(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池装置において、
内部に燃料ガス流路が形成された複数の燃料電池セルと、
燃料ガス導入部から導入された前記燃料ガスを内部で分散させ、複数の前記燃料電池セルに供給するための容器であるマニホールドと、を備え、
前記マニホールドは水平な天板を有する円筒形状に形成され、前記天板には、前記燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するための複数の貫通孔が形成されており、
複数の前記燃料電池セルが、前記燃料ガス流路の一端を前記貫通孔に接続した状態で前記天板上に配置されているものであって、
前記マニホールドは、前記燃料ガス導入部から導入された前記燃料ガスを、前記マニホールドの内部において前記天板と平行に旋回させるガス旋回手段を有し、
前記マニホールドは、前記天板の外周部から下方に延び、前記天板と垂直な方向から見た場合に円形に形成された外側壁と、前記外側壁の内側において、前記天板から下方に延び、前記天板と垂直な方向から見た場合に円形に形成された内側壁と、を有しており、前記内側壁の更に内側には、前記燃料ガスが流入しないことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
複数の前記貫通孔は、前記マニホールドの中心軸を中心とした複数の円形の列を成すように配置され、
前記天板は、内側の列を成す前記貫通孔が形成されている第一領域と、外側の列を成す前記貫通孔が形成されている第二領域と、を有しており、
前記第一領域全体の面積に対し、当該領域内に形成されている前記貫通孔の開口面積の総和が占める比率である第一開口率が、
前記第二領域全体の面積に対し、当該領域内に形成されている前記貫通孔の開口面積の総和が占める比率である第二開口率よりも高いことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料電池セルは、前記貫通孔から供給された前記燃料ガスが前記燃料ガス流路を下方から上方に向かって流れるように配置されており、
前記燃料電池セルの上端に形成された前記燃料ガスの出口において、発電に寄与しなかった余剰の前記燃料ガスを燃焼させることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記ガス旋回手段は、前記マニホールドの内部において、前記燃料ガス導入部から導入された前記燃料ガスを前記マニホールドの円周方向に沿って噴射するものであって、
前記燃料ガスを噴射する噴射口は、前記内側壁と前記外側壁との中央部から前記内側壁までの領域内に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記ガス旋回手段は、前記燃料ガス導入部から導入された前記燃料ガスを、前記マニホールドの内部において、前記マニホールドの円周方向で且つ前記マニホールドの前記天板とは対向する面に向かう方向に噴射するものであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような燃料電池装置は、一般に複数の燃料電池セルを有しており、各燃料電池セルのアノード電極に水素ガス等の燃料ガスを供給し、カソード電極に空気等の酸化剤ガスを供給することで、発電反応を起こすことができるように構成されている。
【０００３】
燃料電池には、安定した発電反応を効率よく行うことが求められている。この要求を満たす方法の１つとして、上記複数の燃料電池セルの各々に対し、反応ガスを均等に供給することが挙げられる。
【０００４】
反応ガスを均等に供給するための構成として、下記特許文献１には、複数の燃料電池セルをマニホールドの上面に立設させた構成の燃料電池装置が記載されている。マニホールドとは、外部から導入された燃料ガスを内部で分散させ、複数の燃料電池セルに供給するための容器である。
【０００５】
同文献に記載の燃料電池装置においては、マニホールドの天板に複数の貫通孔が形成されており、それぞれの貫通穴の上部には燃料電池セルが立設している。また、燃料電池セルの内部には燃料ガス流路が形成されている。燃料ガス導入部からマニホールドに供給された燃料ガスは、マニホールドの内部で分散した後、マニホールドの貫通孔を通じて各燃料電池セルの燃料ガス流路に供給される。
【０００６】
このような構成の燃料電池装置においては、燃料ガス導入部からマニホールドに対して大流量の燃料ガスを供給し、マニホールド内の圧力を高くすることができるのであれば、各燃料電池セルに供給される燃料ガスの量を容易に均等とすることができる。しかし、燃料電池装置は高効率で運転することを要請されるものであるため、マニホールドに大流量の燃料ガスを供給することはできない。すなわち、発電に必要な最低限の流量で燃料ガスを供給する必要がある。
【０００７】
このように、マニホールドに供給される燃料ガスの流量は小さい。従って、下記特許文献１に記載のようにマニホールドを単なる中空の容器としただけでは、マニホールド内において燃料ガスを均等に分散させることが難しい。その結果、燃料ガス導入部に近い位置に配置された燃料電池セルには十分な燃料ガスが供給される一方、燃料ガス導入部から遠い位置に配置された燃料電池セルには十分な燃料ガスが供給されないという問題が生じてしまう。
【０００８】
そこで、マニホールド内において燃料ガスを十分に分散させるために、これまでに様々な工夫がなされている。例えば、下記特許文献２には、隔壁によってマニホールド内を複数の空間に区画し、当該複数の空間全てを貫くように配置された内部配管から、それぞれの空間に向けて燃料ガスを供給するように構成された燃料電池装置が記載されている。
【０００９】
また、下記特許文献３には、マニホールドの長手方向に沿って配置された内部配管からマニホールド内に噴出した燃料ガスが、当該内部配管の近くに配置された分散促進部によって分散しながら流れるように構成された燃料電池装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−１７５８５３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１８７２３３号公報
【特許文献３】特開２０１１−１６５５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献１のように隔壁を設けたり、上記特許文献２のように分散促進部を設けたりすると、マニホールド内部の構造が複雑化してしまい、マニホールドの組み立てが困難なものとなる。また、燃料電池装置の運転中はマニホールドが高温となるが、マニホールドの内部の構造が複雑化すると、熱膨張によって局所的な応力が発生し、マニホールドが破損してしまう恐れもある。
【００１２】
更に、マニホールドの内部に構造物を最適配置することよって燃料ガスを均等分散させること自体が非常に難しく、どうしても局所的な燃料ガスの滞留等が生じてしまい、一部の燃料電池セルに対する燃料ガスの不足、又は過剰供給が生じてしまう。
【００１３】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、マニホールド内部において燃料ガスを均等に分散させ、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを均等に供給することのできる燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池装置において、内部に燃料ガス流路が形成された複数の燃料電池セルと、燃料ガス導入部から導入された前記燃料ガスを内部で分散させ、複数の前記燃料電池セルに供給するための容器であるマニホールドと、を備え、前記マニホールドは水平な天板を有する円筒形状に形成され、前記天板には、前記燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するための複数の貫通孔が形成されており、複数の前記燃料電池セルが、前記燃料ガス流路の一端を前記貫通孔に接続した状態で前記天板上に配置されているものであって、前記マニホールドは、前記燃料ガス導入部から導入された前記燃料ガスを、前記マニホールドの内部において前記天板と平行に旋回させるガス旋回手段を有し、前記マニホールドは、前記天板の外周部から下方に延び、前記天板と垂直な方向から見た場合に円形に形成された外側壁と、前記外側壁の内側において、前記天板から下方に延び、前記天板と垂直な方向から見た場合に円形に形成された内側壁と、を有しており、前記内側壁の更に内側には、前記燃料ガスが流入しないことを特徴としている。
【００１５】
本発明では、燃料ガス導入部から導入された燃料ガスを内部で分散させ、複数の燃料電池セルに供給するための容器であるマニホールドを備えている。マニホールドの天板には複数の貫通孔が形成されており、各燃料電池セルは、その内部に形成された燃料ガス流路の一端を各貫通孔に接続した状態で、マニホールドの天板上に配置されている。このような構成により、燃料ガス導入部からマニホールド内に導入された燃料ガスは、マニホールド内で分散した後、貫通孔を通じて各燃料電池セルの燃料ガス流路に供給される。
【００１６】
マニホールドは、ガス旋回手段を有している。ガス旋回手段とは、燃料ガス導入部から導入された燃料ガスを、マニホールドの内部において天板と平行に旋回させるものである。ここで、マニホールドは、水平な天板を有する円筒形状、すなわち、円形の側壁を有する形状となっている。このため、上記のような燃料ガスの流れは、かかる側壁に沿って円周方向に旋回する流れともいうことができる。
【００１７】
このように、ガス旋回手段によって、燃料ガスは円筒形状のマニホールド内を円周方向に旋回して流れながら、貫通孔を通じて各燃料電池セルの燃料ガス流路へと供給される。このように旋回する流れにおいては、燃料ガスの局所的な滞留等が発生しにくいため、マニホールド内部において燃料ガスが均等に分散する。その結果、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを均等に供給することができる。
【００１９】
円筒形状のマニホールド内において、燃料ガスが円周方向に旋回して流れると、その流速は中央部から外周部に行くほど（外側壁に近いほど）大きくなる。このため、マニホールドの中央部と外周部との間で、燃料ガスの流速差が大きくなってしまう。また、この流速差は、燃料ガス導入部からマニホールド内に供給される燃料ガスの流量に比例して大きくなる。このため、マニホールド内における燃料ガスの分散が均等ではなくなってしまう可能性がある。
【００２０】
この好ましい態様では、マニホールドは、天板の外周部から下方に延び、天板と垂直な方向から見た場合に円形に形成された外側壁と、外側壁の内側において、天板から下方に延び、天板と垂直な方向から見た場合に円形に形成された内側壁と、を有している。また、マニホールドは、内側壁の更に内側には燃料ガスが流入しないように形成されている。
【００２１】
すなわち、マニホールドは、外側壁と内側壁とによって区画されたドーナツ形状の内部空間を有する容器として形成される。燃料ガスの流速が最も低下しやすい中央部（ドーナツ形状の「穴」に相当する部分）をマニホールドの内部空間から除外することにより、マニホールド内において生じる燃料ガスの流速差が低減される。その結果、燃料ガス導入部から導入される燃料ガスの流量が大きい場合であっても、マニホールド内において燃料ガスを均等に分散させ、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを均等に供給することができる。
【００２２】
また本発明に係る燃料電池装置では、複数の前記貫通孔は、前記マニホールドの中心軸を中心とした複数の円形の列を成すように配置され、前記天板は、内側の列を成す前記貫通孔が形成されている第一領域と、外側の列を成す前記貫通孔が形成されている第二領域と、を有しており、前記第一領域全体の面積に対し、当該領域内に形成されている前記貫通孔の開口面積の総和が占める比率である第一開口率が、前記第二領域全体の面積に対し、当該領域内に形成されている前記貫通孔の開口面積の総和が占める比率である第二開口率よりも高いことも好ましい。
【００２３】
マニホールドの内部空間をドーナツ形状に形成した場合であっても、外側壁近傍における燃料ガスの流速と、内側壁近傍における燃料ガスの流速との差を完全に無くすことはできない。外側壁近傍においては流速が大きいため、遠心力の影響によって、燃料ガスの圧力が内側壁近傍よりも大きくなってしまう。その結果、外側壁近傍の貫通孔から燃料電池セルに供給される燃料ガスの流量は、内側壁近傍の貫通孔から燃料電池セルに供給される燃料ガスの流量よりも大きくなる傾向がある。
【００２４】
この好ましい態様では、マニホールドの天板に形成される貫通穴が、マニホールドの中心軸を中心とした複数の円形の列を成すように配置される。天板のうち、内側の列を成す貫通孔が形成されている領域を第一領域とし、外側の列を成す貫通孔が形成されている領域を第二領域としたときに、第一領域における開口率（第一開口率）が、第二領域における開口率（第二開口率）よりも高くなっている。開口率とは、天板における特定の領域において、当該領域全体の面積に対して、当該領域内に形成されている貫通孔の開口面積の総和が占める比率のことである。
【００２５】
この好ましい態様では、第一開口率が第二開口率よりも高い。このため、天板の内側に形成された第一領域の全体を燃料ガスが通過する際の流路抵抗は、天板の外側に形成された第二領域の全体を燃料ガスが通過する際の流路抵抗よりも小さくなっている。
【００２６】
上記のように、マニホールドの内部のうち第二領域の下方における燃料ガスの圧力は、第一領域の下方における圧力よりも高くなっている。しかし、第一領域の全体を燃料ガスが通過する際の流路抵抗が小さいため、当該圧力差の影響が相殺される。その結果、各貫通孔を通過してそれぞれの燃料電池セルに供給される燃料ガスの流量について、第一領域と第二領域との間で差が生じることが抑制され、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを更に均等に供給することができる。
【００２７】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記燃料電池セルは、前記貫通孔から供給された前記燃料ガスが前記燃料ガス流路を下方から上方に向かって流れるように配置されており、前記燃料電池セルの上端に形成された前記燃料ガスの出口において、発電に寄与しなかった余剰の前記燃料ガスを燃焼させることも好ましい。
【００２８】
この好ましい態様では、燃料電池セルは、貫通孔から供給された燃料ガスが燃料ガス流路を下方から上方に向かって流れるように配置されており、燃料電池セルの上端に形成された燃料ガスの出口において、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスを燃焼させる。
【００２９】
複数の燃料電池セルをマニホールドの天板に配置し、各燃料電池セルの上端において余剰の燃料ガスを燃焼させると、特に中央部分（マニホールドの内側壁近傍に配置された燃料電池セルの先端）の温度が、他の部分の温度よりも高くなる。その結果、当該中央部分における気流の上昇力が強くなり、燃料電池セル内部の燃料ガス流路を下方から上方に向かう燃料ガスの流れが促進されることとなる。
【００３０】
先述のように、ドーナツ形状に形成されたマニホールドの内部空間においては、外側壁近傍における燃料ガスの圧力が、内側壁近傍における圧力よりも大きくなる傾向がある。しかし、内側壁近傍の燃料電池セルにおいては、燃料ガス流路を下方から上方に向かう燃料ガスの流れが促進されるため、当該圧力差の影響が相殺される。その結果、各貫通孔を通過してそれぞれの燃料電池セルに供給される燃料ガスの流量において、内側壁近傍と外側壁近傍との間で差が生じることが抑制され、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを更に均等に供給することができる。
【００３１】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記ガス旋回手段は、前記マニホールドの内部において、前記燃料ガス導入部から導入された前記燃料ガスを前記マニホールドの円周方向に沿って噴射するものであって、前記燃料ガスを噴射する噴射口は、前記内側壁と前記外側壁との中央部から前記内側壁までの領域内に配置されていることも好ましい。
【００３２】
この好ましい態様では、ガス旋回手段は、マニホールドの内部において、燃料ガス導入部から導入された燃料ガスをマニホールドの円周方向に沿って噴射するものである。円筒形状のマニホールドの内部において、円周方向に沿って燃料ガスを噴射するため、旋回する燃料ガスの流れを容易に形成することができる。
【００３３】
先述のように、ドーナツ形状に形成されたマニホールドの内部空間においては、外側壁近傍における燃料ガスの圧力が、内側壁近傍における圧力よりも大きくなる傾向がある。しかし、この好ましい態様では、燃料ガスを噴射する噴射口を、内側壁と外側壁との中央部から前記内側壁までの領域内に配置している。すなわち、燃料ガスの供給源が、マニホールド内のうち、内側壁と外側壁との中央部又は内側壁寄りの領域に配置されることとなる。
【００３４】
その結果、内側壁近傍における圧力と、外側壁近傍における圧力との差が緩和されるため、各貫通孔を通過してそれぞれの燃料電池セルに供給される燃料ガスの流量を、より均等なものとすることができる。
【００３５】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記ガス旋回手段は、前記燃料ガス導入部から導入された前記燃料ガスを、前記マニホールドの内部において、前記マニホールドの円周方向で且つ前記マニホールドの前記天板とは対向する面に向かう方向に噴射するものであることも好ましい。
【００３６】
燃料ガス導入部から導入された燃料ガスをマニホールド内で噴射する場合、かかる噴射により生じた高速の墳流の影響により、天板の貫通孔を経由して各燃料電池セルに供給される燃料ガスの流れの一部が阻害されてしまう場合がある。すなわち、燃料ガスの分散性が悪くなってしまう場合がある。
【００３７】
この好ましい態様では、燃料ガスは、マニホールドの内部において、マニホールドの円周方向で且つマニホールドの天板とは対向する面に向かう方向（すなわち、下方に向かう方向）に噴射される。天板から離れる方向に向かって燃料ガスが噴射されるため、上記のような高速の墳流が、天板の貫通孔を経由して各燃料電池セルに供給される燃料ガスの流れの一部を阻害してしまうことが抑制される。
【００３８】
また、燃料ガスは、マニホールドの下方においてしっかりと旋回流を形成した後に上方に向かい、天板の貫通孔を経由して各燃料電池セルに供給される。このため、マニホールド内における燃料ガスの分散性は更に向上する。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、マニホールド内部において燃料ガスを均等に分散させ、全ての燃料電池セルに対して燃料ガスを均等に供給することのできる燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る燃料電池装置の外観を示した斜視図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面を示した断面図である。
【図３】図１に示した燃料電池装置のマニホールド、及びマニホールドの天板に配置された燃料電池セル集合体を示した斜視図である。
【図４】図１に示した燃料電池装置の内部構造を模式的に示した図である。
【図５】図１に示した燃料電池装置の内部構造を模式的に示した図である。
【図６】図１に示した燃料電池装置の内部構造を模式的に示した図である。
【図７】図１に示した燃料電池装置のハウジングのうち、外郭の構造を示した断面斜視図である。
【図８】図１に示した燃料電池装置のハウジングのうち、内郭の構造を示した断面斜視図である。
【図９】図１に示した燃料電池装置の燃料電池セルを示した斜視図である。
【図１０】図９に示した燃料電池セルのうち、一つの小型セルを示した斜視図である。
【図１１】図９に示した燃料電池セルの断面図である。
【図１２】図９に示した燃料電池セルのうち、小型セル同士の接続部分の構造を示した断面図である。
【図１３】図９に示した燃料電池セルの構造を説明するための分解斜視図である。
【図１４】図９に示した燃料電池セルにおける電流の流れを示す図である。
【図１５】図１に示した燃料電池装置のマニホールドを示した斜視図である。
【図１６】図１５に示したマニホールドの、天板を外した状態を示した斜視図である。
【図１７】図１５に示したマニホールドの天板に形成された貫通孔の配置を示した図である。
【図１８】図１５に示したマニホールドの内部における噴射口の配置を説明するための図である。
【図１９】図１に示した燃料電池装置における、酸化剤ガス供給手段と燃料電池セルとの配置を模式的に示した図である。
【図２０】図１に示した燃料電池装置における、燃料電池セルの配置と酸化剤ガスの流れとを説明するための図である。
【図２１】図１に示した燃料電池装置における、燃料電池セルの配置を示した図である。
【図２２】図９に示した燃料電池セルとは別の実施形態に係る燃料電池セルの、集電部材を示す斜視図である。
【図２３】図１に示した燃料電池装置における、燃料電池セル同士の電気的な接続を説明するための図である。
【図２４】図１に示した燃料電池装置における、燃料電池セル同士の電気的な接続を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００４２】
図１は本発明に係る燃料電池装置１の外観を示した斜視図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面を示した断面図である。図１及び図２に示したように、燃料電池装置１は、円筒形状の収納容器であるハウジング１００の内部に、円筒形状である複数の燃料電池セル３００を収納している。
【００４３】
燃料電池セル３００は、固体酸化物形の燃料電池セルであって、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）との供給を受けて発電するものである。燃料電池セル３００は、それぞれの中心軸が鉛直方向に沿った状態でマニホールド７００の天板７０１上に並設している。全ての燃料電池セル３００は互いに電気的に接続されており、燃料電池セル集合体５００を構成している。
【００４４】
マニホールド７００は円筒形状の容器であって、燃料ガスを内部で分散させた後、複数の燃料電池セル３００に供給するためのものである。図３に示したように、マニホールド７００はその上部において水平な天板７０１を有している。天板７０１には、燃料電池セル３００と同数の貫通孔７０２（図３では不図示）が形成されており、それぞれの燃料電池セル３００が、その下端を貫通孔７０２に接続した状態で立設している。後に詳しく説明するように、各燃料電池セル３００には、その中心軸と平行な貫通孔である燃料供給孔３０５が複数形成されている。これにより、マニホールド７００に供給された燃料ガスが貫通孔７０２から燃料供給孔３０５に流入し、各燃料電池セル３００の内部を下方から上方に向かって流れる構造となっている。
【００４５】
また、図３に示したように、燃料電池セル３００はマニホールド７００の中心軸近くには配置されていない。すなわち、燃料電池セル集合体５００が上面視でドーナツ形状となるように、複数の燃料電池セル３００が配置されている。
【００４６】
続いて、燃料電池装置１の内部を反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）が流れる経路、及び、反応ガスのうち発電に供されなかった残余のガスである排ガスが流れる経路について、図４乃至図６を参照しながら説明する。図４は、燃料電池装置１の内部構造を模式的に示した図である。図４に示したように、ハウジング１００の壁は４重壁となっておりそれぞれ略円筒形状である３つの空間（第一空間１６１、第二空間１８０、第三空間１２１）が、互いに隣接し、上面視で同心円状となるように配置されている。燃料電池装置１は、これら３つの空間をそれぞれ燃料ガス流路、排ガス流路、酸化剤ガス流路として利用している。
【００４７】
まず、燃料ガスが流れる経路について説明する。燃料ガスは、ハウジング１００の壁に形成された３つの空間のうち最も内側に形成された第一空間１６１を流れて、燃料電池セル３００に供給される。図４では、燃料ガス（及び原料ガス）の流れを矢印で示している。
【００４８】
第一空間１６１の内部には、第一空間１６１と中心軸が一致するように配置された円筒形状の仕切り板１６２が固定されている。仕切り板１６２によって、第一空間１６１は外側空間１６１ａと内側空間１６１ｂとに分けられており、外側空間１６１ａと内側空間１６１ｂとは上部で連通した状態となっている。仕切り板１６２の下端は、ハウジング１００の内壁に対して密閉固定されている。
【００４９】
ハウジング１００の内壁（４重壁のうち最も内側の壁）において仕切り板１６２の下端よりも更に下方には、内側から原料ガス供給配管１６４が接続されている。原料ガス供給配管１６４は、改質反応によって燃料ガスを生成するための原料である都市ガス等の原料ガスを、外部から供給するための配管である。このため、原料ガス供給配管１６４により供給される原料ガスは、外側空間１６１ａの下部に供給されることとなる。
【００５０】
また、ハウジング１００の内壁において仕切り板１６２の下端よりも更に下方には、内側から水供給配管１６５が更に接続されている。水供給配管１６５は、水蒸気改質反応に必要となる水を、外部から供給するための配管である。水供給配管１６５が接続された位置は、原料ガス供給配管１６４が接続された位置に対し、ハウジング１００の中心軸を挟んで対向する位置となっている。
【００５１】
水供給配管１６５は、その先端１６６が第一空間１６１の内部において水平方向に突出している。先端１６６の鉛直下方には、第一空間１６１の外側の壁から内側に向かって水平に伸びる蒸発板１６７が配置されている。後に説明するように、第一空間１６１の外側の壁及び蒸発板１６７は、第二空間１８０を流れる排ガスの熱によって高温の状態となっている。このため、水供給配管１６５により外部から供給された水は、先端１６６から蒸発板１６７に滴下した直後、加熱されて水蒸気となる。すなわち、水供給配管１６５の先端１６６と蒸発板１６７とは、水蒸気を発生させるための気化器として機能するものである。
【００５２】
原料ガス供給配管１６４により供給された原料ガスと、蒸発板１６７において発生した水蒸気とは、外側空間１６１ａにおいて混合されながら下方から上方に向かって流れる。その際、隣接する第二空間１８０を流れる排ガスによって加熱されるため、上方に向かって流れるに従って温度が上昇していく。その後、原料ガスと水蒸気との混合ガスは内側空間１６１ｂに流入し、内側空間１６１ｂを上方から下方に向かって流れる。
【００５３】
内側空間１６１ｂのうち、燃料電池セル３００の中央近傍となる高さの位置には、触媒支持板１６８が固定されている。触媒支持板１６８は、金属により形成された水平な板であって、改質触媒９００が落下しないように支持するものである。触媒支持板１６８には複数の貫通孔が形成され、通気性が確保されている。
【００５４】
改質触媒９００は、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものであり、内側空間１６１ｂのうち触媒支持板１６８の上方に多数充填されている。また、改質触媒９００の上端位置は、燃料電池セル３００の上端位置よりも高くなっている。尚、触媒金属を担持させる対象の材質はアルミナに限られず、燃料電池の作動温度域である６００℃以上の温度において使用可能な種々の材質を採用することができる。このような材質としては、例えば、コージェライトや耐熱ステンレス等が挙げられる。
【００５５】
内側空間１６１ｂを流れる混合ガスは、改質触媒９００の表面に触れながら、上方から下方に向かって流れる。改質触媒９００は、第二空間１８０を流れる排ガスの熱と、燃料電池セル３００の発電熱、及び、燃料電池セル３００の先端における燃焼熱によって加熱された状態となっている。このため、化学反応式（１）に示す反応（水蒸気改質反応）が進行し、原料ガスは、水素リッチな燃料ガスに改質される。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （１）
【００５６】
改質触媒９００における改質反応により生成された燃料ガスは、触媒支持板１６８の貫通孔を通過した後、内側空間１６１ｂを更に下方に向かって流れる。ハウジング１００の内壁のうち、仕切り板１６２の下端が固定されている部分の上部、すなわち、内側空間１６１ｂの下端となる部分の内側には、二つのＬ字管１６９ａ、１６９ｂの一端がそれぞれ接続されている。Ｌ字管１６９ａ、１６９ｂのそれぞれの他端は、マニホールド７００の底板７０５に接続されている。このため、内側空間１６１ｂとマニホールド７００とが、Ｌ字管１６９ａ、１６９ｂによって連通した状態となっている。
【００５７】
燃料ガスは、内側空間１６１ｂの下端からＬ字管１６９ａ、１６９ｂを通ってマニホールド７００に流入し、マニホールド７００の内部で分散した後、各燃料電池セル３００の燃料供給孔３０５に供給される。燃料ガスは、燃料供給孔３０５を下方から上方に向かって流れながら、燃料電池セル３００の発電のために消費される。発電のために消費されなかった残余の燃料ガスは、燃料電池セル３００の上端から放出された直後、発電のために消費されなかった残余の酸化剤ガスと混合されて燃焼する。
【００５８】
次に、酸化剤ガスが流れる経路について、図５を参照しながら説明する。図５は、図４と同様に、燃料電池装置１の内部構造を模式的に示した図である。酸化剤ガスは、ハウジング１００の壁に形成された３つの空間のうち最も外側に形成された第三空間１２１を流れて、燃料電池セル３００に供給される。図５では、酸化剤ガスの流れを矢印で示している。
【００５９】
第三空間１２１は、円筒形状の空間である円筒空間１２１ａと、円盤形状の空間である円盤空間１２１ｂとを有している。円盤空間１２１ｂは、その外周部分が円筒空間１２１ａの上端に接続されており、円筒空間１２１ａと連通した空間となっている。
【００６０】
ハウジング１００の外壁（４重壁のうち最も外側の壁）の下部には、酸化剤ガス供給配管１２２が外側から接続されている。酸化剤ガス供給配管１２２は、燃料電池セル３００に供給する酸化剤ガスを第三空間１２１に供給するための配管である。このため、酸化剤ガスは、円筒空間１２１ａの下部に供給されることとなる。
【００６１】
酸化剤ガス供給配管１２２により供給された酸化剤ガスは、隣接する第二空間１８０を流れる排ガスによって加熱され次第に温度を上昇させながら、円筒空間１２１ａを下方から上方に向かって流れる。その後、円筒空間１２１ａの上端に達した酸化剤ガスは円盤空間１２１ｂに流入し、円盤空間１２１ｂの外周から中心に向かって流れる。
【００６２】
ハウジング１００の中央部には、ハウジング１００の上部から鉛直下方に向かって延びる酸化剤ガス供給管８００が配置されている。酸化剤ガス供給管８００は、各燃料電池セル３００の外側面に向けて酸化剤ガスを噴射し供給するための円筒形状の管であって、その中心軸が各燃料電池セル３００の中心軸と平行となるように配置されている。酸化剤ガス供給管８００は、上端が円盤空間１２１ｂに連通し、下端が封止されている。酸化剤ガス供給管８００の下部における側面には、複数の噴射口８０１が形成されている。
【００６３】
このような構成により、円盤空間１２１ｂの外周から中心に向かって流れた酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管８００に流入し、酸化剤ガス供給管８００の内部を上方から下方に向かって流れる。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管８００の内部に到達した後、複数の噴射口８０１から水平方向に噴射される。
【００６４】
後に説明するように、燃料電池セル３００の外側面には空気極層が形成されている。このため、噴射口８０１から水平方向に噴射された酸化剤ガスは、各燃料電池セル３００の外側面に沿って上昇しながら各空気極層に供給され、燃料電池セル３００の発電のために消費される。発電のために消費されなかった残余の酸化剤ガスは、燃料電池セル３００の上端に到達した後、発電のために消費されなかった残余の燃料ガスと混合されて燃焼する。
【００６５】
次に、排ガスが流れる経路について、図６を参照しながら説明する。排ガスとは、燃料ガス及び酸化剤ガスのうち発電に供されなかった残余のガスのことである。また、本実施形態では燃料電池セル３００の上部において残余の燃料ガス及び酸化剤ガスを混合し燃焼させているが、かかる燃焼によって生じた二酸化炭素等のガスも排ガスと称する。
【００６６】
図６は、図４と同様に、燃料電池装置１の内部構造を模式的に示した図である。排ガスは、ハウジング１００の壁に形成された３つの空間のうち、第一空間１６１と第三空間１２１との間に挟まれた空間である第二空間１８０を流れて、外部に排出される。図６では、排ガスの流れを矢印で示している。
【００６７】
第二空間１８０は、円筒空間１２１ａと外側空間１６１ａとに挟まれた円筒形状の空間であって、その中心軸が、円筒空間１２１ａの中心軸、及び外側空間１６１ａの中心軸と一致するように形成されている。排ガスは、燃料電池セル３００の上端部近傍からハウジング１００の内部を上昇した後、第一空間１６１の上端と円盤空間１２１ｂの下端とに挟まれた隙間１８１を通過し、第二空間１８０の上部に流入する。このときの排ガスは、燃料電池セル３００の発電熱や残余の反応ガスの燃焼熱の影響により、高温の状態となっている。
【００６８】
その後、排ガスは第二空間１８０を上方から下方に向かって流れる。その際、隣接する円筒空間１２１ａを流れる酸化剤ガス、及び、外側空間１６１ａを流れる混合ガスに熱を奪われるため、第二空間１８０を上方から下方に流れるに従って排ガスの温度は次第に下がっていく。第二空間１８０の下部には、排ガス排出配管１８２が外側から接続されている。第二空間１８０の下部に到達した排ガスは、排ガス排出配管１８２を通じて外部に排出される。
【００６９】
続いて、ハウジング１００の詳細な構造について、図７及び図８を参照しながら説明する。ハウジング１００は、外郭１２０と内郭１６０という二つのユニットにより構成されている。図７は、外郭１２０の構造を示した断面斜視図である。図８は、内郭１６０の構造を示した断面斜視図である。
【００７０】
まず、外郭１２０の構造について説明する。図７に示したように、外郭１２０は、第一円筒１３０と、第一円筒１３０の内部に配置された第二円筒１３１とにより、二重管のユニットとして形成されている。第一円筒１３０と第二円筒１３１とは、中心軸が一致するように配置されており、両者の間に挟まれた空間として、既に説明した円筒空間１２１ａを形成している。
【００７１】
第一円筒１３０の上端には水平な天板１３２を備えており、天板１３２が第一円筒１３０の上端を塞いでいる。同様に、第二円筒１３１の上端には、水平な天板１３３を備えており、天板１３３が第二円筒１３１の上端を塞いでいる。天板１３２と天板１３３との間に挟まれた空間として、既に説明した円盤空間１２１ｂを形成している。
【００７２】
第一円筒１３０の下端からは、内側の第二円筒１３１に向かって水平に延びる底板１３４が形成されており、底板１３４の内周部と第二円筒１３１の下端とが溶接により密閉固定されている。このため、第一円筒１３０、第二円筒１３１、天板１３２、及び天板１３３は、一体のユニットとなっている。
【００７３】
第二円筒１３１の下端からは、外方に向けて水平に延びるように、第一フランジ１３５が形成されている。第一フランジ１３５は、上面視で円形のフランジであって、その中心位置が第二円筒１３１の中心軸上となるように形成されている。第一フランジ１３５には複数のボルト穴１３６が貫通形成されており、これらボルト穴１３６にボルトを挿入し締結することによって、外郭１２０をベース板ＢＳに対して固定することが可能となっている。
【００７４】
第一円筒１３０の下部には酸化剤ガス供給配管１２２が溶接により固定されており、酸化剤ガス供給配管１２２と円筒空間１２１ａとが連通している。また、第二円筒１３１の下部であって底板１３４よりも下方の位置には、排ガス排出配管１８２が溶接により固定されており、排ガス排出配管１８２と第二円筒１３１の内側の空間とが連通している。
【００７５】
後に説明するように、第二円筒１３１の内側に内郭１６０を配置することによってハウジング１００が構成されるが、その際、第二円筒１３１と内郭１６０とに挟まれた空間として第二空間１８０が形成される。このため、ハウジング１００においては、排ガス排出配管１８２と第二空間１８０とが連通した状態となる。
【００７６】
続いて、内郭１６０の構造について説明する。図８に示したように、内郭１６０は、第三円筒１７０と、第三円筒１７０の内部に配置された第四円筒１７１とにより、二重管のユニットとして形成されている。第三円筒１７０と第四円筒１７１とは、中心軸が一致するように配置されており、両者の間に挟まれた空間として、既に説明した第一空間１６１を形成している。
【００７７】
第三円筒１７０の上端と、第四円筒１７１の上端とは同じ高さとなっており、両者は水平な天板１７２により接続されている。また、第三円筒１７０の下端と、第四円筒１７１の下端とは同じ高さとなっており、両者は水平な底板１７３により接続されている。このように、第三円筒１７０と第四円筒１７１とにより挟まれた空間である第一空間１６１は、その上端が天板１７２により塞がれており、下端が底板１７３により塞がれている。第三円筒１７０、第四円筒１７１、天板１７２、及び底板１７３、一体のユニットとなっている。
【００７８】
内郭１６０の下端からは、外方に向けて水平に延びるように形成された第二フランジ１７５が形成されている。第二フランジ１７５は、上面視において第一フランジ１３５と同一形状である円形のフランジであって、その中心位置が第四円筒１７１の中心軸上となるように形成されている。第二フランジ１７５には複数のボルト穴１７６が貫通形成されている。ボルト穴１７６は、第一フランジ１３５に形成されたボルト穴１３６と同一の配置となるように形成されている。
【００７９】
第四円筒１７１のうち仕切り板１６２の下端よりも下方には、内側から原料ガス供給配管１６４、及び水供給配管１６５が接続され、それぞれ溶接固定されている。また、第四円筒１７１のうち仕切り板１６２の下端よりも上方には、内側空間１６１ｂに連通するように円筒形状の配管１７７ａ、１７７ｂ（配管１７７ｂは不図示）が形成されている。配管１７７ａ、１７７ｂは、それぞれＬ字型の継手を接続することにより、Ｌ字管１６９ａ、１６９ｂを形成するための配管である。
【００８０】
第四円筒１７１のうち、配管１７７ａ、１７７ｂよりも上方には、マニホールド設置台１７８が形成されている。マニホールド設置台１７８は、マニホールド７００の重量を下方から支えるため水平な板であって、第四円筒１７１から内側に向かって水平に延びており、その外周部は第四円筒１７１に溶接固定されている。マニホールド設置台１７８の中央は大きく開口しており、Ｌ字管１６９ａ、１６９と干渉しないようになっている。
【００８１】
図４を再び参照しながら説明する。図４に示したように、ハウジング１００は、互いの中心軸を一致させた状態で、第二円筒１３１の内部に内郭１６０を配置することにより構成されている。すなわち、外郭１２０の内部に内郭１６０を配置することにより構成されている。
【００８２】
外郭１２０の第一フランジ１３５と内郭１６０の第二フランジ１７５との間には、円形のシール部材１０１が配置されており、第二空間１８０を流れる排ガスが外部に流出することがシール部材１０１によって防止されている。シール部材１０１は、マイカを成分に含む耐熱性のシールリングである。
【００８３】
シール部材１０１は、その厚さ（高さ）が一様な薄板形状となっている。このため、外郭１２０と内郭１６０との鉛直方向（中心軸方向）による相対位置が、シール部材１０１によって規定されている。すなわち、シール部材１０１が高さ規制部材として機能している。
【００８４】
第二空間１８０における排ガスの流れを適切且つ一様とするには、隙間１８１の高さが適切且つ一様となるように、外郭１２０と内郭１６０との相対位置を調整する必要がある。本実施形態では上記のように、シール部材１０１によってかかる相対位置が規定されるため、組み立て時における外郭と内郭との位置合わせ作業を容易に行うことが可能となっている。
【００８５】
また、第二空間１８０における排ガスの流れを一様とするには、外郭１２０の中心軸と内郭１６０の中心軸とが一致するように位置合わせを行うことが必要となる。本実施形態においては、外郭１２０の下端から外方に向けて延びるように形成された第一フランジ１３５と、内郭１６０の下端から外方に向けて延びるように形成された第二フランジ１７５とを有している。外郭１２０の中心軸と内郭１６０の中心軸が一致した状態においては、第一フランジ１３５の外周部と第二フランジ１７５の外周部とが上面視で一致するように、これらのフランジが形成されている。
【００８６】
このような構成により、ハウジング１００の組み立て時においては、第一フランジ１３５の外周部と第二フランジ１７５の外周部とが一致することを目視で確認することにより、外郭１２０と内郭１６０との水平方向における相対位置を容易に一致させることができる。また、目視による確認の他、鉛直方向と平行な面を有する治具を側方から同時に当てることによって、外郭と内郭との水平方向における相対位置を一致させることもできる。
【００８７】
ハウジング１００においては、第二空間１８０を流れる排ガスが、第一空間１６１を流れる原料ガス及び燃料ガスと、第三空間１２１を流れる酸化剤ガスとを加熱している。すなわち、ハウジング１００の壁を３重壁とすることにより、熱交換器として利用している。
【００８８】
更に、二重管のユニットとして形成された外郭１２０及び内郭１６０を組み合わせることによりハウジング１００を構成している。外郭１２０及び内郭１６０は、いずれも構造が比較的単純な二重管のユニットであるため、それぞれ容易に組み立てることができる上、その設計自由度も高い。壁の内部に形成される流路を、流れるガスの種類等に応じて最適なものとすることができる。
【００８９】
ハウジング１００は、外郭１２０の内部に内郭１６０を配置することにより組み立てられる。４つの円筒を溶接等により一つずつ接合しながらハウジングを組み立てるような場合と比較すると、本発明では上記のように、予め作成した外郭１２０及び内郭１６０という二つのユニットを組み合わせて配置するという単純な作業により、多重管であるハウジング１００を容易に組み立てることが可能となっている。
【００９０】
燃料電池装置１では、第一空間１６１の一部には改質触媒９００が配置されており、第一空間１６１を燃料ガスが流れる流路として利用している。ハウジング１００の壁に形成された第一空間１６１の一部に改質触媒９００を配置しているため、原料ガスを改質して燃料ガスとするための改質器を別途設ける必要がない。その結果、燃料電池装置１はコンパクトなものとなっており、燃料電池装置１の組み立て作業が容易なものなっている。
【００９１】
また、燃料ガスが流れる第一空間１６１は、ハウジング１００の壁に形成された空間のうち最も内側の空間である。このため、第一空間１６１を流れる燃料ガスは、隣接する第二空間１８０を流れる排ガスによって加熱されるだけでなく、第四円筒１７１を介して燃料電池セルの発電熱によっても加熱されることとなる。その結果、改質触媒９００における吸熱反応に伴う燃料ガスの温度低下を抑制している。
【００９２】
ハウジング１００のうち、水供給配管１６５の先端１６６と蒸発板１６７とは、上記のように水蒸気を発生させるための気化器として機能している。このため、水蒸気を発生させるための気化器を別途設ける必要がない。その結果、燃料電池装置１は更にコンパクトなものとなっており、燃料電池装置１の組み立て作業は更に容易なものとなっている。
【００９３】
また、気化器として機能する水供給配管１６５の先端１６６と蒸発板１６７とは、第一空間１６１のうち改質触媒９００が配置された位置よりも下方に配置されている。換言すれば、排ガスの流路である第二空間１８０の流路方向における下流側となる位置に形成されている。その結果、第二空間１８０を流れる排ガスは、上流側において先ず改質触媒９００を加熱し、その後、下流側において蒸発板１６７等を加熱することとなる。
【００９４】
改質反応は高温で発生する吸熱反応であるため、改質触媒９００には多量の熱を供給する必要がある。一方、蒸発板１６７等は水を気化させる程度の熱しか必要としないため、蒸発板１６７等に供給する熱は改質触媒に比べて少量でよい。ハウジング１００においては、それぞれが必要とする熱量に応じて適切な温度の排ガスに触れるよう、改質触媒９００と蒸発板１６７等とを配置しているため、排ガスの熱を有効に利用することができ、燃料電池装置１全体の運転効率を向上させている。
【００９５】
次に、図９乃至図１４を参照しながら、燃料電池セル３００について説明する。図９は、一本の燃料電池セル３００を示した斜視図である。本実施形態においては、円筒形状からなる複数の小型セル３０１をその中心軸に沿って一直線状に配置することにより、一本の燃料電池セル３００を構成している。小型セル３０１は、それぞれが燃料極支持体３０２、電解質層３０３、空気極層３０４を備えたセルとなっており、一本の燃料電池セル３００においては、複数の小型セル３０１を間に集電部材３１０を介して電気的に直列接続した状態となっている。すなわち、燃料電池セル３００は連結円筒型と称されるものであり、１Ｖを超える高い発電電圧において電力を出力することが可能となっている。
【００９６】
燃料電池セル３００の上部にはアノードキャップ３５０が配置されている。アノードキャップ３５０は、最も上方に配置された小型セル３０１の上端に接続された金属製のキャップである。また、燃料電池セル３００の下部にはカソードキャップ３７０が配置されている。カソードキャップ３７０は、最も下方に配置された小型セル３０１の下端に接続された金属製のキャップである。アノードキャップ３５０及びカソードキャップ３７０は、燃料電池セル３００からの電力を取り出したり、他の燃料電池セル３００と電気的に接続したりする際における電極端子として機能する。
【００９７】
小型セル３０１の構造について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、燃料電池セル３００のうち一つの小型セル３０１を示した斜視図である。小型セル３０１は、円筒形状の多孔質材により形成された燃料極支持体３０２と、その側面のほぼ全体に形成された電解質層３０３と、電解質層３０３の表面に形成された空気極層３０４とを有している。
【００９８】
小型セル３０１は固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、燃料極支持体３０２を構成する材料としては、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トとの混合体といった材料が用いられる。
【００９９】
電解質層３０３を構成する材料としては、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といった酸素イオン導電性酸化物が用いられる。
【０１００】
空気極層３０４を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる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から選ばれる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から選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、燃料極支持体３０２や電解質層３０３及び空気極層３０４を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【０１０１】
図１０に示したように、燃料極支持体３０２には、その中心軸と平行に貫通形成された複数の燃料供給孔３０５が、当該中心軸を囲むように円形に配置されている。燃料供給孔３０５は、マニホールド７００から供給された燃料ガスの通路として機能するものである。燃料供給孔３０５は多孔質材により形成されているため、燃料ガスは燃料供給孔３０５を通過しながら一部が電解質層の近傍まで到達し、発電のために消費されることとなる。
【０１０２】
燃料極支持体３０２のうちその中心軸の周りの部分は、燃料供給孔３０５に囲まれた略円柱形状の領域となっている。当該領域は、貫通孔が形成されていないため、中実の状態であるということができる。以下の説明では、この略円柱形状の中実部分を中実円柱部３０６と称し、その端面を中実面３０７と称することがある。図１０では、中実円柱部３０６と他との境界（すなわち、中実面３０７の外周部分）を、点線Ｂで示している。
【０１０３】
電解質層３０３は、小型セル３０１の軸方向端部近傍において、その表面に空気極層３０４が形成されていない露出部３０８ａ、３０８ｂを有している。露出部３０８ａは小型セル３０１の下端部近傍に形成されている部分であり、露出部３０８ｂは小型セル３０１の上端部近傍に形成されている部分である。小型セル３０１の中心軸方向に沿った露出部３０８ａの長さは、同方向に沿った露出部３０８ｂの長さよりも短くなるように形成されている。
【０１０４】
小型セル３０１同士の接続方法について説明する。図１１は燃料電池セル３００の断面図である。図１２は図１１の一部を拡大したものであって、小型セル３０１同士の接続部分の構造を示した断面図である。図１３は、燃料電池セル３００の構造を説明するための分解斜視図であって、一つの小型セル３０１の近傍における集電部材３１０等の配置を示している。
【０１０５】
特に図１３で明らかなように、集電部材３１０は、円筒形状の周壁部３１１と、周壁部３１１の一端側に形成された略円盤形状の水平壁部３１２を有している。周壁部３１１のうち水平壁部３１２が形成されていない方の端部は開放端となっている。
【０１０６】
周壁部３１１は、その内径が空気極層３０４と略一致するように形成されている。また、周壁部３１１の軸方向における長さは、露出部３０８ａの長さ（小型セル３０１の中心軸方向に沿った長さ）よりも長い。燃料電池セル３００においては、集電部材３１０よりも上部に配置された小型セル３０１の露出部３０８ａが周壁部３１１の内部に挿入され、周壁部３１１の内側のうち上部が、当該小型セル３０１の空気極層３０４に接触した状態となっている。
【０１０７】
水平壁部３１２の中央には、周壁部３１１が延びる方向とは反対側に突出した平面を成す中央凸部３１３が形成されている。水平壁部３１２のうち中央凸部３１３の周囲の部分は、中央凸部３１３と略平行な平面となっている。中央凸部３１３は、中実面３０７よりも僅かに小さい円形の平面であって、燃料電池セル３００においては、集電部材３１０よりも下部に配置された小型セル３０１の中実面３０７が、中央凸部３１３に接触した状態となっている。
【０１０８】
このように、上下に隣り合う小型セル３０１同士の間に集電部材３１０が配置されることにより、上部の小型セル３０１の空気極層３０４と、下部の小型セル３０１の燃料極支持体３０２（中実面３０７）とが、電気的に接続されている。その結果、燃料電池セル３００を構成する全ての小型セル３０１が、電気的に直列に接続された状態となっている。
【０１０９】
このような構成により、各小型セル３０１における発電により生じた電流は、燃料電池セル３００の軸方向に沿って流れる。図１４は、燃料電池セル３００における電流の流れを示す図である。図１４に示したように、発電により生じた電流は、燃料極支持体３０２の中実円柱部３０６をその軸方向に沿って流れ、中実面３０７に到達する。その後、集電部材３１０の中央凸部３１３から水平壁部３１２を通って周壁部３１１に到達し、上部に配置された小型セル３０１の空気極層３０４に流入する。
【０１１０】
このように、燃料電池セル３００では、貫通孔の形成されていない中実円柱部３０６を電流経路の一部として利用しており、中実円柱部３０６をその中心軸方向に沿って電流が流れる。このため、電流経路の断面積を広く確保しており、ジュール熱による損失を低減している。また、集電部材３１０は、各小型セル３０１の両端ではなく一端においてのみ空気極層３０４と接する（空気極層３０４の一部を覆う）ため、空気極層３０４の広い部分を発電に寄与させている。
【０１１１】
小型セル３０１同士の電気的な接続は以上のとおりであるが、次に、物理的な接続方法（固定方法）について説明する。燃料電池セル３００では、小型セル３０１と、その下方に配置された集電部材３１０との間に、円形のガラスリング３２０ａを配置している。また、集電部材３１０と、その下方に配置された小型セル３０１との間に、円形のガラスリング３２０ｂを配置している。
【０１１２】
燃料電池セル３００の製造時においては、これらのガラスリング３２０ａ、３２０ｂを加熱して一度溶融させており、溶融したガラスによって集電部材３１０と小型セル３０１とが濡れた状態となった後、常温に戻している。その結果、ガラスリング３２０ａ、３２０ｂによって各集電部材３１０と各小型セル３０１とが接着固定されている。
【０１１３】
集電部材３１０と小型セル３０１とが円還状のガラスにより接着固定されているため、燃料電池セル３００が発電に伴って高温となり熱膨張した場合においても、集電部材３１０と小型セル３０１との電気的な接続を保ち、燃料電池セル３００の発電性能を維持することができる。また、集電部材３１０と小型セル３０１との間が中心軸の周りに連続的に（円還状に）シールされるため、燃料供給孔３０５を通過する燃料ガスの外部への漏洩や、外部からの酸化剤ガスの侵入を防止することができる。
【０１１４】
集電部材３１０の上部（周壁部３１１の内側）に配置されるガラスリング３２０ａは、上部に配置された小型セル３０１の燃料極支持体３０２と集電部材３１０とを電気的に絶縁する機能も有している。また、集電部材３１０の下部（中央凸部３１３の外側）に配置されるガラスリング３２０ｂは、下部に配置された小型セル３０１の空気極層３０４と集電部材３１０とを電気的に絶縁する機能も有している。このように、ガラスリング３２０ａ、３２０ｂによって、隣り合う小型セル３０１の燃料極支持体３０２同士、又は空気極層３０４同士が電気的に接続（接触）されてしまうことを確実に防止している。その結果、隣り合う小型セル３０１同士が電流損失を生じることなく電気的に直列に接続されるため、発電効率が向上している。
【０１１５】
集電部材３１０の水平壁部３１２のうち、中央凸部３１３の周囲には、中央凸部３１３を囲むように複数の貫通孔３４０が形成されている。また、これら複数の貫通孔３４０は、各燃料供給孔３０５と対応する位置に形成され、燃料供給孔３０５と同じ個数となるよう形成されている。
【０１１６】
このため、燃料供給孔３０５を流れる燃料ガスは、貫通孔３４０を自由に通過することができ、集電部材３１０その流れを遮ってしまうことがない。また、上記のような貫通孔３４０の配置は、燃料ガスの流路を確保することを目的とした必要最小限の配置ということができる。このため、貫通孔３４０を無駄に形成することによって集電部材３１０の剛性が低下してしまうことがない。
【０１１７】
次に、燃料電池セル３００の製造方法について説明する。燃料電池セル３００は、焼結済みの小型セル３０１を複数個用意し、間に集電部材３１０を介した状態でこれらをガラス接合することにより製造される。尚、各小型セル３０１を製造する方法については、従来の円筒型燃料電池セルの製造方法と変わることがなく、一般的に行われている浸漬塗布法等を用いることができるため、具体的な説明を省略する。
【０１１８】
まず、焼結済みの小型セル３０１のうちの一つを、その中心軸が鉛直方向に沿うように配置する。このとき、露出部３０８ａが下方となり、露出部３０８ｂが上方となるように配置する（第一セル配置工程）。
【０１１９】
続いて、第一セル配置工程で配置された小型セル３０１の上部端面に、ガラスリング３２０ｂを設置する（第一絶縁部材配置工程）。図１３に示したように、ガラスリング３２０ｂは、その下部に配置される小型セル３０１の端面に接する端面被覆部３３１ｂと、端面被覆部３３１ｂの外周部から当該小型セル３０１の中心軸方向に沿って延び、小型セル３０１の側面に接する側面被覆部３３２ｂとを有している。すなわち、ガラスリング３２０ｂは、その断面がＬ字状となるように形成されており、小型セル３０１の上部端面に配置された際、小型セル３０１の端面と側面との２面に渡って被覆した状態となる。
【０１２０】
ガラスリング３２０ｂが上記のように形成されているため、集電部材３１０と小型セル３０１の接続部分から、燃料供給孔３０５を通過する燃料ガスが漏洩することを確実に防止している。また、側面被覆部３３２ｂが小型セルの側面を囲むように配置されているため、第一絶縁部材配置工程においてガラスリング３２０ｂが水平方向（中心軸方向と平行な方向）にずれてしまうことが防止される。その結果、燃料電池セル３００の製造作業が容易なものとなっている。
【０１２１】
更に、後に説明する加熱工程においてガラスリング３２０ｂが加熱されて溶融した際、側面被覆部３３２ｂの部分が呼び水となって端面被覆部３３１ｂが外周側に引かれることとなる。その結果、端面被覆部３３１ｂが内側（中心軸側）に流れて燃料供給孔３０５を塞いでしまうことが防止される。
【０１２２】
ガラスリング３２０ｂを設置した後、小型セル３０１の上部端面のうちガラスリング３２０ｂの内側の部分には、絶縁リング３３０ｂを配置する。絶縁リング３３０ｂは、ガラスリング３２０ｂよりも融点の高い絶縁材料によって形成された、矩形断面を有する円環状の部材である。絶縁リング３３０ｂの外径は端面被覆部３３１ｂの内径と略同一である。また、絶縁リング３３０ｂは、小型セル３０１の上部端面において燃料供給孔３０５を塞がないように、その内径が決められている。すなわち、絶縁リング３３０ｂの内周部よりも内側に、全ての燃料供給孔３０５が配置された状態となっている。また、絶縁リング３３０ｂの厚さは、溶融前におけるガラスリング３２０ｂの厚さよりも僅かに薄くなっている。
【０１２３】
このように配置された絶縁リング３３０ｂは、後に説明する加熱工程においてガラスリング３２０ｂが加熱されて溶融した際においても自らは溶融せず、固体の状態を維持する。このため、溶融したガラスリング３２０ｂが内側（中心軸側）に流れて燃料供給孔３０５を塞いでしまうことが防止される。
【０１２４】
ガラスリング３２０ｂは、上記のように内側に流れることが規制されている一方、外側に向かって（中心軸から遠ざかる方向に向かって）流れることは何ら規制されておらず、許容されている。すなわち、ガラスリング３２０ｂを密閉した空間に閉じ込めること等によって全ての方向に流れることを規制するのではなく、小型セル３０１の中心軸から遠ざかる方向に流れることは許容している。このため、ガラスリング３２０ｂが熱膨張した状態であっても、無理な力を加えることなくその流れ方向が規制される。その結果、ガラスリング３２０ｂは燃料供給孔３０５から遠ざかる方向にのみ流れることとなるため、燃料供給孔３０５を塞いでしまうことを確実に防止している。
【０１２５】
尚、本実施形態においては、ガラスリング３２０ｂと絶縁リング３３０ｂとが別体となっており、それぞれ個別に小型セル３０１の上部端面に設置する例を説明したが、ガラスリング３２０ｂと絶縁リング３３０ｂとは一体のものとして用意してもよい。すなわち、端面被覆部３３１ｂの内周面と、絶縁リング３３０ｂの外周面とが接触した状態で、ガラスリング３２０ｂと絶縁リング３３０ｂとが一体に形成されていてもよい。このような構成とすることにより、燃料電池セル３００の製造時において、ガラスリング３２０ｂと絶縁リング３３０ｂとを一体として取り扱うことができ、製造時の作業性を向上させることができる。また、ガラスリング３２０ｂと絶縁リング３３０ｂとの位置合わせ作業が省略されるため、製造時の作業性は更に向上する。
【０１２６】
続いて、絶縁材料によって棒状に形成されたシャフトを２本準備する（シャフト準備工程）。これらシャフトは、後の工程において、複数の小型セル３０１、及び複数の集電部材３１０が水平方向等に位置ずれしないように、燃料供給孔３０５及び貫通孔３４０を貫通した状態で配置されるものである。シャフトは、燃料電池セル３００よりも長く形成され、一本の燃料電池セル３００を構成する全ての小型セル３０１及び全ての集電部材３１０を貫いた状態とすることが可能となっている。このようなシャフトは、ガラスリング３２０ａ、３２０ｂよりも融点が高く、且つ、燃料極支持体３０２を固体拡散等によって汚染しないような材質のものが使用できる。
【０１２７】
続いて、第一セル配置工程で配置された小型セル３０１のうち、二つの燃料供給孔３０５に対して、それぞれ上記シャフトを挿入する（シャフト挿入工程）。このとき、二本のシャフトの上端は、いずれも燃料供給孔３０５から上方に向けて大きく突出した状態となっている。
【０１２８】
続いて、第一絶縁部材配置工程で配置されたガラスリング３２０ｂの上部に、集電部材３１０を配置する（集電部材配置工程）。集電部材３１０は、中央凸部３１３が下方となり、周壁部３１１が上方となるように配置される。また、中央凸部３１３の中心が小型セル３０１の中心軸状となるように配置される。
【０１２９】
このとき、シャフト挿入工程において二つの燃料供給孔３０５に対し挿入されたシャフトが、いずれも、集電部材３１０に形成された貫通孔３４０を貫通した状態となるように、集電部材３１０を配置する。このような状態とすることにより、以後の工程において、貫通孔３４０が燃料供給孔３０５の直上となる位置からずれてしまうことが防止される。
【０１３０】
続いて、集電部材配置工程で配置された集電部材３１０の上部（水平壁部３１２の上部であって、周壁部３１１の内周側）に、ガラスリング３２０ａを配置する（第二絶縁部材配置工程）。ガラスリング３２０ａは、ガラスリング３２０ｂと同一形状、同一素材からなるものであり、その上部に配置される小型セル３０１の端面に接する端面被覆部３３１ａと、端面被覆部３３１ａの外周部から当該小型セル３０１の中心軸方向に沿って延び、小型セル３０１の側面に接する側面被覆部３３２ａとを有している。
【０１３１】
ガラスリング３２０ａを設置した後、集電部材３１０の上部のうちガラスリング３２０ａの内側の部分には、絶縁リング３３０ａを配置する。絶縁リング３３０ａは、絶縁リング３３０ｂと同一形状、同一素材からなるものであり、絶縁リング３３０ａの外径は端面被覆部３３１ａの内径と略同一である。絶縁リング３３０ａの厚さは、溶融前におけるガラスリング３２０ａの厚さよりも僅かに薄くなっている。
【０１３２】
尚、ガラスリング３２０ａの断面がＬ字状となるように形成した効果、及び、その内側に絶縁リング３３０ａを配置した効果については、それぞれガラスリング３２０ｂ、絶縁リング３３０ｂについて説明したものと同一であるため、説明を省略する。
【０１３３】
続いて、第一セル配置工程で配置した小型セル３０１とは別の小型セル３０１を、集電部材配置工程で配置された集電部材３１０の上部において、その中心軸が鉛直方向に沿うように配置する（第二セル配置工程）。このとき、露出部３０８ａが下方となり、露出部３０８ｂが上方となるように配置する。また、また、当該小型セル３０１の中心軸が、第一セル配置工程で配置した小型セル３０１の中心軸と一致するように配置される。
【０１３４】
このとき、シャフト挿入工程において挿入されたシャフトが、いずれも、当該小型セル３０１に形成された燃料供給孔３０５を貫通した状態となるように、小型セル３０１を配置する。このとき、当該小型セル３０１は、シャフトによってガイドされながらガラスリング３２０ａの上部に配置される。
【０１３５】
その結果、以降の工程においては、この第二セル配置工程で配置された小型セル３０１の燃料供給孔３０５が、その下方に配置された小型セル３０１の燃料供給孔３０５に対応する位置からずれてしまうことが確実に防止される。
【０１３６】
すなわち、これらシャフトは、互いに隣り合う二つの小型セル３０１において、それぞれに形成された燃料供給孔３０５同士が直線状に連通した状態を維持するための、位置ずれ防止手段として機能するものである。
【０１３７】
尚、本実施形態においては、燃料極支持体３０２に形成されている燃料供給孔３０５にシャフトを挿入する例を説明したが、シャフトを挿入する対象は、必ずしも既存の燃料供給孔３０５である必要はない。例えば、燃料供給孔３０５とは別に、シャフトを挿入するための専用の孔を燃料極支持体３０２に形成し、これにシャフトを挿入することとしてもよい。この場合、接続工程が完了した後において、シャフトは必ずしも取り外す必要はない。
【０１３８】
以降は、以上の説明における第一セル配置工程、第一絶縁部材配置工程、集電部材配置工程、第二絶縁部材配置工程、及び第二セル配置工程を、一本の燃料電池セル３００が有する小型セル３０１の個数に応じて繰り返す。その結果、二本のシャフトに全体が貫かれた状態で、複数の小型セル３０１及び複数の集電部材３１０が、鉛直方向に積み上げられた状態となっている。
【０１３９】
続いて、最上部に配置された小型セル３０１に対して、鉛直下方に向かう荷重を加えた状態とする（荷重工程）。荷重を加える方法としては、例えば、所定の質量を有する重石を、左右方向を治具で支えながら小型セル３０１の上端に乗せた状態とするなど、種々の方法を採ることができる。このとき、二本のシャフトには荷重を加えず、小型セル３０１、集電部材３１０、ガラスリング３２０ａ、３２０ｂにのみ荷重が加わった状態とする。
【０１４０】
荷重は、後の加熱工程においてガラスリング３２０ａ、３２０ｂが溶融した際、これらを圧縮して変形させることにより、小型セル３０１の中実面３０７と、集電部材３１０の中央凸部３１３とが、確実に接触した状態となるように加えられるものである。
【０１４１】
続いて、電気炉等によって全体を加熱し、ガラスリング３２０ａ、３２０ｂを溶融させる（加熱工程）。ガラスリング３２０ａ、３２０ｂが溶融していずれも液体となる結果、集電部材３１０と小型セル３０１との両方が、溶融したガラスにより濡れた状態となる。このため、電気炉等から取り出され常温に戻った後は、全ての集電部材３１０及び小型セル３０１がガラスにより接着固定された状態となる。
【０１４２】
ガラスリング３２０ａ、３２０ｂが溶融する前の状態においては、集電部材３１０の中央凸部３１３と、その下方にある小型セル３０１の中実面３０７とは、非接触の状態となっている。このため、固体であるガラスリング３２０ａ、３２０ｂが、その上方にある小型セル３０１の重量を外周部近くにおいて支えている。
【０１４３】
加熱工程によりガラスリング３２０ａ、３２０ｂが溶融すると、これらはいずれも液体となるため、その支持力を失う。このとき、荷重工程において加えられた鉛直方向の荷重によって、溶融したガラスリング３２０ａ、３２０ｂは圧縮される方向に変形する。その結果、ガラスリング３２０ａ、３２０ｂにより支持されていた各小型セル３０１は互いに接近しながら次第に下方に移動し、最終的には、全ての小型セル３０１が電気的に直列接続された状態となる。すなわち、各小型セル３０１の中実面３０７と、各集電部材３１０の中央凸部３１３とが接触した状態となる（接続工程）。
【０１４４】
このように、一度の加熱によって全ての小型セルが同時に直列接続され、一本の燃料電池セル３００が形成される。すなわち、連結円筒型の燃料電池セルを、少ない工程で容易に製造することができる。
【０１４５】
上記のように、ガラスリング３２０ａ、３２０ｂが溶融する前の状態においては、ガラスリング３２０ａ、３２０ｂが、その上方にある小型セル３０１の重量をその外周部近くにおいて支えている。このため、積み上げられた複数の小型セル３０１は（互いに接着固定はされていないが）バランスよく安定した状態となっている。
【０１４６】
加熱工程によりガラスリング３２０ａ、３２０ｂが溶融し支持力を失うと、集電部材３１０が小型セル３０１の中央部においてのみ接触した状態となるため、特にガラスリング３２０ｂの近傍は不安定になる恐れがある。
【０１４７】
しかし、本実施形態に係る燃料電池セル３００では、集電部材３１０の中央凸部３１３と、燃料極支持体３０２の中実面３０７とが面接触した状態に移行すると同時に、集電部材３１０がその上方に配置された全ての小型セル３０１の重量を支える。かかる重量が、集電部材３１０の中央凸部３１３によって面で支えられるため、ガラスリング３２０ａ、３２０ｂが溶融して支持力を失った直後以降においても、集電部材３１０によって小型セル３０１が安定して支持される。その結果、途中で安定性を損なうことなく接続工程が完了するため、複数の小型セル３０１が一直線状に配置された状態を保ったまま、直線形状の燃料電池セル３００を形成することができる。
【０１４８】
また、集電部材３１０の中央凸部３１３は、小型セル３０１の中心軸上にその中心が配置されるように、集電部材３１０の水平壁部３１２の中央に形成されている。その結果、中央凸部３１３は、中実面３０７と面接触する領域の中心位置が、小型セル３０１の中心軸上となるように形成されている。このため、ガラスリング３２０ａ、３２０ｂが溶融した際において、集電部材３１０の中央部全体には鉛直方向に沿った力のみがかかり、水平方向に沿った力がかかってしまうことが抑制される。集電部材３１０及びその上方にある小型セル３０１が傾いてしまうことが抑制され、複数の小型セル３０１が一直線状に配置された状態をより安定的に保つことが可能となっている。
【０１４９】
集電部材３１０の中央凸部３１３は、中実面３０７よりも僅かに小さい円形の平面となるように形成されている。これにより、中実面３０７の大部分が中央凸部３１３と面接触することとため、集電部材３１０の上部に配置された小型セル３０１が安定して支持され、複数の小型セル３０１が一直線状に配置された状態を安定的に保つことが可能となっている。
【０１５０】
尚、中央凸部３１３の形状としては、中実面３０７と同一な円形の平面となるように形成してもよい。この場合、中央凸部３１３と中実面３０７とが面接触する範囲は最大となるため、複数の小型セル３０１が一直線状に配置された状態をより安定的に保つことが可能となる。
【０１５１】
接続工程が終了した後、燃料供給孔３０５に挿入されていた二本のシャフトを取り外す。その後、最も上方に配置されている小型セル３０１の上端に、アノードキャップ３５０を取り付ける。図１１に示したように、アノードキャップ３５０は、小型セル３０１の外径と略同一の内径を有する円筒形状の電気接続部３５１と、電気接続部３５１の内径よりも小さい内径を有する円筒形状の縮径部３５２とを有している。電気接続部３５１と縮径部３５２とは、互いの中心軸が一致するように配置されており、それぞれの内部空間は連通している。
【０１５２】
電気接続部３５１の下端は、集電部材３１０と同一の形状となっている。すなわち、電気接続部３５１の下端に形成された略円盤形状の水平壁部３５３を有しており、水平壁部３５３の中央には、電気接続部３５１が延びる方向とは反対側に突出した平面を成す中央凸部３５４が形成されている。水平壁部３５３のうち中央凸部３５４の周囲の部分は、中央凸部３５４と略平行な平面となっている。中央凸部３５４は、集電部材３１０の中央凸部３１３と同一形状の円形の平面である。水平壁部３５３のうち、中央凸部３５４の周囲には、中央凸部３５４を囲むように複数の貫通孔３５５が形成されている。貫通孔３５５の個数及び配置は、集電部材３１０に形成された貫通孔３４０と同一である。
【０１５３】
アノードキャップ３５０は、最も上方に配置された小型セル３０１の中実面３０７に対して中央凸部３５４を接触させた状態で、ガラス接合される。従って、アノードキャップは、最も上方に配置された小型セル３０１の燃料極支持体３０２と電気的に接続された状態となっている。
【０１５４】
アノードキャップ３５０と小型セル３０１とをガラス接合する方法は、集電部材３１０と小型セル３０１とをガラス接合する方法と同様である。すなわち、ガラスリング３２０ｂと同一形状のガラスリング３６０を、小型セル３０１と水平壁部３５３との間に配置した状態で当該ガラスリング３６０を加熱溶融させ、小型セル３０１とアノードキャップ３５０とを接合する。このとき、絶縁リング３３０ｂと同一形状、同一素材の絶縁リング３６１をガラスリング３６０の内側に配置することにより、溶融したガラスリング３６０が燃料供給孔３０５や貫通孔３５５を塞いでしまうことを防止している。
【０１５５】
縮径部３５２の上端は外部に開放されている。このため、縮径部３５２の上端及び貫通孔３５５の一方から流入した燃料ガスは、アノードキャップ３５０の内部を通過して他方に抜けることが可能となっている。
【０１５６】
最も下方に配置されている小型セル３０１の下端には、カソードキャップ３７０を取り付ける。図１１に示したように、カソードキャップ３７０はアノードキャップ３５０と略同一の形状であって、小型セル３０１の外径と略同一の内径を有する円筒形状の電気接続部３７１と、電気接続部３７１の内径よりも小さい内径を有する円筒形状の縮径部３７２とを有している。電気接続部３７１と縮径部３７２とは、互いの中心軸が一致するように配置されており、それぞれの内部空間は連通している。一方、電気接続部３５１の端部（上端）は開放端となっており、この点のみがアノードキャップ３５０の形状と異なっている。
【０１５７】
カソードキャップ３７０は、最も下方に配置された小型セル３０１の空気極層３０４に対して電気接続部３７１の内周側を接触させた状態で、ガラス接合される。従って、カソードキャップ３７０は、最も下方に配置された小型セル３０１の空気極層３０４と電気的に接続された状態となっている。
カソードキャップ３７０と空気極層３０４との接触部分全体をガラスシール３８０で覆うことにより、カソードキャップ３７０の内部の燃料ガスが、当該接触部分から外部に流出することを防止している。
【０１５８】
縮径部３７２の下端は外部に開放されている。このため、縮径部３７２の下端及び電気接続部３７１の上端の一方から流入したガスは、カソードキャップ３７０の内部を通過して他方に抜けることが可能となっている。
【０１５９】
次に、燃料電池セル３００に対して供給される燃料ガスの流れについて説明する。既に説明したように、燃料ガスはマニホールド７００に供給され、マニホールド７００の内部で分散した後、各燃料電池セル３００に供給される。図１５は、燃料電池装置１のマニホールド７００を示した斜視図である。
【０１６０】
図１５に示したように、マニホールド７００はその上部において水平な天板７０１を有しており、天板７０１には、燃料電池セル３００と同数の貫通孔７０２が形成されている。燃料電池セル３００は、アノードキャップ３５０又はカソードキャップ３７０のいずれか一方を下方に向けた状態で、図１１に示すような絶縁ブッシュ７７０を介して各貫通孔７０２に接続される。絶縁ブッシュ７７０は、アノードキャップ３５０又はカソードキャップ３７０とマニホールド７００との間を、電気的に絶縁するために配置されるものである。
【０１６１】
絶縁ブッシュ７７０は、アルミナセラミックスなどの絶縁材料により形成されており、小型セル３０１の外径と略同一の外径を有する支持部７７１と、貫通孔７０２の直径よりも僅かに小さい外径を有する縮径部７７２を有している。支持部７７１と縮径部７７２とは、中心軸が一致するように配置されており、当該中心軸を貫くように貫通孔７７３が形成されている。貫通孔７７３の内径は、アノードキャップ３５０の縮径部３５２の外径（及び、カソードキャップ３７０の縮径部３７２の外径）よりも僅かに大きい。
【０１６２】
燃料電池セル３００をマニホールド７００の上部に立設する際は、まず絶縁ブッシュ７７０の縮径部３５２をマニホールド７００の貫通孔７０２に上方から挿入する。その後、アノードキャップ３５０の縮径部３５２、又はカソードキャップ３７０の縮径部３７２のいずれかを、絶縁ブッシュ７７０の貫通孔７７３に上方から挿入する。
【０１６３】
このような状態で、縮径部３５２と貫通孔７０２との間、及び貫通孔７７３と縮径部３５２（又は縮径部３７２）との間を、ガラスシールによって気密な状態で固定する。その結果、マニホールド７００に供給された燃料ガスは、外部に漏えいすることなく貫通孔７０２から電気接続部３５１（又は電気接続部３７１）の内部に流入する。燃料ガスは、電気接続部３５１（又は電気接続部３７１）の内部で分散した後に燃料供給孔３０５に流入し、各燃料電池セル３００の内部を下方から上方に向かって流れる。
【０１６４】
図１６には、マニホールド７００の天板７０１を外した状態を斜視図で示している。図１５及び図１６に示したように、マニホールド７００は、天板７０１の外周部から下方に延びる外側壁７０３を有している。また、外側壁７０３の内側には内側壁７０４を有している。外側壁７０３及び内側壁７０４は、いずれも天板７０１に垂直な円形の壁であって、上面視で同心円状に配置されている。
【０１６５】
マニホールド７００は、その下端において天板７０１と平行な底板７０５を有している。外側壁７０３の上端及び下端は、それぞれ天板７０１及び底板７０５に対して溶接されている。同様に、内側壁７０４の上端及び下端は、それぞれ天板７０１及び底板７０５に対して溶接されている。このため、マニホールド７００の内部はドーナツ形状の空間となっており、内側壁７０４の内側（ドーナツの「穴」に相当する部分）には、燃料ガスは流入しない。
【０１６６】
マニホールド７００の底板７０５には、湾曲管７１０ａ、７１０ｂが貫通した状態で溶接固定されている。湾曲管７１０ａ、７１０ｂは、いずれも両端が開口した円管であって、下端が底板７０５の下方に突出し、上端がマニホールド７００の内部に配置されている。
【０１６７】
湾曲管７１０ａの下端、及び湾曲管７１０ｂの下端は、それぞれＬ字管１６９ａ、１６９ｂに接続される。このため、Ｌ字管１６９ａ、１６９ｂから供給される燃料ガスは、湾曲管７１０ａ、７１０ｂのそれぞれの上端からマニホールド７００の内部に噴出される。すなわち、湾曲管７１０ａの上端及び湾曲管７１０ｂの上端は、それぞれ噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂとなっている。
【０１６８】
図１６に示したように、噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂは、いずれもマニホールド７００の円周方向に沿って燃料ガスを噴射するように配置されている。このため、噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂから噴射された燃料ガスは、図１６に矢印で示したように、マニホールド７００の内部を円周方向に旋回して流れることとなる。更に、噴射口７１１ａから噴射された燃料ガスと、噴射口７１１ｂから噴射された燃料ガスとが、同一方向に旋回して流れるように噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂが配置されている。
【０１６９】
このように、噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂを配置することによって、燃料ガスはドーナツ形状のマニホールド７００内を円周方向に旋回して流れながら、貫通孔７０２を通じて各燃料電池セル３００の燃料供給孔３０５へと供給される。このように旋回する流れにおいては、燃料ガスの局所的な滞留等が発生しにくいため、マニホールド７００内部において燃料ガスが均等に分散する。その結果、全ての燃料電池セル３００に対して燃料ガスを均等に供給することが可能となっている。
【０１７０】
尚、本実施形態においては、噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂは水平方向に燃料ガスを噴射するように配置されているが、底板７０５に向けて燃料ガスを噴射するように配置してもよい。この場合、噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂから噴射した燃料ガスは、底板７０５の近傍においてしっかりと旋回流を形成した後に上方に向かい、天板７０１の貫通孔７０２を経由して各燃料電池セル３００に供給される。このため、マニホールド７００内における燃料ガスの分散性を更に向上させることができる。また、噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂから噴射した燃料ガスの高速な流れ（噴流）は底板７０５に向かうため、かかる墳流が、天板７０１の貫通孔７０２を経由して各燃料電池セル３００に供給される燃料ガスの流れの一部を阻害してしまうことを抑制することができる。
【０１７１】
また、マニホールド７００内部の空間はドーナツ形状となっており、内側壁７０４の内側（ドーナツの「穴」に相当する部分）には、燃料ガスは流入しない。すなわち、燃料ガスが旋回して流れる際において、その流速が最も低下しやすい中央部（ドーナツ形状の「穴」に相当する部分）をマニホールドから除外している。その結果、マニホールド７００内において生じる燃料ガスの流速差（内周部分と外周部分との流速差）が低減される。これにより、湾曲管７１０ａ、７１０ｂから導入される燃料ガスの流量が大きい場合であっても、マニホールド７００内において燃料ガスを均等に分散させ、全ての燃料電池セル３００に対して燃料ガスを均等に供給することが可能となっている。
【０１７２】
マニホールド７００内部の空間をドーナツ形状とすることにより、内周部分と外周部分との間における燃料ガスの流速差は上記のように低減される。しかし、かかる流速差を完全に無くすことはできない。外側壁７０３近傍においては流速が大きいため、遠心力の影響によって、燃料ガスの圧力が内側壁７０４近傍よりも大きくなってしまう。その結果、外側壁７０３近傍の貫通孔７０２から燃料電池セル３００に供給される燃料ガスの流量は、内側壁７０４近傍の貫通孔７０２から燃料電池セル３００に供給される燃料ガスの流量よりも大きくなる傾向がある。
【０１７３】
そこで、本実施形態に係る燃料電池装置１では、マニホールド７００の天板７０１に形成される貫通孔７０２の配置を工夫することにより、燃料電池セル３００に供給される燃料ガスの流量を均等にしている。
【０１７４】
図１７には、マニホールド７００の天板７０１に形成された貫通孔７０２の配置を示している。図１７に示したように、貫通孔７０２は、マニホールド７００の中心軸を中心とした３つの円形の列を成すように配置されている。最も内側の列（図１７において、点線Ｌ１に沿う列）では、貫通孔７０２が比較的密に配置されている。一方、最も外側の列（図１７において、点線Ｌ３に沿う列）では、貫通孔７０２が比較的粗に配置されている。このように、貫通孔７０２は、天板７０１において内側壁７０４に近いでは密に配置されており、外側壁７０３に近づくほど粗となるように配置されている。
【０１７５】
換言すれば、天板７０１のうち貫通孔７０２の一列が形成されている領域において、当該領域内に形成されている貫通孔７０２の開口面積の総和が占める比率を開口率と定義すると、内側の列が形成されている領域における開口率は、外側の列が形成されている領域における開口率よりも高くなるように、貫通孔７０２が配置されている。その結果、天板７０１の内側の領域を燃料ガスが通過する際の流路抵抗は、天板７０１の外側の領域を燃料ガスが通過する際の流路抵抗よりも小さくなっている。
【０１７６】
上記のように、マニホールド７００の内部のうち内側壁７０４近傍における燃料ガスの圧力は、外側壁７０３近傍における燃料ガスの圧力よりも高くなっている。しかし、天板７０１の内側の領域を燃料ガスが通過する際の流路抵抗が、天板７０１の外側の領域を燃料ガスが通過する際の流路抵抗よりも小さいため、当該圧力差の影響が相殺される。その結果、各貫通孔７０２を通過してそれぞれの燃料電池セル３００に供給される燃料ガスの流量について、内側壁７０４近傍と外側壁７０３近傍との間で差が生じることが抑制され、全ての燃料電池セル３００に対して燃料ガスを更に均等に供給することが可能となっている。
【０１７７】
既に説明したように、燃料ガスは、燃料電池セル３００に形成された燃料供給孔３０５を下方から上方に向かって流れた後、発電のために消費されなかった残余分が燃料電池セル３００の上端部近傍において燃焼する。このため、燃料電池セル３００の上端は高温となるが、燃料電池セル集合体５００の中央部分は熱がこもりやすいため、内側壁７０４に近い位置（中央部分）に配置された燃料電池セル３００の上端が最も高温となる。
【０１７８】
このため、内側壁７０４に近い位置における気流の上昇力が強くなり、当該位置に配置された燃料電池セル３００の燃料供給孔３０５を下方から上方に向かう燃料ガスの流れが促進されることとなる。その結果、各貫通孔７０２を通過してそれぞれの燃料電池セル３００に供給される燃料ガスの流量において、内側壁７０４近傍と外側壁７０３近傍との間で差が生じることが更に抑制されている。
【０１７９】
続いて、噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂの具体的な配置について更に説明する。図１８は、マニホールド７００の内部における噴射口７１１ａ、７１１ｂの配置を説明するための図である。図１８に示したように、マニホールド７００を上面から見た場合において、内側壁７０４と外側壁７０３との中央部（内側壁７０４までの距離と外側壁７０３までの距離とが等しい部分であって、図１８の点線Ｃで示した部分）に、噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂが配置されている。
【０１８０】
噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂは、内側壁７０４と外側壁７０３との中央部から内側の領域（図１８において、点線Ｃの内側の領域）に配置することが望ましい。当該内側の領域においては、上記のように燃料ガスの圧力が低くなる傾向がある。これに対し、天板７０１の内側の領域に噴射口７１１ａ及び噴射口７１１ｂを配置すると、マニホールド７００内のうち外側壁７０３と外側壁７０３との中央部から内側壁７０４寄りの領域に、燃料ガスの供給源が配置されることとなる。その結果、内側壁７０４近傍における圧力と、外側壁７０３近傍における圧力との差が緩和されるため、各貫通孔７０２を通過してそれぞれの燃料電池セル３００に供給される燃料ガスの流量を、より均等なものとすることができる。
【０１８１】
次に、燃料電池セル３００に対して供給される酸化剤ガスの流れについて説明する。既に説明したように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管８００の下部側面に形成された複数の噴射口８０１から水平方向に噴射され、燃料電池セル３００の外側面に形成された空気極層３０４に供給される。
【０１８２】
図１９は、酸化剤ガス供給管８００と燃料電池セル３００との配置を模式的に示した図である。図１９に示したように、噴射口８０１は、酸化剤ガス供給管８００の周方向に沿って一定の間隔を開けて形成されている。噴射口８０１はジグザグ状に並んでおり、隣り合う二つ噴射口８０１は、互いにその高さが異なっている。
【０１８３】
全ての噴射口８０１は、燃料電池セル３００のうち最も下方に配置された小型セル３０１の下端よりも低い位置に形成されている。また、全ての噴射口８０１は、アノードキャップ３５０又はカソードキャップ３７０のうち、燃料電池セル３００の下方に配置された方の下端よりも高い位置に形成されている。
【０１８４】
このため、噴射口８０１から水平方向に噴射された酸化剤ガスは、燃料電池セル３００のうち最も下方に配置された小型セル３０１の空気極層３０４（発電部位）よりも下方に向かって流れ、アノードキャップ３５０の電気接続部３５１（又はカソードキャップ３７０の電気接続部３７１）の外側面に直接当たることとなる。
【０１８５】
酸化剤ガスは、第二空間１８０を流れる排ガスの熱によって温度が上昇しているが、発電中における燃料電池セル３００の温度に比べれば低温である。このため、燃料電池セル３００の外側面のうち酸化剤ガスが直接当たる部分は、冷却されて温度が低下してしまう。しかし、上記のように当該部分は発電部位ではないため、温度が低下しても燃料電池セル３００の発電効率への影響は小さい。また、発電部位は発電反応によって熱が発生する部位であるため、酸化剤ガスが直接当たる部分に熱が奪われたとしてもその影響は小さく、発電部位の温度低下は更に抑制される。発電部位の温度低下が抑制されるため、電力取り出しに伴う小型セル３０１への負担も軽減される。このように、燃料電池装置１では、最も下方に配置された小型セル３０１の下端よりも低い位置に全ての噴射口８０１を形成することにより、酸化剤ガスの供給に伴う燃料電池セル３００の過剰冷却を防止し、発電効率の低下や燃料電池セル３００の破損を防止している。
【０１８６】
また、噴射口８０１から噴射された酸化剤ガスが、アノードキャップ３５０の電気接続部３５１（又はカソードキャップ３７０の電気接続部３７１）の外側面に直接当たるように、全ての噴射口８０１が形成されている。このため、アノードキャップ３５０（又はカソードキャップ３７０）は、酸化剤ガスが直接当たることによって冷却される。
【０１８７】
既に説明したように、アノードキャップ３５０及びカソードキャップ３７０は、燃料電池セル３００同士を電気的に接続する際における電極端子として機能するものであり、金属により形成されている。このため、アノードキャップ３５０（又はカソードキャップ３７０）の温度が下がると、その電気抵抗は小さくなり、電力損失が低減される。
【０１８８】
以上のように、燃料電池装置１では、酸化剤ガスがアノードキャップ３５０の電気接続部３５１（又はカソードキャップ３７０の電気接続部３７１）の外側面に直接当たるように噴射口８０１を形成することによって、電力損失を低減し、燃料電池装置１全体の発電効率を向上させている。
【０１８９】
また、酸化剤ガスが直接当たるアノードキャップ３５０の電気接続部３５１（又はカソードキャップ３７０の電気接続部３７１）は、小型セル３０１と直径が略同一の円筒形状であり、その中心軸が燃料電池セル３００の中心軸と一致している。
【０１９０】
このため、アノードキャップ３５０（又はカソードキャップ３７０）に当たった後における酸化剤ガスの流れは、従来のように円筒型の燃料電池セルの発電部位（空気極層）に当たった場合の流れとほとんど変わることがない。
【０１９１】
このため、燃料電池装置１のようにアノードキャップ３５０（又はカソードキャップ３７０）に酸化剤ガスを直接当てるような構成とした場合であっても、従来通り各燃料電池セル３００に対して酸化剤ガスを均等に供給することを目的としては、酸化剤ガス供給管８００及び燃料電池セル３００の配置を変更する必要がない。
【０１９２】
燃料電池装置１においては、図５等で示されるように、複数の燃料電池セル３００が酸化剤ガス供給管８００を囲むように立設している。換言すれば、酸化剤ガス供給管８００は、最も発電熱がこもりやすい場所である燃料電池セル集合体５００の中央を貫くように配置されている。このため、酸化剤ガス供給管８００は加熱されて比較的高温の状態となる。
【０１９３】
酸化剤ガスは、このように高温となった酸化剤ガス供給管８００の内部を上方から下方に向かって流れた後で、噴射口８０１から噴射される。このため、酸化剤ガス供給管８００の内部を流れる過程で酸化剤ガスは十分に加熱された後、燃料電池セル３００に供給されることとなる。その結果、酸化剤ガスの供給による燃料電池セル３００の温度低下は更に抑制され、発電効率の低下や燃料電池セル３００の破損を防止することが可能となっている。
【０１９４】
次に、燃料電池装置１を上方から見た場合における酸化剤ガスの流れについて説明する。既に説明したように、燃料電池セル３００は、マニホールド７００の天板７０１において、マニホールド７００の中心軸を中心とした３つの円形列を成すように配置されている。
【０１９５】
図２０に示したように、最も内側の円形列を成す燃料電池セル３００の一つを第一燃料電池セルＣ１とし、その一つ外側の円形列を成す燃料電池セル３００のうち、第一燃料電池セルＣ１に最も近い位置にあるものを第二燃料電池セルＣ２とし、最も外側の円形列を成す燃料電池セル３００のうち、第二燃料電池セルＣ２に最も近い位置にあるものを第三燃料電池セルＣ３としたときに、これら第一燃料電池セルＣ１、第二燃料電池セルＣ２、及び第三燃料電池セルＣ３が、ハウジング１００の直径方向に対して斜めに並ぶように配置されることにより、放射列ＨＬを形成している。
【０１９６】
ここで、各円形列に含まれる燃料電池セル３００の個数は、どの円形列でも同数となっている。また、各円形列においては、燃料電池セル３００は互いに等間隔に配置されている。このため、上記のような第一燃料電池セルＣ１として、最も内側の円形列からどの燃料電池セル３００を選択して定義したとしても、第二燃料電池セルＣ２、第三燃料電池セルＣ３、及び、これらにより形成される放射列ＨＬを定義することができる。換言すれば、一つの円形列に含まれる燃料電池セル３００の個数と同数の放射列ＨＬが存在しており、全ての燃料電池セル３００は、いずれかの放射列ＨＬ（燃料電池セル部）に含まれているということができる。
【０１９７】
図２０は、図１９におけるＤ−Ｄ断面を示しており、当該断面に沿った酸化剤ガスの流れを示している。噴射口８０１は、最も内側の円形列において互いに隣り合う燃料電池セル３００の間（セル間隙間）に向けて酸化剤ガスを噴出するように配置されている。また、噴射口８０１は、最も内側の円形列に含まれる燃料電池セル３００の個数と同じ数だけ形成されている。尚、Ｄ−Ｄ断面は、ジグザグに配置された噴射口８０１のうち高い位置に形成された噴射口８０１と同じ高さの断面である。従って、図２０における噴射口８０１は、酸化剤ガス供給管８００の周方向に沿って一つおきに描かれている。
【０１９８】
図２０では、酸化剤ガスの流れ（主流）を矢印ＭＦＬで示している。噴射口８０１から噴射された酸化剤ガスは、放射列ＨＬを成す第一燃料電池セルＣ１、第二燃料電池セルＣ２、第三燃料電池セルＣ３に順に当たりながら、その流れ方向を変えていく。
【０１９９】
具体的には、第一燃料電池セルＣ１の外側面に対する酸化剤ガスの到達点において、当該到達点における法線に対して左側に傾斜した方向から斜めに入射するように、酸化剤ガスが第一燃料電池セルＣ１に当たる。このため、酸化剤ガスは、第一燃料電池セルＣ１に当たった後は右側にその流れ方向を変えて、第二燃料電池セルＣ２に向かう。
【０２００】
その後、第二燃料電池セルＣ２の外側面に対する酸化剤ガスの到達点において、当該到達点における法線に対して左側に傾斜した方向から斜めに入射するように、酸化剤ガスが第二燃料電池セルＣ２に当たる。このため、酸化剤ガスは、第二燃料電池セルＣ２に当たった後は更に右側にその流れ方向を変えて、第三燃料電池セルＣ３に向かう。
【０２０１】
その後、第三燃料電池セルＣ３の外側面に対する酸化剤ガスの到達点において、当該到達点における法線に対して左側に傾斜した方向から斜めに入射するように、第三燃料電池セルＣ３に当たる。このため、酸化剤ガスは、第三燃料電池セルＣ３に当たった後は更に右側にその流れ方向を変えて、ハウジング１００の側壁（第四円筒１７１）に向かう。
【０２０２】
放射列ＨＬ（燃料電池セル部）は、ハウジング１００の直径方向に対して斜めに交差する軸（長軸）に沿って並ぶような列である。上記のように、酸化剤ガスは、放射列ＨＬを形成する各燃料電池セル３００に対してそれぞれ一方側から斜めに入射するように当たり、その度に流れ方向を右側に変えながら流れる。図２０においては、酸化剤ガスはハウジング１００の側壁（第四円筒１７１）に近づくに従って、次第に右側に向かうようにその流れ方向を変えていく。
【０２０３】
上記のような酸化剤ガスの流れは、燃料電池集合体５００を形成する全ての放射列ＨＬについて同一となっている。すなわち、各噴射口８０１から噴射された酸化剤ガスは燃料電池セル３００の外側面に到達するが、当該到達点における法線に対して、全て左側に傾斜した方向から斜めに入射する。その後、燃料電池セル３００に当たることにより右側に流れ方向を変えながら、第四円筒１７１に到達する。
【０２０４】
以上のような構成により、第四円筒１７１に到達する酸化剤ガスは、第四円筒１７１に対して垂直に衝突することなく斜めに入射し、その後、第四円筒１７１に沿って一方向（図２０では右回り）に旋回して流れる。このため、ハウジング１００の側壁（第四円筒１７１）近傍において酸化剤ガスの流れに乱れが生じることが抑制され、それに起因して燃料電池セル３００への酸化剤ガスの供給が均等でなくなってしまうことが防止される。その結果、燃料電池装置１は安定した発電性能を維持することが可能となっている。
【０２０５】
図２１は、一つの放射列ＨＬ（燃料電池セル部）を形成する３本の燃料電池せる３００の配置を示した図である。図２１に示したように、上方から見た場合において、第二燃料電池セルＣ２の中心と第三燃料電池セルＣ３の中心とを結ぶ直線ＬＬ１がハウジング１００の直径方向に対して成す角度θ１は、第一燃料電池セルＣ１の中心と第二燃料電池セルＣ２の中心とを結ぶ直線ＬＬ２がハウジング１００の直径方向に対して成す角度θ２よりも大きくなっている。すなわち、放射列ＨＬは、湾曲した軸（長軸）を成すような形状となっており、当該長軸はハウジング１００の直径方向に対して斜めに交差している。また、長軸の湾曲度合いは、酸化剤ガス供給管８００の中心側よりもハウジング１００の側壁（第四円筒１７１）側の方が大きくなっている。
【０２０６】
燃料電池セル３００をこのような配置とすることによって、酸化剤ガス供給管８００の噴射口８０１から噴射された酸化剤ガスは、湾曲した長軸に沿って並べられた燃料電池セル３００に当たりながら流れる。長軸の湾曲度合いは、第四円筒１７１に近づくほど、すなわち、下流側に行く程大きくなっている。このため、酸化剤ガスは、下流側に行く程、ハウジング１００の側壁（第四円筒１７１）の周方向により近づくように流れ方向が変化する。その結果、酸化剤ガスはよりスムーズに第四円筒１７１に沿いながら、一方向に旋回して流れることとなる。その結果、第四円筒１７１の近傍において酸化剤ガスの流れに乱れが生じることを更に抑制している。
【０２０７】
以上のように、燃料電池装置１においては、噴射口８０１に対する燃料電池セル３００の配置を工夫することによって、ハウジング１００の側壁（第四円筒１７１）に到達した酸化剤ガスが一方向に旋回して流れるような構成となっている。
【０２０８】
次に、燃料電池セル３００の空気極層３０４のうち一部において、酸化剤ガスの供給量が不足してしまうことを防止するための構成について説明する。図２０等を参照しながら説明したように、酸化剤ガスは、最も内側の円形列において互いに隣り合う燃料電池セル３００の間（セル間隙間）に向けて各噴射口８０１から噴射される。このため、酸化剤ガスの流れは、噴射口８０１に近い最も内側の円形列をなす燃料電池セル３００の近傍を通過する際にその流速が比較的大きく、直進性の高い流れ（換言すれば、分散性の低い流れ）となっている。その結果、酸化剤ガスは当該燃料電池セル３００の外側面全体には回り込みにくく、特に、燃料電池セル３００の下部において、酸化剤ガスが直接当たる部分近傍の背面側（第四円筒１７１に近い方の外側面）には供給されにくい。その結果、空気極層３０４の一部に対する酸化剤ガスの供給量が不足してしまう傾向がある。
【０２０９】
上記のような現象に対する対策としては、酸化剤ガスが燃料電池セル３００の下部に当たった後において直ちに上昇することを抑制することが考えられる。酸化剤ガスが直ちに上昇せず、燃料電池セル３００の下部において滞留する時間が長ければ、燃料電池セル３００の下部における酸化剤ガスの分散が促進されることとなる。その結果、上記のように酸化剤ガスの供給量の不足が最も生じやすい部分、すなわち、燃料電池セル３００の下部において、酸化剤ガスが直接当たる部分近傍の背面側に対しても、十分な量の酸化剤ガスを供給することが可能となる。
【０２１０】
酸化剤ガスが燃料電池セル３００の下部に当たった後において直ちに上昇することを抑制するための具体的な方法の一例としては、燃料電池セル３００が備える複数の集電部材３１０のうち、下方に配置される一部の集電部材３１０を、図２２に示したような形状の集電部材３１０ａとすることが挙げられる。図２２は、燃料電池セル３００とは別の実施形態に係る燃料電池セル３００ａの、集電部材３１０ａを示す斜視図である。
【０２１１】
燃料電池セル３００ａにおいては、図２２に示した集電部材３１０ａを、最下方に配置された小型セル３０１の上部に配置した点のみが燃料電池セル３００と異なっており、その他は燃料電池セル３００と同一である。すなわち、燃料電池セル３００ａでは、複数の集電部材のうち最下方の一つだけが集電部材３１０ａとなっており、その他の集電部材は図１３に示したような集電部材３１０となっている。
【０２１２】
図２２に示したように、集電部材３１０ａは、円筒形状の周壁部３１１から、外方に向かって水平に延びる上昇抑制壁３１９ａを備えている。このような集電部材３１０ａを備えた燃料電池セル３００ａによって燃料電池セル集合体５００を構成すれば、燃料電池セル３００ａに当たった酸化剤ガスは直ちに上昇せず、燃料電池セル３００ａの下部において滞留しやすくなる。すなわち、上昇抑制壁３１９ａが酸化剤ガス分散促進手段として機能する。その結果、燃料電池セル３００ａの下部における酸化剤ガスの分散が促進されるため、燃料電池セル３００ａの外側面全体に酸化剤ガスが回り込みやすくなり、燃料電池装置１の発電性能を更に安定させることができる。
【０２１３】
燃料電池装置１では、以下に説明するように、噴射口８０１をジグザグ状に並ぶように形成することによっても、燃料電池セル３００ａの下部における酸化剤ガスの分散を促進している。
【０２１４】
図２０に示したように、最も内側の円形列において互いに隣り合う燃料電池セル３００の間（セル間隙間）に向けて噴射された酸化剤ガスは、その大部分がハウジング１００の側壁（第四円筒１７１）に向かう流れ（主流）となり、矢印ＭＦＬで示したように流れる。
【０２１５】
一方、最も内側の円形列をなす燃料電池セル３００に当たった酸化剤ガスの一部は、コアンダ効果によって当該燃料電池セル３００の外側面に沿って回り込むように流れ（環流）、酸化剤ガスが直接当たる部分の背面側に向かう。図２０では、このような流れを矢印ＳＦＬで示した。このような流れによって、酸化剤ガスが直接当たる部分の背面側に形成された空気極層３０４に対しても、酸化剤ガスが供給されることとなる。
【０２１６】
矢印ＳＦＬで示したように、燃料電池セル３００の外側面に沿って回り込む流れ（環流）は、その後、セル間隙間を通って酸化剤ガス供給管８００に向かうような流れとなる。すなわち、最も内側の円形列におけるセル間隙間のうち、噴射口８０１から噴射された酸化剤ガスが向かうセル間隙間を第一隙間ｇ１とし、これと隣り合うセル間隙間を第二隙間ｇ２とすると、第一隙間ｇ１に向かって噴射された酸化剤ガスの一部が、同じ高さにおいて第二隙間ｇ２を通り酸化剤ガス供給管８００に向かって流れることとなる。
【０２１７】
仮に、全てのセル間隙間に対して同一の高さで酸化剤ガスを噴射するように、噴射口８０１を一直線上に形成した場合、図２０に矢印ＭＦＬ２で示したような流れが加わることとなる。このような流れは、第二隙間ｇ２を通り酸化剤ガス供給管８００に向かう流れ（矢印ＳＦＬで示した流れ）と同一の高さで衝突してしまうため、燃料電池セル３００において酸化剤ガスが直接当たる部分の背面側に向かう流れが妨げられることとなる。また、矢印ＭＦＬ２で示した流れの一部も燃料電池セル３００の外側面に沿って回り込む流れとなるが、この流れも矢印ＳＦＬで示した流れと衝突してしまう。その結果、燃料電池セル３００の背面側の近傍に形成された空気極層３０４に対して供給される酸化剤ガスの量が不足してしまうこととなってしまう。
【０２１８】
このため、燃料電池装置１では、矢印ＳＦＬで示した流れと矢印ＭＦＬ２で示したような流れとが、互いに隣り合う二つのセル間隙間において同一の高さで発生しないよう、酸化剤ガス供給管８００において噴射口８０１をジグザグ状に並べて形成している。その結果、図１９におけるＤ−Ｄ断面である図２０に示したように、噴射口８０１から噴射された酸化剤ガスは、互いに隣り合う二つのセル間隙間において同一の高さで衝突することがない。
【０２１９】
このように、燃料電池装置１では、噴射口８０１の配置を工夫することにより、燃料電池セルの背面側に向かう酸化剤ガスの流れが同一の高さで衝突することを確実に防止し、燃料電池セル３００の下部における酸化剤ガスの分散を促進している。
【０２２０】
続いて、燃料電池セル集合体５００における、各燃料電池セル３００の電気的な接続について説明する。図２０を参照しながら説明したように、マニホールド７００の上部に立設する複数の燃料電池セル３００は、ハウジング１００の直径方向に対して斜めに並ぶような放射列ＨＬを複数形成するように配置されている。図２３は、燃料電池セル３００同士の電気的な接続を説明するための図であって、燃料電池装置１のうち、マニホールド７００と、その上部において互いに隣り合う二つの放射列ＨＬを形成する６本の燃料電池セル（Ｃ１１０、Ｃ１２０、Ｃ１３０、Ｃ２１０、Ｃ２２０、Ｃ２３０）のみを描いている。
【０２２１】
図２３において手前側の放射列ＨＬを形成する燃料電池セルＣ１１０、燃料電池セルＣ１２０、燃料電池セルＣ１３０は、いずれもアノードキャップ３５０を上方に向けて配置されている。これら３つのアノードキャップ３５０は、上部接続部材４００によって電気的に接続されている。上部接続部材４００は、両端にクリップ４０１が形成された金属であって、それぞれのクリップ４０１がアノードキャップ３５０の電気接続部３５１を掴んだ状態で装着されている。
【０２２２】
また、燃料電池セルＣ１１０、燃料電池セルＣ１２０、燃料電池セルＣ１３０のカソードキャップ３７０はいずれも下方に配置されているが、これら３つのカソードキャップ３７０は、下部接続部材４１０によって電気的に接続されている。下部接続部材４１０は、両端にクリップ４１１が形成された金属であって、それぞれのクリップ４１１がカソードキャップ３７０の電気接続部３７１を掴んだ状態で装着されている。
【０２２３】
このように、燃料電池セルＣ１１０、燃料電池セルＣ１２０、燃料電池セルＣ１３０は、上部が上部接続部材４００により電気的に接続され、下部が下部接続部材４１０により電気的に接続されることで、互いに電気的に並列接続された一つの並列ユニットＰＵ１を形成している。
【０２２４】
図２３において奥側の放射列ＨＬを形成する燃料電池セルＣ２１０、燃料電池セルＣ２２０、燃料電池セルＣ２３０は、いずれも燃料電池セルＣ１２０等とは天地逆となるように配置されている。すなわち、これらはカソードキャップ３７０を上方に向けて配置されている。これら３つのカソードキャップ３７０は、上部接続部材４００によって電気的に接続されている。上部接続部材４００の両端に形成されたクリップ４０１が、カソードキャップ３７０の電気接続部３７１を掴んだ状態となっている。
【０２２５】
また、燃料電池セルＣ２１０、燃料電池セルＣ２２０、燃料電池セルＣ２３０のアノードキャップ３５０はいずれも下方に配置されているが、これら３つのアノードキャップ３５０は、下部接続部材４１０によって電気的に接続されている。下部接続部材４１０の両端に形成されたクリップ４１１が、アノードキャップ３５０の電気接続部３５１を掴んだ状態となっている。
【０２２６】
このように、燃料電池セルＣ２１０、燃料電池セルＣ２２０、燃料電池セルＣ２３０は、上部が上部接続部材４００により電気的に接続され、下部が下部接続部材４１０により電気的に接続されることで、互いに電気的に並列接続された一つの並列ユニットＰＵ２を形成している。
【０２２７】
並列ユニットＰＵ１の上部に配置された３つのアノードキャップ３５０のうちの一つと、奥側に配置された並列ユニットＰＵ２の上部に配置された３つのカソードキャップ３７０のうちの一つとは、図示しないユニット間接続部材によって電気的に接続されている。
【０２２８】
また、図２３には図示しないが、並列ユニットＰＵ１の手前側に隣り合う放射列ＨＬを形成する３本の燃料電池セルＣ３１０、Ｃ３２０、Ｃ３３０は、カソードキャップ３７０を上方に向けて配置されている。燃料電池セルＣ３１０、Ｃ３２０、Ｃ３３０は、燃料電池セルＣ２１０、Ｃ２２０、Ｃ２３０と同様の構成により互いに電気的に並列に接続されることで、並列ユニットＰＵ２を形成している。
【０２２９】
並列ユニットＰＵ１の下部に配置された３つのカソードキャップ３７０のうちの一つと、手前側に配置された並列ユニットＰＵ２の下部に配置された３つのアノードキャップ３５０のうちの一つとは、やはり図示しないユニット間接続部材によって電気的に接続されている。
【０２３０】
その他の燃料電池セル３００でも同様であって、全ての放射列ＨＬにおいて、それぞれを形成する３本の燃料電池セル３００は互いに電気的に並列接続され、アノード極を上方に有する並列ユニットＰＵ１、又はカソード極を上方に有する並列ユニットＰＵ２を形成している。
【０２３１】
図２４に示したように、並列ユニットＰＵ１及び並列ユニットＰＵ２は、酸化剤ガス供給管８００の周囲を囲む円弧に沿うように配置されており、その周方向に沿って、並列ユニットＰＵ１と並列ユニットＰＵ１とが交互に並ぶように配置されている。
【０２３２】
また、上記のように配置された全ての並列ユニットＰＵ１及び並列ユニットＰＵ２が電気的に直列接続されるように、互いに隣り合う並列ユニットＰＵ１と並列ユニットＰＵ２とが、ユニット間接続部材によって一端同士を接続されている。直列接続の一端側における並列ユニットＰＵ１のカソードキャップ３７０には、集電バスバー４５１が接続されている。また、直列接続の他端側における並列ユニットＰＵ２アノードキャップ３５０には、集電バスバー４５２が接続されている。集電バスバー４５１、４５２は、いずれもマニホールド７００の中央に形成された空間（ドーナツ形状の「穴」部分）を通じて下方に延びており、燃料電池装置１の電力出力端子に接続されている。
【０２３３】
燃料電池セル３００が以上のように電気的に接続される結果、燃料電池セル集合体５００の発電電圧（集電バスバー４５１と集電バスバー４５２との間に生じる電圧）は、（小型セル３０１一本当たりの発電電圧）×（一本の燃料電池セル３００に含まれる小型セル３０１の数）×（並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２の数）となる。
【０２３４】
１本当たりの発電電圧が高い連結円筒型の燃料電池セル３００を直列接続したことにより、燃料電池セル集合体５００の発電電圧を高めている。その結果、取り出す電流が小さくなっており、燃料電池セル３００の劣化を抑制している。
【０２３５】
また、全ての燃料電池セル３００を互いに電気的に直列接続するのではなく、上記のように、並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２を構成する３本の燃料電池セル３００が、電気的に並列接続された状態となっている。このため、並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２を構成する燃料電池セル３００の一部が低温となり、発電性能が低下した場合であっても、互いに並列接続されている他の燃料電池セル３００によって発電性能が補われることとなる。その結果、低温となった燃料電池セル３００に対する負担が軽減される。
【０２３６】
また、それぞれの並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２においては、燃料電池セル３００は、酸化剤ガス供給管８００からハウジング１００の側壁（第四円筒１７１）に向かう方向に沿って並ぶように配置されている。このように、温度分布が大きくなりやすい方向に沿って並ぶように燃料電池セル３００を配置することによって、各並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２には、発電時における負担の大きな燃料電池セル３００と、負担の小さな燃料電池セル３００とが、バランスよく含まれることとなる。その結果、燃料電池セル集合体５００を構成する全ての燃料電池セル３００において発電時における負担が分散されるため、燃料電池装置１の発電性能を長期間に渡り維持することが可能となっている。
【０２３７】
燃料電池装置１は、上記のように複数の並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２を備えており、これらを電気的に直列接続している。このような構成において、一部の並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２に負担がかかってしまうと、当該並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２に含まれる燃料電池セル３００が劣化し、燃料電池装置１の発電性能が低下してしまうこととなる。そこで、燃料電池装置１では、酸化剤ガスの到達量や温度分布等、燃料電池セル３００が発電するための環境が全ての並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２について同一となるよう様々な工夫を行うことにより、一部の並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２に負担がかかってしまうことを抑制している。
【０２３８】
第一に、酸化剤ガス供給管８００とハウジング１００の側壁（第四円筒１７１）とを上面視で同心円状に配置した上で、複数の並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２を、やはりこれらと同心円を成すように円形に配置している。
【０２３９】
第二に、各並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２は、それぞれ同数の燃料電池セル３００によって形成されている。更に、並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２の集合体である燃料電池セル集合体５００は、酸化剤ガス供給管８００の中心軸に対して回転対称となるように配置されている。
【０２４０】
第三に、酸化剤ガス供給管８００に形成された噴射口８０１は、並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２の個数と同じ数だけ形成され、各並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２と対応する位置に形成されている。更に、噴射口８０１からこれに対応する並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２までの距離は、全ての噴射口８０１について同一となっている。
【０２４１】
このような構成により、噴射口８０１から噴射された酸化剤ガスが各並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２に到達するまでの距離、各並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２に沿って流れる際の流れ方向、及び流量が、全ての並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２について同一となる。更に、各並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２を通過した後にハウジング１００の側壁（第四円筒１７１）に到達する酸化剤ガスの流れ方向や流量についても、全ての並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２について同一となる。その結果、各並列ユニットにおける環境はほぼ同一なものとなるため、一部の並列ユニットＰＵ１、ＰＵ２に負担がかかってしまうことが抑制されている。
【０２４２】
次に、改質触媒９００と燃料電池セル３００との位置関係について説明する。既に説明したように、燃料電池装置１では、発電のために消費されなかった残余の燃料ガス及び残余の酸化剤ガスを、燃料電池セル３００の上端近傍において混合し燃焼させている。このため、燃焼熱の影響によって、燃料電池セル３００の上部は下部に比べて高温になってしまう傾向がある。
【０２４３】
特に、本実施形態に係る燃料電池セル３００は、複数の小型セル３０１を連結することにより形成された連結円筒型のセルであるから、軸方向に沿った熱伝導が抑制されることにより当該方向に沿った温度差がつきやすい。このため、燃料電池セル３００の上部が高温になってしまう傾向はさらに大きくなり、上部に配置された小型セル３０１の劣化が促進されてしまう可能性が高い。
【０２４４】
更に、体積の小さい小型セル３０１を電気的に直列してなる燃料電池セル３００においては、上部の小型セル３０１が高温となり劣化した場合、その劣化が更に小型セル３０１の温度上昇を引き起こすため、当該小型セル３０１において加速度的に劣化が進行してしまうという問題がある。換言すれば、連結円筒型の燃料電池セル３００は、温度ばらつきに対する耐久性が極めて低いため、燃料電池セル３００全体の温度を均一に保つことが必須の課題である。
【０２４５】
そこで、燃料電池装置１では、改質触媒９００と燃料電池セル３００との位置関係を工夫することにより、燃料電池セル３００の上部が高温になってしまうことを抑制している。図４を再び参照して説明すると、内側空間１６１ｂに配置された改質触媒９００は、燃料電池セル３００の上部に対応する高さの位置において燃料電池セル３００の側方を囲むように配置している。一方、燃料電池セル３００の下部に対応する高さの位置には配置されていない。
【０２４６】
このため、燃料電池セル３００のうち温度が上昇しやすい部分、すなわち、上方に配置された小型セル３０１のみが、改質触媒９００で起こる吸熱反応の影響により選択的に冷却されることとなる。その結果、燃料電池セル３００の上部と下部との間に生じる温度差を低減し、局所的な温度上昇に起因した燃料電池セル３００の劣化を抑制している。
【０２４７】
また、改質触媒９００の上端位置は、最も上方に配置された小型セル３０１の上端位置よりも高くなっている。このような構成とすることにより、燃料電池セル３００の周囲に配置された改質触媒９００のうち、当該小型セル３０１の上端よりも上の部分に配置された改質触媒９００により、当該小型セル３０１の上端が集中的に冷却されることとなる。その結果、上方に配置された小型セル３０１の温度が他の部分の温度よりも上昇してしまうことを確実に防止している。
【０２４８】
また、燃料電池セル３００のうち最も上方に配置された小型セル３０１の上端には、アノードキャップ３５０又はカソードキャップ３７０が装着されている。残余の燃料ガスは、これらアノードキャップ３５０等のうち縮径部３５２（又は縮径部３７２）の上端に形成された開口から放出された後、当該開口の近傍で燃焼する。このような構成によって、かかる燃焼の炎が形成される位置は、最も上方に配置された小型セル３０１の上端から更に上方に離間した位置となっている。その結果、上方に配置された小型セル３０１の温度上昇を更に抑制している。
【０２４９】
更に、改質触媒９００の上端位置は、燃料電池セル３００の上方に配置されたアノードキャップ３５０の縮径部３５２（又はカソードキャップ３７０の縮径部３７２）の上端に形成された開口よりも高い位置となっている。すなわち、燃焼の炎が形成される位置、及びアノードキャップ３５０又はカソードキャップ３７０の側方全体を囲むように改質触媒９００が配置される。
【０２５０】
このような構成により、燃焼の熱が改質触媒９００によって奪われ、アノードキャップ３５０等も冷却されるため、上方に配置された小型セル３０１の温度が上昇することを更に抑制している。また、アノードキャップ３５０等は熱伝導率が高い金属により形成されているため、かかる冷却はさらに効率的に行われる。
【０２５１】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【０２５２】
１００：ハウジング
１０１：シール部材
１２０：外郭
１２１：第三空間
１２１ａ：円筒空間
１２１ｂ：円盤空間
１２２：酸化剤ガス供給配管
１３０：第一円筒
１３１：第二円筒
１３２：天板
１３３：天板
１３４：底板
１３５：第一フランジ
１３６：ボルト穴
１６０：内郭
１６１：第一空間
１６１ａ：外側空間
１６１ｂ：内側空間
１６２：仕切り板
１６４：原料ガス供給配管
１６５：水供給配管
１６６：先端
１６７：蒸発板
１６８：触媒支持板
１６９ａ，１６９ａ：Ｌ字管
１７０：第三円筒
１７１：第四円筒
１７２：天板
１７３：底板
１７５：第二フランジ
１７６：ボルト穴
１７７ａ，１７７ｂ：配管
１７８：マニホールド設置台
１８０：第二空間
１８１：隙間
１８２：排ガス排出配管
３００，３００ａ：燃料電池セル
３０１：小型セル
３０２：燃料極支持体
３０３：電解質層
３０４：空気極層
３０５：燃料供給孔
３０６：中実円柱部
３０７：中実面
３０８ａ，３０８ｂ：露出部
３１０，３１０ａ：集電部材
３１１：周壁部
３１２：水平壁部
３１３：中央凸部
３１９ａ：上昇抑制壁
３２０ａ，３２０ｂ：ガラスリング
３３０ａ，３３０ｂ：絶縁リング
３３１ａ，３３１ｂ：端面被覆部
３３２ａ，３３２ｂ：側面被覆部
３４０：貫通孔
３５０：アノードキャップ
３５１，３７１：電気接続部
３５２,３７２：縮径部
３５３：水平壁部
３５４：中央凸部
３５５：貫通孔
３６０：ガラスリング
３６１：絶縁リング
３７０：カソードキャップ
３８０：ガラスシール
４００，４１０：上部接続部材
４０１, ４１１：クリップ
４５１，４５２：集電バスバー
５００：燃料電池セル集合体
７００：マニホールド
７０１：天板
７０２：貫通孔
７０３：外側壁
７０４：内側壁
７０５：底板
７１０ａ，７１０ｂ：湾曲管
７１１ａ，７１１ｂ：噴射口
７７０：絶縁ブッシュ
７７１：支持部
７７２：縮径部
７７３：貫通孔
８００：酸化剤ガス供給管
８０１：噴射口
９００：改質触媒
ＢＳ：ベース板
Ｃ１：第一燃料電池セル
Ｃ１１０，Ｃ１２０，Ｃ１３０：燃料電池セル
Ｃ２：第二燃料電池セル
Ｃ２１０，Ｃ２２０，Ｃ２３０：燃料電池セル
Ｃ３：第三燃料電池セル
Ｃ３１０，Ｃ３２０，Ｃ３３０：燃料電池セル
ｇ１：第一隙間
ｇ２：第二隙間
ＨＬ：放射列
ＬＬ１，ＬＬ２：直線
ＰＵ１，ＰＵ２：並列ユニット
θ１，θ２：角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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