WO2014123148A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2014123148A1
WO2014123148A1 PCT/JP2014/052653 JP2014052653W WO2014123148A1 WO 2014123148 A1 WO2014123148 A1 WO 2014123148A1 JP 2014052653 W JP2014052653 W JP 2014052653W WO 2014123148 A1 WO2014123148 A1 WO 2014123148A1
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fuel
gas
chamber
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direction changing
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大祐 小松
七田　貴史
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日本特殊陶業株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • a fuel cell a solid oxide fuel cell (hereinafter, also referred to as “SOFC”) using a solid electrolyte (solid oxide) is known.
  • SOFC for example, a single cell in which a fuel electrode and an air electrode are provided on one side and the other side of a solid electrolyte layer is used.
  • a fuel gas (such as hydrogen) and an oxidant gas are supplied to the fuel electrode and the air electrode, respectively, and these gases react to generate electricity.
  • Patent Document 1 a technique for uniformly supplying fuel gas and reliably generating power is disclosed (see Patent Document 1).
  • An inlet buffer portion is provided on the upstream side of the fuel gas flow path, and the fuel gas inlet communication hole and the inlet buffer portion are connected by a plurality of inlet connecting passages.
  • Patent Document 1 does not necessarily have sufficient uniformity in power generation efficiency. That is, the pressure distribution is non-uniform such that the pressure on the gas inlet side in the inlet buffer is high and the pressure away from the inlet is low. If the pressure distribution is non-uniform, the gas distribution in the power generation region becomes non-uniform and the power generation efficiency becomes non-uniform. As a result, the in-plane temperature distribution of the single cell becomes non-uniform, and the single cell may be damaged by thermal stress.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell in which the pressure distribution of the fuel gas can be easily made uniform and the gas distribution in the power generation region can be made uniform.
  • a fuel cell according to an aspect of the present invention is formed between a plate-shaped interconnector having a front surface and a back surface, a single cell having a power generation function, the interconnector, and the single cell.
  • a fuel cell having a gas chamber and one or a plurality of gas inlets for allowing fuel gas to flow into the gas chamber, and having a buffer chamber located between the gas inlet and the gas chamber.
  • a flow direction changing portion formed so as to correspond to the gas inflow port between the buffer chamber and the gas chamber, wherein the flow direction changing portion is at least one of the front surface and the back surface.
  • a fuel gas passage on at least one of the front and back sides of the flow direction changing portion.
  • This fuel cell has a flow direction changing portion formed between the buffer chamber and the gas chamber so as to correspond to the gas inlet.
  • the flow direction changing unit changes the flow direction of the fuel gas from the plurality of gas inlets and flows it into the gas chamber.
  • the gas chamber is configured to flow along the fuel gas passage.
  • the flow direction changing unit may have one side surface facing the plurality of gas inlets.
  • the flow direction changing portion has one side face that faces the plurality of gas inlets, the pressure loss can be increased, so that the buffer effect for evenly distributing the gas from the gas inlets can be improved. It is done.
  • the inlet buffer section has a plurality of embosses (see paragraph 0030). There is no side, and it is difficult to obtain a sufficient buffer function.
  • the one side surface may be substantially perpendicular to the flow direction of the fuel gas from the plurality of gas inlets.
  • the side surface of 1 is substantially perpendicular to the flow direction of the fuel gas, so that the pressure loss can be further increased, so that the buffer effect for evenly distributing the gas from the gas inlet can be improved. .
  • the plurality of gas inlets, the flow direction changing unit, and the current collector may be arranged on substantially the same plane.
  • the pressure loss can be further increased, so that the buffer effect for evenly distributing the gas from the gas inlets can be improved.
  • the fuel cell can be easily reduced in thickness.
  • the flow direction changing portion may be formed integrally with the current collector.
  • the flow direction changing part is formed integrally with the current collector, the number of parts constituting the fuel cell can be reduced and the size can be reduced easily.
  • the current collector is disposed on the first conductive member, a spacer disposed on the first conductive member, and on the spacer, and is electrically connected to the first conductive member.
  • a second conductive member to be connected, and the flow direction changing portion may be formed integrally with the spacer.
  • the number of parts constituting the fuel cell can be reduced and the size can be easily reduced.
  • the spacer itself functions as the flow direction changing portion, the number of parts can be reduced more effectively.
  • the fuel cell has a frame-shaped frame portion,
  • the plurality of gas inlets may be formed in the frame portion.
  • the number of parts constituting the fuel cell can be reduced and the size can be easily reduced.
  • At least a part of the frame portion may be made of metal.
  • the processing accuracy when forming a plurality of gas inlets in the frame part is improved, and the fuel flows into the gas chamber, compared to the case of being made of an insulator such as mica
  • the gas pressure distribution can be made uniform.
  • the flow direction changing portion may be formed integrally with the interconnector.
  • the flow direction changing part is integrated with the interconnector, so that the number of parts constituting the fuel cell can be reduced and the size can be easily reduced. In addition, it becomes easy to form a gap on the single cell, and uniform supply of fuel gas to the single cell is facilitated.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a fuel cell stack 100 according to a first embodiment.
  • 4 is a perspective view showing a battery unit 103 of the fuel cell stack 100.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a battery unit 103 of the fuel cell stack 100.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a battery unit 103 of the fuel cell stack 100.
  • FIG. 10 is a perspective view illustrating a current collector 119.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing a current collector 119.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a battery unit 103 of a fuel cell stack 100.
  • FIG. It is a schematic cross section showing the cell unit 103a of the fuel cell stack 100a according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view of a current collector 219 according to Modification 1.
  • FIG. 12 is an enlarged perspective view of a current collector 219 according to Modification 1.
  • FIG. 12 is a perspective view of a flat metal member 290 according to Modification 1.
  • FIG. 10 is a perspective view of a flat insulating member 250 according to Modification 1.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a battery unit 103b according to Modification 2.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a battery unit 103c according to Modification 3.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a battery unit 103d according to Modification 4.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a battery unit 103e according to Modification 5.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the relationship between the height H0 of the fuel chamber 117 and the thickness H1 of the flow direction changer 161.
  • FIG. It is a graph showing the relationship between the height ratio R and the in-plane flow rate distribution error E.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell stack (fuel cell) 100 according to the first embodiment.
  • the fuel cell stack 100 includes a cell unit 103, an air supply channel 104, an air exhaust channel 105, a fuel supply channel 106, a fuel exhaust channel 107, and a fixing member 109.
  • FIG. 2 to 4 are a perspective view, an exploded perspective view, and a cross-sectional view showing the battery unit 103.
  • FIG. The battery unit 103 is a minimum unit of power generation, and includes interconnectors 112 and 113, a single cell 120, an air chamber 116, a fuel chamber (gas chamber) 117, and current collectors 118 and 119.
  • the interconnectors 112 and 113 are in the form of a square plate in plan view, are made of conductive ferritic stainless steel or the like, and are arranged vertically.
  • the single cell 120 is located approximately in the middle of the interconnectors 112 and 113 and has an electrolyte 102, an air electrode 114, and a fuel electrode 115.
  • An air electrode 114 and a fuel electrode 115 are disposed on the upper and lower surfaces of the electrolyte 102.
  • the electrolyte 102 is made of LaGaO 3 -based ceramic, BaCeO 3 -based ceramic, SrCeO 3 -based ceramic, SrZrO 3 -based ceramic, CaZrO 3 -based ceramic, etc. in addition to ZrO 2 -based ceramic.
  • the material of the fuel electrode 115 is a ceramic such as a ZrO 2 ceramic such as zirconia or a CeO 2 ceramic stabilized by at least one of metals such as Ni and Fe and rare earth elements such as Sc and Y. And a mixture with at least one of the above.
  • the material of the fuel electrode 115 may be a metal such as Pt, Au, Ag, Pb, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe. These metals may be only one kind, or two or more kinds of alloys. Also good. Furthermore, a mixture (including cermet) of these metals and / or alloys and at least one of each of the above ceramics may be mentioned. Moreover, the mixture etc. of metal oxides, such as Ni and Fe, and at least 1 type of each of the said ceramic are mentioned.
  • the material of the air electrode 114 for example, various metals, metal oxides, metal double oxides, and the like can be used.
  • the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pb, Ir, Ru, and Rh, or alloys containing two or more metals.
  • the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn and Fe (La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 and FeO). It is done.
  • the double oxide a double oxide containing at least La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc.
  • the air chamber 116 is a space that is disposed between the interconnector 112 and the air electrode 114 and is supplied with an oxidant gas.
  • the air chamber 116 is formed by the separator 123, the air electrode insulating frame 124, and the interconnector 112.
  • the separator 123 is made of a thin metal having conductivity and is a frame portion having a square frame shape, and the electrolyte 102 is attached to the lower surface thereof.
  • the air electrode insulating frame 124 is a frame-shaped insulating frame that is installed between the separator 123 and the upper interconnector 112 and surrounds the current collector 118.
  • the fuel chamber 117 is a space that is disposed between the interconnector 113 and the fuel electrode 115 and is supplied with fuel gas.
  • the fuel chamber 117 is formed by a combination of the interconnector 113, the fuel electrode insulating frame 121, and the fuel electrode frame 122.
  • the fuel electrode insulating frame 121 is a frame-shaped insulating frame portion that surrounds the current collector 119 and is installed on the lower surface of the lower interconnector 113.
  • the fuel electrode frame 122 is a frame-shaped frame portion installed on the upper surface of the fuel electrode insulating frame 121.
  • a buffer chamber 160 is disposed between the fuel supply communication unit 140 and the current collector 119 (and the fuel chamber 117). That is, in the frame of the interconnector 113, the fuel electrode insulating frame 121, and the fuel electrode frame 122, there is a space where the current collector 119 (and the fuel electrode 115) is not disposed on the fuel supply communication portion (gas inlet) 140 side. This is a buffer chamber 160.
  • the buffer chamber 160 is a space into which the fuel gas supplied from the fuel supply communication unit 140 flows, and the fuel gas supplied from the fuel supply communication unit 140 spreads in the buffer chamber 160, so that the fuel in the fuel chamber 117 is obtained. The gas flow is uniform.
  • the current collector 118 is a connecting member that is disposed inside the air chamber 116 and electrically connects the air electrode 114 and the upper interconnector 112.
  • the current collector 118 on the air chamber 116 side has an elongated rectangular shape, and is formed of a dense conductive member (for example, a stainless material).
  • a plurality of current collectors 118 are in contact with the air electrode 114 on the upper surface of the electrolyte 102 and the lower surface (inner surface) of the upper interconnector 112, and are arranged in parallel and at regular intervals.
  • the current collector 118 on the air chamber 116 side may have the same structure as the current collector 119 on the fuel chamber 117 side.
  • the current collector 119 is a connecting member that is disposed inside the fuel chamber 117 and electrically connects the fuel chamber 117 and the lower interconnector 113.
  • the current collector 119 is configured by combining the flat metal member 190 and the flat insulating member 150. By collecting the flat metal member 190 and the flat plate insulating member 150 and bending the flat metal member 190, the current collector 119 can be created.
  • the flat metal member 190 is, for example, a Ni plate material, and includes a connector contact portion (conductive member) 119a, a single cell contact portion (conductive member) 119b, a connection portion 119c, and a connection portion 119d, which will be described later.
  • a plurality of sets of the connector contact portion 119a, the single cell contact portion 119b, and the connecting portion 119c are connected by the connection portion 119d.
  • the flat insulating member 150 is formed of a material that does not sinter with the flat metal member 190 in the fuel cell operating temperature range.
  • the material of the flat insulating member 150 may be any of mica, alumina, vermiculite, carbon fiber, silicon carbide fiber, and silica, or at least one of them as a main component.
  • the flat insulating member 150 includes a spacer 158 and a flow direction changing portion 161 which will be described later.
  • the current collector 119 includes a connector contact portion (conductive member) 119a, a single cell contact portion (conductive member) 119b, a connecting portion 119c, a spacer 158, and a flow direction changing portion 161.
  • the connector contact portion (conductive member) 119a and the single cell contact portion (conductive member) 119b contact the interconnector 113 and the fuel electrode 115 of the single cell 120, respectively.
  • the connecting portion 119c is a U-shaped member that connects the connector contact portion 119a and the single cell contact portion 119b.
  • the current collector 119 may be formed of, for example, a porous metal made of Ni, a metal mesh, or a wire in addition to the case of being formed of a plate material. Further, the current collector 119 may be formed of a metal resistant to oxidation such as Ni alloy or stainless steel in addition to Ni.
  • the spacer 158 is disposed in the fuel chamber 117 between the single cell 120 and the lower interconnector 113, between the connector contact portion 119a and the single cell contact portion 119b.
  • the flow direction changing portion 161 is a portion that is connected to the spacer 158 and protrudes from the current collector 119 in the flat plate insulating member 150.
  • the flow direction changing unit 161 changes the flow of the fuel gas flowing into the fuel chamber 117 from the buffer chamber 160, and the gas flow of the fuel gas in the fuel chamber 117 becomes uniform. Details of this will be described later.
  • the battery unit 103 includes an air supply unit 125, an air exhaust unit 126, a fuel supply unit 127, and a fuel exhaust unit 128.
  • the air supply unit 125 includes an air supply through hole 129, an air supply communication chamber 130, a partition wall 131, an air supply communication unit 132, and an air supply flow path 104.
  • the air supply through hole 129 is opened in the vertical direction at the center of one side of the square battery unit 103.
  • the air supply communication chamber 130 is a long hole-like space opened in the air electrode insulating frame 124 so as to communicate with the air supply through hole 129.
  • the partition wall 131 partitions the air supply communication chamber 130 and the air chamber 116.
  • the air supply communication unit 132 is formed by recessing a plurality of upper surfaces of the partition wall 131 at equal intervals.
  • the air supply channel 104 is inserted into the air supply hole 129 and supplies air to the air supply communication chamber 130 from the outside.
  • the air exhaust unit 126 includes an air exhaust through hole 133, an air exhaust communication chamber 134, an air exhaust communication unit 136, and an air exhaust channel 105.
  • the air exhaust hole 133 is opened in the vertical direction at the center of one side opposite to the air supply unit 125 of the battery unit 103.
  • the air exhaust communication part 136 is a long hole-shaped section opened in the air electrode insulating frame 124 so as to communicate with the air exhaust through hole 133.
  • the air exhaust communication portion 136 is formed by recessing a plurality of upper surfaces of the partition walls 135 partitioning the air exhaust communication chamber 134 and the air chamber 116 at equal intervals.
  • the air exhaust channel 105 is a tubular channel that is inserted into the air exhaust hole 133 and exhausts air from the air exhaust communication chamber 134 to the outside.
  • the fuel supply unit 127 includes a fuel supply through hole 137, a fuel supply communication chamber 138, a fuel supply communication unit (gas inlet) 140, and a fuel supply channel 106.
  • the fuel supply through hole 137 is opened in the vertical direction at the center of one side of the remaining two sides of the square battery unit 103.
  • the fuel supply communication chamber 138 is a long hole-shaped section opened in the fuel electrode insulating frame 121 so as to communicate with the fuel supply through hole 137.
  • the fuel supply communication portion (gas inlet) 140 is formed by recessing a plurality of upper surfaces of the partition wall 139 partitioning between the fuel supply communication chamber 138 and the buffer chamber 160 at equal intervals.
  • the fuel supply channel 106 is a tubular channel that is inserted into the fuel supply hole 137 and supplies fuel gas from the outside to the fuel supply communication chamber 138.
  • the fuel exhaust unit 128 includes a fuel exhaust passage 107 that exhausts fuel gas from the fuel chamber 117 to the outside.
  • the fuel exhaust unit 128 includes a fuel exhaust passage 141, a fuel exhaust communication chamber 142, a partition wall 143, a fuel exhaust communication unit 144, and a fuel exhaust flow path 107.
  • the fuel exhaust hole 141 is opened in the up-down direction at the center of one side opposite to the fuel supply unit 127 of the battery unit 103.
  • the fuel exhaust communication chamber 142 is a long hole-like space opened in the fuel electrode insulating frame 121 so as to communicate with the fuel exhaust passage hole 141.
  • the partition wall 143 partitions the fuel exhaust communication chamber 142 and the fuel chamber 117.
  • the fuel exhaust communication part 144 is formed by recessing a plurality of upper surfaces of the partition wall 143 at equal intervals.
  • the fuel exhaust passage 107 is inserted into the fuel exhaust passage 141 and discharges fuel gas from the fuel exhaust communication chamber 142 to the outside.
  • the fuel cell stack 100 is configured by stacking a plurality of battery units 103 to form a cell group, and fixing the cell group with a fixing member 109.
  • the interconnector 112 above the battery unit 103 positioned below and the interconnector 113 below the battery unit 103 mounted thereon are integrated into upper and lower battery units.
  • 103 and 103 are shared.
  • the fixing member 109 is a combination of a pair of end plates 145a and 145b and four sets of fastening members 146a to 146d.
  • the pair of end plates 145a and 145b sandwich the top and bottom of the cell group.
  • the fastening members 146a to 146d fasten the end plates 145a and 145b and the cell group with bolts and nuts through the corner holes (not shown) of the end plates 145a and 145b and the corner through holes 147 of the cell group.
  • the material of the fastening members 146a to 146d is, for example, Inconel 601.
  • the air supply flow path 104 is attached to the fuel cell stack 100 so as to penetrate vertically through the through holes (not shown) of the end plates 145a and 145b and the air supply through holes 129 of the cell group.
  • a buffer chamber 160 and a flow direction changing unit 161 are disposed between the fuel supply communication unit 140 and the fuel chamber 117.
  • the pressure distribution in the buffer chamber 160 becomes uniform, and the gas flow of the fuel gas in the fuel chamber 117 becomes uniform. The details will be described below.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the battery unit 103.
  • the state cut along AA and BB in FIG. 5 is represented as (A) and (B) in FIG.
  • the battery unit 103 can be divided into regions R1 to R4 along the flow of the fuel gas.
  • Regions R1 to R4 are regions in which a fuel supply communication unit (gas inlet) 140, a buffer chamber 160, a flow direction changing unit 161, and a fuel chamber (gas chamber) 117 are arranged, respectively.
  • the fuel gas flows into the buffer chamber 160 from the plurality of fuel supply communication portions (gas inlets) 140 and spreads in the buffer chamber 160, whereby the pressure distribution in the buffer chamber 160 becomes uniform, and the fuel chamber 117 The gas flow of the fuel gas becomes uniform.
  • the flow direction changing unit 161 is disposed between the buffer chamber 160 and the fuel chamber 117 so as to correspond to the plurality of fuel supply communication units 140.
  • the flow direction changing unit 161 changes the flow direction F of the fuel gas flowing from the plurality of fuel supply communication units 140 through the buffer chamber 160.
  • the pressure distribution in the buffer chamber 160 can be made uniform, and the flow of fuel gas in the fuel chamber 117 can be made uniform.
  • the fuel gas flows in the flow direction F along either AA or BB in FIG. 5 with respect to the current collector 119.
  • the direction changing unit 161 can make the pressure distribution uniform.
  • the flow direction changing unit 161 has one side S that faces the plurality of fuel supply communication units 140.
  • the fuel gas flowing in from the plurality of fuel supply communication units 140 collides with the side surface S, and the flow direction thereof changes.
  • a pressure loss occurs and the pressure is made uniform.
  • This side surface S is substantially perpendicular to the flow direction F of the fuel gas from the plurality of fuel supply communication units 140.
  • the side surface S may be oblique to the flow direction F. However, when the side surface S is substantially perpendicular to the flow direction F, the pressure loss is further increased and the pressure is further uniformized.
  • the plurality of fuel supply communication units 140 and the flow direction changing unit 161 are arranged on substantially the same plane.
  • the pressure loss is further increased, and the pressure is further uniformed.
  • the shape of the spacers 158 forming a row is uneven in a plan view. As shown in FIG. 6, there is a gap between the plurality of spacers 158 connected in a row by the flow direction changing unit 161. That is, the downstream ends of the spacers 158 forming a row are discontinuous. A case where the downstream end portions of the spacers 158 forming a row are continuous will be described later as a first modification.
  • the battery unit 103 has a plurality of fuel supply communication parts (gas inlets) 140 (and a plurality of fuel exhaust communication parts (gas outlets) 144).
  • the case where the battery unit 103 has a single fuel supply communication part (gas inlet) 140 (or a single fuel exhaust communication part (gas outlet) 144) will be described later as modifications 2 to 5.
  • FIG. 8 corresponds to FIG. 4 of the first embodiment and is a schematic cross-sectional view showing the cell unit 103a of the fuel cell stack 100 according to the second embodiment.
  • the current collector 119 does not have the flow direction changing unit 161.
  • the flow direction changing portion 161 a is attached to the interconnector 113 or formed integrally with the interconnector 113.
  • the flow direction changing unit 161a has a thickness larger than that of the flow direction changing unit 161 in the first embodiment, and the area of the side surface Sa of the flow direction changing unit 161 is also increased. For this reason, the fuel gas more reliably collides with the side surface Sa, a larger pressure loss is generated, and the pressure is further uniformized.
  • this gap may not be provided.
  • Modification 1 9 to 12 show the current collector 219 and the like of the fuel cell stack according to the first modification.
  • the downstream end portions of the spacers 258 forming a row are continuous.
  • the current collector 219 can be composed of a flat metal member 290 and a flat insulating member 250.
  • the flat metal member 290 can be formed, for example, by making a cut 219e in a Ni plate material (HV hardness is 200 or less) annealed by heat treatment at 1000 ° C. for 1 hour in a vacuum. Note that the order of annealing and cutting may be reversed.
  • the flat metal member 290 (and the current collector 219) includes a connector contact portion 219 a that contacts the interconnector 113, and a single cell contact portion 219 b that contacts the fuel electrode 115 of the cell body 120.
  • a U-shaped connecting portion 219c that connects the connector contact portion 219a and the single cell contact portion 219b is formed in series.
  • the connector abutting portion 219a and the single cell abutting portion 219b are urged toward the interconnector 113 and the cell body 120 by the elasticity of the bent portion of the connecting portion 219c.
  • the connector abutting portion 219a is on the opposite side of the single cell abutting portion 219b in the drawing, so that the reference numeral 219a is not given in the drawing.
  • the current collector 219 may be formed of, for example, a porous metal made of Ni, a metal mesh, or a wire in addition to the case of forming the plate 219 as described above.
  • the current collector 219 may be formed of a metal resistant to oxidation, such as Ni alloy or stainless steel, in addition to Ni.
  • the current collectors 219 to 219 are provided in the fuel chamber 117 by several tens to hundreds (depending on the size of the fuel chamber).
  • the flat plate insulating member 250 is formed by integrating a spacer 258, a flow direction changing portion 261, and a spacer connecting portion 259.
  • the spacer 258 is disposed between the connector contact portion 219a and the single cell contact portion 219b and has an elastic force in the thickness direction.
  • the downstream ends of the spacers 158 forming a row are discontinuous, whereas in FIG. 12, the downstream ends of the spacers 258 forming a row are continuous and form a straight linear shape. I understand that.
  • the flow direction changing portion 261 is a portion protruding from between the connector contact portion 219a and the single cell contact portion 219b in the flat plate insulating member 250. Similar to the flow direction changing unit 161, the flow direction changing unit 261 changes the flow of the fuel gas flowing into the fuel chamber 117 from the buffer chamber 160, and the gas flow of the fuel gas in the fuel chamber 117 becomes uniform.
  • the spacer connecting portion 259 connects the plurality of spacers 258 to each other to form the flat plate insulating member 250.
  • any one of mica, alumina felt, vermiculite, carbon fiber, silicon carbide fiber, and silica is used from the viewpoint of preventing the connector abutting portion 219a and the single cell abutting portion 219b from sticking.
  • Species or a combination of multiple species can be used.
  • moderate elasticity can be ensured with respect to the load to a lamination direction by making these into the laminated structure of a thin plate-like body like a mica, for example.
  • FIG. 5 13 to 16 are schematic views of fuel cells (cell units 103b to 103e) according to Modifications 2 to 5 of the embodiment of the present invention, respectively.
  • the battery units 103b to 103e of the modified examples 2 to 5 have a single fuel supply communication part (gas inlet) 140 (or a single fuel exhaust communication part (gas outlet) 144).
  • the fuel supply communication unit (gas inlet) 140 is single.
  • the fuel exhaust passage (gas outlet) 141 is single.
  • the flow of the fuel gas flowing from the buffer chamber 160 to the fuel chamber 117 can be reduced even if the fuel supply communication section (gas inlet) 140 (or the fuel exhaust hole (gas outlet) 141) is not plural. It can be changed by the flow direction changing unit 261 and the gas flow of the fuel gas in the fuel chamber 117 can be made uniform.
  • the current collector 219 (having the flow direction changing portion 261) is used as the current collector on the fuel chamber 117 side, but the current collector 119 (having the flow direction changing portion 161) may be used. Absent.
  • Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be expanded and modified.
  • the expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
  • the fuel supply communication part (gas inlet) 140 is formed in the fuel electrode insulating frame 121 (insulating frame part).
  • the fuel supply communication part (gas inlet) 140 may be formed in the fuel electrode frame (conductive (metal) frame part).
  • the present application aims to make the gas distribution in the power generation region uniform.
  • the relationship between the height ratio R and the in-plane flow distribution error E was obtained.
  • the current collector 119 connector contact portion 119 a and single cell contact portion 119 b
  • the flow direction changing portion 161 integrated with the spacer 158 are disposed in the fuel chamber 117.
  • the flow path height H0 was 1.2 mm
  • the current collector thickness H2 was 0.7 mm
  • the thickness H1 of the flow direction changer 161 was changed to 0 mm, 0.25 mm, and 0.5 mm.
  • the thickness H3 (not shown) of the gap SP is 0.5 mm, 0.25 mm, and 0 mm
  • the height ratio R is 0, 0.21, and 0.42.
  • the in-plane flow rate distribution error E has a height ratio R dependency. If the height ratio R is too small, the in-plane flow rate distribution error E is large. That is, if the buffer function is too strong, the amount of fuel gas flowing to the end of the unit cell 120 near the fuel supply communication unit 140 increases, and the in-plane flow rate distribution error E tends to increase. On the other hand, when the height ratio R increases to some extent, the in-plane flow distribution error E decreases. When the height ratio R is further increased, the in-plane flow rate distribution error E is somewhat increased, but even when the height ratio R is maximum (the gap thickness H3 is 0), the in-plane flow rate distribution error E is 15%. stay.
  • the in-plane flow distribution error E should be 15% or less. From FIG. 18, it is understood that the height ratio R should be 0.1 or more in order to realize this.

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Abstract

　一態様に係る燃料電池は、表面と裏面とを有する板形状のインターコネクタと、発電機能を有する単セルと、前記インターコネクタと、前記単セルとの間に形成されたガス室と、前記ガス室に、燃料ガスを流入させる１または複数のガス流入口と、を有する燃料電池であって、前記複数のガス流入口と、前記ガス室との間に位置するバッファ室を有し、前記バッファ室と、前記ガス室との間に、前記複数のガス流入口に対応するように形成された流れ方向変更部を有し、前記流れ方向変更部は、表面および裏面のうち、少なくとも一方と、側面とを有し、前記流れ方向変更部の表面側および裏面側のうち、少なくとも一方に、燃料ガス用通路を有する。

Description

燃料電池
（関連出願の相互参照）
　本国際出願は、２０１３年２月７日に日本国特許庁に出願した日本国特許出願第２０１３－０２２３５７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２０１３－０２２３５７の全内容を本国際出願に援用する。
　本発明は、燃料電池に関する。
　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、例えば、固体電解質層の一方側、他方側それぞれに燃料極および空気極を設けた単セルが使用される。燃料極、空気極それぞれに燃料ガス（水素等）、酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応することで、単セルが発電する。
　ここで、燃料ガスを均一に供給し、発電を確実に行うための技術が公開されている（特許文献１参照）。燃料ガス流路の上流側に、入口バッファ部が設けられ、燃料ガス入口連通孔と入口バッファ部が、複数の入口連結通路により接続される。
特開２０１１－０５４４０４号公報
　しかしながら、特許文献１記載の技術では、必ずしも発電効率の均一性が充分とはいえない。即ち、入口バッファ部でのガス入り口側の圧力が高く、入口より離れた方の圧力が低いといった圧力分布の不均一が生じる。圧力分布の不均一が生じると発電領域のガス配流分布が不均一になって、発電効率が不均一となる。その結果、単セルの面内温度分布が不均一となり、熱応力により単セル等が損傷する畏れもある。
　本発明は、燃料ガスの圧力分布の均一化が容易で、発電領域のガス配流分布を均一にすることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
（１）本発明の一態様に係る燃料電池は、表面と裏面とを有する板形状のインターコネクタと、発電機能を有する単セルと、前記インターコネクタと、前記単セルとの間に形成されたガス室と、前記ガス室に、燃料ガスを流入させる１または複数のガス流入口と、を有する燃料電池であって、前記ガス流入口と、前記ガス室との間に位置するバッファ室を有し、前記バッファ室と、前記ガス室との間に、前記ガス流入口に対応するように形成された流れ方向変更部を有し、前記流れ方向変更部は、表面および裏面のうち、少なくとも一方と、側面とを有し、前記流れ方向変更部の表面側および裏面側のうち、少なくとも一方に、燃料ガス用通路を有する。
　この燃料電池は、バッファ室と、ガス室との間に、前記ガス流入口に対応するように形成された流れ方向変更部を有する。
　流れ方向変更部によって、複数のガス流入口からの燃料ガスの流れ方向を変更し、ガス室に流入させる。
　前記ガス流入口から前記バッファ室に流入した前記燃料ガスの一部は、前記流れ方向変更部の前記側面により遮られた後、前記流れ方向変更部の表面および裏面のうちの少なくとも一方に形成された燃料ガス用通路に沿って、前記ガス室に流入するように構成されている。
　この結果、バッファ室での燃料ガスの圧力分布を均一にすることが可能となり、発電領域のガス配流分布を均一にすることが可能となる。
（２）前記流れ方向変更部が、前記複数のガス流入口と対向する１の側面を有しても良い。
　流れ方向変更部が、前記複数のガス流入口と対向する１の側面を有することで、圧力損失を大きくすることができるため、ガス流入口からのガスを均等に分配するバッファ効果の向上が図られる。
　これに対して、例えば、特許文献１の燃料電池では、入口バッファ部が複数のエンボスを有するが（段落００３０参照）、このように分割されたエンボスでは、複数のガス流入口と対向する１の側面を有さず、十分なバッファ機能が得られ難い。
（３）前記１の側面が、前記複数のガス流入口からの燃料ガスの流れ方向に対して、略垂直であっても良い。
　１の側面が、燃料ガスの流れ方向に対して、略垂直であることで、より圧力損失を大きくすることができるため、ガス流入口からのガスを均等に分配するバッファ効果の向上が図られる。
（４）前記ガス室内に配置され、前記インターコネクタおよび前記単セルと電気的に接続される、集電体、をさらに具備し、
　前記複数のガス流入口、前記流れ方向変更部、および前記集電体が、略同一平面上に配置されても良い。
　複数のガス流入口、流れ方向変更部が、略同一平面上に配置されることで、より圧力損失を大きくすることができるため、ガス流入口からのガスを均等に分配するバッファ効果の向上が図られる。
　また、複数のガス流入口、前記流れ方向変更部、および前記集電体が、略同一平面上に配置されることで、燃料電池の薄型化が容易となる。
（５）前記流れ方向変更部が、前記集電体と一体に形成されても良い。
　流れ方向変更部が、前記集電体と一体に形成されることで、燃料電池を構成する部品点数の削減、小型化が容易となる。
（６）前記集電体が、第１の導電性部材と、前記第１の導電性部材上に配置されるスペーサと、前記スペーサ上に配置され、前記第１の導電性部材と電気的に接続される第２の導電性部材と、を有し、前記流れ方向変更部が、前記スペーサと一体に形成されても良い。
　流れ方向変更部が、スペーサと一体に形成されることで、燃料電池を構成する部品点数の削減、小型化が容易となる。
　特に、スペーサ自体を流れ方向変更部として機能させると、より効果的に部品点数を削減できる。
（７）燃料電池が、枠形状のフレーム部を有し、
　前記フレーム部に、前記複数のガス流入口が形成されても良い。
　前記複数のガス流入口を有する枠形状のフレーム部を用いることで、燃料電池を構成する部品点数の削減、小型化が容易となる。
　ここで、前記フレーム部の少なくとも一部が、金属から構成されても良い。
　フレーム部の少なくとも一部を金属から構成すると、マイカ等の絶縁体から構成される場合よりも、フレーム部に複数のガス流入口を形成するときの加工精度が向上し、ガス室に流入する燃料ガスの圧力分布の均一化が図れる。
（８）前記流れ方向変更部が、前記インターコネクタと一体に形成されても良い。
　流れ方向変更部が、インターコネクタと一体であることで、燃料電池を構成する部品点数の削減、小型化が容易となる。また、単セル上での隙間の形成が容易となり、単セルへの燃料ガスの均等な供給が容易となる。
　本発明によれば、接触抵抗の低減が容易な燃料電池およびその製造方法を提供できる。
第１の実施形態に係る燃料電池スタック１００を表す斜視図である。 燃料電池スタック１００の電池単位１０３を表す斜視図である。 燃料電池スタック１００の電池単位１０３を表す分解斜視図である。 燃料電池スタック１００の電池単位１０３を表す断面図である。 集電体１１９を表す斜視図である。 集電体１１９を表す分解斜視図である。 燃料電池スタック１００の電池単位１０３を表す模式断面図である。 第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００ａの電池単位１０３ａを表す模式断面図である。 変形例１に係る集電体２１９の斜視図である。 変形例１に係る集電体２１９の拡大斜視図である。 変形例１に係る平板金属部材２９０の斜視図である。 変形例１に係る平板絶縁部材２５０の斜視図である。 変形例２に係る電池単位１０３ｂの概略図である。 変形例３に係る電池単位１０３ｃの概略図である。 変形例４に係る電池単位１０３ｄの概略図である。 変形例５に係る電池単位１０３ｅの概略図である。 燃料室１１７の高さＨ０と流れ方向変換部１６１の厚さＨ１の関係を表す断面図である。 高さ比Ｒと面内流量配分誤差Ｅの関係を表すグラフである。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
　図１は、第１の実施形態に係る燃料電池スタック（燃料電池）１００を表す斜視図である。燃料電池スタック１００は、電池単位１０３、空気供給流路１０４、空気排気流路１０５、燃料供給流路１０６、燃料排気流路１０７、固定部材１０９から構成される。
　図２～図４は、電池単位１０３を表す斜視図、分解斜視図、および断面図である。
　電池単位１０３は、発電の最小単位であり、インターコネクタ１１２、１１３、単セル１２０、空気室１１６、燃料室（ガス室）１１７、集電体１１８、１１９、を有する。
　インターコネクタ１１２、１１３は、平面視で四角い板形態であり、導電性を有するフェライト系ステンレス等で形成され、上下に配置される。
（単セル１２０）
　単セル１２０は、インターコネクタ１１２、１１３のほぼ中間に位置し、電解質１０２、空気極１１４、燃料極１１５を有する。電解質１０２の上面、下面に空気極１１４、燃料極１１５が配置される。
　電解質１０２は、ＺｒＯ２系セラミックの他、ＬａＧａＯ３系セラミック、ＢａＣｅＯ３系セラミック、ＳｒＣｅＯ３系セラミック、ＳｒＺｒＯ３系セラミック、ＣａＺｒＯ３系セラミック等で形成される。
　燃料極１１５の材質は、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種との混合物が挙げられる。また、燃料極１１５の材質は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属でもよく、これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の合金にしてもよい。さらに、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種との混合物等が挙げられる。
　空気極１１４の材質は、例えば各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。前記金属としてはＰt、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、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。さらに、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ｃｅ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２及びＦｅＯ等）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（Ｌａ１－ＸＳｒＸＣｏＯ３系複酸化物、Ｌａ１－ＸＳｒＸＦｅＯ３系複酸化物、Ｌａ１－ＸＳｒＸＣｏ１－ｙＦｅＯ３系複酸化物、Ｌａ１－ＸＳｒＸＭｎＯ３系複酸化物、Ｐｒ１－ＸＢａＸＣｏＯ３系複酸化物及びＳｍ１－ＸＳｒＸＣｏＯ３系複酸化物等）が挙げられる。
（空気室１１６）
　空気室１１６は、インターコネクタ１１２と空気極１１４との間に配置され、酸化剤ガスが供給される空間である。空気室１１６は、セパレータ１２３、空気極絶縁フレーム１２４、 インターコネクタ１１２によって形成される。
　セパレータ１２３は、導電性を有する薄い金属製であり、四角い枠形状のフレーム部であって、下面に、電解質１０２が取着される。
　空気極絶縁フレーム１２４は、セパレータ１２３と上のインターコネクタ１１２との間に設置されて、集電体１１８の周りを囲う枠形状の絶縁フレームである。
（燃料室（ガス室）１１７）
　燃料室１１７は、インターコネクタ１１３と燃料極１１５との間に配置され、燃料ガスが供給される空間である。燃料室１１７は、インターコネクタ１１３、燃料極絶縁フレーム１２１、および燃料極フレーム１２２との組合せによって形成される。
　燃料極絶縁フレーム１２１は、集電体１１９の周りを囲い、下のインターコネクタ１１３の下面に設置された枠形状の絶縁フレーム部である。
　燃料極フレーム１２２は、燃料極絶縁フレーム１２１の上面に設置される枠形状のフレーム部である。
（バッファ室１６０）
　図２～図４に示すように、燃料供給連絡部１４０と集電体１１９（および燃料室１１７）の間にバッファ室１６０が配置される。即ち、インターコネクタ１１３、燃料極絶縁フレーム１２１、および燃料極フレーム１２２の枠内において、燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０側の、集電体１１９（および燃料極１１５）が配置されない空間がバッファ室１６０である。バッファ室１６０は、燃料供給連絡部１４０から供給される燃料ガスが流入する空間であり、燃料供給連絡部１４０から供給される燃料ガスがバッファ室１６０で広がることで、燃料室１１７内での燃料ガスの流れが均一になる。
（集電体１１８）
　集電体１１８は、空気室１１６の内部に配置され、空気極１１４と上のインターコネクタ１１２とを電気的に接続する接続部材である。
　空気室１１６側の集電体１１８は、細長い角材形状で、緻密な導電部材（例えば、ステンレス材）で形成される。複数本の集電体１１８が、電解質１０２の上面の空気極１１４と上のインターコネクタ１１２の下面（内面）に当接し、平行に且つ一定の間隔をおいて配設されている。なお、空気室１１６側の集電体１１８は、燃料室１１７側の集電体１１９と同じ構造にしてもよい。
（集電体１１９）
　集電体１１９は、燃料室１１７の内部に配置され、燃料室１１７と下のインターコネクタ１１３とを電気的に接続する接続部材である。
　図５、図６は、集電体１１９を表す斜視図および分解斜視図である。
　集電体１１９は、平板金属部材１９０および平板絶縁部材１５０を組み合わせて構成される。平板金属部材１９０および平板絶縁部材１５０を重ね合わせ、平板金属部材１９０を折り曲げることで、集電体１１９を作成できる。
　平板金属部材１９０は、例えば、Ｎｉの板材であり、後述のコネクタ当接部（導電性部材）１１９ａ、単セル当接部（導電性部材）１１９ｂ、連接部１１９ｃ、接続部１１９ｄを有する。コネクタ当接部１１９ａ、単セル当接部１１９ｂ、連接部１１９ｃの複数の組が、接続部１１９ｄによって接続される。
　平板絶縁部材１５０は、燃料電池作動温度域で平板金属部材１９０と焼結しない性質を持った材料で形成されている。平板絶縁部材１５０の材質としては、マイカ、アルミナ、バーミキュライト、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカの何れか自体か、或は少なくとも何れか１種を主成分とするものでもよい。また、これらを例えばマイカのような薄い板状体の積層構造にしておけば、積層方向への荷重に対し適度な弾性が付与されるため好ましい。
　平板絶縁部材１５０は、後述のスペーサ１５８、および流れ方向変更部１６１を有する。
　集電体１１９は、コネクタ当接部（導電性部材）１１９ａ、単セル当接部（導電性部材）１１９ｂ、連接部１１９ｃ、スペーサ１５８、流れ方向変更部１６１を有する。
　コネクタ当接部（導電性部材）１１９ａ、単セル当接部（導電性部材）１１９ｂはそれぞれ、インターコネクタ１１３および単セル１２０の燃料極１１５に当接する。
　連接部１１９ｃは、コネクタ当接部１１９ａと単セル当接部１１９ｂとをつなぐＵ字状の部材である。
　なお、集電体１１９は、板材で形成する場合の他、例えばＮｉ製の多孔質金属又は金網又はワイヤーで形成するようにしてもよい。また、集電体１１９は、Ｎｉの他、Ｎｉ合金やステンレス鋼など酸化に強い金属で形成するようにしてもよい。
　スペーサ１５８は、単セル１２０と下のインターコネクタ１１３の間の燃料室１１７内に、コネクタ当接部１１９ａと単セル当接部１１９ｂの間に配置される。
　流れ方向変更部１６１は、平板絶縁部材１５０中、スペーサ１５８に接続され、集電体１１９から突き出された部分である。この流れ方向変更部１６１は、バッファ室１６０から燃料室に１１７に流入する燃料ガスの流れを変更し、燃料室１１７での燃料ガスのガス流れが均一になる。なお、この詳細は後述する。
　また、電池単位１０３は、空気供給部１２５、空気排気部１２６、燃料供給部１２７、燃料排気部１２８と、を備えている。
（空気供給部１２５）
　空気供給部１２５は、空気供給通孔１２９、空気供給連絡室１３０、隔壁１３１、空気供給連絡部１３２、空気供給流路１０４を備える。
　空気供給通孔１２９は、四角い電池単位１０３の一辺側中央に上下方向に開設される。
　空気供給連絡室１３０は、空気供給通孔１２９に連通するように空気極絶縁フレーム１２４に開設した長孔状の空間である。
　隔壁１３１は、空気供給連絡室１３０と空気室１１６の間を仕切る。
　空気供給連絡部１３２は、隔壁１３１の上面を複数個等間隔に窪ませて形成される。
　空気供給流路１０４は、空気供給通孔１２９に挿通して外部から空気供給連絡室１３０に空気を供給する。
（空気排気部１２６）
　空気排気部１２６は、空気排気通孔１３３、空気排気連絡室１３４、空気排気連絡部１３６、空気排気流路１０５を備える。
　空気排気通孔１３３は、電池単位１０３の空気供給部１２５の反対側の一辺側中央に上下方向に開設される。
　空気排気連絡部１３６は、空気排気通孔１３３に連通するように空気極絶縁フレーム１２４に開設した長孔状の区画である。
　空気排気連絡部１３６は、空気排気連絡室１３４と空気室１１６の間を仕切る隔壁１３５の上面を複数個等間隔に窪ませて形成される。
　空気排気流路１０５は、空気排気通孔１３３に挿通して空気排気連絡室１３４から外部に空気を排出する管状の流路である。
（燃料供給部１２７）
　燃料供給部１２７は、燃料供給通孔１３７、燃料供給連絡室１３８、燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０、燃料供給流路１０６を備える。
　燃料供給通孔１３７は、四角い電池単位１０３の残り二辺のうちの一辺側中央に上下方向に開設される。
　燃料供給連絡室１３８は、燃料供給通孔１３７に連通するように燃料極絶縁フレーム１２１に開設した長孔状の区画である。
　燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０は、燃料供給連絡室１３８とバッファ室１６０の間を仕切る隔壁１３９の上面を複数個等間隔に窪ませて形成される。
　燃料供給流路１０６は、燃料供給通孔１３７に挿通して外部から前記燃料供給連絡室１３８に燃料ガスを供給する管状の流路である。
（燃料排気部１２８）
　燃料排気部１２８は、燃料室１１７から燃料ガスを外部に排出する燃料排気流路１０７を含む。
　燃料排気部１２８は、燃料排気通孔１４１、燃料排気連絡室１４２、隔壁１４３、燃料排気連絡部１４４、燃料排気流路１０７、を備える。
　燃料排気通孔１４１は、電池単位１０３の燃料供給部１２７の反対側の一辺側中央に上下方向に開設される。
　燃料排気連絡室１４２は、燃料排気通孔１４１に連通するように燃料極絶縁フレーム１２１に開設した長孔状の空間である。
　隔壁１４３は、燃料排気連絡室１４２と燃料室１１７の間を仕切る。
　燃料排気連絡部１４４は、隔壁１４３の上面を複数個等間隔に窪ませて形成される。
　燃料排気流路１０７は、燃料排気通孔１４１に挿通して燃料排気連絡室１４２から外部に燃料ガスを排出する。
（固定部材１０９）
　燃料電池スタック１００は、前記電池単位１０３を複数セット積層してセル群となし、該セル群を固定部材１０９で固定して構成される。
　なお、電池単位１０３を複数セット積層した場合において、下に位置する電池単位１０３の上のインターコネクタ１１２と、その上に載る電池単位１０３の下のインターコネクタ１１３は、一体にして上下の電池単位１０３、１０３同士で共有する。
　固定部材１０９は、 一対のエンドプレート１４５ａ、１４５ｂ、四組の締め付け部材１４６ａ～１４６ｄと、を組み合わせたものである。
　一対のエンドプレート１４５ａ、１４５ｂは、セル群の上下を挟む。
　締め付け部材１４６ａ～１４６ｄは、エンドプレート１４５ａ、１４５ｂとセル群をエンドプレート１４５ａ、１４５ｂのコーナー孔（図示せず）とセル群の前記コーナー通孔１４７にボルトを通してナットで締め付ける。締め付け部材１４６ａ～１４６ｄの材質は、例えばインコネル６０１である。
　この燃料電池スタック１００に対し、空気供給流路１０４は、エンドプレート１４５ａ、１４５ｂの通孔（図示せず）とセル群の前記空気供給通孔１２９を上下に貫く状態にして取り付けられる。
（バッファ室に於ける、燃料ガスの圧力分布の均一化）
　本実施形態では、燃料供給連絡部１４０と燃料室１１７の間に、バッファ室１６０、流れ方向変更部１６１が配置される。この結果、バッファ室１６０での圧力分布が、均一になり、燃料室１１７での燃料ガスのガス流れが、均一になる。以下、この詳細を説明する。
　図７は、電池単位１０３を表す模式断面図である。ここでは、図５のＡ－Ａ、Ｂ－Ｂで切断した状態を図７の（Ａ）、（Ｂ）として表している。
　電池単位１０３は、燃料ガスの流れに沿って、領域Ｒ１～Ｒ４に区分できる。領域Ｒ１～Ｒ４はそれぞれ、燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０、バッファ室１６０、流れ方向変更部１６１、燃料室（ガス室）１１７が配置される領域である。
　燃料ガスが、複数の燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０からバッファ室１６０に流入し、バッファ室１６０内で広がることで、バッファ室１６０での圧力分布が、均一になり、燃料室１１７での燃料ガスのガス流れが、均一になる。
　流れ方向変更部１６１は、バッファ室１６０と燃料室１１７の間に、複数の燃料供給連絡部１４０に対応するように配置される。流れ方向変更部１６１は、バッファ室１６０を通って、複数の燃料供給連絡部１４０から流入する燃料ガスの流れ方向Ｆを変更する。この結果、バッファ室１６０での圧力分布を均一にすることができ、燃料室１１７での燃料ガスの流れを、均一にすることが可能となる。
　図７（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、集電体１１９に対して、図５のＡ－Ａ、Ｂ－Ｂの何れに沿った流れ方向Ｆの燃料ガスであっても、流れ方向変更部１６１により、圧力分布の均一化が図れる。
　詳しくは、流れ方向変更部１６１は、複数の燃料供給連絡部１４０と対向する１の側面Ｓを有する。複数の燃料供給連絡部１４０から流入する燃料ガスは、この側面Ｓに衝突し、その流れ方向が変化する。燃料ガスがこの側面Ｓに衝突することで、圧力損失が発生し、圧力の均一化が図られる。この側面Ｓが複数の燃料供給連絡部１４０の全てに対向して配置されることで、圧力損失による圧力分布の均一化を向上できる。
　この側面Ｓは、複数の燃料供給連絡部１４０からの燃料ガスの流れ方向Ｆに対して、略垂直である。側面Ｓが流れ方向Ｆに対して斜めでも良い。但し、側面Ｓが流れ方向Ｆに対して略垂直とすることで、圧力損失をより大きくし、圧力のさらなる均一化が図られる。
　本実施形態では、複数の燃料供給連絡部１４０と流れ方向変更部１６１が略同一平面上に配置される。圧力損失をより大きくし、圧力のさらなる均一化が図られる。
　本実施形態では、列をなすスペーサ１５８の形状が、平面視で凸凹である。図６に示すように、流れ方向変更部１６１によって、列をなして接続される複数のスペーサ１５８の間に、間隙が存在する。即ち、列をなすスペーサ１５８の下流側の端部は、不連続である。
　列をなすスペーサ１５８の下流側の端部が連続している場合は、変形例１として、後述する。
　本実施形態では、電池単位１０３が複数の燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０（および複数の燃料排気連絡部（ガス流出口）１４４）を有している。電池単位１０３が単一の燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０（または単一の燃料排気連絡部（ガス流出口）１４４）を有する場合は、変形麗２～５として、後述する。
（第２の実施形態）
　以下、第２の実施形態につき説明する。
　図８は、第１の実施形態の図４に対応し、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の電池単位１０３ａを表す模式断面図である。
　この電池単位１０３ａでは、第１の実施形態と異なり、集電体１１９は流れ方向変更部１６１を有しない。流れ方向変更部１６１ａは、インターコネクタ１１３に取り付けられるか、あるいはインターコネクタ１１３と一体的に形成される。
　流れ方向変更部１６１ａは、第１の実施形態での流れ方向変更部１６１よりも厚みを有し、流れ方向変更部１６１の側面Ｓａの面積も大きくなる。このため、燃料ガスがより確実に側面Ｓａに衝突し、より大きな圧力損失が発生し、圧力のさらなる均一化が図られる。
　なお、集電体１１９と流れ方向変更部１６１ａの間に、隙間があるが、この隙間は無くとも良い。
　以下、本発明の変形例１～５を説明する。
　変形例１～５では、燃料電池スタックの各種部材の構成についても、上記の実施形態の燃料電池と同様の構成になるため、詳細の説明は省略する。具体的には、変形した箇所以外の構成については、図１から図４などの説明と同様の構成となる。
（変形例１）
　図９～図１２は、変形例１に係る燃料電池スタックの集電体２１９等を表す。ここでは、図１２に示すように、列をなすスペーサ２５８の下流側の端部が連続している。
　集電体２１９は、平板金属部材２９０、平板絶縁部材２５０から構成できる。
　平板金属部材２９０は、例えば、真空中１０００℃で１時間の熱処理をして焼き鈍したＮｉの板材（ＨＶ硬度で２００以下）に切り込み２１９ｅを入れることで、形成できる。なお、焼き鈍しと、切り込みの順序は、逆でも差し支えない。
　平板金属部材２９０（および集電体２１９）は、図４に示したと同様、インターコネクタ１１３に当接するコネクタ当接部２１９ａと、セル本体１２０の燃料極１１５に当接する単セル当接部２１９ｂと、コネクタ当接部２１９ａと単セル当接部２１９ｂとをつなぐＵ字状の連接部２１９ｃとが一連に形成される。連接部２１９ｃのＵ字に曲がった部分の弾性により、コネクタ当接部２１９ａと単セル当接部２１９ｂがそれぞれインターコネクタ１１３とセル本体１２０に向けて付勢される。
　尚、図１０において、コネクタ当接部２１９ａは、図面上、単セル当接部２１９ｂと反対側になるため、図面上は、符号２１９ａを付していない。
　なお、集電体２１９は、前記のように板材で形成する場合の他、例えばＮｉ製の多孔質金属又は金網又はワイヤーで形成するようにしてもよい。また、集電体２１９は、Ｎｉの他、Ｎｉ合金やステンレス鋼など酸化に強い金属で形成するようにしてもよい。
　この集電体２１９～２１９は、燃料室１１７に数十～百個程度設けられる（燃料室の大きさにより異なる）。
　平板絶縁部材２５０は、図１２に示すように、スペーサ２５８、流れ方向変更部２６１、スペーサ接続部２５９が、一体化されて形成されている。
　スペーサ２５８は、コネクタ当接部２１９ａと単セル当接部２１９ｂの間に配置され、厚さ方向に弾性力を有する。図６では、列をなすスペーサ１５８の下流側の端部が不連続であるのに対し、図１２では列をなすスペーサ２５８の下流側の端部が連続し、ストレートな直線形状をなしていることが判る。
　流れ方向変更部２６１は、平板絶縁部材２５０中、コネクタ当接部２１９ａと単セル当接部２１９ｂ間から突き出された部分である。流れ方向変更部１６１と同様、流れ方向変更部２６１は、バッファ室１６０から燃料室に１１７に流入する燃料ガスの流れを変更し、燃料室１１７での燃料ガスのガス流れが均一になる。
　スペーサ接続部２５９は、複数のスペーサ２５８を互いに接続して、平板絶縁部材２５０を形成する。
　平板絶縁部材２５０の材質としては、コネクタ当接部２１９ａと、単セル当接部２１９ｂとの固着を防止する観点から、マイカ、アルミナフェルト、バーミキュライト、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカの何れか１種か、或は複数種を組み合わせたものを利用できる。また、これらを例えばマイカのような薄い板状体の積層構造とすることで、積層方向への荷重に対し、適度な弾性を確保できる。
（変形例２～５）
　図１３～図１６は、それぞれ、本発明の実施形態の変形例２～５に係る燃料電池（電池単位１０３ｂ～１０３ｅ）の概略図である。変形例２～５の電池単位１０３ｂ～１０３ｅは、単一の燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０（または単一の燃料排気連絡部（ガス流出口）１４４）を有する。
　図１３、図１４に示した電池単位１０３ｂ、１０３ｃでは、燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０が単一である。
　また、図１５、図１６に示した電池単位１０３ｄ、１０３ｅでは、燃料排気通孔（ガス流出口）１４１が単一である。
　このように、燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０（あるいは、燃料排気通孔（ガス流出口）１４１）が複数で無くとも、バッファ室１６０から燃料室に１１７に流入する燃料ガスの流れを流れ方向変更部２６１によって変更し、燃料室１１７での燃料ガスのガス流れを均一とできる。
　ここでは、燃料室１１７側の集電体として、集電体２１９（流れ方向変更部２６１を有する）を用いているが、集電体１１９（流れ方向変更部１６１を有する）を用いても差し支えない。
（その他の実施形態）
　本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
　上記実施形態では、燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０は燃料極絶縁フレーム１２１（絶縁性のフレーム部）に形成される。これに対して、燃料供給連絡部（ガス流入口）１４０を燃料極フレーム（導電性（金属製）のフレーム部）に形成しても良い。
（実験例）
　以下、本発明の実験例を説明する。既述のように、本願は発電領域のガス流配の均一を図らんとするものである。本実験例では、高さ比Ｒと面内流量配分誤差Ｅの関係を求めた。
　ここで、高さ比Ｒは、燃料室１１７の高さＨ０に対する流れ方向変換部１６１の厚さ（燃料供給連絡部１４０と対向する１の側面Ｓの高さ）Ｈ１の比Ｒ（＝Ｈ１／Ｈ０）を言う。図１７に示すように、燃料室１１７内に、集電体１１９（コネクタ当接部１１９ａ、単セル当接部１１９ｂ）および流れ方向変換部１６１（スペーサ１５８と一体）が配置される。なお、単セル当接部１１９ｂとスペーサ１５８の間に、間隙ＳＰ（図示しない）が存在する場合もある。
　このとき、これらの厚さには次の関係がある。
　　　Ｈ０＝Ｈ１＋Ｈ２１＋Ｈ２２＋Ｈ３
　　　　　＝Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３
　　　　Ｈ０：　燃料室１１７の高さ
　　　　Ｈ１：　流れ方向変換部１６１の厚さ（燃料供給連絡部１４０と対向する側面Ｓの高さ）
　　　　Ｈ２１：　コネクタ当接部１１９ａの厚さ
　　　　Ｈ２２：　単セル当接部１１９ｂの厚さ
　　　　Ｈ２（＝Ｈ２１＋Ｈ２２）：　集電体１１９の厚さ
　　　　Ｈ３：　間隙ＳＰの厚さ
　本実験例において、流路高さＨ０を１．２ｍｍ、集電体厚さＨ２を０．７ｍｍとし、流れ方向変換部１６１の厚さＨ１を０ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．５ｍｍと変化させた。このとき、間隙ＳＰの厚さＨ３（図示しない）は、０．５ｍｍ、０．２５ｍｍ、０ｍｍとなり、高さ比Ｒは０、０．２１、０．４２となる。
　面内流量配分誤差Ｅは、燃料室１１７内での流れ方向変換部１６１の直ぐ上流（具体的には、流れ方向変換部１６１から０．５ｍｍ上流）での流量のバラツキを表し、次のように表される。
　　Ｅ＝（Ｆｍａｘ-Ｆｍｉｎ）／Ｆｍｉｎ
　　　　Ｆｍａｘ：　流れ方向変換部１６１の直ぐ上流での最大流量
　　　　Ｆｍｉｎ：　流れ方向変換部１６１の直ぐ上流での最小流量
　図１８に示すように、面内流量配分誤差Ｅには高さ比Ｒ依存性がある。高さ比Ｒが小さすぎると面内流量配分誤差Ｅは大きい。即ち、バッファ機能が強すぎると燃料供給連絡部１４０近傍の単セル１２０の端部に流れる燃料ガスが多くなり、面内流量配分誤差Ｅが大きくなる傾向がある。一方、ある程度、高さ比Ｒが大きくなると、面内流量配分誤差Ｅが小さくなる。高さ比Ｒがさらに大きくなると、面内流量配分誤差Ｅは幾分大きくなるが、高さ比Ｒが最大の場合でも（間隙厚さＨ３が０）、面内流量配分誤差Ｅは１５％に留まる。
　発電領域のガス流配の均一を確保するには、面内流量配分誤差Ｅが１５％以下とすれば良い。図１８から、これを実現するには、高さ比Ｒが０．１以上であれば良いことが判る。
　１００　燃料電池スタック；１０２　電解質；１０３　電池単位１０４　空気供給流路；１０５　空気排気流路；１０６　燃料供給流路；１０７　燃料排気流路；１０９　固定部材；１１２、１１３　インターコネクタ；１１４　空気極；１１５　燃料極；１１６　空気室；１１７　燃料室；１１８　集電体；１１９、２１９　集電体；１１９ａ、２１９ａ　コネクタ当接部；１１９ｂ、２１９ｂ　単セル当接部；１１９ｃ　連接部；１１９ｄ　接続部；１２０　単セル；１２１　燃料極絶縁フレーム；１２２　燃料極フレーム；１２３　セパレータ；１２４　空気極絶縁フレーム；１２５　空気供給部；１２６　空気排気部；１２７　燃料供給部；１２８　燃料排気部；１２９　空気供給通孔；１３０　空気供給連絡室；１３１　隔壁；１３２　空気供給連絡部；１３３　空気排気通孔；１３４　空気排気連絡室；１３５　隔壁；１３６　空気排気連絡部；１３７　燃料供給通孔；１３８　燃料供給連絡室；１３９　隔壁；１４０　燃料供給連絡部；１４１　燃料排気通孔；１４２　燃料排気連絡室；１４３　隔壁；１４４　燃料排気連絡部；１４５ａ、１４５ｂ　エンドプレート；１４６ａ-１４６ｄ　締め付け部材；１４７　コーナー通孔；１５０、２５０　平板絶縁部材；１５８、２５８　スペーサ；１６０　バッファ室；１６１、２６１　流れ方向変更部；１９０、２９０　平板金属部材；２１９ｅ　切り込み；２５９　スペーサ接続部。

Claims (6)

  1. 　表面と裏面とを有する板形状のインターコネクタと、
    　発電機能を有する単セルと、
    　前記インターコネクタと、前記単セルとの間に形成されたガス室と、
    　前記ガス室に、燃料ガスを流入させる１または複数のガス流入口と、
    を有する燃料電池であって、
    　前記ガス流入口と、前記ガス室との間に位置するバッファ室を有し、
    　前記バッファ室と、前記ガス室との間に、前記ガス流入口に対応するように形成された流れ方向変更部を有し、
    　前記流れ方向変更部は、表面および裏面のうち、少なくとも一方と、側面とを有し、
    　前記流れ方向変更部の表面側および裏面側のうち、少なくとも一方に、燃料ガス用通路を有する
    ことを特徴とする燃料電池。
  2. 　前記流れ方向変更部が、前記複数のガス流入口と対向する１の側面を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 　前記１の側面が、前記複数のガス流入口からの燃料ガスの流れ方向に対して、略垂直である請求項２に記載の燃料電池。
  4. 　前記ガス室内に配置され、前記インターコネクタおよび前記単セルと電気的に接続される、集電体、をさらに具備し、
    　前記複数のガス流入口、前記流れ方向変更部、および前記集電体が、略同一平面上に配置される
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。
  5. 　前記流れ方向変更部が、前記集電体と一体に形成される
    ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
  6. 　前記集電体が、
    　　第１の導電性部材と、
    　　前記第１の導電性部材上に配置されるスペーサと、
    　　前記スペーサ上に配置され、前記第１の導電性部材と電気的に接続される第２の導電性部材と、を有し、
    　前記流れ方向変更部が、前記スペーサと一体に形成される
    ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
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