特許 6973622 固体酸化物形燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6973622

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/248 20160101AFI20211118BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20211118BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20211118BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20211118BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/248

   H01M8/12 101

   H01M8/12 102A

   H01M8/04 J

   H01M8/04302

【請求項の数】8

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2020-508755(P2020-508755)

(86)(22)【出願日】2018年3月29日

(86)【国際出願番号】JP2018013443

(87)【国際公開番号】WO2019186959

(87)【国際公開日】20191003

【審査請求日】2020年9月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000671

【氏名又は名称】八田国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】岡田 圭司

(72)【発明者】

【氏名】市原 敬士

【審査官】 菊地 リチャード平八郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１７３０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１４０６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−１８８０２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１７２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１８５４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３０５６８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７−１０７６６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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。

【0007】

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。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。

【図2】本実施形態に係る燃料電池を示す概略断面図である。

【図3】セルユニットの分解斜視図である。

【図4】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】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6】図３の６−６線に沿う断面図である。

【図7】燃料電池スタックの断面図である。

【図8】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。

【図9】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。

【図10】ケーシングおよび上部集電板の分解斜視図である。

【図11】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。

【図12】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。

【図13】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。

【図14】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。

【図15】常温時および加熱時における燃料電池の側面図である。

【図16】燃料電池システムを示す概略構成図である。

【図17】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。

【図18】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。

【図19】常温時および運転時における燃料電池の側面図である。

【図20】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。

【図21】変形例２に係る燃料電池の図７に対応する図である。

【図22】変形例２に係る燃料電池の図８に対応する図である。

【図23】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。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

＜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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

＜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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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）。

【0044】

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。

【0045】

＜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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

＜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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【符号の説明】

【0085】

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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】