(57)【要約】【課題】部品点数の増加や製造工数の増加を抑制しつつ、ガス室に供給されたガスが単セルにおける反応に利用されずに排出されることによる電気化学反応単位の性能低下を抑制する。【解決手段】電気化学反応単位は、単セルと、燃料極と空気極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室を構成するガス室用孔が形成されたフレーム部材と、インターコネクタと、特定電極とインターコネクタとを電気的に接続する集電体と、集電体を支持する支持体とを備える。フレーム部材には、ガス室用孔の内周面に開口する供給側連通流路および排出側連通流路が形成されている。支持体は、供給側連通流路のガス室用孔の内周面への開口の中点と排出側連通流路のガス室用孔の内周面への開口の中点とを結ぶ方向に直交する特定方向において、単セルにおける反応領域の外側に位置する突出部を有する。【選択図】図８
2018181466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、
前記燃料極と前記空気極との少なくとも一方である特定電極について設けられ、前記特定電極に面するガス室を構成するガス室用孔と、前記ガス室に供給されるガスが通る供給側マニホールドを構成する供給側マニホールド用孔と、前記ガス室から排出されたガスが通る排出側マニホールドを構成する排出側マニホールド用孔と、前記供給側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する少なくとも１つの供給側連通流路と、前記排出側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する少なくとも１つの排出側連通流路と、が形成されたフレーム部材と、
導電性のインターコネクタと、
前記特定電極について設けられ、前記ガス室内に配置され、前記特定電極の表面に接する電極対向部と、前記インターコネクタの表面に接するインターコネクタ対向部と、前記電極対向部と前記インターコネクタ対向部とをつなぐ連接部と、を有する導電性の集電体と、
前記特定電極について設けられ、前記ガス室内に配置され、前記電極対向部の前記特定電極に対向する側とは反対側の表面と、前記インターコネクタ対向部の前記インターコネクタに対向する側とは反対側の表面と、の少なくとも一方に当接して前記集電体を支持する支持体と、
を備える電気化学反応単位において、
前記支持体は、前記第１の方向視で、前記供給側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点と前記排出側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点とを結ぶ方向に直交する特定方向において、前記電気化学反応単セルにおける反応領域の外側に位置する突出部を有することを特徴とする、電気化学反応単位。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学反応単位において、
前記第１の方向視で、前記特定方向における前記突出部と前記反応領域との間に、前記反応領域に対向する第１の空間に連続する第２の空間が存在することを特徴とする、電気化学反応単位。
【請求項３】
請求項２に記載の電気化学反応単位において、
前記第１の方向視で、前記第２の空間は、前記反応領域に対向せず、かつ、前記少なくとも１つの供給側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口に面する第３の空間、または、前記反応領域に対向せず、かつ、前記少なくとも１つの排出側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口に面する第４の空間に連続していることを特徴とする、電気化学反応単位。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。
【請求項５】
前記第１の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の１つとして、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という）は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という）を備える。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。
【０００３】
また、発電単位は、単セルの燃料極に面する燃料室を構成するガス室用孔が形成されたフレーム部材を備える。フレーム部材には、ガス室用孔に加えて、燃料室に供給されるガス（以下、「燃料ガス」という）が通る燃料ガス供給マニホールドを構成する供給側マニホールド用孔と、燃料室から排出されたガス（以下、「燃料オフガス」という）が通る燃料ガス排出マニホールドを構成する排出側マニホールド用孔とが形成されている。フレーム部材には、さらに、供給側マニホールド用孔に連通すると共にガス室用孔の内周面に開口する供給側連通流路と、排出側マニホールド用孔に連通すると共にガス室用孔の内周面に開口する排出側連通流路とが形成されている。発電単位の燃料室には、燃料ガス供給マニホールドおよび供給側連通流路を介して燃料ガスが供給される。また、燃料室から排出側連通流路を介して排出された燃料オフガスは、燃料ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。
【０００４】
また、発電単位は、導電性のインターコネクタと、導電性の集電体とを備える。集電体は、燃料室内に配置され、単セルの燃料極の表面に接する電極対向部と、インターコネクタの表面に接するインターコネクタ対向部と、電極対向部とインターコネクタ対向部とをつなぐ連接部とを有する。集電体により、単セルの燃料極とインターコネクタとが電気的に接続される。
【０００５】
さらに、発電単位は、燃料室内に配置された支持体を備える。支持体は、集電体の電極対向部やインターコネクタ対向部に当接して集電体を支持する部材である。支持体により、集電体の電極対向部と燃料極の表面との接触や、集電体のインターコネクタ対向部とインターコネクタの表面との接触が良好に維持され、その結果、集電体を介した単セルの燃料極とインターコネクタとの電気的接続が良好に維持される。
【０００６】
一般に、発電単位において、単セル（より詳細には、単セルにおいて実際に発電反応が起こる反応領域）の縁部を、フレーム部材に形成されたガス室用孔の内周面に接する位置まで延ばすことは困難であり、単セルの反応領域の縁部とガス室用孔の内周面とは離間している。両者の間にガスが流れる空間（以下、「ガス流路空間」という）が存在すると、燃料室に供給された燃料ガスの一部が、単セルにおける発電反応に利用されることなく、該ガス流路空間を経由して燃料室から排出されるため、発電効率が低下する。そのため、従来、単セルの反応領域の縁部とガス室用孔の内周面との間に、例えばフェルトにより形成された封止部材が設置された構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような構成によれば、封止部材によって、単セルの反応領域の縁部とガス室用孔の内周面との間にガス流路空間が形成されることが抑制されるため、単セルにおける発電反応に利用されることなく該ガス流路空間を通って排出される燃料ガスの量を減らすことができ、発電効率の低下を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−４３５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来の構成では、フェルト製の封止部材といった専用の部材を別途設ける必要があるため、部品点数が増加したり製造工数が増加したりするという課題がある。
【０００９】
なお、このような課題は、燃料極側に限らず、空気極側にも共通の課題である。また、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という）の構成単位である電解セル単位にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて、電気化学反応単位と呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応単位にも共通の課題である。
【００１０】
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。
【００１２】
（１）本明細書に開示される電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、前記燃料極と前記空気極との少なくとも一方である特定電極について設けられ、前記特定電極に面するガス室を構成するガス室用孔と、前記ガス室に供給されるガスが通る供給側マニホールドを構成する供給側マニホールド用孔と、前記ガス室から排出されたガスが通る排出側マニホールドを構成する排出側マニホールド用孔と、前記供給側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する少なくとも１つの供給側連通流路と、前記排出側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する少なくとも１つの排出側連通流路と、が形成されたフレーム部材と、導電性のインターコネクタと、前記特定電極について設けられ、前記ガス室内に配置され、前記特定電極の表面に接する電極対向部と、前記インターコネクタの表面に接するインターコネクタ対向部と、前記電極対向部と前記インターコネクタ対向部とをつなぐ連接部と、を有する導電性の集電体と、前記特定電極について設けられ、前記ガス室内に配置され、前記電極対向部の前記特定電極に対向する側とは反対側の表面と、前記インターコネクタ対向部の前記インターコネクタに対向する側とは反対側の表面と、の少なくとも一方に当接して前記集電体を支持する支持体と、を備える電気化学反応単位において、前記支持体は、前記第１の方向視で、前記供給側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点と前記排出側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点とを結ぶ方向に直交する特定方向において、前記電気化学反応単セルにおける反応領域の外側に位置する突出部を有する。本電気化学反応単位では、支持体が、第１の方向視で、電気化学反応単セルにおける反応領域の外側に位置する突出部を有する。すなわち、本電気化学反応単位では、電気化学反応単セルの反応領域の縁部とガス室用孔の内周面との間に、支持体の突出部が存在する。そのため、本電気化学反応単位では、支持体の突出部の存在によって、電気化学反応単セルの反応領域の縁部とガス室用孔の内周面との間にガス流路空間が形成されることが抑制され（ガス流路空間の断面積が大きくなることが抑制され）、電気化学反応単セルにおける反応に利用されることなく該ガス流路空間を通って排出されるガスの量を減らすことができる。また、本電気化学反応単位では、別途、専用の部材を設けることなく、集電体を支持する支持体を用いて、上述したガス流路空間の形成抑制を実現することができる。そのため、本電気化学反応単位によれば、部品点数の増加や製造工数の増加を抑制しつつ、ガス室に供給されたガスが電気化学反応単セルにおける反応に利用されずに排出されることによる電気化学反応単位の性能低下を抑制することができる。
【００１３】
（２）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記特定方向における前記突出部と前記反応領域との間に、前記反応領域に対向する第１の空間に連続する第２の空間が存在する構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、ガス室に供給されたガスが反応領域の外側（すなわち、反応領域の縁部とガス室用孔の内周面との間）に移動したとしても、該ガスが第２の空間に入り込んで滞留し、第２の空間から反応領域に対向する第１の空間に戻ることが促される。そのため、本電気化学反応単位によれば、ガス室に供給されたガスの内、電気化学反応単セルにおける反応に利用されることなく排出されるガスの量を効果的に減らすことができ、電気化学反応単位の性能低下を効果的に抑制することができる。
【００１４】
（３）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記第２の空間は、前記反応領域に対向せず、かつ、前記少なくとも１つの供給側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口に面する第３の空間、または、前記反応領域に対向せず、かつ、前記少なくとも１つの排出側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口に面する第４の空間に連続している構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第２の空間が、反応領域に対向せず、かつ、少なくとも１つの供給側連通流路のガス室用孔の内周面への開口に面する第３の空間、または、反応領域に対向せず、かつ、少なくとも１つの排出側連通流路のガス室用孔の内周面への開口に面する第４の空間に連続しているため、ガス室において乱流の発生を促すことができ、その結果、第２の空間から反応領域に対向する第１の空間へのガスの移動を促すことができる。そのため、本電気化学反応単位によれば、ガス室に供給されたガスの内、電気化学反応単セルにおける反応に利用されることなく排出されるガスの量を極めて効果的に減らすことができ、電気化学反応単位の性能低下を極めて効果的に抑制することができる。
【００１５】
（４）上記電気化学反応単位において、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、ガス室に供給されたガスの内、燃料電池単セルにおける発電反応に利用されることなく排出されるガスの量を減らすことができ、電気化学反応単位の発電性能低下を抑制することができる。
【００１６】
（５）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、前記第１の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、上記電気化学反応単位である。本電気化学反応セルスタックによれば、少なくとも１つの電気化学反応単位のガス室に供給されたガスの内、該電気化学反応単セルにおける反応に利用されることなく排出されるガスの量を減らすことができ、電気化学反応単位の性能低下を抑制することができる。
【００１７】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単位（燃料電池発電単位または電解セル単位）、複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図４】図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図５】図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図６】図４および図５のＶＩ−ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。
【図７】図４および図５のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。
【図８】発電単位１０２が備える支持体１４９周りの詳細構成を示すＸＹ断面図である。
【図９】発電単位１０２が備える支持体１４９周りの詳細構成を示すＹＺ断面図である。
【図１０】比較例における発電単位１０２Ｘが備える支持体１４９周りの詳細構成を示すＹＺ断面図である。
【図１１】第１の変形例における発電単位１０２が備える支持体１４９周りの詳細構成を示すＸＹ断面図である。
【図１２】第２の変形例における発電単位１０２が備える支持体１４９周りの詳細構成を示すＸＹ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
Ａ．実施形態：
Ａ−１．装置構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１（および後述する図６，７）のＩＩ−ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１（および後述する図６，７）のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。また、本明細書では、Ｚ軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。
【００２０】
燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という）１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（各発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸方向回りの外周の４つの角部周辺には、各層を上下方向に貫通する孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びるボルト孔１０９を構成している。各ボルト孔１０９にはボルト２２が挿入されており、各ボルト２２および図示しないナットによって燃料電池スタック１００は締結されている。
【００２２】
また、図１から図３に示すように、各発電単位１０２のＺ軸方向回りの外周辺の付近には、各発電単位１０２を上下方向に貫通する孔が形成されており、各発電単位１０２に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、複数の発電単位１０２にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために各発電単位１０２に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。
【００２３】
図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の付近に位置する連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の後述する空気室１６６に供給するガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の付近に位置する連通孔１０８は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出するガス流路である酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。
【００２４】
また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周を構成する辺の内、上述した酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する連通孔１０８に最も近い辺の付近に位置する他の連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の後述する燃料室１７６に供給するガス流路である燃料ガス供給マニホールド１７１として機能し、上述した酸化剤ガス供給マニホールド１６１として機能する連通孔１０８に最も近い辺の付近に位置する他の連通孔１０８は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出するガス流路である燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。燃料ガス供給マニホールド１７１は、特許請求の範囲における供給側マニホールドに相当し、燃料ガス排出マニホールド１７２は、特許請求の範囲における排出側マニホールドに相当する。
【００２５】
（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。図２および図３に示すように、下側のエンドプレート１０６には、４つの流路用貫通孔１０７が形成されている。４つの流路用貫通孔１０７は、それぞれ、酸化剤ガス供給マニホールド１６１、酸化剤ガス排出マニホールド１６２、燃料ガス供給マニホールド１７１、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。
【００２６】
（ガス通路部材２７等の構成）
図２および図３に示すように、燃料電池スタック１００は、さらに、下側のエンドプレート１０６に対して複数の発電単位１０２とは反対側（すなわち、下側）に配置された４つのガス通路部材２７を備える。４つのガス通路部材２７は、それぞれ、酸化剤ガス供給マニホールド１６１、酸化剤ガス排出マニホールド１６２、燃料ガス供給マニホールド１７１、燃料ガス排出マニホールド１７２と上下方向に重なる位置に配置されている。各ガス通路部材２７は、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７に連通する孔が形成された本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した筒状の分岐部２９とを有している。分岐部２９の孔は本体部２８の孔と連通している。各ガス通路部材２７の分岐部２９には、ガス配管（図示せず）が接続される。なお、各ガス通路部材２７の本体部２８とエンドプレート１０６との間には、絶縁シート２６が配置されている。絶縁シート２６は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
【００２７】
（発電単位１０２の構成）
図４は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。なお、図５には、後述する燃料極側集電体１４４の一部の構成が拡大して示されている。また、図６は、図４および図５のＶＩ−ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４および図５のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。
【００２８】
図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、上述した各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する連通孔１０８を構成する孔や、各ボルト孔１０９を構成する孔が形成されている。
【００２９】
インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２および図３参照）。
【００３０】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で電解質層１１２および空気極１１４を支持する燃料極支持形の単セルである。
【００３１】
電解質層１１２は、Ｚ方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層１１２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。また、空気極１１４は、Ｚ方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極１１４は、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、Ｚ方向視で電解質層１１２と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子（例えば、ＹＳＺ）とからなるサーメットにより形成されている。燃料極１１６は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。
【００３２】
なお、単セル１１０において、実質的に発電反応が起こる領域は、Ｚ軸方向視で空気極１１４と電解質層１１２と燃料極１１６とのすべてが存在している領域である。本明細書では、単セル１１０におけるこの領域を、反応領域ＲＲという（図４，５，７参照）。
【００３３】
セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
【００３４】
空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形のガス室用孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。
【００３５】
図４〜図６に示すように、空気極側フレーム１３０のガス室用孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する孔である。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス供給マニホールド１６１を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１３１の内周面に開口する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１３１の内周面に開口する酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。本実施形態では、空気極側フレーム１３０に、３本の酸化剤ガス供給連通流路１３２と、３本の酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。
【００３６】
燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形のガス室用孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している。
【００３７】
図４，図５および図７に示すように、燃料極側フレーム１４０のガス室用孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する孔である。ガス室用孔１４１は、Ｘ軸方向に互いに対向する第１の内周面ＩＰ１および第２の内周面ＩＰ２を有する。また、図５および図７に示すように、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス供給マニホールド１７１を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１４１の第１の内周面ＩＰ１に開口する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１４１の第２の内周面ＩＰ２に開口する燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。本実施形態では、燃料極側フレーム１４０に、１本の燃料ガス供給連通流路１４２と、１本の燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。
【００３８】
燃料極側フレーム１４０は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当し、ガス室用孔１４１は、特許請求の範囲におけるガス室用孔に相当する。また、燃料極側フレーム１４０に形成された連通孔１０８の内、燃料ガス供給マニホールド１７１を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における供給側マニホールド用孔に相当し、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における排出側マニホールド用孔に相当する。また、燃料極側フレーム１４０に形成された燃料ガス供給連通流路１４２は、特許請求の範囲における供給側連通流路に相当し、燃料ガス排出連通流路１４３は、特許請求の範囲における排出側連通流路に相当する。
【００３９】
図４〜図６に示すように、空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置された導電性部材である。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。また、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
【００４０】
図４，５，７に示すように、燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置された導電性部材である。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えている。本実施形態では、燃料極側集電体１４４は、ニッケル箔（例えば厚さ１０〜２００μｍ）により形成されている。図５における部分拡大図に示すように、燃料極側集電体１４４は、略矩形のニッケル箔に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた各矩形部分が電極対向部１４５となり、曲げ起こされた部分以外の穴ＯＰが開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部１４６となり、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ部分が連接部１４７となる。なお、図５における部分拡大図では、燃料極側集電体１４４の製造方法を示すため、一部の矩形部分について、曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。
【００４１】
燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。燃料極側集電体１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。燃料極側集電体１４４は、特許請求の範囲における集電体に相当する。
【００４２】
また、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成された支持体１４９が配置されている。支持体１４９は、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５における燃料極１１６に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ対向部１４６におけるインターコネクタ１５０に対向する側とは反対側の表面とに当接して、燃料極側集電体１４４を支持する。支持体１４９により、電極対向部１４５と燃料極１１６との接触、および、インターコネクタ対向部１４６とインターコネクタ１５０との接触が良好に維持され、その結果、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）との電気的接続が良好に維持される。
【００４３】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２，４，６に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９、本体部２８、および、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７を介して酸化剤ガス供給マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３，５，７に示すように、燃料ガス供給マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９、本体部２８、および、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７を介して燃料ガス供給マニホールド１７１に供給され、燃料ガス供給マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
【００４４】
各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素と燃料ガスＦＧに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。
【００４５】
各発電単位１０２の空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、図２，４，６に示すように、酸化剤ガス排出連通流路１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、図３，５，７に示すように、燃料ガス排出連通流路１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出され、さらに下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００４６】
なお、図６に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、空気極側フレーム１３０のガス室用孔１３１における酸化剤ガス供給連通流路１３２が開口する内周面と酸化剤ガス排出連通流路１３３が開口する内周面との対向方向は、Ｘ軸方向である。そのため、各発電単位１０２の空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向は、概ねＸ軸正方向側からＸ軸負方向側に向かう方向である。また、図７に示すように、燃料極側フレーム１４０のガス室用孔１４１における燃料ガス供給連通流路１４２が開口する内周面（第１の内周面ＩＰ１）と燃料ガス排出連通流路１４３が開口する内周面（第２の内周面ＩＰ２）との対向方向は、Ｘ軸方向である。そのため、各発電単位１０２の燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向は、概ねＸ軸負方向側からＸ軸正方向側に向かう方向である。このように、本実施形態の発電単位１０２は、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向とが略反対方向（互いに対向する方向）となるカウンターフロータイプのＳＯＦＣである。
【００４７】
Ａ−３．支持体１４９の詳細構成：
次に、発電単位１０２が備える支持体１４９の詳細構成について説明する。図８は、発電単位１０２が備える支持体１４９周りの詳細構成を示すＸＹ断面図である。図８には、図７に示すＸＹ断面構成の内、支持体１４９を含む一部の構成を抜き出して図示し、他の構成については適宜図示を省略している。また、図９は、発電単位１０２が備える支持体１４９周りの詳細構成を示すＹＺ断面図である。図９には、図７および図８のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２のＹＺ断面構成が示されている。
【００４８】
図８には、Ｚ軸方向視で、燃料ガス供給連通流路１４２におけるガス室用孔１４１の第１の内周面ＩＰ１への開口の中点ＭＰ１（該開口の２つの端点ＥＰ１１，ＥＰ１２を結ぶ線分の中点）と、燃料ガス排出連通流路１４３におけるガス室用孔１４１の第２の内周面ＩＰ２への開口の中点ＭＰ２（該開口の２つの端点ＥＰ２１，ＥＰ２２を結ぶ線分の中点）とを結ぶ仮想直線ＶＬ１が示されている。本明細書では、仮想直線ＶＬ１に直交する方向を、特定方向Ｄ１と呼ぶ。本実施形態では、仮想直線ＶＬ１の方向はＸ軸方向に略平行な方向であるため、特定方向Ｄ１はＹ軸方向に略平行な方向となる。
【００４９】
図８および図９に示すように、単セル１１０における反応領域ＲＲ（上述したように、発電反応が起こる領域であり、Ｚ軸方向視で空気極１１４と電解質層１１２と燃料極１１６とのすべてが存在している領域）の縁部と、燃料極側フレーム１４０に形成されたガス室用孔１４１の内周面とは、互いに離間している。
【００５０】
図８および図９に示すように、支持体１４９は、一枚のシート状部材である。本実施形態では、支持体１４９の厚さは、燃料極側集電体１４４を構成する電極対向部１４５やインターコネクタ対向部１４６の厚さより厚い。例えば、支持体１４９の厚さは、燃料極側集電体１４４を構成する電極対向部１４５およびインターコネクタ対向部１４６の厚さの５倍以上であることが好ましい。支持体１４９の厚さは、例えば１００〜１０００μｍである一方、燃料極側集電体１４４を構成する電極対向部１４５およびインターコネクタ対向部１４６の厚さは、例えば１０〜２００μｍである。
【００５１】
支持体１４９は、Ｚ軸方向視で、単セル１１０における反応領域ＲＲと重なる基部２０１に加えて、特定方向Ｄ１において反応領域ＲＲの外側（すなわち、図８および図９のＰ１部）に突出した突出部２０２を有する。本実施形態では、基部２０１に対して特定方向Ｄ１に沿った一方側（図８における上側）および他方側（図８における下側）の両方に、突出部２０２が存在する。また、各突出部２０２は、ガス室用孔１４１の第３の内周面ＩＰ３または第４の内周面ＩＰ４に当接する位置まで延伸している。
【００５２】
また、図８に示すように、支持体１４９には、Ｙ軸方向に略平行に延びる複数の孔２０４が形成されている。各孔２０４の両端部は、反応領域ＲＲの外（すなわち、Ｐ１部）まで達している。そのため、Ｚ軸方向視で、特定方向Ｄ１における突出部２０２と反応領域ＲＲとの間に、空間（以下、「第２の空間ＳＰ２」という）が存在することとなる。第２の空間ＳＰ２は、Ｚ軸方向視で反応領域ＲＲに対向する空間（以下、「第１の空間ＳＰ１」という）に連続している。
【００５３】
Ａ−４．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する発電単位１０２は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６と、を含む単セル１１０と、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成するガス室用孔１４１が形成された燃料極側フレーム１４０と、導電性のインターコネクタ１５０と、燃料室１７６内に配置され、燃料極１１６の表面に接する電極対向部１４５と、インターコネクタ１５０の表面に接するインターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７と、を有する導電性の燃料極側集電体１４４とを備える。燃料極側フレーム１４０には、燃料室１７６に供給されるガスが通る燃料ガス供給マニホールド１７１を構成する連通孔１０８と、燃料室１７６から排出されたガスが通る燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８と、燃料ガス供給マニホールド１７１を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１４１の第１の内周面ＩＰ１に開口する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１４１の第２の内周面ＩＰ２に開口する燃料ガス排出連通流路１４３と、が形成されている。また、発電単位１０２は、燃料室１７６内に配置され、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５の燃料極１１６に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ対向部１４６のインターコネクタ１５０に対向する側とは反対側の表面とに当接して燃料極側集電体１４４を支持する支持体１４９を備える。支持体１４９は、Ｚ軸方向視で、燃料ガス供給連通流路１４２の第１の内周面ＩＰ１への開口の中点ＭＰ１と燃料ガス排出連通流路１４３の第２の内周面ＩＰ２への開口の中点ＭＰ２とを結ぶ方向（仮想直線ＶＬ１の方向）に直交する特定方向Ｄ１において、単セル１１０における反応領域ＲＲの外側に位置する突出部２０２を有する。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、以下に説明するように、部品点数の増加や製造工数の増加を抑制しつつ、発電単位１０２の性能低下を抑制することができる。
【００５４】
図１０は、比較例における発電単位１０２Ｘが備える支持体１４９周りの詳細構成を示すＹＺ断面図である。図１０に示す比較例の発電単位１０２Ｘでは、支持体１４９が、Ｚ軸方向視で、単セル１１０における反応領域ＲＲの外側（すなわち、図１０のＰ１部）に位置する突出部２０２を有さない。そのため、比較例の発電単位１０２Ｘでは、単セル１１０の反応領域ＲＲの縁部とガス室用孔１４１の第３の内周面ＩＰ３（または第４の内周面ＩＰ４）との間（すなわち、Ｐ１部）に、大きなガス流路空間ＦＳが形成されることとなる。従って、比較例の発電単位１０２Ｘでは、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧの内、一定以上の量の燃料ガスＦＧが、単セル１１０における発電反応に利用されることなく、ガス流路空間ＦＳを通って燃料室１７６から排出されるため、発電効率が低下する。
【００５５】
これに対し、本実施形態の発電単位１０２では、支持体１４９が、単セル１１０における反応領域ＲＲの外側（すなわち、Ｐ１部）に位置する突出部２０２を有する。すなわち、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０の反応領域ＲＲの縁部とガス室用孔１４１の第３の内周面ＩＰ３（または第４の内周面ＩＰ４）との間（すなわち、Ｐ１部）に、支持体１４９の突出部２０２が存在する。そのため、本実施形態の発電単位１０２では、支持体１４９の突出部２０２の存在によって、単セル１１０の反応領域ＲＲの縁部とガス室用孔１４１の第３の内周面ＩＰ３（または第４の内周面ＩＰ４）との間にガス流路空間ＦＳが形成されることが抑制され（ガス流路空間ＦＳの断面積が大きくなることが抑制され）、単セル１１０における発電反応に利用されることなくガス流路空間ＦＳを通って排出される燃料ガスＦＧの量を減らすことができる。また、本実施形態の発電単位１０２では、別途、専用の部材を設けることなく、燃料極側集電体１４４を支持する支持体１４９を用いて、上述したガス流路空間ＦＳの形成抑制（ガス流路空間ＦＳの断面積増大抑制）を実現することができる。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、部品点数の増加や製造工数の増加を抑制しつつ、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧが単セル１１０における発電反応に利用されずに排出されることによる発電単位１０２の性能低下を抑制することができる。
【００５６】
なお、単セル１１０における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスＦＧの量を効果的に減らすため、Ｚ軸方向に平行な断面（例えば、図９に示すＹＺ断面）において、燃料室１７６および支持体１４９における単セル１１０の反応領域ＲＲの縁部とガス室用孔１４１の第３の内周面ＩＰ３（または第４の内周面ＩＰ４）との間（すなわち、Ｐ１部）に位置する部分(図９のＳ１部)の断面積に占める支持体１４９（突出部２０２）の断面積の割合は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましい。また、単セル１１０における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスＦＧの量を効果的に減らすため、支持体１４９は密度の高い材料で形成されることが好ましい。例えば、マイカは、密度が２ｇ／ｃｍ３程度であり、フェルト（密度：０．１５ｇ／ｃｍ３程度）等と比べてはるかに高密度であるため、支持体１４９をマイカにより形成することにより、単セル１１０における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスＦＧの量を効果的に減らすことができる。支持体１４９の密度は、例えば、１ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましく、１．５ｇ／ｃｍ３以上であることがより好ましい。
【００５７】
また、本実施形態の発電単位１０２では、基部２０１に対して特定方向Ｄ１に沿った一方側および他方側の両方に、突出部２０２が存在する。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧの内、単セル１１０における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスＦＧの量を効果的に減らすことができ、発電単位１０２の性能低下を効果的に抑制することができる。また、本実施形態の発電単位１０２では、各突出部２０２は、ガス室用孔１４１の内周面（第３の内周面ＩＰ３または第４の内周面ＩＰ４）に当接する位置まで延伸している。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧの内、単セル１１０における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスＦＧの量をさらに効果的に減らすことができ、発電単位１０２の性能低下をさらに効果的に抑制することができる。
【００５８】
また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で、特定方向Ｄ１における支持体１４９の突出部２０２と反応領域ＲＲとの間に、反応領域ＲＲに対向する第１の空間ＳＰ１に連続する第２の空間ＳＰ２が存在する。そのため、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧが反応領域ＲＲの外側（すなわち、Ｐ１部）に移動したとしても、該燃料ガスＦＧが第２の空間ＳＰ２に入り込んで滞留し、第２の空間ＳＰ２から反応領域ＲＲに対向する第１の空間ＳＰ１に戻ることが促される。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧの内、単セル１１０における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスＦＧの量を効果的に減らすことができ、発電単位１０２の性能低下を効果的に抑制することができる。
【００５９】
Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
【００６０】
図１１は、第１の変形例における発電単位１０２が備える支持体１４９周りの詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１１に示す第１の変形例における発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で、特定方向Ｄ１における突出部２０２と反応領域ＲＲとの間に存在する複数の第２の空間ＳＰ２の内の一部（図１１において最も左側に示された空間）が、反応領域ＲＲに対向せず、かつ、燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の第１の内周面ＩＰ１への開口に面する空間（以下、「第３の空間ＳＰ３」という）に連続している。また、図１１に示す第１の変形例における発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で、複数の第２の空間ＳＰ２の内の他の一部（図１１において最も右側に示された空間）が、反応領域ＲＲに対向せず、かつ、燃料ガス排出連通流路１４３のガス室用孔１４１の第２の内周面ＩＰ２への開口に面する空間（以下、「第４の空間ＳＰ４」という）に連続している。
【００６１】
このように、図１１に示す第１の変形例における発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で、特定方向Ｄ１における突出部２０２と反応領域ＲＲとの間に存在する複数の第２の空間ＳＰ２の内の一部が、第３の空間ＳＰ３または第４の空間ＳＰ４に連続しているため、燃料室１７６において乱流の発生を促すことができ、その結果、第２の空間ＳＰ２から反応領域ＲＲに対向する第１の空間ＳＰ１への燃料ガスＦＧの移動を促すことができる。そのため、図１１に示す第１の変形例における発電単位１０２によれば、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧの内、単セル１１０における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスＦＧの量を極めて効果的に減らすことができ、発電単位１０２の性能低下を極めて効果的に抑制することができる。
【００６２】
図１２は、第２の変形例における発電単位１０２が備える支持体１４９周りの詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２では、図１１に示す第１の変形例における発電単位１０２と同様に、複数の第２の空間ＳＰ２の内の一部が、第３の空間ＳＰ３または第４の空間ＳＰ４に連続している。そのため、図１２に示す第２の変形例における発電単位１０２によれば、図１１に示す第１の変形例における発電単位１０２と同様に、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧの内、単セル１１０における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスＦＧの量を極めて効果的に減らすことができ、発電単位１０２の性能低下を極めて効果的に抑制することができる。また、図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で、複数の第２の空間ＳＰ２の内の他の一部（図１１において左右方向中央付近に示された空間）が、互いに連続して１つの空間を構成している。そのため、図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２では、燃料室１７６において乱流の発生をより効果的に促すことができ、その結果、第２の空間ＳＰ２から反応領域ＲＲに対向する第１の空間ＳＰ１への燃料ガスＦＧの移動を効果的に促すことができる。そのため、図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２によれば、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧの内、単セル１１０における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスＦＧの量を一層効果的に減らすことができ、発電単位１０２の性能低下を一層効果的に抑制することができる。  
【００６３】
上記実施形態（および変形例、以下同様）の発電単位１０２または燃料電池スタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、支持体１４９は、特定方向Ｄ１に沿った一方側および他方側の両方に突出部２０２を有するとしているが、特定方向Ｄ１に沿った片方側のみに突出部２０２を有するとしてもよい。また、上記実施形態では、突出部２０２はガス室用孔１４１の内周面に当接する位置まで延伸しているが、必ずしも突出部２０２がガス室用孔１４１の内周面まで延伸している必要はない。たとえば、突出部２０２は、反応領域ＲＲの縁からガス室用孔１４１の内周面までの長さの２分の１以上延伸していることが好ましく、反応領域ＲＲの縁からガス室用孔１４１の内周面までの長さの３分の２以上延伸していることがより好ましい。
【００６４】
また、上記実施形態では、支持体１４９は、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５の表面とインターコネクタ対向部１４６の表面との両方に当接して燃料極側集電体１４４を支持しているが、支持体１４９は、電極対向部１４５の表面とインターコネクタ対向部１４６の表面とのいずれか一方に当接して燃料極側集電体１４４を支持するものとしてもよい。
【００６５】
また、上記実施形態では、Ｚ軸方向視で、特定方向Ｄ１における突出部２０２と反応領域ＲＲとの間に、反応領域ＲＲに対向する第１の空間ＳＰ１に連続する第２の空間ＳＰ２が存在するとしているが、必ずしもこのような第２の空間ＳＰ２が存在する必要はない。
【００６６】
また、上記実施形態では、燃料極側フレーム１４０に、１本の燃料ガス供給連通流路１４２と１本の燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されているが、燃料ガス供給連通流路１４２および／または燃料ガス排出連通流路１４３が複数形成されているとしてもよい。なお、燃料ガス供給連通流路１４２（または燃料ガス排出連通流路１４３、以下同様）が複数形成されている場合には、「燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の内周面への開口の中点」とは、複数の燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の内周面への開口の中点間を線分で結んで形成される図形の図心を意味する。例えば、燃料ガス供給連通流路１４２が２つ形成されている場合には、「燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の内周面への開口の中点」とは、一方の燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の内周面への開口の中点と、他方の燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の内周面への開口の中点とを結ぶ線分の中点である。
【００６７】
また、上記実施形態では、ボルト孔１０９が、各マニホールド用の連通孔１０８とは独立して設けられているが、独立したボルト孔１０９を設けず、各マニホールド用の連通孔１０８がボルト孔としても用いられるとしてもよい。また、上記実施形態において、空気極１１４と電解質層１１２との間に中間層が配置されていてもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。
【００６８】
また、上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２について、支持体１４９が突出部２０２を有する構成が採用されている必要はなく、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの発電単位１０２について、上記構成が採用されていれば、該発電単位１０２について、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧの内、単セル１１０における発電反応に利用されることなく排出される燃料ガスＦＧの量を減らすことができ、発電単位１０２の性能低下を抑制することができる。  
【００６９】
また、上記実施形態では、発電単位１０２は、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向とが略反対方向となるカウンターフロータイプの発電単位１０２であるが、本発明は、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向とが略同一方向となるコフロータイプの発電単位１０２や、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向とのなす角が４５度以上となるクロスフロータイプの発電単位１０２にも適用可能である。
【００７０】
また、上記実施形態では、燃料極１１６に面する燃料室１７６に配置された燃料極側集電体１４４を支持する支持体１４９の特徴について説明したが、本発明は、空気極１１４に面する空気室１６６に配置された空気極側集電体を支持する支持体にも適用可能である。なお、本発明を空気極１１４の側に適用した場合には、空気極１１４が特許請求の範囲における特定電極に相当する。
【００７１】
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６−８１８１３号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔１０８を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、連通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成の支持体１４９を採用することにより、燃料室１７６（または空気室１６６）に供給されたガスの内、単セル１１０における反応に利用されることなく排出されるガスの量を減らすことができ、発電単位１０２の性能低下を抑制することができる。  
【００７２】
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。
【符号の説明】
【００７３】
２２：ボルト  ２６：絶縁シート  ２７：ガス通路部材  ２８：本体部  ２９：分岐部  １００：燃料電池スタック  １０２：燃料電池発電単位  １０４：エンドプレート  １０６：エンドプレート  １０７：流路用貫通孔  １０８：連通孔  １０９：ボルト孔  １１０：単セル  １１２：電解質層  １１４：空気極  １１６：燃料極  １２０：セパレータ  １２１：孔  １２４：接合部  １３０：空気極側フレーム  １３１：ガス室用孔  １３２：酸化剤ガス供給連通流路  １３３：酸化剤ガス排出連通流路  １３４：空気極側集電体  １３５：集電体要素  １４０：燃料極側フレーム  １４１：ガス室用孔  １４２：燃料ガス供給連通流路  １４３：燃料ガス排出連通流路  １４４：燃料極側集電体  １４５：電極対向部  １４６：インターコネクタ対向部  １４７：連接部  １４９：支持体  １５０：インターコネクタ  １６１：酸化剤ガス供給マニホールド  １６２：酸化剤ガス排出マニホールド  １６６：空気室  １７１：燃料ガス供給マニホールド  １７２：燃料ガス排出マニホールド  １７６：燃料室  ２０１：基部  ２０２：突出部  ２０４：孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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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