JP5107917B2 - 固体電解質形燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、燃料極及び空気極を有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを複数積層した固体電解質形燃料電池スタックに関するものである。
従来より、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としては、発電量を大容量化するために、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、セパレータ（例えばインターコネクタ）を介して多数積層したスタックが用いられている。このスタックでは、燃料極に燃料ガス（例えばＨ２、メタン、エタノール等）を供給するとともに、空気極に酸化剤ガス（例えば空気）を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させている。
上述したＳＯＦＣスタックでは、各層のセルに燃料ガスと酸化剤ガスを供給するために、ＳＯＦＣ内部に、ガス導入用の通気孔が形成されており（いわゆる内部マニホールド構造）、ガスはその通気孔から各セパレータの流路を介して各セルに供給されている。
また、この種のＳＯＦＣスタックでは、各セルは積層方向に電気的に接続されているので、スタック全体の発電能力を高めるためには、各セルを如何に均質に効率よく運転させるかが重要になる。
しかし、実際にＳＯＦＣスタックにより発電を行ってみると、各層のセルを均質に効率よく運転させることが容易でない。この理由としては、（ａ）ガスが各層のセルに均一に分配されていないこと、（ｂ）スタックの端部と中心部で運転温度に差が発生することが知られている。
このうち、前記（ａ）の対策として、ガスを均一に供給できるマニホールド構造が提案されている（特許文献１参照）。
また、前記（ｂ）の対策として、中心部の熱を端部に移動させる外部マニホールドのシステム（特許文献２参照）や、マニホールド内に各層につながる配管を設ける構造（特許文献３参照）が提案されている。
特開２００４−２０７００８号公報 特開２００４−０２２３４３号公報 特開２００５−２０３２５５号公報
しかしながら、特許文献１〜３の技術では、いずれも配管等が複雑になって、スタックが大きくなってしまい、体積エネルギー密度が小さいという問題があった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来より構造を簡易化して、スタックをコンパクトにできるとともに、エネルギー密度を向上できる固体電解質形燃料電池スタックを提供することにある。
（１）第１実施態様の発明は、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを積層し、且つ、前記各固体電解質形燃料電池セル間に、前記固体電解質形燃料電池セル間のガスの流通を分離するとともに、前記固体電解質形燃料電池セル間の電気的導通を確保するインターコネクタを配置した固体電解質形燃料電池スタックにおいて、前記固体電解質形燃料電池スタックの一部又は全体を、当該スタックの積層方向に貫くように、前記固体電解質形燃料電池セルに、前記燃料ガスを供給する２以上の通気孔又は前記酸化剤ガスを供給する２以上の通気孔を設け、異なる前記通気孔を、それぞれ異なる前記固体電解質形燃料電池セルに連通させたことを特徴とする。
本発明は、いわゆる内部マニホールド構造に関するものである。本発明では、固体電解質形燃料電池スタックを貫くように、燃料ガスが流通する２以上の通気孔（又は酸化剤ガスが流通する２以上の通気孔）を設けており、その燃料ガスの異なる通気孔（又は酸化剤ガスの異なる通気孔）は、それぞれ異なる固体電解質形燃料電池セル（詳しくはその内部流路である燃料ガスの流路又は酸化剤ガスの流路）に連通している。
従って、固体電解質形燃料電池スタックの内部に形成された各通気孔を介して各固体電解質形燃料電池セルに酸化剤ガスや燃料ガスを供給する場合には、異なる固体電解質形燃料電池セルに対して、酸化剤ガスや燃料ガスの供給状態（例えば供給量や供給温度等）を制御することができる。
よって、例えば固体電解質形燃料電池スタックの積層方向両端のセルの温度や発電量が低い場合には、その両端のセルに対する酸化剤ガスの温度を増加させて、両端のセルの温度を高めてスタック内部の温度を均一化でき、また、燃料ガスの供給量を増加させて、両端のセルの発電量を高めて、スタック全体の発電能力を高めることができる。特に、積層方向に直列に電気的に接続されたスタックの場合には、各セルの発電能力を均一化することができるので、スタック全体の発電能力を高めることができる。
つまり、本発明独自の内部マニホールドの構造により、スタックをコンパクトにできるとともに、各セルの発電能力の均一化等によってスタック全体の発電性能を高めることができるので、エネルギー密度を向上することができるという顕著な効果を奏する。
尚、前記通気孔としては、スタックを貫く通気孔や、スタックの一部を貫く有底の通気孔を採用できる（以下同様）。
（２）第２実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックにおいて、前記酸化剤ガスを供給する異なる通気孔を、それぞれ異なる前記固体電解質形燃料電池セルに連通させたことを特徴とする。
本発明では、燃料ガスの異なる通気孔は、それぞれ異なる固体電解質形燃料電池セルに連通するとともに、酸化剤ガスの異なる通気孔は、それぞれ異なる固体電解質形燃料電池セルに連通している。
これにより、異なる固体電解質形燃料電池セル毎に、燃料ガスの供給状態と酸化剤ガスの供給状態とを制御できるので、温度や発電量などの制御性が一層向上するという利点がある。
（３）第３実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックにおいて、異なる前記通気孔毎に前記各ガスの状態を独立して制御可能としたことを特徴とする。
本発明は、いわゆる内部マニホールド構造に関するものである。本発明では、固体電解質形燃料電池スタックを貫くように、燃料ガスが流通する２以上の通気孔（又は酸化剤ガスが流通する２以上の通気孔）を設けており、異なる通気孔を介して異なる固体電解質形燃料電池セルに供給する燃料ガス（又は酸化剤ガス）の状態を、各セル毎に独立して制御可能としている。
従って、固体電解質形燃料電池スタックの内部に形成された各通気孔を介して各固体電解質形燃料電池セルに酸化剤ガスや燃料ガスを供給する場合には、異なる固体電解質形燃料電池セルに対して、酸化剤ガスや燃料ガスの供給状態（例えば供給量や供給温度等）を制御することができる。
よって、例えば固体電解質形燃料電池スタックの積層方向両端のセルの温度や発電量が低い場合には、その両端のセルに対する酸化剤ガスの温度を増加させて、両端のセルの温度を高めてスタック内部の温度を均一化でき、また、燃料ガスの供給量を増加させて、両端のセルの発電量を高めて、スタック全体の発電能力を高めることができる。特に、積層方向に直列に電気的に接続されたスタックの場合には、各セルの発電能力を均一化することができるので、スタック全体の発電能力を高めることができる。
つまり、本発明により、スタックをコンパクトにできるとともに、各セルの発電能力の均一化等によってスタック全体の発電性能を高めることができるので、エネルギー密度を向上することができるという顕著な効果を奏する。
（４）第４実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックにおいて、前記酸化剤ガスを供給する異なる通気孔毎に前記酸化剤ガスの状態を独立して制御可能としたことを特徴とする。
本発明では、異なる通気孔を介して異なる固体電解質形燃料電池セルに供給する燃料ガスの状態を、各セル毎に独立して制御可能するとともに、異なる通気孔を介して異なる固体電解質形燃料電池セルに供給する酸化剤ガスの状態を、各セル毎に独立して制御可能としている。
これにより、異なる固体電解質形燃料電池セル毎に、燃料ガスの供給状態と酸化剤ガスの供給状態とを制御できるので、温度や発電量などの制御性が一層向上するという利点がある。
（５）第５実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックにおいて、前記酸化剤ガスの供給用に２以上の通気孔を設けて、各セルの温度制御を行うことを特徴とする。
本発明では、通気孔が酸化剤ガスの供給用であるので、スタックの温度制御に利用でき、この供給ガスを通気孔毎（従って例えばセル毎）に制御することで、スタック内の温度差を低減できる。
スタック内の温度は、供給する酸化剤ガスの流量で制御することができる。つまり、固体電解質形燃料電池は、発電で発熱するため、酸化剤ガスの流量を大きくして熱量を外部に排出することで、運転温度を下げることができる。また、ガス流量は、スタック端部よりスタック中心部を大きくすることが望ましい。つまり、スタックは中心部の温度が高くなる傾向があるので、こうすることで、スタック内の温度差を低減できる。
更に、スタック内の温度は、酸化剤ガスの温度で制御することができる。例えば酸化剤ガスの温度をセル毎などに変えることで、スタック全体を均熱化できる。また、ガス温度は、スタック端部よりスタック中心部を低くすることが望ましい。つまり、スタックは中心部の温度が高くなる傾向があるので、こうすることで、スタック内の温度差を低減できる。
（６）第６実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックにおいて、前記燃料ガスの供給用に２以上の通気孔を設けて、各セルの発電量制御を行うことを特徴とする。
本発明では、通気孔が燃料ガスの供給用であるので、スタックの発電量制御に利用でき、この供給ガスを通気孔毎（従って例えばセル毎）に制御することで、各セルの発電量を均一化できる。
各セルの発電量は、供給する燃料ガスの流量で制御することができる。つまり、燃料ガスの供給量を上げることで発電量を上げることができる。また、燃料ガスの流量は、スタック中心部よりスタック端部を大きくすることが望ましい。スタック端部の発電量は、その温度が低いために、スタック中心部より低くなる傾向にあるので、こうすることで、各セルの発電量を均一化することができる。
（７）第７実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池セルは、燃料極と空気極と固体電解質体とを備えたセル本体を、その平面方向の外周側から囲む枠部を備え、前記枠部に、前記燃料ガスの通気孔及び前記酸化剤ガスの通気孔を設けたことを特徴とする。
本発明は、通気孔が固体電解質形燃料電池セルの外周側の枠部を貫通した構成を例示したものである。
尚、枠部としては、複数の枠（金属フレーム、絶縁フレーム、セル本体を支持するセパレータ等）が積層されたものが挙げられる。また、枠部が無い場合には、セル本体などの外周や中央に通気孔を設けてもよい。
（８）第８実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端部における前記固体電解質形燃料電池セルに対して、供給するガス（燃料ガスや酸化剤ガス）の状態を制御することを特徴とする。
固体電解質形燃料電池スタックの全体にて発電を行っている場合でも、その積層方向の両端側のセルは、外部環境に近いので、他のセルと同様にガスが供給されても、その温度（従って発電能力）が低い傾向にある。
よって、その様な場合には、例えば酸化剤ガスの温度を高める等の方法によって、両端側のセルの温度が他のセルと同程度となる様に高めることにより、両端側のセルの発電能力を高めることができる。或いは、例えば燃料ガスの流量を増加させる等の方法によって、直接に発電能力自体を高めることもできる。
これにより、スタックのセルの発電性能を均一化できるので、スタック全体の発電能力を高めることができる。
（９）第９実施態様の発明は、上記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端部における前記固体電解質形燃料電池セルの状態を、所定状態にフィードバック制御することを特徴とする。
例えば固体電解質形燃料電池スタックの両端側のセルの温度が低い場合には、両端側のセルの温度が他のセルの温度と同様になるように、例えば酸化剤ガスの流量を調節するようにして、温度に関するフィードバック制御を行う。これにより、各セルの発電能力を高めることができる。
尚、セルの状態としては、セルの温度、セルを流れるガスの流量、ガスの温度などが挙げられる。
（１０）第１０実施態様の発明では、上記固体電解質形燃料電池スタックをその積層方向に貫通する中空ボルトを配置し、前記中空ボルトの内部孔を、前記ガスの通気孔として用いることを特徴とする。
本発明では、通気孔として、中空ボルトの内部孔を用いる例を示している。この中空ボルトは、スタックを積層して固定する際のボルトとして利用できる。つまり、ボルトとしての機能とガス供給路としての機能を併用させることができる。これにより、コンパクトなスタック構造とすることができる。
・ここで、前記固体電解質形燃料電池スタックを構成する各セルの積層段数としては、少ない方が望ましく、２〜３０段（特に５〜１５段）が好適である。このように段数を少なくすることによって、ガス供給を制御する配管数を低減でき、スタック構造を簡素化できるからである。
また、セル１枚当たりの発電量としては、５０Ｗ以上（特に１００Ｗ以上）であることが望ましい。１枚当たりの発電量を大きくすることで、段数の少ないスタックでも大容量の発電が可能だからである。例えば１枚当たり１００Ｗのセルを用いれば、１０段スタックで１ｋＷ級スタックを構成できる。
・前記固体電解質形燃料電池スタックの構造としては、（ａ）固体電解質形燃料電池セルの発電部分（即ち空気極と固体電解質体と燃料極とを積層したセル本体）とインターコネクタとを、直接に接触するように積層した構造、（ｂ）セル本体とインターコネクタとを、集電体を介して接触するように積層した構造、（ｃ）セル本体に支持板等の枠部を設けたものとインターコネクタとを、集電体を介して（又は介さずして）接触するように積層した構造を採用できる。尚、（ｃ）のセル本体を外周側より支える枠部を設けたものは、積層時又は運転時にセル本体に加わる応力を緩和できるので好適である。
・前記通気孔と各段のセルとを連通させる方法としては、例えば所定のインターコネクタ又はセパレータ等からなる枠部に設けた（例えばその表面を凹状にして形成した）ガス流路と所定の貫通路とを連通させる方法を採用できる。
・各セルと各連通孔を連通させる組み合わせとしては、図１Ａに示す様に、１つの通気孔（１）に対して１つのセル（３）を連通させる方法を採用できる。この場合、各セルに供給されるガス流量は、それぞれに独立に制御できるので、効率的な発電ができる。尚、更に、図１Ｂに示す様に、１つの通気孔（５）に対して複数のセル（７）、（９）を連通させる構成（１つの通気孔を分岐させる構成）を備えていてもよい。この場合は、同じ条件で発電できるスタック領域が分かっている場合に有効である。
また、図１Ｃに示す様に、１つのセル（１１）対して複数の通気孔（１３）、（１５）を連通させる方法を採用できる。この方法は、所定のセルのガス供給量を他のセルより多くしなければならないことが分かっている場合に有効である。
・前記固体電解質体は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。
・固体電解質体の材料としては、例えばジルコニア系電解質材料（ＹＳＺ、ＳｃＳＺ）、セリア系電解質材料（ＳＤＣ、ＧＤＣ）、ペロブスカイト系酸化物等が挙げられる。これらのうちでは、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうち少なくとも１種により安定化されたＺｒＯ２系セラミック（ＹＳＺ、ＳｃＳＺ等）が好ましい。
・燃料極の材料としては、例えばＮｉ、Ｎｉとセラミックとのサーメット等が使用できる。詳しくは、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ２系セラミック、ＣｅＯ２系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。
・空気極の材料としては、例えばペロブスカイト系酸化物、各種貴金属、貴金属とセラミックとのサーメット等が使用できる。詳しくは、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物が挙げられる。
・前記枠部の材料としては、耐熱性、化学的安定性、強度等の優れた材料を使用でき、例えばアルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料や、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金等の金属材料が挙げられる。具体的には、ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。
・前記インターコネクタは、固体電解質形燃料電池セル間のガスの流通を分離するとともに、固体電解質形燃料電池セル間の導通（直列に接続）を確保するものであり、インターコネクタの材料としては、前記枠部に用いた耐熱性、化学的安定性、強度等の優れた材料のうち、導電性を有するステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金等の金属材料を採用できる。
・そして、固体電解質形燃料電池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。
燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。
固体電解質形燃料電池セルと通気孔との接続状態を示す説明図である。 実施例の固体電解質形燃料電池スタックを示す正面図である。 固体電解質形燃料電池スタックに用いる各ボルトの配置を図２の下方から見た状態を示す説明図である。 固体電解質形燃料電池スタックの一部を破断して示した模式図である。 ボルトとその使用状態を破断して示す説明図である。 各インターコネクタにおける空気の流路を示す説明図である。 各セルにおける燃料ガスの流路を示す説明図である。 本実施例の制御のメインルーチンを示すフローチャートである。 セル電圧制御を示すフローチャートである。 セル温度制御１を示すフローチャートである。 セル温度制御２を示すフローチャートである。 燃料排気濃度制御を示すフローチャートである。 空気排気濃度制御を示すフローチャートである。
符号の説明
１、５、１３、１５、７５…通気孔
２１…固体電解質形燃料電池スタック
３、７、９、１１、２３…固体電解質形燃料電池セル
２５…インターコネクタ
２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０…ボルト
４５…燃料ガス流路
４７…燃料極
４９…固体電解質体
５１…空気極
５３…空気流路
５９…セル本体
６９…枠部
次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について、すなわち、固体電解質形燃料電池スタックの実施例について説明する。
ａ）まず、固体電解質形燃料電池スタックの構成について説明する。
図２に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池スタック２１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。
この固体電解質形燃料電池スタック２１は、固体電解質形燃料電池セル２３とインターコネクタ（セル２３間の導通を確保するとともにガス流路を遮断するプレート）２５とが交互に積層されたものである。
詳しくは、固体電解質形燃料電池スタック２１は、固体電解質形燃料電池セル２３がインターコネクタ２５を介して複数個（例えば１０個）積層された積層体（スタック本体）２７と、積層体２７の外周縁部に配置されて積層体２７を積層方向に貫くボルト２９〜４０（図２下方の底面を示す図３参照）と、各ボルト２９〜４０に螺合するナット７１，７３（図５参照）などを備えている。
尚、隣り合う固体電解質形燃料電池セル２３の間のインターコネクタ２５は共有されるので、上下両端の固体電解質形燃料電池セル２３以外は、セル２３間には、１枚のインターコネクタ２５が配置されるだけである。ここで、上下両端のインターコネクタ２５は、外側コネクタと称する。
図４に模式的に示す様に、前記固体電解質形燃料電池セル２３は、いわゆる燃料極支持膜タイプのセルであり、燃料ガス流路４５側には、燃料極（アノード）４７が配置され、燃料極４７の同図上側の表面には薄膜の固体電解質体４９が形成され、その固体電解質体４９の空気流路５３側の表面には、空気極（カソード）５１が形成されている。
また、空気極５１と上方の金属製のインターコネクタ２５ｂとの間には、その電気的導通を確保するために、（例えば空気極５１と同様なＬＳＣＦ(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)、ＬＳＭ(La0.6Sr0.4MnO3)等からなる）集電体５５が配置され、同様に、燃料極４７と下方のインターコネクタ２５ｃとの間には、集電体５７が配置されている。尚、燃料極４７と固体電解質体４９と空気極５１とをセル本体５９と称する。
つまり、本実施例では、各固体電解質形燃料電池セル２３は、セル本体５９と、上下の集電体５５、５７と、空気流路５３側の金属製の空気極フレーム６１と、セラミックス製の絶縁フレーム６３と、セル本体５９に接合して支持するとともにガス流路を遮断する金属製のセパレータ（支持板）６５と、燃料ガス流路４５側の金属製の燃料極フレーム６７とを備えている。
尚、空気極フレーム６１と絶縁フレーム６３とセパレータ６５と燃料極フレーム６７とにより、ボルト２９〜４０が貫く固体電解質形燃料電池セル２３の枠部６９が構成されている。
ｂ）次に、前記ボルト２９〜４０について説明する。
前記ボルト２９〜４０は、各固体電解質形燃料電池セル２３やインターコネクタ２５等を積層方向に押圧して、積層体２７を一体に拘束するために用いられるとともに、燃料ガスや空気を各セル２３に供給したり排出するために用いられる。
具体的には、前記図３に示す様に、第１ボルト２９は９段目のセル２３に燃料ガスを供給し、第２ボルト３０は１０段目のセル２３に燃料ガスを供給し、第３ボルト３１は１段目のセル２３に空気を供給し、第４ボルト３２は２段目のセル２３に空気を供給するように構成されている。第５ボルト３３は全てのセル２３から燃料ガスを排気するように構成されている。第６ボルト３４は３〜８段目のセル２３に空気を供給し、第７ボルト３５は９段目のセル２３に空気を供給し、第８ボルト３６は１０段目のセル２３に空気を供給し、第９ボルト３７は１段目のセル２３に燃料ガスを供給し、第１０ボルト３８は２段目のセル２３に燃料ガスを供給するように構成されている。第１１ボルト３９は全てのセル２３から空気を排気するように構成されている。第１２ボルト４０は３〜８段目のセル２３に燃料ガスを供給するように構成されている。尚、各段とは、図２の上方からの各セル２３の個数（段数）を示している。
ここで、各ボルト２９〜４０の形状について、１つのボルトを例に挙げて説明する（各ボルト２９〜４０の形状は同一である）。
図５に示す様に、例えば第１２ボルト４０は、円柱状の長尺の中空ボルトであり、そのボルト４０の上下両端には、ナット７１、７３が螺合されている。尚、ここでは、六角形の一対のナット７１、７３を用いた例で説明しているが、通常の有頭のボルトで一端のみにナットを固定するものを使用できる。
前記第１２ボルト４０の軸中心には、ガス流路として用いられる有底の通気孔７５が、同図下方のナット７３の上面とほぼ同位置に達する程度まで開けられるとともに、その通気孔７５から径方向（同図左右方向）に複数の横穴７７が形成されている。
この第１２ボルト４０は、積層体２７の外周近傍にて（その積層方向に）開けられた第１２貫通孔７９ｌに貫挿されており、第１２ボルト４０の外周面と第１２貫通孔７９ｌとの内周面との間には、円筒状のガス流路となる空間８１が形成されている。
また、第１２ボルト４０の上下方向には、各ナット７１、７３と積層体２７との間に、フランジ形状の絶縁リング８３、８５が外嵌されている。この絶縁リング８３、８５の鍔の部分８３ａ、８５ａが各ナット７１、７３と積層体２７との間には挟まれることにより、第１２ボルト４０と積層体２７との間隔が保たれるとともに、絶縁リング８３、８５の筒の部分８３ｂ、８５ｂが第１２ボルト４０と積層体２７との間に配置されることにより、前記空間８１が保持されている。
従って、例えば通気孔７５から、横穴７７を介して空間８１に供給される燃料ガスは、この空間８１に連通する所定の開口部９１（図４参照）を介して所定のセル２３に供給される。つまり、第１２ボルト４０の場合には、３〜８段目のセル２３に各開口部９１が設けられているので、この開口部９１を介して、セル２３内に燃料ガス導入される。
尚、第１２ボルト４０の上端には、ジョイント８７が螺合され、このジョイント８７には、ガス供給（又は排出）用のガスパイプ８９が取り付けられている。
ｃ）次に、各セル２３にガス流路を形成する構造について説明する。
尚、図６Ａ−６Ｅ及び図７Ａ−７Ｅは、図２の下面側から見た図面である。
(1)空気極５１側の流路を構成するインターコネクタ２５の表面の構造
図６Ａは、図２の上端に配置されるインターコネクタ（外側コネクタ）２５ａを示している。この外側コネクタ２５ａの下側表面には、空気が流れる流路となる凹部９３が形成されており、この凹部９３は、（１段目のセル２３の空気供給用の）第３ボルト３１が貫挿される第３貫通孔７９ｃに連通するとともに、（全セル２３の空気排気用の）第１１ボルト３９が貫挿される第１１貫通孔７９ｋに連通している。尚、各インターコネクタ２５には、第１〜１２ボルト２９〜４０がそれぞれ貫挿される第１〜１２貫通孔７９ａ〜ｌが形成されている。
図６Ｂは、１段目と２段目のセル２３の間に配置されるインターコネクタ２５ｂを示している。このインターコネクタ２５ｂの下側表面には、空気が流れる流路となる凹部９５が形成されており、この凹部９５は、（２段目のセル２３の空気供給用の）第４ボルト３２が貫挿される第４貫通孔７９ｄに連通するとともに、（全セル２３の空気排気用の）第１１ボルト３９が貫挿される第１１貫通孔７９ｋに連通している。
図６Ｃは、２段目と３段目、３段目と４段目、４段目と５段目、５段目と６段目、６段目と７段目、７段目と８段目の各セル２３の間に配置されるインターコネクタ２５ｃを示している。このインターコネクタ２５ｃの下側表面には、空気が流れる流路となる凹部９７が形成されており、この凹部９７は、（３〜８段目のセル２３の空気供給用の）第６ボルト３４が貫挿される第６貫通孔７９ｆに連通するとともに、（全セル２３の空気排気用の）第１１ボルト３９が貫挿される第１１貫通孔７９ｋに連通している。
図６Ｄは、８段目と９段目のセル２３の間に配置されるインターコネクタ２５ｄを示している。このインターコネクタ２５ｄの下側表面には、空気が流れる流路となる凹部９８が形成されており、この凹部９８は、（９段目のセル２３の空気供給用の）第７ボルト３５が貫挿される第７貫通孔７９ｇに連通するとともに、（全セル２３の空気排気用の）第１１ボルト３９が貫挿される第１１貫通孔７９ｋに連通している。
図６Ｅは、９段目と１０段目のセル２３の間に配置されるインターコネクタ２５ｅを示している。このインターコネクタ２５ｅの下側表面には、空気が流れる流路となる凹部９９が形成されており、この凹部９９は、（１０段目のセル２３の空気供給用の）第８ボルト３６が貫挿される第８貫通孔７９ｈに連通するとともに、（全セル２３の空気排気用の）第１１ボルト３９が貫挿される第１１貫通孔７９ｋに連通している。
(2)燃料極４７側の流路を構成するセル２３の燃料極側の表面の構造
図７Ａは、１段目のセル２３ａの燃料極４７側を示している。このセル２３ａの下側表面には、燃料が流れる流路となる凹部１０１が形成されており、この凹部１０１は、（１段目のセル２３ａの燃料供給用の）第９ボルト３７が貫挿される第９貫通孔７９ｉに連通するとともに、（全セル２３の燃料排気用の）第５ボルト３３が貫挿される第５貫通孔７９ｅに連通している。
図７Ｂは、２段目のセル２３ｂの燃料極４７側を示している。このセル２３ｂの下側表面には、燃料が流れる流路となる凹部１０３が形成されており、この凹部１０３は、（２段目のセル２３ｂの燃料供給用の）第１０ボルト３８が貫挿される第１０貫通孔７９ｊに連通するとともに、（全セル２３の燃料排気用の）第５ボルト３３が貫挿される第５貫通孔７９ｅに連通している。
図７Ｃは、３〜８段目のセル２３ｃの燃料極４７側を示している。このセル２３ｃの下側表面には、燃料が流れる流路となる凹部１０５が形成されており、この凹部１０５は、（３〜８段目のセル２３ｂの燃料供給用の）第１２ボルト４０が貫挿される第１２貫通孔７９ｌに連通するとともに、（全セル２３の燃料排気用の）第５ボルト３３が貫挿される第５貫通孔７９ｅに連通している。
図７Ｄは、９段目のセル２３ｄの燃料極４７側を示している。このセル２３ｄの下側表面には、燃料が流れる流路となる凹部１０７が形成されており、この凹部１０７は、（９段目のセル２３ｄの燃料供給用の）第１ボルト２９が貫挿される第１貫通孔７９ａに連通するとともに、（全セル２３の燃料排気用の）第５ボルト３３が貫挿される第５貫通孔７９ｅに連通している。
図７Ｅは、１０段目のセル２３ｅの燃料極４７側を示している。このセル２３ｅの下側表面には、燃料が流れる流路となる凹部１０９が形成されており、この凹部１０９は、（１０段目のセル２３ｄの燃料供給用の）第２ボルト３０が貫挿される第２貫通孔７９ｂに連通するとともに、（全セル２３の燃料排気用の）第５ボルト３３が貫挿される第５貫通孔７９ｅに連通している。
ｄ）次に、固体電解質形燃料電池スタック２１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２５、空気極フレーム６１、燃料極フレーム６７、セパレータ６５を製造した。
また、定法により、スピネルを主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼成して、絶縁フレーム６３を製造した。
固体電解質形燃料電池セル２３のセル本体５９を、定法に従って製造した。具体的には、燃料極４７のグリーンシート上に、固体電解質体４９の材料を印刷して焼成し、その上に空気極５１の材料を印刷し、その後更に焼成した。尚、セル本体５９は、セパレータ６５にろう付けして固定した。
・これとは別に、空気用及び燃料用のボルト２９〜４０を、下記の手順で製造した。
具体的には、例えばＳＵＳ４３０からなる直径１５ｍｍ×長さ１２０ｍｍの丸棒に対して、その軸中心にザグリ加工を行い、内径９ｍｍ×深さ１００ｍｍの通気孔７５を形成した。
次に、丸棒の上下両端の外周にネジを切って長さ３０ｍｍのネジ部と長さ２０ｍｍのネジ部を形成した。
次に、丸棒の軸方向に沿って、等間隔で、径方向に、通気孔７５と外周側とを連通する直径２ｍｍの横穴７７を複数形成して、ボルト２９〜４０を完成した。
・そして、上述したインターコネクタ２５、空気極フレーム６１、燃料極フレーム６７、セル本体５９をろう付けしたセパレータ６５、集電体５５、５７などを一体にして、各固体電解質形燃料電池セル２３を組み付けるとともに、各固体電解質形燃料電池セル２３を積層して積層体２７を構成した。
そして、この積層体２７の各貫通孔７９ａ〜ｊにボルト２９〜４０を嵌め込むとともに、それらの両端から絶縁スペーサ８３、８５を嵌め、ボルト２９〜４０の両端にナット７１、７３を螺合させた。
その後、このナット７１、７３を締め付けて、積層体２５を押圧して一体化して固定し、固体電解質形燃料電池スタック２１を完成した。
ｅ）次に、本実施例の固体電解質形燃料電池スタック２１の各種の制御について説明する。
(1)メインルーチン
図８に示す様に、本実施例では、固体電解質形燃料電池スタック２１に燃料ガス及び空気を供給して発電を行う場合には、後に詳述するように、ステップ（Ｓ）１００にて、セル電圧制御を行い、ステップ１１０にて、セル温度制御１を行い、ステップ１２０にて、セル温度制御２を行い、ステップ１３０にて、燃料排気濃度制御を行い、ステップ１４０にて、空気排気濃度制御を行い、一旦本処理を終了する。
尚、ステップ１００〜１４０の処理の一部のみを行ってもよい。
(2)セル電圧制御
セル電圧制御とは、燃料ガスの供給量を調節して、各セル２３にて発生する電圧を一定にフィードバック制御する処理である。
本処理では、図９に示す様に、ステップ２００にて、各セル２３の電圧を測定する。尚、電圧は、各セル２３の両側のインターコネクタ２５間の電圧を測定することにより求めることができる。
続くステップ２１０では、そのセル２３の電圧が基準電圧Ｋ１より高いか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ２２０に進み、一方否定判断されるとステップ２３０に進む。
ステップ２３０では、セル２３の電圧が希望する電圧範囲（Ｋ１〜Ｋ２：Ｋ１＜Ｋ２）より低いので、電圧を高めるために、燃料流量を増加させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
一方、ステップ２２０では、そのセル２３の電圧が基準電圧Ｋ２より低いか否かを判定する。ここで肯定判断されると一旦本処理を終了し、一方否定判断されるとステップ２４０に進む。
ステップ２４０では、セル２３の電圧が希望する電圧範囲より高いので、電圧を低めるために、燃料流量を低下させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
これにより、セル２３の電圧を所望の電圧範囲に制御することができる。
例えば、スタック２１の両端側のセル（１、２、９、１０段目のセル）２３の電圧が低い場合には、それに対応する第９、１０、１、２ボルト３７、３８、２９、３０に供給する燃料ガスを増加させる制御を行う。
(3)セル温度制御１
セル温度制御１とは、燃料ガスの供給量を調節して、各セル２３の温度を一定にフィードバック制御する処理である。
本処理では、図１０に示す様に、ステップ３００にて、各セル２３の温度を測定する。尚、温度は、例えば各セル２３近傍に熱電対等のセンサを配置することにより求めることができる。
続くステップ３１０では、そのセル２３の温度が基準温度Ｋ３より高いか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ３２０に進み、一方否定判断されるとステップ３３０に進む。
ステップ３３０では、セル２３の温度が希望する温度範囲（Ｋ３〜Ｋ４：Ｋ３＜Ｋ４）より低いので、温度を高めるために、燃料流量を増加させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
一方、ステップ３２０では、そのセル２３の温度が基準温度Ｋ４より低いか否かを判定する。ここで肯定判断されると一旦本処理を終了し、一方否定判断されるとステップ３４０に進む。
ステップ３４０では、セル２３の温度が希望する温度範囲より高いので、温度を低めるために、燃料流量を低下させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
これにより、セル２３の温度を所望の温度範囲に制御することができる。尚、温度が所望範囲の場合には、他の条件が同じであれば、発電量も同様であると考えられる。
(4)セル温度制御２
セル温度制御２とは、空気の供給量を調節して、各セル２３の温度を一定にフィードバック制御する処理である。尚、空気は冷却ガスとしても機能するので、空気の流量を調節することにより、温度制御を行うことができる。
本処理では、図１１に示す様に、ステップ４００にて、各セル２３の温度を測定する。
続くステップ４１０では、そのセル２３の温度が基準温度Ｋ５より高いか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ４２０に進み、一方否定判断されるとステップ４３０に進む。
ステップ４３０では、セル２３の温度が希望する温度範囲（Ｋ５〜Ｋ６：Ｋ５＜Ｋ６）より低いので、温度を高めるために、空気流量を低下させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
一方、ステップ４２０では、そのセル２３の温度が基準温度Ｋ６より低いか否かを判定する。ここで肯定判断されると一旦本処理を終了し、一方否定判断されるとステップ４４０に進む。
ステップ４４０では、セル２３の温度が希望する温度範囲より高いので、温度を低めるために、空気流量を増加させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
これにより、セル２３の温度を所望の温度範囲に制御することができる。尚、温度が所望範囲の場合には、他の条件が同じであれば、発電量も同様であると考えられる。
(5)燃料排気濃度制御
燃料排気濃度制御とは、燃料ガスの排気に含まれる成分を分析し、その成分量に応じて、燃料ガスや空気の供給量を調節して、各セル２３の発電状態（例えば電圧）を一定に制御する処理である。
本処理では、図１２に示す様に、ステップ５００にて、燃料ガスの排気中のＨ２ガス濃度を測定し、続くステップ５１０にて、ＣＯガス濃度を測定する。
続くステップ５２０では、燃料ガスの排気中のＨ２ガス濃度が基準Ｈ２濃度Ｋ７より高いか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ５３０に進み、一方否定判断されるとステップ５４０に進む。
ステップ５４０では、Ｈ２ガス濃度が希望する濃度範囲（Ｋ７〜Ｋ８：Ｋ７＜Ｋ８）より低いので、Ｈ２ガス濃度を高めるために（従って発電量を多くするために）、燃料流量を増加させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
一方、ステップ５３０では、Ｈ２ガス濃度が基準Ｈ２濃度Ｋ８より低いか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ５５０に進み、一方否定判断されるとステップ５６０に進む。
ステップ５６０では、Ｈ２ガス濃度が希望する濃度範囲より高いので、Ｈ２ガス濃度を低めるために（従って発電量を低くするために）、燃料流量を低下させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
また、前記ステップ５５０では、燃料ガスの排気中のＣＯガス濃度が基準ＣＯ濃度Ｋ９より高いか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ５８０に進み、一方否定判断されるとステップ５７０に進む。
ステップ５７０では、ＣＯガス濃度が希望する濃度範囲（Ｋ９〜Ｋ１０：Ｋ９＜Ｋ１０）より低いので、ＣＯガス濃度を高めるために（従って発電量を多くするために）、燃料流量を増加させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
一方、ステップ５８０では、ＣＯガス濃度が基準ＣＯ濃度Ｋ１０より低いか否かを判定する。ここで肯定判断されると一旦本処理を終了する。一方否定判断されるとステップ５９０に進む。
ステップ５９０では、ＣＯガス濃度が希望する濃度範囲より高いので、ＣＯガス濃度を低めるために（従って発電量を低くするために）、燃料流量を低下させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
つまり、本処理では、燃料ガスの排ガスの成分状態により、燃料ガスの供給状態を制御することにより、発電量を調節しているので、各セル２３の発電量を均一化することができる。これにより、スタック２１における発電を効率良く行うことができる。
(6)空気排気濃度制御
空気排気濃度制御とは、空気ガスの排気に含まれる成分を分析し、その成分量に応じて、空気の供給量を調節して、各セル２３の発電状態（例えば電圧）を一定に制御する処理である。
本処理では、図１３に示す様に、ステップ６００にて、空気の排気中のＯ２ガス濃度を測定する。
続くステップ６１０では、空気の排気中のＯ２ガス濃度が基準Ｏ２濃度Ｋ１１より高いか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ６２０に進み、一方否定判断されるとステップ６３０に進む。

ステップ６３０では、Ｏ２ガス濃度が希望する濃度範囲（Ｋ１１〜Ｋ１２：Ｋ１１＜Ｋ１２）より低いので、Ｏ２ガス濃度を高めるために（従って発電量を多くするために）、空気流量を増加させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
一方、ステップ６２０では、Ｏ２ガス濃度が基準Ｏ２濃度Ｋ１２より低いか否かを判定する。ここで肯定判断されると一旦本処理を終了し、一方否定判断されるとステップ６４０に進む。
ステップ６４０では、Ｏ２ガス濃度が希望する濃度範囲より高いので、Ｏ２ガス濃度を低めるために（従って発電量を低くするために）、空気流量を低下させる処理を行って、一旦本処理を終了する。
つまり、本処理では、空気の排ガスの成分状態により、空気の供給状態を制御することにより、発電量を調節しているので、各セル２３の発電量を均一化することができる。これにより、スタック２１における発電を効率良く行うことができる。
尚、上述した各処理は、セル単位で行うことが望ましいが、例えば各セルをグループ分けして、グループ単位で行ってよい。例えば、外側の１、２、９、１０段目のセル２３と、３〜８段目のセル２３とでグループ分けすることができる。
ｆ）次に、本実施例の効果について説明する。
本実施例では、固体電解質形燃料電池スタック２１を貫くように、燃料ガスを供給する複数のボルト２９、３０、３７、３８、４０及び空気を供給する複数のボルト３１、３２、３４、３５、３６を設けており、その燃料ガス用の異なるボルト２９、３０、３７、３８、４０及び空気用の異なるボルト３１、３２、３４、３５、３６は、それぞれ異なる固体電解質形燃料電池セル２３（詳しくはその内部流路である燃料ガス流路４５や空気流路５３）に連通している。
従って、固体電解質形燃料電池スタック２１の内部に、各ボルト２９〜３２、３４〜３８、４０によって形成された各通気孔７５を介して各固体電解質形燃料電池セル２３に空気や燃料ガスを供給する場合には、異なる固体電解質形燃料電池セル２３に対して、空気や燃料ガスの供給状態（例えば供給量や供給温度等）を制御することができる。
よって、例えば固体電解質形燃料電池スタック２１の積層方向両端のセル２３の温度や発電量が低い場合には、その両端のセル２３に対する空気や燃料ガスの供給量を変化させて、両端のセル２３の温度を高めてスタック２１内部の温度を均一化でき、また、両端のセル２３の発電量を高めて、スタック２１全体の発電能力を高めることができる。
特に、本実施例の様に、積層方向に直列に電気的に接続されたスタック２１の場合には、各セル２３の発電能力を均一化することができるので、スタック２１全体の発電能力を高めることができる。
つまり、本発明独自の内部マニホールドの構造により、スタック２１をコンパクトにできるとともに、各セル２３の発電能力の均一化等によってスタック２１全体の発電性能を高めることができるので、エネルギー密度を向上することができるという顕著な効果を奏する。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

Claims (10)

  1. 燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを積層し、
    且つ、前記各固体電解質形燃料電池セル間に、前記固体電解質形燃料電池セル間のガスの流通を分離するとともに、前記固体電解質形燃料電池セル間の電気的導通を確保するインターコネクタを配置した固体電解質形燃料電池スタックにおいて、
    前記固体電解質形燃料電池スタックの一部又は全体を、当該スタックの積層方向に貫くように、前記固体電解質形燃料電池セルに、前記燃料ガスを供給する２以上の通気孔又は前記酸化剤ガスを供給する２以上の通気孔を設け、
    異なる前記通気孔を、それぞれ異なる前記固体電解質形燃料電池セルに連通させたことを特徴とする固体電解質形燃料電池スタック。
  2. 前記酸化剤ガスを供給する異なる通気孔を、それぞれ異なる前記固体電解質形燃料電池セルに連通させたことを特徴とする請求項１記載の固体電解質形燃料電池スタック。
  3. 異なる前記通気孔毎に前記各ガスの状態を独立して制御可能としたことを特徴とする請求項１記載の固体電解質形燃料電池スタック。
  4. 前記酸化剤ガスを供給する異なる通気孔毎に前記酸化剤ガスの状態を独立して制御可能としたことを特徴とする請求項３記載の固体電解質形燃料電池スタック。
  5. 前記酸化剤ガスの供給用に２以上の通気孔を設けて、各セルの温度制御を行うことを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
  6. 前記燃料ガスの供給用に２以上の通気孔を設けて、各セルの発電量制御を行うことを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
  7. 前記固体電解質形燃料電池セルは、前記燃料極と空気極と固体電解質体とを備えたセル本体を、その平面方向の外周側から囲む枠部を備え、
    前記枠部に、前記燃料ガスの通気孔及び前記酸化剤ガスの通気孔を設けたことを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
  8. 前記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端部における前記固体電解質形燃料電池セルに対して、供給するガスの状態を制御することを特徴とする前記請求項１〜７のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
  9. 前記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端部における前記固体電解質形燃料電池セルの状態を、所定状態にフィードバック制御することを特徴とする前記請求項１〜８のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
  10. 前記固体電解質形燃料電池スタックをその積層方向に貫通する中空ボルトを配置し、前記中空ボルトの内部孔を、前記ガスの通気孔として用いることを特徴とする前記請求項１〜９のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008218279A (ja) * 2007-03-06 2008-09-18 Mitsubishi Materials Corp 固体酸化物形燃料電池および燃料ガスの供給方法
JP5436352B2 (ja) * 2010-06-21 2014-03-05 日本特殊陶業株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
FR2975227B1 (fr) * 2011-05-09 2014-07-04 Commissariat Energie Atomique Pile a combustible a injection multiple et procede de fonctionnement
JP5787144B2 (ja) * 2011-06-22 2015-09-30 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池装置
JP6098615B2 (ja) * 2014-11-12 2017-03-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池、および燃料電池システム

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6220257A (ja) * 1985-07-19 1987-01-28 Hitachi Ltd 燃料電池
JPH0668886A (ja) * 1992-08-19 1994-03-11 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造
JPH07320755A (ja) * 1994-05-24 1995-12-08 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2001043871A (ja) * 1999-07-29 2001-02-16 Aisin Seiki Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
JP2001118588A (ja) * 1999-10-15 2001-04-27 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08273691A (ja) * 1995-03-29 1996-10-18 Toho Gas Co Ltd 固体電解質型燃料電池の積層構造
JP4558261B2 (ja) * 2002-06-17 2010-10-06 三菱原子燃料株式会社 固体電解質型燃料電池
JP4025640B2 (ja) 2002-12-25 2007-12-26 京セラ株式会社 燃料電池
JP4470497B2 (ja) * 2004-01-16 2010-06-02 三菱マテリアル株式会社 燃料電池
US20090220833A1 (en) * 2005-09-21 2009-09-03 Jones Eric T Fuel Cell Device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6220257A (ja) * 1985-07-19 1987-01-28 Hitachi Ltd 燃料電池
JPH0668886A (ja) * 1992-08-19 1994-03-11 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造
JPH07320755A (ja) * 1994-05-24 1995-12-08 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2001043871A (ja) * 1999-07-29 2001-02-16 Aisin Seiki Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
JP2001118588A (ja) * 1999-10-15 2001-04-27 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池

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