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Ｕ１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、各燃料電池ユニットＵ１の内部に、燃料ガスを供給すると共に、ケースＣ内に酸化剤ガスを供給して燃料電池ユニットＵ１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、燃料ガスの流通域と酸化剤ガスの流通域とを隔てる隔壁部材であるセパレータ２等に微細な凹凸Ａを設けたことにより、隔壁部材の熱伝達率を高めて、燃料電池ユニットＵ１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Ｕ１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、各燃料電池ユニットＵ１の内部に、燃料ガスを供給すると共に、ケースＣ内に酸化剤ガスを供給して燃料電池ユニットＵ１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、燃料ガスの流通域と酸化剤ガスの流通域とを隔てる隔壁部材であるセパレータ２等に微細な凹凸Ａを設けたことにより、隔壁部材の熱伝達率を高めて、燃料電池ユニットＵ１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あって、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ている。また、燃料電池は、各燃料電池ユニットの内部に、燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスを供給すると共に、ケース内に他方の反応用ガスを供給して燃料電池ユニット同士の間隙に他方の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流通域と他方の反応用ガスの流通域とを隔てる隔壁部材に、熱伝達促進用の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、とくに、一方の反応用ガスの流通域と他方の反応用ガスの流通域とを隔てる隔壁部材において、微細な凹凸により同隔壁部材の熱伝達率を向上させ、両反応用ガスの熱交換効率を高めて両反応用ガスの温度差を低減することができ、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（ａ）（ｂ）に示す燃料電池ＦＣ１は、複数の燃料電池ユニットＵ１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。
【００１１】
図示例の燃料電池ユニットＵ１は、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Ｓを形成する。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。
【００１２】
図示例の燃料電池ＦＣ１は、スタック構造体Ｓの中心部分に、一方の反応用ガスである燃料ガスの導入管１１Ａ及び排出管１１Ｂを備えると共に、ケースＣ内に、他方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）の導入管１２Ａ及び排出管１２Ｂを燃料電池ユニットＵ１の積層方向に沿って備えている。これにより、燃料電池ＦＣ１は、各燃料電池ユニットＵ１の内部に燃料ガスを供給すると共に、ケースＣ内に酸化剤ガスを供給して、燃料電池ユニットＵ１同士の間隙に酸化剤ガスを流通させる。
【００１３】
燃料電池ユニットＵ１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の外周部に接合する外周部材４を備えている。この実施形態では、内周部材３及び外周部材４が単セル１を保持するセル板部材であり、単セル１、内周部材３及び外周部材４によりセル板を構成している。
【００１４】
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り、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。
【００１５】
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。
【００１６】
燃料電池ユニットＵ１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Ｕ１との間に介装すユニット外集電体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。
【００１７】
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。
【００１８】
さらに、セパレータ２及び内周部材３は、中心部に、円形穴から成る燃料ガスの導入部７が設けてあると共に、その周囲に、同じく円形穴から成る燃料ガスの排出部８が９０度間隔で配置してある。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Ｕ１を積層したスタック構造体Ｓにおいて、互いに連続して先述の導入管１１Ａ及び排出管１１Ｂを形成する。
【００１９】
また、図１に示す燃料電池ＦＣ１は、ケースＣの内部に、一対の酸化剤ガスの導入管１２Ａ，１２Ａと、両導入管１２Ａ，１２Ａの間に配置した排出管１２Ｂを備えている。一対の導入管１２Ａ，１２Ａは、燃料電池ユニットＵ１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１２ａを有している。また、排出管１２Ｂは、燃料電池ユニットＵ１同士の間隙に対応する位置で開口している。
【００２０】
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。導入管１２Ａ及び排出管１２Ｂは、例えば、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６製である。
【００２１】
ここで、燃料電池ＦＣ１は、各導入管１２Ａ，１２Ａ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】
また、燃料電池ＦＣ１は、図１（ｂ）に示すように、ガス誘導部材１３とスタック構造体Ｓとの間に、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Ｕ１の単セル１側の表面にはガラスコート１７が施してある。
【００２３】
そして、上記の燃料電池ＦＣ１は、燃料ガスの導入管１１Ａから、各燃料電池ユニットＵ１内に燃料ガスを導入し、燃料ガスを単セル１の燃料極に供給する。また、燃料電池ＦＣ１は、酸化剤ガス（空気）の導入管１２Ａから、ケースＣ内に酸化剤ガスを導入し、その酸化剤ガスを燃料電池ユニットＵ１同士の間隙に流通させて単セル１の空気極に供給する。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。
【００２４】
この際、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の採用により燃料電池ユニットＵ１及びスタック構造体Ｓの温度分布の均一化が格段に向上したものとなる。
【００２５】
また、燃料電池ＦＣ１は、上記の如く酸化剤ガスの熱交換効率を高める構成に加えて、以下に述べるように、燃料ガスと酸化剤ガスとの間の熱交換効率をも高める構成を採用しており、燃料電池ユニットＵ１及びスタック構造体Ｓの温度分布のさらなる均一化を実現するものとなる。
【００２６】
すなわち、燃料電池ＦＣ１は、上述の如く、複数の燃料電池ユニットＵ１を互いに間隙を介して積層してスタック構造体Ｓを形成すると共に、スタック構造体ＳをケースＣに収容し、各燃料電池ユニットＵ１の内部に、燃料ガスを供給すると共に、ケースＣ内に酸化剤ガスを供給して燃料電池ユニットＵ１同士の間隙に他方の反応用ガスを流通させる構造を有している。
【００２７】
そして、燃料電池ＦＣ１は、一方の反応用ガスである燃料ガスの流通域と、他方の反応用ガスである酸化剤ガスの流通域とを隔てる隔壁部材に、熱伝達促進用の微細な凹凸Ａが設けてある。
【００２８】
この実施形態における隔壁部材は、セパレータ２、内周部材（セル板部材）３及び外周部材（セル板部材）４であり、これらの部材２〜４の両面に微細な凹凸Ａが形成してある。なお、微細な凹凸Ａは、これらの部材２〜４のうちの少なくとも一つの部材に形成したり、選択した部材２〜４の少なくとも一方の面に形成したりすることができるが、全ての部材２〜４の両面に形成することで熱伝達率がより一層高められる。
【００２９】
上記の燃料電池ＦＣ１では、燃料ガスが改質されたガスであるうえに、発電時にスタック構造体Ｓが発熱することから、酸化剤ガスの温度に比べて燃料ガスの温度の方が高くなる。そこで、燃料電池ＦＣ１では、燃料ガスの流通域と酸化剤ガスの流通域とを隔てる隔壁部材において夫々熱交換をし、燃料電池ユニットＵ１に導入する燃料ガスを予熱して発電効率を高めるようにしている。
【００３０】
そして、燃料電池ＦＣ１では、燃料ガスの流通域と酸化剤ガスの流通域とを隔てる隔壁部材であるセパレータ２、内周部材３及び外周部材４に微細な凹凸Ａを設けることで、これらの部材２〜４の熱伝達率をさらに高くして熱交換効率を一層高め、高温の燃料ガスと酸化剤ガスとの温度差を低減することができる。これにより、燃料電池ＦＣ１では、燃料電池ユニットＵ１及びスタック構造体Ｓの内部を所望の温度範囲に抑えることができる。
【００３１】
上記の微細な凹凸Ａ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Ａ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。
【００３２】
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Ｕ１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燃料ガスの導入管１１Ａ及び排出管１１Ｂを備え、各燃料電池ユニットＵ１内に燃料ガスを流通させる構造を有している。
【００３３】
さらに、燃料電池ＦＣ１は、スタック構造体Ｓを収容するケースＣを備えると共に、ケースＣ内に酸化剤ガスの導入管１２Ａ及び排出管１２Ｂを配置して、燃料電池ユニットＵ１同士の間隙に酸化剤ガスを流通させる構造を有している。また、燃料電池ＦＣ１は、燃料電池ユニットＵ１の周上において、酸化剤ガスの排出管１２Ｂとガス誘導部材１３の開口域１５を１８０度の位相で配置すると共に、排出管１２Ｂの両側に導入管１２Ａ，１２Ａ及びガス誘導部材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１２Ａ、排出管１２Ｂ、ガス誘導部材１３、外周ガス流路１４及び開口域１５を線対称に配置している。
【００３４】
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、燃料ガス及び酸化剤ガスをより均一に流通させて、燃料電池ユニットＵ１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Ｕ１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。
【００３５】
図３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。
【００３６】
図示の燃料電池ＦＣ２は、先の実施形態の燃料電池（図１参照）と同等の構成を備えており、隔壁部材であるセパレータ２、内周部材（セル板部材）３及び外周部材（セル板部材）４の両面に、熱伝達促進用の微細な凹凸Ａが形成してある。そして、この実施形態では、とくに、内周部材３及び外周部材４において、微細な凹凸Ａが電気的絶縁性物質で形成してある。
【００３７】
上記の燃料電池ＦＣ２では、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、電気的絶縁性物質から成る微細な凹凸Ａによって内周部材３及び外周部材４が絶縁部材となり、例えば、燃料電池ユニットＵ２の単セル１側の表面に設けるガラスコート（図１ｂ中の符号１７参照）が不要となり、構造の簡略化などに貢献することができる。
【００３８】
図４及び図５は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。
【００３９】
図４に示す燃料電池ユニットＵ２は、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（図中で上面）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の外周部に接合する外周部材４を備えている。
【００４０】
また、燃料電池ユニットＵ２は、単セル１とセパレータ２の間に、ユニット内集電体５と、ユニット内のガス流路部材２１を介装して、単セル１とセパレータ２の外周部同士を外周部材４で気密的に接合することにより、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している。
【００４１】
さらに、燃料電池ユニットＵ２は、セパレータ２の反単セル側の面（図中で上面）に、隣接する燃料電池ユニットＵ２との間に介装されるユニット外集電体７と、ユニット外のガス流路部材２２と、隣接する燃料電池ユニットＵとの間に間隙を形成するスペーサ２３が設けてある。
【００４２】
ユニット内及びユニット外の集電体５，６には、先の実施形態と同様に、発泡銀等の発泡金属が用いられる。ガス流路部材２１，２２及びスペーサ２３には、例えば、フェライト系ステンレスＳＵＳ４３０が用いられる。なお、集電体５，６やガス流路部材２１，２２は、当然のことながら導電性を有するものである。
【００４３】
セパレータ２、内周部材３、ユニット内のガス流路部材２１、及びスペーサ２３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、先の実施形態と同様に、燃料電池ユニットＵ２を組立てた状態で互いに連通し、燃料電池ユニットＵ２を積層した状態において導入管１１Ａ及び排出管１１Ｂを形成する。
【００４４】
ここで、燃料電池ユニットＵ２は、先の実施形態と同様に、セパレータ２、内周部材３及び外周部材４が、燃料ガスの流通域と酸化剤ガスの流通域とを隔てる隔壁部材に相当する。これらの部材のうちの内周部材３及び外周部材４は、単セル１を保持するセル板部材である。
【００４５】
そしてさらに、燃料電池ユニットＵ２は、上記の隔壁部材に対して熱伝達可能に接触する機能部材を備えており、この機能部材に熱伝達促進用の微細な凹部を設けている。この実施形態における機能部材は、ユニット内集電体５及びユニット内のガス流路部材２１、ユニット外集電体６及びユニット外のガス流路部材２２、並びにスペーサ２３である。
【００４６】
上記の燃料電池ユニットＵ２は、複数枚を積層することで、図５に示すように、スタック構造体Ｓを構成し、さらに、スタック構造体ＳをケースＣに収容して燃料電池ＦＣ３を構成する。
【００４７】
上記の燃料電池ＦＣ３にあっても、隔壁部材に対して熱伝達可能に接触する機能部材、すなわち、セパレータ２、内周部材３及び外周部材４に対して熱伝達可能に接触する集電体５，６、ガス流路部材２１，２２及びスペーサ２３に微細な凹凸Ａを設けたことで、これらの部材２１〜２３の熱伝達率をさらに高くして熱交換効率を一層高め、高温の燃料ガスと酸化剤ガスとの温度差を低減することができる。これにより、燃料電池ユニットＵ２及びスタック構造体Ｓの温度分布の均一化を実現すると共に、これらの内部を所望の温度範囲に抑えることができる。
【００４８】
なお、図４及び図５に示す構造を有する燃料電池ユニットＵ２及び燃料電池ＦＣ３において、微細な凹凸Ａは、機能部材であるガス流路部材２１，２２及びスペーサ２３の全部に設けても良いし、機能部材のうちのいずれかに設けても良い。また、微細な凹凸Ａは、機能部材及び隔壁部材の全てに設けても良い。
【００４９】
また、上記実施形態において、ユニット内及びユニット外の集電体５，６は、発泡金属から成るものとしたが、金属製繊維を不職布状に成形したものを採用することもできる。さらに、図６に示すように、金属板から成る集電体２５を採用することもできる。
【００５０】
図６に示す集電体２５は、板ばね状の多数の突片２５Ａを切り起しにより形成したものであって、単セル１とセパレータ２との間に介装することで、突片２５Ａの弾力性により燃料電池ユニットの変形に追従して、常に良好な電気的接触状態を維持するものである。
【００５１】
図７は、本発明の燃料電池のさらに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。
【００５２】
図示の燃料電池ＦＣ４は、ケースＣ内に、燃料電池ユニットＵに供給する高温の燃料ガス（一方の反応用ガス）とケースＣ内に供給した酸化剤ガス（他方の反応用ガス）との間で熱交換を行う熱交換器３１を備えている。
【００５３】
図示例のスタック構造体Ｓは、その上下にフランジ部材４１，４２を設けると共に、上側のフランジ部材４１に皿ばね４３を設け、上側のフランジ部材４１及び皿ばね４３に貫通させたスタッドボルト４４を下側のフランジ部材４２に螺着することで、上下のフランジ部材４１，４２で挟持されている。
【００５４】
また、熱交換器３１は、ケース３２に複数の熱交換用チューブ３３を収容したものである。この熱交換器３１は、気化器３４及び改質器３５で生成した高温の改質ガスを導入して、ケースＣ内に供給した酸化剤ガスとの間で熱交換をし、改質ガスを燃料ガスとしてスタック構造体Ｓに供給する。そして、この実施形態では、熱交換器３１の表面に、熱伝達促進用の微細な凹凸Ａが形成してある。
【００５５】
上記の燃料電池ＦＣ４は、微細な凹凸Ａにより、熱交換器３１のケース３２の熱伝達率が高いものとなり、熱交換器３１における熱交換効率が向上する。これにより、スタック構造体Ｓの内部に供給する燃料ガスと、ケースＣ内に供給する酸化剤ガスとの温度差を低減して、温度分布の均一化を図ることができ、ひいては燃料電池ユニットＵ及びスタック構造体Ｓの内部を所望の温度範囲に抑制することができる。
【００５６】
図８は、本発明の燃料電池のさらに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。
【００５７】
図示の燃料電池ＦＣ５は、ケースＣ内に、燃料電池ユニットＵに供給する燃料ガスとケースＣ内に供給した酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換器５１を備えている。
【００５８】
熱交換器５１は、燃料電池ユニットＵとほぼ同等の直径及び厚さを有する複数の扁平ケース５２を備え、これらの扁平ケース５２を互いに間隙を介して積層した構造になっている。各扁平ケース５２は、その内部が上下方向に互いに連通している。この熱交換器５１は、上側及び下側のスタック構造体Ｓの間に同軸状に介装してあると共に、その上下において各スタック構造体Ｓと内部で互いに連通している。そして、熱交換器５１は、各扁平ケース５２の表面に熱伝達促進用の微細な凹凸Ａが形成してある。
【００５９】
また、この実施形態では、ケースＣが、上部のスタック構造体Ｓを収容する上段ケースＣ１と、熱交換器５１を収容する中段ケースＣ２と、下部のスタック構造体Ｓを収容する下段ケースＣ３に区分けしてある。上段、中段及び下段のケースＣ１〜Ｃ３は、上下に互いに連通している。
【００６０】
上記の燃料電池ＦＣ５は、微細な凹凸Ａにより、熱交換器５３の各扁平ケース５２の熱伝達率が高いものとなり、熱交換器５１における熱交換効率が向上する。これにより、中段ケースＣ２において、高温の燃料ガスと酸化剤ガスとの間で熱交換を行って、上下のスタック構造体Ｓの内部に供給する燃料ガスと、上段及び下段のケースＣ１，Ｃ３に供給する酸化剤ガスとの温度差を低減して、温度分布の均一化を図ることができ、ひいては燃料電池ユニットＵ及びスタック構造体Ｓの内部を所望の温度範囲に抑制することができる。
【００６１】
図９〜図１１は、微細凹凸構造の製造方法を説明する図である。
図９に示すように、隔壁部材の基材Ｍに、加圧空気とともに金属製の微細粒子を吹き付け、基材Ｍの表面の一部を除去して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。
【００６２】
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材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。
【００６３】
また、図１０に示すように、隔壁部材の基材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、微細粒子Ｇで多孔質状の層を形成し、基材Ｍの表面に微細な凹凸Ａを形成することができる。
【００６４】
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材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。
【００６５】
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、隔壁部材そのものが絶縁性を有するものとなり、別の絶縁層を省略して構造の簡素化などに貢献することができる。
【００６６】
さらに、図１１に示すように、金属被膜を有する隔壁部材の基材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。
【００６７】
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材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、外側からの加工が困難な熱交換部位に非常に有効であり、隔壁部材（セル板部材を含む隔壁部材）や機能部材の表面全体に微細な凹凸Ａを容易に形成することができる。また、酸化被膜Ｐが絶縁性を有するので、別の絶縁層を省略して構造の簡素化などに貢献することができる。
【００６８】
なお、電気的絶縁物質から成る微細粒子Ｇを用いて形成した微細な凹凸Ａや、陽極酸化処理により形成した微細な凹凸Ａは、当然、集電体等のように導電性を要する部材以外の隔壁部材や機能部材に形成することとなる。
【００６９】
図１２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９に示す如く粗面化による凹凸Ａを有する試料と、図１１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。
【００７０】
その結果、図１２から明らかなように、未処理の試料に比べて、微細な凹凸Ａを有する試料はいずれも表面温度が高くなり、微細な凹凸Ａにより熱伝達率が向上していることを確認した。
【００７１】
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、構成の細部を適宜変更することができ、隔壁部材や機能部材の両面又は片面に微細な凹凸Ａを設けることができる。
【００７２】
さらに、上記各実施形態では、燃料電池ユニットＵ，Ｕ１，Ｕ２内に一方の反応用ガスである燃料ガスを流通させると共に、ケースＣ内に他方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）を流通させるものとして説明したが、燃料電池ユニットの構成によっては、燃料ガスと酸化剤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】
【００７３】
【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）及び断面図（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】本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する断面図である。
【図４】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態における燃料電池ユニットを分解状態で説明する斜視図である。
【図５】図４に示す燃料電池ユニットを備えた燃料電池を説明する断面図である。
【図６】集電体の他の例を説明する平面図である。
【図７】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。
【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断面図である。
【図９】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１０】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１１】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１２】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。
【符号の説明】
【００７４】
Ａ 微細な凹凸
Ｃ ケース
ＦＣ１〜ＦＣ５ 燃料電池
Ｓ スタック構造体
Ｕ Ｕ１ Ｕ２ 燃料電池ユニット
１ 単セル
２ セパレータ（隔壁部材）
３ 内周部材（隔壁部材：セル板部材）
４ 外周部材（隔壁部材：セル板部材）
５ ユニット内集電体（機能部材）
６ ユニット外集電体（機能部材）
７ 導入部
８ 排出部
１１Ａ 導入管（燃料ガスの導入管）
１１Ｂ 排出管（燃料ガスの排出管）
１２Ａ 導入管（酸化剤ガスの導入管）
１２Ｂ 排出管（酸化剤ガスの排出管）
２１ ２２ ガス流路部材（機能部材）
２３ スペーサ（機能部材）
２５ 集電体（機能部材）
３１ ５１ 熱交換器
【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あって、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ている。また、燃料電池は、各燃料電池ユニットの内部に、燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスを供給すると共に、ケース内に他方の反応用ガスを供給して燃料電池ユニット同士の間隙に他方の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流通域と他方の反応用ガスの流通域とを隔てる隔壁部材に、熱伝達促進用の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、とくに、一方の反応用ガスの流通域と他方の反応用ガスの流通域とを隔てる隔壁部材において、微細な凹凸により同隔壁部材の熱伝達率を向上させ、両反応用ガスの熱交換効率を高めて両反応用ガスの温度差を低減することができ、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（ａ）（ｂ）に示す燃料電池ＦＣ１は、複数の燃料電池ユニットＵ１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。
【００１１】
図示例の燃料電池ユニットＵ１は、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Ｓを形成する。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。
【００１２】
図示例の燃料電池ＦＣ１は、スタック構造体Ｓの中心部分に、一方の反応用ガスである燃料ガスの導入管１１Ａ及び排出管１１Ｂを備えると共に、ケースＣ内に、他方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）の導入管１２Ａ及び排出管１２Ｂを燃料電池ユニットＵ１の積層方向に沿って備えている。これにより、燃料電池ＦＣ１は、各燃料電池ユニットＵ１の内部に燃料ガスを供給すると共に、ケースＣ内に酸化剤ガスを供給して、燃料電池ユニットＵ１同士の間隙に酸化剤ガスを流通させる。
【００１３】
燃料電池ユニットＵ１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の外周部に接合する外周部材４を備えている。この実施形態では、内周部材３及び外周部材４が単セル１を保持するセル板部材であり、単セル１、内周部材３及び外周部材４によりセル板を構成している。
【００１４】
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り、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。
【００１５】
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。
【００１６】
燃料電池ユニットＵ１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Ｕ１との間に介装すユニット外集電体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。
【００１７】
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。
【００１８】
さらに、セパレータ２及び内周部材３は、中心部に、円形穴から成る燃料ガスの導入部７が設けてあると共に、その周囲に、同じく円形穴から成る燃料ガスの排出部８が９０度間隔で配置してある。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Ｕ１を積層したスタック構造体Ｓにおいて、互いに連続して先述の導入管１１Ａ及び排出管１１Ｂを形成する。
【００１９】
また、図１に示す燃料電池ＦＣ１は、ケースＣの内部に、一対の酸化剤ガスの導入管１２Ａ，１２Ａと、両導入管１２Ａ，１２Ａの間に配置した排出管１２Ｂを備えている。一対の導入管１２Ａ，１２Ａは、燃料電池ユニットＵ１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１２ａを有している。また、排出管１２Ｂは、燃料電池ユニットＵ１同士の間隙に対応する位置で開口している。
【００２０】
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。導入管１２Ａ及び排出管１２Ｂは、例えば、オーステナイト系ステンレスＳＵＳ３１６製である。
【００２１】
ここで、燃料電池ＦＣ１は、各導入管１２Ａ，１２Ａ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】
また、燃料電池ＦＣ１は、図１（ｂ）に示すように、ガス誘導部材１３とスタック構造体Ｓとの間に、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Ｕ１の単セル１側の表面にはガラスコート１７が施してある。
【００２３】
そして、上記の燃料電池ＦＣ１は、燃料ガスの導入管１１Ａから、各燃料電池ユニットＵ１内に燃料ガスを導入し、燃料ガスを単セル１の燃料極に供給する。また、燃料電池ＦＣ１は、酸化剤ガス（空気）の導入管１２Ａから、ケースＣ内に酸化剤ガスを導入し、その酸化剤ガスを燃料電池ユニットＵ１同士の間隙に流通させて単セル１の空気極に供給する。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。
【００２４】
この際、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の採用により燃料電池ユニットＵ１及びスタック構造体Ｓの温度分布の均一化が格段に向上したものとなる。
【００２５】
また、燃料電池ＦＣ１は、上記の如く酸化剤ガスの熱交換効率を高める構成に加えて、以下に述べるように、燃料ガスと酸化剤ガスとの間の熱交換効率をも高める構成を採用しており、燃料電池ユニットＵ１及びスタック構造体Ｓの温度分布のさらなる均一化を実現するものとなる。
【００２６】
すなわち、燃料電池ＦＣ１は、上述の如く、複数の燃料電池ユニットＵ１を互いに間隙を介して積層してスタック構造体Ｓを形成すると共に、スタック構造体ＳをケースＣに収容し、各燃料電池ユニットＵ１の内部に、燃料ガスを供給すると共に、ケースＣ内に酸化剤ガスを供給して燃料電池ユニットＵ１同士の間隙に他方の反応用ガスを流通させる構造を有している。
【００２７】
そして、燃料電池ＦＣ１は、一方の反応用ガスである燃料ガスの流通域と、他方の反応用ガスである酸化剤ガスの流通域とを隔てる隔壁部材に、熱伝達促進用の微細な凹凸Ａが設けてある。
【００２８】
この実施形態における隔壁部材は、セパレータ２、内周部材（セル板部材）３及び外周部材（セル板部材）４であり、これらの部材２〜４の両面に微細な凹凸Ａが形成してある。なお、微細な凹凸Ａは、これらの部材２〜４のうちの少なくとも一つの部材に形成したり、選択した部材２〜４の少なくとも一方の面に形成したりすることができるが、全ての部材２〜４の両面に形成することで熱伝達率がより一層高められる。
【００２９】
上記の燃料電池ＦＣ１では、燃料ガスが改質されたガスであるうえに、発電時にスタック構造体Ｓが発熱することから、酸化剤ガスの温度に比べて燃料ガスの温度の方が高くなる。そこで、燃料電池ＦＣ１では、燃料ガスの流通域と酸化剤ガスの流通域とを隔てる隔壁部材において夫々熱交換をし、燃料電池ユニットＵ１に導入する燃料ガスを予熱して発電効率を高めるようにしている。
【００３０】
そして、燃料電池ＦＣ１では、燃料ガスの流通域と酸化剤ガスの流通域とを隔てる隔壁部材であるセパレータ２、内周部材３及び外周部材４に微細な凹凸Ａを設けることで、これらの部材２〜４の熱伝達率をさらに高くして熱交換効率を一層高め、高温の燃料ガスと酸化剤ガスとの温度差を低減することができる。これにより、燃料電池ＦＣ１では、燃料電池ユニットＵ１及びスタック構造体Ｓの内部を所望の温度範囲に抑えることができる。
【００３１】
上記の微細な凹凸Ａ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Ａ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。
【００３２】
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Ｕ１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燃料ガスの導入管１１Ａ及び排出管１１Ｂを備え、各燃料電池ユニットＵ１内に燃料ガスを流通させる構造を有している。
【００３３】
さらに、燃料電池ＦＣ１は、スタック構造体Ｓを収容するケースＣを備えると共に、ケースＣ内に酸化剤ガスの導入管１２Ａ及び排出管１２Ｂを配置して、燃料電池ユニットＵ１同士の間隙に酸化剤ガスを流通させる構造を有している。また、燃料電池ＦＣ１は、燃料電池ユニットＵ１の周上において、酸化剤ガスの排出管１２Ｂとガス誘導部材１３の開口域１５を１８０度の位相で配置すると共に、排出管１２Ｂの両側に導入管１２Ａ，１２Ａ及びガス誘導部材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１２Ａ、排出管１２Ｂ、ガス誘導部材１３、外周ガス流路１４及び開口域１５を線対称に配置している。
【００３４】
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、燃料ガス及び酸化剤ガスをより均一に流通させて、燃料電池ユニットＵ１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Ｕ１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。
【００３５】
図３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。
【００３６】
図示の燃料電池ＦＣ２は、先の実施形態の燃料電池（図１参照）と同等の構成を備えており、隔壁部材であるセパレータ２、内周部材（セル板部材）３及び外周部材（セル板部材）４の両面に、熱伝達促進用の微細な凹凸Ａが形成してある。そして、この実施形態では、とくに、内周部材３及び外周部材４において、微細な凹凸Ａが電気的絶縁性物質で形成してある。
【００３７】
上記の燃料電池ＦＣ２では、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、電気的絶縁性物質から成る微細な凹凸Ａによって内周部材３及び外周部材４が絶縁部材となり、例えば、燃料電池ユニットＵ２の単セル１側の表面に設けるガラスコート（図１ｂ中の符号１７参照）が不要となり、構造の簡略化などに貢献することができる。
【００３８】
図４及び図５は、本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。
【００３９】
図４に示す燃料電池ユニットＵ２は、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（図中で上面）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の外周部に接合する外周部材４を備えている。
【００４０】
また、燃料電池ユニットＵ２は、単セル１とセパレータ２の間に、ユニット内集電体５と、ユニット内のガス流路部材２１を介装して、単セル１とセパレータ２の外周部同士を外周部材４で気密的に接合することにより、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している。
【００４１】
さらに、燃料電池ユニットＵ２は、セパレータ２の反単セル側の面（図中で上面）に、隣接する燃料電池ユニットＵ２との間に介装されるユニット外集電体７と、ユニット外のガス流路部材２２と、隣接する燃料電池ユニットＵとの間に間隙を形成するスペーサ２３が設けてある。
【００４２】
ユニット内及びユニット外の集電体５，６には、先の実施形態と同様に、発泡銀等の発泡金属が用いられる。ガス流路部材２１，２２及びスペーサ２３には、例えば、フェライト系ステンレスＳＵＳ４３０が用いられる。なお、集電体５，６やガス流路部材２１，２２は、当然のことながら導電性を有するものである。
【００４３】
セパレータ２、内周部材３、ユニット内のガス流路部材２１、及びスペーサ２３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、先の実施形態と同様に、燃料電池ユニットＵ２を組立てた状態で互いに連通し、燃料電池ユニットＵ２を積層した状態において導入管１１Ａ及び排出管１１Ｂを形成する。
【００４４】
ここで、燃料電池ユニットＵ２は、先の実施形態と同様に、セパレータ２、内周部材３及び外周部材４が、燃料ガスの流通域と酸化剤ガスの流通域とを隔てる隔壁部材に相当する。これらの部材のうちの内周部材３及び外周部材４は、単セル１を保持するセル板部材である。
【００４５】
そしてさらに、燃料電池ユニットＵ２は、上記の隔壁部材に対して熱伝達可能に接触する機能部材を備えており、この機能部材に熱伝達促進用の微細な凹部を設けている。この実施形態における機能部材は、ユニット内集電体５及びユニット内のガス流路部材２１、ユニット外集電体６及びユニット外のガス流路部材２２、並びにスペーサ２３である。
【００４６】
上記の燃料電池ユニットＵ２は、複数枚を積層することで、図５に示すように、スタック構造体Ｓを構成し、さらに、スタック構造体ＳをケースＣに収容して燃料電池ＦＣ３を構成する。
【００４７】
上記の燃料電池ＦＣ３にあっても、隔壁部材に対して熱伝達可能に接触する機能部材、すなわち、セパレータ２、内周部材３及び外周部材４に対して熱伝達可能に接触する集電体５，６、ガス流路部材２１，２２及びスペーサ２３に微細な凹凸Ａを設けたことで、これらの部材２１〜２３の熱伝達率をさらに高くして熱交換効率を一層高め、高温の燃料ガスと酸化剤ガスとの温度差を低減することができる。これにより、燃料電池ユニットＵ２及びスタック構造体Ｓの温度分布の均一化を実現すると共に、これらの内部を所望の温度範囲に抑えることができる。
【００４８】
なお、図４及び図５に示す構造を有する燃料電池ユニットＵ２及び燃料電池ＦＣ３において、微細な凹凸Ａは、機能部材であるガス流路部材２１，２２及びスペーサ２３の全部に設けても良いし、機能部材のうちのいずれかに設けても良い。また、微細な凹凸Ａは、機能部材及び隔壁部材の全てに設けても良い。
【００４９】
また、上記実施形態において、ユニット内及びユニット外の集電体５，６は、発泡金属から成るものとしたが、金属製繊維を不職布状に成形したものを採用することもできる。さらに、図６に示すように、金属板から成る集電体２５を採用することもできる。
【００５０】
図６に示す集電体２５は、板ばね状の多数の突片２５Ａを切り起しにより形成したものであって、単セル１とセパレータ２との間に介装することで、突片２５Ａの弾力性により燃料電池ユニットの変形に追従して、常に良好な電気的接触状態を維持するものである。
【００５１】
図７は、本発明の燃料電池のさらに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。
【００５２】
図示の燃料電池ＦＣ４は、ケースＣ内に、燃料電池ユニットＵに供給する高温の燃料ガス（一方の反応用ガス）とケースＣ内に供給した酸化剤ガス（他方の反応用ガス）との間で熱交換を行う熱交換器３１を備えている。
【００５３】
図示例のスタック構造体Ｓは、その上下にフランジ部材４１，４２を設けると共に、上側のフランジ部材４１に皿ばね４３を設け、上側のフランジ部材４１及び皿ばね４３に貫通させたスタッドボルト４４を下側のフランジ部材４２に螺着することで、上下のフランジ部材４１，４２で挟持されている。
【００５４】
また、熱交換器３１は、ケース３２に複数の熱交換用チューブ３３を収容したものである。この熱交換器３１は、気化器３４及び改質器３５で生成した高温の改質ガスを導入して、ケースＣ内に供給した酸化剤ガスとの間で熱交換をし、改質ガスを燃料ガスとしてスタック構造体Ｓに供給する。そして、この実施形態では、熱交換器３１の表面に、熱伝達促進用の微細な凹凸Ａが形成してある。
【００５５】
上記の燃料電池ＦＣ４は、微細な凹凸Ａにより、熱交換器３１のケース３２の熱伝達率が高いものとなり、熱交換器３１における熱交換効率が向上する。これにより、スタック構造体Ｓの内部に供給する燃料ガスと、ケースＣ内に供給する酸化剤ガスとの温度差を低減して、温度分布の均一化を図ることができ、ひいては燃料電池ユニットＵ及びスタック構造体Ｓの内部を所望の温度範囲に抑制することができる。
【００５６】
図８は、本発明の燃料電池のさらに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。
【００５７】
図示の燃料電池ＦＣ５は、ケースＣ内に、燃料電池ユニットＵに供給する燃料ガスとケースＣ内に供給した酸化剤ガスとの間で熱交換を行う熱交換器５１を備えている。
【００５８】
熱交換器５１は、燃料電池ユニットＵとほぼ同等の直径及び厚さを有する複数の扁平ケース５２を備え、これらの扁平ケース５２を互いに間隙を介して積層した構造になっている。各扁平ケース５２は、その内部が上下方向に互いに連通している。この熱交換器５１は、上側及び下側のスタック構造体Ｓの間に同軸状に介装してあると共に、その上下において各スタック構造体Ｓと内部で互いに連通している。そして、熱交換器５１は、各扁平ケース５２の表面に熱伝達促進用の微細な凹凸Ａが形成してある。
【００５９】
また、この実施形態では、ケースＣが、上部のスタック構造体Ｓを収容する上段ケースＣ１と、熱交換器５１を収容する中段ケースＣ２と、下部のスタック構造体Ｓを収容する下段ケースＣ３に区分けしてある。上段、中段及び下段のケースＣ１〜Ｃ３は、上下に互いに連通している。
【００６０】
上記の燃料電池ＦＣ５は、微細な凹凸Ａにより、熱交換器５３の各扁平ケース５２の熱伝達率が高いものとなり、熱交換器５１における熱交換効率が向上する。これにより、中段ケースＣ２において、高温の燃料ガスと酸化剤ガスとの間で熱交換を行って、上下のスタック構造体Ｓの内部に供給する燃料ガスと、上段及び下段のケースＣ１，Ｃ３に供給する酸化剤ガスとの温度差を低減して、温度分布の均一化を図ることができ、ひいては燃料電池ユニットＵ及びスタック構造体Ｓの内部を所望の温度範囲に抑制することができる。
【００６１】
図９〜図１１は、微細凹凸構造の製造方法を説明する図である。
図９に示すように、隔壁部材の基材Ｍに、加圧空気とともに金属製の微細粒子を吹き付け、基材Ｍの表面の一部を除去して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。
【００６２】
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材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。
【００６３】
また、図１０に示すように、隔壁部材の基材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、微細粒子Ｇで多孔質状の層を形成し、基材Ｍの表面に微細な凹凸Ａを形成することができる。
【００６４】
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材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。
【００６５】
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、隔壁部材そのものが絶縁性を有するものとなり、別の絶縁層を省略して構造の簡素化などに貢献することができる。
【００６６】
さらに、図１１に示すように、金属被膜を有する隔壁部材の基材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。
【００６７】
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材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、外側からの加工が困難な熱交換部位に非常に有効であり、隔壁部材（セル板部材を含む隔壁部材）や機能部材の表面全体に微細な凹凸Ａを容易に形成することができる。また、酸化被膜Ｐが絶縁性を有するので、別の絶縁層を省略して構造の簡素化などに貢献することができる。
【００６８】
なお、電気的絶縁物質から成る微細粒子Ｇを用いて形成した微細な凹凸Ａや、陽極酸化処理により形成した微細な凹凸Ａは、当然、集電体等のように導電性を要する部材以外の隔壁部材や機能部材に形成することとなる。
【００６９】
図１２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９に示す如く粗面化による凹凸Ａを有する試料と、図１１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。
【００７０】
その結果、図１２から明らかなように、未処理の試料に比べて、微細な凹凸Ａを有する試料はいずれも表面温度が高くなり、微細な凹凸Ａにより熱伝達率が向上していることを確認した。
【００７１】
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、構成の細部を適宜変更することができ、隔壁部材や機能部材の両面又は片面に微細な凹凸Ａを設けることができる。
【００７２】
さらに、上記各実施形態では、燃料電池ユニットＵ，Ｕ１，Ｕ２内に一方の反応用ガスである燃料ガスを流通させると共に、ケースＣ内に他方の反応用ガスである酸化剤ガス（空気）を流通させるものとして説明したが、燃料電池ユニットの構成によっては、燃料ガスと酸化剤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】
【００７３】
【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）及び断面図（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】本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する断面図である。
【図４】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態における燃料電池ユニットを分解状態で説明する斜視図である。
【図５】図４に示す燃料電池ユニットを備えた燃料電池を説明する断面図である。
【図６】集電体の他の例を説明する平面図である。
【図７】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。
【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断面図である。
【図９】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１０】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１１】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１２】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。
【符号の説明】
【００７４】
Ａ 微細な凹凸
Ｃ ケース
ＦＣ１〜ＦＣ５ 燃料電池
Ｓ スタック構造体
Ｕ Ｕ１ Ｕ２ 燃料電池ユニット
１ 単セル
２ セパレータ（隔壁部材）
３ 内周部材（隔壁部材：セル板部材）
４ 外周部材（隔壁部材：セル板部材）
５ ユニット内集電体（機能部材）
６ ユニット外集電体（機能部材）
７ 導入部
８ 排出部
１１Ａ 導入管（燃料ガスの導入管）
１１Ｂ 排出管（燃料ガスの排出管）
１２Ａ 導入管（酸化剤ガスの導入管）
１２Ｂ 排出管（酸化剤ガスの排出管）
２１ ２２ ガス流路部材（機能部材）
２３ スペーサ（機能部材）
２５ 集電体（機能部材）
３１ ５１ 熱交換器
【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、各燃料電池ユニットの内部に、燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスを供給すると共に、ケース内に他方の反応用ガスを供給して燃料電池ユニット同士の間隙に他方の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流通域と他方の反応用ガスの流通域とを隔てる隔壁部材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、その中心部分に一方の反応用ガスの導入管及び排出管を備えてい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が、発電要素である単セルと、単セルとの間にガス室を形成するセパレータを備え、セパレータが、一方及び他方の反応用ガスの流通域を隔てる隔壁部材であって、セパレータ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】
各燃料電池ユニットが、単セルを保持するセル板部材を備え、セル板部材が、一方及び他方の反応用ガスの流通域を隔てる隔壁部材であって、セル板部材に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
微細な凹凸が、電気的絶縁物質で形成してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
隔壁部材に対して熱伝達可能に接触する機能部材を備え、機能部材に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
各燃料電池ユニットが、その内部に収容したユニット内集電体と、隣接する燃料電池ユニットとの間に介装するユニット外集電体を備え、ユニット内集電体及びユニット外集電体が、隔壁部材に対して熱伝達可能に接触する機能部材であって、ユニット内集電体及びユニット外集電体の少なくとも一方に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
各燃料電池ユニットが、その内部に一方の反応用ガスのガス流路を形成するユニット内流路部材と、隣接する燃料電池ユニットとの間に他方の反応用ガスのガス流路を形成するユニット外流路部材を備え、ユニット内流路部材及びユニット外流路部材が、隔壁部材に対して熱伝達可能に接触する機能部材であって、ユニット内流路部材及びユニット外流路部材の少なくとも一方に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池。
【請求項９】
ケース内に、燃料電池ユニットに供給する一方の反応用ガスとケース内に供給した他方の反応用ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、熱交換器の表面に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
請求項１〜９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１１】
請求項１〜９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１２】
微細粒子が、電気絶縁性物質であることを特徴とする請求項１１に記載の微細凹凸構造の製造方法。
【請求項１３】
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、各燃料電池ユニットの内部に、燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方の反応用ガスを供給すると共に、ケース内に他方の反応用ガスを供給して燃料電池ユニット同士の間隙に他方の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流通域と他方の反応用ガスの流通域とを隔てる隔壁部材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、その中心部分に一方の反応用ガスの導入管及び排出管を備えてい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が、発電要素である単セルと、単セルとの間にガス室を形成するセパレータを備え、セパレータが、一方及び他方の反応用ガスの流通域を隔てる隔壁部材であって、セパレータ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】
各燃料電池ユニットが、単セルを保持するセル板部材を備え、セル板部材が、一方及び他方の反応用ガスの流通域を隔てる隔壁部材であって、セル板部材に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
微細な凹凸が、電気的絶縁物質で形成してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
隔壁部材に対して熱伝達可能に接触する機能部材を備え、機能部材に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
各燃料電池ユニットが、その内部に収容したユニット内集電体と、隣接する燃料電池ユニットとの間に介装するユニット外集電体を備え、ユニット内集電体及びユニット外集電体が、隔壁部材に対して熱伝達可能に接触する機能部材であって、ユニット内集電体及びユニット外集電体の少なくとも一方に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
各燃料電池ユニットが、その内部に一方の反応用ガスのガス流路を形成するユニット内流路部材と、隣接する燃料電池ユニットとの間に他方の反応用ガスのガス流路を形成するユニット外流路部材を備え、ユニット内流路部材及びユニット外流路部材が、隔壁部材に対して熱伝達可能に接触する機能部材であって、ユニット内流路部材及びユニット外流路部材の少なくとも一方に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池。
【請求項９】
ケース内に、燃料電池ユニットに供給する一方の反応用ガスとケース内に供給した他方の反応用ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、熱交換器の表面に微細な凹凸を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
請求項１〜９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１１】
請求項１〜９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１２】
微細粒子が、電気絶縁性物質であることを特徴とする請求項１１に記載の微細凹凸構造の製造方法。
【請求項１３】
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１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−３３８６５（Ｐ２０１０−３３８６５Ａ）
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９４３９５（Ｐ２００８−１９４３９５）
【出願日】平成２０年７月２９日（２００８．７．２９）
【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１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２９日（２００８．７．２９）
【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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