JP6806256B2 - 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。

燃料電池スタックは、供給されたガスによって発電する発電セルと、発電セルとの間にガスの流通路である流路部を区画形成するセパレータと、を含むセルユニットを複数積層して構成される積層体である。

燃料電池スタックは、例えば車両の電源に用いる場合、走行時の振動入力に対する耐振動性能が求められる。燃料電池スタックの耐振動性能を向上するために、スタッキング荷重を過度に大きくすると、長時間経過後にセパレータ等の金属部材がクリープ変形して部材の機能を保持することができない可能性がある。

上記課題に対して、例えば、下記特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、発電セルの外周側にガスケットを配置して、当該ガスケットのみにスタッキング荷重がかかるようにして構成している。これにより、発電セルおよびセパレータに過度にスタッキング荷重がかかるのを抑制している。

特許第４３３１７９０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、ガスケットに対して局所的にスタッキング荷重がかかるため、長時間経過後にガスケットがクリープ変形してしまう場合がある。これにより、燃料電池スタックの耐振動性能が低下してしまう。

本発明の目的は、耐振動性能を向上することの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、電解質を両側から一対の電極で狭持してなり、供給されたガスによって発電する発電セルと、前記発電セルとの間に前記ガスの流通路である流路部を区画形成するセパレータと、を有するセルユニットを複数積層した燃料電池スタックである。該燃料電池スタックは、少なくとも一組の隣り合う前記セルユニットの間に配置された絶縁性を備える枠体を有する。該枠体は、積層方向から見て、前記発電セルが配置された領域よりも外周側を囲うように設けられた外周梁部と、該外周梁部を相互に連結する連結梁部と、前記セパレータへのガスが流通可能なマニホールド部の少なくとも一部を封止するシール部に沿って形成された複数のシール用梁部と、を備えた、ことを特徴とする。

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をカバーとセルスタックアッセンブリー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のセルスタックアッセンブリーをエアーシェルターと上部エンドプレートとスタックおよび下部エンドプレートに分解した状態を示す斜視図である。 図３のスタックを上部モジュールユニットと複数の中部モジュールユニットおよび下部モジュールユニットに分解した状態を示す斜視図である。 図４の上部モジュールユニットを分解して示す斜視図である。 図４の中部モジュールユニットを分解して示す斜視図である。 図４の下部モジュールユニットを分解して示す斜視図である。 図５〜図７のセルユニットを分解して示す斜視図である。 図８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８のメタルサポートセルアッセンブリーの断面図である。 図８のセパレータをカソード側（図８と同じくセパレータ１０２を上方から視認した側）から示す斜視図である。 図１１のセパレータを部分的（図１１中の領域１２）に示す斜視図である。 図８のセパレータをアノード側（図８と異なりセパレータ１０２を下方から視認した側）から示す斜視図である。 図１３のセパレータを部分的（図１３中の領域１４）に示す斜視図である。 図８のメタルサポートセルアッセンブリー、セパレータ、バネ部材および集電補助層を積層した状態を部分的（図１１中の領域１５）に示す断面図である。 図８のバネ部材を上方から視認した側から示す斜視図である。 図８のバネ部材を下方から視認した側から示す斜視図である。 図５〜図７の枠体を示す上面図である。 図５〜図７のセルユニットおよび枠体を複数積層した状態を示す斜視図である。 図１８Ａ中の領域１８Ｂを拡大して示す斜視図である。 燃料電池スタックを図１７中の１９Ａ−１９Ａ線に沿う断面図として示した断面図である。 図１８Ａの１９Ｂ−１９Ｂ線に沿う断面図である。 図１９Ｂ中の領域１９Ｃを拡大して示す断面図であり、バネ部材が圧縮される前の状態を示す。 セルユニットとシール用梁部を複数積層する様子を、図１７の２０Ａ−２０Ａ線に沿う断面図として模式的に示す図である。 図２０Ａのシール用梁部を拡大して示す断面図である。 燃料電池スタックにおけるアノードガスおよびカソードガスの流れを模式的に示す斜視図である。 燃料電池スタックにおけるカソードガスの流れを模式的に示す斜視図である。 燃料電池スタックにおけるアノードガスの流れを模式的に示す斜視図である。 変形例１の一の形態に係る枠体の凹部を示す断面図である。 変形例１の他の形態に係る枠体の凹部を示す断面図である。 変形例２に係る枠体を示す上面図である。 図２３Ａの２３Ｂ−２３Ｂ線に沿う断面図である。 図２３Ａの２４Ａ−２４Ａ線に沿う断面図である。 図２４Ａの枠体およびセルユニットを積層した状態を示す断面図である。 変形例３に係る枠体を示す上面図である。

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。

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（高さ）方向Ｚを示している。

（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、第１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をカバー１１２とセルスタックアッセンブリー１００Ｍ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のセルスタックアッセンブリー１００Ｍをエアーシェルター１１０と上部エンドプレート１０９とスタック１００Ｓおよび下部エンドプレート１０８に分解した状態を示す斜視図である。図４は、図３のスタック１００Ｓを上部モジュールユニット１００Ｐと複数の中部モジュールユニット１００Ｑおよび下部モジュールユニット１００Ｒに分解した状態を示す斜視図である。図５は、図４の上部モジュールユニット１００Ｐを分解して示す斜視図である。図６は、図４の中部モジュールユニット１００Ｑを分解して示す斜視図である。図７は、図４の下部モジュールユニット１００Ｒを分解して示す斜視図である。図８は、図５〜図７のセルユニット１００Ｔを分解して示す斜視図である。

図９は、図８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１０は、図８のメタルサポートセルアッセンブリー１０１の断面図である。図１１は、図８のセパレータ１０２をカソード側（図８と同じくセパレータ１０２を上方から視認した側）から示す斜視図である。図１２は、図１１のセパレータ１０２を部分的（図１１中の領域１２）に示す斜視図である。図１３は、図８のセパレータ１０２をアノード側（図８と異なりセパレータ１０２を下方から視認した側）から示す斜視図である。図１４は、図１３のセパレータ１０２を部分的（図１３中の領域１４）に示す斜視図である。図１５は、図８のメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２および集電補助層１０３を積層した状態で部分的（図１１中の領域１５）に示す断面図である。図１６Ａは、図８のバネ部材を上方から視認した側から示す斜視図である。図１６Ｂは、図８のバネ部材を下方から視認した側から示す斜視図である。

燃料電池スタック１００は、図１および図２に示すように、セルスタックアッセンブリー１００Ｍを、外部からガスを供給する外部マニホールド１１１と、セルスタックアッセンブリー１００Ｍを保護するカバー１１２によって上下から挟み込んで構成している。

セルスタックアッセンブリー１００Ｍは、図３に示すように、スタック１００Ｓを、下部エンドプレート１０８と上部エンドプレート１０９によって上下から挟み込み、カソードガスＣＧを封止するエアーシェルター１１０によって覆って構成されている。

スタック１００Ｓは、図４に示すように、上部モジュールユニット１００Ｐ、複数の中部モジュールユニット１００Ｑおよび下部モジュールユニット１００Ｒを積層して構成されている。

上部モジュールユニット１００Ｐは、図５に示すように、複数積層したセルユニット１００Ｔと、少なくとも一組の積層方向Ｚに隣り合うセルユニット１００Ｔの間に配置された枠体２００と、セルユニット１００Ｔおよび枠体２００を上下から挟み込むように配置された上部集電板１０６およびモジュールエンド１０５と、を有する。上部集電板１０６は、セルユニット１００Ｔで発電された電力を外部に出力する。モジュールエンド１０５は、いわゆる、エンドプレートに相当する。

中部モジュールユニット１００Ｑは、図６に示すように、複数積層したセルユニット１００Ｔと、少なくとも一組の積層方向Ｚに隣り合うセルユニット１００Ｔの間に配置された枠体２００と、セルユニット１００Ｔおよび枠体２００を上下から挟み込むように配置された一対のモジュールエンド１０５と、を有する。

下部モジュールユニット１００Ｒは、図７に示すように、複数積層したセルユニット１００Ｔと、少なくとも一組の積層方向Ｚに隣り合うセルユニット１００Ｔの間に配置された枠体２００と、セルユニット１００Ｔおよび枠体２００を上下から挟み込むように配置されたモジュールエンド１０５および下部集電板１０７と、を有する。下部集電板１０７は、セルユニット１００Ｔで発電された電力を外部に出力する。

セルユニット１００Ｔは、図８に示すように、供給されたガスによって発電する発電セル１０１Ｍを含むメタルサポートセルアッセンブリー１０１と、発電セル１０１Ｍとの間にガスの流通路である流路部１０２Ｌを区画形成するセパレータ１０２と、バネ部材１０４と、集電補助層１０３と、を順に積層して構成されている。メタルサポートセルアッセンブリー１０１およびセパレータ１０２は、各々の外縁を接合ラインＶに沿って環状に接合して接合体１００Ｕを構成する。

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９および図１０に示すように、供給されたガスによって発電する発電セル１０１Ｍを設けたものである。

メタルサポートセルアッセンブリー１０１は、長手方向Ｙに沿って複数（本実施形態では、２つ）並べて配置したメタルサポートセル１０１Ｎと、複数の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（保持部材に相当）によって構成している。セルフレーム１０１Ｗには、複数の発電セル１０１Ｍによって構成された複数のアクティブエリアが配置される。このため、アクティブエリア毎に供給するガスの量を均等に分配することができる。したがって、燃料電池スタック１００は、発電効率を十分に向上させることができる。

メタルサポートセル１０１Ｎは、発電に寄与するアクティブエリアに相当する発電セル１０１Ｍと、発電セル１０１Ｍを一方側から支持するサポートメタル１０１Ｖによって構成している。

発電セル１０１Ｍは、図９に示すように、電解質１０１Ｓを両側から一対の電極であるアノード１０１Ｔおよびカソード１０１Ｕで挟み込んで構成している。

電解質１０１Ｓは、図９および図１０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。

アノード１０１Ｔは、図９および図１０に示すように、燃料極であって、アノードガスＡＧ（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスＡＧの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード１０１Ｔは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスＡＧを透過させ、電気伝導度が高く、アノードガスＡＧを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード１０１Ｔは、電解質１０１Ｓよりも大きい長方体形状から形成されている。アノード１０１Ｔは、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させた超硬合金からなる。

カソード１０１Ｕは、図９および図１０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。

サポートメタル１０１Ｖは、図９および図１０に示すように、発電セル１０１Ｍをアノード１０１Ｔの側から支持するものである。サポートメタル１０１Ｖは、ガス透過性を有し、電気伝導度が高く、十分な強度を有する。サポートメタル１０１Ｖは、アノード１０１Ｔよりも十分に大きい長方体形状から形成されている。サポートメタル１０１Ｖは、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼からなる。

セルフレーム１０１Ｗは、図９および図１０に示すように、メタルサポートセル１０１Ｎを周囲から保持するものである。セルフレーム１０１Ｗは、薄い長方形状から形成している。セルフレーム１０１Ｗは、長手方向Ｙに沿って並べて配置された２つの開口部１０１ｋを有している。セルフレーム１０１Ｗの２つの開口部１０１ｋは、それぞれ長方形状の貫通口からなり、サポートメタル１０１Ｖの外形よりも小さい。セルフレーム１０１Ｗは、金属からなり、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、セルフレーム１０１Ｗに酸化アルミニウムを固着させて構成する。セルフレーム１０１Ｗの開口部１０１ｋの内縁に、サポートメタル１０１Ｖの外縁を接合することによって、セルフレーム１０１Ｗにメタルサポートセルアッセンブリー１０１を接合している。

セルフレーム１０１Ｗは、図９および図１０に示すように、長手方向Ｙに沿った一辺の右端と中央と左端から、セルフレーム１０１Ｗの面内方向に延ばした円形状の延在部（第１延在部１０１ｐ、第２延在部１０１ｑおよび第３延在部１０１ｒ）を設けている。セルフレーム１０１Ｗは、長手方向Ｙに沿った他辺の中央から離間した２箇所から、セルフレーム１０１Ｗの面内方向に延ばした円形状の延在部（第４延在部１０１ｓおよび第５延在部１０１ｔ）を設けている。セルフレーム１０１Ｗにおいて、第１延在部１０１ｐ、第２延在部１０１ｑおよび第３延在部１０１ｒと、第４延在部１０１ｓおよび第５延在部１０１ｔは、２つの開口部１０１ｋを隔てて、長手方向Ｙに沿って交互に位置している。

セルフレーム１０１Ｗは、図９に示すように、アノードガスＡＧを通過（流入）させるアノード側第１流入口１０１ａ、アノード側第２流入口１０１ｂ、アノード側第３流入口１０１ｃを、第１延在部１０１ｐ、第２延在部１０１ｑおよび第３延在部１０１ｒに設けている。セルフレーム１０１Ｗは、アノードガスＡＧを通過（流出）させるアノード側第１流出口１０１ｄおよびアノード側第２流出口１０１ｅを、第４延在部１０１ｓおよび第５延在部１０１ｔに設けている。アノードガスＡＧの流入口１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃおよび流出口１０１ｄ、１０１ｅは、いわゆる、マニホールドである。

セルフレーム１０１Ｗは、図９に示すように、カソードガスＣＧを通過（流入）させるカソード側第１流入口１０１ｆを、第１延在部１０１ｐと第２延在部１０１ｑの間の空間に設けている。セルフレーム１０１Ｗは、カソードガスＣＧを通過（流入）させるカソード側第２流入口１０１ｇを、第２延在部１０１ｑと第３延在部１０１ｒの間の空間に設けている。セルフレーム１０１Ｗは、カソードガスＣＧを通過（流出）させるカソード側第１流出口１０１ｈを、第４延在部１０１ｓよりも図９中の右側に設けている。セルフレーム１０１Ｗは、カソードガスＣＧを通過（流出）させるカソード側第２流出口１０１ｉを、第４延在部１０１ｓと第５延在部１０１ｔの間の空間に設けている。セルフレーム１０１Ｗは、カソードガスＣＧを通過（流出）させるカソード側第３流出口１０１ｊを、第５延在部１０１ｔよりも図９中の左側に設けている。セルフレーム１０１Ｗにおいて、カソードガスＣＧの流入口１０１ｆ、１０１ｇおよび流出口１０１ｈ、１０１ｉ、１０１ｊは、セルフレーム１０１Ｗの外周面とエアーシェルター１１０の内側面との空間に相当する。

セパレータ１０２は、図１５に示すように、積層方向Ｚに隣り合う一のメタルサポートセルアッセンブリー１０１の発電セル１０１Ｍと、他の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と対向して配置している。セパレータ１０２は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と同様の外形形状からなる。セパレータ１０２は、金属からなり、発電セル１０１Ｍと対向する領域（流路部１０２Ｌ）を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、セパレータ１０２に酸化アルミニウムを固着させて構成する。セパレータ１０２は、流路部１０２Ｌを、発電セル１０１Ｍと対向するように長手方向Ｙに並べて設けている。

セパレータ１０２において、流路部１０２Ｌは、図８および図１１〜図１５に示すように、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）に沿って延ばした流路を、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）と直交する方向（長手方向Ｙ）に並べることによって形成している。流路部１０２Ｌは、図１２、図１４および図１５に示すように、長手方向Ｙおよび短手方向Ｘの面内において平坦な平坦部１０２ｘから下方に突出するように、凸状のアノード側突起１０２ｙを一定の間隔で設けている。アノード側突起１０２ｙは、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）に沿って延びている。アノード側突起１０２ｙは、セパレータ１０２の下端から下方に向かって突出している。流路部１０２Ｌは、図１２、図１４および図１５に示すように、平坦部１０２ｘから上方に突出するように、凸状のカソード側突起１０２ｚを一定の間隔で設けている。カソード側突起１０２ｚは、ガスの流れの方向（短手方向Ｘ）に沿って延びている。カソード側突起１０２ｚは、セパレータ１０２の上端から上方に向かって突出している。流路部１０２Ｌは、アノード側突起１０２ｙと凸状のカソード側突起１０２ｚを、平坦部１０２ｘを隔てて、長手方向Ｙに沿って交互に設けている。

セパレータ１０２は、図１５に示すように、流路部１０２Ｌと、その下方（図１５中では右方）に位置するメタルサポートセルアッセンブリー１０１との隙間を、アノードガスＡＧの流路として構成している。アノードガスＡＧは、図１３に示すセパレータ１０２のアノード側第２流入口１０２ｂ等から、図１３および図１４に示す複数の溝１０２ｑを通り、アノード側の流路部１０２Ｌに流入する。セパレータ１０２は、図１３および図１４に示すように、複数の溝１０２ｑを、アノード側第１流入口１０２ａ、アノード側第２流入口１０２ｂ、アノード側第３流入口１０２ｃから、それぞれアノード側の流路部１０２Ｌに向かって放射状に形成している。セパレータ１０２は、図１２および図１５に示すように、流路部１０２Ｌと、その上方（図１５中では左方）に位置するメタルサポートセルアッセンブリー１０１との隙間を、カソードガスＣＧの流路として構成している。

セパレータ１０２は、図１２に示すように、その外縁１０２ｐを、他の部分よりも肉薄に形成している。カソードガスＣＧは、図１１に示すセパレータ１０２のカソード側第１流入口１０２ｆおよびカソード側第２流入口１０２ｇから、図１１および図１２に示すセパレータ１０２の外縁１０２ｐを越えて、カソード側の流路部１０２Ｌに流入する。

セパレータ１０２は、図８、図１１および図１３に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側第１流入口１０２ａ、アノード側第２流入口１０２ｂ、アノード側第３流入口１０２ｃ、アノード側第１流出口１０２ｄおよびアノード側第２流出口１０２ｅを設けている。セパレータ１０２は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側第１流入口１０２ｆ、カソード側第２流入口１０２ｇ、カソード側第１流出口１０２ｈ、カソード側第２流出口１０２ｉおよびカソード側第３流出口１０２ｊを設けている。カソードガスＣＧの流入口１０２ｆ、１０２ｇおよび流出口１０２ｈ、１０２ｉ、１０２ｊは、セパレータ１０２の外周面とエアーシェルター１１０の内側面との空間に相当する。

集電補助層１０３は、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２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、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２との電気的な接触を補助する。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。

バネ部材１０４は、図１５に示すように、集電補助層１０３とセパレータ１０２との間に設けられ、集電補助層１０３を発電セル１０１Ｍに押し付けて、発電セル１０１Ｍと集電補助層１０３とを十分な面圧をもって接触させる。

バネ部材１０４は、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、平坦な基板１０４ａと、基板１０４ａから片持ち梁となるように起立させて形成し弾性変形可能な複数の第１の起立片１０４ｂおよび第２の起立片１０４ｃと、を有する。第１の起立片１０４ｂおよび第２の起立片１０４ｃは、起立の向きが互いに長手方向Ｙに対向するように交互に配置されている。なお、図１６Ａおよび図１６Ｂに示す第１の起立片１０４ｂおよび第２の起立片１０４ｃは、四角形状であるが、その形状は特に限定されない。

モジュールエンド１０５は、図５〜図７に示すように、複数積層したセルユニット１００Ｔの下端または上端を保持するプレートである。

モジュールエンド１０５は、複数積層したセルユニット１００Ｔの下端または上端に配置している。モジュールエンド１０５は、セルユニット１００Ｔと同様の外形形状からなる。モジュールエンド１０５は、ガスを透過させない導電性材料からなり、発電セル１０１Ｍおよび他のモジュールエンド１０５と対向する一部の領域を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、モジュールエンド１０５に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

モジュールエンド１０５は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側第１流入口１０５ａ、アノード側第２流入口１０５ｂ、アノード側第３流入口１０５ｃ、アノード側第１流出口１０５ｄおよびアノード側第２流出口１０５ｅを設けている。モジュールエンド１０５は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側第１流入口１０５ｆ、カソード側第２流入口１０５ｇ、カソード側第１流出口１０５ｈ、カソード側第２流出口１０５ｉおよびカソード側第３流出口１０５ｊを設けている。モジュールエンド１０５において、カソードガスＣＧの流入口１０５ｆ、１０５ｇおよび流出口１０５ｈ、１０５ｉ、１０５ｊは、モジュールエンド１０５の外周面とエアーシェルター１１０の内側面との間の空間に相当する。

上部集電板１０６は、セルユニット１００Ｔで発電された電力を外部に出力するものである。

上部集電板１０６は、図５に示すように、上部モジュールユニット１００Ｐの上端に配置している。上部集電板１０６は、セルユニット１００Ｔと同様の外形形状からなる。上部集電板１０６は、外部の通電部材と接続される端子（不図示）を設けている。上部集電板１０６は、ガスを透過させない導電性材料からなり、セルユニット１００Ｔの発電セル１０１Ｍと対向する領域および端子の部分を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、上部集電板１０６に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

下部集電板１０７は、セルユニット１００Ｔで発電された電力を外部に出力するものである。

下部集電板１０７は、図７に示すように、下部モジュールユニット１００Ｒの下端に配置している。下部集電板１０７は、上部集電板１０６と同様の外形形状からなる。下部集電板１０７は、外部の通電部材と接続される端子（不図示）を設けている。下部集電板１０７は、ガスを透過させない導電性材料からなり、セルユニット１００Ｔの発電セル１０１Ｍと対向する領域および端子の部分を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、下部集電板１０７に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

下部集電板１０７は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側第１流入口１０７ａ、アノード側第２流入口１０７ｂ、アノード側第３流入口１０７ｃ、アノード側第１流出口１０７ｄおよびアノード側第２流出口１０７ｅを設けている。下部集電板１０７は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側第１流入口１０７ｆ、カソード側第２流入口１０７ｇ、カソード側第１流出口１０７ｈ、カソード側第２流出口１０７ｉおよびカソード側第３流出口１０７ｊを設けている。下部集電板１０７において、カソードガスＣＧの流入口１０７ｆ、１０７ｇおよび流出口１０７ｈ、１０７ｉ、１０７ｊは、下部集電板１０７の外周面とエアーシェルター１１０の内側面との空間に相当する。

下部エンドプレート１０８は、図２および図３に示すように、スタック１００Ｓを下方から保持するものである。

下部エンドプレート１０８は、スタック１００Ｓの下端に配置している。下部エンドプレート１０８は、一部を除いて、セルユニット１００Ｔと同様の外形形状からなる。下部エンドプレート１０８は、カソードガスＣＧの流入口および排出口を形成するために、長手方向Ｙに沿った両端を直線状に伸長させて形成している。下部エンドプレート１０８は、セルユニット１００Ｔよりも十分に厚く形成している。下部エンドプレート１０８は、例えば、金属からなり、下部集電板１０７と接触する上面を、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、下部エンドプレート１０８に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

下部エンドプレート１０８は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側第１流入口１０８ａ、アノード側第２流入口１０８ｂ、アノード側第３流入口１０８ｃ、アノード側第１流出口１０８ｄおよびアノード側第２流出口１０８ｅを設けている。下部エンドプレート１０８は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側第１流入口１０８ｆ、カソード側第２流入口１０８ｇ、カソード側第１流出口１０８ｈ、カソード側第２流出口１０８ｉおよびカソード側第３流出口１０８ｊを設けている。

上部エンドプレート１０９は、図２および図３に示すように、スタック１００Ｓを上方から保持するものである。

上部エンドプレート１０９は、スタック１００Ｓの上端に配置している。上部エンドプレート１０９は、下部エンドプレート１０８と同様の外形形状からなる。上部エンドプレート１０９は、下部エンドプレート１０８と異なり、ガスの流入口および排出口を設けていない。上部エンドプレート１０９は、例えば、金属からなり、上部集電板１０６と接触する下面を、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、上部エンドプレート１０９に酸化アルミニウムを固着させて構成する。

エアーシェルター１１０は、スタック１００Ｓとの間において、カソードガスＣＧの流路を形成するものである。

エアーシェルター１１０は、図２および図３に示すように、下部エンドプレート１０８と上部エンドプレート１０９によって挟み込まれたスタック１００Ｓを上方から覆っている。エアーシェルター１１０は、エアーシェルター１１０の内側面とスタック１００Ｓの側面との隙間の部分によって、スタック１００Ｓの構成部材のカソードガスＣＧの流入口と流出口を形成する。エアーシェルター１１０は、箱形状からなり、下部の全てと側部の一部を開口している。エアーシェルター１１０は、例えば、金属からなり、内側面を絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、エアーシェルター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に示すように、外部から複数のセルユニット１００Ｔにガスを供給するものである。

外部マニホールド１１１は、セルスタックアッセンブリー１００Ｍの下方に配置している。外部マニホールド１１１は、下部エンドプレート１０８の形状を単純化した外形形状からなる。外部マニホールド１１１は、下部エンドプレート１０８よりも十分に厚く形成している。外部マニホールド１１１は、例えば、金属からなる。

外部マニホールド１１１は、セルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側第１流入口１１１ａ、アノード側第２流入口１１１ｂ、アノード側第３流入口１１１ｃ、アノード側第１流出口１１１ｄおよびアノード側第２流出口１１１ｅを設けている。外部マニホールド１１１は、カソードガスＣＧを通過させるセルユニット１００Ｔと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソード側第１流入口１１１ｆ、カソード側第２流入口１１１ｇ、カソード側第１流出口１１１ｈ、カソード側第２流出口１１１ｉおよびカソード側第３流出口１１１ｊを設けている。

カバー１１２は、図１および図２に示すように、セルスタックアッセンブリー１００Ｍを被覆して保護するものである。

カバー１１２は、セルスタックアッセンブリー１００Ｍを、外部マニホールド１１１とともに上下から挟み込んでいる。カバー１１２は、箱形状からなり、下部を開口させている。カバー１１２は、例えば、金属からなり、内側面を絶縁材によって絶縁している。

（枠体２００）
以下、図１７〜図２０Ｂを参照して、枠体２００について詳説する。

図１７は、図５〜図７の枠体を示す上面図である。図１８Ａは、図５〜図７のセルユニットおよび枠体を複数積層した状態を示す斜視図である。図１８Ｂは、図１８Ａ中の領域１８Ｂを拡大して示す斜視図である。図１９Ａは、燃料電池スタック１００にスタッキング荷重Ｐをかけた様子を模式的に示す断面図である。図１９Ｂは、図１８Ａの１９Ｂ−１９Ｂ線に沿う断面図である。図１９Ｃは、図１９Ｂ中の領域１９Ｃを拡大して示す断面図である。図２０Ａは、セルユニット１００Ｔとシール用梁部２５０を複数積層する様子を模式的に示す断面図である。図２０Ｂは、図２０Ａのシール用梁部２５０を拡大して示す断面図である。

枠体２００は、燃料電池スタック１００をスタックする際に積層方向Ｚに加えられるスタッキング荷重Ｐ（図１９Ａを参照）を積層方向Ｚに伝達する荷重伝達機能を有するとともに、発電セル１０１Ｍとセパレータとの間隔を保持するスペーサーとしての機能も有する。

枠体２００は、例えば、セラミック系の絶縁材や、導電材の表面に絶縁処理を施した部材を用いることによって絶縁性を有するように構成されている。

枠体２００は、図１７に示すように、積層方向Ｚから見て、アクティブエリアに相当する複数の発電セル１０１Ｍが配置された領域よりも外周側（セパレータ１０２の外縁１０２ｐ側）を囲うように矩形状に設けられた複数の外周梁部２１０と、外周梁部２１０に連結された複数の連結梁部２２０と、を有する。

ここで、「外周梁部２１０に連結された連結梁部２２０」とは、連結梁部２２０が直接的に外周梁部２１０に連結された形態に限定されず、一の連結梁部２２０が他の連結梁部２２０を介して間接的に外周梁部２１０に連結された形態も含むものとする。

図１７に示すように、隣り合う一の発電セル１０１Ｍと他の発電セル１０１Ｍとの間には、連結梁部２２０が配置される。これにより、外周梁部２１０および連結梁部２２０は、各々の発電セル１０１Ｍの周囲を囲うように配置される。

また、外周梁部２１０は、図１７に示すように、少なくとも一組のシール用梁部２５０を連結して配置される。さらに、複数の外周梁部２１０、複数の連結梁部２２０および複数のシール用梁部２５０は、互いに連結して配置される。

また、枠体２００は、図１７および図１８Ｂに示すように、カソードガスＣＧの流路に沿う外周梁部２１０および連結梁部２２０の一部を厚み方向（積層方向Ｚ）凹状に切り欠いた複数の溝部２６０をさらに有する。溝部２６０は、図１８Ａに示すように、枠体２００およびセルユニット１００Ｔが積層された状態で、図１８Ｂに示すように、セルユニット１００Ｔとの間にカソードガスＣＧが流通可能な連通孔２６１を形成する。これにより、枠体２００によって面内方向（ＸＹ方向）のガス（カソードガスＣＧ）の流路が阻害されないため、発電セル１０１Ｍに効率的にガスを供給することができる。その結果、燃料電池スタック１００は、ガスの流通性を向上し、発電効率を向上させることができる。

図１９Ａに示すように、枠体２００およびセルユニット１００Ｔが積層された状態で、積層方向Ｚにスタッキング荷重Ｐが作用すると、枠体２００は、アクティブエリアに相当する発電セル１０１Ｍの周囲で当該スタッキング荷重Ｐを受ける。これにより、枠体２００は、発電セル１０１Ｍにかかる応力を低減することができる。

図１９Ｃに示すように、枠体２００の厚みｔ１は、集電補助層１０３の厚みと、圧縮する前のバネ部材１０４の厚みを合計した厚みｔ２よりも小さくなるように構成されている。これにより、図１９Ｂに示すように、枠体２００は、バネ部材１０４の積層方向Ｚへの圧縮量（変位）を規制することができる。このため、バネ部材１０４の圧縮量（つぶし代）を調整することによって、最適な条件に耐クリープ設計をすることができる。これにより、発電セル１０１Ｍ、セパレータ１０２、バネ部材１０４等の構成部材がクリープ変形することを抑制することができる。また、燃料電池スタック１００は、バネ部材１０４を有することによって、固有振動数（共振周波数）を高めることができる。これにより、燃料電池スタック１００の耐振動性能をさらに向上させることができる。

また、枠体２００は、アノードガスＡＧが流通可能な複数のマニホールド部２３０と、マニホールド部２３０の周囲の少なくとも一部を封止してガスの流れを制限する複数のシール部２４０と、シール部２４０に沿って形成された複数のシール用梁部２５０と、をさらに有する。

マニホールド部２３０は、図１７に示すように、アノードガスＡＧを流入させるアノード側第１流入口２３０ａ、アノード側第２流入口２３０ｂおよびアノード側第３流入口２３０ｃと、アノードガスＡＧを流出させるアノード側第１流出口２３０ｄおよびアノード側第２流出口２３０ｅと、を有する。

また、枠体２００は、図１７に示すように、その外周側にカソードガスＣＧを通過（流入）させるカソード側第１流入口２００ｆ、カソード側第２流入口２００ｇと、カソードガスＣＧを通過（流出）させるカソード側第１流出口２００ｈ、カソード側第２流出口２００ｉおよびカソード側第３流出口２００ｊを各マニホールド部２３０間の空間に形成する。

シール部２４０は、マニホールド部２３０の周囲を囲うように配置されて、マニホールド部２３０の周囲を封止するシール機能を有する。これにより、シール部２４０は、アノードガスＡＧがカソード側の流路に向かって混入することを防止することができる。

また、シール部２４０は、図２０Ａに示すように、後述するシール用梁部２５０の凹部２５１内にロウ材２４１を配置して形成される。これにより、シール部２４０は、複数積層されたセルユニット１００Ｔと枠体２００とを接合することができる。

また、シール部２４０は、図２０Ｂに示すように、ロウ材２４１を使用することにより、セルユニット１００Ｔに対して平坦な接合面（ＸＹ平面）を形成することができる。これにより、燃料電池スタック１００は、シール部２４０において均一にスタッキング荷重を受けることができる。また、シール部２４０は、平坦な接合面を形成するため、スタッキング荷重を受けることによって生じるシール部２４０の反力が、セルユニット１００Ｔ側に生じることを抑制することができる。さらに、シール部２４０は、ロウ材２４１を使用することにより、長時間経過後における変形を抑制することができる。これにより、長時間運転における耐振動性能を向上させることができる。

シール用梁部２５０は、図２０Ｂに示すように、少なくとも一部に厚み方向（積層方向Ｚ）に凹んだ凹部２５１と、凹部２５１の表面に金属膜を形成したメタライズ処理部２５２と、を有する。枠体２００は、絶縁性を有するため、一般的に表面の濡れ性が低い。凹部２５１の表面にメタライズ処理部２５２を設けることによって、表面の濡れ性を向上させることができる。これにより、ロウ材２４１による接合強度を向上させることができる。

シール用梁部２５０は、凹部２５１を有することによって、断面形状が長方形の場合に比べて断面二次モーメントが大きくなる。これにより、シール用梁部２５０は、積層方向Ｚに作用するスタッキング荷重による変形を抑制することができる。このため、燃料電池スタック１００は、耐振動性能をより向上させることができる。本実施形態では、図２０Ｂに示すように、凹部２５１は、シール用梁部２５０の上下面に形成される。したがって、凹部２５１が形成されたシール用梁部２５０の断面形状はＩ字型である。このため、シール用梁部２５０は、断面形状が長方形に比べてより一層断面二次モーメントが大きくなる。このため、シール用梁部２５０は、積層方向Ｚに作用するスタッキング荷重による変形をさらに抑制し、耐振動性能をより一層向上させることができる。

（燃料電池スタック１００におけるガスの流れ）
図２１Ａは、燃料電池スタック１００におけるアノードガスＡＧおよびカソードガスＣＧの流れを模式的に示す斜視図である。図２１Ｂは、燃料電池スタック１００におけるカソードガスＣＧの流れを模式的に示す斜視図である。図２１Ｃは、燃料電池スタック１００におけるアノードガスＡＧの流れを模式的に示す斜視図である。

アノードガスＡＧは、外部マニホールド１１１、下部エンドプレート１０８、モジュールエンド１０５、枠体２００のマニホールド部２３０、セパレータ１０２、およびメタルサポートセルアッセンブリー１０１の各々の流入口を通過して、各々の発電セル１０１Ｍのアノード１０１Ｔに供給される。すなわち、アノードガスＡＧは、外部マニホールド１１１から終端の上部集電板１０６に至るまで、交互に積層されたセパレータ１０２とメタルサポートセルアッセンブリー１０１との隙間に設けられたアノード側の流路に分配して供給される。その後、アノードガスＡＧは、発電セル１０１Ｍで反応し、上記の各構成部材の各々の流出口を通過して排気ガスの状態で排出される。

アノードガスＡＧは、図２１Ａに示すように、セパレータ１０２を隔てて、カソードガスＣＧと交差するように、流路部１０２Ｌに供給される。アノードガスＡＧは、図２１Ｃにおいて、図２１Ｃの下方に位置するセパレータ１０２のアノード側第１流入口１０２ａ、アノード側第２流入口１０２ｂおよびアノード側第３流入口１０２ｃを通過し、メタルサポートセルアッセンブリー１０１のアノード側第１流入口１０１ａ、アノード側第２流入口１０１ｂおよびアノード側第３流入口１０１ｃを通過した後、図２１Ｃの上方に位置するセパレータ１０２の流路部１０２Ｌに流入して、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の発電セル１０１Ｍのアノード１０１Ｔに供給される。アノード１０１Ｔで反応した後のアノードガスＡＧは、排気ガスの状態で、図２１Ｃの上方に位置するセパレータ１０２の流路部１０２Ｌから流出して、メタルサポートセルアッセンブリー１０１のアノード側第１流出口１０１ｄおよびアノード側第２流出口１０１ｅを通過し、図２１Ｃ中の下方に位置するセパレータ１０２のアノード側第１流出口１０２ｄおよびアノード側第２流出口１０２ｅを通過して外部に排出される。

カソードガスＣＧは、外部マニホールド１１１、下部エンドプレート１０８、モジュールエンド１０５、セパレータ１０２、メタルサポートセルアッセンブリー１０１および枠体２００の各々の流入口および枠体２００とセルユニット１００Ｔとの間に形成される連通孔２６１（図１８Ｂを参照）を通過して、発電セル１０１Ｍのカソード１０１Ｕに供給される。すなわち、カソードガスＣＧは、外部マニホールド１１１から終端の上部集電板１０６に至るまで、交互に積層されたメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との隙間に設けられたカソード側の流路に分配して供給される。その後、カソードガスＣＧは、発電セル１０１Ｍで反応し、上記の各構成部材の各々の流出口を通過して排気ガスの状態で排出される。上記の各構成部材におけるカソードガスＣＧの流入口および流出口は、各々の構成部材の外周面と、エアーシェルター１１０の内側面との間の隙間によって、構成している。

カソードガスＣＧは、図２１Ｂにおいて、図２１Ｂの下方に位置するセパレータ１０２のカソード側第１流入口１０２ｆおよびカソード側第２流入口１０２ｇを通過し、そのセパレータ１０２の流路部１０２Ｌに流入して、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の発電セル１０１Ｍのカソード１０１Ｕに供給される。カソード１０１Ｕで反応した後のカソードガスＣＧは、排気ガスの状態で、図２１Ｂ中の下方に位置するセパレータ１０２の流路部１０２Ｌから流出して、そのセパレータ１０２のカソード側第１流出口１０２ｈ、カソード側第２流出口１０２ｉおよびカソード側第３流出口１０２ｊを通過して外部に排出される。なお、本実施形態では、燃料電池スタック１００は、カバー１１２内をカソードガスＣＧが自由に流通するいわゆるオープンカソード構造として構成している。

以上説明した実施形態に係る燃料電池スタック１００の作用効果を説明する。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、電解質１０１Ｓを両側から一対の電極１０１Ｔ、１０１Ｕで狭持してなり、供給されたガスによって発電する発電セル１０１Ｍと、発電セル１０１Ｍとの間にガスの流通路である流路部１０２Ｌを区画形成するセパレータ１０２と、を有するセルユニット１００Ｔを複数積層した燃料電池スタックである。該燃料電池スタックは、少なくとも一組の隣り合うセルユニット１００Ｔの間に配置された絶縁性を備える枠体２００を有する。枠体２００は、積層方向Ｚから見て、発電セル１０１Ｍが配置された領域よりも外周側を囲うように設けられた外周梁部２１０と、外周梁部２１０に連結された連結梁部２２０と、を有する。

上記燃料電池スタック１００によれば、枠体２００は、燃料電池スタック１００をスタックする際に積層方向Ｚに加えられるスタッキング荷重Ｐを積層方向Ｚに伝達する荷重伝達機能を有する。また、枠体２００は、スタッキング荷重を枠体２００の外周梁部２１０および連結梁部２２０によって受けるため、外周梁部２１０のみにスタッキング荷重が加わる場合に比べて、水平面（ＸＹ平面）において均一にスタッキング荷重を受けることができる。これにより、燃料電池スタック１００において、積層方向Ｚの荷重伝達を良好にすることができるため、枠体２００にかかる応力を低減して、枠体２００がクリープ変形することを抑制することができる。その結果、燃料電池スタック１００に対して高いスタッキング荷重を付与することができる。よって、燃料電池スタック１００は、長時間運転における耐振動性能を向上させて、燃料電池スタック１００の積層した構成部材の拘束力を長期にわたって維持することができる。

特に、本実施形態に係る燃料電池スタック１００は、電解質１０１Ｓとして固体酸化物セラミックスを用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であるため、稼働温度が約６００〜１０００℃と非常に高い。このため、固体高分子膜形燃料電池に比べて、稼働時に構成部材が比較的クリープ変形し易い。上記構成により、燃料電池スタック１００は、高温状態での長時間の運転においても、構成部材のクリープ変形を防止して、耐振動性能を向上させることができる。

また、枠体２００は、ガスが流通可能な複数のマニホールド部２３０と、マニホールド部２３０の周囲の少なくとも一部を封止してガスの流れを制限する複数のシール部２４０と、シール部２４０に沿って形成された複数のシール用梁部２５０と、をさらに有する。シール用梁部２５０は、積層方向Ｚに作用するスタッキング荷重を受けることによって、シール部２４０にかかる応力を低減することができる。これにより、シール部２４０は、シール機能を確保することができる。

また、外周梁部２１０は、少なくとも一組のシール用梁部２５０を連結して配置されるため、積層方向Ｚに作用するスタッキング荷重によってシール用梁部２５０にかかる応力を外周梁部２１０へ分散することができる。また、枠体２００の面内方向（ＸＹ方向）に外力が作用した場合でも、シール用梁部２５０にかかる応力を外周梁部２１０へ分散することができる。これにより、枠体２００は、シール部２４０への応力集中を防止することができる。

また、外周梁部２１０、連結梁部２２０およびシール用梁部２５０は、互いに連結されるため、積層方向Ｚに作用するスタッキング荷重によって枠体２００にかかる応力を外周梁部２１０、連結梁部２２０およびシール用梁部２５０の相互に分散することができる。また、枠体２００の面内方向（ＸＹ方向）に外力が作用した場合においても、外周梁部２１０、連結梁部２２０およびシール用梁部２５０の相互に応力を分散させることができる。これによって、枠体２００は、各々の部材にかかる応力を低減することができる。これにより、枠体２００は、外力によって変形することを抑制し、燃料電池スタック１００の耐振動性能をさらに向上させることができる。

また、シール用梁部２５０は、少なくとも一部に厚み方向（積層方向Ｚ）に凹んだ凹部２５１を有するため、断面形状が長方形の場合に比べて断面二次モーメントが大きくなる。これにより、シール用梁部２５０は、積層方向Ｚに作用するスタッキング荷重によって変形し難くなる。このため、燃料電池スタック１００は、耐振動性能をより向上させることができる。

また、シール用梁部２５０は、凹部２５１の表面に金属膜を形成したメタライズ処理部２５２を有する。シール部２４０は、シール用梁部２５０の凹部２５１内にロウ材２４１を配置して形成される。枠体２００は、絶縁性を有するため、一般的に表面の濡れ性が低い。凹部２５１の表面にメタライズ処理部２５２を設けることによって、表面の濡れ性を向上させることができる。これにより、シール部２４０による接合強度を向上させることができる。シール部２４０は、ロウ材２４１を使用することにより、セルユニット１００Ｔに対して平坦な接合面（ＸＹ平面）を形成することができる。これにより、燃料電池スタック１００は、シール部２４０において均一にスタッキング荷重を受けることができる。また、シール部２４０は、平坦な接合面を形成するため、スタッキング荷重を受けることによって生じるシール部２４０の反力が、セルユニット１００Ｔ側に生じることを抑制することができる。さらに、シール部２４０は、ロウ材２４１を使用することにより、長時間経過後における変形を抑制することができる。これにより、燃料電池スタック１００は、長時間運転における耐振動性能を向上させることができる。

また、セルユニット１００Ｔは、発電セル１０１Ｍを保持するセルフレーム１０１Ｗ（保持部材）をさらに有し、発電セル１０１Ｍは、セルフレーム１０１Ｗに複数並べて配置される。枠体２００は、各々の発電セル１０１Ｍの周囲を囲うように配置される。これにより、積層方向Ｚに作用するスタッキング荷重Ｐが燃料電池スタック１００に付与された際に、枠体２００は、発電セル１０１Ｍの周囲で当該スタッキング荷重Ｐを受ける。その結果、積層方向Ｚに作用するスタッキング荷重によって発電セル１０１Ｍにかかる応力を低減することができる。

また、枠体２００は、セルユニット１００Ｔとの間にガスが流通可能な連通孔２６１を形成する溝部２６０を有する。これにより、枠体２００によって面内方向（ＸＹ方向）のガス（カソードガスＣＧ）の流路が阻害されないため、発電セル１０１Ｍに効率的にガスを供給することができる。その結果、燃料電池スタック１００は、ガスの流通性を向上し、発電効率を向上させることができる。

また、セルユニット１００Ｔは、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２との電気的な接触を補助する集電補助層１０３と、集電補助層１０３とセパレータ１０２との間に設けられ、セパレータ１０２を発電セル１０１Ｍに押し付けるバネ部材１０４と、をさらに有する。集電補助層１０３は、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２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、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２との電気的な接触を補助することができる。また、バネ部材１０４は、集電補助層１０３を発電セル１０１Ｍに押し付けて、発電セル１０１Ｍと集電補助層１０３とを十分な面圧をもって接触させることができる。したがって、燃料電池スタック１００は、発電効率を十分に向上させることができる。また、燃料電池スタック１００は、バネ部材１０４を有することによって、固有振動数（共振周波数）を高めることができる。これにより、燃料電池スタック１００の耐振動性能をさらに向上させることができる。

また、枠体２００の厚みｔ１は、集電補助層の厚みと圧縮する前のバネ部材１０４の厚みを合計した厚みｔ２よりも小さい。枠体２００は、バネ部材１０４の積層方向Ｚへの圧縮量（変位）を規制することができる。このため、バネ部材１０４の圧縮量（つぶし代）を調整することによって、最適な条件に耐クリープ設計をすることができる。これにより、発電セル１０１Ｍ、セパレータ１０２、バネ部材１０４等の構成部材がクリープ変形することを抑制することができる。

（変形例１）
図２２Ａは、変形例１の一の形態に係るシール用梁部３５０Ａの凹部３５１Ａを示す断面図である。図２２Ｂは、変形例１の他の形態に係るシール用梁部３５０Ｂの凹部３５１Ｂを示す断面図である。

変形例１に係るシール用梁部３５０Ａ、３５０Ｂは、凹部３５１Ａ、３５１Ｂの形状が前述した実施形態に係るシール用梁部２５０と異なる。なお、他の構成は、前述した実施形態と同様のため、その説明を省略する。

変形例１に係るシール用梁部３５０Ａ、３５０Ｂの凹部３５１Ａ、３５１Ｂは、溶融する前の固体状のロウ材２４１を収容可能な収容部３５３Ａ、３５３Ｂと、収容部３５３Ａ、３５３Ｂからシール用梁部３５０Ａ、３５０Ｂの幅方向に延在し、シール用梁部３５０Ａ、３５０Ｂの厚み方向に傾斜した傾斜部３５４Ａ、３５４Ｂと、を有する。

図２２Ａに示す変形例１の一の形態に係るシール用梁部３５０Ａでは、凹部３５１Ａの収容部３５３Ａおよび傾斜部３５４Ａは、シール用梁部３５０Ａの上下に対向して配置されている。図２２Ｂに示す変形例１の他の形態に係るシール用梁部３５０Ｂでは、凹部３５１Ｂの収容部３５３Ｂおよび傾斜部３５４Ｂは、シール用梁部３５０Ｂの上下に互い違いに配置されてもよい。

以上説明したように、変形例１に係るシール用梁部３５０Ａ、３５０Ｂの凹部３５１Ａ、３５１Ｂは、ロウ材２４１を収容可能な収容部３５３Ａ、３５３Ｂと、収容部３５３Ａ、３５３Ｂから枠体２００の幅方向に延在し、枠体２００の厚み方向に傾斜した傾斜部３５４Ａ、３５４Ｂと、を有する。収容部３５３Ａ、３５３Ｂにロウ材２４１を配置することにより、ロウ材２４１の量を規定することができるため、ロウ材２４１の量の管理を容易に行うことができる。また、収容部３５３Ａ、３５３Ｂに収容されたロウ材２４１は、毛細管現象により傾斜部３５４Ａ、３５４Ｂを介して凹部３５１Ａ、３５１Ｂの表面全体に広がるため、ロウ材２４１の塗布を容易に行うことができる。

（変形例２）
図２３Ａは、変形例２に係る枠体４００を示す上面図である。図２３Ｂは、図２３Ａの２３Ｂ−２３Ｂ線に沿う断面図である。図２４Ａは、図２３Ａの２４Ａ−２４Ａ線に沿う断面図である。図２４Ｂは、図２４Ａの枠体４００およびセルユニット１００Ｔを積層した状態を示す断面図である。

変形例２に係る枠体４００は、図２３Ａに示すように、隣り合う枠体４００を互いに位置決めする位置決め部４７０を有する点で前述した実施形態に係る枠体２００と異なる。なお、他の構成は、前述した実施形態と同様のため、その説明を省略する。

位置決め部４７０は、図２３Ａに示すように、積層方向Ｚから見て、セルユニット１００Ｔよりも外周側に設けられる。図２３Ｂに示すように、位置決め部４７０は、シール用梁部２５０から枠体４００の面内方向（ＸＹ方向）に延在した部分により構成される。

位置決め部４７０は、図２４Ａに示すように、枠体の厚み方向の上方に突出した第１の突起部４７１と、枠体４００の厚み方向の下方に突出した第２の突起部４７２および第３の突起部４７３を有する。位置決め部４７０は、図２４Ｂに示すように、複数の枠体４００およびセルユニット１００Ｔが積層された際に、一の枠体４００の位置決め部４７０の第１の突起部４７１が、他の枠体の位置決め部４７０の第２の突起部４７２および第３の突起部４７３の間に嵌合するように構成されている。これにより、位置決め部４７０は、枠体４００の面内方向において積層位置を位置決めすることができる。

以上説明したように、変形例２に係る枠体４００は、積層方向Ｚから見て、セルユニット１００Ｔよりも外周側に設けられ、隣り合う枠体４００同士の位置決めをする位置決め部４７０を有する。これにより、燃料電池スタックを製造する際に、セルユニット１００Ｔおよび枠体４００の積層の位置ずれを防止することができる。また、振動入力に対して枠体４００が面内方向（ＸＹ方向）へずれることを防止することができる。したがって、燃料電池スタック１００の耐振動性能をさらに向上させることができる。

（変形例３）
図２５は、変形例３に係る枠体５００を示す上面図である。

変形例３に係る枠体５００は、シール部２４０を外周梁部５１０に設けている点で前述した実施形態に係る枠体５００と異なる。なお、他の構成は、前述した実施形態と同様のため、その説明を省略する。

変形例３に係る外周梁部５１０には、前述した実施形態に係るシール用梁部２５０と同様に、厚み方向（積層方向Ｚ）に凹んだ凹部と、凹部の表面に金属膜を形成したメタライズ処理部と、を有する。外周梁部５１０の凹部には、シール部２４０が配置される。

前述した実施形態では、燃料電池スタック１００は、オープンカソード構造として説明したが、変形例３に係る燃料電池スタックは、上記構成によって、枠体５００の外周にシール部２４０を設けたクローズカソード構造として構成することができる。

以上、実施形態およびその変形例を通じて本発明に係る燃料電池スタックを説明したが、本発明は実施形態およびその変形例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、前述した実施形態およびその変形例において、燃料電池スタックは、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。

また、枠体は、連結梁部を複数有する形態に限定されず、１つのみ有する形態とすることができる。

また、前述した実施形態では、連結梁部は、その両端が外周梁部または他の連結梁部に連結される形態を図１７に示して説明したが、一端のみが外周梁部または他の連結梁部に連結される形態にすることができる。

また、実施形態およびその変形例において説明した燃料電池スタックの各構成は、特許請求の範囲に記載された発明と矛盾することのない限りにおいて適宜組み合わせることができ、明細書において説明した組み合わせのみに限定されることはない。

また、実施形態およびその変形例において説明した燃料電池スタックの各部の構造や部材の配置等は適宜変更することができ、図示により説明した付加的な部材の使用の省略や、その他の付加的な部材の使用等も適宜に行い得る。

１００ 燃料電池スタック、
１００Ｍ セルスタックアッセンブリー、
１００Ｓ スタック、
１００Ｔ セルユニット、
１００Ｕ 接合体、
１００Ｐ 上部モジュールユニット、
１００Ｑ 中部モジュールユニット、
１００Ｒ 下部モジュールユニット、
１０１ メタルサポートセルアッセンブリー、
１０１Ｍ 発電セル、
１０１Ｎ メタルサポートセル、
１０１Ｓ 電解質、
１０１Ｔ アノード（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（保持部材）、
１０１ｋ 開口部、
１０２ セパレータ、
１０２Ｌ 流路部、
１０２ｐ 外縁、
１０２ｑ 溝、
１０２ｘ 平坦部、
１０２ｙ アノード側突起、
１０２ｚ カソード側突起、
１０３ 集電補助層、
１０４ バネ部材、
１０５ モジュールエンド、
１０６ 上部集電板、
１０７ 下部集電板、
１０８ 下部エンドプレート、
１０９ 上部エンドプレート、
１１０ エアーシェルター、
１１１ 外部マニホールド、
２００、４００、５００ 枠体、
２１０、５１０ 外周梁部、
２２０ 連結梁部、
２３０ マニホールド部、
２４０ シール部、
２４１ ロウ材、
２５０、３５０Ａ、３５０Ｂ シール用梁部、
２５１、３５１Ａ、３５１Ｂ 凹部、
２５２ メタライズ処理部、
３５３Ａ、３５３Ｂ 収容部、
３５４Ａ、３５４Ｂ 傾斜部、
２６０ 溝部、
２６１ 連通孔、
４７０ 位置決め部、
１０１ａ，１０２ａ，１０５ａ，１０７ａ，１０８ａ，１１１ａ、２３０ａ アノード側第１流入口、
１０１ｂ，１０２ｂ，１０５ｂ，１０７ｂ，１１１ｂ，１０８ｂ、２３０ｂ アノード側第２流入口、
１０１ｃ，１０２ｃ，１０５ｃ，１０７ｃ，１１１ｃ，１０８ｃ、２３０ｃ アノード側第３流入口、
１０１ｄ，１０２ｄ，１０８ｄ，１０７ｄ，１１１ｄ，１０５ｄ、２３０ｄ アノード側第１流出口、
１０１ｅ，１０２ｅ，１０５ｅ，１０７ｅ，１１１ｅ，１０８ｅ、２３０ｅ アノード側第２流出口、
１０１ｆ，１０８ｆ，１０２ｆ，１０５ｆ，１０７ｆ，１１１ｆ、２００ｆ カソード側第１流入口、
１０１ｇ，１０２ｇ，１０５ｇ，１０７ｇ，１０８ｇ，１１１ｇ、２００ｇ カソード側第２流入口、
１０１ｈ，１０２ｈ，１１１ｈ，１０５ｈ，１０７ｈ，１０８ｈ、２００ｈ カソード側第１流出口、
１０１ｉ，１０２ｉ，１０５ｉ，１０７ｉ，１０８ｉ，１１１ｉ、２００ｉ カソード側第２流出口、
１０１ｊ，１０２ｊ，１０５ｊ，１０７ｊ，１０８ｊ，１１１ｊ、２００ｊ カソード側第３流出口、
１１２ カバー、
Ｖ 接合ライン、
ＡＧ アノードガス、
ＣＧ カソードガス、
ｔ１ 枠体の厚み、
ｔ２ 集電補助層の厚みと圧縮する前のバネ部材の厚みを合計した厚み、
Ｘ （燃料電池スタックの）短手方向、
Ｙ （燃料電池スタックの）長手方向、
Ｚ （燃料電池スタックの）積層方向。

Claims (11)

1. 電解質を両側から一対の電極で狭持してなり、供給されたガスによって発電する発電セルと、
   前記発電セルとの間に前記ガスの流通路である流路部を区画形成するセパレータと、
   を有するセルユニットを複数積層した燃料電池スタックであって、
   少なくとも一組の隣り合う前記セルユニットの間に配置された絶縁性を備える枠体を有し、
   該枠体は、
   積層方向から見て、前記発電セルが配置された領域よりも外周側を囲うように設けられた外周梁部と、
   該外周梁部を相互に連結する連結梁部と、
   前記セパレータへのガスが流通可能なマニホールド部の少なくとも一部を封止するシール部に沿って形成された複数のシール用梁部と、
   を備えた、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記外周梁部は、少なくとも一組の前記シール用梁部を連結して配置される、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記外周梁部、前記連結梁部および複数の前記シール用梁部は、互いに連結して配置される、請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記シール用梁部は、少なくとも一部に厚み方向に凹んだ凹部を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記シール用梁部は、前記凹部の表面に金属膜を形成したメタライズ処理部を有し、
   前記シール部は、前記シール用梁部の前記凹部内にロウ材を配置して形成される、請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記シール用梁部の前記凹部は、
   前記ロウ材を収容可能な収容部と、
   前記収容部から前記シール用梁部の幅方向に延在し、前記シール用梁部の厚み方向に傾斜した傾斜部と、を有する、請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 前記セルユニットは、前記発電セルを保持する保持部材をさらに有し、
   前記発電セルは、前記保持部材に複数並べて配置され、
   前記枠体は、各々の前記発電セルの周囲を囲うように配置される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
8. 前記枠体は、前記セルユニットとの間に前記ガスが流通可能な連通孔を形成する溝部を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
9. 前記セルユニットは、
   前記発電セルと前記セパレータとの電気的な接触を補助する集電補助層と、
   前記集電補助層と前記セパレータとの間に設けられ、前記セパレータを前記発電セルに押し付けるバネ部材と、をさらに有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
10. 前記枠体の厚みは、前記集電補助層の厚みと圧縮する前の前記バネ部材の厚みを合計した厚みよりも小さい、請求項９に記載の燃料電池スタック。
11. 前記枠体は、積層方向から見て、前記セルユニットよりも外周側に設けられ、隣り合う前記枠体を互いに位置決めする位置決め部を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。