(57)【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部と排出部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、
反応用ガスの導入部からスタック構造体の外周縁部に沿った外周ガス誘導部材を設け、
ケース内面と外周ガス誘導部材との間に、下流側で反応用ガスの流速及び流量の少なくとも一方を増大させる外周ガス流路を形成し、
外周ガス誘導部材とスタック構造体との間に、外周ガス流路から導入した反応用ガスの一部を流通させ且つ下流側で反応用ガスの流速及び流量の少なくとも一方を減少させる内周ガス流路を形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
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部と排出部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、
反応用ガスの導入部からスタック構造体の外周縁部に沿った外周ガス誘導部材を設け、
ケース内面と外周ガス誘導部材との間に、外周ガス流路を形成すると共に、
外周ガス誘導部材とスタック構造体との間に、外周ガス流路から導入した反応用ガスの一部を流通させ且つ下流側で反応用ガスの流速及び流量の少なくとも一方を減少させる内周ガス流路を形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
燃料電池ユニットが円盤状であって、スタック構造体が円柱状を成しており、外周ガス誘導部材が、スタック構造体の外周縁部に沿う円弧状を成すとともに一部に開口域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】
燃料電池ユニットの円周上において、反応用ガスの排出部と外周ガス誘導部材の開口域を１８０度異なる位置に配置すると共に、排出部の両側に導入部及び外周ガス誘導部材を夫々配置し、排出部及び開口域を通る燃料電池ユニットの円の中心線を対称軸として、反応用ガスの導入部、排出部、外周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３に記載の燃料電池。
【請求項５】
スタック構造体と外周ガス誘導部材との間に、電気的絶縁性を有し且つ熱伝導性を有する絶縁層を備え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】
各燃料電池ユニットが、中心部分で互いに連結してスタック構造体を形成すると共に、スタック構造体が、その中心線に沿って他方の反応用ガスの導入部及び排出部を備え、各燃料電池ユニット内に他方の反応用ガスを流通させることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
外周ガス流路が、下流側で断面積を減少させた形態を成していることを特徴とする請求項１，３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
外周ガス流路が、上流側から下流側に至る間に複数の反応用ガスの導入部を備えていることを特徴とする請求項１，３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
燃料電池ユニットが、その外周に沿って内周ガス誘導部材を備え、内周ガス流路が、外周ガス誘導部材と内周ガス誘導部材との間で形成してあることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池ユニットが、スタック構造体において隣接する燃料電池ユニットとの間に介装するユニット外集電体を備え、内周ガス流路が、外周ガス誘導部材とユニット外集電体との間で形成してあることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
内周ガス流路が、下流側で断面積を増大させた形態を成していることを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
内周ガス誘導部材が、多数の通気孔を有しており、内周ガス流路の上流側から下流側に向けて通気孔の分布密度を増大させたことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１３】
内周ガス流路が、その下流側で反応用ガスを流路外側に偏向させる整流部材を備えていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池。
【請求項１４】
整流部材が、内周ガス流路内に配置した少なくとも一つの整流板であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
整流部材が、内周ガス流路内に配置した多孔質体であって、内周ガス流路の上流側から下流側に向けて気孔率が減少していることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１６】
整流部材が、内周ガス流路内に充填した充填材であることを特徴とする請求項１３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、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部と排出部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】
そして、燃料電池は、反応用ガスの導入部からスタック構造体の外周縁部に沿った外周ガス誘導部材を設け、ケース内面と外周ガス誘導部材との間に、下流側で反応用ガスの流速及び流量の少なくとも一方を増大させる外周ガス流路を形成し、外周ガス誘導部材とスタック構造体との間に、外周ガス流路から導入した反応用ガスの一部を流通させ且つ下流側で反応用ガスの流速及び流量の少なくとも一方を減少させる内周ガス流路を形成した構成としており、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】
【０００９】
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】
【００１０】
図１３〜図１６は、本発明が適用可能な燃料電池の基本構成を説明する図である。
図１５及び図１６に示す燃料電池１００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。
【００１１】
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１３に示すように、発電要素である環状の単セル１と、単セル１の燃料極側の面に対向するセパレータ２と、単セル１の中央穴に装着する内周部材３と、単セル１の外周を保持する外周部材４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、中央穴に装着する内周部材３、及び外周部を保持する外周部材４とともにセル板を構成する。この単セル１は、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】
燃料電池ユニットＵは、単セル１とセパレータ２の間にユニット内集電体５を介装して、セパレータ２と外周部材４の外縁部同士を気密的に接合することで、単セル１とセパレータ２の間に袋綴じ構造の扁平なガス室を形成する。また、単セル１の空気極側の面には、隣接する燃料電池ユニットＵのセパレータ２との間に介装されるユニット外集電体６が設けてある。
【００１５】
セパレータ２、内周部材３及び外周部材４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。セパレータ２と外周部材４は、外縁部をプレスにより加工し、外縁部同士を溶接、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。
【００１６】
さらに、セパレータ２及び内周部材３には、燃料ガスの導入穴７及び排出穴８が設けてある。これらの導入穴７及び排出穴８は、図１４に示すように、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。
【００１７】
そして、上記のスタック構造体ＳをケースＣに収容した燃料電池１００は、各燃料電池ユニットＵ内に燃料ガスを導入して、燃料ガスを単セル１の燃料極に供給すると共に、ケースＣ内に酸化剤ガス（空気）を導入して、酸化剤ガスを単セル１の空気極に供給し、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。
【００１８】
なお、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。
【００１９】
ここで、図１５及び図１６に示す燃料電池１００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。
【００２０】
そして、燃料電池１００は、各導入管１１，１１からスタック構造体Ｓの外周部に沿った外周ガス誘導部材１３を備えている。両外周ガス誘導部材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。
【００２１】
上記の燃料電池１００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。
【００２２】
また、単セル２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。
【００２３】
なお、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１００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。
【００２４】
このように、燃料電池１００は、外周ガス誘導部材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。
【００２５】
ところで、上記の燃料電池１００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、外周ガス誘導部材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。
【００２６】
すなわち、上記の燃料電池１００は、外周ガス流路１４の上流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の下流側では熱交換量が小さいので、上流側と下流側との熱交換量の差が大きいものとなっている。そこで、本発明は、主に冷却ガスとして用いる酸化剤ガスの流速や流量を変化させることで、温度分布のさらなる均一化を実現している。
【００２７】
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。なお、本発明の燃料電池は、図１３〜図１６に基づいて説明した燃料電池１００と同等の基本構成を有する。よって、基本構成と同一の構成部位については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２８】
図１に示す燃料電池ＦＣ１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を形成すると共に、スタック構造体ＳをケースＣに収容したものである。この燃料電池ＦＣ１は、ケースＣ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部と排出部を配置して同ケースＣ内に反応用ガスを流通させる構造を有している。そして、この実施形態では、導入部として、一対の導入管１１，１１を備えると共に、排出部として、導入管１１，１１間に配置した排出管１２を備え、一方の反応用ガスである酸化剤ガスの導入及び排出を行うものとなっている。
【００２９】
また、燃料電池ＦＣ１は、導入部１１，１１からスタック構造体Ｓの外周縁部に沿った一対の外周ガス誘導部材１３，１３を設け、ケースＣの内面と外周ガス誘導部材１３との間に、下流側で反応用ガスの流速（モル流速）及び流量（モル流量）の少なくとも一方を増大させる外周ガス流路１４，１４を形成している。
【００３０】
より具体的には、燃料電池ＦＣ１は、ケースＣの中心に対してスタック構造体Ｓを偏心させて配置することで、各外周ガス流路１４，１４が、上流側から下流側に向けて断面積が漸次減少する形態を成している。すなわち、この実施形態の外周ガス流路１４は、下流側で酸化剤ガスの流速（モル流速）を増大させるものとなっている。
【００３１】
上記の燃料電池ＦＣ１は、高負荷運転時には、スタック構造体Ｓにおいて、導入側の酸化剤ガスの温度よりも排出側の温度が高くなる。そこで、外周ガス流路１４，１４に流れる酸化剤ガスでスタック構造体Ｓの排出側部分を冷却するのと同時に、同酸化剤ガスを予熱してスタック構造体Ｓへ導入することで、各燃料電池ユニットＵ並びにスタック構造体Ｓの温度分布の均一化を図ることができる。
【００３２】
他方、低負荷運転時には、導入側の酸化剤ガスの温度が排出側の温度より低くなる。そこで、加熱ガスを導入することで、外周ガス誘導部材１３，１３を介してスタック構造体Ｓを加熱し、各燃料電池ユニットＵ並びにスタック構造体Ｓの温度分布の均一化を図ることができる。
【００３３】
しかも、上記の燃料電池ＦＣ１は、各外周ガス流路１４，１４の断面積を上流側から下流側に向けて漸次減少させて、下流側で酸化剤ガスの流速を増大させることにより、とくに流速が大きい下流側において、外周ガス流路１４を流れるガスと外周ガス誘導部材１３を形成する固体との境膜伝熱係数が小さくなる。
【００３４】
これにより、外周ガス流路１４の上流側における熱交換量（酸化剤ガスとスタック構造体Ｓとの間の熱交換量）と、下流側における熱交換量との差が小さくなる。その結果、燃料電池ＦＣ１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。
【００３５】
また、この実施形態の燃料電池ＦＣ１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、外周ガス誘導部材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、外周ガス誘導部材１３，１３の間に開口域１５を有している。
【００３６】
さらに、この実施形態の燃料電池ＦＣ１は、燃料電池ユニットＵの円周上において、酸化剤ガスの排出管１２と外周ガス誘導部材１３の開口域１５を１８０度異なる位置に配置すると共に、排出管１２の両側に導入管１１，１１及び外周ガス誘導部材１３，１３を夫々配置している。これにより、排出管１２部及び開口域１５を通る燃料電池ユニットＵの円の中心線を対称軸として、酸化剤ガスの導入管１１，１１、排出管１２、外周ガス誘導部材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。
【００３７】
さらに、この実施形態の燃料電池ＦＣ１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部及び排出部を備え、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。
【００３８】
本発明の燃料電池ＦＣ１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。
【００３９】
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、先の基本構成及び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。
【００４０】
図示の燃料電池ＦＣ２は、先の実施形態では外周ガス流路１４の下流側で酸化剤ガスの流速を増大させていたのに対して、外周ガス流路１４の下流側で酸化剤ガスの流量（モル流量）を増大させる。
【００４１】
より具体的には、燃料電池ＦＣ２は、外周ガス流路１４が、上流側から下流側に至る間に複数の反応用ガスの導入部である導入管１１を備えている。図示例では、各外周ガス流路１４に、六本の導入管１１が等間隔で配置してある。そして、外周ガス流路１４は、上流側で閉塞してあるので、各導入管１１から酸化剤ガスを導入すると、下流側へ向かうにつれて酸化剤ガスの流量が増大する。
【００４２】
上記の燃料電池ＦＣ２は、外周ガス流路１４の下流側で酸化剤ガスの流量を増大させることにより、とくに下流側において、外周ガス流路１４を流れるガスと外周ガス誘導部材１３を形成する固体との境膜伝熱係数が小さくなり、上流側の熱交換量と下流側の熱交換量との差が小さくなる。その結果、燃料電池ＦＣ２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。
【００４３】
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、先の基本構成及び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。
【００４４】
図示の燃料電池ＦＣ３は、排出管１２と導入管１１を内外に配置すると共に、外周ガス流路１４内に複数の分流板１６を適当な角度で配置して、各分流板１６の下流側で酸化剤ガスの流速が増大するようにしている。この燃料電池ＦＣ３においても、先の実施形態と同様に、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。
【００４５】
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、先の基本構成及び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。
【００４６】
図示の燃料電池ＦＣ４は、外周ガス流路１４が、上流側から下流側に至る間に複数の酸化剤ガスの導入部２１を備えている。この実施形態では、ケースＣの壁部に三個の導入部２１が所定間隔で一体化してある。この燃料電池ＦＣ４においても、図２に示す実施形態と同様に、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。
【００４７】
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、先の基本構成及び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。
【００４８】
図５（ａ）に示す燃料電池ＦＣ５は、酸化剤ガスの導入管１１からスタック構造体Ｓの外周縁部に沿った外周ガス誘導部材１３を設けて、ケースＣの内面と外周ガス誘導部材１３との間に、外周ガス流路１４を形成している。この実施形態の外周ガス流路１４は、上流側から下流側へ向けてほぼ同一の断面積を有している。
【００４９】
そして、燃料電池ＦＣ５は、外周ガス誘導部材１３とスタック構造体Ｓとの間に、外周ガス流路１４から導入した酸化剤ガスの一部を流通させ且つ下流側で酸化剤ガスの流速（モル流速）及び流量（モル流量）の少なくとも一方を減少させる内周ガス流路１７を形成している。
【００５０】
より具体的には、燃料電池ＦＣ５は、燃料電池ユニットＵが、その外周に沿って一対の内周ガス誘導部材１８，１８を備えていて、とくに、図５（ｂ）に示すように、ユニット外集電体６の外周部に沿って内周ガス誘導部材１８，１８を備えており、各外周ガス誘導部材１３と各内周ガス誘導部材１８との間で、夫々の内周ガス流路１７，１７を形成している。一対の内周ガス誘導部材１８，１８は、開口域１５側と排出管１２側とで互いに離間している。
【００５１】
また、この実施形態の燃料電池ＦＣ５は、スタック構造体Ｓと外周ガス誘導部材１３との間に、電気的絶縁性を有し且つ熱伝導性を有する絶縁層１９を備えている。
【００５２】
そして、燃料電池ＦＣ５は、内周ガス流路１７が、上流側から下流側にかけて断面積を漸次増大させた形態を成している。すなわち、内周ガス流路１７は、下流側で断面積を増大させることで、下流側で酸化剤ガスの流速（モル流速）を減少させる。
【００５３】
上記の燃料電池ＦＣ５は、各内周ガス流路１７，１７の断面積を上流側から下流側に向けて漸次増大させて、下流側で酸化剤ガスの流速を減少させることにより、とくに流速が小さい下流側において、内周ガス流路１７を流れるガスと内周ガス誘導部材１８を形成する固体との境膜伝熱係数が大きくなる。
【００５４】
これにより、内周ガス流路１７の上流側における熱交換量（酸化剤ガスとスタック構造体Ｓとの間の熱交換量）と、下流側における熱交換量との差が小さくなる。その結果、燃料電池ＦＣ５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。
【００５５】
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、先の基本構成及び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。
【００５６】
図６（ａ）に示す燃料電池ＦＣ６は、先の実施形態ではユニット外集電体６の外周部に内周ガス誘導部材１８，１８を備えていたのに対して、図６（ｂ）に示すように、各燃料電池ユニットＵの最外周部すなわちスタック構造体Ｓの外周部に沿って内周ガス誘導部材１８，１８を備えている。そして、各外周ガス誘導部材１３と各内周ガス誘導部材１８との間で、夫々の内周ガス流路１７，１７を形成している。
【００５７】
また、内周ガス誘導部材１８の内周面には、電気的絶縁性を有し且つ熱伝導性を有する絶縁層１９が設けてあり、この絶縁層１９とユニット外集電体６との間にも絶縁部材２０が介装してある。
【００５８】
そして、燃料電池ＦＣ６は、内周ガス流路１７が、上流側から下流側にかけて断面積を漸次増大させた形態を成しており、これにより、下流側で酸化剤ガスの流速（モル流速）を減少させる。
【００５９】
上記の燃料電池ＦＣ６にあっても、先の実施形態と同様に、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。
【００６０】
ここで、図５及び図６に示す実施形態のように、内周ガス誘導部材１８を採用した構成においては、内周ガス誘導部材１８は、図５（ｂ）に示すように各燃料電池ユニットＵ毎に設けても良いし、図６（ｂ）に示すように、スタック構造体Ｓの外周部に沿った一続きの板部材であっても良い。
【００６１】
また、ユニット外集電体６の外周部に内周ガス誘導部材１８を設ける構成では、例えばユニット外集電体６が多孔質金属の場合は、集電体外周に、充填材としての金属ガラス、Ａｇ系ロウ材、ガラスペースト、及びセラミックス接着剤等を使用して、内周ガス誘導部材１８を設けても良いし、集電体外周に、金属リングを介してスポット溶接により内周ガス誘導部材１８を接合しても良い。
【００６２】
さらに、ユニット外集電体６が、一枚の板に多数の板ばね状突片を切り起し形成した構造である場合には、その板の外周部をプレスにより折り曲げて、内周ガス誘導部材として用いることができる。なお、内周ガス誘導部材１８は、これらの構成に限定されるものではない。
【００６３】
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、先の基本構成及び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。
【００６４】
図７（ａ）に示す燃料電池ＦＣ７は、内周ガス誘導部材１８が、多数の通気孔１８ａを有しており、内周ガス流路１７の上流側から下流側に向けて通気孔１８ａの分布密度が漸次増大した構成になっている。なお、上流側から下流側に向けて通気孔１８ａの大きさを漸次増大させても良い。
【００６５】
この場合、図７（ｂ）に示す絶縁層１９には、ガス透過性を有するものが用いられる。また、図７（ｃ）に示すように、内周ガス誘導部材１８とユニット外集電体６との間に、ガス透過性を有する絶縁部材２０を介装しても良い。
【００６６】
上記の燃料電池ＦＣ７では、内周ガス流路１７において、下流側で酸化剤ガスを通気孔１８ａから流路外へ流すことで、下流側で酸化剤ガスの流量（モル流量）を減少させる。これにより、下流側において、内周ガス流路１７を流れるガスと内周ガス誘導部材１８を形成する固体との境膜伝熱係数が大きくなり、上流側の熱交換量と下流側の熱交換量との差が小さくなる。その結果、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。
【００６７】
また、燃料電池ＦＣ７は、上記の如く内周ガス流路１７の下流側で酸化剤ガスを通気孔１８ａから流路外へ流すことで、とくにスタック構造体Ｓの排出側における酸化剤ガス不足による発電性能の低下を防止することもできる。
【００６８】
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、先の基本構成及び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。
【００６９】
図８（ａ）に示す燃料電池ＦＣ７は、各燃料電池ユニットＵ毎に内周ガス誘導部材１８と設けて、この内周ガス誘導部材１８と外周ガス誘導部材１３との間で内周ガス流路１７を形成している。
【００７０】
このとき、内周ガス誘導部材１８は、内周ガス流路１７の上流側では、図７（ｃ）に示す如くユニット外集電体６の外周部に接合してあり、下流側では、図７（ｂ）に示す如く内周ガス流路１７の中央に位置している。そして、内周ガス誘導部材１８は、下流側部分に多数の通気孔１８ａを有しており、下流側に向けて通気孔１８ａの分布密度（又は大きさ）を漸次増大させている。この場合、燃料電池ユニットＵの内周ガス流路１７に面する部分（セル板の一部分）には、絶縁コーティング２２が施してある。
【００７１】
上記の燃料電池ＦＣ８にあっても、先の実施形態と同様に、内周ガス流路１７の下流側で酸化剤ガスの流量を減少させることで、下流側での境膜伝熱係数が大きくなると共に、上流側の熱交換量と下流側の熱交換量との差が小さくなる。その結果、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。また、スタック構造体Ｓの排出側における酸化剤ガス不足による発電性能の低下を防止することもできる。
【００７２】
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、先の基本構成及び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。
【００７３】
図示の燃料電池ＦＣ９は、先の実施形態の内周ガス誘導部材が無い構成であって、外周ガス誘導部材１３とユニット外集電体との間に内周ガス流路１７を形成（図７ｂ参照）し、内周ガス流路１７が、その下流側で酸化剤ガスを流路外側に偏向させる整流部材を備えている。すなわち、内周ガス流路１７の下流側に整流部材を設けることで、下流側での酸化剤ガスの流量を減少させている。そして、この実施形態の燃料電池ＦＣ９は、整流部材が、内周ガス流路１７内に配置した一つの整流板２３である。
【００７４】
上記の燃料電池ＦＣ９にあっても、先の実施形態と同様に、内周ガス流路１７の下流側で酸化剤ガスの流量を減少させることで、下流側での境膜伝熱係数が大きくなると共に、上流側の熱交換量と下流側の熱交換量との差が小さくなる。その結果、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。また、スタック構造体Ｓの排出側における酸化剤ガス不足による発電性能の低下を防止することもできる。
【００７５】
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、先の基本構成及び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。
【００７６】
図示の燃料電池ＦＣ１０は、整流部材が、内周ガス流路１７内に配置した複数（二枚）の整流板２３である。整流板２３の数は、とくに限定されるものではなく、少なくとも一枚あれば良い。
【００７７】
上記の燃料電池ＦＣ１０にあっても、先の実施形態と同様に、内周ガス流路１７の下流側で酸化剤ガスの流量を減少させることで、下流側での境膜伝熱係数が大きくなると共に、上流側の熱交換量と下流側の熱交換量との差が小さくなる。その結果、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。また、スタック構造体Ｓの排出側における酸化剤ガス不足による発電性能の低下を防止することもできる。
【００７８】
図１１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、先の基本構成及び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】
図示の燃料電池ＦＣ１１は、外周ガス誘導部材１３とユニット外集電体との間に内周ガス流路１７を形成（図７ｂ参照）し、内周ガス流路１７が、その下流側で酸化剤ガスを流路外側に偏向させる整流部材を備えている。すなわち、内周ガス流路１７の下流側に整流部材を設けることで、下流側での酸化剤ガスの流量を減少させている。
【００８０】
そして、この実施形態の燃料電池ＦＣ１１は、整流部材が、内周ガス流路１７内に配置した多孔質体２４であって、内周ガス流路１７の上流部と中流部と下流部とで気孔率が段階的に減少したものとなっている。
【００８１】
ここで、多孔質体２４の材料としては、とくに限定されるものではないが、（１）キャスタブル耐火物、（２）ポルトランドセメント、アルミナセメント、燐酸セメント及び珪酸セメントなどの耐火性発泡セメント、（３耐火モルタル、（４）石膏、（５）セラミックス接着剤、（６）泡ガラスなど不定形材料、（７）ガラス繊維、セラミックス繊維及び金属繊維の少なくとも一つを主な構成とするフェルト、（８）織物、（９）編物、（１０）これらを含むコンポジット材料、（１１）金属箔、及び（１２）熱を加えると膨張する無機系マット等を使用することができる。
【００８２】
上記の燃料電池ＦＣ１１にあっても、先の実施形態と同様に、内周ガス流路１７の下流側で酸化剤ガスの流量を減少させることで、下流側での境膜伝熱係数が大きくなると共に、上流側の熱交換量と下流側の熱交換量との差が小さくなる。その結果、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。また、スタック構造体Ｓの排出側における酸化剤ガス不足による発電性能の低下を防止することもできる。
【００８３】
図１２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、先の基本構成及び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。
【００８４】
図示の燃料電池ＦＣ１２は、外周ガス誘導部材１３とユニット外集電体との間に内周ガス流路１７を形成（図７ｂ参照）し、内周ガス流路１７が、その下流側で酸化剤ガスを流路外側に偏向させる整流部材を備えている。すなわち、内周ガス流路１７の下流側に整流部材を設けることで、下流側での酸化剤ガスの流量を減少させている。
【００８５】
そして、この実施形態の燃料電池ＦＣ１２は、整流部材が、内周ガス流路１７内に充填した充填材２５であって、下流側に向けて充填材２５の量が漸次増大させたものとなっている。
【００８６】
上記の燃料電池ＦＣ１２にあっても、先の実施形態と同様に、内周ガス流路１７の下流側で酸化剤ガスの流量を減少させることで、下流側での境膜伝熱係数が大きくなると共に、上流側の熱交換量と下流側の熱交換量との差が小さくなる。その結果、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。また、スタック構造体Ｓの排出側における酸化剤ガス不足による発電性能の低下を防止することもできる。
【００８７】
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、外周ガス誘導部材、外周ガス流路、内周ガス誘導部材、内周ガス流路及び整流部材等の構成の細部を変更したり、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。
【００８８】
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。
【００８９】
さらに、本発明では、外周ガス流路が、下流側で反応用ガスの流速及び流量の少なくとも一方を増大させるものとし、内周ガス流路が、外周ガス流路から導入した反応用ガスの一部を流通させ且つ下流側で反応用ガスの流速及び流量の少なくとも一方を減少させるものとしている。各実施例では、上記機能を有する外周ガス流路及び内周ガス流路のいずれか一方を備えたものを例示したが、夫々の機能を有する両ガス流路を備えた構成としても良く、流速及び流量の増減に関しても、連続的に変化させたり段階的に変化させたりする構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の燃料電池の一実施例を説明する水平断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の他の実施例を説明する水平断面図（ａ）及び斜視説明図（ｂ）である。
【図３】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を説明する水平断面図である。
【図４】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を説明する水平断面図である。
【図５】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を説明する水平断面図（ａ）及び要部の垂直断面図（ｂ）である。
【図６】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を説明する水平断面図（ａ）及び要部の垂直断面図（ｂ）である。
【図７】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を説明する水平断面図（ａ）及び要部の垂直断面図（ｂ）（ｃ）である。
【図８】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を説明する水平断面図（ａ）及び要部の垂直断面図（ｂ）（ｃ）である。
【図９】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を説明する水平断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を説明する水平断面図である。
【図１１】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を説明する水平断面図である。
【図１２】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を説明する水平断面図である。
【図１３】本発明が適用可能な燃料電池の基本構成において、燃料電池ユニットを説明する分解斜視図である。
【図１４】本発明が適用可能な燃料電池の基本構成において、スタック構造体を説明する斜視図である。
【図１５】本発明が適用可能な燃料電池の基本構成を示す斜視説明図である。
【図１６】本発明が適用可能な燃料電池の基本構成を示す水平断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
Ｃ                ケース
ＦＣ１〜ＦＣ１２  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                セパレータ
３                内周部材
４                外周部材
５                ユニット内集電体
６                ユニット外集電体
７                導入穴（燃料ガスの導入穴）
８                排出穴（燃料ガスの導入穴）
１１              導入管（酸化剤ガスの導入部）
１２              排出管（酸化剤ガスの排出部）
１３              外周ガス誘導部材
１４              外周ガス流路
１５              開口域
１６              分流板
１７              内周ガス流路
１８              内周ガス誘導部材
１８ａ            通気孔
１９              絶縁層
２０              絶縁部材
２１              導入部（酸化剤ガスの導入部）
２２              絶縁コーティング
２３              整流板（整流部材）
２４              多孔質体（整流部材）
２５              充填材（整流部材）
【図１】
0005294145.tif 000002
【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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