(57)【要約】 【課題】効率低下を阻止し、耐熱衝撃性の向上を実現可能であり、ケースとスタック構造体との間に隙間があったとしても、十分な発電出力が得られるうえ、機械的振動に対する耐久性の向上を実現可能な燃料電池を提供する。【解決手段】単セル６を保持し且つ燃料ガス導入孔２１を有するセル板２と、燃料ガス導入孔３１を有し且つ外周縁部をセル板２の外周縁部に接合させたセパレータ板３を具備した固体電解質型燃料電池ユニット１を集電体１５を介して複数積層して成るスタック構造体１１を備えていると共に、ガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂを具備してスタック構造体１１を収容するケース１２を備え、ガス導入部１２ａから導入した空気をスタック構造体１１の固体電解質型燃料電池ユニット１間の集電体１５を通してガス排出部１２ｂに流すべく、ケース１２とスタック構造体１１との間の隙間に充填材１６を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルを保持していると共に中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有するセル板と、中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させたセパレータ板を具備した固体電解質型燃料電池ユニットを集電体を介して複数積層して成るスタック構造体を備えていると共に、ガス導入部及びガス排出部を具備し且つスタック構造体を収容した状態でガス導入部から燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを導入してガス排出部に流すケースを備え、ガス導入部から導入した他方のガスをスタック構造体の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間の集電体を通してガス排出部に流すべく、ケースとスタック構造体との間における隙間にガス流規制部を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
ケースとスタック構造体との間における隙間のうちのケースのガス導入部近傍及びガス排出部近傍のみにガス流規制部を設けた請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
ガス流規制部とスタック構造体の各固体電解質型燃料電池ユニットとを互いに移動可能に接触させてある請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
ガス流規制部は、ケースとスタック構造体との間の隙間に注入又は塗布される充填材から成っている請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
【請求項５】
ガス流規制部は、ケースとスタック構造体との間の隙間の形状に合わせた成形体としてある請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
【請求項６】
ガス流規制部は、スタック構造体側に位置するシート材及びケース側に注入又は塗布される充填材を組合わせて成っている請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
【請求項７】
ガス流規制部は、シート材及びケースとスタック構造体との間の隙間の形状に合わせた成形体を組合わせて成っている請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
【請求項８】
ガス流規制部は、固体電解質型燃料電池ユニットの間隔を維持可能なスペーサ及び充填材を組合わせて成っている請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
【請求項９】
ガス流規制部の気孔率をスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニット間に位置する集電体の気孔率よりも小さく設定した請求項１〜８のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
ガス流規制部の気孔率を部分的に変化させてある請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
ガス流規制部のケース側に位置する部分の気孔率をスタック構造体側に位置する部分の気孔率よりも大きく設定した請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
ガス流規制部とスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニットとを電気的に絶縁させてある請求項１〜１１のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
スタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニット間に位置する集電体のケース側部分を固体電解質型燃料電池ユニットの間隔を維持可能なガス流規制部として形成し、このガス流規制部と固体電解質型燃料電池ユニットとの間に電気絶縁材を介在させた請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１４】
ケースのガス導入部とこのガス導入部に面するガス流規制部の端面との間、及び、ケースのガス排出部とこのガス排出部に面するガス流規制部の端面との間に、仕切り手段を設けた請求項１〜１３のいずれか一つの項に記載の燃料電池。
【請求項１５】
ケースのガス導入部とこのガス導入部に面するガス流規制部の端面との間、及び、ケースのガス排出部とこのガス排出部に面するガス流規制部の端面との間に設けた隔壁を仕切り手段とし、ガス導入部側の隔壁にはガス導入部から導入した他方のガスをスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニットの間の集電体に流す整流部を一体で設けると共に、ガス排出部側の隔壁には集電体を通過した他方のガスをガス排出部に導く整流部を一体で設けた請求項１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
スタック構造体をケース内の所定部位に位置させて保持する位置決め保持手段をケースに設けた請求項１〜１５のいずれか一つの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、複数の固体電解質型燃料電池ユニットを積層して形成したスタック構造体をケースに収容して成る燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記したような燃料電池としては、例えば、単セルを保持していると共に中心に燃料ガス導入孔が形成され且つこの燃料ガス導入孔の周囲に複数の空気導入孔が形成された複数の円盤状を成すセル板と、中心に燃料ガス導入孔が形成され且つこの燃料ガス導入孔の周囲に複数の空気導入孔が形成された複数の円盤状をセパレータ板とを交互に積層して成る燃料電池がある。
【０００３】
この燃料電池の場合、燃料ガス及び空気の両方のガスをセル板及びセパレータ板の各中心部分から供給して外周部分から排出するようにしていることから、未燃焼ガスを回収することができず、その結果、過渡運転時などのガス流が変化する場合には、燃料利用率が低下して効率が落ちるうえ、外周部分での燃焼が不安定になることで単セルに局所的な熱応力がかかって破損してしまう恐れがある。
【０００４】
そこで、このような危惧を解消するべく成された燃料電池としては、単セルを保持していると共に中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有するセル板と、中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有するセパレータ板との各外周縁部同士を接合して固体電解質型燃料電池ユニットを形成し、この固体電解質型燃料電池ユニットを集電体を介して複数積層して成るスタック構造体をガス導入部及びガス排出部を具備したケースに収容して、ガス導入部から燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを導入してガス排出部に流すようにしたものがある。
【特許文献１】ＵＳＰ６３４４２９０
【特許文献２】特開２００４−２０７０２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記した燃料電池では、スタック構造体の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット間に集電体を配置して単セルと接触させているので、効率的に発電出力を取り出すことができるものの、ケースとスタック構造体との間に隙間がある場合には、他方のガスが集電体の部分よりも上記隙間に多く流れてしまい、単セルに他方のガスが到達し難くなって、十分な発電出力を得ることができない事態が起こり得るという問題があった。
【０００６】
また、上記した燃料電池では、複数積層した固体電解質型燃料電池ユニットの各中心部を締結して成るスタック構造体とすると、固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部がフリーな状態となっているので、急加熱などの熱衝撃に対しては破損し難い構造ではあるものの、燃料電池を自動車に搭載する場合などの燃料電池全体に機械的振動が加わる場合には、固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部が共振振動することによって、単セルなどの箇所に機械的応力がかかってクラックなどの不具合が生じてしまう恐れがないとは言えないという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００７】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、ケースにスタック構造体を収容して未燃焼ガスを回収可能とすることで、過渡運転時などのガス流が変化する場合であったとしても、燃料利用率が低下して効率が落ちるのを防ぐことができると共に、耐熱衝撃性の向上を実現することが可能であるのは勿論こと、ケースとスタック構造体との間に隙間がある場合であったとしても、十分な発電出力を得ることができるのに加えて、機械的振動に対する耐久性を向上させることが可能であ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】
【０００８】
本発明の燃料電池は、単セルを保持していると共に中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有するセル板と、中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させたセパレータ板を具備した固体電解質型燃料電池ユニットを集電体を介して複数積層して成るスタック構造体を備えていると共に、ガス導入部及びガス排出部を具備し且つスタック構造体を収容した状態でガス導入部から燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを導入してガス排出部に流すケースを備え、ガス導入部から導入した他方のガスをスタック構造体の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間の集電体を通してガス排出部に流すべく、ケースとスタック構造体との間における隙間にガス流規制部を設けた構成としたことを特徴としており、この燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００９】
本発明の燃料電池において、燃料ガス及び空気のうちの一方のガスは、セル板及びセパレータ板の各ガスの導入孔から固体電解質型燃料電池ユニット内に供給される。この固体電解質型燃料電池ユニット内に供給された一方のガスは、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部にガス排出孔を形成してユニット中央から排出したり、固体電解質型燃料電池ユニットの外周縁部にガス排出用切欠きを形成してユニット外周から排出したりしてもよい。
【００１０】
本発明の燃料電池では、ケースのガス導入部から導入した他方のガスが、ケースとスタック構造体との間の隙間よりもスタック構造体の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間の集電体部分に流れやすくなるので、セル板に保持された単セルの部分に対する他方のガスの供給量が大幅に増加することとなり、したがって、十分な発電出力が得られることとなる。
【００１１】
また、固体電解質型燃料電池ユニット内に供給した一方のガスを固体電解質型燃料電池ユニットの外周から排出させるタイプの燃料電池では、ケースのガス排出部をガス流規制部で制限することができるので、過渡運転時における固体電解質型燃料電池ユニット内へのバックファイアを防止し得ることとなり、その結果、安定した運転を行い得ると共に、熱衝撃を回避し得ることとなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、上記した構成としているので、未燃焼ガスを回収可能とすることが可能となって、過渡運転時における効率の落ち込みを阻止することができると共に、耐熱衝撃性の向上を実現することが可能であるのは言うまでもなく、ケースとスタック構造体との間に隙間がある場合であったとしても、十分な発電出力を得ることができるうえ、機械的振動に対する耐久性をも向上させることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の燃料電池の固体電解質型燃料電池ユニットは、セル板及びセパレータ板の各外周縁部同士を接合して成るものであり、セル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方に外周縁部に沿う段差を設けることで、セル板及びセパレータ板間に、燃料ガス及び空気のうちの一方のガスを流す空間を形成している。
【００１４】
また、本発明の燃料電池において、固体電解質型燃料電池ユニットの中央部分の厚さを単セル設置領域の厚さよりも大きくしてスペーサの機能を持たせることで、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの層間に、燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを流す流路を形成している。
【００１５】
なお、上記段差をセル板及びセパレータ板の双方に形成して互いに対称を成すようにすれば、応力集中を抑制し得ることとなり、この際、両段差の大きさを相互に変化させたとしても、段差を設けたことによる強度の向上を期待でき、段差をセル板及びセパレータ板の一方に形成した場合には、単セルの搭載面積を拡大することができ、このように、耐熱衝撃性の向上や出力密度の向上など重視する特性に応じてセル板及びセパレータ板の形状を変更し得る。
【００１６】
さらに、本発明の燃料電池において、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板に設ける段差はプレス加工により形成することが望ましく、セル板及びセパレータ板の各々の外周縁部同士の接合には、溶接やロウ付けを用いることができるほか超音波接合法なども用いることができる。
【００１７】
さらにまた、本発明の燃料電池において、固体電解質型燃料電池ユニットの単セルの取付位置をセル板の中心部と外周縁部との間のドーナツ状を成す領域に設定し、このドーナツ状を成す領域内に単セルを１つ以上固定することができる。
【００１８】
例えば、単セルが小径の円板状を成す場合は、セル板の中心周りに規則正しく配置することが望ましい。また、単セルがドーナツ状を成す場合は、その内周縁部及び外周縁部にプレス加工済の内側リング及び外側リングをそれぞれ接合することが望ましい。さらに、上記内側リング及び外側リングを連結してフレーム状をなすようにしてもよく、このフレームに扇形の単セルを貼り付けることも可能である。
【００１９】
さらにまた、本発明の燃料電池において、スタック構造体は複数の固体電解質型燃料電池ユニットを積層して成っているが、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの各中心部分間にガスシール接合層を介在させ、固体電解質型燃料電池ユニットの各単セル領域の間にユニット間集電体を介在させるようにしており、固体電解質型燃料電池ユニット内に供給した一方のガスを固体電解質型燃料電池ユニットの中心から排出させるタイプの燃料電池では、一方のガスを固体電解質型燃料電池ユニット内に供給する導入配管を具備したフランジ及び固体電解質型燃料電池ユニット内から一方のガスを排出する排気配管を具備したフランジを、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの上下に設置してスタック構造体を形成する。
【００２０】
この際、互いに積層した固体電解質型燃料電池の各中心部分間に配置されるガスシール接合層としては、電気絶縁性を有するセラミックス系接着剤やガラス系接合材などの無機系接合材を使用することができるほか、例えば、単セルがドーナツ状を成す場合は、ろう材や金属粉を混在した導電性接合材を使用することができ、ガスケットシール層を用いることもできる。
【００２１】
一方、固体電解質型燃料電池ユニットの各単セル領域の間に配置される集電体には、導電性の多孔体を使用することができる。例えば、金属メッシュや発泡金属体を用いることができるほか、金属や電極材料からなる繊維の織物やフェルトなどを使用することができる。
【００２２】
さらにまた、本発明の燃料電池において、スタック構造体を形成する固体電解質型燃料電池ユニットの平面形状及びスタック構造体を収容するケースの間口形状は、円形状に限定されるものではなく、例えば、四角形状や多角形状や雲形状を成していてもよい。
【００２３】
さらにまた、本発明の燃料電池において、例えば、スタック構造体及びケースが円筒形状を成している場合、ケースのガス導入部及びガス排出部は、スタック構造の側面に向けて配置したり、スタック構造の上下面に向けて配置したりすることができる。
【００２４】
さらにまた、本発明の燃料電池において、ケース内に収容するスタック構造体の数は１個に限定されるものではなく、複数個収容する構成としてもよい。そして、ケースのガス導入部及びガス排出部の数も各々１個ずつに限定されるものではなく、複数個ずつ設置することもできる。
【００２５】
さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部には、キャスタブル耐火物や、ポルトランドセメント，アルミナセメント，燐酸セメント，珪酸セメントなどの耐火性発泡セメントや、耐火モルタルや、石膏や、セラミックス接着剤や、泡ガラスなどの不定形材料や、ガラス繊維，セラミックス繊維，金属繊維から主に構成されるフェルトや、織物や、編物や、これらのコンポジット材料や、金属箔などのシート材又は成型体を使用することができ、いずれにも限定されるものではない。
【００２６】
さらにまた、本発明の燃料電池において、例えば、スタック構造体及びケースが円筒形状を成している場合、ガス流規制部の設置位置は、ケースのガス導入部及びガス排出部の数や、固体電解質型燃料電池ユニットの外径と中心部分径との比や、固体電解質型燃料電池ユニットの間隔や、ケースのガス導入部及びガス排出部の開口幅や、ユニット間集電体とガス流規制部の気孔率の比や、単セルの出力密度などのスタック仕様に依存するほか、ガス流量や、運転温度などの運転条件にも依存するが、ケースとスタック構造体との間における隙間のうちのケースのガス導入部近傍及びガス排出部近傍のみにガス流規制部を設けた構成とすることができる。
【００２７】
この場合、図８に示すように、ケース１２のガス導入部１２ａ（ガス排出部）の中心Ｘ及び固体電解質型燃料電池ユニット１の中心Ｏを結ぶ線Ｘ−Ｏと、ユニット１の中心Ｏ及びガス流規制部１６の設置終端を結ぶ線Ｏ−Ｙとが成す角Ｒが１５°以下であると、ケース１２とスタック構造体１１の間の隙間に多くのガスが流れてしまい、ガス利用率が低下して効率が悪化することから、線Ｘ−Ｏと線Ｏ−Ｙとが成す角Ｒを１５°以上とすることが好ましく、当然のことながら、ケース１２のガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂを除く隙間の全周にわたってガス流規制部１６を設置してもよい。
【００２８】
さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部とスタック構造体の各固体電解質型燃料電池ユニットとを互いに移動可能に接触させてある構成とすることができ、この構成を採用すると、固体電解質型燃料電池ユニットが昇降温に対してその外周縁部で応力を開放しやすくなり、その結果、耐熱衝撃性向上及び薄板化が図られて、起動性及び応答性に優れた低熱容量のスタック構造体が得られることとなる。
【００２９】
さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部は、ケースとスタック構造体との間の隙間に注入又は塗布される充填材から成っている構成を採用することができる。この際、あらかじめ固体電解質型燃料電池ユニット側に油脂系材料や離型材を塗布しておけば、ガス流規制部としての充填材を固体電解質型燃料電池ユニットに接着させることなく、所定位置に設置することができ、この構成を採用すると、簡便な作業を行うだけで、単セル部分へのガス供給量を増加させて出力密度の向上が図られることとなる。
【００３０】
さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部は、ケースとスタック構造体との間の隙間の形状に合わせた成形体としてある構成とすることができる。この場合、成形体には、例えば、フェルトや、織物編物と不定形材料のコンポジット材を使用することができ、ケースとスタック構造体との間の隙間の形状に合わせた成形体は、固体電解質型燃料電池ユニットの積層工程において、固体電解質型燃料電池ユニット間に設置しながら積層してスタック構造体を形成する。
【００３１】
つまり、ガス流規制部をケースとスタック構造体との間の隙間の形状に合わせた成形体とすることで、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの間隔を一定に保持し得ることとなり、その結果、ケースに導入されたガスをユニットの各層間に均一に流し得ることから、出力密度の向上が図られることとなる。
【００３２】
さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部は、スタック構造体側に位置するシート材及びケース側に注入又は塗布される充填材を組合わせて成っている構成としたり、シート材及びケースとスタック構造体との間の隙間の形状に合わせた成形体を組合わせて成っている構成としたり、スタック構造体側に位置して固体電解質型燃料電池ユニットの間隔を維持可能なスペーサ及びケース側に注入又は塗布される充填材を組合わせて成っている構成としたりすることができる。
【００３３】
ガス流規制部が、スタック構造体側に位置するシート材及びケース側に注入又は塗布される充填材を組合わせて成っている構成とする場合には、例えば、ケース側に注入又は塗布した充填材とスタック構造体との間に、シート材としてセラミックス繊維が主たる成分のフェルトシートを設置するように成すことができ、これにより、充填材と固体電解質型燃料電池ユニットとの接着及び融着を阻止して、耐熱衝撃性の向上が図られることとなる。
【００３４】
また、これと同じく、ガス流規制部が、スタック構造体側に位置するシート材及びケース側に注入又は塗布される充填材を組合わせて成っている構成とする場合には、例えば、ケース側に注入又は塗布した充填材とスタック構造体との間に、ユニット間の集電体の周囲を包むセラミックス性フェルトや金属箔などのシート材を設置するように成すことができ、このように成すことで、充填材の注入又は塗布時において、充填材がユニット間の集電体の気孔に入り込むのを阻止し得ることとなる。
【００３５】
一方、ガス流規制部が、シート材及びケースとスタック構造体との間の隙間の形状に合わせた成形体を組合わせて成っている構成とする場合には、例えば、上記成形体を接合したシート材をスタック構造体に巻き付けてケースに収容するように成すことができ、これにより、ガス流規制部の形成およびスタック構造体への設置を簡単に行い得ることとなる。
【００３６】
さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部が、固体電解質型燃料電池ユニットの間隔を維持可能なスペーサ及び充填材を組合わせて成っている構成とする場合には、例えば、ガス流規制部をユニット間隔を均等に保持するためのスペーサとしての波板形状の薄板と充填材とで形成するように成すことができ、この場合には、固体電解質型燃料電池ユニットの間隔を保持し得るので、燃料電池の機械的振動に対して、固体電解質型燃料電池ユニットの周縁部が大きく共振するのを防ぎ得ることとなり、したがって、耐久性に優れたものとなる。
【００３７】
さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部の気孔率をスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニット間に位置する集電体の気孔率よりも小さく設定した構成を採用することができ、この構成を採用すると、固体電解質型燃料電池ユニットの単セルに対する燃料ガス及び空気のうちの他方のガスの供給量が一層増加することとなる。
【００３８】
さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部の気孔率を部分的に変化させてある構成とすることができる。つまり、ガス流規制部の熱伝導性が高く且つ重い気孔率が小さい領域を必要最低限に小さくすることで、軽量化及び低熱容量化が図られることとなり、加えて、ケースからの放熱を抑制して断熱性能を向上し得るので、スタック構造体を保温しやすくなって発電効率の向上も図られることとなる。
【００３９】
この際、ガス流規制部のケース側に位置する部分の気孔率をスタック構造体側に位置する部分の気孔率よりも大きく設定した構成とすることが好ましく、例えば、図２０に示すように、ケース１２のガス導入部１２ａ近傍及びガス排出部１２ｂ近傍に、ガス流規制部の気孔率が小さい領域４７ｂを配置する場合において、ケース１２のガス導入部１２ａ（ガス排出部１２ｂ）の中心Ｘ及び固体電解質型燃料電池ユニットの中心Ｏを結ぶ線Ｘ−Ｏと、ユニット１の中心Ｏ及びガス流規制部の気孔率が小さい領域４７ｂの終端を結ぶ線Ｏ−Ｙとが成す角Ｒを少なくとも１５°とし、この気孔率が小さい領域４７ｂをユニット間集電体１５に接触させると共にケース１２のガス導入部１２ａ（ガス排出部１２ｂ）に臨ませるようにする。
【００４０】
また、上述したように、ガス流規制部が、スタック構造体側に位置するシート材及びケース側に注入又は塗布される充填材を組合わせて成っている場合は、スタック構造体側に位置するシート材に、セラミックスフェルトシートや金属箔や金属メッシュなどの気孔率が小さい部材を用いれば、充填材の気孔率を大きくすることができ、断熱性能の向上及び軽量化が図られることとなり、加えて、熱衝撃に対して充填材にクラックが入りにくく、例えクラックが入ったとしても、ガス流規制性能の低下が回避されることとなる。
【００４１】
さらに、上述したように、ガス流規制部が、ケースとスタック構造体との間の隙間の形状に合わせた成形体とした場合は、成形体の外周面にセラミックス系接着剤を塗布して固化させることにより、気孔率が小さい緻密表面層を形成すれば、軽量化及び低熱容量化が図られることとなる。
【００４２】
さらにまた、ガス流規制部の気孔率を部分的に変化させる構成として、シート材に充填材を塗布して成る湿布薬状の部材をスタック構造体の周囲に巻き付け、湿布薬状の部材を固化させた後ケースに収容した構成を採用することができ、この際、例えば、シート材に気孔率が互いに異なる充填材を複数層パターニングして塗布して成る湿布薬状の部材を用いれば、簡便に気孔率の制御を行い得ることとなり、印刷技術によって気孔率が互いに異なる充填材を所望のパターン積層すれば、複雑なスタック構造体の周囲形状にも対応し得ることとなる。
【００４３】
さらにまた、ガス流規制部の気孔率を部分的に変化させる構成として、気孔率の小さい成形体や充填材の外側に気孔率の大きい成形体や充填材を配置する構成を採用することができ、この場合は、ケースからの放熱を抑制することでスタック構造体を保温しやすくなり、その結果、発電効率の向上が図られることとなる。
【００４４】
さらにまた、本発明の燃料電池において、セパレータ板やセル板などの固体電解質型燃料電池ユニットの構成部材の周縁部分が金属などの導電性材料から成っている場合は、ガス流規制部の少なくとも固体電解質型燃料電池ユニットと接触する部分に電気絶縁層を設置したり、固体電解質型燃料電池ユニットのガス流規制部と接触する部分に電気的絶縁処理を施したりすることが望ましい。
【００４５】
このように、ガス流規制部とスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニットとを電気的に絶縁してある構成を採用すると、ガス流規制部を介して固体電解質型燃料電池ユニット間又は固体電解質型燃料電池ユニットとケースとの間の電気絶縁性能を向上させ得ることとなり、その結果、漏電損失が抑制されて発電効率が向上することとなる。
【００４６】
上記電気絶縁層としては、ガラス繊維やセラミックス繊維を主としたフェルトや織物や編物の電気絶縁シートを使用することができる。この際、電気絶縁シートの表裏のいずれかの面にセラミックス接着剤層を形成して固化させたものを位置させたり、ガラスコーティング層やほうろう層などを形成したりすることができるほか、充填材として、高温での電気絶縁性は劣るものの、速乾性や気孔率制御性などの性能に優れた材料を使用することができる。
【００４７】
さらにまた、本発明の燃料電池において、スタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニット間に位置する集電体のケース側部分を固体電解質型燃料電池ユニットの間隔を維持可能なガス流規制部として形成し、このガス流規制部と固体電解質型燃料電池ユニットとの間に電気絶縁材を介在させた構成とすることができる。
【００４８】
具体的には、多孔質の集電体にあらかじめ気孔率が小さいガス流規制部を形成し、固体電解質型燃料電池ユニットの積層工程時において、集電体のガス流規制部の表裏に電気絶縁層を配置しつつ、この集電体を間に介在させて固体電解質型燃料電池ユニットを積層してスタック構造体を形成した後、ケースに収容するように成すことができ、この場合には、固体電解質型燃料電池ユニットの間隔を保持し得るので、燃料電池の組み立てが容易なものとなる。
【００４９】
さらにまた、本発明の燃料電池において、ケースのガス導入部とこのガス導入部に面するガス流規制部の端面との間、及び、ケースのガス排出部とこのガス排出部に面するガス流規制部の端面との間に、仕切り手段を設けた構成とすることができ、この構成を採用すると、充填材や成形体でガス流規制部を形成する場合、このガス流規制部がケースのガス導入部及びガス排出部側にはみ出してガスの流れを妨げるのを回避し得ることとなる。
【００５０】
そして、ケースのガス導入部とこのガス導入部に面するガス流規制部の端面との間、及び、ケースのガス排出部とこのガス排出部に面するガス流規制部の端面との間に設けた隔壁を仕切り手段とし、ガス導入部側の隔壁にはガス導入部から導入した他方のガスをスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニットの間の集電体に流す整流部を一体で設けると共に、ガス排出部側の隔壁には集電体を通過した他方のガスをガス排出部に導く整流部を一体で設けた構成とすることもでき、この場合には、圧力損失を小さくしたいケースのガス導入部及びガス排出部と、圧力損失を大きくしたい気孔率が小さな領域とを容易に区分けし得ることとなる。
【００５１】
さらにまた、本発明の燃料電池において、スタック構造体をケース内の所定部位に位置させて保持する位置決め保持手段をケースに設けた構成を採用することができる。この位置決め保持手段は、ケースの外周の一部ないし全周にわたって形成したり、スタック構造体の複数段おきないし全ての固体電解質型燃料電池ユニットに対応して形成したりすることができる。
【００５２】
具体的には、位置決め保持手段をラチェット状の段差としたり、波形状の段差としたり、くさび形状の溝としたりすることができるほか、ケース及びスタック構造体が円筒形状を成している場合において、位置決め保持手段をケースの円周方向の適宜位置に設けた切れ込みとすることができる。
【００５３】
このように、ケースに位置決め保持手段を設けてスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニットの間隔を保持する構成を採用すると、固体電解質型燃料電池ユニットの周縁部分が機械的振動によって大きく共振するのを阻止し得ることから、耐久性に優れたものとなる。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５５】
図１〜図４は、本発明の燃料電池の一実施例を示しており、図１に示すように、この燃料電池１０は、集電体１５を介して複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を複数積層して成るスタック構造体１１と、ガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂを具備し且つスタック構造体１１を収容した状態でガス導入部１２ａから空気を導入してガス排出部１２ｂに流す円筒形状を成すケース１２を備えている。
【００５６】
この燃料電池１０のスタック構造体１１を構成する固体電解質型燃料電池ユニット１は、円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔２１及びガス排出孔２２を有する金属製セル板２と、このセル板２と同じく円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔３１及びガス排出孔３２を有する金属製セパレータ板３を備えている。これらのセル板２及びセパレータ板３は、互いに対向した状態で各々の外周縁部同士を接合させてあり、セル板２及びセパレータ板３間に形成される袋部分（空間）Ｓには、集電体４が収容してある。
【００５７】
互いに対向した状態で接合するセル板２及びセパレータ板３の各中心部分には、図２及び図３にも示すように、外周縁部と同心状を成し且つ互いに離間する方向に突出して後述するようにスペーサとして機能する円形凸状段差部２３，３３がプレス加工によってそれぞれ形成してあり、セル板２及びセパレータ板３の各外周縁部には、この外周縁部と同心状を成し且つ互いに接近する方向に突出して空間Ｓを形成するための環状段差２４，３４がプレス加工によってそれぞれ形成してあり、上記したガス導入孔２１，３１及びガス排出孔２２，３２は、セル板２及びセパレータ板３の各円形凸状段差２３，３３に配置してある。
【００５８】
また、図４に示すように、セル板２の中心部分と外周縁部との間のドーナツ状を成す領域には、円形状を成す単セル６が複数個固定してあり、これらの単セル６は、電解質支持型セル、電極支持型セル、多孔質支持型セルのいずれでもあってもよい。
【００５９】
さらに、セル板２及びセパレータ板３の各中心部分に位置する円形凸状段差部２３，３３のうちのセパレータ板３の円形凸状段差部３３には、ガス導入孔３１と連通するガス導入流路５１を具備してセル板２及びセパレータ板３間に形成される空間Ｓ内に対して燃料ガスを供給する流路部品５が収容してあると共に、セル板２の円形凸状段差部２３には、ガス排出孔２２と連通するガス排出流路５２を具備して上記空間Ｓから燃料ガスを排出する流路部品５が収容してあり、これらの流路部品５，５は、後述するように、固体電解質型燃料電池ユニット１を積層してスタック構造体１１を形成した状態において、スタック構造体１１全体の押付力のみで互いに密着するようになっている。
【００６０】
この実施例において、セル板２及びセパレータ板３には、肉厚が０．１ｍｍのＳＵＳ４３０の圧延板を用いた。そして、この圧延板を超硬及びＳＫＤ１１から成る金型を装備したプレス装置にセットして、８０トンのプレス荷重をかけてプレス加工を行った。このプレス加工により得られたセル板２及びセパレータ板３の外径は１２５ｍｍであり、セル板２及びセパレータ板３の各外周縁部同士をレーザ溶接を用いて接合して、厚さ１．５ｍｍの固体電解質型燃料電池ユニット１とした。また、セル板２及びセパレータ板３間の空間Ｓに収容する集電体４には、インコネル製金属メッシュから成るものを用い、セル板２及びセパレータ板３に対してその周縁部をレーザ溶接により接合した。
【００６１】
一方、流路部品５にもＳＵＳ４３０を用い、セル板２及びセパレータ板３に対しては、接合温度を１０００℃以下とした真空中での拡散接合により固定し、接合時の変形を防いでいる。なお、拡散接合に代えてＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接による接合も可能であり、この際、セル板２及びセパレータ板３が薄板状を成していることから、表側からレーザを照射しても接合することができる。また、流路部品５の流路パターンは、エッチングや研削加工やレーザ加工により形成することができるほか、エッチング部品を積層して接合することによっても形成することができる。
【００６２】
この実施例に係る燃料電池１０において、スタック構造体１１は、上記固体電解質型燃料電池ユニット１を間隔１．５ｍｍで４０層（図１では５段に省略して示している）積層して成っていて、積層した複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を上下からフランジ１３，１４で挟み込み、セル板２及びセパレータ板３の各ガス導入孔２１，３１の周囲に形成した複数のガス排出孔２２，３２に図示しない複数本のスタッドボルトをそれぞれ挿通して、燃料ガスの導入配管１３ａを具備した上側のフランジ１３にスタッドボルトの一端部をねじ込むと共に、燃料ガスの排気配管１４ａを具備した下側のフランジ１４から外部に突出するスタッドボルトの他端部に皿ばねを介してナットをねじ込むことにより、互いに積層した固体電解質型燃料電池ユニット１同士を締結するようにしている。
【００６３】
この際、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１の各中心部分間には、シール接合材としてのセラミックス系接着材１７が二重リング状に塗布してある。なお、シール接合材として、ガラス系の接着材や、ガラスにセラミックス繊維やフィラーを加えて成型したガスケットを使用することができるほか、後述するように単セル６がドーナツ状を成す場合には、金属粉が混在するペースト状接着材や、ガスケット状のろう材や、金属ガスケットを使用することが可能である。
【００６４】
そして、この燃料電池１０では、互いに分割されたＳＵＳ４３０製のケース１２で上記のように形成したスタック構造体１１を図１（ａ）上下から挟み込み、ケース１２の両合わせ目に対してガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂをそれぞれ溶接することによって、スタック構造体１１をケース１２内に収容するようにしており、この際、スタック構造体１１とケース１２との間における隙間に、耐火性の発泡セメントからなるガス流規制部としての充填材１６を設けることによって、ガス導入部１２ａから導入した空気をスタック構造体１１の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１の間の集電体１５を通してガス排出部１２ｂに流すようにしている。
【００６５】
この実施例において、充填材１６は、スタック構造体１１をケース１２に収容するのに先立って、スタック構造体１１の外周縁部に塗布するようにしているが、スタック構造体１１の外周縁部に対して、あらかじめ離型材としての窒化ホウ素を噴霧して表面処理を行っておくことで、充填材１６とスタック構造体１１との互いの移動を許容するようにしてある。
【００６６】
この燃料電池１０において、図１及び図２に示すように、ガス導入部１２ａからケース１２に空気を導入すると、スタック構造体１１の固体電解質型燃料電池ユニット１とこれに積層した固体電解質型燃料電池ユニット１との間、すなわち、カソード側である層間に位置する集電体１５に空気が流れた後、ガス排出部１２ｂを通して排気され、一方、燃料ガスは、フランジ１３の導入配管１３ａ及び固体電解質型燃料電池ユニット１の各ガス導入孔２１，３１を通してセル板２及びセパレータ板３間に形成される各空間Ｓ内に導入され、上記空間Ｓ内を流れた後、各ガス排出孔２２，３２及びフランジ１４の排気配管１４ａを通して排気される。
【００６７】
上記した燃料電池１０では、スタック構造体１１とケース１２との間における隙間にガス流規制部としての発泡セメントからなる充填材１６を設けているので、ケース１２のガス導入部１２ａから導入した空気は、ケース１２とスタック構造体１１との間の隙間よりもスタック構造体１１の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１の間の集電体１５の部分に流れやすくなって、セル板２に保持された単セル６の部分に対する空気の供給量が大幅に増加することとなり、したがって、十分な発電出力が得られることとなる。
【００６８】
また、上記した燃料電池１０では、スタック構造体１１の固体電解質型燃料電池ユニット１のセル板２及びセパレータ板３の間に形成される空間Ｓ内に燃料ガスのみを流すようにしているので、未燃焼ガスを回収し得ることとなり、したがって、過渡運転時などのガス流が変化する場合であったとしても、燃料利用率が低下することがなく、加えて、単セル６に局所的な熱応力がかかって不具合が生じる可能性が少なくなる。
【００６９】
さらに、上記した燃料電池１０では、スタック構造体１１の外周縁部に発泡セメントからなる充填材１６を塗布することで、ガス流規制部を形成するようにしているうえ、スタック構造体１１の外周縁部に対して、あらかじめ離型材としての窒化ホウ素を噴霧して表面処理を行うようにしているので、充填材１６を固体電解質型燃料電池ユニット１に接着させることなく、所定位置に設置することができ、その結果、簡便な作業を行うだけで、単セル６の部分へのガス供給量を増加させ得ることとなり、加えて、固体電解質型燃料電池ユニット１が昇降温に対してその外周縁部で応力を開放しやすくなり、したがって、耐熱衝撃性向上及び薄板化が図られることとなる。
【００７０】
上記した実施例の燃料電池１０におけるスタック構造体１１の固体電解質型燃料電池１では、セル板２及びセパレータ板３が互いにほぼ同一形状を成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図５示すように、単セル６を取り付けるセル板２が円形凸状段差部２３のみを有する形状を成し且つセパレータ板３が通常の約二倍の高さの環状段差部３４を有する形状を成していてもよい。
【００７１】
また、この実施例では、単セル６が小径の円板状を成す場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図６（ａ）に示すように、単セル６Ａがドーナツ状を成す場合には、その内周縁部及び外周縁部にプレス加工済の内側リング７及び外側リング８をそれぞれ接合してセパレータ板３に取付けることができ、この際、接合時の作業性を考慮して、図６（ｂ）に示すように、内側リング７及び外側リング８を縦横の桟９で連結してフレームを形成するようにしてもよく、このフレームに扇形の単セル６Ｂを取付けることも可能である。
【００７２】
さらに、この実施例では、スタック構造体１１を収容するケース１２の間口形状が、円形状を成す場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図７に示すように、スタック構造体１１を収容するケース１２の間口形状が、六角形状を成していてもよい。
【００７３】
さらにまた、上記した実施例では、ケース１２とスタック構造体１１との間における隙間のうちのガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂを除く全周にわたって充填材１６を設置しているが、ケース１２とスタック構造体１１との間における隙間のうちのケース１２のガス導入部１２ａ近傍及びガス排出部１２ｂ近傍のみに充填材１６を設けるようにしてもよく、この場合には、図８に示すように、ケース１２のガス導入部１２ａ（ガス排出部１２ｂ）の中心Ｘ及び固体電解質型燃料電池ユニット１の中心Ｏを結ぶ線Ｘ−Ｏと、ユニット１の中心Ｏ及び充填材１６の設置終端を結ぶ線Ｏ−Ｙとが成す角Ｒが１５°以下であると、ケース１２とスタック構造体１１の間の隙間に多くのガスが流れてガス利用率が低下して効率が悪化することから、線Ｘ−Ｏと線Ｏ−Ｙとが成す角Ｒを１５°以上とすることが好ましい。
【００７４】
さらにまた、上記した実施例では、ケース１２のガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂの数をいずれも１個ずつとした場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図９に示すように、ケース１２にガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂを２個ずつ設置してもよい。そして、上記した実施例では、ケース１２内に１個のスタック構造体１１を収容した場合を示したが、これも限定されるものではなく、例えば、図１０に示すように、間口が三角形状を成し且つ３個のガス導入部１２ａ及び１個のガス排出部１２ｂを有するケース１２内に、３個のスタック構造体１１を収容する構成としてもよい。
【００７５】
図１１〜図１３は、本発明の燃料電池の他の実施例を示している。図１２に示すように、この燃料電池１０では、スタック構造体１１とケース１２との間における隙間に設けるガス流規制部を、スタック構造体１１側に位置するガラス繊維を主成分とした電気絶縁性を有する厚さ０．１ｍｍのフェルトシートからなるシート材４６に発泡セメントからなる充填材１６を塗布して成るものとしており、これらのシート材４６及び充填材１６は、上記隙間のうちのケース１２のガス導入部１２ａ近傍及びガス排出部１２ｂ近傍のみに設けてある。
【００７６】
また、この燃料電池１０のケース１２は、図１１に示すように、その外周壁の円周方向の４箇所に位置する凹部（位置決め保持手段）１２ｃを備えていると共に、図１３にも示すように、ガス導入部１２ａ（ガス排出部１２ｂ）とスタック構造体１１との間に位置して凹凸部４７ａをスタック構造体１１の外周縁部に係合させた隔壁（仕切り手段）４７を備えている。
【００７７】
この場合、凹部１２ｃは、該凹部１２ｃ及び固体電解質型燃料電池ユニット１の中心Ｏを結ぶ線Ｏ−Ｙと、ケース１２のガス導入部１２ａ（ガス排出部１２ｂ）の中心Ｘ及び固体電解質型燃料電池ユニット１の中心Ｏを結ぶ線Ｘ−Ｏとが成す角Ｒがほぼ４５°となる部位に配置してあり、上記したシート材４６及び充填材１６は、凹部１２ｃと隔壁４７との間のみに設けてある。
【００７８】
この実施例における燃料電池１０においても、スタック構造体１１とケース１２との間における隙間に、ガス流規制部としてのシート材４６及び充填材１６を設けているので、ケース１２のガス導入部１２ａから導入した空気は、ケース１２とスタック構造体１１との間の隙間よりもスタック構造体１１の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１の間の集電体１５の部分に流れやすくなって、セル板２に保持された単セル６の部分に対する空気の供給量が大幅に増加することとなり、したがって、十分な発電出力が得られることとなる。
【００７９】
また、上記した燃料電池１０では、ガス流規制部を、スタック構造体１１側に位置する電気絶縁性を有するフェルトシートからなるシート材４６に発泡セメントからなる充填材１６を塗布して成るものとしているので、充填材１６と固体電解質型燃料電池ユニット１との接着及び融着を阻止して、耐熱衝撃性の向上が図られることとなり、加えて、固体電解質型燃料電池ユニット１間又は固体電解質型燃料電池ユニット１とケース１２との間の電気絶縁性能を向上させ得ることとなり、その結果、漏電損失が抑制されて発電効率が向上することとなる。
【００８０】
さらに、上記した燃料電池１０では、ガス流規制部を構成する気孔率が小さいフェルトシートからなるシート材４６をケース１２のガス導入部１２ａ近傍及びガス排出部１２ｂ近傍のみに設けているので、すなわち、熱伝導性が高く且つ重い気孔率が小さいシート材４６を必要最低限に抑えているので、軽量化及び低熱容量化が図られることとなり、加えて、ケース１２からの放熱を抑制して断熱性能を向上し得るので、スタック構造体１１を保温しやすくなって発電効率のより一層の向上が図られることとなる。
【００８１】
さらにまた、上記した燃料電池１０では、ケース１２のガス導入部１２ａ（ガス排出部１２ｂ）とスタック構造体１１との間に、隔壁４７を設けているので、ガス流規制部を構成する充填材１６がケース１２のガス導入部１２ａ（ガス排出部１２ｂ）側にはみ出してガスの流れを妨げるのを回避し得ることとなる。
【００８２】
上記した実施例の燃料電池１０では、ガス流規制部を、スタック構造体１１側に位置する電気絶縁性を有するフェルトシートからなるシート材４６に発泡セメントからなる充填材１６を塗布して成るものとしているが、これに限定されるものではなく、例えば、図１４示すように、スタック構造体１１側に位置する金属箔からなるシート材５６を用いてユニット１間の集電体１５の周囲を包むように成し、このシート材５６に充填材１６を塗布して成るものとしてよい。
【００８３】
このように成すと、ケース１２とスタック構造体１１との間に充填材１６を充填するような場合において、充填材１６がユニット１間の集電体１５の気孔に入り込むのを阻止し得ることとなり、加えて、上記したように、スタック構造体１１側に位置するシート材に、セラミックスフェルトシートや金属箔などの気孔率が小さい部材を用いれば、ケース１２とスタック構造体１１との間に注入又は塗布する充填材の気孔率を大きくすることができるので、断熱性能の向上及び軽量化が図られることとなるうえ、熱衝撃に対して充填材にクラックが入りにくく、例えクラックが入ったとしても、ガス流規制性能の低下が回避されることとなる。
【００８４】
また、上記した実施例の燃料電池１０では、ケース１２のガス導入部１２ａ（ガス排出部１２ｂ）とスタック構造体１１との間に、隔壁４７を設けた構成としたが、例えば、図１５（ａ）に示すように、隔壁４７に整流部４７ｂを一体で設けたり、図１５（ｂ）に示すように、隔壁４７に緩衝部４７ｃを設けたりすることができる。
【００８５】
隔壁４７に整流部４７ｂを一体で設けると、ガス導入部１２ａ側では、導入した空気をスタック構造体１１の固体電解質型燃料電池ユニット１の間の集電体１５に円滑に流すと共に、ガス排出部１２ｂ側では、集電体１５を通過した空気を滞りなくガス排出部１２ｂに導き得ることとなり、その結果、圧力損失を小さくしたいケース１２のガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂと、圧力損失を大きくしたい気孔率が小さな領域とを容易に区分けし得ることとなる。
【００８６】
一方、隔壁４７に緩衝部４７ｃを設けると、固体電解質型燃料電池ユニット１の周縁部分が機械的振動によって大きく共振するのを吸収し得ることから、耐久性に優れたものとなる。
【００８７】
図１６及び図１７は、本発明の燃料電池のさらに他の実施例を示している。図１６に示すように、この燃料電池１０では、スタック構造体１１とケース１２との間における隙間に設けるガス流規制部を、上記隙間の形状に合わせた成形体６６としている。この成形体６６は、主成分としてのアルミナ繊維及びマイカ粉に有機系バインダを混合して形成したフェルトを固体電解質型燃料電池ユニット１の外径に合わせて半リング形状に打ち抜き成形して成っていて、固体電解質型燃料電池ユニット１の間隔に相当する厚みを有していると共に、固体電解質型燃料電池ユニット１の外周縁部に合わせるべくホットプレス装置によって形成した段差部を有している。
【００８８】
また、この燃料電池１０では、ケース１２が、底部にフランジ１４が固定され且つ上方で開口する円筒形状を成しており、この上端開口部分にガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂが位置するものとなっている。そして、スタック構造体１１は、固体電解質型燃料電池ユニット１の間に上記半リング形状を成す成形体６６をセットした状態で、ケース１２の上端開口から挿入するようにしており、スタック構造体１１を収容したケース１２は、その上端開口にフランジ１３及び上蓋を溶接して密閉するようにしている。
【００８９】
この実施例において、ケース１２内に空気を導入しながら加熱処理を行うことで、固体電解質型燃料電池ユニット１間においてリング状にセットした成形体６６の有機成分を焼失させるようにしており、これにより、圧縮成形されていた成形体６６を構成するフェルトの弾力性を回復させて、図１７にも示すように、固体電解質型燃料電池ユニット１と集電体１５とケース１２とで囲まれた隙間を埋めるようにしている。
【００９０】
この実施例の燃料電池１０においても、スタック構造体１１とケース１２との間における隙間にその形状に合わせた成形体６６を設けているので、ケース１２のガス導入部１２ａから導入した空気は、ケース１２とスタック構造体１１との間の隙間よりもスタック構造体１１の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１の間の集電体１５の部分に流れやすくなって、セル板２に保持された単セル６の部分に対する空気の供給量が大幅に増加することとなり、したがって、十分な発電出力が得られることとなる。
【００９１】
また、この実施例の燃料電池１０では、ガス流規制部を、ケース１２とスタック構造体１１との間の隙間の形状に合わせた成形体６６としているので、積層した固体電解質型燃料電池ユニット１の間隔を一定に保持し得ることとなり、その結果、ケース１２に導入された空気をユニット１の各層間に均一に流し得ることから、出力密度の向上が図られることとなる。
【００９２】
上記した実施例では、スタック構造体１１の固体電解質型燃料電池ユニット１の間に半リング形状を成す成形体６６をセットするようにしているが、他の構成として、例えば、図１８に示すように、上記成形体６６を形成するフェルトマットをフェルトシートに積層して一体化し、これのフェルトマット部分を固体電解質型燃料電池ユニット１の外周縁部形状に合わせるべく加圧成形して成る横縞状凹凸を有する一体シート材７６をガス流規制部としてもよく、この場合には、一体シート材７６をスタック構造体１１の外周部分に巻き付けてケース１２に収容するように成すことができ、これにより、ガス流規制部の形成およびスタック構造体１１への設置を簡単に行い得ることとなる。
【００９３】
この際、一体シート材７６のユニット間集電体１５が接触する横縞状凹凸部分に、室温硬化型のセラミックス接着材を塗布して固化させれば、フェルトマット表面の集電体１５との接触位置に、より気孔率が小さい層を形成し得ることとなる。
【００９４】
また、上記した実施例では、半リング形状を成す成形体６６をスタック構造体１１の固体電解質型燃料電池ユニット１の間にセットすることで、積層した固体電解質型燃料電池ユニット１の間隔を一定に保持するようにしているが、他の構成として、例えば、図１９に示すように、ガス流規制部を、固体電解質型燃料電池ユニット１の間隔を均等に保持するための波板形状の薄板（スペーサ）８６と充填材８７とで形成するように成すことができ、この場合も、固体電解質型燃料電池ユニット１の間隔を保持し得るので、機械的振動に対して、固体電解質型燃料電池ユニット１の外周縁部が大きく共振するのを防ぎ得ることとなり、したがって、耐久性に優れたものとなる。
【００９５】
さらに、上記した実施例では、スタック構造体１１の固体電解質型燃料電池ユニット１の間に全周にわたって成形体６６をセットするようにしているが、例えば、図２０に示すように、ケース１２のガス導入部１２ａ近傍及びガス排出部１２ｂ近傍に、ガス流規制部の気孔率が小さい部分としての整流部４７ｂを一体で有する隔壁４７（図１５（ａ）参照）を配置することができる。
【００９６】
この場合、ケース１２のガス導入部１２ａ（ガス排出部１２ｂ）の中心Ｘ及び固体電解質型燃料電池ユニット１の中心Ｏを結ぶ線Ｘ−Ｏと、ユニット１の中心Ｏ及び隔壁４７の整流部４７ｂの終端を結ぶ線Ｏ−Ｙとが成す角Ｒを少なくとも１５°とし、この隔壁４７の整流部４７ｂをユニット１の間の集電体１５に接触させると共にケース１２のガス導入部１２ａ（ガス排出部１２ｂ）に隔壁４７を臨ませるように成せば、ガス流規制部の熱伝導性が高く且つ重い整流部４７ｂが必要最低限に抑えられることとなって、軽量化及び低熱容量化が図られることとなり、加えて、ケース１２からの放熱を抑制して断熱性能を向上し得るので、スタック構造体１２を保温しやすくなって発電効率の向上も図られることとなる。
【００９７】
さらにまた、ガス流規制部のケース１２側に位置する部分の気孔率をスタック構造体１側に位置する部分の気孔率よりも大きく設定することが好ましいことから、例えば、図２１に示すように、ガス流規制部が、ケース１２とスタック構造体１１との間の隙間の形状に合わせた成形体６６とした場合において、成形体６６の外周面にセラミックス系接着剤を塗布して固化させることにより、気孔率が小さい緻密表面層６６ａを形成すれば、軽量化及び低熱容量化が図られることとなる。
【００９８】
さらにまた、ガス流規制部の気孔率を部分的に変化させる構成例として、図２２に示すように、充填材９７を塗布して湿布薬状としたシート材９６をスタック構造体１１の周囲に巻き付け、充填材９７を固化させた後ケース１２に収容するように成すことができ、この際、シート材９６の充填材９７上にこれよりも気孔率が小さい充填材９８を積層するように成せば、すなわち、シート材９６に互いに気孔率が異なる充填材を複数層パターニングして塗布するように成せば、簡便に気孔率の制御を行い得ることとなり、印刷技術によって気孔率が互いに異なる充填材を所望のパターン積層すれば、複雑なスタック構造体の周囲形状にも対応し得ることとなる。
【００９９】
さらにまた、ガス流規制部の気孔率を部分的に変化させる構成例として、図２３に示すように、気孔率の小さい成形体１０６の外側に気孔率の大きい成形体１０７を配置するように成すことができ、この場合は、ケース１２からの放熱を抑制することでスタック構造体１１を保温しやすくなり、その結果、発電効率の向上が図られることとなる。なお、上記成形体１０６，１０７の双方あるいはいずれか一方を充填材に置き換えることも可能である。
【０１００】
図２４は、本発明の燃料電池のさらに他の実施例を示している。図２４に示すように、この燃料電池１０では、スタック構造体１１の固体電解質型燃料電池ユニット１間に位置する集電体１１５のケース１２側部分を固体電解質型燃料電池ユニット１の間隔を維持可能な気孔率が小さい緻密部（ガス流規制部）１１６として形成し（ガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂに対向する部分は除く）、この緻密部１１６と固体電解質型燃料電池ユニット１との間、及び、緻密部１１６とケース１２との間にガラス繊維製フェルトシートからなる電気絶縁材１１７を介在させた構成としている。
【０１０１】
この場合、ドーナツ形状に配列した金属繊維から成る編み紐を所望の厚さにホットプレス成形することによって、集電体１１５を形成するようにしており、編み紐をドーナツ形状に配列する段階において、単セル６が接触する中央部分よりも外側の外周部分に編み紐を多く重ねて配置することで、外周部分に気孔率が小さい緻密部１１６を一体で形成するようにしている。
【０１０２】
そして、この燃料電池１０では、固体電解質型燃料電池ユニット１の積層工程時において、集電体１１５の緻密部１１６の表裏及び外周部分に電気絶縁材１１７を配置しつつ、この集電体１１５を間に介在させて固体電解質型燃料電池ユニット１を積層してスタック構造体１１を形成した後、ケース１２に収容するようにしており、したがって、この燃料電池１０では、集電体１１５の緻密部１１６で固体電解質型燃料電池ユニット１の間隔を保持し得るので、組み立てが容易なものとなる。
【０１０３】
この実施例の燃料電池１０においても、スタック構造体１１とケース１２との間における隙間に集電体１１５に一体で形成した緻密部１１６を配置するようにしているので、ケース１２のガス導入部１２ａから導入した空気は、ケース１２とスタック構造体１１との間の隙間よりもスタック構造体１１の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１の間の集電体１１５の中央部分に流れやすくなって、セル板２に保持された単セル６の部分に対する空気の供給量が大幅に増加することとなり、したがって、十分な発電出力が得られることとなる。
【０１０４】
図２５は、本発明の燃料電池のさらに他の実施例を示している。図２５に示すように、この燃料電池１０では、スタック構造体１１をケース１２内の所定部位に位置させて保持する位置決め保持手段としてのラチェット状段差１２ｄをケース１２に設けており、他の構成は図１に示した先の実施例における燃料電池１０と同じである。
【０１０５】
この実施例の燃料電池１０においても、十分な発電出力が得られることとなり、加えて、固体電解質型燃料電池ユニット１の外周縁部が機械的振動によって大きく共振するのを阻止し得ることから、耐久性に優れたものとなる。
【０１０６】
この実施例では、位置決め保持手段をラチェット状段差１２ｄとした場合を示したが、これに限定されるものではなく、他の構成として、図２６に示すように、位置決め保持手段を波形状段差１２ｅとしたり、図２７に示すように、位置決め保持手段をくさび形状の溝１２ｆとしたりすることができる。
【０１０７】
また、上記した実施例では、位置決め保持手段としてのラチェット状段差１２ｄや波形状段差１２ｅやくさび形状の溝１２ｆを、いずれもスタック構造体１１の全ての固体電解質型燃料電池ユニット１に対応させて形成した場合を示したが、これに限定されるものではなく、ラチェット状段差１２ｄや波形状段差１２ｅやくさび形状の溝１２ｆを、ケース１２の外周の一部ないし全周にわたって形成したり、スタック構造体１１の複数段おきの固体電解質型燃料電池ユニット１に対応させて形成したりしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の燃料電池の一実施例を示す平面説明図（ａ）及び図１（ａ）Ａ−Ａ線位置に基づく断面説明図である。（実施例１）
【図２】図１における燃料電池のスタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。（実施例１）
【図３】図２の固体電解質型燃料電池ユニットの部分縦断面説明図である。（実施例１）
【図４】図２の固体電解質型燃料電池ユニットにおける単セルの配置パターンを示すセル板の平面説明図である。（実施例１）
【図５】図１における燃料電池のスタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの他の構成例を示す部分縦断面説明図である。
【図６】図１における燃料電池のスタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの単セルの他の配置パターンを示すセル板の平面説明図（ａ）及び（ｂ）である。
【図７】図１における燃料電池のケースの変形例を示す平面説明図である。
【図８】図１における燃料電池のガス流規制部の他の配置例を示す平面説明図である。
【図９】図１における燃料電池のケースの他の変形例を示す平面説明図である。
【図１０】図１における燃料電池のさらに他の変形例によるケースに複数個のスタック構造体を収容した状態を示す平面説明図である。
【図１１】本発明の燃料電池の他の実施例を示す平面説明図である。（実施例２）
【図１２】図１１における燃料電池の図１（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。（実施例２）
【図１３】図１１における燃料電池のスタック構造体の全体斜視説明図（ａ）及び隔壁の正面説明図（ｂ）である。（実施例２）
【図１４】図１１における燃料電池の他の構成例を示す図１（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。
【図１５】図１３における隔壁の変形例を示す斜視説明図（ａ）及び（ｂ）である。
【図１６】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を示す平面説明図（ａ）及び図１６（ａ）Ａ−Ａ線位置に基づく断面説明図である。（実施例３）
【図１７】図１６における燃料電池のガス流規制部である成形体の有機成分を焼失させた後の図１６（ａ）Ａ−Ａ線位置に基づく半割断面説明図である。（実施例３）
【図１８】図１６における燃料電池の他の構成例を示す図１６（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。
【図１９】図１６における燃料電池のさらに他の構成例を示す図１６（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。
【図２０】図１６における燃料電池のさらに他の構成例を示す平面説明図である。
【図２１】図１６における燃料電池のさらに他の構成例を示す図１６（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。
【図２２】図１６における燃料電池のさらに他の構成例を示す図１６（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。
【図２３】図１６における燃料電池のさらに他の構成例を示す図１６（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。
【図２４】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を示す図１（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。（実施例４）
【図２５】本発明の燃料電池のさらに他の実施例を示す図１（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。（実施例５）
【図２６】図２５における燃料電池の他の構成例を示す図１（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。
【図２７】図２５における燃料電池のさらに他の構成例を示す図１（ａ）Ａ−Ａ線相当位置に基づく半割断面説明図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１     固体電解質型燃料電池ユニット
２     セル板
３     セパレータ板
６     単セル
１０    燃料電池
１１    スタック構造体
１２    ケース
１２ａ  ガス導入部
１２ｂ  ガス排出部
１２ｃ  凹部（位置決め保持手段）
１２ｄ  ラチェット状段差（位置決め保持手段）
１２ｅ  波形状段差（位置決め保持手段）
１２ｆ  くさび形状の溝（位置決め保持手段）
１５，１１５  集電体
１６，８７，９７，９８  充填材（ガス流規制部）
２１，３１  ガス導入孔
４６，５６，９６  シート材（ガス流規制部）
４７    隔壁（仕切り手段）
４７ｂ  整流部
６６，１０６，１０７  成形体（ガス流規制部）
７６  一体シート材（ガス流規制部）
８６  波板形状の薄板（スペーサ；ガス流規制部）
１１６  集電体の緻密部（ガス流規制部）
１１７  電気絶縁材
【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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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