JP6933039B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

従来から、燃料電池スタックは、電解質を燃料極と酸化剤極で挟んで構成した発電セルに対してガスを供給して発電している。発電セルは、例えばセパレータとの積層を容易にするために、保持部材（フレーム）によって囲って保持する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。保持部材は、一例として、導通性を備えるものの加工が容易であって剛性を保つことができる金属を用いて形成することができる。

特許第５４４５６７９号公報

燃料電池スタックは、導電性を備えた保持部材によって保持された発電セルを、セパレータを隔てて積層した場合に、特に、短絡を十分に防止することが必要となる。

本発明の目的は、導電性を備えた保持部材によって保持された発電セルを、セパレータを隔てて積層した場合に、短絡を十分に防止することができる燃料電池スタック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スタックは、発電セルアッセンブリーと、セパレータと、支持部と、を有する。前記発電セルアッセンブリーは、電解質を燃料極と酸化剤極とで挟んでなり供給されたガスによって発電する発電セルと、金属からなり前記発電セルを囲って保持する導電性を備えたセルフレームと、を含む。前記セパレータは、前記発電セルアッセンブリーと交互に積層し、隣り合う前記発電セルアッセンブリーを隔てる。前記支持部は、積層方向に沿って前記セルフレームの外縁を支持する。前記セルフレームは、前記外縁の少なくとも一部が積層方向に沿って上向きに屈折し、かつ、前記外縁は積層方向に沿って隣り合う他のセルフレームまでの距離よりも短い長さで屈折している。前記支持部は、前記セルフレームの前記外縁の屈折した部分に隣接して設け、かつ、積層部材に形成したリブである。

かかる燃料電池スタックによれば、導電性を備えた保持部材によって保持された発電セルを、セパレータを隔てて積層した場合に、短絡を十分に防止することができる。

実施形態の燃料電池スタックを示す斜視図である。 図１の燃料電池スタックから上部エンドプレート、上部集電板、複数のセルモジュールを積層して構成したスタック、下部集電板、下部エンドプレートおよび外部マニホールドに分解した状態を示す斜視図である。 図２のセルモジュールを分解して示す斜視図である。 図３のユニットを分解して示す斜視図である。 図４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４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４のユニットの外縁部分の一の例を示す断面図である。 図４のユニットの外縁部分の他の例を示す断面図である。 メタルサポートセルアッセンブリーとセパレータとアノード側外縁シール部材およびカソード側外縁シール部材を積層した状態で部分的に示す斜視図である。 図７の構成を積層した状態において断面で示す側面図である。 図７における発電エリアを断面で示す側面図である。

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、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、燃料電池スタック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、燃料電池スタックの短手方向Ｘを示している。Ｙによって表す矢印の方向は、燃料電池スタックの長手方向Ｙを示している。Ｚによって表す矢印の方向は、燃料電池スタックの積層方向Ｚを示している。

（実施形態）
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、実施形態の燃料電池スタック１００を示す斜視図である。図２は、図１の燃料電池スタック１００から上部エンドプレート１１０、上部集電板１０８、複数のセルモジュール１００Ｑを積層して構成したスタック１００Ｐ、下部集電板１０７、下部エンドプレート１０９および外部マニホールド１１１に分解した状態を示す斜視図である。図３は、図２のセルモジュール１００Ｑを分解して示す斜視図である。図４は、図３のユニット１００Ｒを分解して示す斜視図である。

図５Ａは、図４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５Ｂは、図４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７は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２とアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃを積層した状態で部分的に示す斜視図である。図９は、図７における発電エリアを断面で示す側面図である。

燃料電池スタック１００は、図１において、各々の構成部材を締結して一体にする締結部材（ボルト）、および各々の構成部材を被覆して保護する保護部材（カバー）の図示を省略している。

燃料電池スタック１００は、図１および図２に示すように、下部集電板１０７および上部集電板１０８によって挟み込んだスタック１００Ｐを、下部エンドプレート１０９および上部エンドプレート１１０によって挟み込んで保持して、その下端に外部からガスを供給する外部マニホールド１１１を配置して構成している。

燃料電池スタック１００は、図２に示すように、複数のセルモジュール１００Ｑを積層して構成したスタック１００Ｐを、ユニット１００Ｒで発電された電力を外部に出力する下部集電板１０７と上部集電板１０８によって挟み込んで集電可能としている。

燃料電池スタック１００は、図４に示すユニット１００Ｒを積層して、図３に示すように上端と下端に位置する封止部１０４を介してエンドプレートに相当するモジュールエンド１０５を配置して、図３に示すセルモジュール１００Ｑを構成している。

燃料電池スタック１００は、図４に示すユニット１００Ｒにガスを供給して発電を行う。図４に示すユニット１００Ｒは、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、隣り合う発電セル１０１Ｍを隔てるセパレータ１０２、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電気的接触を維持する集電補助層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との隙間を部分的に封止してガスの流れを制限する封止部１０４を含んでいる。

以下、燃料電池スタック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４、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、外部から供給されたガスによって発電するものである。

メタルサポートセルアッセンブリー１０１は、図４、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、電解質１０１Ｓをアノード１０１Ｔとカソード１０１Ｕとで挟んでなり供給されたアノードガス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を囲って保持する導電性を備えたセルフレーム１０１Ｗと、を含む。

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５Ａおよび図５Ｂ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。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は、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。

アノード１０１Ｔは、図５Ａおよび図５Ｂ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合金からなる。アノード１０１Ｔは、図５Ａおよび図５Ｂ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５Ａおよび図５Ｂ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５Ａおよび図５Ｂ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５Ａおよび図５Ｂ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５Ａおよび図５Ｂ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５Ａおよび図５Ｂ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、電解質１０１Ｓよりも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４、図５Ａおよび図５Ｂ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、長方形状から形成している。セルフレーム１０１Ｗは、発電セル１０１Ｍを取り付ける開口部１０１ｅを中央に設けている。セルフレーム１０１Ｗの開口部１０１ｅは、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１０１ｅ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１０１Ｎを取り付ける。

セルフレーム１０１Ｗは、図６Ａに示すように、外縁１０１ｆの少なくとも一部が積層方向Ｚに沿ってセパレータ１０２の側に屈折し、少なくとも外縁１０１ｆの屈折した外方に臨む面に絶縁性を備えた絶縁層１０１ｉを設けている。屈折した屈折部１０１ｇから最も先端の最端部１０１ｈから発電セル１０１Ｍにいたる領域に絶縁層１０１ｉを設けている。屈折部１０１ｇの長さは、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、折返し長さＬで表される。特に、セルフレーム１０１Ｗは、外縁１０１ｆにおいて、屈折した屈折部１０１ｇをまたぐ領域に絶縁層１０１ｉを設けている。セルフレーム１０１Ｗは、外縁１０１ｆを積層方向Ｚに沿って隣り合う他のセルフレーム１０１Ｗまでの距離よりも短い。絶縁層１０１ｉは、例えば、酸化アルミニウムをセルフレーム１０１Ｗに固着させて構成している。絶縁層１０１ｉは、耐熱性を備えた絶縁シートをセルフレーム１０１Ｗに接合して構成してもよい。図６Ａに示すように、例えばカソード側外縁シール部材１０４Ｃによって、積層部材間を封止している。

セルフレーム１０１Ｗは、図４、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、開口部１０１ｅを隔てた対角線上に、アノードガスＡＧを流路部１０２Ｌに流入させるアノード側流入口１０１ａと、アノードガスＡＧを流路部１０２Ｌから流出させるアノード側流出口１０１ｂを設けている。同様に、セルフレーム１０１Ｗは、開口部１０１ｅを隔てた対角線上に、カソードガスＣＧを流路部１０２Ｌに流入させるカソード側流入口１０１ｃと、カソードガスＣＧを流路部１０２Ｌから流出させるカソード側流出口１０１ｄを設けている。アノード側流入口１０１ａとカソード側流入口１０１ｃは、セルフレーム１０１Ｗの短手方向Ｘに沿って対向している。同様に、アノード側流出口１０１ｂとカソード側流出口１０１ｄは、セルフレーム１０１Ｗの短手方向Ｘに沿って対向している。アノード側流入口１０１ａおよびカソード側流入口１０１ｃは、カソード側流出口１０１ｄおよびアノード側流出口１０１ｂと、開口部１０１ｅを隔てて長手方向Ｙに沿って対向している。アノード側流入口１０１ａ、アノード側流出口１０１ｂ、カソード側流入口１０１ｃおよびカソード側流出口１０１ｄは、それぞれ矩形状の開口からなるマニホールドである。

セパレータ１０２は、図７および図８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と対向するように設けている。

セパレータ１０２において、流路部１０２Ｌは、図７および図９に示すように、ガスの流れの方向（長手方向Ｙ）に沿って延ばした流路を、ガスの流れの方向（長手方向Ｙ）と直交する方向（短手方向Ｘ）に並べることによって形成している。流路部１０２Ｌは、図９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１０２ｈから下方に突出するように、凸状のアノード側突起１０２ｉを一定の間隔で設けている。アノード側突起１０２ｉは、ガスの流れの方向（長手方向Ｙ）に沿って延びている。アノード側突起１０２ｉ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９に示すように、平坦部１０２ｈから上方に突出するように、凸状のカソード側突起１０２ｊを一定の間隔で設けている。カソード側突起１０２ｊは、ガスの流れの方向（長手方向Ｙ）に沿って延びている。カソード側突起１０２ｊ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１０２ｉと凸状のカソード側突起１０２ｊを、平坦部１０２ｈを隔てて、短手方向Ｘに沿って交互に設けている。

セパレータ１０２は、図９に示すように、流路部１０２Ｌと、その下方に位置する発電セル１０１Ｍとの隙間を、アノードガスＡＧの流路として構成している。セパレータ１０２は、図９に示すように、流路部１０２Ｌと、その上方に位置する発電セル１０１Ｍとの隙間を、カソードガスＣＧの流路として構成している。

セパレータ１０２は、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆの屈折部１０１ｇに隣接するように、積層方向Ｚに沿って外縁１０１ｆを支持する第１のリブ１０２ｓおよび第２のリブ１０２ｔを形成している。第１のリブ１０２ｓと第２のリブ１０２ｔの間の部分において、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆとセパレータ１０２を接合している。接合は、例えば、レーザ溶接によって行われ、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、溶接部Ｓが形成される。

セパレータ１０２は、図４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流入口１０２ａおよびアノード側流出口１０２ｂを、流路部１０２Ｌを隔てた対角線上に設けている。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流入口１０２ｃおよびカソード側流出口１０２ｄを、流路部１０２Ｌを隔てた対角線上に設けている。

集電補助層１０３は、図４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との電気的接触を維持するものである。

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１０４は、図４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。

特に、シール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）は、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の縁におけるリブＮとセパレータ１０２の縁におけるリブＮとの間のシール溝Ｍに設け、発電セル１０１Ｍに供給されるガス（カソードガスＣＧおよびアノードガスＡＧ）をメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に留めるものである。

封止部１０４は、図４に示すように、セパレータ１０２の下面（図４のセパレータ１０２の下側であって、アノード側に臨む面）に、セパレータ１０２の外縁を環状に封止するアノード側外縁シール部材１０４Ａと、アノード側外縁シール部材１０４Ａよりも内側においてカソード側流入口１０２ｃおよびカソード側流出口１０２ｄを避けてセパレータ１０２を環状に封止するアノード側マニホールドシール部材１０４Ｂを設けている。アノード側外縁シール部材１０４Ａと、アノード側マニホールドシール部材１０４Ｂの間に、カソード側流入口１０２ｃおよびカソード側流出口１０２ｄが位置する。

封止部１０４は、図４に示すように、セパレータ１０２の上面（図４のセパレータ１０２の上側であって、カソード側に臨む面）に、セパレータ１０２の外縁を環状に封止するカソード側外縁シール部材１０４Ｃと、アノード側流入口１０２ａおよびアノード側流出口１０２ｂを環状に封止する一対のカソード側マニホールドシール部材１０４Ｄを設けている。封止部１０４を構成するシール部材は、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１０４を構成するシール部材は、例えば、耐熱性およびシール性を有するガラスからなる。

封止部１０４は、アノード側外縁シール部材１０４Ａおよびアノード側マニホールドシール部材１０４Ｂを用いて、アノードガスＡＧの流れを制限する。すなわち、封止部１０４は、図４に示すように、アノードガスＡＧを、発電セル１０１Ｍのカソード１０１Ｕや外部に漏洩させることなく、発電セル１０１Ｍのアノード１０１Ｔに流入させる。アノードガスＡＧは、外部マニホールド１１１、下部エンドプレート１０９、下部集電板１０７、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の各々のアノード側の流入口を通過して、複数の発電セル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１１１から終端の上部集電板１０８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アノード側の流出口を通過して排ガスの状態で排出される。

封止部１０４は、カソード側外縁シール部材１０４Ｃおよび一対のカソード側マニホールドシール部材１０４Ｄを用いて、カソードガスＣＧの流れを制限する。すなわち、封止部１０４は、図４に示すように、カソードガスＣＧを、発電セル１０１Ｍのアノード１０１Ｔや外部に漏洩させることなく、発電セル１０１Ｍのカソード１０１Ｕに流入させる。カソードガスＣＧは、外部マニホールド１１１、下部エンドプレート１０９、下部集電板１０７、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の各々のカソード側の流入口を通過して、複数の発電セル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１１１から終端の上部集電板１０８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カソード側の流出口を通過して排ガスの状態で排出される。

封止部１０４は、図４に示すように、２重シールの構造を備えている。すなわち、図４に示すように、アノード側マニホールドシール部材１０４Ｂによって囲われた領域にアノードガスＡＧを流通させつつ、アノード側マニホールドシール部材１０４Ｂとアノード側外縁シール部材１０４Ａの間の領域にカソードガスＣＧを流通させている。また、図４に示すように、一対のカソード側マニホールドシール部材１０４Ｄによって囲われた領域にそれぞれアノードガスＡＧを流通させつつ、一対のカソード側マニホールドシール部材１０４Ｄとカソード側外縁シール部材１０４Ｃの間の領域にカソードガスＣＧを流通させている。このように、アノード側およびカソード側ともに、アノードガスＡＧが存在する領域を囲むようにして、カソードガスＣＧが存在する領域を設けている。

モジュールエンド１０５は、図３に示すように、複数積層したユニット１００Ｒの上端および下端を保持するエンドプレートである。

モジュールエンド１０５は、複数積層したユニット１００Ｒの上端および下端に配置している。モジュールエンド１０５は、ユニット１００Ｒ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と対向する領域を除いて、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、ユニット１００Ｒ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流入口１０５ａおよびアノード側流出口１０５ｂを対角線上に設けている。モジュールエンド１０５は、ユニット１００Ｒ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流入口１０５ｃおよびカソード側流出口１０５ｄを対角線上に設けている。

マニホールドシール部材１０６は、図４に示すように、積層部材の間において、いわゆるマニホールド穴の外縁を封止してガスの漏洩を防止するものある。

マニホールドシール部材１０６は、アノード側マニホールドシール部材１０４Ｂおよびカソード側マニホールドシール部材１０４Ｄと同様の構成からなる。マニホールドシール部材１０６は、上部集電板１０８と最上部のセルモジュール１００Ｑとの間、積層方向Ｚに沿って隣り合うセルモジュール１００Ｑの間、最下部のセルモジュール１００Ｑと下部集電板１０７との間、下部集電板１０７と下部エンドプレート１０９との間、下部エンドプレート１０９と外部マニホールド１１１との間において、ガスの流入口と流出口の外縁を環状に封止するように配置している。マニホールドシール部材１０６は、例えば、耐熱性およびシール性を有するガラスからなる。

下部集電板１０７は、図１および図２に示し、ユニット１００Ｒ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、スタック１００Ｐの下端に配置している。下部集電板１０７は、ユニット１００Ｒ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１０７ｆを設けている。端子１０７ｆは、下部集電板１０７の外縁を部分的に長手方向Ｙに突出させて形成している。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、ユニット１００Ｒの発電セル１０１Ｍと対向する領域および端子１０７ｆ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、ユニット１００Ｒ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流入口１０７ａおよびアノード側流出口１０７ｂを対角線上に設けている。下部集電板１０７は、ユニット１００Ｒ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流入口１０７ｃおよびカソード側流出口１０７ｄを対角線上に設けている。

上部集電板１０８は、図１および図２に示し、ユニット１００Ｒ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１０８は、スタック１００Ｐの上端に配置している。上部集電板１０８は、下部集電板１０７と同様の外形形状からなる。上部集電板１０８は、外部の通電部材と接続される端子１０８ｆを設けている。端子１０８ｆは、上部集電板１０８の外縁を部分的に長手方向Ｙに突出させて形成している。上部集電板１０８は、下部集電板１０７と異なり、ガスの流入口および排出口を設けていない。上部集電板１０８は、ガスを透過させない導電性材料からなり、ユニット１００Ｒの発電セル１０１Ｍと対向する領域および端子１０８ｆ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１０９は、図１および図２に示すように、下部集電板１０７および上部集電板１０８によって挟み込まれたスタック１００Ｐを下方から保持するものである。

下部エンドプレート１０９は、下部集電板１０７の下方に配置している。下部エンドプレート１０９は、ユニット１００Ｒと同様の外形形状からなる。下部エンドプレート１０９は、ユニット１００Ｒよりも十分に厚く形成している。下部エンドプレート１０９は、例えば、金属からなり、下部集電板１０７と接触する上面を、絶縁材によって絶縁している。絶縁材は、例えば、下部エンドプレート１０９に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

下部エンドプレート１０９は、ユニット１００Ｒ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流入口１０９ａおよびアノード側流出口１０９ｂを対角線上に設けている。下部エンドプレート１０９は、ユニット１００Ｒ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流入口１０９ｃおよびカソード側流出口１０９ｄを対角線上に設けている。

上部エンドプレート１１０は、図１および図２に示すように、下部集電板１０７および上部集電板１０８によって挟み込まれたスタック１００Ｐを上方から保持するものである。

上部エンドプレート１１０は、上部集電板１０８の上方に配置している。上部エンドプレート１１０は、下部エンドプレート１０９と同様の外形形状からなる。上部エンドプレート１１０は、下部エンドプレート１０９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１１０は、例えば、金属からなり、上部集電板１０８と接触する下面を、絶縁材によって絶縁している。絶縁材は、例えば、上部エンドプレート１１０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１１１は、図１および図２に示し、外部から複数のユニット１００Ｒにガスを供給するものである。

外部マニホールド１１１は、下部エンドプレート１０９の下方に配置している。外部マニホールド１１１は、ユニット１００Ｒと同様の外形形状からなる。外部マニホールド１１１は、下部エンドプレート１０９よりも十分に厚く形成している。外部マニホールド１１１は、例えば、金属からなる。

外部マニホールド１１１は、ユニット１００Ｒ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流入口１１１ａおよびアノード側流出口１１１ｂを対角線上に設けている。外部マニホールド１１１は、ユニット１００Ｒと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソード側流入口１１１ｃおよびカソード側流出口１１１ｄを対角線上に設けている。

以上説明した実施形態の作用効果を説明する。

燃料電池スタック１００は、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、を有する。メタルサポートセルアッセンブリー１０１は、電解質１０１Ｓをアノード１０１Ｔとカソード１０１Ｕとで挟んでなり供給されたアノードガス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を囲って保持する導電性を備えたセルフレーム１０１Ｗと、を含む。セパレータ１０２は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と交互に積層し、隣り合うメタルサポートセルアッセンブリー１０１を隔てる。セルフレーム１０１Ｗは、外縁１０１ｆの少なくとも一部が積層方向Ｚに沿って屈折した。

かかる燃料電池スタック１００によれば、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆを積層方向Ｚに沿って屈折させている。すなわち、燃料電池スタック１００は、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆを介して発電セル１０１Ｍが短絡しないように、外縁１０１ｆを屈折させて剛性を保つことによって外縁１０１ｆの変形を抑制することによって外縁１０１ｆを介した通電を阻害している。したがって、燃料電池スタック１００は、導電性を備えたセルフレーム１０１Ｗによって保持された発電セル１０１Ｍを、セパレータ１０２を隔てて積層した場合に、短絡を十分に防止することができる。

特に、かかる燃料電池スタック１００によれば、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆを積層方向Ｚに沿って屈折させて剛性を保っていることから、セルフレーム１０１Ｗが高温になって軟化しても変形を抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１００は、高温で動作させる必要が有る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣＧｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に適用しても、短絡を十分に防止することができる。

かかる燃料電池スタック１００によれば、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆを積層方向Ｚに沿って屈折させていることから、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆの最端部１０１ｈ（セルフレーム１０１Ｗの厚み部分）を、積層方向Ｚに沿って隣り合う積層部材から離間させることができる。したがって、燃料電池スタック１００は、絶縁層１０１ｉを設けることが難しい最端部１０１ｈを介した短絡を十分に防止することができる。

燃料電池スタック１００は、少なくとも外縁１０１ｆの屈折した外側の面に絶縁性を備えた絶縁部材（絶縁層１０１ｉ）を有することが好ましい。

かかる燃料電池スタック１００によれば、導電性を備えたセルフレーム１０１Ｗによって保持された発電セル１０１Ｍを、セパレータ１０２を隔てて積層した場合に、絶縁層１０１ｉを用いて短絡を十分に防止することができる。

燃料電池スタック１００において、セルフレーム１０１Ｗは、外縁１０１ｆにおいて屈折した屈折部１０１ｇをまたぐ領域に絶縁層１０１ｉを設けることが好ましい。

かかる燃料電池スタック１００によれば、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆのうち、最初から変形している屈折部１０１ｇの領域が、積層方向Ｚに沿って隣り合う積層部材に接触または近接しても、屈折部１０１ｇをまたぐ領域に設けた絶縁層１０１ｉによって短絡を十分に防止することができる。

燃料電池スタック１００において、セルフレーム１０１Ｗは、外縁１０１ｆにおいて屈折した屈折部１０１ｇから最も先端の最端部１０１ｈにいたる領域に絶縁層１０１ｉを設けることが好ましい。

かかる燃料電池スタック１００によれば、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆのうち、屈折部１０１ｇから変形量が累積的に大きくなる最端部１０１ｈにいたる領域が、積層方向Ｚに沿って隣り合う積層部材に接触または近接しても、屈折部１０１ｇから最端部１０１ｈにいたる領域まで設けた絶縁層１０１ｉによって短絡を十分に防止することができる。

燃料電池スタック１００において、セルフレーム１０１Ｗは、外縁１０１ｆの屈折した屈折部１０１ｇから発電セル１０１Ｍにいたる領域に絶縁層１０１ｉを設けることが好ましい。

かかる燃料電池スタック１００によれば、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆから発電セル１０１Ｍにいたる領域が、積層方向Ｚに沿って隣り合う積層部材に接触または近接しても、屈折部１０１ｇから発電セル１０１Ｍにいたる領域まで設けた絶縁層１０１ｉによって短絡を十分に防止することができる。

燃料電池スタック１００において、セルフレーム１０１Ｗは、外縁１０１ｆを積層方向Ｚに沿って隣り合う他のセルフレーム１０１Ｗまでの距離よりも短い長さで屈折させることが好ましい。

かかる燃料電池スタック１００によれば、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆの最端部１０１ｈが、積層方向Ｚに沿って隣り合う他のセルフレーム１０１Ｗに接触すること防止して、短絡を十分に防止することができる。

燃料電池スタック１００において、セルフレーム１０１Ｗは、外縁１０１ｆを０°以上であって９０°未満の角度で屈折させることが好ましい。

かかる燃料電池スタック１００によれば、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆの最端部１０１ｈが、積層方向Ｚに沿って隣り合う他のセルフレーム１０１Ｗに接触すること防止して、短絡を十分に防止することができる。

燃料電池スタック１００において、図６Ｂに示すように、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆの屈折した部分に隣接して設け、積層方向Ｚに沿って外縁１０１ｆを支持する支持部（セパレータ１０２の第１のリブ１０２ｓおよび第２のリブ１０２ｔ）を有することが好ましい。

かかる燃料電池スタック１００によれば、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆの片持ち梁となる長さを短縮することができる。したがって、燃料電池スタック１００は、短絡を十分に防止することができる。

燃料電池スタック１００において、図６Ｂに示すように、支持部は、積層部材（セパレータ１０２）に形成したリブ（第１のリブ１０２ｓおよび第２のリブ１０２ｔ）であることが好ましい。

かかる燃料電池スタック１００によれば、装置のサイズを大きくすることなく、セルフレーム１０１Ｗの外縁１０１ｆの片持ち梁となる長さを短縮することができる。したがって、燃料電池スタック１００は、短絡を十分に防止することができる。

燃料電池スタック１００において、図６Ｂに示すように、第１のリブ１０２ｓと第２のリブ１０２ｔの間の部分において外縁１０１ｆと積層部材（セパレータ１０２）を接合することが好ましい。

かかる燃料電池スタック１００によれば、第１のリブ１０２ｓと第２のリブ１０２ｔの間において、外縁１０１ｆとセパレータ１０２の剛性を確保することができ、スタッキング荷重に起因する圧縮変形を抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１００は、短絡を十分に防止することができる。

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。

実施形態において、燃料電池スタック１００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、燃料電池スタックは、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。

燃料電池スタック１００のセルフレーム１０１Ｗは、長手方向Ｙに沿った両端または片端、短手方向Ｘに沿った両端または片端において、外縁１０１ｆを積層方向Ｚに沿ってセパレータ１０２の側に屈折させ、外縁１０１ｆの屈折した外方に臨む面に絶縁層１０１ｉを設けることができる。

１００ 燃料電池スタック、
１００Ｐ スタック、
１００Ｑ セルモジュール、
１００Ｒ ユニット、
１０１ メタルサポートセルアッセンブリー（発電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（燃料極）、
１０１Ｕ カソード（酸化剤極）、
１０１Ｖ サポートメタル、
１０１Ｗ セルフレーム、
１０１ｅ 開口部、
１０１ｆ 外縁、
１０１ｇ 屈折部、
１０１ｈ 最端部、
１０１ｉ 絶縁層（絶縁部材）、
１０２ セパレータ（積層部材）、
１０２Ｌ 流路部、
１０２ｓ 第１のリブ（支持部）、
１０２ｔ 第２のリブ（支持部）、
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、
１０４Ａ アノード側外縁シール部材、
１０４Ｂ アノード側マニュホールドシール部材、
１０４Ｃ カソード側外縁シール部材、
１０４Ｄ カソード側マニュホールドシール部材、
１０５ モジュールエンド、
１０６ マニホールドシール部材、
１０７ 下部集電板、
１０７ｆ 端子、
１０８ 上部集電板、
１０８ｆ 端子、
１０９ 下部エンドプレート、
１１０ 上部エンドプレート、
１１１ 外部マニホールド、
１０１ａ，１０２ａ，１０５ａ，１０７ａ，１０９ａ，１１１ａ，２０２ａ アノード側流入口、
１０１ｂ，１０２ｂ，１０５ｂ，１０７ｂ，１０９ｂ，１１１ｂ アノード側流出口、
１０１ｃ，１０２ｃ，１０５ｃ，１０７ｃ，１０９ｃ，１１１ｃ，３０２ｃ カソード側流入口、
１０１ｄ，１０２ｄ，１０５ｄ，１０７ｄ，１０９ｄ，１１１ｄ カソード側流出口、
Ｓ 溶接部、
Ｍ シール溝、
Ｎ リブ、
Ｌ 折返し長さ、
ＡＧ アノードガス
ＣＧ カソードガス
Ｘ （燃料電池スタック１００の）短手方向、
Ｙ （燃料電池スタック１００の）長手方向、
Ｚ （燃料電池スタック１００の）高さ方向。

Claims (7)

1. 電解質を燃料極と酸化剤極とで挟んでなり供給されたガスによって発電する発電セルと金属からなり前記発電セルを囲って保持する導電性を備えたセルフレームとを含む発電セルアッセンブリーと、
   前記発電セルアッセンブリーと交互に積層し、隣り合う前記発電セルアッセンブリーを隔てるセパレータと、
   積層方向に沿って前記セルフレームの外縁を支持する支持部と、を有し、
   前記セルフレームは、前記外縁の少なくとも一部が積層方向に沿って上向きに屈折し、かつ、前記外縁は積層方向に沿って隣り合う他の前記セルフレームまでの距離よりも短い長さで屈折し、
   前記支持部は、前記セルフレームの前記外縁の屈折した部分に隣接して設け、かつ、積層部材に形成したリブである燃料電池スタック。
2. 少なくとも前記外縁の屈折した外側の面に絶縁性を備えた絶縁部材を、さらに有する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記セルフレームは、前記外縁において屈折した屈折部をまたぐ領域に前記絶縁部材を設けた、請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記セルフレームは、前記外縁において屈折した屈折部から最も先端の最端部にいたる領域に前記絶縁部材を設けた、請求項２または３に記載の燃料電池スタック。
5. 前記セルフレームは、前記外縁の屈折した屈折部から前記発電セルにいたる領域に前記絶縁部材を設けた、請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 前記セルフレームは、前記外縁が０°以上であって９０°未満の角度で屈折した、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 第１の前記リブと第２の前記リブの間の部分において前記外縁と前記積層部材を接合した、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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