燃料电池的制作方法

本发明涉及具备通过将平板状的电池单元夹持在中心部之间并在周边部之间夹持平板状的电池座并交替层叠相同的平板状的阳极板和阴极板而构成的平板型电池堆，特别是平板状的电池单元为矩形状的方板型电池堆的燃料电池，更详细而言，涉及具备进行供气及排气的集管沿周边部的层叠方向一体形成的集管一体型电池堆的燃料电池。

背景技术：

作为燃料电池，根据所使用的电解质的种类，具有固体氧化物型燃料电池和固体高分子型燃料电池，其中发电效率高的固体氧化物型燃料电池受到注目。固体氧化物型燃料电池的典型的形式之一，以如下的平板型电池堆为主要部分，即所述平板型电池堆通过将在平板状的固体氧化物的一面上接合有阳极且在另一面上接合有阴极的平板状的电池单元夹持在中心部之间，在周边部之间夹持平板状的电池座，并交替层叠相同的平板状的阳极板和阴极板而构成，该平板型电池堆根据平板状的电池单元的形状可大致分为方板型和圆板型。即，使用由矩形的方板构成的电池单元的电池堆为方板型电池堆(专利文献1)，使用圆板状的电池单元的电池堆为圆板型电池堆(专利文献2)。

图14及图15中示出方板型电池堆的典型构造。该电池堆10为反复层叠分别具有发电功能的多个方板状的发电元件10A而构成的棱柱状的层叠体。各发电元件10A为将平板状且矩形状(在此为正方形)的电池单元11夹持在中心部之间，在周边部之间夹持平板状且方框状的电池座19，并层叠相同的平板状且矩形状(在此为正方形)的阳极板12和阴极板13的平板状的层叠体。

在此，电池单元11为在平板状的固体氧化物的一面(阳极板12侧的面)接合有阳极且在另一面(阴极板13侧的面)接合有阴极的矩形的薄层叠体，其比两面侧的阳极板12及阴极板13小一圈。因此，电池堆10的中心部分为隔着电池单元11交替层叠有阳极板12和阴极板13的棱柱状的电池部10B，包围电池部10B的周边部分为隔着方框状的电池座19交替层叠有阳极板12和阴极板13的方筒状的板层叠部10C。

在电池部10B中，在各电池单元11的阳极侧，使含燃料气体在电池单元11的相对的两边部之间沿所述阳极流通的含燃料气体流道14被形成为位于阳极板12之间。另外，在各电池单元11的阴极侧，使氧化剂气体在电池单元11的相对的另外两边部之间沿所述阴极流通的氧化剂气体流道15被形成为位于阴极板13之间。即，在此所示的电池堆10为含燃料气体流道14中的气体流通方向与氧化剂气体流道15中的气体流通方向正交的正交流动形式。

在包围所述电池部10B的方筒状的板层叠部10C中，在相对的两边部中的一边部分，沿电池堆10的层叠方向贯通地一体形成有含燃料气体供气集管10F，以向电池部10B内的各段的含燃料气体流道14供给含燃料气体，在另一边部分，沿电池堆的层叠方向贯通地一体形成有燃料废气排气集管10G，以将从电池部10B内的各段的含燃料气体流道14排出的燃料废气向电池堆10外排出。

另外，在相对的另外两边部中的一边部分，沿电池堆10的层叠方向贯通地一体形成有氧化剂气体供气集管10H，以向电池部10B内的各段的氧化剂气体流道15供给氧化剂气体，在另一边部分，沿电池堆10的层叠方向贯通地一体形成有氧化剂废气排气集管10J，以将从电池部10内的各段的氧化剂气体流道15排出的氧化剂废气向电池堆10外排出。

在发电运转过程中，富氢的含燃料气体从下方被供给到含燃料气体供气集管中，并向各段的电池单元10A内的含燃料气体流道14分流。从各段的电池单元10A内的含燃料气体流道14排出的燃料废气聚集到燃料废气排气集管10G中，并向下方排出。另外，作为氧化剂气体的空气等从下方被供给到氧化剂气体供气集管10H中，并向各段的电池单元10A内的氧化剂气体流道15分流。从各段的电池单元10A内的氧化剂气体流道15排出的氧化剂废气聚集到氧化剂废气排气集管10J中，并向下方排出。由此，在各段的电池单元10A中产生发电反应。

此外，在本说明书中，不管在电池堆10的运转中及运转前后，将从电池单元10A内的含燃料气体流道14排出的气体统称为燃料废气，将从电池单元10A内的氧化剂气体流道15排出的气体统称为氧化剂废气。

在这种电池堆中，即使为相同的电池堆，使层叠方板状的材料而构成的方板型电池堆如上述那样设为两种气体的流通方向正交的正交流动形式，由此能够在四边部的各边部以与两种气体流道(含燃料气体流道14及氧化剂气体流道15)相等的宽度一体形成两种气体的供气及排气用集管。因此，与层叠圆板状的材料而构成的圆板型电池堆相比较，具有能缩小堆规模，并且能减小两种气体的流通阻力的优点。这是因为，在圆板型电池堆的情况下，为了使两种气体从圆板状的电池堆的中心部向外周部流通，必须将两种气体的集管特别是两种气体的供气集管形成于电池堆的中心部，但由于难以将这种供气集管一体形成于电池堆中心部，因此必须分离形成于电池堆外。

但是，即便是将集管一体化的方板型电池堆，尤其对于氧化剂气体及氧化剂废气而言通气阻力也未必低。其理由如下。图16中示出氧化剂气体及氧化剂废气在流通方向上的压力变化。从氧化剂气体供气集管10H至氧化剂气体流道15的入口的距离为d1，其中的压力损失为p1，从氧化剂气体流道15的入口至出口的距离为d2，其中的压力损失为P2。另外，从氧化剂气体流道15的出口至氧化剂废气排气集管19的距离为d3，其中的压力损失为p3。

在固体氧化物型燃料电池用的平板型电池堆的情况下，为了防止电池部10B中的气体泄漏，有必要在电池部10B的周围对平板之间进行气密。该气密通常通过玻璃密封材料来进行，其耐压不高于数kPa左右。但是，由于与含燃料气体相比氧化剂气体的流量格外多，所以压力高。因此，具有在电池部内的氧化剂气体流道15中产生密封不良，发生由此导致的氧化剂气体的泄漏的危险性。如果氧化剂泄漏，则具有产生因在电池部内缺乏含燃料气体而导致的电池单元的破裂并向毁灭性破坏进展的危险性。即，这是因为，即使在通气阻力小的方板型电池堆中，也具有因气体压力特别是氧化剂气体压力的高低而导致的气体泄漏的危险性及由此导致的毁灭性损伤的危险性。

专利文献1：特开2013-257973号公报

专利文献2：特开2010-218873号公报

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种燃料电池，其在通气阻力小的方板型电池堆中，通过进一步减小氧化剂气体及氧化剂废气的通气阻力，有效地降低气体泄漏的危险性及由此导致的毁灭性损伤的危险性。

为了达到上述目的，本发明的燃料电池具备通过将在一个主面上接合有阳极且在另一个主面上接合有阴极的平板状且矩形状的电池单元夹持在中心部之间，在周边部之间夹持平板状的电池座，并交替层叠平板状的阳极板和平板状的阴极板而构成的电池堆，

使含燃料气体沿所述电池堆内的各电池单元的阳极流通的含燃料气体流道以及使氧化剂气体沿各单元电池的阴极流通的氧化剂气体流道分别形成在各电池单元的阳极侧及阴极侧，所述燃料电池的特征在于，

所述各电池单元的含燃料气体流道上游侧、含燃料气体流道下游侧及氧化剂气体流道上游侧为沿层叠方向贯通隔着电池座层叠有阳极板和阴极板的板层叠部，并且分别形成有与电池堆内的各含燃料气体流道的上游端连通的含燃料气体供气集管、与各含燃料气体流道的下游端连通的燃料废气排气集管、以及与各氧化剂气体流道的上游端连通的氧化剂气体供给集管的集管一体构造，

所述各电池单元的氧化剂气体流道下游侧为所述各氧化剂气体流道的下游端在所述电池堆的外周面开口以作为氧化剂废气排气口，从而将氧化剂废气从氧化剂气体流道的下游端向电池堆外直接排出的开放构造。

在本发明的燃料电池中，利用使用平板状且矩形状的电池单元的方板型电池堆，并且在该电池堆一体化有含燃料供气集管、燃料废气排气集管及氧化剂气体供气集管，因此本质上为小型且各气体的通气阻力小。此外，对于从氧化剂气体流道排出的氧化剂废气而言，由于氧化剂气体流道的下游端在电池堆的外周面上开口以作为氧化剂废气排气口，从氧化剂气体流道排出的氧化剂废气不经由集管，因此相应地进一步推进小型化，并且降低压力损失，通气阻力变小。从氧化剂气体为普通空气可知，由于含有氧化剂废气而安全性高，即使将其向电池堆外直接排出，也不会产生安全方面的问题。

在电池堆的外周面上开口的氧化剂废气排气口可以是与收容所述电池堆的堆收容空间相接，将氧化剂废气从氧化剂气体流道的下游端向所述堆收容空间直接排出的结构。根据该结构，从氧化剂废气排气口排出的氧化剂废气暂时停留在堆收容空间中，从而能够阻止该氧化剂废气的扩散。

此时，电池堆被配置在覆盖该电池堆的堆罩内，从而可将该堆罩的内部作为所述堆收容空间。由此，堆罩被有效利用于堆收容空间的形成，能够使结构简单化。

对于含燃料气体流道中的气体流通方向与所述氧化剂气体流道中的气体流通方向之间的关系而言，可为两流道交叉的交叉流动形式，也可为两流道从相对侧向各自的相对侧延伸的相对流动形式。在交叉流动形式的情况下，通过在各电池单元的各边侧的板层叠部形成各集管，各集管变大，并降低通气阻力。在相对流动形式的情况下，由于在相对边的一边侧形成含燃料气体供气集管和氧化剂废气排出口，在另一边侧形成燃料废气排气集管和氧化剂气体供气集管，因此能缩小电池堆的规模。

如果在从层叠方向一端侧俯视观察时电池堆被形成为与电池堆内的电池单元对应的矩形状(四方形状)的情况下采用交叉流动形式，则由于含燃料气体供气集管、燃料废气排气集管及所述氧化剂气体供气集管分别形成于所述矩形的三边部分，并且氧化剂废气排气口形成于所述矩形的剩余一边侧的侧面，因此最大限度地有效利用各边。

顺便提一下，有必要使电池堆中的电池单元的平面形状为矩形，但无需使保持电池单元的电池座的平面形状为矩形(四方形)，也可以是圆形、多边形等。

为了由原燃料气体生成富氢的含燃料气体，本发明的燃料电池可具备配置在所述堆收容空间的外侧的改性器。改性器可将使从电池堆的燃料废气排气集管排出的燃料废气与从所述氧化剂废气排出口或堆收容空间排出的氧化剂废气的混合气体燃烧的废气燃烧器作为加热源。此时，将从该废气燃烧器排出的燃料排气用于所述改性器的加热介质是有效且优选的。

所述改性器可配置在所述堆罩的附近。由此，在电池堆的发电运转中，通过来自改性器的辐射热从外部加热堆罩。在从电池堆的氧化剂废气排气口向堆罩内的堆收容空间直接排出氧化剂废气的情况下，由于氧化剂废气为高温，因此通过该高温的氧化剂废气从内部加热堆罩。如果堆罩的从内部的加热部位和从外部的加热部位重叠，则堆罩的温度分布偏差较大，产生对堆罩内的电池堆中的发电效率带来不良影响的危险性。为了回避该危险性，使改性器隔着与沿层叠方向通过电池堆的中心的中心线正交且与氧化剂气体流道中的气体流道方向正交的基准线，位于与氧化剂废气排气口所开口的一侧不同的一侧是有效的。

由于本发明的燃料电池利用使用平板状且矩形状的电池单元的方板型电池堆，并在该电池堆一体化有含燃料气体供气集管、燃料废气排气集管及氧化剂气体供气集管，因此本质上为小型且各气体的通气阻力小。此外，对于从氧化剂气体流道排出的氧化剂废气而言，由于氧化剂气体流道的下游端在电池堆的外周面上开口以作为氧化剂废气排气口，从氧化剂气体流道排出的氧化剂废气不经由集管，因此相应地进一步推进小型化，并且降低压力损失，通气阻力变小。由此，在不阻碍安全性的情况下，能够有效地降低气体泄漏的危险性及由此导致的毁灭性损伤的危险性。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的燃料电池内的电池堆的整体构造的立体图。

图2是从该电池堆的背面侧观察的立体图。

图3是表示该电池堆内的电池元件的构造的分解立体图。

图4是表示该电池元件的构造的剖面图。

图5是表示从不同角度观察该电池元件的剖面图。

图6是表示该电池元件中的电池单元、电池座及阳极板的构造的分解立体图。

图7是表示该电池元件中的阴极板的构造的分解立体图。

图8是该阴极板中的狭缝板的局部俯视图。

图9是表示相对流动形式的电池堆的示意性俯视图。

图10是表示电池堆被收容在堆罩中的状态的局部剖切立体图。

图11是本发明的一实施方式所涉及的燃料电池的示意性俯视图。

图12是该燃料电池的示意性立面图。

图13是该燃料电池的结构图。

图14是表示现有的电池堆的整体构造的图。

图15是表示现有的电池堆内的电池元件的构造的分解立体图。

图16是表示现有的电池堆中的氧化剂气体及氧化剂废气的通气阻力的图表。

图17是表示本发明的一实施方式所涉及的燃料电池内的电池堆中的氧化剂气体及氧化剂废气的通气阻力的图表。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。本实施方式的燃料电池为方板型的固体氧化物型燃料电池(SOFC)。如图1及图2所示，该燃料电池具备作为主要结构部分的棱柱状的电池堆10，该电池堆10通过反复层叠分别具有发电功能的多个平板型的发电元件10A而构成。

电池堆10整体上为棱柱状，严格而言，具有截面为矩形(在此为正方形)的四棱柱状的主体部、从主体部的相对的两边部向外侧伸出的两个第一伸出部10D和从主体部的另外两边部的一个向外侧伸出的一个第二伸出部10E。即，第一伸出部10D从所述主体部的四边部中的相对的两边部的层叠方向整个区域向外侧以长方体状伸出，第二伸出部10E从被该两边部所夹的一边部的层叠方向整个区域向外侧以长方体状伸出。任一伸出部均具有与主体部的宽度相等的宽度，并且为向外侧的伸出量小于该宽度的扁平的长方体。

为了向电池堆10内的各发电元件10A供给含燃料气体，在两个第一伸出部10D中的一个，沿层叠方向贯通形成有含燃料气体供气集管10F，并且在另一个第一伸出部10D沿层叠方向贯通形成有燃料废气排气集管10G。另外，在一个第二伸出部10E沿层叠方向贯通形成有氧化剂气体供气集管10H，用于向各发电元件10A供给氧化剂气体。任一集管均为比形成该集管的伸出部小一圈且长条形的扁平的长方体状的纵孔。

含燃料气体在从下往上流过含燃料气体供气集管10F的过程中向各发电元件10A的阳极侧流入，沿阳极通过该阳极侧之后，成为燃料废气并向燃料废气排气集管10G流入，从上往下流过该燃料废气排气集管10G。另外，氧化剂气体在从下往上流过氧化剂气体供气集管10H的过程中向各发电元件10A的阴极侧流入，沿阴极通过该阴极侧之后，成为氧化剂废气并从主体部的侧面未经集管而排出。

如图3所示，各个发电元件10A为将平板状且矩形(在此为正方形)的电池单元11夹持在中心部之间，在周边部之间夹持平板状且方框状的电池座19，并层叠同样为平板状的阳极板12和阴极板13的方板状的层叠体。如图3～图6所示，电池单元11为在平板状的固体氧化物11a的一面(阳极板12侧的面)接合有阳极11b，并在另一面(阴极板13侧的面)接合有阴极11c的矩形(在此为正方形)的薄板状层叠体。

电池座19由不锈钢等金属板构成。如图3～图6所示，该电池座19具有与电池堆10的横截面形状对应的平面形状，具体而言，由矩形(在此为正方形)的主体部19a、两个长条形扁平的长方体状的第一凸缘部19b和一个长条形扁平的长方形状的第二凸缘部19c构成，其中，所述主体部19a与电池堆10的四棱柱状的主体部对应，所述第一凸缘部19b与电池堆10的第一伸出部10D对应且从所述主体部19a的相对的两边部向外侧分别伸出，所述第二凸缘部19c与电池堆10的第二伸出部10E对应且从剩余两边部中的一边部向外侧伸出。

在电池座19的主体部19a中，为了保持所述电池单元11，在除主体部19a的周缘部之外的部分形成有收容电池单元11的矩形(在此为正方形)的电池收容部19g。在电池座19的两个第一凸缘部19b中分别设置有与电池堆10的含燃料气体供气集管10F及燃料废气排气集管10G分别对应的长方形状的含燃料气体供气口19d及燃料废气排气口19e。同样，在一个第二凸缘部19c中设置有与电池堆10的氧化剂气体供气集管10H对应的长方形状的氧化剂气体供气口19f。电池座19的厚度与电池单元11的厚度几乎相同。

阳极板12具有与电池堆10的横截面形状对应的平面形状，具体而言，由矩形(在此为正方形)的主体部12a、两个长条形扁平的长方体状的第一凸缘部12b和一个长条形扁平的长方形状的第二凸缘部12c构成，其中，所述主体部12a与电池堆10的四棱柱状的主体部对应，所述第一凸缘部12b与电池堆10的第一伸出部10D对应且从所述主体部12a的相对的两边部向外侧分别伸出，所述第二凸缘部12c与电池堆10的第二伸出部10E对应且从剩余两边部中的一边部向外侧伸出。

在两个第一凸缘部12b中分别设置有与电池堆10的含燃料气体供气集管10F及燃料废气排气集管10G分别对应的长方形状的含燃料气体供气口12d及燃料废气排气口12e。同样，在一个第二凸缘部12c中设置有与电池堆10的氧化剂气体供气集管10H对应的长方形状的氧化剂气体供气口12f。

如图4～图6所示，阳极板12为层叠由不锈钢等金属材料构成的两张平板状材料的层叠板。两张平板状材料中的与发电元件10A相接的一侧为狭缝板12g，相反侧为隔板12h。狭缝板12g在与阳极板12的主体部12a大致对应的部分，具有用于在该部分形成含燃料气体流道14的多条狭缝14a。多条狭缝14a从两个第一凸缘部12b的一个第一凸缘部12b延伸至另一个第一凸缘部12b，并且在第二凸缘部12c与其相反侧之间以规定间距排列。

多条狭缝14a的两端侧借助在电池单元11的阳极侧且与狭缝14a的两端侧对应的一侧(含燃料气体供给口19d的一侧及燃料废气排气口19e的一侧)的各角部形成的去除部11d、以及分别在电池框架19的电池收容部19g与含燃料气体供气口19d之间的肋部的阳极侧表面和电池框架19的电池收容部19g与燃料废气排气口19e之间的肋部的阳极侧表面上形成的浅凹槽19h，与两端侧的含燃料气体供气口12d及燃料废气排气口12e分别连通。

如图3所示，与阳极板12同样，阴极板13具有与电池堆10的横截面形状对应的平面形状，具体而言，由矩形(在此为正方形)的主体部13a、两个长条形扁平的长方形状的第一凸缘部13b和一个长条形扁平的长方形状的第二凸缘部13c构成，其中，所述主体部13a与电池堆10的四棱柱状的主体部对应，所述第一凸缘部13b与电池堆10的第一伸出部10D对应且从所述主体部13a的相对的两边部向外侧分别伸出，所述第二凸缘部13c与电池堆10的第二伸出部10E对应且从剩余两边部中的一边部向外侧伸出。

在两个第一凸缘部13b中分别设置有与电池堆10的含燃料气体供气集管10F及燃料废气排气集管10G分别对应的长方形状的含燃料气体供给口13d及燃料废气排气口13e。同样，在一个第二凸缘部13c中设置有与电池堆10的氧化剂气体供给集管10H对应的长方形状的氧化剂气体供给口13f。

如图3、图4及图6所示，阴极板13为层叠由不锈钢等金属材料构成的三张平板状材料的层叠板，具体而言，由从与发电元件10A相接的一侧向其相反侧依次层叠的第二狭缝板13g、第一狭缝板13h和隔板13i构成。

在第一狭缝板13h在与阴极板13的主体部13a对应的部分具有用于在该部分形成氧化剂气体流道15的多条狭缝15a。多条狭缝15a从第二凸缘部12c延伸至其相反侧，并且在两个第一凸缘部12b之间以规定间距排列，其一端侧与第二凸缘部13c内的氧化剂气体供气口13f连通。并且，多条狭缝15a的另一端侧在主体部13a的侧端面作为氧化剂废气排气口15b开口(参照图2)。

第二狭缝板13g在与阴极板13的主体部13a大致对应的部分具有与氧化剂气体流道15中的气体流通方向(狭缝15a延伸的方向)交叉的方向(在此为正交方向)的短细的多个微小狭缝15c。如图8所示，多个微小狭缝15c形成与氧化剂气体流道15中的气体流通方向(狭缝15a延伸的方向)交叉的方向(在此为正交方向)的气体流道，并且以分别与并排的多条(在此为两条)狭缝15a交叉的方式以密集状态之字形配置。由此，通过第二狭缝板13g具有多个微小狭缝15c，从而在紧贴到电池单元11的阴极11b的状态下在并排方向上横贯地连结多条狭缝15a。

此外，虽然未图示，但在电池座19与阴极板13之间配置有使阳极板12与阴极板13之间电绝缘的薄板状的绝缘板，并且使电池元件11的阳极侧与阴极侧物理阻断的密封材料位于并配置在绝缘板与阴极板13之间。

如上述，通过在电池堆10中反复层叠多个发电元件10A，从而构成该电池堆10。在各个发电元件10A中，阳极板12和阴极板13在其中心部之间夹持电池单元11，并且在周边部之间夹持电池座19而层叠，由此构成该发电元件10A。

在所构成的发电元件10A中，阳极板12的电池单元侧的表面与电池单元11的阳极11b紧贴，阴极板13的电池单元侧的表面与电池单元11的阴极11c紧贴。另外，通过集合阳极板12的含燃料气体供气口12d、电池座19的含燃料气体供给口19d及阴极板13的含燃料气体供气口13d，来形成电池堆10的含燃料气体供气集管10F。同样，通过集合阳极板12的燃料废气排气口12e、电池座19的燃料废气排气口19e及阴极板13的燃料废气排气口13e，来形成电池堆10的燃料废气排气集管10G，通过集合阳极板12的氧化剂气体供气口12f、电池座19的氧化剂气体供气口19f及阴极板13的氧化剂气体供气口13f，来形成电池堆10的氧化剂气体供气集管10H。

并且，在各段的电池单元11的阳极侧，由多条狭缝14a沿电池单元11的阳极11b形成从含燃料气体供气集管10F至燃料废气排气集管10G的含燃料气体流道14，在电池单元11的阴极侧，由多条狭缝13a沿电池单元11的阴极11c形成从氧化剂气体供气集管10H至在阴极板13的侧端面开口的氧化剂废气排气口15b的含燃料气体流道14。

另外，在所构成的电池堆10中，多个发电元件10A被串联电连接。除棱柱状的主体部的周边部分之外的横截面为矩形(在此为正方形)的四棱柱部分为隔着电池单元11交替层叠阳极板12和阴极板13的发电部10B，所述周边部分以及两个第一伸出部10D和一个第二伸出部10E为隔着电池座19交替层叠阳极板12和阴极板13的板层叠部10C。

此外，在邻接的两个发电元件10A之间，阳极板12中的隔板12h和阴极板13中的隔板13i接触。由于两者实质上为相同的板材，因此在其间重叠两张相同的板材。因此，通常省略两张板材中的一张。即，一张板材兼作隔板12h和隔板13i。

并且，如图10所示，所构成的电池堆10被收容在堆罩20内以使用。堆罩20为底面开放的圆筒体，与电池堆10一同被固定在圆形的底板21上。详细说明，电池堆10借助各个绝缘部件29通过配置在电池堆10的四角部的四根紧固螺栓23被固定在作为下侧的端板的圆形的底板21与上侧的矩形的端板22之间。覆盖电池堆10的堆罩20被固定在底板21上，并在电池堆10的外周侧及上侧确保空间。由此，电池堆10被收容在堆罩21内，其内部空间为收容电池堆10的堆收容空间24。

收容在堆罩20内的电池堆10由端板22来封闭含燃料气体供气集管10F、燃料废气排气集管10G及氧化剂气体供气集管10H的各上端。含燃料气体供气集管10F、燃料废气排气集管10G及氧化剂气体供气集管10H的各下端各自经由底板21上设置的含燃料气体供气孔、燃料废气排气孔及氧化剂气体供气孔，与在底板21的下面突出设置的含燃料气体供气管25、燃料废气排气管26及氧化剂气体供气管27的各管内分别连通。另外，电池堆10的收容空间24以不与电池堆10干涉的方式经由底板21上设置的氧化剂废气排气孔21a与在底板21的下面突出设置的氧化剂废气排气管28内连通。

由此，含燃料气体从下方的含燃料气体供气管25流入到电池堆10内的含燃料气体供气集管10F内，并向电池堆10内的各段发电元件10A内的含燃料气体流道14分散流入。从各段发电元件10A内的含燃料气体流道14排出的燃料废气从燃料废气排气集管10G经由下方的燃料废气排气管26向电池堆10外流出。

另一方面，氧化剂气体从下方的氧化剂气体供气管27流入到电池堆10内的氧化剂气体供气集管10H中，并向电池堆10内的各段发电元件10A内的氧化剂气体流道15分散流入。从各段的发电元件10A内的氧化剂气体流道15流出的氧化剂废气从在电池堆10的侧端面开口的多个氧化剂废气排气口13e暂且排出到堆罩20内的堆收容空间24中，并进一步从下方的氧化剂废气排气管28向堆罩20外排出。

本实施方式的燃料电池使用这种电池堆10作为主要部分。如图11～图13所示，该燃料电池被构成为与辅机类一同将前述的放入堆罩20的电池堆10收容在被绝热材料覆盖的绝热壳体30内的绝热模块。作为辅机类，具有进行运转开始时的预热的辐射管型燃烧器31、由原燃料气体生成含燃料气体的改性器32、氧化剂气体加热用的换热器33及发电运转开始前的预热时所使用的局部氧化改性器34等。

具体说明，电池堆10以收容在堆罩20内的状态下竖立设置在绝热壳体30内的一侧部内。堆罩20内的电池堆10被配置为，氧化剂气体供气集管10H位于内侧，氧化剂废气排气口15b开口的侧面朝向外侧。另外，辐射管型燃烧器31、改性器32及换热器33等辅机类被配置在绝热壳体30的另一侧部内，特别是辐射管型燃烧器31、改性器32及局部氧化改性器34被竖立设置在紧邻电池堆10旁边的位置。

由此，辐射管型燃烧器31、改性器32、换热器33及局部氧化改性器34等辅机类隔着与电池堆10的中心线正交且与氧化剂气体流道15中的气体流通方向正交的基准线，位于与氧化剂废气排气口13e开口的一侧面不同的一侧。此外，电池堆10的中心线为沿层叠方向通过电池堆10的中心点(具体而言，电池堆10的四棱柱状的主体部或电池部10B的对角线的交点)的线。

辐射管型燃烧器31由竖立设置于绝热壳体30的底板上的倒U字状的辐射管31a和在与绝热壳体30的底板相比更下方连接到辐射管31a的一端部的燃烧器主体31b构成。辐射管31a以跨越竖立设置于电池堆10旁边的改性器32的方式与改性器32一同被并列设置在紧邻电池堆10旁边的位置。燃烧器主体31b使预热用燃料气体与预热用空气混合并燃烧，并且将由该燃烧产生的燃烧排气送入辐射管31a中，以通过辐射热来加热在内侧竖立设置的改性器32及在旁边并列设置的电池堆10，特别是覆盖电池堆10的堆罩20。辐射管31a的另一端部作为燃烧排气的排出口而开口。

与辐射管型燃烧器31一同并列设置于电池堆10旁边的改性器32为圆筒体，并且为沿其中心轴从下起依次配置废气燃烧部、改性部、混合部及蒸发部的分段构造。最下段的废气燃烧部通过使从电池堆10排出的燃料废气及氧化剂废气燃烧而将燃烧排气送入到上段的改性部、混合部及蒸发部并对其进行加热。由于该加热，最上端的蒸发部使从外部导入的纯净水蒸发并生成水蒸气。其下段的混合部生成从外部导入的原燃料气体，即作为含燃料气体的原料的城市煤气等与由上段的蒸发部生成的水蒸气的混合气体。混合部下段的改性部通过使由混合部生成的混合气体在高温下与改性用的催化剂反应而改性为富氢的含燃料气体。由改性部生成的富氢的含燃料气体被供给到电池堆10的阳极侧。

换热器33将从改性器32排出的燃烧排气作为热源来预热待供给到电池堆10的阳极侧的氧化剂气体。经预热的氧化剂气体被供给到电池堆10的阴极侧。另外，在发电运转开始前的预热时，局部氧化改性器34通过使Pox燃料与Pox空气的混合气体在加热下局部氧化而生成富氢的局部氧化改性气体，并供给到电池堆10的阳极侧。

接着，对本实施方式的燃料电池的运转方法及功能进行说明。

在发电运转开始前的启动时(预热时)，通过向绝热壳体30内的辐射管型燃烧器31的燃烧器主体31b供给预热用燃料气体及预热用空气并使其燃烧而加热辐射管31a。从辐射管31a排出的燃烧排气(燃烧器排气)经由改性器32及换热器33向外部排出。通过对辐射管31a进行加热，从而利用来自辐射管31a的辐射热从外部加热堆罩20、堆罩20内的电池堆10以及堆罩20外的改性器32、换热器33和局部氧化改性器34。另外，利用从辐射管31a排出的燃烧排气(燃烧器排气)，从内部加热改性器32及换热器33。由此，对堆罩20内的电池堆10以及堆罩20外的改性器32、换热器33和局部氧化改性器34进行预热。

并且，通过向经预热的局部氧化改性器34供给Pox燃料与Pox空气的混合气体，从而生成富氢的局部氧化改性气体。由于生成的局部氧化改性气体被供给到电池堆10的阳极侧，从而防止在预热时该阳极侧氧化。

在发电运转中，向改性器32的混合部供给作为含燃料气体的原料的城市煤气等原燃料气体。另外，向换热器33供给氧化剂气体(在此为空气)以作为被加热介质。并且，向改性器32的蒸发部供给纯水。另一方面，在电池堆10中，伴随发电反应，从电池堆10的燃料废气排气集管16排出燃料废气(未然的含燃料气体)，该燃料废气从燃料废气排气管26向堆罩20外排出。另外，从电池堆10的氧化剂废气排气口13e排出氧化剂废气(未然的氧化剂气体)，该氧化剂废气经由堆罩20内的堆收容空间24从氧化剂废气排气管28向堆罩20外排出。并且，从燃料废气排气管26向堆罩20外排出的燃料废气和从氧化剂废气排气管28向堆罩20外排出的氧化剂废气被送入到改性器32的废气燃烧部以燃烧。由该燃烧产生的燃烧排气通过改性器32的改性部、混合部及蒸发部，由此对改性部、混合部及蒸发部进行加热。

通过在该状态下向改性器32的蒸发部供给纯水而生成水蒸气，该水蒸气在混合部与作为含燃料气体的原料的城市煤气等原燃料气体混合，并送向下段的改性部，从而被改性为富氢的含燃料气体。由改性器32的改性部生成的富氢的含燃料气体从含燃料气体供气管25向电池堆10的含燃料气体供气集管15流入。另外，作为被加热介质供给到换热器33中的氧化剂气体(空气)通过与从改性器32供给的燃烧排气进行热交换而被预热，从氧化剂气体供气管27向电池堆10的氧化剂气体供气集管10H流入。流入到含燃料气体供气集管15中的含燃料气体通过各段发电元件10A的含燃料气体流道14，流入氧化剂气体供气集管10H的氧化剂气体通过各段发电元件10A的氧化剂气体流道15。由此，在各段发电元件10A中产生发电反应。

伴随发电反应，从各段发电元件10A的含燃料气体流道14排出燃料废气(未然的含燃料气体)，从各段发电元件10A的氧化剂气体流道15排出氧化剂废气(未然的氧化剂气体)。从各段发电元件10A的含燃料气体流道14排出的燃料废气暂且聚集到燃料废气排气集管10G中，并从燃料废气排气集管10G经由燃料废气排气管26向堆罩20外排出。另一方面，从各段发电元件10A的氧化剂气体流道15排出的氧化剂废气不经由集管，而从在电池堆10的主体部的一侧面开口的氧化剂废气排气口15b直接排出到堆罩20内的堆收容空间24中，并经由该堆收容空间24从氧化剂废气排气管28向堆罩20外排出。

如前述，经由燃料废气排气集管10G从燃料废气排气管26向堆罩20外排出的燃料废气和不经由集管而经由堆罩20内的堆收容空间24从氧化剂废气排气管28向堆罩20外排出的氧化剂废气被送向改性器32的废气燃烧部以燃烧。

在此，即使减除电池堆10所占有的空间的容积，与电池堆10内的集管10F、10G、10H的各容积相比，堆罩20内的堆收容空间24的容积也格外大。因此，与集管10F、10G、10H中的各通气阻力相比，堆收容空间24中的通气阻力非常小。由此，如图17所示，氧化剂气体在流通方向上的压力变化为从氧化剂气体供气集管10H至氧化剂气体流道15的入口的距离d1中的压力损失p1与从氧化剂气体流道15的入口至出口的距离d2中的压力损失p2的总计(p1+p2)。

与在氧化剂气体流道15的流出侧存在氧化剂废气排气集管19的现有(图16)情况的压力损失(p1+p2+p3)相比较，该压力损失(p1+p2)小由氧化剂废气排气集管19引起的压力损失量(P3)。因此，即使在由玻璃密封材料进行电池堆的气密，并且其耐压不高于数kPa程度的情况下，也能够有效地降低由氧化剂气体压力的高低引起的气体泄漏的危险性及由此导致的损伤的危险性。

另外，在发电运转中，因为废气在改性器32中燃烧，所以该改性器32成为发热体，从外部加热电池堆20。另一方面，从在电池堆10的侧面开口的氧化剂废气排气口13e排出到堆罩20内的堆收容空间24中的氧化剂废气为100℃以上的非常高的温度，以与氧化剂废气排气口13e所开口的电池单元侧面相对的部分为中心从内部加热堆罩20。

此时，如果相对于堆罩20从内部的加热部分和从外部的加热部分重叠，则在堆罩20的加热分布上产生偏差，其结果，发生堆罩20破损的危险性。但是，在本实施方式的燃料电池中，改性器32隔着与堆罩10的中心线正交且与氧化剂气体流道15中的气体流通方向正交的基准线，位于与氧化剂废气排气口15b所开口的侧面的一侧相反的一侧，更加正确地，改性器32与氧化剂废气排气口15b所开口的侧面隔着所述基准线位于正相反的位置。因此，能够使堆罩20的温度分布均匀化，改性器32成为对堆罩20有效的加热源。

在电池堆10内的各个发电元件10A中，形成含燃料气体流道14的多条狭缝14a的两端侧与两端侧的含燃料气体供气集管10F及燃料废气排气集管10G不直接连通，而是借助各自形成于电池单元11的含燃料气体流通方向两侧的去除部11d及各自形成于电池框架19的含燃料气体流通方向两侧部的多个浅凹槽19h间接连通。

在此，多个凹槽19h为使含燃料气体供气集管10F和电池座19的电池收容部19g连通的含燃料气体取入口，并且为使电池座19的电池收容部19g和燃料废气排气集管10g连通的燃料废气取出口。即，含燃料气体供气集管10F内的含燃料气体借助作为含燃料气体取入口的上游侧的多个凹槽19h流入电池座19的电池收容部19g内。另外，电池座19的电池收容部19g内的燃料废气借助作为燃料废气取出口的下游侧的多个凹槽19h流入燃料废气排气集管10G。因此，邻接的狭缝14a之间的肋能够被从含燃料气体供气集管10F及燃料废气排气集管10G排除，其结果，减小含燃料气体供气集管10F及燃料废气排气集管10G中的通气阻力。

此外，在含燃料气体流道14的气体流通方向上游侧，含燃料气体供气集管10F内的含燃料气体通过作为含燃料气体取入口的多个凹槽10h之后，流入电池单元11的去除部11d。电池单元11的去除部11d通过使与多个凹槽10h相对的电池单元11的端面(在此为阳极10b的端面)后退而形成，并在多个凹槽10h及狭缝14a的排列方向(横向)上连续。因此，从多个凹槽10h流入电池座19的电池收容部19g中的含燃料气体与电池单元11的端面(在此为阳极10b的端面)碰撞而在去除部11d内沿横向分散。因此，能够使流入多个狭缝14a的含燃料气体均等化。电池单元11的端面(在此为阳极10b的端面)发挥作为气体限制部的功能，去除部11d内发挥作为缓冲空间的功能。

在含燃料气体流道14的气体流通方向上游侧，从多个狭缝14a流出的燃料废气经由下游侧的去除部11d内，顺利地流入到作为燃料废气取出口的下游侧的多个凹槽19h内。

另外，关于氧化剂气体流道15，在形成氧化剂气体流道15的多条狭缝15a的电池单元11侧配置有第二狭缝板13g。第二狭缝板13g具有与氧化剂气体流道15中的气体流通方向交叉的方向(在此为正交方向)的短细的多个微小狭缝15c。多个微小狭缝15c在并列方向上横贯地连结多条狭缝15a。因此，多条狭缝15a之间的气体压力差消失。另外，第二狭缝板13g增加与电池单元11的阴极11c的接触面积，并借助多条微小狭缝15c向阴极11c有效地供给氧化剂气体。即，从氧化剂气体的适当的分配供给及压力损失和电阻的降低的各观点来看，第二狭缝板13g通过多条微小狭缝15c有助于发电效率的提高。

虽然上述实施方式使用正交流动形式的电池堆10，但如图9所示，也可以使用相对流动形式的电池堆10。图9所示的相对流动形式的电池堆10的横截面形状为矩形，在其相对的两边部的一边部横向排列且一体形成有燃料废气排气集管10G及氧化剂气体供气集管10H。另外，在另一边部的1/2部分一体形成有含燃料气体供气集管10F，剩余部分不存在这种一体型集管，氧化剂废气排气口15b所开口的主体部的侧面向堆收容空间露出。

附图标记说明

10 电池堆

10A 发电元件

10B 发电部

10C 板层叠部

10D 第一伸出部

10E 第二伸出部

10F 含燃料气体供气集管

10G 燃料废气排气集管

10H 氧化剂气体供气集管

10J 氧化剂废气排气集管

11 电池单元

11a 固体氧化物

11b 阳极

11c 阴极

11d 去除部

12 阳极板

12a 主体部

12b 第一凸缘部

12c 第二凸缘部

12d 含燃料气体供气口

12e 燃料废气排气口

12f 氧化剂气体供气口

12g 狭缝板

12h 隔板

13 阴极板

13a 主体部

13b 第一凸缘部

13c 第二凸缘部

13d 含燃料气体供气口

13e 燃料废气排气口

13f 氧化剂气体供气口

13g 第二狭缝板

13h 第一狭缝板

13i 隔板

14 含燃料气体流道

14a 狭缝

15 氧化剂气体流道

15a 狭缝

15b 氧化剂废气排气口

15c 微小狭缝

19 电池座

19a 主体部

19b 第一凸缘部

19c 第二凸缘部

19d 含燃料气体供气口

19e 燃料废气排气口

19f 氧化剂气体供气口

19g 电池收容部

19h 凹槽

20 堆罩

21 底板

22 端盖

23 紧固螺栓

24 堆收容空间

25 含燃料气体供气管

26 燃料废气排气管

27 氧化剂气体供气管

28 氧化剂废气排气管

29 绝缘部件

30 绝热壳体

31 辐射管型燃烧器

31a 辐射管

31b 燃烧器主体

32 改性器

33 换热器

34 局部氧化改性器