JP2018092909A

JP2018092909A - 固体酸化物形燃料電池装置

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Publication number: JP2018092909A
Application number: JP2017183335A
Authority: JP
Inventors: 大塚　俊治; Toshiharu Otsuka; 俊治大塚; 文雄坪井; Fumio Tsuboi; 卓哉松尾; Takuya Matsuo; 琢也星子; Takuya Hoshiko; 田中　修平; Shuhei Tanaka; 修平田中; 川上　晃; Akira Kawakami; 晃川上; 直樹渡邉; Naoki Watanabe
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2018-06-14
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Abstract

【課題】小型化にも適用でき、２次側のセル群に流入する燃料ガスのムラを減少させることができる燃料電池スタック装置を提供する。【解決手段】第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂが水平方向に並べて配置されたセル群と、第１のセルスタック１０ａのそれぞれの燃料電池セル１ａに燃料ガスを供給するための第１のマニホールドと、第１のセルスタック１０ａから排出された燃料ガスを回収するとともに、第２のセルスタック１０ｂのそれぞれの燃料電池セル１ｂに回収した燃料ガスを供給するための第２のマニホールド２ｂと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、第２のマニホールド２ｂ内には流路抵抗部が設けられている。【選択図】図８

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池装置に関する。

固体酸化物形燃料電池装置（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極（燃料極）に燃料ガスを供給し、他方の電極（空気極）に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、例えば７００〜１０００℃程度の比較的高温で動作する。

このような固体酸化物形燃料電池装置に用いる燃料電池セルとして、特許文献１に記載の扁平円筒型セル、特許文献２に記載の円筒型単セルや、特許文献３に記載の円筒横縞型などが知られている。

ところで、このような固体酸化物形燃料電池装置として、供給する燃料ガスの燃料電池セルにおける高い燃料利用率（Ｕｆ）と、高い発電効率が求められている。そこで燃料利用率及び発電効率の向上のため、特許文献４や特許文献５に記載のような燃料電池セル配列を２つのセル群に分割して燃料ガスのカスケード利用を促進した、二段構成のカスケード型燃料電池が提案されている。

特開２０１５−０８２３８９号公報特許５２３４５５４号公報特開平７−１３０３８５号公報特開２０１６−１００１３６号公報特開２０１６−１００１３８号公報

しかし、このような二段構成のカスケード型燃料電池を従来の筒状の燃料電池セルを用いた燃料電池スタックおよび燃料電池装置に適用しようとすると、装置構成が複雑となり燃料電池装置の小型化が阻害されるなど、容易に構成することが難しい。

特に、１次側のセル群の燃料電池セルの温度ムラによる発電効率の差異に起因して、燃料ガスにムラがある。このため、１次側のセル群の燃料電池セルから排出された燃料ガスをそのまま２次側のセル群の燃料電池セルに流入させると、２次側のセル群の燃料電池セルにおける発電効率にも差異が生じてしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、装置の煩雑化を抑制し小型化にも適用できる簡易な構成で、柱状の燃料電池セルを用いた二段構成のカスケード型の燃料電池スタック装置を提供することを目的としている。特に、２次側のセル群に流入する燃料ガスのムラを減少させることができる燃料電池スタック装置を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池セルスタック装置は、内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第１のセルスタック及び第２のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、第１のセルスタックに接続され、第１のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するための第１のマニホールドと、第１のセルスタック及び第２のセルスタックに接続され、第１のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、第２のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに供給するための第２のマニホールドと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、第２のマニホールドには、第１のセルスタックが接続される第１の接続部と第２のセルスタックが接続される第２の接続部が設けられ、第２のマニホールド内には、第１の接続部が設けられた部分から第２の接続部が設けられた部分への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部が設けられていることを特徴とする。

上記構成の本発明によれば、第１のセルスタックで使用された燃料ガスが第２のセルスタックに流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。またセルの配列を大きく変更することなく二段階に燃料ガスを消費させることが可能となるため、発電効率が高く、製造が容易な燃料電池スタックを提供することができる。

上記構成の本発明によれば、第２のマニホールド内に流路抵抗部が設けられているため、第２のマニホールド内で第１のセルスタックから排出された燃料ガスが分散され、第２のセルスタックに均一な燃料ガスが供給される。

本発明において、好ましくは、第２のマニホールドは、第１の接続部の高さよりも、第２の接続部の高さが低くなるように構成されている。

上記構成の本発明によれば、第１のセルスタックに接続される第１の接続部の高さよりも、第２のセルスタックに接続される第２の接続部の高さが低くなっているため、第２のマニホールド内に容易に流路抵抗部を形成することができる。

本発明において、好ましくは、第２のマニホールドは、第１の接続部が形成された第１の枠体と、第２の接続部が形成され、第１の枠体と同一形状の第２の枠体と、第１の枠体及び第２の枠体が上面に固定される筐体部材と、を備え、第２の枠体は、筐体部材の上面に対し、第１の枠体よりも低い位置に固定され、流路抵抗部が、第２の枠体の下端と筐体部材の底面との間の隙間により構成されている。
上記の構成の本発明によれば、筐体部材への第１の枠体及び第２の枠体の固定する高さを調整することにより、同一形状の枠体を使用して、第２のマニホールド内に容易に流路抵抗部を形成することができる。

本発明において、好ましくは、第２のマニホールドは、第１の接続部が形成された第１の枠体と、第２の接続部が形成された第２の枠体と、第１の枠体及び第２の枠体が上面に固定される筐体部材と、を備え、筐体部材の上面は、第１の枠体が固定される部分よりも、第２の枠体が固定される部分が低くなるように構成され、流路抵抗部が、第２の枠体の下端と筐体部材の底面との間の隙間により構成されている。
上記構成の本発明によれば、筐体部材の上面の第１の枠体及び第２の枠体が固定される部分の高さを変更することにより、第２のマニホールド内に容易に流路抵抗部を形成することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、第２のセルスタックの上方に配置され、原料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質し、第１のマニホールドに燃料ガスを供給する改質器を備え、第１のセルスタックの上端は、第１のマニホールドの下端部に接続され、第１のマニホールドの下端部と、改質器の下端部とは同じ高さに位置している。

第２のマニホールドは、第１のセルスタックに接続される第１の接続部の高さよりも、第２のセルスタックに接続される第２の接続部の高さが低くなるように構成されているため、第２のセルスタックの上端は第１のセルスタックの上端よりも下方に位置する。このため、上記構成の本発明のように、第１のマニホールドの下端部と、改質器の下端部とは同じ高さに配置しても、改質器の下方と第２の接続部との間に燃焼部を設ける空間を確保することができる。

本発明によれば、装置の煩雑化を抑制し小型化にも適用できる簡易な構成で、柱状の燃料電池セルを用いた二段構成のカスケード型の燃料電池スタック及び燃料電池装置を提供することができる。

特に、２次側のセル群に流入する燃料ガスのムラを減少させることができる燃料電池スタック装置を提供することができる。

本発明の燃料電池スタックの基本構成を説明するための側面図である。本発明の燃料電池スタックの燃料消費を説明する図である。本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第１のセルスタック側から見た斜視図である。本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の上面図である。本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を構成する第１のセルスタックの部分水平断面図である。本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の鉛直断面図である。本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第１のマニホールドの鉛直断面図である。発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第２のマニホールドの拡大鉛直断面図である。本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第２のマニホールドの変形例を示す鉛直断面図である。本発明の第２実施形態による燃料電池セルを示す図である。本発明の第２実施形態による燃料電池セルを示す図である。本発明の第２実施形態による燃料電池スタックを示す側面図である。本発明の第２実施形態による燃料電池スタックを示す側面図である。

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更することができる。

まず、本発明の基本構成について説明する。図１は本発明の燃料電池スタック１００の基本構成を説明するための側面図である。図１に示すように、燃料電池スタック１００は、ガス流路が内部に設けられた複数の柱状のセル１と、マニホールド２ｂと、マニホールド２ａとから構成される。セル１は、一端側（図１においては下端側）を一つのマニホールド２ｂにすべて立設して支持固定されている。ここで複数のセル１は、他端側（図１においては上端側）にマニホールド２ａが設置され、このマニホールド２ａに固定されるセル群１０aと、マニホールド２ａとは接続されずに他端側が開放されているセル群１０ｂとに分かれて構成される。複数のセル１は、電気的に直列になるようにそれぞれが接続されている（図示せず）。

マニホールド２ａの内部に燃料ガスが供給されると、セル群１０ａを他端側から一端側に燃料ガスが流通し、マニホールド２ｂ内へ流れ込んだ燃料ガスはマニホールド２ｂ内で分散され、セル群１０ｂの一端側から他端側に向かって流れた後に、セル群１０ｂの他端側から燃料電池スタック１００の外部へ排出される。

ここで燃料の消費について、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を用いて説明する。

燃料ガスを図２（Ａ）に記載のように、セル群１０ａ及びセル群１０ｂとの二段階で消費させて発電する場合、マニホールド２ａに供給される改質ガスを含む燃料ガスを１００とし、セル群１０ａで消費される量を４０とすると、セル群１０ａは４０÷１００＝０．４と計算されるから燃料利用率（Ｕｆ）は４０％となる。さらに、セル群１０ａから排出される未使用の燃料ガスは６０であり、これがセル群１０ｂに供給される。セル群１０ｂで消費される量をセル群１０aと同じ４０とすると、セル群１０ｂにおける燃料利用率は、４０÷６０＝０．６６７・・・であるから、燃料利用率は約６７％となる。

これに対して二段階で発電しない場合、すなわち一段階で発電する場合は、同様に燃料を１００とし、セル群で消費される量を一段階で消費するので８０とすると、８０÷１００＝０．８と計算され、燃料利用率Ｕｆは８０％となる。

燃料利用率が８０％以上になると、水蒸気分圧が高くなりすぎることでセルの起電力が低下してしまう。すなわち、ネルンストロスの影響を受けるので電位が低下傾向を示し、発電効率が下がってしまう。また燃料利用率が高くなりすぎると、セルの電極の酸化に対するリスクが高まり、セルの耐久性が悪化する。

以上の点から、複数のセルを二段階となるようにセル群１０ａ及びセル群１０ｂとで構成して発電反応させることにより、各セル群については燃料利用率を低く維持するとともに、燃料電池スタック全体としては燃料利用率（すなわち発電効率）を高くすることができる。

なお本明細書において、燃料ガスのカスケード利用を実現するために二段構成に分離したセル群のうち上流側のセル群１０ａを、「１段目セル群」、「第１のセルスタック」、又は「１次側セル群」とよび、下流側のセル群１０ｂを「２段目セル群」、「第２のセルスタック」又は「２次側セル群」とよぶ場合があるが、いずれも同義である。

以上のように、他端側のマニホールドから燃料ガスを流入させ、一端側のマニホールドで未使用ガスを集約し、開放側のセル群へ供給するとのセル群の二段構成とすることで、複数のセルの配列、セルどうしの電気的な直列接続、発電用空気の流動等を大きく制限または阻害することなく、且つ、上流側と下流側とのセルの本数の簡易な調整によって、従来の燃料電池モジュールの構造をそのまま適用することが可能である燃料利用率の高い燃料電池スタックを提供することができる。

また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、１ｋｗ程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を説明する。図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第１のセルスタック側から見た斜視図である。図４は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の上面図である。図５は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を構成する第１のセルスタックの部分水平断面図である。図６は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の鉛直断面図である。図７は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第１のマニホールドの鉛直断面図である。図８は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第２のマニホールドの拡大鉛直断面図である。なお、図３及び図４では仕切り板を省略している。

図３〜図６に示すように、燃料電池セルスタック装置１００は、第１のセルスタック１０ａと、複数の柱状の燃料電池セル１により構成された第２のセルスタック１０ｂと、第１のセルスタック１０ａの上方に設けられた第１のマニホールド２ａと、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの下方に設けられたマニホールド２ｂと、第２のセルスタック１０ｂの上方に設けられ、改質触媒が充填された改質部Ｂを有する改質器１２と、から構成される。改質器１２と第１のマニホールド２ａとは接続部１４を介して流体接続されている。また、第１のセルスタック１０ａと、第２のセルスタック１０ｂとの間には、仕切り板６０が設けられている。

図６に示すように、燃料電池セルスタック装置１００は断熱材９０により包囲されている。断熱材９０の外周には内側ハウジング９２が設けられており、さらに、内側ハウジング９２の外周には外側ハウジング９４が取り付けらえている。内側ハウジング９２と断熱材９０との間には排ガス流路９６が形成されている。また、内側ハウジング９２と外側ハウジング９４との間には空気流路９８が形成されている。仕切り板６０の上端は内側ハウジング９２に接続されている。内側ハウジング９２の下面に排ガス流路９６と連通し、外側ハウジング９４の外部まで延びる排ガス排出孔９２ａが形成されている。また、外側ハウジング９４の下面には、空気流路９８と連通し、外側ハウジング９４の外部まで延びる空気流入孔（図示せず）が形成されている。

第１のセルスタック１０ａは、内部に軸方向に延びるガス流路が形成された複数の柱状の燃料電池セル１ａが水平方向（横方向）に一列に配列されてなる。また、第２のセルスタック１０ｂも、第１のセルスタック１０ａと同様に、内部に軸方向に延びるガス流路が形成された複数の柱状の燃料電池セル１ｂが水平方向（横方向）に一列に配列されてなる。

第１のセルスタック１０ａを構成するそれぞれの燃料電池セル１ａの上端は、第１のマニホールド２ａに流体接続されている。また、第１のセルスタック１０ａを構成するそれぞれの燃料電池セル１ａの下端は、第２のマニホールド２ｂの短辺方向一側に流体接続されている。第２のセルスタック１０ｂを構成するそれぞれの燃料電池セル１ｂの下端は、第２のマニホールド２ｂの短辺方向他側に流体接続されている。第２のセルスタック１０ｂを構成するそれぞれの燃料電池セル１ｂの上端は開放されており、第２のセルスタック１０の上端と、改質器１２との間には、第２のセルスタック１０ｂから放出されたガスが燃焼される燃焼部１８が形成されている。

改質器１２には、原料ガス及び水（又は水蒸気）が供給される。改質器１２は、燃焼部１８の熱により供給された燃料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する。改質器１２により改質された燃料ガスは、接続部１４を介して第１のマニホールド２ａに供給される。第１のマニホールド２ａに供給された燃料ガスは、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａに送られ、燃料電池セル１ａの内部流路に下方に向かって流れる。この際、第１のセルスタック１０ａの燃料電池セル１ａにより発電がおこなわれる。

第１のセルスタック１０ａの燃料電池セル１ａから排出された燃料ガスは、第２のマニホールド２ｂにより回収される。第２のマニホールド２ｂにより回収された燃料ガスは、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの内部流路に供給され、内部流路を上方に向かって流れる。この際、第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セル１ｂにより発電がおこなわれる。

第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セル１ｂを通過した燃料ガスは、第２のセルスタック１０ｂの上方の燃焼部１８に排出される。そして、燃焼部１８に排出された発電に使用されなかった燃料ガスは着火され燃焼される。なお、本実施形態では、セル群は１つの第１のセルスタック１０ａと、１つの第２のセルスタック１０ｂのみを含んで構成されている。しかしながら、第１のセルスタックを２つ以上設けてもよく、第２のセルスタックを２つ以上設けてもよく、第２のセルスタックの下流に第３のセルスタックを設けてもよい。

図５に示すように、第１のセルスタック１０ａは、複数の燃料電池セル１ａが一列に間隔をあけて並置されており、隣接する燃料電池セル１ａの間に集電部材３０が配置されて構成されている。これにより、複数の燃料電池セル１ａは直列に電気的に接続されている。また、第１のセルスタック１０ａの最も外側に位置する燃料電池セル１ａに端部集電部材３０ａが接着されている。また、これと同様に、第２のセルスタック１０ｂの最も外側に位置する燃料電池セル１ｂに端部集電部材３０ｂが接着されている。燃料電池セルスタック装置１００の一方の側において、第１のセルスタック１０ａの端部集電部材３０ａは、第２のセルスタック１０ｂの端部集電部材３０ｂと連結集電部材３２を介して接続されている。これにより、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａと、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂとは直列接続される。そして、燃料電池セルスタック装置１００の他方の側の第１のセルスタック１０ａの端部集電部材３０ａと、第２のセルスタック１０ｂの端部集電部材３０ｂとから発電された電流が取り出される。なお、本実施形態では、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａと、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂとは直列接続されているが、並列接続とすることも可能である。
各燃料電池セル１ａの内部には、一端から他端へ貫通するガス流路が形成されている。

燃料電池セル１ａは、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板３４と、支持基板３４の一方の平坦面上に形成された燃料側電極層３６と、燃料側電極層３６の外面に形成された固体電解質層３８と、固体電解質層３８の外面に形成された空気側電極層４０と、からなる。また、燃料電池セル１ａの他方の平坦面上にはインターコネクタ４２が設けられている。

支持基板３４の内部には、軸方向に燃料ガスを流すためのガス流路３４Ａが両端部の間にわたって形成されている。インターコネクタ４２の外面にはＰ型半導体層４４が設けられている。インターコネクタ４２は、Ｐ型半導体層４４を介して、集電部材３０に接続させている。

燃料側電極層３６は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

固体電解質層３８は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

空気側電極層４０は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

支持基板３４としては、燃料ガスが燃料側電極層３６まで透過するようにガス透過性を有するように、開口率の高い導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。なお、支持基板３４の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層４４としては、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。

インターコネクタ１１は、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）等を用いることができる。

第１のセルスタック１０ａの構成と、第２のセルスタック１０ｂの構成は同一である。図３に示すように、第１のセルスタック１０ａと、第２のセルスタック１０ｂとは、それぞれの燃料電池セル１ａ、１ｂの配列方向が平行になるように配置されている。なお、以下の説明では、この燃料電池セル１ａ、１ｂの配列方向を単に配列方向という。

第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの上方は開放されており、第２のセルスタック１０ｂの上方には燃焼部１８が形成されている。燃焼部１８では、発電に使用されなかった燃料ガスが燃焼される。

図３、図４に示すように、改質器１２は、蒸発部１２Ａと、改質部１２Ｂとを備える。改質器１２へは、外部から原料ガスと水又は水蒸気が供給管１３Ａ，１３Ｂを通じて供給される。蒸発部１２Ａは、燃焼部１８の燃焼熱により水を加熱して水蒸気を生じさせる。

改質部１２Ｂには、混合ガスを改質するための改質触媒が充填されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。改質部１２Ｂは、燃焼部１８の燃焼熱により供給された原料ガスを水蒸気により改質して、水素を含む燃料ガスに改質する。図３及び図６に示すように、改質部１２Ｂは、第１セルスタック１０ａの上方には位置せず、第２のセルスタック１０ｂの上方のみに位置している。さらには、本実施形態では、改質器１２全体が、第１セルスタック１０ａの上方には位置せず、第２のセルスタック１０ｂの上方のみに覆うようにして位置している（すなわち、蒸発部１２Ａや周囲のフランジ等も第２のセルスタック１０ｂの上方のみに位置している）。改質器１２は底面が水平になるように保持されている。改質器１２の底面（下端部）は、第１のマニホールド２ａの底面（下端部）と同じ高さに位置している。

図７に示すように、第１のマニホールド２ａは、筐体２２と、枠体２４と、分配管２０とを備える。筐体２２は中空に構成されており、下端面に枠体２４の形状と略同形状の開口２２Ａが形成されている。第１のマニホールド２ａは筐体２２の底面が水平になるように保持されている。

枠体２４には、第１セルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの断面形状と略同形状の複数の開口２４Ａが形成されている。第１セルスタック１０ａを構成する全ての燃料電池セル１ａの上端は、枠体２４に形成された開口２４Ａに接続されている。枠体２４は、筐体２２に形成された開口２２Ａに取り付けられている。なお、第１のマニホールド２ａの筐体２２と枠体２４との接続構造を含む第１のマニホールド２ａと燃料電池セル１ａの上端部との接続構造は、第２のマニホールド２ｂと燃料電池セル１ａの下端部の接続構造と同様であり、後に詳述する。

分配管２０の上流端部は接続部１４に流体接続されており、改質された燃料ガスが供給される。分配管２０には、複数の開口２０Ａが長手方向に間をあけて形成されている。複数の開口２０Ａは、上流側ほど開口面積が大きくなっている。これにより、第１のマニホールド２ａの下流側端部まで燃料ガスが均等に分配され、第１セルスタック１０ａを構成する各燃料電池セル１ａに均等に燃料ガスが供給される。すなわち、分配管２０は、第１の燃料電池セル１ａに均等に燃料ガスを供給するための分配機構として機能する。なお、分配機構としては、本実施形態の構成に限らず、例えば、第１のマニホールド２ａ内に、内部流路を塞ぐように複数の仕切り板を設け、これら複数の仕切り板に先端に向かって大きくなるような開口を設ける構成なども採用できる。

接続部１４は、改質器１２及び第１のマニホールド２ａと継ぎ目なく一体に構成されており、互いの内部流路が流体接続されている。また、接続部１４は改質器１２から第１のマニホールド２ａに向かって湾曲する形状を有している。

図８に示すように、第２のマニホールド２ｂは、筐体部材５０と、第１の枠体５２と、第１の枠体５２と同一形状の第２の枠体５４とを備える。筐体部材５０は、略長方形状の底板５０ａと、底板５０ａの周囲に立設された側板５０ｂと、側板５０ｂの上方を塞ぐ、筐体部材５０の上面である天板５０ｃとを備える。天板５０ｃには、幅方向両側に長手方向に延びるように第１の開口５０ｄと、第２の開口５０ｅとが幅方向に並ぶように平行に形成されている。筐体部材５０の第１の開口５０ｄには、ガラスシール５６ｂにより第１の枠体５２が取り付けられており、第２の開口５０ｅにはガラスシール５７ｂにより第２の枠体５４が取り付けられている。

第１の枠体５２は、天板５２ｂと、天板５２ｂの周囲から下方に向けて延びる側板５２ｃとを備え、下方が開口するようなコの字状の断面形状を有する。第１の枠体５２の天板５２ｂには、第１セルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの断面形状と略同形状の複数の開口５２ａが形成されている。従って、第１の枠体５２の天板５２ｂは、第１のセルスタック１０ａが接続される第１の接続部を構成する。第１セルスタック１０ａを構成する複数の燃料電池セル１ａの下端は、ガラスシール５６ａにより第１の枠体５２に形成された開口５２ａに接続されている。

また、第２の枠体５４は、天板５４ｂと、天板５４ｂの周囲から下方に向けて延びる側板５４ｃとを備え、下方が開口するようなコの字状の断面形状を有する。第２の枠体５４の天板５４ｂには、第２セルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの断面形状と略同形状の複数の開口５４ａが形成されている。従って、第２の枠体５４の天板５４ｂは、第２のセルスタック１０ｂが接続される第２の接続部を構成する。第２セルスタック１０ｂを構成する複数の燃料電池セル１ｂの下端は、ガラスシール５７ａにより第２の枠体５４に形成された開口５４ａに接続されている。

第１の枠体５２は、側板５２ｃの下端部近傍が筐体部材５０の第１の開口５０ｄに取り付けられている。これに対して、第２の枠体５４は、側板５４ｃの上端部近傍が筐体部材５０の第２の開口５０ｅに取り付けられている。これにより、第１の枠体５２は第２の枠体５４のよりも高い位置に配置されている。また、第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セルスタック１ｂと第２の枠体５４の間の第２の接続部の高さは、第１のセルスタック１０ａの燃料電池セルスタック１ａと第１の枠体５２の間の第１の接続部の高さよりも低くなっている。

このように、本実施形態では、第２のマニホールド２ｂにおいて、第２の枠体５４は、その天板５４ｂが、第１の枠体５２の天板５２ｂよりも低くなるように筐体部材５０の天板５０ｃに固定されている。このような構成により、第２の枠体５４の下端と筐体部材５０の底面との間に狭い隙間が形成される。この隙間が、第２のマニホールド２ｂ内において、第１のセルスタック１０ａが接続される第１の接続部から、第２のセルスタック１０ｂが接続される第２の接続部への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部として作用する。

仕切り板６０は、例えば、ステンレス等の耐熱性を有する中空の板材からなり、内部に空気を供給するために空気流通路６０ａが形成されている。仕切り板６０の上端は内側ハウジング９２の上面に接続されており、空気流通路６０ａは空気流路９８と連通している。これにより、空気流通路６０ａには、空気流路９８を介して上端から発電用空気が供給される。仕切り板６０は、改質器１２よりも上方の高さ位置から下端が第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの下端部近傍まで上下方向に延びている。これにより、仕切り板６０は、第１のマニホールド２ａと第１のセルスタック１０ａとの接続部と、燃焼部１８との間を仕切り、熱影響を低減することができる。

仕切り板６０には、対向する表面６０Ａ、６０Ｂの間を貫通する上部貫通孔６０ｂと、下部貫通孔６０ｃとが形成されている。上部貫通孔６０ｂは、燃焼部１８よりも上方の高さ位置に形成されている。また、下部貫通孔６０ｃは、燃焼部１８よりも下方であって、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの中間の高さ位置辺りに形成されている。上部貫通孔６０ｂ及び下部貫通孔６０ｃを通じて、第１のセルスタック１０ａの側の空間と、第２のセルスタック１０ｂの側の空間とが連通している。

また、仕切り板６０の下端部には下端噴出孔６０ｄが形成されている。仕切り板６０の第１のセルスタック１０ａ側の表面６０Ａには、第１の空気噴出孔６０ｅが形成されており、仕切り板６０の第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂには、第２の空気噴出孔６０ｆが形成されている。第１の空気噴出孔６０ｅは、第１のセルスタック１０ａの下部に当たる高さ位置に形成されている。第２の空気噴出孔６０ｆは第２のセルスタック１０ｂの下部に当たる高さ位置に形成されている。これら第１及び第２の空気噴出孔６０ｅ、６０ｆは複数の開口としてもよいし、単一の開口としてもよい。第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂに形成された第２の空気噴出孔６０ｆの総面積は、第１のセルスタック１０ａ側の表面６０Ａに形成された第１の空気噴出孔６０ｅの総面積よりも大きくなっている。仕切り板６０の空気流通路６０ａに供給された空気は、第１のセルスタック１０ａよりも第２のセルスタック１０ｂに向けて大量に噴出される。

さらに、仕切り板６０の第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂには、燃焼部１８に向けて第３の空気噴出孔６０ｇが形成されている。第３の空気噴出孔６０ｇは、燃焼部１８に相当する高さ位置に形成されている。これにより、仕切り板６０の空気流通路６０ａに供給された空気は、第３の空気噴出孔６０ｇを通じて、燃焼部１８に向けて噴出される。

なお、本実施形態では、仕切り板６０の対向する表面６０Ａ、６０Ｂの両方に空気噴出孔６０ｅ、６０ｆを設けているが、これに限らず、第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂのみに設けてもよい。

以下、本実施形態の燃料電池セルスタック装置１００における燃料ガス及び水（水蒸気）と、発電用空気の流れについて説明する。
原料ガス及び水（水蒸気）は、燃料電池セルスタック装置１００に供給管１３Ａ，１３Ｂを通じて外部から改質器１２に供給される。改質器１２に供給された水は改質器１２の蒸発部１２Ａにおいて燃焼部１８の熱により蒸発される。そして、原料ガス及び水蒸気は改質部１２Ｂへ送られる。原料ガス及び水蒸気は、改質部１２Ｂにおいて燃焼部１８の熱により、水素を含む燃料ガスに改質される。

改質器１２において改質された燃料ガスは、接続部１４を介して第１のマニホールド２ａの分配管２０に供給される。分配管２０に供給された燃料ガスは、開口２０Ａを通じて筐体２２内に噴出される。ここで、開口２０Ａは、上流側ほど開口面積が大きくなっているため、筐体２２内に均一に燃料ガスが噴出される。そして、筐体２２内に噴出された燃料ガスは、第１のセルスタック１０ａを構成するそれぞれの燃料電池セル１ａの内部流路に上端から送り込まれる。燃料ガスは、燃料電池セル１ａの上端から下端に向かって流通し、下端から第２のマニホールド２ｂ内に放出される。この際、それぞれの燃料電池セル１ａは発電を行う。

上記のように、第２のマニホールド２ｂの第２の枠体５４は、その天板５４ｂが、第１の枠体５２の天板５２ｂよりも低くなるように筐体部材５０の天板５０ｃに固定されている。このため、第２の枠体５４の下端と筐体部材５０の底面との間に狭い隙間が形成され、第１のセルスタック１０ａが接続された第１の接続部から、第２のセルスタック１０ｂが接続された第２の接続部への燃料ガスの流れに抵抗が与えられる。これにより、第２のマニホールド２ｂに放出された燃料ガスは、第２のマニホールド２ｂの、第１の接続部が設けられた上流側の室２ｂ１において分散され、その後、第２の接続部が設けられた下流側の室２ｂ２に流れ込む。

室２ｂ２に流れ込んだ燃料ガスは、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの内部流路に下端から送られる。燃料電池セル１ｂに送り込まれた燃料ガスは内部流路内を下端から上端に向かって流れる。この際、それぞれの燃料電池セル１ｂは発電を行う。

第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂを通過した、発電に使用されなかった燃料ガスは、燃料電池セル１ｂの上端から燃焼部１８に放出される。燃焼部１８に放出された燃料ガスは燃焼され、その際に発生する熱は改質器１２を加熱するのに用いられる。

燃料ガスを燃焼部１８で燃焼して発生した排ガスは上方に向かって上昇する。この際、仕切り板６０に上部貫通孔６０ｂが形成されていることにより、第１のセルスタック１０ａ側と第２のセルスタック１０ｂ側とで排ガスが拡散され、第１のセルスタック１０ａ側と第２のセルスタック１０ｂ側との排ガスの温度差が小さくなる。そして、排ガスは、排ガス流路９６を下方に向かって流れる。この際、排ガス流路９６を流れる排ガスと、空気流路９８を流れる発電用空気との間で熱交換が行われ、発電用空気を加熱することができる。そして、排ガスは排ガス排出孔９２ａから外側ハウジング９４の外部に排出される。

次に、発電用空気は、外部から空気流入孔を通じて空気流路９８に送り込まれる。空気流路９８内に送り込まれた空気は空気流路９８を上方に向かって流れる。この際、排ガス流路９６を流れる排ガスと熱交換が行われ、空気は加熱される。空気流路９８の上部まで到達した空気は、仕切り板６０の上端から空気流通路６０ａに送られる。

空気流通路６０ａに送り込まれた発電用空気は、第１及び第２の空気噴出孔６０ｅ、６０ｆ及び下端噴出孔６０ｄを通じて、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂに向かって噴出される。この際、第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂに形成された第２の空気噴出孔６０ｆの総面積は、第１のセルスタック１０ａ側の表面６０Ａに形成された第１の空気噴出孔６０ｅの総面積よりも大きくなっているため、第２のセルスタック１０ｂに向かって、第１のセルスタック１０ａよりも大量の空気が噴出される。

ここで、仕切り板６０には下部貫通孔６０ｃが形成されているため、第１のセルスタック１０ａ側の空気と、第２のセルスタック１０ｂ側の空気とが混ざり合う。これにより、発電用空気の温度むらが発生するのを抑制できる。

また、空気流通路６０ａに送り込まれた発電用空気は、第３の空気噴出孔６０ｇから燃焼部１８に向かって噴出される。これにより、燃焼部１８において発電に使用されなかった燃料ガスを完全燃焼させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の作用効果が奏される。
本実施形態によれば、第１のセルスタック１０ａで使用された燃料ガスが第２のセルスタック１０ｂに流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。また、燃料電池セル１ａ、１ｂの配列を大きく変更することなく二段階に燃料ガスを消費させることが可能となるため、発電効率が高く、製造が容易な燃料電池セルスタック装置を提供することができる。

また、本実施形態によれば、第２のマニホールド２ｂ内に流路抵抗部が設けられているため、第１のセルスタック１０ａから第２のマニホールド２ｂ内に排出された燃料ガスが分散され、第２のセルスタック１０ｂに均一な燃料ガスが供給される。

なお、第２のマニホールド２ｂの構成は上記説明した構成に限られない。図９は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第２のマニホールドの変形例を示す鉛直断面図である。なお、図８を参照して説明した実施例と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。

図９に示すように、第２のマニホールド１０２ｂは、筐体部材１５０と、第１の枠体５２と、第２の枠体５４とを備える。筐体部材１５０は、略長方形状の底板１５０ａと、底板１５０ａの周囲に立設された側板１５０ｂと、側板１５０ｂの上方を塞ぐ筐体部材１５０の上面である天板１５０ｃとを備える。天板１５０ｃは、第１のセルスタック１０ａの接続される側の水平に延びる第１の天板部１５０ｃ１と、第２のセルスタック１０ｂの接続される側の水平に延びる第２の天板部１５０ｃ２と、第１の天板部１５０ｃ１と第２の天板部１５０ｃ２との間を連結する鉛直に延びる連結部１５０ｃ３とを備える。第１の天板部１５０ｃ１は、第２の天板部１５０ｃ２よりも高い位置に設けられている。

天板１５０ｃの第１の天板部１５０ｃ１には、幅方向両側に長手方向に延びるように第１の開口１５０ｄが形成されている。天板１５０ｃの第２の天板部１５０ｃ２には、第２の開口５０ｅが形成されている。筐体部材１５０の第１の開口１５０ｄには、ガラスシール５６ｂにより第１の枠体５２が取り付けられており、第２の開口１５０ｅにはガラスシール５７ｂにより第２の枠体５４が取り付けられている。

第１の枠体５２は、側板５２ｃの下端部近傍が筐体部材１５０の第１の開口１５０ｄに取り付けられている。また、第２の枠体５４は、側板５４ｃの下端部近傍が筐体部材１５０の第２の開口１５０ｅに取り付けられている。

第１の天板部１５０ｃ１は、第２の天板部１５０ｃ２よりも高い位置に設けられているため、第１の枠体５２は第２の枠体５４のよりも高い位置に配置されている。また、第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セルスタック１ｂと第２の枠体５４との間の第２の接続部の高さは、第１のセルスタック１０ａの燃料電池セルスタック１ａと第１の枠体５２との間の第１の接続部の高さよりも低くなっている。

このように、本実施形態では、第２のマニホールド１０２ｂにおいて、第２の枠体５４は、その天板５４ｂが、第１の枠体５２の天板５２ｂよりも低くなるように筐体部材１５０の天板１５０ｃに固定されている。このような構成により、第２の枠体５４の下端と筐体部材１５０の底面との間に狭い隙間が形成される。この隙間が、第２のマニホールド２ｂ内において、第１のセルスタック１０ａが接続される第１の接続部から、第２のセルスタック１０ｂが接続される第２の接続部への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部として作用する。

また、図８、図９を参照して説明した実施例では、第２のマニホールドの底板と第２の枠体５４の下端との間に狭い隙間を形成することにより流路抵抗部を形成したが、これに限らず、例えば、第２のマニホールドの底板に凸部等を形成して流路面積が狭い部分を設け、これを流路抵抗部としてもよい。

また、本実施形態によれば、第２のマニホールド２ｂ内に流路抵抗部が設けられているため、第２のマニホールド２ｂ内で第１のセルスタック１０ａから排出された燃料ガスが分散され、第２のセルスタック１０ｂに均一な燃料ガスが供給される。

また、本実施形態によれば、第１のセルスタック１０ａが接続される第１の接続部の高さよりも、第２のセルスタック１０ｂが接続される第２の接続部の高さが低くなっており、この高さの違いに基づいて第２のマニホールド２ｂ内に流路面積が狭い流路抵抗部を形成することができる。

また、本実施形態の図８に示す実施例では、第１の枠体５２及び第２の枠体５４は、第１の枠体５２の高さよりも、第２の枠体５４の高さが低くなるように、筐体部材５０に固定されている。このように、筐体部材５０への第１の枠体５２及び第２の枠体５４の固定する高さを調整することにより、第２のマニホールド２ｂ内に流路抵抗部を形成することができる。

また、本実施形態の図９に示す実施例では、筐体部材１５０は、筐体部材１５０の第１の枠体５２が固定される第１の天板部１５０ｃ１の高さよりも、筐体部材１５０の第２の枠体５４が固定される第２の天板部１５０ｃ２の高さが低くなるように構成されている。このように、筐体部材１５０の第１の枠体５２及び第２の枠体５４が固定される部分の高さを変更することにより、第２のマニホールド１０２ｂ内に流路抵抗部を形成することができる。

また、上述の通り、本実施形態では、第２のマニホールド２ｂは、第１のセルスタック１０ａに接続される接続部の高さよりも、第２のセルスタック１０ｂに接続される接続部の高さが低くなるように構成されているため、第２のセルスタック１０ｂの上端は第１のセルスタック１０ａの上端よりも下方に位置する。このため、本実施形態のように、第１のマニホールド２ａの下端部と、改質器１２の下端部とは同じ高さに配置しても、改質器１２の下方と第２の接続部との間に燃焼部１８を設ける空間を確保することができる。

次に、本発明の第２実施形態による燃料電池セルスタック装置を説明する。
まず、本発明の第２実施形態で用いる燃料電池セルについて図１０及び図１１を参照して説明する。

（燃料電池セル）
図１０は、本発明の第２実施形態におけるセルスタックを構成するセルを示す図である。図１１は、セル端部の拡大断面図である。

図１０に示すように、セル１００１は、セル本体１１０１と、このセル本体１１０１の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ１１０２（金属キャップともいう）とを備えている。

図１１に示すように、支持体として導電支持体を有する場合のセル本体１１０１は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路１１０３（内部流路ともいう）を形成する円筒形の燃料極層である内側電極層１１０４と、内側電極層１１０４の外周に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層１１０５と、電解質層１１０５の外周に設けられた円筒形の空気極（酸化剤ガス極）層である外側電極層１１０６と、を備えている。この内側電極層１１０４は、セル本体１１０１を構成する支持体として機能すると共に、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。内側電極層１１０４は燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層１１０６は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

内側電極層１１０４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、内側電極層１１０４は、Ｎｉ／ＹＳＺからなる。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、内側電極層として燃料極層を形成する。

電解質層１１０５は、内側電極層１１０４の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極層１１０４の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極層１１０４の上端よりも下方で終端している。電解質層１１０５は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

外側電極層１１０６は、電解質層１１０５の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層１１０５の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層１１０５の上端よりも下方で終端している。外側電極層１１０６は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

次に、キャップ１１０２について説明するが、セル本体１１０１の上端側と下端側に取り付けられたキャップ１１０２は、同一構造であるため、ここでは、セル本体１１０１の下端側に取り付けられたキャップ１１０２について具体的に説明する。

キャップ１１０２（金属キャップ）は、セル本体１１０１の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、セル本体１１０１の内側電極層１１０４と電気的に接続され、内側電極層１１０４を外部に引き出す接続電極として機能する。図１１に示すように、セル本体１１０１の下端に設けられたキャップ１１０２は、円筒状の第１円筒部１１０２ａと、第１円筒部１１０２ａの上端かから外方に向かって延びる円環状の円環部１１０２ｂと、円環部１１０２ｂの外周から上方に向かって延びる第２円筒部１１０２ｃとを有する。キャップ１１０２の第１円筒部１１０２ａの中心部には、内側電極層１１０４の燃料ガス流路１１０３と連通する燃料ガス流路１１０７が形成されている。燃料ガス流路１１０７は、キャップ１１０２の中心からセル本体１１０１の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。

キャップ１１０２は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる本体の内周面及び外周面にクロム酸化物（本実施形態では、Ｃｒ₂Ｏ₃）がコーティングされ、さらに、外周面には、ＭｎＣｏ₂Ｏ₄がコーティングされている。加えて、コーティングされたＭｎＣｏ₂Ｏ₄層の外周面にはＡｇ集電膜が設けられている。なお、本実施形態では、Ａｇ集電膜は、キャップ１１０２の外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。

キャップ１１０２の第２円筒部１１０２ｃの内側と、セル本体１１０１の内側電極層１１０４の端部外周面との間の空間には銀ペースト１１０８が配置されている。セル１１００の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト１１０８が焼結され、内側電極層１１０４とキャップ１１０２が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ１１０２の第２円筒部１１０２ｃの内周面と、電解質層１１０５の下端部外周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール１１０９が設けられている。このガラスシール１１０９により、キャップ１１０２と内側電極層１１０４との間の空間は、セル１１００の外部の空間に対して気密密封されている。

（燃料電池スタック）
図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は本実施形態における燃料電池スタックを示したものである。上述した図１の燃料電池セルスタック１１００のセル群配列の構成について、燃料電池スタック１１００の幅方向（短辺方向）にセル群１０１０ａ、セル群１０１０ｂ、セル群１０１０ａの順に区画して配列させたもので、図１２（Ａ）において右側のセル群１０１０ａと左側のセル群１０１０ａとは図１２の紙面奥手においてつながっている。このため、セル群１０１０ａに配置の複数のセル１００１が接続固定されるマニホールド１００２ｂは、上面視において「コ」字状の形状である（図１２（Ｂ））。

セル１００１は円筒形状であり、燃料極１００３の両端に電気的に接続された金属キャップ１００４を備え、金属キャップ１００４はセル１００１とガラス材料１００５（図１１〜図１３では図示せず）によってシールされている。セル１００１は絶縁性支持部材１００６（ブッシュともいう）を介してマニホールド１００２ｂに、立設され、ガラスリング１００７により気密固定される。またセル１００１の一部は、上面視において「コ」字状のマニホールド１００２ａの下方に、絶縁性支持部材１００６を介して他端側が配置され、ガラスリング１００７によって気密接合されている。

複数のセル１００１同士の電気的接続は、金属キャップ１００４と空気極１００８の端部とを集電体１００９を介して電気的に直列となるように接続されている。ここで、セル１００１内の電流分布を考慮すると、燃料ガスの流れる方向に対してセル１００１の下流側に集電体を設置するのが望ましい。そのため、他端側から一端側へ（図１２（Ａ）において上端側から下端側に向かって）燃料ガスが流れるセル群１０１０ａにおいては、一端側（下端側）に集電体１００９を設けることが好ましい。一方、一端側から他端側の方向（図１２（Ａ）において下端側から上端側への方向）に燃料ガスが流れるセル群１０１０ｂにおいては、他端側に集電体１００９を設けることが好ましい。またセル群１０１０ａとセル群１０１０ｂとの電気的接続は、セル群１０１０ａに配置のセル１００１の一端側とセル群１０１０ｂに配置のセル１００１の他端側との接続が必要となるため、一端側から他端側にわたる長距離の集電体による接続が必要となるため、セル１００１への短絡防止という観点で、セル群１０１０aとセル群１０１０ｂとのセル間を離間させると良い。

改質器１０１１で改質された燃料ガスは、図１２（Ｂ）に示すように、上面視「コ」字状のマニホールド１００２ａの燃料ガス供給管１０２０から供給され、「コ」字状のマニホールド１００２ａの内部で分散し、「コ」字状のマニホールド１００２ａと連通するように接続された上流側のセル群１０１０aのガス流路を他端側から一端側へ流れる。セル群１０１０ａから排出された発電に未使用の燃料ガスは、マニホールド１００２ｂにおいて集約され、他端側が開放された下流側のセル群１０１０ｂのガス流路を一端側から他端側へ向かって流れ、セル群１０１０ｂの上端から排出される。

また、図１２（Ｃ）に示すように、直方体形状のマニホールド１００２ａを２つに分割して他端側に配置した構成としてもよい。改質器１０１１から導出される燃料ガスを分配して、マニホールド２ｂの燃料ガス供給管１０２０にそれぞれ供給されることで、セル群１０１０ａから下流側のセル群１０１０ｂへ順に燃料ガスを供給することができる。

一方発電用の空気は、セル群１０１０ａまたはセル群１０１０ｂとして立設される複数の円筒状のセル１００１の側面に、セル１００１の下方より供給される（図１２（Ａ）の点線矢印）。供給された発電用の空気はセル１００１の一端側から他端側に向かって流れ、他端側が開放された下流側のセル群１０１０ｂの上端部において未使用ガスと混合し、燃焼される。

ここで、他端側にマニホールド１００２ａが設置される上流側のセル群１０１０ａを構成する複数のセル１００１の隙間には発電用の空気が流れにくくなるため、空気の流れを考慮して、上流側のセル群１０１０aと下流側のセル群１０１０ｂとを所定距離だけ離間させることが好ましい。

また上面視において、図１２（Ｄ）の点線矢印に示すように、「コ」字状のマニホールド２ｂにおいて燃料電池スタックの短辺方向に延びる領域直下においては発電用の空気が流れにくいため、複数のセル１００１に発電用の空気を供給するための空気供給孔は燃料電池セルスタックの長辺側だけとせず、短辺側にも設置して発電用の空気の供給を行うことが好ましい。

燃料ガスはマニホールド１００２ａを通過し、上流側のセル群１０１０ａにおいて発電反応のために消費される。発電反応によって消費されずに残存する未使用ガスは、マニホールド１００２ｂを通って下流側のセル群１０１０ｂに供給され、さらに下流側のセル群１０１０ｂにおいて発電反応により消費される。

また、図１３に示すように、直方体形状のマニホールド１００２ａを上面視中央の他端側に配置する構成としてもよい。改質器１０１１から導出される燃料ガスを分配して、マニホールド１００２ａの燃料ガス供給管１０２０にそれぞれ供給されることで、セル群１０１０ａから下流側のセル群１０１０ｂへ順に燃料ガスを供給することができる。

１燃料電池セル（セル）
１ａ燃料電池セル
１ｂ燃料電池セル
２ａ（第１の）マニホールド
２ｂ（第２の）マニホールド
２ｂ１室
２ｂ２室
１０ａ第１のセルスタック（セル群）
１０ｂ第２のセルスタック（セル群）
１２改質器
１２Ａ蒸発部
１２Ｂ改質部
１３Ａ供給管
１３Ｂ供給管
１４接続部
１８燃焼部
２０分配管
２０Ａ開口
２２筐体
２２Ａ開口
２４枠体
２４Ａ開口
３０集電部材
３０ａ端部集電部材
３０ｂ端部集電部材
３２連結集電部材
３４導電性支持基板
３４Ａガス流路
３６燃料側電極層
３８固体電解質層
４０空気側電極層
４２インターコネクタ
４４Ｐ型半導体層
４６断熱材
５０筐体部材
５０ａ底板
５０ｂ側板
５０ｃ天板
５０ｄ第１の開口
５０ｅ第２の開口
５２第１の枠体
５２ａ開口
５２ｂ天板
５２ｃ側板
５４第２の枠体
５４ａ開口
５４ｂ天板
５４ｃ側板
５６ａガラスシール
５６ｂガラスシール
５７ａガラスシール
５７ｂガラスシール
６０仕切り板
６０Ａ表面
６０Ｂ表面
６０ａ空気流通路
６０ｂ上部貫通孔
６０ｃ下部貫通孔
６０ｄ下端噴出孔
６０ｅ第１の空気噴出孔
６０ｆ第２の空気噴出孔
９０断熱材
９２内側ハウジング
９２ａ排ガス排出孔
９４外側ハウジング
９６排ガス流路
９８空気流路
１００燃料電池セルスタック（装置）
１５０筐体部材
１５０ａ底板
１５０ｂ側板
１５０ｃ天板
１５０ｃ１第１の天板部
１５０ｃ２第２の天板部
１５０ｃ３連結部
１５０ｄ開口
１５０ｅ開口
１００１セル
１００２ａマニホールド
１００２ｂマニホールド
１００３燃料極
１００４金属キャップ
１００５ガラス材料
１００６絶縁性支持部材
１００７ガラスリング
１００８空気極
１００９集電体
１０１０ａセル群
１０１０ｂセル群
１０１１改質器
１０２０燃料ガス供給管
１１００燃料電池セルスタック
１１０１セル本体
１１０２キャップ
１１０２ｂ円環部
１１０３燃料ガス流路
１１０４内側電極層
１１０５電解質層
１１０６外側電極層
１１０７燃料ガス流路
１１０８銀ペースト
１１０９ガラスシール

Claims

内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第１のセルスタック及び第２のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、
前記第１のセルスタックに接続され、前記第１のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するための第１のマニホールドと、
前記第１のセルスタック及び前記第２のセルスタックに接続され、前記第１のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、前記第２のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに供給するための第２のマニホールドと、を備えた燃料電池セルスタック装置であって、
前記第２のマニホールドには、前記第１のセルスタックが接続される第１の接続部と前記第２のセルスタックが接続される第２の接続部が設けられ、前記第２のマニホールド内には、前記第１の接続部が設けられた部分から前記第２の接続部が設けられた部分への燃料ガスの流れに抵抗を与える流路抵抗部が設けられていることを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
前記第２のマニホールドは、前記第１の接続部の高さよりも、前記第２の接続部の高さが低くなるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
前記第２のマニホールドは、
前記第１の接続部が形成された第１の枠体と、
前記第２の接続部が形成され、前記第１の枠体と同一形状の第２の枠体と、
前記第１の枠体及び前記第２の枠体が上面に固定される筐体部材と、を備え、
前記第２の枠体は、前記筐体部材の前記上面に対し、前記第１の枠体よりも低い位置に固定され、前記流路抵抗部が、前記第２の枠体の下端と前記筐体部材の底面との間の隙間により構成されている、請求項２に記載の燃料電池セルスタック装置。
前記第２のマニホールドは、
前記第１の接続部が形成された第１の枠体と、
前記第２の接続部が形成された第２の枠体と、
前記第１の枠体及び前記第２の枠体が上面に固定される筐体部材と、を備え、
前記筐体部材の前記上面は、前記第１の枠体が固定される部分よりも、前記第２の枠体が固定される部分が低くなるように構成され、前記流路抵抗部が、前記第２の枠体の下端と前記筐体部材の底面との間の隙間により構成されている、請求項２に記載の燃料電池セルスタック装置。
さらに、
前記第２のセルスタックの上方に配置され、原料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質し、前記第１のマニホールドに前記燃料ガスを供給する改質器を備え、
前記第１のセルスタックの上端は、前記第１のマニホールドの下端部に接続され、
前記第１のマニホールドの下端部と、前記改質器の下端部とは同じ高さに位置している、請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池セルスタック装置。