JP6919709B2 - 燃料電池のセル構造および燃料電池システム - Google Patents

Description

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。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られている。

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、上記記載の燃料電池のセル構造と、複数の前記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。燃料電池システムの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 (12)

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、を有し、
   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、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１〜５のいずれか１項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１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
8. 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１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
9. 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１〜８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１〜９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、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１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
12. 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と、
    複数の前記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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