JP5289052B2

JP5289052B2 - 固体酸化物燃料電池における集成電解質シートのための応力低減マウント

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Publication number: JP5289052B2
Application number: JP2008532237A
Authority: JP
Inventors: イーバッディング，マイケル; イーコートライト，ジェフリー; ディーヘルフィンスティン，ジョン; ディーケッチャム，トーマス; シーポラード，スコット; エムスレイター，アイリーン; ジュリアン，デルジェイセイント; ウィダジャ，スジャント
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: WO2007037872A2; EP1938416A4; JP2009509311A; EP1938416A2; WO2007037872A3; US7803494B2; US20070072043A1

Description

本発明は全般的には固体酸化物燃料電池に関し、特に、そのような燃料電池における集成電解質シートと支持フレームの間の応力低減マウントに関する。

集成可撓性電解質シートを組み込んでいる固体酸化物燃料電池は従来技術で知られている。そのような燃料電池においては、筐体内で１つまたはそれより多くの集成電解質シートが、フレームまたはマニホールドのいずれかであろう、一対の集成マウント部品の間に支持される。

コーニング社（Corning Incorporated）に譲渡された特許文献１に開示されているような、複数セル構造を組み込んでいる集成固体酸化物燃料電池装置において、集成電解質シートは、１８〜２０μｍ厚の、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）がドープされたジルコニアからなるセラミックシートで形成された電解質を有することができる。ドープトジルコニアシートは複数の矩形セルを支持し、セルのそれぞれはドープトジルコニアシートのそれぞれの面上の負極層及び正極層で形成され、負極層及び正極層のそれぞれの厚さは４〜８μｍの間とすることができる。電流コレクタ層が正極層及び負極層の上に載り、電流コレクタ層のそれぞれの厚さは約２０μｍとすることができ、電流コレクタ層のそれぞれは銀／パラジウム合金とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の複合材で形成される。得られる集成シートの、セルがアレイに配置される、中央部分での厚さは約６０μｍにしかならず、支持ドープトジルコニア電解質シートだけで形成される境界領域の厚さは１８〜２０μｍの間に過ぎない。そのような薄い構造には、周囲温度から７００℃の範囲までの多数回の加熱サイクルにともなう熱衝撃に集成電解質シートが耐えることを可能にする柔軟性をそのような集成電解質シートに与えるという利点がある。

単セル構造において、集成電解質シートは、厚さが１００〜１０００μｍの間で、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの複合材で形成された、セラミック負極層で支持される。そのような単セル集成電解質シートはさらに負極層の上に重なる薄い電解質層を有し、正極層が電解質の上に載る。多セル構造とは異なり、単セル集成シートの境界領域は、単セルの構造は一般にシートの中央部分に拘束されないから、中央部分と同じ厚さを有する。さらに、単セル構造は、厚く、多孔性により低強度であることから、先に説明した多セル構造ほどは柔軟ではない。しかし、剛性が高く、強度が低いにもかかわらず、そのような単セル集成電解質シートは、集成電解質シートを実用に供するに十分な耐熱サイクル許容度を有することがわかっている。

残念なことに、いずれのタイプの集成電解質シートについても、多数回の加熱／冷却サイクルによる熱衝撃勾配及び熱膨張によってかかる応力及び歪は、時間の経過とともにそのようなシートに割れを生じさせ、この割れは最終的に固体酸化物燃料電池によってつくられる電力出力を低下させてしまう。この問題を解決するため、従来技術において、電解質シートを形成するセラミック層に波形パターンを導入して応力及び歪を低減することが提案されている。詳しくは、コーニング社に譲渡された特許文献２を参照のこと。そのような波形構造は有効であることがわかったが、あるタイプの低コストセル／多セル製造では製作を困難にし得る。
米国特許第６６２３８８１号明細書米国特許第５５１９１９１号明細書

明らかに、熱膨張によって可撓性電解質シートにかかる応力及び歪の結果として、可撓性電解質シートに生じる割れを排除するか、または少なくとも割れの程度を低減するための方法が、必要とされている。理想的には、そのような解決方法は、多セル及び単セルの集成電解質シートのいずれにも適合すべきであり、固体酸化物燃料電池の集成シートまたはその他のコンポーネントの範囲内で製造が容易であり、製造コストが低くなるべきである。

本発明は、集成電解質シートに生じる望ましくない割れの多くが、シートの周縁と燃料電池内でシートを支持するフレームの間に発生する引っ張り応力によって生じるという発明者等の観察結果に基づく。本発明の一態様にしたがえば、固体酸化物燃料電池における集成電解質シートのための応力低減マウントは集成シートの周縁における引っ張り応力を実質的に低減する。本応力低減マウントは集成シートの縁辺をめぐって配置され、本明細書では「集成支持体」と称される、フレームまたはマニホールドの内縁部分にかかる周縁部分の曲がりによって、周縁部分を形成する可撓性セラミックシートに生じる引っ張り応力を低減する。本応力低減マウントは、（１）圧力差または熱膨張に応答して集成支持体の内縁部分にかけて曲がるシート周縁部分と面接触する、集成支持体の内縁部分上の凸湾曲面及び（２）集成電解質シートの周縁部分を形成するセラミックシート材料の耐曲げ強度を高める、シート周縁部分上の補剛構造の内の少なくとも１つを有する。

凸湾曲面は、実質的に弓形の輪郭を有する丸面とすることができる。好ましい実施形態において、弓形輪郭の半径は約１ｍｍと７ｃｍの間である。凸湾曲面と電解質シートの周縁部分の間に、しなやかな、耐熱材料の層を配置することができる。第１の集成支持体の反対側に別の第２の集成支持体が配置される場合には、第２の集成支持体の内縁が、同様に、電解質シートの周縁部分との面接触するための凸湾曲面を有することができる。

本発明の補剛構造は、集成電解質シートが集成支持体部品に取り付けられる、集成電解質部品の周縁部分を形成するセラミックシート材料の厚化を含むことができる。例えば、集成電解質シートが２０μｍ厚のドープトジルコニアセラミックシートで形成された周縁部分を有する多セルシートであれば、周縁部分の厚さが集成電解質シートの中央部の電極搭載部分の厚さに近づくかまたは等しくなるように、周縁部分の厚さを３０μｍと６０μｍの間まで厚くすることができる。厚化は、周縁部分を形成するトープトジルコニア材料をそのままさらに厚くすることによるか、または異なるセラミックまたは金属の層を追加することによって達成することができる。集成電解質シートが中央部分と同じ厚さの周縁部分を有する単セルタイプのシートであれば、周縁部分を形成する、同じかまたは異なる、セラミック及び／または金属の材料を、シートの周縁部分の厚さが中央部分の厚さを実質的に上回るまで、さらに追加することで周縁部分の厚さを増大させることができる。

あるいは、補剛構造は、セラミック材料が用いられる場合は、セラミックシートの中央部と一体形成することができる、例えば波形構造のような、リブの形態をとることができる。周縁部分の厚さを増大させるために金属層が用いられる場合、金属は電解質シートにかけて配置される電極の電流コレクタを形成する外部金属層の延長とすることができる。全ての場合において、周縁部分の厚化は完全に周縁部分の縁端まで及ぶ必要はなく、周縁部分が実質的に補剛されるように、十分近い距離まで縁端に寄っている必要があるだけである。そのような厚化パターンは、厚化材料が多セル電解質シートにおいて電極の電流コレクタを形成する外部金属層の延長である場合に、好ましい。最後に、周縁部分の厚化は周縁部分にわたって一様である必要はなく、代りに、周縁部分の縁端から電解質シートの中心軸に向かって増大させることができよう。シートの中心軸に向かって増大する厚化プロファイルは、一様傾斜、一組の段差、または曲線の形状をとることができる。

上述したタイプの応力低減構造の一方は、またはいずれもが、電解質シートが熱膨張差に応答して撓められるかまたは曲げられるときの、電解質シートの周縁部分における引っ張り応力を低減するために用いられる応力低減マウントを形成することができる。本発明は、可撓性性が非常に高く、非常にしなやかな周縁部分を有する集成電解質シートに適用することができ、２００μｍ厚までの可撓性性が低い電解質シートにも同様に適用することができる。

いくつかの図面の全てにわたって同様の参照数字は同様のコンポーネントを示す。図１を参照すれば、本発明の応力低減マウントは、図１に示されるような、（本明細書では燃料電池とも呼ばれる）集成固体酸化物燃料電池装置１に用いることができる。そのような燃料電池においては、一対の空気フレーム９が側面に配置される燃料フレーム７の形態をとる集成支持体５によって集成電解質シート３が燃料電池内に支持される。集成電解質シートは一対のエンドプレートまたはマニホールド１１によってフレーム７とフレーム９の間にクランプされる。図１に示される固体酸化物燃料電池は本発明の応力低減マウントをそれとともに用いることができる多くの構造の１つに過ぎないことに注意すべきである。一般的に言って、本発明のマウントは、フレームまたはマニホールドあるいはそのような集成シート３の周縁部分のいくらかまたは全てを支持する他のいずれかの構造で確実に固定される集成電解質シートを有する、いずれの固体酸化物燃料電池にも適用できる。本明細書では、そのようなフレーム、マニホールドまたはその他の支持構造は一括して「集成支持体」と定義される。

図２及び３を参照すれば、図１に示されるような燃料電池において、燃料フレーム７は矩形リセス１５を囲む対向面１４を有する。リセス１５は矩形の集積電解質シート３をきっちり受け入れる。集成シート３は、シート３の外縁全体を燃料フレーム７に接合するシール１７を用いてフレーム７上に確実に固定される。シール１７は一般に、集成シート３の周縁部分１６を形成するセラミック材料及び燃料フレーム７を形成する金属のいずれとも接合することができる、耐熱セメント材料で形成される。

図３で最善に分かるように、フレームはシール１７及び集成シート３の周縁部分１６を支持し、直角コーナー２０で終端する、内縁１９を有する。以降に詳細に説明するように、本発明は、燃料電池の動作中に集成電解質シート３の周縁部分１６への直角コーナー２０の効果の発明者等による観察結果に基づく。そのような動作中に、熱膨張差及び圧力差の結果として、集成電解質シート３の周縁部分１６は位置Ａから位置Ｂまで撓む。そのような撓みが集成シート３とコーナー２０の間の線接触２１に沿って、時間の経過とともに、この領域において集成シート３に割れまたは亀裂を生じさせるに十分であり得る、高レベルの応力集中を生じさせる。本発明の目的は、フレーム７の内縁部分１９に沿う集成シート３の周縁部分１６における高い引っ張り応力の発生を防止することである。

本発明はいかなるタイプの可撓性集成セラミック電解質シートにも適用できるが、特に図４及び５に示されるタイプの集成シートに適用される。図４はコーニング社によって製造／販売され、同様にコーニング社に譲渡された、特許文献１に詳細に説明されているタイプの多セル集成電解質シート２３の断面を示す。そのような多セル集成電解質シート２３は中心部に酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）を３％ドープしたジルコニアの支持セラミックシート２５を有する。セラミックシートの厚さはほぼ２０μｍである。セラミックシート２５の両側に正極層２７及び負極層２９があり、それぞれの厚さは４〜８μｍの間とすることができ、それぞれは相異なるセラミック材料層で形成することができる。正極層及び負極層の上に正極電流コレクタ３１及び負極電流コレクタが載り、いずれのコレクタの厚さも約２０μｍであり、いずれのコレクタも銀パラジウム合金で形成された外層を有する。したがって、多セル集成電解質シート２３の中央部分の厚さは約７０〜７５μｍであるが、イットリウムドープジルコニアシート２５だけで形成されている周縁部分１６の厚さは約２０μｍしかない。図５に示される単セル集成電解質シート３５において、支持セラミックシート３７はセルの負極層であり、同様にほとんどイットリウムドープジルコニアで構成される。５μｍ厚電解質層３９が負極層３７の上に載り、５０μｍ厚正極層４２が電解質層３９の上に載る。負極層３７の厚さは１００〜１０００μｍの間とすることができ、そのような単セル集成電解質シート３５の周縁部分１６は、多セル集成電解質シート２３の周縁部分１６よりも、厚く、若干剛性が高い。本発明は、厚さが２００μｍないしそれより薄い周縁部分１６を有し、したがって、図３に示されるタイプの引っ張り曲げ応力を受けるに十分に可撓性である、単セル集成電解質シート２３にも適用される。

図６及び７は、３５ｋＰａのガス圧差が印加されている、円形フレームに取り付けられた円形集成電解質シート試料の上面及び下面にかかる圧力誘起応力分布を示す。両グラフから明らかなように、最も強い応力は、集成電解質を形成しているシート材料が円形フレームの縁端に接している円形領域に生じる。

図８は集成電解質シートがそれを囲む支持フレームに接している領域においてどのように応力が最大化されるかをさらに一層明瞭に示す。上のグラフに見られるように、３インチ（７５ｍｍ）径試料の中心から１.５インチ（３７.５ｍｍ）よりやや小さい半径位置に引っ張り誘起応力のスパイクがある。

図９及び１０は、１５ｃｍ×１５ｃｍの大きさの正方形集成電解質シート試料についての、１５.５ｋＰａの印加圧力に対する、引っ張り応力分布を示す。図９はそのような集成シートの上面における応力を示し、図１０は下面における応力を示す。いずれの場合にも、電解質シート試料が支持フレームの内縁と接する、電解質シート試料のそれぞれの縁端の中央部分に沿って応力が最大になっている。圧力によって集成シートにつくられる曲がりの外表面に沿ってより大きな張力が発生することから、シートの下面よりも上面の縁端に沿う応力が高くなる。本発明の開発に向かわせたのは、図６〜１０に示されるような応力測定結果であった。

図１１は、いずれもコーニング社で製造された、１５〜２０μｍ厚のＲシリーズ多セル集成電解質シート及び２５μｍ厚のＤシリーズ多セル集成電解質シートについての１１ｃｍ長試料に対する電解質曲げ強度を示すグラフである。図１１のグラフに見られるように、曲げ強度は、平均して、試料幅が０.５ｃｍから５.５ｃｍに大きくなるにしたがって低下する。図１１のグラフ上の試料点を得るため、曲げ強度は２枚の並行プラテンの間で測定した。全ての試料は１４３０℃で２時間焼結した。図１１のグラフからのデータを用いて、集成電解質シート試料にかけられる曲げ半径にともなって応力がどのように対数的に増加するかを示す、図１２のグラフ上の点を計算した。特に、図１２のグラフは、厚さが１５μｍと２５μｍの間の集成電解質シートが４ｍｍをややこえる曲げ半径において応力限界（すなわち破断点）に近づくことを示す。

図１３は、燃料フレーム７の内縁１９の概直角コーナー２０が凸湾曲面４７で置き換えられた、本発明の第１の実施形態を示す。凸湾曲面４７により、電解質シート３の周縁部分１６の内表面と燃料フレーム７の内縁１９の間に面接触４８がなされることが可能になる。好ましい実施形態において、凸湾曲面４７の半径Ｒは１ｍｍと４ｃｍの間であり、約４ｍｍと１ｃｍの間であることがより好ましい。より好ましい範囲の下限により、周縁部分の厚さが１５μｍと２５μｍの間であるときに、電解質シート３の周縁部分１６が集成シート３の応力限界をこえるであろう曲げ半径より大きくは決して曲がらないように保たれるであろう。一方、上限は厚さが１６μｍから２００μｍまでの周縁部分を有する、より厚い電解質シートに対して同じ機能を果たすであろう。

図１４は、周縁部１６の内表面とフレーム７の内縁１９の凸湾曲面４７の間にしなやかな耐熱材料層４９が与えられている、本発明の第１の実施形態の変形態様を示す。そのようなしなやかな材料の例には、ジルコニアフェルト、ジルコニア布、アルミナ紙及びアルミナマットがある。市販されているそのような材料の例には、Zircar Zirconia, Inc. （米国, 10921-0287, ニューヨーク州フロリダ（Florida）, PO Box 287）でつくられている、ＺＹＦ-１５０，ＺＹＦ-１００及びＺＹＦ-５０を含む、ＺＹＦタイプのジルコニアフェルト及び、ＺＹＷ-１５及びＺＹＷ-３０Ａを含む、ＺＹＷタイプのジルコニア布がある。別の例には、Zircar Ceramics （米国, 10921-0519, ニューヨーク州フロリダ，PO Box 519, 北メインストリート（North Main Street）１００）で全てつくられている、ＡＰＡ-１及びＡＰＡ-２タイプのアルミナ紙及びアルミナマット（アルミナ９５〜９７％）がある。製造されたままではこれらの材料のいくつかは厚すぎ、多孔度及び厚さを小さくするために、材料を取り除くかまたはプレスすることによって薄くする必要があり得る。さらに、特注製作の様々な希土類酸化物、酸化ハフニウム及び酸化セリウムのファイバを、ファイバが、空気中または燃料電池の燃料流内において７００〜９００℃で分解または反応しないか、あるいは動作中に燃料電池に望ましくない不純物を導入しない限り、そのような用途に使用可能なしなやかな材料を形成するに適するマット、布及び紙につくることができる。これは、燃料電池内に既に存在する材料、すなわち、ジルコニア、Ｎｉ（Ｏ）-ジルコニアのファイバベースの材料、あるいは、電解質、電極、電流コレクタ、シールまたはフレーム材料を侵さない、アルミナのような材料でファイバを作成することによって達成することができるであろう。そのようなしなやかな材料４９は、圧力差または熱膨張差の結果として電解質シート３の周縁部分１６がどのような湾曲形状に曲げられるとしても、しなやかな性質によってその形状に適合されるであろうから、電解質シート３の周縁部分１６とフレーム７の内縁１９の間で一様な面接触４８がなされるであろうことがさらに保証される。したがって、そのようなしなやかな高温材料４７の付加によって、フレーム７の内縁１９に凸湾曲面４７を設けただけの場合よりも電解質シート３の周縁部分１６における応力はさらに一層低減される。

図１５は図１４に示される燃料フレーム７よりも薄く、打抜き金属で形成された、別のタイプの燃料フレーム５１に適用されている本発明を示す。しかし、本発明の他の点に関しては全て同じである。

図１６は、隣接する一対のフレーム、すなわち燃料フレーム７及び空気フレーム９に適用されている本発明の第１の実施形態の断面図である。本発明のこの実施形態においては、図示されるように、燃料フレーム７の内縁１９及び空気フレーム９の内縁５５がそれぞれ湾曲面４７，５７を有する。さらに、空気フレーム９は、電解質シート３の周縁部分１６が位置Ａから位置Ｂまで曲げられたときに内縁部分５５が周縁部分１６の形状にさらに正確に適合できるように、内縁部分５５にかけて与えられたしなやかな高温材料５９を有する。隣接するフレーム７，９上に湾曲面４７，５７を設けることにより、集成電解質シート３が圧力差または熱膨張差の結果として撓められる方向にかかわらず、集成シート３の周縁部分１６における引っ張り応力が低減されるであろうことが保証される。

図１７は、圧力差または熱膨張差により集成シート３が燃料フレーム７に対して内側に撓められたときの、集成電解質シート３の境界領域における引っ張り応力だけでなく、集成シート３の周縁部分１６のしわの発生によってつくられる応力も示す、別のタイプのグラフである。図１７のグラフに明らかなように、そのようなしわの発生は電解質シート３が従来の燃料フレームの内縁２０に接する領域において電解質シートの周縁部分１６にかかる応力に不規則性を生じさせる。図１８及び１９Ａを比較することによって最善に理解される、本発明の第２の実施形態の概念をもたらしたのは、先に論じた図６〜１２に示される圧力グラフと組み合されたこれらの観察結果であった。図１８は、周縁部分１６がシール１７で燃料フレーム７の周囲に確実に固定されている、従来技術の多セル集成電解質シート３を示す。先に示したように、周縁部分１６は厚さが１８μｍと２０μｍの間の、比較的薄い、酸化イットリウムがドープされたジルコニアのシート２５だけからなる。対照的に、多セル集成シート３の中央部分６７は、先に説明したように、負極層及び正極層並びに負極電流コレクタ及び正極電流コレクタを有し、これらの組合せによって、そのようなシート３の中央部分６７の厚さは約７０〜７５μｍ、すなわち周縁部分１６の厚さの約３.５倍になる。

図１９Ａは、集成電解質シート３の周縁部分１６にわたって厚化部分６９を有する、本発明の第２の実施形態を示す。この好ましい実施形態において、周縁部分１６の厚化部分６９は、多セル集成電解質シート３の残余部分を支持するジルコニアシート２５にさらにイットリウムドープジルコニアを単に追加することによってつくられた。これは、周縁部分１６を形成するジルコニアに付着して一体化する追加ジルコニア層を周縁部分２６にわたってプリントして焼結することによって行うことができた。図１９Ａは集成電解質シート３の中央部分６７とほぼ同じ厚さであるとして厚化部分６９を示しているが、本発明の第２の実施形態はより薄い厚化も包含し、厚化部分６９を中央部分６７の厚さの約６０％に過ぎない厚さとすることができる。

図１９Ｂは、周縁部分１６において支持セラミックシート２５の両面に層７０Ａ，７０Ｂを与えることによって厚化部分６９が形成されている、本発明の第２の実施形態の第１の変形態様を示す。層７０Ａ、７０Ｂは周縁部分１６においてジルコニアセラミック層２５上に容易にプリントするか、被着するかまたは別の手段で堆積することができるセラミック材料で形成されることが好ましいが、層７０Ａ、７０Ｂは、例えば、ニッケルまたはニッケル合金または銀−パラジウムのような材料で形成することもできる。層７０Ａ、７０Ｂはセラミック材料または金属材料のいずれで形成されるかにかかわらず、周縁部分１６における電解質シート３の引っ張り強度を高めるためには、電解質シート３の周縁部分１６を形成するジルコニアシート２５上に層７０Ａ、７０Ｂが確実に接合することが肝要である。

図１９Ｃ及び１９Ｄはそれぞれ、本発明の第２の実施形態の別の変形態様を示す。図１９Ｃは集成電解質シート３の周縁部分１６を強化するために電解質シート３の周縁部分１６においてジルコニアシート２５の上面にリブ７１をどのように与えることができるかを示す。そのようなリブ７１はジルコニアシート２５を形成するのと同じジルコニアで一体形成されることが好ましい。リブ７１は、ジルコニアシート２５の上面だけに与えられるとして図示されているが、下面にもまたは下面だけに、配置することができる。しかし、そのような構成は、シール１７に関して生じさせ得る複雑さにより、一般には好ましくない。リブ７１は、図１９Ａと同様に、セラミックシート２５の周縁部分２６の表面に確実に接合する、非ジルコニアセラミック材料または金属材料を上に載せることによって形成することができる。図１９Ｄは、セラミックシート２５の周縁部分１６に波形構造７３が一体成形されている、本発明の第２の実施形態のまた別の変形態様を示す。図１９Ｃ及び１９Ｄに示される変形態様のいずれにおいても、リブ７１または波形構造７３の高さは集成電解質シート３の中央部分６７の厚さとほぼ同じである。リブ７１及び波形構造７３の相対厚は正確に中央部の厚さである必要はなく、中央部の厚さの５０％をこえている限り、燃料電池の動作中にこれらの領域において集成電解質シート３の引っ張り応力を実質的に低減する大きさまで、集成電解質シート３の周縁部分１６の剪断強度を有益に高めることができる。

図２０は、周縁部分１６の厚化部分６９がシール１７まで完全には及んでいない、本発明の第２の実施形態のまた別の変形態様を示す。本発明のこの変形態様は、図１９Ａから１９Ｄに示される変形態様に関して説明したように、セラミックシート２５を厚化するかあるいはリブ７１または波形構造７３を付加することによって実施することができるが、図２０に示される変形態様は、集成電解質シート３のセルを形成する層２７，３０，３１及び３３を、これらの層２７，２９，３１及び３３がほぼシール１７に届くところまで単に延ばすことによって実施した。これらの層を完全にシール１７まで延ばすことは可能であるが、本発明のそのような変形態様は、正極電流コレクタ層３１及び負極電流コレクタ層３３を形成する銀パラジウム合金と燃料フレーム７を形成する金属の間でおこり得る望ましくない電解反応により、好ましくない。本発明のこの特定の変形態様において、集成電解質シート３のセルを形成する層２７，２９，３１及び３３は、集成シート３の周縁部分１６の幅の６０％より大きく延びるべきである。したがって、周縁部分１６の幅が通常通り約５ｍｍであるとすれば、周縁部分１６が曲がりによって生じる引っ張り応力を実質的に低めるに十分な強度をもつように強化するためには、層２７，２９，３１及び３３はシール１７に向かって少なくとも３ｍｍは延びるべきである。さらに好ましくは、これらの層とシール１７の間隔は約１ｍｍとするべきである。

図２１は本発明の概念の図２０の変形態様を示す。この場合、前述した電極層２７，２９，３１及び３２は再び、フレーム７の直角コーナー２０をこえて、シール１７に向かって延びているが、電極セルの末端７５はいずれも丸められ、相互にずらされて配置されており、よって集成電解質シート３の、燃料フレーム７の内縁２０に向かう撓み及び内縁２０から離れる撓みによって発生し得る引っ張り応力をさらに解放する。

図２２は、本発明の第２の実施形態が単セルタイプの集成電解質シート３にどのように適用され得るかを示す。従来技術では、周縁部分１６の厚さはシート３の中央部分６７の厚さの少なくとも７５％であることが多い。したがって、周縁部分１６にわたって厚化部分６９が設けられていると、シート３は中央部分６７と少なくとも同じ厚さであり、好ましくは中央部分６７より厚く形成される。厚化部分６９はそのような単セル電解質シート３の、通常はシート３の全体の支持層を形成する、負極層を単に厚化することで形成されることが好ましい。

図２３Ａ及び２３Ｂは、中心軸Ａ及びＢを有する多セル集成電解質シート３において周縁部分１６の厚化がどのように、集成電解質シート３の中央部分６７全体にわたって引っ張り応力を有益に分散させ、さらに、集成電解質シート３の周縁部分１６及び燃料フレーム７の内縁１９における損傷を与え得る引っ張り応力の集中を回避するかを示す。

本発明を２つの実施形態及びそのいくつかの変形態様に関して説明したが、これらの実施形態には様々な改変及び付加がなされ得ることが当業者には明らかになるであろう。そのような変形、付加及び改変は全て、添付される特許請求項及びそれらの等価物によってのみ限定される、本発明の範囲内に入るとされる。

本発明の応力低減マウントを用いることができる固体酸化物燃料電池の斜視図である従来技術の燃料フレームで支持されている多セル集成電解質シートの斜視図である線３-３に沿って取られた図２のフレーム及び電解質シートの断面図である従来技術の多セル集成電解質シートの中央部分の断面図である従来技術の単セル集成電解質シートの断面図である３５キロパスカル（ｋＰａ）のガス圧力差が印加されている、円形フレームに取り付けられた３インチ（７５ｍｍ）径／２０μｍ厚集成電解質シートの上面にかかる主応力の自由要素解析結果のプロットを示す３５ｋＰａのガス圧力差が印加されている、図６の３インチ（７５ｍｍ）径／２０μｍ厚集成電解質シートの下面にかかる主応力の自由要素解析結果のプロットを示す集成電解質シートのフレームに隣接する区画における高応力のスパイクを詳しく示す、図６及び７に関して説明した集成電解質シートの円形区画の半径にわたるＺ偏位及び主応力をともに示すグラフである１５.５ｋＰａの圧力が印加されている、周囲に沿ってクランプされた、２０μｍ厚集成電解質シートの正方形シートの上面における応力分布図である１５.５ｋＰａの圧力が印加されている、図９の２０μｍ厚集成電解質シートの正方形シートの下面に関してとられた同じ応力分布図である１５〜２０μｍ厚集成電解質シート（Ｒシリーズ）及び２５μｍ厚集成電解質シート（Ｄシリーズ）に両者について、集成電解質シートの曲げ強度を試料幅の関数として示すグラフである集成電解質シートにおける応力が曲げ半径の関数としてどのように対数的に増大するかを示すグラフである集成電解質シートを支持するフレームの内縁上への凸湾曲面の装備を示す、本発明の応力低減マウントの第１の実施形態の断面図であるフレーム内縁の凸湾曲面にしなやかな耐熱材料層が与えられている、本発明の第１の実施形態の第１の変形態様の断面図であるタイプの異なる支持フレームに適用された本発明の第１の実施形態の断面図である隣接する一対のフレームに適用された本発明の第１の実施形態の断面図である自由要素解析によって得られた、電解質フレームに取り付けられた矩形集成電解質シートにわたる応力分布図の斜視図である従来技術にしたがって取り付けられている空気フレーム及び集成電解質シートの断面図である多セル集成電解質シートの支持セラミックシートの周縁部分の厚化を示す、本発明の応力低減マウントの第２の実施形態の第１の変形態様を示す多セル集成電解質シートの支持セラミックシートの周縁部分の厚化を示す、本発明の応力低減マウントの第２の実施形態の第２の変形態様を示す多セル集成電解質シートの支持セラミックシートの周縁部分の厚化を示す、本発明の応力低減マウントの第２の実施形態の第３の変形態様を示す多セル集成電解質シートの支持セラミックシートの周縁部分の厚化を示す、本発明の応力低減マウントの第２の実施形態の第４の変形態様を示す集成電解質シートの周縁部分の厚化を提供するために多セル電解質シートの電極層がほとんどシールにまでどのように延長されているかを示す、本発明の第２の実施形態の別の変形態様であるマウントにおける応力をさらに低減するための丸端をもつオフセット電極の使用を示す、本発明の第２の実施形態の別の変形態様である本発明の第２の実施形態がどのように単セル集成電解質シートに適用され得るかを示す本発明の第２の実施形態が集成電解質シートの周縁部分まわりの応力をどれだけ低めるかを示すグラフの平面図である本発明の第２の実施形態が集成電解質シートの周縁部分まわりの応力をどれだけ低めるかを示すグラフの斜視図である

符号の説明

１集成固体酸化物燃料電池装置
３集成電解質シート
５集成支持体
７，５１燃料フレーム
９空気フレーム
１１マニホールド
１４対向面
１５リセス
１６周縁部分
１７シール
１９燃料フレーム内縁
２０直角コーナー
２１線接触
２３多セル集成電解質シート
２５，３７支持セラミックシート
２７，４２正極層
２９負極層
３１正極電流コレクタ層
３３負極電流コレクタ層
３５単セル集成電解質シート
３９電解質層
４７凸湾曲面
４８面接触
６７中央部分
６９厚化部分
７１リブ
７３波形構造
７５電極セル末端

Claims

セラミック材料の可撓性シートを有し、前記可撓性セラミックシートの周縁が周縁部分を形成する、厚さが２００μｍ未満のタイプの電解質シートのための固体電解質燃料セルにおける応力低減マウントにおいて、
前記電解質シートの前記周縁部分を支持する内縁部分を有する集成支持体、
前記電解質シートの前記周縁部分の縁端を前記集成支持体に確実に固定するシール、及び、
前記電解質シートの前記周縁部分に配置された、前記内縁部分に隣接する前記電解質シートの前記周縁部分の曲がりによって前記周縁部分を形成する前記可撓性セラミックシートに生じる引っ張り応力を低減する、応力低減構造、
を備え、
前記応力低減構造が、前記周縁部分を形成する前記セラミック材料の耐曲げ強度を高める、前記電解質シートの前記周縁部分上の補剛構造であり、前記補剛構造が、前記電解質シートの前記周縁部分を形成する前記セラミック材料とは異なる、セラミック材料及び金属材料のうちのいずれか一方又は両方を含むことを特徴とする応力低減マウント。
前記補剛構造と前記電解質シートの前記周縁部分の厚さの合計が、前記電解質シートの中央部分の厚さに等しくなることを特徴とする請求項１に記載の応力低減マウント。
前記補剛構造と前記電解質シートの前記周縁部分の厚さの合計が、前記電解質シートの中央部分の厚さをこえることを特徴とする請求項１に記載の応力低減マウント。
前記補剛構造が、前記シールまで完全に及んではいないことを特徴とする請求項１に記載の応力低減マウント。
燃料電池装置において、
（ｉ）周縁部分を有する可撓性セラミック電解質シート、
（ii）前記電解質シートの前記周縁部分を支持する内縁部分を有する集成支持体、
（iii）前記電解質シートの前記周縁部分の縁端を前記集成支持体に確実に固定するシール、及び
（iv）前記内縁部分に隣接する前記電解質シートの前記周縁部分の曲がりによって前記周縁部分を形成する前記可撓性セラミックシートに生じる引っ張り応力を低減する、前記電解質シートの前記周縁部分に配置された応力低減構造、
を備え、
前記応力低減構造が、前記周縁部分を形成するセラミック材料の耐曲げ強度を高める、前記電解質シートの前記周縁部分上の補剛構造であり、前記補剛構造が、前記電解質シートの前記周縁部分を形成する前記セラミック材料とは異なる、セラミック材料及び金属材料のうちのいずれか一方又は両方を含むことを特徴とする燃料電池装置。
前記燃料電池装置が複数の負極／正極対を有し、前記可撓性セラミック電解質シートが前記負極／正極対の間に挟み込まれていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
前記補剛構造が、前記周縁部分の前記縁端から２ｍｍ離れた位置で終わることを特徴とする請求項１に記載の応力低減マウント。
前記補剛構造と前記電解質シートの前記周縁部分の厚さの合計が、前記周縁部分の前記縁端から前記電解質シートの中央軸に向かって増加することを特徴とする請求項１に記載の応力低減マウント。
前記補剛構造が、リブ又は波型構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の応力低減マウント。