WO2019030918A1 - 燃料電池のセル構造および燃料電池システム - Google Patents

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敬士 市原
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日産自動車株式会社
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a cell structure of a fuel cell and a fuel cell system.
  • a solid oxide fuel cell stack (SOFC Golid Oxide Fuel Cell) generates electricity by supplying gas to a power generation cell configured by sandwiching an electrolyte between a fuel electrode and an oxidant electrode. For this reason, the power generation cell assembly (single cell) provided with the power generation cell and the separator which separates the adjacent power generation cell assembly are laminated via the seal member (seal portion).
  • the solid oxide fuel cell stack needs to have a high temperature of several hundred degrees or more in order to operate constantly (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 when the solid oxide fuel cell stack is operated steadily, the temperature gradients between the power generation cell assembly and the seal member, and between the separator and the seal member are sufficiently small. Since the temperature distribution occurring in the seal member is substantially even, there is no risk of damage to the seal member.
  • Patent Document 1 when the solid oxide fuel cell stack is rapidly activated, the high temperature gas causes a rapid temperature gradient between the power generation cell assembly and the seal member, and between the separator and the seal member. May cause damage to the relatively fragile seal member.
  • An object of the present invention is to provide a cell structure and a fuel cell system of a fuel cell which can be rapidly started while protecting a seal member provided between a power generation cell assembly and a separator.
  • a cell structure of a fuel cell includes a power generation cell assembly, a separator, a seal member, and a heat exchange portion.
  • the power generation cell assembly includes a power generation cell that generates electric power by the gas supplied between the fuel electrode and the oxidant electrode.
  • the separator separates the adjacent power generation cell assemblies.
  • the seal member is provided between an edge of the power generation cell assembly and an edge of the separator, and holds the gas supplied to the power generation cell between the power generation cell assembly and the separator.
  • the heat exchange unit is provided adjacent to the seal member, and regulates the temperature of the seal member by the gas supplied to the power generation cell.
  • An air supply system for supplying air, an exhaust system for exhausting the exhaust of the fuel cell stack, and a control device for controlling each of these systems are provided.
  • the power generation cell assembly includes a heat exchange unit that regulates the temperature of a seal member disposed in the cell assembly, and the control device selectively operates the heat exchange unit at system startup.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a solid oxide fuel cell stack according to a first embodiment.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the metal support cell assembly of FIG. 4; FIG. 5 is a side view showing the metal support cell assembly of FIG. 4 in cross section.
  • FIG. 7 is a top view showing the periphery of the cathode side inlet in a state where the metal support cell assembly, the separator, the anode side outer edge seal member and the cathode side outer edge seal member according to the solid oxide fuel cell stack of the first embodiment are stacked.
  • FIG. 10 It is a perspective view which shows the branch part of the cathode gas in FIG. It is a side view which shows the branch part of the cathode gas in FIG. 10 in a cross section. It is a block diagram which shows the whole structure of 1st Embodiment. It is a flowchart which shows operation
  • FIG. 17 is a side view showing the anode gas branch portion in FIG. 16 in cross section.
  • FIG. 20 is a perspective view showing a branched portion of the cathode gas in FIG. 19;
  • FIG. 20 is a side view showing the bifurcated portion of the cathode gas in FIG. 19 in cross section. It is a block diagram which shows the structure of 3rd Embodiment. It is a flowchart which shows operation
  • arrows representing X, Y, and Z are used to indicate the orientations of members constituting the solid oxide fuel cell stack.
  • the direction of the arrow represented by X indicates the short direction X of the solid oxide fuel cell stack.
  • the direction of the arrow represented by Y indicates the longitudinal direction Y of the solid oxide fuel cell stack.
  • the direction of the arrow represented by Z indicates the stacking direction Z of the solid oxide fuel cell stack.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the solid oxide fuel cell stack 100 of the first embodiment.
  • FIG. 2 shows a stack 100P formed by stacking the solid oxide fuel cell stack 100 of FIG. 1, the upper end plate 110, the upper current collector plate 108, and a plurality of cell modules 100Q, the lower current collector plate 107, the lower end plate
  • FIG. 10 is a perspective view showing a state in which the external manifold 111 and the external manifold 111 are disassembled.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the cell module 100Q of FIG.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the unit 100R of FIG.
  • FIG. 5A is an exploded perspective view of the metal support cell assembly 101 of FIG.
  • FIG. 5B is a side view showing the metal support cell assembly 101 of FIG. 4 in cross section.
  • FIG. 6 is a perspective view partially showing the metal support cell assembly 101, the separator 102, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C in a stacked state.
  • FIG. 8 is a side view showing the power generation area in FIG. 6 in cross section.
  • FIG. 9 is a side view showing the heat exchange section in FIG. 6 in cross section.
  • FIG. 10 shows the cathode side inlet in a state where the metal support cell assembly 101, the separator 102, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C according to the solid oxide fuel cell stack 100 of the first embodiment are stacked. It is a top view which shows the circumference
  • FIG. 11 is a perspective view showing a branched portion of the cathode gas CG in FIG.
  • FIG. 12 is a side view showing the branched portion of the cathode gas CG in FIG. 10 in cross section.
  • the solid oxide fuel cell stack 100 is illustrated in FIG. 1 by showing a fastening member (bolt) for fastening and integrating the respective components and a protective member (cover) for covering and protecting the respective components. It is omitted.
  • the solid oxide fuel cell stack 100 sandwiches the stack 100 P sandwiched by the lower current collector plate 107 and the upper current collector plate 108 by the lower end plate 109 and the upper end plate 110.
  • An external manifold 111 for holding a gas from the outside is disposed at the lower end thereof.
  • the solid oxide fuel cell stack 100 includes a lower current collecting plate 107 which externally outputs the power generated by the unit 100R to the stack 100P configured by stacking a plurality of cell modules 100Q. It is pinched by the upper current collecting plate 108 to enable current collection.
  • the unit 100R shown in FIG. 4 is stacked, and as shown in FIG. 3, the module end 105 corresponding to the end plate is arranged via the sealing portion 104 located at the upper end and the lower end.
  • the cell module 100Q shown in FIG. 3 is configured.
  • the solid oxide fuel cell stack 100 supplies a gas to the unit 100R shown in FIG. 4 to generate power.
  • a unit 100R shown in FIG. 4 includes a metal support cell assembly 101 provided with a power generation cell 101M for generating electric power by the supplied gas, a separator 102 for separating adjacent power generation cells 101M, and a gas passing between the power generation cell 101M and the separator 102.
  • a current collection auxiliary layer 103 for maintaining electrical contact while forming a space, and a sealing portion 104 for partially sealing the gap between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 to limit the flow of gas.
  • solid oxide fuel cell stack 100 will be described for each configuration.
  • the metal support cell assembly 101 generates electric power by the gas supplied from the outside.
  • the metal support cell assembly 101 includes the electrolyte 101S sandwiched between the anode 101T and the cathode 101U, and the power generation cell 101M that generates electricity by the supplied anode gas AG and cathode gas CG. And a cell frame 101W surrounding and holding the power generation cell 101M.
  • the power generation cell 101M is configured by sandwiching the electrolyte 101S between the anode 101T and the cathode 101U.
  • the metal support cell 101N is configured of a power generation cell 101M and a support metal 101V that supports the power generation cell 101M from one side.
  • the metal support cell assembly 101 includes a metal support cell 101N and a cell frame 101W holding the metal support cell 101N from the periphery.
  • the anode 101T is a fuel electrode, and an anode gas AG (for example, hydrogen) and oxide ions are reacted to generate an oxide of the anode gas AG and to take out electrons.
  • the anode 101T is resistant to a reducing atmosphere, transmits the anode gas AG, has high electrical conductivity, and has a catalytic action of causing the anode gas AG to react with oxide ions.
  • the anode 101T is formed of a rectangular shape larger than the electrolyte 101S.
  • the anode 101T is made of, for example, an alloy in which a metal such as nickel and an oxide ion conductor such as yttria-stabilized zirconia are mixed.
  • the anode 101T has a thin plate shape and a rectangular shape as shown in FIGS. 5A and 5B.
  • the electrolyte 101S transmits oxide ions from the cathode 101U to the anode 101T as shown in FIGS. 5A and 5B.
  • the electrolyte 101S does not pass gas and electrons while passing oxide ions.
  • the electrolyte 101S is formed in a rectangular shape.
  • the electrolyte 101S is made of, for example, solid oxide ceramics such as stabilized zirconia in which yttria, neodymium oxide, samaria, gadoria, scandia and the like are solid-solved.
  • the electrolyte 101S is in the form of a thin plate, and has a rectangular shape slightly larger than the anode 101T. As shown in FIG.
  • the outer edge of the electrolyte 101S is refracted toward the side of the anode 101T to be in contact with the side surface along the stacking direction Z of the anode 101T.
  • the tip of the outer edge of the electrolyte 101S is in contact with the support metal 101V.
  • the cathode 101U is an oxidant electrode, and reacts electrons with cathode gas CG (for example, oxygen contained in air) to convert oxygen molecules into oxide ions.
  • the cathode 101 U is resistant to an oxidizing atmosphere, permeates the cathode gas CG, has high electrical conductivity, and has a catalytic action of converting oxygen molecules into oxide ions.
  • the cathode 101U is formed in a rectangular shape smaller than the electrolyte 101S.
  • the cathode 101U is made of, for example, an oxide such as lanthanum, strontium, manganese or cobalt. As shown in FIGS.
  • the cathode 101U has a thin plate shape and a rectangular shape as in the case of the anode 101T.
  • the cathode 101U faces the anode 101T via the electrolyte 101S. Since the outer edge of the electrolyte 101S is bent toward the anode 101T, the outer edge of the cathode 101U does not come in contact with the outer edge of the anode 101T.
  • the support metal 101V supports the power generation cell 101M from the side of the anode 101T, as shown in FIGS. 5A and 5B.
  • the support metal 101V has gas permeability, high electrical conductivity, and sufficient strength.
  • the support metal 101V is formed of a rectangular shape larger than the electrolyte 101S.
  • the support metal 101V is made of, for example, a corrosion resistant alloy containing nickel or chromium, a corrosion resistant steel, or stainless steel.
  • the cell frame 101W holds the metal support cell 101N from the periphery as shown in FIG. 4, FIG. 5A and FIG. 5B.
  • the cell frame 101W is formed in a rectangular shape.
  • the cell frame 101W is provided at the center with an opening 101e to which the power generation cell 101M is attached.
  • the opening 101e of the cell frame 101W is a rectangular through hole, and is smaller than the outer shape of the support metal 101V.
  • the cell frame 101W is made of metal and is insulated using an insulating material or a coating. The insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the cell frame 101W.
  • the metal support cell 101N is attached to the cell frame 101W by joining the outer edge of the support metal 101V to the inner edge of the opening 101e of the cell frame 101W.
  • the cell frame 101W has an anode side inlet 101a for causing the anode gas AG to flow into the flow path portion 102L and an anode gas AG on a diagonal line separated by the opening 101e.
  • An anode side outlet 101b is provided to flow out from the flow path portion 102L.
  • the cathode side inlet 101c which allows the cathode gas CG to flow into the flow path portion 102L and the cathode side flow which causes the cathode gas CG to flow out from the flow path portion 102L on a diagonal line separated by the opening 101e.
  • An outlet 101d is provided.
  • the anode side inlet 101a and the cathode side inlet 101c are opposed along the lateral direction X of the cell frame 101W.
  • the anode side outlet 101b and the cathode side outlet 101d are opposed along the lateral direction X of the cell frame 101W.
  • the anode side inlet 101a and the cathode side inlet 101c are opposed to the cathode side outlet 101d and the anode side outlet 101b in the longitudinal direction Y across the opening 101e.
  • the anode side inlet 101a, the anode side outlet 101b, the cathode side inlet 101c and the cathode side outlet 101d are manifolds each having a rectangular opening.
  • the separator 102 is provided between the stacked metal support cell assembly 101 and the power generation cell 101M, as shown in FIGS. 4 to 12, to separate the adjacent power generation cells 101M.
  • the separator 102 is disposed to face the metal support cell assembly 101.
  • the separator 102 has the same outer shape as the metal support cell assembly 101.
  • the separator 102 is made of metal, and is insulated using an insulating material or a coating except for a region (flow passage portion 102L) facing the power generation cell 101M.
  • the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the separator 102.
  • the separator 102 is provided such that the flow passage portion 102L faces the power generation cell 101M.
  • the flow path portion 102L extends the flow path extending along the gas flow direction (longitudinal direction Y) with the gas flow direction (longitudinal direction Y). It forms by arranging in the orthogonal direction (short side direction X). As shown in FIG. 8, in the flow path portion 102L, the convex anode side projections 102i are spaced at a constant interval so as to protrude downward from the flat portion 102h in the longitudinal direction Y and the lateral direction X. It is provided. The anode protrusion 102i extends along the gas flow direction (longitudinal direction Y).
  • the anode-side protrusion 102 i protrudes downward from the lower end of the separator 102.
  • convex cathode side projections 102j are provided at regular intervals so as to protrude upward from the flat portion 102h.
  • the cathode side protrusion 102 j extends along the gas flow direction (longitudinal direction Y).
  • the cathode side protrusion 102 j protrudes upward from the upper end of the separator 102.
  • the anode-side protrusions 102i and the convex cathode-side protrusions 102j are alternately provided along the short direction X with the flat portion 102h separated.
  • the gap between the flow path portion 102L and the power generation cell 101M located below the flow path portion is configured as a flow path of the anode gas AG.
  • the gap between the flow path portion 102L and the power generation cell 101M located above the flow path portion is configured as a flow path of the cathode gas CG.
  • the separator 102 has an anode side inlet 102 a and an anode side outlet 102 b through which the anode gas AG is passed so that the metal support cell assembly 101 is in relative position along the stacking direction Z. , And are provided on diagonals separated by the flow path portion 102L.
  • the separator 102 separates the flow path portion 102L between the cathode side inlet 102c and the cathode side outlet 102d for passing the cathode gas CG so that the separator 102 is positioned relative to the metal support cell assembly 101 along the stacking direction Z. Provided diagonally.
  • the separator 102 is provided with an annular rib 102p as shown in FIGS. 6 and 9-12.
  • the ribs 102p are formed to surround four sides of the outer edge of the separator 102, as shown in FIG.
  • the rib 102 p is formed by bending the outer edge of the separator 102 in a convex shape upward in the stacking direction Z, and includes a space below.
  • the separator 102 for separating and laminating the metal support cell assembly 101 alternately laminates an anode side outer edge seal member 104A and a cathode side outer edge seal member 104C described later on the upper end of each rib 102p. ing.
  • the separator 102 connects a branch rib 102q linearly extended from the cathode side inlet 102c to the outer edge, to the rib 102p.
  • a plurality of branch ribs 102 q are provided along the lateral direction X and the longitudinal direction Y of the separator 102 so as to connect the rectangular cathode side inlet 102 c and the rib 102 p.
  • the rib 102 p and the branch rib 102 q are formed by partially bending the separator 102 upward in the stacking direction Z, and have a space below.
  • the space formed between the branch rib 102q and the metal support cell assembly 101 becomes a branch path 102V of the cathode gas CG that has exited from the cathode side inlet 102c.
  • a space formed between the rib 102 p and the metal support cell assembly 101 becomes an annular passage 102 W of the cathode gas CG which circulates the outer edge of the separator 102.
  • the current collection assisting layer 103 maintains the electrical contact while forming a space for passing gas between the power generation cell 101 M and the separator 102, thereby electrically connecting the power generation cell 101 M and the separator 102. To help make good contact.
  • the current collection auxiliary layer 103 is a so-called expanded metal.
  • the current collection auxiliary layer 103 is disposed between the power generation cell 101M and the flow path portion 102L of the separator 102.
  • the current collection auxiliary layer 103 has an outer shape similar to that of the power generation cell 101M.
  • the current collection auxiliary layer 103 is formed of a wire mesh in which openings such as rhombus are provided in a grid.
  • the sealing portion 104 partially seals the gap between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 to restrict the flow of gas, as shown in FIG.
  • seal members for example, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C
  • seal members are provided between the edge of the metal support cell assembly 101 and the edge of the separator 102, and the gas supplied to the power generation cell 101M (cathode The gas CG and the anode gas AG) are retained between the metal support cell assembly 101 and the separator 102.
  • the sealing portion 104 seals the outer edge of the separator 102 annularly on the lower surface of the separator 102 (the surface facing the anode side below the separator 102 in FIG. 4).
  • An outer edge seal member 104A, and an anode side manifold seal member 104B annularly sealing the separator 102 while avoiding the cathode side inlet 102c and the cathode side outlet 102d inside the anode side outer edge seal member 104A are provided.
  • a cathode side inlet 102 c and a cathode side outlet 102 d are located between the anode side outer edge seal member 104 A and the anode side manifold seal member 104 B.
  • the sealing portion 104 seals the outer edge of the separator 102 annularly on the upper surface of the separator 102 (the upper surface of the separator 102 in FIG. 4 and facing the cathode side) as shown in FIG. 4.
  • a seal member 104C and a pair of cathode side manifold seal members 104D for annularly sealing the anode side inlet 102a and the anode side outlet 102b are provided.
  • the sealing member constituting the sealing portion 104 has a spacer and a sealing function, and is a so-called gasket.
  • the seal member constituting the seal portion 104 is made of, for example, glass having heat resistance and sealability.
  • the sealing portion 104 restricts the flow of the anode gas AG using the anode side outer edge seal member 104A and the anode side manifold seal member 104B. That is, as shown in FIG. 4, the sealing unit 104 allows the anode gas AG to flow into the cathode 101U of the power generation cell 101M and the anode 101T of the power generation cell 101M without leaking to the outside.
  • Anode gas AG passes through an inlet on the anode side of each of outer manifold 111, lower end plate 109, lower current collector plate 107, module end 105, separator 102, and metal support cell assembly 101 to form a plurality of power generation cells. It is supplied to the anode 101T of 101M.
  • the anode gas AG is distributed to the anode-side flow path provided in the gap between the separator 102 and the metal support cell assembly 101 alternately stacked from the external manifold 111 to the upper end collector plate 108. Is supplied. Thereafter, the anode gas AG reacts in the power generation cell 101M, passes through the outlet on the anode side of each component described above, and is discharged in the state of exhaust gas.
  • the sealing portion 104 restricts the flow of the cathode gas CG using the cathode side outer edge seal member 104C and the pair of cathode side manifold seal members 104D. That is, as shown in FIG. 4, the sealing unit 104 allows the cathode gas CG to flow into the cathode 101U of the power generation cell 101M without leaking the cathode gas CG to the anode 101T of the power generation cell 101M or the outside.
  • the cathode gas CG passes through the inlets on the cathode side of each of the outer manifold 111, the lower end plate 109, the lower current collector plate 107, the module end 105, the separator 102, and the metal support cell assembly 101 to form a plurality of power generation cells. It is supplied to the cathode 101U of 101M. That is, the cathode gas CG is distributed to the flow path on the cathode side provided in the gap between the separator 102 and the metal support cell assembly 101 alternately stacked from the external manifold 111 to the upper end collector plate 108. Is supplied. Thereafter, the cathode gas CG reacts in the power generation cell 101M, passes through the outlet on the cathode side of each component described above, and is exhausted in the state of exhaust gas.
  • the sealing portion 104 has a double seal structure as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 4, while the anode gas AG is allowed to flow in the area surrounded by the anode side manifold seal member 104B, the cathode gas CG is generated in the area between the anode side manifold seal member 104B and the anode side outer edge seal member 104A. It distributes. Further, as shown in FIG. 4, the anode gas AG is allowed to flow in the region surrounded by the pair of cathode side manifold seal members 104D while the space between the pair of cathode side manifold seal members 104D and the cathode side outer edge seal member 104C is The cathode gas CG is circulated in the region. As described above, the region where the cathode gas CG is present is provided so as to surround the region where the anode gas AG is present on both the anode side and the cathode side.
  • the module end 105 is an end plate that holds the upper end and the lower end of the plurality of stacked units 100R, as shown in FIG.
  • the module end 105 is disposed at the upper end and the lower end of the plurality of stacked units 100R.
  • the module end 105 has an outer shape similar to that of the unit 100R.
  • the module end 105 is made of a conductive material that does not transmit gas, and is insulated using an insulating material or a coating except for the area facing the power generation cell 101M.
  • the insulating material is configured, for example, by fixing aluminum oxide to the module end 105.
  • the module end 105 is diagonally provided with an anode side inlet 105 a and an anode side outlet 105 b through which the anode gas AG passes so as to be positioned relative to the unit 100 R in the stacking direction Z.
  • the module end 105 is diagonally provided with a cathode side inlet 105 c and a cathode side outlet 105 d that allow the cathode gas CG to pass through so that the relative position is aligned with the unit 100 R in the stacking direction Z.
  • the manifold seal member 106 seals the outer edge of a so-called manifold hole between laminated members to prevent gas leakage.
  • the manifold seal member 106 has a configuration similar to that of the anode side manifold seal member 104B and the cathode side manifold seal member 104D.
  • the manifold seal member 106 is provided between the upper current collecting plate 108 and the uppermost cell module 100Q, between the adjacent cell modules 100Q along the stacking direction Z, between the lowermost cell module 100Q and the lower current collecting plate 107. Between the lower current collecting plate 107 and the lower end plate 109, and between the lower end plate 109 and the outer manifold 111, the outer edges of the gas inlet and outlet are annularly sealed. .
  • the manifold seal member 106 is made of, for example, glass having heat resistance and sealability.
  • the lower current collector plate 107 is shown in FIGS. 1 and 2 and outputs the power generated by the unit 100R to the outside.
  • the lower current collector plate 107 is disposed at the lower end of the stack 100P.
  • Lower current collector plate 107 has an outer shape similar to that of unit 100R.
  • the lower current collector plate 107 is provided with a terminal 107 f connected to an external current-carrying member.
  • the terminal 107 f is formed by partially protruding the outer edge of the lower current collector plate 107 in the longitudinal direction Y.
  • the lower current collector plate 107 is made of a conductive material that does not transmit gas, and is insulated using an insulating material or a coating except for a region facing the power generation cell 101M of the unit 100R and a portion of the terminal 107f.
  • the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the lower current collector plate 107.
  • the lower current collector plate 107 is diagonally provided with an anode side inlet 107a and an anode side outlet 107b for passing the anode gas AG so that the relative position is aligned with the unit 100R along the stacking direction Z.
  • the lower current collecting plate 107 is diagonally provided with a cathode side inlet 107c and a cathode side outlet 107d for passing the cathode gas CG so that the relative position is aligned with the unit 100R in the stacking direction Z.
  • the upper current collector plate 108 is shown in FIGS. 1 and 2 and outputs the power generated by the unit 100R to the outside.
  • the upper current collecting plate 108 is disposed at the upper end of the stack 100P.
  • the upper current collecting plate 108 has an outer shape similar to that of the lower current collecting plate 107.
  • the upper current collecting plate 108 is provided with a terminal 108 f connected to an external current-carrying member.
  • the terminal 108 f is formed by partially protruding the outer edge of the upper current collector plate 108 in the longitudinal direction Y.
  • the upper current collecting plate 108 unlike the lower current collecting plate 107, does not have a gas inlet and an outlet.
  • the upper current collector plate 108 is made of a conductive material that does not transmit gas, and is insulated using an insulating material or a coating except for a region facing the power generation cell 101M of the unit 100R and a portion of the terminal 108f.
  • the insulating material is formed, for example, by fixing aluminum oxide to the upper current collecting plate 108.
  • the lower end plate 109 holds the stack 100P sandwiched from the lower current collector plate 107 and the upper current collector plate 108 from below, as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the lower end plate 109 is disposed below the lower current collector plate 107.
  • the lower end plate 109 has an outer shape similar to that of the unit 100R.
  • the lower end plate 109 is formed sufficiently thicker than the unit 100R.
  • the lower end plate 109 is made of, for example, metal, and the upper surface in contact with the lower current collector plate 107 is insulated by an insulating material.
  • the insulating material is configured, for example, by fixing aluminum oxide to the lower end plate 109.
  • the lower end plate 109 is provided diagonally with an anode side inlet 109 a and an anode side outlet 109 b for passing the anode gas AG so that the relative position is aligned with the unit 100 R in the stacking direction Z.
  • the lower end plate 109 is provided diagonally with a cathode side inlet 109 c and a cathode side outlet 109 d for passing the cathode gas CG so that the relative position is aligned with the unit 100 R in the stacking direction Z.
  • the upper end plate 110 holds the stack 100P sandwiched from the lower current collector plate 107 and the upper current collector plate 108 from above, as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the upper end plate 110 is disposed above the upper current collector plate 108.
  • the upper end plate 110 has the same outer shape as the lower end plate 109.
  • the upper end plate 110 unlike the lower end plate 109, does not have a gas inlet and outlet.
  • the upper end plate 110 is made of, for example, metal, and the lower surface in contact with the upper current collector plate 108 is insulated by an insulating material.
  • the insulating material is configured, for example, by fixing aluminum oxide to the upper end plate 110.
  • the external manifold 111 is shown in FIG. 1 and FIG. 2 and supplies gas to the plurality of units 100R from the outside.
  • the outer manifold 111 is disposed below the lower end plate 109.
  • the external manifold 111 has an outer shape similar to that of the unit 100R.
  • the outer manifold 111 is formed sufficiently thicker than the lower end plate 109.
  • the outer manifold 111 is made of, for example, metal.
  • the outer manifold 111 is provided diagonally with an anode side inlet 111a and an anode side outlet 111b that allow the anode gas AG to pass through so that the relative position is aligned with the unit 100R in the stacking direction Z.
  • the cathode side inlet 111c and the cathode side outlet 111d are provided diagonally so that the relative position is matched with the unit 100R along the stacking direction Z.
  • the heat exchange portion 191 is provided adjacent to the seal members (for example, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C) as shown in FIGS. 10 to 12, and supplied according to the load fluctuation of the power generation cell 101M.
  • the temperature of the seal members (for example, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C) is controlled by the gas (for example, the cathode gas CG).
  • the heat exchange unit 191 branches and uses the heated oxidant gas (cathode gas CG) supplied to the cathode 101U.
  • the heat exchange unit 191 may branch and use the heated fuel gas (anode gas AG) supplied to the anode 101T.
  • the heat exchange unit 191 is configured by the separator 102 and the metal support cell assembly 101 described above.
  • the heat exchange portion 191 is provided adjacent to the seal members (for example, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C) aligned along the stacking direction Z.
  • the heat exchange portion 191 has a gas (for example, a cathode gas CG) in a space between the edge of the metal support cell assembly 101 and the first rib (rib 102p) formed by bending the edge of the separator 102 in a convex shape. It is configured by supplying it. That is, in the separator 102, as shown in FIGS. 10 to 12, a part of the cathode gas CG that has exited from the cathode side inlet 102c flows into the branch passage 102V and circulates in the annular passage 102W.
  • the anode gas AG is supplied from the fuel tank to the solid oxide fuel cell stack through the heat exchange device (heat exchange section 191) and the reformer through the pump. Be done.
  • the cathode gas CG is supplied from the air through the humidifier through the blower to the solid oxide fuel cell stack.
  • the fuel cell system of the solid oxide fuel cell stack 100 is configured by the configuration shown in FIG. That is, the fuel cell system comprises a solid oxide fuel cell stack 100, a fuel supply system for supplying fuel to the solid oxide fuel cell stack 100, and an air supply for supplying air to the solid oxide fuel cell stack 100.
  • the system includes an exhaust system that exhausts the exhaust gas of the solid oxide fuel cell stack 100, and a control device that controls each of these systems.
  • the heat exchange portion for controlling the temperature of the seal members is the power generation cell assembly (metal support cell assembly 101). It has 191.
  • the controller selectively operates the heat exchange unit 191 at system startup.
  • the solid oxide fuel cell stack 100 receives the supply of the cathode gas CG corresponding to the heating air (S12). Furthermore, the solid oxide fuel cell stack 100 determines whether the stack 100S is at least the minimum temperature (S13), and in the case of Yes, stops the supply of heat exchange gas (S14) and starts power generation (S15) . On the other hand, when the determination of No is made in S13, the solid oxide fuel cell stack 100 returns to the determination of S13 after a predetermined time has elapsed.
  • the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 includes a power generation cell assembly (metal support cell assembly 101), a separator 102, seal members (for example, an anode side outer edge seal member 104A and a cathode side outer edge seal member 104C), and heat. And an exchange unit 191.
  • the metal support cell assembly 101 includes a power generation cell 101M that generates electric power using a gas (cathode gas CG and anode gas AG) supplied by sandwiching the electrolyte 101S between a fuel electrode (anode 101T) and an oxidant electrode (cathode 101U). .
  • the separator 102 separates adjacent metal support cell assemblies 101 from each other.
  • the heat exchange unit 191 adjusts the temperature of the seal member by a gas (for example, the cathode gas CG) provided adjacent to the seal member and supplied to the power generation cell 101M.
  • the fuel cell system includes a solid oxide fuel cell stack 100 formed by stacking a plurality of power generation cell assemblies, a fuel supply system for supplying fuel to the solid oxide fuel cell stack 100, and a solid oxide fuel cell
  • the system includes an air supply system that supplies air to the stack 100, an exhaust system that exhausts the exhaust gas of the solid oxide fuel cell stack 100, and a control device that controls each of these systems.
  • the power generation cell assembly metal support cell assembly 101
  • the controller selectively operates the heat exchange unit 191 at system startup.
  • the temperature of the seal member is adjusted by the gas supplied to the power generation cell 101M. That is, the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 has a rapid temperature gradient between the metal support cell assembly 101 and the seal member, a separator 102, and the like generated by flowing a gas at a high temperature for rapid activation. The rapid temperature gradient between the and the seal member can be sufficiently mitigated. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 102.
  • the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 is controlled by a gas (for example, the cathode gas CG) supplied according to the load fluctuation of the power generation cell 101M, the seal member (for example, the anode side outer seal member 104A and the cathode side outer edge)
  • a gas for example, the cathode gas CG
  • the seal member for example, the anode side outer seal member 104A and the cathode side outer edge
  • the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 can be rapidly activated while sufficiently protecting the seal member.
  • the seal member when the seal member is made of glass or brazing, the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 can relieve thermal stress and prevent peeling. In addition, when the seal member is constituted by a compression seal, thermal stress can be relaxed to prevent floating.
  • the heat exchange portion 191 is adjacent to the seal members (for example, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C) aligned along the stacking direction Z. It is preferable to provide it.
  • the temperature distribution generated in the seal member can be sufficiently suppressed by effectively adjusting the temperature of the seal member from above and below in the stacking direction Z. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 102.
  • heat exchange portion 191 is in a direction (longitudinal direction Y and cross direction with stacking direction Z of seal members (for example, anode side outer edge seal member 104A and cathode side outer edge seal member 104C).
  • seal members for example, anode side outer edge seal member 104A and cathode side outer edge seal member 104C.
  • first surface (bottom surface) along the short direction X) and the second surface (side surface) along the stacking direction Z the first surface (bottom surface) or the second surface (side surface) having a relatively large contact area It is preferable to provide it adjacent to
  • the heat conduction area (bottom surface) to the seal member can be increased, and the heat conduction distance (side height) to the seal member can be shortened. . That is, temperature control can be effectively performed by suppressing the temperature distribution generated in the seal member. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 102.
  • the heat exchange portion 191 includes an edge of the metal support cell assembly 101 and a first rib (rib 102p) formed by bending the edge of the separator 102 in a convex shape. It is preferable to configure by supplying a gas (for example, the cathode gas CG) to the space between them.
  • a gas for example, the cathode gas CG
  • the rib 102p is provided adjacent to the seal member (for example, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C).
  • the heat exchange portion 191 can be manufactured inexpensively by processing the rib 102p together with the flow path portion 102L having a similar shape. Can be configured.
  • the rib 102p is processed to suppress the influence of the processing of the rib 102p in forming the separator 102, thereby reducing the cost of the heat exchange section 191.
  • Can be configured. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 by an inexpensive configuration.
  • the ribs 102p stack seal members for example, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C
  • the area of the surface on which the seal members are stacked is a seal.
  • it is larger than the contact area with the member.
  • the seal member can be sufficiently heated via the rib 102p. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 with a simple configuration.
  • the heat exchange section 191 is a heated oxidant gas (cathode gas CG) supplied to the cathode 101U, or a heated fuel gas supplied to the anode 101T ( It is preferable to use at least one of the anode gas AG) branched.
  • the heat exchange unit 191 branches and uses the cathode gas CG.
  • the seal member can be heated using the chemically stable and inexpensive cathode gas CG. Also, there is no need to provide new parts. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 in consideration of safety and cost. be able to.
  • the heat exchange unit 191 preferably uses the exhaust gas after the gas has reacted in the power generation cell 101M.
  • the seal member can be heated using the exhaust gas which is in a high temperature state after the chemical reaction and is exhausted to the outside. . Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell stack 100 can be activated very quickly while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 102.
  • 15A to 15D are side views showing in cross section the heat exchange portion 192 to the heat exchange portion 195 of Modifications 1 to 4 of the first embodiment.
  • the heat exchange part 192 of the modification 1 is shown to FIG. 15A.
  • a pair of separators 112 and separators 122 are alternately stacked with the metal support cell assembly 101 separated. Similar to the separator 102, the pair of separators 112 and the separator 122 are provided with annular ribs 112p and ribs 122p on the outer edge.
  • the annular rib 112 p of one separator 112 is smaller than the rib 102 p of the separator 102 in the lateral direction X and the longitudinal direction Y.
  • the annular rib 122 p of the other separator 122 is larger in the surface direction of the short direction X and the longitudinal direction Y than the rib 102 p of the separator 102.
  • the rib 112 p of one separator 112 is positioned inward in the lateral direction X and the longitudinal direction Y relative to the rib 122 p of the other separator 122.
  • the rib 112p of the separator 112 has laminated the cathode side outer edge seal member 114C.
  • the cathode side outer edge seal member 114C is smaller in the lateral direction X and the longitudinal direction Y than the cathode side outer edge seal member 104C.
  • the rib 122p of the separator 122 has laminated the anode side outer edge seal member 114A.
  • the anode side outer edge seal member 114A is smaller and larger than the anode side outer edge seal member 104A in the lateral direction X and in the longitudinal direction Y.
  • the heat exchange part 193 of the modification 2 is shown to FIG. 15B.
  • the separator 132 does not have a rib at its outer edge.
  • the metal support cell assembly 131 is provided with an annular rib 131p at the outer edge.
  • the rib 131 p is formed by bending the outer edge of the metal support cell assembly 131 downward in the stacking direction Z in a convex shape.
  • the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C are alternately stacked on the lower end of the rib 131p.
  • the heat exchange part 194 of the modification 3 is shown to FIG. 15C.
  • the separator 142 is provided with an annular rib 142p at the outer edge, like the separator 102.
  • the rib 142p has a central portion 142p1 on which the anode-side outer edge seal member 144A or the cathode-side outer edge seal member 144C is laminated, and a pair of end portions 142p2 projecting upward in the laminating direction Z from both ends of the central portion 142p1. Is provided.
  • Each of the anode side outer edge seal member 144A and the cathode side outer edge seal member 144C is in contact with the pair of end portions 142p2.
  • the height of the upper end of the anode side outer edge seal member 144A or the cathode side outer edge seal member 144C and the pair of end portions 142p2 The heights of the tops are equal.
  • the heat exchange part 195 of the modification 4 is shown to FIG. 15D.
  • the separator 152 is provided with a rib 152p at its outer edge, like the separator 102. Similar to the rib 142p shown in FIG. 15C, the rib 152p is provided with a central portion 152p1 on which the anode-side outer edge seal member 154A or the cathode-side outer edge seal member 154C is stacked. Unlike the rib 142p shown in FIG. 15C, the rib 152p is provided with an end portion 152p2 which protrudes in a convex shape upward only in the stacking direction Z from only one end of the central portion 152p1. The end 152p2 is located outside the separator 152 than the central portion 152p1.
  • the anode-side outer edge seal member 154A and the cathode-side outer edge seal member 154C have their respective side surfaces in contact with the end 152p2.
  • the anode side outer edge seal member 154A or the cathode side outer edge seal member 154C is laminated on the center portion 152p1 of the rib 152p, the height of the upper end of the anode side outer edge seal member 154A or the cathode side outer edge seal member 154C and the upper end of the end portion 152p2 The heights are equal.
  • the heat exchange portion 192 shown in FIG. 15A includes seal members (anode side outer edge seal member 114A and cathode side outer edge seal member 114C) different in position along the stacking direction Z. It is provided adjacently.
  • the seal member is effectively thermally controlled from the upper and lower sides in the stacking direction Z over a wide range (in the plane of the longitudinal direction Y and the transverse direction X).
  • the resulting temperature distribution can be sufficiently suppressed. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 102.
  • the heat exchange portion 193 shown in FIG. 15B is formed by bending the edge of the metal support cell assembly 131 in a convex shape and the edge of the separator 132 And a space between them and a gas (for example, a cathode gas CG).
  • the rib 131p is provided adjacent to the seal member (for example, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C).
  • the rib 131p can be formed not only on the separator 102 but also on the metal support cell assembly 131. Therefore, an embodiment for selecting the heat exchange portion 193 is arbitrarily selected. can do. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell can be activated rapidly while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 102 with high versatility.
  • the rib 142p constituting the heat exchange portion 194 shown in FIG. 15C has a central portion 142p1 on which the anode side outer edge seal member 144A or the cathode side outer edge seal member 144C is stacked, and a central portion 142p1.
  • a pair of end portions 142p2 protruding in the stacking direction Z upward from the both ends of the upper and lower sides are provided.
  • the shape can be sufficiently maintained by the pair of end portions 142p2 which are protruded in a convex shape.
  • the seal member can be heated via the bottom surface and both side surfaces of the seal member. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 142.
  • the rib 152p constituting the heat exchange portion 195 shown in FIG. 15D includes a central portion 152p1 on which the anode side outer edge seal member 154A or the cathode side outer edge seal member 154C is stacked, and a central portion 152p1.
  • An end portion 152p2 protruding in a convex shape upward in the stacking direction Z is provided from one end located outward of.
  • the cell structure of such a solid oxide fuel cell even if the heated sealing member is softened, the shape is sufficiently maintained by the convexly projecting end portion 152p2 and it moves outward by the pressure of the gas. Can be prevented. Also, the seal member can be heated via the bottom surface and one side surface of the seal member. In particular, the side surface of the seal member can be prevented from being exposed to the outer low temperature area. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 152.
  • the anode gas AG is branched from the anode side inlet 202 a of the separator 202 to form a heat exchange portion 196.
  • the heat exchange portion of the solid oxide fuel cell stack 100 according to the first embodiment.
  • the heat exchange unit is configured to branch the cathode gas CG.
  • FIG. 16 shows an anode side inlet 202a in a state where the metal support cell assembly 101, the separator 202, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C according to the solid oxide fuel cell stack of the second embodiment are stacked. It is a top view which shows the circumference of.
  • FIG. 17 is a perspective view showing the branched portion of the anode gas AG in FIG.
  • FIG. 18 is a side view showing the branched portion of the anode gas AG in FIG. 16 in cross section.
  • the heat exchange unit 196 uses the second exhaust gas after the heated anode gas AG supplied to the anode 101T has reacted at the anode 101T.
  • the heat exchange unit 196 may branch and use the heated oxidant gas (cathode gas CG) supplied to the cathode 101U.
  • the separator 202 constituting the heat exchange portion 196 is provided with an annular rib 202p at the outer edge, as shown in FIG. 16 to FIG.
  • the ribs 202 p are formed to surround four sides of the outer edge of the separator 202.
  • the rib 202p has a central portion 202p1 on which the anode-side outer peripheral seal member 104A or the cathode-side outer peripheral seal member 104C is laminated, and a pair of end portions 202p2 projecting upward from both ends of the central portion 202p1 in the laminating direction Z. Is provided.
  • the rib 202 p is formed by partially bending the separator 202 upward in the stacking direction Z, and includes a space below.
  • the separator 202 alternately laminates the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C on the center portions 202p1 of the respective ribs 202p when the separators 202 are stacked with the metal support cell assembly 101 separated.
  • the anode side outer edge seal member 104A or the cathode side outer edge seal member 104C is stacked on the central portion 202p1 of the rib 202p, the height of the upper end of the anode side outer edge seal member 104A or the cathode side outer edge seal member 104C and the pair of end portions 202p2 The heights of the tops of are equal.
  • the separator 202 opens a circular vent hole 202r on the inner side surface of the convex rib 202p.
  • a plurality of vent holes 202 r are provided along the lateral direction X and the longitudinal direction Y of the separator 202 with respect to the inner side surface of the rib 202 p opposed to the rectangular anode side inlet 202 a.
  • the vent hole 202r is a branch path 202V of the anode gas AG that has exited from the anode side inlet 202a.
  • a space formed between the rib 202 p and the metal support cell assembly 101 becomes an annular passage 202 W of the anode gas AG which circulates the outer edge of the separator 202.
  • the heat exchange unit 196 branches and uses the heated fuel gas (anode gas AG) supplied to the anode 101T.
  • the sealing member can be heated using the anode gas AG as well as the cathode gas CG. Also, there is no need to provide new parts. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell can be activated rapidly while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 202 with high versatility.
  • the heat exchange unit 196 preferably uses the second exhaust gas after the heated anode gas AG supplied to the anode 101T has reacted at the anode 101T.
  • the seal member can be heated using the exhaust gas which is in a high temperature state after the chemical reaction and is exhausted to the outside. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 202 very efficiently.
  • the gas (cathode gas CG) is supplied from the independent inlet (second cathode side inlet 302x) of the separator 302.
  • the heat exchange portion 197 is different from the heat exchange portion of the solid oxide fuel cell stack according to the first and second embodiments in that the heat exchange portion 197 is configured.
  • the heat exchange unit is configured to branch the gas from the normal inlet that supplies the gas to the power generation cell 101M.
  • FIG. 19 shows the second cathode side flow in a state where the metal support cell assembly 101, the separator 302, the anode side outer edge seal member 104A and the cathode side outer edge seal member 104C according to the solid oxide fuel cell stack of the third embodiment are stacked. It is a top view which shows the circumference
  • FIG. 20 is a perspective view showing a branched portion of the cathode gas CG in FIG.
  • FIG. 21 is a side view showing the branched portion of the cathode gas CG in FIG. 19 in cross section.
  • the heat exchange unit 197 independently uses the heated cathode gas CG supplied to the cathode 101U or the heated anode gas AG supplied to the anode 101T.
  • the separator 302 constituting the heat exchange portion 197 is provided with an annular rib 302p at the outer edge as shown in FIGS.
  • the rib 302p has a configuration similar to that of the rib 202p shown in FIG. 16 to FIG.
  • the separator 302 opens a circular vent hole 302r in the rib 302p. Unlike the vent holes 202r opened on the inner side surface of the rib 202p shown in FIGS. 16-18, the vent holes 302r open on the outer side surface of the rib 302p. A plurality of vent holes 302 r are provided along the lateral direction X and the longitudinal direction Y of the separator 302 on the outer side surface of the rib 302 p.
  • the separator 302 is provided with an annular second rib 302s so as to surround the rib 302p from the outside.
  • the second rib 302s has the same configuration as the rib 102p shown in FIGS. 6 and 9 except for the size in the plane direction of the short direction X and the longitudinal direction Y.
  • the second rib 302s is larger than the rib 102p shown in FIGS. 6 and 9 with respect to the surface direction in the short direction X and the longitudinal direction Y.
  • a second cathode side inlet 302x that allows the cathode gas CG to independently flow is provided between the rib 302p and the second rib 302s.
  • the second cathode side inlet 302x is smaller than the cathode side inlet 302c.
  • the second cathode side inlet is provided to the outer manifold 111, the lower end plate 109, the lower current collector plate 107, the module end 105, and the metal support cell assembly 101 in addition to the separator 102.
  • the space formed between the rib 302p and the second rib 302s and the vent hole 302r become a branch path 302V of the cathode gas CG that has exited from the second cathode side inlet 302x.
  • a space formed between the rib 302 p and the metal support cell assembly 101 becomes an annular passage 302 W of the cathode gas CG circulating the outer edge of the separator 302.
  • the cathode gas CG which has left the second cathode side inlet 302x flows into the branch passage 302V and circulates in the annular passage 302W.
  • the anode gas AG is supplied from the fuel tank to the solid oxide fuel cell stack through the heat exchange device (heat exchange unit 197) and the reformer through the pump.
  • the cathode gas CG is supplied from the air through the humidifier through the blower to the solid oxide fuel cell stack.
  • the solid oxide fuel cell stack receives the supply of the cathode gas CG corresponding to the heating air (S22). At that time, it is determined whether the heat exchange is only performed rapidly when starting (S23), and if Yes, it is determined whether the solid oxide fuel cell stack is at least the minimum temperature (S24), and further, if it is Yes
  • the supply of heat exchange gas is stopped (S26), and power generation is started (S27). If the determination is No in S24, the process returns to the determination in S24 after a predetermined time has elapsed. On the other hand, when the determination is No in S23, the supply of the heat exchange gas is continued (S25), and the power generation is started (S27).
  • the heat exchange unit 197 independently separates at least one of the heated cathode gas CG supplied to the cathode 101U and the heated anode gas AG supplied to the anode 101T. Used.
  • the seal member can be heated without affecting the power generation in the power generation cell 101M. Also, so-called side flow of gas can be prevented. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 302 without considering the power generation efficiency.
  • the heat exchange unit 197 is preferably operated when at least the power generation cell 101M is heated at a predetermined speed or more.
  • the cell structure of such a solid oxide fuel cell by operating the heat exchange unit 197 only at the time of rapid startup, the use of a gas for heating the seal member when operating in a steady state is required. It can be suppressed. Therefore, the cell structure of the solid oxide fuel cell can be rapidly activated while protecting the seal member provided between the metal support cell assembly 101 and the separator 302 while suppressing the cost.
  • the cell structure of the solid oxide fuel cell has been described as having a heat exchange portion adjacent to the anode side outer edge seal member and the cathode side outer edge seal member, but it is adjacent to the anode side manifold seal member and the cathode side manifold seal member A heat exchange unit may be provided.
  • the heat exchange portion may be provided adjacent to both the outer edge seal member and the manifold seal member.
  • the heat exchange unit may be configured by appropriately combining the specifications of the heat exchange unit of the first to third embodiments.

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Abstract

【課題】発電セルアッセンブリーとセパレータとの間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる燃料電池のセル構造を提供する。 【解決手段】固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１、セパレータ１０２、シール部材（アノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）、および熱交換部１９１を有する。シール部材は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の縁とセパレータ１０２の縁との間に設け、発電セル１０１Ｍに供給されるガス（カソードガスＣＧおよびアノードガスＡＧ）をメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に留める。熱交換部１９１は、シール部材と隣接して設け、発電セル１０１Ｍに供給されるガス（カソードガスＣＧ）によってシール部材を温調する。

Description

燃料電池のセル構造および燃料電池システム
　本発明は、燃料電池のセル構造および燃料電池システム
に関する。
　従来から、固体酸化物形燃料電池スタック（ＳＯＦＣＧｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟んで構成した発電セルに対してガスを供給して発電している。このため、発電セルを備えた発電セルアッセンブリー（単セル）と、隣り合う発電セルアッセンブリーを隔てるセパレータとを、シール部材（シール部）を介して積層して構成している。固体酸化物形燃料電池スタックは、定常的に運転を行うために、数百度以上の高温にする必要がある（例えば、特許文献１を参照。）。
　特許文献１の構成では、固体酸化物形燃料電池スタックを定常的に運転させている場合、発電セルアッセンブリーとシール部材との間や、セパレータとシール部材との間における温度勾配は十分に小さく、シール部材に生じる温度分布は概ね均等になることから、シール部材が損傷する虞はない。
特開２０１４－５６８２４号公報
　特許文献１の構成では、固体酸化物形燃料電池スタックを急速に起動させた場合、高温のガスによって、発電セルアッセンブリーとシール部材との間や、セパレータとシール部材との間に急激な温度勾配が生じて、相対的に脆いシール部材が損傷してしまう虞がある。
　本発明の目的は、発電セルアッセンブリーとセパレータとの間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる燃料電池のセル構造および燃料電池システムを提供することである。
　上記目的を達成するための本発明の燃料電池のセル構造は、発電セルアッセンブリーと、セパレータと、シール部材と、熱交換部と、を有する。前記発電セルアッセンブリーは、電解質を燃料極と酸化剤極とで挟み供給されたガスによって発電する発電セルを備えた。前記セパレータは、隣り合う前記発電セルアッセンブリー同士を隔てる。前記シール部材は、前記発電セルアッセンブリーの縁と前記セパレータの縁との間に設けられ前記発電セルに供給される前記ガスを前記発電セルアッセンブリーと前記セパレータとの間に留める。前記熱交換部は、前記シール部材と隣接して設けられ前記発電セルに供給される前記ガスによって前記シール部材を温調する。
　上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、複数の発電セルアッセンブリーを積層して形成した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給系と、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給系と、前記燃料電池スタックの排気を排気する排気系と、これらの各系を制御する制御装置と、を備えている。燃料電池システムは、前記発電セルアッセンブリーはセルアッセンブリー内に配置されたシール部材を温調する熱交換部を備え、前記制御装置は前記熱交換部をシステム起動時に選択的に作動させる。
第１実施形態の固体酸化物形燃料電池スタックを示す斜視図である。 図１の固体酸化物形燃料電池スタックから上部エンドプレート、上部集電板、複数のセルモジュールを積層して構成したスタック、下部集電板、下部エンドプレートおよび外部マニホールドに分解した状態を示す斜視図である。 図２のセルモジュールを分解して示す斜視図である。 図３のユニットを分解して示す斜視図である。 図４のメタルサポートセルアッセンブリーを分解して示す斜視図である。 図４のメタルサポートセルアッセンブリーを断面で示す側面図である。 メタルサポートセルアッセンブリーとセパレータとアノード側外縁シール部材およびカソード側外縁シール部材を積層した状態で部分的に示す斜視図である。 図６の構成を積層した状態において断面で示す側面図である。 図６における発電エリアを断面で示す側面図である。 図６における熱交換部を断面で示す側面図である。 第１実施形態の固体酸化物形燃料電池スタックに係るメタルサポートセルアッセンブリーとセパレータとアノード側外縁シール部材およびカソード側外縁シール部材を積層した状態でカソード側流入口の周囲を示す上面図である。 図１０におけるカソードガスの分岐部分を示す斜視図である。 図１０におけるカソードガスの分岐部分を断面で示す側面図である。 第１実施形態の全体構成を示すブロック図である。 第１実施形態の熱交換機の動作を示すフローチャートである。 第１実施形態の変形例１の熱交換部を断面で示す側面図である。 第１実施形態の変形例２の熱交換部を断面で示す側面図である。 第１実施形態の変形例３の熱交換部を断面で示す側面図である。 第１実施形態の変形例４の熱交換部を断面で示す側面図である。 第２実施形態の固体酸化物形燃料電池スタックに係るメタルサポートセルアッセンブリーとセパレータとアノード側外縁シール部材およびカソード側外縁シール部材を積層した状態でアノード側流入口の周囲を示す上面図である。 図１６におけるアノードガスの分岐部分を示す斜視図である。 図１６におけるアノードガスの分岐部分を断面で示す側面図である。 第３実施形態の固体酸化物形燃料電池スタックに係るメタルサポートセルアッセンブリーとセパレータとアノード側外縁シール部材およびカソード側外縁シール部材を積層した状態で第２カソード側流入口の周囲を示す上面図である。 図１９におけるカソードガスの分岐部分を示す斜視図である。 図１９におけるカソードガスの分岐部分を断面で示す側面図である。 第３実施形態の構成を示すブロック図である。 第３実施形態の熱交換機の動作を示すフローチャートである。
　以下、添付した図面を参照しながら、本発明の第１～第３実施形態を説明する。図面において、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面において、各部材の大きさや比率は、第１および第２実施形態の理解を容易にするために誇張し、実際の大きさや比率とは異なる場合がある。
　各図において、Ｘ、Ｙ、およびＺで表す矢印を用いて、固体酸化物形燃料電池スタックを構成する部材の方位を示している。Ｘによって表す矢印の方向は、固体酸化物形燃料電池スタックの短手方向Ｘを示している。Ｙによって表す矢印の方向は、固体酸化物形燃料電池スタックの長手方向Ｙを示している。Ｚによって表す矢印の方向は、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向Ｚを示している。
　（第１実施形態）
　（固体酸化物形燃料電池スタック１００の構成）
　図１は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック１００を示す斜視図である。図２は、図１の固体酸化物形燃料電池スタック１００から上部エンドプレート１１０、上部集電板１０８、複数のセルモジュール１００Ｑを積層して構成したスタック１００Ｐ、下部集電板１０７、下部エンドプレート１０９および外部マニホールド１１１に分解した状態を示す斜視図である。図３は、図２のセルモジュール１００Ｑを分解して示す斜視図である。図４は、図３のユニット１００Ｒを分解して示す斜視図である。
　図５Ａは、図４のメタルサポートセルアッセンブリー１０１を分解して示す斜視図である。図５Ｂは、図４のメタルサポートセルアッセンブリー１０１を断面で示す側面図である。図６は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２とアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃを積層した状態で部分的に示す斜視図である。図８は、図６における発電エリアを断面で示す側面図である。図９は、図６における熱交換部を断面で示す側面図である。
　図１０は、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック１００に係るメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２とアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃを積層した状態でカソード側流入口１０２ｃの周囲を示す上面図である。図１１は、図１０におけるカソードガスＣＧの分岐部分を示す斜視図である。図１２は、図１０におけるカソードガスＣＧの分岐部分を断面で示す側面図である。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００は、図１において、各々の構成部材を締結して一体にする締結部材（ボルト）、および各々の構成部材を被覆して保護する保護部材（カバー）の図示を省略している。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００は、図１および図２に示すように、下部集電板１０７および上部集電板１０８によって挟み込んだスタック１００Ｐを、下部エンドプレート１０９および上部エンドプレート１１０によって挟み込んで保持して、その下端に外部からガスを供給する外部マニホールド１１１を配置して構成している。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００は、図２に示すように、複数のセルモジュール１００Ｑを積層して構成したスタック１００Ｐを、ユニット１００Ｒで発電された電力を外部に出力する下部集電板１０７と上部集電板１０８によって挟み込んで集電可能としている。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００は、図４に示すユニット１００Ｒを積層して、図３に示すように上端と下端に位置する封止部１０４を介してエンドプレートに相当するモジュールエンド１０５を配置して、図３に示すセルモジュール１００Ｑを構成している。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００は、図４に示すユニット１００Ｒにガスを供給して発電を行う。図４に示すユニット１００Ｒは、供給されたガスによって発電する発電セル１０１Ｍを設けたメタルサポートセルアッセンブリー１０１、隣り合う発電セル１０１Ｍを隔てるセパレータ１０２、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２との間にガスを通す空間を形成しつつ電気的接触を維持する集電補助層１０３、およびメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との隙間を部分的に封止してガスの流れを制限する封止部１０４を含んでいる。
　以下、固体酸化物形燃料電池スタック１００を構成毎に説明する。
　メタルサポートセルアッセンブリー１０１は、図４～図１２に示すように、外部から供給されたガスによって発電するものである。
　メタルサポートセルアッセンブリー１０１は、図４、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、電解質１０１Ｓをアノード１０１Ｔとカソード１０１Ｕとで挟んでなり供給されたアノードガスＡＧおよびカソードガスＣＧによって発電する発電セル１０１Ｍと、発電セル１０１Ｍを囲って保持するセルフレーム１０１Ｗと、を含む。
　メタルサポートセルアッセンブリー１０１において、発電セル１０１Ｍは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、電解質１０１Ｓをアノード１０１Ｔとカソード１０１Ｕで挟み込んで構成している。メタルサポートセル１０１Ｎは、発電セル１０１Ｍと、発電セル１０１Ｍを一方から支持するサポートメタル１０１Ｖによって構成している。メタルサポートセルアッセンブリー１０１は、メタルサポートセル１０１Ｎと、メタルサポートセル１０１Ｎを周囲から保持するセルフレーム１０１Ｗによって構成している。
　アノード１０１Ｔは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、燃料極であって、アノードガスＡＧ（例えば水素）と酸化物イオンを反応させて、アノードガスＡＧの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード１０１Ｔは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスＡＧを透過させ、電気伝導度が高く、アノードガスＡＧを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード１０１Ｔは、電解質１０１Ｓよりも大きい長方体形状から形成されている。アノード１０１Ｔは、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させた合金からなる。アノード１０１Ｔは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、薄板状であって長方形状からなる。
　電解質１０１Ｓは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、カソード１０１Ｕからアノード１０１Ｔに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質１０１Ｓは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質１０１Ｓは、長方体形状から形成されている。電解質１０１Ｓは、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリア、ガドリア、スカンジア等を固溶した安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスからなる。電解質１０１Ｓは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、薄板状であって、アノード１０１Ｔよりも若干大きい長方形状からなる。電解質１０１Ｓの外縁は、図１０に示すように、アノード１０１Ｔの側に向かって屈折して、アノード１０１Ｔの積層方向Ｚに沿った側面に接触している。電解質１０１Ｓの外縁の先端は、サポートメタル１０１Ｖに接触している。
　カソード１０１Ｕは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、酸化剤極であって、カソードガスＣＧ（例えば空気に含まれる酸素）と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード１０１Ｕは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスＣＧを透過させ、電気伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード１０１Ｕは、電解質１０１Ｓよりも小さい長方体形状から形成されている。カソード１０１Ｕは、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等の酸化物からなる。カソード１０１Ｕは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、アノード１０１Ｔと同様に、薄板状であって長方形状からなる。カソード１０１Ｕは、電解質１０１Ｓを介して、アノード１０１Ｔと対向している。電解質１０１Ｓの外縁がアノード１０１Ｔ側に屈折していることから、カソード１０１Ｕの外縁は、アノード１０１Ｔの外縁と接触することがない。
　サポートメタル１０１Ｖは、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、発電セル１０１Ｍをアノード１０１Ｔの側から支持するものである。サポートメタル１０１Ｖは、ガス透過性を有し、電気伝導度が高く、十分な強度を有する。サポートメタル１０１Ｖは、電解質１０１Ｓよりも大きい長方体形状から形成されている。サポートメタル１０１Ｖは、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼からなる。
　セルフレーム１０１Ｗは、図４、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、メタルサポートセル１０１Ｎを周囲から保持するものである。セルフレーム１０１Ｗは、長方形状から形成している。セルフレーム１０１Ｗは、発電セル１０１Ｍを取り付ける開口部１０１ｅを中央に設けている。セルフレーム１０１Ｗの開口部１０１ｅは、長方形状の貫通口からなり、サポートメタル１０１Ｖの外形よりも小さい。セルフレーム１０１Ｗは、金属からなり、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、セルフレーム１０１Ｗに酸化アルミニウムを固着させて構成する。セルフレーム１０１Ｗの開口部１０１ｅの内縁に、サポートメタル１０１Ｖの外縁を接合することによって、セルフレーム１０１Ｗにメタルサポートセル１０１Ｎを取り付ける。
　セルフレーム１０１Ｗは、図４、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、開口部１０１ｅを隔てた対角線上に、アノードガスＡＧを流路部１０２Ｌに流入させるアノード側流入口１０１ａと、アノードガスＡＧを流路部１０２Ｌから流出させるアノード側流出口１０１ｂを設けている。同様に、セルフレーム１０１Ｗは、開口部１０１ｅを隔てた対角線上に、カソードガスＣＧを流路部１０２Ｌに流入させるカソード側流入口１０１ｃと、カソードガスＣＧを流路部１０２Ｌから流出させるカソード側流出口１０１ｄを設けている。アノード側流入口１０１ａとカソード側流入口１０１ｃは、セルフレーム１０１Ｗの短手方向Ｘに沿って対向している。同様に、アノード側流出口１０１ｂとカソード側流出口１０１ｄは、セルフレーム１０１Ｗの短手方向Ｘに沿って対向している。アノード側流入口１０１ａおよびカソード側流入口１０１ｃは、カソード側流出口１０１ｄおよびアノード側流出口１０１ｂと、開口部１０１ｅを隔てて長手方向Ｙに沿って対向している。アノード側流入口１０１ａ、アノード側流出口１０１ｂ、カソード側流入口１０１ｃおよびカソード側流出口１０１ｄは、それぞれ矩形状の開口からなるマニホールドである。
　セパレータ１０２は、図４～図１２に示すように、積層するメタルサポートセルアッセンブリー１０１の発電セル１０１Ｍとの間に設け、隣り合う発電セル１０１Ｍを隔てるものである。
　セパレータ１０２は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と対向して配置している。セパレータ１０２は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と同様の外形形状からなる。セパレータ１０２は、金属からなり、発電セル１０１Ｍと対向する領域（流路部１０２Ｌ）を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、セパレータ１０２に酸化アルミニウムを固着させて構成する。セパレータ１０２は、流路部１０２Ｌを発電セル１０１Ｍと対向するように設けている。
　セパレータ１０２において、流路部１０２Ｌは、図６および図８に示すように、ガスの流れの方向（長手方向Ｙ）に沿って延ばした流路を、ガスの流れの方向（長手方向Ｙ）と直交する方向（短手方向Ｘ）に並べることによって形成している。流路部１０２Ｌは、図８に示すように、長手方向Ｙおよび短手方向Ｘの面内において平坦な平坦部１０２ｈから下方に突出するように、凸状のアノード側突起１０２ｉを一定の間隔で設けている。アノード側突起１０２ｉは、ガスの流れの方向（長手方向Ｙ）に沿って延びている。アノード側突起１０２ｉは、セパレータ１０２の下端から下方に向かって突出している。流路部１０２Ｌは、図８に示すように、平坦部１０２ｈから上方に突出するように、凸状のカソード側突起１０２ｊを一定の間隔で設けている。カソード側突起１０２ｊは、ガスの流れの方向（長手方向Ｙ）に沿って延びている。カソード側突起１０２ｊは、セパレータ１０２の上端から上方に向かって突出している。流路部１０２Ｌは、アノード側突起１０２ｉと凸状のカソード側突起１０２ｊを、平坦部１０２ｈを隔てて、短手方向Ｘに沿って交互に設けている。
　セパレータ１０２は、図８に示すように、流路部１０２Ｌと、その下方に位置する発電セル１０１Ｍとの隙間を、アノードガスＡＧの流路として構成している。セパレータ１０２は、図８に示すように、流路部１０２Ｌと、その上方に位置する発電セル１０１Ｍとの隙間を、カソードガスＣＧの流路として構成している。
　セパレータ１０２は、図４に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側流入口１０２ａおよびアノード側流出口１０２ｂを、流路部１０２Ｌを隔てた対角線上に設けている。セパレータ１０２は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１と積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側流入口１０２ｃおよびカソード側流出口１０２ｄを、流路部１０２Ｌを隔てた対角線上に設けている。
　セパレータ１０２は、図６および図９～図１２に示すように、環状のリブ１０２ｐを設けている。リブ１０２ｐは、図６に示すように、セパレータ１０２の外縁の４辺を囲うように形成している。リブ１０２ｐは、図９に示すように、セパレータ１０２の外縁を積層方向Ｚの上方に向かって凸状に屈折させて形成し、下方に空間を備えている。メタルサポートセルアッセンブリー１０１を隔てて積層するセパレータ１０２は、図９に示すように、各々のリブ１０２ｐの上端に、後述するアノード側外縁シール部材１０４Ａと、カソード側外縁シール部材１０４Ｃを交互に積層している。
　セパレータ１０２は、図１０～図１２に示すように、カソード側流入口１０２ｃから外縁に向かって直線状に延ばした分岐リブ１０２ｑを、リブ１０２ｐに連結している。分岐リブ１０２ｑは、矩形状のカソード側流入口１０２ｃとリブ１０２ｐを連結するように、セパレータ１０２の短手方向Ｘおよび長手方向Ｙに沿って複数設けている。リブ１０２ｐおよび分岐リブ１０２ｑは、セパレータ１０２を積層方向Ｚの上方に向かって部分的に屈折させて形成し、下方に空間を備えている。
　セパレータ１０２において、図１０～図１２に示すように、分岐リブ１０２ｑとメタルサポートセルアッセンブリー１０１の間に形成された空間は、カソード側流入口１０２ｃから出たカソードガスＣＧの分岐路１０２Ｖとなる。リブ１０２ｐとメタルサポートセルアッセンブリー１０１の間に形成された空間は、セパレータ１０２の外縁を循環させるカソードガスＣＧの環状路１０２Ｗとなる。
　セパレータ１０２において、カソード側流入口１０２ｃから出たカソードガスＣＧの大部分は、カソード側の流路部１０２Ｌに流入する。カソード側流入口１０２ｃから出たカソードガスＣＧの一部は、図１０～図１２に示すように、分岐路１０２Ｖに流入して、環状路１０２Ｗを循環する。
　集電補助層１０３は、図４に示すように、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２との間にガスを通す空間を形成しつつ電気的接触を維持して、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２との電気的な接触を補助するものである。
　集電補助層１０３は、いわゆる、エキスパンドメタルである。集電補助層１０３は、発電セル１０１Ｍとセパレータ１０２の流路部１０２Ｌとの間に配置している。集電補助層１０３は、発電セル１０１Ｍと同様の外形形状からなる。集電補助層１０３は、菱形等の開口を格子状に設けた金網状からなる。
　封止部１０４は、図４に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との隙間を部分的に封止してガスの流れを制限するものである。
　特に、シール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の縁とセパレータ１０２の縁との間に設け、発電セル１０１Ｍに供給されるガス（カソードガスＣＧおよびアノードガスＡＧ）をメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に留めるものである。
　封止部１０４は、図４に示すように、セパレータ１０２の下面（図４のセパレータ１０２の下側であって、アノード側に臨む面）に、セパレータ１０２の外縁を環状に封止するアノード側外縁シール部材１０４Ａと、アノード側外縁シール部材１０４Ａよりも内側においてカソード側流入口１０２ｃおよびカソード側流出口１０２ｄを避けてセパレータ１０２を環状に封止するアノード側マニホールドシール部材１０４Ｂを設けている。アノード側外縁シール部材１０４Ａと、アノード側マニホールドシール部材１０４Ｂの間に、カソード側流入口１０２ｃおよびカソード側流出口１０２ｄが位置する。
　封止部１０４は、図４に示すように、セパレータ１０２の上面（図４のセパレータ１０２の上側であって、カソード側に臨む面）に、セパレータ１０２の外縁を環状に封止するカソード側外縁シール部材１０４Ｃと、アノード側流入口１０２ａおよびアノード側流出口１０２ｂを環状に封止する一対のカソード側マニホールドシール部材１０４Ｄを設けている。封止部１０４を構成するシール部材は、スペーサーとシールの機能を備え、いわゆるガスケットである。封止部１０４を構成するシール部材は、例えば、耐熱性およびシール性を有するガラスからなる。
　封止部１０４は、アノード側外縁シール部材１０４Ａおよびアノード側マニホールドシール部材１０４Ｂを用いて、アノードガスＡＧの流れを制限する。すなわち、封止部１０４は、図４に示すように、アノードガスＡＧを、発電セル１０１Ｍのカソード１０１Ｕや外部に漏洩させることなく、発電セル１０１Ｍのアノード１０１Ｔに流入させる。アノードガスＡＧは、外部マニホールド１１１、下部エンドプレート１０９、下部集電板１０７、モジュールエンド１０５、セパレータ１０２、およびメタルサポートセルアッセンブリー１０１の各々のアノード側の流入口を通過して、複数の発電セル１０１Ｍのアノード１０１Ｔに供給される。すなわち、アノードガスＡＧは、外部マニホールド１１１から終端の上部集電板１０８に至るまで、交互に積層されたセパレータ１０２とメタルサポートセルアッセンブリー１０１との隙間に設けられたアノード側の流路に分配して供給される。その後、アノードガスＡＧは、発電セル１０１Ｍで反応し、上記の各構成部材の各々のアノード側の流出口を通過して排ガスの状態で排出される。
　封止部１０４は、カソード側外縁シール部材１０４Ｃおよび一対のカソード側マニホールドシール部材１０４Ｄを用いて、カソードガスＣＧの流れを制限する。すなわち、封止部１０４は、図４に示すように、カソードガスＣＧを、発電セル１０１Ｍのアノード１０１Ｔや外部に漏洩させることなく、発電セル１０１Ｍのカソード１０１Ｕに流入させる。カソードガスＣＧは、外部マニホールド１１１、下部エンドプレート１０９、下部集電板１０７、モジュールエンド１０５、セパレータ１０２、およびメタルサポートセルアッセンブリー１０１の各々のカソード側の流入口を通過して、複数の発電セル１０１Ｍのカソード１０１Ｕに供給される。すなわち、カソードガスＣＧは、外部マニホールド１１１から終端の上部集電板１０８に至るまで、交互に積層されたセパレータ１０２とメタルサポートセルアッセンブリー１０１との隙間に設けられたカソード側の流路に分配して供給される。その後、カソードガスＣＧは、発電セル１０１Ｍで反応し、上記の各構成部材の各々のカソード側の流出口を通過して排ガスの状態で排出される。
　封止部１０４は、図４に示すように、２重シールの構造を備えている。すなわち、図４に示すように、アノード側マニホールドシール部材１０４Ｂによって囲われた領域にアノードガスＡＧを流通させつつ、アノード側マニホールドシール部材１０４Ｂとアノード側外縁シール部材１０４Ａの間の領域にカソードガスＣＧを流通させている。また、図４に示すように、一対のカソード側マニホールドシール部材１０４Ｄによって囲われた領域にそれぞれアノードガスＡＧを流通させつつ、一対のカソード側マニホールドシール部材１０４Ｄとカソード側外縁シール部材１０４Ｃの間の領域にカソードガスＣＧを流通させている。このように、アノード側およびカソード側ともに、アノードガスＡＧが存在する領域を囲むようにして、カソードガスＣＧが存在する領域を設けている。
　モジュールエンド１０５は、図３に示すように、複数積層したユニット１００Ｒの上端および下端を保持するエンドプレートである。
　モジュールエンド１０５は、複数積層したユニット１００Ｒの上端および下端に配置している。モジュールエンド１０５は、ユニット１００Ｒと同様の外形形状からなる。モジュールエンド１０５は、ガスを透過させない導電性材料からなり、発電セル１０１Ｍと対向する領域を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、モジュールエンド１０５に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
　モジュールエンド１０５は、ユニット１００Ｒと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側流入口１０５ａおよびアノード側流出口１０５ｂを対角線上に設けている。モジュールエンド１０５は、ユニット１００Ｒと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側流入口１０５ｃおよびカソード側流出口１０５ｄを対角線上に設けている。
　マニホールドシール部材１０６は、図４に示すように、積層部材の間において、いわゆるマニホールド穴の外縁を封止してガスの漏洩を防止するものある。
　マニホールドシール部材１０６は、アノード側マニホールドシール部材１０４Ｂおよびカソード側マニホールドシール部材１０４Ｄと同様の構成からなる。マニホールドシール部材１０６は、上部集電板１０８と最上部のセルモジュール１００Ｑとの間、積層方向Ｚに沿って隣り合うセルモジュール１００Ｑの間、最下部のセルモジュール１００Ｑと下部集電板１０７との間、下部集電板１０７と下部エンドプレート１０９との間、下部エンドプレート１０９と外部マニホールド１１１との間において、ガスの流入口と流出口の外縁を環状に封止するように配置している。マニホールドシール部材１０６は、例えば、耐熱性およびシール性を有するガラスからなる。
　下部集電板１０７は、図１および図２に示し、ユニット１００Ｒで発電された電力を外部に出力するものである。
　下部集電板１０７は、スタック１００Ｐの下端に配置している。下部集電板１０７は、ユニット１００Ｒと同様の外形形状からなる。下部集電板１０７は、外部の通電部材と接続される端子１０７ｆを設けている。端子１０７ｆは、下部集電板１０７の外縁を部分的に長手方向Ｙに突出させて形成している。下部集電板１０７は、ガスを透過させない導電性材料からなり、ユニット１００Ｒの発電セル１０１Ｍと対向する領域および端子１０７ｆの部分を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、下部集電板１０７に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
　下部集電板１０７は、ユニット１００Ｒと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側流入口１０７ａおよびアノード側流出口１０７ｂを対角線上に設けている。下部集電板１０７は、ユニット１００Ｒと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側流入口１０７ｃおよびカソード側流出口１０７ｄを対角線上に設けている。
　上部集電板１０８は、図１および図２に示し、ユニット１００Ｒで発電された電力を外部に出力するものである。
　上部集電板１０８は、スタック１００Ｐの上端に配置している。上部集電板１０８は、下部集電板１０７と同様の外形形状からなる。上部集電板１０８は、外部の通電部材と接続される端子１０８ｆを設けている。端子１０８ｆは、上部集電板１０８の外縁を部分的に長手方向Ｙに突出させて形成している。上部集電板１０８は、下部集電板１０７と異なり、ガスの流入口および排出口を設けていない。上部集電板１０８は、ガスを透過させない導電性材料からなり、ユニット１００Ｒの発電セル１０１Ｍと対向する領域および端子１０８ｆの部分を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、上部集電板１０８に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
　下部エンドプレート１０９は、図１および図２に示すように、下部集電板１０７および上部集電板１０８によって挟み込まれたスタック１００Ｐを下方から保持するものである。
　下部エンドプレート１０９は、下部集電板１０７の下方に配置している。下部エンドプレート１０９は、ユニット１００Ｒと同様の外形形状からなる。下部エンドプレート１０９は、ユニット１００Ｒよりも十分に厚く形成している。下部エンドプレート１０９は、例えば、金属からなり、下部集電板１０７と接触する上面を、絶縁材によって絶縁している。絶縁材は、例えば、下部エンドプレート１０９に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
　下部エンドプレート１０９は、ユニット１００Ｒと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側流入口１０９ａおよびアノード側流出口１０９ｂを対角線上に設けている。下部エンドプレート１０９は、ユニット１００Ｒと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスＣＧを通過させるカソード側流入口１０９ｃおよびカソード側流出口１０９ｄを対角線上に設けている。
　上部エンドプレート１１０は、図１および図２に示すように、下部集電板１０７および上部集電板１０８によって挟み込まれたスタック１００Ｐを上方から保持するものである。
　上部エンドプレート１１０は、上部集電板１０８の上方に配置している。上部エンドプレート１１０は、下部エンドプレート１０９と同様の外形形状からなる。上部エンドプレート１１０は、下部エンドプレート１０９と異なり、ガスの流入口および排出口を設けていない。上部エンドプレート１１０は、例えば、金属からなり、上部集電板１０８と接触する下面を、絶縁材によって絶縁している。絶縁材は、例えば、上部エンドプレート１１０に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
　外部マニホールド１１１は、図１および図２に示し、外部から複数のユニット１００Ｒにガスを供給するものである。
　外部マニホールド１１１は、下部エンドプレート１０９の下方に配置している。外部マニホールド１１１は、ユニット１００Ｒと同様の外形形状からなる。外部マニホールド１１１は、下部エンドプレート１０９よりも十分に厚く形成している。外部マニホールド１１１は、例えば、金属からなる。
　外部マニホールド１１１は、ユニット１００Ｒと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスＡＧを通過させるアノード側流入口１１１ａおよびアノード側流出口１１１ｂを対角線上に設けている。外部マニホールド１１１は、ユニット１００Ｒと積層方向Ｚに沿って相対的な位置が合うように、カソード側流入口１１１ｃおよびカソード側流出口１１１ｄを対角線上に設けている。
　熱交換部１９１は、図１０～図１２に示すように、シール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）と隣接して設け、発電セル１０１Ｍの負荷変動に応じて供給されるガス（例えばカソードガスＣＧ）によってシール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）を温調するものである。
　熱交換部１９１は、図１０～図１２に示すように、カソード１０１Ｕに供給される加熱された酸化剤ガス（カソードガスＣＧ）を分岐して用いている。熱交換部１９１は、アノード１０１Ｔに供給される加熱された燃料ガス（アノードガスＡＧ）を分岐して用いてもよい。
　熱交換部１９１は、前述したセパレータ１０２とメタルサポートセルアッセンブリー１０１によって構成している。熱交換部１９１は、積層方向Ｚに沿って位置を合わせたシール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）と隣接して設けている。熱交換部１９１は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の縁と、セパレータ１０２の縁を凸状に屈折させて形成した第１リブ（リブ１０２ｐ）と、の間の空間にガス（例えばカソードガスＣＧ）を供給させることによって構成している。すなわち、セパレータ１０２において、カソード側流入口１０２ｃから出たカソードガスＣＧの一部は、図１０～図１２に示すように、分岐路１０２Ｖに流入して、環状路１０２Ｗを循環する。
　ここで、図１３のブロック図に示すように、アノードガスＡＧは、燃料タンクからポンプを介して熱交換機器（熱交換部１９１）と改質器を通り、固体酸化物形燃料電池スタックに供給される。カソードガスＣＧは、空気中からブロアを介して加湿器を通り、固体酸化物形燃料電池スタックに供給される。図１３に示す構成によって、固体酸化物形燃料電池スタック１００の燃料電池システムを構成している。すなわち、燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池スタック１００と、固体酸化物形燃料電池スタック１００に燃料を供給する燃料供給系と、固体酸化物形燃料電池スタック１００に空気を供給する空気供給系と、固体酸化物形燃料電池スタック１００の排気を排気する排気系と、これらの各系を制御する制御装置と、を備えている。特に、燃料電池システムは、発電セルアッセンブリー（メタルサポートセルアッセンブリー１０１）はセルアッセンブリー内に配置されたシール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）を温調する熱交換部１９１を備えている。制御装置は、熱交換部１９１をシステム起動時に選択的に作動させる。
　また、図１４のフローチャートに示すように、固体酸化物形燃料電池スタック１００は、起動させると（Ｓ１１）、加熱空気に相当するカソードガスＣＧの供給を受ける（Ｓ１２）。さらに、固体酸化物形燃料電池スタック１００は、スタック１００Ｓが最低温度以上かを判定し（Ｓ１３）、Ｙｅｓの場合は熱交換ガスの供給を停止して（Ｓ１４）、発電を開始する（Ｓ１５）。一方、固体酸化物形燃料電池スタック１００は、Ｓ１３において、Ｎｏの判定となった場合は、所定時間が経過した後にＳ１３の判定に戻る。
　以上説明した第１実施形態の作用効果を説明する。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、発電セルアッセンブリー（メタルサポートセルアッセンブリー１０１）と、セパレータ１０２と、シール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）と、熱交換部１９１と、を有している。メタルサポートセルアッセンブリー１０１は、電解質１０１Ｓを燃料極（アノード１０１Ｔ）と酸化剤極（カソード１０１Ｕ）とで挟み供給されたガス（カソードガスＣＧおよびアノードガスＡＧ）によって発電する発電セル１０１Ｍを備えている。セパレータ１０２は、隣り合うメタルサポートセルアッセンブリー１０１同士を隔てている。熱交換部１９１は、シール部材と隣接して設けられ発電セル１０１Ｍに供給されるガス（例えばカソードガスＣＧ）によってシール部材を温調する。
　燃料電池システムは、複数の発電セルアッセンブリーを積層して形成した固体酸化物形燃料電池スタック１００と、固体酸化物形燃料電池スタック１００に燃料を供給する燃料供給系と、固体酸化物形燃料電池スタック１００に空気を供給する空気供給系と、固体酸化物形燃料電池スタック１００の排気を排気する排気系と、これらの各系を制御する制御装置と、を備えている。燃料電池システムは、発電セルアッセンブリー（メタルサポートセルアッセンブリー１０１）はセルアッセンブリー内に配置されたシール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）を温調する熱交換部１９１を備え、制御装置は熱交換部１９１をシステム起動時に選択的に作動させる。
　かかる固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造によれば、発電セル１０１Ｍに供給されるガスによってシール部材を温調する。すなわち、固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、急速に起動させるためにガスを高温で流すことによって生じる、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とシール部材との間の急激な温度勾配や、セパレータ１０２とシール部材との間の急激な温度勾配を、十分に緩和することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　特に、固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、発電セル１０１Ｍの負荷変動に応じて供給されるガス（例えばカソードガスＣＧ）によって、シール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）を温調する場合、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に設けたシール部材を十分に保護しつつ急速に起動させることができる。
　具体的には、固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、シール部材を、ガラスやろう付けによって構成している場合、熱応力を緩和して剥離を防止できる。また、シール部材を、圧縮シールによって構成している場合、熱応力を緩和して浮き上がりを防止できる。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造において、熱交換部１９１は、積層方向Ｚに沿って位置を合わせたシール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）と隣接して設けることが好ましい。
　かかる固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造によれば、シール部材を積層方向Ｚの上下から効果的に温調することによって、シール部材に生じる温度分布を十分に抑制することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造において、熱交換部１９１は、シール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）の積層方向Ｚと交差する方向（長手方向Ｙおよび短手方向Ｘ）に沿った第１面（底面）および積層方向Ｚに沿った第２面（側面）のうち、相対的に接触面積が大きい第１面（底面）または第２面（側面）に隣接して設けることが好ましい。
　かかる固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造によれば、シール部材に対する熱の伝導面積（底面）を大きくするとともに、シール部材に対する熱の伝導距離（側面の高さ）を短くすることができる。すなわち、シール部材に生じる温度分布を抑制して、効果的に温調することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造において、熱交換部１９１は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１の縁と、セパレータ１０２の縁を凸状に屈折させて形成した第１リブ（リブ１０２ｐ）と、の間の空間にガス（例えばカソードガスＣＧ）を供給させることによって構成することが好ましい。リブ１０２ｐは、シール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）と隣接して設けている。
　かかる固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造によれば、セパレータ１０２を成形するときに、例えば、形状が互いに類似した流路部１０２Ｌと共にリブ１０２ｐを加工することによって、熱交換部１９１を廉価に構成することができる。また、そもそも加工の工数が比較的多いセパレータ１０２を成形するときに、リブ１０２ｐの加工を行うことで、セパレータ１０２の成形に占めるリブ１０２ｐの加工の影響を抑制して、熱交換部１９１の廉価に構成することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、廉価な構成によって、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造において、リブ１０２ｐは、シール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）を積層し、シール部材を積層する面の面積が、シール部材との接触面積よりも大きいことが好ましい。
　かかる固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造によれば、リブ１０２ｐを介してシール部材を十分に加熱することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、簡便な構成によって、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造において、熱交換部１９１は、カソード１０１Ｕに供給される加熱された酸化剤ガス（カソードガスＣＧ）、またはアノード１０１Ｔに供給される加熱された燃料ガス（アノードガスＡＧ）の少なくともいずれか一方を分岐して用いることが好ましい。実施形態では、熱交換部１９１は、カソードガスＣＧを分岐して用いている。
　かかる固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造によれば、化学的に安定し廉価なカソードガスＣＧを用いて、シール部材を加熱することができる。また、新たな部品を設ける必要が無い。したがって、固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、安全性やコストを十分に考慮して、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造において、熱交換部１９１は、ガスが発電セル１０１Ｍにおいて反応した後の排ガスを用いることが好ましい。
　かかる固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造によれば、化学反応後の高温の状態であって、かつ、外部に排気されることになる排ガスを用いて、シール部材を加熱することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池スタック１００のセル構造は、非常に効率的に、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　（第１実施形態の変形例１～４）
　第１実施形態の変形例１～４の固体酸化物形燃料電池スタックは、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック１００の熱交換部１９１を、図１５Ａ～図１５Ｄに示すように、他の様々な構成（熱交換部１９２～熱交換部１９５）によって具現化している。
　図１５Ａ～図１５Ｄは、第１実施形態の変形例１～４の熱交換部１９２～熱交換部１９５を断面で示す側面図である。
　変形例１の熱交換部１９２を図１５Ａに示す。
　図１５Ａに示すように、メタルサポートセルアッセンブリー１０１を隔てて、一対のセパレータ１１２とセパレータ１２２を、交互に積層している。一対のセパレータ１１２とセパレータ１２２は、セパレータ１０２と同様に、外縁に環状のリブ１１２ｐおよびリブ１２２ｐを設けている。一のセパレータ１１２の環状のリブ１１２ｐは、セパレータ１０２のリブ１０２ｐよりも短手方向Ｘと長手方向Ｙの面方向において小さい。他のセパレータ１２２の環状のリブ１２２ｐは、セパレータ１０２のリブ１０２ｐよりも短手方向Ｘと長手方向Ｙの面方向において大きい。一のセパレータ１１２のリブ１１２ｐは、他のセパレータ１２２のリブ１２２ｐよりも短手方向Ｘと長手方向Ｙの面方向において内側に位置する。セパレータ１１２のリブ１１２ｐは、カソード側外縁シール部材１１４Ｃを積層している。カソード側外縁シール部材１１４Ｃは、カソード側外縁シール部材１０４Ｃよりも短手方向Ｘと長手方向Ｙの面方向において小さい。セパレータ１２２のリブ１２２ｐは、アノード側外縁シール部材１１４Ａを積層している。アノード側外縁シール部材１１４Ａは、アノード側外縁シール部材１０４Ａよりも短手方向Ｘと長手方向Ｙの面方向において小大きい。
　変形例２の熱交換部１９３を図１５Ｂに示す。
　図１５Ｂに示すように、セパレータ１３２は、セパレータ１０２と異なり、外縁にリブを設けていない。一方、メタルサポートセルアッセンブリー１３１は、外縁に環状のリブ１３１ｐを設けている。リブ１３１ｐは、メタルサポートセルアッセンブリー１３１の外縁を積層方向Ｚの下方に向かって凸状に屈折させて形成している。セパレータ１３２を隔てて積層するメタルサポートセルアッセンブリー１３１は、リブ１３１ｐの下端に、アノード側外縁シール部材１０４Ａと、カソード側外縁シール部材１０４Ｃを交互に積層している。
　変形例３の熱交換部１９４を図１５Ｃに示す。
　図１５Ｃに示すように、セパレータ１４２は、セパレータ１０２と同様に、外縁に環状のリブ１４２ｐを設けている。リブ１４２ｐは、アノード側外縁シール部材１４４Ａまたはカソード側外縁シール部材１４４Ｃを積層する中央部１４２ｐ１と、中央部１４２ｐ１の両端から積層方向Ｚの上方に向かって凸状に突出させた一対の端部１４２ｐ２を設けている。アノード側外縁シール部材１４４Ａおよびカソード側外縁シール部材１４４Ｃは、各々の側面が一対の端部１４２ｐ２に接触している。アノード側外縁シール部材１４４Ａまたはカソード側外縁シール部材１４４Ｃをリブ１４２ｐの中央部１４２ｐ１に積層した場合、アノード側外縁シール部材１４４Ａまたはカソード側外縁シール部材１４４Ｃの上端の高さと、一対の端部１４２ｐ２の上端の高さが等しくなる。
　変形例４の熱交換部１９５を図１５Ｄに示す。
　図１５Ｄに示すように、セパレータ１５２は、セパレータ１０２と同様に、外縁にリブ１５２ｐを設けている。リブ１５２ｐは、図１５Ｃに示すリブ１４２ｐと同様に、アノード側外縁シール部材１５４Ａまたはカソード側外縁シール部材１５４Ｃを積層する中央部１５２ｐ１を設けている。リブ１５２ｐは、図１５Ｃに示すリブ１４２ｐと異なり、中央部１５２ｐ１の片端のみから積層方向Ｚの上方に向かって凸状に突出させた端部１５２ｐ２を設けている。端部１５２ｐ２は、中央部１５２ｐ１よりもセパレータ１５２の外側に位置する。アノード側外縁シール部材１５４Ａおよびカソード側外縁シール部材１５４Ｃは、各々の側面が端部１５２ｐ２に接触している。アノード側外縁シール部材１５４Ａまたはカソード側外縁シール部材１５４Ｃをリブ１５２ｐの中央部１５２ｐ１に積層した場合、アノード側外縁シール部材１５４Ａまたはカソード側外縁シール部材１５４Ｃの上端の高さと、端部１５２ｐ２の上端の高さが等しくなる。
　以上説明した第１実施形態の変形例１～４の作用効果を説明する。
　固体酸化物形燃料電池のセル構造において、図１５Ａに示す熱交換部１９２は、積層方向Ｚに沿って位置を異ならせたシール部材（アノード側外縁シール部材１１４Ａおよびカソード側外縁シール部材１１４Ｃ）と隣接して設けている。
　かかる固体酸化物形燃料電池のセル構造によれば、シール部材を積層方向Ｚの上下から広範囲（長手方向Ｙと短手方向Ｘの面内）にわたって効果的に温調することによって、シール部材に生じる温度分布を十分に抑制することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池のセル構造は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　固体酸化物形燃料電池のセル構造において、図１５Ｂに示す熱交換部１９３は、メタルサポートセルアッセンブリー１３１の縁を凸状に屈折させて形成した第２リブ（リブ１３１ｐ）と、セパレータ１３２の縁と、の間の空間にガス（例えばカソードガスＣＧ）を供給させることによって構成している。リブ１３１ｐは、シール部材（例えばアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃ）と隣接して設けている。
　かかる固体酸化物形燃料電池のセル構造によれば、セパレータ１０２に限らず、メタルサポートセルアッセンブリー１３１にもリブ１３１ｐを形成することができることから、熱交換部１９３を具現化する形態を任意に選択することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池のセル構造は、高い汎用性を備えて、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　固体酸化物形燃料電池のセル構造において、図１５Ｃに示す熱交換部１９４を構成するリブ１４２ｐは、アノード側外縁シール部材１４４Ａまたはカソード側外縁シール部材１４４Ｃを積層する中央部１４２ｐ１と、中央部１４２ｐ１の両端から積層方向Ｚの上方に向かって凸状に突出させた一対の端部１４２ｐ２を設けている。
　かかる固体酸化物形燃料電池のセル構造によれば、加熱されたシール部材が軟化しても、凸状に突出させた一対の端部１４２ｐ２によって形状を十分に保つことができる。また、シール部材の底面と両側面を介して、シール部材を加熱することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池のセル構造は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１４２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　固体酸化物形燃料電池のセル構造において、図１５Ｄに示す熱交換部１９５を構成するリブ１５２ｐは、アノード側外縁シール部材１５４Ａまたはカソード側外縁シール部材１５４Ｃを積層する中央部１５２ｐ１と、中央部１５２ｐ１の外方に位置する片端から積層方向Ｚの上方に向かって凸状に突出させた端部１５２ｐ２を設けている。
　かかる固体酸化物形燃料電池のセル構造によれば、加熱されたシール部材が軟化しても、凸状に突出させた端部１５２ｐ２によって形状を十分に保ち、かつ、ガスの圧力によって外側に移動することを防止できる。また、シール部材の底面と一方の側面を介して、シール部材を加熱することができる。特に、シール部材の側面が、外側の低温の領域に曝されることを防止できる。したがって、固体酸化物形燃料電池のセル構造は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ１５２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　（第２実施形態）
　第２実施形態の固体酸化物形燃料電池スタックは、図１６～図１８に示すように、セパレータ２０２のアノード側流入口２０２ａからアノードガスＡＧを分岐するようにして熱交換部１９６を構成している点において、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック１００の熱交換部と相違する。第１実施形態では、カソードガスＣＧを分岐するようにして熱交換部を構成している。
　図１６は、第２実施形態の固体酸化物形燃料電池スタックに係るメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ２０２とアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃを積層した状態でアノード側流入口２０２ａの周囲を示す上面図である。図１７は、図１６におけるアノードガスＡＧの分岐部分を示す斜視図である。図１８は、図１６におけるアノードガスＡＧの分岐部分を断面で示す側面図である。
　熱交換部１９６は、アノード１０１Ｔに供給される加熱されたアノードガスＡＧがアノード１０１Ｔで反応した後の第２排ガスを用いている。熱交換部１９６は、カソード１０１Ｕに供給される加熱された酸化剤ガス（カソードガスＣＧ）を分岐して用いてもよい。
　熱交換部１９６を構成するセパレータ２０２は、図１６～図１８に示すように、外縁に環状のリブ２０２ｐを設けている。リブ２０２ｐは、セパレータ２０２の外縁の４辺を囲うように形成している。リブ２０２ｐは、アノード側外縁シール部材１０４Ａまたはカソード側外縁シール部材１０４Ｃを積層する中央部２０２ｐ１と、中央部２０２ｐ１の両端から積層方向Ｚの上方に向かって凸状に突出させた一対の端部２０２ｐ２を設けている。リブ２０２ｐは、セパレータ２０２を積層方向Ｚの上方に向かって部分的に屈折させて形成し、下方に空間を備えている。
　セパレータ２０２は、メタルサポートセルアッセンブリー１０１を隔てて積層するときに、各々のリブ２０２ｐの中央部２０２ｐ１に、アノード側外縁シール部材１０４Ａと、カソード側外縁シール部材１０４Ｃを交互に積層している。リブ２０２ｐの中央部２０２ｐ１に、アノード側外縁シール部材１０４Ａまたはカソード側外縁シール部材１０４Ｃを積層した場合、アノード側外縁シール部材１０４Ａまたはカソード側外縁シール部材１０４Ｃの上端の高さと、一対の端部２０２ｐ２の上端の高さが等しくなる。
　セパレータ２０２は、円形状の通気孔２０２ｒを、凸状のリブ２０２ｐの内側面に開口している。通気孔２０２ｒは、矩形状のアノード側流入口２０２ａと対向するリブ２０２ｐの内側面に対して、セパレータ２０２の短手方向Ｘおよび長手方向Ｙに沿って複数設けている。
　セパレータ２０２において、通気孔２０２ｒは、アノード側流入口２０２ａから出たアノードガスＡＧの分岐路２０２Ｖとなる。リブ２０２ｐとメタルサポートセルアッセンブリー１０１の間に形成された空間は、セパレータ２０２の外縁を循環させるアノードガスＡＧの環状路２０２Ｗとなる。
　セパレータ２０２において、アノード側流入口２０２ａを出たアノードガスＡＧの大部分は、アノード側の流路部に流入する。アノード側流入口２０２ａを出たアノードガスＡＧの一部は、図１６～図１８に示すように、分岐路２０２Ｖである通気孔２０２ｒに流入して、環状路２０２Ｗを循環する。
　以上説明した第２実施形態の作用効果を説明する。
　固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、熱交換部１９６は、アノード１０１Ｔに供給される加熱された燃料ガス（アノードガスＡＧ）を分岐して用いている。
　かかる固体酸化物形燃料電池のセル構造によれば、カソードガスＣＧに限らず、アノードガスＡＧを用いて、シール部材を加熱することができる。また、新たな部品を設ける必要が無い。したがって、固体酸化物形燃料電池のセル構造は、高い汎用性を備えて、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ２０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　固体酸化物形燃料電池のセル構造において、熱交換部１９６は、アノード１０１Ｔに供給される加熱されたアノードガスＡＧがアノード１０１Ｔで反応した後の第２排ガスを用いることが好ましい。
　かかる固体酸化物形燃料電池のセル構造によれば、化学反応後の高温の状態であって、かつ、外部に排気されることになる排ガスを用いて、シール部材を加熱することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池のセル構造は、非常に効率的に、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ２０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　（第３実施形態）
　第３実施形態の固体酸化物形燃料電池スタックは、図１９～図２３に示すように、セパレータ３０２の独立した流入口（第２カソード側流入口３０２ｘ）からガス（カソードガスＣＧ）を供給するようにして熱交換部１９７を構成している点において、第１および第２実施形態の固体酸化物形燃料電池スタックの熱交換部と相違する。第１および第２実施形態では、発電セル１０１Ｍにガスを供給する通常の流入口からガスを分岐するようにして熱交換部を構成している。
　図１９は、第３実施形態の固体酸化物形燃料電池スタックに係るメタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ３０２とアノード側外縁シール部材１０４Ａおよびカソード側外縁シール部材１０４Ｃを積層した状態で第２カソード側流入口３０２ｘの周囲を示す上面図である。図２０は、図１９におけるカソードガスＣＧの分岐部分を示す斜視図である。図２１は、図１９におけるカソードガスＣＧの分岐部分を断面で示す側面図である。
　熱交換部１９７は、カソード１０１Ｕに供給される加熱されたカソードガスＣＧまたはアノード１０１Ｔに供給される加熱されたアノードガスＡＧを独立して用いている。
　熱交換部１９７を構成するセパレータ３０２は、図１９～図２１に示すように、外縁に環状のリブ３０２ｐを設けている。リブ３０２ｐは、図１６～図１８に示すリブ２０２ｐと同様の構成からなる。
　セパレータ３０２は、円形状の通気孔３０２ｒを、リブ３０２ｐに開口している。通気孔３０２ｒは、図１６～図１８に示すリブ２０２ｐの内側面に開口した通気孔２０２ｒと異なり、リブ３０２ｐの外側面に開口している。通気孔３０２ｒは、リブ３０２ｐの外側面に対して、セパレータ３０２の短手方向Ｘおよび長手方向Ｙに沿って複数設けている。
　セパレータ３０２は、リブ３０２ｐを外側から囲むように、環状の第２リブ３０２ｓを設けている。第２リブ３０２ｓは、短手方向Ｘと長手方向Ｙの面方向における大きさを除いて、図６および図９に示すリブ１０２ｐと同様の構成からなる。第２リブ３０２ｓは、図６および図９に示すリブ１０２ｐよりも、短手方向Ｘと長手方向Ｙの面方向に対して大きい。
　セパレータ３０２は、図１９に示すように、リブ３０２ｐと第２リブ３０２ｓとの間に、カソードガスＣＧを独立して流通させる第２カソード側流入口３０２ｘを設けている。第２カソード側流入口３０２ｘは、カソード側流入口３０２ｃよりも小さい。第２カソード側流入口は、セパレータ１０２に加えて、外部マニホールド１１１、下部エンドプレート１０９、下部集電板１０７、モジュールエンド１０５、およびメタルサポートセルアッセンブリー１０１に設けている。
　セパレータ３０２において、リブ３０２ｐと第２リブ３０２ｓの間に形成された空間および通気孔３０２ｒは、第２カソード側流入口３０２ｘから出たカソードガスＣＧの分岐路３０２Ｖとなる。リブ３０２ｐとメタルサポートセルアッセンブリー１０１の間に形成された空間は、セパレータ３０２の外縁を循環させるカソードガスＣＧの環状路３０２Ｗとなる。
　セパレータ３０２において、第２カソード側流入口３０２ｘを出たカソードガスＣＧは、図１９～図２１に示すように、分岐路３０２Ｖに流入して、環状路３０２Ｗを循環する。
　図２２のブロック図に示すように、アノードガスＡＧは、燃料タンクからポンプを介して熱交換機器（熱交換部１９７）と改質器を通り、固体酸化物形燃料電池スタックに供給される。カソードガスＣＧは、空気中からブロアを介して加湿器を通り、固体酸化物形燃料電池スタックに供給される。
　図２３のフローチャートに示すように、固体酸化物形燃料電池スタックは、起動させると（Ｓ２１）、加熱空気に相当するカソードガスＣＧの供給を受ける（Ｓ２２）。そのときに、熱交換は急速に起動を行う時のみかを判定し（Ｓ２３）、Ｙｅｓの場合に固体酸化物形燃料電池スタックが最低温度以上かを判定し（Ｓ２４）、さらにＹｅｓの場合は熱交換ガスの供給を停止して（Ｓ２６）、発電を開始する（Ｓ２７）。Ｓ２４において、Ｎｏの判定となった場合は、所定時間が経過した後にＳ２４の判定に戻る。一方、Ｓ２３において、Ｎｏの判定となった場合は、熱交換ガスの供給を継続して（Ｓ２５）、発電を開始する（Ｓ２７）。
　以上説明した第３実施形態の作用効果を説明する。
　固体酸化物形燃料電池のセル構造において、熱交換部１９７は、カソード１０１Ｕに供給される加熱されたカソードガスＣＧまたはアノード１０１Ｔに供給される加熱されたアノードガスＡＧの少なくとも一方のガスを独立して用いている。
　かかる固体酸化物形燃料電池のセル構造によれば、発電セル１０１Ｍにおける発電に影響を全く与えることなく、シール部材を加熱することができる。また、いわゆる、ガスの脇流れを防止することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池のセル構造は、発電効率を考慮することなく、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ３０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　固体酸化物形燃料電池のセル構造において、熱交換部１９７は、少なくとも発電セル１０１Ｍを一定以上の速さで加熱するときに動作させることが好ましい。
　かかる固体酸化物形燃料電池のセル構造によれば、急速に起動するときのみに熱交換部１９７を動作させることによって、定常状態で運転するときに、シール部材を加熱するためのガスの使用を抑制することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池のセル構造は、コストを抑制しつつ、メタルサポートセルアッセンブリー１０１とセパレータ３０２との間に設けたシール部材を保護しつつ急速に起動させることができる。
　そのほか、本発明は、特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。
　固体酸化物形燃料電池のセル構造は、アノード側外縁シール部材およびカソード側外縁シール部材と隣接して熱交換部を設ける構成として説明したが、アノード側マニホールドシール部材およびカソード側マニホールドシール部材と隣接して熱交換部を設ける構成としてもよい。熱交換部は、外縁シール部材とマニホールドシール部材の両方に隣接して設ける構成としてもよい。
　固体酸化物形燃料電池のセル構造は、第１～第３の実施形態の熱交換部の仕様を適宜組み合わせて熱交換部を構成してもよい。
１００　　固体酸化物形燃料電池、
１００Ｐ　スタック、
１００Ｑ　セルモジュール、
１００Ｒ　ユニット、
１０１，１３１　メタルサポートセルアッセンブリー（発電セルアッセンブリー）、
１０１Ｍ　発電セル、
１０１Ｎ　メタルサポートセル、
１０１Ｓ　電解質、
１０１Ｔ　アノード（燃料極）、
１０１Ｕ　カソード（酸化剤極）、
１０１Ｖ　サポートメタル、
１０１Ｗ　セルフレーム、
１０１ｅ　開口部、
１０２，１１２，１２２，１３２，１４２，１５２，２０２，３０２　セパレータ、
１０２Ｌ　流路部、
１０２ｈ　　平坦部、
１０２ｉ　　アノード側突起、
１０２ｊ　　カソード側突起、
１０２ｐ，１１２ｐ，１２２ｐ，１３１ｐ，１４２ｐ，１５２ｐ，２０２ｐ，３０２ｐ　リブ（第１リブまたは第２リブ）、
１４２ｐ１，１５２ｐ１，２０２ｐ１，３０２ｐ１　中央部、
１４２ｐ２，１５２ｐ２，２０２ｐ２，３０２ｐ２　端部、
１０２ｑ　　分岐リブ、
２０２ｒ，３０２ｒ　通気孔、
３０２ｓ　第２リブ、
１０２Ｖ，２０２Ｖ，３０２Ｖ　分岐路、
１０２Ｗ，２０２Ｗ，３０２Ｗ　環状路、
１０３　　集電補助層、
１０４　　封止部、
１０４Ａ，１１４Ａ，１４４Ａ，１５４Ａ　アノード側外縁シール部材、
１０４Ｂ　アノード側マニホールドシール部材、
１０４Ｃ，１１４Ｃ，１４４Ｃ，１５４Ｃ　カソード側外縁シール部材、
１０４Ｄ　カソード側マニホールドシール部材、
１０５　　モジュールエンド、
１０６　　マニホールドシール部材、
１０７　　下部集電板、
１０７ｆ　端子、
１０８　　上部集電板、
１０８ｆ　端子、
１０９　　下部エンドプレート、
１１０　　上部エンドプレート、
１１１　　外部マニホールド、
１０１ａ，１０２ａ，１０５ａ，１０７ａ，１０９ａ，１１１ａ，２０２ａ　アノード側流入口、
１０１ｂ，１０２ｂ，１０５ｂ，１０７ｂ，１０９ｂ，１１１ｂ　アノード側流出口、
１０１ｃ，１０２ｃ，１０５ｃ，１０７ｃ，１０９ｃ，１１１ｃ，３０２ｃ　カソード側流入口、
１０１ｄ，１０２ｄ，１０５ｄ，１０７ｄ，１０９ｄ，１１１ｄ　カソード側流出口、
３０２ｘ　第２カソード側流入口、
１９１，１９２，１９３，１９４，１９５，１９６，１９７　熱交換部、
ＡＧ　　　アノードガス、
ＣＧ　　　カソードガス、
Ｘ　　　　（固体酸化物形燃料電池スタックの）短手方向、
Ｙ　　　　（固体酸化物形燃料電池スタックの）長手方向、
Ｚ　　　　（固体酸化物形燃料電池スタックの）積層方向。

Claims (13)

  1. 　電解質を燃料極と酸化剤極とで挟み供給されたガスによって発電する発電セルを備えた発電セルアッセンブリーと、
    　隣り合う前記発電セルアッセンブリー同士を隔てるセパレータと、
    　前記発電セルアッセンブリーの縁と前記セパレータの縁との間に設けられ前記発電セルに供給される前記ガスを前記発電セルアッセンブリーと前記セパレータとの間に留めるシール部材と、
    　前記シール部材と隣接して設けられ前記発電セルに供給される前記ガスによって前記シール部材を温調する熱交換部と、を有する燃料電池のセル構造。
  2. 　前記熱交換部は、前記シール部材と積層方向に沿って隣接して設けた、請求項１に記載の燃料電池のセル構造。
  3. 　前記熱交換部は、積層方向に沿って位置を合わせた前記シール部材と隣接、または積層方向に沿って位置を異ならせた前記シール部材と隣接して設けた、請求項１または２に記載の燃料電池のセル構造。
  4. 　前記熱交換部は、前記シール部材の積層方向と交差する方向に沿った第１面および積層方向に沿った第２面のうち、相対的に接触面積が大きい前記第１面または前記第２面に隣接して設けた、請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
  5. 　前記熱交換部は、前記発電セルアッセンブリーの縁と前記セパレータの縁を凸状に屈折させて形成した第１リブとの間の空間、または前記発電セルアッセンブリーの縁を凸状に屈折させて形成した第２リブと前記セパレータの縁との間の空間に前記ガスを供給させることによって構成し、
    　前記第１リブまたは前記第２リブは、前記シール部材と隣接して設けた、請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
  6. 　前記第１リブまたは前記第２リブは、前記シール部材を積層し、前記シール部材を積層する面の面積が、前記シール部材との接触面積よりも大きい、請求項５に記載の燃料電池のセル構造。
  7. 　前記第１リブまたは前記第２リブは、前記シール部材を積層する中央部と、前記中央部の両端から積層方向の上方に向かって凸状に突出させた一対の端部からなる、請求項５または６に記載の燃料電池のセル構造。
  8. 　前記第１リブまたは前記第２リブは、前記シール部材を積層する中央部と、前記中央部の外側に位置する片端から積層方向の上方に向かって凸状に突出させた端部からなる、請求項５または６に記載の燃料電池のセル構造。
  9. 　前記熱交換部は、前記酸化剤極に供給される加熱された酸化剤ガスまたは前記燃料極に供給される加熱された燃料ガスの少なくともいずれか一方の前記ガスを分岐して用いる、請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
  10. 　前記熱交換部は、前記ガスが前記発電セルにおいて反応した後の排ガスを用いる、請求項１～９のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
  11. 　前記熱交換部は、前記酸化剤極に供給される加熱された酸化剤ガスまたは前記燃料極に供給される加熱された燃料ガスの少なくともいずれか一方の前記ガスを独立して用いる、請求項１～１０のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
  12. 　前記熱交換部は、少なくとも前記発電セルを一定以上の速さで加熱するときに動作させる、請求項１～１１のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
  13. 　複数の発電セルアッセンブリーを積層して形成した燃料電池スタックと、
    　前記燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給系と、
    　前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給系と、
    　前記燃料電池スタックの排気を排気する排気系と、
    　これらの各系を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
    　前記発電セルアッセンブリーはセルアッセンブリー内に配置されたシール部材を温調する熱交換部を備え、
    　前記制御装置は前記熱交換部をシステム起動時に選択的に作動させる燃料電池システム。
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