WO2015087913A1 - 燃料電池スタック及び燃料電池モジュール - Google Patents

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fuel
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哲也 森川
堀田　信行
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日本特殊陶業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells each including an electrolyte layer having a fuel electrode layer and an air electrode layer are stacked, and a fuel cell module including the fuel cell stack.
  • a solid oxide fuel cell using a solid electrolyte (solid oxide) (hereinafter also referred to as “SOFC”) is known as a fuel cell.
  • SOFC solid electrolyte
  • a large number of fuel cells each having a single cell provided with a fuel electrode layer on one surface of a plate-shaped solid electrolyte layer (solid oxide layer) and an air electrode layer on the other surface are stacked.
  • a fuel cell stack is known.
  • serial flow structure of the flow path of the fuel gas means that the fuel gas flows to a predetermined fuel cell in the fuel cell stack and the fuel gas discharged from the fuel cell is sent to another fuel cell. It is a structure that flows in parallel with the fuel cells.
  • each manifold for example, fuel gas and air introduced from outside through a low temperature pass through each manifold, or fuel gas and air that has increased in temperature by heat exchange in the fuel cell stack, Since fuel gas and air that have reacted to each fuel battery cell and have become even higher temperature pass, the temperature around each manifold is greatly different.
  • the temperature in the cell plane is greatly reduced and the in-plane resistance is also increased.
  • the metal member is deteriorated when a part having an excessively high temperature is generated due to the in-plane temperature distribution of the fuel cell.
  • the fuel cell stack according to the first aspect of the present invention is provided on an electrolyte layer, a fuel electrode layer provided on one surface of the electrolyte layer and in contact with fuel gas, and on the other surface of the electrolyte layer.
  • a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells each having an air electrode layer in contact with an oxidant gas are stacked, wherein the fuel cell stack is disposed on a part of the fuel cell cells in the stacking direction. And at least one of the oxidant gas, and at least one of the fuel gas and the oxidant gas discharged from the part of the fuel cells, the part of the fuel cells in the stacking direction.
  • the fuel cell stack is configured to pass through a plurality of the fuel cells in the stacking direction of the fuel cell and the oxidant gas.
  • a plurality of manifolds that circulate at least one of them, a manifold for cold gas that introduces the fuel gas or the oxidant gas into the fuel cell stack from the outside as the manifold, and the fuel gas from the fuel cell
  • a heat-exchanged gas that circulates a heat-exchanged gas that has been heat-exchanged at a heat exchange manifold into which at least one of the fuel gas or the oxidant gas is introduced, and a hot gas manifold that discharges the oxidant gas
  • all of the cold gas manifolds are adjacent to the hot gas manifold and the hot gas manifold. Are not adjacent to other hot gas manifolds.
  • a cold gas manifold that introduces fuel gas or oxidant gas into the fuel cell stack from the outside, and a fuel cell And a hot gas manifold that discharges fuel gas or oxidant gas, and a post-heat exchange gas manifold that allows the post-heat exchange gas exchanged in the heat exchange section to flow therethrough.
  • the cold gas manifolds are all adjacent to the hot gas manifolds, and the hot gas manifolds are the other ones. Not adjacent to the hot gas manifold.
  • all of the cold gas manifolds having a low temperature are adjacent to the hot gas manifold having a higher temperature than that of the cold gas. Since the manifold is not adjacent to another hot gas manifold having a temperature higher than that of the cold gas, the temperature difference in the planar direction of the fuel cell (that is, the direction in which the fuel cell spreads in plan view) can be reduced. That is, the temperature in the planar direction of the fuel cell (and hence the fuel cell stack) can be made uniform.
  • the in-plane temperature distribution of the fuel cell can be reduced, so that the resistance distribution in the cell plane is small, and thus the current distribution and voltage distribution in the cell plane can also be reduced.
  • the lateral flow of current in the cell plane can be suppressed, a remarkable effect that a stable high output can be obtained is obtained.
  • the in-plane temperature distribution of the fuel cell is also small from this point, and a part where the temperature is excessively high is generated. Since it is difficult, there is an advantage that deterioration of the metal member can be suppressed.
  • the gas after heat exchange is a gas after heat exchange, that is, after being used for a power generation reaction with a gas (cold gas) before heat exchange in the heat exchange section (for example, from a fuel cell) It is a gas having a temperature between the gas (hot gas) immediately after discharge.
  • the cold gas is a gas introduced from the outside of the fuel cell stack, and is a gas at a lower temperature than the temperature of the gas after heat exchange or the power generation temperature (that is, the temperature in the fuel cell that is generating power). Is shown.
  • the manifold is an internal gas flow path of a fuel cell stack that passes through a plurality of fuel cells in the stacking direction and distributes fuel gas or oxidant gas.
  • the manifold is a fuel gas of each fuel cell. And a flow path of the oxidizing gas through a branch path (for example, a communication groove).
  • the fuel gas or oxidant gas manifold is a fuel gas or oxidant gas flowing in the stacking direction of the fuel cell stack, and supplying fuel gas or oxidant gas to the fuel cell, It is a flow path used for discharging fuel gas or oxidant gas from the fuel battery cell.
  • the post-heat exchange gas manifold is a manifold that can be used to supply the fuel cell with at least the post-heat exchange gas that is an oxidant gas that has undergone heat exchange in the heat exchange section.
  • the fuel cell stack may be configured by stacking only fuel cells, but may be configured by stacking other configurations such as an auxiliary device such as a fuel gas reformer. Further, the heat exchanging part may be disposed inside or outside the fuel cell stack.
  • the heat exchanging unit may be provided inside the fuel cell stack and exchange heat with the adjacent fuel cell.
  • a preferred position of the heat exchange unit is illustrated. Thereby, heat exchange can be efficiently performed with the fuel battery cells and the like around the heat exchange unit.
  • the hot gas manifold when the fuel cell stack is viewed from the stacking direction, includes the post-heat exchange gas manifold and the cold gas manifold. At least one of the manifolds may be adjacent.
  • the hot gas manifold is adjacent to at least one of the gas manifold after heat exchange and the cold gas manifold.
  • the hot gas manifold which has the highest temperature, is adjacent to the manifold for cold gas and the manifold for cold gas, which have a lower temperature, so the temperature in the plane direction of the fuel cells is uniform. can do.
  • the cold gas manifold and the heat exchange tube are disposed on both sides of the hot gas manifold. At least one of the gas manifolds may be adjacent.
  • the cold gas manifold and the post-heat exchange gas manifold are adjacent to both sides of the hot gas manifold, so that the temperature in the planar direction of the fuel cell is more uniform.
  • manifolds may be arranged in a row in plan view.
  • phrase “arranged in a line” includes not only a case where they are arranged linearly but also a case where they are bent in the middle and arranged in a line.
  • the cold gas of the oxidant gas is provided in the hot gas manifold of the oxidant gas.
  • Manifold manifolds may be adjacent.
  • the temperature of the oxidant gas that has become the hot gas is higher than the temperature of other gases (for example, cold gas or gas after heat exchange), and the oxidant gas is supplied in a larger amount than the fuel gas.
  • the oxidant gas hot gas manifold is adjacent to the oxidant gas hot gas manifold, so that the periphery of the oxidant gas hot gas manifold is effective. Can be cooled. Thereby, the temperature in the plane direction of the fuel cell can be made more uniform.
  • the hot gas manifold is disposed on both sides of the cold gas manifold of the oxidant gas. May be adjacent to each other.
  • a hot gas manifold is adjacent to both sides of a cold gas manifold for an oxidant gas supplied in a larger amount than a normal fuel gas. Therefore, since the ambient temperature of the cold gas manifold can be effectively maintained, the temperature in the planar direction of the fuel cells can be made more uniform.
  • a fuel cell module according to a seventh aspect of the present invention includes the fuel cell stack according to any one of the first to fifth aspects.
  • a fuel cell module according to a seventh aspect is a fuel cell module including the fuel cell stack described above.
  • the fuel cell module is configured to include, for example, a heat insulating container and a burner accommodated in the heat insulating container used for power generation in addition to the fuel cell stack.
  • the fuel cell stack one having a through hole penetrating a plurality of fuel cells in the stacking direction and using all of the through holes as a manifold of fuel gas or oxidant gas can be adopted.
  • a through hole penetrating the fuel cell stack in the stacking direction can be adopted.
  • the fuel gas and the oxidant gas in the manifold are supplied until they reach both ends in the stacking direction of the fuel cell stack, there is an advantage that the temperature in the stacking direction of the fuel cell stack can also be made uniform.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell system including a fuel cell stack of Example 1.
  • FIG. FIG. 2A is an explanatory diagram schematically showing the flow path of the oxidant gas by breaking the fuel cell stack of Example 1 in the stacking direction
  • FIG. 2B is an explanatory diagram schematically showing the flow path of the fuel gas similarly broken.
  • It is. 3A is a plan view of the fuel cell stack of Example 1, and FIG. 3B is a front view thereof.
  • FIG. 2 is an explanatory view schematically showing the fuel cell stack and the flow path of the fuel gas, with the fuel cell stack of Example 1 broken along the fuel gas manifold in the stacking direction.
  • FIG. 2 is an explanatory view schematically showing a fuel cell stack and an oxidant gas flow path, with the fuel cell stack of Example 1 broken along the air manifold in the stacking direction. It is explanatory drawing which fractures
  • 1 is a perspective view showing a part of a fuel cell stack and the flow of fuel gas and oxidant gas after disassembling the fuel cell stack in Example 1.
  • FIG. 3 is a plan view showing a heat exchange part for oxidizing gas in Example 1.
  • FIG. FIG. 3 is a plan view showing a fuel gas heat exchange section in Embodiment 1.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the fuel cell stack of Example 1 broken in the stacking direction and superposed on the flow of fuel gas as cold gas, post-heat exchange gas, and hot gas.
  • the flow in the plane direction of the cold gas, the gas after heat exchange, and the fuel gas as the hot gas are schematically shown in a superimposed manner.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the fuel cell stack of Example 1 broken in the stacking direction and superposed with the flow of oxidant gas as cold gas, post-heat exchange gas, and hot gas.
  • it is a plan view schematically showing the flow in the plane direction of the oxidant gas as the cold gas, the gas after heat exchange, and the hot gas in an overlapping manner.
  • FIG. 14A is an explanatory diagram showing the temperature state of the fuel gas manifold C in the plan view of the fuel cell stack of Example 1
  • FIG. 14B is an explanatory diagram showing the temperature state of the oxidant gas manifold in the plan view.
  • FIG. 14C is an explanatory view showing the temperature state of the manifold of fuel gas and oxidant gas in the same plan view. It is a perspective view which decomposes
  • FIG. 17A is an explanatory diagram showing the temperature state of the fuel gas manifold in a plan view of the fuel cell stack of Example 2
  • FIG. 17B is an explanatory diagram showing the temperature state of the oxidant gas manifold in the plan view
  • FIG. These are explanatory drawings which show the temperature state of the manifold of fuel gas and oxidant gas in the same planar view. It is a perspective view which decomposes
  • FIG. 20A is an explanatory diagram showing the temperature state of the fuel gas manifold in a plan view of the fuel cell stack of Example 3
  • FIG. 20B is an explanatory diagram showing the temperature state of the oxidant gas manifold in the plan view
  • FIG. These are explanatory drawings which show the temperature state of the manifold of fuel gas and oxidant gas in the same planar view.
  • FIG. 21A is an explanatory view schematically showing the flow path of the oxidant gas by breaking the fuel cell stack of Example 4 in the stacking direction
  • FIG. 21B is an explanatory view schematically showing the flow path of the fuel gas similarly broken. It is.
  • Fuel cell stack 9 ... Fuel cell module 13 ... Fuel cell 15, 15a, 15b, 133 ... Heat exchange part 41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f, 41g, 41h ... Internal gas Flow path (manifold) 51 ... Solid electrolyte layer 52 . Fuel electrode layer 53 ... Air electrode layer
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell module 9 in which a fuel cell stack 3 and a burner 5 are accommodated in a heat insulating container 7, and a fuel gas (for example, hydrogen: F) and an oxidant gas (for example, air (specifically, oxygen in the air): O) are supplied to generate power.
  • a fuel gas for example, hydrogen: F
  • an oxidant gas for example, air (specifically, oxygen in the air): O
  • the fuel cell system 1 includes a path 11a for supplying a fuel gas to the fuel cell stack 3 from outside the heat insulating container 7 and a path 11b for supplying an oxidant gas, and a fuel gas to a burner 5 for heating the fuel cell stack 3. And a path 11c for supplying a mixture of air and air (Mix).
  • the fuel gas and the oxidant gas used for power generation discharged from the fuel cell stack 3 may be discharged outside the heat insulating container 7 after being burned in the heat insulating container 7, or as they are outside the heat insulating container 7. May be discharged.
  • the flow path of the fuel gas and the flow path of the oxidant gas are arranged inside the fuel cell stack 3, that is, the fuel cell 13 as shown in FIGS. 2A-2B.
  • the stacking direction vertical direction in FIGS. 2A-2B of FIG. 3A-3B.
  • the oxidant gas when the oxidant gas is introduced into the fuel cell stack 3 from the outside, the oxidant gas passes through the heat exchange unit 15 in the fuel cell stack 3 (here, for example, the central portion of the fuel cell stack 3), It is introduced into the first end block 17 on the oxidant gas side above the heat exchange section 15 and the second end block 19 on the oxidant gas side below, and then merges and is discharged to the outside.
  • the heat exchange unit 15 in the fuel cell stack 3 here, for example, the central portion of the fuel cell stack 3
  • the central portion of the fuel cell stack 3 is a region sandwiched between the fuel cells 13 arranged in the stacking direction of the fuel cell stack 3, and the fuel cell in the stacking direction of the fuel cell stack 3. It refers to a portion other than the vicinity of both ends of the stack 3 (for example, a portion other than the fuel battery cells 13 at both ends).
  • the fuel gas when the fuel gas is introduced into the fuel cell stack 3 from the outside, the fuel gas passes through the heat exchanging portion 15 in the fuel cell stack 3 (here, for example, the central portion of the fuel cell stack 3), and then The fuel gas side first end block 21 and the lower fuel gas side second end block 23 that are above the replacement unit 15 are introduced into the fuel gas side third end block 25. It is introduced and discharged outside.
  • the fuel cell stack 3 includes a fuel cell stack body 26 in which a plurality of fuel cells 13 that are plate-shaped power generation cells are stacked in the thickness direction, and a fuel cell stack body 26 in the stacking direction.
  • Eight bolt through holes 27a to 27h (generally referred to as 27) penetrating in the vertical direction of FIG. 3B and eight bolts 29a to 29h (generally referred to as 29) inserted through the bolt through holes 27.
  • a nut 31 screwed into the bolt 29.
  • the heat exchange unit 15 is preheated as a plate-like fuel gas heat exchange unit 15 a that preheats the fuel gas and the oxidant gas.
  • a plate-shaped heat exchanger 15b for the oxidant gas is provided, and a pair of end plates 33a and 33b that also serve as current collectors are provided on both sides of the fuel cell stack 3 in the stacking direction.
  • the heat exchanging portion 15 is disposed in the central portion in the stacking direction of the fuel cell stack 3, but is not limited thereto.
  • the heat exchanging unit 15 may be arranged at an end portion in the stacking direction of the fuel cell stack 3, for example, other than the central portion in the stacking direction of the fuel cell stack 3.
  • the fuel cell stack 3 includes a plurality of fuel cell cells 13 (for example, 19 levels: 19 CELLS).
  • the fuel cell stack 3 is simply configured as an 8-level fuel cell stack 3. Will be described as an example.
  • the fuel cells 13 at each stage are, in order from the top, 13A, 13B, 13C, 13D on the upper stage side from the heat exchange section 15, and 13E, 13F, 13G, 13H on the lower stage side from the heat exchange section 15.
  • the first end block 17 corresponds to 13A to 13D
  • the second end block 19 corresponds to 13E to 13H
  • the first end block 21 corresponds to 13A to 13d
  • the second end block 23 corresponds to 13E
  • the third end block 25 corresponds to 13F to 13F.
  • the bolt 29 is disposed so as to penetrate the fuel cell stack 3 in the stacking direction, and nuts 31 are screwed to both ends thereof, and the fuel cell stack main body is screwed by the bolt 29 and the nut 31. 26 is fastened in the stacking direction and fixed integrally.
  • the configuration in which the nut 31 is screwed to both ends of the bolt 29 is taken as an example, but a configuration in which a head is provided at one end of the bolt 29 and the nut 31 is screwed to the other end may be employed.
  • the fuel gas is introduced from the lower side of the first bolt 29a (F (IN)) and the reacted fuel gas is discharged from the lower side of the sixth bolt 29f. (F (OUT)), the oxidant gas is introduced from the upper side of the third bolt 29c (O (IN)), and the reacted oxidant gas is discharged from the lower side of the fourth bolt 29d (O (OUT)). Is configured to do.
  • the bolt through holes 27 and the bolts 29 are numbered 1 to 8 in the clockwise direction from the upper left part of FIG. 3A (the same applies to other applicable configurations). b) Next, the configuration of the bolt 29 will be described in detail.
  • hollow internal gas passages 41a to 41h (generally referred to as 41) (refer to FIGS. 4 and 5) as manifolds are provided so as to extend in the axial direction.
  • the flow path 41 is configured so that fuel gas or oxidant gas flows.
  • the internal gas flows of the first, second, fifth, sixth, and seventh bolts 29a, 29b, 29e, 29f, and 29g.
  • the paths 41a, 41b, 41e, 41f, and 41g are used as fuel gas flow paths (indicated by black arrows in FIG. 4).
  • the internal gas passages 41c, 41d, and 41h of the third, fourth, and eighth bolts 29c, 29d, and 29h are formed into oxidant gas passages (the white arrows in FIG. 5). It is used as
  • the first bolt 29a is provided with an internal gas passage 41a for fuel gas. Since the internal gas channel 41a communicates with the outside (that is, below the fuel cell stack 3) through the opening 42a, fuel gas is supplied to the internal gas channel 41a from the outside.
  • the first bolt 29a is provided with an outlet lateral hole 43a which is a through hole extending in the radial direction so as to communicate with the internal gas flow path 41a.
  • the outlet lateral hole 43a and the fuel gas heat exchanging portion 15a are configured to communicate with each other.
  • the fifth and seventh bolts 29e and 29g (shown as one bolt in FIG. 4) are provided with internal gas passages 41e and 41g for fuel gas, and the internal gas passages 41e and 41g.
  • the upper and lower sides are closed.
  • the fifth and seventh bolts 29e are provided with inlet side holes 43e, 43g and a plurality of outlet side holes 45e, 45g, which are through holes extending in the radial direction so as to communicate with the internal gas flow paths 41e, 41g. ing.
  • the fuel gas heat exchanging portion 15a communicates with the inlet side holes 43e and 43g, and the outlet side holes 45e and 45g and the fuel flow paths 47A to 47E (47 of the first to fifth fuel cell units 13A to 13E) (47). Are collectively communicated with each other.
  • the second bolt 29b is provided with an internal gas passage 41b for fuel gas, and the upper and lower sides of the internal gas passage 41b are closed.
  • the second bolt 29b is provided with a plurality of inlet side holes 43b and a plurality of outlet side holes 45b which are through holes extending in the radial direction so as to communicate with the internal gas flow path 41b.
  • the fuel flow paths 47A to 47E of the first to fifth fuel cells 13A to 13E communicate with the inlet side holes 43b, respectively, and the outlet side holes 45b and the sixth to eighth fuel cells 13F to 13H.
  • the fuel flow paths 47F to 47H are configured to communicate with each other.
  • the sixth bolt 29f is provided with an internal gas passage 41f for fuel gas. Since the internal gas channel 41f communicates with the outside (that is, below the fuel cell stack 3) through the opening 42f, the fuel gas after reaction is discharged from the internal gas channel 41f to the outside.
  • the sixth bolt 29f is provided with a plurality of inlet side holes 43f which are through holes extending in the radial direction so as to communicate with the internal gas flow path 41f.
  • the fuel flow paths 47F to 47H of the sixth to eighth fuel cells 13F to 13H and the inlet lateral holes 43f are configured to communicate with each other.
  • the third bolt 29c is provided with an internal gas passage 41c for oxidizing gas. Since the internal gas flow path 41c communicates with the outside (that is, below the fuel cell stack 3) through the opening 42c, the oxidant gas is supplied to the internal gas flow path 41c from the outside.
  • the third bolt 29c is provided with a lateral outlet hole 43c that is a through hole extending in the radial direction so as to communicate with the internal gas flow path 41c.
  • the outlet lateral hole 43c and the oxidant gas heat exchanging portion 15b are configured to communicate with each other.
  • the eighth bolt 29h is provided with an internal gas flow path 41h for oxidizing gas, and the upper and lower sides of the internal gas flow path 41h are closed.
  • the eighth bolt 29h is provided with an inlet lateral hole 43h and a plurality of outlet lateral holes 45h which are through holes extending in the radial direction so as to communicate with the internal gas flow path 41h.
  • the oxidant gas heat exchanging portion 15b and the inlet side hole 43h communicate with each other, and the outlet side holes 45h and the air flow paths 49A to 49H (49 collectively) of the first to eighth fuel cells 13A to 13H. ) Communicate with each other.
  • the fourth bolt 29d is provided with an internal gas passage 41d for oxidizing gas. Since the internal gas channel 41d communicates with the outside (that is, below the fuel cell stack 3) through the opening 42d, the oxidant gas after reaction is discharged from the internal gas channel 41d to the outside. .
  • the fourth bolt 29d is provided with a plurality of inlet side holes 43d which are through holes extending in the radial direction so as to communicate with the internal gas flow path 41d.
  • the air flow paths 49A to 49H of the first to eighth fuel cells 13A to 13H are configured to communicate with the inlet side holes 43d, respectively.
  • the fuel battery cell 13 is a so-called fuel electrode support membrane type plate-like cell.
  • the fuel cell 13 includes a thin-film solid electrolyte layer 51 and a fuel electrode layer (anode: AN) 52 and a thin-film air electrode layer (cathode: CA) 53 formed on both sides thereof.
  • the solid electrolyte layer 51, the fuel electrode layer 52, and the air electrode layer 53 are collectively referred to as a single cell 54. Note that an air flow path 49 exists on the air electrode layer 53 side of the single cell 54, and a fuel flow path 47 exists on the fuel electrode layer 52 side.
  • the fuel cell 13 is joined to a pair of upper and lower interconnectors 57a and 57b, a plate-shaped gas seal portion 58 on the air electrode layer 53 side, and the upper surface of the outer edge portion of the single cell 54, and the air flow path 49 and the fuel flow.
  • a frame-shaped separator 59 for blocking the passage 47, a plate-shaped fuel electrode frame 60 disposed on the fuel electrode layer 52 side, and a gas seal portion 61 on the fuel electrode layer 52 side are provided, and these are laminated. And is configured integrally.
  • a fuel electrode side current collector 62 is disposed between the fuel electrode layer 52 and the interconnector 57 b, and an air electrode side current collector 63 is disposed on the surface of the interconnector 57 a (downward in FIG. 6). Are integrally formed.
  • bolt through holes 27 through which the respective bolts 29 are inserted are formed in the outer periphery of the square frame shape of the fuel battery cell 13.
  • materials such as YSZ, ScSZ, SDC, GDC, and perovskite oxide can be used.
  • the material of the fuel electrode layer 52 Ni and a cermet of Ni and ceramic can be used, and as the material of the air electrode layer 53, a perovskite oxide or the like can be used.
  • the interconnectors 57a and 57b are plate materials made of ferritic stainless steel, and eight holes 55 and 56 respectively corresponding to the bolt through holes 27 are provided on the outer edge portions thereof.
  • the gas seal portion 58 is made of mica or vermulite, and is a frame-shaped plate material having a square opening 65 at the center. Eight holes 66 corresponding to the bolt through holes 27 are provided on the outer edge portion of the gas seal portion 58. It has been.
  • the fourth and eighth holes 66d and 66h are elongated holes extending along the sides.
  • the fourth and eighth holes 66d and 66h and the opening 65 communicate with each other through communication grooves 67 and 68 extending in a comb shape.
  • the communication grooves 67 and 68 are not holes that penetrate the gas seal portion 58 in the thickness direction, but are grooves formed by digging one surface of the gas seal portion 58, and can be formed by laser or pressing.
  • the separator 59 is a frame-like plate material made of ferritic stainless steel, and has a square opening 69 at the center thereof.
  • the single cell 54 is joined to the separator 59 so as to close the opening 69.
  • the separator 59 also has eight holes 71 corresponding to the bolt through holes 27 on the outer edge portion.
  • the fuel electrode frame 60 is a frame-like plate material made of ferritic stainless steel having an opening 73 at the center thereof.
  • the fuel electrode frame 60 also has eight holes 75 corresponding to the bolt through holes 27 on the outer edge thereof.
  • the gas seal portion 61 is made of mica or vermulite, and is a frame-like plate material having a square opening 77 at the center. Eight holes 79 corresponding to the bolt through holes 27 are provided on the outer edge portion of the gas seal portion 61. It has been.
  • the second hole 79b and the opening 77 communicate with each other by a communication groove 81 that extends along the side and extends in a comb shape.
  • the fifth hole 79e and the opening 77 communicate with each other by a communication groove 82 that extends along the side and extends in a comb shape, and the seventh hole 79g and the opening 77 communicate with each other by a similar communication groove 83.
  • the communication grooves 81 to 83 are not holes that penetrate the gas seal portion 61 in the thickness direction, but are grooves formed by digging one surface of the gas seal portion 61, and can be formed by laser or pressing.
  • the second, fifth, and seventh holes 79b, 79e, and 79g and the opening 77 communicate with each other through the communication grooves 81 to 83.
  • the configuration of the fuel gas heat exchanger 15a and the oxidant gas heat exchanger 15b will be briefly described.
  • the oxidant gas heat exchange portion 15b is a plate-like member adjacent to the fuel cell 13D, and has a square recess 91 at the center of the surface on the fuel cell 13D side. Prepare.
  • eight holes 93 corresponding to the bolt through holes 27 are provided at the outer edge of the oxidant gas heat exchanger 15b.
  • the third and eighth holes 93c and 93h and the recess 91 are communicated with each other by communication grooves 95c and 95h, respectively.
  • the recess 91 and the communication grooves 95c and 95h do not penetrate the oxidant gas heat exchange part 15b in the thickness direction, but are formed by digging the surface of the fuel cell 13D side.
  • the fuel gas heat exchanging portion 15a is a plate-like member that is in contact with the oxidant gas heat exchanging portion 15b on one side and in contact with the fuel cell 13E on the other side.
  • a square recess 101 is provided at the center of the surface on the oxidant gas heat exchanger 15b side.
  • eight holes 103 corresponding to the bolt through holes 27 are provided in the outer edge portion of the fuel gas heat exchanging portion 15a.
  • the first, fifth, and seventh holes 103a, 103e, and 103g and the recess 101 are communicated with each other through communication grooves 105a, 105e, and 105g, respectively.
  • the concave portion 101 and the communication grooves 105a, 105e, and 105g do not penetrate the fuel gas heat exchange portion 15a in the thickness direction, but are formed by digging the surface of the fuel gas heat exchange portion 15a.
  • the fuel cell stack 3 having the above-described configuration is formed by laminating the members constituting each of the above-described fuel cells 13, the fuel gas heat exchanging portion 15 a, and the oxidant gas heat exchanging portion 15 b, and in each bolt through hole 27.
  • Each bolt 29 can be inserted and tightened with a nut 31.
  • the fuel gas (cold gas) having a temperature lower than the temperature in the fuel cell stack 3 (for example, about 400 ° C.) is supplied from the outside of the fuel cell stack 3 to the fuel cell stack of the first bolt 29a. 3 is introduced into the internal gas flow path 41a through the opening 42a below.
  • the fuel gas introduced into the internal gas flow path 41a is supplied from the internal gas flow path 41a to the fuel gas heat exchanging portion 15a, and adjacent members (for example, a first member) It is heated (preheated) by heat exchange with the five fuel cells 13E).
  • the fuel gas which is a cold gas, rises in temperature due to the heating, and becomes a gas after heat exchange that is higher in temperature (for example, about 600 ° C.) than when introduced from the outside.
  • the fuel gas that has become the gas after the heat exchange is supplied from the fuel gas heat exchange section 15a to the internal gas passage 41e of the fifth bolt 29e and the internal gas passage 21g of the seventh bolt 29g.
  • this fuel gas is supplied from the internal gas passage 41e of the fifth bolt 29e and the internal gas passage 41g of the seventh bolt 29g to the fuel passages 47A to 47A of the first to fifth fuel cells 13A to 13E. 47E. That is, the first and second end blocks 21 and 23 (see FIG. 2B) are supplied.
  • this fuel gas is discharged from the fuel passages 47A to 47E of the first to fifth fuel cells 13A to 13E to the internal gas passage 41b of the second bolt 29b.
  • the temperature of the fuel gas after the heat exchange is increased by the power generation reaction in the first to fifth fuel cells 13A to 13E, and the temperature is higher than that during the heat exchange (for example, about 700 ° C.). It becomes gas.
  • the fuel gas that has become the hot gas is supplied from the internal gas passage 41b of the second bolt 29b to the fuel passages 47F to 47H of the sixth to eighth fuel cells 13F to 13H. That is, it is supplied to the third end block 25 (see FIG. 2B).
  • the fuel gas is discharged from the fuel flow paths 47F to 47H of the sixth to eighth fuel battery cells 13F to 13H to the internal gas flow path 41f of the sixth bolt 29f. Thereafter, as shown in FIG. 4, the fuel gas is discharged to the outside from the internal gas passage 41 f of the sixth bolt 29 f through the opening 42 f below the fuel cell stack 3.
  • the flow of the oxidant gas is shown in FIG. 5, FIG. 12, and FIG. 12 and 13, the flow of the cold gas (that is, the oxidant gas introduced from the outside) is indicated by the solid line arrow, and the flow of the gas after the heat exchange (that is, the oxidant gas whose temperature has been increased by heat exchange) is shown.
  • the flow of the hot gas that is, the oxidant gas whose temperature has further increased by the power generation reaction
  • a dashed-dotted arrow The flow of the hot gas (that is, the oxidant gas whose temperature has further increased by the power generation reaction) is indicated by a dashed-dotted arrow.
  • an oxidant gas (cold gas) having a temperature lower than the temperature in the fuel cell stack 3 (for example, about 400 ° C.) is supplied from the outside of the fuel cell stack 3 to the fuel cell of the third bolt 29c.
  • the gas is introduced into the internal gas flow path 41 c through the opening 42 c above the stack 3.
  • the oxidant gas introduced into the internal gas flow path 41 c is supplied from the internal gas flow path 41 c to the oxidant gas heat exchanging portion 15 b, and adjacent members ( For example, it is heated (preheated) by heat exchange with the fourth fuel battery cell 13D).
  • the oxidant gas which is a cold gas, rises in temperature due to the heating, and becomes a gas after heat exchange that is higher in temperature (for example, about 500 ° C.) than when introduced from the outside.
  • the oxidant gas that has become the gas after heat exchange is supplied from the oxidant gas heat exchange section 15b to the internal gas flow path 41h of the eighth bolt 29h.
  • the oxidant gas is supplied from the internal gas passage 41h of the eighth bolt 29h to the air passages 49A to 49H of the first to eighth fuel cells 13A to 13H.
  • the oxidant gas is discharged from the air passages 49A to 49H of the first to eighth fuel cells 13A to 13H to the internal gas passage 41d of the fourth bolt 29d.
  • the temperature of the oxidant gas that is the gas after heat exchange is increased by the power generation reaction in the first to eighth fuel cells 13A to 13H, and is higher than that during heat exchange (for example, about 600 ° C.). It becomes hot gas.
  • the oxidant gas that has become the hot gas is discharged from the internal gas flow path 41d of the fourth bolt 29d to the outside through the opening 42d below the fuel cell stack 3, as shown in FIG.
  • the f) Next, the temperature distribution in the planar direction caused by the flow of the fuel gas and the oxidant gas will be described. Due to the flow of the fuel gas and the oxidant gas described above, in the fuel cell stack 3, a temperature distribution is generated in the planar direction (that is, the direction in which the plate-like fuel cells 13 spread: the direction perpendicular to the stacking direction).
  • the fuel cell stack 3 when the fuel cell stack 3 is viewed from the stacking direction (vertical direction in FIGS. 10 and 12), the fuel cell stack 3 has a flow path (manifold) in the stacking direction of the fuel gas and the oxidant gas. A temperature distribution in the plane direction is generated.
  • the temperature around the first internal gas flow path 41a of the first bolt 29a into which the fuel gas that is a cold gas is introduced from the outside is low.
  • the fifth and seventh internal gas flow paths of the fifth and seventh bolts 29e and 29g through which the fuel gas obtained by heat exchange of the fuel gas that is the cold gas passes.
  • the temperature around 41e and 41g is higher than the temperature around the first internal gas channel 41a of the first bolt 29a through which the fuel gas, which is a cold gas, passes.
  • the temperature around the second internal gas flow path 41b of the second bolt 29b through which the fuel gas heated by the power generation reaction (that is, the fuel gas that is a hot gas) passes is as follows.
  • the temperature around the fifth and seventh internal gas flow paths 41e and 41g of the fifth and seventh bolts 29e and 29g through which the fuel gas that is the heat exchange gas passes is higher.
  • the fuel gas that is the hot gas is heated again by the power generation reaction (that is, the fuel gas that is the hot gas whose temperature has further increased) through the sixth internal gas passage 41f of the sixth bolt 29f.
  • the ambient temperature is the highest.
  • the temperature around the third internal gas passage 41c of the third bolt 29c into which the oxidant gas that is a cold gas is introduced from the outside is low.
  • the temperature around the eighth internal gas flow path 41h of the eighth bolt 29h through which the oxidant gas obtained by heat exchange of the oxidant gas that is the cold gas that is, the oxidant gas that is the heat-exchanged gas
  • the temperature around the first and third internal gas flow paths 41a and 41c (and hence the first and third bolt through holes 27a and 27c) into which the cold gas is introduced is the lowest.
  • the temperature around the fifth, seventh, and eighth internal gas flow paths 41e, 41g, and 41h (hence the fifth, seventh, and eighth bolt through holes 27e, 27g, and 27h) through which the gas passes after heat exchange is Temperature around the second, fourth, and sixth internal gas flow paths 41b, 41d, and 41f through which the hot gas passes (thus, the second, fourth, and sixth bolt through holes 27b, 27d, and 27f). Is the highest.
  • fuel gas or oxidant gas is externally supplied to the fuel cell as internal gas flow paths (hereinafter also referred to as “manifolds”) 41a to 41h for circulating fuel gas and oxidant gas in the stacking direction.
  • Manifolds 41a and 41c for cold gas introduced into the stack 3 and manifolds 41b, 41d and 41f for hot gas for discharging fuel gas or oxidant gas from the fuel cells 13A to 13H are provided.
  • the cold gas manifolds 41a and 41c are all hot gas manifolds 41b and 41d. , 41f, and the hot gas manifolds 41b, 41d, 41f are configured not to be adjacent to the other hot gas manifolds 41b, 41d, 41f.
  • all of the cold gas manifolds 41a and 41c having a low temperature are adjacent to the hot gas manifolds 41b, 41d and 41f having a temperature higher than that of the cold gas.
  • the high hot gas manifolds 41b, 41d, and 41f are not adjacent to the other hot gas manifolds 41b, 41d, and 41f. That is, the hot gas manifolds 41b, 41d, and 41f are not adjacent to each other. Therefore, the temperature difference in the planar direction of the fuel cell stack 3 can be reduced, that is, the temperature in the planar direction of the fuel cell 13 can be made uniform.
  • the manifolds 41b, 41d, and 41f for hot gas are not adjacent to each other, the in-plane temperature distribution of the fuel battery cell 13 is small, and it is difficult to produce a part where the temperature is excessively high. There is an advantage that can be suppressed.
  • the manifolds 41e, 41g, and 41h for the heat exchange gas for flowing the fuel gas or the oxidant gas exchanged in the fuel cell stack 3 are provided. At least one of the gas manifolds 41e, 41g, 41h and the cold gas manifolds 41a, 41c is adjacent to the gas manifolds 41b, 41d, 41f.
  • the hot gas manifolds 41b, 41d, and 41f having the highest temperature are adjacent to the heat-exchanged gas manifolds 41e, 41g, and 41h and the cold gas manifolds 41a and 41c that have a lower temperature. Therefore, the temperature in the planar direction of the fuel cell 13 can be made uniform.
  • the manifolds 41a to 41h are arranged in a row that is bent in the middle, and cold gas is placed on both sides of the hot gas manifolds 41b, 41d, and 41f. Since the manifolds 41a, 41c for heat exchange and the manifolds 41e, 41g, 41h for gas after heat exchange are adjacent to each other, the temperature in the planar direction of the fuel cell 13 can be made more uniform.
  • manifolds 41a to 41h are arranged in a line in a plan view, and on both sides of the cold gas manifold 41c having the highest flow rate for the oxidizing gas, Manifolds 41b and 41d are adjacent to each other.
  • the temperature in the planar direction of the fuel cells can be made more uniform.
  • the manifold 41c for the oxidant gas having the highest flow rate is adjacent to the manifold 41d for the oxidant gas having the highest temperature, the oxidant gas is provided.
  • the periphery of the hot gas manifold 41d can be effectively cooled. Thereby, the temperature in the planar direction of the fuel cell can be made more uniform.
  • the flow rate of oxidant gas is 2 to 5 times the flow rate of fuel gas.
  • FIG. 1 In the fuel cell stack according to the second embodiment, the fuel gas heat exchange unit as in the first embodiment is not used, and the fuel gas is introduced into the fuel cell stack from two different manifolds from the outside. To each fuel cell.
  • fuel gas is introduced from the outside into the fifth and ninth internal gas flow paths 41e and 41g of the fifth and seventh bolts 29e and 29g.
  • this fuel gas is supplied to the first to fifth fuel cells 13A to 13E from the fifth and ninth internal gas flow paths 41e and 41g of the fifth and seventh bolts 29e and 29g.
  • the fuel gas is supplied from the first to fifth fuel cells 13A to 13E as the hot gas to the second internal gas channel 41b of the second bolt 29b.
  • the fuel gas is supplied from the second internal gas flow path 41b of the second bolt 29b to the sixth to eighth fuel cells 13F to 13H, and then discharged to the outside.
  • the first bolt 29a is not used as a gas flow path. Further, since the flow of the oxidizing gas is the same as that in the first embodiment, the description thereof is omitted. b) Next, the planar temperature distribution caused by the flow of the fuel gas and the oxidant gas will be described.
  • the fuel cell stack 111 when the fuel cell stack 111 is viewed from the stacking direction (vertical direction in FIG. 15), the fuel cell stack 111 has a flow path (that is, a manifold) in the stacking direction of the fuel gas and the oxidant gas. A temperature distribution in the plane direction is generated.
  • the ambient temperature of 41g is low.
  • the temperature around the second internal gas channel 41b of the second bolt 29b through which the fuel gas that is the cold gas is heated by the power generation reaction (that is, the fuel gas that is the hot gas) passes through the cold.
  • the temperature is higher than the surrounding temperature of the fifth and seventh internal gas passages 41e and 41g of the fifth and seventh bolts 29e and 29g through which the fuel gas as gas passes.
  • the sixth internal gas flow path 41f of the sixth bolt 29f into which the fuel gas that is the hot gas is again heated by the power generation reaction that is, the fuel gas that is a hot gas whose temperature has further increased
  • the ambient temperature is the highest.
  • the oxidant gas side is the same as that of the first embodiment, and the third internal gas channel 41c of the third bolt 29c into which the cold gas is introduced.
  • the ambient temperature is low
  • the periphery of the eighth internal gas flow path 41h of the eighth bolt 29h through which the gas passes after heat exchange is higher than that
  • the fourth internal gas flow path 41d of the fourth bolt 29d through which the hot gas passes Ambient temperature is highest.
  • the third, fifth, and seventh internal gas flow paths 41c, 41e, and 41g into which cold gas is introduced has the lowest ambient temperature, and the ambient temperature of the eighth internal gas flow path 41h (and hence the eighth bolt through hole 27h) through which the gas passes after heat exchange is higher than that, so that the hot gas passes therethrough.
  • the temperature around the second, fourth, and sixth internal gas flow paths 41b, 41d, and 41f is the highest.
  • the second embodiment has the same effects as the first embodiment and has an advantage that the configuration of the flow path and the like can be simplified because the fuel gas heat exchange section is not used.
  • the fuel cell stack according to the third embodiment basically has the same configuration as that of the second embodiment, except that fuel gas is introduced into the fuel cell stack from the outside with one manifold. a) First, the configuration of the fuel cell stack according to the third embodiment will be described.
  • the interconnector 57a, the gas seal portion 58, the separator 59 to which the single cell 54 is joined, the fuel electrode frame 60, The gas seal portion 61, the interconnector 57a, the oxidant gas heat exchange portion 15b, and the like are stacked.
  • the fuel gas is introduced from the outside only into the seventh internal gas passage 41g of the seventh bolt 29g.
  • the fuel gas may be introduced only into the fifth internal gas passage 41e of the fifth bolt 29e.
  • this fuel gas is supplied from the seventh internal gas flow path 41g of the seventh bolt 29g to the first to fifth fuel cells 13A to 13E.
  • the fuel gas is supplied from the first to fifth fuel cells 13A to 13E as the hot gas to the second internal gas channel 41b of the second bolt 29b.
  • the fuel gas is supplied from the second internal gas flow path 41b of the second bolt 29b to the sixth to eighth fuel cells 13F to 13H, and then discharged to the outside.
  • the first and fifth bolts 29a and 29e are not used as gas flow paths.
  • the fuel cell stack 121 when the fuel cell stack 121 is viewed from the stacking direction (vertical direction in FIG. 18), the fuel cell stack 121 has a flow path (that is, a manifold) in the stacking direction of the fuel gas and the oxidant gas. A temperature distribution in the plane direction is generated.
  • the temperature around the seventh internal gas passage 41g of the seventh bolt 29g into which the fuel gas that is a cold gas is introduced from the outside is low.
  • the temperature around the second internal gas channel 41b of the second bolt 29b through which the fuel gas that is the cold gas is heated by the power generation reaction passes through the cold.
  • the temperature is higher than the temperature around the seventh internal gas passage 41g of the seventh bolt 29g through which the fuel gas, which is a gas, passes.
  • the sixth internal gas flow path 41f of the sixth bolt 29f into which the fuel gas that is the hot gas is again heated by the power generation reaction that is, the fuel gas that is a hot gas whose temperature has further increased
  • the ambient temperature is the highest.
  • the oxidant gas side is the same as that of the first embodiment, and the third internal gas flow path 41c of the third bolt 29c into which the cold gas is introduced.
  • the ambient temperature is low
  • the periphery of the eighth internal gas flow path 41h of the eighth bolt 29h through which the gas passes after heat exchange is higher than that
  • the fourth internal gas flow path 41d of the fourth bolt 29d through which the hot gas passes Ambient temperature is highest.
  • the temperature around the third and seventh internal gas flow paths 41c and 41g (thus, the third and seventh bolt through holes 27c and 27g) into which the cold gas is introduced is the lowest, Second, fourth, and sixth internal gas flows through which the hot gas passes because the temperature around the eighth internal gas flow passage 41h (and hence the eighth bolt through hole 27h) through which the gas passes after heat exchange is higher.
  • the temperature around the passages 41b, 41d, 41f (thus, the second, fourth, and sixth bolt through holes 27b, 27d, 27f) is the highest.
  • the temperatures inside and around the first and fifth bolt through holes 27a and 27e, which are not gas flow paths, are substantially the same as the temperature of the surrounding structures. Therefore, according to the above-described configuration, the third embodiment has advantages that the same effects as those of the second embodiment can be obtained and the configuration of the flow path and the like can be further simplified.
  • FIG. 1 The fuel cell stack according to the fourth embodiment has basically the same configuration as that of the first embodiment, except that the heat exchanging portion is disposed outside the fuel cell stack.
  • a heat exchanging unit 133 is disposed below the fuel cell stack 131.
  • the heat exchange unit 133 includes an oxidant gas heat exchange unit 135 that performs heat exchange of the oxidant gas, and a fuel gas heat exchange unit 137 that performs heat exchange of the fuel gas.
  • the oxidant gas heat exchanging section 1335 the first oxidant gas chamber 139 through which the low-temperature oxidant gas introduced from the outside passes, and the oxidant gas after power generation (that is, from the low-temperature oxidant gas).
  • An oxidant gas second chamber 141 through which a high-temperature oxidant gas flows is disposed adjacently.
  • a flowing fuel gas second chamber 145 is disposed adjacently.
  • the oxidant gas is introduced from the outside into the oxidant gas second chamber 141 through the fuel cell stack 131. Thereafter, the fuel cell stack 131 is introduced into each air flow path (not shown) of each fuel cell 13. Then, the oxidant gas after power generation is introduced into the oxidant gas first chamber 139 from each air flow path and then discharged to the outside.
  • the fuel gas is introduced into the first fuel gas chamber 143 from the outside, and then introduced into each fuel flow path (not shown) of each fuel cell 13 of the fuel cell stack 131. .
  • the fuel gas after power generation is introduced into the second fuel gas chamber 145 from each fuel flow path, and then discharged to the outside.
  • the same effect as that of the first embodiment is obtained by the above-described configuration.
  • the temperature distribution in each manifold in plan view is the same as that in the first embodiment (see FIGS. 14A-14C).
  • the manifold in the claims corresponds to, for example, an internal gas flow path for flowing fuel gas or oxidant gas in the stacking direction in the first embodiment.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.
  • the flow path of the fuel gas has a serial flow structure (that is, after the fuel gas is once supplied to a certain fuel cell, the fuel gas discharged from the fuel cell is changed to another fuel cell).
  • the flow path of the oxidant gas is also a serial flow structure (that is, once the oxidant gas is supplied to a certain fuel battery cell, the oxidant gas discharged from the fuel battery cell is A structure for supplying to other fuel cells may be adopted.
  • the fuel gas heat exchanger and the oxidant gas heat exchanger are provided, but at least the oxidant gas heat exchanger may be used. That is, the fuel gas may be supplied to each fuel cell through the manifold without exchanging heat at the heat exchanging unit.
  • the internal gas flow paths formed in the axial direction of the bolts reach both ends in the stacking direction of the fuel cell stack. It may be formed.
  • a sufficient space for example, a cylindrical space in which gas can flow is provided between the bolt and the bolt through-hole, and the space between the internal gas flow path and each fuel cell through the space.
  • the fuel gas or oxidant gas may be distributed (supplied or discharged).
  • a solid bolt is used as the bolt, and a sufficient space (for example, a cylindrical space) through which gas can flow is provided between the bolt and the through hole for the bolt. You may perform distribution (supply or discharge) of fuel gas and oxidant gas between each fuel battery cell.
  • the gas flow between the outside and the space can be realized, for example, by providing a groove or the like extending along the axial direction on the outer peripheral surface of the bolt at the axial end of the bolt.
  • the fuel cell type is effective if the fuel cell stack is a type (solid oxide type, phosphoric acid type, molten carbonate type) in which the fuel cell stack is at a high temperature (for example, 150 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower during operation). It is not limited to oxide fuel cells (SOFC).

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Abstract

　本発明の一側面の燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層方向に貫通して、燃料ガス又は酸化剤ガスを流通させるマニホールドを複数有する。前記マニホールドとして、外部から前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタック内に導入する冷ガス用のマニホールドと、前記燃料電池セルから前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを排出する熱ガス用のマニホールドと、熱交換部にて熱交換された熱交換後ガスを流通させる熱交換後ガス用のマニホールドと、を有する。更に、前記冷ガス用のマニホールドは、全て前記熱ガス用のマニホールドに隣接し、前記熱ガス用のマニホールドは、他の前記熱ガス用のマニホールドに隣接していない。

Description

燃料電池スタック及び燃料電池モジュール 関連出願の相互参照
　本国際出願は、２０１３年１２月１１日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１３－２５６３８８号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１３－２５６３８８号の全内容を参照により本国際出願に援用する。
　本発明は、燃料極層及び空気極層を有する電解質層を備えた燃料電池セルを、複数積層した燃料電池スタックと、その燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールに関するものである。
　従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」と称することもある）が知られている。
　ＳＯＦＣとしては、例えば板状の固体電解質層（固体酸化物層）の一方の面に燃料極層を備えるとともに他方の面に空気極層を備えた単セルを有する燃料電池セルを、多数積層して燃料電池スタックを形成したものが知られている。
　このＳＯＦＣでは、燃料極層に燃料ガスを供給するとともに、空気極層に空気を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質層を介して化学反応させることによって電力を発生させている。
　また、上述したＳＯＦＣについては、燃料ガスの流路をシリアルフロー構造とすることで、燃料利用率を上げる手法が開示されている（特許文献１参照）。燃料ガスの流路のシリアルフロー構造とは、燃料ガスを燃料電池スタック中の所定の燃料電池セルに流すとともに、その燃料電池セルから排出された燃料ガスを他の燃料電池セルに、前記所定の燃料電池セルと並列に流す構造である。
　更に、近年では、燃料電池スタックを積層方向に貫くように、複数のマニホールドを設け、このマニホールドを介して、燃料ガスや空気を各燃料電池セルに供給したり、反応後の燃料ガスや空気を各燃料電池セルから排出する技術が提案されている（特許文献２、３参照）。
特開２００１－２５６９９３号公報 国際公開第２００８／１５３０７３号公報 国際公開第２０１０／０３８８６９号公報
　しかしながら、上述した従来技術では、下記のような問題があり、その改善が求められている。
　つまり、特許文献２、３に記載の技術では、燃料電池スタックを積層方向に貫くように形成された複数のマニホールドによって、温度の異なるガスを通過させているが、通過させるガスの温度は低温から高温まで様々であるので、各燃料電池セルにおける各マニホールドの周囲の温度が異なるという問題があった。
　具体的には、各マニホールドには、例えば外部から導入された温度が低い燃料ガスや空気が通過したり、燃料電池スタック内で熱交換されて温度が上昇した燃料ガスや空気が通過したり、各燃料電池セルで反応して更に高温になった燃料ガスや空気が通過するので、各マニホールドの周囲における温度が大きく異なっていた。
　そして、このように各マニホールドの周囲の温度が異なると、各燃料電池セルの平面方向における面内温度分布が生じ、発電安定性や耐久性が低下するという問題があった。
詳しくは、燃料電池セルに面内温度分布があると、セル面内において抵抗分布が発生して、セル面内の電流分布や電圧分布が生じる。その結果、セル面内での電流の横流れ（即ち面方向における流れ）が生じ、安定した高い出力が得られないという問題があった。
　特に、温度の低い冷ガスを供給するマニホールドの場合には、セル面内の温度を大きく低下させ、面内抵抗も増加するので、上述した問題が一層顕著になる。
　また、燃料電池セルの面内温度分布によって、一部に過度に温度が高い部分が生じると、金属部材が劣化するという問題もあった。
　本発明の一側面では、燃料電池セルの平面方向における温度を均一化できる燃料電池スタック及び燃料電池モジュールを提供することが好ましい。
（１）本発明の第１局面の燃料電池スタックは、電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられて燃料ガスと接する燃料極層と、前記電解質層の他方の面に設けられて酸化剤ガスと接する空気極層と、を備えた燃料電池セルを、複数積層した燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックは、前記積層方向における一部の前記燃料電池セルに、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を供給するとともに、前記一部の前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を、前記積層方向における前記一部の前記燃料電池セル以外の前記燃料電池セルに供給する構成を備え、前記燃料電池スタックには、複数の前記燃料電池セルを前記積層方向に貫通して、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を流通させるマニホールドを複数有するとともに、前記マニホールドとして、外部から前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタック内に導入する冷ガス用のマニホールドと、前記燃料電池セルから前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを排出する熱ガス用のマニホールドと、少なくとも前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの一方が導入される熱交換部にて熱交換された熱交換後ガスを流通させる熱交換後ガス用のマニホールドと、を有し、更に、前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記冷ガス用のマニホールドは、全て前記熱ガス用のマニホールドに隣接するとともに、前記熱ガス用のマニホールドは、他の前記熱ガス用のマニホールドに隣接していない。
　第１局面の燃料電池スタックでは、燃料ガスや酸化剤ガスを積層方向に流すマニホールドとして、外部から燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料電池スタック内に導入する冷ガス用のマニホールドと、燃料電池セルから燃料ガス又は酸化剤ガスを排出する熱ガス用のマニホールドとを有するとともに、熱交換部にて熱交換された熱交換後ガスを流通させる熱交換後ガス用のマニホールドを有している。そして、これらのマニホールドを燃料電池スタックを積層方向から見た場合（即ち平面視の場合）、冷ガス用のマニホールドは、全て熱ガス用のマニホールドに隣接するとともに、熱ガス用のマニホールドは、他の熱ガス用のマニホールドに隣接していない。
　つまり、第１局面の燃料電池スタックでは、温度の低い冷ガス用のマニホールドは、全て、冷ガスより温度の高い熱ガス用のマニホールドに隣接しており、しかも、この温度の高い熱ガス用のマニホールドは、冷ガスより温度の高い他の熱ガス用のマニホールドに隣接していないので、燃料電池セルの平面方向（即ち平面視で燃料電池セルの広がる方向）における温度差を小さくできる。即ち、燃料電池セル（従って燃料電池スタック）の平面方向における温度を均一化できる。
　これによって、燃料電池セルの面内温度分布を小さくすることができるので、セル面内における抵抗分布が小さく、よって、セル面内の電流分布や電圧分布も小さくすることができる。その結果、セル面内での電流の横流れを抑制できるので、安定した高い出力が得られるという顕著な効果を奏する。
　また、第１局面の燃料電池スタックでは、熱ガス用のマニホールド同士が隣接していないので、この点からも燃料電池セルの面内温度分布が小さく、一部に過度に温度が高い部分が生じ難いので、金属部材の劣化も抑制できるという利点がある。
　ここで、熱交換後ガスとは、熱交換された後のガス、即ち、熱交換部で熱交換される前のガス（冷ガス）と発電反応に利用された後（例えば燃料電池セルからの排出直後）のガス（熱ガス）との間の温度を有するガスのことである。
　また、冷ガスとは、燃料電池スタック外部から導入されるガスであって、熱交換後ガスの温度や、発電温度（即ち発電を行っている燃料電池セル内の温度）よりも低温側のガスを示している。
　なお、熱交換部にて、燃料ガスや酸化剤ガスが周囲の構成（例えば燃料電池セル）と熱交換する際には、通常、その燃料ガス及び酸化剤ガスは発電には利用されない。
　また、マニホールドとは、複数の燃料電池セルを積層方向に貫通して、燃料ガス又は酸化剤ガスを流通させる燃料電池スタックの内部ガス流路であり、このマニホールドは、各燃料電池セルの燃料ガスの流路又は酸化剤ガスの流路に、分岐路（たとえば、連通溝）を介して連通している。
　具体的には、燃料ガス用又は酸化剤ガス用のマニホールドとは、燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料電池スタックの積層方向に流すとともに、燃料電池セルに燃料ガス又は酸化剤ガスを供給したり、燃料電池セルから燃料ガス又は酸化剤ガスを排出するために用いられる流路である。更に、熱交換後ガス用のマニホールドとは、熱交換部にて熱交換された、少なくとも酸化剤ガスである熱交換後ガスを燃料電池セルに供給するために用いられ得るマニホールドである。
　なお、燃料電池スタックは、燃料電池セルのみを積層して構成してもよいが、その他の構成、例えば燃料ガスの改質器などの補助器等を積層して構成してもよい。
　また、熱交換部は、燃料電池スタックの内部に配置されていても、外部に配置されていてもよい。
　（２）本発明の第２局面の燃料電池スタックでは、前記熱交換部は、前記燃料電池スタックの内部に設けられ、隣接する前記燃料電池セルとの間で熱交換を行ってもよい。
　第２局面の燃料電池スタックでは、熱交換部の好ましい位置を例示している。これにより、熱交換部の周囲の燃料電池セル等との間で効率的に熱交換を行うことができる。
　（３）本発明の第３局面の燃料電池スタックでは、前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記熱ガス用のマニホールドには、前記熱交換後ガス用のマニホールド及び前記冷ガス用のマニホールドの少なくとも一方が隣接していてもよい。
　第３局面の燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの平面視において、熱ガス用のマニホールドには、熱交換後ガス用のマニホールド及び冷ガス用のマニホールドの少なくとも一方が隣接している。
　つまり、最も温度が高い熱ガス用のマニホールドには、それより温度が低い熱交換後ガス用のマニホールドや冷ガス用のマニホールドが隣接しているので、燃料電池セルの平面方向における温度を均一化することができる。
　（４）本発明の第４局面の燃料電池スタックでは、前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記熱ガス用のマニホールドの両側には、前記冷ガス用のマニホールド及び前記熱交換後ガス用のマニホールドの少なくとも一方が隣接していてもよい。
　第４局面の燃料電池スタックでは、熱ガス用のマニホールドの両側には、冷ガス用のマニホールドや熱交換後ガス用のマニホールドが隣接しているので、燃料電池セルの平面方向における温度を一層均一化できる。
　なお、各マニホールドは、平面視で一列に配列されていてもよい。ここで、一列に配列されているとは、直線的に配列されている場合だけでなく、途中で曲がって一列に配列されている場合も含むものである。
　（５）本発明の第５局面の燃料電池スタックでは、前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記酸化剤ガスの前記熱ガス用のマニホールドには、前記酸化剤ガスの前記冷ガス用のマニホールドが隣接していてもよい。
　通常では、熱ガスとなった酸化剤ガスの温度は、他のガス（例えば冷ガスや熱交換後ガス）の温度よりも高く、また、酸化剤ガスは、燃料ガスより多量に供給される。第５局面の燃料電池スタックでは、酸化剤ガスの熱ガス用のマニホールドに、酸化剤ガスの冷ガス用のマニホールドが隣接していることにより、酸化剤ガスの熱ガス用のマニホールドの周囲を効果的に冷却できる。これによって、燃料電池セルの平面方向における温度をより均一化できる。
　（６）本発明の第６局面の燃料電池スタックでは、前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記酸化剤ガスの前記冷ガス用のマニホールドの両側には、前記熱ガス用のマニホールドが隣接していてもよい。
　第６局面の燃料電池スタックでは、通常燃料ガスより多量に供給される酸化剤ガスの冷ガス用のマニホールドの両側には、熱ガス用のマニホールドが隣接している。
　よって、冷ガス用のマニホールドの周囲温度を効果的に維持できるので、燃料電池セルの平面方向における温度をより均一化できる。
　なお、各マニホールドは、平面視で一列に配列されていてもよい。
　（７）本発明の第７局面の燃料電池モジュールは、前記第１～５局面のいずれかに記載の燃料電池スタックを備えている。
　第７局面の燃料電池モジュールは、上述した燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールを示している。
　ここで、燃料電池モジュールとは、燃料電池スタック以外に、発電のために用いられる例えば断熱容器及び断熱容器内に収容されたバーナーなどを備えた構成である。
　なお、燃料電池スタックとして、複数の燃料電池セルを積層方向に貫通する貫通孔を有するとともに、その貫通孔の全てを、燃料ガス又は酸化剤ガスのマニホールドとして用いるものを採用できる。
　この場合には、全ての貫通孔を燃料ガスや酸化剤ガスが流通するマニホールドとして使用するので、燃料電池セルの平面方向における温度をより一層均一化できるという利点がある。
　また、マニホールドとしては、燃料電池スタックを積層方向に貫通する貫通孔を採用できる。
　この場合には、マニホールド中の燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料電池スタックの積層方向に両端に到るまで供給されるので、燃料電池スタックの積層方向における温度も均一化できるという利点がある。
実施例１の燃料電池スタックを含む燃料電池システムを示す概略構成図である。 図２Ａは実施例１の燃料電池スタックを積層方向に破断し酸化剤ガスの流路を模式的に示す説明図、図２Ｂは同様に破断して燃料ガスの流路を模式的に示す説明図である。 図３Ａは実施例１の燃料電池スタックの平面図、図３Ｂはその正面図である。 実施例１の燃料電池スタックを燃料ガスのマニホールドに沿って積層方向に破断し、燃料電池スタック及び燃料ガスの流路を模式的に示す説明図である。 実施例１の燃料電池スタックを空気のマニホールドに沿って積層方向に破断し、燃料電池スタック及び酸化剤ガスの流路を模式的に示す説明図である。 実施例１における燃料電池セルを厚み方向に且つ酸化剤ガスの流れの方向に沿って破断して示す説明図である。 実施例１における燃料電池スタックを分解し、燃料電池スタックの一部と燃料ガス及び酸化剤ガスの流れとを示す斜視図である。 実施例１における酸化剤ガス用熱交換部を示す平面図である。 実施例１における燃料ガス用熱交換部を示す平面図である。 実施例１の燃料電池スタックを積層方向に破断し、冷ガス、熱交換後ガス、熱ガスとしての燃料ガスの流れを重ね合わせて模式的に示す説明図である。 実施例１の燃料電池スタックにおいて、冷ガス、熱交換後ガス、熱ガスとしての燃料ガスの平面方向における流れを重ね合わせて模式的に示す平面図である。 実施例１の燃料電池スタックを積層方向に破断し、冷ガス、熱交換後ガス、熱ガスとしての酸化剤ガスの流れを重ね合わせて模式的に示す説明図である。 実施例１の燃料電池スタックにおいて、冷ガス、熱交換後ガス、熱ガスとしての酸化剤ガスの平面方向における流れを重ね合わせて模式的に示す平面図である。 図１４Ａは実施例１の燃料電池スタックの平面視において、燃料ガスのマニホールＣドの温度状態を示す説明図、図１４Ｂは同平面視において、酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図、図１４Ｃは同平面視において、燃料ガス及び酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図である。 実施例２の燃料電池スタックを分解し、燃料電池スタックの一部と燃料ガス及び酸化剤ガスの流れとを示す斜視図である。 実施例２の燃料電池スタックにおいて、燃料ガスの平面方向における流れを重ね合わせて模式的に示す平面図である。 図１７Ａは実施例２の燃料電池スタックの平面視において、燃料ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図、図１７Ｂは同平面視において、酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図、図１７Ｃは同平面視において、燃料ガス及び酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図である。 実施例３の燃料電池スタックを分解し、燃料電池スタックの一部と燃料ガス及び酸化剤ガスの流れとを示す斜視図である。 実施例３の燃料電池スタックにおいて、燃料ガスの平面方向における流れを重ね合わせて模式的に示す平面図である。 図２０Ａは実施例３の燃料電池スタックの平面視において、燃料ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図、図２０Ｂは同平面視において、酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図、図２０Ｃは同平面視において、燃料ガス及び酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図である。 図２１Ａは実施例４の燃料電池スタックを積層方向に破断し酸化剤ガスの流路を模式的に示す説明図、図２１Ｂは同様に破断して燃料ガスの流路を模式的に示す説明図である。
　３、１１１、１２１、１３１…燃料電池スタック
　９…燃料電池モジュール
　１３…燃料電池セル
　１５、１５ａ、１５ｂ、１３３…熱交換部
　４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ…内部ガス流路（マニホールド）
　５１…固体電解質層
　５２…燃料極層
　５３…空気極層
　次に、本発明を実施するための形態の例（実施例）として、固体酸化物形燃料電池スタック及び固体酸化物形燃料電池モジュールの実施例について説明する。
　ａ）まず、本実施例１の固体酸化物形燃料電池スタック等を含む固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。尚、以下では、「固体酸化物形」を省略する。
　図１に示す様に、燃料電池システム１は、燃料電池スタック３とバーナー５とを断熱容器７内に収容した燃料電池モジュール９を備えており、燃料電池スタック３に、燃料ガス（例えば水素：Ｆ）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素）：Ｏ）とを供給して発電を行うものである。なお、以下では、図１における上下を、燃料電池スタック３における上下として説明する。
　この燃料電池システム１は、断熱容器７外より燃料電池スタック３に燃料ガスを供給する経路１１ａと酸化剤ガスを供給する経路１１ｂを備えるととともに、燃料電池スタック３を加熱するバーナー５に燃料ガスと空気の混合気（Ｍix）を供給する経路１１ｃを備えている。
　なお、燃料電池スタック３から排出される発電に使用した後の燃料ガスや酸化剤ガスは、断熱容器７内で燃焼させた後に断熱容器７外に排出してもよいし、そのまま断熱容器７外に排出してもよい。
　また、後に詳述するが、本実施例１では、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路は、図２Ａ－２Ｂに示すように、燃料電池スタック３の内部において、即ち燃料電池セル１３（図３Ａ－３Ｂ参照）の積層方向（図２Ａ－２Ｂにおける上下方向）において、大きく異なっている。
　つまり、酸化剤ガスは、外部から燃料電池スタック３の内部に導入されると、燃料電池スタック３内（ここでは、例えば燃料電池スタック３の中央部分）の熱交換部１５を通過してから、熱交換部１５より上側の酸化剤ガス側の第１端部ブロック１７と下側の酸化剤ガス側の第２端部ブロック１９に導入され、その後合流して、外部に排出される。
　なお、ここで、燃料電池スタック３の中央部分とは、燃料電池スタック３の積層方向に配置された燃料電池セル１３に挟まれた領域のことであり、燃料電池スタック３の積層方向における燃料電池スタック３の両端部近傍以外の部分（例えば両端の燃料電池セル１３以外の部分）を指す。
　一方、燃料ガスは、外部から燃料電池スタック３の内部に導入されると、燃料電池スタック３内（ここでは、例えば燃料電池スタック３の中央部分）の熱交換部１５を通過してから、熱交換部１５より上側の燃料ガス側の第１端部ブロック２１と下側の燃料ガス側の第２端部ブロック２３に導入され、その後合流して、燃料ガス側の第３端部ブロック２５に導入されて、外部に排出される。
　以下、各構成について説明する。
　図３Ａ－３Ｂに示すように、燃料電池スタック３は、板状の発電セルである燃料電池セル１３が厚み方向に複数個積層された燃料電池スタック本体２６と、燃料電池スタック本体２６を積層方向（図３Ｂの上下方向）に貫く８箇所のボルト用貫通孔２７ａ～２７ｈ（２７と総称する）と、ボルト用貫通孔２７に貫挿された８本のボルト２９ａ～２９ｈ（２９と総称する）と、ボルト２９に螺合するナット３１とを備えている。
　また、図３Ｂに示す様に、燃料電池スタック３の積層方向における中央部分には、熱交換部１５として、燃料ガスを予熱する板状の燃料ガス用熱交換部１５ａと酸化剤ガスを予熱する板状の酸化剤ガス用熱交換部１５ｂとが設けられ、燃料電池スタック３の積層方向の両側には、集電体を兼ねる一対のエンドプレート３３ａ、３３ｂが設けられている。
　ここでは、熱交換部１５は、燃料電池スタック３の積層方向における中央部分に配置されるが、これに限ることはない。熱交換部１５は、燃料電池スタック３の積層方向における中央部分以外に、例えば燃料電池スタック３の積層方向における端部に配置されていてもよい。
　更に、燃料電池スタック３には、燃料電池セル１３が複数段（例えば１９段：１９ＣＥＬＬＳ）存在するが、ここでは、発明の内容を分かりやすくするために、簡易的に８段の燃料電池スタック３を例に挙げて説明する。
　なお、各段の燃料電池セル１３は、上から順に、熱交換部１５より上段側の、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄと、熱交換部１５より下段側の、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｇ、１３Ｈとする。つまり、酸化剤ガスの流路（図２Ａ参照）については、第１端部ブロック１７が１３Ａ～１３Ｄに相当し、第２端部ブロック１９が１３Ｅ～１３Ｈに相当する。一方、燃料ガスの流路（図２Ｂ参照）については、第１端部ブロック２１が１３Ａ～１３ｄに相当し、第２端部ブロック２３が１３Ｅに相当し、第３端部ブロック２５が１３Ｆ～１３Ｈに対応する。
　また、ボルト２９は、燃料電池スタック３を積層方向に貫くように配置されるとともに、その両端にナット３１が螺合しており、このボルト２９とナット３１との螺合によって、燃料電池スタック本体２６が積層方向に締め付けてられて一体に固定されている。ここでは、ボルト２９の両端にナット３１が螺合する構成を例に挙げたが、ボルト２９の一端に頭部を設け、他端にナット３１を螺合させる構成でもよい。
　なお、本実施例１では、後に詳述する様に、第１ボルト２９ａの下側より燃料ガスを導入し（Ｆ（ＩＮ））、第６ボルト２９ｆの下側より反応後の燃料ガスを排出し（Ｆ（ＯＵＴ））、第３ボルト２９ｃの上側より酸化剤ガスを導入し（Ｏ（ＩＮ））、第４ボルト２９ｄの下側より反応後の酸化剤ガスを排出（Ｏ（ＯＵＴ））するように構成されている。
　なお、ボルト用貫通孔２７やボルト２９については、図３Ａの左上部より時計回りに第１～第８の番号が付してある（他の該当する構成についても同様である）。
　ｂ）次に、ボルト２９の構成について詳細に説明する。
　ボルト２９の内部には、軸方向に延びるように、マニホールドである中空の内部ガス流路４１ａ～４１ｈ（４１と総称する）（図４、図５参照）が設けられており、これらの内部ガス流路４１には、燃料ガス又は酸化剤ガスが流れるように構成されている。
　なお、図４に示すように、第１～第９ボルト２９ａ～２９ｈのうち、第１、第２、第５、第６、第７ボルト２９ａ、２９ｂ、２９ｅ、２９ｆ、２９ｇの各内部ガス流路４１ａ、４１ｂ、４１ｅ、４１ｆ、４１ｇが、燃料ガスの流路（図４で黒塗りの矢印で示す）として用いられる。一方、図５に示すように、第３、第４、第８ボルト２９ｃ、２９ｄ、２９ｈの各内部ガス流路４１ｃ、４１ｄ、４１ｈが、酸化剤ガスの流路（図５で白抜きの矢印で示す）として用いられる。
　以下、各ガス流路の構成について詳しく説明する。
　＜燃料ガスの流路＞
　図４に示す様に、第１ボルト２９ａには、燃料ガス用の内部ガス流路４１ａが設けられている。この内部ガス流路４１ａは開口部４２ａを介して外部（即ち燃料電池スタック３の下方）と連通しているので、内部ガス流路４１ａには、外部から燃料ガスが供給される。
　この第１ボルト２９ａには、内部ガス流路４１ａと連通するように、径方向に延びる貫通孔である出口用横穴４３ａが設けられている。なお、出口用横穴４３ａと燃料ガス用熱交換部１５ａとが連通するように構成されている。
　第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇ（図４では１本のボルトで示してある）には、燃料ガス用の内部ガス流路４１ｅ、４１ｇが設けられており、この内部ガス流路４１ｅ、４１ｇの上下は閉塞されている。
　この第５、第７ボルト２９ｅには、内部ガス流路４１ｅ、４１ｇと連通するように、径方向に延びる貫通孔である入口用横穴４３ｅ、４３ｇと複数の出口用横穴４５ｅ、４５ｇが設けられている。なお、燃料ガス用熱交換部１５ａと入口用横穴４３ｅ、４３ｇとが連通し、各出口用横穴４５ｅ、４５ｇと第１～第５燃料電池セル１３Ａ～１３Ｅの各燃料流路４７Ａ～４７Ｅ（４７と総称する）とがそれぞれ連通するように構成されている。
　第２ボルト２９ｂには、燃料ガス用の内部ガス流路４１ｂが設けられており、この内部ガス流路４１ｂの上下は閉塞されている。
　この第２ボルト２９ｂには、内部ガス流路４１ｂと連通するように、径方向に延びる貫通孔である複数の入口用横穴４３ｂと複数の出口用横穴４５ｂが設けられている。なお、第１～第５燃料電池セル１３Ａ～１３Ｅの各燃料流路４７Ａ～４７Ｅと各入口用横穴４３ｂとがそれぞれ連通し、各出口用横穴４５ｂと第６～第８燃料電池セル１３Ｆ～１３Ｈの各燃料流路４７Ｆ～４７Ｈとがそれぞれ連通するように構成されている。
　第６ボルト２９ｆには、燃料ガス用の内部ガス流路４１ｆが設けられている。この内部ガス流路４１ｆは開口部４２ｆを介して外部（即ち燃料電池スタック３の下方）と連通しているので、内部ガス流路４１ｆからは、外部に反応後の燃料ガスが排出される。
　この第６ボルト２９ｆには、内部ガス流路４１ｆと連通するように、径方向に延びる貫通孔である複数の入口用横穴４３ｆが設けられている。なお、第６～第８燃料電池セル１３Ｆ～１３Ｈの各燃料流路４７Ｆ～４７Ｈと各入口用横穴４３ｆとがそれぞれ連通するように構成されている。
　＜酸化剤ガスの流路＞
　図５に示す様に、第３ボルト２９ｃには、酸化剤ガス用の内部ガス流路４１ｃが設けられている。この内部ガス流路４１ｃは開口部４２ｃを介して外部（即ち燃料電池スタック３の下方）と連通しているので、内部ガス流路４１ｃには、外部から酸化剤ガスが供給される。
　この第３ボルト２９ｃには、内部ガス流路４１ｃと連通するように、径方向に延びる貫通孔である出口用横穴４３ｃが設けられている。なお、出口用横穴４３ｃと酸化剤ガス用熱交換部１５ｂとが連通するように構成されている。
　第８ボルト２９ｈには、酸化剤ガス用の内部ガス流路４１ｈが設けられており、この内部ガス流路４１ｈの上下は閉塞されている。
　この第８ボルト２９ｈには、内部ガス流路４１ｈと連通するように、径方向に延びる貫通孔である入口用横穴４３ｈと複数の出口用横穴４５ｈが設けられている。なお、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂと入口用横穴４３ｈとが連通し、各出口用横穴４５ｈと第１～第８燃料電池セル１３Ａ～１３Ｈの各空気流路４９Ａ～４９Ｈ（４９と総称する）とがそれぞれ連通するように構成されている。
　第４ボルト２９ｄには、酸化剤ガス用の内部ガス流路４１ｄが設けられている。この内部ガス流路４１ｄは開口部４２ｄを介して外部（即ち燃料電池スタック３の下方）と連通しているので、内部ガス流路４１ｄからは、外部に反応後の酸化剤ガスが排出される。
　この第４ボルト２９ｄには、内部ガス流路４１ｄと連通するように、径方向に延びる貫通孔である複数の入口用横穴４３ｄが設けられている。なお、第１～第８燃料電池セル１３Ａ～１３Ｈの各空気流路４９Ａ～４９Ｈと各入口用横穴４３ｄとがそれぞれ連通するように構成されている。
　ｃ）次に、燃料電池セル１３の構成について説明する。
　図６に示すように、燃料電池セル１３は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの板状セルである。
　この燃料電池セル１３は、薄膜の固体電解質層５１と、その両側にそれぞれ形成された、燃料極層（アノード：ＡＮ）５２及び薄膜の空気極層（カソード：ＣＡ）５３とを備える。以下では、固体電解質層５１、燃料極層５２、及び空気極層５３をあわせて単セル５４と称する。なお、単セル５４の空気極層５３側には空気流路４９が存在し、燃料極層５２側には燃料流路４７が存在する。
　燃料電池セル１３は、上下一対のインターコネクタ５７ａ、５７ｂと、空気極層５３側の板形状のガスシール部５８と、単セル５４の外縁部の上面に接合して空気流路４９と燃料流路４７とを遮断する枠形状のセパレータ５９と、燃料極層５２側に配置された板形状の燃料極フレーム６０と、燃料極層５２側のガスシール部６１とを備えており、それらが積層されて一体に構成されている。
　燃料電池セル１３内には、燃料極層５２とインターコネクタ５７ｂとの間に燃料極側集電体６２が配置され、インターコネクタ５７ａの表面（図６下方）には空気極側集電体６３が一体に形成されている。
　なお、平面視で、燃料電池セル１３の四角枠状の外周部分には、各ボルト２９が挿通されるボルト用貫通孔２７が形成されている。
　固体電解質層５１の材料としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極層５２の材料としては、Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極層５３の材料としては、ペロブスカイト系酸化物などが使用できる。
　図７に示す様に、インターコネクタ５７ａ、５７ｂはフェライト系ステンレスから成る板材であり、その外縁部には、それぞれボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔５５、５６が設けられている。
　ガスシール部５８は、マイカ又はバーミュライトから成り、中心に正方形の開口部６５を有する枠状の板材であり、その外縁部には、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔６６が設けられている。
　孔６６のうち、第４、第８孔６６ｄ、６６ｈは、辺に沿って延びる長孔となっている。この第４、第８孔６６ｄ、６６ｈと開口部６５とは、櫛歯状に延びる連通溝６７、６８により連通している。この連通溝６７、６８はガスシール部５８を厚み方向に貫通する孔ではなく、ガスシール部５８の一方の表面を掘って形成された溝であり、レーザやプレス加工によって形成することができる。
　セパレータ５９は、フェライト系ステンレスから成る枠状の板材であり、その中央に正方形の開口部６９を有するが、その開口部６９を閉塞するように、セパレータ５９に対し単セル５４が接合されている。セパレータ５９も、その外縁部に、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔７１を有している。
　燃料極フレーム６０は、その中心に開口部７３を備えた、フェライト系ステンレスから成る枠状の板材である。燃料極フレーム６０も、その外縁部に、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔７５を有している。
　ガスシール部６１は、マイカ又はバーミュライトから成り、中心に正方形の開口部７７を有する枠状の板材であり、その外縁部には、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔７９が設けられている。
　孔７９のうち、第２孔７９ｂと開口部７７とは、辺に沿って延びるとともに櫛歯状に延びる連通溝８１により連通している。第５孔７９ｅと開口部７７とは、辺に沿って延びるとともに櫛歯状に延びる連通溝８２により連通し、第７孔７９ｇと開口部７７とは、同様な連通溝８３により連通している。この連通溝８１～８３はガスシール部６１を厚み方向に貫通する孔ではなく、ガスシール部６１の一方の表面を掘って形成された溝であり、レーザやプレス加工によって形成することができる。
　なお、燃料電池セル１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅにおいては、第２、第５、第７孔７９ｂ、７９ｅ、７９ｇと開口部７７とは、各連通溝８１～８３により連通している。
　また、図７の下方に示すように、第６～第８燃料電池セル１３Ｆ～１３Ｈにおいては、ガスシール部６１の孔７９のうち、第２孔、第６孔７９ｂ、７９ｆと開口部７７とは、辺に沿って延びるとともに櫛歯状に延びる連通溝８４、８５により連通している。
　ｄ）次に、燃料ガス用熱交換部１５ａ及び酸化剤ガス用熱交換部１５ｂの構成について簡単に説明する。
　図７及び図８に示す様に、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂは、燃料電池セル１３Ｄに隣接する板状部材であって、燃料電池セル１３Ｄ側の面の中心に、正方形の凹部９１を備える。
　また、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂの外縁部に、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔９３が設けられている。孔９３うち、第３、第８孔９３ｃ、９３ｈと凹部９１とは、それぞれ連通溝９５ｃ、９５ｈにより連通されている。
　なお、凹部９１及び連通溝９５ｃ、９５ｈは、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂを厚み方向に貫通するものではなく、燃料電池セル１３Ｄ側の面の表面を掘って形成されたものである。
　図７及び図９に示す様に、燃料ガス用熱交換部１５ａは、一方の面で酸化剤ガス用熱交換部１５ｂに接し、他方の面で燃料電池セル１３Ｅに接する板状部材であって、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂ側の面の中心に、正方形の凹部１０１を備える。
　また、燃料ガス用熱交換部１５ａの外縁部に、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔１０３が設けられている。孔１０３のうち、第１、第５、第７孔１０３ａ、１０３ｅ、１０３ｇと凹部１０１とは、それぞれ連通溝１０５ａ、１０５ｅ、１０５ｇにより連通されている。
　なお、凹部１０１及び連通溝１０５ａ、１０５ｅ、１０５ｇは燃料ガス用熱交換部１５ａを厚み方向に貫通するものではなく、燃料ガス用熱交換部１５ａの表面を掘って形成されたものである。
　上述した構成の燃料電池スタック３は、上述した各燃料電池セル１３を構成する部材、燃料ガス用熱交換部１５ａ、及び酸化剤ガス用熱交換部１５ｂを積層し、各ボルト用貫通孔２７に各ボルト２９を貫挿し、ナット３１で締め付けることによって製造することができる。
　ｅ）次に、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れについて更に詳細に説明する。
＜燃料ガスの流れ＞
　燃料ガスの流れを、前記図４及び図１０及び図１１に示す。図１０及び図１１では、冷ガス（即ち外部から導入される燃料ガス）の流れを実線の矢印で示し、熱交換後ガス（即ち熱交換されて温度が上昇した燃料ガス）の流れを破線の矢印で示し、熱ガス（即ち発電反応によって更に温度が上昇した燃料ガス）の流れを一点鎖線の矢印で示す。
　まず、図４に示す様に、燃料電池スタック３内の温度より低温（例えば約４００℃程度）の燃料ガス（冷ガス）が、燃料電池スタック３の外部から、第１ボルト２９ａの燃料電池スタック３の下方の開口部４２ａを介して、内部ガス流路４１ａに導入される。
　次に、図１０及び図１１に示す様に、内部ガス流路４１ａに導入された燃料ガスは、内部ガス流路４１ａから燃料ガス用熱交換部１５ａに供給されて、隣接する部材（例えば第５燃料電池セル１３Ｅ）との熱交換によって、加熱（予熱）される。なお、この冷ガスである燃料ガスは、前記加熱によって温度が上昇して、外部からの導入時よりも温度が高い（例えば約６００℃程度の）熱交換後ガスとなる。
　次に、熱交換後ガスとなった燃料ガスは、燃料ガス用熱交換部１５ａから第５ボルト２９ｅの内部ガス流路４１ｅと第７ボルト２９ｇの内部ガス流路２１ｇとに供給される。
　次に、この燃料ガスは、第５ボルト２９ｅの内部ガス流路４１ｅと第７ボルト２９ｇの内部ガス流路４１ｇとから、第１～第５燃料電池セル１３Ａ～１３Ｅの各燃料流路４７Ａ～４７Ｅに供給される。つまり、第１、第２端部ブロック２１、２３（図２Ｂ参照）に供給される。
　次に、この燃料ガスは、第１～第５燃料電池セル１３Ａ～１３Ｅの各燃料流路４７Ａ～４７Ｅから、第２ボルト２９ｂの内部ガス流路４１ｂに排出される。なお、熱交換後ガスである燃料ガスは、第１～第５燃料電池セル１３Ａ～１３Ｅにおける発電反応によって温度が上昇して、熱交換時よりも温度が高い（例えば約７００℃程度の）熱ガスとなる。
　次に、熱ガスとなった燃料ガスは、第２ボルト２９ｂの内部ガス流路４１ｂから、第６～第８燃料電池セル１３Ｆ～１３Ｈの各燃料流路４７Ｆ～４７Ｈに供給される。つまり、第３端部ブロック２５（図２Ｂ参照）に供給される。
　次に、この燃料ガスは、第６～第８燃料電池セル１３Ｆ～１３Ｈの各燃料流路４７Ｆ～４７Ｈから、第６ボルト２９ｆの内部ガス流路４１ｆに排出される。
　その後、図４に示す様に、燃料ガスは、第６ボルト２９ｆの内部ガス流路４１ｆから、燃料電池スタック３の下方の開口部４２ｆを介して、外部に排出される。
＜酸化剤ガスの流れ＞
　酸化剤ガスの流れを、前記図５及び図１２及び図１３に示す。図１２及び図１３では、冷ガス（即ち外部から導入される酸化剤ガス）の流れを実線の矢印で示し、熱交換後ガス（即ち熱交換されて温度が上昇した酸化剤ガス）の流れを破線の矢印で示し、熱ガス（即ち発電反応によって更に温度が上昇した酸化剤ガス）の流れを一点鎖線の矢印で示す。
　まず、図５に示す様に、燃料電池スタック３内の温度より低温（例えば約４００℃程度）の酸化剤ガス（冷ガス）は、燃料電池スタック３の外部から、第３ボルト２９ｃの燃料電池スタック３の上方の開口部４２ｃを介して、内部ガス流路４１ｃに導入される。
　次に、図１２及び図１３に示す様に、内部ガス流路４１ｃに導入された酸化剤ガスは、内部ガス流路４１ｃから酸化剤ガス用熱交換部１５ｂに供給されて、隣接する部材（例えば第４燃料電池セル１３Ｄ）との熱交換によって、加熱（予熱）される。なお、この冷ガスである酸化剤ガスは、前記加熱によって温度が上昇して、外部からの導入時よりも温度が高い（例えば約５００℃程度の）熱交換後ガスとなる。
　次に、熱交換後ガスとなった酸化剤ガスは、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂから第８ボルト２９ｈの内部ガス流路４１ｈに供給される。
　次に、この酸化剤ガスは、第８ボルト２９ｈの内部ガス流路４１ｈから、第１～第８燃料電池セル１３Ａ～１３Ｈの各空気流路４９Ａ～４９Ｈに供給される。
　次に、この酸化剤ガスは、第１～第８燃料電池セル１３Ａ～１３Ｈの各空気流路４９Ａ～４９Ｈから、第４ボルト２９ｄの内部ガス流路４１ｄに排出される。なお、熱交換後ガスである酸化剤ガスは、第１～第８燃料電池セル１３Ａ～１３Ｈにおける発電反応によって温度が上昇して、熱交換時よりも温度が高い（例えば約６００℃程度の）熱ガスとなる。
　次に、熱ガスとなった酸化剤ガスは、第４ボルト２９ｄの内部ガス流路４１ｄから、図５に示す様に、燃料電池スタック３の下方の開口部４２ｄを介して、外部に排出される。
　ｆ）次に、前記燃料ガス及び酸化剤ガスの流れによって生ずる平面方向の温度分布について説明する。
上述した燃料ガス及び酸化剤ガスの流れによって、燃料電池スタック３では、平面方向（即ち板状の燃料電池セル１３の広がる方向：積層方向と垂直方向）において温度分布が生じる。
　具体的には、燃料電池スタック３を積層方向（図１０、図１２の上下方向）から見た場合に、燃料ガス及び酸化剤ガスの積層方向における流路（マニホールド）によって、燃料電池スタック３では、その平面方向における温度分布が生じている。
　詳しくは、図１４Ａに燃料ガス（ＡＮ）側を示すように、外部より冷ガスである燃料ガスが導入される第１ボルト２９ａの第１内部ガス流路４１ａの周囲の温度は低い。
　次に、その冷ガスである燃料ガスが熱交換された燃料ガス（即ち熱交換後ガスである燃料ガス）が通過する第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第７内部ガス流路４１ｅ、４１ｇの周囲の温度は、冷ガスである燃料ガスが通過する第１ボルト２９ａの第１内部ガス流路４１ａの周囲の温度より高い。
　次に、その熱交換後ガスである燃料ガスが発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち熱ガスである燃料ガス）が通過する第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂの周囲の温度は、熱交換後ガスである燃料ガスが通過する第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第７内部ガス流路４１ｅ、４１ｇの周囲の温度より高い。
　次に、その熱ガスである燃料ガスが再度発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち更に温度が上昇した熱ガスである燃料ガス）が通過する第６ボルト２９ｆの第６内部ガス流路４１ｆの周囲の温度は、最も高い。
　同様に、図１４Ｂに酸化剤ガス（ＣＡ）側を示すように、外部より冷ガスである酸化剤ガスが導入される第３ボルト２９ｃの第３内部ガス流路４１ｃの周囲の温度は低い。
　次に、その冷ガスである酸化剤ガスが熱交換された酸化剤ガス（即ち熱交換後ガスである酸化剤ガス）が通過する第８ボルト２９ｈの第８内部ガス流路４１ｈの周囲の温度は、冷ガスである酸化剤ガスが通過する第３ボルト２９ｃの第３内部ガス流路４１ｃの周囲の温度より高い。
　次に、その熱交換後ガスである酸化剤ガスが発電反応によって加熱された酸化剤ガス（即ち熱ガスである酸化剤ガス）が通過する第４ボルト２９ｄの第４内部ガス流路４１ｄの周囲の温度は、熱交換後ガスである酸化剤ガスが通過する第８ボルト２９ｈの第８内部ガス流路４１ｈの温度より高い。
　従って、図１４Ｃに示すように、冷ガスが導入される第１、第３内部ガス流路４１ａ、４１ｃ（従って第１、第３ボルト用貫通孔２７ａ、２７ｃ）の周囲の温度が最も低く、熱交換後ガスが通過する第５、第７、第８内部ガス流路４１ｅ、４１ｇ、４１ｈ（従って第５、第７、第８ボルト用貫通孔２７ｅ、２７ｇ、２７ｈ）の周囲の温度がそれよりも高く、熱ガスが通過する第２、第４、第６内部ガス流路４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ（従って第２、第４、第６ボルト用貫通孔２７ｂ、２７ｄ、２７ｆ）の周囲の温度が最も高い。
　ｇ）次に、本実施例１の効果について説明する。
　・本実施例１では、燃料ガスや酸化剤ガスを積層方向に流通させる内部ガス流路（以下「マニホールド」と称することもある）４１ａ～４１ｈとして、外部から燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料電池スタック３内に導入する冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃと、各燃料電池セル１３Ａ～１３Ｈから燃料ガス又は酸化剤ガスを排出する熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆとを有している。
　そして、これらのマニホールド４１ａ～４１ｈを燃料電池スタック３の積層方向から見た場合（即ち平面視の場合）には、冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃは、全て、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆに隣接するとともに、この熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆは、他の熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆに隣接していないように構成されている。
　つまり、本実施例１では、温度の低い全ての冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃは、冷ガスより温度の高い熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆに隣接しており、しかも、この温度の高い熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆは、他の温度の高い熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆに隣接していない。すなわち、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ同士は、隣接していない。よって、燃料電池スタック３の平面方向における温度差を小さくすること、即ち、燃料電池セル１３の平面方向における温度を均一化することができる。
　これによって、燃料電池セル１３の面内温度分布を小さくできるので、セル面内における抵抗分布が小さく、よって、セル面内の電流分布や電圧分布も小さくできる。その結果、セル面内での電流の横流れを抑制できるので、安定した高い出力が得られるという顕著な効果を奏する。
　また、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ同士が隣接していないので、燃料電池セル１３の面内温度分布が小さく、一部に過度に温度が高い部分が生じ難いので、金属部材の劣化も抑制できるという利点がある。
　・また、本実施例１では、燃料電池スタック３の内部で熱交換された燃料ガス又は酸化剤ガスを流す熱交換後ガス用のマニホールド４１ｅ、４１ｇ、４１ｈを備えており、平面視で、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆには、熱交換後ガス用のマニホールド４１ｅ、４１ｇ、４１ｈ及び冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃの少なくとも一方が隣接している。
　つまり、最も温度が高い熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆには、それより温度が低い熱交換後ガス用のマニホールド４１ｅ、４１ｇ、４１ｈや冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃが隣接しているので、燃料電池セル１３の平面方向における温度を均一化することができる。
　・更に、本実施例１では、平面視で、各マニホールド４１ａ～４１ｈは、途中で曲がっているものの一列に配置されており、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆの両側には、冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃや熱交換後ガス用のマニホールド４１ｅ、４１ｇ、４１ｈが隣接しているので、燃料電池セル１３の平面方向における温度を一層均一化できる。
　・しかも、本実施例１では、平面視で、各マニホールド４１ａ～４１ｈは一列に配列されているとともに、最も流量の多い酸化剤ガスの冷ガス用のマニホールド４１ｃの両側には、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄが隣接している。
　よって、冷ガス用のマニホールドの周囲温度を効果的に維持できるので、燃料電池セルの平面方向における温度をより均一化できる。
　・その上、本実施例１では、最も温度が高い酸化剤ガスの熱ガス用のマニホールド４１ｄに、最も流量が多い酸化剤ガスの冷ガス用のマニホールド４１ｃが隣接しているので、酸化剤ガスの熱ガス用のマニホールド４１ｄの周囲を効果的に冷却できる。これによって、燃料電池セルの平面方向における温度をより一層均一化できる。
　なお、通常は、酸化剤ガスの流量は燃料ガスの流量の２～５倍である。
　次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
　なお、実施例１と同様な構成については同じ番号を用いて説明する。
　本実施例２の燃料電池スタックでは、実施例１のような燃料ガス用熱交換部を使用せず、外部から燃料電池スタックに異なる２つのマニホールドで燃料ガスを導入し、その燃料ガスを各マニホールドから各燃料電池セルに分配する。
　ａ）まず、本実施例２の燃料電池スタックの構成について説明する。
　図１５に示すように、本実施例２の燃料電池スタック１１１では、前記実施例１と同様に、インターコネクタ５７ａ、ガスシール部５８、単セル５４が接合されたセパレータ５９、燃料極フレーム６０、ガスシール部６１、インターコネクタ５７ｂ、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂなど積層されている。
　本実施例２では、図１５及び図１６に示すように、まず、外部から第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第９内部ガス流路４１ｅ、４１ｇに燃料ガスが導入される。
　次に、この燃料ガスは、第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第９内部ガス流路４１ｅ、４１ｇから第１～第５燃料電池セル１３Ａ～１３Ｅに供給される。
　次に、燃料ガスは、第１～第５燃料電池セル１３Ａ～１３Ｅから、熱ガスとして第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂに供給される。
　次に、燃料ガスは、第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂから第６～第８燃料電池セル１３Ｆ～１３Ｈに供給され、その後、外部に排出される。
　なお、第１ボルト２９ａは、ガスの流路として使用されない。
　また、酸化剤ガスの流れは前記実施例１と同様であるので、その説明は省略する。
　ｂ）次に、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れによって生ずる平面方向の温度分布について説明する。
　本実施例２においても、燃料電池スタック１１１を積層方向（図１５の上下方向）から見た場合に、燃料ガス及び酸化剤ガスの積層方向における流路（即ちマニホールド）によって、燃料電池スタック１１１では、その平面方向における温度分布が生じている。
　詳しくは、図１７Ａに燃料ガス（ＡＮ）側を示すように、外部より冷ガスである燃料ガスが導入される第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第７内部ガス流路４１ｅ、４１ｇの周囲の温度は低い。
　次に、その冷ガスである燃料ガスが発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち熱ガスである燃料ガス）が通過する第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂの周囲の温度は、冷ガスである燃料ガスが通過する第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第７内部ガス流路４１ｅ、４１ｇの周囲の温度より高い。
　次に、その熱ガスである燃料ガスが再度発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち更に温度が上昇した熱ガスである燃料ガス）が導入される第６ボルト２９ｆの第６内部ガス流路４１ｆの周囲の温度は、最も温度が高い。
　同様に、図１７Ｂに酸化剤ガス（ＣＡ）側を示すように、酸化剤ガス側は実施例１と同様であり、冷ガスが導入される第３ボルト２９ｃの第３内部ガス流路４１ｃの周囲の温度は低く、熱交換後ガスが通過する第８ボルト２９ｈの第８内部ガス流路４１ｈの周囲はそれより高く、熱ガスが通過する第４ボルト２９ｄの第４内部ガス流路４１ｄの周囲の温度は最も高い。
　従って、図１７Ｃに示すように、冷ガスが導入される第３、第５、第７内部ガス流路４１ｃ、４１ｅ、４１ｇ（従って第３、第５、第７ボルト用貫通孔２７ｃ、２７ｅ、２７ｇ）の周囲の温度が最も低く、熱交換後ガスが通過する第８内部ガス流路４１ｈ（従って第８ボルト用貫通孔２７ｈ）の周囲の温度がそれよりも高く、熱ガスが通過する第２、第４、第６内部ガス流路４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ（従って第２、第４、第６ボルト用貫通孔２７ｂ、２７ｄ、２７ｆ）の周囲の温度が最も高い。
　なお、ガスの流路ではない第１ボルト用貫通孔２７ａの内部や周囲の温度は、その周囲の構造物の温度とほぼ同一である。
　従って、上述した構成によって、本実施例２では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、燃料ガス用熱交換部を用いないので、流路等の構成を簡易化できるという利点がある。
　次に、実施例３について説明するが、前記実施例１、２と同様な内容の説明は省略する。
　なお、実施例１と同様な構成については同じ番号を用いて説明する。
　本実施例３の燃料電池スタックは、基本的に実施例２と同様な構成であるが、外部から燃料電池スタックに１本のマニホールドで燃料ガスを導入する点が異なる。
　ａ）まず、本実施例３の燃料電池スタックの構成について説明する。
　図１８に示すように、本実施例３の燃料電池スタック１２１では、前記実施例１と同様に、インターコネクタ５７ａ、ガスシール部５８、単セル５４が接合されたセパレータ５９、燃料極フレーム６０、ガスシール部６１、インターコネクタ５７ａ、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂ等が積層されている。
　本実施例３では、図１８及び図１９に示すように、まず、外部から第７ボルト２９ｇの第７内部ガス流路４１ｇのみに燃料ガスが導入される。 なお、第５ボルト２９ｅの第５内部ガス流路４１ｅのみに燃料ガスを導入してもよい。
　次に、この燃料ガスは、第７ボルト２９ｇの第７内部ガス流路４１ｇから第１～第５燃料電池セル１３Ａ～１３Ｅに供給される。
　次に、燃料ガスは、第１～第５燃料電池セル１３Ａ～１３Ｅから、熱ガスとして第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂに供給される。
　次に、燃料ガスは、第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂから第６～第８燃料電池セル１３Ｆ～１３Ｈに供給され、その後、外部に排出される。
　なお、第１、第５ボルト２９ａ、２９ｅは、ガスの流路として使用されない。
　また、酸化剤ガスの流れは前記実施例１と同様であるので、その説明は省略する。
　ｂ）次に、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れによって生ずる平面方向の温度分布について説明する。
　本実施例３においても、燃料電池スタック１２１を積層方向（図１８の上下方向）から見た場合に、燃料ガス及び酸化剤ガスの積層方向における流路（即ちマニホールド）によって、燃料電池スタック１２１では、その平面方向における温度分布が生じている。
　詳しくは、図２０Ａに燃料ガス（ＡＮ）側を示すように、外部より冷ガスである燃料ガスが導入される第７ボルト２９ｇの第７内部ガス流路４１ｇの周囲の温度は低い。
　次に、その冷ガスである燃料ガスが発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち熱ガスである燃料ガス）が通過する第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂの周囲の温度は、冷ガスである燃料ガスが通過する第７ボルト２９ｇの第７内部ガス流路４１ｇの周囲の温度より高い。
　次に、その熱ガスである燃料ガスが再度発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち更に温度が上昇した熱ガスである燃料ガス）が導入される第６ボルト２９ｆの第６内部ガス流路４１ｆの周囲の温度は、最も温度が高い。
　同様に、図２０Ｂに酸化剤ガス（ＣＡ）側を示すように、酸化剤ガス側は実施例１と同様であり、冷ガスが導入される第３ボルト２９ｃの第３内部ガス流路４１ｃの周囲の温度は低く、熱交換後ガスが通過する第８ボルト２９ｈの第８内部ガス流路４１ｈの周囲はそれより高く、熱ガスが通過する第４ボルト２９ｄの第４内部ガス流路４１ｄの周囲の温度は最も高い。
　従って、図２０Ｃに示すように、冷ガスが導入される第３、第７内部ガス流路４１ｃ、４１ｇ（従って第３、第７ボルト用貫通孔２７ｃ、２７ｇ）の周囲の温度が最も低く、熱交換後ガスが通過する第８内部ガス流路４１ｈ（従って第８ボルト用貫通孔２７ｈ）の周囲の温度がそれよりも高く、熱ガスが通過する第２、第４、第６内部ガス流路４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ（従って第２、第４、第６ボルト用貫通孔２７ｂ、２７ｄ、２７ｆ）の周囲の温度が最も高い。
　なお、ガスの流路ではない第１、第５ボルト用貫通孔２７ａ、２７ｅの内部や周囲の温度は、その周囲の構造物の温度とほぼ同一である。
　従って、上述した構成によって、本実施例３では、前記実施例２と同様な効果を奏するとともに、流路等の構成を一層簡易化できるという利点がある。
　次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
　なお、実施例１と同様な構成については同じ番号を用いて説明する。
　本実施例４の燃料電池スタックは、基本的に実施例１と同様な構成であるが、熱交換部が、燃料電池スタックの外側に配置してある点が異なる。
　ａ）まず、本実施例４の燃料電池スタックの構成について説明する。
　図２１Ａ－２１Ｂに模式的に示すように、燃料電池スタック１３１の下部には、熱交換部１３３が配置されている。この熱交換部１３３は、酸化剤ガスの熱交換を行う酸化剤ガス用熱交換部１３５と、燃料ガスの熱交換を行う燃料ガス用熱交換部１３７とを備えている。
　このうち、酸化剤ガス用熱交換部１３５では、外部から導入される低温の酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス用第１室１３９と、発電後の酸化剤ガス（即ち低温の酸化剤ガスより高温の酸化剤ガス）が流れる酸化剤ガス用第２室１４１とが、隣接して配置されている。
　また、燃料ガス用熱交換部１３７では、外部から導入される低温の燃料ガスが通過する燃料ガス用第１室１４３と、発電後の燃料ガス（即ち低温の燃料ガスより高温の燃料ガス）が流れる燃料ガス用第２室１４５とが、隣接して配置されている。
　ｂ）次に、燃料電池スタック１３１におけるガスの流れについて説明する。
　なお、酸化剤ガスや燃料ガスの流れるマニホールドの平面視における配置は、前記実施例１の図１４Ａ－１４Ｃに示す配置と同様である。
　＜酸化剤ガスの流路＞
　図２１Ａに示すように、酸化剤ガスは、外部から燃料電池スタック１３１内を介して、酸化剤ガス用第２室１４１に導入される。その後、燃料電池スタック１３１の各燃料電池セル１３の各空気流路（図示せず）に導入される。そして、発電後の酸化剤ガスは、各空気流路から酸化剤ガス用第１室１３９に導入された後に、外部に排出される。
　このとき、例えば、酸化剤ガス用第１室１３９内の酸化剤ガスと酸化剤ガス用第２室１４１内の酸化剤ガスとの熱交換が行われ、酸化剤ガス用第１室１３９内の酸化剤ガスの温度が上昇する。
　＜燃料ガスの流路＞
　図２１Ｂに示すように、燃料ガスは、外部から燃料ガス用第１室１４３に導入され、その後、燃料電池スタック１３１の各燃料電池セル１３の各燃料流路（図示せず）に導入される。そして、発電後の燃料ガスは、各燃料流路から燃料ガス用第２室１４５に導入された後に、外部に排出される。
　このとき、例えば、燃料ガス用第１室１４３内の燃料ガスと燃料ガス用第２室１４５内の燃料ガスとの熱交換が行われ、燃料ガス用第１室１４３内の燃料ガスの温度が上昇する。
　本実施例４では、上述した構成によって、前記実施例１と同様な効果を奏する。なお、平面視での各マニホールドにおける温度の分布は、前記実施例１と同様である（図１４Ａ－１４Ｃ参照）。
［特許請求の範囲の構成と実施例の構成との関係］
　特許請求の範囲のマニホールドは、例えば実施例１において、積層方向に燃料ガスや酸化剤ガスを流す内部ガス流路に該当する。
　尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
　（１）例えば、前記各実施例では、燃料ガスの流路をシリアルフロー構造（即ち、一旦ある燃料電池セルに燃料ガスを供給した後、その燃料電池セルから排出された燃料ガスを他の燃料電池セルに供給する構造）としたが、酸化剤ガスの流路もシリアルフロー構造（即ち、一旦ある燃料電池セルに酸化剤ガスを供給した後、その燃料電池セルから排出された酸化剤ガスを他の燃料電池セルに供給する構造）としてもよい。
　（２）前記実施例１では、燃料ガス用熱交換部と酸化剤ガス用熱交換部とを設けたが、少なくとも酸化剤ガス用熱交換部を用いるように構成してもよい。つまり、燃料ガスについては、熱交換部にて熱交換することなく、マニホールドを介して各燃料電池セルに供給するようにしてもよい。
　（３）燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池スタックの積層方向に供給するマニホールドの構成としては、ボルトの軸方向に形成された内部ガス流路を、燃料電池スタックの積層方向の両端に達するまで形成してもよい。
　また、ボルトとボルト用貫通孔との間に、ガスの流通が可能な十分な空間（例えば筒状の空間）を設け、その空間を介して、内部ガス流路と各燃料電池セルとの間の燃料ガスや酸化剤ガスの流通（供給や排出）を行ってもよい。
　更に、ボルトとして中実なボルトを使用し、ボルトとボルト用貫通孔との間に、ガスの流通が可能な十分な空間（例えば筒状の空間）を設け、その空間を介して、外部と各燃料電池セルとの間の燃料ガスや酸化剤ガスの流通（供給や排出）を行ってもよい。
　なお、外部と空間との間のガスの流通は、例えばボルトの軸方向の端部において、ボルトの外周面に軸方向に沿って延びる溝等を設けることによって実現できる。
　さらに、燃料電池のタイプは、燃料電池スタックが高温（例えば稼働時に１５０℃以上１０００℃以下）になるタイプ（固体酸化物形、リン酸形、溶融炭酸塩形）であれば効果があり、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に限定されない。

Claims (7)

  1. 　電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられて燃料ガスと接する燃料極層と、前記電解質層の他方の面に設けられて酸化剤ガスと接する空気極層と、を備えた燃料電池セルを、複数積層した燃料電池スタックであって、
    　前記燃料電池スタックは、前記積層方向における一部の前記燃料電池セルに、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を供給するとともに、前記一部の前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を、前記積層方向における前記一部の前記燃料電池セル以外の前記燃料電池セルに供給する構成を備え、
    　前記燃料電池スタックには、複数の前記燃料電池セルを前記積層方向に貫通して、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を流通させるマニホールドを複数有するとともに、
    　前記マニホールドとして、外部から前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタック内に導入する冷ガス用のマニホールドと、前記燃料電池セルから前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを排出する熱ガス用のマニホールドと、少なくとも前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの一方が導入される熱交換部にて熱交換された熱交換後ガスを流通させる熱交換後ガス用のマニホールドと、を有し、
    　更に、前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、
    　前記冷ガス用のマニホールドは、全て前記熱ガス用のマニホールドに隣接するとともに、前記熱ガス用のマニホールドは、他の前記熱ガス用のマニホールドに隣接していないことを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 　前記熱交換部は、前記燃料電池スタックの内部に設けられ、隣接する前記燃料電池セルとの間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
  3. 　前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、
    　前記熱ガス用のマニホールドには、前記熱交換後ガス用のマニホールド及び前記冷ガス用のマニホールドの少なくとも一方が隣接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
  4. 　前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、
    　前記熱ガス用のマニホールドの両側には、前記冷ガス用のマニホールド及び前記熱交換後ガス用のマニホールドの少なくとも一方が隣接していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
  5. 　前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、
    　前記酸化剤ガスの前記熱ガス用のマニホールドには、前記酸化剤ガスの前記冷ガス用のマニホールドが隣接していること特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
  6. 　前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、
    　前記酸化剤ガスの前記冷ガス用のマニホールドの両側には、前記熱ガス用のマニホールドが隣接していることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
  7. 　前記請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックを備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。
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