JP2019192363A - セルユニットおよびメタルサポートセルの補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転状態に係わらず導通状態を確保することができるセルユニットおよびメタルサポートセルの補強方法を提供する。【解決手段】セルユニット１００は、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０の一方側との間にアノードガスＡＧの流路を区画形成し、メタルサポート部１１２に導通するアノード流路形成部１４０と、セパレータの他方側にカソードガスＣＧの流路を区画形成するカソード流路形成部１５０と、を有する。セルユニットは、セパレータとアノード流路形成部とを金属溶着して導通させる溶着部１６０と、セパレータとカソード流路形成部とを接合して導通させる固定部１７０と、をさらに有する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池スタック用のセルユニットおよびメタルサポートセルの補強方法に関する。

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：ＳＯＦＣ。以下、単に「ＳＯＦＣ」ということがある。）は、熱効率が高く、貴金属触媒を使わなくても燃料と空気との電気化学反応が可能であり、さらに多種類の燃料を使用できる。

ＳＯＦＣには、電解質電極接合体をメタルサポート部によって支持した構造を有するメタルサポートセル型ＳＯＦＣがある。メタルサポートセルは、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度に優れている。

ＳＯＦＣの電気抵抗の低減には、メタルサポート部および電解質層の厚みをできるだけ薄膜化しながら、メタルサポート部とセパレータとの接合面積をできるだけ増やすことが有効である。しかしながら、接合の際に生じる熱の影響による電解質層の割れの懸念から、メタルサポート部および電解質層を薄膜化できない。また、セパレータをプレスして反応ガスの流路を形成する場合、成形性の制約から流路ピッチを縮められないためメタルサポート部とセパレータとの接点を増やすことができず、結果的に接合面積を増やすことができない。

例えば、下記特許文献１には、電極に突起部を設け、反応ガスの流路を電極の突起部によって形成し、当該突起部をセパレータに接触させることによって導通させたセルユニットが開示されている。突起部とセパレータとを接合しないため、接合の際に生じる熱の影響による電解質層の割れの懸念がない。

特許５３３４５５９号公報

しかしながら、上記特許文献１のセルユニットでは、スタッキング荷重（押圧力）によって突起部とセパレータとを接触させて両者の導通性を確保しているため、所定以上の押圧力を維持する必要がある。その結果、運転状態によって押圧力が変化すると接触を維持することができず、導電性が悪化して接触抵抗が増大する可能性がある。

本発明の目的は、運転状態に係わらず導通性を確保することができるセルユニットおよびメタルサポートセルの補強方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明のセルユニットは、メタルサポートセル、前記メタルサポートセルに積層されたセパレータ、アノード流路形成部およびカソード流路形成部を有する。前記メタルサポートセルは、電解質層と、前記電解質層を補強するメタルサポート部とを含む。前記アノード流路形成部は、前記メタルサポートセルと前記セパレータの一方側との間にアノードガスの流路を区画形成し、前記メタルサポート部に導通する。前記カソード流路形成部は、前記セパレータの他方側にカソードガスの流路を区画形成する。セルユニットは、前記セパレータと前記アノード流路形成部とを金属溶着して導通させる溶着部と、前記セパレータと前記カソード流路形成部とを接合して導通させる固定部と、をさらに有する。

上記目的を達成するための本発明のメタルサポートセルの補強方法は、電解質層をメタルサポート部によって補強したメタルサポートセルを形成し、前記メタルサポートセルにセパレータを積層する。さらに、前記メタルサポートセルと前記セパレータの一方側との間に、前記メタルサポート部に導通するアノード流路形成部を配置してアノードガスの流路を区画形成する。また、前記セパレータの他方側にカソード流路形成部を配置してカソードガスの流路を区画形成する。そして、前記セパレータと前記アノード流路形成部とを金属溶着して導通させるとともに、前記セパレータと前記カソード流路形成部とを接合して導通させて導通状態を確保しつつ前記電解質層を補強する。

本発明に係るセルユニットおよびメタルサポートセルの補強方法によれば、金属溶着および接合によって導通性を確保するため、セルユニットに過大なスタッキング荷重（押圧力）を加える必要がない。また、アノード流路形成部とセパレータとを金属溶着するため、金属溶着による熱の影響が電解質層まで及ぶことを抑制することができる。その結果、電解質層の破損を抑制しつつ、運転状態に係わらず導通性を確保することができる。

実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図である。 図１に示すセルユニットの分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿うセルユニットの部分断面図である。 図２に示すメタルサポートセルアッセンブリーの分解斜視図である。 図３に示すアノード流路形成部を拡大して示す部分断面図である。 メタルサポート部およびアノード流路形成部を示す上面図である。 変形例１に係るアノード流路形成部を示す断面図である。 変形例２に係るアノード流路形成部を示す断面図である。 変形例３に係るアノード流路形成部を示す断面図である。 変形例４に係るアノード流路形成部および補強部を示す上面図である。 補強部の反り抑制効果を説明するためのメタルサポート部の側面図である。 変形例５に係るアノード流路形成部を示す上面図である。 変形例６に係るアノード流路形成部および補強部を示す上面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１〜図６を参照して、実施形態に係るセルユニット１００について説明する。本実施形態のセルユニット１００は、電解質として例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に用いられる。

以下の説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を図中に示す。Ｘ軸およびＹ軸は水平方向、Ｚ軸は上下方向にそれぞれ平行な軸を示す。

図１は、第１実施形態に係る複数のセルユニット１００を上下方向に積層して構成した燃料電池スタック１０を示す分解斜視図である。以下、図中にＺ軸で示す燃料電池スタック１０の上下方向を「積層方向」とも称する。

（セルユニット１００）
図２は、セルユニット１００の分解斜視図であり、図３は、図１のＡ−Ａ線に沿うセルユニット１００の部分断面図である。図２および図３に示すように、セルユニット１００は、メタルサポートセルアッセンブリー１１０と、セパレータ１２０と、カソード流路形成部１５０と、集電補助層１３０と、を順に積層して構成される。メタルサポートセルアッセンブリー１１０のセパレータ１２０と対向する側（一方側）には、アノード流路形成部１４０が配置されている。

図３に示すように、セルユニット１００は、セパレータ１２０とアノード流路形成部１４０とを金属溶着して導通させる溶着部１６０と、セパレータ１２０とカソード流路形成部１５０とを接合して導通させる固定部１７０と、カソード流路形成部１５０と集電補助層１３０とを溶接して導通させる溶接部１８０と、をさらに有する。

ここで、本明細書において、「金属溶着」とは、母材としての金属または金属の溶加材を加熱して材質的結合によって接合することを意味し、接着等の化学的結合や機械的結合を含まないものと定義する。ここで、「材質的結合」には、溶接、ろう接（ろう付け）、焼結接合が含まれる。溶接には、溶融溶接（融接）、抵抗溶接、圧接等が含まれる。

また、「接合」とは、溶接、ろう接（ろう付け）、焼結接合等の金属溶着（材質的結合）に限定されず、接着等の化学的結合や、ボルト締め、リベット締め、かしめ等の機械的結合を広く含むものと定義する。

（メタルサポートセルアッセンブリー１１０）
図４は、メタルサポートセルアッセンブリー１１０の分解斜視図である。図４に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１１０は、メタルサポートセル（Ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｃｅｌｌ：ＭＳＣ）１１０Ｍと、メタルサポートセル１１０Ｍの外周を保持するセルフレーム１１３と、を有する。

図３および図４に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質電極接合体１１１と、電解質電極接合体１１１を上下方向の一方側から支持する金属製のメタルサポート部１１２と、を有する。

（電解質電極接合体１１１）
電解質電極接合体１１１は、図３および図４に示すように、電解質層１１１Ｅの両側に一対の電極であるアノード層１１１Ａおよびカソード層１１１Ｃを積層して構成される。

アノード層１１１Ａは、燃料極であって、アノードガス（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード層１１１Ａは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、アノードガスを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード層１１１Ａの形成材料は、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させたものが挙げられる。

カソード層１１１Ｃは、酸化剤極であって、カソードガス（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード層１１１Ｃは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード層１１１Ｃの形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。

電解質層１１１Ｅは、カソード層１１１Ｃからアノード層１１１Ａに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質層１１１Ｅは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質層１１１Ｅの形成材料は、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、スカンジウム等をドープした安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスが挙げられる。

（メタルサポート部１１２）
メタルサポート部１１２は、図３および図４に示すように、電解質電極接合体１１１をアノード層１１１Ａの側から支持するものである。メタルサポート部１１２は、ガス透過性および電子伝導性を有する。メタルサポート部１１２は、金属粉末からなる焼結体または金属の多孔体から形成される。メタルサポート部１１２の形成材料は、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。

（セルフレーム１１３）
セルフレーム１１３は、図３および図４に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍを周囲から保持するものである。図４に示すように、セルフレーム１１３は、開口部１１３Ｈを有する。セルフレーム１１３の開口部１１３Ｈには、メタルサポートセル１１０Ｍが配置される。メタルサポートセル１１０Ｍの外周は、セルフレーム１１３の開口部１１３Ｈの内縁に接合される。セルフレーム１１３の形成材料は、例えば、表面に絶縁処理が施された金属が挙げられる。

セルフレーム１１３は、図４に示すように、アノードガスＡＧが流通するアノードガス流入口１１３ａおよびアノードガス流出口１１３ｂと、カソードガスＣＧが流通するカソードガス流入口１１３ｃおよびカソードガス流出口１１３ｄと、を有している。

（セパレータ１２０）
図２および図３に示すように、セパレータ１２０は、アノード流路形成部１４０と対面する領域（アクティブエリア）が平坦な形状を有するいわゆるフラットセパレータである。これにより、溶着部１６０によるセパレータ１２０とアノード流路形成部１４０との金属溶着を容易にすることができる。また、セパレータ１２０にガスの流路を形成するためのプレス加工が不要なため、製造コストを削減できる。

セパレータ１２０の形成材料は、特に限定されないが、例えば、金属が挙げられる。

図２に示すように、セパレータ１２０は、アノードガスＡＧが流通するアノードガス流入口１２５ａおよびアノードガス流出口１２５ｂと、カソードガスＣＧが流通するカソードガス流入口１２５ｃおよびカソードガス流出口１２５ｄと、を有している。

（集電補助層１３０）
集電補助層１３０は、例えばエキスパンドメタル等の複数の孔が形成された導電性の多孔質体から形成することができる。これにより、複数の孔によってガスを通す空間を形成してガス拡散性を確保しつつ、カソード流路形成部１５０とセパレータ１２０との電気的な接触を補助して電子伝導性を向上することができる。なお、集電補助層１３０を形成する導電性の多孔質体としては、エキスパンドメタルに限定されず、例えば、発泡金属やメッシュ状の金属などを用いることができる。

（アノード流路形成部１４０）
図３に示すように、アノード流路形成部１４０は、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０の一方側との間にアノードガスＡＧの流路を区画形成する。

図５は、図３に示すアノード流路形成部１４０を拡大して示す断面図である。図５に示すように、アノード流路形成部１４０は、メタルサポート部１１２に一体的に形成される。ここで、本明細書において、「一体的に形成される」とは、構成部品として単体であることを意味し、金属溶着や接合によって部品同士を一体化したものは含まないものとする。

本実施形態では、アノード流路形成部１４０は、薄膜状のメタルサポート部１１２からセパレータ１２０側に向かって突出するリブによって形成される。このため、リブの配置を調整することによって比較的容易に流路ピッチを狭めることができる。その結果、アノード流路形成部１４０とメタルサポート部１１２との接合面積を増加させることができる。

図６は、メタルサポート部１１２およびアノード流路形成部１４０を示す上面図である。図６に示すように、アノード流路形成部１４０は、一方向（Ｙ方向）に沿って延在する複数のリブを延在方向Ｙに交差するＸ方向に並列に並べて構成される。これにより、図６中の矢印で示すように、アノードガスＡＧの流れ方向は、Ｙ方向となる。

アノード流路形成部１４０は、メタルサポート部１１２と同様にガス透過性および電子伝導性を有する。アノード流路形成部１４０は、金属粉末からなる焼結体または金属の多孔体から形成される。

アノード流路形成部１４０およびメタルサポート部１１２が金属粉末からなる焼結体から形成される場合、アノード流路形成部１４０の金属粉末の粒径は、メタルサポート部１１２の金属粉末の粒径よりも小さくなるように構成されている。また、アノード流路形成部１４０およびメタルサポート部１１２が金属の多孔体から形成される場合、アノード流路形成部１４０の孔径は、メタルサポート部１１２の孔径よりも小さくなるように構成されている。上記構成によって、アノード流路形成部１４０は、メタルサポート部１１２よりも緻密度が高く形成されている。

アノード流路形成部１４０の形成材料は、セパレータ１２０と同様の金属材料や、金属材料に電解質層１１１Ｅと同様の材料（固体酸化物セラミックス）を混合したサーメット等が挙げられる。アノード流路形成部１４０の形成材料にセパレータ１２０と同様の金属材料を用いることによって、アノード流路形成部１４０とセパレータ１２０との金属溶着を容易に行うことができる。また、アノード流路形成部１４０の形成材料にサーメットを用いる場合は、さらに緻密度を上げることができる。

アノード流路形成部１４０の製造方法は、特に限定されないが、例えば、メタルサポート部１１２にエッチングまたはモールドによって形成してもよいし、アノード流路形成部１４０を構成するリブ状の別部品をメタルサポート部１１２に張り合わせた後に焼結によって一体化して形成してもよい。リブ状の別部品は、レーザ加工、ダイ加工、エッチングなどによって基材からトリムして形成することができる。

（カソード流路形成部１５０）
カソード流路形成部１５０は、図３に示すように、集電補助層１３０とセパレータ１２０との間に設けられる。カソード流路形成部１５０は、集電機能を有し、集電補助層１３０とセパレータ１２０との電気的な接触を補助して電子伝導性を向上することができる。また、セパレータ１２０とは別部品のカソード流路形成部１５０を設けることによって、セパレータ１２０のフラット化が実現できる。

カソード流路形成部１５０は、平坦な基板１５１と、基板１５１から片持ち梁となるように起立させて形成し弾性変形可能な複数の第１の起立片１５２および第２の起立片１５３と、を有する板ばねから構成される。第１の起立片１５２および第２の起立片１５３は、起立の向きが互いに対向するように交互に配置されている。

カソード流路形成部１５０は、ばね性を有する板ばねであるため、積層方向Ｚの変位を吸収することができる。これにより、金属溶着の熱によるセパレータ１２０の積層方向Ｚの変位のばらつきを補正して、接触抵抗を低減することができる。さらに、カソード流路形成部１５０は、セパレータ１２０および集電補助層１３０を電解質電極接合体１１１に対して押し付けることによって、電解質電極接合体１１１に対して面圧を付与して接触抵抗を低減することができる。

（溶着部１６０）
溶着部１６０は、セパレータ１２０とアノード流路形成部１４０とを金属溶着して導通させる。図５に示すように、本実施形態では、溶着部１６０は、溶融溶接によって形成される。溶融溶接の溶融深さは、アノード流路形成部１４０の内部に収まるように設定される。これにより、溶融溶接による熱の影響が電解質層１１１Ｅに及ぶことを抑制することができる。

溶着部１６０が形成されるアノード流路形成部１４０では、緻密度が高い（気孔率が低い）ため熱容量が大きい。このため、溶着部１６０の金属溶着による熱の影響が電解質層１１１Ｅまで及ぶことを抑制することができる。これにより、電解質層１１１Ｅの破損を抑制することができる。また、メタルサポート部１１２では、緻密度が低い（気孔率が高い）ため、ガス透過性を確保することができる。

溶着部１６０によって、セパレータ１２０とアノード流路形成部１４０との間の確実な導通状態を確保することができるため必要以上に過大なスタッキング荷重（押圧力）を加える必要がない。この結果、セルユニット１００の構造を単純化できるとともに過大な押圧力を出す必要がないため部品の耐久性を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態に係るセルユニット１００は、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０の一方側との間にアノードガスＡＧの流路を区画形成し、メタルサポート部１１２に導通するアノード流路形成部１４０と、セパレータ１２０の他方側にカソードガスＣＧの流路を区画形成するカソード流路形成部１５０と、を有する。セルユニット１００は、セパレータ１２０とアノード流路形成部１４０とを金属溶着して導通させる溶着部１６０と、セパレータ１２０とカソード流路形成部１５０とを接合して導通させる固定部１７０と、をさらに有する。

上記セルユニット１００によれば、溶着部１６０および固定部１７０によって導通性を確保するため、構成部品間の接触によって導通性を維持する構成を備えるセルユニットに比べてセルユニット１００に過大なスタッキング荷重（押圧力）を加える必要がない。また、アノード流路形成部１４０とセパレータ１２０とを金属溶着するため、金属溶着による熱の影響が電解質層１１１Ｅまで及ぶことを抑制することができる。その結果、電解質層１１１Ｅの破損を抑制しつつ、運転状態に係わらず導通性を確保することができる。

また、アノード流路形成部１４０は、メタルサポート部１１２に一体的に設けられたリブからなる。アノード流路形成部１４０とメタルサポート部１１２とを一体化することで、導通性をより確実に確保することができる。

また、セパレータ１２０のうちアノード流路形成部１４０と対面する領域は、平坦な形状を有する。これにより、セパレータ１２０とアノード流路形成部１４０の接合を容易にすることができる。また、セパレータ１２０のプレス加工が不要なため、製造コストを削減できる。

また、カソード流路形成部１５０は、ばね性を有するため、積層方向Ｚの変位を吸収できる。これにより、金属溶着の熱によるセパレータ１２０の積層方向Ｚの変位のばらつきを補正して、接触抵抗を低減することができる。さらに、カソード流路形成部１５０は、セパレータ１２０および集電補助層１３０を電解質電極接合体１１１に対して押し付けることによって、電解質電極接合体１１１に対して面圧を付与して接触抵抗を低減することができる。

また、アノード流路形成部１４０は、メタルサポート部１１２よりも緻密度が高く形成されている。これにより、アノード流路形成部１４０の熱容量が高くなるため、金属溶着の熱の影響が電解質層１１１Ｅまで及ぶことをより確実に抑制することができる。

本実施形態に係るメタルサポートセル１１０Ｍの補強方法は、電解質層１１１Ｅをメタルサポート部１１２によって補強したメタルサポートセル１１０Ｍを形成し、メタルサポートセル１１０Ｍにセパレータ１２０を積層する。さらに、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０の一方側との間に、メタルサポート部１１２に導通するアノード流路形成部１４０を配置してアノードガスＡＧの流路を区画形成する。また、セパレータ１２０の他方側にカソード流路形成部１５０を配置してカソードガスＣＧの流路を区画形成する。そして、セパレータ１２０とアノード流路形成部１４０とを金属溶着して導通させるとともに、セパレータ１２０とカソード流路形成部１５０とを接合して導通させて導通状態を確保しつつ電解質層１１１Ｅを補強する。

上記メタルサポートセル１１０Ｍの補強方法によれば、金属溶着および接合によって導通性を確保するため、構成部品間の接触によって導通性を維持する構成を備えるセルユニットに比べてセルユニット１００に過大なスタッキング荷重（押圧力）を加える必要がない。また、アノード流路形成部１４０とセパレータ１２０とを金属溶着するため、金属溶着による熱の影響が電解質層１１１Ｅまで及ぶことを抑制することができる。その結果、電解質層１１１Ｅの破損を抑制しつつ、運転状態に係わらず導通性を確保することができる。

以下、変形例について説明する。なお、前述した実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

＜変形例１＞
図７は、変形例１に係るアノード流路形成部２４０を示す断面図である。アノード流路形成部２４０は、メタルサポート部１１２と緻密度が同程度の多孔質層２４１と、メタルサポート部１１２よりも緻密度が高い緻密層２４２と、を有する点で前述した実施形態と異なる。

アノード流路形成部２４０は、溶着部１６０が形成される中央部分に緻密層２４２を有し、それ以外の部分に多孔質層２４１を有する。これにより、緻密層２４２は、溶着部１６０の金属溶着による熱の影響が電解質層１１１Ｅまで及ぶことを抑制することができる。さらに、多孔質層２４１は、ガス透過性を確保することができる。

＜変形例２＞
図８は、変形例２に係るアノード流路形成部３４０を示す断面図である。アノード流路形成部３４０は、溶着部１６０が形成される部分のみがセパレータ１２０と接触するように構成されている点で前述した実施形態と異なる。これにより、アノードガスＡＧの流路をできるだけ大きくしてガス拡散を向上させつつ、溶着部１６０を形成することができる。

＜変形例３＞
図９は、変形例３に係るアノード流路形成部４４０を示す断面図である。アノード流路形成部４４０は、セパレータ１２０側からメタルサポート部１１２側に向かって緻密度が高くなるように形成されている点で前述した実施形態と異なる。

上記のように緻密度に傾斜をもたせることによって、緻密度が低いセパレータ１２０側では、熱容量が小さいため、比較的容易にセパレータ１２０とアノード流路形成部４４０との金属溶着を行うことができる。また、緻密度が高いメタルサポート部１１２側では、熱容量が大きいため、金属溶着による熱の影響が電解質層１１１Ｅまで及ぶことを抑制することができる。

＜変形例４＞
図１０は、変形例４に係るアノード流路形成部５４０および補強部５８０を示す上面図である。変形例４に係るセルユニットでは、メタルサポート部１１２を補強する補強部５８０を有する点で前述した実施形態と異なる。

図１０に示すように、アノード流路形成部５４０は、前述した実施形態と同様に、一方向（Ｙ方向）に沿って延在する複数のリブによって構成され、Ｙ方向に沿うアノードガスＡＧの主流路を形成する。補強部５８０は、メタルサポート部１１２からセパレータ１２０側に向かって突出する複数のリブによって形成され、アノード流路形成部５４０の延在方向（Ｙ方向）に交差する方向（Ｘ方向）に延在する。アノード流路形成部５４０および補強部５８０は、一体的に形成され、Ｙ方向に交互に配置される。図１０中の矢印で示すように、補強部５８０が配置された部分は、Ｙ方向に沿う主流路に交差する方向に流れる分岐流路が形成される。アノードガスＡＧが主流路から分岐流路へ分岐することによって、ガスの流れをより均質にすることができる。これにより、セルユニットの発電性能を向上させることができる。

図１１は、補強部５８０の反り抑制効果を説明するためのメタルサポート部１１２の側面図である。前述した実施形態のように一方向に延在するアノード流路形成部１４０のみをメタルサポート部１１２に配置した場合（図６を参照）、Ｙ方向に比べてＸ方向の曲げ剛性が小さくなるため、図１１中の破線で示すようにメタルサポート部１１２に反りが発生する可能性がある。変形例４のように、補強部５８０がアノード流路形成部５４０の延在方向（Ｙ方向）に交差する方向（Ｘ方向）に延在するように配置されることによって、図１１の実線で示すように反りを抑制することができる。

上記のように変形例４に係るセルユニットは、メタルサポート部１１２を補強する補強部５８０を有する。これにより、メタルサポート部１１２の反りを抑制して、メタルサポートセル１１０Ｍの平面度を良好に維持することができる。

＜変形例５＞
図１２は、変形例５に係るアノード流路形成部６４０を示す上面図である。変形例５に係るアノード流路形成部６４０は、アノードガスＡＧの流路を形成する機能と、メタルサポート部１１２を補強する補強部の機能とを兼ね備える点で前述した変形例４と異なる。

図１２に示すように、アノード流路形成部６４０は、ジグザグ形状の複数のリブによって構成される。これにより、前述した実施形態のようにアノード流路形成部１４０が一方向（Ｙ方向）に延在する場合に比べて、Ｙ方向とＸ方向の曲げ剛性の相違が小さくなる。その結果、メタルサポート部１１２の反りを抑制して、メタルサポートセル１１０Ｍの平面度を良好に維持することができる。

また、アノードガスＡＧは、図１２中の矢印で示すように、アノード流路形成部６４０のジグザグ形状に沿って、Ｙ方向に向かってジグザグに流れる。これにより、ガスの流れをより均質にすることができるため、セルユニットの発電性能を向上させることができる。

＜変形例６＞
図１３は、変形例６に係るアノード流路形成部７４０および補強部７８０を示す上面図である。アノード流路形成部７４０および補強部７８０は、上面（Ｚ方向）から見て、略円形状を有する点で前述した変形例４と異なる。

アノード流路形成部７４０は、一方向（Ｙ方向）に配列された複数の略半球状の凸部によって形成されている。補強部７８０は、アノード流路形成部７４０が配列された列と列の間に配列された複数の略半球状の凸部によって形成されている。これにより、前述した実施形態のように一方向（Ｙ方向）に延在する場合に比べて、Ｙ方向とＸ方向の曲げ剛性の相違が小さくなる。その結果、メタルサポート部１１２の反りを抑制して、メタルサポートセル１１０Ｍの平面度を良好に維持することができる。

上面（Ｚ方向）から見て、アノード流路形成部７４０の直径は、補強部７８０の直径よりも大きくなるように構成されている。これにより、アノード流路形成部７４０は、Ｙ方向に沿うアノードガスＡＧの主流路を形成する。当該主流路には、補強部７８０が配置されている。このため、図１３中の矢印で示すように、アノードガスＡＧは、補強部７８０を避けるように波形状に流れる。これにより、ガスの流れをより均質にすることができるため、セルユニットの発電性能を向上させることができる。

以上、実施形態および変形例を通じて本発明に係るセルユニットおよびメタルサポートセルの補強方法を説明したが、本発明は実施形態および変形例において説明した内容のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。

例えば、アノード流路形成部は、メタルサポート部に一体的に設けられたリブからなるとして説明したが、これに限定されず、メタルサポート部と別体に構成し、アノード流路形成部とメタルサポート部を接合して導通させてもよい。

また、セパレータは、フラットセパレータに限定されず、凹凸形状のガスの流路を有していてもよい。

また、アノード流路形成部は、メタルサポート部よりも緻密度が高く形成るとしたが、金属溶着による熱の影響が電解質層に及ぶことを抑制する機能を有する限りにおいてこれに限定されない。アノード流路形成部の緻密度は、メタルサポート部と同程度であってもよいし、メタルサポート部よりも低くてもよい。

また、位置決めを容易にする観点から、図３に示すように、溶着部および固定部は、それぞれ別に設けることが好ましいが、溶着部および固定部の両方の機能を有する接合部を設けることも可能である。この場合、アノード流路形成部、セパレータおよびカソード流路形成部は、接合部によって一度に接合することができる。

また、メタルサポートセルアッセンブリーと集電補助層との間に両者を導通接触させる接点材を配置してもよいし、集電補助層を省く構造としてもよい。

また、セルユニットは、前述した実施形態および変形例の仕様を適宜組み合わせて構成してもよい。

１０ 燃料電池スタック、
１００ セルユニット、
１１０ メタルサポートセルアッセンブリー、
１１０Ｍ メタルサポートセル、
１１１ 電解質電極接合体、
１１１Ａ アノード層、
１１１Ｃ カソード層、
１１１Ｅ 電解質層、
１１２ メタルサポート部、
１１３ セルフレーム、
１２０ セパレータ、
１３０ 集電補助層、
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０ アノード流路形成部、
１５０ カソード流路形成部、
１６０ 溶着部、
１７０ 固定部、
５８０、７８０ 補強部、
ＡＧ アノードガス、
ＣＧ カソードガス。

Claims (7)

1. 電解質層と、前記電解質層を補強するメタルサポート部とを含むメタルサポートセルと、
   前記メタルサポートセルに積層されたセパレータと、
   前記メタルサポートセルと前記セパレータの一方側との間にアノードガスの流路を区画形成し、前記メタルサポート部に導通するアノード流路形成部と、
   前記セパレータの他方側にカソードガスの流路を区画形成するカソード流路形成部と、
   前記セパレータと前記アノード流路形成部とを金属溶着して導通させた溶着部と、
   前記セパレータと前記カソード流路形成部とを接合して導通させる固定部と、
   を有する、セルユニット。
2. 前記アノード流路形成部は、前記メタルサポート部に一体的に設けられたリブからなる、請求項１に記載のセルユニット。
3. 前記セパレータのうち前記アノード流路形成部と対面する領域は、平坦な形状を有する、請求項１または請求項２に記載のセルユニット。
4. 前記カソード流路形成部は、ばね性を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセルユニット。
5. 前記アノード流路形成部は、前記メタルサポート部よりも緻密度が高く形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセルユニット。
6. 前記メタルサポート部を補強する補強部をさらに有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセルユニット。
7. 電解質層をメタルサポート部によって補強したメタルサポートセルを形成し、
   前記メタルサポートセルにセパレータを積層し、
   前記メタルサポートセルと前記セパレータの一方側との間に、前記メタルサポート部に導通するアノード流路形成部を配置してアノードガスの流路を区画形成し、
   前記セパレータの他方側にカソード流路形成部を積層してカソードガスの流路を区画形成し、
   前記セパレータと前記アノード流路形成部とを金属溶着して導通させるとともに、前記セパレータと前記カソード流路形成部とを接合して導通させて導通状態を確保しつつ前記電解質層を補強する、メタルサポートセルの補強方法。