JP5727430B2 - セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は，セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池に関する。
電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下，「ＳＯＦＣ」又は単に「燃料電池」とも記す場合がある）が知られている。ＳＯＦＣは，例えば，板状の固体電解質層の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを多数積層したスタック（燃料電池スタック）を有する。燃料極および空気極それぞれに，燃料ガス（例えば，水素）および酸化剤ガス（例えば，空気中の酸素）を供給し，固体電解質層を介して化学反応させることで，電力を発生させる。
燃料電池セルは，一般に，燃料ガスと酸化剤ガスとが存在する区画を区分するセパレータに接続して，用いられる。
Ａｇロウやガラスで燃料電池セルとセパレータを接合するための技術が開示されている（特許文献１参照）。
また，耐熱金属とセラミックスをＡｌ２Ｏ３のような非還元性酸化物を添加したＡｇロウで大気ロウ付けする技術が開示されている（特許文献２参照）。
さらに，ＳＯＦＣ向けガラス材としてＡｌ２Ｏ３を含有するものが開示されている（特許文献３参照）。
また，耐熱金属とセラミックスをＡｌ２Ｏ３のような非還元性酸化物を添加したＡｇロウで大気ロウ付けする技術が開示されている（特許文献２参照）。
さらに，ＳＯＦＣ向けガラス材としてＡｌ２Ｏ３を含有するものが開示されている（特許文献３参照）。
ここで，Ａｇロウ中を水素と酸素が拡散し，結合することで，ボイドが発生する現象が知られている（特許文献４参照）。ボイドが発生するとＡｇロウ中にガスの通り道ができるため，ガスの分離が困難となる。
特許文献１にＡｇロウやガラスによるシールが示されているが，Ａｇロウだけでシールすると，期間の経過により，ボイドが広がり，ガスリークする畏れがある。また，ガラスだけでシールすると，接合強度が弱く，スタック組付け時に剥がれたり，ガラスが割れたりして，ガスリークする畏れがある。
本発明は，燃料電池セルとセパレータの接合および封止の信頼性を向上した，セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池を提供することを目的とする。
特許文献１にＡｇロウやガラスによるシールが示されているが，Ａｇロウだけでシールすると，期間の経過により，ボイドが広がり，ガスリークする畏れがある。また，ガラスだけでシールすると，接合強度が弱く，スタック組付け時に剥がれたり，ガラスが割れたりして，ガスリークする畏れがある。
本発明は，燃料電池セルとセパレータの接合および封止の信頼性を向上した，セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池を提供することを目的とする。
セパレータ付燃料電池セルは，固体電解質層を挟んで，片面側に空気極が，該片面側とは反対の面側に燃料極が配置される燃料電池セル本体と，Ａｇを含むロウ材で構成される接合部を介して，前記燃料電池セル本体に取り付けられ，開口部を有する，金属製セパレータと，を具備する，セパレータ付燃料電池セルであって，前記接合部よりも前記開口部側の，前記金属製セパレータと前記燃料電池セル本体との間に，前記開口部の全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を有する封止部を具備し，前記金属製セパレータが，１．５質量％以上１０質量％以下のＡｌを含み，前記接合部が，１体積％以上２５体積％以下の，Ａｌの酸化物または複合酸化物を含み，前記封止部が，Ａｌ２Ｏ３換算で，１質量％以上３０質量％以下の，Ａｌを含む，ことを特徴とする。
金属製セパレータが，１．５質量％以上１０質量％以下のＡｌを含み，前記接合部が，１体積％以上２５体積％以下の，Ａｌの酸化物または複合酸化物を含み，前記封止部が，Ａｌ２Ｏ３換算で，１質量％以上３０質量％以下の，Ａｌを含む。即ち，金属製セパレータ，接合部，封止部の何れもがＡｌを含むことから，これらの間での親和性が良好となり，接合および封止の信頼性が向上する。
また，金属製セパレータが燃料電池セル本体に接合部により接合されていることから，外部から応力が印加された場合に，封止部の変形が防止され，封止部が割れる可能性を低減できる。
また，封止部が接合部よりも開口部側に配置されることから，接合部が直接酸化剤ガスに接触することが無いので，接合部への酸素の接触が阻止される。この結果，接合部中への酸素の拡散が抑制され，水素と酸素の反応によって発生するボイドを防止することができる。
また，封止部が接合部よりも開口部側に配置されることから，接合部が直接酸化剤ガスに接触することが無いので，接合部への酸素の接触が阻止される。この結果，接合部中への酸素の拡散が抑制され，水素と酸素の反応によって発生するボイドを防止することができる。
（１）前記金属製セパレータが，２質量％以上１０質量％以下のＡｌを含み，前記接合部が，２体積％以上１５体積％以下の，Ａｌの酸化物または複合酸化物を含み，前記封止部が，Ａｌ２Ｏ３換算で，２質量％以上２０質量％以下の，Ａｌを含んでいるとより好ましい。
Ａｌによって，金属製セパレータ，接合部，封止部の親和性がより良好となり，接合および封止の信頼性がより向上する。
（２）前記Ａｌの酸化物または複合酸化物の少なくとも一部が，前記金属セパレータと前記接合部の界面に配置されても良い。
Ａｌの酸化物または複合酸化物の少なくとも一部が，前記金属セパレータと前記接合部の界面に配置されることで，この界面での親和性が良好となる。
Ａｌの酸化物または複合酸化物の少なくとも一部が，前記金属セパレータと前記接合部の界面に配置されることで，この界面での親和性が良好となる。
（３）前記Ａｌの酸化物または複合酸化物が，Ａｌ２Ｏ３，Ａｌ含有スピネル型酸化物（例えば，ＭｇＡｌ２Ｏ４），またはムライトを有しても良い。
これらＡｌの酸化物を用い，親和性を良好にできる。
（４）前記金属製セパレータは板状であり，前記板状の金属製セパレータを挟んで，前記封止部と対向する位置における，前記金属製セパレータ表面上に配置され，前記封止材と同じ材料で構成される拘束部をさらに具備しても良い。
前記金属製セパレータ表面上に配置され，前記封止材と同じ材料で構成される拘束部を設けると，金属製セパレータと封止部間での熱膨張差に起因する応力を打ち消すことができ，剥がれを防止できる。
（５）前記金属製セパレータの開口部の側面に配置された連結部によって，前記封止部と前記拘束部とが一体に形成されていても良い。
封止部と拘束部とを連結し，一体化することで，接合および封止の信頼性がより向上する。
（６）燃料電池が（１）〜（５）記載のセパレータ付燃料電池セルを具備しても良い。
接合および封止の信頼性が向上した燃料電池を提供できる。
接合および封止の信頼性が向上した燃料電池を提供できる。
本発明によれば，燃料電池セルとセパレータの接合および封止の信頼性を向上した，セパレータ付燃料電池セル，および燃料電池スタックを提供できる。
以下，本発明に係る固体酸化物形燃料電池について図面を用いて説明する。
図１は，本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）１０を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池１０は，燃料ガス（例えば，水素）と酸化剤ガス（例えば，空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電する。
固体酸化物形燃料電池１０は，エンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）が積層され，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）およびナット３５で固定される。
図２は，固体酸化物形燃料電池１０の模式断面図である。
固体酸化物形燃料電池１０は，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層して構成される燃料電池スタックである。ここでは，判り易さのために，４つの燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層しているが，一般には，２０〜６０個程度の燃料電池セル４０を積層することが多い。
固体酸化物形燃料電池１０は，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層して構成される燃料電池スタックである。ここでは，判り易さのために，４つの燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層しているが，一般には，２０〜６０個程度の燃料電池セル４０を積層することが多い。
エンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）は，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）に対応する貫通孔３１，３２（３２ａ，３２ｂ），３３（３３ａ，３３ｂ）を有する。
エンドプレート１１，１２は，積層される燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を押圧，保持する保持板であり，かつ燃料電池セル４０（１）〜４０（４）からの電流の出力端子でもある。
エンドプレート１１，１２は，積層される燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を押圧，保持する保持板であり，かつ燃料電池セル４０（１）〜４０（４）からの電流の出力端子でもある。
図３は，燃料電池セル４０の断面図である。図４は，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０）を表す上面図である。
図３に示すように，燃料電池セル４０は，金属製セパレータ５３と燃料電池セル本体４４を有し，インターコネクタ４１，４５，集電体４２，枠部４３を備える。
燃料電池セル本体４４は，固体電解質層５６を空気極（カソード，空気極層ともいう）５５，および，燃料極（アノード，燃料極層ともいう）５７で挟んで構成される。固体電解質層５６の酸化剤ガス流路４７側，燃料ガス流路４８側それぞれに，空気極５５，燃料極５７が配置される。
空気極５５としては，ペロブスカイト系酸化物（例えば，ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物），ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物），各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。
固体電解質層５６としては，ＹＳＺ，ＳｃＳＺ，ＳＤＣ，ＧＤＣ，ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。
燃料極５７としては，金属が好ましく，Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットやＮｉ基合金が使用できる。
インターコネクタ４１，４５は，燃料電池セル本体４４間の導通を確保し，かつ燃料電池セル本体４４間でのガスの混合を防止し得る，導電性を有する板状の部材（例えば，ステンレス鋼等の金属）である。
なお，燃料電池セル本体４４間には，１個のインターコネクタ（４１若しくは４５）のみが配置される（直列に接続される二つの燃料電池セル本体４４の間に一つのインターコネクタを共有しているため）。また，最上層および最下層の燃料電池セル本体４４それぞれでは，インターコネクタ４１，４５に替えて，導電性を有するエンドプレート１１，１２が配置される。
集電体４２は，燃料電池セル本体４４の空気極５５とインターコネクタ４１との間の導通を確保するためのものであり，例えば，ＳＵＳ（ステンレス）等の金属材料からなる。また，集電体４２が，弾性を有していてもよい。
枠部４３は，酸化剤ガス，燃料ガスが流れる開口４６を有する。この開口４６は，気密に保持され，かつ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路４７，燃料ガスが流れる燃料ガス流路４８に区分される。また，本実施形態の枠部４３は，空気極フレーム５１，絶縁フレーム５２，金属製セパレータ５３，燃料極フレーム５４で構成される。
空気極フレーム５１は，空気極５５側に配置される金属製の枠体で，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，酸化剤ガス流路４７を区画する。
絶縁フレーム５２は，インターコネクタ４１，４５間を電気的に絶縁する枠体で，例えば，Ａｌ２Ｏ３などのセラミックスやマイカ，バーミキュライトなどが使用でき，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，酸化剤ガス流路４７を区画する。具体的には，絶縁フレーム５２は，インターコネクタ４１，４５の間において，一方の面が空気極フレーム５１に，他方の面が金属製セパレータ５３に接触して配置されている。この結果，絶縁フレーム５２により，インターコネクタ４１，４５間が電気的に絶縁されている。
金属製セパレータ５３は，開口部５８を有する枠状の金属製の薄板（例えば，厚さ：０．１ｍｍ）であり，燃料電池セル本体４４の固体電解質層５６に取り付けられ，かつ酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を防止する金属製の枠体である。金属製セパレータ５３によって，枠部４３の開口４６内の空間が，酸化剤ガス流路４７と燃料ガス流路４８に区切られ，酸化剤ガスと燃料ガスとの混合が防止される。
金属製セパレータ５３の上面と下面の間を貫通する貫通孔によって開口部５８が形成され，この開口部５８内に，燃料電池セル本体４４の空気極５５が配置される。金属製セパレータ５３が接合された燃料電池セル本体４４を「セパレータ付燃料電池セル」という。なお，この詳細は後述する。
燃料極フレーム５４は，絶縁フレーム５２と同様に，燃料極５７側に配置される絶縁フレームであり，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，燃料ガス流路４８を区画する。
空気極フレーム５１，絶縁フレーム５２，金属製セパレータ５３，燃料極フレーム５４は，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）が挿入されるか，もしくは酸化剤ガスか燃料ガスが流通する貫通孔３１，３２（３２ａ，３２ｂ），３３（３３ａ，３３ｂ）をそれぞれの周辺部に有する。
（セパレータ付燃料電池セル５０の詳細）
本実施形態では，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の間に接合部６１，封止部６２が配置され，セパレータ付燃料電池セル５０を構成する。開口部５８に沿って，金属製セパレータ５３の下面と固体電解質層５６の上面が接合部６１で接合され，封止部６２で封止される。
本実施形態では，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の間に接合部６１，封止部６２が配置され，セパレータ付燃料電池セル５０を構成する。開口部５８に沿って，金属製セパレータ５３の下面と固体電解質層５６の上面が接合部６１で接合され，封止部６２で封止される。
金属製セパレータ５３は，主成分として，鉄（Ｆｅ），クロム（Ｃｒ）を含む金属材料から構成され，Ａｌを含む。この結果，金属製セパレータ５３の表面にアルミナの被膜が形成され，耐酸化性が向上する。また，いずれもＡｌを含む接合部６１のＡｇロウ，封止部６２のガラスとの親和性が良好となり，接合の強度，封止の気密性（金属製セパレータ５３界面との隙間のない封止）を確保できる。
金属製セパレータ５３は，１．５質量％以上１０質量％未満（一例として，３質量％）のＡｌを含むことが好ましい。Ａｌ含有量が１．５質量％未満の場合，接合部６１での接合（ガラス接合）時に，アルミナの被膜とガラスが一部反応することで，Ａｌが枯渇しやすくなり，耐酸化性が低下するためである（Ａｌ添加量が１ｗｔ％未満では短い時間でＡｌが枯渇するため耐酸化性効果自体が期待できない）。
Ａｌ枯渇に対する耐性の観点から金属製セパレータ５３は，２ｗｔ％以上のＡｌを含むことがより好ましい。一方，金属製セパレータ５３が，１０質量％以上のＡｌを含むと，硬くなり，加工および応力緩和が困難になる。
また，Ａｌ含有量が１．５質量％以上であれば，金属製セパレータ５３のアルミナ被膜と接合部６１（Ａｇロウ）中のＡｌを含む酸化物が親和してアンカー材として働き，接合が強化される。
Ａｌ枯渇に対する耐性の観点から金属製セパレータ５３は，２ｗｔ％以上のＡｌを含むことがより好ましい。一方，金属製セパレータ５３が，１０質量％以上のＡｌを含むと，硬くなり，加工および応力緩和が困難になる。
また，Ａｌ含有量が１．５質量％以上であれば，金属製セパレータ５３のアルミナ被膜と接合部６１（Ａｇロウ）中のＡｌを含む酸化物が親和してアンカー材として働き，接合が強化される。
金属製セパレータ５３は，０．５ｍｍ以下（例えば，０．１ｍｍ）の厚みを有することが好ましい。厚みが０．５ｍｍを超えると，固体酸化物形燃料電池１０（燃料電池スタック）を形成するときに，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３を接続する接合部６１や封止部６２に印加される応力が緩和されず，接合部６１や封止部６２が損傷する（割れる）畏れがある。
接合部６１は，例えば，２〜６ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有し，開口部５８に沿って，全周にわたって配置され，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接合する。
接合部６１は，Ａｌの酸化物または複合酸化物を含んだＡｇを主成分として含むロウ材（Ａｇロウ）を使用することが好ましい。例えば，Ａｇに還元雰囲気でも安定な，Ａｌ２Ｏ３，Ａｌ含有スピネル型酸化物（ＭｇＡｌ２Ｏ４など），ムライト（酸化アルミニウムと二酸化ケイ素の化合物）をフィラーとして添加したもの，または，Ａｇに少なくともＡｌを添加した合金などが挙げられる。これらを組み合わせてもよい。
接合工程において，空気極５５に使用する材料は真空や還元雰囲気で特性を変化させてしまうため，ロウ材が大気下でロウ付けされることが好ましい。Ａｇは，大気雰囲気でもロウ付け温度で酸化し難い。このため，Ａｇロウを用いると，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを大気雰囲気で接合できる。
接合部６１中のＡｌの酸化物または複合酸化物が，金属製セパレータ５３表面のアルミナ被膜と親和してアンカー材として働くので，接合強度が向上する。同時に濡れ性が向上するため，ロウ付け時に，Ａｇロウが金属製セパレータ５３から弾かれるのを防止できる。また接合部６１がロウ垂れや位置ズレを起こして，封止部６２との接触が必要になった場合でも，Ａｇロウ表面のＡｌの酸化物または複合酸化物とＡｌを含むガラスとが親和性を有することで，Ａｇロウと封止材の界面に隙間が生じるのを防止することができる。
接合部６１中のＡｌの酸化物または複合酸化物の添加量は，１体積％以上（より好ましくは２体積％以上），２５体積％（より好ましくは１５体積％以下）以下である。添加量が２５体積％を越えると，接合部６１中のＡｇ間のネッキングが弱くなり，強度が弱くなる。
封止部６２は，例えば，１〜４ｍｍの幅，８０〜２００μｍの厚さを有し，開口部５８に沿って，全周にわたって，接合部６１よりも開口部５８側（内周側）に配置され，金属製セパレータ５３の開口部５８内にある酸化剤ガスと開口部５８外にある燃料ガスとの混合を防ぐために燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３間を封止する。封止部６２が接合部６１よりも開口部５８側に配置されることから，接合部６１が酸化剤ガスに接触することが無くなり，酸化剤ガス流路４７側から接合部６１への酸素の移動が阻止される。
この結果，水素と酸素の反応によって接合部６１にボイドが発生してガスリークすることを防止できる。さらに，封止部６２は金属製セパレータ５３と燃料電池セル本体４４の間に配置されることから，封止部６２に働く熱応力が，引張応力ではなくせん断応力になる。このため，封止材が割れにくくなり，また封止部６２と金属セパレータ５３若しくは燃料電池セル本体４４との界面での剥がれを抑制でき，封止部６２の信頼性を向上できる。
この結果，水素と酸素の反応によって接合部６１にボイドが発生してガスリークすることを防止できる。さらに，封止部６２は金属製セパレータ５３と燃料電池セル本体４４の間に配置されることから，封止部６２に働く熱応力が，引張応力ではなくせん断応力になる。このため，封止材が割れにくくなり，また封止部６２と金属セパレータ５３若しくは燃料電池セル本体４４との界面での剥がれを抑制でき，封止部６２の信頼性を向上できる。
封止部６２は，ガラスを含む封止材で構成されていて，Ａｌ２Ｏ３換算で１ｗｔ％以上（より好ましくは，２ｗｔ％以上），３０ｗｔ％以下（より好ましくは，２０ｗｔ％以下）のＡｌを含むことが好ましい。
添加量が１ｗｔ％より少ないと，金属製セパレータ５３のアルミナ被膜や接合部６１が，Ａｇロウと親和性が無くなり，封止（熱処理）時に，Ａｇロウをはじきやすくなる。Ａｌ２Ｏ３の添加量が３０ｗｔ％より多いと，熱膨張係数が低くなって，金属製セパレータ５３との熱膨張差によって封止材が割れる畏れがある。
添加量が１ｗｔ％より少ないと，金属製セパレータ５３のアルミナ被膜や接合部６１が，Ａｇロウと親和性が無くなり，封止（熱処理）時に，Ａｇロウをはじきやすくなる。Ａｌ２Ｏ３の添加量が３０ｗｔ％より多いと，熱膨張係数が低くなって，金属製セパレータ５３との熱膨張差によって封止材が割れる畏れがある。
封止部６２は，封止機能部６２１，拘束部６２３，連結部６２２に区分できる。封止機能部６２１は，金属製セパレータ５３，燃料電池セル本体４４間を封止し，接合部６１に酸化剤ガスが接触しないようにする。拘束部６２３は，金属製セパレータ５３を挟んで，封止機能部６２１と対向する位置における，金属製セパレータ５３の上面（表面）に配置される。金属製セパレータ５３と封止機能部６２１間での熱膨張差に起因する応力を拘束部６２３が打ち消すため，金属製セパレータ５３と封止機能部６２１間の剥がれを防止できる。連結部６２２は，封止機能部６２１と拘束部６２３とを連結する。封止機能部６２１と拘束部６２３とを連結し，一体化することで，接合および封止の信頼性がより向上する。
（変形例１）
変形例１を説明する。図５は，変形例１に係る燃料電池セル４０ａの断面図である。
変形例１を説明する。図５は，変形例１に係る燃料電池セル４０ａの断面図である。
燃料電池セル４０ａでは，接合部６１と封止部６２の間に間隙を有する。このように，接合部６１と封止部６２とが接触していなくても，接合および封止の信頼性向上は可能である。
燃料電池セル４０，４０ａでは，接合部６１と封止部６２が開口部５８の全周に亘って，接触している，または間隙を有する。その中間の態様として，開口部５８の周の一部で接合部６１と封止部６２とが接触し，開口部５８の周の一部で接合部６１と封止部６２とが接触しないことも考えられる。
（変形例２）
変形例２を説明する。図６は，変形例２に係る燃料電池セル４０ｂの断面図である。
変形例２を説明する。図６は，変形例２に係る燃料電池セル４０ｂの断面図である。
燃料電池セル４０ｂでは，封止機能部６２１のみであり，拘束部６２２，連結部６２３を有しない。このように，封止機能部６２１のみでも，接合および封止の信頼性向上は可能である。
（変形例３）
変形例３を説明する。図７は，変形例３に係る燃料電池セル４０ｃの断面図である。
変形例３を説明する。図７は，変形例３に係る燃料電池セル４０ｃの断面図である。
燃料電池セル４０ｃでは，接合部６１と封止機能部６２１の間に間隙を有する。このように，接合部６１と封止機能部６２１とが接触していなくても，接合および封止の信頼性向上は可能である。
（変形例４）
変形例４を説明する。図８は，変形例４に係る燃料電池セル４０ｄの断面図である。
変形例４を説明する。図８は，変形例４に係る燃料電池セル４０ｄの断面図である。
燃料電池セル４０ｄでは，接合部６１と封止部６２の境界が傾斜している。この傾斜は，例えば，接合時でのＡｇロウの垂れや位置ズレで生じる。この結果，金属製セパレータ５３と封止部６２の接触面積が小さくなる。この場合でも，封止材と金属製セパレータ５３のアルミナ被膜との親和性が高いので，封止が不十分になることはない。
（実施例）
図９〜図１１は，実施例に係る燃料電池セルの断面を表す写真である。図９〜図１１に行くに従って，拡大して表している。この実施例では，金属製セパレータ５３，接合部６１，封止部６２のいずれもがＡｌを含有し，接合部６１にはＡｌ２Ｏ３粉末を添加したＡｇロウを使用し，封止部６２はＡｌ２Ｏ３を添加したガラスで構成される封止材を使用している。
図９〜図１１は，実施例に係る燃料電池セルの断面を表す写真である。図９〜図１１に行くに従って，拡大して表している。この実施例では，金属製セパレータ５３，接合部６１，封止部６２のいずれもがＡｌを含有し，接合部６１にはＡｌ２Ｏ３粉末を添加したＡｇロウを使用し，封止部６２はＡｌ２Ｏ３を添加したガラスで構成される封止材を使用している。
図１０，図１１に示すように，金属製セパレータ５３，接合部６１，封止部６２が隙間無く接触している。金属製セパレータ５３にアルミナ被膜が形成され，この被膜とガラスの親和性が良好なことで，金属製セパレータ５３がガラスをはじくことなく接合されている。また，金属製セパレータ５３のＡｌ含有被膜とＡｇロウ中のＡｌ２Ｏ３の親和性が良好なことから，金属製セパレータ５３の界面がＡｇロウですきまなく接合されている。
（比較例）
図１２は，比較例に係る燃料電池セルの断面を表す写真である。この図の拡大率は図１１と同様である。この比較例では，接合部６１を有するが，封止部６２を有しない。図１２に示すように，封止部６２を有しないと，接合部６１中での酸素と水素の拡散，結合により，ボイドが発生する。
図１２は，比較例に係る燃料電池セルの断面を表す写真である。この図の拡大率は図１１と同様である。この比較例では，接合部６１を有するが，封止部６２を有しない。図１２に示すように，封止部６２を有しないと，接合部６１中での酸素と水素の拡散，結合により，ボイドが発生する。
表１は，金属製セパレータ５３の組成，ＡｇロウへのＡｌ２Ｏ３の添加量，ガラスへのＡｌ２Ｏ３の添加量を変化させて，燃料電池セルを評価した結果を表す表である。
ここで，はじきの（ ）内の表記はそれぞれＳ：セパレータ，Ａ：Ａｇロウ，Ｇガラスに対するはじきを示す
このとき，次のような項目を評価した。
（１）金属製セパレータ５３の耐酸化性（○：良，×：不良）
金属製セパレータ５３の耐酸化性の良否は，水蒸気を含む大気中で８５０℃−１０００ｈｒの耐久試験後に，異常酸化している箇所があるかどうかで判断した。
（１）金属製セパレータ５３の耐酸化性（○：良，×：不良）
金属製セパレータ５３の耐酸化性の良否は，水蒸気を含む大気中で８５０℃−１０００ｈｒの耐久試験後に，異常酸化している箇所があるかどうかで判断した。
（２）金属製セパレータ５３の変形容易性（○：良，×：不良）
金属製セパレータ５３の変形容易性の良否は，厚さｔ＝０．２の鋼材を９０°に折り曲げて伸ばした際にひび割れが入るかどうかで判断した。
金属製セパレータ５３の変形容易性の良否は，厚さｔ＝０．２の鋼材を９０°に折り曲げて伸ばした際にひび割れが入るかどうかで判断した。
（３）Ａｇロウのはじきの有無（○：無し，×：有り）
Ａｇロウのはじきの有無は，Ａｇロウによる接合（熱処理）後に，金属製セパレータ５３に対してはじきが見られるかどうかで判断した。
Ａｇロウのはじきの有無は，Ａｇロウによる接合（熱処理）後に，金属製セパレータ５３に対してはじきが見られるかどうかで判断した。
（４）Ａｇロウの強度（○：良，×：不良）
Ａｇロウの強度は，厚さｔ＝０．２の鋼材との接合部（５ｍｍ幅）で，ピールした際に，金属製セパレータ５３から剥がれるかどうかで判断した。
Ａｇロウの強度は，厚さｔ＝０．２の鋼材との接合部（５ｍｍ幅）で，ピールした際に，金属製セパレータ５３から剥がれるかどうかで判断した。
（５）ガラスのはじきの有無（○：無し，×：有り）
ガラスのはじきは，封止（熱処理）後に，金属製セパレータ５３に対して，はじきが見られるかどうかで判断した。
ガラスのはじきは，封止（熱処理）後に，金属製セパレータ５３に対して，はじきが見られるかどうかで判断した。
（６）ガラスのクラックの有無（○：無し，×：有り）
ガラスのクラックは，レッドチェックで，ガラスにクラックが入っているかどうかで判断した。
ガラスのクラックは，レッドチェックで，ガラスにクラックが入っているかどうかで判断した。
以上の結果，金属製セパレータ５３のＡｌ含有率が１．５重量％以上，１０重量％以下，ＡｇロウのＡｌ酸化物含有量が１重量％以上，２５重量％以下，ガラスのＡｌ酸化物含有量が１重量％以上，３０重量％以下のときに良好な結果が得られた。
金属製セパレータ５３のＡｌ含有率が０．５重量％のときは，金属製セパレータ５３の耐酸化性，Ａｇロウとの接合強度，ガラスとの親和性が十分でなかった。
金属製セパレータ５３のＡｌ含有率が１重量％のときは，Ａｇロウとの接合強度が十分でなかった。
金属製セパレータ５３のＡｌ含有率が１３重量％のときは，金属製セパレータ５３の変形容易性が十分でなかった。
ＡｇロウのＡｌ酸化物含有量が０．５重量％のときは，Ａｇロウと金属製セパレータ５３およびガラスとの親和性，金属製セパレータ５３との接合の強度が十分でなかった。
ＡｇロウのＡｌ酸化物含有量が２８重量％のときは，金属製セパレータ５３との接合の強度が十分でなかった。
ガラスのＡｌ酸化物含有量が０．５重量％のときは，ガラスとＡｇロウの親和性が十分でなかった。
ガラスのＡｌ酸化物含有量が３５重量％のときは，ガラスにクラックが発生した。
金属製セパレータ５３のＡｌ含有率が１重量％のときは，Ａｇロウとの接合強度が十分でなかった。
金属製セパレータ５３のＡｌ含有率が１３重量％のときは，金属製セパレータ５３の変形容易性が十分でなかった。
ＡｇロウのＡｌ酸化物含有量が０．５重量％のときは，Ａｇロウと金属製セパレータ５３およびガラスとの親和性，金属製セパレータ５３との接合の強度が十分でなかった。
ＡｇロウのＡｌ酸化物含有量が２８重量％のときは，金属製セパレータ５３との接合の強度が十分でなかった。
ガラスのＡｌ酸化物含有量が０．５重量％のときは，ガラスとＡｇロウの親和性が十分でなかった。
ガラスのＡｌ酸化物含有量が３５重量％のときは，ガラスにクラックが発生した。
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
１０ 固体酸化物形燃料電池
１１，１２ エンドプレート
２１，２２ ボルト
３１，３２ 貫通孔
３５ ナット
４０ 燃料電池セル
４０ａ 燃料電池セル
４０ｂ 燃料電池セル
４０ｃ 燃料電池セル
４０ｄ 燃料電池セル
４１，４５ インターコネクタ
４２ 集電体
４３ 枠部
４４ 燃料電池セル本体
４６ 開口
４７ 酸化剤ガス流路
４８ 燃料ガス流路
５０ セパレータ付燃料電池セル
５１ 空気極フレーム
５２ 絶縁フレーム
５３ 金属製セパレータ
５４ 燃料極フレーム
５５ 空気極
５６ 固体電解質層
５７ 燃料極
５８ 開口部
６１ 接合部
６２ 封止部
６２１ 封止機能部
６２２ 連結部
６２３ 拘束部
１１，１２ エンドプレート
２１，２２ ボルト
３１，３２ 貫通孔
３５ ナット
４０ 燃料電池セル
４０ａ 燃料電池セル
４０ｂ 燃料電池セル
４０ｃ 燃料電池セル
４０ｄ 燃料電池セル
４１，４５ インターコネクタ
４２ 集電体
４３ 枠部
４４ 燃料電池セル本体
４６ 開口
４７ 酸化剤ガス流路
４８ 燃料ガス流路
５０ セパレータ付燃料電池セル
５１ 空気極フレーム
５２ 絶縁フレーム
５３ 金属製セパレータ
５４ 燃料極フレーム
５５ 空気極
５６ 固体電解質層
５７ 燃料極
５８ 開口部
６１ 接合部
６２ 封止部
６２１ 封止機能部
６２２ 連結部
６２３ 拘束部
Claims (7)
- 固体電解質層を空気極および燃料極で挟んで構成される燃料電池セル本体と，
Ａｇを含むロウ材で構成される接合部を介して，前記燃料電池セル本体に取り付けられ，開口部を有する，金属製セパレータと，
を具備する，セパレータ付燃料電池セルであって，
前記接合部よりも前記開口部側の，前記金属製セパレータと前記燃料電池セル本体との間に，前記開口部の全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を有する封止部を具備し，
前記金属製セパレータが，１．５質量％以上１０質量％以下のＡｌを含み，
前記接合部が，１体積％以上２５体積％以下の，Ａｌの酸化物または複合酸化物を含み，
前記封止部が，Ａｌ２Ｏ３換算で，１質量％以上３０質量％以下の，Ａｌを含む，
ことを特徴とするセパレータ付燃料電池セル。 - 前記金属製セパレータが，２質量％以上１０質量％以下のＡｌを含み，
前記接合部が，２体積％以上１５体積％以下の，Ａｌの酸化物または複合酸化物を含み，
前記封止部が，Ａｌ２Ｏ３換算で，２質量％以上２０質量％以下の，Ａｌを含む，
ことを特徴とする請求項１記載のセパレータ付燃料電池セル。 - 前記Ａｌの酸化物または複合酸化物の少なくとも一部が，前記金属セパレータと前記接合部の界面に配置される，
ことを特徴とする請求項１または２に記載のセパレータ付燃料電池セル。 - 前記Ａｌの酸化物または複合酸化物が，Ａｌ２Ｏ３，Ａｌ含有スピネル型酸化物，またはムライトを有する，
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセパレータ付燃料電池セル。 - 前記金属製セパレータは板状であり，
前記板状の金属製セパレータを挟んで，前記封止部と対向する位置における，前記金属製セパレータ表面上に配置され，前記封止材と同じ材料で構成される拘束部をさらに具備する，
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセパレータ付燃料電池セル。 - 前記金属製セパレータの開口部の側面に配置された連結部によって，前記封止部と前記拘束部とが一体に形成されている，
ことを特徴とする請求項５記載のセパレータ付燃料電池セル。 - 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセパレータ付燃料電池セル
を具備することを特徴とする燃料電池。
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