CN110291671A - 电化学反应单位和电化学反应电池组 - Google Patents

电化学反应单位和电化学反应电池组 Download PDF

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Abstract

本发明抑制空气室中的气体的不足导致的单体电池的性能的降低。电化学反应单位具备单体电池、空气极侧构件以及燃料极侧构件。电化学反应单位的空气室的供给侧和排出侧中的至少一者满足以下的条件。条件：由空气极侧连通流路的开口构成的空气极侧开口组的两端点的中点与由燃料极侧供给连通流路的开口构成的燃料极侧供给开口组的两端点的中点(特定点)之间的、在与空气室孔的内周面平行的方向上的距离比空气极侧气体流路用孔的矩心与上述特定点之间的、在与空气室孔的内周面平行的方向上的距离短。

Description

电化学反应单位和电化学反应电池组
技术领域
本说明书公开的技术涉及一种电化学反应单位。
背景技术
作为利用氢与氧之间的电化学反应而进行发电的燃料电池的一种，公知有固体氧化物形的燃料电池(以下称为“SOFC”)。作为SOFC的构成单位的燃料电池发电单位(以下，称作“发电单位”)具备燃料电池单体电池(以下，称作“单体电池”)。单体电池包含电解质层以及隔着电解质层在预定方向(以下，称作“第1方向”)上彼此相对的空气极和燃料极(例如参照专利文献1)。
另外，发电单位具备形成有空气室用孔的空气极侧构件(以下，称作“空气极侧框架”)，该空气室用孔构成面对空气极的空气室。在空气极侧框架形成有：空气极侧供给气体流路用孔，其构成供向空气室供给的气体(以下，称作“氧化剂气体”)通过的空气极侧供给气体流路(以下，称作“氧化剂气体导入歧管”)；以及空气极侧排出气体流路用孔，其构成供自空气室排出的气体(以下，称作“氧化剂废气”)通过的空气极侧排出气体流路(以下，称作“氧化剂气体排出歧管”)。在空气极侧框架还形成有：空气极侧供给连通流路，其与上述空气极侧供给气体流路用孔相连通且在空气室用孔的一内周面开口；以及空气极侧排出连通流路，其与上述空气极侧排出气体流路用孔相连通且在与空气室用孔的另一内周面(是在与第1方向正交的方向上同上述一内周面相对的面)开口。经由氧化剂气体导入歧管和空气极侧供给连通流路向发电单位的空气室供给氧化剂气体。另外，自空气室排出的氧化剂废气经由空气极侧排出连通流路和氧化剂气体排出歧管向外部排出。
同样地，发电单位具备形成有燃料室用孔的燃料极侧构件(以下，称作“燃料极侧框架”)，该燃料室用孔构成面对燃料极的燃料室。在燃料极侧框架形成有：燃料极侧供给气体流路用孔，其构成供向燃料室供给的气体(以下，称作“燃料气体”)通过的燃料极侧供给气体流路(以下，称作“燃料气体导入歧管”)；以及燃料极侧排出气体流路用孔，其构成供自燃料室排出的气体(以下，称作“燃料废气”)通过的燃料极侧排出气体流路(以下，称作“燃料气体排出歧管”)。在燃料极侧框架还形成有：燃料极侧供给连通流路，其与上述燃料极侧供给气体流路用孔相连通且在燃料室用孔的一内周面开口；以及燃料极侧排出连通流路，其与上述燃料极侧排出气体流路用孔相连通且在燃料室用孔的另一内周面(是在与第1方向正交的方向上同上述一内周面相对的面)开口。经由燃料气体导入歧管和燃料极侧供给连通流路向发电单位的燃料室供给燃料气体。另外，自燃料室排出的燃料废气经由燃料极侧排出连通流路和燃料气体排出歧管向外部排出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016－207270号公报
发明内容
发明要解决的问题
通常，在SOFC的运转时，为了提高燃料气体的利用效率，具有燃料气体的供给量少于氧化剂气体的供给量的倾向。因此，在以往的结构的发电单位中，在沿上述第1方向观察时，发电反应集中于单体电池中的、靠近燃料极侧供给连通流路的开口的区域中，在该区域中，氧化剂气体被大量地消耗而使氧化剂气体不足，其结果，有可能使单体电池的发电性能降低。此外，也能够想到通过例如对氧化剂气体导入歧管、氧化剂气体排出歧管的位置进行调整来解决这样的问题，但对于各歧管的位置，由于例如存在避免与紧固构件之间的干扰这样的限制，因此设计自由度较低，在大多数情况下，无法通过各歧管的位置的调整来解决问题。
此外，这样的问题对作为利用水的电解反应而进行氢的生成的固体氧化物形的电解池(以下，称作“SOEC”)的构成单位的电解池单位来说也是共同的问题。此外，在本说明书中，将燃料电池发电单位和电解池单位统称为电化学反应单位。另外，这样的问题并不限于SOFC、SOEC，对于其他类型的电化学反应单位来说也是共同的问题。
在本说明书中，公开能够解决上述问题的技术。
用于解决问题的方案
本说明书所公开的技术例如能够作为以下的形态来实现。
(1)本说明书所公开的电化学反应单位具备：单体电池，其包含电解质层以及隔着所述电解质层在第1方向上彼此相对的空气极和燃料极；空气极侧构件，其形成有：空气室用孔，其构成面对所述空气极的空气室且具有在与所述第1方向正交的第2方向上彼此相对的第1内周面和第2内周面；空气极侧供给气体流路用孔，其构成供向所述空气室供给的气体通过的空气极侧供给气体流路；空气极侧排出气体流路用孔，其构成供自所述空气室排出的气体通过的空气极侧排出气体流路；至少1个空气极侧供给连通流路，其与所述空气极侧供给气体流路用孔相连通且在所述空气室用孔的所述第1内周面开口；以及至少1个空气极侧排出连通流路，其与所述空气极侧排出气体流路用孔相连通且在所述空气室用孔的所述第2内周面开口；燃料极侧构件，其形成有：燃料室用孔，其构成面对所述燃料极的燃料室且具有第3内周面；燃料极侧供给气体流路用孔，其构成供向所述燃料室供给的气体通过的燃料极侧供给气体流路；以及至少1个燃料极侧供给连通流路，其与所述燃料极侧供给气体流路用孔相连通且在所述燃料室用孔的所述第3内周面开口；其中，在沿所述第1方向观察时，所述空气室用孔的外形线中的、由所述第1内周面构成的部分包含第1直线状部分，所述空气室用孔的外形线中的、由所述第2内周面构成的部分包含第2直线状部分，该电化学反应单位满足以下两个条件中的至少一者，即，第1条件：由所述至少1个空气极侧供给连通流路的在所述第1内周面上的全部开口构成的空气极侧供给开口组的两端点的中点即第1点与由所述至少1个燃料极侧供给连通流路的在所述第3内周面上的全部开口构成的燃料极侧供给开口组的两端点的中点即第2点之间的在同所述第1直线状部分平行的方向上的距离Lsi比作为所述空气极侧供给气体流路用孔的矩心的第3点与所述第2点之间的在同所述第1直线状部分平行的方向上的距离Lmi短，第2条件：由所述至少1个空气极侧排出连通流路的在所述第2内周面上的全部开口构成的空气极侧排出开口组的两端点的中点即第4点与所述第2点之间的在同所述第2直线状部分平行的方向上的距离Lso比作为所述空气极侧排出气体流路用孔的矩心的第5点与所述第2点之间的在同所述第2直线状部分平行的方向上的距离Lmo短。本电化学反应单位是满足距离Lsi短于距离Lmi这样的条件和距离Lso短于距离Lmo这样的条件中的至少一者的结构，换言之，在沿第1方向观察时，各空气极侧供给连通流路是从构成空气极侧供给气体流路的空气极侧供给气体流路用孔看沿向燃料极侧供给连通流路的在第3内周面上的开口侧倾斜的方向延伸的结构，和/或者，在沿第1方向观察时，各空气极侧排出连通流路是从构成空气极侧排出气体流路的空气极侧排出气体流路用孔看沿向燃料极侧供给连通流路的在第3内周面上的开口侧倾斜的方向延伸的结构。在这样的结构中，能够促进气体向空气室中的反应容易集中的区域、即向从第1方向观察时靠近燃料极侧供给连通流路的在第3内周面上的开口的区域供给，因此能够抑制在该区域中气体不足。因而，在本电化学反应单位中，能够抑制空气室中的气体的不足导致的单体电池的性能的降低。
(2)在上述电化学反应单位中，也可以设为如下结构，即，该电化学反应单位同时满足所述第1条件和所述第2条件。采用本电化学反应单位，能够有效地促进气体向空气室中的反应容易集中的区域供给，因此能够有效地抑制在该区域中气体不足。因而，在本电化学反应单位中，能够有效地抑制空气室中的气体的不足导致的单体电池的性能的降低。
(3)在上述电化学反应单位中，也可以设为如下结构，即，该电化学反应单位满足以下两个条件中的至少一者，即，第3条件：在沿所述第1方向观察时，将所述第1点和所述第3点连结起来的第1假想直线与将所述第2点和所述第3点连结起来的第2假想直线所成的角是10°以下，第4条件：在沿所述第1方向观察时，将所述第4点和所述第5点连结起来的第3假想直线与将所述第2点和所述第5点连结起来的第4假想直线所成的角是10°以下。采用本电化学反应单位，能够进一步有效地促进气体向空气室中的反应容易集中的区域供给，因此能够进一步有效地抑制在该区域中气体不足。因而，在本电化学反应单位中，能够进一步有效地抑制空气室中的气体的不足导致的单体电池的性能的降低。
(4)在上述电化学反应单位中，也可以设为如下结构，即，该电化学反应单位同时满足所述第3条件和所述第4条件。采用本电化学反应单位，能够极其有效地促进气体向空气室中的反应容易集中的区域供给，因此能够极其有效地抑制在该区域中气体不足。因而，在本电化学反应单位中，能够极其有效地抑制空气室中的气体的不足导致的单体电池的性能的降低。
(5)在上述电化学反应单位中，也可以设为如下结构，即，所述单体电池是燃料电池单体电池。采用本电化学反应单位，能够有效地抑制空气室中的氧化剂气体的不足导致的单体电池的发电性能的降低。
此外，本说明书所公开的技术能以各种形态实现，能以例如电化学反应单位(燃料电池发电单位或电解池单位)、具备多个电化学反应单位的电化学反应电池组(燃料电池组或电解电池组)、它们的制造方法等形态实现。
附图说明
图1是表示本实施方式中的燃料电池组100的外观结构的立体图。
图2是表示图1的II－II的位置处的燃料电池组100的XZ截面结构的说明图。
图3是表示图1的III－III的位置处的燃料电池组100的YZ截面结构的说明图。
图4是表示与图2所示的截面相同的位置处的彼此相邻的两个发电单位102的XZ截面结构的说明图。
图5是表示与图3所示的截面相同的位置处的彼此相邻的两个发电单位102的YZ截面结构的说明图。
图6是表示图4的VI－VI的位置处的发电单位102的XY截面结构的说明图。
图7是表示图4的VII－VII的位置处的发电单位102的XY截面结构的说明图。
图8是表示形成于发电单位102的各流路的详细结构的XY剖视图。
图9是表示性能评价结果的说明图。
图10是表示性能评价结果的说明图。
图11是表示性能评价结果的说明图。
图12是表示在第1变形例中的发电单位102a形成的各流路的详细结构的XY剖视图。
图13是表示在第2变形例中的发电单位102b形成的各流路的详细结构的XY剖视图。
图14是表示在第3变形例中的发电单位102c形成的各流路的详细结构的XY剖视图。
图15是表示在第4变形例中的发电单位102d形成的各流路的详细结构的XY剖视图。
图16是表示在第5变形例中的发电单位102e形成的各流路的详细结构的XY剖视图。
具体实施方式
A.实施方式：
A－1.装置结构：
(燃料电池组100的结构)
图1是表示本实施方式中的燃料电池组100的外观结构的立体图，图2是表示图1的II－II的位置处的燃料电池组100的XZ截面结构的说明图，图3是表示图1的III－III的位置处的燃料电池组100的YZ截面结构的说明图。在各图中示出有用于确定方向的相互正交的XYZ轴。在本说明书中，出于方便，将Z轴正方向称为上方向，将Z轴负方向称为下方向，但燃料电池组100实际上也可以以与这样的朝向不同的朝向设置。在图4之后的图中也相同。
燃料电池组100具备多个(在本实施方式中为7个)燃料电池发电单位(以下简称作“发电单位”)102和一对端板104、106。7个发电单位102沿着预定的排列方向(在本实施方式中为上下方向)排列配置。一对端板104、106以从上下夹持由7个发电单位102构成的集合体的方式配置。此外，上述排列方向(上下方向)相当于权利要求书中的第1方向。
如图1所示，在构成燃料电池组100的各层(各发电单位102、端板104、106)的绕Z轴方向的外周的4个角部周边形成有沿上下方向贯通各层的孔，在各层形成且相互对应的孔彼此沿上下方向连通，构成了从一个端板104到另一个端板106沿上下方向延伸的螺栓孔109。在本实施方式中，在燃料电池组100形成有8个螺栓孔109。在各螺栓孔109中插入有螺栓22，通过各螺栓22和未图示的螺母，燃料电池组100被紧固。
另外，如图1～图3所示，在各发电单位102的绕Z轴方向的外周边的中点附近形成有沿上下方向贯通各发电单位102的孔，形成于各发电单位102且相互对应的孔彼此沿上下方向连通，构成了在多个发电单位102的范围内沿上下方向延伸的连通孔108。在以下的说明中，有时将为了构成连通孔108而形成于各发电单位102的孔称作连通孔108。
如图1和图2所示，位于燃料电池组100的绕Z轴方向的外周中的1个边(与Y轴平行的两个边中的靠X轴正方向侧的边)的中点附近的连通孔108作为氧化剂气体导入歧管161发挥功能，氧化剂气体OG被从燃料电池组100的外部导入该氧化剂气体导入歧管161，该氧化剂气体导入歧管161是将该氧化剂气体OG向各发电单位102的后述的空气室166供给的共用气体流路，位于该边的相反侧的边(与Y轴平行的两个边中的靠X轴负方向侧的边)的中点附近的连通孔108作为氧化剂气体排出歧管162发挥功能，氧化剂气体排出歧管162是将作为从各发电单位102的空气室166排出来的气体的氧化剂废气OOG向燃料电池组100的外部排出的共用气体流路。此外在本实施方式中，作为氧化剂气体OG，例如能够使用空气。氧化剂气体导入歧管161相当于权利要求书中的空气极侧供给气体流路，氧化剂气体排出歧管162相当于权利要求书中的空气极侧排出气体流路。
另外，如图1和图3所示，位于燃料电池组100的绕Z轴方向的外周中的1个边(与X轴平行的两个边中的靠Y轴正方向侧的边)的中点附近的连通孔108作为燃料气体导入歧管171发挥功能，燃料气体FG被从燃料电池组100的外部导入该燃料气体导入歧管171，该燃料气体导入歧管171是将该燃料气体FG向各发电单位102的后述的燃料室176供给的共用气体流路，位于该边的相反侧的边(与X轴平行的两个边中的靠Y轴负方向侧的边)的中点附近的连通孔108作为燃料气体排出歧管172发挥功能，该燃料气体排出歧管172是将作为自各发电单位102的燃料室176排出来的气体的燃料废气FOG向燃料电池组100的外部排出的共用气体流路。此外，在本实施方式中，作为燃料气体FG，能够使用对例如城市煤气进行改性而成的富氢气体。燃料气体导入歧管171相当于权利要求书中的燃料极侧供给气体流路。
(端板104、106的结构)
一对端板104、106是大致矩形的平板形状的导电性构件，例如由不锈钢形成。一个端板104配置在位于最上方的发电单位102的上侧，另一个端板106配置在位于最下方的发电单位102的下侧。多个发电单位102以被按压的状态被一对端板104、106夹持。上侧的端板104作为燃料电池组100的正极侧的输出端子发挥功能，下侧的端板106作为燃料电池组100的负极侧的输出端子发挥功能。如图2和图3所示，在下侧的端板106形成有4个流路用通孔107。4个流路用通孔107分别与氧化剂气体导入歧管161、氧化剂气体排出歧管162、燃料气体导入歧管171、燃料气体排出歧管172相连通。
(气体通路构件27等的结构)
如图2和图3所示，燃料电池组100还具备4个气体通路构件27，该4个气体通路构件27配置于下侧的端板106的与多个发电单位102所在侧相反的一侧(即下侧)。4个气体通路构件27分别配置于在上下方向上与氧化剂气体导入歧管161、氧化剂气体排出歧管162、燃料气体导入歧管171、燃料气体排出歧管172重叠的位置。各气体通路构件27具有：主体部28，其形成有与下侧的端板106的流路用通孔107相连通的孔；以及筒状的分支部29，其自主体部28的侧面分支。分支部29的孔与主体部28的孔相连通。在各气体通路构件27的分支部29连接有气体配管(未图示)。此外，在各气体通路构件27的主体部28与端板106之间配置有绝缘片26。绝缘片26例如由云母片、陶瓷纤维片、陶瓷粉末压片、玻璃片、玻璃陶瓷复合材料等构成。
(发电单位102的结构)
图4是表示与图2所示的截面相同的位置处的彼此相邻的两个发电单位102的XZ截面结构的说明图，图5是表示与图3所示的截面相同的位置处的彼此相邻的两个发电单位102的YZ截面结构的说明图。另外，图6是表示图4的VI－VI的位置处的发电单位102的XY截面结构的说明图，图7是表示图4的VII－VII的位置处的发电单位102的XY截面结构的说明图。
如图4和图5所示，发电单位102具备单体电池110、分隔件120、空气极侧框架130、空气极侧集电体134、燃料极侧框架140、燃料极侧集电体144、以及构成发电单位102的最上层和最下层的一对互连器150。在分隔件120、空气极侧框架130、燃料极侧框架140、互连器150的绕Z轴方向的周缘部形成有构成作为上述各歧管161、162、171、172发挥功能的连通孔108的孔、构成各螺栓孔109的孔。
互连器150是大致矩形的平板形状的导电性构件，由例如铁素体系不锈钢形成。互连器150确保发电单位102间的电的导通，并且防止反应气体在发电单位102间的混合。此外，在本实施方式中，在两个发电单位102相邻地配置的情况下，1个互连器150被相邻的两个发电单位102共有。即，某发电单位102中的上侧的互连器150同与该发电单位102的上侧相邻的另一发电单位102中的下侧的互连器150是相同的构件。另外，燃料电池组100具备一对端板104、106，因此，在燃料电池组100中，位于最上方的发电单位102不具备上侧的互连器150，位于最下方的发电单位102不具备下侧的互连器150(参照图2和图3)。
单体电池110具备电解质层112以及隔着电解质层112在上下方向上(发电单位102排列的排列方向)彼此相对的空气极(阴极)114和燃料极(阳极)116。此外，本实施方式的单体电池110是利用燃料极116支承电解质层112和空气极114的燃料极支承形的单体电池。
电解质层112沿Z方向看观察时是大致矩形的平板形状构件，是致密的层。电解质层112例如由YSZ(氧化钇稳定氧化锆)、ScSZ(氧化钪稳定氧化锆)、SDC(钐掺杂氧化铈)、GDC(掺杂氧化钆的氧化铈)、钙钛矿型氧化物等固体氧化物形成。空气极114沿Z方向观察时是比电解质层112小的大致矩形的平板形状构件，是多孔质的层。空气极114例如由钙钛矿型氧化物(例如LSCF(镧锶钴铁氧化物)、LSM(镧锶锰氧化物)、LNF(镧镍铁))形成。燃料极116沿Z方向观察时是与电解质层112大致相同大小的大致矩形的平板形状构件，是多孔质的层。燃料极116利用例如由Ni和氧化物离子传导性陶瓷粒子(例如YSZ)构成的金属陶瓷形成。如此，本实施方式的单体电池110(发电单位102)是使用固体氧化物作为电解质的固体氧化物形燃料电池(SOFC)。
分隔件120是在中央附近形成有在上下方向上贯通的大致矩形的孔121的框架状的构件，例如由金属形成。分隔件120的孔121的周围部分与电解质层112的靠空气极114侧的表面的周缘部相对。分隔件120利用配置在该相对的部分并由焊料(例如Ag焊料)形成的接合部124与电解质层112(单体电池110)相接合。利用分隔件120，划分出面对空气极114的空气室166和面对燃料极116的燃料室176，能够抑制气体从单体电池110的周缘部的一个电极侧向另一个电极侧泄漏。
空气极侧框架130是在中央附近形成有在上下方向上贯通的大致矩形的孔131的框架状的构件，例如由云母等绝缘体形成。空气极侧框架130与分隔件120的同与电解质层112相对的一侧相反的那一侧的表面的周缘部接触，且与互连器150的同空气极114相对的一侧的表面的周缘部接触。此外，在空气极侧框架130的作用下，发电单位102所包含的一对互连器150之间被电绝缘。
如图4以及图6所示，空气极侧框架130的孔131是构成面对空气极114的空气室166的孔。孔131具有在X轴方向上彼此相对的第1内周面IP1和第2内周面IP2。如图6所示，在沿Z轴方向观察时，孔131的外形线中的、由第1内周面IP1构成的部分和由第2内周面IP2构成的部分整体成为直线状。另外，如图4和图6所示，在空气极侧框架130形成有：氧化剂气体供给连通流路132，其与构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108相连通且在构成空气室166的孔131的第1内周面IP1开口；以及氧化剂气体排出连通流路133，其与构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108相连通且在构成空气室166的孔131的第2内周面IP2开口。在本实施方式中，在空气极侧框架130形成有3个氧化剂气体供给连通流路132和3个氧化剂气体排出连通流路133。
空气极侧框架130相当于权利要求书中的空气极侧构件，孔131相当于权利要求书中的空气室用孔，形成于空气极侧框架130的、构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108相当于权利要求书中的空气极侧供给气体流路用孔，形成于空气极侧框架130的、构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108相当于权利要求书中的空气极侧排出气体流路用孔，氧化剂气体供给连通流路132相当于权利要求书中的空气极侧供给连通流路，氧化剂气体排出连通流路133相当于权利要求书中的空气极侧排出连通流路。另外，X轴方向相当于权利要求书中的第2方向，上述孔131的外形线中的由第1内周面IP1构成的部分中的直线状部分相当于权利要求书中的第1直线状部分，上述孔131的外形线中的由第2内周面IP2构成的部分中的直线状部分相当于权利要求书中的第2直线状部分。
燃料极侧框架140是在中央附近形成有在上下方向上贯通的大致矩形的孔141的框架状的构件，例如由金属形成。燃料极侧框架140与分隔件120的同电解质层112相对的一侧的表面的周缘部接触，且与互连器150的同燃料极116相对的一侧的表面的周缘部接触。
如图5和图7所示，燃料极侧框架140的孔141是构成面对燃料极116的燃料室176的孔。孔141具有在Y轴方向上彼此相对的第3内周面IP3和第4内周面IP4。如图7所示，在沿Z轴方向观察时，孔141的外形线中的、由第3内周面IP3构成的部分和由第4内周面IP4构成的部分在整体上成为直线状。另外，如图5和图7所示，在燃料极侧框架140形成有：燃料气体供给连通流路142，其与构成燃料气体导入歧管171的连通孔108相连通且在构成燃料室176的孔141的第3内周面IP3开口；以及燃料气体排出连通流路143，其与构成燃料气体排出歧管172的连通孔108相连通且在构成燃料室176的孔141的第4内周面IP4开口。在本实施方式中，在燃料极侧框架140上形成有1个燃料气体供给连通流路142和1个燃料气体排出连通流路143。
燃料极侧框架140相当于权利要求书中的燃料极侧构件，孔141相当于权利要求书中的燃料室用孔，形成于燃料极侧框架140的、构成燃料气体导入歧管171的连通孔108相当于权利要求书中的燃料极侧供给气体流路用孔，燃料气体供给连通流路142相当于权利要求书中的燃料极侧供给连通流路。
如图4～图6所示，空气极侧集电体134配置在空气室166内。空气极侧集电体134由多个大致四棱柱状的集电体元件135构成，由例如铁素体系不锈钢形成。空气极侧集电体134与空气极114的同与电解质层112相对的一侧相反的那一侧的表面接触，且与互连器150的同空气极114相对的一侧的表面接触。但是，如上述那样，由于燃料电池组100中的位于最上方的发电单位102不具有上侧的互连器150，因此，该发电单位102的空气极侧集电体134与上侧的端板104相接触。由于空气极侧集电体134是这样的结构，因此将空气极114和互连器150(或端板104)电连接。此外，在本实施方式中，空气极侧集电体134和互连器150形成为一体的构件。即，该一体的构件中的、与上下方向(Z轴方向)正交的平板形的部分作为互连器150发挥功能，以自该平板形的部分朝向空气极114突出的方式形成的多个凸部的集电体元件135作为空气极侧集电体134发挥功能。另外，由空气极侧集电体134和互连器150构成的一体构件可以被导电性的涂层覆盖，在空气极114与空气极侧集电体134之间，也可以夹设有使两者接合的导电性的接合层。
如图4、图5、图7所示，燃料极侧集电体144配置在燃料室176内。燃料极侧集电体144具有互连器相对部146、电极相对部145、以及将电极相对部145和互连器相对部146连接起来的连接部147，例如由镍、镍合金、不锈钢等形成。电极相对部145与燃料极116的同与电解质层112相对的一侧相反的那一侧的表面相接触，互连器相对部146与互连器150的同燃料极116相对的一侧的表面相接触。但是，如上述那样，由于在燃料电池组100中位于最下方的发电单位102不具有下侧的互连器150，因此该发电单位102的互连器相对部146与下侧的端板106接触。由于燃料极侧集电体144是这样的结构，因此将燃料极116与互连器150(或端板106)电连接。另外，在电极相对部145和互连器相对部146之间配置有例如由云母形成的间隔物149。因此，燃料极侧集电体144能够追随因温度循环、反应气体压力变动引起的发电单位102的变形而良好地维持燃料极116和互连器150(或端板106)之间经由燃料极侧集电体144的电连接。
A－2.燃料电池组100的动作：
如图2、图4、图6所示，当经由与设于氧化剂气体导入歧管161的位置的气体通路构件27的分支部29相连接的气体配管(未图示)供给氧化剂气体OG时，氧化剂气体OG经由气体通路构件27的分支部29、主体部28、以及下侧的端板106的流路用通孔107向氧化剂气体导入歧管161供给，并从氧化剂气体导入歧管161经由各发电单位102的氧化剂气体供给连通流路132向空气室166供给。另外，如图3、图5、图7所示，当经由与设于燃料气体导入歧管171的位置的气体通路构件27的分支部29相连接的气体配管(未图示)供给燃料气体FG时，燃料气体FG经由气体通路构件27的分支部29、主体部28、以及下侧的端板106的流路用通孔107向燃料气体导入歧管171供给，并从燃料气体导入歧管171经由各发电单位102的燃料气体供给连通流路142向燃料室176供给。
当氧化剂气体OG供给到各发电单位102的空气室166、燃料气体FG供给到燃料室176时，在单体电池110中进行由氧化剂气体OG所包含的氧和燃料气体FG所包含的氢的电化学反应引起的发电。该发电反应为放热反应。在各发电单位102中，单体电池110的空气极114经由空气极侧集电体134与一个互连器150电连接，燃料极116经由燃料极侧集电体144与另一个互连器150电连接。此外，燃料电池组100所包含的多个发电单位102串联地电连接。因此，能够从作为燃料电池组100的输出端子发挥功能的端板104、端板106获取在各发电单位102生成的电能。另外，由于SOFC是在比较高的温度(例如700℃～1000℃)下进行发电的，因此，可以在起动后利用加热器(未图示)加热燃料电池组100，直到成为能够利用由发电产生的热来维持高温的状态。
如图2、图4、图6所示，从各发电单位102的空气室166排出的氧化剂废气OOG经由氧化剂气体排出连通孔133向氧化剂气体排出歧管162排出，然后经过下侧的端板106的流路用通孔107、设于氧化剂气体排出歧管162的位置的气体通路构件27的主体部28和分支部29并经由连接于该分支部29的气体配管(未图示)向燃料电池组100的外部排出。此外，如图3、图5、图7所示，从各发电单位102的燃料室176排出的燃料废气FOG经由燃料气体排出连通流路143向燃料气体排出歧管172排出，然后经过下侧的端板106的流路用通孔107、设于燃料气体排出歧管172的位置的气体通路构件27的主体部28和分支部29并经由连接于该分支部29的气体配管(未图示)向燃料电池组100的外部排出。
此外，本实施方式的燃料电池组100(发电单位102)是各发电单位102中的氧化剂气体OG的流动方向与燃料气体FG的流动方向大致正交的交叉流式(日文：クロスフロータイプ)的SOFC。
A－3.形成于发电单位102的各流路的详细结构：
接下来，说明形成于发电单位102的各流路的详细结构。图8是表示形成于发电单位102的各流路的详细结构的XY剖视图。在图8中，为了方便说明，不仅示出形成于空气极侧框架130的各流路(氧化剂气体供给连通流路132和氧化剂气体排出连通流路133)，还示出形成于燃料极侧框架140的各流路(燃料气体供给连通流路142和燃料气体排出连通流路143)。在实际的结构中，如上述那样，在空气极侧框架130，未形成燃料气体供给连通流路142和燃料气体排出连通流路143，在燃料极侧框架140，未形成氧化剂气体供给连通流路132和氧化剂气体排出连通流路133。
如图8所示，在本实施方式的发电单位102中，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体供给连通流路132并未自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108沿与第1内周面IP1(准确而言，是孔131的外形线中的由第1内周面IP1构成的部分中的直线状部分，以下，以相同的意思适当地使用“第1内周面IP1”这样的用语)正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧(即，Y轴正方向侧)倾斜的方向延伸。换言之，在本实施方式的发电单位102中，图8所示的距离Lsi短于距离Lmi。在此，距离Lsi是由各氧化剂气体供给连通流路132的在第1内周面IP1上的全部开口构成的空气极侧供给开口组的两端点EP1、EP2的中点即第1点P1与由各燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的全部开口构成的燃料极侧供给开口组(在本实施方式中仅为1个开口)的两端点EP5、EP6的中点即第2点P2之间的、在同第1内周面IP1平行的方向(即Y轴方向)上的距离。另外，距离Lmi是作为构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108的矩心的第3点P3与上述第2点P2之间的、在相同方向(Y轴方向)上的距离。此外，距离Lsi短于距离Lmi这样的条件相当于权利要求书中的第1条件。
此外，在以下的说明中，以供给侧流路角度α1来表示氧化剂气体供给连通流路132的斜率的程度。供给侧流路角度α1是在沿Z轴方向观察时通过上述第3点P3且与第1内周面IP1正交的假想直线(以下，称作“第5假想直线VL5”)同将上述第3点P3和上述第1点P1连结起来的假想直线(以下，称作“第1假想直线VL1”)所成的角。在自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108看氧化剂气体供给连通流路132向燃料气体供给连通流路142的开口侧倾斜时，供给侧流路角度α1取正值。另外，在以下的说明中，用供给侧差分角度来表示氧化剂气体供给连通流路132的延伸方向相对于预定的第1基准方向的差。在此，第1基准方向指的是，自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108(更详细而言，作为该连通孔108的矩心的上述第3点P3)朝向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口(更详细而言，由各燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的全部开口构成的燃料极侧供给开口组的两端点EP5、EP6的中点即上述第2点P2)去的方向。即，供给侧差分角度是上述第1假想直线VL1与将上述第3点P3和上述第2点P2连结起来的假想直线(以下，称作“第2假想直线VL2”)所成的角。供给侧差分角度用绝对值来表示。
同样地，在本实施方式的发电单位102中，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体排出连通流路133并未自构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108沿与第2内周面IP2(准确而言，是孔131的外形线中的由第2内周面IP2构成的部分中的直线状部分，以下，以相同的意思适当地使用“第2内周面IP2”这样的用语)正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧(即，Y轴正方向侧)倾斜的方向延伸。换言之，在本实施方式的发电单位102中，图8所示的距离Lso短于距离Lmo。在此，距离Lso是由各氧化剂气体排出连通流路133的在第2内周面IP2上的全部开口构成的空气极侧排出开口组的两端点EP3、EP4的中点即第4点P4与上述第2点P2之间的、在同第2内周面IP2平行的方向(即Y轴方向)上的距离。另外，距离Lmo是作为构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108的矩心的第5点P5与上述第2点P2之间的、在相同方向(Y轴方向)上的距离。此外，距离Lso比距离Lmo短这样的条件相当于权利要求书中的第2条件。
此外，在以下的说明中，以排出侧流路角度α2来表示氧化剂气体排出连通流路133的斜率的程度。排出侧流路角度α2是在沿Z轴方向观察时通过上述第5点P5且与第2内周面IP2正交的假想直线(以下，称作“第6假想直线VL6”)同将上述第5点P5和上述第4点P4连结起来的假想直线(以下，称作“第3假想直线VL3”)所成的角。在自构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108看氧化剂气体排出连通流路133向燃料气体供给连通流路142的开口侧倾斜时，排出侧流路角度α2取正值。另外，在以下的说明中，用排出侧差分角度来表示氧化剂气体排出连通流路133的延伸方向相对于预定的第2基准方向的差。在此，第2基准方向指的是，自构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108(更详细而言，作为该连通孔108的矩心的上述第5点P5)朝向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口(更详细而言，由各燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的全部开口构成的燃料极侧供给开口组的两端点EP5、EP6的中点即上述第2点P2)去的方向。即，排出侧差分角度是上述第3假想直线VL3与将上述第5点P5和上述第2点P2连结起来的假想直线(以下，称作“第4假想直线VL4”)所成的角。排出侧差分角度用绝对值来表示。
A－4.本实施方式的效果：
如以上说明那样，构成本实施方式的燃料电池组100的各发电单位102具备单体电池110、空气极侧框架130、以及燃料极侧框架140。在空气极侧框架130形成有：孔131，其构成面对空气极114的空气室166且具有在X轴方向上彼此相对的第1内周面IP1和第2内周面IP2；连通孔108，其构成供向空气室166供给的气体通过的氧化剂气体导入歧管161；连通孔108，其构成供自空气室166排出的气体通过的氧化剂气体排出歧管162；至少1个氧化剂气体供给连通流路132，其与构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108相连通且在孔131的第1内周面IP1开口；以及至少1个氧化剂气体排出连通流路133，其与构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108相连通且在孔131的第2内周面IP2开口。在燃料极侧框架140形成有：孔141，其构成面对燃料极116的燃料室176且具有第3内周面IP3；连通孔108，其构成供向燃料室176供给的气体通过的燃料气体导入歧管171；以及至少1个燃料气体供给连通流路142，其与构成燃料气体导入歧管171的连通孔108相连通且在孔141的第3内周面IP3开口。在Z轴方向观察时，孔131的外形线中的、由第1内周面IP1构成的部分包含直线状部分，由第2内周面IP2构成的部分包含直线状部分。另外，在构成本实施方式的燃料电池组100的各发电单位102中，由各氧化剂气体供给连通流路132的在第1内周面IP1上的全部开口构成的空气极侧供给开口组的两端点EP1、EP2的中点即第1点P1与由各燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的全部开口构成的燃料极侧供给开口组的两端点EP5、EP6的中点即第2点P2之间的、在同上述第1内周面IP1的直线状部分平行的方向(Y轴方向)上的距离Lsi比作为构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108的矩心的第3点P3与上述第2点P2之间的、在该方向(Y轴方向)上的距离Lmi短。
构成本实施方式的燃料电池组100的各发电单位102是上述结构，因此，如以下说明那样，能够抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。
通常，在SOFC的运转时，为了提高燃料气体FG的利用效率，具有燃料气体FG的供给量少于氧化剂气体OG的供给量的倾向。因此，发电反应集中于单体电池110中的、靠近燃料气体供给连通流路142的开口的区域(图8的区域R1)，在该区域R1中，氧化剂气体OG被大量地消耗。此时，在上述距离Lsi与距离Lmi相等的结构、即在沿Z轴方向观察时各氧化剂气体供给连通流路132自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108沿与第1内周面IP1正交的方向(X轴方向)延伸的结构中，氧化剂气体OG未被充分地供给到上述发电反应容易集中的区域R1中，在该区域R1中氧化剂气体OG不足，因此单体电池110的发电性能降低。此外，在上述距离Lsi长于距离Lmi的结构、即在沿Z轴方向观察时各氧化剂气体供给连通流路132自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108沿向燃料气体排出连通流路143的开口侧倾斜的方向延伸的结构中，在上述区域R1中氧化剂气体OG进一步不足，因此单体电池110的发电性能大幅降低。
与此相对，在构成本实施方式的燃料电池组100的各发电单位102中，上述距离Lsi短于距离Lmi。即，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体供给连通流路132是自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108看沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸的结构。在这样的结构中，能够促进氧化剂气体OG向上述发电反应容易集中的区域R1的供给，因此能够抑制在该区域R1中氧化剂气体OG不足。因而，在构成本实施方式的燃料电池组100的各发电单位102中，能够抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。
并且，在构成本实施方式的燃料电池组100的各发电单位102中，由各氧化剂气体排出连通流路133的在第2内周面IP2上的全部开口构成的空气极侧供给开口组的两端点EP3、EP4的中点即第4点P4与上述第2点P2之间的、在同上述第2内周面IP2的直线状部分平行的方向(Y轴方向)上的距离Lso比作为构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108的矩心的第5点P5与上述第2点P2之间的、在该方向(Y轴方向)上的距离Lmo短。即，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体排出连通流路133是自构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108看沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸的结构。在这样的结构中，依然能够促进氧化剂气体OG向上述发电反应容易集中的区域R1供给，因此能够抑制在该区域R1中氧化剂气体OG不足。因而，在构成本实施方式的燃料电池组100的各发电单位102中，能够极其有效地抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。
此外，为了促进氧化剂气体OG向上述发电反应容易集中的区域R1供给，也能够想到对氧化剂气体导入歧管161、氧化剂气体排出歧管162的位置进行调整(具体而言，设置在与燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口靠近的位置)。但是，对于各歧管161、162的位置，由于例如存在避免与螺栓孔109之间的干扰这样的限制，因此设计自由度较低。采用本实施方式，能够在未调整各歧管161、162的位置的情况下促进氧化剂气体OG向上述区域R1供给，因此能够在最小限度地抑制对其他结构造成的影响的同时有效地抑制单体电池110的发电性能的降低。
A－5.性能评价：
对于上述各流路的结构(流路的斜率等)与单体电池110的发电性能之间的关系，进行了基于模拟的性能评价。图9～图11是表示性能评价结果的说明图。在性能评价中，在上述结构的单体电池110(发电单位102)中对供给侧流路角度α1进行各种变更，构成具备10个单体电池110(发电单位102)的燃料电池组100，对在温度650℃、电流密度0.25A/cm2的条件下进行发电运转时的每个单体电池110的电压进行了测量。
在图9中示出供给侧流路角度α1与单体电池110的电压之间的关系。如图9所示，在本性能评价中，当供给侧流路角度α1大于0°时，成为单体电池110的电压变高这样的结果。如图8所示，供给侧流路角度α1大于0°指的是，在沿Z轴方向观察时，氧化剂气体供给连通流路132自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108看沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸(即，距离Lsi短于距离Lmi)。由该结果确认了，如上述那样，若在发电单位102中以使距离Lsi短于距离Lmi的方式构成氧化剂气体排出连通流路133，则能够抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。
另外，在图10中示出供给侧流路角度α1和供给侧差分角度这两者与单体电池110的电压之间的关系。具体而言，在图10中，示出根据各测量点的数据求出的近似曲线AC。如图10所示，在本性能评价中，以在供给侧流路角度α1为40°时成为0°的方式构成发电单位102的各流路。如图9和图10所示，当供给侧流路角度α1变得过大时(当供给侧差分角度变得过大时)，反而成为单体电池110的电压降低这样的结果。能够认为其原因在于，在供给侧流路角度α1变得过大时，在单体电池110面内，氧化剂气体OG的浓度会过度地偏倚，氧化剂气体OG的浓度过低的区域中的反应性会极端降低，从而整个单体电池110的发电性能会降低。
如图11所示，在本性能评价中，在供给侧差分角度为大致0°(准确而言是0.375°)时(即，在氧化剂气体供给连通流路132的延伸方向与自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108朝向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口去的方向大致一致时)，图10所示的近似曲线AC上的单体电池110的电压示出最高值。图11所示的直线L1、L2、L3分别是表示自近似曲线AC上的最高电压值低0.001％的电压值的线、表示自近似曲线AC上的最高电压值低0.002％的电压值的线、表示自近似曲线AC上的最高电压值低0.004％的电压值的线。根据图11所示的结果，可以说，为了进一步有效地抑制单体电池110的性能降低，供给侧差分角度优选为10°以下，更优选为7.5°以下，进一步优选为5°以下。
此外，在本性能评价中，进行了与表示氧化剂气体供给连通流路132的斜率的程度的供给侧流路角度α1(和供给侧差分角度)有关的评价，能够预想到，对于表示氧化剂气体排出连通流路133的斜率的程度的排出侧流路角度α2(和排出侧差分角度)，也成为相同的结果。因此，可以说，在排出侧流路角度α2大于0°的结构(即，在沿Z轴方向观察时，氧化剂气体排出连通流路133是从构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108看沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸的结构，且是距离Lso短于距离Lmo的结构)中，能够抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。另外，可以说，为了进一步有效地抑制单体电池110的性能降低，排出侧差分角度优选为10°以下，更优选为7.5°以下，进一步优选为5°以下。
B.变形例：
在本说明书中所公开的技术并不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内变形成各种形态，也可进行例如如下那样的变形。
图12是表示在第1变形例中的发电单位102a形成的各流路的详细结构的XY剖视图。对于图12所示的第1变形例中的发电单位102a，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102相比，氧化剂气体导入歧管161和氧化剂气体排出歧管162配置在更靠近燃料气体供给连通流路142的位置(即，Y轴正方向侧)。
在图12所示的第1变形例中的发电单位102a中，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体供给连通流路132并未自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108沿与第1内周面IP1正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸。换言之，距离Lsi短于距离Lmi。此外，在图12所示的第1变形例中的发电单位102a中，由于氧化剂气体导入歧管161配置在更靠近燃料气体供给连通流路142的位置，因此，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102相比，氧化剂气体供给连通流路132的斜率的程度(供给侧流路角度α1)更小。
同样地，在图12所示的第1变形例中的发电单位102a中，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体排出连通流路133并未自构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108沿与第2内周面IP2正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸。换言之，距离Lso短于距离Lmo。
图12所示的第1变形例中的发电单位102a是上述结构，因此，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，能够抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。另外，为了进一步有效地抑制单体电池110的性能降低，供给侧差分角度和排出侧差分角度优选为10°以下，更优选为7.5°以下，进一步优选为5°以下。
图13是表示在第2变形例中的发电单位102b形成的各流路的详细结构的XY剖视图。对于图13所示的第2变形例中的发电单位102b，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102相比，氧化剂气体导入歧管161和氧化剂气体排出歧管162配置在更远离燃料气体供给连通流路142的位置(即，Y轴负方向侧)。
在图13所示的第2变形例中的发电单位102b中，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体供给连通流路132并未自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108沿与第1内周面IP1正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸。换言之，距离Lsi短于距离Lmi。此外，在图13所示的第2变形例中的发电单位102b中，由于氧化剂气体导入歧管161配置于更远离燃料气体供给连通流路142的位置，因此，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102相比，氧化剂气体供给连通流路132的斜率的程度(供给侧流路角度α1)更大。
同样地，在图13所示的第2变形例中的发电单位102b中，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体排出连通流路133并未自构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108沿与第2内周面IP2正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸。换言之，距离Lso短于距离Lmo。
图13所示的第2变形例中的发电单位102b是上述结构，因此，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，能够抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。另外，为了进一步有效地抑制单体电池110的性能降低，供给侧差分角度和排出侧差分角度优选为10°以下，更优选为7.5°以下，进一步优选为5°以下。
图14是表示在第3变形例中的发电单位102c形成的各流路的详细结构的XY剖视图。在图14所示的第3变形例中的发电单位102c中，氧化剂气体导入歧管161设有两个，氧化剂气体供给连通流路132自构成各氧化剂气体导入歧管161的各连通孔108朝向空气室166延伸。
在图14所示的第3变形例中的发电单位102c中，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，对于构成两个氧化剂气体导入歧管161的各连通孔108，在沿Z轴方向观察时，氧化剂气体供给连通流路132并未自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108沿与第1内周面IP1正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸。换言之，距离Lsi短于距离Lmi。此外，如本变形例那样，在构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108形成有多个的情况下，将连结多个连通孔108中的位于两端的连通孔108的矩心(图14的例子中两个连通孔108的矩心P3’)的线段的中点设为第3点P3、即设为构成多个氧化剂气体导入歧管161的连通孔108的矩心。另外，在形成有多个构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108的情况下，将由自多个连通孔108延伸的氧化剂气体供给连通流路132的在第1内周面IP1上的全部开口构成的空气极侧供给开口组的两端点EP1、EP2的中点设为第1点P1。此外，在两个氧化剂气体导入歧管161之中，由于位于Y轴正方向侧的氧化剂气体导入歧管161配置于更靠近燃料气体供给连通流路142的位置，因此自构成该氧化剂气体导入歧管161的连通孔108延伸的氧化剂气体供给连通流路132的斜率的程度(供给侧流路角度α1)较小，由于位于Y轴负方向侧的氧化剂气体导入歧管161配置于更远离燃料气体供给连通流路142的位置，因此自构成该氧化剂气体导入歧管161的连通孔108延伸的氧化剂气体供给连通流路132的斜率的程度(供给侧流路角度α1)较大。
此外，在图14所示的第3变形例中的发电单位102c中，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，氧化剂气体排出歧管162仅设有1个，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体排出连通流路133并未自构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108沿与第2内周面IP2正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸。换言之，距离Lso短于距离Lmo。
图14所示的第3变形例中的发电单位102c是上述结构，因此，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，能够抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。另外，为了进一步有效地抑制单体电池110的性能降低，供给侧差分角度和排出侧差分角度优选为10°以下，更优选为7.5°以下，进一步优选为5°以下。
图15是表示在第4变形例中的发电单位102d形成的各流路的详细结构的XY剖视图。在图15所示的第4变形例中的发电单位102d中，燃料气体导入歧管171配置于发电单位102d的绕Z轴方向的外周中的4个边中的与配置有氧化剂气体导入歧管161的边相同的边的附近，燃料气体排出歧管172配置于上述4个边中的与配置有氧化剂气体排出歧管162的边相同的边的附近。即，图15所示的第4变形例中的发电单位102d是发电单位102d中的氧化剂气体OG的流动方向和燃料气体FG的流动方向成为大致相同方向的并流式的SOFC。
在图15所示的第4变形例中的发电单位102d中，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体供给连通流路132并未自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108沿与第1内周面IP1正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸。换言之，距离Lsi短于距离Lmi。
同样地，在图15所示的第4变形例中的发电单位102d中，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体排出连通流路133并未自构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108沿与第2内周面IP2正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸。换言之，距离Lso短于距离Lmo。
图15所示的第4变形例中的发电单位102d是上述结构，因此，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，能够抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。另外，为了进一步有效地抑制单体电池110的性能降低，供给侧差分角度和排出侧差分角度优选为10°以下，更优选为7.5°以下，进一步优选为5°以下。
图16是表示在第5变形例中的发电单位102e形成的各流路的详细结构的XY剖视图。在图16所示的第5变形例中的发电单位102e中，燃料气体导入歧管171配置于发电单位102e的绕Z轴方向的外周中的4个边中的与配置有氧化剂气体排出歧管162的边相同的边的附近，燃料气体排出歧管172配置于上述4个边中的与配置有氧化剂气体导入歧管161的边相同的边的附近。即，图16所示的第5变形例中的发电单位102e是发电单位102e中的氧化剂气体OG的流动方向和燃料气体FG的流动方向成为大致相反方向(相对的方向)的逆流式的SOFC。
在图16所示的第5变形例中的发电单位102e中，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体供给连通流路132并未自构成氧化剂气体导入歧管161的连通孔108沿与第1内周面IP1正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸。换言之，距离Lsi短于距离Lmi。
同样地，在图16所示的第5变形例中的发电单位102e中，在沿Z轴方向观察时，各氧化剂气体排出连通流路133并未自构成氧化剂气体排出歧管162的连通孔108沿与第2内周面IP2正交的方向(即X轴方向)延伸，而是沿向燃料气体供给连通流路142的在第3内周面IP3上的开口侧倾斜的方向延伸。换言之，距离Lso短于距离Lmo。
图16所示的第5变形例中的发电单位102e是上述结构，因此，与图8等所示的上述实施方式的发电单位102同样地，能够抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。另外，为了进一步有效地抑制单体电池110的性能降低，供给侧差分角度和排出侧差分角度优选为10°以下，更优选为7.5°以下，进一步优选为5°以下。
上述实施方式(和变形例、以下相同)的发电单位102同时满足作为与氧化剂气体供给连通流路132有关的条件的、距离Lsi短于距离Lmi这样的条件(第1条件)和作为与氧化剂气体排出连通流路133有关的条件的、距离Lso短于距离Lmo这样的条件(第2条件)，但发电单位102不一定必须同时满足两个条件。若发电单位102满足两个条件中的至少一者，则能够通过满足条件的那一侧(氧化剂气体供给连通流路132侧或氧化剂气体排出连通流路133侧)的结构来促进氧化剂气体OG向发电反应容易集中的区域(上述区域R1)供给，因此能够抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。但是，若发电单位102同时满足两个条件，则能够极其有效地促进氧化剂气体OG向发电反应容易集中的区域(上述区域R1)供给，因此能够极其有效地抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。
此外，在上述实施方式中，不一定需要燃料电池组100所包含的全部的发电单位102都满足上述两个条件中的至少一者，若燃料电池组100所包含的至少1个发电单位102满足上述两个条件中的至少一者，则对于该发电单位102，就能够极其有效地抑制氧化剂气体OG的不足导致的单体电池110的发电性能的降低。
另外，在上述实施方式的发电单位102中，也可以是，供给侧差分角度和排出侧差分角度中的一者或两者超过10°。但是，如上述那样，若供给侧差分角度和/或排出侧差分角度为10°以下，则能够有效地抑制单体电池110的性能降低，故此优选。
另外，在上述实施方式的发电单位102中，在沿Z轴方向观察时，孔131的外形线中的、由第1内周面IP1构成的部分和由第2内周面IP2构成的部分在整体上成为直线状，但也可以是，仅是由第1内周面IP1构成的部分中的一部分和/或由第2内周面IP2构成的部分中的一部分是直线状。在那样的结构中，该直线状的部分相当于权利要求书中的第1直线状部分或第2直线状部分。
另外，上述实施方式中的燃料电池组100或发电单位102的结构只是一个例子，其能够进行各种变形。例如，在上述实施方式中，螺栓孔109相对于各歧管用的连通孔108独立地设置，但也可以是，不设置独立的螺栓孔109，将各歧管用的连通孔108用作螺栓孔。另外，在上述实施方式中，在空气极114与电解质层112之间也可以配置有中间层。另外，在上述实施方式中，燃料电池组100所包含的发电单位102的个数只是一个例子，发电单位102的个数能够根据对燃料电池组100要求的输出电压等而适当决定。另外，构成上述实施方式中的各构件的材料只是例示，各构件也可以由其他材料构成。
另外，在上述实施方式中，以利用燃料气体所含有的氢和氧化剂气体所含有的氧之间的电化学反应来进行发电的SOFC为对象，但本发明也可同样地适用于利用水的电解反应而进行氢的生成的固体氧化物形电解池(SOEC)的构成单位即电解池单位、具备多个电解池单位的电解电池组。此外，电解电池组的结构如例如日本特开2016-81813号所记载那样是公知的，因此，在此不详细论述，概略而言，是与上述的实施方式中的燃料电池组100同样的结构。即，将上述的实施方式中的燃料电池组100改称为电解电池组、将发电单位102改称为电解池单位、将单体电池110改称为电解单体电池即可。不过，在电解电池组的运转之际，以空气极114成为正极(阳极)且燃料极116成为负极(阴极)的方式对两电极间施加电压，并且，经由连通孔108供给作为原料气体的水蒸气。由此，在各电解池单位中引起水的电解反应，在燃料室176中产生氢气，经由连通孔108向电解电池组的外部取出氢。在这样的结构的电解池单位和电解电池组中，与上述实施方式同样地，若以满足距离Lsi短于距离Lmi这样的条件(第1条件)和距离Lso短于距离Lmo这样的条件(第2条件)中的至少一者的方式构成，则能够抑制向空气极供给的气体的不足导致的电解单体电池的反应性能的降低。
另外，在上述实施方式中，以固体氧化物形燃料电池(SOFC)为例进行了说明，但本发明还能够应用于熔融碳酸盐形燃料电池(MCFC)这样其他类型的燃料电池(或电解池)。
附图标记说明
22、螺栓；26、绝缘片；27、气体通路构件；28、主体部；29、分支部；100、燃料电池组；102、燃料电池发电单位；104、端板；106、端板；107、流路用通孔；108、连通孔；109、螺栓孔；110、单体电池；112、电解质层；114、空气极；116、燃料极；120、分隔件；121、孔；124、接合部；130、空气极侧框架；131、孔；132、氧化剂气体供给连通流路；133、氧化剂气体排出连通流路；134、空气极侧集电体；135、集电体元件；140、燃料极侧框架；141、孔；142、燃料气体供给连通流路；143、燃料气体排出连通流路；144、燃料极侧集电体；145、电极相对部；146、互连器相对部；147、连接部；149、间隔物；150、互连器；161、氧化剂气体导入歧管；162、氧化剂气体排出歧管；166、空气室；171、燃料气体导入歧管；172、燃料气体排出歧管；176、燃料室。

Claims (6)

1.一种电化学反应单位，该电化学反应单位具备：
单体电池，其包含电解质层以及隔着所述电解质层在第1方向上彼此相对的空气极和燃料极；
空气极侧构件，其形成有：空气室用孔，其构成面对所述空气极的空气室且具有在与所述第1方向正交的第2方向上彼此相对的第1内周面和第2内周面；空气极侧供给气体流路用孔，其构成供向所述空气室供给的气体通过的空气极侧供给气体流路；空气极侧排出气体流路用孔，其构成供自所述空气室排出的气体通过的空气极侧排出气体流路；至少1个空气极侧供给连通流路，其与所述空气极侧供给气体流路用孔相连通且在所述空气室用孔的所述第1内周面开口；以及至少1个空气极侧排出连通流路，其与所述空气极侧排出气体流路用孔相连通且在所述空气室用孔的所述第2内周面开口；
燃料极侧构件，其形成有：燃料室用孔，其构成面对所述燃料极的燃料室且具有第3内周面；燃料极侧供给气体流路用孔，其构成供向所述燃料室供给的气体通过的燃料极侧供给气体流路；以及至少1个燃料极侧供给连通流路，其与所述燃料极侧供给气体流路用孔相连通且在所述燃料室用孔的所述第3内周面开口；该电化学反应单位的特征在于，
在沿所述第1方向观察时，
所述空气室用孔的外形线中的、由所述第1内周面构成的部分包含第1直线状部分，
所述空气室用孔的外形线中的、由所述第2内周面构成的部分包含第2直线状部分，
该电化学反应单位满足以下两个条件中的至少一者，即，
第1条件：由所述至少1个空气极侧供给连通流路的在所述第1内周面上的全部开口构成的空气极侧供给开口组的两端点的中点即第1点与由所述至少1个燃料极侧供给连通流路的在所述第3内周面上的全部开口构成的燃料极侧供给开口组的两端点的中点即第2点之间的在同所述第1直线状部分平行的方向上的距离Lsi比作为所述空气极侧供给气体流路用孔的矩心的第3点与所述第2点之间的在同所述第1直线状部分平行的方向上的距离Lmi短，
第2条件：由所述至少1个空气极侧排出连通流路的在所述第2内周面上的全部开口构成的空气极侧排出开口组的两端点的中点即第4点与所述第2点之间的在同所述第2直线状部分平行的方向上的距离Lso比作为所述空气极侧排出气体流路用孔的矩心的第5点与所述第2点之间的在同所述第2直线状部分平行的方向上的距离Lmo短。
2.根据权利要求1所述的电化学反应单位，其特征在于，
该电化学反应单位同时满足所述第1条件和所述第2条件。
3.根据权利要求1或2所述的电化学反应单位，其特征在于，
该电化学反应单位满足以下两个条件中的至少一者，即，
第3条件：在沿所述第1方向观察时，将所述第1点和所述第3点连结起来的第1假想直线与将所述第2点和所述第3点连结起来的第2假想直线所成的角是10°以下，
第4条件：在沿所述第1方向观察时，将所述第4点和所述第5点连结起来的第3假想直线与将所述第2点和所述第5点连结起来的第4假想直线所成的角是10°以下。
4.根据权利要求3所述的电化学反应单位，其特征在于，
该电化学反应单位同时满足所述第3条件和所述第4条件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电化学反应单位，其特征在于，
所述单体电池是燃料电池单体电池。
6.一种电化学反应电池组，其具备在所述第1方向上排列配置的多个电化学反应单位，该电化学反应电池组的特征在于，
所述多个电化学反应单位中的至少1个电化学反应单位是权利要求1至5中任一项所述的电化学反应单位。
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