(57)【要約】      （修正有）【課題】新たな部品を追加することなく、温度勾配を低減することのできる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】メタルサポートセル１１０Ｍおよびセパレータ１２０の間に設けられ、ガスが流通する主流路Ｒ１と、主流路のガスが流通する流通方向に対する幅方向であって、セルフレーム１１３およびセパレータの間に設けられ、ガスが流通可能なバイパス流路Ｒ２と、を有し、バイパス流路を流通するガスの熱エネルギーを、主流路を流通する前記ガスに対して補給する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタルサポートセルおよび前記メタルサポートセルの外周を保持するセルフレームを有するメタルサポートセルアッセンブリーと、
積層方向に隣り合う前記メタルサポートセルの間に設けられるセパレータと、を有するセルユニットを、前記積層方向に積層されてなる、固体酸化物形燃料電池の燃料電池スタックであって、
前記メタルサポートセルおよび前記セパレータの間に設けられ、ガスが流通可能な主流路と、
前記主流路の前記ガスが流通する流通方向に対する幅方向の外方であって、前記セルフレームおよび前記セパレータの間に設けられ、前記ガスが流通可能なバイパス流路と、を有し、
前記バイパス流路を流通する前記ガスの熱エネルギーを、前記主流路を流通する前記ガスに対して補給する、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記バイパス流路は、前記主流路よりも前記積層方向の長さが長い、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記バイパス流路は、前記セルフレームおよび前記セパレータによって区画形成される、請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記バイパス流路は、前記流通方向の下流に連れて、流路幅が小さくなるように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記バイパス流路は、少なくとも前記バイパス流路が前記主流路に対して合流する合流部よりも前記流通方向の下流側に、圧力損失を生じさせる圧力損失部を有する、請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記圧力損失部は、前記バイパス流路の最下流位置に設けられる、請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記バイパス流路の前記幅方向の外方には、前記バイパス流路を形成する外枠部が設けられ、
前記外枠部は中空形状を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記主流路は、前記幅方向に隣り合う前記主流路に対して空間的に連続する連続部を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記連続部は、前記幅方向に対して、前記流通方向の下流側に向けて傾斜して構成されている、請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記主流路は、下流側において上流側よりも圧力損失が小さくなるように構成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記主流路は、前記幅方向の内方に連れて圧力損失が小さくなるように構成されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ：ＳＯＦＣ。以下、単に「ＳＯＦＣ」ということがある。）は、熱効率が高く、貴金属触媒を使わなくても燃料と空気との電気化学反応が可能であり、さらに多種類の燃料を使用できる。ＳＯＦＣは、供給されたガスによって発電する電解質電極接合体、およびガスが流通する流路部が区画形成されたセパレータを含むセルユニットを複数積層して構成される燃料電池スタックを有する。
【０００３】
このようなＳＯＦＣを起動する際、およそ５００〜６００℃の閾値温度になると発電が開始する。起動時において、ガス流路にガスを導入すると、ガス流路の入口側においては、ガスと周囲との温度差が大きいため、比較的温度が高くなるように加熱される。一方、ガス流路の出口側においては、入口側において熱が奪われることに起因してガスと周囲との温度差が小さくなるため、上流側と比較して温度が低くなるように加熱される。すなわち、ガスの流通方向に沿って、入口側が高く出口側が低い温度勾配が生じる。このような温度勾配が生じると、上流側よりも温度の低い下流側における温度が閾値温度を超えるまでＳＯＦＣが起動しないため、起動に時間がかかるという問題がある。
【０００４】
これに関連して、例えば下記の特許文献１には、冷媒の入口側に、下流側よりも熱伝導率が小さい低熱伝導部が形成された燃料電池スタックが開示されている。この構成によれば、温度勾配を低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４９５６０００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池スタックでは、追加部品が必要となることから、コストが増大したり、燃料電池スタックの体積が増加したりする可能性がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、新たな部品を追加することなく、温度勾配をなだらかにすることのできる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池スタックは、メタルサポートセルおよび前記メタルサポートセルの外周を保持するセルフレームを有するメタルサポートセルアッセンブリーと、積層方向に隣り合う前記メタルサポートセルの間に設けられるセパレータと、を有するセルユニットを、前記積層方向に積層されてなる、固体酸化物形燃料電池の燃料電池スタックである。燃料電池スタックは、前記メタルサポートセルおよび前記セパレータの間に設けられ、ガスが流通可能な主流路と、前記主流路の前記ガスが流通する流通方向に対する幅方向外方であって、前記セルフレームおよび前記セパレータの間に設けられ、前記ガスが流通可能なバイパス流路と、を有する。また、前記バイパス流路を流通する前記ガスの熱エネルギーを、前記主流路を流通する前記ガスに対して補給する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、新たな部品を追加することなく、温度勾配をなだらかにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを示す分解斜視図である。
【図２】セルユニットの分解斜視図である。
【図３】メタルサポートセルアッセンブリーの分解斜視図である。
【図４】図２の４−４線に沿う断面図である。
【図５】セルユニットの一部を示す上面図である。
【図６】主流路に設けられる連続部の構成を説明するための斜視図である。
【図７】図５の７−７線に沿う断面図である。
【図８】図５の８−８線に沿う断面図である。
【図９】バイパス流路を流通するガスの熱エネルギーを、主流路を流通するガスに対して補給する様子を示すイメージ図である。
【図１０】バイパス流路を流通するガスの熱エネルギーを、主流路を流通するガスに対して補給する効果を示すグラフである。
【図１１】比較例に係る燃料電池スタックの、反応部への伝熱量を示す図である。
【図１２】比較例に係る燃料電池スタックの、温度分布の時間変化を示すグラフである。
【図１３】本実施形態に係る燃料電池スタックの、反応部への伝熱量を示す図である。
【図１４】本実施形態に係る燃料電池スタックの、温度分布を示すグラフである。
【図１５】変形例１に係る燃料電池スタックのセルユニットの一部を示す上面図である。
【図１６】変形例２に係る燃料電池スタックのセルユニットの一部を示す上面図である。
【図１７】変形例３に係る燃料電池スタックのセルユニットの一部を示す上面図である。
【図１８】変形例４に係る燃料電池スタックのセルユニットの一部を示す上面図である。
【図１９】変形例５に係る燃料電池スタックのセルユニットの一部を示す上面図である。
【図２０】変形例６に係る燃料電池スタックのセルユニットの一部を示す上面図である。
【図２１】変形例７に係る燃料電池スタックのセルユニットの一部を示す上面図である。
【図２２】変形例８に係る燃料電池スタックのセルユニットの一部を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
図１〜図１０を参照して、本実施形態に係る燃料電池スタック１０について説明する。本実施形態の燃料電池スタック１０は、電解質として例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に用いられる。
【００１３】
以下の説明の便宜のため、ＸＹＺ直交座標系を図中に示す。Ｘ軸およびＹ軸は水平方向、Ｚ軸は上下方向（積層方向に相当）にそれぞれ平行な軸を示す。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を示す分解斜視図である。図２は、セルユニット１００の分解斜視図である。図３は、メタルサポートセルアッセンブリー１１０の分解斜視図である。図４は、図２の４−４線に沿う断面図である。図５は、セルユニット１００の一部を示す上面図である。図６は、主流路Ｒ１に設けられる連続部Ｒ３の構成を説明するための斜視図である。図７は、図５の７−７線に沿う断面図である。図８は、図５の８−８線に沿う断面図である。なお、図５では理解の容易のため、集電補助層１３０は省略して示す。図９は、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して補給する様子を示すイメージ図である。図１０は、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して補給する効果を示すグラフである。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、概説すると、メタルサポートセル１１０Ｍおよびメタルサポートセル１１０Ｍの外周を保持するセルフレーム１１３を有するメタルサポートセルアッセンブリー１１０と、Ｚ方向に隣り合うメタルサポートセル１１０Ｍの間に設けられるセパレータ１２０と、を有するセルユニット１００を、Ｚ方向に積層されてなる。また、燃料電池スタック１０は、メタルサポートセル１１０Ｍおよびセパレータ１２０の間に設けられ、ガスが流通可能な主流路Ｒ１と、主流路Ｒ１のガスが流通する流通方向（Ｘ方向）に対する幅方向（Ｙ方向）外方であって、セルフレーム１１３およびセパレータ１２０の間に設けられ、ガスが流通可能なバイパス流路Ｒ２と、を有する。バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して補給する。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、図１に示すように、複数のセルユニット１００を上下方向に積層して構成している。
【００１７】
（セルユニット１００）
セルユニット１００は、図２に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１１０と、電解質電極接合体１１１との間にガスが流通するための主流路Ｒ１を区画形成するセパレータ１２０と、集電補助層１３０と、を順に積層して構成される。なお、メタルサポートセルアッセンブリー１１０と集電補助層１３０との間に両者を導通接触させる接点材を配置してもよいし、集電補助層１３０を省く構造としてもよい。
【００１８】
セルユニット１００は、アノードガスを流通させて供給および排出するためのマニホールド部１５０（図１を参照）と、マニホールド部１５０の周囲を封止してガスの流れを制限する複数のシール部１６０（図２を参照）と、をさらに有する。なお、本実施形態では、燃料電池スタック１０は、セルユニット１００の外側（図２および図３の破線囲み部分）をカソードガスが自由に流通するオープンカソード構造として構成している。
【００１９】
メタルサポートセルアッセンブリー１１０は、図２、図３に示すように、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（Ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｃｅｌｌ：ＭＳＣ）１１０Ｍと、メタルサポートセル１１０Ｍの外周を保持するセルフレーム１１３と、を有する。
【００２０】
メタルサポートセル１１０Ｍは、図３、図４に示すように、電解質１１１Ｅを両側からアノード１１１Ａおよびカソード１１１Ｃで挟持してなる電解質電極接合体１１１と、電解質電極接合体１１１を上下方向の一方側から支持する金属製のメタルサポート部１１２と、を有する。メタルサポートセル１１０Ｍは、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れる。
【００２１】
（電解質電極接合体１１１）
電解質電極接合体１１１は、図３、図４に示すように、電解質１１１Ｅを両側からアノード１１１Ａおよびカソード１１１Ｃで挟持して構成される。
【００２２】
電解質１１１Ｅは、カソード１１１Ｃからアノード１１１Ａ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１１１Ｅ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１１１Ｅの形成材料は、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、スカンジウム等をドープした安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスが挙げられる。
【００２３】
アノード１１１Ａは、燃料極であって、アノードガス（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード１１１Ａは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスを透過させ、電気（電子およびイオン）伝導度が高く、アノードガス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１１１Ａの形成材料は、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ものが挙げられる。
【００２４】
カソード１１１Ｃは、酸化剤極であって、カソードガス（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１１１Ｃは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスを透過させ、電気（電子およびイオン）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１１１Ｃの形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。
【００２５】
（メタルサポート部１１２）
メタルサポート部１１２は、図３、図４に示すように、電解質電極接合体１１１をアノード１１１Ａの側から支持するものである。メタルサポート部１１２は、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質の金属である。メタルサポート部１１２の形成材料は、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などが挙げられる。
【００２６】
（セルフレーム１１３）
セルフレーム１１３は、図３、図４に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍを周囲から保持するものである。セルフレーム１１３は、長手方向Ｙに沿って並べて配置された複数（本実施形態では、２つ）の開口部１１３Ｈを有する。セルフレーム１１３の開口部１１３Ｈには、メタルサポートセル１１０Ｍが配置される。メタルサポートセル１１０Ｍの外周は、セルフレーム１１３の開口部１１３Ｈの内縁に接合される。セルフレーム１１３の形成材料は、例えば、表面に絶縁処理が施された金属が挙げられる。
【００２７】
セルフレーム１１３は、図３に示すように、アノードガスが流通するアノードガス第１流入口１１３ａ、アノードガス第２流入口１１３ｂ、アノードガス第３流入口１１３ｃ、アノードガス第１流出口１１３ｄおよびアノードガス第２流出口１１３ｅを有している。
【００２８】
（セパレータ１２０）
セパレータ１２０は、図２に示すように、Ｚ方向に隣り合うメタルサポートセル１１０Ｍの間に配置される。セパレータ１２０には、図５〜図８に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍとの間にガスが流通する主流路Ｒ１が設けられる。また、セパレータ１２０には、図５〜図８に示すように、セルフレーム１１３との間にガスが流通可能なバイパス流路Ｒ２が設けられる。主流路Ｒ１およびバイパス流路Ｒ２の詳細な構成については後述する。セパレータ１２０の形成材料は、例えば、金属が挙げられる。
【００２９】
セパレータ１２０は、図２に示すように、アノードガスが流通するアノードガス第１流入口１２０ａ、アノードガス第２流入口１２０ｂ、アノードガス第３流入口１２０ｃ、アノードガス第１流出口１２０ｄおよびアノードガス第２流出口１２０ｅを有している。
【００３０】
（集電補助層１３０）
集電補助層１３０は、図７、図８に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０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、メタルサポートセル１１０Ｍとセパレータ１２０との電気的な接触を補助する。集電補助層１３０は、金網状のエキスパンドメタルなどがあげられる。また、本特性や機能を他要素で持たせることができる場合、集電補助層１３０を省くことも可能である。
【００３１】
（マニホールド部１５０）
図１に示すマニホールド部１５０は、図２に示すセルフレーム１１３のアノードガス流出入口１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅおよび、セパレータ１２０のアノードガス流出入口１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅによって構成される。
【００３２】
（シール部１６０）
シール部１６０は、耐熱性およびシール性を有する材料から形成される。このような材料としては、例えば、バーミキュライト（蛭石）を主原料とするサーミキュライト（登録商標）が挙げられる。もしくは、ガラス成分からなるシールを用いることも可能である。
【００３３】
以下、図５〜図１０を参照して、主流路Ｒ１およびバイパス流路Ｒ２の構成について詳述する。なお、図９に示すように、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーは、主流路Ｒ１を流通するガスに対して供給される（図９の点線矢印参照）。このため、図１０の丸部で覆うように、バイパス流路Ｒ２のバイパスフローとして低温部に供給される。
【００３４】
（主流路Ｒ１）
主流路Ｒ１は、図５に示すように、凹凸形状がＹ方向に延在するように略直線状に形成されている。これにより、主流路Ｒ１に沿って流れるガスの流れ方向は、Ｘ方向である。
【００３５】
主流路Ｒ１は、図７、図８に示すように、セパレータ１２０およびメタルサポートセル１１０Ｍとの間に形成されている。
【００３６】
主流路Ｒ１は、図８に示すように、Ｙ方向に隣り合う主流路Ｒ１に対して空間的に連続する連続部Ｒ３を有する。Ｚ方向から視たときに、連続部Ｒ３は、図５に示すように、流通方向の下方側（図５の下側）に向けて傾斜して構成されている。この構成によれば、バイパス流路Ｒ２を流れるガスが主流路Ｒ１に合流しやすくなるため、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して好適に補給することができる。
【００３７】
連続部Ｒ３は、図６に示すように、主流路Ｒ１を形成するセパレータ１２０の凸部１２１がＸ方向に沿って部分的に形成されていない個所に、形成されている。
【００３８】
（バイパス流路Ｒ２）
バイパス流路Ｒ２は、図５に示すように、主流路Ｒ１のＹ方向（流通方向に対する幅方向）外方に設けられる。またバイパス流路Ｒ２は、図７、図８に示すように、セルフレーム１１３およびセパレータ１２０の間に設けられる。
【００３９】
バイパス流路Ｒ２は、図５に示すように、流通方向（Ｘ方向）の上流側では、円形状のマニホールド部１５０の外方に沿うように扇状に形成されており、流通方向の下流側では、Ｘ方向下向きに沿って形成されている。本実施形態において、バイパス流路Ｒ２は、Ｘ方向の下流に沿ってＹ方向の幅が同一となるように形成されている。
【００４０】
バイパス流路Ｒ２の高さＨ２は、図７、図８に示すように、主流路Ｒ１の高さＨ１よりも高い。この構成によれば、主流路Ｒ１に比較してバイパス流路Ｒ２の方がガスの流通量が多くなり、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して好適に補給することができる。
【００４１】
また、バイパス流路Ｒ２のＺ方向は、図７、図８に示すように、セルフレーム１１３およびセパレータ１２０によって区画形成される。これに対して主流路Ｒ１のＺ方向は、図７、図８に示すように、メタルサポートセル１１０Ｍおよびセパレータ１２０によって区画形成されている。すなわち、バイパス流路Ｒ２のＺ方向を区画形成する部材の厚みは、主流路Ｒ１のＺ方向を区画形成する部材の厚みよりも薄く形成されている。この構成によれば、主流路Ｒ１に比較してバイパス流路Ｒ２が低熱容量となるため、バイパス流路Ｒ２における熱損失を低減することができる。したがって、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して好適に補給することができる。
【００４２】
また、バイパス流路Ｒ２のＹ方向は、図７、図８に示すように、セパレータ１２０の外枠部１２２によって区画形成されている。外枠部１２２は、中空形状を備えている。この構成によれば、外枠部が中実形状である構成と比較して、外枠部１２２における熱容量を低減することができる。したがって、バイパス流路Ｒ２における熱損失を低減することができる。なお、外枠部が中実形状である構成も本発明に含まれるものとする。
【００４３】
なお、本実施形態では、外枠部１２２はセパレータ１２０と一体的に構成されているが、別体として構成されていてもよい。
【００４４】
次に、図１１〜図１４を参照して、比較例に係る燃料電池スタックと比較しつつ、本実施形態に係る燃料電池スタック１０の作用効果について説明する。ここで、比較例に係る燃料電池スタックは、バイパス流路Ｒ２が設けられずに主流路Ｒ１のみ設けられる燃料電池スタックである。図１１は、比較例に係る燃料電池スタックの、反応部への伝熱量を示す図である。図１２は、比較例に係る燃料電池スタックの、温度分布の時間変化を示すグラフである。図１３は、本実施形態に係る燃料電池スタック１０の、反応部への伝熱量を示す図である。図１４は、本実施形態に係る燃料電池スタックの、温度分布を示すグラフである。
【００４５】
まず、図１１、図１２を参照して、比較例に係る燃料電池スタックの反応部への熱量の供給について説明する。ここでは仮想的に、反応部を３つの領域Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃに分けて説明する。
【００４６】
熱量Ｑ０を持ったガスが主流路Ｒ１に流入すると、主流路Ｒ１の上流側の領域Ｒａにおいて、熱量Ｑｔ１が奪われる。そして、領域Ｒａを通過したガスは、熱量Ｑ１＝Ｑ０−Ｑｔ１を備えて下流側に移動する。そして、領域Ｒａの下流側に位置する領域Ｒｂにおいて、熱量Ｑｔ２が奪われる。そして、領域Ｒｂを通過したガスは熱量Ｑ２＝Ｑ１−Ｑｔ２を備えて下流側に移動する。そして、領域Ｒｂの下流側に位置する領域Ｒｃにおいて、熱量Ｑｔ３が奪われる。そして、領域Ｒｃを通過したガスは、熱量Ｑ３＝Ｑ２−Ｑｔ３を備えて下流側に移動する。
【００４７】
このとき、領域Ｒａにおいて奪われる熱量Ｑｔ１、領域Ｒｂにおいて奪われる熱量Ｑｔ２、および領域Ｒｃにおいて奪われる熱量Ｑｔ３の大小関係は、Ｑｔ１＞Ｑｔ２＞Ｑｔ３となる。
【００４８】
このように比較例に係る燃料電池スタックでは、図１２に示すように、上流側の温度が高く下流側の温度が低い、ガスの温度勾配が生じる。このような温度勾配が生じると、上流側よりも温度の低い下流側が閾値温度を超えるまでガスを流し続ける必要があり、ＳＯＦＣの起動に時間がかかる。
【００４９】
これに対して、本実施形態に係る燃料電池スタック１０では、図１３に示すように、熱量Ｑａｌｌを持ったガスが、燃料電池スタック１０に流入する際に、まず主流路Ｒ１に流入する熱量Ｑ０およびバイパス流路Ｒ２に流入する熱量Ｑｂに分配される。主流路Ｒ１に流入した熱量Ｑ０は、ディフューザー部である領域Ｒａにおいて、熱量Ｑｔ１が奪われる。そして、熱量Ｑｔ１が奪われたガスは、熱量Ｑ１＝Ｑ０−Ｑｔ１を備えて下流側に移動する。ここで、バイパス流路Ｒ２からＱｂ１だけの熱量が補給されて、Ｑ１´＝Ｑ１＋Ｑｂ１だけの熱量を備えて下流側に移動する。そして、領域Ｒａの下流側に位置する領域Ｒｂにおいて、熱量Ｑｔ２が奪われる。そして、熱量Ｑｔ２が奪われたガスは熱量Ｑ２＝Ｑ１´−Ｑｔ２を備えて下流側に移動する。ここで、バイパス流路Ｒ２からＱｂ２だけの熱量が供給されて、Ｑ２´＝Ｑ２＋Ｑｂ２だけの熱量を備えて下流側に移動する。そして、領域Ｒｂの下流側に位置する領域Ｒｃにおいて、熱量Ｑｔ３が奪われる。そして、熱量Ｑｔ３が奪われたガスは熱量Ｑ３＝Ｑ２´−Ｑｔ３を備えて下流側に移動する。
【００５０】
図１４に示すように、点線で示される比較例に係る燃料電池スタックでは、温度勾配が大きい。これに対して、実線で示される本実施形態に係る燃料電池スタック１０によれば、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して補給するため、温度勾配が比較例に対して、なだらかとなる。したがって、比較例に対して閾値温度に到達しやすくなり、起動までの時間を短縮することができる。
【００５１】
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１０は、メタルサポートセル１１０Ｍおよびメタルサポートセル１１０Ｍの外周を保持するセルフレーム１１３を有するメタルサポートセルアッセンブリー１１０と、Ｚ方向に隣り合うメタルサポートセル１１０Ｍの間に設けられるセパレータ１２０と、を有するセルユニット１００を、Ｚ方向に積層されてなる、固体酸化物形燃料電池の燃料電池スタック１０である。燃料電池スタック１０は、メタルサポートセル１１０Ｍおよびセパレータ１２０の間に設けられ、ガスが流通可能な主流路Ｒ１と、主流路Ｒ１のガスが流通する流通方向に対する幅方向外方であって、セルフレーム１１３およびセパレータ１２０の間に設けられ、ガスが流通可能なバイパス流路Ｒ２と、を有する。また、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して補給する。このように構成された燃料電池スタック１０によれば、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して補給するため、バイパス流路Ｒ２が設けられない構成と比較して、温度勾配がなだらかとなる。したがって、比較例に対して閾値温度に到達しやすくなり、起動までの時間を短縮することができる。したがって新たな部品を追加することなく温度勾配をなだらかにすることができる。
【００５２】
また、バイパス流路Ｒ２は、主流路Ｒ１よりもＺ方向の長さが長い。このように構成された燃料電池スタック１０によれば、主流路Ｒ１に比較してバイパス流路Ｒ２の方がガスの流通量が多くなり、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して好適に補給することができる。
【００５３】
また、バイパス流路Ｒ２は、セルフレーム１１３およびセパレータ１２０によって区画形成される。このように構成された燃料電池スタック１０によれば、主流路Ｒ１に比較してバイパス流路Ｒ２が低熱容量となるため、バイパス流路Ｒ２における熱損失を低減することができる。したがって、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して好適に補給することができる。
【００５４】
また、バイパス流路Ｒ２の幅方向の外方には、バイパス流路Ｒ２を形成する外枠部１２２が設けられ、外枠部１２２は中空形状を備える。このように構成された燃料電池スタック１０によれば、外枠部が中実形状である構成と比較して、外枠部１２２における熱容量を低減することができる。したがって、バイパス流路Ｒ２における熱損失を低減することができる。
【００５５】
また、主流路Ｒ１は、幅方向に隣り合う主流路Ｒ１に対して空間的に連続する連続部Ｒ３を有する。このように構成された燃料電池スタック１０によれば、連続部Ｒ３を介して、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して好適に補給することができる。
【００５６】
また、連続部Ｒ３は、Ｙ方向に対して、流通方向の下流側に向けて傾斜して構成されている。この構成によれば、バイパス流路Ｒ２を流れるガスが主流路Ｒ１に合流しやすくなるため、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して好適に補給することができる。
【００５７】
以上、実施形態を通じて、本発明に係る燃料電池スタック１０を説明したが、本発明は実施形態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。
【００５８】
例えば、上述した実施形態では、バイパス流路Ｒ２は、図５に示すように、流通方向に沿ってＹ方向の幅が一定となるように構成されていた。しかしながら、図１５に示すように、バイパス流路Ｒ４は、流通方向（Ｘ方向）の下流につれて、流路幅が小さくなるように構成されていてもよい。この構成によれば、上述した実施形態に係る燃料電池スタック１０と比較して、バイパス流路Ｒ４から主流路Ｒ１への流入量がより多くなる。したがって、バイパス流路Ｒ４を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して好適に補給することができる。
【００５９】
また、図１６に示すように、バイパス流路Ｒ５は、Ｚ方向に向けて突出した圧力損失部９０を有してもよい。圧力損失部９０は、バイパス流路Ｒ５が主流路Ｒ１に対して合流する合流部Ｄよりも流通方向の下流側に設けられる。この構成によれば、上述した実施形態に係る燃料電池スタック１０と比較して、バイパス流路Ｒ５から主流路Ｒ１への流入量がより多くなる。したがって、バイパス流路Ｒ５を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して好適に補給することができる。また、圧力損失部９０は、バイパス流路Ｒ５の最下流位置に設けられることが好ましい。この構成によれば、より好適にバイパス流路Ｒ５を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して好適に補給することができる。
【００６０】
また、上述した実施形態では、連続部Ｒ３は、Ｚ方向から視たときに、図５に示すように、流通方向の下方側に向けて傾斜して構成されていた。しかしながら、連続部Ｒ３１は、Ｚ方向から視たときに、図１７に示すように、Ｙ方向に沿って構成されていてもよい。さらに、図１８に示すように、連続部Ｒ３および連続部Ｒ３１の両方が設けられてもよい。
【００６１】
また、上述した実施形態では、主流路Ｒ１は上流側および下流側で圧力損失が同一となるような構成を有していた。しかしながら、主流路Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４は、下流側において上流側よりも圧力損失が小さくなるように構成されていてもよい。例えば、図１９、図２０に示すように、主流路Ｒ１１、Ｒ１２は、上流側および下流側においてピッチを互いに異ならせることによって、下流側において上流側よりも圧力損失が小さくなるように構成させることができる。また、図２１、図２２に示すように、主流路Ｒ１３、Ｒ１４は、上流側よりも圧力損失が小さくなるように下流側において突起部８０を配置してもよい。このように、下流側において上流側よりも圧力損失が小さくなるように構成することによって、主流路Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４の下流側において圧力損失が小さくなるため、より好適にバイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４を流通するガスに対して好適に補給することができる。また、図２０、図２２に示すように、主流路Ｒ１２、Ｒ１４は、Ｙ方向において内方に連れて圧力損失が小さくなるように構成することができる。この構成によれば、主流路Ｒ１２、Ｒ１４の下流側において、よりＹ方向の中央に、バイパス流路Ｒ２からの熱エネルギーを補給することができる。
【００６２】
また、上述した実施形態では、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して補給することによって、主流路Ｒ１を流通するガスを加熱した。しかしながら、バイパス流路Ｒ２を流通するガスの負の熱エネルギーを、主流路Ｒ１を流通するガスに対して補給することによって、主流路Ｒ１を流通するガスを冷却してもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１０    燃料電池スタック、
９０    圧力損失部、
１００  セルユニット、
１１０  メタルサポートセルアッセンブリー、
１１０Ｍ  メタルサポートセル、
１１１  電解質電極接合体、
１１２  メタルサポート部、
１２０  セパレータ、
１２２  外枠部、
Ｄ      合流部、
Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、    主流路、
Ｒ２、Ｒ４、Ｒ５    バイパス流路、
Ｒ３、Ｒ３１    連続部。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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