JP5727432B2 - セパレータ付燃料電池セル，その製造方法，および燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は，セパレータ付燃料電池セル，その製造方法，および燃料電池スタックに関する。
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。
ここで，燃料電池セルとセパレータを接合するための技術として以下の技術が開示されている。ガラス系シール材を用いて，セパレータと燃料電池セルをシールする技術が開示されている（特許文献１参照）。また，６００〜８００℃で動作するＳＯＦＣの構成部品間を，燃料ガス及び酸化剤ガスの気密性を保つための特定成分のロウ材でロウ付けすることで，燃料ガスの水素及び酸化剤ガスの酸素がロウ材中を拡散し，反応して，ボイドが発生することを防止する技術が開示されている（特許文献２参照）。
しかしながら，燃料電池セルとセパレータとをガラスやある特定成分のロウ材だけで接合したときの信頼性は，必ずしも十分とは限らない場合がある。例えば，特定成分のＡｇロウだけでの接合においては，構造上，Ａｇロウ部が酸化剤ガスと燃料ガスの境界に配置されることになる。このため，長時間の使用により酸化剤ガス側から酸化剤ガスの構成原子（酸素）が，燃料ガス側から燃料ガスの構成原子（水素）が，それぞれＡｇロウ部内に入り込み，拡散して反応し，Ａｇロウ材にボイド（細孔）が発生し，ガスがリークする可能性がある。また，ガラスだけによる接合では，接合強度が弱く，燃料電池の使用時の構成部品の変形によって，接合部分に応力が発生するので，ガラスが剥がれたり，割れたりする可能性がある。
本発明は，燃料電池セルとセパレータの接合の信頼性をさらに向上した，セパレータ付燃料電池セル，その製造方法，および燃料電池スタックを提供することを目的とする。
本発明は，燃料電池セルとセパレータの接合の信頼性をさらに向上した，セパレータ付燃料電池セル，その製造方法，および燃料電池スタックを提供することを目的とする。
１． 本発明に係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，開口部を有する枠状の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，前記ロウ材よりも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，ガラスを含む封止材を有する封止部を具備する，ことを特徴とする。
金属製セパレータが燃料電池セル本体にＡｇを含むロウ材で構成される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，ガラスを含む封止材を有する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，接合部への酸化剤ガスの移動が阻止される。この結果，接合部中で酸化剤ガスの拡散が抑制され，水素と酸素の反応によってボイドが発生することを防止できる。
さらに，封止部は板状の金属製セパレータと燃料電池セルの間に配置されることから，封止材に働く熱応力が，せん断応力になる。このため，封止材が割れにくくなり，また封止部と金属セパレータ若しくは燃料電池セルとの界面での剥がれを抑制でき，封止部の信頼を向上できる。
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，接合部への酸化剤ガスの移動が阻止される。この結果，接合部中で酸化剤ガスの拡散が抑制され，水素と酸素の反応によってボイドが発生することを防止できる。
さらに，封止部は板状の金属製セパレータと燃料電池セルの間に配置されることから，封止材に働く熱応力が，せん断応力になる。このため，封止材が割れにくくなり，また封止部と金属セパレータ若しくは燃料電池セルとの界面での剥がれを抑制でき，封止部の信頼を向上できる。
（２）前記接合部が，第１接合部と該第１接合部よりも前記開口部側に位置する第２接合部とで構成され，前記第２接合部中の酸素拡散係数が，前記第１接合部中の酸素拡散係数より小さくても良い。
封止部と第１接合部との間に，第１接合部より酸素拡散係数の小さな第２の接合部が配置される。この結果，第１接合部への酸素の拡散を制限し，第１接合部におけるボイドの発生を防止でき，接合部全体の信頼性を向上できる。
（３）前記金属製セパレータが，０．１質量％以上１０質量％以下のＡｌを含むことが好ましい。
金属製セパレータにクロミア（酸化クロム）被膜を形成する金属材料（例えば，ステンレス鋼）を使った場合，封止材のガラスがクロミアと反応しやすいため，封止部の信頼性が低下する。金属製セパレータがＡｌを０．１質量％以上含むと，その表面にアルミナ被膜が形成され，封止部の信頼性及び金属セパレータの耐酸化耐久性が向上する。一方，金属製セパレータがＡｌを１０質量％より多く含むと，金属製セパレータの構成材料が硬くなり，加工しにくくなる。
より好ましくは、前記金属製セパレータが，１．５質量％以上１０質量％以下のＡｌを含む。さらにより好ましくは、前記金属製セパレータが，２．０質量％以上１０質量％以下のＡｌを含むことが好ましい。
金属製セパレータにクロミア（酸化クロム）被膜を形成する金属材料（例えば，ステンレス鋼）を使った場合，封止材のガラスがクロミアと反応しやすいため，封止部の信頼性が低下する。金属製セパレータがＡｌを０．１質量％以上含むと，その表面にアルミナ被膜が形成され，封止部の信頼性及び金属セパレータの耐酸化耐久性が向上する。一方，金属製セパレータがＡｌを１０質量％より多く含むと，金属製セパレータの構成材料が硬くなり，加工しにくくなる。
より好ましくは、前記金属製セパレータが，１．５質量％以上１０質量％以下のＡｌを含む。さらにより好ましくは、前記金属製セパレータが，２．０質量％以上１０質量％以下のＡｌを含むことが好ましい。
（４）前記金属製セパレータが，０．５ｍｍ以下の厚みを有することが好ましい。
金属製セパレータが，０．５ｍｍより厚いと，複数の燃料電池セル本体を積層して，燃料電池スタックを形成するときに，燃料電池セル本体に印加される応力が緩和されず，燃料電池セル本体と金属製セパレータを接合する接合部や封止部が割れる（損傷する）畏れがある。金属製セパレータが０．５ｍｍ以下の厚みを有すると，接合部や封止部に印加される応力が緩和され，接合部や封止部が割れる可能性が低減される。
金属製セパレータが，０．５ｍｍより厚いと，複数の燃料電池セル本体を積層して，燃料電池スタックを形成するときに，燃料電池セル本体に印加される応力が緩和されず，燃料電池セル本体と金属製セパレータを接合する接合部や封止部が割れる（損傷する）畏れがある。金属製セパレータが０．５ｍｍ以下の厚みを有すると，接合部や封止部に印加される応力が緩和され，接合部や封止部が割れる可能性が低減される。
（５）前記接合部と前記封止部との間に，間隙を有しても良い。
接合部と封止部とが接触していなくても，封止部が割れる可能性の低減および接合部中での酸化剤ガスの拡散防止は可能である。また，間隙にガスが入っていても少量であり，接合部の信頼性等への影響は小さい。
接合部と封止部とが接触していなくても，封止部が割れる可能性の低減および接合部中での酸化剤ガスの拡散防止は可能である。また，間隙にガスが入っていても少量であり，接合部の信頼性等への影響は小さい。
（６）前記接合部を構成するロウ材の溶融温度は，前記封止材の溶融温度よりも高くても良い。
ロウ材の溶融温度が封止材の溶融温度よりも高くても，燃料電池セル本体と金属製セパレータ間の接合および封止が可能である。例えば，ロウ材による接合後に，封止材による封止を行えば良い。また，ロウ材の溶融温度と封止材の溶融温度の差が大きくなければ，接合と封止を同時に行うことが可能となる。
ロウ材の溶融温度が封止材の溶融温度よりも高くても，燃料電池セル本体と金属製セパレータ間の接合および封止が可能である。例えば，ロウ材による接合後に，封止材による封止を行えば良い。また，ロウ材の溶融温度と封止材の溶融温度の差が大きくなければ，接合と封止を同時に行うことが可能となる。
２． 本発明に係る燃料電池スタックは，上記のセパレータ付燃料電池セル，を具備する。
上記のセパレータ付燃料電池セルを用いることで，燃料電池スタック全体としての信頼性が向上する。
上記のセパレータ付燃料電池セルを用いることで，燃料電池スタック全体としての信頼性が向上する。
３． 本発明に係るセパレータ付燃料電池セルの製造方法は，上記のセパレータ付燃料電池セルの製造方法であって，前記金属製セパレータと燃料電池セル本体との両方に前記ロウ材を配置するロウ材配置工程と，前記金属製セパレータと燃料電池セル本体の少なくともどちらか一方に前記ガラスを含む封止材を配置する封止材配置工程と，を具備する，ことを特徴とする。
金属製セパレータと燃料電池セル本体との両方に前記ロウ材を配置することで，金属製セパレータと燃料電池セル本体それぞれに予め配置された２つのロウ材が融け，融合することで，接触面積を確保し，接合強度を上げることができる。
（１）前記金属製セパレータと燃料電池セル本体との両方に配置されたロウ材を溶融し，前記金属製セパレータと燃料電池セル本体とを接合する接合工程をさらに具備しても良い。
ロウ材を溶融し，金属製セパレータと燃料電池セル本体とを高強度で接合することができる。
ロウ材を溶融し，金属製セパレータと燃料電池セル本体とを高強度で接合することができる。
（２）前記接合工程において，前記ロウ材が大気下でロウ付けされることが好ましい。空気極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である。
（３）前記金属製セパレータと燃料電池セル本体の少なくともどちらか一方に配置された前記ガラスを含む封止材を溶融し，前記封止部を形成する封止部形成工程，をさらに具備しても良い。
封止材を溶融し，金属製セパレータと燃料電池セル本体間を封止できる。
封止材を溶融し，金属製セパレータと燃料電池セル本体間を封止できる。
（４）前記接合工程と前記封止部形成工程とが，同じ温度と同じ雰囲気下で行われても良い。
接合と封止とを同時に実行でき，製造装置の簡略化や製造時間の効率が向上する。
接合と封止とを同時に実行でき，製造装置の簡略化や製造時間の効率が向上する。
（５）前記接合工程の後に，前記封止材配置工程および前記封止部形成工程が行われても良い。
接合と封止とを別々に実行することで，種々のロウ材と封止材の組合わせが可能となる。接合と封止とを同時に実行するためには，ロウ材の接合温度と封止材の溶融温度がある程度近接していることが好ましく，採用できるロウ材と封止材が限定される。
接合と封止とを別々に実行することで，種々のロウ材と封止材の組合わせが可能となる。接合と封止とを同時に実行するためには，ロウ材の接合温度と封止材の溶融温度がある程度近接していることが好ましく，採用できるロウ材と封止材が限定される。
本発明によれば，燃料電池セルとセパレータの接合の信頼性を向上した，セパレータ付燃料電池セル，その製造方法，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。
（第１の実施の形態）
図１は，本発明の第１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。
図１は，本発明の第１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）を分解した状態を表す分解斜視図である。
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。
本実施形態では，固体電解質層５６，空気極５５，および燃料極５７の全てが板状に構成されているが，それぞれが円筒状に形成されていてもよい。
本実施形態では，固体電解質層５６，空気極５５，および燃料極５７の全てが板状に構成されているが，それぞれが円筒状に形成されていてもよい。
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(イットリア安定化ジルコニア)，ＳｃＳＺ(スカンジア安定化ジルコニア)，ＳＤＣ(サマリウムドープセリア)，ＧＤＣ(ガドリニウムドープセリア)，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（例えば，ステンレス鋼等の金属）を有する板状の部材である。
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，ニッケル合金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には，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）を含む金属材料から構成される。この金属材料が，０．１質量％以上１０質量％以下（一例として，３質量％）のＡｌを含むことが好ましい。
上記金属製セパレータはその表面にアルミナの被膜が形成され，耐酸化耐久性が向上し，加工性に優れている。
上記金属製セパレータはその表面にアルミナの被膜が形成され，耐酸化耐久性が向上し，加工性に優れている。
金属製セパレータ５３は，例えば，０．１ｍｍの厚みを有する。
上記金属製セパレータ５３は，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，接合部６１や封止部６２が損傷する（割れる）といった不具合の発生の可能性が低減される。
上記金属製セパレータ５３は，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，接合部６１や封止部６２が損傷する（割れる）といった不具合の発生の可能性が低減される。
接合部６１は，Ａｇを含むロウ材から構成され，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（Ａｇロウ）は，例えば，２〜６ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
接合部６１の材質として，Ａｇを主成分とする各種のロウ材を採用できる。例えば，ロウ材として，Ａｇと酸化物の混合体，例えば，Ａｇ−Ａｌ２Ｏ３（ＡｇとＡｌ２Ｏ３（アルミナ）の混合体）を利用できる。Ａｇと酸化物の混合体としては，Ａｇ−ＣｕＯ，Ａｇ−ＴｉＯ２，Ａｇ−Ｃｒ２Ｏ３，Ａｇ−ＳｉＯ２も挙げることができる。また，ロウ材として，Ａｇと他の金属の合金（例えば，Ａｇ−Ｇｅ−Ｃｒ，Ａｇ−Ｔｉ，Ａｇ−Ａｌのいずれか）も利用できる。
Ａｇを含むロウ材（Ａｇロウ）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ロウを用いて，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，工程の効率上，好ましい。
封止部６２は，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の信頼を向上できる。
封止部６２は，例えば，１〜４ｍｍの幅，８０〜２００μｍの厚さを有する。
封止部６２は，例えば，１〜４ｍｍの幅，８０〜２００μｍの厚さを有する。
封止部６２には，ガラスを含む封止材，具体的には，ガラス，ガラスセラミックス（結晶化ガラス），ガラスとセラミックスの複合物を利用できる。一例として，ＳＣＨＯＴＴ社製ガラス：Ｇ０１８−３１１が使用できる。
（セパレータ付燃料電池セルの製造）
以下，セパレータ付燃料電池セル（金属製セパレータ５３が接合された燃料電池セル本体４４）の製造方法につき説明する。ここでは，２通りの製造方法（製造方法Ａ，Ｂ）を説明する。
以下，セパレータ付燃料電池セル（金属製セパレータ５３が接合された燃料電池セル本体４４）の製造方法につき説明する。ここでは，２通りの製造方法（製造方法Ａ，Ｂ）を説明する。
いずれの製造方法においても，まずは例えば，ＳＵＨ２１（１８Ｃｒ−３Ａｌ（Ａｌ含有フェライト系ステンレス鋼の一種））からなる板材を打ち抜いて，開口部５８を有する金属製セパレータ５３を製造した。また，燃料極５７のグリーンシートの一方の表面に，固体電解質層５６のシートを貼り付けて，積層体を形成し，該積層体を一旦焼成した。その後，空気極５５の材料を印刷し，焼成して燃料電池セル本体４４を作成した。
１．製造方法Ａ
次に示すように，製造方法Ａでは，接合（接合部６１の形成）と封止部６２の形成とを同時に行う。図５は，製造方法Ａでのセパレータ付燃料電池セルの製造工程を表すフロー図である。また，図６Ａ〜図６Ｅは，製造方法Ａで製造中のセパレータ付燃料電池セルの状態を表す断面図である。
次に示すように，製造方法Ａでは，接合（接合部６１の形成）と封止部６２の形成とを同時に行う。図５は，製造方法Ａでのセパレータ付燃料電池セルの製造工程を表すフロー図である。また，図６Ａ〜図６Ｅは，製造方法Ａで製造中のセパレータ付燃料電池セルの状態を表す断面図である。
（１）ロウ材６１１，６１２の配置（ステップＳ１１，図６Ａ）
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれにロウ材６１１，６１２を配置する。例えば，ペースト状のＡｇを含むロウ材を所定形状に燃料電池セル本体４４の固体電解質層５６の上面と金属製セパレータ５３の下面に印刷することで，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれにロウ材６１１，６１２を配置した。なお，ロウ材６１１，６１２の配置の手法としては，上記以外に，ディスペンサを用いて行ってもよい。
ロウ材６１１，６１２は，例えば，２〜６ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれにロウ材６１１，６１２を配置する。例えば，ペースト状のＡｇを含むロウ材を所定形状に燃料電池セル本体４４の固体電解質層５６の上面と金属製セパレータ５３の下面に印刷することで，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれにロウ材６１１，６１２を配置した。なお，ロウ材６１１，６１２の配置の手法としては，上記以外に，ディスペンサを用いて行ってもよい。
ロウ材６１１，６１２は，例えば，２〜６ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれに予め配置された２つのロウ材６１１，６１２が融け，融合することで，接触面積を確保し，接合部６１の接合強度を上げることができる。
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の一方のみにロウ材を配置すると，ロウ材が溶融して，他方の表面を濡らし，その後，固化することで，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の他方とロウ材が結合されることになる。このように，ロウ材が溶融されてから，燃料電池セル本体４４や金属製セパレータ５３に接触すると，接触面積が小さくなり易く，接合強度の確保が困難となる可能性がある。燃料電池セル本体４４や金属製セパレータ５３に対する，溶融したロウ材の濡れ性は，必ずしも良好とは限らないので，接合の前に，ロウ材を燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の双方に配置することで，接合部６１の接合強度を向上させることができる。
（２）封止材６２１の配置（ステップＳ１２，図６Ｂ，図６Ｄ，図６Ｅ）
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の少なくともどちらか一方の開口部５８側もしくは空気極５５側に封止材６２１を配置した。例えば，ペースト状の封止材を所定形状に印刷することで，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の少なくともどちらか一方に封止材６２１を配置した。なお，封止材の配置の手法としては，上記以外にディスペンサを用いて行ってもよい。
封止材６２１は，例えば，１〜４ｍｍの幅，８０〜２００μｍの厚さを有する。
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の少なくともどちらか一方の開口部５８側もしくは空気極５５側に封止材６２１を配置した。例えば，ペースト状の封止材を所定形状に印刷することで，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の少なくともどちらか一方に封止材６２１を配置した。なお，封止材の配置の手法としては，上記以外にディスペンサを用いて行ってもよい。
封止材６２１は，例えば，１〜４ｍｍの幅，８０〜２００μｍの厚さを有する。
図６Ｂ，図６Ｄ，図６Ｅはそれぞれ，燃料電池セル本体４４のみ，金属製セパレータ５３のみ，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の双方に，封止材６２１，６２２を配置した形態を表す。封止材６２１，６２２は全ての形態において，接合部（ロウ材）６１よりも開口部５８側もしくは空気極５５側に配置されている。
既述のように，ロウ材は燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３との両方に配置するのが好ましいが，封止材は燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３との一方に配置すればよい。これは，ロウ材と封止材の溶融時の濡れ性の相違に起因する。ガラスを含む封止材の方が，ロウ材よりも，燃料電池セル本体４４および金属製セパレータ５３に対する溶融時の濡れ性が良好なので，これら双方に封止材を配置しても良い。
金属製セパレータ５３は，高温大気中で酸化被膜（酸化物（アルミナ））を形成する材料から構成され，固体電解質層５６も酸化物から構成される。このため，金属製セパレータ５３および固体電解質層５６は，ロウ材（金属）よりも，封止材（ガラス（酸化物））に対して，濡れ性が良好である。
なお，本実施形態では，（１）ロウ材の配置，（２）封止材の配置の順で行ったが，この逆，あるいは，ロウ材と封止材の配置を同時に実行しても良い。
（３）接合（接合部６１の形成）・封止部６２の形成（ステップＳ１３，図６Ｃ）
ロウ材６１１，６１２を溶融し，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接合した（接合部６１の形成）と同時に，封止材６２１を溶融し，封止部６２を形成した。ロウ材６１１，６１２および封止材６２１が配置された燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接触させ，大気雰囲気下で，例えば，８５０〜１１００℃で加熱することで，ロウ材６１１，６１２および封止材６２１が溶融し，接合部および封止部の形成を同時に行った。
ロウ材６１１，６１２を溶融し，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接合した（接合部６１の形成）と同時に，封止材６２１を溶融し，封止部６２を形成した。ロウ材６１１，６１２および封止材６２１が配置された燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接触させ，大気雰囲気下で，例えば，８５０〜１１００℃で加熱することで，ロウ材６１１，６１２および封止材６２１が溶融し，接合部および封止部の形成を同時に行った。
既述のように，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３のそれぞれに予め配置された２つのロウ材６１１，６１２が融け，融合することで，接触面積を確保し，接合強度を向上することができる。
このとき，ロウ材６１１，６１２および封止材６２１が隣接して配置されていることから，接合（接合部６１の形成）と封止部６２の形成とが実質的に同じ温度と同じ雰囲気下で行われることになる。
接合時に，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３に，融けたロウ材が密着されるように，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の上下から荷重が印加される。この結果，隣接する封止材６２１にも，上下から荷重を印加することができ，隙間なく封止することができる。
ロウ材は，Ａｇを含み，大気雰囲気でもロウ付け温度で酸化し難いので，大気雰囲気でのロウ付け（接合）が可能となり，接合部６１と封止部６２の形成時（ステップＳ１３）における燃料電池セル本体４４（特に，空気極５５）の性能の低下，具体的には燃料電池セル本体４４の空気極５５（例えば，ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物））の結晶構造が変化に起因した電極性能を防止できる。
さらには，燃料電池セル本体４４の性能劣化を防止するために接合時の雰囲気をＡｒ等の不活性ガスにする必要がないので，装置や工程の複雑化を招くことなく，装置や工程の効率化を図れる。
さらには，燃料電池セル本体４４の性能劣化を防止するために接合時の雰囲気をＡｒ等の不活性ガスにする必要がないので，装置や工程の複雑化を招くことなく，装置や工程の効率化を図れる。
以上のように，製造方法Ａでは，接合（接合部６１の形成）と封止部６２の形成とが同じ温度と同じ雰囲気下で実行したことで，製造装置の簡略化や製造時間が短縮され，セパレータ付燃料電池セルの効率的な製造が可能となる。
２．製造方法Ｂ
製造方法Ｂでは，接合（接合部６１の形成）と封止部６２の形成とを別々に行う。図７は，製造方法Ｂでのセパレータ付燃料電池セルの製造工程を表すフロー図である。また，図８Ａ〜図８Ｄは，製造方法Ｂで製造中のセパレータ付燃料電池セルの状態を表す断面図である。
製造方法Ｂでは，接合（接合部６１の形成）と封止部６２の形成とを別々に行う。図７は，製造方法Ｂでのセパレータ付燃料電池セルの製造工程を表すフロー図である。また，図８Ａ〜図８Ｄは，製造方法Ｂで製造中のセパレータ付燃料電池セルの状態を表す断面図である。
（１）ロウ材６１１，６１２の配置（ステップＳ２１，図８Ａ）
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれにロウ材６１１，６１２を配置した。この工程は，製造方法ＡのステップＳ１１と同様なので，詳細な説明を省略する。
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれにロウ材６１１，６１２を配置した。この工程は，製造方法ＡのステップＳ１１と同様なので，詳細な説明を省略する。
（２）接合（接合部６１の形成）（ステップＳ２２，図８Ｂ）
ロウ材６１１，６１２を溶融し，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の形成）。ロウ材６１１，６１２が配置された燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接触させ，例えば，８５０〜１１００℃で加熱することで，ロウ材６１１，６１２が溶融し，接合を行った。
ロウ材６１１，６１２を溶融し，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の形成）。ロウ材６１１，６１２が配置された燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３とを接触させ，例えば，８５０〜１１００℃で加熱することで，ロウ材６１１，６１２が溶融し，接合を行った。
既述のように，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３それぞれに予め配置された２つのロウ材６１１，６１２が融け，融合することで，接触面積を確保し，接合強度を上げることができる。
（３）封止材６２１の配置（ステップＳ２３，図８Ｃ）
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の少なくともどちらか一方に封止材６２１を配置する。例えば，封止材を含むペーストを印刷することで，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の少なくともどちらか一方に封止材６２１を配置できる。既述のように，封止材は濡れ性が一般に良好であることから，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３との一方に配置できる。
燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の少なくともどちらか一方に封止材６２１を配置する。例えば，封止材を含むペーストを印刷することで，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の少なくともどちらか一方に封止材６２１を配置できる。既述のように，封止材は濡れ性が一般に良好であることから，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３との一方に配置できる。
（４）封止部６２の形成（ステップＳ２４，図８Ｄ）
封止材６２１を溶融し，封止部６２を形成する。接合部６１で接合され，かつ封止材６２１が配置された燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３を例えば，８５０〜１１００℃で加熱することで，封止材６２１が溶融し，封止が行われる。
封止材６２１を溶融し，封止部６２を形成する。接合部６１で接合され，かつ封止材６２１が配置された燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３を例えば，８５０〜１１００℃で加熱することで，封止材６２１が溶融し，封止が行われる。
以上のように，製造方法Ｂでは，接合と封止とを別途に実行している。接合と封止とを別々に実行することで，種々のロウ材と封止材の組み合わせが可能となる。
接合と封止とを同時に実行するためには，ロウ材の接合温度と封止材の溶融温度がある程度近接していることが好ましく，採用できるロウ材と封止材が限定される。一般的に，ロウ材の融点は，封止材（ガラス）の融点より高い。ロウ材の接合温度と封止材の溶融温度が異なる場合に，接合と封止とを同時に実行すると，封止材成分の変質や蒸散によるやせ細りなどによって，封止できなる恐れがある。
（固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）１０の製造方法）
例えば，ＳＵＨ２１からなる板材を所定の形状に打ち抜き，エンドプレート１１，１２，インターコネクタ４１，４５，空気極フレーム５１，燃料極フレーム５４を製造した。一方，マイカよりなる板材を加工して絶縁フレーム５２を製造した。
例えば，ＳＵＨ２１からなる板材を所定の形状に打ち抜き，エンドプレート１１，１２，インターコネクタ４１，４５，空気極フレーム５１，燃料極フレーム５４を製造した。一方，マイカよりなる板材を加工して絶縁フレーム５２を製造した。
上述した製造方法ＡまたはＢのいずれかで作成したセパレータ付燃料電池セル５０の燃料電池セル本体４４の空気極５５側には，金属製セパレータ５３上に，絶縁フレーム５２と空気極フレーム５１とインターコネクタ４１の順で，燃料極５７側には，燃料極フレーム５４とインターコネクタ４５の順で，それぞれを配置し，燃料電池セル４０を製造した。
複数の燃料電池セル４０を積層し，最上層と最下層にはエンドプレート１１，１２が配置し，ボルト２１〜２３とナット３５によって，エンドプレート１１，１２で複数の燃料電池セル４０を挟んで固定し，燃料電池スタック１０を作成した。
（第１の実施形態の変形例）
第１の実施形態の変形例を説明する。図９は，第１の実施形態の変形例に係る燃料電池セル４０ａの断面図である。図１０は，第１の実施形態の変形例に係る燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０）を分解した状態を表す分解斜視図である。
第１の実施形態の変形例を説明する。図９は，第１の実施形態の変形例に係る燃料電池セル４０ａの断面図である。図１０は，第１の実施形態の変形例に係る燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０）を分解した状態を表す分解斜視図である。
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，封止部６２が割れる可能性の低減および接合部６１中での酸化剤ガスの拡散防止は可能である。
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。
第１の実施形態の変形例に係るセパレータ付燃料電池セルは，第１の実施形態と同様，製造方法Ａ，Ｂのいずれを用いても製造できる。
その場合は，ロウ材に対して封止材をある程度の隙間を空けて配置し，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３を接合する。
その場合は，ロウ材に対して封止材をある程度の隙間を空けて配置し，燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３を接合する。
（第２の実施形態）
第２の実施形態を説明する。図１１は，第２の実施形態に係る燃料電池セル４０ｂの断面図である。図１２は，第２の実施形態に係る燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０）を分解した状態を表す分解斜視図である。
第２の実施形態を説明する。図１１は，第２の実施形態に係る燃料電池セル４０ｂの断面図である。図１２は，第２の実施形態に係る燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池セル５０）を分解した状態を表す分解斜視図である。
燃料電池セル４０ｂでは，接合部６１が，開口部５８から離れて配置された接合部６１ａと，接合部６１ａよりも開口部５８側に配置された接合部６１ｂと，に区分される。また，接合部６１ｂ中の酸素拡散係数が，接合部６１ａ中の酸素拡散係数より小さい材質で構成されている。
封止部６２と接合部６１ａとの間に，接合部６１ａよりも酸素拡散係数が小さい接合部６１ｂが配置される。即ち，封止部６２を通過した酸化剤ガスが有ったとしても，接合部６１ｂでの酸素拡散係数が小さいことで，酸化剤ガスが接合部６１ａに到達することを抑制できる。この結果，接合部６１ａでの酸素の拡散を抑制し，接合部６１ａの酸素等によるボイドの発生を防止でき，燃料電池セル４０ｂと金属製セパレータ５３の接合の信頼性を向上できる。
接合部６１ａの材質として，次の材料１），２）のような，例えば，Ａｇを主成分とする各種のロウ材を採用できる。
１）Ｃｒ２Ｏ３を（例えば，１〜５重量％）含有するＡｇロウ材（Ａｇ−Ｃｒ２Ｏ３ロウ材）
２）Ｐｄを（例えば，２〜３０質量％，好ましくは３〜１０質量％）含有するＡｇロウ材（Ａｇ−Ｐｄロウ材）
１）Ｃｒ２Ｏ３を（例えば，１〜５重量％）含有するＡｇロウ材（Ａｇ−Ｃｒ２Ｏ３ロウ材）
２）Ｐｄを（例えば，２〜３０質量％，好ましくは３〜１０質量％）含有するＡｇロウ材（Ａｇ−Ｐｄロウ材）
接合部６１ｂの材質は，接合部６１ａの材質（酸素拡散係数）に応じて適宜選択でき，例えば，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕが挙げられる。このうち，Ｎｉ，Ｐｔは，酸素の拡散バリアーの特性が大きく（酸素拡散係数が大きい），好適である。特に，Ｐｔは，大気中でＡｇロウ材を接合する条件で酸化が進まないので，酸素の拡散バリアーとして，一層好適である。
第２の実施形態の変形例に係るセパレータ付燃料電池セルは，製造方法Ａ，Ｂに対応する手法を用いて製造できる。
具体的には，製造方法ＡのステップＳ１１において，接合部６１ａ，６１ｂそれぞれに対応する２種類のロウ材を燃料電池セル本体４４と金属製セパレータ５３の双方に配置させる。その後，封止材６２１を配置し（ステップＳ１２に対応），加熱することで，２種類のロウ材および封止材が溶融し，接合および封止が行える（ステップＳ１３に対応）。
また，製造方法Ｂに対応する手法として，接合部６１ａ，６１ｂ，封止部６２を順次に形成しても良い。この場合，接合部６１ａ，６１ｂ，封止部６２それぞれの構成材料の融点が高い順に，これらの構成材料の配置および接合部６１ａ，６１ｂ，封止部６２の形成（加熱）を行うことが好ましい。
（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（燃料電池スタック）
１１，１２ エンドプレート
２１，２２ ボルト
３１，３２ 貫通孔
３５ ナット
４０，４０，４０ａ 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
６１，６１ａ，６１ｂ 接合部
６１１，６１２ ロウ材
６２ 封止部
６２１，６２２ 封止材
１１，１２ エンドプレート
２１，２２ ボルト
３１，３２ 貫通孔
３５ ナット
４０，４０，４０ａ 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
６１，６１ａ，６１ｂ 接合部
６１１，６１２ ロウ材
６２ 封止部
６２１，６２２ 封止材
Claims (13)
- 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，開口部を有する枠状の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，
前記ロウ材よりも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，ガラスを含む封止材を有する封止部を具備する，
ことを特徴とするセパレータ付燃料電池セル。 - 前記接合部が，第１接合部と該第１接合部よりも前記開口部側に位置する第２接合部とで構成され，
前記第２接合部中の酸素拡散係数が，前記第１接合部中の酸素拡散係数より小さい，
ことを特徴とする請求項１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が，０．１質量％以上１０質量％以下のＡｌを含む，
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。 - 前記金属製セパレータが，０．５ｍｍ以下の厚みを有する，
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。 - 前記接合部と前記封止部との間に，間隙を有する，
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。 - 前記接合部を構成するロウ材の溶融温度は，前記封止材の溶融温度よりも高い，
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に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スタック。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセパレータ付燃料電池セルの製造方法であって，
前記金属製セパレータと燃料電池セル本体との両方に前記ロウ材を配置するロウ材配置工程と，
前記金属製セパレータと燃料電池セル本体の少なくともどちらか一方に前記ガラスを含む封止材を配置する封止材配置工程と，
を具備する，
ことを特徴とするセパレータ付燃料電池セルの製造方法。 - 請求項８に記載のセパレータ付燃料電池セルの製造方法であって，
前記金属製セパレータと燃料電池セル本体との両方に配置されたロウ材を溶融し，前記金属製セパレータと燃料電池セル本体とを接合する接合工程
をさらに具備する
ことを特徴とするセパレータ付燃料電池セルの製造方法。 - 請求項９に記載のセパレータ付燃料電池セルの製造方法であって，
前記接合工程において，前記ロウ材が大気下で溶融される，
ことを特徴とするセパレータ付燃料電池セルの製造方法。 - 請求項１０に記載のセパレータ付燃料電池セルの製造方法であって，
前記金属製セパレータと燃料電池セル本体の少なくともどちらか一方に配置された前記ガラスを含む封止材を溶融し，前記封止部を形成する封止部形成工程，
をさらに具備する，
ことを特徴とするセパレータ付燃料電池セルの製造方法。 - 請求項１１に記載のセパレータ付燃料電池セルの製造方法であって，
前記接合工程と前記封止部形成工程とが，同時に行われる
ことを特徴とする，セパレータ付燃料電池セルの製造方法。 - 請求項１１に記載のセパレータ付燃料電池セルの製造方法であって，
前記接合工程の後に，前記封止材配置工程および前記封止部形成工程が行われる
ことを特徴とする，セパレータ付燃料電池セルの製造方法。
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-
2012
- 2012-08-31 JP JP2012192307A patent/JP5727432B2/ja active Active
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