JP6368389B1 - 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック - Google Patents

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Abstract

【課題】空気室におけるガスの不足を原因とする単セルの性能の低下を抑制する。【解決手段】電気化学反応単位は、単セルと空気極側部材と燃料極側部材とを備える。電気化学反応単位は、空気室の供給側と排出側との少なくとも一方について、以下の条件を満たす。条件：空気極側連通流路の開口により構成される空気極側開口群の両端点の中点と燃料極側供給連通流路の開口により構成される燃料極側供給開口群の両端点の中点（特定点）との間の、空気室孔の内周面に平行な方向における距離は、空気極側ガス流路用孔の図心と上記特定点との間の、空気室孔の内周面に平行な方向における距離より短い。【選択図】図８

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。
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１つとして、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という）は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という）を備える。単セルは、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（例えば、特許文献１参照）。
また、発電単位は、空気極に面する空気室を構成する空気室用孔が形成された空気極側部材（以下、「空気極側フレーム」という）を備える。空気極側フレームには、空気室に供給されるガス（以下、「酸化剤ガス」という）が通る空気極側供給ガス流路（以下、「酸化剤ガス導入マニホールド」という）を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、空気室から排出されたガス（以下、「酸化剤オフガス」という）が通る空気極側排出ガス流路（以下、「酸化剤ガス排出マニホールド」という）を構成する空気極側排出ガス流路用孔とが形成されている。空気極側フレームには、さらに、上記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に空気室用孔の一の内周面に開口する空気極側供給連通流路と、上記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に空気室用孔の他の内周面（第１の方向に直交する方向において上記一の内周面に対向する面）に開口する空気極側排出連通流路とが形成されている。発電単位の空気室には、酸化剤ガス導入マニホールドおよび空気極側供給連通流路を介して酸化剤ガスが供給される。また、空気室から排出された酸化剤オフガスは、空気極側排出連通流路および酸化剤ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。
同様に、発電単位は、燃料極に面する燃料室を構成する燃料室用孔が形成された燃料極側部材（以下、「燃料極側フレーム」という）を備える。燃料極側フレームには、燃料室に供給されるガス（以下、「燃料ガス」という）が通る燃料極側供給ガス流路（以下、「燃料ガス導入マニホールド」という）を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、燃料室から排出されたガス（以下、「燃料オフガス」という）が通る燃料極側排出ガス流路（以下、「燃料ガス排出マニホールド」という）を構成する燃料極側排出ガス流路用孔とが形成されている。燃料極側フレームには、さらに、上記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に燃料室用孔の一の内周面に開口する燃料極側供給連通流路と、上記燃料極側排出ガス流路用孔に連通すると共に燃料室用孔の他の内周面（第１の方向に直交する方向において上記一の内周面に対向する面）に開口する燃料極側排出連通流路とが形成されている。発電単位の燃料室には、燃料ガス導入マニホールドおよび燃料極側供給連通流路を介して燃料ガスが供給される。また、燃料室から排出された燃料オフガスは、燃料極側排出連通流路および燃料ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。
特開２０１６−２０７２７０号公報
一般に、ＳＯＦＣの運転時には、燃料ガスの利用効率を向上させるため、燃料ガスの供給量が酸化剤ガスの供給量より少なくなる傾向にある。そのため、従来の構成の発電単位では、上記第１の方向視で、単セルの内、燃料極側供給連通流路の開口に近い領域において発電反応が集中し、該領域において酸化剤ガスが大量に消費されて酸化剤ガスが不足し、その結果、単セルの発電性能が低下するおそれがある。なお、このような問題を、例えば酸化剤ガス導入マニホールドや酸化剤ガス排出マニホールドの位置を調整することにより解決することも考えられるが、各マニホールドの位置は、例えば締結部材との干渉を避けるといった制約から設計自由度が低く、各マニホールドの位置の調整によっては問題を解決できないことが多い。
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）の構成単位である電解セル単位にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて、電気化学反応単位と呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応単位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単位は、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単セルと、前記空気極に面する空気室を構成すると共に前記第１の方向に直交する第２の方向に互いに対向する第１の内周面および第２の内周面を有する空気室用孔と、前記空気室に供給されるガスが通る空気極側供給ガス流路を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、前記空気室から排出されたガスが通る空気極側排出ガス流路を構成する空気極側排出ガス流路用孔と、前記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第１の内周面に開口する少なくとも１つの空気極側供給連通流路と、前記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第２の内周面に開口する少なくとも１つの空気極側排出連通流路と、が形成された空気極側部材と、前記燃料極に面する燃料室を構成すると共に第３の内周面を有する燃料室用孔と、前記燃料室に供給されるガスが通る燃料極側供給ガス流路を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、前記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第３の内周面に開口する少なくとも１つの燃料極側供給連通流路と、が形成された燃料極側部材と、を備える電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記空気室用孔の外形線の内、前記第１の内周面により構成される部分は、第１の直線状部分を含み、前記空気室用孔の外形線の内、前記第２の内周面により構成される部分は、第２の直線状部分を含み、前記少なくとも１つの空気極側供給連通流路の前記第１の内周面における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点の中点である第１の点と、前記少なくとも１つの燃料極側供給連通流路の前記第３の内周面における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点の中点である第２の点と、の間の前記第１の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｓｉは、前記空気極側供給ガス流路用孔の図心である第３の点と、前記第２の点と、の間の前記第１の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｍｉより短いという第１の条件と、前記少なくとも１つの空気極側排出連通流路の前記第２の内周面における開口のすべてにより構成される空気極側排出開口群の両端点の中点である第４の点と、前記第２の点と、の間の前記第２の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｓｏは、前記空気極側排出ガス流路用孔の図心である第５の点と、前記第２の点と、の間の前記第２の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｍｏより短いという第２の条件と、の少なくとも一方を満たす。本電気化学反応単位は、距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短いという条件と距離Ｌｓｏが距離Ｌｍｏより短いという条件との少なくとも一方を満たす構成であり、換言すれば、各空気極側供給連通流路が、第１の方向視で、空気極側供給ガス流路を構成する空気極側供給ガス流路用孔から見て、燃料極側供給連通流路の第３の内周面における開口の側に傾いた方向に延びた構成、および／または、各空気極側排出連通流路が、第１の方向視で、空気極側排出ガス流路を構成する空気極側排出ガス流路用孔から見て、燃料極側供給連通流路の第３の内周面における開口の側に傾いた方向に延びた構成である。このような構成では、空気室における反応が集中しやすい領域、すなわち、第１の方向視で燃料極側供給連通流路の第３の内周面における開口に近い領域へのガスの供給が促進されるため、該領域においてガスが不足することを抑制することができる。従って、本電気化学反応単位では、空気室におけるガスの不足を原因とする単セルの性能の低下を抑制することができる。
（２）上記電気化学反応単位において、前記第１の条件と前記第２の条件との両方を満たす構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、空気室における反応が集中しやすい領域へのガスの供給が効果的に促進されるため、該領域においてガスが不足することを効果的に抑制することができる。従って、本電気化学反応単位では、空気室におけるガスの不足を原因とする単セルの性能の低下を効果的に抑制することができる。
（３）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記第１の点と前記第３の点とを結ぶ第１の仮想直線と、前記第２の点と前記第３の点とを結ぶ第２の仮想直線と、のなす角が、１０°以下であるという第３の条件と、前記第４の点と前記第５の点とを結ぶ第３の仮想直線と、前記第２の点と前記第５の点とを結ぶ第４の仮想直線と、のなす角が、１０°以下であるという第４の条件と、の少なくとも一方を満たす構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、空気室における反応が集中しやすい領域へのガスの供給が一層効果的に促進されるため、該領域においてガスが不足することを一層効果的に抑制することができる。従って、本電気化学反応単位では、空気室におけるガスの不足を原因とする単セルの性能の低下を一層効果的に抑制することができる。
（４）上記電気化学反応単位において、前記第３の条件と前記第４の条件との両方を満たす構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、空気室における反応が集中しやすい領域へのガスの供給が極めて効果的に促進されるため、該領域においてガスが不足することを極めて効果的に抑制することができる。従って、本電気化学反応単位では、空気室におけるガスの不足を原因とする単セルの性能の低下を極めて効果的に抑制することができる。
（５）上記電気化学反応単位において、前記単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、空気室における酸化剤ガスの不足を原因とする単セルの発電性能の低下を効果的に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、電気化学反応単位（燃料電池発電単位または電解セル単位）、複数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（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）、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のＶＩ−ＶＩ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４のＶＩＩ−ＶＩＩ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。 発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。 性能評価結果を示す説明図である。 性能評価結果を示す説明図である。 性能評価結果を示す説明図である。 第１の変形例における発電単位１０２ａに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。 第２の変形例における発電単位１０２ｂに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。 第３の変形例における発電単位１０２ｃに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。 第４の変形例における発電単位１０２ｄに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。 第５の変形例における発電単位１０２ｅに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。
Ａ．実施形態：
Ａ−１．装置構成：
（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ＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。
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とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位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。
図１に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（各発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸方向回りの外周の４つの角部周辺には、各層を上下方向に貫通する孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びるボルト孔１０９を構成している。本実施形態では、燃料電池スタック１００に８つのボルト孔１０９が形成されている。各ボルト孔１０９にはボルト２２が挿入されており、各ボルト２２および図示しないナットによって燃料電池スタック１００は締結されている。
また、図１から図３に示すように、各発電単位１０２のＺ軸方向回りの外周辺の中点付近には、各発電単位１０２を上下方向に貫通する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を構成するために各発電単位１０２に形成された孔も、連通孔１０８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連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の後述する空気室１６６に供給する共用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（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連通孔１０８は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する共用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。酸化剤ガス導入マニホールド１６１は、特許請求の範囲における空気極側供給ガス流路に相当し、酸化剤ガス排出マニホールド１６２は、特許請求の範囲における空気極側排出ガス流路に相当する。
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連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の後述する燃料室１７６に供給する共用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軸負方向側の辺）の中点付近に位置する連通孔１０８は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する共用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。燃料ガス導入マニホールド１７１は、特許請求の範囲における燃料極側供給ガス流路に相当する。
（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。図２および図３に示すように、下側のエンドプレート１０６には、４つの流路用貫通孔１０７が形成されている。４つの流路用貫通孔１０７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に連通している。
（ガス通路部材２７等の構成）
図２および図３に示すように、燃料電池スタック１００は、さらに、下側のエンドプレート１０６に対して複数の発電単位１０２とは反対側（すなわち、下側）に配置された４つのガス通路部材２７を備える。４つのガス通路部材２７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と上下方向に重なる位置に配置されている。各ガス通路部材２７は、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７に連通する孔が形成された本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した筒状の分岐部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。なお、各ガス通路部材２７の本体部２８とエンドプレート１０６との間には、絶縁シート２６が配置されている。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。
（発電単位１０２の構成）
図４は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。また、図６は、図４のＶＩ−ＶＩ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り、図７は、図４のＶＩＩ−ＶＩＩ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４および図５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、上述した各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する連通孔１０８を構成する孔や、各ボルト孔１０９を構成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および図３参照）。
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、Ｚ方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層１１２は、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、Ｚ方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極１１４は、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、Ｚ方向視で電解質層１１２と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子（例えば、ＹＳＺ）とからなるサーメット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１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
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。
図４および図６に示すように、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を構成する孔である。孔１３１は、Ｘ軸方向に互いに対向する第１の内周面ＩＰ１および第２の内周面ＩＰ２を有する。図６に示すように、Ｚ軸方向視で、孔１３１の外形線の内、第１の内周面ＩＰ１により構成される部分および第２の内周面ＩＰ２により構成される部分は、全体が直線状となっている。また、図４および図６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を構成する連通孔１０８に連通すると共に空気室１６６を構成する孔１３１の第１の内周面ＩＰ１に開口する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８に連通すると共に空気室１６６を構成する孔１３１の第２の内周面ＩＰ２に開口する酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。本実施形態では、空気極側フレーム１３０に、３本の酸化剤ガス供給連通流路１３２と、３本の酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。
空気極側フレーム１３０は、特許請求の範囲における空気極側部材に相当し、孔１３１は、特許請求の範囲における空気室用孔に相当し、空気極側フレーム１３０に形成された酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における空気極側供給ガス流路用孔に相当し、空気極側フレーム１３０に形成された酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における空気極側排出ガス流路用孔に相当し、酸化剤ガス供給連通流路１３２は、特許請求の範囲における空気極側供給連通流路に相当し、酸化剤ガス排出連通流路１３３は、特許請求の範囲における空気極側排出連通流路に相当する。また、Ｘ軸方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当し、上述した孔１３１の外形線の内の第１の内周面ＩＰ１により構成される部分における直線状部分は、特許請求の範囲における第１の直線状部分に相当し、上述した孔１３１の外形線の内の第２の内周面ＩＰ２により構成される部分における直線状部分は、特許請求の範囲における第２の直線状部分に相当する。
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。
図５および図７に示すように、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を構成する孔である。孔１４１は、Ｙ軸方向に互いに対向する第３の内周面ＩＰ３および第４の内周面ＩＰ４を有する。図７に示すように、Ｚ軸方向視で、孔１４１の外形線の内、第３の内周面ＩＰ３により構成される部分および第４の内周面ＩＰ４により構成される部分は、全体が直線状となっている。また、図５および図７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を構成する連通孔１０８に連通すると共に燃料室１７６を構成する孔１４１の第３の内周面ＩＰ３に開口する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８に連通すると共に燃料室１７６を構成する孔１４１の第４の内周面ＩＰ４に開口する燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。本実施形態では、燃料極側フレーム１４０に、１本の燃料ガス供給連通流路１４２と、１本の燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。
燃料極側フレーム１４０は、特許請求の範囲における燃料極側部材に相当し、孔１４１は、特許請求の範囲における燃料室用孔に相当し、燃料極側フレーム１４０に形成された燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における燃料極側供給ガス流路用孔に相当し、燃料ガス供給連通流路１４２は、特許請求の範囲における燃料極側供給連通流路に相当する。
図４〜６に示すように、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、複数の略四角柱状の集電体要素１３５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、本実施形態では、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。また、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
図４，５，７に示すように、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、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６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２，４，６に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９、本体部２８、および、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７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の酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３，５，７に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９、本体部２８、および、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通流路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。
各発電単位１０２の空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、図２，４，６に示すように、酸化剤ガス排出連通流路１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、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を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、図３，５，７に示すように、燃料ガス排出連通流路１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出され、さらに下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９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。
なお、本実施形態の燃料電池スタック１００（発電単位１０２）は、各発電単位１０２における酸化剤ガスＯＧの流れ方向と燃料ガスＦＧの流れ方向とが略直交するクロスフロータイプのＳＯＦＣである。
Ａ−３．発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成：
次に、発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成について説明する。図８は、発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図８には、説明の便宜上、空気極側フレーム１３０に形成された各流路（酸化剤ガス供給連通流路１３２および酸化剤ガス排出連通流路１３３）に加えて、燃料極側フレーム１４０に形成された各流路（燃料ガス供給連通流路１４２および燃料ガス排出連通流路１４３）も示している。実際の構成では、上述したように、空気極側フレーム１３０には燃料ガス供給連通流路１４２および燃料ガス排出連通流路１４３は形成されておらず、燃料極側フレーム１４０には酸化剤ガス供給連通流路１３２および酸化剤ガス排出連通流路１３３は形成されていない。
図８に示すように、本実施形態の発電単位１０２では、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１（正確には、孔１３１の外形線の内の第１の内周面ＩＰ１により構成される部分における直線状部分であり、以下、適宜「第１の内周面ＩＰ１」との語を同様の意味で用いる）に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側（すなわち、Ｙ軸正方向側）に傾いた方向に延びている。換言すれば、本実施形態の発電単位１０２では、図８に示す距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。ここで、距離Ｌｓｉは、各酸化剤ガス供給連通流路１３２の第１の内周面ＩＰ１における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点ＥＰ１，ＥＰ２の中点である第１の点Ｐ１と、各燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群（本実施形態では１つの開口のみである）の両端点ＥＰ５，ＥＰ６の中点である第２の点Ｐ２との間の、第１の内周面ＩＰ１に平行な方向（すなわちＹ軸方向）における距離である。また、距離Ｌｍｉは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８の図心である第３の点Ｐ３と、上記第２の点Ｐ２との間の、同方向（Ｙ軸方向）における距離である。なお、距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短いという条件は、特許請求の範囲における第１の条件に相当する。
なお、以下の説明では、酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度を、供給側流路角度α１で表す。供給側流路角度α１は、Ｚ軸方向視で、上記第３の点Ｐ３を通り第１の内周面ＩＰ１に直交する仮想直線（以下、「第５の仮想直線ＶＬ５」という）と、上記第３の点Ｐ３と上記第１の点Ｐ１とを結ぶ仮想直線（以下、「第１の仮想直線ＶＬ１」という）とのなす角である。供給側流路角度α１は、酸化剤ガス供給連通流路１３２が酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の開口側に傾くときに、正の値をとるものとする。また、以下の説明では、所定の第１の基準方向に対する酸化剤ガス供給連通流路１３２の延伸方向の差を、供給側差分角度φ１で表す。ここで、第１の基準方向とは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８（より詳細には、該連通孔１０８の図心である上記第３の点Ｐ３）から、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口（より詳細には、各燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点ＥＰ５，ＥＰ６の中点である上記第２の点Ｐ２）に向かう方向である。すなわち、供給側差分角度φ１は、上記第１の仮想直線ＶＬ１と、上記第３の点Ｐ３と上記第２の点Ｐ２とを結ぶ仮想直線（以下、「第２の仮想直線ＶＬ２」という）とのなす角である。供給側差分角度φ１は、絶対値で表すものとする。
同様に、本実施形態の発電単位１０２では、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２（正確には、孔１３１の外形線の内の第２の内周面ＩＰ２により構成される部分における直線状部分であり、以下、適宜「第２の内周面ＩＰ２」との語を同様の意味で用いる）に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側（すなわち、Ｙ軸正方向側）に傾いた方向に延びている。換言すれば、本実施形態の発電単位１０２では、図８に示す距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。ここで、距離Ｌｓｏは、各酸化剤ガス排出連通流路１３３の第２の内周面ＩＰ２における開口のすべてにより構成される空気極側排出開口群の両端点ＥＰ３，ＥＰ４の中点である第４の点Ｐ４と、上記第２の点Ｐ２との間の、第２の内周面ＩＰ２に平行な方向（すなわちＹ軸方向）における距離である。また、距離Ｌｍｏは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８の図心である第５の点Ｐ５と、上記第２の点Ｐ２との間の、同方向（Ｙ軸方向）における距離である。なお、距離Ｌｓｏが距離Ｌｍｏより短いという条件は、特許請求の範囲における第２の条件に相当する。
なお、以下の説明では、酸化剤ガス排出連通流路１３３の傾きの程度を、排出側流路角度α２で表す。排出側流路角度α２は、Ｚ軸方向視で、上記第５の点Ｐ５を通り第２の内周面ＩＰ２に直交する仮想直線（以下、「第６の仮想直線ＶＬ６」という）と、上記第５の点Ｐ５と上記第４の点Ｐ４とを結ぶ仮想直線（以下、「第３の仮想直線ＶＬ３」という）とのなす角である。排出側流路角度α２は、酸化剤ガス排出連通流路１３３が酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の開口側に傾くときに、正の値をとるものとする。また、以下の説明では、所定の第２の基準方向に対する酸化剤ガス排出連通流路１３３の延伸方向の差を、排出側差分角度φ２で表す。ここで、第２の基準方向とは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８（より詳細には、該連通孔１０８の図心である上記第５の点Ｐ５）から、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口（より詳細には、各燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点ＥＰ５，ＥＰ６の中点である上記第２の点Ｐ２）に向かう方向である。すなわち、排出側差分角度φ２は、上記第３の仮想直線ＶＬ３と、上記第５の点Ｐ５と上記第２の点Ｐ２とを結ぶ仮想直線（以下、「第４の仮想直線ＶＬ４」という）とのなす角である。排出側差分角度φ２は、絶対値で表すものとする。
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を構成する各発電単位１０２は、単セル１１０と、空気極側フレーム１３０と、燃料極側フレーム１４０とを備える。空気極側フレーム１３０には、空気極１１４に面する空気室１６６を構成すると共にＸ軸方向に互いに対向する第１の内周面ＩＰ１および第２の内周面ＩＰ２を有する孔１３１と、空気室１６６に供給されるガスが通る酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８と、空気室１６６から排出されたガスが通る酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８と、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８に連通すると共に孔１３１の第１の内周面ＩＰ１に開口する少なくとも１つの酸化剤ガス供給連通流路１３２と、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８に連通すると共に孔１３１の第２の内周面ＩＰ２に開口する少なくとも１つの酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。燃料極側フレーム１４０には、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成すると共に第３の内周面ＩＰ３を有する孔１４１と、燃料室１７６に供給されるガスが通る燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８と、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８に連通すると共に孔１４１の第３の内周面ＩＰ３に開口する少なくとも１つの燃料ガス供給連通流路１４２とが形成されている。Ｚ軸方向視で、孔１３１の外形線の内、第１の内周面ＩＰ１により構成される部分は直線状部分を含み、第２の内周面ＩＰ２により構成される部分は直線状部分を含む。また、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、各酸化剤ガス供給連通流路１３２の第１の内周面ＩＰ１における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点ＥＰ１，ＥＰ２の中点である第１の点Ｐ１と、各燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点ＥＰ５，ＥＰ６の中点である第２の点Ｐ２との間の、上記第１の内周面ＩＰ１の直線状部分に平行な方向（Ｙ軸方向）における距離Ｌｓｉは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８の図心である第３の点Ｐ３と、上記第２の点Ｐ２との間の、同方向（Ｙ軸方向）における距離Ｌｍｉより短い。
本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２は、上述した構成であるため、以下に説明するように、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。
一般に、ＳＯＦＣの運転時には、燃料ガスＦＧの利用効率を向上させるため、燃料ガスＦＧの供給量が酸化剤ガスＯＧの供給量より少なくなる傾向にある。そのため、単セル１１０の内、燃料ガス供給連通流路１４２の開口に近い領域（図８の領域Ｒ１）において発電反応が集中し、該領域Ｒ１において酸化剤ガスＯＧが大量に消費される。このとき、上述した距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉに等しい構成、すなわち、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（Ｘ軸方向）に延びた構成では、上述した発電反応が集中しやすい領域Ｒ１に酸化剤ガスＯＧが十分に供給されず、該領域Ｒ１において酸化剤ガスＯＧが不足するため、単セル１１０の発電性能が低下する。なお、上述した距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより長い構成、すなわち、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から燃料ガス排出連通流路１４３の開口の側に傾いた方向に延びた構成では、上記領域Ｒ１において酸化剤ガスＯＧがさらに不足するため、単セル１１０の発電性能が大きく低下する。
これに対し、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、上述した距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短い。すなわち、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びた構成である。このような構成では、上述した発電反応が集中しやすい領域Ｒ１への酸化剤ガスＯＧの供給が促進されるため、該領域Ｒ１において酸化剤ガスＯＧが不足することを抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。
さらに、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、各酸化剤ガス排出連通流路１３３の第２の内周面ＩＰ２における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点ＥＰ３，ＥＰ４の中点である第４の点Ｐ４と、上記第２の点Ｐ２との間の、上記第２の内周面ＩＰ２の直線状部分に平行な方向（Ｙ軸方向）における距離Ｌｓｏは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８の図心である第５の点Ｐ５と、上記第２の点Ｐ２との間の、同方向（Ｙ軸方向）における距離Ｌｍｏより短い。すなわち、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びた構成である。このような構成では、やはり、上述した発電反応が集中しやすい領域Ｒ１への酸化剤ガスＯＧの供給が促進されるため、該領域Ｒ１において酸化剤ガスＯＧが不足することを抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を極めて効果的に抑制することができる。
なお、上述した発電反応が集中しやすい領域Ｒ１への酸化剤ガスＯＧの供給を促進するために、酸化剤ガス導入マニホールド１６１や酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置を調整する（具体的には、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口に近い位置にする）ことも考えられる。しかし、各マニホールド１６１，１６２の位置は、例えばボルト孔１０９との干渉を避けるといった制約から設計自由度が低い。本実施形態によれば、各マニホールド１６１，１６２の位置を調整することなく、上記領域Ｒ１への酸化剤ガスＯＧの供給を促進することができるため、他の構成への影響を最小限に抑えつつ効果的に単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。
Ａ−５．性能評価：
上述した各流路の構成（流路の傾き等）と単セル１１０の発電性能との関係について、シミュレーションによる性能評価を行った。図９から図１１は、性能評価結果を示す説明図である。性能評価では、上述した構成の単セル１１０（発電単位１０２）において供給側流路角度α１を種々変更しつつ、１０個の単セル１１０（発電単位１０２）を備える燃料電池スタック１００を構成し、温度６５０℃、電流密度０．２５Ａ／ｃｍ２で発電運転を行ったときの１つの単セル１１０あたりの電圧を測定した。
図９には、供給側流路角度α１と単セル１１０の電圧との関係が示されている。図９に示すように、本性能評価では、供給側流路角度α１が０°より大きいと単セル１１０の電圧が高くなるという結果となった。図８に示すように、供給側流路角度α１が０°より大きいとは、酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びていること（すなわち、距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短いこと）を意味する。この結果から、上述したように、発電単位１０２において距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短くなるように酸化剤ガス排出連通流路１３３を構成すれば、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制できることが確認された。
また、図１０には、供給側流路角度α１および供給側差分角度φ１と単セル１１０の電圧との関係が示されている。具体的には、図１０には、各測定点のデータから求めた近似曲線ＡＣが示されている。図１０に示すように、本性能評価では、供給側流路角度α１が４０°のときにφ１が０°となるように、発電単位１０２の各流路が構成されている。図９および図１０に示すように、供給側流路角度α１が大きくなり過ぎると（供給側差分角度φ１が大きくなりすぎると）、却って単セル１１０の電圧が低下するという結果となった。これは、供給側流路角度α１が大きくなり過ぎると、単セル１１０面内で酸化剤ガスＯＧの濃度が過度に偏ってしまい、酸化剤ガスＯＧの濃度が過度に低い領域における反応性が極端に低下し、単セル１１０全体としての発電性能が低下したものと考えられる。
図１１に示すように、本性能評価では、供給側差分角度φ１が略０°（正確には０．３７５°）であるとき（すなわち、酸化剤ガス供給連通流路１３２の延伸方向が、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口に向かう方向に略一致するとき）に、図１０に示す近似曲線ＡＣにおける単セル１１０の電圧が最高値を示した。図１１に示された直線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれ、近似曲線ＡＣにおける最高電圧値から０．００１％低い電圧値を示すライン、０．００２％低い電圧値を示すライン、０．００４％低い電圧値を示すラインである。図１１に示す結果から、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましいと言える。
なお、本性能評価では、酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度を表す供給側流路角度α１（および供給側差分角度φ１）についての評価を行ったが、酸化剤ガス排出連通流路１３３の傾きの程度を表す排出側流路角度α２（および排出側差分角度φ２）についても同様の結果になると予想される。そのため、排出側流路角度α２が０°より大きい構成（すなわち、酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている構成であり、距離Ｌｓｏが距離Ｌｍｏより短い構成）では、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制できると言える。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましいと言える。
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。
図１２は、第１の変形例における発電単位１０２ａに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２ａは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス排出マニホールド１６２が、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と比べて、燃料ガス供給連通流路１４２により近い位置（すなわち、Ｙ軸正方向側）に配置されている。
図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２ａでは、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。なお、図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２ａでは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１が燃料ガス供給連通流路１４２により近い位置に配置されているため、酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度（供給側流路角度α１）は、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と比べて小さい。
同様に、図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２ａでは、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。
図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２ａは、上述した構成であるため、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましい。
図１３は、第２の変形例における発電単位１０２ｂに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１３に示す第２の変形例における発電単位１０２ｂは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス排出マニホールド１６２が、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と比べて、燃料ガス供給連通流路１４２からより遠い位置（すなわち、Ｙ軸負方向側）に配置されている。
図１３に示す第２の変形例における発電単位１０２ｂでは、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。なお、図１３に示す第２の変形例における発電単位１０２ｂでは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１が燃料ガス供給連通流路１４２からより遠い位置に配置されているため、酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度（供給側流路角度α１）は、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と比べて大きい。
同様に、図１３に示す第２の変形例における発電単位１０２ｂでは、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。
図１３に示す第２の変形例における発電単位１０２ｂは、上述した構成であるため、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましい。
図１４は、第３の変形例における発電単位１０２ｃに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１４に示す第３の変形例における発電単位１０２ｃは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１が２つ設けられており、各酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する各連通孔１０８から空気室１６６に向かって酸化剤ガス供給連通流路１３２が延伸している。
図１４に示す第３の変形例における発電単位１０２ｃでは、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、２つの酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８のそれぞれについて、酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。なお、本変形例のように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８か複数形成されている場合には、複数の連通孔１０８の内の両端に位置する連通孔１０８の図心（図１４の例では２つの連通孔１０８の図心Ｐ３’）を結ぶ線分の中点を、第３の点Ｐ３、すなわち、複数の酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８の図心とする。また、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８か複数形成されている場合には、複数の連通孔１０８から延びる酸化剤ガス供給連通流路１３２の第１の内周面ＩＰ１における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点ＥＰ１，ＥＰ２の中点を、第１の点Ｐ１とする。なお、２つの酸化剤ガス導入マニホールド１６１の内、Ｙ軸正方向側に位置する方は、燃料ガス供給連通流路１４２により近い位置に配置されているため、該酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から延伸する酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度（供給側流路角度α１）は小さく、Ｙ軸負方向側に位置する方は、燃料ガス供給連通流路１４２からより遠い位置に配置されているため、該酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から延伸する酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度（供給側流路角度α１）は大きい。
なお、図１４に示す第３の変形例における発電単位１０２ｃでは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２については、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、１つのみが設けられており、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。
図１４に示す第３の変形例における発電単位１０２ｃは、上述した構成であるため、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましい。
図１５は、第４の変形例における発電単位１０２ｄに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１５に示す第４の変形例における発電単位１０２ｄは、燃料ガス導入マニホールド１７１が、発電単位１０２ｄのＺ軸方向回りの外周における４つの辺の内の酸化剤ガス導入マニホールド１６１が配置された辺と同じ辺の付近に配置されており、燃料ガス排出マニホールド１７２が、上記４つの辺の内の酸化剤ガス排出マニホールド１６２が配置された辺と同じ辺の付近に配置されている。すなわち、図１５に示す第４の変形例における発電単位１０２ｄは、発電単位１０２ｄにおける酸化剤ガスＯＧの流れ方向と燃料ガスＦＧの流れ方向とが略同一方向となるコフロータイプのＳＯＦＣである。
図１５に示す第４の変形例における発電単位１０２ｄでは、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。
同様に、図１５に示す第４の変形例における発電単位１０２ｄでは、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。
図１５に示す第４の変形例における発電単位１０２ｄは、上述した構成であるため、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましい。
図１６は、第５の変形例における発電単位１０２ｅに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１６に示す第５の変形例における発電単位１０２ｅは、燃料ガス導入マニホールド１７１が、発電単位１０２ｅのＺ軸方向回りの外周における４つの辺の内の酸化剤ガス排出マニホールド１６２が配置された辺と同じ辺の付近に配置されており、燃料ガス排出マニホールド１７２が、上記４つの辺の内の酸化剤ガス導入マニホールド１６１が配置された辺と同じ辺の付近に配置されている。すなわち、図１６に示す第５の変形例における発電単位１０２ｅは、発電単位１０２ｅにおける酸化剤ガスＯＧの流れ方向と燃料ガスＦＧの流れ方向とが略反対方向（対向する方向）となるカウンターフロータイプのＳＯＦＣである。
図１６に示す第５の変形例における発電単位１０２ｅでは、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。
同様に、図１６に示す第５の変形例における発電単位１０２ｅでは、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。
図１６に示す第５の変形例における発電単位１０２ｅは、上述した構成であるため、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましい。
上記実施形態（および変形例、以下同様）の発電単位１０２は、酸化剤ガス供給連通流路１３２についての条件である距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短いという条件（第１の条件）と、酸化剤ガス排出連通流路１３３についての条件である距離Ｌｓｏが距離Ｌｍｏより短いという条件（第２の条件）との両方を満たしているが、発電単位１０２が必ずしも２つの条件の両方を満たしている必要はない。発電単位１０２が２つの条件の内の少なくとも一方を満たしていれば、満たされている条件の側（酸化剤ガス供給連通流路１３２の側または酸化剤ガス排出連通流路１３３の側）の構成によって発電反応が集中しやすい領域（上記領域Ｒ１）への酸化剤ガスＯＧの供給が促進されるため、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。ただし、発電単位１０２が２つの条件の両方を満たしていれば、発電反応が集中しやすい領域（上記領域Ｒ１）への酸化剤ガスＯＧの供給が極めて効果的に促進されるため、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を極めて効果的に抑制することができる。
なお、上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２について、上記２つの条件の内の少なくとも一方が満たされる必要はなく、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの発電単位１０２について、上記２つの条件の内の少なくとも一方が満たされていれば、該発電単位１０２について、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を極めて効果的に抑制することができる。
また、上記実施形態の発電単位１０２において、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２の一方または両方が１０°を超えるとしてもよい。ただし、上述したように、供給側差分角度φ１および／または排出側差分角度φ２が１０°以下であると、単セル１１０の性能低下を効果的に抑制することができるため、好ましい。
また、上記実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で、孔１３１の外形線の内、第１の内周面ＩＰ１により構成される部分および第２の内周面ＩＰ２により構成される部分は、全体が直線状となっているが、第１の内周面ＩＰ１により構成される部分および／または第２の内周面ＩＰ２により構成される部分の一部のみが直線状であるとしてもよい。そのような構成では、該直線状の部分が、特許請求の範囲における第１の直線状部分または第２の直線状部分に相当する。
また、上記実施形態における燃料電池スタック１００または発電単位１０２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、ボルト孔１０９が、各マニホールド用の連通孔１０８とは独立して設けられているが、独立したボルト孔１０９を設けず、各マニホールド用の連通孔１０８がボルト孔としても用いられるとしてもよい。また、上記実施形態において、空気極１１４と電解質層１１２との間に中間層が配置されていてもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。
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や、複数の電解セル単位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、連通孔１０８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、連通孔１０８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単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様に、距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短いという条件（第１の条件）と距離Ｌｓｏが距離Ｌｍｏより短いという条件（第２の条件）との少なくとも一方を満たすように構成すれば、空気極に供給されるガスの不足を原因とする電解単セルの反応性能の低下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（または電解セル）にも適用可能である。
２２：ボルト 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 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０７：流路用貫通孔 １０８：連通孔 １０９：ボルト孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通流路 １３３：酸化剤ガス排出連通流路 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通流路 １４３：燃料ガス排出連通流路 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：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室

Claims (6)

  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単セルと、
    前記空気極に面する空気室を構成すると共に前記第１の方向に直交する第２の方向に互いに対向する第１の内周面および第２の内周面を有する空気室用孔と、前記空気室に供給されるガスが通る空気極側供給ガス流路を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、前記空気室から排出されたガスが通る空気極側排出ガス流路を構成する空気極側排出ガス流路用孔と、前記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第１の内周面に開口する少なくとも１つの空気極側供給連通流路と、前記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第２の内周面に開口する少なくとも１つの空気極側排出連通流路と、が形成された空気極側部材と、
    前記燃料極に面する燃料室を構成すると共に第３の内周面を有する燃料室用孔と、前記燃料室に供給されるガスが通る燃料極側供給ガス流路を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、前記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第３の内周面に開口する少なくとも１つの燃料極側供給連通流路と、が形成された燃料極側部材と、
    を備える電気化学反応単位において、
    前記第１の方向視で、
    前記空気室用孔の外形線の内、前記第１の内周面により構成される部分は、第１の直線状部分を含み、
    前記空気室用孔の外形線の内、前記第２の内周面により構成される部分は、第２の直線状部分を含み、
    前記少なくとも１つの空気極側供給連通流路の前記第１の内周面における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点の中点である第１の点と、前記少なくとも１つの燃料極側供給連通流路の前記第３の内周面における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点の中点である第２の点と、の間の前記第１の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｓｉは、前記空気極側供給ガス流路用孔の図心である第３の点と、前記第２の点と、の間の前記第１の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｍｉより短いという第１の条件と、
    前記少なくとも１つの空気極側排出連通流路の前記第２の内周面における開口のすべてにより構成される空気極側排出開口群の両端点の中点である第４の点と、前記第２の点と、の間の前記第２の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｓｏは、前記空気極側排出ガス流路用孔の図心である第５の点と、前記第２の点と、の間の前記第２の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｍｏより短いという第２の条件と、
    の少なくとも一方を満たすことを特徴とする、電気化学反応単位。
  2. 請求項１に記載の電気化学反応単位において、
    前記第１の条件と前記第２の条件との両方を満たすことを特徴とする、電気化学反応単位。
  3. 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単位において、
    前記第１の方向視で、
    前記第１の点と前記第３の点とを結ぶ第１の仮想直線と、前記第２の点と前記第３の点とを結ぶ第２の仮想直線と、のなす角が、１０°以下であるという第３の条件と、
    前記第４の点と前記第５の点とを結ぶ第３の仮想直線と、前記第２の点と前記第５の点とを結ぶ第４の仮想直線と、のなす角が、１０°以下であるという第４の条件と、
    の少なくとも一方を満たすことを特徴とする、電気化学反応単位。
  4. 請求項３に記載の電気化学反応単位において、
    前記第３の条件と前記第４の条件との両方を満たすことを特徴とする、電気化学反応単位。
  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単位において、
    前記単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。
  6. 前記第１の方向に並べて配列された複数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、
    前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位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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