採用する場合の効果を説明する図である。
【図１５】第３実施形態の単位セルにおいて、第１実施形態又は第２実施形態の隔離セパレータ及びセル本体の面取り形状を変形した第１の例である。
【図１６】第３実施形態の単位セルにおいて、第１実施形態又は第２実施形態の隔離セパレータ及びセル本体の面取り形状を変形した第２の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。
【００１５】
［第１実施形態］
以下、本発明を適用した固体酸化物形燃料電池の第１実施形態について具体的に説明する。図１は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１の側面図を示し、図２は、図１の固体酸化物形燃料電池１の上面図を示している。なお、図１は、図２の矢印Ａ方向から見た側面図に対応する。
【００１６】
図１及び図２に示すように、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、基本的な構成単位である燃料電池セル（以下、単位セルと呼ぶ）３を複数個積層した燃料電池スタック２を備えている。また、燃料電池スタック２は、複数のボルトＢ１〜Ｂ８及び複数のナットＮによって一体的に固定されている。各ボルトＢ１〜Ｂ８のうち、図２の方形平面内の四隅に位置する４個のボルトＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７は、燃料電池スタック２を固定する連結部材としてのみ用いられる。一方、各ボルトＢ１〜Ｂ８のうち、図２の方形平面内の四辺に位置する４個のボルトＢ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８は、上記連結部材に加えて、積層方向に沿う貫通孔に連通し、それぞれ燃料ガスの流路（燃料ガス流路）又は酸化剤ガスの流路（空気流路）の一部として機能する。具体的には、ボルトＢ２は燃料ガス流路の入口側の燃料ガス導入管Ｆｉｎに連通し、ボルトＢ２の対向位置のボルトＢ６は燃料ガス流路の出口側の燃料ガス排出管Ｆｏｕｔに連通する。また、ボルトＢ４は空気流路の入口側の空気導入管Ａｉｎに連通し、ボルトＢ４の対向位置のボルトＢ８は空気流路の出口側の空気排出管Ａｏｕｔに連通する。
【００１７】
次に、図１の固体酸化物形燃料電池１に含まれる単位セル３の基本構造について説明する。図３は、１個の単位セル３に関し、各構成要素を分解した状態の模式的な断面構造を示している。図３に示す単位セル３には、発電機能を担うセル本体１０を備えている。セル本体１０は、下層側から順に、燃料極層１１と、固体電解質層１２と、空気極層１３とが積層形成されてなる。また、単位セル３は、上下１対のインターコネクタ２０、２１と、下側のインターコネクタ２０と燃料極層１１との間に配置された燃料極側集電体２２と、上側のインターコネクタ２１と空気極層１３との間に配置された空気極側集電体２３と、燃料極層１１の側面を取り囲む燃料極フレーム２４と、セル本体１０と一体的に接合され、燃料極層１１の側の燃料ガス流路Ｆｐと空気極層１３の側の空気流路Ａｐとを隔離する隔離セパレータ２５と、燃料極フレーム２４と下側のインターコネクタ２０との間に配置されたガスシール部２６と、隔離セパレータ２５と上側のインターコネクタ２１との間に配置されたガスシール部２７と、を備えている。
【００１８】
燃料極層１１は、水素源となる燃料ガスに接触し、単位セル３のアノードとして機能する。燃料極層１１は、セル本体１０を支持する支持基体層となるので、機械的強度を確保できる程度の十分な厚みで形成することが望ましい。例えば、燃料極層１１の材料としては、Ｎｉ等の金属粒子とセラミック粒子からなるサーメットを用いることができる。固体電解質層１２は、イオン導電性を有する各種の固体電解質からなる。例えば、固体電解質層１２の材料としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等を用いることができる。空気極層１３は、酸素源となる空気ガスに接触し、単位セル３のカソードとして機能する。例えば、空気極層１３の材料としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットを用いることができる。なお、燃料極層１１、固体電解質層１２、空気極層１３は、いずれも方形（例えば、正方形）の平面形状を有する。
【００１９】
以下、単位セル３内の主な構成部材の構造について、図４〜図９を参照して説明する。なお、図４〜図９は、いずれも図２と平面内で方向が一致する。まず、下側のインターコネクタ２０は下層に隣接する単位セル３との電気的接続を担い、上側のインターコネクタ２１は上層に隣接する単位セル３との電気的接続を担う。図４に示すように、インターコネクタ２０、２１は、例えばフェライト系ステンレスからなる薄型の金属板であり、その外縁部には上記ボルトＢ１〜Ｂ８が貫通する８つの丸孔が形成されている。また、下側のインターコネクタ２０に接合された燃料極側集電体２２は、例えば、通気性を有するＮｉフェルトからなり、上側のインターコネクタ２１に接合された空気極側集電体２３は、例えば、金属及び導電性セラミックからなる。
【００２０】
下側のガスシール部２６は、例えば、マイカ等の絶縁材料からなり、単位セル３における燃料ガス流路Ｆｐをシールする役割がある。図５に示すように、ガスシール部２６の中央には開口部３０が形成されるとともに、外縁部には上記ボルトＢ１〜Ｂ８が貫通する８つの丸孔が形成されている。このうち、開口部３０には、方形の対向する２辺において、外縁部に延伸される各４本の切り欠きが形成されている。後述するように、開口部３０に形成される切り欠きは、燃料ガス流路Ｆｐの一部となる。なお、上側のガスシール部２７は、図５のガスシール部２６を、平面内で９０度回転させた平面構造を有するので、その説明は省略する。この場合、上側のガスシール部２７の開口部３０に形成される切り欠きは、空気流路Ａｐの一部となる。
【００２１】
燃料極フレーム２４は、例えばフェライト系ステンレス等の金属材料からなり、セル本体１０及び隔離セパレータ２５を単位セル３に固定する役割がある。図６に示すように、燃料極フレーム２４の中央には開口部３１が形成され、四方の各辺に沿って４つの開口部３２が形成され、４つの角部には上記ボルトＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７に対応する４つの丸孔が形成されている。中央の開口部３１は、ガスシール部２６の開口部３０（図５）の方形部分に対向しているが切り欠きは形成されていない。各辺の４つの開口部３２は、インターコネクタ２０及びガスシール部２６の各丸孔に重なる部分から辺方向の両側に延びる溝状に形成されている。よって、入口側のボルトＢ２から燃料極層１１の表面を経由して出口側のボルトＢ６に至る燃料ガス流路Ｆｐは、インターコネクタ２０及びガスシール部２６の各２辺の丸孔と、燃料極フレーム２４の２辺の開口部３２と、ガスシール部２６の開口部３０の切り欠きのそれぞれを含んで構成される。
【００２２】
次に第１実施形態の単位セル３の特徴的な構造として、隔離セパレータ２５及びセル本体１０の構造を説明する。図７は、隔離セパレータ２５の平面構造を示している。隔離セパレータ２５は、可撓性を有する金属材料として、例えばフェライト系ステンレス等の金属材料を用いて、厚み０．０２〜０．３ｍｍ程度の枠体状の薄板に形成されている。図７に示すように、隔離セパレータ２５の中央には開口部３３が形成され、四方の各辺に沿って４つの開口部３４が形成され、４つの角部には上記ボルトＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７に対応する４つの丸孔が形成されている。このうち、４つの開口部３４及び４つの丸孔については、燃料極フレーム２４と同位置及び同形状に形成されている。一方、中央の開口部３３は、燃料極フレーム２４の開口部３１と対向する方形のうち四隅の角部を曲率半径Ｒ１の円弧状に面取りした形状（Ｒ面取り形状）を有する。
【００２３】
また、図８は、セル本体１０の平面構造を示している。図８に示すように、セル本体１０は、方形の外周形状を有する。一方、セル本体１０の上層の空気極層１３の外周形状は、セル本体１０の外周形状よりも小さいサイズであって、方形の四隅の角部を曲率半径Ｒ２の円弧状に面取りした形状（Ｒ面取り形状）を有する。空気極層１３のサイズを小さくしたのは、図３の断面構造を用いて説明したように、隔離セパレータ２５の開口部３３に空気極層１３が露出可能な構造としたものである。
【００２４】
なお、入口側のボルトＢ４から空気極層１３の表面を経由して出口側のボルトＢ８に至る空気流路Ａｐは、インターコネクタ２１及びガスシール部２７の各２辺の丸孔と、隔離セパレータ２５の２辺の開口部３４と、ガスシール部２７の開口部３０の切り欠き（図５のガスシール部２６の開口部３０の切り欠きを９０度回転させた位置に形成）のそれぞれを含んで構成される。
【００２５】
ここで、図９は、図７の隔離セパレータ２５に図８のセル本体１０を接合した状態の平面構造を示している。図９に示すように、隔離セパレータ２５の内周側の裏面とセル本体１０の外周側の表面が接合領域４０を介して接合されている。この接合領域４０は、セル本体１０の外周に一致する外周形状と、隔離セパレータ２５の内周（開口部３３）に一致する内周形状とに囲まれた所定幅の帯状の領域である。また、空気極層１３が開口部３３に露出した状態で配置されている。接合領域４０の外周形状は図８のセル本体１０の外周形状と同様の方形であり、接合領域４０の内周形状の各角部は図７と同様の曲率半径Ｒ１で円弧状に面取りされている。なお、接合領域４０における隔離セパレータ２５とセル本体１０との接合は、特に制約されないが、例えばロウ材を用いて接合される。
【００２６】
図１０を参照して、第１実施形態の単位セル３において、図７の隔離セパレータ２５の構造と図８のセル本体１０の構造に基づく効果を説明する。図１０（Ａ）は、図９と同様の平面構造のうちの中央付近を模式的に示した図であり、図１０（Ｂ）は、第１実施形態との対比のため、図１０（Ａ）と同形状の隔離セパレータ２５と、外周側に面取り部分がない空気極層１３ａを用いる場合の平面構造を比較例として模式的に示した図である。ここで、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）においては、隔離セパレータ２５の内周側（開口部３３）と空気極層１３、１３ａの外周側とに挟まれたギャップ領域Ｇを示している。なお、図９の接合領域４０は図示していない。ギャップ領域Ｇは、固体電解質層１２の上部表面が帯状に露出した領域である。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）では、それぞれのギャップ領域Ｇは、面取り部分を除いた外周形状と内周形状がともに共通のサイズであるとする。よって、ギャップ領域Ｇの四辺における幅Ｗ１は、図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）とで共通であることがわかる。
【００２７】
一方、図１０（Ａ）のギャップ領域Ｇの各角部（四隅）は、外側の円弧と内側の円弧に挟まれた幅Ｗ２であり、図１０（Ｂ）のギャップ領域Ｇの各角部は、外側の円弧と内側の直角形状とに挟まれた幅Ｗ３であり、Ｗ２＞Ｗ３の関係を満たすことがわかる。また、図１０（Ｂ）の空気極層１３ａの内側には、図１０（Ａ）と同様の幅Ｗ２となる位置に角部が配置可能なように、外周形状を中央寄りに縮小した空気極層１３ｂを破線にて重ねて示している。
【００２８】
第１実施形態の図１０（Ａ）のギャップ領域Ｇと、比較例の図１０（Ｂ）で空気極層１３ａを配置する場合のギャップ領域Ｇとを比べると、図１０（Ｂ）では角部付近で内周側が面取りされない分だけ幅Ｗ３が小さくなるので、例えば、空気極層１３と隔離セパレータ２５又は接合領域４０との接触や、接合領域４０のロウ材のマイグレーション等に起因する電気的ショートが生じ、これにより電気的信頼性の低下を招く。また、第１実施形態の図１０（Ａ）のギャップ領域Ｇと、比較例の図１０（Ｂ）のような小サイズの空気極層１３ｂを配置する場合のギャップ領域Ｇとを比べると、角部付近の幅Ｗ２は同じになるが、図１０（Ｂ）の空気極層１３ｂのサイズが小さくなって発電面積が減少するので、単位セル３の発電性能が低下することになる。このように、第１実施形態の構造を採用することにより、電気的信頼性の向上と発電面積の確保とを両立することができる。
【００２９】
第１実施形態の構造において、図１０（Ａ）の各辺の幅Ｗ１と角部の幅Ｗ２との関係については特に制約されないが、例えば、Ｗ１＝Ｗ２の関係に設定することにより、接合領域４０を一定幅の帯状の領域に形成してもよい。この場合、ギャップ領域Ｇでは、外周側（隔離セパレータ２５の開口部３３）のＲ面取り形状の曲率半径Ｒ１と内周側（空気極層１３の外周）のＲ面取り形状の曲率半径Ｒ２とを、Ｒ１≦Ｒ２＋Ｗの関係に設定することが望ましい。それぞれの曲率半径Ｒ１、Ｒ２を大きくし過ぎると、空気極層１３の面積制約になるので好ましくなく、逆にそれぞれの曲率半径を小さくし過ぎると、接合領域４０（図９）における応力集中を緩和する効果が不十分になる。具体的な寸法例としては、例えば、隔離セパレータ２５の開口部３３の１辺が１１０ｍｍで、空気極層１３の１辺が１０７ｍｍのとき、Ｗ１＝Ｗ２＝１．５ｍｍ、Ｒ１＝５ｍｍ、Ｒ２＝３．５ｍｍ程度に設定することができる。この場合、Ｒ１＝Ｒ２＋Ｗになり、電気的ショートの防止と空気極面積の確保が両立できるので、採用することが好ましい。なお、この条件では、図１０（Ｂ）の空気極層１３ｂの１辺が１０５ｍｍになり、図１０（Ａ）の空気極層１３の面積は、図１０（Ｂ）の空気極層１３ｂの面積に比べて約４％大きくでき、その分だけ発電面積が拡大する。
【００３０】
次に、第１実施形態の単位セル３の製造工程のうち、特徴的な構造に関連する工程について説明する。まず、周知の手法で、金属の板材に対する打ち抜き加工により、図７に示す平面構造を有する隔離セパレータ２５を作製する。このとき、隔離セパレータ２５の中央に、例えば打ち抜き加工を施すことで、方形の各角部が曲率半径Ｒ１で面取りされた開口部３３が形成される。
【００３１】
一方、周知の手法で、支持基体層となる燃料極グリーンシートを形成するとともに、固体電解質グリーンシートを形成し、燃料極グリーンシートの上層に固体電解質グリーンシートとの積層体を形成する。次いで、得られた積層体を所定の方形形状に加工した後に焼成し、燃料極層１１と固体電解質層１２からなる焼結体を得る。続いて、得られた焼結体の上層の所定位置に空気極層１３を積層形成することで、図８の平面構造を有するセル本体１０を作製する。このとき、空気極層１３は、方形の各角部が曲率半径Ｒ２で面取りされた積層パターンにより形成される。
【００３２】
次に、図１１（Ａ）に示すように、隔離セパレータ２５の下面において接合領域４０に相当する内周領域にロウ材を塗布するとともに、セル本体１０の固体電解質層１２の上面において接合領域４０に相当する外周領域にロウ材を塗布する。ロウ材としては、例えば、Ａｇを主成分とするＡｇ系ロウ材が用いられる。この状態で、図１１（Ｂ）に示すように、隔離セパレータ２５とセル本体１０を、互いの接合領域４０が重なるように位置合わせし、ロウ材を加熱することによってセル本体１０が隔離セパレータ２５に一体化される。以上のようにして得られた隔離セパレータ２５及びセル本体１０を組み込むことにより、単位セル３を得ることができる。
【００３３】
［第２実施形態］
以下、本発明を適用した固体酸化物形燃料電池の第２実施形態について具体的に説明する。第２実施形態は、第１実施形態と多くの点で共通するので、以下では主に第１実施形態と異なる点について説明する。第１実施形態で示した図１〜図７、図１１は、第２実施形態においても共通であるので、説明を省略する。
【００３４】
図１２は、第２実施形態のセル本体１０の平面構造を示す図であり、第１実施形態の図８に対応する。図１２に示すセル本体１０は、図８とは異なり、方形の外周形状のうちの４つの角部を曲率半径Ｒ３の円弧状に面取りした形状（Ｒ面取り形状）を有する。なお、図１２のセル本体１０のうち、面取り部分を除いた外周及び内周の基本形状は図８と共通のサイズであるとする。また、図１３は、第２実施形態の隔離セパレータ２５（図７）に図１２のセル本体１０を接合した状態の平面構造を示している。図１３に示すように、第２実施形態の隔離セパレータ２５は第１実施形態と同じ形状であるが、接合領域４０の形状については第１実施形態（図９）とは異なっている。すなわち、第２実施形態の接合領域４０は、内周形状に加えて、図１２のセル本体１０の構造を反映して外周形状の各角部が上述の曲率半径Ｒ３でＲ面取りされている。
【００３５】
図１４は、第２実施形態において、図７の隔離セパレータ２５及び図１２のセル本体１０を含む平面構造のうちの中央付近を模式的に示した図であり、第１実施形態の図１０に対応する。図１４のギャップ領域Ｇにおける幅Ｗ１、Ｗ２については、図１０と同様である。一方、図１４の接合領域４０において、四辺における幅Ｗ１１と、角部における幅Ｗ１２を併せて示している。幅Ｗ１１と幅Ｗ１２との関係については特に制約されないが、例えば、Ｗ１１＝Ｗ１２の関係に設定することにより、接合領域４０を一定幅の帯状の領域に形成してもよい。この場合、接合領域４０では、外周側の四隅にＲ面取り形状の曲率半径Ｒ３と内周側のＲ面取り形状の曲率半径Ｒ１とを、Ｒ３＜Ｒ１の関係に設定することが望ましい。
【００３６】
第２実施形態においては、接合領域４０を図１４に示す形状にすることで、接合領域４０における全ての直角部分が存在しなくなるため、その分だけ応力が集中しにくい効果を一層高めることができる。これにより、接合領域４０における接合信頼性を向上させて隔離セパレータ２５のガスシール性のさらなる向上が可能となる。第２実施形態において、ギャップ領域Ｇの形状に由来する電気的信頼性及び発電面積に関する効果については、第１実施形態と同様であることは当然である。
【００３７】
［第３実施形態］
以下、本発明を適用した固体酸化物形燃料電池の第３実施形態について具体的に説明する。第３実施形態は、隔離セパレータ２５及びセル本体１０の面取り形状を変形したものである。図１５（Ａ）は、第１実施形態の図１０（Ａ）のギャップ領域Ｇの各角部のＲ面取り形状を、直線状に面取りした形状（Ｃ面取り形状）で置き換えた例を示している。図１５（Ａ）のギャップ領域Ｇは、図１０（Ａ）とは異なり、ギャップ領域Ｇの各角部の外周側（開口部３３）と内周側（空気極層１３）が、両側の各２辺と４５度で交差する直線で面取りされている。ギャップ領域Ｇの四辺における幅Ｗ１と、各角部の外周と内周の間の幅Ｗ４は、特に制約されないが、Ｗ１＝Ｗ４又はＷ１＜Ｗ４に設定可能である。
【００３８】
また、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）のギャップ領域ＧにおけるＣ面取り部分の両端をさらに直線状に面取りした形状（３本の直線からなる面取り形状）を有する例を示している。なお、ギャップ領域Ｇの四辺における幅Ｗ１と、各角部の外周と内周の間の幅Ｗ５は、特に制約されないが、Ｗ１＝Ｗ５又はＷ１＜Ｗ５に設定可能である。
【００３９】
一方、図１６（Ａ）は、第２実施形態の図１４のギャップ領域Ｇ及び接合領域４０の各角部のＲ面取り形状を、直線状に面取りした形状（Ｃ面取り形状）で置き換えた例を示している。図１６（Ａ）のギャップ領域Ｇの形状は図１５（Ａ）と同様である。また、図１６（Ａ）の接合領域４０は、図１４とは異なり、各角部の内周側と外周側が、両側の各２辺と４５度で交差する直線で面取りされている。接合領域４０の四辺における幅Ｗ１１と、各角部の外周と内周の間の幅Ｗ１３は、特に制約されないが、Ｗ１１＝Ｗ１３又はＷ１１＜Ｗ１３に設定可能である。
【００４０】
また、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）のギャップ領域Ｇ及び接合領域４０におけるＣ面取り部分の両端をさらに直線状に面取りした形状（３本の直線からなる面取り形状）を有する例を示している。図１６（Ｂ）のギャップ領域Ｇの形状は図１５（Ｂ）と同様である。また、図１６（Ｂ）の接合領域４０は、各角部のうち各辺及び各直線部分が互いになす角度が図１６（Ａ）に比べても一層大きな鈍角になるので、応力の集中を避ける効果が高くなる。なお、接合領域４０の四辺における幅Ｗ１１と、各角部の外周と内周の間の幅Ｗ１４は、特に制約されないが、Ｗ１１＝Ｗ１４又はＷ１１＜Ｗ１４に設定可能である。
【００４１】
第３実施形態においては、図１５及び図１６に示す構造に限られず、直線や曲線を含む多様な面取り形状を採用することができる。この場合の面取り部分は、ギャップ領域Ｇにおける各角部の幅（及び接合領域４０における各角部の幅）を適切に設定し得る範囲内で自在な形状にすることができる。第３実施形態において、ギャップ領域Ｇの形状に由来する電気的信頼性及び発電面積に関する効果については、第１及び第２実施形態と同様であることは当然である。
【００４２】
以上、第１及び第２実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、セル本体１０を構成する各層は、燃料極層１１、固体電解質層１２、空気極層１３に限らず、多様な役割を有する機能層が含まれていてもよい。この場合、セル本体１０のうち支持基体とする層も、燃料極層１１には限られず他の層であってもよい。また、セル本体１０のうち接合領域４０を介して隔離セパレータ２５と接合される層も、固体電解質層１２には限られず他の層であってもよい。その他の点についても上記各実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、適宜に変更可能である。例えば、単位セル３内の各構成部材の構造、形状、材料、形成方法等については、本発明の作用効果を得られる限り、適宜に変更することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１…固体酸化物形燃料電池
２…燃料電池スタック
３…単位セル（燃料電池セル）
１０…セル本体
１１…燃料極層
１２…固体電解質層
１３…空気極層
２０、２１…インターコネクタ
２２…燃料極側集電体
２３…空気極側集電体
２４…燃料極フレーム
２５…隔離セパレータ
２６、２７…ガスシール部
Ｂ１〜Ｂ８…ボルト
Ｎ…ナット
Ａｉｎ…空気導入管
Ａｏｕｔ…空気排出管
Ａｐ…空気流路
Ｆｉｎ…燃料ガス導入管
Ｆｏｕｔ…燃料ガス排出管
Ｆｐ…燃料ガス流路
Ｇ…ギャップ領域
【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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