JP5066351B2 - セラミックス薄板体を備えるデバイス - Google Patents

Description

本発明は、少なくともセラミックスシートを含む焼成された薄板体と、その薄板体を支持する支持部材と、を備えるデバイスに関する。

従来から、セラミックスシートを含む焼成された薄板体は、例えば、センサ、アクチュエータ及び固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）等の種々のデバイスに用いられて来ている。例えば、デバイスがＳＯＦＣである場合、薄板体は、セラミックスである固体電解質ジルコニアと、その固体電解質ジルコニアの一面に形成された燃料極層と、その固体電解質ジルコニアの他面に形成された空気極層と、からなる焼成体である。更に、燃料流路が燃料極層と対向する部分に形成され、空気流路が空気極層と対向する部分に形成される。この種の薄板体は、少なくとも二箇所の部分（多くの場合、全周）において支持部材に固定され、デバイスを構成している。（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００４−３４２５８４号公報

このようなデバイスを小型化するためには、薄板体自体の厚さを小さくするとともに、その薄板体を収容しているデバイスのケース等（例えば、支持部材の厚さ）も小さくする必要がある。一方、デバイス（薄板体及び／又は支持部材）の温度が急激に変化する場合、薄板体と支持部材との間に膨張量の差が発生する。しかしながら、薄板体は少なくとも二箇所の部分において支持部材に拘束（固定）されているので、薄板体と支持部材との間の膨張量の差によって薄板体に大きな応力が加わる。このため、薄板体の特に中央部近傍が変形し、小型化されたデバイスにおいては薄板体が支持部材等に当接することがある。この結果、デバイスの信頼性が低下する等の種々の問題が発生する。

より具体的に述べると、例えば、デバイスが小型化されたＳＯＦＣであれば、前記薄板体に直交する方向における燃料流路の距離（高さ）及び空気流路の距離（高さ）は非常に小さくなる。一方、燃料電池に発電を開始させようとするとき又は発電を終了させようとするとき、単セルとしての薄板体の温度及び支持部材の温度は急激に変化する。その結果、薄板体と支持部材との間に伸縮量（膨張量）の差が発生して薄板体に大きな応力が加わるので、薄板体の特に中央部近傍が変形して燃料流路及び／又は空気流路を閉じてしまうという問題が発生する。また、薄板体が燃料流路又は空気流路を閉じない程度に変形した場合であっても、それらの流路を流体が流れる際の圧損が薄板体の変形によって増大する。従って、本発明の目的の一つは、小型化されたデバイスであって、デバイスの温度変化に対して所期の性能を安定して発揮することが可能なデバイスを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明によるデバイスは、少なくともセラミックスシートを含む焼成された薄板体と、前記薄板体を支持する支持部材と、を備えるデバイスである。このような薄板体の厚さは、小型化する観点から、例えば５μｍ以上且つ１００μｍ以下であり、且つ、薄板体全体にわたって均一であることが望ましい。

更に、このデバイスにおいて、前記薄板体は、同薄板体の少なくとも二箇所の部分において前記支持部材に固定され、且つ、同薄板体の一つの平面から突出した凸状部を複数備えるとともに同平面から陥没した凹状部を複数備えている。この場合、薄板体の一面側から見た凸状部及び凹状部は、同薄板体の他面側から見ればそれぞれ凹状部及び凸状部である。

このように、薄板体は薄板体の少なくとも二箇所の部分において支持部材に固定されている。この場合、支持部材に固定される薄板体の少なくとも二箇所は、薄板体が平面視において多角形であれば、その多角形を構成する二つの辺（対向する二辺及び隣接する二辺等）のそれぞれに沿った少なくとも二つの領域であってよく、その多角形の総ての辺のそれぞれに沿った二以上の領域（外周部の全周）を含む領域であってもよい。また、薄板体は平面視において円形（真円、長円及び楕円等）であってもよい。その場合、支持部材に固定される薄板体の少なくとも二箇所は、その円に対して描かれる二つの異なる絃を含む領域であってもよく、外周部の総ての領域であってもよい。

一方、薄板体及び支持部材は、その温度変化により伸縮しようとする。このとき、薄板体と支持部材との間に伸縮量の差が生じる。しかしながら、薄板体は少なくとも二箇所の部分において支持部材に固定されているから、薄板体が従来の薄板体のように平坦であると（即ち、薄板体が上記凸状部及び上記凹状部を備えていないと）、薄板体の平面に沿った方向に大きな応力（引張り応力又は圧縮応力）が発生し、薄板体或いは接合部（薄板体と支持部材との固定部）が破損するか、薄板体の特に中央部近傍が薄板体の平面と直交する方向に変形してしまう。これに対し、本発明のデバイスにおける薄板体は、薄板体の平面から突出した凸状部を複数備えるとともに同平面から陥没した凹状部を複数備えているから、それらの凸状部及び凹状部が上記温度変化による薄板体の平面に沿った方向の薄板体と支持部材との間の伸縮量差を吸収するように変形する。換言すると、前記伸縮量差により薄板体内部に発生する応力が薄板体の平面方向と直交する方向にも分散される。この結果、本発明によるデバイスの薄板体は、その中央部近傍が薄板体の平面と直交する方向に変形し難いので、同デバイスは薄板体の温度変化に対して所期の性能を安定して発揮することができる。更に、薄板体或いは接合部が破損することを回避できる。

また、この薄板体と支持部材とからなる構造体（デバイス）が複数段にわたって積み上げられてなるＳＯＦＣスタックを構成する場合、各薄板体の両面にはそれぞれ燃料ガス及び空気ガスが接触することになる。このとき、両ガスの圧力に差があると、そのガスの圧力差が外力となって薄板体へ作用する。このため、薄板体が変形して流路幅を狭めてしまう可能性がある。しかしながら、本発明によれば、薄板体が上記凸状部及び上記凹状部を備えているので変形し難く、その結果、流路幅を狭めてしまう可能性が低減される。

一方、前記複数の凸状部のうちの少なくとも一対の凸状部は、各凸状部の最高点に位置する頂部が前記平面に沿う方向であって互いに交差する方向に連続的に伸びるように形成され、且つ、前記複数の凹状部のうちの少なくとも一対の凹状部は、各凹状部の最低点に位置する底部が前記平面に沿う方向であって互いに交差する方向に連続的に伸びるように形成されている。

このように、凸状部が「薄板体の平面に沿う所定の方向に長手方向を有する山脈状」であり、凹状部が「薄板体の平面に沿う所定の方向に長手方向を有する溝状」であれば、そのような凹状部及び凸状部はデバイスの温度変化に伴う薄板体と支持部材との間の伸縮量差を容易に吸収するように変形する。従って、薄板体の特に中央部近傍が同薄板体の平面と直交する方向へ変形することをより効果的に抑制することができる。なお、この山脈状の凸状部及び／又は溝状の凹状部は、薄板体上部から見た形状（薄板体の平面視における形状）が直線的であっても良いし、曲線的であっても良い。

この場合、凸状部の頂部が連なる方向（連続的に伸びる方向）又は凹状部の底部が連なる方向（連続的に伸びる方向）は、前記少なくとも二箇所のうちの一つの箇所（領域）内の所定の点（第１地点）と、前記少なくとも二箇所のうちの他の一つの箇所（領域）内の所定の点（第２地点）と、を結んだ直線と直交する方向であることが好ましい。これによれば、そのような凹状部及び凸状部は、デバイスの温度変化に伴う薄板体と支持部材との間の伸縮量差をより容易に吸収するように変形する。従って、薄板体の特に中央部近傍が同薄板体の平面と直交する方向へ変形することを一層効果的に抑制することができる。

更に、本発明によるデバイスの薄板体は、前記凸状部の最高点に位置する頂部の前記平面からの距離を前記複数の凸状部について単純平均した頂部距離平均値と、前記凹状部の最低点に位置する底部の前記平面からの距離を前記複数の凹状部について単純平均した底部距離平均値と、の和である頂部底部間距離平均値が２０μｍ以上且つ４００μｍ以下であるように構成されていることが好適である。

検討によれば、頂部底部間距離平均値が２０μｍ以上になると、薄板体に同じ撓み量を発生させるのに必要な外力が大きくなることが判明した（図１５を参照。）。つまり、頂部底部間距離平均値が２０μｍ以上になると、外力に対して薄板体が極めて変形し難くなることが判明した。一方、頂部底部間距離平均値が４００μｍ以上となると、薄板体の表面に形成された凹状部及び凸状部の曲率が大きくなることに起因して焼成体である薄板体にマイクロクラックが発生する場合があることが判明した。マイクロクラックが生じると、薄板体の強度は極端に低下する。以上のことから、頂部底部間距離平均値は、２０μｍ以上且つ４００μｍ以下であることが好ましい。

更に、本発明によるデバイスの薄板体は、以下に述べる条件の総てを満たす少なくとも一組の凸状部及び凹状部を含むことが好適である。
その条件とは、以下の通りである。
・その凸状部は前記複数の凸状部のうちの一つであること。
・その凹状部は前記複数の凹状部うちの一つであること。
・その凹状部はその凸状部に隣接していること。
・その凸状部の頂部とその凹状部の底部との前記平面（薄板体の平面）に沿う方向の距離（以下、「頂部底部平面方向距離」と称呼する。）が０．０５ｍｍ以上且つ１．００ｍｍ以下であること。

検討によれば、頂部底部平面方向距離が１．００ｍｍ以下となると、薄板体に同じ撓み量を発生させるのに必要な外力が大きくなることが判明した（図１６を参照。）。つまり、頂部底部平面方向距離が１．００ｍｍ以下となると、外力に対して薄板体が極めて変形し難くなることが判明した。一方、頂部底部平面方向距離が５０μｍ未満であって凸状部と凹状部とが極めて近接した状況になると、焼成体である薄板体にマイクロクラックが発生する場合があることが判明した。マイクロクラックが生じると、薄板体の強度は極端に低下する。以上のことから、頂部底部平面方向距離は、０．０５ｍｍ（５０μｍ）以上且つ１．００ｍｍ（１０００μｍ）以下であることが好ましい。

更に、本発明によるデバイスの薄板体は、セラミックスシートのみの単層体であってもよく、セラミックスシートと同セラミックスシートとは熱膨張率が相違する材料からなるシートとの積層体（積層焼成体）であってもよい。この場合、前記薄板体は、前記セラミックススシートとしての焼成により形成された固体電解質層と、同固体電解質層の一面に焼成により形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての燃料極層と、同固体電解質層の他面に焼成により形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての空気極層と、を備えることが好適である。これによれば、小型化され且つ安定した発電を長期に行い得るＳＯＦＣが提供される。

本発明の一実施態様において、
前記支持部材は、平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第１支持部材と、前記第１支持部材と同一形状の第２支持部材と、を備え、
前記第１支持部材及び前記第２支持部材は、前記第１支持部材の上方枠体部の上に前記第２支持部材の下方枠体部が対向するように互いに同軸的に配置され、
前記薄板体は、前記第１支持部材の平面部の上面に前記空気極層が配置され且つ前記第２支持部材の平面部の下面に前記燃料極層が配置されるように前記第１支持部材の上方枠体部と前記第２支持部材の下方枠体部との間に挟持され、
前記第１支持部材の平面部の上面と同第１支持部材の上方枠体部の内側壁面と前記薄板体の空気極層とにより酸素を含む気体が供給される空気流路が形成され、
前記第２支持部材の平面部の下面と同第２支持部材の下方枠体部の内側壁面と前記薄板体の燃料極層とにより水素を含む燃料が供給される燃料流路が形成されることが好ましい。

このようなデバイスを、支持部材と薄板体とが交互に配列されるように積み上げることによって、平板スタック型の小型化されたＳＯＦＣが提供される。

更に、本発明によるデバイスの薄板体は、前記薄板体単体を同薄板体の所定の支持箇所で支持するとともに同薄板体に対し同支持箇所以外の荷重印加箇所に前記平面に直交する方向であって所定の大きさの荷重を加えたときの撓み量が、前記薄板体が前記凸状部及び前記凹状部を備えることなく平坦であると仮定した場合に同仮定した薄板体単体を前記支持箇所で支持するとともに同仮定した薄板体に対し前記荷重印加箇所に前記平面に直交する方向であって前記所定の大きさの荷重を加えたときの撓み量よりも小さいように構成されていることが望ましい。

これによれば、薄板体をデバイスに組み込む作業を行う際やデバイスに組み込んだ後において薄板体が何らかの外力を受けた場合であっても、薄板体は変形し難い。従って、所期の性能を発揮し続けることが可能なデバイスを容易に製造することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係るデバイスについて説明する。本発明によるデバイスは、例えば、センサ、アクチュエータ及び燃料電池等の種々のデバイスを含む。

（燃料電池の全体構造）
図１は、本発明の一実施形態に係るデバイスである固体酸化物形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と称呼する。）１０の破断斜視図である。図２は、燃料電池１０の部分分解斜視図である。燃料電池１０は、薄板体１１と支持部材１２とが交互に積層されることにより形成されている。即ち、燃料電池１０は、スタック構造を備えている。薄板体１１は、燃料電池１０の「単セル」とも称呼される。支持部材１２は、「インターコネクタ」とも称呼される。

図２の円Ａ内に拡大して示したように、薄板体１１は、電解質層（固体電解質層）１１ａと、電解質層１１ａの上（上面）に形成された燃料極層１１ｂと、電解質層１１ａ上の燃料極層１１ｂとは反対の面（下面）に形成された空気極層１１ｃと、を有している。薄板体１１の平面形状は、互いに直交するｘ軸及びｙ軸の方向に沿う辺を有する正方形である。薄板体１１は、ｘ軸及びｙ軸に直交するｚ軸方向に厚み方向を有する板体である。

本例において、電解質層１１ａはセラミックスシートとしてのＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の緻密な焼成体である。燃料極層１１ｂは、Ｎｉ−ＹＳＺからなる焼成体であり、多孔質電極層である。空気極層１１ｃはＬＳＭ（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３：ランタンストロンチウムマンガナイト）−ＹＳＺからなる焼成体であり、多孔質電極層である。これら３つの層の熱膨張率は互いに相違している。

薄板体１１は、一対のセル貫通孔１１ｄ，１１ｄを備えている。それぞれのセル貫通孔１１ｄは、電解質層１１ａ、燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃを貫通している。一対のセル貫通孔１１ｄ，１１ｄは、薄板体１１の一つの辺の近傍であってその辺の両端部近傍領域に形成されている。薄板体１１の構造については、後に詳述する。

図３は、図２においてｘ軸と平行な１−１線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って支持部材１２を切断した支持部材１２の断面図である。

図２及び図３に示したように、支持部材１２は、平面部１２ａと、上方枠体部１２ｂと、下方枠体部１２ｃと、を備えている。支持部材１２は、Ｎｉ系耐熱合金（例えば、フェライト系ＳＵＳ、インコネル６００及びハステロイ等）から構成されている。従って、支持部材１２の熱膨張率と薄板体１１の熱膨張率は相違する。換言すると、燃料電池１０の温度が変化したとき、薄板体１１と支持部材１２との間に伸縮量差が生じる。

平面部１２ａは、ｚ軸方向に厚み方向を有する薄い平板体である。平面部１２ａの平面形状は、ｘ軸及びｙ軸方向に沿う辺を有する正方形である。

上方枠体部１２ｂは、平面部１２ａの周囲（４つの辺の近傍領域、即ち、外周近傍領域）において平面部１２ａの上方に向けて立設された枠体である。上方枠体部１２ｂは、外周枠部１２ｂ１と段差形成部１２ｂ２と段差延長部１２ｂ３とからなっている。

外周枠部１２ｂ１は、支持部材１２の最外周側に位置している。外周枠部１２ｂ１の縦断面（例えば、ｙ軸方向に長手方向を有する外周枠部１２ｂ１をｘ−ｚ平面に平行な平面により切断した断面）の形状は長方形（又は正方形）である。

段差形成部１２ｂ２は、外周枠部１２ｂ１の内周面から支持部材１２の中央に向けて延設された部分である。段差形成部１２ｂ２の下面は平面部１２ａと連接している。段差形成部１２ｂ２の縦断面（例えば、ｙ軸方向に長手方向を有する段差形成部１２ｂ２をｘ−ｚ平面に平行な平面により切断した断面）の形状は、外周枠部１２ｂ１の断面形状である長方形よりも小さい長方形（又は正方形）である。

段差延長部１２ｂ３は、平面部１２ａの四つの角部のうちの一つの角部において、段差形成部１２ｂ２の内周面から支持部材１２の中央に向けて延設された部分である。段差延長部１２ｂ３の下面は平面部１２ａと連接している。段差延長部１２ｂ３の平面視における形状は略正方形である。段差延長部１２ｂ３の高さ（ｚ軸方向長さ）は、段差形成部１２ｂ２の高さと同一である。段差延長部１２ｂ３には、貫通孔ＴＨが形成されている。貫通孔ＴＨは、段差延長部１２ｂ３の下方に位置する平面部１２ａも貫通している。

下方枠体部１２ｃは、平面部１２ａの周囲（４つの辺の近傍領域、即ち、外周近傍領域）において平面部１２ａの下方に向けて立設された枠体である。下方枠体部１２ｃは、平面部１２ａの厚さ方向の中心線ＣＬに対して上方枠体部１２ｂと対称形状を有している。従って、下方枠体部１２ｃは、外周枠部１２ｂ１、段差形成部１２ｂ２及び段差延長部１２ｂ３とそれぞれ同一形状の外周枠部１２ｃ１、段差形成部１２ｃ２及び段差延長部１２ｃ３を備えている。但し、段差延長部１２ｃ３は、段差延長部１２ｂ３に対して平面部１２ａの平面視における対角線上であって段差延長部１２ｂ３に対向するように配置・形成されている。

図４は、薄板体１１及び薄板体１１を支持（挟持）した状態における一対の支持部材１２を、それらの平面視における対角線を含む平面にて切断した縦断面図である。上述したように、燃料電池１０は、薄板体１１と支持部材１２とが交互に積層されることにより形成されている。ここで、互いに対向し且つ隣接するように配置される二つの支持部材１２を、便宜上、第１支持部材１２１及び第２支持部材１２２と称呼する。図４に示したように、第１支持部材１２１及び第２支持部材１２２は、第１支持部材１２１の上方枠体部１２ｂの上に第２支持部材１２２の下方枠体部１２ｃが対向するように互いに同軸的に配置される。

薄板体１１は、第１支持部材１２１の上方枠体部１２ｂと第２支持部材１２２の下方枠体部１２ｃとの間に挟持される。このとき、薄板体１１は、第１支持部材１２１の平面部１２ａの上面に空気極層１１ｃが対向するように配置され、第２支持部材１２２の平面部１２ａの下面に燃料極層１１ｂが対向するように配置される。

薄板体１１の外周部下面（即ち、空気極層１１ｃの外周部下面）は、第１支持部材１２１の上方枠体部１２ｂの一部である段差形成部１２ｂ２及び段差延長部１２ｂ３の上面と当接し、且つ、この段差形成部１２ｂ２及び段差延長部１２ｂ３に対して導電性のロウ材により接合・固定されている。同様に、薄板体１１の外周部上面（即ち、燃料極層１１ｂの外周部上面）は、第２支持部材１２２の下方枠体部１２ｃの一部である段差形成部１２ｃ２及び段差延長部１２ｃ３の下面と当接し、且つ、この段差形成部１２ｃ２及び段差延長部１２ｃ３に対して導電性のロウ材により接合・固定されている。換言すると、薄板体１１は薄板体１１の少なくとも二箇所の部分（具体的には、外周部全周）において支持部材１２（第１支持部材１２１及び第２支持部材１２２）に接合・固定されている。

ここで、支持部材１２と薄板体１１との接合・固定方法について具体的に説明する。燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃは、多孔質電極層として形成されている。そのため、燃料極層１１ｂと支持部材１２との間の導電性を維持し且つ燃料極層１１ｂを支持部材１２に固定するため、及び、空気極層１１ｃと支持部材１２との間の導電性を維持し且つ空気極層１１ｃを支持部材１２に固定するためには、例えば、以下の方法が採用される。

図５の（Ａ）に示したように、多孔質電極層（空気極層１１ｃ又は燃料極層１１ｂ）と支持部材１２との間に導電性のロウ材ＲＷを挟む。その状態において、所定の減圧又は加圧により、図５の（Ｂ）に示したように、ロウ材ＲＷを多孔質電極層に浸透させて多孔質電極層を緻密化し、同時に、その緻密化された部分をロウ材ＲＷによって支持部材１２に接合する。この接合は、Ｎｉ−Ｍｎメタライズ層を用いて行っても良い。また、その緻密化された部分を活性金属ロウを用いて支持部材１２に直接接合しても良い。

以上により、図４に示したように、第１支持部材１２１の平面部１２ａの上面と、第１支持部材１２１の上方枠体部１２ｂ（段差形成部１２ｂ２及び段差延長部１２ｂ３）の内側壁面と、薄板体１１の空気極層１１ｃと、により酸素を含む気体が供給される空気流路２１が形成される。酸素を含む気体は、図４の破線の矢印により示したように、第２支持部材１２２の貫通孔ＴＨと薄板体１１のセル貫通孔１１ｄとを通して空気流路２１に流入する。

また、第２支持部材１２２の平面部１２ａの下面と、第２支持部材１２２の下方枠体部１２ｃ（段差形成部１２ｃ２及び段差延長部１２ｃ３）の内側壁面と、薄板体１１の燃料極層１１ｂと、により水素を含む燃料が供給される燃料流路２２が形成される。燃料は、図４の実線の矢印により示したように、第１支持部材１２１の貫通孔ＴＨと薄板体１１のセル貫通孔１１ｄとを通して燃料流路２２に流入する。なお、対向する一対の支持部材１２（即ち、第１支持部材１２１と第２支持部材１２２）は、短絡を防止するために、薄板体１１が配置されていない部分において、それらの間に空間（間隙）を有するように配置・構成される。即ち、第１支持部材１２１の外周枠部１２ｂ１と第２支持部材１２２の外周枠部１２ｃ１との間には薄板体１１が挟持された状態において空隙が存在するように、薄板体１１及び支持部材１２の各部の寸法が決定されている。

このように構成された支持部材１２は、一方の面（上面）である第一面側に、薄板体１１を配置するための窪んだ形状に形成された第一収容部を備えていると言うこともできる。同様に、支持部材１２は、他方の面（下面）である第二面側に、薄板体１１を配置するための窪んだ形状に形成された第二収容部を備えていると言うこともできる。そして、一つの薄板体１１の空気極層１１ｃが一つの支持部材１２の平面部１２ａの上面と対向するように同一つの薄板体１１が第一収容部に収容され、他の一つの薄板体１１の燃料極層１１ｂがその支持部材１２の平面部１２ａの下面と対向するように同他の一つの薄板体１１が第二収容部に収容されていると言うことができる。

以上のように構成された燃料電池１０は、例えば、図６に示したように、薄板体１１の燃料極層１１ｂと支持部材１２の平面部１２ａの下面との間に形成された燃料流路２２に燃料が供給され、且つ、薄板体１１の空気極層１１ｃと支持部材１２の平面部１２ａの上面との間に形成された空気流路２１に空気が供給されることにより、以下に示す化学反応式（１）及び（２）に基く発電を行う。
（１／２）・Ｏ_２＋２^ｅ−→Ｏ^２− （於：空気極層１１ｃ） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２^ｅ− （於：燃料極層１１ｂ） …（２）

（薄板体１１の詳細構造）
次に、薄板体１１の構造について詳細に説明する。前述したように、薄板体１１は、平面視において正方形である。図７に示した薄板体１１の幅（一辺の長さ）ａ及び奥行き（他の辺の長さ）ｂは、５ｍｍ以上且つ３００ｍｍ以下である。薄板体１１の厚さｔは、全体に渡って均一であり、５μｍ以上且つ１００μｍ以下（例えば、３０μｍ）である。

薄板体１１は、図７及び薄板体１１の部分拡大斜視図である図８に示したように、薄板体１１の一つの平面（例えば、表面及び裏面のうちの何れかの面）Ｐから突出した凸状部１１１と、その平面Ｐから陥没した凹状部１１２と、をそれぞれ複数備えている。それらの凸状部１１１と凹状部１１２は、畝、波形のしわ及びリブと称呼することもできる。

図８に示したように、複数の凸状部１１１のうちの少なくとも一つの凸状部は、その一つの凸状部の最高点に位置する頂部１１１ａ（図９を参照。）が平面Ｐに沿う方向に（図８の破線に沿って）所定の距離だけ（連続的に）伸びるように形成されている。即ち、少なくとも一つの凸状部は、「薄板体１１の平面Ｐに沿う所定の方向に長手方向を有する山脈状」である。同様に、複数の凹状部１１２のうちの少なくとも一つの凹状部は、その凹状部の最低点に位置する底部１１２ａ（図９を参照。）が平面Ｐに沿う方向に（図８の一点鎖線に沿って）連続的に伸びるように形成されている。即ち、少なくとも一つの凹状部は、「薄板体１１の平面Ｐに沿う所定の方向に長手方向を有する溝状」である。

図９に示した頂部１１１ａの平面Ｐからの距離ｈ１を複数の（総ての）凸状部１１１について単純平均した頂部距離平均値と、図９に示した底部１１２ａの平面Ｐからの距離ｈ２を複数の（総ての）凹状部１１２について単純平均した底部距離平均値と、の和である頂部底部間距離平均値は、２０μｍ以上且つ４００μｍ以下である。なお、薄板体１１は３層構造を備えるが、図９等においては一つの一体化された層として描かれている。

また、薄板体１１は、複数の凸状部のうちの一つの凸状部と同一つの凸状部に隣接した複数の凹状部うちの一つの凹状部とからなるとともに同一つの凸状部の頂部１１１ａと同一つの凹状部の底部１１２ａとの平面Ｐに沿う方向の距離（図９に示した頂部底部平面方向距離（ｗ／２））が０．０５ｍｍ以上且つ１．００ｍｍ以下である少なくとも一組の凸状部及び凹状部を含んでいる。

（作用）
以上のように構成された燃料電池１０は、上記（１）及び（２）式に従った化学反応を利用して発電を行う。しかしながら、燃料電池（ＳＯＦＣ）１０は、固体電解質層１１ａの酸素伝導度を利用して発電するので、燃料電池１０としての作動温度は最低６００℃以上であることが一般的である。このため、燃料電池１０は作動温度（例えば８００℃）まで外部の加熱機構（例えば、抵抗加熱ヒータ方式の加熱機構、或いは、燃料ガスを燃焼して得られる熱を利用する加熱機構等）により昇温される。このとき、薄板体１１及び支持部材１２は、熱膨張率が異なるため、この温度変化に伴って互いに相違する量だけ伸縮しようとする。例えば、燃料電池１０の温度が発電開始後に急激に上昇すると、金属からなる支持部材１２の膨張量は主としてセラミックスからなる薄板体１１の膨張量よりも大きくなる。

しかしながら、薄板体１１は少なくとも二箇所の部分（本例では、外周部の全周）において支持部材１２に固定されているから、図３１の（Ａ）に示したように、薄板体１１が従来の薄板体１１’のように平坦であると（即ち、薄板体１１が上記凸状部１１１及び上記凹状部１１２を備えていないと）、同図中矢印にて示した大きな引張り応力が薄板体１１’の平面Ｐと平行な方向（薄板体１１の平面方向）に加わる。その結果、図３１の（Ｂ）に示したように、薄板体１１’の中央部近傍は平面Ｐと直交する方向（ｚ軸方向）に変形してしまう。

これに対し、薄板体１１は、薄板体の平面Ｐから突出した凸状部１１１を複数備えるとともに同平面から陥没した凹状部１１２を複数備えている。従って、薄板体１１の凸状部１１１及び凹状部１１２は、例えば、図１０の破線により示した状態から図１０の実線により示したように、上記温度変化による薄板体１１と支持部材１２との間の伸縮量差を吸収するように変形する。換言すると、図４に白抜きの矢印により示したように、前記伸縮量差により発生する薄板体１１の内部応力が平面方向及び同平面方向と直交する方向に分散される。この結果、薄板体１１の中央部近傍は、薄板体１１の平面Ｐと直交する方向（ｚ軸方向）に大きく変形し難いので、薄板体１１が空気流路２１又は燃料流路２２を閉じるように変形しない。従って、薄板体１１が支持部材１２の平面部１２ａに当接することがないから、燃料電池１０は、薄板体１１の温度変化に対して所期の性能を安定して発揮することができる。

更に、少なくとも一つの凸状部１１１が「薄板体１１の平面Ｐに沿う所定の方向に長手方向を有する山脈状」であり、少なくとも一つの凹状部１１２が「薄板体１１の平面Ｐに沿う所定の方向に長手方向を有する溝状」であるから、凸状部１１１及び凹状部１１２は
燃料電池１０の温度変化に伴う薄板体１１と支持部材１２との間の伸縮量差を容易に吸収するように変形する。従って、薄板体１１の中央部近傍が平面Ｐに直交する方向へ変形してしまうことを、より効果的に抑制することができる。

更に、薄板体１１は凸状部１１１及び凹状部１１２をそれぞれ複数備えているので、外力に対して変形し難くなっている。従って、薄板体１１を燃料電池１０の一部として組み込む作業を行う際等において薄板体１１が何らかの外力を受けた場合であっても、薄板体１１は変形し難い。また、空気流路２１を流れる空気ガス及び燃料流路２２を流れる燃料ガスとの間に圧力差が生じ、その圧力差が外力となって薄板体１１へ作用した場合であっても、薄板体１１が外力に対して変形し難いので、空気流路２１や燃料流路２２の流路幅（高さ）を狭めてしまう可能性も低減される。その結果、所期の性能を発揮する燃料電池１０が容易に提供される。以下、この点について図１１乃至図１４を参照しながら説明する。なお、図１１乃至図１４においては、図面を簡素化するために凸状部１１１及び凹状部１１２の図示を省略する。

この検討のため、図１１及び図１２に示したように、薄板体１１の左右方向両端の近傍部位を距離Ｌを隔てて支持し（即ち、梁の長さをＬとし）、その薄板体１１に対して、薄板体１１の平面Ｐに直交する方向の荷重Ｆを加える。荷重Ｆを加える点（荷重印加箇所）は、薄板体１１の中央（２箇所の支持部位のそれぞれから距離Ｌ／２の位置、且つ、奥行き方向の手前又は後方の辺から距離ｂ／２の位置）である。この薄板体１１のサンプルにおいて、距離Ｌは４０ｍｍ、距離ｂは３０ｍｍ、厚みｔは３０μｍである。

いま、薄板体１１に凸状部１１１及び凹状部１１２が存在しないと仮定し、図１３に示したように、荷重Ｆを加えた位置における平面Ｐに直交する向き（荷重Ｆの向き）の撓み量をｙとすると、撓み量ｙは材料力学上、下記（３）式のように表される。なお、以下において、凸状部１１１及び凹状部１１２を備えない薄板体を仮想薄板体と称呼する。

ここで、断面２次モーメントＩは（４）式のように表される。

従って、（４）式を（３）式に代入することにより、撓み量ｙは下記（５）式のように表される。

この（５）式から、荷重Ｆ、ヤング率Ｅ（ジルコニアの場合、Ｅ＝２００ＧＰａ）が一定であると仮定すると、撓み量ｙは、梁の長さＬの３乗に比例し、奥行きの長さｂに反比例し、且つ、薄板体の厚さｔの３乗に反比例することが理解される。そこで、梁の長さＬと奥行きの長さｂを一定とすると、撓み量ｙは厚さｔの３乗に反比例する。従って、撓み量ｙと厚さｔとの関係は、図１４の破線の曲線Ｃ１により表される。

これに対し、上述した凸状部１１１及び凹状部１１２を備える薄板体１１においては、荷重Ｆ、ヤング率Ｅ、梁の長さＬ及び奥行きの長さｂ等が仮想薄板体と同じであっても、撓み量ｙと厚さｔとの関係は、図１４の実線の曲線Ｃ２により表したように変化する。即ち、凸状部１１１及び凹状部１１２を備える薄板体１１の撓み量ｙは、厚さｔが薄板体１１と同じである仮想薄板体の撓み量ｙよりも小さくなる。

例えば、仮想薄板体を１ｍｍ撓ませる（ｙ＝１ｍｍ）のに必要な荷重Ｆを実測したところ、５．１ｇ重であった。一方、計算によれば、仮想薄板体の撓み量ｙが１ｍｍのときの荷重Ｆは、（３）式からＦ＝０．１２Ｎ（約１２ｇ重）相当となる。

これに対し、凸状部１１１及び凹状部１１２を備える薄板体１１を１ｍｍ撓ませる（ｙ＝１ｍｍ）のに必要な荷重Ｆを実測したところ、７８．３ｇ重であった。即ち、薄板体１１を所定量だけ撓ませるのに必要な荷重は、仮想薄板体を同所定量だけ撓ませるのに必要な荷重よりも非常に大きい値となっていた。

また、前述した頂部底部間距離平均値と「セラミックス薄板体を１ｍｍ撓ませるのに必要な荷重」との関係を調査し、その結果を図１５に示した。図１５から、頂部底部間距離平均値が２０μｍ以上になると、急激に前記荷重が大きくなることがわかる。一方、頂部底部間距離平均値が４００μｍ以上となると、薄板体の表面に形成された凹状部及び凸状部の曲率が大きくなることに起因して焼成体である薄板体にマイクロクラックが発生するため、極端に強度の弱い薄板体が発生した。以上のことから、頂部底部間距離平均値は、２０μｍ以上且つ４００μｍ以下であることが好ましい。

更に、前述した「一つの凸状部の頂部１１ａと同一つの凹状部の底部１２ａとの平面Ｐに沿う方向の距離（ｗ／２）」（即ち、頂部底部平面方向距離）と「セラミックス薄板体を１ｍｍ撓ませるのに必要な荷重」との関係を調査し、その結果を図１６に示した。図１６から、頂部底部平面方向距離が１０００μｍ（１．００ｍｍ）以下となると、前記荷重が急激に大きくなることがわかる。従って、頂部底部平面方向距離を１０００μｍ（１ｍｍ）以下とすると、変形に強い薄板体１０を得ることができる。一方、頂部底部平面方向距離が５０μｍ未満であって凸状部１１と凹状部１２とが極めて近接した状況になると、焼成体である薄板体にマイクロクラックが発生するため、極端に強度の弱い薄板体が発生した。以上のことから、頂部底部平面方向距離は、５０μｍ以上且つ１ｍｍ以下であることが好ましい。

次に、薄板体１１の製造方法について説明する。
（第１製法例）
薄板体１１は、グリーンシート法により作成したセラミックスシート（ＹＳＺのテープ）を１４００℃・１時間にて焼成し、その焼成体の下面にシート（燃料極層１１ｂとなる層）を印刷法により形成してから１４００℃・１時間にて焼成し、更に、その焼成体の上面にシート（空気極層１１ｃとなる層）を同じく印刷法により形成してから１２００℃・１時間にて焼成することにより形成される。ここでは、緻密なジルコニア固体電解質層１１ａの厚さを３０μｍ、燃料極層１１ｂの厚さを１０μｍ、空気極層１１ｃの厚さを１０μｍとした。薄板体１１のサイズは３０ｍｍ×３０ｍｍ（ａ×ｂ）とした。これらの寸法については、以下において同じである。

ところで、緻密なジルコニア固体電解質層１１ａを構成するＹＳＺの熱膨張率と、燃料極層１１ｂを構成するＮｉ＋ＹＳＺサーメットの熱膨張率と、空気極層１１ｃを構成するＬＳＭの熱膨張率と、は互いに相違している。従って、それぞれが焼成されるとき、焼成収縮差と熱膨張差があることから、焼成後には残留応力に伴う基板反りが発生する。その後、その基板（ジルコニア固体電解質層１１ａ、燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃが形成された薄板体）の反りを修正するために、凸状部１１１及び凹状部１１２を形成するための起伏が形成されているセッターの上に基板を載置するとともに、例えば、３００ｇのアルミナ製のおもりを基板の上に載せた状態（図１９の（Ｃ）に示した状態と同様の状態）において、１４００℃・１時間の条件にて再度加熱する。以上により、基板の反りが修正されるとともに凸状部１１１及び凹状部１１２を備えた薄板体１１が製造される。

なお、固体電解質層１１ａとなるジルコニアテープの一面に燃料極層１１ｂとなる層を印刷法により形成してから、両者を１４００℃・１時間にて焼成し、その後、空気極層となる層１１ｃを上述した方法により形成してもよい。或いは、固体電解質層１１ａとなるジルコニアテープと燃料極層１１ｂとなるテープとを積層一体化し、両者を１４００℃・１時間にて焼成し、その後、空気極層１１ｃとなるテープを上述した方法により形成してもよい。

（第２製法例）
第２製法例においては、先ず、図１７の（Ａ）に示したように、セラミックス（この場合、ＹＳＺ）のグリーンシート１１Ａと、押し型３０とを準備する。押し型３０の上面には、凸状部１１１及び凹状部１１２を形成するための起伏が形成されている。次いで、グリーンシート１１Ａを押し型３０の上面に対して押圧する。この結果、図１７の（Ｂ）に示したように、グリーンシート１１Ａに凸状部１１１及び凹状部１１２となる起伏が形成される。そして、このグリーンシート１１Ａを所定の焼成条件（例えば、１４００℃、１時間）にて焼成し、電解質層１１ａを得る。

その後、その焼成された電解質層１１ａの上面にシート（燃料極層１１ｂとなる層）を印刷法により形成してから１４００℃・１時間にて焼成し、更に、その電解質層１１ａの下面にシート（空気極層１１ｃとなる層）を同じく印刷法により形成してから１２００℃・１時間にて焼成する。以上により、凸状部１１１及び凹状部１１２を備えた薄板体１１が製造される。

（第３製法例）
第３製法例においては、図１８の（Ａ）に示したように、セラミックス（この場合、ＹＳＺ）のグリーンシート１１Ａと、焼成用セッター４０とを準備する。この焼成用セッター４０の上面には、研削、研磨及びブラスト処理等のうちの適当な手法により、凸状部１１１及び凹状部１１２を形成するための起伏が形成されている。次に、図１８の（Ｂ）に示したように、グリーンシート１１Ａを焼成用セッター４０の上面に対して押圧しながら、このグリーンシート１１Ａを所定の焼成条件（例えば、１４００℃、１時間）にて焼成する。その後、第２製法例と同様に、燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃを形成する。以上により、凸状部１１１及び凹状部１１２を備えた薄板体１１が製造される。

（第４製法例）
第４製法例においては、図１９の（Ａ）に示したように、セラミックス（この場合、ＹＳＺ）のグリーンシート１１Ａを準備し、そのグリーンシート１１Ａの両端の片面側に焼成前セラミックス小片１１Ｂを印刷により成形する。焼成前セラミックス小片１１Ｂは、グリーンシート１１Ａと同種のセラミックスからなる。

次に、グリーンシート１１Ａ及び焼成前セラミックス小片１１Ｂを所定の焼成条件（例えば、１４００℃、１時間）にて焼成する。この結果、グリーンシート１１Ａと焼成前セラミックス小片１１Ｂとの収縮差によって、図１９の（Ｂ）に示したように、グリーンシート１１Ａが反りを有する薄板体１１Ｃとなる。なお、グリーンシート１０Ａとセラミックス小片１０Ｂとの焼成収縮差は、例えば粒子径が異なる材料を使用することなどにより容易に制御可能である。次に、第２製法例等と同様に、燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃを形成する。

次に、燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃが形成された薄板体１１Ｃの反りを修正するために、図１９の（Ｃ）に示したように、薄板体１１Ｃの上部におもり５０を載置し、この状態にて（即ち、おもり５０により薄板体１１Ｃを伸ばすように下方に押圧しながら）、薄板体１１Ｃを所定の条件所定の条件にて加熱・冷却（焼成）する（例えば、図１３に示した凸状部１１及び凹状部１２を形成するための起伏が形成されているセッター４０の上に薄板体１１Ｃを載置するとともに、３００ｇのアルミナ製のおもり５０を薄板体１１Ｃの上に載せた状態において、１４００℃・１時間の条件にて焼成する。）。係るそり修正のための加熱・冷却時にも、各層の膨張・収縮量が相違するので、各層の界面において残留応力が発生し、凸状部１１１及び凹状部１１２が形成される。その結果、図１に示した凸状部１１１及び凹状部１１２を有する薄板体１１が形成される。

なお、グリーンシート１１Ａに対して焼成前セラミックス１１Ｂを印刷することなく、グリーンシート１１Ａを所定の条件にて焼成することにより、図１９の（Ｂ）に示したような反りを有する薄板体１１Ｃを得ることもできる。即ち、例えば、セッター中央部がくり抜かれた（すなわち４方の外枠のみがある）セッター上にグリーンシート１１Ａを置いた状態にてグリーンシート１１Ａを焼成すれば、グリーンシート１１Ａの中央部が自重によって撓み、焼成後において中央部が凹形状となった反りを有する薄板体１１Ｃを得ることができる。そして、その後、上述した第４製法例と同じ方法によって薄板体１１を製造することができる。

次に、本発明による薄板体の各種変形例について説明する。
（第１変形例）
図２０に示したように、本発明の第１変形例に係る薄板体６１は、薄板体６１の周辺部のみに凸状部１１１と凹状部１１２とを備えている。このように、周辺部のみに凸状部１１１及び凹状部１１２が形成されていても、それらは燃料電池１０の温度変化に伴う薄板体１１と支持部材１２との間の伸縮量差を吸収するように変形するから、薄板体１１の特に中央部近傍が薄板体１１の平面Ｐに直交する方向へ変形することを抑制することができる。ところで、この薄板体６１に対して、図１１乃至図１３を用いて説明した場合と同じ条件（梁の長さＬ＝４０ｍｍ、奥行きｂ＝３０ｍｍ、厚みｔ＝３０μｍ、材質はジルコニア）にて荷重を加え、薄板体６１を１ｍｍ撓ませる（ｙ＝１ｍｍ）のに必要な荷重Ｆを実測したところ、５０．２ｇ重であった。このように、薄板体６１の周辺部のみに凸状部１１１と凹状部１１２を形成させた場合であっても、凸状部１１１及び凹状部１１２を備えない上記仮想薄板体と比較して、外力に対して極めて変形しにくい薄板体が提供されることが理解できる。

（第２変形例）
図２１に示したように、本発明の第２変形例に係る薄板体６２は、薄板体６２の中央部のみに凸状部１１１と凹状部１１２とを備えている。このように、中央部のみに凸状部１１１及び凹状部１１２が形成されていても、それらは燃料電池１０の温度変化に伴う薄板体１１と支持部材１２との間の伸縮量差を吸収するように変形する。

（第３変形例）
図２３に示したように、本発明の第３変形例に係る薄板体６４は、凸状部１１１及び凹状部１１２（波形のしわ）の尾根が正方格子に沿うように形成されていてもよい。このように、凸状部１１１及び凹状部１１２が正方格子状に形成されていても、それらは燃料電池１０の温度変化に伴う薄板体１１と支持部材１２との間の伸縮量差を吸収するように変形する。

（第４変形例）
図２４に示したように、本発明の第４変形例に係る薄板体６５は、凸状部１１１及び凹状部１１２が平面Ｐ上において分布上の偏りが略ないように（略均一に）、不規則に設けられたものである。このように、凸状部１１１及び凹状部１１２がランダムに形成されていても、それらは燃料電池１０の温度変化に伴う薄板体１１と支持部材１２との間の伸縮量差を吸収するように変形する。

なお、これらの第１変形例〜第４変形例の薄板体６１、６２、６４及び６５も、第２製法例の押し型３０の上面に形成される起伏の形状、又は、第３製法例の焼成用セッター４０の上面に形成される起伏の形状を適宜設定することにより簡単に製造することができる。

例えば、図２３に示した薄板体６４は、図１７を参照して説明した第２製法例において、押し型３０として金属メッシュを使用することにより製造できる。より具体的に述べると、セラミックスのグリーンシート１１Ａと金属メッシュからなる押し型３０とを、例えば５〜１００ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の加重を印加しながら互いに押圧させる。これにより、セラミックスのグリーンシート１１Ａの表面にメッシュ形状に沿った凹状部及び凸状部を形成することができる。この凹状部及び凸状部の深さは荷重により制御可能である。そして、そのグリーンシート１１Ａを前述したように焼成する。その後、上記製法例等と同様に、燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃを形成する。この結果、図２３に示した凸状部１１１及び凹状部１１２がメッシュ状に配置された薄板体６４が容易に製造される。

以上、説明したように、本発明の実施形態及び変形例に係るデバイスは、薄板体１１が凸状部１１１及び凹状部１１２を備えているので、燃料電池１０の温度が変化した場合であっても、薄板体１１の特に中央部近傍が平面Ｐに直交する方向へ大きく変形することを回避することができる。更に、薄板体１１は、凸状部及び凹状部を有さない同種の薄板体（仮想薄板体）よりも、変形し難い。従って、この薄板体１１を使用すれば、製造し易く且つ信頼性の高いデバイスが提供される。

なお、本発明は上記実施形態及び変形例に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、燃料極層１１ｂは、白金、白金−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニアサーメット等から構成することができる。

更に、空気極層１１ｃは、例えば、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物（例えば、上述のランタンマンガナイトのほか、ランタンコバルタイト）から構成することができる。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト（ランタンマンガナイトの場合）、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットであってもよい。

加えて、上記実施形態のデバイスは燃料電池１０であったが、センサやアクチュエータ等であってもよい。更に、薄板体１１は、３層の積層体であったが、セラミックスの単層体からなっていてもよく、２層又は４層以上の積層体（例えば、４層〜７層）であってもよい。

また、支持部材１２は、図２５乃至図２７に示したような空気又は燃料を流通させるための凸状の流通規制部が、平面部１２ａの上面及び下面に設けられていてもよい。具体的には、図２５に示した支持部材１２においては、燃料又は空気を面内に分布させて蛇行させるために、平面部１２ａに凸状の蛇行隔壁部（流通規制部）１２ｅが形成されている。図２６に示した支持部材１２においては、燃料又は空気を面内に分布させるために、平面部１２ａに凸状の分離した流通規制部１２ｆが形成されている。図２７に示した支持部材１２においては、燃料又は空気を面内に分布させるために、平面部１２ａに凸状の複数の突起部（流通規制部）１２ｇが形成されている。このようにすることにより、燃料又は空気が平面部１２ａの面内を広く分布しながら流通することになるので、燃料電池１０は効率よく発電を行うことができる。

更に、薄板体１１及び／又は支持部材１２の温度変化時に薄板体１１に加わる応力を低減するため、図２８乃至図３０に示したような構造を採用してもよい。

即ち、図２８の（Ａ）及び図２８の（Ｂ）に示した例においては、支持部材１２の上方枠体部１２ｂ及び下方枠体部１２ｃに薄板体１１を支持する弾性支持部７１が形成されている。弾性支持部７１は、上方枠体部１２ｂ及び下方枠体部１２ｃのそれぞれから、平面部１２ａとほぼ平行に突出したリング状の板バネ体である。

この構造は、図２８の（Ａ）に示したように、ロウ材ＲＷを弾性支持部７１の一面（上面又は下面）と薄板体１１の角部との間に配置し、そのロウ材を溶融させて図２８の（Ｂ）に示したように弾性支持部７１と薄板体１１とを接合することにより、作成される。このように、弾性支持部７１を平面部１２ａから分離して形成することにより、平面部１２ａが熱等によって変形した場合であっても薄板体１１に応力が加わり難いので、薄板体１１の破損や支持部材１２と薄板体１１と接合部の接合不良を回避することが可能となる。

図２９の（Ａ）乃至（Ｃ）に示した例は、図２８の（Ａ）及び（Ｂ）に示した弾性支持部７１を、弾性支持部７２に置換した構造を備えている。弾性支持部７２は、弾性支持部７１と同様に、板バネ体である。ただし、弾性支持部７２は、湾曲部（断面形状Ｕ字部）７２ａと接合平面部７２ｂとを備えている。湾曲部７２ａの一端は上方枠体部１２ｂ及び下方枠体部１２ｃのそれぞれに接合されている。湾曲部７２ａの他端は接合平面部７２ｂと連接している。接合平面部７２ｂの上面は、ロウ材ＲＷによって薄板体１１の端部下面即ち空気極層１１ｃ（又は薄板体１１の端部上面、即ち、燃料極層１１ｂ）と接合されている。

この構造によれば、図２９の（Ｂ）に示したような上下方向（ｚ軸方向、薄板体１１の平面に直交する方向）の荷重が薄板体１１に加わった場合、及び、図２９の（Ｃ）に示したような左右方向（ｘ−ｙ平面と平行な方向、薄板体１１の平面Ｐと平行な方向）の荷重が薄板体１１に加わった場合、の何れの場合にも弾性支持部７２（特に、湾曲部７２ａ）が容易に弾性変形する。従って、それらの荷重が薄板体１１に及ぼす影響を小さくすることができるので、薄板体１１の破損や支持部材１２と薄板体１１と接合部の接合不良を回避することが可能となる。

図３０の（Ａ）乃至（Ｃ）に示した例は、図２９の（Ａ）乃至（Ｃ）に示した弾性支持部７２を、弾性支持部７３に置換した構造を備えている。弾性支持部７３は、平面部１２ａから湾曲して突出した形状を備える。このように弾性支持部７２を形成することにより、図２９の（Ａ）乃至（Ｃ）に示した例と同様、上下方向の荷重が薄板体１１に加わった場合、及び、左右方向の荷重が薄板体１１に加わった場合、の何れの場合にも弾性支持部７３が容易に弾性変形する。従って、それらの荷重が薄板体１１に及ぼす影響を小さくすることができるので、薄板体１１の破損や支持部材１２と薄板体１１と接合部の接合不良を回避することが可能となる。

このように、薄板体１１を支持部材１２に対して弾性部材７１〜７３を介して支持・固定することにより、薄板体１１の内部応力を低減できるので、薄板体１１の変形をより効果的に抑制することができる。

また、薄板体１１は、平面視において正方形、長方形、多角形、円形であってもよい。更に、薄板体１１は、ロウ材に代え、ガラスによって支持部材１２に固定されてもよい。加えて、凸状部１１１は、円錐台形状を有していてもよい。同様に、凹状部１１２は、円錐台形状を有していてもよい。

本発明の一実施形態に係るデバイス（ＳＯＦＣ）の破断斜視図である。 図１に示した燃料電池の部分分解斜視図である。 図２に示した１−１線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って支持部材を切断した支持部材の断面図である。 図１に示した薄板体及び薄板体を支持した状態における支持部材を、それらの平面視における対角線を含む平面にて切断した縦断面図である。 図１に示した薄板体と支持部材との接合部近傍の拡大断面図である。 図１に示した燃料電池における燃料と空気の流通を説明する図である。 図１に示した薄板体の斜視図である。 図１に示した薄板体の部分拡大斜視図である。 図１に示した薄板体の断面図である。 図１に示した薄板体の変形の様子を示した同薄板体の部分断面図である。 図１に示した薄板体の大きさ及び荷重印加箇所等を示した同薄板体の斜視図である。 図１１に示した薄板体の正面図である。 図１１に示した薄板体が変形した場合の同薄板体の正面図である。 凸状部及び凹状部を備えない仮想薄板体と凸状部及び凹状部を備える薄板体とにおける厚さと撓み量の関係を示すグラフである。 頂部底部間距離平均値とセラミックス薄板体を所定量だけ撓ませるのに必要な荷重との関係を示したグラフである。 頂部底部平面方向距離とセラミックス薄板体を所定量だけ撓ませるのに必要な荷重との関係を示したグラフである。 図１に示した薄板体の第２製法例の工程図である。 図１に示した薄板体の第３製法例の工程図である。 図１に示した薄板体の第４製法例の工程図である。 図１に示した薄板体の第１変形例の斜視図である。 図１に示した薄板体の第２変形例の斜視図である。 比較例の薄板体の斜視図である。 図１に示した薄板体の第３変形例の斜視図である。 図１に示した薄板体の第４変形例の斜視図である。 図１に示した支持部材の変形例の斜視図である。 図１に示した支持部材の他の変形例の斜視図である。 図１に示した支持部材の更に他の変形例の斜視図である。 図１に示した薄板体と支持部材とを他の接合方法により接合した部分の拡大断面図である。 図１に示した薄板体と支持部材とを更に他の接合方法により接合した部分の拡大断面図である。 図１に示した薄板体と支持部材とを更に他の接合方法により接合した部分の拡大断面図である。 従来の燃料電池における薄板体の変形の様子を示す薄板体と支持部材の断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…薄板体、１１ａ…ジルコニア固体電解質層、１１ｂ…燃料極層、１１ｃ…空気極層、１１ｄ…セル貫通孔、１２…支持部材、１２ａ…平面部、１２ｂ…上方枠体部、１２ｂ１…外周枠部、１２ｂ２…段差形成部、１２ｂ３…段差延長部、１２ｃ…下方枠体部、１２ｃ１…外周枠部、１２ｃ２…段差形成部、１２ｃ３…段差延長部、２１…空気流路、２２…燃料流路、３０…押し型、４０…焼成用セッター、１１１…凸状部、１１１ａ…頂部、１１２…凹状部、１１２ａ…底部、１２１…第１支持部材、１２２…第２支持部材。

Claims (8)

1. 少なくともセラミックスシートを含む焼成された薄板体と、前記薄板体を支持する支持部材と、を備えるデバイスにおいて、
   前記薄板体は同薄板体の外周部の少なくとも二箇所の部分において前記支持部材に固定され、且つ、同薄板体の一つの平面から突出した凸状部を複数備えるとともに同平面から陥没した凹状部を複数備え、
   前記複数の凸状部のうちの少なくとも一対の凸状部は、各凸状部の最高点に位置する頂部が前記平面に沿う方向であって互いに交差する方向に連続的に伸びるように形成されるとともに、前記複数の凹状部のうちの少なくとも一対の凹状部は、各凹状部の最低点に位置する頂部が前記平面に沿う方向であって互いに交差する方向に連続的に伸びるように形成され、
   前記支持部材は平面部を備え、前記薄板体の前記外周部を除く部分は前記支持部材の前記平面部と固定されることなく対向して空間を形成していることを特徴とするデバイス。
2. 請求項１に記載のデバイスにおいて、
   前記薄板体の厚さが５μｍ以上且つ１００μｍ以下の均一の厚さであるデバイス。
3. 請求項１又は請求項２に記載のデバイスであって、
   前記凸状部の最高点に位置する頂部の前記平面からの距離を前記複数の凸状部について単純平均した頂部距離平均値と、前記凹状部の最低点に位置する底部の前記平面からの距離を前記複数の凹状部について単純平均した底部距離平均値と、の和である頂部底部間距離平均値が２０μｍ以上且つ４００μｍ以下であることを特徴とするデバイス。
4. 請求項３に記載のデバイスにおいて、
   前記薄板体は、前記複数の凸状部のうちの一つの凸状部と同一つの凸状部に隣接した前記複数の凹状部うちの一つの凹状部とからなるとともに同一つの凸状部の頂部と同一つの凹状部の底部との前記平面に沿う方向の距離が０．０５ｍｍ以上且つ１．００ｍｍ以下である少なくとも一組の凸状部及び凹状部を含むことを特徴とするデバイス。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
   前記薄板体は、セラミックスシートと同セラミックスシートとは熱膨張率が相違する材料からなるシートとの積層体であることを特徴とするデバイス。
6. 請求項５に記載のデバイスにおいて、
   前記薄板体は、前記セラミックススシートとしての焼成により形成された固体電解質層と、同固体電解質層の一面に焼成により形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての燃料極層と、同固体電解質層の他面に焼成により形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての空気極層と、を備えることを特徴とするデバイス。
7. 請求項６に記載のデバイスであって、
   前記支持部材は、前記平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第１支持部材と、前記第１支持部材と同一形状の第２支持部材と、を備え、
   前記第１支持部材及び前記第２支持部材は、前記第１支持部材の上方枠体部の上に前記第２支持部材の下方枠体部が対向するように互いに同軸的に配置され、
   前記薄板体は、前記第１支持部材の上方枠体部と前記第２支持部材の下方枠体部との間に挟持されることにより前記第１支持部材の平面部の上面に前記空気極層が対向するように配置され且つ前記第２支持部材の平面部の下面に前記燃料極層が対向するように配置され、
   前記第１支持部材の平面部の上面と同第１支持部材の上方枠体部の内側壁面と前記薄板体の空気極層とにより酸素を含む気体が供給される空気流路が形成され、
   前記第２支持部材の平面部の下面と同第２支持部材の下方枠体部の内側壁面と前記薄板体の燃料極層とにより燃料が供給される燃料流路が形成されたデバイス。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
   前記薄板体は、前記薄板体単体を同薄板体の所定の支持箇所で支持するとともに同薄板体に対し同支持箇所以外の荷重印加箇所に前記平面に直交する方向であって所定の大きさの荷重を加えたときの撓み量が、前記薄板体が前記凸状部及び前記凹状部を備えることなく平坦であると仮定した場合に同仮定した薄板体単体を前記支持箇所で支持するとともに同仮定した薄板体に対し前記荷重印加箇所に前記平面に直交する方向であって前記所定の大きさの荷重を加えたときの撓み量よりも小さいことを特徴とするデバイス。

Images