(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルが同一平面内に複数配設され、これら複数の発電セルがセパレータを介して複数積層されて成る燃料電池スタックにおいて、
スタックの内部に、発電反応後の排ガスが積層方向に流通する排ガス流路が設けられ、且つ、当該排ガス流路における積層方向の一方側へのガス流通量を積層方向の他方側へのガス流通量より多くしたことを特徴とする燃料電池スタック。    
【請求項２】
上記発電セルは、発電反応後の排ガスを外周部より放出するシールレス構造を有し、且つ、各セパレータの上記複数の発電セルで囲まれた部位に対応する部分に積層方向に貫通するガス排出孔が設けられ、当該ガス排出孔を通して上記排ガスが積層方向に流通することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。    
【請求項３】
スタックの積層方向の他方側の端部に位置する上記セパレータのガス排出孔の大きさを他のセパレータのガス排出孔より小さくして成ることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
上記スタックの積層方向の他方側の端部に位置する上記セパレータのガス排出孔の開度を調整するための蓋機構を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
上記スタックの両端にそれぞれ端板が設けられ、且つ、積層方向の一方側の端部の端板に、上記排ガス流路内の排ガスをスタック外に排出するガス排出口を設けて成ることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか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、同一平面内に配設された複数の発電セルとセパレータを交互に多数積層して成る燃料電池スタックに関し、特に、燃料電池スタックの積層方向における温度の均一化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層で挟み込んだ構造の発電セルは、空気極層に空気（酸素）を燃料極層に燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4）を供給することにより、電極間に発電反応が生じて起電力が得られることが知られている。
【０００３】
ところで、上記構成の発電セルでは、単位セル当たりの起電力が高々１Ｖ程度と極めて小さいため、通常は、この発電セルを、セパレータ、集電体等の導電部材を介して多数積層してスタック化することにより、実質的な電池出力が得られるようにしている。
【０００４】
ところが、このような平板積層型の燃料電池スタックでは、積層方向において各発電セル間に温度差が生じており、スタック温度は、図４の（イ）に示すように、スタック中段部で高く、スタック端部において低くなる傾向にある。
【０００５】
これは、燃料電池スタックの端部は中段部に較べて発電セルのジュール熱が外に発散し易いためであり、また、スタックの積層方向を縦にした縦設置型の燃料電池スタックの場合、スタック端部の温度については、上昇する高温の排ガスによってスタック上段部が加熱されるため、上端部の温度が高くなり、下端部の温度が低くなっている。
温度が低い部分の発電セルは、電極反応が不活発なため、内部抵抗が大きくなっており、高温部分であるスタック中段部の発電セルに較べて発電性能は低下している。
【０００６】
このように、燃料電池スタックの積層方向において温度分布が生じていると、総合的な発電性能が低温部分に位置する発電セルの発電性能で制限されるため、効率的な発電が行えないという問題が有った。この傾向は、スタックの積層段数が多い程顕著である。
また、高温部分の発電セルは発電性能は良好であるが、発電セルやセパレータ等の構成部品は他の部分に較べて高温に晒されるため、劣化、破損し易いという問題がある。
【０００７】
尚、燃料電池スタックにおける積層方向の温度を均一化する技術として、例えば、特許文献１が開示されている。特許文献１は、積層状態の各セパレータに放熱フィンを設けて、セパレータの熱放射性を向上することで燃料電池スタックの温度分布を制御する（放熱によりスタック温度を下げる）ものであるが、このような放熱フィンによる熱放射性の制御では、特に温度が低くなるスタック下端部の温度を上昇させることはできなかった。
それ故、上記技術により、スタック積層方向の温度分布が或る程度低減されても、スタック下端部に位置する発電セルの発電性能は依然として低いままであり、よって、燃料電池スタックの総合的な発電性能は決して満足できるものではなかった。
【特許文献１】特開２００４−２７３１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、燃料電池スタック内部に、発電セルから放出される排ガスをスタックの積層方向に流通させる排ガス流路を設け、排ガスの熱により、特に、スタック端部の温度を上昇させることで、スタック積層方向の温度を均一化し、スタック端部に位置する発電セルの発電性能を向上させた高効率の燃料電池スタック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】
【０００９】
すなわち、請求項１に記載の燃料電池スタックは、発電セルが同一平面内に複数配設され、これら複数の発電セルがセパレータを介して複数積層されて成る燃料電池スタックにおいて、スタックの内部に、発電反応後の排ガスが積層方向に流通する排ガス流路が設けられ、且つ、当該排ガス流路における積層方向の一方側へのガス流通量を積層方向の他方側へのガス流通量より多くしたことを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、上記発電セルは、発電反応後の排ガスを外周部より放出するシールレス構造を有し、且つ、各セパレータの上記複数の発電セルで囲まれた部位に対応する部分に積層方向に貫通するガス排出孔が設けられ、当該ガス排出孔を通して上記排ガスが積層方向に流通することを特徴としている。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、スタックの積層方向の他方側の端部に位置する上記セパレータのガス排出孔の大きさを他のセパレータのガス排出孔より小さくして成ることを特徴としている。
これにより、当排ガス流路内において、主としてスタックの積層方向の他方側から一方側に向けた排ガスの流れを生じさせることができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、上記スタックの積層方向の他方側の端部に位置する上記セパレータのガス排出孔の開度を調整するための蓋機構を備えることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池スタックにおいて、上記スタックの両端にそれぞれ端板が設けられ、且つ、積層方向の一方側の端部の端板に、上記排ガス流路内の排ガスをスタック外に排出するガス排出口を設けて成ることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１〜５に記載の発明によれば、スタック内部に発電反応後の排ガスが積層方向に流通する排ガス流路を設け、当排ガス流路における積層方向の一方側へのガス流通量を他方側へのガス流通量より多くしたので、比較的温度の高いスタック中段部においては、発電セルからの排ガスが排ガス流路内を流通することにより、発電セルの熱発散性が向上してスタック中段部の温度を低下できると共に、温度の低いスタック端部においては、積層方向に流通する排ガスの熱により加熱されてスタック温度が上昇し、スタック積層方向の温度分布を低減する（均熱化）ことができる。
特に、縦設置型の燃料電池スタックでは、排ガス流路内に、積層方向の一方側となる下方への排ガスの流れを生じさせることにより、最も温度の低いスタック下端部の温度をスタック平均温度より上昇させることも可能である。その結果、スタック下端部の発電セルの発電性能が向上し、燃料電池スタックの総合的な発電性能を向上できる。
加えて、上述のように、ガス排出孔への排ガスの流れにより熱発散性が向上し、スタック中段部の温度が低下することで、スタック中段部においては、発電セルやセパレータ等、各構成部品に対する熱的ストレスが緩和されるため、燃料電池スタックの耐久性や信頼性を向上できる。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明によれば、セパレータの複数の発電セルに囲まれた部位に対応する部分にガス排出孔を設けたので、発電セルの外周部より放出された排ガスを発電セルの周部に滞留させることなく、このガス排出孔を通してガス流路内をスタックの積層方向に流通させることができる。
これにより、反応用ガスが各発電セルにスムーズに供給されるようになり、各発電セルの発電性能を向上できる。また、比較的温度の高いスタック中段部においては、発電セルの熱発散性が向上してスタック中段部の温度を低下できると共に、温度の低いスタック端部においては、積層方向に流通する排ガスの熱によりスタック温度が上昇し、スタック積層方向の温度分布を低減することができる。  
【００１６】
また、請求項３に記載の発明によれば、スタックの積層方向の他方側の端部に位置するセパレータのガス排出孔の大きさを他のセパレータのガス排出孔より小さくしたので、排ガス流路内において積層方向の他方側に抜ける排ガスの流量が減少し、これにより、排ガス流路に主として積層方向の一方側に向かう排ガスの流れを生じさせることができる。
この排ガスの熱により、特に、縦設置型の燃料電池スタックでは、積層方向の一方側となる最も温度の低いスタック下端部の温度をスタックの平均温度より上昇させることも可能であり、その結果、スタック下端部の発電セルの発電性能が向上し、燃料電池スタックの総合的な発電性能を向上できる。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明によれば、スタックの積層方向の他方側の端部に位置するセパレータのガス排出孔の開度を調整するための蓋機構を備えるので、このガス排出孔の開度をスタック積層方向の温度分布の状態（すなわち、スタックの積層段数や電気的出力密度）に応じて調整し、排ガス流路内における積層方向の上方側へのガス流通量と下方側へのガス流通量を適宜調整することにより、スタック両端部の温度をバランス良く調整することができ、スタック積層方向の温度分布をより確実に低減し、スタック温度の均熱化を図ることができる。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明によれば、積層方向の一方側の端板に、排ガス流路内より放出された排ガスをスタック外に排出するガス排出口を設けたので、排ガス流路内における積層方向の一方側への排ガスの流れがスムーズになり、スタック端部の温度を効率良く上昇させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図１〜図３に基づいて本発明に係る燃料電池スタックの実施形態を説明する。
図１は本実施形態による固体酸化物形燃料電池スタックの内部構造を示す模式図、図２は下端板の上面図、図３はセパレータの構造を示す図である。
【００２０】
本実施形態による固体酸化物形燃料電池スタックは、図１の要部拡大図ように、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配して成る複数の発電セル５（５ａ〜５ｄ）と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８をそれぞれ順番に多数縦方向に積層した構造を有する。
上記積層体（スタック）の構成要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ3、或いはＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。
【００２１】
また、セパレータ８は、図３に示すように、厚さ数ｍｍの略四角形状のステンレス板で成り、上述した複数の発電セル５と各発電セル５の外側の各集電体６、７等が配設されるセパレータ本体８ａと、このセパレータ本体８ａより面方向に延設されて、当セパレータ本体８ａの対向縁部を２カ所で支持するアーム部８ｂ、８ｂとで構成されている。
【００２２】
本実施形態では、図３中、一点鎖線で示すように、セパレータ本体８ａの中央部分に、平面視円形の４個の発電セル５ａ〜５ｄが同一平面上に縦横対称に配設される。
セパレータ８は、これらの同一平面上に配設された発電セル５ａ〜５ｄを集電体６、７を介して電気的に並列接続すると共に、並列に接続されたこれら発電セル群（５ａ〜５ｄ）を積層方向に直列に接続していく。
また、セパレータ８は、各発電セル５ａ〜５ｄのぞれぞれに反応用ガスとしての燃料ガス及び空気を供給する機能を有し、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス流路１１と空気が流通する空気流路１２が形成されている。また、各アーム部８ｂ、８ｂの端部には、厚さ方向に貫通する燃料導入口１３と空気導入口１４が対向位置に設けられ、燃料導入口１３は上記燃料ガス流路１１に連通し、空気導入口１４は上記空気流路１２に連通している。
【００２３】
さらに詳しく述べれば、図３に示すように、上記空気流路１２は、空気導入口１４より一方のアーム部８ｂの内部を通してセパレータ８の下辺中央部位Ｐ１に至り、ここから内方に向けて発電セル５ａ〜５ｄで囲まれたセパレータ本体８ａの中心部位Ｐ２に至り、Ｐ２において横Ｔ字に分岐し、一方（左方向）の空気流路１２は発電セル５ａと発電セル５ｂの中間部位Ｐ３に至り、Ｐ３において更に縦Ｔ字に分岐して、それぞれ発電セル５ａ、５ｂの中心部に対応するセパレータ面上に開口した空気吐出口１２ａ、１２ａに連通している。
一方、Ｐ２において、他方（右側）の空気流路１２は、発電セル５ｃと発電セル５ｄの中間部位Ｐ４に至り、Ｐ４において更に縦Ｔ字に分岐してそれぞれ発電セル５ｃ、５ｄの中心部に対応するセパレータ面上に開口した空気吐出口１２ａ、１２ａに連通している。
【００２４】
また、燃料ガス流路１１は、燃料導入口１３より上記とは別のアーム部８ｂ内を通してセパレータ８の上辺部中央から発電セル５ｃと発電セル５ｄの中間部位Ｐ５に至り、Ｐ５において横Ｔ字に分岐し、一方（左側）の燃料ガス流路１１は、発電セル５ｂの周縁に沿って発電セル５ａと発電セル５ｂの中間部位Ｐ６に至り、Ｐ６において更に縦Ｔ字に分岐して、それぞれ発電セル５ａ、５ｂの中央部に対応するセパレータ面上に開口した燃料吐出口１１ａ、１１ａに連通している。
一方、Ｐ５において他方（右側）の燃料ガス流路１１は、発電セル５ｃの周縁に沿って発電セル５ｃと発電セル５ｄの中間部位Ｐ７に至り、Ｐ７において更に横Ｔ字に分岐してそれぞれ発電セル５ｃ、５ｄの中央部に対応するセパレータ面上に開口した燃料吐出口１１ａ、１１ａに連通している。
尚、この燃料ガス流路１１については、セパレータ本体８ａ上の各部位Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７においてガス流路が分岐される毎にその断面積を縮小するようにして、各発電セル５ａ〜５ｄへの燃料ガスの等配流を可能にしている。
【００２５】
また、発電セル５ａと発電セル５ｂの間であって、燃料ガス流路１１の分岐部Ｐ６と空気流路１２の分岐路Ｐ３とに挟まれた部位、および発電セル５ｃと発電セル５ｄの間であって、燃料ガス流路１１の分岐部Ｐ５とガス排出孔３１に挟まれた部分に、それぞれ厚さ方向に貫通する細長の孔部３２が形成されている。これらの孔部３２は、セパレータ隣接部分の放熱性を向上する効果があるため、セパレータ面内の温度分布を低減することができる。
【００２６】
ところで、本実施形態のセパレータ８で特筆すべきは、発電セル５ａ〜５ｄによって囲まれた部位に対応する各セパレータ８の中央部分に厚さ方向に貫通する排ガス排出用のガス排出孔３１が形成されている点である。このガス排出孔３１は、セパレータ本体８ａの中央部分の空気流路１２を囲むように形成された三角形や台形で成る計３個の貫通孔である。これらのガス排出孔３１を有するセパレータ８が多数積層されることにより、図１に示すように、スタックの中央部に縦方向に貫通する排ガス流路３０が形成される。
そして、本実施形態では、スタック上端部に位置するセパレータ８のガス排出孔３１の大きさ（上記した３個の貫通孔のトータル面積）は、下方に位置する他のセパレータ８のガス排出孔３１の大きさより小さく設定されている。
【００２７】
また、図１に示すように、スタックの上下両端に絶縁性のマニホールドリング１５、１６を介在してステンレス製の上端板９ａと下端板９ｂが配設されており、これら上下端板９ａ、９ｂにより、スタックが積層方向に締結されている。
上端板９ａの中央部には、丸孔１９が設けられ、この丸孔１９を通してスタック上端のセパレータ８の上面に円筒形の錘２０が載置されている。この錘２０による荷重でスタックが下方に押圧されることにより、各構成要素（発電セル５、集電体６、７、セパレータ８）がそれぞれ相互に密着して一体的に固定されている。
この錘２０の底部には、脚２０ａが設けられ、錘２０の下面とセパレータ８の上面との間に空間部が生じるようになっている。従って、上記排ガス流路３０内を上方に向かう排ガスは、スタック上端（排ガス流路３０の上端部）においてセパレータ８のガス排出孔３１より上記空間部に放出され、この空間部を流通して燃料電池スタック１の側方より外に排出される。
【００２８】
また、スタックの対向縁部に管状の燃料ガスマニホールド１７と空気マニホールド１８が縦方向に延設されている。これらマニホールド１７、１８は、各セパレータ８の燃料導入口１３、および空気導入口１４同士を上下で連結させるために各セパレータ８間に介装されたマニホールドリング１５、１６により構成されており、燃料ガスマニホールド１７は、スタック内において各セパレータ８の燃料導入口１３を介して燃料ガス流路１１と連通し、空気マニホールド１８は、各セパレータ８の空気導入口１４を介して空気流路１２と連通している。
【００２９】
また、図１、図２に示すように、下端板９ｂの一側部であって、上記空気マニホールド１８の下端近傍には、外部空気が導入される空気配管２５が設けられていると共に、下端板９ｂの他側部であって、燃料ガスマニホールド１７の下端近傍には、外部燃料ガスが導入される燃料ガス配管２４が設けられている。空気配管２５は、下端板９ｂ内に形成された空気通路２３を介して空気マニホールド１８の下端部で連通し、燃料ガス配管２４は、下端板９ｂ内に形成された燃料通路２２を介して燃料ガスマニホールド１７の下端部で連通している。
また、下端板９ｂの中央部には、上記排ガス流路３０内を下方に流通する排ガスをスタック外に排出するためのガス排出口２１が設けられている。下端板９ｂの下面には、脚部２６が設けられ、図示しない設置面との間にガス排出口２１から排出される排ガスが流通可能な空間が確保されている。
【００３０】
上記構成の燃料電池スタック１では、運転時、空気マニホールド１８と燃料ガスマニホールド１７に空気配管２５と燃料ガス配管２４を通して外部より供給される空気と燃料ガスが流通し、これら反応用ガスが各セパレータ８の導入口１３、１４より燃料ガス流路１１および空気流路１２を通して末端の燃料吐出口１１ａおよび空気吐出口１２ａより燃料極集電体６側と空気極集電体７側に吐出され、これら集電体の内部を拡散・移動して各発電セル５の各電極面（燃料極層３、空気極層４）に誘導されることにより、発電反応が生じる。
【００３１】
この発電反応によって、各発電セル５にジュール熱が発生し、その熱エネルギーが各セパレータ８を介して外部に放出される。また、発電セル５は外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造であり、発電反応で消費されなかった残余のガス（排ガス）を各発電セル５の外周部から放出するようなっている。  従って、複数の発電セル５ａ〜５ｄで囲まれたセパレータ８の中央部分においては、各発電セル５ａ〜５ｄの側部より放出された排ガスが各セパレータ８のガス排出孔３１を通して排ガス流路３０内に流入し、排ガス流路３０内を縦方向に流通する。
排ガス流路３０内を上方に流れる排ガスについては、排ガス流路３０の上端部において、最上段のセパレータ８のガス排出孔３１より放出され、セパレータ８の上面と錘２０の下面との間の空間部を流通してスタック外に排出される。他方、下方に流れる排ガスは、排ガス流路３０の下端部において、最下段のセパレータ８のガス排出孔３１より放出され、主として下端板９ｂのガス排出口２１を通してスタック外に排出される。
【００３２】
以上、本実施形態では、４個の発電セル５ａ〜５ｄに囲まれた部位に対応するセパレータ８の中央部分にガス排出孔３１を設けたので、発電セル５ａ〜５ｄの外周部より放出される排ガスをセパレータ８の中央付近に滞留させることなく、このガス排出孔３１を通して排ガス流路３０内を縦方向に流通させることができる。
【００３３】
これにより、各発電セル５に外部からの反応用ガスがスムーズに供給されるようになり、各発電セル５ａ〜５ｄの発電性能を向上できると共に、比較的温度の高いスタック中段部においては、上記ガス排出孔３１への排ガスの流れにより、発電セル５ａ〜５ｄの熱発散性が向上してスタック中段部の温度を低下でき、発電セル５ａ〜５ｄやセパレータ８等、各構成部品に対する熱的ストレスが緩和されるため、燃料電池スタック１の耐久性や信頼性を向上できると共に、温度の低いスタック端部においては、上下に流通する排ガスの熱により加熱されてスタック温度が上昇し、スタック積層方向の温度分布を低減する（均熱化）ことができる。
【００３４】
特に、スタック上端部に位置するセパレータ８のガス排出孔３１の大きさを他のガス排出孔３１より小さくしたので、排ガス流路３０を上端に抜ける排ガスの流量が減少し、これにより、排ガス流路３０に下向きの排ガスの流れを生じさせることができる。
この下方へ流れる排ガスの熱により、図４の（ロ）に示すように、最も温度の低いスタック下端部が加熱され、その部位の温度を上昇させることが可能となり、その結果、スタック下端部の発電セル５ａ〜５ｄの発電性能が向上し、燃料電池スタック１の総合的な発電性能を向上できる。
【００３５】
また、下端板９ｂに、排ガス流路３０の下端部より放出される排ガスをスタック外に排出するガス排出口２１を設けたので、排ガス流路３０内における下方への排ガスの流れがスムーズになり、スタック下端部の温度を効率良く上昇させることができる。
【００３６】
この場合、図１に示すように、スタック上端部に位置するセパレータ８のガス排出孔３１を覆う板状の蓋機構２９を移動可能に設けてガス排出孔３１の開度を調整可能にすることも可能である。
この蓋機構２９により、ガス排出孔３１の開度をスタック積層方向の温度分布の状態（すなわち、スタックの積層段数や電気的出力密度）に応じて調整し、排ガス流路３０内における上方へのガス流通量と下方へのガス流通量を適宜調整することにより、スタック両端部の温度をバランス良く調整することができ、スタック積層方向の温度分布をより確実に低減することができるようになる。
【００３７】
また、本実施形態では、縦設置型の燃料電池スタック１について説明したが、本発明は、スタックの積層方向を横にした横設置型の燃料電池スタックにも勿論適用可能であり、この場合は、スタックの内部に発電反応後の排ガスが横方向に流通する排ガス流路が形成される。本構成の燃料電池スタックにおいても、比較的温度の高くなるスタック中段部においては、発電セルの放熱性が向上してスタック中段部の温度を低下できると共に、温度が低くなるスタック端部においては、横方向に流通する排ガスの熱によりスタックスタック端部の温度が上昇し、スタック積層方向の温度分布を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックの内部構造を示す模式図。
【図２】図１の下端板の上面図。
【図３】図１のセパレータの構造を示す図。
【図４】スタック積層方向の温度分布を示す図。
【符号の説明】
【００３９】
１  燃料電池スタック
５（５ａ〜５ｄ）  発電セル
８  セパレータ
９ａ、９ｂ  端板
２１  ガス排出口
２９  蓋機構
３０  排ガス流路
３１  ガス排出孔
【図１】
0005211621.tif 000002
【図２】
0005211621.tif 000003
【図３】
0005211621.tif 000004
【図４】
0005211621.tif 000005