(57)【要約】【課題】装置の小型化に適用でき、燃焼部までオフガスを送り出す配管が必要にならない燃料電池スタック装置を提供する。【解決手段】改質器１２が、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂよりも上方に配置され、第１のマニホールド２ａは第１のセルスタック１０ａの上端に接続され、改質器から供給される燃料ガスは第１のマニホールド２ａを介して第１のセルスタック１０ａのそれぞれの燃料電池セル１ａに上方から供給され、第２のマニホールド２ｂは第２のセルスタック１０ｂの下端に接続され、第２のマニホールド２ｂにより回収された燃料ガスは、第２のマニホールド２ｂを介して第２のセルスタック１０ｂのそれぞれの燃料電池セル１ｂに下方から供給される【選択図】図９
2018092904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池セルスタック装置であって、
内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第１のセルスタック及び第２のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、
原料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する改質器と、
前記第１のセルスタックの上端に接続され、前記改質器から供給された燃料ガスを、前記第１のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに上方から供給するための、前記改質器に接続された第１のマニホールドと、
前記第２のセルスタックの下端に接続され、前記第１のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、前記第２のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに下方から供給するための、前記改質器の下方に配置された第２のマニホールドと、
を備えたことを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
【請求項２】
前記セル群は、前記第１のセルスタック及び前記第２のセルスタックのみからなり、前記第１のセルスタック及び前記第２のセルスタックは、それぞれ複数の燃料電池セルが一列に並置されて構成されている、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項３】
内部流路を流通する燃料ガスと外表面に供給される酸化剤ガスによって発電する、柱状の固体酸化物形の燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを備え、
前記配列した複数の燃料電池セルは第１のセル群と第２のセル群とで構成され、
前記第１のセル群及び前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルは、それぞれの内部流路が第１のマニホールドの内部と連通して立設され、
前記第１のセル群に属する前記燃料電池セルの上端は、内部流路が第２のマニホールドの内部と連通して固定されており、
前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルの上端は、前記上端から排出される発電に使用されない未使用ガスを燃焼するために開放されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項４】
前記第１のセル群に属する前記燃料電池セルの長軸方向における長さは、前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルの長軸方向における長さよりも短いことを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記燃料電池スタックは、前記第２のマニホールドに供給された燃料が、前記第１のセル群に属する前記燃料電池セルの内部流路、前記第１のマニホールド、前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルの内部流路の順にガスが流動した後排出されるように構成されていることを特徴とする、請求項３又は４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記第１のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第２のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第１のセル群と前記第２のセル群とは電気的に直列接続されていることを特徴とする、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記第１のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第２のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第１のセル群と前記第２のセル群とは電気的に並列接続されていることを特徴とする、請求項３乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記第２のマニホールドは、上面視において、前記燃料電池スタックの長辺方向に延在する二つの領域と、前記燃料電池スタックの短辺方向に延在する一つの領域とを有し、前記長辺方向に延在する二つの領域は前記短辺方向に延在する一つの領域を間に挟んで互いに接続されていることを特徴とする、請求項３乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記第２のマニホールドは複数のマニホールドで構成されることを特徴とする、請求項３乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記第２のセル群に属する複数の前記燃料電池セルの上方に、前記第２のマニホールドに燃料ガスを供給する改質器を有し、前記第２のセル群に属する複数の前記燃料電池セルと前記改質器との間に燃焼部が設けられていることを特徴とする、請求項３乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項１１】
内部流路を流通する燃料ガスと外表面に供給される酸化剤ガスによって発電する、柱状の固体酸化物形の燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを備え、
前記配列した複数の燃料電池セルは第１のセル群と第２のセル群とで構成され、
前記第１のセル群に属する前記燃料電池セルは、それぞれの内部流路がマニホールドの内部と連通して立設され、
前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルは、絶縁性の連通部材を介して前記燃料電池セルの軸方向において前記第１のセル群の属する前記燃料電池セルの上方に積層して立設され、
前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルの内部流路は、絶縁性の連通部材を介して前記第１のセル群の属する前記燃料電池セルの内部流路に連通され、
前記第１のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは、前記燃料電池スタックの配列方向に沿って電気的に直列接続され、
前記第２のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは、前記燃料電池スタックの配列方向に沿って電気的に直列接続され、
前記第１のセル群と前記第２のセル群とが電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１２】
前記第１のセル群と前記第２のセル群とは電気的に直列接続されていることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池装置。
【請求項１３】
前記第１のセル群と前記第２のセル群とは電気的に並列接続されていることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池装置。
【請求項１４】
前記第１のセル群に属する前記燃料電池セルの長軸方向における長さは、前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルの長軸方向における長さよりも短いことを特徴とする、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項１５】
前記第１のセル群に属する前記燃料電池セルのうち２つ以上の燃料電池セルが、一つの絶縁性の連通部材により接合されていることを特徴とする、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項１６】
内部流路を流通する燃料ガスと外表面に供給される酸化剤ガスによって発電する、柱状の固体酸化物形の燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを備え、
前記配列した複数の燃料電池セルは第１のセル群と第２のセル群とで構成され、
前記第１のセル群と前記第２のセル群とは離間して配列され、
前記第１のセル群に属する前記燃料電池セルは、内部流路が第１のマニホールドの内部と連通するように下端が接続固定されるとともに、内部流路が第２のマニホールドの内部と連通するように上端が接続固定され、
前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルは、内部流路が第２のマニホールドの内部と連通するように上端が接続固定されるとともに、内部流路が第３のマニホールドの内部と連通するように下端が接続固定され、
前記燃料電池スタックは、前記第１のマニホールドに供給された燃料が、前記第１のセル群に属する前記燃料電池セルの内部流路、前記第２のマニホールド、前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルの内部流路、前記第３のマニホールドの順にガスが流動した後排出されるように構成され、
前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルの数は、前記第１のセル群に属する前記燃料電池セルの数と同数又は第１のセル群に属する燃料電池セルの数よりも少なく構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１７】
前記第１のマニホールドと前記第３のマニホールドとは、離間して設けられていることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池装置。
【請求項１８】
前記第１のマニホールドと前記第３のマニホールドは一体の容器として構成され、容器の内部において、前記第１のセル群に属する前記燃料電池セルへ燃料ガスを供給する前記第１のマニホールドと、前記第２のセル群に属する前記燃料電池セルから排出される燃料ガスを前記燃料電池スタックの外部へ排出する前記第２のマニホールドに分離されていることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の燃料電池装置。
【請求項１９】
前記第１のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第２のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第１のセル群と前記第２のセル群とは電気的に直列接続されていることを特徴とする、請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項２０】
前記第１のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第２のセル群に属する複数の前記燃料電池セルは電気的に直列接続され、
前記第１のセル群と前記第２のセル群とは電気的に並列接続されていることを特徴とする、請求項１６乃至１８のいずれか一項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、燃料電池セルスタック装置及び燃料電池装置に関する。特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池セルスタック装置及び固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池装置（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極（燃料極）に燃料ガスを供給し、他方の電極（空気極）に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、例えば７００〜１０００℃程度の比較的高温で動作する。
【０００３】
このような固体酸化物形燃料電池装置に用いる燃料電池セルとして、特許文献１に記載の扁平円筒型セル、特許文献２に記載の円筒型単セルや、特許文献３に記載の円筒横縞型などが知られている。
【０００４】
ところで、このような固体酸化物形燃料電池装置として、供給する燃料ガスの燃料電池セルにおける高い燃料利用率（Ｕｆ）と、高い発電効率が求められている。そこで燃料利用率及び発電効率の向上のため、特許文献４や特許文献５に記載のような燃料電池セル配列を２つのセル群に分割して燃料ガスのカスケード利用を促進した、二段構成のカスケード型燃料電池が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−０８２３８９号公報
【特許文献２】特許５２３４５５４号公報
【特許文献３】特開平７−１３０３８５号公報
【特許文献４】特開２０１６−１００１３６号公報
【特許文献５】特開２０１６−１００１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、このような二段構成のカスケード型燃料電池を従来の筒状の燃料電池セルを用いた燃料電池スタックおよび燃料電池装置に適用しようとすると、装置構成が複雑となり燃料電池装置の小型化が阻害されるなど、容易に構成することが難しい。
【０００７】
特に、燃料電池装置では、発電に使用されなかったオフガスを燃焼させて改質器を加熱し、改質器において原料ガスを水素を含む燃料ガスに改質している。しかしながら、二段構成の燃料電池を適用しようとする場合に、下方から一次側の燃料電池セルに燃料ガスを供給すると、上方で折り返されて二次側の燃料電池セルに燃料ガスが供給される。このため、オフガスは二次側の燃料電池セルの下端から放出されることになるが、このような場合には、燃焼部までオフガスを送り出す配管が必要になってしまう。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、装置の煩雑化を抑制し小型化にも適用できる簡易な構成で、柱状の燃料電池セルを用いた二段構成のカスケード型の燃料電池スタック装置を提供することを目的としている。特に、燃焼部までオフガスを送り出す配管が必要にならない燃料電池スタック装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池セルスタック装置であって、内部に長手方向に延びるガス流路を有する複数の柱状の燃料電池セルを並置してなる第１のセルスタック及び第２のセルスタックが水平方向に並置されたセル群と、原料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する改質器と、第１のセルスタックの上端に接続され、改質器から供給された燃料ガスを、第１のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに上方から供給するための、改質器に接続された第１のマニホールドと、第２のセルスタックの下端に接続され、第１のセルスタックから排出された燃料ガスを回収するとともに、回収した燃料ガスを、第２のセルスタックのそれぞれの燃料電池セルに下方から供給するための、改質器の下方に配置された第２のマニホールドと、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記構成の本発明によれば、第１のセル群で使用された燃料ガスが第２のセル群に流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。また第１のセル群で使用された燃料ガスを、特別の配管や燃料ガス分配器を使用することなく第２のセル群へ供給することができるため、燃料電池スタックを容易に小型化することが可能となる。
【００１１】
また、上記構成の本発明によれば、第１のセルスタックの上端から燃料ガスを供給し、第２のマニホールドにより回収された燃料ガスを第２のセルスタックの下端から供給するため、第２のセルスタックの上端からオフガスを排出することができる。これにより、新たな配管を設けることなく、燃焼部までオフガスを送ることができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、セル群は、第１のセルスタック及び第２のセルスタックのみからなり、第１のセルスタック及び第２のセルスタックは、それぞれ複数の燃料電池セルが一列に並置されて構成されている。
上記構成の本発明によれば、２列のセルスタックのみにより構成されるため、燃料電池セルスタック装置を小型化することができる。
【００１３】
本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置の一態様は、内部流路を流通する燃料ガスと外表面に供給される酸化剤ガスによって発電する、柱状の固体酸化物形の燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを備え、配列した複数の燃料電池セルは第１のセル群と第２のセル群とで構成され、第１のセル群及び第２のセル群に属する燃料電池セルは、それぞれの内部流路が第１のマニホールドの内部と連通して立設され、第１のセル群に属する燃料電池セルの上端は、内部流路が第２のマニホールドの内部と連通して固定されており、第２のセル群に属する燃料電池セルの上端は、上端から排出される発電に使用されない未使用ガスを燃焼するために開放されているものである。
【００１４】
本態様によれば、第１のセル群で使用された燃料ガスが第２のセル群に流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。また第１のセル群で使用された燃料ガスを、特別の配管や燃料ガス分配器を使用することなく第２のセル群へ供給することができるため、燃料電池スタックを容易に小型化することが可能となる。
【００１５】
また本発明の一態様においては、第１のセル群に属する燃料電池セルの長軸方向における長さは、第２のセル群に属する燃料電池セルの長軸方向における長さよりも短いことが好ましい。
【００１６】
本態様によれば、第１のセル群のセル長軸方向の長さを短くすることで、第１のセル群における平均セル電圧と、第２のセル群における平均セル電圧とを略同一にすることができる。第１のセル群は水蒸気分圧が低いためセル電位が高くなる傾向にあるが、セルの長さを短くすることで電極面積が減少するため、過電圧を増加させることで電位の調整をすることができる。このため、燃料電池セルの耐久性を確保することができる。
【００１７】
また本発明の一態様においては、燃料電池スタックは、第２のマニホールドに供給された燃料が、第１のセル群に属する燃料電池セルの内部流路、第１のマニホールド、第２のセル群に属する燃料電池セルの内部流路の順にガスが流動した後排出されるように構成されていることが好ましい。
【００１８】
本態様によれば、第１のセル群で燃料ガスを消費した後に第２のセル群で燃料ガスを消費して排出して、未使用ガスを燃焼させることができるため、改質器を備えた燃料電池モジュールへの組み込みことが容易となる。
【００１９】
また本発明の一態様においては、第１のセル群に属する複数の燃料電池セルは電気的に直列接続され、第２のセル群に属する複数の燃料電池セルは電気的に直列接続され、第１のセル群と第２のセル群とは電気的に直列接続されていることが好ましい。
【００２０】
本態様によれば、第１のセル群における燃料利用率と第２のセル群における燃料利用率とを電流によって規定できるため、燃料電池スタックの高効率化が可能となる。
【００２１】
また本発明の一態様においては、第１のセル群に属する複数の燃料電池セルは電気的に直列接続され、第２のセル群に属する複数の燃料電池セルは電気的に直列接続され、第１のセル群と第２のセル群とは電気的に並列接続されていることが好ましい。
【００２２】
本態様によれば、第１のセル群と第２のセル群とが並列接続されるので、それぞれの電位が等電位になるように、第１のセル群に流れる電流と第２のセル群に流れる電流がバランスする。これにより、耐久性の高い燃料電池装置を提供することができる。
【００２３】
また本発明の一態様においては、第２のマニホールドは、上面視において、燃料電池スタックの長辺方向に延在する二つの領域と、燃料電池スタックの短辺方向に延在する一つの領域とを有し、長辺方向に延在する二つの領域は短辺方向に延在する一つの領域を間に挟んで互いに接続されていることが好ましい。
【００２４】
本態様によれば、第２のセル群から排出された未使用ガスを燃焼する領域を燃料電池セルスタックの略中央部分に配置することができるため、放熱を低減することができ、その結果燃料電池セルスタックの高効率化が可能となる。
【００２５】
また本発明の一態様においては、第２のマニホールドは複数のマニホールドで構成されることが好ましい。
【００２６】
本態様によれば、複数のマニホールドを設置することで燃料電池セルスタックの組み立て性が容易となる。
【００２７】
また本発明の一態様においては、第２のセル群に属する複数の燃料電池セルの上方に、第２のマニホールドに燃料ガスを供給する改質器を有し、第２のセル群に属する複数の燃料電池セルと改質器との間に燃焼部が設けられていることが好ましい。
【００２８】
本態様によれば、燃焼部の熱を効率よく改質器に伝熱できるため、高効率な燃料電池装置を提供することができる。
【００２９】
また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置の一態様は、内部流路を流通する燃料ガスと外表面に供給される酸化剤ガスによって発電する、柱状の固体酸化物形の燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを備え、配列した複数の燃料電池セルは第１のセル群と第２のセル群とで構成され、第１のセル群に属する燃料電池セルは、それぞれの内部流路がマニホールドの内部と連通して立設され、第２のセル群に属する燃料電池セルは、絶縁性の連通部材を介して燃料電池セルの軸方向において第１のセル群の属する燃料電池セルの上方に積層して立設され、第２のセル群に属する燃料電池セルの内部流路は、絶縁性の連通部材を介して第１のセル群の属する燃料電池セルの内部流路に連通され、第１のセル群に属する複数の燃料電池セルは、燃料電池スタックの配列方向に沿って電気的に直列接続され、第２のセル群に属する複数の燃料電池セルは、燃料電池スタックの配列方向に沿って電気的に直列接続され、第１のセル群と第２のセル群とが電気的に接続されているものである。
【００３０】
本態様によれば、第１のセル群を電気的に直列接続し、第２のセル群を電気的に直列接続し、第１のセル群と第２のセル群とを電気的に接続するため、発電面積を大きく確保しながら電流分布を均一にすることができ、且つ、二段酸化を達成することができるので、高効率で高耐久な燃料電池スタックを提供することができる。
【００３１】
また本発明の一態様においては、第１のセル群と第２のセル群とは電気的に直列接続されていることが好ましい。
【００３２】
本態様によれば、第１のセル群における燃料利用率と第２のセル群における燃料利用率とを電流によって規定できるため、燃料電池スタックの高効率化が可能となる。
【００３３】
また本発明の一態様においては、第１のセル群と第２のセル群とは電気的に並列接続されていることが好ましい。
【００３４】
本態様によれば、第１のセル群と第２のセル群とが並列接続されるので、それぞれの電位が等電位になるように、第１のセル群に流れる電流と第２のセル群に流れる電流がバランスする。これにより、耐久性の高い燃料電池装置を提供することができる。
【００３５】
また本発明の一態様においては、第１のセル群に属する燃料電池セルの長軸方向における長さは、第２のセル群に属する燃料電池セルの長軸方向における長さよりも短いことが好ましい。
【００３６】
本態様によれば、第１のセル群のセル長軸方向の長さを短くすることで、第１のセル群における平均セル電圧と、第２のセル群における平均セル電圧とを略同一にすることができる。第１のセル群は水蒸気分圧が低いためセル電位が高くなる傾向にあるが、セルの長さを短くすることで電極面積が減少するため、過電圧を増加させることで電位の調整をすることができる。このため、燃料電池セルの耐久性を確保することができる。
【００３７】
また本発明の一態様においては、第１のセル群に属する燃料電池セルのうち２つ以上の燃料電池セルが、一つの絶縁性の連通部材により接合されていることが好ましい。
【００３８】
本態様によれば、第２のセル群のセル数を第１のセル群のセル数と同数又は第１のセル群に属する燃料電池セルの数よりも少なくすることで、さらに燃料利用率を高めることができる。また第１のセル群における燃料利用率と、第２のセル群における燃料利用率を近似させることができるため、ネルンストロスを略同一に揃えることができ、発熱のアンバランスさを解消することができる。
【００３９】
また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置の一態様は、内部流路を流通する燃料ガスと外表面に供給される酸化剤ガスによって発電する、柱状の固体酸化物形の燃料電池セルを複数配列してなる燃料電池スタックを備え、配列した複数の燃料電池セルは第１のセル群と第２のセル群とで構成され、第１のセル群と第２のセル群とは離間して配列され、第１のセル群に属する燃料電池セルは、内部流路が第１のマニホールドの内部と連通するように下端が接続固定されるとともに、内部流路が第２のマニホールドの内部と連通するように上端が接続固定され、第２のセル群に属する燃料電池セルは、内部流路が第２のマニホールドの内部と連通するように上端が接続固定されるとともに、内部流路が第３のマニホールドの内部と連通するように下端が接続固定され、燃料電池スタックは、第１のマニホールドに供給された燃料が、第１のセル群に属する燃料電池セルの内部流路、第２のマニホールド、第２のセル群に属する燃料電池セルの内部流路、第３のマニホールドの順にガスが流動した後排出されるように構成され、第２のセル群に属する燃料電池セルの数は、第１のセル群に属する燃料電池セルの数と同数又は第１のセル群に属する燃料電池セルの数よりも少なく構成されているものである。
【００４０】
本態様によれば、第１のセル群で使用された燃料ガスが第２のセル群に流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。またセルの配列を大きく変更することなく二段階に燃料ガスを消費させることが可能となるため、発電効率が高く、製造が容易な燃料電池スタックを提供することができる。
【００４１】
また本発明の一態様においては、第１のマニホールドと第３のマニホールドとは、離間して設けられていることが好ましい。
本態様によれば、セルどうしを離間させるとともに、マニホールドどうしも離間させた配置とするため、製造時の組付けが容易な燃料電池スタックを提供することができる。
【００４２】
また本発明の一態様においては、第１のマニホールドと第３のマニホールドは一体の容器として構成され、容器の内部において、第１のセル群に属する燃料電池セルへ燃料ガスを供給する第１のマニホールドと、第２のセル群に属する燃料電池セルから排出される燃料ガスを燃料電池スタックの外部へ排出する第２のマニホールドに分離されていることが好ましい。
【００４３】
本態様によれば、マニホールドを一体の容器として構成することができるため、製造が容易な燃料電池スタックを提供することができる。
【００４４】
また本発明の一態様においては、第１のセル群に属する複数の燃料電池セルは電気的に直列接続され、第２のセル群に属する複数の燃料電池セルは電気的に直列接続され、第１のセル群と第２のセル群とは電気的に直列接続されていることが好ましい。
【００４５】
本態様によれば、第１のセル群における燃料利用率と第２のセル群における燃料利用率とを電流によって規定できるため、燃料電池スタックの高効率化が可能となる。
【００４６】
また本発明の一態様においては、第１のセル群に属する複数の燃料電池セルは電気的に直列接続され、第２のセル群に属する複数の燃料電池セルは電気的に直列接続され、第１のセル群と第２のセル群とは電気的に並列接続されていることが好ましい。
【００４７】
本態様によれば、第１のセル群と第２のセル群とが並列接続されるので、それぞれの電位が等電位となるように、第１のセル群に流れる電流と第２のセル群に流れる電流がバランスする。このため、燃料電池セルの耐久性を確保することができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、装置の煩雑化を抑制し小型化にも適用できる簡易な構成で、柱状の燃料電池セルを用いた二段構成のカスケード型の燃料電池スタック及び燃料電池装置を提供することができる。特に、本発明によれば、燃焼部までオフガスを送り出す配管が必要にならない燃料電池スタック装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の燃料電池スタックの基本構成を説明するための側面図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックの燃料消費を説明する図である。
【図３】本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第１のセルスタック側から見た斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第２のセルスタック側から見た斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第１のセルスタック側から見た側面図である。
【図６】本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第２のセルスタック側から見た側面図である。
【図７】本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の上面図である。
【図８】本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を構成する第１のセルスタックの部分水平断面図である。
【図９】本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の鉛直断面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第１のマニホールドの鉛直断面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第１のセルスタックの燃料電池セルの下端と第２のマニホールドの接続部の拡大断面図である。
【図１２】本発明の第２実施形態による燃料電池セルを示す図である。
【図１３】本発明の第２実施形態による燃料電池セルを示す図である。
【図１４】本発明の第２実施形態による燃料電池スタックを示す側面図である。
【図１５】本発明の第２実施形態による燃料電池スタックを示す側面図である。
【図１６】本発明の第２実施形態による燃料電池セルスタックを示す側面図である。
【図１７】本発明の第３実施形態による燃料電池セルスタックを示す側面図である。
【図１８】本発明の第３実施形態による燃料電池セルスタックを示す側面図である。
【図１９】本発明の第３実施形態による燃料電池スタックを示す側面図である。
【図２０】本発明の第４実施形態による燃料電池スタックを示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更することができる。
【００５１】
まず、本発明の基本構成について説明する。図１は本発明の燃料電池スタック１００の基本構成を説明するための側面図である。図１に示すように、燃料電池スタック１００は、ガス流路が内部に設けられた複数の柱状のセル１と、マニホールド２ｂと、マニホールド２ａとから構成される。セル１は、一端側（図１においては下端側）を一つのマニホールド２ｂにすべて立設して支持固定されている。ここで複数のセル１は、他端側（図１においては上端側）にマニホールド２ａが設置され、このマニホールド２ａに固定されるセル群１０aと、マニホールド２ａとは接続されずに他端側が開放されているセル群１０ｂとに分かれて構成される。複数のセル１は、電気的に直列になるようにそれぞれが接続されている（図示せず）。
【００５２】
マニホールド２ａの内部に燃料ガスが供給されると、セル群１０ａを他端側から一端側に燃料ガスが流通し、マニホールド２ｂ内へ流れ込んだ燃料ガスはマニホールド２ｂ内で分散され、セル群１０ｂの一端側から他端側に向かって流れた後に、セル群１０ｂの他端側から燃料電池スタック１００の外部へ排出される。
【００５３】
ここで燃料の消費について、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を用いて説明する。
燃料ガスを図２（Ａ）に記載のように、セル群１０ａ及びセル群１０ｂとの二段階で消費させて発電する場合、マニホールド２ａに供給される改質ガスを含む燃料ガスを１００とし、セル群１０ａで消費される量を４０とすると、セル群１０ａは４０÷１００＝０．４と計算されるから燃料利用率（Ｕｆ）は４０％となる。さらに、セル群１０ａから排出される未使用の燃料ガスは６０であり、これがセル群１０ｂに供給される。セル群１０ｂで消費される量をセル群１０aと同じ４０とすると、セル群１０ｂにおける燃料利用率は、４０÷６０＝０．６６７・・・であるから、燃料利用率は約６７％となる。
【００５４】
これに対して二段階で発電しない場合、すなわち一段階で発電する場合は、同様に燃料を１００とし、セル群で消費される量を一段階で消費するので８０とすると、８０÷１００＝０．８と計算され、燃料利用率Ｕｆは８０％となる。
【００５５】
燃料利用率が８０％以上になると、水蒸気分圧が高くなりすぎることでセルの起電力が低下してしまう。すなわち、ネルンストロスの影響を受けるので電位が低下傾向を示し、発電効率が下がってしまう。また燃料利用率が高くなりすぎると、セルの電極の酸化に対するリスクが高まり、セルの耐久性が悪化する。
【００５６】
以上の点から、複数のセルを二段階となるようにセル群１０ａ及びセル群１０ｂとで構成して発電反応させることにより、各セル群については燃料利用率を低く維持するとともに、燃料電池スタック全体としては燃料利用率（すなわち発電効率）を高くすることができる。
【００５７】
なお本明細書において、燃料ガスのカスケード利用を実現するために二段構成に分離したセル群のうち上流側のセル群１０ａを、「１段目セル群」、「第１のセルスタック」、又は「１次側セル群」とよび、下流側のセル群１０ｂを「２段目セル群」、「第２のセルスタック」又は「２次側セル群」とよぶ場合があるが、いずれも同義である。
【００５８】
以上のように、他端側のマニホールドから燃料ガスを流入させ、一端側のマニホールドで未使用ガスを集約し、開放側のセル群へ供給するとのセル群の二段構成とすることで、複数のセルの配列、セルどうしの電気的な直列接続、発電用空気の流動等を大きく制限または阻害することなく、且つ、上流側と下流側とのセルの本数の簡易な調整によって、従来の燃料電池モジュールの構造をそのまま適用することが可能である燃料利用率の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００５９】
また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、１ｋｗ程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。
【００６０】
以下、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を説明する。図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第１のセルスタック側から見た斜視図である。図４は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第２のセルスタック側から見た斜視図である。図５は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第１のセルスタック側から見た側面図である。図６は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を示す第２のセルスタック側から見た側面図である。図７は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の上面図である。図８は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置を構成する第１のセルスタックの部分水平断面図である。図９は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の鉛直断面図である。図１０は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第１のマニホールドの鉛直断面図である。図１１は、本発明の第１実施形態による燃料電池セルスタック装置の第１のセルスタックの燃料電池セルの下端と第２のマニホールドの接続部の拡大断面図である。なお、図４〜図６では仕切り板を省略している。
【００６１】
図３〜図９に示すように、燃料電池セルスタック装置１００は、第１のセルスタック１０ａと、複数の柱状の燃料電池セル１により構成された第２のセルスタック１０ｂと、第１のセルスタック１０ａの上方に設けられた第１のマニホールド２ａと、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの下方に設けられたマニホールド２ｂと、第２のセルスタック１０ｂの上方に設けられ、改質触媒が充填された改質部Ｂを有する改質器１２と、から構成される。改質器１２と第１のマニホールド２ａとは接続部１４を介して流体接続されている。また、第１のセルスタック１０ａと、第２のセルスタック１０ｂとの間には、仕切り板６０が設けられている。図９に示すように、燃料電池セルスタック装置１００は断熱材９０により包囲されている。断熱材９０の外周には内側ハウジング９２が設けられており、さらに、内側ハウジング９２の外周には外側ハウジング９４が取り付けらえている。内側ハウジング９２と断熱材９０との間には排ガス流路９６が形成されている。また、内側ハウジング９２と外側ハウジング９４との間には空気流路９８が形成されている。仕切り板６０の上端は内側ハウジング９２に接続されている。内側ハウジング９２の下面に排ガス流路９６と連通し、外側ハウジング９４の外部まで延びる排ガス排出孔９２ａが形成されている。また、外側ハウジング９４の下面には、空気流路９８と連通し、外側ハウジング９４の外部まで延びる空気流入孔（図示せず）が形成されている。
【００６２】
第１のセルスタック１０ａは、内部に軸方向に延びるガス流路が形成された複数の柱状の燃料電池セル１ａが水平方向（横方向）に一列に配列されてなる。また、第２のセルスタック１０ｂも、第１のセルスタック１０ａと同様に、内部に軸方向に延びるガス流路が形成された複数の柱状の燃料電池セル１ｂが水平方向（横方向）に一列に配列されてなる。
【００６３】
第１のセルスタック１０ａを構成するそれぞれの燃料電池セル１ａの上端は、第１のマニホールド２ａに流体接続されている。また、第１のセルスタック１０ａを構成するそれぞれの燃料電池セル１ａの下端は、第２のマニホールド２ｂの短辺方向一側に流体接続されている。第２のセルスタック１０ｂを構成するそれぞれの燃料電池セル１ｂの下端は、第２のマニホールド２ｂの短辺方向他側に流体接続されている。第２のセルスタック１０ｂを構成するそれぞれの燃料電池セル１ｂの上端は開放されており、第２のセルスタック１０の上端と、改質器１２との間には、第２のセルスタック１０ｂから放出されたガスが燃焼される燃焼部１８が形成されている。
【００６４】
改質器１２には、原料ガス及び水（又は水蒸気）が供給される。改質器１２は、燃焼部１８の熱により供給された燃料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する。改質器１２により改質された燃料ガスは、接続部１４を介して第１のマニホールド２ａに供給される。第１のマニホールド２ａに供給された燃料ガスは、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａに送られ、燃料電池セル１ａの内部流路に下方に向かって流れる。この際、第１のセルスタック１０ａの燃料電池セル１ａにより発電がおこなわれる。
【００６５】
第１のセルスタック１０ａの燃料電池セル１ａから排出された燃料ガスは、第２のマニホールド２ｂにより回収される。第２のマニホールド２ｂにより回収された燃料ガスは、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの内部流路に供給され、内部流路を上方に向かって流れる。この際、第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セル１ｂにより発電がおこなわれる。
【００６６】
第２のセルスタック１０ｂの燃料電池セル１ｂを通過した燃料ガスは、第２のセルスタック１０ｂの上方の燃焼部１８に排出される。そして、燃焼部１８に排出された発電に使用されなかった燃料ガスは着火され燃焼される。なお、本実施形態では、セル群は１つの第１のセルスタック１０ａと、１つの第２のセルスタック１０ｂのみを含んで構成されている。しかしながら、第１のセルスタックを２つ以上設けてもよく、第２のセルスタックを２つ以上設けてもよく、第２のセルスタックの下流に第３のセルスタックを設けてもよい。
【００６７】
図８に示すように、第１のセルスタック１０ａは、複数の燃料電池セル１ａが一列に間隔をあけて並置されており、隣接する燃料電池セル１ａの間に集電部材３０が配置されて構成されている。これにより、複数の燃料電池セル１ａは直列に電気的に接続されている。また、第１のセルスタック１０ａの最も外側に位置する燃料電池セル１ａに端部集電部材３０ａが接着されている。また、これと同様に、第２のセルスタック１０ｂの最も外側に位置する燃料電池セル１ｂに端部集電部材３０ｂが接着されている。燃料電池セルスタック装置１００の一方の側において、第１のセルスタック１０ａの端部集電部材３０ａは、第２のセルスタック１０ｂの端部集電部材３０ｂと連結集電部材３２を介して接続されている。これにより、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａと、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂとは直列接続される。そして、燃料電池セルスタック装置１００の他方の側の第１のセルスタック１０ａの端部集電部材３０ａと、第２のセルスタック１０ｂの端部集電部材３０ｂとから発電された電流が取り出される。なお、本実施形態では、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａと、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂとは直列接続されているが、並列接続とすることも可能である。
【００６８】
各燃料電池セル１ａの内部には、一端から他端へ貫通するガス流路が形成されている。
燃料電池セル１ａは、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板３４と、支持基板３４の一方の平坦面上に形成された燃料側電極層３６と、燃料側電極層３６の外面に形成された固体電解質層３８と、固体電解質層３８の外面に形成された空気側電極層４０と、からなる。また、燃料電池セル１ａの他方の平坦面上にはインターコネクタ４２が設けられている。
【００６９】
支持基板３４の内部には、軸方向に燃料ガスを流すためのガス流路３４Ａが両端部の間にわたって形成されている。インターコネクタ４２の外面にはＰ型半導体層４４が設けられている。インターコネクタ４２は、Ｐ型半導体層４４を介して、集電部材３０に接続させている。
【００７０】
燃料側電極層３６は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００７１】
固体電解質層３８は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００７２】
空気側電極層４０は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００７３】
支持基板３４としては、燃料ガスが燃料側電極層３６まで透過するようにガス透過性を有するように、開口率の高い導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。なお、支持基板３４の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。
【００７４】
Ｐ型半導体層４４としては、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。
【００７５】
インターコネクタ１１は、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）等を用いることができる。
【００７６】
第１のセルスタック１０ａの構成と、第２のセルスタック１０ｂの構成は、燃料電池セルの数と、配列された横方向長さが異なるものの、その他の構成は同一である。図３〜図６に示すように、第１のセルスタック１０ａと、第２のセルスタック１０ｂとは、それぞれの燃料電池セル１ａ、１ｂの配列方向が平行になるように配置されている。図９に示すように、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの軸方向長さ（高さ）は、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの軸方向長さよりも長い。
【００７７】
第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの数は、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの数よりも少ない。このため、第１のセルスタック１０ａの燃料電池セル１ａの配列方向の長さ（横方向長さ）は、第２のセルスタック１０ｂの横方向長さよりも短い。なお、以下の説明では、この燃料電池セル１ａ、１ｂの配列方向を単に配列方向という。
【００７８】
第１のセルスタック１０ａの改質器１２の上流側（図３における右手前側）の配列方向一端部の位置と、第２のセルスタック１０ｂの改質器１２の上流側の配列方向一端部の位置とは、配列方向にそろっている。これに対して、第１のセルスタック１０ａの配列方向他端部の位置は、第２のセルスタック１０ｂの配列方向他端部の位置よりも配列方向内側に位置している。図５に示すように、第１のセルスタック１０ａの配列方向の他端部側において、第２のセルスタック１０ｂの配列方向の他端部に相当する位置と、第１のセルスタック１０ａの配列方向の他端部との間には断熱材４６が設けられている。
【００７９】
第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの上方は開放されており、第２のセルスタック１０ｂの上方には燃焼部１８が形成されている。燃焼部１８では、発電に使用されなかった燃料ガスが燃焼される。
【００８０】
図３〜図７、図９に示すように、改質器１２は、蒸発部１２Ａと、改質部１２Ｂとを備える。改質器１２へは、外部から原料ガスと水又は水蒸気が供給管１３Ａ，１３Ｂを通じて供給される。蒸発部１２Ａは、燃焼部１８の燃焼熱により水を加熱して水蒸気を生じさせる。
【００８１】
改質部１２Ｂには、混合ガスを改質するための改質触媒が充填されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。改質部１２Ｂは、燃焼部１８の燃焼熱により供給された原料ガスを水蒸気により改質して、水素を含む燃料ガスに改質する。図７に示すように、改質部１２Ｂは、第１セルスタック１０ａの上方には位置せず、第２のセルスタック１０ｂの上方のみに位置している。さらには、本実施形態では、改質器１２全体が、第１セルスタック１０ａの上方には位置せず、第２のセルスタック１０ｂの上方のみに覆うようにして位置している（すなわち、蒸発部１２Ａや周囲のフランジ等も第２のセルスタック１０ｂの上方のみに位置している）。改質器１２は底面が水平になるように保持されている。改質器１２は、第１のマニホールド２ａ及び第２のマニホールド２ｂよりも上方に位置している。
【００８２】
図１０に示すように、第１のマニホールド２ａは、筐体２２と、枠体２４と、分配管２０とを備える。筐体２２は中空に構成されており、下端面に枠体２４の形状と略同形状の開口２２Ａが形成されている。第１のマニホールド２ａは筐体２２の底面が水平になるように保持されている。
【００８３】
枠体２４には、第１セルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの断面形状と略同形状の複数の開口２４Ａが形成されている。第１セルスタック１０ａを構成する全ての燃料電池セル１ａの上端は、枠体２４に形成された開口２４Ａに接続されている。枠体２４は、筐体２２に形成された開口２２Ａに取り付けられている。なお、第１のマニホールド２ａの筐体２２と枠体２４との接続構造を含む第１のマニホールド２ａと燃料電池セル１ａの上端部との接続構造は、第２のマニホールド２ｂと燃料電池セル１ａの下端部の接続構造と同様であり、後に詳述する。
【００８４】
分配管２０の上流端部は接続部１４に流体接続されており、改質された燃料ガスが供給される。分配管２０には、複数の開口２０Ａが長手方向に間をあけて形成されている。複数の開口２０Ａは、上流側ほど開口面積が大きくなっている。これにより、第１のマニホールド２ａの下流側端部まで燃料ガスが均等に分配され、第１セルスタック１０ａを構成する各燃料電池セル１ａに均等に燃料ガスが供給される。すなわち、分配管２０は、第１の燃料電池セル１ａに均等に燃料ガスを供給するための分配機構として機能する。なお、分配機構としては、本実施形態の構成に限らず、例えば、第１のマニホールド２ａ内に、内部流路を塞ぐように複数の仕切り板を設け、これら複数の仕切り板に先端に向かって大きくなるような開口を設ける構成なども採用できる。
【００８５】
接続部１４は、改質器１２及び第１のマニホールド２ａと継ぎ目なく一体に構成されており、互いの内部流路が流体接続されている。また、接続部１４は改質器１２から第１のマニホールド２ａに向かって下方に向かって傾斜するような湾曲形状を有している。
【００８６】
図９に示すように、第２のマニホールド２ｂは、筐体５０と、第１の枠体５２と、第２の枠体５４とを備える。筐体５０は、下方筐体５０ａと上方筐体５０ｂとが接続されてなり、内部に空間が形成されている。上方筐体５０ｂには、幅方向両側に長手方向に延びるように第１の開口５０ｃと、第２の開口５０ｄとが幅方向に並ぶように平行に形成されている。また、上方筐体５０ｂの幅方向中央には、長手方向に延びるように下方に向けて突出する突部５０ｅが形成されている。筐体５０の第１の開口５０ｃには、第１の枠体５２が取り付けられており、第２の開口５０ｄには第２の枠体５４が取り付けられている。
【００８７】
第１の枠体５２には、第１セルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの断面形状と略同形状の複数の開口５２ａが形成されている。第１セルスタック１０ａを構成する複数の燃料電池セル１ａの下端は、第１の枠体５２に形成された開口５２ａに接続されている。また、第２の枠体５４には、第２セルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの断面形状と略同形状の複数の開口５４ａが形成されている。第２セルスタック１０ｂを構成する複数の燃料電池セル１ｂの下端は、第２の枠体５４に形成された開口５４ａに接続されている。
【００８８】
図１１に示すように、第２のマニホールド２ｂには応力吸収機構５２ｂが形成されている。応力吸収機構５２ｂは、第２のマニホールド２ｂを形成する部材のうちの、第１セルスタック１０ａを構成する複数の燃料電池セル１ａが接続される部材である第１の枠体５２に形成されている。応力吸収機構５２ｂは、第１の枠体５２の燃料電池セル１ａが接続される開口５２ａの周囲に形成されている。応力吸収機構５２ｂは、第１の枠体５２の開口５２ａの周囲の部位が蛇腹形状に形成されて構成されている。また、第１の枠体５２の応力吸収機構５２ｂを形成する部位の板厚は、第２のマニホールド２ｂを構成する他の部位、すなわち、筐体５０の板厚よりも薄くなっている。これにより、応力吸収機構５２ｂは弾性変形可能となり、第１のマニホールド２ａ及び第２のマニホールド２ｂにより第１のセルスタック１０ａのそれぞれの燃料電池セル１ａの両端が固定されることにより、燃料電池セル１ａに生じる応力を吸収することができる。
【００８９】
なお、このような応力吸収機構は、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの下端と第２のマニホールド２ｂとの接続部のみならず、第１のセルスタック１０ａを構成する燃料電池セル１ａの上端と第１のマニホールド２ａとの接続部にも設けられている。ただし、応力吸収機構は、燃料電池セル１ａと第１のマニホールド２ａ及び第２のマニホールド２ｂとの接続部の両方に設ける必要はなく、一方のみでもよい。一方のみに設ける場合には、燃料電池セル１ａの上端と第１のマニホールド２ａとの接続部に設けることが望ましい。
【００９０】
第１の枠体５２は、外周縁が筐体５０の第１の開口５０ｃの縁部と重なり合うように配置され、第１の枠体５２の外周縁と第１の開口５０ｃの縁部とがガラスシール５６ａにより接続されている。また、第１の枠体５２は、内周側の円筒状の部位の内面と燃料電池セル１ａの下端部の外面とがガラスシール５６ｂにより接続されている。
【００９１】
仕切り板６０は、例えば、ステンレス等の耐熱性を有する中空の板材からなり、内部に空気を供給するために空気流通路６０ａが形成されている。仕切り板６０の上端は内側ハウジング９２の上面に接続されており、空気流通路６０ａは空気流路９８と連通している。これにより、空気流通路６０ａには、空気流路９８を介して上端から発電用空気が供給される。仕切り板６０は、改質器１２よりも上方の高さ位置から下端が第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの下端部近傍まで上下方向に延びている。これにより、仕切り板６０は、第１のマニホールド２ａと第１のセルスタック１０ａとの接続部と、燃焼部１８との間を仕切り、熱影響を低減することができる。
【００９２】
仕切り板６０には、対向する表面６０Ａ、６０Ｂの間を貫通する上部貫通孔６０ｂと、下部貫通孔６０ｃとが形成されている。上部貫通孔６０ｂは、燃焼部１８よりも上方の高さ位置に形成されている。また、下部貫通孔６０ｃは、燃焼部１８よりも下方であって、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂの中間の高さ位置辺りに形成されている。上部貫通孔６０ｂ及び下部貫通孔６０ｃを通じて、第１のセルスタック１０ａの側の空間と、第２のセルスタック１０ｂの側の空間とが連通している。
【００９３】
また、仕切り板６０の下端部には下端噴出孔６０ｄが形成されている。仕切り板６０の第１のセルスタック１０ａ側の表面６０Ａには、第１の空気噴出孔６０ｅが形成されており、仕切り板６０の第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂには、第２の空気噴出孔６０ｆが形成されている。第１の空気噴出孔６０ｅは、第１のセルスタック１０ａの下部に当たる高さ位置に形成されている。第２の空気噴出孔６０ｆは第２のセルスタック１０ｂの下部に当たる高さ位置に形成されている。これら第１及び第２の空気噴出孔６０ｅ、６０ｆは複数の開口としてもよいし、単一の開口としてもよい。第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂに形成された第２の空気噴出孔６０ｆの総面積は、第１のセルスタック１０ａ側の表面６０Ａに形成された第１の空気噴出孔６０ｅの総面積よりも大きくなっている。仕切り板６０の空気流通路６０ａに供給された空気は、第１のセルスタック１０ａよりも第２のセルスタック１０ｂに向けて大量に噴出される。
【００９４】
さらに、仕切り板６０の第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂには、燃焼部１８に向けて第３の空気噴出孔６０ｇが形成されている。第３の空気噴出孔６０ｇは、燃焼部１８に相当する高さ位置に形成されている。これにより、仕切り板６０の空気流通路６０ａに供給された空気は、第３の空気噴出孔６０ｇを通じて、燃焼部１８に向けて噴出される。
【００９５】
なお、本実施形態では、仕切り板６０の対向する表面６０Ａ、６０Ｂの両方に空気噴出孔６０ｅ、６０ｆを設けているが、これに限らず、第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂのみに設けてもよい。
【００９６】
以下、本実施形態の燃料電池セルスタック装置１００における燃料ガス及び水（水蒸気）と、発電用空気の流れについて説明する。
原料ガス及び水（水蒸気）は、燃料電池セルスタック装置１００に供給管１３Ａ，１３Ｂを通じて外部から改質器１２に供給される。改質器１２に供給された水は改質器１２の蒸発部１２Ａにおいて燃焼部１８の熱により蒸発される。そして、原料ガス及び水蒸気は改質部１２Ｂへ送られる。原料ガス及び水蒸気は、改質部１２Ｂにおいて燃焼部１８の熱により、水素を含む燃料ガスに改質される。
【００９７】
改質器１２において改質された燃料ガスは、接続部１４を介して第１のマニホールド２ａの分配管２０に供給される。分配管２０に供給された燃料ガスは、開口２０Ａを通じて筐体２２内に噴出される。ここで、開口２０Ａは、上流側ほど開口面積が大きくなっているため、筐体２２内に均一に燃料ガスが噴出される。そして、筐体２２内に噴出された燃料ガスは、第１のセルスタック１０ａを構成するそれぞれの燃料電池セル１ａの内部流路に上端から送り込まれる。燃料ガスは、燃料電池セル１ａの上端から下端に向かって流通し、下端から第２のマニホールド２ｂ内に放出される。この際、それぞれの燃料電池セル１ａは発電を行う。
【００９８】
第２のマニホールド２ｂの上面には下方に突出する突部５０ｅが形成されている。この突部５０ｅは、流路面積を小さくする流路抵抗として機能する。このため、第２のマニホールド２ｂに放出された燃料ガスは、第２のマニホールド２ｂの上流側の室２ｂ１において分散され、その後、下流側の室２ｂ２に流れ込む。
【００９９】
室２ｂ２に流れ込んだ燃料ガスは、第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂの内部流路に下端から送られる。燃料電池セル１ｂに送り込まれた燃料ガスは内部流路内を下端から上端に向かって流れる。この際、それぞれの燃料電池セル１ｂは発電を行う。
【０１００】
第２のセルスタック１０ｂを構成する燃料電池セル１ｂを通過した、発電に使用されなかった燃料ガスは、燃料電池セル１ｂの上端から燃焼部１８に放出される。燃焼部１８に放出された燃料ガスは燃焼され、その際に発生する熱は改質器１２を加熱するのに用いられる。
【０１０１】
燃料ガスを燃焼部１８で燃焼して発生した排ガスは上方に向かって上昇する。この際、仕切り板６０に上部貫通孔６０ｂが形成されていることにより、第１のセルスタック１０ａ側と第２のセルスタック１０ｂ側とで排ガスが拡散され、第１のセルスタック１０ａ側と第２のセルスタック１０ｂ側との排ガスの温度差が小さくなる。そして、排ガスは、排ガス流路９６を下方に向かって流れる。この際、排ガス流路９６を流れる排ガスと、空気流路９８を流れる発電用空気との間で熱交換が行われ、発電用空気を加熱することができる。そして、排ガスは排ガス排出孔９２ａから外側ハウジング９４の外部に排出される。
【０１０２】
次に、発電用空気は、外部から空気流入孔を通じて空気流路９８に送り込まれる。空気流路９８内に送り込まれた空気は空気流路９８を上方に向かって流れる。この際、排ガス流路９６を流れる排ガスと熱交換が行われ、空気は加熱される。空気流路９８の上部まで到達した空気は、仕切り板６０の上端から空気流通路６０ａに送られる。
【０１０３】
空気流通路６０ａに送り込まれた発電用空気は、第１及び第２の空気噴出孔６０ｅ、６０ｆ及び下端噴出孔６０ｄを通じて、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂに向かって噴出される。この際、第２のセルスタック１０ｂ側の表面６０Ｂに形成された第２の空気噴出孔６０ｆの総面積は、第１のセルスタック１０ａ側の表面６０Ａに形成された第１の空気噴出孔６０ｅの総面積よりも大きくなっているため、第２のセルスタック１０ｂに向かって、第１のセルスタック１０ａよりも大量の空気が噴出される。
【０１０４】
ここで、仕切り板６０には下部貫通孔６０ｃが形成されているため、第１のセルスタック１０ａ側の空気と、第２のセルスタック１０ｂ側の空気とが混ざり合う。これにより、発電用空気の温度むらが発生するのを抑制できる。
【０１０５】
また、空気流通路６０ａに送り込まれた発電用空気は、第３の空気噴出孔６０ｇから燃焼部１８に向かって噴出される。これにより、燃焼部１８において発電に使用されなかった燃料ガスを完全燃焼させることができる。
【０１０６】
以上説明したように、本実施形態によれば、以下の作用効果が奏される。
本実施形態によれば、第１のセルスタック１０ａで使用された燃料ガスが第２のセルスタック１０ｂに流れ込み、さらに消費される構成となるため、燃料利用率を高めることができる。また、燃料電池セル１ａ、１ｂの配列を大きく変更することなく二段階に燃料ガスを消費させることが可能となるため、発電効率が高く、製造が容易な燃料電池セルスタック装置を提供することができる。
【０１０７】
また、本実施形態によれば、第１のセルスタック１０ａの上端から燃料ガスを供給し、第２のマニホールド２ａにより回収された燃料ガスを第２のセルスタック１０ｂの下端から供給するため、第２のセルスタック１０ａの上端からオフガスを排出することができる。これにより、新たな配管を設けることなく、燃焼部１８までオフガスを送ることができる。
【０１０８】
また、本実施形態では、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂは、それぞれ複数の燃料電池セル１ａ、１ｂが一列に並置されて構成されており、セル群は、第１のセルスタック１０ａ及び第２のセルスタック１０ｂのみからなる。このように、本実施形態によれば、２列のセルスタックのみ１０ａ、１０ｂにより構成されるため、燃料電池セルスタック装置を小型化することができる。
【０１０９】
次に、本発明の第２実施形態による燃料電池セルスタック装置を説明する。
まず、本発明の第２実施形態で用いる燃料電池セルについて図１２及び図１３を参照して説明する。
【０１１０】
（燃料電池セル）
図１２は、本発明の第２実施形態におけるセルスタックを構成するセルを示す図である。図１３は、セル端部の拡大断面図である。
【０１１１】
図１２に示すように、セル１００１は、セル本体１１０１と、このセル本体１１０１の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ１１０２（金属キャップともいう）とを備えている。
【０１１２】
図１３に示すように、支持体として導電支持体を有する場合のセル本体１１０１は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路１１０３（内部流路ともいう）を形成する円筒形の燃料極層である内側電極層１１０４と、内側電極層１１０４の外周に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層１１０５と、電解質層１１０５の外周に設けられた円筒形の空気極（酸化剤ガス極）層である外側電極層１１０６と、を備えている。この内側電極層１１０４は、セル本体１１０１を構成する支持体として機能すると共に、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。内側電極層１１０４は燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層１１０６は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【０１１３】
内側電極層１１０４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、内側電極層１１０４は、Ｎｉ／ＹＳＺからなる。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、内側電極層として燃料極層を形成する。
【０１１４】
電解質層１１０５は、内側電極層１１０４の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極層１１０４の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極層１１０４の上端よりも下方で終端している。電解質層１１０５は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【０１１５】
外側電極層１１０６は、電解質層１１０５の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層１１０５の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層１１０５の上端よりも下方で終端している。外側電極層１１０６は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【０１１６】
次に、キャップ１１０２について説明するが、セル本体１１０１の上端側と下端側に取り付けられたキャップ１１０２は、同一構造であるため、ここでは、セル本体１１０１の下端側に取り付けられたキャップ１１０２について具体的に説明する。
【０１１７】
キャップ１１０２（金属キャップ）は、セル本体１１０１の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、セル本体１１０１の内側電極層１１０４と電気的に接続され、内側電極層１１０４を外部に引き出す接続電極として機能する。図１３に示すように、セル本体１１０１の下端に設けられたキャップ１１０２は、円筒状の第１円筒部１１０２ａと、第１円筒部１１０２ａの上端かから外方に向かって延びる円環状の円環部１１０２ｂと、円環部１１０２ｂの外周から上方に向かって延びる第２円筒部１１０２ｃとを有する。キャップ１１０２の第１円筒部１１０２ａの中心部には、内側電極層１１０４の燃料ガス流路１１０３と連通する燃料ガス流路１１０７が形成されている。燃料ガス流路１１０７は、キャップ１１０２の中心からセル本体１１０１の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。
【０１１８】
キャップ１１０２は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる本体の内周面及び外周面にクロム酸化物（本実施形態では、Ｃｒ2Ｏ3）がコーティングされ、さらに、外周面には、ＭｎＣｏ2Ｏ4がコーティングされている。加えて、コーティングされたＭｎＣｏ2Ｏ4層の外周面にはＡｇ集電膜が設けられている。なお、本実施形態では、Ａｇ集電膜は、キャップ１１０２の外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。
【０１１９】
キャップ１１０２の第２円筒部１１０２ｃの内側と、セル本体１１０１の内側電極層１１０４の端部外周面との間の空間には銀ペースト１１０８が配置されている。セル１１００の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト１１０８が焼結され、内側電極層１１０４とキャップ１１０２が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ１１０２の第２円筒部１１０２ｃの内周面と、電解質層１１０５の下端部外周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール１１０９が設けられている。このガラスシール１１０９により、キャップ１１０２と内側電極層１１０４との間の空間は、セル１１００の外部の空間に対して気密密封されている。
【０１２０】
（燃料電池スタック）
図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）は本実施形態における燃料電池スタックを示したものである。上述した図１の燃料電池セルスタック１１００のセル群配列の構成について、燃料電池スタック１１００の幅方向（短辺方向）にセル群１０１０ａ、セル群１０１０ｂ、セル群１０１０ａの順に区画して配列させたもので、図１４（Ａ）において右側のセル群１０１０ａと左側のセル群１０１０ａとは図１４の紙面奥手においてつながっている。このため、セル群１０１０ａに配置の複数のセル１００１が接続固定されるマニホールド１００２ｂは、上面視において「コ」字状の形状である（図１４（Ｂ））。
【０１２１】
セル１００１は円筒形状であり、燃料極１００３の両端に電気的に接続された金属キャップ１００４を備え、金属キャップ１００４はセル１００１とガラス材料１００５（図１３〜図１５では図示せず）によってシールされている。セル１００１は絶縁性支持部材１００６（ブッシュともいう）を介してマニホールド１００２ｂに、立設され、ガラスリング１００７により気密固定される。またセル１００１の一部は、上面視において「コ」字状のマニホールド１００２ａの下方に、絶縁性支持部材１００６を介して他端側が配置され、ガラスリング１００７によって気密接合されている。
【０１２２】
複数のセル１００１同士の電気的接続は、金属キャップ１００４と空気極１００８の端部とを集電体１００９を介して電気的に直列となるように接続されている。ここで、セル１００１内の電流分布を考慮すると、燃料ガスの流れる方向に対してセル１００１の下流側に集電体を設置するのが望ましい。そのため、他端側から一端側へ（図１４（Ａ）において上端側から下端側に向かって）燃料ガスが流れるセル群１０１０ａにおいては、一端側（下端側）に集電体１００９を設けることが好ましい。一方、一端側から他端側の方向（図１４（Ａ）において下端側から上端側への方向）に燃料ガスが流れるセル群１０１０ｂにおいては、他端側に集電体１００９を設けることが好ましい。またセル群１０１０ａとセル群１０１０ｂとの電気的接続は、セル群１０１０ａに配置のセル１００１の一端側とセル群１０１０ｂに配置のセル１００１の他端側との接続が必要となるため、一端側から他端側にわたる長距離の集電体による接続が必要となるため、セル１００１への短絡防止という観点で、セル群１０１０aとセル群１０１０ｂとのセル間を離間させると良い。
【０１２３】
改質器１０１１で改質された燃料ガスは、図１４（Ｂ）に示すように、上面視「コ」字状のマニホールド１００２ａの燃料ガス供給管１０２０から供給され、「コ」字状のマニホールド１００２ａの内部で分散し、「コ」字状のマニホールド１００２ａと連通するように接続された上流側のセル群１０１０aのガス流路を他端側から一端側へ流れる。セル群１０１０ａから排出された発電に未使用の燃料ガスは、マニホールド１００２ｂにおいて集約され、他端側が開放された下流側のセル群１０１０ｂのガス流路を一端側から他端側へ向かって流れ、セル群１０１０ｂの上端から排出される。
【０１２４】
また、図１４（Ｃ）に示すように、直方体形状のマニホールド１００２ａを２つに分割して他端側に配置した構成としてもよい。改質器１０１１から導出される燃料ガスを分配して、マニホールド２ｂの燃料ガス供給管１０２０にそれぞれ供給されることで、セル群１０１０ａから下流側のセル群１０１０ｂへ順に燃料ガスを供給することができる。
【０１２５】
一方発電用の空気は、セル群１０１０ａまたはセル群１０１０ｂとして立設される複数の円筒状のセル１００１の側面に、セル１００１の下方より供給される（図１４（Ａ）の点線矢印）。供給された発電用の空気はセル１００１の一端側から他端側に向かって流れ、他端側が開放された下流側のセル群１０１０ｂの上端部において未使用ガスと混合し、燃焼される。
【０１２６】
ここで、他端側にマニホールド１００２ａが設置される上流側のセル群１０１０ａを構成する複数のセル１００１の隙間には発電用の空気が流れにくくなるため、空気の流れを考慮して、上流側のセル群１０１０aと下流側のセル群１０１０ｂとを所定距離だけ離間させることが好ましい。
【０１２７】
また上面視において、図１４（Ｄ）の点線矢印に示すように、「コ」字状のマニホールド２ｂにおいて燃料電池スタックの短辺方向に延びる領域直下においては発電用の空気が流れにくいため、複数のセル１００１に発電用の空気を供給するための空気供給孔は燃料電池セルスタックの長辺側だけとせず、短辺側にも設置して発電用の空気の供給を行うことが好ましい。
【０１２８】
燃料ガスはマニホールド１００２ａを通過し、上流側のセル群１０１０ａにおいて発電反応のために消費される。発電反応によって消費されずに残存する未使用ガスは、マニホールド１００２ｂを通って下流側のセル群１０１０ｂに供給され、さらに下流側のセル群１０１０ｂにおいて発電反応により消費される。
【０１２９】
また、図１５に示すように、直方体形状のマニホールド１００２ａを上面視中央の他端側に配置する構成としてもよい。改質器１０１１から導出される燃料ガスを分配して、マニホールド１００２ａの燃料ガス供給管１０２０にそれぞれ供給されることで、セル群１０１０ａから下流側のセル群１０１０ｂへ順に燃料ガスを供給することができる。
【０１３０】
以上のように、他端側のマニホールドから燃料ガスを流入させ、一端側のマニホールドで未使用ガスを集約し、開放側のセル群へ供給するとのセル群の二段構成とすることで、複数のセルの配列、セルどうしの電気的な直列接続、発電用空気の流動等を大きく制限または阻害することなく、且つ、上流側と下流側とのセルの本数の簡易な調整によって、従来の燃料電池モジュールの構造をそのまま適用することが可能である燃料利用率の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【０１３１】
また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、１ｋｗ程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。
【０１３２】
次に図１６を用いて、本発明の第２実施形態による燃料電池セルスタック装置について説明する。
【０１３３】
図１６に記載の燃料電池スタック１２００は、円筒形状のセル１２０１aとセル１２０１ｂを、絶縁性支持部材１２０６（ブッシュともいう）を介してセル１２０１a及びセル１２０１ｂの長軸方向に積層し、ガラスリング１２０７により接合されている。セル１２０１ａはマニホールド１２０２ａに、絶縁性支持部材１２０６を介して立設され、ガラスリング１２０７によりシール固定されている。
【０１３４】
セルどうしの電気的接続は、一のセルに設けられた金属キャップ１２０４と隣接するセルの空気極１２０８の端部とを集電体１２０９によって直列に接続されている。燃料電池セルスタック１２００を構成する複数のセルは下段に位置するセル群１２１０ａとその上方に位置する上段のセル群１２１０ｂにより構成されている。図１６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、下段に位置するセル１２１０ａ群として配列されたセル１２０１ａは、長辺方向に沿って直列に接続され（図１６（Ａ）参照）、さらに端部のセル１２０１ａにおいて短辺方向に隣り合うセル１２０１ａと直列に接続されている（図１６（Ｂ）参照）。また、下段のセル群１２１０ａの上端部に位置する集電体（黒太字点線）により下段のセル１２０１ａと上段のセル１２０１ｂとが直列に接続され（図１６（Ｃ）参照）、下段と同様に、上段のセル群１２１０ｂに位置するセル１２０１ｂも電気的に直列に接続されている（図７（Ｄ）参照）。なお、電力引出し線は１２０１ａの端部と１２０１ｂの端部に設けられている（図１６の黒太実線）。
【０１３５】
ここで、セル１２０１ａ及びセル１２０１ｂにおける電流分布を考慮すると、燃料ガスの流れる方向に対して下流側に集電することが好ましい。
【０１３６】
燃料ガスは、燃料ガス供給管１２２０からマニホールド１２０２ａに供給され、下段のセル群１２１０aを通過して、絶縁性支持部材１２０６によって連通される流路を通り、上段のセル群１２１０ｂに流れる。
【０１３７】
また、発電用の空気はセル１２０１ａ及びセル１２０１ｂどうしの間を下段側から上段側に向かって流れ、燃料電池スタック１２００の上部において未使用の燃料ガスと混合され燃焼される。
【０１３８】
改質器で得られた水素を含む燃料ガスは、マニホールド１２０２ａを通って下段のセル群１２１０ａにおいて発電反応によって消費される。発電反応により消費されずに残存する未使用ガスは、絶縁性支持部材１２０６を通って上段のセル群１２１０ｂに供給され、さらに発電反応に消費される。
【０１３９】
また、図１６（Ｅ）のように、段のセル群１２１０ａを２本に対して１つの絶縁性支持部材１２０６を配置し、絶縁性ブッシュ１２０６の上に上段のセル群１２１０ｂを1本積層したものを複数配列させた構成としてもよい。改質器で得られた水素を含む燃料ガスは、マニホールド１２０２ａから下段の各セル１２０１ａ分配され、絶縁性支持部材１２０６を通って、上段のセル群１２１０ｂに供給され、さらに発電反応に消費される。
【０１４０】
このように、セル１２０１a及びセル１２０１ｂをセルの長軸方向に積層し電流経路を下段から上段に向かって形成することで、発電面積を広く確保するとともに電流分布を均一にすることができ、且つ、二段階の酸化を達成することができるので、高効率且つ高耐久な燃料電池スタックを提供することができる。
【０１４１】
次に図１７及び図１８用いて、本発明の第３実施形態による燃料電池セルスタックを示す。
【０１４２】
図１７及び図１８に記載の燃料電池スタック１３００ａ及び燃料電池スタック１３００ｂが備える円筒形状のセル１３０１は、燃料極（図示せず）の両端に電気的に接続した金属キャップ１３０４を有し、金属キャップ１３０４はセル１３０１とガラス材料（図示せず）で気密固定されて構成されている。セル１３０１はマニホールド１３０２ａ、１３０２ｂに、絶縁性支持部材１３０６を介して立設され、ガラスリング１３０７でシール固定されている。
【０１４３】
本実施形態において複数のセル１３０１は、燃料電池スタックの長辺方向に沿ったセル列群として構成され、このセル列群を二つ短辺方向に平行に配置することで燃料電池スタックが構成されている。
【０１４４】
図１７に示す燃料電池スタック１３００ａでは、セル列群のうち一方がマニホールド１３０２aに、他端のセル列群はマニホールド１３０２ａとは異なる他のマニホールド１３０２ｂと接続されている。下端をそれぞれのマニホールドに接続された二つのセル列群は、上方に設けられたマニホールド１３０２ｃを介して互いに接続されている。
【０１４５】
また、複数のセル１３０１どうしは、一のセルの金属キャップ１３０４とこれと隣り合うセルの空気極（図示せず）の端部とが集電体１３０９を介して電気的に直列に接続されている。セル１３０１内の電流分布を考慮すると、燃料ガスの流れる方向に対して、下流側に集電することが好ましい。このため、二つのセル列群のうち、燃料ガス流路の上流側となるセル列群においては他端側（上端側）に集電体を配置し、燃料流路の下流側となるセル列群においては一端側（下端側）に集電体を配置することが好ましい。
【０１４６】
また、改質器で改質された水素を含む燃料ガスは、マニホールド１３０２ａの燃料ガス供給管１３２０ａから供給され、マニホールド１３０２ａの内部で分散され、マニホールド１３０２ａと連通接続された上流側のセル列群のガス流路を一端側から他端側へと流れる。上流側のセル列群を通過した燃料ガスは、上方のマニホールド１３０２ｃを通過して下流側のセル列群のガス流路を他端側から一端側へと流動し、さらにマニホールド１３０２ｂで未使用ガスを集約されて燃料ガス排出管１３２０ｂから排出される。
【０１４７】
このように、一のセル列群の一端側のマニホールドから燃料ガスが供給され、他端側のマニホールドにおいて未使用ガスを集約し、他のセル群へ未使用ガスを供給する構成とすることで、複数のセルの配列、セルどうしの電気的な直列接続、発電用空気の流動等を大きく制限または阻害することなく、且つ、上流側と下流側とのセルの本数の簡易な調整によって、従来の燃料電池モジュールの構造をそのまま適用することが可能である燃料利用率の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【０１４８】
図１８に示す燃料電池スタック１３００ｂは、図１７に示す燃料電池スタック１３００ａのセル列群がセル配列の長辺方向に沿って（列方向に）それぞれ分割したものであるのに対し、セル配列の短辺方向に沿って（行方向に）セル群に分割したものである。燃料電池セルスタック１３２０ａと同様に、それぞれ下方のマニホールドに接続されたセル群は、上方に配置されたマニホールドを介してガス流路が接続されている。
【０１４９】
同様に、一のセル列群の一端側のマニホールドから燃料ガスが供給され、他端側のマニホールドにおいて未使用ガスを集約し、他のセル群へ未使用ガスを供給する構成とすることで、複数のセルの配列、セルどうしの電気的な直列接続、発電用空気の流動等を大きく制限または阻害することなく、且つ、上流側と下流側とのセルの本数の簡易な調整によって、従来の燃料電池モジュールの構造をそのまま適用することが可能である燃料利用率の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【０１５０】
また図１９に示すように、セル１３０１の両端にマニホールド１３０２ａ、１３０２ｂを配置し燃料電池スタック１３００ｃを構成しても良い。スタック１３００ｃの上流側のセル列群を集約している他端側マニホールド１３０２ｃと、燃料電池スタック１３００ｃの上流側のセル列群を集約している他端側マニホールド１３０２ｃとを連結管で接続している。改質器で得られた水素を含む燃料ガスは、燃料電池スタック１３００ｃのマニホールド１３０２ａから上流側のセル列群を通って、上流側のセル列群の他端側マニホールド１３０２ｃに集約し、連結管を通って燃料電池スタック１３００ｃの下流側のセル列群に流入し、下流側のセル列群を通って、燃料電池スタック１３００ｃの一端側マニホールド１３０２ｂに集約され排気される。
【０１５１】
次に図２０を用いて、本発明の第４実施形態による燃料電池セルスタックを示す。図２０（Ａ）は本発明の第４実施形態による燃料電池スタックの側面視した断面図を示し、図２０（Ｂ）は本発明の第４実施形態による燃料電池スタックの上面図である。
【０１５２】
図の１１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、マニホールドは、内部を第一供給室１４０２ａと第二供給室１４０２ｂとに仕切られ、他端側を開口した第一排出管１４５０ａと、他端側を封止して燃料を噴出可能な孔を備えた第二供給管１４５０ｂがそれぞれ第二供給室１４０２ｂと連通して設けられている。第一供給室１４０２ａと連通し、第一排出管１４５０ａを備えた部分にセル１４０１の上流側のセル列群が設置され、上流側のセル列群の一端側がガラス材料によりマニホールドとシール固定されている。
【０１５３】
さらに、上流側のセル列群の他端側は有底キャップ１４５１で封止され、第二供給室１４０２ｂと連通した第二供給管１４５０ｂにセル１４０１の下流側のセル列群が設置され、下流側のセル列群の一端側はガラス材料によりマニホールドとシール固定され、下流セルの他端側にはガス流路を有した連通キャップ１４５２が配置されている。改質器１１から供給された燃料ガスはマニホールドの第一供給室１４０２ａに流入し、上流側のセル列群と第一排出管１４５０ａの間を一端側から他端側へ流れ、第一排出管１４５０ａの開口部から上流セルの未使用ガスが流入し第二供給管１４５０ｂへと流れる。第二供給管１４５０ｂで集約された未使用ガスは供給管に流れ、下流側のセル列群の間を一端側から他端側へ流れた後に、ガス流路を有した連通キャップ１４５２から排出される。
【符号の説明】
【０１５４】
１  燃料電池セル（セル）
１ａ  燃料電池セル
１ｂ  燃料電池セル
２ａ  （第１の）マニホールド
２ｂ  （第２の）マニホールド
２ｂ１  室
２ｂ２  室
１０ａ  第１のセルスタック（セル群）
１０ｂ  第２のセルスタック（セル群）
１２  改質器
１２Ａ  蒸発部
１２Ｂ  改質部
１３Ａ  供給管
１３Ｂ  供給管
１４  接続部
１８  燃焼部
２０  分配管
２０Ａ  開口
２２  筐体
２２Ａ  開口
２４  枠体
２４Ａ  開口
３０  集電部材
３０ａ  端部集電部材
３０ｂ  端部集電部材
３２  連結集電部材
３４  導電性支持基板
３４Ａ  ガス流路
３６  燃料側電極層
３８  固体電解質層
４０  空気側電極層
４２  インターコネクタ
４４  Ｐ型半導体層
４６  断熱材
５０  筐体
５０ａ  下方筐体
５０ｂ  上方筐体
５０ｃ  第１の開口
５０ｄ  第２の開口
５０ｅ  突部
５２  第１の枠体
５２ａ  開口
５２ｂ  応力吸収機構
５４  第２の枠体
５４ａ  開口
５６ａ  ガラスシール
５６ｂ  ガラスシール
６０  仕切り板
６０Ａ  表面
６０Ｂ  表面
６０ａ  空気流通路
６０ｂ  上部貫通孔
６０ｃ  下部貫通孔
６０ｄ  下端噴出孔
６０ｅ  第１の空気噴出孔
６０ｆ  第２の空気噴出孔
９０  断熱材
９２  内側ハウジング
９２ａ  排ガス排出孔
９４  外側ハウジング
９６  排ガス流路
９８  空気流路
１００  燃料電池セルスタック（装置）
１００１  セル
１００２ａ  マニホールド
１００２ｂ  マニホールド
１００３  燃料極
１００４  金属キャップ
１００５  ガラス材料
１００６  絶縁性支持部材
１００７  ガラスリング
１００８  空気極
１００９  集電体
１０１０ａ  セル群
１０１０ｂ  セル群
１０１１  改質器
１０２０  燃料ガス供給管
１１００  燃料電池セルスタック
１１０１  セル本体
１１０２  キャップ
１１０２ｂ  円環部
１１０３  燃料ガス流路
１１０４  内側電極層
１１０５  電解質層
１１０６  外側電極層
１１０７  燃料ガス流路
１１０８  銀ペースト
１１０９  ガラスシール
１３００ａ  燃料電池スタック
１３００ｂ  燃料電池スタック
１３０１    セル
１３０２ａ  マニホールド
１３０２ｂ  マニホールド
１３０２ｃ  マニホールド
１３２０ａ  燃料ガス供給管
１３２０ｂ  燃料ガス供給管
１４０１    燃料電池セルスタック
１４０２    マニホールド
１４５０ａ  第１排出管
１４５０ｂ  第２排出管
１４５１    有底キャップ
１４５２    連通キャップ
【図１】
2018092904.tif 000003
【図２】
2018092904.tif 000004
【図３】
2018092904.tif 000005
【図４】
2018092904.tif 000006
【図５】
2018092904.tif 000007
【図６】
2018092904.tif 000008
【図７】
2018092904.tif 000009
【図８】
2018092904.tif 000010
【図９】
2018092904.tif 000011
【図１０】
2018092904.tif 000012
【図１１】
2018092904.tif 000013
【図１２】
2018092904.tif 000014
【図１３】
2018092904.tif 000015
【図１４】
2018092904.tif 000016
【図１５】
2018092904.tif 000017
【図１６】
2018092904.tif 000018
【図１７】
2018092904.tif 000019
【図１８】
2018092904.tif 000020
【図１９】
2018092904.tif 000021
【図２０】
2018092904.tif 000022