(57)【要約】【課題】燃料電池ユニット及び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。【解決手段】燃料電池ユニットＵの積層方向に直交する横断面上において、スタック構造体Ｓの一方側に反応用ガスの導入管１１及び排出管１２を配置し、導入管１２からスタック構造体Ｓの外周縁部に沿ったガス誘導部材１３を設けて外周ガス流路１４を形成し、スタック構造体Ｓの他方側にガス誘導部材の開口域１５を設け、導入管１２、外周ガス流路１４、開口域１５、燃料電池ユニットＵ同士の間隙及び排出管１２の順で反応用ガスの流通経路を形成した燃料電池ＦＣであって、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、同中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さい構成にしたことにより、燃料電池ユニットＵ及びスタック構造体Ｓにおける温度分布の均一化を実現した。【選択図】図１
2010135192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池ユニットを互いに間隙を介して積層してスタック構造体を形成すると共に、スタック構造体をケースに収容し、ケース内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の導入管及び排出管を配置して同ケース内に反応用ガスを流通させる構造を有する燃料電池であって、
燃料電池ユニットの積層方向に直交する横断面上において、スタック構造体の一方側に反応用ガスの導入管及び排出管を互いに近接して配置すると共に、導入管からスタック構造体の外周縁部に沿ったガス誘導部材を備えて、ケース内面とガス誘導部材との間に外周ガス流路を形成し、スタック構造体の他方側にガス誘導部材の開口域を設けて、導入管、外周ガス流路、開口域、燃料電池ユニット同士の間隙及び排出管の順で反応用ガスの流通経路を形成すると共に、燃料電池ユニットの中心から開口域側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットの中心から排出管側の部分の熱抵抗よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料電池ユニットが、発電要素である単セルを含むセル板と、セル板との間にガス室を形成するセパレータ板と、ガス室に収容したユニット内集電体と、燃料電池ユニット同士の間隙に介装するユニット外集電体を備えてい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】
燃料電池ユニットの中心周りにおいて、反応用ガスの排出管とガス誘導部材の開口域を１８０度の位相で配置すると共に、排出管の両側に導入管及びガス誘導部材を夫々配置し、反応用ガスの導入管、排出管、ガス誘導部材及び開口域を線対称に配置した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】
燃料電池ユニットの開口域側の外周部の厚さを、排出管側の外周部の厚さよりも厚くしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料電池ユニットにおけるセパレータ板の開口域側の外周部の厚さを、排出管側の外周部の厚さよりも厚くしたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
燃料電池ユニットにおけるセパレータ板の中心から開口域側の部分に高熱伝導材料を設けたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
方向によって熱伝導率が異なる異方性熱伝導材料を備え、燃料電池ユニットにおけるセパレータ板の中心から開口域側の部分に、同中心から開口域側に至る方向に熱伝導率が高くなる向きにして異方性熱伝導材料を設けたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
燃料電池ユニットにおけるユニット内集電体及びユニット外集電体の少なくとも一方の集電体は、燃料電池ユニットの中心から開口域側の部分の長さが、燃料電池ユニットの中心から排出管側の部分の長さよりも長いことを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
燃料電池ユニットにおけるユニット内集電体及びユニット外集電体の少なくとも一方の集電体は、燃料電池ユニットの中心から開口域側の部分の密度が、燃料電池ユニットの中心から排出管側の部分の密度よりも高いことを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池ユニットにおけるセパレータ板の中心から開口域側の部分に、同中心から開口域側に至る方向に熱伝導率を段階的に増大させる熱伝導材料を配置したことを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
燃料電池ユニットの排出管側の外周部の厚さを、開口域側の外周部の厚さよりも薄くしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
燃料電池ユニットにおけるセパレータ板の排出管側の外周部の厚さを、開口域側の外周部の厚さよりも薄くしたことを特徴とする請求項２，３及び１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
燃料電池ユニットにおけるセパレータ板の中心から排出管側の部分に低熱伝導材料を設けたことを特徴とする請求項２，３，１１及び１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１４】
方向によって熱伝導率が異なる異方性熱伝導材料を備え、燃料電池ユニットにおけるセパレータ板の中心から排出管側の部分に、同中心から排出管側に至る方向に熱伝導率が低くなる向きにして異方性熱伝導材料を設けたことを特徴とする請求項２，３及び１１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１５】
燃料電池ユニットにおけるユニット内集電体及びユニット外集電体の少なくとも一方の集電体は、燃料電池ユニットの中心から排出管側の部分の長さが、燃料電池ユニットの中心から開口域側の部分の長さよりも短いことを特徴とする請求項２，３及び１１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１６】
燃料電池ユニットにおけるユニット内集電体及びユニット外集電体の少なくとも一方の集電体は、燃料電池ユニットの中心から排出管側の部分の密度が、燃料電池ユニットの中心から開口域側の部分の密度よりも低いことを特徴とする請求項２，３及び１１〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１７】
燃料電池ユニットにおけるセパレータ板の中心から排出管側の部分に、同中心から排出管側に至る方向に熱伝導率を段階的に減少させる熱伝導材料を配置したことを特徴とする請求項２，３及び１１〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の燃料電池を用いたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池ユニットを積層してスタック構造体を形成すると共に、そのスタック構造体をケースに収容した構成を有する燃料電池の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池としては、ケースに、複数の燃料電池ユニットを積層して成るスタック構造体を収容し、ケースの壁部に設けた予熱空洞に反応用ガスを流通させて、スタック構造体の放射熱で予熱空洞内の反応用ガスを予熱するものがあった（特許文献１参照）。
【特許文献１】２００４−１３９９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、燃料電池において、発電時の燃料電池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、スタック構造体の燃料電池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。
【０００４】
ここで、スタック構造体の燃料電池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温になり過ぎ、各燃料電池ユニットにおいて、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強度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。
【０００５】
また、スタック構造体の燃料電池ユニット間に冷却ガスを直接導入すると、スタック構造体の内部での温度分布の差が顕著になり、各燃料電池ユニットにおいて、金属材料の変形に起因する接触不良、接触不良による発電性能の低下、単セルとセル板の熱膨張率の差に起因する熱応力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】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、高負荷運転及び低負荷運転における温度調整を良好に行いつつ、燃料電池ユニット及び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を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池は、複数の燃料電池ユニットを互いに間隙を介して積層してスタック構造体を形成すると共に、スタック構造体をケースに収容し、ケース内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の導入管及び排出管を配置して同ケース内に反応用ガスを流通させる構造を有している。
【０００８】
また、燃料電池は、燃料電池ユニットの積層方向に直交する横断面上において、スタック構造体の一方側に反応用ガスの導入管及び排出管を互いに近接して配置すると共に、導入管からスタック構造体の外周縁部に沿ったガス誘導部材を備えて、ケース内面とガス誘導部材との間に外周ガス流路を形成している。
【０００９】
そして、燃料電池は、スタック構造体の他方側にガス誘導部材の開口域を設けて、導入管、外周ガス流路、開口域、燃料電池ユニット同士の間隙及び排出管の順で反応用ガスの流通経路を形成すると共に、燃料電池ユニットの中心から開口域側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットの中心から排出管側の部分の熱抵抗よりも小さい構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池によれば、高負荷運転及び低負荷運転における温度調整を良好に行いつつ、燃料電池ユニット及び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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の燃料電池の一実施形態を説明する図である。
図１（ｃ）に示す燃料電池ＦＣは、複数の燃料電池ユニットＵを互いに間隙を介して積層してスタック構造体Ｓを形成し、このスタック構造体ＳをケースＣに収容した構造を有している。図示例の燃料電池ユニットＵは、円形のディスク型である。このため、スタック構造体Ｓは概略円柱状を成していて、これを収容するケースＣは円筒状を成している。
【００１２】
燃料電池ユニットＵは、図１（ａ）に示すように、発電要素である環状の単セル１を含むセル板２と、単セル１の燃料極側の面に対向するセパレータ板３と、セル板２及びセパレータ板３の内周部同士及び外周部同士を連結する内周リング４及び外周リング５を備えている。
【００１３】
単セル１は、固体電解質層を燃料極層と空気極層とで挟持したものであって、構成がとくに限定されるものではなく、例えば、電極支持型セル、電解質支持型セル、及び多孔質金属支持型セルなどのいずれのものでも良い。
【００１４】
単セル１において、固体電解質層には、例えば、８モルパーセントイットリア安定化ジルコニアが用いられる。燃料極層には、例えば、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットが用いられる。空気極層には、例えば、ランタンストロンチュウムマンガナイトが用いられる。
【００１５】
燃料電池ユニットＵは、セル板２とセパレータ板３の間にユニット内集電体６及び流路形成部材７を介装して、セル板２及びセパレータ板３を内周リング４及び外周リング５で気密的に接合することで、袋綴じ構造の扁平なガス室を形成する。また、燃料電池ユニットＵは、セパレータ板３の反セル板側の面（又はセル板２の空気極側の面）には、燃料電池ユニットＵ同士の間隙に介装されるユニット外集電体８、流路形成部材９及び別の内周リング４が設けてある。
【００１６】
セル板２、セパレータ板３、内周リング４及び外周リング５には、単セル１に対して熱膨脹率が近い材料又は熱膨脹率がほぼ一致する材料を選択する。例えば、固体酸化物型燃料電池のニッケルとイットリア安定化ジルコニアのサーメットを燃料極に用いた燃料極支持型セルの場合には、熱膨張率が約１０．Ｅ−６［１／Ｋ］程度となるフェライト系金属などが良い。とくにフェライト系の中でもＳＵＳ４３０、耐酸化性及び耐腐食性に優れたＺＭＧ２３２、若しくはＣｒｏｆｆｅｒ２２ＡＰＵなどがより好ましい。セル板２、セパレータ板３及び外周リング５は、互いに溶接、ろう付及び超音波接合などにより接合することができる。
【００１７】
また、セパレータ板３、内周リング４及び流路形成部７には、燃料ガスの導入穴１０Ａ及び排出穴１０Ｂが設けてある。これらの導入穴１０Ａ及び排出穴１０Ｂは、複数の燃料電池ユニットＵを積層したスタック構造体Ｓにおいて、互いに連続して燃料ガスの導入管及び排出管を形成する。
【００１８】
そして、スタック構造体ＳをケースＣに収容した燃料電池ＦＣは、各燃料電池ユニットＵの内部であるガス室に燃料ガスを導入して単セル１の燃料極層に供給すると共に、ケースＣ内に酸化剤ガス（空気）を導入して燃料電池ユニットＵ同士の間隙から単セル１の空気極層に供給し、単セル１において電気化学反応により電気エネルギを発生する。
【００１９】
なお、ユニット内集電体６には、例えばＮｉ等から成るメッシュを用いることができ、ユニット外集電体８には、例えば発泡銀等の発泡金属を用いることができる。ケースＣは、ガスタイトな壁部を有し、その壁部を断熱体で形成しても良いし、内部に別の断熱容器を一体的に備えたものでも良い。このケースＣには、例えばオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６を用いることができる。
【００２０】
さらに、図１に示す燃料電池ＦＣは、ケースＣとスタック構造体Ｓとの間において、一対の酸化剤ガスの導入管１１，１１と、両導入管１１，１１間に配置した排出管１２を備えている。この導入管１１及び排出管１２は、燃料電池ユニットＵの積層方向に連続しており、とくに、一対の導入管１１，１１は、互いに相反する方向に開口している。
【００２１】
そして、燃料電池ＦＣは、各導入管１１，１１からスタック構造体Ｓの外周部に沿ったガス誘導部材１３を備えている。両ガス誘導部材１３は、ケースＣの内面との間に外周ガス流路１４を形成すると共に、先端部同士の間に、スタック構造体Ｓの収容空間に通じる開口域１５を形成している。
【００２２】
ここで、上記の燃料電池ＦＣは、発電時の単セル１からの発熱量が、スタック構造体Ｓからの放熱量よりも大きくなるような高負荷運転時には、導入管１１，１１から冷却ガスを導入し、この冷却ガスを外周ガス流路１４に流すことで、スタック構造体Ｓを冷却すると同時に、導入した冷却ガスを予熱して開口域１５からスタック構造体Ｓに供給する。
【００２３】
また、単セル１の発熱量が、スタック構造体Ｓの放熱量よりも小さくなるような低負荷運転時には、導入管１１，１１から加熱ガスを導入し、この加熱ガスを外周ガス流路１４に流すことで、スタック構造体Ｓを加熱すると同時に、加熱ガスを開口域１５からスタック構造体Ｓに供給する。
【００２４】
燃料ガスは改質器のオフガスであり、温度が殆ど変化しないので、上記したような燃料電池ＦＣの温度調節には、ケース内に導入する酸化剤ガス（空気）を冷却ガスや加熱ガスとして用いるのが好適である。
【００２５】
このように、燃料電池ＦＣは、ガス誘導部材１３を介して、外周ガス流路１４を流れる酸化剤ガスとスタック構造体Ｓとの間で熱交換を行うことで、各燃料電池ユニットＵ並びにスタック構造体Ｓにおける温度分布の均一化を実現し得るものとなっている。
【００２６】
ところで、上記の構造を有する燃料電池ＦＣでは、ケース内において酸化剤ガスを一方向に流すような構造に比べて、ガス誘導部材１３の採用により温度分布の均一化が格段に向上するのであるが、温度分布のさらなる均一化を図るうえで改善の余地がある。
【００２７】
すなわち、上記の燃料電池ＦＣは、図１（ｂ）に示すように、外周ガス流路１４の上流域Ａでは酸化剤ガスとスタック構造体Ｓとの間の熱交換量が大きく、外周ガス流路１４の下流域Ｂでは熱交換量が小さいので、上流域Ａと下流域Ｂとの熱交換量の差が大きいものとなっている。
【００２８】
そこで、本発明の燃料電池ＦＣは、上述した構成、すなわち燃料電池ユニットＵの積層方向に直交する横断面上において、スタック構造体Ｓの一方側（図１ｃ中で右側）に反応用ガスである酸化剤ガスの導入管１１及び排出管１２を互いに近接して配置している。
【００２９】
また、燃料電池ＦＣは、導入管１１からスタック構造体Ｓの外周縁部に沿ったガス誘導部材１３を備えて、ケースＣ内面とガス誘導部材１３との間に外周ガス流路１４を形成し、さらに、スタック構造体Ｓの他方側（図１ｃ中で左側）にガス誘導部材１３の開口域１５を設けて、導入管１１、外周ガス流路１４、開口域１５、燃料電池ユニットＵ同士の間隙及び排出管１２の順で酸化剤ガスの流通経路を形成している。
【００３０】
そして、燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さい構成としている。つまり、燃料電池ＦＣは、開口域１５側の部分の熱伝導率が、排出管１２側の部分の熱伝導率よりも大きい構成としている。
【００３１】
換言すれば、燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗よりも大きい構成としている。つまり、燃料電池ＦＣは、排出管１２側の部分の熱伝導率が、開口域１５側の部分の熱伝導率よりも小さい構成としている。
【００３２】
これにより、燃料電池ＦＣは、排出管１２側すなわち外周ガス流路１４の上流域Ａにおいて、熱交換（酸化剤ガスとスタック構造体Ｓとの間の熱交換）が抑制されると共に、開口域１５側すなわち外周ガス流路１４の下流域１４において、熱交換が促進されることとなり、上流域Ａにおける熱交換量と下流域Ｂにおける熱交換量との差が小さくなる。
【００３３】
その結果、燃料電池ＦＣは、温度調整を良好に行いつつ、燃料電池ユニットＵ並びにスタック構造体Ｓにおける温度分布のさらなる均一化を実現することができる。この温度分布の均一化に伴い、各構成の接合部などの熱応力破壊や、金属材料の変形に起因する発電性能の低下といった不具合を未然に防止することもできる。
【００３４】
また、この実施形態の燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵが円盤状であって、これを積層したスタック構造体Ｓが円柱状を成している。そして、ガス誘導部材１３，１３が、スタック構造体Ｓの外周縁部に沿う円弧状を成すと共に、ガス誘導部材１３，１３の間に開口域１５を有している。
【００３５】
さらに、この実施形態の燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの中心周りにおいて、酸化剤ガスの排出管１２とガス誘導部材１３の開口域１５を１８０度の位相で配置すると共に、排出管１２の両側に導入管１１，１１及びガス誘導部材１３，１３を夫々配置している。これにより、酸化剤ガスの導入管１１，１１、排出管１２、ガス誘導部材１３，１３、外周ガス流路１４，１４及び開口域１５を線対称に配置している。
【００３６】
さらに、この実施形態の燃料電池ＦＣは、各燃料電池ユニットＵが、中心部分で互いに連結してスタック構造体Ｓを形成すると共に、スタック構造体Ｓが、その中心線に沿って他方の反応用ガスである燃料ガスの導入管及び排出管を備え、各燃料電池ユニットＵ内に燃料ガスを流通させるものとなっている。
【００３７】
本発明の燃料電池ＦＣは、上記の如く各構成部位の形状や配置を設定することで、酸化剤ガスをより均一に流通させて、燃料電池ユニットＵ並びにスタック構造体Ｓの温度分布のさらなる均一化に貢献することができる。また、スタック構造体Ｓにおいては、その組み立てにおいて、中心部のみが加圧され、各燃料電池ユニットＵの外周部同士は何ら拘束されないので、運転時に発生する熱膨脹や熱応力を抑制することができる。
【００３８】
図２は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３９】
図示の燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの開口域１５側の外周部の厚さを、排出管１２側の外周部の厚さよりも厚くしており、又は、燃料電池ユニットＵの排出管１２側の外周部の厚さを、開口域１５側の外周部の厚さよりも薄くしている。
【００４０】
なお、開口域１５側の外周部の厚さを厚くする構成と、排出管１２側の外周部の厚さを薄くする構成とは、厚さの大小関係は同じであるが、燃料電池ユニットＵの既存の厚さを基準とした場合には、開口域１５側及び排出管１２側の少なくとも一方側を選択してその外周部の厚さを変化させることとなる。
【００４１】
より具体的には、図２（ａ）〜（ｃ）に示す燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの開口域１５側において、セル板２とセパレータ板３との間に、両側に向けて厚さが漸次減少するスペーサ２１を介装してセル板２とセパレータ板３を接合している。そして、スペーサ２１の非介装部分では、セル板２とセパレータ板３を直接接合している。また、ガス誘導部材１３の内周面には絶縁層２２が設けてある。
【００４２】
上記の燃料電池ＦＣは、図２（ｄ）に示す排出管１２側の外周部の厚さＴａが薄くなると共に、図２（ｅ）に示す開口域１５側の外周部の厚さＴｂが厚くなる。これにより、燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さいものとなる。
【００４３】
上記の燃料電池ＦＣは、先の実施形態と同等の効果を得ることができるうえに、開口域１５側の外周部の厚さを厚くすることで機械的強度が高められ、熱応力によるセパレータ板３の変形を抑制することができ、発電時における集電体６とセパレータ板３の接触不良や出力低下を防止することができる。
【００４４】
また、燃料電池ＦＣは、高負荷運転時には、外周ガス流路１４に酸化剤ガスを冷却用ガスとして流通させることになるが、この場合、外周ガス流路１４の上流域Ａにおいて、酸化剤ガスとスタック構造体Ｓとの温度の差が大きく、ガス誘導部材１３を介してスタック構造体Ｓから外周ガス流路１４内の酸化剤ガスへ多量の熱が通過するため、スタック構造体Ｓの冷却スポットとなる。そこで、上述の如く、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗を、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さくすることで、冷却スポットの発生を抑えることができる。
【００４５】
なお、この実施形態では、別体のスペーサ２１を採用した構成を例示したが、セル板２やセパレータ板３にプレス加工を施して、スペーサに相当する凹凸を一体成形することも可能である。
【００４６】
図３は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４７】
図示の燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵにおけるセパレータ板３の開口域１５側の外周部の厚さを、排出管１２側の外周部の厚さよりも厚くしており、又は、燃料電池ユニットＵにおけるセパレータ板３の排出管１２側の外周部の厚さを、開口域１５側の外周部の厚さよりも薄くしている。これにより、燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さいものとなる。
【００４８】
より具体的には、図３（ａ）〜（ｃ）に示す燃料電池ユニットＵのセパレータ板３は、図３（ｄ）に示す排出管１２側の外周部の厚さＴａが薄く、図３（ｅ）に示す開口域１５側の外周部の厚さＴｂが厚くなっている。また、上記の燃料電池ユニットＵは、全体の厚さを均一にするために、セル板２とセパレータ板３との間に、セパレータ板３の厚さ変化に応じたリング状のスペーサ２３が介装してある。すなわち、スペーサ２３は、セパレータ板３の厚さ変化とは逆に、排出管１２側で厚さが厚く、開口域１５側で厚さが薄くなっている。
【００４９】
上記の燃料電池ＦＣは、先の実施形態と同等の効果を得ることができるうえに、セパレータ板３の開口域１５側の外周部の厚さを厚くすることで機械的強度が高められ、熱応力によるセパレータ板３の変形を抑制することができると共に、セパレータ板３に対して集電体６，８を均一に圧接させることができ、発電時における集電体６とセパレータ板３の接触不良や出力低下を防止することができる。
【００５０】
図４は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５１】
図示の燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵを構成するセパレータ板３の開口域１５側の部分に高熱伝導材料３１を設けた構成としている。なお、高熱伝導材料とは、一般的な性質として高熱伝導性を有するものや、セパレータ板３の主要部に対して高熱伝導性を有するものが含まれる。これにより、燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さいものとなる。
【００５２】
より具体的には、図４に示す燃料電池ＦＣでは、燃料電池ユニットＵを構成するセパレータ板３が、上板３Ａ及び下板３Ｂと、高熱伝導材料３１を備えてサンドイッチ構造になっていて、両板３Ａ，３Ｂ間において開口域１５側の部分に、例えば銅である高熱伝導材料３１が介装してある。
【００５３】
セパレータ板３の上板３Ａ及び下板３Ｂには、高温下にて合金表面もしく合金表面近傍にＣｒ酸化物が形成されることで導電性が確保され且つ耐食性及び耐酸化性に優れた１３％以上Ｃｒ含有のＦｅ合金を用いることができる。
【００５４】
また、単セル１にイットリア系の固体酸化物型電解質を用いた場合には、単セル１の熱膨張率が１１Ｅ−６［１／Ｋ］程度となるので、上板３Ａ及び下板３Ｂには、単セル１との熱膨張の整合性から１５％以上Ｃｒ含有のフェライト系ステンレスであるＳＵＳ４３０や、さらに２０％以上Ｃｒ含有したＺＭＧ２３２やＣｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵを用いることができる。
【００５５】
さらに、上板３Ａ及び下板３Ｂには、概Ｃｒ含有Ｆｅ合金と共に用いる高熱伝導材料と比較して高耐食性及び耐酸化性を有する材料として、アルミナ及びジルコニア等のセラミックスや、Ｐｔ，Ａｕ及びＡｇなどの貴金属などを用いることができる。
【００５６】
高熱伝導材料３１には、Ｃｕ，Ｃｕ合金，Ａｌ，Ａｌ合金，Ｎｉ合金，Ｚｎ合金，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｍｏ，Ｍｏ合金，Ｗ，Ｗ合金，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，ダイヤモンド，Ａｌダイヤモンド，Ｃｕダイヤモンド及びＡｇダイヤモンド等を用いることができる。
【００５７】
上記構成を備えた燃料電池ＦＣは、先の実施形態と同等の効果を得ることができるうえに、セパレータ板３において、高熱伝導材料３１を内部に納めることで、反応用ガスをセパレートする機能と、熱伝導に分布を持たせる機能が得られる。とくに、固体電解質型燃料電池のように、高温下でカソード流路側が酸化雰囲気、アノード流路側が水蒸気雰囲気という厳しい雰囲気において、高い耐酸化性を有するステンレス材料をセパレータ板３の外表面に用い、その内部にＣｕやＡｌ等の比較的安価で耐酸化性の低い高熱伝導材料３１を用いることができる。
【００５８】
図５は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５９】
図示の燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵを構成するセパレータ板３の開口域１５側の部分に高熱伝導材料３１を設けた構成としており、また、燃料電池ユニットＵを構成するセパレータ板３の排出管１２側の部分に低熱伝導材料３２を設けた構成としている。なお、高熱伝導材料及び低熱伝導材料とは、一般的な性質として高熱伝導性及び低熱伝導性を有するものや、セパレータ板３の主要部に対して高熱伝導性及び低熱伝導性を有するものが含まれる。これにより、燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さいものとなる。
【００６０】
より具体的には、図５に示す燃料電池ＦＣでは、燃料電池ユニットＵを構成するセパレータ板３が、上板３Ａ及び下板３Ｂと、高熱伝導材料３１及び低熱伝導材料３２を備えてサンドイッチ構造になっている。そして、両板３Ａ，３Ｂ間において、開口域１５側の部分に、例えば銅である高熱伝導材料３１が介装してあり、それ以外の排出管１２側を含む部分に、例えばＣｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵである低熱伝導材料３２が介装してある。
【００６１】
セパレータ板３の上板３Ａ及び下板３Ｂや高熱伝導材料３１の具体例は、先の実施形態で述べたとおりである。低熱伝導材料３２としては、ランタンストロンチュウムマンガナイト、ランタンコバルタイト等の材料を用いることができる。上記の燃料電池ＦＣにあっても、先の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００６２】
図６は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６３】
図示の燃料電池ＦＣは、図５に示す実施形態と同等の構成を有するほかに、燃料電池ユニットＵを構成するセパレータ板３の排出管１２側の部分に、左右一対の空洞３３，３３を設けた構成としている。これにより、燃料電池ＦＣは、高熱伝導材料３１及び低熱伝導材料３２を配置することに加えて、排出管１２側に空洞３３を設けることによっても、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さくなる。上記の燃料電池ＦＣにあっても、先の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００６４】
図７は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６５】
図７（ａ）示す燃料電池ＦＣは、図７（ｂ）に示すように、方向によって熱伝導率が異なる異方性熱伝導材料４１を備えている。異方性熱伝導材料４１は、例えば、低熱伝導材料４１Ｌ中に高熱伝導材料４１Ｈを分散させた素材を一方向に圧延したものであって、その圧延方向に高熱伝導材料４１が延伸した状態となり、圧延方向に直交する方向には高熱伝導材料４１が分散した状態となる。
【００６６】
これにより、異方性熱伝導材料４１は、高熱伝導材料４１Ｈの延伸方向（Ｘ方向）に高熱伝導率を有し、これに直交する方向（Ｙ方向）に低熱伝導率を有するものとなる。この異方性熱伝導材料としては、例えば、熱間押し出し成形したＣｕ−Ｃｕ２Ｏ複合材や、プレス成形したＣｒ−Ｃｕ複合材を用いることができる。
【００６７】
そして、図７に示す燃料電池ＦＣは、先の実施形態と同様に、セパレータ板３を上板３Ａ及び下板３Ｂで構成し、上板３Ａ及び下板３Ｂの間に、異方性熱伝導材料４１を介装している。とくに、図７（ｃ）に示すセパレータ板３では、その中心から開口域１５側の部分に、同中心から開口域１５側に至る方向に熱伝導率が高くなる向き（Ｘ方向となる向き）にして異方性熱伝導材料を設けている。
【００６８】
また、図７（ｄ）に示すセパレータ板３では、その中心から開口域１５側の部分に、同中心から開口域１５側に至る方向に熱伝導率が高くなる向き（Ｘ方向となる向き）にして異方性熱伝導材料４１を設けると共に、その中心から排出管１２側の部分に、同中心から排出管１２側に至る方向に熱伝導率が低くなる向き（Ｙ方向となる向き）にして異方性熱伝導材料４１を設けている。
【００６９】
これにより、図７（ｃ）（ｄ）に示す燃料電池ユニットＵを備えた燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さくなって、先の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００７０】
図８は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７１】
図示の燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵにおけるユニット内集電体６及びユニット外集電体８の少なくとも一方の集電体の長さが異なるものとなっている。とくに、図８（ｂ）に示す燃料電池ユニットＵでは、ユニット内集電体６において、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の長さＬａが、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の長さＬｂよりも長いものとなっている。
【００７２】
また、図８（ｃ）に示す燃料電池ユニットＵでは、ユニット内集電体６の開口域１５側の部分の長さＬａが、排出管１２側の部分の長さＬｂよりも長いのに加えて、ユニット外集電体８において、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の長さＬｃが、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の長さＬｄよりも短いものとなっている。
【００７３】
これにより、図８（ｂ）（ｃ）に示す燃料電池ユニットＵを備えた燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さくなって、先の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００７４】
図９は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７５】
図示の燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵにおけるユニット内集電体６及びユニット外集電体８の少なくとも一方の集電体の密度が異なるものとなっている。図示例はユニット内集電体６である。このユニット内集電体６は、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分に、気孔率が小さい一方の分割集電体６Ａを備えると共に、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分に、気孔率が大きい他方の分割集電体６Ｂを備えている。つまり、気孔率を小さくすることで高密度とし、気孔率を大きくすることで低密度としている。
【００７６】
このように、ユニット内集電体６は、分割集電体６Ａ，６Ｂから成るものとすることで、開口域１５側の部分の密度が排出管１２側の部分の密度よりも高くなっており、換言すれば、排出管１２側の部分の密度が、開口域１２側の部分の密度よりも低いものとなっている。これにより、燃料電池ＦＣは、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さくなって、先の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００７７】
なお、上記の実施形態では、ユニット内集電体６の密度を変化させた例を説明したが、当然のことながら、ユニット外集電体８の密度（気孔率）を変化させても良く、両方の集電体６，８の密度を変化させても良い。
【００７８】
図１０は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７９】
図１０（ａ）に示す燃料電池ＦＣでは、燃料電池ユニットＵにおけるセパレータ板３の中心から開口域１５側の部分に、同中心から開口域１５側に至る方向に熱伝導率を段階的に増大させる熱伝導材料５１が配置してある。熱伝導材料５１は、扇形状を成していて、中心側の中熱伝導部５１Ａと、外側の高熱伝導部５１Ｂを備えている。
【００８０】
中熱伝導部５１Ａは、例えばアルミニウムであり、また、高熱伝導部５１Ｂは、例えば銅である。この場合、先の実施形態で説明したように、セパレータ板３を上板と下板で構成し、両板の間に熱伝導材料５１を介装する構成にすることができる。
【００８１】
図１０（ｂ）に示す燃料電池ＦＣでは、セパレータ板３の開口域１５側の部分に、熱伝導率を段階的に増大させる熱伝導材料５１が配置してあるのに加えて、燃料電池ユニットＵにおけるセパレータ板３の中心から排出管１２側の部分に、同中心から排出管１２側に至る方向に熱伝導率を段階的に減少させる熱伝導材料５２が配置してある。
【００８２】
熱伝導材料５２は、環状を成す中心側の中熱伝導部５２Ａと、開口域１５側のみに配置した扇形状の高熱伝導部５１Ｂを備えている。この場合、セパレータ板３の排出管１２側の部分では、中熱伝導部５２Ａと、これよりも熱伝導性が小さいセパレータ板３の本体部により、中心から排出管１２側に至る方向に熱伝導率を段階的に減少させている。
【００８３】
このように、燃料電池ＦＣは、セパレータ板３の中心から開口域１５側又は排出管１２側へ熱伝導率を段階的に変化させることで、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さくなり、これにより先の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００８４】
上記各実施形態で説明したは、燃料電池ユニットＵの中心から開口域１５側の部分の熱抵抗が、燃料電池ユニットＵの中心から排出管１２側の部分の熱抵抗よりも小さいものとすることで、燃料電池ユニットＵ及びスタック構造体Ｓにおける温度分布の均一化を実現することができ、固体電解質型燃料電池の中でも、とくに高温下で動作する固体酸化物型燃料電池に好適である。
【００８５】
したがって、上記の燃料電池ＦＣを用いた固体酸化物型燃料電池は、高負荷運転及び低負荷運転における温度調整を良好に行いつつ、温度分布が均一なものとなり、非常に良好な発電機能を得ることができる。また、固体酸化物型燃料電池に用いられる材料には、ジルコニア系の電解質、セリア系電解質及びランタンガレード系電解質などがあるが、これに限定されるものではない。
【００８６】
なお、本発明の燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば、セル板、セパレータ板、ユニット内及びユニット外の集電体、ガス誘導部材、及び各熱伝導材料といった各構成部材の材料、大きさ及び形状や数などを変更したり、これらの構成を上記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。
【００８７】
また、上記各実施形態では、ケース内に一方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）を流通させると共に、燃料電池ユニット内に他方の反応用ガスである燃料ガスを流通させるものとして説明したが、燃料電池ユニットの構成によっては、酸化剤ガスと燃料ガスの流通域を逆の関係にすることもあり得る。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態を説明する図であって、燃料電池ユニットの分解斜視図（ａ）、燃料電池の水平断面図（ｂ）及び斜視説明図（ｃ）である。
【図２】本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図であって、燃料電池の水平断面図（ａ）、燃料電池ユニットの斜視図（ｂ）、燃料電池ユニットの分解斜視図（ｃ）、図ｂ中のＯ−Ａ線に基づく断面図（ｄ）及び図ｂ中のＯ−Ｂ線に基づく断面図（ｅ）である。
【図３】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図であって、燃料電池の水平断面図（ａ）、燃料電池ユニットの斜視図（ｂ）、燃料電池ユニットの分解斜視図（ｃ）、図ｂ中のＯ−Ａ線に基づく断面図（ｄ）及び図ｂ中のＯ−Ｂ線に基づく断面図（ｅ）である。
【図４】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図であって、燃料電池の水平断面図（ａ）、図ａ中のＯ−Ａ線に基づく断面図（ｂ）及び図ａ中のＯ−Ｂ線に基づく断面図（ｃ）である。
【図５】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図であって、燃料電池の水平断面図（ａ）、図ａ中のＯ−Ａ線に基づく断面図（ｂ）及び図ａ中のＯ−Ｂ線に基づく断面図（ｃ）である。
【図６】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図であって、燃料電池の水平断面図（ａ）、図ａ中のＯ−Ａ線に基づく断面図（ｂ）、図ａ中のＯ−Ｂ線に基づく断面図（ｃ）、及び図ａ中のＯ−Ｃ線に基づく断面図（ｄ）である。
【図７】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図であって、燃料電池の水平断面図（ａ）、異方性熱伝導材料の説明図（ｂ）、及び異方性熱伝導材料の配置が異なる二例を示す各々水平断面図（ｃ）（ｄ）である。
【図８】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図であって、燃料電池の水平断面図（ａ）、集電体の長さが異なる二例を示す各々断面図（ｂ）（ｃ）である。
【図９】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する燃料電池ユニットの水平断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図であって、熱伝導材料の配置が異なる二例を示す各々水平断面図（ａ）（ｂ）である。
【符号の説明】
【００８９】
Ｃ      ケース
ＦＣ    燃料電池
Ｓ      スタック構造体
Ｕ      燃料電池ユニット
１      単セル
２      セル板
３      セパレータ板
６      ユニット内集電体
８      ユニット外集電体
１１    導入管（酸化剤ガスの導入管）
１２    排出管（酸化剤ガスの排出管）
１３    ガス誘導部材
１４    外周ガス流路
１５    開口域
３１    高熱伝導材料
３２    低熱伝導材料
４１    異方性熱伝導材料
５１    熱伝導材料
５２    熱伝導材料
【図１】
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【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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