(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池内における不均一な温度分布に起因する熱応力によって発電膜等が破損することのないようにする。【解決手段】固体酸化物形燃料電池は、発電膜１１とインターコネクター１５とを有しており、発電膜の両面には凹凸部が形成され、発電膜は一方面に燃料電極を有し他方面に酸素電極を有している。インターコネクターは発電膜をその両面側から挟み、凹凸部の凸部で発電膜に接合されている。インターコネクターの強度は発電膜の強度よりも強く、発電膜の線熱膨張係数とインターコネクターの線熱膨張係数とを異ならせて、引っ張り応力が作用する部分で、インターコネクターの線熱膨張係数を発電膜の線熱膨張係数よりも小さくし、圧縮応力が作用する部分で、インターコネクターの線熱膨張係数を発電膜の線熱膨張係数よりも大きくする。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に凹凸部が形成され、前記両面の一方面に燃料電極を有し、前記両面の他方面に酸素電極を有する発電膜と、前記発電膜を前記両面側から挟み、前記凹凸部の凸部で前記発電膜に接合されたインターコネクターとを有する固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクターの強度は、前記発電膜の強度よりも強く、
前記発電膜の線熱膨張係数と前記インターコネクターの線熱膨張係数とを異ならせて、
引っ張り応力が作用する部分で、前記インターコネクターの線熱膨張係数を前記発電膜の線熱膨張係数よりも小さくし、
圧縮応力が作用する部分で、前記インターコネクターの線熱膨張係数を前記発電膜の線熱膨張係数よりも大きくしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記インターコネクターの成分調整を行って、前記インターコネクターの線熱膨張係数を変化させるようにした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】
両面に凹凸部が形成され、前記両面の一方面に燃料電極を有し、前記両面の他方面に酸素電極を有する発電膜と、前記発電膜を、シール部材を介して前記両面側から挟み、前記凹凸部の凸部で前記発電膜に接合されたインターコネクターとを有する固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクターの強度は前記発電膜の強度よりも強く、
前記シール部材の強度は前記インターコネクターの強度よりも強く、
前記発電膜の線熱膨張係数と前記シール部材の線熱膨張係数とを異ならせて、
引っ張り応力が作用する部分で、前記シール部材の線熱膨張係数を前記発電膜の線熱膨張係数よりも小さくし、
圧縮応力が作用する部分で、前記シール部材の線熱膨張係数を前記発電膜の線熱膨張係数よりも大きくしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に関し、特に、ＳＯＦＣの発電部で生じる発熱に起因する熱応力を低減して、熱応力による破損を防止することのできる固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＯＦＣは、発電膜を備えており、この発電膜は、主として、略全面的に凸ディンプル部と凹ディンプル部が形成された固体電解質を有し、固体電解質の片面に燃料電極、他方の面に酸素電極が備えられる（例えば、凸ディンプル部が燃料電極、凹ディンプル部が酸素電極とされる）。
【０００３】
ＳＯＦＣは、このような発電膜を複数備えて、インターコネクターによって各発電膜が挟持されて、シール材で囲まれている。そして、燃料ガス流路に燃料ガスを流し、酸素流路に酸素又は空気を流して、発電が行われる。
【０００４】
ところで、ＳＯＦＣにおいて、供給されたガス（燃料ガス又は酸素を含む空気）が発電膜内で均一に拡がらず、流れの分布が生じることがあり、その結果、発電の際、ＳＯＦＣには、不可避的に流れにより熱が輸送される部分と輸送が少ない部分が生じる。
【０００５】
このように、温度の不均一性が生じると、同一平面内における発電膜及びインターコネクターの温度勾配が大きくなって、温度勾配に起因する熱応力が大きくなる。一方、発電膜とインターコネクターとは部分的に接続されており、前述のように熱応力が大きくなると、特に、インターコネクターに比べて強度の弱い発電膜に割れ等の破損が発生することがある。
【０００６】
従来、上述のような熱応力に起因する発電膜の破損を防止するため、発電膜にガスを流入させるガス入口部、発電膜からガスが流出するガス出口部の少なくとも一方に、ガスの流れを均一化するためのガス用の流路を設けて、燃料ガス又は酸素（空気）の流れを均一化して、発電膜内での温度勾配を低減することが行われている。
【０００７】
すなわち従来では、発電膜へのガス入口部、ガス出口部の少なくとも一方に、ガスの流れを均一化するためのガス用の流路（圧力だまり）を設けて、入口から供給されたガス（燃料又は空気）を一度圧力だまりに溜めて、発電膜内に均一に流すようにしている（特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１３８６９４号公報（段落（００１２）〜（００１８）、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１では、発電膜における燃料ガス又は空気の流れを均一化して、これによって、発電膜及びインターコネクターにおける温度勾配を低減して、結果的に熱応力を低減するようにしているものの、つまり、特許文献１では、流れをできるだけ均一にして発電膜及びインターコネクターにおける温度勾配を低減しているものの、発電膜における発熱によって、発電膜面内に温度差が生じることを防止することは困難である。
【００１０】
この結果、発電膜の発熱によって、不均一な温度分布がＳＯＦＣ内に生じた際には、この温度分布に起因する熱応力によって、強度の弱い発電膜に割れ等の破損が発生してしまうことがある。
【００１１】
言い換えると、特許文献１に記載された燃料電池では、ＳＯＦＣ内における不均一な温度分布に起因する熱応力によって発電膜が破損してしまうという課題がある。
【００１２】
本発明の目的は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）内における不均一な温度分布に起因する熱応力によって、発電膜等が破損することのない固体酸化物形燃料電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、両面に凹凸部が形成され、前記両面の一方面に燃料電極を有し前記両面の他方面に酸素電極を有する発電膜と、前記発電膜を前記両面側から挟み前記凹凸部の凸部で前記発電膜に接合されたインターコネクターとを有する固体酸化物形燃料電池において、前記インターコネクターの強度は前記発電膜の強度よりも強く、前記発電膜の線熱膨張係数と前記インターコネクターの線熱膨張係数とを異ならせて、引っ張り応力が作用する部分で前記インターコネクターの線熱膨張係数を前記発電膜の線熱膨張係数よりも小さくし、圧縮応力が作用する部分で前記インターコネクターの線熱膨張係数を前記発電膜の線熱膨張係数よりも大きくしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池が得られる。
【００１４】
例えば、前記インターコネクターの成分調整を行って前記インターコネクターの線熱膨張係数を変化させるようにする。
【００１５】
このようにして、前記インターコネクターの強度を発電膜の強度よりも強くして、引っ張り応力が作用する部分で、前記インターコネクターの線熱膨張係数を発電膜の線熱膨張係数よりも小さくし、圧縮応力が作用する部分で前記インターコネクターの線熱膨張係数を発電膜の線熱膨張係数よりも大きくすれば、不均一な温度分布に起因する熱応力の多くを実質的に強度が強いインターコネクターが受けることになって、発電膜の割れ等の破損を防止することができることになる。
【００１６】
さらに、本発明によれば、両面に凹凸部が形成され、前記両面の一方面に燃料電極を有し前記両面の他方面に酸素電極を有する発電膜と、前記発電膜をシール部材を介して前記両面側から挟み前記凹凸部の凸部で前記発電膜に接合されたインターコネクターとを有する固体酸化物形燃料電池において、前記インターコネクターの強度は前記発電膜の強度よりも強く、前記シール部材の強度は前記インターコネクターの強度よりも強く、前記発電膜の線熱膨張係数と前記シール部材の線熱膨張係数とを異ならせて、引っ張り応力が作用する部分で前記シール部材の線熱膨張係数を前記発電膜の線熱膨張係数よりも小さくし、圧縮応力が作用する部分で前記シール部材の線熱膨張係数を前記発電膜の線熱膨張係数よりも大きくしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池が得られる。
【００１７】
このようにして、前記インターコネクターの強度を前記発電膜の強度よりも強くし、前記シール部材の強度を前記インターコネクターの強度よりも強くして、引っ張り応力が作用する部分で前記シール部材の線熱膨張係数を前記発電膜の線熱膨張係数よりも小さくし、圧縮応力が作用する部分で前記シール部材の線熱膨張係数を発電膜の線熱膨張係数よりも大きくすれば、最も強度の強いシール部材が不均一な温度分布に起因する熱応力の多くを実質的に受けることになって、発電膜及びインターコネクターの割れ等の破損を防止できることになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１９】
図１（ａ）を参照する。図示の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は平板型であり、複数の発電膜１１を備えている。各発電膜１１は略全面的に凸ディンプル部１２ａと凹ディンプル部１２ｂとが形成された固体電解質膜１２を有しており、この固体電解質膜１２の片面には燃料電極１３が形成され、固体電解質膜１２の他方の面に酸素電極１４が形成されている。
【００２０】
図示の例では、凸ディンプル部１２ａが燃料電極１３、凹ディンプル部１２ｂが酸素電極１４とされている。各発電膜１１の周辺にはシール部材１６が配置されて、各発電膜１１はインターコネクター１５によって挟持されて、平板型ＳＯＦＣとされる。
【００２１】
ＳＯＦＣには、発電膜１１へ燃料ガスを供給するための燃料ガス入口部１７が設けられるとともに、発電膜１１へ空気を供給する空気入口部２１が設けられている。そして、燃料ガス入口部１７から燃料ガスを供給するとともに、空気入口部２１から空気を供給して発電を行う。
【００２２】
図１（ｂ）を参照すると、発電膜１１はインターコネクター１５とその突出部分（凸部分）で接触して接合されており、ＳＯＦＣ内に不均一な温度分布が生じると、この温度分布に起因して、発電膜１１及びインターコネクター１５に熱応力が掛かる。そして、この熱応力が発電膜１１の限界応力を越えると、発電膜１１に割れ等の破損が生じてしまう。
【００２３】
このような熱応力に起因する破損を防止するため、図示の例では、発電膜１１の線熱膨張係数とインターコネクター１５の線熱膨張係数とを異ならせている（なお、一般に、インターコネクター１５の強度は発電膜１１の強度よりも強い構造で構成されている）。
【００２４】
例えば、発電膜１１及びインターコネクター１５において、引っ張り応力が作用する部分には、強度が強い側（つまり、インターコネクター１５）の線熱膨張係数を小さくし、発電膜１１を圧縮側、インターコネクター１５を引っ張り側とする。一方、圧縮応力が作用する部分では、インターコネクター１５の線熱膨張係数を大きくし、発電膜１１を引っ張り側、インターコネクター１５を圧縮側とする。
【００２５】
ここで、図２を参照して、具体的に説明すると、いま、熱（温度）が与えられる並列な長さＬの二つの部材３１及び３２について、これら部材３１及び３２と直列に温度負荷を受けないバネ３３が結合されたモデルを考える（ここでは、一方（例えば、部材３１）が発電膜１１に対応し、他方（例えば、部材３２）がインターコネクター１５に対応し、バネ３３は発電膜１１及びインターコネクター１５の周辺にある部材に相当する）。
【００２６】
つまり、図２は、発電膜１１とインターコネクター１５とが接合されたような二重構造をモデル化したものである。いま、部材３１及び３２は単位断面積を有し、同一の温度Ｔ（℃）が与えられているものとする。この際、温度負荷（温度荷重）Ｆは、下記数式（数１）で表される。
【００２７】
【数１】
Ｆ＝（α１Ｅ１＋α２Ｅ２）Ｔ
【００２８】
ここで、α１及びα２はそれぞれ部材３１及び３２の線熱膨張係数、Ｅ１及びＥ２はそれぞれ部材３１及び３２のヤング率である。
【００２９】
一方、温度荷重Ｆを部材３１及び３２とバネ３３とが受けた際の変位をｕとすると、温度荷重Ｆは下記数式（数２）で表される。
【００３０】
【数２】
Ｆ＝ｕ｛Ｙ＋（Ｅ１／Ｌ）＋（Ｅ２／Ｌ）｝
【００３１】
ここで、Ｙはバネ定数、Ｌは部材３１及び３２の長さである。
【００３２】
数１及び数２から、変位ｕは下記数式（数３）で表される。
【００３３】
【数３】
2004146193.tif 000003
【００３４】
そして、部材３１に作用する応力（熱応力）をσ１、部材３２に作用する応力をσ２とすると、変位ｕから応力σ１及びσ２はそれぞれ下記数式（数４）及び（数５）で表される。
【００３５】
【数４】
σ１＝Ｅ１｛（ｕ／Ｌ）−α１Ｔ｝
＝Ｅ１｛Ｔ（α１Ｅ１＋α２Ｅ２）／（ＬＹ＋Ｅ１＋Ｅ２）−α１Ｔ｝
＝Ｅ１Ｔ｛（α２−α１）Ｅ１−α１ＹＬ｝／（ＹＬ＋Ｅ１＋Ｅ２）
【００３６】
【数５】
σ２＝Ｅ２Ｔ｛（α１−α２）Ｅ１−α１ＹＬ｝／（ＹＬ＋Ｅ１＋Ｅ２）
【００３７】
一般に、Ｔ＞０のとき、σ１及びσ２＜０、Ｔ＜０のとき、σ１及びσ２＞０であるから、数４及び数５から、α１が大きくなると、｜σ１｜は大きくなり、｜σ２｜は小さくなる。
【００３８】
従って、引っ張り応力が作用する部分には、インターコネクター１５の線熱膨張係数を小さくし、発電膜１１を圧縮側、インターコネクター１５を引っ張り側とし、圧縮応力が作用する部分では、インターコネクター１５の線熱膨張係数を大きくし、発電膜１１を引っ張り側、インターコネクター１５を圧縮側とすれば、不均一な温度分布に起因する熱応力の多くを実質的に強度が強いインターコネクター１５が受けることになって、発電膜１１の割れ等の破損を防止することができる。
【００３９】
なお、インターコネクター１５の線熱膨張係数を調整する際には、例えば、固体電解質の熱膨張率を基準として、インターコネクター１５について、Ｓｒ等の量を調整して、発電膜１１とインターコネクター１５の線熱膨張係数を異ならせる。
【００４０】
このようにして、発電膜とインターコネクターとの線熱膨張係数を異ならせると、前述のように、インターコネクター１５に熱応力の多くがが掛かることになって、発電膜１１の割れ等の破損を防止することができる。
【００４１】
ところで、ＳＯＦＣにはシール部材１６が用いられており、このシール部材１６はインターコネクター１５よりもその強度が強く、しかも発電膜１１の周辺に配置されているから、インターコネクター１５と発電膜１１の線熱膨張係数を同一又は異ならせて、さらに、発電膜１１とシール部材１６の線熱膨張係数を異ならせるようにしてもよい。この際においても、前述の数１〜数５で説明したようにして、シール部材１６の線熱膨張係数が選定される。
【００４２】
このようにすれば、最も強度の強いシール部材が不均一な温度分布に起因する熱応力の多くを実質的に受けることになって、発電膜及びインターコネクターの割れ等の破損を防止できる。
【００４３】
なお、シール部材１６の線熱膨張係数を調整する際には、例えば、固体電解質の熱膨張率を基準として、シール部材１６について、その混合成分を調整して、発電膜１１とシール部材１６の線熱膨張係数を異ならせる。
【００４４】
また、例えば、線熱膨張係数の異なる２種類の線材をメッシュ状に組み合わせて、焼結したものをインターコネクターとして用いるようにしてもよい。このようにすれば、インターコネクター１５の熱膨張係数に異方性を持たせることができる。
【００４５】
つまり、インターコネクターの膨張方向を線材の組み合わせによって任意の方向とすることができる。同様に、インターコネクターを複数の層から構成させる積層材として、各層の線熱膨張係数を異ならせれば、インターコネクターの膨張方向を各層の組み合わせによって任意の方向とすることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インターコネクターの強度を発電膜の強度よりも強くして、引っ張り応力が作用する部分で、インターコネクターの線熱膨張係数を発電膜の線熱膨張係数よりも小さくし、圧縮応力が作用する部分でインターコネクターの線熱膨張係数を発電膜の線熱膨張係数よりも大きくしたので、不均一な温度分布に起因する熱応力の多くを実質的に強度が強いインターコネクターが受けることになって、発電膜の割れ等の破損を防止することができるという効果がある。
【００４７】
また、本発明では、インターコネクターの強度を発電膜の強度よりも強くし、シール部材の強度をインターコネクターの強度よりも強くして、引っ張り応力が作用する部分でシール部材の線熱膨張係数を前記発電膜の線熱膨張係数よりも小さくし、圧縮応力が作用する部分でシール部材の線熱膨張係数を発電膜の線熱膨張係数よりも大きくしたので、最も強度の強いシール部材が不均一な温度分布に起因する熱応力の多くを実質的に受けることになって、発電膜及びインターコネクターの割れ等の破損を防止できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体酸化物形燃料電池の要部を示す概要図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図２】図１に示す固体酸化物形燃料電池において、発電膜及びインターコネクターに作用する熱応力を説明するための概要図である。
【符号の説明】
１１　発電膜
１２　固体電解質膜
１３　燃料電極
１４　酸素電極
１５　インターコネクター
１６　シール部材
【図１】
2004146193.tif 000004
【図２】
2004146193.tif 000005