JP6053633B2 - 燃料電池セルスタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルスタックに関し、さらに詳しくは、電解質として固体電解質を利用する燃料電池セルスタックに関する。

従来、固体電解質を有する平板型の燃料電池単セルをセパレータを介して多数段積層してなる燃料電池セルスタックが知られている。例えば、特許文献１には、空気流と燃料流とが直交するガスフロータイプの平板型固体電解質型燃料電池セルスタックにおいて、空気流の流れを折り返して流すように構成する技術が開示されている。

特開２００２−２０８４１７号公報

しかしながら、従来技術は、以下の点で改良の余地がある。すなわち、従来の燃料電池セルスタックは、ガスの流れを折り返するための外部配管や機構が必要となり、構造が複雑化する。また、発電電流によりガス量や燃料電池単セルの温度分布の制御が複雑となり、燃料電池単セルにおける温度分布の均一化を図り難い。

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構造で燃料電池単セルにおける温度分布の均一化を図りやすい燃料電池セルスタックを提供しようとして得られたものである。

本発明の一態様は、固体電解質層を有する平板型の燃料電池単セルと、該燃料電池単セルへ供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する導電性のセパレータとを備え、上記燃料電池単セルが上記セパレータを介して多数段積層されて構成されている燃料電池セルスタックであって、
該燃料電池セルスタックは、さらに、上記燃料電池単セルの外周縁を保持するフレームを備えており、かつ、
上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給方式が、上記燃料ガスと上記酸化剤ガスとが互いに直交するように上記燃料電池単セルに供給されるクロスフロー方式であり、
上記燃料電池セルスタックにおける側面部の一部に内部の熱を放出させる熱放出部を有している、および／または、上記側面部の一部を覆う断熱部を有しており、
上記側面部における上記燃料ガスの導出側および／または上記酸化剤ガスの導出側の側面に上記熱放出部を有しており、かつ、上記側面部における上記燃料ガスの導入側および／または上記酸化剤ガスの導入側の側面に上記熱放出部を有しておらず、
上記側面部における上記燃料ガスの導入側および／または上記酸化剤ガスの導入側の側面に上記断熱部を有しており、かつ、上記側面部における上記燃料ガスの導出側および／または上記酸化剤ガスの導出側の側面に上記断熱部を有しておらず、
上記熱放出部は、上記側面部から上記フレームが突出する構成を含んでいることを特徴とする燃料電池セルスタックにある。
また、本発明の他の態様は、固体電解質層を有する平板型の燃料電池単セルと、該燃料電池単セルへ供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する導電性のセパレータとを備え、上記燃料電池単セルが上記セパレータを介して多数段積層されて構成されている燃料電池セルスタックであって、
該燃料電池セルスタックは、さらに、上記燃料電池単セルの外周縁を保持するフレームと、
該フレームと上記燃料電池単セルの一方面側に配置された上記セパレータとの間、および／または、上記フレームと上記燃料電池単セルの他方面側に配置された上記セパレータとの間に設けられるとともに、上記燃料電池単セルと対向する位置に形成された貫通穴を備える絶縁板と、
該絶縁板における上記貫通穴に配設されたガス透過性を有する集電体とを備えており、かつ、
上記燃料ガスおよび上記酸化剤ガスの供給方式が、上記燃料ガスと上記酸化剤ガスとが互いに直交するように上記燃料電池単セルに供給されるクロスフロー方式であり、
上記燃料電池セルスタックにおける側面部の一部に内部の熱を放出させる熱放出部を有している、および／または、上記側面部の一部を覆う断熱部を有しており、
上記側面部における上記燃料ガスの導出側および／または上記酸化剤ガスの導出側の側面に上記熱放出部を有しており、かつ、上記側面部における上記燃料ガスの導入側および／または上記酸化剤ガスの導入側の側面に上記熱放出部を有しておらず、
上記側面部における上記燃料ガスの導入側および／または上記酸化剤ガスの導入側の側面に上記断熱部を有しており、かつ、上記側面部における上記燃料ガスの導出側および／または上記酸化剤ガスの導出側の側面に上記断熱部を有しておらず、
上記熱放出部は、上記側面部から上記絶縁板が突出する構成を含んでいることを特徴とする燃料電池セルスタックにある。

上記燃料電池セルスタックは、側面部の一部に内部の熱を放出させる熱放出部を有している、および／または、側面部の一部を覆う断熱部を有している。上記熱放出部を有する場合、燃料電池セルスタックは、側面部の一部に設けられた熱放出部により外気と熱交換する表面積が増加するため、燃料電池単セルの発電によって生じた内部の熱を側面部より積極的に放熱することができる。そのため、この場合は、燃料電池単セル面内における最高温度が低減されるとともに燃料電池単セル面内における温度分布差が緩和され、温度分布を均一化しやすい。また、側面部に熱放出部を設けるという比較的簡易な構造により上記効果を得ることができる。

一方、上記断熱部を有する場合、燃料電池セルスタックは、側面部の一部を覆う断熱部により燃料電池単セルに供給されるガス等の温度を上昇させることができる。そのため、この場合は、燃料電池単セル面内における温度分布差が緩和され、温度分布を均一化しやすい。また、側面部に断熱部を設けるという比較的簡易な構造により上記効果を得ることができる。

よって、本発明によれば、比較的簡易な構造で燃料電池単セルにおける温度分布の均一化を図りやすい燃料電池セルスタックを提供することができる。

参考例１に係る燃料電池セルスタックを構成する主要発電要素を分解して模式的に示した説明図である。 参考例１に係る燃料電池セルスタックの正面図である。 参考例１に係る燃料電池セルスタックの平面図である。 参考例１に係る燃料電池セルスタックのＩＶ−ＩＶ断面の一部を模式的に示した断面図である。 参考例１に係る燃料電池セルスタックのＶ−Ｖ断面一部を模式的に示した断面図である。 参考例１に係る燃料電池セルスタックのシミュレーションについて説明するための説明図である。 参考例１に係る燃料電池セルスタックのシミュレーションによるセル面内温度分布を示した図である 側面部の一部に熱放出部を有さない比較用燃料電池セルスタックのシミュレーションによるセル面内温度分布を示した図である 参考例２に係る燃料電池セルスタックの平面図である。 実施例３に係る燃料電池セルスタックの正面図である。 実施例４に係る燃料電池セルスタックの正面図である。 実施例４に係る燃料電池セルスタックの平面図である。 実施例５に係る燃料電池セルスタックの平面図である。

上記燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池単セルの固体電解質は、特に制限はなく、各種の固体電解質を適用することができる。適用できる固体電解質としては、例えば、酸化ジルコニウム系酸化物、ランタンガレート系酸化物、酸化セリウム系酸化物等の酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックスなどを例示することができる。なお、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いた燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と称される。

上記燃料電池セルスタックにおいて、燃料電池単セルは平板型であれば、その構成は特に制限されない。燃料電池単セルは、例えば、固体電解質層と、固体電解質層の一方面に設けられたアノード層と、固体電解質層の他方面に中間層を介してまたは介さずに設けられたカソード層とを有する構成などとすることができる。燃料電池単セルは、固体電解質によって支持されていてもよいし（自立膜式）、アノード層によって支持されていてもよいし（アノード支持式）、カソード層によって支持されていてもよい（カソード支持式）。さらには、固体電解質層、アノード層、カソード層以外の支持層によって支持されていてもよい。アノード層には、燃料ガスが供給され、カソード層には、酸化剤ガスが供給される。なお、上記燃料電池セルスタックは、熱放出部、断熱部を除いて、四角柱状の形状等とすることができる。

ここで、上記熱放出部は、側面部からセパレータが突出する構成を含むことができる。

この場合は、側面部から突出するセパレータの分だけ、セパレータの表面積が増加し、セパレータが外気と熱交換しやすくなる。また、側面部からセパレータが突出するように、セパレータを側面部から外方に延設するだけで熱放出部を構成することができるので、セパレータの構造が複雑になることもない。それ故、この場合は、上記効果をより大きくすることができる。

上記燃料電池セルスタックが、燃料電池単セルの外周縁を保持するフレームを有しており、上記熱放出部が、側面部からフレームが突出する構成を含んでいる場合には、以下の効果がある。

すなわち、上記構成によれば、側面部から突出するフレームの分だけ、フレームの表面積が増加し、フレームが外気と熱交換しやすくなる。また、側面部からフレームが突出するように、フレームを側面部から外方に延設するだけで熱放出部を構成することができるので、フレームの構造が複雑になることもない。それ故、上記構成によれば、上記効果をより大きくすることができる。

上記燃料電池セルスタックが、上記フレームと、フレームと燃料電池単セルの一方面側に配置されたセパレータとの間、および／または、フレームと、フレームと燃料電池単セルの他方面側に配置されたセパレータとの間に設けられるとともに、燃料電池単セルと対向する位置に形成された貫通穴を備える絶縁板と、絶縁板における貫通穴に配設されたガス透過性を有する集電体とを有しており、熱放出部が、側面部から絶縁板が突出する構成を含んでいる場合には、以下の効果がある。

すなわち、上記構成によれば、側面部から突出する絶縁板の分だけ、絶縁板の表面積が増加し、絶縁板が外気と熱交換しやすくなる。また、側面部から絶縁板が突出するように、絶縁板を側面部から外方に延設するだけで熱放出部を構成することができるので、絶縁板の構造が複雑になることもない。それ故、上記構成によれば、上記効果をより大きくすることができる。

なお、上記熱放出部は、セパレータ、フレーム、および、絶縁板から選択される１つまたは２つの部材を側面部から突出させることにより構成することができる。但し、上記熱放出部は、側面部から突出するフレーム、または、側面部から突出する絶縁板を少なくとも含んでいる。

この場合は、隣り合う部材同士の接触が少なくなって熱放出部におけるセル積層方向に隙間が形成されやすくなる。そのため、この場合は、燃料電池単セルの発電によって生じた内部の熱を側面部より効率良く放熱することができる。それ故、この場合は、燃料電池単セル面内における最高温度の低減と、燃料電池単セル面内における温度分布の均一化とを図りやすくなり有利である。

また、セパレータ、フレーム、絶縁板は、いずれも平板状の固体電解質の面方向と同方向に突出させた状態とすることができる。この場合は、隣り合う部材同士の干渉を抑制することができる。

上記熱放出部は、複数の切欠き部を有する構成とすることができる。具体的には、上述したセパレータ、フレーム、絶縁板において、側面部から突出する各突出部位に複数の切欠き部を形成することができる。

この場合は、複数の切欠き部によって表面積が増加するので、熱放出部が外気と熱交換しやすくなる。そのため、この場合は、燃料電池単セルの発電によって生じた内部の熱をより一層側面部より放熱しやすくなり、上記効果を大きくすることができる。

上記燃料電池セルスタックにおいて、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給方式は、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに直交するように燃料電池単セルに供給されるクロスフロー方式とされる。

ここで、熱放出部は、側面部における燃料ガスの導出側および／または酸化剤ガスの導出側の側面に設けられている。クロスフロー方式で燃料ガス、酸化剤ガスを供給した場合、燃料ガスの流れの下流側、酸化剤ガスの流れの下流側では、各燃料電池単セルの発電により燃料電池単セル面内の温度が最高となりやすく、燃料ガスの流れの中流および上流側、酸化剤ガスの流れの中流および上流側の温度と差ができやすい。しかし、上記構成によれば、側面部における燃料ガスの導出側および酸化剤ガスの導出側の側面に熱放出部が設けられているため、燃料電池単セル面内における燃料ガスの流れの下流側、酸化剤ガスの流れの下流側の領域の温度を効率よく低減させることが可能となる。そのため、上記構成によれば、燃料電池単セル面内における最高温度を効率よく低減させやすく、燃料電池単セル面内における温度分布差を効率よく緩和して温度分布を均一化しやすくなる利点がある。

また、断熱部は、側面部における燃料ガスの導入側および／または酸化剤ガスの導入側における側面に設けられている。クロスフロー方式で燃料ガス、酸化剤ガスを供給した場合、燃料ガスの流れの上流側、酸化剤ガスの流れの上流側では、供給されるガスによる冷却効果により燃料電池単セル面内の温度が低下しやすく、燃料ガスの流れの中流および下流側、酸化剤ガスの流れの中流および下流側の温度と差ができやすい。しかし、上記構成によれば、燃料電池単セル面内における燃料ガスの流れの上流側、酸化剤ガスの流れの上流側の領域が断熱され、その部分の温度低下を抑制することが可能となる。そのため、この場合は、燃料電池単セル面内における温度分布差を効率よく緩和して温度分布を均一化しやすくなる利点がある。

なお、上述した各構成は、上述した各作用効果等を得るなどのために必要に応じて任意に組み合わせることができる。

以下、実施例の燃料電池セルスタックについて、図面を用いて説明する。なお、同一部材については同一の符号を用いて説明する。

（参考例１）
参考例１の燃料電池セルスタックについて、図１〜図８を用いて説明する。図１〜図５に示すように、本例の燃料電池セルスタック１は、固体電解質層２０を有する平板型の燃料電池単セル２と、燃料電池単セル２へ供給される燃料ガスＦと酸化剤ガスＡとを分離する導電性のセパレータ３とを備え、燃料電池単セル２がセパレータ３を介して多数段積層されて構成されている。燃料電池セルスタック１は、側面部１１の一部に内部の熱を放出させる熱放出部４を有している。以下、これを詳説する。

本例において、燃料電池単セル２は、固体電解質層２０と、固体電解質層２０の一方面に設けられたアノード層２１と、固体電解質層２０の他方面に中間層２３を介して設けられたカソード層２２とを有している。燃料電池単セル２の外形は、矩形状である。固体電解質層２０は、具体的には、酸化ジルコニウム系酸化物である、８ｍｏｌ％のＹ_２Ｏ_３を含むイットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）より形成されている。固体電解質層２０の厚みは、例えば１０μｍとすることができる。アノード層２１は、具体的には、Ｎｉと８ＹＳＺとのサーメットから形成されている。アノード層２１の厚みは、例えば８００μｍとすることができる。カソード層２２は、具体的には、Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８（ＬＳＣＦ）より形成されている。カソード層２２の厚みは、例えば、５０μｍとすることができる。中間層２３は、具体的には、Ｃｅ_０．９Ｇｄ_０．１Ｏ_１．９５（ＧＤＣ）より形成されている。中間層２３の厚みは、例えば、５μｍとすることができる。なお、上述の材料構成から分かるように、本例にいう燃料電池は、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いた固体酸化物形の燃料電池である。アノード層２１に供給される燃料ガスＦには水素が用いられ、カソード層２２に供給される酸化剤ガスＡには空気が用いられる。

本例において、燃料電池セルスタック１は、燃料電池単セル２の外周縁を保持するフレーム５を有している。フレーム５は、具体的には、フェライト系金属板より矩形状に形成されている。フレーム５の中央部には、燃料電池単セル２を保持可能な保持穴５１が設けられている。保持穴５１は、その内周に段部５２が設けられており、この段部５２により燃料電池単セル２の外周縁を支持可能とされている。なお、上記支持の際には、段部５２に塗布されたシール材５３によって燃料電池単セル２の外周縁がシールされる。保持穴５１の外周部には、燃料ガスＦを導入するための燃料ガス導入路１２（後述）の一部を構成する導入孔１２ｆ、発電に使用されなかった未使用の燃料ガスＦを導出するための燃料ガス導出路１３（後述）の一部を構成する導出孔１３ｆ、酸化剤ガスＡを導入するための酸化剤ガス導入路１４（後述）の一部を構成する導入孔１４ｆ、発電に使用されなかった未使用の酸化剤ガスＡを導出するための酸化剤ガス導出路１５（後述）の一部を構成する導出孔１５ｆがそれぞれ設けられている。

本例において、セパレータ３は、具体的には、フェライト系金属板より形成されている。セパレータ３の外形は、矩形状である。セパレータ３は、一方面に、燃料ガスＦを一方から他方に向かって流通させる燃料ガス流路３Ｆを有するとともに、他方面に、燃料ガスＦの流通方向と直交する方向となるように、酸化剤ガスＡを一方から他方に向かって流通させる酸化剤ガス流路３Ａを有している。なお、図１において、各ガス流路３Ｆ、３Ａは簡略化して記載されている。本例の燃料電池セルスタック１は、燃料ガスＦと酸化剤ガスＡとが互いに直交するように燃料電池単セル２に供給されるクロスフロー方式の供給方式を採用している。燃料ガス流路３Ｆおよび酸化剤ガス流路３Ａの外周部には、燃料ガス導入路１２の一部を構成する導入孔１２ｓ、燃料ガス導出路１３の一部を構成する導出孔１３ｓ、酸化剤ガス導入路１４の一部を構成する導入孔１４ｓ、酸化剤ガス導出路１５の一部を構成する導出孔１５ｓがそれぞれ設けられている。燃料ガス流路３Ｆの上流側端部は、導入孔１２ｓと連通している。燃料ガス流路３Ｆの下流側端部は、導出孔１３ｓと連通している。酸化剤ガス流路３Ａの上流側端部は、導出孔１４ｓと連通している。酸化剤ガス流路３Ａの下流側端部は、導出孔１５ｓと連通している。

本例において、燃料電池セルスタック１は、フレーム５と燃料電池単セル２の一方面側に配置されたセパレータ３との間に絶縁板７を有している。絶縁板７は、具体的には、マイカガラスより形成されている。絶縁板７の外形は、矩形状である。絶縁板７は、燃料電池単セル２と対向する領域に、燃料電池単セル２の外形と同等の矩形状に形成された貫通穴７１を備えている。貫通穴７１の外周部には、燃料ガス導入路１２の一部を構成する導入孔１２ｉ、燃料ガス導出路１３の一部を構成する導出孔１３ｉ、酸化剤ガス導入路１４の一部を構成する導入孔１４ｉ、酸化剤ガス導出路１５の一部を構成する導出孔１５ｉがそれぞれ設けられている。

本例において、燃料電池セルスタック１は、絶縁板７における貫通穴７１に配設された集電体８を有している。集電体８は、セパレータ３の燃料ガス流路３Ｆを通じて供給される燃料ガスＦをアノード層２１に供給できるように電子導電性のみならずガス透過性も有している。本例では、集電体８は、具体的には、Ｎｉメッシュより形成されている。集電体８は、他にも、多孔質金属等より形成することも可能である。

本例において、燃料電池セルスタック１は、セパレータ３、貫通穴７１に集電体８が配設された絶縁板７、外周縁がフレーム５に保持された燃料電池単セル２、セパレータ３・・・の順に多数積層（本例では、下方から上方に順次積層）されて構成された積層部１０を有している。なお、上記積層により、各導入孔１２ｓ、１２ｉ、１２ｆが同軸に配置されて燃料ガス導入路１２が構成される。同様に、各導入孔１３ｓ、１３ｉ、１３ｆが同軸に配置されて燃料ガス導出路１３が構成される。各導入孔１４ｓ、１４ｉ、１４ｆが同軸に配置されて酸化剤ガス導入路１４が構成される。各導入孔１５ｓ、１５ｉ、１５ｆが同軸に配置されて酸化剤ガス導出路１５が構成される。また、燃料電池セルスタック１は、積層部１０の一端部（本例では、下端部）に第１絶縁板１６１を介して第１プレート１７１が配設されるとともに、積層部１０の他端部（本例では、上端部）に第２絶縁板１６２を介して第２プレート１７２が配設される。燃料電池セルスタック１は、積層部１０における燃料電池単セル２の外周部を積層方向に貫通するように構成されたボルト挿通孔１８１に締結ボルト１８２が挿通されるとともにナット１８３により締結され、第１プレート１７１と第２プレート１７２の間に配された積層部１０に荷重が付与された状態とされている。

ここで、本例の燃料電池セルスタック１は、燃料電池セルスタック１の側面部１１からセパレータ３が突出することにより、熱放出部４が構成されている。より具体的には、本例では、燃料電池セルスタック１は、熱放出部４を除き、四角柱状に形成されている。したがって、本例では、燃料電池セルスタック１の側面部１１は、４つの側面から構成されている。４つの側面は、具体的には、燃料ガスＦの導入側における第１の側面１１Ｆｉと、これに対向する燃料ガスＦの導出側における第２の側面１１Ｆｏと、酸化剤ガスＡの導入側における第３の側面１１Ａｉと、これに対向する酸化剤ガスＡの導出側における第４の側面１１Ａｏである。そして、本例の燃料電池セルスタックは、燃料ガスＦの導出側における第２の側面１１Ｆｏと、酸化剤ガスＡの導出側における第４の側面１１Ａｏとに熱放出部４を有している。熱放出部４を構成するセパレータ３の部分は、セパレータ３における燃料ガスＦの導出側の領域をセル積層方向と垂直に外方に延長するとともに、セパレータ３における酸化剤ガス３Ａの導出側の領域をセル積層方向と垂直に外方に延長することにより、熱放出部４を構成しない他部材（本例では、フレーム５、絶縁板７）よりもセパレータ３の外形を大きな形状とすることによって構成されている。つまり、セパレータ３の外形で囲まれる部分の面積は、フレーム５の外形で囲まれる部分の面積や絶縁板７の外形で囲まれる部分の面積よりも大きくなっている。なお、本例では、側面部１１より外方に突出するセパレータ３の突出量は１０ｍｍとされている。

次に、本例の燃料電池セルスタックの作用効果について説明する。

本例の燃料電池セルスタック１は、燃料ガス導入路１２を通じてセパレータ３の燃料ガス流路３Ｆに燃料ガスＦが導入され、酸化剤ガス導入路１４を通じてセパレータ３の酸化剤ガス流路３Ａに酸化剤ガスＡが導入される。燃料ガス流路３Ｆに導入された燃料ガスＦは、一方から他方に向かって流れるとともに、ガス透過性を有する集電体８内を拡散し、アノード層２１に供給される。一方、酸化剤ガス流路３Ａに導入された酸化剤ガスＡは、燃料ガスＦの流れと直交するように一方から他方に向かって流れ、カソード層２２に供給される。燃料電池単セル２では、供給された燃料ガスＦと酸化剤ガスＡとの電池反応によって発熱する。

燃料電池セルスタック１は、側面部１１の一部に内部の熱を放出させる熱放出部４を有しているため、熱放出部４により外気と熱交換する表面積が増加し、燃料電池単セル２の発電によって生じた内部の熱を側面部１１より積極的に放熱することができる。そのため、燃料電池セルスタック１は、燃料電池単セル２面内における最高温度が低減されるとともに燃料電池単セル２面内における温度分布差が緩和され、温度分布を均一化しやすい。また、側面部１１に熱放出部４を設けるという比較的簡易な構造により上記効果を得ることができる。

特に、熱放出部４は、側面部１１からセパレータ３が突出することにより構成されている。そのため、本例の燃料電池セルスタック１は、側面部１１から突出するセパレータ３の分だけ、セパレータ３の表面積が増加し、セパレータ３が外気と熱交換しやすくなる。また、側面部１１からセパレータ３が突出するように、セパレータ３を側面部１１から外方に延設するだけで熱放出部４を構成することができるので、セパレータ３の構造が複雑になることもない。それ故、この場合は、上記効果をより大きくすることができる。

また、本例の燃料電池セルスタック１は、セパレータ３が金属材料から構成されている、そのため、このセパレータ３を延長して構成させる熱放出部４は、熱伝導性に優れるため、効率よく外気と熱交換して放熱することができる。

また、セル積層方向においてセパレータ３同士の接触がないので、セル積層方向に隙間が形成されやすい。そのため、本例の燃料電池セルスタック１は、燃料電池単セル２の発電によって生じた内部の熱を側面部１１より効率良く放熱することができ、燃料電池単セル２面内における最高温度の低減と、燃料電池単セル２面内における温度分布の均一化とを図りやすく有利である。

また、クロスフロー方式で燃料ガスＦ、酸化剤ガスＡを供給した場合、熱放出部４を有しないときには、燃料ガスＦの流れの下流側、酸化剤ガスＡの流れの下流側において、各燃料電池単セルの発電により燃料電池単セル面内の温度が最高となりやすく、燃料ガスＦの流れの中流および上流側、酸化剤ガスＡの流れの中流および上流側の温度と差ができやすい。しかし、本例の燃料電池セルスタック１は、側面部１１における燃料ガスＦの導出側および酸化剤ガスＡの導出側の側面１１Ｆｏ、１１Ａｏに熱放出部４が設けられているため、燃料電池単セル２面内における燃料ガスＦの流れの下流側、酸化剤ガスＡの流れの下流側の領域の温度を効率よく低減させることができる。そのため、本例の燃料電池セルスタック１は、燃料電池単セル２面内における最高温度を効率よく低減させやすく、燃料電池単セル２面内における温度分布差を効率よく緩和して温度分布を均一化しやすい利点がある。

＜実験例＞
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。

以下、参考例１の構成を有する燃料電池セルスタック１について、スタック中央におけるセル面体温度分布をシミュレーションした。なお、本シミュレーションでは、熱放出部４を有さない以外は参考例１と同様の構成を有する燃料電池セルスタックを比較とした。

表１に、シミュレーションに用いた燃料電池単セル２の発熱分布（Ｗ／ｃｍ^２）を示す。

表１および図６に示すように、燃料電池単セル２の電極（アノード層、カソード層）相当部分から発電時の損失に相当する発熱（表１）が発生し、発生した熱は、温度差によりセパレータ３、集電体８へ熱伝導（Ｙ１）するとともに、側面部１１よりセパレータ３を突出させて構成した熱放出部４から周囲気体との温度差により熱伝達にて放熱（Ｙ２）されるという熱移動の流れのモデルを設定する。そして、シミュレーションソフト（ＭＳＣ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製、「Ｍａｒｃ２００７」）を用いて、定常状態の温度分布を計算した。なお、計算条件は、周囲温度：８００℃、側面部の熱伝達率：１０Ｗ／ｍ^２・Ｋ、セパレータ、フレームの熱伝導率：２０Ｗ／ｍＫ、絶縁板の熱伝導率：１０Ｗ／ｍＫ、燃料電池単セルから表１に示す発熱が発生するという条件とした。なお、表１に示すように、燃料電池単セルは、７行×７列の４９個の領域に区分されている。

図７、図８に示すように、本例の燃料電池セルスタックの構成を有する場合は、燃料電池単セル面内における最高温度が低減されており、さらに、燃料電池単セル面内における温度分布差が効率よく緩和して温度分布が均一化されていることがわかる。これに対し、比較用燃料電池セルスタックの構成を有する場合は、燃料電池単セル面内における最高温度が高く、燃料電池単セル面内における温度分布差が大きく温度分布が不均一であることがわかる。なお、図７では、９９０℃〜１０６０℃までの温度範囲が１５の温度域に等分されており、最も温度の高い温度域から低い温度域の方向に向かってＡ温度域、Ｂ温度域、Ｃ温度域・・・Ｏ温度域とされている。同様に、図８では、１０６０℃〜１１８０℃までの温度範囲が１５の温度域に等分されており、最も温度の高い温度域から低い温度域の方向に向かってＡ温度域、Ｂ温度域、Ｃ温度域・・・Ｏ温度域とされている。なお、図７および図８において、温度分布を示す四角形の下辺側が燃料の燃料ガスＦの導入側、四角形の上辺側が燃料ガスＦの導出側、四角形の左辺側が酸化剤ガスＡの導入側、四角形の右辺側が酸化剤ガスＡの導出側である。

（参考例２）
参考例２の燃料電池セルスタックについて、図９を用いて説明する。図９に示すように、本例の燃料電池セルスタック１は、熱放出部４が複数の切欠き部４１を有している点で、参考例１の燃料電池セルスタック１と異なっている。

切欠き部４１は、具体的には、側面部１１から突出するセパレータ３の突出部位に複数形成されている。より具体的には、切欠き部４１は、セパレータ３の突出部位における外縁部から内方に向かって形成されている。その他の構成は、実施例１と同様である。

この場合は、複数の切欠き部４１によって表面積が増加するので、熱放出部４が外気と熱交換しやすくなる。そのため、この場合は、燃料電池単セル２の発電によって生じた内部の熱をより一層側面部１１より放熱しやすくなり、上記効果を大きくすることができる。その他の作用効果は、参考例１と同様である。

（実施例３）
実施例３の燃料電池セルスタックについて、図１０を用いて説明する。図１０に示すように、本例の燃料電池セルスタック１は、熱放出部４が、側面部１１からセパレータ３が突出する構成以外にも、側面部１１からフレーム５が突出する構成を含んでいる点で、参考例１の燃料電池セルスタック１と異なっている。

熱放出部４を構成するフレーム５の部分は、フレーム５における燃料ガスＦの導出側の領域をセル積層方向と垂直に外方に延長するとともに、フレーム５における酸化剤ガスＡの導出側の領域をセル積層方向と垂直に外方に延長することにより、熱放出部４を構成しない絶縁板７よりもフレーム５の外形を大きな形状とすることによって構成されている。但し、本例では、フレーム５の外形の大きさは、セパレータ３の外形の大きさと同じに構成してある。そのため、フレーム５の外形で囲まれる部分の面積は、絶縁板７の外形で囲まれる部分の面積よりも大きい。なお、本例では、側面部１１のうち、側面１１Ａｏと側面１１Ｆｏよりフレーム５が突出している。また、側面部１１より外方に突出するフレーム５の突出量は１０ｍｍとされている。その他の構成は、参考例１と同様である。

この場合は、側面部１１より外方に突出するセパレータ３のみならずフレーム５を通じて外気と熱交換することができるので、燃料電池単セル２の発電によって生じた内部の熱を放熱しやすくなる。また、熱放出部４におけるセル積層方向に隙間を確保することができるので、側面部１１より効率良く放熱することができる。その他の作用効果は、参考例１と同様である。

（実施例４）
実施例４の燃料電池セルスタックについて、図１１、図１２を用いて説明する。図１１、図１２に示すように、本例の燃料電池セルスタック１は、熱放出部４を有しておらず、側面部１１の一部を覆う断熱部６を有している点で、参考例１の燃料電池セルスタック１と異なっている。

本例の燃料電池セルスタック１において、断熱部６は、側面部１１における燃料ガスＦの導入側における第１の側面１１Ｆｉと、酸化剤ガスＡの導入側における第３の側面１１Ａｉとを覆っている。断熱部６は、具体的には、セラミックウールより形成されている。熱放出部４を除き、その他の構成は、参考例１と同様である。

本例の燃料電池セルスタック１は、側面部１１の一部を覆う断熱部６により燃料電池単セル２に供給される燃料ガスＦや酸化剤ガスＡの温度を上昇させることができる。そのため、この場合は、燃料電池単セル２面内における温度分布差が緩和され、温度分布を均一化しやすい。また、側面部１１に断熱部６を設けるという比較的簡易な構造により上記効果を得ることができる。

（実施例５）
実施例５の燃料電池セルスタックについて、図１３を用いて説明する。図１３に示すように、本例の燃料電池セルスタック１は、側面部１１の一部に熱放出部４を有するとともに側面部１１の一部を覆う断熱部６を有する点で、参考例１の燃料電池セルスタック１と異なっている。つまり、本例の燃料電池セルスタック１は、参考例１の構成と実施例４の構成との両方の構成を有している。その他の構成は、参考例１と同様である。本例によれば、参考例１および実施例４の両方の効果を得ることができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。

１ 燃料電池セルスタック
１１ 側面部
２ 燃料電池単セル
２０ 固体電解質層
３ セパレータ
４ 熱放出部
６ 断熱部
Ｆ 燃料ガス
Ａ 酸化剤ガス

Claims (4)

1. 固体電解質層（２０）を有する平板型の燃料電池単セル（２）と、該燃料電池単セル（２）へ供給される燃料ガス（Ｆ）と酸化剤ガス（Ａ）とを分離する導電性のセパレータ（３）とを備え、上記燃料電池単セル（２）が上記セパレータ（３）を介して多数段積層されて構成されている燃料電池セルスタック（１）であって、
   該燃料電池セルスタック（１）は、さらに、上記燃料電池単セル（２）の外周縁を保持するフレーム（５）を備えており、かつ、
   上記燃料ガス（Ｆ）および上記酸化剤ガス（Ａ）の供給方式が、上記燃料ガス（Ｆ）と上記酸化剤ガス（Ａ）とが互いに直交するように上記燃料電池単セル（２）に供給されるクロスフロー方式であり、
   上記燃料電池セルスタック（１）における側面部（１１）の一部に内部の熱を放出させる熱放出部（４）を有している、および／または、上記側面部（１１）の一部を覆う断熱部（６）を有しており、
   上記側面部（１１）における上記燃料ガス（Ｆ）の導出側および／または上記酸化剤ガス（Ａ）の導出側の側面（１１Ｆｏ、１１Ａｏ）に上記熱放出部（４）を有しており、かつ、上記側面部（１１）における上記燃料ガス（Ｆ）の導入側および／または上記酸化剤ガス（Ａ）の導入側の側面（１１Ｆｉ、１１Ａｉ）に上記熱放出部（４）を有しておらず、
   上記側面部（１１）における上記燃料ガス（Ｆ）の導入側および／または上記酸化剤ガス（Ａ）の導入側の側面（１１Ｆｉ、１１Ａｉ）に上記断熱部（６）を有しており、かつ、上記側面部（１１）における上記燃料ガス（Ｆ）の導出側および／または上記酸化剤ガス（Ａ）の導出側の側面（１１Ｆｏ、１１Ａｏ）に上記断熱部（６）を有しておらず、
   上記熱放出部（４）は、上記側面部（１１）から上記フレーム（５）が突出する構成を含んでいることを特徴とする燃料電池セルスタック（１）。
2. 固体電解質層（２０）を有する平板型の燃料電池単セル（２）と、該燃料電池単セル（２）へ供給される燃料ガス（Ｆ）と酸化剤ガス（Ａ）とを分離する導電性のセパレータ（３）とを備え、上記燃料電池単セル（２）が上記セパレータ（３）を介して多数段積層されて構成されている燃料電池セルスタック（１）であって、
   該燃料電池セルスタック（１）は、さらに、上記燃料電池単セル（２）の外周縁を保持するフレーム（５）と、
   該フレーム（５）と上記燃料電池単セル（２）の一方面側に配置された上記セパレータ（３）との間、および／または、上記フレーム（５）と上記燃料電池単セル（２）の他方面側に配置された上記セパレータ（３）との間に設けられるとともに、上記燃料電池単セル（２）と対向する位置に形成された貫通穴（７１）を備える絶縁板（７）と、
   該絶縁板（７）における上記貫通穴（７１）に配設されたガス透過性を有する集電体（８）とを備えており、かつ、
   上記燃料ガス（Ｆ）および上記酸化剤ガス（Ａ）の供給方式が、上記燃料ガス（Ｆ）と上記酸化剤ガス（Ａ）とが互いに直交するように上記燃料電池単セル（２）に供給されるクロスフロー方式であり、
   上記燃料電池セルスタック（１）における側面部（１１）の一部に内部の熱を放出させる熱放出部（４）を有している、および／または、上記側面部（１１）の一部を覆う断熱部（６）を有しており、
   上記側面部（１１）における上記燃料ガス（Ｆ）の導出側および／または上記酸化剤ガス（Ａ）の導出側の側面（１１Ｆｏ、１１Ａｏ）に上記熱放出部（４）を有しており、かつ、上記側面部（１１）における上記燃料ガス（Ｆ）の導入側および／または上記酸化剤ガス（Ａ）の導入側の側面（１１Ｆｉ、１１Ａｉ）に上記熱放出部（４）を有しておらず、
   上記側面部（１１）における上記燃料ガス（Ｆ）の導入側および／または上記酸化剤ガス（Ａ）の導入側の側面（１１Ｆｉ、１１Ａｉ）に上記断熱部（６）を有しており、かつ、上記側面部（１１）における上記燃料ガス（Ｆ）の導出側および／または上記酸化剤ガス（Ａ）の導出側の側面（１１Ｆｏ、１１Ａｏ）に上記断熱部（６）を有しておらず、
   上記熱放出部（４）は、上記側面部（１１）から上記絶縁板（７）が突出する構成を含んでいることを特徴とする燃料電池セルスタック（１）。
3. 上記熱放出部（４）は、さらに、上記側面部（１１）から上記セパレータ（３）が突出する構成を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セルスタック（１）。
4. 上記熱放出部（４）は、複数の切欠き部（４１）を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セルスタック（１）。