JP2017212032A - 電気化学反応セルスタック - Google Patents

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Abstract

【課題】電気化学反応セルスタックの性能を向上させると共に、電気化学反応セルスタックと外部のガス配管等とを備えるモジュールの小型化・構成の簡素化を実現する。
【解決手段】電気化学反応セルスタックは、電気化学反応単セルが第１の方向に複数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に対して第１の方向の一方側の位置に、第１の方向に並べて配置された複数の平板状部材とを備え、電気化学反応ブロックにわたって延びる共用ガス流路が形成されている。複数の平板状部材の内の第１の方向の一方側の端に位置する外側平板状部材における外側表面には、第１の方向視で共用ガス流路と重ならない位置にガス孔が形成されている。複数の平板状部材により構成される構造体の内部に、ガス孔と共用ガス流路とを連通する連通ガス流路が形成されている。
【選択図】図５

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。
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、固体酸化物を含む電解質層を備える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、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第１の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。
ＳＯＦＣは、一般に、単セルが第１の方向に複数並べて配置された構造体（以下、「燃料電池ブロック」という）と、燃料電池ブロックを挟んで第１の方向に互いに対向する一対の平板状部材（「エンドプレート」とも呼ばれる）とを備える燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックには、燃料電池ブロック全体にわたって延びる共用ガス流路（「マニホールド」とも呼ばれる）が形成されている。共用ガス流路は、燃料電池スタックに含まれる各単セルへの反応ガス（酸化剤ガスや燃料ガス）の供給や、各単セルからのオフガスの排出のために利用される（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５−８８２６４号公報
上記従来の燃料電池スタックの構成では、上記一対の平板状部材（エンドプレート）の一方における第１の方向視で共用ガス流路（マニホールド）と重なる位置に、平板状部材を第１の方向に貫通するガス孔が形成されている。反応ガスは、燃料電池スタックの外部に設けられた配管等のガス供給部から、平板状部材に形成されたガス孔を介して共用ガス流路に供給される。そのため、上記従来の燃料電池スタックの構成では、共用ガス流路に供給される反応ガスの温度が十分に高くならず、その結果、発電性能が十分に高くならないという問題がある。また、上記従来の燃料電池スタックの構成では、燃料電池スタックの外部に設けられたガス配管等の構成が大型化・複雑化し、その結果、燃料電池スタックと燃料電池スタックの外部のガス配管等とを備えるモジュールの構成が大型化・複雑化するという問題がある。
なお、このような問題は、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の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という）の構成単位である電解単セルが第１の方向に複数並べて配置された電解セルブロックを備える電解セルスタックにも共通の問題である。なお、本明細書では、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」という。また、このような問題は、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にも共通の問題である。
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。
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。
（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含む電気化学反応単セルが前記第１の方向に複数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に対して前記第１の方向の一方側の位置に、前記第１の方向に並べて配置された複数の平板状部材と、を備え、前記電気化学反応ブロックにわたって延びる共用ガス流路が形成された電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の平板状部材の内の前記第１の方向の前記一方側の端に位置する前記平板状部材である外側平板状部材における前記一方側の表面である外側表面には、前記第１の方向視で前記共用ガス流路と重ならない位置にガス孔が形成されており、前記複数の平板状部材により構成される構造体の内部に、前記ガス孔と前記共用ガス流路とを連通する連通ガス流路が形成されている。本電気化学反応セルスタックでは、外部から電気化学反応セルスタックに導入された反応ガスは、外側平板状部材に設けられたガス孔から連通ガス流路に流入し、その後に共用ガス流路に流入する。反応ガスが連通ガス流路を通過する際には、電気化学反応単セルからの熱によって反応ガスの温度が上昇する。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、反応ガスが電気化学反応セルスタックの外部から直接、共用ガス流路に流入する構成と比較して、共用ガス流路に流入する反応ガスの温度を高くすることができ、発電や水素生成の反応効率を向上させることができ、その結果、電気化学反応セルスタックの性能を向上させることができる。また、本電気化学反応セルスタックでは、複数の平板状部材により構成される構造体の内部に連通ガス流路が形成されているため、電気化学反応セルスタックの外部の配管の長さを短くすることができ、その結果、電気化学反応セルスタックと電気化学反応セルスタックの外部のガス配管等とを備えるモジュールの小型化および構成の簡素化を実現することができる。
（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材を除く前記平板状部材により構成される構造体の前記第１の方向の前記一方側に、前記連通ガス流路を構成する第１の凹部が形成されており、前記外側平板状部材の前記ガス孔は、前記第１の方向視で前記第１の凹部と重なる位置に配置されており、前記第１の凹部における前記ガス孔と重ならない部分は、前記外側平板状部材により塞がれている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、外側平板状部材の厚さの増大を抑制しつつ、複数の平板状部材により構成される構造体の内部に連通ガス流路を形成することができる。また、本電気化学反応セルスタックによれば、連通ガス流路の形状を容易に変えることができるため、電気化学反応セルスタックに接続されるガス配管の配置の自由度を向上させることができる。
（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材の前記外側表面には、前記第１の方向視で前記連通ガス流路を取り囲む第１の仮想線に沿って第１の溶接痕が形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、連通ガス流路のシール性を高めることができ、連通ガス流路からのガス漏れを抑制することができる。
（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材の前記外側表面には、第２の凹部が形成されており、前記第１の溶接痕の少なくとも一部は、前記第２の凹部に形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第１の溶接痕が、外側平板状部材の外側表面よりも突出することを抑制することができる。
（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２の凹部に形成された前記第１の溶接痕の少なくとも一部は、前記第２の凹部の側面から離間している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第１の溶接痕と外側平板状部材との接触箇所が低減できるため、両者の間の金属拡散を抑制することができ、耐久性の低下等の問題の発生を抑制することができる。
（６）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２の凹部に形成された前記第１の溶接痕の少なくとも一部は、前記第２の凹部の側面と接している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第１の溶接痕の幅を広げることができ、外側平板状部材と他の平板状部材との間の接合性を向上させることができる。
（７）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、前記外側平板状部材を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第２の仮想線と、前記第１の仮想線の一部に直交する仮想直線である第３の仮想線との一方の交点を第１の点とし、前記第３の仮想線と前記外側平板状部材の外周線との交点の内の前記第１の点に最も近い点を第２の点とし、前記第３の仮想線と前記第１の仮想線との交点の内の前記第１の点に最も近い点を第３の点とした場合に、以下の式（１）により規定される条件を含む特定の条件を満たす前記第２の点が存在する形状である構成としてもよい。
Ｌ２３＜Ｌ１３・・・（１）
（ただし、Ｌ１３は、前記第１の点と前記第３の点との間の距離であり、Ｌ２３は、前記第２の点と第３の点との間の距離である。）
本電気化学反応セルスタックによれば、第１の方向視で、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、該部分が例えば熱膨張したり変形したりする際に第１の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。
（８）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定の条件は、以下の式（２）により規定される条件を含む構成としてもよい。
Ｌ２３≦Ｌ１３×３／４・・・（２）
本電気化学反応セルスタックによれば、第１の方向視で、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分をより小さくすることができるため、第１の溶接痕に生ずる応力を効果的に低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を効果的に抑制することができる。
（９）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、前記第２の点が前記外側平板状部材の前記外周線における所定の長さの範囲にあるときに常に前記特定の条件が満たされる形状である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、外側平板状部材の外周線における所定の長さの範囲に対応する部分について、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第１の溶接痕に生ずる応力を広範囲において低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を効果的に抑制することができる。
（１０）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記所定の長さは、前記範囲内の前記外周線に平行な方向における前記仮想矩形領域の長さの１／４以上である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、外側平板状部材の外周線における比較的長い範囲に対応する部分について、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第１の溶接痕に生ずる応力を広範囲において低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を効果的に抑制することができる。
（１１）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、前記外側平板状部材の前記外周線に第３の凹部が存在し、かつ、前記第２の点が前記第３の凹部にあるときに前記特定の条件が満たされる形状である構成としてもよい。外側平板状部材の外周線における第３の凹部の部分は、第１の溶接痕に生ずる応力が大きくなりやすい部分であるが、本電気化学反応セルスタックによれば、このような部分において、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第１の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。
（１２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、さらに、前記第１の方向視で、前記外側平板状部材において、前記第３の凹部を挟む２つの凸部の少なくとも一方に螺合されたボルトを備える構成としてもよい。外側平板状部材において、第３の凹部を挟む２つの凸部のそれぞれにボルトが螺合されていると、第１の溶接痕に生ずる応力がさらに大きくなりやすいが、本電気化学反応セルスタックによれば、このような構成において、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第１の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。
（１３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材の前記外側表面において、前記特定の条件を満たす前記第２の点と前記第３の点との間に第２の溶接痕が形成されている構成としてもよい。外側平板状部材の外側表面において、特定の条件を満たす第２の点と第３の点との間に第２の溶接痕が形成されていると、第１の溶接痕に生ずる応力がさらに大きくなりやすいが、本電気化学反応セルスタックによれば、このような構成において、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第１の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。
（１４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視で、前記第１の溶接痕は、前記第２の仮想線と前記第３の仮想線との他方の交点を第４の点とした場合に、以下の式（３）により規定される条件を満たすように形成されている構成としてもよい。
Ｌ１３≧Ｌ１４×１／８・・・（３）
（ただし、Ｌ１４は、前記第１の点と前記第４の点との間の距離である。）
第１の点と第３の点との間の距離が比較的長いと、第１の溶接痕に生ずる応力がさらに大きくなりやすいが、本電気化学反応セルスタックによれば、このような構成において、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第１の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。
（１５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材と、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材とは、熱膨張率が互いに異なる構成としてもよい。外側平板状部材と隣接平板状部材との熱膨張率が互いに異なると、第１の溶接痕に生ずる応力が大きくなりやすいが、本電気化学反応セルスタックによれば、このような構成において、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第１の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。
（１６）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視で、前記外側平板状部材の外周線の内、前記第１の方向に直交する第２の方向に平行な辺の少なくとも一部分と、前記第１の方向に直交すると共に前記第２の方向と平行ではない第３の方向に平行な辺の少なくとも一部分との位置が、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第４の仮想線の位置と一致している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、外側平板状部材の位置の精度の低下を抑制しつつ、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができ、第１の溶接痕に生ずる応力を低下させることができる。
（１７）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視で、前記外側平板状部材の前記外周線の内、前記第２の方向に平行な前記辺と前記第３の方向に平行な前記辺との少なくとも一方は、前記隣接平板状部材の外周線より内側に位置する部分と、前記内側に位置する部分を挟み、前記隣接平板状部材の外周線の位置と一致している２つの部分と、を含む構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、外側平板状部材の位置の精度の低下をより効果的に抑制しつつ、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができ、第１の溶接痕に生ずる応力を低下させることができる。
（１８）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材は、互いに離間して配置された第１の前記外側平板状部材および第２の前記外側平板状部材を含み、前記複数の平板状部材により構成される前記構造体の内部に、前記第１の外側平板状部材に形成された前記ガス孔と一の前記共用ガス流路とを連通する第１の前記連通ガス流路と、前記第２の外側平板状部材に形成された前記ガス孔と他の前記共用ガス流路とを連通する第２の前記連通ガス流路とが形成されており、前記第１の外側平板状部材と前記第２の外側平板状部材とのそれぞれの前記外側表面に、前記第１の溶接痕が形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第１の方向視で、各外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができるため、第１の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。
（１９）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の連通ガス流路と前記第２の連通ガス流路との一方は、前記第１の方向視で、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材を所定の方向に３つの領域に分割したときの一方の端の領域に重なるように配置されており、前記第１の連通ガス流路と前記第２の連通ガス流路との他方は、前記第１の方向視で、前記隣接平板状部材を前記所定の方向に３つの領域に分割したときの他方の端の領域に重なるように配置されていることを特徴とする構成としてもよい。第１の連通ガス流路と第２の連通ガス流路との一方が、隣接平板状部材を所定の方向に３つの領域に分割したときの一方の端の領域に重なるように配置され、他方が、隣接平板状部材を所定の方向に３つの領域に分割したときの他方の端の領域に重なるように配置されている場合に、電気化学反応セルスタックが備える外側平板状部材の数が１つのみであると、外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分が大きくなりやすい。本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応セルスタックが互いに離間して配置された第１の外側平板状部材と第２の外側平板状部材とを備えるため、各外側平板状部材における第１の溶接痕より外側の部分を小さくすることができ、第１の溶接痕に生ずる応力を低下させることができ、第１の溶接痕における剥離による連通ガス流路からのガス漏れの発生を抑制することができる。
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）、電気化学反応セルスタックとガス配管等とを備える電気化学反応モジュール、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。
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１のＩＩ−ＩＩ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１のＩＩＩ−ＩＩＩ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１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。 下側のエンドプレート１０６およびカバープレート２００のそれぞれの外観構成を示す斜視図である。 下側のエンドプレート１０６の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図である。 カバープレート２００の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図である。 図６および図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの位置におけるカバープレート２００およびエンドプレート１０６のＸＺ断面構成を示す説明図である。 第１実施形態の第１の変形例におけるカバープレート２００の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図である。 第１実施形態の第２の変形例におけるカバープレート２００付近のＸＺ断面構成を示す説明図である。 第２実施形態の燃料電池スタック１００における下側のエンドプレート１０６の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図である。 第２実施形態の燃料電池スタック１００におけるカバープレート２００の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図である。
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は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ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ＹＺ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ＸＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。また、本明細書では、Ｚ軸に直交する方向（例えば、Ｘ方向やＹ方向）を面方向と呼ぶ。
図２から図４に示すように、燃料電池スタック１００は、例えばステンレスにより形成された筐体の内側面に断熱材が設けられた断熱容器１０内に、支柱２０を介して設置される。
また、燃料電池スタック１００の下側には、燃料電池スタック１００への吸排気等を担う補助器４０が配置されている。補助器４０には、断熱容器１０の外部から延びる各種の配管７０が接続されており、該配管７０を介して、補助器４０に酸化剤ガスＯＧや原燃料ガス、改質水等が導入されると共に、補助器４０から排ガスが排出される。補助器４０の内部には、原燃料ガスを改質して燃料ガスＦＧを生成するための改質室や、燃料電池スタック１００から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼室が形成されている。また、補助器４０と燃料電池スタック１００との間には、各種の配管６０が設けられており、該配管６０を介して、補助器４０から燃料電池スタック１００に酸化剤ガスＯＧや燃料ガスＦＧが導入されると共に、燃料電池スタック１００から補助器４０にオフガスが排出される。
図１から図４に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という）１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６と、カバープレート２００とを備える。燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、複数の発電単位１０２から構成される集合体（以下、「発電ブロック１０３」という）を上下から挟むように配置されている。また、カバープレート２００は、下側のエンドプレート１０６の下に配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当し、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に相当する。
図１および図４に示すように、各発電単位１０２および各エンドプレート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、各発電単位１０２および各エンドプレート１０４，１０６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締結用連通孔１０８を構成している。以下の説明では、締結用連通孔１０８を構成するために各部材に形成された孔も、締結用連通孔１０８と呼ぶ場合がある。
各締結用連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両端に嵌められたナット２４とによって、各発電単位１０２および各エンドプレート１０４，１０６が一体に締結されている。なお、各ボルト２２の上側に嵌められたナット２４と上側のエンドプレート１０４の上側表面との間、および、各ボルト２２の下側に嵌められたナット２４と下側のエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。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。
また、図１から図３に示すように、各発電単位１０２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４つの）孔が形成されており、各発電単位１０２に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、複数の発電単位１０２から構成される集合体（発電ブロック１０３）にわたって上下方向に延びる流路用連通孔１０９を構成している。以下の説明では、流路用連通孔１０９を構成するために各発電単位１０２に形成された孔も、流路用連通孔１０９と呼ぶ場合がある。
図１および図２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流路用連通孔１０９は、燃料電池スタック１００に導入された酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の空気室１６６に供給す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、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流路用連通孔１０９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酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。
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軸負方向側の辺）の中点付近に位置する流路用連通孔１０９は、燃料電池スタック１００に導入された燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の燃料室１７６に供給するガス流路であ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軸正方向側の辺）の中点付近に位置する流路用連通孔１０９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ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。なお、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２は、特許請求の範囲における共用ガス流路に相当する。
（エンドプレート１０４，１０６およびカバープレート２００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。上側のエンドプレート１０４は、複数の発電単位１０２から構成される発電ブロック１０３の上側に配置され、下側のエンドプレート１０６は、発電ブロック１０３の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。本実施形態では、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。
カバープレート２００は、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。カバープレート２００は、下側のエンドプレート１０６の下側に隣接して配置されている。
なお、本実施形態では、カバープレート２００の形成材料は、下側のエンドプレート１０６の形成材料と異なっている。例えば、下側のエンドプレート１０６は、フェライト系ステンレス（例えば、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４０５、ＳＵＳ４４４等）により形成されており、カバープレート２００は、オーステナイト系ステンレス（例えば、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等）により形成されている。そのため、カバープレート２００の熱膨張率は、下側のエンドプレート１０６の熱膨張率と異なっている。より詳細には、カバープレート２００の熱膨張率は、下側のエンドプレート１０６の熱膨張率より大きい。例えば、カバープレート２００の７００（℃）における熱膨張率は、１１．０×１０−６〜１３．５×１０−６（／℃）であり、下側のエンドプレート１０６の７００（℃）における熱膨張率は、１１．０×１０−６〜１３．５×１０−６（／℃）である。また、本実施形態では、加工容易性の向上や軽量化のため、カバープレート２００の厚さは、下側のエンドプレート１０６の厚さより薄い。例えば、カバープレート２００の厚さは、０．１〜３（ｍｍ）であり、下側のエンドプレート１０６の厚さは、５〜１２（ｍｍ）である。上述した熱膨張率の関係と厚さの関係との少なくとも一方に起因して、カバープレート２００は、下側のエンドプレート１０６と比較して、熱膨張しやすい。
このように、下側のエンドプレート１０６とカバープレート２００とは、複数の発電単位１０２から構成される発電ブロック１０３に対してＺ方向の一方側（下側）の位置に、Ｚ方向に並べて配置された複数の平板状部材である。カバープレート２００は、これらの複数の平板状部材の内、Ｚ方向の上記一方側（下側）の端に位置する平板状部材であり、特許請求の範囲における外側平板状部材に相当する。また、下側のエンドプレート１０６は、これらの複数の平板状部材の内、カバープレート２００に隣接する平板状部材であり、特許請求の範囲における隣接平板状部材に相当する。下側のエンドプレート１０６およびカバープレート２００の構成については、後に詳述する。
（発電単位１０２の構成）
図２から図４に示すように、発電の最小単位である発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）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、上述した締結用連通孔１０８や流路用連通孔１０９に対応する孔が形成されている。なお、発電単位１０２は単セル１１０を備えるため、上述した発電ブロック１０３は、単セル１１０が上下方向に複数並べて配置された構造体であるとも表現できる。
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。
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。
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。
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により、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。
空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔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における単セル１１０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。図２に示すように、空気極側フレーム１３０には、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。
燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔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における単セル１１０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。図３に示すように、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。
燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、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。燃料極側集電体１４４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とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における燃料極側集電体１４４は、下側のエンドプレート１０６に接触している。燃料極側集電体１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。なお、各発電単位１０２において、燃料極側集電体１４４と下側のインターコネクタ１５０とが一体の部材であるとしてもよい。
空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、各発電単位１０２において、空気極側集電体１３４と上側のインターコネクタ１５０とが一体の部材であるとしてもよい。
（下側のエンドプレート１０６およびカバープレート２００の構成）
図５は、下側のエンドプレート１０６およびカバープレート２００のそれぞれの外観構成を示す斜視図であり、図６は、下側のエンドプレート１０６の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図であり、図７は、カバープレート２００の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図である。なお、図６には、下側のエンドプレート１０６の構成に重ねて、カバープレート２００の位置が破線で示されている。同様に、図７には、カバープレート２００の構成に重ねて、下側のエンドプレート１０６の位置が破線で示されている。
上述したように、下側のエンドプレート１０６のＺ方向回りの周縁部には、下側のエンドプレート１０６を上下方向に貫通する８つの締結用連通孔１０８が形成されている。また、下側のエンドプレート１０６の下面には、面方向（Ｙ方向）に延びる４つの流路用凹部（溝部）１０７が形成されている。流路用凹部１０７は、特許請求の範囲における第１の凹部に相当する。また、各流路用凹部１０７の位置には、下側のエンドプレート１０６を上下方向に貫通する流路用貫通孔１０５が形成されている。図２および図３に示すように、４つの流路用凹部１０７の位置に形成された流路用貫通孔１０５は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド１６１、酸化剤ガス排出マニホールド１６２、燃料ガス導入マニホールド１７１、燃料ガス排出マニホールド１７２とＺ方向視で重なる位置に配置されており、Ｚ方向視で重なる各マニホールドと連通している。
図５〜図７に示すように、カバープレート２００のＺ方向視の外周形状は、下側のエンドプレート１０６の外周形状に対し、締結用連通孔１０８と重なる位置、すなわち、４つの角部および各辺の略中央部の位置に、切り欠き（外形凹部Ｐａ）が形成された形状である。また、カバープレート２００には、カバープレート２００を上下方向に貫通する４つのガス孔２０２が形成されている。４つのガス孔２０２は、下側のエンドプレート１０６に形成された４つの流路用凹部１０７に対応している。各ガス孔２０２は、Ｚ方向視で、対応する流路用凹部１０７と重なり、かつ、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２と重ならない位置（すなわち、流路用貫通孔１０５と重ならない位置）に配置されている。カバープレート２００が下側のエンドプレート１０６の下面上に配置された状態では、各流路用凹部１０７におけるガス孔２０２と重ならない部分は、カバープレート２００により塞がれる。そのため、カバープレート２００と下側のエンドプレート１０６とで構成される構造体の内部には、各流路用凹部１０７により構成される空間が確保される。この空間は、ガス孔２０２を介して燃料電池スタック１００の外部に開口し、かつ、流路用貫通孔１０５を介して対応する各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に連通している。すなわち、各流路用凹部１０７により構成される空間により、ガス孔２０２と各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２とを連通する連通ガス流路が形成される。以下、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通する連通ガス流路を、酸化剤ガス導入連通流路１６３といい、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通する連通ガス流路を、酸化剤ガス排出連通流路１６４といい、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通する連通ガス流路を、燃料ガス導入連通流路１７３といい、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通する連通ガス流路を、燃料ガス排出連通流路１７４という。
図２に示すように、酸化剤ガス導入連通流路１６３には、補助器４０から酸化剤ガスＯＧを導入するための配管６０が接続されており、酸化剤ガス排出連通流路１６４には、酸化剤オフガスＯＯＧを補助器４０に排出するための配管６０が接続されている。また、図３に示すように、燃料ガス導入連通流路１７３には、補助器４０から燃料ガスＦＧを導入するための配管６０が接続されており、燃料ガス排出連通流路１７４には、燃料オフガスＦＯＧを補助器４０に排出するための配管６０が接続されている。
図５〜図７に示すように、カバープレート２００は、下側のエンドプレート１０６に対して溶接により接合されている。より詳細には、カバープレート２００の下面には、Ｚ方向視でカバープレート２００の外周線ＯＬ付近に沿って、カバープレート２００と下側のエンドプレート１０６とを接合する外周溶接痕２２０が形成されている。さらに、カバープレート２００の下面には、Ｚ方向視で各流路用凹部１０７を取り囲む第１の仮想線ＶＬ１に沿って、カバープレート２００と下側のエンドプレート１０６とを接合する流路用溶接痕２１０が形成されている。これにより、各流路用凹部１０７により形成される上記連通ガス流路（酸化剤ガス導入連通流路１６３、酸化剤ガス排出連通流路１６４、燃料ガス導入連通流路１７３、燃料ガス排出連通流路１７４）のシール性が高められる。なお、流路用溶接痕２１０は、特許請求の範囲における第１の溶接痕に相当し、外周溶接痕２２０は、特許請求の範囲における第２の溶接痕に相当する。
図６および図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの位置のＸＺ断面構成を表す図８に示すように、カバープレート２００の下側（Ｚ軸負方向側）の表面には溶接用凹部２３０が形成されており、外周溶接痕２２０および流路用溶接痕２１０は、溶接用凹部２３０内に形成されている。また、外周溶接痕２２０および流路用溶接痕２１０は、溶接用凹部２３０の側面から離間している。溶接用凹部２３０は、特許請求の範囲における第２の凹部に相当する。
（カバープレート２００等の形状の詳細）
カバープレート２００等の形状について、さらに詳細に説明する。以下では、Ｚ方向視において次のような線および点を参照して、カバープレート２００等の形状の詳細を説明する（図７参照）。
・第１の仮想線ＶＬ１（既述）：流路用溶接痕２１０の形成ライン
・第２の仮想線ＶＬ２：カバープレート２００を包含する最小の仮想矩形領域の外周線
・第３の仮想線ＶＬ３：第１の仮想線ＶＬ１の一部に直交する仮想直線
・第４の仮想線ＶＬ４：下側のエンドプレート１０６を包含する最小の仮想矩形領域の外周線
・第１の点Ｐ１：第２の仮想線ＶＬ２と第３の仮想線ＶＬ３との一方の交点
・第２の点Ｐ２：第３の仮想線ＶＬ３とカバープレート２００の外周線ＯＬとの交点の内の第１の点Ｐ１に最も近い点
・第３の点Ｐ３：第３の仮想線ＶＬ３と第１の仮想線ＶＬ１との交点の内の第１の点Ｐ１に最も近い点
・第４の点Ｐ４：第２の仮想線ＶＬ２と第３の仮想線ＶＬ３との他方の交点
上述したように、Ｚ方向視で、カバープレート２００の外周形状は、下側のエンドプレート１０６の外周形状に対し、４つの角部および各辺の略中央部の位置に外形凹部Ｐａが形成された形状である。以下、カバープレート２００の外周線ＯＬ上の外形凹部Ｐａの内、図７においてエンドプレート１０６の外周の左辺の略中央部の位置に形成された幅Ｌ１、深さＬ２の外形凹部Ｐａに着目して、カバープレート２００の形状を説明する。ただし、カバープレート２００に形成された他の外形凹部Ｐａについても同様のことが言える。なお、外形凹部Ｐａは、特許請求の範囲における第３の凹部に相当する。
図７に示すように、本実施形態では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の形状は、以下の式（１）により規定される条件を含む特定の条件ＳＣを満たす第２の点Ｐ２が存在する形状である。この式（１）は、第２の点Ｐ２において、カバープレート２００の外周線ＯＬが、カバープレート２００を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第２の仮想線ＶＬ２から内側に後退していることを意味している。本実施形態では、例えば、カバープレート２００に外形凹部Ｐａが形成されているため、第２の点Ｐ２が外形凹部Ｐａを規定する線上にあるときに、式（１）が満たされる。なお、第２の仮想線ＶＬ２の一辺の長さは、例えば、１４０〜２２０（ｍｍ）である。
Ｌ２３＜Ｌ１３・・・（１）
（ただし、Ｌ１３は、第１の点Ｐ１と第３の点Ｐ３との間の距離であり、Ｌ２３は、第２の点Ｐ２と第３の点Ｐ３との間の距離である。）
また、本実施形態では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の形状は、第２の点Ｐ２がカバープレート２００の外周線ＯＬにおける所定の長さＬ１の範囲、具体的には、外形凹部Ｐａの底辺ＢＬ上にあるときに常に上記特定の条件ＳＣが満たされる形状である。本実施形態では、この所定の長さＬ１は、上記範囲内の外周線ＯＬ（すなわち、外形凹部Ｐａの底辺ＢＬ）に平行な方向（図７の例ではＹ方向）における上記仮想矩形領域（第２の仮想線ＶＬ２により囲まれる領域）の長さの１／４以上である。
なお、本実施形態では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の外周線ＯＬの内、Ｚ方向に直交する第２の方向（例えばＹ方向）に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Ｓｙ１の位置と、Ｚ方向に直交すると共に上記第２の方向と平行ではない第３の方向（例えばＸ方向）に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Ｓｘ１の位置とが、第４の仮想線ＶＬ４の位置と一致している。
また、本実施形態では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の外周線ＯＬの内、上記第２の方向（例えばＹ方向）に平行な辺は、エンドプレート１０６の外周線より内側に位置する部分である辺部分Ｓｙ２と、該辺部分Ｓｙ２を挟みエンドプレート１０６の外周線の位置と一致している２つの辺部分Ｓｙ１とを含んでいる。同様に、本実施形態では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の外周線ＯＬの内、上記第３の方向（例えばＸ方向）に平行な辺は、エンドプレート１０６の外周線より内側に位置する部分である辺部分Ｓｘ２と、該辺部分Ｓｘ２を挟みエンドプレート１０６の外周線の位置と一致している２つの辺部分Ｓｘ１とを含んでいる。
また、本実施形態では、カバープレート２００の下面において、上記特定の条件ＳＣを満たす第２の点Ｐ２と第３の点Ｐ３との間に、外周溶接痕２２０が形成されている。
また、本実施形態では、Ｚ方向視で、流路用溶接痕２１０は、以下の式（３）により規定される条件を満たすように形成されている。
Ｌ１３≧Ｌ１４×１／８・・・（３）
（ただし、Ｌ１４は、第１の点Ｐ１と第４の点Ｐ４との間の距離である。）
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２に示すように、断熱容器１０の外部の配管７０を介して補助器４０に導入された酸化剤ガスＯＧは、補助器４０から配管６０を介して燃料電池スタック１００内に設けられた酸化剤ガス導入連通流路１６３に導入される。酸化剤ガス導入連通流路１６３に導入された酸化剤ガスＯＧは、酸化剤ガス導入連通流路１６３から酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド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２および図３に示すように、断熱容器１０の外部の配管７０を介して補助器４０に原燃料ガスや改質水が導入されると、補助器４０の改質室内で原燃料ガスが改質されて燃料ガスＦＧが生成され、生成された燃料ガスＦＧが配管６０を介して燃料電池スタック１００内に設けられた燃料ガス導入連通流路１７３に導入される。燃料ガス導入連通流路１７３に導入された燃料ガスＦＧは、燃料ガス導入連通流路１７３から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。
各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素と燃料ガスＦＧに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０（または上側のエンドプレート１０４）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（または下側のエンドプレート１０６）に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。
図２に示すように、各発電単位１０２の酸化剤ガス排出連通孔１３３を介して空気室１６６から酸化剤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、酸化剤ガス排出マニホールド１６２から酸化剤ガス排出連通流路１６４に排出され、酸化剤ガス排出連通流路１６４から燃料電池スタック１００の外部の配管６０を介して補助器４０に排出される。また、図３に示すように、各発電単位１０２の燃料ガス排出連通孔１４３を介して燃料室１７６から燃料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、燃料ガス排出マニホールド１７２から燃料ガス排出連通流路１７４に排出され、燃料ガス排出連通流路１７４から燃料電池スタック１００の外部の配管６０を介して補助器４０に排出される。補助器４０に排出された酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧは、補助器４０に設けられた燃料室内で混合されて燃焼し、配管７０を介して断熱容器１０の外部に排出される。
Ａ−３．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、単セル１１０（発電単位１０２）が上下方向に複数並べて配置された発電ブロック１０３と、発電ブロック１０３に対して上下方向の一方側（下側）の位置に、上下方向に並べて配置された複数の平板状部材であるエンドプレート１０６およびカバープレート２００を備える。また、燃料電池スタック１００には、発電ブロック１０３にわたって延びる共用ガス流路である各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２が形成されている。また、上記複数の平板状部材であるエンドプレート１０６およびカバープレート２００の内、上下方向の上記一方側（下側）の端に位置する平板状部材であるカバープレート２００（外側平板状部材）における上記一方側（下側）の表面には、Ｚ方向視で各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２と重ならない位置にガス孔２０２が形成されている。また、上記複数の平板状部材（エンドプレート１０６およびカバープレート２００）により構成される構造体の内部に、カバープレート２００の下面に設けられたガス孔２０２と各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２とを連通する各連通ガス流路（酸化剤ガス導入連通流路１６３、酸化剤ガス排出連通流路１６４、燃料ガス導入連通流路１７３、燃料ガス排出連通流路１７４）が形成されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００では、配管６０を介して燃料電池スタック１００に導入された酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧは、カバープレート２００の下面に設けられたガス孔２０２から、エンドプレート１０６およびカバープレート２００により構成される構造体の内部に形成された各連通ガス流路（酸化剤ガス導入連通流路１６３および燃料ガス導入連通流路１７３）に流入し、その後に各マニホールド（酸化剤ガス導入マニホールド１６１および燃料ガス導入マニホールド１７１）に流入する。上述したように、各単セル１１０での発電反応は発熱反応であるため、酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧが各連通ガス流路１６３，１７３を通過する際には、単セル１１０からの熱によって酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの温度が上昇する。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧが燃料電池スタック１００の外部から直接、各マニホールド１６１，１７１に流入する構成と比較して、各マニホールド１６１，１７１に流入する酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの温度を高くすることができ、各単セル１１０における発電の反応効率を向上させることができ、その結果、燃料電池スタック１００の発電性能を向上させることができる。また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、エンドプレート１０６およびカバープレート２００により構成される構造体の内部に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されているため、燃料電池スタック１００の外部の配管６０の長さを短くすることができ、その結果、燃料電池スタック１００と燃料電池スタック１００の外部のガス配管等とを備えるモジュールの小型化および構成の簡素化を実現することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上記複数の平板状部材であるエンドプレート１０６およびカバープレート２００の内、外側平板状部材であるカバープレート２００を除く平板状部材により構成される構造体（すなわち、エンドプレート１０６）の上記一方側（下側）に、各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４を構成する流路用凹部１０７が形成されており、カバープレート２００のガス孔２０２は、Ｚ方向視で対応する流路用凹部１０７と重なる位置に配置されており、流路用凹部１０７におけるガス孔２０２と重ならない部分は、カバープレート２００により塞がれている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、カバープレート２００の厚さの増大を抑制しつつ、カバープレート２００およびエンドプレート１０６により構成される構造体の内部に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４を形成することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、カバープレート２００の下面に、Ｚ方向視で各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４を取り囲む第１の仮想線ＶＬ１に沿って流路用溶接痕２１０が形成されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４のシール性を高めることができ、各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れを抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、カバープレート２００の下面に溶接用凹部２３０が形成されており、流路用溶接痕２１０は溶接用凹部２３０に形成されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、流路用溶接痕２１０がカバープレート２００の下面よりも突出することを抑制することができる。同様に、本実施形態の燃料電池スタック１００では、外周溶接痕２２０も溶接用凹部２３０に形成されているため、外周溶接痕２２０がカバープレート２００の下面よりも突出することを抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、溶接用凹部２３０に形成された流路用溶接痕２１０は、溶接用凹部２３０の側面から離間している。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、流路用溶接痕２１０とカバープレート２００との接触箇所が低減できるため、両者の間の金属拡散を抑制することができ、耐久性の低下等の問題の発生を抑制することができる。同様に、本実施形態の燃料電池スタック１００では、溶接用凹部２３０に形成された外周溶接痕２２０は、溶接用凹部２３０の側面から離間しているため、外周溶接痕２２０とカバープレート２００との接触箇所が低減できるため、両者の間の金属拡散を抑制することができ、耐久性の低下等の問題の発生を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の形状は、以下の式（１）により規定される条件を含む特定の条件ＳＣを満たす第２の点Ｐ２が存在する形状である。
Ｌ２３＜Ｌ１３・・・（１）
（ただし、Ｌ１３は、第１の点Ｐ１と第３の点Ｐ３との間の距離であり、Ｌ２３は、第２の点Ｐ２と第３の点Ｐ３との間の距離である。）
そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、第２の点Ｐ２において、カバープレート２００の外周線ＯＬを、カバープレート２００を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第２の仮想線ＶＬ２より内側に後退させることにより、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができるため、該部分が例えば熱膨張したり変形したりする際に流路用溶接痕２１０に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離を原因とする各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制することができる。
なお、上記特定の条件は、以下の式（２）により規定される条件を含むとすることが好ましい。
Ｌ２３≦Ｌ１３×３／４・・・（２）
このようにすれば、Ｚ方向視で、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分をより小さくすることができるため、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を効果的に低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離を原因とする各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を効果的に抑制することができる。
また、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を効果的に低下させるために、Ｌ２３がＬ１３の１／２以下であることがより好ましく、Ｌ２３がＬ１３の１／３以下であることがさらに好ましく、Ｌ２３がＬ１３の１／４以下であることが一層好ましい。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の形状は、第２の点Ｐ２がカバープレート２００の外周線ＯＬにおける所定の長さＬ１の範囲、具体的には、外形凹部Ｐａの底辺ＢＬ上にあるときに常に上記特定の条件ＳＣが満たされる形状である。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、カバープレート２００の外周線ＯＬにおける上記所定の長さＬ１の範囲に対応する部分について、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を広範囲において低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離により各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を効果的に抑制することができる。なお、本実施形態では、上記所定の長さＬ１は、上記範囲内の外周線ＯＬに平行な方向における仮想矩形領域（第２の仮想線ＶＬ２により囲まれる領域）の長さの１／４以上である。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、カバープレート２００の外周線ＯＬにおける比較的長い範囲に対応する部分について、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕２１０に生ずる応力をさらに広範囲において低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離による各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生をさらに効果的に抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の形状は、カバープレート２００の外周線ＯＬに外形凹部Ｐａが存在し、かつ、第２の点Ｐ２が外形凹部Ｐａにあるときに上記特定の条件ＳＣが満たされる形状である。カバープレート２００の外周線ＯＬにおける外形凹部Ｐａの部分は、流路用溶接痕２１０に生ずる応力が大きくなりやすい部分であるが、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、そのような部分において、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離による各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、カバープレート２００の下面において、上記特定の条件ＳＣを満たす第２の点Ｐ２と第３の点Ｐ３との間に、外周溶接痕２２０が形成されている。カバープレート２００の下面において、上記特定の条件ＳＣを満たす第２の点Ｐ２と第３の点Ｐ３との間に外周溶接痕２２０が形成されていると、流路用溶接痕２１０に生ずる応力がさらに大きくなりやすいが、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、そのような構成において、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離による各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ方向視で、流路用溶接痕２１０は、以下の式（３）により規定される条件を満たすように形成されている。
Ｌ１３≧Ｌ１４×１／８・・・（３）
（ただし、Ｌ１４は、第１の点Ｐ１と第４の点Ｐ４との間の距離である。）
第１の点Ｐ１と第３の点Ｐ３との間の距離が比較的長いと、流路用溶接痕２１０に生ずる応力がさらに大きくなりやすいが、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、そのような構成において、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離による各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制することができる。
また、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を効果的に低下させるために、Ｌ１３がＬ１４の１／４以上であることがより好ましく、Ｌ１３がＬ１４の１／３以上であることがさらに好ましく、Ｌ１３がＬ１４の１／２以上であることが一層好ましい。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、カバープレート２００と下側のエンドプレート１０６とは熱膨張率が互いに異なる。カバープレート２００と下側のエンドプレート１０６との熱膨張率が互いに異なると、両者の熱膨張差によって流路用溶接痕２１０に生ずる応力が大きくなりやすいが、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、そのような構成において、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離による各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の外周線ＯＬの内、Ｚ方向に直交する第２の方向（例えばＹ方向）に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Ｓｙ１の位置と、Ｚ方向に直交すると共に上記第２の方向と平行ではない第３の方向（例えばＸ方向）に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Ｓｘ１の位置とが、第４の仮想線ＶＬ４の位置と一致している。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、辺部分Ｓｙ１の位置および辺部分Ｓｘ１の位置で、下側のエンドプレート１０６に対するカバープレート２００の第２の方向に直交する方向および第３の方向に直交する方向の位置決めを行うことができ、カバープレート２００の位置の精度の低下を抑制しつつ、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができ、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を低下させることができ、その結果、流路用溶接痕２１０における剥離による各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制することができる。なお、上記第２の方向と第３の方向とが略直交していると、カバープレート２００の位置決めをより精度良く行うことができるため、好ましい。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の外周線ＯＬの内、上記第２の方向（例えばＹ方向）に平行な辺は、エンドプレート１０６の外周線より内側に位置する部分である辺部分Ｓｙ２と、その内側に位置する辺部分Ｓｙ２を挟み、エンドプレート１０６の外周線の位置と一致している２つの辺部分Ｓｙ１とを含む。同様に、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の外周線ＯＬの内、上記第３の方向（例えばＸ方向）に平行な辺は、エンドプレート１０６の外周線より内側に位置する部分である辺部分Ｓｘ２と、その内側に位置する辺部分Ｓｘ２を挟み、エンドプレート１０６の外周線の位置と一致している２つの辺部分Ｓｘ１とを含む。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、下側のエンドプレート１０６に対するカバープレート２００の位置の精度の低下をより効果的に抑制しつつ、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができ、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を低下させることができ、その結果、流路用溶接痕２１０における剥離による各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制することができる。
Ａ−４．性能評価：
実施例および比較例のカバープレート２００を用いた燃料電池スタック１００を対象として性能評価を行った。実施例のカバープレート２００の構成は、図７に示す通りの構成であり、外形凹部Ｐａの幅Ｌ１は７２（ｍｍ）であり、外形凹部Ｐａの深さＬ２は２０．５（ｍｍ）であった。また、比較例のカバープレート２００の構成は、外形凹部Ｐａが設けられていない点が実施例と異なる。実施例および比較例のカバープレート２００を用いた燃料電池スタック１００について、図７に示す第３の点Ｐ３の位置での流路用溶接痕２１０に生ずる応力をＳＩＭを用いて計算した。比較例のカバープレート２００を用いた燃料電池スタック１００では、応力が２０〜３５（ＭＰａ）であったのに対し、実施例のカバープレート２００を用いた燃料電池スタック１００では、応力が５〜１５（ＭＰａ）であった。このように、カバープレート２００に外形凹部Ｐａを設けることにより流路用溶接痕２１０に生ずる応力を大幅に低減できることが確認された。
また、実施例および比較例のカバープレート２００を用いた燃料電池スタック１００を実際に作成し、熱処理を実施したところ、比較例のカバープレート２００を用いた燃料電池スタック１００では、連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れが確認されたが、実施例のカバープレート２００を用いた燃料電池スタック１００では、連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れは確認されなかった。このように、カバープレート２００に外形凹部Ｐａを設けることにより、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を大幅に低減でき、その結果、連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制できることが確認された。
Ａ−５．第１実施形態の第１の変形例：
図９は、第１実施形態の第１の変形例におけるカバープレート２００の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図である。図９に示す第１実施形態の第１の変形例の燃料電池スタック１００では、カバープレート２００において、Ｚ方向視で外形凹部Ｐａを挟む２つの凸部Ｐｂの少なくとも一方に、例えばカバープレート２００とエンドプレート１０６とを接合するためのボルト２０４が螺合されている。第１実施形態の第１の変形例では、カバープレート２００における外形凹部Ｐａを挟む２つの凸部Ｐｂの少なくとも一方にボルト２０４が螺合されているため、流路用溶接痕２１０に生ずる応力がさらに大きくなりやすい。しかし、第１実施形態の第１の変形例においても、カバープレート２００の構成が上述した第１実施形態と同様の構成であるため、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができ、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離による連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制することができる。
Ａ−６．第１実施形態の第２の変形例：
図１０は、第１実施形態の第２の変形例におけるカバープレート２００付近のＸＺ断面構成を示す説明図である。図１０には、上述した図８に示す第１実施形態のＸＺ断面構成に対応する位置における、第１実施形態の第２の変形例のカバープレート２００付近のＸＺ断面構成が示されている。第１実施形態の第２の変形例では、上述した第１実施形態と同様に、カバープレート２００の下側（Ｚ軸負方向側）の表面に溶接用凹部２３０が形成されており、外周溶接痕２２０および流路用溶接痕２１０は、溶接用凹部２３０内に形成されている。ただし、第１実施形態の第２の変形例では、外周溶接痕２２０および流路用溶接痕２１０は、溶接用凹部２３０の側面と接している。このため、第１実施形態の第２の変形例によれば、外周溶接痕２２０および流路用溶接痕２１０が溶接用凹部２３０の側面から離間している構成と比較して、流路用溶接痕２１０および外周溶接痕２２０の幅を広げることができ、カバープレート２００とエンドプレート１０６との間の接合性を向上させることができる。
Ｂ．第２実施形態：
図１１は、第２実施形態の燃料電池スタック１００における下側のエンドプレート１０６の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図であり、図１２は、第２実施形態の燃料電池スタック１００におけるカバープレート２００の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図である。以下では、第２実施形態の燃料電池スタック１００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１１および図１２に示すように、第２実施形態では、カバープレート２００が、互いに離間して配置された第１のカバープレート２００ａと第２のカバープレート２００ｂとから構成されている。第１のカバープレート２００ａは、Ｚ方向視で、エンドプレート１０６のＹ軸負方向側の領域を覆うように配置されており、第２のカバープレート２００ｂは、Ｚ方向視で、エンドプレート１０６のＹ軸正方向側の領域を覆うように配置されており、Ｙ方向における第１のカバープレート２００ａと第２のカバープレート２００ｂとの間の領域ではエンドプレート１０６がカバープレート２００に覆われずに露出している。第１のカバープレート２００ａは、特許請求の範囲における第１の外側平板状部材に相当し、第２のカバープレート２００ｂは、特許請求の範囲における第２の外側平板状部材に相当する。
第２実施形態の燃料電池スタック１００においても、第１実施形態と同様に、下側のエンドプレート１０６の下面に、面方向（第２実施形態ではＸ方向）に延びる４つの流路用凹部（溝部）１０７が形成されており、各流路用凹部１０７の位置に、下側のエンドプレート１０６を上下方向に貫通する流路用貫通孔１０５が形成されており、各流路用貫通孔１０５は、対応する各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２とＺ方向視で重なる位置に配置され、Ｚ方向視で重なる各マニホールドと連通している。
また、第１のカバープレート２００ａには、第１のカバープレート２００ａを上下方向に貫通する２つのガス孔２０２が形成されており、各ガス孔２０２は、Ｚ方向視で、対応する流路用凹部１０７と重なり、かつ、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２と重ならない位置に配置されている。第１のカバープレート２００ａが下側のエンドプレート１０６の下面上に配置された状態では、各流路用凹部１０７におけるガス孔２０２と重ならない部分は、第１のカバープレート２００ａにより塞がれる。そのため、第１のカバープレート２００ａと下側のエンドプレート１０６とで構成される構造体の内部に、各流路用凹部１０７により構成される連通ガス流路（酸化剤ガス排出連通流路１６４および燃料ガス導入連通流路１７３）が確保される。本実施形態では、酸化剤ガス排出連通流路１６４および燃料ガス導入連通流路１７３は、Ｚ方向視で、下側のエンドプレート１０６をＹ方向に３つの領域に略等分に分割したときの一方の端の領域（図１２に示す例では最も上側の領域）に重なるように配置されている。酸化剤ガス排出連通流路１６４と燃料ガス導入連通流路１７３との少なくとも一方は、特許請求の範囲における第１の連通ガス流路に相当する。
同様に、第２のカバープレート２００ｂには、第２のカバープレート２００ｂを上下方向に貫通する２つのガス孔２０２が形成されており、各ガス孔２０２は、Ｚ方向視で、対応する流路用凹部１０７と重なり、かつ、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２と重ならない位置に配置されている。第２のカバープレート２００ｂが下側のエンドプレート１０６の下面上に配置された状態では、各流路用凹部１０７におけるガス孔２０２と重ならない部分は、第２のカバープレート２００ｂにより塞がれる。そのため、第２のカバープレート２００ｂと下側のエンドプレート１０６とで構成される構造体の内部に、各流路用凹部１０７により構成される連通ガス流路（酸化剤ガス導入連通流路１６３および燃料ガス排出連通流路１７４）が確保される。本実施形態では、酸化剤ガス導入連通流路１６３および燃料ガス排出連通流路１７４は、Ｚ方向視で、下側のエンドプレート１０６をＹ方向に３つの領域に略等分に分割したときの他方の端の領域（図１２に示す例では最も下側の領域）に重なるように配置されている。酸化剤ガス導入連通流路１６３と燃料ガス排出連通流路１７４との少なくとも一方は、特許請求の範囲における第２の連通ガス流路に相当する。
第１のカバープレート２００ａの下面には、Ｚ方向視で第１のカバープレート２００ａの外周線ＯＬ付近に沿って、外周溶接痕２２０が形成されていると共に、Ｚ方向視で各流路用凹部１０７を取り囲む第１の仮想線ＶＬ１に沿って、流路用溶接痕２１０が形成されている。これにより、各流路用凹部１０７により形成される上記連通ガス流路（酸化剤ガス排出連通流路１６４および燃料ガス導入連通流路１７３）のシール性が高められる。
同様に、第２のカバープレート２００ｂの下面には、Ｚ方向視で第２のカバープレート２００ｂの外周線ＯＬ付近に沿って、外周溶接痕２２０が形成されていると共に、Ｚ方向視で各流路用凹部１０７を取り囲む第１の仮想線ＶＬ１に沿って、流路用溶接痕２１０が形成されている。これにより、各流路用凹部１０７により形成される上記連通ガス流路（酸化剤ガス導入連通流路１６３および燃料ガス排出連通流路１７４）のシール性が高められる。
なお、第２実施形態の燃料電池スタック１００においても、第１実施形態と同様に、第１のカバープレート２００ａおよび第２のカバープレート２００ｂのそれぞれについて、Ｚ方向視で、カバープレート２００の外周線ＯＬの内、Ｚ方向に直交する第２の方向（例えばＹ方向）に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Ｓｙ１の位置と、Ｚ方向に直交すると共に上記第２の方向と平行ではない第３の方向（例えばＸ方向）に平行な辺の少なくとも一部分である辺部分Ｓｘ１の位置とが、下側のエンドプレート１０６を包含する最小の仮想矩形領域の外周線（第４の仮想線ＶＬ４）の位置と一致している。
また、第２実施形態の燃料電池スタック１００においても、第１実施形態と同様に、第１のカバープレート２００ａおよび第２のカバープレート２００ｂのそれぞれについて、Ｚ方向視で、カバープレート２００の外周線ＯＬの内、上記第３の方向（例えばＸ方向）に平行な辺は、エンドプレート１０６の外周線より内側に位置する部分である辺部分Ｓｘ２と、該辺部分Ｓｘ２を挟みエンドプレート１０６の外周線の位置と一致している２つの辺部分Ｓｘ１とを含んでいる。
以上説明したように、第２実施形態の燃料電池スタック１００は、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００が奏する作用・効果に加え、以下の作用・効果を奏する。第２実施形態の燃料電池スタック１００では、カバープレート２００が、互いに離間して配置された第１のカバープレート２００ａおよび第２のカバープレート２００ｂを含んでいる。また、カバープレート２００（第１のカバープレート２００ａおよび第２のカバープレート２００ｂ）と下側のエンドプレート１０６とにより構成される構造体の内部に、第１のカバープレート２００ａに形成されたガス孔２０２とマニホールド（酸化剤ガス排出マニホールド１６２および燃料ガス導入マニホールド１７１）とを連通する連通ガス流路（酸化剤ガス排出連通流路１６４および燃料ガス導入連通流路１７３）と、第２のカバープレート２００ｂに形成されたガス孔２０２と他のマニホールド（酸化剤ガス導入マニホールド１６１および燃料ガス排出マニホールド１７２）とを連通する連通ガス流路（酸化剤ガス導入連通流路１６３および燃料ガス排出連通流路１７４）とが形成されている。また、第１のカバープレート２００ａと第２のカバープレート２００ｂとのそれぞれの下面に、流路用溶接痕２１０が形成されている。そのため、第２実施形態の燃料電池スタック１００によれば、Ｚ方向視で、第１のカバープレート２００ａおよび第２のカバープレート２００ｂのそれぞれにおける流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができるため、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離による各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制することができる。
また、第２実施形態の燃料電池スタック１００では、連通ガス流路の一部（酸化剤ガス排出連通流路１６４および燃料ガス導入連通流路１７３）は、Ｚ方向視で下側のエンドプレート１０６を所定の方向（図１２に示す例ではＹ方向）に３つの領域に略等分に分割したときのＹ軸負方向側の端の領域に重なるように配置され、連通ガス流路の他の一部（酸化剤ガス導入連通流路１６３および燃料ガス排出連通流路１７４）は、Ｚ方向視で下側のエンドプレート１０６を上記３つの領域に略等分に分割したときのＹ軸正方向側の端の領域に重なるように配置されている。連通ガス流路の一部が上記３つの領域の内の一方の端の領域に重なるように配置され、連通ガス流路の他の一部が上記３つの領域の内の他方の端の領域に重なるように配置されている場合に、燃料電池スタック１００が備えるカバープレート２００の数が１つのみであると、カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分が大きくなりやすいが、第２実施形態の燃料電池スタック１００によれば、燃料電池スタック１００が互いに離間して配置された第１のカバープレート２００ａと第２のカバープレート２００ｂとを備えるため、各カバープレート２００における流路用溶接痕２１０より外側の部分を小さくすることができ、流路用溶接痕２１０に生ずる応力を低下させることができ、流路用溶接痕２１０における剥離による各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４からのガス漏れの発生を抑制することができる。
Ｃ．その他の変形例：
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。
上記実施形態における燃料電池スタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、エンドプレート１０６に流路用凹部１０７が形成されることによって各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されるとしているが、エンドプレート１０６に代えて、あるいは、エンドプレート１０６に加えて、カバープレート２００に同様の流路用凹部が形成されることによって各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されるとしてもよい。
また、上記実施形態では、エンドプレート１０６およびカバープレート２００という２枚の平板状部材により構成される構造体の内部に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されるとしているが、３枚以上の平板状部材により構成される構造体の内部に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されるとしてもよい。例えば、上記実施形態において、エンドプレート１０６が複数の平板状部材により構成され、エンドプレート１０６を構成する複数の平板状部材とカバープレート２００とにより構成される構造体の内部に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されるとしてもよい。この場合においては、エンドプレート１０６を構成する複数の平板状部材の内の１枚または複数枚に上下方向の貫通孔が形成され、該貫通孔における発電ブロック１０３に対向する側がエンドプレート１０６を構成する他の平板状部材により塞がれることにより、該貫通孔が各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４として機能するとしてもよい。
また、各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４の少なくとも一部は、燃料電池スタック１００の上側に形成されるとしてもよい。例えば、上側のエンドプレート１０４の上側表面にカバープレートが配置され、上側のエンドプレート１０４と該カバープレートとにより構成される構造体の内部に連通ガス流路が形成されるとしてもよい。また、燃料電池スタック１００に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４のすべてが形成される必要は無く、少なくとも１つの連通ガス流路が形成されればよい。
また、上記実施形態では、流路用連通孔１０９が締結用連通孔１０８とは別に設けられているが、燃料電池スタック１００に設けられた締結用連通孔１０８の内の少なくとも１つが流路用連通孔１０９としても機能するとしてもよい。
また、上記実施形態では、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の全体が溶接用凹部２３０に形成されているとしているが、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の一部のみが溶接用凹部２３０に形成されているとしてもよい。また、上記第１実施形態では、溶接用凹部２３０に形成された流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の全体が溶接用凹部２３０の側面から離間しているとしているが、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の一部のみが溶接用凹部２３０の側面から離間しているとしてもよい。ただし、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の全体が溶接用凹部２３０の側面から離間していると、両者の間の金属拡散を良好に抑制して耐久性の低下を効果的に抑制することができるため好ましい。
同様に、上記第１実施形態の第１の変形例では、溶接用凹部２３０に形成された流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の全体が溶接用凹部２３０の側面と接しているとしているが、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の一部のみが溶接用凹部２３０の側面と接しているとしてもよい。ただし、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の全体が溶接用凹部２３０の側面と接していると、流路用溶接痕２１０および外周溶接痕２２０の全体にわたって幅を広げることができ、カバープレート２００とエンドプレート１０６との間の接合性を良好に向上させることができるため好ましい。
なお、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の一部が溶接用凹部２３０の側面から離間しており、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の残りの一部が溶接用凹部２３０の側面と接していると、耐久性の低下を抑制しつつ、カバープレート２００とエンドプレート１０６との間の接合性を向上させることができる。
また、上記実施形態において、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の少なくとも一方が形成されていなくてもよい。また、上記実施形態において、カバープレート２００に溶接用凹部２３０が形成されていなくてもよい。
また、上記実施形態において、第１〜第４の仮想線ＶＬ１〜ＶＬ４および第１〜第４の点Ｐ１〜Ｐ４を用いて説明したカバープレート２００等の形状は、必須ではなく、種々変形可能である。
また、上記第１実施形態では、Ｚ方向視で、カバープレート２００の外周線ＯＬの内、第２の方向（例えばＹ方向）に平行な辺および第３の方向（例えばＸ方向）に平行な辺が、共に、エンドプレート１０６の外周線より内側に位置する部分（辺部分Ｓｙ２およびＳｘ２）と、該辺部分を挟みエンドプレート１０６の外周線の位置と一致している２つの部分（辺部分Ｓｙ１およびＳｘ１）とを含んでいるとしているが、第２の方向に平行な辺と第３の方向に平行な辺との一方のみがこのような構成であるとしてもよい。このような場合であっても、該方向に直交する方向についてのカバープレート２００の位置決めを行うことができる。
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（単セル１１０）の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２（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等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態において、一の発電単位１０２と他の発電単位１０２との間に、発電機能を有さず導電性を有する層（例えば、面方向のガス流路を確保するための層）が介在していてもよい。この場合であっても、最上段の発電単位１０２から最下段の発電単位１０２までの範囲の構造体（すなわち、上記発電機能を有さず導電性を有する層も含む）が発電ブロック１０３である。
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。例えば、カバープレート２００とエンドプレート１０６とが同一の材料で形成されるとしてもよい。
本明細書において、部材（または部材のある部分、以下同様）Ａを挟んで部材Ｂと部材Ｃとが互いに対向するとは、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとが隣接する形態に限定されず、部材Ａと部材Ｂまたは部材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との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、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。
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、本発明は、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単セルや、複数の電解単セルを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、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１４−２０７１２０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、流路用連通孔１０９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、流路用連通孔１０９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。このような構成の電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成とすれば、上記実施形態と同様の作用・効果を奏する。
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、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（または電解単セル）にも適用可能である。
１０：断熱容器 ２０：支柱 ２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ４０：補助器 ６０：配管 ７０：配管 １００：燃料電池スタック １０２：燃料電池発電単位 １０３：発電ブロック １０４：エンドプレート １０５：流路用貫通孔 １０６：エンドプレート １０７：流路用凹部 １０８：締結用連通孔 １０９：流路用連通孔 １１０：燃料電池単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 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 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：酸化剤ガス導入連通流路 １６４：酸化剤ガス排出連通流路 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 １７３：燃料ガス導入連通流路 １７４：燃料ガス排出連通流路 １７６：燃料室 ２００：カバープレート ２０２：ガス孔 ２０４：ボルト ２１０：流路用溶接痕 ２２０：外周溶接痕 ２３０：溶接用凹部

Claims (19)

  1. 電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含む電気化学反応単セルが前記第１の方向に複数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に対して前記第１の方向の一方側の位置に、前記第１の方向に並べて配置された複数の平板状部材と、
    を備え、前記電気化学反応ブロックにわたって延びる共用ガス流路が形成された電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記複数の平板状部材の内の前記第１の方向の前記一方側の端に位置する前記平板状部材である外側平板状部材における前記一方側の表面である外側表面には、前記第１の方向視で前記共用ガス流路と重ならない位置にガス孔が形成されており、
    前記複数の平板状部材により構成される構造体の内部に、前記ガス孔と前記共用ガス流路とを連通する連通ガス流路が形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  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、
    前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材を除く前記平板状部材により構成される構造体の前記第１の方向の前記一方側に、前記連通ガス流路を構成する第１の凹部が形成されており、
    前記外側平板状部材の前記ガス孔は、前記第１の方向視で前記第１の凹部と重なる位置に配置されており、
    前記第１の凹部における前記ガス孔と重ならない部分は、前記外側平板状部材により塞がれていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  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、
    前記外側平板状部材の前記外側表面には、前記第１の方向視で前記連通ガス流路を取り囲む第１の仮想線に沿って第１の溶接痕が形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  4. 請求項３に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記外側平板状部材の前記外側表面には、第２の凹部が形成されており、
    前記第１の溶接痕の少なくとも一部は、前記第２の凹部に形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  5. 請求項４に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記第２の凹部に形成された前記第１の溶接痕の少なくとも一部は、前記第２の凹部の側面から離間していることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  6. 請求項４に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記第２の凹部に形成された前記第１の溶接痕の少なくとも一部は、前記第２の凹部の側面と接していることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  7. 請求項３から請求項６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、
    前記第１の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、
    前記外側平板状部材を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第２の仮想線と、前記第１の仮想線の一部に直交する仮想直線である第３の仮想線との一方の交点を第１の点とし、
    前記第３の仮想線と前記外側平板状部材の外周線との交点の内の前記第１の点に最も近い点を第２の点とし、
    前記第３の仮想線と前記第１の仮想線との交点の内の前記第１の点に最も近い点を第３の点とした場合に、
    以下の式（１）により規定される条件を含む特定の条件を満たす前記第２の点が存在する形状であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
    Ｌ２３＜Ｌ１３・・・（１）
    （ただし、Ｌ１３は、前記第１の点と前記第３の点との間の距離であり、Ｌ２３は、前記第２の点と第３の点との間の距離である。）
  8. 請求項７に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記特定の条件は、以下の式（２）により規定される条件を含むことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
    Ｌ２３≦Ｌ１３×３／４・・・（２）
  9. 請求項７または請求項８に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記第１の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、前記第２の点が前記外側平板状部材の前記外周線における所定の長さの範囲にあるときに常に前記特定の条件が満たされる形状であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  10. 請求項９に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記所定の長さは、前記範囲内の前記外周線に平行な方向における前記仮想矩形領域の長さの１／４以上であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  11. 請求項７から請求項１０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、
    前記第１の方向視で、前記外側平板状部材の形状は、前記外側平板状部材の前記外周線に第３の凹部が存在し、かつ、前記第２の点が前記第３の凹部にあるときに前記特定の条件が満たされる形状であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  12. 請求項１１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、さらに、
    前記第１の方向視で、前記外側平板状部材において、前記第３の凹部を挟む２つの凸部の少なくとも一方に螺合されたボルトを備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  13. 請求項７から請求項１２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、
    前記外側平板状部材の前記外側表面において、前記特定の条件を満たす前記第２の点と前記第３の点との間に第２の溶接痕が形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  14. 請求項７から請求項１３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、
    前記第１の方向視で、前記第１の溶接痕は、前記第２の仮想線と前記第３の仮想線との他方の交点を第４の点とした場合に、以下の式（３）により規定される条件を満たすように形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
    Ｌ１３≧Ｌ１４×１／８・・・（３）
    （ただし、Ｌ１４は、前記第１の点と前記第４の点との間の距離である。）
  15. 請求項７から請求項１４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、
    前記外側平板状部材と、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材とは、熱膨張率が互いに異なることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  16. 請求項７から請求項１５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、
    前記第１の方向視で、前記外側平板状部材の外周線の内、前記第１の方向に直交する第２の方向に平行な辺の少なくとも一部分と、前記第１の方向に直交すると共に前記第２の方向と平行ではない第３の方向に平行な辺の少なくとも一部分との位置が、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材を包含する最小の仮想矩形領域の外周線である第４の仮想線の位置と一致していることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  17. 請求項１６に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記第１の方向視で、前記外側平板状部材の前記外周線の内、前記第２の方向に平行な前記辺と前記第３の方向に平行な前記辺との少なくとも一方は、前記隣接平板状部材の外周線より内側に位置する部分と、前記内側に位置する部分を挟み、前記隣接平板状部材の外周線の位置と一致している２つの部分と、を含むことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  18. 請求項３から請求項６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、
    前記外側平板状部材は、互いに離間して配置された第１の前記外側平板状部材および第２の前記外側平板状部材を含み、
    前記複数の平板状部材により構成される前記構造体の内部に、前記第１の外側平板状部材に形成された前記ガス孔と一の前記共用ガス流路とを連通する第１の前記連通ガス流路と、前記第２の外側平板状部材に形成された前記ガス孔と他の前記共用ガス流路とを連通する第２の前記連通ガス流路とが形成されており、
    前記第１の外側平板状部材と前記第２の外側平板状部材とのそれぞれの前記外側表面に、前記第１の溶接痕が形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  19. 請求項１８に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記第１の連通ガス流路と前記第２の連通ガス流路との一方は、前記第１の方向視で、前記複数の平板状部材の内の前記外側平板状部材に隣接する前記平板状部材である隣接平板状部材を所定の方向に３つの領域に分割したときの一方の端の領域に重なるように配置されており、
    前記第１の連通ガス流路と前記第２の連通ガス流路との他方は、前記第１の方向視で、前記隣接平板状部材を前記所定の方向に３つの領域に分割したときの他方の端の領域に重なるように配置されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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