WO2019186959A1 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

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casing
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cell stack
gas flow
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岡田　圭司
敬士 市原
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a solid oxide fuel cell.
  • a solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cells: SOFC, hereinafter sometimes referred to simply as “SOFC”) has high thermal efficiency and enables an electrochemical reaction between fuel and air without using a precious metal catalyst. Yes, more types of fuel can be used.
  • SOFC has a fuel cell stack configured by laminating a plurality of cell units including an electrolyte electrode assembly that generates electric power with supplied gas and a separator in which a flow path portion through which the gas flows is defined.
  • the fuel cell stack extends in the stacking direction due to linear expansion during operation compared to when the operation is stopped at room temperature.
  • the temperature is raised by circulating a high-temperature gas in the fuel cell stack. For this reason, since the electrolyte electrode assembly is first heated and linearly expanded with respect to the structural parts of the fuel cell, an excessive compressive load may be applied to the electrolyte electrode assembly.
  • Patent Document 1 discloses a fuel cell in which an elastic body is compressed and deformed so that a load is applied to the cell stack between the cell stack and the casing. ing.
  • the linear expansion of the fuel cell stack can be absorbed by the elastic body, and an excessive compression load can be suppressed from acting on the electrolyte electrode assembly.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of preventing an excessive compression load from acting on an electrolyte electrode assembly while preventing an increase in size.
  • a fuel cell according to the present invention that achieves the above object is disposed on one end side in the stacking direction of the fuel cell stack, in which a plurality of cell units including an electrolyte electrode assembly and a separator are stacked. And a casing. Further, the fuel cell includes an applying member that applies a stacking force to the fuel cell stack along the stacking direction via the casing, and an accelerating unit that promotes elongation due to linear expansion of the casing. .
  • the promoting means is provided between an end current collector plate provided at an end of the one end side of the fuel cell stack and the casing, and a space portion that absorbs linear expansion of the fuel cell stack in the stacking direction. Have.
  • Each of the end current collector plate and the casing is provided with an inclined surface inclined with respect to the stacking direction, and the end current collector plate and the casing are connected to each other through the space portion on the inclined surface. It becomes.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. It is a schematic sectional drawing which shows the fuel cell which concerns on this embodiment. It is a disassembled perspective view of a cell unit. It is a figure which shows the flow of anode gas and cathode gas. It is a disassembled perspective view of a metal support cell assembly.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along line 6-6 in FIG. It is sectional drawing of a fuel cell stack. It is a perspective view which shows a fuel cell stack and a casing. It is a figure for demonstrating the gas flow path provided between a casing and an upper collector plate. It is a disassembled perspective view of a casing and an upper collector plate.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a casing of a fuel cell according to Modification Example 1.
  • FIG. It is a side view of the fuel cell at normal temperature and during operation. It is a graph which shows the temperature distribution of the casing at the time of normal temperature and a driving
  • FIG. 9 is a diagram corresponding to FIG. 8 of a fuel cell according to Modification 2. It is a schematic block diagram which shows the fuel cell system which concerns on a modification.
  • the fuel cell 1 according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the fuel cell 1 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) using an oxide ion conductor such as stabilized zirconia as an electrolyte.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • oxide ion conductor such as stabilized zirconia
  • an XYZ rectangular coordinate system is shown in the figure.
  • the X axis and the Y axis are horizontal directions, and the Z axis is an axis parallel to the vertical direction (corresponding to the stacking direction).
  • FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the fuel cell 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the cell unit 100.
  • FIG. 4 is a diagram showing the flow of anode gas and cathode gas.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the metal support cell assembly 110.
  • 6 is a cross-sectional view taken along line 6-6 in FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the fuel cell stack 10.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the fuel cell stack 10 and the casing 20.
  • FIG. 9 is a view for explaining a space 62 provided between the casing 20 and the upper current collecting plate 41.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of the casing 20 and the upper current collecting plate 41.
  • the fuel cell 1 includes a fuel cell stack 10 formed by stacking a plurality of cell units 100 including an electrolyte electrode assembly 111 and a separator 120, and a casing 20 disposed above the fuel cell stack 10 in the Z direction. And having.
  • the fuel cell 1 includes an applying member 50 that applies a stacking force F along the Z direction to the fuel cell stack 10 via the casing 20, and an accelerating unit 60 that promotes elongation due to linear expansion of the casing 20.
  • the promotion means 60 is provided between the upper current collector 41 (corresponding to the end current collector) provided at the uppermost portion of the fuel cell stack 10 and the casing 20 and absorbs the linear expansion of the fuel cell stack 10 in the Z direction.
  • a space portion (corresponding to a gas flow path) 62 is provided.
  • the upper current collecting plate 41 and the casing 20 are provided with inclined surfaces 41a and 20a inclined with respect to the Z direction, respectively, and the upper current collecting plate 41 and the casing are disposed on the inclined surfaces 41a and 20a via the space 62. 20 is connected.
  • the configuration of the fuel cell 1 according to the present embodiment will be described in detail.
  • the fuel cell 1 includes a fuel cell stack 10, a casing 20, an imparting member 50, and a promotion means 60.
  • the fuel cell stack 10 includes a plurality of cell units 100, an upper current collecting plate 41 provided on the upper part of the cell unit 100, and a lower current collecting plate provided on the lower part of the cell unit 100. 42.
  • the cell unit 100 includes a separator 120 that partitions and forms a flow path portion 121 for gas to flow between the metal support cell assembly 110 and the electrolyte electrode assembly 111, a current collecting auxiliary layer 130 are sequentially stacked. Note that a contact material for conducting and contacting both the metal support cell assembly 110 and the current collection auxiliary layer 130 may be disposed, or the current collection auxiliary layer 130 may be omitted.
  • the cell unit 100 seals the periphery of the anode gas first inlet 120a, the anode gas second inlet 120b, and the anode gas first outlet 120c provided in the separator 120. It further has a plurality of seal portions 160 that stop and restrict the flow of gas.
  • the metal support cell assembly 110 includes a metal support cell (MSC) 110M arranged near the center, and a cell frame 113 that holds the outer periphery of the metal support cell 110M.
  • MSC metal support cell
  • the metal support cell assembly 110 includes a metal support cell (MSC) 110M arranged near the center, and a cell frame 113 that holds the outer periphery of the metal support cell 110M.
  • the metal support cell 110M includes an electrolyte electrode assembly 111 in which an electrolyte 111E is sandwiched between an anode 111A and a cathode 111C from both sides, and the electrolyte electrode assembly 111 from one side in the vertical direction. And a metal support 112 made of metal to support.
  • the metal support cell 110M is excellent in mechanical strength, quick startability, and the like as compared with the electrolyte support cell and the electrode support cell.
  • the electrolyte electrode assembly 111 is configured by sandwiching an electrolyte 111E from both sides by an anode 111A and a cathode 111C, as shown in FIGS.
  • the electrolyte 111E transmits oxide ions from the cathode 111C toward the anode 111A.
  • the electrolyte 111E does not pass gas and electrons while allowing oxide ions to pass through.
  • Examples of the material for forming the electrolyte 111E include solid oxide ceramics such as stabilized zirconia doped with yttria, neodymium oxide, samarium, gadolinium, scandium, and the like.
  • the anode 111A is a fuel electrode, and reacts an anode gas (for example, hydrogen) with oxide ions to generate an oxide of the anode gas and take out electrons.
  • the anode 111A is resistant to a reducing atmosphere, allows the anode gas to pass therethrough, has high electrical (electron and ion) conductivity, and has a catalytic action that causes the anode gas to react with oxide ions.
  • Examples of the material for forming the anode 111A include a material in which a metal such as nickel and an oxide ion conductor such as yttria-stabilized zirconia are mixed.
  • the cathode 111C is an oxidizer electrode, and reacts cathode gas (for example, oxygen contained in air) with electrons to convert oxygen molecules into oxide ions.
  • the cathode 111C has resistance to an oxidizing atmosphere, allows cathode gas to permeate, has high electrical (electron and ion) conductivity, and has a catalytic action to convert oxygen molecules into oxide ions.
  • Examples of the material for forming the cathode 111C include oxides made of lanthanum, strontium, manganese, cobalt, and the like.
  • the metal support portion 112 supports the electrolyte electrode assembly 111 from the anode 111A side as shown in FIGS.
  • the metal support part 112 is a porous metal having gas permeability and electronic conductivity. Examples of the material for forming the metal support 112 include a corrosion resistant alloy, corrosion resistant steel, and stainless steel containing nickel and chromium.
  • the cell frame 113 holds the metal support cell 110M from the periphery.
  • the cell frame 113 has an opening 113H.
  • a metal support cell 110M is disposed in the opening 113H of the cell frame 113.
  • the outer periphery of the metal support cell 110M is joined to the inner edge of the opening 113H of the cell frame 113.
  • Examples of the material for forming the cell frame 113 include a metal whose surface is subjected to an insulation treatment.
  • the cell frame 113 includes an anode gas first inlet 113a through which anode gas flows, an anode gas second inlet 113b, and an anode gas first outlet 113c.
  • a cathode gas first inlet 113d, a cathode gas first outlet 113e, and a cathode gas second outlet 113f through which the cathode gas flows are formed on the outer periphery of the cell frame 113.
  • the cathode gas first inlet 113d is formed on the outer periphery of the cell frame 113 between the anode gas first inlet 113a and the anode gas second inlet 113b.
  • the cathode gas first outlet 113e and the cathode gas second outlet 113f are formed on the outer periphery of the cell frame 113 so as to sandwich the anode gas first outlet 113c.
  • the cathode gas first inlet 113d, the cathode gas first outlet 113e, and the cathode gas second outlet 113f through which the cathode gas flows are formed in an upper casing of the applying member 50 described later, as shown in FIG. It is formed in a space V formed between the inner peripheral surface of the hood 51 and the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10.
  • the separator 120 is arrange
  • the separator 120 has a flow path portion 121 in a region facing the electrolyte electrode assembly 111 of the metal support cell 110M.
  • the flow path part 121 has an uneven shape that partitions and forms a gas flow path between the flow path part 121 and the electrolyte electrode assembly 111. Examples of the material for forming the separator 120 include metal. Insulation treatment is applied to the region other than the flow path portion 121 of the separator 120.
  • the flow path part 121 of the separator 120 is formed in a substantially linear shape so that the concavo-convex shape extends in the Y direction. Thereby, the flow direction of the gas flowing along the flow path part 121 is the X direction.
  • the separator 120 has an anode gas first inlet 120a through which anode gas flows, an anode gas second inlet 120b, and an anode gas first outlet 120c.
  • a cathode gas first inlet 120d, a cathode gas first outlet 120e, and a cathode gas second outlet 120f through which the cathode gas flows are formed on the outer periphery of the separator 120.
  • the cathode gas first inlet 120d is formed on the outer periphery of the separator 120 between the anode gas first inlet 120a and the anode gas second inlet 120b.
  • the cathode gas first outlet 120e and the cathode gas second outlet 120f are formed on the outer periphery of the separator 120 so as to sandwich the anode gas first outlet 120c.
  • the cathode gas first inlet 120d, the cathode gas first outlet 120e, and the cathode gas second outlet 120f through which the cathode gas flows are formed as shown in FIG. It is formed in a space V formed on the inner peripheral surface of the hood 51 and the outer peripheral surface of the fuel cell stack 10.
  • the current collection auxiliary layer 130 is disposed between the metal support cell 110M and the separator 120, and forms a space through which the gas is passed while making the surface pressure uniform, thereby providing the metal support cell 110M and the separator 120. Assists in electrical contact with. Examples of the current collection auxiliary layer 130 include a wire mesh expanded metal. Also, if this characteristic or function can be provided by other elements, it can be omitted.
  • the seal part 160 is formed from a material having heat resistance and sealability.
  • a material having heat resistance and sealability for example, thermiculite (registered trademark) whose main raw material is vermiculite (meteorite) can be mentioned.
  • thermiculite registered trademark
  • vermiculite vermiculite
  • a seal made of a glass component can be used.
  • the upper current collecting plate 41 outputs the electric power generated by the cell unit 100 to the outside.
  • the upper current collecting plate 41 has the same outer shape as the cell unit 100 when viewed from the Z direction, as shown in FIG.
  • the upper current collector 41 has a terminal (not shown) connected to an external energization member.
  • the upper current collecting plate 41 is made of a conductive material that does not allow gas to pass through, and is insulated using an insulating material or a coating except for a region facing the electrolyte electrode assembly 111 of the cell unit 100 and a terminal portion.
  • the insulating material is configured by fixing aluminum oxide to the upper current collecting plate 41.
  • the upper current collecting plate 41 has an inclined surface 41 a that is inclined with respect to the Z direction so that the width decreases toward the upper side in the Z direction.
  • the inclined surface 41a is formed along the X direction. At normal temperature, the inclined surface 41 a is connected (engaged) with the inclined surface 20 a provided on the casing 20.
  • the lower current collector 42 outputs the electrode generated by the cell unit 100 to the outside.
  • the lower current collector plate 42 has the same outer shape as the cell unit 100 when viewed from the Z direction.
  • the lower current collector 42 has a terminal (not shown) connected to an external energizing member.
  • the lower current collecting plate 42 is made of a conductive material that does not allow gas to pass therethrough, and is insulated using an insulating material or coating except for a region facing the electrolyte electrode assembly 111 of the cell unit 100 and a terminal portion.
  • the insulating material is configured by fixing aluminum oxide to the lower current collecting plate 42.
  • the casing 20 is arranged above the fuel cell stack 10 in the Z direction.
  • the casing 20 is made of a conductive material that does not allow gas to pass therethrough.
  • the casing 20 is made of metal, for example.
  • the casing 20 includes a planar portion 21 provided on the XY plane, a first extending portion 22 that extends downward from both ends of the planar portion 21 in the Y direction, and a second extending portion 22. It has the extension part 23 and the groove part 24 provided between the 1st extension part 22 and the 2nd extension part 23. As shown in FIG.
  • the first extending portion 22 and the second extending portion 23 of the casing 20 have a Z width so that the width decreases in the upward direction in the Z direction, as shown in FIGS.
  • An inclined surface 20a inclined with respect to the direction is provided.
  • the groove portion 24 is configured such that a space portion 62 is formed between the casing 20 and the upper current collecting plate 41 as shown in FIG. Further, the groove portion 24 is configured such that the space portion 62 between the casing 20 and the upper current collecting plate 41 is sealed when the fuel cell 1 is heated (see FIGS. 11 and 12).
  • the linear expansion coefficient of the casing 20 is preferably larger than the linear expansion coefficient of the upper current collecting plate 41. According to this configuration, during heating, the casing 20 extends in the Y direction rather than the upper current collecting plate 41, and therefore, between the casing 20 and the upper current collecting plate 41 as the fuel cell stack 10 linearly expands in the Z direction. The space 62 is sealed. For this reason, it is possible to suitably prevent an excessive compressive load from acting on the electrolyte electrode assembly 111. As such a material, the casing 20 can use austenitic SUS, and the upper current collecting plate 41 can use ferrite SUS.
  • the applying member 50 applies a stacking force F to the fuel cell stack 10 along the Z direction (see FIG. 2).
  • the applying member 50 includes an upper casing hood 51, a lower casing hood 52, and fastening means 53.
  • the upper casing hood 51 forms a space V that is a cathode gas flow path between the upper casing hood 51 and the fuel cell stack 10.
  • the upper casing hood 51 covers the fuel cell stack 10 and the casing 20 from above as shown in FIGS.
  • the upper casing hood 51 has a box shape, and the lower part is opened. Further, the upper casing hood 51 has a flange portion 511 that extends outward in the XY plane on the lower side in the Z direction. In the flange portion 511, an insertion hole (not shown) through which the fastening means 53 is inserted is formed along the Z direction.
  • the upper casing hood 51 is made of, for example, metal, and the inner surface is insulated using an insulating material or a coating.
  • the insulating material is configured by fixing aluminum oxide to the upper casing hood 51.
  • the lower casing hood 52 is provided to supply and discharge the cathode gas to the plurality of cell units 100 from the outside.
  • the lower casing hood 52 has a cathode gas inflow hole 52a through which cathode gas flows in and a cathode gas outflow hole 52b through which cathode gas flows out.
  • the lower casing hood 52 is provided below the lower current collecting plate 42 as shown in FIG.
  • the lower casing hood 52 has the same shape as the flange 511 of the upper casing hood 51 when viewed from the Z direction.
  • the lower casing hood 52 has an insertion hole along the Z direction at a position corresponding to the insertion hole formed in the flange portion 511.
  • the fastening means 53 is inserted into the insertion hole provided in the flange portion 511 of the upper casing hood 51 and the insertion hole provided in the lower casing hood 52 to fasten the upper casing hood 51 and the lower casing hood 52.
  • the fastening means 53 is a bolt and a nut.
  • the promotion means 60 promotes elongation due to linear expansion of the casing 20.
  • the promotion unit 60 includes a heating unit 61 that heats the cathode gas, and a gas flow path 62 through which the cathode gas heated by the heating unit 61 flows.
  • the promotion means 60 includes a blower 63 that supplies the cathode gas heated by the heating means 61 to the space V formed between the upper casing hood 51 and the fuel cell stack 10.
  • the heating means 61 heats the cathode gas flowing into the space V formed between the upper casing hood 51 and the fuel cell stack 10.
  • a heat exchanger included in a general fuel cell system can be used.
  • the gas flow path 62 is provided between the casing 20 and the upper current collector plate 41 as shown in FIGS.
  • the gas flow path 62 is formed along the X direction.
  • the gas flow path 62 is provided in communication with the space V formed between the upper casing hood 51 and the fuel cell stack 10.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a state before (left figure) and after (right figure) the groove portion 24 of the casing 20 extends in the Y direction.
  • FIG. 12 is a partially enlarged view showing the state before (upper figure) and after (lower figure) the groove 24 of the casing 20 extends in the Y direction.
  • FIG. 13 is a view for explaining the distribution along the X direction of the extension length along the Y direction of the groove portion 24 of the casing 20.
  • FIG. 14 is a graph showing the temperature distribution of the casing 20 at normal temperature (left graph) and when heated (right graph).
  • FIG. 15 is a side view of the fuel cell 1 at normal temperature (left diagram) and heating (right diagram).
  • the cathode gas heated by the heating means 61 is supplied to the space V formed between the upper casing hood 51 and the fuel cell stack 10 (see FIG. 2).
  • the cathode gas supplied to the space V flows into the gas flow path 62 communicating with the space V and the flow path portion 121 of the fuel cell stack 10.
  • the electrolyte electrode assembly 111 Due to the high temperature cathode gas flowing into the fuel cell stack 10, the electrolyte electrode assembly 111 linearly expands in the Z direction. Further, due to the high-temperature cathode gas flowing into the gas flow path 62, the groove portion 24 of the casing 20 extends in the Y direction. As a result, as shown in FIGS. 11 and 12, the upper current collecting plate 41 moves toward the casing 20 so that the inclined surface 41a of the upper current collecting plate 41 follows the inclined surface 20a of the casing 20 (FIG. 9). reference). Therefore, since elongation due to the linear expansion in the Z direction of the electrolyte electrode assembly 111 is absorbed, it is possible to suitably suppress an excessive compressive load from acting on the electrolyte electrode assembly 111.
  • the cathode gas flowing into the gas flow path 62 gradually decreases in temperature from the inlet side of the gas flow path 62 (lower left side in FIG. 13) to the outlet side of the gas flow path 62 (upper right side in FIG. 13). To do. For this reason, as shown in FIG. 14, the temperature of the casing 20 is uniform from the inlet to the outlet at normal temperature (left side of FIG. 14), whereas the temperature of the casing 20 is higher during heating (right side of FIG. 14). As the temperature rises as a whole, the temperature gradually decreases from the inlet to the outlet. Therefore, as indicated by a white arrow in FIG. 13, the length of the inlet side of the gas flow path 62 that extends in the Y direction of the groove portion 24 of the casing 20 is larger than the outlet side of the gas flow path 62. become longer.
  • the cathode gas flowing into the flow path portion 121 of the fuel cell stack 10 is also the same as the cathode gas flowing into the gas flow path 62 from the inlet side (lower left side in FIG. 13) to the outlet side (upper right side in FIG. 13).
  • the electrolyte electrode assembly 111 is Z on the inlet side (the left side of each figure in FIG. 15) on the outlet side (the right side in each figure in FIG. 15). The length of linear expansion in the direction increases.
  • the in-plane temperature distribution in the XY plane of the casing 20 is the same as the in-plane temperature distribution of the electrolyte electrode assembly 111. That is, a portion where the extension in the Z direction of the electrolyte electrode assembly 111 is large corresponds to a portion where the length of the casing 20 extending in the Y direction is long. Therefore, it is possible to prevent an excessive compressive load from acting on the electrolyte electrode assembly 111 in the entire region of the XY plane.
  • the upper current collecting plate 41 moves toward the casing 20 to move to the gas flow path.
  • 62 is sealed.
  • the gas flow path 62 is sealed during heating, so that the fuel cell stack 10 can be prevented from being unintentionally cooled.
  • a configuration in which the gas flow path 62 is not sealed when the upper current collecting plate 41 moves toward the casing 20 is also included in the present invention.
  • FIG. 16 is a schematic configuration diagram showing the fuel cell system 200.
  • the anode gas is supplied to the fuel cell stack 10 as shown in FIG.
  • the cathode gas is supplied to the fuel cell stack 10 via the heating means 61.
  • a first thermometer 220 is installed in the fuel cell stack 10 and the temperature in the fuel cell stack 10 is measured.
  • the anode gas and cathode gas discharged from the fuel cell stack 10 are discharged through the exhaust heat exchanger 240.
  • a second thermometer 230 is installed in the pipe through which the cathode gas flows between the fuel cell stack 10 and the exhaust heat exchanger 240, and the temperature of the cathode gas in the pipe is measured. Control of the heating means 61, measurement of the first thermometer 220 and the second thermometer 230, and the like are performed by the control unit 210.
  • FIG. 17 is a flowchart showing how to use the fuel cell system 200.
  • step S01 it is determined whether the fuel cell stack 10 needs to be heated. If NO is determined in step S01, the process proceeds to step S05. Step S05 will be described later. On the other hand, if YES is determined in step S01, the process proceeds to step S02.
  • step S02 cathode gas is supplied.
  • the heating unit 61 is activated by the control unit 210.
  • step S04 it is determined whether the temperature of the cathode gas outlet of the fuel cell stack 10 is equal to or higher than a predetermined temperature Ts (step S04). If NO is determined in step S04, the control ends. On the other hand, if YES is determined in step S04, the process proceeds to step S05.
  • step S05 an operation of generating power from the fuel cell stack 10 is performed. After the above steps, the control of the fuel cell system 200 ends.
  • the fuel cell 1 has the fuel cell stack 10 configured by stacking a plurality of cell units 100 including the electrolyte electrode assembly 111 and the separator 120.
  • the fuel cell 1 includes a casing 20 disposed on the upper side of the fuel cell stack 10 in the Z direction, and an applying member that applies a stacking force F along the Z direction to the fuel cell stack 10 via the casing 20. 50.
  • the fuel cell 1 includes an accelerating unit 60 that promotes elongation due to linear expansion of the casing 20.
  • the promotion means 60 has a space 62 that is provided between the upper current collecting plate 41 provided on the uppermost part of the fuel cell stack 10 and the casing 20 and absorbs the linear expansion of the fuel cell stack 10 in the Z direction.
  • inclined surfaces 20 a and 41 a that are inclined with respect to the Z direction are provided on the upper current collector 41 and the casing 20, respectively.
  • the upper current collecting plate 41 and the casing 20 are connected via the space 62.
  • the expansion by the linear expansion of the casing 20 is promoted by the promotion means 60 during heating.
  • the upper current collecting plate 41 enters the space 62 so that the inclined surface 41 a of the upper current collecting plate 41 follows the inclined surface 20 a of the casing 20 along with the linear expansion of the fuel cell stack 10 in the Z direction. Therefore, since elongation due to the linear expansion in the Z direction of the electrolyte electrode assembly 111 is absorbed, it is possible to suitably suppress an excessive compressive load from acting on the electrolyte electrode assembly 111.
  • the promotion means 60 further has a heating means 61 for heating the gas.
  • the space 62 is a gas flow path 62 through which the gas heated by the heating means 61 flows.
  • the heated gas circulates through the gas flow path 62, whereby the elongation due to the linear expansion of the casing 20 is promoted.
  • the upper current collecting plate 41 enters the space 62 as the fuel cell stack 10 linearly expands in the Z direction. Therefore, since elongation due to the linear expansion in the Z direction of the electrolyte electrode assembly 111 is absorbed, it is possible to suitably suppress an excessive compressive load from acting on the electrolyte electrode assembly 111.
  • the gas flowing through the gas flow path 62 is a heated gas flowing through the fuel cell stack 10 when the fuel cell stack 10 is started.
  • the heating gas for starting the fuel cell stack 10 flows through the gas flow path 62.
  • the in-plane temperature distribution in the XY plane of the casing 20 during heating is the same as the in-plane temperature distribution of the electrolyte electrode assembly 111. Therefore, it is possible to prevent an excessive compressive load from acting on the electrolyte electrode assembly 111 in the entire region of the XY plane.
  • the gas flow path 62 is provided in communication with a space V that is a cathode gas flow path provided between the applying member 50 and the fuel cell stack 10. According to the fuel cell 1 configured as described above, the gas heated with a simple structure flows into the gas flow path 62.
  • the gas flow path 62 is sealed by the upper current collecting plate 41 moving toward the casing 20 as the fuel cell stack 10 linearly expands in the Z direction. According to the fuel cell 1 configured as described above, the upper current collecting plate 41 can be prevented from being unintentionally cooled by the cathode gas during operation.
  • the linear expansion coefficient of the casing 20 is larger than the linear expansion coefficient of the upper current collecting plate 41.
  • the casing 20 extends in the Y direction more than the upper current collecting plate 41 during heating. For this reason, the upper current collecting plate 41 can move toward the casing 20 more reliably. Therefore, it is possible to suitably prevent an excessive compressive load from acting on the electrolyte electrode assembly 111.
  • the groove portion 24 of the casing 20 is configured to have the same height from the inlet to the outlet as shown in FIG.
  • the groove portion 324 of the casing 320 may be configured to be inclined with respect to the X direction (flow direction) so that the outlet is higher than the inlet.
  • the linear expansion in the Z direction of the fuel cell stack 10 can be absorbed up to a higher temperature on the outlet side than on the inlet side. Therefore, as shown in FIG. 20, the linear expansion in the Z direction of the fuel cell stack 10 can be suitably absorbed during operation in which the temperature on the outlet side is higher than that on the inlet side.
  • the outlet electrode side (the right side of each drawing in FIG. 19) is on the inlet side (the left side in each drawing in FIG. 19), and the electrolyte electrode assembly 111 is Z.
  • the length of linear expansion in the direction increases.
  • the surface of the casing 20 that faces the gas flow path 62 has a planar shape.
  • an uneven shape may be repeatedly formed on the surface 420 a of the casing 420 facing the gas flow path 462. According to this configuration, since the heat transfer area of the casing 420 is larger than that of the casing 20 according to the embodiment, elongation due to linear expansion of the casing 420 is further promoted.
  • the fuel cell stack 10 has an open cathode type structure, but may have a structure in which the cathode gas flow path is an internal manifold type.
  • the gas flow path 62 is formed only above the upper current collector plate 41. In addition to or instead of this, the gas flow path is formed below the lower current collector plate 42. It may be.
  • the inclined surfaces 20a and 41a are continuously provided in a tapered shape.
  • the inclined surface may be configured in a staircase shape.
  • the casing 20 is linearly expanded in the Y direction by supplying the cathode gas to the gas flow path 62 at the time of startup.
  • the casing 20 may be thermally expanded in the Y direction by supplying another heated gas independent of the fuel cell system 200.
  • Fuel cell 10 Fuel cell stack, 100 cell units, 111 electrolyte electrode assembly, 120 separator, 20, 320, 420 casing, 20a Inclined surface of the casing, 41 Upper current collector, 41a The inclined surface of the upper current collector, 50 imparting members, 60 Promotion means, 61 heating means, 62 Space (gas flow path), F stacking power, A space provided between the V applying member and the fuel cell stack; Z Stacking direction.

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Abstract

【課題】大型化することを防止しつつ、電解質電極接合体に過大な圧縮荷重が作用することを防止できる燃料電池を提供する。 【解決手段】燃料電池１は、燃料電池スタック１０と、ケーシング２０と、付与部材５０と、促進手段６０と、を有し、促進手段は、上部集電板４１およびケーシングの間に設けられる空間部６２を有し、上部集電板およびケーシングは、傾斜面２０ａ、４１ａにおいて連結されてなる。

Description

固体酸化物形燃料電池
　本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。
　固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ：ＳＯＦＣ。以下、単に「ＳＯＦＣ」ということがある。）は、熱効率が高く、貴金属触媒を使わなくても燃料と空気との電気化学反応が可能であり、さらに多種類の燃料を使用できる。ＳＯＦＣは、供給されたガスによって発電する電解質電極接合体、およびガスが流通する流路部が区画形成されたセパレータを含むセルユニットを複数積層して構成される燃料電池スタックを有する。
　ＳＯＦＣは、約７００～１２００℃の高温で作動するため、常温である運転停止時に対して、運転時は燃料電池スタックが線膨張により積層方向に伸びてしまう。特に、車載システム固有の急速起動時においては、燃料電池スタック内に高温ガスを流通させて昇温させる。このため、燃料電池の構造部品に対して、電解質電極接合体が先に昇温して線膨張するため、電解質電極接合体に過大な圧縮荷重が作用してしまう虞がある。
　これに関連して、例えば下記の特許文献１には、セルスタックと筐体との間に、セルスタックに荷重が加わるように、弾性体が圧縮変形された状態で設けられる燃料電池が開示されている。このように構成された燃料電池によれば、燃料電池スタックの線膨張を弾性体によって吸収することができ、電解質電極接合体に過大な圧縮荷重が作用することを抑制することができる。
特開２０１７－１０７６６４号公報
　しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池では、別途弾性体を設ける必要があり、燃料電池の全体構成が大型化してしまう。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、大型化することを防止しつつ、電解質電極接合体に過大な圧縮荷重が作用することを防止できる燃料電池を提供することを目的とする。
　上記目的を達成する本発明に係る燃料電池は、電解質電極接合体およびセパレータを含むセルユニットを複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの積層方向の一端側に配置されるケーシングと、を有する。また、燃料電池は、前記ケーシングを介して、前記燃料電池スタックに対して前記積層方向に沿ってスタッキング力を付与する付与部材と、前記ケーシングの線膨張による伸びを促進する促進手段と、を有する。前記促進手段は、前記燃料電池スタックの前記一端側の端部に設けられる端部集電板および前記ケーシングの間に設けられるとともに前記燃料電池スタックの前記積層方向の線膨張を吸収する空間部を有する。前記端部集電板および前記ケーシングのそれぞれに、前記積層方向に対して傾斜した傾斜面が設けられ、当該傾斜面において、前記空間部を介して前記端部集電板および前記ケーシングは連結されてなる。
本発明の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 本実施形態に係る燃料電池を示す概略断面図である。 セルユニットの分解斜視図である。 アノードガスおよびカソードガスの流れを示す図である。 メタルサポートセルアッセンブリーの分解斜視図である。 図３の６－６線に沿う断面図である。 燃料電池スタックの断面図である。 燃料電池スタックおよびケーシングを示す斜視図である。 ケーシングおよび上部集電板の間に設けられるガス流路を説明するための図である。 ケーシングおよび上部集電板の分解斜視図である。 ケーシングの溝部がＹ方向に伸張する前後の様子を示す図である。 ケーシングの溝部がＹ方向に伸張する前後の様子を示す部分拡大図である。 ケーシングの溝部のＹ方向に沿う伸張長さの、Ｘ方向に沿う分布を説明するための図である。 常温時および加熱時におけるケーシングの温度分布を示すグラフである。 常温時および加熱時における燃料電池の側面図である。 燃料電池システムを示す概略構成図である。 燃料電池システムの使用方法を示すフローチャートである。 変形例１に係る燃料電池のケーシングを示す斜視図である。 常温時および運転時における燃料電池の側面図である。 常温時および運転時におけるケーシングの温度分布を示すグラフである。 変形例２に係る燃料電池の図７に対応する図である。 変形例２に係る燃料電池の図８に対応する図である。 変形例に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
　以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
　図１～図１０を参照して、本実施形態に係る燃料電池１について説明する。本実施形態の燃料電池１は、電解質として例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）である。
　以下の説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を図中に示す。Ｘ軸およびＹ軸は水平方向、Ｚ軸は上下方向（積層方向に相当）にそれぞれ平行な軸を示す。
　図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池１を示す概略断面図である。図３は、セルユニット１００の分解斜視図である。図４は、アノードガスおよびカソードガスの流れを示す図である。図５は、メタルサポートセルアッセンブリー１１０の分解斜視図である。図６は、図３の６－６線に沿う断面図である。図７は、燃料電池スタック１０の断面図である。図８は、燃料電池スタック１０およびケーシング２０を示す斜視図である。図９は、ケーシング２０および上部集電板４１の間に設けられる空間部６２を説明するための図である。図１０は、ケーシング２０および上部集電板４１の分解斜視図である。
　燃料電池１は、概説すると、電解質電極接合体１１１およびセパレータ１２０を含むセルユニット１００を複数積層して構成される燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のＺ方向の上方に配置されるケーシング２０と、を有する。燃料電池１は、ケーシング２０を介して、燃料電池スタック１０に対してＺ方向に沿ってスタッキング力Ｆを付与する付与部材５０と、ケーシング２０の線膨張による伸びを促進する促進手段６０と、を有する。促進手段６０は、燃料電池スタック１０の最上部に設けられる上部集電板４１（端部集電板に相当）およびケーシング２０の間に設けられるとともに燃料電池スタック１０のＺ方向の線膨張を吸収する空間部（ガス流路に相当）６２を有する。また、上部集電板４１およびケーシング２０のそれぞれに、Ｚ方向に対して傾斜した傾斜面４１ａ、２０ａが設けられ、傾斜面４１ａ、２０ａにおいて、空間部６２を介して上部集電板４１およびケーシング２０は連結されてなる。以下、本実施形態に係る燃料電池１の構成について詳述する。
　燃料電池１は、図１、図２に示すように、燃料電池スタック１０と、ケーシング２０と、付与部材５０と、促進手段６０と、を有する。
　＜燃料電池スタック１０＞
　燃料電池スタック１０は、図１、図２に示すように、複数のセルユニット１００と、セルユニット１００の上部に設けられる上部集電板４１と、セルユニット１００の下部に設けられる下部集電板４２と、を有する。
　セルユニット１００は、図３に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１１０と、電解質電極接合体１１１との間にガスが流通するための流路部１２１を区画形成するセパレータ１２０と、集電補助層１３０と、を順に積層して構成される。なお、メタルサポートセルアッセンブリー１１０と集電補助層１３０との間に両者を導通接触させる接点材を配置してもよいし、集電補助層１３０を省く構造としてもよい。
　また、セルユニット１００は、図３、図４に示すように、セパレータ１２０に設けられるアノードガス第１流入口１２０ａ、アノードガス第２流入口１２０ｂ、およびアノードガス第１流出口１２０ｃの周囲を封止してガスの流れを制限する複数のシール部１６０をさらに有する。
　メタルサポートセルアッセンブリー１１０は、図３、図５に示すように、中央近傍に配置されたメタルサポートセル（Ｍｅｔａｌ－Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　Ｃｅｌｌ：ＭＳＣ）１１０Ｍと、メタルサポートセル１１０Ｍの外周を保持するセルフレーム１１３と、を有する。
　メタルサポートセル１１０Ｍは、図５、図６に示すように、電解質１１１Ｅを両側からアノード１１１Ａおよびカソード１１１Ｃで挟持してなる電解質電極接合体１１１と、電解質電極接合体１１１を上下方向の一方側から支持する金属製のメタルサポート部１１２と、を有する。メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れる。
　電解質電極接合体１１１は、図５、図６に示すように、電解質１１１Ｅを両側からアノード１１１Ａおよびカソード１１１Ｃで挟持して構成される。
　電解質１１１Ｅは、カソード１１１Ｃからアノード１１１Ａ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１１１Ｅ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１１１Ｅの形成材料は、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、スカンジウム等をドープした安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスが挙げられる。
　アノード１１１Ａは、燃料極であって、アノードガス（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード１１１Ａは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、アノードガス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１１１Ａの形成材料は、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ものが挙げられる。
　カソード１１１Ｃは、酸化剤極であって、カソードガス（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１１１Ｃは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスを透過させ、電気（電子およびイオン）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１１１Ｃの形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。
　メタルサポート部１１２は、図５、図６に示すように、電解質電極接合体１１１をアノード１１１Ａの側から支持するものである。メタルサポート部１１２は、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質の金属である。メタルサポート部１１２の形成材料は、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。
　セルフレーム１１３は、図５、図６に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍを周囲から保持するものである。セルフレーム１１３は、開口部１１３Ｈを有する。セルフレーム１１３の開口部１１３Ｈには、メタルサポートセル１１０Ｍが配置される。メタルサポートセル１１０Ｍの外周は、セルフレーム１１３の開口部１１３Ｈの内縁に接合される。セルフレーム１１３の形成材料は、例えば、表面に絶縁処理が施された金属が挙げられる。
　セルフレーム１１３は、図３、図５に示すように、アノードガスが流通するアノードガス第１流入口１１３ａ、アノードガス第２流入口１１３ｂ、およびアノードガス第１流出口１１３ｃを有する。また、セルフレーム１１３の外周には、カソードガスが流通するカソードガス第１流入口１１３ｄ、カソードガス第１流出口１１３ｅ、およびカソードガス第２流出口１１３ｆが形成されている。カソードガス第１流入口１１３ｄは、図３、図５に示すように、アノードガス第１流入口１１３ａおよびアノードガス第２流入口１１３ｂの間の、セルフレーム１１３の外周に形成される。また、カソードガス第１流出口１１３ｅおよびカソードガス第２流出口１１３ｆは、アノードガス第１流出口１１３ｃを挟み込むように、セルフレーム１１３の外周に形成される。
　このように、カソードガスが流通するカソードガス第１流入口１１３ｄ、カソードガス第１流出口１１３ｅ、およびカソードガス第２流出口１１３ｆは、図２に示すように、後述する付与部材５０の上部ケーシングフード５１の内周面および燃料電池スタック１０の外周面の間に形成される空間Ｖに形成される。
　セパレータ１２０は、図７に示すように、Ｚ方向に隣り合うメタルサポートセル１１０Ｍの間に配置される。セパレータ１２０は、メタルサポートセル１１０Ｍの電解質電極接合体１１１と対向する領域に流路部１２１を有する。流路部１２１は、電解質電極接合体１１１との間にガスの流路を区画形成する凹凸形状を有している。セパレータ１２０の形成材料は、例えば、金属が挙げられる。セパレータ１２０の流路部１２１以外の領域には、絶縁処理が施されている。
　セパレータ１２０の流路部１２１は、凹凸形状がＹ方向に延在するように略直線状に形成されている。これにより、流路部１２１に沿って流れるガスの流れ方向は、Ｘ方向である。
　セパレータ１２０は、図３、図４に示すように、アノードガスが流通するアノードガス第１流入口１２０ａ、アノードガス第２流入口１２０ｂ、およびアノードガス第１流出口１２０ｃを有する。また、セパレータ１２０の外周には、カソードガスが流通するカソードガス第１流入口１２０ｄ、カソードガス第１流出口１２０ｅ、およびカソードガス第２流出口１２０ｆが形成されている。カソードガス第１流入口１２０ｄは、図３、図４に示すように、アノードガス第１流入口１２０ａおよびアノードガス第２流入口１２０ｂの間の、セパレータ１２０の外周に形成される。また、カソードガス第１流出口１２０ｅおよびカソードガス第２流出口１２０ｆは、アノードガス第１流出口１２０ｃを挟み込むように、セパレータ１２０の外周に形成される。
　このように、カソードガスが流通するカソードガス第１流入口１２０ｄ、カソードガス第１流出口１２０ｅ、およびカソードガス第２流出口１２０ｆは、図２に示すように、後述する付与部材５０の上部ケーシングフード５１の内周面および燃料電池スタック１０の外周面に形成される空間Ｖに形成される。
　集電補助層１３０は、図７に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との間に配置され、ガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にして、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との電気的な接触を補助する。集電補助層１３０は、金網状のエキスパンドメタルなどがあげられる。また、本特性や機能を他要素で持たせることができる場合、省くことも可能である。
　シール部１６０は、耐熱性およびシール性を有する材料から形成される。このような材料としては、例えば、バーミキュライト（蛭石）を主原料とするサーミキュライト（登録商標）が挙げられる。もしくは、ガラス成分からなるシールを用いることも可能である。
　上部集電板４１は、セルユニット１００で発電された電力を外部に出力する。
　上部集電板４１は、図８に示すように、Ｚ方向から視たときに、セルユニット１００と同様の外形形状を備える。上部集電板４１は、外部の通電部材と接続される端子（不図示）を有する。上部集電板４１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１００の電解質電極接合体１１１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４１に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
　上部集電板４１は、図９に示すように、Ｚ方向の上方につれて幅が小さくなるように、Ｚ方向に対して傾斜した傾斜面４１ａを有する。傾斜面４１ａは、Ｘ方向に沿って形成されている。常温時において、傾斜面４１ａは、ケーシング２０に設けられた傾斜面２０ａに連結（係合）されている。
　下部集電板４２は、セルユニット１００で発電された電極を外部に出力する。
　下部集電板４２は、図８に示すように、Ｚ方向から視たときに、セルユニット１００と同様の外形形状を備える。下部集電板４２は、外部の通電部材と接続される端子（不図示）を有する。下部集電板４２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１００の電解質電極接合体１１１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４２に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
　＜ケーシング２０＞
　ケーシング２０は、図８に示すように、燃料電池スタック１０のＺ方向の上方に配置される。ケーシング２０は、ガスを透過させない導電性材料からなる。ケーシング２０は例えば金属からなる。
　ケーシング２０は、図９、図１０に示すように、ＸＹ平面に設けられる平面部２１と、平面部２１のＹ方向の両端部からＺ方向下向きに延在する第１延在部２２、第２延在部２３と、第１延在部２２および第２延在部２３間に設けられる溝部２４と、を有する。
　ケーシング２０の第１延在部２２および第２延在部２３のＹ方向の内方には、図９、図１０に示すように、Ｚ方向の上方に連れて幅が小さくなるように、Ｚ方向に対して傾斜した傾斜面２０ａが設けられる。
　溝部２４は、常温時において、図９に示すように、ケーシング２０および上部集電板４１の間に空間部６２が形成されるように構成されている。また、溝部２４は、燃料電池１の加熱時において、ケーシング２０および上部集電板４１の間の空間部６２が封止されるように構成されている（図１１、図１２参照）。
　ケーシング２０の線膨張率は、上部集電板４１の線膨張率よりも大きいことが好ましい。この構成によれば、加熱時において、上部集電板４１よりもケーシング２０がＹ方向に伸張するため、燃料電池スタック１０のＺ方向の線膨張に伴ってケーシング２０および上部集電板４１の間の空間部６２が封止される。このため、電解質電極接合体１１１に過大な圧縮荷重が作用することを好適に防止できる。このような材料として、ケーシング２０はオーステナイト系ＳＵＳを用いることができ、上部集電板４１はフェライト系ＳＵＳを用いることができる。
　＜付与部材５０＞
　付与部材５０は、燃料電池スタック１０に対してＺ方向に沿ってスタッキング力Ｆを付与する（図２参照）。付与部材５０は、図１、図２に示すように、上部ケーシングフード５１と、下部ケーシングフード５２と、締結手段５３と、を有する。
　上部ケーシングフード５１は、図２に示すように、燃料電池スタック１０との間において、カソードガス流路である空間Ｖを形成する。
　上部ケーシングフード５１は、図１、図２に示すように、燃料電池スタック１０およびケーシング２０を上方から覆う。上部ケーシングフード５１は、箱形状からなり、下部が開口している。また、上部ケーシングフード５１は、Ｚ方向の下側にＸＹ平面の外方に向けて延在する鍔部５１１を有する。鍔部５１１には、締結手段５３が挿通する挿通孔（不図示）がＺ方向に沿って形成されている。
　上部ケーシングフード５１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、例えば上部ケーシングフード５１に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
　下部ケーシングフード５２は、図２に示すように、外部から複数のセルユニット１００にカソードガスを供給および排出するために設けられる。下部ケーシングフード５２は、カソードガスが流入するカソードガス流入孔５２ａおよびカソードガスが流出するカソードガス流出孔５２ｂを有する。
　下部ケーシングフード５２は、図２に示すように、下部集電板４２の下方に設けられる。下部ケーシングフード５２は、Ｚ方向から視たときに上部ケーシングフード５１の鍔部５１１と同様の形状を備える。
　下部ケーシングフード５２は、鍔部５１１に形成された挿通孔と対応する位置に、Ｚ方向に沿って挿通孔が形成されている。
　締結手段５３は、上部ケーシングフード５１の鍔部５１１に設けられた挿通孔および下部ケーシングフード５２に設けられた挿通孔に挿通されて、上部ケーシングフード５１および下部ケーシングフード５２を締結する。締結手段５３は、ボルトおよびナットである。
　＜促進手段６０＞
　促進手段６０は、ケーシング２０の線膨張による伸びを促進する。促進手段６０は、図９に示すように、カソードガスを加熱する加熱手段６１と、加熱手段６１によって加熱されたカソードガスが流通するガス流路６２と、を有する。また、促進手段６０は、加熱手段６１によって加熱されたカソードガスを上部ケーシングフード５１および燃料電池スタック１０の間に形成される空間Ｖに供給するブロワー６３と、を有する。
　加熱手段６１は、上部ケーシングフード５１および燃料電池スタック１０の間に形成される空間Ｖに流入するカソードガスを加熱する。加熱手段６１としては、一般的な燃料電池システムに含まれる熱交換器を用いることができる。
　ガス流路６２は、図８、図９に示すように、ケーシング２０および上部集電板４１の間に設けられる。ガス流路６２は、Ｘ方向に沿って形成される。ガス流路６２は、上部ケーシングフード５１および燃料電池スタック１０の間に形成される空間Ｖと連通して設けられる。
　次に、図１１～図１５を参照して、本実施形態に係る燃料電池１の作用効果について説明する。図１１は、ケーシング２０の溝部２４がＹ方向に伸張する前（左図）と後（右図）の様子を示す図である。図１２は、ケーシング２０の溝部２４がＹ方向に伸張する前（上図）と後（下図）の様子を示す部分拡大図である。図１３は、ケーシング２０の溝部２４のＹ方向に沿う伸張長さの、Ｘ方向に沿う分布を説明するための図である。図１４は、常温時（左のグラフ）および加熱時（右のグラフ）におけるケーシング２０の温度分布を示すグラフである。図１５は、常温時（左図）および加熱時（右図）における燃料電池１の側面図である。
　まず、加熱手段６１によって加熱されたカソードガスを、上部ケーシングフード５１および燃料電池スタック１０の間に形成される空間Ｖに供給する（図２参照）。そして、空間Ｖに供給されたカソードガスは、空間Ｖと連通するガス流路６２および燃料電池スタック１０の流路部１２１に流入する。
　燃料電池スタック１０に流入する高温のカソードガスに起因して、電解質電極接合体１１１はＺ方向に線膨張する。また、ガス流路６２に流入する高温のカソードガスに起因して、ケーシング２０の溝部２４はＹ方向に伸張する。この結果、図１１、図１２に示すように、上部集電板４１の傾斜面４１ａがケーシング２０の傾斜面２０ａに沿うように、上部集電板４１がケーシング２０に向けて移動する（図９参照）。したがって、電解質電極接合体１１１のＺ方向の線膨張による伸びが吸収されるため、電解質電極接合体１１１に過大な圧縮荷重が作用することを好適に抑制することができる。
　次に、ケーシング２０の溝部２４のＹ方向への線膨張の、Ｘ方向に沿う分布について説明する。
　ガス流路６２に流入するカソードガスは、ガス流路６２の入口側（図１３の左下側）から、ガス流路６２の出口側（図１３の右上側）に連れて、徐々に温度が低下する。このため、図１４に示すように、常温時（図１４の左側）では入口から出口にかけてケーシング２０の温度が均一であるのに対して、加熱時（図１４の右側）ではケーシング２０の温度が全体的に上昇するとともに入口から出口にかけて温度が徐々に低下する。したがって、図１３において白抜きの矢印で示すように、ガス流路６２の入口側の方が、ガス流路６２の出口側に対して、ケーシング２０の溝部２４のＹ方向に伸張する長さが長くなる。
　一方、燃料電池スタック１０の流路部１２１に流入するカソードガスも、ガス流路６２に流入するカソードガスと同様に、入口側（図１３の左下側）から出口側（図１３の右上側）に連れて、徐々に温度が低下する。このため、図１５に示すように、加熱時において、入口側（図１５の各図の左側）の方が出口側（図１５の各図の右側）に対して、電解質電極接合体１１１がＺ方向に線膨張する長さが大きくなる。
　以上のように加熱時において、ケーシング２０のＸＹ平面内の面内温度分布は、電解質電極接合体１１１の面内温度分布と同様となる。すなわち、電解質電極接合体１１１のＺ方向の伸張が大きい箇所は、ケーシング２０のＹ方向に伸張する長さが長い箇所に相当する。したがって、ＸＹ平面の全領域において、電解質電極接合体１１１に過大な圧縮荷重が作用することを防止できる。
　本実施形態では加熱時において、図１１に示すように、燃料電池スタック１０がＺ方向に沿って線膨張することに伴って、上部集電板４１がケーシング２０に向けて移動してガス流路６２は封止される。例えば、上部集電板４１がケーシング２０に向けて移動した際にガス流路６２が封止されない構成である場合、加熱後の発電運転中においてガス流路６２に流入するガスによって、燃料電池スタックが意図せず冷却されて、燃料電池の性能が低下する可能性がある。これに対して、本実施形態に係る燃料電池１によれば、加熱時において、ガス流路６２は封止されるため、燃料電池スタック１０が意図せず冷却されることを防止できる。なお、上部集電板４１がケーシング２０に向けて移動した際にガス流路６２が封止されない構成も、本発明に含まれるものとする。
　また例えば、先行技術文献に開示されているように弾性体が設けられている場合、弾性体が設けられる位置に対応する電解質電極接合体１１１に対して、弾性体からの反力によって応力が集中する可能性がある。これに対して、本実施形態に係る燃料電池１によれば、ガス流路６２に上部集電板４１が移動するため、電解質電極接合体１１１に対して応力が集中することを防止できる。
　次に、図１６を参照して、燃料電池システム２００の構成について説明する。図１６は、燃料電池システム２００を示す概略構成図である。
　アノードガスは、図１６に示すように、燃料電池スタック１０に供給される。カソードガスは、加熱手段６１を介して、燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０には、第１温度計２２０が設置されており、燃料電池スタック１０内の温度が計測される。燃料電池スタック１０から排出されたアノードガスおよびカソードガスは、排気熱交換器２４０を介して、排出される。燃料電池スタック１０および排気熱交換器２４０の間のカソードガスが流通する配管には第２温度計２３０が設置され、配管内のカソードガスの温度が計測される。加熱手段６１の制御、第１温度計２２０および第２温度計２３０の測定等は、制御部２１０によって行われる。
　次に、図１７を参照して、燃料電池システム２００の使用方法について説明する。図１７は、燃料電池システム２００の使用方法を示すフローチャートである。
　まず、燃料電池スタック１０の加熱が必要か判断される（ステップＳ０１）。ステップＳ０１において、ＮＯと判断された場合は、ステップＳ０５に移行する。ステップＳ０５については後述する。一方、ステップＳ０１において、ＹＥＳと判断された場合は、ステップＳ０２に移行する。
　ステップＳ０２では、カソードガスが供給される。次に、制御部２１０によって、加熱手段６１が起動される。
　次に、燃料電池スタック１０のカソードガス流出口の温度が所定の温度Ｔｓ以上であるかが判断される（ステップＳ０４）。ステップＳ０４において、ＮＯと判断された場合は、制御が終了する。一方、ステップＳ０４において、ＹＥＳと判断された場合は、ステップＳ０５に移行する。
　ステップＳ０５では、燃料電池スタック１０を発電する操作が行われる。以上の工程の後に、燃料電池システム２００の制御が終了する。
　以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池１は、電解質電極接合体１１１およびセパレータ１２０を含むセルユニット１００を複数積層して構成される燃料電池スタック１０を有する。また、燃料電池１は、燃料電池スタック１０のＺ方向の上方側に配置されるケーシング２０と、ケーシング２０を介して燃料電池スタック１０に対してＺ方向に沿ってスタッキング力Ｆを付与する付与部材５０と、を有する。また、燃料電池１は、ケーシング２０の線膨張による伸びを促進する促進手段６０を有する。また、促進手段６０は、燃料電池スタック１０の最上部に設けられる上部集電板４１およびケーシング２０の間に設けられるとともに燃料電池スタック１０のＺ方向の線膨張を吸収する空間部６２を有する。また、上部集電板４１およびケーシング２０のそれぞれに、Ｚ方向に対して傾斜した傾斜面２０ａ、４１ａが設けられる。当該傾斜面２０ａ、４１ａにおいて、空間部６２を介して上部集電板４１およびケーシング２０は連結されてなる。このように構成された燃料電池１によれば、加熱時において促進手段６０によって、ケーシング２０の線膨張による伸びが促進される。これによって、燃料電池スタック１０のＺ方向の線膨張に伴って、上部集電板４１の傾斜面４１ａがケーシング２０の傾斜面２０ａに沿うように、上部集電板４１が空間部６２に入り込む。したがって、電解質電極接合体１１１のＺ方向の線膨張による伸びが吸収されるため、電解質電極接合体１１１に過大な圧縮荷重が作用することを好適に抑制することができる。
　また、促進手段６０は、ガスを加熱する加熱手段６１をさらに有する。また、空間部６２は、加熱手段６１によって加熱されたガスが流通するガス流路６２である。このように構成された燃料電池１によれば、加熱されたガスがガス流路６２を流通することによって、ケーシング２０の線膨張による伸びが促進される。これによって、燃料電池スタック１０のＺ方向の線膨張に伴って、上部集電板４１が空間部６２に入り込む。したがって、電解質電極接合体１１１のＺ方向の線膨張による伸びが吸収されるため、電解質電極接合体１１１に過大な圧縮荷重が作用することを好適に抑制することができる。
　また、ガス流路６２を流通するガスは、燃料電池スタック１０の起動時に燃料電池スタック１０内を流通する加熱ガスである。このように構成された燃料電池１によれば、燃料電池スタック１０起動用の加熱ガスが、ガス流路６２を流通する。このため、上述したように、加熱時においてケーシング２０のＸＹ平面内の面内温度分布は、電解質電極接合体１１１の面内温度分布と同様となる。したがって、ＸＹ平面の全領域において、電解質電極接合体１１１に過大な圧縮荷重が作用することを防止できる。
　また、ガス流路６２は、付与部材５０および燃料電池スタック１０の間に設けられたカソードガス流路である空間Ｖと連通して設けられる。このように構成された燃料電池１によれば、簡便な構造で加熱されたガスがガス流路６２に流入する。
　また、運転時において、燃料電池スタック１０がＺ方向に沿って線膨張することに伴って、上部集電板４１がケーシング２０に向けて移動することによって、ガス流路６２は封止される。このように構成された燃料電池１によれば、運転中に上部集電板４１がカソードガスにより意図せず冷却されることを防止できる。
　また、ケーシング２０の線膨張率は、上部集電板４１の線膨張率よりも大きい。このように構成された燃料電池１によれば、加熱時において、上部集電板４１よりもケーシング２０がＹ方向に伸張する。このため、より確実に上部集電板４１がケーシング２０に向けて移動することができる。したがって、電解質電極接合体１１１に過大な圧縮荷重が作用することを好適に防止できる。
　以上、実施形態を通じて、本発明に係る燃料電池１を説明したが、本発明は実施形態において説明した内容のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。
　例えば、上述した実施形態では、ケーシング２０の溝部２４は、図１０に示すように、入口から出口にかけて同じ高さとなるように構成された。しかしながら、ケーシング３２０の溝部３２４は、図１８に示すように、入口に対して出口が高くなるようにＸ方向（流通方向）に対して傾斜して構成されてもよい。この構成によれば、出口側では入口側よりも高温まで、燃料電池スタック１０のＺ方向の線膨張を吸収できる。したがって、図２０に示すように、入口側よりも出口側での温度が高くなる運転時において、好適に燃料電池スタック１０のＺ方向の線膨張を吸収できる。このとき、図１９に示すように、運転時において、出口側（図１９の各図の右側）の方が入口側（図１９の各図の左側）に対して、電解質電極接合体１１１がＺ方向に線膨張する長さが大きくなる。
　また、上述した実施形態では、図１０に示すように、ケーシング２０のガス流路６２に対向する面は平面形状を備えていた。しかしながら、図２１、図２２に示すように、ケーシング４２０のガス流路４６２に対向する面４２０ａには、凹凸形状が繰り返し構成されていてもよい。この構成によれば、実施形態に係るケーシング２０と比較してケーシング４２０の伝熱面積が大きいため、ケーシング４２０の線膨張による伸びがより促進される。
　また、上述した実施形態では、燃料電池スタック１０はオープンカソード型の構造であったが、カソードガス流路を内部マニホールド型とした構造であってもよい。
　また、上述した実施形態では、ガス流路６２は上部集電板４１の上方にのみ形成されていたが、これに加えてまたは替えて、ガス流路は下部集電板４２の下方に形成されていてもよい。
　また、上述した実施形態では、傾斜面２０ａ、４１ａは、連続的にテーパ形状に設けられた。しかしながら、傾斜面は階段状に構成されていてもよい。
　また、上述した実施形態では、起動時においてカソードガスをガス流路６２に供給することによって、ケーシング２０をＹ方向に線膨張させた。しかしながら、図２３に示すように、燃料電池システム２００から独立した別の加熱ガスを供給することによって、ケーシング２０をＹ方向に熱膨張させてもよい。
　　１　　　燃料電池、
　　１０　　燃料電池スタック、
　　１００　セルユニット、
　　１１１　電解質電極接合体、
　　１２０　セパレータ、
　　２０、３２０、４２０　　ケーシング、
　　２０ａ　ケーシングの傾斜面、
　　４１　　上部集電板、
　　４１ａ　上部集電板の傾斜面、
　　５０　　付与部材、
　　６０　　促進手段、
　　６１　　加熱手段、
　　６２　　空間部（ガス流路）、
　　Ｆ　　　スタッキング力、
　　Ｖ　　　付与部材および燃料電池スタックの間に設けられた空間、
　　Ｚ　　　積層方向。

Claims (8)

  1. 　電解質電極接合体およびセパレータを含むセルユニットを複数積層して構成される燃料電池スタックと、
    　前記燃料電池スタックの積層方向の一端側に配置されるケーシングと、
    　前記ケーシングを介して、前記燃料電池スタックに対して前記積層方向に沿ってスタッキング力を付与する付与部材と、
    　前記ケーシングの線膨張による伸びを促進する促進手段と、を有し、
    　前記促進手段は、前記燃料電池スタックの前記一端側の端部に設けられる端部集電板および前記ケーシングの間に設けられるとともに前記燃料電池スタックの前記積層方向の線膨張を吸収する空間部を有し、
    　前記端部集電板および前記ケーシングのそれぞれに、前記積層方向に対して傾斜した傾斜面が設けられ、当該傾斜面において、前記空間部を介して前記端部集電板および前記ケーシングは連結されてなる、固体酸化物形燃料電池。
  2. 　前記促進手段は、ガスを加熱する加熱手段をさらに有し、
    　前記空間部は、前記加熱手段によって加熱された前記ガスが流通するガス流路である、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
  3. 　前記ガス流路を流通する前記ガスは、前記燃料電池スタックの起動時に前記燃料電池スタック内を流通する加熱ガスである、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
  4. 　前記ガス流路は、前記付与部材および前記燃料電池スタックの間に設けられたカソードガス流路である空間と連通して設けられる、請求項２または３に記載の固体酸化物形燃料電池。
  5. 　運転時において、前記燃料電池スタックが前記積層方向に沿って線膨張することに伴って前記端部集電板が前記ケーシングに向けて移動することによって、前記ガス流路は封止される、請求項２～４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
  6. 　前記ケーシングの線膨張率は、前記端部集電板の線膨張率よりも大きい、請求項２～５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
  7. 　前記ガスの流通方向に沿って視たときに、前記ケーシングの前記ガス流路に対向する面には凹凸形状が繰り返し構成されている、請求項２～６のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
  8. 　前記ガス流路は、前記ガス流路の出口側において前記ガス流路の入口側よりも高さが高くなるように、前記ガスの流通方向に対して傾斜して設けられる、請求項２～７のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
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