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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024129527
(43)【公開日】2024-09-27
(54)【発明の名称】電気化学反応セルスタック
(51)【国際特許分類】
H01M 8/2484 20160101AFI20240919BHJP
H01M 8/2483 20160101ALI20240919BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20240919BHJP
H01M 8/2465 20160101ALI20240919BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20240919BHJP
【ＦＩ】
H01M8/2484
H01M8/2483
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
H01M8/2465
H01M8/10 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023038806
(22)【出願日】2023-03-13
(71)【出願人】
【識別番号】519322392
【氏名又は名称】森村ＳＯＦＣテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001911
【氏名又は名称】弁理士法人アルファ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】赤木 陽祐
【テーマコード（参考）】
5H126
【Ｆターム（参考）】
5H126AA22
5H126AA23
5H126AA26
5H126BB06
5H126EE11
5H126EE13
5H126JJ02
(57)【要約】
【課題】電気化学反応セルスタックのガス流路の内圧の調整にかかるコストを低減する。
【解決手段】電気化学反応セルスタックは、複数の電気化学反応単位が第１の方向に並べて配置された電気化学反応ブロックと、電気化学反応ブロックを挟んで第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材とを備え、空気極と燃料極との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給する第１のマニホールドと、特定電極に面するガス流路からガスを排出する第２のマニホールドとが形成され、さらに、一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材に接続され、第１のマニホールドに連通する第１のガス貫通孔が形成された第１のガス通路部材と、特定エンド部材に接続され、第２のマニホールドに連通する第２のガス貫通孔が形成された第２のガス通路部材とを備える。第２のガス貫通孔における最小断面積は、第１のガス貫通孔における最小断面積よりも小さい。
【選択図】図３
【解決手段】電気化学反応セルスタックは、複数の電気化学反応単位が第１の方向に並べて配置された電気化学反応ブロックと、電気化学反応ブロックを挟んで第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材とを備え、空気極と燃料極との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給する第１のマニホールドと、特定電極に面するガス流路からガスを排出する第２のマニホールドとが形成され、さらに、一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材に接続され、第１のマニホールドに連通する第１のガス貫通孔が形成された第１のガス通路部材と、特定エンド部材に接続され、第２のマニホールドに連通する第２のガス貫通孔が形成された第２のガス通路部材とを備える。第２のガス貫通孔における最小断面積は、第１のガス貫通孔における最小断面積よりも小さい。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、を含む単セルをそれぞれ有する複数の電気化学反応単位が第１の方向に並べて配置された電気化学反応ブロックと、
前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記一対のエンド部材のうちの少なくとも一方である特定エンド部材に、前記第１の方向に貫通する第１のエンド貫通孔および第２のエンド貫通孔が形成された一対のエンド部材と、
を備え、各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給する第１のマニホールドであって、前記第１のエンド貫通孔を含む第１のマニホールドと、前記特定電極に面する前記ガス流路からガスを排出する第２のマニホールドであって、前記第２のエンド貫通孔を含む第２のマニホールドと、が形成された電気化学反応セルスタックであって、さらに、
前記特定エンド部材に接続され、前記第１のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックにガスを供給する第１のガス貫通孔が形成された第１のガス通路部材と、
前記特定エンド部材に接続され、前記第２のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックからガスを排出する第２のガス貫通孔が形成された第２のガス通路部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第２のガス貫通孔における最小断面積は、前記第１のガス貫通孔における最小断面積よりも小さい、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記一対のエンド部材のうちの少なくとも一方である特定エンド部材に、前記第１の方向に貫通する第１のエンド貫通孔および第２のエンド貫通孔が形成された一対のエンド部材と、
を備え、各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給する第１のマニホールドであって、前記第１のエンド貫通孔を含む第１のマニホールドと、前記特定電極に面する前記ガス流路からガスを排出する第２のマニホールドであって、前記第２のエンド貫通孔を含む第２のマニホールドと、が形成された電気化学反応セルスタックであって、さらに、
前記特定エンド部材に接続され、前記第１のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックにガスを供給する第１のガス貫通孔が形成された第１のガス通路部材と、
前記特定エンド部材に接続され、前記第２のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックからガスを排出する第２のガス貫通孔が形成された第２のガス通路部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第２のガス貫通孔における最小断面積は、前記第１のガス貫通孔における最小断面積よりも小さい、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項2】
請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第２のガス貫通孔における最小断面積は、前記第２のマニホールドにおける最小断面積よりも小さい、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
前記第２のガス貫通孔における最小断面積は、前記第２のマニホールドにおける最小断面積よりも小さい、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項3】
請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定電極は、前記空気極である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
前記特定電極は、前記空気極である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項4】
請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定電極は、前記燃料極である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
前記特定電極は、前記燃料極である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項5】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定エンド部材は、前記第１の方向に貫通する第３のエンド貫通孔および第４のエンド貫通孔が形成され、
各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との他方である他の特定電極に面するガス流路にガスを供給する第３のマニホールドであって、前記第３のエンド貫通孔を含む第３のマニホールドと、前記他の特定電極に面する前記ガス流路からガスを排出する第４のマニホールドであって、前記第４のエンド貫通孔を含む第４のマニホールドと、が形成され、
前記電気化学反応セルスタックは、さらに、
前記特定エンド部材に接続され、前記第３のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックにガスを供給する第３のガス貫通孔が形成された第３のガス通路部材と、
前記特定エンド部材に接続され、前記第４のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックからガスを排出する第４のガス貫通孔が形成された第４のガス通路部材と、
を備え、
前記第２のガス貫通孔と前記第４のガス貫通孔とは、最小断面積が異なる、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
前記特定エンド部材は、前記第１の方向に貫通する第３のエンド貫通孔および第４のエンド貫通孔が形成され、
各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との他方である他の特定電極に面するガス流路にガスを供給する第３のマニホールドであって、前記第３のエンド貫通孔を含む第３のマニホールドと、前記他の特定電極に面する前記ガス流路からガスを排出する第４のマニホールドであって、前記第４のエンド貫通孔を含む第４のマニホールドと、が形成され、
前記電気化学反応セルスタックは、さらに、
前記特定エンド部材に接続され、前記第３のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックにガスを供給する第３のガス貫通孔が形成された第３のガス通路部材と、
前記特定エンド部材に接続され、前記第４のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックからガスを排出する第４のガス貫通孔が形成された第４のガス通路部材と、
を備え、
前記第２のガス貫通孔と前記第４のガス貫通孔とは、最小断面積が異なる、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項6】
請求項５に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第２のガス通路部材および前記第４のガス通路部材は、フランジ孔が形成されたフランジ部をそれぞれ有し、
前記第２のガス貫通孔は、前記フランジ孔を含み、
前記フランジ孔は、前記第２のガス貫通孔において最小断面積を形成する、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
前記第２のガス通路部材および前記第４のガス通路部材は、フランジ孔が形成されたフランジ部をそれぞれ有し、
前記第２のガス貫通孔は、前記フランジ孔を含み、
前記フランジ孔は、前記第２のガス貫通孔において最小断面積を形成する、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。
【背景技術】
【0002】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の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単セル（以下、単に「単セル」という。）は、電解質層と、電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む。
【0003】
ＳＯＦＣは、単セルを有する複数の発電単位が所定の方向（以下、「第１の方向」という。）に並べて配置された発電ブロックと、発電ブロックに対して第１の方向の一方側に配置され、第１の方向に貫通するエンド貫通孔が形成されたエンド部材とを備える燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックは、空気極と燃料極との一方である特定電極に面するガス室に連通するマニホールドであって、エンド貫通孔を含むマニホールドが形成される。燃料電池スタックは、さらに、エンド部材に対して第１の方向の上記一方側に接続され、第１の方向に貫通し、かつ、エンド貫通孔に連通するガス貫通孔が形成されたガス通路部材を備える（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２０２２－７３４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
発電反応に用いられるガスが燃料電池スタックに供給されると、燃料電池スタック内のガス流路に内圧が生じる。このとき、例えば、供給するガスの流量や作動温度、発電ブロックを構成する部材の厚みの製造誤差等によって、同一の製造方法で製造された燃料電池スタックであっても、機種によって内圧が変わるおそれがある。このような場合、発電反応に好適な内圧に調整する必要があるが、個々の機種に応じて発電ブロックを構成する部材またはエンド部材の仕様を変更することは、コスト面等で課題がある。
【0006】
なお、このような課題は、例えば、水の電気分解反応を利用して水素を生成する電解単セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼び、発電ブロックと電解ブロックとをまとめて電気化学反応ブロックと呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタック等の種々の電気化学反応装置にも共通の課題である。
【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は、電気化学反応ブロックと、一対のエンド部材と、を備える。前記電気化学反応ブロックは、電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、を含む単セルをそれぞれ有する複数の電気化学反応単位が第１の方向に並べて配置されている。前記一対のエンド部材は、前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向し、前記一対のエンド部材のうちの少なくとも一方である特定エンド部材に、前記第１の方向に貫通する第１のエンド貫通孔および第２のエンド貫通孔が形成されている。前記電気化学反応セルスタックは、各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給する第１のマニホールドであって、前記第１のエンド貫通孔を含む第１のマニホールドと、前記特定電極に面する前記ガス流路からガスを排出する第２のマニホールドであって、前記第２のエンド貫通孔を含む第２のマニホールドと、が形成されている。前記電気化学反応セルスタックは、さらに、前記特定エンド部材に接続され、前記第１のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックにガスを供給する第１のガス貫通孔が形成された第１のガス通路部材と、前記特定エンド部材に接続され、前記第２のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックからガスを排出する第２のガス貫通孔が形成された第２のガス通路部材と、を備える。前記第２のガス貫通孔における最小断面積は、前記第１のガス貫通孔における最小断面積よりも小さい。
【0010】
電気化学反応セルスタックにガスが供給されると、電気化学反応セルスタック内のガス流路に内圧が生じる。このとき、例えば、供給するガスの流量や作動温度、電気化学反応ブロックを構成する部材の厚みの製造誤差等によって、同一の製造方法で製造された電気化学反応セルスタックであっても、機種によって内圧が変わるおそれがある。このような場合、電気化学反応に好適な内圧に調整する必要があるが、個々の機種に応じて電気化学反応ブロックを構成する部材またはエンド部材の仕様を変更することは、コスト面等で課題がある。本電気化学反応セルスタックによれば、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路において、エンド部材に接続され、電気化学反応ブロックからガスを排出する第２のガス貫通孔の最小断面積は、エンド部材に接続され、電気化学反応ブロックにガスを供給する第１のガス貫通孔の最小断面積よりも小さい。これにより、電気化学反応ブロックまたはエンド部材の仕様を変更せずとも、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路のうちの一部の断面積を狭めることができ、圧力損失を増大させることによって、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、電気化学反応セルスタックにおけるガス流路の内圧の調整にかかるコストを低減することができる。
【0011】
（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２のガス貫通孔における最小断面積は、前記第２のマニホールドにおける最小断面積よりも小さい構成としてもよい。本構成によれば、第２のガス貫通孔における最小断面積が、第２のマニホールドにおける最小断面積よりも小さいため、電気化学反応ブロックおよびエンド部材に含まれる第２のマニホールドの仕様を変更せずとも、第２のガス貫通孔の仕様によって特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、電気化学反応セルスタックにおけるガス流路の内圧の調整にかかるコストをより効果的に低減することができる。
【0012】
（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定電極は、前記空気極である構成としてもよい。電気化学反応セルスタックにガスが供給されると、電気化学反応セルスタック内のガス流路に内圧が生じる。このとき、電気化学反応セルスタックの使用環境によっては、空気極および燃料極のそれぞれに供給されるガスが流れる一連のガス流路に圧力差が生じ、空気極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧が、燃料極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧よりも低くなることがある。圧力差が一定の値を超えた場合、圧力差によって単セルが破損するおそれがある。本構成によれば、空気極に供給されるガスが流れる一連のガス流路において、第２のガス貫通孔の最小断面積は、第１のガス貫通孔の最小断面積よりも小さい。これにより、電気化学反応ブロックまたはエンド部材の仕様を変更せずとも、空気極に供給されるガスが流れる一連のガス流路のうちの一部の断面積を狭めることができ、圧力損失を増大させることによって、空気極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、電気化学反応セルスタックにおける空気極および燃料極のそれぞれに供給されるガスが流れる一連のガス流路の圧力差の調整にかかるコストを低減することができる。
【0013】
（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定電極は、前記燃料極である構成としてもよい。電気化学反応セルスタックにガスが供給されると、電気化学反応セルスタック内のガス流路に内圧が生じる。このとき、電気化学反応セルスタックの使用環境によっては、空気極および燃料極のそれぞれに供給されるガスのガス流路に圧力差が生じ、燃料極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧が、空気極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧よりも低くなることがある。圧力差が一定の値を超えた場合、圧力差によって単セルが破損するおそれがある。本構成によれば、燃料極に供給されるガスが流れる一連のガス流路において、第２のガス貫通孔の最小断面積は、第１のガス貫通孔の最小断面積よりも小さい。これにより、電気化学反応ブロックまたはエンド部材の仕様を変更せずとも、燃料極に供給されるガスが流れる一連のガス流路のうちの一部の断面積を狭めることができ、圧力損失を増大させることによって、燃料極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、電気化学反応セルスタックにおける空気極および燃料極のそれぞれに供給されるガスが流れる一連のガス流路の圧力差の調整にかかるコストを低減することができる。
【0014】
（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定エンド部材は、前記第１の方向に貫通する第３のエンド貫通孔および第４のエンド貫通孔が形成され、各前記電気化学反応単位における前記空気極と前記燃料極との他方である他の特定電極に面するガス流路にガスを供給する第３のマニホールドであって、前記第３のエンド貫通孔を含む第３のマニホールドと、前記他の特定電極に面する前記ガス流路からガスを排出する第４のマニホールドであって、前記第４のエンド貫通孔を含む第４のマニホールドと、が形成され、前記電気化学反応セルスタックは、さらに、前記特定エンド部材に接続され、前記第３のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックにガスを供給する第３のガス貫通孔が形成された第３のガス通路部材と、前記特定エンド部材に接続され、前記第４のマニホールドに連通し、前記電気化学反応ブロックからガスを排出する第４のガス貫通孔が形成された第４のガス通路部材と、を備え、前記第２のガス貫通孔と前記第４のガス貫通孔とは、最小断面積が異なる構成としてもよい。
【0015】
本構成によれば、特定電極に面する流路から排出されるガスのガス流路である第２のガス貫通孔と、他の特定電極に面する流路から排出されるガスのガス流路である第４のガス貫通孔とで、最小断面積を変えることにより、電気化学反応セルスタックにおけるガス流路の内圧の調整をより確実に行うことができる。
【0016】
（６）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２のガス通路部材および前記第４のガス通路部材は、フランジ孔が形成されたフランジ部をそれぞれ有し、前記第２のガス貫通孔は、前記フランジ孔を含み、前記フランジ孔は、前記第２のガス貫通孔において最小断面積を形成する構成としてもよい。本構成によれば、第２のガス通路部材および第４のガス通路部材がフランジ部を有し、フランジ部に形成されたフランジ孔が第２のガス貫通孔に含まれ、フランジ孔が第２のガス貫通孔における最小断面積を形成する。そのため、第２のガス通路部材のうち、フランジ部の仕様の変更のみによって一連のガス流路のうちの一部の断面積を狭めることができ、圧力損失を増大させることによって、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、電気化学反応セルスタックにおけるガス流路の内圧の調整にかかるコストをより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）やその製造方法等の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】第１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
【図8】ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄの構成を示す斜視図
【図9】第２実施形態における燃料電池スタック１００ａの外観構成を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【0019】
Ａ．第１実施形態：
Ａ－１．燃料電池スタック１００の構成：
図１は、第１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り、図４は、図１のＩＶ－ＩＶ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。燃料電池スタック１００は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックの一例である。
Ａ－１．燃料電池スタック１００の構成：
図１は、第１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り、図４は、図１のＩＶ－ＩＶ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。燃料電池スタック１００は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックの一例である。
【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、単に「発電単位」という。）１０２と、一対のターミナルプレート４１０，４２０と、一対の電流線４１４，４２４と、末端セパレータ２１０と、下端プレート１８９と、絶縁部２００と、上端プレート２２０と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。発電単位１０２は、特許請求の範囲における電気化学反応単位の一例である。
【0021】
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。一対のターミナルプレート４１０，４２０のうちの一方（以下、「上側ターミナルプレート４１０」という。）は、７つの発電単位１０２から構成される集合体（以下、「発電ブロック１０３」という。）の上側に配置されており、一対のターミナルプレート４１０，４２０のうちの他方（以下、「下側ターミナルプレート４２０」という。）は、発電ブロック１０３の下側に配置されている。末端セパレータ２１０は、上側ターミナルプレート４１０の上側に配置されており、下端プレート１８９は、下側ターミナルプレート４２０の下側に配置されている。絶縁部２００は、末端セパレータ２１０の上側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの一方（以下、「上側エンドプレート１０４」という。）は、絶縁部２００の上側に配置されており、一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの他方（以下、「下側エンドプレート１０６」という。）は、下端プレート１８９の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、発電ブロック１０３と、ターミナルプレート４１０，４２０と、末端セパレータ２１０と、下端プレート１８９と、絶縁部２００とを上下から挟むように配置されている。発電ブロック１０３は、特許請求の範囲における電気化学反応ブロックの一例である。エンドプレート１０４，１０６は、特許請求の範囲における一対のエンド部材の一例である。下側エンドプレート１０６は、特許請求の範囲における特定エンド部材の一例である。上記所定の配列方向（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。
【0022】
図１および図４に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（発電ブロック１０３、ターミナルプレート４１０，４２０、末端セパレータ２１０、下端プレート１８９、絶縁部２００、および、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸方向回りの外周の４つの角部付近には、各層を上下方向に貫通する孔が形成されている。これらの各層に形成された互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上下方向に延びるボルト孔１０９を構成している。以下の説明では、ボルト孔１０９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１０９と呼ぶ場合がある。
【0023】
各ボルト孔１０９にはボルト２２が挿入されている。各ボルト２２の上端部は、上側エンドプレート１０４の孔を介してナット２４のネジ孔に螺合しており、各ボルト２２の下端部は、下側エンドプレート１０６の孔を介してナット２４のネジ孔に螺合している。このような構成のボルト２２およびナット２４により、燃料電池スタック１００の各層が一体に締結されている。
【0024】
また、図１から図３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、下側ターミナルプレート４２０、下端プレート１８９、下側エンドプレート１０６）のＺ軸方向回りの周縁部には、各層を上下方向に貫通する４つの孔が形成されており、各層に形成された互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、最上部の発電単位１０２から下側エンドプレート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。なお、以下、連通孔１０８のうち、下側エンドプレート１０６に形成された孔を、特にエンド貫通孔１０７という。
【0025】
図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周を構成する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１つの連通孔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空気極側ガス供給マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺の付近に位置する１つの連通孔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の外部へ排出するガス流路である空気極側ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、酸化剤ガスＯＧとしては、例えば空気が使用される。空気極側ガス供給マニホールド１６１は、特許請求の範囲における第３のマニホールドないし第１のマニホールドの一例である。空気極側ガス排出マニホールド１６２は、特許請求の範囲における第４のマニホールドないし第２のマニホールドの一例である。
【0026】
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、上述した空気極側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１つの連通孔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極側ガス供給マニホールド１７１として機能し、上述した空気極側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１つの連通孔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の外部へ排出するガス流路である燃料極側ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、燃料ガスＦＧとしては、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。燃料極側ガス供給マニホールド１７１は、特許請求の範囲における第１のマニホールドないし第３のマニホールドの一例である。燃料極側ガス排出マニホールド１７２は、特許請求の範囲における第２のマニホールドないし第４のマニホールドの一例である。
【0027】
図１から図３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３１０Ａ～３１０Ｄが設けられている。ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄは、それぞれ、中空筒状の本体部３２０Ａ～３２０Ｄと、フランジ部３３０Ａ～３３０Ｄとを有している。本体部３２０Ａ～３２０Ｄとフランジ部３３０Ａ～３３０Ｄとは、例えば溶接により互いに接合されている。ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄには、各種ガスの流路であるガス貫通孔３４０Ａ～３４０Ｄが形成されており、発電ブロック１０３に各種ガスを供給し、または、発電ブロック１０３から各種ガスを排出する。フランジ部３３０Ａ～３３０Ｄは、本体部３２０Ａ～３２０Ｄの下端側から上下方向に垂直な面方向に張り出すように設けられている。フランジ部３３０Ａ～３３０Ｄの上下方向視での外形は略矩形状であり、フランジ部３３０Ａ～３３０Ｄの４つの角部のそれぞれには、ボルト孔２９（図１等参照）が形成されている。各ボルト孔２９には、燃料電池スタック１００を外部装置に接続するためのボルト（図示せず）が挿入される。なお、本明細書における「ガス通路部材」とは、ガス流路が形成された部材であって、実質的に下側エンドプレート１０６に直接接続される部材を意味する。すなわち、燃料電池スタック１００が、例えば、燃焼器や改質器等の補助器と接続され、燃料電池モジュール等における構成要素の１つとして利用される形態においては、ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄに接続された補助器側の配管は、ガス通路部材には含まれない。ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄの詳細な構成については後述する。
【0028】
（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、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば金属により形成されている。一対のエンドプレート１０４，１０６の中央付近には、それぞれ、Ｚ軸方向に貫通する孔３２，３４が形成されている。Ｚ軸方向視で、一対のエンドプレート１０４，１０６のそれぞれに形成された孔３２，３４の内周線は、後述する各単セル１１０の少なくとも一部を内包している。各ボルト２２および各ナット２４による締結によって生じるＺ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位１０２の周縁部（後述する各単セル１１０より外周側の部分）に作用する。
一対のエンドプレート１０４，１０６は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば金属により形成されている。一対のエンドプレート１０４，１０６の中央付近には、それぞれ、Ｚ軸方向に貫通する孔３２，３４が形成されている。Ｚ軸方向視で、一対のエンドプレート１０４，１０６のそれぞれに形成された孔３２，３４の内周線は、後述する各単セル１１０の少なくとも一部を内包している。各ボルト２２および各ナット２４による締結によって生じるＺ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位１０２の周縁部（後述する各単セル１１０より外周側の部分）に作用する。
【0029】
（ターミナルプレート４１０，４２０および電流線４１４，４２４の構成）
一対のターミナルプレート４１０，４２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、導電材料により形成されている。上側ターミナルプレート４１０の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔４１２が形成されている。Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート４１０に形成された孔４１２の内周線は、後述する各単セル１１０の少なくとも一部を内包している。Ｚ軸方向視で、一対のターミナルプレート４１０，４２０のそれぞれの一方側の端部は、発電ブロック１０３から側方に張り出している。ターミナルプレート４１０，４２０のそれぞれの上面には、溶接部４１５，４２５を介して電流線４１４，４２４が接続されている。電流線４１４，４２４は、平板状の部材であり、導電材料により形成されている。電流線４１４，４２４のうち、上側にある上側電流線４１４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、下側にある下側電流線４２４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。
一対のターミナルプレート４１０，４２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、導電材料により形成されている。上側ターミナルプレート４１０の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔４１２が形成されている。Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート４１０に形成された孔４１２の内周線は、後述する各単セル１１０の少なくとも一部を内包している。Ｚ軸方向視で、一対のターミナルプレート４１０，４２０のそれぞれの一方側の端部は、発電ブロック１０３から側方に張り出している。ターミナルプレート４１０，４２０のそれぞれの上面には、溶接部４１５，４２５を介して電流線４１４，４２４が接続されている。電流線４１４，４２４は、平板状の部材であり、導電材料により形成されている。電流線４１４，４２４のうち、上側にある上側電流線４１４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、下側にある下側電流線４２４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。
【0030】
（上端プレート２２０の構成）
上端プレート２２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、導電材料により形成されている。上端プレート２２０は、発電ブロック１０３の上側に配置されており、発電ブロック１０３における上端に位置するインターコネクタ１９０（後述）に電気的に接続されている。本実施形態では、上端プレート２２０とインターコネクタ１９０とは、後述の燃料極側集電部材１４４と同一構造の接続部材を介して電気的に接続されている。
上端プレート２２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、導電材料により形成されている。上端プレート２２０は、発電ブロック１０３の上側に配置されており、発電ブロック１０３における上端に位置するインターコネクタ１９０（後述）に電気的に接続されている。本実施形態では、上端プレート２２０とインターコネクタ１９０とは、後述の燃料極側集電部材１４４と同一構造の接続部材を介して電気的に接続されている。
【0031】
（末端セパレータ２１０の構成）
末端セパレータ２１０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔２１１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。末端セパレータ２１０における貫通孔２１１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、上端プレート２２０の周囲部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。末端セパレータ２１０は、上端プレート２２０と発電ブロック１０３との間の空間と燃料電池スタック１００の外部空間とを区画する。
末端セパレータ２１０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔２１１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。末端セパレータ２１０における貫通孔２１１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、上端プレート２２０の周囲部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。末端セパレータ２１０は、上端プレート２２０と発電ブロック１０３との間の空間と燃料電池スタック１００の外部空間とを区画する。
【0032】
末端セパレータ２１０は、末端セパレータ２１０の貫通孔周囲部を含む内側部２１６と、内側部２１６より外周側に位置する外側部２１７と、内側部２１６と外側部２１７とを連結する連結部２１８とを備える。本実施形態では、内側部２１６および外側部２１７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部２１８は、内側部２１６と外側部２１７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状である。すなわち、連結部２１８は、下側に凸、かつ、上側に凹な形状である。連結部２１８は、Ｚ軸方向における位置が内側部２１６および外側部２１７とは異なる部分を含んでいる。
【0033】
（下端プレート１８９の構成）
下端プレート１８９は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。下端プレート１８９の周縁部は、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との間に挟み込まれており、これにより、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との絶縁性が確保されている。
下端プレート１８９は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。下端プレート１８９の周縁部は、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との間に挟み込まれており、これにより、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との絶縁性が確保されている。
【0034】
（絶縁部２００の構成）
絶縁部２００は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔が形成されたフレーム状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。絶縁部２００は、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との間に挟み込まれており、これにより、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との絶縁性が確保されている。
絶縁部２００は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔が形成されたフレーム状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。絶縁部２００は、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との間に挟み込まれており、これにより、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との絶縁性が確保されている。
【0035】
（発電単位１０２の構成）
図５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６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り、図７は、図４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５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６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り、図７は、図４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。
【0036】
図５から図７に示すように、発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）１１０と、単セル用セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電部材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１９０および一対のＩＣ用セパレータ１８０とを備えている。単セル用セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、ＩＣ用セパレータ１８０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する各連通孔１０８を構成する孔と、各ボルト孔１０９を構成する孔とが形成されている。
【0037】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上側に配置された空気極１１４と、電解質層１１２の下側に配置された燃料極１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された反応防止層１１８とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、反応防止層１１８）を支持する燃料極支持型の単セルである。
【0038】
電解質層１１２は、Ｚ軸方向視で略矩形の平板状の部材であり、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含むように構成されている。すなわち、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状の部材であり、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））を含むように構成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２と略同じ大きさの略矩形の平板状の部材であり、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。反応防止層１１８は、Ｚ軸方向視で空気極１１４と略同じ大きさの略矩形の平板状の部材であり、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）を含むように構成されている。反応防止層１１８は、空気極１１４から拡散した元素（例えば、Ｓｒ）が電解質層１１２に含まれる元素（例えば、Ｚｒ）と反応して高抵抗な物質（例えば、ＳｒＺｒＯ３）が生成されることを抑制する機能を有する。燃料極１１６は、特許請求の範囲における特定電極ないし他の特定電極の一例である。空気極１１４は、特許請求の範囲における他の特定電極ないし特定電極の一例である。
【0039】
単セル用セパレータ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。単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部における上側の表面に対向している。単セル用セパレータ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と接合されている。単セル用セパレータ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。
【0040】
単セル用セパレータ１２０は、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部を含む内側部１２６と、内側部１２６より外周側に位置する外側部１２７と、内側部１２６と外側部１２７とを連結する連結部１２８とを備える。本実施形態では、内側部１２６および外側部１２７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部１２８は、内側部１２６と外側部１２７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状である。すなわち、連結部１２８は、下側に凸、かつ、上側に凹な形状である。換言すれば、連結部１２８は、単セル用セパレータ１２０により区画される空気室１６６および燃料室１７６のうちの空気室１６６側に凹な形状である。連結部１２８は、Ｚ軸方向における位置が内側部１２６および外側部１２７とは異なる部分を含んでいる。
【0041】
単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１付近には、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、接合部１２４に対して空気室１６６側に位置しており、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部の表面と、単セル１１０（本実施形態では電解質層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、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（クロスリーク）が効果的に抑制される。
【0042】
インターコネクタ１９０は、略矩形の平板状の平板部１５０と、平板部１５０から空気極１１４側に突出した複数の略柱状の空気極側集電部１３４とを有する導電性の部材であり、金属（例えば、フェライト系ステンレス）により形成されている。本実施形態では、インターコネクタ１９０の表面（空気室１６６に面する表面）に、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性の被覆層１９４が形成されている。以下では、被覆層１９４に覆われたインターコネクタ１９０を、単にインターコネクタ１９０という。インターコネクタ１９０の各空気極側集電部１３４は、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性接合材１９６を介して、単セル１１０の空気極１１４に接合されており、これにより単セル１１０の空気極１１４に電気的に接続されている。インターコネクタ１９０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保するとともに、発電単位１０２間での反応ガスの混合を抑制する。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１９０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１９０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１９０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は下側ターミナルプレート４２０および下端プレート１８９を備えているため、燃料電池スタック１００において最も下側に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１９０を備えていない（図２から図４参照）。
【0043】
ＩＣ用セパレータ１８０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１８１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。ＩＣ用セパレータ１８０における貫通孔１８１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、インターコネクタ１９０の平板部１５０の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、上側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の空気室１６６と、該発電単位１０２に対して上側に隣り合う他の発電単位１０２の燃料室１７６とを区画する。また、ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、下側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の燃料室１７６と、該発電単位１０２に対して下側に隣り合う他の発電単位１０２の空気室１６６とを区画する。このように、ＩＣ用セパレータ１８０により、発電単位１０２の周縁部における発電単位１０２間のガスのリークが抑制される。なお、燃料電池スタック１００において最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０に接合されたＩＣ用セパレータ１８０は、上側ターミナルプレート４１０に電気的に接続されている。
【0044】
ＩＣ用セパレータ１８０は、ＩＣ用セパレータ１８０の貫通孔周囲部を含む内側部１８６と、内側部１８６より外周側に位置する外側部１８７と、内側部１８６と外側部１８７とを連結する連結部１８８とを備える。本実施形態では、内側部１８６および外側部１８７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部１８８は、内側部１８６と外側部１８７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状である。すなわち、連結部１８８は、下側に凸、かつ、上側に凹な形状である。連結部１８８は、Ｚ軸方向における位置が内側部１８６および外側部１８７とは異なる部分を含んでいる。
【0045】
空気極側フレーム１３０は、中央付近にＺ軸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を画定する。空気極側フレーム１３０は、単セル用セパレータ１２０の周縁部における上側の表面と、上側のＩＣ用セパレータ１８０の周縁部における下側の表面とに接触しており、両者の間のガスシール性（すなわち、空気室１６６のガスシール性）を確保するシール部材として機能する。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ＩＣ用セパレータ１８０の間（すなわち、一対のインターコネクタ１９０の間）が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、空気極側ガス供給マニホールド１６１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と空気極側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。
【0046】
燃料極側フレーム１４０は、中央付近にＺ軸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を画定する。燃料極側フレーム１４０は、単セル用セパレータ１２０の周縁部における下側の表面と、下側のＩＣ用セパレータ１８０の周縁部における上側の表面とに接触している。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料極側ガス供給マニホールド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と燃料極側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。
【0047】
燃料極側集電部材１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部材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の下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１９０の平板部１５０の上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において最も下側に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１９０を備えていないため、該発電単位１０２における燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６は、下側ターミナルプレート４２０に接触している。燃料極側集電部材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１９０（または下端プレート１８９）とを電気的に接続する。なお、燃料極側集電部材１４４の電極対向部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、燃料極側集電部材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、燃料極側集電部材１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１９０（または下側ターミナルプレート４２０）との電気的接続が良好に維持される。燃料極側集電部材１４４は、例えば、平板状の材料（例えば、厚さ１０～２００μｍのニッケル箔）に複数の矩形の切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こしてスペーサー１４９を挟むように加工することにより作製される。曲げ起こされた各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が開いた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。
【0048】
Ａ－２．ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄの詳細構成：
図８は、ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄの構成を示す斜視図である。ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄは、後に詳述するように、フランジ孔３３２Ａ～３３２Ｄの孔径が異なるものの、それ以外の構成は概ね同一であるため、図８では、ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄのうち、ガス通路部材３１０Ｂの構成のみを示している。
図８は、ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄの構成を示す斜視図である。ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄは、後に詳述するように、フランジ孔３３２Ａ～３３２Ｄの孔径が異なるものの、それ以外の構成は概ね同一であるため、図８では、ガス通路部材３１０Ａ～３１０Ｄのうち、ガス通路部材３１０Ｂの構成のみを示している。
【0049】
図３および図８に示すように、ガス通路部材３１０Ｂは、本体部３２０Ｂと、フランジ部３３０Ｂとを有している。ガス通路部材３１０Ｂには、上下方向に貫通するガス貫通孔３４０Ｂが形成されている。ガス貫通孔３４０Ｂは、本体部３２０Ｂに形成された上下方向に貫通する貫通孔である本体孔３２２Ｂと、フランジ部３３０Ｂに形成された上下方向に貫通する貫通孔であるフランジ孔３３２Ｂとを含んでいる。本体部３２０Ｂの上端は、燃料極側ガス排出マニホールド１７２に含まれるエンド貫通孔１０７（以下、「エンド貫通孔１０７Ｂ」という。）内に挿入され、例えば溶接により接合されている。すなわち、ガス貫通孔３４０Ｂは、燃料極側ガス排出マニホールド１７２に連通し、発電ブロック１０３から燃料オフガスＦＯＧを排出する。ガス通路部材３１０Ｂは、特許請求の範囲における第２のガス通路部材の一例である。ガス貫通孔３４０Ｂは、特許請求の範囲における第２のガス貫通孔の一例である。エンド貫通孔１０７Ｂは、特許請求の範囲における第２のエンド貫通孔の一例である。
【0050】
また、図３および図８に示すように、ガス通路部材３１０Ａは、本体部３２０Ａと、フランジ部３３０Ａとを有している。ガス通路部材３１０Ａには、上下方向に貫通するガス貫通孔３４０Ａが形成されている。ガス貫通孔３４０Ａは、本体部３２０Ａに形成された上下方向に貫通する貫通孔である本体孔３２２Ａと、フランジ部３３０Ａに形成された上下方向に貫通する貫通孔であるフランジ孔３３２Ａとを含んでいる。本体部３２０Ａの上端は、燃料極側ガス供給マニホールド１７１に含まれるエンド貫通孔１０７（以下、「エンド貫通孔１０７Ａ」という。）内に挿入され、例えば溶接により接合されている。すなわち、ガス貫通孔３４０Ａは、燃料極側ガス供給マニホールド１７１に連通し、発電ブロック１０３に燃料ガスＦＧを供給する。ガス通路部材３１０Ａは、特許請求の範囲における第１のガス通路部材の一例である。ガス貫通孔３４０Ａは、特許請求の範囲における第１のガス貫通孔の一例である。エンド貫通孔１０７Ａは、特許請求の範囲における第１のエンド貫通孔の一例である。
【0051】
また、図２および図８に示すように、ガス通路部材３１０Ｄは、本体部３２０Ｄと、フランジ部３３０Ｄとを有している。ガス通路部材３１０Ｄには、上下方向に貫通するガス貫通孔３４０Ｄが形成されている。ガス貫通孔３４０Ｄは、本体部３２０Ｄに形成された上下方向に貫通する貫通孔である本体孔３２２Ｄと、フランジ部３３０Ｄに形成された上下方向に貫通する貫通孔であるフランジ孔３３２Ｄとを含んでいる。本体部３２０Ｄの上端は、空気極側ガス排出マニホールド１６２に含まれるエンド貫通孔１０７（以下、「エンド貫通孔１０７Ｄ」という。）内に挿入され、例えば溶接により接合されている。すなわち、ガス貫通孔３４０Ｄは、空気極側ガス排出マニホールド１６２に連通し、発電ブロック１０３から酸化剤オフガスＯＯＧを排出する。ガス通路部材３１０Ｄは、特許請求の範囲における第４のガス通路部材の一例である。ガス貫通孔３４０Ｄは、特許請求の範囲における第４のガス貫通孔の一例である。エンド貫通孔１０７Ｄは、特許請求の範囲における第４のエンド貫通孔の一例である。
【0052】
また、図２および図８に示すように、ガス通路部材３１０Ｃは、本体部３２０Ｃと、フランジ部３３０Ｃとを有している。ガス通路部材３１０Ｃには、上下方向に貫通するガス貫通孔３４０Ｃが形成されている。ガス貫通孔３４０Ｃは、本体部３２０Ｃに形成された上下方向に貫通する貫通孔である本体孔３２２Ｃと、フランジ部３３０Ｃに形成された上下方向に貫通する貫通孔であるフランジ孔３３２Ｃとを含んでいる。本体部３２０Ｃの上端は、空気極側ガス供給マニホールド１６１に含まれるエンド貫通孔１０７（以下、「エンド貫通孔１０７Ｃ」という。）内に挿入され、例えば溶接により接合されている。すなわち、ガス貫通孔３４０Ｃは、空気極側ガス供給マニホールド１６１に連通し、発電ブロック１０３に酸化剤ガスＯＧを供給する。ガス通路部材３１０Ｃは、特許請求の範囲における第３のガス通路部材の一例である。ガス貫通孔３４０Ｃは、特許請求の範囲における第３のガス貫通孔の一例である。エンド貫通孔１０７Ｃは、特許請求の範囲における第３のエンド貫通孔の一例である。
【0053】
本体部３２０Ａ～３２０Ｄは、互いに同一の構造を有している。本体部３２０Ａ～３２０Ｄの本体孔３２２Ａ～３２２Ｄは、上下方向視での形状が略円形である。本体孔３２２Ａ～３２２Ｄの孔径は、燃料電池スタック１００との接続位置であるスタック接続部ＣＳから、ガス配管（図示せず）との接続位置である配管接続部ＰＳに向かうにつれて大きくなる構造を有している。すなわち、本体孔３２２Ａ～３２２Ｄにおいて、最も孔径が小さいのはスタック接続部ＣＳである。
【0054】
フランジ部３３０Ａ～３３０Ｄは、フランジ孔３３２Ａ～３３２Ｄの孔径が互いに異なるという点において相違する。具体的には、フランジ部３３０Ａ～３３０Ｄのフランジ孔３３２Ａ～３３２Ｄは、いずれも上下方向視での形状が略円形である。フランジ孔３３２Ａ，３３２Ｃ，３３２Ｄは、互いに同一の孔径を有しており、それらの孔径は、本体孔３２２Ａ～３２２Ｄの配管接続部ＰＳの孔径と略同一である。一方、フランジ孔３３２Ｂは、他のフランジ孔（フランジ孔３３２Ａ，３３２Ｃ，３３２Ｄ）とは異なる孔径を有しており、その孔径は、本体孔３２２Ａ～３２２Ｄのスタック接続部ＣＳよりも小さい孔径を有している。
【0055】
本体部３２０Ａ～３２０Ｄおよびフランジ部３３０Ａ～３３０Ｄが上記のような構成を有しているため、ガス貫通孔３４０Ａ～３４０Ｄのそれぞれにおいて孔径が最小となる位置も異なる。具体的には、ガス貫通孔３４０Ａ，３４０Ｃ，３４０Ｄのそれぞれにおいて孔径が最小となる位置は、本体孔３２２Ａ，３２２Ｃ，３２２Ｄのスタック接続部ＣＳである。そのため、ガス貫通孔３４０Ａ，３４０Ｃ，３４０Ｄにおいて最小断面積となる位置は、本体孔３２２Ａ，３２２Ｃ，３２２Ｄのスタック接続部ＣＳである。一方、ガス貫通孔３４０Ｂにおいて孔径が最小となる位置は、フランジ孔３３２Ｂである。そのため、ガス貫通孔３４０Ｂにおいて最小断面積となる位置は、フランジ孔３３２Ｂである。なお、本明細書における「最小断面積」とは、詳細には、燃料電池スタック１００のガス流路を形成する各部において、ガス流路におけるガスの流れ方向に交差する方向の断面積が最小となる位置の断面積を意味している。
【0056】
前述の通り、フランジ孔３３２Ｂの孔径は、本体孔３２２Ａ～３２２Ｄにおけるスタック接続部ＣＳの孔径よりも小さい。そのため、燃料ガスＦＧの流路を形成するガス貫通孔３４０Ａおよびガス貫通孔３４０Ｂについて、発電ブロック１０３から燃料オフガスＦＯＧの排出を行うガス貫通孔３４０Ｂにおける最小断面積は、発電ブロック１０３に燃料ガスＦＧの供給を行うガス貫通孔３４０Ａにおける最小断面積よりも小さい。また、燃料オフガスＦＯＧの排出を行うガス貫通孔３４０Ｂと、酸化剤オフガスＯＯＧの排出を行うガス貫通孔３４０Ｄとは、最小断面積が異なる。また、ガス貫通孔３４０Ｂの最小断面積は、ガス貫通孔３４０Ｂに連通している燃料極側ガス排出マニホールド１７２の最小断面積よりも小さくなるように構成されている。
【0057】
Ａ－３．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図５に示すように、ガス通路部材３１０Ｃ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３１０Ｃのガス貫通孔３４０Ｃを介して空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給され、空気極側ガス供給マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３および図６に示すように、ガス通路部材３１０Ａ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３１０Ａのガス貫通孔３４０Ａを介して燃料極側ガス供給マニホールド１７１に供給され、燃料極側ガス供給マニホールド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。
図２および図５に示すように、ガス通路部材３１０Ｃ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３１０Ｃのガス貫通孔３４０Ｃを介して空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給され、空気極側ガス供給マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３および図６に示すように、ガス通路部材３１０Ａ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３１０Ａのガス貫通孔３４０Ａを介して燃料極側ガス供給マニホールド１７１に供給され、燃料極側ガス供給マニホールド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。
【0058】
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は上側のインターコネクタ１９０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電部材１４４を介して下側のインターコネクタ１９０（または、下端プレート１８９）に電気的に接続されている。すなわち、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。また、最も上位に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０およびＩＣ用セパレータ１８０は、上側ターミナルプレート４１０に電気的に接続されており、最も下側に位置する発電単位１０２の燃料極側集電部材１４４には、下側ターミナルプレート４２０が電気的に接続されている。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ターミナルプレート４１０，４２０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。
【0059】
図２および図５に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から酸化剤ガス排出連通孔１３３を介して空気極側ガス排出マニホールド１６２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、ガス通路部材３１０Ｄのガス貫通孔３４０Ｄを経て、ガス通路部材３１０Ｄ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、図３および図６に示すように、各発電単位１０２の燃料室１７６から燃料ガス排出連通孔１４３を介して燃料極側ガス排出マニホールド１７２に排出された燃料オフガスＦＯＧは、ガス通路部材３１０Ｂのガス貫通孔３４０Ｂを経て、ガス通路部材３１０Ｂ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。
【0060】
なお、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ軸方向視で、空気極側ガス供給マニホールド１６１に連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、燃料極側ガス供給マニホールド１７１に連通する燃料ガス供給連通孔１４２とが、単セルの一の辺に（同じ方向に）対向するように配置されており、かつ、空気極側ガス排出マニホールド１６２に連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３と、燃料極側ガス排出マニホールド１７２に連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが、単セルの一の辺に対して単セル１１０の中心点を挟んで対向する他の辺に（同じ方向に）対向するように配置されている。すなわち、本実施形態の発電単位１０２（燃料電池スタック１００）は、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向（Ｘ軸正方向からＸ軸負方向へ向かう方向）と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（Ｘ軸正方向からＸ軸負方向へ向かう方向）とが略同一の方向であるコフロータイプのＳＯＦＣである。
【0061】
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、発電ブロック１０３と、エンドプレート１０４，１０６と、を備える。発電ブロック１０３は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６と、を含む単セル１１０をそれぞれ有する複数の発電単位１０２が上下方向に並べて配置されている。エンドプレート１０４，１０６は、発電ブロック１０３を挟んで上下方向に互いに対向し、下側エンドプレート１０６に、上下方向に貫通するエンド貫通孔１０７Ａおよびエンド貫通孔１０７Ｂが形成されている。燃料電池スタック１００は、各発電単位１０２における空気極１１４と燃料極１１６との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給するマニホールドであって、エンド貫通孔１０７Ａを含む燃料極側ガス供給マニホールド１７１と、特定電極に面するガス流路からガスを排出するマニホールドであって、エンド貫通孔１０７Ｂを含む燃料極側ガス排出マニホールド１７２と、が形成されている。燃料電池スタック１００は、さらに、下側エンドプレート１０６に接続され、燃料極側ガス供給マニホールド１７１に連通し、発電ブロック１０３にガスを供給するガス貫通孔３４０Ａが形成されたガス通路部材３１０Ａと、下側エンドプレート１０６に接続され、燃料極側ガス排出マニホールド１７２に連通し、発電ブロック１０３からガスを排出するガス貫通孔３４０Ｂが形成されたガス通路部材３１０Ｂと、を備える。ガス貫通孔３４０Ｂにおける最小断面積は、ガス貫通孔３４０Ａにおける最小断面積よりも小さい。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００は、発電ブロック１０３と、エンドプレート１０４，１０６と、を備える。発電ブロック１０３は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６と、を含む単セル１１０をそれぞれ有する複数の発電単位１０２が上下方向に並べて配置されている。エンドプレート１０４，１０６は、発電ブロック１０３を挟んで上下方向に互いに対向し、下側エンドプレート１０６に、上下方向に貫通するエンド貫通孔１０７Ａおよびエンド貫通孔１０７Ｂが形成されている。燃料電池スタック１００は、各発電単位１０２における空気極１１４と燃料極１１６との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給するマニホールドであって、エンド貫通孔１０７Ａを含む燃料極側ガス供給マニホールド１７１と、特定電極に面するガス流路からガスを排出するマニホールドであって、エンド貫通孔１０７Ｂを含む燃料極側ガス排出マニホールド１７２と、が形成されている。燃料電池スタック１００は、さらに、下側エンドプレート１０６に接続され、燃料極側ガス供給マニホールド１７１に連通し、発電ブロック１０３にガスを供給するガス貫通孔３４０Ａが形成されたガス通路部材３１０Ａと、下側エンドプレート１０６に接続され、燃料極側ガス排出マニホールド１７２に連通し、発電ブロック１０３からガスを排出するガス貫通孔３４０Ｂが形成されたガス通路部材３１０Ｂと、を備える。ガス貫通孔３４０Ｂにおける最小断面積は、ガス貫通孔３４０Ａにおける最小断面積よりも小さい。
【0062】
燃料電池スタック１００にガスが供給されると、燃料電池スタック１００内のガス流路に内圧が生じる。このとき、例えば、供給するガスの流量や作動温度、発電ブロック１０３を構成する部材の厚みの製造誤差等によって、同一の製造方法で製造された燃料電池スタック１００であっても、機種によって内圧が変わるおそれがある。このような場合、発電反応に好適な内圧に調整する必要があるが、個々の機種に応じて発電ブロック１０３を構成する部材または下側エンドプレート１０６の仕様を変更することは、コスト面等で課題がある。本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路において、下側エンドプレート１０６に接続され、発電ブロック１０３からガスを排出するガス貫通孔３４０Ｂの最小断面積は、下側エンドプレート１０６に接続され、発電ブロック１０３にガスを供給するガス貫通孔３４０Ａの最小断面積よりも小さい。これにより、発電ブロック１０３または下側エンドプレート１０６の仕様を変更せずとも、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路のうちの一部の断面積を狭めることができ、圧力損失を増大させることによって、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、燃料電池スタック１００におけるガス流路の内圧の調整にかかるコストを低減することができる。
【0063】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、ガス貫通孔３４０Ｂにおける最小断面積は、燃料極側ガス排出マニホールド１７２における最小断面積よりも小さい。本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、ガス貫通孔３４０Ｂにおける最小断面積が、燃料極側ガス排出マニホールド１７２における最小断面積よりも小さいため、発電ブロック１０３および下側エンドプレート１０６に含まれる燃料極側ガス排出マニホールド１７２の仕様を変更せずとも、ガス貫通孔３４０Ｂの仕様によって特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、燃料電池スタック１００におけるガス流路の内圧の調整にかかるコストをより効果的に低減することができる。
【0064】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、特定電極は、燃料極１１６である。燃料電池スタック１００にガスが供給されると、燃料電池スタック１００内のガス流路に内圧が生じる。このとき、燃料電池スタック１００の使用環境によっては、空気極１１４および燃料極１１６のそれぞれに供給されるガスが流れる一連のガス流路に圧力差が生じ、燃料極１１６に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧が、空気極１１４に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧よりも低くなることがある。圧力差が一定の値を超えた場合、圧力差によって単セル１１０が破損するおそれがある。本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、燃料極１１６に供給されるガスが流れる一連のガス流路において、ガス貫通孔３４０Ｂの最小断面積は、ガス貫通孔３４０Ａの断面積よりも小さい。これにより、発電ブロック１０３または下側エンドプレート１０６の仕様を変更せずとも、燃料極１１６に供給されるガスが流れる一連のガス流路のうちの一部の断面積を狭めることができ、圧力損失を増大させることによって、燃料極１１６に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、燃料電池スタック１００における空気極１１４および燃料極１１６のそれぞれに供給されるガスが流れる一連のガス流路の圧力差の調整にかかるコストを低減することができる。
【0065】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、下側エンドプレート１０６は、上下方向に貫通するエンド貫通孔１０７Ｃおよびエンド貫通孔１０７Ｄが形成され、燃料電池スタック１００は、発電単位１０２における空気極１１４と燃料極１１６との他方である他の特定電極に面するガス流路にガスを供給するマニホールドであって、エンド貫通孔１０７Ｃを含む空気極側ガス供給マニホールド１６１と、他の特定電極に面するガス流路からガスを排出するマニホールドであって、エンド貫通孔１０７Ｄを含む空気極側ガス排出マニホールド１６２と、が形成される。燃料電池スタック１００は、さらに、下側エンドプレート１０６に接続され、空気極側ガス供給マニホールド１６１に連通し、発電ブロック１０３にガスを供給するガス貫通孔３４０Ｃが形成されたガス通路部材３１０Ｃと、下側エンドプレート１０６に接続され、空気極側ガス排出マニホールド１６２に連通し、発電ブロック１０３からガスを排出するガス貫通孔３４０Ｄが形成されたガス通路部材３１０Ｄと、を備え、ガス貫通孔３４０Ｂとガス貫通孔３４０Ｄとは、最小断面積が異なる。
【0066】
本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、特定電極に面する流路から排出されるガスのガス流路であるガス貫通孔３４０Ｂと、他の特定電極に面する流路から排出されるガスのガス流路であるガス貫通孔３４０Ｄとで、最小断面積を変えることにより、燃料電池スタック１００におけるガス流路の内圧の調整をより正確に行うことができる。
【0067】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、ガス通路部材３１０Ｂおよびガス通路部材３１０Ｄは、フランジ孔３３２Ｂ，３３２Ｄが形成されたフランジ部３３０Ｂ，３３０Ｄをそれぞれ有し、ガス貫通孔３４０Ｂは、フランジ孔３３２Ｂを含み、フランジ孔３３２Ｂは、ガス貫通孔３４０Ｂにおいて最小断面積を形成する。本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、ガス通路部材３１０Ｂ，３１０Ｄがフランジ部３３０Ｂ，３３０Ｄを有し、フランジ部３３０Ｂに形成されたフランジ孔３３２Ｂがガス貫通孔３４０Ｂに含まれ、フランジ孔３３２Ｂがガス貫通孔３４０Ｂにおける最小断面積を形成する。そのため、ガス通路部材３１０Ｂのうち、フランジ部３３０Ｂの仕様の変更のみによって一連のガス流路のうちの一部の断面積を狭めることができ、圧力損失を増大させることによって、特定電極に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、燃料電池スタック１００におけるガス流路の内圧の調整にかかるコストをより効果的に低減することができる。
【0068】
Ｂ．第２実施形態：
図９は、第２実施形態における燃料電池スタック１００ａの外観構成を示す斜視図である。以下では、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａの構成のうち、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
図９は、第２実施形態における燃料電池スタック１００ａの外観構成を示す斜視図である。以下では、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａの構成のうち、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
【0069】
図１０は、図９のＸ－Ｘの位置における燃料電池スタック１００ａのＸＺ断面構成を示す説明図である。また、図１１は、図９のＸＩ－ＸＩの位置における燃料電池スタック１００ａのＸＺ断面構成を示す説明図である。第２実施形態における燃料電池スタック１００ａは、酸化剤オフガスＯＯＧの排出を行うガス通路部材と、燃料オフガスＦＯＧの排出を行うガス通路部材とが、第１実施形態における燃料電池スタック１００と異なっている。具体的には、第２実施形態における燃料電池スタック１００ａでは、発電ブロック１０３から酸化剤オフガスＯＯＧの排出を行うガス排出部材３１０Ｄａのフランジ部３３０Ｄａは、フランジ孔３３２Ｄａが形成されている。フランジ孔３３２Ｄａの孔径は、本体孔３２２Ａ～３２２Ｄのスタック接続部ＣＳよりも小さい孔径を有している。また、発電ブロック１０３から燃料オフガスＦＯＧの排出を行うガス排出部材３１０Ｂａのフランジ部３３０Ｂａは、フランジ孔３３２Ｂａが形成されている。フランジ孔３３２Ｂａの孔径は、本体孔３２２Ａ～３２２Ｄの配管接続部ＰＳの孔径と略同一である。
【0070】
ガス排出部材３１０Ｂａおよびガス排出部材３１０Ｄａが上記のような構成を有しているため、ガス貫通孔３４０Ｂａおよびガス貫通孔３４０Ｄａのそれぞれにおいて最小断面積となる位置も第１実施形態と異なる。すなわち、ガス貫通孔３４０Ｄａにおいて最小断面積となる位置は、フランジ孔３３２Ｄａであり、ガス貫通孔３４０Ｂａにおいて最小断面積となる位置は、ガス貫通孔３４０Ａ，３４０Ｃと同様に、本体孔３２２Ｂのスタック接続部ＣＳである。
【0071】
前述の通り、フランジ孔３３２Ｄａの孔径は、本体孔３２２Ａ～３２２Ｄにおけるスタック接続部ＣＳの孔径よりも小さい。そのため、酸化剤ガスＯＧの流路を形成するガス貫通孔３４０Ｃおよびガス貫通孔３４０Ｄａについて、発電ブロック１０３から酸化剤オフガスＯＯＧの排出を行うガス貫通孔３４０Ｄａにおける最小断面積は、発電ブロック１０３に酸化剤ガスＯＧの供給を行うガス貫通孔３４０Ｃにおける最小断面積よりも小さい。また、酸化剤オフガスＯＯＧの排出を行うガス貫通孔３４０Ｄａと、燃料オフガスＦＯＧの排出を行うガス貫通孔３４０Ｂとは、最小断面積が異なる。また、ガス貫通孔３４０Ｄａの最小断面積は、ガス貫通孔３４０Ｄａに連通している空気極側ガス排出マニホールド１６２の最小断面積よりも小さくなるように構成されている。
【0072】
以上説明したように、第２実施形態における燃料電池スタック１００ａは、発電ブロック１０３と、エンドプレート１０４，１０６と、を備える。発電ブロック１０３は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６と、を含む単セル１１０をそれぞれ有する複数の発電単位１０２が上下方向に並べて配置されている。エンドプレート１０４，１０６は、発電ブロック１０３を挟んで上下方向に互いに対向し、下側エンドプレート１０６に、上下方向に貫通するエンド貫通孔１０７Ｃおよびエンド貫通孔１０７Ｄが形成されている。燃料電池スタック１００は、各発電単位１０２における空気極１１４と燃料極１１６との一方である特定電極に面するガス流路にガスを供給するマニホールドであって、エンド貫通孔１０７Ｃを含む空気極側ガス供給マニホールド１６１と、特定電極に面するガス流路からガスを排出するマニホールドであって、エンド貫通孔１０７Ｄを含む空気極側ガス排出マニホールド１６２と、が形成されている。燃料電池スタック１００は、さらに、下側エンドプレート１０６に接続され、空気極側ガス供給マニホールド１６１に連通し、発電ブロック１０３にガスを供給するガス貫通孔３４０Ｃが形成されたガス通路部材３１０Ｃと、下側エンドプレート１０６に接続され、空気極側ガス排出マニホールド１６２に連通し、発電ブロック１０３からガスを排出するガス貫通孔３４０Ｄが形成されたガス通路部材３１０Ｄ、を備える。ガス貫通孔３４０Ｄにおける最小断面積は、ガス貫通孔３４０Ｃにおける最小断面積よりも小さい。また、第２実施形態における燃料電池スタック１００ａでは、特定電極は、空気極１１４である。
【0073】
燃料電池スタック１００にガスが供給されると、燃料電池スタック１００内のガス流路に内圧が生じる。このとき、燃料電池スタック１００の使用環境によっては、空気極１１４および燃料極１１６のそれぞれに供給されるガスが流れる一連のガス流路に圧力差が生じ、空気極１１４に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧が、燃料極１１６に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧よりも低くなることがある。圧力差が一定の値を超えた場合、圧力差によって単セル１１０が破損するおそれがある。本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、空気極１１４に供給されるガスが流れる一連のガス流路において、ガス貫通孔３４０Ｄの最小断面積は、ガス貫通孔３４０Ｃの断面積よりも小さい。これにより、発電ブロック１０３または下側エンドプレート１０６の仕様を変更せずとも、空気極１１４に供給されるガスが流れる一連のガス流路のうちの一部の断面積を狭めることができ、圧力損失を増大させることによって、空気極１１４に供給されるガスが流れる一連のガス流路の内圧を高くすることができる。そのため、燃料電池スタック１００における空気極１１４および燃料極１１６のそれぞれに供給されるガスが流れる一連のガス流路の圧力差の調整にかかるコストを低減することができる。
【0074】
Ｃ．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。
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。
【0075】
上記実施形態における燃料電池スタック１００の構成や燃料電池スタック１００を構成する各部分の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。
【0076】
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（発電単位１０２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。
【0077】
また、上記実施形態において、ガス貫通孔３４０Ｂおよびガス貫通孔３４０Ｄａにおける最小断面積の位置は、フランジ孔３３２Ｂおよびフランジ孔３３２Ｄａであるが、最小断面積の位置が、本体孔３２２Ｂおよび本体孔３２２Ｄにあってもよい。具体的には、本体孔３２２Ａまたは本体孔３２２Ｃにおける最小断面積に対して、本体孔３２２Ｂまたは本体孔３２２Ｄの最小断面積が小さくなるような構成とすることによって実現することができる。なお、このような場合において、フランジ部３３０Ｂおよびフランジ部３３０Ｄａは、必ずしも必要ではない。
【0078】
また、上記実施形態では、燃料ガスＦＧのガス流路または酸化剤ガスＯＧのガス流路のいずれか一方において、ガスの供給を行うガス貫通孔とガスの排出を行うガス貫通孔の最小断面積が異なる形態が示されているが、燃料ガスＦＧのガス流路および酸化剤ガスＯＧのガス流路の双方において、ガスの供給を行うガス貫通孔とガスの排出を行うガス貫通孔の最小断面積が異なる形態であってもよい。
【0079】
また、上記実施形態において、フランジ孔３３２Ａ～３３２Ｄは、上下方向視での形状が略円形であったが、例えば略矩形等の他の形状であってもよい。
【0080】
また、上記実施形態では、特定エンド部材が、下側エンドプレート１０６によって構成されているが、特定エンド部材が、上側エンドプレート１０４によって構成されていてもよく、或いは、上側エンドプレート１０４と下側エンドプレート１０６とで構成されていてもよい。すなわち、上記実施形態では、エンド貫通孔１０７Ａ～１０７Ｄは、いずれも、下側エンドプレート１０６に形成されているが、上側エンドプレート１０４に形成されていてもよく、或いは、上側エンドプレート１０４と下側エンドプレート１０６とのそれぞれに分かれて配置されていてもよい。
【0081】
また、上記実施形態では、単セル１１０が反応防止層１１８を有しているが、単セル１１０が反応防止層１１８を有さないとしてもよい。また、上記実施形態では、インターコネクタ１９０は導電性の被覆層１９４を含んでいるが、インターコネクタ１９０が被覆層１９４を含んでいなくてもよい。
【0082】
また、上記実施形態の燃料電池スタック１００は、コフロータイプのＳＯＦＣであるが、本明細書に開示される技術は、カウンターフロータイプやクロスフロータイプのＳＯＦＣにも同様に適用可能である。
【0083】
また、上記実施形態では、単セル１１０は、燃料極支持型の単セルであるが、電解質支持型や金属支持型等の他のタイプの単セルであってもよい。
【0084】
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、本明細書に開示される技術は、例えば、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位や、電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セル単位および電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における発電単位１０２および燃料電池スタック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、マニホールド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、マニホールド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。
【0085】
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、本明細書に開示される技術は、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（または電解セル）にも適用可能である。
【符号の説明】
【0086】
２２：ボルト ２４：ナット ２９：ボルト孔 ３２，３４：孔 １００，１００ａ：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０３：発電ブロック １０４：上側エンドプレート １０６：下側エンドプレート １０７Ａ～１０７Ｄ：エンド貫通孔 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 １１８：反応防止層 １２０：単セル用セパレータ １２１：貫通孔 １２４：接合部 １２５：ガラスシール部 １２６：内側部 １２７：外側部 １２８：連結部 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：空気極側集電部 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：燃料極側集電部材 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：平板部 １６１：空気極側ガス供給マニホールド １６２：空気極側ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料極側ガス供給マニホールド １７２：燃料極側ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：ＩＣ用セパレータ １８１：貫通孔 １８６：内側部 １８７：外側部 １８８：連結部 １８９：下端プレート １９０：インターコネクタ １９４：被覆層 １９６：導電性接合材 ２００：絶縁部 ２１０：末端セパレータ ２１１：貫通孔 ２１６：内側部 ２１７：外側部 ２１８：連結部 ２２０：上端プレート ３１０Ａ～３１０Ｄ，３１０Ｂａ，３１０Ｄａ：ガス排出部材 ３２０Ａ～３２０Ｄ：本体部 ３２２Ａ～３２２Ｄ：本体孔 ３３０Ａ～３３０Ｄ，３３０Ｂａ，３３０Ｄａ：フランジ部 ３３２Ａ～３３２Ｄ，３３２Ｂａ，３３２Ｄａ：フランジ孔 ３４０Ａ～３４０Ｄ，３４０Ｂａ，３４０Ｄａ：ガス貫通孔 ４１０：上側ターミナルプレート ４１２：孔 ４２０：下側ターミナルプレート ４１４：上側電流線 ４２４：下側電流線 ４１５，４２５：溶接部 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス ＰＳ：配管接続部 ＣＳ：スタック接続部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】