JP2012026477A - セラミックスと金属との結合体及び固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高温においても、ガスシールに関する耐久性が高く、セラミックス製の部材と金属製の部材とを確実に結合できるセラミックスと金属との結合体及びその結合体を用いた固体酸化物形燃料電池を提供すること。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池１は、円筒形のセラミックス管である燃料電池セル３と、燃料電池セル３の軸方向の両端に圧入により外嵌された金属管である一対の金属部材５、７とを備えている。また、金属部材５、７のうち、筒状部２３は、燃料電池セル３の緻密部１９、２１の外側に圧入されて、燃料電池セル３と結合するとともに、燃料電池セル３と金属部材５、７との間をガスシールするものであり、特に、筒状部２３の内周面には、内周面を周方向一周するように、２箇所に環状の溝である凹部３５、３７が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックスと金属との結合体及び固体酸化物形燃料電池に関し、特に筒構造を有するセラミックスと金属との結合体及び固体酸化物形燃料電池に関する。

従来より、例えば固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池モジュールの小型化や単位体積当たりの出力密度を向上させるために、各種の研究が行われている。例えば、複数の円筒状のセラミック製の燃料電池セルを、円筒状の金属製の保持部材（金属リング等）で保持することにより、燃料電池セルを集積した構造のものが開発されている。

しかしながら、円筒状のセラミック製の燃料電池セルと円筒状の金属製の保持部材との様に、材質や強度が異なる円筒状の部材を、ガスのリークを発生させることなく強固に結合することは容易ではない。

そのため、従来の燃料電池モジュールにおいては、円筒状の燃料電池セルに円筒状の保持部材を外嵌する際に、両部材間のガスのリークを防止するとともに両部材を結合するために、両部材の間に無機接着剤を塗布して両部材を接合していた（特許文献１参照）。

具体的には、円筒状の燃料電池セルの貫通孔内に燃料ガスを供給する構造の場合には、燃料電池セルの外周側には酸化剤ガスが供給されるので、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合しないように、燃料電池セルと保持部材との間を無機接着剤を用いてガスシールして接合していた。

特開２００６−１９６３１５号公報

しかしながら、上述した様に、セラミック製の燃料電池セルと金属製の保持部材とを無機接着剤で接合した場合には、高温での封止性に問題があった。
例えば、固体酸化物形燃料電池を使用する場合の様に、高温（例えば５００℃〜１０００℃）の環境下において、固体酸化物形燃料電池を長期間運転すると、水蒸気等のガスの影響により、無機接着剤が劣化してガスシール性が低下するという問題があった。即ち、高温でのガスシールの耐久性が十分ではないという問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高温においても、ガスシールに関する耐久性が高く、セラミックス製の部材と金属製の部材とを確実に結合できるセラミックスと金属との結合体及びその結合体を用いた固体酸化物形燃料電池を提供することである。

（１）本発明では、請求項１に記載の様に、セラミックス管と、該セラミックス管の開口端部の外側に嵌合して該開口端部の外周面に当接し、該セラミックス管と機械的に結合するとともに該セラミックス管との間を気密する筒状部を備えた金属部材と、を有するセラミックスと金属との結合体において、前記金属部材の筒状部の前記セラミックス管と対向する内周面に、前記筒状部の軸方向と交差する方向に沿って形成された凹部を備えたことを特徴とする
本発明では、金属部材の筒状部のセラミックス管と対向する内周面に、筒状部の軸方向と交差する方向に沿って形成された凹部を備えており、金属部材の筒状部とセラミックス管とが機械的に結合するとともに両部材間が気密されている。よって、セラミックス管と金属部材とを無機接着剤で接合した場合に比べて、（例えば７００℃の）高温において長期間使用しても、ガスシール性が劣化しにくく（即ちガスシールに関する耐久性が高く）、セラミックス管と金属部材とを確実に結合できるという顕著な効果を奏する。

つまり、本発明では、後述する実験例からも明かな様に、金属部材の筒状部の内周面に上述した凹部を備えているので、筒状部の内周面全体でセラミックス管の外周面に当接して嵌合する場合に比べて、その当接面が小さくなっている。よって、筒状部の内周面のうち、凹部以外のセラミックス管に当接する部分が大きな接触圧力でセラミックス管と嵌合するので、無機接着剤を使用しなくても、セラミックス管と金属部材とは長期間にわたりガスシール性が低下することなく確実に結合することができる。言い換えると、凹部に相当する金属部材の剛性力が、凹部以外のセラミックス管に当接する部分へ負荷されるため、当接する部分に対して大きな接触圧力が得られるので、結合体の全体的なガスシール性が向上する。

（２）本発明では、請求項２に記載の様に、凹部として、金属部材の筒状部の周方向に沿って形成された環状の溝を採用できる。これにより、筒状部の周方向において、均等に圧力が加わるので、ガスシール性が向上するという利点がある。

（３）本発明では、請求項３の記載の様に、環状の溝として、所定間隔をあけて複数形成されたものを採用できる。これにより、一層ガスシール性が向上する。
（４）本発明では、請求項４に記載の様に、セラミックス管と金属部材の筒状部とが嵌合して２重構造となっている範囲において、筒状部の内周面のうち、セラミックス管の外周面と接触しない面積が接触する面積より大きくすることが望ましい。

つまり、この様に面積を設定することにより、そうでない場合に比べて、大きな接触圧力でセラミックス管と結合することができるので、ガスシール性や結合性が向上する。
（５）本発明では、請求項５に記載の様に、セラミックス管と金属部材の筒状部とが嵌合して２重構造となっている範囲にて、筒状部の外周面又は筒状部の先端面の外周側に、筒状部の軸方向と交差する方向に沿って形成された凸部を設けることが好ましい。

この様に凸部を設けることにより、金属部材の筒状部の凸部を形成した部分における剛性が高くなるので、その凸部に対応した内周面側における接触圧力（従って結合強度）が向上し、より強固に結合することができるとともに、ガスシール性も向上する。

（６）本発明では、請求項６に記載の様に、前記凸部は、凹部が形成されていない位置の径方向外側に対応する位置に形成されていることが好ましい。
つまり、凹部の形成箇所以外に凸部を設けることにより、その凸部を形成した筒状部（従って凸部に対応する筒状部のセラミックス管に当接する内周面）の剛性が大きくなるので、その部分での接触圧力（従って結合強度）が向上し、より強固に結合することができるとともに、ガスシール性も向上する。

（７）本発明は、請求項７に記載の様に、セラミックス管と、該セラミックス管の開口端部の外側に嵌合して該開口端部の外周面に当接し、該セラミックス管と機械的に結合するとともに該セラミックス管との間を気密する筒状部を備えた金属部材と、を有するセラミックスと金属との結合体において、前記セラミックス管と前記金属部材の筒状部とが嵌合して２重構造となっている範囲にて、前記筒状部の外周面又は筒状部の先端面の外周側に、該筒状部の軸方向と交差する方向に沿って形成された凸部を備えたことを特徴とする。

本発明では、金属部材の筒状部の外周面又は筒状部の先端面の外周側に、筒状部の軸方向と交差する方向に沿って形成された凸部を備えており、金属部材の筒状部とセラミックス管とが機械的に結合するとともに両部材間が気密されている。よって、セラミックス管と金属部材とを無機接着剤で接合した場合に比べて、（例えば７００℃の）高温において長期間使用しても、ガスシール性が劣化しにくく（即ちガスシールに関する耐久性が高く）、セラミックス管と金属部材とが確実に結合できるという顕著な効果を奏する。

つまり、本発明では、上述の様に凸部を設けることにより、金属部材の筒状部における剛性が高くなるので、その部分（凸部の形成位置に対応したセラミックス管との当接箇所）での結合強度が向上し、より強固に結合することができるとともに、ガスシール性も向上する。

（８）本発明では、請求項８に記載の様に、凸部として、金属部材の筒状部の周方向に沿って形成された環状の突起を採用できる。これにより、ガスシール性が向上する。
（９）本発明では、請求項９に記載の様に、環状の突起として、所定間隔をあけて複数形成されたものを採用できる。これにより、一層ガスシール性が向上する。

（１０）本発明では、請求項１０に記載の様に、金属部材として、ビッカース硬度が１８０［ＨＶ］以下のものを採用することが好ましい。
金属部材のビッカース硬度が１８０［ＨＶ］を上回ると、即ち金属部材があまり硬質であると、金属部材が嵌合するセラミックス管が割れやすくなるので、この範囲が好適である。なお、金属部材があまり軟質であると、結合強度が低下し、気密性も低下するので、ビッカース硬度としては、１３０［ＨＶ］以上が好適である。

なお、ここで、前記ビッカース硬度は、ＪＩＳ Ｚ ２２４４による試験方法によって測定されたものである。
（１１）本発明では、請求項１１に記載の様に、セラミックス管に当接する金属部材の筒状部の肉厚Ａとセラミックス管の肉厚Ｂとの比（Ａ／Ｂ）は、０．３５〜１．０であることが好ましい。

つまり、Ａ／Ｂが１．０を上回り、金属部材の肉厚Ａが大きくなると、結合強度が高くなるが、セラミックス管が割れ易くなるので、Ａ／Ｂは１．０以下が好適である。また、Ａ／Ｂが０．３５を下回り、金属部材の肉厚Ｂが小さくなると、結合強度が低下し、気密性も低下するので、Ａ／Ｂは０．３５以上が好適である。

（１２）本発明は、請求項１２に記載の様に、前記請求項１〜１１のいずれか１項に記載のセラミックスと金属との結合体を用いた固体酸化物形燃料電池において、前記セラミックス管が、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池セルであることを特徴とする。

従って、本発明によれば、固体酸化物形燃料電池を高温にして長期間運転した場合でも、固体酸化物形燃料電池セルと金属部材との間から燃料ガスや酸化剤ガスがリークすることを防止できるという顕著な効果を奏する。

ここで、前記各請求項の発明において、前記セラミックス管の材料としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ＮｉＯ−ＹＳＺ、安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、セリア、ドープドセリアおよびこれらの混合物、前記セラミックに金属触媒を担持させたセラミック、触媒金属とセラミックとのサーメットなどが挙げられる。

なお、セラミックス管は、全体が全てセラミックス材料からなる部材だけでなく、セラミックス材料が主成分であれば、セラミックス材料中に金属材料が一部含まれていてもよい。

また、前記金属部材の材料としては、耐熱性及び耐酸化性を有する例えばＳＵＳ４０５、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等のステンレスや、コバール、インコネル、パーマロイなどが挙げられる。

第１実施形態の固体酸化物形燃料電池を軸方向に沿って破断して示す断面図である。 第１実施形態における金属部材を軸方向に沿って破断し拡大して示す断面図である。 第１実施形態の固体酸化物形燃料電池のセラミックス基体の製造方法を示す説明図である。 燃料電池セルに金属部材を圧入する方法を示す説明図である。 実験例１のガスリーク試験を示す説明図である。 比較例の金属部材を軸方向に沿って破断し拡大して示す断面図である。 実験例１の実験結果を示すグラフである。 （ａ）第２実施形態の固体酸化物形燃料電池の結合部分を軸方向に沿って破断して示す断面図、（ｂ）第３実施形態の固体酸化物形燃料電池の結合部分を軸方向に沿って破断して示す断面図、（ｃ）第４実施形態の固体酸化物形燃料電池の結合部分を軸方向に沿って破断して示す断面図、（ｄ）第５実施形態の固体酸化物形燃料電池の結合部分を軸方向に沿って破断して示す断面図である。

以下、本発明の最良の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
ここでは、セラミックスと金属との結合体の構造を備えた固体酸化物形燃料電池を例に挙げて説明する。

ａ）まず、本実施形態の固体酸化物形燃料電池の構成について説明する。
図１に示す様に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、円筒形のセラミックス管である燃料電池セル３と、この燃料電池セル３の軸方向の両端に圧入により外嵌された金属管である一対の金属部材５、７とを備えている。

このうち、燃料電池セル３は、軸中心に中心孔８を有する円筒状のセラミックス管基体９と、そのセラミックス管基体９の外側表面に形成された後述する複数の層１１、１３、１５とから構成されている。

詳しくは、セラミックス管基体９は、その中央部に、支持体を兼ねる円筒状の燃料極１７を備えるとともに、燃料極１７の軸方向の両端には、円筒状の緻密部１９、２１を備えている。なお、セラミックス管基体９の外径は、例えばφ１４．０ｍｍ、内径はφ６．２ｍｍである。

このうち、燃料極１７は、例えばＮｉＯ−ＹＳＺからなり、緻密部１９、２１は、例えばＹＳＺからなる。なお、緻密部１９、２１は、ガスの透過ができない程度に緻密化されており、燃料極１７よりも強度が大きい。

また、セラミックス管基体９の外側表面には、燃料極１７を覆う様に、ＹＳＺからなる固体電解質層１１が形成されており、固体電解質層１１の表面には、ガドリニウムドープセリア（Ｇ_0.2ＤＣ_0.8）からなる反応防止層１３が形成されており、反応防止層１３の表面には、ＬＳＦＣ（Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｆｅ_0.7Ｃｏ_0.3Ｏ₃）からなる空気極（空気極層）１５が形成されている。

一方、前記金属部材５、７は、例えば耐熱性を有するＳＵＳ４３０等の金属材料からなり、そのビッカース硬度は、１３０〜１８０［ＨＶ］の範囲内である。
この金属部材５、７は、燃料電池セル３の両端の緻密部１９、２１に外嵌する円筒形状の（例えば外径φ２０ｍｍ）の筒状部２３と、筒状部２３から軸方向の外側に伸びる円筒形状の（例えば外径φ９．５３ｍｍ）の先端部２５とから構成されている。なお、左右の金属部材５、７は、同じ形状であるので、以下では、金属部材５、７の一方を例に挙げて説明することもある。

また、前記金属部材５、７の軸中心には、金属部材５、７を軸方向に貫通する貫通孔２７が形成されており、この貫通孔２７は、図２に示す様に、その外側（図２下方）より、内径φ６．４３ｍｍの外側孔２９と、内径φ１８ｍｍの中央孔３１と、内径φ１３．９０ｍｍの内側孔３３とから構成されている。

前記金属部材５、７のうち、前記筒状部２３は、燃料電池セル３の緻密部１９、２１の外側に圧入されて燃料電池セル３と結合するとともに、燃料電池セル３と金属部材５、７との間をガスシールするものである。

特に、本実施形態では、筒状部２３の内周面には、内周面を周方向一周するように、即ち、筒状部２３の軸方向と垂直な平面上（異なる平面上）に、それぞれ環状の溝である凹部３５、３７が形成されている。

詳しくは、内側孔３３の内周面には、所定間隔をあけて２箇所に、幅１．７５ｍｍ×深さ０．５０ｍｍの環状の凹部３５、３７が形成されている。また、凹部３５、３７の軸方向に沿って３箇所に、燃料電池セル３の緻密部１９、２１の外側表面に当接して押圧する環状の接触部３９、４１、４３が形成されており、この接触部３９〜４３の幅は、それぞれ、２．５０ｍｍ、１．５０ｍｍ、１．５ｍｍに設定されている。

なお、接触部３９の開口端部には、テーパ部（テーパ角５°）４５が形成されているので、筒状部２３が実際に燃料電池セル３に接する幅は、そのテーパ分だけ短くなっている。

また、前記図１に示す様に、本実施形態では、燃料電池セル３と金属部材５、７の筒状部２３とが嵌合して２重構造となっている範囲（図１の軸方向におけるＷの範囲）において、筒状部２３の内周面のうち、燃料電池セル３の外周面と接触しない面積が接触する面積より大きく設定されている。

更に、本実施形態では、燃料電池セル３に当接する金属部材５、７の筒状部２３の肉厚Ａとセラミックス管基体９の肉厚Ｂとの比（Ａ／Ｂ）は、０．３５〜１．０の範囲内（ここでは、０．７５（３／４））に設定されている。

ｂ）次に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１の製造方法について説明する。
(1）燃料電池セル３の製造方法
・本実施形態では、プレス成形を利用して燃料電池セル３を製造する。

図３（ａ）に示す様に、本実施形態では、プレス成形に用いる型枠として、平板状の基台５１の上に筒状のゴム型５３を配置した型枠を用いる。このゴム型５３の軸中心には、軸方向（同図の上下方向）に沿って、燃料電池セル３のセラミックス管基体９の外形に対応した円柱形の内部孔５５が形成されており、この内部孔５５の軸中心には、セラミックス管基体９の中心孔８の形状に対応した円柱状の中心ピン５９が立設されている。

これにより、内部孔５５の内周面と中心ピン５９の外周面とによって、円筒形状の型枠孔６１が形成されている。
従って、本実施形態では、まず、このゴム型５３の型枠孔６１内に、一方の緻密部１９を形成する材料として、ＹＳＺ造粒粉を２０ｇ充填し、円筒状の一方の緻密部形成部６３を作製した。

次に、図３（ｂ）に示す様に、同様に、ゴム型５３の型枠孔６１内において、緻密部形成部６３の上に、燃料極１７を形成する材料として、ＮｉＯとＹＳＺを重量比で、３０：７０の割合で用いるとともに、造孔材として有機ビーズを２０体積％添加した混合材料の造粒粉を７５ｇ充填し、円筒状の燃料極形成部６５を作製した。

次に、図３（ｃ）に示す様に、同様に、燃料極形成部６５の上に、他方の緻密部２１を形成する材料として、ＹＳＺ造粒粉を２０ｇ充填し、円筒状の他方の緻密部形成部６７を作製した
次に、図３（ｄ）に示す様に、ゴム型５３の上部に、上部金型６９を固定した。

そして、この状態で、ゴム型５３の外周側より成形圧８０ＭＰａＧにてプレス成形することによって、図３（ｅ）に示す様な、セラミックス管基体９の形状に対応した円筒形状成形体７１を作製した。

次に、この円筒形状成形体７１を、３５０℃で１０時間脱脂し、（ＹＳＺからなる）一方の緻密部１９と（ＮｉＯ−ＹＳＺからなる）燃料極１７と（ＹＳＺからなる）他方の緻密部２１とが一体となったセラミックス管基体脱脂体（図示せず）を得た。

次に、固体電解質層１１を形成するために、メタノールを溶媒としたＹＳＺのスラリーを作製し、このＹＳＺスラリーを、燃料極１７の外側表面を覆うように、セラミックス管基体脱脂体の表面にディップコートした。

その後、ＹＳＺスラリーをコートしたセラミックス管基体脱脂体を、大気中で、１４００〜１４５０℃で焼成した。即ち、同時焼成により、両緻密部１９、２１、燃料極１７、固体電解質層１１が一体となった焼成品を作製した。

次に、反応防止層１３を形成するために、メタノールを溶媒としてガドリニウムドープセリア（Ｇ_0.2ＤＣ_0.8）を分散させたスラリーを作製し、このスラリーを、前記焼成品に対して、固体電解質層１１の表面を覆うようにディップコートした。

次に、空気極層１５を形成するために、メタノールを溶媒としてＬＳＦＣ（Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｆｅ_0.7Ｃｏ_0.3Ｏ₃）を分散させたスラリーを作製し、このスラリーを、前記焼成品に対して、反応防止層１３の表面を覆うようにディップコートした。

その後、上述のようにコートした焼成品を、大気中で、１０００〜１３５０℃で焼成し、燃料電池セル３を完成した。
なお、燃料電池セル３の軸方向の両端には、金属部材５、７の圧入のために、テーパ加工を施した。

また、燃料電池セル３には、燃料電池セル３から電力を取り出すために、燃料極１７と空気極１５とにそれぞれ導通する導通部を別個に接続するが、ここでは図示しない。
(2）金属部材５、７の製造方法
また、金属部材５、７の材料として、例えばＳＵＳ４３０の部材を用意し、旋盤加工により、上述した金属部材５、７の形状に加工した。その後、熱処理（７８０〜８５０℃の加熱後、徐冷）を行って、ビッカース硬度を１８０［ＨＶ］以下にした。

なお、金属部材５、７の筒状部２３の開口端部には、燃料電池セル３の圧入のために、テーパ加工を施した。
(3)固体酸化物形燃料電池３の組み付け方法
まず、潤滑剤を燃料電池セル３と金属部材５、７のテーパ加工した部分と内側孔３３の内周面に塗布した。なお、潤滑剤としては、パスキンＭ３０（商品名）、セロゾール（商品名）等を使用することができる。

そして、図４に示す様に、サーボプレス機で荷重をかける。詳しくは、基台８０上に配置した円筒状の治具８１の内部（円柱状の空間８２）に、同図下方より、同軸に、円筒状の第１治具金属管８３、一方の金属部材５、燃料電池セル３、他方の金属部材７、円筒状の第２治具金属管８５を配置する。

なお、第１治具金属管８３は、一方の金属部材５の先端部２５に外嵌するものであり、第２治具金属管８５は、他方の金属部材７の先端部２５に外嵌するものである。
そして、この状態で、第２治具金属管８５を下方に押圧することにより、両金属部材５、７を、燃料電池セル３の両端に圧入した。なお、圧入荷重は最大５００ｋｇ重程度である。

また、本圧入工程にて、金属部材５、７と燃料電池セル３は、お互いに擦れ合い圧入されるため、金属部材５、７の内側孔３３の内周面の表面粗さは、始めの旋盤加工後の表面荒さよりも改善していることが分かった。その表面荒さの改善の程度は、図２の金属部材５、７と図６（比較例）の金属部材１０１とを比較した際、図２の金属部材５、７を用いた方が改善されていることが分かった。

これは、図２の金属部材（本発明例）５、７の接触圧力が高く、大きい影響が出ているものと考えられる。ちなみに、旋盤加工後の表面荒さは、Ｒｚで５μｍ程度で、圧入後の図２の金属部材５、７の内側孔３３の内周面の表面粗さはＲｚで１μｍ以下、それに対して、図６（比較例）の金属部材１０１の圧入後の内周面の表面粗さはＲｚで３．５μｍ程度に留まった。（以上の「Ｒｚ」は表面荒さＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４に基づく測定値である）
ｃ）次に、実験例について説明する。

＜実験例１：リーク試験＞
［実施例］
まず、リーク試験に使用するために、前記実施形態と同様な固体酸化物形燃料電池１を作製した。そして、この固体酸化物形燃料電池１を、還元炉中に入れ、窒素ガス雰囲気中で、７００℃から１５０℃に温度を変更する処理を１０回（１０サイクル）繰り返した。なお、１５０℃から７００℃に上昇させ、その後１５０℃に低下させる処理を、熱処理の１サイクルとした。

その後、図５に示す様に、この熱サイクルを加えた固体酸化物形燃料電池１を、密閉容器９１内に収容するとともに、密閉容器９１に開口部９３を設け、この開口部９３と石鹸膜流量計９５を接続した実験装置９７を作製した。なお、密閉容器９１は、金属部材５、７と燃料電池セル３との結合部分を含むように形成した。

次に、この実験装置９７を用い、常温にて、一方の金属部材５の貫通孔２７から、固体酸化物形燃料電池１の中心孔８（１次側）に、１ＭＰａＧのＨｅガスを供給した。なお、他方の金属部材７の貫通孔２７の開口は閉塞した。

そして、その際に、密閉容器９１の開口部９３から外側（２次側）に漏出するＨｅ量を測定した。その結果、Ｈｅの漏出は検出されなかった。
［比較例］
また、比較例として、従来の金属部材１０１（図６参照）、即ち、筒状部の内周面に凹部が無い以外は実施例と同じ形状の金属部材１０１を、燃料電池セルに結合した固体酸化物形燃料電池を作製した。なお、比較例の固体酸化物形燃料電池は、金属部材１０１以外は、前記実施形態と同様である。

そして、この比較例についても、前記と同様な熱サイクルによる熱処理を行い、その熱処理後の比較例品について、前記と同様な実験装置によって、同様な条件でリーク試験を行った。

その結果、Ｈｅの漏出量は、０．２ｃｃ／ｍｉｎであり、前記実施形態の実施例品よりガスシール性が低いことが分かった。
＜実験例２：コンピュータシミュレーションによる強度試験＞
前記実施例と前記比較例の固体酸化物形燃料電池のデータ（材料の種類、寸法等）をコンピュータに入力し、シミュレーションによる強度試験を行った。なお、このシミュレーションに用いたプログラムは、有限要素法汎用ソフト ＡＮＳＹＳである。

その結果を、図７に示すが、比較例では、燃料電池セルと金属部材との結合強度（同図では接触圧力［ｋｇ／ｍｍ²］で示している）が実施例に比べて小さいことが分かる。なお、図７では、燃料電池セルと金属部材との接触面から、同図の左側に伸びるグラフが接触圧力の大きさを示している。

ｄ）この様に、本実施形態では、金属部材５、７の筒状部２３の燃料電池セル３と対向する内周面に、筒状部２３の軸方向と直交する方向に沿って形成された複数の環状の凹部３５、３７を備えており、金属部材５、７の筒状部２３と燃料電池セル３とが機械的に結合するとともに、金属部材５、７の筒状部２３と燃料電池セル３との間を気密している。

よって、燃料電池セル３と金属部材５、７とを無機接着剤で接合した場合に比べて、（例えば７００℃の）高温において長期間使用しても、ガスシール性が劣化しにくく（即ちガスシールに関する耐久性が高く）、燃料電池セル３と金属部材５、７とを長期間にわたり確実に結合できるという顕著な効果を奏する。

また、本実施形態では、燃料電池セル３と金属部材５、７の筒状部２３とが嵌合して２重構造となっている範囲において、筒状部２３の内周面のうち、燃料電池セル３の外周面と接触しない面積が接触する面積より大きく設定されている。

従って、金属部材５、７は大きな接触圧力で燃料電池セル３と結合することができるので、ガスシール性や結合性が向上する。
更に、本実施形態では、金属部材５、７のビッカース硬度が適度であるので、金属部材５、７が圧入される燃料電池セル３が割れにくく、ガスシール性も高いという利点がある。

その上、本実施形態では、燃料電池セル３に当接する金属部材５、７の筒状部２３の肉厚Ａとセラミックス管基体９（詳しくはその緻密部１９、２１）の肉厚Ｂとの比（Ａ／Ｂ）は、０．３５〜１．０である。

従って、金属部材５、７は、大きな結合強度で結合できるとともに、燃料電池セル３が割れにくいという利点がある。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図８（ａ）に示す様に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１１１は、前記第１実施形態と同様に、金属部材１１３の筒状部１１５に燃料電池セル１１７の端部が圧入されている。また、筒状部１１５の内周面には、２箇所に環状の凹部１１９、１２１が形成されている。

特に本実施形態では、筒状部１１５の軸方向の先端面には、その外周縁部に沿って軸方向に突出する環状の凸部１２３が形成されている。これにより、凸部１２３に隣接する接触部１２５の剛性が大きくなるので、大きな結合強度で結合することができ、ガスシール性が向上する。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図８（ｂ）に示す様に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１３１は、前記第１実施形態と同様に、金属部材１３３の筒状部１３５に燃料電池セル１３７の端部が圧入されている。また、筒状部１３５の内周面には、環状の凹部１３９が形成されている。

特に本実施形態では、燃料電池セル１３７と金属部材１３３の筒状部１３５とが嵌合して２重構造となっている範囲にて、筒状部１３５の外周面に、筒状部１３５の軸方向と直交する方向に沿って形成された環状の凸部１４１を備えている。この凸部１４１は、凹部１３９が形成されていない位置の径方向外側に対応する位置に形成されている。

従って、本実施形態では、この様に凸部１４１を設けることにより、金属部材１３３の筒状部１３５における剛性が高くなる。よって、凸部１４１の形成位置に対応した燃料電池セル１３７との接触箇所での結合強度が向上し、より強固に結合することができ、ガスシール性も向上する。

なお、 環状の凸部１４１を、所定間隔をあけて複数形成してもよい。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図８（ｃ）に示す様に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１５１は、前記第１実施形態と同様に、金属部材１５３の筒状部１５５に燃料電池セル１５７の端部が圧入されている。また、筒状部１５５の内周面には、環状の凹部１５９が形成されている。

特に本実施形態は、前記第２実施形態の先端面の凸部と第３実施形態の外周面の凸部とを組み合わせた凸状部１６１を備えているので、一層大きな剛性を確保することができる。よって、より大きな結合強度で結合することができ、ガスシール性も大きく向上する。
［第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明するが、前記第３実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図８（ｄ）に示す様に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１７１は、前記第３実施形態と同様に、金属部材１７３の筒状部１７５に燃料電池セル１７７の端部が圧入されている。

特に本実施形態では、筒状部１７５の内周面には、環状の凹部が形成されておらず、燃料電池セル１７７と金属部材１７３の筒状部１７５とが嵌合して２重構造となっている範囲にて、筒状部１７５の外周面に、筒状部１７５の軸方向と直交する方向に沿って形成された環状の凸部１８１を備えている。

従って、本実施形態では、前記凸部１８１を設けることにより、金属部材１７３の筒状部１７５における剛性が高くなるので結合強度が向上する。よって、より強固に結合することができ、ガスシール性も向上する。

なお、 環状の凸部１８１を、所定間隔をあけて複数形成してもよい。
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

１、１１１、１３１、１５１、１７１…固体酸化物形燃料電池
３、１１７、１３７、１５７、１７７…燃料電池セル
５、７、１０１、１１３、１３３、１５３、１７３…金属部材
９…セラミックス管基体
２３、１１５、１３５、１５５、１７５…筒状部
３５、３７、１１９、１２１、１３９、１５９…凹部
１２３、１４１、１８１…凸部
１６１…凸状部

Claims (12)

1. セラミックス管と、
   該セラミックス管の開口端部の外側に嵌合して該開口端部の外周面に当接し、該セラミックス管と機械的に結合するとともに該セラミックス管との間を気密する筒状部を備えた金属部材と、
   を有するセラミックスと金属との結合体において、
   前記金属部材の筒状部の前記セラミックス管と対向する内周面に、前記筒状部の軸方向と交差する方向に沿って形成された凹部を備えたことを特徴とするセラミックスと金属との結合体。
2. 前記凹部は、前記金属部材の筒状部の周方向に沿って形成された環状の溝であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスと金属との結合体。
3. 前記環状の溝が、所定間隔をあけて複数形成されていることを特徴とする請求項２に記載のセラミックスと金属との結合体。
4. 前記セラミックス管と前記金属部材の筒状部とが嵌合して２重構造となっている範囲において、前記筒状部の内周面のうち、前記セラミックス管の外周面と接触しない面積が接触する面積より大であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセラミックスと金属との結合体。
5. 前記セラミックス管と前記金属部材の筒状部とが嵌合して２重構造となっている範囲にて、前記筒状部の外周面又は筒状部の先端面の外周側に、該筒状部の軸方向と交差する方向に沿って形成された凸部を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックスと金属との結合体。
6. 前記凸部は、前記凹部が形成されていない位置の径方向外側に対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のセラミックスと金属との結合体。
7. セラミックス管と、
   該セラミックス管の開口端部の外側に嵌合して該開口端部の外周面に当接し、該セラミックス管と機械的に結合するとともに該セラミックス管との間を気密する筒状部を備えた金属部材と、
   を有するセラミックスと金属との結合体において、
   前記セラミックス管と前記金属部材の筒状部とが嵌合して２重構造となっている範囲にて、前記筒状部の外周面又は筒状部の先端面の外周側に、該筒状部の軸方向と交差する方向に沿って形成された凸部を備えたことを特徴とするセラミックスと金属との結合体。
8. 前記凸部は、前記金属部材の筒状部の周方向に沿って形成された環状の突起であることを特徴とする請求項７に記載のセラミックスと金属との結合体。
9. 前記環状の突起が、所定間隔をあけて複数形成されていることを特徴とする請求項８に記載のセラミックスと金属との結合体。
10. 前記金属部材のビッカース硬度は、１８０［ＨＶ］以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のセラミックスと金属との結合体。
11. 前記セラミックス管に当接する金属部材の筒状部の肉厚Ａと前記セラミックス管の肉厚Ｂとの比（Ａ／Ｂ）は、０．３５〜１．０であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のセラミックスと金属との結合体。
12. 前記請求項１〜１１のいずれか１項に記載のセラミックスと金属との結合体を用いた固体酸化物形燃料電池において、
    前記セラミックス管が、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池セルであることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。