(57)【要約】【課題】シール部の最終破壊を遅延させることが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１は、電解質に固体電解質を用いる単セル２と、単セル２の周辺に配置される金属部材３と、シール材料より構成されており、単セル２と金属部材３との間をガスシールするシール部４と、破壊形態遷移部５と、を有している。破壊形態遷移部５は、金属部材３とシール部４との界面からの剥がれによる界面破壊の途中で当該界面破壊からシール材料によるシール材料破壊となるよう破壊形態を変化させる部位である。破壊形態遷移部５は、金属部材３を貫通する貫通穴３１と、貫通穴３１に入り込んだシール材料の一部（４０）と、を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質に固体電解質を用いる単セル（２）と、
上記単セルの周辺に配置される金属部材（３）と、
シール材料より構成されており、上記単セルと上記金属部材との間をガスシールするシール部（４）と、
上記金属部材と上記シール部との界面からの剥がれによる界面破壊の途中で当該界面破壊から上記シール材料によるシール材料破壊となるよう破壊形態を変化させる破壊形態遷移部（５）と、
を有する、燃料電池（１）。
【請求項２】
上記破壊形態遷移部は、上記金属部材を貫通する貫通穴（３１）と、上記貫通穴に入り込んだシール材料の一部（４０）と、を有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
上記シール部側とは反対側の上記金属部材の面に、上記貫通穴に入り込んだシール材料の一部が露出してなるシール露出部（４１）を有する、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
上記シール露出部の最大径が、上記貫通穴の最小穴径以上である、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
上記貫通穴は、穴周縁に突起部（３１１）を有しており、
上記突起部は、先端部が上記シール部側となるように配置されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
上記単セルを支持する支持体（６）をさらに備え、
上記金属部材は、上記単セルの外周縁を上記支持体に固定するための固定部材である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電解質に固体電解質を用いる燃料電池として、固体酸化物形燃料電池が知られている。例えば、特許文献１には、単セルと金属製セパレータとを、ガラス系シール材料や特定のロウ材などによってシールした固体酸化物形燃料電池が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−４９３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電解質として固体電解質を用いる燃料電池では、単セルと金属部材との間のガスシールに、通常、ガラス系シール材料が用いられる。ガラス系シール材料より構成されるシール部は、母材強度に優れる。しかし、ガラス系シール材料より構成されるシール部は、シール部と金属部材との界面において金属部材をシール部から引き剥がすように作用する引き剥がし力に対して、極めて弱い。燃料電池の高負荷発電や短時間での起動停止時等には、セル面内に発生する温度分布によって不均一な歪みが生じ、これによって電池部品に反りが生じ、上述した引き剥がし力が生じやすい。このような引き剥がし力が生じると、金属部材とシール部との界面からの剥がれによる界面破壊が止まることなく進展し、シール部が最終破壊に達することでガスシール性が失われる。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、シール部の最終破壊を遅延させることが可能な燃料電池を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、電解質に固体電解質を用いる単セル（２）と、
上記単セルの周辺に配置される金属部材（３）と、
シール材料より構成されており、上記単セルと上記金属部材との間をガスシールするシール部（４）と、
上記金属部材と上記シール部との界面からの剥がれによる界面破壊の途中で当該界面破壊から上記シール材料によるシール材料破壊となるよう破壊形態を変化させる破壊形態遷移部（５）と、
を有する、燃料電池（１）にある。
【発明の効果】
【０００７】
上記燃料電池は、上記構成を有している。そのため、上記燃料電池では、電池部品に反りが生じ、金属部材をシール部から引き剥がすように引き剥がし力が生じた場合において、引き剥がし力が引き剥がし強度を超えると、最初に、シール部と金属部材との界面端部から界面破壊が生じる。そして、界面破壊が進行していく、つまり、界面をき裂が進展していくと、途中で、き裂の先端が破壊形態遷移部に達し、界面破壊が一旦終了する（破壊形態遷移部において金属部材の剥がれが一旦止まる）。そして、シール部を構成するシール材料の許容応力値までは、巨視的なき裂の進展が止まり続け、シール部にかかる応力がシール材料の許容応力値を超えると、シール材料破壊が生じる。このように、上記燃料電池では、最初に生じた界面破壊が連続的に進んで最終破壊に至ってしまうことがなく、途中で、シール材料破壊が生じる。シール材料のシール材料破壊強度は、シール部と金属部材との間における界面破壊強度に比べて高い。そのため、上記燃料電池によれば、破壊形態遷移部を有さず、シール部において最初に生じた界面破壊のまま最終破壊に至ってしまう燃料電池に比べ、シール部の最終破壊を遅延させることが可能になる。
【０００８】
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態１の燃料電池のセル面内方向に垂直な断面を模式的に示した説明図である。
【図２】実施形態１の燃料電池を単セルのカソード側から見て模式的に示した説明図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面を模式的に示した説明図である。
【図４】実施形態２の燃料電池を図２に対応させて模式的に示した説明図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面を模式的に示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施形態１）
実施形態１の燃料電池について、図１〜図３を用いて説明する。図１〜図３に例示されるように、本実施形態の燃料電池１は、単セル２と、金属部材３と、シール部４と、破壊形態遷移部５と、を有している。
【００１１】
単セル２では、電解質として固体電解質が用いられる。単セル２は、具体的には、図１に示されるように、固体電解質層２０の一方面にアノード２１および他方面にカソード２２が配置された構成を有している。つまり、単セル２は、電解質として固体電解質を用いる固体電解質型の燃料電池である。本実施形態では、固体電解質層２０を構成する固体電解質として、具体的には、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックスが用いられる。固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と称される。
【００１２】
本実施形態では、単セル２は、図１に示されるように、平板形の電池構造を有している。固体電解質層２０の材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア等の酸化ジルコニウム系酸化物などが挙げられる。アノード２１の材料としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ等の触媒と、上記酸化ジルコニウム系酸化物とを含む混合物などが挙げられる。カソード２２の材料としては、例えば、ランタン−ストロンチウム−コバルト系酸化物等の遷移金属ペロブスカイト型酸化物と、セリアやセリア系固溶体とを含む混合物などが挙げられる。なお、単セル２は、固体電解質層２０とカソード２２との間に中間層（不図示）を有していてもよい。中間層は、主に、固体電解質層材料とカソード材料との反応を抑制するための層である。中間層の材料としては、例えば、セリアやセリア系固溶体などが挙げられる。
【００１３】
本実施形態では、燃料電池１は、単セル２を支持する支持体６をさらに備えている。支持体６は、具体的には、金属板材より構成することができる。支持体６は、図１に示されるように、単セル２におけるアノード２１の表面を支持するセル支持面部６０を有する構成とすることができる。セル支持面部６０は、後述する燃料ガス流路８１と連通する複数の連通孔６１を有している。この構成によれば、セル支持面部６０によって単セル２を確実に支持しつつ、複数の連通孔６１を通じてアノード２１表面に燃料ガスＦを供給することできる。なお、図示はしないが、支持体６は、他にも、開口部を有する枠状に形成されており、その開口部の外周縁にて単セル２を支持するよう構成することもできる。
【００１４】
金属部材３は、単セル２の周辺に配置されている。また、シール部４は、単セル２と金属部材３との間、具体的には、単セル２と金属部材３との間に形成される隙間４０をガスシールするためのものである。したがって、金属部材３は、単セル２の周辺に配置されて、単セル２に接するシール部４に接している金属製の部材であるということができる。本実施形態では、具体的には、金属部材３は、単セル２の外周縁を支持体６に固定するための固定部材である。この種の固定部材は、リテーナ部材と称されることがある。
【００１５】
なお、図１では、単セル２は、固体電解質層２０の外形よりも小さい外形に形成されたカソード２２を有しており、固体電解質層２０のカソード２２側の外周縁表面と金属部材３との間を、シール部４がガスシールしている例が示されている。単セル２が上述した中間層を有している場合には、シール部４は、中間層のカソード２２側の外周縁表面と金属部材３との間をガスシールする構成とすることができる。また、図２では、カソード２２側から単セル２の厚み方向に沿って見たとき、シール部４が、カソード２２の外周を取り囲むように配置されている例が示されている。また、金属部材３と支持体６とは溶接されている。
【００１６】
金属部材３を構成する金属材料としては、例えば、フェライト系ステンレス鋼、耐熱Ｃｒ合金、耐熱ＮｉＣｒ合金、オーステナイト系ステンレス鋼などが挙げられる。なお、支持体６を構成する金属板材の材料も同様の金属材料を使用することができる。
【００１７】
単セル２の外周縁を支持体６に固定するための固定部材としての金属部材３と単セル２との間の隙間４０をガスシールするシール部４には、金属部材３と単セル２の熱膨張係数の違いに起因して、単セル２のセル面内方向の伸びによるせん断応力が発生しやすい。そのため、図３に例示されるシール部４と固定部材としての金属部材３との界面端部Ａから界面破壊が生じやすい。しかし、このような場合であっても、燃料電池１によれば、シール部４の最終破壊を遅延させることが可能になる。
【００１８】
シール部４は、シール材料より構成されている。シール材料としては、例えば、ガラス系シール材、金属ロウ材などを例示することができる。
【００１９】
破壊形態遷移部５は、金属部材３とシール部４との界面からの剥がれによる界面破壊の途中で当該界面破壊からシール材料によるシール材料破壊となるよう破壊形態を変化させる部位である。なお、上記界面破壊では、金属部材３とシール部４との界面をき裂が進展することで、金属部材３とシール部４との剥離が生じる。また、上記シール材料破壊では、シール部４中をき裂が進展することで、シール部４自体の破壊が生じる。
【００２０】
燃料電池１は、上記構成を有している。そのため、燃料電池１では、電池部品に反りが生じ、金属部材３をシール部４から引き剥がすように引き剥がし力が生じた場合において、引き剥がし力が引き剥がし強度を超えると、最初に、シール部４と金属部材３との界面端部Ａから界面破壊が生じる。そして、界面破壊が進行していく、つまり、界面をき裂が進展していくと、途中で、き裂の先端が破壊形態遷移部５に達し、界面破壊が一旦終了する（破壊形態遷移部５において金属部材３の剥がれが一旦止まる）。そして、シール部４を構成するシール材料の許容応力値までは、巨視的なき裂の進展が止まり続け、シール部４にかかる応力がシール材料の許容応力値を超えると、シール材料破壊が生じる。このように、燃料電池１では、最初に生じた界面破壊が連続的に進んで最終破壊に至ってしまうことがなく、途中で、シール材料破壊が生じる。シール材料のシール材料破壊強度は、シール部４と金属部材３との間における界面破壊強度に比べて高い。そのため、燃料電池１によれば、破壊形態遷移部５を有さず、シール部４において最初に生じた界面破壊のまま最終破壊に至ってしまう燃料電池に比べ、シール部４の最終破壊を遅延させることが可能になる。
【００２１】
破壊形態遷移部５は、具体的には、金属部材３を貫通する貫通穴３１と、貫通穴３１に入り込んだシール材料の一部４０と、を有する構成とすることができる。金属部材３に貫通穴３１を形成することは、ガスリーク箇所を増やすことにつながるため、通常であれば、このような貫通穴３１を金属部材２に形成することはない。しかし、上記構成によれば、金属部材３に貫通穴３１を形成し、この貫通穴３１にシール部４のシール材料を入り込んだ状態（貫通穴３１にシール材料が充填された状態ということもできる）とすることで、ガスリークを抑制しつつ、シール部４の最終破壊を遅延させることが可能になる。なお、このような構造は、単セル２と金属部材３の間の隙間４０にシール材料を配置した後、熱処理し、シール材料を溶融、流動させて一部を貫通穴３１内に入れることなどによって形成することができる。
【００２２】
なお、貫通穴３１の形状は特に限定されない。また、金属部材３は、少なくとも１つ貫通穴３１を有することができる。本実施形態では、図２に例示されるように、金属部材３が複数の貫通穴３１を有している例が示されている。また、カソード２２の外周を取り囲むようにシール部４が配置されており、かつ、金属部材３が複数の貫通穴３１を有している場合、複数の貫通穴３１は、カソード２２の外周を取り囲むように配置することができる。この構成によれば、カソード２２の外周のいずれの位置から界面破壊が生じた場合でも、破壊形態遷移部５の機能を発現させやすい。
【００２３】
燃料電池１は、図３に例示されるように、シール部４側とは反対側の金属部材３の面に、貫通穴３１に入り込んだシール材料の一部４０が露出してなるシール露出部４１を有する構成とすることができる。この構成によれば、金属部材３をシール部４から引き剥がす引き剥がし力がシール材料の一部４０に負荷されやすくなり、上述した作用効果を確実なものとしやすくなる。この際、シール露出部４１が貫通穴３１から突出した状態とされている場合には、上述した作用効果をより確実なものとしやすくなる。なお、図２では、シール材料、シール露出部４１は省略されている。
【００２４】
また、シール露出部４１の最大径は、貫通穴３１の最小穴径以上、より好ましくは、貫通穴３１の最小穴径より大きい構成とすることができる。この構成によれば、引き剥がし力が作用した場合に、シール露出部４１が貫通穴３１をすり抜けてしまうのを抑制しやすくなる。その結果、シール部４と金属部材３との間のピール強度（剥離強度）が向上する。そのため、この構成によれば、シール部４の最終破壊を遅延させやすい燃料電池１が得られる。
【００２５】
貫通穴３１は、穴周縁に突起部３１１を有しており、突起部３１１は、先端部がシール部４側となるように配置されている構成とすることができる。この構成によれば、突起部３１１の先端部がシール部４を構成するシール材料に食い込んだ状態となる。その結果、シール部４と金属部材３との間のピール強度が向上する。そのため、この構成によれば、シール部４の最終破壊を遅延させやすい燃料電池１が得られる。
【００２６】
本実施形態では、図３に例示されるように、突起部３１１は、具体的には、穴周縁に形成されたバリより構成することができる。この構成によれば、金属部材３に打ち抜き加工（パンチング加工）等によって貫通孔３１１を形成した際に形成されるバリを、突起部３１１としてそのまま利用することができる。そのため、この構成によれば、貫通穴３１の形成時にバリ取り加工しなくても済むため、燃料電池１の製造性を向上させることができる。
【００２７】
本実施形態では、支持体６に支持された単セル２が金属部材３にて固定された状態の燃料電池１と、セパレータ７とを交互に積層することにより、セルスタックを構成することができる。なお、アノード２１に燃料ガスＦを供給するための燃料ガス流路８１は、支持体６とセパレータ７との間に形成することができる。また、カソード２２に酸化剤ガス（不図示）を供給するための酸化剤ガス流路（不図示）は、カソード２２とセパレータ７（図１ではカソード２２側のセパレータ７は不図示）との間に形成することができる。
【００２８】
（実施形態２）
実施形態２の燃料電池について、図４、図５を用いて説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
【００２９】
図４、図５に例示されるように、本実施形態の燃料電池１において、貫通穴３１は、穴周縁に突起部３１１を有しており、突起部３１１は、先端部がシール部４側となるように配置されている。
【００３０】
本実施形態では、図４、図５に例示されるように、突起部３１１は、具体的には、穴周縁に形成された突片より構成することができる。突片は、例えば、金属部材３に形成した切込み（例えば、「コ」の字状、「Ｕ」の字状、「Ｖ」の字状などの切込み）をシール部３側へ起こす切り起こし加工等によって比較的簡易に形成することができる。この構成によれば、突起部３１１がバリによって構成されている場合に比べ、突起部３１１の先端部の方向をシール部４側における所望の方向に自由に向けやすい。また、図４、図５に例示されるように、突起部３１１の先端部をカソード２２側に向けるように構成した場合には、シール部４と金属部材３との間のピール強度を向上させやすくなる。その他の構成および作用効果は、実施形態１と同様である。
【００３１】
本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  燃料電池
２  単セル
３  金属部材
４  シール部
５  破壊形態遷移部
【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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