特許 6489927 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】6489927

(24)【登録日】2019年3月8日

(45)【発行日】2019年3月27日

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/247 20160101AFI20190318BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20190318BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/247

   !H01M8/12 101

【請求項の数】4

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2015-99336(P2015-99336)

(22)【出願日】2015年5月14日

(65)【公開番号】特開2016-219116(P2016-219116A)

(43)【公開日】2016年12月22日

【審査請求日】2017年12月7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】堀田 信行

(72)【発明者】

【氏名】八木 宏明

【審査官】 近藤 政克

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１４６２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０８０６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０１４２９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４７

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の配列方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記複数の発電単位にわたって前記配列方向に延びるように形成された複数の孔のそれぞれに挿入された締結部材とを備え、各前記締結部材で締結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貫通孔と、前記貫通孔の周囲に配置された前記複数の孔とが形成され、前記配列方向において他の２つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、を備え、
前記配列方向視で、
前記シール部材の前記貫通孔の内周線は、互いに略垂直な第１の線分と第２の線分と、前記第１の線分に略平行な第３の線分と、前記第２の線分に略平行な第４の線分とを含み、
前記複数の孔は、前記第２の線分に略平行な第２の方向において前記第１の線分の外側に位置する第１の孔と、前記第１の線分に略平行な第１の方向において前記第２の線分の外側に位置する第２の孔と、前記第１の方向と前記第２の方向との両方において、前記第１の孔の中心位置より前記第２の孔の中心位置側で、かつ、前記第２の孔の中心位置より前記第１の孔の中心位置側に中心が位置する第３の孔と、前記第２の方向において前記第３の線分の外側に位置する第４の孔と、前記第１の方向において前記第４の線分の外側に位置する第５の孔と、を含み、
前記複数の孔は、前記第１の孔の中心を通り前記第１の線分に略平行な直線の一部と、前記第２の孔の中心を通り前記第２の線分に略平行な直線の一部と、前記第４の孔の中心を通り前記第３の線分に略平行な直線の一部と、前記第５の孔の中心を通り前記第４の線分に略平行な直線の一部と、から構成された矩形線と重なる、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、
前記複数の孔は８つ以下である、ことを特徴とする、燃料電池スタック。

【請求項3】

所定の配列方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記複数の発電単位にわたって前記配列方向に延びるように形成された複数の孔のそれぞれに挿入された締結部材とを備え、各前記締結部材で締結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貫通孔と、前記貫通孔の周囲に配置された前記複数の孔とが形成され、前記配列方向において他の２つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、を備え、
前記配列方向視で、
前記シール部材の前記貫通孔の内周線は、互いに略垂直な第１の線分と第２の線分とを含み、
前記複数の孔は、前記第２の線分に略平行な第２の方向において前記第１の線分の外側に位置する第１の孔と、前記第１の線分に略平行な第１の方向において前記第２の線分の外側に位置する第２の孔と、前記第１の方向と前記第２の方向との両方において、前記第１の孔の中心位置より前記第２の孔の中心位置側で、かつ、前記第２の孔の中心位置より前記第１の孔の中心位置側に中心が位置する第３の孔と、を含み、
前記複数の孔は８つ以下である、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、
前記第１の孔は、前記第２の線分に略平行な前記第２の方向において、前記第１の線分の中点の外側に位置し、
前記第２の孔は、前記第１の線分に略平行な前記第１の方向において、前記第２の線分の中点の外側に位置する、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る。燃料電池スタックは、上記配列方向に延びる複数のボルト孔のそれぞれに挿入されたボルトによって締結される。

【0003】

発電単位は、また、空気極に面する空気室をシールするシール部材を備える（例えば特許文献１参照）。シール部材は、空気室を構成する貫通孔が形成されたフレーム形状の部材である。シール部材が上記配列方向において他の２つの部材に挟持されることにより、空気室がシールされる。なお、貫通孔の内周線の形状は、上記配列方向視で、例えば略矩形である。

【0004】

シール部材の貫通孔の周囲には、上述の複数のボルト孔が形成されている。例えば、シール部材の貫通孔の周囲には、８つのボルト孔が形成されており、その内の４つのボルト孔（以下、「角部ボルト孔」という）は、貫通孔の内周線の４つの角部付近に配置され、残りの４つのボルト孔（以下、「辺部ボルト孔」という）は、貫通孔の内周線の４つの辺の外側に配置される。より詳細には、例えば、４つの角部ボルト孔の中心は、貫通孔を取り囲む仮想的な矩形の４つの頂点に位置し、４つの辺部ボルト孔の中心は、当該仮想的な矩形の各辺の中点に位置する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２００７／１３８９８４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記従来のボルト孔の配置構成では、シール部材に作用する上記配列方向の圧力（以下、「面圧」という）の面方向のばらつきが大きくなり、シール部材によるガスシール性が低下するおそれがある。すなわち、上記従来の構成では、上記配列方向視で、空気室（すなわち貫通孔）の中心から角部ボルト孔の中心までの距離と、空気室の中心から辺部ボルト孔の中心までの距離との差が大きくなる。ここで、空気室の中心からボルト孔の中心までの距離が長いほど、当該ボルト孔に挿入されたボルトの締結荷重による各部材のたわみ量（上記配列方向への変形量）が大きくなり、シール部材における当該ボルト孔の位置での面圧が大きくなる。そのため、上記従来の構成では、シール部材における角部ボルト孔の位置に面圧が集中し、他の領域、例えば角部ボルト孔と辺部ボルト孔との間の領域において面圧が過小となり、そのような領域でガスリークが発生するおそれがある。

【0007】

なお、このような課題は、上述したボルト孔の数や配置、貫通孔の形状等に限られず、シール部材の貫通孔の周囲に複数のボルト孔が形成された構成に共通の課題である。また、このような課題は、締結部材としてボルトを使用する構成に限られず、複数の孔のそれぞれに挿入された締結部材により燃料電池スタックを締結する構成に共通の課題である。また、このような課題は、発電単位が空気室をシールするシール部材を備える構成に限られず、発電単位が燃料極に面する燃料室をシールするシール部材を備える構成にも共通の課題である。また、このような課題は、ＳＯＦＣに限らず、他のタイプの燃料電池にも共通の課題である。

【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燃料電池スタックは、所定の配列方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記複数の発電単位にわたって前記配列方向に延びるように形成された複数の孔のそれぞれに挿入された締結部材とを備え、各前記締結部材で締結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貫通孔と、前記貫通孔の周囲に配置された前記複数の孔とが形成され、前記配列方向において他の２つの部材に挟持されることにより前記燃料室と前記空気室との前記一方をシールするシール部材と、を備え、前記配列方向視で、前記シール部材の前記貫通孔の内周線は、互いに略垂直な第１の線分と第２の線分とを含み、前記複数の孔は、前記第２の線分に略平行な第２の方向において前記第１の線分の外側に位置する第１の孔と、前記第１の線分に略平行な第１の方向において前記第２の線分の外側に位置する第２の孔と、前記第１の方向と前記第２の方向との両方において、前記第１の孔の中心位置より前記第２の孔の中心位置側で、かつ、前記第２の孔の中心位置より前記第１の孔の中心位置側に中心が位置する第３の孔と、を含むことを特徴とする。本燃料電池スタックによれば、燃料室または空気室の中心から第３の孔の中心までの距離と、燃料室または空気室の中心から第１または第２の孔の中心までの距離との差を、比較的小さくすることができるため、シール部材の面圧が第３の孔の位置に集中することが抑制され、これにより、シール部材の面圧が過小になる領域が生ずることが抑制され、ガスリークの発生が抑制される。

【0011】

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】

【0012】

【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】本実施形態における燃料電池スタック１００の上側のＸＹ平面構成を示す説明図である。

【図3】本実施形態における燃料電池スタック１００の下側のＸＹ平面構成を示す説明図である。

【図4】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ＸＺ断面構成を示す説明図である。

【図5】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ＸＺ断面構成を示す説明図である。

【図6】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ＹＺ断面構成を示す説明図である。

【図7】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ＸＺ断面構成を示す説明図である。

【図8】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ＹＺ断面構成を示す説明図である。

【図9】図７のＩＸ−ＩＸ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10】図７のＸ−Ｘ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11】熱交換部１０３のＸＹ断面構成を概略的に示す説明図である。

【図12】ボルト孔１０８の配置を詳細に示す説明図である。

【図13】空気極側フレーム１３０における角領域ＦＣＡを示す説明図である。

【図14】比較例における空気極側フレーム１３０Ｘの面圧分布のシミュレーション結果の一例を示す説明図である。

【図15】本実施形態における空気極側フレーム１３０の面圧分布のシミュレーション結果の一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

Ａ．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、本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。

【0014】

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。

【0015】

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ボルト孔１０８を構成している。以下の説明では、ボルト孔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、ボルト孔１０８と呼ぶものとする。

【0016】

各ボルト孔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。ボルト２２は、特許請求の範囲における締結部材に相当し、ボルト孔１０８は、特許請求の範囲における孔に相当する。ボルト孔１０８の配置については、後に詳述する。

【0017】

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。

【0018】

各ボルト２２の軸部の外径は各ボルト孔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ボルト孔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。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。

【0019】

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と燃料ガスＦＧの発電後のガスを含む燃料オフガス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。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。

【0020】

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。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。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。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。

【0021】

（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。

【0022】

（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。

【0023】

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が挿入されるボルト孔１０８が形成されている。

【0024】

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４から図６参照）。

【0025】

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。

【0026】

電解質層１１２は、略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、略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、略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。

【0027】

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。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もいう。

【0028】

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略矩形の孔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の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。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。すなわち、空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０とインターコネクタ１５０とにより挟持されている。そのため、空気極側フレーム１３０によって、空気室１６６のシール（コンプレッションシール）が実現される。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。上述したように、空気極側フレーム１３０における孔１３１の周囲には、上述したボルト２２が挿入されるボルト孔１０８が形成されている。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス供給マニホールド１６３と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。空気極側フレーム１３０は、特許請求の範囲におけるシール部材に相当し、孔１３１は、特許請求の範囲における貫通孔に相当する。

【0029】

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略矩形の孔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の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。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。上述したように、燃料極側フレーム１４０における孔１４１の周囲には、上述したボルト２２が挿入されるボルト孔１０８が形成されている。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と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。

【0030】

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。

【0031】

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。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。

【0032】

（熱交換部１０３の構成）
図１１は、熱交換部１０３の断面構成を概略的に示す説明図である。図１１には、配列方向に直交する方向における熱交換部１０３の断面構成が示されている。図４から図６および図１１に示すように、熱交換部１０３は、略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が挿入されるボルト孔１０８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を形成するボルト孔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を形成するボルト孔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。

【0033】

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。熱交換部１０３は、上側および下側について発電単位１０２に隣接している。また、後述するように、発電単位１０２における発電反応は発熱反応である。そのため、酸化剤ガスＯＧが熱交換部１０３内の熱交換流路１８８を通過する際に、酸化剤ガスＯＧと発電単位１０２との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスＯＧの温度が上昇する。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。

【0034】

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の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。

【0035】

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の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

【0036】

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。

【0037】

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から酸化剤ガス排出連通孔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において発電反応に利用されなかった燃料ガスＦＧと燃料ガスＦＧの発電後のガスを含む燃料オフガスＦＯＧは、図６、図８および図１０に示すように、燃料室１７６から燃料ガス排出連通孔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。

【0038】

Ａ−３．ボルト孔１０８の配置：
図１２は、ボルト孔１０８の配置を詳細に示す説明図である。図１２には、図９のＰ１部が拡大して示されている。上述したように、発電単位１０２を構成する各部材（空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、セパレータ１２０、インターコネクタ１５０）におけるＺ方向回りの周縁部には、ボルト２２が挿入されるボルト孔１０８が形成されている。以下、空気極側フレーム１３０の位置を例にして、ボルト孔１０８の配置について詳細に説明する。

【0039】

図９および図１２に示すように、配列方向（Ｚ方向）視で、空気極側フレーム１３０の孔１３１の内周線は、略矩形である。より詳細には、空気極側フレーム１３０の孔１３１の内周線は、Ｘ方向に略平行な第１の線分ＬＳ１および第３の線分ＬＳ３と、Ｙ方向に略平行な第２の線分ＬＳ２および第４の線分ＬＳ４と、第１の線分ＬＳ１と第２の線分ＬＳ２とをつなぐ第１の角部ＣＯ１と、第２の線分ＬＳ２と第３の線分ＬＳ３とをつなぐ第２の角部ＣＯ２と、第３の線分ＬＳ３と第４の線分ＬＳ４とをつなぐ第３の角部ＣＯ３と、第４の線分ＬＳ４と第１の線分ＬＳ１とをつなぐ第４の角部ＣＯ４とから構成されている。本実施形態では、４つの角部ＣＯ１〜ＣＯ４はＲ形状である。なお、第１の線分ＬＳ１の一方の端点と第２の線分ＬＳ２の一方の端点とが同一の点である場合には、当該点が第１の角部ＣＯ１に該当する。他の角部ＣＯについても同様である。

【0040】

空気極側フレーム１３０の孔１３１の内周線を構成する４つの線分ＬＳ１〜ＬＳ４の外側（各線分に略垂直な方向に孔１３１から離れる側）には、４つのボルト孔１０８（以下、「辺部ボルト孔１０８Ｓ」ともいう）が配置される。以下、第１の線分ＬＳ１の外側に配置された辺部ボルト孔１０８Ｓを第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１といい、第２の線分ＬＳ２の外側に配置された辺部ボルト孔１０８Ｓを第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２といい、第３の線分ＬＳ３の外側に配置された辺部ボルト孔１０８Ｓを第３の辺部ボルト孔１０８Ｓ３といい、第４の線分ＬＳ４の外側に配置された辺部ボルト孔１０８Ｓを第４の辺部ボルト孔１０８Ｓ４という。本実施形態では、各辺部ボルト孔１０８Ｓの中心は、各線分ＬＳの中点の外側に位置する。

【0041】

また、空気極側フレーム１３０の孔１３１の内周線を構成する４つの角部ＣＯ１〜ＣＯ４の付近には、４つのボルト孔１０８（以下、「角部ボルト孔１０８Ｃ」ともいう）が配置される。以下、第１の角部ＣＯ１付近に配置された角部ボルト孔１０８Ｃを第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１といい、第２の角部ＣＯ２付近に配置された角部ボルト孔１０８Ｃを第２の角部ボルト孔１０８Ｃ２といい、第３の角部ＣＯ３付近に配置された角部ボルト孔１０８Ｃを第３の角部ボルト孔１０８Ｃ３といい、第４の角部ＣＯ４付近に配置された角部ボルト孔１０８Ｃを第４の角部ボルト孔１０８Ｃ４という。

【0042】

ここで、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１に着目すると、図１２に示すように、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１が角部ＣＯ１付近に位置するとは、以下の「要件１」を満たすことを意味する。
・要件１
第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１の中心ＣＰの位置は、第１の線分ＬＳ１に略平行な方向（Ｘ方向）においては、第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１の中心ＣＰの位置より第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２の中心ＣＰの位置側であり、第２の線分ＬＳ２に略平行な方向（Ｙ方向）においては、第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２の中心ＣＰの位置より第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１の中心ＣＰの位置側である。

【0043】

さらに、本実施形態では、図１２に示すように、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１の中心ＣＰの位置は、第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１の中心ＣＰを通り第１の線分ＬＳ１に略平行な直線Ｌ１と、第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２の中心ＣＰを通り第２の線分ＬＳ２に略平行な直線Ｌ２との交点ＸＰ１より、空気室１６６の中心ＣＰＣ（すなわち孔１３１の中心）に近い側に位置している。すなわち、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１の配置は、以下の「要件２」を満たしている。
・要件２
第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１の中心ＣＰの位置は、第２の線分ＬＳ２に略平行な方向（Ｙ方向）においては、第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１の中心ＣＰの位置より第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２の中心ＣＰの位置側であり、第１の線分ＬＳ１に略平行な方向（Ｘ方向）においては、第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２の中心ＣＰの位置より第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１の中心ＣＰの位置側である。なお、空気室１６６（孔１３１）の中心ＣＰＣは、配列方向視で、孔１３１の内周線の図心（重心）である。

【0044】

上記「要件１」および「要件２」をまとめて整理すると、以下の「要件３」となる。
・要件３
第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１の中心ＣＰの位置は、第２の線分ＬＳ２に略平行な方向（Ｙ方向）と第１の線分ＬＳ１に略平行な方向（Ｘ方向）との両方において、第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１の中心ＣＰの位置より第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２の中心ＣＰの位置側で、かつ、第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２の中心ＣＰの位置より第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１の中心ＣＰの位置側である。

【0045】

なお、上記「要件３」は、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１の中心ＣＰは、第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１の中心ＣＰと第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２の中心ＣＰと交点ＸＰ１と他の１点とを４つの頂点とする矩形領域内（ただし境界線上は除く）に位置すると言い換えることができる。また、当然、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１の中心ＣＰの配置は、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１が孔１３１と干渉しないという制約を受ける。

【0046】

図９に示すように、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１以外の他の角部ボルト孔１０８Ｃの配置も、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１の配置に関する上記「要件３」と同様の要件を満たしている。すなわち、第２の角部ボルト孔１０８Ｃ２の中心ＣＰの位置は、Ｘ方向とＹ方向との両方において、第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２の中心ＣＰの位置より第３の辺部ボルト孔１０８Ｓ３の中心ＣＰの位置側で、かつ、第３の辺部ボルト孔１０８Ｓ３の中心ＣＰの位置より第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２の中心ＣＰの位置側である。また、第３の角部ボルト孔１０８Ｃ３の中心ＣＰの位置は、Ｘ方向とＹ方向との両方において、第３の辺部ボルト孔１０８Ｓ３の中心ＣＰの位置より第４の辺部ボルト孔１０８Ｓ４の中心ＣＰの位置側で、かつ、第４の辺部ボルト孔１０８Ｓ４の中心ＣＰの位置より第３の辺部ボルト孔１０８Ｓ３の中心ＣＰの位置側である。また、第４の角部ボルト孔１０８Ｃ４の中心ＣＰの位置は、Ｘ方向とＹ方向との両方において、第４の辺部ボルト孔１０８Ｓ４の中心ＣＰの位置より第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１の中心ＣＰの位置側で、かつ、第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１の中心ＣＰの位置より第４の辺部ボルト孔１０８Ｓ４の中心ＣＰの位置側である。なお、図９には、上述した直線Ｌ１および直線Ｌ２に加えて、第３の辺部ボルト孔１０８Ｓ３の中心ＣＰを通り第３の線分ＬＳ３に略平行な直線Ｌ３と、第４の辺部ボルト孔１０８Ｓ４の中心ＣＰを通り第４の線分ＬＳ４に略平行な直線Ｌ４とが示されている。さらに、図９には、上述した直線Ｌ１と直線Ｌ２との交点ＸＰ１に加えて、直線Ｌ２と直線Ｌ３との交点ＸＰ２と、直線Ｌ３と直線Ｌ４との交点ＸＰ３と、直線Ｌ４と直線Ｌ１との交点ＸＰ４とが示されている。

【0047】

また、本実施形態では、図１２に示すように、交点ＸＰ１と空気室１６６の中心ＣＰＣとを結ぶ線分における空気極側フレーム１３０と重なる部分を角部線分ＬＳＣとしたとき、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１の中心ＣＰの位置は、角部線分ＬＳＣ上に位置し、より詳細には、角部線分ＬＳＣの中点ＭＰより交点ＸＰ１側に位置する。他の角部ボルト孔１０８Ｃについても同様である。

【0048】

また、本実施形態では、上述したように、各角部ボルト孔１０８Ｃは、空気極側フレーム１３０の孔１３１の内周線を構成する各角部ＣＯの付近に配置されているが、各角部ボルト孔１０８Ｃは、空気極側フレーム１３０における角付近の領域である角領域ＦＣＡ内に配置されていることが好ましい。図１３は、空気極側フレーム１３０における角領域ＦＣＡを示す説明図である。図１３に示すように、第１の角部ＣＯ１付近に位置する第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１は、ハッチングを付して示す第１の角領域ＦＣＡ１内に配置されていることが好ましい。ここで、第１の角領域ＦＣＡ１は、以下のように規定される。すなわち、空気室１６６（孔１３１）の中心ＣＰＣと第１の角部ＣＯ１付近において中心ＣＰＣから最も遠い空気極側フレーム１３０の外周上の点ＦＰ１とを結ぶ線分ＣＬＳ１を引き、線分ＣＬＳ１と空気極側フレーム１３０の内周線との交点を点ＩＰ１として、点ＩＰ１を通り第１の線分ＬＳ１に略平行な直線ＡＬ１と点ＩＰ１を通り第２の線分ＬＳ２に略平行な直線ＢＬ１とを引き、２本の直線ＡＬ１，ＢＬ１と空気極側フレーム１３０の外周線とで囲まれた領域の内の最も小さい領域が、第１の角領域ＦＣＡ１である。他の各角部ボルト孔１０８Ｃについても、同様に規定される各角領域ＦＣＡ内に配置されていることが好ましい。

【0049】

また、これまで空気極側フレーム１３０の位置を例にして、ボルト孔１０８の配置について詳細に説明したが、ボルト孔１０８は配列方向に延びるように形成されているため、発電単位１０２を構成する他の部材（燃料極側フレーム１４０、セパレータ１２０、インターコネクタ１５０）の位置においても、ボルト孔１０８の配置は同様である。

【0050】

なお、本実施形態における第１の線分ＬＳ１および第２の線分ＬＳ２が、それぞれ、特許請求の範囲における第１の線分および第２の線分に相当するものとすると、本実施形態における第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１、第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２、および、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１は、それぞれ、特許請求の範囲における第１の孔、第２の孔、および第３の孔に相当する。また、本実施形態における第２の線分ＬＳ２および第３の線分ＬＳ３が、それぞれ、特許請求の範囲における第１の線分および第２の線分に相当するものとすると、本実施形態における第２の辺部ボルト孔１０８Ｓ２、第３の辺部ボルト孔１０８Ｓ３、および、第２の角部ボルト孔１０８Ｃ２は、それぞれ、特許請求の範囲における第１の孔、第２の孔、および第３の孔に相当する。また、本実施形態における第３の線分ＬＳ３および第４の線分ＬＳ４が、それぞれ、特許請求の範囲における第１の線分および第２の線分に相当するものとすると、本実施形態における第３の辺部ボルト孔１０８Ｓ３、第４の辺部ボルト孔１０８Ｓ４、および、第３の角部ボルト孔１０８Ｃ３は、それぞれ、特許請求の範囲における第１の孔、第２の孔、および第３の孔に相当する。また、本実施形態における第４の線分ＬＳ４および第１の線分ＬＳ１が、それぞれ、特許請求の範囲における第１の線分および第２の線分に相当するものとすると、本実施形態における第４の辺部ボルト孔１０８Ｓ４、第１の辺部ボルト孔１０８Ｓ１、および、第４の角部ボルト孔１０８Ｃ４は、それぞれ、特許請求の範囲における第１の孔、第２の孔、および第３の孔に相当する。

【0051】

Ａ−４．空気極側フレーム１３０における面圧分布
本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述したようなボルト孔１０８の配置を採用しているため、以下に説明するように、空気極側フレーム１３０による空気室１６６のガスシール性を向上させることができる。図１４は、比較例における発電単位１０２Ｘに含まれる空気極側フレーム１３０Ｘの面圧分布のシミュレーション結果の一例を示す説明図である。ここで、空気極側フレーム１３０の面圧は、燃料電池スタック１００がボルト２２により締結された状態において空気極側フレーム１３０に作用する上記配列方向の圧力を意味する。

【0052】

図１４に示す比較例は、角部ボルト孔１０８Ｃの配置が上述した実施形態と異なっている。具体的には、図１４に示す比較例では、第１の角部ボルト孔１０８Ｃ１の中心ＣＰが、直線Ｌ１と直線Ｌ２との交点ＸＰ１に位置する。他の角部ボルト孔１０８Ｃの配置についても同様であり、図示しないが、第２の角部ボルト孔１０８Ｃ２の中心ＣＰが、直線Ｌ２と直線Ｌ３との交点ＸＰ２に位置し、第３の角部ボルト孔１０８Ｃ３の中心ＣＰが、直線Ｌ３と直線Ｌ４との交点ＸＰ３に位置し、第４の角部ボルト孔１０８Ｃ４の中心ＣＰが、直線Ｌ４と直線Ｌ１との交点ＸＰ４に位置する。すなわち、図１４に示す比較例では、４つの角部ボルト孔１０８Ｃの中心ＣＰが、孔１３１を取り囲む仮想的な矩形の４つの頂点ＸＰ１〜ＸＰ４に位置し、４つの辺部ボルト孔１０８Ｓの中心ＣＰが、当該仮想的な矩形の各辺の中点に位置する。

【0053】

このような構成の比較例では、空気室１６６の中心ＣＰＣから角部ボルト孔１０８Ｃの中心ＣＰまでの距離と、空気室１６６の中心ＣＰＣから辺部ボルト孔１０８Ｓの中心ＣＰまでの距離との差が、比較的大きくなる。ここで、空気室１６６の中心ＣＰＣからボルト孔１０８の中心ＣＰまでの距離が長いほど、当該ボルト孔１０８に挿入されるボルト２２の締結荷重による各部材のたわみ量（配列方向への変形量）が大きくなり、空気極側フレーム１３０における当該ボルト孔１０８の位置での面圧が大きくなる。そのため、比較例の構成では、空気極側フレーム１３０における角部ボルト孔１０８Ｃの位置に面圧が集中し、これに伴い面圧が過小となった領域でガスリークＧＬが発生するおそれがある。図１４に示す例では、角部ボルト孔１０８Ｃの位置で面圧が過大となっている一方、例えば角部ボルト孔１０８Ｃと辺部ボルト孔１０８Ｓとの間に面圧が過小な領域が存在し、この領域が空気室１６６側から発電単位１０２Ｘの外部側まで連続している。そのため、空気極側フレーム１３０Ｘにおけるこの領域を介して、空気室１６６から外部へのガスリークＧＬが発生するおそれがある。

【0054】

図１５は、本実施形態における空気極側フレーム１３０の面圧分布のシミュレーション結果の一例を示す説明図である。本実施形態では、角部ボルト孔１０８Ｃの配置が上述した「要件３」を満たしているため、図１４に示す比較例と比べて、空気室１６６の中心ＣＰＣから角部ボルト孔１０８Ｃの中心ＣＰまでの距離が、比較的短い。そのため、空気室１６６の中心ＣＰＣから角部ボルト孔１０８Ｃの中心ＣＰまでの距離と、空気室１６６の中心ＣＰＣから辺部ボルト孔１０８Ｓの中心ＣＰまでの距離との差が、比較的小さい。すなわち、本実施形態では、図１４に示す比較例と比べて、８つのボルト孔１０８の配置が、配列方向視で円に近くなっている。従って、本実施形態では、角部ボルト孔１０８Ｃの位置において、発電単位１０２を構成する各部材のたわみ量が比較的小さくなり、空気極側フレーム１３０の面圧が角部ボルト孔１０８Ｃの位置に集中することが抑制される。これにより、空気極側フレーム１３０の面圧が過小になる領域が生ずることが抑制され、ガスリークの発生が抑制される。図１５に示す例では、図１４に示す比較例と比べて、角部ボルト孔１０８Ｃの位置で面圧が低下している一方、面圧が過小な領域が小さくなっており、空気室１６６側から発電単位１０２Ｘの外部側まで連続する面圧が過小な領域が存在しない。そのため、空気室１６６から外部へのガスリークが抑制される。

【0055】

なお、本実施形態では、上述したように、角部ボルト孔１０８Ｃの中心ＣＰの位置は、角部線分ＬＳＣ上の、角部線分ＬＳＣの中点ＭＰより交点ＸＰ側に位置するため（図１２）、角部ボルト孔１０８Ｃと孔１３１との間の位置において、十分なシール長を確保することができ、この位置でのガスリークを抑制することができる。なお、シール性能の確保のため、角部ボルト孔１０８Ｃと孔１３１との間の最短距離は、１ｍｍ以上が好ましく、２．５ｍｍ以上であることがより好ましい。

【0056】

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。

【0057】

上記実施形態では、燃料電池スタック１００に形成されるボルト孔１０８の数は８つであるが、ボルト孔１０８の数は７つ以下であってもよいし、９つ以上であってもよい。また、複数のボルト孔１０８の配置は上記実施形態の配置に限られない。複数のボルト孔の内の３つのボルト孔に着目したときに、それらの配置が上述の「要件３」を満たせば、上述したように空気室１６６から外部へのガスリーク抑制効果を奏する。

【0058】

また、上記実施形態では、空気極側フレーム１３０の孔１３１の内周線は略矩形であるとしているが、孔１３１の内周線の形状は、互いに略垂直な２つの線分を含む形状であれば、任意の形状を取り得る。例えば、空気極側フレーム１３０の孔１３１の内周線は、角部ＣＯの無い純粋な矩形であってもよいし、八角形等の多角形であってもよい。例えば、空気極側フレーム１３０の孔１３１の内周線が八角形である場合であっても、八角形を構成する互いに略垂直な２つの辺（線分）に注目して、上述した「要件３」を満たすボルト孔１０８の配置を採用すれば、ガスリークを抑制することができる。

【0059】

また、上記実施形態では、角部ボルト孔１０８Ｃの中心ＣＰの位置は、角部線分ＬＳＣ上の、角部線分ＬＳＣの中点ＭＰより交点ＸＰ側に位置するとしているが、反対に、角部ボルト孔１０８Ｃの中心ＣＰの位置は、角部線分ＬＳＣ上の、角部線分ＬＳＣの中点ＭＰより孔１３１側（交点ＸＰとは反対側）に位置するとしてもよい。このようにすれば、角部ボルト孔１０８Ｃの中心ＣＰと空気室１６６の中心ＣＰＣとの間の距離をより短くすることができるため、空気極側フレーム１３０の面圧が角部ボルト孔１０８Ｃの位置に集中することがより効果的に抑制され、ガスリークの発生がより効果的に抑制される。

【0060】

また、上記実施形態では、空気室１６６をシールする空気極側フレーム１３０の位置におけるボルト孔１０８の配置について説明したが、燃料室１７６のシールが燃料極側フレーム１４０によるコンプレッションシールにより実現されている場合には、空気極側フレーム１３０に加えて、あるいは空気極側フレーム１３０に代えて、燃料極側フレーム１４０の位置におけるボルト孔１０８の配置についても上記実施形態と同様の配置とすれば、燃料室１７６からのガスリークを抑制することができる。

【0061】

なお、本明細書において、略垂直とは、互いのなす角が８９度以上、９１度以下であることを意味する。また、略平行とは、互いのなす角が−１度以上、１度以下であることを意味する。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

また、上記実施形態では、ボルト２２の両側にナット２４が嵌められているとしているが、ボルト２２が頭部を有し、ナット２４はボルト２２の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。また、上記実施形態では、締結部材としてボルト２２が用いられているが、ボルト２２以外の他の締結部材により燃料電池スタック１００が締結されるとしてもよい。

【0066】

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。

【0067】

また、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各ボルト孔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。また、各マニホールドを、各ボルト２２が挿入されるボルト孔１０８と別に設けてもよい。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。なお、本明細書において、Ａを挟んでＢとＣとが互いに対向するとは、ＡとＢまたはＣとが隣接することを必要とせず、ＡとＢまたはＣとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層１１２と空気極１１４との間に反応防止層が設けられた構成であっても、空気極１１４と燃料極１１６とは電解質層１１２を挟んで互いに対向すると言える。

【0073】

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。

【符号の説明】

【0074】

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：ボルト孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 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

【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】