(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板形状の第１固体電解質体と、該第１固体電解質体の一面に設けられて燃料ガスに接する燃料極と、前記第１固体電解質体の他面に設けられて酸化剤ガスに接する空気極とを有する燃料電池セルを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記燃料電池セルにおいて前記第１固体電解質体と前記燃料極と前記空気極とが積層される第１積層方向に沿った、前記燃料電池セルの両側のうち、少なくとも一方側に位置し、熱膨張率差を含む物理量に基づき前記燃料電池セルの変形に追従して変形するセル追従変形部を備え、
前記セル追従変形部は、
板形状の第２固体電解質体と、該第２固体電解質体の一面に設けられて該第２固体電解質体と熱膨張率が異なる板形状の部材である異熱膨張部材とが積層されるとともに、発電に利用されないように構成された非発電積層体と、
一面で前記燃料電池セルに接するとともに他面で前記非発電積層体に接する板形状の導電性部材とから構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
当該固体酸化物形燃料電池は、前記燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、
前記非発電積層体は、
前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルが積層される第２積層方向に沿った、前記燃料電池スタックの両側のうち、少なくとも一方側に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記非発電積層体は、前記燃料電池スタックの両側に配置され、
前記非発電積層体を構成する前記第２固体電解質体と前記異熱膨張部材とが積層される第３積層方向に沿って、前記異熱膨張部材から前記第２固体電解質体へ向かう向きを積層体積層向きとして、
前記燃料電池スタックの両側のうち、一方側に配置された前記非発電積層体の前記積層体積層向きと、他方側に配置された前記非発電積層体の前記積層体積層向きとは、同じ向きである
ことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記非発電積層体は、前記燃料電池スタックの両側に配置され、
前記非発電積層体を構成する前記第２固体電解質体と前記異熱膨張部材とが積層される第３積層方向に沿って、前記異熱膨張部材から前記第２固体電解質体へ向かう向きを積層体積層向きとして、
前記燃料電池スタックの両側のうち、一方側に配置された前記非発電積層体の前記積層体積層向きと、他方側に配置された前記非発電積層体の前記積層体積層向きとは、逆向きである
ことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記非発電積層体を構成する前記第２固体電解質体と前記異熱膨張部材とが積層される第３積層方向に沿った、前記非発電積層体の両側のうち、少なくとも一方側に絶縁性部材が設けられる
ことを特徴とする請求項２〜請求項４の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記非発電積層体は、
前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルが積層される第２積層方向に沿った、前記燃料電池スタックの内部に配置され、
前記非発電積層体は、
前記異熱膨張部材が前記第２固体電解質体と接する、前記異熱膨張部材の面上において、前記第２固体電解質体が形成されていない領域を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記第２固体電解質体は、前記第１固体電解質体と同じ材料で構成される
ことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
前記非発電積層体は、
前記第１固体電解質体と前記燃料極とが積層された積層体と同じ形状である
ことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項９】
前記異熱膨張部材は、前記燃料極と同じ材料で構成される
ことを特徴とする請求項１〜請求項８の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１０】
前記異熱膨張部材は、単一組成の材料で構成される
ことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１１】
前記異熱膨張部材は、混合組成の材料で構成される
ことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１２】
前記異熱膨張部材は、薄膜を複数積層して形成される
ことを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１３】
前記異熱膨張部材は、前記燃料極よりも熱膨張時の反りが大きい
ことを特徴とする請求項１〜請求項１２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１４】
板形状の第１固体電解質体と、該第１固体電解質体の一面に設けられて燃料ガスに接する燃料極と、前記第１固体電解質体の他面に設けられて酸化剤ガスに接する空気極とを有する燃料電池セルを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記燃料電池セルにおいて前記第１固体電解質体と前記燃料極と前記空気極とが積層される第１積層方向に沿った、前記燃料電池セルの両側のうち、少なくとも一方側に位置し、圧力差を含む物理量に基づき前記燃料電池セルの変形に追従して変形するセル追従変形部を備え、
前記セル追従変形部は、
金属製の板状部材である第１金属板と、
前記第１金属板に対向して配置された金属製の板状部材である第２金属板と、
前記第１金属板と前記第２金属板の間において、補助ガスが導入可能に構成されたガス室と、
前記ガス室の内部において、前記第１金属板と、前記第２金属板との間に配置され、前記第１金属板と前記第２金属板とが接触することを阻止する阻止部材とから構成される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項１５】
当該固体酸化物形燃料電池は、前記燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、
前記セル追従変形部は、
前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルが積層される第２積層方向に沿った、前記燃料電池スタックの両側のうち、少なくとも一方側に配置される
ことを特徴とする請求項１４に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１６】
前記阻止部材は、絶縁材料で構成されている
ことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１７】
前記阻止部材は、発泡金属で構成されている
ことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１８】
前記発泡金属は、前記第１金属板および前記第２金属板との接触面において絶縁材料が設けられている
ことを特徴とする請求項１７に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１９】
前記第１金属板と前記阻止部材との間、および前記第２金属板と前記阻止部材との間の少なくとも一方において付勢部材が設けられる
ことを特徴とする請求項１４〜請求項１８の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項２０】
前記阻止部材は、付勢部材で構成される
ことを特徴とする請求項１４〜請求項１６の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項２１】
当該固体酸化物形燃料電池は、前記燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、
前記セル追従変形部は、
前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルが積層される第２積層方向に沿った、前記燃料電池スタックの内部に配置され、
さらに、前記セル追従変形部は、
前記ガス室を前記補助ガスが流通可能に構成されている
ことを特徴とする請求項１４〜請求項２０の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項２２】
当該固体酸化物形燃料電池は、前記燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、
前記セル追従変形部は、
前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルが積層される第２積層方向に沿った、前記燃料電池スタックの両側のうち、少なくとも一方側に配置され、
さらに、前記セル追従変形部は、
前記ガス室を前記補助ガスが流通不可能に構成されている
ことを特徴とする請求項１４〜請求項２０の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項２３】
前記補助ガスは、前記酸化剤ガス若しくは前記燃料ガスである
ことを特徴とする請求項１４〜請求項２２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極、空気極、及び固体電解質体を有する燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池が知られている。この固体酸化物形燃料電池は、例えば板形状の固体電解質体の両面に空気極と燃料極とを設けた燃料電池セルを多数積層して燃料電池スタックを形成し、空気極に空気を供給するとともに燃料極に燃料ガスを供給し、空気中の酸素と燃料ガスとを固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させる。また固体酸化物形燃料電池は、各燃料電池セル間の電気的導通を得るために、燃料極および空気極と接触する集電体を備える。【０００３】
ところで、固体酸化物形燃料電池が運転動作時などで受ける熱サイクルによって燃料電池セルが反り変形し、即ち、燃料極と固体電解質の熱膨張率の整合性が乏しいために、運転動作時に燃料電池セルの燃料極に反り変形が発生する。結果的に、燃料電池セルと集電体との電気的接触の信頼性が損なわれるという問題がある。この問題を解決するために、燃料電池スタックを押圧する球面部を備えたエンドプレートを燃料電池スタックの積層方向両側に配置するとともに、燃料電池セルと燃料電池セルとの間に金属製の板バネを配置した燃料電池が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような燃料電池では、上記の球面部により、エンドプレートから燃料電池スタックに付与される面圧を均一化するとともに、板バネの弾性変形により燃料電池セルの寸法変化を吸収することにより、燃料電池セルと集電体との電気的接触の信頼性を確保している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０１４８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の燃料電池では、燃料電池の熱サイクルが繰り返されることにより板バネの弾性が変化し、燃料電池セルの変形に追従して板バネが弾性変形することができなくなる。このため、燃料電池の熱サイクルが繰り返されるほど、燃料電池セルと集電体との間で電気的導通不良が発生しやすくなるという問題があった。【０００６】
また上記特許文献１の燃料電池において、エンドプレートの球面部は、燃料電池スタックを押圧しているときに、変形しない材料で構成されている。つまりエンドプレートは、燃料電池スタックを押圧する力を、燃料電池セルの変形に追従して変化させることができない。言い換えると、特許文献１では、エンドプレートは、燃料電池スタックを押圧する力を、所定の値に維持することを目的としており、その力を、燃料電池セルの変形に追従して、積極的に変化させることはできない。【０００７】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の熱サイクルの繰り返しに起因した燃料電池セルの変形による電気的導通不良の発生を抑制し、電気的接触の信頼性を向上させることができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するためになされた本発明は、板形状の第１固体電解質体と、第１固体電解質体の一面に設けられて燃料ガスに接する燃料極と、第１固体電解質体の他面に設けられて酸化剤ガスに接する空気極とを有する燃料電池セルを備える固体酸化物形燃料電池であって、燃料電池セルにおいて第１固体電解質体と燃料極と空気極とが積層される第１積層方向に沿った、燃料電池セルの両側のうち、少なくとも一方側に位置し、熱膨張率差を含む物理量に基づき、燃料電池セルの変形に追従して変形するセル追従変形部を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池である。
【０００９】
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、燃料電池の熱サイクルが繰り返されることにより、燃料電池セル内における第１固体電解質体と燃料極とが積層された積層体（以下、セル内積層体ともいう）に反りが生じた場合、熱膨張率差を含む物理量に応じて、セル追従変形部が燃料電池セルの反りに追従して反る。
【００１０】
そして、セル内積層体が反ることにより、セル内積層体の燃料極および空気極と、この燃料極および空気極に接して設けられている集電体との接触面積が小さくなる。
一方、セル追従変形部が反ることにより、セル追従変形部が燃料電池セルを押圧する。この押圧により、燃料電池セル内のセル内積層体または集電体を、燃料極および空気極と集電体との接触面積が大きくなるように変形させることが可能になる。したがって、セル内積層体の反りによる、燃料極および空気極と集電体との電気的導通不良の発生を抑制し、電気的接触の信頼性を向上させることができる。【００１１】
また、セル追従変形部は、燃料電池の熱サイクルが繰り返された場合に、板バネ（例えば、特許文献１）よりも、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セルを押圧することができる。すなわちセル追従変形部は、板バネよりも、燃料極および空気極と集電体との接触面積が大きくなるように、セル内積層体または集電体を変形させることができる。これにより、板バネを用いて燃料電池セルを押圧する場合よりも、燃料電池の熱サイクルの繰り返しに起因した、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良の発生を抑制し、燃料電池の電気的接触の信頼性を向上させることができる。【００１２】
具体的には、セル追従変形部が、板形状の第２固体電解質体と、第２固体電解質体の一面に設けられて第２固体電解質体と熱膨張率が異なる板形状の部材である異熱膨張部材とが積層されるとともに、発電に利用されないように構成された非発電積層体と、一面で燃料電池セルに接するとともに他面で非発電積層体に接する板形状の導電性部材とを備える。
【００１３】
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、燃料電池の熱サイクルが繰り返されることにより、燃料電池セル内における第１固体電解質体と燃料極とが積層された積層体（セル内積層体）に反りが生じた場合、セル追従変形部を構成する非発電積層体がセル内積層体の反りに追従して反る。セル内積層体が反るのは、第１固体電解質体と燃料極とは熱膨張率が異なり、積層された第１固体電解質体と燃料極との熱膨張差により応力が発生するためである。同様に、非発電積層体が反るのは、第２固体電解質体と異熱膨張部材とは熱膨張率が異なり、積層された第２固体電解質体と異熱膨張部材との熱膨張差により応力が発生するためである。【００１４】
そして、セル内積層体が反ることにより、セル内積層体の燃料極および空気極と、この燃料極および空気極に接して設けられている集電体との接触面積が小さくなる。
一方、非発電積層体が反ることにより、非発電積層体が燃料電池セルを押圧する。この押圧により、燃料電池セル内のセル内積層体または集電体を、燃料極および空気極と集電体との接触面積が大きくなるように変形させることが可能になる。したがって、セル内積層体の反りによる、燃料極および空気極と集電体との電気的導通不良の発生を抑制することができる。【００１５】
さらに、非発電積層体を構成する第２固体電解質体の材料は、燃料電池セル内のセル内積層体を構成する第１固体電解質体と同様に、固体電解質体である。ここで、燃料電池の熱サイクルが繰り返されることによる変形の度合いの変化を、第１固体電解質体（セル内積層体）、第２固体電解質体（非発電積層体）、及び板バネ（例えば、特許文献１）について比較すると、第２固体電解質体（非発電積層体）の変形の度合いの変化は、板バネの変形の度合いの変化よりも、第１固体電解質体（セル内積層体）の変形の度合いの変化に類似する。これは、第１固体電解質体（セル内積層体）が、第２固体電解質体（非発電積層体）と同じ種類の材料、すなわち、固体電解質体で構成されているのに対し、板バネが、第１固体電解質体（セル内積層体）と異なる材料で構成されているからである。【００１６】
このため、非発電積層体は、燃料電池の熱サイクルが繰り返された場合に、板バネよりも、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セルを押圧することができる。すなわち非発電積層体は、板バネよりも、燃料極および空気極と集電体との接触面積が大きくなるように、セル内積層体または集電体を変形させることができる。これにより、板バネを用いて燃料電池セルを押圧する場合よりも、燃料電池の熱サイクルの繰り返しに起因した、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良の発生を抑制し、燃料電池の電気的接触の信頼性を向上させることができる。【００１７】
なお、本発明の固体酸化物形燃料電池は、一面で燃料電池セルに接するとともに他面で非発電積層体に接する板形状の導電性部材を備えているため、燃料電池セルで発生した電力を導電性部材を介して取り出すことができる。また、板形状の導電性部材は燃料電池セルの集電体（例えば、集電板、インターコネクタ等）と兼ねることも可能である。【００１８】
さらに、本発明の固体酸化物形燃料電池では、上述のように、非発電積層体が、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セルを押圧する。つまり、本発明の固体酸化物形燃料電池は、非発電積層体（セル追従変形部）のみを用いて、上記特許文献１の燃料電池のエンドプレートと板バネとにより実現される機能を実現することができる。このため、本発明の固体酸化物形燃料電池は、上記の電気的導通不良の発生を抑制するための構成を、上記特許文献１の燃料電池と比較して簡略化することができる。【００１９】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備えている場合には、非発電積層体（セル追従変形部）は、燃料電池スタックの燃料電池セルが積層される第２積層方向に沿った、燃料電池スタックの両側のうち、少なくとも一方側に配置されるようにするとよい。【００２０】
そして、本発明の固体酸化物形燃料電池において、セル追従変形部を構成する非発電積層体が燃料電池スタックの両側に配置されている場合には、非発電積層体を構成する第２固体電解質体と異熱膨張部材とが積層される第３積層方向に沿って、異熱膨張部材から第２固体電解質体へ向かう向きを積層体積層向きとして、燃料電池スタックの両側のうち、一方側に配置された非発電積層体の積層体積層向きと、他方側に配置された非発電積層体の積層体積層向きとは、同じ向きであるようにしてもよいし、逆向きであるようにしてもよい。【００２１】
なお、積層体積層向きが両者で同じ向きであるようにするとよいのは、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックにおいて、上記第２積層方向に沿った燃料電池スタックの中央部の燃料電池セルが、上記第２積層方向に沿った燃料電池スタックの両端部の燃料電池セルよりも、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良が発生しにくいという現象に基づく。【００２２】
そして、上記中央部の燃料電池セルと上記両端部の燃料電池セルとの違いは、上記中央部の燃料電池セルは、当該燃料電池セルの両面に、積層体積層向きが同じ燃料電池セルが配置されているのに対し、上記両端部の燃料電池セルは、当該燃料電池セルの片面のみに、積層体積層向きが同じ燃料電池セルが配置されている点である。すなわち、中央部の燃料電池セルにとって、その真上に配置する燃料電池セルは、中央部の燃料電池セルと同じ反り変形をしつつ、重石のように中央部の燃料電池セルを押圧すると考えられる。【００２３】
このため、上記両端部の燃料電池セルについては、燃料電池セルが配置されている面と反対側の面に、上記積層体積層向きが同じ非発電積層体を配置することにより、上記両端部の燃料電池セルを、上記中央部の燃料電池セルの状態に類似した状態にすることができる。これにより、上記両端部の燃料電池セルにおいて、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良の発生を抑制することができると考えられる。【００２４】
なお、非発電積層体は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルと同じ構成、即ち、燃料極、第１固体電解質体、空気極を有してもよいが、発電反応には寄与させず、セル追従変形部として機能する。また、燃料電池スタックの両端部、或いは中央部に配置してもよい。【００２５】
また、積層体積層向きが両者で逆向きであるようにするとよいのは、燃料電池スタックの両側のうち、一方側に配置された非発電積層体と、他方側に配置された非発電積層体とが共に、その反り変形により燃料電池スタックを押圧することができるからである。【００２６】
例えば、異熱膨張部材が配置された側が凸部となるように非発電積層体が反る場合には、異熱膨張部材が配置された側を燃料電池スタックに対向させることにより、その反りにより燃料電池スタックを押圧することができる。この場合、一方側に配置された非発電積層体と、他方側に配置された非発電積層体とで、上記積層体積層向きは逆向きである。一方、第２固体電解質体が配置された側が凸部となるように非発電積層体が反る場合には、第２固体電解質体が配置された側を燃料電池スタックに対向させることにより、その反りにより燃料電池スタックを押圧することができる。この場合、一方側に配置された非発電積層体と、他方側に配置された非発電積層体とで、上記積層体積層向きは逆向きである。【００２７】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、非発電積層体を構成する第２固体電解質体と異熱膨張部材とが積層される第３積層方向に沿った、非発電積層体の両側のうち、少なくとも一方側に絶縁性部材を設けることもできる。【００２８】
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、絶縁性部材が設けられたことにより、燃料電池スタックの両側に配置されたセル追従変形部内の非発電積層体における電子伝導性が低下するため、電流パスは燃料電池スタック周囲、即ち、板形状の導電性部材とともに非発電積層体を同一平面で取り囲む導電性部材を迂回することになり、非発電積層体に、適宜に電気抵抗を持たせることができる。これにより、燃料電池スタックの両側に配置されたセル追従変形部に隣接する燃料電池セルにおいては、両端部にセル追従変形部が設置されていない燃料電池スタックの両端部に位置する燃料電池セルよりも、発電時の電流によるジュール熱をより多く発生させることになる。その結果、燃料電池スタック両端部の温度が、燃料電池スタック内部（特に中心部）よりも低くなる傾向を回避して、燃料電池スタック全体の温度の均一化に寄与できることになる。これは、非発電積層体を構成する第２固体電解質体に、ＧＤＣ（ガドリニウム添加セリア）のようなイオン伝導性と電子伝導性を兼ね備えた材料を選択した場合に、特に有効である。【００２９】
一方、本発明の固体酸化物形燃料電池において、非発電積層体が、燃料電池スタックの燃料電池セルが積層される第２積層方向に沿った、燃料電池スタックの内部に配置される場合には、非発電積層体は、異熱膨張部材が第２固体電解質体と接する、異熱膨張部材の面上において、第２固体電解質体が形成されていない領域を有するようにすることもできる。【００３０】
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、非発電積層体の反り変形により、第２固体電解質体が形成されていない領域における異熱膨張部材と、上記板形状の導電性部材とが接触して、非発電積層体内を通して、燃料電池スタックに電流が流れる。このように、電流パスを短くすることで、燃料電池スタックの内部（特に中心部）でのジュール熱の発生が抑制され、燃料電池スタック全体の温度の均一性を向上させることができる。これは、非発電積層体を構成する第２固体電解質体に、ジルコニアのようなイオン伝導性を備えた絶縁材料を選択した場合に、特に有効である。【００３１】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、第２固体電解質体は、第１固体電解質体と同じ材料で構成されるようにするのが好ましい。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、燃料電池の熱サイクルが繰り返された際に、セル追従変形部を構成する非発電積層体は、第２固体電解質体が第１固体電解質体以外の材料で構成されている場合よりも、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セルを押圧することができる。これにより、燃料電池の熱サイクルの繰り返しに起因したセル内積層体の変形による、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良の発生をさらに抑制し、燃料電池の電気的接触の信頼性をさらに向上させることができる。【００３２】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、非発電積層体は、第１固体電解質体と燃料極とが積層された積層体（セル内積層体）と同じ形状であるようにするのが好ましい。【００３３】
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、燃料電池の熱サイクルが繰り返された際に、非発電積層体は、セル内積層体と異なる形状である場合よりも、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セルを押圧することができる。これにより、燃料電池の熱サイクルの繰り返しに起因したセル内積層体の変形による、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良の発生をさらに抑制し、燃料電池の電気的接触の信頼性をさらに向上させることができる。【００３４】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、異熱膨張部材は、燃料極と同じ材料で構成されるようにするのが好ましい。
このような固体酸化物形燃料電池では、燃料電池の熱サイクルが繰り返された際に、非発電積層体は、異熱膨張部材が燃料極の材料とは異なる材料で構成されている場合よりも、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セルを押圧することができる。これにより、燃料電池の熱サイクルの繰り返しに起因したセル内積層体の変形による、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良の発生をさらに抑制し、燃料電池の電気的接触の信頼性をさらに向上させることができる。【００３５】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、異熱膨張部材は、単一組成の材料で構成されていてもよいし、混合組成の材料で構成されていてもよい。ここで、混合組成の材料とは、組成の異なる材料を複数組み合わせ混合して構成された材料を意味する。異熱膨張部材が混合組成の材料で構成されている場合には、混合組成の比率を変えることにより、すなわち、組成の異なる材料の組み合わせや、組成の異なる材料の混合割合を変えることにより、異熱膨張部材（非発電積層体）の反りの大きさ（変形の度合い）を調整することもできる。なお、変形の度合いとは、反りの絶対量或いはセルの反りに対する比率（割合）をいう。【００３６】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、異熱膨張部材は、薄膜（グリーンシート）を複数積層して形成されるようにしてもよい。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、薄膜を形成するグリーンシートの積層枚数により、異熱膨張部材の厚さを変えることができる。そして、異熱膨張部材の厚さにより、異熱膨張部材を含む非発電積層体の強度と反りの大きさを変えることができる。つまり、薄膜の積層枚数を変えるという簡便な方法で、非発電積層体の強度と反りの大きさを調整することができる。さらに、異熱膨張部材が組成の異なる材料を複数組み合わせ混合して構成された混合組成の材料で、かつ薄膜を複数積層して形成されることを組み合わせて、薄膜の各層を組成の異なる材料で構成することもできる。【００３７】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、異熱膨張部材は、燃料極よりも熱膨張時の反りが大きくなるようにしてもよい。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、異熱膨張部材を有する非発電積層体が、燃料極を有する燃料電池セル（セル内積層体）よりも大きく反り変形する。これにより、非発電積層体が燃料電池セルを押圧する力が増加するため、非発電積層体は、燃料極および空気極と集電体との接触面積がより大きくなるように、セル内積層体または集電体を変形させることができる。
【００４１】
さらなる別の具体的な構成として、本発明は、板形状の第１固体電解質体と、第１固体電解質体の一面に設けられて燃料ガスに接する燃料極と、第１固体電解質体の他面に設けられて酸化剤ガスに接する空気極とを有する燃料電池セルを備える固体酸化物形燃料電池であって、燃料電池セルにおいて第１固体電解質体と燃料極と空気極とが積層される第１積層方向に沿った、燃料電池セルの両側のうち、少なくとも一方側に位置し、圧力差を含む物理量に基づき、燃料電池セルの変形に追従して変形するセル追従変形部を備え、セル追従変形部は、金属製の板状部材である第１金属板と、第１金属板に対向して配置された金属製の板状部材である第２金属板と、第１金属板と第２金属板の間において、補助ガスが導入できるように構成されたガス室と、ガス室の内部において、第１金属板と、第２金属板との間に配置され、第１金属板と第２金属板とが接触することを阻止する阻止部材とを備えた構成であってもよい。
【００４２】
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、セル追従変形部は、第１金属板と第２金属板の間において、補助ガスが導入可能に構成されたガス室が形成される。また、セル追従変形部が、燃料電池セルと隣接した状態で配置されている。このため、セル追従変形部のガス室内に導入されるガスの圧力が、セル追従変形部に隣接する燃料電池セル内に導入されるガスの圧力以上である場合には、ガス室と燃料電池セルとの間に配置されている第１金属板または第２金属板が、燃料電池セルと第１金属板または第２金属板との間の隙間を埋めるように、つまり、燃料電池セルの反り変形に追従して、第１金属板または第２金属板が変形し、燃料電池セルを押圧する。よって、セル追従変形部を構成する金属板の変形は、金属板自らの弾性変形ではなく、ガス室と燃料電池セルの圧力差による外力によって変形するため、熱サイクルの繰り返しによる弾性特性の変化やへたり等の影響を受けない。そのため、金属の弾性変形を利用した板バネ（例えば、特許文献１）で燃料電池セルを押圧する場合よりも、燃料電池の熱サイクルの繰り返しに起因した、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良の発生を抑制し、燃料電池の電気的接触の信頼性を向上させることができる。【００４３】
一方、セル追従変形部のガス室内に導入されるガスの圧力が、セル追従変形部に隣接する燃料電池セル内に導入されるガスの圧力以下である場合、燃料電池セルを押圧する方向へのセル追従変形部の変形はない。そのような場合においても、セル追従変形部に隣接する燃料電池セルが、セル追従変形部を押圧する方向に変形する場合には、ガス室と燃料電池セルとの間に配置されている第１金属板または第２金属板が、ガス室側に変形することで、燃料電池セルの変形を吸収するように、燃料電池セルの変形に追従して、燃料電池セルと第１金属板または第２金属板との間の隙間を埋めるため、燃料極および空気極と集電体との間での電気的導通不良の発生を抑制し、燃料電池の電気的接触の信頼性を向上させることができる。【００４４】
また、第１金属板と第２金属板との間に阻止部材を設けることによって、第１金属板と第２金属板との接触が回避される。これにより、第１金属板と第２金属板が接触して、高温状態において焼き付くという問題が解消されて、ガス室内の空洞が潰れるという状況の発生を回避することで、セル追従変形部の追従変形性を有効に維持することができる。これは、特に、固体酸化物形燃料電池のような高温環境下で使用される燃料電池に有効である。なお、ここでの「追従変形性」とは、燃料電池セルの変形に追従して、セル追従変形部も変形することで、燃料電池セルの変形を吸収し、燃料電池セルと集電体との電気的接触の信頼性を向上させることを意味する。【００４５】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備えている場合には、セル追従変形部は、燃料電池スタックの燃料電池セルが積層される第２積層方向に沿った、燃料電池スタックの両側のうち、少なくとも一方側に配置されるようにしてもよい。【００４６】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、阻止部材は、絶縁材料で構成されているようにしてもよい。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、阻止部材と、第１金属板または第２金属板とが接触した状態で焼き付き、ガス室内の空洞が潰れて、第１金属板または第２金属板において、燃料電池セルの変形に追従した変形ができなくなるという状況を回避することができる。【００４７】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、阻止部材は、発泡金属で構成されているようにしてもよい。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、例えば、阻止部材が板形状の金属で構成されている場合よりも、発泡金属で構成されている場合の方が、阻止部材は柔軟に変形できるため、燃料電池セルの変形に対して、より確実に追従変形することができる。【００４８】
ところで、阻止部材を発泡金属で構成した場合、発泡金属が第１、若しくは第２金属板に焼き付くことを軽減するために、発泡金属は、第１金属板および第２金属板との接触面において、絶縁材料が設けられているようにしてもよい。【００４９】
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、発泡金属と第１および第２金属板との焼き付きを軽減できるため、より有効にセル追従変形部の追従変形性を維持することができる。【００５０】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、第１金属板と阻止部材との間、および第２金属板と阻止部材との間の少なくとも一方において、付勢部材が設けられるようにしてもよい。【００５１】
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、例えば、第１金属板あるいは第２金属板と、阻止部材との間に、コイルバネのような付勢部材を配置することにより、ガス室と燃料電池セルの圧力差による外力によって変形するセル追従変形部を構成する金属板の追従変形性を補って、燃料電池セルと集電体との電気的接触の信頼性をより向上させることができる。【００５２】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、阻止部材は、付勢部材で構成されるようにしてもよい。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、付勢部材で構成された阻止部材が、第１金属板と第２金属板との接触を回避しつつ、ガス室と燃料電池セルの圧力差による外力によって変形するセル追従変形部の追従変形性を補うように機能して、燃料電池セルと集電体との電気的接触の信頼性をより向上させることができる。【００５３】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、当該固体酸化物形燃料電池が、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、セル追従変形部が、燃料電池スタックの燃料電池セルが積層される第２積層方向に沿った、燃料電池スタックの内部に配置されている場合には、さらに、セル追従変形部は、ガス室を補助ガスが流通可能に構成されているようにしてもよい。【００５４】
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、燃料電池スタックの内部において、ガス室を補助ガスが流通できず、ガス室内に補助ガスが滞留している場合と比較して、ガス室内の熱移動が促進されるため、燃料電池スタックの内部の温度が過剰に上昇するのを抑制することができる。【００５５】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、当該固体酸化物形燃料電池が、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備え、セル追従変形部が、燃料電池スタックの燃料電池セルが積層される第２積層方向に沿った、燃料電池スタックの両側のうち、少なくとも一方側に配置されている場合には、セル追従変形部は、ガス室を補助ガスが流通不可能に構成されているようにしてもよい。【００５６】
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、ガス室内に導入された補助ガスが、ガス室内で滞留することにより、ガス室内で断熱効果を発揮することができるため、両側の温度が内部（特に中心部）よりも低くなる傾向にある燃料電池スタック全体の温度の均一化に寄与することができる。【００５７】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池において、補助ガスは、酸化剤ガス若しくは燃料ガスであるようにしてもよい。
このように構成された固体酸化物形燃料電池では、燃料電池スタックの発電反応に利用するためのガスを補助ガスとして流用することができるので、補助ガスのために別系統のガスを用意する必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第１実施形態の燃料電池１の斜視図である。
【図２】第１実施形態の図１の燃料電池スタック３のII−II断面部を模式的に示す図である。
【図３】第１実施形態の図１の燃料電池スタック３のIII−III断面部を模式的に示す図である。
【図４】第１実施形態の燃料電池１を分解した状態を示す斜視図である。
【図５】第１実施形態の図１のＶ−Ｖ断面部を模式的に示す図である。
【図６Ａ−６Ｃ】第１実施形態の外縁保持部材４，５を分解した状態を示す平面図である。
【図７】第１実施形態の燃料電池セル２と外縁保持部材４，５の変形を説明するための断面図である。
【図８】第２実施形態の燃料電池１の断面図である。
【図９】第３実施形態の燃料電池１の断面図である。
【図１０】第４実施形態の燃料電池１の断面部を模式的に示す図である。
【図１１】第５実施形態の外縁保持部材５の断面図である。
【図１２】第５実施形態の異熱膨張部材７２と金属製フレーム８３との接触を説明するための図である。
【図１３】第６実施形態のガスバネ２０４，２０５の断面図である。
【図１４Ａ−１４Ｂ】第６実施形態のガスバネ２０４，２０５を分解した状態を示す平面図である。
【図１５】第６実施形態の燃料電池セル２とガスバネ２０４，２０５の配置を模式的に示す断面図である。
【図１６】第７実施形態のガスバネ３０１の断面図である。
【図１７】第７実施形態の燃料電池セル２とガスバネ３０１の配置を模式的に示す断面図である。
【図１８】第９実施形態のガスバネ４０１の断面図である。
【図１９】積層体７０の作製方法を説明するための燃料電池１の断面図である。
【図２０】燃料電池セル２と外縁保持部材４とガスバネ２０５の配置を模式的に示す断面図である。
【図２１】第６実施形態のガスバネ５０４、５０５の変形形態の断面図である。
【図２２Ａ−２２Ｂ】第６実施形態のガスバネ５０４、５０５の変形形態を分解した状態を示す平面図である。
【図２３】空気供給孔３２７と空気排気孔３２８を示すガスバネの断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…固体酸化物形燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料電池スタック、４，５…外縁保持部材、１１〜１４…ボルト、３０…セル本体、３１…燃料極、３２…固体電解質体、３３…空気極、４１…インターコネクタ、４５…セパレータ、４８，４９…集電体、７０…積層体、７１…固体電解質体、７２…異熱膨張部材、７３…収容部、７５…絶縁層、７６…中空領域、８１…下側フレーム、８２…中央フレーム、８３…上側フレーム、２０４，２０５，３０１，４０１，５０４，５０５…ガスバネ、２１１，３１１，５１１…上側フレーム、２１２，３１２，５１２…中央フレーム、２１３，３１３，５１３…下側フレーム、２３１，３３１，５３１…柱状部材、２３２，３３２…開口部、２３３…連結部、２３４，３３４，５３４…アルミナ層、２４０，３４０，５４０…ガス室、４０５…コイルバネ、５３１１…凸部
【発明を実施するための形態】
【００６０】
（第１実施形態）
以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池１の斜視図、図２は図１の燃料電池スタック３のII−II断面部を模式的に示す図、図３は図１の燃料電池スタック３のIII−III断面部を模式的に示す図、図４は固体酸化物形燃料電池１を分解した状態を示す斜視図、図５は図１のＶ−Ｖ断面部を模式的に示す図、図６Ａ−６Ｃは外縁保持部材（非発電積層体と板形状の導電性部材とからなるセル変形追従部）４，５を分解した状態を示す平面図である。
【００６１】
固体酸化物形燃料電池（以下、単に燃料電池という）１は、図１に示すように、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置である。
【００６２】
この燃料電池１は、固体酸化物形燃料電池セル（以下、単に燃料電池セルという）２が複数個（例えば２０個）積層された燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３の積層方向の両側に配置されて集電板（エンドプレート）を兼ねる一対の外縁保持部材４，５と、燃料電池スタック３及び外縁保持部材４，５を積層方向に貫く４本の金属製のボルト１１〜１４などを備えている。なおボルト１１〜１４は、固体酸化物形燃料電池１の四隅に形成されたボルト固定孔７〜１０に貫挿されている。
【００６３】
また燃料電池１には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路１５と、燃料ガスを排出するための燃料ガス排気路１６とが設けられるとともに、空気を供給するための空気供給路１７と、空気を排出するための空気排気路１８とが設けられている。
【００６４】
そして、ボルト１１〜１４にそれぞれナット２１〜２４が螺合して締め付けられることにより、外縁保持部材４，５は同図の上下方向（積層方向）の内側に締め付けられている。したがって、この外縁保持部材４，５により、燃料電池スタック３が内側に押圧されて、燃料電池１が一体に固定されている。
【００６５】
燃料電池セル２は、いわゆる燃料極支持膜タイプのセルであり、図２及び図３に示すように、燃料ガス流路１０１側には、燃料極３１が配置されるとともに、燃料極３１の同図上側の表面には薄膜の固体電解質体３２が形成され、その固体電解質体３２の空気流路１０２側の表面には、空気極３３が形成されている。なお、一体に形成された燃料極３１と固体電解質体３２と空気極３３とをセル本体３０と称する。また、固体電解質体３２と燃料極３１と空気極３３とが積層される方向を積層方向ＳＹ０と称する（図２を参照）。
【００６６】
さらに燃料電池セル２は、金属製の空気極パッキン４２と、金属製の空気極フレーム４３と、セラミックス製の絶縁フレーム４４と、セル本体３０を接合してその中央に配置するとともにガス流路を遮断する金属製のセパレータ４５と、金属製の燃料極フレーム４６と、金属製の燃料極パッキン４７とを備えている。
【００６７】
また各燃料電池セル２の間には、燃料電池セル２間の電気的導通を確保するとともにガス流路を遮断する金属プレートであるインターコネクタ４１が配置される。インターコネクタ４１は、例えばフェライト系ステンレスの薄板（例えば０．２ｍｍ厚）からなる。
【００６８】
また、空気極３３とその上方のインターコネクタ４１との間、および燃料極３１とその下方のインターコネクタ４１との間には、その電気的導通を確保するために、集電体４８、４９が配置されている。
【００６９】
したがって、燃料電池１は、図４に示すように、上下一対の外縁保持部材４，５間に、複数の燃料電池セル２が、それぞれ上下一対の金属製のインターコネクタ４１の間に挟まれた状態で配置されたものである。なお、隣り合う燃料電池セル２の間のインターコネクタ４１は共有されるので、上下両端の燃料電池セル２以外は、燃料電池セル２間には、１枚のインターコネクタ４１が配置される。
【００７０】
なお固体電解質体３２は、電池の作動時に燃料極３１に導入される燃料ガス、または空気極３３に導入される酸化剤ガスのうち、いずれか一方の一部を、イオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また燃料極３１は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。また空気極３３は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。
【００７１】
そして固体電解質体３２の材料としては、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリア添加セリア）、ＧＤＣ（ガドリニウム添加セリア）、ペロブスカイト型酸化物など公知のものを使用できる。なお本実施形態では、固体電解質体３２の材料はＹＳＺである。
【００７２】
また燃料極３１の材料としては、各種貴金属、Ｎｉ等の卑金属、これらの金属とセラミックとのサーメットを使用できる。なお本実施形態では、燃料極３１の材料は、Ｎｉ−ＹＳＺである。
【００７３】
また空気極３３の材料としては、ペロブスカイト型酸化物、各種貴金属、貴金属とセラミックとのサーメットを使用できる。なお本実施形態では、空気極３３の材料は、Ｌａ（Ｓｒ）Ｆｅ（Ｃｏ）Ｏ３である。
【００７４】
さらにインターコネクタ４１は、例えばフェライト系ステンレスの薄板（例えば０．２ｍｍ厚）からなり、その四隅の角部には、ボルト１１〜１４が貫挿される貫通孔６１が形成されている。また、インターコネクタ４１の各辺の近傍には、燃料ガス供給路１５、燃料ガス排気路１６、空気供給路１７、空気排気路１８の一部をそれぞれ構成する長孔形状の各貫通孔６２が設けられている。
【００７５】
このように構成された燃料電池スタック３では、図４に示すように、上面側の外縁保持部材４の燃料ガス供給路１５から供給された燃料ガスが、図２に示すように、各燃料電池セル２の側方にあけられた燃料導入側セル連通部１０３を介して、燃料電池セル２内の燃料ガス流路１０１側に導入される。そして、燃料電池セル２内の燃料ガス流路１０１の燃料ガスは、燃料排出側セル連通部１０４から、外縁保持部材４の燃料ガス排気路１６を介して燃料電池スタック３外に排出される。
【００７６】
また図４に示すように、外縁保持部材４の空気供給路１７から供給された空気が、図３に示すように、各燃料電池セル２の側方にあけられた空気導入側セル連通部１０５を介して、燃料電池セル２内の空気流路１０２側に導入される。そして、燃料電池セル２内の空気流路１０２の空気は、空気排出側セル連通部１０６から、外縁保持部材４の空気排気路１８を介して燃料電池スタック３外に排出される。
【００７７】
また外縁保持部材４，５はそれぞれ、図５に示すように、燃料電池セル２の積層方向ＳＹ１の一端側、他端側に配置されている。そして外縁保持部材４，５は、板形状の固体電解質体７１（本発明の第２固体電解質体を構成するものである）と、固体電解質体７１と熱膨張率が異なる板形状部材７２（以下、異熱膨張部材７２という）と、固体電解質体７１及び異熱膨張部材７２を内部に収容する収容部７３とを備えている。
【００７８】
これらのうち固体電解質体７１は、本実施形態では、固体電解質体３２と同じ材料で構成されている。すなわち固体電解質体７１は、ＹＳＺを材料として構成されている。
また異熱膨張部材７２は、その一面が固体電解質体７１の一面に接した状態で配置されている。
【００７９】
そして異熱膨張部材７２は、本実施形態では、燃料極３１と同じ材料で構成されている。すなわち異熱膨張部材７２は、Ｎｉ−ＹＳＺを材料として構成されている。なおＮｉ−ＹＳＺは、Ｎｉ含有量により熱膨張率が変化する。例えば、Ｎｉ含有量が０〜８０〔ｖｏｌ％〕である場合には、熱膨張率は１０〜１４×１０-6〔／℃〕になる。なお本実施形態では、ＹＳＺの熱膨張率は１０×１０-6〔／℃〕、Ｎｉ−ＹＳＺの熱膨張率は１２×１０-6〔／℃〕である。
【００８０】
そして、固体電解質体７１と異熱膨張部材７２とが積層された積層体７０（本発明の非発電積層体を構成するものである）は、固体電解質体３２と燃料極３１とが積層された積層体（以下、セル内積層体ともいう）と同じ形状に形成されている。
【００８１】
また収容部７３は、図５，６に示すように、３つの金属製フレーム８１，８２，８３（下側フレーム８１、中央フレーム８２、上側フレーム８３）を積層して構成されている。本実施形態では、下側フレーム８１、中央フレーム８２、上側フレーム８３の厚さはそれぞれ、４ｍｍ、１ｍｍ、０．２ｍｍである。
【００８２】
図６Ａ−６Ｃに示すように、下側フレーム８１は、その表面９１の中央部に固体電解質体７１と異熱膨張部材７２とが積層された積層体７０が配置される板形状の導電性部材で、エンドプレートの機能を有するものである。また中央フレーム８２は、下側フレーム８１上に配置されて、積層体７０を収容可能な開口部９２が形成された枠形状の導電性部材である。また上側フレーム８３は、中央フレーム８２上に配置されて、中央フレーム８２の開口部９２を塞ぐことができる面積を有する板形状の導電性部材である。
【００８３】
なお中央フレーム８２は、図５に示すように、その高さＨ１が積層体７０の高さＨ２と略等しくなるように形成されている。これにより、収容部７３に収容されている積層体７０は、上側フレーム８３に接する。
【００８４】
また上側フレーム８３は、積層体７０が変形することにより積層体７０が上側フレーム８３を押圧すると、この押圧により変形するように構成されている。
そして外縁保持部材４，５は、上側フレーム８３が燃料電池スタック３に接するように配置される。また本実施形態の外縁保持部材４，５では、固体電解質体７１が上側フレーム８３に接するように積層体７０が配置される。すなわち、積層体７０を構成する固体電解質体７１と異熱膨張部材７２とが積層される積層方向ＳＹ２に沿って、異熱膨張部材７２から固体電解質体７１へ向かう向きを積層体積層向きＳＹ３とすると、外縁保持部材４の積層体積層向きＳＹ３と、外縁保持部材５の積層体積層向きＳＹ３とは、逆向きである。
【００８５】
また、収容部７３を構成する金属製フレーム８１，８２，８３は、集電体として機能する。すなわち金属製フレーム８１，８２，８３は、導電性および耐熱性を有する材料で構成される。なお本実施形態では、金属製フレーム８１，８２，８３の材料は、インターコネクタ４１の材料と同じで、金属製フレーム８１と８３は、インターコネクタ４１と兼ねることも可能である。
【００８６】
次に、積層体７０の作製方法を説明する。
まず、固体電解質体７１を形成するためのＹＳＺグリーンシートと、異熱膨張部材７２を形成するためのＮｉＯ−ＹＳＺグリーンシートを作製する。
【００８７】
なお、ＹＳＺグリーンシートは、以下の手順で作製される。まず、ＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエン＋エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。次に、得られたスラリーをドクターブレード法でキャスティングすることにより、所望の厚さ（本実施形態では１０μｍ）のＹＳＺグリーンシートが作製される。
【００８８】
また、ＮｉＯ−ＹＳＺグリーンシートは、以下の手順で作製される。まず、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末とを所定の混合比で混合した混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエン＋エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。次に、得られたスラリーをドクターブレード法でキャスティングすることにより、所望の厚さ（本実施形態では２５０μｍ）のＹＳＺグリーンシートが作製される。
【００８９】
そして、作製されたＹＳＺグリーンシートとＮｉＯ−ＹＳＺグリーンシートをそれぞれ所望の枚数積み重ねることにより（本実施形態では、ＹＳＺグリーンシートが１枚、ＮｉＯ−ＹＳＺグリーンシートが５枚）、積層成形体が作製される。
【００９０】
その後、作製された積層成形体を所定温度（本実施形態では２５０℃）で脱脂した後に、所定温度（本実施形態では１３５０℃）で焼成することにより、ＹＳＺとＮｉＯ−ＹＳＺの積層体が作製される。
【００９１】
さらに、ＹＳＺとＮｉＯ−ＹＳＺの積層体を還元処理して、ＮｉＯ−ＹＳＺをＮｉ−ＹＳＺにすることにより、積層体７０が作製される。その後、この積層体７０を真空接合により外縁保持部材４，５内に封止する。
【００９２】
なお、積層体７０の強度と反りの大きさは、積層体７０の厚みを変化させることにより調整可能である。また、積層体７０の反りの大きさは、異熱膨張部材７２のＮｉ含有量を変化させることにより調整可能である。
【００９３】
このように構成された燃料電池１では、図７に示すように、燃料電池１の熱サイクルが繰り返されることにより、燃料電池セル２内における固体電解質体３２と燃料極３１とが積層された積層体（セル内積層体）と、積層体７０（非発電積層体）が反る。セル内積層体が反るのは、固体電解質体３２と燃料極３１とは熱膨張率が異なり、積層された固体電解質体３２と燃料極３１との熱膨張差により応力が発生するためである。同様に、積層体７０が反るのは、固体電解質体７１と異熱膨張部材７２とは熱膨張率が異なり、積層された固体電解質体７１と異熱膨張部材７２との熱膨張差により応力が発生するためである。
【００９４】
そして、セル内積層体が反ることにより、セル内積層体の燃料極３１と、この燃料極３１に接して設けられている集電体４９との接触面積、及び、セル内積層体に積層された空気極３３と、この空気極３３に接して設けられている集電体４８との接触面積が小さくなる。
【００９５】
一方、積層体７０が反ることにより、積層体７０が燃料電池セル２を押圧する（図７の矢印ＦＹを参照）。この押圧により、燃料電池セル２内のセル内積層体または集電体４９を、燃料極３１と集電体４９との接触面積が大きくなるように変形させるとともに、空気極３３または集電体４８を、空気極３３と集電体４８との接触面積が大きくなるように変形させることが可能になる。したがって、セル内積層体の反りによる、燃料極３１と集電体４９との電気的導通不良、及び空気極３３と集電体４８との電気的導通不良の発生を抑制することができる。
【００９６】
さらに、積層体７０を構成する固体電解質体７１の材料は、燃料電池セル２内のセル内積層体を構成する固体電解質体３２と同様に、固体電解質体である。ここで、燃料電池１の熱サイクルが繰り返されることによる変形の度合いの変化を、固体電解質体３２（セル内積層体３０）、固体電解質体７１（積層体７０）、及び従来の板バネについて比較すると、固体電解質体７１（積層体７０）の変形の度合いの変化は、板バネの変形の度合いの変化よりも、固体電解質体３２（セル内積層体３０）の変形の度合いの変化に類似する。これは、固体電解質体３２（セル内積層体３０）が、固体電解質体７１（積層体７０）と同じ種類の材料、すなわち固体電解質体で構成されているのに対し、板バネが、固体電解質体３２（セル内積層体３０）および固体電解質体７１（積層体７０）と異なる材料で構成されているからである。
【００９７】
このため積層体７０は、燃料電池の熱サイクルが繰り返された場合に、板バネよりも、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セル２を押圧することができる。すなわち積層体７０は、板バネよりも、燃料極３１と集電体４９との接触面積が大きくなるように、セル内積層体または集電体４９を変形させることができるとともに、空気極３３と集電体４８との接触面積が大きくなるように、空気極３３または集電体４８を変形させることができる。これにより、板バネを用いて燃料電池セル２を押圧する場合よりも、燃料電池１の熱サイクルの繰り返しに起因した、燃料極３１と集電体４９との間での電気的導通不良、及び空気極３３と集電体４８との間での電気的導通不良の発生を抑制し、燃料電池１の電気的接触の信頼性を向上させることができる。
【００９８】
さらに燃料電池１では、上述のように、積層体７０が、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セル２を押圧する。つまり燃料電池１は、積層体７０のみを用いて、上記特許文献１の燃料電池のエンドプレートと板バネとにより実現される機能を実現することができる。このため燃料電池１は、上記の電気的導通不良の発生を抑制するための構成を、上記特許文献１の燃料電池と比較して簡略化することができる。
【００９９】
また、固体電解質体７１は固体電解質体３２と同じ材料で構成され、異熱膨張部材７２は燃料極３１と同じ材料で構成されている。このため、積層体７０は、セル内積層体と異なる材料で構成されている場合よりも、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セル２を押圧することができる。これにより、燃料電池１の熱サイクルの繰り返しに起因した、燃料極３１と集電体４９との間での電気的導通不良、及び空気極３３と集電体４８との間での電気的導通不良の発生をさらに抑制することができる。
【０１００】
また積層体７０は、セル内積層体と同じ形状である。このため、燃料電池１の熱サイクルが繰り返された場合に、積層体７０は、セル内積層体と異なる形状である場合よりも、セル内積層体の変形に追従して変形し、燃料電池セル２を押圧することができる。これにより、燃料電池１の熱サイクルの繰り返しに起因した、燃料極３１と集電体４９との間での電気的導通不良、及び空気極３３と集電体４８との間での電気的導通不良の発生をさらに抑制することができる。
【０１０１】
また異熱膨張部材７２は、ＮｉＯ−ＹＳＺグリーンシートを複数積層して形成される。このため、ＮｉＯ−ＹＳＺグリーンシートの枚数により異熱膨張部材７２の厚さを変えることができる。そして、異熱膨張部材７２の厚さにより、積層体７０の強度と反りの大きさを変えることができる。つまり、ＮｉＯ−ＹＳＺグリーンシートの枚数を変えるという簡便な方法で、積層体７０の強度と反りの大きさを調整することができる。
【０１０２】
以上説明した実施形態において、固体電解質体３２は本発明における第１固体電解質体、固体電解質体７１は本発明における第２固体電解質体、積層体７０は本発明における非発電積層体、上側フレーム８３は本発明における導電性部材、積層方向ＳＹ０は本発明における第１積層方向、積層方向ＳＹ１は本発明における第２積層方向、積層方向ＳＹ２は本発明における第３積層方向、ＮｉＯ−ＹＳＺグリーンシートは本発明における薄膜である。
【０１０３】
なお、本実施形態の異熱膨張部材７２と熱膨張率に差異があれば、固体電解質体７１を、セラミックス材料或いは金属材料で構成してもよい。例えば、バイメタルで非発電積層体７０を構成することも可能である。一般的に、バイメタルとは、熱膨張率が異なる２種類の金属素材で構成された材料である。
【０１０４】
（第２実施形態）
以下に本発明の第２実施形態を図面とともに説明する。尚、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみを説明する。図８は、第２実施形態の燃料電池１の断面部を模式的に示す図である。
【０１０５】
第２実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、図８に示すように、外縁保持部材４の異熱膨張部材７２が上側フレーム８３に接するように積層体７０が配置される点以外は第１実施形態と同じである。すなわち、外縁保持部材４の積層体積層向きＳＹ３と、外縁保持部材５の積層体積層向きＳＹ３とは、同じ向きである。
【０１０６】
このように構成された燃料電池１では、外縁保持部材４，５の積層体積層向きＳＹ３と、セル本体３０において燃料極３１から固体電解質体３２に向かう向きＳＹ４（以下、セル本体積層向きＳＹ４という）とを同じにすることができる。
【０１０７】
ここで、外縁保持部材４，５における積層体積層向きＳＹ３と、燃料電池セル２におけるセル本体積層向きＳＹ４が同じであるようにするとよいのは、燃料電池セル２を複数積層した燃料電池スタック３において、燃料電池セル２が積層されるセル積層方向に沿った燃料電池スタック３の両端部の燃料電池セル２よりも、燃料電池スタック中央部の燃料電池セルの方が、燃料極３１と集電体４９との間での電気的導通不良が発生しにくいという現象に基づく。
【０１０８】
そして、上記中央部の燃料電池セル２と上記両端部の燃料電池セル２との違いは、上記中央部の燃料電池セル２が当該燃料電池セル２の両面に、セル本体積層向きが同じ燃料電池セルが配置されているのに対し、上記両端部の燃料電池セルが当該燃料電池セルの片面のみに、セル本体積層向きＳＹ４が同じ燃料電池セルが配置されている点である。このため、上記両端部の燃料電池セル２について、燃料電池セル２が配置されている面と反対側の面に、セル本体積層向きＳＹ４と同じ積層体積層向きＳＹ３の積層体７０を配置することにより、上記両端部の燃料電池セル２を上記中央部の燃料電池セル２の状態に類似した状態にすることができる。これにより、上記両端部の燃料電池セル２において、燃料極３１と集電体４９との間での電気的導通不良、及び空気極３３と集電体４８との間での電気的導通不良の発生を抑制することができると考えられる。
【０１０９】
なお、積層体７０は、燃料電池スタック３を構成する燃料電池セル２と同じ構成、即ち、燃料極３１、固体電解質体３２、空気極３３を有してもよいが、発電反応には寄与させず、外縁保持部材４、５（セル追従変形部）として機能する。また、燃料電池スタック３の両端部、或いは中央部に配置してもよい。
【０１１０】
（第３実施形態）
以下に本発明の第３実施形態を図面とともに説明する。尚、第３実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみを説明する。図９は、第３実施形態の燃料電池１の断面部を模式的に示す図である。
【０１１１】
第３実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、図９に示すように、燃料電池１が複数の燃料電池スタック３，３’で構成されている点と、燃料電池スタック３と燃料電池スタック３’との間にも外縁保持部材４または外縁保持部材５が配置されている点以外は第１実施形態と同じである。
【０１１２】
また、本実施例は、燃料電池スタックと燃料電池スタックの間に、外縁保持部材を配置する場合を示したが、燃料電池スタック内部の燃料電池セルと燃料電池セルの間に、外縁保持部材を配置することも可能である。その場合、積層体７０を挟持する上側フレームおよび下側フレームには、ともに、燃料電池セルの反り変形に追従して変形することができる金属の薄板を用いる。
【０１１３】
（第４実施形態）
以下に本発明の第４実施形態を図面とともに説明する。尚、第４実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみを説明する。図１０は、第４実施形態の燃料電池１の断面部を模式的に示す図である。
【０１１４】
第４実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、図１０に示すように、積層体７０と金属製フレーム８３との間、および積層体７０と金属製フレーム８１との間に、絶縁層７５（材料は、例えばアルミナ。膜厚は例えば２０μｍ）が配置されている点と、積層体７０を構成する固体電解質体７１にはイオン伝導性と電子伝導性を兼ね備えた材料（材料は、例えばＧＤＣ（ガドリニウム添加セリア））が配置されている点以外は、第１実施形態と同じである。
【０１１５】
このように構成された燃料電池１では、積層体７０と金属製フレーム８１との間に、絶縁層７５が設けられていることにより、燃料電池スタック３の両側に配置された積層体７０での電子伝導性が低下する（図１０中の矢印ＤＹ１を参照）。そして、積層体７０は中央部に配置されているので、電流パスは燃料電池スタック３の周囲を迂回することになり、適宜に電気抵抗を持たせることができる（図１０中の矢印ＤＹ２を参照）。このため、積層体７０に隣接する燃料電池セル２において、電流によるジュール熱をより多く発生させることができ、両端部に積層体７０が設置されていない燃料電池スタック３よりも発熱を増加させることができるため、燃料電池スタック３の端部と内部の温度の均一化に寄与することができる。
【０１１６】
以上説明した実施形態において、絶縁層７５は本発明における絶縁性部材である。
（第５実施形態）
以下に本発明の第５実施形態を図面とともに説明する。尚、第５実施形態では、第３実施形態と異なる部分のみを説明する。図１１は、第５実施形態の燃料電池１の断面部を模式的に示す図、図１２は、第５実施形態の異熱膨張部材７２と金属製フレーム８３との接触を説明するための図である。
【０１１７】
第５実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、図１１に示すように、燃料電池スタック３と燃料電池スタック３’との間に外縁保持部材５のみを配置した点と、異熱膨張部材７２と金属製フレーム８３との間に、固体電解質体７１が配置されている領域と、固体電解質体７１が配置されておらず中空となっている中空領域７６とが形成される点以外は第３実施形態と同じである。
【０１１８】
このように構成された燃料電池１では、積層体７０の変形により、図１２に示すように、中空領域７６における異熱膨張部材７２と金属製フレーム８３とが接触すると、積層体７０内を通して、電流が流れる（図１２中の矢印ＤＹ３を参照）。このように、電流パスを短くすることで、燃料電池スタック３の内部（特に中心部）でのジュール熱の発生が抑制され、燃料電池スタック３全体の温度の均一性を向上させることができる。これは、特に、固体電解質体７１に、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）のようなイオン伝導性を備えた絶縁材料に有効である。
【０１１９】
以上説明した実施形態において、中空領域７６は本発明における第２固体電解質体が形成されていない領域である。
（第６実施形態）
以下に本発明の第６実施形態を図面とともに説明する。尚、第６実施形態では、第１実施形態と異なる部分のみを説明する。
【０１２０】
図１３はガスバネ２０４，２０５の断面図、図１４Ａ−１４Ｂはガスバネ２０４，２０５を分解した状態を示す平面図、図１５は燃料電池セル２とガスバネ２０４，２０５の配置を模式的に示す断面図である。
【０１２１】
第６実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、外縁保持部材４，５の代わりに、ガスバネ２０４，２０５を備える点以外は第１実施形態と同じである。本実施形態においても第１実施形態と同様、ガスバネを燃料電池スタックの両側に配置した場合を示しているが、ガスバネを燃料電池スタック両側のいずれか一方に配置した場合も、本発明は有効である。その場合、ガスバネを配置しない燃料電池スタックの端部には、エンドプレートの機能を有する、ガス供給および排出路とボルト固定孔を備えた金属板を配置する。
【０１２２】
燃料電池スタックの両側に配置されるガスバネ２０４，２０５は、図１３に示すように、３つの金属製フレーム２１１，２１２，２１３（上側フレーム２１１、中央フレーム２１２、下側フレーム２１３）を積層して構成されている。なお、金属製フレーム２１１，２１２，２１３は、ロウ材（ＡｇＰｄ）で１０００℃真空ロウ付けされている。
【０１２３】
本実施形態では、上側フレーム２１１、中央フレーム２１２、下側フレーム２１３の厚さはそれぞれ、５ｍｍ、０．５ｍｍ、０．５ｍｍであり、上側フレーム２１１は下側フレーム２１３より十分に厚く、エンドプレートとしての機能を有する。
【０１２４】
このため、下側フレーム２１３は、その表面側と裏面側との間の圧力差により変形するように構成されている一方、上側フレーム２１１は、その表面と裏面との間の圧力差により変形しないように構成されている。
【０１２５】
さらに、下側フレーム２１３は、下側フレーム２１３に当接する燃料電池セル２が変形することにより燃料電池セル２が下側フレーム２１３を押圧すると、この押圧により変形するように構成されている。
【０１２６】
上側フレーム２１１および下側フレーム２１３は、図１４Ａ−１４Ｂに示すように、四隅にボルト固定孔２２１〜２２４が形成されるとともに、燃料ガス供給孔２２５、燃料ガス排気孔２２６、空気供給孔２２７、および空気排気孔２２８が形成された板形状部材である。
【０１２７】
上側フレーム２１１と下側フレーム２１３との接触を阻止する阻止部材としての機能を有する中央フレーム２１２は、断面が矩形の柱状部材２３１を４つ収納可能な開口部２３２が形成された枠形状部材である。このため、中央フレーム２１２の開口部２３２は、上側フレーム２１１と下側フレーム２１３との間で挟まれて中空となる中空部２４０、この中空部２４０をガス室２４０ともいう）を形成する。さらに中央フレーム２１２は、中央フレーム２１２と柱状部材２３１とが連結部２３３を介して連結されている。
【０１２８】
また中央フレーム２１２は、上側フレーム２１１および下側フレーム２１３と同様に、四隅にボルト固定孔２２１〜２２４が形成されるとともに、燃料ガス供給孔２２５、燃料ガス排気孔２２６、空気供給孔２２７、および空気排気孔２２８が形成されている。そして、空気供給孔２２７は開口部２３２に連通している。したがって、空気供給孔２２７を介してガス室２４０内に空気が導入可能となっている。一方、空気排気孔２２８は開口部２３２（ガス室２４０）に連通していない。
【０１２９】
また柱状部材２３１は、下側フレーム２１３と対向する面に、例えば厚さが２０μｍのアルミナペーストを塗布し、熱処理することにより形成されたアルミナ層２３４が配置されている。このアルミナ層２３４により、柱状部材２３１と下側フレーム２１３との間で焼き付けが発生するのを防止する。
【０１３０】
なお、フレーム２１１，２１２，２１３は、集電体として機能する。すなわちフレーム２１１，２１２，２１３は、導電性および耐熱性を有する材料で構成される。なお本実施形態では、フレーム２１１，２１２，２１３の材料は、インターコネクタ４１の材料と同じである。
【０１３１】
そしてガスバネ２０４，２０５はそれぞれ、図１５に示すように、燃料電池セル２の積層方向ＳＹ１の一端側、他端側において、下側フレーム２１３が燃料電池スタック３に接するように配置される。なお、ガスバネ２０４，２０５の下側フレーム２１３は、ガスバネ２０４，２０５に隣接するインターコネクタ４１を兼用している。
【０１３２】
このように構成された燃料電池１では、ガスバネ２０４，２０５は、上側フレーム２１１と下側フレーム２１３の間において、空気が導入可能に構成されたガス室２４０が形成されている。
【０１３３】
そして、ガスバネ２０５は、ガスバネ２０５に隣接する燃料電池セル２の燃料極３１側で接している。すなわち、下側フレーム２１３を挟んで、燃料電池セル２側では、燃料ガスが導入されるとともに、ガスバネ２０５側のガス室２４０内には空気が導入されている。
【０１３４】
そして、ガスバネ２０５側のガス室２４０内に導入される空気の圧力が、ガスバネ２０５に隣接する燃料電池セル２内に導入される燃料ガスの圧力より大きいため、燃料電池セル２とガス室２４０との間に配置されている下側フレーム２１３が、燃料電池セル２と下側フレーム２１３との間の隙間を埋めるように、つまり、燃料電池セル２の変形に追従して、下側フレーム２１３が変形し、燃料電池セル２を押圧することができる（図１５中の曲線Ｌ１を参照）。すなわちガスバネ２０５は、板バネよりも、燃料極３１および空気極３３と集電体４８，４９との接触面積が大きくなるように、セル内積層体または集電体４８，４９を変形させることができる。これにより、板バネを用いて燃料電池セル２を押圧する場合よりも、燃料電池１の熱サイクルの繰り返しに起因した、燃料極３１および空気極３３と集電体４８，４９との間での電気的導通不良の発生を抑制し、燃料電池１の電気的接触の信頼性を向上させることができる。
【０１３５】
一方、ガスバネ２０４は、ガスバネ２０４に隣接する燃料電池セル２の空気極３３側で接している。すなわち、下側フレーム２１３を挟んで、燃料電池セル２側では、空気供給路１７から空気流路１０２を介して(図３)、空気が導入されるとともに、ガスバネ２０４側のガス室２４０内には、空気供給路１７に直接通じた空気供給路２２７を介して(図１３)、空気が導入されている。したがって、空気が空気流路１０２を通過することにより生じる圧力損失に起因した燃料電池セル２側での圧力低下の度合いは、下側フレーム２１３を挟んで反対側にあるガスバネ２０４のガス室２４０での、空気の通過による圧力低下の度合いに比べて大きく、結果的にガス室２４０側の圧力が燃料電池セル２側の圧力より高いことになる。そのため、ガスバネ２０４が燃料電池セル２を押圧する。この押圧により、燃料電池セル２内のセル内積層体または集電体４９を、燃料極３１と集電体４９との接触面積が大きくなるように変形させるとともに、空気極３３または集電体４８を、空気極３３と集電体４８との接触面積が大きくなるように変形させることが可能になる。したがって、セル内積層体の反りによる、燃料極３１と集電体４９との電気的導通不良、及び空気極３３と集電体４８との電気的導通不良の発生を抑制することができる（図１５中の曲線Ｌ２を参照）。
【０１３６】
また、柱状部材２３１を設けることによって、上側フレーム２１１と下側フレーム２１３との接触が回避される。これにより、上側フレーム２１１と下側フレーム２１３が接触して、高温状態において焼き付いてしまう問題が解消される。特に、固体酸化物形燃料電池のような高温環境下で使用される燃料電池に有効である。このため、上側フレーム２１１と下側フレーム２１３とが接触した状態で焼き付いてしまい、ガス室２４０内の空洞がつぶれてしまうという状況の発生を抑制し、ガスバネ２０４，２０５の追従変形性の低下を抑制することができる。
【０１３７】
また、柱状部材２３１が金属材料で構成されているため、柱状部材２３１と下側フレーム２１３との間に、アルミナ層２３４が配置されている。このため、柱状部材２３１と下側フレーム２１３とが接触した状態で焼き付いてしまい、下側フレーム２１３が燃料電池セル２の変形に追従して変形できなくなるという状況の発生を抑制することができる。
【０１３８】
また、燃料電池スタックの両側に配置されるガスバネにおいては、燃料電池スタック３の空気供給路１７に直接通じた空気供給孔２２７を介して、ガス室２４０内に空気が導入可能となっている一方、燃料電池スタック３の空気排気孔１８に直接通じた空気排気孔２２８は、ガスバネの開口部２３２（ガス室２４０）に連通していない。したがって、ガス室２４０内に空気が滞留することにより、ガス室２４０内で断熱効果を発揮することができる。その結果、燃料電池スタック両端部の温度が、スタック内部（特に中心部）よりも低くなる傾向を回避して、燃料電池スタック３の両端部における温度上昇に寄与できる。これにより、燃料電池スタック全体の温度を均一化することができる。
【０１３９】
また、ガス室２４０内に供給する補助ガスとして、燃料電池スタック３での発電反応に使用されるガス（空気、或いは燃料ガス）をそのまま流用することができ、ガス室２４０に供給する補助ガスとして、別系統のガスを用意する必要がなくなる。
【０１４０】
以上説明した実施形態において、ガスバネ２０４，２０５は本発明におけるセル追従変形部、上側フレーム２１１は本発明における第１金属板、下側フレーム２１３は本発明における第２金属板、柱状部材２３１は本発明における阻止部材、空気は本発明における補助ガスである。
【０１４１】
また、本実施形態の変形形態として、図２１、図２２Ａ−２２Ｂに示すようなガスバネ５０４，５０５も有効である。以下、第６実施形態と異なる部分のみについて説明する。尚、本実施形態は、第６実施形態（図１３に示す）の中央フレーム２１２とは異なる構成の中央フレーム５１２を配置する点以外は、第６実施形態と同じである。
【０１４２】
図２１、図２２Ａ−２２Ｂに示すように、上側フレーム５１１と下側フレーム５１３との接触を阻止する阻止部材としての機能を有する中央フレーム５１２において、柱状部材５３１と枠形状部材（中央フレーム５１２）が別体で構成されている。そして、柱状部材５３１と枠形状部材５１２の一方面それぞれが上側フレーム５１１に接合されており、柱状部材５３１の他方面の凸部５３１１には、アルミナ層５３４が配置されている。このアルミナ層５３４により、柱状部材５３１と下側フレーム５１３との間で焼き付けが発生するのを防止する。このガスバネ５０４，５０５は、燃料電池スタックの両側の少なくともいずれか一方に配置されるとよい。なお、図２１および図２２Ａ−２２Ｂに示した柱状部材５３１上に形成された凸部５３１１の形状は、ガス室５４０内の空洞がつぶれてしまうという状況の発生を回避できるものであれば、これに限られるものではない。
【０１４３】
（第７実施形態）
以下に本発明の第７実施形態を図面とともに説明する。尚、第７実施形態では、第６実施形態と異なる部分のみを説明する。
【０１４４】
図１６はガスバネ３０１の断面図、図１７は燃料電池セル２とガスバネ３０１の配置を模式的に示す断面図である。
第７実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、ガスバネ２０４，２０５の代わりに、ガスバネ３０１を備える点以外は第６実施形態と同じである。
【０１４５】
燃料電池スタックの内部に配置されるガスバネ３０１は、図１６に示すように、３つの金属製フレーム３１１，３１２，３１３（上側フレーム３１１、中央フレーム２１２、下側フレーム３１３）を積層して構成されている。
【０１４６】
本実施形態では、上側フレーム３１１、中央フレーム３１２、下側フレーム３１３の厚さは０．５ｍｍである。
このため、上側フレーム３１１および下側フレーム３１３は、その表面と裏面との間の圧力差により変形するように構成されている。
【０１４７】
さらに、上側フレーム３１１および下側フレーム３１３はそれぞれ、上側フレーム３１１および下側フレーム３１３に当接する燃料電池セル２が変形することにより、燃料電池セル２が上側フレーム３１１および下側フレーム３１３を押圧すると、この押圧により変形するように構成されている。
【０１４８】
中央フレーム３１２は、断面が矩形の柱状部材３３１を４つ収納可能な開口部３３２が形成された枠形状部材である。このため、中央フレーム３１２の開口部３３２は、上側フレーム３１１と下側フレーム３１３との間で挟まれて中空となる中空部３４０（以下、この中空部３４０をガス室３４０ともいう）を形成する。
【０１４９】
また柱状部材３３１は、上側フレーム３１１と対向する面と、下側フレーム３１３と対向する面に、例えば厚さが２０μｍのアルミナペーストを塗布することにより形成されたアルミナ層３３４が配置されている。
【０１５０】
そしてガスバネ３０１は、図１７に示すように、燃料電池スタック３と燃料電池スタック３との間に配置される。なお、上側フレーム３１１および下側フレーム３１３は、ガスバネ３０１に隣接するインターコネクタ４１を兼用している。
【０１５１】
このように構成された燃料電池１では、ガスバネ３０１は、上側フレーム３１１と下側フレーム３１３の間において、空気が導入可能に構成されたガス室３４０が形成されている。
【０１５２】
そして、ガスバネ３０１は、ガスバネ３０１に隣接する燃料電池セル２の燃料極３１側に接している。すなわち、上側フレーム３１１を挟んで、燃料電池セル２側では、燃料ガスが導入されるとともに、ガスバネ３０１側のガス室３４０内には空気が導入されている。
【０１５３】
そして、ガスバネ３０１側のガス室３４０内の空気の圧力が、ガスバネ３０１に隣接する燃料電池セル２内に導入される燃料ガスの圧力より大きいため、燃料電池セル２とガス室３４０との間に配置されている上側フレーム３１１が、燃料電池セル２と上側フレーム３１１との間の隙間を埋めるように、つまり、燃料電池セル２の変形に追従して、上側フレーム３１１が変形し、燃料電池セル２を押圧することができる（図１７中の曲線Ｌ３を参照）。すなわちガスバネ３０１は、板バネよりも、燃料極３１および空気極３３と集電体４８，４９との接触面積が大きくなるように、セル内積層体または集電体４８，４９を変形させることができる。これにより、板バネを用いて燃料電池セル２を押圧する場合よりも、燃料電池１の熱サイクルの繰り返しに起因した、燃料極３１および空気極３３と集電体４８，４９との間での電気的導通不良の発生を抑制し、燃料電池１の電気的接触の信頼性を向上させることができる。
【０１５４】
一方、図１７に示すように、ガスバネ３０１は、ガスバネ３０１に隣接する燃料電池セル２の空気極３３側にも接している。すなわち、下側フレーム３１３を挟んで、燃料電池セル２側では、空気供給路１７から空気流路１０２(図３に示す)を介して、空気が導入されるとともに、ガスバネ３０１側のガス室３４０内には、空気供給路１７に直接通じた空気供給孔３２７(図１６に示す)を介して、空気が導入されている。したがって、空気が空気流路１０２を通過することにより生じる圧力損失に起因した燃料電池セル２側での圧力低下の度合いは、下側フレーム３１３を挟んで反対側にあるガスバネ３０１のガス室３４０（図１６に示す）での、空気の通過による圧力低下の度合いに比べて大きく、結果的にガス室３４０側の圧力が燃料電池セル２側の圧力より高いことになる。そのため、ガスバネ３０１が燃料電池セル２を押圧する。この押圧により、燃料電池セル２内のセル内積層体または集電体４９を、燃料極３１と集電体４９との接触面積が大きくなるように変形させるとともに、空気極３３または集電体４８を、空気極３３と集電体４８との接触面積が大きくなるように変形させることが可能になる。したがって、セル内積層体の反りによる、燃料極３１と集電体４９との電気的導通不良、及び空気極３３と集電体４８との電気的導通不良の発生を抑制することができる（図１７中の曲線Ｌ４を参照）。
【０１５５】
また、柱状部材３３１を設けることによって、上側フレーム３１１と下側フレーム３１３との接触が回避される。これにより、上側フレーム３１１と下側フレーム３１３が接触して、高温状態において焼き付いてしまう問題が解消される。このため、上側フレーム３１１と下側フレーム３１３とが接触した状態で焼き付いてしまい、ガス室３４０内の空洞がつぶれてしまうという状況の発生を抑制し、ガスバネ３０１の追従変形性の低下を抑制することができる。
【０１５６】
また、柱状部材３３１が金属材料で構成されているため、柱状部材３３１と下側フレーム３１３との間に、アルミナ層３３４が配置されている。このため、柱状部材３３１と下側フレーム３１３とが接触した状態で焼き付いてしまい、下側フレーム３１３が燃料電池セル２の変形に追従して変形できなくなるという状況の発生を抑制することができる。
【０１５７】
尚、本実施形態の変形形態として、図２３に示すように、燃料電池スタックの内部に設置されたガスバネにおいては、燃料電池スタック３の空気供給路１７に直接通じた空気供給孔３２７を介して、ガス室３４０内に空気が導入され、導入された空気は、燃料電池スタック３の空気排気路１８に直接通じた空気排気孔３２８から排出されるようにして、ガス室３４０を連通するようにしてもよい。これにより、ガス室３４０内の熱移動が促進されるため、燃料電池スタックの両端部に比べて、温度が上昇する傾向にあるスタック内部の温度上昇を抑制することができる。
【０１５８】
以上説明した実施形態において、ガスバネ３０１は本発明におけるセル追従変形部、上側フレーム３１１は本発明における第１金属板、下側フレーム３１３は本発明における第２金属板、柱状部材３３１は本発明における阻止部材である。
【０１５９】
（第８実施形態）
以下に本発明の第８実施形態を図面とともに説明する。尚、第８実施形態では、第６実施形態と異なる部分のみを説明する。
【０１６０】
第８実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、柱状部材２３１が発泡金属（例えばステンレス製またはＮｉセルメット製）で構成されている点以外は第６実施形態と同じである。
なお、ステンレス製の発泡金属の場合には、ガス室２４０内に空気を導入してもよいが、Ｎｉセルメット製の発泡金属の場合には、空気では酸化するため、水素を導入することが望ましい。
【０１６１】
発泡金属は潰れ変形可能であるため、柱状部材が通常の金属である場合と比較して、燃料電池セル２の反りをより柔軟に受けとめて、上側フレーム２１１または下側フレーム２１３の変形が、柱状部材２３１により阻害されるのを抑制することができる。したがって、燃料電池セル２の反りによる、燃料極３１と集電体４９との電気的導通不良、及び空気極３３と集電体４８との電気的導通不良の発生を、さらに抑制することができる。
【０１６２】
そして、図１５において、ガスバネ２０４の代わりに、Ｎｉセルメット製の発泡金属を柱状部材に用いたガスバネ（以下、発泡金属ガスバネという）を配置した場合、発泡金属ガスバネは、発泡金属ガスバネに隣接する燃料電池セル２の空気極３３側と接している。すなわち、発泡金属ガスバネの下側フレームを挟んで、燃料電池セル２側では、空気が導入されるとともに、発泡金属ガスバネ側のガス室内には水素が導入されている。そのため、発泡金属ガスバネ側のガス室内の水素の圧力が、発泡金属ガスバネに隣接する燃料電池セル２内に導入される空気の圧力より小さくなり、燃料電池セル２が発泡金属ガスバネを押圧する。これにより、発泡金属ガスバネは、燃料電池セル２の変形に追従して変形し、燃料電池セルと集電体との間の電気的導通を良好に保つことができる。
【０１６３】
ところで、ガスバネ２０４，２０５の下側フレーム２１３がガス室２４０側へ凹む方向で変形する場合には、発泡金属が下側フレーム２１３に焼き付いた状態でも、ガスバネ２０４，２０５の凹み量を吸収することができるため、燃料電池セル２との接触性を保つことができる。一方、ガスバネ２０４，２０５の下側フレーム２１３が燃料電池セル側へ膨らむ方向で変形する場合には、発泡金属が下側フレーム２１３に焼き付いた状態では、ガスバネ２０４，２０５が変形できず（下側フレーム２１３が発泡金属から離れない）、燃料電池セル２の変形に追従できないため、燃料電池セル２との電気的接触性を保つことができない。
【０１６４】
これに対し、発泡金属で構成された柱状部材２３１には、下側フレーム２１３と対向する面に、アルミナ層２３４を配置することができる。このアルミナ層２３４により、発泡金属で構成された柱状部材２３１と下側フレーム２１３との焼き付きを軽減できるため、より有効的にガスバネ２０４，２０５の追従変形性を維持することができる。
【０１６５】
（第９実施形態）
以下に本発明の第９実施形態を図面とともに説明する。尚、第９実施形態では、第７実施形態と異なる部分のみを説明する。
【０１６６】
図１８はガスバネ４０１の断面図である。
第９実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、ガスバネ３０１の代わりに、ガスバネ４０１を備える点以外は第７実施形態と同じである。
【０１６７】
ガスバネ４０１は、図１８に示すように、アルミナ層３３４付の柱状部材３３１と上側フレーム３１１との間と、アルミナ層３３４付の柱状部材３３１と下側フレーム３１３との間に、窒化ケイ素製のコイルバネ４０５が設置された点以外は、第７実施形態と同じである。
【０１６８】
このコイルバネ４０５は、窒化ケイ素製の線をΦ２０ｍｍのコイル状に巻いたものである。
このように構成された燃料電池１では、コイルバネ４０５が、ガス室と燃料電池セルの圧力差による外力によって変形する上側フレーム３１１や下側フレーム３１３の追従変形性を補うことで、ガスバネ４０１の追従変形性をより向上させることができる。
【０１６９】
以上説明した実施形態において、コイルバネ４０５は本発明における付勢部材である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
【０１７０】
具体的には、本発明の固体酸化物形燃料電池について、以下の形態も考えられる。
（非発電積層体に係わる実施形態に関して）
例えば上記第１実施形態では、積層体７０を構成する固体電解質体７１がＹＳＺを材料として構成されているものを示したが、固体電解質体であればＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）以外の材料で固体電解質体７１を構成してもよい。固体電解質体７１の材料としては、例えば、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリア添加セリア）、ＧＤＣ（ガドリニウム添加セリア）等が挙げられる。
【０１７１】
また上記第１実施形態では、積層体７０を構成する異熱膨張部材７２が、燃料電池セル２の燃料極３１と同じ材料、すなわちＮｉ−ＹＳＺで構成されているものを示したが、固体電解質体７１と熱膨張率が異なる材料であれば、Ｎｉ−ＹＳＺに限られるものではない。異熱膨張部材７２の材料としては、例えば、Ｎｉ−ＭｇＯ、Ｎｉ−ＣａＯ等が挙げられる。
【０１７２】
また上記第１実施形態では、収容部７３に収容されている積層体７０が上側フレーム８３に接しているものを示した。しかし、積層体７０が変形しているときに積層体７０が上側フレーム８３を押圧することができるのであれば、変形していないときには上側フレーム８３に接していないようにしてもよい。
【０１７３】
また上記第１実施形態では、ＹＳＺとＮｉＯ−ＹＳＺの積層体を還元処理した後に、得られたＹＳＺとＮｉ−ＹＳＺの積層体を積層体７０として、外縁保持部材４，５内に封止するものを示した。しかし、ＹＳＺとＮｉＯ−ＹＳＺの積層体を外縁保持部材４，５内に封止した後に、外縁保持部材４，５内に燃料ガスを導入し、ＹＳＺとＮｉＯ−ＹＳＺの積層体７０を還元雰囲気に晒すことにより、ＮｉＯ−ＹＳＺをＮｉ−ＹＳＺに還元するようにしてもよい。これは、燃料電池スタックを組み付けた後で、燃料電池セルの還元処理する場合に有効で、燃料電池セルの燃料極と積層体７０の異熱膨張部材７２を同時に、ＮｉＯ−ＹＳＺからＮｉ−ＹＳＺに還元させることができる。外縁保持部材４，５内に封止されたＹＳＺとＮｉＯ−ＹＳＺの積層体を還元雰囲気に晒す方法としては、燃料ガス供給路１５から外縁保持部材４，５内に燃料ガスが導入されるようにしてもよいし、図１９に示すように、ボルト１１〜１４の軸方向に沿ってボルト１１〜１４内に形成された燃料ガス供給孔９０（図１９では、ボルト１４のみに形成されている）から外縁保持部材４，５内に燃料ガスが導入されるようにしてもよい（矢印Ｙ１，２を参照）。
【０１７４】
また上記第１実施形態では、外縁保持部材４，５の上側フレーム８３と燃料電池セル２のインターコネクタ４１とが接しているものを示した。しかし、この上側フレーム８３およびインターコネクタ４１の何れかを省略して兼用させる、あるいは上側フレーム８３とインターコネクタ４１の代わりに、上側フレーム８３とインターコネクタ４１の両方の役割を担う１つの部材を設けてもよい。
【０１７５】
また上記第１実施形態では、積層体７０がセル内積層体と同じ形状であるものを示したが、異なる形状であってもよい。
また上記第１実施形態では、固体電解質体７１のＹＳＺグリーンシートと異熱膨張部材７２のＮｉＯ−ＹＳＺグリーンシートの枚数により、積層体７０の厚さを調整して、積層体７０の強度と反りを調整するものを示した。しかし、Ｎｉ含有量が異なる、すなわちＮｉＯ−ＹＳＺ混合比の異なる複数のＮｉＯ−ＹＳＺグリーンシートを、各々所望の枚数積み重ねることにより、異熱膨張部材７２のＮｉ含有量を調整することで、積層体７０の強度と反りを調整するようにしてもよい。
【０１７６】
また上記第１実施形態では、異熱膨張部材７２が、Ｎｉ−ＹＳＺ、すなわち、組成の異なる材料を複数組み合わせ混合して構成された混合組成の材料で構成されているものを示した。しかし、固体電解質体７１と熱膨張率の異なる耐熱性材料であれば、異熱膨張部材７２は混合組成の材料に限られたものではなく、単一組成の材料で構成されていてもよい。
【０１７７】
また上記第１実施形態では、セル追従変形部の積層体７０を構成する異熱膨張部材７２と、燃料電池セル２の燃料極３１とで、反りの大きさ（変形の度合い）が同じになる実施形態を示した。しかし異熱膨張部材７２は、燃料極３１よりも、反りが大きくなるようにしてもよい。これにより、積層体７０が燃料電池セル２を押圧する力が増加するため、積層体７０は、燃料極３１と集電体４９との接触面積、及び空気極３３と集電体４８との接触面積がより大きくなるように、セル内積層体または集電体４８，４９を変形させることができる。その結果、燃料電池セルと集電体との間の電気的導通を良好に保つことができる。
（ガスバネに係わる実施形態に関して）
また上記第６実施形態では、アルミナペーストを塗布し、熱処理することにより形成されたアルミナ層２３４が配置されているものを示した。しかし、アルミナ層の形成方法は、ペースト塗布に限定されるものではなく、スパッタなどの一般的な成膜方法であってもよい。
【０１７８】
また上記第６実施形態では、柱状部材２３１と下側フレーム２１３との間で焼き付けが発生するのを防止するためにアルミナ層２３４を配置するものを示した。しかし、焼き付けを防止できるための絶縁性と耐熱性を有する材料であれば、アルミナに限定されるものではなく、例えばアルミナとの混合材料であってもよい。
【０１７９】
また上記第６実施形態では、柱状部材２３１と下側フレーム２１３との間に、焼き付き防止のためのアルミナ層２３４が配置されているものを示したが、アルミナ層２３４を配置する代わりに、柱状部材２３１をアルミナ以外の絶縁部材で構成するようにしてもよい。
【０１８０】
また上記第９実施形態では、ガスバネの内部に窒化ケイ素製のコイルバネ４０５が設置されたものを示したが、コイルバネ４０５の材料はこれに限られるものではなく、上側フレーム３１１と下側フレーム３１３との焼き付けによる接触の回避と、ガスバネ４０１の追従変形性の向上を、１つの部材で実現できる耐熱性材料であれば、どのような材料でもよい。
【０１８１】
また上記第９実施形態では、上側フレーム３１１および下側フレーム３１３と、柱状部材３３１との各々の間に、コイルバネ４０５を設置したものを示したが、柱状部材３３１を省略して、上側フレーム３１１と下側フレーム３１３との間に、コイルバネ４０５を直接連結するようにしてもよい。
【０１８２】
これにより、上側フレーム３１１と下側フレーム３１３との接触の回避と、ガスバネ４０１の追従変形性の向上を、１つの部材、すなわちコイルバネ４０５のみで実現することができる。
（非発電積層体及びガスバネに係わる実施形態に関して）
また上記第６実施形態では、ガスバネ２０４，２０５が、燃料電池セル２の積層方向ＳＹ１の一端側、他端側に配置されるものを示した。しかし、図２０に示すように、燃料電池スタック３の上端側に、ガスバネ２０４の代わりに外縁保持部材４を、燃料電池スタック３の下端側にガスバネ２０５を配置するようにしてもよい。この場合、ガスバネ２０５および外縁保持部材４には、空気を導入する。ガスバネ２０５は、燃料電池スタック下端側の燃料電池セルの燃料極と接しており、ガス室内の空気と燃料電池セル内の水素との圧力差により、その間に介在する金属板が、燃料電池セルの反り変形に追従して変形し、燃料電池セルを押圧する。一方、外縁保持部材４は、燃料電池スタック上端側の燃料電池セルの空気極と接しており、外縁保持部材４を構成する積層体が、燃料電池セルの反り変形に追従して変形し、燃料電池セルを重石のように押圧する。このように、燃料電池スタック３が上端側と下端側の両方から押圧されることにより、熱サイクルの繰り返しに起因した、燃料電池セルと集電体との電気的導通不良を回避して、燃料電池セルと集電体との電気的接触の信頼性を向上させる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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