JP6563279B2 - 燃料電池単セルの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料極、空気極及び固体電解質層を有する燃料電池単セルの製造方法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。この燃料電池は、発電の最小単位である単セル（燃料電池単セル）を複数積層してなる燃料電池スタックを備えている。単セルは、空気極、燃料極及び固体電解質層を有して構成され、発電反応により電力を発生する。
単セルは、電解質支持型のセルと電極支持型のセルとに大別される。電解質支持型のセルは、空気極及び燃料極の電極よりも固体電解質層が厚く形成され、固体電解質層がセル全体の強度を担っている（例えば、特許文献１，２参照）。一方、電極支持型のセルは、電極が固体電解質層よりも厚く形成され、電極がセル全体の強度を担っている。特許文献１，２に開示されている電解質支持型のセルでは、電極がスリット溝により分割されている。このスリット溝を設けることにより、セルが撓んだ場合でも、固体電解質層と電極との界面部分（中間層）に働く応力が緩和されるため、中間層にクラックが発生することが防止される。
また、電極支持型のセルとして、例えばアノード支持型のセルが開発されている。このセルは、異なる材料を積層した異種積層体であり、アノード側電極となる燃料極が多孔質金属体からなる。このため、焼成時における各層の収縮率の違いによって、大きな反りが生じてしまうといった問題がある。この対策として、燃料極と固体電解質層との積層体を得る際に、反りを防止するための拘束層を別途積層し、層構成を対称構造（拘束層、電極層、固体電解質層）として焼成する。拘束層は、固体電解質層と同じ材料かつ同じ形状（例えば、厚み、外径、等）で形成されるダミーの固体電解質層である。焼成工程の後、拘束層を削除し、燃料極と固体電解質層との積層体を得る。そして、積層体の固体電解質層において燃料極とは反対側の表面に、空気極の形成材料を印刷し、固体電解質層の周縁部にセパレータをロウ付けするのと同時に空気極を固体電解質層の表面に焼き付ける。この製造方法を採用することにより、単セルの反り量が抑えられる。
ところで、上記のように層構成を対称構造にしてアノード支持型のセルを製造する場合、反り量は小さくなるが、反りの方向が一定ではなくなる。つまり、燃料極側が凸になるように反ったりその逆に凹（電解質層側が凸）になるように反ったりする。このような燃料電池単セルにおいて、燃料電池単セルとセパレータとを接合する時には、中央部が開口したセパレータを固体電解質層の周縁部に押しつけた状態でセパレータがロウ付けされる。従って、燃料電池単セルの燃料極側に向かって凸状に反っている場合、燃料極の中央部に大きな力が作用する（点接触の状態となる）ため、燃料電池単セルの割れが生じることがある。さらに、燃料電池スタックを組み上げる場合、複数の燃料電池単セルを積層し、積層方向から燃料電池単セル面に負荷（面圧）をかけた状態で組み付けることとなる。従って、各単セルの反り方向が一定でない場合、単セル面内に大きな力が作用する箇所（例えば、燃料極側に凸で反った単セルと空気極側に凸で反った単セルとにより組み上げる場合、凸方向の反り同士が対向する箇所）が存在するため、燃料電池単セルの割れが生じることがある。
特許文献１，２に開示されている電解質支持型のセルでは、スリット溝によって電極が複数に分割されている。この分割構造は、電極と電解質層との界面部分でのクラック（電極の剥離）を回避するためのものであり、セルの反り方向を制御することは、熱膨張の異なる電極材料を電解質の表裏に用いるので困難である。
また、特許文献３に開示されている燃料電池単セルでは、電解質シートの表面にエンボス加工（凹状加工）を施し、その表面に空気極及び燃料極の電極を形成している。この単セルでは、電解質シートにエンボス加工を施すことでセル全体として厚みの差を有する構造となり、セル強度が低下してしまう。さらに、製造時において、焼成時の反りを制御することは難しく、反りの方向がばらつく場合には、セパレータ接合時又は燃料電池スタック組み上げ時の荷重負荷に対してセル割れが生じることがある。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、反りの方向を揃えることができ、セパレータ接合時又は燃料電池スタック組み上げ時におけるセル割れを確実に防止することができる燃料電池単セルの製造方法を提供することにある。
そして上記課題を解決するための手段（手段１）としては、燃料極、空気極及び固体電解質層を有する燃料電池単セルの製造方法であって、前記燃料電池単セルの支持基体となる未焼成支持基体層と、前記未焼成支持基体層の一方の面側に接する第１セラミック層となる第１未焼成セラミック層と、前記一方の面の裏面である他方の面側に接する第２セラミック層となる第２未焼成セラミック層とを積層して未焼成積層体を形成する積層工程と、前記未焼成積層体において前記第２未焼成セラミック層に凹部を形成する凹部形成工程と、前記未焼成積層体を焼成することにより、前記第１セラミック層、前記支持基体、前記凹部が形成された第２セラミック層を有するセラミック焼成体を得るセラミック焼成工程と、前記セラミック焼成体における前記第２セラミック層を除去する除去工程とを含むことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法がある。
手段１に記載の発明によると、積層工程において、第１セラミック層となる第１未焼成セラミック層と、支持基体となる未焼成支持基体層と、第２セラミック層となる第２未焼成セラミック層とがこの順で積層されて未焼成積層体が形成される。なお、本発明において、第１セラミック層となる第１未焼成セラミック層及び第２セラミック層となる第２未焼成セラミック層は、１層から構成されていてもよいし複数層で構成されていてもよい。また、凹部形成工程では、未焼成積層体において第２未焼成セラミック層に凹部が形成される。第２未焼成セラミック層が複数層で構成される場合、凹部は、深さ方向で最表層を貫通しないようにその最表層の一部に形成されていてもよいし、第２未焼成セラミック層の全ての層を貫通するように形成されていてもよい。その後、セラミック焼成工程において、未焼成積層体が焼成され、第１セラミック層、支持基体、凹部が形成された第２セラミック層を有するセラミック焼成体が得られる。このとき、未焼成積層体の第２未焼成セラミック層には凹部が形成されているため、その凹部に向けてセラミック材料が収縮する結果、セラミック焼成体は、第１セラミック層側が凸となるように反った形状となる。さらに、除去工程において、反りを生じさせるために形成した第２セラミック層（凹部）をセラミック焼成体から除去することで支持基体の表面が露出される。このようにすると、セラミック焼成体の反り方向がばらつくことなく、第１セラミック層の表面方向に凸となるように反った形状となる。この後、セラミック焼成体を用いて燃料電池単セルを構成し、燃料電池単セルとセパレータとを接合する際に、第１セラミック層の表面を上側に向けて台座に燃料電池単セルを配置させることにより、燃料電池単セルの中央部に荷重を加えず接合することができる。また、燃料電池スタックを組み上げる際に、第１セラミック層の表面を上側に向けて燃料電池単セルを配置させることにより、燃料電池単セルの反りの方向を統一し、単セル面内において単セルの反り方向に起因する負荷を抑制することができる。この結果、セパレータ接合時又は燃料電池スタック組み上げ時の荷重負荷に対する燃料電池単セル強度を十分に確保することができ、従来技術のようなセル割れの問題を確実に回避することができる。
凹部形成工程では、未焼成積層体において、第１未焼成セラミック層の表面に、凹部に対応した凸部を形成してもよい。具体的には、未焼成積層体において、第２未焼成セラミック層の表面に凹部を形成するのに伴いその凹部側から押し上げて第１未焼成セラミック層の表面を膨らませるようにして凸部を形成する。このように、未焼成積層体の表面に凸部を形成すると、その凸部を形成した分だけ厚みが増し、セル強度を高めることができる。従って、セパレータ接合時におけるセル割れを確実に回避することができる。
凹部形成工程では、第２未焼成セラミック層の表面に対して溝加工を行い、凹部として、中心が同じで枠状の溝部を複数形成してもよい。具体的には、凹部として、例えば同心円状の複数の溝部を形成してもよい。このように、複数の溝部を多重に形成すると、反り量の小さいセラミック焼成体を同一方向に確実に反らせることができる。
なお、本発明における溝部は、深さが１０μｍ以上１００μｍ以下であり、幅が２００μｍ以下であることが好ましい。また、凸部の高さは、５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。このようにすると、セラミック焼成体が必要以上に反ることがなく適度な反り量となるため、セル割れをより確実に回避することができる。
複数の溝部は、隣り合う溝部同士の間隔が等間隔で形成された３つ以上の円形状の溝であってもよい。またこの場合、同心円状の溝部同士の間隔は、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。このように等間隔で複数の溝部を形成することにより、セラミック焼成体の表面を均一に反らせることができる。また、溝部同士の間隔を５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることで、セラミック焼成体が必要以上に反ることがなく適度な反り量となる。この結果、セパレータ接合時又は燃料電池スタック組み上げ時に燃料電池単セル面内に加わる応力が集中することなく均一に分散するため、燃料電池単セル割れをより確実に回避することができる。
さらに、凹部形成工程では、未焼成積層体において、第２未焼成セラミック層の表面に凹部としての複数の溝部を形成するのと同時に、第１未焼成セラミック層の表面に凸部としての複数の凸条部を形成してもよい。このように凸条部を形成すると、セル強度を確実に向上させることができる。
凹部形成工程では、レーザ加工によって凹部を形成してもよいし、トムソン刃を用いた溝加工によって凹部を形成してもよい。この場合、未焼成積層体において第２未焼成セラミック層の表面に凹部を形成するのと同時に、第１未焼成セラミック層の表面に凸部を容易に形成することができる。また、レーザ加工を行う場合、比較的細い線状の凹部を形成することができるため、セラミック焼成体の反り量を正確に調整することができる。なおこの場合、凹部の深さの寸法よりも凸部の高さの寸法が小さくなる。
除去工程では、表面研磨処理を行うことによりセラミック焼成体の表面を研磨し、第２セラミック層を除去することで支持基体の表面を露出させるとともにその表面を平坦化してもよい。また、除去工程では、表面研磨処理以外にエッチング処理等によって、セラミック焼成体の表面の第２セラミック層を除去してもよい。
また、上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、燃料極、空気極及び固体電解質層を有するとともに、前記燃料極及び前記空気極のいずれか一方が支持基体を有する燃料電池単セルであって、前記支持基体の一方の面側に前記固体電解質層を有し、前記固体電解質層において、前記支持基体側の面に対して裏側となる表面には、凸部が形成されていることを特徴とする燃料電池単セルがある。
手段２に記載の発明によると、燃料電池単セルにおける固体電解質層の表面に凸部が形成されるので、セル強度を高めることができ、セパレータ接合時におけるセル割れを回避することができる。
固体電解質層は、凸部の形成部位及び非形成部位とで同じ厚さを有していることが好ましい。このようにすると、固体電解質層の各表面において、電極（空気極及び燃料極）との接触面積が増すため、電極の密着強度を高めることができる。また、固体電解質層が均一な厚さで形成されるため、燃料電池単セルにおいて安定した発電性能を確保することができる。
固体電解質層における凸部が形成された表面上に、支持基体を含む電極とは異なる電極が形成される。具体的には、支持基体を含む電極が燃料極である場合、固体電解質層における凸部が形成された表面上には空気極が形成される。このようにすると、固体電解質層の表面と電極（空気極）との密着強度を高めることができる。また、固体電解質層における凸部が形成された表面上に周知の反応防止層を形成し、反応防止層上に電極形成してもよい。この場合、反応防止層と固体電解質層との密着強度を高めることができる。
また、上記課題を解決するための別の手段（手段３）としては、手段２に記載の燃料電池単セルと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料室と、前記空気極に酸化剤ガスを供給する空気室とを備える燃料電池スタックであって、前記燃料電池単セルは、前記凸部を有する前記固体電解質層の表面側が前記燃料室と前記空気室とのうちガス圧が高くなる側に向けて配置され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３に記載の発明によると、燃料電池単セルは、ガス圧に対して強い構造となるため、燃料電池スタックの耐久性を高めることができる。また、ガス圧が低くなる側に配置される電極の表面が平坦面となっていてもよい。具体的には、空気室のガス圧が燃料室よりも高くなる場合、燃料電池単セルは、凸部を有する固体電解質層の表面側が空気室側に向けて配置され、燃料極の表面が平坦面となる。この場合、燃料電池単セルはガス圧に対して強い構造となるため、燃料電池スタックの耐久性をより高めることができる。
また、燃料電池スタックでは、燃料電池単セルにおける固体電解質層の周縁部に、セパレータがロウ付けされるが、手段２の燃料電池単セルを用いることにより、ロウ付け時におけるセル割れを確実に回避することができる。
燃料電池単セルを構成する固体電解質層の形成材料としては、例えばＺｒＯ２系セラミック、ＬａＧａＯ３系セラミックなどが用いられる。
空気極は、酸化剤となる酸化剤ガス（例えば空気中の酸素）と接触し、燃料電池単セルにおけるカソードとして機能する。ここで、空気極の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物、Ｐｒ１−ｘＢａｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｓｍ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物）などがある。
燃料極は、還元剤となる燃料ガス（例えば水素）と接触し、燃料電池単セルにおけるアノードとして機能する。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ＺｒＯ２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ２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。
以下、本発明を燃料電池スタックに具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１及び図２に示されるように、本実施の形態の燃料電池スタック１は、固体酸化物形燃料電池スタック（ＳＯＦＣ）である。燃料電池スタック１は、発電単位２を複数個（例えば２０個）備えている。燃料電池スタック１には、発電単位２の連続する方向における両端部（図１では上端部と下端部）に、エンドプレート８，９が配置されている。さらに、燃料電池スタック１の周縁部には、同スタック１を発電単位２が連続する方向に貫通する複数の貫通穴４が形成されている。なお、燃料電池スタック１の四隅にある４つの貫通穴４に締結ボルト５を挿通させ、燃料電池スタック１の下面から突出する締結ボルト５の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通穴４にガス流通用締結ボルト６を挿通させ、燃料電池スタック１のエンドプレート８，９から突出するガス流通用締結ボルト６の両端部分にナット７を螺着させる。その結果、複数の発電単位２が固定され燃料電池スタック１が得られる。また、燃料電池スタック１の両端部に配置されるエンドプレート８，９は、燃料電池スタック１から出力される電流の出力端子となっていてもよいし、エンドプレート８と発電単位２との間、及びエンドプレート９と発電単位２との間に電流の出力端子を電気的に接続する導電板を配置してもよい。さらに、エンドプレート８，９に最も近い発電単位２においては、エンドプレート８，９と燃料電池単セル（以下、単に「単セル」ともいう）との間にインタコネクタを配置しなくてもよい。
図２及び図３に示されるように、本実施の形態の各発電単位２は、発電の最小単位である。また発電単位２の中でも、平板状の単セル１１と、セパレータ１２と、燃料極フレーム１３と、インタコネクタ１４（図３においては下側のインタコネクタ１４）とを積層し、各部材を溶接にて接合してなる接合体をインタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００と呼ぶこともある。また、インタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００を空気極絶縁フレーム１５を介して積層し、図２に示す燃料電池スタック１を構成する。燃料電池スタック１内において隣接する単セル１１同士の間に配置されるインタコネクタ１４は１枚配置されていればよい。従って、燃料電池スタック１内の１つの発電単位２の下側のインタコネクタ１４は隣接する発電単位２の上側のインタコネクタ１４と共用となっている。
単セル１１は、空気極２１、燃料極２２０及び固体電解質層２３を有して構成され、発電反応により電力を発生する。インタコネクタ１４は、ステンレスなどによって方形板状に形成されており、単セル１１の厚み方向の両側に一対配置される。燃料電池スタック１においては、各インタコネクタ１４により板厚方向での単セル１１間の電気的接続が確保される。単セル１１の間に配置されるインタコネクタ１４は、隣り合う単セル１１を区分する。
セパレータ１２は、ステンレスなどによって形成されており、方形状の開口部１９を中央部に有する方形枠状をなしている。セパレータ１２は、１つの発電単位２において燃料ガスと酸化剤ガスとを離間する仕切り板として機能する。燃料極フレーム１３は、ステンレスなどによって方形枠状に形成され、単セル１１の側面を囲むように配置される。空気極絶縁フレーム１５は、例えばマイカシートによって方形枠状に形成されている。
固体電解質層２３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（酸化物）によって、方形板状に形成されている。固体電解質層２３は、セパレータ１２の下面に固定されるとともに、セパレータ１２の開口部１９を塞ぐように配置されている。固体電解質層２３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。なお、固体電解質層２３の厚さは、１０μｍ程度である。
固体電解質層２３の上側の表面２３ａ（上面）には、燃料電池スタック１に供給された酸化剤ガスに接する空気極２１が形成される。また、固体電解質層２３の下側の表面２３ｂ（下面）には、燃料電池スタック１に供給された燃料ガスに接する燃料極２２０が形成されている。即ち、空気極２１及び燃料極２２０は、固体電解質層２３の両側に配置されている。本実施の形態の単セル１１は、燃料極２２０を支持基体とする電極支持型（アノード支持型）の燃料電池単セルであり、燃料極２２０は単セル１１の強度を得るための支持層２２と発電反応を行うための活性層２４とを有している。
具体的には、単セル１１において、燃料極２２０は、固体電解質層２３の下面全体を覆うように形成されている。燃料極２２０は、０．８ｍｍ程度の厚さを有し、固体電解質層２３よりも厚く形成されている。また、活性層２４の厚さは、２０μｍ程度であり、支持層２２の厚さは０．８２ｍｍである。活性層２４とは、燃料極２２０における電気化学的反応（発電反応）効率を高めるための層のことである。なお、単セル１１において、固体電解質層２３と活性層２４とが第１セラミック層に相当し、支持層２２が支持基体に相当する。
空気極２１は、固体電解質層２３の表面２３ａ（図３では上面）において、外周部を避けて形成されている。つまり、単セル１１において、固体電解質層２３の表面２３ａの外周部は空気極２１が形成されておらず露出している。そして、その固体電解質層２３の外周部において、銀を含むロウ材２５を用いてセパレータ１２にロウ付けされている。また、固体電解質層２３において、空気極２１との接触面となる表面２３ａには複数の凸部２７が形成される。固体電解質層２３は、凸部２７の形成部位及び非形成部位とで同じ厚さを有し、凸部２７が形成される表面２３ａの裏側となる他方の表面２３ｂ（図３では下面）に、複数の凹部２９が形成されている。つまり、固体電解質層２３において、複数の凹部２９は、複数の凸部２７の裏側となる位置に形成されている。そして、複数の凹部２９が形成された固体電解質層２３の表面２３ｂは、燃料極２２０に接触している。
複数の凸部２７は、固体電解質層２３の表面２３ａにおいて、その中心を共有する同心円状に形成された複数の凸状部である。各凸部２７は、隣り合う凸部２７間の間隔Ｐ１が等間隔で形成されている。各凸部２７の間隔Ｐ１、つまり隣り合う内側の円と外側の円の間隔は、例えば１０ｍｍである。また、各凸部２７の高さＨ１は、１０μｍ〜２０μｍ程度となっている。
単セル１１における空気極２１は、セパレータ１２の開口部１９内に配置され、セパレータ１２と接触しないようになっている。なお、本実施の形態の発電単位２では、セパレータ１２の下方に燃料室１７が形成されるとともに、セパレータ１２の上方に空気室１８が形成されている。
本実施の形態の単セル１１において、空気極２１は、金属の複合酸化物であるＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）によって方形板状に形成されている。また、燃料極２２０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）によって方形板状に形成されている。支持層２２と活性層２４とは、同様の材料で形成されているが気孔率が異なる。具体的には支持層２２は活性層２４に比べ気孔率が大きい。
空気極２１は、空気極側集電体３７によってインタコネクタ１４に電気的に接続されている。燃料極２２０は、燃料極側集電体３８によってインタコネクタ１４に電気的に接続されている。本実施の形態において、空気極側集電体３７は、インタコネクタ１４と一体的に形成されている。なお、空気極側集電体３７は、インタコネクタ１４とは別部材で形成されていてもよい。また、燃料極側集電体３８は、燃料ガスの通過が可能なように、例えばニッケル製の多孔質金属体からなる。なお、燃料極集電体３８は従来公知の機構を採用してもよい。
図３に示されるように、発電単位２を構成するセパレータ１２、燃料極フレーム１３、インタコネクタ１４及び空気極絶縁フレーム１５の各部材の外縁側には、複数の穴部４０が貫通形成されている。各穴部４０は、締結ボルト５やガス流通用締結ボルト６を挿通させる貫通穴４（図２参照）の一部を構成する穴部である。そして、セパレータ１２、燃料極フレーム１３及びインタコネクタ１４（図３における下側のインタコネクタ１４）の各金属部材に対してレーザ溶接を行い、各穴部４０の周囲を封止するとともに各金属部材を接合し、インタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００を得る。これに空気極絶縁フレーム１５を介して図中上側に別に用意したインタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００を積層して、燃料電池スタック１における一対のインタコネクタ１４に挟まれた１つの発電単位２が構成されている。なお、図３において上側に配置されているインタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００は便宜上、インタコネクタ１４以外図示を省略している。
図２に示されるように、燃料電池スタック１（各発電単位２）には、酸化剤ガス及び燃料ガスを流すガス流路が形成されている。具体的には、燃料電池スタック１のガス流路として、各発電単位２の燃料室１７に燃料ガスを供給する燃料供給経路５０と、燃料室１７から燃料ガスを排出する燃料排出経路５１とが形成されている。燃料供給経路５０は、ガス流通用締結ボルト６の中心部において軸方向に沿って延びる燃料供給孔５２と、燃料供給孔５２及び燃料室１７を連通させる燃料供給横孔５３とによって構成されている。また、燃料排出経路５１は、ガス流通用締結ボルト６の中心部において軸方向に沿って延びる燃料排出孔５４と、燃料排出孔５４及び燃料室１７を連通させる燃料排出横孔５５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５２及び燃料供給横孔５３を順番に通過して燃料室１７に供給され、燃料排出横孔５５及び燃料排出孔５４を順番に通過して燃料室１７から排出される。
さらに燃料電池スタック１のガス流路として、各発電単位２の空気室１８に空気を供給する空気供給経路（図示略）と、空気室１８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５０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト６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１８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５１と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト６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１８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１８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１８から排出される。なお、本実施の形態の燃料電池スタック１では、燃料室１７よりも空気室１８のほうが供給されるガスの圧力が高くなっている。
上記のように構成した燃料電池スタック１において、例えば、その燃料電池スタック１を稼働温度に加熱した状態で、燃料供給経路５０から燃料室１７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１８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２３を介して反応（発電反応）し、空気極２１を正極、燃料極２２０を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施の形態の燃料電池スタック１は、単セル１１を複数積層して直列に接続しているため、空気極２１に電気的に接続される上側エンドプレート８が正極となり、燃料極２２０に電気的に接続される下側エンドプレート９が負極となる。
次に、燃料電池スタック１の製造方法を説明する。
先ず、単セル１１を製造するための複数のグリーンシート６１ａ，６１ｂ，６２，６３ａ，６３ｂを準備する（図４参照）。具体的には、ＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエン及びエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により、厚さ１０μｍの固体電解質層用グリーンシート６１ａ，６１ｂを作製した。
また、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエン及びエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により、厚さ１．２ｍｍの燃料極支持層用グリーンシート６２を作製した。
さらに、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエン及びエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により、厚さ２０μｍの燃料極活性層用グリーンシート６３ａ，６３ｂを作製した。
そして、図４に示されるように、燃料極支持層用グリーンシート６２（未焼成支持基体層）の一方の面６４側及びその裏面である他方の面６６側に、燃料極活性層用グリーンシート６３ａ，６３ｂを介して固体電解質層用グリーンシート６１ａ，６１ｂをそれぞれ配置する。なおここでは、燃料極支持層用グリーンシート６２の一方の面６４側（図４では上面側）に配置される各グリーンシート６１ａ，６３ａは、第１セラミック層としての固体電解質層２３及び活性層２４となる第１未焼成セラミック層である。一方、燃料極支持層用グリーンシート６２の一方の面６４の裏面である他方の面６６側（図４では下面側）に配置される各グリーンシート６１ｂ，６３ｂは、第２セラミック層としての拘束層（ダミーの固体電解質層及び活性層）となる第２未焼成セラミック層である。そして、図５に示されるように、各グリーンシート６１ａ，６３ａ，６２，６３ｂ，６１ｂを積層して圧着することで、層構成が対称構造である未焼成積層体６５を形成する（積層工程）。
未焼成積層体６５において、第２セラミック層となる固体電解質層用グリーンシート６１ｂの表面６７に対し、溝加工を施すことにより、その表面６７に複数の凹部を形成する（凹部形成工程）。具体的には、本実施の形態の凹部形成工程では、溝加工として、図示しないレーザ照射装置（例えばファイバーレーザなどの照射装置）を用いたレーザ加工を行う。このレーザ加工では、図６に示されるように、所定の照射条件（例えば、出力が１．０Ｗ〜３．５Ｗ、ビーム径が１００μｍ程度）にてレーザＬ１を照射することにより、第２未焼成セラミック層を構成する下側の固体電解質層用グリーンシート６１ｂの表面６７に複数の凹部７０を形成する。図７に示されるように、複数の凹部７０は、中心を共有する同心円状の複数の溝であり、隣り合う溝同士の間隔Ｐ１が等間隔（１０ｍｍのピッチ）で形成されている。各凹部７０の深さは２０μｍ程度であり、凹部７０の幅は１００μｍ程度である。
本実施の形態の凹部形成工程では、未焼成積層体６５において、第１未焼成セラミック層を構成する上側の固体電解質層用グリーンシート６１ａの表面６８に、各凹部７０に対応した複数の凸部２７が形成されている。具体的には、未焼成積層体６５において、下側のグリーンシート６１ｂ（第２未焼成セラミック層）の表面６７に凹部７０を形成するのに伴いその凹部７０側から押し上げて上側のグリーンシート６１ａ（第１未焼成セラミック層）の表面６８を膨らませるようにして複数の凸部２７を形成する。複数の凸部２７は、未焼成積層体６５の表面において同心円状に形成された凸条部である。各凸部２７の高さの寸法は、凹部７０の深さの寸法よりも小さく、例えば１０μｍ程度である。また、固体電解質層２３となる上側のグリーンシート６１ａにおいて、凸部２７が形成される表面６８の裏側となる他方の表面６９に凹部２９が形成される。
そして、未焼成積層体６５を、２５０℃で脱脂した後、１３５０℃で焼成することで、図８に示されるようなセラミック焼成体７５を得る（セラミック焼成工程）。セラミック焼成体７５は、固体電解質層２３、活性層２４、支持層２２（支持基体）、ダミーの活性層７６及び固体電解質層７７がこの順で積層されたセラミック積層体である。未焼成積層体６５において下側のグリーンシート６１ｂの表面６７には凹部７０が形成されているため、焼成時に凹部７０に向けてセラミック材料が収縮する結果、セラミック焼成体７５は、固体電解質層２３側が凸となるように反った形状となる。
さらに、図９に示されるように、セラミック焼成体７５におけるダミーの活性層７６及び固体電解質層７７（第２セラミック層）を除去することで、支持基体である支持層２２の表面２２ａを露出させる（除去工程）。この工程では、表面研磨処理を行うことにより、セラミック焼成体７５の第２セラミック層側表面を研磨し、ダミーの活性層７６及び固体電解質層７７を除去する。この結果、セラミック焼成体７５において、燃料極２２０における支持層２２の表面２２ａを露出させるとともにその表面２２ａを平坦化する。つまり、セラミック焼成体７５における固体電解質層２３の表面２３ａは凸となるように反った形状であり、燃料極２２０の支持層２２の表面２２ａは平坦面となる。
図１０には、セラミック焼成体７５における固体電解質層２３の表面２３ａの凸形状の測定結果を示している。具体的には、表面粗さ測定機（メーカ：株式会社ミツトヨ、型式：ＣＳ−５０００ＣＮＣ）を用い、図１１に示されるように、セラミック焼成体７５の表面（固体電解質層２３の表面２３ａ）において、対角線上に沿って高さを測定し、その測定結果を図１０に示している。なお、表面粗さ測定機の接触式はスタイラスであり、触針径が０．２５ｍｍ、走査速度が０．２ｍｍ／ｓｅｃの条件で測定した。図１０に示されるように、固体電解質層２３の表面２３ａは、外縁部に比べて中央部が０．２２ｍｍ程度高くなっており、凸形状となっていることが確認できた。また、固体電解質層２３の表面２３ａには、１０μｍ程度の高さを有する凸部２７が等間隔（１０ｍｍ間隔）で形成されていることも確認することができた。なお、図１０において、矢印で示す位置が凸部２７の形成位置に対応している。
除去工程の後、セラミック焼成体７５における固体電解質層２３の表面２３ａにおいて、外周部を除く領域に空気極２１の形成材料を印刷する。さらに、固体電解質層２３の外周部にロウ材２５を塗布する。その後、固体電解質層２３の外周部にロウ材２５を介してセパレータ１２の内周部を押し付けるとともに所定温度に加熱し、固体電解質層２３にセパレータ１２をロウ付けする。また、このロウ付け時の加熱処理によって空気極２１が焼成されて固体電解質層２３の表面２３ａに焼き付けられる。この結果、図１２に示されるように、セパレータ１２を接合した単セル１１が作製される。
その後、単セル１１に接合されたセパレータ１２と燃料極フレーム１３とをレーザ溶接によって接合する。さらに、燃料極フレーム１３とインタコネクタ１４とをレーザ溶接によって接合する。なおここでは、セパレータ１２、燃料極フレーム１３、インタコネクタ１４の各金属部材において、各穴部４０の周囲や外周部を封止するようにレーザ溶接が行われる。このようにレーザ溶接を行うことで、各部材１１〜１４の接合体であるインタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００が作製される。
そして、インタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００が空気極絶縁フレーム１５と交互に複数積層して一体化することにより、燃料電池スタック１が得られる。
次に、本実施の形態の燃料電池スタック１の製造後、単セル１１の固体電解質層２３の表面２３ａに形成された凸部２７の有無を確認する手法について説明する。先ず、燃料電池スタック１から締結ボルト５、ガス流通用締結ボルト６やナット７を取り外して、燃料電池スタック１を複数のインタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００に分解する。またこのとき、単セル１１の周囲におけるセパレータ１２を破断し、インタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００から単セル１１を分離する。そして、単セル１１における空気極２１を除去する。具体的には、グラインダやサンドペーパなどによって空気極２１の研削を行い、固体電解質層２３と空気極２１との密着部分以外を除去する。次に、超音波洗浄装置等を用い、水中にて超音波を作用させて固体電解質層２３の表面に残った電極材料を除去する。その後、上述した表面粗さ測定機を用いて、固体電解質層２３の表面を測定することで凸部２７が確認される。このようにすると、燃料電池スタック１の使用後においても、固体電解質層２３の表面２３ａにおける凸部２７の有無を確認することが可能となる。
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
（１）本実施の形態では、層構成が対称構造である未焼成積層体６５において、下側のグリーンシート６１ｂの表面６７に凹部７０を形成した後、セラミック焼成工程が行われる。この焼成工程では、未焼成積層体６５において凹部７０に向けてセラミック材料が収縮する。このため、セラミック焼成体７５の反り方向がばらつくことなく、固体電解質層２３の表面２３ａ方向に凸となるように反った形状となる。そして、セラミック焼成体７５を用いて単セル１１を構成し、単セル１１とセパレータ１２とを接合する際に、固体電解質層２３の表面２３ａを上側に向けて単セル１１を接合台に配置させ接合することにより、単セル１１の中央部に荷重を加えず接合することができる。また、燃料電池スタック１を組み上げる際に、固体電解質層２３の表面２３ａを上側に向けて単セル１１を配置させることにより、単セル１１の反りの方向を統一し、単セル１１面内において単セル１１の反り方向に起因する負荷を抑制することができる。この結果、セパレータ１２の接合時又は燃料電池スタック１の組み上げ時における荷重負荷に対してセル強度を十分に確保することができ、従来技術のようなセル割れの問題を確実に回避することができる。
（２）本実施の形態では、未焼成積層体６５において、第１未焼成セラミック層である上側の固体電解質層用グリーンシート６１ａの表面６８に、各凹部７０に対応した複数の凸部２７が形成されている。このように、未焼成積層体６５に凸部２７を形成すると、その凸部２７を形成した分だけ厚みが増す。この結果、単セル１１のセル強度を高めることができ、セパレータ１２の接合時におけるセル割れを確実に回避することができる。
（３）本実施の形態では、未焼成積層体６５の表面に形成される複数の凹部７０は、隣り合う溝同士の間隔Ｐ１が等間隔で形成された複数（本実施の形態では５つ）の円形状の溝であるので、セラミック焼成体７５の表面を均一に反らせることができる。この結果、セパレータ１２の接合時に加わる応力が集中することなく均一に分散するため、セル割れをより確実に回避することができる。
（４）本実施の形態では、表面研磨処理を行うことによりセラミック焼成体７５の表面を研磨し、第２セラミック層であるダミーの活性層７６及び固体電解質層７７を除去することで燃料極２２０の支持層２２の表面２２ａを露出させるとともにその支持層２２の表面２２ａを平坦化している。この場合、セパレータ１２の接合時に加わる荷重を支持層２２の表面２２ａの平坦面で確実に支持することができ、セル割れをより確実に回避することができる。
（５）本実施の形態では、レーザ加工を行うことによって、１００μｍ程度の線幅を有する比較的細い線状の凹部７０（溝部）を形成することができるため、セラミック焼成体７５の反り量を正確に調整することができる。
（６）本実施の形態の単セル１１において、固体電解質層２３の表面２３ａに凸部２７が形成されるとともに、その裏面２３ｂに凹部２９が形成されている。このようにすると、固体電解質層２３の表面２３ａ，２３ｂと空気極２１及び燃料極２２０との接触面積が増すため、それらの密着強度を高めることができる。また、固体電解質層２３は、凸部２７の形成部位及び非形成部位とで同じ厚さを有するので、単セル１１において安定した発電性能を確保することができる。
（７）本実施の形態の燃料電池スタック１において、空気室１８のガス圧は燃料室１７のガス圧よりも高くなっている。そして、燃料電池スタック１を構成する各単セル１１は、凸部２７を有する固体電解質層２３の表面２３ａ側が空気室１８側に向けて配置され、燃料極２２０における支持層２２の表面２２ａが平坦面となっている。この場合、単セル１１はガス圧に対して強い構造となるため、燃料電池スタック１の耐久性を高めることができる。
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、凹部形成工程において、未焼成積層体６５における下側のグリーンシート６１ｂの表面６７に複数の凹部７０を形成するのと同時に上側のグリーンシート６１ａの表面６８に複数の凸部２７を形成していたが、これに限定されるものではない。図１３に示されるように、レーザＬ１の照射条件を調整し、未焼成積層体６５におけるグリーンシート６１ｂの表面６７に複数の凹部７０を形成するとともに、グリーンシート６１ａの表面６８には凸部２７を形成しないようにして凹部形成工程を行ってもよい。このようにしても、セラミック焼成工程において、固体電解質層２３側が凸となるように反った形状を有するセラミック焼成体７５を焼成することができる。この結果、セパレータ接合時又は燃料電池スタック１の組み上げ時の荷重負荷による、従来技術のようなセル割れの問題を確実に回避することができる。
・上記実施の形態では、凹部形成工程において、凹部７０として同心円状の複数の溝部を未焼成積層体６５の表面６７に形成していたが、図１４に示される凹部７０Ａのように、中心が同じで四角形の枠状に形成された複数の溝部を未焼成積層体６５の表面６７に形成してもよい。複数の溝部の形状としては、円形や四角形に限定されるものではなく、三角形や楕円形などの枠状に形成された溝部であってもよい。また、凹部７０，７０Ａとしては、線状に連続して形成されるものに限定されるものではなく、図１５に示されるように、同心円となる位置において複数の凹部７０Ｂを点線状に形成してもよい。さらに、図１６に示される凹部７０Ｃのように、１本の連続する溝部を渦巻状に形成してもよい。図１４〜図１６のような凹部７０Ａ〜７０Ｃを未焼成積層体６５におけるグリーンシート６１ｂの表面６７に形成した場合でも、セラミック焼成工程において、固体電解質層２３方向に凸となるように反った形状を有するセラミック焼成体７５を焼成することができる。この結果、セパレータ接合時又は燃料電池スタック１の組み上げ時の荷重負荷による、従来技術のようなセル割れの問題を確実に回避することができる。
・上記実施の形態では、積層工程において、図４に示されるように、燃料極支持層用グリーンシート６２（未焼成支持基体層）の一方の面６４側及びその裏面である他方の面６６側に、燃料極活性層用グリーンシート６３ａ，６３ｂを介して固体電解質層用グリーンシート６１ａ，６１ｂをそれぞれ配置していたが、これに限定されるものではない。例えば、第２セラミック層としての拘束層は、燃料極活性層用グリーンシート６３ｂを積層せず、ダミーの固体電解質層のみでもよい。この場合でも、未焼成積層体の一方の面側とその裏面である他方の面側の各最表層に同様の性質のグリーンシートが各々配置されることで、セラミック焼成工程において、固体電解質層２３側が凸となるように反った形状を有するセラミック焼成体７５を焼成することができる。この結果、セパレータ接合時又は燃料電池スタック１の組み上げ時の荷重負荷による、従来技術のようなセル割れの問題を確実に回避することができる。
・上記実施の形態では、インタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００を形成し、インタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００と空気極絶縁フレーム１５とを交互に複数積層して燃料電池スタック１を得たが、燃料電池スタック１の製造方法はこれに限定されるものではない。例えば、インタコネクタ−燃料電池単セル複合体３００を形成していた各部材を溶接しない状態で、順に積層して燃料電池スタック１を得るようにしてもよい。
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の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）手段１において、前記燃料電池単セルは、平板状に形成されることを特徴する燃料電池単セルの製造方法。
（２）手段１において、前記除去工程では、表面研磨処理を行うことにより、前記セラミック焼成体の表面を研磨し、前記第２セラミック層を除去することで前記支持基体の表面を露出させるとともにその表面を平坦化することを特徴する燃料電池単セルの製造方法。
（３）手段１において、前記凹部形成工程では、前記未焼成積層体において、前記第２未焼成セラミック層の表面に前記凹部としての複数の溝部を形成するのと同時に、前記第１未焼成セラミック層の表面に前記凸部としての複数の凸条部を形成することを特徴する燃料電池単セルの製造方法。
（４）技術的思想（３）において、前記溝部の深さの寸法よりも前記凸条部の高さの寸法が小さいことを特徴する燃料電池単セルの製造方法。
（５）技術的思想（３）において、前記溝部の深さは、１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴する燃料電池単セルの製造方法。
（６）技術的思想（３）において、前記溝部の幅は、２００μｍ以下であることを特徴する燃料電池単セルの製造方法。
（７）手段１において、前記凸部の高さは、５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴する燃料電池単セルの製造方法。
（８）手段１において、前記凹部としての同心円状の溝部の間隔は、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴する燃料電池単セルの製造方法。
（９）手段２において、前記凸部として、同心円状の複数の凸条部を有することを特徴する燃料電池単セル。
(１０)手段３において、前記凸部が形成された前記固体電解質層の表面が前記空気室側に向けて配置され、前記燃料極の表面が平坦面となっていることを特徴する燃料電池スタック。
(１１)手段３において、前記燃料電池単セルにおける前記固体電解質層の周縁部に、セパレータがロウ付けされることを特徴とする燃料電池スタック。
１…燃料電池スタック
２…発電単位
１１…燃料電池単セル（単セル）
１７…燃料室
１８…空気室
２１…空気極
２２…支持層
２３…第１セラミック層を構成する固体電解質層
２３ａ…固体電解質層の表面
２４…第１セラミック層を構成する活性層
２７…凸部
６１ａ…第１未焼成セラミック層を構成する固体電解質層用グリーンシート
６１ｂ…第２未焼成セラミック層を構成する固体電解質層用グリーンシート
６２…未焼成支持基体層としての燃料極支持層用グリーンシート
６３ａ…第１未焼成セラミック層を構成する燃料極活性層用グリーンシート
６３ｂ…第２未焼成セラミック層を構成する燃料極活性層用グリーンシート
６４…一方の面
６５…未焼成積層体
６６…他方の面
６７，６８…表面
７０,７０Ａ,７０Ｂ,７０Ｃ…凹部
７６…第２セラミック層を構成するダミーの活性層
７７…第２セラミック層を構成するダミーの固体電解質層
２２０…燃料極
３００…インタコネクタ−燃料電池単セル複合体
２…発電単位
１１…燃料電池単セル（単セル）
１７…燃料室
１８…空気室
２１…空気極
２２…支持層
２３…第１セラミック層を構成する固体電解質層
２３ａ…固体電解質層の表面
２４…第１セラミック層を構成する活性層
２７…凸部
６１ａ…第１未焼成セラミック層を構成する固体電解質層用グリーンシート
６１ｂ…第２未焼成セラミック層を構成する固体電解質層用グリーンシート
６２…未焼成支持基体層としての燃料極支持層用グリーンシート
６３ａ…第１未焼成セラミック層を構成する燃料極活性層用グリーンシート
６３ｂ…第２未焼成セラミック層を構成する燃料極活性層用グリーンシート
６４…一方の面
６５…未焼成積層体
６６…他方の面
６７，６８…表面
７０,７０Ａ,７０Ｂ,７０Ｃ…凹部
７６…第２セラミック層を構成するダミーの活性層
７７…第２セラミック層を構成するダミーの固体電解質層
２２０…燃料極
３００…インタコネクタ−燃料電池単セル複合体
Claims (5)
- 燃料極、空気極及び固体電解質層を有する燃料電池単セルの製造方法であって、
前記燃料電池単セルの支持基体となる未焼成支持基体層と、前記未焼成支持基体層の一方の面側に接する第１セラミック層となる第１未焼成セラミック層と、前記一方の面の裏面である他方の面側に接する第２セラミック層となる第２未焼成セラミック層とを積層して未焼成積層体を形成する積層工程と、
前記未焼成積層体において前記第２未焼成セラミック層に凹部を形成する凹部形成工程と、
前記未焼成積層体を焼成することにより、前記第１セラミック層、前記支持基体、前記凹部が形成された第２セラミック層を有するセラミック焼成体を得るセラミック焼成工程と、
前記セラミック焼成体における前記第２セラミック層を除去する除去工程と
を含むことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。 - 前記凹部形成工程では、前記未焼成第２セラミック層の表面に対して溝加工を行い、前記凹部として、中心が同じで枠状の溝部を複数形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池単セルの製造方法。
- 前記凹部形成工程では、前記凹部として、同心円状の複数の溝部を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池単セルの製造方法。
- 前記複数の溝部は、隣り合う溝部同士の間隔が等間隔で形成された３つ以上の円形状の溝であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池単セルの製造方法。
- 前記凹部形成工程では、レーザ加工によって前記凹部を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池単セルの製造方法。
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