JP7115363B2 - 固体酸化物形燃料電池セルスタック - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルスタックに関する。

従来、アノード電極、固体電解質、および、カソード電極がこの順に積層された平板形の単セルを有する固体酸化物形燃料電池セルスタックが公知である。固体酸化物形燃料電池セルスタックでは、一般に、セパレータ（インタコネクタ）を介して複数の単セルが積層されている。

例えば、特許文献１には、インタコネクタと単セルの電極との間に特定の集電部材を配置することにより、長期の使用においても良好な電気的接続性を維持可能とする固体酸化物形燃料電池セルスタックが開示されている。同文献において、集電部材は、インタコネクタに当接するコネクタ当接部と、セル本体に当接するセル本体当接部と、コネクタ当接部とセル本体当接部とをつなぐ連結部とが一連に形成されており、コネクタ当接部とセル本体当接部との間に両者を隔てるように配置されたスペーサを有している。

特開２０１３－５５０４２号公報

上述した固体酸化物形燃料電池セルスタックは、一般に、異種材料を組み合わせて構成されるため、発電時に単セルに反り等の変形が生じる。従来の集電部材を用いた技術では、単セルの形状を保持することが難しい。そのため、単セルの変形が大きい場合には、単セルが集電部材から浮き上がり、集電部材と単セルとの間の導電経路が途切れ、集電性が悪化する不具合が生じうる。

一方、集電性を担保するため、集電部材と単セルとを強固に接合して単セルを拘束した場合には、単セルの変形が抑制される反面、単セルに内部応力が発生し、クラックが発生しやすくなる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、集電性の悪化とクラックの発生とを抑制可能な固体酸化物形燃料電池セルスタックを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、アノード電極（２１）、固体電解質（２２）、および、カソード電極（２３）がこの順に積層された平板形の単セル（２）と、
上記単セルの一方の電極面側に配置され、上記単セルを保持する電気伝導性の保持部材（３）と、を有しており、
上記単セルの一方の電極表面と上記保持部材の表面とが当接することによって当接面部（ＣＰ）が構成されており、
上記単セルの一方の電極表面において、上記単セルの厚み方向のセル中心軸（Ｐ）が通る点を中心点（Ｏ）としたとき、上記電極表面のうち上記中心点を含む中央表面領域（２５）内の少なくとも一部が、上記保持部材の表面に固定されており、
上記単セルは、上記カソード電極側が凹反りまたは凸反りとなるように変形された状態で保持されている、
固体酸化物形燃料電池セルスタック（１）にある。

上記固体酸化物形燃料電池セルスタックでは、単セルの一方の電極表面のうち中央表面領域内の少なくとも一部が、保持部材の表面に固定されている。そのため、保持部材と単セルとの電気的な接続が確保される。また、当接面部に沿って単セルの変形を逃がすことができるので、単セルの形状を保持したまま単セルの拘束による応力分布を小さくすることができる。それ故、上記固体酸化物形燃料電池セルスタックによれば、集電性の悪化とクラックの発生とを抑制することが可能になる。

なお、特許請求の範囲および課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、実施形態１の固体酸化物形燃料電池セルスタックの断面の一部を模式的に示した説明図である。 図２は、実施形態１の固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて、単セルをアノード電極表面側から見た平面図である。 図３は、実施形態１の固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて、保持部材を構成する保持部の変形例を示した図である。 図４は、実施形態１の固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて、中央表面領域を説明するための図である。 図５は、実施形態１の固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて、中央表面領域を説明するためのその他の図である。 図６は、実施形態１の固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて、中央表面領域内の少なくとも一部と保持部材の表面との固定部位の構成例を示した図である。 図７は、実施形態２の固体酸化物形燃料電池セルスタックの断面の一部を模式的に示した説明図である。

（実施形態１）
実施形態１の固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、図１～図６を用いて説明する。図１および図２に例示されるように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルスタック１（以下、単に、「セルスタック」ということがある。）は、アノード電極２１、固体電解質２２、および、カソード電極２３がこの順に積層された平板形の単セル２と、単セル２の一方の電極面側に配置され、単セル２を保持する電気伝導性の保持部材３と、を有している。セルスタック１では、単セル２の一方の電極表面と保持部材３の表面とが当接することによって当接面部ＣＰが構成されている。セルスタック１では、単セル２の一方の電極表面において、単セル２の厚み方向のセル中心軸Ｐが通る点を中心点Ｏとしたとき、電極表面のうち中心点Ｏを含む中央表面領域２５内の少なくとも一部が、保持部材３の表面に固定されている。

セルスタック１では、単セル２の一方の電極表面のうち中央表面領域２５内の少なくとも一部が、保持部材３の表面に固定されている。そのため、保持部材３と単セル２との電気的な接続が確保される。また、当接面部ＣＰに沿って単セル２の変形を逃がすことができるので、単セル２の形状を保持したまま単セル２の拘束による応力分布を小さくすることができる。それ故、セルスタック１によれば、集電性の悪化とクラックの発生とを抑制することが可能になる。以下、本実施形態のセルスタック１について詳説する。

単セル２は、アノード電極２１が支持体を兼ねるアノード支持方式、カソード電極２３が支持体を兼ねるカソード支持方式、固体電解質２２が支持体を兼ねる自立膜方式、単セル２以外の保持部材等が支持体となる他部材支持方式など、種々の支持方式にて構成することができる。図１では、アノード電極２１の厚みが固体電解質２２やカソード電極２３の厚みよりも大きなアノード支持方式の単セル２が例示されている。単セル２がアノード支持方式である場合には、アノード２１の還元時に単セル２に生じる熱応力によって単セル２の変形が大きくなりやすい。そのため、この場合には、保持部材３と単セル２との電気的な接続を確保しつつ、単セル２の変形を逃がすことができるので、本開示による効果を十分に享受することができる。また、他部材支持方式の場合には、アノード電極２１またはカソード電極２３に支持体としての機能が不要なため、電極厚みを薄くしやすくなり、ガス拡散抵抗の低減、オーミック抵抗の低減等に有利である。

図１では、固体電解質２２の一方面にアノード電極２１が接合され、固体電解質２２の他方面に中間層２４を介してカソード電極２３が接合されてなる単セル２が例示されている。中間層２４は、主に、固体電解質材料とカソード電極材料との反応を抑制するための層である。なお、単セル２は、固体電解質２２とカソード電極２３との間に中間層２４が配置されていない構成とすることもできる。また、図１では、単セル２は四角形状に形成されており、カソード電極２３の外形が、単セル２の各部位の外形に比べて小さく形成されている例が示されている。なお、単セル２は、円形状等の形状に形成されていてもよい。

固体電解質２２を構成する固体電解質材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア等の酸化ジルコニウム系酸化物などが挙げられる。アノード電極２１を構成するアノード電極材料としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ等の触媒と、上記酸化ジルコニウム系酸化物とを含む混合物などが挙げられる。カソード電極２３を構成するカソード電極材料としては、例えば、ランタン－ストロンチウム－コバルト系酸化物、ランタン－ストロンチウム－コバルト－鉄系酸化物等の遷移金属ペロブスカイト型酸化物、あるいは、上記遷移金属ペロブスカイト型酸化物と、セリアやセリアにＧｄ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｃａ、および、Ｈｏから選択される１種または２種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体とを含む混合物などが挙げられる。中間層２４を構成する中間層材料としては、例えば、セリアや上記セリア系固溶体などが挙げられる。

カソード電極２３がランタン－ストロンチウム－コバルト系酸化物やランタン－ストロンチウム－コバルト－鉄系酸化物等を含む場合、カソード電極２３の活性を向上させることができる。その一方で、これら酸化物は、上述した他の単セル２の構成材料に比べると線熱膨張係数が大きい。そのため、従来セルスタックでは、温度変化による単セル２の変形が大きくなり、導電経路の途切れによる集電性悪化が生じやすかった。これに対し、本実施形態のセルスタック１は、単セル２が保持部材３によって部分的に固定されているだけであるので、単セル２の形状を保持したまま単セル２の変形を逃がし、集電性を確保することができる。そのため、この構成によれば、カソード電極２３の活性向上と集電悪化の抑制との両立を図ることが可能になる。単セル２において、カソード電極２３の線熱膨張係数は、具体的には、固体電解質２２およびアノード電極２１（中間層２４を設ける場合には、固体電解質２２、アノード電極２１、および、中間層２４）の線熱膨張係数よりも大きい構成とすることができる。なお、線熱膨張係数の大小関係は、７００℃で比較される。

保持部材３は、単セル２の一方の電極面側に配置される。つまり、保持部材３は、単セル２のアノード電極面側に配置されていてもよいし、単セル２のカソード電極面側に配置されていてもよい。図１では、単セル２のアノード電極面側に保持部材３が配置されている例が示されている。なお、アノード電極面は、単セル２の面内方向に沿うアノード電極２１の表面である。カソード電極面は、単セル２の面内方向に沿うカソード電極２３の表面である。なお、保持部材３は、単セル３の一方の電極面側の集電体として機能することができる。

保持部材３は、単セル２を保持している。図１では、単セル２が、カソード電極２３側が凹反りとなるように変形された状態で保持されている例が示されている。この構成によれば、単セル２の反り量を調節することにより、カソード電極２３の内部残留応力を緩和することができる。具体的には、単セル２の焼成後にカソード電極２３に内部引張応力が生じている場合に、単セル２をカソード電極２３側が凹反りとなるように強制的に変形させて保持することにより、カソード電極２３に圧縮応力を付加することができる。そのため、カソード電極２３内の内部引張応力が緩和され、カソード電極２３の界面等でのクラックが発生し難くなる。なお、単セル２は、焼成後の単セル２の内部残留応力を緩和することができれば、カソード電極２３側が凸反りとなるように変形された状態で保持されていてもよい。

保持部材３は、具体的には、図１に例示されるように、保持部材３の本体をなす本体部３１と、本体部３１の表面に結合され、単セル２を保持する保持部３２と、を有する構成とすることができる。この構成によれば、本体部３１によって構造強度を確保し、保持部３２によって単セル２の保持形状を調節する等、各部位の機能を分離することができる。また、この構成によれば、本体部３１、保持部３２の材質や微構造の選択自由度を向上させることができる利点もある。保持部材３は、具体的には、例えば、本体部３２を中実の金属材料より構成し、保持部３２を焼結金属より構成することができる。この構成によれば、本体部３１による構造強度と、保持部３２による単セル２の保持形状の調節性とに優れる。

本体部３１は、例えば、図１に例示されるように、保持部３２が形成される保持部形成面部３１０を有する構成とすることができる。保持部形成面部３１０は、例えば、板状の形状を呈することができる。また、保持部形成面部３１０は、複数の貫通孔３１１を有する構成とすることができる。この構成によれば、複数の貫通孔３１０を通じて、単セル２の一方の電極面にガス（保持部形成面部３１０側にアノード電極２１が配置される場合は燃料ガスＦ、保持部形成面部３１０側にカソード電極２３が配置される場合は酸化剤ガスＡ）を供給することができる。また、保持部形成面部３１０側にアノード電極２１が配置される場合には、発電で生じた水蒸気ガス（不図示）を複数の貫通孔３１１を通じて排出することができる。

保持部３２は、例えば、図１に例示されるように、凹面状に形成された凹表面３２０を有する構成とすることができる。この構成によれば、単セル２を、カソード電極２３側が凹反りとなるように変形させた状態で保持しやすくなる。なお、図１では、保持部３２の凹表面３２０は、保持部３２の外縁部から中央部に向かって段階的に保持部３２の厚みが薄くされることによって外縁部に対して中央部がへこんでいる例が図示されている。保持部３２の凹表面３２０は、図３に例示されるように、保持部３２の外縁から中央部に向かって滑らかにへこんでいる構成とされていてもよい。

保持部３２は、図１に例示されるように、上述した保持部形成面部３１０に形成された貫通孔３１１を塞がないように設けられることができる。具体的には、保持部３２は、保持部形成面部３１０の貫通孔３１１に対応して形成された貫通孔３２１を有する構成とすることができる。この構成によれば、複数の貫通孔３１１を通じた、単セル２の一方の電極面へのガス供給、単セル２の一方の電極面とのガス交換を確実なものとすることができる。なお、保持部３２を多孔質に形成した場合には、貫通孔３２１は省略することができる。

保持部３２は、具体的には、それぞれ形状の異なる複数のシート材が積層され一体化された状態とすることができる。この構成によれば、それぞれ形状の異なる複数のシート材を積層し一体化することによって保持部３２を形成することができる。そのため、この構成によれば、保持部３２の形状設計の自由度を向上させることができ、また、凹表面３２０を有する保持部３２の形成も容易となる。なお、図１および図３に例示される保持部３２は、例えば、穴がそれぞれ形成された複数のシート材を積層し一体化することなどにより形成することができる。より具体的には、図１に例示した保持部３２は、大きさの異なる穴がそれぞれ形成された複数のシート材を準備し、穴の大きさが段々大きくなるように各シート材を順に積層し、圧着後、熱処理を加える方法等によって形成することができる。また、図２に例示した保持部３２は、上述のように穴の大きさが段々大きくなるように各シート材を順に積層した後、段差がなくなるように段差をならし、上記と同様に形成することができる。

保持部材３は、電気伝導性の材料より構成される。保持部材３を構成する材料としては、電気伝導性の確保が容易であるなどの観点から、金属（合金を含む、以下省略）などを好適に用いることができる。この際、金属は１種または２種以上併用することができる。

本体部３１は、具体的には、Ｃｒ（クロム）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、および、Ｔｉ（チタン）からなる群より選択される少なくとも１種の成分を含む金属より構成することができる。本体部３１は、好ましくは、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０等）、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵ３０４等）、Ｆｅ－Ｃｒ合金、Ｎｉ－Ｃｒ合金、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｓｉ合金などのＣｒを含有する合金などより構成することができる。この構成によれば、電気伝導性、耐腐食性、構造強度、コスト等のバランスがよい。

保持部３２は、具体的には、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、および、Ｐｔ（白金）族からなる群より選択される少なくとも１種の成分を含む金属より構成することができる。なお、Ｐｔ族は、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）であり、好ましいＰｔ族は、電気伝導性、耐酸化性などの観点から、Ｐｔであるとよい。保持部３２は、好ましくは、Ｎｉ、Ｃｒ、および、Ｆｅからなる群より選択される少なくとも１種の成分を含む金属より構成することができ、より好ましくは、Ｎｉ－Ｃｒ合金、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ合金、Ｎｉ－Ｆｅ合金などより構成することができる。この構成によれば、本体部３１との密着性が向上するなどの利点がある。

保持部材３は、セル中心軸Ｐに沿う断面視で、単セル２の一方の電極表面の端部部分における厚みと、セル中心軸Ｐ部分における厚みとが異なる構成とすることができる。この構成によれば、反りを加えた状態での単セル２の保持が確実なものとなる。本実施形態では、具体的には、図１に例示されるように、アノード電極２１表面の端部部分における保持部材３の厚みをｔ_ｅ、セル中心軸Ｐ部分における保持部材３の厚みをｔ_ｃとしたとき、ｔ_ｃ＜ｔ_ｅの関係を満たしている。この構成によれば、カソード電極２３側が凹反りとなるように単セル２が変形された状態が確実なものとなる。なお、ｔ_ｅおよびｔ_ｃは、セル中心軸Ｐに沿う断面視を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察することにより求めることができる。

セルスタック１では、単セル２の一方の電極表面と保持部材３の表面とが当接することによって当接面部ＣＰが構成されている。本実施形態では、図１に例示されるように、アノード電極２１表面と保持部材３を構成する保持部３２の凹表面３２１とが当接することによって当接面部ＣＰが構成されている。

ここで、セルスタック１では、単セル２の一方の電極表面において、単セル２の厚み方向のセル中心軸Ｐが通る点を中心点Ｏとしたとき、電極表面のうち中心点Ｏを含む中央表面領域２５内の少なくとも一部が、保持部材３の表面に固定されている。図１では、アノード電極２１表面において、単セル２の厚み方向のセル中心軸Ｐが通る点を中心点Ｏとしたとき、アノード電極２１表面のうち中心点Ｏを含む中央表面領域２５内の少なくとも一部が、保持部材３の表面に固定されている例が示されている。

中央表面領域２５は、具体的には、次のように決定される。図４に例示されるように、単セル２の全体形状を、単セル２のセル中心軸Ｐ方向に投影し、単セル２の投影形状２０１を求める。投影形状２０１の図心Ｏ’から投影形状２０１の外周輪郭２０２までの距離をａとしたとき、図心Ｏ’からａ×１/３となる点を繋ぐことにより閉曲線２０３が定まる。単セル２の一方の電極表面において、上記により定まる閉曲線２０３内の領域（図４では斜線が付された部分）を構成する領域が、中央表面領域２５とされる。つまり、単セル２の一方の電極表面のうち、上記により定まる閉曲線２０３内の領域に対応する領域が、中央表面領域２５とされる。閉曲線２０３は、好ましくは、図心Ｏ’からａ×１/４となる点、より好ましくは、図心Ｏ’からａ×１/５となる点を繋ぐことにより定められることができる。この場合には、中央表面領域２５の面積がより小さくなるので、よりセル中心軸Ｐに近い位置で単セル２が固定される。そのため、この場合には、本開示の効果をより確実なものとすることが可能になる。なお、本実施形態では、図１および図２において四角形状の外形を有する単セル２を例示しているため、図４では、四角形状の外周輪郭２０２を有する投影形状２０１が描かれている。単セル２が円形状の外形を有する場合には、図５に例示されるように、投影形状２０１は、円形状の外周輪郭２０２を有することになる。

中央表面領域２５内の少なくとも一部と保持部材３の表面との固定部位２５０の構成は、特に限定されない。例えば、図６（ａ）～図６（ｅ）に例示されるように、固定部位２５０は、中央表面領域２５内の一部が保持部材３の表面に固定されることにより構成されていてもよいし、図６（ｆ）に例示されるように、中央表面領域２５内の全域が保持部材３の表面に固定されることにより構成されていてもよい。また、中央表面領域２５内の一部が、保持部材３の表面に固定される場合、固定部位２５０は、図６（ａ）～図６（ｄ）に例示されるように、１点で構成されていてもよいし、複数点で構成されていてもよい。また、固定部位２５０は、図６（ａ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）、図６（ｅ）に例示されるように、中心点Ｏと重なるように構成されていてもよいし、図６（ｂ）に例示されるように、中心点Ｏと重ならないように構成されていてもよい。また、固定部位２５０は、図６（ａ）～図６（ｄ）に例示されるように、１つまたは複数のドット状等とされていてもよいし、図６（ｅ）に例示されるように、１本または複数本の線状等とされていてもよい。

なお、中央表面領域２５内の少なくとも一部と保持部材３の表面との固定には、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ族、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、これらの合金等の金属を好適に用いることができる。

中央表面領域２５内の少なくとも一部は、具体的には、セル中心軸Ｐに垂直な方向に単セル２が位置ずれしない（動かない）ように保持部材３の表面に固定されることができる。つまり、固定部位２５０は、セル中心軸Ｐに垂直な方向に動かないよう不動状態で固定されることができる。この構成によれば、本開示による効果を得やすくなる。なお、セルスタック１では、単セル２の一方の電極表面のうち、中央表面領域２５の外周にある外周表面領域２６（図６参照）については、外周表面領域２６内の一部が、保持部材３の表面に固定されていてもよいし、固定されていなくてもよい。詳しくは、実施形態２で述べる。

セルスタック１において、保持部材３が本体部３１と保持部３２とを有している場合、中央表面領域２５内の少なくとも一部は、図１に例示されるように、直接、本体部３１に固定されている構成とすることができる。この構成によれば、比較的少ない構成で本開示による効果を実現しやすくなるなどの利点がある。また、この構成によれば、中央表面領域２５が保持部３２に固定されている場合に比べて、保持部３２の電気抵抗、および、中央表面領域２５／保持部３２の間の接触抵抗、保持部３２／本体部３１の間の接触抵抗がなくなるため、電気伝導抵抗がより少なくて済むなどの利点もある。さらには、この構成によれば、保持部３２の厚み分の通気抵抗がなくなるので、燃料ガスＦなどのガスの通気抵抗がより少なくて済むなどの利点もある。なお、本体部３１への中央表面領域２５内の少なくとも一部の固定は、例えば、開口３２２を有する保持部３１を用い、開口３２２を介して行われることができる。この構成によれば、比較的簡単に、保持部３２にて単セル２を保持しつつ、中央表面領域２５の表面と本体部３１の表面とが接するように配置することができるので、中央表面領域２５内の少なくとも一部を開口３２２を介して本体部３１に比較的容易に固定することができる。また、この構成によれば、組み付けが容易になるなどの利点もある。

セルスタック１は、図１に例示されるように、セパレータ（インタコネクタ）５をさらに有することができる。セパレータ５は、隣り合う単セル２同士を電気的に直列に接続するとともに、単セル２のアノード電極２１側に供給される燃料ガスＦと、単セル２のカソード電極２３側に供給される酸化剤ガスＡとを隔てる役割を有している。また、セルスタック１は、単セル２の他方の電極面に接する集電体５０を有する構成とすることができる。本実施形態では、具体的には、セパレータ５とカソード電極２３との間に、カソード電極面に接するように集電体５０を配置することができる。この構成によれば、スタック部材を用いて単セル２をスタック化した際に、保持部３２の凹表面３２０等、保持部材３の表面に単セル２をカソード電極２３側から集電体５０によって押さえ付け、カソード電極２３側が凹反りとなるように単セル２を変形させたまま保持しやすくなる。なお、セパレータ５、集電体５０は、保持部材３と同様の金属材料等より構成することができる。また、集電体５０は、セパレータ５と一体化されていてもよい。

セルスタック１は、図１に例示されるように、保持部材３に保持された単セル２とセパレータ５とが交互に積層された積層構造を有する構成とすることができる。なお、図１では、単セル２の外周縁が、シール部材６２を間に挟んだ状態でリテーナ部材６１によって保持部材３に固定されている例が示されている。セルスタック１において、保持部材３とセパレータ５との間は、アノード電極２１に燃料ガスＦを供給するための燃料ガス流路７１とすることができる。一方、カソード電極２３とセパレータ５との間は、カソード電極２３に酸化剤ガスＡを供給するための酸化剤ガス流路７２とすることができる。

（実施形態２）
実施形態２の固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、図７を用いて説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態のセルスタック１は、図７に例示されるように、単セル２の一方の電極表面のうち、中央表面領域２５の外周にある外周表面領域２６内の一部が、保持部材３の表面に固定されている。そして、セルスタック１では、中央表面領域２５と保持部材３の表面との間の固定力が、外周表面領域２６と保持部材３の表面との間の固定力よりも大きい構成とされている。

この構成によれば、単セル２の一方の電極表面と保持部材３との電気的な接触性を高めつつ、固定力の弱い外周表面領域２６と保持部材３の表面との固定部位２６０が当接面部ＣＰに沿って微小変形することにより、単セル２の変形を逃がすことができる。なお、上記固定力は、単セル２を、単セル２の厚み方向のセル中心軸Ｐ方向に引っ張り、先にとれた方を固定力が小さいと判断することができる。以下、これを詳説する。

図７では、アノード電極２１表面のうち、外周表面領域２６内の一部が、保持部材３の表面に固定されている例が示されている。具体的には、アノード電極２１表面のうち、外周表面領域２６内の一部が、保持部３２の凹表面３２０に固定されている。本実施形態では、より具体的には、保持部３２の凹表面３２０は、外縁部から中央部に向かって段々にへこむ段部３２０ａを有しており、段部３２０ａのエッジ部３２０ｂがアノード電極２１表面に化学的結合により固定されている。なお、図７中、丸印をつけた箇所が、外周表面領域２６における固定部位２６０である。エッジ部３２０ｂによる固定によれば、固定力が過度に大きくならず、当接面部ＣＰに沿って固定部位２６０がわずかに動くことができる。そのため、この構成によれば、保持部３２とアノード電極２１との電気的な接触を確保しつつ、単セル２の変形を逃がすことができる。その他の構成および作用効果は、実施形態１と同様である。

（実験例）
＜単セルの準備＞
アノード電極形成用シート、固体電解質形成用シート、および、中間層形成用シートをこの順に積層し、静水圧プレス(ＷＩＰ)成形法を用いて圧着することにより、成形体を得た。成形体は、圧着後に脱脂した。なお、ＷＩＰ成形条件は、温度８５℃、加圧力５０ＭＰａ、加圧時間１０分という条件とした。

次いで、上記成形体を、大気雰囲気中にて１３５０℃で２時間焼成した。これにより、アノード電極（厚み４００μｍ）、固体電解質（厚み３．５μｍ）、中間層（厚み３μｍ）がこの順に積層された焼成体を得た。

次いで、上記焼成体における中間層の表面に、カソード電極形成用ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、大気雰囲気中にて９５０℃で２時間焼成（焼付）することにより、カソード電極（厚み５０μｍ）を形成した。この際、カソード電極の外形は、アノード電極の外形よりも小さく形成した。これにより平板形の単セルを得た。なお、アノード電極は、ＮｉＯと８ｍｏｌ％のＹ_２Ｏ_３を含むイットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）からなる。固体電解質は、８ＹＳＺからなる。中間層は、１０ｍｏｌ％のＧｄがドープされたＣｅＯ_２（１０ＧＤＣ）からなる。カソード電極は、Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣｏＯ_３（ＬＳＣ）からなる。また、単セルは、四角形状であり、焼成後の状態ではカソード電極側に凸となるように反っている。したがって、単セルは、セル厚み方向に沿う断面視で、カソード電極中心部が外方に突き出た状態にある。

＜スタック用部材の準備＞
スタック用部材として、保持部材の本体部と、保持部材の保持部形成用シートと、集電体（本例ではＳＵＳ４３０製のメッシュ部材）と、封止用ガラスとを準備した。本体部は、Ｆｅ－Ｃｒ合金（本例ではＳＵＳ４３０）よりなり、複数の貫通孔が形成された平坦な板状の形状を呈する保持部形成面部を有している。保持部形成用シートは、Ｎｉを主成分としており、次のようにして準備した。

Ｎｉ粉末（平均粒子径：０．４μｍ）と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルと、１－ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。上記スラリーを、ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の金属含有シート（厚み５０μｍ）を形成した。なお、上記平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が５０％を示すときの粒子径（直径）ｄ５０である。

上記のようにして金属含有シートを６枚形成した後、シート中心に所定の開口径を有する穴を形成した。具体的には、直径４０．６ｍｍの穴を形成した金属含有シート１、直径４９．８ｍｍの穴を形成した金属含有シート２、直径５７．５ｍｍの穴を形成した金属含有シート３、直径６２．３ｍｍの穴を形成した金属含有シート４、直径７０．４ｍｍの穴を形成した金属含有シート５、直径７６．０ｍｍの穴を形成した金属含有シート６を準備した。そして、最も穴径の小さい金属含有シート１の上に、金属含有シート２、金属含有シート３、金属含有シート４、金属含有シート５、金属含有シート６を穴の中心を合わせて順に積層した後、ＷＩＰ成形法にて一体化することにより、複数の金属含有シートの穴が重なって形成された凹表面を有する保持部形成用シートを準備した。準備した保持部形成用シートは、６０℃にて３０分アニールし、乾燥による形状変化の抑制処理を施した後、レーザー加工により、保持部形成面部の貫通孔と対応させて、厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成した。

＜セルスタックユニットの作製＞
保持部材を構成する本体部の保持部形成面部の表面に、保持部形成用シート、単セルをこの順に積層した。この際、保持部形成用シートは、最も穴径の小さい金属含有シートのシート面を保持部形成面部側に向けた状態で積層した。また、単セルは、保持部形成用シートの凹表面にアノード電極を向けた状態で積層した。なお、アノード電極の中央表面領域内の中心点には、直径２ｍｍにてドット状にＡｇペーストを塗布した。また、単セルの端面には封止用ガラスを塗布した。

次いで、集電体を単セルのカソード電極表面から荷重３０００Ｎにて押し付けることにより、保持部形成用シートの凹表面に単セルをカソード側から押さえ付け、カソード側が凹反りとなるように単セルを変形させた。つまり、カソード側が凸（アノード側が凹）とされていた単セルを、カソード側が凹（アノード側が凸）となるように変形させた。そして、上記変形状態を維持したまま、上下に配置したセパレータ同士をねじ固定し、セルスタックユニットとした。

次いで、上記により得られたセルスタックユニットを、大気雰囲気中にて８５０℃まで昇温し、保持部形成用シートを金属（合金含む）焼結体からなる保持部とするとともに、ＡｇペーストをＡｇ層とした。また、上記加熱によって、単セルの端面を封止用ガラスにて封止した。

次いで、８００℃まで降温後、還元性ガス（水素を含むガス、具体的には、水素ガス）をアノードに導入し、アノードの還元を完了させた。その後、アノードに還元ガスを流したまま室温まで降温した。これにより、セルスタックに用いる試料１のセルスタックユニットを作製した。

試料１のセルスタックユニットの作製において、保持部形成用シートを用いなかった点以外は同様にして、試料１Ｃのセルスタックユニットを作製した。なお、試料１Ｃのセルスタックユニットでは、平坦な保持部形成面部に単セルが押し付けられている。そのため、単セルは、平坦な保持部形成面部の表面に沿っており、カソード側が凹反りとなるように反ってはいない。また、試料１Ｃのセルスタックユニットでは、単セルは保持部材に結合されていないので、単セルが熱応力による変形によって自由に動く状態にある。

＜評価１＞
試料１のセルスタックユニットを分解し、単セルと保持部材との固定状況を確認した。その結果、アノード電極面のうち中央表面領域内の少なくとも一部が、本体部の表面にＡｇ層を介して結合し固定されていた。また、本実験例では、さらに、アノード電極表面のうち外周表面領域内の一部が、保持部の凹表面に固定されていた。これは、保持部形成材料にＮｉを用いたためである。なお、この結果から、外周表面領域内の一部が保持部材に固着しないようにするには、上記熱処理によって固着を生じない金属材料を用いればよいことが理解される。また、外周表面領域内の一部は、保持部の凹表面に形成された段部のエッジ部に固定されていた。単セルをセル中心軸方向に引っ張ったところ、外周表面領域内の固定部位が先にとれた。したがって、中央表面領域と保持部材の表面との間の固定力は、外周表面領域と保持部材の表面との間の固定力よりも大きかったことが確認された。

＜評価２＞
セルスタックユニット全体を熱硬化性樹脂にて固め、空隙部分がない状態とした後、このセルスタックユニットから単セルを切り出した。次いで、単セルのセル厚み方向に沿う断面から、セル形状を三次元計測機（キーエンス社製、「ＶＬ３０００」）にて計測した。その結果、試料１Ｃについては、単セルのカソード側が凸反りとなっていることが確認された。そのため、試料１Ｃでは、保持部形成面部からアノード電極が浮き上がった状態となっている箇所が見られた。これに対し、試料１については、カソード側が凹反りとなるように変形された状態で単セルが保持部によって保持されていることが確認された。

次いで、上記切り出した単セルの断面を研磨し、イオンミリングを行うことにより、中間層とカソード電極との接合部周辺を精密観察できるようにし、断面ＳＥＭ観察を行った。その結果、試料１Ｃについては、中間層とカソード電極との接合部にクラックが確認された。これに対し、試料１では、中間層とカソード電極との接合部にクラックは見当たらず、クラックの発生が抑えられていることが確認された。これは、試料１では、当接面部に沿って単セルの変形を逃がすことができ、単セルの拘束による応力分布を小さくすることができたためである。

本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。

１ 固体酸化物形燃料電池セルスタック
２ 単セル
２１ アノード電極
２２ 固体電解質
２３ カソード電極
３ 保持部材
ＣＰ 当接面部
Ｐ セル中心軸
Ｏ 中心点
２５ 中央表面領域

Claims (6)

1. アノード電極（２１）、固体電解質（２２）、および、カソード電極（２３）がこの順に積層された平板形の単セル（２）と、
   上記単セルの一方の電極面側に配置され、上記単セルを保持する電気伝導性の保持部材（３）と、を有しており、
   上記単セルの一方の電極表面と上記保持部材の表面とが当接することによって当接面部（ＣＰ）が構成されており、
   上記単セルの一方の電極表面において、上記単セルの厚み方向のセル中心軸（Ｐ）が通る点を中心点（Ｏ）としたとき、上記電極表面のうち上記中心点を含む中央表面領域（２５）内の少なくとも一部が、上記保持部材の表面に固定されており、
   上記単セルは、上記カソード電極側が凹反りまたは凸反りとなるように変形された状態で保持されている、
   固体酸化物形燃料電池セルスタック（１）。
2. 上記電極表面のうち上記中央表面領域の外周にある外周表面領域（２６）内の一部が、上記保持部材の表面に固定されており、
   上記中央表面領域と上記保持部材の表面との間の固定力は、上記外周表面領域と上記保持部材の表面との間の固定力よりも大きい、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
3. 上記保持部材は、上記セル中心軸に沿う断面視で、上記単セルの一方の電極表面の端部部分における厚みと、上記セル中心軸部分における厚みとが異なっている、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
4. 上記保持部材は、当該保持部材の本体をなす本体部（３１）と、上記本体部の表面に結合され、上記単セルを保持する保持部（３２）と、を有しており、
   上記中央表面領域内の少なくとも一部が、上記本体部に固定されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
5. 上記保持部は、それぞれ形状の異なる複数のシート材が積層され一体化された状態にある、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
6. 上記保持部が開口（３２２）を有しており、
   上記開口を介して、上記中央表面領域内の少なくとも一部が上記本体部に固定されている、請求項４または５に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。

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