(57)【要約】【課題】  接合強度に優れたガスシール部を形成でき熱応力に対して強靭であると共に、接合剤のタレを抑制して歩留り良く製造することができる固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】  本燃料電池は、発電層２を備え、積層部材３１，３２，３３と被積層部材２１とを金属を主成分とする接合剤で接合して両部材間にガスシール部１０を形成してなり、積層部材及び被積層部材のうちの少なくとも積層部材には、その接合縁部の少なくとも一部に、接合剤が溜まり得る溜まり部３１１，３２１，３３１を設けて構成される。上記積層部材が耐熱金属からなることが好ましい。さらに、上記溜まり部が面取り部で形成されていることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体（２１）、該固体電解質体の一方の面に設けられた燃料極（２２）、及び他方の面に設けられた空気極（２３）を有する発電層（２）を備え、積層部材（３１，３２，３３、７１）と被積層部材（２１、８）とを金属を主成分とする接合剤で接合して両部材間にガスシール部（１０）を形成してなる固体電解質型燃料電池（１、１’）において、
前記積層部材及び前記被積層部材のうちの少なくとも該積層部材には、その接合縁部の少なくとも一部に、前記接合剤が溜まり得る溜まり部（３１１，３２１，３３１、７１１，７２１）を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記積層部材が耐熱金属からなる請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記溜まり部が面取り部（３１１，３２１，３３１、７１１，７２１）で形成されている請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記被積層部材がセラミックからなり、該被積層部材に、前記積層部材の接合面からはみ出るはみ出し部（２１１、８１）を設けた請求項２又は３に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記積層部材が、前記発電層と他の発電層とを隔離するための耐熱金属からなるセパレータ（３１，３２，３３）であり、前記被積層部材が前記固体電解質体（２１）である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記積層部材が、前記発電層を収容するための耐熱金属からなる金属枠体（７１）であり、前記被積層部材が、前記発電層を収容するためのセラミックからなるセラミック枠体（８）である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、さらに詳しくは、接合強度に優れたガスシール部を形成でき熱応力に対して強靭であると共に、接合剤のタレを抑制して歩留り良く製造することができる固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来一般に、平板型の固体電解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣとも記載する。）は、複数の単セルを積層した構造体（以下、スタックとも記載する。）として使用される。平板型ＳＯＦＣスタックの一般的な構造としては、例えば、イットリア安定化ジルコニヤ（ＹＳＺ）からなる固体電解質板に、ニッケルとＹＳＺとからなる燃料極と、ペロブスカイト複合酸化物｛例えば、ランタンマンガンナイト（ＬＳＭ）等｝からなる空気極とが形成された発電層を有する単セルが、ランタンクロマイト系複合酸化物もしくは耐熱金属からなるセパレータを介して積層されたものが知られている。この固体電解質板とセパレータとは、ガラス質のシール材で気密シールされている。
【０００３】
また、近年はＹＳＺなどの固体電解質板を極力薄く形成して内部抵抗を低減し、８００℃以下の比較的低温でＳＯＦＣを動作させる研究が活発化しており、セパレータ材に安価な金属材料を適用することが注目されている。特に安価なステンレス材を適用できれば大幅なコストダウンが可能となるが、シール材にガラス質をしている限り、接合の信頼性の向上は望めない。
【０００４】
そこで、本発明者らは、この問題を解決するために、例えば、ＡｇとＰｄを主成分とした接合剤を用いてガスシール部を形成してなるＳＯＦＣを提案している（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
しかし、上述の接合部構造では、接合強度に優れたガスシール部は達成できたものの、導電性を有する金属質の接合剤を用いたことで、接合面の形状と接合剤の塗布量とによっては、接合剤のタレが発生して短絡不良となる可能性があり、その結果、歩留りが低下する恐れがあった。
【０００５】
【特許文献１】特願２００２−３７７８４６号公報
【特許文献１】特願２００２−３７７８４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上より本発明は、上記従来技術で示した問題を解決するため、接合強度に優れたガスシール部を形成でき熱応力に対して強靭であると共に、接合剤のタレを抑制して歩留り良く製造することができる固体電解質型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】
本発明は、以下の通りである。
［１］  固体電解質体、該固体電解質体の一方の面に設けられた燃料極、及び他方の面に設けられた空気極を有する発電層を備え、積層部材と被積層部材とを金属を主成分とする接合剤で接合して両部材間にガスシール部を形成してなる固体電解質型燃料電池において、
前記積層部材及び前記被積層部材のうちの少なくとも該積層部材には、その接合縁部の少なくとも一部に、前記接合剤が溜まり得る溜まり部を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
［２］  前記積層部材が耐熱金属からなる上記［１］記載の固体電解質型燃料電池。
［３］  前記溜まり部が面取り部で形成されている上記［２］記載の固体電解質型燃料電池。
［４］  前記被積層部材がセラミックからなり、該被積層部材に、前記積層部材の接合面からはみ出るはみ出し部を設けた上記［２］又は［３］に記載の固体電解質型燃料電池。
［５］  前記積層部材が、前記発電層と他の発電層とを隔離するための耐熱金属からなるセパレータであり、前記被積層部材が前記固体電解質体である上記［１］乃至［４］のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
［６］  前記積層部材が、前記発電層を収容するための耐熱金属からなる金属枠体であり、前記被積層部材が、前記発電層を収容するためのセラミックからなるセラミック枠体である上記［１］乃至［４］のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の固体電解質型燃料電池によると、積層部材と被積層部材とが金属を主成分とする接合剤で接合され、余剰な接合剤は積層部材に設けた溜まり部に溜められる。従って、接合強度に優れたガスシール部を形成でき、熱応力に対して強靭なものとすることができる。また、接合剤のタレの発生を抑制して短絡不良の発生を効果的に抑制でき、歩留り良く製造することができる。
また、前記積層部材が耐熱金属からなる場合は、溜まり部の加工性を向上させることができる。
また、前記溜まり部が面取り部で形成されている場合は、溜まり部の加工性をより向上させ得ると共に、接合面積の減少を極力抑えながら余剰な接合剤をより効率良く溜められる。
また、前記被積層部材がセラミックからなり、該被積層部材に、前記積層部材の接合面からはみ出るはみ出し部を設けた場合は、接合剤のタレの発生を極力抑えて短絡不良の発生をより効果的に抑制できる。
また、前記積層部材が、前記発電層と他の発電層とを隔離するための耐熱金属からなるセパレータであり、前記被積層部材が前記固体電解質体である場合は、いわゆる自立膜タイプの固体電解質型燃料電池を、熱応力に対して強靭な構造とすることができると共に、歩留り良く製造することができる。
さらに、前記積層部材が、前記発電層を収容するための耐熱金属からなる第１枠部材であり、前記被積層部材が、前記発電層を収容するためのセラミックからなる第２枠部材である場合は、いわゆる支持膜タイプの固体電解質型燃料電池を、熱応力に対して強靭な構造とすることができると共に、歩留り良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
１．固体電解質型燃料電池
本実施形態に係る固体電解質型燃料電池は、以下に述べる１又は２以上の発電層を備えている。この固体電解質型燃料電池は、後述する積層部材及び被積層部材を接合剤で接合して両部材間にガスシール部を形成してなる。
【００１０】
上記「発電層」は、固体電解質体、この固体電解質体の一方の面に設けられた燃料極、及び他方の面に設けられた空気極を有している。この固体電解質体は、電池の動作時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される支燃性ガスのうち一方の少なくとも一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。どのようなイオンを伝導することができるかは特に限定されないが、イオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、上記燃料極は、水素源となる燃料ガスと接触し、平板型ＳＯＦＣにおける負電極として機能する。さらに、上記空気極は、酸素源となる支燃性ガスと接触し、平板型ＳＯＦＣにおける正電極として機能する。
【００１１】
上記「積層部材」は、その接合縁部の少なくとも一部に後述の溜まり部が設けられている限り、その材質、用途、形状等は特に問わない。この積層部材の材質としては、例えば、耐熱金属、セラミック等を挙げることができる。後述の溜まり部の加工性といった観点から、この積層部材が耐熱金属からなることが好ましい。この耐熱金属の具体例としては、例えば、Ｆｅ基合金、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等が挙げられる。このＦｅ基合金としては、例えば、日立金属（株）製の実用Ｆｅ−Ｃｒ系合金ＺＭＧ２３２等が挙げられる。また、ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。また、ニッケル基合金としては、インコネル６００（登録商標）、インコネル７１８（登録商標）、インコロイ８０２（登録商標）等が挙げられる。また、クロム基合金としては、Ｄｕｃｒｌｌｏｙ  ＣＲＦ（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ２Ｏ３）等が挙げられる。
【００１２】
上記セラミックの具体例としては、例えば、酸化物系セラミック、窒化物系セラミック、炭化物系セラミック、ケイ化物系セラミックなどが挙げられる。酸化物系セラミックとしては、ジルコニア、マグネシア、スピネル、アルミナ、チタニア等が挙げられる。また、２種以上の元素を含有する複合酸化物からなるセラミックが挙げられる。窒化物系セラミックとしては、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等が挙げられる。炭化物系セラミックとしては、炭化ケイ素、炭化タングステン等が挙げられる。ケイ化物系セラミックとしては、ケイ化モリブデン等が挙げられる。これらのセラミックは、積層部材の用途等によって選択することができる。
【００１３】
この積層部材の用途としては、平板型ＳＯＦＣの構造にもよるが、例えば、（１）上記発電層とこの発電層に積層される他の発電層とを隔離するためのセパレータ、（２）上記発電層における燃料ガスの流路と支燃性ガスの流路とを隔離するためのセパレータ、（３）上記発電層を収容するための枠体、（４）上記固体電解質体等を挙げることができる。この積層部材の形状は、その用途等に応じて適宜選択することができる。
【００１４】
尚、上記「接合縁部」とは、通常、積層部材の接合面部における外周側及び／又は内周側の縁部を意味する。但し、内部マニホールド型の平板型ＳＯＦＣでは、この接合縁部が、積層部材の接合面部におけるマニホールドの周囲側の縁部であることができる。このようにマニホールドの周縁部に後述の溜まり部を形成する場合であっても、ガスシール部の接合強度の向上及び接合剤のタレ抑制等を十分効果的に発揮できる。
【００１５】
上記「溜まり部」は、後述する接合剤を溜め得る限り、その形状、配設位置、加工方法等は特に問わない。ガスシール部の接合強度及び接合剤の収容性といった観点から、この溜まり部材が、接合面積の減少を極力抑えながら余剰な接合剤を効果的に収容できる空間形状を有することが好ましい。この空間形状としては、例えば、面取り部、Ｒ部（フィレット部）、少なくとも２方向に開口する切り欠き部、１方向にのみ開口する溝部等を挙げることができる。また、この溜まり部は、例えば、上記接合縁部に沿って連続的に設けられたり、接合縁部に沿って間欠的に設けられたりできる。
【００１６】
上記「被積層部材」は、上記積層部材に積層される限り、その材質、用途、形状等は特に問わない。この被積層部材の材質としては、例えば、耐熱金属、セラミック等を挙げることができる。この耐熱金属及びセラミックとしては、例えば、上記積層部材で例示したもの等を適用することができる。また、この被積層部材の用途及び形状としては、例えば、上記積層部材で例示したもの等を適用することができる。また、この被積層部材は、例えば、上記積層部材と同様にして、その接合縁部の少なくとも一部に上述の溜まり部が設けられていることができるが、加工性といった観点から、この被積層部材には、上述の溜まり部が設けられていないことが好ましい。
【００１７】
ここで、上記積層部材及び上記被積層部材としては、例えば、（１）積層部材が耐熱金属であり且つ被積層部材がセラミックである形態、（２）積層部材及び被積層部材が耐熱金属である形態、（３）積層部材がセラミックであり且つ被積層部材が耐熱金属である形態等を挙げることができる。
積層部材に対する溜まり部の加工性といった観点から、上記（１）（２）形態が好ましい。特に、上記（１）形態では、金属とセラミックとの接合面は、金属質の接合剤の濡れ性が悪いことがあり、余剰な接合剤が、局所的に集まって接触角の小さな球形状になりやすく、比較的薄く形成された被積層部材（セラミック）を超えて短絡不良を発生させる可能性があるため、上記溜まり部の形成が効果的である。
【００１８】
上記（１）形態の場合、被積層部材が、積層部材の接合面から側方にはみ出るはみ出し部を有することが好ましい。この「はみ出し部」は、接合剤のタレを抑制する機能を発揮し得る限り、その形状、はみ出し量、配設位置等は特に問わない。このはみ出し部は、例えば、接合後に研削等により除去することができる。これにより、セラミック部材のカケ発生を防止することができる。また、内部マニホールド型の平板型ＳＯＦＣ等では、はみ出し部がガス流の抵抗となる場合があるが、これを解消することができ、しかも除去工程を備えた方が歩留り的に有利な場合もある。
【００１９】
上記（１）形態の具体例としては、例えば、後述の実施例１に示すように、自立膜タイプの平板型ＳＯＦＣにおいて、上記積層部材が、上記発電層とこの発電層に積層される他の発電層とを隔離するための耐熱金属からなるセパレータ３１，３２，３３であり、上記被積層部材が上記発電層を構成する固体電解質体２１である形態等を挙げることができる（図１参照）。
また、上記（１）形態の具体例としては、例えば、後述の実施例２に示すように、支持膜タイプの平板型ＳＯＦＣにおいて、上記積層部材が、上記発電層を収容するための耐熱金属からなる第１金属枠体７１であり、上記被積層部材が、上記発電層を収容するためのセラミックからなるセラミック枠体８である形態を挙げることができる（図６参照）。
また、上記（２）形態の具体例としては、例えば、後述の実施例２に示すように、支持膜タイプの平板型ＳＯＦＣにおいて、（ａ）上記積層部材が、上記発電層を収容するための耐熱金属からなる第１及び第２金属枠体７１，７２であり、上記被積層部材が、上記発電層とこの発電層に積層される他の発電層とを隔離するための耐熱金属からなるセパレータ３１，３２，３３である形態、（ｂ）上記積層部材が、上記発電層を収容するための耐熱金属からなる第２金属枠体７２であり、上記被積層部材が、上記発電層における燃料ガスの流路と支燃性ガスの流路とを隔離するためのセパレータ９である形態等を挙げることができる（図６参照）。
【００２０】
上記「接合剤」は、金属を主成分とする限り、その材質、接合方法等は特に問わない。この金属としては、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等のうちの１種又は２種以上の組み合わせ等を挙げることができる。なお、上記「主成分とする」とは、接合剤を１００質量％とした場合に、主成分となる金属の合計が５０質量％以上であることを意味し、その主成分は７０〜９８質量％、特に９０〜９８質量％、更には９３〜９７質量％含有されていることが特に好ましい。
【００２１】
この接合剤は、例えば、ＡｇとＰｄとを含有することができる。これにより、後述するガスシール部の接合強度を向上させることができる。この場合、上記Ａｇ及びＰｄの各々の含有量は特に限定されないが、ＡｇとＰｄとの合計を１００質量％とした場合に、Ａｇの含有量は９０〜９８質量％、特に９３〜９７質量％、Ｐｄの含有量は２〜１０質量％、特に３〜７質量％であることが好ましい。Ａｇの含有量が９８質量％を越えると、即ち、Ｐｄの含有量が２質量％未満であると、接合剤の耐酸化性等が低下し、十分な耐久性を有する接合部を形成することができない場合がある。一方、Ａｇの含有量が９０質量％未満であると、即ち、Ｐｄの含有量が１０質量％を越えると、接合時に接合剤が十分に流動せず、接合部のシール性が低下する傾向にある。
【００２２】
この接合剤は、例えば、上記Ａｇ及びＰｄの他に、更にＣｕ及び／又はＴｉを含有していることができる。Ｃｕが含有されている場合、Ｃｕが含有されていない接合剤に比べてより多量のＰｄを含有していても、十分な流動性を有し、優れたシール性が維持される。このＣｕが含有されている場合のＡｇ、Ｐｄ及びＣｕの各々の含有量は特に限定されないが、Ａｇ、Ｐｄ及びＣｕの合計を１００質量％とした場合に、Ａｇの含有量は４５〜６５質量％、特に５０〜６０質量％、Ｐｄの含有量は１５〜３５質量％、特に２０〜３０質量％、Ｃｕの含有量は１０〜３０質量％、特に１５〜２５質量％であることが好ましい。
また適量のＴｉを含有することにより、接合温度が比較的低い場合でも、特に大きな接合強度が得られる。このＴｉの含有量は、Ａｇ、Ｐｄ及びＴｉの合計を１００質量％とした場合に、又はＣｕが含有されているときは、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕ及びＴｉの合計を１００質量％とした場合に、０．０５〜１０質量％であることが好ましく、特に０．０５〜８質量％、更には０．０５〜６質量％であることがより好ましい。
【００２３】
この接合剤の接合温度は特に限定されないが、接合剤の流動性及び接合強度といった観点から、流動性を接合剤の固相点温度以上で、且つ液相点温度を５０℃越える温度以下とすることが好ましい。また、この接合剤の接合雰囲気は、不活性雰囲気であれば特に限定されず、真空、及びアルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気とすることができる。接合雰囲気は特に真空であることが好ましく、真空雰囲気であれば接合強度を大きく向上させることができる。尚、真空の程度は１０Ｐａ以下、特に１×１０−２〜１Ｐａとすることが好ましい。
【実施例１】
【００２４】
以下、図面を用いて実施例１により本発明を具体的に説明する。
（１）燃料電池の構造
本実施例１に係る自立膜タイプの平板型ＳＯＦＣスタック１では、２個の単セルが、耐熱金属からなるセル間セパレータ３１（本発明に係る「積層部材」として例示する。）を介して積層された構造を備える。各々の単セルの備える発電層２は、Ｓｃにより安定化されたジルコニア（ＳｃＳＺ）からなり、厚さが２００μｍの固体電解質体２１（本発明に係る「被積層部材」として例示する。）と、その下面に設けられ、ＮｉとＳｃＳＺとからなる厚さが３０μｍの燃料極２２と、上面に設けられ、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物からなる厚さが３０μｍの空気極２３とを有する。この固体電解質体２１、燃料極２２及び空気極２３は、いずれも平面形状が正方形であり、固体電解質体２１は燃料極２２及び空気極２３より面積が大きく、燃料極２２と空気極２３は同じ大きさであって、対向した位置に設けられている。
【００２５】
上層の発電層２の上側には、耐熱金属からなる上部セパレータ３２（本発明に係る「積層部材」として例示する。）が配設されている。さらに、下層の発電層２の下側には、耐熱金属からなる下部セパレータ３３（本発明に係る「積層部材」として例示する。）が配設されている。また、このセル間セパレータ３１の上面には燃料ガスの流路４１が、下面には支燃性ガスの流路４２が形成されている。また、上部セパレータ３２の下面には支燃性ガスの流路４２が形成されている。また。下部セパレータ３３の上面には燃料ガスの流路４１が形成されている。
【００２６】
なお、上記セル間セパレータ３１、上部セパレータ３２、及び下部セパレータ３３は、日立金属（株）製の実用Ｆｅ−Ｃｒ系合金ＺＭＧ２３２により形成されている。また、上層の発電層２の上面に更に他の発電層が積層された場合、上部セパレータ３２がセル間セパレータとして機能することになる。更に、下層の発電層２の下面に更に他の発電層が積層された場合、下部セパレータ３３がセル間セパレータとして機能することになる。
【００２７】
また、上層の発電層２において、上部セパレータ３２の下面周縁と固体電解質体２１の上面周縁、固体電解質体２１の下面周縁とセル間セパレータ３１の上面縁側、はＴｉとＰｄを含有するＡｇを主成分とした接合剤でそれぞれ接合され、ガスシール部１０が形成されている。
また、下層の発電層２において、セル間セパレータ３１の下面周縁と固体電解質体２１の上面周縁、固体電解質体２１の下面周縁と下部セパレータ３３の上面周縁、はＴｉとＰｄを含有するＡｇを主成分とした接合剤でそれぞれ接合され、ガスシール部１０が形成されている。
【００２８】
また、図２に示すように、セル間セパレータ３１及び下部セパレータ３３のそれぞれの接合面部での外周側及び内周側の周縁部（接合縁部）には、接合剤の溜まり部として機能する面取り部３１１，３３１が形成されている。これらの面取り部３１１，３３１は、４５度の面取り面を有している。なお、図示は省略するが、上部セパレータ３２の接合面部での外周側及び内周側の周縁部にも、上記面取り部３１１，３３１と同様な面取り部３２１が形成されている。
【００２９】
（２）燃料電池の作用・効果
この固体電解質型燃料電池１においては、上記固体電解質体２１及び燃料極２２として、イオン導電率がＹＳＺより２倍程度高いＳｃＳＺ材料を使用しているため、７５０℃程度の作動温度でも安定した電流を取り出すことができる。そのため、セラミックではなく耐熱金属（ＺＭＧ２３２）からなる各セパレータ３１，３２，３３を使用することができる。また、Ａｇ、Ｐｄ及び少量のＴｉを含有する特定の接合剤を用いたので、固体電解質体２１と各セパレータ３１，３２，３３とを強固に接合することができる。また、各セパレータ３１，３２，３３の接合縁部に沿って面取り部３１１，３２１，３３１をそれぞれ設けたので、接合時の余剰な接合剤が溜まり部３１１，３２１，３３１に溜められ、接合剤のタレの発生を抑制して短絡不良の発生を効果的に防止できる。その結果、熱応力に対して強靭な構造の燃料電池を、歩留り良く製造することができる。これに対して、図３に示すように、各セパレータ３１Ａ，３３Ａの接合縁部に面取り部が設けられていない比較例１では、接合剤のタレにより短絡不良Ｓが発生する場合がある。
【００３０】
なお、上記実施例１の燃料電池１では、固体電解質体２１の外周端位置と各セパレータ３１，３２，３３の外周端位置とが略同じとなるようにしたが、これに限定されず、例えば、図４に示すように、固体電解質体２１に、各セパレータ３１，３２，３３の接合面から横側方にはみ出るはみ出し部２１１を設けるようにしてもよい。これにより、接合剤のタレ、即ち短絡不良をより確実に防止することができる。なお、このはみ出し部２１１は、セラミック部材のカケの原因となることもあるため、接合後に研削除去することが好ましい。
【実施例２】
【００３１】
以下、図面を用いて実施例２により本発明を具体的に説明する。
（１）燃料電池の構造
本実施例２に係る支持膜タイプの平板型ＳＯＦＣスタック１’では、図５及び図６に示すように、３個の単セルが、耐熱金属からなる２個のセル間セパレータ３１（本発明に係る「被積層部材」として例示する。）を介して積層されている。各々の単セルが備える発電層２は、ＮｉとＹＳＺのサーメットからなり、厚さが１０００μｍの燃料極２２を基板としている。この燃料極２２の表面には、ＹＳＺのサーメットからなり、厚さが３０μｍの固体電解質体２１が形成されている。この燃料極２２及び固体電解質体２１は、その平面形状が正方形であり、同じ面積となっている。更に、この固体電解質体２１の表面には、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物からなり、厚さが３０μｍの空気極２３が形成されている。この空気極２３は、その平面形状が正方形であり、固体電解質体２１より小さな面積となっている。
【００３２】
上部の単セルは、セル間セパレータ３１の上面に配設されたニッケルフェルト層５、基板となる燃料極２２、固体電解質体２１、空気極２３、及びインコネル繊維メッシュ層６をこの順に備えている。このインコネル繊維メッシュ層６の上側には、耐熱金属からなる上部セパレータ３２（本発明に係る「被積層部材」として例示する。）が配設されている。また、上部の単セルは、発電層２を収容するための耐熱金属からなる第１金属枠体７１及び第２金属枠体７２（本発明に係る「積層部材」として例示する。）を備えている。また、上部の単セルは、発電層２を収容するための絶縁性セラミックであるＭｇＯ−ＭｇＡｌ２Ｏ４焼結体からなるセラミック枠体８（本発明に係る「被積層部材」として例示する。）を備えている。さらに、上部の単セルは、発電層２における燃料ガスの流路４１と支燃性ガスの流路４２とを隔離するための耐熱金属からなる隔離セパレータ８を備えている。
【００３３】
また、中間部の単セルは、下側のセル間セパレータ３１の上面に配設されたニッケルフェルト層５、基板となる燃料極２２、固体電解質体２１、空気極２３、及びインコネル繊維メッシュ層６をこの順に備える。また、この中間部の単セルは、上部の単セルと同様にして、第１金属枠体７１、第２金属枠体７２、セラミック枠体８、及び隔離セパレータ９を備えている。
さらに、下部の単セルは、下部セパレータ３３の上面に配設されたニッケルフェルト層５、基板となる燃料極２２、固体電解質体２１、空気極２３及びインコネル繊維メッシュ層６をこの順に備える。また、この下部の単セルは、上部単セル及び中間部単セルと同様にして、第１金属枠体７１、第２金属枠体７２、セラミック枠体８、及び隔離セパレータ９を備えている。
なお、上記各セパレータ３１，３２，３３、第１及び第２金属枠体７１，７２、及び隔離セパレータ９は、日立金属（株）製の実用Ｆｅ−Ｃｒ系合金ＺＭＧ２３２により形成されている。また、上部単セルの上面に更に他の単セルが積層された場合、上部セパレータ３２がセル間セパレータとして機能することになる。更に、下部単セルの下面に更に他の単セルが積層された場合、下部セパレータ３３がセル間セパレータとして機能することになる。
【００３４】
上部の単セルにおいて、上部セパレータ３２の下面周縁と第１金属枠体７１の上面、第１金属枠体７１の下面とセラミック枠体８の上面、セラミック枠体８の下面と隔離セパレータ９の上面、隔離セパレータ９の下面と固体電解質体２１の上面周縁、隔離セパレータ９の下面と第２金属枠体７２の上面、第２金属枠体７２の下面とセル間セパレータ３１の上面周縁、はそれぞれＴｉとＰｄを含有するＡｇを主成分とした接合剤で接合され、それぞれの部材間にガスシール部１０が形成されている。
また、上記中間部の単セルにおいて、セル間セパレータ３１の下面周縁と第１金属枠体７１の上面、第１金属枠体７１の下面とセラミック枠体８の上面、セラミック枠体８の下面と隔離セパレータ９の上面、隔離セパレータ９の下面と固体電解質体２１の上面周縁、隔離セパレータ９の下面と第２金属枠体７２の上面、第２金属枠体７２の下面とセル間セパレータ３１の上面周縁、はそれぞれＴｉとＰｄを含有するＡｇを主成分とした接合剤で接合され、それぞれの部材間にガスシール部１０が形成されている。
さらに、下部の単セルにおいて、セル間セパレータ３１の下面周縁と第１金属枠体７１の上面、第１金属枠体７１の下面とセラミック枠体８の上面、セラミック枠体８の下面と隔離セパレータ９の上面、隔離セパレータ９の下面と固体電解質体２１の上面周縁、隔離セパレータ９の下面と第２金属枠体７２の上面、第２金属枠体７２の下面と下部セパレータ３３の上面周縁、はそれぞれＴｉとＰｄを含有するＡｇを主成分とした接合剤で接合され、それぞれの部材間にガスシール部１０が形成されている。
【００３５】
上部単セル及び中間部単セルにおける第１金属枠体７１、第２金属枠体７２、セラミック枠体８、隔離セパレータ９、下部単セルにおける第１金属枠体７１、上部セパレータ３２、及びセル間セパレータ３１には、支燃性ガス導入管４２１及び支燃性ガス排出管４２２が貫通形成されている。これらの支燃性ガス導入管４２１及び支燃性ガス排出管４２２は、各々の単セルの空気極２３に対応するガス流路４２に開口している。
また、下部単セル及び中間部単セルにおける第１金属枠体７１、第２金属枠体７２、セラミック枠体８、隔離セパレータ９、上部単セルにおける第２金属枠体７２、下部セパレータ３３、及びセル間セパレータ３１には、燃料ガス導入管及び燃料ガス排出管（図示せず）が貫通形成されている。これらの燃料ガス導入管及び燃料ガス排出管は、各々の単セルの燃料極２２に対応するガス流路４１に開口している。
【００３６】
各々の単セルでは、図７に示すように、第１金属枠体７１の接合面部における、外周側及び内周側の周縁部とマニホールド（上記各種ガス導入管、排出管）の周縁部とに、接合剤の溜まり部としての機能を発揮する面取り部７１１が形成されている。この面取り部７１１は、４５度の面取り面を有している。
また、各々の単セルでは、第２金属枠体７２の接合面部における、外周側及び内周側の周縁部とマニホールド（上記各種ガス導入管、排出管）の周縁部とに、上記面取り部７１１と同様の面取り部７２１が形成されている。
【００３７】
（２）燃料電池からの電力の取り出し
この平板型ＳＯＦＣスタック１’では、上部単セルの燃料極２２は、ニッケルフェルト層５を介してセル間セパレータ３１と電気的に接続されている。このセル間セパレータ３１は、インコネル繊維メッシュ層６を介して中間部単セルの空気極２３と電気的に接続されている。また、中間部単セルの燃料極２２は、ニッケルフェルト層５を介してセル間セパレータ３１と電気的に接続されている。このセル間セパレータ３１は、インコネル繊維メッシュ層６を介して下部単セルの空気極２３と電気的に接続されている。このように上部単セル、中間部単セル及び下部単セルは各々直列に接続されている。また、スタックを所定の作動温度に昇温させ、燃料ガス導入管に水素等の燃料ガスを導入して燃料極２２と接触させ、支燃性ガス導入管４２１に空気等の支燃性ガスを導入して空気極２３と接触させることにより、燃料極２２と空気極２３との間に起電力が生じ、この電力を外部に取り出すことにより発電装置として機能させることができる。電力は、燃料極側においては下部単セルの下面に配設されたニッケルフェルト層５を介して下部セパレータ３３に取り出され、空気極側においては上部単セルの上面に配設されたインコネル繊維メッシュ層６を介して上部セパレータ３２に取り出され、上部セパレータ３２と下部セパレータ３３との間でスタック全体の電力を取り出すことができる。
【００３８】
（３）燃料電池の作用・効果
この固体電解質型燃料電池１’では、３個の発電層がそれぞれ燃料極支持型であり、この構造の場合、７００℃程度の作動温度でも電流を取り出すことができる。そのため、各セパレータ３１，３２，３３、第１及び第２金属枠体７１，７２を、セラミックではなく耐熱金属（ＺＭＧ２３２）により形成することができる。また、Ａｇ、Ｐｄ及び少量のＴｉを含有する特定の接合剤を用いたので、部材同士を強固に接合することができる。また、第１及び第２金属枠体７１，７２の接合縁部に沿って面取り部７１１，７２１をそれぞれ設けたので、接合時の余剰な接合剤が溜まり部７１１，７２１に溜められ、接合剤のタレの発生を抑制して、短絡不良の発生やマニホールド内部の閉塞を効果的に防止できる。その結果、熱応力に対して強靭な構造の燃料電池を、歩留り良く製造することができる。これに対して、図８に示すように、第１及び第２金属枠体７１Ａ，７２Ａの接合縁部に面取り部が設けられていない比較例２では、接合剤のタレにより短絡不良Ｓが発生する場合がある。
【００３９】
なお、上記実施例２の燃料電池１’では、セラミック枠体８の外周及び内周端位置と第１及び第２金属枠体７１，７２の外周及び内周端位置とが略同じとなるようにしたが、これに限定されず、例えば、図９に示すように、セラミック枠体８に、第１及び第２金属枠体７１，７２の接合面から外側にはみ出るはみ出し部８１を設けるようにしてもよい。これにより、接合剤のタレ、即ち短絡不良をより確実に防止することができる。なお、このはみ出し部８１は、セラミック部材のカケの原因やマニホールド内でのガス通過の抵抗となることもあるため、接合後に研削除去することが好ましい。
【００４０】
尚、本発明においては、上記実施例１及び実施例２に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、上記実施例１及び２では、接合剤の溜まり部として面取り部３１１，３２１，３３１，７１１，７２１を例示したが、これに限定されず、例えば、図１０に示すように、接合剤の溜まり部を、外側方及び上方（又は下方）を開放してなる切欠き部ａやスリット状の溝部ｂなどにより構成してもよい。さらに、曲面を有するＲ部（フィレット部）や多数の穴部等としてもよい。
また、上記実施例１及び２では、各部材の接合縁部に沿って連続的に形成される溜まり部を例示したが、これに限定されず、例えば、各部材の接合縁部に沿って間欠的に形成される溜まり部としてもよい。
【００４１】
また、上記実施例１では、各セパレータ３１，３２，３３の外周側及び内周側の接合縁部に溜まり部を形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、各セパレータ３１，３２，３３の外周側の接合縁部にのみ溜まり部を形成するようにしてもよい。
また、上記実施例１では、各セパレータ３１，３２，３３に溜まり部を形成するようにしたが、これに限定されず、各セパレータ３１，３２，３３と共に固体電解質体２１にも溜まり部を形成したり、各セパレータ３１，３２，３３に溜まり部を形成せずに固体電解質体２１のみに溜まり部を形成したりしてもよい。また、各セパレータ３１，３２，３３のうちの少なくとも１つのセパレータに溜まり部を形成するようにしてもよい。
【００４２】
また、上記実施例２では、各金属枠体７１，７２の外周側、内周側、及びマニホールド周囲側に溜まり部を形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、各金属枠体７１，７２の外周側及び内周側にのみ溜まり部を形成したり、各金属枠体７１，７２の外周側にのみ溜まり部を形成したりしてもよい。
また、上記実施例２では、各金属枠体７１，７２に溜まり部を形成するようにしたが、これに限定されず、各金属枠体７１，７２と共にセラミック枠体８にも溜まり部を形成したり、各金属枠体７１，７２に溜まり部を形成せずにセラミック枠体８のみに溜まり部を形成したりしてもよい。また、各金属枠体７１，７２のうちの一方の金属枠体にのみ溜まり部を形成するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
車両用、コジェネレーション用、分散電源用、火力発電代替用等の燃料電池の用途として好適に使用される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例１に係る燃料電池の縦断面を示す模式図である。
【図２】図１のＡ矢視部の拡大模式図である。
【図３】比較例１（溜まり部なし）を説明するための説明図である。
【図４】接合部構造のその他の形態を説明するための説明図である。
【図５】実施例２に係る燃料電池の外観斜視図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ線断面を示す模式図である。
【図７】図６のＢ矢視部の拡大模式図である。
【図８】比較例２（溜まり部なし）を説明するための説明図である。
【図９】接合部構造のその他の形態を説明するための説明図である。
【図１０】溜まり部のその他の形態を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１，１’；固体電解質型燃料電池、２；発電層、２１；固体電解質体、２１１；はみ出し部、２２；燃料極、２３；空気極、３１；セル間セパレータ、３２；上部セパレータ、３３；下部セパレータ、３１１，３２１，３３１；面取り部、７１；第１金属枠体、７２；第２金属枠体、７１１，７２１；面取り部、８；セラミック枠体、８１；はみ出し部、１０；ガスシール部。
【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】
2005174658.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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