(57)【要約】  セルスタックにおける酸化剤ガス及び酸化剤オフガスの通気抵抗が小さく、ガスリークの危険性及びこれによる壊滅的損傷の危険性を効果的に低減した燃料電池を提供する。この燃料電池は、電池セル１１を中央部間に挟み、周辺部間にセルホルダー１９を挟んでアノードプレート１２とカソードプレート１３とが交互に積層されたセルスタック１０を具備する。そして、セルスタック１０の対向する２辺部の一方には燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆを一体形成し、他方には燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇを一体形成する。また、他の対向する２辺の一方には酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈを一体形成し、他方はマニホールドを排除して、セルスタック１０の側面に、各段の電池セル１１のカソード側から排出される酸化剤オフガスの排気口１５ｂを開口させる。
2015174386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主面にアノード、他方の主面にカソードが接合された平板状で矩形状の電池セルを中心部間に挟み周辺部間に平板状のセルホルダーを挟んで、平板状のアノードプレートと平板状のカソードプレートとを交互に積層して構成されたセルスタックを備え、
前記セルスタック内の各電池セルのアノードに沿って燃料含有ガスを流通させる燃料含有ガス流路、及び各電池セルのカソードに沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路が、各電池セルのアノード側及びカソード側にそれぞれ形成された燃料電池において、
前記各電池セルの燃料含有ガス流路上流側、燃料含有ガス流路下流側、及び酸化剤ガス流路上流側は、セルホルダーを挟んでアノードプレートとカソードプレートとが積層されたプレート積層部を積層方向に貫通して、セルスタック内の各燃料含有ガス流路の上流端と連通する燃料含有ガス給気マニホールド、各燃料含有ガス流路の下流端と連通する燃料オフガス排気マニホールド、及び各酸化剤ガス流路の上流端と連通する酸化剤ガス供給マニホールドが各形成されたマニホールド一体構造とされ、
前記各電池セルの酸化剤ガス流路下流側は、前記各酸化剤ガス流路の下流端が前記セルスタックの外周面に酸化剤オフガス排気口として開口して、酸化剤オフガスを酸化剤ガス流路の下流端からセルスタック外へ直接排出する開放構造とされた燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、前記セルスタックの外周面に開口する酸化剤オフガス排気口は、前記セルスタックが収容されるスタック収容空間と接して、酸化剤オフガスを酸化剤ガス流路の下流端から前記スタック収容空間へ直接排出する燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、前記セルスタックは、当該セルスタックを覆うスタックカバー内に配置されて、当該スタックカバーの内部を前記スタック収容空間とした燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池において、前記燃料含有ガス流路におけるガス流通方向と前記酸化剤ガス流路におけるガス流通方向とを交差させるべく、前記燃料含有ガス流路は前記各電池セルの１辺側からその対向辺側へ形成され、前記酸化剤ガス流路は前記各電池セルの他の２辺のうちの何れか１辺の側からその対向辺側へ形成された燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、前記セルスタックは、積層方向一端側から俯瞰して、セルスタック内の電池セルに対応する矩形状に形成されており、前記燃料含有ガス給気マニホールド、前記燃料オフガス排気マニホールド、及び前記酸化剤ガス給気マニホールドは、前記矩形の３辺部分にそれぞれ形成され、酸化剤オフガス排気口は前記矩形の残りの１辺側の側面に形成された燃料電池。
【請求項６】
請求項２〜５の何れかに記載の燃料電池において、前記スタック収容空間の外側に配置されて、原燃料ガスから水素リッチの燃料含有ガスを生成する改質器を具備する燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池において、前記改質器は、前記燃料オフガス排気マニホールドから排出される燃料オフガスと、前記スタック収容空間から排出される酸化剤オフガスとの混合ガスを燃焼させるオフガス燃焼器を加熱源として、当該オフガス燃焼器から排出される燃料排ガスを当該改質器での加熱媒体に使用する燃料電池。
【請求項８】
請求項７又は８に記載の燃料電池において、前記改質器は、前記スタックカバーの近傍に配置された燃料電池。
【請求項９】
請求項６〜８の何れかに記載の燃料電池において、前記改質器は、前記セルスタックの中心を積層方向に通る中心線と直交し且つ前記酸化剤ガス流路におけるガス流路方向と直交する基準線を挟んで、前記酸化剤オフガス排気口が開口する側とは異なる側に位置する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板状の電池セルを中心部間に挟み周辺部間に平板状のセルホルダーを挟んで、同じく平板状のアノードプレートとカソードプレートとを交互に積層して構成された平板型のセルスタック、特に平板状の電池セルが矩形状である角板型のセルスタックを具備する燃料電池に関し、より詳しくは、給気及び排気を行うマニホールドが周辺部の積層方向に一体的に形成されたマニホールド一体型のセルスタックを具備する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、使用する電解質の種類により、固体酸化物形燃料電池や固体高分子形燃料電池などがあり、なかでも発電効率が高い固体酸化物形燃料電池が注目を集めている。固体酸化物形燃料電池の典型的な形式の一つは、平板状の固体酸化物の一方の面にアノード、他方の面にカソードが接合された平板状の電池セルを中心部間に挟み、周辺部間に平板状のセルホルダーを挟んで、同じく平板状のアノードプレートとカソードプレートとを交互に積層して構成された平板型のセルスタックを主要部とするものであり、その平板型のセルスタックは平板状の電池セルの形状によって角板型と円板型とに大別される。すなわち、矩形の角板からなる電池セルを使用するのが角板型のセルスタックであり（特許文献１）、円板状の電池セルを使用するのが円板型のセルスタック（特許文献２）である。【０００３】
角板型セルスタックの典型的な構造を図１４及び図１５に示す。このセルスタック１０は、それぞれが発電機能を有する複数の角板状の発電要素１０Ａを繰り返し積層して構成された角柱状の積層体である。各発電要素１０Ａは、平板状で矩形状（ここでは正方形）の電池セル１１を中心部間に挟み、周辺部間に平板状で角枠状のセルホルダー１９を挟んで、同じく平板状で矩形状（ここでは正方形）のアノードプレート１２とカソードプレート１３とが積層された平板状の積層体である。【０００４】
ここで、電池セル１１は、平板状の固体酸化物の一方の面（アノードプレート１２側の面）にアノード、他方の面（カソードプレート１３側の面）にカソードがそれぞれ接合された矩形の薄い積層体であって、両面側のアノードプレート１２及びカソードプレート１３より一回り小さくされている。このため、セルスタック１０の中心部分は、電池セル１１を挟んでアノードプレート１２とカソードプレート１３とが交互に積層された角柱状の電池部１０Ｂとなり、電池部１０Ｂを囲む周辺部分は、角枠状のセルホルダー１９を挟んでアノードプレート１２とカソードプレート１３とが交互に積層された角筒状のプレート積層部１０Ｃとなる。【０００５】
電池部１０Ｂにおいては、各電池セル１１のアノード側に、電池セル１１の対向する２辺部間で燃料含有ガスを前記アノードに沿って流通させる燃料含有ガス流路１４が、アノードプレート１２との間に位置して形成されている。また、各電池セル１１のカソード側には、電池セル１１の対向する他の２辺部間で酸化剤ガスを前記カソードに沿って流通させる酸化剤ガス流路１５が、カソードプレート１３との間に位置して形成されている。すなわち、ここに示されたセルスタック１０は、燃料含有ガス流路１４におけるガス流通方向と、酸化剤ガス流路１５におけるガス流通方向とが直交する直交流形式である。【０００６】
前記電池部１０Ｂを囲む角筒状のプレート積層部１０Ｃにおいては、電池部１０Ｂ内の各段の燃料含有ガス流路１４へ燃料含有ガスを供給するために、対向する２辺部のうちの１辺部分に、燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆが、セルスタック１０の積層方向に貫通して一体形成されており、他の１辺部分には、電池部１０Ｂ内の各段の燃料含有ガス流路１４から排出される燃料オフガスをセルスタック１０外へ排出するために、燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇがセルスタックの積層方向に貫通して一体形成されている。【０００７】
また、対向する他の２辺部のうちの１辺部分には、電池部１０Ｂ内の各段の酸化剤ガス流路１５へ酸化剤ガスを供給するために、酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈがセルスタック１０の積層方向に貫通して一体形成されており、他の１辺部分には、電池部１０内の各段の酸化剤ガス流路１５から排出される酸化剤オフガスをセルスタック１０外へ排出するために、酸化剤オフガス排気マニホールド１０Ｊがセルスタック１０の積層方向に貫通して一体形成されている。【０００８】
発電運転中は、水素リッチの燃料含有ガスが燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆに下方から供給され、各段の電池セル１０Ａ内の燃料含有ガス流路１４に分流する。各段の電池セル１０Ａ内の燃料含有ガス流路１４から排出される燃料オフガスは、燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇに集まり、下方へ排出される。また、酸化剤ガスとしての空気等が酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈに下方から供給され、各段の電池セル１０Ａ内の酸化剤ガス流路１５に分流する。各段の電池セル１０Ａ内の酸化剤ガス流路１５から排出される酸化剤オフガスは、酸化剤オフガス排気マニホールド１０Ｊに集まり、下方へ排出される。これにより、各段の電池セル１０Ａでは発電反応が起きる。【０００９】
なお、本明細書においては、セルスタック１０の運転中及び運転前後を問わず、電池セル１０Ａ内の燃料含有ガス流路１４から排出されるガスを総称して燃料オフガスとし、電池セル１０Ａ内の酸化剤ガス流路１５から排出されるガスを総称して酸化剤オフガスとする。【００１０】
このようなセルスタックにおいては、同じセルスタックでも、角板状の材料を積層して構成された角板型のセルスタックは、上述したように、２種類のガスの流通方向が直交する直交流形式とすることにより、２種類のガスの給気及び排気用のマニホールドを、４辺部のそれぞれに、２種類のガス流路（燃料含有ガス流路１４及び酸化剤ガス流路１５）と同等の幅で一体的に形成することができる。このため、円板状の材料を積層して構成された円板型のセルスタックと比べて、スタック規模を小さくでき、且つ２種類のガスの流通抵抗を小さくできる利点がある。なぜなら、円板型のセルスタックの場合、円板状の電池セルの中心部から外周部へ２種類のガスを流通させるため、両ガスのマニホールド、特に両ガスの給気マニホールドをセルスタックの中心部に形成する必要があるところ、そのような給気マニホールドのセルスタック中心部への一体形成が困難なため、セルスタック外への分離形成が必要になるからである。【００１１】
しかしながら、マニホールドを一体化した角板型のセルスタックといえども、特に酸化剤ガス及び酸化剤オフガスについては通気抵抗が低いとは言えない。その理由は次のとおりである。酸化剤ガス及び酸化剤オフガスの流通方向における圧力変化を図１６に示す。酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈから酸化剤ガス流路１５の入口までの距離がｄ１で、ここにおける圧力損失がｐ１であり、酸化剤ガス流路１５の入口から出口までの距離がｄ２で、ここにおける圧力損失がｐ２である。また、酸化剤ガス流路１５の出口から酸化剤オフガス排気マニホールド１９までの距離がｄ３で、ここにおける圧力損失がｐ３である。【００１２】
固体酸化物形燃料電池用の平板型セルスタックの場合、電池部１０Ｂでのガスリークを防ぐために電池部１０Ｂの周囲において平板間をガスシールする必要がある。そのガスシールは通常ガラスシール材により行われており、その耐圧は数ｋＰａ程度と高くない。しかるに、酸化剤ガスは燃料含有ガスと比べて流量が格段に多いために、圧力が高い。このため、電池部内の酸化剤ガス流路１５でシール不良、これによる酸化剤ガスのリークが生じる危険性がある。酸化剤ガスがリークすると、電池部内で燃料含有ガスの欠乏による電池セルの割れが生じ、壊滅的な破壊に発展する危険性がある。すなわち、通気抵抗が小さい角板型のセルスタックにおいてもなお、ガス圧力、特に酸化剤ガス圧力の高さによるガスリークの危険性、これによる壊滅的損傷の危険性があるのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１３−２５７９７３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１８８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、通気抵抗が小さい角板型のセルスタックにおいて、酸化剤ガス及び酸化剤オフガスの通気抵抗を更に小さくすることにより、ガスリークの危険性及びこれによる壊滅的損傷の危険性を効果的に低減した燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、一方の主面にアノード、他方の主面にカソードが接合された平板状で矩形状の電池セルを中心部間に挟み、周辺部間に平板状のセルホルダーを挟んで、平板状のアノードプレートと平板状のカソードプレートとを交互に積層して構成されたセルスタックを備え、
前記セルスタック内の各電池セルのアノードに沿って燃料含有ガスを流通させる燃料含有ガス流路、及び各電池セルのカソードに沿って酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路が、各電池セルのアノード側及びカソード側にそれぞれ形成された燃料電池において、
前記各電池セルの燃料含有ガス流路上流側、燃料含有ガス流路下流側、及び酸化剤ガス流路上流側は、セルホルダーを挟んでアノードプレートとカソードプレートとが積層されたプレート積層部を積層方向に貫通して、セルスタック内の各燃料含有ガス流路の上流端と連通する燃料含有ガス給気マニホールド、各燃料含有ガス流路の下流端と連通する燃料オフガス排気マニホールド、及び各酸化剤ガス流路の上流端と連通する酸化剤ガス供給マニホールドが各形成されたマニホールド一体構造とされ、
前記各電池セルの酸化剤ガス流路下流側は、前記各酸化剤ガス流路の下流端が前記セルスタックの外周面に酸化剤オフガス排気口として開口して、酸化剤オフガスを酸化剤ガス流路の下流端からセルスタック外へ直接排出する開放構造とされている。【００１６】
本発明の燃料電池においては、平板状で矩形状の電池セルが使用された角板型のセルスタックが使用され、そのセルスタックに燃料含有ガス給気マニホールド、燃料オフガス排気マニホールド、及び酸化剤ガス給気マニホールドが一体化されているので、本質的に小型であり、且つ各ガスの通気抵抗が小さい。加えて、酸化剤ガス流路から排出される酸化剤オフガスについては、酸化剤ガス流路の下流端がセルスタックの外周面に酸化剤オフガス排気口として開口し、酸化剤ガス流路から排出さる酸化剤オフガスがマニホールドを経由しないので、その分、小型化が更に推進されると共に、圧力損失が低下して、通気抵抗が小さくなる。酸化剤ガスは一般に空気であることから分かるように、酸化剤オフガスを含めて安全性が高いので、これをセルスタック外へ直接排出しても、安全上の問題は生じない。【００１７】
セルスタックの外周面に開口する酸化剤オフガス排気口は、前記セルスタックが収容されるスタック収容空間と接して、酸化剤オフガスを酸化剤ガス流路の下流端から前記スタック収容空間へ直接排出する構成とすることができる。この構成により、酸化剤オフガス排気口から排出される酸化剤オフガスがスタック収容空間に一時的に止め置かれ、その酸化剤オフガスの拡散が阻止される。【００１８】
この場合、セルスタックは、当該セルスタックを覆うスタックカバー内に配置されて、当該スタックカバーの内部を前記スタック収容空間とすることができる。そうすることにより、スタック収容空間の形成にスタックカバーが活用され、構造が簡略化される。【００１９】
燃料含有ガス流路におけるガス流通方向と前記酸化剤ガス流路におけるガス流通方向との関係については、両流路が交差する交差流形式とすることができるし、両流路が対向側からそれぞれの対向側へ延びる対向流形式とすることもできる。交差流形式の場合は、各電池セルの各辺側のプレート積層部に各マニホールドが形成されることにより、各マニホールドが大きくなり、通気抵抗が低減する。対向流形式の場合は、対向辺の一方の辺の側に燃料含有ガス給気マニホールドと酸化剤オフガス排気口が形成され、他方の辺の側に燃料オフガス排気マニホールドと酸化剤ガス給気マニホールドが形成されるので、セルスタックの規模縮小が可能になる。【００２０】
セルスタックが、積層方向一端側から俯瞰して、セルスタック内の電池セルに対応する矩形状（四角形状）に形成されている場合に交差流形式を採用すると、燃料含有ガス給気マニホールド、燃料オフガス排気マニホールド、及び前記酸化剤ガス給気マニホールドが、前記矩形の３辺部分にそれぞれ形成され、酸化剤オフガス排気口が前記矩形の残りの１辺側の側面に形成されるので、各辺が最大限に活用される。【００２１】
ちなみに、セルスタックにおける電池セルの平面形状は、矩形であることが必要であるが、電池セルを保持するセルホルダーの平面形状は矩形（四角形）である必要はなく、円形、多角形等でもよい。【００２２】
本発明の燃料電池は、原燃料ガスから水素リッチの燃料含有ガスを生成するために、前記スタック収容空間の外側に配置された改質器を具備することができる。改質器は、セルスタックの燃料オフガス排気マニホールドから排出される燃料オフガスと、前記酸化剤オフガス排気口あるいはスタック収容空間から排出される酸化剤オフガスとの混合ガスを燃焼させるオフガス燃焼器を加熱源とすることができる。その場合、当該オフガス燃焼器から排出される燃料排ガスを前記改質器での加熱媒体に使用するのが効率的で好ましい。【００２３】
前記改質器は、前記スタックカバーの近傍に配置することができる。これにより、セルスタックの発電運転中にスタックカバーが、改質器からの輻射熱により外部から加熱される。セルスタックの酸化剤オフガス排気口からスタックカバー内のスタック収容空間へ酸化剤オフガスを直接排出する場合、酸化剤オフガスは高温であるため、スタックカバーはこの高温の酸化剤オフガスにより内部から加熱される。スタックカバーの内部からの加熱箇所と外部からの加熱箇所とが重なると、スタックカバーの温度分布偏差が大きくなり、スタックカバー内のセルスタックにおける発電効率に悪影響を与える危険性が生じる。この危険性を回避するためには、改質器は、セルスタックの中心を積層方向に通る中心線と直交し且つ酸化剤ガス流路におけるガス流路方向と直交する基準線を挟んで、酸化剤オフガス排気口が開口する側とは異なる側に位置させるのが有効である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の燃料電池は、平板状で矩形状の電池セルが使用された角板型のセルスタックを使用し、そのセルスタックに燃料含有ガス給気マニホールド、燃料オフガス排気マニホールド、及び酸化剤ガス給気マニホールドを一体化しているので、本質的に小型であり、且つ各ガスの通気抵抗が小さい。加えて、酸化剤ガス流路から排出される酸化剤オフガスについては、酸化剤ガス流路の下流端がセルスタックの外周面に酸化剤オフガス排気口として開口し、酸化剤ガス流路から排出さる酸化剤オフガスがマニホールドを経由しないので、その分、小型化が更に推進されると共に、圧力損失が低下して、通気抵抗が小さくなる。これにより、安全性を阻害することなく、ガスリークの危険性及びこれによる壊滅的損傷の危険性を効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池内のセルスタックの全体構造を示す斜視    図である。
【図２】同セルスタックの背面側からの斜視図である。
【図３】同セルスタック内の電池要素の構造を示す分解斜視図である。
【図４】同電池要素の構造を示す断面図である。
【図５】同電池要素の別角度からの断面図である。
【図６】同電池要素における電池セル、セルホルダー及びアノードプレートの構造を    示す分解斜視図である。
【図７】同電池要素におけるカソードプレートの構造を示す分解斜視図である。
【図８】同カソードプレートにおけるスリットプレートの部分平面図である。
【図９】対向流形式のセルスタックを示す模式平面図である。
【図１０】セルスタックのスタックカバーに収容された状態を示す部分破断斜視図で    ある。
【図１１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の模式平面図である。
【図１２】同燃料電池の模式立面図である。
【図１３】同燃料電池の構成図である。
【図１４】従来のセルスタックの全体構造を示すである。
【図１５】従来のセルスタック内の電池要素の構造を示す分解斜視図である。
【図１６】従来のセルスタックにおける酸化剤ガス及び酸化剤オフガスの通気抵抗を    示すグラフである。
【図１７】本発明の一実施形態に係る燃料電池内のセルスタックにおける酸化剤ガス    及び酸化剤オフガスの通気抵抗を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池は、角板型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。この燃料電池は、図１及び図２に示すように、主要構成部分として、それぞれが発電機能を有する複数の平板型の発電要素１０Ａを繰り返し積層して構成された角柱状のセルスタック１０を備えている。
【００２７】
セルスタック１０は全体としては角柱状であるが、厳密には、断面が矩形（ここでは正方形）である四角柱状の本体部と、本体部の対向する２辺部から外側に張り出した２つの第１張出部１０Ｄと、本体部の他の２辺部の一方から外側に張り出した１つの第２張出部１０Ｅとを有している。すなわち、第１張出部１０Ｄは、前記本体部の４辺部のうちの対向する２辺部の積層方向全域から外側へ直方体状に張り出しており、第２張出部１０Ｅは、その２辺部に挟まれた１辺部の積層方向全域から外側へ直方体状に張り出している。いずれの張出部も、本体部の横幅と同等の横幅を有し、且つその横幅に比して外側への張出量が小さい偏平な直方体である。
【００２８】
セルスタック１０内の各発電要素１０Ａに燃料含有ガスを供給するために、２つの第１張出部１０Ｄの一方には、燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆが積層方向に貫通して形成されており、他方には、燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇが積層方向に貫通して形成されている。また、１つの第２張出部１０Ｅには、各発電要素１０Ａに酸化剤ガスを供給するために、酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈが積層方向に貫通して形成されている。いずれのマニホールドも、当該マニホールドが形成される張出部より一回り小さい横長の偏平な直方体状の縦孔である。
【００２９】
燃料含有ガスは、燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆを下から上に流れる過程で各発電要素１０Ａのアノード側に流入し、そのアノード側をアノードに沿って通過した後、燃料オフガスとなって燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇに流入し、当該燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇを上から下へ流れる。また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈを下から上に流れる過程で各発電要素１０Ａのカソード側に流入し、そのカソード側をカソードに沿って通過した後、酸化剤オフガスとなって本体部の側面からマニホールドを介さずに排出される。
【００３０】
個々の発電要素１０Ａは、図３に示すように、平板状で矩形（ここでは正方形）の電池セル１１を中心部間に挟み、周辺部間に平板状で角枠状のセルホルダー１９を挟んで、同じく平板状のアノードプレート１２とカソードプレート１３とが積層された角板状の積層体である。電池セル１１は、図３〜図６に示すように、平板状の固体酸化物１１ａの一方の面（アノードプレート１２側の面）にアノード１１ｂ、他方の面（カソードプレート１３側の面）にカソード１１ｃがそれぞれ接合された矩形（ここでは正方形）の薄板状積層体である。
【００３１】
セルホルダー１９は、ステンレス鋼等の金属板からなる。このセルホルダー１９は、図３〜図６に示すように、セルスタック１０の横断面形状に対応する平面形状を有しており、具体的には、セルスタック１０の四角柱状の本体部に対応する矩形（ここでは正方形）の本体部１９ａと、セルスタック１０の第１張出部１０Ｄに対応して前記本体部１９ａの対向する２辺部から外側へそれぞれ張り出した２つの横長で偏平な長方形状の第１フランジ部１９ｂと、セルスタック１０の第２張出部１０Ｅに対応して残りの２辺部のうちの１辺部から外側へ張り出した１つの横長で偏平な長方形状の第２フランジ部１９ｃとから構成されている。
【００３２】
セルホルダー１９の本体部１９ａには、前記電池セル１１の保持のために、電池セル１１が収容される矩形（ここでは正方形）のセル収容部１９ｇが、本体部１９ａの周縁部を除く部分に形成されている。セルホルダー１９の２つの第１フランジ部１９ｂには、セルスタック１０の燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ及び燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇに各対応する長方形状の燃料含有ガス給気口１９ｄ及び燃料オフガス排気口１９ｅがそれぞれ設けられている。同様に、１つの第２フランジ部１９ｃには、セルスタック１０の酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈに対応する長方形状の酸化剤ガス給気口１９ｆが設けられている。セルホルダー１９の厚みは、電池セル１１の厚みとほぼ同じである。
【００３３】
アノードプレート１２は、セルスタック１０の横断面形状に対応する平面形状を有しており、具体的には、セルスタック１０の四角柱状の本体部に対応する矩形（ここでは正方形）の本体部１２ａと、セルスタック１０の第１張出部１０Ｄに対応して前記本体部１２ａの対向する２辺部から外側へそれぞれ張り出した２つの横長で偏平な長方形状の第１フランジ部１２ｂと、セルスタック１０の第２張出部１０Ｅに対応して残りの２辺部のうちの１辺部から外側へ張り出した１つの横長で偏平な長方形状の第２フランジ部１２ｃとから構成されている。
【００３４】
２つの第１フランジ部１２ｂには、セルスタック１０の燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ及び燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇに各対応する長方形状の燃料含有ガス給気口１２ｄ及び燃料オフガス排気口１２ｅがそれぞれ設けられている。同様に、１つの第２フランジ部１２ｃには、セルスタック１０の酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈに対応する長方形状の酸化剤ガス給気口１２ｆが設けられている。
【００３５】
アノードプレート１２は又、図４〜図６に示すように、ステンレス鋼等の金属材料からなる２枚の平板状材料を積層した積層板である。２枚の平板状材料のうちの発電要素１０Ａと接する側はスリットプレート１２ｇ、反対側はセパレータプレート１２ｈである。スリットプレート１２ｇは、アノードプレート１２の本体部１２ａに略対応する部分に、当該部分に燃料含有ガス流路１４を形成する複数本のスリット１４ａを有する。複数本のスリット１４ａは、２つの第１フランジ部１２ｂの一方から他方にかけて延在すると共に、第２フランジ部１２ｃとその反対側との間に所定ピッチで並列している。
【００３６】
多数本のスリット１４ａの両端側は、電池セル１１のアノード側で且つスリット１４ａの両端側に対応する側（燃料含有ガス給気口１９ｄの側および燃料オフガス排気口１９ｅの側）の各角部に形成された欠除部１１ｄ、並びにセルフレーム１９のセル収容部１９ｇと燃料含有ガス給気口１９ｄとの間のリブ部のアノード側表面、及びセルフレーム１９のセル収容部１９ｇと燃料オフガス排気口１９ｅとの間のリブ部のアノード側表面に各形成された浅い凹溝１９ｈを介して、両端側の燃料含有ガス給気口１２ｄ及び燃料オフガス排気口１２ｅとそれぞれ連通している。
【００３７】
カソードプレート１３は、図３に示すように、アノードプレート１２と同様、セルスタック１０の横断面形状に対応する平面形状を有しており、具体的には、セルスタック１０の四角柱状の本体部に対応する矩形（ここでは正方形）の本体部１３ａと、セルスタック１０の第１張出部１０Ｄに対応して前記本体部１３ａの対向する２辺部から外側へそれぞれ張り出した２つの横長で偏平な長方形状の第１フランジ部１３ｂと、セルスタック１０の第２張出部１０Ｅに対応して残りの２辺部のうちの１辺部から外側へ張り出した１つの横長で偏平な長方形状の第２フランジ部１３ｃとから構成されている。
【００３８】
２つの第１フランジ部１３ｂには、セルスタック１０の燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ及び燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇに各対応する長方形状の燃料含有ガス給気口１３ｄ及び燃料オフガス排気口１３ｅがそれぞれ設けられている。同様に、１つの第２フランジ部１３ｃには、セルスタック１０の酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈに対応する長方形状の酸化剤ガス給気口１３ｆが設けられている。
【００３９】
カソードプレート１３は又、図３、図４及び図６に示すように、ステンレス鋼等の金属材料からなる３枚の平板状材料を積層した積層板であり、具体的には、発電要素１０Ａと接する側からその反対側へ順に積層された第２スリットプレート１３ｇ、第１スリットプレート１３ｈ及びセパレータプレート１３ｉからなる。
【００４０】
第１スリットプレート１３ｈは、カソードプレート１３の本体部１３ａに対応する部分に、当該部分に酸化剤ガス流路１５を形成する複数本のスリット１５ａを有する。複数本のスリット１５ａは、第２フランジ部１２ｃからその反対側にかけて延在すると共に、２つの第１フランジ部１２ｂ間に所定ピッチで並列しており、その一端側は、第２フランジ部１３ｃ内の酸化剤ガス給気口１３ｆと連通している。そして、複数本のスリッ１５ａの他端側は、本体部１３ａの側端面に酸化剤オフガス排気口１５ｂとして開口している（図２参照）。
【００４１】
第２スリットプレート１３ｇは、カソードプレート１３の本体部１３ａに略対応する部分に、酸化剤ガス流路１５におけるガス流通方向（スリット１５ａの延びる方向）と交差する方向（ここでは直交する方向）の短く細い多数のミニスリット１５ｃを有している。多数のミニスリット１５ｃは、図８に示すように、酸化剤ガス流路１５におけるガス流通方向（スリット１５ａの延びる方向）と交差する方向（ここでは直交する方向）のガス流路を形成するものであり、それぞれが並列する複数本（ここでは２本）のスリット１５ａと交差するように密集状態で千鳥状に配置されている。これにより、第２スリットプレート１３ｇは多数のミニスリット１５ｃを有することにより、電池セル１１のカソード１１ｂに密着した状態で複数本のスリット１５ａを並列方向で横断的に連結する。
【００４２】
なお、セルホルダー１９とカソードプレート１３との間には、図示されていないが、アノードプレート１２とカソードプレート１３との間を電気的に絶縁する薄板状の絶縁プレートが配置されると共に、電池要素１１のアノード側とカソード側とを物理的に遮断するシール材が、絶縁プレートとカソードプレート１３との間に位置して配置される。
【００４３】
以上に述べたように、セルスタック１０においては、複数の発電要素１０Ａが繰り返し積層されることにより、当該セルスタック１０は構成される。個々の発電要素１０Ａにおいては、アノードプレート１２とカソードプレート１３とが、その中心部間に電池セル１１を挟み、周辺部間にセルホルダー１９を挟んで積層されることにより、当該発電要素１０Ａは構成される。
【００４４】
構成された発電要素１０Ａにおいては、アノードプレート１２のセル側の表面が電池セル１１のアノード１１ｂと密着し、カソードプレート１３のセル側の表面が電池セル１１のカソード１１ｃと密着する。また、アノードプレート１２の燃料含有ガス給気口１２ｄ、セルホルダー１９の燃料含有ガス給気口１９ｄ、及びカソードプレート１３の燃料含有ガス給気口１３ｄが集合して、セルスタック１０の燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆを形成する。同様に、アノードプレート１２の燃料オフガス排気口１２ｅ、セルホルダー１９の燃料オフガス排気口１９ｅ、及びカソードプレート１３の燃料オフガス排気口１３ｅが集合して、セルスタック１０の燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇを形成し、アノードプレート１２の酸化剤ガス給気口１２ｆ、セルホルダー１９の酸化剤ガス給気口１９ｆ、及びカソードプレート１３の酸化剤ガス給気口１３ｆが集合して、セルスタック１０の酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈを形成する。
【００４５】
そして、各段の電池セル１１のアノード側には、燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆから燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇに至る燃料含有ガス流路１４が、複数本のスリット１４ａにより電池セル１１のアノード１１ｂに沿って形成され、電池セル１１のカソード側には、酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈからカソードプレート１３の側端面に開口する酸化剤オフガス排気口１５ｂに至る燃料含有ガス流路１４が、複数本のスリット１３ａにより電池セル１１のカソード１１ｃに沿って形成される。
【００４６】
また、構成されたセルスタック１０においては、複数の発電要素１０Ａが電気的に直列に接続される。角柱状の本体部の周辺部分を除く横断面が矩形（ここでは正方形）の四角柱部分は、電池セル１１を挟んでアノードプレート１２とカソードプレート１３とが交互に積層された発電部１０Ｂとなり、前記周辺部分、並びに２つの第１張出部１０Ｄ及び１つの第２張出部１０Ｅは、セルホルダー１９を挟んでアノードプレート１２とカソードプレート１３とが交互に積層されたプレート積層部１０Ｃとなる。
【００４７】
なお、隣接する２つの発電要素１０Ａの間では、アノードプレート１２におけるセパレータプレート１２ｈとカソードプレート１３におけるセパレータプレート１３ｉとが接触する。両者は実質的に同一の板材であるので、この間では同じ板材が２枚重なり合う。このため、通常は２枚の板材のうちの１枚が省略される。すなわち、１枚の板材がセパレータプレート１２ｈとセパレータプレート１３ｉとを兼ねる。
【００４８】
そして、構成されたセルスタック１０は、図１０に示すように、スタックカバー２０内に収容されて使用される。スタックカバー２０は、底面が開放した円筒体であり、円形のベース板２１上にセルスタック１０と共に固定されている。詳しく説明すると、セルスタック１０は、円形のベース板２１を下側のエンドプレートとして上側の矩形のエンドプレート２２との間に、それぞれ絶縁部材２９を介して、セルスタック１０の四隅部に配置された４本の締結ボルト２３により固定されている。セルスタック１０を覆うスタックカバー２０は、セルスタック１０の外周側及び上側に空間を確保してベース板２１上に固定されている。これにより、セルスタック１０はスタックカバー２１内に収容され、その内部空間がセルスタック１０が収容されるスタック収容空間２４となる。
【００４９】
スタックカバー２０内に収容されたセルスタック１０は、燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ、燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇ、及び酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈの各上端がエンドプレート２２により閉止される。燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ、燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇ、及び酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈの各下端は、ベース板２１に設けられた燃料含有ガス給気孔、燃料オフガス排気孔、及び酸化剤ガス給気孔を各介して、ベース板２１の下面に突設された燃料含有ガス給気管２５、燃料オフガス排気管２６、及び酸化剤ガス給気管２７の各管内とそれぞれ連通している。また、セルスタック１０の収容空間２４は、セルスタック１０と干渉しないようにベース板２１に設けられた酸化剤オフガス排気孔２１ａを介して、ベース板２１の下面に突設された酸化剤オフガス排気管２８内と連通している。
【００５０】
これにより、燃料含有ガスは、セルスタック１０内の燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ内へ下方の燃料含有ガス給気管２５から流入し、セルスタック１０内の各段の発電要素１０Ａ内の燃料含有ガス流路１４へ分散して流入する。各段の発電要素１０Ａ内の燃料含有ガス流路１４から排出される燃料オフガスは、燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇから下方の燃料オフガス排気管２６を介してセルスタック１０外へ流出する。
【００５１】
一方、酸化剤ガスは、セルスタック１０内の酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈへ下方の酸化剤ガス給気管２７から流入し、セルスタック１０内の各段の発電要素１０Ａ内の酸化剤ガス流路１５へ分散して流入する。各段の発電要素１０Ａ内の酸化剤ガス流路１５から流出する酸化剤オフガスは、セルスタック１０の側端面に開口する複数の酸化剤オフガス排気口１３ｅからスタックカバー２０内のスタック収容空間２４に一旦排出され、更に下方の酸化剤オフガス排気管２８からスタックカバー２０外へ排出される。
【００５２】
本実施形態の燃料電池は、このようなセルスタック１０を主要部として使用する。その燃料電池は、図１１〜図１３に示すように、断熱材によりライニングされた断熱ケーシング３０内に、前述したスタックカバー２０入りのセルスタック１０を、補機類と共に収容した断熱モジュールに構成されている。補機類としては、運転開始時の予熱を行うラジアントチューブ型バーナ３１、原燃料ガスから燃料含有ガスを生成する改質器３２、酸化剤ガス加熱用の熱交換器３３、及び発電運転開始前の予熱時に使用する部分酸化改質器３４などがある。
【００５３】
具体的に説明すると、断熱ケーシング３０の一側部内に、セルスタック１０が、スタックカバー２０内に収容された状態で立設されている。スタックカバー２０内のセルスタック１０は、酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈが内側に位置し、酸化剤オフガス排気口１５ｂが開口する側面が外側を向くように配置されている。また、ラジアントチューブ型バーナ３１、改質器３２及び熱交換器３３などの補機類は、断熱ケーシング３０の他側部内に配置されており、特にラジアントチューブ型バーナ３１、改質器３２及び部分酸化改質器３４は、セルスタック１０横の直近位置に立設されている。
【００５４】
これにより、ラジアントチューブ型バーナ３１、改質器３２、熱交換器３３及び部分酸化改質器３４などの補機類は、セルスタック１０の中心線に直交し且つ酸化剤ガス流路１５におけるガス流通方向に直交する基準線を挟んで、酸化剤オフガス排気口１３ｅが開口する一側面とは異なる側に位置する。なお、セルスタック１０の中心線とは、セルスタック１０の中心点（具体的には、セルスタック１０の四角柱状の本体部或いは電池部１０Ｂの対角線の交点）を積層方向に通過する線である。
【００５５】
ラジアントチューブ型バーナ３１は、断熱ケーシング３０の底板上に立設された逆Ｕ字状のラジアントチューブ３１ａと、断熱ケーシング３０の底板より下方においてラジアントチューブ３１ａの一端部に接続されたバーナ本体３１ｂとからなる。ラジアントチューブ３１ａは、セルスタック１０の横に立設された改質器３２を跨ぐように、改質器３２と共にセルスタック１０横の直近位置に並置されている。バーナ本体３１ｂは、予熱用燃料ガスを予熱用空気と混合して燃焼させると共に、この燃焼により発生する燃焼排ガスをラジアントチューブ３１ａに送り込んで、内側に立設された改質器３２及び横に並置されたセルスタック１０、特にセルスタック１０を覆うスタックカバー２０を輻射熱により加熱する。ラジアントチューブ３１ａの他端部は燃焼排ガスの排出口として開口している。
【００５６】
ラジアントチューブ型バーナ３１と共にセルスタック１０横に並置され改質器３２は円筒体であり、その中心軸に沿って下から順番にオフガス燃焼部、改質部、混合部及び蒸発部を配置した段階構造になっている。最下段のオフガス燃焼部は、セルスタック１０から排出される燃料オフガス及び酸化剤オフガスを燃焼させることにより、燃焼排ガスを上の改質部、混合部及び蒸発部に送ってこれらを加熱する。この加熱により、最上段の蒸発部は、外部から導入される純水を蒸発させて水蒸気を生成する。その下の混合部は、外部から導入された原燃料ガス、すなわち燃料含有ガスの原料となる都市ガス等と、上段の蒸発部で生成した水蒸気との混合ガスを生成する。混合部の下の改質部は、混合部で生成した混合ガスを高温下で改質用の触媒と反応させることにより水素リッチの燃料含有ガスに改質する。改質部で生成した水素リッチの燃料含有ガスは、セルスタック１０のアノード側に供給される。
【００５７】
熱交換器３３は、セルスタック１０のアノード側に供給される酸化剤ガスを、改質器３２から排出される燃焼排ガスを熱源として予熱する。予熱された酸化剤ガスは、セルスタック１０のカソード側に供給される。また、部分酸化改質器３４は、発電運転開始前の予熱時にＰｏｘ燃料とＰｏｘ空気との混合ガスを加熱下で部分酸化して水素リッチの部分酸化改質ガスを生成し、セルスタック１０のアノード側に供給する。
【００５８】
次に、本実施形態の燃料電池の運転方法及び機能について説明する。
【００５９】
発電運転開始前の起動時（予熱時）は、断熱ケーシング３０内のラジアントチューブ型バーナ３１のバーナ本体３１ｂに予熱用燃料ガス及び予熱用空気を供給して燃焼させることにより、ラジアントチューブ３１ａが加熱される。ラジアントチューブ３１ａから排出される燃焼排ガス（バーナ排ガス）は、改質器３２及び熱交換器３３を経由して外部へ排出される。ラジアントチューブ３１ａが加熱されることにより、ラジアントチューブ３１ａからの輻射熱によりスタックカバー２０及びスタックカバー２０内のセルスタック１０、並びにスタックカバー２０外の改質器３２、熱交換器３３及び部分酸化改質器３４が外部から加熱される。また、ラジアントチューブ３１ａから排出される燃焼排ガス（バーナ排ガス）により、改質器３２及び熱交換器３３が内部から加熱される。これらにより、スタックカバー２０内のセルスタック１０、並びにスタックカバー２０外の改質器３２、熱交換器３３及び部分酸化改質器３４が予熱される。
【００６０】
そして、予熱された部分酸化改質器３４にＰｏｘ燃料とＰｏｘ空気との混合ガスを供給することにより、水素リッチの部分酸化改質ガスが生成される。生成された部分酸化改質ガスは、セルスタック１０のアノード側に供給されて、予熱時に当該アノード側が酸化するのを防止する。
【００６１】
発電運転中は、改質器３２の混合部に燃料含有ガスの原料となる都市ガス等の原燃料ガスが供給される。また、熱交換器３３に被加熱媒体として酸化剤ガス（ここでは空気）が供給される。更に、改質器３２の蒸発部に純水が供給される。一方、セルスタック１０では、発電反応に伴って、セルスタック１０の燃料オフガス排気マニホールド１６から燃料オフガス（未燃の燃料含有ガス）が排出され、これが燃料オフガス排気管２６からスタックカバー２０外へ排出される。また、セルスタック１０の酸化剤オフガス排気口１３ｅから酸化剤オフガス（未燃の酸化剤ガス）が排出され、これがスタックカバー２０内のスタック収容空間２４を経由して酸化剤オフガス排気管２８からスタックカバー２０外へ排出される。そして、燃料オフガス排気管２６からスタックカバー２０外へ排出される燃料オフガスと、酸化剤オフガス排気管２８からスタックカバー２０外へ排出される酸化剤オフガスとが改質器３２のオフガス燃焼部に送られて燃焼する。その燃焼により発生する燃焼排ガスが、改質器３２の改質部、混合部及び蒸発部を通過することによりこれらを加熱する。
【００６２】
この状態で改質器３２の蒸発部に純水が供給されることにより水蒸気が生成され、これが混合部で燃料含有ガスの原料となる都市ガス等の原燃料ガスと混合され、下の改質部へ送られることにより、水素リッチの燃料含有ガスに改質される。改質器３２の改質部で生成した水素リッチの燃料含有ガスは、燃料含有ガス給気管２５からセルスタック１０の燃料含有ガス給気マニホールド１５へ流入する。また、熱交換器３３に被加熱媒体として供給された酸化剤ガス（空気）が、改質器３２から供給される燃焼排ガスと熱交換することにより予熱されて、酸化剤ガス給気管２７からセルスタック１０の酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈへ流入する。燃料含有ガス給気マニホールド１５に流入した燃料含有ガスは、各段の発電要素１０Ａの燃料含有ガス流路１４を通過し、酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈに流入した酸化剤ガスは、各段の発電要素１０Ａの酸化剤ガス流路１５を通過する。これにより、各段の発電要素１０Ａで発電反応が起こる。
【００６３】
発電反応に伴って、各段の発電要素１０Ａの燃料含有ガス流路１４からは燃料オフガス（未燃の燃料含有ガス）が排出され、各段の発電要素１０Ａの酸化剤ガス流路１５からは酸化剤オフガス（未燃の酸化剤ガス）が排出される。各段の発電要素１０Ａの燃料含有ガス流路１４から排出された燃料オフガスは一旦、燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇに集まり、ここから燃料オフガス排気管２６を経由してスタックカバー２０外へ排出される。一方、各段の発電要素１０Ａの酸化剤ガス流路１５から排出される酸化剤オフガスは、マニホールドを経由せず、セルスタック１０の本体部の一側面に開口する酸化剤オフガス排気口１５ｂからスタックカバー２０内のスタック収容空間２４に直接排出され、当該スタック収容空間２４を経由して酸化剤オフガス排気管２８からスタックカバー２０の外へ排出される。
【００６４】
燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇを経由して燃料オフガス排気管２６からスタックカバー２０外へ排出される燃料オフガスと、マニホールドを経由せず代わりにスタックカバー２０内のスタック収容空間２４を経由して酸化剤オフガス排気管２８からスタックカバー２０外へ排出される酸化剤オフガスとが、改質器３２のオフガス燃焼部に送られて燃焼することは前述したとおりである。
【００６５】
ここで、スタックカバー２０内のスタック収容空間２４の容積は、セルスタック１０が占有する空間の容積を差し引いても、セルスタック１０内のマニホールド１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈの各容積より格段に大きい。このため、スタック収容空間２４における通気抵抗は、マニホールドマニホールド１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈにおける各通気抵抗と比べて非常に小さくなる。これにより、酸化剤ガスの流通方向における圧力変化は、図１７に示すように、酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈから酸化剤ガス流路１５の入口までの距離ｄ１における圧力損失ｐ１と、酸化剤ガス流路１５の入口から出口までの距離ｄ２における圧力損失ｐ２との合計（ｐ１＋ｐ２）となる。
【００６６】
この圧力損失（ｐ１＋ｐ２）は、酸化剤ガス流路１５の出側に酸化剤オフガス排気マニホールド１９が存在する従来（図１６）の場合の圧力損失（ｐ１＋ｐ２＋ｐ３）と比べて、酸化剤オフガス排気マニホールド１９に起因する圧力損失分（ｐ３）だけ小さい。このため、セルスタックのガスシールがガラスシール材により行われ、その耐圧が数ｋＰａ程度と高くない場合にあっても、酸化剤ガス圧力の高さによるガスリークの危険性、これによる損傷の危険性が効果的に低減される。
【００６７】
また、発電運転中は、改質器３２でオフガスが燃焼することから、その改質器３２が発熱体となり、スタックカバー２０を外部から加熱する。その一方で、セルスタック１０の側面に開口する酸化剤オフガス排気口１３ｅからスタックカバー２０内のスタック収容空間２４に排出される酸化剤オフガスは、数１００℃以上と非常に高温であり、酸化剤オフガス排気口１３ｅが開口するセル側面に対向する部分を中心にしてスタックカバー２０を内部から加熱する。
【００６８】
このとき、スタックカバー２０に対する内部からの加熱部分と外部からの加熱部分とが重なると、スタックカバー２０の加熱分布に偏りが生じ、その結果、スタックカバー２０が破損する危険性が発生する。しかるに、本実施形態の燃料電池においては、改質器３２は、セルスタック１０の中心線に直交し且つ酸化剤ガス流路１５におけるガス流通方向に直交する基準線を挟んで、酸化剤オフガス排気口１５ｂが開口する側面の側とは反対の側に位置しており、より正確には、改質器３２と酸化剤オフガス排気口１５ｂが開口する側面とは、前記基準線を挟んで正反対の位置にある。このため、スタックカバー２０の温度分布が均一化され、改質器３２がスタックカバー２０に対する効果的な加熱源となる。
【００６９】
セルスタック１０内の個々の発電要素１０Ａにおいては、燃料含有ガス流路１４を形成する複数数本のスリット１４ａの両端側は、両端側の燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ及び燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇとは直接連通せず、電池セル１１の燃料含有ガス流通方向両側に各形成された欠除部１１ｄ、及びセルフレーム１９の燃料含有ガス流通方向両側部に各形成された複数の浅い凹溝１９ｈを介して間接的に連通している。
【００７０】
ここで、複数の凹溝１９ｈは、燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆとセルホルダー１９のセル収容部１９ｇとを連通させる燃料含有ガス取入口であり、セルホルダー１９のセル収容部１９ｇと燃料オフガス排気マニホールド１０ｇとを連通させる燃料オフガス取出口である。すなわち、燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ内の燃料含有ガスは、燃料含有ガス取入口である上流側の複数の凹溝１９ｈを介してセルホルダー１９のセル収容部１９ｇ内に流入する。また、セルホルダー１９のセル収容部１９ｇ内の燃料オフガスは、燃料オフガス張出口である下流側の複数の凹溝１９ｈを介して燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇに流入する。このため、隣接するスリット１４ａ間のリブが燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ及び燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇから排除され、その結果、燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ及び燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇにおける通気抵抗が小さくなる。
【００７１】
加えて、燃料含有ガス流路１４のガス流通方向上流側では、燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆ内の燃料含有ガスが、燃料含有ガス取入口である複数の凹溝１０ｈを通過した後、電池セル１１の欠除部１１ｄに流入する。電池セル１１の欠除部１１ｄは、複数の凹溝１０ｈに対向する電池セル１１の端面（ここではアノード１０ｂの端面）を後退させることにより形成され、複数の凹溝１０ｈ及びスリット１４ａの並列方向（横方向）に連続している。このため、複数の凹溝１０ｈからセルホルダー１９のセル収容部１９ｇに流入した燃料含有ガスは、電池セル１１の端面（ここではアノード１０ｂの端面）に衝突して欠除部１１ｄ内で横方向に分散する。このため、複数のスリット１４ａに流入する燃料含有ガスが均等化される。電池セル１１の端面（ここではアノード１０ｂの端面）は、ガス規制部として機能し、欠除部１１ｄ内は緩衝空間として機能する。
【００７２】
燃料含有ガス流路１４のガス流通方向上流側では、複数のスリット１４ａから流出する燃料オフガスが下流側の欠除部１１ｄ内を経由することから、燃料オフガス取出口である下流側の複数の凹溝１９ｈ内にスムーズに流入する。
【００７３】
また、酸化剤ガス流路１５については、酸化剤ガス流路１５を形成する複数本のスリット１５ａの電池セル１１側に第２スリットプレート１３ｇが配置されている。第２スリットプレート１３ｇは、酸化剤ガス流路１５におけるガス流通方向と交差する方向（ここでは直交する方向）の短く細い多数のミニスリット１５ｃを有している。多数のミニスリット１５ｃは、複数本のスリット１５ａを並列方向で横断的に連結する。このため、複数本のスリット１５ａ間でのガス圧差がなくなる。また、第２スリットプレート１３ｇは、電池セル１１のカソード１１ｃとの接触面積を増加させると共に、多数本のミニスリット１５ｃを介して酸化剤ガスをカソード１１ｃに効率的に供給する。すなわち、第２スリットプレート１３ｇは、多数本のミニスリット１５ｃにより、酸化剤ガスの適切な分配供給、並びに圧力損失及び電気抵抗の低減の各観点から発電効率の向上に寄与するのである。
【００７４】
上記実施形態は直交流形式のセルスタック１０を用いているが、図９に示すように、対向流形式のセルスタック１０も使用可能である。図９に示した対向流形式のセルスタック１０は、横断面形状が矩形であり、その対向する２辺部の一方に燃料オフガス排気マニホールド１０Ｇ及び酸化剤ガス給気マニホールド１０Ｈが横に並んで一体的に形成されている。また、他方の１／２部分に燃料含有ガス給気マニホールド１０Ｆが一体的に形成されており、残りの部分はそのような一体型マニホールドがなく、酸化剤オフガス排気口１５ｂが開口する本体部の側面がスタック収容空間に露出している。
【符号の説明】
【００７５】
１０  セルスタック
１０Ａ  発電要素
１０Ｂ  発電部
１０Ｃ  プレート積層部
１０Ｄ  第１張出部
１０Ｅ  第２張出部
１０Ｆ  燃料含有ガス給気マニホールド
１０Ｇ  燃料オフガス排気マニホールド
１０Ｈ  酸化剤ガス給気マニホールド
１０Ｊ  酸化剤オフガス排気マニホールド
１１  電池セル
１１ａ  固体酸化物
１１ｂ  アノード
１１ｃ  カソード
１１ｄ  欠除部
１２  アノードプレート
１２ａ  本体部
１２ｂ  第１フランジ部
１２ｃ  第２フランジ部
１２ｄ  燃料含有ガス給気口
１２ｅ  燃料オフガス排気口
１２ｆ  酸化剤ガス給気口
１２ｇ  スリットプレート
１２ｈ  セパレータプレート
１３  カソードプレート
１３ａ  本体部
１３ｂ  第１フランジ部
１３ｃ  第２フランジ部
１３ｄ  燃料含有ガス給気口
１３ｅ  燃料オフガス排気口
１３ｆ  酸化剤ガス給気口
１３ｇ  第２スリットプレート
１３ｈ  第１スリットプレート
１３ｉ  セパレータプレート
１４  燃料含有ガス流路
１４ａ  スリット
１５  酸化剤ガス流路
１５ａ  スリット
１５ｂ  酸化剤オフガス排気口
１５ｃ  ミニスリット
１９  セルホルダー
１９ａ  本体部
１９ｂ  第１フランジ部
１９ｃ  第２フランジ部
１９ｄ  燃料含有ガス給気口
１９ｅ  燃料オフガス排気口
１９ｆ  酸化剤ガス給気口
１９ｇ  セル収容部
１９ｈ  凹溝
２０  スタックカバー
２１  ベース板
２２  エンドプレート
２３  締結ボルト
２４  スタック収容空間
２５  燃料含有ガス給気管
２６  燃料オフガス排気管
２７  酸化剤ガス給気管
２８  酸化剤オフガス排気管
２９  絶縁部材
３０  断熱ケーシング
３１  ラジアントチューブ型バーナ
３１ａ  ラジアントチューブ
３１ｂ  バーナ本体
３２  改質器
３３  熱交換器
３４  部分酸化改質器
【図１】
2015174386.tif 000003
【図２】
2015174386.tif 000004
【図３】
2015174386.tif 000005
【図４】
2015174386.tif 000006
【図５】
2015174386.tif 000007
【図６】
2015174386.tif 000008
【図７】
2015174386.tif 000009
【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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【国際調査報告】
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