WO2019030920A1 - 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

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 Download PDF

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WO2019030920A1
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cell
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武彦 奥井
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack structure and a thermal strain absorption method for a fuel cell stack.
  • a fuel cell generates electricity by supplying gas to a laminated member including a power generation cell in which an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode. Since fuel cells may supply gas at high speed or supply at high temperature depending on the situation, there is known a technology to protect the laminated member by adjusting the load applied to the laminated member. (See, for example, Patent Document 1).
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell stack structure capable of sufficiently suppressing distortion generated in a laminated member.
  • the fuel cell stack structure of the present invention comprises an electric power generation cell configured to sandwich an electrolyte between a fuel electrode and an oxidant electrode to generate electric power using supplied gas and a flow for supplying gas to the power generation cell Fix to the end plate a plurality of laminated bodies in which a channel portion, a gas inlet for introducing a gas into the channel portion, and a separator having a gas outlet for discharging the gas from the channel portion are alternately stacked It is the structure fixed using the means.
  • the laminates are arranged in parallel, and a first thermal strain absorbing portion is formed between them to absorb thermal strain in the direction orthogonal to the laminating direction.
  • thermal strain absorption method of a fuel cell stack for achieving the above object, an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode to form a power generation cell, and the power generation cell is held between a pair of separators.
  • a stack is formed, and a plurality of the stacks are stacked to form a plurality of sets of rows of the stack, and the plurality of stacks are arranged in parallel while forming a space portion by the rows of the stack, the stack row
  • the thermal strain in the direction orthogonal to the stacking direction is absorbed in the space portion between them.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the fuel cell of FIG. 2 from another direction (downward).
  • FIG. 3 is a perspective view showing the cell stack assembly of FIG. 2 and an external manifold.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the upper end plate (right half) and the stack (right side) and lower end plate (right half) of FIG. 5;
  • FIG. 3 is a perspective view showing the stack of FIG. 2 disassembled into an upper module unit, a plurality of middle module units, and a lower module unit.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the middle module unit of FIG. 7; It is a perspective view which disassembles and shows the lower module unit of FIG.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view showing one of the cell units of FIGS. 5 to 7 in a disassembled state and another cell unit (configuration other than a metal support cell assembly) located below the one cell unit.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of the metal support cell assembly of FIG. 11;
  • FIG. 12 is a side view showing the metal support cell assembly of FIG. 11 in cross section. It is a perspective view which shows the separator of FIG. 11 from the cathode side (The side which visually recognized the separator 102 from the upper direction similarly to FIG.
  • FIG. 11 It is a perspective view which shows the separator of FIG. 14 partially (area 15 in FIG. 14). It is a perspective view which shows the separator of FIG. 11 from the anode side (The side which visually recognized the separator 102 from the downward direction unlike FIG. 11).
  • FIG. 17 is a perspective view showing a part of the separator of FIG. 16 (area 17 in FIG. 16). It is sectional drawing which shows partially the metal support cell assembly of FIG. 11, the separator, and the current collection auxiliary
  • arrows representing X, Y, and Z are used to indicate the orientations of members constituting the fuel cell.
  • the direction of the arrow represented by X indicates the short direction X of one stack 100S in the fuel cell 100.
  • the direction of the arrow represented by Y indicates the longitudinal direction Y of one stack 100S in the fuel cell 100.
  • the direction of the arrow represented by Z indicates the stacking direction Z of the fuel cell 100.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the fuel cell 100 of FIG. 1 partially disassembled.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a part of the fuel cell 100 of FIG. 2 in an enlarged manner.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the fuel cell 100 of FIG. 2 from another direction (downward).
  • FIG. 5 is a perspective view showing the cell stack assembly 100M and the external manifold 113 of FIG. 6 is a perspective view showing the upper end plate 109 (right half) and the stack 100S (right side) and the lower end plate 108 (right half) of FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the stack 100S of FIG.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the upper module unit 100P of FIG.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of the central module unit 100Q of FIG.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of the lower module unit 100R of FIG.
  • FIG. 11 disassembles one cell unit 100T in FIGS. 8 to 10, and disassembles another cell unit 100T (configuration other than the metal support cell assembly 101) located below the one cell unit 100T.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the upper module unit 100P of FIG.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of the central module unit 100Q of FIG.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of the lower module unit 100R of FIG.
  • FIG. 11 disassembles one cell unit 100T in FIGS. 8 to 10, and disassembles another cell unit 100T (configuration other than the metal support cell assembly 101) located below the one cell unit 100T.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of the metal support cell assembly 101 of FIG.
  • FIG. 13 is a side view showing the metal support cell assembly 101 of FIG. 11 in cross section.
  • FIG. 14 is a perspective view showing the separator 102 of FIG. 11 from the cathode side (the side where the separator 102 is viewed from above as in FIG. 11).
  • FIG. 15 is a perspective view showing the separator 102 of FIG. 14 partially (area 15 in FIG. 14).
  • FIG. 16 is a perspective view showing the separator 102 of FIG. 11 from the anode side (the side where the separator 102 is viewed from below unlike in FIG. 11).
  • FIG. 17 is a perspective view showing the separator 102 of FIG. 16 partially (area 17 in FIG. 16).
  • FIG. 18 is a cross-sectional view partially showing the metal support cell assembly 101 of FIG. 11, the separator 102 and the current collection auxiliary layer 103 in a stacked state.
  • the fuel cell 100 is configured by sandwiching the cell stack assembly 100M from above and below by the external manifold 113 for supplying gas from the outside and a cover 115 for protecting the cell stack assembly 100M. There is.
  • each stack 100S is configured by stacking an upper module unit 100P, a plurality of middle module units 100Q, and a lower module unit 100R, as shown in FIGS. 2 to 7 (in particular, FIG. 7).
  • upper module unit 100P corresponds to upper collecting plate 106 for outputting electric power generated by cell unit 100T to the outside, and an end plate, as shown in FIG.
  • the module end 105 is configured to be sandwiched from above and below.
  • the middle module unit 100Q is configured by sandwiching a plurality of stacked cell units 100T from above and below by a pair of module ends 105.
  • the lower module unit 100R is configured by sandwiching a plurality of stacked cell units 100T from above and below by the module end 105 and the lower current collector plate 107.
  • the cell unit 100T includes a metal support cell assembly 101 provided with a power generation cell 101M that generates electric power by the supplied gas, and a metal support cell adjacent along the stacking direction Z.
  • a sealing member 104 is included which seals the edges of the cell assembly 101 and the manifold portion of the separator 102 to restrict the flow of gas.
  • the current collection auxiliary layer 103 and the sealing member 104 are disposed between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 adjacent to each other along the stacking direction Z due to their structures.
  • the metal support cell assembly 101 and the separator 102 form an assembly 100U by joining the respective outer edges in a ring along the bonding line V in the manufacturing method of the fuel cell 100.
  • the current collection auxiliary layer 103 and the sealing member 104 are disposed between the joined bodies 100U (the metal support cell assembly 101 and the separator 102) adjacent to each other along the stacking direction Z. That is, as shown in the lower part of FIG. 11, the current collection auxiliary layer 103 and the sealing member 104 are adjacent to the metal support cell assembly 101 of one bonded body 100U and the bonded body 100U in the stacking direction Z. It arrange
  • the metal support cell assembly 101 is provided with a power generation cell 101M that generates power by the supplied gas.
  • the metal support cell assembly 101 includes a metal support cell 101N arranged in a row along the longitudinal direction Y and a cell frame 101W holding the metal support cell 101N from the periphery. There is.
  • the metal support cell 101N is configured of a power generation cell 101M and a support metal 101V that supports the power generation cell 101M from one side.
  • the power generation cell 101M is configured by sandwiching the electrolyte 101S between the anode 101T and the cathode 101U.
  • the anode 101T is a fuel electrode, and an anode gas AG (for example, hydrogen) and oxide ions are reacted to generate an oxide of the anode gas AG and to take out electrons.
  • the anode 101T is resistant to a reducing atmosphere, transmits the anode gas AG, has high electrical conductivity, and has a catalytic action of causing the anode gas AG to react with oxide ions.
  • the anode 101T is formed of a rectangular shape larger than the electrolyte 101S.
  • the anode 101T is made of, for example, a cemented carbide in which a metal such as nickel and an oxide ion conductor such as yttria-stabilized zirconia are mixed. As shown in FIGS. 12 and 13, the anode 101T has a thin plate shape and a rectangular shape.
  • the electrolyte 101S allows oxide ions to permeate from the cathode 101U toward the anode 101T, as shown in FIGS.
  • the electrolyte 101S does not pass gas and electrons while passing oxide ions.
  • the electrolyte 101S is formed in a rectangular shape.
  • the electrolyte 101S is made of, for example, solid oxide ceramics such as stabilized zirconia in which yttria, neodymium oxide, samaria, gadoria, scandia and the like are solid-solved.
  • the electrolyte 101S is a thin plate as shown in FIGS. 12 and 13, and has a rectangular shape slightly larger than the anode 101T. As shown in FIG.
  • the outer edge of the electrolyte 101S is refracted toward the side of the anode 101T to be in contact with the side surface along the stacking direction Z of the anode 101T.
  • the tip of the outer edge of the electrolyte 101S is in contact with the support metal 101V.
  • the cathode 101U is an oxidant electrode, and reacts electrons with cathode gas CG (eg, oxygen contained in air) to convert oxygen molecules into oxide ions.
  • the cathode 101 U is resistant to an oxidizing atmosphere, permeates the cathode gas CG, has high electrical conductivity, and has a catalytic action of converting oxygen molecules into oxide ions.
  • the cathode 101U is formed in a rectangular shape smaller than the electrolyte 101S.
  • the cathode 101U is made of, for example, an oxide such as lanthanum, strontium, manganese or cobalt.
  • the cathode 101U as shown in FIGS.
  • the cathode 101U faces the anode 101T via the electrolyte 101S. Since the outer edge of the electrolyte 101S is bent toward the anode 101T, the outer edge of the cathode 101U does not come in contact with the outer edge of the anode 101T.
  • the support metal 101V supports the power generation cell 101M from the side of the anode 101T, as shown in FIGS. 12 and 13.
  • the support metal 101V has gas permeability, high electrical conductivity, and sufficient strength.
  • the support metal 101V is formed of a rectangular shape sufficiently larger than the anode 101T.
  • the support metal 101V is made of, for example, a corrosion resistant alloy containing nickel or chromium, a corrosion resistant steel, or stainless steel.
  • the cell frame 101W holds the metal support cell 101N from the periphery as shown in FIG. 12 and FIG.
  • the cell frame 101W is formed in a thin rectangular shape.
  • the cell frame 101W is provided with a pair of openings 101k along the longitudinal direction Y.
  • the pair of openings 101k of the cell frame 101W each have a rectangular through hole, and are smaller than the outer shape of the support metal 101V.
  • the cell frame 101W is made of metal and is insulated using an insulating material or a coating.
  • the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the cell frame 101W.
  • the metal support cell assembly 101 is joined to the cell frame 101W by joining the outer edge of the support metal 101V to the inner edge of the opening 101k of the cell frame 101W.
  • the cell frame 101W is a circular extending portion (first extending portion 101p, the first extending portion 101p, the first end extending in the surface direction from the right end, the center and the left end of one side along the longitudinal direction Y).
  • the second extending portion 101 q and the third extending portion 101 r are provided.
  • the cell frame 101W is provided with circular extending portions (the fourth extending portion 101s and the fifth extending portion 101t) extending in the surface direction from two places separated from the center of the other side along the longitudinal direction Y ing.
  • the first extending portion 101p, the second extending portion 101q and the third extending portion 101r, and the fourth extending portion 101s and the fifth extending portion 101t separate a pair of openings 101k. , Alternately located along the longitudinal direction Y.
  • the cell frame 101W extends the first anode-side first inlet 101a, the anode-side second inlet 101b, and the anode-side third inlet 101c, through which the anode gas AG passes (inflows), as a first extension. It is provided in the portion 101p, the second extending portion 101q, and the third extending portion 101r.
  • the cell frame 101W is provided with an anode-side first outlet 101d and an anode-side second outlet 101e, through which the anode gas AG passes (outflows), in the fourth extending portion 101s and the fifth extending portion 101t.
  • the anode-side first inlet 101a, the anode-side second inlet 101b, the anode-side third inlet 101c, the anode-side first outlet 101d, and the anode-side second outlet 101e of the anode gas AG are so-called manifolds .
  • the cathode side first inlet 101f for passing (inflowing) the cathode gas CG is provided in the space between the first extending portion 101p and the second extending portion 101q.
  • the cell frame 101W is provided with a cathode-side second inlet 101g for passing (inflowing) the cathode gas CG in a space between the second extending portion 101q and the third extending portion 101r.
  • the cell frame 101W is provided with a cathode-side first outlet 101h through which the cathode gas CG passes (outflows), on the right side in FIG. 12 with respect to the fourth extending portion 101s.
  • the cell frame 101W is provided with a cathode-side second outlet 101i for passing (outflowing) the cathode gas CG in the space between the fourth extending portion 101s and the fifth extending portion 101t.
  • the cell frame 101W is provided with a cathode-side third outlet 101j that allows the cathode gas CG to pass (outflow), on the left side in FIG. 12 relative to the fifth extension portion 101t.
  • the cathode side first inlet 101f, the cathode side second inlet 101g, the cathode side first outlet 101h, the cathode side second outlet 101i and the cathode side third outlet 101j are of the cell frame 101W. It corresponds to the space between the outer peripheral surface and the inner side surface of the air shelter 112.
  • the separators 102 are provided between the power generation cells 101M and the power generation cells 101M of the metal support cell assemblies 101 to be stacked to separate the adjacent power generation cells 101M. .
  • the separator 102 is disposed to face the metal support cell assembly 101.
  • the separator 102 has the same outer shape as the metal support cell assembly 101.
  • the separator 102 is made of metal, and is insulated using an insulating material or a coating except for a region (flow passage portion 102L) facing the power generation cell 101M.
  • the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the separator 102.
  • the flow path portion 102L is provided side by side in the longitudinal direction Y so as to face the power generation cell 101M.
  • the flow path portion 102L in the separator 102, as shown in FIG. 11 and FIG. 14 to FIG. 18, in the flow path portion 102L, the flow path extending along the gas flow direction (short direction X) is the gas flow direction (short). It is formed by arranging in the direction (longitudinal direction Y) orthogonal to the hand direction X). As shown in FIG. 15, FIG. 17 and FIG. 18, the flow path portion 102L has a convex anode-side projection so as to protrude downward from the flat portion 102x in the plane of the longitudinal direction Y and the transverse direction X. 102y are provided at regular intervals. The anode side protrusion 102y extends along the gas flow direction (short direction X).
  • the anode-side protrusion 102 y protrudes downward from the lower end of the separator 102.
  • the flow path portion 102L is provided with convex cathode side projections 102z at regular intervals so as to protrude upward from the flat portion 102x.
  • the cathode side protrusion 102z extends along the gas flow direction (short direction X).
  • the cathode side protrusion 102 z protrudes upward from the upper end of the separator 102.
  • the flow channel portion 102L alternately provides the anode-side protrusions 102y and the convex cathode-side protrusions 102z along the longitudinal direction Y with the flat portion 102x therebetween.
  • the separator 102 uses the gap between the flow path portion 102L and the metal support cell assembly 101 located below (the right side in FIG. 18) the flow path of the anode gas AG. Configured.
  • the anode gas AG flows from the anode-side second inlet 102b of the separator 102 shown in FIG. 16 through the plurality of grooves 102q shown in FIGS. 16 and 17 into the flow channel portion 102L on the anode side.
  • the separators 102 flow from the anode side first inlet 102a, the anode side second inlet 102b, and the anode side third inlet 102c on the anode side, as shown in FIGS.
  • the separator 102 has a gap between the flow path portion 102L and the metal support cell assembly 101 located above (left in FIG. 18) as a flow path of the cathode gas CG. Configured.
  • the cathode gas CG passes the cathode-side first inlet 102 f and the cathode-side second inlet 102 g of the separator 102 shown in FIG. 14, and passes over the outer edge 102 p of the cathode 102 of the separator 102 shown in FIGS. 14 and 15. Flows into the flow path portion 102L of the In the separator 102, as shown in FIG. 15, the outer edge 102p on the cathode side is thinner than the other portions.
  • the separator 102 has an anode-side first inlet for passing the anode gas AG so as to be positioned relative to the metal support cell assembly 101 along the stacking direction Z.
  • An anode side second inlet 102b, an anode side third inlet 102c, an anode side first outlet 102d, and an anode side second outlet 102e are provided.
  • the separator 102 has a cathode side first inlet 102 f, a cathode side second inlet 102 g, and a cathode side first inlet 102 f for passing the cathode gas CG so that the separator 102 is positioned relative to the metal support cell assembly 101 along the stacking direction Z.
  • One outlet 102h, a cathode side second outlet 102i, and a cathode side third outlet 102j are provided.
  • the cathode side first inlet 102f of the cathode gas CG, the cathode side second inlet 102g, the cathode side first outlet 102h, the cathode side second outlet 102i and the cathode side third outlet 102j It corresponds to the space between the outer peripheral surface of the air conditioner 102 and the inner side surface of the air shelter 112.
  • the current collection auxiliary layer 103 forms a space for passing gas between the power generation cell 101M and the separator 102 while equalizing the surface pressure to electrically connect the power generation cell 101M and the separator 102. It assists in contact.
  • the current collection auxiliary layer 103 is a so-called expanded metal.
  • the current collection auxiliary layer 103 is disposed between the power generation cell 101M and the flow path portion 102L of the separator 102.
  • the current collection auxiliary layer 103 has an outer shape similar to that of the power generation cell 101M.
  • the current collection auxiliary layer 103 is formed of a wire mesh in which openings such as rhombus are provided in a grid.
  • the sealing member 104 partially seals the gap between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 to restrict the flow of gas, as shown in FIG.
  • the sealing member 104 is a so-called gasket having a spacer and a sealing function.
  • the sealing member 104 is directed from the anode side inlet (for example, the anode side first inlet 102 a) and the anode side outlet (for example, the anode side first outlet 102 d) of the separator 102 toward the flow path on the cathode side of the separator 102.
  • the sealing member 104 is formed in a ring shape.
  • the sealing member 104 has an inner peripheral edge of an anode side inlet (for example, the anode side first inlet 102 a) facing the cathode side surface of the separator 102 and an inner peripheral edge of the anode side outlet (for example, the anode side first outlet 102 d). Bond to The sealing member 104 is made of, for example, thermiculite having heat resistance and sealability.
  • the module end 105 is a plate for holding the lower end or the upper end of a plurality of stacked cell units 100T, as shown in FIGS.
  • the module end 105 is disposed at the lower end or the upper end of the plurality of stacked cell units 100T.
  • the module end 105 has an outer shape similar to that of the cell unit 100T.
  • the module end 105 is made of a conductive material that does not transmit gas, and is insulated using an insulating material or a coating except for a region facing the power generation cell 101 M and the other module end 105.
  • the insulating material is configured, for example, by fixing aluminum oxide to the module end 105.
  • the module end 105 has an anode side first inlet 105a for passing the anode gas AG, an anode side second inlet 105b, and an anode side third so that the relative position is aligned with the cell unit 100T along the stacking direction Z.
  • An inlet 105c, an anode side first outlet 105d, and an anode side second outlet 105e are provided.
  • the module end 105 has a cathode side first inlet 105 f for passing the cathode gas CG, a cathode side second inlet 105 g, and a cathode side first so that the relative position is aligned with the cell unit 100 T along the stacking direction Z.
  • An outlet 105 h, a cathode side second outlet 105 i and a cathode side third outlet 105 j are provided.
  • the cathode side first inlet 105f, the cathode side second inlet 105g, the cathode side first outlet 105h, the cathode side second outlet 105i and the cathode side third outlet 105j It corresponds to the space between the outer peripheral surface and the inner side surface of the air shelter 112.
  • the upper current collecting plate 106 shown in FIG. 8 is for outputting the power generated by the cell unit 100T to the outside.
  • the upper current collecting plate 106 is disposed at the upper end of the upper module unit 100P, as shown in FIG.
  • the upper current collecting plate 106 has an outer shape similar to that of the cell unit 100T.
  • the upper current collecting plate 106 is provided with a terminal (not shown) connected to an external current-carrying member.
  • the upper current collecting plate 106 is provided with a plurality of cylindrical recesses 106 a for disposing the spring 110 on the upper surface.
  • the upper current collector plate 106 is made of a conductive material that does not transmit gas, and is insulated using an insulating material or a coating except for the region facing the power generation cell 101M of the cell unit 100T and the part of the terminal.
  • the insulating material is configured, for example, by fixing aluminum oxide to the upper current collecting plate 106.
  • the lower current collector plate 107 shown in FIG. 10 is for outputting the power generated by the cell unit 100T to the outside.
  • the lower current collector plate 107 is disposed at the lower end of the lower module unit 100R, as shown in FIG.
  • the lower current collector plate 107 has an outer shape similar to that of the upper current collector plate 106.
  • Lower current collector plate 107 is provided with a terminal (not shown) connected to an external current-carrying member.
  • the lower current collector plate 107 is made of a conductive material that does not transmit gas, and is insulated using an insulating material or a coating except for the region facing the power generation cell 101M of the cell unit 100T and the terminal portion.
  • the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the lower current collector plate 107.
  • the lower current collector plate 107 has an anode side first inlet 107a, an anode side second inlet 107b, and an anode side, which allow the anode gas AG to pass through so that the relative position is aligned with the cell unit 100T along the stacking direction Z.
  • a third inlet 107c, an anode side first outlet 107d and an anode side second outlet 107e are provided.
  • the lower current collecting plate 107 has a cathode side first inlet 107f for passing the cathode gas CG, a cathode side second inlet 107g, and a cathode side to allow the cathode gas CG to pass through in the stacking direction Z relative to the cell unit 100T.
  • a first outlet 107h, a cathode side second outlet 107i and a cathode side third outlet 107j are provided.
  • the cathode side first inlet 107f, the cathode side second inlet 107g, the cathode side first outlet 107h, the cathode side second outlet 107i and the cathode side third outlet 107j It corresponds to the space between the outer peripheral surface of the electric plate 107 and the inner side surface of the air shelter 112.
  • the lower end plate 108 is a pair and holds the pair of stacks 100S from below as shown in FIG. 2, FIG. 3, FIG. 5 and FIG. 6 (especially FIG. 5).
  • the lower end plates 108 are arranged at the lower end of the stack 100S such that the lower end plates 108 are arranged along the short direction X so that the outer edges on the side to which the cathode gas CG flows out are opposed.
  • the lower end plate 108 has an outer shape similar to that of the cell unit 100T except for a part.
  • the lower end plate 108 is formed by linearly extending both ends along the longitudinal direction Y in order to form an inlet and an outlet of the cathode gas CG.
  • the lower end plate 108 is, as shown in FIGS. 3 and 6, a pair of screws for screwing the first fastening bolt 111 at both ends of the outer edge on the inlet side of the cathode gas CG along the longitudinal direction Y A hole 108m is provided.
  • the lower end plate 108 is provided with a pair of insertion holes 108 n for inserting the second fastening bolt 114 inward of the pair of screw holes 108 m along the longitudinal direction Y, as shown in FIGS. 3 and 6. ing.
  • the lower end plate 108 is formed sufficiently thicker than the cell unit 100T.
  • the lower end plate 108 is made of, for example, metal, and the upper surface in contact with the lower collector plate 107 is insulated using an insulating material or a coating.
  • the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the lower end plate 108.
  • the lower end plate 108 is, as shown in FIG. 6, an anode side first inlet 108a for passing the anode gas AG so that the relative position is aligned with the cell unit 100T along the stacking direction Z, and an anode side second The inlet 108b, the anode side third inlet 108c, the anode side first outlet 108d, and the anode side second outlet 108e are provided.
  • the lower end plate 108 has a cathode side first inlet 108 f, a cathode side second inlet 108 g, and a cathode side first inlet 108 f for passing the cathode gas CG so as to be positioned relative to the cell unit 100 T in the stacking direction Z.
  • One outlet 108 h, a cathode side second outlet 108 i and a cathode side third outlet 108 j are provided.
  • the upper end plate 109 holds the pair of stacks 100S from above as shown in FIGS. 2 to 6 (particularly, FIG. 5).
  • the upper end plate 109 is disposed at the upper end of the stack 100S.
  • the upper end plate 109 has an outer shape in which the lower end plate 108 is integrated symmetrically in the lateral direction X with the longitudinal direction Y as an axis.
  • the upper end plate 109 as shown in FIGS. 3 and 6, has a pair of insertion holes for inserting the first fastening bolt 111 at both ends of the outer edge on the inlet side of the cathode gas CG along the longitudinal direction Y. 109 n is provided.
  • the upper end plate 109 unlike the lower end plate 108, does not have a gas inlet and outlet.
  • the upper end plate 109 is made of, for example, metal, and the lower surface in contact with the upper current collector plate 106 is insulated using an insulating material or a coating.
  • the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the upper end plate 109.
  • the spring 110 applies an elastic force to the pair of stacks 100S, as shown in FIGS. 5 and 6.
  • the springs 110 are respectively disposed between the plurality of recessed portions 106 a of the upper current collector plate 106 and the upper end plate 109.
  • the spring 110 is made of, for example, a spiral metal spring having creep resistance.
  • the spring 110 may be configured by a so-called leaf spring.
  • the first fastening bolt 111 applies a fastening force to the inlet side of the cathode gas CG of the pair of stacks 100S, as shown in FIGS. 3 to 5 (particularly, FIG. 3).
  • first fastening bolts 111 are inserted into insertion holes 109 n provided at four places on the upper end plate 109, and screws provided at two places on the pair of lower end plates 108 respectively. It is screwed into the hole 108m.
  • the first fastening bolt 111 applies a fastening force to the pair of stacks 100S disposed between the upper end plate 109 and the pair of lower end plates 108 on the inlet side of each cathode gas CG.
  • the air shelter 112 forms a flow path of the cathode gas CG between the pair of stacks 100S.
  • the air shelter 112 covers from above the pair of stacks 100S sandwiched by the pair of lower end plates 108 and one upper end plate 109, as shown in FIGS. 2 and 4.
  • the air shelter 112 forms an inlet and an outlet for the cathode gas CG of the components of the stack 100S by the gap between the inner side of the air shelter 112 and the side of the stack 100S.
  • the air shelter 112 has a box shape and opens all of the lower part and part of the side.
  • the air shelter 112 is made of, for example, metal, and the inside surface is insulated using an insulating material or a coating.
  • the insulating material is configured, for example, by fixing aluminum oxide to the air shelter 112.
  • the external manifold 113 supplies gas from the outside to the plurality of cell units 100T, as shown in FIGS.
  • the outer manifold 113 is disposed below the cell stack assembly 100M.
  • the outer manifold 113 has an outer shape that simplifies the shape of the lower end plate 108.
  • the outer manifold 113 has a screw hole 113 m for screwing the second fastening bolt 114 at the outer edge on the inlet side of the cathode gas CG along the longitudinal direction Y.
  • the outer manifold 113 is formed sufficiently thicker than the lower end plate 108.
  • the outer manifold 113 is made of, for example, metal.
  • the external manifold 113 has an anode-side first inlet 113a through which the anode gas AG passes, and an anode-side second stream so that the relative position is aligned with the cell unit 100T along the stacking direction Z.
  • the inlet 113b, the anode side third inlet 113c, the anode side first outlet 113d, and the anode side second outlet 113e are provided.
  • the external manifold 113 has a cathode side first inlet 113f, a cathode side second inlet 113g, and a cathode side first so that the relative position is aligned along the stacking direction Z with the cell unit 100T that passes the cathode gas CG.
  • An outlet 113h, a cathode side second outlet 113i and a cathode side third outlet 113j are provided.
  • the external manifold 113 includes the cathode side first inlet 113f, the cathode side second inlet 113g, the cathode side first outlet 113h, the cathode side second outlet 113i and the cathode side third outlet 113j in the longitudinal direction Y.
  • two sets are provided symmetrically in the left-right direction along the short direction X.
  • the second fastening bolts 114 apply a fastening force to the inlet side of the cathode gas CG of the pair of lower end plates 108.
  • second fastening bolts 114 are inserted into insertion holes 108 n respectively provided in two places in a pair of lower end plates 108, and screw holes provided in four places in the external manifold 113. It is screwed to 113 m.
  • the second fastening bolts 114 apply a fastening force to the pair of lower end plates 108 on the side of the inlet of each cathode gas CG.
  • the cover 115 covers and protects the cell stack assembly 100M as shown in FIG. 1, FIG. 2 and FIG.
  • the cover 115 sandwiches the cell stack assembly 100M together with the external manifold 113 from above and below.
  • the cover 115 has a box shape and is open at the bottom.
  • the cover 115 is made of, for example, metal, and the inner surface is insulated by an insulating material.
  • FIG. 19A is a perspective view schematically showing the flow of the anode gas AG and the cathode gas CG in the fuel cell 100.
  • FIG. 19B is a perspective view schematically showing the flow (one side) of the cathode gas CG in the fuel cell 100.
  • FIG. 19C is a perspective view schematically showing the flow (one side) of the anode gas AG in the fuel cell 100.
  • the anode gas AG is supplied to the anode 101T of each power generation cell 101M through an inlet of each of the outer manifold 113, the lower end plate 108, the module end 105, the separator 102, and the metal support cell assembly 101. That is, the anode gas AG is distributed to the anode-side flow path provided in the gap between the separator 102 and the metal support cell assembly 101 alternately stacked from the external manifold 113 to the upper end collector plate 106. Is supplied. Thereafter, the anode gas AG reacts in the power generation cell 101M, passes through the outlet of each component described above, and is exhausted in the state of exhaust gas.
  • the anode gas AG is supplied to the flow channel portion 102L across the separator 102 so as to intersect the cathode gas CG.
  • the anode gas AG passes through the anode side first inlet 102a, the anode side second inlet 102b and the anode side third inlet 102c of the separator 102 located at the bottom of FIG. 19C in FIG. 19C, and the metal support cell assembly After passing through the anode-side first inlet 101a, the anode-side second inlet 101b, and the anode-side third inlet 101c, the gas flows into the flow path portion 102L of the separator 102 positioned above in FIG.
  • the anode gas AG after reacting at the anode 101T flows out from the flow path portion 102L of the separator 102 located in the upper part of FIG. 19C in the state of exhaust gas, and the anode side first outlet 101d of the metal support cell assembly 101. And, it passes through the anode side second outlet 101e and is discharged to the outside through the anode side first outlet 102d and the anode side second outlet 102e of the separator 102 located at the lower side in FIG. 19C.
  • the cathode gas CG is supplied to the cathode 101U of the power generation cell 101M through an inlet of each of the outer manifold 113, the lower end plate 108, the module end 105, the separator 102, and the metal support cell assembly 101. That is, the cathode gas CG is distributed from the outer manifold 113 to the upper current collecting plate 106 at the end to the cathode-side flow path provided in the gap between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 stacked alternately. Is supplied. Thereafter, the cathode gas CG reacts in the power generation cell 101M, passes through the outlet of each component described above, and is exhausted in the state of exhaust gas.
  • the inlet and the outlet of the cathode gas CG in each of the above components are constituted by the gap between the outer peripheral surface of each component and the inner side surface of the air shelter 112.
  • the cathode gas CG passes through the cathode side first inlet 102 f and the cathode side second inlet 102 g of the separator 102 located in the lower part of FIG. 19B and flows into the flow path portion 102 L of the separator 102.
  • the cathode gas CG after reacting at the cathode 101 U flows out from the flow path portion 102 L of the separator 102 located below in FIG. 19B in the state of exhaust gas, and the cathode side first outlet 102 h of the separator 102 It passes through the cathode side second outlet 102i and the cathode side third outlet 102j and is discharged to the outside.
  • FIG. 20A is a schematic view showing the fuel cell 100 of the first embodiment, and showing the state of the fuel cell 100 before starting.
  • FIG. 20B is a schematic view showing the fuel cell 100 of the first embodiment, and showing the state of the fuel cell 100 at the time of rapid temperature rise.
  • FIG. 20C is a schematic view showing the fuel cell 100 of the first embodiment, and showing the state of the fuel cell 100 during steady operation.
  • the pair of stacks 100S and the pair of lower end plates 108 are not elongated.
  • the pair of stacks 100S and the pair of lower end plates 108 are smoothed inward in the width direction X. Extend to Such a configuration is such that the fastening force of each stack 100S between the plurality of lower end plates 108 and the upper end plate 109 is larger on the side of the gas inlet 100x than on the side of the gas outlet 100y.
  • the temperature is relatively lower at the gas inlet 100x than at the gas outlet 100y in a steady state, and the downstream side of the gas flow is upstream.
  • the pair of stacks 100S and the pair of lower end plates 108 return outward in the lateral direction X. Stabilize in state.
  • the temperature difference between the gas outlet 100y and the gas inlet 100x during normal operation is sufficiently smaller than the temperature difference between the gas outlet 100y and the gas inlet 100x during rapid heating.
  • the temperature difference between the pair of stacks 100S, the lower end plate 108, the upper end plate 109, and the outer manifold 113 adjacent to each other along the lateral direction X is relatively small during steady state,
  • the amount of expansion in the planar direction (the lateral direction X and the longitudinal direction Y) between them is substantially the same. That is, in the steady state, the gap between the pair of stacks 100S adjacent along the lateral direction X becomes close to the state before activation.
  • the stack structure of the fuel cell 100 is configured such that the electrolyte 101S is sandwiched between a fuel electrode (anode 101T) and an oxidant electrode (cathode 101U), and a power generation cell 101M that generates electricity using supplied gas (anode gas AG and cathode gas CG) And a flow passage 102L for supplying gas to the power generation cell 101M, a gas inlet 100x for flowing the gas into the flow passage 102L, and a separator 102 for forming a gas outlet 100y for flowing the gas from the flow passage 102L.
  • a plurality of stacks (stack 100S) stacked on each other are fixed to end plates (upper end plate 109 and lower end plate 108) using fixing means (first fastening bolts 111).
  • the stacks 100S are arranged in parallel, and form a first thermal strain absorbing portion absorbing the thermal strain in the direction orthogonal to the stacking direction Z therebetween.
  • an electrolyte 101S is sandwiched between a fuel electrode (anode 101T) and an oxidant electrode (cathode 101U) to form a power generation cell 101M, and the power generation cell 101M is held between a pair of separators 102.
  • Stacks stack 100S to form a stack of stacks 100S to form an array of stacks 100S, and arranging the stacks 100S in parallel while forming a space 100K.
  • the thermal strain in the direction orthogonal to the stacking direction is absorbed by the space portion 100K between the 100S body rows.
  • the first thermal strain absorbing portion that absorbs the thermal strain of the stack 100S in the direction orthogonal to the stacking direction Z sufficiently suppresses the strain generated in the stacked member (including the stack 100S).
  • the first thermal strain absorbing portion be formed of a space portion 100K formed between the stacks 100S arranged in parallel.
  • the space portion 100K is preferably formed to be fixed to the end plates (upper end plate 109 and lower end plate 108) by arranging mutually facing surfaces of the stacks 100S arranged in parallel to be spaced apart from each other.
  • the fuel cell 100 even if the opposing stacks 100S extend close to each other, contact can be avoided. Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
  • An external manifold 113 having a flow port for supplying gas to the power generation cell 101M is provided, and the external manifold 113 is disposed outside the end plate (upper end plate 109 and lower end plate 108), and the first thermal strain absorbing portion It is preferable to form
  • the distortion generated in the laminated member (including the stack 100S) can be sufficiently suppressed including the external manifold 113.
  • the fixing means for fixing the stack 100S to the end plate preferably comprises a fastening member (first fastening bolt 111).
  • the fixing means capable of exerting an arbitrary fastening force can be embodied by a very simple configuration using the first fastening bolt 111.
  • the first fastening bolt 111 for fixing the stack 100S to the end plate (upper end plate 109 and lower end plate 108) is an end plate (upper end plate 109 and upper end plate 109 and at least the outer peripheral side of each of the stacks 100S arranged in parallel).
  • the end plate (upper end plate 109 and lower end plate 108) is preferably fixed to the lower end plate 108) and is composed of an upper end plate and a lower end plate sandwiching the plurality of stacks 100S.
  • an arbitrary fastening force can be exhibited by a very simple configuration using an end plate composed of an upper end plate and a lower end plate.
  • the stack 100S includes a gas inlet 100x and a gas outlet 100y, and the gas inlet 100x is provided on the outer peripheral side of the stack 100S arranged in parallel, and the gas outlet 100y is provided on the side having opposing surfaces. Is preferred.
  • the extension or contraction of the opposing stacks 100S can be canceled by each other's deformation (the direction in which the deformation occurs is opposite). Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
  • the stacks 100S facing each other have a configuration in which the gas outflow sides are positioned inside each other, but the outer fastening force is relatively increased and the inner fastening force is relatively decreased. It is easy to embody the structure of bolt fastening. That is, unlike the embodiment, if the inner side is bolted in order to relatively increase the inner side fastening force, the means for applying the outer side fastening force becomes complicated.
  • a second thermal strain absorbing portion (spring 110) for absorbing thermal strain in the stacking direction Z between the end plate (upper end plate 109 and lower end plate 108) and the stack 100S.
  • the second thermal strain absorbing portion (spring 110) is preferably disposed corresponding to the gas inlet 100x and the gas outlet 100y of the stack 100S.
  • the deformation of the gas inlet and the gas outlet which are likely to cause expansion and contraction due to temperature change, can be absorbed by the expansion and contraction of the spring 110. Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
  • the elastic force of the spring 110 prevents the stack 100S from warping due to the difference. be able to.
  • the second thermal strain absorbing portion (spring 110) is a spring mechanism, and it is preferable to provide in advance a compression amount larger than the difference between the portion where the thermal expansion amount along the stacking direction Z is maximum and the minimum portion. .
  • the second thermal strain absorbing portion (spring 110) is disposed corresponding to the electrolyte 101S film disposed inside the stack 100S, and an initial compression amount or a spring constant is disposed at the gas inlet 100x or the gas outlet 100y It is preferable to make it smaller.
  • the elastic force of the spring 110 always works, so that the load loss occurs at the portion where the thermal expansion amount is the smallest. Without, it is possible to prevent the input of shear force and the decrease of the power generation efficiency. Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
  • the fastening force of each stack 100S between the plurality of lower end plates 108 and the upper end plate 109 is larger on the gas inlet side than on the gas outlet side.
  • the fastening force of each of the stacks 100S between the plurality of lower end plates 108 and the upper end plate 109 is larger on the gas inlet side than on the gas outlet side. It prescribes in.
  • the stacking member can be smoothly expanded or contracted along the direction in which the deformation occurs according to the change of the state (for example, the temperature increase accompanying the flow of gas). Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
  • the means for setting the fastening force (spring reaction force of the spring 110) as gas inlet> gas outlet is natural due to bolt fastening and upper convex plate of the upper end plate 109 in the vicinity of the gas inlet. In the relationship of gas inlet> gas outlet. Further, as another means, the amount of expansion (spring compression amount) along the stacking direction Z at the time of rapid temperature rising is gas inlet> gas outlet, so the fastening force is naturally gas inlet> gas outlet The relationship between Furthermore, as another means, by setting the spring constant of the spring 110 to gas inlet> gas outlet, the fastening force is set to the relationship of gas inlet> gas outlet regardless of before starting, during starting and after starting It is to be.
  • condition A gas inlet> gas outlet
  • condition B gas inlet> gas outlet
  • condition A and condition B are "No" (both gas inlet ⁇ gas outlet)
  • displacement in the planar direction of lower end plate 108 and external manifold 113 occurs on the gas inlet side, but the gas flow at the time of rapid temperature rise Since the expansion in the stacking direction at the inlet side is large, the fastening force is increased, and the planar displacement at the gas inlet side becomes gradually less likely to occur.
  • the movement of the bolted gas outlet side is restricted, so it is necessary to prevent the warpage of the lower end plate 108.
  • the upper end plate 109 and the lower end plate 108 are strongly fastened on the gas outlet side where the displacement occurs in the lower end plate 108, so heat is rapidly generated during rapid temperature rise. Misalignment occurs between the lower end plate 108 having a large expansion and the upper end plate 109 having a low thermal expansion, and warping deformation of the upper end plate 109 and the lower end plate 108 or fastening between the upper end plate 109 and the lower end plate 108 It is necessary to prevent the deformation and damage of the bolt.
  • condition A “no” and condition B “positive” the upper end plate 109 and the lower end plate 108 are fastened at the gas inlet side where displacement occurs in the lower end plate 108, so thermal expansion occurs at the time of rapid temperature rise. Misalignment between the large lower end plate 108 and the upper end plate 109 with small thermal expansion, causing warping deformation of the upper end plate 109 and the lower end plate 108, and tightening bolts of the upper end plate 109 and the lower end plate 108. It is necessary to prevent deformation and breakage.
  • the stack may be warped due to the difference, or the stacking direction Z It is possible to prevent the generation of shear force along the direction intersecting with the For example, since the sealing member 104 having a relatively low coefficient of linear expansion can be prevented from being pulled by another laminated member, the sealing member 104 is protected and the gas sealing performance by the sealing member 104 is maintained. can do.
  • the fuel cell 100 preferably supplies the spring 110 with the heated cathode gas CG supplied to the cathode 101U.
  • the temperature of the stack 100S and the temperature of the spring 110 are approximated, and the compression amount of the spring 110 is increased and the spring constant is decreased at high temperature (for example, at the time of rapid temperature rise).
  • the increase in load due to the spring 110 can be suppressed. That is, the action of increasing the spring compression amount with the temperature rise of the spring 110 and the action of reducing the spring constant with the fall of the temperature of the spring 110 work at the same time. Therefore, the fuel cell 100 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacked member.
  • the fuel cell 200 of the second embodiment is different from the fuel cell 100 of the first embodiment described above in that the external manifold 213 is divided to separate the gas inflow part and the gas outflow part.
  • FIG. 21A is a schematic view showing a fuel cell 200 of the second embodiment, and showing a state of the fuel cell 200 before starting.
  • FIG. 21B is a schematic view showing the fuel cell 200 of the second embodiment, and showing the state of the fuel cell 200 at the time of rapid temperature rise.
  • FIG. 21C is a schematic view showing the fuel cell 200 of the second embodiment, and showing the state of the fuel cell 200 during steady operation.
  • the fuel cell 200 causes the gas to flow into the gas inlet 200x and the gas to flow out of the gas from the gas outlet 200y, with respect to the third fastening member (the external manifold 213).
  • the gas outlet portion is divided along the direction intersecting with the stacking direction Z. That is, the external manifolds 213 correspond to the first base 213S corresponding to the gas inlet 200x (two are disposed facing the outside in the lateral direction X intersecting the stacking direction Z), and the second corresponding to the gas outlet 200y.
  • a base 213T (two are disposed facing inward in the lateral direction X intersecting the stacking direction Z) and a third base 213U corresponding to the center (centrally in the lateral direction X intersecting the stacking direction Z) 1 One arrangement) and.
  • the outer manifold 213 is in contact with the pair of lower end plates 108.
  • the first base 213S and the second base 213T are in contact with each other along the lateral direction X.
  • the second base 213T and the third base 213U are separated from each other along the lateral direction X.
  • the stack 100S etc. expand smoothly inward in the lateral direction X, so The driven second base 213T separates from the first base 213S and contacts the third base 213U.
  • the gas inlet 200x has a temperature relatively lower than that of the gas outlet 200y in a steady state, and the downstream side of the gas flow upstream of the gas flow In the fuel cell 200 in the state of relatively expanding along the stacking direction Z, since the extension of the stack 100S and the like becomes constant, the second base 213T driven by the extension becomes the third It separates from the base 213U and contacts the first base 213S again.
  • the fuel cell 200 includes a third fastening member in which a gas inflow portion that allows gas to flow into the gas inflow port and a gas outflow portion that causes gas to flow out from the gas outflow port are divided along a direction intersecting the stacking direction Z (external It further comprises a manifold 213), an outer manifold 213 being joined to each lower end plate 108.
  • the fuel cell 200 since the external manifold 213 can move in the surface direction centering on the gas inlet and the gas outlet, it is possible to cancel the shear force. Therefore, the fuel cell 200 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacking member.
  • the fuel cell 300 according to the third embodiment is different from the fuel cell 200 according to the second embodiment in that the spring 110 is also disposed in a portion overlapping the power generation cell 101M along the stacking direction Z.
  • FIG. 22A is a schematic view showing a fuel cell 300 of the third embodiment, and showing a state of the fuel cell 300 before starting.
  • FIG. 22B is a schematic view showing the fuel cell 300 of the third embodiment, and showing the state of the fuel cell 300 at the time of rapid temperature rise.
  • a plurality of springs 110 are also arranged in a matrix in a portion overlapping the power generation cells 101M along the stacking direction Z.
  • the springs 110 are more resilient than the springs 110 (corresponding to the springs 110 in the first embodiment and the second embodiment) disposed at positions overlapping the gas inlet 300 x and the gas outlet 300 y in the stacking direction Z. The one with low ability is selected.
  • the spring 110 is also disposed at a portion where the spring 110 overlaps with the power generation cell 101M along the stacking direction Z, and the elasticity is smaller than the position where the spring 110 overlaps with the gas inlet 300x and the gas outlet 300y along the stacking direction Z. .
  • the surface pressure can be reliably applied to the power generation cell 101M.
  • the elastic force of the spring 110 since the elastic force of the spring 110 always acts on the power generation cell 101M regardless of the temperature of the spring 110, load loss occurs in the direction intersecting the stacking direction Z of the power generation cell 101M. It is possible to prevent the input of the shear force and the decrease in the power generation efficiency. Therefore, the fuel cell 300 can sufficiently suppress the distortion generated in the stacking member.
  • the fuel cell has been described as a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) a polymer electrolyte membrane fuel cell, a phosphorus It may be configured as an acid fuel cell (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell) or a molten carbonate fuel cell (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell). That is, in addition to a solid oxide fuel cell (SOFC), the fuel cell is applied to a solid polymer membrane fuel cell (PEMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC) can do.
  • PEMFC solid polymer membrane fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • MCFC Molten carbonate fuel cell
  • the fuel cell may be configured by appropriately combining the specifications of the first to third embodiments.

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Abstract

【課題】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。 【解決手段】燃料電池１００のスタック構造は、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。

Description

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
　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た。
　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、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 (12)

  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た、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. 　前記端部プレートに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少なくとも外周側を前記端部プレートに固定し、
    　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る、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１～６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１～７のいずれか１項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、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、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８または９に記載の燃料電池のスタック構造。
  11. 　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８～１０のいずれか１項に記載の燃料電池のスタック構造。
  12. 　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、
    　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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