CN111052474B - 燃料电池的堆构造和燃料电池堆的热应变吸收方法 - Google Patents

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Abstract

将交替层叠有发电电池和分隔件的多组层叠体固定于端部板，该分隔件形成了流路部、气体流入口以及气体流出口。所述端部板包括夹着多个所述层叠体的上部端板和下部端板。所述层叠体并排地配置，该层叠体之间形成有用于吸收与层叠方向正交的方向上的热应变的第1热应变吸收部。将多组所述层叠体固定于所述端部板的固定部件将并排地配置的所述层叠体各自的至少外周侧固定于所述端部板。

Description

燃料电池的堆构造和燃料电池堆的热应变吸收方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的堆构造和燃料电池堆的热应变吸收方法。
背景技术
以往，燃料电池通过向包括发电电池的层叠构件供给气体来进行发电，该发电电池是利用燃料极和氧化剂极夹着电解质来构成的。对于燃料电池，根据状况，有时以高速供给气体、或者以高温供给气体，因此已知有一种通过调整赋予层叠构件的负荷来保护该层叠构件的技术(例如，参照专利文献1。)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013－20886号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1所记载的结构的情况下，在燃料电池稳定地运转时不存在问题，但例如在向运转前的燃料电池供给气体并且进行升温时，存在层叠构件被施加负荷而发生应变的风险。即，在专利文献1所记载的结构的情况下，存在这样的风险：伴随应变而发生漏气、卸荷(日文：荷重抜け)、由此引起性能降低。
本发明的目的在于提供一种能够充分抑制在层叠构件产生的应变的燃料电池的堆构造。
用于解决问题的方案
用于达到上述目的的本发明的燃料电池的堆构造是利用固定部件将交替层叠有发电电池和分隔件的多组层叠体固定于端部板的构造，该发电电池利用燃料极和氧化剂极夹着电解质来构成，并利用供给来的气体发电，该分隔件形成了用于向所述发电电池供给气体的流路部、供气体向所述流路部流入的气体流入口、以及供气体自所述流路部流出的气体流出口。在此，所述端部板包括夹着多个所述层叠体的上部端板和下部端板，所述层叠体并排地配置，所述层叠体之间形成有用于吸收与层叠方向正交的方向上的热应变的第1热应变吸收部，用于将多组所述层叠体固定于所述端部板的所述固定部件将并排地配置的所述层叠体各自的至少外周侧固定于所述端部板。
在用于达到上述目的的本发明的燃料电池堆的热应变吸收方法中，利用燃料极和氧化剂极夹着电解质而形成发电电池，利用一对分隔件夹着所述发电电池而形成层叠体，层叠多个所述层叠体而形成多组所述层叠体的列，利用多个所述层叠体的列形成空间部且多个所述层叠体的列并排地配置，在利用固定部件将多组所述层叠体固定于包括夹着多个所述层叠体的上部端板和下部端板的端部板时，将并排地配置的所述层叠体各自的至少外周侧固定于所述端部板，利用所述层叠体的列之间的所述空间部吸收与层叠方向正交的方向上的热应变。
附图说明
图1是表示第1实施方式的燃料电池的立体图。
图2是将图1的燃料电池局部分解开进行图示的立体图。
图3是对图2的燃料电池的一部分放大来进行图示的立体图。
图4是对图2的燃料电池从另一方位(下方)进行图示的立体图。
图5是表示图2的电池堆组件和外部歧管的立体图。
图6是表示图5的上部端板(右半部分)、堆(右侧)以及下部端板(右半部分)的立体图。
图7是表示将图2的堆分解为上部模块单元、多个中部模块单元、以及下部模块单元的状态的立体图。
图8是将图7的上部模块单元分解开进行图示的立体图。
图9是将图7的中部模块单元分解开进行图示的立体图。
图10是将图7的下部模块单元分解开进行图示的立体图。
图11是将图8～图10的一电池单元分解开并且将位于该一电池单元的下方的另一电池单元(除金属支撑电池组件以外的结构)分解开进行图示的立体图。
图12是将图11的金属支撑电池组件分解开进行图示的立体图。
图13是将图11的金属支撑电池组件以截面的方式示出的侧视图。
图14是对图11的分隔件从阴极侧(与图11同样地，从上方观察确认分隔件102的一侧)进行图示的立体图。
图15是表示图14的分隔件的局部(图14中的区域15)的立体图。
图16是对图11的分隔件从阳极侧(与图11不同，从下方观察确认分隔件102的一侧)进行图示的立体图。
图17是表示图16的分隔件的局部(图16中的区域17)的立体图。
图18是在图11的金属支撑电池组件、分隔件以及集电辅助层层叠起来的状态下局部地示出的剖视图。
图19A是示意性地表示燃料电池内的阳极气体和阴极气体的流动的立体图。
图19B是示意性地表示燃料电池内的阴极气体的流动(单侧)的立体图。
图19C是示意性地表示燃料电池内的阳极气体的流动(单侧)的立体图。
图20A是表示第1实施方式的燃料电池的示意图，且是表示启动前的燃料电池的状态的图。
图20B是表示第1实施方式的燃料电池的示意图，且是表示快速升温时的燃料电池的状态的图。
图20C是表示第1实施方式的燃料电池的示意图，且是表示稳定运转时的燃料电池的状态的图。
图21A是表示第2实施方式的燃料电池的示意图，且是表示启动前的燃料电池的状态的图。
图21B是表示第2实施方式的燃料电池的示意图，且是表示快速升温时的燃料电池的状态的图。
图21C是表示第2实施方式的燃料电池的示意图，且是表示稳定运转时的燃料电池的状态的图。
图22A是表示第3实施方式的燃料电池的示意图，且是表示启动前的燃料电池的状态的图。
图22B是表示第3实施方式的燃料电池的示意图，且是表示快速升温时的燃料电池的状态的图。
具体实施方式
以下，边参照附上的附图，边说明本发明的第1实施方式～第3实施方式。在附图中，对同一构件标注同一附图标记，并省略重复的说明。在附图中，为了便于理解第1实施方式～第3实施方式，存在各构件的大小、比率被夸张而与实际的大小、比率不同的情况。
在各图中，利用X、Y和Z所表示的箭头表示构成燃料电池的构件的方位。由X表示的箭头的方向示出了燃料电池100的一个堆100S的宽度方向X。由Y表示的箭头的方向示出了燃料电池100的一个堆100S的长度方向Y。由Z表示的箭头的方向示出了燃料电池100的层叠方向Z。
(第1实施方式)
(燃料电池100的结构)
图1是表示第1实施方式的燃料电池100的立体图。图2是将图1的燃料电池100局部分解开进行图示的立体图。图3是对图2的燃料电池100的一部分放大来进行图示的立体图。图4是对图2的燃料电池100从另一方位(下方)进行图示的立体图。图5是表示图2的电池堆组件100M和外部歧管113的立体图。图6是表示图5的上部端板109(右半部分)、堆100S(右侧)以及下部端板108(右半部分)的立体图。图7是表示将图2的堆100S分解为上部模块单元100P、多个中部模块单元100Q、以及下部模块单元100R的状态的立体图。图8是将图7的上部模块单元100P分解开进行图示的立体图。图9是将图7的中部模块单元100Q分解开进行图示的立体图。图10是将图7的下部模块单元100R分解开进行图示的立体图。图11是将图8～图10的一电池单元100T分解开并且将位于该一电池单元100T的下方的另一电池单元100T(除金属支撑电池组件101以外的结构)分解开进行图示的立体图。
图12是将图11的金属支撑电池组件101分解开进行图示的立体图。图13是将图11的金属支撑电池组件101以截面的方式示出的侧视图。图14是对图11的分隔件102从阴极侧(与图11同样地，从上方观察确认分隔件102的一侧)进行图示的立体图。图15是表示图14的分隔件102的局部(图14中的区域15)的立体图。图16是对图11的分隔件102从阳极侧(与图11不同，从下方观察确认分隔件102的一侧)进行图示的立体图。图17是表示图16的分隔件102的局部(图16中的区域17)的立体图。图18是在图11的金属支撑电池组件101、分隔件102以及集电辅助层103层叠起来的状态下局部地示出的剖视图。
如图1和图2所示，燃料电池100利用从外部供给气体的外部歧管113和保护电池堆组件100M的盖115从上下夹着电池堆组件100M来构成的。
如图2～图4所示，电池堆组件100M构成为：利用一对下部端板108和一个上部端板109从上下夹着一对堆100S，并利用密封阴极气体CG的气封件(日文：エアーシェルター)112覆盖。如图2～图7(特别是图7)所示，各堆100S是通过将上部模块单元100P、多个中部模块单元100Q、以及下部模块单元100R层叠起来而构成的。
对于燃料电池100，如图8所示，上部模块单元100P利用向外部输出由电池单元100T发出的电力的上部集电板106和相当于端板的模块端部105从上下夹着层叠起来的多个电池单元100T来构成。如图9所示，中部模块单元100Q利用一对模块端部105从上下夹着层叠起来的多个电池单元100T来构成。如图10所示，下部模块单元100R利用模块端部105和下部集电板107从上下夹着层叠起来的多个电池单元100T来构成。
在燃料电池100的单元构造中，如图11所示，电池单元100T包括：金属支撑电池组件101，其设有利用供给来的气体发电的发电电池101M；分隔件102，其将沿着层叠方向Z相邻的金属支撑电池组件101的发电电池101M隔开；集电辅助层103，其在金属支撑电池组件101的发电电池101M与分隔件102之间形成供气体穿过的空间并且使面压均等；以及密封构件104，其密封金属支撑电池组件101和分隔件102的歧管的一部分的边缘，而限制气体的流动。集电辅助层103和密封构件104在其构造上配置在沿着层叠方向Z相邻的金属支撑电池组件101与分隔件102之间。
在此，燃料电池100的制造方法上，如图11的中央所示，金属支撑电池组件101和分隔件102使各自的外缘沿着接合线V呈环状接合来构成接合体100U。因此，构成为在沿着层叠方向Z相邻的接合体100U(金属支撑电池组件101和分隔件102)之间配置集电辅助层103和密封构件104。即，如图11的下方所示，集电辅助层103和密封构件104配置在一接合体100U的金属支撑电池组件101与沿着层叠方向Z同一接合体100U相邻的另一接合体100U的分隔件102之间。
以下，按照每个结构说明燃料电池100。
如图12和图13所示，金属支撑电池组件101设有利用供给来的气体发电的发电电池101M。
如图12和图13所示，金属支撑电池组件101包括：沿着长度方向Y并排地配置的两个金属支撑电池101N和从周围保持金属支撑电池101N的电池框架101W。
金属支撑电池101N包括发电电池101M和从一侧支承发电电池101M的支撑金属件101V。对于金属支撑电池组件101，如图12和图13所示，发电电池101M利用阳极101T和阴极101U夹着电解质101S来构成。
如图12和图13所示，阳极101T是燃料极，通过使阳极气体AG(例如氢)与氧化物离子发生反应，而生成阳极气体AG的氧化物并且取出电子。阳极101T对还原气氛具有耐性，其允许阳极气体AG透过，电导率较高，具有使阳极气体AG与氧化物离子发生反应的催化作用。阳极101T由比电解质101S小的长方体形状形成。阳极101T由例如混合有镍等金属、氧化钇稳定氧化锆等氧化物离子导体的超硬质合金形成。如图12和图13所示，阳极101T为薄板状，形成为长方形。
如图12和图13所示，电解质101S允许氧化物离子从阴极101U朝向阳极101T地透过。电解质101S允许氧化物离子穿过，但不允许气体和电子穿过。电解质101S由长方体形状形成。电解质101S由例如固溶有氧化钇、氧化钕、氧化钐、氧化钆、氧化钪等的稳定氧化锆等固体氧化物陶瓷形成。如图12和图13所示，电解质101S是薄板状，形成为比阳极101T稍大的长方形。如图13所示，电解质101S的外缘朝向阳极101T侧弯折，与阳极101T的沿着层叠方向Z的侧面接触。电解质101S的外缘的顶端与支撑金属件101V接触。
如图12和图13所示，阴极101U是氧化剂极，使阴极气体CG(例如空气中含有的氧)与电子发生反应，将氧分子转换成氧化物离子。阴极101U对氧化气氛具有耐性，其允许阴极气体CG透过，电导率较高，具有将氧分子转换成氧化物离子的催化作用。阴极101U由比电解质101S小的长方体形状形成。阴极101U由例如镧、锶、锰、钴等的氧化物形成。如图12和图13所示，阴极101U与阳极101T同样地为薄板状，形成为长方形。阴极101U隔着电解质101S与阳极101T相对。电解质101S的外缘向阳极101T侧弯折，因此阴极101U的外缘不会与阳极101T的外缘接触。
如图12和图13所示，支撑金属件101V从阳极101T侧支承发电电池101M。支撑金属件101V具有气体透过性，电导率较高，具有足够的强度。支撑金属件101V由相比阳极101T而言足够大的长方体形状形成。支撑金属件101V由例如含有镍、铬的耐腐蚀合金、耐腐蚀钢、不锈钢形成。
如图12和图13所示，电池框架101W从周围保持金属支撑电池101N。电池框架101W形成为较薄的长方形。在电池框架101W，沿着长度方向Y设有一对开口部101k。电池框架101W的一对开口部101k均由长方形的贯通口形成，比支撑金属件101V的外形小。电池框架101W由金属形成，并利用绝缘材料或涂层进行绝缘。绝缘材料例如使氧化铝固着于电池框架101W来构成。通过使支撑金属件101V的外缘接合于电池框架101W的开口部101k的内缘，而将金属支撑电池101N接合于电池框架101W。
如图12和图13所示，在电池框架101W设有自沿着长度方向Y的一边的右端、中央和左端在面方向上延伸的圆形的延伸部(第1延伸部101p、第2延伸部101q和第3延伸部101r)。在电池框架101W设有自沿着长度方向Y的另一边的、远离该边的中央的两个部位在面方向上延伸的圆形的延伸部(第4延伸部101s和第5延伸部101t)。在电池框架101W，第1延伸部101p、第2延伸部101q及第3延伸部101r、与第4延伸部101s及第5延伸部101t位于隔着一对开口部101k且沿着长度方向Y交替的位置。
如图12所示，在电池框架101W，允许阳极气体AG穿过(流入)的阳极侧第1流入口101a、阳极侧第2流入口101b、阳极侧第3流入口101c分别设于第1延伸部101p、第2延伸部101q、第3延伸部101r。在电池框架101W，允许阳极气体AG穿过(流出)的阳极侧第1流出口101d、阳极侧第2流出口101e分别设于第4延伸部101s、第5延伸部101t。阳极气体AG的阳极侧第1流入口101a、阳极侧第2流入口101b、阳极侧第3流入口101c、阳极侧第1流出口101d和阳极侧第2流出口101e是所谓的歧管。
如图12所示，在电池框架101W，允许阴极气体CG穿过(流入)的阴极侧第1流入口101f设在第1延伸部101p与第2延伸部101q之间的空间。在电池框架101W，允许阴极气体CG穿过(流入)的阴极侧第2流入口101g设在第2延伸部101q与第3延伸部101r之间的空间。在电池框架101W，允许阴极气体CG穿过(流出)的阴极侧第1流出口101h被设在比第4延伸部101s靠图12中的右侧的位置。在电池框架101W，允许阴极气体CG穿过(流出)的阴极侧第2流出口101i设在第4延伸部101s与第5延伸部101t之间的空间。在电池框架101W，允许阴极气体CG穿过(流出)的阴极侧第3流出口101j被设在比第5延伸部101t靠图12中的左侧的位置。在电池框架101W，阴极侧第1流入口101f、阴极侧第2流入口101g、阴极侧第1流出口101h、阴极侧第2流出口101i以及阴极侧第3流出口101j相当于电池框架101W的外周面与气封件112的内侧面之间的空间。
如图11和图14～图18所示，分隔件102设在层叠的金属支撑电池组件101各自的发电电池101M与发电电池101M之间，将相邻的发电电池101M隔开。
分隔件102与金属支撑电池组件101相对地配置。分隔件102由与金属支撑电池组件101同样的外形形状形成。分隔件102由金属形成，除与发电电池101M相对的区域(流路部102L)之外利用绝缘材料或涂层进行绝缘。绝缘材料例如是通过使氧化铝固着于分隔件102而构成的。在分隔件102，流路部102L以与发电电池101M相对的方式沿着长度方向Y并排地设置。
如图11和图14～图18所示，在分隔件102，流路部102L是通过使沿着气体流动的方向(宽度方向X)延伸的流路在与气体流动的方向(宽度方向X)正交的方向(长度方向Y)上排列而形成的。如图15、图17和图18所示，在流路部102L，凸状的阳极侧突起102y以在长度方向Y和宽度方向X的面内自平坦的平坦部102x向下方突出的方式按一定间隔设置。阳极侧突起102y沿着气体流动的方向(宽度方向X)延伸。阳极侧突起102y自分隔件102的下端朝向下方突出。如图15、图17和图18所示，在流路部102L，凸状的阴极侧突起102z以自平坦部102x向上方突出的方式按一定间隔设置。阴极侧突起102z沿着气体流动的方向(宽度方向X)延伸。阴极侧突起102z自分隔件102的上端朝向上方突出。在流路部102L，阳极侧突起102y和凸状的阴极侧突起102z隔着平坦部102x地沿着长度方向Y交替设置。
对于分隔件102，如图17和图18所示，流路部102L与位于该流路部102L的下方(图18中的右侧)的金属支撑电池组件101之间的间隙构成为阳极气体AG的流路。阳极气体AG从图16所示的分隔件102的阳极侧第2流入口102b等经由图16和图17所示的多个槽102q向阳极侧的流路部102L流入。在分隔件102，如图16和图17所示，自阳极侧第1流入口102a、阳极侧第2流入口102b以及阳极侧第3流入口102c均朝向阳极侧的流路部102L地呈放射状形成多个槽102q。对于分隔件102，如图15和图18所示，流路部102L与位于该流路部102L的上方(图18中的左侧)的金属支撑电池组件101之间的间隙构成为阴极气体CG的流路。阴极气体CG从图14所示的分隔件102的阴极侧第1流入口102f和阴极侧第2流入口102g越过图14和图15所示的分隔件102的阴极侧的外缘102p而流入阴极侧的流路部102L。在分隔件102，如图15所示，阴极侧的外缘102p形成为比其他部分厚度薄。
如图11、图14和图16所示，在分隔件102，以使分隔件102与金属支撑电池组件101的沿着层叠方向Z相对的位置相匹配的方式设有允许阳极气体AG穿过的阳极侧第1流入口102a、阳极侧第2流入口102b、阳极侧第3流入口102c、阳极侧第1流出口102d和阳极侧第2流出口102e。在分隔件102，以使分隔件102与金属支撑电池组件101的沿着层叠方向Z相对的位置相匹配的方式设有允许阴极气体CG穿过的阴极侧第1流入口102f、阴极侧第2流入口102g、阴极侧第1流出口102h、阴极侧第2流出口102i和阴极侧第3流出口102j。在分隔件102，阴极气体CG的阴极侧第1流入口102f、阴极侧第2流入口102g、阴极侧第1流出口102h、阴极侧第2流出口102i和阴极侧第3流出口102j相当于分隔件102的外周面与气封件112的内侧面之间的空间。
如图11所示，集电辅助层103在发电电池101M与分隔件102之间形成供气体穿过的空间并且使面压均等，对发电电池101M与分隔件102之间的电接触进行辅助。
集电辅助层103是所谓的金属板网。集电辅助层103配置在发电电池101M与分隔件102的流路部102L之间。集电辅助层103由与发电电池101M同样的外形形状形成。集电辅助层103由菱形等的开口呈格子状设置的金属丝网状形成。
如图11所示，密封构件104将金属支撑电池组件101与分隔件102之间的间隙局部密封而限制气体的流动。
密封构件104具有间隔和密封的功能，是所谓的垫片。密封构件104用于防止阳极气体AG从分隔件102的阳极侧流入口(例如阳极侧第1流入口102a)和阳极侧流出口(例如阳极侧第1流出口102d)朝向分隔件102的阴极侧的流路混入。密封构件104形成为环状。密封构件104接合于分隔件102的面朝阴极侧的面的阳极侧流入口(例如阳极侧第1流入口102a)和阳极侧流出口(例如阳极侧第1流出口102d)的内周缘。密封构件104由例如具有耐热性和密封性的高温固力特(Thermiculite)形成。
如图8～图10所示，模块端部105是保持层叠的多个电池单元100T的下端或上端的板。
模块端部105配置于层叠的多个电池单元100T的下端或上端。模块端部105由与电池单元100T同样的外形形状形成。模块端部105由不使气体透过的导电性材料形成，除与发电电池101M和另一模块端部105相对的一部分区域之外，利用绝缘材料或涂层进行绝缘。绝缘材料例如是通过使氧化铝固着于模块端部105而构成的。
在模块端部105，以使模块端部105与电池单元100T的沿着层叠方向Z相对的位置相匹配的方式设有允许阳极气体AG穿过的阳极侧第1流入口105a、阳极侧第2流入口105b、阳极侧第3流入口105c、阳极侧第1流出口105d和阳极侧第2流出口105e。在模块端部105，以使模块端部105与电池单元100T的沿着层叠方向Z相对的位置相匹配的方式设有允许阴极气体CG穿过的阴极侧第1流入口105f、阴极侧第2流入口105g、阴极侧第1流出口105h、阴极侧第2流出口105i和阴极侧第3流出口105j。在模块端部105，阴极侧第1流入口105f、阴极侧第2流入口105g、阴极侧第1流出口105h、阴极侧第2流出口105i和阴极侧第3流出口105j相当于模块端部105的外周面与气封件112的内侧面之间的空间。
上部集电板106在图8中进行了图示，用于向外部输出由电池单元100T发出的电力。
如图8所示，上部集电板106配置于上部模块单元100P的上端。上部集电板106由与电池单元100T同样的外形形状形成。在上部集电板106设有用于与外部的通电构件连接的端子(未图示)。上部集电板106在上表面设有多个用于配置弹簧110的圆筒状的凹陷部106a。上部集电板106由不使气体透过的导电性材料形成，除与电池单元100T的发电电池101M相对的区域以及端子的部分之外，利用绝缘材料或涂层进行绝缘。绝缘材料例如是通过使氧化铝固着于上部集电板106而构成的。
下部集电板107在图10中进行了图示，用于向外部输出由电池单元100T发出的电力。
如图10所示，下部集电板107配置于下部模块单元100R的下端。下部集电板107由与上部集电板106同样的外形形状形成。在下部集电板107设有用于与外部的通电构件连接的端子(未图示)。下部集电板107由不使气体透过的导电性材料形成，除与电池单元100T的发电电池101M相对的区域以及端子的部分之外，利用绝缘材料或涂层进行绝缘。绝缘材料例如是通过使氧化铝固着于下部集电板107而构成的。
在下部集电板107，以使下部集电板107与电池单元100T的沿着层叠方向Z相对的位置相匹配的方式设有允许阳极气体AG穿过的阳极侧第1流入口107a、阳极侧第2流入口107b、阳极侧第3流入口107c、阳极侧第1流出口107d和阳极侧第2流出口107e。在下部集电板107，以使下部集电板107与电池单元100T的沿着层叠方向Z相对的位置相匹配的方式设有允许阴极气体CG穿过的阴极侧第1流入口107f、阴极侧第2流入口107g、阴极侧第1流出口107h、阴极侧第2流出口107i和阴极侧第3流出口107j。在下部集电板107，阴极侧第1流入口107f、阴极侧第2流入口107g、阴极侧第1流出口107h、阴极侧第2流出口107i和阴极侧第3流出口107j相当于下部集电板107的外周面与气封件112的内侧面之间的空间。
下部端板108具有一对，如图2、图3、图5和图6(特别是图5)所示，从下方保持一对堆100S。
下部端板108具有一对，以使供阴极气体CG流出的一侧的外缘相对的方式而以沿着宽度方向X排列的状态配置于堆100S的下端。对于下部端板108，除局部之外，由与电池单元100T同样的外形形状形成。下部端板108形成为使沿着长度方向Y的两端呈直线状伸长，以形成阴极气体CG的流入口和排出口。如图3和图6所示，下部端板108在沿着长度方向Y的阴极气体CG的流入口侧的外缘的两端设有用于螺纹固定第1紧固螺栓111的一对螺纹孔108m。如图3和图6所示，下部端板108在沿着长度方向Y的比一对螺纹孔108m靠内侧的位置设有供第2紧固螺栓114插入的一对插入孔108n。下部端板108形成为相比电池单元100T而言足够厚。下部端板108由例如金属形成，与下部集电板107接触的上表面利用绝缘材料或涂层进行绝缘。绝缘材料例如是通过使氧化铝固着于下部端板108而构成的。
如图6所示，在下部端板108，以使下部端板108与电池单元100T的沿着层叠方向Z相对的位置相匹配的方式设有允许阳极气体AG穿过的阳极侧第1流入口108a、阳极侧第2流入口108b、阳极侧第3流入口108c、阳极侧第1流出口108d和阳极侧第2流出口108e。在下部端板108，以使下部端板108与电池单元100T的沿着层叠方向Z相对的位置相匹配的方式设有允许阴极气体CG穿过的阴极侧第1流入口108f、阴极侧第2流入口108g、阴极侧第1流出口108h、阴极侧第2流出口108i和阴极侧第3流出口108j。
如图2～图6(特别是图5)所示，上部端板109从上方保持一对堆100S。
上部端板109配置于堆100S的上端。上部端板109形成为使下部端板108以长度方向Y为轴沿着宽度方向X左右对称地一体化而得到的外形形状。如图3和图6所示，上部端板109在沿着长度方向Y的阴极气体CG的流入口侧的外缘的两端设有供第1紧固螺栓111插入的一对插入孔109n。上部端板109与下部端板108不同，未设有气体的流入口和排出口。上部端板109由例如金属形成，与上部集电板106接触的下表面利用绝缘材料或涂层进行绝缘。绝缘材料例如是通过使氧化铝固着于上部端板109而构成的。
如图5和图6所示，弹簧110用于对一对堆100S施加弹性力。
弹簧110均配置在上部集电板106的多个凹陷部106a与上部端板109之间。弹簧110由例如具有抗蠕变性的螺旋状的金属弹簧形成。弹簧110也可以由所谓的板簧构成。
如图3～图5(特别是图3)所示，第1紧固螺栓111对一对堆100S的阴极气体CG的流入口侧施加紧固力。
如图5所示，第1紧固螺栓111设有4个，插入于在上部端板109设有四处的插入孔109n，并螺纹固定于在一对下部端板108各设有两处的螺纹孔108m。第1紧固螺栓111对配置在上部端板109与一对下部端板108之间的一对堆100S各自的阴极气体CG的流入口侧施加紧固力。
如图2和图4所示，气封件112与一对堆100S之间形成阴极气体CG的流路。
如图2和图4所示，气封件112从上方覆盖由一对下部端板108和一个上部端板109夹着的一对堆100S。气封件112利用气封件112的内侧面与堆100S的侧面之间的间隙部分形成堆100S的构成构件的阴极气体CG的流入口和流出口。气封件112由箱状形成，整个下部以及侧部的局部开口。气封件112由例如金属形成，内侧面利用绝缘材料或涂层进行绝缘。绝缘材料例如是通过使氧化铝固着于气封件112而构成的。
如图1～图5所示，外部歧管113用于从外部向多个电池单元100T供给气体。
外部歧管113配置在电池堆组件100M的下方。外部歧管113由使下部端板108的形状简单化而得到的外形形状形成。如图5所示，外部歧管113在沿着长度方向Y的阴极气体CG的流入口侧的外缘设有用于螺纹固定第2紧固螺栓114的螺纹孔113m。外部歧管113形成为相比下部端板108而言足够厚。外部歧管113由例如金属形成。
如图5所示，在外部歧管113，以外部歧管113与电池单元100T的沿着层叠方向Z相对的位置相匹配的方式设有允许阳极气体AG穿过的阳极侧第1流入口113a、阳极侧第2流入口113b、阳极侧第3流入口113c、阳极侧第1流出口113d和阳极侧第2流出口113e。在外部歧管113，以外部歧管113与电池单元100T的沿着层叠方向Z相对的位置相匹配的方式设有允许阴极气体CG穿过的阴极侧第1流入口113f、阴极侧第2流入口113g、阴极侧第1流出口113h、阴极侧第2流出口113i和阴极侧第3流出口113j。在外部歧管113，以长度方向Y为轴沿着宽度方向X左右对称地设有两组阴极侧第1流入口113f、阴极侧第2流入口113g、阴极侧第1流出口113h、阴极侧第2流出口113i和阴极侧第3流出口113j。
如图3～图5(特别是图3)所示，第2紧固螺栓114对一对下部端板108的阴极气体CG的流入口侧施加紧固力。
如图5所示，第2紧固螺栓114设有4个，插入于在一对下部端板108各设有两处的插入孔108n，并螺纹固定于在外部歧管113设有四处的螺纹孔113m。第2紧固螺栓114对一对下部端板108各自的阴极气体CG的流入口侧施加紧固力。
如图1、图2和图4所示，盖115覆盖并保护电池堆组件100M。
盖115与外部歧管113一起从上下夹着电池堆组件100M。盖115由箱状形成，下部开口。盖115由例如金属形成，内侧面利用绝缘材料绝缘。
(燃料电池100内的气体的流动)
图19A是示意性地表示燃料电池100内的阳极气体AG和阴极气体CG的流动的立体图。图19B是示意性地表示燃料电池100内的阴极气体CG的流动(单侧)的立体图。图19C是示意性地表示燃料电池100内的阳极气体AG的流动(单侧)的立体图。
阳极气体AG经过外部歧管113、下部端板108、模块端部105、分隔件102和金属支撑电池组件101各自的流入口而向各发电电池101M的阳极101T供给。即，向在自外部歧管113至末端的上部集电板106交替层叠的分隔件102和金属支撑电池组件101之间的间隙设置的阳极侧的流路分配、供给阳极气体AG。之后，阳极气体AG在发电电池101M发生反应，经过上述的各构成构件各自的流出口以废气状态排出。
如图19A所示，阳极气体AG以隔着分隔件102与阴极气体CG相交叉的方式向流路部102L供给。在图19C中，阳极气体AG经过位于图19C的下方的分隔件102的阳极侧第1流入口102a、阳极侧第2流入口102b和阳极侧第3流入口102c，并经过金属支撑电池组件101的阳极侧第1流入口101a、阳极侧第2流入口101b和阳极侧第3流入口101c之后，向位于图19C的上方的分隔件102的流路部102L流入，而向金属支撑电池组件101的发电电池101M的阳极101T供给。在阳极101T发生反应后的阳极气体AG以废气状态从位于图19C的上方的分隔件102的流路部102L流出，经过金属支撑电池组件101的阳极侧第1流出口101d和阳极侧第2流出口101e，并经过位于图19C中的下方的分隔件102的阳极侧第1流出口102d和阳极侧第2流出口102e向外部排出。
阴极气体CG经过外部歧管113、下部端板108、模块端部105、分隔件102和金属支撑电池组件101各自的流入口而向发电电池101M的阴极101U供给。即，向在自外部歧管113至末端的上部集电板106交替层叠的金属支撑电池组件101和分隔件102之间的间隙设置的阴极侧的流路分配、供给阴极气体CG。之后，阴极气体CG在发电电池101M发生反应，经过上述的各构成构件各自的流出口以废气状态排出。上述的各构成构件的阴极气体CG的流入口和流出口由各构成构件的外周面与气封件112的内侧面之间的间隙构成。
在图19B中，阴极气体CG经过位于图19B的下方的分隔件102的阴极侧第1流入口102f和阴极侧第2流入口102g，向该分隔件102的流路部102L流入，而向金属支撑电池组件101的发电电池101M的阴极101U供给。在阴极101U发生反应后的阴极气体CG以废气状态从位于图19B中的下方的分隔件102的流路部102L流出，经过该分隔件102的阴极侧第1流出口102h、阴极侧第2流出口102i和阴极侧第3流出口102j向外部排出。
(燃料电池100的紧固构造)
图20A是表示第1实施方式的燃料电池100的示意图，且是表示启动前的燃料电池100的状态的图。图20B是表示第1实施方式的燃料电池100的示意图，且是表示快速升温时的燃料电池100的状态的图。图20C是表示第1实施方式的燃料电池100的示意图，且是表示稳定运转时的燃料电池100的状态的图。
如图20A所示，在启动前(堆100S中稳定地为气体流入口100x与气体流出口100y的温度相等且从气体流动的上游侧到下游侧的沿着层叠方向Z的厚度相等的状态时)的燃料电池100中，一对堆100S、一对下部端板108未伸长。
如图20B所示，在快速升温时(堆100S中暂时为相比气体流入口100x而言气体流出口100y的温度相对较低且相比气体流动的下游侧而言上游侧沿着层叠方向Z相对膨胀的状态时)的燃料电池100中，一对堆100S、一对下部端板108朝向宽度方向X的内侧顺畅地伸长。这样的结构是通过使多个下部端板108与上部端板109之间的各堆100S的紧固力相比在气体流出口100y侧而言在气体流入口100x侧较大而实现的。即，在气体流入口100x侧，因第1紧固螺栓111等而产生一定的紧固力，但在气体流出口100y侧不存在第1紧固螺栓111等，因此紧固力相对较小。
如图20C所示，在稳定运转时(堆100S中稳定地为相比气体流出口100y而言气体流入口100x的温度相对较低且相比气体流动的上游侧而言下游侧沿着层叠方向Z相对膨胀的状态时)的燃料电池100中，一对堆100S、一对下部端板108稳定在朝向宽度方向X的外侧恢复了的状态。稳定运转时的气体流出口100y与气体流入口100x的温差相比快速升温时的气体流出口100y与气体流入口100x的温差而言十分小。更具体而言，在稳定时，沿着宽度方向X相邻的一对堆100S、下部端板108、上部端板109和外部歧管113之间的温差相对较小，因此这些部件之间的平面方向(宽度方向X和长度方向Y)上的膨胀量为同等程度。即，在稳定时，沿着宽度方向X相邻的一对堆100S之间的间隙接近于启动前的状态。
对以上说明的第1实施方式的作用效果进行说明。
燃料电池100的堆构造是利用固定部件(第1紧固螺栓111)将交替层叠了发电电池101M和分隔件102的多组层叠体(堆100S)固定于端部板(上部端板109和下部端板108)的构造，该发电电池101M利用燃料极(阳极101T)和氧化剂极(阴极101U)夹着电解质101S来构成，并利用供给来的气体(阳极气体AG和阴极气体CG)发电，该分隔件102形成有用于向发电电池101M供给气体的流路部102L、供气体向流路部102L流入的气体流入口100x、以及供气体从流路部102L流出的气体流出口100y。在此，堆100S并排地配置，堆100S之间形成有用于吸收与层叠方向Z正交的方向上的热应变的第1热应变吸收部。
在燃料电池堆的热应变吸收方法中，利用燃料极(阳极101T)和氧化剂极(阴极101U)夹着电解质101S而形成发电电池101M，利用一对分隔件102夹着发电电池101M而形成层叠体(堆100S)，层叠多个堆100S而形成多组堆100S的列，利用多个堆100S的列形成空间部100K且多个堆100S的列并排地配置，利用堆100S的列之间的空间部100K吸收与层叠方向正交的方向上的热应变。
根据这样的燃料电池100，能够利用吸收堆100S在与层叠方向Z正交的方向上的热应变的第1热应变吸收部充分地抑制在层叠构件(包括堆100S)产生的应变。
优选的是，第1热应变吸收部由空间部100K形成，该空间部100K形成在并排地配置的堆100S之间。
优选的是，空间部100K是将并排地配置的堆100S的彼此相对的面分隔开地配置并将堆100S固定于端部板(上部端板109和下部端板108)而形成的。
根据这样的燃料电池100，即使相对的堆100S以彼此靠近的方式伸长，也能够避免相对的堆100S接触。因而，在燃料电池100的情况下，能够充分地抑制在层叠构件产生的应变。
优选的是，设有外部歧管113，该外部歧管113包括用于向发电电池101M供给气体的流通口，外部歧管113配置在端部板(上部端板109和下部端板108)的外侧，形成第1热应变吸收部。
根据这样的燃料电池100，包括外部歧管113，能够充分地抑制在层叠构件(包括堆100S)产生的应变。
优选的是，用于将堆100S固定于端部板(上部端板109和下部端板108)的固定部件由紧固构件(第1紧固螺栓111)形成。
根据这样的燃料电池100，能够利用使用了第1紧固螺栓111的非常简便的结构将能够发挥任意的紧固力的固定部件具体化。
优选的是，用于将堆100S固定于端部板(上部端板109和下部端板108)的第1紧固螺栓111将并排地配置的堆100S各自的至少外周侧固定于端部板(上部端板109和下部端板108)，端部板(上部端板109和下部端板108)包括夹着多个堆100S的上部端板和下部端板。
根据这样的燃料电池100，能够利用使用了包括上部端板和下部端板的端部板的非常简便的结构发挥任意的紧固力。
优选的是，堆100S包括气体流入口100x和气体流出口100y，在并排地配置的堆100S的外周侧设置气体流入口100x，在具有彼此相对的面的一侧设置气体流出口100y。
根据这样的燃料电池100，相对的堆100S的伸长或缩小能够利用彼此的变形(发生变形的方向完全相反)抵消。因而，在燃料电池100的情况下，能够充分地抑制在层叠构件产生的应变。
在此，相对的堆100S为使气体流出侧位于彼此内侧的结构，但外侧的紧固力相对较大，内侧的紧固力相对较小，而容易使对外侧进行螺栓紧固这样的结构具体化。即，假设若与实施方式不同，设为对内侧进行螺栓紧固以使内侧的紧固力相对较大的结构，则对外侧施加紧固力的方法会变得复杂。
优选的是，在端部板(上部端板109和下部端板108)与堆100S之间设置用于吸收层叠方向Z上的热应变的第2热应变吸收部(弹簧110)。
优选的是，第2热应变吸收部(弹簧110)与堆100S的气体流入口100x以及气体流出口100y相对应地配置。
根据这样的燃料电池100，容易因温度变化而发生膨胀、收缩的气体流入口和气体流出口的变形能够利用弹簧110的伸缩来吸收。因而，在燃料电池100的情况下，能够充分地抑制在层叠构件产生的应变。特别是，根据这样的燃料电池100，对于堆100S，即使在热导率、线膨胀系数方面存在较大的差异，也能够利用弹簧110的反弹力来抑制因该差异而发生翘曲等情况。
优选的是，第2热应变吸收部(弹簧110)由弹簧机构形成，预先赋予比沿着层叠方向Z的热膨胀量最大的部分与最小的部分之差大的压缩量。
优选的是，第2热应变吸收部(弹簧110)与配置在堆100S的内部的电解质101S膜相对应地配置，并使其初始压缩量或者弹簧常数相比配置于气体流入口100x或气体流出口100y的弹簧而言较小。
根据这样的燃料电池100，例如，即使在相对较低的低温(例如启动前)时，弹簧110的反弹力也始终发挥作用，因此，在热膨胀量最小的部分不会发生卸荷，能够防止输入剪切力、发电效率降低。因而，在燃料电池100的情况下，能够充分地抑制在层叠构件产生的应变。
在燃料电池100的情况下，多个下部端板108与上部端板109之间的各堆100S的紧固力相比在气体流出口侧而言在气体流入口侧较大。
根据这样的燃料电池100，多个下部端板108与上部端板109之间的各堆100S的紧固力被限定为相比在气体流出口侧而言在气体流入口侧较大。根据这样的结构的燃料电池100，层叠构件能够根据状态的变化(例如随着气体的流通而发生的温度上升)沿着发生变形的方向顺畅地伸长或缩小。因而，在燃料电池100的情况下，能够充分地抑制在层叠构件产生的应变。
在此，用于使紧固力(弹簧110的弹簧反作用力)在气体流入口＞在气体流出口的方法是指通过对气体流入口的附近的部分进行螺栓紧固以及上部端板109的上凸翘曲而自然地形成气体流入口的紧固力＞气体流出口的紧固力的关系。另外，作为另一方法，使快速升温时的沿着层叠方向Z的膨胀量(弹簧压缩量)在气体流入口＞在气体流出口，从而自然地形成紧固力在气体流入口＞在气体流出口的关系。此外，作为另一方法，使弹簧110的弹簧常数在气体流入口＞在气体流出口，从而无论在启动前、启动中还是启动后，都会形成紧固力在气体流入口＞在气体流出口的关系。
特别是，根据这样的燃料电池100，在气体的温度自气体流入口朝向气体流出口上升而层叠构件伸长的情况下，通过容许沿着自气体流入口向气体流出口的变形，从而能够有效地抑制在变形量不同的层叠构件之间产生的应变。
如果使下部端板108与上部端板109之间的紧固力在气体流入口＜在气体流出口，则在气体流入口侧，下部端板108在平面方向(宽度方向X和长度方向Y)上发生位移，但在快速升温时，在气体流入口侧，层叠方向膨胀较大，因此紧固力增大，在气体流入口侧的平面方向位移逐渐变得难以发生。结果，在气体流出口侧作用要产生位移的应力，但螺栓紧固着的气体流出口侧的动作被限制，因此在下部端板108发生翘曲变形。
在此，使下部端板108与歧管之间的紧固力在气体流入口＞在气体流出口(称作条件A)、以及使下部端板108与上部端板109之间的紧固力在气体流入口＞在气体流出口(称作条件B)这两个条件是很重要的。
在条件A和条件B均为“否”的情况下(均为在气体流入口＜在气体流出口)，在气体流入口侧，发生下部端板108和外部歧管113在平面方向上的位移，但在快速升温时，在气体流入口侧，层叠方向膨胀较大，因此紧固力增大，在气体流入口侧的平面方向位移逐渐变得难以发生。结果，要在气体流出口侧进行位移，但螺栓紧固着的气体流出口侧的动作被限制，因此需要防止下部端板108的翘曲变形。
在条件A为“是”且条件B为“否”的情况下，在下部端板108发生位移的气体流出口侧，上部端板109和下部端板108牢固地紧固在一起，因此，在快速升温时，热膨胀较大的下部端板108与热膨胀较小的上部端板109之间发生偏移，需要防止上部端板109和下部端板108的翘曲变形、上部端板109与下部端板108之间的紧固螺栓变形、破损。
在条件A为“否”且条件B为“是”的情况下，在下部端板108发生位移的气体流入口侧，上部端板109和下部端板108紧固在一起，因此，在快速升温时，热膨胀较大的下部端板108与热膨胀较小的上部端板109之间发生偏移，需要防止上部端板109和下部端板108的翘曲变形、上部端板109与下部端板108之间的紧固螺栓变形、破损。
因而，为了防止快速升温时的上部端板109和下部端板108的翘曲变形(导致卸荷、漏气的模式)，需要条件A、条件B均为“是”的构造。
另外，根据这样的燃料电池100，即使在堆100S、下部端板108和上部端板109存在热导率、线膨胀系数的差异，也能够防止因该差异而发生翘曲、沿着与层叠方向Z相交叉的方向产生剪切力。例如，能够防止线膨胀系数相对较低的密封构件104被其他的层叠构件拉拽，因此能够保护密封构件104，维持密封构件104的气体密封性。
对于燃料电池100，优选的是，向阴极101U供给的加热了的阴极气体CG被向弹簧110供给。
根据这样的燃料电池100，弹簧110的温度与堆100S的温度接近，并且在高温(例如快速升温时)时使弹簧110的压缩量增大且使弹簧常数降低，从而能够抑制因弹簧110导致的负荷增大。即，随着弹簧110的温度上升而弹簧压缩量增大的作用和随着弹簧110的温度上升而弹簧常数减小的作用同时发挥。因而，在燃料电池100的情况下，能够充分地抑制在层叠构件产生的应变。
(第2实施方式)
对于第2实施方式的燃料电池200，外部歧管213以将气体流入部和气体流出部隔开的方式被分割，在这一方面，与上述的第1实施方式的燃料电池100不同。
图21A是表示第2实施方式的燃料电池200的示意图，且是表示启动前的燃料电池200的状态的图。图21B是表示第2实施方式的燃料电池200的示意图，且是表示快速升温时的燃料电池200的状态的图。图21C是表示第2实施方式的燃料电池200的示意图，且是表示稳定运转时的燃料电池200的状态的图。
如图21A～图21C所示，燃料电池200构成为：第3紧固构件(外部歧管213)沿着与层叠方向Z相交叉的方向分割出供气体向气体流入口200x流入的气体流入部和供气体自气体流出口200y流出的气体流出部。即，外部歧管213包括：与气体流入口200x相对应的第1基部213S(在与层叠方向Z相交叉的宽度方向X上的外侧以相对的方式配置有两个)、与气体流出口200y相对应的第2基部213T(在与层叠方向Z相交叉的宽度方向X上的内侧以相对的方式配置有两个)、以及与中央相对应的第3基部213U(在与层叠方向Z相交叉的宽度方向X上的中央配置有一个)。外部歧管213与一对下部端板108接合在一起。
如图21A所示，在启动前(堆100S中稳定地为气体流入口200x与气体流出口200y的温度相等且从气体流动的上游侧到下游侧的沿着层叠方向Z的厚度相等的状态时)的燃料电池200中，第1基部213S和第2基部213T沿着宽度方向X彼此接触。第2基部213T和第3基部213U沿着宽度方向X彼此分隔开。
如图21B所示，在快速升温时(堆100S中暂时为相比气体流入口200x而言气体流出口200y的温度相对较低且相比气体流动的下游侧而言上游侧沿着层叠方向Z相对膨胀的状态时)的燃料电池200中，堆100S等朝向宽度方向X的内侧顺畅地伸长，因此追随该伸长的第2基部213T远离第1基部213S，与第3基部213U接触。
如图21C所示，在稳定运转时(堆100S中稳定地为相比气体流出口200y而言气体流入口200x的温度相对较低且相比气体流动的上游侧而言下游侧沿着层叠方向Z相对膨胀的状态时)的燃料电池200中，堆100S等的伸长恒定，因此追随该伸长的第2基部213T远离第3基部213U，再次与第1基部213S接触。
对以上说明的第2实施方式的作用效果进行说明。
燃料电池200还具有第3紧固构件(外部歧管213)，该第3紧固构件(外部歧管213)沿着与层叠方向Z相交叉的方向分割出供气体向气体流入口流入的气体流入部和供气体自气体流出口流出的气体流出部，外部歧管213与各下部端板108接合在一起。
根据这样的燃料电池200，外部歧管213能够以气体流入部和气体流出口为中心沿着面方向移动，因此能够使剪切力抵消。因而，在燃料电池200的情况下，能够充分地抑制在层叠构件产生的应变。
(第3实施方式)
对于第3实施方式的燃料电池300，弹簧110还配置于与发电电池101M沿着层叠方向Z重叠的部分，在这一点上，与上述的第2实施方式的燃料电池200不同。
图22A是表示第3实施方式的燃料电池300的示意图，且是表示启动前的燃料电池300的状态的图。图22B是表示第3实施方式的燃料电池300的示意图，且是表示快速升温时的燃料电池300的状态的图。
如图22A和图22B所示，对于燃料电池300，多个弹簧110还呈矩阵状配置于与发电电池101M沿着层叠方向Z重叠的部分。这些弹簧110选择如下这样的弹簧：相比在与气体流入口300x以及气体流出口300y沿着层叠方向Z重叠的位置配置的弹簧110(相当于第1实施方式、第2实施方式的弹簧110)而言，反弹力较低。
对以上说明的第3实施方式的作用效果进行说明。
在燃料电池300的情况下，弹簧110还配置于与发电电池101M沿着层叠方向Z重叠的部分，相比与气体流入口300x以及气体流出口300y沿着层叠方向Z重叠的位置而言，弹簧110的反弹力较小。
根据这样的燃料电池300，即使在气体的流动方向的温度梯度为非线形的情况下，也能够可靠地对发电电池101M施加面压。在燃料电池300的情况下，无论弹簧110的温度如何，弹簧110的反弹力都始终作用于发电电池101M，因此不会发生发电电池101M在与层叠方向Z相交叉的方向上的卸荷，能够防止输入剪切力、发电效率降低。因而，在燃料电池300的情况下，能够充分地抑制在层叠构件产生的应变。
除此之外，本发明能够基于权利要求书中记载的结构进行各种改变，这些也属于本发明的范畴。
在第1实施方式～第3实施方式中，对于燃料电池，作为固体氧化物型燃料电池(SOFC，SolidOxideFuelCell)进行了说明，但也可以构成为固体高分子膜型燃料电池(PEMFC，PolymerElectrolyteMembraneFuelCell)、磷酸型燃料电池(PAFC，PhosphoricAcidFuelCell)或者熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC，MoltenCarbonateFuelCell)。即，燃料电池除固体氧化物型燃料电池(SOFC)之外，还能够应用于固体高分子膜型燃料电池(PEMFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)或者熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)。
对于燃料电池，也可以使第1实施方式～第3实施方式的条件适当地组合来构成。
附图标记说明
100、200、300、燃料电池；100K、空间部；100M、电池堆组件；100S、堆；100T、电池单元；100U、接合体；100P、上部模块单元；100Q、中部模块单元；100R、下部模块单元；101、金属支撑电池组件；101M、发电电池；101N、金属支撑电池；101S、电解质；101T、阳极；101U、阴极；101V、支撑金属件；101W、电池框架；101k、开口部；102、分隔件；102L、流路部；102p、外缘；102q、槽；102x、平坦部；102y、阳极侧突起；102z、阴极侧突起；103、集电辅助层；104、密封构件；105、模块端部；106、上部集电板；106a、凹陷部；107、下部集电板；108、下部端板；108m、螺纹孔；108n、插入孔；109、上部端板；109n、插入孔；110、弹簧；111、第1紧固螺栓；112、气封件；113、213、外部歧管；113m、螺纹孔；213S、第1基部；213T、第2基部；213U、第3基部；101a、102a、105a、107a、108a、113a、阳极侧第1流入口；101b、102b、105b、107b、113b、108b、阳极侧第2流入口；101c、102c、105c、107c、113c、108c、阳极侧第3流入口；101d、102d、108d、107d、113d、105d、阳极侧第1流出口；101e、102e、105e、107e、113e、108e、阳极侧第2流出口；101f、108f、102f、105f、107f、113f、阴极侧第1流入口；101g、102g、105g、107g、108g、113g、阴极侧第2流入口；101h、102h、113h、105h、107h、108h、阴极侧第1流出口；101i、102i、105i、107i、108i、113i、阴极侧第2流出口；101j、102j、105j、107j、108j、113j、阴极侧第3流出口；100x、200x、300x、气体流入口；100y、200y、300y、气体流出口；114、第2紧固螺栓；115、盖；V、接合线；AG、阳极气体；CG、阴极气体；X、(燃料电池的一个堆100S的)宽度方向；Y、(燃料电池的一个堆100S的)长度方向；Z、(燃料电池的)层叠方向。

Claims (10)

1.一种燃料电池的堆构造，该燃料电池的堆构造是将交替层叠有发电电池和分隔件的多组层叠体固定于端部板的构造，该发电电池利用燃料极和氧化剂极夹着电解质来构成，并利用供给来的气体发电，该分隔件形成了用于向所述发电电池供给气体的流路部、供气体向所述流路部流入的气体流入口、以及供气体自所述流路部流出的气体流出口，其中，
所述端部板包括夹着多个所述层叠体的上部端板和下部端板，
所述层叠体并排地配置，所述层叠体之间形成有用于吸收与层叠方向正交的方向上的热应变的第1热应变吸收部，
并排地配置的所述层叠体各自的至少外周侧固定于所述端部板，
所述第1热应变吸收部包括空间部，该空间部形成在并排地配置的所述层叠体之间，
所述燃料电池的堆构造包括配置在所述端部板的外侧的外部歧管，该外部歧管具有用于向所述发电电池供给气体的流通口，
所述上部端板是单个的板，
所述下部端板包括一对板，该一对板以使供阴极气体流出的一侧的外缘相对的方式而以沿着与所述层叠方向正交的方向排列的状态配置于所述层叠体的下端，
所述气体流入口设置于并排地配置的所述层叠体各自的外周侧，
所述气体流出口设置于并排地配置的所述层叠体的具有彼此相对的面的一侧，
所述气体流入口侧的所述下部端板与所述外部歧管之间的紧固力大于所述气体流出口侧的所述下部端板与所述外部歧管之间的紧固力，
所述气体流入口侧的所述下部端板与所述上部端板之间的紧固力大于所述气体流出口侧的所述下部端板与所述上部端板之间的紧固力。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的堆构造，其中，
所述空间部是将并排地配置的所述层叠体的彼此相对的面分隔开地配置并将所述层叠体固定于所述端部板而形成的。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池的堆构造，其中，
所述外部歧管形成所述第1热应变吸收部。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池的堆构造，其中，
使用紧固构件将所述层叠体固定于所述端部板。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池的堆构造，其中，
所述层叠体包括气体流入部和气体流出部，在并排地配置的所述层叠体的外周侧设置气体流入部，在具有彼此相对的面的一侧设置气体流出部。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池的堆构造，其中，
在所述端部板与所述层叠体之间设有用于吸收层叠方向上的热应变的第2热应变吸收部。
7.根据权利要求6所述的燃料电池的堆构造，其中，
所述第2热应变吸收部与所述层叠体的气体流入部以及所述层叠体的气体流出部相对应地配置。
8.根据权利要求6所述的燃料电池的堆构造，其中，
所述第2热应变吸收部由弹簧机构形成，预先赋予比沿着层叠方向的热膨胀量最大的部分与最小的部分之差大的压缩量。
9.根据权利要求6所述的燃料电池的堆构造，其中，
所述第2热应变吸收部与配置在所述层叠体的内部的电解质膜相对应地配置，并使其初始压缩量或者弹簧常数相比配置于气体流入口或气体流出口的弹簧而言较小。
10.一种燃料电池堆的热应变吸收方法，其中，
利用燃料极和氧化剂极夹着电解质而形成发电电池，
利用一对分隔件夹着所述发电电池而形成层叠体，
层叠多个所述层叠体而形成多组所述层叠体的列，
利用多个所述层叠体的列形成空间部且多个所述层叠体的列并排地配置，
在将多组所述层叠体固定于包括夹着多个所述层叠体的上部端板和下部端板的端部板时，将并排地配置的所述层叠体各自的至少外周侧固定于所述端部板，
借助第1热应变吸收部利用所述层叠体的列之间的所述空间部吸收与层叠方向正交的方向上的热应变，
多个所述层叠体包括燃料电池的堆构造的一部分，
所述堆构造包括配置在所述端部板的外侧的外部歧管，该外部歧管具有用于向所述发电电池供给气体的流通口，
所述上部端板是单个的板，
所述下部端板包括一对板，该一对板以使供阴极气体流出的一侧的外缘相对的方式而以沿着与所述层叠方向正交的方向排列的状态配置于所述层叠体的下端，
所述堆构造包括气体流入口和气体流出口，
所述气体流入口设置于并排地配置的所述层叠体各自的外周侧，
所述气体流出口设置于并排地配置的所述层叠体的具有彼此相对的面的一侧，
所述气体流入口侧的所述下部端板与所述外部歧管之间的紧固力大于所述气体流出口侧的所述下部端板与所述外部歧管之间的紧固力，
所述气体流入口侧的所述下部端板与所述上部端板之间的紧固力大于所述气体流出口侧的所述下部端板与所述上部端板之间的紧固力。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6476682A (en) 1987-09-17 1989-03-22 Mitsubishi Electric Corp Fuel cell
JPH06333591A (ja) 1993-05-19 1994-12-02 Sanyo Electric Co Ltd 高電圧燃料電池システム
JPH10106610A (ja) 1996-09-30 1998-04-24 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池
JP3388710B2 (ja) * 1999-03-16 2003-03-24 三菱電機株式会社 燃料電池
US6692859B2 (en) * 2001-05-09 2004-02-17 Delphi Technologies, Inc. Fuel and air supply base manifold for modular solid oxide fuel cells
US7001685B2 (en) * 2002-06-24 2006-02-21 Delphi Technologies, Inc. Fuel cell stack assembly load frame with compression spring
JP2006108058A (ja) 2004-10-08 2006-04-20 Toyota Motor Corp 燃料電池スタックとその製造方法ならびに製造装置
US20090004533A1 (en) 2006-09-08 2009-01-01 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
JP5236874B2 (ja) 2006-10-18 2013-07-17 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
US20080138684A1 (en) * 2006-12-06 2008-06-12 3M Innovative Properties Company Compact fuel cell stack with uniform depth flow fields
JP5684664B2 (ja) 2011-07-13 2015-03-18 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP2013054918A (ja) 2011-09-05 2013-03-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池スタック
US10096844B2 (en) 2013-10-03 2018-10-09 Hamilton Sundstrand Corporation Manifold for plural fuel cell stacks
WO2017040625A1 (en) 2015-08-31 2017-03-09 Sustainable Innovations, LLC Modular electrochemical cell components, stacks, systems and method of manufacture

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