JP6185316B2 - セパレータ付燃料電池セル及びその製造方法、燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質層、空気極及び燃料極を有する燃料電池セル本体と、燃料電池セル本体に取り付けられるセパレータとを備えるセパレータ付燃料電池セル及びその製造方法、セパレータ付燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックに関するものである。

従来より、燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とが固体電解質層の両側に配置された燃料電池セル本体を備えている。そして、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気極を正極、燃料極を負極とする直流の電力が発生するようになる。

ところで、燃料電池セル本体には、通常、燃料ガスが存在する燃料ガス室と酸化剤ガスが存在する酸化剤ガス室とを区画するセパレータが接合されている。このため、近年では、燃料電池セル本体とセパレータとを接合するための技術が種々提案されつつある。例えば、固体酸化物形燃料電池の構成部品同士をロウ材を介して接合することにより、燃料ガス室と酸化剤ガス室との間の気密性を保持する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、ガラス等の封止材を介して、セパレータと燃料電池セル本体とを接合する技術も提案されている（例えば特許文献２参照）。

ところが、燃料電池セル本体及びセパレータをロウ材や封止材を介して接合する際の信頼性は、必ずしも十分であるとは限らない。具体的に言うと、ロウ材を介して接合する特許文献１に記載の技術では、構造上、ロウ材が燃料ガス室と酸化剤ガス室との境界に配置されるようになる。このため、燃料電池を長期間使用すると、燃料ガス室側から燃料ガスの構成原子（水素）がロウ材内に入り込んで拡散するとともに、酸化剤ガス室側から酸化剤ガスの構成原子（酸素）がロウ材内に入り込んで拡散してしまう。その結果、ロウ材中で水素と酸素とが反応して、ロウ材にボイドが発生するため、燃料ガスが酸化剤ガス室内に漏れたり、酸化剤ガスが燃料ガス室内に漏れたりするおそれがある。また、ガラス等の封止材を介して接合する特許文献２に記載の技術では、燃料電池セル本体及びセパレータの接合強度が比較的弱い。しかも、セパレータは、フェライト系ステンレス鋼等によって形成された金属箔であるため、変形しやすい。従って、燃料電池の使用時にセパレータが変形して接合部分に応力が発生すると、僅かな変形であったとしても、封止材が剥れたり割れたりするおそれがある。

そこで、燃料電池セル本体及びセパレータを、ロウ材及び封止材の両方を介して接合することが考えられる（図１５参照）。図１５は、燃料電池セル本体３０１及びセパレータ３０２を接合するロウ材３０３を、セパレータ３０２の開口部３０４付近に配置した具体例を示している。しかしながら、図１５に示される具体例では、セパレータ３０２及び燃料電池セル本体３０１が例えば面方向（図１５の矢印Ｆ１，Ｆ２方向を参照）に沿って変形すると、封止材３０５において開口部３０４の内側面に接する部分に引張応力が作用して割れ３０６が生じやすくなる。その結果、封止材３０５によるガス封止ができなくなるおそれがある。

この問題を解決するためには、封止部を、セパレータにおいてロウ材よりも開口部側に位置する部分と燃料電池セル本体との間に設けることが考えられる（図１６，図１７参照）。図１６は、セパレータ３１１の開口部３１２側の端部３１３を、上方に突出するように湾曲させた具体例を示している。また、図１７は、セパレータ３２１の開口部３２２に、金属板の打抜加工時に生じたバリ３２３を残すようにした具体例を示している。これらの場合、セパレータ３１１，３２１や燃料電池セル本体３１４，３２４が例えば面方向に沿って変形すると、封止材３１５，３２５とセパレータ３１１，３２１との境界部分には、引張応力ではなく剪断応力が作用するため、封止材３１５，３２５に割れが生じにくくなる。よって、封止材３１５，３２５によるガス封止を確実に行うことができる。

特開２０１０−２０７８６３号公報（図３等） 特許０３４６６９６０号公報（図１等）

ところが、図１６，図１７に示される具体例では、開口部３１２，３２２が角張っているため、ロウ材３１６，３２６による接合後に熱処理前の封止材３１５，３２５の形成材料を塗布したとしても、熱処理（ガラス封止）時に、溶けた封止材３１５，３２５の形成材料が開口部３１２，３２２から逃げるように動くことにより、封止材３１５，３２５にヒケが生じやすいという問題がある。この場合、ヒケが生じる箇所では、封止材３１５，３２５の形成材料が薄くなり、気泡３１７，３２７（即ち、セパレータ３１１，３２１と燃料電池セル本体３１４，３２４との隙間内の空気）が弾けやすくなるため、リークパスが形成され、封止材３１５，３２５によるガス封止ができないという問題が生じてしまう。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、封止材のリークパス形成を防止することにより、燃料電池セル本体とセパレータとの接合部分の信頼性を向上させることができるセパレータ付燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供することにある。また、第２の目的は、上記のセパレータ付燃料電池セルを得るのに好適な製造方法を提供することにある。

本願発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、セパレータにおいてロウ材よりも開口部側に位置する部分と燃料電池セル本体との間に、封止材を有する封止部を設けるようにすれば、セパレータと燃料電池セル本体との間に配置されたロウ材が、空気極に接する酸化剤ガス、または、燃料極に接する燃料ガスに対して直接接触しなくなることを新規に知見した。この場合、ロウ材への酸化剤ガスまたは燃料ガスの移動が抑制されるため、ロウ材中での酸化剤ガスまたは燃料ガスの拡散が抑制され、水素と酸素との反応を起因とするボイドの発生を抑制することができる。

以下、上記課題を解決するための手段を示す。

上記課題を解決するための手段（手段１）としては、固体電解質層、前記固体電解質層の第１主面に配置された空気極及び前記固体電解質層の第２主面に配置された燃料極を有する燃料電池セル本体と、開口部を有する枠状をなし、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るセパレータとを備えたセパレータ付燃料電池セルであって、前記ロウ材が、前記セパレータにおいて前記開口部よりも外周側となる位置に接合され、前記セパレータは、前記ロウ材よりも前記開口部側に位置する部分に、前記燃料電池セル本体と向かい合う第１領域と、前記第１領域の反対側に位置する第２領域とを有し、前記セパレータにおいて前記ロウ材よりも前記開口部側に位置する部分と前記燃料電池セル本体との間に生じる隙間に、ガラスを含む封止材を有する封止部が充填され、前記封止部は、前記第１領域及び前記第２領域の両方を被覆するものであり、前記セパレータの前記第２領域における前記開口部の開口縁、及び、前記セパレータの前記第２領域において前記セパレータと前記燃料電池セル本体との距離が最大となる箇所の少なくとも一方は、Ｒ面またはＣ面を有する形状となっており、前記ロウ材は、酸化剤ガスまたは燃料ガスに対して接触しないようになっており、前記封止材は、前記ロウ材の前記開口部側の端面との間に隙間を有しない状態で、前記セパレータの前記第２領域側のＲ面またはＣ面を被覆することを特徴とするセパレータ付燃料電池セルがある。

従って、手段１に記載の発明によると、セパレータにおいてロウ材よりも開口部側に位置する部分と燃料電池セル本体との間に、セパレータの第１領域及び第２領域の両方を覆う封止部が設けられるとともに、第２領域がＲ面またはＣ面を有する形状となっている。この場合、封止部が有する封止材は、熱処理時にヒケが生じにくくなるため、気泡（セパレータと燃料電池セル本体との間に生じる隙間内の空気）が弾けにくくなる。従って、熱処理時において気泡が弾けることに起因したリークパスの形成を防止できるため、封止材によるガス封止をより確実に行うことができる。以上のことから、封止材の破損を確実に防止できるため、燃料電池セル本体とセパレータとの接合部分の信頼性を向上させることができる。

また、セパレータにおいてロウ材よりも開口部側に位置する部分と燃料電池セル本体との間に、封止材を有する封止部が設けられるため、セパレータと燃料電池セル本体との間に配置されたロウ材が、空気極に接する酸化剤ガス、または、燃料極に接する燃料ガスに対して直接接触しなくなる。その結果、ロウ材への酸化剤ガスまたは燃料ガスの移動が抑制されるため、ロウ材中での酸化剤ガスまたは燃料ガスの拡散が抑制され、水素と酸素との反応を起因とするボイドの発生を抑制することができる。

燃料電池セル本体を構成する固体電解質層は、燃料極に接する燃料ガス及び空気極に接する酸化剤ガスの一部がイオンとなって移動する性質（イオン電導性）を有している。固体電解質層中を移動するイオンとしては、例えば酸素イオンや水素イオンなどが挙げられる。

固体電解質層（固体酸化物層）の形成材料としては、例えばジルコニア系、セリア系、ペロブスカイト系の電解質材料が挙げられる。ジルコニア系材料としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）及びカルシア安定化ジルコニア（ＣａＳＺ）を挙げることができ、一般的にはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が用いられる例が多い。セリア系材料としてはいわゆる希土類元素添加セリアが、ペロブスカイト系材料としてはランタン元素を含有するペロブスカイト型複酸化物が用いられる。

燃料電池セル本体を構成する空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セパレータ付燃料電池セルにおける正電極として機能する。ここで、空気極としては、例えば、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系等のＳｒを含有するペロブスカイト酸化物が用いられる。

また、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスなどが挙げられる。この混合ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。なお、混合ガスは、安全で安価な空気であることがよい。

燃料電池セル本体を構成する燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セパレータ付燃料電池セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料極の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ_２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ_２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも１つと、を混合した金属セラミック材料の混合物（サーメット）を使用することができる。

また、燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、炭化水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスなどが挙げられる。燃料ガスとして炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であってもよい。なお、水中にガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）を通過させて加湿することによって得られる燃料ガスや、ガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）に水蒸気を混合させることによって得られる燃料ガスを選択してもよい。また、１種類の燃料ガスのみを用いてもよいし、複数種類の燃料ガスを併用してもよい。さらに、燃料ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。また、液体の原料を気化したものを燃料ガスとして使用したり、水素ガス以外のガスを改質して生成した水素ガスを燃料ガスとして使用したりすることもできる。

燃料電池セル本体の固体電解質層に取り付けられるセパレータは、耐熱性、化学的安定性、強度、燃料電池セル本体との熱膨張差等を考慮すると、金属製セパレータであることが好ましい。金属製セパレータの形成材料の好適例としては、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４、ＳＵＨ２１などのフェライト系ステンレス鋼が挙げられる。

なお、金属製セパレータとして、クロミア（酸化クロム）被膜を形成する材料（例えば、上記のステンレス鋼）を用いる場合、封止材に含まれるガラスがクロミアと反応する可能性があるため、封止材の信頼性が低下してしまう。そこで、セパレータは、例えば２質量％以上１０質量％以下のアルミニウム（Ａｌ）を含み、接合部を構成する接合材（ロウ材）は、例えば２体積％以上１５体積％以下の、アルミニウムの酸化物または複合酸化物を含み、封止材は、例えばＡｌ_２Ｏ_３換算で、２質量％以上２０質量％以下のアルミニウムを含むことがよい。セパレータがアルミニウムを２質量％以上含むと、表面にアルミナ被膜が形成されることによってセパレータの耐酸化性が向上する。また、ロウ材がアルミニウムの酸化物または複合酸化物を２体積％以上含むと、ロウ材が、セパレータのアルミナ被膜と親和してアンカー材として機能するため、セパレータとの接合強度が向上する。同時に、アルミナ被膜との濡れ性も向上するため、ロウ付け時にロウ材がセパレータから弾かれるといった問題を解消することができる。さらに、封止材がアルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で２質量％以上含むと、封止材が、セパレータのアルミナ被膜や接合部のアルミニウムと親和するため、セパレータとの界面や接合部との界面に隙間が生じるといった問題を解消することができる。以上のことから、封止材の信頼性が向上する。なお、セパレータがアルミニウムを１０質量％よりも多く含んでしまうと、セパレータの形成材料が硬くなるため、加工しにくくなる。また、ロウ材がアルミニウムの酸化物または複合酸化物を１５体積％よりも多く含んでしまうと、接合部中のＡｇのネッキングが弱くなり、ロウ材の強度が低下してしまう。さらに、封止材がアルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で２０質量％よりも多く含んでしまうと、封止材の熱膨張係数が低くなるため、セパレータとの熱膨張差によって封止材が割れるおそれがある。

また、金属製セパレータの厚さは、例えば０．５ｍｍ以下であることがよい。仮に、金属製セパレータの厚さが０．５ｍｍよりも厚いと、セパレータ付燃料電池セルを複数積層して燃料電池スタックを形成する際や運転時に、金属製セパレータに採用する機械応力や熱応力が緩和されにくくなるため、燃料電池セル本体が破損するおそれがある。

なお、セパレータは、Ａｇを含むロウ材で構成される接合部を介して燃料電池セル本体に取り付けられる。ロウ材としては、Ａｇと酸化物との混合体、具体的には、Ａｇ−Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｇ−ＣｕＯ、Ａｇ−ＴｉＯ_２、Ａｇ−Ｃｒ_２Ｏ_３、Ａｇ−ＳｉＯ_２などが挙げられる。さらに、ロウ材として、Ａｇと他の金属との合金、具体的には、Ａｇ−Ｇｅ−Ｃｒ、Ａｇ−Ｔｉ、Ａｇ−Ａｌ、Ａｇ−Ｐｄなどを用いることもできる。なお、ロウ材は、大気雰囲気下でロウ付けされたものであることがよい。仮に、真空下や還元雰囲気下でロウ付けを行うと、空気極等の形成材料の特定が変化する可能性があるからである。

また、セパレータは燃料電池セル本体に取り付けられる。ここで、セパレータが取り付けられる態様としては、以下のものが挙げられる。例えば、燃料電池セル本体が備える空気極が固体電解質層の第１主面の中央部に配置される一方、燃料電池セル本体が備える燃料極が固体電解質層の第２主面全体に配置される場合には、セパレータは、ロウ材を介して第１主面の外周部に取り付けられることがよい。この場合、セパレータを固体電解質層の第１主面に取り付けたとしても、空気極が邪魔になることはない。なお、空気極が第１主面全体に配置される一方、燃料極が第２主面の中央部に配置される場合には、セパレータは、ロウ材を介して第２主面の外周部に取り付けられることがよい。さらに、空気極が第１主面の中央部に配置されるとともに、燃料極が第２主面の中央部に配置される場合には、セパレータは、ロウ材を介して第１主面の外周部及び第２主面の外周部の少なくとも一方に取り付けられることがよい。

さらに、セパレータにおいてロウ材よりも開口部側に位置する部分と燃料電池セル本体との間には、ガラスを含む封止材を有する封止部が設けられる。封止部は、セパレータにおいて燃料電池セル本体と向かい合う第１領域、及び、セパレータにおいて第１領域の反対側に位置する第２領域の両方を被覆するものである。なお、セパレータは、封止材によって挟み込まれている。この場合、封止部は、セパレータの第１領域に加えて、セパレータの第２領域にも接触するため、封止材とセパレータとの接触面積がよりいっそう大きくなる。従って、セパレータや燃料電池セル本体が例えば面方向に沿って変形した際に、封止材とセパレータとの境界部分に剪断応力が作用したとしても、封止材において第１領域や第２領域に接する部分は割れが生じにくいため、封止材によるガス封止をより確実に行うことができる。

また、セパレータと燃料電池セル本体との間に生じる隙間は、ロウ材側から開口部側に行くに従って大きくなるように設定されていてもよい。このようにすれば、封止材の形成材料を、広がっている開口部側から隙間内に容易に流し込むことができる。その結果、封止材の形成材料によって隙間が確実に充填され、熱処理時にヒケが確実に生じにくくなるため、気泡（隙間内の空気）が確実に弾けにくくなる。従って、熱処理時において気泡が弾けることに起因したリークパスの形成を確実に防止できるため、封止材によるガス封止をより確実に行うことができる。ゆえに、燃料電池セル本体とセパレータとの接合部分の信頼性がよりいっそう向上する。

さらに、セパレータの第２領域における開口部の開口縁、及び、セパレータの第２領域においてセパレータと燃料電池セル本体との距離が最大となる箇所の少なくとも一方を、Ｒ面またはＣ面を有する形状とするのに加えて、セパレータの第１領域における開口部の開口縁を、Ｒ面またはＣ面を有する形状としてもよい。また、第１領域側及び第２領域側のそれぞれがＣ面を有する場合、第１領域の表面を基準とした第１領域側のＣ面の面取り角度は、第２領域の表面を基準とした第２領域側のＣ面の面取り角度より大きくてもよい。このようにした場合、セパレータと燃料電池セル本体との間に生じる隙間が、Ｒ面またはＣ面を有する開口部において広がるため、封止材の形成材料を隙間内に容易に流し込むことができる。その結果、封止材の形成材料によって隙間が確実に充填され、形成材料が気泡を確実に巻き込まなくなる。従って、熱処理時において気泡が弾けることに起因した封止材の破損を防止できるため、封止材によるガス封止をより確実に行うことができる。ゆえに、燃料電池セル本体とセパレータとの接合部分の信頼性がよりいっそう向上する。

なお、セパレータの第２領域における開口部の開口縁、または、セパレータの第２領域においてセパレータと燃料電池セル本体との距離が最大となる箇所において、第２領域の高さを基準とした封止材の厚さは、特に限定される訳ではないが、例えば１０μｍ以上４００μｍ以下に設定されていることがよい。仮に、第２領域の高さを基準とした封止材の厚さが１０μｍ未満になると、第２領域を被覆する封止材が薄くなるため、封止材において第２領域に接する部分に割れが生じやすくなり、燃料電池セル本体とセパレータとの接合部分の信頼性が低下してしまう。一方、第２領域の高さを基準とした封止材の厚さが４００μｍよりも大きくなると、第２領域を被覆する封止材が無駄に厚くなるため、セパレータ付燃料電池セルの製造コストが上昇するおそれがある。

上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、上記手段１に記載のセパレータ付燃料電池セルを複数積層してなることを特徴とする燃料電池スタックがある。

従って、手段２に記載の発明によると、セパレータにおいてロウ材よりも開口部側に位置する部分と燃料電池セル本体との間に、セパレータの第１領域及び第２領域の両方を覆う封止部が設けられるとともに、第２領域がＲ面またはＣ面を有する形状となっている。この場合、封止部が有する封止材は、熱処理時にヒケが生じにくくなるため、気泡（セパレータと燃料電池セル本体との間に生じる隙間内の空気）が弾けにくくなる。従って、熱処理時において気泡が弾けることに起因したリークパスの形成を防止できるため、封止材によるガス封止をより確実に行うことができる。以上のことから、封止材の破損を確実に防止できるため、燃料電池セル本体とセパレータとの接合部分の信頼性、ひいては、燃料電池スタックの信頼性を向上させることができる。

また、セパレータにおいてロウ材よりも開口部側に位置する部分と燃料電池セル本体との間に、封止材を有する封止部が設けられるため、セパレータと燃料電池セル本体との間に配置されたロウ材が、空気極に接する酸化剤ガス、または、燃料極に接する燃料ガスに対して直接接触しなくなる。その結果、ロウ材への酸化剤ガスまたは燃料ガスの移動が阻止されるため、ロウ材中での酸化剤ガスまたは燃料ガスの拡散が抑制され、水素と酸素との反応を起因とするボイドの発生を防止することができる。

上記課題を解決するためのさらに別の手段（手段３）としては、上記手段１に記載のセパレータ付燃料電池セルを製造する製造方法であって、プレス装置を用いて金属板の打抜加工を行うことにより、前記セパレータを形成するセパレータ形成工程と、前記燃料電池セル本体を形成する燃料電池セル本体形成工程と、前記ロウ材を用いたロウ付けにより、前記セパレータを前記燃料電池セル本体に接合する接合工程と、前記セパレータと前記燃料電池セル本体との隙間を、前記封止材によって封止する封止工程とを含み、前記セパレータ形成工程は、前記セパレータに前記開口部を形成する打抜工程と、前記打抜工程後、前記プレス装置を用いて前記第２領域をならすことにより、前記セパレータの前記第２領域における前記開口部の開口縁、または、前記セパレータの前記第２領域において前記セパレータと前記燃料電池セル本体との距離が最大となる箇所を、Ｒ面またはＣ面を有するように形成するならし工程とを含む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がある。

従って、手段３に記載の発明によると、ならし工程において、セパレータの第２領域における開口部の開口縁、または、セパレータの第２領域においてセパレータと燃料電池セル本体との距離が最大となる箇所を、Ｒ面またはＣ面を有するように形成している。よって、ならし工程後に封止工程を行ったとしても、第１領域及び第２領域の両方を被覆する封止部が有する封止材には、熱処理時にヒケが生じにくくなるため、気泡（セパレータと燃料電池セル本体との間に生じる隙間内の空気）が弾けにくくなる。従って、熱処理時において気泡が弾けることに起因したリークパスの形成を防止できるため、封止材によるガス封止をより確実に行うことができる。以上のことから、封止材の破損を確実に防止できるため、信頼性に優れたセパレータ付燃料電池セルを好適に得ることができる。

本実施形態における燃料電池を示す概略斜視図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 セパレータ付燃料電池セルを示す概略断面図。 セパレータ付燃料電池セルを示す要部断面図。 セパレータ付燃料電池セルを示す要部拡大断面図。 実施例におけるセパレータ付燃料電池セルを示す要部断面図。 比較例におけるセパレータ付燃料電池セルを示す要部断面図。 他の実施形態におけるセパレータ付燃料電池セルを示す要部断面図。 第２領域における開口部の開口縁がＲ面を有するセパレータを示す要部断面図。 第１領域における開口部の開口縁がＲ面を有するセパレータを示す要部断面図。 第２領域において固体電解質層との距離が最大となる箇所がＲ面を有するセパレータを示す要部断面図。 開口部が被覆部で覆われたセパレータを示す要部断面図。 空気極支持型のセパレータ付燃料電池セルを示す要部断面図。 電解質支持型のセパレータ付燃料電池セルを示す要部断面図。 燃料電池セル本体及びセパレータをロウ材及び封止材の両方を介して接合した際に生じる問題点を示す要部断面図。 セパレータの開口部側の端部を上方に湾曲させた際に生じる問題点を示す要部断面図。 セパレータの開口部にバリを残すようにした際に生じる問題点を示す要部断面図。

以下、本発明を燃料電池２００に具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１，図２に示されるように、本実施形態の燃料電池２００は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池２００は、発電の最小単位であるセパレータ付燃料電池セル２０１を複数積層してなる燃料電池スタック２０２を備えている。燃料電池スタック２０２は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体状をなしている。また、燃料電池スタック２０２は、同燃料電池スタック２０２を厚さ方向に貫通する８つの貫通孔２１０を有している。なお、燃料電池スタック２０２の四隅にある４つの貫通孔２１０に締結ボルト２１１を挿通させ、燃料電池スタック２０２の下面から突出する締結ボルト２１１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔２１０にガス流通用締結ボルト２１２を挿通させ、燃料電池スタック２０２の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト２１２の両端部分にナット２１３を螺着させる。その結果、複数のセパレータ付燃料電池セル２０１が固定されるようになっている。

図２，図３に示されるように、燃料電池２００は、セパレータ付燃料電池セル２０１と、集電体２２１と、コネクタプレート２２２，２２３とを積層配置することによって構成されている。セパレータ付燃料電池セル２０１は、空気極フレーム２２４、絶縁フレーム２２５、セパレータ２２６、燃料電池セル本体２２７及び燃料極フレーム２２８を順番に積層することによって構成されている。

コネクタプレート２２２，２２３は、耐熱性及び導電性に優れたステンレス鋼などの金属材料によって略矩形板状に形成され、セパレータ付燃料電池セル２０１の上端部及び下端部に配置されている。コネクタプレート２２２，２２３は、セパレータ付燃料電池セル２０１内にガス流路を形成するとともに、隣接するセパレータ付燃料電池セル２０１同士を導通させるようになっている。詳述すると、隣接するセパレータ付燃料電池セル２０１同士の間に位置するコネクタプレート２２２，２２３は、いわゆるインターコネクタとなり、隣接するセパレータ付燃料電池セル２０１同士を区画するようになっている。なお、本実施形態のコネクタプレート２２３は、下側に隣接するセパレータ付燃料電池セル２０１のコネクタプレート２２２を兼ねている。また、燃料電池スタック２０２の上端部に配置されたコネクタプレート２２２は上側エンドプレート２０３となり、燃料電池スタック２０２の下端部に配置されたコネクタプレート２２３は下側エンドプレート２０４となっている。両エンドプレート２０３，２０４は、燃料電池スタック２０２を挟持しており、燃料電池スタック２０２から出力される電流の出力端子となっている。なお、エンドプレート２０３，２０４となるコネクタプレート２２２，２２３は、インターコネクタとなるコネクタプレート２２２，２２３よりも肉厚になっている。

図２，図３に示される空気極フレーム２２４は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、空気極フレーム２２４の中央部には、同空気極フレーム２２４を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部２３１が設けられている。また、絶縁フレーム２２５は、厚さ０．５ｍｍのマイカシートによって略矩形枠状に形成されている。よって、絶縁フレーム２２５の中央部には、同絶縁フレーム２２５を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部２３２が設けられている。さらに、燃料極フレーム２２８は、マイカシートによって略矩形枠状に形成されている。よって、燃料極フレーム２２８の中央部には、同燃料極フレーム２２８を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部２３３が設けられている。

図２〜図５に示されるように、本実施形態のセパレータ２２６は、金属箔（金属板）の折曲加工によって形成された金属製セパレータである。金属製セパレータは、主として鉄（Ｆｅ）を主成分とする金属材料によって形成され、２質量％以上１０質量％以下（本実施形態では３質量％）のアルミニウム（Ａｌ）を含んでいる。そして、セパレータ２２６の表面にはアルミナの被膜が形成されている。セパレータ２２６の熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｚ２２８５；２００３に規定されるものであり、具体的には１０〜１２ｐｐｍ／℃程度となっている。なお、セパレータ２２６の熱膨張係数は、常温〜３００℃間の測定値の平均値をいう。また、セパレータ２２６の厚さは、５００μｍ以下に設定されることが好ましく、特には、５０μｍ以上２００μｍ以下（本実施形態では１００μｍ＝０．１ｍｍ）に設定されることが好ましい。さらに、セパレータ２２６は、同セパレータ２２６を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部２３４を中央部に有する略矩形枠状をなしている。また、セパレータ２２６は、ロウ材２４１よりも開口部２３４側に位置する部分に、固体電解質層２５１と向かい合う第１領域２４２、及び、第１領域２４２の反対側に位置する第２領域２４３を有している。

そして、図４，図５に示されるように、セパレータ２２６の第１領域２４２における開口部２３４の開口縁は、Ｃ面２４８を有する形状となっている。なお、第１領域２４２の表面を基準とした第１領域２４２側のＣ面２４８の面取り深さは、０．０５ｍｍとなっている。また、第１領域２４２の表面を基準としたＣ面２４８の面取り角度は１５０°である。さらに、セパレータ２２６の第２領域２４３における開口部２３４の開口縁は、Ｃ面２４６を有する形状となっている。なお、第２領域２４３の表面を基準とした第２領域２４３側のＣ面２４６の面取り深さは、０．０５ｍｍとなっている。また、第２領域２４３の表面を基準としたＣ面２４６の面取り角度は１３５°である。従って、第１領域２４２側のＣ面２４８の面取り角度は、第１領域２４２側のＣ面２４６の面取り角度よりも大きくなる。

図２，図３に示されるように、本実施形態の燃料電池セル本体２２７は、固体電解質層２５１、空気極２５２及び燃料極２５３を備え、発電反応により電力を発生するようになっている。固体電解質層２５１は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料によって形成され、厚さ０．０１ｍｍの矩形板状をなしている。固体電解質層２５１の熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｚ２２８５；２００３に規定されるものであり、具体的には８〜１０ｐｐｍ／℃程度となっている。なお、固体電解質層２５１の熱膨張係数は、常温〜３００℃間の測定値の平均値をいう。また、固体電解質層２５１は、セパレータ２２６の下面側に配置されており、ロウ材２４１を介してセパレータ２２６の下面に固定されている。そして、セパレータ２２６の開口部２３４は、封止材２４４によって塞がれている。固体電解質層２５１は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。また、空気極２５２は、固体電解質層２５１の第１主面２５４（図２，図３では上面）の中央部に貼付され、燃料電池スタック２０２に供給された空気（酸化剤ガス）に接するようになっている。一方、燃料極２５３は、固体電解質層２５１の第２主面２５５（図２，図３では下面）全体に貼付され、同じく燃料電池スタック２０２に供給された燃料ガスに接するようになっている。即ち、空気極２５２及び燃料極２５３は、固体電解質層２５１の両側に配置されている。空気極２５２は、セパレータ２２６の開口部２３４内に配置され、セパレータ２２６と接触しないようになっている。また、燃料極２５３は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）によって形成され、厚さ０．８ｍｍの平面視矩形状をなしている。

図４，図５に示されるように、セパレータ２２６は、接合部２４０を介して、燃料電池セル本体２２７、具体的には、固体電解質層２５１の第１主面２５４の外周部に取り付けられている。そして、セパレータ２２６及び固体電解質層２５１は、互いに平行に配置されている。つまり、セパレータ２２６と固体電解質層２５１との間に生じる隙間Ｓ１の大きさは、ロウ材２４１側から開口部２３４側に亘って略均一に設定されている。また、接合部２４０は、銀（Ａｇ）を含むロウ材２４１によって構成され、２体積％以上１５体積％以下（本実施形態では１０体積％）の、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物または複合酸化物を含んでいる。ロウ材２４１は、セパレータ２２６において開口部２３４よりも外周側となる位置に接合され、開口部２３４の開口端の全周に亘って配置されている。なお、ロウ材２４１の幅Ｌ１は、厚さ方向に切断した断面図（図４参照）において、切断面の内端から外端までの距離を示すものであり、具体的には２ｍｍ以上６ｍｍ以下（本実施形態では４ｍｍ）に設定されている。また、ロウ材２４１の厚さは、１０μｍ以上８０μｍ以下（本実施形態では５０μｍ）に設定されている。

図４，図５に示されるように、セパレータ２２６においてロウ材２４１よりも開口部２３４側に位置する部分と固体電解質層２５１との間には、封止部２４５が設けられている。封止部２４５は、例えばガラス（ＳＣＨＯＴＴ社製 Ｇ０１８−３１１）を含む封止材２４４を有しており、Ａｌ_２Ｏ_３換算で、２質量％以上２０質量％以下（本実施形態では１０質量％）のアルミニウム（Ａｌ）を含んでいる。封止材２４４の熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｚ２２８５；２００３に規定されるものであり、具体的には８〜１２ｐｐｍ／℃程度となっている。なお、封止材２４４の熱膨張係数は、常温〜３００℃間の測定値の平均値をいう。また、封止材２４４は、セパレータ２２６において開口部２３４よりも外周側となる位置に配置されている。そして、封止材２４４は、開口部２３４の開口端の全周に亘って配置されている。このため、ロウ材２４１は、セパレータ２２６の開口部２３４側のガス（本実施形態では空気）に触れないようになる。さらに、封止材２４４（封止部２４５）は、セパレータ２２６の第１領域２４２と、セパレータ２２６において第１領域２４２の反対側に位置する第２領域２４３と、セパレータ２２６の開口部２３４側の端面（開口部２３４の内側面）とを被覆するようになっている。このため、セパレータ２２６は、封止材２４４によって挟み込まれている。また、封止材２４４は、セパレータ２２６の表面に密着するのに加えて、固体電解質層２５１の第１主面２５４に密着する一方、ロウ材２４１の開口部２３４側の端面からは離間するようになっている。よって、封止材２４４とロウ材２４１との間には空洞部２４７が生じるようになる。

図４に示されるように、セパレータ２２６と固体電解質層２５１との隙間Ｓ１内の領域（潜り込み箇所）では、封止材２４４の幅Ｌ２が０．０５ｍｍ以上４ｍｍ以下（本実施形態では０．２ｍｍ）に設定されている。一方、セパレータ２２６の第２領域２４３における開口部２３４の開口縁（セパレータ２２６上）では、封止材２４４の幅Ｌ３が０．２ｍｍ以上４ｍｍ以下（本実施形態では１．５ｍｍ）に設定されている。なお、封止材２４４の幅Ｌ２，Ｌ３は、厚さ方向に切断した断面図（図４参照）において、切断面の内端から外端（ロウ材２４１寄りの部分）までの距離を示すものである。また、潜り込み箇所では、固体電解質層２５１の第１主面２５４を基準とした封止材２４４の厚さＨ１（図５参照）が１０μｍ上８０μｍ以下（本実施形態では５０μｍ）に設定されている。一方、セパレータ２２６上では、第２領域２４３の高さを基準とした封止材２４４の厚さＨ２（図５参照）が１０μｍ以上４００μｍ以下（本実施形態では２００μｍ）に設定されている。そして、固体電解質層２５１の第１主面２５４を基準とした封止材２４４全体の厚さは、７０μｍ以上１０００μｍ以下、好ましくは、１２０μｍ以上１０００μｍ以下（本実施形態では３５０μｍ）に設定されている。

なお、図２，図３に示されるように、本実施形態のセパレータ付燃料電池セル２０１では、燃料極フレーム２２８の開口部２３３、及びコネクタプレート２２３等により、セパレータ２２６の下方に燃料室２０５が形成されるようになっている。なお、燃料室２０５内には、固体電解質層２５１及び燃料極２５３が収容されている。

また、本実施形態のセパレータ付燃料電池セル２０１では、コネクタプレート２２２、空気極フレーム２２４の開口部２３１、及び、絶縁フレーム２２５の開口部２３２等により、セパレータ２２６の上方に空気室２０６が形成されるようになっている。そして、空気極２５２の表面側には、ニッケル合金等の金属材料からなる集電体２２１が設置されるようになっている。その結果、空気極２５２及びコネクタプレート２２２は、集電体２２１を介して電気的に接続されるようになる。

さらに、図２に示されるように、燃料電池スタック２０２は、各セパレータ付燃料電池セル２０１の燃料室２０５に燃料ガスを供給する燃料供給経路２６０と、燃料室２０５から燃料ガスを排出する燃料排出経路２６１とを備えている。燃料供給経路２６０は、ガス流通用締結ボルト２１２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料供給孔２６２と、燃料供給孔２６２及び燃料室２０５を連通させる燃料供給横孔２６３とによって構成されている。また、燃料排出経路２６１は、ガス流通用締結ボルト２１２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料排出孔２６４と、燃料排出孔２６４及び燃料室２０５を連通させる燃料排出横孔２６５とによって構成されている。よって、燃料ガスは、燃料供給孔２６２及び燃料供給横孔２６３を順番に通過して燃料室２０５に供給され、燃料排出横孔２６５及び燃料排出孔２６４を順番に通過して燃料室２０５から排出される。

また、図２に示されるように、燃料電池スタック２０２は、各セパレータ付燃料電池セル２０１の空気室２０６に空気を供給する空気供給経路（図示略）と、空気室２０６から空気を排出する空気排出経路（図示略）とを備えている。空気供給経路は、燃料供給経路２６０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト２１２の中心部において軸方向に沿って延びる空気供給孔（図示略）と、空気供給孔及び空気室２０６を連通させる空気供給横孔（図示略）とによって構成されている。また、空気排出経路は、燃料排出経路２６１と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト２１２の中心部において軸方向に沿って延びる空気排出孔（図示略）と、空気排出孔及び空気室２０６を連通させる空気排出横孔（図示略）とによって構成されている。よって、空気は、空気供給孔及び空気供給横孔を順番に通過して空気室２０６に供給され、空気排出横孔及び空気排出孔を順番に通過して空気室２０６から排出される。

例えば、燃料電池２００を稼働温度に加熱した状態で、燃料供給経路２６０から燃料室２０５に燃料ガスを導入するとともに、空気供給経路から空気室２０６に空気を供給する。その結果、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが固体電解質層２５１を介して反応（発電反応）し、空気極２５２を正極、燃料極２５３を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施形態の燃料電池スタック２０２は、セパレータ付燃料電池セル２０１を複数積層して直列に接続しているため、空気極２５２に電気的に接続される上側エンドプレート２０３が正極となり、燃料極２５３に電気的に接続される下側エンドプレート２０４が負極となる。

次に、燃料電池２００の製造方法を説明する。

まず、プレス装置（図示略）を用いてステンレス板（金属板）の打抜加工を行うことにより、コネクタプレート２２２，２２３及び空気極フレーム２２４を形成する。また、セパレータ形成工程を行い、プレス装置を用いてステンレス板の打抜加工を行うことにより、セパレータ２２６を形成する。詳述すると、まず、打抜工程を行い、セパレータ２２６に開口部２３４を形成する。打抜工程後、ならし工程を行い、プレス装置を用いて第１領域２４２をならすことにより、セパレータ２２６の第１領域２４２における開口部２３４の開口縁を、Ｃ面２４８を有するように形成する。また、プレス装置を用いて第２領域２４３をならすことにより、セパレータ２２６の第２領域２４３における開口部２３４の開口縁を、Ｃ面２４６を有するように形成する。この時点で、セパレータ２２６が形成される。

また、マイカシートを所定形状に形成することにより、絶縁フレーム２２５及び燃料極フレーム２２８を形成する。具体的には、市販のマイカシート（マイカと成形用樹脂との複合体からなるシート）を他の部材（コネクタプレート２２２，２２３、空気極フレーム２２４及びセパレータ２２６など）と略同じ形状に形成する。なお、マイカシートに含まれている樹脂成分は、他の部材とともに積層された後に行われる熱処理によって蒸発する。さらに、マイカシートは、各セパレータ付燃料電池セル２０１を積層方向にボルト締めした際に他の部材に挟まれることによって、各部材をシールするようになっている。

次に、セパレータ付燃料電池セル２０１を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、まず、燃料電池セル本体形成工程を行い、燃料極２５３となるグリーンシート上に固体電解質層２５１となるグリーンシートを積層し、焼成する。さらに、固体電解質層２５１上に空気極２５２の形成材料を印刷した後、焼成する。この時点で、燃料電池セル本体２２７が形成される。

続く接合工程では、ロウ材２４１を用いたロウ付けにより、セパレータ２２６を固体電解質層２５１に接合する。具体的には、固体電解質層２５１とセパレータ２２６とのそれぞれにロウ材２４１を配置する。例えば、ペースト状のロウ材２４１を、固体電解質層２５１の第１主面２５４とセパレータ２２６の第１領域２４２とにそれぞれ印刷する。なお、印刷によってロウ材２４１を配置する代わりに、ディスペンサを用いてロウ材２４１を配置するようにしてもよい。

次に、ロウ材２４１を溶融し、固体電解質層２５１とセパレータ２２６とを接合する。具体的には、ロウ材２４１が配置された固体電解質層２５１と、同じくロウ材２４１が配置されたセパレータ２２６とを接触させた状態で、大気雰囲気下で、例えば８５０〜１１００℃で加熱する。その結果、固体電解質層２５１側のロウ材２４１とセパレータ２２６側のロウ材２４１とがそれぞれ溶融し、固体電解質層２５１とセパレータ２２６とが互いに接合される。

続く封止工程では、セパレータ２２６と固体電解質層２５１との隙間Ｓ１を、封止材２４４によって封止する。具体的には、封止材２４４を含むペーストをディスペンサなどを用いて隙間Ｓ１に流し込むことにより、隙間Ｓ１に対して封止材２４４を配置する。さらに、封止材２４４を含むペーストを、大気雰囲気下で、ロウ材２４１の溶融時よりも低い温度（本実施形態では７００〜１０００℃）で加熱する。その結果、ペーストが溶融し、封止材２４４が形成される。なお、ペーストを流し込むことによって封止材２４４を形成する代わりに、封止材２４４を含むペーストを印刷することによって、封止材２４４を形成してもよい。また、ガラスを含む板材を隙間Ｓ１内に配置した後、溶融させることによって、封止材２４４を形成してもよい。

その後、空気極フレーム２２４、絶縁フレーム２２５、（固体電解質層２５１がロウ付けによって固定された）セパレータ２２６及び燃料極フレーム２２８などを積層して一体化する。この時点で、セパレータ付燃料電池セル２０１が形成される。

次に、複数のセパレータ付燃料電池セル２０１やコネクタプレート２２２，２２３などを積層して一体化することにより、燃料電池スタック２０２を形成する。そして、燃料電池スタック２０２の四隅にある４つの貫通孔２１０に締結ボルト２１１を挿通させ、燃料電池スタック２０２の下面から突出する締結ボルト２１１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔２１０にガス流通用締結ボルト２１２を挿通させ、燃料電池スタック２０２の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト２１２の両端部分にナット２１３を螺着させる。その結果、各セパレータ付燃料電池セル２０１が固定され、燃料電池２００が完成する。

次に、セパレータ付燃料電池セルの評価方法及びその結果を説明する。

まず、測定用サンプルを次のように準備した。第２領域２８２側のみにＣ面２８３を有し、第１領域２８１側にＣ面を有しないセパレータ２８４を備えたセパレータ付燃料電池セル２８０（図６参照）を準備し、これを実施例とした。一方、第１領域２７１側にも第２領域２７２側にもＣ面を有しないセパレータ２７３を備えたセパレータ付燃料電池セル２７０（図７参照）を準備し、これを比較例とした。

次に、各測定用サンプル（実施例、比較例）を観察し、封止材２７４，２８５にヒケ（ガラスヒケ）が発生しているか否かの評価を行った。なお、ガラスヒケが発生しているか否かの評価は、それぞれ１００個の測定用サンプルに対して行った。以上の結果を表１に示す。

その結果、比較例では、ガラスヒケが３０％の確率で発生していることが確認された。一方、実施例では、ガラスヒケが全く発生していない（０％の確率で発生している）ことが確認された。従って、セパレータの第２領域における開口部の開口縁をＣ面を有する形状とすれば、ガラスヒケが生じなくなるため、燃料電池セル本体とセパレータとの接合部分の信頼性が高いセパレータ付燃料電池セルを得られることが証明された。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態では、セパレータ２２６においてロウ材２４１よりも開口部２３４側に位置する部分と固体電解質層２５１との間に、セパレータ２２６の第１領域２４２及び第２領域２４３の両方を覆う封止部２４５が設けられるとともに、第２領域２４３がＣ面２４６を有する形状となっている。この場合、封止材２４４は、熱処理時にヒケが生じにくくなるため、気泡（セパレータ２２６と固体電解質層２５１との間に生じる隙間Ｓ１内の空気）が弾けにくくなる。従って、熱処理時において気泡が弾けることに起因したリークパスの形成を防止できるため、封止材２４４によるガス封止をより確実に行うことができる。以上のことから、封止材２４４の破損を確実に防止できるため、固体電解質層２５１とセパレータ２２６との接合部分の信頼性を向上させることができる。

（２）本実施形態では、セパレータ２２６においてロウ材２４１よりも開口部２３４側に位置する部分と固体電解質層２５１との間に封止材２４４が設けられるため、セパレータ２２６と固体電解質層２５１との間に配置されたロウ材２４１が、空気極２５２に接する空気に対して直接接触しなくなる。その結果、ロウ材２４１への空気の移動が抑制されるため、ロウ材２４１中での空気の拡散が抑制され、水素と酸素との反応を起因とするボイドの発生を抑制することができる。

なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態のセパレータ付燃料電池セル２０１では、セパレータ２２６と固体電解質層２５１との間に生じる隙間Ｓ１の大きさが、ロウ材２４１側から開口部２３４側に亘って略均一に設定されていた。しかし、図８のセパレータ付燃料電池セル２９１に示されるように、セパレータ２９２と固体電解質層２９３との間に生じる隙間Ｓ２を、ロウ材２９４側から開口部２９５側に行くに従って大きくなるように設定してもよい。なお、このセパレータ２９２の開口部２９５側の端部２９６は、上方に突出するように湾曲した断面円弧状をなしている。また、セパレータ２９２の第２領域２９７における開口部２９５の開口縁は、Ｃ面２９８を有する形状となっている。さらに、セパレータ２９２の第２領域２９７においてセパレータ２９２と固体電解質層２９３（燃料電池セル本体）との距離が最大となる箇所では、第２領域２９７の高さを基準とした封止材２９９の厚さＨ３が、１０μｍ以上４００μｍ以下（本実施形態では２００μｍ）に設定されている。

このようにすれば、封止材２９９の形成材料を、広がっている開口部２９５側から隙間Ｓ２内に容易に流し込むことができる。その結果、封止材２９９の形成材料によって隙間Ｓ２が充填されやすくなり、形成材料が気泡（隙間Ｓ２内の空気）を巻き込みにくくなる。従って、熱処理時において気泡が弾けることに起因した封止材２９９の破損を防止できるため、封止材２９９によるガス封止をより確実に行うことができる。ゆえに、固体電解質層２９３とセパレータ２９２との接合部分の信頼性がよりいっそう向上する。

・上記実施形態のセパレータ２２６は、第２領域２４３における開口部２３４の開口縁が、Ｃ面２４６を有する形状となっていた。しかし、図９のセパレータ３３１に示されるように、第２領域３３２における開口部３３３の開口縁が、Ｒ面３３４を有する形状となっていてもよい。また、上記実施形態のセパレータ２２６は、第１領域２４２における開口部２３４の開口縁が、Ｃ面２４８を有する形状となっていた。しかし、図１０のセパレータ３３５に示されるように、第１領域３３６における開口部３３７の開口縁が、Ｒ面３３８を有する形状となっていてもよい。さらに、図１２のセパレータ３６５に示されるように、セパレータ３６５の開口部３６６を樹脂材料等からなる被覆部３６７で覆うことにより、第２領域３６８における開口部３６６の開口縁も、第１領域３６９における開口部３６６の開口縁も、Ｒ面３７０を有するようにしてもよい。

・上記実施形態のセパレータ２２６は、第２領域２４３における開口部２３４の開口縁が、Ｃ面２４６を有する形状となっていた。しかし、図１１のセパレータ３６１に示されるように、第２領域３６２においてセパレータ３６１と固体電解質層３６３との距離が最大となる箇所Ａ１が、Ｒ面３６４またはＣ面を有する形状となっていてもよい。なお、上記の箇所Ａ１では、第２領域３６２の高さを基準とした封止材３６０の厚さＨ４が、１０μｍ以上４００μｍ以下（本実施形態では２００μｍ）に設定されている。

・上記実施形態のセパレータ付燃料電池セル２０１は、いわゆる燃料極支持型の燃料電池セルであり、空気極２５２が固体電解質層２５１の第１主面２５４の中央部に配置される一方、燃料極２５３が固体電解質層２５１の第２主面２５５全体に配置され、第１主面２５４の外周部にセパレータ２２６が取り付けられる構成を有していた。

しかし、図１３に示されるように、空気極３４２が第１主面３４４全体に配置される一方、燃料極３４３が第２主面３４５の中央部に配置され、第２主面３４５の外周部にセパレータ３４６が取り付けられる、いわゆる空気極支持型のセパレータ付燃料電池セル３４１であってもよい。また、図１４に示されるように、空気極３５２が第１主面３５４の中央部に配置されるとともに、燃料極３５３が第２主面３５５の中央部に配置され、第１主面３５４の外周部にセパレータ３５６が取り付けられる、いわゆる電解質支持型のセパレータ付燃料電池セル３５１であってもよい。なお、セパレータ３５６は、第２主面３５５の外周部に取り付けられていてもよいし、第１主面３５４の外周部及び第２主面３５５の外周部の両方に取り付けられていてもよい。

次に、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）上記手段１において、前記セパレータと前記燃料電池セル本体とが互いに平行に配置されていることを特徴とするセパレータ付燃料電池セル。

（２）上記手段１において、前記セパレータの前記第２領域における前記開口部の開口縁、または、前記セパレータの前記第２領域において前記セパレータと前記燃料電池セル本体との距離が最大となる箇所では、前記燃料電池セル本体の主面を基準とした前記封止材の厚さが７０μｍ以上１０００μｍ以下に設定されていることを特徴とするセパレータ付燃料電池セル。

（３）上記手段１において、前記封止材は、前記第１領域、前記第２領域、及び、前記第１主面に密着する一方、前記ロウ材の前記開口部側の端面から離間していることを特徴とするセパレータ付燃料電池セル。従って、技術的思想（３）によると、ロウ材と封止材（ガラス）との間の熱膨張差に起因するクラックの発生を防止することができる。

（４）上記手段１において、前記空気極が前記第１主面の中央部に配置される一方、前記燃料極が前記第２主面全体に配置され、前記セパレータが、前記ロウ材を介して前記第１主面の外周部に取り付けられていることを特徴とするセパレータ付燃料電池セル。

２０１，２８０，２９１，３４１，３５１…セパレータ付燃料電池セル
２０２…燃料電池スタック
２２６，２８４，２９２，３３１，３３５，３４６，３５６，３６１，３６５…セパレータ
２２７…燃料電池セル本体
２３４，２９５，３３３，３３７，３６６…開口部
２４０…接合部
２４１，２９４…ロウ材
２４２，２８１，３３６，３６９…第１領域
２４３，２８２，２９７，３３２，３６２，３６８…第２領域
２４４，２８５，２９９，３６０…封止材
２４５…封止部
２４６，２８３，２９８…第２領域側のＣ面
２４８…第１領域側のＣ面
２５１，２９３，３６３…固体電解質層
２５２，３４２，３５２…空気極
２５３，３４３，３５３…燃料極
２５４，３４４，３５４…第１主面
２５５，３４５，３５５…第２主面
３３４，３３８，３６４，３７０…Ｒ面
Ａ１…第２領域においてセパレータと燃料電池セル本体の距離が最大となる箇所
Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４…第２領域の高さを基準とした封止材の厚さ
Ｓ１，Ｓ２…セパレータと燃料電池セル本体との間に生じる隙間

Claims (7)

1. 固体電解質層、前記固体電解質層の第１主面に配置された空気極及び前記固体電解質層の第２主面に配置された燃料極を有する燃料電池セル本体と、
   開口部を有する枠状をなし、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るセパレータと
   を備えたセパレータ付燃料電池セルであって、
   前記ロウ材が、前記セパレータにおいて前記開口部よりも外周側となる位置に接合され、
   前記セパレータは、前記ロウ材よりも前記開口部側に位置する部分に、前記燃料電池セル本体と向かい合う第１領域と、前記第１領域の反対側に位置する第２領域とを有し、
   前記セパレータにおいて前記ロウ材よりも前記開口部側に位置する部分と前記燃料電池セル本体との間に生じる隙間に、ガラスを含む封止材を有する封止部が充填され、
   前記封止部は、前記第１領域及び前記第２領域の両方を被覆するものであり、
   前記セパレータの前記第２領域における前記開口部の開口縁、及び、前記セパレータの前記第２領域において前記セパレータと前記燃料電池セル本体との距離が最大となる箇所の少なくとも一方は、Ｒ面またはＣ面を有する形状となっており、
   前記ロウ材は、酸化剤ガスまたは燃料ガスに対して接触しないようになっており、
   前記封止材は、前記ロウ材の前記開口部側の端面との間に隙間を有しない状態で、前記セパレータの前記第２領域側のＲ面またはＣ面を被覆する
   ことを特徴とするセパレータ付燃料電池セル。
2. 前記セパレータと前記燃料電池セル本体との間に生じる隙間が、前記ロウ材側から前記開口部側に行くに従って大きくなるように設定される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。
3. 前記セパレータの前記第１領域における前記開口部の開口縁は、Ｒ面またはＣ面を有する形状となってい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。
4. 前記第１領域の表面を基準とした前記第１領域側のＣ面の面取り角度は、前記第２領域の表面を基準とした前記第２領域側のＣ面の面取り角度よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載のセパレータ付燃料電池セル。
5. 前記セパレータの前記第２領域における前記開口部の開口縁、または、前記セパレータの前記第２領域において前記セパレータと前記燃料電池セル本体との距離が最大となる箇所では、前記第２領域の高さを基準とした前記封止材の厚さが１０μｍ以上４００μｍ以下に設定されてい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。
6. 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を複数積層してなることを特徴とする燃料電池スタック。
7. 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を製造する製造方法であって、
   プレス装置を用いて金属板の打抜加工を行うことにより、前記セパレータを形成するセパレータ形成工程と、
   前記燃料電池セル本体を形成する燃料電池セル本体形成工程と、
   前記ロウ材を用いたロウ付けにより、前記セパレータを前記燃料電池セル本体に接合する接合工程と、
   前記セパレータと前記燃料電池セル本体との隙間を、前記封止材によって封止する封止工程とを含み、
   前記セパレータ形成工程は、
   前記セパレータに前記開口部を形成する打抜工程と、
   前記打抜工程後、前記プレス装置を用いて前記第２領域をならすことにより、前記セパレータの前記第２領域における前記開口部の開口縁、または、前記セパレータの前記第２領域において前記セパレータと前記燃料電池セル本体との距離が最大となる箇所を、Ｒ面またはＣ面を有するように形成するならし工程と
   を含む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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