(57)【要約】【課題】運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を低減する。【解決手段】電気化学反応セルスタックは、電解質層と、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、をそれぞれ有する複数の単セルを備える。電気化学反応セルスタックには、各単セルの空気極に面する空気室に空気を供給する空気供給流路が形成されている。電気化学反応セルスタックの運転方法は、各単セルの空気極において、第１の部分の温度Ｔ１と、第１の部分より空気供給流路における空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各単セルに電気化学反応を生じさせる運転工程を備える。【選択図】図１０
2019169240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物を含む電解質層と、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、をそれぞれ有する複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックであって、各前記電気化学反応単セルの前記空気極に面する空気室に空気を供給する空気供給流路が形成された電気化学反応セルスタックの運転方法において、
各前記電気化学反応単セルの前記空気極において、第１の部分の温度Ｔ１と、前記第１の部分より前記空気供給流路における前記空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各前記電気化学反応単セルに電気化学反応を生じさせる運転工程を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学反応セルスタックの運転方法において、
前記運転工程において、前記第２の部分の温度Ｔ２は、６４０℃以下である、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの運転方法。
【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の運転方法において、
前記運転工程において、空気利用率は、４０％以上である、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの運転方法。
【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の運転方法において、
各前記電気化学反応単セルは、平板型の電気化学反応単セルである、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの運転方法。
【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の運転方法において、
前記電気化学反応セルスタックは、さらに、
複数の前記電気化学反応単セルに対応して設けられた複数のセパレータであって、各前記セパレータには貫通孔が形成され、各前記セパレータは、各前記セパレータにおける前記貫通孔を取り囲む部分である貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの周縁部と接合されることによって、前記空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する、複数のセパレータを備え、
各前記セパレータは、
前記貫通孔周囲部を含み、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行な第１の平坦部と、
前記第２の方向に略平行な第２の平坦部と、
前記第１の方向における位置が前記第１の平坦部および前記第２の平坦部とは異なる部分を含み、前記第１の平坦部と前記第２の平坦部とを連結する連結部と、
を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの運転方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５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の運転方法において、
各前記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の方向視での前記空気極の面積は、１３０ｃｍ２以上である、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの運転方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６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の運転方法において、
各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セルスタックの運転方法。
【請求項８】
固体酸化物を含む電解質層と、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、をそれぞれ有する複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックであって、各前記電気化学反応単セルの前記空気極に面する空気室に空気を供給する空気供給流路が形成された電気化学反応セルスタックと、
各前記電気化学反応単セルにおける電気化学反応を制御する制御部と、
を備える電気化学反応システムにおいて、
前記制御部は、各前記電気化学反応単セルの前記空気極において、第１の部分の温度Ｔ１と、前記第１の部分より前記空気供給流路における前記空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各前記電気化学反応単セルに電気化学反応を生じさせる、
ことを特徴とする電気化学反応システム。
【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の運転方法に関する。
【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、所定の方向に並べて配置された複数の燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）を備える燃料電池スタックの形態で利用される。各単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、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】
燃料電池スタックには、各単セルの空気極に面する空気室に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給流路（例えば、マニホールドと、該マニホールドと空気室とを接続する連通流路と、から構成される流路）が形成されている。燃料電池スタックの発電運転中には、空気供給流路を介して、空気室に空気が供給される（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２０１５−１５３７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池スタックの発電運転中に空気供給流路を介して空気室に供給される空気には、種々の汚染物質（例えば、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、クロム（Ｃｒ）、リン（Ｐ））が含まれる。該汚染物質が空気極に付着すると、空気極の性能が低下する（具体的には、空気極の抵抗が増大する）被毒と呼ばれる現象が起こる。そのため、燃料電池スタックの発電運転を長時間行うと、空気極の被毒に起因して、発電性能が劣化する。従来、燃料電池スタックにおいて、運転を長時間行うことに伴う性能の劣化の程度を効果的に低減することができない、という課題がある。
【０００６】
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単セルを複数備える電解セルスタックにも共通の問題である。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。
【０００７】
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】
【０００８】
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。
【０００９】
（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックの運転方法は、固体酸化物を含む電解質層と、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、をそれぞれ有する複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックであって、各前記電気化学反応単セルの前記空気極に面する空気室に空気を供給する空気供給流路が形成された電気化学反応セルスタックの運転方法において、各前記電気化学反応単セルの前記空気極において、第１の部分の温度Ｔ１と、前記第１の部分より前記空気供給流路における前記空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各前記電気化学反応単セルに電気化学反応を生じさせる運転工程を備える。本電気化学反応セルスタックの運転方法では、空気極における第１の部分の温度Ｔ１と第２の部分の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上とされる。すなわち、被毒による性能劣化が生じやすい第２の部分は、比較的低温とされ、その結果、電気抵抗が比較的高くなる。そのため、第２の部分において被毒による性能劣化が生じても、電気化学反応単セル（電気化学反応セルスタック全体）の性能への影響は小さい。一方、第１の部分は、比較的高温とされ、その結果、電気抵抗が比較的低くなるが、この第１の部分では被毒による性能劣化が生じにくい。従って、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。
【００１０】
（２）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、前記運転工程において、前記第２の部分の温度Ｔ２は、６４０℃以下である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、第２の部分の温度Ｔ２が６４０℃以下と非常に低くされるため、被毒による性能劣化が生じやすい第２の部分の電気抵抗が非常に高くなる。そのため、第２の部分において被毒による性能劣化が生じても、電気化学反応単セル全体（電気化学反応セルスタック全体）の性能への影響は非常に小さくなる。従って、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を非常に効果的に低減することができる。
【００１１】
（３）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、前記運転工程において、空気利用率は、４０％以上である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、空気利用率が４０％以上と比較的高くされるため、空気供給流路を介して空気室に供給される空気の流量が比較的小さくなり、空気極に付着する汚染物質の量が比較的少なくなる。従って、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を極めて効果的に低減することができる。
【００１２】
（４）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、各前記電気化学反応単セルは、平板型の電気化学反応単セルである構成としてもよい。平板型の電気化学反応単セルは、円筒型等の他のタイプと比べて、セル面内の温度差がつきやすい。そのため、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、空気極における第１の部分の温度Ｔ１と第２の部分の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを容易に１３０℃以上とすることができ、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。
【００１３】
（５）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、前記電気化学反応セルスタックは、さらに、複数の前記電気化学反応単セルに対応して設けられた複数のセパレータであって、各前記セパレータには貫通孔が形成され、各前記セパレータは、各前記セパレータにおける前記貫通孔を取り囲む部分である貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの周縁部と接合されることによって、前記空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する、複数のセパレータを備え、各前記セパレータは、前記貫通孔周囲部を含み、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行な第１の平坦部と、前記第２の方向に略平行な第２の平坦部と、前記第１の方向における位置が前記第１の平坦部および前記第２の平坦部とは異なる部分を含み、前記第１の平坦部と前記第２の平坦部とを連結する連結部と、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の運転方法では、セパレータの連結部が第２の方向に容易に伸び縮みするバネのように機能し、セパレータが連結部の位置で第２の方向に変形しやすい。従って、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、空気極における第１の部分の温度Ｔ１と第２の部分の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを１３０℃以上とすることによって各部材の熱膨張差が大きくなっても、セパレータの連結部の存在により、電気化学反応単セルにかかる応力を緩和することができ、電気化学反応単セルにクラックや割れが発生することを抑制することができる。
【００１４】
（６）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、各前記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の方向視での前記空気極の面積は、１３０ｃｍ２以上である構成としてもよい。空気極の面積が１３０ｃｍ２以上と比較的大きいと、セル面内の温度差がつきやすい。そのため、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、空気極における第１の部分の温度Ｔ１と第２の部分の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを容易に１３０℃以上とすることができ、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。
【００１５】
（７）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、各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。本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック全体としての発電性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。
【００１６】
（８）本明細書に開示される電気化学反応システムは、固体酸化物を含む電解質層と、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、をそれぞれ有する複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックであって、各前記電気化学反応単セルの前記空気極に面する空気室に空気を供給する空気供給流路が形成された電気化学反応セルスタックと、各前記電気化学反応単セルにおける電気化学反応を制御する制御部と、を備える電気化学反応システムにおいて、前記制御部は、各前記電気化学反応単セルの前記空気極において、第１の部分の温度Ｔ１と、前記第１の部分より前記空気供給流路における前記空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各前記電気化学反応単セルに電気化学反応を生じさせる、ことを特徴とする。本電気化学反応システムでは、空気極における第１の部分の温度Ｔ１と第２の部分の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上とされる。すなわち、被毒による性能劣化が生じやすい第２の部分は、比較的低温とされ、その結果、電気抵抗が比較的高くなる。そのため、第２の部分において被毒による性能劣化が生じても、電気化学反応単セル（電気化学反応セルスタック全体）の性能への影響は小さい。一方、第１の部分は、比較的高温とされ、その結果、電気抵抗が比較的低くなるが、この第１の部分では被毒による性能劣化が生じにくい。従って、本電気化学反応システムによれば、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。
【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）、電気化学反応セルスタックを備える電気化学反応システム（燃料電池システムまたは電解セルシステム）、それらの運転方法や制御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ＹＺ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ＹＺ断面構成を示す説明図である。
【図６】図４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】セパレータ１２０の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。
【図９】本実施形態における燃料電池システム１０の構成を概略的に示す説明図である。
【図１０】性能評価結果を示す説明図である。
【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ＹＺ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軸に直交する方向を面方向という。面方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。
【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、「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】
燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）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を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。
【００２２】
各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２および図３に示すように、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の上端を構成するエンドプレート１０４の上側表面との間、および、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の下端を構成するエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。ただし、後述のガス通路部材２７が設けられた箇所では、ナット２４とエンドプレート１０６の表面との間に、ガス通路部材２７とガス通路部材２７の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート２６とが介在している。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。
【００２３】
各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。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）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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に供給する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）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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、空気が使用される。また、本実施形態では、酸化剤ガス導入マニホールド１６１への酸化剤ガスＯＧの導入のために、ブロワ（図示せず）が用いられる。また、酸化剤ガスＯＧが酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入される前に、熱交換（例えば、燃料電池スタック１００から排出された酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとを燃焼させたときに発生する熱との熱交換）を利用して、酸化剤ガスＯＧの予加熱が行われるとしてもよい。
【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軸回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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に供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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。
【００２５】
燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部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。また、図２に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成するボルト２２Ａの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を形成するボルト２２Ｂの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。また、図３に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１を形成するボルト２２Ｄの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２を形成するボルト２２Ｅの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。
【００２６】
（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。
【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ＹＺ断面構成を示す説明図である。また、図６は、図４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軸回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。なお、上述したように、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２を備えているため、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）単セル１１０を備えていると言える。
【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、平板型の単セルであり、また、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軸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軸方向視で電解質層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。本実施形態では、Ｚ軸方向視での空気極１１４の面積は、比較的大きく、より具体的には１３０ｃｍ２以上である。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層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。
【００３２】
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貫通孔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。図８は、セパレータ１２０の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。セパレータ１２０における貫通孔１２１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部１２２」という）は、単セル１１０における上下方向の一方側（図面中の上側）の表面の周縁部に対向している。なお、本実施形態では、空気極１１４はＺ軸方向視における大きさが電解質層１１２より小さいため、セパレータ１２０における貫通孔周囲部１２２は、単セル１１０における上側の表面の内、電解質層１１２により構成された表面に対向している。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、単セル１１０（電解質層１１２）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とが区画される。
【００３３】
接合部１２４に対して空気室１６６側には、ガラスを含むガラスシール部１２５が配置されている。ガラスシール部１２５は、セパレータ１２０の貫通孔周囲部１２２の表面と、単セル１１０（本実施形態では単セル１１０を構成する電解質層１１２）の表面との両方に接触するように形成されている。ガラスシール部１２５により、空気室１６６と燃料室１７６との間のガスリーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。
【００３４】
なお、本実施形態では、接合部１２４が、セパレータ１２０と単セル１１０とが対向する領域から空気室１６６側にはみ出すように形成されており、ガラスシール部１２５は、接合部１２４における上記はみ出した箇所に接するように形成されている。すなわち、接合部１２４の一部は、ガラスシール部１２５により覆われている。また、本実施形態では、ガラスシール部１２５が、セパレータ１２０における単セル１１０に対向する側とは反対側（上側）の表面を覆っており、ガラスシール部１２５と接合部１２４とがセパレータ１２０を挟んでＺ軸方向に互いに対向している。
【００３５】
セパレータ１２０は、貫通孔周囲部１２２を含むと共にＺ軸方向（上下方向）に直交する方向（すなわち、面方向）に略平行な第１の平坦部１２６と、第１の平坦部１２６より外周側に位置すると共に面方向に略平行な第２の平坦部１２７とを備える。第１の平坦部１２６と第２の平坦部１２７とのＺ軸方向における位置は、互いに略同一である。
【００３６】
セパレータ１２０は、さらに、第１の平坦部１２６の端部と第２の平坦部１２７の端部とを連結する連結部１２８を備える。本実施形態では、連結部１２８は、第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７の位置から燃料室１７６側（下側）に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、連結部１２８における燃料室１７６側（下側）は凸部となり、連結部１２８における空気室１６６側（上側）は凹部となる。このように、連結部１２８は、Ｚ軸方向における位置が第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７とは異なる部分を含む。なお、連結部１２８は、Ｚ軸方向視で、貫通孔１２１を取り囲むように形成されている。また、セパレータ１２０における連結部１２８は、例えば、プレス加工により形成される。セパレータ１２０の連結部１２８は、上述した構成であるため、面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能する。そのため、本実施形態のセパレータ１２０は、連結部１２８を備えない構成と比較して、連結部１２８の位置で面方向に変形しやすい。
【００３７】
図６に示すように、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。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。
【００３８】
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。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。また、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。このような構成では、酸化剤ガスＯＧは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および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。酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２により構成される流路は、特許請求の範囲における空気供給流路に相当する。
【００３９】
図７に示すように、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。
【００４０】
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、Ｙ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。また、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。
【００４１】
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、空気極側集電体１３４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。また、空気極側集電体１３４は、インターコネクタ１５０と一体の部材として構成されていてもよい。
【００４２】
図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。
【００４３】
（燃料電池システム１０の構成）
本実施形態の燃料電池スタック１００は、燃料電池システム１０を構成している。図９は、本実施形態における燃料電池システム１０の構成を概略的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、上述した燃料電池スタック１００と、制御部２００とを備える。制御部２００は、例えば、ＣＰＵとメモリとを備えるコンピュータにより構成され、以下に説明する燃料電池スタック１００の動作（燃料電池スタック１００における発電反応等）を制御する。
【００４４】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２、図４および図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および本体部２８の孔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、図５および図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および本体部２８の孔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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、図４および図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の孔を経て、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、図５および図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の孔を経て、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。
【００４７】
Ａ−３．燃料電池スタック１００の運転方法：
次に、本実施形態における燃料電池スタック１００の運転方法について説明する。なお、燃料電池スタック１００の運転は、制御部２００によって制御される。以下の説明では、図６に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０の空気極１１４において、酸化剤ガス供給連通流路１３２における空気室１６６との接続箇所Ｐ０から比較的離れている部分を第１の部分Ｐ１とし、第１の部分Ｐ１より該接続箇所Ｐ０に近い部分を第２の部分Ｐ２とする。このとき、制御部２００は、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）との間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が大きくなるように、具体的には温度差ΔＴが１３０℃以上となるように、各単セル１１０における発電反応を生じさせる。換言すれば、本実施形態における燃料電池スタック１００の運転方法は、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが１３０℃以上となるように、各単セル１１０に発電反応を生じさせる運転工程を備える。
【００４８】
上述した燃料電池スタック１００の運転方法（空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが１３０℃以上となるような運転方法）は、例えば、以下の（１）〜（４）の少なくとも１つにより実現可能である。
【００４９】
（１）酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して空気室１６６に供給する酸化剤ガスＯＧ（空気）の流速を速くする。酸化剤ガスＯＧの流速が速いと、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入された酸化剤ガスＯＧが空気極１１４における第２の部分Ｐ２に到達するまでの酸化剤ガスＯＧの温度上昇が小さくなるため、第２の部分Ｐ２に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が低くなり、その結果、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が低くなる。一方、単セル１１０における発電反応は発熱反応であるため、酸化剤ガスＯＧが空気極１１４における第２の部分Ｐ２から第１の部分Ｐ１に移動する間に、酸化剤ガスＯＧの温度は急激に上昇する。そのため、第１の部分Ｐ１に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が高くなり、その結果、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１が高くなる。従って、酸化剤ガスＯＧの流速を速くすると、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが大きくなる。なお、酸化剤ガスＯＧの流速は、ブロワの駆動力を大きくしたり、酸化剤ガス供給連通流路１３２の空気室１６６に面する開口面積を小さくしたりすることにより、速くすることができる。
【００５０】
（２）酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して空気室１６６に供給する酸化剤ガスＯＧ（空気）の流量を大きくする。酸化剤ガスＯＧの流量が大きいと、酸化剤ガスＯＧの熱容量が大きくなり、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入された酸化剤ガスＯＧが空気極１１４における第２の部分Ｐ２に到達するまでの酸化剤ガスＯＧの温度上昇が小さくなるため、第２の部分Ｐ２に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が低くなり、その結果、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が低くなる。一方、単セル１１０における発電反応は発熱反応であるため、酸化剤ガスＯＧが空気極１１４における第２の部分Ｐ２から第１の部分Ｐ１に移動する間に、酸化剤ガスＯＧの温度は急激に上昇する。そのため、第１の部分Ｐ１に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が高くなり、その結果、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１が高くなる。従って、酸化剤ガスＯＧの流量を大きくすると、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが大きくなる。
【００５１】
（３）酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入する酸化剤ガスＯＧの温度を下げる。例えば、酸化剤ガスＯＧを酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入する前に熱交換を利用した酸化剤ガスＯＧの予加熱を行う場合には、熱交換経路を短くしたり熱交換時間を短くしたりすることにより、酸化剤ガスＯＧの温度上昇を抑制する。このようにすると、空気極１１４における第２の部分Ｐ２に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が低くなり、その結果、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が低くなる。一方、単セル１１０における発電反応は発熱反応であるため、酸化剤ガスＯＧが空気極１１４における第２の部分Ｐ２から第１の部分Ｐ１に移動する間に、酸化剤ガスＯＧの温度は急激に上昇する。そのため、第１の部分Ｐ１に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が高くなり、その結果、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１が高くなる。従って、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入する酸化剤ガスＯＧの温度を下げると、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが大きくなる。
【００５２】
（４）発電運転時の電流量を大きくする。単セル１１０における発電に伴う発熱量は、電流の２乗に比例する。そのため、発電運転時の電流量を大きくすると、発熱量は電流量の２乗に比例して大きくなる。ここで、空気極１１４における第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２は、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１より低いため、第２の部分Ｐ２では、第１の部分Ｐ１と比較して、抵抗が高く、電流密度が小さくなる。そのため、発電運転時の電流量を大きくすると、第１の部分Ｐ１での発熱量と第２の部分Ｐ２での発熱量との差が大きくなるため、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが大きくなる。
【００５３】
なお、燃料電池スタック１００の発電運転の際には、空気極１１４における第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下とされることが好ましい。また、燃料電池スタック１００の発電運転の際には、空気利用率が４０％以上とされることが好ましい。
【００５４】
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は、固体酸化物を含む電解質層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、をそれぞれ有する複数の単セル１１０を備える。また、燃料電池スタック１００には、各単セル１１０の空気極１１４に面する空気室１６６に酸化剤ガスＯＧとしての空気を供給する酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２が形成されている。また、本実施形態における燃料電池スタック１００の運転方法は、各単セル１１０の空気極１１４において、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と、第１の部分Ｐ１より酸化剤ガス供給連通流路１３２における空気室１６６との接続箇所Ｐ０に近い第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各単セル１１０に発電反応を生じさせる運転工程を備える。
【００５５】
ここで、燃料電池スタック１００の発電運転の際には、各単セル１１０の空気極１１４に面する空気室１６６に、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して酸化剤ガスＯＧとしての空気が供給される。酸化剤ガスＯＧとしての空気には、種々の汚染物質（例えば、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、クロム（Ｃｒ）、リン（Ｐ））が含まれる。該汚染物質が空気極１１４に付着すると、空気極１１４の性能が低下する（具体的には、空気極１１４の抵抗が増大する）被毒と呼ばれる現象が起こる。空気極１１４において、酸化剤ガス供給連通流路１３２における空気室１６６との接続箇所Ｐ０に近い第２の部分Ｐ２では、接続箇所Ｐ０から離れている第１の部分Ｐ１と比較して、酸化剤ガスＯＧに含まれる汚染物質が付着しやすいため、被毒による性能劣化が生じやすい。
【００５６】
しかしながら、本実施形態における燃料電池スタック１００の運転方法では、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上とされる。すなわち、被毒による性能劣化が生じやすい第２の部分Ｐ２は、比較的低温とされ、その結果、電気抵抗が比較的高くなって電流密度が比較的低くなる。そのため、第２の部分Ｐ２において被毒による性能劣化が生じても、単セル１１０全体（燃料電池スタック１００全体）の性能への影響は小さい。一方、第１の部分Ｐ１は、比較的高温とされ、その結果、電気抵抗が比較的低くなって電流密度が比較的高くなるが、この第１の部分Ｐ１では被毒による性能劣化が生じにくい。従って、本実施形態における燃料電池スタック１００の運転方法によれば、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。
【００５７】
なお、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０は、平板型の単セル１１０である。平板型の単セル１１０は、円筒型等の他のタイプと比べて、セル面内の温度差がつきやすい。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００の運転方法によれば、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを容易に１３０℃以上とすることができ、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。
【００５８】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０の空気極１１４の面積は、１３０ｃｍ２以上である。空気極１１４の面積が１３０ｃｍ２以上と比較的大きいと、セル面内の温度差がつきやすい。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００の運転方法によれば、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを容易に１３０℃以上とすることができ、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。
【００５９】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０のセパレータ１２０は、貫通孔周囲部１２２を含み、Ｚ軸方向に直交する面方向に略平行な第１の平坦部１２６と、面方向に略平行な第２の平坦部１２７と、Ｚ軸方向における位置が第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７とは異なる部分を含み、第１の平坦部１２６と第２の平坦部１２７とを連結する連結部１２８と、を備える。そのため、セパレータ１２０の連結部１２８が面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能し、セパレータ１２０が連結部１２８の位置で面方向に変形しやすい。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００の運転方法によれば、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを１３０℃以上とすることによって各部材の熱膨張差が大きくなっても、セパレータ１２０の連結部１２８の存在により、単セル１１０にかかる応力を緩和することができ、単セル１１０にクラックや割れが発生することを抑制することができる。
【００６０】
また、燃料電池スタック１００の発電運転の際には、空気極１１４における第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下とされることが好ましい。第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下と非常に低くされると、被毒による性能劣化が生じやすい第２の部分Ｐ２の電気抵抗が非常に高くなって電流密度が非常に低くなる。そのため、第２の部分Ｐ２において被毒による性能劣化が生じても、単セル１１０全体（燃料電池スタック１００全体）の性能への影響は非常に小さくなる。従って、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２を６４０℃以下とすれば、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を非常に効果的に低減することができる。
【００６１】
また、燃料電池スタック１００の発電運転の際には、空気利用率が４０％以上とされることが好ましい。空気利用率が４０％以上と比較的高くされると、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して空気室１６６に供給される酸化剤ガスＯＧの流量が比較的小さくなり、空気極１１４に付着する汚染物質の量が比較的少なくなる。従って、空気利用率を４０％以上とすれば、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を極めて効果的に低減することができる。
【００６２】
Ａ−５．性能評価：
上述した燃料電池スタック１００の運転方法について、以下の通り、性能評価を行った。図１０は、性能評価結果を示す説明図である。性能評価では、異なる条件で燃料電池スタック１００を運転したときの、燃料電池スタック１００の初期状態からの性能劣化の程度について評価を行った。
【００６３】
具体的には、図１０に示すように、上述した空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１および第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２を種々変更して（その結果、温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が種々変更された条件で）、燃料電池スタック１００の発電運転を行った。図１０に示すように、サンプル番号が小さいほど、温度差ΔＴが大きくなっている。なお、各サンプルにおける空気利用率は、サンプルＳ１から順に、４０％、４２％、４４％、４６％、４７％、４８％、５０％とした。
【００６４】
サンプル毎に設定された上記条件で、４０００時間の発電運転を行い、初期状態からの抵抗増加量ΔＲ（ただし、１０００時間運転あたり）を測定した。抵抗増加量ΔＲが１０ｍΩｃｍ２以下である場合に合格（〇）と判定し、抵抗増加量ΔＲが１０ｍΩｃｍ２を越える場合に不合格（×）と判定した。
【００６５】
図１０に示すように、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との温度差ΔＴが１３０℃以上であるサンプルＳ１，Ｓ２では、抵抗増加量ΔＲが１０ｍΩｃｍ２以下であったため、合格（〇）と判定された。一方、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との温度差ΔＴが１３０℃未満であるサンプルＳ３〜Ｓ７では、抵抗増加量ΔＲが１０ｍΩｃｍ２を越えたため、不合格（×）と判定された。
【００６６】
このように、本性能評価によれば、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、燃料電池スタック１００の発電運転を行うと、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減できることが確認された。
【００６７】
なお、合格（〇）と判定されたサンプルＳ１，Ｓ２では、空気極１１４における第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下と非常に低くされている。このように、本性能評価によれば、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下となるように、燃料電池スタック１００の発電運転を行うと、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減できることが確認された。
【００６８】
また、合格（〇）と判定されたサンプルＳ１，Ｓ２では、空気利用率が４０％以上と比較的高くされている。このように、本性能評価によれば、空気利用率が４０％以上となるように、燃料電池スタック１００の発電運転を行うと、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減できることが確認された。
【００６９】
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。
【００７０】
上記実施形態における単セル１１０、発電単位１０２、燃料電池スタック１００または燃料電池システム１０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、燃料電池スタック１００がガラスシール部１２５を備えているが、燃料電池スタック１００がガラスシール部１２５を備えないとしてもよい。また、上記実施形態では、セパレータ１２０が、Ｚ軸方向における位置が第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７とは異なる部分を含む連結部１２８を備えているが、セパレータ１２０が連結部１２８を備えないとしてもよい。
【００７１】
また、上記実施形態では、Ｚ軸方向視での空気極１１４の面積が１３０ｃｍ２以上であるとしているが、空気極１１４の面積は任意に変形可能である。
【００７２】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０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。
【００７３】
また、上記実施形態における１００の運転方法は、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、空気極１１４における第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下とされているが、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との温度差ΔＴが１３０℃以上である限りにおいて、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２は任意に変更可能である。また、上記実施形態では、空気利用率が４０％以上とされているが、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との温度差ΔＴが１３０℃以上である限りにおいて、空気利用率は任意に変更可能である。
【００７４】
また、図６に示す空気極１１４における第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２の位置は、あくまで一例であり、第２の部分Ｐ２が第１の部分Ｐ１より空気供給流路（酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２により構成される流路）における空気室１６６との接続箇所Ｐ０に近い限りにおいて、空気極１１４における第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２の位置は任意に変更可能である。
【００７５】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は、平板型の単セル１１０を複数備える構成であるが、本発明は、他のタイプ（例えば円筒型）の単セルを複数備える燃料電池スタックにも同様に適用可能である。
【００７６】
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単セルや、複数の電解単セル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号公報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、上記実施形態に、空気極１１４において、第１の部分の温度Ｔ１と、第１の部分より空気供給流路における空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各電解単セルに電気化学反応を生じさせる運転を行うことにより、運転を長時間行うことに伴う電解セルスタック全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０：燃料電池システム  ２２：ボルト  ２４：ナット  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  １０８：連通孔  １１０：単セル  １１２：電解質層  １１４：空気極  １１６：燃料極  １２０：セパレータ  １２１：貫通孔  １２２：貫通孔周囲部  １２４：接合部  １２５：ガラスシール部  １２６：第１の平坦部  １２７：第２の平坦部  １２８：連結部  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  ２００：制御部  ＦＧ：燃料ガス  ＦＯＧ：燃料オフガス  ＩＰ１：第１の内面  ＩＰ２：第２の内面  ＩＰ３：第３の内面  ＩＰ４：第４の内面  ＯＧ：酸化剤ガス  ＯＯＧ：酸化剤オフガス  Ｐ０：接続箇所  Ｐ１：第１の部分  Ｐ２：第２の部分
【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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