JP2019216029A - 電気化学反応セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】各電気化学反応単位へ供給されるガスの利用率を向上させつつ、電気化学反応セルスタックの圧力損失を低減する。【解決手段】セルスタックは、Ｌ個の電気化学反応単位を備える。各電気化学反応単位には、燃料室とマニホールドとを連通する入口側連通ガス流路と、燃料室と他のマニホールドとを連通する出口側連通ガス流路とが形成されている。Ｌ個の電気化学反応単位は、Ｍ個の第１の電気化学反応単位と、Ｎ個の第２の電気化学反応単位とを含む。各第２の電気化学反応単位の入口側連通ガス流路は、マニホールドを介して各第１の電気化学反応単位の出口側連通ガス流路と連通している。各第２の電気化学反応単位の燃料室の高さは、互いに等しく、かつ、各第１の電気化学反応単位の燃料室の高さより高い。Ｎ個の第２の電気化学反応単位は、連通ガス流路の幅が互いに異なる複数の第２の電気化学反応単位を含む。【選択図】図１１

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発電単位（以下、単に「発電単位」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、を含む燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）を有する。ＳＯＦＣは、一般に、上記第１の方向に並べて配置された複数の発電単位から構成された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、複数のマニホールドが形成されている。各マニホールドは、複数の発電単位にわたって延びるガス流路である。また、燃料電池スタックを構成する各発電単位には、燃料極に面する燃料室と、燃料室と複数のマニホールドの１つとを連通する入口側連通ガス流路と、燃料室と複数のマニホールドの１つとを連通する出口側連通ガス流路とが形成されている。マニホールドに供給されたガス（水素を含むガス）は、各発電単位における入口側連通ガス流路を介して各発電単位の燃料室内に流入し、各発電単位における発電反応に利用される。その後、各発電単位の燃料室内のガスは、各発電単位における出口側連通ガス流路を介して他のマニホールドに排出される。

従来、上流側発電単位と下流側発電単位とを備える、いわゆる並直列型の燃料電池スタックが知られている（例えば、特許文献１参照）。並直列型の燃料電池スタックでは、下流側発電単位の入口側連通ガス流路は、マニホールドを介して、上流側発電単位の出口側連通ガス流路と連通している。そのため、並直列型の燃料電池スタックでは、上流側発電単位における発電反応に利用された後のガスが、下流側発電単位の燃料室に供給されて下流側発電単位における発電反応にも利用されることとなり、燃料ガスの利用率を向上させることができる。

特開２０１４−１９７４９２号公報

従来の並直列型の燃料電池スタックでは、各発電単位の燃料室から排出されたガスが他の発電単位を経由せずに燃料電池スタックの外部に排出される構成と比較して、燃料電池スタック全体としての燃料極側の圧力損失が増大するおそれがある。

なお、このような課題は、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）の一形態である電解セルスタックにも共通の課題である。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、このような課題は、固体酸化物形に限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の課題である。

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含む電気化学反応単セルをそれぞれ有すると共に、前記第１の方向に並べて配置されたＬ（Ｌは３以上の整数）個の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記電気化学反応セルスタックには、それぞれ複数の前記電気化学反応単位にわたって延びるガス流路である複数のマニホールドが形成されており、各前記電気化学反応単位には、前記燃料極に面する燃料室と、前記燃料室と前記複数のマニホールドの１つとを連通する入口側連通ガス流路と、前記燃料室と前記複数のマニホールドの１つとを連通する出口側連通ガス流路と、が形成されており、前記Ｌ個の電気化学反応単位は、Ｍ（Ｍは１以上の整数）個の第１の電気化学反応単位と、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の第２の電気化学反応単位であって、各前記第２の電気化学反応単位の前記入口側連通ガス流路は、少なくとも１つの前記マニホールドを介して、各前記第１の電気化学反応単位の前記出口側連通ガス流路と連通している、Ｎ個の第２の電気化学反応単位と、を含み、各前記第２の電気化学反応単位の前記燃料室における前記第１の方向に前記燃料極と対向する部分の高さは、互いに等しく、かつ、各前記第１の電気化学反応単位の前記燃料室における前記第１の方向に前記燃料極と対向する部分の高さより高く、前記Ｎ個の第２の電気化学反応単位は、前記入口側連通ガス流路と前記出口側連通ガス流路との少なくとも一方である特定連通ガス流路の幅が互いに異なる複数の前記第２の電気化学反応単位を含み、前記Ｎ個の第２の電気化学反応単位における前記特定連通ガス流路の幅の最大値は、前記Ｍ個の第１の電気化学反応単位における前記特定連通ガス流路の幅の最小値より小さい。

本電気化学反応セルスタックでは、Ｍ個の第１の電気化学反応単位とＮ個の第２の電気化学反応単位とを備え、各第２の電気化学反応単位の入口側連通ガス流路は、マニホールドを介して、各第１の電気化学反応単位の出口側連通ガス流路と連通している。そのため、各第１の電気化学反応単位の燃料室から排出されたガスは、各第２の電気化学反応単位の燃料室内に導入され、その後、各第２の電気化学反応単位の燃料室から排出され、最終的に電気化学反応セルスタックの外部に排出される。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、第１の電気化学反応単位における反応に利用された後のガスが、第２の電気化学反応単位における反応にも利用されることとなり、燃料室に供給されるガスの利用率を向上させることができる。

ただし、本電気化学反応セルスタックでは、上記構成であるため、各電気化学反応単位の燃料室から排出されたガスが他の電気化学反応単位を経由せずに電気化学反応セルスタックの外部に排出される構成と比較して、電気化学反応セルスタック全体としての燃料極側の圧力損失が増大するおそれがある。しかしながら、本電気化学反応セルスタックでは、各第２の電気化学反応単位の燃料室の高さが、各第１の電気化学反応単位の燃料室の高さより高い。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、燃料室に供給されるガスの利用率を向上させつつ、各第２の電気化学反応単位の燃料室における圧力損失を低減させることができ、その結果、電気化学反応セルスタック全体としての燃料極側の圧力損失の増大を抑制することができる。

また、本電気化学反応セルスタックでは、各第２の電気化学反応単位の燃料室の高さが比較的高いため、各第２の電気化学反応単位の燃料室における圧力損失を低減させることができる一方で、複数の第２の電気化学反応単位間で、燃料室へ供給されるガスの流量にバラツキが発生しやすく、各第２の電気化学反応単位における反応バラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の性能が低下するおそれがある。しかしながら、本電気化学反応セルスタックでは、Ｎ個の第２の電気化学反応単位は、入口側連通ガス流路と出口側連通ガス流路との少なくとも一方である特定連通ガス流路の幅が互いに異なる複数の第２の電気化学反応単位を含んでいる。そのため、各第２の電気化学反応単位の特定連通ガス流路の幅を適切に設定することにより、各第２の電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の性能が低下することを抑制することができる。

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記Ｎ個の第２の電気化学反応単位は、前記第１の方向に互いに隣接する複数の前記第２の電気化学反応単位から構成された電気化学反応単位グループを含み、前記電気化学反応単位グループを構成する複数の前記第２の電気化学反応単位は、一の前記第２の電気化学反応単位と、前記一の第２の電気化学反応単位と比較して、前記燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、前記特定連通ガス流路の幅が狭い他の前記第２の電気化学反応単位と、を含む構成としてもよい。電気化学反応単位グループを構成する複数の第２の電気化学反応単位の内、燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の比較的近くに位置する第２の電気化学反応単位では、燃料室に供給されるガスの流量が多くなりやすい。本電気化学反応セルスタックでは、電気化学反応単位グループを構成する複数の第２の電気化学反応単位の内、燃料室に供給されるガスの流量が多くなりやすい第２の電気化学反応単位において、特定連通ガス流路の幅が比較的狭くなっている。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単位グループを構成する複数の第２の電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の性能が低下することを効果的に抑制することができる。

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記Ｎ個の第２の電気化学反応単位は、それぞれ前記第１の方向に互いに隣接する複数の前記第２の電気化学反応単位から構成された複数の電気化学反応単位グループを含み、前記複数の電気化学反応単位グループは、一の前記電気化学反応単位グループと、前記一の電気化学反応単位グループと比較して、前記燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、前記特定連通ガス流路の幅の最小値が小さい他の前記電気化学反応単位グループと、を含む構成としてもよい。複数の電気化学反応単位グループの内、燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の比較的近くに位置する電気化学反応単位グループでは、燃料室に供給されるガスの流量が多くなりやすい。本電気化学反応セルスタックでは、複数の電気化学反応単位グループの内、燃料室に供給されるガスの流量が多くなりやすい電気化学反応単位グループにおいて、特定連通ガス流路の幅の最小値が比較的小さくなっている。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、複数の電気化学反応単位グループ間での、第２の電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の性能が低下することを効果的に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、前記第２の電気化学反応単位の個数Ｎは、前記第１の電気化学反応単位の個数Ｍより小さい構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、燃料室に供給されるガスの利用率を向上させつつ、第２の電気化学反応単位においてガスが不足して反応性が低下することを抑制することができる。ただし、本電気化学反応セルスタックでは、第２の電気化学反応単位の個数Ｎが第１の電気化学反応単位の個数Ｍより小さいため、第１の電気化学反応単位と比較して第２の電気化学反応単位の方が、１つの電気化学反応単位あたりの燃料室へ供給されるガスの流量が多くなり、各第２の電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量にバラツキが発生しやすい。本電気化学反応セルスタックによれば、そのようなバラツキが発生しやすい構成においても、特定連通ガス流路の幅を適切に設定することにより、各第２の電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の性能が低下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、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とす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、各電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの利用率を向上させつつ、電気化学反応セルスタック全体としての圧力損失の増大を抑制することができ、さらに、各電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の発電性能が低下すること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、電気化学反応セルスタックを備えるシステム、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ＸＺ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ＹＺ断面構成を示す説明図である。 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る。 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ＹＺ断面構成を示す説明図である。 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のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図５のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図５のＸ−Ｘの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２における燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏを示す説明図である。

Ａ．第１の実施形態：
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（および後述する図８から図１０）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（および後述する図８から図１０）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（および後述する図８から図１０）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」といい、Ｚ軸負方向を「下方向」というものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図５以降についても同様である。また、本明細書では、Ｚ軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。

燃料電池スタック１００は、Ｌ（Ｌは３以上の整数であり、本実施形態ではＬ＝１５）個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とを備える。１５個の発電単位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、１５個の発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

燃料電池スタック１００が備える１５個の発電単位１０２は、Ｍ（Ｍは１以上の整数であり、本実施形態ではＭ＝９）個の上流側発電単位１０２Ｕと、Ｎ（Ｎは２以上の整数であり、本実施形態ではＮ＝６）個の下流側発電単位１０２Ｄとを含む。より詳細には、１５個の発電単位１０２の内、下から数えて１〜３，６〜８番目の発電単位１０２が下流側発電単位１０２Ｄであり、４，５，９〜１５番目の発電単位１０２が上流側発電単位１０２Ｕである。本実施形態では、下流側発電単位１０２Ｄの個数Ｎは、上流側発電単位１０２Ｕの個数Ｍより小さい。上流側発電単位１０２Ｕは、特許請求の範囲における第１の電気化学反応単位に相当し、下流側発電単位１０２Ｄは、特許請求の範囲における第２の電気化学反応単位に相当する。

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。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」という。

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２〜図４に示すように、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の上端を構成するエンドプレート１０４の上側表面との間、および、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の下端を構成するエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。ただし、後述のガス通路部材２７が設けられた箇所では、ナット２４とエンドプレート１０６の表面との間に、ガス通路部材２７とガス通路部材２７の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート２６とが介在している。絶縁シート２６は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。

各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。該空間の内の少なくとも一部は、複数の発電単位１０２にわたって延びるガス流路であるマニホールドとして機能する。

具体的には、図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２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として機能する。また、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、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の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。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軸方向回りの外周における１つの頂点（Ｘ軸正方向側およびＹ軸負方向側の頂点）付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｃ）と、そのボルト２２Ｃが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各上流側発電単位１０２Ｕに供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能する。また、図１、図３および図４に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６から排出されたガスである燃料中間ガスＦＭＧを各下流側発電単位１０２Ｄに向けて運ぶ燃料ガス中継マニホールド１７２として機能する。また、図１、図３および図４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ボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、各下流側発電単位１０２Ｄ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の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド１７３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。また、燃料中間ガスＦＭＧには、各上流側発電単位１０２Ｕにおいて発電反応に利用されなかった水素等が含まれる。

燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部２９とを有している。分岐部２９の孔は本体部２８の孔と連通している。各ガス通路部材２７の分岐部２９には、ガス配管（図示せず）が接続される。また、図２に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成するボルト２２Ａの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通している。すなわち、このガス通路部材２７は、酸化剤ガスＯＧを燃料電池スタック１００の外部から内部に供給する供給孔として機能する。また、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を形成するボルト２２Ｂの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。すなわち、このガス通路部材２７は、酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の内部から外部へ排出する排出孔として機能する。また、図３に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１を形成するボルト２２Ｃの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通している。すなわち、このガス通路部材２７は、燃料ガスＦＧを燃料電池スタック１００の外部から内部に供給する供給孔として機能する。また、図４に示すように、燃料ガス排出マニホールド１７３を形成するボルト２２Ｅの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス排出マニホールド１７３に連通している。すなわち、このガス通路部材２７は、燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の内部から外部へ排出する排出孔として機能する。

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。

（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（１つの上流側発電単位１０２Ｕと１つの下流側発電単位１０２Ｄ）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（２つの上流側発電単位１０２Ｕ）のＹＺ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（２つの下流側発電単位１０２Ｄ）のＹＺ断面構成を示す説明図である。また、図８は、図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの位置における発電単位１０２（上流側発電単位１０２Ｕ）のＸＹ断面構成を示す説明図であり、図９は、図５のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２（上流側発電単位１０２Ｕ）のＸＹ断面構成を示す説明図であり、図１０は、図５のＸ−Ｘの位置における発電単位１０２（下流側発電単位１０２Ｄ）のＸＹ断面構成を示す説明図である。

図５〜図７に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２〜図４参照）。

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）、ＣａＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）等の固体酸化物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、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とセラミック粒子とからなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。

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、ステンレス等の金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、単セル１１０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、図８に示すように、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、空気室１６６と酸化剤ガス導入マニホールド１６１とを連通する空気室入口側連通ガス流路１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する空気室出口側連通ガス流路１３３とが形成されている。空気室入口側連通ガス流路１３２および空気室出口側連通ガス流路１３３は、空気極側フレーム１３０に形成された面方向に延びる孔である。

燃料極側フレーム１４０は、図９および図１０に示すように、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、ステンレス等の金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料室１７６と１つのマニホールドとを連通する燃料室入口側連通ガス流路１４２と、燃料室１７６と他の１つのマニホールドとを連通する燃料室出口側連通ガス流路１４３とが形成されている。燃料室入口側連通ガス流路１４２および燃料室出口側連通ガス流路１４３は、燃料極側フレーム１４０に形成された面方向に延びる孔である。図９に示すように、上流側発電単位１０２Ｕにおいては、燃料室入口側連通ガス流路１４２は、燃料室１７６と燃料ガス導入マニホールド１７１とを連通し、燃料室出口側連通ガス流路１４３は、燃料室１７６と燃料ガス中継マニホールド１７２とを連通する。また、図１０に示すように、下流側発電単位１０２Ｄにおいては、燃料室入口側連通ガス流路１４２は、燃料室１７６と燃料ガス中継マニホールド１７２とを連通し、燃料室出口側連通ガス流路１４３は、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７３とを連通する。

空気極側集電体１３４は、図５〜図８に示すように、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。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、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として形成されていてもよい。

燃料極側集電体１４４は、図５〜図７、図９および図１０に示すように、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、複数の電極対向部１４５と、各電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えた導電体であり、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。各電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。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におけるインターコネクタ対向部１４６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、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）との電気的接続が良好に維持される。

Ａ−２．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、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２（上流側発電単位１０２Ｕおよび下流側発電単位１０２Ｄ）の空気室入口側連通ガス流路１３２を介して空気室１６６に供給され、各発電単位１０２の単セル１１０の空気極１１４に供給される。

また、図３および図６に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室入口側連通ガス流路１４２を介して燃料室１７６に供給され、各上流側発電単位１０２Ｕの単セル１１０の燃料極１１６に供給される。なお、燃料ガス導入マニホールド１７１は、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６には連通しておらず、燃料ガス導入マニホールド１７１から各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されることはない。

また、図３、図４、図６および図７に示すように、各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６から燃料室出口側連通ガス流路１４３を介して燃料ガス中継マニホールド１７２に排出された燃料中間ガスＦＭＧは、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室入口側連通ガス流路１４２を介して燃料室１７６に供給され、各下流側発電単位１０２Ｄの単セル１１０の燃料極１１６に供給される。

各発電単位１０２（上流側発電単位１０２Ｕおよび下流側発電単位１０２Ｄ）の単セル１１０の空気極１１４に酸化剤ガスＯＧが供給され、単セル１１０の燃料極１１６に燃料ガスＦＧまたは燃料中間ガスＦＭＧが供給されると、各単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧまたは燃料中間ガスＦＭＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、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および図５に示すように、各発電単位１０２（上流側発電単位１０２Ｕおよび下流側発電単位１０２Ｄ）の空気室１６６から空気室出口側連通ガス流路１３３を介して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の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、図４および図７に示すように、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６から燃料室出口側連通ガス流路１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７３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１７３の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

このように、本実施形態の燃料電池スタック１００では、燃料電池スタック１００の外部から導入された燃料ガスＦＧが、燃料ガス導入マニホールド１７１を介して複数の上流側発電単位１０２Ｕに並列に供給され、その後、各上流側発電単位１０２Ｕから排出された燃料中間ガスＦＭＧが、燃料ガス中継マニホールド１７２を介して複数の下流側発電単位１０２Ｄに並列に供給される。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１００は、いわゆる並直列型の燃料電池スタックである。

Ａ−３．各発電単位１０２の燃料極側の詳細構成：
次に、各発電単位１０２の燃料極側の構成について、さらに詳細に説明する。上述したように、本実施形態の燃料電池スタック１００が備えるＬ（本実施形態ではＬ＝１５）個の発電単位１０２は、Ｍ（本実施形態ではＭ＝９）個の上流側発電単位１０２Ｕと、Ｎ（本実施形態ではＮ＝６）個の下流側発電単位１０２Ｄとを含む。本実施形態の燃料電池スタック１００では、下流側発電単位１０２Ｄの個数Ｎは、上流側発電単位１０２Ｕの個数Ｍより小さい（Ｎ＜Ｍ）。

本実施形態の燃料電池スタック１００では、６個の下流側発電単位１０２Ｄのそれぞれの燃料室１７６における、Ｚ軸方向に燃料極１１６と対向する部分の高さＨｄ（以下、単に「下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６の高さＨｄ」という）は、互いに等しい（図５および図７参照）。なお、下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６の高さＨｄが、燃料室１７６における面方向の各位置で異なる場合には、下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６の高さＨｄは、各位置での高さＨｄの最小値を意味するものとする。また、本明細書において、複数の燃料室１７６の高さが互いに等しいとは、各燃料室１７６の高さの差が±０．０１ｍｍ以下であることを意味する。各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６の高さＨｄは、例えば、１．９ｍｍ〜２．３ｍｍ程度である。

同様に、本実施形態の燃料電池スタック１００では、９個の上流側発電単位１０２Ｕのそれぞれの燃料室１７６における、Ｚ軸方向に燃料極１１６と対向する部分の高さＨｕ（以下、単に「上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６の高さＨｕ」という）は、互いに等しい（図５および図６参照）。なお、上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６の高さＨｕが、燃料室１７６における面方向の各位置で異なる場合には、上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６の高さＨｕは、各位置での高さＨｕの最小値を意味するものとする。各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６の高さＨｕは、例えば、１．４ｍｍ〜１．８ｍｍ程度である。

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６の高さＨｄは、各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６の高さＨｕより高い（Ｈｄ＞Ｈｕ）。本実施形態では、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料極側フレーム１４０の厚さ（Ｚ軸方向における大きさ）を各上流側発電単位１０２Ｕの燃料極側フレーム１４０の厚さより厚くすることにより、上記関係（Ｈｄ＞Ｈｕ）を実現している。下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６の高さＨｄと、上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６の高さＨｕとの差（＝Ｈｄ−Ｈｕ）は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

また、図１１は、燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２における燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏを示す説明図である。図１１の右端の表には、燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２について、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの値が示されている。

ここで、図９および図１０に示すように、各発電単位１０２における燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉは、Ｚ軸方向視で、燃料室入口側連通ガス流路１４２の延伸方向に直交する方向の大きさである。燃料室入口側連通ガス流路１４２の各位置において幅Ｗｉが異なる場合には、燃料室入口側連通ガス流路１４２における燃料室１７６との接続位置において幅Ｗｉを特定するものとする。また、１つの発電単位１０２に複数の燃料室入口側連通ガス流路１４２が存在する場合には、各燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの合計を、該発電単位１０２の燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉというものとする。同様に、各発電単位１０２における燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏは、Ｚ軸方向視で、燃料室出口側連通ガス流路１４３の延伸方向に直交する方向の大きさである。燃料室出口側連通ガス流路１４３の各位置において幅Ｗｏが異なる場合には、燃料室出口側連通ガス流路１４３における燃料室１７６との接続位置において幅Ｗｏを特定するものとする。また、１つの発電単位１０２に複数の燃料室出口側連通ガス流路１４３が存在する場合には、各燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの合計を、該発電単位１０２の燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏというものとする。

図１１に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１００では、６個の下流側発電単位１０２Ｄのそれぞれにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉは、互いに等しくない。すなわち、６個の下流側発電単位１０２Ｄは、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉが互いに異なる複数の下流側発電単位１０２Ｄを含む。なお、本明細書において、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉが互いに異なるとは、各幅Ｗｉの差が±０．０１ｍｍより大きいことを意味する。具体的には、本実施形態の燃料電池スタック１００では、下から数えて１，２，３，６，７，８番目の下流側発電単位１０２Ｄの燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉは、それぞれ、「ｊ」ｍｍ、「ｊ＋０．１」ｍｍ、「ｊ＋０．２」ｍｍ、「ｊ＋０．１」ｍｍ、「ｊ＋０．２」ｍｍ、「ｊ＋０．３」ｍｍである。ここで、「ｊ」は、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの基準値（以下、「入口側基準幅ｊ」という）であり、本実施形態では、最も下に位置する発電単位１０２（下流側発電単位１０２Ｄ）の燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉと同値である。なお、入口側基準幅ｊは、例えば、１．２ｍｍ〜１．６ｍｍ程度である。また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、各下流側発電単位１０２Ｄにおいて、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉは、燃料室１７６の高さＨｄより小さい。燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉに対する燃料室１７６の高さＨｄの比（＝Ｈｄ／Ｗｉ）は、１．１以上であることが好ましい。

同様に、本実施形態の燃料電池スタック１００では、６個の下流側発電単位１０２Ｄのそれぞれにおける燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏは、互いに等しくない。すなわち、６個の下流側発電単位１０２Ｄは、燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏが互いに異なる複数の下流側発電単位１０２Ｄを含む。なお、本明細書において、燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏが互いに異なるとは、各幅Ｗｏの差が±０．０１ｍｍより大きいことを意味する。具体的には、本実施形態の燃料電池スタック１００では、下から数えて１，２，３，６，７，８番目の下流側発電単位１０２Ｄの燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏは、それぞれ、「ｋ」ｍｍ、「ｋ＋０．１」ｍｍ、「ｋ＋０．２」ｍｍ、「ｋ＋０．１」ｍｍ、「ｋ＋０．２」ｍｍ、「ｋ＋０．３」ｍｍである。ここで、「ｋ」は、燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの基準値（以下、「出口側基準幅ｋ」という）であり、本実施形態では、最も下に位置する発電単位１０２（下流側発電単位１０２Ｄ）の燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏと同値である。なお、出口側基準幅ｋは、例えば、１．２ｍｍ〜１．６ｍｍ程度である。また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、各下流側発電単位１０２Ｄにおいて、燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏは、燃料室１７６の高さＨｄより小さい。燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏに対する燃料室１７６の高さＨｄの比（＝Ｈｄ／Ｗｏ）は、１．１以上であることが好ましい。

一方、本実施形態の燃料電池スタック１００では、９個の上流側発電単位１０２Ｕのそれぞれにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉは、互いに等しい（すべて、「ｊ＋０．５」ｍｍである）。また、９個の上流側発電単位１０２Ｕのそれぞれにおける燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏも、互いに等しい（すべて、「ｋ＋０．５」ｍｍである）。

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、６個の下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの最大値（＝「ｊ＋０．３」ｍｍ）は、９個の上流側発電単位１０２Ｕにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの最小値（＝「ｊ＋０．５」ｍｍ）より小さくなっている。すなわち、各下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉは、各上流側発電単位１０２Ｕにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉと比較して、全体的に狭くなっている。同様に、本実施形態の燃料電池スタック１００では、６個の下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの最大値（＝「ｋ＋０．３」ｍｍ）は、９個の上流側発電単位１０２Ｕにおける燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの最小値（＝「ｋ＋０．５」ｍｍ）より小さくなっている。すなわち、各下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏは、各上流側発電単位１０２Ｕにおける燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏと比較して、全体的に狭くなっている。

なお、本実施形態における燃料室入口側連通ガス流路１４２および燃料室出口側連通ガス流路１４３は、特許請求の範囲における特定連通ガス流路に相当する。

また、Ｚ軸方向に互いに隣接する複数の下流側発電単位１０２Ｄから構成されたグループを、下流側発電単位グループ１０２ＤＧと呼ぶものとすると、本実施形態の燃料電池スタック１００では、６個の下流側発電単位１０２Ｄは、２つの下流側発電単位グループ１０２ＤＧを有すると言える（図２〜図４，図１１参照）。すなわち、本実施形態では、下から数えて１，２，３番目の３つの下流側発電単位１０２Ｄから構成された下流側発電単位グループ１０２ＤＧ（以下、「下側下流側発電単位グループ１０２ＤＧ１」という）と、下から数えて６，７，８番目の３つの下流側発電単位１０２Ｄから構成された下流側発電単位グループ１０２ＤＧ（以下、「上側下流側発電単位グループ１０２ＤＧ２」という）とが存在する。

１つの下流側発電単位グループ１０２ＤＧに着目すると、該下流側発電単位グループ１０２ＤＧを構成する複数の下流側発電単位１０２Ｄの内、より下側に位置する下流側発電単位１０２Ｄほど、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏが狭くなっている。例えば、下側下流側発電単位グループ１０２ＤＧ１を構成する３つの下流側発電単位１０２Ｄの内、最も上側に位置する下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉは「ｊ＋０．２」ｍｍであり、最も下側に位置する下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉは、それより狭い「ｊ」ｍｍであり、両者の中間に位置する下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉは、両者の中間である「ｊ＋０．１」ｍｍである。下側下流側発電単位グループ１０２ＤＧ１における燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏや、上側下流側発電単位グループ１０２ＤＧ２の燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏについても同様となっている。

なお、１つの下流側発電単位グループ１０２ＤＧを構成する複数の下流側発電単位１０２Ｄの内、より下側に位置する下流側発電単位１０２Ｄは、燃料室１７６から排出されたガス（燃料オフガスＦＯＧ）を燃料電池スタック１００の外部へ排出する排出孔（すなわち、燃料ガス排出マニホールド１７３の位置に設けられたガス通路部材２７（図４参照））のより近くに位置する下流側発電単位１０２Ｄであると言える。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００では、１つの下流側発電単位グループ１０２ＤＧを構成する複数の下流側発電単位１０２Ｄは、一の下流側発電単位１０２Ｄと、該一の下流側発電単位１０２Ｄと比較して、燃料室１７６から排出されたガスを燃料電池スタック１００の外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏが狭い他の下流側発電単位１０２Ｄとを含むと言える。

また、複数の下流側発電単位グループ１０２ＤＧを互いに比較すると、より下側に位置する下流側発電単位グループ１０２ＤＧほど、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの最小値および燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの最小値が小さくなっている。例えば、下側下流側発電単位グループ１０２ＤＧ１における燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの最小値（＝「ｊ」ｍｍ）は、上側下流側発電単位グループ１０２ＤＧ２における燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの最小値（＝「ｊ＋０．１」ｍｍ）より小さい。燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの最小値についても同様となっている。

なお、複数の下流側発電単位グループ１０２ＤＧの内、より下側に位置する下流側発電単位グループ１０２ＤＧは、燃料室１７６から排出されたガス（燃料オフガスＦＯＧ）を燃料電池スタック１００の外部へ排出する排出孔（燃料ガス排出マニホールド１７３の位置に設けられたガス通路部材２７）のより近くに位置する下流側発電単位グループ１０２ＤＧであると言える。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００では、複数の下流側発電単位グループ１０２ＤＧは、一の下流側発電単位グループ１０２ＤＧと、該一の下流側発電単位グループ１０２ＤＧと比較して、燃料室１７６から排出されたガスを燃料電池スタック１００の外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの最小値および燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの最小値が小さい他の下流側発電単位グループ１０２ＤＧとを含むと言える。

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、Ｚ軸方向に並べて配置されたＬ（Ｌは３以上の整数であり、本実施形態ではＬ＝１５）個の発電単位１０２を備える。各発電単位１０２は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に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を有する。燃料電池スタック１００には、それぞれ複数の発電単位１０２にわたって延びるガス流路である複数のマニホールド１６１，１６２，１７１，１７２，１７３が形成されている。各発電単位１０２には、燃料極１１６に面する燃料室１７６と、燃料室１７６と複数のマニホールドの１つ（燃料ガス導入マニホールド１７１または燃料ガス中継マニホールド１７２）とを連通する燃料室入口側連通ガス流路１４２と、燃料室１７６と複数のマニホールドの１つ（燃料ガス中継マニホールド１７２または燃料ガス排出マニホールド１７３）とを連通する燃料室出口側連通ガス流路１４３とが形成されている。Ｌ個の発電単位１０２は、Ｍ（Ｍは１以上の整数であり、本実施形態ではＭ＝９）個の上流側発電単位１０２Ｕと、Ｎ（Ｎは２以上の整数であり、本実施形態ではＮ＝６）個の下流側発電単位１０２Ｄとを含む。各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室入口側連通ガス流路１４２は、燃料ガス中継マニホールド１７２を介して、各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室出口側連通ガス流路１４３と連通している。また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６におけるＺ軸方向に燃料極１１６と対向する部分の高さＨｄは、互いに等しく、かつ、各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６におけるＺ軸方向に燃料極１１６と対向する部分の高さＨｕより高い。また、Ｎ個の下流側発電単位１０２Ｄは、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏが互いに異なる複数の下流側発電単位１０２Ｄを含む。また、Ｎ個の下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの最大値は、Ｍ個の上流側発電単位１０２Ｕにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの最小値より小さく、かつ、Ｎ個の下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの最大値は、Ｍ個の上流側発電単位１０２Ｕにおける燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの最小値より小さい。

このように、本実施形態の燃料電池スタック１００は、Ｍ個の上流側発電単位１０２ＵとＮ個の下流側発電単位１０２Ｄとを備え、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室入口側連通ガス流路１４２は、燃料ガス中継マニホールド１７２を介して、各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室出口側連通ガス流路１４３と連通している。そのため、各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６から排出されたガス（燃料中間ガスＦＭＧ）は、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６内に導入され、その後、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６から燃料オフガスＦＯＧとして排出され、最終的に燃料電池スタック１００の外部に排出される。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、上流側発電単位１０２Ｕにおける発電反応に利用された後のガスが、下流側発電単位１０２Ｄにおける発電反応にも利用されることとなり、燃料ガスＦＧの利用率を向上させることができる。

ただし、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上記構成であるため、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスが他の発電単位１０２を経由せずに燃料電池スタック１００の外部に排出される構成と比較して、燃料電池スタック１００全体としての燃料極側の圧力損失が増大するおそれがある。しかしながら、本実施形態の燃料電池スタック１００では、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６の高さＨｄが、各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室１７６の高さＨｕより高い。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、燃料ガスＦＧの利用率を向上させつつ、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６における圧力損失を低減させることができ、その結果、燃料電池スタック１００全体としての燃料極側の圧力損失の増大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、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６の高さＨｄが比較的高いため、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６における圧力損失を低減させることができる一方で、複数の下流側発電単位１０２Ｄ間で、燃料室１７６へ供給されるガス（燃料中間ガスＦＭＧ）の流量にバラツキが発生しやすく、各下流側発電単位１０２Ｄにおける反応バラツキに起因して燃料電池スタック１００全体の発電性能が低下するおそれがある。しかしながら、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｎ個の下流側発電単位１０２Ｄは、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏが互いに異なる複数の下流側発電単位１０２Ｄを含んでいる。そのため、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏを適切に設定することにより、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して燃料電池スタック１００全体の発電性能が低下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、Ｎ個の下流側発電単位１０２Ｄは、Ｚ軸方向に互いに隣接する複数の下流側発電単位１０２Ｄから構成された下流側発電単位グループ１０２ＤＧを含む。下流側発電単位グループ１０２ＤＧを構成する複数の下流側発電単位１０２Ｄは、一の下流側発電単位１０２Ｄと、該一の下流側発電単位１０２Ｄと比較して、燃料室１７６から排出されたガス（燃料オフガスＦＯＧ）を燃料電池スタック１００の外部へ排出する排出孔（燃料ガス排出マニホールド１７３の位置に設けられたガス通路部材２７）の近くに位置し、かつ、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏが狭い他の下流側発電単位１０２Ｄとを含む。下流側発電単位グループ１０２ＤＧを構成する複数の下流側発電単位１０２Ｄの内、上記排出孔の比較的近くに位置する下流側発電単位１０２Ｄでは、燃料室１７６に供給されるガス（燃料中間ガスＦＭＧ）の流量が多くなりやすい。本実施形態の燃料電池スタック１００では、下流側発電単位グループ１０２ＤＧを構成する複数の下流側発電単位１０２Ｄの内、燃料室１７６に供給されるガスの流量が多くなりやすい下流側発電単位１０２Ｄにおいて、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏが比較的狭くなっている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、下流側発電単位グループ１０２ＤＧを構成する複数の下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して燃料電池スタック１００全体の発電性能が低下することを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、Ｎ個の下流側発電単位１０２Ｄは、それぞれＺ軸方向に互いに隣接する複数の下流側発電単位１０２Ｄから構成された複数の下流側発電単位グループ１０２ＤＧを含む。複数の下流側発電単位グループ１０２ＤＧは、一の下流側発電単位グループ１０２ＤＧと、該一の下流側発電単位グループ１０２ＤＧと比較して、燃料室１７６から排出されたガス（燃料オフガスＦＯＧ）を燃料電池スタック１００の外部へ排出する排出孔（燃料ガス排出マニホールド１７３の位置に設けられたガス通路部材２７）の近くに位置し、かつ、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの最小値および燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの最小値が小さい他の下流側発電単位グループ１０２ＤＧとを含む。複数の下流側発電単位グループ１０２ＤＧの内、上記排出孔の比較的近くに位置する下流側発電単位グループ１０２ＤＧでは、燃料室１７６に供給されるガス（燃料中間ガスＦＭＧ）の流量が多くなりやすい。本実施形態の燃料電池スタック１００では、複数の下流側発電単位グループ１０２ＤＧの内、燃料室１７６に供給されるガスの流量が多くなりやすい下流側発電単位グループ１０２ＤＧにおいて、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉの最小値および燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏの最小値が比較的小さくなっている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、複数の下流側発電単位グループ１０２ＤＧ間での、下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して燃料電池スタック１００全体の発電性能が低下することを効果的に抑制することができる。

なお、本実施形態の燃料電池スタック１００では、下流側発電単位１０２Ｄの個数Ｎは、上流側発電単位１０２Ｕの個数Ｍより小さい（Ｎ＜Ｍ）。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、燃料ガスＦＧの利用率を向上させつつ、下流側発電単位１０２Ｄにおいてガス（水素）が不足して反応性が低下することを抑制することができる。ただし、本実施形態の燃料電池スタック１００では、下流側発電単位１０２Ｄの個数Ｎが上流側発電単位１０２Ｕの個数Ｍより小さいため、上流側発電単位１０２Ｕと比較して下流側発電単位１０２Ｄの方が、１つの発電単位１０２あたりの燃料室１７６へ供給されるガスの流量が多くなり、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６へ供給されるガスの流量にバラツキが発生しやすい。本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、そのようなバラツキが発生しやすい構成においても、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏを適切に設定することにより、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室１７６へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して燃料電池スタック１００全体の発電性能が低下することを抑制することができる。

Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。

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、上記実施形態の燃料電池スタック１００における、発電単位１０２の個数Ｌ、上流側発電単位１０２Ｕの個数Ｍ、下流側発電単位１０２Ｄの個数Ｎ、下流側発電単位グループ１０２ＤＧの個数、各下流側発電単位グループ１０２ＤＧを構成する下流側発電単位１０２Ｄの個数等は、あくまで一例であり、任意に変更可能である。例えば、上記実施形態では、下流側発電単位１０２Ｄの個数Ｎは上流側発電単位１０２Ｕの個数Ｍより小さいが（Ｎ＜Ｍ）、下流側発電単位１０２Ｄの個数Ｎは上流側発電単位１０２Ｕの個数Ｍ以上であってもよい（Ｎ≧Ｍ）。

また、上記実施形態では、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室入口側連通ガス流路１４２が、１つのマニホールド（燃料ガス中継マニホールド１７２）を介して各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室出口側連通ガス流路１４３と連通しているが、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室入口側連通ガス流路１４２が、複数のマニホールドを介して各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室出口側連通ガス流路１４３と連通しているとしてもよい。例えば、各下流側発電単位１０２Ｄの燃料室入口側連通ガス流路１４２が、１つのマニホールドを介して上流側発電単位１０２Ｕ以外に形成された面方向のガス流路に連通し、該ガス流路が燃料ガス中継マニホールド１７２を介して各上流側発電単位１０２Ｕの燃料室出口側連通ガス流路１４３と連通しているとしてもよい。

また、上記実施形態において、各発電単位１０２の燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏ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、６個の下流側発電単位１０２Ｄは、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉが互いに異なる複数の下流側発電単位１０２Ｄを含み、かつ、６個の下流側発電単位１０２Ｄは、燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏが互いに異なる複数の下流側発電単位１０２Ｄを含むとしているが、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉと燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏとの一方について、６個の下流側発電単位１０２Ｄのそれぞれにおける連通ガス流路の幅が等しい構成としてもよい。この場合において、燃料室入口側連通ガス流路１４２と燃料室出口側連通ガス流路１４３との内、幅が等しくない方の連通ガス流路が、特許請求の範囲における特定連通ガス流路に相当する。また、例えば、上記実施形態では、９個の上流側発電単位１０２Ｕのそれぞれにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏは等しい構成としているが、燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉと燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏとの少なくとも一方について、連通ガス流路の幅が等しくないとしてもよい。

また、上記実施形態では、各下流側発電単位グループ１０２ＤＧを構成する複数の（３つの）下流側発電単位１０２Ｄの燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉおよび燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏが互いに異なっているが、該複数の下流側発電単位１０２Ｄの内の少なくとも一部の下流側発電単位１０２Ｄについて、幅Ｗｉおよび幅Ｗｏの少なくとも一方が互いに同一であるとしてもよい。すなわち、各下流側発電単位グループ１０２ＤＧは、幅Ｗｉおよび幅Ｗｏの少なくとも一方が互いに同一である複数の下流側発電単位１０２Ｄを含んでいてもよい。例えば、図１１に示す下側下流側発電単位グループ１０２ＤＧ１を構成する３つの下流側発電単位１０２Ｄの内、最も上側に位置する下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉと、中央に位置する下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室入口側連通ガス流路１４２の幅Ｗｉとが、共に「ｊ＋０．２」ｍｍであるとしてもよい。あるいは、下側下流側発電単位グループ１０２ＤＧ１を構成する３つの下流側発電単位１０２Ｄの内、最も下側に位置する下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏと、中央に位置する下流側発電単位１０２Ｄにおける燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｏとが、共にｋｍｍであるとしてもよい。なお、これらの変形例においても、下流側発電単位グループ１０２ＤＧを構成する複数の下流側発電単位１０２Ｄは、一の下流側発電単位１０２Ｄと、該一の下流側発電単位１０２Ｄと比較して、燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、燃料室入口側連通ガス流路１４２および／または燃料室出口側連通ガス流路１４３の幅Ｗｉ，Ｗｏが狭い他の下流側発電単位１０２Ｄと、を含んでいると言える。

また、上記実施形態における各マニホールドや各連通ガス流路の構成は、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、各下流側発電単位１０２Ｄに形成される燃料室入口側連通ガス流路１４２や燃料室出口側連通ガス流路１４３の個数は１つであるが、各下流側発電単位１０２Ｄに形成される燃料室入口側連通ガス流路１４２や燃料室出口側連通ガス流路１４３の個数は、任意に設定可能であり、複数であってもよい。また、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト２２が挿入される各連通孔１０８とは別に設けてもよい。

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。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を採用すると、各電解セル単位の燃料室へ供給されるガスの利用率を向上させつつ、電解セルスタック全体としての圧力損失の増大を抑制することができ、さらに、各電解セル単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキに起因して電解セルスタック全体の性能が低下することを抑制することができる。

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、本願発明は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池スタック（または電解セルスタック）にも適用可能である。

２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００：燃料電池スタック １０２：燃料電池発電単位 １０２Ｄ：下流側発電単位 １０２ＤＧ：下流側発電単位グループ １０２Ｕ：上流側発電単位 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：空気室入口側連通ガス流路 １３３：空気室出口側連通ガス流路 １３４：空気極側集電体 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料室入口側連通ガス流路 １４３：燃料室出口側連通ガス流路 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス中継マニホールド １７３：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 ＦＧ：燃料ガス ＦＭＧ：燃料中間ガス ＦＯＧ：燃料オフガス Ｈｄ：高さ Ｈｕ：高さ ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス Ｗｉ：幅 Ｗｏ：幅 ｊ：入口側基準幅 ｋ：出口側基準幅

Claims (5)

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含む電気化学反応単セルをそれぞれ有すると共に、前記第１の方向に並べて配置されたＬ（Ｌは３以上の整数）個の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記電気化学反応セルスタックには、それぞれ複数の前記電気化学反応単位にわたって延びるガス流路である複数のマニホールドが形成されており、
   各前記電気化学反応単位には、
   前記燃料極に面する燃料室と、
   前記燃料室と前記複数のマニホールドの１つとを連通する入口側連通ガス流路と、
   前記燃料室と前記複数のマニホールドの１つとを連通する出口側連通ガス流路と、
   が形成されており、
   前記Ｌ個の電気化学反応単位は、
   Ｍ（Ｍは１以上の整数）個の第１の電気化学反応単位と、
   Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の第２の電気化学反応単位であって、各前記第２の電気化学反応単位の前記入口側連通ガス流路は、少なくとも１つの前記マニホールドを介して、各前記第１の電気化学反応単位の前記出口側連通ガス流路と連通している、Ｎ個の第２の電気化学反応単位と、
   を含み、
   各前記第２の電気化学反応単位の前記燃料室における前記第１の方向に前記燃料極と対向する部分の高さは、互いに等しく、かつ、各前記第１の電気化学反応単位の前記燃料室における前記第１の方向に前記燃料極と対向する部分の高さより高く、
   前記Ｎ個の第２の電気化学反応単位は、前記入口側連通ガス流路と前記出口側連通ガス流路との少なくとも一方である特定連通ガス流路の幅が互いに異なる複数の前記第２の電気化学反応単位を含み、
   前記Ｎ個の第２の電気化学反応単位における前記特定連通ガス流路の幅の最大値は、前記Ｍ個の第１の電気化学反応単位における前記特定連通ガス流路の幅の最小値より小さい、
   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Ｎ個の第２の電気化学反応単位は、前記第１の方向に互いに隣接する複数の前記第２の電気化学反応単位から構成された電気化学反応単位グループを含み、
   前記電気化学反応単位グループを構成する複数の前記第２の電気化学反応単位は、
   一の前記第２の電気化学反応単位と、
   前記一の第２の電気化学反応単位と比較して、前記燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、前記特定連通ガス流路の幅が狭い他の前記第２の電気化学反応単位と、
   を含む、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記Ｎ個の第２の電気化学反応単位は、それぞれ前記第１の方向に互いに隣接する複数の前記第２の電気化学反応単位から構成された複数の電気化学反応単位グループを含み、
   前記複数の電気化学反応単位グループは、
   一の前記電気化学反応単位グループと、
   前記一の電気化学反応単位グループと比較して、前記燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、前記特定連通ガス流路の幅の最小値が小さい他の前記電気化学反応単位グループと、
   を含む、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
4. 請求項１から請求項３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２の電気化学反応単位の個数Ｎは、前記第１の電気化学反応単位の個数Ｍより小さい、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
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、
   前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであ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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