燃料電池
【課題】燃料電池内部から排出される酸化性ガスの熱を利用して、燃料電池（ＳＯＦＣ）に供給されるガスを効率良く予熱すること。
【解決手段】このＳＯＦＣでは、空気供給共通管２１から複数の空気供給マニホールド２２に供給された空気は、マニホールド２２に形成された複数の供給孔２２ａを介して対応する発電構造体（セル積層体）１０に向けて水平にそれぞれ流出し、対応する発電構造体１０内の隣り合うセル１１，１１の間の空間にそれぞれ供給される。この空間内で、空気は、ＳＯＦＣの発熱反応により加熱されたセル１１から熱を受けて高温になる。この高温の空気は、発電構造体１０（上記空間）から水平に排出されて、隣の空気供給マニホールド２２の外壁における鉛直方向に延在する側面に当たる。前記側面に当たった空気は、前記側面に沿って鉛直上方向に移動・排出される。
【解決手段】このＳＯＦＣでは、空気供給共通管２１から複数の空気供給マニホールド２２に供給された空気は、マニホールド２２に形成された複数の供給孔２２ａを介して対応する発電構造体（セル積層体）１０に向けて水平にそれぞれ流出し、対応する発電構造体１０内の隣り合うセル１１，１１の間の空間にそれぞれ供給される。この空間内で、空気は、ＳＯＦＣの発熱反応により加熱されたセル１１から熱を受けて高温になる。この高温の空気は、発電構造体１０（上記空間）から水平に排出されて、隣の空気供給マニホールド２２の外壁における鉛直方向に延在する側面に当たる。前記側面に当たった空気は、前記側面に沿って鉛直上方向に移動・排出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と呼ぶ。）などの燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣは、固体電解質の酸素伝導度を利用して発電する。このことに起因して、一般に、ＳＯＦＣは、６００℃以上、好ましくは７００〜１０００℃という高温（以下、「ＳＯＦＣの作動温度」と呼ぶ。）で作動する。従って、ＳＯＦＣセルに供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）、及び酸化性ガス（例えば、空気）は、ＳＯＦＣセル内部に供給される前に、ＳＯＦＣの作動温度近傍まで予熱される必要がある。
【０００３】
特許文献１では、ＳＯＦＣセル内部から排出される燃料ガス（燃料ガスの排ガスと呼ぶこともできる）の熱を利用して、ＳＯＦＣセルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管、或いはＳＯＦＣセルに酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給管を加熱する構成が開示されている。これにより、ＳＯＦＣセルに供給される燃料ガス、或いは酸化性ガスが予熱される。
【０００４】
ＳＯＦＣセル内部で発生する発電反応は発熱反応である。従って、ＳＯＦＣセル内部から排出される燃料ガスは、この発熱反応により熱を受けて高温になる。従って、ＳＯＦＣセルに供給される燃料ガス及び酸化性ガスの予熱は、ＳＯＦＣセル内部から排出される燃料ガスそのものの熱を利用して達成することができる。或いは、この予熱は、ＳＯＦＣセル内部から排出される燃料ガスを燃焼させ、その燃焼により得られる熱を利用して達成することもできる。
【０００５】
ところで、上述のように、ＳＯＦＣセル内部で発生する発電反応は発熱反応である。従って、ＳＯＦＣセル内部から排出される酸化性ガスも、この発熱反応により熱を受けて高温になる。特許文献２では、このことに着目して、ＳＯＦＣセルに供給される酸化性ガスを予熱する構成が開示されている。
【０００６】
具体的には、特許文献２に記載のＳＯＦＣは、複数の発電構造体を備える。複数の発電構造体のそれぞれは、内部に燃料ガスの内部流路が形成された平板状の複数の燃料電池セルが積み重ねられたセル積層体である。このＳＯＦＣは、外部から前記各発電構造体の各セルの前記内部流路に燃料ガスをそれぞれ供給するための燃料ガス供給路形成部材と、前記各発電構造体内の隣り合う前記セルの間の空間に前記セルの平面に沿って酸化性ガスをそれぞれ供給するための酸化性ガス供給路形成部材と、を備える。
【０００７】
前記酸化性ガス供給路形成部材は、鉛直方向に整列して配置された複数の酸化性ガスマニホールドを備える。複数の酸化性ガスマニホールドのそれぞれは、水平方向に延設されるとともに、前記複数の発電構造体のうち対応する発電構造体に酸化性ガスを供給する。前記各酸化性ガスマニホールドと隣の前記酸化性ガスマニホールドとの間に前記各酸化性ガスマニホールドに対応する前記発電構造体が配置される。前記各発電構造体（セル積層体）は、それぞれが鉛直方向に延在する前記複数の平板状のセルが水平方向に積み重ねられている。
【０００８】
前記複数の酸化性ガスマニホールド及び前記複数の発電構造体は、酸化性ガスが以下のように移動するよう固定配置されている。即ち、酸化性ガスは、前記各酸化性ガスマニホールドから前記対応する発電構造体内の隣り合う前記セルの間の空間に向けて鉛直上方向に流出・供給される。前記空間を通過した酸化性ガスは、前記空間から鉛直上方向に排出されるとともに前記隣の酸化性ガスマニホールドの外壁における水平方向に延在する底面に当たる。前記底面に当たった酸化性ガスは、水平方向に移動・排出される。
【０００９】
この構成によれば、各発電構造体内部から排出される酸化性ガスの熱を利用して、隣の発電構造体に酸化性ガスを供給するための酸化性ガスマニホールドが加熱される。換言すれば、各酸化性ガスマニホールドが、隣の発電構造体内部から排出される酸化性ガスの熱を利用してそれぞれ加熱され得る。この結果、複数の発電構造体に供給される酸化性ガスが予熱され得る。
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載のＳＯＦＣでは、前記隣の酸化性ガスマニホールドの外壁における水平方向に延在する底面に当たった酸化性ガスがその後において水平方向に移動する際、その移動方向が明確に定まり難い。従って、酸化性ガスの流れが安定しないことに起因して、各酸化性ガスマニホールドが効率良く加熱されているとは必ずしもいえない。この点において改良の余地があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１２９７１２号公報
【特許文献２】特開２００６−１７２９２５号公報
【発明の概要】
【００１２】
本発明者は、各酸化性ガスマニホールドが隣の発電構造体内部から排出される酸化性ガスの熱を利用して効率良くそれぞれ加熱され得る構成を見出した。
【００１３】
本発明に係るＳＯＦＣでは、前記酸化性ガス供給路形成部材は、（水平方向に整列して配置された）複数の酸化性ガスマニホールドを備える。複数の酸化性ガスマニホールドのそれぞれは、鉛直方向に立設されるとともに、前記複数の発電構造体のうち対応する発電構造体に酸化性ガスを供給する。
【００１４】
前記各酸化性ガスマニホールドと隣の前記酸化性ガスマニホールドとの間に前記各酸化性ガスマニホールドに対応する前記発電構造体が配置される。前記各発電構造体（セル積層体）は、それぞれが水平方向に延在する前記複数の平板状のセルが鉛直方向に積み重ねられていても、それぞれが鉛直方向に延在する前記複数の平板状のセルが水平方向に積み重ねられていてもよい。
【００１５】
前記複数の酸化性ガスマニホールド及び前記複数の発電構造体は、酸化性ガスが以下のように移動するよう固定配置されている。即ち、酸化性ガスは、前記各酸化性ガスマニホールドから前記対応する発電構造体内の隣り合う前記セルの間の空間に向けて水平方向に流出・供給される。前記空間を通過した酸化性ガスは、前記空間から水平方向に排出されるとともに前記隣の酸化性ガスマニホールドの外壁における鉛直方向に延在する側面（前記対応する発電構造体に面する側面）に当たる。前記側面に当たった酸化性ガスは、前記側面に沿って鉛直上方向に移動・排出される。
【００１６】
ここで、鉛直方向に延在する前記側面に当たった酸化性ガスが鉛直上方向に向けて移動するのは、発電構造体内部から排出された酸化性ガスが、ＳＯＦＣの周囲に存在する酸化性ガスと比べて温度が高く、従って、ＳＯＦＣの周囲に存在する酸化性ガスと比べて比重が小さいことに基づく。
【００１７】
上記構成によれば、上記特許文献２に記載のＳＯＦＣと同様、各発電構造体内部から排出される酸化性ガスの熱を利用して、隣の発電構造体に酸化性ガスを供給するための酸化性ガスマニホールドが加熱される。換言すれば、各酸化性ガスマニホールドが、隣の発電構造体内部から排出される酸化性ガスの熱を利用してそれぞれ加熱され得る。この結果、複数の発電構造体に供給される酸化性ガスが予熱され得る。
【００１８】
加えて、上述した比重の大小関係に基づいて、前記外壁の側面に当たった酸化性ガスは、前記外壁の側面に沿って安定して上昇していく。従って、前記外壁の側面の或る位置に当たった酸化性ガスは、自身の熱を前記外壁の側面に与えることによって自身の温度が下がった状態でその位置から上昇していく。他方、前記外壁の側面において位置が上側であるほど、前記側面に当たる酸化性ガス内における「その位置より下側で前記外壁の側面に既に当たったことに起因して自身の温度が下がった状態にあるガス」の割合が多くなる。
【００１９】
このことは、前記外壁の側面の位置が上側であるほど、前記側面に当たる酸化性ガスの温度が低くなることを意味する。換言すれば、前記外壁の側面において下方から上方に向けて温度が低くなる（上方の温度が低い）温度分布が形成される。従って、酸化性ガスマニホールドの内部空間においても、下方から上方に向けて温度が低くなる（上方の温度が低い）温度分布が形成される。この結果、前記内部空間において下方から上方に向けた対流が顕著に発生し得る。従って、前記内部空間に酸化性ガスが下方向から上方向に向けて供給される構成が採用される場合、特に、前記内部空間内の酸化性ガスの温度を効率良く高めることができる。
【００２０】
上記本発明に係るＳＯＦＣでは、前記鉛直方向に立設する各酸化性ガスマニホールドの内部空間には、酸化性ガスが鉛直下方向から鉛直上方向に向けて供給され、前記各酸化性ガスマニホールドの壁には、前記対応する発電構造体に面するとともに鉛直方向に延在する平面部が存在し、前記平面部には、前記対応する発電構造体に向けて酸化性ガスを水平方向に供給するための前記内部空間と連通する複数の供給孔が、鉛直方向に分布するように配置されることが好適である。
【００２１】
一般に、上記構成が採用される場合、複数の供給孔のうちでその位置がより下側にあるものから、より多くの量（流量）の酸化性ガスが流出する傾向がある。即ち、複数の供給孔から流出する酸化性ガスの量（流量）にばらつきがあった。これに対し、上述のように、上記本発明に係るＳＯＦＣでは、酸化性ガスマニホールドの内部空間において、下方から上方に向けて温度が低くなる温度分布が形成される。酸化性ガス（空気等）の粘度は、その温度が高いほど大きくなる。従って、前記内部空間において位置が下側であるほど酸化性ガスの粘度が大きくなる。この結果、複数の供給孔のうちその位置が下側にあるものから流出される酸化性ガスの量（流量）が制限され易くなる。この結果、複数の供給孔から流出する酸化性ガスの量（流量）のばらつきが抑制され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の上面図である。
【図２】図１に示した燃料電池の２−２線に対応する断面図である。
【図３】図１に示した燃料電池の３−３線に対応する断面図である。
【図４】図１に示した燃料電池の４−４線に対応する断面図である。
【図５】図１に示した発電構造体（セル積層体）を構成する複数のセルの１つを示す斜視図である。
【図６】図５に示したセルにインターコネクタと一対の支持部材とを取り付けた状態を示す斜視図である。
【図７】図５に示したセルを積層して得られる発電構造体（セル積層体）を示す斜視図である。
【図８】図１に示した燃料電池の作動中におけるガスの流れを示した、図１に対応する上面図である。
【図９】図１に示した燃料電池の作動中における空気の流れを示した、図２に対応する断面図である。
【図１０】図１に示した燃料電池の作動中における燃料ガスの流れを示した、図３に対応する断面図である。
【図１１】図１に示した燃料電池の作動中における燃料ガスの流れを示した、図４に対応する断面図である。
【図１２】図１に示した燃料電池の作動中における空気の流れを示した、図６に対応する斜視図である。
【図１３】図１に示した燃料電池の作動中におけるセル内部の燃料ガス流路内の燃料ガスの流れを示した斜視図である。
【図１４】本発明の実施形態の変形例に係る固体酸化物形燃料電池の作動中におけるガスの流れを示した、図８に対応する上面図である。
【図１５】図１４に示した燃料電池の作動中における空気の流れを示した、図９に対応する断面図である。
【図１６】図１４に示した燃料電池の作動中における燃料ガスの流れを示した、図１０に対応する断面図である。
【図１７】図１４に示した燃料電池の作動中における燃料ガスの流れを示した、図１１に対応する断面図である。
【図１８】本発明の実施形態の他の変形例に係る固体酸化物形燃料電池の作動中におけるガスの流れを示した、図８に対応する上面図である。
【図１９】図１８に示した燃料電池の作動中におけるガスの流れを示した、図１８に示す燃料電池の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について説明する。
【００２４】
図１〜図４に示すように、このＳＯＦＣは、複数（本例では、４つ）の発電構造体１０と、各発電構造体１０に空気（酸化性ガス）を供給するための空気供給路形成部材２０と、各発電構造体１０に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給するための燃料ガス供給路形成部材３０と、各発電構造体１０から外部へ燃料ガスを排出するための燃料ガス排出路形成部材４０と、を備える。
【００２５】
図２〜図４に示すように、複数の発電構造体１０は、所定の間隔をあけて一方向（ｙ軸方向）に整列して互いに固定配置されている。各発電構造体１０は、内部に燃料ガスの内部流路が形成された平板状の燃料電池セル１１が複数枚（本例では、１０枚）所定の間隔をあけて上下方向（ｚ軸方向）に積み重ねられて構成されたセル積層体である。
【００２６】
図２に示すように、空気供給路形成部材２０は、一方向（ｙ軸方向）に延びるとともに複数の発電構造体１０に共通の空気供給共通管２１と、空気供給共通管２１からそれぞれ上方（ｚ軸正方向）に立設するように分岐する複数（本例では、４つ）の空気供給マニホールド２２と、から構成されている。
【００２７】
空気供給共通管２１は、各発電構造体１０の下面における横方向（ｘ軸方向）の中央部を通るように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。複数の空気供給マニホールド２２は、複数の空気供給マニホールド２２と複数の発電構造体１０とが一方向（ｙ軸方向）に整列するように、且つ、各空気供給マニホールド２２が対応する（空気の供給対象である）発電構造体１０に対して一方向における同じ側（ｙ軸負方向側）に近接してそれぞれ位置するように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。
【００２８】
各空気供給マニホールド２２は、本例では、空気供給共通管２１と接続する内部空間を有する直方体状の筺体である。各空気供給マニホールド２２における対応する発電構造体１０に面する壁（ｙ軸正方向側の壁、平面部）には、対応する発電構造体１０内のそれぞれのセル１１に向けて空気を供給するための複数の供給孔（貫通孔）２２ａが上下方向（ｚ軸方向）に分布するように設けられている。
【００２９】
図３に示すように、燃料ガス供給路形成部材３０は、一方向（ｙ軸方向）に延びるとともに複数の発電構造体１０に共通の燃料ガス供給共通管３１と、燃料ガス供給共通管３１からそれぞれ上方（ｚ軸正方向）に立設するように分岐する複数（本例では、４つ）の燃料ガス供給マニホールド３２と、から構成されている。
【００３０】
燃料ガス供給共通管３１は、各発電構造体１０の下面における横方向の一方向側（ｘ軸負方向側）を通るように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。複数の燃料ガス供給マニホールド３２は、各燃料ガス供給マニホールド３２が対応する発電構造体１０における横方向の一方側（ｘ軸負方向側）に位置するように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。
【００３１】
各燃料ガス供給マニホールド３２は、本例では、燃料ガス供給共通管３１と接続する内部空間を有する円筒状の筺体である。各燃料ガス供給マニホールド３２における対応する発電構造体１０と接続する側の壁には、対応する発電構造体１０内のそれぞれのセル１１の内部流路に向けて燃料ガスを供給するための複数の供給孔３２ａが設けられている。
【００３２】
図４に示すように、燃料ガス排出路形成部材４０は、一方向（ｙ軸方向）に延びるとともに複数の発電構造体１０に共通の燃料ガス排出共通管４１と、燃料ガス排出共通管４１からそれぞれ上方（ｚ軸正方向）に立設するように分岐する複数（本例では、４つ）の燃料ガス排出マニホールド４２と、から構成されている。
【００３３】
燃料ガス排出共通管４１は、各発電構造体１０の下面における横方向の他方向側（ｘ軸正方向側）を通るように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。複数の燃料ガス排出マニホールド４２は、各燃料ガス排出マニホールド４２が対応する発電構造体１０における横方向の他方側（ｘ軸正方向側）に位置するように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。
【００３４】
各燃料ガス排出マニホールド４２は、本例では、燃料ガス排出共通管４１と接続する内部空間を有する円筒状の筺体である。各燃料ガス排出マニホールド４２における対応する発電構造体１０と接続する側の壁には、対応する発電構造体１０内のそれぞれのセル１１の内部流路から燃料ガスを排出するための複数の排出孔４２ａが設けられている。
【００３５】
以下、図５〜図７を参照しながら、発電構造体１０について付言する。図５に示すように、発電構造体１０内に含まれるセル１１は、平面形状（ｚ軸正方向からみた形状）が長方形の平板状を呈している。大略的には、セル１１は、燃料ガスの内部流路（後述する図１３を参照）を備えた平板状の燃料極と、その燃料極の表面全体を覆う固体電解質膜と、その固体電解質膜で覆われた燃料極の上下面に露呈する空気極と、から構成される。燃料ガスは、流入口１１ａを介して内部流路に供給され、流出口１１ｂを介して内部流路から排出される。
【００３６】
図６に示すように、セル１１には、セル１１の周りを覆うようにインターコネクタＩが取り付けられる。また、セル１１の流入口１１ａ及び流出口１１ｂに対応する外縁部（ｘ軸方向の両側の端部）には一対の保持部材Ｐ，Ｐが取り付けられる。一対の保持部材Ｐ，Ｐにはそれぞれ、上下方向（ｚ軸方向）に貫通する孔が形成され、且つ、セル１１の流入口１１ａ又は流出口１１ｂに接続する孔（上述した供給孔３２ａ又は排出孔４２ａに相当する孔）が形成されている。
【００３７】
図７に示すように、インターコネクタＩと一対の保持部材Ｐ，Ｐが取り付けられたセル１１が複数枚準備され、一対の保持部材Ｐ，Ｐが上下方向に連続するように複数積み重ねられる。これにより、複数のセル１１が所定の間隔をあけて複数枚上下方向（ｚ軸方向）に積み重ねられたセル積層体が構成される。隣り合うセル１１，１１間は、インターコネクタＩを介して電気的に接続される。即ち、発電構造体１１に含まれる複数のセル１１は電気的に直列に接続されている。また、一対の保持部材Ｐ，Ｐが上下方向に連続するように複数積み重ねられることにより、燃料ガス供給マニホールド３２及び燃料ガス排出マニホールド４２がそれぞれ形成される。
【００３８】
以上の構成を有するＳＯＦＣに対して、図８〜図１３に示すように、空気供給共通管２１に空気が供給されるとともに、燃料ガス供給共通管３１に燃料ガスが供給される。以下、図において、黒い矢印は空気の流れを示し、グレーの（微細なドットで示した）矢印は燃料ガスの流れを示す。
【００３９】
図９に示すように、空気供給共通管２１に供給された空気は、複数の空気ガス供給マニホールド２２にそれぞれ移行し、各空気ガス供給マニホールド２２の供給孔２２ａから対応する発電構造体１０に向けてそれぞれ流出する。即ち、複数の空気供給マニホールド２２から流出する空気の全てが、一方向に沿った同じ向き（ｙ軸正方向）に流れる。
【００４０】
各空気供給マニホールド２２から流出する空気は、対応する発電構造体１０内の各セル１１の周りの空間（隣り合うセル１１，１１の間の空間）にそれぞれ供給される。各セル１１の周りの空間に供給された空気は、図１２に示すように、同空間を通過し、その後、隣の空気供給マニホールド２２の外壁の側面（ｙ軸負方向側の壁）に当たる。
【００４１】
前記外壁の側面に当たった空気は、前記側面に沿って上方向（ｚ軸正方向）に移動・排出される。ここで、前記側面に当たった空気が上方向（ｚ軸正方向）に向けて移動するのは、発電構造体１０の内部から排出された空気が、ＳＯＦＣの周囲に存在する空気と比べて温度が高く、従って、ＳＯＦＣの周囲に存在する空気と比べて比重が小さいことに基づく。
【００４２】
図１０に示すように、燃料ガス供給共通管３１に供給された燃料ガスは、複数の燃料ガス供給マニホールド３２にそれぞれ移行し、各燃料ガス供給マニホールド３２の供給孔３２ａを介して対応する発電構造体１０に含まれる複数のセル１１内の流入口１１ａにそれぞれ供給される。流入口１１ａに供給された燃料ガスは、図１３に示すように、セル１１の内部流路を通過し、その後、流出口１１ｂに到達する。
【００４３】
図１１に示すように、各流出口１１ｂに到達した燃料ガスは、対応する燃料ガス排出マニホールド４２の排出孔４２ａを介して対応する燃料ガス排出マニホールド４２に移行し、その後、燃料ガス排出共通管４１に移行する。燃料ガス排出共通管４１に移行した燃料ガスは、外部に排出される。
【００４４】
このように、各セル１１の燃料極内の内部流路に燃料ガスが供給され、且つ、各セル１１の周りの空間（即ち、空気極に面する空間）に空気が供給されることで、各セル１１では、以下に示す化学反応式（１）及び（２）に基づく発電が行われる。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− （於：空気極） …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （於：燃料極） …（２）
【００４５】
なお、発電構造体１０から排出される空気（即ち、各セル１１の周りの空間を通過した後の空気であり、「空気の排ガス」と呼ぶこともできる）には、未反応の酸素分子と窒素分子とが含まれている。また、発電構造体１０から排出される燃料ガス（即ち、各セル１１の内部流路を通過した後の燃料ガスであり、「燃料ガスの排ガス」と呼ぶこともできる）には、未反応の水素分子と反応により形成された水分子とが含まれている。
【００４６】
（作用・効果）
以下、上述した本発明の実施形態に係るＳＯＦＣの作用・効果について述べる。ＳＯＦＣは、固体電解質の酸素伝導度を利用して発電するので、ＳＯＦＣの作動温度は６００℃以上、好ましくは７００〜１０００℃であることが一般的である。このため、ＳＯＦＣは、常温からＳＯＦＣの作動温度まで外部の加熱機構（例えば、抵抗加熱ヒータ方式の加熱機構等）により昇温された状態で使用される。また、各発電構造体１０に供給される燃料ガス及び空気は、発電構造体１０内部に供給される前に、ＳＯＦＣの作動温度近傍まで予熱される必要がある。
【００４７】
以下、特に、各発電構造体１０に供給される空気に着目する。上述した図９に示すように、このＳＯＦＣでは、空気供給共通管２１に導入された空気は複数の空気供給マニホールド２２にそれぞれ供給される（図９のＡを参照）。次いで、各空気供給マニホールド２２に供給された空気は、供給孔２２ａを介して対応する発電構造体１０に向けて流出する（図９のＢを参照）。
【００４８】
次いで、供給孔２２ａから流出した空気は、対応する発電構造体１０内の各セル１１の周りの空間にそれぞれ供給される（図９のＣを参照）。このように各セル１１の周りの空間に供給された空気は、上記（１）式に示す反応に供される。ここで、セル１１で発生する上記（１）、（２）式に示す発電反応（特に、（２）式に示す反応）は発熱反応である。従って、各セル１１の周りの空間に供給された空気は、この発熱反応により加熱されたセル１１から熱を受けて高温になる。
【００４９】
このように高温になった空気は、上記空間から排出されて（即ち、発電構造体１０から排出されて）、隣の空気供給マニホールド２２の外壁（ｙ軸負方向側の壁）に当たる（図９のＤを参照）。従って、隣の空気供給マニホールド２２が、高温になった空気（空気の排ガス）の熱を利用して加熱される。この結果、隣の空気供給マニホールド２２内の空気が予熱される。
【００５０】
このように、上述した本発明の実施形態に係るＳＯＦＣによれば、各発電構造体１０から排出される空気（即ち、発熱反応により熱を受けて高温になっているガス）の熱を利用して、空気の予熱用の装置を新たに設けることなく、空気供給マニホールド２２内を流れる空気を予熱することができる。
【００５１】
また、上述した「空気の比重の大小関係」に基づいて、空気供給マニホールド２２の前記外壁の側面に当たった空気は、前記外壁の側面に沿って安定して上昇していく。従って、前記外壁の側面の或る位置に当たった空気は、自身の熱を前記外壁の側面に与えることによって自身の温度が下がった状態でその位置から上昇していく。他方、前記外壁の側面において位置が上側であるほど、前記側面に当たる空気内における「その位置より下側で前記外壁の側面に既に当たったことに起因して自身の温度が下がった状態にある空気」の割合が多くなる。
【００５２】
このことは、前記外壁の側面の位置が上側であるほど、前記側面に当たる空気の温度が低くなることを意味する。換言すれば、前記外壁の側面において下方から上方に向けて温度が低くなる（上方の温度が低い）温度分布が形成される。従って、空気供給マニホールド２２の内部空間においても、下方から上方に向けて温度が低くなる（上方の温度が低い）温度分布が形成される。この結果、前記内部空間において下方から上方に向けた空気の対流が顕著に発生し得る。従って、上記実施形態のように、前記内部空間に空気が下方向から上方向に向けて供給される構成が採用される場合、特に、前記内部空間内の空気の温度を効率良く高めることができる。
【００５３】
また、上記実施形態のように、前記鉛直方向に立設する各空気供給マニホールド２２の内部空間に空気が下方向から上方向に向けて供給され、且つ、各空気供給マニホールド２２の複数の供給孔２２ａが上下方向（ｚ軸方向）に分布するように設けられている場合、一般に、複数の供給孔２２ａのうちでその位置がより下側にあるものから、より多くの量（流量）の空気が流出する傾向がある。即ち、複数の供給孔２２ａから流出する空気の量（流量）にばらつきがあった。
【００５４】
これに対し、上記実施形態では、空気供給マニホールド２２の内部空間において、下方から上方に向けて温度が低くなる温度分布が形成される。ここで、空気の粘度は、その温度が高いほど大きくなる。従って、前記内部空間において位置が下側であるほど空気の粘度が大きくなる。この結果、複数の供給孔２２ａのうちその位置が下側にあるものから流出される空気の量（流量）が制限され易くなる。この結果、複数の供給孔２２ａから流出する空気の量（流量）のばらつきが抑制され得る。
【００５５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態に係る燃料電池は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）であるが、その他の形式の燃料電池（例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ））であってもよい。
【００５６】
また、上記実施形態では、全ての空気供給マニホールド２２が、対応する（空気の供給対象である）発電構造体１０に対して一方向における同じ側（ｙ軸負方向側）に近接して位置する。この結果、全ての空気供給マニホールド２２から流出する空気が、一方向（ｙ軸方向）に沿った同じ向き（ｙ軸正方向）に流れる。
【００５７】
これに対し、図８〜図１１にそれぞれ対応する図１４〜図１７に示すように、複数の空気供給マニホールド２２の一部（この例では、ｙ軸正方向側に位置する２つ）が対応する（空気の供給対象である）発電構造体１０に対して一方向における一方側（ｙ軸負方向側）に配置され、複数の空気供給マニホールド２２の残り（この例では、ｙ軸負方向側に位置する２つ）が対応する（空気の供給対象である）発電構造体１０に対して一方向における反対側（ｙ軸正方向側）に配置されていてもよい。この場合、複数の空気供給マニホールド２２の一部から流出する空気と複数の空気供給マニホールド２２の残りから流出する空気とが一方向（ｙ軸方向）に沿った互いに反対の向きに流れる。
【００５８】
図１４〜図１７に示す例では、４つの空気供給マニホールド２２のうち、ｙ軸方向中央部に位置する２つの空気供給マニホールド２２には、発電構造体１０から排出される空気（即ち、発熱反応により熱を受けて高温になっているガス）が当たらない。従って、これら２つの空気供給マニホールド２２は、発電構造体１０から排出される空気の熱を利用して加熱され得ない。しかしながら、一般に、構造体の中央部には熱が滞留し易いことを考慮すると、これら２つの空気供給マニホールド２２は、このように滞留する熱を利用して加熱され得ると考えられる。従って、図１４〜図１７に示す例において、ｙ軸方向中央部に位置する２つの空気供給マニホールド２２内を流れる空気も十分に予熱され得ると考えられる。
【００５９】
また、上記実施形態では、各発電構造体１０は、それぞれが水平方向に延在する複数の平板状のセル１１が鉛直方向（ｚ軸方向）に積み重ねられたセル積層体であるが、図１８及び図１９に示すように、各発電構造体１０が、それぞれが鉛直方向に延在する複数の平板状のセル１１が水平方向（ｘ軸方向）に積み重ねられたセル積層体であってもよい。図１８及び図１９において、上記実施形態の構成と対応する構成には上記実施形態の符号と同じ符号が付されている。
【００６０】
図１８及び図１９に示した構成においても、上記実施形態と同様、空気供給マニホールド２２の外壁の側面に当たった空気が、前記側面に沿って上方向（ｚ軸正方向）に移動・排出される。従って、上記実施形態と同じ作用・効果が奏され得る。
【符号の説明】
【００６１】
１０…発電構造体、１１…セル、２０…空気供給路形成部材、２１…空気供給共通管、２２…空気供給マニホールド、２２ａ…供給孔、３０…燃料ガス供給路形成部材、３１…燃料ガス供給共通管、３２…燃料ガス供給マニホールド、３２ａ…供給孔、４０…燃料ガス排出路形成部材、４１…燃料ガス排出共通管、４２…燃料ガス排出マニホールド、４２ａ…排出孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と呼ぶ。）などの燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣは、固体電解質の酸素伝導度を利用して発電する。このことに起因して、一般に、ＳＯＦＣは、６００℃以上、好ましくは７００〜１０００℃という高温（以下、「ＳＯＦＣの作動温度」と呼ぶ。）で作動する。従って、ＳＯＦＣセルに供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）、及び酸化性ガス（例えば、空気）は、ＳＯＦＣセル内部に供給される前に、ＳＯＦＣの作動温度近傍まで予熱される必要がある。
【０００３】
特許文献１では、ＳＯＦＣセル内部から排出される燃料ガス（燃料ガスの排ガスと呼ぶこともできる）の熱を利用して、ＳＯＦＣセルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管、或いはＳＯＦＣセルに酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給管を加熱する構成が開示されている。これにより、ＳＯＦＣセルに供給される燃料ガス、或いは酸化性ガスが予熱される。
【０００４】
ＳＯＦＣセル内部で発生する発電反応は発熱反応である。従って、ＳＯＦＣセル内部から排出される燃料ガスは、この発熱反応により熱を受けて高温になる。従って、ＳＯＦＣセルに供給される燃料ガス及び酸化性ガスの予熱は、ＳＯＦＣセル内部から排出される燃料ガスそのものの熱を利用して達成することができる。或いは、この予熱は、ＳＯＦＣセル内部から排出される燃料ガスを燃焼させ、その燃焼により得られる熱を利用して達成することもできる。
【０００５】
ところで、上述のように、ＳＯＦＣセル内部で発生する発電反応は発熱反応である。従って、ＳＯＦＣセル内部から排出される酸化性ガスも、この発熱反応により熱を受けて高温になる。特許文献２では、このことに着目して、ＳＯＦＣセルに供給される酸化性ガスを予熱する構成が開示されている。
【０００６】
具体的には、特許文献２に記載のＳＯＦＣは、複数の発電構造体を備える。複数の発電構造体のそれぞれは、内部に燃料ガスの内部流路が形成された平板状の複数の燃料電池セルが積み重ねられたセル積層体である。このＳＯＦＣは、外部から前記各発電構造体の各セルの前記内部流路に燃料ガスをそれぞれ供給するための燃料ガス供給路形成部材と、前記各発電構造体内の隣り合う前記セルの間の空間に前記セルの平面に沿って酸化性ガスをそれぞれ供給するための酸化性ガス供給路形成部材と、を備える。
【０００７】
前記酸化性ガス供給路形成部材は、鉛直方向に整列して配置された複数の酸化性ガスマニホールドを備える。複数の酸化性ガスマニホールドのそれぞれは、水平方向に延設されるとともに、前記複数の発電構造体のうち対応する発電構造体に酸化性ガスを供給する。前記各酸化性ガスマニホールドと隣の前記酸化性ガスマニホールドとの間に前記各酸化性ガスマニホールドに対応する前記発電構造体が配置される。前記各発電構造体（セル積層体）は、それぞれが鉛直方向に延在する前記複数の平板状のセルが水平方向に積み重ねられている。
【０００８】
前記複数の酸化性ガスマニホールド及び前記複数の発電構造体は、酸化性ガスが以下のように移動するよう固定配置されている。即ち、酸化性ガスは、前記各酸化性ガスマニホールドから前記対応する発電構造体内の隣り合う前記セルの間の空間に向けて鉛直上方向に流出・供給される。前記空間を通過した酸化性ガスは、前記空間から鉛直上方向に排出されるとともに前記隣の酸化性ガスマニホールドの外壁における水平方向に延在する底面に当たる。前記底面に当たった酸化性ガスは、水平方向に移動・排出される。
【０００９】
この構成によれば、各発電構造体内部から排出される酸化性ガスの熱を利用して、隣の発電構造体に酸化性ガスを供給するための酸化性ガスマニホールドが加熱される。換言すれば、各酸化性ガスマニホールドが、隣の発電構造体内部から排出される酸化性ガスの熱を利用してそれぞれ加熱され得る。この結果、複数の発電構造体に供給される酸化性ガスが予熱され得る。
【００１０】
しかしながら、特許文献２に記載のＳＯＦＣでは、前記隣の酸化性ガスマニホールドの外壁における水平方向に延在する底面に当たった酸化性ガスがその後において水平方向に移動する際、その移動方向が明確に定まり難い。従って、酸化性ガスの流れが安定しないことに起因して、各酸化性ガスマニホールドが効率良く加熱されているとは必ずしもいえない。この点において改良の余地があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１２９７１２号公報
【特許文献２】特開２００６−１７２９２５号公報
【発明の概要】
【００１２】
本発明者は、各酸化性ガスマニホールドが隣の発電構造体内部から排出される酸化性ガスの熱を利用して効率良くそれぞれ加熱され得る構成を見出した。
【００１３】
本発明に係るＳＯＦＣでは、前記酸化性ガス供給路形成部材は、（水平方向に整列して配置された）複数の酸化性ガスマニホールドを備える。複数の酸化性ガスマニホールドのそれぞれは、鉛直方向に立設されるとともに、前記複数の発電構造体のうち対応する発電構造体に酸化性ガスを供給する。
【００１４】
前記各酸化性ガスマニホールドと隣の前記酸化性ガスマニホールドとの間に前記各酸化性ガスマニホールドに対応する前記発電構造体が配置される。前記各発電構造体（セル積層体）は、それぞれが水平方向に延在する前記複数の平板状のセルが鉛直方向に積み重ねられていても、それぞれが鉛直方向に延在する前記複数の平板状のセルが水平方向に積み重ねられていてもよい。
【００１５】
前記複数の酸化性ガスマニホールド及び前記複数の発電構造体は、酸化性ガスが以下のように移動するよう固定配置されている。即ち、酸化性ガスは、前記各酸化性ガスマニホールドから前記対応する発電構造体内の隣り合う前記セルの間の空間に向けて水平方向に流出・供給される。前記空間を通過した酸化性ガスは、前記空間から水平方向に排出されるとともに前記隣の酸化性ガスマニホールドの外壁における鉛直方向に延在する側面（前記対応する発電構造体に面する側面）に当たる。前記側面に当たった酸化性ガスは、前記側面に沿って鉛直上方向に移動・排出される。
【００１６】
ここで、鉛直方向に延在する前記側面に当たった酸化性ガスが鉛直上方向に向けて移動するのは、発電構造体内部から排出された酸化性ガスが、ＳＯＦＣの周囲に存在する酸化性ガスと比べて温度が高く、従って、ＳＯＦＣの周囲に存在する酸化性ガスと比べて比重が小さいことに基づく。
【００１７】
上記構成によれば、上記特許文献２に記載のＳＯＦＣと同様、各発電構造体内部から排出される酸化性ガスの熱を利用して、隣の発電構造体に酸化性ガスを供給するための酸化性ガスマニホールドが加熱される。換言すれば、各酸化性ガスマニホールドが、隣の発電構造体内部から排出される酸化性ガスの熱を利用してそれぞれ加熱され得る。この結果、複数の発電構造体に供給される酸化性ガスが予熱され得る。
【００１８】
加えて、上述した比重の大小関係に基づいて、前記外壁の側面に当たった酸化性ガスは、前記外壁の側面に沿って安定して上昇していく。従って、前記外壁の側面の或る位置に当たった酸化性ガスは、自身の熱を前記外壁の側面に与えることによって自身の温度が下がった状態でその位置から上昇していく。他方、前記外壁の側面において位置が上側であるほど、前記側面に当たる酸化性ガス内における「その位置より下側で前記外壁の側面に既に当たったことに起因して自身の温度が下がった状態にあるガス」の割合が多くなる。
【００１９】
このことは、前記外壁の側面の位置が上側であるほど、前記側面に当たる酸化性ガスの温度が低くなることを意味する。換言すれば、前記外壁の側面において下方から上方に向けて温度が低くなる（上方の温度が低い）温度分布が形成される。従って、酸化性ガスマニホールドの内部空間においても、下方から上方に向けて温度が低くなる（上方の温度が低い）温度分布が形成される。この結果、前記内部空間において下方から上方に向けた対流が顕著に発生し得る。従って、前記内部空間に酸化性ガスが下方向から上方向に向けて供給される構成が採用される場合、特に、前記内部空間内の酸化性ガスの温度を効率良く高めることができる。
【００２０】
上記本発明に係るＳＯＦＣでは、前記鉛直方向に立設する各酸化性ガスマニホールドの内部空間には、酸化性ガスが鉛直下方向から鉛直上方向に向けて供給され、前記各酸化性ガスマニホールドの壁には、前記対応する発電構造体に面するとともに鉛直方向に延在する平面部が存在し、前記平面部には、前記対応する発電構造体に向けて酸化性ガスを水平方向に供給するための前記内部空間と連通する複数の供給孔が、鉛直方向に分布するように配置されることが好適である。
【００２１】
一般に、上記構成が採用される場合、複数の供給孔のうちでその位置がより下側にあるものから、より多くの量（流量）の酸化性ガスが流出する傾向がある。即ち、複数の供給孔から流出する酸化性ガスの量（流量）にばらつきがあった。これに対し、上述のように、上記本発明に係るＳＯＦＣでは、酸化性ガスマニホールドの内部空間において、下方から上方に向けて温度が低くなる温度分布が形成される。酸化性ガス（空気等）の粘度は、その温度が高いほど大きくなる。従って、前記内部空間において位置が下側であるほど酸化性ガスの粘度が大きくなる。この結果、複数の供給孔のうちその位置が下側にあるものから流出される酸化性ガスの量（流量）が制限され易くなる。この結果、複数の供給孔から流出する酸化性ガスの量（流量）のばらつきが抑制され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の上面図である。
【図２】図１に示した燃料電池の２−２線に対応する断面図である。
【図３】図１に示した燃料電池の３−３線に対応する断面図である。
【図４】図１に示した燃料電池の４−４線に対応する断面図である。
【図５】図１に示した発電構造体（セル積層体）を構成する複数のセルの１つを示す斜視図である。
【図６】図５に示したセルにインターコネクタと一対の支持部材とを取り付けた状態を示す斜視図である。
【図７】図５に示したセルを積層して得られる発電構造体（セル積層体）を示す斜視図である。
【図８】図１に示した燃料電池の作動中におけるガスの流れを示した、図１に対応する上面図である。
【図９】図１に示した燃料電池の作動中における空気の流れを示した、図２に対応する断面図である。
【図１０】図１に示した燃料電池の作動中における燃料ガスの流れを示した、図３に対応する断面図である。
【図１１】図１に示した燃料電池の作動中における燃料ガスの流れを示した、図４に対応する断面図である。
【図１２】図１に示した燃料電池の作動中における空気の流れを示した、図６に対応する斜視図である。
【図１３】図１に示した燃料電池の作動中におけるセル内部の燃料ガス流路内の燃料ガスの流れを示した斜視図である。
【図１４】本発明の実施形態の変形例に係る固体酸化物形燃料電池の作動中におけるガスの流れを示した、図８に対応する上面図である。
【図１５】図１４に示した燃料電池の作動中における空気の流れを示した、図９に対応する断面図である。
【図１６】図１４に示した燃料電池の作動中における燃料ガスの流れを示した、図１０に対応する断面図である。
【図１７】図１４に示した燃料電池の作動中における燃料ガスの流れを示した、図１１に対応する断面図である。
【図１８】本発明の実施形態の他の変形例に係る固体酸化物形燃料電池の作動中におけるガスの流れを示した、図８に対応する上面図である。
【図１９】図１８に示した燃料電池の作動中におけるガスの流れを示した、図１８に示す燃料電池の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について説明する。
【００２４】
図１〜図４に示すように、このＳＯＦＣは、複数（本例では、４つ）の発電構造体１０と、各発電構造体１０に空気（酸化性ガス）を供給するための空気供給路形成部材２０と、各発電構造体１０に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給するための燃料ガス供給路形成部材３０と、各発電構造体１０から外部へ燃料ガスを排出するための燃料ガス排出路形成部材４０と、を備える。
【００２５】
図２〜図４に示すように、複数の発電構造体１０は、所定の間隔をあけて一方向（ｙ軸方向）に整列して互いに固定配置されている。各発電構造体１０は、内部に燃料ガスの内部流路が形成された平板状の燃料電池セル１１が複数枚（本例では、１０枚）所定の間隔をあけて上下方向（ｚ軸方向）に積み重ねられて構成されたセル積層体である。
【００２６】
図２に示すように、空気供給路形成部材２０は、一方向（ｙ軸方向）に延びるとともに複数の発電構造体１０に共通の空気供給共通管２１と、空気供給共通管２１からそれぞれ上方（ｚ軸正方向）に立設するように分岐する複数（本例では、４つ）の空気供給マニホールド２２と、から構成されている。
【００２７】
空気供給共通管２１は、各発電構造体１０の下面における横方向（ｘ軸方向）の中央部を通るように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。複数の空気供給マニホールド２２は、複数の空気供給マニホールド２２と複数の発電構造体１０とが一方向（ｙ軸方向）に整列するように、且つ、各空気供給マニホールド２２が対応する（空気の供給対象である）発電構造体１０に対して一方向における同じ側（ｙ軸負方向側）に近接してそれぞれ位置するように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。
【００２８】
各空気供給マニホールド２２は、本例では、空気供給共通管２１と接続する内部空間を有する直方体状の筺体である。各空気供給マニホールド２２における対応する発電構造体１０に面する壁（ｙ軸正方向側の壁、平面部）には、対応する発電構造体１０内のそれぞれのセル１１に向けて空気を供給するための複数の供給孔（貫通孔）２２ａが上下方向（ｚ軸方向）に分布するように設けられている。
【００２９】
図３に示すように、燃料ガス供給路形成部材３０は、一方向（ｙ軸方向）に延びるとともに複数の発電構造体１０に共通の燃料ガス供給共通管３１と、燃料ガス供給共通管３１からそれぞれ上方（ｚ軸正方向）に立設するように分岐する複数（本例では、４つ）の燃料ガス供給マニホールド３２と、から構成されている。
【００３０】
燃料ガス供給共通管３１は、各発電構造体１０の下面における横方向の一方向側（ｘ軸負方向側）を通るように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。複数の燃料ガス供給マニホールド３２は、各燃料ガス供給マニホールド３２が対応する発電構造体１０における横方向の一方側（ｘ軸負方向側）に位置するように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。
【００３１】
各燃料ガス供給マニホールド３２は、本例では、燃料ガス供給共通管３１と接続する内部空間を有する円筒状の筺体である。各燃料ガス供給マニホールド３２における対応する発電構造体１０と接続する側の壁には、対応する発電構造体１０内のそれぞれのセル１１の内部流路に向けて燃料ガスを供給するための複数の供給孔３２ａが設けられている。
【００３２】
図４に示すように、燃料ガス排出路形成部材４０は、一方向（ｙ軸方向）に延びるとともに複数の発電構造体１０に共通の燃料ガス排出共通管４１と、燃料ガス排出共通管４１からそれぞれ上方（ｚ軸正方向）に立設するように分岐する複数（本例では、４つ）の燃料ガス排出マニホールド４２と、から構成されている。
【００３３】
燃料ガス排出共通管４１は、各発電構造体１０の下面における横方向の他方向側（ｘ軸正方向側）を通るように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。複数の燃料ガス排出マニホールド４２は、各燃料ガス排出マニホールド４２が対応する発電構造体１０における横方向の他方側（ｘ軸正方向側）に位置するように、複数の発電構造体１０に対して固定配置されている。
【００３４】
各燃料ガス排出マニホールド４２は、本例では、燃料ガス排出共通管４１と接続する内部空間を有する円筒状の筺体である。各燃料ガス排出マニホールド４２における対応する発電構造体１０と接続する側の壁には、対応する発電構造体１０内のそれぞれのセル１１の内部流路から燃料ガスを排出するための複数の排出孔４２ａが設けられている。
【００３５】
以下、図５〜図７を参照しながら、発電構造体１０について付言する。図５に示すように、発電構造体１０内に含まれるセル１１は、平面形状（ｚ軸正方向からみた形状）が長方形の平板状を呈している。大略的には、セル１１は、燃料ガスの内部流路（後述する図１３を参照）を備えた平板状の燃料極と、その燃料極の表面全体を覆う固体電解質膜と、その固体電解質膜で覆われた燃料極の上下面に露呈する空気極と、から構成される。燃料ガスは、流入口１１ａを介して内部流路に供給され、流出口１１ｂを介して内部流路から排出される。
【００３６】
図６に示すように、セル１１には、セル１１の周りを覆うようにインターコネクタＩが取り付けられる。また、セル１１の流入口１１ａ及び流出口１１ｂに対応する外縁部（ｘ軸方向の両側の端部）には一対の保持部材Ｐ，Ｐが取り付けられる。一対の保持部材Ｐ，Ｐにはそれぞれ、上下方向（ｚ軸方向）に貫通する孔が形成され、且つ、セル１１の流入口１１ａ又は流出口１１ｂに接続する孔（上述した供給孔３２ａ又は排出孔４２ａに相当する孔）が形成されている。
【００３７】
図７に示すように、インターコネクタＩと一対の保持部材Ｐ，Ｐが取り付けられたセル１１が複数枚準備され、一対の保持部材Ｐ，Ｐが上下方向に連続するように複数積み重ねられる。これにより、複数のセル１１が所定の間隔をあけて複数枚上下方向（ｚ軸方向）に積み重ねられたセル積層体が構成される。隣り合うセル１１，１１間は、インターコネクタＩを介して電気的に接続される。即ち、発電構造体１１に含まれる複数のセル１１は電気的に直列に接続されている。また、一対の保持部材Ｐ，Ｐが上下方向に連続するように複数積み重ねられることにより、燃料ガス供給マニホールド３２及び燃料ガス排出マニホールド４２がそれぞれ形成される。
【００３８】
以上の構成を有するＳＯＦＣに対して、図８〜図１３に示すように、空気供給共通管２１に空気が供給されるとともに、燃料ガス供給共通管３１に燃料ガスが供給される。以下、図において、黒い矢印は空気の流れを示し、グレーの（微細なドットで示した）矢印は燃料ガスの流れを示す。
【００３９】
図９に示すように、空気供給共通管２１に供給された空気は、複数の空気ガス供給マニホールド２２にそれぞれ移行し、各空気ガス供給マニホールド２２の供給孔２２ａから対応する発電構造体１０に向けてそれぞれ流出する。即ち、複数の空気供給マニホールド２２から流出する空気の全てが、一方向に沿った同じ向き（ｙ軸正方向）に流れる。
【００４０】
各空気供給マニホールド２２から流出する空気は、対応する発電構造体１０内の各セル１１の周りの空間（隣り合うセル１１，１１の間の空間）にそれぞれ供給される。各セル１１の周りの空間に供給された空気は、図１２に示すように、同空間を通過し、その後、隣の空気供給マニホールド２２の外壁の側面（ｙ軸負方向側の壁）に当たる。
【００４１】
前記外壁の側面に当たった空気は、前記側面に沿って上方向（ｚ軸正方向）に移動・排出される。ここで、前記側面に当たった空気が上方向（ｚ軸正方向）に向けて移動するのは、発電構造体１０の内部から排出された空気が、ＳＯＦＣの周囲に存在する空気と比べて温度が高く、従って、ＳＯＦＣの周囲に存在する空気と比べて比重が小さいことに基づく。
【００４２】
図１０に示すように、燃料ガス供給共通管３１に供給された燃料ガスは、複数の燃料ガス供給マニホールド３２にそれぞれ移行し、各燃料ガス供給マニホールド３２の供給孔３２ａを介して対応する発電構造体１０に含まれる複数のセル１１内の流入口１１ａにそれぞれ供給される。流入口１１ａに供給された燃料ガスは、図１３に示すように、セル１１の内部流路を通過し、その後、流出口１１ｂに到達する。
【００４３】
図１１に示すように、各流出口１１ｂに到達した燃料ガスは、対応する燃料ガス排出マニホールド４２の排出孔４２ａを介して対応する燃料ガス排出マニホールド４２に移行し、その後、燃料ガス排出共通管４１に移行する。燃料ガス排出共通管４１に移行した燃料ガスは、外部に排出される。
【００４４】
このように、各セル１１の燃料極内の内部流路に燃料ガスが供給され、且つ、各セル１１の周りの空間（即ち、空気極に面する空間）に空気が供給されることで、各セル１１では、以下に示す化学反応式（１）及び（２）に基づく発電が行われる。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− （於：空気極） …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （於：燃料極） …（２）
【００４５】
なお、発電構造体１０から排出される空気（即ち、各セル１１の周りの空間を通過した後の空気であり、「空気の排ガス」と呼ぶこともできる）には、未反応の酸素分子と窒素分子とが含まれている。また、発電構造体１０から排出される燃料ガス（即ち、各セル１１の内部流路を通過した後の燃料ガスであり、「燃料ガスの排ガス」と呼ぶこともできる）には、未反応の水素分子と反応により形成された水分子とが含まれている。
【００４６】
（作用・効果）
以下、上述した本発明の実施形態に係るＳＯＦＣの作用・効果について述べる。ＳＯＦＣは、固体電解質の酸素伝導度を利用して発電するので、ＳＯＦＣの作動温度は６００℃以上、好ましくは７００〜１０００℃であることが一般的である。このため、ＳＯＦＣは、常温からＳＯＦＣの作動温度まで外部の加熱機構（例えば、抵抗加熱ヒータ方式の加熱機構等）により昇温された状態で使用される。また、各発電構造体１０に供給される燃料ガス及び空気は、発電構造体１０内部に供給される前に、ＳＯＦＣの作動温度近傍まで予熱される必要がある。
【００４７】
以下、特に、各発電構造体１０に供給される空気に着目する。上述した図９に示すように、このＳＯＦＣでは、空気供給共通管２１に導入された空気は複数の空気供給マニホールド２２にそれぞれ供給される（図９のＡを参照）。次いで、各空気供給マニホールド２２に供給された空気は、供給孔２２ａを介して対応する発電構造体１０に向けて流出する（図９のＢを参照）。
【００４８】
次いで、供給孔２２ａから流出した空気は、対応する発電構造体１０内の各セル１１の周りの空間にそれぞれ供給される（図９のＣを参照）。このように各セル１１の周りの空間に供給された空気は、上記（１）式に示す反応に供される。ここで、セル１１で発生する上記（１）、（２）式に示す発電反応（特に、（２）式に示す反応）は発熱反応である。従って、各セル１１の周りの空間に供給された空気は、この発熱反応により加熱されたセル１１から熱を受けて高温になる。
【００４９】
このように高温になった空気は、上記空間から排出されて（即ち、発電構造体１０から排出されて）、隣の空気供給マニホールド２２の外壁（ｙ軸負方向側の壁）に当たる（図９のＤを参照）。従って、隣の空気供給マニホールド２２が、高温になった空気（空気の排ガス）の熱を利用して加熱される。この結果、隣の空気供給マニホールド２２内の空気が予熱される。
【００５０】
このように、上述した本発明の実施形態に係るＳＯＦＣによれば、各発電構造体１０から排出される空気（即ち、発熱反応により熱を受けて高温になっているガス）の熱を利用して、空気の予熱用の装置を新たに設けることなく、空気供給マニホールド２２内を流れる空気を予熱することができる。
【００５１】
また、上述した「空気の比重の大小関係」に基づいて、空気供給マニホールド２２の前記外壁の側面に当たった空気は、前記外壁の側面に沿って安定して上昇していく。従って、前記外壁の側面の或る位置に当たった空気は、自身の熱を前記外壁の側面に与えることによって自身の温度が下がった状態でその位置から上昇していく。他方、前記外壁の側面において位置が上側であるほど、前記側面に当たる空気内における「その位置より下側で前記外壁の側面に既に当たったことに起因して自身の温度が下がった状態にある空気」の割合が多くなる。
【００５２】
このことは、前記外壁の側面の位置が上側であるほど、前記側面に当たる空気の温度が低くなることを意味する。換言すれば、前記外壁の側面において下方から上方に向けて温度が低くなる（上方の温度が低い）温度分布が形成される。従って、空気供給マニホールド２２の内部空間においても、下方から上方に向けて温度が低くなる（上方の温度が低い）温度分布が形成される。この結果、前記内部空間において下方から上方に向けた空気の対流が顕著に発生し得る。従って、上記実施形態のように、前記内部空間に空気が下方向から上方向に向けて供給される構成が採用される場合、特に、前記内部空間内の空気の温度を効率良く高めることができる。
【００５３】
また、上記実施形態のように、前記鉛直方向に立設する各空気供給マニホールド２２の内部空間に空気が下方向から上方向に向けて供給され、且つ、各空気供給マニホールド２２の複数の供給孔２２ａが上下方向（ｚ軸方向）に分布するように設けられている場合、一般に、複数の供給孔２２ａのうちでその位置がより下側にあるものから、より多くの量（流量）の空気が流出する傾向がある。即ち、複数の供給孔２２ａから流出する空気の量（流量）にばらつきがあった。
【００５４】
これに対し、上記実施形態では、空気供給マニホールド２２の内部空間において、下方から上方に向けて温度が低くなる温度分布が形成される。ここで、空気の粘度は、その温度が高いほど大きくなる。従って、前記内部空間において位置が下側であるほど空気の粘度が大きくなる。この結果、複数の供給孔２２ａのうちその位置が下側にあるものから流出される空気の量（流量）が制限され易くなる。この結果、複数の供給孔２２ａから流出する空気の量（流量）のばらつきが抑制され得る。
【００５５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態に係る燃料電池は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）であるが、その他の形式の燃料電池（例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ））であってもよい。
【００５６】
また、上記実施形態では、全ての空気供給マニホールド２２が、対応する（空気の供給対象である）発電構造体１０に対して一方向における同じ側（ｙ軸負方向側）に近接して位置する。この結果、全ての空気供給マニホールド２２から流出する空気が、一方向（ｙ軸方向）に沿った同じ向き（ｙ軸正方向）に流れる。
【００５７】
これに対し、図８〜図１１にそれぞれ対応する図１４〜図１７に示すように、複数の空気供給マニホールド２２の一部（この例では、ｙ軸正方向側に位置する２つ）が対応する（空気の供給対象である）発電構造体１０に対して一方向における一方側（ｙ軸負方向側）に配置され、複数の空気供給マニホールド２２の残り（この例では、ｙ軸負方向側に位置する２つ）が対応する（空気の供給対象である）発電構造体１０に対して一方向における反対側（ｙ軸正方向側）に配置されていてもよい。この場合、複数の空気供給マニホールド２２の一部から流出する空気と複数の空気供給マニホールド２２の残りから流出する空気とが一方向（ｙ軸方向）に沿った互いに反対の向きに流れる。
【００５８】
図１４〜図１７に示す例では、４つの空気供給マニホールド２２のうち、ｙ軸方向中央部に位置する２つの空気供給マニホールド２２には、発電構造体１０から排出される空気（即ち、発熱反応により熱を受けて高温になっているガス）が当たらない。従って、これら２つの空気供給マニホールド２２は、発電構造体１０から排出される空気の熱を利用して加熱され得ない。しかしながら、一般に、構造体の中央部には熱が滞留し易いことを考慮すると、これら２つの空気供給マニホールド２２は、このように滞留する熱を利用して加熱され得ると考えられる。従って、図１４〜図１７に示す例において、ｙ軸方向中央部に位置する２つの空気供給マニホールド２２内を流れる空気も十分に予熱され得ると考えられる。
【００５９】
また、上記実施形態では、各発電構造体１０は、それぞれが水平方向に延在する複数の平板状のセル１１が鉛直方向（ｚ軸方向）に積み重ねられたセル積層体であるが、図１８及び図１９に示すように、各発電構造体１０が、それぞれが鉛直方向に延在する複数の平板状のセル１１が水平方向（ｘ軸方向）に積み重ねられたセル積層体であってもよい。図１８及び図１９において、上記実施形態の構成と対応する構成には上記実施形態の符号と同じ符号が付されている。
【００６０】
図１８及び図１９に示した構成においても、上記実施形態と同様、空気供給マニホールド２２の外壁の側面に当たった空気が、前記側面に沿って上方向（ｚ軸正方向）に移動・排出される。従って、上記実施形態と同じ作用・効果が奏され得る。
【符号の説明】
【００６１】
１０…発電構造体、１１…セル、２０…空気供給路形成部材、２１…空気供給共通管、２２…空気供給マニホールド、２２ａ…供給孔、３０…燃料ガス供給路形成部材、３１…燃料ガス供給共通管、３２…燃料ガス供給マニホールド、３２ａ…供給孔、４０…燃料ガス排出路形成部材、４１…燃料ガス排出共通管、４２…燃料ガス排出マニホールド、４２ａ…排出孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが、内部に燃料ガスの内部流路が形成された平板状の複数の燃料電池セルが積み重ねられたセル積層体である、複数の発電構造体であって、互いに固定配置された複数の発電構造体と、
外部から前記各発電構造体の各セルの前記内部流路に燃料ガスをそれぞれ供給するための燃料ガス供給路形成部材と、
前記各発電構造体内の隣り合う前記セルの間の空間に前記セルの平面に沿って酸化性ガスをそれぞれ供給するための酸化性ガス供給路形成部材と、
を備えた燃料電池において、
前記酸化性ガス供給路形成部材は、それぞれが、鉛直方向に立設されるとともに前記複数の発電構造体のうち対応する発電構造体に酸化性ガスを供給する、複数の酸化性ガスマニホールドを備え、
前記各酸化性ガスマニホールドと隣の前記酸化性ガスマニホールドとの間に前記各酸化性ガスマニホールドに対応する前記発電構造体が配置され、
前記各酸化性ガスマニホールドから前記対応する発電構造体内の隣り合う前記セルの間の空間に向けて酸化性ガスが水平方向に流出・供給され、前記空間を通過した酸化性ガスが前記空間から水平方向に排出されるとともに前記隣の酸化性ガスマニホールドの外壁における鉛直方向に延在する側面に当たり、前記側面に当たった酸化性ガスが前記側面に沿って鉛直上方向に移動・排出されるように、前記複数の酸化性ガスマニホールド及び前記複数の発電構造体が固定配置された、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記鉛直方向に立設する各酸化性ガスマニホールドの内部空間には、酸化性ガスが鉛直下方向から鉛直上方向に向けて供給され、
前記各酸化性ガスマニホールドの壁には、前記対応する発電構造体に面するとともに鉛直方向に延在する平面部が存在し、前記平面部には、前記対応する発電構造体に向けて酸化性ガスを水平方向に供給するための前記内部空間と連通する複数の供給孔が、鉛直方向に分布するように配置された、燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記各発電構造体は、それぞれが水平方向に延在する前記複数の平板状のセルが鉛直方向に積み重ねられたセル積層体である、燃料電池。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記各発電構造体は、それぞれが鉛直方向に延在する前記複数の平板状のセルが水平方向に積み重ねられたセル積層体である、燃料電池。
【請求項１】
それぞれが、内部に燃料ガスの内部流路が形成された平板状の複数の燃料電池セルが積み重ねられたセル積層体である、複数の発電構造体であって、互いに固定配置された複数の発電構造体と、
外部から前記各発電構造体の各セルの前記内部流路に燃料ガスをそれぞれ供給するための燃料ガス供給路形成部材と、
前記各発電構造体内の隣り合う前記セルの間の空間に前記セルの平面に沿って酸化性ガスをそれぞれ供給するための酸化性ガス供給路形成部材と、
を備えた燃料電池において、
前記酸化性ガス供給路形成部材は、それぞれが、鉛直方向に立設されるとともに前記複数の発電構造体のうち対応する発電構造体に酸化性ガスを供給する、複数の酸化性ガスマニホールドを備え、
前記各酸化性ガスマニホールドと隣の前記酸化性ガスマニホールドとの間に前記各酸化性ガスマニホールドに対応する前記発電構造体が配置され、
前記各酸化性ガスマニホールドから前記対応する発電構造体内の隣り合う前記セルの間の空間に向けて酸化性ガスが水平方向に流出・供給され、前記空間を通過した酸化性ガスが前記空間から水平方向に排出されるとともに前記隣の酸化性ガスマニホールドの外壁における鉛直方向に延在する側面に当たり、前記側面に当たった酸化性ガスが前記側面に沿って鉛直上方向に移動・排出されるように、前記複数の酸化性ガスマニホールド及び前記複数の発電構造体が固定配置された、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記鉛直方向に立設する各酸化性ガスマニホールドの内部空間には、酸化性ガスが鉛直下方向から鉛直上方向に向けて供給され、
前記各酸化性ガスマニホールドの壁には、前記対応する発電構造体に面するとともに鉛直方向に延在する平面部が存在し、前記平面部には、前記対応する発電構造体に向けて酸化性ガスを水平方向に供給するための前記内部空間と連通する複数の供給孔が、鉛直方向に分布するように配置された、燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記各発電構造体は、それぞれが水平方向に延在する前記複数の平板状のセルが鉛直方向に積み重ねられたセル積層体である、燃料電池。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記各発電構造体は、それぞれが鉛直方向に延在する前記複数の平板状のセルが水平方向に積み重ねられたセル積層体である、燃料電池。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−１９９０４６（Ｐ２０１２−１９９０４６Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６１９０７（Ｐ２０１１−６１９０７）
【出願日】平成２３年３月２２日（２０１１．３．２２）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２２日（２０１１．３．２２）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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