(57)【要約】  熱サイクルが加わった場合の層間の剥離を抑制することができ、電気的接続の信頼性が高められている、固体酸化物形燃料電池スタック及びその製造方法を提供する。  固体酸化物形の複数の燃料電池セル２が積層されており、燃料電池セル２，２同士が積層されている部分において、一方の燃料電池セル２と他方の燃料電池セル２との間に金属層１１が配置されており、金属層１１と、燃料電池セル２とを電気的に接続するように金属層１１と燃料電池セル２との間に導電材が配置されており、上記金属層１１及び導電材が設けられている領域以外の領域において、燃料電池セル２，２が接着剤硬化物からなる接着剤層１５ａ〜１５ｃにより接合されている、固体酸化物形燃料電池スタック１。
2015045986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルが積層されている構造を有する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
積層されている複数の固体酸化物形の燃料電池セルと、
前記燃料電池セル同士が積層されている部分において、一方の前記燃料電池セルと、他方の前記燃料電池セルとの間に配置されている金属層と、
前記金属層と、前記燃料電池セルとを電気的に接続するように前記金属層と前記燃料電池セルとの間に配置されている導電材と、
前記複数の燃料電池セルを前記金属層及び導電材が設けられている領域以外の領域で接合しており、接着剤硬化物からなる接着剤層とを備える、固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記接着剤硬化物が、硬化収縮している、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記導電材が、導電性セラミックスまたは金属からなる、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
前記導電材が多孔質の導電性セラミックスからなる、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
前記導電性セラミックスが、完全焼結には至っていない、ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層である、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項６】
前記導電性セラミックスが、完全焼結している緻密層と、完全焼結には至っていない、前記ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層とを備える、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項７】
前記緻密層は、前記燃料電池セルと前記ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層との間と、および前記金属層と前記ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層との間との少なくとも一方に配置されている、請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項８】
前記緻密層は、少なくとも、前記燃料電池セルと前記ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層の間に配置されている、請求項６または７に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項９】
前記導電性セラミックスが、ＬａＳｒＭｎＯ３、ＬａＳｒＣｏＯ３、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３、ＭｎＣｏＯ３、ＳｍＳｒＣｏＯ３、ＬａＣａＭｎＯ３、ＬａＣａＣｏＯ３、ＬａＣａＣｏＦｅＯ３、ＬａＮｉＦｅＯ３及び（ＬａＳｒ）２ＮｉＯ４からなる群から選択された少なくとも１種の導電性セラミックスである、請求項３〜８のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記金属層が、板状である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記金属層が複数の孔を有する金属材料からなる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記金属層が金属メッシュである、請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記導電材が、前記金属層を構成している金属元素を含む金属材料からなる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記導電材が、金属メッシュ、金属発泡体及び多孔質金属からなる群から選択された１種の金属材料からなる、請求項３および１０〜１３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１５】
複数の燃料電池セルを用意する工程と、
前記複数の燃料電池セルを、積層方向に隣り合う燃料電池セルとの間に金属層と、該金属層の両面に配置された一対の導電材とを挟み込むと共に、該金属層が設けられている領域以外の領域において、硬化収縮する接着剤により接着する工程とを備える、固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の固体酸化物形の燃料電池セルが積層されている固体酸化物形燃料電池スタック及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物電解質を用いた固体酸化物形燃料電池が種々提案されている。固体酸化物形燃料電池では、十分な電圧を得るために、複数の燃料電池セルが積層されている。それによって、燃料電池スタックが構成されている。下記の特許文献１には、セラミックスを用いた平板型の燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックが開示されている。熱応力が加わると、燃料電池スタックでは、燃料電池セルの変形による導通不良が生じるおそれがある。特許文献１では、積層方向一端側及び／または他端側に、セル追従変形部が設けられている。それによって、熱サイクルが加わった際の導通不良の抑制が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２０１０／０３８８６９
【特許文献２】特開２００６−３１０００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
セラミックスの熱伝導率は比較的低い。従って、セラミックスを用いた燃料電池セルの積層数を増加させると、発電によって生じた熱が燃料電池スタックの中心付近にこもり易くなる。そのため、燃料電池セル面において熱分布が生じ、熱応力によるセルの割れが生じるおそれがあった。【０００５】
他方、特許文献２に記載のように、セル間に金属膜や金属板などの金属層を配置することにより、熱分布の不均一性を低める方法も知られている。この場合には、熱応力による影響を少なくすることができる。しかしながら、金属とセラミックスとの熱膨張係数がかなり異なるため、金属とセラミックスとの間での剥がれや、セラミックスからなるセル部分の破壊が生じるおそれがあった。【０００６】
本発明の目的は、熱サイクルが加わった場合の層間の剥離を抑制することができ、電気的接続の信頼性が高められている、固体酸化物形燃料電池スタック及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルが積層されている構造を有する。本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、積層されている複数の固体酸化物形の燃料電池セルと、燃料電池セル同士が積層されている部分において、一方の燃料電池セルと、他方の燃料電池セルとの間に配置されている金属層と、上記金属層と、上記燃料電池セルとを電気的に接続するように上記金属層と上記燃料電池セルとの間に配置されている導電材と、上記複数の燃料電池セルを上記金属層及び導電材が設けられている領域以外の領域で接合しており、接着剤硬化物からなる接着剤層とを備える。【０００８】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのある特定の局面では、上記接着剤硬化物が硬化収縮している。【０００９】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックの他の特定の局面では、上記導電材が、導電性セラミックスまたは金属からなる。【００１０】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに他の特定の局面では、上記導電材が多孔質の導電性セラミックスからなる。【００１１】
好ましくは、上記導電性セラミックスが、完全焼結には至っていない、ネック比表面積率１０％以下の焼成体層である。【００１２】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに別の特定の局面では、上記導電性セラミックスが、完全焼結している緻密層と、完全焼結には至っていない、ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層とを備えている。【００１３】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックの他の特定の局面では、上記緻密層は、燃料電池セルと上記ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層との間と、および上記金属層と上記ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層との間の少なくとも一方に配置されている。【００１４】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに他の特定の局面では、上記緻密層は、少なくとも、燃料電池セルと上記ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層との間に配置されている。【００１５】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに他の特定の局面では、上記導電性セラミックスが、ＬａＳｒＭｎＯ３、ＬａＳｒＣｏＯ３、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３、ＭｎＣｏＯ３、ＳｍＳｒＣｏＯ３、ＬａＣａＭｎＯ３、ＬａＣａＣｏＯ３、ＬａＣａＣｏＦｅＯ３、ＬａＮｉＦｅＯ３及び（ＬａＳｒ）２ＮｉＯ４からなる群から選択された少なくとも１種の導電性セラミックスである。【００１６】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックでは、好ましくは、上記金属層が板状である。【００１７】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに別の特定の局面では、上記金属層が複数の孔を有する金属材料からなる。【００１８】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに別の特定の局面では、上記金属層が金属メッシュである。【００１９】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに別の特定の局面では、上記導電材が、上記金属層を構成している金属元素を含む金属材料からなる。【００２０】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックのさらに別の特定の局面では、上記導電材が、金属メッシュ、金属発泡体及び多孔質金属からなる群から選択された１種の金属材料からなる。【００２１】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法は、複数の燃料電池セルを用意する工程と、上記複数の燃料電池セルを、積層方向に隣り合う燃料電池セルとの間に金属層と、金属層の両面に配置された一対の導電材とを挟み込むと共に、該金属層が設けられている領域以外の領域において、硬化収縮する接着剤により接着する工程とを備える。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタック及びその製造方法によれば、複数の燃料電池セルが、金属層及び導電材が設けられている領域以外の領域において接着剤硬化物からなる接着剤層により接合されている。従って、接着剤の硬化時の硬化収縮力により、金属層及び導電材が両側の燃料電池セルに強固に挟持される。よって、熱応力が加わったとしても、金属層と導電材や金属層及び導電材と燃料電池セルとの間の剥離を効果的に抑制することができる。加えて、電気的接続の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの要部を示す略図的正面断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態の燃料電池スタックに用いられている１つの燃料電池セルの分解斜視図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る燃料電池スタックに用いられている１つの燃料電池セルの平面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態の燃料電池スタックの一部を模式的に示す斜視図である。
【図５】図５は、比表面積（ＢＥＴ法）が７ｍ２／ｇのＬＳＭ粉末を用いた導電材を、スタック作製条件と同様の熱処理を行った後の状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図６】図６は、比表面積(ＢＥＴ法)が１１ｍ２／ｇのＬＳＭ粉末を用いた導電材を、スタック作製条件と同様の熱処理を行った後の状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図７】図７は、実施例の燃料電池スタックにおける電流密度と、１段あたりのセルの電圧との関係、並びに比較例の単一の燃料電池セルの電流密度とセル電圧との関係を示す図である。
【図８】図８は、第２の実施形態に係る燃料電池スタックの電流密度と、１段あたりのセル電圧との関係を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第３の実施形態の燃料電池スタックにおいて用いられている導電材の部分切欠き平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの模式的正面断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの要部を示す部分切欠き正面断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックの要部を示す部分切欠き正面断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックの正面断面図である。
【図１４】図１４は、ネック表面積を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの略図的正面断面図である。燃料電池スタック１では、上方の燃料電池セル２と、下方の燃料電池セル２とが接合部４を介して接合されている。図１では、２つの燃料電池セル２，２を示したが、本実施形態では、上記接合部４を介して両側の燃料電池セル２，２が積層されている構造がさらに連ねられている。
【００２６】
また、図１では、燃料電池セル２，２は、その設けられている位置のみを略図的にしている。図２及び図３を参照して、１つの燃料電池セル２の詳細を説明する。
【００２７】
図２に示すように、燃料電池セル２は、固体酸化物電解質層７を有する。固体酸化物電解質層７は、イオン導電性が高いセラミックスからなる。このような材料としては、例えば、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどを挙げることができる。より具体的には、イットリウムやスカンジウムにより安定化されたジルコニアが挙げられる。安定化ジルコニアとしては、例えば、１０モル％イットリア安定化ジルコニア（１０ＹＳＺ）、１１モル％スカンジア安定化ジルコニア（１１ＳｃＳＺ）などを挙げることができる。部分安定化ジルコニアとしては、例えば、３モル％イットリア部分安定化ジルコニア（３ＹＳＺ）などを挙げることができる。
【００２８】
なお、上記固体酸化物電解質層７を構成する材料は上記に限定されず、ＳｍやＧｄがドープされたセリア系酸化物や、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｎ０．２Ｏ（３−δ）などのペロブスカイト型酸化物などにより形成してもよい。なお、δは、３未満の正の数を示す。
【００２９】
固体酸化物電解質層７には、貫通孔７ａと貫通孔７ｂとが設けられている。貫通孔７ａは、燃料ガス流路を構成している。貫通孔７ｂは、酸化剤ガスとしての空気を通す空気流路を構成している。
【００３０】
固体酸化物電解質層７の上方に燃料極層６が積層されている。燃料極層６は、Ｎｉを含むイットリア安定化ジルコニアや、Ｎｉを含むスカンジア安定化ジルコニアなどにより構成することができる。燃料極層６には、燃料ガス流路を構成するスリット６ａと、空気流路を構成するスリット６ｂとが設けられている。
【００３１】
上記燃料極層６上にセパレータ５が積層されている。セパレータ５は、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどにより形成され得る。セパレータ５に、貫通孔５ａ，５ｂが形成されている。貫通孔５ａは、燃料ガス流路を構成している。貫通孔５ｂは、空気流路を構成している。
【００３２】
他方、セパレータ５には、電気を取り出すための複数本のインターコネクタ５ｃがセパレータ５の上面から下面を貫くように設けられている。すなわち、ビアホール導体により各インターコネクタ５ｃが形成されている。複数本のインターコネクタ５ｃは、上記燃料極層６に電気的に接続されている。
【００３３】
他方、固体酸化物電解質層７の下方には、空気極層８及びセパレータ９が積層されている。空気極層８には、燃料ガス流路を構成するスリット８ａと、空気流路を構成するスリット８ｂとが設けられている。空気極層８は、電子伝導性が高く、かつ多孔質の材料からなることが好ましい。このような空気極層８は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｇｄがドープされたセリア、Ｓｎがドープされた酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、またはＬａＭｏＯ３系酸化物などにより形成することができる。ＬａＭｏＯ３系酸化物としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（以下においてＬＳＭと略す）や、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（以下においてＬＣＭと略す）などが挙げられる。
【００３４】
セパレータ９はセパレータ５と同様に構成されている。従って、燃料ガス流路を構成する貫通孔９ａと、空気流路を構成する貫通孔９ｂと、複数本のインターコネクタ９ｃとを有する。
【００３５】
図３は、この単一の燃料電池セル２の平面図を示す。図３に示すように燃料電池セル２は、平面視した場合、十字状の流路構成部２ａと、流路構成部２ａで区画された４つの発電部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅとを有する。そして、発電部２ｂ〜２ｅの上面には上記インターコネクタ５ｃが露出している。
【００３６】
図１に戻り、本実施形態の燃料電池スタック１では、このような燃料電池セル２が複数層積層されている。図４は、燃料電池スタック１の一部を示す斜視図である。一部とは、図３に示した十字状の流路構成部２ａで区切られている１つの発電部２ｂ，２ｃ，２ｄまたは２ｅが積層されている部分に相当する。図４に示すように、燃料電池セル２，２，２が接合部４，４を介して積層されている。なお、実際には、図１に示すように、流路構成部２ａの両側に、発電部２ｂ，２ｃが位置している。
【００３７】
図１に戻り、本実施形態の燃料電池スタック１の特徴は、上記燃料電池セル２と燃料電池セル２とを接合している接合部４の構成にある。
【００３８】
接合部４は、上方の燃料電池セル２と下方の燃料電池セル２とを物理的に接合し一体化すると共に、上方の燃料電池セル２と下方の燃料電池セル２とを電気的に直列に接続している。
【００３９】
図１において、燃料電池セル２は、破線Ａ，Ｂで示す部分間が、上記流路構成部２ａに相当する。流路構成部２ａの両側に、発電部２ｂ，２ｃが位置している。そして、熱を中央に集中させないために、並びに上方の燃料電池セル２と下方の燃料電池セル２とを電気的に接続するために、金属層１１が設けられている。
【００４０】
金属層１１は、本実施形態では、金属板からなる。この金属板を構成する材料としては、特に限定されないが、燃料電池セル２を構成しているセラミックスと熱膨張係数が近い金属を用いることが望ましい。このような材料としては、好ましくは、フェライト系ステンレスである。フェライト系ステンレスの熱膨張係数は、ジルコニアと熱膨張係数が近い。また、フェライト系ステンレスは耐熱性に優れている。従って、フェライト系ステンレスが特に好ましい。
【００４１】
もっとも、上記金属層１１を構成する材料は特に限定されず、他の金属を用いてもよい。
【００４２】
金属層１１の上面及び下面に、それぞれ、ＬＳＭからなる導電層１２ａ，１２ｂが設けられている。導電層１２ａ，１２ｂは、ＬＳＭ粉末を主体とする導電ペーストの熱処理による硬化物からなる。
【００４３】
上記導電層１２ａ，１２ｂの外側に、ＬＳＭシートからなる導電材層１３ａ，１３ｂがそれぞれ設けられている。この導電材層１３ａ，１３ｂは、後述するように、燃料電池スタック１を得るための荷重熱処理工程において完全に焼結するには至らないＬＳＭ含有組成物を用いて形成されている。より具体的には、本実施形態では、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９５ＭｎＯ３で表されるＬＳＭ粉末であって、比表面積（ＢＥＴ法）が７ｍ２／ｇの仮焼粉末を用いる。この仮焼粉末と、バインダー樹脂と溶剤とを混合してなるスラリーをシート成形する。得られたシートを図１に示すように積層し、後述のスタック化のために荷重熱処理により焼き付ける。このようにして、後述するように、焼結に至っていない導電材層１３ａ，１３ｂが形成されている。
【００４４】
上記導電材層１３ａ，１３ｂの外表面には、導電層１２ａ，１２ｂと同様にして構成された導電層１４ａ，１４ｂが配置されている。上記導電層１２ａ，１２ｂ、導電材層１３ａ，１３ｂ及び導電層１４ａ，１４ｂにより、本発明の導電材が構成されている。このような積層構造により、上方の燃料電池セル２と、下方の燃料電池セル２とが接合されて、電気的に接続されている。
【００４５】
上記導電材は、ＬＳＭのような導電性セラミックスからなることが望ましい。このような導電性セラミックスとしては、ＬａＳｒＭｎＯ３、ＬａＳｒＣｏＯ３、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３、ＭｎＣｏＯ３、ＳｍＳｒＣｏＯ３、ＬａＣａＭｎＯ３、ＬａＣａＣｏＯ３、ＬａＣａＣｏＦｅＯ３、ＬａＮｉＦｅＯ３及び（ＬａＳｒ）２ＮｉＯ４からなる群から選択された少なくとも１種を好適に用いることができる。
【００４６】
また、上記導電材は、金属により形成されていてもよい。
【００４７】
また、本発明においては、導電材は、金属層１１を構成している金属元素を含むことが望ましい。それによって、金属層１１と、導電材との間の熱膨張係数の差を小さくすることができる。
【００４８】
また、上記導電材層１３ａ，１３ｂ及び導電層１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂは、多孔質の導電性セラミックスからなることが望ましい。
【００４９】
さらに、本実施形態では、接合部４は、上記発電部２ｂ，２ｃを電気的に接続している接合部とは別の領域において、接着剤層１５ａ〜１５ｃ及びスペーサ１６ａ，１６ｂの積層構造を有する。ここで、スペーサ１６ａ，１６ｂは必ずしも設けられずともよいが、燃料電池セル２，２間の距離が大きい場合、接着を容易とするために用いることが望ましい。このようなスペーサ１６ａ，１６ｂを構成する材料としては、燃料電池セル２を構成しているセラミックスと熱膨張係数が近い材料が望ましい。
【００５０】
さらに本実施形態の特徴は、接着剤層１５ａ〜１５ｃにより、燃料電池セル２，２が上記スペーサ１６ａ，１６ｂを介して接着されていることにある。接着剤層１５ａ〜１５ｃは、本実施形態では、ガラス系接着剤からなる。より具体的には、ガラスセラミックスを主体とするガラス系接着剤が用いられている。
【００５１】
接着剤は通常、硬化時に収縮する。すなわち、硬化収縮する。従って、燃料電池セル２と燃料電池セル２とを上記接合部４を介して積層すると、最終的に接着剤層１５ａ〜１５ｃが硬化物になる際の硬化収縮力により、上方の燃料電池セル２と下方の燃料電池セル２とが近づくように応力が作用することとなる。従って、発電部２ｂ，２ｂ間及び発電部２ｃ，２ｃ間においても、発電部２ｂ，２ｂ同士及び発電部２ｃ，２ｃ同士を近づけるように応力が働くことになる。
【００５２】
よって、得られた燃料電池スタック１では、上記接着剤層１５ａ〜１５ｃの硬化収縮による応力が残存するため、接合部４により、燃料電池セル２同士を強固に接合することができる。よって、得られた燃料電池スタックに熱応力が加わったとしても、金属層１１と導電層１２ａ，１２ｂとの界面、導電材層１３ａと導電層１２ａ，１４ａとの界面、導電材層１３ｂと導電層１２ｂ，１４ｂとの界面、あるいは導電層１４ａ，１４ｂと発電部２ｂ，２ｃとの間の界面における、剥がれが生じ難い。従って、電気的接続の信頼性を効果的に高めることができる。
【００５３】
他方、前述したように、本実施形態では、上記導電材層１３ａ，１３ｂが、上記燃料電池セル２，２を接合する荷重熱処理工程において、焼結には至らないＬＳＭシートにより構成されている。導電材層１３ａ，１３ｂは、比表面積（ＢＥＴ法）が７ｍ２／ｇのＬＳＭ粉末を用いている。他方、導電層１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂは、仮焼して得られた、比較的比表面積が１１ｍ２／ｇと大きいＬＳＭ粉末を用いた導電ペーストにより形成した。
【００５４】
比表面積（ＢＥＴ法）が小さいＬＳＭ粉末を用いた導電ペーストや導電スラリーほど、より高い温度で本焼成することが必要である。すなわち、低い温度では焼結に至らない。
【００５５】
本実施形態では、燃料電池セル２，２同士をスタックし、荷重を加えて接合する熱処理工程の温度では、上記導電材層１３ａ，１３ｂは焼結に至らない。図５は、比表面積（ＢＥＴ法）が７ｍ２／ｇのＬＳＭ粉末を用いた上記シートの上記荷重熱処理温度で処理した場合の表面の状態を示す電子顕微鏡写真である。図５に電子顕微鏡写真で示されているように、ＬＳＭ粉末の形状が残存し、ネッキングがほとんど生じていないことがわかる。
【００５６】
これに対して、図６は、比表面積が１１ｍ２／ｇのＬＳＭ粉末を用いた上記導電ペーストの上記荷重熱処理温度で処理した場合の表面の状態を示す電子顕微鏡写真である。図６から明らかなように、この場合には焼結がかなり進行し、ネッキングが進行していることがわかる。
【００５７】
なお、ネッキングとは、粉末同士が溶融により連なり、元の粉末や粒子の形状を留めず一体化している状態を示す。
【００５８】
本実施形態では、導電材層１３ａ，１３ｂが、上記のように燃料電池セル２，２をスタックし熱処理する際の温度では焼結に至っていない。いわゆる生焼け状態とされている。それによっても電気的接続の信頼性を高めることができる。
【００５９】
スペーサ１６ａ，１６ｂが配置されている接合層部分における高さ方向寸法に比べ、上記金属層１１が配置されている接合材層部分における高さ方向寸法がわずかに小さい場合、あるいは同等の場合、ネッキングがかなり進行すると、導電路が切断される部分が生じることがある。これに対して、上記のように、ネッキングがほとんど進行していない、いわゆる生焼けの場合には、導電路の切断が生じ難い。従って電気的接続の信頼性を高めることができる。
【００６０】
なお、ネック比表面積率は１０％以下であることが望ましい。ネック比表面積率とは、電子顕微鏡写真において観察した視野において、粒子同士が連なり一体化している部分を指すネック表面積が、その粒子自身の表面積に占める割合をいうものとする。
【００６１】
ネック表面積Ａは、以下の式で表すことができる。なお、以下の式におけるＸ及びＲは、図１４に示すネック部分の模式図における符号をいうものとする。図１４において、Ｒは、粒子の半径を示し、Ｘは、粒子同士が隣接している部分におけるネック部分Ｎの、隣接方向と直交する方向の寸法である。
【００６２】
【数１】
2015045986.tif 000003
【００６３】
図５と図６に示したＬＳＭのネック比表面積率は表１に示した通りである。
【００６４】
【表１】
2015045986.tif 000004
【００６５】
また、燃料電池セル２と金属層１１との間には熱膨張係数差が存在する。発電時の熱サイクルにより、この熱膨張係数差による応力が生じる。この場合、熱膨張係数差により、金属層１１と導電材層１３ａ，１３ｂとの間や、導電材層１３ａ，１３ｂと燃料電池セル２との間で剥離が生じるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、上記のように、導電材層１３ａ，１３ｂがネック比表面積率が１０％以下の生焼け状態の焼成体層とされており、かつ多孔質であるため、応力が確実に吸収される。従って、それによっても、剥離を抑制することができる。
【００６６】
上記のように、ネック比表面積率が１０％以下の完全焼結には至っていない焼成体層からなる導電材層１３ａ，１３ｂと、緻密層としての完全焼結に至っている導電層１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂとを備える導電性セラミックスを用いることが好ましい。この場合、上記緻密層は、燃料電池セルと、上記ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層との間、及び金属層とネック比表面積率が１０％以下の焼成体層との間の少なくとも一方に配置されていてもよいが、上記緻密層は、少なくとも燃料電池セルと、ネック比表面積率が１０％以下の焼成体層との間に配置されることが好ましい。いずれの場合においても、完全焼結には至っていないネック比表面積率が１０％以下の焼成体層により、緻密層と燃料電池セルとを、及び／または金属層と緻密層とを確実に密着させることができる。なお、ここでいう、完全焼結に至っている緻密層とは、ネック比表面積率が８０％以上の焼成体層を指す。
【００６７】
上記のように、本実施形態によれば、電気的接続の信頼性を高め得ることを、具体的な実験例に基づき説明する。
【００６８】
図７は、上記実施形態としての、４個の燃料電池セル２をスタックしてなる実施例の燃料電池スタックの１段の燃料電池セル及び比較例としての単一の燃料電池セルの電流密度とセル１段あたりの電圧との関係を示す図である。
【００６９】
なお、比較例の燃料電池セルは、実施例の燃料電池スタックの１段のセルと同様にして構成した。また、使用した材料の熱膨張係数は以下の表２に示す通りである。
【００７０】
【表２】
2015045986.tif 000005
【００７１】
図７から明らかなように、実施例の燃料電池スタックの発電特性は単一のセルとほぼ同等であることが確かめられる。
【００７２】
次に、上記燃料電池スタック１の製造方法を説明する。上記実施形態の燃料電池スタック１の製造に際しては、複数の燃料電池セル２を用意する。そして、燃料電池セル２，２間に、前述した接合部４を構成する材料を挟み込む。この場合に導電材層１３ａ，１３ｂは前述したＬＳＭの仮焼粉末とバインダー樹脂とを含むシートからなる。また導電層１４ａ，１４ｂ，１２ａ，１２ｂは、前述した比較的比表面積が大きいＬＳＭ粉末を主体とする導電ペースト層からなる。なお、比表面積は仮焼温度で調整する。
【００７３】
スペーサ１６ａ，１６ｂの両面にガラスセラミックスからなる接着剤層１５ａ〜１５ｃを塗布し、各部材を図１に示すように積層する。この状態で、荷重を積層方向に加えながら、ガラスセラミックスからなる接着剤層１５ａ〜１５ｃの硬化のための熱処理を施す。すなわち、１０００〜１３００℃の温度で２時間維持する。その結果、接着剤層１５ａ〜１５ｃにより、燃料電池セル２，２同士が強固に接合される。同時に、導電ペーストの硬化により導電層１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂが形成される。ここでは、導電ペーストが焼成される。他方、導電材層１３ａ，１３ｂでは、前述したネック比表面積率が１０％以下の生焼けの状態となる。
【００７４】
このようにして燃料電池スタック１を得ることができる。
【００７５】
本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態の燃料電池スタックは、金属層１１が、金属板ではなく、金属メッシュからなる。その他の構成は上記第１の実施形態と同様であるため、第１の実施形態の説明を援用することにより、詳細な説明は省略する。
【００７６】
金属層１１は、金属メッシュにより構成されてもよい。図８は、金属層１１を、Ｐｔメッシュ８０メッシュ、φ０．０７６ｍｍを用いた場合の燃料電池スタックの電流密度と、セル一段あたりの電圧との関係を示す図である。
【００７７】
図８の実線を図７の破線と比較すれば明らかなように、単一のセルの場合と同等の発電特性を示した。このように、金属層１１として、金属メッシュを用いてもよく、あるいは金属発泡体もしくは多孔質金属を用いてもよい。金属メッシュ、金属発泡体または多孔質金属を用いた場合、熱が加えられた際の応力に対する追随性を高めることができ、それによって電気的接続の信頼性をより一層高めることができる。
【００７８】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックに用いられる導電材の部分切欠き平面図である。導電材層１３Ａは、図示のように格子状の形状を有している。従って複数の貫通孔１３ｘを有する。第１の実施形態では、導電材層１３ａ，１３ｂはシート状の形状を有していたが、このような格子状の形状を有していてもよい。同様に、導電層１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂについても、同じく格子状の形状を有していてもよい。さらには、金属層１１についても、上記格子状の形状を有していてもよい。
【００７９】
すなわち、上方の燃料電池セル２の発電部２ｂと下方の燃料電池セル２の発電部２ｂとを接合する部分において、金属層、導電材層及び導電層は、シート状である必要は必ずしもなく、多数の空隙を有する格子状、メッシュ状等の形状であってもよく、あるいは多数のストライプ部分が平行に設けられている形状であってもよい。すなわち、電気的接続が確保される限り、上方の発電部２ｂと下方の発電部２ｂとは、全面的に接続されている必要は必ずしもない。特に、燃料電池セル２の表面には、凹凸が存在するのが一般的である。従って、むしろ、凹凸を有するように電気的接続部分表面を構成することが望ましいこともある。従って、上記のように、格子状等の形状を用いてもよい。
【００８０】
さらに、図１０に示す第４の実施形態のように、導電材層１３ａ，１３ｂの主面に凹凸を設けてもよい。
【００８１】
図１１は、第５の実施形態に係る燃料電池スタックを示す模式的部分切欠き正面断面図である。本実施形態では、第１の実施形態におけるスペーサ１６ａ，１６ｂが設けられていない。代わりに、上方の燃料電池セル２が、下方に延びる突出部２ｘを有する。この突出部２ｘの下端面が、接着剤層１５により下方の燃料電池セル２の上面に接合されている。下方の燃料電池セル２もまた、下方に突出している突出部２ｘを有している。このように、燃料電池セル２，２間を接合するに際し、上記スペーサを用いずに、燃料電池セル２自体に、スペーサとして機能する突出部２ｘを設けてもよい。
【００８２】
さらに、図１２に示す第６の実施形態では、上記スペーサ１６ａ，１６ｂや突出部２ｘを設けずに、接着剤層１５により上方の燃料電池セル２と下方の燃料電池セル２とを接合している。このように、接着剤層１５の厚みを厚くしてスペーサを省略してもよい。
【００８３】
図１３は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタックを示す正面断面図である。第７の実施形態の燃料電池スタック３１は、図１に示されていた導電層１２ａ，１２ｂ及び導電層１４ａ，１４ｂが設けられていないことを除いては、第１の実施形態と同様に構成されている。より具体的には、導電材層１３ａにより、燃料電池セル２と、金属層１１とが接合されている。同様に、導電材層１３ｂにより、金属層１１と燃料電池セル２とが接合されている。
【００８４】
導電材層１３ａ，１３ｂは前述したように焼結に至っていないセラミック材料により構成されている。従って、導電材層１３ａ，１３ｂは、前述した導電層１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂが用いられておらずとも、焼結に至らない生焼け状態の焼成体層であるため、荷重熱処理により確実に金属層１１や燃料電池セル２に密着する。すなわち、荷重熱処理による接合により、燃料電池セル２や金属層１１の表面の形状に適い合うように導電材層１３ａ，１３ｂが接合される。従って、接合部分における電気的接続の信頼性は十分に高められる。このように、本発明においては、上記導電層１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂは必ずしも設けられずともよい。
【符号の説明】
【００８５】
１…燃料電池スタック
２…燃料電池セル
２ａ…流路構成部
２ｂ〜２ｅ…発電部
２ｘ…突出部
４…接合部
５…セパレータ
５ａ，５ｂ…貫通孔
５ｃ…インターコネクタ
６…燃料極層
６ａ，６ｂ…スリット
７…固体酸化物電解質層
７ａ，７ｂ…貫通孔
８…空気極層
８ａ，８ｂ…スリット
９…セパレータ
９ａ，９ｂ…貫通孔
９ｃ…インターコネクタ
１１…金属層
１２ａ，１２ｂ…導電層
１３ａ，１３ｂ，１３Ａ…導電材層
１３ｘ…貫通孔
１４ａ，１４ｂ…導電層
１５，１５ａ〜１５ｃ…接着剤層
１６ａ，１６ｂ…スペーサ
３１…燃料電池スタック
【図１】
2015045986.tif 000006
【図２】
2015045986.tif 000007
【図３】
2015045986.tif 000008
【図４】
2015045986.tif 000009
【図５】
2015045986.tif 000010
【図６】
2015045986.tif 000011
【図７】
2015045986.tif 000012
【図８】
2015045986.tif 000013
【図９】
2015045986.tif 000014
【図１０】
2015045986.tif 000015
【図１１】
2015045986.tif 000016
【図１２】
2015045986.tif 000017
【図１３】
2015045986.tif 000018
【図１４】
2015045986.tif 000019
【国際調査報告】
2015045986.tif 000020
2015045986.tif 000021
2015045986.tif 000022
2015045986.tif 000023