JP2006172964A - 固体電解質型燃料電池のスタック構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスシールが容易になり、ガスのクロスリークが生じる可能性がほとんどない固体電解質型燃料電池のスタック構造体を提供する。
【解決手段】セル基板を兼ねる電解質層５と、この電解質層５を挟む一対の電極層３，４を具備したセル７を備えた固体電解質型燃料電池１を所定間隔で複数積層して成り、セル７の電解質層５には、この電解質層５上に位置する一対の電極層３，４のうちのいずれか一方の電極層４の両側でそれぞれ接合してセル７を支持する電気導伝性を有し且つセル基板を兼ねる電解質層５よりも変形し易く形成したセル配置用金属薄板８Ｉ，８Ｏを設け、これらのセル配置用金属薄板８Ｉ，８Ｏに跨って設けたセパレータ９で一方の電極層４を覆った。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の電極で固体電解質を挟持する構成を電池要素として有する固体電解質型燃料電池を所定間隔で複数積層して成る固体電解質型燃料電池のスタック構造体に関するものである。

従来の固体電解質型燃料電池のスタック構造体において、固体電解質型燃料電池には、例えば、多孔質体から成るセル基板及び一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を具備してこの電池要素をセル基板上に積層して成るセルを備えたものが用いられる。

この固体電解質型燃料電池では、電池要素の電解質層にこの電解質層と同じ熱膨張係数のセル保持薄板を接合し、このセル保持薄板とセパレータとを接合するようになすことで、電解質層とセパレータとの熱膨張差に起因する応力を吸収するようにしている。
特開２０００−３３１６９２号公報

ところが、例えば、セルがドーナツ状を成す場合、電解質層の内周縁部及び外周縁部にセル保持薄板をそれぞれ接合して、これらのセル保持薄板とセパレータとを接合するようになすと、熱が加わった状態において、セル保持薄板は、電解質層の内周縁部の変位量よりも大きく外周縁部側へ伸びてしまう。つまり、セル保持薄板と電解質層の内周縁部との接合部に生じる熱ストレスにより、接合部分が劣化して破損し、ガスがクロスリークする恐れがあり、その結果、性能の低下を招き兼ねないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、ガスシールが容易になり、ガスのクロスリークが生じる可能性がほとんどない固体電解質型燃料電池のスタック構造体を提供することを目的としている。

本発明は、セル基板を兼ねる電解質層と、この電解質層を挟む一対の電極層を具備したセルを備えた固体電解質型燃料電池を所定間隔で複数積層して成り、上記セルの電解質層には、この電解質層上に位置する一対の電極層のうちのいずれか一方の電極層の両側でそれぞれ接合してセルを支持する電気導伝性を有し且つセル基板を兼ねる電解質層よりも変形し易く形成したセル配置用金属薄板を設け、これらのセル配置用金属薄板に跨って設けたセパレータで一方の電極層を覆った構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池のスタック構造体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

また、本発明は、セル基板を兼ねる電解質層と、この電解質層を挟む一対の電極層を具備したドーナツ状のセルを備えた固体電解質型燃料電池を所定間隔で複数積層して成り、上記ドーナツ状を成すセルの電解質層には、この電解質層上に位置する一対の電極層のうちのいずれか一方の電極層の内周側及び外周側でそれぞれ接合してセルを支持する電気導伝性を有する内周側セル配置用金属薄板及び外周側セル配置用金属薄板を設け、これらのセル配置用金属薄板に跨って設けたセパレータで一方の電極層を覆うと共に、上記内周側セル配置用金属薄板に、ガス供給流路用貫通孔及びガス排出流路用貫通孔を設けた構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池のスタック構造体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

さらに、本発明は、ガス透過孔を有する金属製セル基板及び一対の電極層間に固体電解質層を挟み込んで形成した電池要素を具備し、上記金属製セル基板のガス透過孔上に位置させた電池要素の電極層を電解質層で覆って成るドーナツ状のセルを備えた固体電解質型燃料電池を所定間隔で複数積層して成り、上記ドーナツ状を成すセルの金属製セル基板のガス不透過部分には、その内周側縁部及び外周側縁部でそれぞれ接合してセルを支持する電気導伝性を有する内周側セル配置用金属薄板及び外周側セル配置用金属薄板を設け、上記内周側セル配置用金属薄板に、ガス供給流路用貫通孔及びガス排出流路用貫通孔を設けた構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池のスタック構造体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の固体電解質型燃料電池のスタック構造体によれば、上記した構成としているので、ガスのクロスリークが生じる懸念を払拭することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

図１に示すように、本発明の一実施態様としての固体電解質型燃料電池のスタック構造体に採用される固体電解質型燃料電池１は、セル基板を兼ねる電解質層５と、この電解質層５を挟む一対の電極層（燃料極層３及び空気極層４）を具備したドーナツ状のセル７を備えており、このドーナツ状を成すセル７の電解質層５には、この電解質層５上に位置する一対の電極層３，４のうちのいずれか一方の電極層（図示例では空気極層４）の内周側及び外周側でそれぞれ接合してセル７を支持する電気導伝性を有する内周側セル配置用金属薄板８Ｉ及び外周側セル配置用金属薄板８Ｏが設けてある。

この場合、内周側セル配置用金属薄板８Ｉには、その中心に位置するガス供給流路用貫通孔８ａが設けてあると共に、このガス供給流路用貫通孔８ａの周囲の４箇所に位置するガス排出流路用貫通孔８ｂが設けてあり、セル７及びこれらのセル配置用金属薄板８Ｉ，８Ｏの空気極層４側の面は、セル配置用金属薄板８Ｉ，８Ｏに跨って接合されるドーナツ状のセパレータ９で覆ってある。

このドーナツ状のセパレータ９にも、その中心に位置するガス供給流路用貫通孔９ａが設けてあると共に、このガス供給流路用貫通孔９ａの周囲の４箇所に位置するガス排出流路用貫通孔９ｂが設けてあり、図２に示すように、上記構成の固体電解質型燃料電池１を所定間隔で複数積層してスタック構造体を形成した状態において、内周側セル配置用金属薄板８Ｉ及びセパレータ９の各ガス供給流路用貫通孔８ａ，９ａが重なってガス供給流路Ａを形成し、一方、内周側セル配置用金属薄板８Ｉ及びセパレータ９の各ガス排出流路用貫通孔８ｂ，９ｂが重なってガス排出流路Ｂを形成するようになっている。図３にガスの流れを示す。なお、図３において符号９Ａはガス分離壁である。

上記スタック構造体において、ガス供給流路Ａ及びガス排気流路Ｂをドーナツ状の電解質層５の内周側にあるセル配置用金属薄板８Ｉに形成してあるため、セル７には、複数の貫通孔を形成する必要がなく、スタックの起動及び停止のサイクルによる熱衝撃耐性が従来よりも向上し、加えて、セル７の製作にあたっても、複雑な貫通孔を形成する必要がない分だけ、歩留まりの向上を実現できる。

また、上記スタック構造体において、中心部に配置される構造部材は、ドーナツ状の電解質層５の内周側にあるセル配置用金属薄板８Ｉを挟持することから、すなわち、セル７を直接挟持することがないことから、スタック化した際には、電解質層５に直接的に機械的応力が加わることがなく、したがって、電解質層５の破損によるガスリークやスタック構造体そのものの破損といった懸念が払拭され、加えて、多孔質基板を用いたセルもスタックの構成部材として用いることができる。

ここで、上記スタック構造体のように、電解質層５の内周縁部及び外周縁部の双方にセル配置用金属薄板８を設けると、セル配置用金属薄板８は、電解質層５の内周縁部の変位量よりも大きく外周縁部側へ伸びて、電解質層５セルとセル配置用金属薄板８との接合部には、大きな応力が生じることになるが、図１（ｂ）に示すように、セル配置用金属薄板８の接合部分８ｄの周辺をうねらせてセル基板を兼ねる電解質層５よりも変形し易くすることで、熱に起因する応力を吸収するようにしている。

つまり、セル７とセル配置用薄板８との熱膨張係数の差が小さければ、変位量の差も小さくなるので、熱応力の低減を図るうえで熱膨張係数を考慮することは効果があるが、ドーナツ形状をなしている場合には、熱膨張係数だけを考慮しても十分ではないということである。

図４に示すように、本発明の他の実施態様としての固体電解質型燃料電池のスタック構造体に採用される固体電解質型燃料電池１１は、ガス透過孔１２ａを有する金属製セル基板１２及び一対の電極層（燃料極層１３及び空気極層１４）間に電解質層１５を挟み込んで形成した電池要素１６を具備して、金属製セル基板１２のガス透過孔１２ａ上に位置させた電池要素１６の一対の電極層１３，１４のうちのいずれか一方の電極層（図示例では燃料極層１３）を電解質層１５で覆って成るドーナツ状のセル１７を備えており、ドーナツ状を成すセルの金属製セル基板１２のガス不透過部分１２ｂには、その内周側縁部及び外周側縁部（図示左端側縁部及び図示右端側縁部）でそれぞれ接合してセル１７を支持する電気導伝性を有する内周側セル配置用金属薄板１８Ｉ及び外周側セル配置用金属薄板１８Ｏが接合してあり、内周側セル配置用金属薄板１８Ｉには、図示はしないがガス供給流路用貫通孔及びガス排出流路用貫通孔が設けてある。

この際、金属製セル基板１２からのガスリークがないため、金属製セル基板１２とセル配置用金属薄板１８Ｉ，１８Ｏとの接合レイアウトの自由度が高く、金属製セル基板１２の図示上面でセル配置用金属薄板１８と接合することが可能であるほか、図５にも示すように、金属製セル基板１２の図示下面でセル配置用金属薄板１８と接合することが可能である。

セル配置用金属薄板１８の材料としては、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ａｌのうちの少なくともいずれか一方の元素を含む金属又は合金が用いられる。合金としては、例えば、インコネルやハステロイ、ステンレスやインバーなどがある。

また、上記したスタック構造体において、セル配置用金属薄板１８の金属製セル基板１２との接合部分１８ａの厚みを金属製セル基板１２よりも薄くすることが望ましい。このとき、図６に示すように、セル配置用金属薄板１８の金属製セル基板１２との接合部分１８ａの厚みをセル配置用金属薄板１８の全体の厚みと同じにしたり、図７に示すように、セル配置用金属薄板１８の金属製セル基板１２との接合部分１８ａの厚みをセル配置用金属薄板１８の全体の厚みよりも薄くしたりすることが可能である。

このように、金属製セル基板１２よりも肉厚の薄いセル配置用金属薄板１８を用いることにより、金属製セル基板１２とセル配置用金属薄板１８との接合時にセル配置用金属薄板１８が変形することで、接合プロセスによるセル１７の破損や、金属製セル基板１２の変形を防止することができる。加えて、スタック運転時の熱サイクルによる熱応力に対しても、セル配置用金属薄板１８が変形することで、セル１７の破損を阻止し得る。

ただし、セル配置用金属薄板１８の接合部分１８ａの厚みが３０μｍ以下であると、セル１７又はスタックマニホールドとの接合に際して、セル配置用金属薄板１８が大きく変形することで接合されない個所が生じて、ガスリークや接合部分１８ａの破損の発生が懸念される。

また、セル配置用金属薄板１８の全体の厚みが３０μｍ以下であると、各プロセス中のセル配置用金属薄板１８の取り扱いが困難となり、ガスシールの形成やマニホールドとの接合において不具合が生じることが懸念される。一方、セル配置用金属薄板１８の全体の厚みが０．５ｍｍよりも厚いと、セル配置用金属薄板１８の強度が、セル本体と同等ないしそれ以上となるため、接合時にセル配置用金属薄板１８が変形する力でセル１７が破損したり、又は、残留応力が開放される力などで接合部分１８ａが破損したりする危険がある。

本発明のスタック構造体において、図１（ｂ）にも示したセル配置用金属薄板８のセル基板を兼ねる電解質層５との接合部分８ｄや、セル配置用金属薄板１８の金属製セル基板１２との接合部分１８ａ又はその周辺に応力緩和部を設けることが望ましい。

つまり、セル基板５，１２とセル配置用金属薄板８，１８との接合時に生じる応力によって、上記応力緩和部を優先的に変形させることで、セル基板５，１２の破損及びセル配置用金属薄板８，１８の反りなどの不具合を抑制することができ、また、スタック構造体を形成する際のセル配置用金属薄板８，１８の積層時には、応力吸収又は応力開放の起点となって、セル基板５，１２の破損やセル配置用金属薄板８，１８の変形を抑制し、さらに、スタック運転時の熱サイクルによる熱応力に対しても、応力吸収又は応力開放の起点となり、セル基板５，１２の破損，セル配置用金属薄板８，１８の変形及びこれに伴うスタック構造体の破損を防止することができる。

この場合、セル配置用金属薄板８，１８のセル基板５，１２との各接合部分８ｄ，１８ａの厚みをそれ以外の部分よりも薄くして応力緩和部としたり、セル配置用金属薄板８，１８のセル基板５，１２との各接合部分８ｄ，１８ａの周辺を局所的に薄くして応力緩和部としたり、セル配置用金属薄板８，１８のセル基板５，１２との各接合部分８ｄ，１８ａの周辺をうねらせて応力緩和部としたりすることができるほか、セル配置用金属薄板８，１８のセル基板５，１２との各接合部分８ｄ，１８ａの周辺に段差を設けて応力緩和部とすることができる。

ここで、セル配置用金属薄板１８のセル基板１２との接合部分１８ａの厚みをそれ以外の部分よりも薄くして応力緩和部とする場合、図７に示すように、それ以外の部分よりも一様に薄くしてもよいし、図８に示すように、接合部分１８ａの端部に向けて漸次薄くなるようにしてもよい。

また、「セル配置用金属薄板１８の金属製セル基板１２との接合部分１８ａの周辺を局所的に薄くする」とは、図９に示すように、接合部分１８ａの周辺に局所的に接合部分１８ａよりもさらに薄い薄肉部（応力緩和部）２０を設けるということであり、この薄肉部２０は、図１０及び図１１に示すように、複数箇所に配置することが可能である。

さらに、「セル配置用金属薄板１８の金属製セル基板１２との接合部分１８ａの周辺をうねらせる」とは、図１２に示すように、接合部分１８ａの周辺に断面Ｕ字状の波状部（応力緩和部）２０を設けるということであり、この波状部２０は、図１３に示すように、複数箇所に配置することが可能である（図１（ｂ）参照）。

さらにまた、「セル配置用金属薄板１８の金属製セル基板１２との接合部分１８ａの周辺に段差を設ける」とは、図１４及び図１５に部分的に示すように、接合部分１８ａの周辺に凹凸部（応力緩和部）２０を形成するということである。

さらにまた、ヤング率の小さいものほど、より小さい力で変形する（伸びる）、すなわち、応力に対して容易に変形させることができるので、本発明のスタック構造体の固体電解質型燃料電池１，１１において、セル配置用金属薄板８，１８のヤング率をセル基板５，１２のヤング率よりも小さく設定することが望ましい。これに加えて、上記したように、セル配置用金属薄板８，１８の肉厚を薄くしたり、接合部分８ｄ，１８ａの周辺に薄肉部や波状部などの応力緩和部２０を形成すれば、セル配置用金属薄板８，１８が変形し易くなって、セル７，１７の破損をより一層確実に防ぐことが可能になる。

図４に示すスタック構造体において、金属製セル基板１２とセル配置用薄板１８とを接合する際には、両者の間にプロセスによる機械的応力や熱的応力が生じるが、セル基板１２に圧縮応力が生じるかどうかは、金属製セル基板１２及びセル配置用薄板１８の各材料の組合せやプロセス方法によって異なる。さらに、スタック化したときの熱応力のかかり方も運転方法などにより異なる。

そこで、セル基板１２と内周縁部及び外周縁部の各セル配置用薄板１８との接合箇所を、例えば、「内周縁部ではセル配置用薄板１８をセル基板１２の下側から接合し、外周縁部ではセル配置用薄板１８をセル基板１２の上側から接合する」というように、セル基板１２への応力のかかり方によって選択することで、セル基板１２にかかる「ねじれ」や「せん断」の応力を小さくすることができる。

そして、本発明のスタック構造体において、図３に示すように、中央部のガス流路Ａに燃料ガスを供給するとき、燃料ガスは、中心部から遠心方向へ流れる。したがって、もっとも燃料ガスの濃度が濃い箇所は中心側にあり、中心側にもっとも電池反応が活発な箇所が配置される。電池反応が活発な箇所は、反応熱により過熱され、外周側よりも高温になる。また、対極の酸化ガスが、外周側から中心側に供給されるとすると、外周側は、酸化ガスによって熱が奪われることも考えられ、ますます内周側と外周側との温度差は広がる（一般的に、燃料電池へのガス供給量において、空気は燃料ガスの倍以上とされていることから、酸化ガスの方が冷却効果が大きい。よって、空気ガス導入部は、温度が下がりやすい）。

このとき、内周縁部及び外周縁部の各セル配置用薄板８，１８では、高温の内周側セル配置用薄板８Ｉ，１８Ｉの方が変位は大きい。また、セル基板５，１２の内周側と外周側との間にも温度差が生じ、発生する応力は、高温の内周側の方が大きい。（セル基板５，１２がドーナツ型であるため、その構造的特徴から、内周側は発生する応力は大きいが、変位量は外周側よりも小さいことが考えられる。）

したがって、内周側セル配置用薄板８Ｉ，１８Ｉは、高温であっても外周側セル配置用薄板８Ｏ，１８Ｏと同等の変位であり、且つ、セル基板５，１２の内周縁部の応力によって変形し得ることが好ましい。

また、図３に示したように、上記実施態様では、中央のガス流路Ａに燃料ガスが流れ、外周側から求心方向に酸化ガスが流れるという組み合わせを採用し、「内周側が高温、外周側が低温」となる場合を示したが、別のガス供給方法であっても、内周側が外周側よりも高温になる場合には、同じ効果を示す。

上記とは逆に、中央のガス流路Ａに空気などの酸化ガスを供給するとき、電池反応は外周側で活発に行われる。また、中央のガス流路Ａに酸化ガスが供給されていることから、内周側の冷却効果は高く、内周側は外周側よりも高温になりにくい状況となる。したがって、内周側は外周側よりも温度が低い。このとき、内周縁部及び外周縁部の各セル配置用薄板８，１８は、高温である外周縁部の方が変位は大きい。また、セル基板５，１２の内周側と外周側との間にも温度差が生じ、発生する応力は、外周側で変位が大きく、内周側の変位は小さい。

以上のように、セル基板５，１２の外周側が内周側よりも温度が高くなる場合においても、外周側セル配置用薄板８Ｏ，１８Ｏは、内周縁部の内周側セル配置用薄板８Ｉ，１８Ｉよりも変位量が大きく、変形しやすいほうが好ましい。ただし、外周側は内周側に比べて高温であるため、変位は大きくなる。よって、内周側と外周側は同じ材料で構成されても構わない。そして、セル基板５，１２の内周側は低温で変位量が小さく、外周側は高温で変位量が大きいことを考えると、内周側セル配置用薄板８Ｉ，１８Ｉは、セル基板５，１２の熱膨張係数よりも小さく、外周側セル配置用薄板８Ｏ，１８Ｏはセル基板５，１２の膨張係数と同等で、変形しやすいものが好ましい。

内周側セル配置用薄板８Ｉ，１８Ｉの熱膨張率を外周側セル配置用薄板Ｏ，１８Ｏの熱膨張率よりも小さくすることで、スタック発電時の温度勾配によるセル配置用薄板８，１８の変位の内周側と外周側との差異が、セル基板５，１２あるいはセル配置用薄板８，１８とセル基板５，１２との接合部にもたらす応力を軽減し、接合部やセル基板５，１２自体の破損を防止する。

さらにまた、本発明のスタック構造体において、セル配置用金属薄板８，１８とセル基板５，１２とをガラス系シール材を用いて接合したり、拡散接合により接合したりすることが可能である。ここで、『拡散接合』とは、ろう材を用いたろう付けも含むが、ろう材の使用の有無に関わらず、接合部分８ｄ，１８ａを高温にさらし、接合する部材同士の間に、基材同士又はろう材と基材の合金層（拡散層）を形成して一体化（接合）したものを指す。一般的に、ろう付けを含む拡散接合は、高温プロセスであり、接合する部材を高温にさらして接合を行う。

このとき、各部材の伸び率、熱膨張係数、熱容量、拡散の深さ（セル基板５，１２及びセル配置用金属薄板８，１８のどちら側に拡散層を形成し易いか）によって、セル基板５，１２及びセル配置用金属薄板８，１８のいずれかに引張り応力又は圧縮応力が生じる。加えて、セル基板５，１２及びセル配置用金属薄板８，１８に内在する応力が開放されることによる捩れ応力も生じる。そして、セル配置用金属薄板８，１８に応力吸収（又は開放）する起点がなければ、すなわち、応力緩和部２０がなければ、セル基板５，１２の破損又はセル配置用金属薄板８，１８の反りが生じて、上述のようなセル７，１７の破損やガスリークの発生が懸念される。

さらにまた、本発明のスタック構造体において、セル配置用金属薄板１８と金属製セル基板１２とを超音波接合により接合することが可能である。この超音波接合は、上記した拡散接合に比較して、低温での接合が可能である。これは、金属／金属の接合において可能なプロセスであり、従来技術のようなセラミクス／金属の接合には適さない。また、従来技術に示される電解質層と金属薄板の接合に本工法を用いると、電解質層を破損し、破損箇所からのガスリーク及び破損箇所からの接合界面の剥離が生じる危険性がある。

したがって、本発明のスタック構造体では、セル配置用金属薄板１８と金属製セル基板１２とがいずれも金属部材で構成されているため、セル配置用金属薄板１８及び金属製セル基板１２を過度の高温にさらすことなく、スタック形成プロセスに移行でき、セル配置用金属薄板８の積層部のガスシール構築が容易になる。

さらにまた、本発明のスタック構造体において、セル配置用金属薄板１８と金属製セル基板１２とがいずれも金属製であるため、溶接技術を用いてセル配置用金属薄板１８と金属製セル基板１２とを電気的導通を保ったまま溶接により接合することができる。ここで、溶接とは、レーザビーム溶接、プレシジョン溶接、ＴＩＧ溶接、アーク溶接、肉盛溶接を含むほか、ガスデポジションやスパークデポジションといった溶接に似た接合方法を用いることも可能である。この場合も、低温での接合が可能であるため、セル配置用金属薄板１８及び金属製セル基板１２を過度の高温にさらすことなく、スタック形成プロセスに移行でき、セル配置用金属薄板１８の積層部のガスシール構築が容易になる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
図４に示すように、金属製セル基板１２としてφ３０ｍｍ、厚さ１００μｍのフェライト系ＳＵＳを使用した。

そして、このフェライト系ＳＵＳから成る金属製セル基板１２上に、エアロゾルデポジッション法を用いて、中心からφ２６ｍｍの範囲に８ＹＳＺ電解質層１５を形成する。このエアロゾルデポジッション法では、平均粒径が０．２μｍのＹＳＺ原料粉末を用い、ゾル化室を１５０ｒｐｍで振動させながら、Ｈｅガスを８Ｌ／ｍｉｎで吹き込んで、成膜チャンバー内のノズルへ搬送する。

次に、ＹＳＺ膜を成膜した金属製セル基板１２の表裏にエッチングマスク用の光硬化樹脂層を形成し、ＹＳＺ成膜裏面には、中心よりφ２０ｍｍの範囲に対してφ５００μｍ径３００個のパターンを形成したマスク層を形成した。塩化鉄系の公知のエッチャントを用いて、金属製セル基板１２をエッチングし、発電可能な多孔部（セル部分）を形成した。

次いで、電解質層１５の上面に、エアロゾルデポジッション法を用いてランタン−ガリウム−コバルト酸化物（（Ｌａ０．８ Ｓｒ０．２）ＣｏＯ_３ ）を空気極層１４として成膜した。原料粉平均粒径は０．５μｍ、ゾル化室の振動１５９ｒｐｍ、Ｈｅガスの吹き込み量８Ｌ／ｍｉｎ、チャンバー内真空度は１．５Ｔｏｒｒとし、膜厚６μｍで成膜した。続いて、金属製セル基板１２の裏面の多孔部に公知のスパッタ法を用いて、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット層を燃料極層１３として１μｍ形成して、セル１７を得た。

このようにして得たセル１７と、外径φ６０ｍｍ、内径φ２５、厚み１００μｍのドーナツ形状をしたフェライト系ＳＵＳ製のセル配置用金属薄板１８とを接合して、本実施例のスタック構造体に用いる固体電解質型燃料電池１１を得た。

この際、フェライト系ＳＵＳ製のセル配置用金属薄板１８の内側周囲に、Ａｇ−Ｃｕ系ロウ材ペーストを幅２ｍｍ，厚さ３０μｍで印刷塗布し、このＡｇ−Ｃｕ系ロウ材ペースト上に外径φ３０ｍｍの上記セル１７を乗せて、Ａｒキャリアガス０．８ｔｏｒｒ中において７５０℃−２時間の熱処理を施すことにより、セル１７とセル配置用金属薄板１８とを接合した。

［実施例２］
図５に示すように、金属製セル基板１２としてφ３０ｍｍ、厚さ１００μｍのインコネル６２５を使用した。

そして、上記インコネル６２５製の金属製セル基板１２上に、高温スパッタ（基板加熱３００℃）により、ＮｉＯ−ＹＳＺ層を燃料極層１３として形成した。

次に、上記ＮｉＯ−ＹＳＺ層を完全に覆うように、ＮｉＯ−ＹＳＺ層上に、基板加熱及びバイアス印加スパッタ（基板加熱７００℃、印加バイアス２５Ｖ）によりＹＳＺ膜１５を形成する。

次いで、電解質層１５としてのＹＳＺ層上に、高温スパッタ（基板加熱３００℃）により、サマリウム−ストロンチウム−コバルト酸化物（（Ｓｍ０．５，Ｓｒ０．５）ＣｏＯ_３ ）を空気極層１４として形成した。

上記電池要素１６を金属製セル基板１２に形成した後、ＹＳＺ成膜裏面に、中心よりφ２０ｍｍの範囲に対してφ５００μｍ径３００個のパターンを形成したマスク層を形成し、化学的微細孔エッチング手法を用いて、低部に複数の微細孔が形成されたφ５００μｍの凹部（ガス透過孔）１２ａを多数形成する。

上記、微細孔エッチングで用いる化学的エッチング処理は、例えば、プリント基板の製造プロセスにおいて、配線と樹脂との密着力を向上させるために配線の表面を粗化する目的で用いられる表面粗化剤（例えば、メックニッケルラフナー１８７０）を用いることができる。

このようにして得たセル１７と、外径φ６０ｍｍ、内径φ２５、厚み１００μｍのドーナツ形状をしたインコネル６２５製のセル配置用金属薄板１８とを接合して、本実施例のスタック構造体に用いる固体電解質型燃料電池１１を得た。

この際、インコネル６２５製のセル配置用金属薄板１８の内側周囲に、Ａｇ−Ｃｕ系ロウ材ペーストを幅２ｍｍ，厚さ３０μｍで印刷塗布し、このＡｇ−Ｃｕ系ロウ材ペースト上に外径φ３０ｍｍの上記セル１７を載せて、Ａｒキャリアガス０．８ｔｏｒｒ中において７５０℃−２時間の熱処理を施すことにより、セル１７とセル配置用金属薄板１８とを接合した。

［実施例３］
実施例２で得たセル１７と、外径φ６０ｍｍ、内径φ２５、厚み８０μｍのドーナツ形状をしたフェライト系ＳＵＳ製のセル配置用金属薄板１８とを接合して、本実施例のスタック構造体に用いる固体電解質型燃料電池１１を得た。

ここで、接合温度近傍での金属製セル基板１２とセル配置用金属薄板１８のヤング率（０．２％ Ｙｉｅｌｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ）は、フェライト系ＳＵＳ：約１５０［ＭＰａ／ｍ^２ ］、インコネル６２５：約３５０［ＭＰａ／ｍ^２ ］であり、セル配置用金属薄板１８の方が、金属製セル基板１２よりも変形しやすい。

この際、フェライト系ＳＵＳ製のセル配置用金属薄板１８の内側周囲に、Ａｇ−Ｃｕ系ロウ材ペーストを幅２ｍｍ，厚さ３０μｍで印刷塗布し、このＡｇ−Ｃｕ系ロウ材ペースト上に外径φ３０ｍｍの上記セル１７を載せて、Ａｒキャリアガス０．８ｔｏｒｒ中において７５０℃−２時間の熱処理を施すことにより、セル１７とセル配置用金属薄板１８とを接合した。

［実施例４］
図６に示すように、実施例２で得たセル１７と、外径φ６０ｍｍ、内径φ２５、厚み１００μｍのドーナツ形状をしたフェライト系ＳＵＳ製のセル配置用金属薄板１８とを接合して、本実施例のスタック構造体に用いる固体電解質型燃料電池１１を得た。

この際、フェライト系ＳＵＳ製のセル配置用金属薄板１８の内側周囲上に外径φ３０ｍｍの上記セル１７を載せ、セル配置用金属薄板１８とセル１７とが重なり合う領域（およそ２．５ｍｍ幅）に、およそ２０ｋＨｚの超音波振動を印加して、超音波シーム接合を施した。

［実施例５］
図７に示すように、φ３０ｍｍ、厚さ２００μｍのインコネル６２５製の金属製セル基板１２の内側φ２０ｍｍの範囲に、化学的エッチングを用いてφ５００μｍの貫通穴を５００個形成し、金属製セル基板１２として用いた。

次いで、上記インコネル６２５製の金属製セル基板１２上のφ２５ｍｍの範囲に、Ｎｉ＋ＳＤＣペーストをスクリーン印刷により塗布し、１０％水素（Ａｒベース）雰囲気中１１００℃で焼成した。このとき、燃料極層１３としてのＮｉ＋ＳＤＣ層は、金属製セル基板１２の貫通穴が形成されていない箇所で、およそ１００μｍであった。

次に、インコネル６２５製の金属製セル基板１２のＮｉ＋ＳＤＣ層の上に薄膜電池要素１６中の電解質層１５として、膜厚８μｍのＹＳＺ層を金属製セル基板１２の加熱（７００℃）及びバイアス印加のスパッタ（印加バイアス２５Ｖ）により得た。

そして、ＹＳＺ膜の上に薄膜電池要素１６中の空気極層１４として、気孔率３０％、膜厚４０μｍのＳＳＣ層を金属製セル基板１２の加熱スパッタ（基板温度３００℃）により形成し、セル１７を得た。

このようにして得たセル１７と、外径φ６０ｍｍ、内径φ２５ｍｍ、内側部幅５ｍｍの範囲の厚み８０μｍ、その他の部分の厚み２００μｍの段差つきドーナツ形状をしたフェライト系ＳＵＳ製のセル配置用金属薄板１８とを接合して、本実施例のスタック構造体に用いる固体電解質型燃料電池１１を得た。

この際、金属製セル基板１２とセル配置用金属薄板１８との接合をＹＡＧレーザ溶接により実施した。このＹＡＧレーザ溶接の条件は、パルスエネルギー：２［Ｊ］、パルス幅：０．１［ｍｓ］のＹＡＧレーザをセル配置用金属薄板８側から直角に照射して、溶接を行った。

［実施例６］
図１６に示すように、外径φ１２５ｍｍ、内径φ４０ｍｍ、厚さ１００μｍのフェライト系ＳＵＳ製のドーナツ状薄板に、φ２６ｍｍの貫通穴（開口）１８ｂを化学的エッチングにより、８箇所形成し、次いで、φ２６ｍｍの貫通穴１８ｂの周囲幅５ｍｍの範囲にプレス加工による段差１８ｃを形成して、セル配置用金属薄板１８を得た。

なお、ドーナツ状薄板のφ２６ｍｍの貫通穴１８ｂの周囲に形成した段差１８ｃは、全てセル配置用金属薄板１８の同じ側に形成するのではなく、隣り合う貫通穴１８ｂに形成される段差１８ｃが互い違いの方向に成るようにして形成してある。また、段差１８ｃの部分は、図７に示すセル配置用金属薄板１８と同様にして厚みを１００μｍから８０μｍまで薄くしてあり、応力緩和部として機能するようにしてある。

上記セル配置用金属薄板１８と図７に示したセル１７とを実施例５と同様にＹＡＧレーザを用いて溶接により接合して、本実施例のスタック構造体に用いる固体電解質型燃料電池１１を得た。なお、表面側に凸となるように段差１８ｃが形成されている箇所では、図１６（ｄ）に示すように、セル配置用金属薄板１８の裏面側とセル１７の表面側が接合され、裏面側に凸と成るように段差１８ｃが形成されている箇所では、図１６（ｃ）に示すように、セル配置用金属薄板１８の表面側とセル１７の裏面側が接合される。

そして、セパレータ１９を介して上記固体電解質型燃料電池１１を所定間隔で複数積層して本実施例のスタック構造体２５を得た。

本発明では、上述したように、セルとセル配置用金属薄板との接合が金属同士の接合になるため、熱サイクルに強くなるだけでなく、接合方法の選択肢が増えることとなって、接合自体も容易になる。

本発明に係わる固体電解質型燃料電池のスタック構造体の一実施態様を示す固体電解質型燃料電池の部分破断斜視説明図（ａ）及び図１（ａ）におけるＸ−Ｘ線位置に基づく断面説明図（ｂ）である。 図１の固体電解質型燃料電池を積層して成るスタック構造体の分解斜視説明図である。 図１の固体電解質型燃料電池のガスの流れをガス流路説明図である。 本発明に係わる固体電解質型燃料電池のスタック構造体の一実施例を示す固体電解質型燃料電池の断面説明図である。（実施例１） 本発明に係わる固体電解質型燃料電池のスタック構造体の他の実施例を示す固体電解質型燃料電池の断面説明図である。（実施例２，３） 本発明に係わる固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示す固体電解質型燃料電池の断面説明図である。（実施例４） 本発明に係わる固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示す固体電解質型燃料電池の断面説明図である。（実施例５） 本発明に係わる固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示す固体電解質型燃料電池の断面説明図である。 本発明に係わる固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示す固体電解質型燃料電池の断面説明図である。 図９の固体電解質型燃料電池における応力緩和部の他の変形例を示す部分断面説明図である。 図９の固体電解質型燃料電池における応力緩和部のさらに他の変形例を示す部分断面説明図である。 本発明に係わる固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示す固体電解質型燃料電池の断面説明図である。 図１２の固体電解質型燃料電池における応力緩和部の他の変形例を示す部分断面説明図である。 図１２の固体電解質型燃料電池における応力緩和部のさらに他の変形例を示す部分断面説明図である。 図１２の固体電解質型燃料電池における応力緩和部のさらに他の変形例を示す部分断面説明図である。 本発明に係わる固体電解質型燃料電池のスタック構造体のさらに他の実施例を示す断面説明図（ａ），固体電解質型燃料電池の平面説明図（ｂ），図１６（ｂ）におけるＹ−Ｙ線に基づく断面説明図（ｃ）及び図１６（ｂ）におけるＺ−Ｚ線に基づく断面説明図（ｄ）である。（実施例６）

符号の説明

１，１１ 固体電解質型燃料電池
２，１２ 金属製セル基板
３，１３ 燃料極層（電極層）
４，１４ 空気極層（電極層）
５，１５ 電解質層
７，１７ セル
８Ｉ，１８Ｉ内周側セル配置用金属薄板
８Ｏ，１８Ｏ外周側セル配置用金属薄板
８ａ ガス供給流路用貫通孔
８ｂ ガス排出流路用貫通孔
８ｄ，１８ａ接合部分
９ セパレータ
１２ａ ガス透過孔
１２ｂ ガス不透過部分
１６ 電池要素
２０ 応力緩和部
１ 固体電解質型燃料電池のスタック構造体

Claims (13)

1. セル基板を兼ねる電解質層と、この電解質層を挟む一対の電極層を具備したセルを備えた固体電解質型燃料電池を所定間隔で複数積層して成り、
   上記セルの電解質層には、この電解質層上に位置する一対の電極層のうちのいずれか一方の電極層の両側でそれぞれ接合してセルを支持する電気導伝性を有し且つセル基板を兼ねる電解質層よりも変形し易く形成したセル配置用金属薄板を設け、これらのセル配置用金属薄板に跨って設けたセパレータで一方の電極層を覆ったことを特徴とする固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
2. セル基板を兼ねる電解質層と、この電解質層を挟む一対の電極層を具備したドーナツ状のセルを備えた固体電解質型燃料電池を所定間隔で複数積層して成り、
   上記ドーナツ状を成すセルの電解質層には、この電解質層上に位置する一対の電極層のうちのいずれか一方の電極層の内周側及び外周側でそれぞれ接合してセルを支持する電気導伝性を有する内周側セル配置用金属薄板及び外周側セル配置用金属薄板を設け、これらのセル配置用金属薄板に跨って設けたセパレータで一方の電極層を覆うと共に、上記内周側セル配置用金属薄板に、ガス供給流路用貫通孔及びガス排出流路用貫通孔を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
3. ガス透過孔を有する金属製セル基板及び一対の電極層間に固体電解質層を挟み込んで形成した電池要素を具備し、上記金属製セル基板のガス透過孔上に位置させた電池要素の電極層を電解質層で覆って成るドーナツ状のセルを備えた固体電解質型燃料電池を所定間隔で複数積層して成り、
   上記ドーナツ状を成すセルの金属製セル基板のガス不透過部分には、その内周側縁部及び外周側縁部でそれぞれ接合してセルを支持する電気導伝性を有する内周側セル配置用金属薄板及び外周側セル配置用金属薄板を設け、上記内周側セル配置用金属薄板に、ガス供給流路用貫通孔及びガス排出流路用貫通孔を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
4. セル配置用金属薄板をセル基板よりも変形し易く形成してある請求項２又は３に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
5. セル配置用金属薄板に変形し易い応力緩和部が設けてある請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
6. セル配置用金属薄板のヤング率をセル基板のヤング率よりも小さく設定した請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
7. セル配置用金属薄板の厚みを金属製セル基板よりも薄くしてある請求項３に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
8. 内周側セル配置用金属薄板を金属製セル基板のガス不透過部分における一方の面に接合すると共に、外周側セル配置用金属薄板を金属製セル基板のガス不透過部分における他方の面に接合した請求項３〜７のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
9. 外周側セル配置用金属薄板を内周側セル配置用金属薄板よりも変形し易く形成してある請求項２〜８のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
10. セル配置用金属薄板とセル基板とをガラス系シール材を用いて接合してある請求項１〜９に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
11. セル配置用金属薄板とセル基板とを拡散接合により接合してある請求項１〜９に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
12. セル配置用金属薄板と金属製セル基板とを超音波接合により接合してある請求項３〜１１のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。
13. セル配置用金属薄板と金属製セル基板とを溶接により接合してある請求項３〜１１に記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造体。

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