(57)【要約】【課題】熱膨張による部材の変位を規制して、たわみが生じることを防止できる燃料電池スタックのセル構造を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１００のセル構造は、発電セル１０１Ｍと、セパレータ１０２と、集電補助層１０３と、変位規制手段と、を有する。セパレータ１０２は、発電セル１０１Ｍと発電セル１０１Ｍとの間に積層し、隣り合う発電セル１０１Ｍを隔ててガスを流す流路部１０２Ｌを備えた。集電補助層１０３は、流路部１０２Ｌに積層し、流路部１０２Ｌと面接触する。変位規制手段は、セパレータ１０２の熱膨張率を集電補助層１０３の熱膨張率より大きく設定し、集電補助層１０３を引張して集電補助層１３０のたわみを規制する。【選択図】図８Ｂ
2019036443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記発電セルと前記発電セルとの間に積層し、隣り合う前記発電セルを隔てて前記ガスを流す流路部を備えたセパレータと、
前記流路部に積層し、前記流路部と面接触する集電補助層と、
前記セパレータの熱膨張率を前記集電補助層の熱膨張率より大きく設定し、前記集電補助層を引張して前記集電補助層のたわみを規制する変位規制手段と、を有する燃料電池スタックのセル構造。
【請求項２】
前記発電セルに積層し、導電性を備えた多孔質からなり前記発電セルを支持する支持部材を、さらに有し、
前記変位規制手段は、前記支持部材と前記セパレータ間の第１の固定部と、前記セパレータと前記集電補助層とを前記第１の固定部に対して対称に少なくとも２箇所で固定する第２の固定部とで形成した、請求項１に記載の燃料電池スタックのセル構造。
【請求項３】
前記変位規制手段は、前記集電補助層と、前記集電補助層よりも加熱された場合の変形量が大きい前記セパレータと、を積層方向と交差する方向に沿って２箇所以上で接合して構成した、請求項１または２に記載の燃料電池スタックのセル構造。
【請求項４】
前記変位規制手段は、前記流路部と前記集電補助層とを接合して構成した、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
【請求項５】
前記変位規制手段は、前記流路部と前記集電補助層とを前記ガスの流れる方向に沿って２箇所以上で接合して構成した、請求項４に記載の燃料電池スタックのセル構造。
【請求項６】
前記流路部の熱膨張率は、前記集電補助層の熱膨張率よりも大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
【請求項７】
前記支持部材の熱膨張率は、前記セパレータの熱膨張率よりも大きいか等しい、請求項２に記載の燃料電池スタックのセル構造。
【請求項８】
前記集電補助層は、積層方向と交差する方向に沿って格子状に伸ばした支持部と隣り合う前記支持部の間において積層方向に沿って貫通した開口部とを備え、
各々の前記支持部は、菱形形状に形成され、菱形形状の対角線に沿った方向を前記ガスが流れる方向に沿わせた、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
【請求項９】
前記集電補助層を複数備え、
相対的に温度が高い部位に位置する一の前記集電補助層の熱膨張率は、相対的に温度が低い部位に位置する他の前記集電補助層の熱膨張率よりも大きい、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
【請求項１０】
前記変位規制手段は、相対的に温度が高い部位に位置する前記セパレータと前記集電補助層との一の接合部の面積を、相対的に温度が低い部位に位置する前記セパレータと前記集電補助層との他の接合部の面積よりも小さく構成した、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
【請求項１１】
前記集電補助層は、積層方向と交差する方向に沿って格子状に伸ばした支持部と隣り合う前記支持部の間において積層方向に沿って貫通した開口部とを備え、
前記支持部は、相対的に温度が高い部位に位置する部分の積層方向に沿った断面積を、相対的に温度が低い部位に位置する部分の積層方向に沿った断面積よりも小さくした、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのセル構造。
【請求項１２】
発電セルを挟持する一対のセパレータの一方に集電補助層を積層し、
積層した前記集電補助層を前記セパレータに連結し、
相互に連結された前記集電補助層と前記セパレータとの熱膨張率を前記セパレータ側が大きくなるよう異なる値に設定し、
熱膨張率差により加熱時に前記セパレータと前記集電補助層との間で引張力を発生させる、燃料電池セルのたわみ規制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックのセル構造および燃料電池セルのたわみ規制方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。燃料電池スタックは、発電セルに加えて、隣り合う発電セルを隔ててガスを流す流路部を備えたセパレータと、セパレータの流路部と面接触する集電補助層（集電体）と、を有している（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−７９２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の構成では、部材の熱膨張を規制していないことから、熱膨張量の変化に充分対応できず、たわみが生じる虞がある。
【０００５】
本発明の目的は、熱膨張による部材の変位を規制して、たわみが生じることを防止できる燃料電池スタックのセル構造および燃料電池セルのたわみ規制方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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セル構造は、発電セルと、セパレータと、集電補助層と、変位規制手段と、を有する。前記発電セルは、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。前記セパレータは、前記発電セルと前記発電セルとの間に積層し、隣り合う前記発電セルを隔てて前記ガスを流す流路部を備えた。前記集電補助層は、前記流路部に積層し、前記流路部と面接触する。前記変位規制手段は、前記セパレータの熱膨張率を前記集電補助層の熱膨張率より大きく設定し、前記集電補助層を引張して前記集電補助層のたわみを規制する。
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池セルのたわみ規制方法は、発電セルを挟持する一対のセパレータの一方に集電補助層を積層し、積層した前記集電補助層を前記セパレータに連結し、相互に連結された前記集電補助層と前記セパレータとの熱膨張率を前記セパレータ側が大きくなるよう異なる値に設定し、熱膨張率差により加熱時に前記セパレータと前記集電補助層との間で引張力を発生させる。
【発明の効果】
【０００８】
かかる燃料電池スタックのセル構造および燃料電池セルのたわみ規制方法によれば、熱膨張による部材の変位を規制して、たわみが生じることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図２】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３】図２のセルモジュールを分解して示す斜視図である。
【図４】図３のユニットを分解して示す斜視図である。
【図５Ａ】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５Ｂ】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６】集電補助層（下方の構造を表示するために一部を切り欠いている）とセパレータおよびメタルサポートセルアッセンブリー等を積層した状態で部分的に示す斜視図である。
【図７】図６における発電エリア（領域７）を断面で示し、かつ、メタルサポートセルアッセンブリーを破線で付加して断面で示す側面図である。
【図８Ａ】加熱前（発電前、常温の状態）における集電補助層とセパレータの流路部の状態を模式的に示す側面図である。
【図８Ｂ】加熱後（発電時、高温の状態）における集電補助層とセパレータの流路部の状態を模式的に示す側面図である。
【図９】セパレータと集電補助層の一部を模式的に示す上面図である。
【図１０】実施形態の変形例１のセパレータと集電補助層を模式的に示す上面図である。
【図１１】実施形態の変形例２のセパレータと集電補助層を模式的に示す上面図である。
【図１２】実施形態の変形例３の集電補助層の一部を模式的に示す上面図である。
【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。
【００１１】
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。
【００１２】
（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。
【００１３】
図６は、集電補助層１０３（下方の構造を表示するために一部を切り欠いている）とセパレータ１０２およびメタルサポートセルアッセンブリー１０１等を積層した状態で部分的に示す斜視図である。図７は、図６における発電エリア（領域７）を断面で示し、かつ、メタルサポートセルアッセンブリー１０１を破線で付加して断面で示す側面図である。図９は、セパレータ１０２と集電補助層１０３の一部を模式的に示す上面図である。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
以下、燃料電池スタック１００を構成毎に説明する。
【００２０】
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。
【００２１】
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を囲って保持するセルフレーム１０１Ｗと、を含む。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
サポートメタル１０１Ｖ（支持部材）は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、発電セル１０１Ｍに積層し、導電性を備えた多孔質からなり発電セル１０１Ｍを支持するものである。サポートメタル１０１Ｖは、図７に示すように、接合部Ｕ１等によって、セパレータ１０２の流路部１０２Ｌと接合している。接合部Ｕ１等は、サポートメタル１０１Ｖとセパレータ１０２の流路部１０２Ｌと溶接することによって形成している。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。サポートメタル１０１Ｖの熱膨張率は、セパレータ１０２の熱膨張率以上である。熱膨張率は、例えば、線膨張係数によって規定されるものである。
【００２７】
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の外形よりも若干小さい。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。
【００２８】
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。
【００２９】
セパレータ１０２は、図７、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、発電セル１０１Ｍと発電セル１０１Ｍとの間に積層し、隣り合う発電セル１０１Ｍを隔ててガスを流す流路部１０２Ｌを備えた。
【００３０】
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、例えばステンレス鋼材（一例としてＳＵＳ４３０）のような金属からなり、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（流路部１０２Ｌを含む）の熱膨張率は、集電補助層１０３の熱膨張率よりも大きい。
【００３１】
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。流路部１０２Ｌは、図６〜図８Ｂ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７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若干突出している。流路部１０２Ｌは、図７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若干突出している。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。
【００３２】
セパレータ１０２は、図７に示すように、流路部１０２Ｌと、図７の右側に位置するメタルサポートセル１０１Ｎ（実線）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７に示すように、流路部１０２Ｌと、図７中の左側に位置するメタルサポートセル１０１Ｎ（破線）との隙間を、カソードガスＣＧの流路として構成している。
【００３３】
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、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。
【００３４】
集電補助層１０３は、図６〜図９に示すように、流路部１０２Ｌに積層し、流路部１０２Ｌと面接触するものである。
【００３５】
集電補助層１０３は、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は、いわゆる、エキスパンドメタルである。集電補助層１０３は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１のメタルサポートセル１０１Ｎ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、図６および図９に示すように、菱形等の開口を格子状に設けた金網状からなる。集電補助層１０３は、積層方向Ｚと交差する方向（長手方向Ｙおよび短手方向Ｘ）に沿って格子状に伸ばした支持部１０３ａと隣り合う支持部１０３ａの間において積層方向Ｚに沿って貫通した開口部１０３ｂとを備えている。各々の支持部１０３ａは、菱形形状に形成され、図９に示すように、菱形形状の対角線に沿った方向（図９のＳＷ）をガスが流れる方向（長手方向Ｙ）に沿わせている。集電補助層１０３は、セパレータ１０２を構成するステンレス鋼材（一例としてＳＵＳ４３０）よりも線膨張係数が小さい、例えばステンレス鋼材（一例としてＳＵＳ４４４）のような金属からなる。
【００３６】
変位規制手段は、図６〜図８Ｂに示すように、セパレータ１０２の流路部１０２Ｌと集電補助層１０３との間に積層方向Ｚと交差する方向（長手方向Ｙまたは短手方向Ｘ）に沿って張力を付与する。
【００３７】
変位規制手段は、集電補助層１０３と、集電補助層１０３よりも加熱された場合の変形量が大きいセパレータ１０２の流路部１０２Ｌと、を２箇所以上で接合して構成している。具体的には、変位規制手段は、図６〜図８Ｂに示すように、接合部Ｔ１、Ｔ２およびＴ３等によって構成している。変位規制手段は、積層方向Ｚと交差する方向（長手方向Ｙまたは短手方向Ｘ）において、流路部１０２Ｌと集電補助層１０３とをガスの流れる方向（長手方向Ｙ）に沿うようにして、２箇所以上で接合して構成している。接合部Ｔ１、Ｔ２およびＴ３等は、集電補助層１０３とセパレータ１０２の流路部１０２Ｌと溶接することによって形成している。接合部Ｔ１、Ｔ２およびＴ３等の間隔や大きさは、適宜設定する。
【００３８】
変位規制手段を設けることによって、集電補助層１０３は、加熱された場合に膨張（伸長）するが、相対的に大きく膨張（伸長）するセパレータ１０２によって引っ張られるようにして伸長する。したがって、集電補助層１０３は、加熱されても、たわまない。具体的には、図８Ａに示すように、加熱前（発電前、常温の状態）において集電補助層１０３がたわんでいた場合、図８Ｂに示すように、加熱後（発電時、高温の状態）において相対的に大きく伸長するセパレータ１０２によって集電補助層１０３が引っ張られて真っ直ぐ伸長する。その結果、集電補助層１０３は、適度な張力が付与される。
【００３９】
変位規制手段を設けることによって、加熱前（発電前、常温の状態）において集電補助層１０３がたわんでいない場合（不図示）でも、加熱後（発電時、高温の状態）において相対的に大きく伸長するセパレータ１０２によって集電補助層１０３が引っ張られて伸長する。その結果、集電補助層１０３は、適度な張力が付与される。
【００４０】
変位規制手段を設けることによって、加熱前（発電前、常温の状態）において集電補助層１０３に内側（中央）に向かって収縮するような弾性力が発生している場合（不図示）でも、加熱後（発電時、高温の状態）において相対的に大きく伸長するセパレータ１０２によって集電補助層１０３が外側に引っ張られて伸長する。その結果、集電補助層１０３は、適度な張力が付与される。
【００４１】
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。
【００４２】
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、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の縁とセパレータ１０２の縁との間に設け、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
マニホールドシール部材１０６は、図２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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
以上説明した実施形態の作用効果を説明する。
【００６７】
燃料電池スタック１００のセル構造は、発電セル１０１Ｍと、セパレータ１０２と、集電補助層１０３と、変位規制手段と、を有する。発電セル１０１Ｍは、電解質１０１Ｓを燃料極（アノード１０１Ｔ）と酸化剤極（カソード１０１Ｕ）とで挟んでなり供給されたガス（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。セパレータ１０２は、発電セル１０１Ｍと発電セル１０１Ｍとの間に積層し、隣り合う発電セル１０１Ｍを隔ててガスを流す流路部１０２Ｌを備えた。集電補助層１０３は、流路部１０２Ｌに積層し、流路部１０２Ｌと面接触する。変位規制手段は、セパレータ１０２の熱膨張率を集電補助層１０３の熱膨張率より大きく設定し、集電補助層１０３を引張して集電補助層１３０のたわみを規制する。
【００６８】
燃料電池セルのたわみ規制方法は、発電セル１０１Ｍを挟持する一対のセパレータ１０２の一方に集電補助層１０３を積層し、積層した集電補助層１０３をセパレータ１０２に連結し、相互に連結された集電補助層１０３とセパレータ１０２との熱膨張率をセパレータ１０２側が大きくなるよう異なる値に設定し、熱膨張率差により加熱時にセパレータ１０２と集電補助層１０３との間で引張力を発生させる。
【００６９】
かかる燃料電池スタック１００のセル構造および燃料電池セルのたわみ規制方法によれば、変位規制手段が集電補助層１０３を引張して集電補助層１３０のたわみを規制することから、熱膨張による部材の変位を規制して、たわみが生じることを防止できる。
【００７０】
燃料電池スタック１００のセル構造において、発電セル１０１Ｍに積層し、導電性を備えた多孔質からなり発電セル１０１Ｍを支持する支持部材（サポートメタル１０１Ｖ）を、さらに有し、変位規制手段は、サポートメタル１０１Ｖとセパレータ１０２間の第１の固定部（接合部Ｕ１）と、セパレータ１０２と集電補助層１０３とを第１の固定部（接合部Ｕ１）に対して対称に少なくとも２箇所で固定する第２の固定部（接合部Ｔ１および接合部Ｔ２）で形成することが好ましい。
【００７１】
かかる燃料電池スタック１００のセル構造によれば、第１の固定部（接合部Ｕ１）と第２の固定部（接合部Ｔ１および接合部Ｔ２）が形成されていることによって、集電補助層１０３は、少なくとも加熱された場合、セパレータ１０２によって引っ張られるようにして伸長する。したがって、燃料電池スタック１００のセル構造は、発電セル１０１Ｍと集電補助層１０３との接触が回復（接触面積が増加）し、接触抵抗が低減される。
【００７２】
変位規制手段は、集電補助層１０３と、集電補助層１０３よりも加熱された場合の変形量が大きいセパレータ１０２と、を積層方向Ｚと交差する方向（長手方向Ｙまたは短手方向Ｘ）に沿って２箇所以上で接合して構成した。
【００７３】
かかる燃料電池スタック１００のセル構造によれば、図６〜図８Ｂに示すように、集電補助層１０３と、集電補助層１０３よりも加熱された場合の変形量が大きいセパレータ１０２と、を積層方向Ｚと交差する方向（長手方向Ｙまたは短手方向Ｘ）に沿って２箇所以上で接合している。すなわち、集電補助層１０３は、少なくとも加熱された場合、セパレータ１０２によって引っ張られるようにして伸長する。したがって、燃料電池スタック１００のセル構造は、加熱された集電補助層１０３がたわむことを防止できる。
【００７４】
特に、かかる燃料電池スタック１００のセル構造によれば、集電補助層１０３は、少なくとも加熱された場合、セパレータ１０２によって引っ張られるようにして伸長することから、外部から振動が加わっても、たわむことを防止できる。したがって、燃料電池スタック１００のセル構造は、例えば、自動車に搭載してタイヤを回転させるモータ等の電源として使用する場合、少なくとも加熱された状態の運転時において、道路を走行する自動車に入力される様々な周波数の振動に耐えることができる。
【００７５】
特に、かかる燃料電池スタック１００のセル構造によれば、集電補助層１０３は、少なくとも加熱された場合、セパレータ１０２によって引っ張られるようにして伸長することから、たわむことを防止できる。したがって、燃料電池スタック１００のセル構造は、少なくとも加熱された状態の運転時において、集電補助層１０３とセパレータ１０２の流路部１０２Ｌ、および集電補助層１０３と発電セル１０１Ｍを、それぞれ十分に接触させることによって（接触面積を増加させることによって）、電気的な接触抵抗を低減することができる。すなわち、燃料電池スタック１００のセル構造は、所期の電気的特性を得ることができる。
【００７６】
燃料電池スタック１００のセル構造において、変位規制手段は、流路部１０２Ｌと集電補助層１０３とを接合して構成することが好ましい。
【００７７】
かかる燃料電池スタック１００のセル構造によれば、図６〜図８Ｂに示すように、集電補助層１０３を、面接触させる流路部１０２Ｌに対して直接接合している。すなわち、集電補助層１０３は、流路部１０２Ｌと共に、スムーズに伸長させることができる。したがって、燃料電池スタック１００のセル構造は、集電補助層１０３を面接触させる流路部１０２Ｌと共に伸長させることによって、たわみを十分に防止できる。
【００７８】
燃料電池スタック１００のセル構造において、変位規制手段は、流路部１０２Ｌと集電補助層１０３とをガスの流れる方向（長手方向Ｙ）に沿って２箇所以上で接合して構成することが好ましい。
【００７９】
かかる燃料電池スタック１００のセル構造によれば、図６に示すように、温調（加熱）されたガス（例えばカソードガスＣＧ）によって温度勾配がかかる方向に沿って、集電補助層１０３を流路部１０２Ｌに接合している。すなわち、集電補助層１０３は、流路部１０２Ｌと共に、温度勾配のかかる方向に沿ってスムーズに伸長させることができる。したがって、燃料電池スタック１００のセル構造は、集電補助層１０３を温度勾配のかかる方向に沿って伸長させることによって、たわみを十分に防止できる。
【００８０】
燃料電池スタック１００のセル構造において、流路部１０２Ｌの熱膨張率は、集電補助層１０３の熱膨張率よりも大きいことが好ましい。
【００８１】
かかる燃料電池スタック１００のセル構造によれば、図６〜図８Ｂに示すように、少なくとも加熱された場合に、集電補助層１０３が、相対的に熱膨張率が大きいセパレータ１０２によって引っ張られるようにして伸長する。したがって、燃料電池スタック１００のセル構造は、加熱され伸長する集電補助層１０３をセパレータ１０２を用いてさらに伸長させることによって、たわみを十分に防止できる。
【００８２】
燃料電池スタック１００のセル構造において、サポートメタル１０１Ｖは、流路部１０２Ｌと接合していることが好ましい。
【００８３】
かかる燃料電池スタック１００のセル構造によれば、図６〜図８Ｂに示すように、流路部１０２Ｌをサポートメタル１０１Ｖによって固定することができる。すなわち、集電補助層１０３は、サポートメタル１０１Ｖによって固定された流路部１０２Ｌによって、位置ずれを防止できる。したがって、燃料電池スタック１００のセル構造は、集電補助層１０３を流路部１０２Ｌによって位置決めすることによって、たわみを十分に防止できる。
【００８４】
燃料電池スタック１００のセル構造において、サポートメタル１０１Ｖの熱膨張率は、セパレータ１０２の熱膨張率よりも大きいか等しいことが好ましい。
【００８５】
かかる燃料電池スタック１００のセル構造によれば、図６〜図８Ｂに示すように、サポートメタル１０１Ｖの熱膨張率が、セパレータ１０２の熱膨張率よりも大きい場合、集電補助層１０３と接合しているセパレータ１０２は、加熱されると、サポートメタル１０１Ｖによって引っ張られて伸長する。集電補助層１０３と接合しているセパレータ１０２は、サポートメタル１０１Ｖによって伸長を阻害されることがない。一方、サポートメタル１０１Ｖの熱膨張率が、セパレータ１０２の熱膨張率と等ししい場合、集電補助層１０３と接合しているセパレータ１０２は、加熱されると、サポートメタル１０１Ｖと共に伸長しつつサポートメタル１０１Ｖによって支持される。したがって、燃料電池スタック１００のセル構造は、サポートメタル１０１Ｖと共に伸長するセパレータ１０２によって、集電補助層１０３を伸長させて、たわみを十分に防止できる。
【００８６】
燃料電池スタック１００のセル構造において、集電補助層１０３は、積層方向Ｚと交差する方向（長手方向Ｙおよび短手方向Ｘ）に沿って格子状に伸ばした支持部１０３ａと隣り合う支持部１０３ａの間において積層方向Ｚに沿って貫通した開口部１０３ｂとを備えている。各々の支持部１０３ａは、菱形形状に形成され、菱形形状の対角線に沿った方向（図９のＳＷ）をガスが流れる方向（長手方向Ｙ）に沿わせることが好ましい。
【００８７】
かかる燃料電池スタック１００のセル構造によれば、図９に示すように、集電補助層１０３は、温調（加熱）されたガス（例えばカソードガスＣＧ）によって温度勾配がかかる方向に沿って、引張剛性を低く設定している。すなわち、集電補助層１０３が温度勾配のかかる方向に沿って伸長する場合、集電補助層１０３に過度な引張応力を生じさせることなくスムーズに変形（伸長）させることができる。したがって、燃料電池スタック１００のセル構造は、集電補助層１０３を過度な引張応力を生じさせることなく変形させることによって、たわみを十分に防止できる。
【００８８】
（実施形態の変形例１〜３）
実施形態の変形例１〜３の燃料電池スタックは、図１０〜図１２に示し、集電補助層の構成や接合方法が、上述した実施形態の燃料電池スタック１００のセル構造と相違する。
【００８９】
図１０に、実施形態の変形例１のセパレータ１０２と集電補助層２０３、２１３および２２３を模式的に示す。
【００９０】
実施形態の変形例１の燃料電池スタックは、ガスの流れの上流側から下流側に向かって集電補助層２０３、２１３、２２３を並べて設けている。実施形態の変形例１では、上述した実施形態の集電補助層１０３を３つに分割して設け、各々の集電補助層２０３、２１３、２２３の熱膨張率を異ならせている。ここで、固体酸化物形燃料電池スタックのような燃料電池スタックは、ガスの流れの上流側から下流側に向かって、相対的に高温になる傾向がある。そこで、相対的に温度が高いガスの流れの下流側に位置する集電補助層２２３の熱膨張率を、相対的に温度が低いガスの流れの上流側に位置する他の集電補助層２０３の熱膨張率よりも大きく設定している。集電補助層２２３は、集電補助層２０３よりも線膨張係数が大きい材質を用いて形成している。集電補助層２１３は、集電補助層２０３と集電補助層２２３との中間に設け、集電補助層２０３と集電補助層２２３の平均となる熱膨張率に設定している。
【００９１】
図１１に、実施形態の変形例２のセパレータ１０２と集電補助層１０３を模式的に示す。
【００９２】
実施形態の変形例２の燃料電池スタックは、変位規制手段において、相対的に温度が高いガスの流れの下流側に位置するセパレータ１０２と集電補助層１０３との接合部Ｖ６の面積を、相対的に温度が低いガスの流れの上流側に位置するセパレータ１０２と集電補助層１０３との接合部Ｖ１の面積よりも小さく構成している。接合部Ｖ１〜Ｖ６は、長手方向Ｙに沿った長さを段階的に短くすることによって構成している。接合部Ｖ１の長手方向Ｙに沿った長さが最も長く、接合部Ｖ６の長手方向Ｙに沿った長さが最も短い。
【００９３】
図１２に、実施形態の変形例３の集電補助層３０３の一部を模式的に示す。
【００９４】
実施形態の変形例３の燃料電池スタックは、集電補助層３０３の支持部について、相対的に温度が高いガスの流れの下流側に位置する部分の積層方向Ｚに沿った断面積を、相対的に温度が低いガスの流れの上流側に位置する部分の積層方向Ｚに沿った断面積よりも小さく設定している。集電補助層３０３は、ガスの流れの上流側から下流側に向かって位置する支持部３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃが、段階的に細くなるように構成している。
【００９５】
以上説明した実施形態の変形例１〜３の作用効果を説明する。
【００９６】
実施形態の変形例１の燃料電池スタックは、集電補助層（ガスの流れの上流側から下流側に向かって集電補助層２０３、２１３、２２３）を複数備えている。相対的に温度が高い部位に位置する一の集電補助層（例えば２２３）の熱膨張率は、相対的に温度が低い部位に位置する他の集電補助層（例えば集電補助層２０３）の熱膨張率よりも大きい。
【００９７】
かかる燃料電池スタックによれば、図１０に示すように、発電セル１０１Ｍ等の温度分布に応じて複数の集電補助層２０３、２１３、２２３の熱膨張率を適切に設定することによって、各々の集電補助層２０３、２１３、２２３に適した張力を発生させることができる。集電補助層２０３、２１３、２２３は、加熱される温度に比例して、相対的に熱膨張率が高い仕様にする。すなわち、燃料電池スタックは、複数の集電補助層２０３、２１３、２２３の伸長とセパレータ１０２の伸長の差を温度分布によらず均等にさせる。したがって、燃料電池スタックは、温度分布によらず複数の集電補助層２０３、２１３、２２３を均等に伸長させて、過大な引張応力を生じさせることなく、たわみを十分に防止できる。
【００９８】
実施形態の変形例２の燃料電池スタックにおいて、変位規制手段は、相対的に温度が高い部位に位置するセパレータ１０２と集電補助層１０３との一の接合部（例えば接合部Ｖ６）の面積を、相対的に温度が低い部位に位置するセパレータ１０２と集電補助層１０３との他の接合部（例えば接合部Ｖ１）の面積よりも小さく構成している。
【００９９】
かかる燃料電池スタックによれば、図１１に示すように、発電セル１０１Ｍ等の温度分布に応じて集電補助層１０３とセパレータ１０２との接合面積を設定することによって、集電補助層１０３の全体に均等な張力を発生させることができる。集電補助層１０３は、加熱される温度に比例して、接合部の接合面積を減らす。すなわち、相対的に温度が高い部位に位置する集電補助層１０３とセパレータ１０２との接合力を軽減して、集電補助層１０３がセパレータ１０２に過度に拘束されないように設定して、集電補助層１０３に過大な引張応力が発生することを防止する。したがって、燃料電池スタックは、集電補助層１０３の相対的に高温となる部位に過大な引張応力を生じさせることなく、たわみを十分に防止できる。
【０１００】
実施形態の変形例３の燃料電池スタックにおいて、集電補助層３０３は、積層方向Ｚと交差する方向（長手方向Ｙおよび短手方向Ｘ）に沿って格子状に伸ばした支持部（ガスの流れの上流側から下流側に向かって支持部３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ）と隣り合う支持部の間において積層方向Ｚに沿って貫通した開口部（ガスの流れの上流側から下流側に向かって開口部３０３ｄ、３０３ｅ、３０３ｆ）とを備えている。支持部は、相対的に温度が高い部位に位置する部分の積層方向Ｚに沿った断面積を、相対的に温度が低い部位に位置する部分の積層方向Ｚに沿った断面積よりも小さくしている。
【０１０１】
かかる燃料電池スタックによれば、図１２に示すように、発電セル１０１Ｍ等の温度分布に応じて集電補助層３０３の支持部３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃの厚みを適切に設定することによって、集電補助層３０３の全体に均等な引張応力を発生させることができる。集電補助層３０３の支持部３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃの厚みは、加熱される温度に比例して、細くする。すなわち、相対的に温度が高い部位に位置する集電補助層３０３の支持部３０３ｃの厚みを相対的に小さくすることによって、引張剛性を下げて伸長し易いようにして、支持部３０３ｃに過大な引張応力が発生することを防止する。したがって、燃料電池スタックは、集電補助層３０３の相対的に高温となる部位に過大な引張応力が生じさせることなく、たわみを十分に防止できる。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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１００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。
【０１０４】
燃料電池スタック１００のセル構造は、実施形態の変形例１〜３の仕様を適宜組み合わせて構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０５】
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、
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（支持部材）、
１０１Ｗ  セルフレーム、
１０１ｅ  開口部、
１０２    セパレータ、
１０２Ｌ  流路部、
１０２ｈ    平坦部、
１０２ｉ    アノード側突起、
１０２ｊ    カソード側突起、
１０３，２０３，２１３，２２３，３０３  集電補助層、
１０３ａ，３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃ  支持部、
１０３ｂ，３０３ｄ，３０３ｅ，３０３ｆ  開口部、
１０４    シール部材、
１０４Ａ  アノード側外縁シール部材、
１０４Ｂ  アノード側マニ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、
ＡＧ      アノードガス、
ＣＧ      カソードガス、
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｕ１，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６  接合部（固定部）、
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。
【図１】
2019036443.tif 000003
【図２】
2019036443.tif 000004
【図３】
2019036443.tif 000005
【図４】
2019036443.tif 000006
【図５Ａ】
2019036443.tif 000007
【図５Ｂ】
2019036443.tif 000008
【図６】
2019036443.tif 000009
【図７】
2019036443.tif 000010
【図８Ａ】
2019036443.tif 000011
【図８Ｂ】
2019036443.tif 000012
【図９】
2019036443.tif 000013
【図１０】
2019036443.tif 000014
【図１１】
2019036443.tif 000015
【図１２】
2019036443.tif 000016