JP2023023652A - 固体酸化物形燃料電池、及び固体酸化物形燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電セルと金属薄板による異種材料間の接合部の強度、シール性能、絶縁性を同時に満たす固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】燃料極層、電解質層、空気極層の順に積層された発電セルと、電解質層とともに燃料極層を挟むように配置されたサポート層と、発電セルとともにサポート層を挟むように配置されたセパレータと、を含み、セパレータは、平面視で発電セルの外形よりも外側を周回するように配置された接続部を含み、空気極層は、電解質層の他方の主面の中央部に配置され、金属材料とセラミックスの混合物であって気密な構造の接合補助層が電解質層の他方の主面の周縁部を周回し、且つ空気極層から離間するように配置され、金属材料を含む材料で形成されたシール部が発電セル及びサポート層の外周を周回するように接続部に配置され、シール部は、少なくとも接合補助層の側面と接続部に接合している。【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池、及び固体酸化物形燃料電池の製造方法に関する。

特許文献１は、固体酸化物形燃料電池の発電セルを金属フレームに収容し、発電セルの側面と金属フレームの内壁の間にシール材を配置して、発電セルと金属フレームを接合する技術を開示している。

特開２０１６－２０７６３０号公報

しかし、セラミックスである発電セルと金属フレームとの異種材料間の接合において、接合部の強度、シール性能、絶縁性を同時に満たすことは困難である。

本発明は、発電セルと金属薄板による異種材料間の接合部の強度、シール性能、絶縁性を同時に満たす固体酸化物形燃料電池、及び固体酸化物形燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明による固体酸化物形燃料電池によれば、電解質層と、電解質層の一方の主面に配置された第１電極層と、電解質層の他方の主面に配置された第２電極層と、を含む発電セルと、電解質層とともに第１電極層を挟むように配置され発電セルを支持するサポート層と、発電セルとともにサポート層を挟むように配置された金属薄板と、を含む固体酸化物形燃料電池である。この固体酸化物形燃料電池において、金属薄板は、平面視で電解質層、第１電極層、第２電極層の外形よりも外側を周回するように配置された接続部を含み、第２電極層は、電解質層の他方の主面の中央部に配置される。また、金属材料とセラミックスの混合物であって気密な構造の接合補助層が電解質層の他方の主面の周縁部を周回し、且つ第２電極層から離間するように配置され、金属材料を含む材料で形成されたシール部が発電セル及びサポート層の外周を周回するように接続部に配置されている。そして、シール部は、少なくとも接合補助層の側面と接続部に接合している。

本発明によれば、接合補助層は気密構造であるのでシール部との接合強度が担保され、さらにシール部は金属を含むので金属薄板との接合強度も担保される。そして、シール部は、金属薄板と接合補助層を連結するように接合するので、発電セルの側面及びサポート層の側面を封止しつつシール性能の低下を抑制することができる。また、接合補助層は第２電極層とも離間しているので、第１電極層と第２電極層との絶縁性を確保することができる。以上より、発電セルと金属薄板による異種材料間の接合部の強度、シール性能、絶縁性を同時に満たすことができる。

図１は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池の断面図であって、図１（ａ）は基本形態、図１（ｂ）はシール部の第１変形例、図１（ｃ）はシール部の第２変形例である。 図２は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池（基本形態）の平面図である。 図３は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池（第２変形例）の製造工程を示す断面図である。 図４は、第２実施形態の固体酸化物形燃料電池の断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１００の断面図であって、図１（ａ）は基本形態、図１（ｂ）はシール部５の第１変形例、図１（ｃ）はシール部５の第２変形例である。図２は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１００（基本形態）の平面図である。

図１（ａ）に示すように、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１００は、サポート層２の一方の主面の上に燃料極層１２、電解質層１１、空気極層１３の順に積層したものであり、燃料極層１２、電解質層１１、空気極層１３が発電セル１となっている。

空気極層１３は、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３（ＬＳＭ）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ＬＳＣ）、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ＬＳＣＦ）等の材料で形成され、外部からカソードガス（空気）が供給される電極である。空気極層１３は外部回路から電子（ｅ^－）が供給されるとカソードガス中の酸素分子（Ｏ_２）を空気極層１３中の反応（１／２Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｏ^２－）により酸素イオン（Ｏ^２－）に変換する。

電解質層１１は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）等に希土類元素（イットリウム（Ｙ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）等）を添加したイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、ガドリニウム添加セリア（ＧＤＣ）等を始めとする酸素イオン伝導性を有するセラミックス材料からなり、空気極層１３と燃料極層１２にそれぞれ供給されるガスを気密に隔てる。電解質層１１は空気極層１３で生成された酸素イオン（Ｏ^２－）を燃料極層１２に供給する。

燃料極層１２は、Ｎｉ－ＹＳＺ等のように骨格に触媒機能を持たせた多孔質構造で形成される他、酸素イオン伝導性を有するセラミックス材料単体または、金属材料との混合体からなる多孔質骨格表面にＮｉ等の触媒粒子を後から担持させた構造からなる、外部からアノードガスが供給される電極である。燃料極層１２は、電解質層１１を介して空気極層１３から供給された酸素イオン（Ｏ^2－）とアノードガス中の燃料と反応させることで生成物を形成し、電子（ｅ^－）を放出する。特に燃料に水素（Ｈ_２）を用いた場合、燃料極層１２中の反応（Ｈ_２＋Ｏ^２－→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－）により水（Ｈ_２Ｏ）を生成するととともに電子（ｅ^－）を外部回路に供給する。

サポート層２は、電子伝導性を有する材料で形成され、金属や合金から成る。例えば鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）を含む金属材料で形成され、発電セル１を支持してセル全体の強度を担保するものである。

サポート層２の他方の主面にはセパレータ３（金属薄板）が取り付けられている。セパレータ３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を含む金属材料（例えばステンレス（ＳＵＳ））で形成されている。セパレータ３は、サポート層２との間でアノードガスが流通する第１流路６１を形成する波型形状部３２と、サポート層２と面接触する平板部３３と、平面視（図２参照）で発電セル１の外側に配置された接続部３１と、を有する。波型形状部３２は、サポート層２と当接する部分が溶接等によりサポート層２に接合されている。

波型形状部３２とサポート層２の間はアノードガス（燃料）が流通する第１流路６１となっている。また、サポート層２は多孔質構造でアノードガスが透過可能となっている。よって第１流路６１は燃料極層１２に連通しており、第１流路６１に供給されたアノードガスはサポート層２を透過して燃料極層１２に供給される。

なお、後述のように（図４参照）、発電セル１、サポート層２、セパレータ３からなる一体物を複数積層してスタック構造にすると、セパレータ３は、空気極層１３に連通するとともにカソードガスが流通する第２流路６２を形成し、第２流路６２は第１流路６１とは空間的に分離する。

なお、本実施形態において、燃料極層１２と空気極層１３の配置を入れ替えてもよい。この場合、空気極層１３はサポート層２とセパレータ３との間においてサポート層２の全面を覆うように配置され、燃料極層１２は平面視で電解質層１１の中央部に配置される。そして、第１流路６１にはカソードガスが供給され、第２流路６２にはアノードガスが供給される。

図２に示すように、空気極層１３は平面視で電解質層１１の中央部に配置されている。これに対応して、波型形状部３２は平面視で空気極層１３と重なる位置に配置される。よって発電セル１において平面視で空気極層１３に重なる部分で発電反応が主に発生する。

図１、図２に示すように、電解質層１１の空気極層１３が配置された主面には当該主面の周縁部を周回するように接合補助層４が配置されている。

接合補助層４は、セラミックスと金属との混合物であって平面視で枠形状に形成されており、空気極層１３とは空間的に離間している。接合補助層４は、セラミックスと金属が混合された気密な構造となっている。

接合補助層４は、電解質層１１上に配置された第１層４１と、第１層４１上に配置された第２層４２を有する。

第１層４１は、セラミックスと金属との混合物においてセラミックスの配合比率が金属よりも高く設定されている（例えば、金属：セラミックス＝２：８）。第２層４２はセラミックスと金属との混合物において金属の配合比率がセラミックスよりも高く設定されている（例えば、金属：セラミックス＝８：２）。

接合補助層４に適用するセラミックスとしては、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等、電解質層１１で用いられるセラミックスと同種の材料が好適である。これにより、接合補助層４（第１層４１）と電解質層１１との接合強度が担保される。また接合補助層４に適用する金属としては後述のシール部５と同種の金属（例えばアルミニウム）を含む金属材料（例えばステンレス）が好適である。これにより接合補助層４（第２層４２）と後述のシール部５との接合強度が担保される。

なお、本実施形態において、接合補助層４は、第１層４１と第２層４２の二段構造であるが、３段以上の多段構造にして、上層に行くほど金属の配合比率が高くなり、且つ下層に行くほどセラミックスの配合比率が高くなる構成としてもよい。なお、金属とセラミックスとの配合比率（金属：セラミックス）は、例えば１：９（電解質層１１に接合する最下層）から９：１（シール部５に接合する最上層）の範囲で変化させればよい。

シール部５は、図２に示すように、発電セル１の側面を周回するように接続部３１に配置されている。シール部５は、接続部３１、発電セル１の側面、接合補助層４の側面に接合している。これにより、電解質層１１、シール部５、セパレータ３による閉空間が形成される。当該閉空間は第１流路６１を包含するが空気極層１３側とは連通しない。よって第１流路６１に供給されたアノードガスが空気極層１３側に漏洩することはない。また、シール部５は、セパレータ３と同種の金属（例えばアルミニウム）を含む金属材料（ステンレス）が適用される。これにより、シール部５とセパレータ３（接続部３１）との接合強度が担保される。

シール部５は、セパレータ３（接続部３１）、サポート層２、燃料極層１２、電解質層１１、接合補助層４に接合している。特に、シール部５は、接合強度が担保されたセパレータ３（接続部３１）と接合補助層４に接合している。これにより、シール部５とセパレータ３（接続部３１）との接合部５１、及びシール部５と接合補助層４との接合部５２が、シール部５とサポート層２の接合部５３と、シール部５と燃料極層１２との接合部５４と、シール部５と電解質層１１との接合部５５を発電セル１の厚み方向から挟み込む配置となる。これにより、接合部５３、接合部５４、及び接合部５５に印加される熱歪及びスタック時の押圧力を軽減できる。また、仮に接合部５３、接合部５４、接合部５４のシール性能が低下してもシール部５とセパレータ３（接続部３１）との接合部５１、及びシール部５と接合補助層４との接合部５２のシール性能は維持されるので、シール部５全体としてのシール性能の低下を抑制できる。

ところで、シール部５及びセパレータ３をステンレス（ＳＵＳ）で形成する場合、ステンレス５０１の表面には酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）の層５０２が形成される（図１（ａ）の拡大図参照）。しかし、酸化クロムの層５０２からクロム成分が離脱して空気極層１３に付着すると、当該クロム成分が空気極層１３の触媒にダメージを与え発電セル１の発電効率が低下する場合がある。そこで、ステンレスにアルミニウム（Ａｌ）を所定の濃度（２～６ｗｔ％）添加することにより、図１（ａ）の拡大図に示すように、ステンレス５０１の上に酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）の層５０２が形成され、さらにその層５０２の上に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の層５０３が形成されるので、クロム成分の離脱を防止でき、空気極層１３の触媒へのダメージを低減できる。

シール部５の形態としては、図１（ａ）の基本形態以外に、図１（ｂ）に示す第１変形例、図１（ｃ）に示す第２変形例がある。

第１変形例のシール部５は、接合補助層４の上面を覆うように配置されている。これにより、図１（ａ）に示すシール部５の効果以外の効果として、スタック時にシール部５とセパレータ３（接続部３１）との接合部５１、及びシール部５と接合補助層４の上面との接合部５６が発電セル１の厚み方向から押圧され、接合強度が高まる方向から押圧されるので、シール部５のシール性能の低下を抑制できる。

第２変形例のシール部５は、接合補助層４の上面を覆うとともに平面視で接合補助層４の内側に入り込み、接合補助層４の内側の側面及び電解質層１１の主面に接合している。ただし、シール部５は、空気極層１３とは空間的に離間している。

この場合、上記のようにシール部５とセパレータ３（接続部３１）の接合強度は担保されている。そして、例えば発電セル１全体に対して燃料極層１２側が凹、空気極層１３側が凸となるように湾曲させる力が印加された場合、シール部５の接合補助層４の内側の側面との接合部５７に対して接合部５７を接合補助層４から剥離させる力が印加されることはない。またシール部５の平面視で接合補助層４よりも内側となる部分は電解質層１１に当接（接合）しているので前記の湾曲させる力が印加されても前記の接合部５７を剪断させる力が印加されることもない。したがって、シール部５のセパレータ３との接合部５１及びシール部５の接合補助層４の内側の側面との接合部５７のシール性能が維持されることでシール部５全体のシール性能の低下を抑制できる。

また、例えば発電セル１全体に対して燃料極層１２側が凹、空気極層１３側が凸となるように湾曲させる力が印加された場合、シール部５の接合補助層４の外側の側面との接合部５２に対して接合部５２を接合補助層４から剥離する方向の力が印加されることはない。また、接合部５２は、シール部５の接合補助層４の上面との接合部５６に支持されているので、前記の湾曲させる力が印加させても接合部５２をセパレータ３側に剪断させる方向の力が印加されることもない。したがって、シール部５は、シール部５のセパレータ３（接続部３１）との接合部５１とシール部５の接合補助層４の外側の側面との接合部５２との間でシール性能の低下を抑制できる。

以上のように、発電セル１に対して厚み方向に湾曲させる力が印加されたとしても、少なくとも燃料極層１２側の空間（第１流路６１）と空気極層１３側の空間（第２流路６２）との間のシール性能（ガスが互いに流通しない状態）を維持することができる。

［第１実施形態の製造工程］
図３は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１００（第２変形例）の製造工程を示す断面図である。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池１００の製造工程としては、まず、サポート層２、燃料極層１２、電解質層１１、空気極層１３、接合補助層４からなる一体物を形成する。具体的には、サポート層２の原料から構成されるグリーンシート（造孔材を含む）をサポート層２の形状となるように形成し、その上に燃料極層１２の原料から構成されるグリーンシート、電解質層１１の材料から構成されるグリーンシートを積層する。さらに、電解質層１１の材料から構成されるグリーンシートの周縁部に接合補助層４（第１層４１、第２層４２）の材料から構成されるグリーンシート（造孔材を含まない）を配置する。そして、グリーンシートの積層体を焼成することでサポート層２と、燃料極層１２と、電解質層１１と、接合補助層４と、を含む一体構造を形成する。この作製方法は一般的に共焼成と呼ばれるが、この方法に限らず、サポート層２と燃料極層１２を積層させたグリーンシートを、脱脂、焼成して作製した焼結体に、物理蒸着（ＰＶＤ）法により燃料極層１２の上から電解質層１１を緻密に形成させ、さらに、物理蒸着法で形成された電解質層１１の周縁部に接合補助層４（第１層４１、第２層４２）の材料から構成されるグリーンシート（造孔材を含まない）を配置し、再び焼成する手順を踏むことで一体構造を形成することもできる。燃料極層１２にＮｉ等の触媒活性を有する材料をグリーンシート作製時に含有させない場合は、触媒材料を含んだ水溶液を燃料極層１２に対して滴下し、熱処理を行うことで燃料極層１２に電極機能を付与することができる。空気極層１３の材料となるペースト材は一体構造（サポート層２と、燃料極層１２と、電解質層１１と、接合補助層４の焼成物）の電解質層１１の上に積層される。その際、空気極層１３の材料となるペースト材は、平面視で電解質層１１の中央部に配置する。これを焼結させることで、空気極層１３を形成し、サポート層２、燃料極層１２、電解質層１１、空気極層１３、接合補助層４からなる一体物を形成する。

次に、セパレータ３の材料となる金属平板を変形させて波型形状部３２を形成し、波型形状部３２のサポート層２とが接触する部分、及び平板部３３を溶接等によりサポート層２に接合する。

シール部５は、例えばＬＭＤ（Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を適用して形成する。具体的には、シール部５の原料となる粉末金属をシール部５の断面形状に倣って配置するとともにレーザー光により粉末金属及びセパレータ３（接続部３１）を溶融させてセパレータ３（接続部３１）上に金属薄膜を形成し、当該金属薄膜上に再び粉末の金属材料を配置してレーザー光により粉末金属と金属薄膜を溶融させることで先に形成された金属薄膜の上に新たな金属薄膜を積層し、これを繰り返すことでシール部５を形成する。

図３（ａ）に示すように、シール部５のセパレータ３（接続部３１）に接合する部分の外形に倣って金属薄膜を積層する。このとき、金属粉末とこれに接触する金属薄膜及び発電セル１の側面（金属成分）を溶融させることで新たな金属薄膜が積層される。

図３（ｂ）に示すように、金属薄膜の高さが電解質層１１の上面の高さに到達すると、シール部５のセパレータ３（接続部３１）に接合する部分の外形、及びシール部５の電解質層１１に接合する部分の外形に倣って金属薄膜を積層する。

そして、金属薄膜の高さが接合補助層４の上面の高さに到達すると、シール部５の平面視形状に倣って金属薄膜を積層し所望の高さまで積層することで図１（ｃ）に示すシール部５が形成される。

上記製造工程により、シール部５とセパレータ３（接続部３１）は金属同士の溶融接続となるのでシール部５のセパレータ３との接合部５１の接合強度（すなわちシール性能）が担保される。またシール部５の接合補助層４の外側の側面との接合部５２、シール部５の接合補助層４の上面との接合部５６、及びシール部５の接合補助層４の内側の側面との接合部５７も実質的に金属同士の溶融接続となるので接合部５２、接合部５６、接合部５７の接合強度（すなわちシール性能）が担保される。

また、シール部５は、発電セル１、サポート層２、及びセパレータ３からなる一体物を形成した後に形成されるので、発電セル１に形状バラつきがあったとしても、当該バラツキを相殺する態様でシール部５を形成できるので固体酸化物形燃料電池１００の製造歩留まりを高めることができる。

なお、前記の特許文献１は、固体酸化物形燃料電池において、発電セルを金属フレーム（セパレータ）に収容し、発電セルの側面と金属フレームの内壁の間にシール材（金属ペーストを原料とする）を注入して発電セルと金属フレームとを接合する技術を開示している。

しかし、金属ペーストを焼成してシール材を形成するとシール材に焼成収縮が発生するので、シール材と発電セルとの界面、又はシール材と金属フレームとの界面に剥離が生じ、アノードとカソードとの間でシール部５を介したクロスリークが発生する可能性がある。

また、特許文献１では、発電セルと金属フレームから受ける熱歪、及びスタック構造をとしたときの荷重がシール材を引き剥がす方向の挙動となる場合がある。

しかし、第１変形例（図１（ｂ））の構成とすることで、固体酸化物形燃料電池１００をスタック構造にして厚み方向から押圧した場合、又は発電を実行して固体酸化物形燃料電池１００の温度が上昇してシール部５等が膨張した場合、シール部５のセパレータ３（接続部３１）との接合部５１がセパレータ３（接続部３１）に押圧され、シール部５の接合補助層４との接合部５６が接合補助層４に押圧されるので、接合部５１及び接合部５６が引き剥がされることはなく、シール部５のシール性能の低下を抑制できる。

また、第２変形例（図１（ｃ））の構成とすることで、固体酸化物形燃料電池１００をスタック構造にして厚み方向から押圧した場合、又は発電を実行して固体酸化物形燃料電池１００の温度が上昇してシール部５等が膨張した場合、シール部５のセパレータ３（接続部３１）との接合部５１がセパレータ３（接続部３１）に押圧され、シール部５の接合補助層４との接合部５６が接合補助層４に押圧され、シール部５の電解質層１１との接合部５８が電解質層１１に押圧されるので、接合部５１、接合部５６、及び接合部５８が引き剥がされることはなく、シール部５のシール性能の低下を抑制できる。

［第１実施形態の効果］
第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１００は、電解質層１１と、電解質層１１の一方の主面に配置された第１電極層（燃料極層１２）と、電解質層１１の他方の主面に配置された第２電極層（空気極層１３）と、を含む発電セル１と、電解質層１１とともに第１電極層（燃料極層１２）を挟むように配置され発電セル１を支持するサポート層２と、発電セル１とともに前記サポート層２を挟むように配置された金属薄板と、を含む固体酸化物形燃料電池１００において、金属薄板（セパレータ３）は、平面視で発電セル１の外形よりも外側を周回するように配置された接続部３１を含み、第２電極層（空気極層１３）は、電解質層１１の他方の主面の中央部に配置され、金属材料とセラミックスの混合物であって気密な構造の接合補助層４が電解質層１１の他方の主面の周縁部を周回し、且つ第２電極層（空気極層１３）から離間するように配置され、金属材料を含む材料で形成されたシール部５が発電セル１及びサポート層２の外周を周回するように接続部３１に配置され、シール部５は、少なくとも接合補助層４の側面と接続部３１に接合している。

上記構成により、接合補助層４は気密構造であるのでシール部５との接合強度が担保され、さらにシール部５は金属を含むので金属薄板（セパレータ３）との接合強度も担保される。そして、シール部５は、金属薄板（セパレータ３）と接合補助層４を連結するように接合するので、発電セル１の側面及びサポート層２の側面を封止しつつシール性能の低下を抑制することができる。また、接合補助層４は第２電極層（空気極層１３）とも離間しているので、第１電極層（燃料極層１２）と第２電極層（空気極層１３）との絶縁性を確保することができる。以上より、発電セル１と金属薄板（セパレータ３）による異種材料間の接合部の強度、シール性能、絶縁性を同時に満たすことができる。

なお、接合補助層４は、電解質層１１において第２電極層（空気極層１３）が配置された主面に配置され、厚み方向で接合補助層４と第２電極層（空気極層１３）が同じ位置に配置されるので、その分、固体酸化物形燃料電池１００の厚み方向の寸法の増加を抑制できる。

本実施形態において、シール部５及び金属薄板（セパレータ３）は、アルミニウムを含む金属材料からなる。シール部５及び金属薄板（セパレータ３）をステンレス（ＳＵＳ）で形成する場合、ステンレスの表面には酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）の層が形成される。しかし、酸化クロムの層からクロム成分が離脱して第２電極層（空気極層１３）に付着すると、当該クロム成分が第２電極層（空気極層１３）の触媒にダメージを与え発電セル１の発電効率が低下する場合がある。そこで、ステンレスにアルミニウム（Ａｌ）を（所定の濃度（２～６ｗｔ％））添加することにより、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）の層の上に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の層が形成されるので、クロム成分の離脱を防止でき、第２電極層（空気極層１３）の触媒へのダメージを低減できる。

本実施形態において、シール部５は、接合補助層４の主面を覆うように配置されている。これにより、固体酸化物形燃料電池１００のスタック時にシール部５の金属薄板（セパレータ３（接続部３１））との接合部５１、及びシール部５と接合補助層４の上面との接合部５６が発電セル１の厚み方向から押圧され、接合強度が高まる方向から押圧されるので、シール部５のシール性能の低下を抑制できる。

本実施形態において、シール部５は、平面視で電解質層１１の接合補助層４よりも内側となる位置まで覆うように配置されている。これにより、例えば発電セル１に対して厚み方向に湾曲させる力が印加されたとしても、少なくとも燃料極層１２側の空間（第１流路６１）と空気極層１３側の空間（第２流路６２）との間のシール性能（ガスが互いに流通しない状態）を維持することができる。

本実施形態において、サポート層２は、表面に不働態被膜を形成するクロムを含む金属材料（ステンレス）からなる。これにより、腐食しにくいサポート層２を形成することができる。

本実施形態において、接合補助層４は、電解質層１１に近いほどセラミックスの配合比率が高く、電解質層１１から離れるほど金属の配合比率が高くなる。これにより接合補助層４（第１層４１）と電解質層１１との接合強度及び接合補助層４（第２層４２）とシール部５との接合強度を担保できる。

本実施形態において、接合補助層４を構成するセラミックスは、電解質層１１を構成するセラミックスと同種であって酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を含む。これにより接合補助層４（第１層４１）と電解質層１１との接合強度を担保できる。

本実施形態において、接合補助層４を構成する金属材料は、シール部５の金属材料と同種であってアルミニウム（Ａｌ）を包含する。これにより接合補助層４（第２層４２）とシール部５との接合強度を担保できる。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池１００の製造方法によれば、電解質層１１と、前記電解質層１１の一方の主面に配置された第１電極層（燃料極層１２）と、電解質層１１の他方の主面に配置された第２電極層（空気極層１３）と、を含む発電セル１と、第１電極層（燃料極層１２）に取り付けられ発電セル１を支持するサポート層２と、サポート層２に取り付けられた金属薄板（セパレータ３）と、を含む固体酸化物形燃料電池１００の製造方法であって、金属薄板を、平面視で発電セル１の外形よりも外側を周回する接続部３１を含むように形成し、第２電極層（空気極層１３）を、電解質層１１の他方の主面の中央部に配置し、金属材料とセラミックスの混合物であって気密な構造の接合補助層４を電解質層１１の他方の主面の周縁部を周回し、且つ第２電極層（空気極層１３）から離間するように配置し、接続部３１に金属材料の薄膜を多数積層することで、少なくとも接合補助層４の側面と接続部３１に接合したシール部５を形成する。

上記製造方法により、シール部５とセパレータ３（接続部３１）は金属同士の溶融接続となるのでシール部５のセパレータ３との接合部５１の接合強度（すなわちシール性能）が担保される。またシール部５と接合補助層４の外側の側面との接合部５２も実質的に金属同士の溶融接続となるので接合部５２の接合強度（すなわちシール性能）が担保される。

また、シール部５は、発電セル１、サポート層２、及びセパレータ３からなる一体物を形成した後に形成されるので、発電セル１に形状バラつきがあったとしても、当該バラツキを相殺する態様でシール部５を形成できるので固体酸化物形燃料電池１００の製造歩留まりを高めることができる。

そして上記製造方法により形成された固体酸化物形燃料電池１００において、接合補助層４は気密構造であるのでシール部５との接合強度が担保され、さらにシール部５は金属を含むので金属薄板（セパレータ３）との接合強度も担保される。そして、シール部５は、金属薄板（セパレータ３）と接合補助層４を連結するように接合するので、発電セル１の側面及びサポート層２の側面を封止しつつシール性能の低下を抑制することができる。また、接合補助層４は第２電極層（空気極層１３）とも離間しているので、第１電極層（燃料極層１２）と第２電極層（空気極層１３）との絶縁性を確保することができる。以上より、発電セル１と金属薄板（セパレータ３）による異種材料間の接合部の強度、シール性能、絶縁性を同時に満たすことができる。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態の固体酸化物形燃料電池１００の断面図である。第２実施形態の固体酸化物形燃料電池１００は第１実施形態と類似するが、シール部５のうち平面視で電解質層１１よりも内側となる部分であって電解質層１１及び接合補助層４に接合する内側シール部５９において金属材料以外にセラミックス（例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２））を包含している。これにより、内側シール部５９の電解質層１１との接合部５８の接合強度、内側シール部５９の接合補助層４の内側の側面との接合部５７の接合強度をそれぞれ担保できる。なお、内側シール部５９の金属とセラミックスとの配合比率は１：１としてもよい。

また、第２実施形態では、例えば接続部３１に絶縁体のスペーサ７を配置して固体酸化物形燃料電池１００の上に別の固体酸化物形燃料電池１００を積層し、これを繰り返すことで多段のスタック構造としている。

図４に示すように、下段に配置された固体酸化物形燃料電池１００の空気極層１３の上には補助電極層１３１（省略してもよい）が配置されている。当該補助電極層１３１（又は当該空気極層１３）は上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００のセパレータ３に接触している。当該セパレータ３はサポート層２を介して燃料極層１２と電気的に接続されている。

すなわち、下段に配置された固体酸化物形燃料電池１００の空気極層１３と、上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００の燃料極層１２とは短絡している。よって、上記のように多段のスタック構造とすることにより全ての固体酸化物形燃料電池１００が電気的に直列に接続される。

また、図４に示すように、下段に配置された固体酸化物形燃料電池１００の空気極層１３、電解質層１１、シール部５、セパレータ３、及びスペーサ７と、上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００のセパレータ３により下段に配置された固体酸化物形燃料電池１００の空気極層１３に連通するとともに、上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００の燃料極層１２（第１流路６１）とは空間的に分離した第２流路６２が形成される。

なお、図４に示すように、下段に配置された固体酸化物形燃料電池１００の補助電極層１３１、空気極層１３、電解質層１１、シール部５（後述の絶縁材料５０４）、セパレータ３（接続部３１）、及びスペーサ７と、上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００のセパレータ３により閉空間が形成され、第２流路６２は当該閉空間に含まれる。

シール部５は、接合部５１を介してセパレータ３に接続されるが、スタック構造としたときに、当該セパレータ３とは異なる他のセパレータ３に対向する。すなわち、シール部５は、接合部５１を介して接続されたセパレータ３と、当該セパレータ３とは異なる（電気的に絶縁している）他のセパレータ３との間に配置される。

これに対応して、シール部５の表面は、絶縁材料５０４により被覆されている。絶縁材料５０４としては酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）が適用される。これにより、下段に配置された固体酸化物形燃料電池１００のシール部５と上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００のセパレータ３との短絡を回避できる。

なお、第２実施形態では、スペーサ７を下段に配置された固体酸化物形燃料電池１００のシール部５（絶縁材料５０４）と、上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００のセパレータ３の間に配置してもよい。また、スペーサ７を省略して下段に配置された固体酸化物形燃料電池１００のシール部５（絶縁材料５０４）と上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００のセパレータ３を接合してもよい。

［第２実施形態の効果］
第２実施形態の固体酸化物形燃料電池１００によれば、金属薄板（セパレータ３）及びシール部５は、第１電極層（燃料極層１２）に連通するとともに第２電極層（空気極層１３）とは空間的に分離した第１流路６１を形成し、発電セル１とサポート層２と金属薄板（セパレータ３）を含む一体物を複数積層したときに、互いに隣接する一対の一体物の一方（例えば図４の上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００）の金属薄板（セパレータ３）は、一対の一体物の他方（例えば図４の下段に配置された固体酸化物形燃料電池１００）の第２電極層（空気極層１３）に連通するとともに一体物の一方（例えば図４の上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００）に形成された第１流路６１から空間的に分離した第２流路６２を形成する。

上記構成により、事前に第２流路６２を形成することなく固体酸化物形燃料電池１００をスタック構造とすることで第２流路６２を形成可能となるので、その分、固体酸化物形燃料電池１００の厚み方向の寸法（ピッチ幅）を小さくすることができ、当該スタック構造の高さを抑制することができる。

第２実施形態において、シール部５の表面は、酸化アルミニウム、又は酸化ジルコニウムからなる絶縁材料５０４により被覆されている。これにより、前記のスタック構造において、互いに隣接する一対の一体物の一方（例えば図４の上段に配置された固体酸化物形燃料電池１００）の金属薄板（セパレータ３）と互いに隣接する一対の一体物の他方（例えば図４の下段に配置された固体酸化物形燃料電池１００）のシール部５との短絡を回避できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００ 固体酸化物形燃料電池，１ 発電セル，１１ 電解質層，１２ 燃料極層，１３ 空気極層，２ サポート層，３ セパレータ，４ 接合補助層，５ シール部

Claims (12)

1. 電解質層と、前記電解質層の一方の主面に配置された第１電極層と、前記電解質層の他方の主面に配置された第２電極層と、を含む発電セルと、
   前記電解質層とともに前記第１電極層を挟むように配置され前記発電セルを支持するサポート層と、
   前記発電セルとともに前記サポート層を挟むように配置された金属薄板と、を含む固体酸化物形燃料電池において、
   前記金属薄板は、平面視で前記発電セルの外形よりも外側を周回するように配置された接続部を含み、
   前記第２電極層は、前記電解質層の他方の主面の中央部に配置され、
   金属材料とセラミックスの混合物であって気密な構造の接合補助層が前記電解質層の他方の主面の周縁部を周回し、且つ前記第２電極層から離間するように配置され、
   金属材料を含む材料で形成されたシール部が前記発電セル及び前記サポート層の外周を周回するように前記接続部に配置され、
   前記シール部は、少なくとも前記接合補助層の側面と前記接続部に接合している固体酸化物形燃料電池。
2. 前記金属薄板及び前記シール部は、前記第１電極層に連通するとともに前記第２電極層とは空間的に分離した第１流路を形成し、
   前記発電セルと前記サポート層と前記金属薄板を含む一体物を複数積層したときに、互いに隣接する一対の前記一体物の一方の前記金属薄板は、前記一対の前記一体物の他方の前記第２電極層に連通するとともに前記一体物の一方に形成された前記第１流路から空間的に分離した第２流路を形成する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記シール部及び前記金属薄板は、アルミニウムを含む金属材料からなる請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記シール部は、前記接合補助層の主面を覆うように配置されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記シール部は、平面視で前記電解質層の前記接合補助層よりも内側となる位置まで覆うように配置されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 前記シール部のうち、平面視で前記電解質層の前記接合補助層よりも内側となる部分は前記電解質層を構成するセラミックスと同種であって酸化ジルコニウムを含む請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
7. 前記シール部の表面は、酸化アルミニウム、又は酸化ジルコニウムからなる絶縁材料により被覆されている請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
8. 前記サポート層は、表面に不働態被膜を形成するクロムを含む金属材料からなる請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
9. 前記接合補助層は、前記電解質層に近いほどセラミックスの配合比率が高く、前記電解質層から離れるほど金属の配合比率が高くなる請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
10. 前記接合補助層を構成するセラミックスは、前記電解質層を構成するセラミックスと同種であって酸化ジルコニウムを含む請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池。
11. 前記接合補助層を構成する金属材料は、前記シール部の金属材料と同種であってアルミニウムを包含する請求項９又は請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池。
12. 電解質層と、前記電解質層の一方の主面に配置された第１電極層と、前記電解質層の他方の主面に配置された第２電極層と、を含む発電セルと、
    前記第１電極層に取り付けられ前記発電セルを支持するサポート層と、
    前記サポート層に取り付けられた金属薄板と、を含む固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
    前記金属薄板を、平面視で前記発電セルの外形よりも外側を周回する接続部を含むように形成し、
    前記第２電極層を、前記電解質層の他方の主面の中央部に配置し、
    金属材料とセラミックスの混合物であって気密な構造の接合補助層を前記電解質層の他方の主面の周縁部を周回し、且つ前記第２電極層から離間するように配置し、
    前記接続部に金属材料の薄膜を多数積層することで、少なくとも前記接合補助層の側面と前記接続部に接合したシール部を形成する固体酸化物形燃料電池の製造方法。

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