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1. (WO2019026168) CELL UNIT
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明 細 書

発明の名称 セルユニット

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005  

先行技術文献

特許文献

0006  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0007   0008   0009   0010  

課題を解決するための手段

0011  

発明の効果

0012   0013   0014  

図面の簡単な説明

0015  

発明を実施するための形態

0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083  

符号の説明

0084  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13  

明 細 書

発明の名称 : セルユニット

技術分野

[0001]
 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。

背景技術

[0002]
 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。
[0003]
 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。
[0004]
 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。
[0005]
 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。

先行技術文献

特許文献

[0006]
特許文献1 : 日本国特表2010-534901号公報
特許文献2 : 日本国特開2013-033621号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0007]
 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。
[0008]
 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。
[0009]
 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。
[0010]
 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。

課題を解決するための手段

[0011]
 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。

発明の効果

[0012]
 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。
[0013]
 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。
[0014]
 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。

図面の簡単な説明

[0015]
[図1] 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2] 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。
[図3] 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。
[図4] 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。
[図5] 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。
[図6] 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。
[図7] 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。
[図8] 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。
[図9] 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。
[図10] 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。
[図11] 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。
[図12] 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。
[図13] 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。

発明を実施するための形態

[0016]
〈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。
[0017]
 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。
[0018]
 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。
[0019]
 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。
[0020]
 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。
[0021]
 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。
[0022]
 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。
[0023]
 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。
[0024]
 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。
[0025]
 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。
[0026]
 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。
[0027]
 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。
[0028]
 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。
[0029]
 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。
[0030]
 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。
[0031]
 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。
[0032]
 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。
[0033]
 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。
[0034]
 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。
[0035]
 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。
[0036]
 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。
[0037]
 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。
[0038]
 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。
[0039]
 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。
[0040]
 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。
[0041]
 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。
[0042]
 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。
[0043]
 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。
[0044]
 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。
[0045]
 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。
[0046]
〈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。
[0047]
 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。
[0048]
 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。
[0049]
 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。
[0050]
〈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。
[0051]
 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。
[0052]
 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。
[0053]
 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。
[0054]
 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。
[0055]
〈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。
[0056]
 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。
[0057]
 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。
[0058]
〈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。
[0059]
 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。
[0060]
 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。
[0061]
〈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。
[0062]
 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。
[0063]
 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。
[0064]
〈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。
[0065]
 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。
[0066]
 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。
[0067]
 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。
[0068]
 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。
[0069]
〈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。
[0070]
 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。
[0071]
 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。
[0072]
 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。
[0073]
〈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。
[0074]
 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。
[0075]
 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。
[0076]
 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。
[0077]
 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。
[0078]
〈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。
[0079]
 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。
[0080]
 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。
[0081]
 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。
[0082]
 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。
[0083]
 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。

符号の説明

[0084]
 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

請求の範囲

[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。
[請求項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。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]