(57)【要約】【課題】高負荷運転時及び低負荷運転時における温度調整を良好に行いつつ、スタック構造体における温度分布の均一化を実現することができる燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料電池は、スタック構造体、反応用ガス誘導部材、筐体、反応用ガス導入部材及び冷却スポット防止部材を備えたものである。反応用ガス誘導部材は、スタック構造体の外周縁部に設けられ、スタック構造体と共にセルユニットの外側に反応用ガスが流通する外部内流路、外部内流路入口及び外部内流路出口を形成するものである。冷却スポット防止部材は、筐体の内部に設けられ、外部外流路入口部と外部外流路出口部とを形成すると共に、外部外流路入口部の反応用ガスと外部外流路出口部の反応用ガスとの熱交換を促進し、且つ外部外流路入口部の反応用ガスとスタック構造体との熱交換を抑制するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルユニットを互いに間隙をもって積層して成り、該セルユニットの内部に燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスが流通する反応用ガス内部流路を有するスタック構造体と、
上記スタック構造体の外周縁部に設けられ、上記スタック構造体と共に該セルユニットの外側に他方の反応用ガスが流通する反応用ガス外部内流路、反応用ガス外部内流路入口及び反応用ガス外部内流路出口を形成する反応用ガス誘導部材と、
上記反応用ガス誘導部材と共に該反応用ガス誘導部材の外側に他方の反応用ガスが流通する反応用ガス外部外流路を形成すると共に、上記スタック構造体及び上記反応用ガス誘導部材を収容する筐体と、
上記筐体に他方の反応用ガスを導入する反応用ガス導入部材と、
上記筐体の内部に設けられ、反応用ガス外部外流路入口部と反応用ガス外部外流路出口部とを形成すると共に、該反応用ガス外部外流路入口部の他の反応用ガスと該反応用ガス外部外流路出口部の他の反応用ガスとの熱交換を促進し、且つ該反応用ガス外部外流路入口部の他の反応用ガスと上記スタック構造体との熱交換を抑制する冷却スポット防止部材と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記冷却スポット防止部材は、一部が上記反応用ガス導入部材と係合すると共に、他部が上記反応用ガス誘導部材と係合し、且つ該反応用ガス導入部材と上記スタック構造体との間に間隙を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
上記反応用ガス誘導部材が、上記スタック構造体の各間隙に沿う複数の反応用ガス誘導片から成る分割型反応用ガス誘導部材であり、
上記冷却スポット防止部材は、上記反応用ガス誘導部材側の端部であって、上記スタック構造体の各間隙の間に切り欠きされた溝構造を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
上記冷却スポット防止部材は、上記反応用ガス外部外流路出口部側の表面に、熱交換効率を高めるための熱交換部材を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
上記冷却スポット防止部材は、上記反応用ガス外部外流路に導入される他方の反応用ガスの流量分布をほぼ均一とするため、上記反応用ガス外部外流路入口部側の表面に流量調整部材を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
上記冷却スポット防止部材は、上記反応用ガス外部外流路に導入される他方の反応用ガスの流量分布をほぼ均一とするため、上記反応用ガス外部外流路入口部側に湾曲した湾曲構造を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
上記冷却スポット防止部材は、圧縮付勢されて上記反応用ガス誘導部材に接触している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、更に詳細には、複数のセルユニットを互いに間隙をもって積層して成るスタック構造体を筐体に収容した構成を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池としては、例えば特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示された燃料電池は、セルユニットを積層して成るスタック構造体を、筐体に収容したものであり、その筐体には、スタック構造体の放射熱で反応用ガスを予熱する予熱空洞が設けられている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１３９９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、燃料電池において、発電時のセルユニットの発熱量がスタック構造体の放熱量よりも大きくなるような高負荷運転時には、スタック構造体のセルユニット間に冷却ガスを導入してスタック構造体の全体を冷却する必要がある。
【０００５】
このとき、スタック構造体のセルユニット間に冷却ガスを導入しないと、スタック構造体の温度が高くなり過ぎ、各セルユニットにおいて、金属腐食による電気抵抗の増大、単セル（発電要素）における電極と電解質の界面剥離による発電出力の低下、単セルとセル板との接合部の接着力若しくは接合力低下による破壊などが生じる可能性が無いとは言えないという問題点があった。
【０００６】
また、スタック構造体のセルユニット間に冷却ガスを直接導入すると、スタック構造体内部での温度分布の差が顕著になり、金属材料の変形による集電体の片当たり等の接触不良に起因する発電性能の低下や、単セルとセル板間の熱膨張率差に起因する熱応力破壊が生じる可能性が無いとは言えないという問題点があった。
【０００７】
ところが、上記特許文献１に記載された燃料電池では、スタック構造体に冷却ガスを直接導入することなく、筐体の予熱空洞においてスタック構造体の放射熱で反応用ガスを予熱することにより、効率良く熱を回収しスタック構造体をも冷却することができるものの、輻射伝熱を介して熱交換しているため、負荷変動によりスタック構造体からの放射熱を変動させる場合には、スタック構造体の動作温度を変動させるか、予熱空洞の温度を下げる必要があり、スタック構造体を所望の温度にするには時間が掛かり、車載のような負荷変動を急激に行う運転をさせる場合においては、スタック構造体の温度分布を所望の温度範囲に調節して運転することが極めて困難である。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高負荷運転時及び低負荷運転時における温度調整を良好に行いつつ、スタック構造体における温度分布の均一化を実現することができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、所定の反応用ガス誘導部材と所定の冷却スポット防止部材とを所定の位置に配設することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明の燃料電池は、スタック構造体と、反応用ガス誘導部材と、筐体と、反応用ガス導入部材と、冷却スポット防止部材とを備えたものである。
かかるスタック構造体は、複数のセルユニットを互いに間隙をもって積層して成り、該セルユニットの内部に燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスが流通する反応用ガス内部流路を有するものである。
また、かかる反応用ガス誘導部材は、スタック構造体の外周縁部に設けられ、スタック構造体と共にセルユニットの外側に他方の反応用ガスが流通する反応用ガス外部内流路、反応用ガス外部内流路入口及び反応用ガス外部内流路出口を形成するものである。
更に、かかる筐体は、反応用ガス誘導部材と共に反応用ガス誘導部材の外側に他方の反応用ガスが流通する反応用ガス外部外流路を形成すると共に、スタック構造体及び反応用ガス誘導部材を収容するものである。
また、かかる反応用ガス導入部材は、筐体に他方の反応用ガスを導入するものである。
更にまた、かかる冷却スポット防止部材は、筐体の内部に設けられ、反応用ガス外部外流路入口部と反応用ガス外部外流路出口部とを形成すると共に、反応用ガス外部外流路入口部の他の反応用ガスと反応用ガス外部外流路出口部の他の反応用ガスとの熱交換を促進し、且つ反応用ガス外部外流路入口部の他の反応用ガスとスタック構造体との熱交換を抑制するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、所定の反応用ガス誘導部材と所定の冷却スポット防止部材とを所定の位置に配設することなどとしたため、高負荷運転時及び低負荷運転時における温度調整を良好に行いつつ、スタック構造体における温度分布の均一化を実現することができる燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の若干の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（１）第１の実施形態
図１（Ａ）は、第１の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図、（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図である。また、図２は、図１（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ”線における断面図である。更に、図３は、図１（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ”線における断面図の一部を拡大して示す部分拡大図である。図４（Ａ）は、第１の実施形態に係る燃料電池におけるセルユニットの概略的な構成を示す分解斜視図、（Ｂ）は、第１の実施形態に係る燃料電池におけるスタック構造体の概略的な構成を示す斜視図である。なお、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す矢印は、他の反応用ガスの流動方向を示している。
【００１４】
本実施形態に係る燃料電池は、図１（Ａ）に示すように、スタック構造体１０と、スタック構造体１０の外周縁部１０ａに設けられた反応用ガス誘導部材２０と、スタック構造体１０及び反応用ガス誘導部材２０を収容する筐体３０と、反応用ガス導入部材４０と、反応用ガス排出部材５０と、筐体３０の内部に設けられた冷却スポット防止部材６０とを備えたものである。
【００１５】
スタック構造体１０は、複数の固体電解質型セルユニット（以下、「セルユニット」ということがある。）を互いに間隙をもって積層して成るものである。
なお、詳しくは後述するが、スタック構造体１０は、セルユニットの内部に燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスが流通する反応用ガス内部流路を有する。
【００１６】
筐体３０は、詳しくは後述する反応用ガス誘導部材２０と共に反応用ガス誘導部材２０の外側に他方の反応用ガスが流通する反応用ガス外部外流路Ｂを形成するものであり、平面視円形にした底壁３１と上壁３２の全周にわたり周壁３３を囲繞形成した気密性を有する円筒形に形成されている。
筐体３０は、本実施形態においては、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６で形成されている。なお、底壁３１、上壁３２及び周壁３３の各内面には、輻射を反射させるための銀（Ａｇ）コーティング（図示しない）が施されていると共に、それらの各外面には、断熱材（図示しない）が被覆されている。
【００１７】
反応用ガス排出部材５０は、筐体３０から他方の反応用ガスを排出するものであり、本実施形態においては、周壁３３の内側であって軸線を通る直径線であるＩＩ−ＩＩ’線上に配設されている。
反応用ガス排出部材５０は、本実施形態においては、円筒形に形成されたガス排出管が適用されており、筐体３０の外部に接続した状態で配設されている。
【００１８】
反応用ガス導入部材４０は、筐体３０に他方の反応用ガスを導入するものであり、本実施形態においては、反応用ガス排出部材５０の近傍に配設されている。
反応用ガス導入部材４０は、本実施形態においては、円筒形に形成された一対のガス導入管であって、その周壁４１に他方の反応用ガスを筐体３０の内部に導入するための導入孔４２が上下多段にして形成されているものである。一対のガス導入管は、筐体３０の内部に一部が含まれた状態で配設されている。
なお、本実施形態においては、反応用ガス導入部材４０と反応用ガス排出部材５０とは筐体３０と同一の材質のもので形成しているが、別の材質のもので形成してもよいことは勿論である。
また、本実施形態においては、反応用ガス導入部材４０から導入される反応用ガスは酸化剤ガス（例えば、空気を挙げることができる。）であり、その反応用ガスを他方の反応用ガスといい、セルユニットの内部に導入される燃料ガスを一方の反応用ガスという。更に、他方の反応用ガスを燃料ガス、一方の反応用ガスを酸化剤ガスとしてもよいことは勿論である。
【００１９】
反応用ガス誘導部材２０は、スタック構造体１０と共にセルユニットの外側に他方の反応用ガスが流通する反応用ガス外部内流路Ｄ、反応用ガス外部内流路入口Ｃ及び反応用ガス外部内流路出口Ｅを形成するものであり、本実施形態においては、一対の反応用ガス導入部材２０により構成されている。
【００２０】
反応用ガス誘導部材２０は、本実施形態においては、スタック構造体１０の高さ寸法Ｈとほぼ同じ幅寸法Ｈ´にしているとともに、そのスタック構造体１０の外周縁部１０ａの約２／３を覆う長さにした横長方形の板材を、当該外周縁部１０ａに沿う一円周をなすように曲成したものである。このような反応用ガス誘導部材２０は、例えば０．１（ｍｍ）ほどの肉厚にしたＳＵＳ３１６により形成することができる。
なお、スタック構造体１０の外周縁部１０ａは、セルユニットの外縁部と言い換えることができる。
【００２１】
また、本実施形態においては、反応用ガス誘導部材２０の一部に、又は、反応用ガス誘導部材２０の開放端の間に、筐体３０内に導入された他方の反応用ガスをスタック構造体１０における各セルユニット間の間隙から形成される反応用ガス外部内流路Ｄに誘うための開口域、即ち反応用ガス外部内流路入口Ｃ及び反応用ガス外部内流路Ｄから排出するための開口域、即ち反応用ガス外部内流路出口Ｅが区画形成されている。
【００２２】
換言すると、反応用ガス誘導部材２０は、図１（Ｂ）に示すように、平面視において直径線であるＩＩ−ＩＩ’線を中心として線対称に曲成されており、その反応用ガス誘導部材２０と筐体３０の周壁３３内面との間に、他方の反応用ガスを流通させるための反応用ガス外部外流路Ｂが区画形成されている。
【００２３】
反応用ガス誘導部材２０は、本実施形態においては、０．１（ｍｍ）ほどの肉厚にしたＳＵＳ３１６によって形成することにより熱伝導性を有するものとしているが、熱伝導性を有しない材質で形成してもよい。また、反応用ガス誘導部材２０としては、ＳＵＳ３１６の他、良伝導伝熱性を有し且つ耐熱性を有するとともに、耐酸化性又は耐還元性を有する材料を使用することができる。
【００２４】
例えばＦｅ−Ｃｒ含有ステンレス、ＳＵＳ４３０のフェライト系ステンレスや、ＳＵＳ３０４、Ｃｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵ、Ｎｉ系のステンレス、例えば、インコネル（登録商標）等を採用することができるが、これらに限らない。また、反応用ガス誘導部材自体を熱伝導性の高い材料を含む絶縁材で形成してもよい。
【００２５】
冷却スポット防止部材６０は、反応用ガス外部外流路入口部Ａと反応用ガス外部外流路出口部Ｆとを形成すると共に、反応用ガス外部外流路入口部Ａの他の反応用ガスと反応用ガス外部外流路出口部Ｆの他の反応用ガスとの熱交換を促進し、且つ反応用ガス外部外流路入口部Ａの他の反応用ガスとスタック構造体１０との熱交換を抑制するものである。
冷却スポット防止部材６０は、本実施形態においては、スタック構造体１０の高さ寸法Ｈとほぼ同じ幅寸法にしているとともに、一部が反応用ガス導入部材４０である一対のガス導入管とガス導入管を巻き込んで保持するように係合し、他部（別の一部）が反応用ガス誘導部材２０である一対の反応用ガス誘導部材と係合する長さにした横長方形の板材を、反応用ガス導入部材４０であるガス導入管とスタック構造体１０との間に間隙Ｕを形成するように配設したものである。
このような冷却スポット防止部材６０は、例えば０．１（ｍｍ）ほどの肉厚にしたＳＵＳ３１６により形成することができる。
ここで、本発明において、「反応用ガス外部外流路入口部Ａ」とは、他の反応用ガスが反応用ガス導入部材により導入される領域であって、冷却スポット防止部材の近傍、例えば平面視したときの冷却スポット防止部材からの距離が３（ｍｍ）ほどまでの範囲をいう。同様に「反応用ガス外部外流路出口部Ｆ」とは、他の反応用ガスが反応用ガス排出部材により排出される領域であって、冷却スポット防止部材の近傍、例えば平面視したときの冷却スポット防止部材からの距離が３０（ｍｍ）ほどまでの範囲をいう。
なお、本実施形態においては、反応用ガス誘導部材２０、反応用ガス導入部材４０、冷却スポット防止部材６０及び底壁３１は一体的に着脱できるように構成されている。
【００２６】
スタック構造体１０は、複数のセルユニット１００を互いに間隙Ｓをもって積層して成るものである。セルユニット１００は、図４（Ａ）に示すように、固体電解質型セル１０１の上側にユニット内集電体１０２とセパレータ１０３とを、下側にセル板１０４とユニット外集電体１０５とを軸線Ｏを中心とした同軸的に整列積層させた円盤形のものである。
【００２７】
固体電解質型セル１０１は、中心に円形開口１０１ａを形成した円盤形のものであり、例えばペロブスカイト型酸化物系、リン酸塩系、ホウ酸塩系などの固体酸を電解質として使用している。
また、本実施形態においては、固体電解質型セル１０１は、燃料極をニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメット、電解質を８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニアとするとともに、空気極をランタンストロンチウムマンガナイトとして、燃料極に電解質及び空気極をスパッタ法により成膜した燃料極支持型セルである。
【００２８】
セル板１０４は、肉厚が０．１（ｍｍ）ほどのＳＵＳ４３０の圧延板により形成されており、中心に円形段差部１０４ａを形成し、且つ、１２５（ｍｍ）ほどの外径にした円形基部１０４ｂの周縁部に、周壁１０４ｃを起立形成したものである。
円形段差部１０４ａは、隣接するセルユニット１００との間に、他方の反応用ガスを流通させるための間隙Ｓが形成される高さとし、且つ下向きに突出して形成されている。
また、円形段差部１０４ａの周囲には、固体電解質型セル１０１を固定するための、例えばＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系のガラスペースト（図示しない）を塗布している。
【００２９】
セパレータ１０３は、セル板１０４と同じ材質の圧延板により形成されており、中心に円形段差部１０３ａを形成し、且つ、１２５（ｍｍ）ほどの外径にした円形基部１０３ｂの周縁部に、周壁１０３ｃを垂下形成したものである。
円形段差部１０３ａは、隣接するセルユニット１００との間に、他方の反応用ガスを流通させるための間隙Ｓが形成される高さとし、且つ上向きに突出して形成されている。
【００３０】
上下のセルユニット１００、１００を互いに積層することにより、セル板１０４の円形段差部１０４ａと、セパレータ１０３の円形段差部１０３ａとが当接し、これによりセルユニット１００、１００間に間隙Ｓが形成される。
【００３１】
本実施形態においては、円形段差部１０４ａ、１０３ａをセル板１０４とセパレータ１０３の双方に互いに対称をなすように形成しているので、応力集中を抑制することができるとともに、両円形段差部１０４ａ、１０３ａの大きさにかかわらず、機械的強度の向上を図ることができる。
【００３２】
なお、円形段差部１０４ａ、１０３ａをセル板１０４とセパレータ１０３のいずれか一方に形成したときには、固体電解質型セル１０１の搭載面積を拡大することができる。
また、耐熱衝撃性の向上や出力密度の向上等の重視する特性に応じてセル板１０４及びセパレータ１０３の形状を変更できることは勿論である。
【００３３】
なお、円形段差部１０４ａ、１０３ａには、下記の流路部品１０６に形成したガス導入路１０６ａ及びガス排出路１０６ｂと連通し、セルユニット１００の内部に形成される一方の反応用ガスが流通する反応用ガス内部流路Ｚを構成する空隙Ｔに一方の反応用ガスの供給や排出を行うための流通孔１０３ｄ、１０３ｅを形成した流路部品１０６、１０６（一方は図示していない）が配設されている。
流路部品１０６、１０６は、ＳＵＳ４３０により形成されており、接合温度を１０００（℃）以下とした真空中での拡散接合によりセル板１０４及びセパレータ１０３の円形段差部１０４ａ、１０３ａにそれぞれ固着されている。
【００３４】
ユニット内集電体１０２はインコネル（登録商標）製の金属メッシュを円環形に成形したものであり、これの周縁部をセル板１０４及びセパレータ１０３にレーザ溶接等により接合している。
【００３５】
セル板１０４とセパレータ１０３は、互いの周壁１０４ｃ、１０３ｃを当接させることにより、これらの間に反応用ガス内部流路Ｚとなる空隙Ｔが区画形成され、その空隙Ｔにユニット内集電体１０２を配置している。
【００３６】
当接した周壁１０４ｃ、１０３ｃ同士は、全周にわたり気密的（ガス密的）にレーザ溶接等により接合され、これにより、厚さ１．５（ｍｍ）ほどのセルユニット１００を構成している。
【００３７】
セル板１０４とセパレータ１０３は、超硬やＳＫＤ１１等から成る金型を装備したプレス装置（いずれも図示しない）により、上記圧延板に８０（ｔ）程度の荷重を加えることによるプレス加工により成型されている。
【００３８】
また、図２に示すように、本実施形態においては、スタック構造体１０とガス誘導部材２０、２０との間には、電気的絶縁性を有し且つ熱伝導性を有する絶縁層７０が配設されている。
絶縁層７０は、ガラスコート７１、ガラスウール，セラミックシートにより形成され若しくはスタック構造体１０とガス誘導部材２０とユニット外集電体１０５との間にセラミックを充填することにより形成されている。
【００３９】
なお、本実施形態においては、ユニット外集電体１０５を絶縁層７０を介してガス誘導部材２０に密接させている。
また、本実施形態においては、ユニット外集電体１０５及びセルユニット１００を絶縁層７０を介してガス誘導部材２０に密接させているが、セルユニット１００又はユニット外集電体１０５を絶縁層７０を介してガス誘導部材２０に密接させてもよい。なお、絶縁層７０は極力薄く形成することが好ましい。
【００４０】
絶縁層７０としては、上記したガラスコート等の他、キャスタブル耐火物、ポルトランドセメント，アルミナセメント，燐酸セメント，珪酸セメントなどの耐火性発泡セメントや、耐火モルタル、石膏、セラミックス接着剤、泡ガラス等の不定形材料や、ガラス繊維、セラミックス繊維等の材料を採用することができる。
【００４１】
このように、反応用ガス誘導部材２０をスタック構造体１０の外周縁部１０ａに絶縁状態で密着させる構成を採用したことにより、スタック構造体１０内部の良伝導伝熱性を有するユニット外集電体１０５、セパレータ１０３、セル板１０４やユニット内集電体１０２等の構成部材から、反応用ガス誘導部材２０に対して熱を効率よく伝えることができるとともに、振動や熱分布によるセルユニット１００の変形が抑えられて、ユニット外集電体１０５の片当たりを低減させられ、発電性能の高出力安定化を図ることができる。
【００４２】
上記の構成からなる燃料電池の製造工程は、概ね次のとおりである。
まず、セルユニット１００の各中心部分にシール結合材の一例であるＡｌ２Ｏ３を主成分とするセラミックス系接着材を二重のリング状に塗布し、１．５（ｍｍ）の間隙Ｓをもって順次重ね合わせてスタック構造体１０を形成する。
【００４３】
次に、スタック構造体１０の外周縁部１０ａに対し、絶縁層７０を介してガス誘導部材２０、２０が密着するようにし、例えばボルト（図示しない）等により、スタック構造体１０に対してガス誘導部材２０、２０を固定する。
【００４４】
そして、上記積層したセルユニット１００を上下からフランジで挟み込み、スタッドボルトとナット（いずれも図示しない）により、それらセルユニット１００同士を締結する。
【００４５】
上記のシール接合材としてはガラス系の接着材や、ガラスにセラミックス繊維やフィラーを加えて成型したガスケットを使用することができる他、上記したように固体電解質型セル１０１が円盤形に形成されている場合には、金属粉が混在するペースト状接着材や、ガスケット状のろう材や、金属ガスケットを使用することができる。
【００４６】
ここで、本実施形態における他方の反応用ガスの流動状態は、次のとおりである。
図１（Ｂ）に示すように、他方の反応用ガスは、反応用ガス導入部材４０であるガス導入管から反応用ガス外部外流路入口部Ａに導入され、反応用ガス外部外流路Ｂを通って周回し、反応用ガス外部内流路入口Ｃを通って、複数のセルユニットの間隙である反応用ガス外部内流路Ｄに導入され、反応用ガス外部内流路出口Ｅを通って、反応用ガス外部外流路出口部Ｆに排出され、反応用ガス排出部材５０であるガス排出管から排出される。
【００４７】
以上のように説明した燃料電池の動作は、次のとおりである。
【００４８】
＜高負荷運転時＞
ガス誘導部材２０、２０によって他方の反応用ガスをスタック構造体１０の外周縁部１０ａに沿って周回させることによって、スタック構造体１０のガス排出側を冷却するとともに、スタック構造体１０の外周縁部１０ａに沿って周回する間に暖められた他方の反応用ガスは、スタック構造体１０におけるセルユニット間の間隙Ｓを通じて反応用ガス排出部材５０であるガス排出管に向けて流動する。
これにより、スタック構造体１０で発生する熱が反応用ガスにより運ばれ、セルユニット１００の面内における上記ガス排出部側でガスが高温と成る領域を、反応用ガス誘導部材２０、２０によりスタック構造体１０の外周縁部１０ａから冷却することによって、スタック構造体１０の固体電解質型セルユニット１００の平面内における温度分布の均一化を図ることができ、スタック構造体１０の内部を所望の温度差に抑えられる。
また、冷却スポット防止部材６０を反応用ガス外部外流路入口部Ａと反応用ガス外部外流路出口部Ｆとを形成するように所定の位置に設けることによって、反応用ガス外部外流路入口部Ａに供給される低温の反応用ガスにより、スタック構造体１０に発生する局所的な冷却スポットを無くすことが可能となる。
更に、反応用ガス外部外流路入口部Ａと反応用ガス外部外流路出口部Ｆとが冷却スポット防止部材６０により形成され、伝熱面積が増加することによって、反応用ガス外部外流路入口部Ａに供給される低温の反応用ガスと反応用ガス外部外流路出口部Ｆから排出される高温の反応用ガスの熱交換を促進し、高温の反応用ガスをスタック構造体１０に供給することが可能となり、燃料電池の発電性能を高めることが可能となる。
【００４９】
＜低負荷運転時＞
ガス誘導部材２０、２０によって、他方の反応用ガスをスタック構造体１０の外周縁部１０ａに沿って周回させることによって、スタック構造体１０のガス排出側を加熱するとともに、スタック構造体１０の外周縁部１０ａに沿って周回する間に冷やされた他方の反応用ガスは、スタック構造体１０におけるセルユニット間の間隙Ｓを通じて反応用ガス排出部材５０であるガス排出管に向けて流動する。
これにより、スタック構造体１０で発生する熱量がスタック構造体外へ放熱する熱量を上回る場合において、スタック構造体１０の外周縁部１０ａからスタック構造体１０を加熱することによって、スタック構造体１０の温度を保温すると共に、スタック構造体１０の固体電解質型セルユニット１００の平面内における温度分布の均一化を図ることができ、スタック構造体１０の内部を所望の温度差に抑えられる。
【００５０】
更に、冷却スポット防止部材により反応用ガス外部外流路入口部Ａと反応用ガス外部外流路出口部Ｆとを形成することによって、筐体の外部に反応用ガス排出部材を取り付けるだけでガス排出が可能となるという副次的効果が得られる。
また、筐体の内部に反応用ガス排出部材５０を作製して組み込む必要が無く、簡易的に反応用ガス外部外流路Ｆを形成することが可能となるという副次的効果が得られる。
更に、反応用ガス導入部材４０や反応用ガス排出部材５０の位置決めが容易となるという副次的効果が得られる。
更にまた、燃料電池における温度分布の均一化を図ることができるため、更なる小型化を図ることができるという副次的効果が得られる。
【００５１】
（２）第２の実施形態
図５（Ａ）は、第２の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図、（Ｂ）は、図５（Ａ）の燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図である。また、図６は、図５（Ｂ）のＶＩ−ＶＩ線における断面図の一部を拡大して示す部分拡大図である。なお、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す矢印は、他の反応用ガスの流動方向を示している。また、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００５２】
図５及び図６に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、反応用ガス誘導部材２０及び冷却スポット防止部材６０の構成が、上述した第１の実施形態に係る燃料電池と相違している。
即ち、本実施形態においては、反応用ガス誘導部材２０が一体型反応用ガス誘導部材ではなく、スタック構造体１０の各間隙Ｓに沿う複数の反応用ガス誘導片２０ａから成る分割型反応用ガス誘導部材である。また、本実施形態においては、冷却スポット防止部材６０が、反応用ガス誘導部材２０側の端部であって、スタック構造体１０の各間隙Ｓの間に切り欠きされた溝構造を有する。更に、本実施形態においては、スタック構造体１０と反応用ガス誘導部材２０とが絶縁層７０を介さずに直に接している。
ここで、反応用ガス誘導片２０ａは、スタック構造体１０の外周縁部１０ａ、換言すればセルユニット１００の外縁部の約２／３を覆い且つ当該外周縁部１０ａに沿う長さにした横長方形の板材を、当該外周縁部１０ａに沿う一円周をなすように曲成したものである。
このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様の作用及び効果が得られるだけでなく、スタック構造体１０の積層方向の電気的短絡を回避しつつ、スタック構造体１０の水平方向の熱伝導性を高めることができ、当該スタック構造体１０内部の熱を反応用ガス誘導片２０ａに効率良く伝達できる。
【００５３】
（３）第３の実施形態
図７（Ａ）は、第３の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図、（Ｂ）は、図７（Ａ）の燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図である。なお、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す矢印は、他の反応用ガスの流動方向を示している。また、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００５４】
同図に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、冷却スポット防止部材６０の構成が、上述した第１の実施形態に係る燃料電池と相違している。
即ち、本実施形態においては、冷却スポット防止部材６０が反応用ガス外部外流路出口部Ｆ側の表面に、熱交換効率を高めるための熱交換部材６１を複数有する冷却スポット防止部材である。
ここで、熱交換部材６１は、スタック構造体１０の互いに重なり合うセルユニットの積層ピッチに一致した間隔にして上下多段に水平に配列されたものである。
本実施形態においては、ＳＵＳ３１６で形成されたフィンを適用しているが、これに限定されるものではない。例えば、ＳＵＳ３０４で形成してもよい。
このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様の作用及び効果が得られるだけでなく、冷却スポット防止部材の伝熱面積が増加することによって、反応用ガス外部外流路入口部Ａに供給される低温の反応用ガスと反応用ガス外部外流路出口部Ｆから排出される高温の反応用ガスの熱交換を促進することができる。
【００５５】
（４）第４の実施形態
図８（Ａ）は、第４の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図、（Ｂ）は、図８（Ａ）の燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図である。なお、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示す矢印は、他の反応用ガスの流動方向を示している。また、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００５６】
同図に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、冷却スポット防止部材６０の構成が、上述した第１の実施形態に係る燃料電池と相違している。
即ち、本実施形態においては、冷却スポット防止部材６０が反応用ガス外部外流路Ｂに導入される他方の反応用ガスの流量分布をほぼ均一とするため、反応用ガス外部外流路入口部Ａ側の表面に流量調整部材６２を複数有する冷却スポット防止部材である。
ここで、流量調整部材６２は、スタック構造体１０の互いに重なり合うセルユニットの積層ピッチに一致した間隔にして上下多段に水平に配列されたものである。
本実施形態においては、ＳＵＳ３１６で形成されたフィンを適用しているが、これに限定されるものではない。例えば、ＳＵＳ３０４で形成してもよい。
このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様の作用及び効果が得られるだけでなく、スタック構造体１０にほぼ均一な流量分布のガスを供給することができ、各セルユニット１００の発電量を等しくすることが可能となり、スタック構造体１０全体の発電状態を安定させることができる。
【００５７】
（５）第５の実施形態
図９（Ａ）は、第５の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図、（Ｂ）は、図９（Ａ）の燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図である。なお、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示す矢印は、他の反応用ガスの流動方向を示している。また、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００５８】
同図に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、冷却スポット防止部材６０の形状が、上述した第１の実施形態に係る燃料電池と相違している。
即ち、本実施形態においては、冷却スポット防止部材６０が反応用ガス外部外流路Ｂに導入される他方の反応用ガスの流量分布をほぼ均一とするため、反応用ガス外部外流路入口部Ａ側に湾曲した湾曲構造６３を有する冷却スポット防止部材である。
このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様の作用及び効果が得られるだけでなく、スタック構造体１０にほぼ均一な流量分布のガスを供給することができ、各セルユニット１００の発電量を等しくすることが可能となり、スタック構造体１０全体の発電状態を安定させることができる。
【００５９】
（６）第６の実施形態
図１０は、第６の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図の一部を拡大して示す部分拡大図である。なお、図１０に示す矢印は、他の反応用ガスの流動方向を示している。また、他の構成は、第１の実施形態において説明したものと同等のものであり、説明を省略する。
【００６０】
同図に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、冷却スポット防止部材６０の形状が、上述した第１の実施形態に係る燃料電池と相違している。
即ち、本実施形態においては、冷却スポット防止部材６０が第１の実施形態における冷却スポット防止部材と異なる他の形状を有するものである。
本実施形態においても、冷却スポット防止部材６０は、筐体の内部に設けられ、反応用ガス外部外流路入口部Ａと反応用ガス外部外流路出口部Ｆとを形成しており、反応用ガス外部外流路入口部Ａの他の反応用ガスと反応用ガス外部外流路出口部Ｆの他の反応用ガスとの熱交換を促進し、且つ反応用ガス外部外流路入口部Ａの他の反応用ガスとスタック構造体１０との熱交換を抑制することができる。
このような構成とすることによっても、第１の実施形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００６１】
（７）第７の実施形態
図１１は、第７の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図の一部を拡大して示す部分拡大図である。なお、図１１に示す矢印は、他の反応用ガスの流動方向を示している。また、他の構成は、第１の実施形態において説明したものと同等のものであり、説明を省略する。
【００６２】
同図に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、冷却スポット防止部材６０の形状が、上述した第１の実施形態に係る燃料電池と相違している。
即ち、本実施形態においては、冷却スポット防止部材６０が第１に実施形態における冷却スポット防止部材と異なる他の形状を有するものである。更に、冷却スポット防止部材６０は、圧縮付勢されて反応用ガス誘導部材２０に接触している。
ここで、圧縮付勢されて反応用ガス誘導部材２０に接触している冷却スポット防止部材６０は、弾性を有しており、反応用ガス誘導体２０を介してスタック構造体１０を保持している。もちろん、反応用ガス導入部材４０を保持するようにしてもよい。
このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様の作用及び効果が得られるだけでなく、車載時の振動などに起因するスタック構造体１０や反応用ガス誘導部材と筐体３０との相対的な位置のずれを冷却スポット防止部材６０によって抑制することができ、耐震性を向上させることができる。
【００６３】
（８）第８の実施形態
図１２（Ａ）は、第８の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図、（Ｂ）は、図１２（Ａ）の燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図である。なお、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示す矢印は、他の反応用ガスの流動方向を示している。また、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
同図に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、冷却スポット防止部材６０の形状、反応用ガス導入部材４０の個数、形状及び配置が、上述した第１の実施形態に係る燃料電池と相違している。
即ち、本実施形態においては、冷却スポット防止部材６０が第１に実施形態における冷却スポット防止部材と異なる他の形状を有するものである。
また、反応用ガス導入部材４０が、第１の実施形態においては２個であり複数個配置されているところ、本実施形態においては、１個である。更に、本実施形態においては、反応用ガス導入部材４０が第１に実施形態における反応用ガス導入部材と異なる他の形状を有するものである。更にまた、反応用ガス導入部材４０が、第１の実施形態においては、反応用ガス外部外流路入口部Ａに配設されているところ、本実施形態においては、反応用ガス外部外流路出口部Ｆに配設されている。そして、本実施形態においては、反応用ガス外部外流路入口部Ａの他の反応用ガスと反応用ガス外部外流路出口部Ｆの他の反応用ガスとの熱交換をより促進することができる。
このような構成とすることによっても、第１の実施形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００６５】
（９）第９の実施形態
図１３（Ａ）は、第９の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図、（Ｂ）は、図１３（Ａ）の燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図である。なお、図１３（Ａ）及び（Ｂ）に示す矢印は、他の反応用ガスの流動方向を示している。また、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００６６】
同図に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、冷却スポット防止部材６０の個数及び形状、並びに反応用ガス導入部材４０の個数及び形状が、上述した第１の実施形態に係る燃料電池と相違している。
即ち、冷却スポット防止部材６０が、第１の実施形態においては２個であり複数個配置されているところ、本実施形態においては１個である。また、本実施形態においては、冷却スポット防止部材６０が第１に実施形態における冷却スポット防止部材と異なる他の形状を有するものである。
更に、反応用ガス誘導部材４０が、第１の実施形態においては２個であり複数個配置されているところ、本実施形態においては１個である。更にまた、本実施形態においては、反応用ガス誘導部材４０が第１に実施形態における反応用ガス誘導部材と異なる他の形状（平面視扁平楕円形）を有するものである。そして、反応用ガス誘導部材４０と冷却スポット防止部材との接触面積が大きくなるように配設されており、本実施形態においては、反応用ガス外部外流路入口部Ａの他の反応用ガスと反応用ガス外部外流路出口部Ｆの他の反応用ガスとの熱交換をより促進することができる。
このような構成とすることによっても、第１の実施形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００６７】
（１０）第１０の実施形態
図１４（Ａ）は、第１０の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図、（Ｂ）は、図１４（Ａ）の燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図である。なお、図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示す矢印は、他の反応用ガスの流動方向を示している。また、第１の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
同図に示すように、本実施形態に係る燃料電池は、冷却スポット防止部材６０の構成が、上述した第１の実施形態に係る燃料電池と相違している。
即ち、本実施形態においては、冷却スポット防止部材６０が反応用ガス導入部材４０とスタック構造体１０との間の間隙Ｕの一例である冷却スポット防止部材６０の反応用ガス誘導部材２０側表面に断熱部材６４を有する冷却スポット防止部材である。
本実施形態においては、セラミックファイバーで形成された断熱部材を適用しているが、これに限定されるものではない。例えば、ガラスウールで形成してもよい。
このような構成とすることにより、第１の実施形態と同様の作用及び効果が得られるだけでなく、反応用ガス外部外流路入口部Ａの他の反応用ガスとスタック構造体１０との熱交換をより抑制することができる。更に、反応用ガス誘導部材２０と冷却スポット防止部材６０との間のガスシール性を高めることができ、反応用ガスのスムーズな流動を実現することができる。
【００６９】
以上、本発明を若干の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【００７０】
例えば、上述した各実施形態に記載した構成は、各実施形態毎に限定されるものではなく、例えば反応用ガス誘導部材、反応用ガス導入部材などの構成の細部を変更したり、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたりすることができる。
【００７１】
また、上述した各実施形態においては、固体電解質型セルとして燃料極支持型を用いる場合を例に挙げて説明したが、固体電解質型セルとして空気極支持型、電解質支持型及び多孔質金属支持型のいずれを採用する場合についても、本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図（Ａ）及び水平断面図（Ｂ）である。
【図２】図１（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ”線における断面図である。
【図３】図１（Ｂ）のＩＩ−ＩＩ”線における断面図の一部を拡大して示す部分拡大図である。
【図４】第１の実施形態に係る燃料電池におけるセルユニットの概略的な構成を示す分解斜視図（Ａ）及びスタック構造体の概略的な構成を示す斜視図（Ｂ）である。
【図５】第２の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図（Ａ）及び水平断面図（Ｂ）である。
【図６】図５（Ｂ）のＶＩ−ＶＩ線における断面図の一部を拡大して示す部分拡大図である。
【図７】第３の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図（Ａ）及び水平断面図（Ｂ）である。
【図８】第４の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図（Ａ）及び水平断面図（Ｂ）である。
【図９】第５の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図（Ａ）及び水平断面図（Ｂ）である。
【図１０】第６の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図の一部を拡大して示す部分拡大図である。
【図１１】第７の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す水平断面図の一部を拡大して示す部分拡大図である。
【図１２】第８の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図（Ａ）及び水平断面図（Ｂ）である。
【図１３】第９の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図（Ａ）及び水平断面図（Ｂ）である。
【図１４】第１０の実施形態に係る燃料電池の概略的な構成を示す斜視図（Ａ）及び水平断面図（Ｂ）である。
【符号の説明】
【００７３】
１０  スタック構造体
２０  反応用ガス誘導部材
３０  筐体
４０  反応用ガス導入部材
５０  反応用ガス排出部材
６０  反応用ガス誘導部材
１００  セルスタック
Ｓ、Ｔ、Ｕ  間隙
Ｚ  反応用ガス内部流路
Ａ  反応用ガス外部外流路入口部
Ｂ  反応用ガス外部外流路
Ｃ  反応用ガス外部内流路入口
Ｄ  反応用ガス外部内流路
Ｅ  反応用ガス外部内流路出口
Ｆ  反応用ガス外部外流路出口部  
【図１】
2010073479.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2010073479.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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