JP6927309B2 - 燃料電池のスタック構造および燃料電池スタックの熱歪吸収方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のスタック構造および燃料電池スタックの熱歪吸収方法に関する。

従来から、燃料電池は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟んで構成した発電セルを含む積層部材に対してガスを供給して発電している。燃料電池は、状況に応じてガスを高速で供給したり高温で供給したりすることがあることから、積層部材に付与する荷重を調整して、その積層部材を保護する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１３−２０８８６号公報

特許文献１に記載の構成では、燃料電池を定常的に運転しているときには問題無いが、例えば運転前の燃料電池にガスを供給しつつ昇温しているときには積層部材に負荷が掛かって歪が生じる虞がある。すなわち、特許文献１に記載の構成では、歪みに伴うガスリークや荷重抜け、それらに起因する性能低下が生じる虞がある。

本発明の目的は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる燃料電池のスタック構造を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池のスタック構造は、電解質を燃料極と酸化剤極とで挟んで構成し供給されたガスによって発電する発電セルと前記発電セルにガスを供給する流路部と前記流路部にガスを流入させるガス流入口と前記流路部からガスを流出させるガス流出口とを形成したセパレータとを交互に積層した複数組の積層体を端部プレートに固定手段を用いて固定した構造である。ここで、前記端部プレートは、複数の前記積層体を狭持する上部エンドプレートおよび下部エンドプレートからなり、前記積層体は、並列に配置され、その間に積層方向と直交する方向の熱歪を吸収する第１熱歪吸収部を形成し、前記端部プレートに複数組の前記積層体を固定する前記固定手段は、並列に配置された前記積層体の各々の前記積層方向に直交する方向の外周側を前記端部プレートに固定する。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池スタックの熱歪吸収方法は、電解質を燃料極と酸化剤極とで挟んで発電セルを形成し、前記発電セルを一対のセパレータで狭持して積層体を形成し、複数の前記積層体を積層して複数組の前記積層体の列を形成し、複数の前記積層体の列で空間部を形成しながら並列に配置し、複数の前記積層体を狭持する上部エンドプレートおよび下部エンドプレートからなる端部プレートに複数組の前記積層体を固定手段を用いて固定するにあたり、並列に配置された前記積層体の各々の前記積層方向に直交する方向の外周側を前記端部プレートに固定し、前記積層体列間の前記空間部で積層方向と直交する方向の熱歪を吸収する。

第１実施形態の燃料電池を示す斜視図である。 図１の燃料電池を部分的に分解して示す斜視図である。 図２の燃料電池の一部を拡大して示す斜視図である。 図２の燃料電池を別の方位（下方）から示す斜視図である。 図２のセルスタックアッセンブリーと外部マニホールドを示す斜視図である。 図５の上部エンドプレート（右半分）とスタック（右側）および下部エンドプレート（右半分）を示す斜視図である。 図２のスタックを上部モジュールユニットと複数の中部モジュールユニットおよび下部モジュールユニットに分解した状態を示す斜視図である。 図７の上部モジュールユニットを分解して示す斜視図である。 図７の中部モジュールユニットを分解して示す斜視図である。 図７の下部モジュールユニットを分解して示す斜視図である。 図５〜図７の一のセルユニットを分解し、かつ、その一のセルユニットの下方に位置する他のセルユニット（メタルサポートセルアッセンブリー以外の構成）を分解して示す斜視図である。 図１１のメタルサポートセルアッセンブリーを分解して示す斜視図である。 図１１のメタルサポートセルアッセンブリーを断面で示す側面図である。 図１１のセパレータをカソード側（図１１と同じくセパレータ１０２を上方から視認した側）から示す斜視図である。 図１４のセパレータを部分的（図１４中の領域１５）に示す斜視図である。 図１１のセパレータをアノード側（図１１と異なりセパレータ１０２を下方から視認した側）から示す斜視図である。 図１６のセパレータを部分的（図１６中の領域１７）に示す斜視図である。 図１１のメタルサポートセルアッセンブリーとセパレータおよび集電補助層を積層した状態で部分的に示す断面図である。 燃料電池におけるアノードガスおよびカソードガスの流れを模式的に示す斜視図である。 燃料電池におけるカソードガスの流れ（片方）を模式的に示す斜視図である。 燃料電池におけるアノードガスの流れ（片方）を模式的に示す斜視図である。 第１実施形態の燃料電池を示す模式図であって、起動前における燃料電池の状態を示す図である。 第１実施形態の燃料電池を示す模式図であって、急速昇温時における燃料電池の状態を示す図である。 第１実施形態の燃料電池を示す模式図であって、定常運転時における燃料電池の状態を示す図である。 第２実施形態の燃料電池を示す模式図であって、起動前における燃料電池の状態を示す図である。 第２実施形態の燃料電池を示す模式図であって、急速昇温時における燃料電池の状態を示す図である。 第２実施形態の燃料電池を示す模式図であって、定常運転時における燃料電池の状態を示す図である。 第３実施形態の燃料電池を示す模式図であって、起動前における燃料電池の状態を示す図である。 第３実施形態の燃料電池を示す模式図であって、急速昇温時における燃料電池の状態を示す図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の第１〜第３実施形態を説明する。図面において、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面において、各部材の大きさや比率は、第１〜第３実施形態の理解を容易にするために誇張し、実際の大きさや比率とは異なる場合がある。

各図において、Ｘ、Ｙ、およびＺで表す矢印を用いて、燃料電池を構成する部材の方位を示している。Ｘによって表す矢印の方向は、燃料電池１００における１つのスタック１００Ｓの短手方向Ｘを示している。Ｙによって表す矢印の方向は、燃料電池１００における１つのスタック１００Ｓの長手方向Ｙを示している。Ｚによって表す矢印の方向は、燃料電池１００の積層方向Ｚを示している。

（第１実施形態）
（燃料電池１００の構成）
図１は、第１実施形態の燃料電池１００を示す斜視図である。図２は、図１の燃料電池１００を部分的に分解して示す斜視図である。図３は、図２の燃料電池１００の一部を拡大して示す斜視図である。図４は、図２の燃料電池１００を別の方位（下方）から示す斜視図である。図５は、図２のセルスタックアッセンブリー１００Ｍと外部マニホールド１１３を示す斜視図である。図６は、図５の上部エンドプレート１０９（右半分）とスタック１００Ｓ（右側）および下部エンドプレート１０８（右半分）を示す斜視図である。図７は、図２のスタック１００Ｓを上部モジュールユニット１００Ｐと複数の中部モジュールユニット１００Ｑおよび下部モジュールユニット１００Ｒに分解した状態を示す斜視図である。図８は、図７の上部モジュールユニット１００Ｐを分解して示す斜視図である。図９は、図７の中部モジュールユニット１００Ｑを分解して示す斜視図である。図１０は、図７の下部モジュールユニット１００Ｒを分解して示す斜視図である。図１１は、図８〜図１０の一のセルユニット１００Ｔを分解し、かつ、その一のセルユニット１００Ｔの下方に位置する他のセルユニット１００Ｔ（メタルサポートセルアッセンブリー１０１以外の構成）を分解して示す斜視図である。

図１２は、図１１のメタルサポートセルアッセンブリー１０１を分解して示す斜視図である。図１３は、図１１のメタルサポートセルアッセンブリー１０１を断面で示す側面図である。図１４は、図１１のセパレータ１０２をカソード側（図１１と同じくセパレータ１０２を上方から視認した側）から示す斜視図である。図１５は、図１４のセパレータ１０２を部分的（図１４中の領域１５）に示す斜視図である。図１６は、図１１のセパレータ１０２をアノード側（図１１と異なりセパレータ１０２を下方から視認した側）から示す斜視図である。図１７は、図１６のセパレータ１０２を部分的（図１６中の領域１７）に示す斜視図である。図１８は、図１１のメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２および集電補助層１０３を積層した状態で部分的に示す断面図である。

燃料電池１００は、図１および図２に示すように、セルスタックアッセンブリー１００Ｍを、外部からガスを供給する外部マニホールド１１３と、セルスタックアッセンブリー１００Ｍを保護するカバー１１５によって上下から挟み込んで、構成している。

セルスタックアッセンブリー１００Ｍは、図２〜図４に示すように、一対のスタック１００Ｓを、一対の下部エンドプレート１０８と１つの上部エンドプレート１０９によって上下から挟み込み、カソードガスＣＧを封止するエアーシェルター１１２によって覆って、構成している。各々のスタック１００Ｓは、図２〜図７（特に図７）に示すように、上部モジュールユニット１００Ｐ、複数の中部モジュールユニット１００Ｑおよび下部モジュールユニット１００Ｒを積層して、構成している。

燃料電池１００において、上部モジュールユニット１００Ｐは、図８に示すように、複数積層したセルユニット１００Ｔを、セルユニット１００Ｔで発電された電力を外部に出力する上部集電板１０６と、エンドプレートに相当するモジュールエンド１０５によって上下から挟み込んで構成している。中部モジュールユニット１００Ｑは、図９に示すように、複数積層したセルユニット１００Ｔを、一対のモジュールエンド１０５によって上下から挟み込んで構成している。下部モジュールユニット１００Ｒは、図１０に示すように、複数積層したセルユニット１００Ｔを、モジュールエンド１０５と下部集電板１０７によって上下から挟み込んで構成している。

燃料電池１００のユニット構造において、セルユニット１００Ｔは、図１１に示すように、供給されたガスによって発電する発電セル１０１Ｍを設けたメタルサポートセルアッセンブリー１０１、積層方向Ｚに沿って隣り合うメタルサポートセルアッセンブリー１０１の発電セル１０１Ｍを隔てるセパレータ１０２、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２との間にガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にする集電補助層１０３、およびメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２のマニホールドの部分の縁を封止してガスの流れを制限する封止部材１０４を含んでいる。集電補助層１０３および封止部材１０４は、その構造上、積層方向Ｚに沿って隣り合うメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に配置するものである。

ここで、燃料電池１００の製造方法上、メタルサポートセルアッセンブリー１０１およびセパレータ１０２は、図１１の中央に示すように、各々の外縁を接合ラインＶに沿って環状に接合して接合体１００Ｕを構成する。このため、積層方向Ｚに沿って隣り合う接合体１００Ｕ（メタルサポートセルアッセンブリー１０１およびセパレータ１０２）の間に、集電補助層１０３および封止部材１０４を配置する構成としている。すなわち、集電補助層１０３および封止部材１０４は、図１１の下方に示すように、一の接合体１００Ｕのメタルサポートセルアッセンブリー１０１と、一の接合体１００Ｕと積層方向Ｚに沿って隣り合う他の接合体１００Ｕのセパレータ１０２との間に、配置している。

以下、燃料電池１００を構成毎に説明する。

メタルサポートセルアッセンブリー１０１は、図１２および図１３に示すように、供給されたガスによって発電する発電セル１０１Ｍを設けたものである。

メタルサポートセルアッセンブリー１０１は、図１２および図１３に示すように、長手方向Ｙに沿って２つ並べて配置したメタルサポートセル１０１Ｎと、メタルサポートセル１０１Ｎを周囲から保持するセルフレーム１０１Ｗによって構成している。

メタルサポートセル１０１Ｎは、発電セル１０１Ｍと、発電セル１０１Ｍを一方から支持するサポートメタル１０１Ｖによって構成している。メタルサポートセルアッセンブリー１０１において、発電セル１０１Ｍは、図１２および図１３に示すように、電解質１０１Ｓをアノード１０１Ｔとカソード１０１Ｕで挟み込んで構成している。

アノード１０１Ｔは、図１２および図１３に示すように、燃料極であって、アノードガスＡＧ（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスＡＧの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード１０１Ｔは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスＡＧを透過させ、電気伝導度が高く、アノードガスＡＧを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード１０１Ｔは、電解質１０１Ｓよりも大きい長方体形状から形成されている。アノード１０１Ｔは、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させた超硬合金からなる。アノード１０１Ｔは、図１２および図１３に示すように、薄板状であって長方形状からなる。

電解質１０１Ｓは、図１２および図１３に示すように、カソード１０１Ｕからアノード１０１Ｔに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質１０１Ｓは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質１０１Ｓは、長方体形状から形成されている。電解質１０１Ｓは、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリア、ガドリア、スカンジア等を固溶した安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスからなる。電解質１０１Ｓは、図１２および図１３に示すように、薄板状であって、アノード１０１Ｔよりも若干大きい長方形状からなる。電解質１０１Ｓの外縁は、図１０に示すように、アノード１０１Ｔの側に向かって屈折して、アノード１０１Ｔの積層方向Ｚに沿った側面に接触している。電解質１０１Ｓの外縁の先端は、サポートメタル１０１Ｖに接触している。

カソード１０１Ｕは、図１２および図１３に示すように、酸化剤極であって、カソードガスＣＧ（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード１０１Ｕは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスＣＧを透過させ、電気伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード１０１Ｕは、電解質１０１Ｓよりも小さい長方体形状から形成されている。カソード１０１Ｕは、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等の酸化物からなる。カソード１０１Ｕは、図１２および図１３に示すように、アノード１０１Ｔと同様に、薄板状であって長方形状からなる。カソード１０１Ｕは、電解質１０１Ｓを介して、アノード１０１Ｔと対向している。電解質１０１Ｓの外縁がアノード１０１Ｔ側に屈折していることから、カソード１０１Ｕの外縁は、アノード１０１Ｔの外縁と接触することがない。

サポートメタル１０１Ｖは、図１２および図１３に示すように、発電セル１０１Ｍをアノード１０１Ｔの側から支持するものである。サポートメタル１０１Ｖは、ガス透過性を有し、電気伝導度が高く、十分な強度を有する。サポートメタル１０１Ｖは、アノード１０１Ｔよりも十分に大きい長方体形状から形成されている。サポートメタル１０１Ｖは、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼からなる。

セルフレーム１０１Ｗは、図１２および図１３に示すように、メタルサポートセル１０１Ｎを周囲から保持するものである。セルフレーム１０１Ｗは、薄い長方形状から形成している。セルフレーム１０１Ｗは、一対の開口部１０１ｋを、長手方向Ｙに沿って設けている。セルフレーム１０１Ｗの一対の開口部１０１ｋは、それぞれ長方形状の貫通口からなり、サポートメタル１０１Ｖの外形よりも小さい。セルフレーム１０１Ｗは、金属からなり、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、セルフレーム１０１Ｗに酸化アルミニウムを固着させて構成する。セルフレーム１０１Ｗの開口部１０１ｋの内縁に、サポートメタル１０１Ｖの外縁を接合することによって、セルフレーム１０１Ｗにメタルサポートセルアッセンブリー１０１を接合している。

セルフレーム１０１Ｗは、図１２および図１３に示すように、長手方向Ｙに沿った一辺の右端と中央と左端から、面方向に延ばした円形状の延在部（第１延在部１０１ｐ、第２延在部１０１ｑおよび第３延在部１０１ｒ）を設けている。セルフレーム１０１Ｗは、長手方向Ｙに沿った他辺の中央から離間した２箇所から、面方向に延ばした円形状の延在部（第４延在部１０１ｓおよび第５延在部１０１ｔ）を設けている。セルフレーム１０１Ｗにおいて、第１延在部１０１ｐ、第２延在部１０１ｑおよび第３延在部１０１ｒと、第４延在部１０１ｓおよび第５延在部１０１ｔは、一対の開口部１０１ｋを隔てて、長手方向Ｙに沿って交互に位置している。

セルフレーム１０１Ｗは、図１２に示すように、アノードガスＡＧを通過（流入）させるアノード側第１流入口１０１ａ、アノード側第２流入口１０１ｂ、アノード側第３流入口１０１ｃを、第１延在部１０１ｐ、第２延在部１０１ｑおよび第３延在部１０１ｒに設けている。セルフレーム１０１Ｗは、アノードガスＡＧを通過（流出）させるアノード側第１流出口１０１ｄおよびアノード側第２流出口１０１ｅを、第４延在部１０１ｓおよび第５延在部１０１ｔに設けている。アノードガスＡＧのアノード側第１流入口１０１ａ、アノード側第２流入口１０１ｂ、アノード側第３流入口１０１ｃ、アノード側第１流出口１０１ｄおよびアノード側第２流出口１０１ｅは、いわゆる、マニホールドである。

セルフレーム１０１Ｗは、図１２に示すように、カソードガスＣＧを通過（流入）させるカソード側第１流入口１０１ｆを、第１延在部１０１ｐと第２延在部１０１ｑの間の空間に設けている。セルフレーム１０１Ｗは、カソードガスＣＧを通過（流入）させるカソード側第２流入口１０１ｇを、第２延在部１０１ｑと第３延在部１０１ｒの間の空間に設けている。セルフレーム１０１Ｗは、カソードガスＣＧを通過（流出）させるカソード側第１流出口１０１ｈを、第４延在部１０１ｓよりも図１２中の右側に設けている。セルフレーム１０１Ｗは、カソードガスＣＧを通過（流出）させるカソード側第２流出口１０１ｉを、第４延在部１０１ｓと第５延在部１０１ｔの間の空間に設けている。セルフレーム１０１Ｗは、カソードガスＣＧを通過（流出）させるカソード側第３流出口１０１ｊを、第５延在部１０１ｔよりも図１２中の左側に設けている。セルフレーム１０１Ｗにおいて、カソード側第１流入口１０１ｆ、カソード側第２流入口１０１ｇ、カソード側第１流出口１０１ｈ、カソード側第２流出口１０１ｉおよびカソード側第３流出口１０１ｊは、セルフレーム１０１Ｗの外周面とエアーシェルター１１２の内側面との空間に相当する。

セパレータ１０２は、図１１および図１４〜図１８に示すように、積層するメタルサポートセルアッセンブリー１０１の各々の発電セル１０１Ｍと発電セル１０１Ｍとの間に設け、隣り合う発電セル１０１Ｍを隔てるものである。

セパレータ１０２は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と対向して配置している。セパレータ１０２は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と同様の外形形状からなる。セパレータ１０２は、金属からなり、発電セル１０１Ｍと対向する領域（流路部１０２Ｌ）を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、セパレータ１０２に酸化アルミニウムを固着させて構成する。セパレータ１０２は、流路部１０２Ｌを、発電セル１０１Ｍと対向するように長手方向Ｙに並べて設けている。

セパレータ１０２において、流路部１０２Ｌは、図１１および図１４〜図１８に示すように、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）に沿って延ばした流路を、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）と直交する方向（長手方向Ｙ）に並べることによって形成している。流路部１０２Ｌは、図１５、図１７および図１８に示すように、長手方向Ｙおよび短手方向Ｘの面内において平坦な平坦部１０２ｘから下方に突出するように、凸状のアノード側突起１０２ｙを一定の間隔で設けている。アノード側突起１０２ｙは、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）に沿って延びている。アノード側突起１０２ｙは、セパレータ１０２の下端から下方に向かって突出している。流路部１０２Ｌは、図１５、図１７および図１８に示すように、平坦部１０２ｘから上方に突出するように、凸状のカソード側突起１０２ｚを一定の間隔で設けている。カソード側突起１０２ｚは、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）に沿って延びている。カソード側突起１０２ｚは、セパレータ１０２の上端から上方に向かって突出している。流路部１０２Ｌは、アノード側突起１０２ｙと凸状のカソード側突起１０２ｚを、平坦部１０２ｘを隔てて、長手方向Ｙに沿って交互に設けている。

セパレータ１０２は、図１７および図１８に示すように、流路部１０２Ｌと、その下方（図１８中では右方）に位置するメタルサポートセルアッセンブリー１０１との隙間を、アノードガスＡＧの流路として構成している。アノードガスＡＧは、図１６に示すセパレータ１０２のアノード側第２流入口１０２ｂ等から、図１６および図１７に示す複数の溝１０２ｑを通り、アノード側の流路部１０２Ｌに流入する。セパレータ１０２は、図１６および図１７に示すように、複数の溝１０２ｑを、アノード側第１流入口１０２ａ、アノード側第２流入口１０２ｂ、アノード側第３流入口１０２ｃから、それぞれアノード側の流路部１０２Ｌに向かって放射状に形成している。セパレータ１０２は、図１５および図１８に示すように、流路部１０２Ｌと、その上方（図１８中では左方）に位置するメタルサポートセルアッセンブリー１０１との隙間を、カソードガスＣＧの流路として構成している。カソードガスＣＧは、図１４に示すセパレータ１０２のカソード側第１流入口１０２ｆおよびカソード側第２流入口１０２ｇから、図１４および図１５に示すセパレータ１０２のカソード側の外縁１０２ｐを越えて、カソード側の流路部１０２Ｌに流入する。セパレータ１０２は、図１５に示すように、カソード側の外縁１０２ｐを、他の部分よりも肉薄に形成している。

セパレータ１０２は、図１１、図１４および図１６に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側第１流入口１０２ａ、アノード側第２流入口１０２ｂ、アノード側第３流入口１０２ｃ、アノード側第１流出口１０２ｄおよびアノード側第２流出口１０２ｅを設けている。セパレータ１０２は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側第１流入口１０２ｆ、カソード側第２流入口１０２ｇ、カソード側第１流出口１０２ｈ、カソード側第２流出口１０２ｉおよびカソード側第３流出口１０２ｊを設けている。セパレータ１０２において、カソードガスＣＧのカソード側第１流入口１０２ｆ、カソード側第２流入口１０２ｇ、カソード側第１流出口１０２ｈ、カソード側第２流出口１０２ｉおよびカソード側第３流出口１０２ｊは、セパレータ１０２の外周面とエアーシェルター１１２の内側面との空間に相当する。

集電補助層１０３は、図１１に示すように、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２との間にガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にして、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２との電気的な接触を補助するものである。

集電補助層１０３は、いわゆる、エキスパンドメタルである。集電補助層１０３は、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２の流路部１０２Ｌとの間に配置している。集電補助層１０３は、発電セル１０１Ｍと同様の外形形状からなる。集電補助層１０３は、菱形等の開口を格子状に設けた金網状からなる。

封止部材１０４は、図１１に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との隙間を部分的に封止してガスの流れを制限するものである。

封止部材１０４は、スペーサーとシールの機能を備え、いわゆるガスケットである。封止部材１０４は、セパレータ１０２のアノード側流入口（例えばアノード側第１流入口１０２ａ）およびアノード側流出口（例えばアノード側第１流出口１０２ｄ）から、セパレータ１０２のカソード側の流路に向かって、アノードガスＡＧが混入することを防止する。封止部材１０４は、リング状に形成している。封止部材１０４は、セパレータ１０２のカソード側の面に臨んでいるアノード側流入口（例えばアノード側第１流入口１０２ａ）、およびアノード側流出口（例えばアノード側第１流出口１０２ｄ）の内周縁に接合する。封止部材１０４は、例えば、耐熱性およびシール性を有するサーミキュライトからなる。

モジュールエンド１０５は、図８〜図１０に示すように、複数積層したセルユニット１００Ｔの下端または上端を保持するプレートである。

モジュールエンド１０５は、複数積層したセルユニット１００Ｔの下端または上端に配置している。モジュールエンド１０５は、セルユニット１００Ｔと同様の外形形状からなる。モジュールエンド１０５は、ガスを透過させない導電性材料からなり、発電セル１０１Ｍおよび他のモジュールエンド１０５と対向する一部の領域を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、モジュールエンド１０５に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

モジュールエンド１０５は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側第１流入口１０５ａ、アノード側第２流入口１０５ｂ、アノード側第３流入口１０５ｃ、アノード側第１流出口１０５ｄおよびアノード側第２流出口１０５ｅを設けている。モジュールエンド１０５は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側第１流入口１０５ｆ、カソード側第２流入口１０５ｇ、カソード側第１流出口１０５ｈ、カソード側第２流出口１０５ｉおよびカソード側第３流出口１０５ｊを設けている。モジュールエンド１０５において、カソード側第１流入口１０５ｆ、カソード側第２流入口１０５ｇ、カソード側第１流出口１０５ｈ、カソード側第２流出口１０５ｉおよびカソード側第３流出口１０５ｊは、モジュールエンド１０５の外周面とエアーシェルター１１２の内側面との空間に相当する。

上部集電板１０６は、図８に示し、セルユニット１００Ｔで発電された電力を外部に出力するものである。

上部集電板１０６は、図８に示すように、上部モジュールユニット１００Ｐの上端に配置している。上部集電板１０６は、セルユニット１００Ｔと同様の外形形状からなる。上部集電板１０６は、外部の通電部材と接続される端子（不図示）を設けている。上部集電板１０６は、バネ１１０を配置するための円筒形状の窪部１０６ａを、上面に複数設けている。上部集電板１０６は、ガスを透過させない導電性材料からなり、セルユニット１００Ｔの発電セル１０１Ｍと対向する領域および端子の部分を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、上部集電板１０６に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

下部集電板１０７は、図１０に示し、セルユニット１００Ｔで発電された電力を外部に出力するものである。

下部集電板１０７は、図１０に示すように、下部モジュールユニット１００Ｒの下端に配置している。下部集電板１０７は、上部集電板１０６と同様の外形形状からなる。下部集電板１０７は、外部の通電部材と接続される端子（不図示）を設けている。下部集電板１０７は、ガスを透過させない導電性材料からなり、セルユニット１００Ｔの発電セル１０１Ｍと対向する領域および端子の部分を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、下部集電板１０７に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

下部集電板１０７は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側第１流入口１０７ａ、アノード側第２流入口１０７ｂ、アノード側第３流入口１０７ｃ、アノード側第１流出口１０７ｄおよびアノード側第２流出口１０７ｅを設けている。下部集電板１０７は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側第１流入口１０７ｆ、カソード側第２流入口１０７ｇ、カソード側第１流出口１０７ｈ、カソード側第２流出口１０７ｉおよびカソード側第３流出口１０７ｊを設けている。下部集電板１０７において、カソード側第１流入口１０７ｆ、カソード側第２流入口１０７ｇ、カソード側第１流出口１０７ｈ、カソード側第２流出口１０７ｉおよびカソード側第３流出口１０７ｊは、下部集電板１０７の外周面とエアーシェルター１１２の内側面との空間に相当する。

下部エンドプレート１０８は、一対からなり、図２、図３、図５および図６（特に図５）に示すように、一対のスタック１００Ｓを下方から保持するものである。

下部エンドプレート１０８は、一対からなり、カソードガスＣＧを流出させる側の外縁を対向させるように短手方向Ｘに沿って並べた状態で、スタック１００Ｓの下端に配置している。下部エンドプレート１０８は、一部を除いて、セルユニット１００Ｔと同様の外形形状からなる。下部エンドプレート１０８は、カソードガスＣＧの流入口および排出口を形成するために、長手方向Ｙに沿った両端を直線状に伸長させて形成している。下部エンドプレート１０８は、図３および図６に示すように、長手方向Ｙに沿ったカソードガスＣＧの流入口の側の外縁の両端に、第１締結ボルト１１１をネジ留めするための一対のネジ穴１０８ｍを設けている。下部エンドプレート１０８は、図３および図６に示すように、長手方向Ｙに沿った一対のネジ穴１０８ｍよりも内方に、第２締結ボルト１１４を挿入するための一対の挿入穴１０８ｎを設けている。下部エンドプレート１０８は、セルユニット１００Ｔよりも十分に厚く形成している。下部エンドプレート１０８は、例えば、金属からなり、下部集電板１０７と接触する上面を、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、下部エンドプレート１０８に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

下部エンドプレート１０８は、図６に示すように、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側第１流入口１０８ａ、アノード側第２流入口１０８ｂ、アノード側第３流入口１０８ｃ、アノード側第１流出口１０８ｄおよびアノード側第２流出口１０８ｅを設けている。下部エンドプレート１０８は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側第１流入口１０８ｆ、カソード側第２流入口１０８ｇ、カソード側第１流出口１０８ｈ、カソード側第２流出口１０８ｉおよびカソード側第３流出口１０８ｊを設けている。

上部エンドプレート１０９は、図２〜図６（特に図５）に示すように、一対のスタック１００Ｓを上方から保持するものである。

上部エンドプレート１０９は、スタック１００Ｓの上端に配置している。上部エンドプレート１０９は、下部エンドプレート１０８を長手方向Ｙを軸にして短手方向Ｘに沿って左右対称に一体化した外形形状からなる。上部エンドプレート１０９は、図３および図６に示すように、長手方向Ｙに沿ったカソードガスＣＧの流入口の側の外縁の両端に、第１締結ボルト１１１を挿入するための一対の挿入穴１０９ｎを設けている。上部エンドプレート１０９は、下部エンドプレート１０８と異なり、ガスの流入口および排出口を設けていない。上部エンドプレート１０９は、例えば、金属からなり、上部集電板１０６と接触する下面を、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、上部エンドプレート１０９に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

バネ１１０は、図５および図６に示すように、一対のスタック１００Ｓに弾性力を与えるものである。

バネ１１０は、上部集電板１０６の複数の窪部１０６ａと上部エンドプレート１０９の間に、それぞれ配置している。バネ１１０は、例えば、耐クリープ性を備えた螺旋状の金属バネからなる。バネ１１０は、いわゆる板バネによって構成してもよい。

第１締結ボルト１１１は、図３〜図５（特に図３）に示すように、一対のスタック１００ＳのカソードガスＣＧの流入口の側に締結力を与えるものである。

第１締結ボルト１１１は、図５に示すように、４つ設け、上部エンドプレート１０９に四箇所設けられた挿入穴１０９ｎに挿入して、一対の下部エンドプレート１０８にそれぞれ二箇所設けられたネジ穴１０８ｍにネジ留めしている。第１締結ボルト１１１は、上部エンドプレート１０９と一対の下部エンドプレート１０８との間に配置された一対のスタック１００Ｓに対して、各々のカソードガスＣＧの流入口の側に締結力を与える。

エアーシェルター１１２は、図２および図４に示すように、一対のスタック１００Ｓとの間において、カソードガスＣＧの流路を形成するものである。

エアーシェルター１１２は、図２および図４に示すように、一対の下部エンドプレート１０８と１つの上部エンドプレート１０９によって挟み込まれた一対のスタック１００Ｓを上方から覆う。エアーシェルター１１２は、エアーシェルター１１２の内側面とスタック１００Ｓの側面との隙間の部分によって、スタック１００Ｓの構成部材のカソードガスＣＧの流入口と流出口を形成する。エアーシェルター１１２は、箱形状からなり、下部の全てと側部の一部を開口している。エアーシェルター１１２は、例えば、金属からなり、内側面を絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、エアーシェルター１１２に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

外部マニホールド１１３は、図１〜図５に示すように、外部から複数のセルユニット１００Ｔにガスを供給するものである。

外部マニホールド１１３は、セルスタックアッセンブリー１００Ｍの下方に配置している。外部マニホールド１１３は、下部エンドプレート１０８の形状を単純化した外形形状からなる。外部マニホールド１１３は、図５に示すように、長手方向Ｙに沿ったカソードガスＣＧの流入口の側の外縁に、第２締結ボルト１１４をネジ留めするためのネジ穴１１３ｍを設けている。外部マニホールド１１３は、下部エンドプレート１０８よりも十分に厚く形成している。外部マニホールド１１３は、例えば、金属からなる。

外部マニホールド１１３は、図５に示すように、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側第１流入口１１３ａ、アノード側第２流入口１１３ｂ、アノード側第３流入口１１３ｃ、アノード側第１流出口１１３ｄおよびアノード側第２流出口１１３ｅを設けている。外部マニホールド１１３は、カソードガスＣＧを通過させるセルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソード側第１流入口１１３ｆ、カソード側第２流入口１１３ｇ、カソード側第１流出口１１３ｈ、カソード側第２流出口１１３ｉおよびカソード側第３流出口１１３ｊを設けている。外部マニホールド１１３は、カソード側第１流入口１１３ｆ、カソード側第２流入口１１３ｇ、カソード側第１流出口１１３ｈ、カソード側第２流出口１１３ｉおよびカソード側第３流出口１１３ｊを、長手方向Ｙを軸にして短手方向Ｘに沿って左右対称に２組設けている。

第２締結ボルト１１４は、図３〜図５（特に図３）に示すように、一対の下部エンドプレート１０８のカソードガスＣＧの流入口の側に締結力を与えるものである。

第２締結ボルト１１４は、図５に示すように、４つ設け、一対の下部エンドプレート１０８にそれぞれ二箇所設けられた挿入穴１０８ｎに挿入して、外部マニホールド１１３に四箇所設けられたネジ穴１１３ｍにネジ留めしている。第２締結ボルト１１４は、一対の下部エンドプレート１０８に対して、各々のカソードガスＣＧの流入口の側に締結力を与える。

カバー１１５は、図１、図２および図４に示すように、セルスタックアッセンブリー１００Ｍを被覆して保護するものである。

カバー１１５は、セルスタックアッセンブリー１００Ｍを、外部マニホールド１１３とともに上下から挟み込んでいる。カバー１１５は、箱形状からなり、下部を開口させている。カバー１１５は、例えば、金属からなり、内側面を絶縁材によって絶縁している。

（燃料電池１００におけるガスの流れ）
図１９Ａは、燃料電池１００におけるアノードガスＡＧおよびカソードガスＣＧの流れを模式的に示す斜視図である。図１９Ｂは、燃料電池１００におけるカソードガスＣＧの流れ（片方）を模式的に示す斜視図である。図１９Ｃは、燃料電池１００におけるアノードガスＡＧの流れ（片方）を模式的に示す斜視図である。

アノードガスＡＧは、外部マニホールド１１３、下部エンドプレート１０８、モジュールエンド１０５、セパレータ１０２、およびメタルサポートセルアッセンブリー１０１の各々の流入口を通過して、各々の発電セル１０１Ｍのアノード１０１Ｔに供給される。すなわち、アノードガスＡＧは、外部マニホールド１１３から終端の上部集電板１０６に至るまで、交互に積層されたセパレータ１０２とメタルサポートセルアッセンブリー１０１との隙間に設けられたアノード側の流路に分配して供給される。その後、アノードガスＡＧは、発電セル１０１Ｍで反応し、上記の各構成部材の各々の流出口を通過して排ガスの状態で排出される。

アノードガスＡＧは、図１９Ａに示すように、セパレータ１０２を隔てて、カソードガスＣＧと交差するように、流路部１０２Ｌに供給される。アノードガスＡＧは、図１９Ｃにおいて、図１９Ｃの下方に位置するセパレータ１０２のアノード側第１流入口１０２ａ、アノード側第２流入口１０２ｂおよびアノード側第３流入口１０２ｃを通過し、メタルサポートセルアッセンブリー１０１のアノード側第１流入口１０１ａ、アノード側第２流入口１０１ｂおよびアノード側第３流入口１０１ｃを通過した後、図１９Ｃの上方に位置するセパレータ１０２の流路部１０２Ｌに流入して、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の発電セル１０１Ｍのアノード１０１Ｔに供給される。アノード１０１Ｔで反応した後のアノードガスＡＧは、排気ガスの状態で、図１９Ｃの上方に位置するセパレータ１０２の流路部１０２Ｌから流出して、メタルサポートセルアッセンブリー１０１のアノード側第１流出口１０１ｄおよびアノード側第２流出口１０１ｅを通過し、図１９Ｃ中の下方に位置するセパレータ１０２のアノード側第１流出口１０２ｄおよびアノード側第２流出口１０２ｅを通過して外部に排出される。

カソードガスＣＧは、外部マニホールド１１３、下部エンドプレート１０８、モジュールエンド１０５、セパレータ１０２、およびメタルサポートセルアッセンブリー１０１の各々の流入口を通過して、発電セル１０１Ｍのカソード１０１Ｕに供給される。すなわち、カソードガスＣＧは、外部マニホールド１１３から終端の上部集電板１０６に至るまで、交互に積層されたメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との隙間に設けられたカソード側の流路に分配して供給される。その後、カソードガスＣＧは、発電セル１０１Ｍで反応し、上記の各構成部材の各々の流出口を通過して排ガスの状態で排出される。上記の各構成部材におけるカソードガスＣＧの流入口および流出口は、各々の構成部材の外周面と、エアーシェルター１１２の内側面との間の隙間によって、構成している。

カソードガスＣＧは、図１９Ｂにおいて、図１９Ｂの下方に位置するセパレータ１０２のカソード側第１流入口１０２ｆおよびカソード側第２流入口１０２ｇを通過し、そのセパレータ１０２の流路部１０２Ｌに流入して、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の発電セル１０１Ｍのカソード１０１Ｕに供給される。カソード１０１Ｕで反応した後のカソードガスＣＧは、排気ガスの状態で、図１９Ｂ中の下方に位置するセパレータ１０２の流路部１０２Ｌから流出して、そのセパレータ１０２のカソード側第１流出口１０２ｈ、カソード側第２流出口１０２ｉおよびカソード側第３流出口１０２ｊを通過して外部に排出される。

（燃料電池１００の締結構造）
図２０Ａは、第１実施形態の燃料電池１００を示す模式図であって、起動前における燃料電池１００の状態を示す図である。図２０Ｂは、第１実施形態の燃料電池１００を示す模式図であって、急速昇温時における燃料電池１００の状態を示す図である。図２０Ｃは、第１実施形態の燃料電池１００を示す模式図であって、定常運転時における燃料電池１００の状態を示す図である。

図２０Ａに示すように、起動前（スタック１００Ｓにおいて、定常的に、ガス流入口１００ｘとガス流出口１００ｙの温度が等しく、ガスの流れの上流側から下流側における積層方向Ｚに沿った厚みが等しい状態の時）における燃料電池１００において、一対のスタック１００Ｓや一対の下部エンドプレート１０８は、伸長していない。

図２０Ｂに示すように、急速昇温時（スタック１００Ｓにおいて、一時的に、ガス流入口１００ｘよりもガス流出口１００ｙの方が相対的に温度が低く、ガスの流れの下流側よりも上流側の方が相対的に積層方向Ｚに沿って膨張している状態の時）における燃料電池１００において、一対のスタック１００Ｓや一対の下部エンドプレート１０８は、短手方向Ｘの内方に向かってスムーズに伸長する。このような構成は、複数の下部エンドプレート１０８と上部エンドプレート１０９との間における各々のスタック１００Ｓの締結力を、ガス流出口１００ｙの側よりもガス流入口１００ｘの側の方が大きくなるようにしていることから、実現される。すなわち、ガス流入口１００ｘの側は第１締結ボルト１１１等によって一定の締結力が発生しているが、ガス流出口１００ｙの側は第１締結ボルト１１１等が存在しないことから相対的に締結力が小さい。

図２０Ｃに示すように、定常運転時（スタック１００Ｓにおいて、定常的に、ガス流出口１００ｙよりもガス流入口１００ｘの方が相対的に温度が低く、ガスの流れの上流側よりも下流側の方が相対的に積層方向Ｚに沿って膨張している状態の時）における燃料電池１００において、一対のスタック１００Ｓや一対の下部エンドプレート１０８は、短手方向Ｘの外方に向かって戻った状態で安定する。常運転時におけるガス流出口１００ｙとガス流入口１００ｘの温度差は、急速昇温時におけるガス流出口１００ｙとガス流入口１００ｘの温度差よりも、十分に小さい。より具体的には、定常時には、短手方向Ｘに沿って隣り合う一対のスタック１００Ｓ、下部エンドプレート１０８、上部エンドプレート１０９、および外部マニホールド１１３の温度差が相対的に小さいことから、これら部品間の平面方向（短手方向Ｘおよび長手方向Ｙ）の膨張量が同程度になる。すなわち、定常時には、短手方向Ｘに沿って隣り合う一対のスタック１００Ｓの隙間が、起動前の状態に近くなる。

以上説明した第１実施形態の作用効果を説明する。

燃料電池１００のスタック構造は、電解質１０１Ｓを燃料極（アノード１０１Ｔ）と酸化剤極（カソード１０１Ｕ）とで挟んで構成し供給されたガス（アノードガスＡＧおよびカソードガスＣＧ）によって発電する発電セル１０１Ｍと発電セル１０１Ｍにガスを供給する流路部１０２Ｌと流路部１０２Ｌにガスを流入させるガス流入口１００ｘと流路部１０２Ｌからガスを流出させるガス流出口１００ｙとを形成したセパレータ１０２とを交互に積層した複数組の積層体（スタック１００Ｓ）を端部プレート（上部エンドプレート１０９および下部エンドプレート１０８）に固定手段（第１締結ボルト１１１）を用いて固定した構造である。ここで、スタック１００Ｓは、並列に配置され、その間に積層方向Ｚと直交する方向の熱歪を吸収する第１熱歪吸収部を形成した。

燃料電池スタックの熱歪吸収方法は、電解質１０１Ｓを燃料極（アノード１０１Ｔ）と酸化剤極（カソード１０１Ｕ）とで挟んで発電セル１０１Ｍを形成し、発電セル１０１Ｍを一対のセパレータ１０２で狭持して積層体（スタック１００Ｓ）を形成し、複数のスタック１００Ｓを積層して複数組のスタック１００Ｓの列を形成し、複数のスタック１００Ｓの列で空間部１００Ｋを形成しながら並列に配置し、スタック１００Ｓ体列間の空間部１００Ｋで積層方向と直交する方向の熱歪を吸収する。

かかる燃料電池１００によれば、積層方向Ｚと直交する方向のスタック１００Ｓの熱歪を吸収する第１熱歪吸収部によって、積層部材（スタック１００Ｓを含む）に発生する歪みを十分に抑制することができる。

第１熱歪吸収部は、並列に配置されたスタック１００Ｓの間に形成した空間部１００Ｋからなることが好ましい。

空間部１００Ｋは、並列に配置されたスタック１００Ｓの互いに対向する面を離間して配置して端部プレート（上部エンドプレート１０９および下部エンドプレート１０８）に固定して形成することが好ましい。

かかる燃料電池１００によれば、対向するスタック１００Ｓが互いに近づくように伸長しても、接触することを回避できる。したがって、燃料電池１００は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。

発電セル１０１Ｍにガスを供給する流通口を備えた外部マニホールド１１３を設け、外部マニホールド１１３は、端部プレート（上部エンドプレート１０９および下部エンドプレート１０８）の外側に配置し、第１熱歪吸収部を形成することが好ましい。

かかる燃料電池１００によれば、外部マニホールド１１３を含めて、積層部材（スタック１００Ｓを含む）に発生する歪みを十分に抑制することができる。

端部プレート（上部エンドプレート１０９および下部エンドプレート１０８）にスタック１００Ｓを固定する固定手段は締結部材（第１締結ボルト１１１）からなることが好ましい。

かかる燃料電池１００によれば、第１締結ボルト１１１を用いた非常に簡便な構成によって、任意の締結力を発揮できる固定手段を具現化することができる。

端部プレート（上部エンドプレート１０９および下部エンドプレート１０８）にスタック１００Ｓを固定する第１締結ボルト１１１は、並列に配置されたスタック１００Ｓの各々の少なくとも外周側を端部プレート（上部エンドプレート１０９および下部エンドプレート１０８）に固定し、端部プレート（上部エンドプレート１０９および下部エンドプレート１０８）は、複数のスタック１００Ｓを狭持する上部エンドプレートおよび下部エンドプレートからなることが好ましい。

かかる燃料電池１００によれば、上部エンドプレートおよび下部エンドプレートから構成した端部プレートを用いた非常に簡便な構成によって、任意の締結力を発揮できる。

スタック１００Ｓは、ガス流入口１００ｘとガス流出口１００ｙとを備え、並列に配置されたスタック１００Ｓの外周側にガス流入口１００ｘを設け、互いに対向する面を有する側にガス流出口１００ｙを設けることが好ましい。

かかる燃料電池１００によれば、対向するスタック１００Ｓの伸長または縮小を互いの変形（変形が生じる向きが正反対）によってキャンセルすることができる。したがって、燃料電池１００は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。

ここで、対向するスタック１００Ｓは、ガス流出側を互いに内側に位置させた構成であるが、外側の締結力を相対的に大きくし、内側の締結力を相対的に小さするものであり、外側をボルト締結するという構成を具現化し易い。すなわち、仮に実施形態と異なり、内側の締結力を相対的大きくするために内側をボルト締結する構成にすると、外側に締結力を掛ける手段が複雑になってしまう。

端部プレート（上部エンドプレート１０９および下部エンドプレート１０８）とスタック１００Ｓとの間に積層方向Ｚの熱歪を吸収する第２熱歪吸収部（バネ１１０）を設けることが好ましい。

第２熱歪吸収部（バネ１１０）は、スタック１００Ｓのガス流入口１００ｘとガス流出口１００ｙとに対応して配置することが好ましい。

かかる燃料電池１００によれば、温度変化による膨張や収縮が発生し易いガス流入口およびガス流出口の変形を、バネ１１０の伸縮によって吸収することができる。したがって、燃料電池１００は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。特に、かかる燃料電池１００によれば、スタック１００Ｓに、熱伝導率や線膨張係数に大きな差異があっても、その差異に起因して反り返ったりすることを、バネ１１０の弾発力によって抑制することができる。

第２熱歪吸収部（バネ１１０）は、バネ機構からなり、積層方向Ｚに沿った熱膨張量が最大になる部分と最小になる部分の差よりも大きい圧縮量を予め付与することが好ましい。

第２熱歪吸収部（バネ１１０）は、スタック１００Ｓの内部に配置された電解質１０１Ｓ膜に対応して配置し、初期圧縮量またはバネ定数をガス流入口１００ｘまたはガス流出口１００ｙに配置したバネよりも小さくすることが好ましい。

かかる燃料電池１００によれば、例えば、相対的に低温（例えば起動前）時においても、常にバネ１１０の弾発力が働いていることから、熱膨張量が最小の部分で荷重抜けが発生することなく、せん断力の入力や発電効率の低下を防止することができる。したがって、燃料電池１００は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。

燃料電池１００は、複数の下部エンドプレート１０８と上部エンドプレート１０９との間における各々のスタック１００Ｓの締結力がガス流出口の側よりもガス流入口の側の方が大きい。

かかる燃料電池１００によれば、複数の下部エンドプレート１０８と上部エンドプレート１０９との間における各々のスタック１００Ｓの締結力を、ガス流出口の側よりもガス流入口の側の方が大きくなるように規定している。このような構成の燃料電池１００によれば、積層部材が状態の変化（例えばガスの流通に伴う温度の上昇）に応じて、変形が生じる方向に沿ってスムーズに伸長または縮小することができる。したがって、燃料電池１００は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。

ここで、締結力（バネ１１０のばね反力）をガス流入口＞ガス流出口とするための手段は、ガス流入口の近傍の部分をボルト締結および上部エンドプレート１０９の上凸反りによって、自然にガス流入口＞ガス流出口の関係にさせることである。また、別な手段として、急速昇温時の積層方向Ｚに沿った膨張量（ばね圧縮量）がガス流入口＞ガス流出口となることから、自然に締結力をガス流入口＞ガス流出口の関係にさせることである。さらに、別な手段として、バネ１１０のばね定数をガス流入口＞ガス流出口とすることによって、起動前、起動中、および起動後に関わらず、締結力をガス流入口＞ガス流出口の関係とすることである。

特に、かかる燃料電池１００によれば、ガス流入口からガス流出口に向かってガスの温度が上昇して積層部材が伸長するような場合に、ガス流入口からガス流出口に沿った変形を許容することによって、変形量が異なる積層部材の間で発生する歪みを効果的に抑制することができる。

下部エンドプレート１０８と上部エンドプレート１０９との締結力が、ガス流入口＜ガス流出口であれば、ガス流入口側で下部エンドプレート１０８の平面方向（短手方向Ｘおよび長手方向Ｙ）に変位が生じるが、急速昇温時にガス流入口側で積層方向膨張が大きいために締結力が増大し、ガス流入口側での平面方向変位が徐々に生じ難くなる。その結果、ガス流出口側で変位を生じさせるような応力が作用するが、ボルト締結しているガス流出口側は動きが規制されていることから、下部エンドプレート１０８には反り変形が生じるようになる。

ここで、下部エンドプレート１０８とマニホールドとの締結力がガス流入口＞ガス流出口となること（条件Ａと称する）と、下部エンドプレート１０８と上部エンドプレート１０９との締結力がガス流入口＞ガス流出口となること（条件Ｂと称する）の２つの条件が重要である。

条件Ａおよび条件Ｂともに「否」の場合（ともにガス流入口＜ガス流出口）、ガス流入口側で下部エンドプレート１０８と外部マニホールド１１３の平面方向の変位が生じるが、急速昇温時にガス流入口側で積層方向膨張が大きいために締結力が増大し、ガス流入口側での平面方向変位が徐々に生じにくくなる。その結果、ガス流出口側で変位しようとするが、ボルト締結しているガス流出口側は動きが規制されていることから、下部エンドプレート１０８の反り変形を防止する必要がある。

条件Ａ「正」および条件Ｂ「否」の場合、下部エンドプレート１０８に変位が生じるガス流出口側で上部エンドプレート１０９と下部エンドプレート１０８が強く締結されていることから、急速昇温時に熱膨張の大きい下部エンドプレート１０８と、熱膨張の小さい上部エンドプレート１０９の間でずれが生じ、上部エンドプレート１０９と下部エンドプレート１０８の反り変形や、上部エンドプレート１０９と下部エンドプレート１０８間の締結ボルトの変形や破損を防止する必要がある。

条件Ａ「否」および条件Ｂ「正」の場合、下部エンドプレート１０８に変位が生じるガス流入口側で上部エンドプレート１０９と下部エンドプレート１０８が締結されていることから、急速昇温時に熱膨張の大きい下部エンドプレート１０８と、熱膨張の小さい上部エンドプレート１０９の間でずれが生じ、上部エンドプレート１０９と下部エンドプレート１０８の反り変形や、上部エンドプレート１０９と下部エンドプレート１０８の締結ボルトの変形や破損を防止する必要がある。

したがって、急速昇温時の上部エンドプレート１０９と下部エンドプレート１０８の反り変形（荷重抜けやガスリークに至るモード）を防止するためには、条件Ａ，条件Ｂともに「正」となる構造が必要となる。

また、かかる燃料電池１００によれば、スタック１００Ｓ、下部エンドプレート１０８および上部エンドプレート１０９に、熱伝導率や線膨張係数の差異があっても、その差異に起因して反り返ったり、積層方向Ｚと交差する方向に沿ってせん断力が発生したりすることを防止できる。例えば、相対的に線膨張係数が低い封止部材１０４が、他の積層部材に引っ張られるようなことを防止できることから、封止部材１０４を保護し、封止部材１０４によるガスのシール性を維持することができる。

燃料電池１００は、バネ１１０にカソード１０１Ｕに供給する加熱したカソードガスＣＧを供給することが好ましい。

かかる燃料電池１００によれば、スタック１００Ｓの温度と、バネ１１０の温度を近似させつつ、高温（例えば急速昇温時）時において、バネ１１０の圧縮量を増大させると共にバネ定数を低下させることによって、バネ１１０による荷重の増大を抑制できる。すなわち、バネ１１０の温度の上昇に伴いばね圧縮量が増大する作用と、バネ１１０の温度の降下に伴いバネ定数が小さく作用が、同時に働く。したがって、燃料電池１００は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池２００は、外部マニホールド２１３がガス流入部とガス流出部を隔てて分割されている点において、上述した第１実施形態の燃料電池１００と相違する。

図２１Ａは、第２実施形態の燃料電池２００を示す模式図であって、起動前における燃料電池２００の状態を示す図である。図２１Ｂは、第２実施形態の燃料電池２００を示す模式図であって、急速昇温時における燃料電池２００の状態を示す図である。図２１Ｃは、第２実施形態の燃料電池２００を示す模式図であって、定常運転時における燃料電池２００の状態を示す図である。

燃料電池２００は、図２１Ａ〜図２１Ｃに示すように、第３の締結部材（外部マニホールド２１３）について、ガス流入口２００ｘにガスを流入させるガス流入部と、ガス流出口２００ｙからガスを流出させるガス流出部とを積層方向Ｚと交差する方向に沿って分割して構成している。すなわち、外部マニホールド２１３は、ガス流入口２００ｘに対応する第１基部２１３Ｓ（積層方向Ｚと交差する短手方向Ｘにおける外方に対向して２つ配置）と、ガス流出口２００ｙに対応する第２基部２１３Ｔ（積層方向Ｚと交差する短手方向Ｘにおける内方に対向して２つ配置）と、中央に対応する第３基部２１３Ｕ（積層方向Ｚと交差する短手方向Ｘにおける中央に１つ配置）と、から構成している。外部マニホールド２１３は、一対の下部エンドプレート１０８と接合している。

図２１Ａに示すように、起動前（スタック１００Ｓにおいて、定常的に、ガス流入口２００ｘとガス流出口２００ｙの温度が等しく、ガスの流れの上流側から下流側における積層方向Ｚに沿った厚みが等しい状態の時）における燃料電池２００において、第１基部２１３Ｓと第２基部２１３Ｔは、短手方向Ｘに沿って互いに接触している。第２基部２１３Ｔと第３基部２１３Ｕは、短手方向Ｘに沿って互いに離間している。

図２１Ｂに示すように、急速昇温時（スタック１００Ｓにおいて、一時的に、ガス流入口２００ｘよりもガス流出口２００ｙの方が相対的に温度が低く、ガスの流れの下流側よりも上流側の方が相対的に積層方向Ｚに沿って膨張している状態の時）における燃料電池２００において、スタック１００Ｓ等が短手方向Ｘの内方に向かってスムーズに伸長することから、その伸長に従動した第２基部２１３Ｔが、第１基部２１３Ｓから離間して、第３基部２１３Ｕに接触する。

図２１Ｃに示すように、定常運転時（スタック１００Ｓにおいて、定常的に、ガス流出口２００ｙよりもガス流入口２００ｘの方が相対的に温度が低く、ガスの流れの上流側よりも下流側の方が相対的に積層方向Ｚに沿って膨張している状態の時）における燃料電池２００において、スタック１００Ｓ等の伸長が一定になることから、その伸長に従動した第２基部２１３Ｔが、第３基部２１３Ｕから離間して、再び第１基部２１３Ｓに接触する。

以上説明した第２実施形態の作用効果を説明する。

燃料電池２００は、ガス流入口にガスを流入させるガス流入部とガス流出口からガスを流出させるガス流出部とが積層方向Ｚと交差する方向に沿って分割された第３の締結部材（外部マニホールド２１３）をさらに有し、外部マニホールド２１３が各々の下部エンドプレート１０８と接合されている。

かかる燃料電池２００によれば、外部マニホールド２１３がガス流入部およびガス流出口を中心に面方向に移動できることから、せん断力をキャンセルすることができる。したがって、燃料電池２００は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池３００は、バネ１１０が発電セル１０１Ｍと積層方向Ｚに沿って重なる部分にも配置されている点において、上述した第２実施形態の燃料電池２００と相違する。

図２２Ａは、第３実施形態の燃料電池３００を示す模式図であって、起動前における燃料電池３００の状態を示す図である。図２２Ｂは、第３実施形態の燃料電池３００を示す模式図であって、急速昇温時における燃料電池３００の状態を示す図である。

燃料電池３００は、図２２Ａおよび図２２Ｂに示すように、バネ１１０を、発電セル１０１Ｍと積層方向Ｚに沿って重なる部分にもマトリクス状に複数配置している。それらのバネ１１０は、ガス流入口３００ｘおよびガス流出口３００ｙと積層方向Ｚに沿って重なる位置に配置されたバネ１１０（第１実施形態や第２実施形態のバネ１１０に相当）よりも、弾発力が低いものを選択している。

以上説明した第３実施形態の作用効果を説明する。

燃料電池３００は、バネ１１０が発電セル１０１Ｍと積層方向Ｚに沿って重なる部分にも配置され、ガス流入口３００ｘおよびガス流出口３００ｙと積層方向Ｚに沿って重なる位置よりも弾発力が小さい。

かかる燃料電池３００によれば、ガスの流れ方向の温度勾配が非線形の場合であっても、発電セル１０１Ｍに対して確実に面圧を与えることができる。燃料電池３００は、バネ１１０の温度によらず、発電セル１０１Ｍに対して常にバネ１１０の弾発力が働いていることから、発電セル１０１Ｍの積層方向Ｚと交差した方向への荷重抜けが発生することなく、せん断力の入力や発電効率の低下を防止することができる。したがって、燃料電池３００は、積層部材に発生する歪みを十分に抑制することができる。

そのほか、本発明は、特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。

第１〜第３実施形態において、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ、Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）として説明したが、固体高分子膜形燃料電池（ＰＥＭＦＣ、Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ、Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）または溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ、Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）として構成してもよい。すなわち、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に加えて、固体高分子膜形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）または溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）に適用することができる。

燃料電池は、第１〜第３実施形態の仕様を適宜組み合わせて構成してもよい。

１００，２００，３００ 燃料電池、
１００Ｋ 空間部、
１００Ｍ セルスタックアッセンブリー、
１００Ｓ スタック、
１００Ｔ セルユニット、
１００Ｕ 接合体、
１００Ｐ 上部モジュールユニット、
１００Ｑ 中部モジュールユニット、
１００Ｒ 下部モジュールユニット、
１０１ メタルサポートセルアッセンブリー、
１０１Ｍ 発電セル、
１０１Ｎ メタルサポートセル、
１０１Ｓ 電解質、
１０１Ｔ アノード、
１０１Ｕ カソード、
１０１Ｖ サポートメタル、
１０１Ｗ セルフレーム、
１０１ｋ 開口部、
１０２ セパレータ、
１０２Ｌ 流路部、
１０２ｐ 外縁、
１０２ｑ 溝、
１０２ｘ 平坦部、
１０２ｙ アノード側突起、
１０２ｚ カソード側突起、
１０３ 集電補助層、
１０４ 封止部材、
１０５ モジュールエンド、
１０６ 上部集電板、
１０６ａ 窪部、
１０７ 下部集電板、
１０８ 下部エンドプレート、
１０８ｍ ネジ穴、
１０８ｎ 挿入穴、
１０９ 上部エンドプレート、
１０９ｎ 挿入孔、
１１０ バネ、
１１１ 第１締結ボルト、
１１２ エアーシェルター、
１１３，２１３ 外部マニホールド、
１１３ｍ ネジ穴、
２１３Ｓ 第１基部、
２１３Ｔ 第２基部、
２１３Ｕ 第３基部、
１０１ａ，１０２ａ，１０５ａ，１０７ａ，１０８ａ，１１３ａ アノード側第１流入口、
１０１ｂ，１０２ｂ，１０５ｂ，１０７ｂ，１１３ｂ，１０８ｂ アノード側第２流入口、
１０１ｃ，１０２ｃ，１０５ｃ，１０７ｃ，１１３ｃ，１０８ｃ アノード側第３流入口、
１０１ｄ，１０２ｄ，１０８ｄ，１０７ｄ，１１３ｄ，１０５ｄ アノード側第１流出口、
１０１ｅ，１０２ｅ，１０５ｅ，１０７ｅ，１１３ｅ，１０８ｅ アノード側第２流出口、
１０１ｆ，１０８ｆ，１０２ｆ，１０５ｆ，１０７ｆ，１１３ｆ カソード側第１流入口、
１０１ｇ，１０２ｇ，１０５ｇ，１０７ｇ，１０８ｇ，１１３ｇ カソード側第２流入口、
１０１ｈ，１０２ｈ，１１３ｈ，１０５ｈ，１０７ｈ，１０８ｈ カソード側第１流出口、
１０１ｉ，１０２ｉ，１０５ｉ，１０７ｉ，１０８ｉ，１１３ｉ カソード側第２流出口、
１０１ｊ，１０２ｊ，１０５ｊ，１０７ｊ，１０８ｊ，１１３ｊ カソード側第３流出口、
１００ｘ，２００Ｘ，３００ｘ ガス流入口、
１００ｙ，２００ｙ，３００ｙ ガス流出口、
１１４ 第２締結ボルト、
１１５ カバー、
Ｖ 接合ライン、
ＡＧ アノードガス、
ＣＧ カソードガス、
Ｘ （燃料電池における１つのスタック１００Ｓの）短手方向、
Ｙ （燃料電池における１つのスタック１００Ｓの）長手方向、
Ｚ （燃料電池の）積層方向。

Claims (11)

1. 電解質を燃料極と酸化剤極とで挟んで構成し供給されたガスによって発電する発電セルと前記発電セルにガスを供給する流路部と前記流路部にガスを流入させるガス流入口と前記流路部からガスを流出させるガス流出口とを形成したセパレータとを交互に積層した複数組の積層体を端部プレートに固定手段を用いて固定した燃料電池のスタック構造であって、
   前記端部プレートは、複数の前記積層体を狭持する上部エンドプレートおよび下部エンドプレートからなり、
   前記積層体は、並列に配置され、その間に積層方向と直交する方向の熱歪を吸収する第１熱歪吸収部を形成し、
   前記端部プレートに複数組の前記積層体を固定する前記固定手段は、並列に配置された前記積層体の各々の前記積層方向に直交する方向の外周側を前記端部プレートに固定する、燃料電池のスタック構造。
2. 前記第１熱歪吸収部は、並列に配置された前記積層体の間に形成した空間部からなる、請求項１に記載の燃料電池のスタック構造。
3. 前記空間部は、並列に配置された前記積層体の互いに対向する面を離間して配置して前記端部プレートに固定して形成した、請求項２に記載の燃料電池のスタック構造。
4. 前記発電セルにガスを供給する流通口を備えた外部マニホールドを設け、
   前記外部マニホールドは、前記端部プレートの外側に配置し、前記第１熱歪吸収部を形成した、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
5. 前記端部プレートに前記積層体を固定する前記固定手段は締結部材（ボルトナット）からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
6. 前記積層体は、ガス流入部とガス流出部とを備え、並列に配置された前記積層体の前記積層方向に直交する方向の外周側にガス流入部を設け、互いに対向する面を有する側にガス流出部を設けた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
7. 前記端部プレートと前記積層体との間に積層方向の熱歪を吸収する第２熱歪吸収部を設けた、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
8. 前記第２熱歪吸収部は、前記積層体のガス流入部とガス流出部とに対応して配置した、請求項７に記載の燃料電池のスタック構造。
9. 前記第２熱歪吸収部は、バネ機構からなり、積層方向に沿った熱膨張量が最大になる部分と最小になる部分の差よりも大きい圧縮量を予め付与する、請求項７または８に記載の燃料電池のスタック構造。
10. 前記第２熱歪吸収部は、前記積層体の内部に配置された電解質膜に対応して配置し、初期圧縮量またはバネ定数をガス流入口またはガス流出口に配置したバネよりも小さくする、請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
11. 電解質を燃料極と酸化剤極とで挟んで発電セルを形成し、
    前記発電セルを一対のセパレータで狭持して積層体を形成し、
    複数の前記積層体を積層して複数組の前記積層体の列を形成し、
    複数の前記積層体の列で空間部を形成しながら並列に配置し、
    複数の前記積層体を狭持する上部エンドプレートおよび下部エンドプレートからなる端部プレートに複数組の前記積層体を固定手段を用いて固定するにあたり、並列に配置された前記積層体の各々の前記積層方向に直交する方向の外周側を前記端部プレートに固定し、
    前記積層体列間の前記空間部で積層方向と直交する方向の熱歪を吸収する燃料電池スタックの熱歪吸収方法。

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