JP6605721B2 - 燃料電池の製造方法および燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の製造方法および燃料電池に関する。

従来、燃料電池が知られている。国際公開第２０１１／１４８７６９号には、一対のインターコネクタと、一対のインターコネクタの間に設けられる、セル本体と、セル本体の外縁部の上面に接合して、空気流路と燃料流路とを遮断するセパレータとを備える燃料電池が開示されている。また、セパレータの空気極側と燃料極側とには、それぞれ、板形状のガスシール部が設けられている。また、ガスシール部は、たとえば、マイカ（雲母）により構成されている。

また、特開２０１３−２０８８６号公報に記載の燃料電池にも、一対のインターコネクタと、一対のインターコネクタの間に設けられる、シール部材および電解質電極接合体とを備える燃料電池が開示されている。また、シール部材は、たとえば、マイカにより構成されている。

国際公開第２０１１／１４８７６９号 特開２０１３−２０８８６号公報

ここで、国際公開第２０１１／１４８７６９号および特開２０１３−２０８８６号公報に記載のような従来の燃料電池において、燃料電池がシャットダウンされた際、燃料電池の温度が低下する。このため、燃料電池内の空気の体積が小さくなる。そして、ガスシール部（シール部材）をマイカにより構成した場合、マイカはケイ素塩が積層された層状構造を有するため、劈開しやすい。このため、燃料電池内の空気の体積が小さくなり、燃料電池内の気圧が小さくなることに起因して、燃料電池の外部から薄いマイカの層の間の隙間を介して、空気が燃料電池内に侵入するという不都合がある。このため、シャットダウン時、たとえば４００度以上の高温状態で空気がスタック内に侵入することによりセルが酸化して劣化するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、シャットダウン時に外部から侵入する空気に起因するセルの劣化を抑制することが可能な燃料電池の製造方法および燃料電池を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による燃料電池の製造方法は、一方の表面にアノードが形成され他方の表面にカソードが形成されたセルと、セルの外側を取り囲むように設けられ、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤とが混合するのを抑制する、セラミック粒子と非晶質であるガラスとを有する絶縁部材と、セルのアノード側に設けられる金属製の厚み調整部材と、を含む発電ユニットを、複数積層する工程と、積層された複数の発電ユニットを第１の温度に昇温するとともに、積層方向に隣接する複数の発電ユニットに、互いに近接する方向に第１の荷重を加えることにより、絶縁部材の厚みを調整する工程と、積層された複数の発電ユニットを第１の温度に昇温するのに先立って、第１の温度よりも低い第２の温度に昇温するとともに、第１の温度に昇温前の絶縁部材からバインダを取り除くことにより、バインダを取り除く工程後の絶縁部材に含まれるセラミック粒子の重量％を、５重量％以上３０重量％以下にする工程とを備える。

この発明の第１の局面による燃料電池の製造方法では、上記のように、セルの外側を取り囲むように設けられ、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤とが混合するのを抑制する、セラミック粒子と非晶質であるガラスとを有する絶縁部材とを含む発電ユニットを、複数積層する工程を備える。これにより、絶縁部材がセラミック粒子と非晶質であるガラスとを有するように構成されているので、絶縁部材がマイカから構成されている場合と異なり、絶縁部材が劈開することがない。その結果、燃料電池のシャットダウン時に、燃料電池内の温度が低下することにより、燃料電池内の空気の体積が小さくなった場合でも、燃料電池の外部から絶縁部材を介して、空気が燃料電池内に侵入することはない。その結果、シャットダウン時に外部から侵入する空気に起因するセルの劣化を抑制することができる。

また、絶縁部材がセラミック粒子を有しているので、絶縁部材の厚みが、所定の厚みよりも小さくなることが抑制される。これにより、絶縁部材の厚みが小さくなることに起因して絶縁性が確保できなくなるのを抑制することができるとともに、発電ユニットの厚みが小さくなり過ぎないように厚みを確保することができる。また、発電ユニットを昇温させることにより、ガラスが軟化した場合でも、ガラスの過度な流動をセラミック粒子により抑制することができる。また、絶縁部材が非晶質であるガラスを有しているので、絶縁部材にクラックが生じている場合でも、発電ユニットを昇温することにより、ガラスが融解することによって、クラックを修復することができる。その結果、クラックをなくすことができる。

また、積層された複数の発電ユニットを第１の温度に昇温するのに先立って、第１の温度よりも低い第２の温度に昇温するとともに、第１の温度に昇温前の絶縁部材からバインダを取り除く工程をさらに備える。これにより、積層された複数の発電ユニットを第２の温度に昇温することで、バインダが焼失あるいは熱分解するので、容易に、非晶質であるガラスとセラミック粒子とを有する絶縁部材を形成することができる。
また、バインダを取り除く工程は、第１の温度に昇温前の絶縁部材からバインダを取り除くことにより、バインダを取り除く工程後の絶縁部材に含まれるセラミック粒子の重量％を、５重量％以上３０重量％以下にする。ここで、セラミック粒子の重量％が少な過ぎると、発電ユニットを昇温させてガラスが軟化した場合に、ガラスの流動が大きくなり過ぎる。すなわち、絶縁部材が荷重に耐えることができずに絶縁部材が潰れてしまうので、セルのアノードの下方に配置される厚み調整部材も過度に潰れてしまう。また、セラミック粒子の重量％が多過ぎると、発電ユニットを昇温させてガラスを軟化させても、ガラスの流動が少ないので、クラックが生じるとともに、絶縁部材の厚みを調整しにくくなる。そこで、上記のように、絶縁部材に含まれるセラミック粒子の重量％を、５重量％以上３０重量％以下にすることにより、ガラスの過度な流動が抑制されるので、絶縁部材が潰れることに起因する厚み調整部材の過度の潰れを抑制することができる。また、ガラスの流動が少な過ぎることに起因する、クラックの発生と、絶縁部材の厚みの調整が困難になることとを抑制することができる。

この場合、好ましくは、バインダを取り除く工程は、ガラスが軟化する温度よりも低い第２の温度を維持することにより、昇温前の絶縁部材に含まれるバインダを取り除く工程を含む。このように構成すれば、第２の温度が、ガラスが軟化する温度よりも低いので、ガラスが軟化する前にバインダを取り除くことができる。

上記バインダを取り除く工程を備える燃料電池の製造方法において、好ましくは、バインダの熱分解開始温度または焼失開始温度は、ガラスが軟化する温度よりも低い。このように構成すれば、容易に、ガラスが軟化する前にバインダを取り除くことができる。

上記バインダを取り除く工程を備える燃料電池の製造方法において、好ましくは、絶縁部材の厚みを調整する工程とバインダを取り除く工程との間に設けられ、積層された複数の発電ユニットを昇温させながら、第１の荷重よりも小さい第２の荷重を、積層方向に隣接する複数の発電ユニットに、互いに近接する方向に加えることにより、絶縁部材の収縮を抑制する工程をさらに備える。このように構成すれば、絶縁部材の両側から第２の荷重が加えられるので、発電ユニットを昇温させることによるガラスの軟化に起因する、絶縁部材の変形を効果的に抑制することができる。

この場合、好ましくは、絶縁部材の収縮を抑制する工程は、絶縁部材に含まれるガラスが軟化する前に、第２の荷重を複数の発電ユニットに加える工程を含む。このように構成すれば、ガラスが軟化する前に第２の荷重が加えられるので、発電ユニットを昇温させることによるガラスの軟化に起因する、絶縁部材の変形を確実に抑制することができる。

上記バインダを取り除く工程を備える燃料電池の製造方法において、好ましくは、バインダを取り除く工程の後、第２の温度よりも高くかつ第１の温度よりも低い第３の温度に昇温するとともに、還元性ガスの雰囲気下に厚み調整部材を配置することにより、酸化した状態の厚み調整部材を還元することによって、厚み調整部材の硬さを小さくする工程をさらに備える。このように構成すれば、厚み調整部材の硬さが小さくなるので、第１の荷重を加えることにより、絶縁部材の厚みを調整する際に、厚み調整部材の厚みも調整することができる。すなわち、厚み調整部材を含む発電ユニットの厚みを調整することができる。

上記第１の局面による燃料電池の製造方法において、好ましくは、昇温前の絶縁部材に含まれるセラミック粒子の粒径は、１０μｍ以下である。このように構成すれば、セラミック粒子の粒径が大き過ぎることに起因して、絶縁部材の厚みの調整が困難になるのを抑制することができる。すなわち、厚みを小さくすることができなくなるのを抑制することができる。

この発明の第２の局面による燃料電池は、積層された複数の発電ユニットを備え、発電ユニットは、一方の表面にアノードが形成され、他方の表面にカソードが形成されたセルと、セルの外側を取り囲むように設けられ、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤とが混合するのを抑制する、セラミック粒子と非晶質であるガラスとを有する絶縁部材と、セルのアノード側に設けられる金属製の厚み調整部材と、を含み、絶縁部材は、５重量％以上３０重量％以下のセラミック粒子を含む。

この発明の第２の局面による燃料電池では、上記のように、発電ユニットは、セルの外側を取り囲むように設けられ、アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤とが混合するのを抑制する、セラミック粒子と非晶質であるガラスとを有する絶縁部材とを含む。これにより、絶縁部材がセラミック粒子と非晶質であるガラスとを有するように構成されているので、絶縁部材がマイカから構成されている場合と異なり、絶縁部材が劈開することがない。その結果、燃料電池のシャットダウン時に、燃料電池内の温度が低下することにより、燃料電池内の空気の体積が小さくなった場合でも、燃料電池の外部から絶縁部材を介して、空気が燃料電池内に侵入することはない。その結果、シャットダウン時に外部から侵入する空気に起因するセルの劣化を抑制することが可能な燃料電池を提供することができる。

また、絶縁部材がセラミック粒子を有しているので、発電ユニットの厚みの確保、ガラスの過度な流動の抑制、および、クラックの修復を図ることができる。

また、絶縁部材は、５重量％以上３０重量％以下のセラミック粒子を含む。これにより、ガラスの過度な流動が抑制されるので、絶縁部材が潰れることに起因する厚み調整部材の潰れを抑制することができる。また、ガラスの流動が少な過ぎることに起因する、クラックの発生と、絶縁部材の厚みの調整が困難になることとを抑制することができる。

また、発電ユニットは、セルのアノード側に設けられる金属製の厚み調整部材をさらに含む。これにより、容易に、セル間の導通を金属製の厚み調整部材により確保しながら、発電ユニットの厚みを調整することができる。

上記第２の局面による燃料電池において、好ましくは、積層された複数の発電ユニットの積層方向の一方の端部側に配置され、セルを積層方向の他方の端部側に向けて押圧する弾性部材をさらに備える。このように構成すれば、積層された複数の発電ユニットにそれぞれ含まれるセルとセパレータ（隣接する発電ユニットにそれぞれ含まれるセルの間に配置される部材）との接触不良が抑制されるので、セルとセパレータとの接触抵抗が大きくなるのを抑制することができる。

上記第２の局面による燃料電池において、好ましくは、絶縁部材は、セルの外側を取り囲むように枠形状を有する。このように構成すれば、容易に、セルの外側を取り囲むように絶縁部材を配置することができる。

本発明によれば、上記のように、燃料電池のシャットダウン時に外部から侵入する空気に起因するセルの劣化を抑制することができる。

本発明の一実施形態による燃料電池の分解斜視図である。 本発明の一実施形態による発電ユニットの分解斜視図である。 本発明の一実施形態によるセパレータの分解斜視図である。 本発明の一実施形態による燃料電池の模式的な断面図である。 本発明の一実施形態による絶縁部材の模式的な断面図である。 本発明の一実施形態による昇温前の絶縁部材の模式的な断面図である。 本発明の一実施形態による燃料電池（セルスタック）の製造方法を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［本実施形態］
（燃料電池の構成）
図１〜図５を参照して、本実施形態による燃料電池１００の構成について説明する。なお、燃料電池１００は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。また、燃料電池１００は、発電ユニット１０を複数積層することにより構成されている。なお、発電ユニット１０は、燃料ガスと酸化剤（空気）とが対向するように流れる（カウンタフロー）ように構成されている。

図２に示すように、発電ユニット１０では、下方側（Ｚ２方向側）から、セパレータ２０と、絶縁部材３０と、金属多孔体である発泡ニッケル４０と、セル５０と、セル押さえ６０とが、この順で積層されている。なお、発泡ニッケル４０は、特許請求の範囲の「厚み調整部材」の一例である。

図３に示すように、セパレータ２０では、下方側（Ｚ２方向側）から、集電プレート２１と、カソードプレート２２と、セパレータ本体２３と、アノードプレート２４と、セルホルダ２５とが、この順で積層されている。

集電プレート２１は、セル５０のカソード５３に接触する（図４参照）ように構成されている。また、集電プレート２１には、燃料ガスが流通する孔部２１ａと、酸化剤が流通する孔部２１ｂおよび孔部２１ｃとが設けられている。また、集電プレート２１には、酸化剤をカソード５３に導くための複数の孔部２１ｄが設けられている。

カソードプレート２２には、燃料ガスが流通する孔部２２ａと、酸化剤が流通する孔部２２ｂおよび孔部２２ｃとが設けられている。また、カソードプレート２２には、Ｘ方向に沿って、酸化剤の流路２２ｄが設けられている。具体的には、酸化剤は、流路２２ｄの下面側（Ｚ２方向側）を流通する。

また、セパレータ本体２３には、燃料ガスが流通する孔部２３ａと、酸化剤が流通する孔部２３ｂおよび孔部２３ｃとが設けられている。また、セパレータ本体２３の表面は、平坦面状に形成されている。

また、アノードプレート２４には、燃料ガスが流通する孔部２４ａ（および孔部２４ｄ）と、酸化剤が流通する孔部２４ｂおよび孔部２４ｃとが設けられている。また、アノードプレート２４には、Ｘ方向に沿って、燃料ガスの流路２４ｅが設けられている。燃料ガスは、流路２４ｅの上面側を流通する。なお、集電プレート２１、カソードプレート２２、セパレータ本体２３およびアノードプレート２４は、導電性の部材により形成されている。これにより、セパレータ２０の上面側に配置されるセル５０と、下面側に配置されるセル５０とが導通する。すなわち、セパレータ２０の上面側に配置されるセル５０と、下面側に配置されるセル５０とが電気的に接続される。

また、セルホルダ２５には、燃料ガスが流通する孔部２５ａと、酸化剤が流通する孔部２５ｂおよび孔部２５ｃとが設けられている。また、セルホルダ２５の中央部には、開口部２５ｄが設けられている。

また、絶縁部材３０には、燃料ガスが流通する孔部３０ｅと、酸化剤が流通する孔部３０ｂおよび孔部３０ｃとが設けられている。また、本実施形態では、絶縁部材３０は、セル５０の外側を取り囲むように（図４参照）、枠形状を有する。そして、絶縁部材３０の中央部には、開口部３０ｄが設けられている。絶縁部材３０は、孔部３０ｅ（開口部３０ｄ）を流通してアノード５１に供給される燃料ガスと、孔部３０ｂおよび孔部３０ｃを流通してカソード５３に供給される酸化剤とが混合するのを抑制するように構成されている。また、絶縁部材３０は、積層方向に隣接するセル５０間を絶縁するように構成されている。

また、図４に示すように、本実施形態では、発泡ニッケル４０は、セル５０のアノード５１側（Ｚ２方向側）に設けられている。また、発泡ニッケル４０は、略矩形形状を有し、セル５０の後述するアノード５１および固体電界質層５２と略同じ大きさ（面積）を有する。

図４に示すように、セル５０は、アノード５１、固体電界質層５２、カソード５３を含む。なお、セル５０は、Ｚ１方向側の面にカソード５３が形成され、カソード５３が形成される面とは反対側の面（Ｚ２方向側の面）にアノード５１が形成されている。また、アノード５１は、固体電界質層５２のＺ２方向側表面の略全面上に設けられている。カソード５３は、固体電界質層５２のＺ１方向側の表面の一部上に設けられている。

また、図３に示すように、セル押さえ６０には、燃料ガスが流通する孔部６０ａと、酸化剤が流通する孔部６０ｂおよび孔部６０ｃとが設けられている。また、セル押さえ６０の中央部には、開口部６０ｄが設けられている。

そして、図４に示すように、セルホルダ２５の開口部２５ｄ、および、絶縁部材３０の開口部３０ｄ内にセル５０が配置されている。また、セル押さえ６０は、絶縁部材３０と固体電界質層５２とに跨るように配置されている。これにより、カソード５３は、セル押さえ６０の開口部６０ｄから露出している。そして、カソード５３は、上方側の集電プレート２１に電気的に接続されている。

また、図２に示すように、最も上方に配置される発電ユニット１０の上面上には、トッププレートを含む一方アノードプレートは含まないセパレータ２０ａが設けられている。また、最も下方に配置される発電ユニット１０の下面上には、ボトムプレートを含む一方カソードプレートは含まないセパレータ２０ｂが設けられている。

図３に示すように、セル５０のアノード５１に供給される燃料ガスは、セパレータ本体２３のＸ１方向側の孔部２３ａから、アノードプレート２４の孔部２４ｄを介して、アノードプレート２４の上面側（Ｚ１方向側面側）に流入する。また、反応後の燃料ガスは、アノードプレート２４のＸ２方向側の孔部２４ａを介して流出する。また、セル５０のカソード５３に供給される酸化剤（空気）は、カソードプレート２２のＸ２方向側の孔部２２ｂから、集電プレート２１の上面側（カソードプレート２２の下面側）に流入する。また、反応後の酸化剤は、集電プレート２１のＸ１方向側の孔部２１ｃを介して流出する。

また、図１に示すように、積層された複数の発電ユニット１０により、セルスタック７０が構成されている。また、燃料電池１００では、セルスタック７０が、複数積層されている。そして、本実施形態では、セルスタック７０（積層された複数の発電ユニット１０）の積層方向の一方の端部側に配置され、セル５０を積層方向の他方の端部側に押圧する弾性部材８０が設けられている。具体的には、弾性部材８０は、平面視において、発電ユニット１０のセル５０に重なるように、積層されるセルスタック７０（複数の発電ユニット１０）の間に配置されている。また、弾性部材８０は、平面視において、略矩形形状を有する。また、弾性部材８０は、セラミックファイバーマットを含む。なお、弾性部材８０は、後述する燃料電池１００（セルスタック７０）の製造時ではなく、セルスタック７０が完成した後、燃料電池１００が実際に使用される際に、セル５０を押圧する。

また、平面視において、セル５０の外周側に弾性部材８０と重ならないように、積層されるセルスタック７０（複数の発電ユニット１０）の間に配置され、弾性部材８０よりも硬い部材からなる中間プレート８１が設けられている。また、中間プレート８１は、弾性部材８０よりも硬い金属製（たとえば、ＳＵＳ：Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）である。中間プレート８１は、額縁形状を有しており、弾性部材８０は、額縁形状の中間プレート８１の開口部８１ａ内に配置されている。

また、中間プレート８１と、下方に配置されるセルスタック７０との間には、絶縁性の中間絶縁プレート８２が設けられている。中間絶縁プレート８２は、たとえば、結晶化ガラスからなる。なお、結晶化ガラスとは、ガラスを再加熱して、結晶を析出させることにより形成されたガラスである。中間絶縁プレート８２は、額縁形状を有しており、弾性部材８０は、額縁形状の中間絶縁プレート８２の開口部８２ａ内に配置されている。すなわち、中間プレート８１の開口部８１ａと、中間絶縁プレート８２の開口部８２ａとは連通するように設けられており、弾性部材８０は、開口部８１ａと開口部８２ａとに跨るように配置されている。

また、弾性部材８０、中間プレート８１および中間絶縁プレート８２の組は、複数の箇所（セルスタック７０の間）に配置されている。また、最上段のセルスタック７０の上面上と、弾性部材８０、中間プレート８１および中間絶縁プレート８２の組との間には、エンドプレート８３が設けられている。また、最上段の弾性部材８０、中間プレート８１および中間絶縁プレート８２の組の上面上に、絶縁部材８４が設けられている。絶縁部材８４は、たとえば、マイカにより構成されている。

また、絶縁部材８４の上面上に押圧プレート９０が設けられている。また、押圧プレート９０は、弾性部材８０よりも硬い金属製（たとえば、ＳＵＳ：Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ）である。

また、押圧プレート９０の上面上に、押圧プレート９０を加圧する加圧部材９１が設けられている。具体的には、加圧部材９１は、セラミックから形成されている複数（本実施形態では５個）のばね部材９１ａからなる。そして、４個のばね部材９１ａにより、略矩形形状の押圧プレート９０の４隅が加圧され、１個のばね部材９１ａにより、略矩形形状の押圧プレート９０の中央部が加圧されている。また、押圧プレート９０には、ばね部材９１ａが配置される凹部９０ａが設けられている。

また、加圧部材９１の上方（Ｚ１方向側）には、加圧部材９１（ばね部材９１ａ）を押圧するばね押圧プレート９２が配置されている。ばね押圧プレート９２には、複数の棒状部材９３が挿入される複数の貫通孔９２ａが設けられている。棒状部材９３の下方端は、図示しない剛体プレートなどに固定されるように構成されている。そして、複数の棒状部材９３が、ばね押圧プレート９２の貫通孔９２ａに挿入され、下方端が固定されるとともに、上方端にナット９４が締結されることにより、ばね押圧プレート９２が下方に押圧される。これにより、ばね部材９１ａが押圧されて、押圧プレート９０および弾性部材８０を介して、セル５０が押圧される。

また、最も下方に位置するセルスタック７０の下方には、たとえば、結晶化ガラスからなる絶縁部材９５が配置されている。絶縁部材９５は、たとえば結晶化ガラスから構成されている。

（絶縁部材の詳細な構造）
次に、絶縁部材３０の詳細な構造について説明する。

本実施形態では、図５に示すように、絶縁部材３０は、セラミック粒子３２と非晶質であるガラス３３とを有する。具体的には、絶縁部材３０は、５重量％以上３０重量％以下のセラミック粒子３２を含んでいる。また、セラミック粒子３２は、たとえば、ジルコニア（二酸化ジルコニウム：ＺｎＯ_２）からなる。なお、図５では、セラミック粒子３２の大きさが強調されて、実際よりも大きく記載されている。

（燃料電池の製造方法）
次に、図１、図２および、図５〜図７を参照して、燃料電池１００（セルスタック７０）の製造方法について説明する。なお、図７では、セラミック粒子３２およびバインダ３４の大きさが強調されて、実際よりも大きく記載されている。

まず、図１に示すように、発電ユニット１０が、複数積層されることにより、セルスタック７０が構成される。図２に示すように、発電ユニット１０は、セパレータ２０と、絶縁部材３０と、発泡ニッケル４０と、セル５０と、セル押さえ６０とが、この順で積層されている。また、絶縁部材３０は、セラミック粒子３２と非晶質であるガラス３３とを有する。

具体的には、図６に示すように、絶縁部材３０（昇温前の絶縁部材３０ａ）には、セラミック粒子３２、ガラス３３およびバインダ３４が含まれている。ここで、本実施形態では、昇温前の絶縁部材３０ａに含まれるセラミック粒子３２の粒径ｐは、１０μｍ以下である。また、バインダ３４は、たとえば、アクリル共重合体からなる。

次に、図７に示すように、時刻ｔ０〜時刻ｔ１の間において、セルスタック７０（複数積層された発電ユニット１０）が昇温（加熱）される。セルスタック７０は、空気雰囲気下において昇温される。なお、時刻ｔ０から、後述する時刻ｔ４まで、空気雰囲気下においてセルスタック７０が昇温される。

そして、本実施形態では、積層された複数の発電ユニット１０（セルスタック７０）を後述する温度Ｔ４に昇温するのに先立って、温度Ｔ４よりも低い温度Ｔ１に昇温するとともに、温度Ｔ４に昇温前の絶縁部材３０ａのうちのバインダ３４を取り除く。具体的には、時刻ｔ１において、セルスタック７０は、温度Ｔ１に昇温される。そして、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の間において、セルスタック７０の温度は、Ｔ１に維持される。これにより、絶縁部材３０ａに含まれるバインダ３４が取り除かれる。なお、温度Ｔ４は、特許請求の範囲の「第１の温度」の一例である。また、温度Ｔ１は、特許請求の範囲の「第２の温度」の一例である。

また、本実施形態では、ガラス３３が軟化する温度Ｔ２よりも低い温度Ｔ１を維持することにより、昇温前の絶縁部材３０ａに含まれるバインダ３４が取り除かれる。具体的には、バインダ３４が熱分解されることにより、絶縁部材３０ａから取り除かれる。また、バインダ３４の熱分解開始温度または焼失開始温度温は、ガラス３３が軟化する温度Ｔ２よりも低い。これにより、時刻ｔ２では、ガラス３３は軟化していない。

また、本実施形態では、温度Ｔ４に昇温前の絶縁部材３０ａからバインダ３４を取り除くことにより、バインダ３４を取り除く工程後の絶縁部材３０に含まれるセラミック粒子３２の重量％を、５重量％以上３０重量％以下にする。すなわち、バインダ３４が取り除かれた後の絶縁部材３０の重量（セラミック粒子３２の重量＋ガラス３３の重量）に対するセラミック粒子３２の重量が、５％以上３０％以下となる。

次に、本実施形態では、後述する絶縁部材３０の厚みｔを調整する工程とバインダ３４を取り除く工程との間に、積層された複数の発電ユニット１０を昇温させながら、後述する荷重Ｆ２よりも小さい荷重Ｆ１を、積層方向に隣接する複数の発電ユニット１０に、互いに近接する方向に加える。これにより、絶縁部材３０の収縮が抑制される。具体的には、時刻ｔ２において、複数の発電ユニット１０が温度Ｔ１より昇温される。そして、時刻ｔ２において、複数の発電ユニット１０に、荷重Ｆ１が加えられる。なお、荷重Ｆ１が加えられた状態は、時刻ｔ２から後述する時刻ｔ５まで維持される。なお、荷重Ｆ２および荷重Ｆ１は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１の荷重」および「第２の荷重」の一例である。

時刻ｔ２から昇温された複数の発電ユニット１０の温度は、時刻ｔ３において、ガラス３３が軟化する温度Ｔ２に達する。これにより、時刻ｔ３において、絶縁部材３０に含まれるガラス３３が軟化し始める。ここで、ガラス３３が軟化することにより、ガラス３３が流動して、絶縁部材３０が変形する。そこで、本実施形態では、絶縁部材３０に含まれるガラス３３が軟化する前（時刻ｔ２）に、荷重Ｆ１を複数の発電ユニット１０に加えることにより、絶縁部材３０の変形が抑制される。

次に、本実施形態では、バインダ３４を取り除く工程の後、複数の発電ユニット１０（セルスタック７０）が、温度Ｔ１よりも高くかつ後述する温度Ｔ４よりも低い温度Ｔ３に昇温されるとともに、還元性ガス（Ｈ_２ガス、流量Ｍ１）の雰囲気下に配置される。これにより、発泡ニッケル４０が還元性ガス（Ｈ_２ガス）の雰囲気下に配置されることにより、酸化した状態の発泡ニッケル４０が還元される。そして、発泡ニッケル４０の硬さを小さくなる。なお、温度Ｔ３は、特許請求の範囲の「第３の温度」の一例である。

具体的には、時刻ｔ４において、発電ユニット１０（セルスタック７０）の温度がＴ３となり、時刻ｔ５まで、温度Ｔ３の状態が維持される。そして、時刻ｔ３において、Ｎ_２で雰囲気を置換するとともに、発電ユニット１０が還元性ガス（Ｈ_２ガス）の雰囲気下に配置される。ここで、還元性ガス（Ｈ_２ガス）の雰囲気下に配置される前の発泡ニッケル４０は酸化しており、還元性ガス（Ｈ_２ガス）により、発泡ニッケル４０に含まれる酸化した状態のニッケルが、金属のニッケルに還元される。これにより、発泡ニッケル４０の硬さが小さくなる。

次に、本実施形態では、積層された複数の発電ユニット１０を昇温するとともに、積層方向に隣接する複数の発電ユニット１０に、互いに近接する方向に荷重Ｆ２を加えることにより、絶縁部材３０の厚みｔを調整する。具体的には、時刻ｔ５では、複数の発電ユニット１０の温度は、Ｔ３である。また、時刻ｔ５において、還元性ガス（Ｈ_２ガス）の流量がＭ１からＭ２に減少される。そして、時刻ｔ５から、複数の発電ユニット１０（セルスタック７０）に、荷重Ｆ２が加えられる。そして、荷重Ｆ２が加えられた状態で、複数の発電ユニット１０が昇温され、時刻ｔ６において、複数の発電ユニット１０の温度が、Ｔ４となる。その後、時刻ｔ７まで、荷重Ｆ２が加えられた状態で、複数の発電ユニット１０の温度がＴ４に維持される。温度Ｔ４は、ガラス３３が軟化する温度Ｔ２よりも大きいため、荷重Ｆ２が加えられ始めた時刻である時刻ｔ５から、時刻ｔ７までは、ガラス３３は軟化したままの状態である。これにより、絶縁部材３０の厚みｔが調整可能になる。

具体的には、絶縁部材３０の厚みｔが、図７の厚みｔ１の状態から、図５の厚みｔ２の状態に小さくされる。なお、発泡ニッケル４０が還元されることにより、硬さが小さくされているため、荷重Ｆ２により、発泡ニッケル４０の厚みも調整される。すなわち、荷重Ｆ２により、複数の発電ユニット１０の全体の厚みが調整される。つまり、各々の発電ユニット１０の厚みが調整される。

そして、時刻ｔ７以降、複数の発電ユニット１０が降温される。具体的には、複数の発電ユニット１０の温度は、時刻ｔ７から時刻ｔ８の間で、段階的に降温される。これにより、複数の発電ユニット１０（セルスタック７０）が完成する。

（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、セル５０の外側を取り囲むように設けられ、アノード５１に供給される燃料ガスと、カソード５３に供給される酸化剤とが混合するのを抑制する、セラミック粒子３２と非晶質であるガラス３３とを有する絶縁部材３０とを含む発電ユニット１０を、複数積層する工程を備える。これにより、絶縁部材３０がセラミック粒子３２と非晶質であるガラス３３とを有するように構成されているので、絶縁部材３０がマイカから構成されている場合と異なり、絶縁部材３０が劈開することがない。その結果、燃料電池１００のシャットダウン時に、燃料電池１００内の温度が低下することにより、燃料電池１００内の空気の体積が小さくなった場合でも、燃料電池１００の外部から絶縁部材３０を介して、空気が燃料電池１００内に侵入することはない。その結果、シャットダウン時に外部から侵入する空気に起因するセル５０の劣化を抑制することができる。

また、絶縁部材３０がセラミック粒子３２を有しているので、絶縁部材３０の厚みｔが、所定の厚みよりも小さくなることが抑制される。これにより、絶縁部材３０の厚みｔが小さくなることに起因して絶縁性が確保できなくなるのを抑制することができるとともに、発電ユニット１０の厚みが小さくなり過ぎないように厚みを確保することができる。また、発電ユニット１０を昇温させることにより、ガラス３３が軟化した場合でも、ガラス３３の過度な流動をセラミック粒子３２により抑制することができる。また、絶縁部材３０が非晶質であるガラス３３を有しているので、絶縁部材３０にクラックが生じている場合でも、発電ユニット１０を昇温することにより、ガラス３３が融解することによって、クラックを修復することができる。その結果、クラックをなくすことができる。

また、本実施形態では、上記のように、積層された複数の発電ユニット１０を温度Ｔ４に昇温するのに先立って、温度Ｔ４よりも低い温度Ｔ１に昇温するとともに、温度Ｔ４に昇温前の絶縁部材３０ａのうちのバインダ３４を取り除く工程を備える。これにより、積層された複数の発電ユニット１０を温度Ｔ１に昇温することで、バインダ３４が焼失または熱分解するので、容易に、非晶質であるガラス３３とセラミック粒子３２とを有する絶縁部材３０を形成することができる。

また、本実施形態では、上記のように、ガラス３３が軟化する温度Ｔ２よりも低い温度Ｔ１を維持することにより、昇温前の絶縁部材３０ａに含まれるバインダ３４を取り除く。これにより、温度Ｔ１が、ガラス３３が軟化する温度Ｔ２よりも低いので、ガラス３３が軟化する前にバインダ３４を取り除くことができる。

また、本実施形態では、上記のように、バインダ３４の熱分解開始温度または焼失開始温度は、ガラス３３が軟化する温度Ｔ２よりも低い。これにより、容易に、ガラス３３が軟化する前にバインダ３４を取り除くことができる。

また、本実施形態では、上記のように、温度Ｔ４に昇温前の絶縁部材３０ａからバインダ３４を取り除くことにより、バインダ３４を取り除く工程後の絶縁部材３０に含まれるセラミック粒子３２の重量％を、５重量％以上３０重量％以下にする。ここで、セラミック粒子３２の重量％が少な過ぎると、発電ユニット１０を昇温させてガラス３３が軟化した場合に、ガラス３３の流動が大きくなり過ぎる。すなわち、絶縁部材３０が荷重に耐えることができずに潰れてしまうので、セル５０のアノード５１の下方に配置される発泡ニッケル４０も過度に潰れてしまう。また、セラミック粒子３２の重量％が多過ぎると、発電ユニット１０を昇温させてガラス３３を軟化させても、ガラス３３の流動が少ないので、クラックが生じるとともに、絶縁部材３０の厚みｔを調整しにくくなる。そこで、上記のように、絶縁部材３０に含まれるセラミック粒子３２の重量％を、５重量％以上３０重量％以下にすることにより、ガラス３３の流動が大きくなり過ぎることが抑制されるので、絶縁部材３０が潰れることに起因する発泡ニッケル４０の過度の潰れを抑制することができる。また、ガラス３３の流動が少な過ぎることに起因する、クラックの発生と、絶縁部材３０の厚みｔの調整が困難になることとを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、絶縁部材３０の厚みｔを調整する工程とバインダ３４を取り除く工程との間に設けられ、積層された複数の発電ユニット１０を昇温させながら、荷重Ｆ２よりも小さい荷重Ｆ１を、積層方向に隣接する複数の発電ユニット１０に、互いに近接する方向に加えることにより、絶縁部材３０の収縮を抑制する工程を備える。これにより、絶縁部材３０の両側から荷重Ｆ１が加えられるので、発電ユニット１０を昇温させることによるガラス３３の軟化に起因する、絶縁部材３０の変形を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、絶縁部材３０に含まれるガラス３３が軟化する前に、荷重Ｆ１を複数の発電ユニット１０に加える。これにより、ガラス３３が軟化する前に荷重Ｆ１が加えられるので、発電ユニット１０を昇温させることによるガラス３３の軟化に起因する、絶縁部材３０の変形を確実に抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、バインダ３４を取り除く工程の後、温度Ｔ１よりも高くかつ温度Ｔ４よりも低い温度Ｔ３に昇温するとともに、還元性ガスの雰囲気下に発泡ニッケル４０を配置することにより、酸化した状態の発泡ニッケル４０を還元することによって、発泡ニッケル４０の硬さを小さくする工程を備える。これにより、発泡ニッケル４０の硬さが小さくなるので、荷重Ｆ２を加えることにより、絶縁部材３０の厚みｔを調整する際に、発泡ニッケル４０の厚みも調整することができる。すなわち、発泡ニッケル４０を含む発電ユニット１０の厚みを調整することができる。

また、本実施形態では、上記のように、昇温前の絶縁部材３０に含まれるセラミック粒子３２の粒径ｐは、１０μｍ以下である。これにより、セラミック粒子３２の粒径ｐが大き過ぎることに起因して、絶縁部材３０の厚みｔの調整が困難になるのを抑制することができる。すなわち、厚みｔを小さくすることができなくなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、発電ユニット１０は、セル５０のアノード５１側に設けられる金属製の発泡ニッケル４０を含む。これにより、容易に、セル５０間の導通を金属製の発泡ニッケル４０により確保しながら、発電ユニット１０の厚みを調整することができる。

また、本実施形態では、上記のように、積層された複数の発電ユニット１０の積層方向の一方の端部側に配置され、セル５０を積層方向の他方の端部側に押圧する弾性部材８０を備える。これにより、積層された複数の発電ユニット１０にそれぞれ含まれるセル５０とセパレータ２０（隣接する発電ユニット１０にそれぞれ含まれるセル５０の間に配置される部材）との接触不良が抑制されるので、セル５０とセパレータ２０との接触抵抗が大きくなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、絶縁部材３０は、セル５０の外側を取り囲むように枠形状を有する。これにより、容易に、セル５０の外側を取り囲むように絶縁部材３０を配置することができる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池以外の燃料電池である、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）などでもよい。

また、上記実施形態では、絶縁部材に、セラミック粒子としてジルコニアが含まれる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、絶縁部材に、セラミック粒子として、たとえば、アルミナ（酸化アルミニウム）などのジルコニア以外の物質が含まれていてもよい。

また、上記実施形態では、酸化した状態の発泡ニッケルを還元することによって、発泡ニッケルの硬さを小さくする工程が行われる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、発泡ニッケルの硬さを小さくする必要がなければ、この工程を行わなくてもよい。

また、上記実施形態では、セルスタックに２段階の荷重（荷重Ｆ１および荷重Ｆ２）が加えられる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、１段階の荷重を加えることにより、絶縁部材の変形を抑制しながら、絶縁部材の厚みを調整してもよい。

また、上記実施形態では、厚み調整部材として、発泡ニッケルを用いる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、発泡ニッケル以外の厚み調整部材を用いてもよい。

また、上記実施形態では、弾性部材が、アルミナからなるセラミックファイバーマット（シート）から構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、アルミナからなるセラミックファイバーマット（シート）以外の部材により弾性部材を構成してもよい。

また、上記実施形態では、ばね部材により、弾性部材を介してセルを押圧する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、クッション材、マットなどのばね部材以外の部材により、弾性部材を介してセルを押圧してもよい。

また、上記実施形態では、燃料電池（発電ユニット）が、燃料ガスと空気とが対向するように流れるカウンタフローの燃料電池である例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、燃料ガスと空気とが交差するように流れるクロスフローの燃料電池にも、本発明を適用することが可能である。

１０ 発電ユニット
３０ 絶縁部材
３２ ガラス
３３ セラミック粒子
３４ バインダ
４０ 発泡ニッケル（厚み調整部材）
５０ セル
５１ アノード
５３ カソード
８０ 弾性部材
１００ 燃料電池
Ｆ１ 荷重（第２の荷重）
Ｆ２ 荷重（第１の荷重）
ｔ 厚み
Ｔ１ 温度（第２の温度）
Ｔ３ 温度（第３の温度）
Ｔ４ 温度（第１の温度）

Claims (10)

1. 一方の表面にアノードが形成され他方の表面にカソードが形成されたセルと、前記セルの外側を取り囲むように設けられ、前記アノードに供給される燃料ガスと前記カソードに供給される酸化剤とが混合するのを抑制する、セラミック粒子と非晶質であるガラスとを有する絶縁部材と、前記セルの前記アノード側に設けられる金属製の厚み調整部材と、を含む発電ユニットを、複数積層する工程と、
   積層された前記複数の発電ユニットを第１の温度に昇温するとともに、積層方向に隣接する前記複数の発電ユニットに、互いに近接する方向に第１の荷重を加えることにより、前記絶縁部材の厚みを調整する工程と、
   積層された前記複数の発電ユニットを前記第１の温度に昇温するのに先立って、前記第１の温度よりも低い第２の温度に昇温するとともに、前記第１の温度に昇温前の前記絶縁部材からバインダを取り除くことにより、前記バインダを取り除く工程後の前記絶縁部材に含まれる前記セラミック粒子の重量％を、５重量％以上３０重量％以下にする工程とを備える、燃料電池の製造方法。
2. 前記バインダを取り除く工程は、前記ガラスが軟化する温度よりも低い前記第２の温度を維持することにより、昇温前の前記絶縁部材に含まれる前記バインダを取り除く工程を含む、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記バインダの熱分解開始温度または焼失開始温度は、前記ガラスが軟化する温度よりも低い、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記絶縁部材の厚みを調整する工程と前記バインダを取り除く工程との間に設けられ、積層された前記複数の発電ユニットを昇温させながら、前記第１の荷重よりも小さい第２の荷重を、積層方向に隣接する前記複数の発電ユニットに、互いに近接する方向に加えることにより、前記絶縁部材の収縮を抑制する工程をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
5. 前記絶縁部材の収縮を抑制する工程は、前記絶縁部材に含まれる前記ガラスが軟化する前に、前記第２の荷重を前記複数の発電ユニットに加える工程を含む、請求項４に記載の燃料電池の製造方法。
6. 前記バインダを取り除く工程の後、前記第２の温度よりも高くかつ前記第１の温度よりも低い第３の温度に昇温するとともに、還元性ガスの雰囲気下に前記厚み調整部材を配置することにより、酸化した状態の前記厚み調整部材を還元することによって、前記厚み調整部材の硬さを小さくする工程をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
7. 昇温前の前記絶縁部材に含まれる前記セラミック粒子の粒径は、１０μｍ以下である、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
8. 積層された複数の発電ユニットを備え、
   前記発電ユニットは、
   一方の表面にアノードが形成され、他方の表面にカソードが形成されたセルと、
   前記セルの外側を取り囲むように設けられ、前記アノードに供給される燃料ガスと、前記カソードに供給される酸化剤とが混合するのを抑制する、セラミック粒子と非晶質であるガラスとを有する絶縁部材と、
   前記セルの前記アノード側に設けられる金属製の厚み調整部材と、を含み、
   前記絶縁部材は、５重量％以上３０重量％以下の前記セラミック粒子を含む、燃料電池。
9. 積層された前記複数の発電ユニットの積層方向の一方の端部側に配置され、前記セルを前記積層方向の他方の端部側に向けて押圧する弾性部材をさらに備える、請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記絶縁部材は、前記セルの外側を取り囲むように枠形状を有する、請求項８に記載の燃料電池。

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