JP6093452B2 - 燃料電池スタック及び燃料電池モジュール - Google Patents

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本国際出願は、２０１３年１２月１１日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１３−２５６３８８号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１３−２５６３８８号の全内容を参照により本国際出願に援用する。

本発明は、燃料極層及び空気極層を有する電解質層を備えた燃料電池セルを、複数積層した燃料電池スタックと、その燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールに関するものである。

従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」と称することもある）が知られている。
ＳＯＦＣとしては、例えば板状の固体電解質層（固体酸化物層）の一方の面に燃料極層を備えるとともに他方の面に空気極層を備えた単セルを有する燃料電池セルを、多数積層して燃料電池スタックを形成したものが知られている。

このＳＯＦＣでは、燃料極層に燃料ガスを供給するとともに、空気極層に空気を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質層を介して化学反応させることによって電力を発生させている。

また、上述したＳＯＦＣについては、燃料ガスの流路をシリアルフロー構造とすることで、燃料利用率を上げる手法が開示されている（特許文献１参照）。燃料ガスの流路のシリアルフロー構造とは、燃料ガスを燃料電池スタック中の所定の燃料電池セルに流すとともに、その燃料電池セルから排出された燃料ガスを他の燃料電池セルに、前記所定の燃料電池セルと並列に流す構造である。

更に、近年では、燃料電池スタックを積層方向に貫くように、複数のマニホールドを設け、このマニホールドを介して、燃料ガスや空気を各燃料電池セルに供給したり、反応後の燃料ガスや空気を各燃料電池セルから排出する技術が提案されている（特許文献２、３参照）。

特開２００１−２５６９９３号公報 国際公開第２００８／１５３０７３号公報 国際公開第２０１０／０３８８６９号公報

しかしながら、上述した従来技術では、下記のような問題があり、その改善が求められている。
つまり、特許文献２、３に記載の技術では、燃料電池スタックを積層方向に貫くように形成された複数のマニホールドによって、温度の異なるガスを通過させているが、通過させるガスの温度は低温から高温まで様々であるので、各燃料電池セルにおける各マニホールドの周囲の温度が異なるという問題があった。

具体的には、各マニホールドには、例えば外部から導入された温度が低い燃料ガスや空気が通過したり、燃料電池スタック内で熱交換されて温度が上昇した燃料ガスや空気が通過したり、各燃料電池セルで反応して更に高温になった燃料ガスや空気が通過するので、各マニホールドの周囲における温度が大きく異なっていた。

そして、このように各マニホールドの周囲の温度が異なると、各燃料電池セルの平面方向における面内温度分布が生じ、発電安定性や耐久性が低下するという問題があった。
詳しくは、燃料電池セルに面内温度分布があると、セル面内において抵抗分布が発生して、セル面内の電流分布や電圧分布が生じる。その結果、セル面内での電流の横流れ（即ち面方向における流れ）が生じ、安定した高い出力が得られないという問題があった。

特に、温度の低い冷ガスを供給するマニホールドの場合には、セル面内の温度を大きく低下させ、面内抵抗も増加するので、上述した問題が一層顕著になる。
また、燃料電池セルの面内温度分布によって、一部に過度に温度が高い部分が生じると、金属部材が劣化するという問題もあった。

本発明の一側面では、燃料電池セルの平面方向における温度を均一化できる燃料電池スタック及び燃料電池モジュールを提供することが好ましい。

（１）本発明の第１局面の燃料電池スタックは、電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられて燃料ガスと接する燃料極層と、前記電解質層の他方の面に設けられて酸化剤ガスと接する空気極層と、を備えた燃料電池セルを、複数積層した燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックは、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を予熱する熱交換部と、前記積層方向における一部の前記燃料電池セルに、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を供給するとともに、前記一部の前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を、前記積層方向における前記一部の前記燃料電池セル以外の前記燃料電池セルに供給する構成と、を備え、前記燃料電池スタックには、前記熱交換部の外縁部及び複数の前記燃料電池セルの外周部分を前記積層方向に貫通して、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を流通させるマニホールドを複数有するとともに、前記各マニホールドは、前記積層方向から見た場合に、前記外周部分に沿って一列に配列されており、前記マニホールドとして、前記熱交換部で熱交換される前の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスである冷ガスを流通させる冷ガス用のマニホールドと、発電反応に利用された後の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスである熱ガスを流通させる熱ガス用のマニホールドと、前記熱交換部にて熱交換され、前記冷ガスと前記熱ガスとの間の温度を有する熱交換後ガス用のマニホールドと、を有し、更に、前記燃料電池スタックを前記積層方向から見た場合に、前記外周部分に沿って一列に配列された前記各マニホールドの列内において、前記冷ガス用のマニホールドは、全て前記熱ガス用のマニホールドに隣接するとともに、前記熱ガス用のマニホールドは、他の前記熱ガス用のマニホールドに隣接していない。

第１局面の燃料電池スタックでは、燃料ガスや酸化剤ガスを積層方向に流すマニホールドとして、外部から燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料電池スタック内に導入する冷ガス用のマニホールドと、燃料電池セルから燃料ガス又は酸化剤ガスを排出する熱ガス用のマニホールドとを有するとともに、熱交換部にて熱交換された熱交換後ガスを流通させる熱交換後ガス用のマニホールドを有している。そして、これらのマニホールドを燃料電池スタックを積層方向から見た場合（即ち平面視の場合）、冷ガス用のマニホールドは、全て熱ガス用のマニホールドに隣接するとともに、熱ガス用のマニホールドは、他の熱ガス用のマニホールドに隣接していない。

つまり、第１局面の燃料電池スタックでは、温度の低い冷ガス用のマニホールドは、全て、冷ガスより温度の高い熱ガス用のマニホールドに隣接しており、しかも、この温度の高い熱ガス用のマニホールドは、冷ガスより温度の高い他の熱ガス用のマニホールドに隣接していないので、燃料電池セルの平面方向（即ち平面視で燃料電池セルの広がる方向）における温度差を小さくできる。即ち、燃料電池セル（従って燃料電池スタック）の平面方向における温度を均一化できる。

これによって、燃料電池セルの面内温度分布を小さくすることができるので、セル面内における抵抗分布が小さく、よって、セル面内の電流分布や電圧分布も小さくすることができる。その結果、セル面内での電流の横流れを抑制できるので、安定した高い出力が得られるという顕著な効果を奏する。

また、第１局面の燃料電池スタックでは、熱ガス用のマニホールド同士が隣接していないので、この点からも燃料電池セルの面内温度分布が小さく、一部に過度に温度が高い部分が生じ難いので、金属部材の劣化も抑制できるという利点がある。

ここで、熱交換後ガスとは、熱交換された後のガス、即ち、熱交換部で熱交換される前のガス（冷ガス）と発電反応に利用された後（例えば燃料電池セルからの排出直後）のガス（熱ガス）との間の温度を有するガスのことである。

また、冷ガスとは、燃料電池スタック外部から導入されるガスであって、熱交換後ガスの温度や、発電温度（即ち発電を行っている燃料電池セル内の温度）よりも低温側のガスを示している。

なお、熱交換部にて、燃料ガスや酸化剤ガスが周囲の構成（例えば燃料電池セル）と熱交換する際には、通常、その燃料ガス及び酸化剤ガスは発電には利用されない。
また、マニホールドとは、複数の燃料電池セルを積層方向に貫通して、燃料ガス又は酸化剤ガスを流通させる燃料電池スタックの内部ガス流路であり、このマニホールドは、各燃料電池セルの燃料ガスの流路又は酸化剤ガスの流路に、分岐路（たとえば、連通溝）を介して連通している。

具体的には、燃料ガス用又は酸化剤ガス用のマニホールドとは、燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料電池スタックの積層方向に流すとともに、燃料電池セルに燃料ガス又は酸化剤ガスを供給したり、燃料電池セルから燃料ガス又は酸化剤ガスを排出するために用いられる流路である。更に、熱交換後ガス用のマニホールドとは、熱交換部にて熱交換された、少なくとも酸化剤ガスである熱交換後ガスを燃料電池セルに供給するために用いられ得るマニホールドである。

なお、燃料電池スタックは、燃料電池セルのみを積層して構成してもよいが、その他の構成、例えば燃料ガスの改質器などの補助器等を積層して構成してもよい。
また、熱交換部は、燃料電池スタックの内部に配置されていても、外部に配置されていてもよい。

（２）本発明の第２局面の燃料電池スタックでは、前記熱交換部は、前記燃料電池スタックの内部に設けられ、隣接する前記燃料電池セルとの間で熱交換を行ってもよい。
第２局面の燃料電池スタックでは、熱交換部の好ましい位置を例示している。これにより、熱交換部の周囲の燃料電池セル等との間で効率的に熱交換を行うことができる。

（３）本発明の第３局面の燃料電池スタックでは、前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記熱ガス用のマニホールドには、前記熱交換後ガス用のマニホールド及び前記冷ガス用のマニホールドの少なくとも一方が隣接していてもよい。

第３局面の燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの平面視において、熱ガス用のマニホールドには、熱交換後ガス用のマニホールド及び冷ガス用のマニホールドの少なくとも一方が隣接している。

つまり、最も温度が高い熱ガス用のマニホールドには、それより温度が低い熱交換後ガス用のマニホールドや冷ガス用のマニホールドが隣接しているので、燃料電池セルの平面方向における温度を均一化することができる。

（４）本発明の第４局面の燃料電池スタックでは、前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記熱ガス用のマニホールドの両側には、前記冷ガス用のマニホールド及び前記熱交換後ガス用のマニホールドの少なくとも一方が隣接していてもよい。

第４局面の燃料電池スタックでは、熱ガス用のマニホールドの両側には、冷ガス用のマニホールドや熱交換後ガス用のマニホールドが隣接しているので、燃料電池セルの平面方向における温度を一層均一化できる。

なお、各マニホールドは、平面視で一列に配列されていてもよい。ここで、一列に配列されているとは、直線的に配列されている場合だけでなく、途中で曲がって一列に配列されている場合も含むものである。

（５）本発明の第５局面の燃料電池スタックでは、前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記酸化剤ガスの前記熱ガス用のマニホールドには、前記酸化剤ガスの前記冷ガス用のマニホールドが隣接していてもよい。

通常では、熱ガスとなった酸化剤ガスの温度は、他のガス（例えば冷ガスや熱交換後ガス）の温度よりも高く、また、酸化剤ガスは、燃料ガスより多量に供給される。第５局面の燃料電池スタックでは、酸化剤ガスの熱ガス用のマニホールドに、酸化剤ガスの冷ガス用のマニホールドが隣接していることにより、酸化剤ガスの熱ガス用のマニホールドの周囲を効果的に冷却できる。これによって、燃料電池セルの平面方向における温度をより均一化できる。

（６）本発明の第６局面の燃料電池スタックでは、前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記酸化剤ガスの前記冷ガス用のマニホールドの両側には、前記熱ガス用のマニホールドが隣接していてもよい。

第６局面の燃料電池スタックでは、通常燃料ガスより多量に供給される酸化剤ガスの冷ガス用のマニホールドの両側には、熱ガス用のマニホールドが隣接している。
よって、冷ガス用のマニホールドの周囲温度を効果的に維持できるので、燃料電池セルの平面方向における温度をより均一化できる。

なお、各マニホールドは、平面視で一列に配列されていてもよい。
（７）本発明の第７局面は、電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられて燃料ガスと接する燃料極層と、前記電解質層の他方の面に設けられて酸化剤ガスと接する空気極層と、を備えた燃料電池セルを、複数積層した燃料電池スタックであって、前記燃料電池スタックは、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を予熱する熱交換部と、前記積層方向における一部の前記燃料電池セルに、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を供給するとともに、前記一部の前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を、前記積層方向における前記一部の前記燃料電池セル以外の前記燃料電池セルに供給する構成と、を備え、前記燃料電池スタックには、前記熱交換部の外縁部及び複数の前記燃料電池セルの外周部分を前記積層方向に貫通して、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を流通させるマニホールドを複数有し、且つ、前記熱交換部の外縁部及び複数の前記燃料電池セルの外周部分を前記積層方向に貫通するとともに、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのいずれのガスも流通させない貫通孔を有し、前記各マニホールド及び前記貫通孔は、前記積層方向から見た場合に、前記外周部分に沿って一列に配列されており、前記マニホールドとして、前記熱交換部で熱交換される前の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスである冷ガスを流通させる冷ガス用のマニホールドと、発電反応に利用された後の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスである熱ガスを流通させる熱ガス用のマニホールドと、前記熱交換部にて熱交換され、前記冷ガスと前記熱ガスとの間の温度を有する熱交換後ガス用のマニホールドと、を有し、更に、前記燃料電池スタックを前記積層方向から見た場合に、前記外周部分に沿って一列に配列された前記各マニホールド及び前記貫通孔の列内において、前記冷ガス用のマニホールドは、全て前記熱ガス用のマニホールドに隣接するとともに、前記熱ガス用のマニホールドは、他の前記熱ガス用のマニホールドに隣接していない。
本第７局面は、第１局面と同様な効果を奏する。
（８）本発明の第８局面の燃料電池モジュールは、前記第１〜７局面のいずれかに記載の燃料電池スタックを備えている。

第８局面の燃料電池モジュールは、上述した燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールを示している。
ここで、燃料電池モジュールとは、燃料電池スタック以外に、発電のために用いられる例えば断熱容器及び断熱容器内に収容されたバーナーなどを備えた構成である。

なお、燃料電池スタックとして、複数の燃料電池セルを積層方向に貫通する貫通孔を有するとともに、その貫通孔の全てを、燃料ガス又は酸化剤ガスのマニホールドとして用いるものを採用できる。

この場合には、全ての貫通孔を燃料ガスや酸化剤ガスが流通するマニホールドとして使用するので、燃料電池セルの平面方向における温度をより一層均一化できるという利点がある。

また、マニホールドとしては、燃料電池スタックを積層方向に貫通する貫通孔を採用できる。
この場合には、マニホールド中の燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料電池スタックの積層方向に両端に到るまで供給されるので、燃料電池スタックの積層方向における温度も均一化できるという利点がある。

実施例１の燃料電池スタックを含む燃料電池システムを示す概略構成図である。 図２Ａは実施例１の燃料電池スタックを積層方向に破断し酸化剤ガスの流路を模式的に示す説明図、図２Ｂは同様に破断して燃料ガスの流路を模式的に示す説明図である。 図３Ａは実施例１の燃料電池スタックの平面図、図３Ｂはその正面図である。 実施例１の燃料電池スタックを燃料ガスのマニホールドに沿って積層方向に破断し、燃料電池スタック及び燃料ガスの流路を模式的に示す説明図である。 実施例１の燃料電池スタックを空気のマニホールドに沿って積層方向に破断し、燃料電池スタック及び酸化剤ガスの流路を模式的に示す説明図である。 実施例１における燃料電池セルを厚み方向に且つ酸化剤ガスの流れの方向に沿って破断して示す説明図である。 実施例１における燃料電池スタックを分解し、燃料電池スタックの一部と燃料ガス及び酸化剤ガスの流れとを示す斜視図である。 実施例１における酸化剤ガス用熱交換部を示す平面図である。 実施例１における燃料ガス用熱交換部を示す平面図である。 実施例１の燃料電池スタックを積層方向に破断し、冷ガス、熱交換後ガス、熱ガスとしての燃料ガスの流れを重ね合わせて模式的に示す説明図である。 実施例１の燃料電池スタックにおいて、冷ガス、熱交換後ガス、熱ガスとしての燃料ガスの平面方向における流れを重ね合わせて模式的に示す平面図である。 実施例１の燃料電池スタックを積層方向に破断し、冷ガス、熱交換後ガス、熱ガスとしての酸化剤ガスの流れを重ね合わせて模式的に示す説明図である。 実施例１の燃料電池スタックにおいて、冷ガス、熱交換後ガス、熱ガスとしての酸化剤ガスの平面方向における流れを重ね合わせて模式的に示す平面図である。 図１４Ａは実施例１の燃料電池スタックの平面視において、燃料ガスのマニホールＣドの温度状態を示す説明図、図１４Ｂは同平面視において、酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図、図１４Ｃは同平面視において、燃料ガス及び酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図である。 実施例２の燃料電池スタックを分解し、燃料電池スタックの一部と燃料ガス及び酸化剤ガスの流れとを示す斜視図である。 実施例２の燃料電池スタックにおいて、燃料ガスの平面方向における流れを重ね合わせて模式的に示す平面図である。 図１７Ａは実施例２の燃料電池スタックの平面視において、燃料ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図、図１７Ｂは同平面視において、酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図、図１７Ｃは同平面視において、燃料ガス及び酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図である。 実施例３の燃料電池スタックを分解し、燃料電池スタックの一部と燃料ガス及び酸化剤ガスの流れとを示す斜視図である。 実施例３の燃料電池スタックにおいて、燃料ガスの平面方向における流れを重ね合わせて模式的に示す平面図である。 図２０Ａは実施例３の燃料電池スタックの平面視において、燃料ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図、図２０Ｂは同平面視において、酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図、図２０Ｃは同平面視において、燃料ガス及び酸化剤ガスのマニホールドの温度状態を示す説明図である。 図２１Ａは実施例４の燃料電池スタックを積層方向に破断し酸化剤ガスの流路を模式的に示す説明図、図２１Ｂは同様に破断して燃料ガスの流路を模式的に示す説明図である。

３、１１１、１２１、１３１…燃料電池スタック
９…燃料電池モジュール
１３…燃料電池セル
１５、１５ａ、１５ｂ、１３３…熱交換部
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ…内部ガス流路（マニホールド）
５１…固体電解質層
５２…燃料極層
５３…空気極層

次に、本発明を実施するための形態の例（実施例）として、固体酸化物形燃料電池スタック及び固体酸化物形燃料電池モジュールの実施例について説明する。

ａ）まず、本実施例１の固体酸化物形燃料電池スタック等を含む固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。尚、以下では、「固体酸化物形」を省略する。
図１に示す様に、燃料電池システム１は、燃料電池スタック３とバーナー５とを断熱容器７内に収容した燃料電池モジュール９を備えており、燃料電池スタック３に、燃料ガス（例えば水素：Ｆ）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素）：Ｏ）とを供給して発電を行うものである。なお、以下では、図１における上下を、燃料電池スタック３における上下として説明する。

この燃料電池システム１は、断熱容器７外より燃料電池スタック３に燃料ガスを供給する経路１１ａと酸化剤ガスを供給する経路１１ｂを備えるととともに、燃料電池スタック３を加熱するバーナー５に燃料ガスと空気の混合気（Ｍix）を供給する経路１１ｃを備えている。

なお、燃料電池スタック３から排出される発電に使用した後の燃料ガスや酸化剤ガスは、断熱容器７内で燃焼させた後に断熱容器７外に排出してもよいし、そのまま断熱容器７外に排出してもよい。

また、後に詳述するが、本実施例１では、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路は、図２Ａ−２Ｂに示すように、燃料電池スタック３の内部において、即ち燃料電池セル１３（図３Ａ−３Ｂ参照）の積層方向（図２Ａ−２Ｂにおける上下方向）において、大きく異なっている。

つまり、酸化剤ガスは、外部から燃料電池スタック３の内部に導入されると、燃料電池スタック３内（ここでは、例えば燃料電池スタック３の中央部分）の熱交換部１５を通過してから、熱交換部１５より上側の酸化剤ガス側の第１端部ブロック１７と下側の酸化剤ガス側の第２端部ブロック１９に導入され、その後合流して、外部に排出される。

なお、ここで、燃料電池スタック３の中央部分とは、燃料電池スタック３の積層方向に配置された燃料電池セル１３に挟まれた領域のことであり、燃料電池スタック３の積層方向における燃料電池スタック３の両端部近傍以外の部分（例えば両端の燃料電池セル１３以外の部分）を指す。

一方、燃料ガスは、外部から燃料電池スタック３の内部に導入されると、燃料電池スタック３内（ここでは、例えば燃料電池スタック３の中央部分）の熱交換部１５を通過してから、熱交換部１５より上側の燃料ガス側の第１端部ブロック２１と下側の燃料ガス側の第２端部ブロック２３に導入され、その後合流して、燃料ガス側の第３端部ブロック２５に導入されて、外部に排出される。

以下、各構成について説明する。
図３Ａ−３Ｂに示すように、燃料電池スタック３は、板状の発電セルである燃料電池セル１３が厚み方向に複数個積層された燃料電池スタック本体２６と、燃料電池スタック本体２６を積層方向（図３Ｂの上下方向）に貫く８箇所のボルト用貫通孔２７ａ〜２７ｈ（２７と総称する）と、ボルト用貫通孔２７に貫挿された８本のボルト２９ａ〜２９ｈ（２９と総称する）と、ボルト２９に螺合するナット３１とを備えている。

また、図３Ｂに示す様に、燃料電池スタック３の積層方向における中央部分には、熱交換部１５として、燃料ガスを予熱する板状の燃料ガス用熱交換部１５ａと酸化剤ガスを予熱する板状の酸化剤ガス用熱交換部１５ｂとが設けられ、燃料電池スタック３の積層方向の両側には、集電体を兼ねる一対のエンドプレート３３ａ、３３ｂが設けられている。

ここでは、熱交換部１５は、燃料電池スタック３の積層方向における中央部分に配置されるが、これに限ることはない。熱交換部１５は、燃料電池スタック３の積層方向における中央部分以外に、例えば燃料電池スタック３の積層方向における端部に配置されていてもよい。

更に、燃料電池スタック３には、燃料電池セル１３が複数段（例えば１９段：１９ＣＥＬＬＳ）存在するが、ここでは、発明の内容を分かりやすくするために、簡易的に８段の燃料電池スタック３を例に挙げて説明する。

なお、各段の燃料電池セル１３は、上から順に、熱交換部１５より上段側の、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄと、熱交換部１５より下段側の、１３Ｅ、１３Ｆ、１３Ｇ、１３Ｈとする。つまり、酸化剤ガスの流路（図２Ａ参照）については、第１端部ブロック１７が１３Ａ〜１３Ｄに相当し、第２端部ブロック１９が１３Ｅ〜１３Ｈに相当する。一方、燃料ガスの流路（図２Ｂ参照）については、第１端部ブロック２１が１３Ａ〜１３ｄに相当し、第２端部ブロック２３が１３Ｅに相当し、第３端部ブロック２５が１３Ｆ〜１３Ｈに対応する。

また、ボルト２９は、燃料電池スタック３を積層方向に貫くように配置されるとともに、その両端にナット３１が螺合しており、このボルト２９とナット３１との螺合によって、燃料電池スタック本体２６が積層方向に締め付けてられて一体に固定されている。ここでは、ボルト２９の両端にナット３１が螺合する構成を例に挙げたが、ボルト２９の一端に頭部を設け、他端にナット３１を螺合させる構成でもよい。

なお、本実施例１では、後に詳述する様に、第１ボルト２９ａの下側より燃料ガスを導入し（Ｆ（ＩＮ））、第６ボルト２９ｆの下側より反応後の燃料ガスを排出し（Ｆ（ＯＵＴ））、第３ボルト２９ｃの上側より酸化剤ガスを導入し（Ｏ（ＩＮ））、第４ボルト２９ｄの下側より反応後の酸化剤ガスを排出（Ｏ（ＯＵＴ））するように構成されている。

なお、ボルト用貫通孔２７やボルト２９については、図３Ａの左上部より時計回りに第１〜第８の番号が付してある（他の該当する構成についても同様である）。
ｂ）次に、ボルト２９の構成について詳細に説明する。

ボルト２９の内部には、軸方向に延びるように、マニホールドである中空の内部ガス流路４１ａ〜４１ｈ（４１と総称する）（図４、図５参照）が設けられており、これらの内部ガス流路４１には、燃料ガス又は酸化剤ガスが流れるように構成されている。

なお、図４に示すように、第１〜第９ボルト２９ａ〜２９ｈのうち、第１、第２、第５、第６、第７ボルト２９ａ、２９ｂ、２９ｅ、２９ｆ、２９ｇの各内部ガス流路４１ａ、４１ｂ、４１ｅ、４１ｆ、４１ｇが、燃料ガスの流路（図４で黒塗りの矢印で示す）として用いられる。一方、図５に示すように、第３、第４、第８ボルト２９ｃ、２９ｄ、２９ｈの各内部ガス流路４１ｃ、４１ｄ、４１ｈが、酸化剤ガスの流路（図５で白抜きの矢印で示す）として用いられる。

以下、各ガス流路の構成について詳しく説明する。
＜燃料ガスの流路＞
図４に示す様に、第１ボルト２９ａには、燃料ガス用の内部ガス流路４１ａが設けられている。この内部ガス流路４１ａは開口部４２ａを介して外部（即ち燃料電池スタック３の下方）と連通しているので、内部ガス流路４１ａには、外部から燃料ガスが供給される。

この第１ボルト２９ａには、内部ガス流路４１ａと連通するように、径方向に延びる貫通孔である出口用横穴４３ａが設けられている。なお、出口用横穴４３ａと燃料ガス用熱交換部１５ａとが連通するように構成されている。

第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇ（図４では１本のボルトで示してある）には、燃料ガス用の内部ガス流路４１ｅ、４１ｇが設けられており、この内部ガス流路４１ｅ、４１ｇの上下は閉塞されている。

この第５、第７ボルト２９ｅには、内部ガス流路４１ｅ、４１ｇと連通するように、径方向に延びる貫通孔である入口用横穴４３ｅ、４３ｇと複数の出口用横穴４５ｅ、４５ｇが設けられている。なお、燃料ガス用熱交換部１５ａと入口用横穴４３ｅ、４３ｇとが連通し、各出口用横穴４５ｅ、４５ｇと第１〜第５燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｅの各燃料流路４７Ａ〜４７Ｅ（４７と総称する）とがそれぞれ連通するように構成されている。

第２ボルト２９ｂには、燃料ガス用の内部ガス流路４１ｂが設けられており、この内部ガス流路４１ｂの上下は閉塞されている。
この第２ボルト２９ｂには、内部ガス流路４１ｂと連通するように、径方向に延びる貫通孔である複数の入口用横穴４３ｂと複数の出口用横穴４５ｂが設けられている。なお、第１〜第５燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｅの各燃料流路４７Ａ〜４７Ｅと各入口用横穴４３ｂとがそれぞれ連通し、各出口用横穴４５ｂと第６〜第８燃料電池セル１３Ｆ〜１３Ｈの各燃料流路４７Ｆ〜４７Ｈとがそれぞれ連通するように構成されている。

第６ボルト２９ｆには、燃料ガス用の内部ガス流路４１ｆが設けられている。この内部ガス流路４１ｆは開口部４２ｆを介して外部（即ち燃料電池スタック３の下方）と連通しているので、内部ガス流路４１ｆからは、外部に反応後の燃料ガスが排出される。

この第６ボルト２９ｆには、内部ガス流路４１ｆと連通するように、径方向に延びる貫通孔である複数の入口用横穴４３ｆが設けられている。なお、第６〜第８燃料電池セル１３Ｆ〜１３Ｈの各燃料流路４７Ｆ〜４７Ｈと各入口用横穴４３ｆとがそれぞれ連通するように構成されている。

＜酸化剤ガスの流路＞
図５に示す様に、第３ボルト２９ｃには、酸化剤ガス用の内部ガス流路４１ｃが設けられている。この内部ガス流路４１ｃは開口部４２ｃを介して外部（即ち燃料電池スタック３の下方）と連通しているので、内部ガス流路４１ｃには、外部から酸化剤ガスが供給される。

この第３ボルト２９ｃには、内部ガス流路４１ｃと連通するように、径方向に延びる貫通孔である出口用横穴４３ｃが設けられている。なお、出口用横穴４３ｃと酸化剤ガス用熱交換部１５ｂとが連通するように構成されている。

第８ボルト２９ｈには、酸化剤ガス用の内部ガス流路４１ｈが設けられており、この内部ガス流路４１ｈの上下は閉塞されている。
この第８ボルト２９ｈには、内部ガス流路４１ｈと連通するように、径方向に延びる貫通孔である入口用横穴４３ｈと複数の出口用横穴４５ｈが設けられている。なお、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂと入口用横穴４３ｈとが連通し、各出口用横穴４５ｈと第１〜第８燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｈの各空気流路４９Ａ〜４９Ｈ（４９と総称する）とがそれぞれ連通するように構成されている。

第４ボルト２９ｄには、酸化剤ガス用の内部ガス流路４１ｄが設けられている。この内部ガス流路４１ｄは開口部４２ｄを介して外部（即ち燃料電池スタック３の下方）と連通しているので、内部ガス流路４１ｄからは、外部に反応後の酸化剤ガスが排出される。

この第４ボルト２９ｄには、内部ガス流路４１ｄと連通するように、径方向に延びる貫通孔である複数の入口用横穴４３ｄが設けられている。なお、第１〜第８燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｈの各空気流路４９Ａ〜４９Ｈと各入口用横穴４３ｄとがそれぞれ連通するように構成されている。

ｃ）次に、燃料電池セル１３の構成について説明する。
図６に示すように、燃料電池セル１３は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの板状セルである。

この燃料電池セル１３は、薄膜の固体電解質層５１と、その両側にそれぞれ形成された、燃料極層（アノード：ＡＮ）５２及び薄膜の空気極層（カソード：ＣＡ）５３とを備える。以下では、固体電解質層５１、燃料極層５２、及び空気極層５３をあわせて単セル５４と称する。なお、単セル５４の空気極層５３側には空気流路４９が存在し、燃料極層５２側には燃料流路４７が存在する。

燃料電池セル１３は、上下一対のインターコネクタ５７ａ、５７ｂと、空気極層５３側の板形状のガスシール部５８と、単セル５４の外縁部の上面に接合して空気流路４９と燃料流路４７とを遮断する枠形状のセパレータ５９と、燃料極層５２側に配置された板形状の燃料極フレーム６０と、燃料極層５２側のガスシール部６１とを備えており、それらが積層されて一体に構成されている。

燃料電池セル１３内には、燃料極層５２とインターコネクタ５７ｂとの間に燃料極側集電体６２が配置され、インターコネクタ５７ａの表面（図６下方）には空気極側集電体６３が一体に形成されている。

なお、平面視で、燃料電池セル１３の四角枠状の外周部分には、各ボルト２９が挿通されるボルト用貫通孔２７が形成されている。
固体電解質層５１の材料としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極層５２の材料としては、Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極層５３の材料としては、ペロブスカイト系酸化物などが使用できる。

図７に示す様に、インターコネクタ５７ａ、５７ｂはフェライト系ステンレスから成る板材であり、その外縁部には、それぞれボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔５５、５６が設けられている。

ガスシール部５８は、マイカ又はバーミュライトから成り、中心に正方形の開口部６５を有する枠状の板材であり、その外縁部には、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔６６が設けられている。

孔６６のうち、第４、第８孔６６ｄ、６６ｈは、辺に沿って延びる長孔となっている。この第４、第８孔６６ｄ、６６ｈと開口部６５とは、櫛歯状に延びる連通溝６７、６８により連通している。この連通溝６７、６８はガスシール部５８を厚み方向に貫通する孔ではなく、ガスシール部５８の一方の表面を掘って形成された溝であり、レーザやプレス加工によって形成することができる。

セパレータ５９は、フェライト系ステンレスから成る枠状の板材であり、その中央に正方形の開口部６９を有するが、その開口部６９を閉塞するように、セパレータ５９に対し単セル５４が接合されている。セパレータ５９も、その外縁部に、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔７１を有している。

燃料極フレーム６０は、その中心に開口部７３を備えた、フェライト系ステンレスから成る枠状の板材である。燃料極フレーム６０も、その外縁部に、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔７５を有している。

ガスシール部６１は、マイカ又はバーミュライトから成り、中心に正方形の開口部７７を有する枠状の板材であり、その外縁部には、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔７９が設けられている。

孔７９のうち、第２孔７９ｂと開口部７７とは、辺に沿って延びるとともに櫛歯状に延びる連通溝８１により連通している。第５孔７９ｅと開口部７７とは、辺に沿って延びるとともに櫛歯状に延びる連通溝８２により連通し、第７孔７９ｇと開口部７７とは、同様な連通溝８３により連通している。この連通溝８１〜８３はガスシール部６１を厚み方向に貫通する孔ではなく、ガスシール部６１の一方の表面を掘って形成された溝であり、レーザやプレス加工によって形成することができる。

なお、燃料電池セル１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅにおいては、第２、第５、第７孔７９ｂ、７９ｅ、７９ｇと開口部７７とは、各連通溝８１〜８３により連通している。

また、図７の下方に示すように、第６〜第８燃料電池セル１３Ｆ〜１３Ｈにおいては、ガスシール部６１の孔７９のうち、第２孔、第６孔７９ｂ、７９ｆと開口部７７とは、辺に沿って延びるとともに櫛歯状に延びる連通溝８４、８５により連通している。

ｄ）次に、燃料ガス用熱交換部１５ａ及び酸化剤ガス用熱交換部１５ｂの構成について簡単に説明する。
図７及び図８に示す様に、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂは、燃料電池セル１３Ｄに隣接する板状部材であって、燃料電池セル１３Ｄ側の面の中心に、正方形の凹部９１を備える。

また、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂの外縁部に、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔９３が設けられている。孔９３うち、第３、第８孔９３ｃ、９３ｈと凹部９１とは、それぞれ連通溝９５ｃ、９５ｈにより連通されている。

なお、凹部９１及び連通溝９５ｃ、９５ｈは、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂを厚み方向に貫通するものではなく、燃料電池セル１３Ｄ側の面の表面を掘って形成されたものである。

図７及び図９に示す様に、燃料ガス用熱交換部１５ａは、一方の面で酸化剤ガス用熱交換部１５ｂに接し、他方の面で燃料電池セル１３Ｅに接する板状部材であって、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂ側の面の中心に、正方形の凹部１０１を備える。

また、燃料ガス用熱交換部１５ａの外縁部に、ボルト用貫通孔２７に対応する８つの孔１０３が設けられている。孔１０３のうち、第１、第５、第７孔１０３ａ、１０３ｅ、１０３ｇと凹部１０１とは、それぞれ連通溝１０５ａ、１０５ｅ、１０５ｇにより連通されている。

なお、凹部１０１及び連通溝１０５ａ、１０５ｅ、１０５ｇは燃料ガス用熱交換部１５ａを厚み方向に貫通するものではなく、燃料ガス用熱交換部１５ａの表面を掘って形成されたものである。

上述した構成の燃料電池スタック３は、上述した各燃料電池セル１３を構成する部材、燃料ガス用熱交換部１５ａ、及び酸化剤ガス用熱交換部１５ｂを積層し、各ボルト用貫通孔２７に各ボルト２９を貫挿し、ナット３１で締め付けることによって製造することができる。

ｅ）次に、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れについて更に詳細に説明する。
＜燃料ガスの流れ＞
燃料ガスの流れを、前記図４及び図１０及び図１１に示す。図１０及び図１１では、冷ガス（即ち外部から導入される燃料ガス）の流れを実線の矢印で示し、熱交換後ガス（即ち熱交換されて温度が上昇した燃料ガス）の流れを破線の矢印で示し、熱ガス（即ち発電反応によって更に温度が上昇した燃料ガス）の流れを一点鎖線の矢印で示す。

まず、図４に示す様に、燃料電池スタック３内の温度より低温（例えば約４００℃程度）の燃料ガス（冷ガス）が、燃料電池スタック３の外部から、第１ボルト２９ａの燃料電池スタック３の下方の開口部４２ａを介して、内部ガス流路４１ａに導入される。

次に、図１０及び図１１に示す様に、内部ガス流路４１ａに導入された燃料ガスは、内部ガス流路４１ａから燃料ガス用熱交換部１５ａに供給されて、隣接する部材（例えば第５燃料電池セル１３Ｅ）との熱交換によって、加熱（予熱）される。なお、この冷ガスである燃料ガスは、前記加熱によって温度が上昇して、外部からの導入時よりも温度が高い（例えば約６００℃程度の）熱交換後ガスとなる。

次に、熱交換後ガスとなった燃料ガスは、燃料ガス用熱交換部１５ａから第５ボルト２９ｅの内部ガス流路４１ｅと第７ボルト２９ｇの内部ガス流路２１ｇとに供給される。
次に、この燃料ガスは、第５ボルト２９ｅの内部ガス流路４１ｅと第７ボルト２９ｇの内部ガス流路４１ｇとから、第１〜第５燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｅの各燃料流路４７Ａ〜４７Ｅに供給される。つまり、第１、第２端部ブロック２１、２３（図２Ｂ参照）に供給される。

次に、この燃料ガスは、第１〜第５燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｅの各燃料流路４７Ａ〜４７Ｅから、第２ボルト２９ｂの内部ガス流路４１ｂに排出される。なお、熱交換後ガスである燃料ガスは、第１〜第５燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｅにおける発電反応によって温度が上昇して、熱交換時よりも温度が高い（例えば約７００℃程度の）熱ガスとなる。

次に、熱ガスとなった燃料ガスは、第２ボルト２９ｂの内部ガス流路４１ｂから、第６〜第８燃料電池セル１３Ｆ〜１３Ｈの各燃料流路４７Ｆ〜４７Ｈに供給される。つまり、第３端部ブロック２５（図２Ｂ参照）に供給される。

次に、この燃料ガスは、第６〜第８燃料電池セル１３Ｆ〜１３Ｈの各燃料流路４７Ｆ〜４７Ｈから、第６ボルト２９ｆの内部ガス流路４１ｆに排出される。
その後、図４に示す様に、燃料ガスは、第６ボルト２９ｆの内部ガス流路４１ｆから、燃料電池スタック３の下方の開口部４２ｆを介して、外部に排出される。
＜酸化剤ガスの流れ＞
酸化剤ガスの流れを、前記図５及び図１２及び図１３に示す。図１２及び図１３では、冷ガス（即ち外部から導入される酸化剤ガス）の流れを実線の矢印で示し、熱交換後ガス（即ち熱交換されて温度が上昇した酸化剤ガス）の流れを破線の矢印で示し、熱ガス（即ち発電反応によって更に温度が上昇した酸化剤ガス）の流れを一点鎖線の矢印で示す。

まず、図５に示す様に、燃料電池スタック３内の温度より低温（例えば約４００℃程度）の酸化剤ガス（冷ガス）は、燃料電池スタック３の外部から、第３ボルト２９ｃの燃料電池スタック３の上方の開口部４２ｃを介して、内部ガス流路４１ｃに導入される。

次に、図１２及び図１３に示す様に、内部ガス流路４１ｃに導入された酸化剤ガスは、内部ガス流路４１ｃから酸化剤ガス用熱交換部１５ｂに供給されて、隣接する部材（例えば第４燃料電池セル１３Ｄ）との熱交換によって、加熱（予熱）される。なお、この冷ガスである酸化剤ガスは、前記加熱によって温度が上昇して、外部からの導入時よりも温度が高い（例えば約５００℃程度の）熱交換後ガスとなる。

次に、熱交換後ガスとなった酸化剤ガスは、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂから第８ボルト２９ｈの内部ガス流路４１ｈに供給される。
次に、この酸化剤ガスは、第８ボルト２９ｈの内部ガス流路４１ｈから、第１〜第８燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｈの各空気流路４９Ａ〜４９Ｈに供給される。

次に、この酸化剤ガスは、第１〜第８燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｈの各空気流路４９Ａ〜４９Ｈから、第４ボルト２９ｄの内部ガス流路４１ｄに排出される。なお、熱交換後ガスである酸化剤ガスは、第１〜第８燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｈにおける発電反応によって温度が上昇して、熱交換時よりも温度が高い（例えば約６００℃程度の）熱ガスとなる。

次に、熱ガスとなった酸化剤ガスは、第４ボルト２９ｄの内部ガス流路４１ｄから、図５に示す様に、燃料電池スタック３の下方の開口部４２ｄを介して、外部に排出される。
ｆ）次に、前記燃料ガス及び酸化剤ガスの流れによって生ずる平面方向の温度分布について説明する。
上述した燃料ガス及び酸化剤ガスの流れによって、燃料電池スタック３では、平面方向（即ち板状の燃料電池セル１３の広がる方向：積層方向と垂直方向）において温度分布が生じる。

具体的には、燃料電池スタック３を積層方向（図１０、図１２の上下方向）から見た場合に、燃料ガス及び酸化剤ガスの積層方向における流路（マニホールド）によって、燃料電池スタック３では、その平面方向における温度分布が生じている。

詳しくは、図１４Ａに燃料ガス（ＡＮ）側を示すように、外部より冷ガスである燃料ガスが導入される第１ボルト２９ａの第１内部ガス流路４１ａの周囲の温度は低い。
次に、その冷ガスである燃料ガスが熱交換された燃料ガス（即ち熱交換後ガスである燃料ガス）が通過する第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第７内部ガス流路４１ｅ、４１ｇの周囲の温度は、冷ガスである燃料ガスが通過する第１ボルト２９ａの第１内部ガス流路４１ａの周囲の温度より高い。

次に、その熱交換後ガスである燃料ガスが発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち熱ガスである燃料ガス）が通過する第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂの周囲の温度は、熱交換後ガスである燃料ガスが通過する第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第７内部ガス流路４１ｅ、４１ｇの周囲の温度より高い。

次に、その熱ガスである燃料ガスが再度発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち更に温度が上昇した熱ガスである燃料ガス）が通過する第６ボルト２９ｆの第６内部ガス流路４１ｆの周囲の温度は、最も高い。

同様に、図１４Ｂに酸化剤ガス（ＣＡ）側を示すように、外部より冷ガスである酸化剤ガスが導入される第３ボルト２９ｃの第３内部ガス流路４１ｃの周囲の温度は低い。
次に、その冷ガスである酸化剤ガスが熱交換された酸化剤ガス（即ち熱交換後ガスである酸化剤ガス）が通過する第８ボルト２９ｈの第８内部ガス流路４１ｈの周囲の温度は、冷ガスである酸化剤ガスが通過する第３ボルト２９ｃの第３内部ガス流路４１ｃの周囲の温度より高い。

次に、その熱交換後ガスである酸化剤ガスが発電反応によって加熱された酸化剤ガス（即ち熱ガスである酸化剤ガス）が通過する第４ボルト２９ｄの第４内部ガス流路４１ｄの周囲の温度は、熱交換後ガスである酸化剤ガスが通過する第８ボルト２９ｈの第８内部ガス流路４１ｈの温度より高い。

従って、図１４Ｃに示すように、冷ガスが導入される第１、第３内部ガス流路４１ａ、４１ｃ（従って第１、第３ボルト用貫通孔２７ａ、２７ｃ）の周囲の温度が最も低く、熱交換後ガスが通過する第５、第７、第８内部ガス流路４１ｅ、４１ｇ、４１ｈ（従って第５、第７、第８ボルト用貫通孔２７ｅ、２７ｇ、２７ｈ）の周囲の温度がそれよりも高く、熱ガスが通過する第２、第４、第６内部ガス流路４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ（従って第２、第４、第６ボルト用貫通孔２７ｂ、２７ｄ、２７ｆ）の周囲の温度が最も高い。

ｇ）次に、本実施例１の効果について説明する。
・本実施例１では、燃料ガスや酸化剤ガスを積層方向に流通させる内部ガス流路（以下「マニホールド」と称することもある）４１ａ〜４１ｈとして、外部から燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料電池スタック３内に導入する冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃと、各燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｈから燃料ガス又は酸化剤ガスを排出する熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆとを有している。

そして、これらのマニホールド４１ａ〜４１ｈを燃料電池スタック３の積層方向から見た場合（即ち平面視の場合）には、冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃは、全て、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆに隣接するとともに、この熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆは、他の熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆに隣接していないように構成されている。

つまり、本実施例１では、温度の低い全ての冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃは、冷ガスより温度の高い熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆに隣接しており、しかも、この温度の高い熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆは、他の温度の高い熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆに隣接していない。すなわち、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ同士は、隣接していない。よって、燃料電池スタック３の平面方向における温度差を小さくすること、即ち、燃料電池セル１３の平面方向における温度を均一化することができる。

これによって、燃料電池セル１３の面内温度分布を小さくできるので、セル面内における抵抗分布が小さく、よって、セル面内の電流分布や電圧分布も小さくできる。その結果、セル面内での電流の横流れを抑制できるので、安定した高い出力が得られるという顕著な効果を奏する。

また、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ同士が隣接していないので、燃料電池セル１３の面内温度分布が小さく、一部に過度に温度が高い部分が生じ難いので、金属部材の劣化も抑制できるという利点がある。

・また、本実施例１では、燃料電池スタック３の内部で熱交換された燃料ガス又は酸化剤ガスを流す熱交換後ガス用のマニホールド４１ｅ、４１ｇ、４１ｈを備えており、平面視で、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆには、熱交換後ガス用のマニホールド４１ｅ、４１ｇ、４１ｈ及び冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃの少なくとも一方が隣接している。

つまり、最も温度が高い熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆには、それより温度が低い熱交換後ガス用のマニホールド４１ｅ、４１ｇ、４１ｈや冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃが隣接しているので、燃料電池セル１３の平面方向における温度を均一化することができる。

・更に、本実施例１では、平面視で、各マニホールド４１ａ〜４１ｈは、途中で曲がっているものの一列に配置されており、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄ、４１ｆの両側には、冷ガス用のマニホールド４１ａ、４１ｃや熱交換後ガス用のマニホールド４１ｅ、４１ｇ、４１ｈが隣接しているので、燃料電池セル１３の平面方向における温度を一層均一化できる。

・しかも、本実施例１では、平面視で、各マニホールド４１ａ〜４１ｈは一列に配列されているとともに、最も流量の多い酸化剤ガスの冷ガス用のマニホールド４１ｃの両側には、熱ガス用のマニホールド４１ｂ、４１ｄが隣接している。

よって、冷ガス用のマニホールドの周囲温度を効果的に維持できるので、燃料電池セルの平面方向における温度をより均一化できる。
・その上、本実施例１では、最も温度が高い酸化剤ガスの熱ガス用のマニホールド４１ｄに、最も流量が多い酸化剤ガスの冷ガス用のマニホールド４１ｃが隣接しているので、酸化剤ガスの熱ガス用のマニホールド４１ｄの周囲を効果的に冷却できる。これによって、燃料電池セルの平面方向における温度をより一層均一化できる。

なお、通常は、酸化剤ガスの流量は燃料ガスの流量の２〜５倍である。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例１と同様な構成については同じ番号を用いて説明する。
本実施例２の燃料電池スタックでは、実施例１のような燃料ガス用熱交換部を使用せず、外部から燃料電池スタックに異なる２つのマニホールドで燃料ガスを導入し、その燃料ガスを各マニホールドから各燃料電池セルに分配する。

ａ）まず、本実施例２の燃料電池スタックの構成について説明する。
図１５に示すように、本実施例２の燃料電池スタック１１１では、前記実施例１と同様に、インターコネクタ５７ａ、ガスシール部５８、単セル５４が接合されたセパレータ５９、燃料極フレーム６０、ガスシール部６１、インターコネクタ５７ｂ、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂなど積層されている。

本実施例２では、図１５及び図１６に示すように、まず、外部から第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第９内部ガス流路４１ｅ、４１ｇに燃料ガスが導入される。
次に、この燃料ガスは、第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第９内部ガス流路４１ｅ、４１ｇから第１〜第５燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｅに供給される。

次に、燃料ガスは、第１〜第５燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｅから、熱ガスとして第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂに供給される。
次に、燃料ガスは、第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂから第６〜第８燃料電池セル１３Ｆ〜１３Ｈに供給され、その後、外部に排出される。

なお、第１ボルト２９ａは、ガスの流路として使用されない。
また、酸化剤ガスの流れは前記実施例１と同様であるので、その説明は省略する。
ｂ）次に、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れによって生ずる平面方向の温度分布について説明する。

本実施例２においても、燃料電池スタック１１１を積層方向（図１５の上下方向）から見た場合に、燃料ガス及び酸化剤ガスの積層方向における流路（即ちマニホールド）によって、燃料電池スタック１１１では、その平面方向における温度分布が生じている。

詳しくは、図１７Ａに燃料ガス（ＡＮ）側を示すように、外部より冷ガスである燃料ガスが導入される第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第７内部ガス流路４１ｅ、４１ｇの周囲の温度は低い。

次に、その冷ガスである燃料ガスが発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち熱ガスである燃料ガス）が通過する第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂの周囲の温度は、冷ガスである燃料ガスが通過する第５、第７ボルト２９ｅ、２９ｇの第５、第７内部ガス流路４１ｅ、４１ｇの周囲の温度より高い。

次に、その熱ガスである燃料ガスが再度発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち更に温度が上昇した熱ガスである燃料ガス）が導入される第６ボルト２９ｆの第６内部ガス流路４１ｆの周囲の温度は、最も温度が高い。

同様に、図１７Ｂに酸化剤ガス（ＣＡ）側を示すように、酸化剤ガス側は実施例１と同様であり、冷ガスが導入される第３ボルト２９ｃの第３内部ガス流路４１ｃの周囲の温度は低く、熱交換後ガスが通過する第８ボルト２９ｈの第８内部ガス流路４１ｈの周囲はそれより高く、熱ガスが通過する第４ボルト２９ｄの第４内部ガス流路４１ｄの周囲の温度は最も高い。

従って、図１７Ｃに示すように、冷ガスが導入される第３、第５、第７内部ガス流路４１ｃ、４１ｅ、４１ｇ（従って第３、第５、第７ボルト用貫通孔２７ｃ、２７ｅ、２７ｇ）の周囲の温度が最も低く、熱交換後ガスが通過する第８内部ガス流路４１ｈ（従って第８ボルト用貫通孔２７ｈ）の周囲の温度がそれよりも高く、熱ガスが通過する第２、第４、第６内部ガス流路４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ（従って第２、第４、第６ボルト用貫通孔２７ｂ、２７ｄ、２７ｆ）の周囲の温度が最も高い。

なお、ガスの流路ではない第１ボルト用貫通孔２７ａの内部や周囲の温度は、その周囲の構造物の温度とほぼ同一である。
従って、上述した構成によって、本実施例２では、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、燃料ガス用熱交換部を用いないので、流路等の構成を簡易化できるという利点がある。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例１、２と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例１と同様な構成については同じ番号を用いて説明する。

本実施例３の燃料電池スタックは、基本的に実施例２と同様な構成であるが、外部から燃料電池スタックに１本のマニホールドで燃料ガスを導入する点が異なる。
ａ）まず、本実施例３の燃料電池スタックの構成について説明する。

図１８に示すように、本実施例３の燃料電池スタック１２１では、前記実施例１と同様に、インターコネクタ５７ａ、ガスシール部５８、単セル５４が接合されたセパレータ５９、燃料極フレーム６０、ガスシール部６１、インターコネクタ５７ａ、酸化剤ガス用熱交換部１５ｂ等が積層されている。

本実施例３では、図１８及び図１９に示すように、まず、外部から第７ボルト２９ｇの第７内部ガス流路４１ｇのみに燃料ガスが導入される。 なお、第５ボルト２９ｅの第５内部ガス流路４１ｅのみに燃料ガスを導入してもよい。

次に、この燃料ガスは、第７ボルト２９ｇの第７内部ガス流路４１ｇから第１〜第５燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｅに供給される。
次に、燃料ガスは、第１〜第５燃料電池セル１３Ａ〜１３Ｅから、熱ガスとして第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂに供給される。

次に、燃料ガスは、第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂから第６〜第８燃料電池セル１３Ｆ〜１３Ｈに供給され、その後、外部に排出される。
なお、第１、第５ボルト２９ａ、２９ｅは、ガスの流路として使用されない。

また、酸化剤ガスの流れは前記実施例１と同様であるので、その説明は省略する。
ｂ）次に、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れによって生ずる平面方向の温度分布について説明する。

本実施例３においても、燃料電池スタック１２１を積層方向（図１８の上下方向）から見た場合に、燃料ガス及び酸化剤ガスの積層方向における流路（即ちマニホールド）によって、燃料電池スタック１２１では、その平面方向における温度分布が生じている。

詳しくは、図２０Ａに燃料ガス（ＡＮ）側を示すように、外部より冷ガスである燃料ガスが導入される第７ボルト２９ｇの第７内部ガス流路４１ｇの周囲の温度は低い。
次に、その冷ガスである燃料ガスが発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち熱ガスである燃料ガス）が通過する第２ボルト２９ｂの第２内部ガス流路４１ｂの周囲の温度は、冷ガスである燃料ガスが通過する第７ボルト２９ｇの第７内部ガス流路４１ｇの周囲の温度より高い。

次に、その熱ガスである燃料ガスが再度発電反応によって加熱された燃料ガス（即ち更に温度が上昇した熱ガスである燃料ガス）が導入される第６ボルト２９ｆの第６内部ガス流路４１ｆの周囲の温度は、最も温度が高い。

同様に、図２０Ｂに酸化剤ガス（ＣＡ）側を示すように、酸化剤ガス側は実施例１と同様であり、冷ガスが導入される第３ボルト２９ｃの第３内部ガス流路４１ｃの周囲の温度は低く、熱交換後ガスが通過する第８ボルト２９ｈの第８内部ガス流路４１ｈの周囲はそれより高く、熱ガスが通過する第４ボルト２９ｄの第４内部ガス流路４１ｄの周囲の温度は最も高い。

従って、図２０Ｃに示すように、冷ガスが導入される第３、第７内部ガス流路４１ｃ、４１ｇ（従って第３、第７ボルト用貫通孔２７ｃ、２７ｇ）の周囲の温度が最も低く、熱交換後ガスが通過する第８内部ガス流路４１ｈ（従って第８ボルト用貫通孔２７ｈ）の周囲の温度がそれよりも高く、熱ガスが通過する第２、第４、第６内部ガス流路４１ｂ、４１ｄ、４１ｆ（従って第２、第４、第６ボルト用貫通孔２７ｂ、２７ｄ、２７ｆ）の周囲の温度が最も高い。

なお、ガスの流路ではない第１、第５ボルト用貫通孔２７ａ、２７ｅの内部や周囲の温度は、その周囲の構造物の温度とほぼ同一である。
従って、上述した構成によって、本実施例３では、前記実施例２と同様な効果を奏するとともに、流路等の構成を一層簡易化できるという利点がある。

次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例１と同様な構成については同じ番号を用いて説明する。
本実施例４の燃料電池スタックは、基本的に実施例１と同様な構成であるが、熱交換部が、燃料電池スタックの外側に配置してある点が異なる。

ａ）まず、本実施例４の燃料電池スタックの構成について説明する。
図２１Ａ−２１Ｂに模式的に示すように、燃料電池スタック１３１の下部には、熱交換部１３３が配置されている。この熱交換部１３３は、酸化剤ガスの熱交換を行う酸化剤ガス用熱交換部１３５と、燃料ガスの熱交換を行う燃料ガス用熱交換部１３７とを備えている。

このうち、酸化剤ガス用熱交換部１３５では、外部から導入される低温の酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス用第１室１３９と、発電後の酸化剤ガス（即ち低温の酸化剤ガスより高温の酸化剤ガス）が流れる酸化剤ガス用第２室１４１とが、隣接して配置されている。

また、燃料ガス用熱交換部１３７では、外部から導入される低温の燃料ガスが通過する燃料ガス用第１室１４３と、発電後の燃料ガス（即ち低温の燃料ガスより高温の燃料ガス）が流れる燃料ガス用第２室１４５とが、隣接して配置されている。

ｂ）次に、燃料電池スタック１３１におけるガスの流れについて説明する。
なお、酸化剤ガスや燃料ガスの流れるマニホールドの平面視における配置は、前記実施例１の図１４Ａ−１４Ｃに示す配置と同様である。

＜酸化剤ガスの流路＞
図２１Ａに示すように、酸化剤ガスは、外部から燃料電池スタック１３１内を介して、酸化剤ガス用第２室１４１に導入される。その後、燃料電池スタック１３１の各燃料電池セル１３の各空気流路（図示せず）に導入される。そして、発電後の酸化剤ガスは、各空気流路から酸化剤ガス用第１室１３９に導入された後に、外部に排出される。

このとき、例えば、酸化剤ガス用第１室１３９内の酸化剤ガスと酸化剤ガス用第２室１４１内の酸化剤ガスとの熱交換が行われ、酸化剤ガス用第１室１３９内の酸化剤ガスの温度が上昇する。

＜燃料ガスの流路＞
図２１Ｂに示すように、燃料ガスは、外部から燃料ガス用第１室１４３に導入され、その後、燃料電池スタック１３１の各燃料電池セル１３の各燃料流路（図示せず）に導入される。そして、発電後の燃料ガスは、各燃料流路から燃料ガス用第２室１４５に導入された後に、外部に排出される。

このとき、例えば、燃料ガス用第１室１４３内の燃料ガスと燃料ガス用第２室１４５内の燃料ガスとの熱交換が行われ、燃料ガス用第１室１４３内の燃料ガスの温度が上昇する。

本実施例４では、上述した構成によって、前記実施例１と同様な効果を奏する。なお、平面視での各マニホールドにおける温度の分布は、前記実施例１と同様である（図１４Ａ−１４Ｃ参照）。
［特許請求の範囲の構成と実施例の構成との関係］
特許請求の範囲のマニホールドは、例えば実施例１において、積層方向に燃料ガスや酸化剤ガスを流す内部ガス流路に該当する。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、前記各実施例では、燃料ガスの流路をシリアルフロー構造（即ち、一旦ある燃料電池セルに燃料ガスを供給した後、その燃料電池セルから排出された燃料ガスを他の燃料電池セルに供給する構造）としたが、酸化剤ガスの流路もシリアルフロー構造（即ち、一旦ある燃料電池セルに酸化剤ガスを供給した後、その燃料電池セルから排出された酸化剤ガスを他の燃料電池セルに供給する構造）としてもよい。

（２）前記実施例１では、燃料ガス用熱交換部と酸化剤ガス用熱交換部とを設けたが、少なくとも酸化剤ガス用熱交換部を用いるように構成してもよい。つまり、燃料ガスについては、熱交換部にて熱交換することなく、マニホールドを介して各燃料電池セルに供給するようにしてもよい。

（３）燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池スタックの積層方向に供給するマニホールドの構成としては、ボルトの軸方向に形成された内部ガス流路を、燃料電池スタックの積層方向の両端に達するまで形成してもよい。

また、ボルトとボルト用貫通孔との間に、ガスの流通が可能な十分な空間（例えば筒状の空間）を設け、その空間を介して、内部ガス流路と各燃料電池セルとの間の燃料ガスや酸化剤ガスの流通（供給や排出）を行ってもよい。

更に、ボルトとして中実なボルトを使用し、ボルトとボルト用貫通孔との間に、ガスの流通が可能な十分な空間（例えば筒状の空間）を設け、その空間を介して、外部と各燃料電池セルとの間の燃料ガスや酸化剤ガスの流通（供給や排出）を行ってもよい。

なお、外部と空間との間のガスの流通は、例えばボルトの軸方向の端部において、ボルトの外周面に軸方向に沿って延びる溝等を設けることによって実現できる。
さらに、燃料電池のタイプは、燃料電池スタックが高温（例えば稼働時に１５０℃以上１０００℃以下）になるタイプ（固体酸化物形、リン酸形、溶融炭酸塩形）であれば効果があり、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に限定されない。

Claims (8)

1. 電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられて燃料ガスと接する燃料極層と、前記電解質層の他方の面に設けられて酸化剤ガスと接する空気極層と、を備えた燃料電池セルを、複数積層した燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池スタックは、
   前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を予熱する熱交換部と、
   前記積層方向における一部の前記燃料電池セルに、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を供給するとともに、前記一部の前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を、前記積層方向における前記一部の前記燃料電池セル以外の前記燃料電池セルに供給する構成と、を備え、
   前記燃料電池スタックには、前記熱交換部の外縁部及び複数の前記燃料電池セルの外周部分を前記積層方向に貫通して、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を流通させるマニホールドを複数有するとともに、
   前記各マニホールドは、前記積層方向から見た場合に、前記外周部分に沿って一列に配列されており、
   前記マニホールドとして、前記熱交換部で熱交換される前の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスである冷ガスを流通させる冷ガス用のマニホールドと、発電反応に利用された後の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスである熱ガスを流通させる熱ガス用のマニホールドと、前記熱交換部にて熱交換され、前記冷ガスと前記熱ガスとの間の温度を有する熱交換後ガス用のマニホールドと、を有し、
   更に、前記燃料電池スタックを前記積層方向から見た場合に、前記外周部分に沿って一列に配列された前記各マニホールドの列内において、
   前記冷ガス用のマニホールドは、全て前記熱ガス用のマニホールドに隣接するとともに、前記熱ガス用のマニホールドは、他の前記熱ガス用のマニホールドに隣接していないことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記熱交換部は、前記燃料電池スタックの内部に設けられ、隣接する前記燃料電池セルとの間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、
   前記熱ガス用のマニホールドには、前記熱交換後ガス用のマニホールド及び前記冷ガス用のマニホールドの少なくとも一方が隣接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、
   前記熱ガス用のマニホールドの両側には、前記冷ガス用のマニホールド及び前記熱交換後ガス用のマニホールドの少なくとも一方が隣接していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、
   前記酸化剤ガスの前記熱ガス用のマニホールドには、前記酸化剤ガスの前記冷ガス用のマニホールドが隣接していること特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、
   前記酸化剤ガスの前記冷ガス用のマニホールドの両側には、前記熱ガス用のマニホールドが隣接していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 電解質層と、前記電解質層の一方の面に設けられて燃料ガスと接する燃料極層と、前記電解質層の他方の面に設けられて酸化剤ガスと接する空気極層と、を備えた燃料電池セルを、複数積層した燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池スタックは、
   前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を予熱する熱交換部と、
   前記積層方向における一部の前記燃料電池セルに、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を供給するとともに、前記一部の前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を、前記積層方向における前記一部の前記燃料電池セル以外の前記燃料電池セルに供給する構成と、を備え、
   前記燃料電池スタックには、前記熱交換部の外縁部及び複数の前記燃料電池セルの外周部分を前記積層方向に貫通して、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方を流通させるマニホールドを複数有し、且つ、前記熱交換部の外縁部及び複数の前記燃料電池セルの外周部分を前記積層方向に貫通するとともに、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのいずれのガスも流通させない貫通孔を有し、
   前記各マニホールド及び前記貫通孔は、前記積層方向から見た場合に、前記外周部分に沿って一列に配列されており、
   前記マニホールドとして、前記熱交換部で熱交換される前の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスである冷ガスを流通させる冷ガス用のマニホールドと、発電反応に利用された後の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスである熱ガスを流通させる熱ガス用のマニホールドと、前記熱交換部にて熱交換され、前記冷ガスと前記熱ガスとの間の温度を有する熱交換後ガス用のマニホールドと、を有し、
   更に、前記燃料電池スタックを前記積層方向から見た場合に、前記外周部分に沿って一列に配列された前記各マニホールド及び前記貫通孔の列内において、
   前記冷ガス用のマニホールドは、全て前記熱ガス用のマニホールドに隣接するとともに、前記熱ガス用のマニホールドは、他の前記熱ガス用のマニホールドに隣接していないことを特徴とする燃料電池スタック。
8. 前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックを備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。