JPWO2019026168A1 - セルユニット - Google Patents

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Abstract

アノード電極層４、電解質層５及びカソード電極層６を順に積層して成る電池構造体１と、電池構造体１の片側面に配置した金属製の支持板２と、支持板２の外周部を保持するフレーム３とを備え、フレーム３が、少なくとも片側面に、当該フレーム３の熱膨張率と異なる熱膨張率を有し且つ熱膨張に伴って電池構造体１が凹面となるように当該フレーム３を湾曲させる変位誘導部７を備えているセルユニットＣＵとし、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止する。

Description

本発明は、燃料電池を構成するセルユニットに関し、とくに、電池構造体及び金属製の支持板と、支持板を保持するフレームとを備えたセルユニットに関するものである。
従来のセルユニットとしては、特許文献１，２に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池は、粉末冶金で製造されたプレートの一方側の面に、陽極層、電解質層及び陰極層を順に積層した電池の層を備えていると共に、プレートの他方側の面に、金属製の接触プレートを備えている。
プレートは、電池の層に対応する中央領域が、ガス透過性を有すると共に、中央領域を囲む外周領域が、ガス非透過性を有しており、その外周部において、溶接等により接触プレートに固定してある。また、電池の層は、電解質層をプレートの外周領域に及ぶ範囲まで延出させて気密的に接合することで、陽極層と陰極層との間のガスバリア性を確保している。
また、特許文献２に記載の燃料電池ユニットは、空気極、固体電解質体及び燃料極を積層した燃料電池セルと、燃料電池セルの外周部に接合したセパレータとを備えている。セパレータは、燃料電池セルのカソードガス及びアノードガスの夫々の流通空間を分離するものである。また、上記燃料電池ユニットは、セパレータに、断面上に表れる折曲部が形成してある。
上記の燃料電池ユニットは、燃料電池セルに厚さ方向の反りやうねり、熱変形が生じた場合に、折曲部によりセパレータを変形可能にしているので、燃料電池セルと集電体との積層端部近傍の電極でのクラックが発生しにくいものとなる。
日本国特表２０１０−５３４９０１号公報 日本国特開２０１３−０３３６２１号公報
ところで、特許文献１に記載の燃料電池（セルユニット）では、金属製のプレート（支持板）により、薄い電池の層を補強して支持することができるのであるが、電池の層の熱膨張率よりもプレートの熱膨張率の方が大きいので、運転時の熱膨張により、プレートが電池の層を内側にして湾曲するように変形する。
ところが、上記の燃料電池は、プレートが接触プレート（フレーム）に固定してあるため、接触プレートによりプレートの変形が抑制される一方で、電池の層に引張応力が発生し、とくに、電解質層の外周側の屈曲部分に引張応力が集中しやすいので、電解質層の割れ等を未然に阻止するための改善が必要であった。
これに対して、特許文献２に記載の燃料電池ユニット（セルユニット）では、燃料電池セルが変形した場合、セパレータの折曲部により変形を吸収して、燃料電池セルの積層端部近傍でのクラック発生を防止し得る。しかしながら、上記の燃料電池ユニットは、セパレータが折曲部で劣化し易く、折曲部によりセパレータ全体の強度も低下するので、セパレータに、燃料電池セルを保持するフレームの機能をもたせることが難しい。また、折曲部を有するセパレータは、加工に手間がかかるうえに、狭く限られたセル内空間で大きな占有スペースが必要になる。
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、電池構造体及び支持板とこれらを保持するフレームとを備えたセルユニットにおいて、運転時に熱膨張した際に、フレームの強度を損なうことなく、電解質層に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層の割れ等を未然に阻止することができるセルユニットを提供することを目的としている。
本発明に係わるセルユニットは、アノード電極層、電解質層及びカソード電極層を順に積層して成る電池構造体と、前記電池構造体の片側面に配置した金属製の支持板と、前記支持板の外周部を保持するフレームとを備えている。そして、セルユニットは、前記フレームが、少なくとも前記フレームの片側面に、当該フレームの熱膨張率と異なる熱膨張率を有し且つ熱膨張に伴って電池構造体が凹面となるように当該フレームを湾曲させる変位誘導部を備えていることを特徴としている。
本発明に係わるセルユニットは、運転時に高温環境下に晒されると、支持板の熱膨張率が電池構造体の熱膨張率よりも大きいので、双方の熱膨張率の差により、支持板が、電池構造体を内側にして湾曲するように変形する。この際、セルユニットは、フレームの熱膨張率と同フレームの少なくとも片面に設けた変位誘導部の熱膨張率との差により、フレームが、電池構造体を凹面側（内側）にする方向に湾曲する。
つまり、上記のセルユニットは、支持板が電池構造体を内側にして湾曲するのに伴って、フレームも電池構造体を内側にして湾曲することにより、支持板の湾曲を許容する。このため、セルユニットは、電池構造体の電解質層に、圧縮荷重のみが作用して引張荷重が加わることがない。なお、電解質層は、引張荷重に対する耐性の方が相対的に低く、圧縮荷重に対する耐性の方が相対的に高い。
このようにして、セルユニットは、電池構造体及び支持板とこれらを保持するフレームとを備えた構造において、運転時に熱膨張した際に、フレームの強度を損なうことなく、電解質層に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層の割れ等を未然に阻止することができる。
本発明に係わるセルユニットの第１実施形態を説明する燃料電池の断面図及びフレームの平面図である。 図１に示す燃料電池の要部の断面図（Ａ）、及び熱膨張時のセルユニットの変形を説明する断面図（Ｂ）である。 変位誘導部によるフレームの変位量と支持板による電池構造体の変位量との関係を示すグラフである。 変位誘導部が無い構造における熱膨張時の変形を示す断面図である。 本発明に係わるセルユニットの第２実施形態を説明する燃料電池の要部の断面図（Ａ）、及び熱膨張時のセルユニットの変形を説明する断面図（Ｂ）である。 本発明に係わるセルユニットの第３実施形態を説明する燃料電池の要部の断面図（Ａ）、及び熱膨張時のセルユニットの変形を説明する断面図（Ｂ）である。 本発明に係わるセルユニットの第４実施形態を説明する燃料電池の要部の断面図（Ａ）、及び熱膨張時のセルユニットの変形を説明する断面図（Ｂ）である。 本発明に係わるセルユニットの第５実施形態を説明する燃料電池の要部の断面図（Ａ）、及び熱膨張時のセルユニットの変形を説明する断面図（Ｂ）である。 本発明に係わるセルユニットの第６実施形態を説明する燃料電池の要部の断面図（Ａ）、及び熱膨張時のセルユニットの変形を説明する断面図（Ｂ）である。 本発明に係わるセルユニットの第７実施形態を説明する燃料電池の要部の断面図（Ａ）、及び熱膨張時のセルユニットの変形を説明する断面図（Ｂ）である。 本発明に係わるセルユニットの第８実施形態を説明する燃料電池の要部の断面図（Ａ）、及び熱膨張時のセルユニットの変形を説明する断面図（Ｂ）である。 本発明に係わるセルユニットの第９実施形態を説明する燃料電池の要部の断面図（Ａ）、及び熱膨張時のセルユニットの変形を説明する断面図（Ｂ）である。 本発明に係わるセルユニットの第１０実施形態を説明する燃料電池の要部の断面図（Ａ）、及び熱膨張時のセルユニットの変形を説明する断面図（Ｂ）である。
〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池ＦＣは、例えば、固体酸化物型の燃料電池であり、その内部に、発電要素を構成するセルユニットＣＵを備えている。この燃料電池ＦＣは、セルユニットＣＵと、セルユニットＣＵのアノード側及びカソード側に夫々配置したセパレータＳ１，Ｓ２と、セルユニットＣＵのフレームＦ及びセパレータＳ１，Ｓ２の外周端部同士の間を気密的に封止するシール部ＳＬとを備えている。各セパレータＳ１，Ｓ２は、ステンレス等の金属から成るもので、セルユニットＣＵとの間に、アノード側及びカソード側のガス流路Ｇ１，Ｇ２を形成する。
図示の燃料電池ＦＣは、一例として平面矩形状を成しており、複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する。また、燃料電池ＦＣは、図示を省略したが、アノードガス（水素含有ガス）及びカソードガス（酸素含有ガス）を夫々供給及び排出するためのマニホールド穴を有している。夫々のマニホールド穴は、複数の燃料電池ＦＣを積層した状態で互いに連通してマニホールドを形成する。
セルユニットＣＵは、図２にも示すように、アノード電極層４、電解質層５及びカソード電極層６を順に積層して成る電池構造体１と、電池構造体１の片面側に配置した金属製の支持板２と、支持板２の外周部を保持するフレーム３とを備えている。このようなセルユニットＣＵは、金属製の支持板２により、機械的強度を高めたものであって、メタルサポートセルと称されることがある。
電池構造体１は、図２中で下側から、アノード電極層４、電解質層５、及びカソード電極層６を順に積層したものであり、各層４〜６の重なる領域が、電気化学的な活性を有する発電領域Ｇである。
固体酸化物型燃料電池では、一例として、アノード電極層４には、例えば、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットが用いられる。電解質層５には、例えば、８モルパーセントイットリア安定化ジルコニアが用いられる。カソード電極層６には、例えば、ランタンストロンチュウムマンガナイトが用いられる。
支持板２は、電池構造体１の強度を補う目的であれば、どちらの電極層４，６側に配置しても構わないが、酸化を防ぐために、電池構造体１のアノード電極層４側に配置してある。支持板２は、アノード電極層４の発電領域に接する中央の本体部２Ａと、本体部２Ａを囲む外周部２Ｂとを一体的に備えている。本体部２Ａは、ガス透過性を有している。他方、外周部２Ｂは、本体部２Ａよりも薄肉に形成され、ガス非透過性を有している。
上記の支持板２は、発泡金属等の多孔質金属材料から成るものであり、例えばプレス加工により多孔質金属材料の周囲を加圧することで、多孔質の組成が残る中央部が、ガス透過性を有する本体部２Ａとなる。また、支持板２は、加圧により緻密質の組成になった周囲が、ガス非透過性を有する外周部２Ｂとなる。
ここで、セルユニットＣＵは、電池構造体１の電解質層５が、発電領域Ｇの外周側に延出して支持板２の外周部２Ａに接合してあり、この電解質層５により、アノード電極層４とカソード電極層６との間のガスバリア性を確保している。このため、電解質層５は、アノード電極層４の外端部の位置に、アノード電極層５の厚さ分だけ一段下がる屈曲部５Ａを有している。
フレーム３は、例えばステンレス等の金属材料から成るものである。この実施形態のフレーム３は、図１の下段に平面図を示すように、矩形状の開口部３Ａを有すると共に、一定の厚さを有し、凹凸の無い板状の部材である。この開口部３Ａは、発電領域Ｇの縦横寸法よりも大きい縦横寸法を有すると共に、電池構造体１の縦横寸法よりも小さい縦横寸法を有している。
上記のフレーム３は、開口部３Ａ内に、支持板２の本体部２Ａを配置すると共に、電池構造体１側の面（図２中で上面）において、開口部３Ａの周縁部に、支持板２の外周部２Ａにおける反電極側の面（図２中で下面）を接合している。フレーム２と支持板２との接合には、溶接や各種接着剤などを用いることができる。
そして、セルユニットＣＵは、フレーム３が、少なくともその片側面に、当該フレーム３の熱膨張率と異なる熱膨張率を有し且つ熱膨張に伴って電池構造体１が凹面となるように当該フレーム３を湾曲させる変位誘導部７を備えている。他の表現として、変位誘導部７は、フレーム３の全体を湾曲させ、この際、電池構造体１が湾曲の内側（凹面側）となるようにフレーム３を湾曲させる。
この実施形態のセルユニットＣＵは、変位誘導部７が、フレーム３の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有すると共に、フレーム３の電池構造体１を配置した側の面（図２中で上面）に設けてある。また、変位誘導部７は、フレーム３において、支持板２との接合部と、燃料電池ＦＣのシール部ＳＬとの間に配置してある。この変位誘導部７は、開口部３Ａに対して、全周にわたって連続的に配置しても良いし、部分的に配置しても良い。
上記の変位誘導部７は、より好ましい実施形態として、絶縁性の酸化物から成る材料で形成することができる。変位誘導部７の材料には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）及びネオジム（Ｎｄ）などの酸化物を用いることができる。
上記の変位誘導部７は、例えば、フレーム３上に金属材料を塗布してこれを焼成する方法や、予めシート状に形成してフレーム３上に接合する方法などにより設けられる。このため、図示例の変位誘導部７は、フレーム３の主面において層状に形成されている。
また、セルユニットＣＵは、図３に示すように、フレーム３の端部位置Ａにおいて、変位誘導部７を備えたフレーム３の熱膨張時の変位量Ｂ１が、電池構造体１を備えた支持板２の熱膨張時の変位量Ｂ２以下（Ｂ１≦Ｂ２）であるものとしている。これらの変位量Ｂ１，Ｂ２は、各部材の材料や大きさ等を選択して設定することが可能である。
なお、フレーム３の変位量Ｂ１は、その片面に変位誘導部７を接合したうえで、拘束部位の無い自由状態での変位量である。また、支持板２の変位量Ｂ２は、同様に、その片面に電池構造体１を接合したうえで、拘束部位の無い自由状態での変位量である。
上記構成を備えたセルユニットＣＵは、先述したように、セパレータＳ１，Ｓ２やシール部ＳＬとともに燃料電池ＦＣを構成する。そして、燃料電池ＦＣは、運転時には、アノード側及びカソード側のガス流路Ｇ１，Ｇ２にアノードガス及びカソードガスを夫々流通させる。これにより、燃料電池ＦＣは、支持板２の本体部２Ａを通してアノード電極層４にアノードガスを供給すると共に、カソード電極層６にカソードガスを供給し、発電領域Ｇにおいて電気化学反応により電気エネルギーを発生する。
このとき、セルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、支持板２の熱膨張率が電池構造体１の熱膨張率よりも大きいので、図２（Ｂ）に示すように、双方の熱膨張率の差により、支持板２が、電池構造体１を内側にして湾曲するように変形する。この際、セルユニットＣＵは、変位誘導部７の熱膨張率がフレーム３の熱膨張率よりも小さいので、熱膨張率の大きいフレーム３が、図中の矢印で示すように、電池構造体１が凹面（内側）となるように湾曲する。なお、図２（Ｂ）では、理解し易くする都合上、変位量を誇張して示しており、実際の変位量は微小である。しかし、僅かな変位量でも、薄い電解質層５に対しては大きな負担になる。
つまり、上記のセルユニットは、支持板２が電池構造体１を内側にして湾曲するのに伴って、フレーム３も電池構造体１を内側にして湾曲することにより、支持板２の湾曲を許容する。このため、セルユニットＣＵは、電池構造体１の電解質層５に、圧縮荷重のみが作用して引張荷重が加わることがない。なお、電解質層５は、引張荷重に対する耐性の方が相対的に低く、圧縮荷重に対する耐性の方が相対的に高い。
ここで、図４は、フレーム３に変位誘導部７が無い構造のセルユニットＣＵを示している。このセルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、支持板２の熱膨張率が電池構造体１の熱膨張率よりも大きいので、支持板２が、電池構造体１を内側にして湾曲するように、つまり、図中において両端部が上方に跳ね上がるように変形する。
このとき、セルユニットＣＵは、支持板２がプレート３に固定してあるため、フレーム３には、支持板２の両端部に生じる上向き（図中で上向き）の力に対して、これに抗する下向きの応力（矢印Ｐ１）が発生する。これにより、電池構造体１には、面内方向の引張応力（矢印Ｐ２）が発生する。このとき、電解質層５は、引張荷重に対する耐性が低いので、面内方向の引張応力Ｐ２が屈曲部５Ａに集中し、割れ等が発生し易くなる。
これに対して、上記実施形態のセルユニットＣＵは、上記したように、電解質層５に引張荷重が加わる（引張応力が生じる）ことがないので、当然のことながら、屈曲部５Ａに応力集中が生じることもない。
このようにして、セルユニットＣＵは、電池構造体１を支持する支持板２と、支持板２を保持するフレーム３とにより、充分な機械的強度を確保した構造であるうえに、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を何ら損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止することができる。
これにより、セルユニットＣＵは、電池構造体１の周縁部におけるガスバリア性を長期にわたって維持することができる。また、上記セルユニットＣＵを備えた燃料電池ＦＣは、電解質層５の割れ等を未然に阻止して、アノード側とカソード側との間のガスバリア性を良好に維持し、安定した運転を行うことができる。
また、セルユニットＣＵは、フレーム３において、支持板２との接合部から燃料電池ＦＣのシール部ＳＬに至る間に変位誘導部７を配置しているので、支持板２との接合部やシール部Ｓｌの接合状態（封止状態）を良好に維持しつつフレーム３を湾曲させて、電池構造体１を保護することができる。
さらに、セルユニットＣＵは、フレーム３の電池構造体１を配置した側の面に、フレーム３の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する変位誘導部７を備えているので、簡単な構成により、支持板２の変形に追従するようにフレーム３を変形させて、電解質層５における応力集中を回避することができる。
さらに、セルユニットＣＵは、変位誘導部７の材料として、絶縁性の酸化物からを採用したことにより、他の金属を用いる場合に比べて、フレーム３との熱膨張率の差を大きくし易くなり、フレーム３の変位誘導効果を高めることができる。
さらに、セルユニットＣＵは、変位誘導部７を備えたフレーム３の熱膨張時の変位量Ｂ１を、電池構造体１を備えた支持板２の熱膨張時の変位量Ｂ２以下としている。つまり、セルユニットＣＵは、フレーム３の変形量Ｂ１が支持板２の変形量Ｂ２を超えないようにして、支持板２が過大に変形したり、電池構造体１に余計な負荷が生じたりする虞を未然に阻止することができる。これにより、セルユニットＣＵは、支持板２の割れや電池構造体１の破損等を確実に防ぐことができる。
なお、セルユニットＣＵにおいて、フレーム３が支持板２の変形を許容する構成としては、例えば、フレーム３における支持板２との接合部を薄肉状にし、フレーム３を変形し易くすることも考えられる。しかし、この場合には、セルユニットＣＵの機械的強度を高める部材であるフレーム３の本来の機能が損なわれる。これに対して、上記実施形態のセルユニットＣＵは、変位誘導部５を採用することにより、フレーム３の本来の強度や機能を維持しつつ、電解質層５の割れ等を未然に阻止する。
図５〜図１３は、本発明に係わるセルユニットの第２〜第１０の実施形態を説明する図である。以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
〈第２実施形態〉
図５は本発明に係わるセルユニットの第２実施形態を説明する図である。先述の第１実施形態のセルユニットＣＵは、支持板２の反電極側の面と、フレーム３の電池構造体１側の面とを接合した。これに対して、この実施形態のセルユニットＣＵは、支持板２の外周部２Ａにおける電極側の面（図中で上面）と、フレーム３の開口部３Ａの周縁部における電池構造体１側の面（図中で下面）とを接合している。これにより、図示のセルユニットＣＵは、支持板２とフレーム３との間に、電解質層５が介在した構造である。
また、上記のセルユニットＣＵを備えた燃料電池ＦＣは、アノード側セパレータＳ１とフレーム３の外周端部同士の間、及びフレーム３とカソード側セパレータＳ２の外周端部同士の間に、夫々のシール部ＳＬが設けてある。
上記構成を備えたセルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、図５（Ｂ）に示すように、支持板２が電池構造体１を内側にして湾曲するのに伴って、フレーム３も電池構造体１を内側にして湾曲する。これにより、セルユニットＣＵは、支持板２やフレーム３により充分な機械的強度を確保した構造であるうえに、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を何ら損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止することができる。
また、セルユニットＣＵは、フレーム３の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する変位誘導部７を備えているので、簡単な構成により、支持板２の変形に追従するようにフレーム３を変形させて、電解質層５における応力集中を回避することができる。さらに、この実施形態のセルユニットＣＵは、支持板２とフレーム３との間に電解質層５が介在しているので、アノード電極層４とカソード電極層６との間のガスバリア性のさらなる向上を図ることができる。
〈第３実施形態〉
図６は本発明に係わるセルユニットの第３実施形態を説明する図である。第１実施形態のセルユニットＣＵは、フレーム３の電池構造体１側の面に、フレーム３の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する変位誘導部７を配置した。これに対して、この実施形態のセルユニットＣＵは、フレーム３の電池構造体１を配置した側の反対面（図中で下面）に、フレームの熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有する変位誘導部１７を配置している。
変位誘導部１７は、より好ましい実施形態として、絶縁性の酸化物から成る材料で形成することができる。この変位誘導部１７の材料には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、イットリウム（Ｙ）、セリウム（Ｃｅ）、ランタン（Ｌａ）、プラセオジム（Ｐｒ）及びネオジム（Ｎｄ）などの酸化物を用いることができる。
上記のセルユニットＣＵは、第１実施形態に対して、フレーム３と変位誘導部１７との熱膨張率の大小関係が逆であるが、フレーム３の両面に対する変位誘導部１７の配置関係も逆である。したがって、セルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、図６（Ｂ）に示すように、支持板２が電池構造体１を内側にして湾曲するのに伴って、フレーム３も電池構造体１を内側にして湾曲する。
これにより、セルユニットＣＵは、支持板２やフレーム３により充分な機械的強度を確保した構造であるうえに、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を何ら損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止することができる。
また、セルユニットＣＵは、フレーム３の熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有する変位誘導部１７を備えているので、第１実施形態と同様に、簡単な構成により、支持板２の変形に追従するようにフレーム３を変形させて、電解質層５における応力集中を回避することができる。
〈第４実施形態〉
図７は本発明に係わるセルユニットの第４実施形態を説明する図である。図示のセルユニットＣＵは、第３実施形態と同様の基本構成を備えたものであるが、支持板２の電極側の面（図中で上面）と、フレーム３の電池構造体１側の面（図中で下面）とを接合している点で相違する。
上記のセルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、図７（Ｂ）に示すように、支持板２が電池構造体１を内側にして湾曲するのに伴って、フレーム３も電池構造体１を内側にして湾曲する。
上記のセルユニットＣＵにあっても、第３実施形態と同様に、支持板２やフレーム３により充分な機械的強度を確保した構造であるうえに、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を何ら損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止する。
〈第５実施形態〉
図８は本発明に係わるセルユニットの第３実施形態を説明する図である。図示のセルユニットＣＵは、フレーム３の電池構造体１側の面（図中で上面）に、フレーム３の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する変位誘導部７が配置してある。そして、セルユニットＣＵは、フレーム３の電池構造体１を配置した側の反対面（図中で下面）に、フレームの熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有する変位誘導部１７が配置してある。つまり、この実施形態のセルユニットＣＵは、フレーム３の両面に変位誘導部７，１７を備えている。
上記のセルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、図８（Ｂ）に示すように、支持板２が電池構造体１を内側にして湾曲するのに伴って、フレーム３も電池構造体１を内側にして湾曲する。これにより、セルユニットＣＵは、支持板２やフレーム３により充分な機械的強度を確保した構造であるうえに、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を何ら損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止することができる。
また、上記のセルユニットＣＵは、電池構造体１を凹面側（内側）にしてフレーム３が湾曲するように、フレーム３に対し、熱膨張率が小さい変位誘導部７と、熱膨張率が大きい変位誘導部１７とを相反する面に配置している。これにより、セルユニットＣＵは、変位誘導部７，１７に、フレーム３との熱膨張率の差が小さい材料を用いても、フレーム３を充分に変形させることが可能になり、フレーム３の変位量に関して、設計の自由度を大幅に拡大することができる。
〈第６実施形態〉
図９は本発明に係わるセルユニットの第６実施形態を説明する図である。この実施形態のセルユニットＣＵは、第５実施形態と同等の基本構成を備えると共に、支持板２の電極側の面（図中で上面）と、フレーム３の電池構造体１側の面（図中で下面）とを接合している。
上記構成を備えたセルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、図９（Ｂ）に示すように、支持板２が電池構造体１を内側にして湾曲するのに伴って、フレーム３も電池構造体１を内側にして湾曲する。これにより、セルユニットＣＵは、支持板２やフレーム３により充分な機械的強度を確保した構造であるうえに、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を何ら損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止することができる。
また、上記のセルユニットＣＵは、フレーム３に対し、熱膨張率が小さい変位誘導部７と、熱膨張率が大きい変位誘導部１７とを相反する面に配置しているので、フレーム３との熱膨張率の差が小さい変位誘導部７，１７を用いても、フレーム３を充分に変形させることが可能になり、フレーム３の変位量に関して、設計の自由度を大幅に拡大することができる。
〈第７実施形態〉
図１０は本発明に係わるセルユニットの第７実施形態を説明する図である。図示のセルユニットＣＵは、第５実施形態（図８）と同等の基本構成を備えると共に、変位誘導部７，１７が、フレーム３の外周端部を含む範囲に配置してある。この場合、図１０（Ａ）に示す燃料電池ＦＣでは、シール部ＳＬとフレーム３との間に一方の変位誘導部７が介在している。
なお、図示のセルユニットＣＵは、フレーム３の両面に変位誘導部７，１７を配置した構成であるが、この実施形態の主旨としては、いずれか一方の変位誘導部７，１７を備えると共に、その変位誘導部７，１７をフレーム３の外周端部に至る範囲に配置した構成であれば良い。
上記のセルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、図１０（Ｂ）に示すように、支持板２が電池構造体１を内側にして湾曲するのに伴って、フレーム３も電池構造体１を内側にして湾曲する。これにより、セルユニットＣＵは、支持板２やフレーム３により充分な機械的強度を確保した構造であるうえに、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を何ら損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止することができる。
また、上記のセルユニットＣＵは、フレーム３の外周端部を含む範囲に変位誘導部７，１７が配置してあるので、フレーム３上に金属材料を塗布して変位誘導部７，１７を形成する場合、フレーム３の主面に対するマスキング箇所が少なくなり、安価に変位誘導部７，１７を形成することができる。
さらに、セルユニットＣＵは、変位誘導部７，１７の範囲拡大により、フレーム３の露出面積が少なくなり、フレーム３からのクロム（Ｃｒ）の蒸散を抑制することができるので、クロムによる電極劣化の防止にも非常に有効である。
〈第８実施形態〉
図１１は本発明に係わるセルユニットの第８実施形態を説明する図である。図示のセルユニットＣＵは、第７実施形態と同様の基本構成を備えたものであるが、支持板２の電極側の面（図中で上面）と、フレーム３の電池構造体１側の面（図中で下面）とを接合している点で相違する。
上記のセルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、図１１（Ｂ）に示すように、支持板２が電池構造体１を内側にして湾曲するのに伴って、フレーム３も電池構造体１を内側にして湾曲する。
上記のセルユニットＣＵにあっても、第７実施形態と同様に、支持板２やフレーム３により充分な機械的強度を確保した構造であるうえに、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を何ら損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止する。
また、セルユニットＣＵは、フレーム３の外周端部を含む範囲に変位誘導部７，１７を配置して、変位誘導部７，１７の範囲を拡大したことから、金属材料の塗布により変位誘導部７，１７を形成する場合には、マスキング箇所を少なくして、安価に変位誘導部７，１７を形成することができる。さらに、セルユニットＣＵは、フレーム３の露出面積を少なくして、フレーム３からのクロム（Ｃｒ）の蒸散を抑し、クロムによる電極劣化の防止にも非常に有効である。
〈第９実施形態〉
図１２は本発明に係わるセルユニットの第９実施形態を説明する図である。図示のセルユニットＣＵは、第８実施形態（図１１）と同等の基本構成を備えているが、変位誘導部７，１７を配置した範囲が、フレーム３の内周端部を含む範囲である点で相違する。
なお、図示のセルユニットＣＵは、フレーム３の両面に変位誘導部７，１７を配置した構成であるが、この実施形態の主旨としては、いずれか一方の変位誘導部７，１７を備えると共に、その変位誘導部７，１７をフレーム３の内周端部に至る範囲に配置した構成であれば良い。
上記のセルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、図１２（Ｂ）に示すように、支持板２が電池構造体１を内側にして湾曲するのに伴って、フレーム３も電池構造体１を内側にして湾曲する。これにより、セルユニットＣＵは、支持板２やフレーム３により充分な機械的強度を確保した構造であるうえに、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を何ら損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止することができる。
また、上記のセルユニットＣＵは、フレーム３の内周端部を含む範囲に変位誘導部７，１７が配置して、変位誘導部７，１７の範囲を拡大したことから、フレーム３上に金属材料を塗布して変位誘導部７，１７を形成する場合、フレーム３の主面に対するマスキング箇所が少なくなり、安価に変位誘導部７，１７を形成することができる。さらに、セルユニットＣＵは、変位誘導部７，１７の範囲拡大により、フレーム３の露出面積が少なくなり、フレーム３からのクロム（Ｃｒ）の蒸散を抑制することができるので、クロムによる電極劣化の防止にも非常に有効である。
そしてさらに、上記のセルユニットＣＵは、フレーム３の内周端部を含む範囲に変位誘導部７，１７を配置することで、支持板２の変形にフレーム３が追従し易くなり、フレーム３を全体的に湾曲させることで、電解質層５への引張荷重を抑制する効果をより高めることができる。
〈第１０実施形態〉
図１３は本発明に係わるセルユニットの第１０実施形態を説明する図である。図示のセルユニットＣＵは、第９実施形態と同様の基本構成を備えたものであるが、支持板２の電極側の面（図中で上面）と、フレーム３の電池構造体１側の面（図中で下面）とを接合している点で相違する。
上記のセルユニットＣＵは、運転時に高温環境下に晒されると、図１３（Ｂ）に示すように、支持板２が電池構造体１を内側にして湾曲するのに伴って、フレーム３も電池構造体１を内側にして湾曲する。
上記のセルユニットＣＵにあっても、第９実施形態と同様に、支持板２やフレーム３により充分な機械的強度を確保した構造であるうえに、運転時に熱膨張した際に、フレーム３の強度を何ら損なうことなく、電解質層５に引張応力が集中する虞を解消して、電解質層５の割れ等を未然に阻止する。
また、セルユニットＣＵは、フレーム３の内周端部を含む範囲に変位誘導部７，１７を配置して、変位誘導部７，１７の範囲を拡大したことから、金属材料の塗布により変位誘導部７，１７を形成する場合には、マスキング箇所を少なくして、安価に変位誘導部７，１７を形成することができる。さらに、セルユニットＣＵは、フレーム３の露出面積を少なくして、フレーム３からのクロム（Ｃｒ）の蒸散を抑し、クロムによる電極劣化の防止にも非常に有効である。
そしてさらに、上記のセルユニットＣＵは、フレーム３の内周端部を含む範囲に変位誘導部７，１７を配置することで、支持板２の変形にフレーム３が追従し易くなり、フレーム３を全体的に湾曲させることで、電解質層５への引張荷重を抑制する効果をより高めることができる。
本発明に係わる燃料電池セルは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成を適宜変更したり、上記各実施形態の構成を組み合わせたりすることが可能である。
ＣＵ セルユニット
ＦＣ 燃料電池
Ｓ１ アノード側セパレータ
Ｓ２ カソード側セパレータ
ＳＬ シール部
１ 電池構造体
２ 支持板
３ フレーム
４ アノード電極層
５ 電解質層
６ カソード電極層
７ 変位誘導部
１７ 変位誘導部
〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池ＦＣは、例えば、固体酸化物型の燃料電池であり、その内部に、発電要素を構成するセルユニットＣＵを備えている。この燃料電池ＦＣは、セルユニットＣＵと、セルユニットＣＵのアノード側及びカソード側に夫々配置したセパレータＳ１，Ｓ２と、セルユニットＣＵのフレーム３及びセパレータＳ１，Ｓ２の外周端部同士の間を気密的に封止するシール部ＳＬとを備えている。各セパレータＳ１，Ｓ２は、ステンレス等の金属から成るもので、セルユニットＣＵとの間に、アノード側及びカソード側のガス流路Ｇ１，Ｇ２を形成する。
ここで、セルユニットＣＵは、電池構造体１の電解質層５が、発電領域Ｇの外周側に延出して支持板２の外周部２Ｂに接合してあり、この電解質層５により、アノード電極層４とカソード電極層６との間のガスバリア性を確保している。このため、電解質層５は、アノード電極層４の外端部の位置に、アノード電極層４の厚さ分だけ一段下がる屈曲部５Ａを有している。
上記のフレーム３は、開口部３Ａ内に、支持板２の本体部２Ａを配置すると共に、電池構造体１側の面（図２中で上面）において、開口部３Ａの周縁部に、支持板２の外周部２Ｂにおける反電極側の面（図２中で下面）を接合している。フレーム３と支持板２との接合には、溶接や各種接着剤などを用いることができる。
また、セルユニットＣＵは、図３に示すように、フレーム３の端部位置Ａにおいて、変位誘導部７を備えたフレーム３の熱膨張時の変位量Ａ１が、電池構造体１を備えた支持板２の熱膨張時の変位量Ａ２以下（Ａ１≦Ａ２）であるものとしている。これらの変位量Ａ１，Ａ２は、各部材の材料や大きさ等を選択して設定することが可能である。
なお、フレーム３の変位量Ａ１は、その片面に変位誘導部７を接合したうえで、拘束部位の無い自由状態での変位量である。また、支持板２の変位量Ａ２は、同様に、その片面に電池構造体１を接合したうえで、拘束部位の無い自由状態での変位量である。
このとき、セルユニットＣＵは、支持板２がフレーム３に固定してあるため、フレーム３には、支持板２の両端部に生じる上向き（図中で上向き）の力に対して、これに抗する下向きの応力（矢印Ｐ１）が発生する。これにより、電池構造体１には、面内方向の引張応力（矢印Ｐ２）が発生する。このとき、電解質層５は、引張荷重に対する耐性が低いので、面内方向の引張応力Ｐ２が屈曲部５Ａに集中し、割れ等が発生し易くなる。
また、セルユニットＣＵは、フレーム３において、支持板２との接合部から燃料電池ＦＣのシール部ＳＬに至る間に変位誘導部７を配置しているので、支持板２との接合部やシール部ＳＬの接合状態（封止状態）を良好に維持しつつフレーム３を湾曲させて、電池構造体１を保護することができる。
さらに、セルユニットＣＵは、変位誘導部７を備えたフレーム３の熱膨張時の変位量Ａ１を、電池構造体１を備えた支持板２の熱膨張時の変位量Ａ２以下としている。つまり、セルユニットＣＵは、フレーム３の変形量Ｂ１が支持板２の変形量Ｂ２を超えないようにして、支持板２が過大に変形したり、電池構造体１に余計な負荷が生じたりする虞を未然に阻止することができる。これにより、セルユニットＣＵは、支持板２の割れや電池構造体１の破損等を確実に防ぐことができる。
なお、セルユニットＣＵにおいて、フレーム３が支持板２の変形を許容する構成としては、例えば、フレーム３における支持板２との接合部を薄肉状にし、フレーム３を変形し易くすることも考えられる。しかし、この場合には、セルユニットＣＵの機械的強度を高める部材であるフレーム３の本来の機能が損なわれる。これに対して、上記実施形態のセルユニットＣＵは、変位誘導部７を採用することにより、フレーム３の本来の強度や機能を維持しつつ、電解質層５の割れ等を未然に阻止する。
〈第２実施形態〉
図５は本発明に係わるセルユニットの第２実施形態を説明する図である。先述の第１実施形態のセルユニットＣＵは、支持板２の反電極側の面と、フレーム３の電池構造体１側の面とを接合した。これに対して、この実施形態のセルユニットＣＵは、支持板２の外周部２Ｂにおける電極側の面（図中で上面）と、フレーム３の開口部３Ａの周縁部における電池構造体１側の面（図中で下面）とを接合している。これにより、図示のセルユニットＣＵは、支持板２とフレーム３との間に、電解質層５が介在した構造である。
〈第５実施形態〉
図８は本発明に係わるセルユニットの第５実施形態を説明する図である。図示のセルユニットＣＵは、フレーム３の電池構造体１側の面（図中で上面）に、フレーム３の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有する変位誘導部７が配置してある。そして、セルユニットＣＵは、フレーム３の電池構造体１を配置した側の反対面（図中で下面）に、フレームの熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有する変位誘導部１７が配置してある。つまり、この実施形態のセルユニットＣＵは、フレーム３の両面に変位誘導部７，１７を備えている。

Claims (8)

  1. アノード電極層、電解質層及びカソード電極層を順に積層して成る電池構造体と、
    前記電池構造体の片側面に配置した金属製の支持板と、
    前記支持板の外周部を保持するフレームとを備え、
    前記フレームが、少なくとも前記フレームの片側面に、当該フレームの熱膨張率と異なる熱膨張率を有し且つ熱膨張に伴って前記電池構造体が凹面となるように当該フレームを湾曲させる変位誘導部を備えていることを特徴とするセルユニット。
  2. 前記変位誘導部が、前記フレームの熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有すると共に、前記フレームの前記電池構造体を配置した側の面に設けてあることを特徴とする請求項１に記載のセルユニット。
  3. 前記変位誘導部が、前記フレームの熱膨張率よりも大きい熱膨張率を有すると共に、前記フレームの前記電池構造体を配置した側の反対面に設けてあることを特徴とする請求項１又は２に記載のセルユニット。
  4. 前記変位誘導部が、前記フレームの外周端部を含む範囲に配置してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のセルユニット。
  5. 前記変位誘導部が、前記フレームの内周端部を含む範囲に配置してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のセルユニット。
  6. 前記変位誘導部が、絶縁性の酸化物から成る材料で形成してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のセルユニット。
  7. 前記変位誘導部を備えた前記フレームの熱膨張時の変位量が、前記電池構造体を備えた前記支持板の熱膨張時の変位量以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のセルユニット。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のセルユニットと、前記セルユニットのアノード側及びカソード側に夫々配置したセパレータと、前記セルユニットのフレーム及び前記セパレータの外周端部同士の間を気密的に封止するシール部とを備えたことを特徴とする燃料電池。
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