(57)【要約】【課題】燃料電池素子の熱応力を最小限に抑える。【解決手段】固体酸化物燃料電池素子は電解質シート及び電解質シートを挟み込んでいる少なくとも１つの電極対を有し、電解質シートの封止領域は、細長く、弧を描く形状を有し、１.０より大きい長さ対幅比を有する。【選択図】なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物燃料電池素子において、
（ａ）固体酸化物電解質シート、及び
（ｂ）前記固体酸化物電解質シートを挟み込んでいる少なくとも１つの電極対、
を有し、
前記固体酸化物電解質シートは厚さが１００μｍ以下の薄い可撓性電解質シートであり、前記電解質シートは、ジルコニア、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３），セリア（ＣｅＯ２），酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）及びＬＳＧＭ（酸化ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム）から選ばれる組成をベースにしており、
前記電解質シートは、細長く、弧を描く形状を有し、少なくとも１.３対１の長さ対幅のアスペクト比を有する、封止領域を有する、
ことを特徴とする固体酸化物燃料電池素子。
【請求項２】
前記電解質シートが少なくとも２５０ｃｍ２の面積及び少なくとも１.３対１の長さ対幅比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燃料電池素子。
【請求項３】
前記素子が、前記電解質シートを支持しているフレーム及び、前記電解質シートの縁周に隣接して前記電解質シートと前記フレームとの間に配置された、前記電解質シートを前記フレームに封止している封止材をさらに有し、前記電解質シートの厚さが４５μｍ未満であって、前記電解質シートの前記封止領域が、（ａ）少なくとも２５０ｃｍ２であり、（ｂ）少なくとも１.５対１の長さ対幅比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燃料電池素子。
【請求項４】
前記電解質シートの前記封止領域が、少なくとも３００ｃｍ２の面積及び２対１と２０対１の間の長さ対幅比を有することを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物燃料電池素子。
【請求項５】
（ｉ）前記電解質シートの厚さが４５μｍ未満であって、（ii）前記封止材の厚さｈが１００μｍと４ｍｍの間であり、前記封止材の断面幅ｗが１ｍｍから１２ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物燃料電池素子。
【請求項６】
（ｉ）前記電解質シートの厚さが３μｍから３０μｍであって、（ii）前記封止材の厚さｈが１００μｍと４ｍｍの間であり、前記封止材の断面幅ｗが１ｍｍから１２ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池素子。
【請求項７】
前記封止材が軟質ガラス、ガラス-セラミック、金属、セラミック−金属鑞材の内の１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池素子。
【請求項８】
請求項１に記載の固体酸化物燃料電池素子を有する固体酸化物燃料電池スタックにおいて、素子実装密度ＤＰＤが３素子/ｃｍより大きいことを特徴とする固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項９】
前記封止材が、ある半径の丸みをつけられた角をもつ縁周を有し、前記半径が５ｍｍより大きいことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池素子。
【請求項１０】
前記封止材がｈ＜ｗであるような高さ／厚さｈ及び幅ｗ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燃料電池素子。
【請求項１１】
前記封止材が１/８≦ｈ/ｗ≦３/４であるような高さ／厚さ対幅比ｈ/ｗを有することを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物燃料電池素子。
【請求項１２】
前記素子が、前記電解質シートを支持しているフレーム及び、前記電解質シートの縁周に隣接して前記電解質シートと前記フレームとの間に配置された、前記電解質シートを前記フレームに封止している封止材をさらに有し、前記電解質シートが少なくとも１つの領域において前記封止材に被さるオーバーハング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燃料電池素子。
【請求項１３】
前記素子が０.１８ｍｍの最大撓み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燃料電池素子。
【請求項１４】
請求項１に記載の固体酸化物燃料電池素子を複数有する固体酸化物燃料電池スタックにおいて、電解質対電解質間隔が１ｍｍと１ｃｍの間であることを特徴とする固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１５】
請求項１に記載の固体酸化物燃料電池素子を複数有する固体酸化物燃料電池スタックにおいて、電解質対電解質間隔が１ｍｍと３ｍｍの間であることを特徴とする固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１６】
請求項１に記載の固体酸化物燃料電池素子を複数有する固体酸化物燃料電池スタックにおいて、体積電力密度Ｐｖが０.４２Ｗ/ｃｍ３より大きいことを特徴とする固体酸化物燃料電池スタック。
【請求項１７】
複数の固体酸化物燃料電池素子を有する固体酸化物燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池素子のそれぞれが電解質シート及び、前記電解質シートを挟み込んでいる、少なくとも１つの電極対を有し、素子実装密度ＤＰＤが３素子/ｃｍより大きいことを特徴とする固体酸化物燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には燃料電池素子に関し、さらに詳しくは、薄いジルコニア系電解質シートをその支持体に封止するために、熱起因機械的応力による素子破損を最小限に抑えるように、細長封止形状を用いるＳＯＦＣ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物燃料電池の利用は近年におけるかなりの量の研究の主題になっている。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の代表的なコンポーネントは、２つの電極の間に挟み込まれた、負荷電酸素イオン伝導電解質からなる。そのような電池においては、負極における、電解質を通して運ばれた酸素イオンと反応する燃料材料、例えば水素の酸化によって電流が発生する。酸素イオンは正極における酸素分子の還元によって形成される。
【０００３】
特許文献１は耐熱衝撃性固体酸化物燃料電池を形成するためのそのような組成の利用を説明している。特許文献２は改善された電極−電解質構造を有する固体電解質燃料電池を説明している。この構造は、薄い可撓性無機電解質シートの両側に接合された、複数の正電極及び負電極を組み込んでいる固体電解質シートを有する。一実施例は、電極は電解質シート上で連続層を形成しないが、代りに複数の離散領域または帯を定めることを示している。これらの領域は、電解質シートのバイアを通って延びる、それぞれの領域と接触する導電体によって電気的に接続される。バイアは導電材料で充満される（バイア相互接続）。
【０００４】
特許文献３は、薄く平滑な無機焼結シートを開示している。開示される焼結シートは、破断させずに曲げることができる強度及び可撓性を有し、広い温度範囲にわたる優れた安定性も有する。イットリア安定化ジルコニア,ＹＳＺ（Ｙ２Ｏ３-ＺｒＯ２）のような、開示される組成のいくつかは燃料電池用電解質として有用であろう。十分高い温度（例えば約７２５℃以上）において、ジルコニア電解質は良好なイオン伝導性及び極めて低い導電度を示す。特許文献１は耐熱衝撃性固体酸化物燃料電池を形成するためのそのような組成の使用を説明している。
【０００５】
しかし、高い動作温度及び急速な温度サイクルにより、ＳＯＦＣ素子は熱−機械的変形及び応力を受ける。そのような応力はＳＯＦＣ素子の動作信頼性及び寿命に強く影響する。電解質シートは、燃料と酸化剤ガスを分離しておくために、その支持構造に封止される。いくつかの場合、熱−機械的変形及び応力は燃料電池素子と封止材の間の界面に集中し、その結果、ＳＯＦＣ素子及び／または封止材の破損が生じ得る。薄い可撓性セラミックシートがＳＯＦＣ用途において電解質として利用される場合、電解質シートに初期破損がおこる公算が高い。温度勾配（及び熱サイクル）、膨張の不整合、剛性の不整合及びガス圧差による素子/封止材/フレーム相互作用は、封止材及び封止材に隣接する電解質シートの無支持領域において、応力増大をもたらし得る。さらに、大きく薄い電解質シートは、電解質シートのしわの破断により破壊されることがあり、破断は熱−機械的応力によって誘起される。
【０００６】
特許文献４もＳＯＦＣ素子電解質シートの応力関連割れの問題を説明している。特許文献４はパターン付電解質シートを開示し、パターンは環境によって誘起される歪を補償して、素子の破損に対する高められた耐性を与えるように構成される。しかし、代替及び／または追加の熱応力最小化手法も燃料電池素子の熱−機械的破損を克服するための緩和手段として役立ち得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５２７３８３７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２/０１０２４５０号明細書
【特許文献３】米国特許第５０８５４５５号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６/０００３２１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、燃料電池素子の熱−機械的破損の低減手段として役立つ熱応力最小化手法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様にしたがえば、固体酸化物燃料電池素子は、
（ａ）電解質シート、及び
（ｂ）電解質シートを挟み込んでいる少なくとも１つの電極対、
を有し、
電解質シートは長さ対幅のアスペクト比が１.０より大きい封止領域を有する。電解質シートは少なくとも２５０ｃｍ２であり、電解質シートの封止領域の長さ対幅比は少なくとも１.１以上であることが好ましく、少なくとも１.３であることがさらに好ましく、少なくとも２であることがさらに一層好ましく、３.５より大きいことが最も好ましい。電解質シートは、厚さ（高さ）がすくなくとも５０μｍ、幅が少なくとも１００μｍであり、コーナーが丸められた縁周を有する封止材によって、支持体またはフレームに封止されることが好ましい。丸められた封止材コーナーの半径は、少なくとも３ｍｍであることが好ましく、少なくとも５ｍｍであることがさらに好ましい。封止材高さｈは幅ｗより小さいことが好ましい。
【００１０】
本発明の一態様にしたがえば、固体酸化物燃料電池素子は、
（ａ）少なくとも１０個の正電極／負電極対を支持している、薄い可撓性ジルコニア系電解質シート、
（ｂ）電解質シートを支持しているフレーム、及び
（ｃ）電解質シートの縁周に隣接し、電解質シートとフレームの間に配置され、電解質シートをフレームに封止している、細長封止材、
を有する。電解質シート厚は１００μｍ未満であることが好ましく、３μｍから３０μｍであることがさらに好ましい。封止材の長さ対幅比は、封止領域の縁周にかけて、少なくとも１.３であることが好ましく、２より大きいことがさらに好ましく、３より大きいことがさらに一層好ましい。封止材の縁周は丸められているかまたは弧を描く形状を有することが好ましい。丸められた領域の半径は、少なくとも５ｍｍであることが好ましく、少なくとも５ｃｍであることがさらに好ましい。
【００１１】
細長く、滑らかな（弧を描く）封止材形状を利用する本発明の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）素子の一利点は、得られるＳＯＦＣ素子が、（ｉ）電解質シート／封止材界面における応力の低減及び（ii）封止材またはその近傍における電解質シートのしわの数及び振幅の低減により、改善された性能及び信頼性を有することである。本発明のこの実施形態にしたがえば、電解質シートの封止領域のアスペクト比は１.３：１と２０：１の間にあり、好ましくは１.５：１と１０：１の間、さらに好ましくは２：１と７：１の間にある。電解質シートの封止領域は、少なくとも２５０ｃｍ２であることが好ましく、少なくとも３００ｃｍ２であることがさらに好ましい。
【００１２】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者には説明から容易に明らかであろうし、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
【００１３】
上記の一般的説明及び以下の詳細な説明は、本発明の例示実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の性質及び特徴を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、既述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】例示燃料電池素子の簡略な上面図
【図１Ｂ】図１Ａの燃料電池素子の簡略な断面図
【図２Ａ】本発明の第１の実施形態の簡略な上面図
【図２Ｂ】図２Ａに示される素子の封止領域近傍における部分断面図
【図３】本発明の第２の実施形態の簡略な上面図
【図４】本発明の第３の実施形態の簡略な上面図
【図５Ａ】電解質シートの封止領域のアスペクト比の関数としての電解質シート撓みのグラフ
【図５Ｂ】電解質シートの封止領域のアスペクト比の関数としての最大主応力を示すグラフ
【図６Ａ】電解質シートの封止領域についての細長形状の一例である卵形の略図
【図６Ｂ】電解質シートの封止領域についての細長形状の別の例である楕円形の略図
【図６Ｃ】電解質シートの封止領域についての細長形状のまた別の例の略図
【図７】[素子実装密度]対[電解質シートの封止領域のアスペクト比]のグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１５】
添付図面に示されている、本発明の現在の例示実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、同じかまたは同様の要素を指すために全図面を通して同じ参照数字を用いる。
【００１６】
例示固体酸化物燃料電池素子が図１に示され、全図面を通して全体として参照数字１０で指定される。固体酸化物燃料電池素子１０は、（ａ）電解質２０，（ｂ）電解質上に配置された少なくとも一対の電極３０及び（ｃ）隣接セルの電極間の電気接続を提供するバイアコネクタ２２を有する。素子１０は、電解質２０に近接して配置されたフレーム５０のような支持コンポーネントによって支持及び収容される。電解質２０はジルコニア系シートとすることができ、以下の組成：酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）-，セリア（ＣｅＯ２）-，酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）-，及びＬＳＧＭ（酸化ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム）-，をベースとすることができる。本例においては、電解質シート２０が封止材６０によってフレームに封止される。燃料電池システムの始動／停止段階中及び動作中に、燃料電池素子１０及び封止材６０の熱−機械的応答が、以下の条件：（ｉ）図１に示されるように電解質２０及び封止材６０が正方形の断面を有する，及び／または（ii）電解質シート２０の面積が比較的大きい（例えば２５０ないし３００ｃｍ２より大きい），及び／または（iii）電解質シート２０が大きな撓みを有する公算が高い，の内の１つ以上が存在すれば、封止材及び／または封止材縁辺またはその近隣における電解質の割れを生じさせる公算が高い。電解質シートの面積が大きくなるほど、電解質シートが薄くなるほど、また可撓性が高くなるほど、電解質シート撓みが大きくなって、電解質及び／または封止材の破損がおこる可能性が高くなる。したがって、薄く、寸法が比較的大きい（面積が２５０ｃｍ２より大きく、３００ｃｍ２より大きく、特に４００ｃｍ２より大きい）電解質シートは、アスペクト比Ｌ：Ｗが、１：１より大きく、好ましくは１.３：１と２０：１の間、さらに好ましくは１.５：１と１０：１の間、さらに一層好ましくは２：１と８：１の間の、封止領域を有することが好ましい。すなわち、以下に説明される本発明の例示実施形態にしたがえば、封止材６０は、封止材に囲繞される電解質シートの長さＬがその幅Ｗより大きくなるような、細長形状を有する。封止材６０は、歪点が３５０〜９００℃の範囲にあることが望ましい軟質ガラス、またはガラスセラミック、セラミック、あるいは金属（例えばＣｕＡｇ系封止材）、またはセラミック−金属鑞材付封止ガラスでつくることができる。軟質ガラス封止材料の一例は、以下の組成：（ａ）（モル基準で）４.０％Ｌｉ２Ｏ，７.０％ＣａＯ，１８.０％ＳｒＯ，３.０％Ａｌ２Ｏ３，１０.０％Ｂ２Ｏ３及び５８.０％ＳｉＯ２のガラスフリット、及び（ｂ）（モル基準で）８.０％Ｙ２Ｏ３及び９２.０％ＺｒＯ２の８ＹＳＺフィラーを含む、アルカリ含有ホウケイ酸ガラス封止材である。ガラス-セラミックフリットの（モル基準の）組成のいくつかの例が下の表１に与えられる。
【表１−１】
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【表１−２】
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【００１７】
封止材６０の高さ（厚さ）ｈは１００μｍと４ｍｍの間であることが好ましく、封止材料の断面幅ｗは約１ｍｍから１２ｍｍである。ｈ＜ｗであることが好ましい。２ｈ≦ｗであることがさらに好ましい。
【００１８】
出願人等は、所望の強さの封止保護及び所望の長さの封止材寿命を達成するに必要な封止材６０の最小厚さｈがあることも見いだした。出願人等は、薄い５０μｍ厚の封止材（すなわち封止材高さｈ＝５０μｍ）を試験した。より薄い封止材（ｈ＜５０μｍ）では、素子の一体性を十分に保護することができず、熱−機械的応力により素子及び／またはフレームからの封止材の剥離がおこり得る。厚すぎる封止材では、燃料電池素子１０の熱膨張係数のため、熱サイクル中に割れが生じ得る。しかし、断面幅ｗが１ｍｍから１２ｍｍの、１００μｍ厚から４ｍｍ厚の封止材では、十分な密着が得られ、熱サイクル中のＣＴＥ不整合の効果が緩和（軽減）され、よって機械的破壊の可能性が低められる。封止材高（厚）ｈは３ｍｍ未満であることが好ましい。封止材６０の厚さｈが１ｍｍと２ｍｍの間であり、断面幅ｗが２ｍｍと１０ｍｍの間であることがさらに好ましい。
【実施例】
【００１９】
本発明は以下の実施例によってさらに明解に説明される。
【００２０】
実施例１：
図２Ａに示される固体酸化物燃料電池素子１０は図１に示される燃料電池素子１０と同様であるが、長方形電解質シート２０及び実質的に長方形の封止材形状を有する。さらに詳しくは、図２の燃料電池素子１０は、長方形イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）電解質シート２０を、少なくなくとも１つの正極３２及び１つの負極３４（図２Ａには示されていないが、例えば図１を参照されたい）を含む、電解質シート２０上に配置された複数の電極３０とともに有する。電解質シート２０は、以下の組成：酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）-，セリア（ＣｅＯ２）-，酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）-，ＬＳＧＭ（酸化ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム）-，をベースとすることもできる。長方形金属フレーム５０が長方形電解質シート２０及び電解質シート２０に取り付けられた電極３０を支持する。本実施形態において、固体酸化物燃料電池素子１０は、複数の正極３２−負極３４対を支持し、バイア相互接続２２で満たされた複数のバイアホールを有する、電解質シート２０を有する。本実施例では、フレーム５０は電気的機能を提供しない。図２Ｂは、図２Ａに示される燃料電池素子１０の電解質／封止材／フレームの部分断面を簡略に示す。
【００２１】
上述したように、本実施形態において、封止材６０は実質的に長方形であり、応力をさらに低減するために、丸められたコーナーをもつ。コーナーの半径（すなわち封止材境界半径）は少なくとも５ｍｍであることが好ましく、少なくとも１２ｍｍであることがさらに好ましい。例えば、１５ｍｍ，２０ｍｍ，２５ｍｍ，３０ｍｍ，４０ｍｍ，５０ｍｍ，５５ｍｍ，６０ｍｍ，６５ｍｍ，７０ｍｍ，７５ｍｍまたは８０ｍｍの境界半径を用いることもできる。出願人等は、境界半径ｒが大きく（特に、封止領域幅ｗ＞１０ｃｍの電解質シートに対して５ｍｍより大きく）なるにしたがって、電解質シート２０の性能／信頼性が向上することを見いだした。本実施形態において、封止電解質領域のアスペクト比（Ｌ：Ｗ比）は約２.５：１であるが、他のアスペクト比、例えば１.２：１，１.３：１，１.４：１，１.５：１，２：１，２.５：１，３：１，３.５：１，４：１，４.５：１，５：１、７：１、１０：１、１２：１、１５：１、１８：１及び２０：１も用いることができる。本実施形態において、電解質シート２０のコーナーは封止材６０に被さって、電解質シートコーナー領域における（電解質の処理及び／またはその後の熱−機械的処理／サイクルによって生じる）しわの振幅を減少させ、よってＳＯＦＣ素子破損の可能性をさらに低める、オーバーハング領域（図２Ｂ，距離Ｏを参照のこと）を形成する。オーバーハング内の最大距離Ｏは少なくとも２ｍｍであることが好ましく、少なくとも５ｍｍであることが好ましい。フレーム５０及び電解質シート２０は同等の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有することが好ましい。すなわち、ジルコニア系の電解質シートのＣＴＥは１１.４×１０−６/℃であるから、フレーム５０のＣＴＥは１０×１０−６/℃から１３×１０−６/℃の範囲にあることが好ましい。フレーム５０のＣＴＥは１１×１０−６/℃から１２×１０−６/℃の範囲にあることがさらに好ましく、１１.２×１０−６/℃から１１.７×１０−６/℃の範囲にあることが最も好ましい。本実施例において、金属フレーム５０はＣＴＥが１１.６×１０−６/℃のステンレス鋼４４６からつくられている。下の表２は、これらの材料のいくつかについてのＣＴＥを与える。
【表２】
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【００２２】
ステンレス鋼フレーム５０が６２５℃より高温にさらされると、電解質シート２０と封止材６０の間の界面は熱−機械的応力を受ける。電解質シートは薄い、例えば４５μｍより薄く、好ましくは３μｍと３０μｍの間である、ことが好ましい。薄い可撓性電解質シートが撓むと、電解質シート取付界面における熱−機械的応力が高まる。撓み及び応力の大きさは、電解質面積が大きくなるにしたがって増大する。しかし、封止材縁周のアスペクト比（長さＬ対幅Ｗ）が大きくなると（ここで、Ｌ/Ｗ＞１）、電解質シート撓みの大きさが最小限に抑えられる。したがって、Ｌ/Ｗ＞１のＳＯＦＣ素子の（封止材縁周における）取付界面での応力は、Ｌ/Ｗが１の燃料電池素子に比較し、ガス圧差に応じて小さくなる。封止材６０は丸められたコーナーを有するから、応力は封止材縁辺に沿って比較的均等に分散され、封止材６０及び／または電解質シート２０の破損が最小限に抑えられる。したがって、電解質シート２０の封止領域の、幅Ｗに対して、比較的長い長さＬ及び丸められた封止材コーナーにより、熱−機械的応力が最小限に抑えられ、封止材及び／または、封止材縁周またはその近隣での、電解質シートの破損の可能性が低められ、よってＳＯＦＣ素子の寿命が延び、信頼性が高められる。
【００２３】
さらに、図２Ｂは、幅ｗが高さｈより大きい（ｈ＜Ｗの）、封止材６０を示す。封止材は、短くなるほど、また幅が広くなるほど、破損がおきにくくなり、また接合面積が広くなり、したがって封止材破損及び／または封止材に隣接する領域における電解質破損の公算が低くなる。したがって、１.５ｈ＜ｗ＜１０ｈであることが好ましく、２ｈ＜ｗ＜８ｈであることがさらに好ましい。本例示実施形態では、図２Ｂに示されるように、ｗ≒３ｈである。
【００２４】
実施例２：
本発明の別の実施形態が図３に簡略に示される。図３に示される燃料電池素子も長方形フレーム５０上に取り付けられた長方形電解質シート２０を用いる。しかし封止材６０の縁周形状が異なる。図３の封止材６０は「レーストラック」形状を有する。すなわち、図３の封止材６０は、互いに平行な比較的直線の２つの側辺及び弧を描く（例えば半円の）２つの側辺を有する。例えば、封止材６０の弧部分の境界半径ｒは５ｃｍと２０ｃｍの間（５０ｍｍ≦ｒ≦２００ｍｍ）である。本例示実施形態において、封止材境界半径はｒ＝８ｃｍである。この封止材形状には、封止材６０の縁周に沿うより良い（より均等な）応力分散が可能になるから、図２に示される形状よりも優る傾向がある。封止材６０は弧形状（例えば実質的に丸められた領域）を有し、電解質シートのコーナーは丸められた封止領域に実質的に重なるから、応力は封止材縁辺に沿って均等に分散され、熱サイクルによって生じる電解質シートのしわの振幅はさらに小さくなる。封止材縁周と電解質シート２０のコーナーの間の重なりＯは実施例１の実施形態のＯより大きく、よって電解質コーナー領域におけるしわの振幅がさらに小さくなる。
【００２５】
すなわち、電解質シート２０の、封止領域の幅Ｗに対して、封止領域の比較的長い長さＬが、封止材の丸められたコーナー（及びコーナーにおける電解質シートオーバーハングＯ）とともに、熱−機械的応力の最小化及び、封止材破損及び／または封止材縁周またはその近隣における電解質シートの破損の確率の低下に寄与し、したがってＳＯＦＣ素子の長寿命化及び信頼性向上に寄与する。本例示実施形態においては、先の実施形態と同様に、封止材幅ｗが封止材高ｈより大きい。封止材形状は１/８≦ｈ/ｗ≦３/４であるようなｈ/ｗ比を満たす。例えば、ｈ/ｗは、０.１２５，０.１５，０.２，０.２５，０.３，０.３５，０.４，０.４５，０.５，０.６または０.６６とすることができる。
【００２６】
実施例３：
本発明のまた別の実施形態が図４に簡略に示される。図４の燃料電池素子は図３に示される素子と同様である。封止材６０の縁周形状は図３に示される形状と同等である。しかし、本実施形態においては、電解質シート２０と封止材６０が実質的に重なり、いずれもが互いに平行な比較的直線の２つの側辺及び弧を描く（例えば半円の）２つの側辺を有する。さらに、電解質シート２０と封止材６０がともにほぼ同等の弧形状を有するから、電解質シートの熱−機械的付加に応答する電解質シートのしわの数がさらに減少する。したがって、この封止材／電解質シート形状には、電解質シートの熱サイクルによって生じるしわが少なくなるという利点がある。
【００２７】
解析
図５Ａは、面積は同じであるが、アスペクト比の異なる、（図２に示される素子に相当する）長方形電解質シートについて、さらに（アスペクト比も１：１の）丸（円形）電解質シート／封止材組合せについても、最大電解質シート撓みを示すグラフである。２つのモデルセットを用いた。上の曲線は、Ｐが１５.５ｋＰａの、（燃料及び酸化剤）ガス圧差Ｐに対応する。下の曲線は、Ｐが３.１ｋＰａの、ガス圧差Ｐに対応する。いずれの曲線も、アスペクト比の増大にともなう明白な低下傾向を示す。すなわち、図５ＡはＬ/Ｗ比（アスペクト比）が大きくなるにつれて長方形電解質シートの撓みが小さくなることを示す。図５Ａは、断面が円形の電解質シートは正方形電解質シート（すなわち、アスペクト比が１の長方形シート）より若干大きく撓むことも示す。
【００２８】
図５Ｂは、面積は同じであるがアスペクト比が異なる、長方形電解質シートの側辺に沿う電解質シート２０の最大主応力（ＭＰａ）を、丸（円形）電解質シートのＭＰａとともに示すグラフである。このグラフは３.１ｋＰａのガス圧差Ｐに対応する。図５Ｂは、Ｌ/Ｗ比（アスペクト比）が大きくなるとともに長方形電解質シートの最大主応力（ＭＰａ）が小さくなることを示す。図５Ｂは、断面が円形の電解質シートは正方形電解質シートよりかなり低い応力を受けることも示す。
【００２９】
すなわち、図５Ａ及び５Ｂは、アスペクト比Ｌ/Ｗが１より大きい細長封止材形状及び／または細長電解質シートの実施により、与えられた組合せの動作変数及び材料選択に対して撓み及び封止材／取付界面における応力のいずれもが低減されることを示す。撓みの減少及び封止材界面における最大応力の低下のいずれの傾向も、２５℃〜９００℃の範囲のいずれの燃料電池素子動作温度に対しても有益である。図５Ａ及び５Ｂは、丸い封止材／取付形状が応力の低減に有効であるが、電解質シート２０の撓みが大きくなるという犠牲を要することも示す。
【００３０】
丸められた形状及び高められたアスペクト比の有益な効果の複合は丸められた細長封止材／電解質シート取付形状を与えるために丸と長方形の幾何学的構造を組み合せることで利用することができる。連続弧が封止材及び／または電解質シート２０の取付縁辺に沿って撓み及び応力を均等に分散させるに好適であることに注意されたい。弧状の封止材／取付縁の使用をアスペクト比がより大きな封止材／取付縁の使用とともに実施することによって、図６Ａ〜６Ｃに示される連続封止材／取付線のような、連続封止材／取付線が得られる。連続封止材取付縁には特定の撓み及び応力緩和要件にしたがう（楕円形、放物線形等のような）半径が一定ではない形状も含まれることに注意することが重要である。電解質シートの封止領域または封止材６０についての卵形、楕円形またはその他の細長形状の例が図６Ａ〜６Ｃに示される。
【００３１】
代表的なプレーナ型ＳＯＦＣスタック（すなわち多素子スタック）において、燃料電池間隔は第一義的に、素子の材料厚、電気的相互接続構造及びガス導流構造（例えば双極プレート）によって規定される。縁周取付及び／または封止型のセル及び／または素子からなるようなＳＯＦＣスタックでは、隣の素子との間で２つのセル／素子／電極、及び／または電解質シートが物理的に接触しないように、素子間隔の一部としてセル／素子の変形も考慮されるべきである。この要件により、ガスの不平等分配及び電気的短絡の発生が防止される。したがって、セル及び／または素子の最大間隔は、負荷条件下におけるセル／素子の最大撓みによって決定される。上述したばかりのように、ＳＯＦＣスタック（１×ｎアレイ）におけるセル／素子の間隔は負荷条件下のセル／素子の最大撓みによってある程度定められる。この間隔から、スタックの総体積電力密度（Ｐｖ）も（ある程度）決定される。素子実装密度は、
【数１】
2009545851.tif 000006
【００３２】
と定義され、ここでＵ最大＝最大素子撓み（ｃｍ）であって、
【数２】
2009545851.tif 000007
【００３３】
と表される。ここで、ａ及びｂは（燃料と酸化剤の間の）ガス圧差に依存する定数であり、（Ｌ/Ｗ）は素子または電解質シートの封止領域の幅に対する長さの比である（本明細書ではアスペクト比と称される）。
【００３４】
素子間隔の関数としてのスタックの体積電力密度の簡単な式は、
Ｐｖ＝Ｐａ×ＤＰＤ          （１）
であり、ここで、
Ｐｖ＝体積電力密度（Ｗ/ｃｍ３），
Ｐａ＝活性領域電力密度（Ｗ/ｃｍ２）：すなわち、燃料電池素子の活性領域（電極の面積）で発生される電力、
である。
【００３５】
図７は、Ｕ最大，ＤＰＤ及びアスペクト比の間の関係を示す。さらに詳しくは、図７はアスペクト比が大きくなるにしたがって、最大撓みが減少し、ＤＰＤが大きくなることを示す。すなわち、ＤＰＤ（したがって、体積電力密度Ｐｖ）は、アスペクト比が大きくなるにしたがって大きくなる。素子撓みが減少すれば、燃料電池スタックにおける素子間隔を詰めて、与えられたスペース内により多くの素子を入れることが可能である。電解質シート２０の厚さは４５μｍ未満であることが好ましく、３０μｍ未満であることがさらに好ましい。素子（電解質＋電極）厚は１５０μｍ未満であることが好ましく、１００μｍ未満であることがさらに好ましい。素子１０の封止面積は２５０ｃｍ２より大きいことが好ましい。本例においては３００ｃｍ２である。素子１０（及び／または電解質シート２０）の最大撓みは０.１８ｃｍ未満であることが好ましく、０.１５ｃｍ未満であることがさらに好ましく、０.１２ｃｍ未満であることがさらに一層好ましい。この結果、素子間の電解質対電解質間隔が１ｍｍと１ｃｍの間、さらに好ましくは１ｍｍと３ｍｍの間の、複数の燃料電池素子からなる固体酸化物燃料電池スタックが得られる。電解質シートの封止領域のアスペクト比Ｌ/Ｗは２より大きいことが好ましく、＞３であることがさらに好ましく、＞３.５であることがさらに一層好ましい。燃料電池スタックのＤＰＤは３素子/ｃｍより大きいことが好ましく、３.５素子/ｃｍと１０素子/ｃｍの間であることがさらに好ましく、５素子/ｃｍより大きいことが最も好ましい。
【００３６】
例えば、活性領域電力密度が０.１５Ｗ/ｃｍ２であり、アスペクト比が０.１７８ｃｍのＵ最大に相当する１.１であれば、達成可能な最大体積電力密度Ｐｖは０.４２Ｗ/ｃｍ３である。アスペクト比を０.０７ｃｍのＵ最大に相当する約５に変えれば、達成可能な最大体積電力密度Ｐｖは１.０７Ｗ/ｃｍ３になる。同様に、活性領域電力密度が０.３Ｗ/ｃｍ２であり、アスペクト比が０.１７８ｃｍのＵ最大に相当する１.１であれば、達成可能な最大体積電力密度Ｐｖは０.８４Ｗ/ｃｍ３である。アスペクト比を０.０７ｃｍのＵ最大に相当する約５に変えれば、達成可能な最大体積電力密度Ｐｖは２.１４Ｗ/ｃｍ３になる。活性領域電力密度が０.５Ｗ/ｃｍ２であり、アスペクト比が１.１及び５であれば、Ｐｖはそれぞれ、１.４０Ｗ/ｃｍ３及び３.５７Ｗ/ｃｍ３である。活性領域電力密度Ｐａが１Ｗ/ｃｍ２の場合、Ｐｖは、１.１及び５のアスペクト比に対応してそれぞれ、２.８１Ｗ/ｃｍ３及び７.１４Ｗ/ｃｍ３である。すなわち、これらの実施形態に対する例示Ｐｖ値は、０.５Ｗ/ｃｍ３，０.７５Ｗ/ｃｍ３，１Ｗ/ｃｍ３，２Ｗ/ｃｍ３，３Ｗ/ｃｍ３，４Ｗ/ｃｍ３，５Ｗ/ｃｍ３，６Ｗ/ｃｍ３及び７Ｗ/ｃｍ３である。Ｐｖは０.５Ｗ/ｃｍ３より大きいことが好ましく、Ｐｖは０.７５Ｗ/ｃｍ３より大きいことがさらに好ましく、Ｐｖは１Ｗ/ｃｍ３より大きいことがさらに一層好ましい。Ｐｖは５Ｗ/ｃｍ３より大きいことがさらに一層好ましく、Ｐｖは７Ｗ/ｃｍ３より大きいことが最も好ましい。
【００３７】
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。
【符号の説明】
【００３８】
１０    固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）素子
２０    電解質
２２    バイアコネクタ
３０    電極対
３２    正極
３４    負極
５０    フレーム
６０    封止材
【図１Ａ】
2009545851.tif 000008
【図１Ｂ】
2009545851.tif 000009
【図２Ａ】
2009545851.tif 000010
【図２Ｂ】
2009545851.tif 000011
【図３】
2009545851.tif 000012
【図４】
2009545851.tif 000013
【図５Ａ】
2009545851.tif 000014
【図５Ｂ】
2009545851.tif 000015
【図６Ａ】
2009545851.tif 000016
【図６Ｂ】
2009545851.tif 000017
【図６Ｃ】
2009545851.tif 000018
【図７】
2009545851.tif 000019
【国際調査報告】
2009545851.tif 000020
2009545851.tif 000021
2009545851.tif 000022
2009545851.tif 000023
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