JP5299836B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、複数の固体電解質型燃料電池ユニットを積層したスタック構造体をケースに収容している燃料電池に関するものである。

従来、上記したような燃料電池としては、例えば、単セルを保持していると共に中心に燃料ガス導入孔が形成され且つこの燃料ガス導入孔の周囲に複数の空気導入孔が形成された複数の円盤状を成すセル板と、中心に燃料ガス導入孔が形成され且つこの燃料ガス導入孔の周囲に複数の空気導入孔が形成された複数の円盤状を成すセパレータ板とを交互に積層して成る燃料電池があった（例えば、特許文献１参照）。

この燃料電池の場合、燃料ガス及び空気の両方のガスをセル板及びセパレータ板の各中心部分から供給して外周部分から排出するようにしていることから、未燃焼ガスを回収することができず、その結果、過渡運転時等のガス流が変化する場合には、燃料利用率が低下して効率が落ちるうえ、外周部分での燃焼が不安定になることで単セルに局所的な熱応力がかかって破損してしまう恐れがあった。

そこで、このような破損の危惧を解消するべく成された燃料電池としては、単セルを保持していると共に中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有するセル板と、中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有するセパレータ板との各外周縁部同士を接合して固体電解質型燃料電池ユニットを形成し、この固体電解質型燃料電池ユニットを集電体を介して複数積層して成るスタック構造体をガス導入口及びガス排出口を具備したケースに収容して、ガス導入口から燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを導入してガス排出口に流すようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
米国特許第６３４４２９０号明細書 特開２００４−２０７０２８号公報

ところが、上記従来の燃料電池では、スタック構造体の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット間に集電体を配置して単セルと接触させているので、効率的に発電出力を取り出すことができるものの、円盤形の固体電解質型燃料電池ユニット間の集電体が位置する面内に対して、反応用ガスを均一に分配することが難しく、単セルに設ける電極を中心管外径近くまで設けて出力密度を上げる場合には、その中心管の風下の領域にはとくに反応用ガスが流れにくいために、その領域では十分な発電出力を得ることができない事態が起こりうるという問題があった。

また、上記従来の燃料電池では、複数積層した固体電解質型燃料電池ユニットの中心部を締結したスタック構造体とすると、それら各固体電解質型燃料電池ユニットの外周縁部がフリーな状態になっているので、大きな熱応力は発生し難い構造ではあるものの、燃料電池を自動車に搭載する場合等において、急速起動するときや急激な負荷変動がある場合には、一方の反応用ガスに加熱ガスや発電用ガスを多量に導入するため、ガス導入口で局所的な温度変化が生じ、耐熱衝撃性が低下する可能性がないとはいえない問題があり、これらの問題点の解決が従来の課題となっていた。

そこで本発明は、互いに積層された固体電解質型燃料電池ユニット間に流通させる反応用ガスの面内流量分配性を格段に向上させることができ、その結果、効率よく発電出力を得ることができるのに加えて、定常発電時におけるユニット間面内の温度分布を平準化し得るのに伴って、起動運転時や負荷変動時における耐熱衝撃性の向上をも実現できる燃料電池の提供を目的としている。

本発明に係る燃料電池は、複数の固体電解質型燃料電池ユニットを互いに間隙をもって積層してなるスタック構造体と、これを収容したケースとに、二種類の反応用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行うものであり、上記ケースには、二種類の反応用ガスのうちの一方のものを当該ケース内に導入するためのガス導入口と、そのケース内に導入された一方の反応用ガスを排出するためのガス排出口とを、スタック構造体を挟む両側に配設しているとともに、上記ガス導入口の総口幅寸法を、ガス排出口の総口幅寸法よりも大きく設定したことを特徴としている。

上記の構成では、一方の反応用ガスの圧力損失をガス導入口に比べてガス排出口付近で高くすることだけでなく、ガス導入口からスタック構造体の中心部分を回流してガス排出口に流路長と、ガス導入口からスタック構造体外周を回流してガス排出口に流通する流路長との差を小さくすることにより、固体電解質型燃料電池ユニット間の面内に一方の反応用ガスが均一に分配されることになり、定常発電時における固体電解質型燃料電池ユニット間面内の温度分布が平準化される。

また、ガス導入口の口幅を広くすることにより、当該ガス導入口における一方の反応用ガスの流速を抑え、起動運転時の加熱ガスや、負荷変動時の温度調整用ガスを導入する場合において、局所的かつ急激な温度変化を生じさせることを防ぐことにより、耐熱衝撃性を向上させることができる。

本発明によれば、互いに積層した固体電解質型燃料電池ユニット間に流通させる反応用ガスの面内流量分配性を格段に向上させることができ、その結果、効率よく発電出力を得ることができるのに加え、定常発電時におけるユニット間面内の温度分布を平準化し得るのに伴って、起動運転時や負荷変動時における耐熱衝撃性の向上をも実現することができる。

以下に、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池について、図１〜５を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の外観斜視図、図２は、その燃料電池の分解斜視図、図３は、その燃料電池の平断面図、図４は、図１に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。また、図５は、固体電解質型燃料電池ユニットの一部を拡大して示す拡大断面図である。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池Ａ１は、複数の固体電解質型燃料電池ユニット２００…を互いに間隙ｓをもって積層してなるスタック構造体Ｂを、ケース２１０に収容した構成になっている。
上記のスタック構造体（以下、たんに「セルスタック」という。）Ｂ内と、ケース２１０内には二種類の反応用ガスを互いに分離して流通させており、これにより発電を行うようになっている。

上記「積層」とは、複数の固体電解質型燃料電池ユニット（以下、単に「セルユニット」という。）２００…を互いに間隙ｓをもって積み重ねていることを意味している。
「間隙ｓ」は、隣接する他のセルユニット２００との間に一方の反応用ガスを流通させるためのものであり、互いに同寸法にしているものの他、規則的に異なる寸法にしたものを含む。

「二種類の反応用ガス」は、そのうちの一方の反応用ガスを空気として、他方の反応用ガスを燃料ガスとして以下に説明するが、一方の反応用ガスを燃料ガス、他方の反応用ガスを空気としてもよいことは勿論である。
本実施形態においては、ケース２１０内には上記一方の反応用ガスが、また、セルスタックＢには他方のものが互いに分離して流通されるようになっている。

ケース２１０は、０．５（ｍｍ）ほどの板厚にしたＳＵＳ４３０製のものであり、ケース本体２２０の側部に、導入部２３０と排出部２４０とを突設した構成になっている。
ケース本体２２０は、平面視円形の底板２２１に周板２２２を囲繞形成するとともに、上板２２５を全周にわたり溶着した気密性を有するものである。

上記周板２２２には、ケース本体２２０内に一方の反応用ガスを導入するためのガス導入口２２３と、当該ケース２１０内に導入された一方の反応用ガスを排出するためのガス排出口２２４とが、セルスタックＢを挟む周板２２２の両側位置に形成されている。

導入部２３０は、ガス導入口２２３に対応する周板２２２の外側に直方体形にして、また、排出部２４０は、ガス排出口２２４に対応する周板２２２の外側に上記導入部２３０よりも容積の小さい直方体形にしてそれぞれ突設されている。

本実施形態における「両側」とは、詳細を後述するセルユニット２００の当接部２６１，２７１の中心軸線Ｏ１を通る直径線О２上に、ガス導入口２２３とガス排出口２２４の各口幅Ｗ１，Ｗ２方向中心Ｏ３，Ｏ４を位置させていることであるが、これに限るものではない。
「口幅」は、ケース本体２２０の周板２２２に沿う長さのことであり、ガス導入口２２３とガス排出口２２４を同じ高さにしていることを前提としている。

また、本実施形態においては、ガス導入口２２３の口幅寸法Ｗ１を、セルユニット２００の半径Ｄ１と、当該当接部２６１，２７１の半径Ｄ２との差の二倍以上に設定している。これにより、ガス導入口２２３での圧力損失を減らすことでポンプロスを低減しつつ、面内温度分布の均一性を向上させられる。

上板２２５は、ケース本体２２０に対応する主板２２５ａに、導入部２３０と排出部２４０の輪郭に対応する副板２２５ｂ，２２５ｃを一体に形成したものであり、ケース本体２２０，導入部２３０及び排出部２４０を区画する周板に溶着されている。
副板２２５ｂには、外部から一方の反応用ガスを導入するための導入管２２５ｄが、また、副板２２５ｃには、ケース本体２２０内に導入された一方の反応用ガスを排出するための排出管２２５ｅがそれぞれ立設されている。
なお、２２６はセルスタックＢの中心軸線Ｏ１に一致して接続され、下記のセルユニット２００に対して他方の反応用ガスの導入及び排出を行うための中心管である。

セルユニット２００…は、固体電解質型セル（以下、「単セル」ともいう。）２５０を配設したセル板２６０とセパレータ２７０との間に区画形成される空隙Ｋにユニット内集電体２８０と流路形成体２９０とを収容した中空円盤形のものである。

セル板２６０は、隣接する他のセルユニット２００との間に上記した間隙ｓが形成される高さにした円筒形の当接部２６１が、円形基板２６２の中心に下向きにして突設されているとともに、その円形基板２６２周縁部には周板２６３が起立形成されている。
当接部２６１には、後述する流路形成体２９０に形成されているガス流入孔２９１とガス流出孔２９２に対応する位置に、それらと同径の貫通孔２６４，２６５…が開口形成されている。

互いに隣接積層されたセルユニット２００，２００間の間隙ｓには、ユニット外集電体３００がそれぞれ配設されている。
このユニット外集電体３００は、例えばインコネル（登録商標）製の金属メッシュを円環形に成形したものであり、これの周縁部をセル板２６０又はセパレータ２７０にレーザ溶接等により接合されている。

固体電解質型セル２５０は、アノード極（燃料極）とカソード極（空気極）とを電解質（いずれも図示しない）の上下両側に配設し、かつ、中心軸線Ｏ１を中心とした円形に形成されている。

セパレータ２７０は、隣接する他のセルユニット２００との間に、上記した間隙ｓが形成される高さにした円筒形の当接部２７１が、円形基板２７２の中心に上向きにして突設されているとともに、その円形基板２７２の周縁部には周板２７３が垂下形成されている。
当接部２７１には、流路形成体２９０に形成されているガス流入孔２９１とガス流出孔２９２に対応する位置に、それらと同径の貫通孔２７４，２７５…が開口形成されている。

上記した構成からなるセルユニット２００を互いに積層することにより、セル板２６０の当接部２６１と、セパレータ２７０の当接部２７１とが当接し、これにより上下に積層隣接するセルユニット２００，２００間に間隙ｓが形成される。

本実施形態における一方の反応用ガスの流動状態は、次のとおりである。
ガス導入口２２３を介してケース２２０内に流入した一方の反応用ガスは、セルユニット２００，２００間の各間隙ｓを通じ、ガス排出口２２４に向けて流動し、そのガス排出口２２４を通じてケース本体２２０外に排出される。
このとき、ガス導入口２２３の総口幅寸法を、ガス排出口２２４の総口幅寸法よりも大きく設定していることにより、当該ガス導入口２２３における一方の反応用ガスの流速が抑えられる。これにより、起動運転時の加熱ガスや、負荷変動時の温度調整用ガスを導入する場合において、局所的かつ急激な温度変化を生じさせることを防ぐことができ、耐熱衝撃性を向上させることができる。

また、一方の反応用ガスの圧力損失をガス導入口に比べてガス排出口付近で高くすることができる。
さらに、ガス導入口２２３からセルスタックＢの当接部（中心部分）を回流してガス排出口２２４に流動する流路長と、ガス導入口２２３からセルスタック外周を回流してガス排出口２２４に流動する流路長との差を小さくすることができる。
これに加えて、セルユニット間の面内に一方の反応用ガスが均一に分配されることになり、定常発電時におけるセルユニット間面内の温度分布を平準化している。

次に、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池Ａ２について、図６〜９を参照して説明する。
燃料電池Ａ２は、複数のセルユニット１…を互いに間隙ｓ１をもって積層してなるセルスタック１１をケース１０に収容しているとともに、下記のケース本体１２とセルスタック１１間の間隙ｓ１にガス流規制部１６を配設している。

ガス流規制部１６は、ガス導入口１２ａから導入した一方の反応用ガスをユニット外集電体１５を通じてガス排出口１２ｂに流通させるように規制するものである。

ケース１０は、０．５（ｍｍ）ほどの板厚にしたＳＵＳ４３０製のものであり、ケース本体１２の側部に、導入部１２Ａと排出部１２Ｂとを突設した構成になっている。
ケース本体１２は、平面視円形の底板１２ｃに周板１２ｄを囲繞形成するとともに、蓋体（上板）１２ｅを全周にわたり溶着した気密性を有するものである。

上記周板１２ｄには、ケース本体１２内に一方の反応用ガスを導入するためのガス導入口１２ａと、当該ケース本体１２内に導入された一方の反応用ガスを排出するためのガス排出口１２ｂとが、セルスタックＢを挟む両側位置に形成されている。

導入部１２Ａは、ガス導入口１２ａに対応する周板１２ｄの外側に直方体形にして、また、排出部１２Ｂは、ガス排出口１２ｂに対応する周板１２ｄの外側に上記導入部１２Ａよりも容積の小さい直方体形にしてそれぞれ突設されている。
なお、１３はセルスタック１１の中心に接続してセルユニット１に対する燃料ガス（他方の反応用ガス）の導入及び排出を行う中心管である。

セルユニット１は、図６，９に示すように、単セル６を配設したセル板２とセパレータ３との間に区画形成される空隙Ｋにユニット内集電体４と流路形成体５とを収容した中空円盤形のものである。
セル板２は金属製のものであり、円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔２１及びガス排出孔２２を有している。
セパレータ板３は金属製のものであり、セル板２と同じく円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔３１及びガス排出孔３２を有している。
これらのセル板２及びセパレータ板３は、互いに対向した状態で各々の外周縁部同士を接合されている。

セル板２及びセパレータ板３の各中心部分には、外周縁部と同心状を成し且つ互いに離間する方向に突出して後述するようにスペーサとして機能する円形凸状段差部（当接部）２３，３３が中心軸線Ｏ１に一致してそれぞれ形成されている。
なお、円形凸状段差部（当接部）２３，３３は例えばプレス加工によって成型される。

セル板２及びセパレータ板３の各外周縁部には、この外周縁部と同心状を成し且つ互いに接近する方向に突出して空隙Ｋを形成するための環状段差２４，３４がプレス加工によってそれぞれ形成してある。
また、上記したガス導入孔２１，３１及びガス排出孔２２，３２は、セル板２及びセパレータ板３の各円形凸状段差部２３，３３に対向して配置されている。

単セル６はドーナツ状を成しており、その内周縁部及び外周縁部に、円形凸状段差部２３を有する内側円板部分及び環状段差２４を有する外側リング部分をそれぞれ接合してセル板２を形成している。なお、単セル６は、電解質支持型セル、電極支持型セル、多孔質支持型セルのいずれでもあってもよい。

また、セパレータ板３の円形凸状段差部３３には、ガス導入孔３１と連通してセル板２及びセパレータ板３間に形成される空隙Ｋ内に対して中心管１３からの燃料ガスを供給する流路形成体５が収容してある。
一方、セル板２の円形凸状段差部２３には、ガス排出孔２２と連通して上記空隙Ｋから中心管１３側に燃料ガスを排出する流路部品５が収容してある。
これらの流路形成体５…は、後述するように、セルユニット１を積層してセルスタック１１を形成した状態において、そのセルスタック１１全体の押付力のみで互いに密着するようになっている。

本実施形態においては、上記した燃料極をニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメット、電解質を８モルパーセントイットリア安定化ジルコニア、空気極をランタンストロンチュウムマンガナイトとした厚さ０．８ｍｍの燃料極支持型セルを単セル６として用いている。
一方、セル板２及びセパレータ板３には、肉厚が０．１ｍｍのＳＵＳ４３０の圧延板を用いている。
そして、この圧延板を超硬及びＳＫＤ１１から成る金型を装備したプレス装置にセットして、８０トンのプレス荷重をかけてプレス加工を行い、これにより上述した形状に形成されたセル板２のセル接着部に、ＢａＯ-ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３-ＳｉＯ２系のガラスペーストを厚さ５０μｍで塗布し、このガラスペースト上に単セル６を載せて９００℃１５分で接着させた。

上記プレス加工及び単セル６の接合により得られたセル板２及びセパレータ板３の外径は１２５ｍｍであり、セル板２及びセパレータ板３の各外周縁部同士をレーザ溶接を用いて接合して、厚さ１．５ｍｍのセルユニット１とした。
ユニット内集電体４には、インコネル製金属メッシュから成るドーナツ状のものを用い、セル板２及びセパレータ板３に対してその周縁部をレーザ溶接により接合した。

一方、流路形成体５にもＳＵＳ４３０を用い、セル板２及びセパレータ板３に対しては、接合温度を１０００℃以下とした真空中での拡散接合により固定し、接合時の変形を防いでいる。
なお、拡散接合に代えてＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接による接合も可能であり、この際、セル板２及びセパレータ板３が薄板状を成していることから、表側からレーザを照射しても接合することができる。
また、流路形成体５の流路パターンは、エッチングや研削加工やレーザ加工により形成することができるほか、エッチング部品を積層して接合することによっても形成することができる。

本実施形態に係る燃料電池Ａ２においては、互いに隣接するセルユニット１の一方側の中心部分に、Ａｌ２Ｏ３を主成分とするセラミックス接着剤を塗布している。
このセラミックス接着剤を塗布した中心部分に他方側のセルユニット１の中心部分を載せて、以降同様にして規定の段数になるまでセルユニット１を積層し、最後に１５０℃２時間の接着焼成を行ってセルスタック１１を製作した。

そして、この燃料電池Ａ２では、図８に示すように、ガス導入口１２ａ及びガス排出口１２ｂを有するＳＵＳ４３０製のケース１０内に、従ってまた、ケース本体１２（板厚０．５ｍｍ）にセルスタック１１を収容している。
また、セルスタック１１の最上端に位置するセルユニット１のセパレータ板３の円形凸状段差部３３に中心管１３を溶接により接合し、このケース本体１２に蓋体１２ｅを被せて各々の合わせ目どうしを溶接により接合する。
さらに、蓋体１２ｅの導入部１２Ａを覆う部分及び排出部１２Ｂを覆う部分に導入管１７及び排出管１８をそれぞれ溶接により接合するようにしている。

この際、セルスタック１１とケース本体１２との間における隙間ｓ１に、耐火性の発泡セメントからなるガス流規制部としての充填材１６を設けている。
ケース本体１２におけるガス導入口１２ａの総口幅寸法Ｗ１をガス排出口１２ｂの総口幅寸法Ｗ２よりも大きく設定している。これにより、ガス導入口１２ａから導入した空気をセルユニット１，１間の間隙ｓ１に配設したユニット外集電体１５を通してガス排出口１２ｂに流通させるようにしている。

本実施形態において、充填材１６は、セルスタック１１をケース本体１２に収容するのに先立って、セルスタック１１の外周縁部に塗布するようにしているが、セルスタック１１の外周縁部に対して、あらかじめ離型材としてボロンナイトライドを主成分とする材料を噴霧しておくことで、充填材１６とセルスタック１１との互いの移動を許容するようにしてある。

加えて、この実施例において、ケース本体１２におけるガス排出口１２ｂの周板に気孔径１０μｍで且つ厚さ１ｍｍのＳＵＳ３１０Ｓ製発泡金属１９Ａを付けてスポット溶接により接合し、この発泡金属１９Ａの一部にセラミックス接着剤を介してガラスウール（ガス抵抗体）１９を接着させている。

この燃料電池Ａ２において、図６（ａ）に示すように、導入管１７からガス導入口１２ａを介してケース本体１２内に空気を導入すると、セルスタック１１のセルユニット１とこれに積層したセルユニット１との間、すなわち、カソード側である層間に位置するユニット外集電体１５に空気が流れた後、ガス排出口１２ｂを通して排出管１８側に排気される。
一方、燃料ガスは、中心管１３のガス導入部分１３ａ及びセルユニット１の各ガス導入孔２１，３１を通してセル板２及びセパレータ板３間に形成される各空間Ｋ内に導入流通した後、各ガス排出孔２２，３２及び中心管１３のガス排気部分１３ｂを通して排気される。

上記した燃料電池Ａ２では、セルスタック１１とケース本体１２との間における隙間にガス流規制部である充填材１６を設けているうえ、ケース本体１２におけるガス導入口１２ａの総口幅寸法Ｗ１をガス排出口１２ｂの総口幅寸法Ｗ２よりも大きく設定している。
これにより、ケース本体１２のガス導入口１２ａから導入した空気（一方の反応用ガス）が、ケース本体１２とセルスタック１１との間の隙間よりも互いに重なり合うセルユニット１の間の集電体１５の部分に流れやすくなる。
これにより、セル板２に保持された単セル６の部分に対する空気の供給量が大幅に増加することとなり、従って、十分な発電出力が得られることとなる。

また、上記した燃料電池Ａ２では、空気がセルユニット１間の面内に流れやすくなる分だけ、空気が均一に分配されることとなり、定常発電時におけるユニット間面内の温度分布が平準化されて、起動運転時や負荷変動時の耐熱衝撃性が向上することとなる。

さらに、上記した燃料電池Ａ２では、セルスタック１１のセルユニット１のセル板２及びセパレータ板３の間に形成される空間Ｓ内に燃料ガスのみを流すようにしているので、未燃焼ガスを回収し得ることとなり、したがって、過渡運転時等のガス流が変化する場合であったとしても、燃料利用率が低下することがなく、加えて、単セル６に局所的な熱応力がかかって不具合が生じる可能性が少なくなる。

さらにまた、上記した燃料電池Ａ２では、セルスタック１１の外周縁部に発泡セメントからなる充填材１６を塗布することで、ガス流規制部を形成するようにしているうえ、セルスタック１１の外周縁部に対して、あらかじめ離型材としてのボロンナイトライドを主成分とする材料を噴霧して表面処理を行うようにしているので、充填材１６をセルユニット１に接着させることなく、所定位置に設置することができる。
その結果、簡便な作業を行うだけで、単セル６の部分へのガス供給量を増加させ得ることとなり、加えて、セルユニット１が昇降温に対してその外周縁部で応力を開放しやすくなり、従って、耐熱衝撃性向上及び薄板化が図られることとなる。

さらにまた、上記した燃料電池Ａ２では、ケース本体１２におけるガス排出口１２ｂの側壁に、ガス抵抗体としてのガラスウール１９を配置しているので、ケース本体１２のガス排出口１２ｂにおける排出圧が高まることとなって、空気をセルユニット１間の面内により行き渡らせ得ることとなる。

上記したセルユニット１では、セル板２及びセパレータ板３が互いにほぼ同一形状を成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、単セル６を取り付けるセル板２が円形凸状段差部２３のみを有する形状を成し且つセパレータ板３が通常の約二倍の高さの環状段差部３４を有する形状を成していてもよい。

また、本実施形態では、単セル６がドーナツ状を成す場合を示したが、これに限定されるものではなく、単セル６を小径の円板状を成すものとしてセル板２の取付け領域に複数配置したり、単セル６を扇形状を成すものとしてフレームを介してセル板２の取付け領域に取付けたりすることも可能である。

さらに、本実施形態では、セルスタック１１を収容するケース本体１２の間口形状が、円形状を成す場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、セルスタック１１を収容するケース本体１２の間口形状が、六角形状を成していてもよい。

さらにまた、上記した実施形態では、ケース本体１２とセルスタック１１との間における隙間のうちのガス導入口１２ａ及びガス排出口１２ｂを除く全周にわたって充填材１６を設置しているが、ケース１２とセルスタック１１との間における隙間のうちのケース本体１２のガス導入口１２ａ近傍及びガス排出口１２ｂ近傍のみに充填材１６を設けるようにしてもよい。

上記した燃料電池Ａ２では、ガス抵抗体としてガラスウール１９を採用して、このガラスウール１９をガス排出口１２ｂに発泡金属１９Ａを介して固定した場合を示したが、これに限定されるものではない。
他の構成としては、例えば、図１０（ａ）に示すように、ガス抵抗体としてアルミナを主成分とした多孔質セラミックス２９Ａを採用して、この多孔質セラミックス２９をガス排出口１２ｂにセラミックス接着剤を介して固定した構成にしてもよい。
また、図１０（ｂ）に示すように、ガス抵抗体として直径０．５ｍｍの小穴を多数有する板厚０．６ｍｍのパンチングボード２９Ｂを採用して、このパンチングボード２９Ｂをセルスタック１１と接触しないようにしてガス排出口１２ｂに溶接により固定してもよい。

この際、空気の流れを妨げるガス抵抗体は、ケース本体１２におけるガス排出口１２ｂに設ける場合に限定されるものではなく、例えば、図１１（ａ）に示すように、ガス排出口１２ｂに接続する排出管１８にガス抵抗体としてのオリフィス２９Ｃを設けたり、図１１（ｂ）に示すように、ガス排出口１２ｂに接続する排出管１８にガス抵抗体としての電磁弁２９Ｄを設けたりすることも可能である。

図１２〜１４は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池を示している。図１２は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池を示す平面説明図である。また、図１３は、図１２に示すＯ−Ｂ線位置に沿う断面図、図１４は、図１２に示すＯ−Ｃ線に沿う断面図である。

本実施形態に係る燃料電池Ａ３は、ＳＵＳ３１０製のケース本体７２（板厚０．５ｍｍ）に二つのガス導入口７２ａ及び一つのガス排出口７２ｂを設置した構成のものであり、二つのガス導入口７２ａの各幅の和Ｗ１を、ガス排出口７２ｂの総口幅寸法Ｗ２よりも大きく設定している。
なお、７２Ａ，７２Ａは上述したものと同等のガス導入部であり、また、７２Ｂはガス排出部である。

本実施形態では、図１３に示すように、セルスタック１１を構成する複数のセルユニット１の間隔に合わせて成形した板厚０．１ｍｍの金属波板７６に、セラミックスシート７７をガラス接着剤で貼り付けて成るものをガス流規制部としている。
このガス流規制部は、セルスタック１１の外周部分に嵌め込んだ状態でケース本体７２にスポット溶接により固定されている。

また、本実施形態では、図１４に示すように、気孔径１００μｍ，気孔率５０％，板厚１ｍｍの気孔率が大きいパンチングボード７９Ａの両端に、気孔径１０μｍ，気孔率３０％，厚さ１ｍｍの気孔率が小さいＳＵＳ３１０Ｓ製発泡金属７９Ｂをシーム溶接で接合して成るものをガス抵抗体としている。
このガス抵抗体は、ガス排出口７２ｂの側壁にレーザ溶接により固定してあり、この際、セルスタック１１のガス排出口７２ｂに面する外周部分には、塗布焼成により形成されたガラスコート７９Ｃが配置してある。

本実施形態の燃料電池Ａ３においても、セルスタック１１とケース本体７２との間における隙間ｓ１に、金属波板７６及びセラミックスシート７７から成るガス流規制部を設けているうえ、ケース本体７２におけるガス導入口７２ａの総口幅寸法Ｗ１をガス排出口７２ｂの総口幅寸法Ｗ２よりも大きく設定している。
これにより、ケース本体７２のガス導入口７２ａから導入した空気が、ケース本体７２とセルスタック１１との間の隙間ｓ１よりもセルスタック１１の互いに重なり合うセルユニット１の間の集電体１５の部分に流れやすくなる。
従って、セル板２に保持された単セル６の部分に対する空気の供給量が大幅に増加することとなり、したがって、十分な発電出力が得られることとなる。

また、上記した燃料電池Ａ３では、空気がセルユニット１間の面内に流れやすくなる分だけ、空気が均一に分配されることとなり、定常発電時におけるユニット間面内の温度分布が平準化されて、起動運転時や負荷変動時の耐熱衝撃性が向上することとなる。

さらに、上記した燃料電池Ａ３では、ケース本体７２におけるガス排出口７２ｂの側壁に、気孔率が大きいパンチングボード７９Ａの両端に気孔率が小さい発泡金属７９Ｂを接合して成るガス抵抗体及びガラスコート７９Ｃを配置している。これにより、ケース本体７２のガス排出口７２ｂにおける排出圧が高まることとなって、空気をセルユニット１間の面内により行き渡らせ得ることとなる。

次に、本発明に係る燃料電池と、比較例に係る燃料電池との定常発電時における空気（カソードガス）の流れのシミュレーションについて説明する。
本発明に係る燃料電池は、ガス導入口の総口幅寸法Ｗ１がガス排出口の総口幅寸法Ｗ２よりも広いケース（Ｗ１＝８０ｍｍ，Ｗ２＝２０ｍｍ、図３参照）を有している。
比較例に係る燃料電池は、ガス導入口の総口幅寸法Ｗ１がガス排出口の総口幅寸法Ｗ２よりも狭いケース（Ｗ１＝２０ｍｍ，Ｗ２＝８０ｍｍ）を有している。

このシミュレーションで使用したガス条件を表１に示し、シミュレーション結果を図１５〜図１８に示す。図１５及び図１６は、本発明の燃料電池及び比較例の燃料電池の各カソードガス速度ノルム分布をそれぞれ示しており、図１７及び図１８は、本発明の燃料電池及び比較例の燃料電池の各カソードガス温度分布をそれぞれ示している。

図１５及び図１６のシミュレーション結果に示すように、ガス導入口の総口幅寸法Ｗ１がガス排出口の総口幅寸法Ｗ２よりも狭い比較例の燃料電池では、本発明に係る燃料電池と比べてセルスタックの当接部の風下側でカソードガス速度ノルムが小さくなっている。すなわち、カソードガス流速が遅くなっており、面内ガス流量分布の均一性が損なわれていることが判る。

また、図１７及び図１８のシミュレーション結果に示すように、カソードガス温度が最大となる排出口付近において、本発明に係る燃料電池が約８００℃であるのに対して、比較例の燃料電池では約９００℃となっている。
すなわち、本発明の燃料電池がカソードガス最大温度を１００℃程度低くし得ることが判る。加えて、ガス導入口幅が排出口幅よりも広い本発明の燃料電池の方が、比較例の燃料電池と比べて、ガス導入口付近における局所的な温度の急変を抑え得ることが判る。従って、ケース本体のガス導入口の総口幅寸法Ｗ１をガス排出口の総口幅寸法Ｗ２よりも広くすることで、ユニット間面内の温度分布を平準化できることが実証できた。

ところで、ケース本体のガス導入口及びガス排出口の各口幅寸法に上記した特徴を有しているのに加えて、ガス導入口及びガス排出口の各個数と設置部位にも特徴を有している。さらに後述するように、ガス導入口やガス排出口に整流板を設けることは、ガス導入口の数やガス排出口の数を増やすことに含まれるものとする。

本発明における単セルとしては、電極支持型セル、電解質支持型セル及び多孔質金属支持型セルのいずれでもよい。この単セルを保持するセル板には、単セルとの熱膨張係数を合わせた材料を用いることが望ましい。
例えば、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアのサーメットを燃料極に用いた燃料極支持型セルの場合には、燃料極の熱膨張率に近い約１０．Ｅ−６［１／Ｋ］程度の熱膨張率となるフェライト系金属を用いることが望ましく、特に、フェライト系金属の中でもＳＵＳ４３０やCrofer22APUを用いることができる。

さらに、セルユニットのセル板及びセパレータ板の各外周部はプレス加工により形成することが望ましく、セル板及びセパレータ板の各々の外周縁部同士の接合には、溶接やロウ付けを用いることができる他、超音波接合法等も用いることができるが、これに限定されるものではない。

さらにまた、セルユニットの各単セル領域の間に配置される集電体には、導電性の多孔体を使用することができる。例えば、金属メッシュや発泡金属体を用いることができる他、金属や電極材料からなる繊維の織物やフェルト等を使用することができ、特に、高温下でも弾性が保たれるインコネル等のＮｉ系合金を使用することができる。
また、高温化でも高い耐酸化性があり、電気的導電性の良いCrofer22APU等の高Ｃｒ（１９〜２５％）含有のステンレス材を用いることもできるが、これらに限定するものではないことは上記と同様である。

本発明の燃料電池のように、すなわち、セルスタックの中心に接続する中心管を備えた燃料電池のように、ケース本体のガス導入口から導入した一方の反応用ガスをセルスタックの互いに重なり合うセルユニット間のユニット外集電体を通してガス排出口に流す場合、ユニット外集電体が位置するセルユニット間の面内に対して、一方の反応用ガスを均一に分配することが難しく、当接部の風下の領域にはとくにガスが流れにくい状況である。
そこで、本発明に係る燃料電池において、セルユニット間の面内に一方の反応用ガスを均一に分配するべく、ケース本体のガス導入口からガス排出口までの流路長さを以下のように設定している。

図１９は、高効率運転にて動作させる場合におけるケース本体のガス導入口からガス排出口までの好ましい流路長さの設定要領を示す燃料電池の簡略平面説明図である。
すなわち、図１９に示すように、ケース本体１２のガス導入口１２ａ（１２ａ’）の中心１２ｉ（１２ｉ’）から中心軸線Ｏ１に向かう線分と当接部２３，３３との交点をＸ（Ｘ’）とすると共にガス導入口１２ａ（１２ａ’）と隣接するガス排出口１２ｂの中心１２ｏから中心軸線Ｏ１に向かう線分と当接部２３，３３との交点をＹとし、ガス導入口１２ａ（１２ａ’）の中心１２ｉ（１２ｉ’），交点Ｘ（Ｘ’），交点Ｙ，ガス排出口１２ｂの中心１２ｏを結ぶ流路をＰ１（Ｐ１’）、ガス導入口１２ａ（１２ａ’）及びガス排出口１２ｂ間におけるケース本体１２の外周板に沿う流路をＰ２（Ｐ２’）とした場合において、流路Ｐ１の長さと流路Ｐ２の長さとの差の絶対値が、流路Ｐ１の長さの４０％以下（流路Ｐ１’の長さと流路Ｐ２’の長さとの差の絶対値が、流路Ｐ１’の長さの４０％以下）になるように設定することができる。

これは、流路Ｐ１（Ｐ１’）の長さと流路Ｐ２（Ｐ２’）の長さとの差の絶対値が、流路Ｐ１（Ｐ１’）の長さの４０％を超えると、ガス導入口１２ａ（１２ａ’）から導入された反応用ガスが排出口１２ｂに至る流路のうち流路長さが短い方へ流れてしまって固体電解質型ユニット間の面内に均一に行き渡らせることが困難になるからである。
仮に、流路Ｐ１（Ｐ１’）の長さと流路Ｐ２（Ｐ２’）の長さの差の絶対値が、流路Ｐ１（Ｐ１’）の長さの４０％を超えると、高効率運転のために６０％以上のガス利用率にて運転する場合に、ガス導入口１２ａ（１２ａ’）から導入された反応用ガスが排出口１２ｂに至る流路のうち流路長さが長い方に流れたガスの濃度がガス排出口付近で低下して発電効率が低下してしまうことから、流路Ｐ１の長さと流路Ｐ２の長さとの差の絶対値が流路Ｐ１の長さの４０％以下にすることにより、高効率にて燃料電池を動作させることができるものである。

ここで、燃料電池を車体に搭載する際には、定常運転時だけでなく、起動運転時や負荷変動時や過負荷時に起因する冷却運転の頻度が非常に高いことから、燃料電池の温度分布のばらつきを緩和させて耐熱衝撃性を向上させる必要がある。

例えば、単セルとセル板とをガラス接合していると、ガス導入口から高温の一方の反応用ガスをケース内に導入して急速過熱を行う起動時には、熱衝撃によってガラス接合部分に不具合が生じる可能性がある。
さらに、燃焼器からの燃焼オフガスをセルスタックへ導入して温度の保持を行っている暖気運転時から出力１００％とする負荷変動時に移行する段階においては、セルスタックの温度よりも低温の燃料ガスをセルスタックへ導入すると、単セル（電解質が薄膜の電極支持型セル）面内に大きな温度分布のばらつきが生じて、熱応力により電極と電解質との剥離を招いてしまい、単セルの性能が低下する可能性があった。

そこで、鋭意検討を行った結果、高温（低温）の他方の反応用ガスをケース内に導入する上で、燃料電池材料として最も熱伝導性が悪い材料で構成される単セルに対して、局所的に加熱（冷却）することを防ぐべく、単セルの特徴的な長さと同程度である固体電解質ユニットの半径と中心管の半径との差以上にガス導入口の総口幅寸法を設定すると、単セル自身のサイズと同程度で加熱（冷却）を行うことができるため、上記不具合の発生を回避するのに好適であることを見い出した。

このように、ケース本体におけるガス導入口の総口幅寸法をセルユニットの半径と中心管の半径との差よりも大きく設定すると、セルユニット間の面内の温度分布のばらつき緩和することができる。その結果、セルユニット（単セルとセル板との接合部等の接合箇所）における熱応力が低減することとなって、耐熱衝撃性が向上することとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、図２０に示すように、ケース１２がガス導入口１２ａ及びガス排出口１２ｂを一つずつ具備し、このケース１２におけるガス導入口１２ａの幅方向中心１２ｉと、中心軸線Ｏ１と、ガス排出口１２ｂの幅方向中心１２ｏとを略同一直線上に位置させた構成とすることができる。この際、図２１に示すように、ケース１２におけるガス導入口１２ａの口幅寸法を、セルユニットの半径と当接部の半径との差の二倍以上に設定した構成とすることもできる。

具体的には、ガス導入口１２ａの幅をＷ１、ガス排出口１２ｂの幅をＷ２、ケース本体１２の半径をｒ１、当接部２３（３３）の半径をｒ２、ガス導入口１２ａとガス排出口１２ｂとが成す角度をＲ、ｒ１−ｒ２＝ａとした場合、図２０に示すように、Ｗ１＝１．１ａ，Ｗ２＝０．９ａとしたり、図２１に示すように、Ｗ１＝２ａ，Ｗ２＝ａとしたり、図２２に示すように、Ｗ１＝２ａ，Ｗ２＝ａ，Ｒ＝１６５°としたり、図２３に示すように、Ｗ１＝３．１４ｒ１，Ｗ２＝０．５ａとしたりすることができる。

ケースがガス導入口及びガス排出口を一つずつ具備している燃料電池において上記した構成とする理由は、ケースにおけるガス導入口の幅方向中心と、当接部の中心（中心軸線）と、ガス排出口の幅方向中心とが略同一直線上に位置していないと、一方の反応用ガスがセルユニット間の面内に偏って供給されて、発電時の反応熱が面内で偏ることから、面内温度分布に大きなばらつきが生じることとなって、熱応力により単セルの電解質にクラックが入って発電不可能になる恐れがあるからである。

上記したケースにおけるガス導入口の幅方向中心と、当接部の中心（中心軸線）と、ガス排出口の幅方向中心とを略同一直線上に位置させた燃料電池では、ガス導入口及びガス排出口が単数なので、スタック構造体からケースへ伝熱するのを少なく抑えることができ、起動時間の短縮化が図られることとなる。
一方、ケースにおけるガス導入口の口幅寸法を固体酸化物型燃料電池ユニットの半径と中心管の半径との差の二倍以上、従ってまた、セルユニットの半径との当接部の直径との差の二倍以上に設定した燃料電池では、ガス導入口からユニット間に導入されたガスが、中心管、従ってまた、当接部を避けて左右に分流するガス流路において、ガス導入口幅に対してユニット間のガス流路幅を同幅か狭幅させることで、ガス流路幅の拡幅に起因する大きな圧力損失を避けることが可能となり、ポンプロスを低減しつつ面内ガス流量分配性をより向上させ、面内温度分布の均一性を向上させ得ることとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、ケースが複数のガス導入口及びガス排出口を具備し、このケースにおける複数のガス導入口の各幅方向中心及び当接部の中心を結ぶ線分と、当接部の中心及び上記ガス導入口に最も近傍で隣接するガス排出口の幅方向中心を結ぶ線分とが成す角度をいずれも８０°よりも大きく且つ１８０°を超えない範囲に設定してある構成とすることができる。

上記した構成とする理由は、ケースにおける複数のガス導入口の各幅方向中心及び中心軸線を結ぶ線分と、中心軸線及び上記ガス導入口に最も近傍で隣接するガス排出口の幅方向中心を結ぶ線分とが成す角度が鋭角である場合、ガス導入口から流入する一方の反応用ガスが当接部まで行き渡らずに、ガス導入口に最も近傍で隣接するガス排出口へ流れてしまう。
これを避けるために、ガス導入口とガス排出口との間に整流板を設置しようとすると、単セルを保護する都合上セルユニット間のピッチを広げざるを得ず、結果として発電出力密度が低下してしまうからである。

次に、図２４〜３５を参照して、複数のガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のパターンを具体的に説明する。図２４〜３５は、同上のガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のいくつかのパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。

図２４及び図２５に示すように、ケース本体１２が二個のガス導入口１２ａ及び一個のガス排出口１２ｂを有していて、二個のガス導入口１２ａの各幅の和をＷ１、ガス排出口１２ｂの幅をＷ２、ケース本体１２の半径をｒ１、当接部２３（３３）の半径をｒ２、二個のガス導入口１２ａとガス排出口１２ｂとがそれぞれ成す角度をＲ１，Ｒ２、ｒ１−ｒ２＝ａとした場合、図２４に示すように、Ｒ１＝Ｒ２＝１５０°，Ｗ１＝２ａ，Ｗ２＝ａとしたり、図２０に示すように、Ｒ１＝１２０°，Ｒ２＝１５０°，Ｗ１＝２ａ，Ｗ２＝０．５ａとしたりすることができる。

また、図２６に示すように、ケース本体１２が一個のガス導入口１２ａ及び二個のガス排出口１２ｂを有していて、ガス導入口１２ａの幅をＷ１、二個のガス排出口１２ｂの各幅の和をＷ２、ケース本体１２の半径をｒ１、当接部２３（３３）の半径をｒ２、ガス導入口１２ａと二個のガス排出口１２ｂとがそれぞれ成す角度をＲ１，Ｒ２、ｒ１−ｒ２＝ａとした場合、Ｒ１＝１６０°，Ｒ２＝１５０°，Ｗ１＝１．２ａ，Ｗ２＝ａとすることができる。

さらに、図２７に示すように、ケース本体１２がガス導入口１２ａ及びガス排出口１２ｂを二つずつ具備し、これらのガス導入口１２ａ及びガス排出口１２ｂを交互に配置して、ガス導入口１２ａの各幅方向中心１２ｉ及び中心軸線Ｏ１を結ぶ線分と、中心軸線Ｏ１及びガス導入口１２ａに最も近傍で隣接するガス排出口１２ｂの幅方向中心１２ｏを結ぶ線分とが成す角度Ｒ１，Ｒ２をいずれも８０°よりも大きく且つ１００°を超えない範囲に設定してある構成を採用することができる。

具体的には、二個のガス導入口１２ａの各幅の和をＷ１、二個のガス排出口１２ｂの各幅の和をＷ２、ケース本体１２の半径をｒ１、当接部２３（３３）の半径をｒ２、二個のガス導入口１２ａと二個のガス排出口１２ｂとがそれぞれ成す角度をＲ１，Ｒ２、ｒ１−ｒ２＝ａとした場合、図２７に示すように、Ｒ１＝Ｒ２＝９０°，Ｗ１＝３ａ，Ｗ２＝１．５ａとしたり、図２８に示すように、Ｒ１＝Ｒ２＝８５°，Ｗ１＝２ａ，Ｗ２＝１．１ａとしたりすることができる。

この際、ガス導入口１２ａ及びガス排出口１２ｂを並列に配置した場合には、図２９に示すように、Ｒ１＝Ｒ２＝１４０°，Ｗ１＝２ａ，Ｗ２＝２ａとすることができる。

さらにまた、図３０に示すように、ケース本体１２が三個のガス導入口１２ａ及び一個のガス排出口１２ｂを有していて、三個のガス導入口１２ａの各幅の和をＷ１、ガス排出口１２ｂの幅をＷ２、ケース本体１２の半径をｒ１、当接部２３（３３）の半径をｒ２、ガス排出口１２ｂとこれに隣接する二個のガス導入口１２ａとがそれぞれ成す角度をＲ１，Ｒ２、ｒ１−ｒ２＝ａとした場合、Ｒ１＝１３０°，Ｒ２＝１５０°，Ｗ１＝２．５ａ，Ｗ２＝０．３ａとすることができる。

さらにまた、図３１に示すように、ケース本体１２が一個のガス導入口１２ａ及び三個のガス排出口１２ｂを有していて、ガス導入口１２ａの幅をＷ１、三個のガス排出口１２ｂの各幅の和をＷ２、ケース本体１２の半径をｒ１、当接部２３（３３）の半径をｒ２、ガス導入口１２ａとこれに最も近傍で隣接するガス排出口１２ｂとが成す角度をＲ、ｒ１−ｒ２＝ａとした場合、Ｒ＝１２０°，Ｗ１＝３．５ａ，Ｗ２＝２．１ａとすることができる。

さらにまた、図３２に示すように、ケース本他１２が三個のガス導入口１２ａ及び二個のガス排出口１２ｂを並列に有していて、三個のガス導入口１２ａの各幅の和をＷ１、二個のガス排出口１２ｂの各幅の和をＷ２、ケース本体１２の半径をｒ１、当接部２３（３３）の半径をｒ２、二個のガス排出口１２ｂとこれらに隣接する二個のガス導入口１２ａとがそれぞれ成す角度をＲ１，Ｒ２、ｒ１−ｒ２＝ａとした場合、Ｒ１＝Ｒ２＝１２０°，Ｗ１＝２ａ，Ｗ２＝ａとすることができる。

さらにまた、図３３に示すように、ケース本体１２が二個のガス導入口１２ａ及び三個のガス排出口１２ｂを並列に有していて、二個のガス導入口１２ａの各幅の和をＷ１、三個のガス排出口１２ｂの各幅の和をＷ２、ケース１２の半径をｒ１、当接部２３（３３）の半径をｒ２、二個のガス導入口１２ａとこれらに隣接する二個のガス排出口１２ｂとがそれぞれ成す角度をＲ１，Ｒ２、ｒ１−ｒ２＝ａとした場合、Ｒ１＝Ｒ２＝１２０°，Ｗ１＝２．２ａ，Ｗ２＝ａとすることができる。

さらにまた、図３４に示すように、ケース本体１２が三個のガス導入口１２ａ及び三個のガス排出口１２ｂを並列に有していて、三個のガス導入口１２ａの各幅の和をＷ１、三個のガス排出口１２ｂの各幅の和をＷ２、ケース１２の半径をｒ１、当接部２３（３３）の半径をｒ２、互いに隣接する二組のガス導入口１２ａ及びガス排出口１２ｂがそれぞれ成す角度をＲ１，Ｒ２、ｒ１−ｒ２＝ａとした場合、Ｒ１＝１００°，Ｒ２＝９０°，Ｗ１＝２．５ａ，Ｗ２＝１．４ａとすることができる。

上記したように、図２４〜３４において、複数のガス導入口１２ａとガス排出口１２ｂの幅及び位置関係のパターンを具体的に示したが、ケース本体１２のガス導入口１２ａとガス排出口１２ｂに接続する導入管１７及び排出管１８は、必ずしもセルスタックのセルユニットの積層方向と直交する方向に沿わせる必要はない。
例えば、図３５に１７，１８で示すように、セルユニットの積層方向に沿うようにしてケース本体１２に接続することができる。
また、導入管１７及び排出管１８は、必ずしもストレートな管状に限定されるものではなく、図３３に示したように、反応用ガスの流入方向上流側から下流側に向けて漸次口径が広がる拡管状に形成してもよい。

さらにまた、本発明に係る燃料電池において、ケースにおけるガス排出口に、一方の反応用ガスの流れを妨げるパンチングボード、多孔質体、メッシュ、織物、不織布、充填材等のガス抵抗体を設けた構成とすることが可能であり、この構成を採用すると、ケースのガス排出口における排出圧が高まるので、一方の反応用ガスをセルユニット間の面内により行き渡らせ得ることとなる。

さらにまた、本発明に係る燃料電池において、ガス抵抗体は電気的に絶縁状態で設けてある構成とすることができ、この場合には、ガス抵抗体によってセルユニット間の絶縁性を向上させ得るので、セルユニット間の漏電が阻止されて発電効率の低下が回避されることとなる。

さらにまた、本発明に係る燃料電池において、ガス抵抗体の気孔率をセルスタックのセルユニット間に位置する集電体の気孔率よりも小さく設定した構成とすることができ、この構成を採用すると、セルユニット間における一方の反応用ガスの圧力変化と比べて、ガス排出時の圧力変化を効果的に高め得るので、面内ガス流量分布の均一性が向上することとなる。

さらにまた、本発明に係る燃料電池において、ガス抵抗体の気孔率を部分的に変化させてある構成とすることが可能であり、この場合には、セルユニットの外周部分を流れる一方の反応用ガスとセルユニットの中心部分を流れる一方の反応用ガスの各流量をガス排出口のガス抵抗体の気孔率でコントロールすることで、面内ガス流量分布及び面内温度分布の均一性の向上を実現し得ることとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池では、ケース本体とセルスタックとの間の隙間にガス流規制部を設けることで、この隙間に一方のガスが流れ込むのを阻止して、セルユニット間にある単セル電極面に対して、一方のガスを均一に分配するようにしている。

この際、ガス流規制部には、キャスタブル耐火物や、ポルトランドセメント，アルミナセメント，燐酸セメント，珪酸セメント等の耐火性発泡セメントや、耐火モルタルや、石膏や、セラミックス接着剤や、泡ガラス等の不定形材料や、ガラス繊維，セラミックス繊維，金属繊維から主に構成されるフェルトや、織物や、編物や、これらのコンポジット材料や、金属箔等のシート材又は成型体を使用することができるが、いずれにも限定されるものではない。

ここで、昇温時におけるセルユニットの熱応力を低減させて、セルユニット間に隙間ができないようにするべく、セルスタックを収納するケースには、セルユニットを構成する金属材料と同種の材料を使用し、且つ、ケース本体とセルスタックとの間の隙間に設置するガス流規制部の熱膨張係数と上記金属材料の熱膨張係数との絶対差を１０％以内に収めることが好ましい。

しかしながら、ガス流規制部とセルスタックの各セルユニットとを互いに移動可能に接触させてある構成とすれば、セルユニットへ加わる熱応力を低減させることができるので、ガス流規制部として、必ずしもケースやセルスタックとほぼ熱膨張係数が等しい材料を使用する必要はない。なお、「互いに移動可能」は、「相対的に移動可能」と同義である。
この場合、ケース本体の側面とセルスタックとは互いに密接するだけなので、セルスタックを構成する金属材料としてフェライト系金属を使用し、一方、ケースには、高温強度に優れ且つ耐酸化性の高いオーステナイト系金属、特にＳＵＳ３１０Ｓを使用してもよい。

このように、セルスタックを構成する金属材料とケースの材料との各熱膨張率が異なっていたとしても、ガス流規制部とセルスタックの各セルユニットとを互いに移動可能に接触させるように成すことで、昇温時においてセルユニットに加わる熱応力を減らすことができる。加えて、セルユニットの外周縁部をガス流規制部で保持させるように成すこともできるので、セル板やセパレータ板の薄板化が図られることとなり、その結果、出力密度が向上することとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部の気孔率をセルスタックのセルユニット間に位置するユニット外集電体の気孔率よりも小さく設定した構成とすることができ、この構成を採用すると、一方の反応用ガスがセルスタックとケース本体との間の隙間へ流れ込むのを阻止し得るので、セルユニットの単セルに対する一方の反応用ガスの供給量が一層増加することとなり、その結果、発電効率が向上することとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部の気孔率をガス抵抗体の気孔率よりも小さく設定した構成とすることが可能であり、この場合、セルユニット間に供給した一方の反応用ガスがセルスタックとケース本体との間の隙間へ流れ込むのを阻止しつつ、ケースのガス排出口に導き得ることとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池において、ガス流規制部とセルスタックのセルユニットとを電気的に絶縁した構成とすることができる。
このように、ガス流規制部とセルスタックのセルユニットとを電気的に絶縁してある構成を採用すると、ガス流規制部を介してセルユニット間又はセルユニットとケースとの間の電気絶縁性能を向上させ得ることとなり、その結果、漏電損失が抑制されて発電効率が向上することとなる。

この際、ガス流規制部とセルユニットとを電気的に絶縁する電気絶縁層として、例えば、ケース本体とセルスタックとの間の隙間に合わせて形成した成形体とセラミックスシートを具備し、上記成形体とセルスタックとの間に上記セラミックスシートを挟み込んでなるものを採用し得る。

以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上述した実施形態においては、セルユニット２００の当接部２６１，２７１の中心軸線Ｏ１を通る直径線О２上に、ガス導入口２２３とガス排出口２２４の各口幅Ｗ１，Ｗ２方向中心Ｏ３，Ｏ４を位置させた例について説明したが、これに限るものではなく、中心Ｏ３，Ｏ４が直径線О２から多少ずれていてもよい。

また、上述した各実施形態においては、セルユニットのセル板とセパレータとに当接部をそれぞれ一体に突設した構成のものについて説明したが、図３６に示す別体にした構成のものを採用することができる。図３６は、セルユニットの他例を示す断面図である。

図３６に示すセルスタックＢ１は、セルユニット４００のセル板４１０とセパレータ４２０に当接部を一体に形成することなく、セルユニット４００間に、それらと別体のスペーサ４３０を介挿して互いを積層した構成のものである。
すなわち、本実施形態における当接部は、セル板４１０とセパレータ４２０とは別に形成したものである。

スペーサ４３０は、隣接する他のセルユニット４００との間に上記の間隙ｓが形成される高さにした円柱形のものであり、これには、上記したものと同等の流路形成体２９０のガス流入孔とガス流出孔に対応する位置に、それらと同径の貫通孔（いずれも図示しない）が形成されている。

すなわち、セルスタックＢ１は、隣接する他のセルユニット４００との間に上記間隙ｓを形成する円柱形のスペーサ４３０を介挿した円盤形に形成されているとともに、それら各セルユニット４００を、それらスペーサ４３０の中心を中心軸線Ｏ１に一致させて積層したものである。

上記したセルスタックＢ１を採用した場合における一方の反応用ガスの流動状態は、次のとおりである。
ガス導入口を介してケース内に流入した一方の反応用ガスは、セルスタックＢ１の各間隙ｓを通じてガス排出口に向けて流動し、そのガス排出口を通じてケース本体外に排出される。
このとき、ガス導入口の総口幅寸法を、ガス排出口の総口幅寸法よりも大きく設定していることにより、当該ガス導入口における一方の反応用ガスの流速が抑えられる。これにより、起動運転時の加熱ガスや、負荷変動時の温度調整用ガスを導入する場合において、局所的かつ急激な温度変化を生じさせることを防ぐことができ、耐熱衝撃性を向上させることができる。
また、一方の反応用ガスの圧力損失をガス導入口に比べてガス排出口付近で高くすることができる。

さらに、ガス導入口からセルスタックＢ１のスペーサ４３０（中心部分）を回流してガス排出口に流動する流路長と、ガス導入口からセルスタック外周を回流してガス排出口に流動する流路長との差を小さくすることができる。
これに加えて、セルユニットＢ１間の面内に一方の反応用ガスが均一に分配されることになり、定常発電時におけるセルユニット間面内の温度分布を平準化している。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の外観斜視図である。 同上の燃料電池の分解斜視図である。 同上の燃料電池の平断面図である。 図１に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図である。 固体電解質型燃料電池ユニットの一部を拡大して示す拡大断面図である。 （ａ）は本発明の第二の実施形態に係る燃料電池の平断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 同上の第二の実施形態に係る燃料電池の外観斜視図である。 （ａ）は同上の第二の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図、（ｂ）はガス排出口側の部分断面図である。 （ａ）は固体電解質型燃料電池ユニットの分解斜視図、（ｂ）は固体電解質型燃料電池ユニットの外観斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、ガス抵抗体の他例を示すガス排出口側の部分断面図である。 （ａ）は、ガス抵抗体のさらに他例を示すガス排出口側の部分断面図、（ｂ）はそのガス抵抗体を配した燃料電池の外観斜視図である。 本発明の第三の実施形態に係る燃料電池を示す平面説明図である。 図１２に示すＯ−Ｂ線に沿う断面図である。 図１２に示すＯ−Ｃ線に沿う断面図である。 本発明に係る燃料電池の定常発電時における空気の流れのシミュレーション結果を示すカソードガス速度ノルム分布図である。 比較例に係る燃料電池の定常発電時における空気の流れのシミュレーション結果を示すカソードガス速度ノルム分布図である。 本発明に係る燃料電池の定常発電時における空気の流れのシミュレーション結果を示すカソードガス温度分布図である。 比較例に係る燃料電池の定常発電時における空気の流れのシミュレーション結果を示すカソードガス温度分布図である。 高効率運転にて動作させる場合におけるケース本体のガス導入口からガス排出口までの好ましい流路長さの設定要領を示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係の一パターンを具体的に示す簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係の他のパターンを具体的に示す簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明の燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明の燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口とガス排出口の幅及び位置関係のさらに他のパターンを具体的に示す燃料電池の簡略平面説明図である。 本発明に係る燃料電池におけるケースのガス導入口に接続する導入管の他の構成例を示す燃料電池の簡略平面説明図である。 セルユニットの他例を示す断面図である。

符号の説明

１，２００，４００ 固体電解質型燃料電池ユニット（セルユニット）
２ セル板
３ セパレータ板
４，２８０ ユニット内集電体
６，２５０ 単セル
１０ ケース
１１，Ｂ，Ｂ１ スタック構造体（セルスタック）
１２ ケース本体
１２ａ ガス導入口
１２ｂ ガス排出口
１５，３００ ユニット外集電体
１６ 充填材（ガス流規制部）
１９ ガラスウール（ガス抵抗体）
２１，３１ ガス導入孔
２２，３２ ガス排出孔
２９Ａ 多孔質セラミックス（ガス抵抗体）
２９Ｂ パンチングボード（ガス抵抗体）
２９Ｃ オリフィス（ガス抵抗体）
２９Ｄ 電磁弁（制御弁）
７６ 金属波板（ガス流規制部）
７７ セラミックスシート（ガス流規制部）
７９Ａ パンチングボード（ガス抵抗体）
７９Ｂ 発泡金属（ガス抵抗体）
７９Ｃ ガラスコート（ガス抵抗体）
２２３ ガス導入口
２２４ ガス排出口
Ｗ１ ガス導入口の総口幅寸法
Ｗ２ ガス排出口の総口幅寸法

Claims (17)

1. 複数の固体電解質型燃料電池ユニットを互いに間隙をもって積層してなるスタック構造体と、これを収容したケースとに、二種類の反応用ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行う燃料電池において、
   上記ケースに、二種類の反応用ガスのうちの一方のものを当該ケース内に導入するためのガス導入口と、そのケース内に導入された一方の反応用ガスを排出するためのガス排出口とを、スタック構造体を挟む両側に配設しているとともに、
   上記ガス導入口の総口幅寸法を、ガス排出口の総口幅寸法よりも大きく設定したことを特徴とする燃料電池。
2. 固体電解質型燃料電池ユニットは、隣接する他の固体電解質型燃料電池ユニットとの間に上記間隙を形成する円筒形の当接部を突出した円盤形に形成されているとともに、それら各固体電解質型燃料電池ユニットを、それら当接部の中心を一軸線上に一致させて積層しており、
   ガス導入口の総口幅寸法を、固体電解質型燃料電池ユニットの半径と当接部の半径との差よりも大きく設定したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. ケースには、ガス導入口とガス排出口とが一つずつ形成されており、固体電解質型燃料電池ユニットの当接部の中心を通る直径線上に、ガス導入口とガス排出口の各幅方向中心を位置させていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. ケースには、ガス導入口とガス排出口とが一つずつ形成されており、そのガス導入口の口幅寸法を、固体電解質型燃料電池ユニットの半径と、固体電解質型燃料電池ユニットの当接部の半径との差の二倍以上に設定していることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
5. ケースには、ガス導入口とガス排出口とがそれぞれ複数形成されており、それらガス導入口の各幅方向中心及び固体電解質型燃料電池ユニットの当接部の中心を結ぶ線分と、当接部の中心及びガス導入口に最も近傍で隣接するガス排出口の幅方向中心を結ぶ線分とが成す角度をいずれも８０°よりも大きく且つ１８０°を超えない範囲に設定していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
6. ケースには、ガス導入口とガス排出口とが２つずつ形成されており、それらガス導入口及びガス排出口を交互に配置して、ガス導入口の各幅方向中心及び当接部の中心を結ぶ線分と、当接部の中心及びガス導入口に最も近傍で隣接するガス排出口の幅方向中心を結ぶ線分とが成す角度をいずれも８０°よりも大きくかつ１００°を超えない範囲に設定していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
7. ケースに形成されているガス排出口に、これに流入する一方の反応用ガスの流れを妨げるガス抵抗体を配設していることを特長とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. ガス抵抗体を、電気的に絶縁状態で設けていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
9. 固体電解質型燃料電池ユニット間の間隙にユニット外集電体が配設されており、
   ガス抵抗体の気孔率を、ユニット外集電体の気孔率よりも小さく設定していることを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池。
10. ガス抵抗体の気孔率を部分的に変化させていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
11. ケースに形成した複数のガス排出口に排出管がそれぞれ接続されており、その排出管に、これに流入する一方の反応用ガスの流れを妨げるガス抵抗体を配設していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
12. ケースに形成した複数のガス排出口に排出管がそれぞれ接続されており、その排出管に、
    これに流入する一方の反応用ガスの流量を制御するための制御弁を設けていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
13. 互いに積層されている固体電解質型燃料電池ユニット間の間隙にユニット外集電体が配設されているとともに、ケースとスタック構造体との間に間隙が形成されており、
    ケースとスタック構造体間の間隙に、ガス導入口から導入した一方の反応用ガスをユニット外集電体を通じてガス排出口に流通させるように規制するガス流規制部を設けていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
14. ガス流規制部と各固体電解質型燃料電池ユニットとを互いに移動可能に接触させていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
15. ガス流規制部の気孔率を、ユニット外集電体の気孔率よりも小さく設定していることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の燃料電池。
16. ガス流規制部の気孔率をガス抵抗体の気孔率よりも小さく設定していることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池。
17. ガス流規制部と固体電解質型燃料電池ユニットとを電気的に絶縁させていることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池。

Images