(57)【要約】【課題】熱によるガス誘導部材の変形を防いで、セルスタックの破損や信頼性の低下を回避するとともに、出力，効率の低下を防止する。【解決手段】本発明は、複数のセルユニット１１を互いに間隙をもって積層してなるセルスタック１０をケース４０に収容しているとともに、そのケース１０に反応用ガスを導入するためのガス導入部５０と、ケース１０内に導入された反応用ガスを排出するためのガス排出部と、ガス導入部５０からセルスタック１０の外周縁部に沿ったガス誘導部材２０，２０を設けることにより、ガス誘導部材２０，２０とケース１０との間に反応用ガスを流通させるためのガス流通路αを区画形成している燃料電池において、上記ガス導入部５０から導入した反応用ガスをガス流通路αに向けて吐出するガス吐出口３５を有し、かつ、張殻構造にしたガス吐出体Ｂをガス誘導部材２０，２０の外面に一体的に設けている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルユニットを互いに間隙をもって積層してなるセルスタックをケースに収容しているとともに、そのケースに反応用ガスを導入するためのガス導入部と、当該ケース内に導入された反応用ガスを排出するためのガス排出部と、このガス導入部からセルスタックの外周縁部に沿ったガス誘導部材を設けることにより、そのガス誘導部材と上記ケースとの間に反応用ガスを流通させるためのガス流通路を区画形成している燃料電池において、
上記ガス導入部から導入した反応用ガスをガス流通路に向けて吐出するガス吐出口を有し、かつ、張殻構造にしたガス吐出体を上記ガス誘導部材の外面に一体的に設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
ガス吐出体の高さ寸法をガス誘導部材の高さ寸法にほぼ一致させて形成している請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
ガス吐出体をガス導入部近傍に配設している請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
セルスタックの発熱部を含む帯域に反応用ガスが流通するようにガス吐出口を開口している請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
ガス吐出口を、複数の吐出孔から構成しているとともに、それら吐出孔の開口面積を、ガス導入部の入口側から出口側に向かって次第に大きくしている請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
ケース内に導入された一方の反応用ガスを上記セルスタック内に誘うための開口域がガス誘導部材の開放端間に区画形成されており、
ガス吐出体をガス導入部近傍に配設しているとともに、そのガス吐出体から開口域の近傍に、ガス吐出口から吐出された反応用ガスを、セルスタックの発熱部を含む帯域に流通させるように規制する一対のガス流通規制板を設けている請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
ケース内に導入された一方の反応用ガスを上記セルスタック内に誘うための開口域がガス誘導部材の開放端間に区画形成されており、
ガス吐出体を、上記ガス導入部近傍から開口域の近傍に延出させて形成している請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
反応用ガスの逆流を防止するとともに補強を兼ねる逆流防止片を配設した請求項６又は７に記載の燃料電池。
【請求項９】
ガス吐出体の内壁面に熱伝導性の低いコーティング材を塗布している請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
ガス吐出体をガス誘導部材とケース内壁面で区画形成されるガス流通路に沿った輪郭形状にしている請求項１〜９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、複数の例えば固体電解質型セルユニットを積層させて形成したセルスタックをケースに収容した構成の燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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に開示された燃料電池は、複数の固体電解質型セルユニットを互いに間隙をもって積層してなるセルスタックをケースに収容しているとともに、そのケースに反応用ガスを導入するためのガス導入部と、当該ケース内に導入された反応用ガスを排出するためのガス排出部とを有するものであり、上記ガス導入部からセルスタックの外周縁部に沿ったガス誘導部材を設けたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１１７２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に開示された燃料電池では、ガス誘導部材を通してガス導入部を流れる反応用ガスへセルスタックからの熱を伝える場合に、ガス誘導部材の軽薄化によっていっそう効率的な熱伝導を図れる。
一方でガス誘導部材の軽薄化はガス誘導部材の強度低下を招くおそれがある。具体的には熱によってガス誘導部材が変形して、そのガス誘導部材とセルスタックの距離が広がり、この結果、セルスタックからガス誘導部材への伝熱量が減少して、セルスタックからの抜熱を十分に行なうことができないものとなるおそれがある。
【０００５】
そこで本発明は、軽薄化に伴う熱によるガス誘導部材の変形を防いで、出力，効率の低下を防止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】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明は、複数のセルユニットを互いに間隙をもって積層してなるセルスタックをケースに収容しているとともに、そのケースに反応用ガスを導入するためのガス導入部と、当該ケース内に導入された反応用ガスを排出するためのガス排出部と、このガス導入部からセルスタックの外周縁部に沿ったガス誘導部材を設けることにより、そのガス誘導部材と上記ケースとの間に反応用ガスを流通させるためのガス流通路を区画形成している燃料電池において、上記ガス導入部から導入した反応用ガスをガス流通路に向けて吐出するガス吐出口を有し、かつ、張殻構造にしたガス吐出体を上記ガス誘導部材の外面に一体的に設けたことを特徴としている。
【０００７】
この構成によれば、ガス誘導部材の外面に、軽薄化に伴うガス流通路に向けたガス吐出口を有する張殻構造にしたガス吐出体を設けたことにより、熱によるガス誘導部材の変形を防いで、出力、効率の低下を防いでいる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、軽薄化に伴う熱によるガス誘導部材の変形を防いで、出力，効率の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の斜視図である。
【図２】本発明の第二の実施形態に係る燃料電池の斜視図である。
【図３】本発明の第三の実施形態に係る燃料電池の斜視図である。
【図４】（Ａ）は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池の斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）に包囲線Ｉで示す部分の拡大図である。
【図５】本発明の第五の実施形態に係る燃料電池の斜視図である。
【図６】本発明の第六の実施形態に係る燃料電池の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明を実施するための形態について、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の斜視図である。
【００１１】
本発明の第一の実施形態に係る燃料電池Ａ１は、図１に示すように、セルスタック１０、一対のガス誘導部材２０，２０及びガス吐出体Ｂ，Ｂをケース４０内に配設したものである。
セルスタック１０は、複数の固体電解質型セルユニット（以下、たんに「セルユニット」という。）１１…を互いに間隙Ｓをもって積層してなるものである。
【００１２】
ケース４０は、平面視円形にした底壁４１と上壁４２の全周にわたり周壁４３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、上壁４２には、周壁４３の近傍に反応用ガスを外部から導入するためのガス導入部であるガス導入管５０，５０が配設されている。
さらに、周壁４３の内側であって、それらガス導入管５０，５０の間には、当該ケース２０内に導入された反応用ガスを排出するためのガス排出部（図示しない）が配設されている。
【００１３】
また、本実施形態において、ガス導入管５０から導入される反応用ガスは空気であり、その反応ガスを一方の反応用ガスといい、セルユニット１１内に導入する燃料ガスを他方の反応用ガスという。
【００１４】
ガス誘導部材２０，２０は、詳細を後述するガス吐出体Ｂ，Ｂからケース４０内に導入した反応用ガスを、セルスタック１０の外周縁部に沿って周回させ、かつ、そのセルスタック１０の上記間隙Ｓを通じてガス排出部に誘導する機能を有している。
【００１５】
ガス誘導部材２０，２０は、セルスタック１０の高さ寸法とほぼ同じ幅寸法にしているとともに、そのセルスタック１０の外周縁部の約２／３を覆う長さにした横長方形の板材を、当該外周縁部に沿う一円周をなすように曲成したものである。
【００１６】
ガス誘導部材２０，２０の開放端間には、ケース４０内に導入された一方の反応用ガスを上記セルスタック１０内に誘うための開口域が区画形成されている。
また、ガス誘導部材２０，２０は、平面視において中心軸線Ｏを通る直径線を中心として線対称に曲成されており、そのガス誘導部材２０，２０とケース４０の周壁４３内面との間に、一方の反応用ガスを流通させるためのガス流通路α，αが区画形成されている。
【００１７】
ガス導入管５０は円筒形に形成されており、これの下端部にガス吐出体Ｂ，Ｂが接続されている。換言すると、ガス吐出体Ｂ，Ｂを、ガス導入部５０，５０近傍に配設している。
本実施形態において示すガス吐出体Ｂは、上記ガス流通路α，αに向けたガス吐出口を有する張殻構造（モノコック構造）にしたものであり、上記ガス誘導部材２０，２０の外面に一体に形成していることにより、そのガス誘導部材２０に作用する応力の一部を担っている。
【００１８】
ガス吐出体Ｂは、吐出口形成板３０、閉塞板３１及び外壁板３２、上壁板３３及び下壁板３４によって所要の容積にし、かつ、ガス誘導部材２０とケース４０の内壁面で区画形成されるガス流通路αに沿った輪郭形状にしている。
吐出口形成板３０は、ガス導入管５０から導入された反応用ガスをガス流通路αに吐出させるための吐出口３５を形成したものである。
【００１９】
本実施形態において示す吐出口３５は、ガス誘導部材２０の高さ寸法Ｈ１よりやや短い高さ寸法Ｈ２にし、かつ、所要の幅にして形成された縦長の開口として形成されている。
高さ寸法Ｈ２は、セルスタック１０の高さにほぼ一致しており、換言すると、ガス吐出口３５を、セルスタック１０の発熱部を含む帯域に開口している。
【００２０】
閉塞板３１は、吐出形成板３０と同じ形状に形成されている。
上壁板３３，下壁板３４は、それぞれガス流通路αの曲率に一致して略扇形に曲成されており、そのうちの上壁板３３の端部には、上記ガス導入管５０が接続されている。
外壁板３２は、ケース４０の内面の曲率に一致して形成されているとともに、ガス誘導部材２０の高さ寸法Ｈ１とほぼ同じ高さ寸法にして形成されている。
【００２１】
本実施形態における一方の反応用ガスの流動状態は、次のとおりである。
ガス導入管５０及びガス排出部Ｂを介してケース４０内に流入した一方の反応用ガスは、ガス誘導部材２０，２０の外面側に沿い、換言するとガス流通路α，αを通じ、それらガス誘導部材２０，２０の各開放端に向けて流動する。
ガス誘導部材２０，２０の各開放端に到達した一方の反応用ガスは、当該開放端においてセルスタック１０に向けてそれぞれ回り込んだ後、そのセルスタック１０の各間隙Ｓを通じてガス排出部に向けて流動し、そのガス排出部を介してケース４０外に排出される。
【００２２】
上記の構成からなる第一の実施形態に係る燃料電池Ａ１によれば、次の効果を得ることができる。
軽薄化に伴う熱によるガス誘導部材の変形を防いで、セルスタックの破損や信頼性の低下を回避するとともに、出力、効率の低下を防止することができる。
【００２３】
すなわち、軽薄化に伴う熱によるガス誘導部材の変形を防止できるので、ガス流通路が狭くなることがなく、その狭くなった部分におけるガス流量の低下や熱を運べなくなるということが生じない。
そのため、セルスタックからの抜熱量の低下やセルスタックが過熱して所望の出力を引き出せず、温度分布での熱応力による燃料電池スタックの破損や信頼性の低下を生じることがない。
また、熱によってガス誘導部材とカソード間に隙間が生じることがないので、その隙間から、発電に寄与しない反応用ガスが抜け出すことがなく、これに起因する出力、効率の低下を防止できる。
【００２４】
張殻構造にしたガス吐出体Ｂをガス誘導部材２０に一体的に形成しているので、そのガス誘導部材２０の強度を向上させられる結果、ガス誘導部材２０を軽薄に形成することができる。
また、ガス吐出体Ｂをガス導入部に配設しているので、特に冷却スポットとなるガス導入部を補強することができる。
【００２５】
さらに、ガス吐出体Ｂが、予備予熱空間となって、カソードガス導入部分（ガス導入部）の温度分布を緩和することができる。すなわち、一番温度変化が大きく、熱応力が大きな部位を集中して補強することができる。
【００２６】
図２は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池の斜視図、図３は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池の斜視図、図４（Ａ）は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池の斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）に包囲線Ｉで示す部分の拡大図である。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説明を省略する。
【００２７】
本発明の第二の実施形態に係る燃料電池Ａ２は、図２に示すように、ガス吐出体Ｂに形成したガス吐出口の形状が相違している。
本実施形態において示すガス吐出口３５Ａは、ガス誘導部材２０の高さ寸法Ｈ１よりやや短い高さ寸法範囲に、円形にした複数の吐出孔３６を、互いに一定の間隔にして列設したものである。
具体的には、開口面積を減少させられるとともに、ガス吐出孔３６をセルスタック１０の発熱部に沿って開口させることにより、機械的強度を高めることができる。
【００２８】
本発明の第三の実施形態に係る燃料電池Ａ３は、図３に示すように、外壁板３２の内壁面の所要の領域に、熱伝導性の低い例えばイットリア安定化ジルコニア（YSZ）等のコーティングＣを施したものである。この場合、冷却スポット抑制（温度分布緩和）による変形・破損を防止できる。
【００２９】
本発明の第四の実施形態に係る燃料電池Ａ４は、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、ガス誘導部材２０の高さ寸法Ｈ１よりやや短い高さ寸法範囲に、上部側から下部側にかけて小径から大径にした円形の吐出孔３７ａ〜３７ｈを互いに一定の間隔にして列設したガス吐出口３５Ｂを形成したものである。
【００３０】
換言すると、吐出孔の開口面積を、ガス導入部Ｂの入口から出口に向かって次第に大きくしている。
この構成により、ガス流通路α内に吐出した反応用ガスの流れを乱して、熱交換効率を向上させることができる。
【００３１】
図５は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池の斜視図、図６は、本発明の第六の実施形態に係る燃料電池の斜視図である。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説明を省略する。
【００３２】
本発明の第五の実施形態に係る燃料電池Ａ５は、図５に示すように、上述した吐出口形成板３０とガス誘導部材２０の終端縁との間に、ガス吐出口３５から吐出された反応用ガスを、セルスタック１０の発熱部に沿って流通させるように流通帯域を規制する一対のガス流通規制板６０，６１を設けたものである。
【００３３】
ガス流通規制板６０，６１の互いの間隔は、セルスタック１０の発熱部を挟む間隔にしている。
本実施形態においては、ガス流通規制板６０，６１のガス誘導部材２０の終端縁側に、反応用ガスの逆流を防止するための逆流防止片６２，６３を配設している。
具体的には、ガス流通規制板６０の上側に形成される空部β１、ガス流通制限板６１の下側に形成される空部β２に、反応用ガスが浸入することを防止するためのものである。
【００３４】
この構成によれば、ガス流通規制板６０，６１を設けることによって、セルスタック１０の発熱部を集中的に補強することができるとともに、その発熱部に反応用ガスを集中的に流すことができ、効果的に熱交換を行なわせることができる。
【００３５】
本発明の第六の実施形態に係る燃料電池Ａ６は、上述したガス吐出体Ｂを、上記開口域の近傍に延出して形成したものである。換言すると、ガス誘導部材２０の終端縁近傍まで延設したものである。
また、上壁板３３と下壁板３４との間の高さ寸法Ｈ３は、一方の反応用ガスを、セルスタック１０の発熱部に沿って流通させられるようにしている。
【００３６】
この構成によれば、ガス吐出体Ｂで補強される軽量で強固なガス誘導部材を形成することができる。
セルスタック１０の発熱部にのみ予熱したい反応用ガスを導入することにより、熱交換を効果的に行なうことができるとともに、ガス誘導部材２０上部を通過してのカソードガスのリークを防止できる。
【００３７】
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。
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。
【符号の説明】
【００３８】
１０        セルスタック
１１        固体電解質型セルユニット
２０        ガス誘導部材
４０        ケース
５０        ガス導入部（ガス導入管）
Ｂ          ガス排出体
α          ガス流通路
【図１】
2013038034.tif 000003
【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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