燃料電池
【課題】温度調整を良好に行いつつ、燃料電池ユニット及びスタック構造体における温度分布の均一化を実現することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池ユニットＵを間隙を介して積層してスタック構造体Ｓを形成すると共に、スタック構造体ＳをケースＣに収容し、ケースＣ内に酸化剤ガスの導入管１１と排出管１２を配置してスタック構造体Ｓの燃料電池ユニットＵ同士の間隙に酸化剤ガスを流通させる構造を有する燃料電池ＦＣ１であって、導入管１１から燃料電池ユニットＵ同士の間隙を経て排出管１２に至る間において、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部２３に微細な凹凸Ａを設けたことにより、隔壁部２３の熱伝達率を高め、燃料電池ユニットＵ及びスタック構造体Ｓにおける温度分布の均一化を実現した。
【解決手段】燃料電池ユニットＵを間隙を介して積層してスタック構造体Ｓを形成すると共に、スタック構造体ＳをケースＣに収容し、ケースＣ内に酸化剤ガスの導入管１１と排出管１２を配置してスタック構造体Ｓの燃料電池ユニットＵ同士の間隙に酸化剤ガスを流通させる構造を有する燃料電池ＦＣ１であって、導入管１１から燃料電池ユニットＵ同士の間隙を経て排出管１２に至る間において、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部２３に微細な凹凸Ａを設けたことにより、隔壁部２３の熱伝達率を高め、燃料電池ユニットＵ及びスタック構造体Ｓにおける温度分布の均一化を実現した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池ユニットを積層してスタック構造体を形成すると共に、そのスタック構造体をケースに収容した構成を有する燃料電池の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池としては、ケースに、複数の燃料電池ユニットを積層して成るスタック構造体を収容し、ケースの壁部に設けた予熱空洞に反応用ガスを流通させて、スタック構造体の放射熱で予熱空洞内の反応用ガスを予熱するものがあった（特許文献１参照）。
【特許文献１】２００４−１３９９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、燃料電池において、発電時の燃料電池ユニットの発熱量がスタック構造体の放熱量よりも大きくなるような高負荷運転時には、スタック構造体の燃料電池ユニット間に冷却ガスを導入してスタック構造体の全体を冷却する必要がある。
【０００４】
ここで、スタック構造体の燃料電池ユニット間に冷却ガスを導入しないと、スタック構造体の温度が高温になり過ぎ、各燃料電池ユニットにおいて、金属腐食による電気抵抗の増大、単セル（発電要素）における電極と電解質の界面剥離による発電出力の低下、単セルとセル板との接合部の強度低下による破壊などが生じる可能性が無いとは言えないという問題点があった。
【０００５】
また、スタック構造体の燃料電池ユニット間に冷却ガスを直接導入すると、スタック構造体の内部での温度分布の差が顕著になり、各燃料電池ユニットにおいて、金属材料の変形に起因する接触不良、接触不良による発電性能の低下、単セルとセル板の熱膨張率の差に起因する熱応力破壊などが生じる可能性が無いとは言えないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、高負荷運転及び低負荷運転における温度調整を良好に行いつつ、燃料電池ユニット及びスタック構造体における温度分布の均一化を実現することができる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池は、複数の燃料電池ユニットを互いに間隙を介して積層してスタック構造体を形成すると共に、スタック構造体をケースに収容し、ケース内に燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスの導入管と排出管を配置してスタック構造体の燃料電池ユニット同士の間隙に反応用ガスを流通させる構造を有している。
【０００８】
そして、燃料電池は、一方の反応用ガスの導入管から燃料電池ユニット同士の間隙を経て排出管に至る間において、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部に、微細な凹凸を設けた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池は、微細な凹凸により隔壁部の熱伝達率を向上させて反応用ガスの熱交換効率を高めることができ、これにより、高負荷運転及び低負荷運転における温度調整を良好に行いつつ、燃料電池ユニット及びスタック構造体における温度分布の均一化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１及び図２は、本発明の燃料電池の一実施形態を説明する図である。
図１に示す燃料電池ＦＣ１は、複数の燃料電池ユニットＵを互いに間隙を介して積層してスタック構造体Ｓを形成し、このスタック構造体ＳをケースＣに収容した構造を有している。また、図示例の燃料電池ユニットＵは、円盤状を成している。このため、スタック構造体Ｓは概略円柱状を成し、このスタック構造体Ｓを収容するケースＣは円筒状を成している。
【００１１】
燃料電池ユニットＵは、図２（ａ）に示すように、発電要素である環状の単セル１と、単セル１の燃料極側の面に対向するセパレータ２と、単セル１の中央穴に装着する内周部材３と、単セル１の外周を保持する外周部材４を備えている。
【００１２】
単セル１は、固体電解質層を燃料極層と空気極層とで挟持したものであって、中央穴に装着する内周部材３、及び外周部を保持する外周部材４とともにセル板を構成する。この単セル１は、構成がとくに限定されるものではなく、例えば、電極支持型セル、電解質支持型セル、及び多孔質金属支持型セルなどのいずれのものでも良い。
【００１３】
なお、一例として、固体電解質層は、８モル％イットリア安定化ジルコニアであり、燃料極層は、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットであり、空気極層は、ランタンストロンチュウムマンガナイトである。
【００１４】
燃料電池ユニットＵは、単セル１とセパレータ２の間にユニット内集電体５を介装して、セパレータ２と外周部材４の外縁部同士を気密的に接合することで、単セル１とセパレータ２の間に袋綴じ構造の扁平なガス室を形成する。また、単セル１の空気極側の面には、隣接する燃料電池ユニットＵのセパレータ２との間に介装されるユニット外集電体６が設けてある。これらの集電体５，６には、発泡銀等の発泡金属を用いることができる。
【００１５】
セパレータ２、内周部材３及び外周部材４には、単セル１に対して熱膨脹率が近い材料又は熱膨脹率がほぼ一致する材料を選択する。例えば、固体酸化物型燃料電池のニッケルとイットリア安定化ジルコニアのサーメットを燃料極に用いた燃料極支持型セルの場合には、熱膨張率が約１０．Ｅ−６［１／Ｋ］程度となるフェライト系金属などが良い。とくにフェライト系の中でもＳＵＳ４３０、耐酸化性及び耐腐食性に優れたＺＭＧ２３２、若しくはＣｒｏｆｆｅｒ２２ＡＰＵなどがより好ましい。セパレータ２と外周部材４は、外縁部をプレスにより加工し、外縁部同士を溶接、ろう付及び超音波接合などにより接合することができる。
【００１６】
さらに、セパレータ２及び内周部材３には、燃料ガスの導入部７及び排出部８が設けてある。これらの導入部７及び排出部８は、図２（ｂ）に示すように、複数の燃料電池ユニットＵを積層したスタック構造体Ｓにおいて、互いに連続して燃料ガスの導入管及び排出管を形成する。
【００１７】
そして、上記のスタック構造体ＳをケースＣに収容した燃料電池ＦＣ１は、ケースＣ内に一方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）を導入し、その酸化剤ガスを燃料電池ユニットＵ同士の間隙に流通させて単セル１の空気極に供給する。また、燃料電池ＦＣ１は、各燃料電池ユニットＵ内に他方の反応用ガスである燃料ガスを導入し、燃料ガスを単セル１の燃料極に供給する。これにより、燃料電池ＦＣ１は、単セル１において電気化学反応により電気エネルギを発生する。
【００１８】
なお、ケースＣは、例えばオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６であって、内部表面に、輻射を高めるための銀コーティングが施してあり、図示しない断熱体で外側が被覆してある。
【００１９】
ここで、図１に示す燃料電池ＦＣ１は、ケースＣとスタック構造体Ｓとの間において、一対の酸化剤ガスの導入管１１，１１と、両導入管１１，１１の間に配置した排出管１２を備えている。導入管１１及び排出管１２は、燃料電池ユニットＵの積層方向に沿って連続している。導入管１１及び排出管１２は、例えば、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６製である。
【００２０】
一対の導入管１１，１１は、燃料電池ユニットＵ同士の間隙に対応する位置に、互いに相反する方向に向いた導入孔１１ａを有している。また、排出管１２は、燃料電池ユニットＵ同士の間隙に対応する位置に、同間隙側に開口した排出孔１２ａを有している。
【００２１】
そして、燃料電池ＦＣ１は、各導入管１１，１１からスタック構造体Ｓの外周部に沿ったガス誘導部材１３を備えている。ガス誘導部材１３は、例えば、セラミックスシートから成るもので、ケースＣの内面との間に外周ガス流路１４を形成すると共に、先端部同士の間に、スタック構造体Ｓの収容空間に通じる開口域１５を形成している。
【００２２】
上記の燃料電池ＦＣ１は、発電時の単セル１からの発熱量が、スタック構造体Ｓからの放熱量よりも大きくなるような高負荷運転時には、導入管１１，１１から冷却ガスを導入し、この冷却ガスを外周ガス流路１４に流すことで、スタック構造体Ｓを冷却すると同時に、導入した冷却ガスを予熱して開口域１５からスタック構造体Ｓに供給する。
【００２３】
また、単セル２の発熱量が、スタック構造体Ｓの放熱量よりも小さくなるような低負荷運転時には、導入管１１，１１から加熱ガスを導入し、この加熱ガスを外周ガス流路１４に流すことで、スタック構造体Ｓを加熱すると同時に、加熱ガスを開口域１５からスタック構造体Ｓに供給する。
【００２４】
このように、燃料電池ＦＣ１は、ガス誘導部材１３を介して、外周ガス流路１４を流れる酸化剤ガスとスタック構造体Ｓとの間で熱交換を行うものとなっている。そして、燃料電池ＦＣ１は、ケースＣ内において酸化剤ガスを一方向に流すような構造に比べて、ガス誘導部材１３の採用により温度分布の均一化が格段に向上したものとなり、温度分布のさらなる均一化を図るために以下の構成を備えている。
【００２５】
すなわち、燃料電池ＦＣ１は、一方の反応用ガスである酸化剤ガスの導入管１１から燃料電池ユニットＵ同士の間隙を経て排出管１２に至る間において、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部に、熱伝達を促進させるための微細な凹凸Ａが設けてある。
【００２６】
そして、この実施形態の燃料電池ＦＣ１では、先術の如く各燃料電池ユニットＵの積層方向に沿って一対の導入管１１，１１と排出管１２を配置し、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部が、導入管１１と排出管１２とを隔てる隔壁部２３，２３であって、この隔壁部２３の両面に微細な凹凸Ａを設けている。
【００２７】
つまり、燃料電池ＦＣ１では、発電時にスタック構造体Ｓが発熱するので、導入管１１を流通する酸化剤ガスの温度に比べて、排気管１２を流通する酸化剤ガス（排気ガス）の温度の方が高くなる。そこで、燃料電池ＦＣ１では、導入管１１と排出管１２の隔壁部２３において熱交換をし、ケースＣ内に導入する酸化剤ガスを予熱して発電効率を高めるようにしており、この際、隔壁部２３に微細な凹凸を設けることで同隔壁部２３の熱伝達率が高くなり、導入管１１及び排出管１２の熱交換効率を一層高めることができる。これにより、スタック構造体Ｓの内部を所望の温度範囲に抑えることができる。
【００２８】
また、熱交換効率の向上に伴って、導入管１１及び排出管１２を短くすることが可能になり、燃料電池ＦＣ１の小型軽量化などに貢献することができる。
【００２９】
上記の微細な凹凸は、大きさがとくに限定されるものではないが、凹部や凸部の個々の寸法、ピッチ及び高低差が、例えば数十μｍ程度のものである。なお、熱交換器では、フィンを設けて表面積を拡大することが一般的に行われているが、ガス流路に大きいフィンを設けると圧力損失が大きくなる。そこで、燃料電池ＦＣ１では、上記の微細な凹凸を設けることで、ガスの流れを乱すことなく熱交換効率を高めることができる。
【００３０】
また、この実施形態の燃料電池ＦＣ１は、その他の特徴として、各燃料電池ユニットＵが円盤状であって、中心部分で互いに連結してスタック構造体Ｓを形成すると共に、スタック構造体Ｓが、その中心線に沿って他方の反応用ガスである燃料ガスの導入部及び排出部を備え、各燃料電池ユニットＵ内に燃料ガスを流通させるものとなっている。
【００３１】
さらに、燃料電池ＦＣ１は、燃料電池ユニットＵの周上において、酸化剤ガスの排出管１２と外周ガス誘導部材１３の開口域１５を１８０度の位相で配置すると共に、排出管１２の両側に導入管１１，１１及び外周ガス誘導部材１３，１３を夫々配置している。これにより、酸化剤ガスの導入管１１，１１、排出管１２、外周ガス誘導部材１３，１３、外周ガス流路１４，１４及び開口域１５を線対称に配置している。
【００３２】
燃料電池ＦＣ１は、上記の如く各構成部位の形状や配置を設定することで、酸化剤ガスをより均一に流通させて、燃料電池ユニットＵ並びにスタック構造体Ｓの温度分布のさらなる均一化に貢献することができる。また、スタック構造体Ｓにおいては、その組み立てにおいて、中心部のみが加圧され、各燃料電池ユニットＵの外周部同士は何ら拘束されないので、運転時に発生する熱膨脹や熱応力を抑制することができる。
【００３３】
図３〜図５は、微細凹凸構造の製造方法を説明する図である。
図３に示すように、隔壁部（２３）の基材Ｍに、加圧空気とともに金属製の微細粒子を吹き付けて表面を粗面化することにより、基材Ｍの表面に微細な凹凸Ａを形成することができる。
【００３４】
上記の微細凹凸構造の製造方法は、比較的簡単な作業により、ガス流路の圧力損失を生じさせずに隔壁部２３の熱伝達率向上を実現し得る微細な凹凸Ａを形成することが可能となる。
【００３５】
また、図４に示すように、隔壁部（２３）の基材Ｍに、加圧空気とともに微細粒子Ｇを吹き付けて堆積させることで、基材Ｍの表面に微細な凹凸Ａを形成することができる。
【００３６】
上記の微細凹凸構造の製造方法にあっても、比較的簡単な作業により、ガス流路の圧力損失を生じさせずに隔壁部２３の熱伝達率向上を実現し得る微細な凹凸Ａを形成することが可能となる。
【００３７】
また、上記の微細凹凸構造の製造方法では、電気絶縁性物質から成る微細粒子Ｇを用いることができ、この場合には、隔壁部２３そのものが絶縁性を有するものとなり、別の絶縁層を省略することができ、構造の簡素化などに貢献することができる。
【００３８】
さらに、図５に示すように、金属被膜を有する隔壁部（２３）の基材Ｍを陽極酸化処理することで、基材Ｍの表面に酸化被膜Ｐによる微細な凹凸Ａを形成することができる。
【００３９】
上記の微細凹凸構造の製造方法にあっても、比較的簡単な作業により、ガス流路の圧力損失を生じさせずに隔壁部２３の熱伝達率向上を実現し得る微細な凹凸Ａを形成することが可能となる。また、当該製造方法では、熱伝達を促進する微細凹凸構造を広範囲にわたって廉価に形成することが可能となり、とくに、ガス流路の内壁などのように外側からの加工が困難な熱交換部位に非常に有効である。また、酸化被膜Ｐが絶縁性を有するので、別の絶縁層を省略することができ、構造の簡素化などに貢献することができる。
【００４０】
図６は、微細な凹凸Ａの有無による熱伝達率の相違を示すグラフである。ここでは、凹凸の無い未処理の試料と、図３に示す如く粗面化による凹凸Ａを有する試料と、図５に示す如く陽極酸化処理による凹凸Ａを有する試料を用意した。そして、ヒータの上に断熱性を有するスペーサを介して試料を載置し、ヒータをオンにして各試料を赤外線カメラで観察し、各試料の温度上昇を調べた。
【００４１】
その結果、図６から明らかなように、未処理の試料に比べて、凹凸Ａを有する試料はいずれも表面温度が高くなり、凹凸Ａにより熱伝達率が向上していることを確認した。
【００４２】
図７は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４３】
図示の燃料電池ＦＣ２は、基本的構成は先の実施形態で説明したもの（図１参照）と同等であり、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部が、ガス誘導部材１３であって、このガス誘導部材１３の両面に微細な凹凸Ａを設けている。また、ガス誘導部材１３とスタック構造体Ｓとの間には、例えばセラミックスシートから成る絶縁層１６が設けてあり、とくに、絶縁層１６の近傍において、燃料電池ユニットＵの単セル１側の表面にはガラスコート１７が施してある。
【００４４】
すなわち、上記のガス誘導部材１３を備えた燃料電池ＦＣ２では、発電においてスタック構造体Ｓが発熱するので、外周ガス流路１４を流通する酸化剤ガスの温度に比べて、スタック構造体Ｓを通過する酸化剤ガスの温度の方が高くなる。
【００４５】
そこで、燃料電池ＦＣ２では、導入管１１と排出管１２の隔壁部２３において熱交換をし、燃料電池ユニットＵ同士の間隙に導入する酸化剤ガスを予熱して発電効率を高めるようにしており、この際、ガス誘導部材１３に微細な凹凸Ａを設けることで同ガス誘導部材１３の熱伝達率が高くなり、熱交換効率を一層高めることができる。これにより、スタック構造体Ｓの内部を所望の温度範囲に抑えることができる。
【００４６】
また、上記のガス誘導部材１３を備えた燃料電池ＦＣ２では、温度分布の均一化が格段に向上するのであるが、外周ガス流路１４の上流側では酸化剤ガスとスタック構造体Ｓとの間の熱交換量が大きく、外周ガス流路１４の下流側では熱交換量が小さいので、上流側と下流側との熱交換量の差が大きくなる。
【００４７】
これに対して、燃料電池ＦＣ２は、ガス誘導部材１３に微細な凹凸Ａを設けて熱伝達率を高めているので、上流側と下流側との熱交換量の差を小さくすることが可能になり、燃料電池ユニットＵ並びにスタック構造体Ｓの温度分布のさらなる均一化を実現する。
【００４８】
図８は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４９】
図８（ａ）に示す燃料電池ＦＣ３は、先の実施形態と同様に、ガス誘導部材１３に微細な凹凸Ａを形成したものであって、さらに、酸化剤ガスの流通方向において、微細な凹凸Ａの分布を変化させている。
【００５０】
より具体的には、ガス誘導部材１３の外周ガス流路１４側の面では、上流側Ｆａにおいて、図８（ｃ）に示す如く微細な凹凸Ａの分布を密にすると共に、下流側Ｆｂにおいて、図８（ｂ）に示す如く微細な凹凸Ａの分布を粗にしている。また、ガス誘導部材１３のスタック構造体Ｓ側の面では、上流側Ｆｂ（流れ方向が逆）において、図８（ｄ）（ｅ）に示す如く微細な凹凸を無し又は分布を粗にすると共に、下流側Ｆａにおいて、図８（ｆ）に示す如く微細な凹凸Ａの分布を密にしている。なお、微細な凹凸Ａの分布（粗密）は、段階的又は連続的に変化させることができる。
【００５１】
上記の燃料電池ＦＣ３にあっても、先の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ガス誘導部材１３を備えた燃料電池ＦＣ３では、外周ガス流路１４の上流側とスタック構造体Ｓ側の下流側との間で温度差が最大となる。そこで、燃料電池ＦＣ３では、温度差が最大となる部分（図８ａ中の符号Ｆａ部分）における微細な凹凸Ａの分布を密にすることで熱伝達率を高め、熱交換効率のさらなる向上や温度分布のさらなる均一化を実現している。
【００５２】
図９は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５３】
図示の燃料電池ＦＣ４は、先の実施形態と同様に、ガス誘導部材１３に微細な凹凸Ａを形成したものであって、とくに、微細な凹凸Ａが電気絶縁性物質で形成してある。この燃料電池ＦＣ４は、先の実施形態と同様の効果を得ることができるうえに、微細な凹凸Ａを電気絶縁性物質で形成したことから、ガス誘導部材１３とスタック構造体Ｓとの間に別の絶縁層（図７ｂ中の符号１６）を設ける必要がなくなる。
【００５４】
また、燃料電池ＦＣ４は、ガス誘導部材１３の表面にスタック構造体Ｓを接触させることで、スタック構造体Ｓの熱がガス誘導部材１３に伝わり易くなり、熱交換効率のさらなる向上や温度分布のさらなる均一化が可能となる
【００５５】
なお、本発明の燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば、導入管、排出管及びガス誘導部材等の構成の細部を適宜変更することができ、隔壁部２３及びガス誘導部材１３の両方に微細な凹凸Ａを設けたり、これらの部材の片面に微細な凹凸Ａを設けたりすることもできる。
【００５６】
また、微細な凹凸Ａは、隔壁部２３やガス誘導部材１３だけでなく、それ以外に、一方の反応用ガスの導入管１１から燃料電池ユニットＵ同士の間隙を経て排出管１２に至る間において、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部に設けることができる。
【００５７】
さらに、上記各実施形態では、ケースＣ内に一方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）を流通させると共に、燃料電池ユニットＵ内に他方の反応用ガスである燃料ガスを流通させるものとして説明したが、燃料電池ユニットＵの構成によっては、酸化剤ガスと燃料ガスの流通域を逆の関係にすることもあり得る。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態を説明する斜視図（ａ）及び平面説明図（ｂ）である。
【図２】燃料電池ユニットを分解状態で説明する斜視図（ａ）及びスタック構造体の斜視図（ｂ）である。
【図３】微細凹部構造の製造方法を説明する基材の断面図である。
【図４】微細凹部構造の他の製造方法を説明する基材の断面図である。
【図５】微細凹部構造のさらに他の製造方法を説明する基材の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図６】微細な凹凸の有無による熱伝達率の相違を示すグラフである。
【図７】本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図８】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する平面図（ａ）、微細な凹凸の粗密状態を示す各々断面図（ｂ）〜（ｆ）である。
【図９】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
Ａ 微細な凹凸
Ｃ ケース
ＦＣ１〜ＦＣ１２ 燃料電池
Ｓ スタック構造体
Ｕ 燃料電池ユニット
１ 単セル
２ セパレータ
３ 内周部材
４ 外周部材
５ ユニット内集電体
６ ユニット外集電体
７ 導入部
８ 排出部
１１ 導入管
１２ 排出管
１３ ガス誘導部材（隔壁部）
１４ 外周ガス流路
１５ 開口域
２３ 隔壁部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池ユニットを積層してスタック構造体を形成すると共に、そのスタック構造体をケースに収容した構成を有する燃料電池の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池としては、ケースに、複数の燃料電池ユニットを積層して成るスタック構造体を収容し、ケースの壁部に設けた予熱空洞に反応用ガスを流通させて、スタック構造体の放射熱で予熱空洞内の反応用ガスを予熱するものがあった（特許文献１参照）。
【特許文献１】２００４−１３９９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、燃料電池において、発電時の燃料電池ユニットの発熱量がスタック構造体の放熱量よりも大きくなるような高負荷運転時には、スタック構造体の燃料電池ユニット間に冷却ガスを導入してスタック構造体の全体を冷却する必要がある。
【０００４】
ここで、スタック構造体の燃料電池ユニット間に冷却ガスを導入しないと、スタック構造体の温度が高温になり過ぎ、各燃料電池ユニットにおいて、金属腐食による電気抵抗の増大、単セル（発電要素）における電極と電解質の界面剥離による発電出力の低下、単セルとセル板との接合部の強度低下による破壊などが生じる可能性が無いとは言えないという問題点があった。
【０００５】
また、スタック構造体の燃料電池ユニット間に冷却ガスを直接導入すると、スタック構造体の内部での温度分布の差が顕著になり、各燃料電池ユニットにおいて、金属材料の変形に起因する接触不良、接触不良による発電性能の低下、単セルとセル板の熱膨張率の差に起因する熱応力破壊などが生じる可能性が無いとは言えないという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、高負荷運転及び低負荷運転における温度調整を良好に行いつつ、燃料電池ユニット及びスタック構造体における温度分布の均一化を実現することができる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池は、複数の燃料電池ユニットを互いに間隙を介して積層してスタック構造体を形成すると共に、スタック構造体をケースに収容し、ケース内に燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスの導入管と排出管を配置してスタック構造体の燃料電池ユニット同士の間隙に反応用ガスを流通させる構造を有している。
【０００８】
そして、燃料電池は、一方の反応用ガスの導入管から燃料電池ユニット同士の間隙を経て排出管に至る間において、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部に、微細な凹凸を設けた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池は、微細な凹凸により隔壁部の熱伝達率を向上させて反応用ガスの熱交換効率を高めることができ、これにより、高負荷運転及び低負荷運転における温度調整を良好に行いつつ、燃料電池ユニット及びスタック構造体における温度分布の均一化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１及び図２は、本発明の燃料電池の一実施形態を説明する図である。
図１に示す燃料電池ＦＣ１は、複数の燃料電池ユニットＵを互いに間隙を介して積層してスタック構造体Ｓを形成し、このスタック構造体ＳをケースＣに収容した構造を有している。また、図示例の燃料電池ユニットＵは、円盤状を成している。このため、スタック構造体Ｓは概略円柱状を成し、このスタック構造体Ｓを収容するケースＣは円筒状を成している。
【００１１】
燃料電池ユニットＵは、図２（ａ）に示すように、発電要素である環状の単セル１と、単セル１の燃料極側の面に対向するセパレータ２と、単セル１の中央穴に装着する内周部材３と、単セル１の外周を保持する外周部材４を備えている。
【００１２】
単セル１は、固体電解質層を燃料極層と空気極層とで挟持したものであって、中央穴に装着する内周部材３、及び外周部を保持する外周部材４とともにセル板を構成する。この単セル１は、構成がとくに限定されるものではなく、例えば、電極支持型セル、電解質支持型セル、及び多孔質金属支持型セルなどのいずれのものでも良い。
【００１３】
なお、一例として、固体電解質層は、８モル％イットリア安定化ジルコニアであり、燃料極層は、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットであり、空気極層は、ランタンストロンチュウムマンガナイトである。
【００１４】
燃料電池ユニットＵは、単セル１とセパレータ２の間にユニット内集電体５を介装して、セパレータ２と外周部材４の外縁部同士を気密的に接合することで、単セル１とセパレータ２の間に袋綴じ構造の扁平なガス室を形成する。また、単セル１の空気極側の面には、隣接する燃料電池ユニットＵのセパレータ２との間に介装されるユニット外集電体６が設けてある。これらの集電体５，６には、発泡銀等の発泡金属を用いることができる。
【００１５】
セパレータ２、内周部材３及び外周部材４には、単セル１に対して熱膨脹率が近い材料又は熱膨脹率がほぼ一致する材料を選択する。例えば、固体酸化物型燃料電池のニッケルとイットリア安定化ジルコニアのサーメットを燃料極に用いた燃料極支持型セルの場合には、熱膨張率が約１０．Ｅ−６［１／Ｋ］程度となるフェライト系金属などが良い。とくにフェライト系の中でもＳＵＳ４３０、耐酸化性及び耐腐食性に優れたＺＭＧ２３２、若しくはＣｒｏｆｆｅｒ２２ＡＰＵなどがより好ましい。セパレータ２と外周部材４は、外縁部をプレスにより加工し、外縁部同士を溶接、ろう付及び超音波接合などにより接合することができる。
【００１６】
さらに、セパレータ２及び内周部材３には、燃料ガスの導入部７及び排出部８が設けてある。これらの導入部７及び排出部８は、図２（ｂ）に示すように、複数の燃料電池ユニットＵを積層したスタック構造体Ｓにおいて、互いに連続して燃料ガスの導入管及び排出管を形成する。
【００１７】
そして、上記のスタック構造体ＳをケースＣに収容した燃料電池ＦＣ１は、ケースＣ内に一方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）を導入し、その酸化剤ガスを燃料電池ユニットＵ同士の間隙に流通させて単セル１の空気極に供給する。また、燃料電池ＦＣ１は、各燃料電池ユニットＵ内に他方の反応用ガスである燃料ガスを導入し、燃料ガスを単セル１の燃料極に供給する。これにより、燃料電池ＦＣ１は、単セル１において電気化学反応により電気エネルギを発生する。
【００１８】
なお、ケースＣは、例えばオーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６であって、内部表面に、輻射を高めるための銀コーティングが施してあり、図示しない断熱体で外側が被覆してある。
【００１９】
ここで、図１に示す燃料電池ＦＣ１は、ケースＣとスタック構造体Ｓとの間において、一対の酸化剤ガスの導入管１１，１１と、両導入管１１，１１の間に配置した排出管１２を備えている。導入管１１及び排出管１２は、燃料電池ユニットＵの積層方向に沿って連続している。導入管１１及び排出管１２は、例えば、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６製である。
【００２０】
一対の導入管１１，１１は、燃料電池ユニットＵ同士の間隙に対応する位置に、互いに相反する方向に向いた導入孔１１ａを有している。また、排出管１２は、燃料電池ユニットＵ同士の間隙に対応する位置に、同間隙側に開口した排出孔１２ａを有している。
【００２１】
そして、燃料電池ＦＣ１は、各導入管１１，１１からスタック構造体Ｓの外周部に沿ったガス誘導部材１３を備えている。ガス誘導部材１３は、例えば、セラミックスシートから成るもので、ケースＣの内面との間に外周ガス流路１４を形成すると共に、先端部同士の間に、スタック構造体Ｓの収容空間に通じる開口域１５を形成している。
【００２２】
上記の燃料電池ＦＣ１は、発電時の単セル１からの発熱量が、スタック構造体Ｓからの放熱量よりも大きくなるような高負荷運転時には、導入管１１，１１から冷却ガスを導入し、この冷却ガスを外周ガス流路１４に流すことで、スタック構造体Ｓを冷却すると同時に、導入した冷却ガスを予熱して開口域１５からスタック構造体Ｓに供給する。
【００２３】
また、単セル２の発熱量が、スタック構造体Ｓの放熱量よりも小さくなるような低負荷運転時には、導入管１１，１１から加熱ガスを導入し、この加熱ガスを外周ガス流路１４に流すことで、スタック構造体Ｓを加熱すると同時に、加熱ガスを開口域１５からスタック構造体Ｓに供給する。
【００２４】
このように、燃料電池ＦＣ１は、ガス誘導部材１３を介して、外周ガス流路１４を流れる酸化剤ガスとスタック構造体Ｓとの間で熱交換を行うものとなっている。そして、燃料電池ＦＣ１は、ケースＣ内において酸化剤ガスを一方向に流すような構造に比べて、ガス誘導部材１３の採用により温度分布の均一化が格段に向上したものとなり、温度分布のさらなる均一化を図るために以下の構成を備えている。
【００２５】
すなわち、燃料電池ＦＣ１は、一方の反応用ガスである酸化剤ガスの導入管１１から燃料電池ユニットＵ同士の間隙を経て排出管１２に至る間において、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部に、熱伝達を促進させるための微細な凹凸Ａが設けてある。
【００２６】
そして、この実施形態の燃料電池ＦＣ１では、先術の如く各燃料電池ユニットＵの積層方向に沿って一対の導入管１１，１１と排出管１２を配置し、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部が、導入管１１と排出管１２とを隔てる隔壁部２３，２３であって、この隔壁部２３の両面に微細な凹凸Ａを設けている。
【００２７】
つまり、燃料電池ＦＣ１では、発電時にスタック構造体Ｓが発熱するので、導入管１１を流通する酸化剤ガスの温度に比べて、排気管１２を流通する酸化剤ガス（排気ガス）の温度の方が高くなる。そこで、燃料電池ＦＣ１では、導入管１１と排出管１２の隔壁部２３において熱交換をし、ケースＣ内に導入する酸化剤ガスを予熱して発電効率を高めるようにしており、この際、隔壁部２３に微細な凹凸を設けることで同隔壁部２３の熱伝達率が高くなり、導入管１１及び排出管１２の熱交換効率を一層高めることができる。これにより、スタック構造体Ｓの内部を所望の温度範囲に抑えることができる。
【００２８】
また、熱交換効率の向上に伴って、導入管１１及び排出管１２を短くすることが可能になり、燃料電池ＦＣ１の小型軽量化などに貢献することができる。
【００２９】
上記の微細な凹凸は、大きさがとくに限定されるものではないが、凹部や凸部の個々の寸法、ピッチ及び高低差が、例えば数十μｍ程度のものである。なお、熱交換器では、フィンを設けて表面積を拡大することが一般的に行われているが、ガス流路に大きいフィンを設けると圧力損失が大きくなる。そこで、燃料電池ＦＣ１では、上記の微細な凹凸を設けることで、ガスの流れを乱すことなく熱交換効率を高めることができる。
【００３０】
また、この実施形態の燃料電池ＦＣ１は、その他の特徴として、各燃料電池ユニットＵが円盤状であって、中心部分で互いに連結してスタック構造体Ｓを形成すると共に、スタック構造体Ｓが、その中心線に沿って他方の反応用ガスである燃料ガスの導入部及び排出部を備え、各燃料電池ユニットＵ内に燃料ガスを流通させるものとなっている。
【００３１】
さらに、燃料電池ＦＣ１は、燃料電池ユニットＵの周上において、酸化剤ガスの排出管１２と外周ガス誘導部材１３の開口域１５を１８０度の位相で配置すると共に、排出管１２の両側に導入管１１，１１及び外周ガス誘導部材１３，１３を夫々配置している。これにより、酸化剤ガスの導入管１１，１１、排出管１２、外周ガス誘導部材１３，１３、外周ガス流路１４，１４及び開口域１５を線対称に配置している。
【００３２】
燃料電池ＦＣ１は、上記の如く各構成部位の形状や配置を設定することで、酸化剤ガスをより均一に流通させて、燃料電池ユニットＵ並びにスタック構造体Ｓの温度分布のさらなる均一化に貢献することができる。また、スタック構造体Ｓにおいては、その組み立てにおいて、中心部のみが加圧され、各燃料電池ユニットＵの外周部同士は何ら拘束されないので、運転時に発生する熱膨脹や熱応力を抑制することができる。
【００３３】
図３〜図５は、微細凹凸構造の製造方法を説明する図である。
図３に示すように、隔壁部（２３）の基材Ｍに、加圧空気とともに金属製の微細粒子を吹き付けて表面を粗面化することにより、基材Ｍの表面に微細な凹凸Ａを形成することができる。
【００３４】
上記の微細凹凸構造の製造方法は、比較的簡単な作業により、ガス流路の圧力損失を生じさせずに隔壁部２３の熱伝達率向上を実現し得る微細な凹凸Ａを形成することが可能となる。
【００３５】
また、図４に示すように、隔壁部（２３）の基材Ｍに、加圧空気とともに微細粒子Ｇを吹き付けて堆積させることで、基材Ｍの表面に微細な凹凸Ａを形成することができる。
【００３６】
上記の微細凹凸構造の製造方法にあっても、比較的簡単な作業により、ガス流路の圧力損失を生じさせずに隔壁部２３の熱伝達率向上を実現し得る微細な凹凸Ａを形成することが可能となる。
【００３７】
また、上記の微細凹凸構造の製造方法では、電気絶縁性物質から成る微細粒子Ｇを用いることができ、この場合には、隔壁部２３そのものが絶縁性を有するものとなり、別の絶縁層を省略することができ、構造の簡素化などに貢献することができる。
【００３８】
さらに、図５に示すように、金属被膜を有する隔壁部（２３）の基材Ｍを陽極酸化処理することで、基材Ｍの表面に酸化被膜Ｐによる微細な凹凸Ａを形成することができる。
【００３９】
上記の微細凹凸構造の製造方法にあっても、比較的簡単な作業により、ガス流路の圧力損失を生じさせずに隔壁部２３の熱伝達率向上を実現し得る微細な凹凸Ａを形成することが可能となる。また、当該製造方法では、熱伝達を促進する微細凹凸構造を広範囲にわたって廉価に形成することが可能となり、とくに、ガス流路の内壁などのように外側からの加工が困難な熱交換部位に非常に有効である。また、酸化被膜Ｐが絶縁性を有するので、別の絶縁層を省略することができ、構造の簡素化などに貢献することができる。
【００４０】
図６は、微細な凹凸Ａの有無による熱伝達率の相違を示すグラフである。ここでは、凹凸の無い未処理の試料と、図３に示す如く粗面化による凹凸Ａを有する試料と、図５に示す如く陽極酸化処理による凹凸Ａを有する試料を用意した。そして、ヒータの上に断熱性を有するスペーサを介して試料を載置し、ヒータをオンにして各試料を赤外線カメラで観察し、各試料の温度上昇を調べた。
【００４１】
その結果、図６から明らかなように、未処理の試料に比べて、凹凸Ａを有する試料はいずれも表面温度が高くなり、凹凸Ａにより熱伝達率が向上していることを確認した。
【００４２】
図７は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４３】
図示の燃料電池ＦＣ２は、基本的構成は先の実施形態で説明したもの（図１参照）と同等であり、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部が、ガス誘導部材１３であって、このガス誘導部材１３の両面に微細な凹凸Ａを設けている。また、ガス誘導部材１３とスタック構造体Ｓとの間には、例えばセラミックスシートから成る絶縁層１６が設けてあり、とくに、絶縁層１６の近傍において、燃料電池ユニットＵの単セル１側の表面にはガラスコート１７が施してある。
【００４４】
すなわち、上記のガス誘導部材１３を備えた燃料電池ＦＣ２では、発電においてスタック構造体Ｓが発熱するので、外周ガス流路１４を流通する酸化剤ガスの温度に比べて、スタック構造体Ｓを通過する酸化剤ガスの温度の方が高くなる。
【００４５】
そこで、燃料電池ＦＣ２では、導入管１１と排出管１２の隔壁部２３において熱交換をし、燃料電池ユニットＵ同士の間隙に導入する酸化剤ガスを予熱して発電効率を高めるようにしており、この際、ガス誘導部材１３に微細な凹凸Ａを設けることで同ガス誘導部材１３の熱伝達率が高くなり、熱交換効率を一層高めることができる。これにより、スタック構造体Ｓの内部を所望の温度範囲に抑えることができる。
【００４６】
また、上記のガス誘導部材１３を備えた燃料電池ＦＣ２では、温度分布の均一化が格段に向上するのであるが、外周ガス流路１４の上流側では酸化剤ガスとスタック構造体Ｓとの間の熱交換量が大きく、外周ガス流路１４の下流側では熱交換量が小さいので、上流側と下流側との熱交換量の差が大きくなる。
【００４７】
これに対して、燃料電池ＦＣ２は、ガス誘導部材１３に微細な凹凸Ａを設けて熱伝達率を高めているので、上流側と下流側との熱交換量の差を小さくすることが可能になり、燃料電池ユニットＵ並びにスタック構造体Ｓの温度分布のさらなる均一化を実現する。
【００４８】
図８は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４９】
図８（ａ）に示す燃料電池ＦＣ３は、先の実施形態と同様に、ガス誘導部材１３に微細な凹凸Ａを形成したものであって、さらに、酸化剤ガスの流通方向において、微細な凹凸Ａの分布を変化させている。
【００５０】
より具体的には、ガス誘導部材１３の外周ガス流路１４側の面では、上流側Ｆａにおいて、図８（ｃ）に示す如く微細な凹凸Ａの分布を密にすると共に、下流側Ｆｂにおいて、図８（ｂ）に示す如く微細な凹凸Ａの分布を粗にしている。また、ガス誘導部材１３のスタック構造体Ｓ側の面では、上流側Ｆｂ（流れ方向が逆）において、図８（ｄ）（ｅ）に示す如く微細な凹凸を無し又は分布を粗にすると共に、下流側Ｆａにおいて、図８（ｆ）に示す如く微細な凹凸Ａの分布を密にしている。なお、微細な凹凸Ａの分布（粗密）は、段階的又は連続的に変化させることができる。
【００５１】
上記の燃料電池ＦＣ３にあっても、先の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ガス誘導部材１３を備えた燃料電池ＦＣ３では、外周ガス流路１４の上流側とスタック構造体Ｓ側の下流側との間で温度差が最大となる。そこで、燃料電池ＦＣ３では、温度差が最大となる部分（図８ａ中の符号Ｆａ部分）における微細な凹凸Ａの分布を密にすることで熱伝達率を高め、熱交換効率のさらなる向上や温度分布のさらなる均一化を実現している。
【００５２】
図９は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５３】
図示の燃料電池ＦＣ４は、先の実施形態と同様に、ガス誘導部材１３に微細な凹凸Ａを形成したものであって、とくに、微細な凹凸Ａが電気絶縁性物質で形成してある。この燃料電池ＦＣ４は、先の実施形態と同様の効果を得ることができるうえに、微細な凹凸Ａを電気絶縁性物質で形成したことから、ガス誘導部材１３とスタック構造体Ｓとの間に別の絶縁層（図７ｂ中の符号１６）を設ける必要がなくなる。
【００５４】
また、燃料電池ＦＣ４は、ガス誘導部材１３の表面にスタック構造体Ｓを接触させることで、スタック構造体Ｓの熱がガス誘導部材１３に伝わり易くなり、熱交換効率のさらなる向上や温度分布のさらなる均一化が可能となる
【００５５】
なお、本発明の燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば、導入管、排出管及びガス誘導部材等の構成の細部を適宜変更することができ、隔壁部２３及びガス誘導部材１３の両方に微細な凹凸Ａを設けたり、これらの部材の片面に微細な凹凸Ａを設けたりすることもできる。
【００５６】
また、微細な凹凸Ａは、隔壁部２３やガス誘導部材１３だけでなく、それ以外に、一方の反応用ガスの導入管１１から燃料電池ユニットＵ同士の間隙を経て排出管１２に至る間において、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部に設けることができる。
【００５７】
さらに、上記各実施形態では、ケースＣ内に一方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）を流通させると共に、燃料電池ユニットＵ内に他方の反応用ガスである燃料ガスを流通させるものとして説明したが、燃料電池ユニットＵの構成によっては、酸化剤ガスと燃料ガスの流通域を逆の関係にすることもあり得る。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態を説明する斜視図（ａ）及び平面説明図（ｂ）である。
【図２】燃料電池ユニットを分解状態で説明する斜視図（ａ）及びスタック構造体の斜視図（ｂ）である。
【図３】微細凹部構造の製造方法を説明する基材の断面図である。
【図４】微細凹部構造の他の製造方法を説明する基材の断面図である。
【図５】微細凹部構造のさらに他の製造方法を説明する基材の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図６】微細な凹凸の有無による熱伝達率の相違を示すグラフである。
【図７】本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図８】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する平面図（ａ）、微細な凹凸の粗密状態を示す各々断面図（ｂ）〜（ｆ）である。
【図９】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
Ａ 微細な凹凸
Ｃ ケース
ＦＣ１〜ＦＣ１２ 燃料電池
Ｓ スタック構造体
Ｕ 燃料電池ユニット
１ 単セル
２ セパレータ
３ 内周部材
４ 外周部材
５ ユニット内集電体
６ ユニット外集電体
７ 導入部
８ 排出部
１１ 導入管
１２ 排出管
１３ ガス誘導部材（隔壁部）
１４ 外周ガス流路
１５ 開口域
２３ 隔壁部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池ユニットを互いに間隙を介して積層してスタック構造体を形成すると共に、スタック構造体をケースに収容し、ケース内に燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスの導入管と排出管を配置してスタック構造体の燃料電池ユニット同士の間隙に反応用ガスを流通させる構造を有する燃料電池であって、
一方の反応用ガスの導入管から燃料電池ユニット同士の間隙を経て排出管に至る間において、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部に、微細な凹凸を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
各燃料電池ユニットが、円盤状を成すと共に、中心部分で互いに連結してスタック構造体を形成し、スタック構造体が、その中心線に沿って他方の反応用ガスの導入部及び排出部を備え、各燃料電池ユニットの内部に他方の反応用ガスを流通させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
各燃料電池ユニットの積層方向に沿って一方の反応用ガスの導入管と排出管を配置し、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部が、導入管と排出管とを隔てる隔壁部であって、この隔壁部に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
一方の反応用ガスの導入管からスタック構造体の外周縁部に沿うとともに一部に開口域を有するガス誘導部材を備え、ケースの内面とガス誘導部材との間に、導入管から開口域に至る外周ガス流路を形成し、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部が、ガス誘導部材であって、このガス誘導部材に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料電池ユニットの周上において、一方の反応用ガスの排出管とガス誘導部材の開口域を１８０度の位相で配置すると共に、排出管の両側に導入管及びガス誘導部材を夫々配置し、反応用ガスの導入管、排出管、ガス誘導部材及び開口域を線対称に配置したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
一方の反応用ガスの流通方向において、微細な凹凸の分布を変化させたことを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池。
【請求項７】
ガス誘導部材において、外周ガス流路側の面では、微細な凹凸の分布が上流側で密であると共に、スタック構造体側の面では、微細な凹凸の分布が下流側で密であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
ガス誘導部材に設けた微細な凹凸が、電気絶縁性物質で形成してあることを特徴とする請求項４〜７のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか1項に記載の燃料電池における微細な凹凸を形成するに際し、隔壁部の基材に微細粒子を吹き付けて表面を粗面化することにより、基材の表面に微細な凹凸を形成することを特徴とする微細凹凸構造の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか1項に記載の燃料電池における微細な凹凸を形成するに際し、隔壁部の基材に微細粒子を吹き付けて堆積させることにより、基材の表面に微細な凹凸を形成することを特徴とする微細凹凸構造の製造方法。
【請求項１１】
微細粒子が、電気絶縁性物質であることを特徴とする微細凹凸構造の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれか1項に記載の燃料電池における微細な凹凸を形成するに際し、金属被膜を有する隔壁部の基材を陽極酸化処理することにより、基材の表面に微細な凹凸を形成することを特徴とする微細凹凸構造の製造方法。
【請求項１】
複数の燃料電池ユニットを互いに間隙を介して積層してスタック構造体を形成すると共に、スタック構造体をケースに収容し、ケース内に燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスの導入管と排出管を配置してスタック構造体の燃料電池ユニット同士の間隙に反応用ガスを流通させる構造を有する燃料電池であって、
一方の反応用ガスの導入管から燃料電池ユニット同士の間隙を経て排出管に至る間において、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部に、微細な凹凸を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
各燃料電池ユニットが、円盤状を成すと共に、中心部分で互いに連結してスタック構造体を形成し、スタック構造体が、その中心線に沿って他方の反応用ガスの導入部及び排出部を備え、各燃料電池ユニットの内部に他方の反応用ガスを流通させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
各燃料電池ユニットの積層方向に沿って一方の反応用ガスの導入管と排出管を配置し、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部が、導入管と排出管とを隔てる隔壁部であって、この隔壁部に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
一方の反応用ガスの導入管からスタック構造体の外周縁部に沿うとともに一部に開口域を有するガス誘導部材を備え、ケースの内面とガス誘導部材との間に、導入管から開口域に至る外周ガス流路を形成し、間隙流入前の流通領域と間隙流入後の流通領域とを隔てる隔壁部が、ガス誘導部材であって、このガス誘導部材に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料電池ユニットの周上において、一方の反応用ガスの排出管とガス誘導部材の開口域を１８０度の位相で配置すると共に、排出管の両側に導入管及びガス誘導部材を夫々配置し、反応用ガスの導入管、排出管、ガス誘導部材及び開口域を線対称に配置したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
一方の反応用ガスの流通方向において、微細な凹凸の分布を変化させたことを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池。
【請求項７】
ガス誘導部材において、外周ガス流路側の面では、微細な凹凸の分布が上流側で密であると共に、スタック構造体側の面では、微細な凹凸の分布が下流側で密であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
ガス誘導部材に設けた微細な凹凸が、電気絶縁性物質で形成してあることを特徴とする請求項４〜７のいずれか1項に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか1項に記載の燃料電池における微細な凹凸を形成するに際し、隔壁部の基材に微細粒子を吹き付けて表面を粗面化することにより、基材の表面に微細な凹凸を形成することを特徴とする微細凹凸構造の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか1項に記載の燃料電池における微細な凹凸を形成するに際し、隔壁部の基材に微細粒子を吹き付けて堆積させることにより、基材の表面に微細な凹凸を形成することを特徴とする微細凹凸構造の製造方法。
【請求項１１】
微細粒子が、電気絶縁性物質であることを特徴とする微細凹凸構造の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれか1項に記載の燃料電池における微細な凹凸を形成するに際し、金属被膜を有する隔壁部の基材を陽極酸化処理することにより、基材の表面に微細な凹凸を形成することを特徴とする微細凹凸構造の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２７２１５（Ｐ２０１０−２７２１５Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８３４５７（Ｐ２００８−１８３４５７）
【出願日】平成２０年７月１５日（２００８．７．１５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１５日（２００８．７．１５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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