(57)【要約】【課題】空気室側と燃料室側との差圧を原因として単セルが損傷することを抑制する。【解決手段】燃料電池発電単位は、第１の方向視で、該第１の方向に直交する第２の方向に平行な２本の空気極側仮想直線であって、空気極側供給連通流路の空気室への開口の第１の方向と第２の方向との両方に直交する第３の方向の最大幅と同じ距離だけ互いに離間し、かつ、空気室への開口の両端にそれぞれ接する２本の空気極側仮想直線によって区画される空気極側仮想領域と、第２の方向に平行な２本の燃料極側仮想直線であって、燃料極側供給連通流路の燃料室への開口の第３の方向の最大幅と同じ距離だけ互いに離間し、かつ、燃料室への開口の両端にそれぞれ接する２本の燃料極側仮想直線によって区画される燃料極側仮想領域とは、少なくとも一部分が互いに重なっている。【選択図】図８
2019029240.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含む単セルと、
前記空気極に面する空気室を構成すると共に前記第１の方向に直交する第２の方向に互いに対向する第１の内周面および第２の内周面を有する空気室用孔と、前記空気室に供給されるガスが通る空気極側供給ガス流路を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、前記空気室から排出されたガスが通る空気極側排出ガス流路を構成する空気極側排出ガス流路用孔と、前記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第１の内周面に開口する少なくとも１つの空気極側供給連通流路と、前記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第１の内周面とは異なる内周面に開口する少なくとも１つの空気極側排出連通流路と、が形成された空気極側部材と、
前記燃料極に面する燃料室を構成すると共に前記第２の方向に互いに対向し、かつ、前記第１の内周面と同じ側に位置する第３の内周面および前記第２の内周面と同じ側に位置する第４の内周面を有する燃料室用孔と、前記燃料室に供給されるガスが通る燃料極側供給ガス流路を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、前記燃料室から排出されたガスが通る燃料極側排出ガス流路を構成する燃料極側排出ガス流路用孔と、前記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第３の内周面に開口する少なくとも１つの燃料極側供給連通流路と、前記燃料極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第３の内周面とは異なる内周面に開口する少なくとも１つの燃料極側排出連通流路と、が形成された燃料極側部材と、
を備える燃料電池発電単位において、
前記第１の方向視で、
前記第２の方向に平行な２本の空気極側仮想直線であって、前記空気極側供給連通流路の前記空気室への開口の前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向の最大幅と同じ距離だけ互いに離間し、かつ、前記空気室への開口の両端にそれぞれ接する前記２本の空気極側仮想直線によって区画される空気極側仮想領域と、
前記第２の方向に平行な２本の燃料極側仮想直線であって、前記燃料極側供給連通流路の前記燃料室への開口の前記第３の方向の最大幅と同じ距離だけ互いに離間し、かつ、前記燃料室への開口の両端にそれぞれ接する前記２本の燃料極側仮想直線によって区画される燃料極側仮想領域とは、少なくとも一部分が互いに重なっていることを特徴とする、燃料電池発電単位。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電単位において、
前記空気極側供給ガス流路用孔の断面積（Ｍ１）は、前記燃料極側供給ガス流路用孔の断面積（Ｍ２）以上であり、
前記燃料極側供給ガス流路用孔の断面積（Ｍ２）に対する、前記燃料極側供給連通流路の断面積（Ｎ２）の第２の割合（β＝Ｎ２／Ｍ２）は、前記空気極側供給ガス流路用孔の断面積（Ｍ１）に対する前記空気極側供給連通流路の断面積（Ｎ１）の第１の割合（α＝Ｎ１／Ｍ１）より小さいことを特徴とする、燃料電池発電単位。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池発電単位において、
前記空気極側部材には、複数の前記空気極側供給連通流路が形成されており、前記複数の空気極側供給連通流路は、前記空気極への開口の前記第３の方向の最大幅が互いに略同一であり、
前記燃料極側部材には、複数の前記燃料極側供給連通流路が形成されており、前記複数の燃料極側供給連通流路は、前記燃料極への開口の前記第３の方向の最大幅が互いに略同一であり、
前記複数の前記空気極側供給連通流路の少なくとも１つと前記複数の前記燃料極側供給連通流路の少なくとも１つとについて、前記空気極側仮想領域と、前記燃料極側仮想領域とは、少なくとも一部分が互いに重なっていることを特徴とする、燃料電池発電単位。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池発電単位において、
第２の割合（β）は１より小さいことを特徴とする、燃料電池発電単位。
【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燃料電池発電単位において、
前記第１の方向視で、
前記空気極側供給ガス流路用孔と前記燃料極側供給ガス流路用孔とは、前記第３の方向に互いに異なる位置に配置されており、
前記第３の方向において、前記空気極側仮想領域と前記燃料極側仮想領域とが互いに重なっている重複領域の中心位置は、前記空気極側供給ガス流路用孔の中心位置と前記燃料極側供給ガス流路用孔の中心位置との間に位置し、
前記空気極側供給連通流路は、前記第１の内周面に向かうに連れて前記重複領域の中心位置に近づくように傾斜しており、
前記燃料極側供給連通流路は、前記第３の内周面に向かうに連れて前記重複領域の中心位置に近づくように傾斜していることを特徴とする、燃料電池発電単位。
【請求項６】
前記第１の方向に並べて配列された複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタックにおいて、
前記複数の燃料電池発電単位の少なくとも１つは、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池発電単位であることを特徴とする、燃料電池スタック。
【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、燃料電池発電単位に関する。
【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（以下、「第１の方向」という）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、空気極に面する空気室を構成する空気室用孔が形成された空気極側部材（以下、「空気極側フレーム」という）を備える。空気極側フレームには、空気室に供給されるガス（以下、「酸化剤ガス」という）が通る空気極側供給ガス流路（以下、「酸化剤ガス導入マニホールド」という）を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、空気室から排出されたガス（以下、「酸化剤オフガス」という）が通る空気極側排出ガス流路（以下、「酸化剤ガス排出マニホールド」という）を構成する空気極側排出ガス流路用孔とが形成されている。空気極側フレームには、さらに、上記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に空気室用孔の内周面（以下、「第１の内周面」という）に開口する空気極側供給連通流路と、上記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に空気室用孔の上記第１の内周面に対向する他の内周面（以下、「第２の内周面」という）に開口する空気極側排出連通流路とが形成されている。発電単位の空気室には、酸化剤ガス導入マニホールドおよび空気極側供給連通流路を介して酸化剤ガスが供給される。また、空気室から排出された酸化剤オフガスは、空気極側排出連通流路および酸化剤ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。
【０００４】
同様に、発電単位は、燃料極に面する燃料室を構成する燃料室用孔が形成された燃料極側部材（以下、「燃料極側フレーム」という）を備える。燃料極側フレームには、燃料室に供給されるガス（以下、「燃料ガス」という）が通る燃料極側供給ガス流路（以下、「燃料ガス導入マニホールド」という）を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、燃料室から排出されたガス（以下、「燃料オフガス」という）が通る燃料極側排出ガス流路（以下、「燃料ガス排出マニホールド」という）を構成する燃料極側排出ガス流路用孔とが形成されている。燃料極側フレームには、さらに、上記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に燃料室用孔の内周面（以下、「第３の内周面」という）に開口する燃料極側供給連通流路と、上記燃料極側排出ガス流路用孔に連通すると共に燃料室用孔の上記第３の内周面に対向する他の内周面（以下、「第４の内周面」という）に開口する燃料極側排出連通流路とが形成されている。発電単位の燃料室には、燃料ガス導入マニホールドおよび燃料極側供給連通流路を介して燃料ガスが供給される。また、燃料室から排出された燃料オフガスは、燃料極側排出連通流路および燃料ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。
【０００５】
ＳＯＦＣには、空気極側フレームにおける空気極側供給連通流路が開口する第１の内周面と空気極側排出連通流路が開口する第２の内周面との対向方向と、燃料極側フレームにおける燃料極側供給連通流路が開口する第３の内周面と燃料極側排出連通流路が開口する第４の内周面との対向方向とが、略同一方向（以下、「第２の方向」という）である構成のものがある。このような構成のうち、発電単位の空気室におけるガスの主たる流れ方向と燃料室におけるガスの主たる流れ方向とが略同一方向であるものは、コフロータイプと呼ばれる（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１８５９３４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／１１４７０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のコフロータイプのＳＯＦＣでは、第１の方向視で、空気極側供給連通流路の空気室への開口と、燃料極側供給連通流路の燃料室への開口とは、上記第１の方向と第２の方向との両方に直交する第３の方向において互いに離れた位置に形成されている。このため、各ガス室（空気室、燃料室）へのガス（酸化剤ガス、燃料ガス）の供給開始当初において、単セルのうち、空気極側供給連通流路の空気室への開口付近に位置する部分では、空気室側の圧力が燃料室側の圧力に比べて極めて大きくなる一方で、燃料極側供給連通流路の燃料室への開口付近に位置する部分では、燃料室側の圧力が空気室側の圧力に比べて極めて大きくなる。このような空気室側と燃料室側との差圧により単セルが損傷（例えば割れ）するおそれがある。
【０００８】
なお、このような課題は、コフロータイプに限らず、空気極側供給連通流路が空気極側部材における空気室用孔の第１の内周面に開口し、かつ、燃料極側供給連通流路が燃料極側部材における燃料室用孔の上記第１の内周面と同じ側に位置する第３の内周面に開口するタイプのＳＯＦＣにも共通の課題である。
【０００９】
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】
【００１０】
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。
【００１１】
（１）本明細書に開示される燃料電池発電単位は、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含む単セルと、前記空気極に面する空気室を構成すると共に前記第１の方向に直交する第２の方向に互いに対向する第１の内周面および第２の内周面を有する空気室用孔と、前記空気室に供給されるガスが通る空気極側供給ガス流路を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、前記空気室から排出されたガスが通る空気極側排出ガス流路を構成する空気極側排出ガス流路用孔と、前記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第１の内周面に開口する少なくとも１つの空気極側供給連通流路と、前記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第１の内周面とは異なる内周面に開口する少なくとも１つの空気極側排出連通流路と、が形成された空気極側部材と、前記燃料極に面する燃料室を構成すると共に前記第２の方向に互いに対向し、かつ、前記第１の内周面と同じ側に位置する第３の内周面および前記第２の内周面と同じ側に位置する第４の内周面を有する燃料室用孔と、前記燃料室に供給されるガスが通る燃料極側供給ガス流路を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、前記燃料室から排出されたガスが通る燃料極側排出ガス流路を構成する燃料極側排出ガス流路用孔と、前記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第３の内周面に開口する少なくとも１つの燃料極側供給連通流路と、前記燃料極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第３の内周面とは異なる内周面に開口する少なくとも１つの燃料極側排出連通流路と、が形成された燃料極側部材と、を備える燃料電池発電単位において、前記第１の方向視で、前記第２の方向に平行な２本の空気極側仮想直線であって、前記空気極側供給連通流路の前記空気室への開口の前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向の最大幅と同じ距離だけ互いに離間し、かつ、前記空気室への開口の両端にそれぞれ接する前記２本の空気極側仮想直線によって区画される空気極側仮想領域と、前記第２の方向に平行な２本の燃料極側仮想直線であって、前記燃料極側供給連通流路の前記燃料室への開口の前記第３の方向の最大幅と同じ距離だけ互いに離間し、かつ、前記燃料室への開口の両端にそれぞれ接する前記２本の燃料極側仮想直線によって区画される燃料極側仮想領域とは、少なくとも一部分が互いに重なっている。本燃料電池発電単位によれば、第１の方向視で、空気極側供給連通流路の空気室への開口を第２の方向に投影したときに形成される空気極側仮想領域と、燃料極側供給連通流路の燃料室への開口を第２の方向に投影したときに形成される燃料極側仮想領域とは、少なくとも一部分が互いに重なっている。このように、空気極側供給連通流路の空気室への開口と燃料極側供給連通流路の燃料室への開口とが、従来のコフロータイプのＳＯＦＣに比べて近い位置に配置されているため、空気室側と燃料室側との差圧を原因として単セルが損傷することを抑制することができる。
【００１２】
（２）上記燃料電池発電単位において、前記空気極側供給ガス流路用孔の断面積（Ｍ１）は、前記燃料極側供給ガス流路用孔の断面積（Ｍ２）以上であり、前記燃料極側供給ガス流路用孔の断面積（Ｍ２）に対する、前記燃料極側供給連通流路の断面積（Ｎ２）の第２の割合（β＝Ｎ２／Ｍ２）は、前記空気極側供給ガス流路用孔の断面積（Ｍ１）に対する前記空気極側供給連通流路の断面積（Ｎ１）の第１の割合（α＝Ｎ１／Ｍ１）より小さい構成としてもよい。一般に、空気室への酸化剤ガスの供給圧力は、燃料室への燃料ガスの供給圧力より大きい。そこで、本燃料電池発電単位によれば、燃料極側供給ガス流路用孔の断面積（Ｍ２）に対する、燃料極側供給連通流路の断面積（Ｎ２）の割合（β＝Ｎ２／Ｍ２）は、空気極側供給ガス流路用孔の断面積（Ｍ１）に対する空気極側供給連通流路の断面積（Ｎ１）の割合（α＝Ｎ１／Ｍ１）より小さい。これにより、α＝βである構成に比べて、燃料極側供給ガス流路用孔から燃料極側供給連通流路への断面積の絞り率が高いことによって燃料室への燃料ガスの供給圧力が大きくなり、その結果、空気室への酸化剤ガスの供給圧力と燃料室への燃料ガスの供給圧力との差が小さくなるため、空気室側と燃料室側との差圧を原因として単セルが損傷することを効果的に抑制することができる。
【００１３】
（３）上記燃料電池発電単位において、前記空気極側部材には、複数の前記空気極側供給連通流路が形成されており、前記複数の空気極側供給連通流路は、前記空気極への開口の前記第３の方向の最大幅が互いに略同一であり、前記燃料極側部材には、複数の前記燃料極側供給連通流路が形成されており、前記複数の燃料極側供給連通流路は、前記燃料極への開口の前記第３の方向の最大幅が互いに略同一であり、前記複数の前記空気極側供給連通流路の少なくとも１つと前記複数の前記燃料極側供給連通流路の少なくとも１つとについて、前記空気極側仮想領域と、前記燃料極側仮想領域とは、少なくとも一部分が互いに重なっている構成としてもよい。本燃料電池発電単位によれば、空気極側仮想領域と燃料極側仮想領域とが互いに重なる空気極側供給連通流路および燃料極側供給連通流路の近傍において、空気室側と燃料室側との差圧を原因として単セルが損傷することを抑制することができる。
【００１４】
（４）上記燃料電池発電単位において、第２の割合（β）は１より小さい構成としてもよい。本燃料電池発電単位によれば、第２の割合（β）は１より大きい場合に比べて、燃料室への燃料ガスの供給圧力が大きくなり、その結果、空気室への酸化剤ガスの供給圧力と燃料室への燃料ガスの供給圧力との差が小さくなるため、空気室側と燃料室側との差圧を原因として単セルが損傷することを効果的に抑制することができる。
【００１５】
（５）上記燃料電池発電単位において、前記第１の方向視で、前記空気極側供給ガス流路用孔と前記燃料極側供給ガス流路用孔とは、前記第３の方向に互いに異なる位置に配置されており、前記第３の方向において、前記空気極側仮想領域と前記燃料極側仮想領域とが互いに重なっている重複領域の中心位置は、前記空気極側供給ガス流路用孔の中心位置と前記燃料極側供給ガス流路用孔の中心位置との間に位置し、前記空気極側供給連通流路は、前記第１の内周面に向かうに連れて前記重複領域の中心位置に近づくように傾斜しており、前記燃料極側供給連通流路は、前記第３の内周面に向かうに連れて前記重複領域の中心位置に近づくように傾斜している構成としてもよい。本燃料電池発電単位によれば、空気極側供給連通流路と燃料極側供給連通流路とのいずれか一方が第２の方向に平行である場合に比べて、空気極へのガスの供給量または燃料室へのガスの供給量が第３の方向の一方側に偏ることを抑制することができる。
【００１６】
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、燃料電池発電単位（燃料電池発電単位または電解セル単位）、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタック、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】
【００１７】
【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に形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。
【図９】変形例における発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成の一部を示すＸＹ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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、発電単位は、特許請求の範囲における燃料電池発電単位に相当し、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。酸化剤ガス供給マニホールド１６１は、空気極側供給ガス流路に相当し、酸化剤ガス排出マニホールド１６２は、空気極側排出ガス流路する。
【００２３】
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、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、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燃料極側供給ガス流路に相当し、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排出ガス流路に相当する。
【００２４】
（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。
【００２５】
（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。
【００２６】
（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。
【００２７】
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。
【００２８】
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）。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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空気室用孔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。空気極側フレーム１３０は、特許請求の範囲における空気極側部材に相当する。
【００３３】
図４〜図６に示すように、空気極側フレーム１３０の空気室用孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する孔である。空気室用孔１３１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６に示すように、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に連通すると共に空気室用孔１３１の第１の内周面ＩＰ１に開口する空気極側供給連通流路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用孔１３１の第２の内周面ＩＰ２に開口する空気極側排出連通流路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、１本の空気極側供給連通流路１３２と、１本の空気極側排出連通流路１３３とが形成されている。
【００３４】
空気極側フレーム１３０に形成された連通孔１０８の内、酸化剤ガス供給マニホールド１６１を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における空気極側供給ガス流路用孔に相当し、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における空気極側排出ガス流路用孔に相当する。また、第１の内周面ＩＰ１と第２の内周面ＩＰ２との対向方向（Ｘ軸方向）は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。また、上下方向（Ｚ軸方向）と該対向方向との両方に直交する方向（Ｙ軸方向）は、特許請求の範囲における第３の方向に相当し、以下、開口幅方向という。
【００３５】
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燃料室用孔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。燃料極側フレーム１４０は、特許請求の範囲における燃料極側部材に相当する。
【００３６】
図４，図５および図７に示すように、燃料極側フレーム１４０の燃料室用孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する孔である。燃料室用孔１４１は、Ｘ軸方向に互いに対向する第３の内周面ＩＰ３および第４の内周面ＩＰ４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に連通すると共に燃料室用孔１４１の第３の内周面ＩＰ３に開口する燃料極側供給連通流路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用孔１４１の第４の内周面ＩＰ４に開口する燃料極側排出連通流路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本の燃料極側供給連通流路１４２と、１本の燃料極側排出連通流路１４３とが形成されている。
【００３７】
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燃料極側供給ガス流路用孔に相当し、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燃料極側排出ガス流路用孔に相当する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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の空気極側供給連通流路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の燃料極側供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
【００４１】
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。
【００４２】
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、空気極側排出連通流路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、燃料極側排出連通流路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。
【００４３】
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の空気室用孔１３１における空気極側供給連通流路１３２が開口する第１の内周面ＩＰ１と空気極側排出連通流路１３３が開口する第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の燃料室用孔１４１における燃料極側供給連通流路１４２が開口する第３の内周面ＩＰ３と燃料極側排出連通流路１４３が開口する第４の内周面ＩＰ４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軸正方向側からＸ軸負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同一方向となるコフロータイプのＳＯＦＣである。
【００４４】
Ａ−３．発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成： 
次に、発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成について説明する。図８は、発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図８には、説明の便宜上、空気極側フレーム１３０に形成された各連通流路（空気極側供給連通流路１３２および空気極側排出連通流路１３３）に加えて、燃料極側フレーム１４０に形成された各連通流路（燃料極側供給連通流路１４２および燃料極側排出連通流路１４３）も示している。実際の構成では、上述したように、空気極側フレーム１３０には燃料極側供給連通流路１４２および燃料極側排出連通流路１４３は形成されておらず、燃料極側フレーム１４０には空気極側供給連通流路１３２および空気極側排出連通流路１３３は形成されていない。また、図８では、単セル１１０が簡略化して示されており、また、空気極側フレーム１３０に対するハッチングは省略されている。
【００４５】
図８には、Ｚ軸方向視で、２本の空気極側仮想直線Ｌ１１，Ｌ１２が示されている。２本の空気極側仮想直線Ｌ１１，Ｌ１２は、上述の第１の内周面ＩＰ１と第２の内周面ＩＰ２との対向方向（Ｘ軸方向）に平行な直線であり、空気極側供給連通流路１３２における空気室用孔１３１の第１の内周面ＩＰ１への開口（以下、単に「空気極側供給連通流路１３２の開口」という）の両端（２つの端点ＥＰ１１，ＥＰ１２）にそれぞれ接する直線である。２本の空気極側仮想直線Ｌ１１，Ｌ１２は、空気極側供給連通流路１３２の開口の開口幅方向（Ｙ軸方向）の最大幅と同じ距離だけ互いに離間している。空気極側仮想領域Ｅ１は、これらの２本の空気極側仮想直線Ｌ１１，Ｌ１２によって区画された領域である。また、図８には、Ｚ軸方向視で、２本の燃料極側仮想直線Ｌ２１，Ｌ２２が示されている。２本の燃料極側仮想直線Ｌ２１，Ｌ２２は、該対向方向（Ｘ軸方向）に平行な直線であり、燃料極側供給連通流路１４２における燃料室用孔１４１の第３の内周面ＩＰ３への開口（以下、単に「燃料極側供給連通流路１４２の開口」という）の両端（２つの端点ＥＰ２１，ＥＰ２２）にそれぞれ接する直線である。２本の燃料極側仮想直線Ｌ２１，Ｌ２２は、燃料極側供給連通流路１４２の開口の開口幅方向（Ｙ軸方向）の最大幅と同じ距離だけ互いに離間している。燃料極側仮想領域Ｅ２は、これらの２本の燃料極側仮想直線Ｌ２１，Ｌ２２によって区画された領域である。
【００４６】
図８に示すように、Ｚ軸方向視で、空気極側仮想領域Ｅ１と燃料極側仮想領域Ｅ２とは、少なくとも一部分が重なっている。本実施形態では、燃料極側仮想領域Ｅ２の全体が空気極側仮想領域Ｅ１に重なっている。これは、Ｚ軸方向視で、空気極側供給連通流路１３２の開口から供給される酸化剤ガスＯＧの主たる流路と、燃料極側供給連通流路１４２の開口から供給される燃料ガスＦＧの主たる流路とが互いに重なっていることを意味する。なお、Ｚ軸方向視で、空気極側供給連通流路１３２を該空気極側供給連通流路１３２の軸方向に延ばした延長領域と、燃料極側供給連通流路１４２を該燃料極側供給連通流路１４２の軸方向に延ばした延長領域とは、少なくとも一部分が、単セル１１０における第１の内周面ＩＰ１側の周縁部上において互いに重なっていることが好ましい。これにより、特にガスの供給圧力が集中しやすい単セル１１０の部位について、空気室側１６６と燃料室１７６側との差圧による単セル１１０の損傷をより確実に抑制することができる。
【００４７】
また、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス供給マニホールド１６１を構成する連通孔１０８のＺ軸方向に直交するＸＹ断面の面積（以下、単に「酸化剤ガス供給マニホールド１６１の断面積Ｍ１」という）は、燃料ガス供給マニホールド１７１を構成する連通孔１０８のＺ軸方向に直交するＸＹ断面の面積（以下、単に「燃料ガス供給マニホールド１７１の断面積Ｍ２」という）以上である。また、酸化剤ガス供給マニホールド１６１の断面積Ｍ１に対する、空気極側供給連通流路１３２のＺ軸方向に直交するＸＹ断面の面積（以下、単に「空気極側供給連通流路１３２の断面積Ｎ１」という）の割合を、第１の割合α（＝Ｎ１／Ｍ１）とする。また、燃料ガス供給マニホールド１７１の断面積Ｍ２に対する、燃料極側供給連通流路１４２のＺ軸方向に直交するＸＹ断面の面積（以下、単に「燃料極側供給連通流路１４２の断面積Ｎ２」という）の割合を、第２の割合β（＝Ｎ２／Ｍ２）とする。本実施形態の発電単位１０２では、第２の割合βは、第１の割合αより小さい。すなわち、燃料ガス供給マニホールド１７１から燃料極側供給連通流路１４２への燃料ガスＦＧの流量の絞り度合いは、酸化剤ガス供給マニホールド１６１から空気極側供給連通流路１３２への酸化剤ガスＯＧの流量の絞り度合いより高い。また、第２の割合βは、１より小さいことが好ましい。
【００４８】
また、酸化剤ガス供給マニホールド１６１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とは、開口幅方向（Ｙ軸方向）に互いに異なる位置（すなわち、互いに離間した位置）に配置されている。また、酸化剤ガス供給マニホールド１６１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とは、開口幅方向に沿って並ぶように配置されている。また、開口幅方向において、空気極側仮想領域Ｅ１と燃料極側仮想領域Ｅ２とが互いに重なっている重複領域（本実施形態では、燃料極側仮想領域Ｅ２）の中心位置ＭＰ２は、酸化剤ガス供給マニホールド１６１を構成する連通孔１０８の中心位置１６１Ｑと燃料ガス供給マニホールド１７１を構成する連通孔１０８の中心位置１７１Ｑとの間に位置している。
【００４９】
空気極側供給連通流路１３２は、第１の内周面ＩＰ１に向かうに連れて重複領域（燃料極側仮想領域Ｅ２）の中心位置ＭＰ２に近づくように傾斜している。また、燃料極側供給連通流路１４２は、第３の内周面ＩＰ３に向かうに連れて該重複領域の中心位置ＭＰ２に近づくように傾斜している。また、燃料極側供給連通流路１４２の開口の中心位置ＭＰ２は、空気極側供給連通流路１３２の開口の中心位置ＭＰ１より燃料ガス供給マニホールド１７１に近い側に配置されている。これにより、燃料極側供給連通流路１４２の開口の中心位置ＭＰ２が空気極側供給連通流路１３２の開口の中心位置ＭＰ１より燃料ガス供給マニホールド１７１から遠い側に配置された構成に比べて、燃料極側供給連通流路１４２が長くなることによる燃料ガスＦＧの圧損を抑制することができる。なお、空気極側排出連通流路１３３および燃料極側排出連通流路１４３の構成と、上述の空気極側供給連通流路１３２および燃料極側供給連通流路１４２の構成とは、単セル１１０の中心位置を中心とした点対称の関係である。このため、空気極側排出連通流路１３３および燃料極側排出連通流路１４３の構成についての説明は省略する。
【００５０】
Ａ−４．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の発電単位１０２によれば、Ｚ軸方向視で、空気極側供給連通流路１３２の開口を上記対向方向（Ｘ軸方向）に投影したときに形成される空気極側仮想領域Ｅ１と、燃料極側供給連通流路１４２の開口を該対向方向に投影したときに形成される燃料極側仮想領域Ｅ２とは、少なくとも一部分が互いに重なっている。このように、空気極側供給連通流路１３２の開口と燃料極側供給連通流路１４２の開口とが、従来のコフロータイプのＳＯＦＣに比べて、開口幅方向（Ｙ軸方向）において互いに近い位置に配置されているため、空気室１６６側と燃料室１７６側との差圧を原因として単セル１１０が損傷することを抑制することができる。すなわち、上述したように、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で、空気極側供給連通流路１３２の開口から供給される酸化剤ガスＯＧの主たる流路と、燃料極側供給連通流路１４２の開口から供給される燃料ガスＦＧの主たる流路とが互いに重なっている。従って、各ガス室（空気室１６６、燃料室１７６）へのガス（酸化剤ガスＯＧ、燃料ガスＦＧ）の供給開始当初において、単セル１１０のうち、空気極側供給連通流路１３２の開口付近に位置する部分では、酸化剤ガスＯＧの供給圧力によって空気室１６６側から相対的に高い圧力を受けるとともに、燃料ガスＦＧの供給圧力によって燃料室１７６側からも相対的に高い圧力を受ける。このため、空気室１６６側と燃料室１７６側との差圧が抑制される。同様に、燃料極側供給連通流路１４２の開口付近に位置する部分でも、燃料ガスＦＧの供給圧力によって燃料室１７６側から相対的に高い圧力を受けるとともに、酸化剤ガスＯＧの供給圧力によって空気室１６６側からも相対的に高い圧力を受ける。このため、燃料室１７６側と空気室１６６側との差圧が抑制される。これにより、空気室側１６６と燃料室１７６側との差圧により単セル１１０が損傷（例えば割れ）することが抑制される。
【００５１】
また、一般的に、空気室１６６への酸化剤ガスＯＧの供給圧力は、燃料室１７６への燃料ガスＦＧの供給圧力より大きい。そこで、本実施形態の発電単位１０２では、第２の割合βは、第１の割合αより小さい。すなわち、燃料ガス供給マニホールド１７１から燃料極側供給連通流路１４２への燃料ガスＦＧの流量の絞り度合いは、酸化剤ガス供給マニホールド１６１から空気極側供給連通流路１３２への酸化剤ガスＯＧの流量の絞り度合いより高い。これにより、第２の割合βが第１の割合αと同じである構成に比べて、燃料ガス供給マニホールド１７１から燃料極側供給連通流路１４２への断面積の絞り率（燃料ガスＦＧの流量の絞り度合い）が高いことによって燃料室１７６への燃料ガスＦＧの供給圧力が大きくなり、その結果、空気室１６６への酸化剤ガスＯＧの供給圧力と燃料室１７６への燃料ガスの供給圧力との差が小さくなるため、空気室１６６側と燃料室１７６側との差圧を原因として単セル１１０が損傷することを効果的に抑制することができる。
【００５２】
ここで、次の２つの発電単位１０２のサンプルについてシミュレーションを行った。
＜サンプル１＞：
酸化剤ガス供給マニホールド１６１の断面積Ｍ１＝約３５０（ｍｍ２）
空気極側供給連通流路１３２の断面積Ｎ１＝約３５０（ｍｍ２）
第１の割合α＝１．０２６
燃料ガス供給マニホールド１７１の断面積Ｍ２＝約６０（ｍｍ２）
燃料極側供給連通流路１４２の断面積Ｎ２＝約２０（ｍｍ２）
第２の割合β＝０．３６３
＜サンプル２＞：
酸化剤ガス供給マニホールド１６１の断面積Ｍ１＝約２６０（ｍｍ２）
空気極側供給連通流路１３２の断面積Ｎ１＝約２９０（ｍｍ２）
サンプル１に比べて、空気極側供給連通流路１３２の長手方向の長さは同じであり、空気極側供給連通流路１３２の流路幅が短い。
第１の割合α＝１．１２
燃料ガス供給マニホールド１７１の断面積Ｍ２＝約６０（ｍｍ２）
燃料極側供給連通流路１４２の断面積Ｎ２＝約２０（ｍｍ２）
第２の割合β＝０．３６３
このようなサンプル１，２について、空気室１６６側と燃料室１７６側との差圧に関するシミュレーションを行ったところ、第２の割合βは、第１の割合αより小さい方が、空気室１６６側と燃料室１７６側との差圧が低減することが分かった。なお、第１の割合αは、第２の割合βの２倍以上、第２の割合βの５倍以下の値が好ましい。
【００５３】
また、本実施形態では、第２の割合βは１より小さいことが好ましい。これにより、第２の割合βは１より大きい場合に比べて、燃料室１７６への燃料ガスＦＧの供給圧力が大きくなり、その結果、空気室１６６への酸化剤ガスＯＧの供給圧力と燃料室１７６への燃料ガスＦＧの供給圧力との差が小さくなるため、空気室１６６側と燃料室１７６側との差圧を原因として単セル１１０が損傷することを効果的に抑制することができる。
【００５４】
また、本実施形態では、空気極側供給連通流路１３２は、第１の内周面ＩＰ１に向かうに連れて重複領域（燃料極側仮想領域Ｅ２）の中心位置ＭＰ２に近づくように傾斜している。また、燃料極側供給連通流路１４２は、第３の内周面ＩＰ３に向かうに連れて該重複領域の中心位置ＭＰ２に近づくように傾斜している。これにより、空気極側供給連通流路１３２と燃料極側供給連通流路１４２とのいずれか一方が上記対向方向（Ｘ軸方向）に平行である場合に比べて、空気室１６６への酸化剤ガスＯＧの供給量または燃料室１７６への燃料ガスＦＧの供給量が開口幅方向（Ｙ軸方向）の一方側に偏ることを抑制することができる。
【００５５】
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。
【００５６】
上記実施形態では、Ｚ軸方向視で、燃料極側仮想領域Ｅ２の全体が空気極側仮想領域Ｅ１に重なっているが、これに限らず、空気極側仮想領域Ｅ１と燃料極側仮想領域Ｅ２とは、少なくとも一部分が重なっていればよい。
【００５７】
上記実施形態において、空気極側供給連通流路１３２の開口（第１の内周面ＩＰ１）と燃料極側供給連通流路１４２の開口（第３の内周面ＩＰ３）とが、上記対向方向（Ｘ軸方向）において互いに異なる位置に配置されていてもよい。また、上記実施形態では、空気極側供給連通流路１３２の開口の断面積は、燃料極側供給連通流路１４２の開口の断面積より大きいとしたが、これに限らず、空気極側供給連通流路１３２の開口の断面積は、燃料極側供給連通流路１４２の開口の断面積以下であるとしてもよい。
【００５８】
上記実施形態において、燃料極側供給連通流路１４２の開口の中心位置ＭＰ２は、空気極側供給連通流路１３２の開口の中心位置ＭＰ１と略同じ位置、あるいは、空気極側供給連通流路１３２の開口の中心位置ＭＰ１より燃料ガス供給マニホールド１７１から遠い側に配置されているとしてもよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、燃料極側供給連通流路１４２の流路幅は、空気極側供給連通流路１３２の流路幅より狭いとしたが、燃料極側供給連通流路１４２の流路幅は、空気極側供給連通流路１３２の流路幅と略同じ、あるいは、空気極側供給連通流路１３２の流路幅より広いとしてもよい。また、上記実施形態では、燃料極側供給連通流路１４２の流路長は、空気極側供給連通流路１３２の流路長より長いとしたが、燃料極側供給連通流路１４２の流路長は、空気極側供給連通流路１３２の流路長と略同じ、あるいは、空気極側供給連通流路１３２の流路長より短いとしてもよい。また、上記実施形態において、空気極側供給連通流路１３２と燃料極側供給連通流路１４２とのいずれか一方が上記対向方向（Ｘ軸方向）に平行であるとしてもよい。
【００６０】
図９は、変形例における発電単位１０２Ａに形成された各流路の詳細構成の一部を示すＸＹ断面図である。図９に示すように、変形例における発電単位１０２Ａでは、空気極側フレーム１３０Ａに、複数本（図９では３本）の空気極側供給連通流路１３２Ａが形成されている。複数本の空気極側供給連通流路１３２Ａは、流路幅が互いに略同じである。また、燃料極側フレーム（図示せず）に、複数本（図９では３本）の燃料極側供給連通流路１４２Ａが形成されている。複数本の燃料極側供給連通流路１４２Ａは、流路幅が互いに略同じである。また、空気極側供給連通流路１３２Ａの本数と燃料極側供給連通流路１４２Ａの本数とは同数である。このような構成においても、複数本の空気極側供給連通流路１３２Ａの少なくとも１本と複数本の燃料極側供給連通流路１４２Ａの少なくとも１本とについて、空気極側仮想領域と、前記燃料極側仮想領域とは、少なくとも一部分が互いに重なっていればよい。図９において、空気極側仮想領域Ｅ１Ａは、３本の空気極側供給連通流路１３２Ａのうち、燃料ガス供給マニホールド１７１Ａに最も近い１本の空気極側供給連通流路１３２Ａについて、２本の空気極側仮想直線Ｌ１１Ａ，Ｌ１２Ａによって区画された領域である。また、燃料極側仮想領域Ｅ２Ａは、３本の燃料極側供給連通流路１４２Ａのうち、酸化剤ガス供給マニホールド１６１Ａに最も近い１本の燃料極側供給連通流路１４２Ａについて、２本の燃料極側仮想直線Ｌ２１Ａ，Ｌ２２Ａによって区画された領域である。燃料極側仮想領域Ｅ２Ａの全体が、空気極側仮想領域Ｅ１Ａに重なっている。これにより、少なくとも、空気極側仮想領域Ｅ１Ａと燃料極側仮想領域Ｅ２Ａとが互いに重なる空気極側供給連通流路１３２Ａの開口および燃料極側供給連通流路１４２Ａの開口の近傍において、空気室１６６側と燃料室１７６側との差圧を原因として単セル１１０が損傷することを抑制することができる。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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、図８に示す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、図８に示す構成が採用されていれば、該発電単位１０２について、本発明の効果を得ることができる。
【００６４】
また、上記実施形態では、燃料電池発電単位として、コフロータイプの単セル１１０を例示したが、これに限定されず、空気極側供給連通流路が空気極側部材における空気室用孔の第１の内周面に開口し、かつ、燃料極側供給連通流路が燃料極側部材における燃料室用孔の上記第１の内周面と同じ側に位置する第３の内周面に開口するタイプであれば本発明を適用可能である。例えば、上記実施形態において、空気極側排出連通流路１３３は、第１の内周面ＩＰ１および第２の内周面ＩＰ２とは異なる内周面（空気極側フレーム１３０の空気室用孔１３１におけるＹ軸方向に互いに対向する一対の内周面の少なくとも一方）に開口しているとしてもよい。この場合、酸化剤ガス排出マニホールド１６２は、空気極側排出連通流路１３３が開口する内周面の近傍に位置していることが好ましい。また、上記実施形態において、燃料極側排出連通流路１４３は、第３の内周面ＩＰ３および第４の内周面ＩＰ４とは異なる内周面（燃料極側フレーム１４０の燃料室用孔１４１におけるＹ軸方向に互いに対向する一対の内周面の少なくとも一方）に開口しているとしてもよい。この場合、燃料ガス排出マニホールド１７２は、燃料極側排出連通流路１４３が開口する内周面の近傍に位置していることが好ましい。また、上下方向視で、燃料極側排出連通流路１４３が開口する内周面は、空気極側排出連通流路１３３が開口している内周面と同じ側に位置しているとしてもよいし、異なる側に位置しているとしてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
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  １０２，１０２Ａ：発電単位  １０４，１０６：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  １３０，１３０Ａ：空気極側フレーム  １３１：空気室用孔  １３２，１３２Ａ：空気極側供給連通流路  １３３：空気極側排出連通流路  １３４：空気極側集電体  １３５：集電体要素  １４０：燃料極側フレーム  １４１：燃料室用孔  １４２，１４２Ａ：燃料極側供給連通流路  １４３：燃料極側排出連通流路  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  １６１，１６１Ａ：酸化剤ガス供給マニホールド  １６１Ｑ：中心位置  １６２：酸化剤ガス排出マニホールド  １６６：空気室  １７１，１７１Ａ：燃料ガス供給マニホールド  １７１Ｑ：中心位置  １７２：燃料ガス排出マニホールド  １７６：燃料室  Ｅ１，Ｅ１Ａ：空気極側仮想領域  Ｅ２，Ｅ２Ａ：燃料極側仮想領域  ＥＰ１１，ＥＰ１２：端点  ＥＰ２１，ＥＰ２２：端点  ＦＧ：燃料ガス  ＦＯＧ：燃料オフガス  ＩＰ１：第１の内周面  ＩＰ２：第２の内周面  ＩＰ３：第３の内周面  ＩＰ４：第４の内周面  Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１１Ａ，Ｌ１２Ａ：空気極側仮想直線  Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２１Ａ，Ｌ２２Ａ：燃料極側仮想直線  Ｍ１：空気極側供給ガス流路用孔の断面積  Ｍ２：燃料極側供給ガス流路用孔の断面積  ＭＰ１：空気極側供給連通流路１３２の開口の中心位置  ＭＰ２：燃料極側供給連通流路１４２の開口の中心位置  Ｎ１：空気極側供給連通流路１３２の断面積  Ｎ２：燃料極側供給連通流路１４２の断面積  ＯＧ：酸化剤ガス  ＯＯＧ：酸化剤オフガス
【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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