特許 6139393 燃料電池スタック及び燃料電池モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6139393

(24)【登録日】2017年5月12日

(45)【発行日】2017年5月31日

(54)【発明の名称】燃料電池スタック及び燃料電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/24 20160101AFI20170522BHJP

   H01M 8/0202 20160101ALI20170522BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20170522BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/24 R

   H01M8/02 B

   H01M8/02 Y

   H01M8/24 E

   !H01M8/12

【請求項の数】8

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2013-256177(P2013-256177)

(22)【出願日】2013年12月11日

(65)【公開番号】特開2015-115181(P2015-115181A)

(43)【公開日】2015年6月22日

【審査請求日】2016年7月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】栗林 誠

【審査官】 藤原 敬士

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１６５６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５３２４２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４

Ｈ０１Ｍ ８／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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、を備えた板状の単セルを有する燃料電池セルを、複数積層した燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタックは、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが、所定の前記単セルにそれぞれ供給され、その後排出された後に、他の前記単セルにそれぞれ供給されるシリアルフロー構造を備えたものであって、
前記燃料ガスの流路の上流側は、前記燃料電池スタックの積層方向における両端部に設けられるとともに、前記燃料ガスの流路の下流側は、前記両端部の間の中央部に設けられており、
且つ、酸化剤ガスの上流側は、前記燃料電池スタックの積層方向における中央部に設けられるとともに、前記酸化剤ガスの流路の下流側は、前記中央部に対して前記積層方向の両端部に設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項2】

前記燃料ガス用の中央部と前記酸化剤ガス用の中央部とが、同一の複数の前記燃料電池セルから構成され、
前記燃料ガス用の一方の端部と前記酸化剤ガス用の前記一方の端部とが、同一の複数の前記燃料電池セルから構成され、
前記燃料ガス用の他方の端部と前記酸化剤ガス用の前記他方の端部とが、同一の複数の前記燃料電池セルから構成されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。

【請求項3】

前記酸化剤ガス用の中央部における前記燃料電池セルの個数が、前記燃料ガス用の中央部における前記燃料電池セルの個数より多く、
且つ、前記酸化剤ガス用の中央部における前記燃料電池セルの個数が、前記酸化剤ガス用の両端部における前記燃料電池セルの個数より多いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。

【請求項4】

前記燃料ガス用の両端部における前記燃料電池セルの合計の個数は、前記燃料ガス用の中央部における前記燃料電池セルの個数より多いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

【請求項5】

前記酸化剤ガス用の一方の端部における前記燃料電池セルの個数と、前記酸化剤ガス用の他方の端部における前記燃料電池セルの個数とが、同数であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

【請求項6】

前記燃料ガス用の一方の端部における前記燃料電池セルの個数と、前記燃料ガス用の他方の端部における前記燃料電池セルの個数とが、同数であ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。

【請求項7】

前記積層方向において、前記各燃料電池セルの間に、前記各単セル同士を電気的に接続するとともに、前記各単セル同士の流路を区分して分離する板状のインターコネクタを備えるとともに、
前記インターコネクタの外周に、前記各単セル同士の流路を区分して分離するように、前記インターコネクタより薄い枠形状の金属板であるインターコネクタ用セパレータが接合されている構造と、
前記電解質層に前記燃料極層と前記空気極層とが積層された単セルの外周に、前記燃料極層側と前記空気極層側とを分離するように、前記単セルより薄い枠形状の金属板であるセル用セパレータが接合されている構造と、
のうち、少なくとも一方の構造を有すること特徴とすることを請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

【請求項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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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単セルを、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。

【背景技術】

【0002】

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（ＳＯＦＣ）が知られている。
このＳＯＦＣとしては、例えば板状の固体電解質層（固体酸化物層）の各面に燃料極と空気極とを備えた単セルを有する燃料電池セルを、多数積層して固体酸化物形燃料電池スタック（以下、固体酸化物形を省略することがある）を形成したものが製造されている。

【0003】

そして、このＳＯＦＣでは、燃料極層に燃料ガスを供給するとともに、空気極層に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給し、燃料及び空気中の酸素（酸化剤ガス）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。

【0004】

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）。なお、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同様に並列に）流す構造である。

【0005】

これとは別に、並列に燃料電池スタック（アセンブリ）を配置し、燃料ガスの流路と酸化剤ガス（例えば、空気）の流路とをそれぞれシリアルフロー構造とするとともに、各燃料電池スタックにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスとの流れを、上流と下流とで反転させた構造のＳＯＦＣが開示されている（特許文献２参照）。

【0006】

また、近年では、燃料電池スタックの均熱を図るために、燃料電池スタックを３つのブロックに分け、中段ブロックに燃料ガスと酸化剤ガス（例えば、空気）とを供給するとともに、上段ブロック及び下段ブロックに、中段ブロックから排出された燃料ガスと酸化剤ガスとを供給する技術が開示されている（特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００１−２５６９９３号公報

【特許文献2】特開２００４−０３１１３５号公報

【特許文献3】特開２０１０−１６５６２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

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。
具体的には、特許文献１に記載の技術では、燃料ガスの流路をシリアルフロー構造にすることにより、各燃料電池セル当たりの燃料利用率を上げることなく、総合燃料利用率（燃料電池スタック全体としての燃料利用率）を上げることができるため、発電効率をある程度向上させることができるが、総合燃料利用率を上げると、ホットモジュール（即ち、断熱容器内で燃料電池スタックから排出された燃料ガスを燃焼させて、燃料電池スタックの温度を保持する構成）内の発熱量が不足する。

【0009】

その結果、ホットモジュール内で燃焼させる燃料ガスが少なくなるので、放熱量に対する収支がマイナスになって、燃料電池スタックの温度を好適な運転温度に維持することが難しいという問題があった。

【0010】

しかも、酸化剤ガス（例えば空気）の利用率は、空気極層の特性上、所定以上に高くできないため、即ち、酸化剤ガス流量は所定以上に少なくできないので、熱の持ち去りが多く、この点からも、燃料電池スタックの温度を好適な運転温度に維持することが難しいという問題があった。

【0011】

また、特許文献２に記載の技術では、酸化剤ガスについても、シリアルフロー構造にすることにより、各燃料電池セル当たりの空気利用率を上げることなく、総合空気利用率（燃料電池スタック全体としての空気利用率）を上げることができるため、即ち空気流量を少なくできるようになるため、熱の持ち去りを減らすことが可能になる。

【0012】

しかしながら、各燃料電池スタックを二分割して離しているので、その間で熱の授受がない。そのため、各燃料電池スタック間で温度差が生じやすく、燃料ガスの下流側の燃料電池スタックでは、温度の維持が難しいという問題があった。

【0013】

特に、各燃料電池スタックの最上段と最下段の燃料電池セルは、燃料電池スタックの周囲との温度差があることや、エンドプレートの熱容量が大きいため、中段の燃料電池セルに比べて、外部への熱の持ち去りが多く、燃料電池スタックの温度の維持が難しいという問題があった。

【0014】

更に、特許文献３に記載の技術では、燃料電池スタックを３つのブロックに分けているが、燃料ガスと酸化剤ガスとのどちらも中段のブロックに導入し、燃料ガスと酸化剤ガスとが希薄となる下流側が温度の低い上段及び下段のブロックであるため、上段及び下段のブロックの電気抵抗が高く、ジュール損による電圧低下が大きくなり、発電特性が上げられない（即ち高い発電効率が得られない）という問題があった。

【0015】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、総合燃料利用率を向上させるとともに、燃料電池スタックの温度を好適な温度範囲に維持することによって、高い発電効率を実現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にある。

【課題を解決するための手段】

【0016】

（１）本発明（燃料電池スタック）は、第１態様として、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、を備えた板状の単セルを有する燃料電池セルを、複数積層した燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックは、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが、所定の前記単セルにそれぞれ供給され、その後排出された後に、他の前記単セルにそれぞれ供給されるシリアルフロー構造を備えたものであって、前記燃料ガスの流路の上流側は、前記燃料電池スタックの積層方向における両端部（例えば燃料ガス用の第１、第２端部ブロック）に設けられるとともに、前記燃料ガスの流路の下流側は、前記両端部の間の中央部（例えば燃料ガス用の中央ブロック）に設けられており、且つ、酸化剤ガスの上流側は、前記燃料電池スタックの積層方向における中央部（例えば酸化剤ガス用の中央ブロック）に設けられるとともに、前記酸化剤ガスの流路の下流側は、前記中央部に対して前記積層方向の両端部（例えば酸化剤ガス用の第１、第２端部ブロック）に設けられていることを特徴とする。

【0017】

本第１態様では、酸化剤ガスは、燃料電池スタックの中央部の燃料電池セル（詳しくは燃料電池セルの酸化剤ガスの流路：従って単セルの空気極層）に供給された後に、燃料電池スタックの両端部の各燃料電池セル（詳しくはその酸化剤ガスの流路：：従って単セルの空気極層））に供給される。一方、燃料ガスは、燃料電池スタックの両端部の各燃料電池セル（詳しくは各燃料電池セルの燃料ガスの流路：従って単セルの燃料極層）に供給された後に、燃料電池スタックの中央部の燃料電池セル（詳しくはその燃料ガスの流路：従って単セルの燃料極層）に供給される。

【0018】

つまり、本第１態様では、まず温度の低い酸化剤ガスが、高温になり易い中央部（詳しくはその燃料電池セル）に導入されることで、中央部が効率よく冷却されるとともに、中央部で発電によって暖められた酸化剤ガスが、低温になり易い（燃料電池スタックの積層方向両側の）両端部に導入されることで、両端部が効率良く暖められる。これによって、燃料電池スタックの積層方向における温度分布を小さくできるとともに、燃料電池スタックの温度全体を適切な温度範囲に維持することができる。よって、発電効率を高めることができる。

【0019】

また、上述した酸化剤ガスの流路によって、燃料電池セル当たりの酸化剤ガス利用率（例えば空気利用率）が低くなるため、酸化剤ガスの供給量をこれまでよりも絞ることが可能となり、酸化剤ガスによる熱の持ち去り量を減らすことができる。よって、この点からも、燃料電池スタックの温度を容易に好適な運転温度に維持することができる。

【0020】

更に、本第１態様では、基本的に、燃料ガスの流路をシリアルフロー構造にすることにより、各燃料電池セル当たりの燃料利用率を上げることなく、総合燃料利用率を上げて、発電効率を高めることができる。

【0021】

しかも、本第１態様では、燃料ガスは、まず両端部に導入された後に、それより温度の高い中央部に導入される。このとき、燃料ガスは、両端部で発電に利用されるので、中央部へは希薄な燃料ガスが導入されるが、中央部の温度は高いので、中央部の燃料電池セルにおける電圧低下を防ぐことができる。即ち、燃料電池セル（詳しくは電解質層）では、温度が高い方が、抵抗が下がる特性があるので、ジュール損が低減し、よって、電圧低下を防止することが可能である。

【0022】

従って、本第１態様では、総合燃料利用率を向上させるとともに、燃料電池スタックの温度を（積層方向における温度分布を低減して）好適な温度範囲に維持することによって、高い発電効率を実現することができるという顕著な効果を奏する。

【0023】

なお、総合燃料利用率とは、各燃料電池セルの燃料ガスの利用率（燃料利用率）ではなく、燃料電池スタック全体における燃料利用率である。
また、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、例えば燃料ガスや酸化剤ガスの熱交換器などを積層して構成してもよい。

【0024】

（２）本発明では、第２態様として、前記燃料ガス用の中央部と前記酸化剤ガス用の中央部とが、同一の複数の前記燃料電池セルから構成され、前記燃料ガス用の一方の端部（例えば燃料ガス用の第１端部ブロック）と前記酸化剤ガス用の前記一方の端部（例えば酸化剤ガス用の第１端部ブロック）とが、同一の複数の前記燃料電池セルから構成され、前記燃料ガス用の他方の端部（例えば燃料ガス用の第２端部ブロック）と前記酸化剤ガス用の前記他方の端部（例えば酸化剤ガス用の第２端部ブロック）とが、同一の複数の前記燃料電池セルから構成されていることを特徴とする。

【0025】

本第２態様では、同じ中央部（詳しくはその燃料電池セル）に燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、同じ一方の端部に燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、同じ他方の端部に燃料ガスと酸化剤ガスとが供給される。
これによって、ガス流路を簡易化できるので、燃料電池スタックの構造を簡易化することができる。

【0026】

（３）本発明では、第３態様として、前記酸化剤ガス用の中央部における前記燃料電池セルの個数が、前記燃料ガス用の中央部における前記燃料電池セルの個数より多く、且つ、前記酸化剤ガス用の中央部における前記燃料電池セルの個数が、前記酸化剤ガス用の両端部における前記燃料電池セルの個数より多いことを特徴とする。

【0027】

本第３態様では、酸化剤ガスの上流側である中央部の燃料電池セルの個数は、燃料ガスの下流側である中央部の燃料電池セルの個数よりも多く、しかも、酸化剤ガスの上流側の中央部の燃料電池セルの個数は、下流側の両端部の燃料電池セルの（合計の）個数より多い。

【0028】

燃料ガス、酸化剤ガスともに、上流側に比べて下流側の燃料電池セルの個数が少ない方が、上流側で消費されて希薄となっても下流側の流量が増えるため、下流側のガス枯れを起こしにくくなるので、総合利用率を効率よく上げることができる。つまり、酸化剤ガスの上流側に該当する中央部の燃料電池セル数を比較的多くすることで、総合酸化剤ガス利用率（例えば総合空気利用率）も効率よく上げることができる（即ち酸化剤ガス（投入空気）の流量を減らすことができる）ので、余分な酸化剤ガス（及び投入空気中に存在し、反応に使用されない窒素など）による熱の持ち去りを小さくすることができる。よって、燃料電池スタックを容易に好適な温度範囲に保つことができる。

【0029】

なお、総合酸化剤ガス利用率とは、各燃料電池セルの酸化剤ガスの利用率（酸化剤ガス利用率）ではなく、燃料電池スタック全体における酸化剤ガス利用率である。
（４）本発明は、第４態様として、前記燃料ガス用の両端部における前記燃料電池セルの合計の個数は、前記燃料ガス用の中央部における前記燃料電池セルの個数より多いことを特徴とする。

【0030】

本第４態様では、両端部の合計の燃料電池セルの個数（枚数）は、中央部における燃料電池セルの個数より多い。
これにより、上流で発電に利用されなかった燃料ガスは、下流で有効に発電に利用されるので、総合燃料利用率を効率よく上げることができる。

【0031】

（５）本発明では、第５態様として、前記酸化剤ガス用の一方の端部における前記燃料電池セルの個数と、前記酸化剤ガス用の他方の端部における前記燃料電池セルの個数とが、同数であることを特徴とする。

【0032】

本第５態様では、酸化剤ガスの流路について、（燃料電池スタックの積層方向の）一方の端部と他方の端部とにおける燃料電池セルの個数が同じであるので、燃料電池スタックの積層方向における両端の温度をより均一化することができる。

【0033】

（６）本発明では、第６態様として、前記燃料ガス用の一方の端部における前記燃料電池セルの個数と、前記燃料ガス用の他方の端部における前記燃料電池セルの個数とが、同数であることを特徴とする。

【0034】

本第６態様では、燃料ガスの流路について、（燃料電池スタックの積層方向の）一方の端部と他方の端部とにおける燃料電池セルの個数が同じであるので、燃料電池スタックの積層方向における両端の温度をより均一化することができる。

【0035】

（７）本発明では、第７態様として、前記積層方向において、前記各燃料電池セルの間に、前記各単セル同士を電気的に接続するとともに、前記各単セル同士の流路を区分して分離する板状のインターコネクタを備えるとともに、前記インターコネクタの外周に、前記各単セル同士の流路を区分して分離するように、前記インターコネクタより薄い枠形状の金属板であるインターコネクタ用セパレータが接合されている構造と、前記電解質層に前記燃料極層と前記空気極層とが積層された単セルの外周に、前記燃料極層側と前記空気極層側とを分離するように、前記単セルより薄い枠形状の金属板であるセル用セパレータが接合されている構造と、のうち、少なくとも一方の構造を有すること特徴とする。

【0036】

本第７態様では、インターコネクタは、その周囲に薄肉の金属製のインターコネクタ用セパレータが接合され、また、単セルの周囲には、薄肉の金属製のセル用セパレータが接合されている。

【0037】

従って、面内温度分布による熱歪や熱応力、機械応力に対して、薄肉の金属製の各セパレータが変形することで、応力の緩和ができる。よって、単セルにおいては、割れを効果的に防止でき、インターコネクタについては、電気的接続性を向上できる。また、各セパレータは薄肉であり、よって、外への熱の持ち出しが小さくなるので、燃料電池スタックを好適に保温できるという利点がある。

【0038】

（８）本発明では、第８態様（燃料電池モジュール）として、前記第１〜７態様のいずれかに記載の燃料電池スタックを備えたことを特徴とする。
本第８態様は、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例示したものである。

【0039】

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、例えば、断熱容器内にて、燃料電池スタックを加熱するための発熱層やバーナーなどを備えたものである。
なお、本発明の他の態様として、例えば、燃料電池スタックには、燃料電池スタックを積層方向に貫く貫通孔と、貫通孔に挿通されて燃料電池スタックを積層方向に押圧するボルトと、を備えるとともに、貫通孔のうち、燃料ガス又は酸化剤ガスの流路として用いられていない貫通孔の周囲又は内部に、温度センサを設けてもよい。

【0040】

この場合、温度センサは、燃料ガス又は酸化剤ガスの流路として用いられていない貫通孔の周囲や内部に配置されている。よって、燃料ガスや酸化剤ガスによる過度に偏った温度ではなく、燃料電池スタックにおける平均的な温度を検出し易いという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0041】

【図1】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2】（ａ）は実施例１の燃料電池スタックの平面図、（ｂ）はその正面図である。

【図3】実施例１の燃料電池スタックの各ブロックの積層状態を模式的に示す燃料電池スタックの側面図である。

【図4】実施例１における燃料電池セルを厚み方向に沿って破断して示す説明図である。

【図5】実施例１の燃料電池スタックを分解し、第１（又は第２）端部ブロ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。

【図6】実施例１の燃料電池スタックを分解し、中央ブロ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。

【図7】実施例１の燃料電池スタックの第１（又は第２）端部ブロックにおける燃料電池セルと、その燃料電池セルにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを示す平面図である。

【図8】実施例１の燃料電池スタックの中央ブロックにおける燃料電池セルと、その燃料電池セルにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを示す平面図である。

【図9】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、燃料ガスの流路を模式的に示す説明図である。

【図10】実施例１の燃料電池スタックを酸化剤ガス（空気）のマニホールドに沿って積層方向に破断し、酸化剤ガス（空気）の流路を模式的に示す説明図である。

【図11】実施例１の燃料電池スタックによる効果を示すグラフである。

【図12】実施例２の燃料電池スタックの各ブロックの積層状態を模式的に示す燃料電池スタックの側面図である。

【図13】実施例２の燃料電池スタックのブロックＢ２、Ｂ４における燃料電池セルと、その燃料電池セルにおける燃料ガス及び酸化剤ガスの流れを示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0042】

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。

【実施例1】

【0043】

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。

【0044】

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（以下、空気と記すこともある）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に燃料ガスと酸化剤ガスの混合気（Ｍix）を供給する経路１１ｃを備えている。

【0045】

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。

【0046】

以下、各構成について説明する。
図２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ものであり（以下、この積層部分をスタック本体１５と称する）、このスタック本体１５を積層方向（図２（ｂ）の上下方向）に貫く８箇所のボルト用貫通孔１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１１７ｅ、１７ｆ、１７ｇ、１７ｈ（１７と総称する）と、ボルト用貫通孔１７に貫挿された８本のボルト１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、１９ｇ、１９ｈ（１９と総称する）と、ボルト１９に螺合するナット２１とを備えている。

【0047】

また、図２（ｂ）に示す様に、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２３、２５が設けられている。なお、ここでは、エンドプレート２３、２５を含めて燃料電池スタック３と称する。

【0048】

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２５段）存在し、燃料電池スタック３の積層方向における中央部の９段の燃料電池セル１３群を中央ブロック２７と称し、前記積層方向における上端側（中央ブロック２７の上側）の８段の燃料電池セル１３群を第１端部ブロック２８と称し、前記積層方向における下端側（中央ブロック２７の下側）の８段の燃料電池セル１３群を第２端部ブロック２９と称する。なお、中央ブロック２７が中央部に相当し、第１端部ブロック２８が一方の端部に相当し、第２端部ブロック２９が他方の端部に相当する。

【0049】

つまり、燃料電池スタック３においては、中央ブロック２７を積層方向の両側から挟むように第１端部ブロック２８と第２端部ブロック２９とが配置されている。なお、燃料電池スタック３の各燃料電池セル１３について、同図上側より順に、第１〜第２５燃料電池セル１３と称する。

【0050】

また、後に詳述するが、図３に示すように、燃料ガスは、外部から第１端部ブロック２８と第２端部ブロック２９との各燃料電池セル１３（即ち第１〜第８、第１８〜第２５燃料電池セル１３）に供給され、その後、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３（即ち第９〜第１７燃料電池セル１３）に供給された後に、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３から燃料電池スタック３外に排出されるように構成されている。

【0051】

一方、酸化剤ガスは、外部から中央ブロック２７の各燃料電池セル１３に供給され、その後、第１端部ブロック２８と第２端部ブロック２９との各燃料電池セル１３に供給された後に、燃料電池スタック３外に排出されるように構成されている。

【0052】

図２に戻り、ボルト１９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２１が螺合しており、このボルト１９とナット２１との螺合によって、燃料電池スタック３が積層方向に締め付けられて一体に固定されている。ここでは、ボルト１９の両端にナット２１が螺合する構成を例に挙げたが、ボルト１９の一端に頭部を設け、他端にナット２１を螺合させる構成でもよい。

【0053】

本実施例では、後に詳述する様に、第２ボルト１９ｂの上側より燃料ガスを導入し（Ｆ（ＩＮ））、第１ボルト１９ａの上側より（反応後の）燃料ガスを排出し（Ｆ（ＯＵＴ））、第８ボルト１９ｈの上側より酸化剤ガスを導入し（Ｏ（ＩＮ））、第７ボルト１９ｇの上側より（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。

【0054】

なお、ボルト用貫通孔１７やボルト１９については、図２（ａ）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）。
また、ここで、燃料電池スタック３の中央部とは、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。

【0055】

ｂ）次に、燃料電池セル１３の構成について説明する。
図４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。

【0056】

この燃料電池セル１３は、薄膜の固体電解質層３１と、その両側にそれぞれ形成された、燃料極層（アノード：ＡＮ）３３及び薄膜の空気極層（カソード：ＣＡ）３５とを備える。以下では、固体電解質層３１、燃料極層３３、及び空気極層３５をあわせて単セル３７と称する。なお、単セル３７の空気極層３５側には酸化剤ガス流路５１が存在し、燃料極層３３側には燃料流路５３が存在する。

【0057】

燃料電池セル１３は、上下一対のインターコネクタ部３９、４１と、空気極層３５側の板形状のガスシール部４３と、単セル３７の外縁部の上面に接合して酸化剤ガス流路５１と燃料流路５３とを遮断するセル用セパレータ４５と、燃料極層３３側に配置された板形状の燃料極フレーム４７と、燃料極層３３側のガスシール部４９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。

【0058】

このうち、インターコネクタ部３９、４１は、フェライト系ステンレスからなり、中央部分の正方形の金属板であるインターコネクタ４０ａと、インターコネクタ４０ａの外縁部の下面に接合された四角枠状の金属板である（インターコネクタ４０ａより薄肉の）インターコネクタ用セパレータ４０ｂとを備えており、インターコネクタ４０ａの下面側には、空気極側集電体４０ｃが一体に構成されている。

【0059】

なお、インターコネクタ用セパレータ４０ｂは、インターコネクタ４０ａに比べて薄肉（例えば厚さ０．１ｍｍ）であり、熱により変形してインターコネクタ４０ａに加わる応力を緩和することができる。

【0060】

また、燃料電池セル１３内には、燃料極層３３とインターコネクタ部４１との間に燃料極側集電体５５が配置されている。この燃料極側集電体５５としては、Ｎｉからなるフィライトやメッシュなどを使用できる。

【0061】

なお、固体電解質層３１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３３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３５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。

【0062】

また、第１、第２端部ブロック２８、２９の概略構成を図５に分解して、中央ブロック２７の概略構成を図６に分解して示すように、各燃料電池セル１３のインターコネクタ部３９、４１の外縁部には、それぞれボルト用貫通孔１７に対応する８つの孔６１、６３が設けられている。

【0063】

ガスシール部４３は、マイカ又はバーミュライト、セラミックフェルトなどから成り、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１７に対応する８つの孔６７が設けられている。

【0064】

特に、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池セル１３においては（図５、図７参照）、ガスシール部４３の孔６７のうち、第４孔６７ｄは、開口部６５と連通部６９ｄにより連通している。この連通部６９ｄは、第４孔６７ｄから１本の溝が延びその途中で３本の溝に分岐して開口部６５に達するように構成されている。なお、連通部６９ｄは、ガスシール部４３を厚み方向に貫通する孔ではなく、ガスシール部４３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。以下、後述する他の連通部においても、溝が途中で３本に分岐する形状や形成方法については同様である。

【0065】

なお、前記溝の構造の代替となる構造として、他の枠部材の追加とガスシール部の貫通孔とで連通部を形成してもよい。
また、孔６７のうち、第７孔６７ｇは、開口部６５と連通部６９ｇにより連通している。

【0066】

一方、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３においては（図６、図８参照）、ガスシール部４３の孔６７のうち、第４孔６７ｄは、開口部６５と連通部７０ｄにより連通している。

【0067】

同様に、孔６７のうち、第８孔６７ｈは、開口部６５と連通部７０ｈにより連通している。
図５に示すように、セル用セパレータ４５は、フェライト系ステンレスから成る枠状の板材（金属板）であり、その中央に正方形の開口部７１を有するが、その開口部７１を閉塞するように、セル用セパレータ４５に対し単セル３７が接合されている。セル用セパレータ４５も、その外縁部に、ボルト用貫通孔１７に対応する８つの孔７３を有している。

【0068】

なお、セル用セパレータ４５は、単セル３７に比べて薄肉（例えば厚さ０．１ｍｍ）であり、熱により変形して単セル３７に加わる応力を緩和することができる。
燃料極フレーム４７は、その中心に開口部７５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４７も、その外縁部に、ボルト用貫通孔１７に対応する８つの孔７７を有している。

【0069】

ガスシール部４９は、マイカ又はバーミュライト、セラミックフェルトから成り、中心に正方形の開口部７９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１７に対応する８つの孔８１が設けられている。

【0070】

特に、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池セル１３においては（図５、図７参照）、ガスシール部４９の孔８１のうち、第２孔８１ｂは、開口部７９と連通部８３ｂにより連通している。

【0071】

なお、前記溝の構造の代替となる構造として、他の枠部材の追加とガスシール部の貫通孔とで連通部を形成してもよい。
同様に、孔８１のうち、第６孔８１ｆは、開口部７９と連通部８３ｆにより連通している。

【0072】

一方、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３においては（図６、図８参照）、ガスシール部４９の孔８１のうち、第１孔８１ａは、開口部７９と連通部８４ａにより連通している。

【0073】

同様に、孔８１のうち、第６孔８１ｆは、開口部７９と連通部８４ｆにより連通している。
従って、図７に示すように、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池セル１３においては、酸化剤ガスの流路は、単セル３７の同図の手前側にて、（上流側より）第４孔６７ｄ、連通部６９ｄ、開口部６５、連通部６９ｇ、第７孔６７ｇとなる。

【0074】

一方、燃料ガスの流路は、単セル３７と反対側（同図裏側）にて、（上流側より）第２孔８１ｂ、連通部８３ｂ、開口部７９、連通部８３ｆ、第６孔８１ｆとなる。
また、図８に示すように、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３においては、酸化剤ガスの流路は、（上流側より）第８孔６７ｈ、連通部７０ｈ、開口部６５、連通部７０ｄ、第４孔６７ｄとなる。

【0075】

一方、燃料ガスの流路は（単セル３７と反対側にて）、（上流側より）第６孔８１ｆ、連通部８４ｆ、開口部７９、連通部８４ａ、第１孔８１ａとなる。
ｃ）次に、マニホールドの構成について詳細に説明する。

【0076】

図９及び図１０に示すように、第１、第２、第４、第６、第７、第８ボルト１９ａ、１９ｂ、１９ｄ、１９ｆ、１９ｇ、１９ｈのそれぞれの内部には、軸方向に延びるように、マニホールドである、中空の第１、第２、第４、第６、第７、第８内部ガス通路９１ａ、９１ｂ、９１ｄ、９１ｆ、９１ｇ、９１ｈ（９１と総称する）が設けられている。

【0077】

また、第１〜第８ボルト１９ａ〜１９ｈのうち、第１、第２、第６ボルト１９ａ、１９ｂ、１９ｆの各内部ガス通路９１ａ、９１ｂ、９１ｆが燃料ガスの流路として用いられ、第４、第７、第８ボルト１９ｄ、１９ｇ、１９ｈの各内部ガス通路９１ｄ、９１ｇ、９１ｈが酸化剤ガスの流路として用いられる。なお、第３、第５ボルト１９ｃ、１９ｅは、ガス流路として用いられないので、その内部には内部ガス流路が設けられていない。

【0078】

以下、各ガス流路の構成について説明する。
＜燃料ガスの流路＞
図９に示す様に、第２ボルト１９ｂには、燃料ガス用の内部ガス通路９１ｂが設けられている。この内部ガス通路９１ｂは、開口部９３ｂを介して外部（燃料電池スタック３の上方）と連通しており、他端は閉塞されている。

【0079】

この第２ボルト１９ｂには、内部ガス通路９１ｂと連通するように、径方向に延びる貫通孔である複数の出口用横穴９５ｂが設けられている。各出口用横穴９５ｂは、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池セル１３の燃料流路５３（図４参照）に対応して設けられ、各出口用横穴９５ｂと各燃料電池セル１３の燃料流路５３とは連通するように構成されている。

【0080】

第６ボルト１９ｆには、燃料ガス用の内部ガス通路９１ｆが設けられており、この内部ガス通路９１ｆの上下は閉塞されている。
この第６ボルト１９ｆには、内部ガス通路９１ｆ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９７ｆと複数の出口用横穴９９ｆが設けられている。各入口用横穴９７ｆは、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池セル１３の燃料流路５３に対応して設けられ、各入口用横穴９７ｆと各燃料電池セル１３の燃料流路５３とは連通するように構成されている。また、各出口用横穴９９ｆは、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３の燃料流路５３に対応して設けられ、各出口用横穴９９ｆと各燃料電池セル１３の燃料流路５３とは連通するように構成されている。

【0081】

第１ボルト１９ａには、燃料ガス用の内部ガス通路９１ａが設けられている。この内部ガス通路９１ａは、開口部９３ａを介して外部（燃料電池スタック３の上方）と連通しており、他端は閉塞されている。

【0082】

この第１ボルト１９ａには、内部ガス通路９１ａ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１０１ａが設けられている。各入口用横穴１０１ａは、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３の燃料流路５３に対応して設けられ、各入口用横穴１０１ａと各燃料電池セル１３の燃料流路５３とは連通するように構成されている。

【0083】

＜酸化剤ガス（空気）の流路＞
図１０に示す様に、第８ボルト１９ｈには、酸化剤ガス用の内部ガス通路９１ｈが設けられている。この内部ガス通路９１ｈは、開口部９３ｈを介して外部（燃料電池スタック３の上方）と連通しており、他端は閉塞されている。

【0084】

この第８ボルト１９ｈには、内部ガス通路９１ｈと連通するように、径方向に延びる貫通孔である複数の出口用横穴１０３ｈが設けられている。各出口用横穴１０３ｈは、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３の酸化剤ガス流路５１（図４参照）に対応して設けられ、各出口用横穴１０９ｈと各燃料電池セル１３の酸化剤ガス流路５１とは連通するように構成されている。

【0085】

第４ボルト１９ｄには、酸化剤ガス用の内部ガス通路９１ｄが設けられており、この内部ガス通路９１ｄの上下は閉塞されている。
この第４ボルト１９ｄには、内部ガス通路９１ｄ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１０５ｄと複数の出口用横穴１０７ｄが設けられている。各入口用横穴１０５ｄは、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３の酸化剤ガス流路５１に対応して設けられ、各入口用横穴１０５ｄと各燃料電池セル１３の酸化剤ガス流路５１とは連通するように構成されている。また、各出口用横穴１０７ｄは、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池セル１３の酸化剤ガス流路５１に対応して設けられ、各出口用横穴１０７ｄと各燃料電池セル１３の酸化剤ガス流路５１とは連通するように構成されている。

【0086】

第７ボルト１９ｇには、酸化剤ガス用の内部ガス通路９１ｇが設けられている。この内部ガス通路９１ｇは、開口部９３ｇを介して外部（燃料電池スタック３の上方）と連通しており、他端は閉塞されている。

【0087】

この第７ボルト１９ｇには、内部ガス通路９１ｇ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１０９ｇが設けられている。各入口用横穴１０９ｇは、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池セル１３の酸化剤ガス流路５１に対応して設けられ、各入口用横穴１０９ｇと各燃料電池セル１３の酸化剤ガス流路５１とは連通するように構成されている。

【0088】

なお、前記図７に示す様に、ガス流路として利用されないボルト用貫通孔１７（例えば第５ボルト用貫通孔１７ｅ）の内部（又はその近傍）には、温度センサとして、熱電対１００が配置されている。これによって、燃料電池スタック３の温度を検出することができる。

【0089】

ｄ）次に、上述した流路を通過する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＞
まず、前記図９に示す様に、燃料電池スタック３内の温度より低温の燃料ガスが、燃料電池スタック３の外部から、第２ボルト１９ｂの開口部９３ｂを介して、内部ガス通路９１ｂに導入される。

【0090】

次に、内部ガス通路９１ｂに導入された燃料ガスは、内部ガス通路９１ｂから、出口用横穴９５ｂ及び連通部８３ｂ（図７参照）を介して、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池スタック３の燃料流路５３（図４参照）に供給される。

【0091】

そして、燃料流路５３内にて発電に供された燃料ガスは、燃料流路５３から、連通部８３ｆ（図７参照）及び入口用横穴９７ｆを介して、第６ボルト１９ｆの内部ガス通路９１ｆに供給される。

【0092】

次に、この燃料ガスは、第６ボルト１９ｆの内部ガス通路９１ｆから、出口用横穴９９ｆ及び連通部８４ｆ（図８参照）を介して、中央ブロック２７の各燃料電池スタック３の燃料流路５３に供給される。

【0093】

そして、燃料流路５３内にて再度発電に供された燃料ガスは、燃料流路５３から、連通部８４ａ（図８参照）及び入口用横穴１０１ａを介して、第１ボルト１９ａの内部ガス通路９１ａに供給される。

【0094】

その後、燃料ガスは、第１ボルト１９ａの内部ガス通路９１ａから、開口部９３ａを介して、外部に排出される。
このように、本実施例１では、第１端部ブロック２８と中央ブロック２７と第２端部ブロック２９とが積層された（即ち並列に配置された）燃料電池スタック３において、燃料ガスの流路は、第１、第２端部ブロック２８、２９と中央ブロック２７とが直列に接続されたシリアルフロー構造となっている。

【0095】

従って、このシリアルフロー構造では、燃料ガスは、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池セル１３に供給されて発電に用いられた後に、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３に供給されて発電に用いられる構造となっている。

【0096】

＜酸化剤ガス（空気）の流れ＞
また、図１０に示す様に、燃料電池スタック３内の温度より低温の酸化剤ガス（空気）が、燃料電池スタック３の外部から、第８ボルト１９ｈの開口部９３ｈを介して、内部ガス通路９１ｈに導入される。

【0097】

次に、内部ガス通路９１ｈに導入された酸化剤ガス（空気）は、内部ガス通路９１ｈから、出口用横穴１０３ｈ及び連通部７０ｈ（図８参照）を介して、中央ブロック２７の各燃料電池スタック３の酸化剤ガス流路５１（図４参照）に供給される。

【0098】

そして、酸化剤ガス流路５１内にて発電に供された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５１から、連通部７０ｄ（図８参照）及び入口用横穴１０５ｄを介して、第４ボルト１９ｄの内部ガス通路９１ｄに供給される。

【0099】

次に、この酸化剤ガスは、第４ボルト１９ｄの内部ガス通路９１ｄから、出口用横穴１０７ｄ及び連通部６９ｄ（図７参照）を介して、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池スタック３の酸化剤ガス流路５１に供給される。

【0100】

そして、酸化剤ガス流路５１内にて再度発電に供された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５１から、連通部６９ｇ（図７参照）及び入口用横穴１０９ｇを介して、第７ボルト１９ｇの内部ガス通路９１ｇに供給される。

【0101】

その後、酸化剤ガスは、第７ボルト１９ｇの内部ガス通路９１ｇから、開口部９３ｇを介して、外部に排出される。
このように、本実施例１では、第１端部ブロック２８と中央ブロック２７と第２端部ブロック２９とが積層された（即ち並列に配置された）燃料電池スタック３において、酸化剤ガスの流路は、中央ブロック２７と第１、第２端部ブロック２８、２９とが直列に接続されたシリアルフロー構造となっている。

【0102】

従って、このシリアルフロー構造では、酸化剤ガスは、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３に供給されて発電に用いられた後に、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池セル１３に供給されて発電に用いられる構造となっている。

【0103】

ｅ）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、酸化剤ガス（空気）は、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３に供給された後に、第１、第２端部ブロック２８、２７の各燃料電池セル１３に供給される。一方、燃料ガスは、第１、第２端部ブロック２８、２９の各燃料電池セル１３に供給された後に、中央ブロック２７の各燃料電池セル１３に供給される。

【0104】

つまり、本実施例１では、まず温度の低い（例えば約４００℃程度）酸化剤ガスを含む空気が、外部より（高温になり易い）中央ブロック２７（詳しくはその各燃料電池セル１３）に導入されることで、中央ブロック２７が効率よく冷却されるとともに、中央ブロック２７で発電によって暖められた酸化剤ガス（空気）（例えば約５００℃程度）が、（低温になり易い）積層方向の両側の第１、第２端部ブロック２８、２９に導入されることで、第１、第２端部ブロック２８、２９が効率良く暖められる。これによって、燃料電池スタック３の積層方向における温度分布を小さくできるとともに、燃料電池スタック３の温度全体を適切な温度範囲に維持することができる。よって、発電効率を高めることができる。

【0105】

また、上述した酸化剤ガスの流路によって、燃料電池セル１３当たりの空気利用率が低くなるため、酸化剤ガス（空気）の供給量をこれまでよりも絞ることが可能となり、空気による熱の持ち去り量を減らすことができる。よって、この点からも、燃料電池スタック３の温度を容易に好適な運転温度に維持することができる。

【0106】

更に、本実施例１では、基本的に、燃料ガスの流路をシリアルフロー構造にすることにより、各燃料電池セル１３当たりの燃料利用率を上げることなく、総合燃料利用率を上げて、発電効率を高めることができる。

【0107】

しかも、本実施例１では、燃料ガス（例えば約４００℃程度）は、まず第１、第２端部ブロック２８、２９に導入された後に、それより温度の高い中央ブロック２７に導入され暖められる（例えば約５００℃程度）。このとき、燃料ガスは、第１、第２端部ブロック２８、２９で発電に利用されるので、中央ブロック２７へは希薄な燃料ガスが導入されるが、中央ブロック２７の温度は高いので、中央ブロック２７の燃料電池セル１３における電圧低下を防ぐことができる。即ち、燃料電池セル１３（詳しくは固体電解質層３１）では、温度が高い方が、抵抗が下がる特性があるので、ジュール損が低減し、よって、電圧低下を防止することが可能である。

【0108】

従って、本実施例１では、総合燃料利用率を向上させるとともに、燃料電池スタック３の温度を（積層方向における温度分布を低減して）好適な温度範囲に維持することによって、高い発電効率を実現することができるという顕著な効果を奏する。

【0109】

・また、本実施例１では、同じ中央ブロック２７（詳しくはその燃料電池セル１３）に燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、同じ第１端部ブロック２８に燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、同じ第２端部ブロック２９に燃料ガスと酸化剤ガスとが供給される。

【0110】

これによって、ガス流路を簡易化できるので、燃料電池スタック３の構造を簡易化することができる。
・更に、本実施例では、第１端部ブロック２８と第２端部ブロック２９とにおける合計の燃料電池セル１３の個数（枚数）は、中央ブロック２７における燃料電池セル１３の個数より多い。これにより、上流で発電に利用されなかった燃料ガスが下流で発電に利用されるので、総合燃料利用率を効率よく上げることができる。

【0111】

・その上、本実施例１では、第１端部ブロック２８と第２端部ブロック２９とにおける燃料電池セル１３の個数が同じであるので、燃料電池スタック３の積層方向における両端の温度をより均一化することができる。

【0112】

・また、本実施例１では、インターコネクタ部３９、４１は、インターコネクタ４０ａの周囲に薄肉の金属製のインターコネクタ用セパレータ４０ｂが接合され、また、単セル３７の周囲には、薄肉の金属製のセル用セパレータ４５が接合されている。

【0113】

従って、面内温度分布による熱歪や熱応力、機械応力に対して、薄肉の金属製の各セパレータ４０ｂ、４５が変形することで、応力の緩和ができる。よって、単セル３７においては、割れを効果的に防止でき、インターコネクタ部３９、４１については、電気的接続性を向上できる。また、各セパレータ４０ｂ、４５は薄肉であり、よって、外への熱の持ち出しが小さくなるので、燃料電池スタック３を好適に保温できるという利点がある。

【0114】

・更に、本実施例１では、温度センサである熱電対１００は、燃料ガス又は酸化剤ガスの流路として用いられていないボルト用貫通孔１７の周囲や内部に配置されている。よって、燃料ガスや酸化剤ガスによる過度に偏った温度ではなく、燃料電池スタック３における平均的な温度を検出し易いという効果がある。

【0115】

・従って、本実施例１の燃料電池スタック３においては、図１１に示すように、比較例１、２、３に比べて、積層方向（同図の左右方向）における温度分布が小さく、各燃料電池セル１３は、ほぼ狙いの温度領域の範囲となっている。

【0116】

なお、同図のＡが本実施例１の燃料電池スタック３の温度分布であり、Ｂが比較例１（単に燃料ガスと酸化剤ガスとを並列に流す例）、Ｃが比較例２（燃料ガスのみをシリアルフロー構造とし、下流側を積層方向の上側に配置した例）、Ｄが比較例３（燃料ガスのみを本実施例１のように、中段に燃料ガスを供給してシリアルフロー構造とした例）の各燃料電池スタックにおける温度分布である。

【実施例2】

【0117】

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。
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。

【0118】

図１２に示すように、本実施例２の燃料電池スタック１１１では、燃料ガスの流路について、外部より燃料ガスが導入される第１、第２端部ブロック１１３、１１７は、それぞれ８個の燃料電池セル１３からなり、第１、第２端部ブロック１１３、１１７から燃料ガスが導入される中央ブロック１１５は、９個の燃料電池セル１３からなる。

【0119】

一方、酸化剤ガスの流路については、外部より酸化剤ガス（空気）が導入される中央ブロック１２１は、１５個の燃料電池セル１３からなり、中央ブロック１２１から酸化剤ガス（空気）が導入される第１、第２端部ブロック１１９、１２３は、それぞれ５個の燃料電池セル１３からなる。

【0120】

また、本実施例２では、（図１２の上下の両端側の）第１〜第５、第２１〜第２５のそれぞれ５個の燃料電池セル１３からなるブロックＢ１、Ｂ５では、その燃料電池セル１３の構造や燃料ガス及び酸化剤ガスの流路は、前記実施例１の第１、第２端部ブロック２８、２９の燃料電池セル１３と同様である（図７参照）。

【0121】

同様に、（図１２の中央部分の）第９〜第１７の９個の燃料電池セル１３からなるブロックＢ３では、その燃料電池セル１３の構造や燃料ガス及び酸化剤ガスの流路は、前記実施例１の中央ブロック２７の燃料電池セル１３と同様である（図８参照）。

【0122】

特に、本実施例２では、ブロックＢ１、Ｂ３に挟まれたブロックＢ２の第６〜第８の３個の燃料電池セル１３と、ブロックＢ３、Ｂ５に挟まれたブロックＢ４の第１８〜第２０の３個の燃料電池セル１３とは、図１３に示す構造及び流路を有している。

【0123】

詳しくは、ブロックＢ２、Ｂ４の各燃料電池セル１３においては、燃料ガスは、燃料電池セル１３の燃料流路５３側（同図裏側）にて、第２ボルト用貫通孔１７ｂ対応する第２孔１２５ｂから、連通部１２７ｂを介して、燃料流路５３に供給され、その後、燃料流路５３から、連通部１２７ｆを介して、第６ボルト用貫通孔１７ｆ対応する第６孔１２５ｆに排出されるように構成されている。

【0124】

一方、酸化剤ガスは、燃料電池セル１３の酸化剤ガス流路５１側（同図表側）にて、第８ボルト用貫通孔１７ｈに対応する第８孔１２５ｈから、連通部１２９ｈを介して、酸化剤ガス流路５１に供給され、その後、酸化剤ガス流路５１から、連通部１２９ｄを介して、第４ボルト用貫通孔１７ｄ対応する第４孔１２５ｄに排出されるように構成されている。

【0125】

ｂ）次に、本実施例２の燃料電池スタック１１１全体のガスの流路について説明する。
＜燃料ガスの流路＞
前記図７に示すように、燃料ガスは、外部より、第２ボルト用貫通孔１７ｂの内部（詳しくは第２ボルト用貫通孔１７ｂに挿通される第２ボルト１９ｂの内部ガス通路９１ｂ：図９参照）に導入される。

【0126】

次に、燃料ガスは、第２ボルト用貫通孔１７ｂの内部から、ブロックＢ１、Ｂ５おける各燃料電池セル１３の連通部８３ｂを介して、燃料流路５３内に導入されるとともに、図１３に示すように、ブロックＢ２、Ｂ４おける各燃料電池セル１３の連通部１２７ｂを介して、各燃料流路５３内に導入される。

【0127】

そして、各燃料流路５３内で発電に利用された燃料ガスは、前記図７に示すように、ブロックＢ１、Ｂ５おける各燃料電池セル１３の連通部８３ｆを介して、第６ボルト用貫通孔１７ｆの内部に排出されるとともに、図１３に示すように、ブロックＢ２、Ｂ４おける各燃料電池セル１３の連通部１２７ｆを介して、第６ボルト用貫通孔１７ｆの内部に排出される。

【0128】

次に、燃料ガスは、前記図８に示す様に、第６ボルト用貫通孔１７ｆの内部から、ブロックＢ３における各燃料電池セル１３の連通部８４ｆを介して、各燃料流路５３内に導入される。

【0129】

そして、各燃料流路５３内で再度発電に利用された燃料ガスは、ブロックＢ３おける各燃料電池セル１３の連通部８４ａを介して、第１ボルト用貫通孔１７ａの内部に排出され、その後、外部に排出される。

【0130】

＜酸化剤ガス（空気）の流路＞
前記図８に示すように、酸化剤ガスは、外部より、第８ボルト用貫通孔１７ｈの内部に導入される。

【0131】

次に、酸化剤ガスは、第８ボルト用貫通孔１７ｈの内部から、ブロックＢ３おける各燃料電池セル１３の連通部７０ｈを介して、酸化剤ガス流路５１内に導入されるとともに、図１３に示すように、ブロックＢ２、Ｂ４おける各燃料電池セル１３の連通部１２９ｈを介して、各酸化剤ガス流路５１内に導入される。

【0132】

そして、各酸化剤ガス流路５１内で発電に利用された酸化剤ガスは、前記図８に示すように、ブロックＢ３おける各燃料電池セル１３の連通部７０ｄを介して、第４ボルト用貫通孔１７ｄの内部に排出されるとともに、図１３に示すように、ブロックＢ２、Ｂ４おける各燃料電池セル１３の連通部１２９ｄを介して、第４ボルト用貫通孔１７ｄの内部に排出される。

【0133】

次に、酸化剤ガスは、前記図７に示す様に、第４ボルト用貫通孔１７ｄの内部から、ブロックＢ１、Ｂ５における各燃料電池セル１３の連通部６９ｄを介して、酸化剤ガス流路５１内に導入される。

【0134】

そして、酸化剤ガス流路５１内で再度発電に利用された酸化剤ガスは、ブロックＢ１、Ｂ５おける各燃料電池セル１３の連通部６９ｇを介して、第７ボルト用貫通孔１７ｇの内部に排出され、その後、外部に排出される。

【0135】

このように、本実施例２では、燃料ガスについては、前記実施例１と同様に、燃料ガスは、最初にそれぞれ８個の燃料電池セル１３からなる第１、第２端部ブロック１１３、１１７に供給された後に、９個の燃料電池セル１３からなる中央ブロック１１５に供給される。

【0136】

一方、酸化剤ガスについては、最初に１５個の燃料電池セル１３からなる中央ブロック１２１に供給された後に、それぞれ５個の燃料電池セル１３からなる第１、第２端部ブロック１１９、１１３に供給される。

【0137】

ｃ）本実施例２では、酸化剤ガスの上流側の中央ブロック１２１の燃料電池セル１３の個数（１５個）は、燃料ガスの下流側の中央ブロック１１５の燃料電池セル１３の個数（９個）よりも多く、しかも、酸化剤ガスの上流側の中央ブロック１２１の燃料電池セル１３の個数（１５個）は下流側の第１、第２端部ブロック１１９、１２３の燃料電池セル１３の合計の個数（１０個）より多い。

【0138】

よって、本実施例２の燃料電池スタック１１１においては、総合燃料利用率を効率よく上げることができるだけでなく、酸化剤ガス側の中央ブロック１２１の段数が両側の第１、第２端部ブロック１１９、１２３の段数の合計よりも多いので、総合空気利用率も効率よく上げることができ、よって、余分な酸化剤ガス（空気）による熱の持ち去りを小さくすることができる。それにより、燃料電池スタック３を容易に好適な温度範囲に保つことができる。

【0139】

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、各実施例では、燃料ガスや酸化剤ガスを予熱する熱交換部を設けないが、熱交換部を燃料電池スタックに積層するように設けてもよい。

【0140】

（２）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が、端部に到らないように形成してもよい。

【0141】

（３）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。

【0142】

（４）更に、ボルトとして（空洞の無い）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。

【0143】

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。
（５）また、燃料電池のタイプは、燃料電池スタックが高温になるタイプ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。

【0144】

（６）更に、燃料電池スタックの中央部や各端部における燃料電池セルの個数は、本発明の範囲内で適宜選択することができる。

【符号の説明】

【0145】

１…燃料電池システム
３、１１１…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
１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆ、１７ｇ、１７ｈ…ボルト用貫通孔
１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、１９ｇ、１９ｈ…ボルト
２７、１１５、１２１…中央ブロック（中央部）
２８、１１３、１１９…第１端部ブロック（一方の端部）
２９、１１７、１２３…第２端部ブロック（他方の端部）
３１…固体電解質層
３３…燃料極層
３５…空気極層
１００…熱電対

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】