(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質型セルユニットを互いに積層してなるセルスタックをケース内に収容しているとともに、二種類のガスを上記セルスタックとケースとに互いに分離して流通させることによる発電を行う燃料電池において、
上記二種類のガス相互間の熱交換を行う熱交換器を、ケース内に流入する上記いずれかのガスのセルスタックに至るガス流路に沿って配設していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
ケースには、二種類のガスのうち、当該ケース内に流通させる一方のガスを導入するためのガス導入部が形成されており、熱交換器を当該ガス導入部内に配設し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】
熱交換器は、他方のガスを流通させて上記一方のガスとの熱交換を行うための熱交換用チューブを互いに所要の間隔で配列したものであり、それら熱交換用チューブを、一方のガスのガス流路の流通方向上流側から下流側に向けて熱交換伝熱面積が増加するように配列していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
一方のガス流路の流通方向上流側から下流側に向けて互いの間隔が密となるように熱交換用チューブを配列していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
一方のガスの流通量を増減するガス流量増減部を、熱交換器からセルスタックに至るガス流路に沿って配設したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
ガス流量増減部は、熱交換後の一方のガスの一部を、セルスタックに至る前にガス流路外に分流することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池
【請求項７】
ガス流量増減部は、燃料電池の要求出力に応じて分流するガス流量を増減させるガス流量増減手段を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池。
【請求項８】
ガス流量増減部は、熱交換器のガス流通方向下流側に配設された分流管に、分流するガス量を増減するための分流量増減用バルブアクチュエータを配設していることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
ガス導入部とガス排出部とを互いに隣接して配置しているとともに、そのガス導入部からケース内に導入した一方のガスを、セルスタックの外周縁部に沿って周回させ、そのセルスタックの上記間隙を通じてガス排出部に誘導するガス誘導部材を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
少なくとも１つの熱交換器をセルユニットの積層方向に配設していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
熱交換器は、セルユニットの積層方向に少なくとも１つ配設されており、且つ、上下２つの熱交換用板間に、いずれか一方のガスを流通させるための空隙を形成した中空円盤形のものであり、これをセルユニットと同軸的に積層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。  
【請求項１２】
熱交換器を流通する一方のガスの流動方向と、セルスタックを流通する他方のガスの流動方向が相対向するようにガス流路を形成していることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
改質器をガス排出部内に配設していることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型セルユニットを互いに積層してなるセルスタックをケース内に収容し、そのセルスタックとケースとに互いに分離して二種類のガスを流通させることによる発電を行う燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池として特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１に開示されている燃料電池は、固体電解質型燃料電池の発電動作によって排出される排燃料と排空気とを混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器内に配設され、かつ水蒸気又は温水を生成する第１の熱回収器とを備えたものである。
【特許文献１】特開２００３−１３２９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の燃料電池では、アノード・カソード導入ガス間において熱交換を行う熱交換器を設けたことにより、アノード導入ガスとカソード導入ガスの間の温度差を緩和させて、セルスタックのセルを隔てたアノードガス温度とカソードガス温度差を低減させることで、熱応力を低減できるものの、その熱交換器をセルスタックとは別に設けた構成にしているのでコンパクト性に欠けるという問題がある。
【０００４】
そこで本発明は、小型化を図りつつ、セルスタックとケースとに互いに分離して流通する二種類のガスどうしの温度差を緩和することによりセルスタック内の温度分布の均一化を図ることができる燃料電池の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するための本発明に係る燃料電池は、固体電解質型セルユニットを互いに積層してなるセルスタックをケース内に収容しているとともに、二種類のガスを上記セルスタックとケースとに互いに分離して流通させることによる発電を行うものである。
本発明においては、二種類のガス相互間の熱交換を行う熱交換器を、ケース内に流入する上記いずれかのガスのセルスタックに至るガス流路に沿って配設している。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、小型化を図りつつ、セルスタックとケースとに互いに分離して流通する二種類のガス相互の温度差を緩和することによりセルスタック内の温度分布の均一化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。
【０００８】
本発明の一実施形態に係る燃料電池Ａ１は、複数の固体電解質型セルユニット１０…を互いに間隙ｓをもって積層してなるセルスタックＢと、温度差緩和手段である熱交換器２０とをケース３０に収容したものである。
「間隙ｓ」は、隣接する他の固体電解質型セルユニット（以下、単に「セルユニット」という。）１０との間に、二種類のガスのうちの一方のものを流通させるためのものである。
【０００９】
ケース３０内には上記した一方のガスを、また、セルスタックＢには他方のガスを互いに分離して流通させている。
本実施形態においては、一方のガスが空気であり、他方のガスが水素（燃料ガス）であるが、一方のガスを水素（燃料ガス）、他方のガスを空気としてもよいことは勿論である。
【００１０】
ケース３０は、平面視円形にした底壁３１と上壁３２の全周にわたり周板３３を囲繞形成した気密性を有する円筒形のものである。
上記周板３３には、一方のガスをケース３０内に導入するためのガス導入部３４と、そのケース３０内に導入された一方のガスを排出するためのガス排出部３５がセルスタックＢを挟む両側に配設されている。換言すると、セルスタックＢの中心軸線Ｏ１を通る直径線Ｏ２上に配設している。
【００１１】
ガス導入部３４は、上記周板３３、周板３４ａ,３４ｂ,３４ｃ、及び天板３４ｄ、底板３４ｅによって区画された縦長直方体形のものであり、その天板３４ｄには導入管３６が接続されている。
また、ガス導入部３４に臨む周板３３には方形開口３３ａが形成されている。
【００１２】
ガス導入部３４内には、二種類のガス相互間の温度差を緩和するための温度差緩和手段である熱交換器Ｃ１が配設されている。換言すると、ケース３０内に流入する一方のガスのセルスタックＢに至るガス流路γに沿って熱交換器Ｃ１を配設している。
すなわち、ガス導入部３４内に熱交換器Ｃ１を配設することは、その熱交換器Ｃ１をケース３０に収容していることと同義である。
ガス流路γは、直線状の矢印として図１に示しているが、実際にはある流路断面を有するものである。
【００１３】
ガス排出部３５は、ケース３０の周板３３外面に接続された円筒管であり、この円筒管と周板３３との接続部分には方形開口３３ｂが形成されている。以下、ガス排出部をガス排出管３５という。
【００１４】
熱交換器Ｃ１は、縦長円筒形のケース４０内に、他方のガスを流通させて一方のガスとの熱交換を行うための熱交換用チューブ４１…を格子状に配列した構成のものである。すなわち、上記導入管３６からガス導入部３４内に流入した一方のガスが各熱交換用チューブ４１に流接することにより、それら二種類のガス相互間の熱交換が行われるようにしている。
熱交換用チューブ４１は、クロム銅複合材の内外壁に耐腐食メッキを施したものであり、これにより、熱伝導性と耐腐食性を向上させている。
【００１５】
ケース４０の下部には、このケース４０内に他方のガスを流入させるための流入口４０ａが、また、上部には、当該ケース４０内に流入した当該ガスを流出させるための流出口４０ｂが形成されている。
【００１６】
流入口４０ａには、気化器４５及び改質器５０から送出された他方のガスを導くパイプ（図示しない）が接続され、また、流出口４０ｂには、熱交換器Ｃ１を介して流出する他方のガスを、詳細を後述するセルスタックＢに導くためのパイプ（図示しない）がそれぞれ接続されている。
【００１７】
上記熱交換用チューブ４１の材料としては、銅等の伝導伝熱の高い材料が適しているが、耐腐食から銅とステンレスのクラッド材や耐腐食コーティングや耐腐食メッキ、また、セルとの熱膨張率の整合性に付随してセルスタックＢに適応されるフェライト系ステンレスとほぼ同等の熱膨張率と、ステンレスに比べ高い熱伝導性を持つクロム銅複合材を用いることで、熱交換効率を高めることができる。
上記クロム銅複合材も、ステンレスとのクラッド材として、耐腐食コーティングや耐腐食めっきを施して耐腐食性を向上させることにより、熱交換性能を長期的に維持することができる。
【００１８】
また、二種類のガス相互間での熱交換を行うことにより、高い温度の他方のガスを低い温度の一方のガスで冷却するとともに、一方のガスを加熱することによって両ガスの間の温度差を緩和させて、セルスタックのセルを隔てた両ガス温度差を低減させることで、熱応力を低減できる。
さらに、それら両ガス間の温度差を緩和させる事で、セルスタックＢの低い温度の一方のガスで電極の温度が低下し過ぎることで、電極の電気化学反応の失活または、過電圧の増加を防ぐことができる。
さらにまた、セルスタックＢの放熱量に比べ発熱量が高くなるような高負荷運転する場合で、且つ上記熱交換により両ガスの温度を緩和させて、セルスタックＢに導入することで、セルスタックＢの動作温度に対して低い温度のガスを導入することができる場合においては、両ガスによる対流伝熱により両電極表面から熱を取り去ることができるために、冷却性能を高めることができ、そのセルスタックＢ内部の温度分布を緩和することができるのである。
【００１９】
ところで、上記したセルユニット１０…は、固体電解質型セル５０を配設したセル板６０とセパレータ７０との間に区画形成される空隙ｋにユニット内集電体８０と流路形成体９０とを収容した中空円盤形のものである。
また、上記セル板６０の下面にユニット外集電体１００を配設し、それらを軸線Ｏ１を中心として同軸的に整列させている。
【００２０】
セル板６０は、隣接する他のセルユニット１０との間に上記した間隙ｓが形成される高さにした円形段差部６１が、円形基板６２の中心に下向きにして突設されているとともに、周縁部に周壁６３を上向きに傾設したものである。
円形段差部６１には、後述する流路形成体９０に形成されているガス流入孔９１とガス流出孔９４…に対応する位置に、それらと同径の貫通孔６４，６５…が開口形成されている。
【００２１】
固体電解質型セル５０は、アノード極（燃料極）とカソード極（空気極）とを電解質（いずれも図示しない）の上下両側に配設した円形に形成されており、軸線Ｏ１を中心としてセル板６０に配設されている。
【００２２】
セパレータ７０は、隣接する他のセルユニット１０との間に、上記した間隙ｓが形成される高さにした円形段差部７１が、円形基板７２の中心に上向きにして突設されているとともに、周縁部に周壁７３を下向きに傾設したものである。
円形段差部７１には、流路形成体９０に形成されているガス流入孔９１とガス流出孔９４…に対応する位置に、それらと同径の貫通孔７４，７５…が開口形成されている。
【００２３】
上記したセルユニット１０を複数積層することにより、セル板６０の円形段差部６１と、セパレータ７０の円形段差部７１とが当接し、これにより上下に積層隣接するセルユニット１０，１０間に間隙ｓが形成される。
【００２４】
流路形成体９０は、上記のセル板６０とセパレータ７０の円形段差部６１，７１間に介挿されており、一方のガスをセルユニット１０に流入させるための流入孔９１と、セルユニット１０内に流入した一方のガスを外部に流出させるための流出孔９４とが形成されている。
【００２５】
ユニット内集電体８０は、導電性の発泡金属やフェルト等の多孔体を円環形に成形したものである。
【００２６】
上記のセル板６０とセパレータ７０は、互いの周壁６３，７３の縁部どうしを当接させることにより、これらの間にガスの流路となる空隙ｋが区画形成され、その空隙ｋに上記ユニット内集電体８０を配置している。
【００２７】
ユニット外集電体１００は、例えばインコネル（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６０又はセパレータ７０に接合されている。ただし、材料はSUS430, Crofer22APU等の高Crステンレス等を用いることができるが、これに限るものではない。また、集電体の形態は、金属メッシュ、フェルト、不織布、板バネ等を用いることができるが、これに限るものではない。
【００２８】
上記したセルスタックＢは、上述したセルユニット１０を互いに複数積層して構成されているとともに、上側フランジ１１０と下側フランジ１２０との間に挟み込まれて保持されている。
上側フランジ１１０は、上記した円形段差部６１，７１と同径にした円柱形の押さえ部１１１の周壁１１１ａに、セルユニット１０とほぼ同径にしたフランジ部１１２を延出形成した平面視円形板形のものである。
押さえ部１１１の中心には、上記流入孔９１と同径の貫通孔１１３が穿設されている。
【００２９】
下側フランジ１２０は、上記円形段差部６１，７１と同径にした円柱形の押さえ部１２１の周壁１２１ａに、セルユニット１０と同径にしたフランジ部１２２を延出形成した平面視円形のものである。
押さえ部１２１には、上記ガス流出孔９４と同径の貫通孔１２３が対向して穿設されている。
【００３０】
上記の構成からなるセルスタックＢは、上側フランジ１１０と下側フランジ１２０との間に複数のセルユニット１０…を挟み込むとともに絶縁ワッシャ１３１を嵌合し、それら上側フランジ１１０の貫通孔１１３にスタッドボルト１３０を挿通している。
そして、上記スタッドボルト１３０のねじ部１３０ａの下端部を下側フランジ１２０に螺入することにより、セルユニット１０…どうしを弾性的に挟持している。
【００３１】
上述した構成からなる燃料電池の動作について、二種類のガス相互間の熱交換を主として説明する。
気化器４５及び改質器４６を介して送給された他方のガスは、熱交換器Ｃ１の各熱交換用チューブ４１を通過する際に、それら各熱交換用チューブ４１に上記導入管３６からガス導入部３４内に流入した一方のガスが流接することにより、それら二種類のガス相互間の熱交換が行われる。
【００３２】
熱交換が行われた後の一方のガスは、セルスタックＢの間隙ｓを通じてガス排出管３５に向けて流動する。
これにより、改質器から排出された他方のガスを、もう一方により冷却し、かつ、もう一方のガスを予熱するとともに、熱交換器Ｃ１をセルスタックＢのもう一方のガス流入側に設けて、熱交換器Ｃ１とセルスタックＢをケース内に設けることにより、熱交換器Ｃ１とセルスタックＢ間で、主として輻射による伝熱により、セルスタックＢの平均温度に比べ比較的低温になりやすいセルスタックＢのもう一方のガス流入の領域を暖めることができる。このために、セルスタックＢをなすセルユニット１０の平面内における温度分布の均一化を図ることができ、そのスタック構造体Ｂの内部を所望の温度差に抑えられる。
また、熱交換器Ｃ１をガス導入部３４内に配設しているので、燃料電池Ａ１の小型化を図ることができる。
【００３３】
次に、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池Ａ２について、図２を参照して説明する。図２（Ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池Ａ２の平断面図、（Ｂ）は、流量増減用バルブアクチュエータを制御するための制御部である。なお、上述した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詳細な説明を省略する。
【００３４】
第二の実施形態に係る燃料電池Ａ２は、熱交換後の一方のガスの流通量を増減するガス流量増減部Ｄの一部をなす流量増減用バルブアクチュエータ１３５，１３５を、セルスタックＢに至るガス流路γに配設した点が上述した燃料電池Ａ１と相違している。
ガス流量増減部Ｄは、熱交換後の一方のガスの一部を、セルスタックＢに至る前にガス流路γ外に分流するものである。
本実施形態においては、熱交換器Ｃ１のガス流通方向下流側に配設された分流管１３７，１３７に、分流するガス量を増減するための流量増減用バルブアクチュエータ１３５，１３５を配設しており、具体的には次のとおりである。
【００３５】
ガス導入部１３６は、周板３３、側板１３６ａ，１３６ｂ,１３６ｃ、底板１３６ｄ及び図示しない天板によって区画された縦長直方体形のものであり、その天板には上記したものと同様の導入管（図示しない）が接続されているとともに、周板３３には、ガス導入部１３６に臨ませた方形開口３３ａが形成されている。
【００３６】
ガス導入部１３６内には、一方のガスと、他方のガスとの温度差を緩和するための温度差緩和手段である上記熱交換器Ｃ１が配設されていることは上記した燃料電池Ａ１と同様である。
【００３７】
上記の分流管１３７，１３７は、中心軸線Ｏ１と直交する軸線Ｏ３上であって、側板１３６ａ,１３６ｃに互いの流入口１３７ａ，１３７ａを対設させており、それら各分流管１３７，１３７に流量増減用バルブアクチュエータ１３５，１３５をそれぞれ設けている。
流量増減用バルブアクチュエータ１３５，１３５は、本燃料電池Ａ２の制御中枢を担う制御部１３８の出力側に接続されており、その制御部１３８から出力される駆動信号により開閉駆動されるようになっている。
すなわち、制御部１３８は、所要のプログラムを実行することにより、燃料電池の要求出力に応じて分流するガス流量を増減させる機能（これを、「ガス流量増減手段」という。）を有している。
【００３８】
制御部１３８の入力側には、所要の各種情報の他、流量増減用バルブアクチュエータ１３５，１３５の開閉制御に必要な情報が入力されるようになっており、その入力情報に応じた駆動信号を流量増減用バルブアクチュエータ１３５，１３５に出力するようになっている。
以上のように、本実施形態に示すガス流量増減部Ｄは、上記した制御部１３８と、流量増減用バルブアクチュエータ１３５，１３５とを有して構成されている。
【００３９】
ガス流量増減部Ｄを設けたことにより、ガスの持つ余剰な熱を取り去り、セルスタックの温度を所望の温度に保たせることができる。特に、車載用の燃料電池の場合は、低負荷運転から高負荷運転へ急激な不可変動をする必要がある。
このような場合、余剰な熱を改質器に掛けて、多量の燃料を改質させる為、急な変動時に改質器からの改質ガスは定常運転時より高温となり、高負荷によりセルスタック発熱も多くなることから、急激な負荷変動所望の温度範囲内にセルスタックを収める事が困難であり、急激な負荷変動には追従ができなかった。
しかし、上記したガスどうしの熱交換を行うことにより、セルスタックに導入する前にガスの温度を下げ、かつ、他方のガスと熱交換した後の一方のガスの一部をスタック導入前で排気することで、改質した他方のガスが運ぶ余分な熱を排気して、急激な負荷変動に対する応答性を向上させることができる。
【００４０】
本発明の第三の実施形態に係る燃料電池Ａ３について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池Ａ３の平断面図である。なお、上述した各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詳細な説明を省略する。
【００４１】
第三の実施形態に係る燃料電池Ａ３は、ガス導入部の形状と熱交換器の構成が上述した燃料電池Ａ１と相違している。
ガス導入部１４０は、周板３３、側板１４０ａ，１４０ｂ,１４０ｃ、底板１４０ｄ及び図示しない天板によって区画された平面視略台の縦長立方体形であり、その天板には上記したものと同様の導入管（図示しない）が接続されている。
側板１４０ａ,１４０ｃは、ガス流路上流側から下流側に向けて次第に互いの間隔が広くなるように形成されている。このことにより、セルスタックＢの一方のガス導入部を広くすることができ、一方のガスのユニット間隙ｓを流れる流速を遅くすることで、一方のガスによりセルスタックＢを冷却する上で、急激な温度分布が発生することを防ぐことができる。
【００４２】
ガス導入部１４０内には、二種類のガス相互間の温度差を緩和するための温度差緩和手段である熱交換器Ｃ２が配設されている。換言すると、ケース３０内に流入する一方のガスのセルスタックＢに至るガス流路γに熱交換器Ｃ２を配設している。
熱交換器Ｃ２は、一方のガスを流通させて他方のガスとの熱交換を行うための熱交換用チューブ４１…を所要の間隔で配列したものであり、それら熱交換用チューブ４１…を、ガス流路γの流通方向上流側から下流側に向けて熱交換伝熱面積が増加するように配列している。このことより、熱交換上流側では、一方のガスを予熱するのに用いる一方、熱交換下流側では、熱交換器Ｃ２の広い伝熱面積部分を通じて、セルスタックＢへ伝熱させる事ができるため、セルスタックＢの導入側での温度低下を防ぐことで、セルスタックＢの温度分布を緩和することができる。
【００４３】
本実施形態においては、ガス流路γの流通方向上流側から下流側に向けて互いの間隔が密となるように熱交換用チューブ４１…を配列した構成になっている。
換言すると、ガス流路γの流通方向上流側から下流側に向けて、単位面積当たりに配列する熱交換用チューブ４１の本数を増加させている。このことにより、熱交換下流側で熱交換用チューブの間隔を密にすることで、熱交換下流側の圧力損失をあげることができるため、ケースに導入した一方のガスの流速分布を、ユニット面内方向に均一にさせることができる。
【００４４】
具体的には、中心軸線Ｏ１を中心とした大小４つの円周上に熱交換用チューブ４１…を列設しており、それら各列のうち、セルスタックＢから遠いものから近いものに配列した熱交換用チューブ４１…の間隔が狭くなるようにしている。
また、隣り合う列に配列した熱交換用チューブ４１どうしが、直径線Ｏ２に沿う方向において重なり合わないように配列すると、一方のガスの各熱交換用チューブへの流接が良好に行われ、熱交換効率の向上に寄与できる。
【００４５】
本発明の第四の実施形態に係る燃料電池Ａ４について、図４を参照して説明する。図４は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。なお、上述した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詳細な説明を省略する。
【００４６】
本発明の第四の実施形態に係る燃料電池Ａ４は、セルスタックＢと、温度差緩和手段である熱交換器Ｃ３とをケース３０に収容しているとともに、そのケース３０内に詳細を後述する一対のガス誘導部材１５０，１５０を配設していることを主たる構成としたものである。
【００４７】
ケース３０は、平面視円形にした底板３１と上板（図示しない）の全周にわたり周板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。
また、周板３３の内側であって軸線Ｏ１を通る直径線Ｏ２上には、ケース３０内に導入された一方のガスを排出するためのガス排出部１５１が配設されているとともに、そのガス排出部１５１の両側に一方のガスを導入するためのガス導入部１５２，１５２を配設している。
換言すると、ガス導入部１５２，１５２にガス排出部１５１を内包した構造にすることにより、セルスタックＢから排出される一方のガスとケース３０に導入された一方のガスとの間において熱交換を行うことにより、セルスタックＢの発熱の一部をセルスタックＢに向けて流す一方のガス（空気）の予熱に用いることができる。
【００４８】
ガス導入部１５２は円筒形に形成されており、その周板には、一方のガスをケース３０内に導入するための導入孔１５２ａが上下多段にして形成されている。
【００４９】
ガス排出部１５１は下端を閉塞した円筒形に形成されており、これの周板であって、上記セルユニットＢの間隙ｓに対向する位置には、ケース３０内の一方のガスを取り入れて排出するためのガス取入れ孔１５１ａ…が上下多段に配設されている。
換言すると、ガス取入れ孔１５１ａ…をセルユニット１０…の積層ピッチに合わせて配列している。
【００５０】
上記したガス誘導部材１５０，１５０は、ガス導入部１５２からケース３０内に導入した一方のガスを、セルスタックＢの外周縁部Ｂａに沿って周回させ、そのセルスタックＢの上記間隙ｓを通じてガス排出部１５１に誘導する機能を有するものである。
上記したガス誘導部材１５０，１５０の基端部は、ガス排出部１５１に連結され、また、開放端部間には、一方のガスをセルスタックＢ内に誘うための開口域Ｐが区画形成されている。
なお、セルスタックＢの外周縁部Ｂａは、セルユニット１０の外縁部と言い換えることができる。
【００５１】
具体的には、ガス誘導部材１５０，１５０は、平面視において直径線Ｏ２を中心として線対称に曲成されており、それらガス誘導部材１５０，１５０とケース３０の周板３３内面との間に、一方のガスを流通させるための流通路α，αが区画形成されている。
本実施形態においては、それら流通路α，αもガス導入部１５２の一部をなしている。
なお、本実施形態においては、セルスタックＢを直径線Ｏ２に沿ってガス排出部１５１側に変位して配設しており、これにより、上記の流通路α，αがガス排出部１５１から熱交換器Ｃ３に向け、その幅が次第に広くなるようにしている。
【００５２】
ケース３０の内周であって、ガス誘導部材１５０，１５０の開口域Ｐに対向する位置には、一方のガスと、他方のガスとの温度差を緩和するための温度差緩和手段である熱交換器Ｃ３が配設されている。換言すると、ケース３０に流入する一方のガスのセルスタックＢに至るガス流路γに熱交換器Ｃを配設している。
【００５３】
熱交換器Ｃ３は、縦長円筒形のケース４０内に、一方のガスを流通させて他方のガスとの熱交換を行うための熱交換用チューブ４１…を中心軸線Ｏ１を中心とする大小２つの円弧上に配列した構成のものである。
すなわち、上記ガス導入部１５２からケース３０に流入した一方のガスが各熱交換用チューブ４１…に流接することにより、それら二種類のガスどうしの熱交換が行われるようにしている。
【００５４】
上記したように、ケース３０内に導入した一方のガスを熱交換器Ｃ３を介して熱交換することができ、セルスタックＢに流通させる一方のガスを予熱することができる。
また、ガス排出部１５１及びガス誘導部材１５０をセルスタックＢの外縁部Ｂａに近接しているので、そのセルスタックＢ内のユニット外集電体，セパレータ，セル板やユニット内集電体等から、ガス誘導部材１５０に対しても熱を伝達させられ、発電による発熱の一部を、一方のガスの予熱に用いることで、セルスタックＢの温度調節が容易となり発電性能を安定させられる。特に、外縁部Ｂａを流れる方向とユニット間隙ｓを流れる方向を対向させることで、セルスタックＢの発熱により、ユニット間隙ｓの下流側、すなわち一方のガスがセルスタックＢの平均温度に比べ高温となる領域側から、ガス誘導部材１５０を用いて一方のガスを導入することで、セルスタックＢの温度分布を緩和させることができる。
【００５５】
本発明の第五の実施形態に係る燃料電池Ａ５について、図５を参照して説明する。図５は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池の平断面図である。なお、上述した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詳細な説明を省略する。
【００５６】
第五の実施形態に係る燃料電池Ａ５は、流通路αに配置した熱交換器の構成が、上記図４に示すものと相違している。
熱交換器Ｃ４は、一方のガスを流通させて他方のガスとの熱交換を行うための熱交換用チューブ４１…をガス導入部１５２から開口域Ｐに向け、次第に密集するようにして流通路αに２列にして配列した構成のものである。
具体的には、中心軸線Ｏ１を中心とした大小２つの円孤上に熱交換用チューブ４１…を配列されている。それらのうち内側の列をなす熱交換用チューブ４１…と、内側の列をなす熱交換用チューブ４１…の間隔が、それぞれガス導入部１５２から開口域Ｐに向けて次第に狭くなるようにして配列されている。
以上の構成により、上記ガス導入部１５２内に流入した一方のガスが各熱交換用チューブ４１…に流接して、それら二種類のガスどうしの熱交換が行われるようにしている。
このような構造にすることにより、流通路αに熱交換器を配置したことにより、外縁部Ｂａを流通するガス流れを乱れさせ、ガス流れ方向に垂直な温度分布を均一化させることで、セルスタックＢからガス誘導部材１５０を通過する熱の交換効率を向上させることができる。
【００５７】
本発明の第六の実施形態に係る燃料電池Ａ６について、図６を参照して説明する。図６は、本発明の第六の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。なお、上述した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詳細な説明を省略する。
【００５８】
第六の実施形態に係る燃料電池Ａ６は、熱交換後の他方のガスの流通量を増減するガス流量増減部Ｄの一部をなす流量増減用バルブアクチュエータ１３５を、セルスタックＢに至るガス流路γに沿って配設している。
ガス流量増減部Ｄは、熱交換後の一方のガスの一部を、セルスタックＢに至る前にガス流路γ外に分流するものである。
本実施形態においては、ケース３０の周板３３であって、熱交換器Ｃ３のガス流通方向下流側に配設された分流管１６０に、分流するガス量を増減するための流量増減用バルブアクチュエータ１３５を配設しており、具体的には次のとおりである。
【００５９】
周板３３であって、直径線Ｏ２に一致する位置、換言すると、ガス誘導部材１５０，１５０の開放端部で形成する開口域Ｐに対向する部分には、分流管１６０が配設されている。
分流管１６０は円筒形に形成されており、これの内部に上記した流量増減用バルブアクチュエータ１３５を配設している。
なお、流量増減用バルブアクチュエータ１３５は、上記したものと同等の制御部１３８の出力側に接続されており、その制御部１３８から出力される駆動信号により開閉駆動されるようになっている。
【００６０】
本発明の第七の実施形態に係る燃料電池Ａ７について、図７を参照して説明する。図７は、本発明の第七の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。なお、上述した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詳細な説明を省略する。
【００６１】
第七の実施形態に係る燃料電池Ａ７は、熱交換器Ｃ５と、改質器１６５とをケース３０内に配設した構成のものである。
ケース３０の周板３３には、そのケース３０内に一方のガスを導入するためのガス導入部１７０と、当該ケース３０内に導入された一方のガスを排出するためのガス排出部１７１がセルスタックＢを挟む両側に配設されている。換言すると、セルスタックＢの中心軸線Ｏ１を通る直径線Ｏ２上に配設している。
【００６２】
ガス導入部１７０は、上記周板３３、周板１７０ａ,１７０ｂ,１７０ｃ、及び天板１７０ｄ、底板１７０ｅによって区画された縦長直方体形のものであり、その天板１７０ｄには導入管１７２が接続されている。
また、周板３３には、ガス導入部１７０に臨ませた方形開口３３ａが形成されている。
【００６３】
ガス導入部１７０内には、一方のガスと、他方のガスとの温度差を緩和するための温度差緩和手段である熱交換器Ｃ５が配設されている。換言すると、ケース３０内に流入する一方のガスのセルスタックＢに至るガス流路γに熱交換器Ｃ５を配設している。
【００６４】
熱交換器Ｃ５は、縦長円筒形のケース４０内に、一方のガスを流通させて他方のガスとの熱交換を行うための熱交換用チューブ４１…を２列に配列した構成のものである。すなわち、上記導入管１７２からガス導入部１７０内に流入した一方のガスが各熱交換用チューブ４１に流接させて、それら二種類のガスどうしの熱交換が行われるようにしている。
【００６５】
ガス排出部１７１は、上記周板３３、周板１７１ａ,１７１ｂ,１７１ｃ、及び天板１７１ｄ、底板１７１ｅによって区画された縦長直方体形のものであり、その天板１７０ｄには排出管１７３が接続されている。
【００６６】
改質器１６５は、縦長円筒形のカソードケース１６６内に他方のガスを流通させて改質を行うための触媒反応管１６７…を格子状に配列した構成のものである。すなわち、カソードケース１６６から排出される他方のガスが各触媒反応管１６７に流接することにより、それら二種類のガスどうしの熱交換が行われるようにしている。
【００６７】
改質器１６５をケース３０内であってガス排出部１７１側に設けることにより、ガスのスタック排気熱を改質のための冷熱源とすることができ、他方のガスの温度調節を行うことができる。さらに、一方のガスの排気側に大きな圧力損失を設けることで、セルユニット間への一方のガスの分配分布が緩和され、セルユニット１０，１０間での発電特性がより均一になる。さらに、ケース内に改質器を設けることで、車載する場合のように限られた空間に搭載する上で重要な要素であるコンパクト化を実現するとともに、コンパクト化により放熱を低減させ、熱効率が向上する。
【００６８】
本発明の第八の実施形態に係る燃料電池Ａ８について、図８を参照して説明する。図８は、本発明の第八の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。なお、上述した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詳細な説明を省略する。
【００６９】
第八の実施形態に係る燃料電池Ａ８は、セルスタックＢ，熱交換器Ｃ３，改質器１８０及び一対のガス誘導部材１５０，１５０をケース３０に収容していることを主たる構成としたものである。
【００７０】
ケース３０は、平面視円形にした底板３１と上板３２の全周にわたり周板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。
周板３３の内側であって中心軸線Ｏ１を通る直径線Ｏ２上には、ケース３０内に導入された一方のガスを排出するためのガス排出部１９０が配設されているとともに、そのガス排出部１９０の両側にガス導入部２００，２００を配設している。
【００７１】
上記ガス排出部１９０は、周板３３，側板１９０ａ，１９０ｂによって略方形筒形に区画形成されており、これに上記したものと同等の改質器１８０が内設されている。
【００７２】
ガス導入部２００，２００は、上記側板１９０ａ，１９０ｂと間をおいて立設された仕切り板２０１により区画形成されており、その仕切り板２０１には、一方の反応用ガスをケース３０内に導入するための導入孔２０１ａ，２０１ａが上下多段にして形成されている。
【００７３】
改質器１８０は、縦長円筒形のカソードケース１８１内に他方のガスを流通させて改質を行うための触媒反応管１８２…を格子状に配列した構成のものである。すなわち、カソードケース１８１から排出される他方のガスが各触媒反応管１８２に流接することにより、それら二種類のガスどうしの熱交換が行われるようにしている。
【００７４】
周板３３であって、直径線Ｏ２に一致する位置、換言すると、ガス誘導部材１５０，１５０の開放端部で形成する開口域Ｐに対向する部分には、分流管１６０が配設されている。
分流管１６０は円筒形に形成されており、これの内部に上記した流量増減用バルブアクチュエータ１３５を配設している。
なお、流量増減用バルブアクチュエータ１３５は、上記した制御部と同等の制御部１３８の出力側に接続されており、その制御部１３８から出力される駆動信号により開閉駆動されるようになっている。
【００７５】
本発明の第九の実施形態に係る燃料電池Ａ９について、図９，１０を参照して説明する。図９は、本発明の第九の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。また、図１０は、熱交換器Ｃ４の拡大図である。なお、上述した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詳細な説明を省略する。
【００７６】
本発明の第九の実施形態に係る燃料電池Ａ９は、熱交換器Ｃ６と、上記したものと同等のセルスタックＢ，Ｂとを一体的に形成したスタック熱交換器複合体Ｅを、ケース３０に内設していることを主たる特徴としたものである。
換言すると、熱交換器Ｃ６を流通する一方のガスの流動方向と、セルスタックＢを流通する一方のガスの流動方向が相対向するようにガス流路を形成していることを特徴としている。
【００７７】
ケース３０は、平面視円形にした底壁３１と上壁３２の全周にわたり周板３３を囲繞形成した気密性を有する円筒形のものであり、これの内部は、仕切り板３７，３８によって上下３つの収容室３０ａ，３０ｂ，３０ｃに区画されている。
【００７８】
上記周板３３には、スタック熱交換器複合体Ｅを挟む一側にガス導入部２１０とガス排出部２２０，２２０とが互いに上下配置にして、また、他側にはガス導入部２１０から導入された一方のガスをガス排出部２２０，２２０に分流誘導する誘導部２３０がそれぞれ配設されている。
換言すると、ガス導入部２１０及びガス排出部２２０，２２０と、誘導部２３０とはスタック熱交換器複合体Ｅ、従ってまた、セルスタックＢの中心軸線Ｏ１を通る直径線Ｏ２上に配設している。
【００７９】
誘導部２３０は、収容室３０ａ，３０ｂ，３０ｃ間に連通形成した縦長方形のものであり、上記仕切り板３７，３８によって仕切られていないものである。
【００８０】
本実施形態においては、熱交換器Ｃ６を流通する一方のガスの流動方向と、セルスタックＢ，Ｂを流通する一方のガスの流動方向が相対向するようにガス流路βを形成している。すなわち、当該ガス流路βは、下記のスタック熱交換器複合体Ｅを挟む一側にガス導入部２１０及びガス排出部２２０，２２０を配するとともに、他側に誘導部２３０を配するにより形成されている。要約すると、ガス流路βは、正面視において左右逆向き略Ｅ字形に流通している。
【００８１】
スタック熱交換器複合体Ｅは、上述したものと同等の２つのセルスタックＢ，Ｂを互いに上下逆向きにし、かつ、それらセルスタックＢ，Ｂの間に熱交換器Ｃ６を配設した構成のものである。
以下、２つのセルスタックＢ，Ｂのうち、上側に配置したセルスタックＢを上側セルスタック、下側に配置したセルスタックＢを下側セルスタックという。
【００８２】
本実施形態に示す熱交換器Ｃ６は、４つの熱交換ユニット２４０…を互いに所要の間隙をもって積層してなるものである。
熱交換ユニット２４０は、上下２つの熱交換用板２４１，２４１間に区画形成される空隙ｍに後述する流路形成体２５０とを収容した中空円盤形のものであり、それらを中心軸線Ｏ１を中心として互いに同軸的に整列させた構成になっている。
【００８３】
熱交換用板２４１は熱伝導効率の高い材質から形成されており、それは、隣接する他の熱交換ユニット２４０との間に上記した所要の間隙が形成される高さにした円形段差部２４２が、円形基板２４３の中心に突設され、かつ、周縁部に周壁２４４を傾設したものである。
円形段差部２４２，２４２には、流路形成体２５０に形成されているガス流入孔２５０ａとガス流出孔２５０ｂに対応する位置に、それらと同径の貫通孔２４２ａ，２４２ｂが開口形成されている。
【００８４】
流路形成体２５０は、上記の熱交換用板２４１，２４１の円形段差部２４２，２４２間に介挿されており、他方のガスを熱交換ユニット２４０に流入させるための流入孔２５０ａと、熱交換ユニット２４０内に流入した他方のガスを外部に流出させるための流出孔２５０ｂとが形成されている。
【００８５】
円形段差部２４２，２４２間に流路形成体２５０を配置するとともに、熱交換用板２４１，２４１を互いに対向させて周壁２４４，２４４どうしを接合することにより、それらの内部に空隙ｍを区画形成した熱交換ユニット２４０となる。
【００８６】
本実施形態においては、上側の２つの熱交換ユニットＣ６，Ｃ６と、上側の２つの熱交換ユニットＣ６，Ｃ６との間に、他方のガスを各熱交換ユニットＣ６に送給するための送給部体２６０を挟入した状態で積層されている。
【００８７】
送給部体２６０は、他方のガスを導入するための導入パイプ２６１を周壁２６０ａに突設しているとともに、その導入パイプ２６１から導入された他方のガスを流入させるための流入孔２６０ｂと、流入した他方のガスを外部に流出させるための流出孔２６０ｃとを形成した円柱形のものである。
【００８８】
上記構成からなる熱交換器Ｃ６による熱交換動作は、次のとおりである。
導入パイプ２６１を介して送給された他方のガスは、各熱交換ユニット２４０を通過する際に、熱交換用板２４１，２４１に上記ガス導入部３４から流入した一方のガスが流接することにより、それら二種類のガス相互間の熱交換が行われる。
【００８９】
熱交換が行われた後の一方のガスは、熱交換ユニット２４０の間隙ｓ１及び誘導部２３０を通じてガス排出部２２０，２２０に向けて流動する。これにより、セルスタックＢをなすセルユニット１０の平面内における温度分布の均一化を図ることができ、そのセルスタックＢの内部を所望の温度差に抑えられる。
また、熱交換器Ｃ６をセルスタックＢ，Ｂ間に介設しているので、燃料電池Ａ９のさらなる小型化を図ることができる。
【００９０】
すなわち、熱交換器Ｃ６の一方のガスの導入側は温度が低い一方、排出側は他方のガスから熱を受けて高温となる。また、セルスタックＢを通じて排出される一方のガスは、セルスタックＢに流入する前と比べて温度が高いため、熱交換器Ｃ６とセルスタックＢに流れる一方のガスを対向させることにより、セルユニットＢ面内の温度分布を緩和させることができるのである。
【００９１】
本発明の第九の実施形態について、別の運転方法に関するフローチャートを図１１に示す。
ステップ１（図中Ｓ１と略記する。以下同様。）燃料電池への要求出力を認識して、ステップ２に進む。
ステップＳ２にて要求出力に応じて、改質器に投入される燃料と、改質器の動作温度より、改質器から排出される他方ガスの熱量を予測するのとともに、セルスタックＢの発電による発熱量を予測して、ステップ３に進む。
【００９２】
ステップ３にて、発電に必要且つ出力を低下させない程度に十分な空気量（空気（酸素）利用率10〜80%程度）を計算して、ステップ４に進む。
ステップＳ４にて上記ガス条件の場合に於いて、セルスタックの代表温度（例えば平均温度）が所望の範囲に収まるかを判断し、所望温度に収まると判断した場合には、ステップ５に進む。
【００９３】
ステップ５にて、改質ガスと空気を熱交換させて、ステップ６に進む。
ステップ６にて、流量調整用バブルアクチュエータによりバブルを閉めて、熱交換後の空気を全てセルスタックへ導入させる。
一方、ステップ５においてセルスタックの代表温度が所望の範囲に収まらなかったと判断した場合には、ステップ７に進む。
【００９４】
ステップ７にて、改質器からの改質ガスの熱量を算出し、その為に必要な空気量を算出し、空気を導入してステップ８に進む。
ステップ８にて改質ガスと空気を熱交換させて、改質ガスの余剰な熱を奪い、ステップ９に進む。
【００９５】
ステップ９にて、発電に必要十分な空気量のみをセルスタックに流し、残りの空気をセルスタック外へ排出させるように、流量増減用バルブアクチュエータを作動させる。
なお、本運転方法は、流量増減用バルブアクチュエータを備えた実施形態においてはいずれにも共通であって、第九の実施形態に限るものではない。
【００９６】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上記の実施形態においては、熱交換器として複数本の円形にした管を配列した構成のものについて説明したが、これに限らず、さらに熱交換効率を高めるためのフィンを上記の管に設けた構成や、チューブ＆コルゲート等を適用することができる。
【００９７】
・以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものであることを付記する。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。
【図２】（Ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池の平断面図、（Ｂ）は、流量増減用バルブアクチュエータを制御するための制御部である。
【図３】本発明の第三の実施形態に係る燃料電池Ａ３の平断面図である。
【図４】本発明の第四の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。
【図５】本発明の第五の実施形態に係る燃料電池の平断面図である。
【図６】本発明の第六の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。
【図７】本発明の第七の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。
【図８】本発明の第八の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。
【図９】本発明の第九の実施形態に係る燃料電池を示すものであり、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は（Ａ）に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。
【図１０】図９に示す熱交換器の拡大図である。
【図１１】本発明の第九の実施形態に係る燃料電池の、別の運転方法に関するフローチャートである。
【符号の説明】
【００９９】
１０            セルユニット
１２            ユニット内集電体
３０            ケース
３４，２４０    ガス導入部
３５            ガス排出部
４１            熱交換用チューブ
８０            ユニット内集電体
１００          ユニット外集電体
１３５          流量増減用バルブアクチュエータ
１６５，１８０  改質器
Ａ１〜Ａ９      燃料電池
Ｂ              スタック構造体
Ｂａ            外周縁部
Ｃ１〜Ｃ６      温度差緩和手段（熱交換器）
Ｄ              ガス流量増減部
ｓ              間隙
【図１】
0005418801.tif 000002
【図２】
0005418801.tif 000003
【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】
0005418801.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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