JP2018129127A

JP2018129127A - 燃料電池セルスタック

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Publication number: JP2018129127A
Application number: JP2017019747A
Authority: JP
Inventors: 杉原　真一; Shinichi Sugihara; 真一杉原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-02-06
Filing date: 2017-02-06
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2037-02-06
Also published as: JP6801482B2

Abstract

【課題】燃料ガス流路の長さを個別に調整することなく、各燃料ガス流路への燃料ガスの分配バラつきを抑制可能な燃料電池セルスタックを提供する。【解決手段】燃料電池セルスタック１は、積層により互いに電気的に接続された複数の単セル２と、各単セル２に燃料ガスＦを供給する複数の燃料ガス流路３と、各燃料ガス流路３に供給する燃料ガスＦが流れる燃料ガス供給マニホルド４と、各燃料ガス流路３から排出される燃料ガスＦが流れる燃料ガス排出マニホルド５と、燃料ガス供給マニホルド４内、燃料ガス流路３の入口端部、燃料ガス排出マニホルド５内、および、燃料ガス流路３の出口端部からなる群より選択される少なくとも１つに設けられ、燃料ガスＦに含まれる成分による吸熱反応または発熱反応を促す触媒６と、を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルスタックに関する。

従来、例えば、特許文献１に記載されるように、固体電解質の一方側に燃料側電極、他方側に酸素側電極が形成された単セルを複数積層してなり、複数の単セルが電気的に接続されたセルスタックと、複数の単セルにガス流路を介してガスを供給するマニホルドと、マニホルドの一端部に設けられたガス供給管とを備える燃料電池が知られている。この燃料電池では、ガス供給管によりマニホルドに供給されたガスが、マニホルドに連通するガス流路を介して単セルにそれぞれ供給される。また、この燃料電池では、セルスタックの単セル積層方向中央部におけるガス流路の長さが、セルスタックのガス供給管側におけるガス流路の長さよりも短くされている。

特開２０１２−２３８６２２号公報

従来技術には、次の課題がある。複数の単セルを同時に作動させる燃料電池セルスタックでは、各単セルに燃料ガスを出来る限り均等に分配する必要がある。しかしながら、燃料ガス供給マニホルド内に温度分布ができることにより、燃料ガスの粘性バラつきが生じ、これによって各燃料ガス流路への燃料ガスの分配バラつきが生じる。

上述した従来の燃料電池セルスタックでは、異なるガス流れ抵抗を有する単セルを選択配置することによって、各単セルにおけるガス流れ抵抗を個別に調整する構成を採用している。ところが、当該構成によると、ガス流路長さの異なる単セルを複数作り分ける必要が生じる。また、スタック製造時には、単セルを選択して組み付ける必要が生じる。そのため、上記構成は、製造コストの増加を招き、現実的ではない。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、燃料ガス流路の長さを個別に調整することなく、各燃料ガス流路への燃料ガスの分配バラつきを抑制可能な燃料電池セルスタックを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、積層により互いに電気的に接続された複数の単セル（２）と、
各上記単セルに燃料ガス（Ｆ）を供給する複数の燃料ガス流路（３）と、
各上記燃料ガス流路に供給する上記燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホルド（４）と、
各上記燃料ガス流路から排出される上記燃料ガスが流れる燃料ガス排出マニホルド（５）と、
上記燃料ガス供給マニホルド内、上記燃料ガス流路の入口端部、上記燃料ガス排出マニホルド内、および、上記燃料ガス流路の出口端部からなる群より選択される少なくとも１つに設けられ、上記燃料ガスに含まれる成分による吸熱反応または発熱反応を促す触媒（６）と、を有する、燃料電池セルスタック（１）にある。

上記燃料電池セルスタックは、上記構成を有している。そのため、上記燃料電池セルスタックでは、燃料ガス供給マニホルド内、燃料ガス流路の入口端部、燃料ガス排出マニホルド内、および、燃料ガス流路の出口端部からなる群より選択される少なくとも１つに設けられた触媒の触媒作用により、触媒の設置位置で、燃料ガスに含まれる成分による吸熱反応または発熱反応が生じる。そのため、上記燃料電池セルスタックでは、燃料ガス供給マニホルドにおけるセル積層方向の温度分布を小さくすることが可能となる。なお、燃料ガス供給マニホルド内、および、燃料ガス流路の入口端部の少なくとも１つにだけ触媒が設けられている場合はもちろんのこと、燃料ガス排出マニホルド内、および、燃料ガス流路の出口端部の少なくとも１つにだけ触媒が設けられている場合であっても、燃料ガス排出マニホルド側の吸熱反応または発熱反応による影響が燃料ガス供給側にも及ぶため、燃料ガス供給マニホルドにおけるセル積層方向の温度分布を小さくすることができる。

よって、上記燃料電池セルスタックによれば、燃料ガス供給マニホルドの温度調節機能により、燃料ガス供給マニホルド内の温度分布による燃料ガスの粘性バラつきが少なくなり、燃料ガス流路の長さを個別に調整することなく、各燃料ガス流路への燃料ガスの分配バラつきを抑制することが可能となる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１の燃料電池セルスタックのセル積層方向に沿った模式的な断面図である。実施形態１の燃料電池セルスタックにおける触媒分布を模式的に説明するための説明図である。実施形態２の燃料電池セルスタックのセル積層方向に沿った模式的な断面図である。実施形態３の燃料電池セルスタックのセル積層方向に沿った模式的な断面図である。実施形態４の燃料電池セルスタックのセル積層方向に沿った模式的な断面図である。実施形態５の燃料電池セルスタックのセル積層方向に沿った模式的な断面図である。実施形態５の燃料電池セルスタックにおける触媒分布を模式的に説明するための説明図である。実験例における燃料ガス供給マニホルドにおけるマニホルド内壁面の温度分布の数値解析結果を比較とともに示したグラフである。

（実施形態１）
実施形態１の燃料電池セルスタックについて、図１および図２を用いて説明する。図１および図２に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック１は、複数の単セル２と、複数の燃料ガス流路３と、燃料ガス供給マニホルド４と、燃料ガス排出マニホルド５と、触媒６と、を有している。以下、詳説する。

単セル２は、固体電解質層を有する固体電解質型の燃料電池である。固体電解質層を構成する固体電解質には、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックス等を用いることができる。なお、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と称される。

単セル２は、具体的には、アノードと固体電解質層とカソードとを備えている。単セル２は、他にも、例えば、固体電解質層とカソードとの間に中間層をさらに備えることもできる。図１では、単セル２の詳細な構成は省略されている。また、本実施形態では、図１における単セル２の下面側にアノードが配置されており、単セル２の上面側にカソードが配置されている。また、単セル２は、平板形である。また、単セル２の各部の材料や構成等については、公知のものを適用することができる。なお、これらの点については、後述する他の実施形態についても同様である。

燃料電池セルスタック１において、複数の単セル２は、積層により互いに電気的に接続されている。本実施形態では、燃料電池セルスタック１は、セパレータ７を有している。セパレータ７は、隣り合う単セル２に供給される燃料ガスＦと酸化剤ガスＡとを隔てるとともに、単セル２同士を電気的に接続するものである。また、燃料電池セルスタック１は、単セル２を支持するフレーム８を有している。フレーム８は、単セル２の外周縁を支持している。なお、燃料電池セルスタック１は、他にも、フレーム８に支持された単セル２を固定するリテーナ（不図示）を有することもできる。セパレータ７、フレーム８、および、リテーナは、例えば、ステンレス鋼、耐熱クロム合金などの金属（金属には合金を含む、以下省略）より構成することができる。また、セパレータ７の一方面と単セル２のアノード側のセル面との間（燃料ガス流路３）には、アノード側の集電性を向上させるために集電体９１が設けられている。セパレータ７の他方面と単セル２のカソード側のセル面との間（後述の酸化剤ガス流路９３）には、カソード側の集電性を向上させるために集電体９２が設けられている。集電体９１、９２は、例えば、ステンレス鋼、耐熱クロム合金などの金属より構成することができる。

本実施形態では、セパレータ７を介して複数の単セル２が積層されている。具体的には、燃料電池セルスタック１は、フレーム８に支持された単セル２と、セパレータ７とが交互に積層された積層構造を有している。本実施形態では、上記積層構造を有することで、複数の単セル２同士が互いに電気的に接続されている。つまり、セパレータ７を挟んで互いに隣り合う単セル２同士は、一方の単セル２のカソードと他方の単セル２のアノードとが電気的に接続されている。

燃料ガス流路３は、単セル２に燃料ガスＦを供給するための流路である。本実施形態では、各燃料ガス流路３は、それぞれセパレータ７とフレーム８との間に形成された隙間より形成されている。なお、符号９３は、酸化剤ガス流路である。酸化剤ガス流路９３は、単セル２に酸化剤ガスＡを供給するための流路である。各酸化剤ガス流路９３は、それぞれフレーム８とセパレータ７との間に形成された隙間より形成されている。

燃料ガス流路３の入口端部は、燃料ガス流路３のうち、燃料ガス供給マニホルド４寄りの部分である。燃料ガス流路３は、入口端部で燃料ガス供給マニホルド４と連通している。また、燃料ガス流路３の出口端部は、燃料ガス流路３のうち、燃料ガス排出マニホルド５寄りの部分である。燃料ガス流路３は、出口端部で燃料ガス排出マニホルド５と連通している。なお、酸化剤ガス流路９３は、一方端部で酸化剤ガス供給マニホルド（不図示）と連通している。また、酸化剤ガス流路９３は、他方端部で酸化剤ガス排出マニホルド（不図示）と連通している。

燃料ガス供給マニホルド４は、各燃料ガス流路３に供給する燃料ガスＦが流れる部位である。燃料ガス供給マニホルド４内をセル積層方向に沿って流れる燃料ガスＦは、各燃料ガス流路３の入口端部より燃料ガス流路３内に分配される。

本実施形態において、燃料ガス供給マニホルド４は、具体的には、セル積層方向に沿って形成されている。燃料ガス供給マニホルド４は、より具体的には、少なくとも、セパレータ７に形成された貫通孔７１と、フレーム８に形成された貫通孔８１とが孔中心を合わせてセル積層方向に積層されることによって一つの流路として構成されている。なお、図１では、燃料ガス供給マニホルド４内を流れる燃料ガスＦが酸化剤ガス流路３に流入しないように、フレーム８とセパレータ７との間に絶縁性のシール部材９４１が設けられている。このようなシール部材９４１も、燃料ガス供給マニホルド４の一部を構成することができる。また、セパレータ７、フレーム８以外に、リテーナや絶縁体などの他部材が積層されている場合、これら他部材に形成された貫通孔も、燃料ガス供給マニホルド４の一部を構成することができる。つまり、本実施形態において、燃料ガス供給マニホルド４は、上記各貫通孔の孔内周面が連なることによって構成されている。

燃料ガス排出マニホルド５は、各燃料ガス流路３から排出される燃料ガスＦが流れる部位である。燃料ガス排出マニホルド５内をセル積層方向に沿って流れる燃料ガスＦは、各単セル２での電池反応に使用されなかった残余の燃料ガスが集まったものである。なお、図１に示されるように、燃料ガス排出マニホルド５内を流れる燃料ガスＦの流れ方向は、燃料ガス供給マニホルド４内を流れる燃料ガスＦの流れ方向と反対向きとされている。

本実施形態において、燃料ガス排出マニホルド５は、具体的には、セル積層方向に沿って形成されている。燃料ガス排出マニホルド５は、より具体的には、少なくとも、セパレータ７に形成された貫通孔７２と、フレーム８に形成された貫通孔８２とが孔中心を合わせてセル積層方向に積層されることによって一つの流路として構成されている。なお、図１では、燃料ガス排出マニホルド５内を流れる燃料ガスＦが酸化剤ガス流路９３に流入しないように、フレーム８とセパレータ７との間に絶縁性のシール部材９４２が設けられている。このようなシール部材９４２も、燃料ガス排出マニホルド５の一部を構成することができる。また、セパレータ７、フレーム８以外に、リテーナや絶縁体などの他部材が積層されている場合、これら他部材に形成された貫通孔も、燃料ガス排出マニホルド５の一部を構成することができる。つまり、本実施形態において、燃料ガス排出マニホルド５は、上記各貫通孔の孔内周面が連なることによって構成されている。

なお、酸化剤ガス供給マニホルド、酸化剤ガス排出マニホルドも、燃料ガス供給マニホルド４、燃料ガス排出マニホルド５と同様に、セル積層方向で複数の貫通孔を連ねることによって構成することが可能である。

本実施形態において、上記積層構造は、一対のプレート部材９５１、９５２に挟持されている。下方に配置されたプレート部材９５１には、燃料ガス供給口４１、燃料ガス排出口５１が形成されている。燃料ガス供給口４１を介して、外部から燃料ガス供給マニホルド４内に新鮮な燃料ガスＦが供給される。また、燃料ガス排出口５１を介して、燃料ガス排出マニホルド５内から外部へ燃料ガスＦが排気燃料ガスとして排出される。

本実施形態において、燃料ガスＦとして、具体的には、水素ガスと、炭化水素ガスと、水蒸気（水）とを含む混合ガスなどを用いることができる。炭化水素としては、例えば、メタンなどを例示することができる。混合ガスは、他にも、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス等を含むことができる。なお、この種の燃料ガスＦは、例えば、都市ガス等を改質することなどによって生成させることができる。また、燃料電池セルスタック１は、酸化剤ガスＡとして、具体的には、空気、酸素などを用いることができる。

触媒６は、燃料ガスＦに含まれる成分による吸熱反応または発熱反応を促すものである。本実施形態では、触媒６は、燃料ガスＦに含まれる成分による吸熱反応を促すものとすることができる。具体的には、例えば、燃料ガスＦが、水素ガスと、炭化水素ガスと、水蒸気とを含んでいる場合、触媒６は、炭化水素ガスと水蒸気とが反応し、二酸化炭素と水素とを生成する吸熱反応を促すものとすることができる。この構成によれば、炭化水素を含む原料ガスを改質して水素ガスを含むように構成された改質ガスを燃料ガスＦとする燃料電池に好適なものとなる。また、この構成によれば、改質反応部位を制御することにより、燃料電池セルスタック１の局所的な温度制御に活用することができるなどの利点もある。

より具体的には、例えば、炭化水素ガスがＣＨ_４（ｇ）である場合、触媒６は、その触媒作用により、ＣＨ_４（ｇ）＋２Ｈ_２Ｏ（ｇ）＝ＣＯ_２（ｇ）＋４Ｈ_２（ｇ）−１６５ｋＪ／ｍｏｌの吸熱反応を生じさせることができる。同様に、触媒６は、炭化水素ガスがＣ_２Ｈ_６（ｇ）、Ｃ_３Ｈ_８（ｇ）などである場合も同様な吸熱反応を生じさせることができる。

触媒６は、高温の還元雰囲気中で燃料ガスＦに含まれる成分による吸熱反応（本実施形態の場合）を生じさせる触媒作用を発揮することが可能であればよい。触媒６としては、例えば、Ｎｉ、白金族（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ）、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｆｅなどを例示することができる。これらは１種または２種以上併用することができる。触媒６としては、炭化水素ガスと水蒸気との反応を生じさせやすい、高温の還元雰囲気に対する耐性、コスト、耐炭素析出などの観点から、Ｎｉなどを好適に用いることができる。触媒６は、粒子より構成することができる。この構成によれば、燃料ガスＦが触媒粒子間の隙間を通り、その際に、上記反応を生じさせることができる。

触媒６は、燃料ガス供給マニホルド４内、燃料ガス流路３の入口端部、燃料ガス排出マニホルド５内、および、燃料ガス流路３の出口端部からなる群より選択される少なくとも１つに設けられる。本実施形態では、触媒６は、燃料ガス供給マニホルド４内に設けられている。具体的には、触媒６は、燃料ガス供給マニホルド４におけるマニホルド内壁面に形成されている。この構成によれば、燃料ガス供給マニホルド４内を流れる燃料ガスＦの流れを阻害し難い。また、マニホルド内壁面に接した燃料ガスＦの一部をその場で反応させ、燃料ガス供給マニホルド４内の温度分布の均一化を図りやすくなる。なお、本実施形態では、より具多的には、触媒６は、燃料ガス供給マニホルド４を構成するセパレータ７の貫通孔７１の孔内周面、フレーム８の貫通孔８１の孔内周面等に層状に形成されている。触媒６が層状に形成されている場合には、燃料ガス供給マニホルド４内を流れる燃料ガスＦの流れをより阻害し難くなる。なお、触媒６は、各貫通孔７１、８１の内周方向の全体にわたって設けられていてもよいし、各貫通孔７１、８１の内周方向の一部に設けられていてもよい。

本実施形態では、具体的には、図２に示されるように、燃料ガス供給マニホルド４側におけるセル積層方向の中央部の触媒量が、上記中央部を基準としたガス流れ方向の上流側および下流側における触媒量よりも多い構成とすることができる。なお、図２は、説明の都合上、スタック上端部が右側となるように図示されている。複数の単セル２が積層された燃料電池セルスタック１の発電時に、セル積層方向の中央部は、発電により生じた熱が逃げ難い。一方、上記中央部よりもガス流れ方向の上流側および下流側には、通常、プレート部材９５１、９５２等があるため、発電により生じた熱が逃げやすい。そのため、複数の単セル２が積層された燃料電池セルスタック１では、燃料ガス供給マニホルド４側におけるセル積層方向の中央部の発熱が、ガス流れ方向の上流側および下流側における発熱より大きくなりやすい。それ故、上記構成によれば、触媒６によるセル積層方向の中央部の吸熱反応が、ガス流れ方向の上流側および下流側よりも促進され、これによってセル積層方向の中央部が積極的に冷却される。したがって、上記構成によれば、燃料ガス供給マニホルド４におけるセル積層方向の温度分布をより小さくしやすくなり、各燃料ガス流路３への燃料ガスＦの分配バラつきを抑制しやすい燃料電池セルスタック１が得られる。

本実施形態では、より具体的には、図２に示されるように、触媒量が、ガス流れ方向の上流側の端部から上記中央部にかけて漸増し、上記中央部からガス流れ方向の下流側の端部にかけて漸減するように構成されている。なお、上記「漸増」には、段階的に触媒量が増加する場合が含まれ、上記「漸減」には、段階的に触媒量が減少する場合が含まれる。この構成によれば、上述した効果を確実なものとすることができる燃料電池セルスタック１が得られる。なお、触媒量は、例えば、触媒層の長さや幅（面積）、厚み（体積）などを変化させることによって調整することができる。また、触媒４は、例えば、触媒４とバインダーとを含む塗布液を、燃料ガス供給マニホルド４におけるマニホルド内壁面等に塗布し、焼付けることなどによって形成することができる。また、触媒６は、不連続に配置されていてもよいし、連続的に配置されていてもよい。前者の構成によれば、触媒量の調整をしやすい利点がある。

燃料電池セルスタック１は、上記構成を有している。そのため、燃料電池セルスタック１では、燃料ガス供給マニホルド４内に設けられた触媒６の触媒作用により、触媒６の設置位置で、燃料ガスＦに含まれる成分による吸熱反応が生じる。そのため、燃料電池セルスタック１では、燃料ガス供給マニホルド４におけるセル積層方向の温度分布を小さくすることが可能となる。よって、燃料電池セルスタック１によれば、燃料ガス供給マニホルド４の温度調節機能により、燃料ガス供給マニホルド４内の温度分布による燃料ガスＦの粘性バラつきが少なくなり、燃料ガス流路３の長さを個別に調整することなく、各燃料ガス流路３への燃料ガスＦの分配バラつきを抑制することが可能となる。

（実施形態２）
実施形態２の燃料電池セルスタックについて、図３を用いて説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図３に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック１では、触媒６が、燃料ガス供給マニホルド４内と、燃料ガス流路３の入口端部との双方に設けられている。その他の構成は、実施形態１と同様である。

本実施形態の燃料電池セルスタック１によっても、基本的には、実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。

（実施形態３）
実施形態３の燃料電池セルスタックについて、図４を用いて説明する。

図４に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック１では、触媒６が、燃料ガス供給マニホルド４内と、燃料ガス排出マニホルド５内との双方に設けられている。燃料ガス排出マニホルド５内における触媒分布は、燃料ガス供給マニホルド５内における触媒分布と同様に構成されている。その他の構成は、実施形態１と同様である。

（実施形態４）
実施形態４の燃料電池セルスタックについて、図５を用いて説明する。

図５に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック１では、触媒６が、燃料ガス供給マニホルド４内、燃料ガス流路３の入口端部、燃料ガス排出マニホルド５内、および、燃料ガス流路３の出口端部に設けられている。その他の構成は、実施形態１と同様である。

（実施形態５）
実施形態５の燃料電池セルスタックについて、図６および図７を用いて説明する。

図６および図７に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック１は、触媒６が、燃料ガス供給マニホルド４内に設けられている。具体的には、触媒６は、燃料ガス供給マニホルド４におけるマニホルド内壁面に形成されている。したがって、これらの点において、本実施形態の燃料電池セルスタック１は、実施形態１の燃料電池セルスタック１と同様であるといえる。

しかしながら、本実施形態の燃料電池セルスタック１では、触媒６は、燃料ガスＦに含まれる成分による発熱反応を促すものが用いられている。具体的には、例えば、燃料ガスＦが、酸素ガスと炭化水素ガスとを含んでいる場合、触媒６は、酸素ガスと炭化水素ガスとが反応し、一酸化炭素と水素とを生成する発熱反応を促すものとすることができる。この構成によれば、水蒸気を供給せずとも水素を含むガスを生成できるなどの利点がある。

より具体的には、例えば、炭化水素ガスがＣＨ_４（ｇ）である場合、触媒６は、その触媒作用により、ＣＨ_４（ｇ）＋１/２Ｏ_２（ｇ）＝ＣＯ（ｇ）＋２Ｈ_２（ｇ）＋３５ｋＪ／ｍｏｌの発熱反応を生じさせることができる。同様に、触媒６は、炭化水素ガスがＣ_２Ｈ_６（ｇ）、Ｃ_３Ｈ_８（ｇ）などである場合も同様な発熱反応を生じさせることができる。

また、本実施形態では、具体的には、図７に示されるように、燃料ガス供給マニホルド４側におけるセル積層方向の中央部を基準としたガス流れ方向の上流側および下流側における触媒量が、上記中央部の触媒量よりも多い構成とすることができる。なお、図７は、説明の都合上、スタック上端部が右側となるように図示されている。複数の単セル２が積層された燃料電池セルスタック１の発電時に、セル積層方向の中央部は、発電により生じた熱が逃げ難い。一方、上記中央部よりもガス流れ方向の上流側および下流側には、通常、プレート部材９５１、９５２等があるため、発電により生じた熱が逃げやすい。そのため、複数の単セル２が積層された燃料電池セルスタック１では、燃料ガス供給マニホルド４側におけるセル積層方向の中央部の発熱が、ガス流れ方向の上流側および下流側における発熱より大きくなりやすい。それ故、上記構成によれば、触媒６によるガス流れ方向の上流側および下流側の発熱反応が、セル積層方向の中央部よりも促進され、これによってガス流れ方向の上流側および下流側が積極的に加熱される。したがって、上記構成によっても、燃料ガス供給マニホルド４におけるセル積層方向の温度分布をより小さくしやすくなり、各燃料ガス流路３への燃料ガスＦの分配バラつきを抑制しやすい燃料電池セルスタック１が得られる。

本実施形態では、より具体的には、図７に示されるように、触媒量が、ガス流れ方向の上流側の端部から上記中央部にかけて漸減し、上記中央部からガス流れ方向の下流側の端部にかけて漸減するように構成されている。この構成によれば、上述した効果を確実なものとすることができる燃料電池セルスタック１が得られる。その他の構成および作用効果は、基本的には、実施形態１と同様である。

（実施形態６）
実施形態６の燃料電池セルスタックについて説明する。

本実施形態の燃料電池セルスタック１は、触媒６を覆う多孔性の絶縁体を有している。この構成によれば、触媒６の脱落（剥離）を抑制することができる。また、触媒６を介した電気的短絡も生じ難くなる。また、絶縁体は、多孔性であることから、燃料ガス成分と触媒６との接触も阻害され難い。絶縁体は、具体的には、層状に形成することができる。絶縁体は、粒子より構成することができる。この構成によれば、燃料ガスＦが絶縁体粒子間の隙間を通り、触媒へ到達しやすくなる。好ましくは、燃料電池セルスタック１は、触媒粒子よりなる層状の触媒層と、絶縁体粒子よりなり、触媒層を覆うように層状に形成された絶縁体層とを有する構成とすることができる。触媒層は、１層または２層以上より構成されていてもよい。また、絶縁体層は、１層または２層以上より構成されていてもよい。

絶縁体の材質としては、例えば、アルミナやジルコニアどを例示することができる。絶縁体は、例えば、絶縁体とバインダーとを含む塗布液を、燃料ガス供給マニホルド４におけるマニホルド内壁面や燃料ガス流路３の入口端部の壁面等に塗布し、焼付けることなどによって形成することができる。その他の構成および作用効果は、基本的には、実施形態１と同様である。

（実験例）
燃料ガス供給マニホルドにおけるマニホルド内壁面の温度分布を数値解析により求めた。具体的には、燃料電池セルスタックの計算用モデルとして、金属製のフレームに支持された平板形の単セルが金属製のセパレータを介して所定枚数積層されてなる燃料電池セルスタックを用いた。単セルは、セル面で発電するものとした。燃料ガスは、ＣＨ_４、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏを含む改質ガス、酸化剤ガスは、空気とした。燃料ガスおよび酸化剤ガスの流れは、燃料ガスと酸化剤ガスとが直交して流れるクロスフロー方式とした。熱移動は、伝導および対流を考慮した。燃料ガス供給マニホルドは、セパレータに形成された貫通孔とフレームに形成された貫通孔とが積層されて形成されている設定とした。触媒は、セル積層方向の中央部におけるマニホルド内壁面、セル積層方向の中央部よりもガス流れ方向上流側（スタック下端側）の端部におけるマニホルド内壁面、セル積層方向の中央部よりもガス流れ方向下流側（スタック上端側）の端部におけるマニホルド内壁面に設置した。また、触媒作用によるＣＨ_４（ｇ）＋２Ｈ_２Ｏ（ｇ）＝ＣＯ_２（ｇ）＋４Ｈ_２（ｇ）−１６５ｋＪ／ｍｏｌの吸熱反応が、触媒を配置したマニホルド内壁面で生じるものとした。つまり、マニホルド内壁面上での上記吸熱反応が、セル積層方向の中央部におけるマニホルド内壁面で多く生じ、スタック下端側の端部におけるマニホルド内壁面およびスタック上端側の端部におけるマニホルド内壁面で少なく生じるようにプログラミングを実施した。そして、上記条件にて、錬成数値解析を実施し、燃料ガス供給マニホルドにおけるマニホルド内壁面の温度分布を求めた。また、上記条件において触媒による吸熱反応が生じない場合についても、同様に、錬成数値解析を実施し、マニホルド内壁面の温度分布を求めた。その結果を、図８に示す。

図８のＴ_０に示されるように、触媒を有さない場合には、セル積層方向でマニホルド内壁面に大きな温度分布が見られた。これに対し、図８のＴ_１に示されるように、触媒を有する場合には、セル積層方向におけるマニホルド内壁面の温度分布を小さくすることができることが確認された。

また、上記結果から、燃料ガスに含まれる成分による発熱反応を促す触媒を用いる場合には、燃料ガス供給マニホルド側におけるセル積層方向の中央部を基準としたガス流れ方向の上流側および下流側における触媒量を中央部の触媒量よりも多くすることで、スタック下端側およびスタック上端側の温度を上昇させ、これによってセル積層方向におけるマニホルド内壁面の温度分布を小さくすることが可能なことも類推することができる。

本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。

例えば、各実施形態に示した触媒の設置位置以外にも、燃料ガス流路の入口端部にだけ触媒を設置することができる。また、燃料ガス排出マニホルド内にだけ触媒を配置することができる。また、燃料ガス排出マニホルド内と燃料ガス流路の出口端部にだけ触媒を配置することができる。もっとも、燃料ガス供給マニホルド側に触媒を有する上述した各実施形態によれば、燃料ガス供給マニホルド内の温度分布の均一化を図りやすいことから、燃料ガス排出マニホルド側にだけ触媒を有する場合に比べ、各燃料ガス流路への燃料ガスの分配バラつきを抑制しやすい燃料電池セルスタックを得やすい。

１燃料電池セルスタック
２単セル
３燃料ガス流路
４燃料ガス供給マニホルド
５燃料ガス排出マニホルド
６触媒
Ｆ燃料ガス

Claims

積層により互いに電気的に接続された複数の単セル（２）と、
各上記単セルに燃料ガス（Ｆ）を供給する複数の燃料ガス流路（３）と、
各上記燃料ガス流路に供給する上記燃料ガスが流れる燃料ガス供給マニホルド（４）と、
各上記燃料ガス流路から排出される上記燃料ガスが流れる燃料ガス排出マニホルド（５）と、
上記燃料ガス供給マニホルド内、上記燃料ガス流路の入口端部、上記燃料ガス排出マニホルド内、および、上記燃料ガス流路の出口端部からなる群より選択される少なくとも１つに設けられ、上記燃料ガスに含まれる成分による吸熱反応または発熱反応を促す触媒（６）と、を有する、燃料電池セルスタック（１）。
上記触媒は、上記燃料ガスに含まれる成分による吸熱反応を促すものである、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
上記触媒は、上記燃料ガス供給マニホルド内、および、上記燃料ガス流路の入口端部の少なくとも１つに設けられており、
上記燃料ガス供給マニホルド側におけるセル積層方向の中央部の触媒量が、上記中央部を基準としたガス流れ方向の上流側および下流側における触媒量よりも多い、請求項２に記載の燃料電池セルスタック。
上記触媒量が、上記ガス流れ方向の上流側の端部から上記中央部にかけて漸増し、上記中央部から上記ガス流れ方向の下流側の端部にかけて漸減する、請求項３に記載の燃料電池セルスタック。
上記燃料ガスは、水素ガスと、炭化水素ガスと、水蒸気とを含んでおり、
上記触媒は、上記炭化水素ガスと上記水蒸気とが反応し、二酸化炭素と水素とを生成する吸熱反応を促すものである、請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セルスタック。
上記触媒は、上記燃料ガスに含まれる成分による発熱反応を促すものである、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
上記触媒は、上記燃料ガス供給マニホルド内、および、上記燃料ガス流路の入口端部の少なくとも１つに設けられており、
上記燃料ガス供給マニホルド側におけるセル積層方向の中央部を基準としたガス流れ方向の上流側および下流側における触媒量が、上記中央部の触媒量よりも多い、請求項６に記載の燃料電池セルスタック。
上記触媒量が、上記ガス流れ方向の上流側の端部から上記中央部にかけて漸減し、上記中央部から上記ガス流れ方向の下流側の端部にかけて漸増する、請求項７に記載の燃料電池セルスタック。
上記触媒を覆う多孔性の絶縁体を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池セルスタック。