JP4470475B2

JP4470475B2 - 固体電解質型燃料電池

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Publication number: JP4470475B2
Application number: JP2003412428A
Authority: JP
Inventors: 文紀佐藤; 圭子櫛引; 靖志中島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: JP2005174716A

Description

本発明は、平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合した固体電解質型燃料電池に関する。

例えば、下記特許文献１には、平板型固体電解質の両側に燃料極と空気極とをそれぞれ配置し、さらに平板型固体電解質の外周側の空気極側の面に保持薄板枠を取り付ける構成が開示されている。
特開２０００−３３１６９２号公報

上記した従来の固体電解質型燃料電池においては、発電部に保持薄板枠を取り付けることにより、発電部をセパレータなど他の構成部品と積層した場合の積層部の隙間を塞ぎ、燃料ガスと酸化ガスとの混合を防止するとともに、セパレータおよび発電部を多数積層してスタック化する際の締結時の締付や、発電部と他のスタック構成部品との熱膨張係数差によって発生する熱応力を保持薄板枠によって吸収する構造としている。

しかし、発電部の一部である平板型固体電解質と保持薄板枠とではその材質の違いから熱膨張係数を完全に一致することがないため、その接合部分には熱応力が発生することになる。特に固体電解質型燃料電池においては常温と動作温度との差が大きいため、発生する熱応力も大きく、起動・停止による温度サイクルの影響もより大きい。

また、保持薄板枠によって発電部を保持するにはある程度の厚さが必要であり、発電部を保持するにあたり充分な厚さを持たせた場合、逆にスタック内において発電部と他の構成部品との熱膨張係数差によって発生する熱応力を充分吸収することができなくなる。

この二つの熱応力により、接合部が次第に劣化、剥離してガスリークが発生する、もしくは発電部の接合部分そのものが破損するなどの問題がある。

燃料電池の内部でガスリークが発生すると、燃料ガスと空気とが混合・燃焼して燃料利用率の低下、出力の低下を招くだけでなく、上記した燃焼により局所的な温度上昇、熱応力分布の不均一を起こし、各種部品の歪やクラックの原因となり、ついには燃料電池として寿命が短くなり、信頼性の低下を招くことになる。

そこで、この発明は、発電部と枠部との接合部での熱応力を低減し接合部の信頼性を向上することを目的としている。

本発明は、平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、この発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合する接合部を備えるとともに、この枠部を有する発電部およびセパレータを積層してなる固体電解質型燃料電池において、前記枠部の前記接合部と反対側の面に切欠部を設けて、少なくとも前記接合部に対応する部分の厚さを他の部分より薄くし、前記枠部の前記接合部に対向する面に溝を設け、この溝内に前記接合材を設けて前記接合部とし、この接合材を前記溝内に封じ込めることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、枠部の接合部と反対側の面に切欠部を設けて、少なくとも前記接合部に対応する部分の厚さを他の部分より薄くしたため、発電部と枠部との接合部での熱応力を低減し、発電部、接合材、枠部など接合周辺部分の耐久性が向上し、信頼性を向上できる。
また、枠部の接合部に対向する面に溝を設け、この溝内に接合材を設けて前記接合部とし、この接合材を前記溝内に封じ込めるようにしたため、空気極が存在する酸化雰囲気もしくは燃料極が存在する還元雰囲気への接合材の露出を防止して、接合材の劣化を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１（ａ）は、本発明の第１の参考例を示す固体電解質型燃料電池の基本構成を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＢ部の拡大図である。

この固体電解質型燃料電池は、図１（ｂ）に示すように、基材となる平板型の固体電解質１を挟むように、その両側に燃料極３と空気極５とをそれぞれ配置して発電部としての単セル７を構成している。

例えば固体電解質１にはイットリア安定化ジルコニア（以下YSZ）、燃料極３にはNiO/YSZサーメット、空気極には（LaxSr1-x）CoO₃（以下LSC）をそれぞれ用い、この各電極材料を基材（固体電解質１）のYSZに高温で焼き付けている。

上記した固体電解質１は、燃料極３および空気極５に対して外周側部分が全周にわたり突出しており、この突出した部分の空気極５側に枠部としてのフレーム９を取り付けてある。

フレーム９は、固体電解質１を構成する材料に熱膨張係数が近く、また耐熱性にも優れるフェライト系ステンレス合金の薄板からなり、中央部に単セル７の空気極５の領域よりも大きな開口１１を形成してある。またフレーム９の周囲四方には、酸化ガスおよび燃料ガスを、単セル７に供給・排気するため酸化ガス供給口１３・同排気口１５、燃料ガス供給口１７・同排気口１９を貫通して設けてある。

そして、上記した固体電解質１とフレーム９との接合部２１は、図１（ｃ）に示すように、例えばAuロウ、Agロウなどの接合温度の高い金属ロウからなる接合材２３を用いて接合している。フレーム９は接合材２３と反対側の面に切欠部としての溝９ａを形成し、これによりこの部分のフレーム９の厚さを、他の部分の厚さより薄くしている。

なお、上記した溝９ａは、幅１mm程度、深さ数１０μm程度であり、フレーム９の全周にわたり連続したものとして設けてある。このような構造のフレーム９は、圧延加工などにより薄肉化したステンレス合金箔をプレス加工、もしくはエッチング加工などにより作製する。

上記図１に示した単セル７にフレーム９を接合した構造体を、以下の説明ではセル板２５と呼ぶ。図２は、上記セル板２５を含む燃料電池全体の構成部材を示す分解斜視図である。

セル板２５の図２中で上下両側には、いずれも電気絶縁性材料からなるスペーサ２７およびとスペーサ２９をそれぞれ配置する。

上部側のスペーサ２７は、セル板２５の酸化ガス供給口１３・同排気口１５間をつなぎ、かつ単セル７の空気極５の表面に酸化ガスを供給するための開口３１を中央に備えるとともに、セル板２５の燃料ガス供給口１７・同排気口１９にそれぞれ整合する貫通孔３３・３５を、前記開口３１の外側にそれぞれ備える。

一方、下部側のスペーサ２９は、セル板２５の燃料ガス供給口１７・同排気口１９間をつなぎ、かつ単セル７の燃料極３の表面に燃料ガスを供給するための開口３７を備えるとともに、セル板２５の酸化ガス供給口１３・同排気口１５にそれぞれ整合する貫通孔３９・４１を、前記開口３７の外側に備える。

また、スペーサ２７のセル板２５と反対側（もしくはスペーサ２９のセル板２５と反対側）には、導電性を有しかつガス分離が可能な材料、例えばLaCrO₃などのセラミックからなるセパレータ４３を配置する。

このセパレータ４３は、セル板２５の酸化ガス供給口１３・同排気口１５および燃料ガス供給口１７・同排気口１９に、それぞれ整合する貫通孔４５，４７，４９，５１をそれぞれ備えている。

さらに、単セル７における燃料極３および空気極５の表面には、集電のための金属メッシュ５３および５５をそれぞれ配置し、積層する複数の単セル７は、この金属メッシュ５３，５５およびセパレータ４３により直列に接続することになる。

図３は、単セル７を二つ積層して組み付けた場合の、図２に示したセパレータ４３におけるＣ−Ｃ線断面に相当する断面図、図４は、同Ｄ−Ｄ線断面に相当する断面図である。

すなわち、図３は燃料ガスの流れを示し、セル板２５の燃料ガス供給口１７，スペーサ２７の貫通孔３３，スペーサ２９の開口３７，セパレータ４３の貫通孔４９で構成する燃料ガス入口マニホールド５７から燃料ガスを供給し、この燃料が各単セル７の燃料極３を通過して発電に消費される。その後、セル板２５の燃料ガス排気口１９，スペーサ２７の貫通孔３５，スペーサ２９の開口３７，セパレータ４３の貫通孔５１で構成する燃料ガス出口マニホールド５９から余剰の燃料ガスを排気する。

また、図４は酸化ガスの流れを示し、セル板２５の酸化ガス供給口１３，スペーサ２７の開口３１，スペーサ２９の貫通孔３９，セパレータ４３の貫通孔４５で構成する酸化ガス入口マニホールド６１から酸化ガスを供給し、この酸化ガスが各単セル７の空気極５を通過して発電に消費される。その後、セル板２５の酸化ガス排気口１５，スペーサ２７の開口３１，スペーサ２９の貫通孔４１，セパレータ４３の貫通４７で構成する酸化ガス出口マニホールド６３から余剰の酸化ガスを排気する。

このような燃料ガスおよび酸化ガスの流れが発生することで、各単セル７にて発電がなされ、燃料電池が起動する。このとき、特に固体酸化物型燃料電池の場合には、その動作原理による制約から動作温度が８００℃程度の高温となる。

ここで、フレーム９は単セル７への燃料電池全体からの応力を緩和するために介在しているが、一方で単セル７を支えるためにある程度の厚さが必要となる。しかし、このフレーム９を単セル７を支持するために厚くすると、フレーム９は燃料電池全体からの応力を緩和できたとしても、接合部２１におけるフレーム９と接合材２３，固体電解質１との熱膨張係数差によって発生する応力により、単セル７が破損する、もしくは応力により接合材２３の劣化を加速してしまうことになる。

このため、上記した第１の参考例においては、図１（ｃ）に示すように、フレーム９の内側の端部に溝９ａを設けることにより、フレーム９の全体の厚さをそのままにしながら、ガスシールするのに必要なシール幅を確保し、その上で接合部２１にかかる応力を緩和している。これにより接合部２１におけるフレーム９と接合材２３，固体電解質１との熱膨張係数差によって発生する応力による接合材２３の劣化や、単セル７の接合部２１での破損を防止することができる。

この結果、接合部２１からのガスリークの発生を防止することができ、燃料ガスと酸化ガスとの混合・燃焼による燃料利用率の低下、出力の低下を防止できるとともに、上記燃焼による局所的な温度上昇、熱応力分布の不均一を防止し、燃料電池としての高寿命化を達成することができる。

切欠部は、図１に示すように連続する溝９ａとして１つ設けてもよく、また、第２の参考例として図５（a），（ｂ）に示すように不連続な凹部９ｂ，９ｃとして複数設けてもよい。図５（a）は矩形状の凹部９ｂを示し、図５（ｂ）は円形状の凹部９ｃを示している。

また、図６（ａ）および図６（ａ）のＥ−Ｅ断面図である図６（ｂ）に示すように、切欠部となる凹部９ｄの一側部が、フレーム９の開口１１に開放する構造とすれば、さらに接合部２１の応力を低下させることができる。

さらに、図７（ａ）および図７（ａ）のＦ−Ｆ断面図である図７（ｂ）に示すように、第３の参考例として、連続する溝９ａを複数列（ここでは２列）設けてもよい。また、図５（ａ），（ｂ）で示した凹部９ｂ，９ｃを、図７（ａ）の溝９ａのように複数列設けてもよい。

なお、上記した各参考例では、単セル７およびフレーム９を、いずれも方形としているが、他の形状、例えば円形や楕円形としてもよい。図８（ａ），（ｂ）は円形とした場合のフレーム９を示しており、図８（ａ）は前記図５（ｂ）で示したものと同様の円形状の凹部９ｃを設けたもので、図８（ｂ）は前記図６で示したものと同様な開口１１に一側部が開放する凹部９ｄを設けたものである。

また、１枚のフレーム９に複数の開口１１を設け、この各開口１１に対応して単セル７をそれぞれ配置する構成、すなわち複数の単セル７を１枚のフレーム９上に並列配置した構成にも、本発明を適用できる。

図９は、本発明の第４の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。この参考例は、フレーム９の接合部２１に対向する面に切欠部としての溝９ｅを設け、この溝９ｅ内に接合材２３を設けてここを接合部２１としている。溝９ｅはフレーム９の全周にわたり連続して設けてある。

固体酸化物型燃料電池のように、高温下使用される部品の接合には、通常接合材として金，銀，ニッケル，パラジュウムなどを主成分とする金属系のロウ材、もしくは酸化物を主成分としたガラスなどが用いられる。しかし、このような材料は例えば高温下で酸化雰囲気では金属ロウ材が酸化劣化する、もしくは還元雰囲気においてはガラスなどの酸化物は還元され劣化することになる。

この第４の参考例においては、これまでの各参考例と同様にフレーム９の接合部２１に対応する部位に切欠部となる溝９ｅを形成して接合部２１の応力を低減させているのに加え、接合材２３を溝９ｅに封じ込め、空気極５が存在する酸化雰囲気もしくは燃料極３が存在する還元雰囲気に接合材２３が露出することを防止している。これにより、接合材２３の劣化を防止することができ、より一層の長寿命化、信頼性の向上が可能となる。

図９（ａ）は、酸化雰囲気および還元雰囲気の双方に対し、図９（ｂ）は還元雰囲気のみに対し、図９（ｃ）は酸化雰囲気のみに対し、それぞれ接合材２３を保護している。また、図９（ｄ）は互いに並列となる２つの溝９ｅを設けた例である。

図１０は、本発明の第５の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。この参考例は、フレーム９の接合部２１に対向する面に、切欠部としての凹部９ｆを互いに並行となるよう２つ設け、この各凹部９ｆの両側部の隣接する部分におけるフレーム９と固体電解質１との間に接合材２３を設けている。

上記した第５の参考例においては、接合部２１の領域に切欠部となる凹部９ｆを設けて接合部２１の応力を低減させるとともに、凹部９ｆに隣接する部分のみで固体電解質１と接合することにより、フレーム９の接合部２１の領域内に固定されていないフレキシブルな領域を形成することで、さらに接合部２１の応力を低減することができる。

図１１は、本発明の第６の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。この参考例は、フレーム９の接合部２１に対向する面に、前記図９（ａ）に示したものと同様な切欠部となる溝９ｅを形成した上で、さらにこの溝９ｅ内に切欠部となる２つの凹部９ｇを設けている。この凹部９ｇの両側部の隣接する部分におけるフレーム９と固体電解質１との間に接合材２３を設けている。

そして、フレーム９における溝９ｅの両側は、固体電解質１に接触する接触部９ｈ，９ｉとし、この接触部９ｈ，９ｉによって、前記図９（ａ），（ｄ）と同様に接合材２３を溝９ｅ内に封じ込めている。なお、内周側の接触部９ｈを廃止して前記図９（ｂ）のように接合材２３を酸化雰囲気側に開放してもよく、また外周側の接触部９ｉを廃止して前記図９（ｃ）のように接合材２３を還元雰囲気側に開放してもよい。

上記した第６の参考例では、接合部２１周辺の応力緩和と接合材２３の保護を同時に行い、接合部２１の信頼性を向上している。

なお、上記図９の第４の参考例と図１１の第６の参考例は、フレーム９の接合部２１に対向する面に、溝９ｅや凹部９ｇなどの切欠部を形成しているが、これらはフレーム９の接合部２１と反対側の面に溝９ａや凹部９ｂ〜９ｄなどの切欠部を形成している前記第１〜第３の参考例と任意に組み合わせることで、本発明の実施形態とすることが可能である。

その一例を図１２に示す。図１２（ａ）はフレーム９の接合部２１と反対側を示す上面図、図１２（ｂ）はフレーム９の接合部２１側を示す下面図、図１２（ｃ）は図１２（ａ）の単セル７を含むＧ−Ｇ断面図である。

図１２の例は、フレーム９の上面に前記図６と同様な凹部９ｄを設けて接合部２１の応力を低減するとともに、フレーム９の下面に前記図９（ｄ）と同様な溝９ｅを設け、その溝９ｅにて接合をしていることから、接合材２３の保護ができ、より一層信頼性が向上することになる。

図１３（ａ）は、本発明の第７の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。この参考例は、フレーム９の接合部２１に隣接する外周側部分の固体電解質１側の面に、全周にわたり溝９ｊを設けている。

この溝９ｊを設けたフレーム９の領域は、単セル７への接合部２１およびセパレータ４３などスタックの他の部品と重ね合わされる積層ガスシール部分を除いた領域、すなわちスタック化に際し積層・締結する際の締付で発生する応力や、スタック内において単セル７と他の部品との熱膨張係数差による熱応力を吸収している応力緩和領域である。

このような応力緩和領域に溝９ｊを設けることで、その領域の厚さを他の部分より薄くしている。これにより、スタック内の単セル７と他の部品との間に発生する応力を、この薄肉化した領域で吸収し、フレーム９と単セル７との接合部２１の応力を低減している。

図１３（ｂ）は第７の参考例の別の例であり、上記した幅広の溝９ｊに代えて幅の狭い溝９ｋを複数並列して設けることで、上記した応力緩和領域の厚さを他の部分より薄くしている。図１３（ｃ）は第７の参考例のさらに別の例であり、フレーム９の上面側にも溝９ｍを設け、この溝９ｍを下面の溝９ｋと互い違いとなるようにすることで、上記した応力緩和領域の厚さを他の部分より薄くしている。

図１４は、本発明の第８の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。この参考例は、第１の参考例から第６の参考例における、接合部２１の応力緩和や接合材２３の保護に加え、上記した第７の参考例における応力緩和領域の薄肉化を行うことで、さらに接合部２１にかかる負担を軽減する効果を加えたものである。

図１４（ａ）は図７と図１３（ａ）との組合せ、図１４（ｂ）は図７と図１３（ｂ）との組合せ、図１４（ｃ）は図７と図１３（ｃ）との組合せ、図１４（ｄ）は図１０と図１３（ａ）との組合せ、図１４（ｅ）は図１１と図１３（ａ）との組合せである。

図１５は、本発明の第９の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。この参考例は、フレーム９の接合部２１に対応する部分の厚さを、他の部分より薄くしている。図１５（ａ）は、フレーム９の接合部２１側に凹部９ｎを、図１５（ｂ）は、フレーム９の接合部２１と反対側に凹部９ｐを、それぞれ設けることで、薄肉化している。

上記した薄肉化により、接合部２１の応力を低減し、第１の参考例と同様の効果を得ることができる。

図１６は、本発明の第１０の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。この参考例は、図１５の接合部２１の薄肉化を行った第９の参考例と、図１３の応力緩和領域の薄肉化を行った第７の参考例とを組み合わせたものである。

図１６（ａ）は図１５（ａ）と図１３（ａ）との組合せ、図１６（ｂ）は図１５（ａ）と図１３（ｂ）との組合せ、図１６（ｃ）は図１５（ｂ）図７と図１３（ｃ）との組合せである。

すなわち、フレーム９の接合部２１に対応する部分の肉厚を薄くして接合部２１の応力を低減するとともに、フレーム９に部分的に肉厚の薄い領域を形成することにより、スタック内の単セル７と他の部品との間の応力を、フレーム９でより効果的に吸収することができ、より接合部２１にかかる負担を軽減する効果を加えたものである。

図１７は、本発明の第１１の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。この参考例は、図１６に示した第１０の参考例と、図１〜図１１に示した第１〜第６の参考例とを適宜組み合わせたものである。

図１７（ａ）は図１６（ａ）と図７との組合せ、図１７（ｂ）は図１６（ｂ）と図７との組合せ、図１７（ｃ）は図１６（ｃ）と図７との組合せ、図１７（ｄ）は図１６（ａ）と図１０との組合せ、図１７（ｅ）は図１６（ａ）と図１１との組合せである。

すなわち、フレーム９の応力緩和領域の肉厚を薄くすることにより、スタック内の単セル７と他の部品との間の応力を、フレーム９でより効果的に吸収するとともに、フレーム９の接合部２１に対応する部分の肉厚を薄くして接合部２１の応力を低減し、さらにフレーム９の接合部２１に対応する部分に溝９ａや凹部９ｆなどの切欠部を設けることで、応力低減、接合材２１の保護などの機能を加えてさらなる耐久性、信頼性の向上が得られる。

図１８は、本発明の第１２の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。この参考例は、フレーム９の厚さが変化する境界部位にテーパ部を設けている点が、これまでの各参考例と異なっている。例えば図１８（ａ）は、前記図１３における溝９ｊの幅方向両角部にテーパ部となるＲ部９ｑを形成している。また、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）の溝９ｊに代えて２つの断面円弧状となる溝９ｒを設け、溝９ｒに連続するテーパ部となるＲ部９ｓを幅方向両角部に設けている。さらにこの図１８（ｂ）ではフレーム９の接合部２１と反対側の面に、図１（ｃ）の溝９ａに代えて断面円弧状となる溝９ｔを設けてここをテーパ部としている。

上記図１８のような構造とすることにより、フレーム９の厚さが変化する部分の応力集中を緩和することができ、これまでの各参考例における効果に加え、フレーム９の破損を防止することができる。

図１９（ａ）は、本発明の第１３の参考例を示す、前記図１（ｂ）に対応するセル板２５の断面図である。この参考例は、燃料極３０を基材として、その上に固体電解質１を、さらにその上に空気極５を配置した、いわゆる電極支持型の単セル７０に、この発明を適用している。

図１９（ｂ）は、図１９（ａ）におけるフレーム９と固体電解質１との接合部２１の詳細を示す断面図で、フレーム９の上面に溝９ａを設けた前記図１（ｃ）に対応している。固体電解質１の外周側の端部は燃料極３０の同端部より内側に位置し、この状態で固体電解質１の外周側の端部を覆うように、フレーム９と固定電解質１との間および、フレーム９と燃料極３０との間に、接合材２３を設けている。

図１９（ｃ）は、前記図１５（ｂ）に対応するもので、フレーム９の接合部２１と反対側に凹部９ｐを設けてフレーム９の接合部２１に対応する部分の厚さを他の部分より薄くした例である。

図１９（ｄ）は、上記図１９（ｃ）の構成に対し、前記図９（ａ）のようにフレーム９の接合部２１側の面に溝９ｅを設けた例であり、この溝９ｅおよび固体電解質１の外周側に、接合材２３を設けている。

図２０（ａ）〜（ｃ）は、上記図１９と同様な電極支持型の単セル７０による第１４の参考例を示す。この参考例は、図２０（ａ）に示すように、燃料極３０の固体電解質１と反対側にフレーム９を接合部２１を介して接合している。さらに、この例では、接合部２１の外側に燃料極３０の側部を覆うように、固体電解質１からフレーム９にわたり封止材６５を設けている。

図２０（ｂ）は、図２０（ａ）におけるフレーム９と燃料極３０との接合部２１の詳細を示す断面図で、図１（ｃ）と同様に、フレーム９の接合部２１と反対側に溝９ａを設けている。

図２０（ｃ）は、前記図１５（ｂ）に対応するもので、フレーム９の接合部２１と反対側に凹部９ｐを設けてフレーム９の接合部２１に対応する部分の厚さを他の部分より薄くした例である。

図２０（ｄ）は、上記図２０（ｃ）の構成に対し、前記図９（ａ）のようにフレーム９の接合部２１側の面に溝９ｅを設けた例である。

本発明によれば、前記切欠部を、前記枠部の全周に沿って連続なものとして少なくとも一つ設けたため、発電部と枠部との接合部での熱応力を確実に低減し、発電部、接合材、枠部など接合周辺部分の耐久性が向上し、信頼性をより一層向上できる。

前記切欠部を、前記枠部の全周に沿って不連続なものとして複数設けることで、発電部と枠部との接合部での熱応力を低減し、発電部、接合材、枠部など接合周辺部分の耐久性が向上し、信頼性を向上できる。

前記切欠部を、前記枠部の全周に沿って複数列設けることで、発電部と枠部との接合部での熱応力を低減し、発電部、接合材、枠部など接合周辺部分の耐久性が向上し、信頼性を向上できる。

前記切欠部を、前記枠部の前記発電部との接合部に対向する面に設け、前記切欠部内に前記接合材を設けて前記接合部としたため、接合部の応力を低減させているのに加え、接合材を切欠部内に封じ込め、空気極が存在する酸化雰囲気もしくは燃料極が存在する還元雰囲気への接合材の露出を防止することにより、接合材の劣化を防止することができ、より一層の長寿命化、信頼性の向上が可能となる。

前記切欠部を、前記枠部の前記接合部に対向する面に設け、切欠部に隣接する部分のフレームと発電部との間に接合材を設けて接合部としたため、接合部の応力を低減させるとともに、切欠部に隣接する部分のみで固体電解質と接合することにより、フレームの接合部の領域内に固定されていないフレキシブルな領域を形成することで、さらに接合部の応力を低減することができる。

前記接合材の内周側と外周側との少なくともいずれか一方を覆うように、前記発電部に接触する接触部を設けたため、接合部の応力緩和と接合材の保護を同時に行い接合部の信頼性を向上することができる。

前記枠部は、少なくとも前記接合部に対応する部分および外周側の前記セパレータなど他の部品と重ね合わされる部分に対し、他の部分すなわち発電部と他の部品との熱膨張係数差による熱応力を吸収している応力緩和領域の厚さを薄くしたため、発電部と他の部品との間に発生する応力を、この薄肉化した領域で吸収し、フレームと発電部との接合部の応力を低減することができる。

前記枠部は、少なくとも前記接合部に対応する部分の厚さを、他の部分より薄くしたため、接合部の応力を低減することができる。

前記枠部は、厚さが変化する境界部位にテーパ部を備えているため、フレームの厚さが変化する部分の応力集中を緩和することができ、接合部の応力を低減できる効果に加え、フレームの破損を防止することができる。

（ａ）は本発明の第１の参考例を示す固体電解質型燃料電池の基本構成を示す平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は、（ｂ）のＢ部の拡大図である。第１の参考例によるセル板を含む燃料電池全体の構成部材を示す分解斜視図である。第１の参考例による単セルを二つ積層して組み付けた場合の、図２に示したセパレータにおけるＣ−Ｃ線断面に相当する断面図である。第１の参考例による単セルを二つ積層して組み付けた状態の、図２のセパレータにおけるＤ−Ｄ線断面に相当する断面図である。第２の参考例によるフレームの平面図である。（ａ）は第２の参考例の別の例によるフレームの平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。（ａ）は第３の参考例によるフレームの平面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。第２の参考例においてフレームを円形とした場合の平面図である。第４の参考例を示す、図１（ｃ）に対応する断面図である。第５の参考例を示す、図１（ｃ）に対応する断面図である。第６の参考例を示す、図１（ｃ）に対応する断面図である。第４〜第６の参考例と第１〜第３の参考例とを組み合わせた例を示すもので、（ａ）はフレームの上面図、（ｂ）はフレームの下面図、（ｃ）は（ａ）のＧ−Ｇ断面図である。第７の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。第８の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。第９の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。第１０の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。第１１の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。第１２の参考例を示す、前記図１（ｃ）に対応する断面図である。（ａ）は第１３の参考例を示す、図１（ｂ）に対応するセル板の断面図、（ｂ）は（ａ）におけるフレームと固体電解質との接合部の詳細を示す断面図、（ｃ）は第１３の参考例の他の例を示す断面図、（ｄ）は本発明の実施形態を示す断面図である。（ａ）は第１４の参考例を示す、図１（ｂ）に対応するセル板の断面図、（ｂ）は（ａ）におけるフレームと固体電解質との接合部の詳細を示す断面図、（ｃ）は第１４の参考例の他の例を示す断面図、（ｄ）は本発明の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１固体電解質
３，３０燃料極
５空気極
７，７０単セル（発電部）
９フレーム（枠部）
９ａ，９ｅ溝（切欠部）
９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｆ，９ｇ凹部（切欠部）
９ｈ，９ｉ発電部に接触する接触部
９ｑ，９ｓＲ部（テーパ部）
９ｔ溝（切欠部，テーパ部）
２１接合部
２３接合材
４３セパレータ

Claims

平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、この発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合する接合部を備えるとともに、この枠部を有する発電部およびセパレータを積層してなる固体電解質型燃料電池において、前記枠部の前記接合部と反対側の面に切欠部を設けて、少なくとも前記接合部に対応する部分の厚さを他の部分より薄くし、前記枠部の前記接合部に対向する面に溝を設け、この溝内に前記接合材を設けて前記接合部とし、この接合材を前記溝内に封じ込めることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
前記切欠部を、前記枠部の全周に沿って連続なものとして設けたことを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
前記切欠部を、前記枠部の全周に沿って不連続なものとして設けたことを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
前記切欠部を、前記枠部の全周に沿って複数列設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の固体電解質型燃料電池。
前記接合材の内周側と外周側との少なくともいずれか一方を覆うように、前記発電部に接触する接触部を前記枠部に設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の固体電解質型燃料電池。
前記枠部は、厚さが変化する境界部位にテーパ部を備えていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の固体電解質型燃料電池。