(57)【要約】【課題】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。【解決手段】燃料電池ユニットＦＵを積層してスタック構造体ＳＴを形成し、スタック構造体ＳＴをケースＣＳに収容し、ケースＣＳ内に酸化剤ガスの導入管１１と排出管１２を配置して同ケース内に酸化剤ガスを流通させる構造を有する燃料電池ＦＣ１であって、酸化剤ガスの導入管１１からスタック構造体ＳＴの外周部に沿ったガス誘導部材１３を設けて、ケース内面とガス誘導部材１３との間に外周ガス流路１４を形成すると共に、ガス誘導部材１３の熱通過率が、外周ガス流路１４のガス流れ方向に増大している構成としたことで、高負荷運転時及び低負荷運転時における温度調整を良好に行いつつ、燃料電池ユニットＦＵ及びスタック構造体ＳＴにおける温度分布の均一化を実現した。【選択図】図１
2009302000.tif 000002
【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部に沿ったガス誘導部材を設けて、ケース内面とガス誘導部材との間に外周ガス流路を形成すると共に、
ガス誘導部材の熱通過率が、外周ガス流路のガス流れ方向に増大していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
ガス誘導部材の熱通過率が、外周ガス流路の入口から一定区間を経た位置から増大していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
ガス誘導部材の熱通過率Ｋが、外周ガス流路の入口からの距離をχ、比熱をＣｐ、外周ガス流路の流速をＶ、ガス誘導部材の長さをＬとしたときに、Ｋ（χ）＝（Ｃｐ×Ｖ）／（Ｌ−χ）で表され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】
ガス誘導部材の熱通過率が、外周ガス流路の入口から一定区間を経た位置から増大し、その下流側で減少していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
ガス誘導部材が、熱通過率調整用の複数の突起体を備え、ガス流れ方向において、突起体の数、形状、大きさ及び分布のうちの少なくとも一つを変化させることで熱通過率を調整していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
ガス誘導部材が、熱通過率調整用の表面微細構造を備え、表面微細構造の数、形状、大きさ及び分布のうちの少なくとも一つを変化させることで熱通過率を調整していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
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、ガス誘導部材が、スタック構造体の外周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１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
燃料電池ユニットの周上において、反応用ガスの排出部とガス誘導部材の開口域を１８０度の位相で配置すると共に、排出部の両側に導入部及びガス誘導部材を夫々配置し、反応用ガスの導入部、排出部、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７に記載の燃料電池。
【請求項９】
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７又は８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、高負荷運転時及び低負荷運転時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部に沿ったガス誘導部材を設けて、ケース内面とガス誘導部材との間に外周ガス流路を形成すると共に、ガス誘導部材の熱通過率が、外周ガス流路のガス流れ方向に増大している構成としており、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、高負荷運転時及び低負荷運転時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１〜図３は、本発明の燃料電池の一実施形態を説明する図である。
図１及び図２に示す燃料電池ＦＣ１は、複数の燃料電池ユニットＦＵを互いに間隙を介して積層してスタック構造体ＳＴを形成すると共に、スタック構造体ＳＴをケースＣＳ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ＦＵは、円盤状である。これにより、スタック構造体ＳＴが概略円柱状を成していると共に、ケースＣＳがスタック構造体ＳＴよりも一回り大きい円筒状を成している。
【００１２】
燃料電池ユニットＦＵは、図３（Ａ）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１ａ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】
燃料電池ユニットＦＵは、単セル１とセパレータ２と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と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ＦＵ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。
【００１４】
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１ａ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している。固体電解質層には、例えば、ペロブスカイト型酸化物系、リン酸塩系、及びホウ酸塩系等の固体酸化物を使用することができる。
【００１５】
この実施形態の単セル１は、燃料極層にニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットを用い、固体電解質層に８モル％イットリア安定化ジルコニアを用い、空気極層にランタンストロンチュウムマンガナイトを用いると共に、スパッタ法によって燃料極層に電解質層及び空気極層を成膜した燃料極支持型のものである。
【００１６】
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、単セル１が上記の燃料極支持型である場合には、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。
【００１７】
セパレータ２、内周部材３及び外周部材４は、超硬やＳＫＤ１１等から成る金型を備えたプレス装置を用い、圧延板に８０ｔ程度の荷重を加えるプレス加工によって成形してある。セパレータ２及び外周部材４は、外縁部同士を溶接、ろう付、超音波接合、及び接合温度を１０００℃以下とした真空中での拡散接合などにより接合してある。
【００１８】
また、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３（Ｂ）に示すように、複数の燃料電池ユニットＦＵを積層したスタック構造体ＳＴ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。
【００１９】
上記構成を備えた複数の燃料電池ユニットＦＵは、内周部材３に、Ａｌ２Ｏ３を主成分とするセラミックス系接着材を二重のリング状に塗布し、その内周部材３同士を接着することで、例えば１．５ｍｍ程度の間隙をおいて積層される。
【００２０】
さらに、各燃料電池ユニットＦＵは、積層状態にして上下から治具で挟持すると共に、スタッドボルト及びナットで固定することで互いに連結され、スタック構造体ＳＴを形成する。この際、シール接合材として、ガラス系の接着材、ガラスにセラミックス繊維やフィラーを加えて成形したガスケットを使用することができ、このほか、上記したように単セル１が円形型である場合には、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できる。
【００２１】
このようにして、各燃料電池ユニットＦＵは、中心部分で互いに連結してスタック構造体ＳＴを形成すると共に、スタック構造体ＳＴが、その中心線に沿って燃料ガスの導入部（導入穴７）及び排出部（排出穴）を備え、各燃料電池ユニットＦＵ内に燃料ガスを流通させるものとなっている。
【００２２】
上記スタック構造体ＳＴは、ケースＣＳに収容して燃料電池ＦＣ１を構成する。ケースＣＳは、例えば、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６で形成してあり、底壁、上壁及び周壁の各内面には、スタック構造体ＳＴの輻射熱を反射するＡｇコーティングが施してあると共に、それらの各外面を図示しない断熱材で被覆している。
【００２３】
さらに、燃料電池ＦＣ１は、酸化剤ガスの導入及び排出の構造として、ケースＣＳとスタック構造体ＳＴ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ＦＵ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。
【００２４】
また、燃料電池ＦＣ１は、各導入管１１，１１からスタック構造体ＳＴの外周部に沿った円弧状のガス誘導部材１３，１３を備えている。両ガス誘導部材１３，１３は、ケースＣＳ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ＳＴの収容空間に通じる開口域１５を形成している。
【００２５】
このとき、燃料電池ＦＣ１は、燃料電池ユニットＦＵの周上において、酸化剤ガスの排出管１２とガス誘導部材１３の開口域１５を１８０度の位相で配置すると共に、排出管１２の両側に導入管１１，１１及びガス誘導部材１３，１３を夫々配置している。これにより、酸化剤ガスの導入管１１，１１、排出管１２、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。
【００２６】
上記の導入管１１、排出管１２及びガス誘導部材１３は、ボルト類を用いてスタック構造体ＳＴに固定してある。
【００２７】
ここで、スタック構造体ＳＴと導入管１１及び排出管１２との間には、電気的絶縁性及び熱伝導性を有する絶縁層が介装してある。また、とくに図２に示すように、ガス誘導部材１３とスタック構造体ＳＴとの間にも絶縁層１６が介装してある。
【００２８】
絶縁層１６は、ガラスコート、ガラスウール、及びセラミックシートのうちの少なくとも一つ、若しくはセラミックスにより形成してある。この実施形態では、絶縁層１６を介して、ガス誘導部材１３にスタック構造体ＳＴを密接させている。また、各燃料電池ユニットＦＵの外周部材４の外側面には、ユニット外集電体６との間を絶縁するためのガラスコート１７が施してある。
【００２９】
なお、この実施形態では、絶縁層１６を介してスタック構造体ＳＴの各燃料電池ユニットＦＵ及びユニット外集電体６をガス誘導部材１３に密接させているが、絶縁層１６を介して燃料電池ユニットＦＵ及びユニット外集電体６のいずれか一方をガス誘導部材１３に密接させてもよい。
【００３０】
上記の絶縁層１６は、極力薄く形成することが好ましい。この絶縁層１６には、上記した材料のほか、キャスタブル耐火物、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や、耐火モルタル、石膏、セラミックス接着剤、及び泡ガラス等の不定形材料や、ガラス繊維及びセラミックス繊維等の材料を採用することができる。
【００３１】
このように、スタック構造体ＳＴの外周部に、導入管１１、排出管１２及びガス誘導部材１３を絶縁状態で密着させる構成としたことにより、スタック構造体ＳＴのセパレータ２、内周部材３、外周部材４、ユニット内集電体５及びユニット外集電体６等の各構成部材から、ガス誘導部材１３に対して熱を効率良く伝えることができると共に、振動や熱分布による燃料電池ユニットＦＵの変形を抑制し、例えば、ユニット外集電体６の片当たりを防止して発電性能の高出力安定化を図ることができる。
【００３２】
酸化剤ガスの導入管１１は、四角筒形を成しており、その側壁には導入孔１１ａが上下多段に設けてある。他方、排出管１２は、内径２０ｍｍで、外径２２ｍｍ程度の円筒形であって、下端が閉塞してあり、スタック構造体１の燃料電池ユニットＦＵ同士の間隙に対向する位置に、排出孔１２ａが上下多段に設けてある。この排出管１２は、ケースの底壁に対して、当接等により下端部が固定してある。また、導入管１１と排出管１２は、ケースと同一の材質で形成してあるが、別の材質あっても良い。
【００３３】
一対のガス誘導部材１３は、両ガス導入管１１，１１からケース内に導入した酸化剤ガスを外周ガス流路１４に沿って周回させ、さらに、スタック構造体ＳＴの間隙を通じて排出管１２に誘導する機能を有している。そして、ガス誘導部材１３は、その熱通過率が、外周ガス流路１４のガス流れ方向に増大したものとなっている。
【００３４】
ガス誘導部材１３は、スタック構造体ＳＴの高さ寸法とほぼ同じ幅寸法と、スタック構造体ＳＴの外周長の約２／３に相当する長さ寸法と、０．１ｍｍ程度の厚さ寸法を有する板材を用い、この板材をスタック構造体ＳＴの外周部に沿うように円弧状に曲成したものである。
【００３５】
また、ガス誘導部材１３には、良熱伝導性を有する材料や、良熱伝導性及び耐熱性を有し且つ耐酸化性又は耐還元性を有する材料が用いられる。具体的には、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６、Ｆｅ−Ｃｒ含有ステンレス、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス、ＳＵＳ３０４、Ｃｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵ、Ｎｉ系のステンレス、インコネル（登録商標）等を用いることができるが、とくに限定されるものではない。また、ガス誘導部材１３は、熱伝導性の高い材料を含む絶縁材で形成してもよい。
【００３６】
ここで、先の排出管１２とガス誘導部材１３は、例えば、厚さ０．１ｍｍ程度のセラミックスシート等の熱的な絶縁材を介して密着している。この実施形態では、導入管１１、排出管１２及びガス誘導部材１３を一体的に着脱可能にしてある。
【００３７】
上記構成を備えた燃料電池ＦＣ１の動作は、次の通りである。
すなわち、燃料電池ＦＣ１は、ケース内に一方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）を導入して、酸化剤ガスを単セル１の空気極に供給する。また、各燃料電池ユニットＦＵ内に他方の反応用ガスである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。これにより、各燃料電池ユニットＦＵの単セル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。
【００３８】
＜高負荷運転時＞
燃料電池ＦＣ１は、ガス誘導部材１３により、酸化剤ガスを外周ガス流路１４に流通させることでスタック構造体ＳＴのガス排出部側を冷却すると同時に、酸化剤ガスを加熱してスタック構造体ＳＴに導入することにより、スタック構造体ＳＴを構成する燃料電池ユニットＦＵの平面内における温度分布の均一化を図り、スタック構造体ＳＴの内部を所望の温度差に抑制する。
【００３９】
＜低負荷運転時＞
燃料電池ＦＣ１は、ガス誘導部材１３により、酸化剤ガスを外周ガス流路１４に流通させることでスタック構造体ＳＴのガス排出部側を加熱すると同時に、酸化剤ガスを冷却してスタック構造体ＳＴに導入することにより、スタック構造体ＳＴを構成する燃料電池ユニットＦＵの平面内における温度分布の均一化を図り、スタック構造体ＳＴの内部を所望の温度差に抑制する。
【００４０】
ここで、上記のガス誘導部材１３を備えた燃料電池ＦＣ１では、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ＳＴとの間で熱交換を行うことで、各燃料電池ユニットＦＵ並びにスタック構造体ＳＴにおける温度分布の均一化を実現している。すなわち、ケース内で酸化剤ガスを一方向に流すような構造に比べて、ガス誘導部材１３の採用により温度分布の均一化を格段に高めることができる。
【００４１】
ところが、例えば、ガス誘導部材１３が単なる板材で形成してある場合には、上記の如く温度分布の均一化を実現し得るものの、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ＳＴ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る。
【００４２】
そこで、当該燃料電池ＦＣ１では、先述したように、ガス誘導部材１３が、外周ガス流路１４のガス流れ方向に熱通過率を増大させたものとすることで、外周ガス流路１４の上流側における熱交換量と、下流側における熱交換量との差を小さくする。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ＦＵ並びにスタック構造体ＳＴ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。また、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。
【００４３】
また、この実施形態の燃料電池ＦＣ１は、円盤状の燃料電池ユニットＦＵ、円柱状のスタック構造体ＳＴ、及び円弧状のガス誘導部材１３を備えている。さらに、燃料電池ＦＣ１は、酸化剤ガスの導入管１１，１１、排出管１２、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。そしてさらに、燃料電池ＦＣ１は、各燃料電池ユニットＦＵ同士を中心部分で連結してスタック構造体ＳＴを形成し、スタック構造体ＳＴの中心線に沿って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ＦＵ内に燃料ガスを流通させる。
【００４４】
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ＦＵ並びにスタック構造体ＳＴ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ＳＴ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ＦＵの外側部分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。
【００４５】
図４は、ガス誘導部材１３の熱通過率をガス流れ方向に増大させるための具体的手段を説明する図である。
【００４６】
図４（Ａ）に示すガス誘導部材１３は、外周ガス流路１４側の面に、熱通過率調整用の複数の突起体Ｆ１を設けたものである。図示例の突起体Ｆ１は、ガス流れ方向に沿うフィン状を成している。この場合には、ガス流れ方向において、突起体Ｆ１の数、形状、大きさ及び分布のうちの少なくとも一つを変化させることにより、熱通過率を調整することができる。具体的には、突起体Ｆ１の厚さＴ、突起体Ｆ１同士の間隔Ｐ、突起体Ｆ１の突出高さＨ、突起体Ｆ１とケース内面との間隔Ｓなどのほか、ガス流れ方向における突起体Ｆ１の長さや突起体Ｆ１同士の間隔などを変化させる。
【００４７】
図４（Ｂ）に示すガス誘導部材１３は、外周ガス流路１４側の面に、熱通過率調整用の表面微細構造Ｍ１を設けたものである。この場合には、表面微細構造Ｍ１の数、形状、大きさ及び分布のうちの少なくとも一つを変化させることにより、熱通過率を調整することができる。
【００４８】
このように、ガス誘導部材１３は、熱通過率調整用の複数の突起体Ｆ１や表面微細構造Ｍ１を適宜選択して設けることで、ガス流れ方向に熱通過率を増大させて、発電に伴い発熱するスタック構造体ＳＴと外周ガス流路１４を流れる酸化剤ガスとの熱交換量を変更し、低負荷や高負荷の運転時におけるスタック構造体ＳＴの温度の均一化を実現する。
【００４９】
図５は、本発明の燃料電池の他の実施形態として、ガス誘導部材１３における熱通過率の変更の仕方を説明する図である。
【００５０】
図５（Ａ）に示す燃料電池ＦＣ１において、スタック構造体ＳＴから外周ガス流路１４への伝熱量Ｆと酸化剤ガスの顕熱量Ｃとの割合が、Ｆ：Ｃ＝７：３である場合、ガス誘導部材１３の熱通過率の分布を変更したときのスタック構造体ＳＴの温度差を試算した結果を図５（Ｂ）〜（Ｇ）に示す。
【００５１】
ガス誘導部材１３の熱通過率が、図５（Ｂ）に示すように、外周ガス流路１４のガス流れ方向に連続的に増大する場合、外周ガス流路４を流通する酸化剤ガスは、ガス誘導部材１３を介した熱交換により加熱されるため、流速が増加して熱伝達率が増加し、熱通過率も増加する。これにより、図５（Ｃ）に示すように、スタック構造体ＳＴ側の温度が最大で１．２６倍に変化することとなる。
【００５２】
また、ガス誘導部材１３の熱通過率が、図５（Ｄ）に示すように、外周ガス流路１４の入口からの距離χの関係式で表される反比例曲線に従う場合、図５（Ｅ）に示すように、スタック構造体ＳＴ側の温度が最大で１．２２倍に変化することとなり、温度差をさらに低減することが可能となる。
【００５３】
さらに、ガス誘導部材１３の熱通過率が、図５（Ｆ）に示すように、外周ガス流路１４の入口から一定の区間を経て増加し、その後に減少する場合、図５（Ｇ）に示すように、スタック構造体ＳＴ側の温度が最大で１．２４倍に変化することとなり、温度差をさらに低減することが可能となる。
【００５４】
このように、本発明の燃料電池は、より好ましい実施形態として、ガス誘導部材１３の熱通過率が、外周ガス流路１４の入口から一定区間を経た位置から増大しているものとすることができる。これにより、スタック構造体ＳＴにおける温度分布のさらなる均一化を実現する。
【００５５】
また、本発明の燃料電池は、より好ましい実施形態として、外周ガス流路の入口からの距離をχ、比熱をＣｐ、外周ガス流路の流速をＶ、ガス誘導部材の長さをＬとしたときに、ガス誘導部材１３の熱透過率Ｋが、Ｋ（χ）＝（Ｃｐ×Ｖ）／（Ｌ−χ）で表されるものとすることができる。これにより、スタック構造体ＳＴにおける温度分布のさらなる均一化を実現する。
【００５６】
さらに、本発明の燃料電池は、より好ましい実施形態として、ガス誘導部材１３の熱通過率が、外周ガス流路１４の入口から一定区間を経た位置から増大し、その下流側で減少しているものとすることができる。これにより、スタック構造体ＳＴにおける温度分布のさらなる均一化を実現する。
【００５７】
図６は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態として、ガス誘導部材１３に熱通過率調整用の複数の突起体Ｆ２を設けた場合を説明する図である。
【００５８】
図６（Ａ）に示す燃料電池ＦＣ２は、ガス誘導部材１３の外周ガス流路１４側の面に、複数の突起体Ｆ２を備えている。図示例の突起体Ｆ２は、ガス流れ方向に沿うフィン状を成すもので、下流側に向けて数が順に増すように配置してある。
【００５９】
ここで、先の図５（Ｄ）（Ｅ）に示す例のように、外周流路４の上流から下流にかけて熱通過率を反比例曲線に従う形で変化させるには、隣接する突起体Ｆ２の間隔（ピッチ）Ｐを変更する。また、図４（Ａ）に示す突起体（Ｆ１）の厚さＴ、突起体（Ｆ１）同士の間隔Ｐ、突起体（Ｆ１）の突出高さＨ、突起体（Ｆ１）とケース内面との間隔Ｓを引用して、この実施形態の突起体Ｆ２の寸法と伝熱のし易さの指標であるＮｕ数（ヌセルト数）との関係を表１に示す。
【００６０】
【表１】
2009302000.tif 000003
【００６１】
表１中の関係式に示すように、各突起体Ｆ２の寸法を変更することによりＮｕ数が変化する。Ｎｕ数が変化すると熱伝達率αも変化する。ただし、これは、突起体Ｆ２によりガス誘導部材１３の外面の熱伝達率のみが変化するため、ガス誘導部材１３自体の熱伝導やその内面（スタック構造体ＳＴ側の面）の熱伝達率も含めた熱通過率で考えると、ガス誘導部材１３の外面の熱伝達率の変化分に対して総括的な熱通過率の変化分は小さくなる。
【００６２】
図６（Ｂ）は、ガス誘導部材１３の内面の熱伝達率と総括的な熱通過率の関係を示したグラフである。例えば、ガス誘導部材１３の内面の熱伝達率を２倍にすることで総括的な熱通過率は１．３５倍になる。
【００６３】
そこで、上記の突起体Ｆ２による熱通過率の変化分と、先の図５（Ｂ）（Ｃ）に示す例のような熱通過率の変化分を合わせて考慮することで、図６（Ｃ）に示すように、外周ガス流路１４の入口からの距離に対して、反比例曲線に従う形で総括的な熱通過率を変化させることが可能となる。
【００６４】
また、同様に、先の図５（Ｆ）（Ｇ）に示す例についても、突起体Ｆ２の寸法を変更することで外周ガス流路１４の入口から一定の区間を経て増加し、その後減少するように熱通過率を設定することが可能である。
【００６５】
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り、とくに、ガス誘導部材１３に熱通過率調整用の突起体を設けた構成について、突起体の形状が異なる幾つかの例を示している。なお、本発明の燃料電池における突起体は、その形状が以下の例に限定されるものではない。
【００６６】
図７（Ａ）に示す燃料電池ＦＣ３は、ガス誘導部材１３の外周ガス流路１４側の面に、ガス流れ方向に対向する矩形フィン状の複数の突起体Ｆ３が設けてある。これらの突起体Ｆ３は、ガス流れ方向に所定間隔で配置してあると共に、酸化剤ガスの良好な流れを妨げないように、適数の通気孔Ｆｈが設けてある。この実施形態の場合も、突起体Ｆ３の数、大きさ、分布、通気孔Ｆｈの数及び大きさのうちの少なくとも一つを変化させることで熱通過率を調整することができ、先の実施形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００６７】
図７（Ｂ）に示す燃料電池ＦＣ４は、ガス誘導部材１３の外周ガス流路１４側の面に、円柱状の複数の突起体Ｆ４が設けてある。図示例では、外周ガス流路１４上流側と下流側との中間部分に突起体Ｆ４を集中的に配置している。この実施形態の場合も、突起体Ｆ４の数、大きさ及び分布うちの少なくとも一つを変化させることで熱通過率を調整することができ、先の実施形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００６８】
図７（Ｃ）に示す燃料電池ＦＣ５は、ガス誘導部材１３の外周ガス流路１４側の面に、燃料電池ユニットＦＵの積層方向（図上で上下方向）を長手方向とする角棒状の複数の突起体Ｆ５が設けてある。これらの突起体Ｆ５は、ガス流れ方向に所定間隔で配置してあると共に、外周ガス流路１４の上流側と下流側との中間部分に集中的に配置してある。この実施形態の場合も、突起体Ｆ５の数、大きさ及び分布うちの少なくとも一つを変化させることで熱通過率を調整することができ、先の実施形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００６９】
図７（Ｄ）に示す燃料電池ＦＣ６は、ガス誘導部材１３の外周ガス流路１４側の面に、ガス流れ方向に沿う三角形フィン状の複数の突起体Ｆ６が設けてある。これらの突起体Ｆ６は、酸化剤ガスの良好な流れを妨げないように、三角形の頂点をガス流れ方向の上流側（図上で右側）に向けて配置してある。この実施形態の場合も、突起体Ｆ６の数、大きさ、分布、通気孔Ｆｈの数及び大きさのうちの少なくとも一つを変化させることで熱通過率を調整することができ、先の実施形態と同様の作用及び効果が得られる。
【００７０】
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り、とくに、ガス誘導部材１３に熱通過率調整用の表面微細構造を設けた構成について、表面微細構造の成形方法が異なる二例を示している。なお、本発明の燃料電池における表面微細構造は、その成形方法や形状等が以下の例に限定されるものではない。
【００７１】
図８（Ａ）に示すガス誘導部材１３は、素材である金属板を陽極酸化することで、その表面にナノサイズの多数の微細孔から成る表面微細構造Ｍ２を形成したものである。この場合、陽極酸化処理は、電解液に金属板を浸漬させながら、若しくは電解液から金属板を連続的又は段階的に引き上げながら行い、この際に電圧を変化させることで、微細孔の孔径や分布を調整して熱透過率をある程度任意に変更することが可能である。
【００７２】
図８（Ｂ）は、上記の表面微細構造Ｍ１を有するアルミニウム製のガス誘導部材１３の熱伝導率と、純アルミニウム板の熱伝導率とを比較するグラフである。同図から明らかなように、表面微細構造Ｍ１を有するガス誘導部材１３は、純アルミニウム板の約１．４倍の熱伝導率を得ることができる。これにより、上記のガス誘導部材１３を備えた燃料電池は、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
【００７３】
図８（Ｃ）に示すガス誘導部材１３は、素材の表面に金属等から成るナノサイズの微細粒子を吹き付けて付着させるブラスト処理により、同表面にナノサイズの多数の凹凸から成る表面微細構造Ｍ３を形成したものである。この場合、微細粒子の粒径や堆積量を変化させることで、凹凸の大きさや分布を調整して熱透過率をある程度任意に変更することが可能である。
【００７４】
図８（Ｄ）は、上記の表面微細構造Ｍ２を有する銅製のガス誘導部材１３の熱伝導率と、純銅板の熱伝導率とを比較するグラフである。同図から明らかなように、表面微細構造Ｍ２を有するガス誘導部材１３は、純銅板の約２倍の熱伝導率を得ることができる。これにより、上記のガス誘導部材１３を備えた燃料電池は、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
【００７５】
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ＦＣ７は、スタック構造体ＳＴの外周部に沿ったガス誘導部材が、各燃料電池ユニットＦＵ毎に分割されたものとなっている。すなわち、ガス誘導部材２３は、燃料電池ユニットＦＵの厚さ寸法にほぼ対応した高さ寸法を有する円弧状の板部材である。なお、図示例の場合は、ユニット外集電体６を間にしてその上下の燃料電池ユニットＦＵ，ＦＵに跨って配置してある。
【００７７】
上記のガス誘導部材２３は、上下に隣接するガス誘導部材２３との間に、セラミックスシート等のように熱伝導性及び電気的絶縁性を有する絶縁層２４を介して固定され、ケースＣＳの内面との間に酸化剤ガスを流通させる外周ガス流路１４を形成している。また、ガス誘導部材２３は、スタック構造体ＳＴに対してガラス接合やセラミックス接着材で気密的に接合してもよい。
【００７８】
さらに、上記のガス誘導部材２３は、外周ガス流路のガス流れ方向に熱通過率が増大したものとなっており、具体的には、先の各実施形態で説明したように、熱通過率調整用の複数の突起体や表面微細構造を設けると共に、その数、形状、大きさ及び分布のうちの少なくとも一つを変化させることで熱通過率を調整する。
【００７９】
上記構成を備えた燃料電池ＦＣ７は、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、スタック構造体ＳＴの外周部に沿ったガス誘導部材２３が、燃料電池ユニットＦＵ毎に絶縁性を確保して分割してあるので、スタック構造体ＳＴの積層方向の電気的短絡を回避しつつ、スタック構造体ＳＴの水平方向の熱伝導性を高めることができ、スタック構造体ＳＴ内部の熱をガス誘導部材２３に効率良く伝達させることができる。
【００８０】
また、上記の如く分割したガス誘導部材２３は、上記形態に限定されるものではなく、ユニット外集電体６の外周部に対して部分的に円弧状の帯板を溶接したり、高温導電性接着材、導電性ペースト、金属ガラス及びロウ材等を充填した緻密層を併用する構成にしても良い。
【００８１】
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、ガス誘導部材、外周ガス流路、突起体及び表意面微細構造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。
【００８２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の燃料電池の一実施例を説明する斜視説明図（Ａ）水平断面図（Ｂ）である。
【図２】図１に示す燃料電池の垂直断面図（Ａ）及び要部を拡大した垂直断面図（Ｂ）である。
【図３】本発明の燃料電池を構成する燃料電池ユニットを分解状態で説明する斜視図（Ａ）及びスタック構造体の斜視説明図（Ｂ）である。
【図４】ガス誘導部材の突起体を説明する垂直断面図（Ａ）及び表面微細構造を説明する垂直断面図（Ｂ）である。
【図５】本発明の燃料電池の他の実施形態としてガス誘導部材における熱通過率の変更の仕方を説明する図であって、燃料電池の水平断面図（Ａ）、異なる熱通過率及びその温度変化を表す各々グラフ（Ｂ）〜（Ｇ）である。
【図６】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態の燃料電池を示す斜視説明図（Ａ）、熱通過率と熱伝導率の倍率との関係を示すグラフ（Ｂ）、及び熱通過率の倍率とガス流れ方向の距離との関係を示すグラフ（Ｃ）である。
【図７】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を示す各々斜視説明図（Ａ）〜（Ｄ）である。
【図８】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態において、ガス誘導部材の一例を示す斜視説明図（Ａ）及び表面微細構造の有無による熱伝達率の相違を示すグラフ（Ｂ）、並びにガス誘導部材の他の例を示す斜視説明図（Ｃ）及び表面微細構造の有無による熱伝達率の相違を示すグラフ（Ｄ）である。
【図９】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する垂直断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
ＣＳ              ケース
Ｆ１〜Ｆ６        突起体
ＦＣ１〜ＦＣ７    燃料電池
ＦＵ              燃料電池ユニット
Ｍ１〜Ｍ３        表面微細構造
ＳＴ              スタック構造体
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  ２３        ガス誘導部材
１４              外周ガス流路
１５              開口域
【図１】
2009302000.tif 000004
【図２】
2009302000.tif 000005
【図３】
2009302000.tif 000006
【図４】
2009302000.tif 000007
【図５】
2009302000.tif 000008
【図６】
2009302000.tif 000009
【図７】
2009302000.tif 000010
【図８】
2009302000.tif 000011
【図９】
2009302000.tif 000012