(57)【要約】【課題】熱容量の異方性に起因する電気化学反応セルスタックの性能低下を抑制する。【解決手段】電気化学反応セルスタックは、複数の反応単位を備える反応ブロックと、反応ブロックの両側に配置された平板状部材とを備える。各反応単位は、単セルと金属部材とを備える。燃料極側ガス供給マニホールドの図心と燃料極側ガス排出マニホールドの図心とを結ぶ第１の仮想直線に平行であり、かつ、単セルの中心を通る第２の仮想直線上における単セルの外縁から反応ブロックの外縁までの距離は、第２の仮想直線に直交し、かつ、単セルの中心を通る第３の仮想直線上における単セルの外縁から反応ブロックの外縁までの距離より長い。各平板状部材は、第３の仮想直線に重なると共に第２の仮想直線に重ならず、かつ、反応ブロックより外側に突出した２つの突出部を有する。【選択図】図７
2018206475.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単セルと、前記単セルの周囲に配置された金属部材と、をそれぞれ備える複数の電気化学反応単位が前記第１の方向に複数並べて配置された電気化学反応ブロックと、
前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の一方側に配置された第１の平板状部材と、
前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の他方側に配置された第２の平板状部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電気化学反応ブロックには、各前記単セルの前記燃料極に面する燃料室へガスを供給するための燃料極側ガス供給マニホールドと、各前記燃料室から排出されたガスを外部に排出するための燃料極側ガス排出マニホールドと、が形成されており、
前記第１の方向視で、前記燃料極側ガス供給マニホールドの図心と前記燃料極側ガス排出マニホールドの図心とを結ぶ第１の仮想直線に平行であり、かつ、前記単セルの中心を通る第２の仮想直線上における前記単セルの外縁から前記電気化学反応ブロックの外縁までの距離は、前記第２の仮想直線に直交し、かつ、前記単セルの中心を通る第３の仮想直線上における前記単セルの外縁から前記電気化学反応ブロックの外縁までの距離より長く、
前記第１の平板状部材および前記第２の平板状部材のそれぞれは、前記第１の方向視で、前記第３の仮想直線に重なると共に前記第２の仮想直線に重ならず、かつ、前記電気化学反応ブロックの外縁より外側に突出した２つの突出部を有することを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、さらに、
前記第１の平板状部材の前記突出部と、前記第２の平板状部材の前記突出部とを締結する締結部材を備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第１の方向視で、前記第１の平板状部材および前記第２の平板状部材が有する各前記突出部は、前記単セルの全体と対向することを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【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セルスタックにおいて、
前記電気化学反応ブロックには、さらに、各前記単セルの前記空気極に面する空気室へガスを供給するための空気極側ガス供給マニホールドと、各前記空気室から排出されたガスを外部に排出するための空気極側ガス排出マニホールドと、が形成されており、
前記第１の方向視で、前記空気極側ガス供給マニホールドと前記空気極側ガス排出マニホールドとの内の、前記第３の仮想直線の一方側に位置する一方のマニホールドの図心から前記第３の仮想直線の他方側に位置する他方のマニホールドの図心へ向かう第１のベクトルと、前記燃料極側ガス供給マニホールドと前記燃料極側ガス排出マニホールドとの内の、前記第３の仮想直線の前記一方側に位置する一方のマニホールドの図心から前記第３の仮想直線の前記他方側に位置する他方のマニホールドの図心へ向かう第２のベクトルと、のなす角は、０度以上、９０度未満であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項５】
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セルスタックにおいて、
前記単セルは、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、電気化学反応セルスタックに関する。
【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は、一般に、燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックは、複数の燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という）が所定の方向（以下、「第１の方向」という）に並べて配置された積層体（以下、「発電ブロック」という）と、発電ブロックに対して上記第１の方向の一方側および他方側に配置された２枚の平板状部材（例えば、エンドプレート）とを備える。各発電単位は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という）と、単セルの周囲に配置された金属部材（例えば、フレーム部材）とを備える。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで上記第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。
【０００３】
燃料電池スタックを構成する発電ブロックには、複数のマニホールドが形成されている。例えば、発電ブロックには、各単セルの燃料極に面する燃料室へガスを供給するための燃料極側ガス供給マニホールドと、各燃料室から排出されたガスを発電ブロックの外部に排出するための燃料極側ガス排出マニホールドと、が形成されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−２０７５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池スタックを構成する各単セルの外縁における各位置において、発電ブロックの外縁までの距離が異なる場合がある。例えば、燃料極側ガス供給マニホールドや燃料極側ガス排出マニホールドは、単セルの外縁から発電ブロックの外縁までの範囲に形成される。そのため、上記第１の方向視で、燃料極側ガス供給マニホールド（の図心）と燃料極側ガス排出マニホールド（の図心）とを結ぶ仮想直線（以下、「第１の仮想直線」という）に平行であり、かつ、単セルの中心を通る仮想直線（以下、「第２の仮想直線」という）上における単セルの外縁の位置では、第２の仮想直線に直交し、かつ、単セルの中心を通る仮想直線（以下、「第３の仮想直線」という）上における単セルの外縁の位置と比べて、単セルの外縁から発電ブロックの外縁までの距離が長くなることがある。このような構成では、上記第２の仮想直線上の位置では、上記第３の仮想直線上の位置と比べて、単セルより外側に位置する金属部材の熱容量が大きくなる。すなわち、このような構成では、単セルより外側に位置する金属部材の熱容量に異方性が存在する。
【０００６】
上記のような熱容量に異方性が存在する構成では、燃料電池スタックの起動時に、単セルの各領域における昇温速度が不均一になる。具体的には、単セルの外縁に近い領域の内、上記第２の仮想直線に重なる領域付近では昇温速度が遅くなり、反対に、上記第３の仮想直線に重なる領域付近では昇温速度が早くなる。燃料電池スタックの起動時に単セルの各領域における昇温速度が不均一になると、単セルの性能が低下するおそれがある。例えば、発電開始タイミングが早すぎると、単セルにおける一部の領域では過度に低い温度で発電が行われることとなるため、単セルの空気極の分解現象が発生して単セルの性能が低下するおそれがある。一方、発電開始タイミングが遅すぎると、単セルにおける一部の領域では過度に高い温度で発電が行われることとなるため、空気極に含まれる元素と電解質層に含まれる元素とが反応することにより生成される高抵抗物質（例えば、ＳｒＺｒＯ３）の生成量が過度に多くなって、やはり単セルの性能が低下するおそれがある。
【０００７】
なお、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（電解単セルと金属部材とを備える構成）が複数並べて配置された積層体（以下、「電解ブロック」という）と、電解ブロックの一方側および他方側に配置された平板状部材とを備える電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、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び、発電ブロックと電解ブロックとをまとめて電気化学反応ブロックと呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。
【０００８】
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】
【０００９】
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。
【００１０】
（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、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単セルと、前記単セルの周囲に配置された金属部材と、をそれぞれ備える複数の電気化学反応単位が前記第１の方向に複数並べて配置された電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の一方側に配置された第１の平板状部材と、前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の他方側に配置された第２の平板状部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記電気化学反応ブロックには、各前記単セルの前記燃料極に面する燃料室へガスを供給するための燃料極側ガス供給マニホールドと、各前記燃料室から排出されたガスを外部に排出するための燃料極側ガス排出マニホールドと、が形成されており、前記第１の方向視で、前記燃料極側ガス供給マニホールドの図心と前記燃料極側ガス排出マニホールドの図心とを結ぶ第１の仮想直線に平行であり、かつ、前記単セルの中心を通る第２の仮想直線上における前記単セルの外縁から前記電気化学反応ブロックの外縁までの距離は、前記第２の仮想直線に直交し、かつ、前記単セルの中心を通る第３の仮想直線上における前記単セルの外縁から前記電気化学反応ブロックの外縁までの距離より長く、前記第１の平板状部材および前記第２の平板状部材のそれぞれは、前記第１の方向視で、前記第３の仮想直線に重なると共に前記第２の仮想直線に重ならず、かつ、前記電気化学反応ブロックの外縁より外側に突出した２つの突出部を有する。本電気化学反応セルスタックでは、第１の方向視で、燃料極側ガス供給マニホールドの図心と燃料極側ガス排出マニホールドの図心とを結ぶ第１の仮想直線に平行であり、かつ、単セルの中心を通る第２の仮想直線上における単セルの外縁から電気化学反応ブロックの外縁までの距離が、第２の仮想直線に直交し、かつ、単セルの中心を通る第３の仮想直線上における単セルの外縁から電気化学反応ブロックの外縁までの距離より長い。このような構成では、上記第２の仮想直線上の位置では、上記第３の仮想直線上の位置と比べて、単セルより外側に位置する金属部材の熱容量が大きくなる。すなわち、電気化学反応ブロックにおいて、単セルより外側に位置する部分の熱容量に異方性が存在する。しかしながら、本電気化学反応セルスタックでは、第１の平板状部材および第２の平板状部材のそれぞれが、第１の方向視で、第３の仮想直線に重なると共に第２の仮想直線に重ならず、かつ、電気化学反応ブロックの外縁より外側に突出した２つの突出部を有する。これらの突出部が、第３の仮想直線上の近辺における単セルより外側に位置する熱容量として機能することにより、上述した熱容量の異方性を緩和することができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、熱容量の異方性に起因して単セルの各領域における昇温速度が不均一になることを抑制することができ、その結果、各単セルの性能低下を抑制することができ、ひいては、電気化学反応セルスタックの性能低下を抑制することができる。
【００１１】
（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、さらに、前記第１の平板状部材の前記突出部と、前記第２の平板状部材の前記突出部とを締結する締結部材を備える構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、２つの平板状部材の突出部間を締結する締結部材を備えるため、２つの平板状部材による電気化学反応ブロックの押圧力の均一性（バランス）を向上させることができ、例えば、ガスシール性を向上させることができる。
【００１２】
（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視で、前記第１の平板状部材および前記第２の平板状部材が有する各前記突出部は、前記単セルの全体と対向する構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、各突出部によって、単セルの全体にわたって単セルより外側に位置する熱容量の異方性を効果的に緩和することができ、単セルの性能低下を効果的に抑制することができ、ひいては、電気化学反応セルスタックの性能低下を効果的に抑制することができる。
【００１３】
（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記電気化学反応ブロックには、さらに、各前記単セルの前記空気極に面する空気室へガスを供給するための空気極側ガス供給マニホールドと、各前記空気室から排出されたガスを外部に排出するための空気極側ガス排出マニホールドと、が形成されており、前記第１の方向視で、前記空気極側ガス供給マニホールドと前記空気極側ガス排出マニホールドとの内の、前記第３の仮想直線の一方側に位置する一方のマニホールドの図心から前記第３の仮想直線の他方側に位置する他方のマニホールドの図心へ向かう第１のベクトルと、前記燃料極側ガス供給マニホールドと前記燃料極側ガス排出マニホールドとの内の、前記第３の仮想直線の前記一方側に位置する一方のマニホールドの図心から前記第３の仮想直線の前記他方側に位置する他方のマニホールドの図心へ向かう第２のベクトルと、のなす角は、０度以上、９０度未満である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックでは、空気極側ガス供給（または排出）マニホールドの図心から空気極側ガス排出（または供給）マニホールドの図心へ向かう第１のベクトルと、燃料極側ガス供給（または排出）マニホールドの図心から燃料極側ガス排出（または供給）マニホールドの図心へ向かう第２のベクトルと、のなす角が、０度以上、９０度未満である。すなわち、本電気化学反応セルスタックは、第１の方向視での各マニホールドの配置に偏りがある構成である。そのため、第１の方向視で、第１の仮想直線に平行であり、かつ、単セルの中心を通る第２の仮想直線上における単セルの外縁から電気化学反応ブロックの外縁までの距離が、第２の仮想直線に直交し、かつ、単セルの中心を通る第３の仮想直線上における単セルの外縁から電気化学反応ブロックの外縁までの距離より長い構成を採用することにより、装置の小型化による起動性の向上等を実現している。一方、このような構成では、上記第２の仮想直線上の位置では、上記第３の仮想直線上の位置と比べて、単セルより外側に位置する金属部材の熱容量が大きくなり、単セルより外側に位置する部分の熱容量に異方性が存在することとなる。しかしながら、本電気化学反応セルスタックでは、第１の平板状部材および第２の平板状部材のそれぞれが、上述した２つの突出部を有するため、熱容量の異方性を緩和することができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、熱容量の異方性に起因して単セルの各領域における昇温速度が不均一になることを抑制することができ、その結果、各単セルの性能低下を抑制することができ、ひいては、電気化学反応セルスタックの性能低下を抑制することができる。
【００１４】
（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、各単セルの発電性能の低下を抑制することができ、ひいては、電気化学反応セルスタックの発電性能の低下を抑制することができる。
【００１５】
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】
【００１６】
【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】上側のエンドプレート１０４の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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、「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（以下、「発電ブロック１０１」という）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。
【００１９】
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４つのボルト孔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。
【００２０】
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から構成される集合体（発電ブロック１０１）全体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。
【００２１】
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、発電ブロック１０１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に供給する共用ガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド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を発電ブロック１０１の外部へと排出する共用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、本実施形態の燃料電池スタック１００には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス排出マニホールド１６２が、それぞれ１つのみ存在している。また、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。酸化剤ガス導入マニホールド１６１は、特許請求の範囲における空気極側ガス供給マニホールドに相当し、酸化剤ガス排出マニホールド１６２は、特許請求の範囲における空気極側ガス排出マニホールドに相当する。
【００２２】
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、発電ブロック１０１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に供給する共用ガス流路である燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、上述した酸化剤ガス導入マニホールド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を発電ブロック１０１の外部へと排出する共用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、本実施形態の燃料電池スタック１００には、燃料ガス導入マニホールド１７１および燃料ガス排出マニホールド１７２が、それぞれ１つのみ存在している。また、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。燃料ガス導入マニホールド１７１は、特許請求の範囲における燃料極側ガス供給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燃料極側ガス排出供給マニホールドに相当する。
【００２３】
（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、平板形状の導電性部材であり、例えばステンレス等の金属により形成されている。一方のエンドプレート１０４は、発電ブロック１０１の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、発電ブロック１０１の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって発電ブロック１０１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、酸化剤ガス導入マニホールド１６１、酸化剤ガス排出マニホールド１６２、燃料ガス導入マニホールド１７１、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。なお、エンドプレート１０４，１０６の厚さは、発電単位１０２の厚さより厚いことが好ましい。一対のエンドプレート１０４，１０６の一方は、特許請求の範囲における第１の平板状部材に相当し、一対のエンドプレート１０４，１０６の他方は、特許請求の範囲における第２の平板状部材に相当する。エンドプレート１０４，１０６の構成については、後に詳述する。
【００２４】
（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に対して発電ブロック１０１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、酸化剤ガス導入マニホールド１６１、酸化剤ガス排出マニホールド１６２、燃料ガス導入マニホールド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。
【００２５】
（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。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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）。
【００２８】
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。
【００２９】
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。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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。図６に示すように、Ｚ軸方向視で、ガス室用孔１３１の外形線は略矩形である。ガス室用孔１３１は、Ｘ軸方向に互いに対向する第１の内面ＩＰ１および第２の内面ＩＰ２を有する。ガス室用孔１３１の外形線の内、第１の内面ＩＰ１により構成される部分および第２の内面ＩＰ２により構成される部分は、Ｙ軸方向に略平行な直線状部分を有している。また、図４および図６に示すように、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８に連通すると共に空気室１６６を構成するガス室用孔１３１の第１の内面ＩＰ１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に連通すると共に空気室１６６を構成するガス室用孔１３１の第２の内面ＩＰ２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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。図７に示すように、Ｚ軸方向視で、ガス室用孔１４１の外形線は略矩形である。ガス室用孔１４１は、Ｘ軸方向に互いに対向する第３の内面ＩＰ３および第４の内面ＩＰ４を有する。ガス室用孔１４１の外形線の内、第３の内面ＩＰ３により構成される部分および第４の内面ＩＰ４により構成される部分は、Ｙ軸方向に略平行な直線状部分を有している。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、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８に連通すると共に燃料室１７６を構成するガス室用孔１４１の第３の内面ＩＰ３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に連通すると共に燃料室１７６を構成するガス室用孔１４１の第４の内面ＩＰ４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。
【００３５】
なお、本実施形態の発電ブロック１０１を構成する各発電単位１０２において、セパレータ１２０と、燃料極側フレーム１４０と、インターコネクタ１５０とは、単セル１１０の周囲に配置された金属製の部材であり、特許請求の範囲における金属部材に相当する。
【００３６】
図４〜図６に示すように、空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。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。
【００３７】
図４，５，７に示すように、燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。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とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。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。なお、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スペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、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。
【００３８】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２，４，６に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド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導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド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、燃料ガス導入マニホールド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を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
Ａ−３．発電ブロック１０１の詳細構成：
図６に示すように、本実施形態の発電ブロック１０１を構成する各発電単位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、おおよそ、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の図心Ｃ１から酸化剤ガス排出マニホールド１６２の図心Ｃ２に向かう方向であると言える。また、図７に示すように、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、おおよそ、Ｚ軸方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１の図心Ｃ３から燃料ガス排出マニホールド１７２の図心Ｃ４に向かう方向であると言える。図７に示すように、本実施形態の発電ブロック１０１（燃料電池スタック１００）は、各発電単位１０２の空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向とがおおよそ反対方向（おおよそ互いに対向する方向）となる、いわゆるカウンターフロータイプのＳＯＦＣである。
【００４２】
ここで、図７に示すように、Ｚ軸方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１の図心Ｃ３と燃料ガス排出マニホールド１７２の図心Ｃ４とを結ぶ仮想直線を、第１の仮想直線ＶＬ１といい、第１の仮想直線ＶＬ１に平行であり、かつ、単セル１１０の中心Ｐ１を通る仮想直線を、第２の仮想直線ＶＬ２といい、第２の仮想直線ＶＬ２に直交し、かつ、単セル１１０の中心Ｐ１を通る仮想直線を、第３の仮想直線ＶＬ３という。なお、本実施形態では、第２の仮想直線ＶＬ２は、第１の仮想直線ＶＬ１と一致する。このとき、酸化剤ガス排出マニホールド１６２および燃料ガス導入マニホールド１７１は、第３の仮想直線ＶＬ３に対して一方側（Ｘ軸負方向側）に位置し、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および燃料ガス排出マニホールド１７２は、第３の仮想直線ＶＬ３に対して他方側（Ｘ軸正方向側）に位置する。
【００４３】
また、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と酸化剤ガス排出マニホールド１６２との内の、第３の仮想直線ＶＬ３の上記一方側に位置する一方のマニホールド（酸化剤ガス排出マニホールド１６２）の図心（図心Ｃ２）から、第３の仮想直線ＶＬ３の上記他方側に位置する他方のマニホールド（酸化剤ガス導入マニホールド１６１）の図心（図心Ｃ１）へ向かうベクトルを、第１のベクトルＶＥ１という。また、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料ガス排出マニホールド１７２との内の、第３の仮想直線ＶＬ３の上記一方側に位置する一方のマニホールド（燃料ガス導入マニホールド１７１）の図心（図心Ｃ３）から、第３の仮想直線ＶＬ３の上記他方側に位置する他方のマニホールド（燃料ガス排出マニホールド１７２）の図心（図心Ｃ４）へ向かうベクトルを、第２のベクトルＶＥ２という。本実施形態では、第１のベクトルＶＥ１と第２のベクトルＶＥ２とのなす角θ（ただし、０度≦θ≦１８０度）は、０度以上、９０度未満となっている。このように、カウンターフロータイプの構成では、第１のベクトルＶＥ１と第２のベクトルＶＥ２とのなす角θが比較的小さくなる。
【００４４】
このように、本実施形態の発電ブロック１０１はカウンターフロータイプであるため、Ｚ軸方向視での各マニホールドの配置に偏りがある。具体的には、Ｘ軸方向における単セル１１０（図７において破線で位置を示す）の両外側に、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２が配置される一方、Ｙ軸方向における単セル１１０の両外側には、マニホールドは配置されない。そのため、本実施形態では、Ｙ軸方向における単セル１１０の両外側に位置する金属部材（燃料極側フレーム１４０、セパレータ１２０、および、インターコネクタ１５０）の幅を小さくして、装置の小型化による起動性の向上等を実現している。
【００４５】
一方、本実施形態では、そのような構成を採用しているため、単セル１１０の外縁（単セル１１０を構成する各層の内、Ｚ軸方向視で最も外側に位置する層の外縁であり、本実施形態では、燃料極１１６の外縁）における各位置において、発電単位１０２（発電ブロック１０１）の外縁までの距離に有意な差が存在している。具体的には、図７に示すように、Ｚ軸方向視で、第２の仮想直線ＶＬ２上における単セル１１０の外縁から発電単位１０２（発電ブロック１０１）の外縁までの距離Ｌ１は、第３の仮想直線ＶＬ３上における単セル１１０の外縁から発電単位１０２（発電ブロック１０１）の外縁までの距離Ｌ２より長い。このような構成では、上記第２の仮想直線ＶＬ２上の位置では、上記第３の仮想直線ＶＬ３上の位置と比べて、単セル１１０より外側に位置する金属部材（燃料極側フレーム１４０、セパレータ１２０、インターコネクタ１５０）の熱容量が大きくなる。すなわち、このような構成の発電ブロック１０１では、単セル１１０より外側に位置する部分の熱容量に異方性が存在する。
【００４６】
Ａ−４．エンドプレート１０４，１０６の詳細構成：
図８は、上側のエンドプレート１０４の構成を示す説明図である。図８には、上側のエンドプレート１０４のＸＹ断面構成が示されている。また、図８には、単セル１１０および発電単位１０２（発電ブロック１０１）の外周線が破線で示されている。下側のエンドプレート１０６のＸＹ断面構成も、流路用貫通孔１０７（図２，３参照）が形成されている点を除き、図８に示された上側のエンドプレート１０４のＸＹ断面構成と同様である。また、図６および図７には、エンドプレート１０４，１０６の外周線が破線で示されている。
【００４７】
図１，６〜８に示すように、エンドプレート１０４，１０６は、Ｚ軸方向視で発電単位１０２（発電ブロック１０１）と略同一の略矩形部分である基部１０３と、基部１０３からそれぞれＹ軸正方向側およびＹ軸負方向側に突出した２つの突出部１０５とを有している。すなわち、図７に示すように、各突出部１０５は、Ｚ軸方向視で、上記第３の仮想直線ＶＬ３に重なると共に上記第２の仮想直線ＶＬ２に重ならず、かつ、発電単位１０２（発電ブロック１０１）の外縁より外側に突出している。また、２つの突出部１０５は、Ｚ軸方向視で、第２の仮想直線ＶＬ２を挟んで互いに反対側に位置している。なお、本実施形態では、各突出部１０５は、基部１０３のＹ軸正方向側およびＹ軸負方向側の各辺における両端付近を除く部分から突出するように形成されている。
【００４８】
図７に示すように、Ｘ軸方向におけるエンドプレート１０４，１０６の各突出部１０５の幅Ｌｘ０は、下記の式（１）を満たすことが好ましく、下記の式（２）を満たすことがさらに好ましい。すなわち、Ｘ軸方向における各突出部１０５の幅Ｌｘ０は、Ｘ軸方向における単セル１１０の幅Ｌｘ１の１／２以上であることが好ましく、Ｘ軸方向における発電単位１０２の全幅（すなわち、Ｌｘ１＋Ｌｘ２＋Ｌｘ３）以下であることが好ましく、Ｘ軸方向における単セル１１０の幅Ｌｘ１と、単セル１１０の外縁から発電単位１０２の外縁までの平均距離（すなわち、１／２（Ｌｘ２＋Ｌｘ３））と、の和以下であることがさらに好ましい。
１／２・Ｌｘ１  ≦  Ｌｘ０  ≦  Ｌｘ１＋Ｌｘ２＋Ｌｘ３  ・・・（１）
１／２・Ｌｘ１  ≦  Ｌｘ０  ≦  Ｌｘ１＋１／２（Ｌｘ２＋Ｌｘ３）  ・・・（２）
ただし、
Ｌｘ１：単セル１１０のＸ軸方向における幅
Ｌｘ２：Ｘ軸負方向側における単セル１１０の外縁から発電単位１０２の外縁までの距離
Ｌｘ３：Ｘ軸正方向側における単セル１１０の外縁から発電単位１０２の外縁までの距離
【００４９】
また、エンドプレート１０４，１０６の各突出部１０５について、Ｙ軸正方向側またはＹ軸負方向側における単セル１１０の外縁から突出部１０５の先端までの距離Ｌｙ０は、下記の式（３）を満たすことが好ましい。すなわち、Ｙ軸方向における単セル１１０の外縁から突出部１０５の先端までの距離Ｌｙ０は、単セル１１０の外縁から発電単位１０２の外縁までの平均距離の１／２（すなわち、１／２×１／２（Ｌｘ２＋Ｌｘ３））以上であることが好ましく、単セル１１０の外縁から発電単位１０２の外縁までの平均距離の３／２（すなわち、３／２×１／２（Ｌｘ２＋Ｌｘ３））以下であることが好ましい。
１／２×１／２（Ｌｘ２＋Ｌｘ３）  ≦  Ｌｙ０  ≦  ３／２×１／２（Ｌｘ２＋Ｌｘ３）  ・・・（３）
【００５０】
例えば、Ｌｘ１＝１３０ｍｍとし、Ｌｘ２＝Ｌｘ３＝３５ｍｍとすると、上記式（１）〜（３）は、それぞれ、下記の式（１）’、（２）’、（３）’になる。
６５ｍｍ  ≦  Ｌｘ０  ≦  ２００ｍｍ  ・・・（１）’
６５ｍｍ  ≦  Ｌｘ０  ≦  １６５ｍｍ  ・・・（２）’
１７．５ｍｍ  ≦  Ｌｙ０  ≦  ５２．５ｍｍ  ・・・（３）’
【００５１】
なお、図７に示すように、Ｚ軸方向視で、各突出部１０５は、単セル１１０の全体（単セル１１０の角部が面取りされている場合には、面取り部を除く部分の全体）と対向するように（Ｙ軸方向において単セル１１０の全体と重なるように）形成されていることが好ましい。例えば、Ｌｘ１＝１３０ｍｍとすると、Ｚ軸方向視で、突出部１０５が単セル１１０の全体と対向するためには、突出部１０５の幅Ｌｘ０は１３０ｍｍ以上であることが必要である。また、例えば、Ｌｘ１＝１３０ｍｍとし、単セル１１０の両端２０ｍｍの部分が面取りされているとすると、Ｚ軸方向視で、突出部１０５が単セル１１０における面取り部を除く部分の全体と対向するためには、突出部１０５の幅Ｌｘ０は９０ｍｍ以上であることが必要である。ただし、単セル１１０の角部が面取りされている場合であっても、各突出部１０５が、面取り部を含む単セル１１０の全体と対向するように形成されていてもよい。
【００５２】
また、エンドプレート１０４，１０６の各突出部１０５のＸ軸方向における略中央部には、ボルト孔１１１が形成されている。上側のエンドプレート１０４におけるＹ軸正方向側の突出部１０５に形成されたボルト孔１１１と、下側のエンドプレート１０６におけるＹ軸正方向側の突出部１０５に形成されたボルト孔１１１には、１本のボルト２２が挿入されており、該ボルト２２と図示しないナットとによって両突出部１０５が締結されている。同様に、上側のエンドプレート１０４におけるＹ軸負方向側の突出部１０５に形成されたボルト孔１１１と、下側のエンドプレート１０６におけるＹ軸負方向側の突出部１０５に形成されたボルト孔１１１には、１本のボルト２２が挿入されており、該ボルト２２と図示しないナットとによって両突出部１０５が締結されている。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１００は、上述した各層（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つの角部周辺に形成されたボルト孔１０９に挿入されたボルト２２と、エンドプレート１０４，１０６の２つの突出部１０５に形成されたボルト孔１１１に挿入されたボルト２２との、合計６本のボルト２２により締結されている。突出部１０５のボルト孔１１１に挿入されたボルト２２は、特許請求の範囲における締結部材に相当する。
【００５３】
Ａ−５．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は、発電ブロック１０１と、発電ブロック１０１に対してＺ軸方向の一方側に配置された平板状部材であるエンドプレート１０４と、発電ブロック１０１に対してＺ軸方向の他方側に配置された平板状部材であるエンドプレート１０６とを備える。発電ブロック１０１は、複数の発電単位１０２がＺ軸方向に複数並べて配置された構成を有する。各発電単位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、単セル１１０の周囲に配置された金属製の各部材（燃料極側フレーム１４０、セパレータ１２０、インターコネクタ１５０）とを備える。発電ブロック１０１には、各単セル１１０の燃料極１１６に面する燃料室１７６へ燃料ガスＦＧを供給するための燃料ガス導入マニホールド１７１と、各燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧを外部に排出するための燃料ガス排出マニホールド１７２とが形成されている。また、Ｚ軸方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１の図心Ｃ３と燃料ガス排出マニホールド１７２の図心Ｃ４とを結ぶ第１の仮想直線ＶＬ１に平行であり、かつ、単セル１１０の中心Ｐ１を通る第２の仮想直線ＶＬ２上における単セル１１０の外縁から発電ブロック１０１の外縁までの距離Ｌ１は、第２の仮想直線ＶＬ２に直交し、かつ、単セル１１０の中心Ｐ１を通る第３の仮想直線ＶＬ３上における単セル１１０の外縁から発電ブロック１０１の外縁までの距離Ｌ２より長い。また、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれは、Ｚ軸方向視で、第３の仮想直線ＶＬ３に重なると共に第２の仮想直線ＶＬ２に重ならず、かつ、発電ブロック１０１の外縁より外側に突出した２つの突出部１０５を有する。本実施形態の燃料電池スタック１００は、上記構成を有するため、以下に説明するように、燃料電池スタック１００の性能低下を抑制することができる。
【００５４】
上述したように、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ軸方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１の図心Ｃ３と燃料ガス排出マニホールド１７２の図心Ｃ４とを結ぶ第１の仮想直線ＶＬ１に平行であり、かつ、単セル１１０の中心Ｐ１を通る第２の仮想直線ＶＬ２上における単セル１１０の外縁から発電ブロック１０１の外縁までの距離Ｌ１が、第２の仮想直線ＶＬ２に直交し、かつ、単セル１１０の中心Ｐ１を通る第３の仮想直線ＶＬ３上における単セル１１０の外縁から発電ブロック１０１の外縁までの距離Ｌ２より長い。そのため、上記第２の仮想直線ＶＬ２上の位置では、上記第３の仮想直線ＶＬ３上の位置と比べて、単セル１１０より外側に位置する金属部材（燃料極側フレーム１４０、セパレータ１２０、インターコネクタ１５０）の熱容量が大きくなる。すなわち、本実施形態の発電ブロック１０１では、単セル１１０より外側に位置する部分の熱容量に異方性が存在する。このような熱容量に異方性が存在する構成では、燃料電池スタック１００の起動時に、単セル１１０の各領域における昇温速度が不均一になるおそれがある。具体的には、単セル１１０の外縁部の内、上記第２の仮想直線ＶＬ２に重なる領域付近では昇温速度が遅くなり、反対に、上記第３の仮想直線ＶＬ３に重なる領域付近では昇温速度が早くなるおそれがある。単セル１１０の各領域における昇温速度が不均一であると、単セル１１０の性能が低下するおそれがある。例えば、単セル１１０の各領域における昇温速度が不均一である場合において、発電開始タイミングが早すぎると、単セル１１０における一部の領域では過度に低い温度で発電が行われるため、単セル１１０の空気極１１４の分解現象が発生して単セル１１０の性能が低下するおそれがある。一方、発電開始タイミングが遅すぎると、単セル１１０における一部の領域では過度に高い温度で発電が行われるため、空気極１１４に含まれる元素と電解質層１１２に含まれる元素とが反応することにより生成される高抵抗物質（例えば、ＳｒＺｒＯ３）の生成量が過度に多くなって、やはり単セル１１０の性能が低下するおそれがある。
【００５５】
しかしながら、本実施形態の燃料電池スタック１００では、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれが、Ｚ軸方向視で、上記第３の仮想直線ＶＬ３に重なると共に上記第２の仮想直線ＶＬ２に重ならず、かつ、発電ブロック１０１の外縁より外側に突出した２つの突出部１０５を有する。これらの突出部１０５が、上記第３の仮想直線ＶＬ３上の近辺における単セル１１０より外側に位置する熱容量として機能することにより、上述した熱容量の異方性を緩和することができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、熱容量の異方性に起因して単セル１１０の各領域における昇温速度が不均一になることを抑制することができ、その結果、各単セル１１０の性能低下を抑制することができ、ひいては、燃料電池スタック１００の性能低下を抑制することができる。
【００５６】
なお、略直方体状の発電ブロック１０１を加熱する際には、３面が合わさる角部が最も加熱されやすく、２面が合わさる辺部が２番目に加熱されやすい。発電ブロック１０１の角部は、単セル１１０からの距離が比較的遠いため、該角部が加熱されやすいことによる単セル１１０への影響は小さい。一方、発電ブロック１０１の８つの辺部の内、Ｚ軸方向視で図７に示す第３の仮想直線ＶＬ３に重なる４つの辺部は、単セル１１０からの距離が比較的近いため、該４つの辺部が加熱されやすいことによる単セル１１０の昇温速度の不均一への影響は大きい。本実施形態の燃料電池スタック１００では、エンドプレート１０４，１０６に突出部１０５を設けることにより、該４つの辺部の近くの熱容量を大きくすることができるため、単セル１１０の各領域における昇温速度の不均一を効果的に抑制することができ、その結果、各単セル１１０の性能低下を効果的に抑制することができ、ひいては、燃料電池スタック１００の性能低下を効果的に抑制することができる。
【００５７】
なお、本実施形態の燃料電池スタック１００では、発電ブロック１０１に、さらに、各単セル１１０の空気極１１４に面する空気室１６６へ酸化剤ガスＯＧを供給するための酸化剤ガス導入マニホールド１６１と、各空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧを外部に排出するための酸化剤ガス排出マニホールド１６２と、が形成されている。また、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と酸化剤ガス排出マニホールド１６２との内の、第３の仮想直線ＶＬ３の一方側に位置する一方のマニホールド（酸化剤ガス排出マニホールド１６２）の図心（図心Ｃ２）から第３の仮想直線ＶＬ３の他方側に位置する他方のマニホールド（酸化剤ガス導入マニホールド１６１）の図心（図心Ｃ１）へ向かう第１のベクトルＶＥ１と、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料ガス排出マニホールド１７２との内の、第３の仮想直線ＶＬ３の上記一方側に位置する一方のマニホールド（燃料ガス導入マニホールド１７１）の図心（図心Ｃ３）から第３の仮想直線ＶＬ３の上記他方側に位置する他方のマニホールド（燃料ガス排出マニホールド１７２）の図心（図心Ｃ４）へ向かう第２のベクトルＶＥ２と、のなす角は、０度以上、９０度未満である。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１００は、Ｚ軸方向視での各マニホールドの配置に偏りがある構成である。そのため、上述した距離Ｌ１が距離Ｌ２より長い構成を採用することによって装置の小型化による起動性の向上等を実現しつつ、２つの突出部１０５の存在によって熱容量の異方性を緩和することができる。その結果、各単セル１１０の性能低下を抑制することができ、ひいては、燃料電池スタック１００の性能低下を抑制することができる。
【００５８】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ軸方向視で、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれが有する各突出部１０５が、単セル１１０の全体と対向している。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、突出部１０５によって、単セル１１０の全体にわたって単セル１１０の外縁と発電ブロック１０１の外縁との間の熱容量の異方性を効果的に緩和することができ、各単セル１１０の性能低下を効果的に抑制することができ、ひいては、燃料電池スタック１００の性能低下を効果的に抑制することができる。
【００５９】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００は、一方のエンドプレート１０４の突出部１０５と他方のエンドプレート１０６の突出部１０５とを締結するボルト２２を備える。発電ブロック１０１において、Ｚ軸方向視で上記第３の仮想直線ＶＬ３と重なる側の縁部は幅が小さいため、該縁部にボルト２２用の孔を設けることは困難である。そのため、該縁部付近では、２つのエンドプレート１０４，１０６による発電ブロック１０１の押圧力が小さくなりやすい。しかしながら、本実施形態の燃料電池スタック１００は、２つのエンドプレート１０４，１０６の突出部１０５間を締結するボルト２２を備えるため、２つのエンドプレート１０４，１０６による発電ブロック１０１の押圧力の均一性（バランス）を向上させることができ、例えば、ガスシール性を向上させることができる。
【００６０】
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。
【００６１】
上記実施形態における燃料電池スタック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、マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２は、それぞれ１つのみ存在しているが、マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２の少なくとも１つが複数存在するとしてもよい。なお、あるマニホールド（例えば、酸化剤ガス導入マニホールド１６１）が複数存在する場合には、該マニホールドの図心（例えば、図心Ｃ１）は、複数のマニホールドを１つの集合体と見たときの該集合体の図心であるものとする。また、必ずしも発電ブロック１０１にマニホールド１６１，１６２が形成されている必要はない。
【００６２】
また、上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６は例えば金属により形成されるとしているが、エンドプレート１０４，１０６は金属以外の導電性材料により形成されてもよい。また、上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６が、それぞれプラス側、マイナス側の出力端子として機能するとしているが、発電ブロック１０１とエンドプレート１０４および／またはエンドプレート１０６との間にターミナルプレートを設け、該ターミナルプレートが出力端子として機能するとしてもよい。
【００６３】
また、上記実施形態では、各発電単位１０２の空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向を、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の図心Ｃ１から酸化剤ガス排出マニホールド１６２の図心Ｃ２に向かう方向として特定しており、各発電単位１０２の燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向を、Ｚ軸方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１の図心Ｃ３から燃料ガス排出マニホールド１７２の図心Ｃ４に向かう方向として特定しているが、両ガスの主たる流れ方向の特定方法はこれに限られない。例えば、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向を、酸化剤ガス供給連通流路１３２のガス室用孔１３１の第１の内面ＩＰ１への開口の中点から、酸化剤ガス排出連通流路１３３のガス室用孔１３１の第２の内面ＩＰ２への開口の中点に向かう方向として特定してもよく、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向を、燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の第３の内面ＩＰ３への開口の中点から、燃料ガス排出連通流路１４３のガス室用孔１４１の第４の内面ＩＰ４への開口の中点に向かう方向として特定してもよい。このような特定方法を採用した場合にでも、上記実施形態と同様に規定した第１のベクトルＶＥ１と第２のベクトルＶＥ２とのなす角が０度以上、９０度未満であれば、上記実施形態と同様の構成（例えば、エンドプレート１０４，１０６が突出部１０５を有する構成）を採用することにより、燃料電池スタック１００の性能低下を抑制することができる。
【００６４】
また、上記実施形態では、第１のベクトルＶＥ１と第２のベクトルＶＥ２とのなす角が０度以上、９０度未満である構成の内、両ガスの流れ方向がおおよそ反対方向（おおよそ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を例に用いて説明したが、本願発明は、両ガスの流れ方向がおおよそ同一方向（おおよそ互いに平行な方向）となるコフロータイプのＳＯＦＣにも同様に適用可能である。また、第１のベクトルＶＥ１と第２のベクトルＶＥ２とのなす角は、０度以上、７０度以下であることがより好ましく、０度以上、５０度以下であることが一層好ましい。
【００６５】
また、本発明は、第１のベクトルＶＥ１と第２のベクトルＶＥ２とのなす角が０度以上、９０度未満である構成に限られず、上記なす角が９０度以上である構成にも同様に適用可能である。
【００６６】
また、上記実施形態では、Ｚ軸方向視での発電単位１０２（発電ブロック１０１）の形状が略矩形であるが、他の形状であってもよい。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、発電ブロック１０１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の個数は発電ブロック１０１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。
【００６７】
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を複数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、発電ブロック１０１を電解ブロックと読み替え、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（例えば、エンドプレート１０４，１０６が突出部１０５を有する構成）を採用することにより、電解セルスタックの性能低下を抑制することができる。
【符号の説明】
【００６８】
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  １０１：発電ブロック  １０２：燃料電池発電単位  １０３：基部  １０４：エンドプレート  １０５：突出部  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  １１１：ボルト孔  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：スペーサー  １５０：インターコネクタ  １６１：酸化剤ガス導入マニホールド  １６２：酸化剤ガス排出マニホールド  １６６：空気室  １７１：燃料ガス導入マニホールド  １７２：燃料ガス排出マニホールド  １７６：燃料室
【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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