JP7095425B2 - 固体酸化物形燃料電池のセルユニット、および固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池のセルユニット、および固体酸化物形燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池において、燃料電池スタックの熱膨張に伴う変位に追従して変形可能な弾性体シールを用いて、燃料電池スタックの熱膨張に伴う変位を吸収する技術が知られている。燃料電池スタックの変位を吸収することによって、膜電極接合体の電解質が膜電極接合体の積層方向に膨潤した場合であっても、セルが破損したり、外部にガスが漏洩したりすることを防止する（特許文献１を参照）。

特開２０１０－１２３３７７号公報

燃料電池は、使用する電解質の違いによって種々分類され、固体高分子形燃料電池のほか、電解質が固体のセラミックスである固体酸化物形燃料電池も知られている。固体酸化物形燃料電池は、固体高分子形燃料電池に比べると運転温度が非常に高く、高い発電効率を実現できるという利点がある。

固体酸化物形燃料電池の発電時において、セルの構成部品は、高温に曝され、熱膨張による変位が生じる。セルにおける面圧バラツキが発生するため、熱膨張によるセルの変位を吸収する機構が必要となる。

固体酸化物形燃料電池は運転温度が非常に高いことから、セルは、当該セルを積層する積層方向に熱膨張するだけでなく、積層方向に対して交差する方向（セルの面方向）にも熱膨張する。

特許文献１に記載された変位を吸収する弾性体シールは耐熱温度が比較的低いため、運転温度が非常に高い固体酸化物形燃料電池に適用することはできない。さらに、セルの積層方向および積層方向に対して交差する方向の２方向へのセルの熱膨張による変位を吸収することができない。

本発明の目的は、セルの積層方向および積層方向に対して交差する方向の２方向へのセルの熱膨張による変位を吸収することができる固体酸化物形燃料電池のセルユニット、および固体酸化物形燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の固体酸化物形燃料電池のセルユニットは、固体酸化物形燃料電池用のセルと、前記セルが配置される開口部を有するセルフレームと、変位吸収部材と、を有する。変位吸収部材は、前記セルと前記セルフレームとの間に配置されて前記セルと前記セルフレームとを連結する。変位吸収部材は、前記セルを積層する積層方向および前記積層方向に対して交差する方向の２方向に前記セルを変位させる。前記変位吸収部材は、板材から形成され、前記セルフレームの側に連結する第１の平面部と、前記セルの側に連結する第２の平面部と、前記第１の平面部と前記第２の平面部との間に形成され弾性変形するバネ部と、を有する。前記変位吸収部材を形成する前記板材は矩形形状を有し、前記バネ部は前記板材の四隅以外の部位に形成される。

上記目的を達成するための本発明の固体酸化物形燃料電池は、上記の固体酸化物形燃料電池のセルユニットを積層した燃料電池スタックを有する。

本発明の固体酸化物形燃料電池のセルユニット、および固体酸化物形燃料電池によれば、セルの積層方向および積層方向に対して交差する方向の２方向へのセルの熱膨張による変位を吸収することができる。

固体酸化物形燃料電池の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。 メタルサポートセルの部分断面図である。 図３に示されるメタルサポートセル、セルフレームおよび変位吸収部材を拡大して示す斜視図である。 図５Ａに示される変位吸収部材を形成する板材の隅部を拡大して示す斜視図である。 変位吸収部材を形成する板材の四隅にバネ部が形成された対比例に係る変位吸収部材を示す斜視図である。 図１の６－６線に沿うセルユニットの断面図である。 変位吸収部材におけるバネ部の高さを説明する断面図である。 変位吸収部材におけるバネ部の高さが所定の寸法以上である対比例において生じ得る不具合を説明する断面図である。 変位吸収部材における第２の平面部を、第２の平面部の側からの溶接によってメタルサポートセルに接合した接合部を示す断面図である。 変位吸収部材における第２の平面部を、メタルサポートセルの側からの溶接によってメタルサポートセルに接合した対比例に係る接合部を示す断面図である。 変位吸収部材の形状を改変した他の実施形態に係るセルユニットを示す断面図である。 変位吸収部材を備えていない対比例に係るセルユニットを示す断面図である。

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。

（燃料電池スタック４０Ｓ）
固体酸化物形燃料電池４０の燃料電池スタック４０Ｓについて説明する。

図１は、固体酸化物形燃料電池４０の燃料電池スタック４０Ｓを示す分解斜視図である。図２は、図１に示すセルユニット１００の分解斜視図である。図３は、図２に示す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は、メタルサポートセル１１０Ｍの部分断面図である。図５Ａは、図３に示されるメタルサポートセル１１０Ｍ、セルフレーム１１３および変位吸収部材１７０を拡大して示す斜視図である。図５Ｂは、図５Ａに示される変位吸収部材１７０を形成する板材１７１の隅部を拡大して示す斜視図である。図５Ｃは、変位吸収部材１７０を形成する板材１７１の四隅にバネ部１７５が形成された対比例に係る変位吸収部材１７０を示す斜視図である。図６は、図１の６－６線に沿うセルユニット１００の断面図である。なお、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軸は水平方向を示し、Ｚ軸は上下方向に平行な軸を示している。

図示する燃料電池スタック４０Ｓは、電解質として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４０（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）用の燃料電池スタック４０Ｓである。

図１に示すように、固体酸化物形燃料電池４０は、複数のセルユニット１００を上下方向に積層して構成された燃料電池スタック４０Ｓと、燃料電池スタック４０Ｓの上方に積層される上部集電板１０６と、燃料電池スタック４０Ｓの下方に積層される下部集電板１０７とを有している。上部集電板１０６、燃料電池スタック４０Ｓおよび下部集電板１０７は、上部エンドプレート１０９と下部エンドプレート１０８とによって挟み込まれている。上部エンドプレート１０９および下部エンドプレート１０８のそれぞれは、カバー１０５にボルトによって締結されている。以下、図中にＺ軸で示す燃料電池スタック４０Ｓの上下方向を「積層方向」とも称する。以下、燃料電池スタック４０Ｓの主要な構成要素について説明する。

［セルユニット１００］
図２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、電解質電極接合体１１１との間にガスが流通するための流路部１２１（図６および図７Ａを参照）を区画形成するセパレータ１２０と、集電補助層１４０と、を順に積層して構成される。なお、メタルサポートセルアッセンブリー１１０と集電補助層１４０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１４０を省く構造としてもよい。

セルユニット１００は、アノードガスＡＧを流通させて供給および排出するためのマニホールド部（図示せず）と、マニホールド部の周囲を封止してガスの流れを制限する複数のシール部１６０（図１、図２を参照）と、をさらに有する。なお、図示する燃料電池スタック４０Ｓは、セルユニット１００の外側（図２および図３の破線囲み部分）をカソードガスＣＧが自由に流通するオープンカソード構造として構成している。

図３および図５Ａに示すように、セルユニット１００のメタルサポートセルアッセンブリー１１０は、長手方向Ｙに沿って複数（図示例では、２つ）並べて配置したメタルサポートセル１１０Ｍ（Ｍｅｔａｌ－Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｃｅｌｌ：ＭＳＣ）１１０Ｍ（セルに相当する）と、メタルサポートセル１１０Ｍが配置される開口部１１３Ｈを有するセルフレーム１１３と、を有する。メタルサポートセルアッセンブリー１１０はさらに、メタルサポートセル１１０Ｍとセルフレーム１１３との間に配置されてメタルサポートセル１１０Ｍとセルフレーム１１３とを連結する変位吸収部材１７０を有する。

メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質層１１１Ｅを両側から一対の電極であるアノード層１１１Ａおよびカソード層１１１Ｃで挟持してなる電解質電極接合体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。メタルサポートセル１１０Ｍ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、急速起動性等に優れる。

［電解質電極接合体１１１］
図３および図４に示すように、電解質電極接合体１１１は、電解質層１１１Ｅを両側から一対の電極であるアノード層１１１Ａおよびカソード層１１１Ｃで挟持して構成される。

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。

アノード層１１１Ａは、燃料極であって、アノードガスＡＧ（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスＡＧ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ＡＧ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ＡＧ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。

［メタルサポート部１１２］
図３および図４に示すように、メタルサポート部１１２は、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によって電解質電極接合体１１１を支持することにより、電解質電極接合体１１１に面圧分布の偏りがわずかに生じた場合でも、曲げによる電解質電極接合体１１１の破損を抑制できる。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多孔質の金属である。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］
図３、図５Ａおよび図６に示すように、セルフレーム１１３は、変位吸収部材１７０を介して、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３に示すように、セルフレーム１１３は、長手方向Ｙに沿って並べて配置された複数（図示例では、２つ）の開口部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は、空間部を隔ててセルフレーム１１３の開口部１１３Ｈの内周縁に向かい合う。セルフレーム１１３とメタルサポートセル１１０Ｍとの間に変位吸収部材１７０が配置される。セルフレーム１１３は、図３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、１１３ｂ、１１３ｃおよびアノードガス流出口１１３ｄ、１１３ｅを有している。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。

［セパレータ１２０］
セパレータ１２０は、積層方向Ｚに隣り合うメタルサポートセル１１０Ｍ間に配置される。セパレータ１２０は、メタルサポートセル１１０Ｍの電解質電極接合体１１１と対向する領域に流路部１２１を有する。流路部１２１は、電解質電極接合体１１１との間にガスの流路を区画形成する凹凸形状を有している。メタルサポート部１１２に臨む流路部１２１にはアノードガスＡＧが流れ、集電補助層１４０に臨む流路部１２１にはカソードガスＣＧが流れる（図６、図７Ａを参照）。

図２に示すように、セパレータ１２０の流路部１２１は、凹凸形状が短手方向Ｘに延在するように略直線状に形成されている。これにより、流路部１２１に沿って流れるガスの流れ方向は、短手方向Ｘである。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１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃおよびアノードガス流出口１２０ｄ、１２０ｅを有している。セパレータ１２０の形成材料は、例えば、金属が挙げられる。セパレータ１２０の流路部１２１以外の領域には、絶縁処理が施されている。

［集電補助層１４０］
集電補助層１４０は、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との間に配置され、カソードガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にして、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との電気的な接触を補助する。集電補助層１４０は、金網状のエキスパンドメタルなどがあげられる。また、本特性や機能を他要素で持たせることができる場合、省くことも可能である。

［シール部１６０］
シール部１６０は、耐熱性およびシール性を有する材料から形成される。このような材料としては、例えば、バーミキュライト（蛭石）を主原料とするサーミキュライト（登録商標）が挙げられる。

［変位吸収部材１７０］
図３、図５Ａおよび図６に示すように、変位吸収部材１７０は、メタルサポートセル１１０Ｍとセルフレーム１１３との間に配置されてメタルサポートセル１１０Ｍとセルフレーム１１３とを連結する。変位吸収部材１７０は、メタルサポートセル１１０Ｍが熱膨張した場合、メタルサポートセル１１０Ｍを積層する積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の２方向にメタルサポートセル１１０Ｍを変位させる。図６において、積層方向（Ｚ方向）の変位は矢印ｖによって示され、積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の変位は矢印ｈによって示される。これによって、変位吸収部材１７０は、メタルサポートセル１１０Ｍの熱膨張による２方向の変位ｖ、ｈを吸収することができる。

変位吸収部材１７０は、例えば、板材１７１から形成された連結板に適用できる。変位吸収部材１７０は、メタルサポートセル１１０Ｍの周囲を取り囲む枠体１７２を有する。枠体１７２は、Ｘ方向に沿って伸びている第１枠部１７２ａと第２枠部１７２ｂ、Ｙ方向に沿って伸びている第３枠部１７２ｃと第４枠部１７２ｄとを有する。

変位吸収部材１７０は、セルフレーム１１３の側に連結する第１の平面部１７３と、メタルサポートセル１１０Ｍの側に連結する第２の平面部１７４と、第１の平面部１７３と第２の平面部１７４との間に形成され弾性変形するバネ部１７５と、を有する。実施形態の変位吸収部材１７０は、第１の平面部１７３の一部がセルフレーム１１３の図中上面に溶接によって連結され、第２の平面部１７４の一部がメタルサポートセル１１０Ｍの図中上面に溶接によって連結されている。図６に示すように、バネ部１７５は、第１の平面部１７３に連続する第１の湾曲部１７５ａを経て下方斜め方向に向けて伸び、次に、第２の湾曲部１７５ｂを経て上方斜め方向に向けて傾斜して伸び、第２の平面部１７４に連続する形状を有する。バネ部１７５には、積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）に突っ張るように伸びる部位が存在しない。このような形状を有するバネ部１７５は、メタルサポートセル１１０Ｍが熱膨張するのに伴って弾性変形し、積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の２方向にメタルサポートセル１１０Ｍを変位させることができる。

図３および図５Ａに示すように、本実施形態においては、第１枠部１７２ａ、第２枠部１７２ｂ、第３枠部１７２ｃおよび第４枠部１７２ｄのすべてに、第１の平面部１７３、第２の平面部１７４およびバネ部１７５を設けている。積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の２方向にメタルサポートセル１１０Ｍを変位させるためには、第１枠部１７２ａおよび第２枠部１７２ｂの何れか一方と、第３枠部１７２ｃおよび第４枠部１７２ｄの何れか一方とにバネ部１７５を設ければ足りる。ただし、メタルサポートセル１１０Ｍは、ガス流入側温度とガス流出側温度との間において温度差があり、面方向（Ｘ－Ｙ方向）に温度分布が生じている。このため、メタルサポートセル１１０Ｍの周囲を取り囲む４辺においてメタルサポートセル１１０Ｍの変位を吸収することが好ましい。このため、第１枠部１７２ａ、第２枠部１７２ｂ、第３枠部１７２ｃおよび第４枠部１７２ｄのすべてにバネ部１７５を設けている。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、変位吸収部材１７０を形成する板材１７１は矩形形状を有し、バネ部１７５は板材１７１の四隅以外の部位に形成されている。

図５Ｃに示すように、変位吸収部材２７０を形成する板材２７１の四隅にバネ部２７５を形成した対比例にあっては、隣り合う枠部におけるバネ部２７５同士が四隅において連続して突っ張り合うため、角部の剛性が高くなる。この結果、バネ部２７５が撓みづらくなり、メタルサポートセル１１０Ｍの変位を吸収することができない。

本実施形態のように、バネ部１７５を板材１７１の四隅以外の部位に形成することによって、バネ部１７５は、撓みが阻害されず、メタルサポートセル１１０Ｍの変位を十分に吸収することができる。

セルユニット１００は、セルフレーム１１３との間にガス通路を形成するセパレータ１２０を有する。固体酸化物形燃料電池４０のセルユニット１００において、セルフレーム１１３およびセパレータ１２０は、外周部同士が重ね合わされて溶接接合され、シール部位１８０を構成する。図６に示される符号１８１は、流路部１２１の高さ寸法を規制するスペーサを示している。変位吸収部材１７０を形成する板材１７１は、セルフレーム１１３の板厚ｔ３およびセパレータ１２０の板厚ｔ２よりも薄い板厚ｔ１を有する（ｔ１＜ｔ２、ｔ１＜ｔ３）。変位吸収部材１７０を形成する板材１７１の板厚ｔ１を周辺部品の板厚ｔ２、ｔ３よりも薄くすることによって、変位吸収部材１７０の板材１７１の剛性は、セルフレーム１１３およびセパレータ１２０に対して相対的に低くなる。このため、バネ部１７５は、周辺部品に比べて変形しやすくなる。この結果、バネ部１７５はメタルサポートセル１１０Ｍの変位を十分に吸収することができる。

図７Ａは、変位吸収部材１７０におけるバネ部１７５の高さｈ１を説明する断面図である。図７Ｂは、変位吸収部材１７０におけるバネ部１７５の高さｈ１が所定の寸法以上である対比例において生じ得る不具合を説明する断面図である。

図７Ａに示すように、変位吸収部材１７０におけるバネ部１７５は、セルフレーム１１３からのメタルサポートセル１１０Ｍの高さｈ２よりも小さい高さｈ１を有する（ｈ１＜ｈ２）。

図７Ｂに示すように、バネ部１７５が所定の寸法以上である対比例の場合には、メタルサポートセル１１０Ｍの熱膨張に伴う変位を吸収するときに、変形したバネ部１７５は、隣り合うセルユニット１００のセパレータ１２０に干渉する。この結果、セルユニット１００の構成部品が変形したり、メタルサポートセル１１０Ｍが破損したり、シール性能が低下したりする虞がある。

これに対して、本実施形態においては、バネ部１７５は、セルフレーム１１３からのメタルサポートセル１１０Ｍの高さｈ２よりも小さい高さｈ１を有することから、メタルサポートセル１１０Ｍの熱膨張に伴う変位を吸収するときに、変形したバネ部１７５は、隣り合うセルユニット１００のセパレータ１２０に干渉することが防止される。この結果、セルユニット１００の構成部品の変形を防止でき、メタルサポートセル１１０Ｍの破損を防止でき、シール性能の信頼性が向上する。

図８Ａは、変位吸収部材１７０における第２の平面部１７４を、第２の平面部１７４の側からの溶接によってメタルサポートセル１１０Ｍに接合した接合部１１５を示す断面図である。図８Ｂは、変位吸収部材１７０における第２の平面部１７４を、メタルサポートセル１１０Ｍの側からの溶接によってメタルサポートセル１１０Ｍに接合した対比例に係る接合部２１５を示す断面図である。

図８Ａに示すように、変位吸収部材１７０における第２の平面部１７４は、第２の平面部１７４の側からの溶接によってセルに接合された接合部１１５を有する。

図８Ｂに示すように、第２の平面部１７４をメタルサポートセル１１０Ｍの側からの溶接によってメタルサポートセル１１０Ｍに接合した対比例の場合には、厚肉のメタルサポートセル１１０Ｍを貫通して溶接した接合部２１５を形成しなければならず、メタルサポートセル１１０Ｍやセルフレーム１１３への入熱エネルギーが大きくなる。この結果、メタルサポートセル１１０Ｍやセルフレーム１１３の熱歪が増加する虞がある。さらに、溶接時に使用するエネルギーが増加し、コストが上昇する虞がある。

これに対して、本実施形態においては、第２の平面部１７４は、第２の平面部１７４の側からの溶接によってセルに接合された接合部１１５を有することから、メタルサポートセル１１０Ｍやセルフレーム１１３への入熱エネルギーを削減できる。この結果、メタルサポートセル１１０Ｍやセルフレーム１１３の熱歪を抑制することができる。さらに、溶接時に使用するエネルギーを削減でき、低コスト化を図ることができる。

図１０は、変位吸収部材１７０を備えていない対比例に係るセルユニット２００を示す断面図である。

固体酸化物形燃料電池４０のセルユニット１００において、セルフレーム１１３およびセパレータ１２０は、外周部同士が重ね合わされて溶接接合され、シール部位１８０を構成する。シール部位１８０において安定したシール性を確保する観点から、セルフレーム１１３およびセパレータ１２０の剛性はある程度大きい（すなわち肉厚が厚い）。一方、セルユニット１００におけるガス供給部、ガス排出部およびセルの発電に寄与するアクティブエリア部は、セルフレーム１１３やセパレータ１２０などの他の構成部品に比べると剛性が小さい（すなわち肉厚が薄い）。

図１０に示すように、対比例のセルユニット２００は、変位吸収部材１７０を備えておらず、セル２１０Ｍとセルフレーム１１３とを直接一体化している。セルフレーム１１３は、剛性が比較的高いことから、セパレータ１２０に接続される部位とセパレータ１２０に接続される部位との間の連結部位１１３ｚが変形し難い。このため、セル２１０Ｍのアクティブエリア部における変位を吸収することができない。特に、面方向のＸ－Ｙ方向は、セルフレーム１１３が突っ張った構造となるため、この方向に沿う変位を吸収することがほとんどできない。この結果、セルユニット２００の構成部品が変形したり、セル２１０Ｍが破損したりする虞がある。セル２１０Ｍの変位を許容するためにセルフレーム１１３の肉厚を薄くした場合には、セル２１０Ｍの変位に伴ってシール部位１８０に変形が生じる。この結果、必要な圧縮荷重を掛けることができず、シール性能が低下する虞がある。

本実施形態のセルユニット１００においては、メタルサポートセル１１０Ｍとセルフレーム１１３とは、薄板の連結板である変位吸収部材１７０を介して接合される。変位吸収部材１７０は、面内方向および積層方向の２方向へ変形できる板バネ構造を有する。したがって、セパレータ１２０に接続される部位とセパレータ１２０に接続される部位との間の連結部位（バネ部１７５が設けられる部位に相当する）は独立した動きをとることが可能となる。このため、メタルサポートセル１１０Ｍのアクティブエリア部の熱膨張による変形を吸収できる。しかも、シール部位１８０に変形を及ぼすことなく、必要な圧縮荷重を掛けることができる。これより、安定したシール性を確保できる。このように、メタルサポートセル１１０Ｍのアクティブエリア部に柔構造をとりながらも、シール部位１８０には圧縮側の力が入力される。このため、メタルサポートセル１１０Ｍの破損を防止し、かつ、シール部位１８０からのリークを抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池４０のセルユニット１００は、メタルサポートセル１１０Ｍとセルフレーム１１３との間に配置されてセルとセルフレーム１１３とを連結し、積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の２方向にメタルサポートセル１１０Ｍを変位させる変位吸収部材１７０を有する。

このように構成することによって、固体酸化物形燃料電池４０の運転に伴ってメタルサポートセル１１０Ｍが熱膨張した場合、変位吸収部材１７０は、積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の２方向にメタルサポートセル１１０Ｍを変位させる。これにより、固体酸化物形燃料電池４０のセルユニット１００は、メタルサポートセル１１０Ｍの熱膨張に伴う変位を積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の２方向にわたって吸収することができる。この結果、セルユニット１００の構成部品の変形を防止でき、メタルサポートセル１１０Ｍの破損を防止でき、シール性能の信頼性が向上する。

変位吸収部材１７０は、板材１７１から形成され、セルフレーム１１３の側に連結する第１の平面部１７３と、セルの側に連結する第２の平面部１７４と、第１の平面部１７３と第２の平面部１７４との間に形成され弾性変形するバネ部１７５と、を有する。

このように構成することによって、板材１７１から形成された変位吸収部材１７０におけるバネ部１７５が弾性変形することによって、メタルサポートセル１１０Ｍの熱膨張に伴う変位を積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の２方向にわたって吸収することができる。この結果、セルユニット１００の構成部品の変形を防止でき、メタルサポートセル１１０Ｍの破損を防止でき、シール性能の信頼性が向上する。

セルフレーム１１３との間に流路部１２１（ガス通路）を形成するセパレータ１２０をさらに有し、変位吸収部材１７０を形成する板材１７１は、セルフレーム１１３の板厚ｔ３およびセパレータ１２０の板厚ｔ２よりも薄い板厚ｔ１を有する（ｔ１＜ｔ２、ｔ１＜ｔ３）。

このように構成することによって、変位吸収部材１７０の板材１７１の剛性は、セルフレーム１１３およびセパレータ１２０に対して相対的に低くなる。このため、バネ部１７５は、周辺部品に比べて変形しやすくなる。この結果、セルユニット１００の構成部品の変形を防止でき、メタルサポートセル１１０Ｍの破損を防止でき、シール性能の信頼性が向上する。

変位吸収部材１７０におけるバネ部１７５は、セルフレーム１１３からのメタルサポートセル１１０Ｍの高さｈ２よりも小さい高さｈ１を有する（ｈ１＜ｈ２）。

このように構成することによって、メタルサポートセル１１０Ｍの熱膨張に伴う変位を吸収するときに、変形したバネ部１７５は、隣り合うセルユニット１００のセパレータ１２０に干渉することが防止される。この結果、セルユニット１００の構成部品の変形を防止でき、メタルサポートセル１１０Ｍの破損を防止でき、シール性能の信頼性が向上する。

変位吸収部材１７０を形成する板材１７１は矩形形状を有し、バネ部１７５は板材１７１の四隅以外の部位に形成される。

このように構成することによって、バネ部１７５は、撓みが阻害されず、メタルサポートセル１１０Ｍの変位を十分に吸収することができる。この結果、セルユニット１００の構成部品の変形を防止でき、メタルサポートセル１１０Ｍの破損を防止でき、シール性能の信頼性が向上する。

変位吸収部材１７０における第２の平面部１７４は、第２の平面部１７４の側からの溶接によってセルに接合された接合部１１５を有する。

このように構成することによって、メタルサポートセル１１０Ｍやセルフレーム１１３への入熱エネルギーを削減できる。この結果、メタルサポートセル１１０Ｍやセルフレーム１１３の熱歪を抑制することができる。さらに、溶接時に使用するエネルギーを削減でき、低コスト化を図ることができる。

固体酸化物形燃料電池４０は、上述したセルユニット１００を積層した燃料電池スタック４０Ｓを有する。

このように構成することによって、燃料電池スタック４０Ｓは、積層したメタルサポートセル１１０Ｍの面内および積層間の温度バラツキによる熱膨張差を吸収する構造を持つ積層体となる。したがって、積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の２方向へのセルの熱膨張による変位を吸収することができる固体酸化物形燃料電池４０を提供できる。

（他の実施形態）
図９は、変位吸収部材１７０の形状を改変した他の実施形態に係るセルユニット１００を示す断面図である。

板材１７１から形成した変位吸収部材１７０におけるバネ部１７５は、図６に示した形状に限定されない。バネ部１７５は、メタルサポートセル１１０Ｍの熱膨張による２方向の変位を吸収することができるバネ性を有する限りにおいて、適宜の形状を採択できる。

図９に示すように、他の実施形態の変位吸収部材１７０は、第１の平面部１７３の一部がセルフレーム１１３の図中上面に連結され、第２の平面部１７４の一部がメタルサポートセル１１０Ｍの図中下面に連結されている。バネ部１７５は、第１の平面部１７３に連続する第１の屈曲部１７６ａを経て下方斜め方向に向けて伸び、次に、第２の屈曲部１７６ｂを経て水平方向に伸び、第２の平面部１７４に連続する形状を有する。バネ部１７５には、積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）に突っ張るように伸びる部位が存在しない。このような形状を有するバネ部１７５は、メタルサポートセル１１０Ｍが熱膨張するのに伴って弾性変形し、積層方向（Ｚ方向）および積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の２方向にメタルサポートセル１１０Ｍを変位させることができる。

他の実施形態においても、バネ部１７５は、セルフレーム１１３からのメタルサポートセル１１０Ｍの高さｈ２よりも小さい高さｈ１を有する。

（その他の変形例）
板材１７１から形成した変位吸収部材１７０を例示したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。変位吸収部材１７０は、セル１１０Ｍとセルフレーム１１３との間に配置されてセル１１０Ｍとセルフレーム１１３とを連結し、セル１１０Ｍを積層する積層方向および積層方向に対して交差する方向の２方向にセル１１０Ｍを変位させることができる限りにおいて適宜の構成を採用できる。例えば、板材１７１に代えて、柔軟なブロック体から変位吸収部材１７０を構成できる。

セルとしてメタルサポートセル１１０Ｍを例示したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。アノードサポートセルなどにも適用できる。

変位吸収部材１７０における第１の平面部１７３とセルフレーム１１３との連結および第２の平面部１７４とセル１１０Ｍとの連結を溶接によって行う場合を示したがこの場合には限定されない。適用される材質に応じて、接着によって連結することができる。

４０ 固体酸化物形燃料電池、
４０Ｓ 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（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、
１１３Ｈ 開口部、
１１５ 接合部、
１２０ セパレータ、
１２１ 流路部（ガス通路）、
１６０ シール部、
１７０ 変位吸収部材、
１７１ 板材、
１７２ 枠体、
１７２ａ 第１枠部、
１７２ｂ 第２枠部、
１７２ｃ 第３枠部、
１７２ｄ 第４枠部、
１７３ 第１の平面部、
１７４ 第２の平面部、
１７５ バネ部、
１７５ａ 第１の湾曲部、
１７５ｂ 第２の湾曲部、
１７６ａ 第１の屈曲部、
１７６ｂ 第２の屈曲部、
１８０ シール部位、
１８１ スペーサ、
ｈ１ バネ部のセルフレームからの高さ（ｈ１＜ｈ２）、
ｈ２ メタルサポートセルの高さ（セルの高さ）、
ｔ１ 変位吸収部材を形成する板材の板厚（ｔ１＜ｔ２、ｔ１＜ｔ３）、
ｔ２ セパレータの板厚、
ｔ３ セルフレームの板厚、
ｈ 積層方向（Ｚ方向）に対して交差する方向（面方向のＸ－Ｙ方向）の変位、
ｖ 積層方向（Ｚ方向）の変位。

Claims (5)

1. 固体酸化物形燃料電池用のセルと、
   前記セルが配置される開口部を有するセルフレームと、
   前記セルと前記セルフレームとの間に配置されて前記セルと前記セルフレームとを連結し、前記セルを積層する積層方向および前記積層方向に対して交差する方向の２方向に前記セルを変位させる変位吸収部材と、を有し、
   前記変位吸収部材は、板材から形成され、前記セルフレームの側に連結する第１の平面部と、前記セルの側に連結する第２の平面部と、前記第１の平面部と前記第２の平面部との間に形成され弾性変形するバネ部と、を有し、
   前記変位吸収部材を形成する前記板材は矩形形状を有し、前記バネ部は前記板材の四隅以外の部位に形成される、固体酸化物形燃料電池のセルユニット。
2. 前記積層方向に隣り合う前記セル間に配置され、前記セルとの間にガス通路を形成するセパレータをさらに有し、
   前記変位吸収部材を形成する前記板材は、前記セルフレームの板厚および前記セパレータの板厚よりも薄い板厚を有する、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池のセルユニット。
3. 前記変位吸収部材における前記バネ部は、前記セルフレームからの前記セルの高さよりも小さい高さを有する、請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池のセルユニット。
4. 前記変位吸収部材における前記第２の平面部は、前記第２の平面部の側からの溶接によって前記セルに接合された接合部を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池のセルユニット。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池のセルユニットを積層した燃料電池スタックを有する、固体酸化物形燃料電池。

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