JP5636496B2 - 燃料電池 - Google Patents

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本国際出願は、２０１１年１１月２日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１１−２４１３８４号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１１−２４１３８４号の全内容を本国際出願に援用する。

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発電セルを厚み方向に積層した燃料電池スタックを備えた固体酸化物形燃料電池等の燃料電池に関する。

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）を設けた燃料電池セル（発電セル）が使用されている。更に、所望の電圧を得るために、インターコネクタを介して複数の発電セルを積層したスタック（燃料電池スタック）が開発されている。

また、この種の燃料電池スタックでは、通常、発電セルを積層した方向（積層方向）において、端部側の発電セルより中心側の発電セルの温度が高く、燃料電池スタックの積層方向における温度分布が均一でないという問題がある。

そこで、近年では、下記特許文献１に記載の様に、燃料電池スタックの積層方向における温度分布を均一化して発電効率を高めるために、燃料電池スタックの中段部の一方の側面（積層方向と直交する方向の一側面）に冷空気を供給するとともに、燃料電池スタックの積層方向の端部に、熱交換した温ガスを供給する技術が提案されている。

特開２００５−５０７４号公報

ところが、上述した従来技術では、燃料電池スタックの一方の側面に冷空気を当てる構成であるので、冷気の当たる側面では温度が低下するが、燃料電池スタックの積層方向における温度の均一化ができないという問題があった。

また、この従来技術では、冷空気の供給とは別に、燃料電池スタックの積層方向の端部に温ガスを供給して、積層方向の端部側の温度を上昇させているが、温度が上昇し易い燃料電池スタックの中心部分を冷却することができないという問題があった。

本発明の一側面においては、燃料電池スタックの積層方向における中心側の温度を効率よく冷却できるとともに、燃料電池スタックの積層方向における温度を均一化して発電効率を高めることができる燃料電池を提供することが望ましい。

（１）本発明の第１局面の燃料電池は、電解質層と、該電解質層を隔てて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発電セルが、該発電セルの厚み方向に沿って複数個で積層された燃料電池スタックと、前記積層方向において、隣り合う二つの前記発電セルの間に該発電セルに接触して設けられ、外部から供給される前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを通過させる第１流路を内部に備える熱交換器と、前記熱交換器の前記第１流路の出口側と前記各発電セルの前記空気極側又は前記燃料極側とに接続され、前記第１流路を通過した前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスが、前記酸化剤ガスの場合は、該酸化剤ガスを前記熱交換器の前記積層方向における両側の前記各発電セルの前記空気極側に供給し、前記燃料ガスの場合は、該燃料ガスを前記熱交換器の前記積層方向における両側の前記各発電セルの前記燃料極側に供給する第２流路と、を有する。

第１局面の発明は、燃料電池スタックを構成する発電セルの積層方向における中間に熱交換器を備えており、この熱交換器には外部から供給された酸化剤ガス又は燃料ガスを通過過させる第１流路を備えている。また、第１流路の出口側には、第１流路から排出された酸化剤ガス又は燃料ガスが、酸化剤ガスの場合は、酸化剤ガスを熱交換器の積層方向における両側の各発電セルの空気極側に供給し、燃料ガスの場合は、燃料ガスを熱交換器の積層方向における両側の各発電セルの燃料極側に供給する第２流路が接続されている。

従って、第１局面の発明では、燃料電池スタックの中心部分（即ち熱交換器に隣接する発電セル）より温度の低いガス（酸化剤ガス又は燃料ガス）が、外部から熱交換器の第１流路に供給されると、このガスは隣接する発電セルと熱交換して温度が上昇するとともに、隣接する発電セルの温度が低下する。そして、熱交換によって温度が上昇したガスは、積層方向にある（即ち外側（端部側）にある）発電セルに供給されるので、ガスが供給された発電セルでは、そのガスによって温度が上昇する。これにより、燃料電池スタックの積層方向において、その中心側の温度が低下するとともに端部側の温度が上昇するので、積層方向における温度が均一化する。

つまり、上述した様に、燃料電池スタックにおいては、発電セルの積層方向において、その端部側より中心側の温度が高いが、第１局面の発明では、中心側に配置された熱交換器によって外部からのガスとの熱交換を行うので、中心側の発電セル等の温度を効率良く低下できるとともに、熱交換されたガスを端部側の発電セルに供給することにより端部側の温度を上昇できる。これによって、燃料電池スタックの積層方向における温度が均一化するので、発電効率が向上するという顕著な効果を奏する。

また、第１局面の発明では、外部から供給されたガスが熱交換器によって加熱されるので、予めガスを加熱する装置等を簡易化できたり、不要にすることができるという利点がある。

なお、燃料電池においては、通常、燃料ガスに比べて酸化剤ガスを多く供給するので、特に酸化剤ガスの第１流路を備えた熱交換器を用いることによって、上述した温度の均一化や発電効率の向上という効果は一層顕著になる。

（２）本発明の第２局面の燃料電池は、電解質層と、該電解質層を隔てて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発電セルが、該発電セルの厚み方向に沿って複数個で積層された燃料電池スタックと、前記積層方向において、隣り合う二つの前記発電セルの間に該発電セルに接触して設けられ、外部から供給される前記酸化剤ガスを通過させる酸化剤ガス用の第１流路と、前記外部から供給される前記燃料ガスを通過させる燃料ガス用の第１流路と、を備える熱交換器と、前記熱交換器の前記酸化剤ガス用の第１流路の出口側と前記各発電セルの前記空気極側とに接続されるとともに、前記酸化剤ガス用の第１流路を通過した酸化剤ガスを前記熱交換器の前記積層方向における両側の前記各発電セルの前記空気極側に供給する酸化剤ガス用の第２流路と、前記熱交換器の前記燃料ガス用の第１流路の出口側と前記各発電セルの前記燃料極側とに接続されるとともに、前記燃料ガス用の第１流路を通過した燃料ガスを前記熱交換器の前記積層方向における両側の前記各発電セルの前記燃料極側に供給する燃料ガス用の第２流路と、を有する。

第２局面の発明は、燃料電池スタックを構成する発電セルの積層方向における中間に熱交換器を備えており、この熱交換器には外部から供給された酸化剤ガス及び燃料ガスをそれぞれ通過させる酸化剤ガス用の第１流路及び燃料ガス用の第１流路を備えている。また、第１流路の出口側には、第１流路から排出された酸化剤ガス及び燃料ガスを前記積層方向に配置された（即ち熱交換器より積層方向の外側に配置された）発電セルにそれぞれ供給する酸化剤ガス用の第２流路及び燃料ガス用の第２流路が接続されている。

なお、酸化剤ガスの流路と燃料ガスの流路とは互いに異なる流路（ガスの種類にて分けられた流路）である。
従って、第２局面の発明では、燃料電池スタックの中心部分（即ち熱交換器に隣接する発電セル）より温度の低い酸化剤ガス及び燃料ガスの両ガスが、外部から熱交換器の第１流路に供給されると、このガスは隣接する発電セルと熱交換して温度が上昇するとともに、隣接する発電セルの温度が低下する。そして、熱交換によって温度が上昇したガスは、積層方向にある（即ち外側（端部側）にある）発電セルに供給されるので、ガスが供給された発電セルでは、そのガスによって温度が上昇する。これにより、燃料電池スタックの積層方向において、その中心側の温度が低下するとともに端部側の温度が上昇するので、積層方向における温度が均一化する。

つまり、上述した様に、燃料電池スタックにおいては、発電セルの積層方向において、その端部側より中心側の温度が高いが、第２局面の発明では、中心側に配置された熱交換器によって外部からの酸化剤ガス及び燃料ガスの両ガスとの熱交換を行うので、中心側の発電セル等の温度を（どちら一方のガスの熱交換を行った場合に比べて）一層効率良く低下できるとともに、熱交換されたガスを端部側の発電セルに供給することにより端部側の温度を一層上昇できる。これによって、燃料電池スタックの積層方向における温度が一層均一化するので、発電効率が大きく向上するという顕著な効果を奏する。

また、第２局面の発明では、外部から供給された酸化剤ガス及び燃料ガスの両ガスは、熱交換器によって加熱されるので、予め酸化剤ガス及び燃料ガスを加熱（予熱）する装置等を簡易化できたり、不要にできたりするという利点がある。

（３）本発明の第３局面の燃料電池は、前記熱交換器の内部に形成された前記第１流路は、平板状の前記発電セルの面方向に沿って延びるように形成されている。
第３局面の発明は、熱交換器内の第１流路が、発電セルの面方向に沿って延びるように形成されているので、熱交換の効率が良いという利点がある。

（４）本発明の第４局面の燃料電池は、前記熱交換器の第１流路は、板状の部材の表面に形成された溝によって構成されている。
第４局面の発明は、熱交換器内の第１流路は、表面の溝によって形成されているので、第１流路の構造を簡易化でき、よって、その製造が容易であるという利点がある。

（５）本発明の第５局面の燃料電池は、前記熱交換器は、前記積層方向において前記燃料電池スタックの中心部に配置されている。
第５局面の発明は、熱交換器が、積層方向において燃料電池スタックの中心部に配置されているので、温度の高い中心部を効率良く冷却することができる。

なお、ここで中心部としては、例えば、燃料電池スタックの積層方向を３分割した場合に、中心側の１／３の範囲が挙げられる。
（６）本発明の第６局面の燃料電池は、前記熱交換器は、前記積層方向において、異なる位置に二つ以上に設けられている。

第６局面の発明は、熱交換器が、積層方向において、異なる位置に二つ以上に設けられているので、それぞれの熱交換器においてガスの熱交換を行うことができ、よって、一層、積層方向における温度分布を均一化することができる。

なお、異なる箇所に配置する熱交換器としては、例えば酸化剤ガスと燃料ガスとの両第１流路を設けた熱交換器を異なる箇所に配置する場合や、例えば酸化剤ガスの第１流路を設けた（酸化剤ガス用の）熱交換器と燃料ガスの第１流路を設けた（燃料ガス用の）熱交換器とを、異なる箇所に配置する場合などが挙げられる。

（７）本発明の第７局面の燃料電池は、前記熱交換器の前記第１流路は、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの少なくとも一方のガスの流出状態を規制する圧損体構造を有する。
第７局面の発明は、第１流路が圧損体構造（出口側で流路が小さくなる構造）を有するように構成されているので、第１流路内の圧力を高めることができる。これにより、燃料電池スタックを積層方向に押圧することができるので、発電セル同士を強く密着することができる。よって、発電セル間の伝熱性や電気接続性を高めることができる。

（８）本発明の第８局面の燃料電池は、前記第１流路の前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの少なくとも一方のガスの入口側と出口側とは、前記第１流路を前記積層方向から見て、最も離れた位置又は該最も離れた位置の近傍に形成されている。

第８局面の発明は、第１流路におけるガスの入口側と出口側とは、最も離れた位置又は最も離れた位置の近傍に形成されているので、ガスの熱交換が行われる流路が長く、効率良く熱交換を行うことができるという利点がある。

なお、ここで「近傍」の一例としては、最も離れた位置の流路（例えば積層方向に形成された挿通孔）に対して最も近い位置に形成された流路（前記挿通孔に隣接する挿通孔）が挙げられる。

（９）本発明の第９局面の燃料電池は、前記熱交換器は、前記酸化剤ガス用の第１流路である第１溝が形成された板状の酸化剤ガス用部材と、前記燃料ガス用の第１流路である第２溝が形成された板状の燃料ガス用部材とが、前記積層方向に積層されたものである。

第９局面の発明は、熱交換器に、酸化剤ガスを流す第１溝と燃料ガスを流す第２溝とが形成してあるので、酸化剤ガスと燃料ガスとを熱交換により同時に加熱することができる。これにより、燃料電池スタックの中心側の温度を一層効率良く低下できるとともに、熱交換されて温度が上昇した酸化剤ガス及び燃料ガスを温度が低い端部側に供給されることにより端部側の温度を上昇できる。その結果、燃料電池スタックの積層方向における温度が一層均一化するので、発電効率が一層向上するという顕著な効果を奏する。

この第９局面の発明においても、外部から供給された酸化剤ガス及び燃料ガスの両ガスは、熱交換器によって加熱されるので、予め酸化剤ガス及び燃料ガスを加熱（予熱）する装置等を簡易化できたり、不要にできたりするという利点がある。

（１０）本発明の第１０局面の燃料電池は、前記酸化剤ガス用部材の前記第１溝は、前記積層方向における一方の側（例えば上方の側）に開口し、前記燃料ガス用部材の前記第２溝は、前記積層方向における他方の側（前記一方の側とは逆向き、例えば下方の側）に開口するように形成されている。

第１０局面の発明は、第１溝及び第２溝の配置の一例を示している。
（１１）本発明の第１１局面の燃料電池は、前記酸化剤ガス用部材の前記第１溝と前記燃料ガス用部材の前記第２溝とは、何れも前記積層方向における一方の側（例えば、何れも上方の側、又は、何れも下方の側）に開口するように、それぞれ形成されている。

第１１局面の発明は、第１溝及び第２溝の配置の一例を示している。
（１２）本発明の第１２局面の燃料電池は、前記酸化剤ガス用部材の前記第１溝が形成されている側に、前記燃料ガス用部材が積層されるとともに、前記燃料ガス用部材の前記酸化剤ガス用部材側に、前記酸化剤ガス用部材の第１溝と連通する第３溝が形成されている。

第１２局面の発明は、燃料ガス用部材の表側には、酸化剤ガス用部材の第１溝と連通する第３溝が形成されているので、酸化剤ガスの流路を大きくとることができる。つまり、第１２局面の発明では、酸化剤ガスの流路の深さを確保しつつ、熱交換器の厚みを小さくできるという顕著な効果を奏する。

（１３）本発明の第１３局面の燃料電池は、前記熱交換器は、板状の部材の前記積層方向における一方の側（例えば上方の側）に、前記酸化剤ガス用の第１溝が形成されるとともに、前記板状の部材の前記積層方向における他方の側（前記一方の側とは逆向き、例えば下方の側）に、前記燃料ガス用の第２溝が形成されたものである。

第１３局面の発明は、板材の両側に第１溝と第２溝とを形成したので、熱交換器を小型化（薄く）できるという利点がある。これによって、熱交換器（従って燃料電池）の熱容量を小さくできるので、起動性が向上し、コストを低減できるという顕著な効果を奏する。

（１４）本発明の第１４局面の燃料電池は、前記第２流路の少なくとも一部は、前記燃料電池スタック内において、前記積層方向に延びるように形成された流路部分で構成されている。

第１４局面の発明は、第２流路の少なくとも一部は、燃料電池スタック内において、積層方向に延びるように形成されているので、燃料電池スタックの形状をコンパクト（省スペース化）にすることができる。

（１５）本発明の第１５局面の燃料電池は、前記燃料電池スタックには、該燃料電池スタックを厚み方向に貫く挿通孔を備えるとともに、該挿通孔には挿通部材が挿通されており、前記挿通孔の内周面と前記挿通部材の外周面との間に、前記第２流路の少なくとも一部が形成されている。

第１５局面の発明では、挿通孔と挿通部材との間の空間を第２流路とすることができるので、この第２流路を利用して、ガスを所定の方向に流すことができる。よって、ガス流路の構成を簡易化でき、燃料電池スタックをコンパクトにすることができる。

この挿通部材としては、燃料電池スタックを積層方向に押圧して拘束する例えばボルト等の拘束部材を用いることができる。
（１６）本発明の第１６局面の燃料電池は、前記燃料電池スタックには、該燃料電池スタックを厚み方向に貫く挿通部材を備えるとともに、該挿通部材の内部に、前記第２流路の少なくとも一部が形成されている。

第１６局面の発明では、挿通部材の内部（例えば軸方向や経方向）に、第２流路が形成されているので、この挿通部材を利用して、ガスを所定の方向に流すことができる。よって、ガス流路の構成を簡易化でき、燃料電池スタックをコンパクトにすることができる。

この挿通部材としては、燃料電池スタックを積層方向に押圧して拘束する例えばボルト等の拘束部材を用いることができる。
なお、本発明の他の局面の燃料電池として、下記の構成を採用することもできる。

・前記第２流路は、前記第１流路を通過した前記酸化剤ガス及び燃料ガスの少なくとも一方のガスが、前記積層方向において前記熱交換器を基準にして遠い前記発電セルから近い前記発電セルに順番に供給されるように流路を構成してもよい。

この構成では、第１流路を通過した（熱交換により加熱された）ガスは、（中心側より温度が低い）端部側の発電セルから中心側に順番に供給される。つまり、最も温度の低い発電セルが最も温度が高いガスにより効果的に加熱されるので、一層温度分布を均一化できるという顕著な効果を奏する。

・前記一方のガスが酸化剤ガスである場合には、前記第２流路の少なくとも一部は、前記熱交換器の前記第１流路の出口側と、前記各発電セルの前記空気極側に酸化剤ガスを導入する導入口側と、を前記積層方向に交差する方向より覆うように、椀状の部材で構成されていてもよい。

この構成では、酸化剤ガスの第２流路として、燃料電池スタックの外側を椀状の部材で覆って構成した流路を用いている。これにより、燃料電池スタックの内部構造を簡易化できるという利点がある。

・前記一方のガスが燃料ガスである場合には、前記第２流路の少なくとも一部は、前記熱交換器の前記第１流路の出口側と、前記各発電セルの前記燃料極側に燃料ガスを導入する導入口側と、を前記積層方向に交差する方向より覆うように、椀状の部材で構成されていてもよい。

この構成では、燃料ガスの第２流路として、燃料電池スタックの外側を椀状の部材で覆って構成した流路を用いている。これにより、燃料電池スタックの内部構造を簡易化できるという利点がある。

なお、上述した本発明において、電解質層（例えば固体電解質層）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。

・そして、前記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、これらのガスに不活性ガス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。

実施例１の固体酸化物形燃料電池の平面図である。 実施例１の固体酸化物形燃料電池の図１のＸ方向から見た側面の概略図である。 燃料電池セルを分解した状態を図１のIII−IIIで破断して示す説明図である。 燃料電池セル等を分解した状態を示す斜視図である。 実施例１の固体酸化物形燃料電池を図１のV−Vで破断した状態を模式的に示す断面図である。 図６Ａは熱交換器用枠体を示す平面図、図６Ｂは図６ＡのVIＢ−VIＢ断面を示す断面図である。 実施例２の固体酸化物形燃料電池を図１のV−Vと同様な位置で破断した状態を模式的に示す断面図である。 実施例３の固体酸化物形燃料電池を図１のV−Vと同様な位置で破断した状態を模式的に示す断面図である。 実施例３の固体酸化物形燃料電池を図１のIII−IIIと同様な位置で破断した状態を模式的に示す断面図である。 実施例４の固体酸化物形燃料電池を燃料電池セルにおける空気の導入・排出の流路を含むように積層方向に破断した状態を示す断面図である。 実施例５の固体酸化物形燃料電池を燃料電池セルにおける燃料ガスの導入・排出の流路を含むように積層方向に破断した状態を示す断面図である。 実施例６の固体酸化物形燃料電池の熱交換器内における流路を平面方向から示す説明図である。 実施例７の固体酸化物形燃料電池の熱交換器を厚み方向に破断して模式的に示す説明図である。 図１４Ａは実施例７における空気用部材の表面（上面）を示す平面図、図１４Ｂは空気用部材の裏面（下面）を示す平面図、図１４Ｃは燃料ガス用部材の表面（上面）を示す平面図、図１４Ｄは燃料ガス用部材の裏面（下面）を示す平面図である。 図１５Ａは実施例７の固体酸化物形燃料電池の積層方向（上下方向）における空気の流路を示す説明図、図１５Ｂは固体酸化物形燃料電池の平面方向における空気の流路を示す説明図である。 図１６Ａは実施例７の固体酸化物形燃料電池の積層方向（上下方向）における燃料ガスの流路を示す説明図、図１６Ｂは固体酸化物形燃料電池の平面方向における燃料ガスの流路を示す説明図である。 実施例７の固体酸化物形燃料電池の変形例であり、その熱交換器を厚み方向に破断して模式的に示す説明図である。 実施例８の固体酸化物形燃料電池の熱交換器を厚み方向に破断して模式的に示す説明図である。 図１９Ａは実施例８における空気用部材の表面（上面）を示す平面図、図１９Ｂは空気用部材の裏面（下面）を示す平面図、図１９Ｃは燃料ガス用部材の表面（上面）を示す平面図、図１９Ｄは燃料ガス用部材の裏面（下面）を示す平面図である。 実施例９の固体酸化物形燃料電池の熱交換器を厚み方向に破断して模式的に示す説明図である。 図２１Ａは実施例９における板状の部材の表面（上面）を示す平面図、図２１Ｂは板状の部材の裏面（下面）を示す平面図である。 実施例１０の固体酸化物形燃料電池における熱交換器の配置を模式的に示す説明図である。 図２３Ａは実施例１１の固体酸化物形燃料電池における熱交換器の空気用部材及び燃料ガス用部材の配置を模式的に示す説明図、図２３Ｂはその空気用部材及び燃料ガス用部材を厚み方向に破断して模式的に示す説明図、図２３Ｃはその他の空気用部材を厚み方向に破断して模式的に示す説明図である。 図２４Ａは実施例１２における挿通孔を利用したガスの流路の構成を示す説明図、図２４Ｂは挿通孔を利用したガスの流路の構成の変形例を示す説明図である。 図２５Ａは熱交換器における酸化剤ガス及び燃料ガスのクロスフローを模式的に示す平面図、図２５Ｂは各ガスのコフローを模式的に示す平面図、図２５Ｃは各ガスのカウンターフローを模式的に示す平面図である。

１、１２１、１５１、１８１、２１１、２６１、３２１、３５１…燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
３、１２３、１５３、１８３、２１３、２７３、３３３、４４１…発電セル
５、１２５、１５５、１８５、２１５、２９１、４０１、４２１、４２２、４４５、４７１…燃料電池スタック
７、１２７、１２９、１５７、１８７、２１７、２４３、２６３、３２３、３５３、４０７、４１３、４４３、４８９…熱交換器
３３…燃料極
３５…固体酸化物体（固体電解質体）
３７…空気極
３９…空気流路
４３…インターコネクタ
４５、５１…ガスシール部
４７…セパレータ
４９…燃料極フレーム
５３…燃料極側集電体
５５…空気極側集電体
６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７、６８、１３１、１３３、１５９、１６１、２４７、２４９、２５１、２８１、２８２、２８３、２８４、２８５、２８６、２８７、２８８、３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６、３４７、３４８、３７１、３７２、３７３、３７４、３７５、３７６、３７７、３７８、４４７、４７３…挿通孔
１１４、１３８、１４０、１７４、２０４、２３４…第１流路
１９７、２２７…カバー部材
２０５、２３５…連通空間

以下、本発明が適用された燃料電池として、固体酸化物形燃料電池を例に挙げて説明する。

ａ）まず、本実施例の燃料電池の概略構成について説明する。
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（以下単に燃料電池と記す）１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電を行う装置である。なお、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（以下同様）。

この燃料電池１は、発電単位である平板形の燃料電池セル（以下発電セルと記す）３が複数個（例えば８段）積層された燃料電池スタック５と、燃料電池スタック５を積層方向（図２の上下方向）に貫く複数のボルト１１〜１８と、各ボルト１１〜１８の両端に螺合する各ナット１９（総称）とを備えている。

このうち、後述するように、燃料電池スタック５は、上燃料電池スタック５ａと下燃料電池スタック５ｂとの間に、平板状の熱交換器７を挟んで積層したものである（図２参照）。

また、各ボルト１１〜１８のうち、第２ボルト１２は、燃料ガスを燃料電池スタック５に供給する燃料ガス導入管２１を備え、第６ボルト１６は、発電後の燃料ガスを燃料電池スタック５から排出する燃料ガス排出管２３を備え、第７ボルト１７は、空気を燃料電池スタック５に供給する空気導入管２５を備え、第８ボルト１８は、発電後の空気を燃料電池スタック５から排出する空気排出管２７を備えている。

このボルト１１〜１８のうち、第１ボルト１１、第４ボルト１４、第５ボルト１５は、単に燃料電池スタック５を固定するためのみに使用されるボルトである。
一方、他のボルト１２、１３、１６、１７、１８は、燃料電池スタック５の固定に用いられるとともに、ガスを流通させる流路に沿って配置されている。即ち、後に詳述する様に（図４参照）、第３ボルト１３、第７ボルト１７、第８ボルト１８が、それぞれ貫挿される第３挿通孔６３、第７挿通孔６７、第８挿通孔６８は、空気の流路として用いられ、第２ボルト１２、第６ボルト１６が、それぞれ貫挿される第２挿通孔６２、第６挿通孔６６は、燃料ガスの流路として用いられる。

なお、ボルトや挿通孔の第１〜第８の番号（１１〜１８、６１〜６８等）は、燃料電池スタック５を上面側（図１参照）から見た場合に、時計回りに付されている（以下同様）。

以下、各構成について説明する。
図３に分解して示す様に、前記発電セル３は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの板状の発電セルであり、燃料ガス流路３１側には、板状の燃料極（アノード）３３が配置されるとともに、燃料極３３の図３上側の表面には、（電解質層である）薄膜の固体電解質体（固体酸化物体）３５が形成されている。その固体酸化物体３５の空気流路３９側の表面には、薄膜の空気極（カソード）３７が形成されている。なお、燃料極３３と固体酸化物体３５と空気極３７とをセル本体４１と称する。

また、この発電セル３は、上下一対のインターコネクタ４３、４３の間に、空気極３７側の板形状のガスシール部４５と、セル本体４１の外縁部の上面に接合して空気流路３９と燃料ガス流路３１との間を遮断するセパレータ４７と、燃料ガス流路３１側に配置された燃料極フレーム４９と、（燃料極フレーム４９より外側（図３下方）に配置された）燃料極３３側の板形状のガスシール部５１とを備えており、それらが積層されて一体に構成されている。

更に、発電セル３内には、燃料極３３と図３下側のインターコネクタ４３との間に、燃料極側集電体５３が配置され、各インターコネクタ４３の一方（図３下方）の表面には、空気極側集電体５５が一体に形成されている。

なお、前記燃料電池スタック５は、複数個の発電セル３が電気的に直列に接続されたものである。また、発電セル３内の空気流路３９においては、図３の左右方向に空気が供給され、燃料ガス流路３１においては、図３の紙面に垂直の方向に燃料ガスが供給される。

ここで、固体酸化物体３５としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極３３としては、Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極３７としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。

また、上記に示した材料に限定されることは無く、上記材料に以外にも、他の材料を、適宜使用してもよい。
ｂ）以下に、発電セル３を構成する各部材について、図４に基づいて更に詳細に説明する。

なお、図４では、熱交換器７の一方の側の単一の発電セル３のみを示しているが、実際には、熱交換器７の両側（図４の上下方向）に複数の発電セル３が積層されている。
図４に分解して示す様に、前記インターコネクタ４３は、例えばフェライト系ステンレスからなる板材であり、その外縁部には、前記ボルト１１〜１８が貫挿される丸孔である挿通孔（第１〜第８挿通孔）６１〜６８が、等間隔に形成されている。つまり、インターコネクタ４３の四隅と各辺の中点に対応する位置に、８箇所に挿通孔６１〜６８（なお、各部材における挿通孔には同じ番号を付す：以下同様）が形成されている。

また、前記空気極３７側のガスシール部４５は、例えばマイカ又はバーミキュライトからなり、中心に正方形の開口部７５を有する枠状の板材であり、その四隅の角部及び右辺の縁部には、前記ボルト１１、１３、１４、１５、１７が貫挿される各挿通孔６１、６３、６４、６５、６７が形成されている。

このガスシール部４５の３辺の縁部には、各挿通孔６２、６６、６８と連通するように、その辺に沿って、ガスの流路となる略長方形状の貫通長孔（第１〜第３貫通長孔）７１〜７３が形成されている。つまり、各貫通長孔７１〜７３は、積層方向から見た場合、各挿通孔６２、６６、６８を含むように形成されている。

ここで、第１貫通長孔７１は、燃料ガスを外部より燃料電池スタック５内に導入するために用いられる流路であり、第２貫通長孔７２は、発電後の燃料ガスを燃料電池スタック５外に排出するために用いられる流路であり、第３貫通長孔７３は、発電後の空気を燃料電池スタック５外に排出するために用いられる流路である。

特に本実施例では、空気極３７側のガスシール部４５においては、第３挿通孔６３と開口部７５とは、連通孔７６を介して連通されており、後述する様に、第３挿通孔６３から導入された空気は、連通孔７６を介して、開口部７５内に導入される。

なお、ガスシール部４５には、開口部７５と第３貫通長孔７３と連通するように、ガスシール部４５の枠部分に、細径のガス流路となる長方形の切り欠き７７が複数本形成されている。

この切り欠き７７は、貫通孔ではなく、ガスシール部４５の一方の表面（図４の上方）を掘って形成された溝であり、レーザやプレス加工によって形成することができる。
また、前記セパレータ４７は、例えばフェライト系ステンレスからなる枠状の板状であり、その中心の正方形の開口部７９には、開口部７９を閉塞するように前記セル本体４１が接合されている。

このセパレータ４７においても、前記ガスシール部４５と同様に、各挿通孔６１、６３、６４、６５、６７が形成されるとともに、３辺に沿って各貫通長孔８１〜８３が形成されている。

更に、前記燃料極フレーム４９は、中心に開口部８５を備えた例えばフェライト系ステンレスからなる枠状の板材であり、前記セパレータ４７と同様に、各挿通孔６１、６３、６４、６５、６７が形成されるとともに、３辺に沿って各貫通長孔９１〜９３が形成されている。

また、前記燃料極３３側のガスシール部５１は、前記空気極３７側のガスシール部４５と同様に、中心に開口部９５を備えた例えばマイカ又はバーミキュライトからなる枠状の板材であり、各挿通孔６１、６３、６４、６５、６７が形成されるとともに、３辺に沿って各貫通長孔１０１〜１０３が形成されている。

このガスシール部５１にも、対向する各枠部分に、開口部９５と第１、第２貫通長孔１０１、１０２と連通するように、細径のガス流路となる切り欠き１０５ａ、１０５ｂが、それぞれ複数本設けられている。

ｃ）次に、本実施例の要部である燃料電池スタック５の内部構成について、図５及び図６Ａ−６Ｂに基づいて説明する。
図５に示す様に、本実施形態の燃料電池１では、燃料電池スタック５は、複数（例えば４個）の平板状の発電セル３が積層された上燃料電池スタック５ａと、複数（例えば４個）の平板状の発電セル３が積層された下燃料電池スタック５ｂとの間に、平板状の熱交換器７が積層されたものである。即ち、燃料電池スタック５の積層方向における中心部分（中心部）に、熱交換器７が配置されたものである。

また、上燃料電池スタック５ａの各発電セル３は、各インターコネクタ４３によって（図５の上下方向に）電気的に接続され、同様に、下燃料電池スタック５ｂの各発電セル３は、各インターコネクタ４３によって電気的に接続されており、上燃料電池スタック５ａと下燃料電池スタック５ｂとは、熱交換器７を構成する熱交換器用枠体１１１によって、電気的に接続されている。

なお、熱交換器用枠体１１１によって電気的に接続する構成としては、熱交換器用枠体１１１自身が導体である構成、又は、熱交換器用枠体１１１を例えばセラミック等の絶縁体で構成し、その絶縁体を厚み方向に貫くように配置したビア導体等の構成を採用できる。

図６Ａに示す様に、熱交換器用枠体１１１は、平面形状が正方形の例えばフェライト系ステンレスからなる部材であり、熱交換器７は、図６Ｂに示す様に、熱交換器用枠体１１１を、その厚み方向の両側（図６Ｂの上下方向）から、上燃料電池スタック５ａの下端のインターコネクタ４３ａと下燃料電池スタック５ｂの上端のインターコネクタ４３ｂとで覆うことにより構成されている。

ここで、図５、図６Ｂでは、インターコネクタ４３、４３ａ、４３ｂの厚みが、図面上異なるが、これに限定されることは無い。例えば、違う厚みのインターコネクタを使用する以外に、同じ厚みのインターコネクタを使用してもよい。

また、熱交換器用枠体１１１は、図６Ａに示す様に、その中心部に正方形の開口部１１３を有するとともに、開口部１１３の周囲に、各ボルト１１〜１８が挿通される挿通孔６１〜６８が形成されている。

特に、本実施例では、（最も距離が遠い対角線方向に位置する）第３挿通孔６３と第７挿通孔６７には、それぞれ開口部１１３と連通して対角線方向に延びるように、連通孔６３ａ、６７ａが形成されている。

従って、後述するように、第７挿通孔６７から供給され、連通孔６７ａから開口部１１３に導入された空気は、連通孔６３ａから第３挿通孔６３に案内される。
ここで、熱交換器７の開口部１１３における空気の流路は、発電セル３の面方向に沿って延びるように形成されている。

また、熱交換器７の開口部１１３から連通孔６３ａに至る流路の寸法（流れ方向に対する垂直の断面積）は、開口部１１３に比べ連通孔６３ａが十分に小さく、流路が絞り込まれている構造であり、いわゆる圧損体構造となっている。

なお、熱交換器用枠体１１１における枠の幅（外周から開口部１１３までの寸法）は、発電セル３の枠部分を構成するガスシール部４５等の幅よりも大きく設定されている。
ｄ）次に、本実施例におけるガスの流路について、前記図４及び図５に基づいて説明する。

＜空気の流路＞
図４及び図５に示す様に、前記空気導入管２５から燃料電池スタック５の積層方向（両図の上下方向）に沿って上燃料電池スタック５ａ内に導入された空気は、第７ボルト１７が挿通される第７挿通孔６７を介して熱交換器７に到り、その連通孔６７ａを通って熱交換器７の内部（開口部１１３）に導入される。

なお、下燃料電池スタック５ｂにも、第７挿通孔６７が開けられているが、その部分には空気の排出孔が無いので、空気の流動は殆どない。
この熱交換器７においては、熱交換器７の開口部１１３内の空気と、その積層方向の両側の上燃料電池スタック５ａ（特に下端の発電セル３）及び下燃料電池スタック５ｂ（特に上端の発電セル３）との熱交換が行われる。

つまり、熱交換器７の開口部１１３内の空気は、熱交換器７の両側の発電セル３によって加熱されて温度が上昇し、逆に、熱交換器７の両側の発電セル３は、熱交換器７の開口部１１３内の空気によって冷却されて温度が低下する。

そして、熱交換によって温度が上昇した空気は、（第７挿通孔６７の対角線にある）連通孔６３ａを介して、第３ボルト１３が挿通される第３挿通孔６３に導入される。
第３挿通孔６３に導入された空気は、第３挿通孔６３に沿って積層方向の両側（両図の上下方向）に分岐して案内され、それぞれ、上燃料電池スタック５ａ及び下燃料電池スタック５ｂの各発電セル３の空気流路３９に導入される。

詳しくは、図４に示す様に、空気極３７側のガスシール部４５の第３挿通孔６３に到達した空気は、連通孔７６に導かれて、開口部７５（即ち空気流路３９）内に導入され、空気極３７にて発電のために利用される。

そして、発電後の空気は、開口部７５から、切り欠き７７を通り、第３貫通長孔７３に導入される。
その後、この第３貫通長孔７３に案内された空気は、第８挿通孔６８を通って、図４の上方に導かれ、空気排出管２７（図１参照）から外部に排出される。

なお、ここでは、熱交換器７内における平面方向の空気の流路（開口部１１３及び連通孔６３ａ、６７ａを有する流路）が本発明の第１流路であり、空気を燃料電池スタック５の積層方向に供給する第３挿通孔６３が本発明の第２流路である。

＜燃料ガスの流路＞
前記燃料ガス導入管２１（図１参照）から燃料電池スタック５内に導入された燃料ガスは、図４に示す様に、第２挿通孔６２を介して、各部材の第１貫通長孔７１、８１、９１、１０１によって構成される空間に導入される。

この燃料ガスは、第１貫通長孔７１、８１、９１、１０１を有する空間から、切り欠き１０５ａを介して、開口部９５（即ち燃料ガス流路３１）に導入される。
その後、発電セル３内にて発電に寄与した残余の燃料ガスは、切り欠き１０５ｂを介して、各部材の第２貫通長孔７２、８２、９２、１０２によって構成される空間に排出される。

そして、残余の燃料ガスは、第２貫通長孔７２、８２、９２、１０２を有する空間から第６挿通孔６６などを介して、燃料ガス排出管２３（図１参照）から燃料電池スタック５外に排出される。

ｅ）ここで、本実施例の燃料電池１の製造方法について簡単に説明する。
本実施例の燃料電池１を製造する場合には、前記図２に示す様に、複数の発電セル３を重ね会わせて、それぞれ上燃料電池スタック５ａと下燃料電池スタック５ｂとを構成するとともに、上燃料電池スタック５ａと下燃料電池スタック５ｂとの間に熱交換器７を配置し、それらを（第１〜第８挿通孔６１〜６８が一致するように）重ね合わせ、その挿通孔６１〜６８にボルト１１〜１８を挿通してナット１９で固定して一体化する。

なお、各発電セル３については、前記図４に示す様に、インターコネクタ４３、ガスシール部４５、セパレータ４７、燃料極フレーム４９、ガスシール部５１を重ね会わせて、前記ボルト１１〜１８及びナット１９にて固定する際に一体化することによって構成できる。また、熱交換器７は、例えば板材の切削加工やパンチングなどによって製造することができる。

ｆ）本実施例の効果について説明する。
・本実施例では、燃料電池スタック５を構成する発電セル３の間に熱交換器７を備えており、この熱交換器７には外部から供給された空気を通過させる第１流路１１４を備えている。また、第１流路１１４の出口側には、第１流路１１４から排出された空気を積層方向に配置された発電セル３に供給する第３挿通孔６３を有する流路（第２流路）が接続されている。

従って、燃料電池スタック５の中心部分より温度の低い空気が、外部から熱交換器７の第１流路１１４に供給されると、この空気は隣接する発電セル３と熱交換して温度が上昇するとともに、隣接する発電セル３の温度が低下する。そして、熱交換によって温度が上昇した空気は、積層方向の端部側の発電セル３に供給されるので、空気が供給された発電セル３では、その空気によって温度が上昇する。これにより、燃料電池スタック５の積層方向において、その中心側の温度が低下するとともに端部側の温度が上昇するので、積層方向における温度が均一化する。

つまり、本実施例では、温度の高い中心に配置された熱交換器７によって外部からの低温の空気との熱交換を行うので、中心側の温度を効率良く低下できるとともに、熱交換されて温度が上昇した空気を温度が低い端部側に供給することにより端部側の温度を上昇できる。これによって、燃料電池スタック５の積層方向における温度が均一化するので、発電効率が向上するという顕著な効果を奏する。

なお、本実施例では、燃料ガスに比べて酸化剤ガスを多く供給するので、本実施例の様に空気の流路である第１流路１１４を備えた熱交換器７を用いることによって、上述した温度の均一化や発電効率の向上という効果は一層顕著になる。

・本実施例では、外部から供給された空気は、熱交換器７によって加熱されるので、予め空気を加熱（予熱）する装置等が不要であるという利点がある。
・本実施例では、熱交換器７内の第１流路１１４は、発電セル３の面方向に沿って延びるように形成されているので、熱交換の効率が良いという利点がある。
・本実施例では、熱交換器７は、積層方向において燃料電池スタック５の中心部に配置されているので、温度の高い中心部を効率良く冷却することができる。
・本実施例では、第１流路１１４が圧損体構造を有するように構成されているので、第１流路１１４内の圧力を、発電セル３内のガスの圧力と比べて、高めることができる。これにより、燃料電池スタック５を積層方向に押圧することができるので、発電セル３同士を強く密着することができる。よって、発電セル３間の伝熱性や電気接続性を高めることができる。

・本実施例では、第２流路（第３挿通孔６３）は、燃料電池スタック５内において、積層方向に延びるように形成されているので、燃料電池スタック５の形状をコンパクト（省スペース化）にすることができる。

・本実施例では、第１流路１１４における空気の入口側と出口側とは、対角線方向の最も離れた位置に形成されているので、空気の熱交換が行われる流路が長く、効率良く熱交換を行うことができるという利点がある。

なお、本実施例では、空気の熱交換を行う熱交換器７を燃料電池スタック５の中心部に配置したが、この熱交換器７に加えて（又はこの熱交換器７に代えて）、燃料ガスの熱交換を行うために、同様な位置（燃料電池スタック５の中心部）に（燃料ガスの熱交換を行う）熱交換器を設けてもよい。この場合は、熱交換器で熱交換された燃料ガスは、第２流路を介して端部側の発電セルの燃料ガス流路に供給される。なお、空気の流路は別途設けられる。

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。
本実施例の燃料電池は、燃料電池スタックの積層方向において、２箇所に熱交換器が配置されたものである。

ａ）まず、本実施例の燃料電池の構成について説明する。
図７に示す様に、本実施例の燃料電池１２１は、７個の（実施例１と同様な）発電セル１２３が積層された燃料電池スタック１２５を備えるとともに、燃料電池スタック１２５の積層方向における２箇所に、実施例１と同様な熱交換器１２７、１２９が配置されたものである。

詳しくは、２個の発電セル１２３が積層された上燃料電池スタック１２５ａと３個の発電セル１２３が積層された中燃料電池スタック１２５ｂとの間に、第１熱交換器１２７が配置され、中燃料電池スタック１２５ｂと２個の発電セル１２３が積層された下燃料電池スタック１２５ｃとの間に、第２熱交換器１２９が配置されている。

そして、燃料電池スタック１２５を積層方向に貫くように、実施例１と同様に（同様な位置に）、空気を燃料電池スタック１２５内に導入する第７挿通孔１３１が形成されるとともに、熱交換された空気を積層方向に案内するために、実施例１と同様に（同様な位置に）第３挿通孔１３３が形成されている。

なお、その他の構成、例えば他の挿通孔や燃料ガスの流路などについては、基本的に実施例１と同様であるので、その説明は省略する。
ｂ）次に、本実施例における空気の流路について説明する。

図７に示す様に、空気は、空気導入管１３５から燃料電池スタック１２５の積層方向（図７の上下方向）に沿って燃料電池スタック１２５内、即ち、第７挿通孔１３１内に導入される。

次に、空気は、第７挿通孔１３１から、第１熱交換器１２７の内部（開口部１３７を含む第１流路１３８）と第２熱交換器１２９の内部（開口部１３９を含む第１流路１４０）とに、それぞれ導入される。

そして、この両熱交換器１２７、１２９にて、実施例１と同様に、それぞれ上下の発電セル１２３との間で熱交換が行われ、空気が加熱される。
次に、熱交換によって温度が上昇した空気は、それぞれ（第７挿通孔１３１の平面における対角線方向に位置する第２流路である）第３挿通孔１３３に導入される。

次に、第３挿通孔１３３に導入された空気は、第３挿通孔１３３に沿って積層方向の両側（図７の上下方向）に分岐して案内され、それぞれ上燃料電池スタック１２５ａと中燃料電池スタック１２５ｂと下燃料電池スタック１２５ｃとの各発電セル１２３の空気流路１４１に導入される。

なお、第３挿通孔１３３から各発電セル１２３の空気流路１４１への空気の導入は、空気極側のガスシール部１４３に設けられた実施例１と同様な連通孔（図示せず）を介して行われる。

そして、各発電セル１２３の空気極にて発電のために利用された空気は、実施例１と同様に、第８挿通孔（図示せず）を通って、図７の上方に導かれ、空気排出管（図示せず）から外部に排出される。

なお、燃料ガスの流路については、実施例１と同様であるので、その説明は省略する。
ｃ）本実施例では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、熱交換器１２７、１２９は、燃料電池スタック１２５の積層方向において、異なる位置に二箇所に設けられているので、それぞれの熱交換器１２７、１２９において空気と発電セル１２３との間で熱交換を行うことができ、よって、一層、積層方向における温度分布を均一化することができるという顕著な効果を奏する。

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。
本実施例の燃料電池は、熱交換により加熱された空気を、燃料電池スタックの積層方向の外側の発電セルから内側の発電セルに順番に供給するものである。

なお、本実施例では、第８ボルトが貫挿される第８挿通孔は、空気を排出する流路には利用されず、第５ボルトが貫挿される第５挿通孔が、空気を排出する流路として利用される。

ａ）まず、本実施例の燃料電池の構成について説明する。
図８に示す様に、本実施例の燃料電池１５１は、８個の（実施例１と同様な）発電セル１５３が積層された燃料電池スタック１５５を備えるとともに、燃料電池スタック１５５の積層方向における中心に、実施例１と同様な熱交換器１５７が配置されたものである。

詳しくは、第１〜第４発電セル１５３ａ〜１５３ｄが積層された上燃料電池スタック１５５ａと第５〜第８発電セル１５３ｅ〜１５３ｈが積層された下燃料電池スタック１５５ｂとの間に、熱交換器１５７が配置されている。

そして、燃料電池スタック１５５を積層方向に貫くように、実施例１と同様に（同様な位置に）、空気を燃料電池スタック１５５内に導入する第７挿通孔１５９が形成されるとともに、熱交換された空気を積層方向の端部に向かって案内するために、実施例１と同様に（同様な位置に）、第２流路である第３挿通孔１６１が形成されている。

特に、本実施例では、図９に示す様に、熱交換によって加熱された空気を、積層方向の端部（同図上端）の第１発電セル１５３ａから第２、第３発電セル１５３ｂ、１５３ｃを経て中心側の第４発電セル１５３ｄに順次供給し、また、積層方向の端部（同図下端）の第８発電セル１５３ｈから第７、第６発電セル１５３ｇ、１５３ｆを経て中心側の第５発電セル１５３ｅに順次供給するように、それぞれ空気の流路が形成されている。

具体的には、例えば上燃料電池スタック１５５ａを例に挙げて説明すると、最も外側の第１発電セル１５３ａの空気流路１６３ａに空気を供給するために、第３挿通孔１６１と空気流路１６３ａの導入側（同図右側）とは、実施例１と同様な連通孔（図示せず）によって接続されている。

また、第１発電セル１５３ａの空気流路１６３ａの排出側（同図左側）と、第２発電セル１５３ｂの空気流路１６３ｂの導入側（同図左側）とは、垂直連通孔１６５ａによって接続されている。なお、垂直連通孔１６５ａの下端側は第３発電セル１５３ｃと連通しないように閉塞されている。

更に、第２発電セル１５３ｂの空気流路１６３ｂの排出側と、第３発電セル１５３ｃの空気流路１６３ｃの導入側とは、垂直連通孔１６５ｂによって接続されている。
また、第３発電セル１５３ｃの空気流路１６３ｃの排出側と、第４発電セル１５３ｄの空気流路１６３ｄの導入側とは、垂直連通孔１６５ｃによって接続されている。

更に、第４発電セル１５３ｄの空気流路１６３ｄの排出側と、第５挿通孔１６７とは、実施例１と同様な連通孔（但し第１発電セル１５３ａとは平面形状が対称）によって接続されている。

なお、下燃料電池スタック１５５ｂにおける空気の流路も、基本的には、上燃料電池スタック１５５ａと同様であるので、その説明は省略する。
また、その他の構成、例えば他の挿通孔などについては、基本的に実施例１と同様であるので、その説明は省略する。

ｂ）次に、本実施例における空気の流路について説明する。
前記図８に示す様に、空気は、前記空気導入管１７１から燃料電池スタック１５５の積層方向（図８の上下方向）に沿って燃料電池スタック１５５内、即ち、第７挿通孔１５９内に導入される。

次に、空気は、第７挿通孔１５９から、熱交換器１５７の内部（開口部１７３を含む第１流路１７４）に導入される。
そして、この熱交換器１５７にて、実施例１と同様に、上下の発電セル１５３との間で熱交換が行われ、空気が加熱される。

次に、熱交換によって温度が上昇した空気は、（第７挿通孔１５９の対角線方向にある）第３挿通孔１６１に導入される。
次に、第３挿通孔１６１に導入された空気は、第３挿通孔１６１に沿って積層方向（図８の上下方向）に分岐して案内され、それぞれ、上燃料電池スタック１５５ａ及び下燃料電池スタック１５５ｂの両端の第１、第８発電セル１５３ａ、１５３ｈの空気流路１６３ａ、１６３ｈに導入される。

そして、例えば上燃料電池スタック１５５ａにおいては、図９に示す様に、第１発電セル１５３ａの空気極にて発電のために利用された空気は、垂直連通孔１６５ａを通って、第２発電セル１５３ｂの空気流路１６３ｂに導入される。

次に、第２発電セル１５３ｂの空気極にて発電のために利用された空気は、垂直連通孔１６５ｂを通って、第３発電セル１５３ｃの空気流路１６３ｃに導入される。
次に、第３発電セル１５３ｃの空気極にて発電のために利用された空気は、垂直連通孔１６５ｃを通って、第４発電セル１５３ｄの空気流路１６３ｄに導入される。

次に、第４発電セル１５３ｄの空気極にて発電のために利用された空気は、第５挿通孔１６７に排出され、第５挿通孔１６７から、空気排出管（図示せず）を介して外部に排出される。

なお、下燃料電池スタック１５５ｂの空気の流路は、基本的に、上燃料電池スタック１５５ａと同様であり、また、燃料ガスの流路については、実施例１と同様であるので、その説明は省略する。

ｃ）本実施例では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、熱交換器１５７の内部（第１流路１７４）を通過し熱交換により加熱された空気は、（中心側より温度が低い）積層方向の端部の第１、第８発電セル１５３ａ、１５３ｈから中心側の各発電セルに順番に供給される。つまり、最も温度の低い第１、第８発電セル１５３ａ、１５３ｈが最も温度が高い空気により効果的に加熱されるので、一層温度分布を均一化できるという顕著な効果を奏する。

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。
本実施例の燃料電池は、熱交換により加熱された空気を、一旦燃料電池スタック外に出してから、各発電セルに供給するものである。

なお、本実施例では、第１〜第８挿通孔は、空気の流路として利用されない。
ａ）まず、本実施例の燃料電池の構成について説明する。
図１０に示す様に、本実施例の燃料電池１８１は、８個の（実施例１と同様な）平板状の発電セル１８３が積層された燃料電池スタック１８５を備えるとともに、燃料電池スタック１８５の積層方向における中心に、実施例１と同様な平板状の熱交換器１８７が配置されたものである。つまり、上燃料電池スタック１８５ａと下燃料電池スタック１８５ｂとの間に、熱交換器１８７が配置されている。

特に本実施例では、各発電セル１８３の空気流路１８９の一方の側（同図右側）に、空気の導入口１９１が設けられ、他方の側（同図左側）に、空気の排出口１９３が設けられている。

更に、（直方体形状の）燃料電池スタック１８５の側面の一方の側（同図右側）には、熱交換器１８７の空気の排出口１９５と全ての発電セル１８３の空気の導入口１９１を覆うように、椀状のカバー部材１９７が配置されている。

なお、各発電セル１８３の燃料ガス流路１９９は、同図の紙面方向に設けられている。
ｂ）次に、本実施例における空気の流路について説明する。
図１０に示す様に、空気は、熱交換器１８７の空気の導入口２０１（同図左側）から、その内部（開口部２０３を含む第１流路２０４）に導入される。

そして、この熱交換器１８７にて、実施例１と同様に、上下の発電セル１８３との間で熱交換が行われ、発電セル１８３が冷却されるとともに、空気が加熱される。
次に、熱交換によって温度が上昇した空気は、排出口１９５から、カバー部材１９７で覆われた第２流路である連通空間２０５に導入される。

次に、連通空間２０５に導入された空気は、積層方向（図１０の上下方向）に分岐して案内され、それぞれ、上燃料電池スタック１８５ａ及び下燃料電池スタック１８５ｂの各発電セル１８３の導入口１９１を介して空気流路１８９に導入される。

そして、各発電セル１８３の空気極にて発電のために利用された空気は、排出口１９３から外部に排出される。
なお、燃料ガスについては、紙面方向に供給されればよい。例えば、実施例１の燃料ガスと同様な流路を用いることができる。

ｃ）本実施例では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、空気の流路として、燃料電池スタック１８５の外側の側方をカバー部材１９７で覆った連通空間２０５を用いるので、燃料電池スタック１８５の内部構造を簡易化できるという利点がある。

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。
本実施例の燃料電池は、熱交換により加熱された燃料ガスを、一旦燃料電池スタック外に出してから、各発電セルに供給するものである。

なお、本実施例では、第１〜第８挿通孔は、燃料ガスの流路として利用されない。
ａ）まず、本実施例の燃料電池の構成について説明する。
図１１に示す様に、本実施例の燃料電池２１１は、８個の（実施例１と同様な）平板状の発電セル２１３が積層された燃料電池スタック２１５を備えるとともに、燃料電池スタック２１５の積層方向における中心に、実施例１と同様な平板状の熱交換器２１７が配置されたものである。つまり、上燃料電池スタック２１５ａと下燃料電池スタック２１５ｂとの間に、熱交換器２１７が配置されている。

特に本実施例では、各発電セル２１３の燃料ガス流路２１９の一方の側（同図右側）に、燃料ガスの導入口２２１が設けられ、他方の側（同図左側）に、燃料ガスの排出口２２３が設けられている。

更に、（直方体形状の）燃料電池スタック２１５の側面の一方の側（同図右側）には、熱交換器２１７の燃料ガスの排出口２２５と全ての発電セル２１３の燃料ガスの導入口２２１を覆うように、椀状のカバー部材２２７が配置されている。

なお、各発電セル２１３の空気流路２２９は、同図の紙面方向に設けられている。
ｂ）次に、本実施例における燃料ガスの流路について説明する。
図１１に示す様に、燃料ガスは、熱交換器２１７の燃料ガスの導入口２３１（同図左側）から、その内部（開口部２３３を含む第１流路２３４）に導入される。

そして、この熱交換器２１７にて、実施例１と同様に、上下の発電セル２１３との間で熱交換が行われ、発電セル２１３が冷却されるとともに、燃料ガスが加熱される。
次に、熱交換によって温度が上昇した燃料ガスは、排出口２２５から、カバー部材２２７で覆われた第２流路である連通空間２３５に導入される。

次に、連通空間２３５に導入された燃料ガスは、積層方向（図１１の上下方向）に分岐して案内され、それぞれ、上燃料電池スタック２１５ａ及び下燃料電池スタック２１５ｂの各発電セル２１３の導入口２２１を介して燃料ガス流路２１９に導入される。

そして、各発電セル２１３の燃料極にて発電のために利用された燃料ガスは、排出口２２３から外部に排出される。
なお、空気については、紙面方向に供給されればよい。例えば、実施例１の燃料ガスと同様な流路を用いることができる。

ｃ）本実施例では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、燃料ガスの流路として、燃料電池スタック２１５の外側の側方をカバー部材２２７で覆った連通空間２３５を用いるので、燃料電池スタック２１５の内部構造を簡易化できるという利点がある。

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。
本実施例の燃料電池は、熱交換器の内部構造のみが異なるので、異なる点のみを説明する。

本実施例では、図１２に熱交換用枠部２４１を示す様に、熱交換器２４３の内部（開口部２４５）における空気の流路を、空気を導入する第７挿通孔２４７から、対角線方向の第３挿通孔２４９ではなく、その隣の第４挿通孔２５１に至るように構成している。

即ち、本発明の「第１流路」は、開口部２４５と、開口部２４５及び第４挿通孔２５１に連通する連通孔２５１ａと、開口部２４５及び第７挿通孔２４７に連通する連通孔２４７ａとから構成されている。このうち、第４挿通孔２５１（出口）は、第７挿通孔２４７（入口）から最も離れた位置（第３挿通孔２４９の位置）の「近傍」に配置されている。

なお、熱交換用枠部２４１には、挿通孔６５等の他の挿通孔が複数形成されている。
本実施例においても、前記実施例１とほぼ同様な効果を奏する。

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。
本実施例の燃料電池は、熱交換器に酸化剤ガス（空気）用の第１流路と燃料ガス用の第１流路とがそれぞれ区分されて設けられたものである。

ａ）まず、本実施例で使用される熱交換器について説明する。
図１３に模式的に示す様に、本実施例の燃料電池２６１で使用される熱交換器２６３は、板状の部材であり、空気の流路（空気用の第１流路）である第１溝２６５を有する板状の空気用部材２６７と、燃料ガスの流路（燃料ガス用の第１流路）である第２溝２６９を有する板状の燃料ガス用部材２７１とを、発電セル２７３の積層方向（板厚方向）に積層したものである。

つまり、熱交換器２６３の空気用部材２６７と燃料ガス用部材２７１とは、空気用部材２６７の第１溝２６５と燃料ガス用部材２７１の第２溝２６９とが、前記積層方向における同じ側（図１３の下方）となるようにして積層されて、例えばろう付けにより接合一体化されている。

また、燃料ガス用部材２７１の第２溝２６９側には、第２溝２６９の開口側を覆うように、隣接する発電セル２７３のインターコネクタ２７５が、例えばろう付けにより接合されている。

この燃料電池においては、通常、空気の流量は燃料ガスの流量より大きいので、空気の流路を大きくするために、（空気の流路である）第１溝２６５の深さは（燃料ガスの流路である）第２溝２６９の深さより、全体的に大きく設定されている。また、第１溝２６５の一部、即ち、図１３の左右端に示す空気の第１溝２６５内への導入部分（第１導入溝２６５ｂ）及び排出部分（第１排出溝２６５ｃ）では、第１溝２６５の深さが一層大きく設定されている（以下の実施例も同様）。この空気の第１溝２６５内への導入部分及び排出部分の深さを大きくした理由は、導入部分と排出部分は、単位断面積あたりの空気の流量が最も多い部分であるためである。

なお、空気用部材２６７の第１溝２６５や燃料ガス用部材２７１の第２溝２６９は、例えば切削加工によって形成することができる。
次に、熱交換器２６３の流路について詳細に説明する。

図１４Ａ、図１４Ｂに示す様に、空気用部材２６７は、その周囲（外周に沿った四角の枠部２７７）に、前記実施例１と同様な配置で、第１〜第８挿通孔２８１〜２８８が設けられている。なお、第３挿通孔２８３は空気を第１溝２６５に導入するための流路であり、第８挿通孔２８８は空気を第１溝２６５から排出するための流路である。

また、空気用部材２６７の板厚方向の一方の側（裏側：図１４Ｂ参照）には、前記第１溝２６５が設けられており、この第１溝２６５は、空気用部材２６７の中央部分（即ち枠部２７７の内側）に形成された中央溝２６５ａと、中央溝２６５ａと第３挿通孔２８３とを連通する第１導入溝２６５ｂと、中央溝２６５ａと第８挿通孔２８８とを連通する第１排出溝２６５ｃとを有する。

なお、中央溝２６５ａには、中央溝２６５ａが隣接する部材によって埋まらないように、かつ、中央溝２６５ａの深さと同じ高さとなるように、平面視で方形形状（四角柱の形状）の突出部２６６が、多数形成されている。この突出部２６６は、空気の流れを排出側に導くように、図１４Ｂの左右方向に長手方向が揃うように配列されている。

本実施例では、突出部の形状が、一種類の形状（平面視で方形形状）のみを配列したが、これに限ることは無い。例えば、突出部の形状を、立方体形状、直方体形状、錐台形状、他の角柱形状、その他の形状にしてもよい。また、寸法の違う多数種類の形状の突出部を、それぞれ混合して配列してもよい。また、本実施例では、突出部の全てについて、方向が揃うように配列したが、これに限ることは無く、空気の流れが排出側に導くようになっていれば良い。即ち、一部の突出部の向きが、他の突出部の向きと異なる方向、例えば斜め方向になっていても良い。この突出部の形状や配列については、以下、他の実施例も同様である。

一方、図１４Ｃ、図１４Ｄに示す様に、燃料ガス用部材２７１は、その周囲に、前記実施例１と同様な配置で、第１〜第８挿通孔２８１〜２８８が設けられている（なお、第１〜第８挿通孔の番号は前記空気用部材と同じ番号を使用する）。なお、第１挿通孔２８１は燃料ガスを第２溝２６９に導入するための流路であり、第６挿通孔２８６は燃料ガスを第２溝２６９から排出するための流路である。

また、燃料ガス用部材２７１の板厚方向の一方の側（裏側：図１４Ｄ参照）には、前記第２溝２６９が設けられており、この第２溝２６９は、燃料ガス用部材２７１の中央部分に形成された中央溝２６９ａと、中央溝２６９ａと第１挿通孔２８１とを連通する第２導入溝２６９ｂと、中央溝２６９ａと第６挿通孔２８６とを連通する第２排出溝２６９ｃとを有する。

なお、中央溝２６９ａには、中央溝２６９ａが隣接する部材によって埋まらないように、かつ、中央溝２６９ａの深さと同じ高さとなるように、平面視で方形形状（四角柱の形状）の突出部２７０が、多数形成されている。この突出部２７０は、燃料ガスの流れを排出側に導くように、図１４Ｄの上下方向に長手方向が揃うように配列されている。即ち、前記空気用部材２６７の突出部２６６と、前記燃料ガス用部材２７１の突出部２７０とは、互いに、平面視で垂直の方向となるように、それぞれ配列されている。

ｂ）次に、前記熱交換器２６３を備えた燃料電池２６１について説明する。
図１５Ａ−１５Ｂに模式的に示す様に、本実施例の燃料電池２６１は、前記実施例１と同様に、燃料電池スタック２９１の積層方向における中央部分、即ち上燃料電池スタック２９１ａと下燃料電池スタック２９１ｂとの間に熱交換器２６３が配置されたものである。

詳しくは、空気用部材２６７と燃料ガス用部材２７１とが積層された熱交換器２６３の一方の側（図１５Ａ上方）に、例えば４層の発電セル２７３が積層され、他方の側（図１５Ａ下方）に、例えば４層の発電セル２７３が積層されたものである。

本実施例では、実施例１と同様に、燃料電池２６１の外周部分には、燃料電池２６１の内部にて積層方向に伸びるように形成された空気用の導入流路２９３が設けられており、この空気用の導入流路２９３は、空気用部材２６７の第３挿通孔２８３に連通している。

従って、図１５Ａに示す様に、空気用部材２６７の第３挿通孔２８３に導入された空気は、空気用の第１流路である第１溝２６５を通る際に（熱交換により）加熱される。その後、加熱された空気は、第８挿通孔２８８を介して、前記実施例１と同様な（燃料電池２６１の内部にて積層方向に伸びるように形成された）空気用の第２流路２９５に排出され、この第２流路２９５から各発電セル２７３の空気流路２９７に供給される。その後は、前記実施例１と同様に外部に排出される。

なお、図１５Ｂに、積層方向から見た場合の空気の流れを模式的に示すが、第３挿通孔２８３から空気用部材２６７内を通過し第８挿通孔２８８に供給された加熱後の空気は、第２流路２９５を通過し、各発電セル２７３における所定の流路（貫通長孔：図示せず）を通って空気流路２９７に導入され、第４挿通孔２８４から外部に排出される。なお、発電セル２７３内の空気の流れを網目の矢印で示す。

一方、図１６Ａ−１６Ｂに燃料ガスの流れを示すように、本実施例では、燃料電池２６１の外周部分には、燃料電池２６１の内部にて積層方向に伸びるように形成された燃料ガス用の導入流路３０１が設けられており、この燃料ガス用の導入流路３０１は、燃料ガス用部材２７１の第１挿通孔２８１に連通している。

従って、図１６Ａに示す様に、燃料ガス用部材２７１の第１挿通孔２８１に導入された燃料ガスは、燃料ガス用の第１流路である第２溝２６９を通る際に（熱交換により）加熱される。その後、加熱された燃料ガスは、第６挿通孔２８６を介して、（燃料電池２６１の内部にて積層方向に伸びるように形成された）燃料ガス用の第２流路３０３に排出され、この第２流路３０３から各発電セル２７３の燃料ガス流路３０５に供給される。その後は、前記実施例１と同様に外部に排出される。

なお、図１６Ｂに、積層方向から見た場合の燃料ガスの流れを模式的に示すが、第１挿通孔２８１から燃料ガス用部材２７１内を通過し第６挿通孔２８６に供給された加熱後の燃料ガスは、第２流路３０３を通過し、各発電セル２７３における所定の流路（貫通長孔：図示せず）を通って燃料ガス流路３０５に導入され、第２挿通孔２８２から外部に排出される。なお、発電セル２７３内の燃料ガスの流れを斜線の矢印で示す。

ｃ）上述した様に、本実施例では、熱交換器２６３に、空気用の第１流路である第１溝２６５と燃料ガス用の第１流路である第２溝２６９とを、分離して設けてある。
従って、燃料電池スタック２９１の中心部分より温度の低い空気及び燃料ガスが、外部から熱交換器２６３の各第１流路に供給されると、この空気及び燃料ガスは隣接する発電セル２７３と熱交換して温度が上昇するとともに、隣接する発電セル２７３の温度が低下する。そして、熱交換によって温度が上昇した空気及び燃料ガスは、積層方向の端部側の発電セル２７３に供給されるので、空気及び燃料ガスが供給された発電セル２７３では、その空気及び燃料ガスによって温度が上昇する。これにより、燃料電池スタック２９１の積層方向において、その中心側の温度が低下するとともに端部側の温度が上昇するので、積層方向における温度が均一化する。

つまり、本実施例では、温度の高い中心に配置された熱交換器２６３によって、低温の空気及び燃料ガスの両方のガスとの熱交換を行うので、中心側の温度を一層効率良く低下できるとともに、熱交換されて温度が上昇した空気及び燃料ガスを温度が低い端部側に供給されることにより端部側の温度を上昇できる。これによって、燃料電池スタック２９１の積層方向における温度が均一化するので、発電効率が（実施例１よりも）一層向上するという顕著な効果を奏する。

また、本実施例では、外部から供給された空気及び燃料ガスは、熱交換器２６３によって加熱されるので、予め空気及び燃料ガスを加熱（予熱）する装置等が不要であるという利点がある。

なお、本実施例では、空気用部材２６７の第１溝２６５と燃料ガス用部材２７１の第２溝２６９とを、積層方向における同じ側に設けたが、これとは別な例として、例えば図１７に示す様に、空気用部材３１１の第１溝３１３と燃料ガス用部材３１５の第２溝３１７とを、積層方向における反対側（同図の上下別な側）に設けてもよい。この場合は、第１溝３１３及び第２溝３１７を覆うように、それぞれ隣接する発電セル２７３のインターコネクタ３１９を、例えばろう付けにより接合する。

次に、実施例８について説明するが、前記実施例７と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の燃料電池は、空気用部材と燃料ガス用部材を備えた熱交換器において、燃料ガス用部材の空気用部材側に、空気用の第１流路の一部を構成する第３溝を設けたものである。

図１８に模式的に示す様に、本実施例の燃料電池３２１で使用される熱交換器３２３は、前記実施例７と同様に、空気の流路（空気用の第１流路）である第１溝３２５を有する板状の空気用部材３２７と、燃料ガスの流路（燃料ガス用の第１流路）である第２溝３２９を有する板状の燃料ガス用部材３３１とを、発電セル３３３の積層方向に積層したものである。

つまり、熱交換器３２３の空気用部材３２７と燃料ガス用部材３３１とは、空気用部材３２７の第１溝３２５と燃料ガス用部材３３１の第２溝３２９とが、前記積層方向における同じ側（図１８の下方）となるようにして積層されて、例えばろう付けにより接合一体化されている。

また、燃料ガス用部材３３１の第２溝３２９側には、第２溝３２９の開口側を覆うように、隣接する発電セル３３３のインターコネクタ３３５が、例えばろう付けにより接合されている。

特に、本実施例では、燃料ガス用部材３３１の空気用部材３２７側には、空気用部材３２７の第１溝３２５の一部と連通するように、第３溝３３７が形成されている。つまり、一部の空気の流路においては、即ち、図１８の左右端に示す空気の第１溝３２５への導入部分（第１導入溝３２５ｂ）及び排出部分（第１排出溝３２５ｃ）では、第１溝３２５（３２５ｂ、３２５ｃ）と第３溝３３７（３３７ａ、３３７ｂ）とが、それぞれ一体になって、他の第１溝３２５より断面積の大きな空気の流路が形成されている。

次に、上述した熱交換器３２３の流路について詳細に説明する。
図１９Ａ−１９Ｂに示す様に、空気用部材３２７については、その板厚方向の両側の形状（従って空気の流路）は、前記実施例７と同様であり、また、同様に、第１〜第８挿通孔３４１〜３４８が形成されている。

一方、図１９Ｃ−１９Ｄに示す様に、燃料ガス用部材３３１については、その空気用部材３２７側（表側：図１９Ｃ参照）には、第３挿通孔３４３と連通するように第３溝３３７である第３ａ溝３３７ａが同図中央側に向かって斜めに形成されている。

この第３ａ溝３３７ａは、図１９Ｂに示す空気用部材３２７の第１溝３２５の第１導入溝３２５ｂと重なるように形成されており、これにより、第３ａ溝３３７ａと第１導入溝３２５ｂとは一体となって、空気の（導入用の）流路を形成している。

なお、燃料ガス用部材３３１の表側に第３ａ溝３３７ａを形成するために、燃料ガス用部材３３１の裏側（図１９Ｄ参照）では、対応する箇所（斜め部分３３１ａ）には中央溝３２９ａが形成されていない。

また、図１９Ｃに示す様に、燃料ガス用部材３３１の空気用部材３２７側（表側）には、第８挿通孔３４８と連通するように他の第３溝３３７である第３ｂ溝３３７ｂが同図中央に向かって横方向に形成されている。

この第３ｂ溝３３７ｂは、図１９Ｂに示す空気用部材３２７の第１溝３２５の第１排出溝３２５ｃと重なるように形成されており、これにより、第３ｂ溝３３７ｂと第１排出溝３２５ｃとは一体となって、空気の（排出用の）流路を形成している。

なお、燃料ガス用部材３３１の表側に第３ｂ溝３３７ｂを形成するために、燃料ガス用部材３３１の裏側（図１９Ｄ参照）では、対応する箇所（突出する部分３３１ｂ）には中央溝３２９ａが形成されていない。

本実施例においても、前記実施例７と同様な効果を奏するとともに、燃料ガス用部材３３１の表側には、第１溝３２５の一部と連通する第３溝３３７が形成されているので、空気の流路を大きくとることができるという利点がある。

つまり、本実施例では、空気の流路の深さを確保しつつ、熱交換器３２３の厚みを小さくできるという顕著な効果を奏する。

次に、実施例９について説明するが、前記実施例７と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の燃料電池は、単一の板状の熱交換器において、その板厚方向の両側に、空気用の第１流路と燃料ガス用の第１流路とを設けたものである。

図２０に模式的に示す様に、本実施例の燃料電池３５１で使用される熱交換器３５３は、単一の板材（板状の部材）３５５の一方の側（表側：同図の上方）に、空気の流路（空気用の第１流路）である第１溝３５７を形成するとともに、他方の側（裏側：同図の下方）に、燃料ガスの流路（燃料ガス用の第１流路）である第２溝３５９を形成したものである。

また、この板材３５５の第１溝３５７と第２溝３５９との開口側を覆うように、それぞれ隣接する発電セルのインターコネクタ３６１が、例えばろう付けにより接合されている。

なお、上述した様に、空気の流量は燃料ガスの流量より大きいので、（空気の流路である）第１溝３５７の深さは（燃料ガスの流路である）第２溝３５９の深さより、全体的に大きく設定されているとともに、一部（空気の第１溝３５７内への導入部分）では、第２溝３５９の深さを小さくすることにより、第１溝の深さを大きく設定している。

次に、上述した熱交換器３５３の流路について詳細に説明する。
図２１Ａ−２１Ｂに示す様に、熱交換器３５３の板材３５５には、前記実施例７と同様に、第１〜第８挿通孔３７１〜３７８が形成されている。

そして、図２１Ａに示す様に、板材３５５の表側には、空気の流路として、（空気が導入される）第３挿通孔３７３と（空気が排出される）第８挿通孔３７８とに連通する第１溝３５７が形成されている。

つまり、板材３５５の表側の（外周部分の正方形の枠部３５６を除いて）中央部分が、平面視で方形形状（四角柱の形状）の突出部３５８を除いて正方形状に切削されて空気の流路（第１溝３５７）が形成されている。

一方、図２１Ｂに示す様に、板材３５５の裏側には、燃料ガスの流路として、（燃料ガスが導入される）第１挿通孔３７１と（燃料ガスが排出される）第６挿通孔３７６とに連通する第２溝３５９が形成されている。

つまり、板材３５５の裏側の中央部分が、表側と同様に、平面視で方形形状（四角柱の形状）の突出部３６０を除いて正方形状に切削されて燃料ガスの流路（第２溝３５９）が形成されている。

この様に、本実施例は、前記実施例７と同様な効果を奏するとともに、板材３５５の両側に第１溝３５７と第２溝３５９とを形成したので、熱交換器３５３を小型化（薄く）できるという利点がある。

また、一つの板材３５５の両側に各溝３５７、３５９を形成して各ガスの第１流路を形成したので、構成を簡易化でき、よって、その製造が容易になるとともに、コストも低減できるという効果を奏する。

しかも、熱交換器３５３（従って燃料電池３５１）の熱容量を小さくできるので、起動性が向上するという顕著な効果を奏する。

次に、実施例１０について説明するが、前記実施例７と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の燃料電池は、前記実施例７で用いた熱交換器を複数使用するものである。
具体的には、図２２に示す様に、燃料電池スタック４０１の積層方向において、異なる箇所に、前記実施例７と同様な各熱交換器４０７、４１３を別々に配置する。

例えば、上燃料電池スタック４０１ａと中燃料電池スタック４０１ｂとの間に空気用部材４０３及び燃料ガス用部材４０５からなる熱交換器４０７を配置し、中燃料電池スタック４０１ｂと下燃料電池スタック４０１ｃとの間に、空気用部材４０９及び燃料ガス用部材４１１からなる別の熱交換器４１３を配置する。

本実施例によっても、前記実施例７と同様な効果を奏するとともに、複数の熱交換器４０７、４１３を使用するので、熱交換の効率が高いという利点がある。
なお、前記実施例７と同様な熱交換器ではなく、前記実施例８〜９に記載の熱交換器を用いてもよく、用いる熱交換器の数も３個以上使用してもよい。

次に、実施例１１について説明するが、前記実施例７と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の燃料電池は、前記実施例７で用いた熱交換器の空気用部材と燃料ガス用部材とを分離して使用するものである。

具体的には、図２３Ａに示す様に、燃料電池スタック４２１の積層方向において、異なる位置に、空気用部材４２３と燃料ガス用部材４２７とを配置するものである。
例えば、燃料電池スタック４２１において、上燃料電池スタック４２１ａと中燃料電池スタック４２１ｂとの間に空気用部材４２３を配置し、中燃料電池スタック４２１ｂと下燃料電池スタック４２１ｃとの間に燃料ガス用部材４２７を配置する。

なお、図２３Ｂに要部を拡大して示す様に、空気用部材４２３の第１溝４２９の開口側（同図下方）は、隣接するインターコネクタ４３１によって閉塞されており、同様に、燃料ガス用部材４２７の第２溝４３３の開口側（同図下方）は、隣接する他のインターコネクタ４３５によって閉塞されている。

本実施例によっても、前記実施例７と同様な効果を奏する。
なお、第１溝４２９、第２溝４３３の開口側は、上下どちらでもよく、また、使用する空気用部材４２３や燃料ガス用部材４２７の個数は複数でもよい。

また、上述の様に、空気用部材４２３と燃料ガス用部材４２７との両方を用いるのではなく、例えば図２３Ｃに示す様に、燃料電池スタック４２２に対して、空気用部材４２８のみを使用してもよい。特に、燃料電池スタック４２２に供給する空気は燃料ガスに比べて多いので、空気用部材４２８のみを使用しても、熱交換器として十分な効果が得られる。更に、複数の空気用部材４２８を使用すると、一層大きな効果が得られる。

なお、図示しないが、燃料ガス用部材のみを、１又は複数個使用してもよい。

次に、実施例１２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。
本実施例は、上述した各実施例に適用できる（ボルト及び挿通孔による）ガス流路を例示したものである。

ａ）本実施例では、例えば図２４Ａに示すように、積層された発電セル４４１の中央部に熱交換器４４３が配置された（実施例１と同様な）燃料電池スタック４４５において、積層方向を貫通するように複数の挿通孔４４７が設けられ、その挿通孔４４７には、ボルト４４９が挿通されている。このボルト４４９は、その両端にて、（ガスシールの機能を有する）スペーサ４５１、４５３を介して、ナット４５５、４５７に螺合して燃料電池スタック４４５を締め付けて固定している。

前記ボルト４４９は中実の棒材であり、その先端（同図）側には、軸方向に沿って先端から挿通孔４４７に達する溝４５９が形成されている。また、一方（同図上方）のナット４５５には、軸方向にガスの流路となる貫通孔４６１が形成されている。更に、スペーサ４５１、４５３によって、ボルト４４９の外周面と挿通孔４４７の内周面との間に、ガスの流路となる筒状の空間４６３が形成されている。

従って、例えば、ナット４５５の貫通孔４６１から導入されたガス（例えば酸化剤ガス）は、ボルト４４９の溝４５９を通って、筒状の空間４６３に導入され、その筒状の空間４６３から（図示しない導入口を介して）熱交換器４４３に導入される。

ｂ）また、変形例として、図２４Ｂに示す構成も利用できる。
この変形例では、前記実施例と同様に、燃料電池スタック４７１の挿通孔４７３に、ボルト４７５が挿通され、このボルト４７５にナット４７７、４７９が螺合して燃料電池スタック４７１を締め付けて固定している。

前記ボルト４７５は中空の棒材であり、その軸中心には、先端（図上方）から下部に達する中心孔４８１が形成されている。この中心孔４８１は、先端側が開口するとともに、後端側は閉塞されており、その中央部分には、側方に開口する多数の横孔４８３が設けられている。

また、一方（同図上方）のナット４７７には、軸方向にガスの流路となる貫通孔４８５が形成されており、この貫通孔４８５とボルト４７５の中心孔４８１は連通している。
更に、ボルト４７５の外周面と挿通孔４７３の内周面との間に、ガスの流路となる筒状の空間４８７が形成されている。

従って、例えば、ナット４７７の貫通孔４８５から導入されたガス（例えば酸化剤ガス）は、ボルト４７５の中心孔４８１を通って、横孔４８３から筒状の空間４８７に導入され、その筒状の空間４８７から（図示しない導入口を介して）熱交換器４８９に導入される。

なお、他の実施例において、燃料ガスを熱交換器に導入する場合も、上述した実施例や変形例の構成を利用できる。それ以外に、上述した筒状の空間を利用したガス流路の構成は、各ガスを熱交換器から各発電セルに導入する場合や、発電セルから排出された各ガスを外部に排出する場合にも利用できる。

ここで、特許請求の範囲と前記実施例における文言の対応関係について説明する。
ボルトが挿通部材の一例に相当し、第１溝、第２溝が溝の一例に相当し、空気用部材が酸化剤ガス用部材の一例に相当する。

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、固体酸化物形燃料電池以外に、固体高分子形燃料電池等の燃料電池に適用できる。

つまり、前記実施例では、電解質層として、固体電解質層（固体酸化物）を例に挙げたが、本発明は、それ以外に、電解質層として、固体高分子層を用いた燃料電池にも適用できる。

（２）また、本発明では、熱交換器における第１流路としては、酸化剤ガス（例えば空気）用の流路と燃料ガス用の流路の両方がある場合と、どちらか一方の流路のみが場合があるが、酸化剤ガス用の流路の構成として採用できることは、燃料ガス用の流路の構成として採用でき、また、その逆も可能である。

例えば実施例１では、空気の流路を備えた熱交換器を例に挙げたが、空気の流路ではなく、燃料ガスの流路を備えた熱交換器を用いてもよい。この場合には、熱交換器内に燃料ガスの第１流路を設けるとともに、燃料電池スタックに第２流路を設ければよい。

（３）更に、熱交換器に酸化剤ガスの第１流路と燃料ガスの第１流路とを設ける場合には、各ガスの流れとしては、積層方向から見た場合に、例えば図２５Ａに示すクロスフロー（交差する流れ）、図２５Ｂに示すコフロー（平行する流れ）、図２５Ｃに示すカウンターフロー（対向する流れ）を採用することができる。

（４）なお、図５等の図面における断面図については、あくまで、本実施例の燃料電池の概略的な厚みを示すのみである。また、例えば、本断面図における各構成部材（インターコネクタ４３、４３ａ、４３ｂ）の厚みは、各図面の厚みの比に限定されることは無い。

Claims (16)

1. 電解質層と、該電解質層を隔てて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発電セルが、該発電セルの厚み方向に沿って複数個で積層された燃料電池スタックと、
   前記積層方向において、隣り合う二つの前記発電セルの間に該発電セルに接触して設けられ、外部から供給される前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを通過させる第１流路を内部に備える熱交換器と、
   前記熱交換器の前記第１流路の出口側と前記各発電セルの前記空気極側又は前記燃料極側とに接続され、前記第１流路を通過した前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスが、前記酸化剤ガスの場合は、該酸化剤ガスを前記熱交換器の前記積層方向における両側の前記各発電セルの前記空気極側に供給し、前記燃料ガスの場合は、該燃料ガスを前記熱交換器の前記積層方向における両側の前記各発電セルの前記燃料極側に供給する第２流路と、を有する燃料電池。
2. 電解質層と、該電解質層を隔てて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発電セルが、該発電セルの厚み方向に沿って複数個で積層された燃料電池スタックと、
   前記積層方向において、隣り合う二つの前記発電セルの間に該発電セルに接触して設けられ、外部から供給される前記酸化剤ガスを通過させる酸化剤ガス用の第１流路と、前記外部から供給される前記燃料ガスを通過させる燃料ガス用の第１流路と、を備える熱交換器と、
   前記熱交換器の前記酸化剤ガス用の第１流路の出口側と前記各発電セルの前記空気極側とに接続されるとともに、前記酸化剤ガス用の第１流路を通過した酸化剤ガスを前記熱交換器の前記積層方向における両側の前記各発電セルの前記空気極側に供給する酸化剤ガス用の第２流路と、
   前記熱交換器の前記燃料ガス用の第１流路の出口側と前記各発電セルの前記燃料極側とに接続されるとともに、前記燃料ガス用の第１流路を通過した燃料ガスを前記熱交換器の前記積層方向における両側の前記各発電セルの前記燃料極側に供給する燃料ガス用の第２流路と、
   を有する燃料電池。
3. 前記熱交換器に形成された前記第１流路は、平板状の前記発電セルの面方向に沿って延びるように形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記熱交換器の第１流路は、板状の部材の表面に形成された溝によって構成されている請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記熱交換器は、前記積層方向において前記燃料電池スタックの中心部に配置されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記熱交換器は、前記積層方向において、異なる位置に二つ以上に設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記熱交換器の前記第１流路は、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの少なくとも一方のガスの流出状態を規制する圧損体構造を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記第１流路の前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの少なくとも一方のガスの入口側と出口側とは、前記第１流路を前記積層方向から見て、最も離れた位置又は該最も離れた位置の近傍に形成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。
9. 前記熱交換器は、前記酸化剤ガス用の第１流路である第１溝が形成された板状の酸化剤ガス用部材と、前記燃料ガス用の第１流路である第２溝が形成された板状の燃料ガス用部材とが、前記積層方向に積層されたものである請求項２〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
10. 前記酸化剤ガス用部材の前記第１溝は、前記積層方向における一方の側に開口し、前記燃料ガス用部材の前記第２溝は、前記積層方向における他方の側に開口するように形成されている請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記酸化剤ガス用部材の前記第１溝と前記燃料ガス用部材の前記第２溝とは、何れも前記積層方向における一方の側に開口するように、それぞれ形成されている請求項９に記載の燃料電池。
12. 前記酸化剤ガス用部材の前記第１溝が形成されている側に、前記燃料ガス用部材が積層されるとともに、前記燃料ガス用部材の前記酸化剤ガス用部材側に、前記酸化剤ガス用部材の第１溝と連通する第３溝が形成されている請求項１１に記載の燃料電池。
13. 前記熱交換器は、板状の部材の前記積層方向における一方の側に、前記酸化剤ガス用の第１溝が形成されるとともに、前記板状の部材の前記積層方向における他方の側に、前記燃料ガス用の第２溝が形成されたものである請求項２〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。
14. 前記第２流路の少なくとも一部は、前記燃料電池スタック内において、前記積層方向に延びるように形成された流路部分で構成されている請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池。
15. 前記燃料電池スタックには、該燃料電池スタックを厚み方向に貫く挿通孔を備えるとともに、該挿通孔には挿通部材が挿通されており、前記挿通孔の内周面と前記挿通部材の外周面との間に、前記第２流路の少なくとも一部が形成されている請求項１４に記載の燃料電池。
16. 前記燃料電池スタックには、該燃料電池スタックを厚み方向に貫く挿通部材を備えるとともに、該挿通部材の内部に、前記第２流路の少なくとも一部が形成されている請求項１４に記載の燃料電池。