特許 6407069 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6407069

(24)【登録日】2018年9月28日

(45)【発行日】2018年10月17日

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20181004BHJP

   H01M 8/2432 20160101ALI20181004BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20181004BHJP

   H01M 8/0265 20160101ALI20181004BHJP

   H01M 8/026 20160101ALI20181004BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20181004BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/2465

   H01M8/2432

   H01M8/0273

   H01M8/0265

   H01M8/026

   !H01M8/12 101

   !H01M8/12 102A

【請求項の数】4

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2015-49176(P2015-49176)

(22)【出願日】2015年3月12日

(65)【公開番号】特開2016-170939(P2016-170939A)

(43)【公開日】2016年9月23日

【審査請求日】2017年10月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001911

【氏名又は名称】特許業務法人アルファ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松野 敏博

(72)【発明者】

【氏名】大川 貴志

(72)【発明者】

【氏名】上松 秀樹

【審査官】 前田 寛之

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／２０８７３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−８４６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２２１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１８２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２８０６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２５１９１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０１９３８２５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４６５

Ｈ０１Ｍ ８／０２６

Ｈ０１Ｍ ８／０２６５

Ｈ０１Ｍ ８／０２７３

Ｈ０１Ｍ ８／２４３２

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記第１の方向に延びる複数のボルトとを備え、各前記ボルトで締結され、前記複数の発電単位にわたって延びる複数のガス流路が形成された燃料電池スタックにおいて、
各前記発電単位は、
電解質層と前記電解質層を挟んで前記第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単セルと、
前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する第１の貫通孔と、前記ガス流路を構成する第２の貫通孔と、前記燃料室と前記空気室との前記一方と前記ガス流路とを連通する少なくとも１つの連通流路と、が形成されたフレーム部材と、を備え、
１つまたは複数の前記発電単位である基準発電単位が備える前記フレーム部材の熱膨張係数は、前記燃料電池スタックの定格運転時の温度が前記基準発電単位と比べて低い１つまたは複数の前記発電単位である低温部発電単位が備える前記フレーム部材の熱膨張係数より小さいことを特徴とする、燃料電池スタック。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
常温時における前記連通流路のガス流れ方向に直交する断面の断面積について、前記基準発電単位における各前記連通流路の特定の位置における断面積は、前記低温部発電単位における対応する各前記連通流路の前記特定の位置に対応する位置における断面積より小さいことを特徴とする、燃料電池スタック。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
常温時における前記連通流路のガス流れ方向に沿った長さについて、前記基準発電単位における各前記連通流路の長さは、前記低温部発電単位における対応する各前記連通流路の長さより長いことを特徴とする、燃料電池スタック。

【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燃料電池スタックにおいて、
前記連通流路の特定の位置におけるガス流れ方向に直交する断面の断面積に対する前記連通流路のガス流れ方向に沿った長さの比を断面積長さ比とし、前記基準発電単位の各前記連通流路の前記断面積長さ比と前記低温部発電単位における対応する各前記連通流路の前記断面積長さ比との差の絶対値について、定格運転時における前記差の絶対値は、常温時における前記差の絶対値より小さいことを特徴とする、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、燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）は、一般に、所定の方向（以下、「配列方向」ともいう）に並べて配置された複数の発電単位を備える燃料電池スタックの形態で利用される。発電単位は、発電の最小単位であり、電解質層と、電解質層を挟んで上記配列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を備えている。

【0003】

燃料電池スタックは、複数のボルトにより締結されている。また、燃料電池スタックには、複数の発電単位にわたって延びる複数のガス流路（「マニホールド」とも呼ばれる）が形成されている。具体的には、燃料電池スタックには、燃料ガス供給用のガス流路や燃料ガス排出用のガス流路、酸化剤ガス供給用のガス流路、酸化剤ガス排出用のガス流路が形成されている。

【0004】

ここで、各発電単位における燃料極側の構成に注目すると、各発電単位は、燃料極に面する燃料室を構成する第１の貫通孔が形成されたフレーム部材を備える。また、このフレーム部材には、上述した燃料ガス供給用のガス流路の一部を構成する第２の貫通孔と、燃料室と燃料ガス供給用のガス流路とを連通する連通流路とが形成されている。燃料ガスは、燃料ガス供給用のガス流路から、各発電単位のフレーム部材により形成された連通流路を通って燃料室に供給され、各発電単位における発電に利用される（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４−１４９９３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

燃料電池スタックの定格運転時には、各発電単位の温度が上昇し、各発電単位に含まれるフレーム部材が熱膨張する。燃料電池スタックは複数のボルトで締結されているため、フレーム部材の燃料電池スタック外周方向への膨張が規制されている。そのため、フレーム部材は、フレーム部材に形成された上述の第１の貫通孔や連通流路が縮小するように内側に熱膨張する。フレーム部材に形成された第１の貫通孔が縮小して燃料室の外周の位置が燃料ガス供給用のガス流路から遠ざかると、連通流路のガス流れ方向に沿った長さは長くなる。また、フレーム部材に形成された連通流路が縮小すると、連通流路のガス流れ方向に直交する断面の断面積は小さくなる。連通流路の長さが長くなったり断面積が小さくなったりすると、連通流路の圧損は増加する。

【0007】

燃料電池スタックの定格運転時における各発電単位の温度は互いに異なり得る。例えば、燃料電池スタックの配列方向中央付近に位置する発電単位は、燃料電池スタックの配列方向両端付近に位置する発電単位と比較して、定格運転時の温度が高くなりやすい。燃料電池スタックの定格運転時において、発電単位間に温度差が生ずると、発電単位間でフレーム部材の熱膨張量に差が生じ、連通流路の断面積や長さに差が生ずる。発電単位間で連通流路の断面積や長さに差が生ずると、連通流路の圧損に差が生じ、各発電単位の燃料室に供給される燃料ガスの流量に差が生ずる。その結果、燃料電池スタックの発電性能が低下するおそれがある。

【0008】

なお、定格運転時において各発電単位の連通流路の圧損に差が生ずるという問題は、燃料ガス供給側の連通流路に限らず、酸化剤ガス供給側の連通流路にも共通の問題である。また、このような問題は、ＳＯＦＣに限らず、他のタイプの燃料電池にも共通の問題である。

【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スタックは、第１の方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記第１の方向に延びる複数のボルトとを備え、各前記ボルトで締結され、前記複数の発電単位にわたって延びる複数のガス流路が形成された燃料電池スタックにおいて、各前記発電単位は、電解質層と前記電解質層を挟んで前記第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単セルと、前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との一方を構成する第１の貫通孔と、前記ガス流路を構成する第２の貫通孔と、前記燃料室と前記空気室との前記一方と前記ガス流路とを連通する少なくとも１つの連通流路と、が形成されたフレーム部材と、を備え、１つまたは複数の前記発電単位である基準発電単位が備える前記フレーム部材の熱膨張係数は、前記燃料電池スタックの定格運転時の温度が前記基準発電単位と比べて低い１つまたは複数の前記発電単位である低温部発電単位が備える前記フレーム部材の熱膨張係数より小さいことを特徴とする。本燃料電池スタックによれば、基準発電単位と低温部発電単位との間で、定格運転時におけるフレーム部材の熱膨張量の差を低減することができるため、定格運転時における連通流路の断面積や長さの差を低減することができ、連通流路の断面積や長さの差に起因する基準発電単位と低温部発電単位との間のガス流量の差を低減することができ、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。

【0012】

（２）上記燃料電池スタックにおいて、常温時における前記連通流路のガス流れ方向に直交する断面の断面積について、前記基準発電単位における各前記連通流路の特定の位置における断面積は、前記低温部発電単位における対応する各前記連通流路の前記特定の位置に対応する位置における断面積より小さい構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、定格運転時において、基準発電単位における連通流路の断面積を低温部発電単位における連通流路の断面積に近づけることができるため、連通流路の断面積の差に起因する基準発電単位と低温部発電単位との間のガス流量の差を低減することができ、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。

【0013】

（３）上記燃料電池スタックにおいて、常温時における前記連通流路のガス流れ方向に沿った長さについて、前記基準発電単位における各前記連通流路の長さは、前記低温部発電単位における対応する各前記連通流路の長さより長い構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、定格運転時において、基準発電単位における連通流路の長さを低温部発電単位における連通流路の長さに近づけることができるため、連通流路の長さの差に起因する基準発電単位と低温部発電単位との間のガス流量の差を低減することができ、燃料電池スタックの発電性能の低下を抑制することができる。

【0014】

（４）上記燃料電池スタックにおいて、前記連通流路の特定の位置におけるガス流れ方向に直交する断面の断面積に対する前記連通流路のガス流れ方向に沿った長さの比を断面積長さ比とし、前記基準発電単位の各前記連通流路の前記断面積長さ比と前記低温部発電単位における対応する各前記連通流路の前記断面積長さ比との差の絶対値について、定格運転時における前記差の絶対値は、常温時における前記差の絶対値より小さいことを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、連通流路の圧損の大きさに相関する指標である連通流路の断面積長さ比に関し、基準発電単位の各連通流路の断面積長さ比と低温部発電単位における対応する各連通流路の断面積長さ比との差の絶対値について、定格運転時における差の絶対値を常温時における差の絶対値より小さくすることができるため、連通流路の圧損の差に起因する基準発電単位と低温部発電単位との間のガス流量の差を低減することができ、燃料電池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、燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム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】第１実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。

【図2】第１実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。

【図3】第１実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。

【図4】第１実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。

【図5】第１実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。

【図6】第１実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。

【図7】発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。

【図8】発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。

【図9】発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。

【図10】発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。

【図11】熱交換部１０３の上側の平面構成を概略的に示す説明図である。

【図12】燃料電池スタック１００の定格運転時における温度分布の一例を示す説明図である。

【図13】各発電単位１０２における燃料極側フレーム１４０の構成を示す説明図である。

【図14】各発電単位１０２における燃料極側フレーム１４０の構成を示す説明図である。

【図15】第２実施形態における燃料電池スタック１００ａの構成を概略的に示す説明図である。

【図16】第２実施形態における燃料電池スタック１００ａの構成を概略的に示す説明図である。

【図17】第２実施形態の燃料電池スタック１００ａの定格運転時における温度分布の一例を示す説明図である。

【図18】第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂの定格運転時における温度分布の一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１から図６は、第１実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。図１には、燃料電池スタック１００の外観構成が示されており、図２には、燃料電池スタック１００の上側の平面構成が示されており、図３には、燃料電池スタック１００の下側の平面構成が示されており、図４には、図１から図３のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図５には、図１から図３のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図６には、図１から図３のＶＩ−ＶＩの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されている。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７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６つの）発電単位１０２と、熱交換部１０３と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。６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。ただし、６つの発電単位１０２の内、３つの発電単位１０２は互いに隣接するように配置され、残りの３つの発電単位１０２も互いに隣接するように配置され、上記３つの発電単位１０２と上記残りの３つの発電単位１０２との間に熱交換部１０３が配置されている。すなわち、熱交換部１０３は、６つの発電単位１０２と熱交換部１０３とから構成される集合体における上下方向の中央付近に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、６つの発電単位１０２と熱交換部１０３と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）は第１の方向に相当する。

【0019】

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、熱交換部１０３、エンドプレート１０４，１０６）のＺ方向回りの周縁部には、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。

【0020】

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、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４から図６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。

【0021】

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２から図４に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの頂点（Ｙ軸負方向側およびＸ軸負方向側の頂点）付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）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、燃料電池スタック１００のＺ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）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｃ）により形成された空間は、熱交換部１０３から排出された酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に向けて運ぶガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド１６３として機能する。また、図２、図３および図５に示すように、燃料電池スタック１００のＺ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軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）により形成された空間は、各発電単位１０２から排出された未反応の酸化剤ガスＯＧ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。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。

【0022】

また、図２、図３および図６に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向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）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）により形成された空間は、各発電単位１０２から排出された未反応の燃料ガスＦＧ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。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。

【0023】

図４から図６に示すように、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４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に連通している。また、図５に示すように、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６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。

【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、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と熱交換部１０３と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。

【0025】

（発電単位１０２の構成）
図７から図１０は、発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。図７には、図５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の断面構成が示されており、図８には、図６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の断面構成が示されており、図９には、図７のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２の断面構成が示されており、図１０には、図７のＸ−Ｘの位置における発電単位１０２の断面構成が示されている。

【0026】

図７および図８に示すように、発電の最小単位である発電単位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方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

【0027】

インターコネクタ１５０は、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４から図６参照）。

【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、矩形の平板形状部材であり、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。空気極１１４は、矩形の平板形状部材であり、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、矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等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。

【0030】

セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔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。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０をセパレータ付き単セルという。

【0031】

空気極側フレーム１３０は、図７から図９に示すように、中央付近に上下方向に貫通する矩形の貫通孔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の貫通孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。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】

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１６３を構成する貫通孔からＹ軸正方向およびＹ軸負方向に延びる第１酸化剤ガス供給連通孔１９１と、第１酸化剤ガス供給連通孔１９１と貫通孔１３１とを連通させるようにＸ軸方向に延びる複数の第２酸化剤ガス供給連通孔１９２とが形成されている。第１酸化剤ガス供給連通孔１９１と第２酸化剤ガス供給連通孔１９２とにより、酸化剤ガス供給マニホールド１６３と空気室１６６とを連通する複数の連通流路が形成される。同様に、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する貫通孔からＹ軸正方向およびＹ軸負方向に延びる第１酸化剤ガス排出連通孔１９３と、１９３と貫通孔１３１とを連通させるようにＸ軸方向に延びる複数の第２酸化剤ガス排出連通孔１９４とが形成されている。第１酸化剤ガス排出連通孔１９３と第２酸化剤ガス排出連通孔１９４とにより、酸化剤ガス排出マニホールド１６２と空気室１６６とを連通する複数の連通流路が形成される。

【0033】

燃料極側フレーム１４０は、図７、図８および図１０に示すように、中央付近に上下方向に貫通する矩形の貫通孔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。なお、本実施形態では、燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０とインターコネクタ１５０とに溶接されている。燃料極側フレーム１４０の貫通孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。

【0034】

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を構成する貫通孔からＸ軸正方向およびＸ軸負方向に延びる第１燃料ガス供給連通孔１９５と、第１燃料ガス供給連通孔１９５と貫通孔１４１とを連通させるようにＹ軸方向に延びる複数の第２燃料ガス供給連通孔１９６とが形成されている。第１燃料ガス供給連通孔１９５と各第２燃料ガス供給連通孔１９６とにより、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する複数の連通流路が形成される。同様に、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する貫通孔からＸ軸正方向およびＸ軸負方向に延びる第１燃料ガス排出連通孔１９７と、第１燃料ガス排出連通孔１９７と貫通孔１４１とを連通させるようにＹ軸方向に延びる複数の第２燃料ガス排出連通孔１９８とが形成されている。第１燃料ガス排出連通孔１９７と各第２燃料ガス排出連通孔１９８とにより、燃料ガス排出マニホールド１７２と燃料室１７６とを連通する複数の連通流路が形成される。

【0035】

空気極側集電体１３４は、図７から図９に示すように、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材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することにより、空気極１１４とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として形成されていてもよい。

【0036】

燃料極側集電体１４４は、図７、図８および図１０に示すように、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、複数の電極対向部１４５と、各電極対向部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。具体的には、燃料極側集電体１４４は、図１０における部分拡大図に示すように、矩形の平板形状部材に切り込みを入れ、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あき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１０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、複数の矩形部分の一部の曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。各電極対向部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、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する。そのため、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０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との電気的接続が良好に維持される。

【0037】

（熱交換部１０３の構成）
図１１は、熱交換部１０３の上側の平面構成を概略的に示す説明図である。図４から図６および図１１に示すように、熱交換部１０３は、矩形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。上述したように、熱交換部１０３のＺ方向回りの周縁部には、ボルト２２が挿入される連通孔１０８を構成する８つの孔が形成されている。また、熱交換部１０３の中央付近には、上下方向に貫通する孔１８２が形成されている。さらに、熱交換部１０３には、中央の孔１８２と酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成する連通孔１０８とを連通する連通孔１８４と、中央の孔１８２と酸化剤ガス供給マニホールド１６３を形成する連通孔１０８とを連通する連通孔１８６とが形成されている。熱交換部１０３は、熱交換部１０３の上側に隣接する発電単位１０２に含まれる下側のインターコネクタ１５０と、熱交換部１０３の下側に隣接する発電単位１０２に含まれる上側のインターコネクタ１５０とに挟持されている。これらのインターコネクタ１５０間において、孔１８２と連通孔１８４と連通孔１８６とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスＯＧを流す熱交換流路１８８として機能する。

【0038】

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図４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に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給された酸化剤ガスＯＧは、図４および図１１に示すように、熱交換部１０３内に形成された熱交換流路１８８内に流入し、熱交換流路１８８を通って酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出される。なお、酸化剤ガス導入マニホールド１６１は、各発電単位１０２の空気室１６６には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給されることはない。酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出された酸化剤ガスＯＧは、図４、図５、図７および図９に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６３から各発電単位１０２の第１酸化剤ガス供給連通孔１９１および第２酸化剤ガス供給連通孔１９２を介して、空気室１６６に供給される。

【0039】

また、図６、図８および図１０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の第１燃料ガス供給連通孔１９５および第２燃料ガス供給連通孔１９６を介して、燃料室１７６に供給される。

【0040】

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および燃料ガスＦＧ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、熱交換部１０３を介しているものの、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。

【0041】

各発電単位１０２において発電反応に利用されなかった酸化剤ガスＯＧである酸化剤オフガスＯＯＧは、図５、図７および図９に示すように、空気室１６６から第２酸化剤ガス排出連通孔１９４および第１酸化剤ガス排出連通孔１９３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において発電反応に利用されなかった燃料ガスＦＧである燃料オフガスＦＯＧは、図６、図８および図１０に示すように、燃料室１７６から第２燃料ガス排出連通孔１９８および第１燃料ガス排出連通孔１９７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（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

【0042】

Ａ−３．燃料極側フレーム１４０の詳細構成：
燃料電池スタック１００の定格運転時において、各発電単位１０２の温度Ｔｒは、燃料電池スタック１００における発電単位１０２の位置に応じて異なり得る。本実施形態の燃料電池スタック１００では、定格運転時における各発電単位１０２の温度に応じて、各発電単位１０２における燃料極側フレーム１４０の構成が互いに異なる。

【0043】

図１２は、燃料電池スタック１００の定格運転時における温度分布の一例を示す説明図である。図１２には、燃料電池スタック１００の上下方向（Ｚ軸方向）に沿った模式的な構成と、定格運転時における各発電単位１０２の温度Ｔｒの一例とが示されている。発電単位１０２における発電反応は発熱反応であるため、定格運転時には、発電単位１０２が高い密度で配置されている箇所では温度Ｔｒが高くなりやすく、反対に発電単位１０２が低い密度で配置されている箇所では温度Ｔｒが低くなりやすい。また、上述したように、熱交換部１０３には、燃料電池スタック１００の外部から導入された比較的低温の酸化剤ガスが流入するため、熱交換部１０３に近い発電単位１０２では温度Ｔｒが低くなりやすい。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００のように、６つの発電単位１０２の内、３つの発電単位１０２が互いに隣接するように配置され、残りの３つの発電単位１０２も互いに隣接するように配置され、上記３つの発電単位１０２と上記残りの３つの発電単位１０２との間に熱交換部１０３が配置された構成では、例えば、それぞれ発電単位１０２の間に挟まれるように配置された２つの発電単位１０２（以下、「高温部発電単位１０２Ｈ」という）が最も高温となり、エンドプレート１０４，１０６に隣接する２つの発電単位１０２（以下、「低温部発電単位１０２Ｌ」という）が最も低温となり、熱交換部１０３に隣接する２つの発電単位１０２（以下、「中温部発電単位１０２Ｍ」という）が両者の中間程度の温度となる。定格運転時の温度Ｔｒは、例えば、高温部発電単位１０２Ｈでは７５０℃であり、中温部発電単位１０２Ｍでは６８０℃であり、低温部発電単位１０２Ｌでは６２０℃である。

【0044】

なお、中温部発電単位１０２Ｍが特許請求の範囲における「基準発電単位」に相当するとした場合には、低温部発電単位１０２Ｌが特許請求の範囲における「低温部発電単位」に相当する。また、高温部発電単位１０２Ｈが特許請求の範囲における「基準発電単位」に相当するとした場合には、中温部発電単位１０２Ｍおよび低温部発電単位１０２Ｌが特許請求の範囲における「低温部発電単位」に相当する。

【0045】

図１３および図１４は、各発電単位１０２における燃料極側フレーム１４０の構成を示す説明図である。本実施形態では、高温部発電単位１０２Ｈに含まれる燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃ（Ｈ）と、中温部発電単位１０２Ｍに含まれる燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃ（Ｍ）と、低温部発電単位１０２Ｌに含まれる燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃ（Ｌ）との関係は、以下の式（１）に示す関係となっている。
Ｃ（Ｈ）＜Ｃ（Ｍ）＜Ｃ（Ｌ） ・・・（１）

【0046】

例えば、高温部発電単位１０２Ｈに含まれる燃料極側フレーム１４０をＳＵＳ４３０（熱膨張係数Ｃ（Ｈ）：１２．８×１０^−６（／℃））により形成し、中温部発電単位１０２Ｍに含まれる燃料極側フレーム１４０をＳＵＳ３１０（熱膨張係数Ｃ（Ｍ）：１７．５×１０^−６（／℃））により形成し、低温部発電単位１０２Ｌに含まれる燃料極側フレーム１４０をＳＵＳ３０４（熱膨張係数Ｃ（Ｌ）：１８．７×１０^−６（／℃））により形成すれば、上記式（１）が満たされる。

【0047】

また、図１３には、常温（例えば２５℃）時および定格運転時のそれぞれにおける、各発電単位１０２の燃料極側フレーム１４０に形成された１つの第２燃料ガス供給連通孔１９６（図１０参照）のガス流れ方向に直交する断面（同図のＸＩIＩ−ＸＩIＩの位置の断面）を示している。以下の説明では、第２燃料ガス供給連通孔１９６のガス流れ方向に直交する断面の断面積Ａの内、常温時における断面積Ａを常温時断面積Ａｎと表し、定格運転時における断面積Ａを定格運転時断面積Ａｒと表わす。図１０に示すように、第１燃料ガス供給連通孔１９５と各第２燃料ガス供給連通孔１９６とにより、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する複数の連通流路が形成されるため、第２燃料ガス供給連通孔１９６の断面積Ａは、当該連通流路の特定の位置における断面積であると言える。

【0048】

図１３に示すように、第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時断面積Ａｎは、発電単位１０２毎に異なっている。具体的には、高温部発電単位１０２Ｈにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時断面積Ａｎ（Ｈ）と、中温部発電単位１０２Ｍにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時断面積Ａｎ（Ｍ）と、低温部発電単位１０２Ｌにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時断面積Ａｎ（Ｌ）との関係は、以下の式（２）に示す関係となっている。なお、この式（２）は、高温部発電単位１０２Ｈと中温部発電単位１０２Ｍと低温部発電単位１０２Ｌとのそれぞれにおいて、対応する（同じ位置の）第２燃料ガス供給連通孔１９６についての関係を示したものである。高温部発電単位１０２Ｈと中温部発電単位１０２Ｍと低温部発電単位１０２Ｌとのそれぞれにおいて、互いに異なる位置の第２燃料ガス供給連通孔１９６については、必ずしも式（２）の関係を満たしている必要は無い。後述の式（３）についても同様である。
Ａｎ（Ｈ）＜Ａｎ（Ｍ）＜Ａｎ（Ｌ） ・・・（２）

【0049】

また、図１４には、常温時および定格運転時のそれぞれにおける、各発電単位１０２の燃料極側フレーム１４０に形成された１つの第２燃料ガス供給連通孔１９６のガス流れ方向に平行な断面（図１０のＰｘ部の拡大図）を示している。以下の説明では、第２燃料ガス供給連通孔１９６のガス流れ方向に沿った長さＬ（第１燃料ガス供給連通孔１９５との接続位置から貫通孔１４１との接続位置までの距離）の内、常温時における長さＬを常温時長さＬｎと表し、定格運転時における長さＬを定格運転時長さＬｒと表わす。上述したように、第１燃料ガス供給連通孔１９５と各第２燃料ガス供給連通孔１９６とにより、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する複数の連通流路が形成されるため、第２燃料ガス供給連通孔１９６の長さＬが長いと、当該連通流路の長さも長くなる。

【0050】

図１４に示すように、第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時長さＬｎは、発電単位１０２毎に異なっている。具体的には、高温部発電単位１０２Ｈにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時長さＬｎ（Ｈ）と、中温部発電単位１０２Ｍにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時長さＬｎ（Ｍ）と、低温部発電単位１０２Ｌにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時長さＬｎ（Ｌ）との関係は、以下の式（３）に示す関係となっている。
Ｌｎ（Ｈ）＞Ｌｎ（Ｍ）＞Ｌｎ（Ｌ） ・・・（３）

【0051】

上述したように、定格運転時には、各発電単位１０２の温度は常温よりも高くなるため、各発電単位１０２に含まれる燃料極側フレーム１４０は常温時の状態と比べて熱膨張した状態となる。燃料電池スタック１００はボルト２２により締結されているため、燃料電池スタック１００を構成する各層が外周方向に膨張することが規制されている。そのため、定格運転時には、燃料極側フレーム１４０は、燃料極側フレーム１４０に形成された各種孔（第２燃料ガス供給連通孔１９６や燃料室１７６を構成する貫通孔１４１）が縮小するように内側に熱膨張する。従って、図１３および図１４に示すように、高温部発電単位１０２Ｈ、中温部発電単位１０２Ｍ、低温部発電単位１０２Ｌのいずれについても、第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時断面積Ａｒは常温時断面積Ａｎより小さくなり、定格運転時長さＬｒは常温時長さＬｎより長くなる。なお、図１３および図１４の「常温時」の欄に示す一点鎖線は、定格運転時における第２燃料ガス供給連通孔１９６の形状を示している。

【0052】

ここで、定格運転時の燃料極側フレーム１４０の熱膨張量が相対的に大きいと、第２燃料ガス供給連通孔１９６の断面積Ａの縮小量や長さＬの伸張量は相対的に大きくなる。本実施形態では、上記式（１）に示すように、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃが小さい。そのため、定格運転時における各発電単位１０２の温度差による燃料極側フレーム１４０の熱膨張量の差が低減される。その結果、第２燃料ガス供給連通孔１９６の断面積Ａの縮小量の差や長さＬの伸張量の差が低減される。

【0053】

なお、各発電単位１０２の燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃは、燃料極側フレーム１４０の形成に使用する材料に応じて具体的に定まる。また、定格運転時における各発電単位１０２の温度Ｔｒは、燃料電池スタック１００の構成や運転方法に応じて具体的に定まる。そのため、高温部発電単位１０２Ｈと中温部発電単位１０２Ｍと低温部発電単位１０２Ｌとの間で、燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃの差に起因する熱膨張量の差と、定格運転時の温度Ｔｒの差に起因する熱膨張量の差とは、必ずしも同程度となる訳ではない。例えば、本実施形態では、定格運転時の温度Ｔｒの差に起因する熱膨張量の差に比べて、燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃの差に起因する熱膨張量の差が大きくなっている。そのため、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、燃料極側フレーム１４０の熱膨張量は小さい。しかし、本実施形態では、上記式（２）に示すように、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時断面積Ａｎを小さくしているため（図１３参照）、結果的に、高温部発電単位１０２Ｈにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時断面積Ａｒ（Ｈ）と、中温部発電単位１０２Ｍにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時断面積Ａｒ（Ｍ）と、低温部発電単位１０２Ｌにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時断面積Ａｒ（Ｌ）とがほぼ等しくなる。同様に、本実施形態では、上記式（３）に示すように、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時長さＬｎを長くしているため（図１４参照）、結果的に、高温部発電単位１０２Ｈにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時長さＬｒ（Ｈ）と、中温部発電単位１０２Ｍにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時長さＬｒ（Ｍ）と、低温部発電単位１０２Ｌにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時長さＬｒ（Ｌ）とがほぼ等しくなる。

【0054】

発電単位１０２間で、第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時長さＬｒや定格運転時断面積Ａｒに差があると、第２燃料ガス供給連通孔１９６により形成される連通流路（燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する流路）の圧損に差が生じ、各発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量に差が生じて燃料電池スタック１００の発電性能が低下するおそれがある。本実施形態の燃料電池スタック１００では、高温部発電単位１０２Ｈにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時断面積Ａｒ（Ｈ）と中温部発電単位１０２Ｍにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時断面積Ａｒ（Ｍ）と低温部発電単位１０２Ｌにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時断面積Ａｒ（Ｌ）とがほぼ等しい。また、高温部発電単位１０２Ｈにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時長さＬｒ（Ｈ）と中温部発電単位１０２Ｍにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時長さＬｒ（Ｍ）と低温部発電単位１０２Ｌにおける第２燃料ガス供給連通孔１９６の定格運転時長さＬｒ（Ｌ）とがほぼ等しい。そのため、発電単位１０２間で、第２燃料ガス供給連通孔１９６により形成される連通流路の圧損はほぼ等しくなり、各発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量差が抑制される。その結果、各発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量差に起因する燃料電池スタック１００の発電性能の低下が抑制される。

【0055】

なお、第２燃料ガス供給連通孔１９６により形成される上記連通流路の圧損は、第２燃料ガス供給連通孔１９６の長さＬが長いほど大きくなり、かつ、第２燃料ガス供給連通孔１９６の断面積Ａが大きいほど小さくなる。そのため、本明細書では、連通流路の圧損の大きさに相関する指標として、第２燃料ガス供給連通孔１９６の断面積Ａに対する長さＬの比である「断面積長さ比Ｒ」を用いる。高温部発電単位１０２Ｈと中温部発電単位１０２Ｍと低温部発電単位１０２Ｌとのそれぞれの間で、断面積長さ比Ｒの差の絶対値が小さいほど連通流路の圧損の差が小さいと言える。本実施形態の燃料電池スタック１００では、上記式（１）−（３）が満たされているため、定格運転時における断面積長さ比Ｒの差の絶対値は、常温時における断面積長さ比Ｒの差の絶対値より小さくなり、その結果、連通流路の圧損差に起因する燃料ガスの流量差が抑制され、燃料電池スタック１００の発電性能の低下が抑制される。

【0056】

Ｂ．第２実施形態：
Ｂ−１．構成：
図１５および図１６は、第２実施形態における燃料電池スタック１００ａの構成を概略的に示す説明図である。図１５には、燃料電池スタック１００ａの外観構成が示されており、図１６には、第１実施形態の図５に示す断面の位置に対応する位置（図１５のＸＶＩ−ＸＶＩの位置）における燃料電池スタック１００ａの断面構成が示されている。第２実施形態における燃料電池スタック１００ａの構成の内、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００の構成と同一構成については、同一の符号を付すことによって、その説明を省略する。

【0057】

第２実施形態における燃料電池スタック１００ａは、熱交換部１０３を備えていない点が、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００と異なる。また、この点に関連し、酸化剤ガスＯＧの流路構成も異なっている。すなわち、第２実施形態では、燃料電池スタック１００ａのＺ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）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）により形成された空間が、燃料電池スタック１００ａの外部から酸化剤ガスＯＧが導入されるガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能する。

【0058】

Ｂ−２．燃料電池スタック１００ａの動作：
酸化剤ガスＯＧは、第１実施形態と同様に、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に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給された酸化剤ガスＯＧは、各発電単位１０２の空気室１６６に供給される。その後の酸化剤ガスＯＧの流れは、第１実施形態と同様である。また、燃料ガスＦＧの流れは、第１実施形態と同様である。第２実施形態の燃料電池スタック１００ａにおいても、第１実施形態と同様に、各発電単位１０２において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧを利用した発電が行われ、酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧが燃料電池スタック１００ａの外部に排出される。

【0059】

Ｂ−３．燃料極側フレーム１４０の詳細構成：
第２実施形態の燃料電池スタック１００ａでは、定格運転時における各発電単位１０２の温度Ｔｒが第１実施形態と異なる。図１７は、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａの定格運転時における温度分布の一例を示す説明図である。図１７に示すように、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａは熱交換部１０３を備えていないため、例えば、上下方向（Ｚ軸方向）の中央付近の２つの発電単位１０２（以下、「高温部発電単位１０２Ｈ」という）が最も高温となり、エンドプレート１０４，１０６に隣接する２つの発電単位１０２（以下、「低温部発電単位１０２Ｌ」という）が最も低温となり、残りの２つの発電単位１０２（以下、「中温部発電単位１０２Ｍ」という）が両者の中間程度の温度となる。

【0060】

第２実施形態の燃料電池スタック１００ａは、高温部発電単位１０２Ｈ、中温部発電単位１０２Ｍ、低温部発電単位１０２Ｌの位置について第１実施形態の燃料電池スタック１００とは異なるが、高温部発電単位１０２Ｈ、中温部発電単位１０２Ｍ、低温部発電単位１０２のそれぞれに含まれる燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃの大小関係や、第２燃料ガス供給連通孔１９６の断面積Ａおよび長さＬの大小関係は、第１実施形態と同様である。そのため、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａにおいても、発電単位１０２間で、第２燃料ガス供給連通孔１９６により形成される連通流路の圧損がほぼ等しくなり、各発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量差が抑制され、各発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量差に起因する燃料電池スタック１００ａの発電性能の低下が抑制される。

【0061】

Ｃ．第３実施形態：
図１８は、第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂの定格運転時における温度分布の一例を示す説明図である。第３実施形態における燃料電池スタック１００ｂの構成は、上述した第２実施形態の燃料電池スタック１００ａの構成と同一である。ただし、第３実施形態では、燃料電池スタック１００ｂの定格運転時に、燃料電池スタック１００ｂの下方に配置された熱源ＨＳにより燃料電池スタック１００ｂが加熱される。熱源ＨＳとしては、例えば、ガスバーナーや、燃料電池スタック１００ｂから排出された酸化剤オフガスおよび燃料オフガスを燃焼する燃焼装置が挙げられる。これらの熱源ＨＳの構成は、例えば特開２０１３−１７５３５４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。第３実施形態では、燃料電池スタック１００ｂが熱源ＨＳによる加熱されるため、定格運転時における各発電単位１０２の温度Ｔｒが第２実施形態と異なる。図１８に示すように、第３実施形態では、例えば、６つの発電単位１０２の内、下から３つ目および２つ目の発電単位１０２（以下、「高温部発電単位１０２Ｈ」という）が最も高温となり、上から１つ目および２つ目の発電単位１０２（以下、「低温部発電単位１０２Ｌ」という）が最も低温となり、残りの２つの発電単位１０２（以下、「中温部発電単位１０２Ｍ」という）が両者の中間程度の温度となる。

【0062】

第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂは、高温部発電単位１０２Ｈ、中温部発電単位１０２Ｍ、低温部発電単位１０２Ｌの位置について第２実施形態の燃料電池スタック１００ａとは異なるが、高温部発電単位１０２Ｈ、中温部発電単位１０２Ｍ、低温部発電単位１０２のそれぞれに含まれる燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃの大小関係や、第２燃料ガス供給連通孔１９６の断面積Ａおよび長さＬの大小関係は、第２実施形態と同様である。そのため、第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂにおいても、発電単位１０２間で、第２燃料ガス供給連通孔１９６により形成される連通流路の圧損がほぼ等しくなり、各発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量差が抑制され、各発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量差に起因する燃料電池スタック１００ｂの発電性能の低下が抑制される。

【0063】

Ｄ．変形例：
上記実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２の内、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時断面積Ａｎを小さくしているが、必ずしもこのような構成とする必要はなく、第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時断面積Ａｎは、定格運転時の温度に関わらず任意に設定できる。このような場合でも、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃが小さい構成とすれば、定格運転時における各発電単位１０２の温度差による燃料極側フレーム１４０の熱膨張量の差が低減され、その結果、第２燃料ガス供給連通孔１９６の断面積Ａの縮小量の差が低減され、各発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量差が抑制される。

【0064】

同様に、上記実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２の内、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時長さＬｎを長くしているが、必ずしもこのような構成とする必要はなく、第２燃料ガス供給連通孔１９６の常温時長さＬｎは、定格運転時の温度に関わらず任意に設定できる。このような場合でも、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃが小さい構成とすれば、定格運転時における各発電単位１０２の温度差による燃料極側フレーム１４０の熱膨張量の差が低減され、その結果、第２燃料ガス供給連通孔１９６の長さＬの伸張量の差が低減され、各発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量差が抑制される。

【0065】

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２を、定格運転時の温度Ｔｒに応じて３種類（高温部発電単位１０２Ｈ、中温部発電単位１０２Ｍ、低温部発電単位１０２Ｌ）に分類しているが、複数の発電単位１０２を、２種類または４種類以上に分類してもよい。いずれの場合にも、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃが小さい構成とすれば、定格運転時における各発電単位１０２の温度差による燃料極側フレーム１４０の熱膨張量の差が低減され、その結果、第２燃料ガス供給連通孔１９６の断面積Ａの縮小量の差や長さＬの伸張量の差が低減され、各発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量差が抑制される。

【0066】

また、上記実施形態では、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、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃが小さいとしているが、必ずしもこのような構成とする必要はない。燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２の内、１つまたは複数の発電単位１０２である基準発電単位が備える燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃが、定格運転時の温度Ｔｒが基準発電単位と比べて低い１つまたは複数の発電単位１０２である低温部発電単位が備える燃料極側フレーム１４０の熱膨張係数Ｃより小さい構成とすれば、少なくとも基準発電単位と低温部発電単位との間で、定格運転時の温度差による燃料極側フレーム１４０の熱膨張量の差が低減され、その結果、第２燃料ガス供給連通孔１９６の断面積Ａの縮小量の差や長さＬの伸張量の差が低減され、それらの発電単位１０２に供給される燃料ガスの流量差が抑制される。

【0067】

また、上記実施形態では、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する連通流路が形成された燃料極側フレーム１４０の特徴的な構成について説明したが、本発明は、酸化剤ガス供給マニホールド１６３（第２，３実施形態では酸化剤ガス導入マニホールド１６１）と空気室１６６とを連通する連通流路が形成された空気極側フレーム１３０についても、同様に適用可能である。例えば、定格運転時の温度が高い発電単位１０２ほど、空気極側フレーム１３０の熱膨張係数Ｃが小さいとすれば、定格運転時における各発電単位１０２の温度差による空気極側フレーム１３０の熱膨張量の差が低減され、その結果、第２酸化剤ガス供給連通孔１９２の長さＬの伸張量の差が低減され、各発電単位１０２に供給される酸化剤ガスの流量差が抑制される。

【0068】

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。

【0069】

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００の配列方向における熱交換部１０３の位置はあくまで一例であり、熱交換部１０３の位置は任意の位置に変更可能である。ただし、熱交換部１０３の位置は、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２の内、より高温になる発電単位１０２に隣接する位置であることが、燃料電池スタック１００の配列方向における熱分布の緩和のために好ましい。例えば、燃料電池スタック１００の配列方向中央付近の発電単位１０２がより高温になりやすい場合には、上記実施形態のように、燃料電池スタック１００の配列方向中央付近に熱交換部１０３を設けることが好ましい。また、燃料電池スタック１００が２つ以上の熱交換部１０３を備えていてもよい。

【0070】

また、上記実施形態では、熱交換部１０３が酸化剤ガスＯＧの温度を上昇させるように構成されているが、熱交換部１０３が、酸化剤ガスＯＧに代えて燃料ガスＦＧの温度を上昇させるように構成されてもよいし、酸化剤ガスＯＧと共に燃料ガスＦＧの温度を上昇させるように構成されてもよい。

【0071】

また、上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート１０４，１０６の代わりに、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと接続された別部材（例えば、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと発電単位１０２との間に配置された導電板）が出力端子として機能するとしてもよい。

【0072】

また、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。いずれの場合であっても、各マニホールドは、各ボルト２２により形成されることとなる。

【0073】

また、上記実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合には、１つのインターコネクタ１５０が隣接する２つの発電単位１０２に共有されるとしているが、このような場合でも、２つの発電単位１０２がそれぞれのインターコネクタ１５０を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ１５０や、最も下に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０は省略されているが、これらのインターコネクタ１５０を省略せずに設けてもよい。

【0074】

また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体１４４と隣接するインターコネクタ１５０とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０は、多層構成であってもよい。

【0075】

また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。

【0076】

また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを得るとしているが、ＬＰガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスＦＧを得るとしてもよいし、燃料ガスＦＧとして純水素を利用してもよい。

【0077】

また、上記実施形態において、電解質層１１２と空気極１１４との間に、例えばセリアを含む反応防止層を設け、電解質層１１２内のジルコニウム等と空気極１１４内のストロンチウム等とが反応することによる電解質層１１２と空気極１１４との間の電気抵抗の増大を抑制するとしてもよい。

【0078】

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、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、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にも適用可能である。なお、本発明は、ＳＯＦＣやＭＣＦＣ等の、定格運転時の温度が比較的高温となって燃料極側フレーム１４０や空気極側フレーム１３０の熱膨張量が比較的大きくなるタイプの燃料電池において、より好適である。

【符号の説明】

【0079】

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：発電単位 １０３：熱交換部 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：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：貫通孔 １３４：空気極側集電体 １４０：燃料極側フレーム １４１：貫通孔 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 １６３：酸化剤ガス供給マニホールド 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 １８２：孔 １８４：連通孔 １８６：連通孔 １８８：熱交換流路 １９１：第１酸化剤ガス供給連通孔 １９２：第２酸化剤ガス供給連通孔 １９３：第１酸化剤ガス排出連通孔 １９４：第２酸化剤ガス排出連通孔 １９５：第１燃料ガス供給連通孔 １９６：第２燃料ガス供給連通孔 １９７：第１燃料ガス排出連通孔 １９８：第２燃料ガス排出連通孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】