JP2017010721A - Fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack capable of making a temperature in a stacking direction of the fuel cell stack uniform and maintaining the temperature at an appropriate temperature.SOLUTION: In a fuel cell stack 1, a heat exchange part 10 is disposed at a center in a stacking direction of power generation units 7, and first and second gas reservoir chambers 20 and 30 for storing air exhausted from the heat exchange part 10 are provided in both end portions in the stacking direction. Thus, air that is appropriately heated by the heat exchange part 10 can be stored in the first and second gas reservoir chambers 20 and 30. As a result, a temperature in the end portion of the fuel cell stack 1 in the stacking direction can be caused to rise by both the gas reservoir chambers 20 and 30. Further, both the gas reservoir chambers 20 and 30 are functioned as a heat insulation layer between the inside and the outside of the fuel cell stack 1. Therefore, the temperature of the fuel cell stack 1 in the stacking direction can be made uniform, and can be maintained at such an appropriate temperature that rupture or the like of a unit cell 17 does not occur.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、電解質層と空気極と燃料極とを有する平板状の単セルを、厚み方向に複数積層した燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of flat single cells each having an electrolyte layer, an air electrode, and a fuel electrode are stacked in the thickness direction.

従来、燃料電池として、固体電解質(固体酸化物)を用いた固体酸化物形燃料電池(以下SOFCとも記す)が知られている。
このSOFCでは、発電単位として、例えば固体電解質層の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス(空気)と接する酸化剤極(空気極)を設けた単セルが使用されている。
Conventionally, a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC) using a solid electrolyte (solid oxide) is known as a fuel cell.
In this SOFC, as a power generation unit, for example, a fuel electrode in contact with the fuel gas is provided on one side of the solid electrolyte layer, and an oxidant electrode (air electrode) in contact with the oxidant gas (air) is provided on the other side. The cell is in use.

更に、所望の電圧を得るために、インターコネクタ等を介して複数の単セルを積層するとともに、積層方向の端部にエンドプレートを配置した燃料電池スタック(セルスタック)が開発されている。   Further, in order to obtain a desired voltage, a fuel cell stack (cell stack) has been developed in which a plurality of single cells are stacked via an interconnector or the like and an end plate is disposed at an end in the stacking direction.

例えば、特許文献1には、図18(a)に例示するように、燃料電池スタック(P1)の積層方向の両端に、スタック外部から導入するガス(例えば空気:O)を溜める室(P2)を設け、この構造によって各単セル(P3)に対して積層方向の両側から圧力を加えて、各単セル間等の導電性を確保する技術が開示されている。   For example, in Patent Document 1, as illustrated in FIG. 18A, chambers (P2) for storing gas (for example, air: O) introduced from outside the stack at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack (P1). In this structure, a technique is disclosed in which pressure is applied to each unit cell (P3) from both sides in the stacking direction to ensure conductivity between the unit cells.

また、上述したエンドプレートを積層方向の端部に配置した燃料電池スタックにおいては、エンドプレートからの放熱量が大きく、燃料電池スタックの端部の温度が低下して、燃料電池スタックの出力特性が低下するので、その対策も提案されている。なお、温度が低いと、単セルの内部抵抗が大きくなるので、出力が低下する。   Further, in the fuel cell stack in which the end plate described above is arranged at the end in the stacking direction, the heat radiation from the end plate is large, the temperature at the end of the fuel cell stack is lowered, and the output characteristics of the fuel cell stack are reduced. The countermeasures have also been proposed because of the decline. If the temperature is low, the internal resistance of the single cell increases, and the output decreases.

具体的には、特許文献2には、図18(b)に例示するように、燃料電池スタック(P4)の積層方向における端部に、各単セル(P5)で使用されなかった残余の酸化剤ガスと燃料ガスとを燃焼させる排ガス燃焼器(P6)を配置し、燃料電池スタックの端部の温度を上昇させる技術が開示されている。   Specifically, in Patent Document 2, as illustrated in FIG. 18B, the remaining oxidation not used in each single cell (P5) at the end in the stacking direction of the fuel cell stack (P4). A technique for disposing an exhaust gas combustor (P6) for burning the agent gas and the fuel gas and increasing the temperature at the end of the fuel cell stack is disclosed.

WO2010/038869 A1号公報WO2010 / 038869 A1 publication 特開2009−99267号公報JP 2009-99267 A

しかしながら、上述した従来技術では、燃料電池スタックの積層方向における温度を均一にするとともに、適度な温度に保つことは容易ではなかった。
例えば、前記引用文献1に記載の技術の場合は、燃料電池スタックの積層方向における端部に、外部より冷たいガス(空気)を導入する構造であるので、燃料電池スタックの積層方向における温度を一定に保つのは容易ではなかった。そのため、燃料電池スタックの出力特性が低下する恐れがあった。
However, in the above-described conventional technology, it is not easy to make the temperature in the stacking direction of the fuel cell stack uniform and to keep the temperature moderate.
For example, in the case of the technique described in the cited document 1, since the structure is such that gas (air) that is colder from the outside is introduced into the end portion in the stacking direction of the fuel cell stack, the temperature in the stacking direction of the fuel cell stack is constant It was not easy to keep on. As a result, the output characteristics of the fuel cell stack may be degraded.

一方、前記引用文献2に記載の技術では、加熱源である排ガス燃焼器では、各単セルにおいて発電の際のジュール熱にて発生する熱量に比べて非常に大きな熱量を発生するので、燃料電池スタックの端部側を局所的に加熱し過ぎてしまって、燃料電池スタックに熱歪みが発生することがあった。   On the other hand, in the technique described in the cited document 2, the exhaust gas combustor that is a heating source generates a very large amount of heat compared to the amount of heat generated by Joule heat during power generation in each unit cell. In some cases, the end side of the stack was locally heated too much, causing thermal distortion in the fuel cell stack.

この熱歪みが発生すると、単セルにおける割れ(セル割れ)が発生し易くなり、信頼性が低下するという問題があった。
このように、従来技術では、燃料電池スタックの積層方向における温度を、発電に好適な温度に均一化するとともに、単セルの破損等が生じないような適度な温度に維持することは容易ではなかった。
When this thermal strain occurs, there is a problem that cracking (cell cracking) in a single cell is likely to occur and reliability is lowered.
As described above, in the prior art, it is not easy to equalize the temperature in the stacking direction of the fuel cell stack to a temperature suitable for power generation and to maintain an appropriate temperature so as not to damage the single cell. It was.

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックの積層方向における温度を均一化するとともに、適度な温度に維持することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack in which the temperature in the stacking direction of the fuel cell stack can be made uniform and maintained at an appropriate temperature.

(1)本発明は、第1態様として、電解質層と、該電解質層を間に挟むように配置された空気極及び燃料極とを有し、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いて発電する平板状の単セルが、該単セルの厚み方向に沿って複数個積層された燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックの積層方向における少なくとも一方の端部に、前記燃料電池スタックの内部で熱交換された前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスのうち少なくとも一方のガスを溜めるガス溜め室を備えたことを特徴とする。   (1) The present invention provides, as a first aspect, a flat plate that has an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode arranged so as to sandwich the electrolyte layer, and generates power using an oxidant gas and a fuel gas. In the fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked along the thickness direction of the unit cells, heat is exchanged inside the fuel cell stack at at least one end in the stacking direction of the fuel cell stack. And a gas reservoir chamber for storing at least one of the oxidant gas and the fuel gas.

本第1態様では、燃料電池スタックの積層方向における少なくとも一方の端部に、燃料電池スタックの内部で熱交換された酸化剤ガス及び燃料ガスのうち少なくとも一方のガスを溜めるガス溜め室を備えている。   In the first aspect, a gas reservoir chamber is provided at at least one end in the stacking direction of the fuel cell stack, in which at least one of the oxidant gas and the fuel gas exchanged in the fuel cell stack is stored. Yes.

これにより、ガス溜め室には、燃料電池スタックの内部で熱交換された酸化剤ガスや燃料ガス、即ち燃料電池スタックの内部にて周囲からの熱を受けて適度に加熱された酸化剤ガスや燃料ガスを溜めることができる。   As a result, in the gas reservoir chamber, the oxidant gas or fuel gas heat-exchanged inside the fuel cell stack, that is, the oxidant gas heated moderately by receiving heat from the surroundings inside the fuel cell stack, Fuel gas can be stored.

その結果、このガス溜め室によって、燃料電池スタックの積層方向における端部の温度を高めることができ、しかも、ガス溜め室が、燃料電池スタック内とその積層方向の外側との間の断熱層として機能するので、燃料電池スタックの積層方向における温度を、従来より均一化できるとともに、単セルの破損等が生じないような適度な温度に維持することができる。例えば、燃料電池スタック内を、単セル自身がジュール熱にて発熱するような適度な温度に維持して保温することができる。   As a result, the temperature of the end portion in the stacking direction of the fuel cell stack can be increased by the gas reservoir chamber, and the gas reservoir chamber serves as a heat insulating layer between the inside of the fuel cell stack and the outside in the stacking direction. Since it functions, the temperature in the stacking direction of the fuel cell stack can be made more uniform than before, and can be maintained at an appropriate temperature so that the single cell is not damaged. For example, the inside of the fuel cell stack can be maintained at a suitable temperature so that the single cell itself generates heat due to Joule heat.

このように、本第1態様では、燃料電池スタック内の温度を適度な温度に保持することができるので、高い発電効率を実現できるとともに、単セルの熱歪みによる破損(セル割れ)を抑制できるという顕著な効果を奏する。   Thus, in the first aspect, since the temperature in the fuel cell stack can be maintained at an appropriate temperature, high power generation efficiency can be realized, and damage (cell cracking) due to thermal strain of a single cell can be suppressed. There is a remarkable effect.

(2)本発明は、第2態様として、前記燃料電池スタックの積層方向における両方の端部に、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスのうち少なくとも一方のガスを溜める前記ガス溜め室を備えたことを特徴とする。   (2) As a second aspect of the present invention, the gas reservoir chamber is provided at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack to store at least one of the oxidant gas and the fuel gas. It is characterized by.

本第2態様では、燃料電池スタックの積層方向における両方の端部に、酸化剤ガスや燃料ガスを溜めるガス溜め室を備えているので、燃料電池スタックの積層方向における中心部と両側の端部との温度差を小さくすることができるとともに、熱歪みによるセル割れを抑制できる。   In the second aspect, since the gas reservoir chambers for storing the oxidant gas and the fuel gas are provided at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack, the center and both end portions in the stacking direction of the fuel cell stack are provided. And the cell crack due to thermal strain can be suppressed.

(3)本発明は、第3態様として、前記燃料電池スタックの積層方向における両方の端部の前記ガス溜め室のうち、一方のガス溜め室に前記酸化剤ガスを溜め、他方のガス溜め室に前記燃料ガスを溜める構成を有することを特徴とする。
本第3態様ではでは、燃料電池スタックの積層方向の一方のガス溜め室に酸化剤ガスを溜め、他方のガス溜め室に燃料ガスを溜めるので、酸化剤ガス及び燃料ガスの有効利用ができるとともに、従って設計の自由度が高まるという利点がある。
(3) As a third aspect of the present invention, the oxidant gas is stored in one of the gas reservoir chambers at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack, and the other gas reservoir chamber is provided. The fuel gas is stored in the fuel gas.
In the third aspect, since the oxidant gas is stored in one gas reservoir chamber in the stacking direction of the fuel cell stack and the fuel gas is stored in the other gas reservoir chamber, the oxidant gas and the fuel gas can be effectively used. Therefore, there is an advantage that the degree of freedom of design is increased.

(4)本発明は、第4態様として、前記ガス溜め室は、一部に開口部を有する周囲が閉ざされた空間であるとともに、前記開口部は、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスのうち少なくとも一方のガスが供給されるガス供給路にのみ開口するように形成されていることを特徴とする。   (4) In the present invention, as a fourth aspect, the gas reservoir chamber is a space whose opening is partially closed, and the opening includes the oxidant gas and the fuel gas. It is characterized by being formed so as to open only to a gas supply path through which at least one gas is supplied.

本第4態様では、ガス溜め室は、酸化剤ガスや燃料ガスが供給されるガス供給路にのみ開口する開口部を有しているので、好適に酸化剤ガスや燃料ガスを溜めることができるとともに、各ガス供給路から各ガスを効率的に導入することができる。   In the fourth aspect, the gas reservoir chamber has an opening that opens only to the gas supply path to which the oxidant gas and the fuel gas are supplied. Therefore, the oxidant gas and the fuel gas can be suitably stored. In addition, each gas can be efficiently introduced from each gas supply path.

なお、酸化剤ガスをガス溜め室に導入する場合には、酸化剤ガスは、酸化剤ガスのガス供給路から、当該ガス供給路に開口する開口部を介して、ガス溜め室に導入される。一方、燃料ガスをガス溜め室に導入する場合には、燃料ガスは、燃料ガスのガス供給路から、当該ガス供給路に開口する開口部を介して、ガス溜め室に導入される。   In the case where the oxidant gas is introduced into the gas reservoir chamber, the oxidant gas is introduced from the gas supply passage of the oxidant gas into the gas reservoir chamber through an opening opening in the gas supply passage. . On the other hand, when the fuel gas is introduced into the gas reservoir chamber, the fuel gas is introduced into the gas reservoir chamber from the fuel gas supply passage through an opening that opens to the gas supply passage.

(5)本発明は、第5態様として、前記ガス溜め室は、一部に開口部を有する周囲が閉ざされた空間であるとともに、前記開口部は、前記ガスが供給されるガス供給路に1箇所開口するように形成されていることを特徴とする。   (5) As a fifth aspect of the present invention, as the fifth aspect, the gas reservoir chamber is a space having a partially closed opening, and the opening is provided in a gas supply path to which the gas is supplied. It is formed so as to open at one place.

本第5態様では、ガス溜め室では、開口部は、ガス(即ち酸化剤ガス又は燃料ガス)が供給されるガス供給路に1箇所開口するように形成されているので、ガスが外部に流出しにくく、よって、ガスをガス溜め室内に好適に溜めることができる。   In the fifth aspect, in the gas reservoir chamber, the opening is formed so as to open at one place in the gas supply path to which the gas (that is, the oxidant gas or the fuel gas) is supplied, so that the gas flows out to the outside. Therefore, the gas can be suitably stored in the gas storage chamber.

(6)本発明は、第6態様として、前記燃料電池スタックの積層方向における少なくとも一方の端部に、板状の部材であるエンドプレートを備えるとともに、前記ガス溜め室は、前記エンドプレートと、前記燃料電池スタックの積層方向における少なくとも一方の最も端部側に配置された前記単セルと、の間に設けられたことを特徴とする。   (6) As a sixth aspect, the present invention includes an end plate that is a plate-like member at at least one end in the stacking direction of the fuel cell stack, and the gas reservoir chamber includes the end plate, The fuel cell stack is provided between at least one of the single cells arranged in the stacking direction of the fuel cell stack.

燃料電池スタックの積層方向における端部に、エンドプレートが設けられている場合には、エンドプレートを介して熱の流出が大きいが、本第6態様では、エンドプレートと(最外側の)単セルとの間にガス溜め室が配置されているので、燃料電池スタック内の温度をより均一に保つことができる。   When an end plate is provided at the end in the stacking direction of the fuel cell stack, heat flows out through the end plate. In this sixth aspect, the end plate and the (outermost) single cell Since the gas reservoir chamber is disposed between the two, the temperature in the fuel cell stack can be kept more uniform.

(7)本発明は、第7態様として、前記燃料電池スタックの内部で熱交換を行う熱交換部は、前記単セル間に配置されたことを特徴とする。
熱交換部は、単セル間に配置されているので、熱交換部に導入された酸化剤ガス又は燃料ガスは、積層方向の両側の単セルから熱を受けることができる。よって、効率良く熱交換を行うことができる。
(7) The present invention, as a seventh aspect, is characterized in that a heat exchanging portion that performs heat exchange inside the fuel cell stack is disposed between the single cells.
Since the heat exchange part is disposed between the single cells, the oxidant gas or the fuel gas introduced into the heat exchange part can receive heat from the single cells on both sides in the stacking direction. Therefore, heat exchange can be performed efficiently.

なお、以下に、本発明の構成について説明する。
・前記燃料ガスとは、燃料となる還元剤(例えば水素)を含むガスを示し、酸化剤ガスとは、酸化剤(例えば酸素)を含むガス(例えば空気)を示している。
The configuration of the present invention will be described below.
The fuel gas indicates a gas containing a reducing agent (for example, hydrogen) serving as a fuel, and the oxidant gas indicates a gas (for example, air) containing an oxidant (for example, oxygen).

なお、単セル(従って燃料電池スタック)を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。
・前記燃料電池スタックとしては、例えば、ZrO2系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)、Li−Na/K系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池(PAFC)などの燃料電池スタックが挙げられる。
When power generation is performed using a single cell (and hence a fuel cell stack), fuel gas is introduced to the fuel electrode side, and oxidant gas is introduced to the air electrode side.
-As the fuel cell stack, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) using ZrO2 ceramic as an electrolyte, a molten carbonate fuel cell (MCFC) using Li-Na / K carbonate as an electrolyte, Examples thereof include a fuel cell stack such as a phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte.

・なお、単セルで発電された電気は、例えば集電体及びインターコネクタを介して外部に取り出すことができる。この場合、インターコネクタと集電体とは、別部材で構成しても、一体の部材として構成してもよい。   In addition, the electricity generated by the single cell can be taken out via, for example, a current collector and an interconnector. In this case, the interconnector and the current collector may be configured as separate members or as an integral member.

実施例1の燃料電池スタックの斜視図である。1 is a perspective view of a fuel cell stack of Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池スタックを空気の流路に沿って積層方向に破断しその一部を示す断面図(図7のA−A断面図)である。FIG. 9 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 7) showing a part of the fuel cell stack of Example 1 broken along the air flow path in the stacking direction. 実施例1の燃料電池スタックを空気の流路に沿って積層方向に破断し熱交換部の周囲を示す断面図(図7のA−A断面図)である。FIG. 8 is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line AA in FIG. 7) showing the periphery of the heat exchange section by breaking the fuel cell stack of Example 1 in the stacking direction along the air flow path. 実施例1の燃料電池スタックの上端の発電単位及び第1ガス溜め室を分解して示す斜視図である。2 is an exploded perspective view showing a power generation unit and a first gas reservoir chamber at the upper end of the fuel cell stack of Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池スタックの下端の発電単位及び第2ガス溜め室を分解して示す斜視図である。FIG. 4 is an exploded perspective view showing a power generation unit and a second gas reservoir chamber at the lower end of the fuel cell stack according to the first embodiment. 実施例1における熱交換部の構成を分解して示す斜視図である。It is a perspective view which decomposes | disassembles and shows the structure of the heat exchange part in Example 1. FIG. 実施例1の燃料電池スタックにおける空気及び燃料ガスの流路を示す平面図である。2 is a plan view showing air and fuel gas flow paths in the fuel cell stack of Example 1. FIG. (a)は実施例1の燃料電池スタックを積層方向に破断し空気の流路を模式的に示す断面図(図7のA−A断面図)、(b)はその燃料電池スタックを積層方向に破断し燃料ガスの流路を模式的に示す断面図(図7のB−B断面図)である。(A) is a sectional view schematically showing an air flow path by breaking the fuel cell stack of Example 1 in the stacking direction (AA sectional view in FIG. 7), and (b) is the fuel cell stack in the stacking direction. FIG. 8 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 7) schematically showing the flow path of the fuel gas fractured in FIG. 実施例1の燃料電池スタックの変形例を示し、(a)は燃料電池スタックの上端側の発電単位及び第1ガス溜め室を空気の流路に沿って積層方向に破断しその一部を示す説明図、(b)は燃料電池スタックの下端側の発電単位及び第2ガス溜め室を空気の流路に沿って積層方向に破断しその一部を示す説明図である。1 shows a modification of the fuel cell stack of Example 1, wherein (a) shows a part of a power generation unit and a first gas reservoir chamber on the upper end side of the fuel cell stack broken in the stacking direction along the air flow path. Explanatory drawing, (b) is explanatory drawing which fractures | ruptures the power generation unit and the 2nd gas reservoir chamber of the lower end side of a fuel cell stack in the lamination direction along the air flow path, and shows a part. 実施例2の燃料電池スタックを燃料ガスの流路に沿って積層方向に破断しその一部を示す断面図(図11のC−C断面図)である。FIG. 12 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 11) showing a part of the fuel cell stack of Example 2 broken along the fuel gas flow path in the stacking direction. 実施例2の燃料電池スタックにおける空気及び燃料ガスの流路を示す平面図である。6 is a plan view showing air and fuel gas flow paths in the fuel cell stack of Example 2. FIG. 実施例3の燃料電池スタックを空気の流路に沿って積層方向に破断しその一部を示す断面図である。It is sectional drawing which fractures | ruptures the fuel cell stack of Example 3 in the lamination direction along the air flow path, and shows the one part. 実施例4の燃料電池スタックを空気の流路に沿って積層方向に破断しその一部を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a part of the fuel cell stack of Example 4 broken along the air flow path in the stacking direction. 実施例5の燃料電池スタックを示し、(a)は空気の流路に沿って積層方向に破断しその一部を模式的に示す断面図(図15(a)のD−D断面図)、(b)は燃料ガスの流路に沿って積層方向に破断しその一部を模式的に示す断面図(図15(b)のE−E断面図)説明図である。The fuel cell stack of Example 5 is shown, (a) is sectional drawing (DD sectional drawing of Fig.15 (a)) which fractures | ruptures in the lamination direction along the air flow path, and shows the one part typically, (B) is sectional drawing (E-E sectional drawing of FIG.15 (b)) which is fractured | ruptured in the lamination direction along the flow path of a fuel gas, and shows the part typically. (a)は実施例5の燃料電池スタックにおける空気の流路を示す平面図、(b)はその燃料電池スタックにおける燃料ガスの流路を示す平面図である。(A) is a top view which shows the flow path of the air in the fuel cell stack of Example 5, (b) is a top view which shows the flow path of the fuel gas in the fuel cell stack. 実施例6の燃料電池スタックを示し、(a)は空気の流路に沿って積層方向に破断しその一部を模式的に示す断面図(図16(b)のF−F断面図)、(b)はその空気の流路を示す平面図である。The fuel cell stack of Example 6 is shown, (a) is sectional drawing (FF sectional drawing of FIG.16 (b)) which fractures | ruptures in the lamination direction along the flow path of air, and shows the one part typically, (B) is a top view which shows the flow path of the air. 実施例7の燃料電池スタックを積層方向に破断しその一部を示す断面図である。It is sectional drawing which fractures | ruptures the fuel cell stack of Example 7, and shows the one part. 従来技術の説明図である。It is explanatory drawing of a prior art.

以下、本発明が適用された燃料電池スタックとして、固体酸化物形燃料電池スタックを例に挙げて説明する。   Hereinafter, a solid oxide fuel cell stack will be described as an example of a fuel cell stack to which the present invention is applied.

a)まず、本実施例の燃料電池スタックの概略構成について説明する。
なお、以下の各図面においては、酸化剤ガスは「O」で示し、燃料ガスは「F」で示す。また、「IN」はガスが導入されることを示し、「OUT」はガスが排出されることを示す。また、以下の記載で方向を示す「上」及び「下」とは、図1及び図2における「上方」及び「下方」と同じである。
a) First, the schematic configuration of the fuel cell stack of the present embodiment will be described.
In the following drawings, the oxidant gas is indicated by “O”, and the fuel gas is indicated by “F”. “IN” indicates that gas is introduced, and “OUT” indicates that gas is discharged. Further, “upper” and “lower” indicating directions in the following description are the same as “upper” and “lower” in FIGS. 1 and 2.

図1及び図2に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池スタック(以下単に燃料電池スタックと記す)1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気、詳しくは空気中の酸素)との供給を受けて発電を行う装置である。   As shown in FIGS. 1 and 2, a solid oxide fuel cell stack (hereinafter simply referred to as a fuel cell stack) 1 of this embodiment includes a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air, specifically air). It is a device that generates power by being supplied with oxygen.

この燃料電池スタック1は、図1及び図2の上下方向の両端に配置されたエンドプレート3、5の間に、後に詳述するように、層状の複数(例えば24段:各図では段数を簡略化してある)の燃料電池の発電単位7、層状の熱交換部10、層状の第1ガス溜め室20及び第2ガス溜め室30が積層された構成を有している。なお、発電単位7は、燃料ガスと空気との供給を受けて発電する最小の構成単位である。   This fuel cell stack 1 has a plurality of layered layers (for example, 24 stages: for example, the number of stages in each figure) between end plates 3 and 5 arranged at both ends in the vertical direction in FIGS. The power generation unit 7 of the fuel cell (which is simplified), the layered heat exchange unit 10, the layered first gas reservoir chamber 20, and the second gas reservoir chamber 30 are stacked. The power generation unit 7 is the smallest structural unit that generates power upon receiving supply of fuel gas and air.

つまり、燃料電池スタック1は、熱交換部10の上方及び下方にそれぞれ複数の発電単位7が積層されるとともに、上端の発電単位7の上部に第1ガス溜め室20を備え、下端の発電単位7の下部に第2ガス溜め室30を備えている。   That is, the fuel cell stack 1 includes a plurality of power generation units 7 stacked above and below the heat exchanging unit 10, and includes a first gas reservoir chamber 20 above the power generation unit 7 at the upper end, and a power generation unit at the lower end. A second gas reservoir chamber 30 is provided at the lower part of 7.

ここで、熱交換部10の上方に配置された複数(例えば12段)の発電単位7からなる部分を上スタック本体2aと称し、熱交換部10の下方に配置された複数(例えば12段)の発電単位7からなる部分を下スタック本体2bと称する。   Here, a portion composed of a plurality (for example, 12 stages) of power generation units 7 disposed above the heat exchange unit 10 is referred to as an upper stack body 2a, and a plurality (for example, 12 stages) disposed below the heat exchange unit 10. The portion comprising the power generation unit 7 is referred to as the lower stack body 2b.

図1に示すように、エンドプレート3、5、各発電単位7、熱交換部10、第1ガス溜め室20、第2ガス溜め室30を構成する部材には、それらを積層方向(図1の上下方向)に貫く複数(例えば8個)の貫通孔9が設けられ、その貫通孔9に配置された各ボルト11(11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g、11h)とボルト11に螺合する各ナット13とによって、エンドプレート3、5と各発電単位7と熱交換部10と第1、第2ガス溜め室20、30とが一体に固定されている。   As shown in FIG. 1, the members constituting the end plates 3 and 5, each power generation unit 7, the heat exchange unit 10, the first gas reservoir chamber 20, and the second gas reservoir chamber 30 are arranged in the stacking direction (FIG. 1). A plurality of (e.g., eight) through holes 9 penetrating in the vertical direction) are provided, and each bolt 11 (11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h) and bolt disposed in the through hole 9 are provided. The end plates 3, 5, the power generation units 7, the heat exchange unit 10, and the first and second gas reservoir chambers 20, 30 are fixed integrally with each other by the nuts 13 that are screwed into the 11.

また、ボルト11のうちの特定(5本)のボルト11a、11b、11d、11f、11hには、図3に示すように、軸方向(即ち積層方向)に沿って、空気又は燃料ガスが流れる内部流路14が形成されており、この内部流路14と、各ボルト11a、11b、11d、11f、11hが挿通される各貫通孔9とは、各ガスの通過が可能な連通孔15により連通している。   Further, as shown in FIG. 3, air or fuel gas flows through specific (five) bolts 11 a, 11 b, 11 d, 11 f, and 11 h among the bolts 11 along the axial direction (that is, the stacking direction). An internal flow path 14 is formed, and the internal flow path 14 and the through holes 9 through which the bolts 11a, 11b, 11d, 11f, and 11h are inserted are formed by communication holes 15 through which each gas can pass. Communicate.

更に、各発電単位7には、その厚み方向の中央部分に、板状の単セル17が配置されている。単セル17の一方の側(図3上方)に、空気が流れる空気流路19(図3では矢印で空気の流れを示している)が設けられているとともに、単セル17の他方の側(図3下方)に、燃料ガスが流れる燃料流路21が設けられている。なお、燃料流路21は、紙面と垂直方向の流路である。   Furthermore, each power generation unit 7 is provided with a plate-like single cell 17 at the center in the thickness direction. An air flow path 19 (air flow is indicated by arrows in FIG. 3) through which air flows is provided on one side (upper side in FIG. 3) of the single cell 17 and the other side ( A fuel flow path 21 through which the fuel gas flows is provided in the lower part of FIG. The fuel flow path 21 is a flow path in a direction perpendicular to the paper surface.

このうち、単セル17は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの構造を有しており、薄膜の固体電解質層23と、その一方の側(図3上方)に形成された薄膜の空気極層(カソード)25と、他方の側(図3下方)に形成された燃料極層(アノード)27とを備えている。   Among these, the single cell 17 has a so-called fuel electrode support membrane type structure, and is a thin solid electrolyte layer 23 and a thin air electrode layer (on the upper side in FIG. 3) (on the upper side in FIG. 3). And a fuel electrode layer (anode) 27 formed on the other side (lower side in FIG. 3).

b)次に、発電単位7と熱交換部10と第1、第2ガス溜め室20、30との構成について、詳しく説明する。
図4及び図5に示すように、発電単位7は、金属製のインターコネクタ31と、空気極絶縁フレーム33と、(単セル17が接合された)金属製のセパレータ35と、金属製の燃料極フレーム37と、燃料極絶縁フレーム39と、金属製のインターコネクタ41等が積層されものである。
b) Next, the configuration of the power generation unit 7, the heat exchange unit 10, and the first and second gas reservoir chambers 20 and 30 will be described in detail.
As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 7 includes a metal interconnector 31, an air electrode insulating frame 33, a metal separator 35 (to which the single cell 17 is joined), and a metal fuel. A pole frame 37, a fuel electrode insulating frame 39, a metal interconnector 41, and the like are laminated.

また、空気極絶縁フレーム33の枠内の空気流路19には、空気極側集電体43が配置され、燃料極絶縁フレーム39の枠内の燃料流路21には、燃料極側集電体45が配置されている。   An air electrode side current collector 43 is disposed in the air flow path 19 in the frame of the air electrode insulation frame 33, and a fuel electrode side current collector is disposed in the fuel flow path 21 in the frame of the fuel electrode insulation frame 39. A body 45 is arranged.

特に、本実施例1では、図4に示すように、上スタック本体2aの上端の発電単位7には、その上端(図4上方の外側の端面)に、第1ガス溜め室20を構成するために、金属製のガス溜め室フレーム53とガス溜め室フレーム53の上方を覆う前記エンドプレート3とが配置されている。   In particular, in the first embodiment, as shown in FIG. 4, the power generation unit 7 at the upper end of the upper stack body 2 a is configured with the first gas reservoir chamber 20 at the upper end (the outer end surface in the upper part of FIG. 4). For this purpose, a metal gas reservoir chamber frame 53 and the end plate 3 covering the upper side of the gas reservoir chamber frame 53 are arranged.

同様に、図5に示すように、下スタック本体2bの下端の発電単位7には、その下端(図5下方の外側の端面)に、第2ガス溜め室30を構成するために、同様に、金属製のガス溜め室フレーム63とガス溜め室フレーム63の下方を覆う前記エンドプレート5とが配置されている。   Similarly, as shown in FIG. 5, the power generation unit 7 at the lower end of the lower stack body 2 b has the same configuration in order to configure the second gas reservoir chamber 30 at the lower end (the outer end surface below FIG. 5). A metal gas reservoir chamber frame 63 and the end plate 5 covering the lower side of the gas reservoir chamber frame 63 are disposed.

ここで、エンドプレート3、5は、積層される発電単位7を押圧して保持するとともに、第1、第2ガス溜め室20、30の蓋となる板材であり、発電単位7からの電流の出力端子でもある。なお、エンドプレート3、5は、導電性を有する板材(例えばステンレス鋼等の金属板)からなる。   Here, the end plates 3, 5 press and hold the power generation units 7 to be stacked and are plate members that serve as lids for the first and second gas reservoir chambers 20, 30. It is also an output terminal. The end plates 3 and 5 are made of a conductive plate material (for example, a metal plate such as stainless steel).

以下、各構成について、更に詳しく説明する。
まず、上述した単セル17を構成する空気極層25、固体電解質層23、燃料極層27について説明する。
Hereinafter, each configuration will be described in more detail.
First, the air electrode layer 25, the solid electrolyte layer 23, and the fuel electrode layer 27 constituting the single cell 17 described above will be described.

空気極層25としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mnを含有する複合酸化物(La1−xSrCoO系複合酸化物、La1−xSrFeO系複合酸化物、La1−xSrCo1−yFey系複合酸化物、La1−xSrMnO系複合酸化物、Pr1−xBaCoO系複合酸化物、Sm1−xSrCoO系複合酸化物)などを使用できる。 The air electrode layer 25, La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, complex oxide containing Mn (La 1-x Sr x CoO 3 composite oxide, La 1-x Sr x FeO 3 system composite oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 composite oxide, La 1-x Sr x MnO 3 composite oxide, Pr 1-x Ba x CoO 3 composite oxide, Sm 1-x Sr x CoO 3 composite oxide) or the like can be used.

固体電解質層23としては、ジルコニア系、セリア系、ペロブスカイト系の電解質材料が挙げられる。ジルコニア系材料では、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、及びカルシア安定化ジルコニア(CaSZ)を挙げることができ、一般的には、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)が使用される例が多い。セリア系材料では、いわゆる希土類元素添加セリアが、ペロブスカイト系材料では、ランタン元素を含有するペロブスカイト型複酸化物が使われる。   Examples of the solid electrolyte layer 23 include zirconia-based, ceria-based, and perovskite-based electrolyte materials. Examples of zirconia-based materials include yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and calcia stabilized zirconia (CaSZ), and yttria stabilized zirconia (YSZ) is generally used. There are many examples. For ceria-based materials, so-called rare earth element-added ceria is used, and for perovskite-based materials, perovskite-type double oxides containing lanthanum elements are used.

燃料極層27としては、金属が好ましく、Ni及びNiとセラミックとのサーメットやNi基合金を使用できる。
また、前記図4及び図5に示すように、インターコネクタ31、41は、導電性を有する板材(例えばステンレス鋼等の金属板)からなる。このインターコネクタ31、41は、単セル17間の導通を確保し、且つ、単セル17間(従って発電単位7間)でのガスの混合を防止するものである。
The fuel electrode layer 27 is preferably a metal, and Ni, Ni and ceramic cermets or Ni-based alloys can be used.
Further, as shown in FIGS. 4 and 5, the interconnectors 31 and 41 are made of a conductive plate material (for example, a metal plate such as stainless steel). The interconnectors 31 and 41 ensure conduction between the single cells 17 and prevent gas mixing between the single cells 17 (and thus between the power generation units 7).

空気極絶縁フレーム33は、四角枠状の部材であり、軟質マイカ、バーミキュライト、MgO、Alなどからなる絶縁板である。この空気極絶縁フレーム33には、(平面視で)その中央部に厚み方向に貫通する空間部33aが形成されている。また、空気極絶縁フレーム33の対向する一対の貫通孔9(9d、9h)には、それぞれ長尺の連通孔33bが連通するように設けられ、更に、各連通孔33bと空間部33aとを連通するように、ガスが通過する部分(連通部)として、複数の溝33cが設けられている。 The air electrode insulating frame 33 is a square frame member, and is an insulating plate made of soft mica, vermiculite, MgO, Al 2 O 3 or the like. The air electrode insulating frame 33 is formed with a space portion 33a penetrating in the thickness direction at the center (in plan view). The pair of through-holes 9 (9d, 9h) facing the air electrode insulating frame 33 are provided so that the long communication holes 33b communicate with each other, and each communication hole 33b and the space portion 33a are connected to each other. A plurality of grooves 33 c are provided as portions (communication portions) through which gas passes so as to communicate with each other.

空気極側集電体43は、柱状の部材が平行に配置された例えばステンレスからなる部材であり、前記空気極絶縁フレーム33の空間部33a内にて、一対の貫通孔9(9h、9d)の配置方向に沿って配置されている。   The air electrode side current collector 43 is a member made of, for example, stainless steel in which columnar members are arranged in parallel, and in the space portion 33a of the air electrode insulating frame 33, a pair of through holes 9 (9h, 9d). It is arranged along the arrangement direction.

セパレータ35は、四角枠状の導電性を有する板材(例えばステンレス鋼等の金属板)からなり、自身の内周が、単セル17の固体電解質層23の外周縁部にろう付け接合されている。この単セル17が接合されたセパレータ35により、発電単位7の内部において、空気と燃料ガスとが混合しないように、空気流路19と燃料流路21とが分離されている。   The separator 35 is made of a rectangular frame-like conductive plate material (for example, a metal plate such as stainless steel), and the inner periphery thereof is brazed and joined to the outer peripheral edge portion of the solid electrolyte layer 23 of the single cell 17. . By the separator 35 to which the single cell 17 is joined, the air flow path 19 and the fuel flow path 21 are separated in the power generation unit 7 so that the air and the fuel gas are not mixed.

燃料極フレーム37は、耐熱性を有するステンレス等からなる四角枠状の部材である。
燃料極絶縁フレーム39は、空気極絶縁フレーム33と同様に、四角枠状の部材であり、軟質マイカ、バーミキュライト、MgO、Alなどからなる絶縁板である。この燃料極絶縁フレーム39には、空気極絶縁フレーム33と同様に、中央部の空間部39aと、(各貫通孔9b、9fと連通する長尺の)各連通孔39bと、各連通孔39bと空間部39aとを連通する各溝39cが設けられている。
The fuel electrode frame 37 is a square frame member made of stainless steel having heat resistance.
Like the air electrode insulating frame 33, the fuel electrode insulating frame 39 is a rectangular frame-like member, and is an insulating plate made of soft mica, vermiculite, MgO, Al 2 O 3 or the like. Similar to the air electrode insulation frame 33, the fuel electrode insulation frame 39 includes a central space 39a, communication holes 39b (long in communication with the through holes 9b and 9f), and communication holes 39b. Each groove 39c is provided to communicate with the space 39a.

燃料極側集電体45は、公知の格子状の部材(例えば特開2013−56042号公報に記載の集電部材19参照)であり、芯材である格子状のスペーサ(軟質マイカ、バーミキュライト、MgO、Alなどからなる絶縁性のスペーサ)52と、スペーサ52に取り付けられた金属板の導電部材54(図3参照)とから構成されている。 The fuel electrode side current collector 45 is a known grid-like member (see, for example, the current collector member 19 described in JP2013-56042A), and a grid-like spacer (soft mica, vermiculite, An insulating spacer made of MgO, Al 2 O 3 or the like) 52 and a conductive member 54 of a metal plate attached to the spacer 52 (see FIG. 3).

また、図4に示すガス溜め室フレーム53は、四角枠状の部材であり、導電性を有する例えばステンレスから構成されている。
このガス溜め室フレーム53には、(平面視で)中央部に正方形の空間部53aが設けられているとともに、熱交換部10にて加熱された空気が排出される貫通孔9dと空間部53aとが連通するように、開口部53bが設けられている。
Moreover, the gas reservoir chamber frame 53 shown in FIG. 4 is a rectangular frame-like member, and is made of, for example, stainless steel having conductivity.
The gas reservoir chamber frame 53 is provided with a square space 53a at the center (in plan view), and a through hole 9d and a space 53a through which air heated by the heat exchange unit 10 is discharged. Is provided with an opening 53b.

また、前記エンドプレート3は、このガス溜め室フレーム53の空間部53aを、同図上側から塞ぐように配置されている。
これにより、ガス溜め室フレーム53と、その積層方向の両側に配置されたエンドプレート3及びインターコネクタ31とによって、貫通孔9dのみに1箇所開口する密閉された第1ガス溜め室20が形成される。
The end plate 3 is disposed so as to block the space 53a of the gas reservoir chamber frame 53 from the upper side of the figure.
As a result, the gas reservoir chamber frame 53 and the end plate 3 and the interconnector 31 arranged on both sides in the stacking direction form a sealed first gas reservoir chamber 20 that opens at only one through hole 9d. The

同様に、図5に示すガス溜め室フレーム63は、四角枠状の部材であり、導電性を有する例えばステンレスから構成されている。
このガス溜め室フレーム63には、(平面視で)中央部に正方形の空間部63aが設けられているとともに、熱交換部10にて加熱された空気が排出される貫通孔9dと空間部63aとが連通するように、開口部63bが設けられている。
Similarly, the gas reservoir chamber frame 63 shown in FIG. 5 is a square frame-like member, and is made of, for example, stainless steel having conductivity.
The gas reservoir chamber frame 63 is provided with a square space 63a at the center (in plan view), and a through hole 9d and a space 63a through which air heated by the heat exchange unit 10 is discharged. An opening 63b is provided so as to communicate with each other.

また、前記エンドプレート5は、このガス溜め室フレーム63の空間部63aを、同図下側から塞ぐように配置されている。
これにより、ガス溜め室フレーム63と、その積層方向の両側に配置されたエンドプレート5及びインターコネクタ41とによって、貫通孔9dのみに1箇所開口する密閉された第2ガス溜め室30が形成される。
Further, the end plate 5 is disposed so as to close the space 63a of the gas reservoir chamber frame 63 from the lower side in the figure.
As a result, the gas reservoir chamber frame 63 and the end plate 5 and the interconnector 41 arranged on both sides in the stacking direction form a sealed second gas reservoir chamber 30 that is opened only in the through hole 9d. The

更に、図6に示すように、上スタック本体2aと下スタック本体2bとの間に配置される熱交換部10は、前記第1、第2ガス溜め室20、30と同様に、四角枠状の熱交換部フレーム12を備えており、熱交換部フレーム12の厚み方向の両側には、熱交換部フレーム12の中央の空間部12aを覆うように、隣接する発電単位7のインターコネクタ41、31が配置されている。なお、熱交換部フレーム12は、導電性を有する例えばステンレスからなる。   Further, as shown in FIG. 6, the heat exchanging portion 10 disposed between the upper stack body 2a and the lower stack body 2b has a rectangular frame shape, like the first and second gas reservoir chambers 20 and 30. The heat exchanger frame 12 is provided on both sides of the heat exchanger frame 12 in the thickness direction so as to cover the central space 12a of the heat exchanger frame 12, the interconnector 41 of the adjacent power generation unit 7, 31 is arranged. The heat exchange unit frame 12 is made of, for example, stainless steel having conductivity.

この熱交換部フレーム12には、インターコネクタ41、31等と同様に、ボルト11が貫挿される8個の貫通孔9が形成されている。また、貫通孔9のうち、ボルト11aが貫挿される貫通孔9aには、空間部12aと連通して空気を空間部12a内に導入する開口部12bが設けられ、ボルト11dが貫挿される貫通孔9dには、空間部12aと連通して空気を空間部12aから排出する開口部12cが設けられている。   As in the case of the interconnectors 41, 31, etc., eight through holes 9 into which the bolts 11 are inserted are formed in the heat exchange unit frame 12. Further, among the through holes 9, the through hole 9a into which the bolt 11a is inserted is provided with an opening 12b that communicates with the space 12a and introduces air into the space 12a, and the bolt 11d is inserted therethrough. The hole 9d is provided with an opening 12c that communicates with the space 12a and discharges air from the space 12a.

c)次に、燃料電池スタック1の製造方法について、簡単に説明する。
まず、例えばSUS430からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ31、41、燃料極フレーム37、セパレータ35、ガス溜め室フレーム53、63、熱交換部フレーム12、エンドプレート3、5を製造した。
c) Next, a method for manufacturing the fuel cell stack 1 will be briefly described.
First, for example, a plate material made of SUS430 was punched out, and the interconnectors 31 and 41, the fuel electrode frame 37, the separator 35, the gas reservoir chamber frames 53 and 63, the heat exchange unit frame 12, and the end plates 3 and 5 were manufactured.

また、単セル17を、定法に従って製造した。具体的には、燃料極層27及び固体電解質層23のグリーンシート積層体を焼成し、その上に空気極層25の材料を印刷した。なお、単セル17は、セパレータ35にろう付けして固定した。   Moreover, the single cell 17 was manufactured according to the usual method. Specifically, the green sheet laminate of the fuel electrode layer 27 and the solid electrolyte layer 23 was fired, and the material of the air electrode layer 25 was printed thereon. The single cell 17 was fixed to the separator 35 by brazing.

更に、周知の絶縁性の材料からなる絶縁板に対して、パンチング加工や溝加工などによって、前記図4、図5に示す枠形状の空気極絶縁フレーム33と燃料極絶縁フレーム39を作製した。   Further, the frame-shaped air electrode insulating frame 33 and the fuel electrode insulating frame 39 shown in FIGS. 4 and 5 were produced by punching or grooving an insulating plate made of a known insulating material.

そして、上述したインターコネクタ31、41、空気極絶縁フレーム33、単セル17をろう付けしたセパレータ35、燃料極フレーム37、燃料極絶縁フレーム39等を積層して、各発電単位7を組み付けるとともに、その積層方向の中央に(即ち上スタック本体2a及び下スタック本体2bの間に)、熱交換部フレーム12を配置し、且つ、積層方向の両方の端部に、ガス溜め室フレーム53、63、エンドプレート3、5を積層して、積層体を構成した。   Then, the above-described interconnectors 31, 41, the air electrode insulating frame 33, the separator 35 brazed to the single cell 17, the fuel electrode frame 37, the fuel electrode insulating frame 39, etc. are laminated, and each power generation unit 7 is assembled. In the center in the stacking direction (that is, between the upper stack body 2a and the lower stack body 2b), the heat exchanging unit frame 12 is disposed, and the gas reservoir chamber frames 53, 63, End plates 3 and 5 were laminated to form a laminate.

そして、この積層体の貫通孔9にボルト11を嵌め込むとともに、各ボルト11にナット13を螺合させて締め付けて、積層体を押圧して一体化して固定し、燃料電池スタック1を完成した。   Then, the bolts 11 are fitted into the through holes 9 of the laminated body, and nuts 13 are screwed and tightened to the respective bolts 11, and the laminated body is pressed and fixed integrally to complete the fuel cell stack 1. .

d)次に、本実施例1におけるガスの流路について、前記図2、図7、図8等に基づいて説明する。
<空気の流路>
図7に示す様に、空気は、燃料電池スタック1の外部から、ボルト11aの内部流路14を介して貫通孔9aに導入される。そして、前記図2に示すように、貫通孔9aから開口部12b(図6参照)を介して熱交換部10内に導入される。なお、図2では、ここまでの空気の流れを破線で示す。
d) Next, the gas flow path in the first embodiment will be described with reference to FIG. 2, FIG. 7, FIG.
<Air flow path>
As shown in FIG. 7, air is introduced into the through hole 9a from the outside of the fuel cell stack 1 through the internal flow path 14 of the bolt 11a. And as shown in the said FIG. 2, it introduce | transduces in the heat exchange part 10 through the through-hole 9a through the opening part 12b (refer FIG. 6). In addition, in FIG. 2, the flow of the air so far is shown with a broken line.

次に、熱交換部10に導入された空気は(以後の空気の流れを実線で示す)、周囲の単セル17等(具体的には発電単位7)からの熱を受けて熱交換部10で加熱され、開口部12c(図6参照)を介して貫通孔9dに供給される。   Next, the air introduced into the heat exchanging unit 10 (the air flow thereafter is indicated by a solid line) receives heat from the surrounding single cell 17 or the like (specifically, the power generation unit 7), and the heat exchanging unit 10 And supplied to the through hole 9d through the opening 12c (see FIG. 6).

この貫通孔9dに供給された熱交換後の空気は、図2の上下方向に分岐し、各発電単位7の空気流路19と第1ガス溜め室20と第2ガス溜め室30とに分配して供給される。
つまり、図2の上方に導かれた熱交換後の空気の一部は、開口部53bを介して、燃料電池スタック1の上部の第1ガス溜め室20内に供給される。一方、下方に導かれた熱交換後の空気は、開口部63bを介して、燃料電池スタック1の下部の第2ガス溜め室30内に供給される。
The air after heat exchange supplied to the through hole 9d branches in the vertical direction in FIG. 2 and is distributed to the air flow path 19, the first gas reservoir chamber 20, and the second gas reservoir chamber 30 of each power generation unit 7. Supplied.
That is, a part of the air after heat exchange guided upward in FIG. 2 is supplied into the first gas reservoir chamber 20 at the upper part of the fuel cell stack 1 through the opening 53b. On the other hand, the air after heat exchange guided downward is supplied into the second gas reservoir chamber 30 below the fuel cell stack 1 through the opening 63b.

また、図2の上方及び下方に導かれて各空気流路19に導入された熱交換後の空気は、各空気流路19内にて発電に使用される。そして発電後の残余の空気は、同図の矢印方向に流れて、各空気流路19から貫通孔9hを介して外部に排出される。   Further, the air after heat exchange guided to the upper and lower sides of FIG. 2 and introduced into the air flow paths 19 is used for power generation in the air flow paths 19. The remaining air after power generation flows in the direction of the arrow in the figure, and is discharged from each air channel 19 to the outside through the through hole 9h.

これらの空気の流れを、図8(a)にて模式的に示すが、外部から導入された空気は、熱交換部10にて加熱された後に、各発電単位7及び第1、第2ガス溜め室20、30に導入され、発電後の空気は外部に排出される。   FIG. 8A schematically shows the flow of these air. The air introduced from the outside is heated by the heat exchanging unit 10 and then each power generation unit 7 and the first and second gas. The air introduced into the reservoir chambers 20 and 30 and discharged after power generation is discharged to the outside.

なお、図2及び図8(a)では、燃料電池スタック1の外部から導入される空気の流路と外部に排出される空気の流路とを重ねて表示しているが、上述したように、それらは別の流路(貫通孔9aと貫通孔9h)として分離されている。   2 and 8 (a), the air flow path introduced from the outside of the fuel cell stack 1 and the air flow path exhausted to the outside are displayed in an overlapping manner, but as described above. , They are separated as separate flow paths (through hole 9a and through hole 9h).

<燃料ガスの流路>
燃料ガスの流路は、従来と同様であり、前記図7及び図8(b)に示すように、燃料電池スタック1の外部から、ボルト11fの内部流路14を介しての貫通孔9fに導入された燃料ガスは、各発電単位7の燃料流路21(図8(b)では図示せず)に分配して供給される。
<Flow path of fuel gas>
The flow path of the fuel gas is the same as the conventional one, and as shown in FIGS. 7 and 8 (b), the fuel cell stack 1 has a through hole 9f through the internal flow path 14 of the bolt 11f. The introduced fuel gas is distributed and supplied to the fuel flow path 21 (not shown in FIG. 8B) of each power generation unit 7.

そして、各燃料流路21内にて発電に使用された残余の燃料ガスは、各燃料流路21から貫通孔9fと反対側の貫通孔9bに導入される。
この貫通孔9bに導入された発電後の燃料ガスは、ボルト11bの内部流路14を介して、燃料電池スタック1外に排出される。
The remaining fuel gas used for power generation in each fuel channel 21 is introduced from each fuel channel 21 into the through hole 9b opposite to the through hole 9f.
The fuel gas after power generation introduced into the through hole 9b is discharged out of the fuel cell stack 1 through the internal flow path 14 of the bolt 11b.

e)本実施例1の効果について説明する。
本実施例1では、燃料電池スタック1の発電単位7の積層方向の中央に熱交換部10が配置されており、その積層方向における両方の端部に、熱交換部10から排出された空気を溜める第1、第2ガス溜め室20、30を備えている。
e) The effect of the first embodiment will be described.
In the first embodiment, the heat exchange unit 10 is disposed in the center of the power generation unit 7 of the fuel cell stack 1 in the stacking direction, and the air discharged from the heat exchange unit 10 is supplied to both ends in the stacking direction. First and second gas reservoir chambers 20 and 30 are provided.

これにより、第1、第2ガス溜め室20、30には、熱交換部10から排出された空気、即ち熱交換部10にて周囲の単セル17(従って発電単位7)によって適度に加熱された空気を溜めることができる。その結果、この両ガス溜め室20、30により、燃料電池スタック1の積層方向における端部の温度を高めることができ、しかも、両ガス溜め室20、30は、燃料電池スタック1内とその積層方向の外側との間の断熱層として機能する。   Thus, the first and second gas reservoir chambers 20 and 30 are appropriately heated by the air discharged from the heat exchange unit 10, that is, the surrounding single cell 17 (and hence the power generation unit 7) in the heat exchange unit 10. You can collect fresh air. As a result, the temperature of the end portions in the stacking direction of the fuel cell stack 1 can be increased by the gas reservoir chambers 20 and 30, and the gas reservoir chambers 20 and 30 are disposed in the fuel cell stack 1 and the stack thereof. It functions as a heat insulation layer between the outside of the direction.

そのため、燃料電池スタック1の積層方向における温度を、従来より均一化できるとともに、単セル17の破損等が生じないような適度な温度に維持することができる。例えば、燃料電池スタック1内を、単セル17自身がジュール熱にて発熱するような適度な温度に維持して保温することができる。   Therefore, the temperature in the stacking direction of the fuel cell stack 1 can be made more uniform than before, and can be maintained at an appropriate temperature so that the single cell 17 is not damaged. For example, the inside of the fuel cell stack 1 can be maintained at an appropriate temperature such that the single cell 17 itself generates heat due to Joule heat.

このように、本実施例1では、燃料電池スタック1内の温度を適度な温度に保持することができるので、高い発電効率を実現できるとともに、単セル17の熱歪みによる破損(セル割れ)を抑制できるという顕著な効果を奏する。   As described above, in the first embodiment, the temperature in the fuel cell stack 1 can be maintained at an appropriate temperature, so that high power generation efficiency can be realized and damage (cell cracking) due to thermal strain of the single cell 17 can be achieved. There is a remarkable effect that it can be suppressed.

また、本実施例1では、両ガス溜め室20、30は、熱交換部10から空気が供給される貫通孔9dに1箇所のみ開口しているので、空気が外に流出ににくく、好適に空気を溜めることができるとともに、貫通孔9dから空気を効率的に導入することができる。   Further, in the first embodiment, the gas reservoir chambers 20 and 30 are opened at only one place in the through hole 9d to which air is supplied from the heat exchanging unit 10, so that it is difficult for the air to flow out to the outside. Air can be stored and air can be efficiently introduced from the through hole 9d.

更に、本実施例1では、エンドプレート3、5と(最外側の)発電単位7との間に各ガス溜め室20、30が配置されているので、エンドプレート3、5から熱が放出されにくく、燃料電池スタック1内の温度をより均一に保つことができる。   Further, in the first embodiment, since the gas reservoir chambers 20 and 30 are disposed between the end plates 3 and 5 and the (outermost) power generation unit 7, heat is released from the end plates 3 and 5. It is difficult to keep the temperature in the fuel cell stack 1 more uniform.

f)その他
・例えば、第1、第2ガス溜め室20、30の内部は、空洞であってもよいが、燃料電池スタック1の積層方向における導電性を高めるために、集電体を配置してよい。
f) Others For example, the insides of the first and second gas reservoirs 20 and 30 may be hollow, but a current collector is disposed in order to increase conductivity in the stacking direction of the fuel cell stack 1. It's okay.

例えば図9(a)に示すように、第1ガス溜め室20内に、前記燃料極側集電体45と同様な構造の集電体91を配置してもよい。なお、第2ガス溜め室30内に、同様な集電体91を配置してもよい。   For example, as shown in FIG. 9A, a current collector 91 having a structure similar to that of the fuel electrode side current collector 45 may be disposed in the first gas reservoir chamber 20. A similar current collector 91 may be disposed in the second gas reservoir chamber 30.

或いは、図9(b)に示すように、燃料電池スタック1の下端のインターコネクタ41の表面(第2ガス溜め室20側の表面)から、内側(同図下方)に向かって突出して、相手側のエンドプレート5に接触する凸部93を設けてもよい。なお、逆に、エンドプレート5に、インターコネクタ41側に突出する同様な凸部を設けてもよい。   Alternatively, as shown in FIG. 9B, the fuel cell stack 1 protrudes from the surface of the interconnector 41 at the lower end of the fuel cell stack 1 (the surface on the second gas reservoir chamber 20 side) toward the inside (downward in the figure) You may provide the convex part 93 which contacts the end plate 5 of the side. Conversely, the end plate 5 may be provided with a similar convex portion that projects toward the interconnector 41.

また、前記第1ガス溜め室20側に、前記第2ガス溜め室30側に形成したような凸部を設けてもよい。
・また、燃料電池スタック1に対して空気や燃料ガスを供給する側、或いは、燃料電池スタック1から空気や燃料ガスを排出する側は、燃料電池スタック1の積層方向におけるどちら側に(例えば図1、図2における上方又は下方に)設定してもよい。
Further, a convex portion as formed on the second gas reservoir chamber 30 side may be provided on the first gas reservoir chamber 20 side.
The side for supplying air or fuel gas to the fuel cell stack 1 or the side for discharging air or fuel gas from the fuel cell stack 1 is on either side in the stacking direction of the fuel cell stack 1 (for example, FIG. 1 or above (downward or upward in FIG. 2).

次に、実施例2について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例1と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
図10に示すように、本実施例2の燃料電池スタック101は、上下の各発電単位7の間に空気ではなく燃料ガスの熱交換を行う熱交換部103を備えており、この熱交換部103にて加熱した燃料ガスを、燃料電池スタック101の積層方向の両端に配置された第1、第2ガス溜め室105、107に溜めるものである。以下、詳細に説明する。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to Example 1. FIG.
As shown in FIG. 10, the fuel cell stack 101 according to the second embodiment includes a heat exchange unit 103 that exchanges heat of fuel gas instead of air between the upper and lower power generation units 7. The fuel gas heated in 103 is stored in first and second gas storage chambers 105 and 107 arranged at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack 101. Details will be described below.

本実施例2の燃料電池スタック101では、燃料ガスは、図10及び図11に示すように(図10では破線で示す)、燃料電池スタック101の外部から、ボルト11cの内部流路14を介して貫通孔9cに導入され、その後、発電単位7の間に配置された熱交換部103内に導入される。   In the fuel cell stack 101 of the second embodiment, as shown in FIGS. 10 and 11 (indicated by a broken line in FIG. 10), the fuel gas flows from the outside of the fuel cell stack 101 via the internal flow path 14 of the bolt 11c. Then, it is introduced into the through-hole 9 c and then introduced into the heat exchanging unit 103 arranged between the power generation units 7.

次に、図10にて実線で示すように、熱交換部103で加熱された燃料ガスは、貫通孔9fに導入されてから、各発電単位7の燃料流路21に供給されるとともに、各開口部109、110を介してそれぞれ第1、第2ガス溜め室105、107に供給される。   Next, as shown by a solid line in FIG. 10, the fuel gas heated by the heat exchange unit 103 is introduced into the through hole 9 f and then supplied to the fuel flow path 21 of each power generation unit 7. The gas is supplied to the first and second gas reservoir chambers 105 and 107 through the openings 109 and 110, respectively.

そして、各燃料流路21内にて発電に使用された残余の燃料ガスは、各燃料流路21から貫通孔9bに導入され、その後、燃料電池スタック101外に排出される。
なお、空気については、図11に示すように、ボルト11dの内部流路14及び貫通孔9dを介して、燃料電池スタック101に導入され、各発電単位7の空気流路19から、貫通孔9h及びボルト11hの内部流路14を介して、燃料電池スタック101外に排出される。
Then, the remaining fuel gas used for power generation in each fuel flow path 21 is introduced from each fuel flow path 21 into the through hole 9 b and then discharged out of the fuel cell stack 101.
As shown in FIG. 11, the air is introduced into the fuel cell stack 101 via the internal flow path 14 and the through hole 9d of the bolt 11d, and from the air flow path 19 of each power generation unit 7 to the through hole 9h. And it is discharged out of the fuel cell stack 101 via the internal flow path 14 of the bolt 11h.

本実施例2においても、前記実施例1と同様な効果を奏する。
なお、図10では、前記図2と同様に、燃料電池スタック1の外部から導入される空気の流路(破線部分)と外部に排出される空気の流路(実線部分)とを重ねて表示している。
Also in the second embodiment, the same effects as in the first embodiment are obtained.
In FIG. 10, similarly to FIG. 2, the air flow path (broken line portion) introduced from the outside of the fuel cell stack 1 and the air flow path discharged outside (solid line portion) are displayed in an overlapping manner. doing.

次に、実施例3について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例1と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
図12に示すように、本実施例3の燃料電池スタック111は、上述した積層方向の一方(同図上方)に第1ガス溜め室20を備えるとともに、他方に排ガス燃焼器113を備えたものである。以下、詳細に説明する。
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to Example 1. FIG.
As shown in FIG. 12, the fuel cell stack 111 of the third embodiment includes the first gas reservoir chamber 20 on one side (upper side in the figure) in the stacking direction and the exhaust gas combustor 113 on the other side. It is. Details will be described below.

a)まず、本実施例3の燃料電池スタック111の構成について説明する。
図12に示すように、本実施例3の燃料電池スタック111では、上スタック本体2aと下スタック本体2bとの間に空気を加熱する熱交換部10が配置されている。
a) First, the configuration of the fuel cell stack 111 of the third embodiment will be described.
As shown in FIG. 12, in the fuel cell stack 111 of the third embodiment, a heat exchange unit 10 that heats air is disposed between the upper stack body 2a and the lower stack body 2b.

また、上スタック本体2aの上端には、前記実施例1と同様な第1ガス溜め室20が積層され、下スタック本体2bの下端には、板状の排ガス燃焼器113が積層されている。
この排ガス燃焼器113内には、例えばNi等の燃焼用の触媒115が充填されており、排ガス燃焼器113に発電後の空気と燃料ガスとが導入されるように各流路117(燃料ガスの流路は図示せず)が設けられている。
A first gas reservoir chamber 20 similar to that of the first embodiment is stacked on the upper end of the upper stack body 2a, and a plate-shaped exhaust gas combustor 113 is stacked on the lower end of the lower stack body 2b.
The exhaust gas combustor 113 is filled with a combustion catalyst 115 such as Ni, for example, and each flow path 117 (fuel gas) is introduced so that air and fuel gas after power generation are introduced into the exhaust gas combustor 113. Are not shown).

また、空気排出用のボルト11hが挿通される貫通孔9hは、前記実施例1とは異なり、下方に開口することなくボルト11hの頭部によって閉ざされている。
更に、本実施例3では、空気や燃料ガスの流路として用いられるボルト11a、11b、11d、11f、11hとは異なる別のボルト11及びその貫通孔9(図示しないが例えばボルト11g及び貫通孔9g)が、排ガス燃焼器113から排出される燃焼後の排ガスの流路(図示せず)として用いられ、排ガスが排出されるように構成されている。
Further, unlike the first embodiment, the through-hole 9h through which the air discharging bolt 11h is inserted is closed by the head of the bolt 11h without opening downward.
Furthermore, in the third embodiment, another bolt 11 and its through hole 9 (not shown, for example, the bolt 11g and the through hole, which are different from the bolts 11a, 11b, 11d, 11f, and 11h used as air and fuel gas flow paths, are used. 9g) is used as a flow path (not shown) of the exhaust gas after combustion exhausted from the exhaust gas combustor 113, and exhaust gas is configured to be exhausted.

なお、図12では、前記図2と同様に、燃料電池スタック1の外部から導入される空気の流路(破線部分)と外部に排出される空気の流路(実線部分)とを重ねて表示している。   In FIG. 12, similarly to FIG. 2, the flow path of air introduced from the outside of the fuel cell stack 1 (broken line portion) and the flow path of air discharged to the outside (solid line portion) are displayed in an overlapping manner. doing.

b)次に、本実施例3における空気の流路について説明する。
前記図12に示すように、本実施例3の燃料電池スタック111では、空気は、燃料電池スタック111の外部から、ボルト11aの内部流路14を介して貫通孔9aに導入され、その後、熱交換部10に導入される。
b) Next, the air flow path in the third embodiment will be described.
As shown in FIG. 12, in the fuel cell stack 111 of the third embodiment, air is introduced from the outside of the fuel cell stack 111 into the through hole 9a through the internal flow path 14 of the bolt 11a, and then the heat It is introduced into the exchange unit 10.

そして、熱交換部10にて加熱された空気は、貫通孔9dに導入された後に、各発電単位7の空気流路19に分配して供給されるとともに、第1ガス溜め室20に供給される。
そして、各空気流路19内にて発電に使用された残余の空気は、各空気流路19から貫通孔9hに導入された後に、排ガス燃焼器113に導入される。
The air heated by the heat exchange unit 10 is introduced into the through-hole 9d and then distributed and supplied to the air flow path 19 of each power generation unit 7 and also supplied to the first gas reservoir chamber 20. The
The remaining air used for power generation in each air channel 19 is introduced into the through-hole 9 h from each air channel 19 and then introduced into the exhaust gas combustor 113.

一方、燃料ガスについては、図示しないが、燃料電池スタック111の外部から、ボルト11fの内部流路14を介して、燃料電池スタック111の貫通孔9fに導入され、その後、各発電単位7の燃料流路21に分配して供給される。   On the other hand, although not shown, the fuel gas is introduced from the outside of the fuel cell stack 111 into the through hole 9f of the fuel cell stack 111 through the internal flow path 14 of the bolt 11f. It is distributed and supplied to the flow path 21.

次に、各燃料流路21内にて発電に使用された残余の燃料ガスは、各燃料流路21から貫通孔9bに導入され、その後、排ガス燃焼器113に導入される。
そして、排ガス燃焼器113内に導入された空気と燃料ガスとが燃焼することにより、燃料電池スタック111が加熱される。そして、燃焼後の排ガスは燃料電池スタック111外に排出される。
Next, the remaining fuel gas used for power generation in each fuel flow path 21 is introduced from each fuel flow path 21 into the through hole 9 b and then introduced into the exhaust gas combustor 113.
The fuel cell stack 111 is heated by the combustion of the air and the fuel gas introduced into the exhaust gas combustor 113. Then, the exhaust gas after combustion is discharged out of the fuel cell stack 111.

本実施例3においても、第1ガス溜め室20が配置された側では、前記実施例1と同様な効果を奏する。また、燃料電池スタック111の下端側が冷えやすい構造の場合には、排ガス燃焼器113によって、下端側を好適に加熱することができる。   Also in the third embodiment, the same effect as that of the first embodiment is obtained on the side where the first gas reservoir chamber 20 is disposed. Further, when the lower end side of the fuel cell stack 111 is easily cooled, the lower end side can be suitably heated by the exhaust gas combustor 113.

なお、本実施例3において、前記実施例2と同様に、空気を第1ガス溜め室20に溜めるのではなく、燃料ガスを溜めるような構成としてもよい。   In the third embodiment, as in the second embodiment, the fuel gas may be stored instead of storing the air in the first gas reservoir chamber 20.

次に、実施例4について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例1と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
図13に示すように、本実施例4の燃料電池スタック121は、前記積層方向の一方(図13の上方)にのみ、空気を溜める第1ガス溜め室20を備えたものである。以下、詳細に説明する。
Next, the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to Example 1. FIG.
As shown in FIG. 13, the fuel cell stack 121 of the fourth embodiment includes a first gas reservoir chamber 20 that stores air only in one of the stacking directions (upward in FIG. 13). Details will be described below.

本実施例4の燃料電池スタック121では、空気は、燃料電池スタック121の外部から、ボルト11hの内部流路14を介して貫通孔9hに導入され、その後、発電単位7の間に配置された熱交換部10に導入される。   In the fuel cell stack 121 of the fourth embodiment, air is introduced from the outside of the fuel cell stack 121 into the through hole 9h via the internal flow path 14 of the bolt 11h, and then disposed between the power generation units 7. It is introduced into the heat exchange unit 10.

次に、熱交換部10にて加熱された空気は、貫通孔9dに導入された後に、各発電単位7の空気流路19と第1ガス溜め室20に分配して供給される。
そして、各空気流路19内にて発電に使用された残余の空気は、各空気流路19から貫通孔9hに導入された後に、燃料電池スタック131外に排出される。
Next, the air heated in the heat exchange unit 10 is introduced into the through hole 9d, and then distributed and supplied to the air flow path 19 and the first gas reservoir chamber 20 of each power generation unit 7.
The remaining air used for power generation in each air channel 19 is introduced into the through hole 9h from each air channel 19 and then discharged out of the fuel cell stack 131.

また、燃料ガスについては、前記実施例1と同様であるので、その説明は省略する。
なお、図13では、前記図2と同様に、燃料電池スタック1の外部から導入される空気の流路(破線部分)と外部に排出される空気の流路(実線部分)とを重ねて表示している。
Further, since the fuel gas is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
In FIG. 13, similarly to FIG. 2, the air flow path (broken line portion) introduced from the outside of the fuel cell stack 1 and the air flow path discharged outside (solid line portion) are displayed in an overlapping manner. doing.

本実施例4においても、第1ガス溜め室20が配置された側では、前記実施例1と同様な効果を奏する。
なお、本実施例4において、前記実施例2と同様に、燃料ガスを第1ガス溜め室20に溜めるような構成としてもよい。
Also in the fourth embodiment, the same effects as those of the first embodiment are obtained on the side where the first gas reservoir chamber 20 is disposed.
In the fourth embodiment, the fuel gas may be stored in the first gas reservoir chamber 20 as in the second embodiment.

次に、実施例5について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例1と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
図14に示すように、本実施例5の燃料電池スタック131は、前記積層方向の一方の第1ガス溜め室133に空気を溜めるとともに、他方の第2ガス溜め室135に燃料ガスを溜めるものである。以下、詳細に説明する。
Next, although Example 5 is demonstrated, description of the content similar to the said Example 1 is abbreviate | omitted.
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to Example 1. FIG.
As shown in FIG. 14, the fuel cell stack 131 of the fifth embodiment stores air in one of the first gas reservoir chambers 133 in the stacking direction and stores fuel gas in the other second gas reservoir chamber 135. It is. Details will be described below.

a)まず、燃料電池スタック131の構成について説明する。
本実施例5の燃料電池スタック131では、前記実施例1における空気の流路の構成と前記実施例2における燃料ガスの流路の構成とが組み合わせられている。
a) First, the configuration of the fuel cell stack 131 will be described.
In the fuel cell stack 131 of the fifth embodiment, the configuration of the air flow path in the first embodiment and the configuration of the fuel gas flow path in the second embodiment are combined.

具体的には、図14に示すように、燃料電池スタック131の複数の発電単位7に挟まれるように、空気の熱交換を行う第1熱交換部137と燃料ガスの熱交換を行う第2熱交換部139とが配置されている。   Specifically, as shown in FIG. 14, the first heat exchange unit 137 that performs heat exchange of air and the second that performs heat exchange of fuel gas so as to be sandwiched between the plurality of power generation units 7 of the fuel cell stack 131. A heat exchanging part 139 is arranged.

つまり、図14の上部の複数の発電単位7と中央の複数の発電単位7との間に第1熱交換部137が配置され、下部の複数の発電単位7と中央の複数の発電単位7との間に第2熱交換部139が配置されている。   That is, the first heat exchange unit 137 is disposed between the plurality of power generation units 7 in the upper part and the plurality of power generation units 7 in the center of FIG. 14, and the plurality of power generation units 7 in the lower part and the plurality of power generation units 7 in the center The 2nd heat exchange part 139 is arrange | positioned between these.

そして、上端の発電単位7の上部に、空気を溜める第1ガス溜め室133が設けられ、下端の発電単位7の下部に、燃料ガスを溜める第2ガス溜め室135が設けられている。
b)次に、燃料電池スタック131における空気及び燃料ガスの流路について説明する。
A first gas reservoir chamber 133 that stores air is provided above the power generation unit 7 at the upper end, and a second gas reservoir chamber 135 that stores fuel gas is provided below the power generation unit 7 at the lower end.
b) Next, air and fuel gas flow paths in the fuel cell stack 131 will be described.

<空気の流路>
図14(a)及び図15(a)に示すように、本実施例5の燃料電池スタック131では、空気は、燃料電池スタック131の外部から、ボルト11aの内部流路14を介して貫通孔9aに導入され、その後、第1熱交換部137に導入される。
<Air flow path>
As shown in FIGS. 14 (a) and 15 (a), in the fuel cell stack 131 of the fifth embodiment, air passes from the outside of the fuel cell stack 131 through the internal flow path 14 of the bolt 11a. 9a, and then introduced into the first heat exchange unit 137.

次に、第1熱交換部137にて加熱された空気は、貫通孔9dに導入された後に、各発電単位7の空気流路19(図3参照)と第1ガス溜め室133に分配して供給される。
そして、各空気流路19内にて発電に使用された残余の空気は、各空気流路19から貫通孔9hを介して、外部に排出される。
Next, the air heated in the first heat exchange unit 137 is introduced into the through hole 9d and then distributed to the air flow path 19 (see FIG. 3) of each power generation unit 7 and the first gas reservoir chamber 133. Supplied.
The remaining air used for power generation in each air channel 19 is discharged from each air channel 19 to the outside through the through hole 9h.

<燃料ガスの流路>
図14(b)及び図15(b)に示すように、本実施例5の燃料電池スタック131では、燃料ガスは、燃料電池スタック131の外部から、ボルト11cの内部流路14を介して貫通孔9cに導入され、その後、第2熱交換部139に導入される。
<Flow path of fuel gas>
As shown in FIGS. 14B and 15B, in the fuel cell stack 131 of the fifth embodiment, the fuel gas penetrates from the outside of the fuel cell stack 131 through the internal flow path 14 of the bolt 11c. It introduce | transduces into the hole 9c, and is introduce | transduced into the 2nd heat exchange part 139 after that.

次に、第2熱交換部139にて加熱された燃料ガスは、貫通孔9fに導入された後に、各発電単位7の燃料流路21(図3参照)と第2ガス溜め室135に分配して供給される。   Next, the fuel gas heated in the second heat exchange section 139 is introduced into the through hole 9f, and then distributed to the fuel flow path 21 (see FIG. 3) of each power generation unit 7 and the second gas reservoir chamber 135. Supplied.

そして、各燃料流路21内にて発電に使用された残余の燃料ガスは、各燃料流路21から貫通孔9bを介して、外部に排出される。
本実施例5においても、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、設計の自由度が高いという利点がある。
And the remaining fuel gas used for electric power generation in each fuel flow path 21 is discharged | emitted outside from each fuel flow path 21 through the through-hole 9b.
The fifth embodiment also has the advantages of having the same effects as the first embodiment and having a high degree of design freedom.

次に、実施例6について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例1と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
図16に示すように、本実施例6の燃料電池スタック141は、空気の流路についてシリアルフロー構造を有しており、最初の発電後の空気を第1ガス溜め室20及び第2ガス溜め室30に導入するものである。
Next, the sixth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to Example 1. FIG.
As shown in FIG. 16, the fuel cell stack 141 of the sixth embodiment has a serial flow structure with respect to the air flow path, and the air after the first power generation is supplied to the first gas reservoir 20 and the second gas reservoir. It is introduced into the chamber 30.

a)まず、本実施例6の燃料電池スタック141の構造について説明する。
図16(a)に示すように、本実施例6の燃料電池スタック141では、複数(例えば4段)の発電単位7からなる上スタック本体2aと、複数(例えば4段)の発電単位7からなる下スタック本体2bとの間に、実施例1と同様に、熱交換部10を備えている。
a) First, the structure of the fuel cell stack 141 of the sixth embodiment will be described.
As shown in FIG. 16 (a), in the fuel cell stack 141 of the sixth embodiment, the upper stack body 2a composed of a plurality (for example, four stages) of power generation units 7 and the plurality (for example, four stages) of power generation units 7 are used. As in the first embodiment, the heat exchange unit 10 is provided between the lower stack body 2b.

ここでは、上スタック本体2aが、空気のシリアルフローの上流側であり、下スタック本体2bが、空気のシリアルフローの下流側である。
また、実施例1と同様に、上スタック本体2aの上部に第1ガス溜め室20を備えるとともに、下スタック本体2bの下部に第2ガス溜め室30を備えている。
Here, the upper stack body 2a is on the upstream side of the air serial flow, and the lower stack body 2b is on the downstream side of the air serial flow.
Similarly to the first embodiment, the first gas reservoir chamber 20 is provided in the upper part of the upper stack body 2a, and the second gas reservoir chamber 30 is provided in the lower part of the lower stack body 2b.

b)次に、燃料電池スタック141における空気の流路について説明する。
図16に示すように、燃料電池スタック141の外部から、ボルト11aの内部流路14を介して貫通孔9aに導入された空気は、熱交換部10に供給される。
b) Next, air flow paths in the fuel cell stack 141 will be described.
As shown in FIG. 16, the air introduced from the outside of the fuel cell stack 141 into the through hole 9 a through the internal flow path 14 of the bolt 11 a is supplied to the heat exchange unit 10.

そして、熱交換部10で加熱された空気は、貫通孔9dを介して、上スタック本体2aの各発電単位7の各空気流路19(図3参照)と第1ガス溜め室20と第2ガス溜め室30とに供給される。   And the air heated by the heat exchange part 10 is each through the through-hole 9d, each air flow path 19 (refer FIG. 3) of each power generation unit 7 of the upper stack main body 2a, the 1st gas reservoir chamber 20, and 2nd. It is supplied to the gas reservoir chamber 30.

次に、各空気流路19内にて最初の発電に使用された残余の空気は、貫通孔9hに導入され、貫通孔9hから、下スタック本体2bの各発電単位7に供給される。
そして、各空気流路19内にて2回目の発電に使用された残余の空気は、貫通孔9eを介して外部に排出される。
Next, the remaining air used for the first power generation in each air flow path 19 is introduced into the through hole 9h and supplied to each power generation unit 7 of the lower stack body 2b from the through hole 9h.
The remaining air used for the second power generation in each air channel 19 is discharged to the outside through the through hole 9e.

なお、図16では、空気の流れの順番を、O1→O2→O3で示している。
なお、燃料ガスの流路は、実施例1と同様であるので、その説明は省略する。
本実施例6は、空気の流路がシリアルフローであり、燃料電池スタック141の積層方向の両側に、熱交換部10で熱交換により加熱された後に空気を溜める両ガス溜め室20、30を備えているので、前記実施例1と同様な効果を奏する。
In FIG. 16, the order of air flow is indicated by O 1 → O 2 → O 3.
In addition, since the flow path of the fuel gas is the same as that in the first embodiment, the description thereof is omitted.
In the sixth embodiment, the air flow path is a serial flow, and both gas reservoir chambers 20 and 30 for storing air after being heated by heat exchange in the heat exchange section 10 are provided on both sides in the stacking direction of the fuel cell stack 141. Since this is provided, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.

なお、本実施例6では、両ガス溜め室20、30に発電後の空気を溜めるようにしたが、前記実施例2のように、燃料ガスをためるようにしてもよい。また、第1ガス溜め室20に空気を溜め、第2ガス溜め室30に燃料ガスを溜めるようにしてもよい(或いは、溜めるガスの種類を上下逆にしてもよい)。   In the sixth embodiment, the air after power generation is stored in the gas storage chambers 20 and 30, but fuel gas may be stored as in the second embodiment. Alternatively, air may be stored in the first gas reservoir chamber 20 and fuel gas may be stored in the second gas reservoir chamber 30 (or the type of gas stored may be reversed upside down).

また、空気の流路のみをシリアルフローとする以外に、空気及び燃料ガスの流路をシリアルフローにしたり、燃料ガスの流路のみをシリアルフローとしてもよい。   In addition to using only the air flow path as a serial flow, the air and fuel gas flow paths may be set as a serial flow, or only the fuel gas flow path may be set as a serial flow.

次に、実施例7について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例1と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
図17に示すように、本実施例7の燃料電池スタック161では、複数の発電単位7は、前記実施例1と同様に、空気極層25と固体電解質層23と燃料極層27とからなる単セル17と、単セル17に接合された四角枠状の金属製のセパレータ35とを備えている。
Next, although Example 7 is demonstrated, description of the content similar to the said Example 1 is abbreviate | omitted.
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to Example 1. FIG.
As shown in FIG. 17, in the fuel cell stack 161 of the seventh embodiment, the plurality of power generation units 7 are composed of the air electrode layer 25, the solid electrolyte layer 23, and the fuel electrode layer 27, as in the first embodiment. A single cell 17 and a square frame metal separator 35 bonded to the single cell 17 are provided.

また、空気極層25の(同図の)上方には、板状の金属製のインターコネクタ163が配置されており、その下方より突出する凸部165と空気極層25とが接触している。
このインターコネクタ163は、その周囲が金属製の四角枠状の(インターコネクタ163より板厚が小さな)集電セパレータ167に接合されており、集電セパレータ167及びインターコネクタ163によって、インターコネクタ163の上下の流路(従って発電単位7間)が分離されている。
Further, a plate-shaped metal interconnector 163 is disposed above the air electrode layer 25 (in the figure), and the convex portion 165 protruding from the lower side is in contact with the air electrode layer 25. .
The interconnector 163 is joined to a current collecting separator 167 having a metal square frame shape (thickness is smaller than that of the interconnector 163). The current collector separator 167 and the interconnector 163 are used to connect the interconnector 163 to the interconnector 163. The upper and lower flow paths (and therefore between the power generation units 7) are separated.

更に、燃料極層27の(同図の)下方には、前記実施例1の燃料極側集電体45と同様な構造の(絶縁板と金属板からなる)燃料極側集電体169が配置されている。
また、(空気流路19に対応する)集電セパレータ167とセパレータ35との間には、四角枠状の絶縁板からなるフレーム171が配置され、(燃料流路21に対応する)セパレータ35と集電セパレータ167との間には、四角枠状の金属からなるフレーム173が配置されている。
Further, below the fuel electrode layer 27 (in the figure), there is a fuel electrode side current collector 169 having a structure similar to that of the fuel electrode side current collector 45 of the first embodiment (consisting of an insulating plate and a metal plate). Has been placed.
In addition, a frame 171 made of a rectangular frame-like insulating plate is disposed between the current collector separator 167 (corresponding to the air flow path 19) and the separator 35, and the separator 35 (corresponding to the fuel flow path 21) Between the current collector separators 167, a frame 173 made of metal having a square frame shape is disposed.

本実施例7では、実施例1と同様に、同図の上下に配置された発電単位7の間に熱交換部10が配置されている。この熱交換部10は、同図の上下に配置された一対の金属板からなるプレート181、183と、両プレート181、183の間に配置された四角枠状の金属製のスペーサ185とから構成されている。なお、図示しないが、このスペーサ185には、実施例1と同様に、空気の導入又は排出を行う開口部が設けられている。   In the seventh embodiment, as in the first embodiment, the heat exchange unit 10 is arranged between the power generation units 7 arranged at the top and bottom of the drawing. The heat exchanging unit 10 is composed of a pair of metal plates 181 and 183 arranged at the top and bottom of the figure, and a square frame-shaped metal spacer 185 arranged between the plates 181 and 183. Has been. Although not shown, the spacer 185 is provided with an opening for introducing or discharging air, as in the first embodiment.

また、同図の最上段の発電単位7とエンドプレート3との間に、(フレーム173と同様な)四角枠状の金属製のスペーサ191を配置することにより、熱交換部10で加熱された空気を溜める第1ガス溜め室193が設けられている。なお、図示しないが、スペーサ174には、第1ガス溜め室193と熱交換後の空気排出用の貫通孔9とを連通する開口部が設けられている。   In addition, a rectangular frame-shaped metal spacer 191 (similar to the frame 173) is arranged between the uppermost power generation unit 7 and the end plate 3 in FIG. A first gas reservoir chamber 193 for storing air is provided. Although not shown, the spacer 174 is provided with an opening that communicates the first gas reservoir chamber 193 with the air discharge through hole 9 after heat exchange.

この第1ガス溜め室193内には、エンドプレート3と(集電セパレータ167が接合された)インターコネクタ163とが接触して導通するように、前記燃料極側集電体169が配置されている。   In the first gas reservoir chamber 193, the fuel electrode side current collector 169 is arranged so that the end plate 3 and the interconnector 163 (to which the current collector separator 167 is joined) are in contact with each other and are conducted. Yes.

同様に、同図の最下段の発電単位7とエンドプレート5との間に、(フレーム171と同様な)四角枠状の絶縁板からなるスペーサ195を配置することにより、熱交換部10によって加熱された空気を溜める第2ガス溜め室197が設けられている。なお、図示しないが、スペーサ195には、第2ガス溜め室177と熱交換後の空気排出用の貫通孔9とを連通する開口部が設けられている。   Similarly, a spacer 195 made of a rectangular frame-like insulating plate (similar to the frame 171) is disposed between the lowermost power generation unit 7 and the end plate 5 in FIG. A second gas reservoir chamber 197 for storing the generated air is provided. Although not shown, the spacer 195 is provided with an opening that communicates the second gas reservoir chamber 177 and the air discharge through hole 9 after heat exchange.

この第2ガス溜め室197内には、エンドプレート5と燃料極側集電体169とが接触して導通するように、前記(集電セパレータ167が接合された)インターコネクタ163が配置されている。   In the second gas reservoir chamber 197, the interconnector 163 (with the current collector separator 167 joined) is disposed so that the end plate 5 and the fuel electrode side current collector 169 are brought into contact with each other to be conducted. Yes.

本実施例7においても、前記実施例1と同様に、第1、第2ガス溜め室193、197に、熱交換部10で加熱された空気が導入されるので、前記実施例1と同様な効果を奏する。   Also in the seventh embodiment, as in the first embodiment, since the air heated by the heat exchange unit 10 is introduced into the first and second gas reservoir chambers 193 and 197, the same as in the first embodiment. There is an effect.

さらに、本実施例8では、インターコネクタ163は、板厚が小さな(薄い)集電セパレータ167に接合されているため、発電単位7の側面方向への放熱が低減される。すなわち、積層方向だけでなく、側面方向に熱が放出されにくくなるため、発電単位7内の温度を、より均一に保つことができる。   Furthermore, in the eighth embodiment, since the interconnector 163 is joined to the current collector separator 167 having a small plate thickness (thin), heat radiation in the side surface direction of the power generation unit 7 is reduced. That is, since heat is not easily released not only in the stacking direction but also in the side surface direction, the temperature in the power generation unit 7 can be kept more uniform.

なお、前記実施例2と同様に、第1、第2ガス溜め室193、197に、熱交換部10で加熱された燃料ガスを導入してもよい。
また、前記実施例5と同様に、第1ガス溜め室193に空気を導入するとともに、第2ガス溜め室197に燃料ガスを導入してもよい。或いは、その逆に、第1ガス溜め室193に燃料ガスを導入するとともに、第2ガス溜め室197に空気を導入してもよい。
As in the second embodiment, the fuel gas heated by the heat exchange unit 10 may be introduced into the first and second gas reservoir chambers 193 and 197.
Further, as in the fifth embodiment, air may be introduced into the first gas reservoir chamber 193 and fuel gas may be introduced into the second gas reservoir chamber 197. Alternatively, conversely, fuel gas may be introduced into the first gas reservoir chamber 193 and air may be introduced into the second gas reservoir chamber 197.

なお、図17では、各ガスの供給経路である貫通孔から各空気流路19や各燃料流路21にガスを供給する連通路である連通部、各空気流路19や各燃料流路21から各ガスの排出経路である貫通孔にガスを排出する連通部、各ガスの排出経路から第1、第2ガス溜め室193、197にガスを供給する開口部は省略してあるが、前記実施例1〜3等と同様に、各ガスの流通が可能なように、適宜(各ガスの供給側の貫通孔に開口する)開口部を設ければよい。   In FIG. 17, a communication part that is a communication path that supplies gas to each air flow path 19 and each fuel flow path 21 from each through hole that is a supply path for each gas, each air flow path 19 and each fuel flow path 21. The communication part for discharging the gas from the gas to the through hole which is the discharge path of each gas, and the opening for supplying the gas from the discharge path of each gas to the first and second gas reservoir chambers 193 and 197 are omitted. Similarly to Examples 1 to 3 and the like, an opening may be provided as appropriate (opening to the through hole on the gas supply side) so that each gas can flow.

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
(1)例えば、本発明は、例えば、ZrO系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)、Li−Na/K系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池(PAFC)などの燃料電池の燃料電池スタックに適用できる。
As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, A various aspect can be taken.
(1) For example, in the present invention, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) using a ZrO 2 ceramic as an electrolyte, a molten carbonate fuel cell (MCFC) using a Li-Na / K carbonate as an electrolyte, for example. ) And a fuel cell stack of a fuel cell such as a phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte.

(2)また、単セルで発電された電気は、例えば集電体及びインターコネクタを介して外部に取り出すことができるが、この場合、インターコネクタと集電体とは、別部材で構成しても、一体の部材として構成してもよい。   (2) In addition, the electricity generated by the single cell can be taken out through, for example, a current collector and an interconnector. In this case, the interconnector and the current collector are configured as separate members. Alternatively, it may be configured as an integral member.

(3)更に、ガス溜め室の(ガス供給側に開口する)開口部は、ガスを溜めるためには1個が望ましいが、複数個設けてもよい。   (3) Further, although one opening portion (opening to the gas supply side) of the gas reservoir chamber is desirable for storing gas, a plurality of openings may be provided.

1、101、111、121、131、141、161…燃料電池スタック(固体酸化物形燃料電池スタック)
3、5…エンドプレート
7…発電単位
9、9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h…貫通孔
10、103…熱交換部
17…単セル
19…空気流路
20、105、133、193…第1ガス溜め室
21…燃料流路
23…固体電解質層
25…空気極層
27…燃料極層
30、107、135、197…第2ガス溜め室
31、41、163…インターコネクタ
53a、63a、109、111…開口部
137…第1熱交換部
139…第2熱交換部
1, 101, 111, 121, 131, 141, 161 ... Fuel cell stack (solid oxide fuel cell stack)
3, 5 ... End plate 7 ... Power generation unit 9, 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g, 9h ... Through hole 10, 103 ... Heat exchange part 17 ... Single cell 19 ... Air flow path 20, 105, 133, 193 ... first gas reservoir chamber 21 ... fuel flow path 23 ... solid electrolyte layer 25 ... air electrode layer 27 ... fuel electrode layer 30, 107, 135, 197 ... second gas reservoir chamber 31, 41, 163 ... interconnector 53a, 63a, 109, 111 ... opening 137 ... first heat exchange part 139 ... second heat exchange part

Claims (7)

電解質層と、該電解質層を間に挟むように配置された空気極及び燃料極とを有し、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いて発電する平板状の単セルが、該単セルの厚み方向に沿って複数個積層された燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタックの積層方向における少なくとも一方の端部に、前記燃料電池スタックの内部で熱交換された前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスのうち少なくとも一方のガスを溜めるガス溜め室を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
A flat single cell having an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode arranged so as to sandwich the electrolyte layer and generating power using an oxidant gas and a fuel gas is formed in the thickness direction of the single cell. A plurality of fuel cell stacks stacked along
A gas reservoir chamber for storing at least one of the oxidant gas and the fuel gas heat-exchanged inside the fuel cell stack at at least one end in the stacking direction of the fuel cell stack; A fuel cell stack.
前記燃料電池スタックの積層方向における両方の端部に、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスのうち少なくとも一方のガスを溜める前記ガス溜め室を備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。   2. The fuel cell according to claim 1, further comprising: the gas reservoir chamber that stores at least one of the oxidant gas and the fuel gas at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack. stack. 前記燃料電池スタックの積層方向における両方の端部の前記ガス溜め室のうち、一方のガス溜め室に前記酸化剤ガスを溜め、他方のガス溜め室に前記燃料ガスを溜める構成を有することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池スタック。   Of the gas reservoir chambers at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack, the oxidant gas is stored in one gas reservoir chamber, and the fuel gas is stored in the other gas reservoir chamber. The fuel cell stack according to claim 2. 前記ガス溜め室は、一部に開口部を有する周囲が閉ざされた空間であるとともに、前記開口部は、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスのうち少なくとも一方のガスが供給されるガス供給路にのみ開口するように形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。   The gas reservoir chamber is a space that is partially closed and has an opening, and the opening is a gas supply path to which at least one of the oxidant gas and the fuel gas is supplied. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the fuel cell stack is formed so as to open only. 前記ガス溜め室は、一部に開口部を有する周囲が閉ざされた空間であるとともに、前記開口部は、前記ガスが供給されるガス供給路に1箇所開口するように形成されている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スタック。   The gas reservoir chamber is a space that is partially closed and has an opening, and the opening is formed so as to open at one place in a gas supply path to which the gas is supplied. The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4, wherein 前記燃料電池スタックの積層方向における少なくとも一方の端部に、板状の部材であるエンドプレートを備えるとともに、
前記ガス溜め室は、前記エンドプレートと、前記燃料電池スタックの積層方向における少なくとも一方の最も端部側に配置された前記単セルと、の間に設けられたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。
At least one end in the stacking direction of the fuel cell stack is provided with an end plate that is a plate-like member,
The gas reservoir chamber is provided between the end plate and at least one of the single cells arranged on the most end side in the stacking direction of the fuel cell stack. The fuel cell stack according to any one of 5.
前記燃料電池スタックの内部で熱交換を行う熱交換部は、前記単セル間に配置された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スタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6, wherein a heat exchanging portion that performs heat exchange inside the fuel cell stack is disposed between the single cells.
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