JP2008159566A - セラミックス薄板体と金属薄板体とを備えるデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 セラミックス薄板体を金属薄板体によって保持する構造を有するデバイスの温度が変化した場合であっても、セラミックス薄板体が変形することのないデバイスを提供すること。
【解決手段】 本デバイスは、焼成されたセラミックスシートを含むセラミックス薄板体１３と、セラミックス薄板体１３の外形より大きい外形を有する金属薄板体と１２と、を備える。セラミックス薄板体１３の外周部は金属薄板体１２に接合される。金属薄板体１２には、貫通穴１２ｃと、セラミックス薄板体と金属薄板体との接合部分から金属薄板体の外周部に向う方向に沿って頂部が連続的に伸びた尾根部を有するシワ部１２ｄが複数形成されている。金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３との熱膨張差に起因する熱応力はシワ部１２ｄの伸縮により緩和されるので、セラミックス薄板体１３は変形しない。
【選択図】 図７

Description

本発明は、焼成されたセラミックスシートを含むセラミックス薄板体と、前記セラミックス薄板体を支持する金属薄板体と、を備え、例えば、固体酸化物形燃料電池等に使用されるデバイスに関する。

従来から、焼成されたセラミックスシートを含む薄板体（以下、「セラミックス薄板体」とも称呼する。）は、例えば、センサ、アクチュエータ及び固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）等の種々の装置に用いられて来ている。例えば、セラミックス薄板体がＳＯＦＣに適用される場合、そのセラミックス薄板体は、セラミックスである固体電解質ジルコニアと、固体電解質ジルコニアの一面に形成された燃料極層と、固体電解質ジルコニアの他面に形成された空気極層と、からなる。更に、燃料流路が燃料極層と対向する部分に形成され、空気流路が空気極層と対向する部分に形成される。このＳＯＦＣ用のセラミックス薄板体は、その周囲において金属からなる保持薄板枠（以下、「金属薄板体」とも称呼する。）に接合され、金属薄板体により保持されるようになっている。金属薄板体の外周部は更に支持部材により支持されている。

この金属薄板体はプレス加工等により形成された湾曲部を有している。湾曲部はセラミックス薄板体の周囲を取り囲むように形成されている。換言すると、湾曲部は、その頂部が連続的に伸びることにより形成された尾根部がセラミックス薄板体（の外周）を取り囲むように金属薄板体に形成されている（例えば、特許文献１を参照。）
特許３４６６９６０号公報（図６）

ところで、ＳＯＦＣを、急速に発電を開始させようとするとき等において、デバイス（セラミックス薄板体及び金属薄板体）の温度は急激に変化する。その結果、セラミックス薄板体と金属薄板体との間に熱膨張量の差が発生する。この熱膨張量の差により発生した熱応力は、セラミックス薄板体と金属薄板体との接合部及び／又はセラミックス薄板体に主として加わる。上記従来の金属薄板体は湾曲部を備えているが、湾曲部の頂部（尾根部）はセラミックス薄板体を取り囲むように形成されているから、上記接合部及び／又はセラミックス薄板体に加わる熱応力を十分に緩和するように変形することができない。このため、セラミックス薄板体と金属薄板体との接合部及び／又はセラミックス薄板体が破損する場合がある。

更に、上記従来の湾曲部は、セラミックス薄板体を取り囲むように形成されているから、セラミックス薄板体の平面に直交する方向における金属薄板体の剛性を向上するように機能し難い。このため、その湾曲部は、熱応力を緩和するように熱膨張した際、セラミックス薄板体の平面内の方向のみならず同セラミックス薄板体の平面と直交する方向にも変形する。この結果、その湾曲部は、熱膨張した際にセラミックス薄板体をそのセラミックス薄板体の平面に直交する方向へ移動させ易い。従って、接合部及び／又はセラミックス薄板体が破損しない場合であっても、セラミックス薄板体がその平面に直交する方向に移動又は変形して燃料流路又は空気流路を閉じてしまうという問題が発生する恐れがある。加えて、セラミックス薄板体が燃料流路又は空気流路を閉じない程度に移動又は変形した場合であっても、それらの流路を燃料及び／又は空気等の流体が流れる際の圧損がセラミックス薄板体の移動又は変形によって増大するという問題がある。

このように、接合部が破損し、或いは、セラミックス薄板体が変形すると、装置の性能又は信頼性は低下する。従って、本発明の目的の一つは、セラミックス薄板体を金属薄板体によって保持する構造を有するデバイスの温度が変化した場合であっても、そのデバイスを適用した装置に所期の性能を安定して発揮させることが可能なデバイスを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明によるデバイスは、
焼成されたセラミックスシートを含むセラミックス薄板体と、
前記セラミックス薄板体の外形より大きい外形を有する金属からなる金属薄板体と、
を備えるデバイスにおいて、
前記セラミックス薄板体の外周部が前記金属薄板体に接合され、且つ、前記金属薄板体には前記セラミックス薄板体と同金属薄板体との接合部から同金属薄板体の外周部に向う方向に沿って頂部が連続的に伸びた尾根部を有するシワ部が複数形成されていることを特徴とする。

即ち、このデバイスにおいて、金属薄板体のシワ部（ウネリ部又は湾曲部）は、そのシワ部の尾根部が平面視において略放射状に形成されている。従って、シワ部は上記熱膨張差によって上記接合部及びセラミックス薄板体に加わる熱応力を有効に緩和する。更に、複数のシワ部はセラミックス薄板体及び金属薄板体のなす平面に直交する方向についての同金属薄板体（更には、同セラミックス薄板体）の剛性を増大させるリブ（補強部）としても機能する。従って、セラミックス薄板体と金属薄板体との間の接合部の破損が回避され得るとともに、セラミックス薄板体の上述した移動又は変形が抑制され得る。この結果、そのデバイスを適用した装置は所期の性能を安定して発揮することができる。なお、接合部となる上記セラミックス薄板体の外周部は、セラミックス薄板体の外周縁を含んでいてもよく、含んでいなくてもよい。

前記金属薄板体は、前記セラミックス薄板体と同金属薄板体との接合部よりも内側の領域に一つの貫通穴を備えていてもよい。この一つの貫通穴は前記接合部の内周側に沿うように形成された大きな穴であってもよい。この場合、前記金属薄板体は実質的に金属薄板枠体と呼ぶこともできる。更に、この一つの貫通穴の部分に金属薄板体とは別の部材であってメッシュ構造を有する部材又は複数の貫通穴を有する部材を配置し、その部材を金属薄板体に保持させるように構成してもよい。

また、前記金属薄板体は、前記セラミックス薄板体と同金属薄板体との接合部よりも内側の領域に複数の貫通穴を備えていてもよい。この複数の貫通穴は、金属薄板体の前記接合部よりも内側の領域に形成されたメッシュ構造体の複数の網目を含む概念である。このように複数の貫通穴を金属薄板体に備えさせることにより、複数の貫通穴を通してセラミックス薄板体に必要となる流体を十分に供給しつつ、金属薄板体の複数の貫通穴以外の部分によって電子等をより効率的に収集することが可能となる。

更に、実験によれば、上記デバイスが以下に述べる特徴を有することにより、上述したセラミックス薄板体の移動又は変形が効果的に抑制されることが判明した。

（１）前記シワ部の尾根部は、前記セラミックス薄板体の外周縁の接線に対して４５度以上且つ１３５度以下の角度を有する方向に伸びている。換言すると、前記シワ部の尾根部が伸びている角度は、前記セラミックス薄板体の外周縁の法線に対して±４５度以内である。なお、この角度以外の角度に沿った方向のシワ部が形成されていても構わない。
（２）前記セラミックス薄板体の厚みは２０μｍ以上且つ２００μｍ以下であり、前記金属薄板体の厚みは２０μｍ以上且つ８０μｍ以下である。

（３）前記シワ部の上側頂部と下側頂部との距離である同シワ部の高さは１０μｍ以上且つ７０μｍ以下である。
（４）前記セラミックス薄板体の端部から前記金属薄板体の外周部に向けて０．５ｍｍ離れた位置で測定した互いに隣接する二つのシワ部の頂部間の距離は１ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下である。

本発明によるデバイスの一態様においては、前記金属薄板体と前記セラミックス薄板体の外周部とがガラス又は金属ロウ材によって接合されていることが望ましい。

ガラス又は金属ロウ材を用いて金属薄板体とセラミックス薄板体とを接合する際、金属薄板体及びセラミックス薄板体は所定の高い温度にまで加熱され、それぞれの熱膨張率に応じた量だけそれぞれ伸張する。金属薄板体とセラミックス薄板体は、この伸長した状態から降温される際にガラス又は金属ロウ材が固化することによって接合される。この降温時における金属薄板体の収縮量及びセラミックス薄板体の収縮量は互いに異なるから、主として両者の接合部に熱応力が発生する。その結果、相対的に変形し易い金属薄板体がより大きく変形し、その変形により金属薄板体に上記複数のシワ部が形成される。従って、このようにして形成された複数のシワ部を有する金属薄板体とセラミックス薄板体とからなるデバイスを常温から昇温すると、その昇温に伴って発生する熱応力はシワ部の一部が伸びることにより緩和される。即ち、金属薄板体は接合前の昇温された状態へと戻るように変形する。この結果、デバイスの昇温及び降温が繰り返されても、過大な熱応力が接合部及び／又はセラミックス薄板体に繰り返し加わることがないから、デバイスの耐久性は極めて高くなる。

また、前記セラミックス薄板体は、単一の薄板体であってもよく、複数の薄板体を積層した積層体であってもよい。セラミックス薄板体が複数の薄板体を積層した積層体である場合、そのセラミックス薄板体は、前記セラミックスシートと同セラミックスシートとは熱膨張率が相違する材料からなるシートとの積層体であってもよい。

更に、この場合、ＳＯＦＣを構成するために、
前記セラミックス薄板体は、
前記セラミックススシートとしての固体電解質層と、
前記固体電解質層の一面に形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての燃料極層と、
前記固体電解質層の他面に形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての空気極層と、
を備えることができる。
燃料極層及び／又は空気極層は、焼成によってセラミックスシートと一体的に形成されてもよく、その他の膜形成手法によりセラミックスシート上に形成されてもよい。

加えて、セラミックス薄板体が固体電解質層と燃料極層と空気極層とを備える場合、デバイスは、
平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第１支持部材と、
平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第２支持部材と、
を備え、
前記第１支持部材及び前記第２支持部材は、前記第１支持部材の上方枠体部の上に前記第２支持部材の下方枠体部が対向するように互いに同軸的に配置され、
前記金属薄板体が前記第１支持部材の上方枠体部と前記第２支持部材の下方枠体部との間に挟持されることにより前記第１支持部材の平面部の上面に前記セラミックス薄板体の空気極層が対向するように配置され且つ前記第２支持部材の平面部の下面に前記セラミックス薄板体の燃料極層が対向するように配置され、
前記第１支持部材の平面部の上面と同第１支持部材の上方枠体部の内側壁面と前記薄板体の空気極層とにより酸素を含む気体が供給される空気流路が形成され、
前記第２支持部材の平面部の下面と同第２支持部材の下方枠体部の内側壁面と前記薄板体の燃料極層とにより燃料が供給される燃料流路が形成されることが望ましい。

このようなデバイスを積み上げることにより、平板スタック型の小型化されたＳＯＦＣが提供される。このとき、セラミックス薄板体は前述した金属薄板体のシワ部の存在により移動又は変形し難いので、燃料流路及び空気流路がセラミックス薄板体の移動又は変形によって狭められることのない小型のＳＯＦＣが提供され得る。

より具体的に説明すると、例えば、ＳＯＦＣは以下に示す化学反応式（１）及び（２）に基く発電を行う。
（１／２）・Ｏ_２＋２^ｅ−→Ｏ^２− （於：空気極層） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２^ｅ− （於：燃料極層） …（２）
即ち、この反応においては、水素１モルに対して酸素０．５モルが必要である。一方、酸素の供給は空気により行われるので、空気中の酸素量を考慮すると、水素量を１とするとき発電に必要な空気量は２．５となる。つまり、燃料極層及び空気極層を備えた一枚のセラミックス薄板体に対し、発電に必要となる水素量と空気量は大きく相違する。更に、酸素分子は水素分子よりも大きいので、酸素分子が空気極層を拡散する速度（従って、反応効率）は水素分子が燃料極層を拡散する速度より小さくなる。このため、より多くの酸素（従って、空気）を空気極層側の空間（空気流路）に供給する必要が生じる。以上から、一枚のセラミックス薄板体に対する燃料極層側の空間（燃料流路又は水素流路）の圧力と空気極層側の空間（空気流路）の圧力との間には大きな差が生じる場合が多い。従って、ＳＯＦＣに使用されるセラミックス薄板体はその平面に直交する方向の力を常時受けることになるから、セラミックス薄板体が移動又は変形し難い本発明によるデバイスをＳＯＦＣに適用すれば、ＳＯＦＣの耐久性を格段に向上されることが可能となる。

なお、本発明におけるセラミックス薄板体の平面視における外周形状は、円形、楕円形、長円形、正方形や六角形等の多角形及び多角形の各角部に円弧を付与した形状等の任意の形状であってもよい。金属薄板体の平面視における外周形状は、セラミックス薄板体の外周形状がどのような形状であるかに関わらず、円形、楕円形、長円形、正方形や六角形等の多角形及び多角形の各角部に円弧を付与した形状等の任意の形状であってもよい。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係るデバイスについて説明する。このデバイスは、例えば、センサ、アクチュエータ及び固体酸化物形燃料電池等の種々の装置に適用される。以下の実施例において、このデバイスは固体酸化物形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも称呼する。）に適用されている。

（燃料電池の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係るデバイスを適用した固体酸化物形燃料電池（燃料電池）１０の部分分解斜視図である。燃料電池１０は、複数の支持部材１１、複数の金属薄板体１２及び複数のセラミックス薄板体１３を備えている。燃料電池１０は、図１及び部分断面図である図２に示したように、支持部材１１と、セラミックス薄板体１３をその上面側に保持する金属薄板体１２と、が交互に積層されることにより形成されている。即ち、燃料電池１０はスタック構造を備えている。

支持部材１１は、フェライト系ＳＵＳ（ステンレス）又はＮｉ系耐熱合金（例えば、インコネル６００及びハステロイ等）からなっている。支持部材１１は「インターコネクタ」とも称呼される。支持部材１１は、平面図である図３、図３の４−４線、５−５線及び６−６線のそれぞれに沿った平面にて切断した断面図である図４乃至図６に示したように、平面部１１ａと、上方枠体部１１ｂと、下方枠体部１１ｃと、を備えている。

平面部１１ａは、Ｚ軸方向に厚み方向を有する薄い平板体である。平面部１１ａの平面形状は、互いに直交するＸ軸及びＹ軸方向に沿う辺を有する正方形である。Ｚ軸はＸ軸及びＹ軸を含む面に直交している。

上方枠体部１１ｂは、平面部１１ａの周囲（４つの辺の近傍領域、即ち、外周近傍領域）において平面部１１ａの上方に向けて立設された枠体である。上方枠体部１１ｂの平面部１１ａの上面からの高さは図４に示したようにＨ１である。

図３及び図５に示したように、上方枠体部１１ｂのＸ軸に沿って伸びる部分の断面形状は、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれに平行な辺を有する長方形である。この上方枠体部１１ｂのＸ軸に沿って伸びる部分には、Ｘ軸に沿って伸びるスリット１１ｂ１（長手方向がＸ軸方向であるスリット１１ｂ１）が形成されている。

図３及び図６に示したように、上方枠体部１１ｂのＹ軸に沿って伸びる部分の断面形状は、Ｘ軸及びＺ軸のそれぞれに平行な辺を有する長方形である。この上方枠体部１１ｂのＹ軸に沿って伸びる部分は、上方枠体部１１ｂのＸ軸に沿って伸びる部分のうちスリット１１ｂ１を形成している内周側の縦壁を削除した部分と同一の形状を有している。

下方枠体部１１ｃは、平面部１１ａの周囲（４つの辺の近傍領域、即ち、外周近傍領域）において平面部１１ａの下方に向けて立設された枠体である。下方枠体部１１ｃの平面部１１ａの下面からの高さは図４に示したようにＨ２である。高さＨ２は高さＨ１より高い。

図３及び図６に示したように、下方枠体部１１ｃのＹ軸に沿って伸びる部分の断面形状は、Ｘ軸及びＺ軸のそれぞれに平行な辺を有する長方形である。下方枠体部１１ｃのＹ軸に沿って伸びる部分には、Ｙ軸に沿って伸びるスリット１１ｃ１（長手方向がＹ軸方向であるスリット１１ｃ１）が形成されている。スリット１１ｃ１の平面視における形状は、長手方向の向きを除き、スリット１１ｂ１の平面視における形状と同一である。

図３及び図５に示したように、下方枠体部１１ｃのＸ軸に沿って伸びる部分の断面形状は、Ｙ軸及びＺ軸のそれぞれに平行な辺を有する長方形である。この下方枠体部１１ｃのＸ軸に沿って伸びる部分は、下方枠体部１１ｃのＹ軸に沿って伸びる部分のうちスリット１１ｃ１を形成している内周側の縦壁を削除した部分と同一の形状を有している。

この結果、スリット１１ｂ１と平面部１１ａの下方の空間とは連通している。スリット１１ｃ１と平面部１１ａの上方の空間とは連通している。

支持部材１１は、平面視において支持部材１１の重心Ｇ（図３を参照。）を中心に時計回り又は反時計回りに９０度回転すると、その回転前に上方枠体部１１ｂのＹ軸に沿って伸びる部分が、その回転前に上方枠体部１１ｂのＸ軸に沿って伸びる部分のスリット１１ｂ１を構成する外側縦壁が存在していた部分と一致するようになっている。更に、支持部材１１は、平面視において支持部材１１の重心Ｇを中心に時計回り又は反時計回りに９０度回転すると、その回転前に上方枠体部１１ｂのＸ軸に沿って伸びる部分のうちのスリット１１ｂ１を構成する外側縦壁が、その回転前に上方枠体部１１ｂのＹ軸に沿って伸びる部分が存在していた部分と一致するようになっている。

同様に、支持部材１１は、平面視において支持部材１１の重心Ｇを中心に時計回り又は反時計回りに９０度回転すると、その回転前に下方枠体部１１ｃのＹ軸に沿って伸びる部分のうちのスリット１１ｃ１を構成する外側縦壁が、その回転前に下方枠体部１１ｃのＸ軸に沿って伸びる部分が存在していた部分と一致するようになっている。更に、支持部材１１は、平面視において支持部材１１の重心Ｇを中心に時計回り又は反時計回りに９０度回転すると、その回転前に下方枠体部１１ｃのＸ軸に沿って伸びる部分が、その回転前に下方枠体部１１ｃのＹ軸に沿って伸びる部分のスリット１１ｃ１を構成する外側縦壁が存在していた部分と一致するようになっている。

金属薄板体１２はステンレス（例えば、ＳＵＳ４３０）からなっている。金属薄板体１２は「金属支持板」とも称呼される。金属薄板体１２の平面視における外形形状は、平面図である図７に示したように、Ｘ軸及びＹ軸方向のそれぞれに沿う辺を有する正方形である。金属薄板体１２の平面視における大きさは支持部材１１の平面視における大きさと同じである。即ち、金属薄板体１２の平面視における外形形状は支持部材１１の平面視における外形形状と同一である。金属薄板体１２の厚み方向はＺ軸方向である。金属薄板体１２の厚みは２０μｍ以上且つ８０μｍ以下である。

金属薄板体１２には、支持部材１１のスリット１１ｂ１に対応する位置（平面視において一致する位置）にスリット１１ｂ１と同形のスリット１２ａが形成されている。また、金属薄板体１２には、支持部材１１のスリット１１ｃ１に対応する位置（平面視において一致する位置）にスリット１１ｃ１と同形のスリット１２ｂが形成されている。金属薄板体１２には、中央部に複数の貫通穴１２ｃがマトリクス状に形成されている。金属薄板体１２は、平面視において金属薄板体１２の重心を中心に９０度、１８０度及び２７０度回転すると、それら夫々の回転前の状態と一致する形状を備えている。

セラミックス薄板体１３は、金属薄板体１２及びセラミックス薄板体１３の断面図である図８の円Ａにて囲まれた部分を拡大した図９に示したように、電解質層（固体電解質層）１３ａと、電解質層１３ａの上（上面、一面）に形成された燃料極層１３ｂと、電解質層１３ａ上の燃料極層１３ｂとは反対の面（下面、他面）に形成された空気極層１３ｃと、を有している。セラミックス薄板体１３は燃料電池１０の「単セル」とも称呼される。セラミックス薄板体１３の平面視における形状は、図７に示したように、Ｘ軸及びＹ軸方向のそれぞれに沿う辺を有する正方形である。セラミックス薄板体１３の平面視における大きさは金属薄板体１２の平面視における大きさより僅かに小さい（即ち、セラミックス薄板体１３の平面視における形状は、スリット１２ａ，１２ｂの内側の辺により画定される正方形よりも僅かに小さい正方形である。）。セラミックス薄板体１３の厚み方向はＺ軸方向である。セラミックス薄板体１３の厚みは２０μｍ以上且つ２００μｍ以下である。

セラミックス薄板体１３の外周部の下面は、ガラス又は金属ロウ材により金属薄板体１２の上面と接合されている。その接合部の幅は図７に示したように一定幅Ｗである。セラミックス薄板体１３が金属薄板体１２と接合された状態において、金属薄板体１２の複数の貫通穴１２ｃの総てはセラミックス薄板体１３の下方に位置するようになっている。

本例において、電解質層１３ａはセラミックスシートとしてのＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の緻密な焼成体である。燃料極層１３ｂは、Ｎｉ−ＹＳＺからなる焼成体であり、多孔質電極層である。空気極層１３ｃはＬＳＭ（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３：ランタンストロンチウムマンガナイト）−ＹＳＺからなる焼成体であり、多孔質電極層である。電解質層１３ａと燃料極層１３ｂと空気極層１３ｃとは互いに熱膨張率が相違している。また、セラミックス薄板体１３の熱膨張率は金属薄板体１２の熱膨張率と相違している。なお、具体的な熱膨張率は以下の通りである。電解質（ＹＳＺ）：１０．８ｐｐｍ／Ｋ、燃料極（Ｎｉ−ＹＳＺ）：１１．４ｐｐｍ／Ｋ、空気極（ＬＳＭ−ＹＳＺ）：１０．６ｐｐｍ／Ｋ、金属薄板体（ＳＵＳ４３０）：１２．１ｐｐｍ／Ｋ。

金属薄板体１２には、シワ部１２ｄが複数形成されている。シワ部１２ｄは、セラミックス薄板体１３と金属薄板体１２との接合部と、金属薄板体１２の外周部（より具体的には、スリット１２ａ又は１２ｂ、更には、スリット１２ａ又は１２ｂから内方に所定距離だけ離れた位置）と、の間に形成されている（図２の楕円により囲まれた領域Ｂを参照。）。シワ部１２ｄは、セラミックス薄板体１３と金属薄板体１２との接合部から金属薄板体１２の外周部に向う方向に沿って連続的に伸びる頂部（尾根部）を有している。即ち、シワ部１２ｄの尾根部は、セラミックス薄板体１３の外周縁の接線（本例においては、Ｘ軸又はＹ軸に沿う直線）に対して４５度以上且つ１３５度以下の角度を有する方向に伸びている。セラミックス薄板体１３の端部から金属薄板体１２の外周部に向けて０．５ｍｍ離れた位置において測定した「互いに隣接する二つのシワ部の頂部間の距離Ｌ（隣接する上側尾根部１２ｄ１間の距離Ｌ、図１０を参照）」は、１ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下である。更に、図１０に示したシワ部の上側頂部（上側尾根部）１２ｄ１と下側頂部（下側尾根部）１２ｄ２との距離である同シワ部１２ｄの高さＨｄは１０μｍ以上且つ７０μｍ以下である。なお、図１０は、金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３との接合部のうちＸ軸方向に伸びている部分と、その接合部に隣接した金属薄板体１２のスリット１２ａと、の間において金属薄板体１２をＸ−Ｚ平面に沿った平面にて切断した部分断面図である。

ここで、複数のシワ部１２ｄの形成方法について述べる。複数のシワ部１２ｄは、金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３とをガラス又は金属ロウ材を用いて接合する際に形成される。より具体的に述べると、先ず、ガラス（又は金属ロウ材）を金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３との間の上記接合部に配置し、金属薄板体１２、セラミックス薄板体１３及びガラス（又は金属ロウ材）を所定の高い温度（例えば、ガラスの融点よりも高い温度である９８０℃）にまで加熱する。このとき、金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３は、それぞれの熱膨張率に応じた量だけそれぞれ伸張する。

金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３は、この伸長した状態から降温される際にガラス（又は金属ロウ材）が固化することによって接合される。この降温時における金属薄板体１２の収縮量及びセラミックス薄板体１３の収縮量は互いに異なるから、主として両者の接合部に熱応力が発生する。その結果、相対的に変形し易い金属薄板体１２がより大きく変形し、その変形により金属薄板体１２に上記複数のシワ部１２ｄが形成される。金属薄板体１２（例えば、ＳＵＳ４３０）がセラミックス薄板体１３（例えば、ジルコニア）よりも高温領域において変形し易いことは、図１１に示したヤング率の変化からも明らかである。

従って、このようにして形成された複数のシワ部１２ｄを有する金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３とからなるデバイスを常温から昇温すると、その昇温に伴って発生する熱応力はシワ部１２ｄの一部が伸びることにより緩和される。即ち、金属薄板体１２は接合前の昇温された状態へと戻るように変形する。この結果、デバイスの昇温及び降温が繰り返されても、過大な熱応力が接合部及び／又はセラミックス薄板体１３に繰り返し加わることがないから、デバイスの耐久性は極めて高くなる。なお、図１１から明らかなように、金属薄板体１２は、金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３とを含むデバイスが４００℃以上にまで昇温されたとき、金属薄板体１２が実質的に変形する（シワ部１２ｄの一部が伸びる）ようになっている。

前述したように、支持部材１１と、セラミックス薄板体１３を接合した（保持した）金属薄板体１２と、は交互に積層されるようになっている（図１及び図２を参照。）。より具体的に述べると、金属薄板体１２の外周部（スリット１２ａ及び１２ｂを含む外周部）は、一つの支持部材１１（便宜上、これを「第１支持部材」と称呼する。）の上方枠体部１１ｂの上面と、他の一つの支持部材１１（第１支持部材と同形状を有し第１支持部材の上方に配置された別の支持部材であって、便宜上、これを「第２支持部材」と称呼する。）の下方枠体部１１ｃ下面と、の間に、挟持される。このとき、金属薄板体１２は、ガラスを介して支持部材１１（第１支持部材及び第２支持部材）に固定される。従って、金属薄板体１２と支持部材１１との間は絶縁状態に維持されるようになっている。代替として、金属薄板体１２の表面にシリカ膜及びアルミナ膜等の絶縁膜を例えばスパッタリングにより形成した後、金属薄板体１２と支持部材１１とを金属ロウ材で接合しても良い。

以上のように構成された燃料電池１０において、一つのセラミックス薄板体１３の燃料極層１３ｂは第２支持部材の平面部１１ａの下面に対向するように配置され、そのセラミックス薄板体１３の空気極層１３ｃは金属薄板体１２（貫通穴１２ｃ）を介して第１支持部材の平面部１１ａの上面に対向するように配置される。金属薄板体１２に貫通穴１２ｃを設けたのは、空気極層１３ｃへの空気（酸素）の供給を金属薄板体１２が阻害しないようにし、且つ、金属薄板体１２の貫通穴１２ｃ以外の部分により電子をより効率的に収集するためである。即ち、金属薄板体１２の中央部は集電手段を構成している。

図１及び図２の実線の矢印により示したように、空気は各支持部材１１のスリット１１ｃ１を経由してその支持部材の平面部１１ａの上方に流れ込む。従って、各支持部材の平面部１１ａの上面と金属薄板体１２の下面との間に空気流路ＣAirが形成される。この結果、空気極層１３ｃは常に新鮮な空気（酸素）に貫通穴１２ｃを介して曝される。一方、燃料は各支持部材１１のスリット１１ｂ１を経由してその支持部材の平面部１１ａの下方に流れ込む。従って、各支持部材の平面部１１ａの下面とセラミックス薄板体１３の上面との間に燃料流路ＣFuelが形成される。この結果、燃料極層１３ｂには新たな燃料が供給される。そして、燃料電池１０は、上述した反応式（１）及び反応式（２）に従って発電を行う。

（セラミックス薄板体に変形を発生させないための検討）
次に、金属薄板体１２の外周部近傍にシワ部１２ｄを適切に形成するために行った種々の実験結果（第１の実験及び第２の実験の結果）について説明する。これらの実験には、平面形状が正方形である支持部材１１、図１２に示した平面形状が何れも正方形である金属薄板体１２及びセラミックス薄板体１３を用いた。金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３との接合部の幅Ｗは１ｍｍとした。また、金属薄板体１２が変形可能な領域の幅ａは２ｍｍとした。金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３との接合にはガラスを用いた。このとき、金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３と接合用のガラスとを大気雰囲気中において９８０℃にまで昇温し、その状態で３０分放置し、その後、それらを降温させて金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３とを接合した。接合に使用したガラスは、Ｌｉ_２Ｏ、ＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする材料であり、そのガラス転移温度は５６０℃であり、熱膨張係数は１０．５ｐｐｍ／Ｋである。

セラミックス薄板体１３の厚み（板厚）の最適値について検討するための第１の実験結果についてに示す。

この第１の実験から、以下の結論が導き出された。
（１）セラミックス薄板体１３の単体は、そのセラミックス薄板体１３の単体と同一の厚みを有する「固体電解質層１３ａに燃料極層１３ｂ及び空気極層１３ｃを設けた積層体からなるセラミックス薄板体」よりもヤング率が高く（剛性が高く）、変形し難い。具体的にはセラミックスであるジルコニアのヤング率は約２００ＧＰａであるのに対し、燃料極層及び空気極層のヤング率は５０−１００ＧＰａである。従って、積層体全体のヤング率は、ジルコニア単体のヤング率よりも各層の厚みに応じて低下すると考えられる。その結果、セラミックス薄板体１３の単体を金属薄板体１２に接合したデバイスにおける同金属薄板体１２の変形量は、上記積層体を金属薄板体１２に接合したデバイスにおける金属薄板体１２の変形量よりも大きくなっている。しかしながら、セラミックス薄板体１３単体の厚みが１０μｍよりも小さいと、セラミックス薄板体１３にクラックが発生した。これはセラミックス薄板体１３がセラミックスの単体であっても、その厚みが過度に薄いために強度が低下し、上述した熱応力に耐えられなくなった結果であると推定される。
（２）セラミックス薄板体１３の厚みが２０μｍ以上且つ２００μｍ以下であれば、セラミックス薄板体１３は正常な形状を維持し、シワ部１２ｄも適切に形成された。
（３）セラミックス薄板体１３の厚みが２５０μｍ以上となると、金属薄板体１２が大きく変形し、金属薄板体１２に過大なシワ部（高さが過大なシワ部）が形成された。

次に、金属薄板体１２の厚み（板厚）の最適値について検討するための第２の実験結果について表２に示す。なお、セラミックス薄板体１３の厚みは一定（３０μｍ）とした。

この第２の実験から、以下の結論が導き出された。
（３）金属薄板体１２の厚みが２０μｍ以上であると、金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３とが良好に接合され、金属薄板体１２の形状も好ましいものとなった。表２には示していないが、金属薄板体１２の厚みが１０μｍの場合、製作時において金属薄板体１２の取り扱いが困難であり、金属薄板体１２にセラミックス薄板体１３を接合することができなかった。更に、それらを接合できたものの中には、接合不良が発生し、金属薄板体１２とセラミックス薄板体１３との間のシール性が良好でなかった。これは、１０μｍ以下の厚みの金属薄板体１２は自立が困難なほどその強度が低下するために、金属薄板体１２のセラミックス薄板体１３との接合面が平滑に保たれず、その結果、シール不良が発生したものと推定される。

（４）金属薄板体１２の厚みが１００μｍ以上であると、金属薄板体１２のシワ部高さが過小となり、セラミックス薄板体１３の熱応力に伴う変形を抑制することが困難となった。これは、金属薄板体１２の厚みが厚いために、金属薄板体１２の剛性が過大となったことによるものと考えられる。

更に、上記第１及び第２の実験等を通して以下の知見が得られた。
（５）良好なシワ部１２ｄ（セラミックス薄板体１３の熱応力に伴う変形を抑制することが可能なシワ部１２ｄ）が形成された金属薄板体１２において、そのシワ部１２ｄの高さは７０μｍ（より好ましくは６５μｍ）以下であった。更に、シワ部１２ｄの高さが１０μｍ以下である場合、上述したセラミックス薄板体１３の変形を抑制する効果が確認できなかった。
（６）良好なシワ部１２ｄが形成された金属薄板体１２において、セラミックス薄板体１３の端部から金属薄板体１２の外周部に向けて０．５ｍｍ離れた位置（即ち、セラミックス薄板体１３又は接合部の外周縁の法線方向に沿って同外周縁から０．５ｍｍ離れた位置）で測定した「互いに隣接する二つのシワ部の頂部１２ｄ１，１２ｄ１間の距離Ｌ（図１０を参照。）」は、１ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下であった。
（７）良好なシワ部１２ｄが形成された金属薄板体１２において、シワ部１２ｄの頂部が伸びる方向（尾根部の方向）は、セラミックス薄板体１３の辺（前記セラミックス薄板体の外周縁の接線）に対して４５度以上且つ１３５度以下の角度を有していた（但し、接合部、セラミックス薄板体１３及び金属薄板体１２の角部近傍領域を除く。）。

（効果確認）
発明者は、上記実施形態の効果について確認するために、以下に述べる試験を更に行った。
＜効果確認試験１＞
セラミックス薄板体として表面及び裏面に燃料極層及び空気極層をそれぞれ形成したジルコニア（燃料極層の厚み＝５μｍ、ジルコニアの厚み＝２０μｍ、空気極層の厚み＝５μｍ）をＳＵＳ４３０からなる支持部材１１（インターコネクタ）に金属薄板体１２を用いることなく直接挟持させた燃料電池を比較例として製作した。その結果、セラミックス薄板体は製作時に種々の応力を受け、その中央部が凸状に変形した。その変形量は３５０μｍ乃至４００μｍであった。なお、セラミックスの薄板体の平面形状は正方形であり、支持部材の形状は後述する図１６に示した支持部材１１の如くの形状（平面形状は正方形）とした。

これに対し、本発明を適用したデバイス（金属薄板体が上述したシワ部を有するもの）を用いて燃料電池１０を作成した。この作成例における金属薄板体１２の平面形状は図１３に示したように上述した正方形とした。セラミックス薄板体としては、厚みが３０μｍのジルコニアからなり、且つ、図１３に示した平面形状が円形のセラミックス薄板体１３−１を使用した。支持部材は上述した比較例と同一のものを用いた。このように製作された燃料電池において、セラミックス薄板体１３−１は略平坦形状を維持していることが確認された。以上から、本発明が適用されたデバイスにおいては、セラミックス薄板体１３に変形が発生し難いことが確認された。

＜効果確認試験２＞
上記比較例の燃料電池を、赤外線ランプにより１分間で常温から８００℃まで加熱して昇温させ、その後、１分間で常温まで降温させた。その結果、セラミックス薄板体にクラックが発生した。

これに対し、上述した実施形態（正方形金属薄板体１２及び正方形セラミックス薄板体１３）のデバイスを比較例と同様の支持部材に支持させたものを準備し、これを上記比較例と同じ条件にて昇温及び降温させた。この結果、昇温及び降温を１０サイクル行った後においても、セラミックス薄板体１３にクラックの発生は見られなかった。即ち、セラミックス薄板体１３は破損せず正常形状を維持していた。更に、図１３に示したような平面形状が正方形の金属薄板体１２と平面形状が円形のセラミックス薄板体１３−１を用いたデバイスについても同様な昇温／降温試験を行った。その結果、昇温及び降温を１０サイクル行った後においても、セラミックス薄板体１３−１にクラックの発生は見られなかった。このことから、本発明を適用したデバイスは、昇温及び降温を繰り返す燃料電池１０のような使用環境下にて使用された場合においても、優れた耐久性を有していることが確認された。

以上、本発明の実施形態に係るデバイスについて説明してきた。これによれば、セラミックス薄板体１３及び／接合部に熱応力が発生しても、その応力は金属薄板体１２のシワ部１２ｄによって緩和される。更に、シワ部１２ｄは、セラミックス薄板体１３ｄがその平面部に直交する方向に移動又は変形（湾曲）することを防止するリブとしても機能する。これらの結果、セラミックス薄板体１３の平面に直交する方向への変形が抑制されるので、所期の性能を安定して発揮することができる燃料電池１０が提供される。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、セラミックス薄板体の平面視における外周形状は、上述した正方形及び円形の他、楕円形、長円形、正方形や六角形等の多角形及び多角形の各角部に円弧を付与した形状等の任意の形状であってもよい。

加えて、図１４に示したように、支持部材１１に代えて平面視における形状が円形の支持部材１１−１を用いてもよい。更に、金属薄板体の平面視における外周形状は、セラミックス薄板体の外周形状がどのような形状であるかに関わらず、正方形、円形、楕円形、長円形、六角形や八角形等の多角形及び多角形の各角部に円弧を付与した形状等の任意の形状であってもよい。支持部材１１は、その金属薄板体の平面形状に応じた平面形状を有していればよい。

また、金属薄板体１２は、セラミックス薄板体１３と金属薄板体１２との接合部よりも内側の領域に一つの大きな貫通穴を備えていてもよい。この場合、金属薄板体１２は実質的に金属薄板枠体と呼ぶこともできる。更に、この一つの貫通穴の部分に金属薄板体１２とは別の部材（好ましくは、金属等の導電性部材）であってメッシュ構造を有する部材又は複数の貫通穴を有する部材を配置し、その部材を金属薄板体１２に保持させるように構成してもよい。

更に、図１５に示したように、支持部材１１の平面部１１ａの上面及び／又は下面に突起部１１ｄを複数形成してもよい。突起部１１ｄは、平面部１１ａから上方に向けて立設させて金属薄板体１２の下面に当接するように構成しておく。或いは、突起部１１ｄは、平面部１１ａから下方に向けて立設させてセラミックス薄板体１３の上面に当接するように構成しておく。この突起部１１ｄは、電子を集める集電端子（集電手段）として機能する。

また、図１５に示したように、金属メッシュ２０を、平面部１１ａの下面とセラミックス薄板体１３の上面との間に挿入してもよく、平面部１１ａの上面と金属薄板体１２の下面との間に挿入してもよい。この金属メッシュ２０も、集電機能を発揮する集電手段である。更に、支持部材１１、金属薄板体１２及びセラミックス薄板体１３を、図１６に示したように変形したものにも、本発明を適用することができる。加えて、セラミックス薄板体１３は、その燃料極層１３ｂが金属薄板体１２の面上に接合されていてもよく、空気極層１３ｃが金属薄板体１２の面上に接合されていてもよい。

また、燃料極層１３ｂは、白金、白金−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニアサーメット等から構成することができる。

更に、空気極層１３ｃは、例えば、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物（例えば、上述のランタンマンガナイトのほか、ランタンコバルタイト）から構成することができる。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト（ランタンマンガナイトの場合）、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットであってもよい。更に、セラミックス薄板体１３は、３層の積層体であったが、セラミックスの単層体からなっていてもよく、２層又は４層以上の積層体（例えば、４層〜７層）であってもよい。

加えて、上記実施形態のデバイスは燃料電池１０に適用されていたが、センサやアクチュエータ等に適用されてもよい。即ち、例えば、本発明によるデバイスは、以下に述べる熱電式ガスセンサに使用されてもよい。

図１７に縦断面図を示した熱電式ガスセンサ５０は、金属基台部５１、金属薄板体５２、ガラス５３、セラミックス薄板体５４、熱電膜５５、第１電極５６ａ、第２電極５６ｂ、保護膜５７及び触媒５８を備えている。

金属基台部５１は特に限定されないがステンレス（例えば、ＳＵＳ４３０）からなっている。金属基台部５１は所定の厚みｔ１を有する枠体である。金属基台部５１の平面視における外形形状は長方形である。換言すると、金属基台部５１の中央には、平面視において金属基台部５１の外形形状よりも一定距離だけ小さい長方形の貫通穴５１ａが形成されている。なお、金属基台部５１及び貫通孔５１ａの平面視における外形形状は、正方形及び円形等の他の形状であってもよい。

金属薄板体５２は特に限定されないがステンレス（例えば、ＳＵＳ４３０）からなっている。金属薄板体５２は接着剤（ガラス及び金属ロウ材等でもよい。）により金属基台部５１の上面に固定されている。金属薄板体５２は所定の厚みｔ２を有する薄板体である。厚みｔ２は厚みｔ１より小さい。金属薄板体５２の平面視における外形形状は金属基台部５１と同一の長方形である。金属薄板体５２の中央には、平面視において金属薄板体５２の外形形状よりも一定距離だけ小さい長方形の貫通穴５２ａが形成されている。貫通穴５２ａは貫通穴５１ａよりも小さい。従って、金属薄板体５２は、その外周側において金属基台部５１によって支持・固定され、その内周側において自由となっている。なお、金属薄板体５２及び貫通穴５２ａの平面視における外形形状は、金属基台部５１及び貫通孔５１ａの平面視における外形形状に応じた正方形及び円形等の他の形状であってもよい。金属薄板体５２には、図７に示した複数のシワ部１２ｄと同様のシワ部５２ｂが複数形成されている。シワ部５２ｂの尾根部は金属薄板体５２の重心からその外方に向かう方向の成分を有するように放射状に形成されている。

セラミックス薄板体５４は特に限定されないがジルコニアからなる平板体（ジルコニア基板）である。セラミックス薄板体５４は金属薄板体５２と同等の厚みを有している。セラミックス薄板体５４の外形形状は金属基台部５１及び金属薄板体５２の外形形状の長方形と相似形の長方形である。セラミックス薄板体５４の外形を成す各辺は、平面視において、貫通穴５１ａを画定する辺と、貫通穴５２ａを画定する辺と、の間に位置している。換言すると、平面視において、セラミックス薄板体５４の外周部は、その外縁から内方に向かって一定距離Ｗだけ金属薄板体５２の内周部と重なりあっている。この重なりあった部分を接合部と称呼する。セラミックス薄板体５４は、その接合部において、金属薄板体５２の上面とセラミックス薄板体５４の下面との間に配設されたガラス５３により接合されている。従って、金属薄板体５２のシワ部５２ｂの尾根部は、セラミックス薄板体５４の外縁の接線に対して４５度以上且つ１３５度以下の角度を有する方向に（放射状に）伸びている。なお、セラミックス薄板体５４の平面視における外形形状は、金属基台部５１及び金属薄板体５２の外形形状等に応じた正方形及び円形等の他の形状であってもよい。

熱電膜５５は、熱電膜５５に伝達される熱により熱電膜５５内に生じる温度差を「熱電変換効果」により電圧信号に変換する機能を有する薄膜である。熱電膜５５は、特に限定されないが、例えばコバルト酸化物（ＮａＣＯ_２Ｏ_４）である。熱電膜５５は、このように熱電変換効果を発揮する酸化物であることが望ましい。熱電膜５５はＳｉＧｅ、Ｂｉ_２Ｔｅ_３及びＦｅＳｉ等から構成することもできる。また、熱電膜５５は結晶配向されることにより高機能化されていても良い。

第１電極５６ａは、セラミックス薄板体５４の上面及び熱電膜５５の一方の端部近傍領域の上面に形成されている。第１電極５６ａは、白金（又は、白金とチタンの合金）からなる薄膜である。第１電極５６ａは熱電膜５５と電気的に接続されている。
第２電極５６ｂは、セラミックス薄板体５４の上面及び熱電膜５５の他方の端部近傍領域の上面に形成されている。第２電極５６ｂは、白金（又は、白金とチタンの合金）からなる薄膜である。第２電極５６ｂは熱電膜５５と電気的に接続されている。即ち、第１電極５６ａ及び第２電極５６ｂは、熱電膜５５に生じる電圧を取得することができるように熱電膜５５の対向する両端部近傍にそれぞれ形成されている。

保護膜５７は、特に限定されないがシリコンの酸化膜（ＳｉＯ_２）からなっている。保護膜５７は熱電膜５５の上面であって、「第１電極５６ａ及び第２電極５６ｂ」により覆われていない部分を覆っている。

触媒５８は、可燃性ガスとの接触により触媒反応を発生し、その触媒反応によって発熱する触媒材からなる膜である。本例においては、水素を検知する熱電式ガスセンサ５０を構成するために、触媒５８には水素との触媒反応を発生する貴金属系多孔質材料（例えば白金）を用いた。触媒５８の材質は濃度検出対象の可燃性ガスに応じて適宜選択される。触媒５８は熱電膜５５の直上の所定箇所に形成されている。より具体的には、触媒５８は平面視において熱電膜５５の中央部以外の部分の一箇所であって、第２電極５６ｂよりも第１電極５６ａに近い位置に形成されている。

このように構成された熱電式ガスセンサ５０においては、触媒５８と可燃性ガス（本例では、水素）との触媒反応によって発生した熱が熱電膜５５に伝達される。その結果、第１電極５６ａの温度が第２電極５６ｂの温度よりも高くなるような「温度差（温度分布）」が、熱電膜５５内に生じる。触媒５８により発生する熱の量は、触媒５８に接触する可燃性ガスの濃度が高いほど多くなるから、前記「温度差」も可燃性ガスの濃度が高くなるほど大きくなる。この温度差は、熱電膜５５の熱電圧変換効果により電圧に変換される。熱電膜５５の熱電圧変換効果により変換される電圧は、熱電膜５５の温度差が大きいほど大きくなる。その結果、可燃性ガスの濃度が大きくなるほど、熱電膜５５は大きな電圧を発生する。この電圧は、熱電式ガスセンサ５０の検出出力として、第１電極５６ａ及び第２電極５６ｂから取り出される。

上述したように、熱電式ガスセンサ５０においては、熱電膜５５がセラミックス薄板体５４の上面に形成されている。セラミックス薄板体５４の下面は貫通穴５２ａ及び貫通穴５１ａを介して開放されている。従って、セラミックス薄板体５４の下面における放熱性は良好であり、且つ、セラミックス薄板体５４は熱電式ガスセンサ５０の他の部分から熱を受けない。更に、セラミックス薄板体５４はジルコニア（ＺｒＯ_２）基板からなっている。ジルコニア基板は、例えばＭＥＭＳプロセスで作製する場合に適用される窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）に比べ、熱伝導率が非常に小さい。即ち、Ｓｉ_３Ｎ_４の熱伝導率は２９．３Ｗ／ｍＫであるのに対し、ＺｒＯ_２の熱伝導率は１．７Ｗ／ｍＫである。以上のことから、熱電膜５５内部に「可燃性ガスの濃度に応じた大きな温度差（可燃性ガス濃度に敏感に変化する温度差）を発生させることができる。従って、熱電式ガスセンサ５０の感度を格段に向上することができる。

また、熱電膜５５が上述したコバルト酸化物等の酸化物材料から構成されている場合、セラミックス薄板体５４となる焼成前の板体の上に、熱電膜５５となる焼成前の膜、第１電極５６ａ及び第２電極５６ｂ等を形成しておき、これらを同時に焼成することも可能である。従って、熱電式ガスセンサ５０の信頼性を向上することができる。

このように、本発明によるデバイスは熱電式ガスセンサ５０に対しても好適に使用され得る。なお、接合部材として用いたガラス５３の代替として、金属ロウ材を用いても良い。この場合、金属薄板体５２の表面にシリカ膜及びアルミナ膜等の絶縁膜を例えばスパッタリングにより形成した後、金属薄板体５２とセラミックス薄板体５４とを金属ロウ材で接合することが望ましい。また、金属薄板体５２はシワ部５２ｂを有していたが、熱電式ガスセンサ５０に要求される性能によっては、シワ部５２ｂを設けなくてもよい場合がある。更に、触媒５８の下面に、第１電極５６ａ及び第２電極５６ｂ等との絶縁が確保されたヒータ（例えば、白金ヒータ）を形成し、触媒５８の温度を適切な活性温度に維持することも望ましい。

本発明の一実施形態に係るデバイスを適用した固体酸化物形燃料電池の部分分解斜視図である。 図１に示した燃料電池の部分縦断面図である。 図１に示した支持部材の平面図である。 図３の４−４線に沿った平面にて支持部材を切断した断面図である。 図３の５−５線に沿った平面にて支持部材を切断した断面図である。 図３の６−６線に沿った平面にて支持部材を切断した断面図である。 図１に示した金属薄板体及びセラミックス薄板体の平面図である。 図７に示した金属薄板体及びセラミックス薄板体の断面図である。 図７に示した金属薄板体及びセラミックス薄板体の部分拡大断面図である。 Ｘ軸方向に長手方向を有する金属薄板体とセラミックス薄板体との接合部と、その接合部に隣接した金属薄板体のスリットと、の間における金属薄板体をＸ−Ｚ平面に沿った平面にて切断した部分断面図である。 ジルコニアとＳＵＳ４３０の温度に対するヤング率を示したグラフである。 実験内容について説明するための図１に示した金属薄板体及びセラミックス薄板体の平面図である。 本発明の実施形態の変形例に係る金属薄板体及びセラミックス薄板体の平面図である。 本発明の実施形態の変形例に係る支持部材の平面図である。 図１に示した燃料電池の変形例であって集電手段を備えた燃料電池の部分縦断面図である。 本発明の実施形態に係るデバイスを適用した別の固体酸化物形燃料電池の部分分解斜視図である。 本発明の実施形態に係るデバイスを適用した熱電式ガスセンサの縦断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…支持部材、１１ａ…平面部、１１ｂ…上方枠体部、１１ｂ１…スリット、１１ｃ…下方枠体部、１１ｃ１…スリット、１１ｄ…突起部、１２…金属薄板体、１２ａ…スリット、１２ｂ…スリット、１２ｃ…貫通穴、１２ｄ…シワ部、１２ｄ１…上側尾根部、１２ｄ２…下側尾根部、１３…セラミックス薄板体、１３ａ…固体電解質層、１３ｂ…燃料極層、１３ｃ…空気極層、２０…金属メッシュ、ＣAir…空気流路、ＣFuel…燃料流路、５０…熱電式ガスセンサ、５１…金属基台部、５１ａ…貫通穴、５２…金属薄板体、５２ａ…貫通穴、５３…ガラス、５４…セラミックス薄板体、５５…熱電膜、５６ａ…第１電極、５６ｂ…第２電極、５７…保護膜、５８…触媒。

Claims (13)

1. 焼成されたセラミックスシートを含むセラミックス薄板体と、
   前記セラミックス薄板体の外形より大きい外形を有する金属からなる金属薄板体と、
   を備えるデバイスにおいて、
   前記セラミックス薄板体の外周部が前記金属薄板体に接合され、且つ、前記金属薄板体には前記セラミックス薄板体と同金属薄板体との接合部から同金属薄板体の外周部に向う方向に沿って頂部が連続的に伸びた尾根部を有するシワ部が複数形成されてなるデバイス。
2. 請求項１に記載のデバイスにおいて、
   前記デバイスは、同デバイスが昇温されたとき、前記シワ部の一部が伸びることにより、前記金属薄板体が前記セラミックス薄板体と接合される前の昇温された状態へと戻るように変形することを特徴とするデバイス。
3. 請求項２に記載のデバイスにおいて、
   前記デバイスは、同デバイスが４００℃以上にまで昇温されたとき、前記金属薄板体が前記変形を起こすように構成されたデバイス。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
   前記金属薄板体は、前記セラミックス薄板体と同金属薄板体との接合部よりも内側の領域に一つ又は複数の貫通穴を備えることを特徴とするデバイス。
5. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
   前記シワ部の尾根部は、前記セラミックス薄板体の外周縁の接線に対して４５度以上且つ１３５度以下の角度を有する方向に伸びているデバイス。
6. 請求項５に記載のデバイスにおいて、
   前記セラミックス薄板体の厚みは２０μｍ以上且つ２００μｍ以下であり、
   前記金属薄板体の厚みは２０μｍ以上且つ８０μｍ以下である、デバイス。
7. 請求項６に記載のデバイスにおいて、
   前記シワ部の上側頂部と下側頂部との距離である同シワ部の高さは１０μｍ以上且つ７０μｍ以下であるデバイス。
8. 請求項７に記載のデバイスにおいて、
   前記セラミックス薄板体の端部から前記金属薄板体の外周部に向けて０．５ｍｍ離れた位置で測定した互いに隣接する二つのシワ部の頂部間の距離は１ｍｍ以上且つ４ｍｍ以下であるデバイス。
9. 請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
   前記金属薄板体と前記セラミックス薄板体の外周部とがガラス又は金属ロウ材によって接合されているデバイス。
10. 請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
    前記セラミックス薄板体は、単一の薄板体、又は、複数の薄板体を積層した積層体であるデバイス。
11. 請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
    前記セラミックス薄板体は、前記セラミックスシートと同セラミックスシートとは熱膨張率が相違する材料からなるシートとの積層体であることを特徴とするデバイス。
12. 請求項１１に記載のデバイスにおいて、
    前記セラミックス薄板体は、
    前記セラミックススシートとしての固体電解質層と、
    前記固体電解質層の一面に形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての燃料極層と、
    前記固体電解質層の他面に形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての空気極層と、
    を備えるデバイス。
13. 請求項１２に記載のデバイスであって、
    平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第１支持部材と、
    平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第２支持部材と、
    を備え、
    前記第１支持部材及び前記第２支持部材は、前記第１支持部材の上方枠体部の上に前記第２支持部材の下方枠体部が対向するように互いに同軸的に配置され、
    前記金属薄板体が前記第１支持部材の上方枠体部と前記第２支持部材の下方枠体部との間に挟持されることにより前記第１支持部材の平面部の上面に前記セラミックス薄板体の空気極層が対向するように配置され且つ前記第２支持部材の平面部の下面に前記セラミックス薄板体の燃料極層が対向するように配置され、
    前記第１支持部材の平面部の上面と同第１支持部材の上方枠体部の内側壁面と前記薄板体の空気極層とにより酸素を含む気体が供給される空気流路が形成され、
    前記第２支持部材の平面部の下面と同第２支持部材の下方枠体部の内側壁面と前記薄板体の燃料極層とにより燃料が供給される燃料流路が形成されたデバイス。

Images