CN103907233A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

提供燃料电池，其中在堆叠方向上的中央部分中燃料电池组的温度能被有效冷却，由此在堆叠方向上使温度均衡并增加发电效率。该燃料电池包括燃料电池组，其中多个板状发电电池在发电电池的厚度方向上被堆叠，每一个所述发电电池具有电解质层和相互分离地布置的空气电极和燃料电极，并使用氧化剂气体和燃料气体产生电力，电解质层在空气电极和燃料电极之间。燃料电池还包括热交换器，热交换器布置在堆叠方向上的两个相邻发电电池之间从而与发电电池接触，且热交换器在内部设有用于传送从外部供应的氧化剂气体或燃料气体的第一通道。燃料电池还包括连接到热交换器的第一通道的出口侧和每个发电电池的空气电极侧或燃料电极侧的第二通道，所述第二通道将已经过第一通道的氧化剂气体或燃料气体供应到热交换器的堆叠方向上的两侧上的发电电池的空气电极侧或燃料电极侧。

Description

燃料电池
相关申请的交叉引用
该国际申请要求在日本专利局在2011年11月2日提交的日本专利申请特愿2011-241384的优先权，并且其全部公开内容在此通过引用而并入本文。
技术领域
本发明涉及一种具有燃料电池组的燃料电池诸如固体氧化物燃料电池，该燃料电池组包括在发电电池的厚度方向上被堆叠的板状发电电池，每一个板状发电电池具有电解质层、阴极和阳极。
背景技术
传统上，作为燃料电池已知使用固体电解质(固体氧化物)的固体氧化物燃料电池(在下文中，也被称作SOFC)。
在SOFC中，燃料电池单体(发电电池)被用作发电单元。在燃料电池单体中，例如，与燃料气体接触的阳极被设置在固体电解质层一侧上，并且与氧化剂气体(空气)接触的氧化剂电极(阴极)被设置在固体电解质层的另一侧上。此外，为了获得期望电压，已经研制了包括经由互连器堆叠的多个发电电池的堆叠体(燃料电池组)。
通常，在这种类型的燃料电池组中，靠近燃料电池组的中部的发电电池，具有比在燃料电池组的在堆叠发电电池的方向(堆叠方向)上的端部处的发电电池高的温度。存在燃料电池组的堆叠方向上的温度分布不均匀的问题。
因此，近年来，如在专利文献1中所述，为了均衡燃料电池组的在堆叠方向上的温度分布并且增加发电效率，已经提出一项技术，其中冷却空气被供应到燃料电池组的中心部分的一侧(垂直于堆叠方向的方向的一侧)，并且经过热交换的热气体被供应到燃料电池组的堆叠方向上的端部。
相关技术文献
专利文献
专利文献1：日本未审定专利申请公报特开2005-005074
发明内容
本发明所要解决的问题
然而，因为上述现有技术被构造为向燃料电池组的一侧施加冷却空气，所以存在如下问题：在被暴露于冷却空气的一侧上温度降低，但是燃料电池组的堆叠方向上的温度不能被均衡。
另外，在以上现有技术中，除供应冷却空气之外，热气体被供应到燃料电池组的堆叠方向上的端部，以增加在堆叠方向上的端侧处的温度。然而，存在如下问题：使燃料电池组的温度易于增加的中心部分冷却是不可能的。
在本发明的一个方面，期望提供一种燃料电池，其中在燃料电池组的堆叠方向上的中心中的温度有效地降低，并且燃料电池组的堆叠方向上的温度被均衡，从而允许增加发电效率。
解决问题的手段
(1)根据本发明的第一方面的燃料电池包括燃料电池组，在所述燃料电池组中，多个平板状发电电池在所述发电电池的厚度方向上被堆叠。所述多个平板状发电电池中的每一个平板状发电电池包括电解质层以及阴极和阳极，所述阴极和所述阳极被设置成将所述电解质层夹在所述阴极和所述阳极之间，并且所述多个平板状发电电池中的每一个平板状发电电池使用氧化剂气体和燃料气体产生电力。该燃料电池进一步包括热交换器，所述热交换器在所述堆叠方向上被设置在两个相邻发电电池之间且与所述发电电池接触。热交换器包括传送从外部供应的所述氧化剂气体或所述燃料气体的第一流动路径。该燃料电池进一步包括第二流动路径。所述第二流动路径连接到所述热交换器中的所述第一流动路径的出口侧，并且所述第二流动路径连接到每一个所述发电电池的所述阴极侧或所述阳极侧。所述第二流动路径将已经经过所述第一流动路径的所述氧化剂气体或所述燃料气体供应到在所述热交换器的所述堆叠方向上的两侧上的每一个所述发电电池的所述阴极侧或所述阳极侧。
在根据第一方面的发明中，热交换器被设置在构成燃料电池组的发电电池的堆叠方向上的中途处。热交换器包括传送从外部供应的氧化剂气体或者燃料气体的第一流动路径。另外，向被在堆叠方向上布置(即，相对于热交换器布置在堆叠方向上的外侧中)的发电电池供应被从第一流动路径排出的氧化剂气体或者燃料气体的第二流动路径连接到第一流动路径的出口侧。
相应地，在根据第一方面的发明中，当比燃料电池组的中心部分(即，与热交换器相邻的发电电池)冷的气体(氧化剂气体或者燃料气体)被从外部供应到热交换器中的第一流动路径时，由于与相邻发电电池进行热交换，气体的温度升高，并且相邻发电电池的温度降低。温度已经通过热交换而升高的气体被供应到位于堆叠方向上(即，位于外侧(端侧)上)的发电电池。因此，由于该气体，在气体被供应到的发电电池中温度升高。结果，因为燃料电池组的堆叠方向上的中心的温度降低，并且端侧的温度升高，所以在堆叠方向上的温度被均衡。
即，如上所述，在燃料电池组中，在发电电池的堆叠方向上的中心中的温度高于在端侧处的温度。在根据第一方面的发明中，因为与来自外部的气体的热交换由被布置在中心的热交换器执行，所以在中心中的发电电池等的温度能够有效地降低。而且，能够通过向端侧的发电电池供应经过热交换的气体而升高端侧的温度。由此，燃料电池组的堆叠方向上的温度被均衡。存在改进的发电效率的显著效果。
此外，在根据第一方面的发明中，从外部供应的气体被热交换器加热。因此，存在能够简化或者消除用于预先加热气体的装置等的优点。
通常，在燃料电池中，供应比燃料气体多的氧化剂气体。因此，特别地通过使用具有氧化剂气体的第一流动路径的热交换器，诸如上述均匀的温度和改进的发电效率的效果更显著。
(2)根据本发明的第二方面的燃料电池包括燃料电池组，在所述燃料电池组中，多个平板状发电电池在所述发电电池的厚度方向上被堆叠。所述多个平板状发电电池中的每一个平板状发电电池包括电解质层以及阴极和阳极，所述阴极和所述阳极被设置成将所述电解质层夹在所述阴极和所述阳极之间，并且所述多个平板状发电电池中的每一个平板状发电电池使用氧化剂气体和燃料气体产生电力。该燃料电池进一步包括热交换器，所述热交换器在所述堆叠方向上被设置在两个相邻发电电池之间且与所述发电电池接触。所述热交换器包括传送从外部供应的所述氧化剂气体的氧化剂气体用第一流动路径和传送从外部供应的燃料气体的燃料气体用第一流动路径。该燃料电池进一步包括氧化剂气体用第二流动路径和燃料气体用第二流动路径。所述氧化剂气体用第二流动路径连接到所述热交换器的所述氧化剂气体用第一流动路径的出口侧，并且所述氧化剂气体用第二流动路径连接到每一个所述发电电池的所述阴极侧。所述氧化剂气体用第二流动路径将已经经过所述氧化剂气体用第一流动路径的所述氧化剂气体供应到在所述热交换器的所述堆叠方向上的两侧上的每一个所述发电电池的所述阴极侧。所述燃料气体用第二流动路径连接到所述热交换器的所述燃料气体用第一流动路径的出口侧，并且所述燃料气体用第二流动路径连接到每一个所述发电电池的所述阳极侧。所述燃料气体用第二流动路径将已经经过所述燃料气体用第一流动路径的燃料气体供应到在所述热交换器的所述堆叠方向上的两侧上的每一个所述发电电池的所述阳极侧。
在根据第二方面的发明中，热交换器被设置在构成燃料电池组的发电电池的堆叠方向上的中途处。热交换器包括分别传送从外部供应的氧化剂气体和燃料气体的氧化剂气体用第一流动路径和燃料气体用第一流动路径。另外，分别向在堆叠方向上布置(即，相对于热交换器布置在堆叠方向上的外侧中)的发电电池供应被从第一流动路径排出的氧化剂气体和燃料气体的氧化剂气体用第二流动路径和燃料气体用第二流动路径连接到第一流动路径的出口侧。
应该指出，氧化剂气体用流动路径和燃料气体用流动路径是相互不同的流动路径(根据气体类型划分的流动路径)。
相应地，在根据第二方面的发明中，当比燃料电池组的中心部分(即，与热交换器相邻的发电电池)冷的两种气体(氧化剂气体和燃料气体)被从外部供应到热交换器中的第一流动路径时，由于与相邻发电电池的热交换，气体的温度升高，并且相邻发电电池的温度降低。温度已经通过热交换而升高的气体被供应到位于堆叠方向上(即，位于外侧(端侧)上)的发电电池。因此，由于该气体，在气体被供应到的发电电池中温度升高。结果，因为燃料电池组的堆叠方向上的中心的温度降低，并且端侧的温度升高，所以在堆叠方向上的温度被均衡。
即，如上所述，在燃料电池组中，发电电池的堆叠方向上的中心中的温度高于端侧的温度。在根据第二方面的发明中，因为与来自外部的气体的热交换由被布置在中心的热交换器执行，所以在中心中的发电电池等的温度能够更有效地降低(如与执行气体中的一个的热交换的情形相比较)。而且，能够通过向端侧的发电电池供应经过热交换的气体而升高端侧的温度。由此，燃料电池组的堆叠方向上的温度更被均衡。存在大大地改进的发电效率的显著效果。
此外，在本发明的第二方面，被从外部供应的氧化剂气体和燃料气体这两者均被热交换器加热。因此，存在能够简化或者消除用于预先加热(预加热)氧化剂气体和燃料气体的装置等的优点。
(3)在根据本发明的第三方面的燃料电池中，在热交换器的内部中形成的所述第一流动路径被形成为在所述平板状发电电池的表面方向上延伸。
在根据第三方面的发明中，因为热交换器内部的第一流动路径被形成为在发电电池的表面方向上延伸，所以存在优良的热交换效率的优点。
(4)在根据本发明的第四方面的燃料电池中，所述热交换器的所述第一流动路径由在板形部件的表面上形成的沟槽构成。
在根据第四方面的发明中，热交换器中的第一流动路径由该表面上的沟槽形成。因此，第一流动路径的结构能够简化，并且存在易于制造的优点。
(5)在根据本发明第五方面的燃料电池中，所述热交换器被布置在所述燃料电池组的在所述堆叠方向上的中心部分中。
在根据第五方面的发明中，热交换器被布置在燃料电池组的堆叠方向上的中心部分中。因此，具有高温的中心能够被有效地冷却。
这里，例如，如果在堆叠方向上燃料电池组被划分成三部分，则中心部分在中心的1/3的范围中。
(6)在根据本发明第六方面的燃料电池中，两个或更多个热交换器在所述堆叠方向上被设置在不同位置中。
在根据第六方面的发明中，在堆叠方向上的两个或更多个不同位置中设置热交换器。因此，气体的热交换能够在相应的热交换器中执行。因此，在堆叠方向上的温度分布能够更被均衡。
作为被布置在不同位置处的热交换器，例如设有用于氧化剂气体和燃料气体这两者的第一流动路径的热交换器，可以被设置在不同位置处，或者例如设有氧化剂气体用第一流动路径的热交换器(用于氧化剂气体)和设有燃料气体用第一流动路径的热交换器(用于燃料气体)可以被设置在不同位置处。
(7)在根据本发明第七方面的燃料电池中，所述热交换器的所述第一流动路径具有压力损失结构，所述压力损失结构调整所述氧化剂气体和所述燃料气体中的至少一种气体的流出状态。
在根据第七方面的发明中，因为第一流动路径被构造为具有压力损失结构(在出口侧上流动路径更小的结构)，所以第一流动路径中的压力能够增加。由此，因为燃料电池组能够被在堆叠方向上按压，所以能够使得发电电池牢牢地彼此附着。因此，发电电池之间的导热率和电连接能够被改进。
(8)在根据本发明第八方面的燃料电池中，当从所述堆叠方向观察所述第一流动路径时，所述第一流动路径的入口和出口被形成在距彼此最远的位置中或者在所述最远位置的附近，所述氧化剂气体和所述燃料气体中的至少一种气体在所述入口和所述出口处流动。
在根据第八方面的发明中，因为第一流动路径中的气体的入口侧和出口侧被形成在最远的位置中或者在最远位置的附近，所以执行气体的热交换的流动路径是长的。存在能够有效地执行热交换的优点。
这里，作为“附近”的实例，流动路径(例如与在堆叠方向上形成的插入孔相邻的插入孔)被形成在最靠近最远位置中的流动路径的位置中(在堆叠方向上形成的插入孔)。
(9)在根据本发明第九方面的燃料电池中，所述热交换器由氧化剂气体用板形部件和燃料气体用板形部件构成，所述氧化剂气体用板形部件包括作为所述氧化剂气体用第一流动路径的第一沟槽，所述燃料气体用板形部件包括作为所述燃料气体用第一流动路径的第二沟槽。所述氧化剂气体用部件和所述燃料气体用部件在所述堆叠方向上被堆叠。
在根据第九方面的发明中，使氧化剂气体流动的第一沟槽和使燃料气体流动的第二沟槽被形成在热交换器中。因此，能够通过热交换同时加热氧化剂气体和燃料气体。由此，在燃料电池组的中心中的温度能够更有效地降低。而且，向具有低温的端侧供应已经通过热交换而升高温度的氧化剂气体和燃料气体，能够升高端侧的温度。结果，燃料电池组的堆叠方向上的温度更被均衡。存在进一步改进的发电效率的显著效果。
同样在根据第九方面的发明中，被从外部供应的氧化剂气体和燃料气体这两者均被热交换器加热。因此，存在能够简化或者消除用于预先加热(预加热)氧化剂气体和燃料气体的装置等的优点。
(10)在根据本发明第十方面的燃料电池中，所述氧化剂气体用部件的所述第一沟槽对所述堆叠方向上的一侧(例如上侧)开口，并且所述燃料气体用部件的所述第二沟槽被形成为对所述堆叠方向上的另一侧(与所述一侧相反，例如下侧)开口。
根据第十方面的发明示出第一沟槽和第二沟槽的布置的实例。
(11)在根据本发明第十一方面的燃料电池中，所述氧化剂气体用部件的所述第一沟槽和所述燃料气体用部件的所述第二沟槽都被形成为对所述堆叠方向上的一侧开口(例如，仅对上侧或者对下侧开口)。
根据第十一方面的发明示出第一沟槽和第二沟槽的布置的实例。
(12)在根据本发明第十二方面的燃料电池中，所述燃料气体用部件被堆叠在所述氧化剂气体用部件的具有所述第一沟槽的一侧上，并且在所述燃料气体用部件的所述氧化剂气体用部件侧上形成第三沟槽，所述第三沟槽与所述氧化剂气体用部件的所述第一沟槽连通。
在根据第十二方面的发明中，与氧化剂气体用部件的第一沟槽连通的第三沟槽被形成在燃料气体用部件的上侧上。因此，能够具有大的氧化剂气体用流动路径。即，在根据第十二方面的发明中，产生在氧化剂气体用流动路径的深度被维持的同时热交换器的厚度减小的显著效果。
(13)在根据本发明第十三方面的燃料电池中，所述热交换器在板形部件的所述堆叠方向上的一侧(例如上侧)上具有所述氧化剂气体用第一沟槽，并且所述热交换器在所述板形部件的所述堆叠方向上的另一侧(与所述一侧相反，例如下侧)上具有所述燃料气体用第二沟槽。
在根据第十三方面的发明中，第一沟槽和第二沟槽被形成在板的两侧上。因此，存在热交换器能够紧凑(薄)的优点。结果，因为热交换器(并且因此燃料电池)的热容量能够减小，所以产生启动被改进并且成本减小的显著效果。
(14)在根据本发明第十四方面的燃料电池中，所述第二流动路径的至少一部分由被形成为在所述燃料电池组内部在所述堆叠方向上延伸的流动路径构成。
在根据第十四方面的发明中，第二流动路径的至少一部分被形成为在燃料电池组内部在堆叠方向上延伸。因此，能够使得燃料电池组的形状紧凑(空间节约)。
(15)在根据本发明第十五方面的燃料电池中，所述燃料电池组具有在所述燃料电池组的厚度方向上穿过所述燃料电池组的插入孔，插入部件插入到所述插入孔，并且所述第二流动路径的至少一部分被形成在所述插入孔的内周表面和所述插入部件的外周表面之间。
在根据第十五方面的发明中，在插入孔和插入部件之间的空间能够是第二流动路径。使用第二流动路径，气体能够在预定方向上流动。因此，气体流动路径的构造能够简化。燃料电池组能够是紧凑的。
例如，约束部件诸如通过在堆叠方向上按压而束缚燃料电池组的螺栓能够被用作插入部件。
(16)在本发明第十六方面的燃料电池中，所述燃料电池组具有在所述燃料电池组的厚度方向上穿过所述燃料电池组的插入部件，并且所述第二流动路径的至少一部分被形成在所述插入部件的内部中。
在根据第十六方面的发明中，第二流动路径被形成在插入部件的内部中(例如，在插入部件的轴向方向或者径向方向上)。因此，使用插入部件，气体能够在预定方向上流动。气体流动路径的构造能够简化。燃料电池组能够是紧凑的。
例如，约束部件诸如通过在堆叠方向上按压而束缚燃料电池组的螺栓能够被用作插入部件。
另外，还能够采用如下构造作为本发明的另一个方面的燃料电池。
第二流动路径可以被构造成使得：经过第一流动路径的氧化剂气体和燃料气体中的至少一种气体通过在堆叠方向上相对于热交换器较远的发电电池被顺序地供应到在堆叠方向上相对于热交换器较近的发电电池。
在这种构造中，已经经过第一流动路径(通过热交换而被加热)的气体被顺序地从端侧处的发电电池(如与中心中的温度相比较，其温度更低)供应到中心。换言之，因为具有最低温度的发电电池，被具有最高温度的气体有效地加热，所以产生温度分布更被均衡的显著效果。
如果气体中的一种是氧化剂气体，则第二流动路径的至少一部分可以由碗形部件构造，从而从与堆叠方向相交叉的方向覆盖热交换器的第一流动路径的出口侧和将氧化剂气体引入每一个发电电池的阴极侧的入口侧。
在这种构造中，被构造为用碗形部件覆盖燃料电池组的外侧的流动路径被用作氧化剂气体的第二流动路径。因此，存在燃料电池组的内部结构能够简化的优点。
如果气体中的一种是燃料气体，则第二流动路径的至少一部分可以由碗形部件构造，从而从与堆叠方向相交叉的方向覆盖热交换器的第一流动路径的出口侧和将燃料气体引入到每一个发电电池的阳极侧的入口侧。
在这种构造中，被构造为用碗形部件覆盖燃料电池组的外侧的流动路径被用作燃料气体的第二流动路径。因此，存在燃料电池组的内部结构能够简化的优点。
在上述发明中，电解质层(例如，固体电解质层)具有离子传导性，其中在电池操作期间被引入到阳极的燃料气体和被引入到阴极的氧化剂气体中的一种气体的一部分能够作为离子移动。例如，该离子包括氧离子和氢离子等。另外，阳极与作为还原剂的燃料气体形成接触，并且在电池中用作负电极。阴极与作为氧化剂的氧化剂气体形成接触，并且用作电池中的正电极。
然后，当使用燃料电池执行发电时，燃料气体被引入到阳极侧，并且氧化剂气体被引入到阴极侧。
燃料气体包括：氢气；作为还原剂的碳氢化合物；氢气和碳氢化合物的混合气体；和通过使得这些气体经过在预定温度下的水并且被加湿而产生的燃料气体；通过将惰性气体混合到这些气体而产生的燃料气体等。对于碳氢化合物无任何特别限制。例如，碳氢化合物包括天然气、石脑油、气化煤气等。氢气作为燃料气体是优选的。这些燃料气体可以单独地使用，或者可以以两种或更多种组合地使用。而且，这些燃料气体可以以50vol％或更低的量包含惰性气体诸如氮气和氩气。
氧化剂气体包括氧气和其它气体的气体混合物等。另外，可以在气体混合物中包含具有80vol％或更低的量的惰性气体诸如氮气和氩气。在这些氧化剂气体中，空气(包含具有大约80vol％的量的氮气)是优选的，因为空气是安全并且廉价的。
附图简要说明
图1是根据实施例1的固体氧化物燃料电池的平面图。
图2是如从图1中的X方向看到的实施例1的固体氧化物燃料电池的侧视图的示意性图。
图3是沿着图1的线III-III截取的图示燃料电池的拆解状态的解释性图。
图4是示出燃料电池等的拆解状态的透视图。
图5是沿着图1的线V-V截取的示意地示出实施例1的固体氧化物燃料电池的状态的剖视图。
图6A是示出热交换器框架的平面图，并且图6B是示出沿着图6A的线VIB-VIB截取的横截面的剖视图。
图7是沿着与图1的线V-V相同的线截取的示意地示出实施例2的固体氧化物燃料电池的状态的剖视图。
图8是沿着与图1的线V-V相同的线截取的示意地示出实施例3的固体氧化物燃料电池的状态的剖视图。
图9是沿着与图1的线III-III相同的线截取的示意地示出实施例3的固体氧化物燃料电池的状态的剖视图。
图10是沿着其堆叠方向截取从而包括燃料电池中的空气用入口和出口流动路径的示出实施例4的固体氧化物燃料电池的状态的剖视图。
图11是沿着其堆叠方向截取从而包括燃料电池中的燃料气体用入口和出口流动路径的示出实施例5的固体氧化物燃料电池的状态的剖视图。
图12是从平面方向看到的示出实施例6的固体氧化物燃料电池的热交换器中的流动路径的解释性图。
图13是沿着其厚度方向截取的示意地示出实施例7的固体氧化物燃料电池的热交换器的解释性图。
图14A是图示实施例7中的空气用部件的前表面(顶表面)的平面图，图14B是示出空气用部件的后表面(下表面)的平面图，图14C是图示燃料气体用部件的前表面(顶表面)的平面图，并且图14D是示出燃料气体用部件的后表面(下表面)的平面图。
图15A是在实施例7的固体氧化物燃料电池的堆叠方向上(竖直方向)示出空气流动路径的解释性图，并且图15B是在固体氧化物燃料电池的平面方向上示出空气流动路径的解释性图。
图16A是在实施例7的固体氧化物燃料电池的堆叠方向上(竖直方向)示出燃料气体流动路径的解释性图，并且图16B是在固体氧化物燃料电池的平面方向上示出燃料气体流动路径的解释性图。
图17是实施例7的固体氧化物燃料电池的变型，并且是在其厚度方向上截取的示意地示出其热交换器的解释性图。
图18是在其厚度方向上截取的示意地示出实施例8的固体氧化物燃料电池的热交换器的解释性图。
图19A是图示实施例8中的空气用部件的前表面(顶表面)的平面图，图19B是示出空气用部件的后表面(下表面)的平面图，图19C是图示燃料气体用部件的前表面(顶表面)的平面图，并且图19D是示出燃料气体用部件的后表面(下表面)的平面图。
图20是沿着其厚度方向截取的示意地示出实施例9的固体氧化物燃料电池的热交换器的解释性图。
图21A是图示实施例9中的板形部件的前表面(顶表面)的平面图，并且图21B是示出板状部件的后表面(下表面)的平面图。
图22是示意地示出实施例10的固体氧化物燃料电池中的热交换器的布置的解释性图。
图23A是示意地示出实施例11的固体氧化物燃料电池中的热交换器的空气用部件和燃料气体用部件的布置的解释性图，图23B是在其厚度方向上截取的示意地示出空气用部件和燃料气体用部件的解释性图，并且图23C是在其厚度方向上截取的示意地示出另一个空气用部件的解释性图。
图24A是示出在实施例12中使用插入孔的气体流动路径的构造的解释性图，并且图24B是图示使用插入孔的气体流动路径的构造的变型的解释性图。
图25A是示意地示出在热交换器中氧化剂气体和燃料气体的交叉流动的平面图，图25B是示意地示出每一种气体的并行流动的平面图，并且图25C是示意地示出每一种气体的逆向流动的平面图。
附图标记的解释
1、121、151、181、211、261、321、351...燃料电池(固体氧化物燃料电池)
3、123、153、183、213、273、333、441...发电电池
5、125、155、185、215、291、401、421、422、445、471...燃料电池组
7、127、129、157、187、217、243、263、323、353、407、413、443、489...热交换器
33...阳极
35...固体氧化物本体(固体电解质)
37...阴极
39...空气流动路径
43...互连器
45、51...气体密封
47...分离器
49...阳极框架
53...阳极侧集电器
55...阴极侧集电器
61、62、63、64、65、66、67、68、131、133、159、161、247、249、251、281、282、283、284、285、286、287、288、341、342、343、344、345、346、347、348、371、372、373、374、375、376、377、378、447、473...插入孔
114、138、140、174、204、234...第一流动路径
197、227...覆盖部件
205、235...连通空间
具体实施方式
在下文中，将通过实例描述作为本发明应用于此的燃料电池的固体氧化物燃料电池。
[实施例1]
a)首先，将描述根据本实施例的燃料电池的示意结构。
如在图1和2中所示，本实施例的固体氧化物燃料电池1(在下文中，仅被称作燃料电池)是在接纳燃料气体(例如，氢气)和氧化剂气体(例如，空气)时产生电力的装置。在图中，氧化剂气体由“O”指示，并且燃料气体由“F”指示。而且，“IN”指示气体被引入，并且“OUT”指示气体被排出(在下文中将同样适用)。
燃料电池1包括：燃料电池组5、多个螺栓11到18和螺母19(统称)。燃料电池组5包括多个(例如，八个)板形燃料电池单体3(在下文中，被称作发电电池)，所述多个板形燃料电池单体中的每一个板形燃料电池单体是发电单元，并且所述多个板形燃料电池单体在堆叠方向(图2中的竖直方向)上堆叠。螺栓11到18在堆叠方向上穿过燃料电池组5。螺母19被拧紧到螺栓11到18的两端中。
如将在下面描述，通过在顶部燃料电池组5a和底部燃料电池组5b之间插入平板状热交换器7而形成燃料电池组5(见图2)。
此外，在螺栓11到18中，第二螺栓12包括燃料气体入口管道21，燃料气体入口管道21向燃料电池组5供应燃料气体；第六螺栓16包括燃料气体出口管道23，燃料气体出口管道23从燃料电池组5排出发电之后的燃料气体；第七螺栓17包括空气入口管道25，空气入口管道25向燃料电池组5供应空气；并且第八螺栓18包括空气出口管道27，空气出口管道27从燃料电池组5排出发电之后的空气。
在螺栓11到18中，第一螺栓11、第四螺栓14和第五螺栓15仅被用于固定燃料电池组5。
另一方面，其它螺栓12、13、16、17和18用于固定燃料电池组5，并且被沿着用于气体循环的流动路径布置。即，如将在以后详细描述(见图4)，第三插入孔63、第七插入孔67和第八插入孔68被用作空气流动路径，并且第二插入孔62和第六插入孔66被用作燃料气体流动路径，分别通过第三插入孔63、第七插入孔67和第八插入孔68插入第三螺栓13、第七螺栓17和第八螺栓18，并且分别通过第二插入孔62和第六插入孔66插入第二螺栓12和第六螺栓16。
应该指出，当从燃料电池组5的顶表面侧观察燃料电池组5时(见图1)，第一到第八螺栓和插入孔的附图标记(11到18、61到68等)被以顺时针方式分配(在下文中将同样适用)。
在下文中，将描述每一个构件的构造。
如在图3中拆解地示出，发电电池3是所谓的阳极支撑膜类型的板状发电电池。板状阳极(阳极)33被布置在发电电池3的燃料气体流动路径31一侧上。在阳极33的在图3中的上侧处的表面上，形成薄膜固体电解质本体(固体氧化物本体)35(是电解质层)。在固体氧化物本体35的在空气流动路径39一侧处的表面上形成薄膜阴极(阴极)37。阳极33、固体氧化物本体35和阴极37一起被称作电池本体41。
此外，发电电池3在一对上互连器43和下互连器43之间包括：板形气体密封部分45，板形气体密封部分45在阴极37一侧上；分离器47，分离器47结合到电池本体41的外边缘的顶表面以在空气流动路径39和燃料气体流动路径31之间引起中断；阳极框架49，阳极框架49被设置在燃料气体流动路径31一侧上；和板形气体密封部分51，板形气体密封部分51在阳极33(被设置在阳极框架49的外侧(图3的下部))侧上。通过堆叠以上构件而一体地形成发电电池3。
另外，在发电电池3内部，阳极侧集电器53被设置在阳极33和图3的下侧处的互连器43之间。在互连器43中的一个互连器(图3的下部)的表面上一体地形成阴极侧集电器55。
应该指出，通过串联地电连接多个发电电池3而形成燃料电池组5。另外，在发电电池3中的空气流动路径39中，在图3的水平方向上供应空气。在燃料气体流动路径31中，在垂直于图3的图纸的方向上供应燃料气体。
这里，作为固体氧化物本体35，能够使用诸如YSZ、ScSZ、SDC、GDC、钙钛矿基氧化物等材料。此外，作为阳极33，能够使用Ni和Ni与陶瓷的金属陶瓷。作为阴极37，能够使用钙钛矿基氧化物、各种贵金属和贵金属与陶瓷的金属陶瓷。
所使用的材料不限于以上指示的那些材料。除了上述那些材料之外，可以适当地使用其它材料。
b)以下，将基于图4更详细地描述构成发电电池3的每一个部件。
应该指出，虽然图4仅示出在热交换器7的一侧处的单个发电电池3，但是实际上多个发电电池3在热交换器7的两侧(图4中的竖直方向)上堆叠。
如在图4中拆解地示出，互连器43是例如由铁素体不锈钢制成的板。在互连器43的外边缘部分中，圆状插入孔(第一到第八插入孔)61到68以相等的间隔形成，螺栓11到18穿过圆状插入孔(第一到第八插入孔)61到68。换言之，插入孔61到68(相同的附图标记被分配给每一个部件中的插入孔：在下文中将同样适用)在对应于互连器43的四个角部和四个侧的中点的八个位置处形成。
在阴极37一侧上的气体密封部分45例如由云母或者蛭石制成，并且气体密封部分45是在其中心具有方形开口75的框架形板。在气体密封部分45的四个角部和右侧边缘中，形成插入孔61、63、64、65和67，螺栓11、13、14、15和17分别穿过插入孔61、63、64、65和67。
在气体密封部分45的三个侧的边缘部分中，用作气体流动路径的基本矩形的伸长通孔(第一到第三伸长通孔)71到73沿着所述侧形成，从而分别与插入孔62、66和68连通。换言之，当从堆叠方向观察时，伸长通孔71到73被形成为分别包括插入孔62、66和68。
这里，第一伸长通孔71是被用于从外部将燃料气体引入到燃料电池组5中的流动路径。第二伸长通孔72是被用于向燃料电池组5外部排出发电之后的燃料气体的流动路径。第三伸长通孔73是用于向燃料电池组5外部排出发电之后的空气的流动路径。
特别地，在本实施例中，第三插入孔63通过在阴极37一侧上的气体密封部分45中的连通孔76与开口75连通。如以后描述，从第三插入孔63引入的空气通过连通孔76被引入到开口75中。
另外，气体密封部分45设有用作窄气体流动路径的多个矩形凹口77，所述多个矩形凹口77被形成在气体密封部分45的框架部分处，从而开口75与第三伸长通孔73连通。
凹口77不是通孔，而是通过挖掘气体密封部分45的一个表面(图4的上部)产生的沟槽，并且能够通过激光或者冲压形成。
此外，分离器47是例如由铁素体不锈钢制成的框架形板。电池本体41被接合到分离器47的中心中的方形开口79，从而关闭开口79。
类似于气体密封部分45，分离器47同样具有插入孔61、63、64、65和67以及沿着三个侧形成的伸长通孔81到83。
进而，阳极框架49是具有中心开口85的例如由铁素体不锈钢制成的框架形板。类似于分离器47，阳极框架49具有插入孔61、63、64、65和67以及沿着三个侧形成的伸长通孔91到93。
类似于在阴极37一侧上的气体密封部分45，在阳极33一侧上的气体密封部分51是在气体密封部分51的中心处设有开口95的例如由云母或者蛭石制成的框架形板。气体密封部分51具有插入孔61、63、64、65和67以及沿着三个侧形成的伸长通孔101到103。
气体密封部分51还在对置的框架部分处设有用作窄气体流动路径的多个凹口105a和105b，从而开口95与第一伸长通孔101和第二伸长通孔102连通。
c)接着，将参考图5和6A到6B描述是本实施例的主要部分的燃料电池组5的内部构造。
如在图5中所示，在本实施例的燃料电池1中，燃料电池组5包括：顶部燃料电池组5a、底部燃料电池组5b和板形热交换器7。顶部燃料电池组5a包括相互堆叠的多个(例如，四个)平板状发电电池3。底部燃料电池组5b包括相互堆叠的多个(例如，四个)平板状发电电池3。热交换器7被设置在顶部燃料电池组5a和底部燃料电池组5b之间。即，在燃料电池1中，热交换器7被布置在燃料电池组的在燃料电池组5的堆叠方向上的中部(中心部分)中。
此外，在顶部燃料电池组5a中的发电电池3通过互连器43(在图5中的竖直方向上)彼此电连接。类似地，在底部燃料电池组5b中的发电电池3通过互连器43彼此电连接。顶部燃料电池组5a和底部燃料电池组5b通过构成热交换器7的热交换器框架本体111彼此电连接。
作为通过热交换器框架本体111的电连接的构造能够采用如下构造。即，热交换器框架本体111自身是导体，或者热交换器框架本体111包括绝缘体，诸如陶瓷，其中过孔导体等被布置成在其厚度方向上穿过该绝缘体。
如在图6A中所示，热交换器框架本体111是具有方形平面形状的例如由铁素体不锈钢制成的部件。如在图6B中所示，通过如下方式构成热交换器7：在顶部燃料电池组5a的下端处利用互连器43a，并且在底部燃料电池组5b的上端处利用互连器43b，在其厚度方向上从两侧(图6B中的竖直方向)覆盖热交换器框架本体111。
这里，在图5和6B中，互连器43、43a和43b在图中具有不同的厚度。然而，互连器不限于在图5和6B中描述的那些互连器。例如，替代使用具有不同厚度的互连器，可以使用具有相同厚度的互连器。
此外，如在图6A中所示，热交换器框架本体111在其中心具有方形开口113。在开口113的周边中，形成插入孔61到68，螺栓11到18插入到插入孔61到68。
特别地，在本实施例中，连通孔63a和67a分别在第三插入孔63和第七插入孔67(在对角方向上位于最远的距离处)中形成，从而与开口113连通并且在对角方向上延伸。
因此，如以下描述，被从第七插入孔67供应并且被从连通孔67a引入到开口113中的空气被从连通孔63a引导到第三插入孔63。
这里，在热交换器7的开口113中的空气流动路径被形成为在发电电池3的表面的方向上延伸。
此外，关于从热交换器7的开口113引向连通孔63a的流动路径的尺寸(与流动方向垂直的横截面面积)，形成所谓的压力损失结构，在该压力损失结构中连通孔63a足够小于开口113，并且流动路径朝向连通孔63a减小。
热交换器框架本体111中的框架的宽度(从外周到开口113的尺寸)被设定为比构成发电电池3的框架部分的板45等的宽度大。
d)接着，将参考图4和5描述在本实施例中的气体流动路径。
<空气流动路径>
如在图4和5中所示，被从空气入口管道25在燃料电池组5的堆叠方向上(在两幅图中的竖直方向)引入到燃料电池组5a中的空气通过第七插入孔67到达热交换器7。第七螺栓17插入第七插入孔67。空气然后通过连通孔67a被引入到热交换器7的内部(开口113)。
虽然底部燃料电池组5b还具有第七插入孔67，但是空气流动很小，因为在该部分中没有任何空气出口孔。
在该热交换器7中，在热交换器7的开口113中的空气和在堆叠方向上的两侧处的顶部燃料电池组5a(具体地，在下端处的发电电池3)与底部燃料电池组5b(具体地，在上端处的发电电池3)之间执行热交换。
换言之，热交换器7的开口113中的空气被在热交换器7的两侧上的发电电池3加热，并且升高空气的温度。相反，在热交换器7的两侧处的发电电池3被热交换器7的开口113内的空气冷却并且降低发电电池3的温度。
具有通过热交换而升高的温度的空气通过连通孔63a(位于第七插入孔67的对角线上)而被引入到插入孔63，第三螺栓13插入到插入孔63。
被引入到第三插入孔63的空气分岔开，并且被沿着第三插入孔63引导到堆叠方向(在两幅图中的竖直方向)的两侧，并且被分别引入到顶部燃料电池组5a和底部燃料电池组5b的每一个发电电池3的空气流动路径39。
如在图4中所示，已经到达在阴极37一侧上的气体密封部分45的第三插入孔63的空气，被连通孔76引导并且被引入到开口75(即，空气流动路径39)中，以被用于在阴极37中的发电。
发电之后的空气然后通过凹口77被从开口75引入到第三伸长通孔73。
此后，被引导到第三伸长通孔73的空气通过第八插入孔68被引导到图4的上部，并且被从空气出口管道27排出到外部(见图1)。
应该指出，在热交换器7内部在平面方向上的空气流动路径(具有开口113和连通孔63a和67a的流动路径)是本发明的第一流动路径114，并且在燃料电池组5的堆叠方向上供应空气的第三插入孔63是本发明的第二流动路径。
<燃料气体流动路径>
被从燃料气体入口管道21(见图1)引入到燃料电池组5中的燃料气体，通过第二插入孔62而被引入到由每一个部件的第一伸长通孔71、81、91和101形成的空间，如在图4中所示。
燃料气体然后通过凹口105a被从具有第一伸长通孔71、81、91和101的空间引入到开口95中(即，燃料气体流动路径31)。
已经对在发电电池3中的发电作出贡献的剩余燃料气体然后通过凹口105b排出到由每一个部件的第二伸长通孔72、82、92和102形成的空间中。
剩余燃料气体然后通过燃料气体出口管道23(见图1)经由第六插入孔66等从具有第二伸长通孔72、82、92和102的空间排出到燃料电池组5外部。
e)这里，将给出本实施例的燃料电池1的制造方法的简要描述。
如在图2中所示，在制造本实施例的燃料电池1时，多个发电电池3被堆叠，从而构成顶部燃料电池组5a和底部燃料电池组5b，并且热交换器7被设置在顶部燃料电池组5a和底部燃料电池组5b之间。然后，顶部燃料电池组5a、热交换器7和底部燃料电池组5b被堆叠(以第一到第八通孔61到68一致的方式)。然后，螺栓11到18插入到插入孔61到68，并且利用螺母19固定以实现整合。
能够通过如下方式构造每一个发电电池3：如在图4中所示，堆叠互连器43、气体密封部分45、分离器47、阳极框架49和气体密封部分51，并且在利用螺栓11到18和螺母19固定时整合前面的部件。另外，能够例如通过片材的切割或者冲压等生产热交换器7。
f)将描述本实施例的效果。
在本实施例中，热交换器7被设置在构成燃料电池组5的发电电池3之间。热交换器7具有传送被从外部供应的空气的第一流动路径114。此外，第一流动路径114的出口侧连接到如下流动路径(第二流动路径)，该流动路径(第二流动路径)具有向在堆叠方向上被设置的发电电池3供应从第一流动路径114排出的空气的第三插入孔63。
因此，当具有低于燃料电池组5的中心部分的温度的温度的空气被从外部供应到热交换器7的第一流动路径114时，通过与相邻发电电池3进行热交换，空气温度升高，并且相邻发电电池3的温度降低。因为通过热交换具有升高的温度的空气被供应到在堆叠方向上的端侧上的发电电池3，所以发电电池3的温度被空气升高。结果，在燃料电池组5的堆叠方向上，在中心中的温度降低，并且在端侧上的温度升高。由此，在堆叠方向上温度被均衡。
即，在本实施例中，因为通过被布置在具有高温的中心处的热交换器7与来自外部的冷却空气执行热交换，所以能够通过向端侧供应通过热交换而具有升高的温度的空气而有效地降低在中心中的温度并且能够升高具有低温的端侧的温度。由此，呈现了如下显著效果，即，在燃料电池组5的堆叠方向上的温度被均衡，并且因此发电效率被改进。
在本实施例中，因为供应比燃料气体多的氧化剂气体，所以通过如在本实施例中使用设有是空气流动路径的第一流动路径114的热交换器7，上述温度均衡效果和发电效率的改进更显著。
在本实施例中，从外部供应的空气被热交换器7加热。因此，存在不要求预先加热空气(预加热)的装置等的优点。
在本实施例中，在热交换器7中的第一流动路径114被形成为在发电电池3的表面的方向上延伸。因此，存在良好的热交换效率的优点。
在本实施例中，热交换器7被设置在燃料电池组5的在堆叠方向上的中心处。因此，具有高温的中心能够被有效地冷却。
在本实施例中，第一流动路径114被构造为具有压力损失结构。因此，如与在发电电池3中的气体的压力相比较，第一流动路径114内部的压力能够增加。因为能够在堆叠方向上按压(depress)燃料电池组5，所以发电电池3能够牢固地彼此附着。相应地，能够改进在发电电池3之间的导热率和电连接。
在本实施例中，第二流动路径(第三插入孔63)被形成为在燃料电池组5内部在堆叠方向上延伸。因此，燃料电池组5能够是紧凑(空间节约)的。
在本实施例中，因为第一流动路径114中的空气的入口侧和出口侧在对角方向上在最远的位置中形成，所以执行空气的热交换的流动路径是长的。存在能够有效地执行热交换的优点。
在本实施例中，执行空气的热交换的热交换器7被布置在燃料电池组5的中心。除了热交换器7之外(或者替代热交换器7地)，另一个热交换器(执行燃料气体的热交换)可以被设置在类似的位置(燃料电池组5的中心)处，以便执行燃料气体的热交换。在该情形中，在热交换器中进行热交换的燃料气体被通过第二流动路径供应到在端侧上的发电电池的燃料气体流动路径。应该指出，空气流动路径被分离地设置。
[实施例2]
接着，将描述实施例2，但是将省略类似于实施例1中的内容的内容的描述。
在本实施例的燃料电池中，热交换器被布置在燃料电池组的堆叠方向上的两个位置中的每一个位置处。
a)首先，将描述根据本实施例的燃料电池的结构。
如在图7中所示，本实施例的燃料电池121设有包括相互堆叠的七个发电电池123(类似于实施例1中的发电电池)的燃料电池组125。此外，类似于实施例1中的热交换器的热交换器127和129被布置在燃料电池组125的堆叠方向上的两个位置处。
详细地，第一热交换器127被设置在顶部燃料电池组125a和的中间燃料电池组125b之间，顶部燃料电池组125a包括两个堆叠的发电电池123，中间燃料电池组125b包括三个堆叠的发电电池123。第二热交换器129被设置在中间燃料电池组125b和底部燃料电池组125c之间，底部燃料电池组125c包括两个堆叠的发电电池123。
将空气引入到燃料电池组125中的第七插入孔131被以与在实施例1中相同的方式(在类似的位置处)形成，从而在堆叠方向上穿过燃料电池组125。此外，为了将经过热交换的空气引导到堆叠方向，以与在实施例1中相同的方式(在类似的位置处)形成第三插入孔133。
应该指出，其它构造，诸如其它插入孔和燃料气体流动路径，基本上与在实施例1中的那些构造相同。因此，省略其描述。
b)接着，将描述在本实施例中的空气流动路径。
如在图7中所示，空气被从空气入口管道135在燃料电池组125的堆叠方向(图7中的竖直方向)上引入到燃料电池组125中，即到第七插入孔131中。
然后，空气被从第七插入孔131引入到第一热交换器127的内部(包括开口137的第一流动路径138)和到第二热交换器129的内部(包括开口139的第一流动路径140)这两者。
以与在实施例1中相同的方式，在空气与上部和下部发电电池123之间执行热交换，并且空气在所述两个热交换器127和129中被加热。
然后，通过热交换而具有升高的温度的空气被引入到第三插入孔133(是位于第七插入孔131的平面中在对角方向上的第二流动路径)。
然后，被引入到第三插入孔133的空气分岔开，并且被沿着第三插入孔133引导到堆叠方向的两侧(图7中的竖直方向)，并且被引入到顶部燃料电池组125a、中间燃料电池组125b和底部燃料电池组125c的每一个发电电池123的空气流动路径141。
将空气从第三插入孔133引入到每一个发电电池123的空气流动路径141，经由类似于在实施例1中的连通孔的连通孔(未示出)执行，该连通孔(未示出)被设置在阴极一侧上的气体密封部分143中。
以与在实施例1中相同的方式，被用于在每一个发电电池123的阴极中的发电的空气，被通过第八插入孔(未示出)引导到图7的上部，并且被从空气出口管道(未示出)排出到外部。
燃料气体流动路径类似于实施例1的燃料气体流动路径，并且因此省略其描述。
c)在本实施例中，产生与在实施例1中的效果相同的效果。而且，因为热交换器127和129被设置在燃料电池组125的堆叠方向上的两个不同位置处，所以能够在空气与每一个热交换器127和129中的发电电池123之间执行热交换。相应地，获得在堆叠方向上的温度分布更均衡的显著效果。
[实施例3]
接着，将描述实施例3。然而，将省略类似于实施例1的内容的内容的描述。
本实施例的燃料电池继而在燃料电池组的堆叠方向上从发电电池的外部向发电电池的内部供应通过热交换加热的空气。
在本实施例中，第八插入孔不被用作用于排出空气的流动路径，并且第五插入孔被用作用于排出空气的流动路径，其中通过第八插入孔插入第八螺栓，通过第五插入孔插入第五螺栓。
a)首先，将描述根据本实施例的燃料电池的结构。
如在图8中所示，本实施例的燃料电池151设有包括相互堆叠的八个发电电池153(类似于实施例1中的发电电池)的燃料电池组155，并且类似于实施例1中的热交换器的热交换器157被设置在燃料电池组155的堆叠方向上的中心处。
详细地，热交换器157被布置在顶部燃料电池组155a和底部燃料电池组155b之间，顶部燃料电池组155a包括第一堆叠发电电池153a到第四堆叠发电电池153d，底部燃料电池组155b包括第四堆叠发电电池153e到第八堆叠发电电池153h。
然后，将空气引入燃料电池组155中的第七插入孔159被以与在实施例1中相同的方式(至类似的位置)形成，以穿过燃料电池组155的堆叠方向。此外，是第二流动路径的第三插入孔161被以与在实施例1中相同的方式(在类似的位置处)形成，以便朝向堆叠方向的端部引导经过热交换的空气。
特别地，在本实施例中，如在图9中所示，空气流动路径如此形成为使得：通过热交换加热的空气顺序地通过第二发电电池153b和第三发电电池153c，向着中心，被从在堆叠方向上的一端(图中的上端)处的第一发电电池153a供应到第四发电电池153d；并且还顺序地通过第七发电电池153g和第六发电电池153f，向着中心，被从在堆叠方向上的另一端(图中的下端)处的第八发电电池153h供应到第五发电电池153e。
具体地，例如，作为一个实例解释顶部燃料电池组155a，为了向最外的第一发电电池153a的空气流动路径163a供应空气，第三插入孔161和空气流动路径163a的入口侧(图中的右侧)，被类似于实施例1中的连通孔的连通孔(未示出)连接。
此外，第一发电电池153a的空气流动路径163a的出口侧(图中的左侧)和第二发电电池153b的空气流动路径163b的入口侧(图中的左侧)被竖直连通孔165a连接。竖直连通孔165a的下端被关闭，从而不与第三发电电池153c连通。
此外，第二发电电池153b的空气流动路径163b的出口侧和第三发电电池153c的空气流动路径163c的入口侧被竖直连通孔165b连接。
而且，第三发电电池153c的空气流动路径163c的出口侧和第四发电电池153d的空气流动路径163d的入口侧被竖直连通孔165c连接。
此外，第四发电电池153d的空气流动路径163d的出口侧和第五插入孔167被与实施例1中的连通孔类似的连通孔(但是它的平面形状与第一发电电池163a对称)连接。
底部燃料电池组155b中的空气流动路径基本上类似于顶部燃料电池组155a中的空气流动路径，并且因此省略其描述。
其它构造，诸如其它插入孔和燃料气体流动路径，基本上与在实施例1中的那些构造相同。因此，省略其描述。
b)现在，将描述本实施例中的空气流动路径。
如在图8中所示，空气被从空气入口管道171在燃料电池组155的堆叠方向上(图8中的竖直方向)引入到燃料电池组155中，即，第七插入孔159中。
然后，空气被从第七插入孔159引入到热交换器157的内部(包括开口173的第一流动路径174)中。
然后，以与在实施例1中相同的方式，在空气与上部和下部发电电池153之间执行热交换，并且空气在热交换器157中被加热。
然后，通过热交换而具有升高的温度的空气被引入到第三插入孔161(在第七插入孔159的对角方向上)。
然后，被引入到第三插入孔161的空气分岔开，并且沿着第三插入孔161被引导到堆叠方向(图8中的竖直方向)，并且被引入到在顶部燃料电池组155a和底部燃料电池组155b的两端处的第一发电电池153a和第八发电电池153h的空气流动路径163a和163h。
例如，在顶部燃料电池组155a中，如在图9中所示，被用于在第一发电电池153a的阴极中的发电的空气通过竖直连通孔165a被引入到第二发电电池153b的空气流动路径163b。
然后，被用于第二发电电池153b的阴极中的发电的空气通过竖直连通孔165b被引入到第三发电电池153c的空气流动路径163c。
然后，被用于在第三发电电池153c的阴极中的发电的空气通过竖直连通孔165c被引入到第四发电电池153d的空气流动路径163d。
被用于在第四发电电池153d的阴极中的发电的空气然后被排出到第五插入孔167，并且经由空气出口管道(未示出)被从第五插入孔167排出到外部。
底部燃料电池组155b的空气流动路径基本上与顶部燃料电池组155a的空气流动路径相同，并且燃料气体用流动路径也与实施例1中的燃料气体流动路径相同。因此，省略其描述。
c)在本实施例中，产生与在实施例1中的效果相同的效果。另外，通过热交换器157的内部(第一流动路径174)并且通过热交换加热的空气，继而被从在堆叠方向上的端部(具有低于中心的温度的温度)处的第一发电电池153a和第八发电电池153h供应到在中心中的每一个发电电池。即，因为具有最低温度的第一电电池153a和第八发电电池153h有效地被具有最高温度的空气加热，所以获得温度分布能够更均衡的显著效果。
[实施例4]
接着，将描述实施例4，但是将省略类似于实施例1中的内容的内容的描述。
在本实施例的燃料电池中，通过热交换加热的空气被暂时地从燃料电池组移出，并且然后被供应到每一个发电电池。
在本实施例中，第一到第八通孔不被用作空气流动路径。
a)首先，将描述根据本实施例的燃料电池的结构。
如在图10中所示，本实施例的燃料电池181设有包括相互堆叠的八个平板状发电电池183(类似于实施例1中的发电电池)的燃料电池组185。在燃料电池组185的堆叠方向上的中心，设置类似于实施例1的热交换器的平板状热交换器187。即，热交换器187被设置在顶部燃料电池组185a和底部燃料电池组185b之间。
特别地，在本实施例中，空气入口191被设置在每一个发电电池183的空气流动路径189的一侧(图中的右侧)上，并且空气出口193被设置在另一侧(图中的左侧)上。
另外，在(长方体)燃料电池组185的侧表面的一侧(图中的右侧)上，设置碗形覆盖部件197，从而覆盖热交换器187的空气出口195和所有的发电电池183的空气入口191。
应该指出，每一个发电电池183的燃料气体流动路径199被在图面方向上设置。
b)现在，将描述本实施例中的空气流动路径。
如在图10中所示，空气被从热交换器187的空气入口201(图中的左侧)引入到热交换器187的内部(包括开口203的第一流动路径204)中。
然后，以与在实施例1中相同的方式，在热交换器187中在空气与上部和下部发电电池183之间执行热交换。发电电池183被冷却，并且空气被加热。
然后，通过热交换而具有升高的温度的空气被从出口195引入到连通空间205中，连通空间205是被覆盖部件197覆盖的第二流动路径。
然后，被引入到连通空间205的空气分岔开，并且被引导到堆叠方向(图10中的竖直方向)，并且通过顶部燃料电池组185a和底部燃料电池组185b的每一个发电电池183的入口191被引入到空气流动路径189。
被用于在每一个发电电池183的阴极处的发电的空气然后被从出口193排出到外部。
只需要将燃料气体供应到图面方向。例如，能够使用与实施例1的燃料气体流动路径相同的流动路径。
c)在本实施例中，产生与在实施例1中的效果相同的效果。此外，因为使用通过利用覆盖部件197来覆盖燃料电池组185的外侧的一侧而形成的连通空间205，所以存在燃料电池组185的内部结构能够简化的优点。
[实施例5]
接着，将描述实施例5。然而，将省略类似于实施例1的内容的内容的描述。
在本实施例的燃料电池中，通过热交换加热的燃料气体被暂时地从燃料电池组移出，并且然后被供应到每一个发电电池。
在本实施例中，第一到第八插入孔不被用作燃料气体流动路径。
a)首先，将描述根据本实施例的燃料电池的结构。
如在图11中所示，本实施例的燃料电池211设有包括相互堆叠的八个平板状发电电池213(类似于实施例1中的发电电池)的燃料电池组215。在燃料电池组215的堆叠方向上的中心，布置类似于实施例1中的热交换器的平板状热交换器217。即，热交换器217被设置在顶部燃料电池组215a和底部燃料电池组215b之间。
特别地，在本实施例中，燃料气体用入口221被设置在每一个发电电池213的燃料气体流动路径219的一侧(图中的右侧)上，并且燃料气体用出口223被设置在另一侧(图中的左侧)上。
另外，在(长方体)燃料电池组215的侧表面的一侧(图中的右侧)上，设置碗形覆盖部件227，从而覆盖热交换器217的燃料气体用出口225和所有的发电电池213的燃料气体用入口221。
每一个发电电池213的空气流动路径229被设置在图面方向上。
b)现在，将描述本实施例中的燃料气体流动路径。
如在图11中所示，燃料气体被从热交换器217的燃料气体用入口231(图中的左侧)引入到热交换器217的内部(包括开口233的第一流动路径234)中。
然后，以与在实施例1中相同的方式，在热交换器217中在燃料气体与上部和下部发电电池213之间执行热交换。发电电池213被冷却，并且燃料气体被加热。
然后，通过热交换而具有升高的温度的燃料气体被从出口225引入到连通空间235中，连通空间235中是被覆盖部件227覆盖的第二流动路径。
然后，被引入连通空间235的燃料气体分岔开，并且被引导到堆叠方向(图11中的竖直方向)，并且经由顶部燃料电池组215a和底部燃料电池组215b的每一个发电电池213的入口221被引入到燃料气体流动路径219。
被用于在每一个发电电池213的阳极中的发电的燃料气体被从出口223排出到外部。
只需要将空气供应到图面方向。例如，能够使用类似于实施例1的燃料气体流动路径的流动路径。
c)在本实施例中，产生与在实施例1中的效果相同的效果。而且，因为通过利用覆盖部件227来覆盖燃料电池组215的外侧的一侧而形成的连通空间235被用作燃料气体流动路径，所以存在燃料电池组215的内部结构能够简化的优点。
[实施例6]
接着，将描述实施例6。然而，将省略类似于实施例1的内容的内容的描述。
本实施例的燃料电池仅在热交换器的内部结构方面不同。因此，将仅描述差异。
在本实施例中，如在图12中的热交换器框架241中所示，热交换器243的内部(开口245)中的空气流动路径，被构造为从引入空气的第七插入孔247在对角方向上不到达第三插入孔249，而是到达靠进第三插入孔249的第四插入孔251。
即，本发明的“第一流动路径”包括：开口245；与开口245及第四插入孔251连通的连通孔251a；以及与开口245及第七插入孔247连通的连通孔247a。第四插入孔251(出口)被布置在距第七插入孔247(入口)最远的位置(第三插入孔249的位置)的“附近”。
在热交换框架部分241中，形成多个其它的插入孔，诸如插入孔65。
同样在本实施例中，产生与在实施例1中的效果基本相同的效果。
[实施例7]
接着，将描述实施例7。然而，将省略类似于实施例1的内容的内容的描述。
在根据本实施例的燃料电池中，热交换器分离地设有第一氧化剂气体(空气)流动路径和第一燃料气体流动路径。
a)首先，将描述在本实施例中使用的热交换器。
如在图13中示意地示出，在本实施例的燃料电池261中使用的热交换器263是板状部件，该板状部件包括：板状空气用部件267，板状空气用部件267具有是空气流动路径(第一空气流动路径)的第一沟槽265；和板状燃料气体用部件271，板状燃料气体用部件271具有是燃料气体流动路径(第一燃料气体流动路径)的第二沟槽269。空气用部件267和燃料气体用部件27在发电电池273的堆叠方向上(厚度方向)被堆叠。
即，热交换器263的空气用部件267和燃料气体用部件271被堆叠成使得空气用部件267的第一沟槽265和燃料气体用部件271的第二沟槽269在堆叠方向上的相同一侧(图13中的下部)上，并且例如通过钎焊而一体地结合。
另外，相邻发电电池273的互连器275，例如通过钎焊而结合到燃料气体用部件271的第二沟槽269一侧，从而覆盖第二沟槽269的开口侧。
在该燃料电池中，空气的流率通常大于燃料气体的流率。因此，为了增加空气流动路径的尺寸，第一沟槽265(是空气流动路径)的深度被设定为整体上比第二沟槽269(燃料气体流动路径)的深度高。另外，在第一沟槽265的某些部分处，即，分别在图13的左端和右端中示出的到第一空气沟槽265的入口部分(第一入口沟槽265b)和从第一空气沟槽265的出口部分(第一出口沟槽265c)处，第一沟槽265的深度被设定为更高(同样适用于以下实施例)。增加到第一空气沟槽265的入口部分和从第一空气沟槽265的出口部分的深度的原因在于，在入口部分和出口部分中每单位横截面面积的空气流率最高。
应该指出，空气用部件267的第一沟槽265和燃料气体用部件271的第二沟槽269能够例如通过切割形成。
现在，将详细描述热交换器263的流动路径。
如图14A和14B所示，以与在实施例1中相同的布置方式，空气用部件267在其周边(沿着外周的方形框架部分277)中设有第一插入孔281到第八插入孔288。第三插入孔283是用于将空气引入到第一沟槽265的流动路径，并且第八插入孔288是用于从第一沟槽265排出空气的流动路径。
另外，第一沟槽265被设置在空气用部件267的厚度方向的一侧(下侧：见图14B)上。第一沟槽265包括：中央沟槽265a，中央沟槽265a在空气用部件267的中央部分中(即，框架部分277内部)形成；第一入口沟槽265b，第一入口沟槽265b使得中央沟槽265a与第三插入孔283连通；以及第一出口沟槽265c，第一出口沟槽265c使得中央沟槽265a与第八插入孔288连通。
在中央沟槽265a中，平面图中具有方形形状(四棱柱形状)的多个突起266被形成为使得中央沟槽265a不被相邻部件隐埋，并且突起266的高度与中央沟槽265a的深度相同。突起266被布置成使得其纵向方向在图14B的水平方向上对齐，以便将空气的流动引导到出口侧。
在本实施例中，布置具有仅一种类型的形状(在平面图中方形形状)的突起，但是形状不限于此。例如，突起的形状可以是立方体形状、长方体形状、截头锥体形状、其它棱柱形状或者任何其它形状。而且，可以布置每一个具有不同种类的形状和尺寸的突起的混合。另外，在本实施例中，所有的突起被布置成是对齐的，但是布置不限于此。只需要将空气流动引导到出口侧。即，一部分突起可以不同于其它突起地取向，例如，可以倾斜地取向。对在下文中其它实施例中的突起的形状和布置同样适用。
另一方面，如图14C和14D所示，以与在实施例1中相同的布置方式，燃料气体用部件271在其周边中设有第一插入孔281到第八插入孔288(对于第一到第八插入孔的附图标记，使用与用于空气用部件的附图标记相同的附图标记)。应该指出，第一插入孔281是用于将燃料气体引入到第二沟槽269的流动路径，并且第六插入孔286是用于从第二沟槽269排出燃料气体的流动路径。
另外，第二沟槽269被设置在燃料气体用部件271的厚度方向上的一侧(下侧：见图14D)上。第二沟槽269包括：中央沟槽269a，中央沟槽269a在燃料气体用部件271的中央部分中形成；第二入口沟槽269b，第二入口沟槽269b使得中央沟槽269a与第一插入孔281连通；以及第二出口沟槽269c，第二出口沟槽269c使得中央沟槽269a与第六插入孔286连通。
在中央沟槽269a中，每一个在平面图中具有方形形状(四棱柱形状)的多个突起270被形成为使得中央沟槽269a不被相邻部件隐埋，并且突起270的高度与中央沟槽269a的深度相同。突起270被布置成使得其纵向方向在图14D的竖直方向上对齐，以便将燃料气体的流动引导到出口侧。即，空气用部件267的突起266和燃料气体用部件271的突起270被布置在平面图中相互垂直的方向上。
b)接着，将描述设有热交换器263的燃料电池261。
如图15A和15B示意地示出，以与在实施例1中相同的方式，在本实施例的燃料电池261中，热交换器263被设置在燃料电池组291的堆叠方向上的中央部分中，即，在顶部燃料电池组291a和底部燃料电池组291b之间。
详细地，例如，热交换器263包括空气用部件267和燃料气体用部件271的堆叠体，四个发电电池273在热交换器263的一侧(图15A的上部)上被堆叠，并且例如，四个发电电池273在热交换器263的另一侧(图15B的下部)上被堆叠。
在本实施例中，以与在实施例1中相同的方式，被形成为在燃料电池261的内部中在堆叠方向上延伸的空气入口流动路径293被设置在燃料电池261的外周部分中。空气入口流动路径293与空气用部件267的第三插入孔283连通。
因此，如在图15A中所示，当经过是第一空气流动路径的第一沟槽265时，被引入到空气用部件267的第三插入孔283的空气被加热(通过热交换)。此后，被加热的空气通过第八插入孔288被排出到类似于实施例1中的流动路径的第二空气流动路径295(被形成为在燃料电池261的内部中在堆叠方向上延伸)，并且被从第二空气流动路径295供应到每一个发电电池273的空气流动路径297。然后，空气被以与在以上实施例1中相同的方式排出到外部。
在图15B中，示意地示出当从堆叠方向观察时的空气的流动。应该指出，从第三插入孔283经过空气用部件267并且被供应到第八插入孔288的被加热的空气经过第二流动路径295，该被加热的空气通过每一个发电电池273中的预定流动路径(伸长通孔：未示出)被引入到空气流动路径297，并且被从第四插入孔284排出到外部。发电电池273中的空气的流动由网状箭头指示。
另一方面，如在图16A和16B中的燃料气体流动中所示，在本实施例中，被形成为在燃料电池261的内部中在堆叠方向上延伸的燃料气体入口流动路径301被设置在燃料电池261的外周部分处。燃料气体入口流动路径301与燃料气体用部件271的第一插入孔281连通。
因此，如在图16A中所示，当经过是第一燃料气体流动路径的第二沟槽269时，被引入到燃料气体用部件271的第一插入孔281的燃料气体被加热(通过热交换)。此后，被加热的燃料气体通过第六插入孔286被排出到燃料气体用第二流动路径303(被形成为在燃料电池261的内部中在堆叠方向上延伸)，并且然后被从第二流动路径303供应到每一个发电电池273的燃料气体流动路径305。然后，气体被以与在以上实施例1中相同的方式排出到外部。
图16B示意地示出当从堆叠方向观察时的燃料气体的流动。应该指出，从第一插入孔281经过燃料气体用部件271并且被供应到第六插入孔286的被加热的燃料气体经过第二流动路径303，该被加热的燃料气体通过每一个发电电池273中的预定流动路径(伸长通孔：未示出)被引入到燃料气体流动路径305，并且被从第二插入孔282排出到外部。发电电池273内部的空气的流动由阴影箭头指示。
c)如上所述，在本实施例中，是第一空气流动路径的第一沟槽265和是第一燃料气体流动路径的第二沟槽269被分离地设置在热交换器263中。
因此，当比燃料电池组291的中心部分冷的空气和燃料气体被从外部供应到热交换器263的每一条第一流动路径时，空气和燃料气体与相邻发电电池273进行热交换，并且空气和燃料气体的温度升高，而相邻发电电池273的温度降低。然后，通过热交换而具有升高的温度的空气和燃料气体被供应到在堆叠方向的端侧上的发电电池273。因此，空气和燃料气体被供应到其上的发电电池273的温度被空气和燃料气体升高。结果，在燃料电池组291的堆叠方向上，在中心中的温度降低，而在端侧上的温度升高。因此，在堆叠方向上温度被均衡。
即，在本实施例中，因为与冷却空气和燃料气体这两者的热交换由被设置在具有高温的中心中的热交换器263执行，所以通过向具有低温的端侧供应通过热交换而具有升高的温度的空气和燃料气体，在中心中的温度能够更有效地降低，并且在端侧处的温度能够升高。由此，在燃料电池组291的堆叠方向的温度被均衡。获得进一步改进的发电效率的显著效果(如与实施例1相比)。
另外，在本实施例中，从外部供应的空气和燃料气体被热交换器263加热。因此，存在能够消除用于预先加热(预加热)空气和燃料气体的装置等的优点。
在本实施例中，空气用部件267的第一沟槽265和燃料气体用部件271的第二沟槽269被设置在堆叠方向上的相同一侧上。作为另一个实例，例如，如在图17中所示，空气用部件311的第一沟槽313和燃料气体用部件315的第二沟槽317可以被设置在堆叠方向上的相反侧(图中的顶侧和底侧)中。在该情形中，相邻发电电池271的互连器319例如通过钎焊结合，从而覆盖第一沟槽313和第二沟槽317。
[实施例8]
接着，将描述实施例8。省略类似于以上实施例7的内容的内容的描述。
在本实施例的燃料电池中，设有空气用部件和燃料气体用部件的热交换器包括第三沟槽，第三沟槽被形成在燃料气体用部件的空气用部件侧上的第一空气流动路径的一部分。
如图18示意地示出，如在以上实施例7中，在本实施例的燃料电池321中使用的热交换器323包括：板状空气用部件327，板状空气用部件327具有是空气流动路径(第一空气流动路径)的第一沟槽325；和板状燃料气体用部件331，板状燃料气体用部件331具有是燃料气体流动路径(第一燃料气体流动路径)的第二沟槽329。空气用部件327和燃料气体用部件331在发电电池333的堆叠方向上被堆叠。
即，热交换器323的空气用部件327和燃料气体用部件331被堆叠成，使得空气用部件327的第一沟槽325和燃料气体用部件331的第二沟槽329在堆叠方向上的相同一侧(图18的下部)上，并且例如通过钎焊而一体地结合。
相邻发电电池333的互连器335例如通过钎焊而结合到燃料气体用部件331的第二沟槽329一侧，从而覆盖第二沟槽329的开口侧。
特别地，在本实施例中，在燃料气体用部件331的空气用部件327一侧上，第三沟槽337被形成为与空气用部件327的第一沟槽325的某些部分连通。换言之，在空气流动路径的某些部分中，即，在图18的左端和右端所示到第一沟槽325的空气的入口部分(第一入口沟槽325b)和从第一沟槽325的出口部分(第一出口沟槽325c)处，第一沟槽325(325b、325c)和第三沟槽337(337a、337b)分别靠到一起，并且具有比其它第一沟槽325大的横截面面积的空气流动路径被形成。
以下详细地描述上述热交换器323的流动路径。
如在图19A和19B中所示，空气用部件327(因此，空气流动路径)的厚度方向的两侧的形状与以上实施例7中的形状相同。而且，第一插入孔341到第八插入孔348被以相同的方式形成。
另一方面，如在图19C和19D中所示，在燃料气体用部件331的空气基板327侧(上侧：见图19C)上，是第三沟槽337中的一个的第三a沟槽337a朝向图的中央被以一定角度形成，从而与第三插入孔343连通。
第三a沟槽337a被形成为与图19B所示的空气用部件327的第一沟槽325的第一入口沟槽325b重叠。由此，第三a沟槽337a和第一入口沟槽325b靠到一起，以形成用于(引入)空气的流动路径。
为了在燃料气体用部件331的上侧上形成第三a沟槽337a，不在燃料气体用部件331的下侧上的相应的位置(倾斜部分331a)处形成中央沟槽329a(见图19D)。
此外，如在图19C中所示，在燃料气体用部件331的空气基板327侧(上侧)上，作为另一个第三沟槽337的第三b沟槽337b被形成在横向方向上朝向同一幅图的中央，从而与第八插入孔348连通。
第三b沟槽337b被形成为与图19B所示的空气用部件327的第一沟槽325的第一出口沟槽325c重叠。由此，第三b沟槽337b和第一出口沟槽325c靠到一起，以形成用于(排出)空气的流动路径。
为了在燃料气体用部件331的上侧上形成第三b沟槽337b，不在燃料气体用部件331的下侧上的相应的位置(突出部分331b)处形成中央沟槽329a(见图19D)。
同样在本实施例中，获得与在以上实施例7中的效果相同的效果。而且，因为与第一沟槽325的一部分连通的第三沟槽337被形成在燃料气体用部件331的上侧上，所以存在能够设置大的空气流动路径的优点。
即，在本实施例中，能够获得如下显著效果，即在空气流动路径的深度被确保的同时，能够减小热交换器323的厚度。
[实施例9]
接着，将描述实施例9。省略类似于实施例7中的内容的内容的描述。
在本实施例的燃料电池中，单个板状热交换器在热交换器的厚度方向的两侧上设有第一空气流动路径和第一燃料气体流动路径。
如图20示意地示出，在本实施例的燃料电池351中使用的热交换器353中，是空气流动路径(第一空气流动路径)的第一沟槽357被形成在单个板(板部件)355的一侧(上侧：图的上部)上，并且是燃料气体流动路径(第一燃料气体流动路径)的第二沟槽359被形成在板部件355的另一侧(下侧：图的下部)上。
另外，相邻发电电池的互连器361例如通过钎焊结合，从而覆盖板部件355的第一沟槽357和第二沟槽359的开口侧。
应该指出，如上所述，因为空气的流率大于燃料气体的流率，所以第一沟槽357(是空气流动路径)的深度被设定为整体上比第二沟槽359(是燃料气体流动路径)的深度大。而且，在一部分(第一空气沟槽357的入口部分)中，通过减小第二沟槽359的深度，第一沟槽的深度被设定为更大。
以下详细地描述上述热交换器353的流动路径。
如在图21A到21D中所示，如在以上实施例7中，热交换器353的板部件355具有第一插入孔371到第八插入孔378。
然后，如在图21A中所示，在板部件355的上侧上，与第三插入孔373(向其引入空气)和第八插入孔378(从其排出空气)连通的第一沟槽357被形成为空气流动路径。
即，除了在平面图中具有方形形状(四棱柱形状)的突起358之外，在板部件355的上侧上的中央部分(除了周部分的方形框架部分356)被切割成方形形状，以形成空气流动路径(第一沟槽357)。
另一方面，如在图21B中所示，在板部件355的下侧上，与第一插入孔371(向其引入燃料气体)和第六插入孔376(从其排出燃料气体)连通的第二沟槽359被形成为燃料气体流动路径。
换言之，以与在上侧中相同的方式，除了在平面图中具有方形形状(四棱柱形状)的突起360之外，在板部件355的下侧上的中央部分被切割成方形形状，以形成燃料气体流动路径(第二沟槽359)。
以此方式，本实施例产生与在以上实施例7中的效果相同的效果。而且，因为第一沟槽357和第二沟槽359被形成在板部件355的相反侧上，所以存在能够减小热交换器353的尺寸(薄)的优点。
另外，因为通过在板部件355的两侧上形成沟槽357和359而形成每一种气体的第一流动路径，所以存在如下效果，即，能够简化其结构，并且因此其制造能够更容易并且能够减小成本。
另外，因为能够减小热交换器353(因此燃料电池351)的热容量，所以获得启动被改进的显著效果。
[实施例10]
接着，将描述实施例10。省略类似于实施例7的内容的内容的描述。
本实施例的燃料电池使用在以上实施例7中使用的多个热交换器。
具体地，如在图22中所示，在燃料电池组401的堆叠方向上，类似于实施例7中的热交换器的热交换器407和413被分离地布置在不同位置处。
例如，由空气用部件403和燃料气体用部件405构成的热交换器407被设置在顶部燃料电池组401a和中间燃料电池组401b之间，并且由空气用部件409和燃料气体用部件411构成的另一个热交换器413被设置在中间燃料电池组401b和底部燃料电池组401c之间。
同样根据本实施例，获得与在以上实施例7中的效果相同的效果。而且，因为使用所述多个热交换器403和407，所以存在热交换效率高的优点。
应该指出，替代类似于以上实施例7的热交换器的热交换器地，可以使用在以上实施例8和9中描述的热交换器。而且，可以使用三个或更多个热交换器。
[实施例11]
接着，将描述实施例11。省略类似于实施例7的内容的内容描述。
在本实施例的燃料电池中，在以上实施例7中使用的热交换器的空气用部件和燃料气体用部件被分离地使用。
特别地，如在图23A中所示，空气用部件423和燃料气体用部件427被设置在燃料电池组421的堆叠方向上不同位置处。
例如，在燃料电池组421中，空气用部件423被设置在顶部燃料电池组421a和中间燃料电池组421b之间，并且燃料气体用部件427被设置在中间燃料电池组421b和底部燃料电池组421c之间。
另外，如在放大主要部分的图23B中所示，空气用部件423的第一沟槽429的开口侧(图的下部)被相邻互连器431关闭。类似地，燃料气体用部件427的第二沟槽433的开口侧(图的下部)被另一个相邻互连器435关闭。
同样根据本实施例，获得与在实施例7中的效果相同的效果。
另外，第一沟槽429和第二沟槽433的开口侧能够或在上面或在下面。而且，可以使用两个或更多个空气用部件423和燃料气体用部件427。
此外，并非如上所述使用空气用部件427和燃料气体用部件429这两者地，例如，如在图23C中所示，仅空气用部件428可以被用于燃料电池组422。具体地，因为被供应到燃料电池组422的空气多于燃料气体，所以能够仅使用空气用部件428就获得像热交换器一样的充分效果。另外，通过使用多个空气用部件428，能够获得更显著效果。
虽然未示出，但是可以使用一个或更多个仅燃料气体用部件。
[实施例12]
接着，将描述实施例12。将省略类似于以上实施例1的内容的内容的描述。
本实施例图示能够应用于上述实施例的气体流动路径(通过螺栓和插入孔)。
a)在本实施例中，例如，如在图24A中所示，在燃料电池组445(类似于实施例1中的燃料电池组)中热交换器443被设置在堆叠的发电电池441的中央处，在该燃料电池组445中多个插入孔447被设置成穿过发电电池441的堆叠方向，并且螺栓449插入到插入孔447。螺栓449在两端处通过间隔器451和453(具有密封气体的功能)被拧紧到螺母455和457中，从而紧固并且固定燃料电池组445。
螺栓449是实心杆。在螺栓449的末端(同一图)侧上形成沟槽459，沟槽459在轴向方向上从末端到达插入孔447。另外，螺母455(图的上部)具有通孔461，通孔461是在轴向方向上的气体流动路径。此外，通过间隔器451和453，是气体流动路径的筒形空间463被形成在螺栓449的外周表面和插入孔447的内周表面之间。
因此，例如，被从螺母455的通孔461引入的气体(例如，氧化剂气体)通过螺栓449的沟槽459被引入到筒形空间463，并且被从筒形空间463引入到热交换器443(通过未示出的入口)。
b)此外，还能够作为变型使用图24B中所示的构造。
在该变型中，以与在以上实施例中相同的方式，螺栓475插入到燃料电池组471的插入孔473，并且螺母477和479被拧紧到螺栓475中，以紧固并且固定燃料电池组471。
螺栓475是中空杆。在螺栓475的轴向中心处形成中心孔481，中心孔481从末端(图的上部)到达下部。中心孔481在末端侧处开口，并且在后端侧处关闭。而且，在其中央部分处，设置侧向地开口的多个横向孔483。
另外，螺母477(图的上部)具有通孔485，通孔485用作在轴向方向上的气体流动路径。通孔485与螺栓475的中心孔481连通。
另外，用作气体流动路径的筒形空间487被形成在螺栓475的外周表面和插入孔473的内周表面之间。
因此，例如，被从螺母477的通孔485引入的气体(例如，氧化剂气体)通过螺栓475的中心孔481被从水平孔483引入到筒形空间487，并且然后被从筒形空间487(经由未示出的入口)引入到热交换器489。
在其它实施例中将燃料气体引入到热交换器的情形下，也能够使用上述实施例和变型的构造。另外，在将每一种气体从热交换器引入到每一个发电电池中，或者将从发电电池向外部排出的每一种气体排出的情形下，也能够使用使用上述筒形空间的气体流动路径的构造。
这里，将解释在权利要求和上述实施例中的措词之间的对应。
螺栓对应于插入部件的实例，第一沟槽和第二沟槽对应于沟槽的实例，并且空气用部件对应于氧化剂气体部件的实例。
虽然以上已经描述了本发明的实施例，但是本发明不限于上述实施例，并且能够采取各种模式。
(1)例如，除了固体氧化物燃料电池之外，本发明能够应用于诸如固体聚合物燃料电池的燃料电池。
换言之，在以上实施例中，作为电解质层的实例描述了固体电解质层(固体氧化物)。然而，除了固体电解质层之外，本发明还能够应用于使用固体聚合物层作为电解质层的燃料电池。
(2)此外，在本发明中，作为在热交换器中的第一流动路径，设置用于氧化剂气体(例如，空气)和用于燃料气体这两者或者其中的任一者的流动路径。能够用作氧化剂气体用流动路径的构造，能够用作燃料气体用流动路径的构造，并且反之亦然。
例如，在实施例1中，作为实例描述了具有空气流动路径的热交换器。然而，替代空气流动路径地，可以使用具有燃料气体流动路径的热交换器。在该情形中，燃料气体用第一流动路径可以被设置在热交换器内部，并且第二流动路径可以被设置在燃料电池组中。
(3)此外，在热交换器中设置氧化剂气体用第一流动路径和燃料气体用第一流动路径的情形下，例如，当从堆叠方向观察时图25A所示的交叉流动(交叉地流动)、图25B所示的并行流动(平行地流动)和图25C所示的逆向流动(反向地流动)，能够用作每一种气体的流动。
(4)在图中诸如在图5中的剖视图，仅示意地示出本实施例的燃料电池的厚度。而且，例如，在剖视图中每一个结构部件(互连器43、43a、43b)的厚度不限于在每一幅图中的厚度的比率。

Claims (16)

1.一种燃料电池，包括：
燃料电池组，在所述燃料电池组中，多个平板状发电电池在所述发电电池的厚度方向上被堆叠，所述多个平板状发电电池中的每一个平板状发电电池包括电解质层以及阴极和阳极，所述阴极和所述阳极被设置成将所述电解质层夹在所述阴极和所述阳极之间，并且所述多个平板状发电电池中的每一个平板状发电电池使用氧化剂气体和燃料气体产生电力；
热交换器，所述热交换器在所述堆叠方向上被设置在两个相邻发电电池之间且与所述发电电池接触，在所述热交换器中包括传送从外部供应的所述氧化剂气体或所述燃料气体的第一流动路径；和
第二流动路径，所述第二流动路径连接到所述热交换器中的所述第一流动路径的出口侧，并且所述第二流动路径连接到每一个所述发电电池的所述阴极侧或所述阳极侧，所述第二流动路径将已经经过所述第一流动路径的所述氧化剂气体或所述燃料气体供应到在所述热交换器的所述堆叠方向上的两侧上的每一个所述发电电池的所述阴极侧或所述阳极侧。
2.一种燃料电池，包括：
燃料电池组，在所述燃料电池组中，多个平板状发电电池在所述发电电池的厚度方向上被堆叠，所述多个平板状发电电池中的每一个平板状发电电池包括电解质层以及阴极和阳极，所述阴极和所述阳极被设置成将所述电解质层夹在所述阴极和所述阳极之间，并且所述多个平板状发电电池中的每一个平板状发电电池使用氧化剂气体和燃料气体产生电力；
热交换器，所述热交换器在所述堆叠方向上被设置在两个相邻发电电池之间且与所述发电电池接触，所述热交换器包括传送从外部供应的所述氧化剂气体的氧化剂气体用第一流动路径和传送从外部供应的所述燃料气体的燃料气体用第一流动路径；
氧化剂气体用第二流动路径，所述氧化剂气体用第二流动路径连接到所述热交换器的所述氧化剂气体用第一流动路径的出口侧，并且所述氧化剂气体用第二流动路径连接到每一个所述发电电池的所述阴极侧，所述氧化剂气体用第二流动路径将已经经过所述氧化剂气体用第一流动路径的所述氧化剂气体供应到在所述热交换器的所述堆叠方向上的两侧上的每一个所述发电电池的所述阴极侧；和
燃料气体用第二流动路径，所述燃料气体用第二流动路径连接到所述热交换器的所述燃料气体用第一流动路径的出口侧，并且所述燃料气体用第二流动路径连接到每一个所述发电电池的所述阳极侧，所述燃料气体用第二流动路径将已经经过所述燃料气体用第一流动路径的燃料气体供应到在所述热交换器的所述堆叠方向上的两侧上的每一个所述发电电池的所述阳极侧。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，
其中在所述热交换器中形成的所述第一流动路径被形成为在所述平板状发电电池的表面方向上延伸。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，
其中所述热交换器的所述第一流动路径由在板形部件的表面上形成的沟槽构成。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池，
其中所述热交换器被布置在所述燃料电池组的在所述堆叠方向上的中心部分中。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池，
其中在所述堆叠方向上的不同位置中设置两个或更多个热交换器。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的燃料电池，
其中所述热交换器的所述第一流动路径具有压力损失结构，所述压力损失结构调整所述氧化剂气体和所述燃料气体中的至少一种气体的流出状态。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的燃料电池，
其中当从所述堆叠方向观察所述第一流动路径时，所述第一流动路径的入口和出口被形成在距彼此最远的位置中或者在所述最远位置的附近，所述氧化剂气体和所述燃料气体中的至少一种气体在所述入口和所述出口处流动。
9.根据权利要求2至8中的任一项所述的燃料电池，
其中所述热交换器由氧化剂气体用板形部件和燃料气体用板形部件构成，所述氧化剂气体用板形部件包括作为所述氧化剂气体用第一流动路径的第一沟槽，所述燃料气体用板形部件包括作为所述燃料气体用第一流动路径的第二沟槽，所述氧化剂气体用部件和所述燃料气体用部件在所述堆叠方向上被堆叠。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，
其中所述氧化剂气体用部件的所述第一沟槽对所述堆叠方向上的一侧开口，并且所述燃料气体用部件的所述第二沟槽被形成为对所述堆叠方向上的另一侧开口。
11.根据权利要求9所述的燃料电池，
其中所述氧化剂气体用部件的所述第一沟槽和所述燃料气体用部件的所述第二沟槽都被形成为对所述堆叠方向上的一侧开口。
12.根据权利要求11所述的燃料电池，
其中所述燃料气体用部件被设置在所述氧化剂气体用部件的具有所述第一沟槽的一侧上，并且在所述燃料气体用部件的所述氧化剂气体用部件侧上形成第三沟槽，所述第三沟槽与所述氧化剂气体用部件的所述第一沟槽连通。
13.根据权利要求2至7中的任一项所述的燃料电池，
其中所述热交换器在板形部件的所述堆叠方向上的一侧上具有所述氧化剂气体用第一沟槽，并且所述热交换器在所述板形部件的所述堆叠方向上的另一侧上具有所述燃料气体用第二沟槽。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的燃料电池，
其中所述第二流动路径的至少一部分由被形成为在所述燃料电池组内部在所述堆叠方向上延伸的流动路径构成。
15.根据权利要求14所述的燃料电池，
其中所述燃料电池组具有在所述燃料电池组的厚度方向上穿过所述燃料电池组的插入孔，插入部件插入到所述插入孔，并且所述第二流动路径的至少一部分被形成在所述插入孔的内周表面和所述插入部件的外周表面之间。
16.根据权利要求14所述的燃料电池，
其中所述燃料电池组具有在所述燃料电池组的厚度方向上穿过所述燃料电池组的插入部件，并且所述第二流动路径的至少一部分被形成在所述插入部件的内部中。
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