JP6199697B2 - セパレータ付燃料電池単セル，燃料電池スタック，およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，セパレータ付燃料電池単セル，燃料電池スタック，およびその製造方法に関する。

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単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。

燃料電池単セルは，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，接合して，用いられる。この接合に，通例，Ａｇロウ等のロウ材から構成される接合部が用いられる。

燃料電池単セルに合金製の保持薄板枠をロウ付けしたり，ガラス系シール剤を用いて封止したりする技術が開示されている（特許文献１参照）。
また，非酸化雰囲気でロウ付けすると，空気極の特性が変化することから，セパレータと燃料電池単セルを大気中でロウ付けする技術（大気ロウ付け）が開示されている（特許文献２参照）。

特開２０００−３３１６９２号公報 特開２０１０−２１０３８号公報

しかしながら，燃料電池単セルと合金製の保持薄板枠（金属製セパレータ）をロウ付けによって接合する際に，気泡を巻き込む可能性がある。この場合，接合部に空孔が形成され，接合の強度が低下し，接合が剥がれてガスリークする畏れがある。
本発明は，接合部での空孔を低減し，その強度向上を図った，セパレータ付燃料電池単セル，燃料電池スタック，およびその製造方法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単セルは，
空気極，燃料極，およびこれらの間に配置される固体電解質層を有する，燃料電池単セルと，
第１主面，第２主面，およびこれら第１主面および第２主面間を貫通する貫通孔を有する，板状の金属製セパレータと，
前記燃料電池単セルと，前記金属製セパレータの第１主面と，を接合し，Ａｇを含むロウ材から成る，接合部と，
を具備するセパレータ付燃料電池単セルであって，
前記接合部が，前記金属製セパレータの前記貫通孔側に配置される内周側領域，前記内周側領域よりも外側に配置される外周側領域，および前記内周側領域と前記外周側領域の間に配置される中間領域に区分され，
前記外周側領域および前記内周側領域での前記燃料電池単セルと前記第１主面間の距離より，前記中間領域での前記燃料電池単セルと前記第１主面間の距離が小さいことを特徴とする。

接合部の中間領域での間隔（燃料電池単セルと金属製セパレータの第１主面（下面）間の距離）が，外周側領域および内周側領域での間隔より小さい。このため，ロウ付け時（製造時）にＡｇロウ中に巻き込まれた気泡が，内周側領域または外周側領域を経由して，外部に抜け出し易くなる。この結果，接合部（Ａｇロウ）中での空孔（気泡）の割合が低減することで，接合部の接合強度が確保される。

（２）前記中間領域に対応する箇所において，前記金属製セパレータの前記第２主面側に凹みを有しても良い。
例えば，金属製セパレータの板厚が均一な場合，中間領域での間隔が小さいことに対応して，金属製セパレータの第２主面側に凹みを有することとなる。即ち，板厚が均一な金属製セパレータを用いて，接合部（Ａｇロウ）中の空孔（気泡）を低減できる。

（３）前記中間領域が，前記貫通孔に沿って全周にわたって存在することが好ましい。
貫通孔の全周にわたって，接合部（Ａｇロウ）中の空孔が低減され，接合強度が向上する。

（４）前記接合部よりも前記貫通孔側の，前記燃料電池単セルと前記第１主面との間に，前記貫通孔に沿って全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を有する，封止部をさらに具備することが好ましい。

封止部が無い場合，接合部（Ａｇロウ）は酸化剤ガスと燃料ガスの双方に曝される。この場合，Ａｇロウ中で酸素と水素が拡散し，反応することで，事後的にボイドが発生し，ガスリークする畏れがある。貫通孔側の燃料電池単セルと第１主面との間に，貫通孔に沿って全周にわたって封止部を配置することで，接合部（Ａｇロウ）が曝されるのを酸化剤ガス又は燃料ガスの一方のみにできる。その結果，接合部（Ａｇロウ）中での酸素と水素の反応を抑制し，Ａｇロウ中でのボイドの発生を低減できる。

また，既述のように，接合部（Ａｇロウ）中での空孔（気泡）の割合が低減することで，金属製セパレータと接合部（Ａｇロウ）の接合強度が大きくなっている。このため，セパレータ付燃料電池単セルに応力が印加されても，接合部が封止部に印加される応力を緩和し，封止部（ガラスを含む）の割れを防止できる。そのため，接合部でのガスリークをより確実に防止できる。

（５）本発明に係る燃料電池スタックは，（１）〜（４）記載のセパレータ付燃料電池単セル，を複数個具備することを特徴とする。
接合部でのガスリークが防止された燃料電池スタックを提供できる。

（６）本発明に係るセパレータ付燃料電池単セルの製造方法は，
空気極，燃料極，およびこれらの間に配置される固体電解質層を有する，燃料電池単セルと，第１主面，第２主面，およびこれら第１主面および第２主面間を貫通する貫通孔を有する，板状の金属製セパレータと，を準備する工程と，
前記燃料電池単セルおよび前記金属製セパレータの一方または双方にＡｇを含むロウ材を配置する工程と，
前記燃料電池単セルと，前記第１主面とを対向して配置する工程と，
荷重を印加しながら，前記ロウ材を溶融することで，前記燃料電池単セルと前記第１主面とを接合する工程と，を具備し，
前記ロウ材を配置する工程において，前記燃料電池単セルと前記第１主面とで互いに対向する領域の少なくとも一部である，ロウ付け領域に前記ロウ材を配置し，
前記接合する工程において，前記金属製セパレータの第２主面上から，前記ロウ付け領域の幅よりも狭い幅で，前記荷重を印加する，ことを特徴とする。

接合する工程において，金属製セパレータの第２主面（上面）上から，ロウ付け領域の幅よりも狭い幅で，前記荷重を印加することで，金属製セパレータが凹む。その結果，Ａｇロウが流動し，Ａｇロウ中に巻き込まれた気泡を外に追い出し易くなる。また，金属製セパレータが凹むことで，金属製セパレータにスロープができることで，気泡を外に追い出し易くなる。

このように，ロウ付け領域の幅よりも狭い幅で荷重を印加することで，金属製セパレータが凹み，Ａｇロウ中の気泡が追い出されることで，接合強度を向上できる。

（７）前記荷重を印加する領域が，前記金属製セパレータの前記貫通孔に沿って全周にわたって存在することが好ましい。
貫通孔の全周にわたって，Ａｇロウ中の気泡が低減され，接合強度が向上する。

（８）前記接合する工程において，前記ロウ材が大気下で溶融されることが好ましい。
ロウ材を大気下で溶融することで，空気極の特性の変化を防止できる。

本発明によれば，接合部での空孔を低減し，その強度向上を図った，セパレータ付燃料電池単セル，燃料電池スタック，およびその製造方法を提供できる。

固体酸化物形燃料電池１０を表す斜視図である。 固体酸化物形燃料電池１０の模式断面図である。 燃料電池セル４０の断面図である。 燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池単セル５０）の上面図である。 セパレータ付燃料電池単セル５０の枠Ａ内の拡大断面図である。 比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル５０ｘの拡大断面図である。 実施例に係るセパレータ付燃料電池単セル５０の断面写真である。 比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル５０ｘの断面写真である。 燃料電池セル４０ａの断面図である。 セパレータ付燃料電池単セル５０ａの枠Ａ内の拡大断面図である。 製法１に係るセパレータ付燃料電池単セル５０，５０ａの製造工程（荷重の印加）を表す図である。 製法１に係るセパレータ付燃料電池単セル５０，５０ａの製造工程（接合工程中の気泡の動き）を表す図である。 製法１に係るセパレータ付燃料電池単セル５０ａの製造工程（封止工程）を表す図である。 接合治具Ｔｐを表す断面図である。 製法２に係るセパレータ付燃料電池単セル５０，５０ａの製造工程を表す図である。 比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル５０ｘの製法を表す図である。 実施例と比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル５０，５０ａのピール試験結果を比較して表すグラフである。 ピール試験を説明するための図である。

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。

固体酸化物形燃料電池１０では，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。

ボルト２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）は，燃料ガスまたは酸化剤ガス（供給ガス）の流路として機能する空洞をその内部または外部に有する。ここでは，ボルト２２，２３の内部に供給ガスの流路として機能する空洞が配置されている。これに対して，ボルト２２，２３の外周と貫通孔３２，３３の間を供給ガスの流路としても良い。

ボルト２２ａ，２２ｂがそれぞれ，酸化剤ガスを燃料電池セル４０に供給，排出する。また，ボルト２３ａ，２３ｂがそれぞれ，燃料ガスを燃料電池セル４０に供給，排出する。

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。

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。

図３は，燃料電池セル４０の断面図である。図４は，燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３（セパレータ付燃料電池単セル）の上面図である。図５は，セパレータ付燃料電池単セル５０の枠Ａ内の拡大断面図である。

図３に示すように，燃料電池セル４０は，いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池単セル４４，インターコネクタ４１，４５，集電体４２ａ，４２ｂ，枠部４３を備える。

燃料電池単セル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側に空気極５５，燃料ガス流路４８側に燃料極５７が配置される。

燃料ガスは，ボルト２３ａの燃料ガス流路（ボルト２３ａの内部または外部に配置される空洞）を通って，燃料ガス流路４８に流入し，ボルト２３ｂの燃料ガス流路に流出する。

酸化剤ガスは，ボルト２２ａの酸化剤ガス流路（ボルト２２ａの内部または外部に配置される空洞）を通って，酸化剤ガス流路４７に流入し，ボルト２２ｂの酸化剤ガス流路に流出する。

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）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，燃料電池単セル４４間の導通を確保し，かつ燃料電池単セル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，燃料電池単セル４４間には，１個のインターコネクタ（４１若しくは４５）が配置される（直列に接続される二つの燃料電池単セル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単セル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４２ａは，燃料電池単セル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，インターコネクタ４１に形成された凸部である。集電体４２ｂは，燃料電池単セル４４の燃料極５７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，通気性を有するニッケルフェルトやニッケルメッシュ等を用いることができる。

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内は，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，Ａｌ_２Ｏ_３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，貫通孔５８を有する枠状の金属製の薄板（例えば，厚さ：０．１ｍｍ）であり，燃料電池単セル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内の間隙が，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（第２主面）と下面（第１主面）の間を貫通する貫通孔によって貫通孔５８が形成される。この貫通孔５８内に，燃料電池単セル４４の空気極５５が配置される。また，この貫通孔５８の周囲に燃料電池単セル４４が接合，封止される。金属製セパレータ５３が接合された燃料電池単セル４４を「セパレータ付燃料電池単セル」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単セル５０の詳細）
本実施形態に係るセパレータ付燃料電池単セル５０は，接合部６１を有する。燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３の間に接合部６１が配置される。貫通孔５８に沿って，金属製セパレータ５３の下面（第１面）と固体電解質層５６の上面が接合部６１で接合される。

接合部６１は，Ａｇを含むロウ材から成り，貫通孔５８に沿って，全周にわたって，燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３の下面（第１主面）とを接合する。

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−Ａｌ_２Ｏ_３（ＡｇとＡｌ_２Ｏ_３（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−ＴｉＯ_２，Ａｇ−Ｃｒ_２Ｏ_３，Ａｇ−ＳｉＯ_２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，燃料電池単セル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。非酸化雰囲気でロウ付けすると，空気極５５の特性が変化する可能性がある。

図４，図５に示すように，この接合部６１は，内周側領域Ａ１，外周側領域Ａ２，および中間領域Ａ３に区分される。内周側領域Ａ１は，金属製セパレータ５３の貫通孔５８側に配置される領域である。外周側領域Ａ２は，内周側領域Ａ１よりも外側に配置される領域である。中間領域Ａ３は，内周側領域Ａ１と外周側領域Ａ２の間に配置される領域である。

内周側領域Ａ１，外周側領域Ａ２，中間領域Ａ３それぞれでの燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３の下面（第１主面間）の距離（間隔）を間隔Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３とする。

図５に示すように，中間領域Ａ３での間隔Ｇ３は，内周側領域Ａ１，外周側領域Ａ２，での間隔Ｇ１，Ｇ２より小さい。このため，後述の製造時（ロウ付け時）にＡｇロウ中に巻き込まれた気泡が，内周側領域Ａ１または外周側領域Ａ２を経由して，外部に抜け出し易くなる。この結果，接合部６１（Ａｇロウ）中での空孔（気泡）Ｈａの割合が低減することで，接合部６１の接合強度が確保される。

接合部６１（ロウ付け領域）の幅Ｄ０は，例えば，１．５〜６ｍｍであり，内周側領域Ａ１，外周側領域Ａ２それぞれの幅Ｄ１，Ｄ２は，例えば，０．５ｍｍ以上である。即ち，中間領域Ａ３の幅Ｄ３は例えば，０．５〜５ｍｍである。

ここでは，中間領域Ａ３に対応する箇所において，金属製セパレータ５３の上面（第２主面）側に凹みを有する。即ち，金属製セパレータ５３の板厚が略均一なため，中間領域Ａ３での間隔Ｇ３が小さいことに対応して，金属製セパレータ５３の上面（第２主面）側に凹みを有する。

これに対して，中間領域Ａ３での板厚が内周側領域Ａ１，外周側領域Ａ２，での板厚より大きい金属製セパレータ５３を用いた場合，金属製セパレータ５３の上面（第２主面）側に凹みを有しないこともあり得る。

図４に示すように，中間領域Ａ３が，貫通孔５８に沿って全周にわたって存在する。このため，貫通孔５８の全周にわたって，接合部（Ａｇロウ）６１中の空孔Ｈａが低減され，接合強度が向上する。

（比較例）
図６は，図５に対応し，比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル５０ｘの拡大断面図である。
セパレータ付燃料電池単セル５０ｘでは，接合部６１での間隔Ｇが均一である。即ち，セパレータ付燃料電池単セル５０と異なり，内周側領域Ａ１，外周側領域Ａ２，および中間領域Ａ３での間隔Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３に差が無い。この結果，製造時（ロウ付け時）にＡｇロウ中に巻き込まれた気泡が，外部に抜け出し難くなる。この結果，接合部６１（Ａｇロウ）中の空孔（気泡）Ｈａが保持されることで，接合部６１の接合強度が低下する。

図７，図８はそれぞれ，実施例，比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル５０の断面写真である。実施例に比べて，比較例では，接合部６１（Ａｇロウ）中に空孔（気泡）Ｈａが占める割合が多いことが判る。これにより，接合強度が低下する。なお，図７，図８は，見易さのため，縦方向を横方向より２倍に拡大している。

（第２の実施形態）
第２の実施形態を説明する。図９は，第２の実施形態に係る燃料電池セル４０ａの断面図である。図１０は，セパレータ付燃料電池単セル５０ａの枠Ａ内の拡大断面図である。

セパレータ付燃料電池単セル５０ａは，接合部６１に加えて，封止部６２を有する。
封止部６２は，貫通孔５８に沿って，その全周にわたって，接合部６１よりも貫通孔５８側（内周側）に配置され，燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３の下面（第１主面）間を封止する。封止部６２が接合部６１よりも貫通孔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ため，接合部６１の信頼性をより高めることができる。

封止部６２が無い場合，接合部６１（Ａｇロウ）は酸化剤ガスと燃料ガスの双方に曝される。この場合，接合部６１中で酸素と水素が拡散し，反応することで，事後的にボイドが発生し，ガスリークする畏れがある。貫通孔５８側の燃料電池単セル４４と第１主面との間に，貫通孔５８に沿って全周にわたって封止部６２を配置することで，接合部６１（Ａｇロウ）が曝されるのを酸化剤ガス又は燃料ガスの一方のみにできる。その結果，接合部６１（Ａｇロウ）中での酸素と水素の反応を抑制し，Ａｇロウ中でのボイドの発生を低減できる。また，封止部６２は，金属製セパレータ５３の上面（第２主面）の一部を覆う形で接合部６１を封止していても良い。

封止部６２は，例えば，０．２〜４ｍｍの幅，１０〜８０μｍの厚さを有する。
封止部６２は，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等の封止材料から構成できる。

また，既述のように，接合部６１（Ａｇロウ）中での空孔（気泡）の割合が低減することで，金属製セパレータ５３と接合部（Ａｇロウ）６１の接合強度が大きくなっている。このため，セパレータ付燃料電池単セル５０に応力が印加されても，接合部６１が封止部６２に印加される応力を緩和し，封止部（ガラスを含む）６２の割れを防止できる。そのため，接合部６１が酸化剤ガス又は燃料ガス
に曝されるのを防止でき，ガスリークをより確実に防止できる。

また，燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３の熱膨張係数の差や燃料電池スタック内の熱応力等に起因して，図１０の位置Ｐにおいて，金属製セパレータ５３と封止部６２（ガラス）の界面に引っ張り応力が印加されるが，接合部６１の接合強度が向上することで，引っ張り応力が吸収されるため，封止部６２（ガラス）が割れにくくなる

（実施形態に係るセパレータ付燃料電池単セル５０，５０ａの製造方法）
セパレータ付燃料電池単セル５０ａは，次の製法１，２によって製造できる。
Ａ．製法１
図１１〜図１３は，製法１に係るセパレータ付燃料電池単セル５０，５０ａの製造工程を表す図である。

（１）燃料電池単セル４４，金属製セパレータ５３の準備
燃料電池単セル４４，金属製セパレータ５３を準備する。既述のように，燃料電池単セル４４は，固体電解質層５６を空気極５５，および，燃料極５７で挟んで構成される。ここでは，製法２と異なり，当初の金属製セパレータ５３は凹みを有しない。

（２）ロウ材の配置（図１１参照）
燃料電池単セル４４および金属製セパレータ５３の一方または双方にＡｇを含むロウ材を配置する。ここでは，燃料電池単セル４４および金属製セパレータ５３の双方にロウ材６１１を配置するが，いずれか一方のみへの配置も可能である。

ここで，燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３の下面（第１主面）とで互いに対向する領域の少なくとも一部である，ロウ付け領域（幅Ｄ０の領域）にロウ材６１１を配置する。

（３）荷重の印加（図１１参照）
燃料電池単セル４４と，金属製セパレータ５３の第１主面とを対向して配置し荷重を印加する。ここでは，ロウ材６１１の溶融（加熱）に先立って，荷重を印加しているが，加熱後，ロウ材が硬化する前に，荷重を印加しても良い。

図１４は，荷重を印加するための接合治具（重石）ＴｐのＸＹ平面内での断面形状を表す断面図である。接合治具Ｔｐは，筒形状を有し，中間領域Ａ３に荷重を印加する。即ち，金属製セパレータ５３の上面（第２主面）上から，ロウ付け領域の幅Ｄ０よりも狭い幅Ｄ３で，荷重を印加する。なお，幅Ｄ０，Ｄ１〜Ｄ３は，金属製セパレータ５３の貫通孔５８から金属製セパレータ５３の外周Ｃに向かう方向での長さを意味する。即ち，図３，図５に示されるＸ方向の長さである。
ここでは，接合治具Ｔｐが，筒形状を有することから，金属製セパレータ５３の貫通孔５８に沿って全周にわたって荷重が印加される。

（４）接合（図１２参照）
荷重を印加しながら，ロウ材６１１を溶融することで，接合部６１が形成され，燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３の第１主面とを接合される。

ここでは，ロウ材が大気下で溶融される（大気ロウ付け）。空気極５５の特性の変化を防止するためである。大気ロウ付けでは，ロウ付けの界面に酸化被膜が形成されるため，真空や還元雰囲気下でのロウ付けと比べて，ロウ付け部の接触角が大きくなる。このため，ロウ付け部が気泡を巻き込み易くなり，空孔Ｈａ（気泡）によって，接合部６１（ロウ付け）の強度が低下し，接合が剥がれてガスリークする畏れがある。

ロウ付け領域の幅Ｄ０よりも狭い幅Ｄ３で荷重を印加することで，接合部６１内に巻き込まれた空孔Ｈａが留まることを防止する。即ち，金属製セパレータ５３の上面（第２主面）上から，ロウ付け領域の幅Ｄ３よりも狭い幅で，荷重を印加することで，金属製セパレータ５３が凹む。このため，Ａｇロウが流動し，Ａｇロウ中に巻き込まれた空孔Ｈａを外に追い出し易くなる。即ち，Ａｇロウの流動に合わせて，気泡Ｈａが中央から端部に移動し，外に押し出される（図１２参照）。
また，金属製セパレータ５３が凹むことで，金属製セパレータ５３にスロープができることで，気泡Ｈａを端部から外に追い出し易くなる（図１２参照）。

ロウ付け領域の幅Ｄ０は，例えば，１．５〜６ｍｍであり，荷重を印加する領域の幅Ｄ３は，ロウ付け領域の幅より，幅Ｄ１，Ｄ２（０．５ｍｍ以上）の分だけ狭い，０．５〜５ｍｍである。

既述のように，荷重を印加する領域が，金属製セパレータ５３の貫通孔５８に沿って全周にわたって存在する。このため，貫通孔５８の全周にわたって，接合部６１（Ａｇロウ）中の空孔Ｈａが低減され，接合強度が向上する。

（５）封止（図１３参照）
ガラスを含む封止材を用いて，封止部６２を形成し，燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３の第１主面間を封止する。貫通孔５８に沿って，その全周にわたって，接合部６１よりも貫通孔５８側（内周側）に配置され，燃料電池単セル４４と金属製セパレータ５３の下面（第１主面）間を封止する。
なお，セパレータ付燃料電池単セル５０の場合は，この封止工程は省略される。

以上のようにして，図４，図５，図７，図１０等に示すセパレータ付燃料電池単セル５０，５０ａが作成される。これらセパレータ付燃料電池単セル５０等は，ロウ付け領域の幅Ｄ０よりも狭い幅Ｄ３で荷重を印加することで，接合部６１が内周側領域Ａ１，外周側領域Ａ２，および中間領域Ａ３に区分される。即ち，基本的には，荷重が印加される領域が，中間領域Ａ３に対応する。

但し，この対応関係は，必ずしも，荷重が印加される領域と中間領域Ａ３それぞれの境界が完全に一致することまで意味するものではない。印加する荷重の大きさ，金属製セパレータ５３の材質（剛性等）により，金属製セパレータ５３のスロープの形状が異なるためである。即ち，対応関係の判り易さのために，荷重が印加される領域と中間領域Ａ３の幅に同一の記号Ｇ３等を用いているが，その値自体は必ずしも一致しない。

以上では，大気ロウ付けする場合を例に説明している。大気ロウ付けでは，ロウ付けの界面に酸化被膜が形成されるため，真空や還元雰囲気下でのロウ付けと比べて，ロウ付け部の接触角が大きく，気泡を巻き込み易い。即ち，大気ロウ付けでは，ロウ付け領域の幅Ｄ０よりも狭い幅Ｄ３で荷重を印加する等により，空孔Ｈａの発生を防止する意義が大きい。
一方，真空や還元雰囲気下等でのロウ付けであっても，空孔Ｈａが発生する可能性は少なからずある。雰囲気ガス（あるいはセパレータ付燃料電池単セル５０の構成材料から発生したガス）が接合部６１（ロウ付け）内に巻き込まれることがあり得る。即ち，真空や還元雰囲気下でのロウ付け等でも，ロウ付け領域の幅Ｄ０よりも狭い幅Ｄ３で荷重を印加する等により，接合部６１内での空孔Ｈａの発生を防止する意義がある。

Ｂ．製法２
図１５は，製法２に係るセパレータ付燃料電池単セル５０ａの製造工程を表す図である。

（１）燃料電池単セル４４，金属製セパレータ５３の準備（図１５参照）
燃料電池単セル４４，金属製セパレータ５３を準備する。ここでは，製法１と異なり，凹みＲを有する金属製セパレータ５３を用いる。

（２）ロウ材の配置（図１５参照）
（３）荷重の印加（図１５参照）
（４）接合
その後，製法１と同様の工程で，ロウ材の配置，荷重の印加，接合を行う。凹みＲに対応する，金属製セパレータ５３のスロープにより，気泡を外に追い出し易くなり，接合部６１内での空孔Ｈａの発生が防止され，接合強度が向上する。
なお，この場合でも，ロウ付け領域の幅Ｄ０よりも狭い幅Ｄ３で荷重を印加することが好ましい。また，凹みＲの形状と荷重を印加する領域が対応することが好ましい。

以上のようにして，製法１の場合と同様，図４，図５，図７，図１０等に示すセパレータ付燃料電池単セル５０，５０ａを作成できる。

（比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル５０ｘの製造方法）
図１６は，図１１に対応し，比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル５０ｘの製造工程を表す図である。ここでは，接合治具（重石）Ｔｐｘを用いて，金属製セパレータ５３の上面（第２主面）上から，ロウ付け領域の幅よりも広い幅Ｄ３ｘで，荷重を印加する。

この場合，図６に示すように，セパレータ付燃料電池単セル５０ｘの金属製セパレータ５３は凹みを有しない。即ち，接合部６１の間隔Ｇが均一となる。この結果，製造時（ロウ付け時）にＡｇロウ中に巻き込まれた気泡が，外部に抜け出し難くなり，接合部６１（Ａｇロウ）中の気泡が保持されることで，接合部６１の接合強度が低下する。

図１７は，実施例と比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル５０のピール試験結果を比較して表すグラフである。
図１８は，ピール試験を説明するための図である。金属製セパレータ５３に切り込みＬｃを入れ，そこから金属製セパレータ５３を引っ張ることで，接合部６１において，燃料電池単セル４４から引き剥がす。

図１７に示すように，実施例と比較例はそれぞれ，変位量Ｍｓ（＝４．５ｍｍ）において，応力Ｆ１（＝４９Ｎ），Ｆ０（＝２９Ｎ）で，接合部６１での引きはがしが開始された。このように，実施例の方が比較例よりも接合部６１での接合強度が大きいことが判る。

（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。

１０ 固体酸化物形燃料電池
１１，１２ エンドプレート
２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ） ボルト
３１，３２，３３ 貫通孔
３５ ナット
４０ 燃料電池セル
４１，４５ インターコネクタ
４２ａ，４２ｂ， 集電体
４３ 枠部
４４ 燃料電池単セル
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単セル
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 貫通孔
６１ 接合部
６２ 封止部
６１１ ロウ材
Ａ１ 内周側領域
Ａ２ 外周側領域
Ａ３ 中間領域
Ｈａ 空孔（気泡）
Ｔｐ 接合治具

Claims (8)

1. 空気極，燃料極，およびこれらの間に配置される固体電解質層を有する，燃料電池単セルと，
   第１主面，第２主面，およびこれら第１主面および第２主面間を貫通する貫通孔を有する枠状の板厚が均一な薄板状の金属製セパレータと，
   前記燃料電池単セルと，前記金属製セパレータの第１主面と，を接合し，Ａｇを含むロウ材から成る，接合部と，
   を具備するセパレータ付燃料電池単セルであって，
   前記接合部が，前記金属製セパレータの前記貫通孔側に配置される内周側領域，前記内周側領域よりも外側に配置される外周側領域，および前記内周側領域と前記外周側領域の間に配置される中間領域に区分され，
   前記外周側領域および前記内周側領域での前記燃料電池単セルと前記第１主面間の距離より，前記中間領域での前記燃料電池単セルと前記第１主面間の距離が小さい
   ことを特徴とするセパレータ付燃料電池単セル。
2. 前記中間領域に対応する箇所において，前記金属製セパレータの前記第２主面側に凹みを有する
   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単セル。
3. 前記中間領域が，前記貫通孔に沿って全周にわたって存在する
   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単セル。
4. 前記接合部よりも前記貫通孔側の，前記燃料電池単セルと前記第１主面との間に，前記貫通孔に沿って全周にわたって配置され，ガラスを含む封止材を有する，封止部をさらに具備する
   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単セル。
5. 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単セル，
   を複数個具備することを特徴とする燃料電池スタック。
6. セパレータ付燃料電池単セルの製造方法であって，
   空気極，燃料極，およびこれらの間に配置される固体電解質層を有する，燃料電池単セルと，第１主面，第２主面，およびこれら第１主面および第２主面間を貫通する貫通孔を有する，板状の金属製セパレータと，を準備する工程と，
   前記燃料電池単セルおよび前記金属製セパレータの一方または双方にＡｇを含むロウ材を配置する工程と，
   前記燃料電池単セルと，前記第１主面とを対向して配置する工程と，
   荷重を印加しながら，前記ロウ材を溶融することで，前記燃料電池単セルと前記第１主面とを接合する工程と，を具備し，
   前記ロウ材を配置する工程において，前記燃料電池単セルと前記第１主面とで互いに対向する領域の少なくとも一部である，ロウ付け領域に前記ロウ材を配置し，
   前記接合する工程において，前記金属製セパレータの第２主面上から，前記ロウ付け領域の幅よりも狭い幅で，前記荷重を印加する，
   ことを特徴とするセパレータ付燃料電池単セルの製造方法。
7. 前記荷重を印加する領域が，前記金属製セパレータの前記貫通孔に沿って全周にわたって存在する，
   ことを特徴とする請求項６に記載のセパレータ付燃料電池単セルの製造方法。
8. 前記接合する工程において，前記ロウ材が大気下で溶融される，
   ことを特徴とする請求項６または７に記載のセパレータ付燃料電池単セルの製造方法。

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