JP6777669B2 - How to operate the electrochemical reaction cell stack and the electrochemical reaction system - Google Patents

How to operate the electrochemical reaction cell stack and the electrochemical reaction system Download PDF

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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の運転方法に関する。 The technique disclosed herein relates to a method of operating an electrochemical reaction cell stack.

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は、一般に、所定の方向に並べて配置された複数の燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）を備える燃料電池スタックの形態で利用される。各単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one of the fuel cells that generate electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. SOFCs are generally used in the form of a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cell single cells (hereinafter, simply referred to as "single cells") arranged side by side in a predetermined direction. Each single cell includes an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode that face each other in a predetermined direction with the electrolyte layer in between.

燃料電池スタックには、各単セルの空気極に面する空気室に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給流路（例えば、マニホールドと、該マニホールドと空気室とを接続する連通流路と、から構成される流路）が形成されている。燃料電池スタックの発電運転中には、空気供給流路を介して、空気室に空気が供給される（例えば、特許文献１参照）。 In the fuel cell stack, an air supply flow path for supplying air as an oxidant gas to an air chamber facing the air electrode of each single cell (for example, a manifold and a continuous flow connecting the manifold and the air chamber). A path and a flow path composed of the path) are formed. During the power generation operation of the fuel cell stack, air is supplied to the air chamber through the air supply flow path (see, for example, Patent Document 1).

特開２０１５−１５３７０９号公報JP-A-2015-153709

燃料電池スタックの発電運転中に空気供給流路を介して空気室に供給される空気には、種々の汚染物質（例えば、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、クロム（Ｃｒ）、リン（Ｐ））が含まれる。該汚染物質が空気極に付着すると、空気極の性能が低下する（具体的には、空気極の抵抗が増大する）被毒と呼ばれる現象が起こる。そのため、燃料電池スタックの発電運転を長時間行うと、空気極の被毒に起因して、発電性能が劣化する。従来、燃料電池スタックにおいて、運転を長時間行うことに伴う性能の劣化の程度を効果的に低減することができない、という課題がある。 The air supplied to the air chamber through the air supply channel during the power generation operation of the fuel cell stack contains various pollutants (for example, boron (B), silicon (Si), sulfur (S), chlorine (Cl)). ), Chlorine (Cr), Phosphorus (P)). When the pollutant adheres to the air electrode, a phenomenon called poisoning occurs in which the performance of the air electrode is deteriorated (specifically, the resistance of the air electrode is increased). Therefore, if the fuel cell stack is operated for power generation for a long time, the power generation performance deteriorates due to the poisoning of the air electrode. Conventionally, there is a problem that the degree of deterioration in performance of a fuel cell stack due to long-term operation cannot be effectively reduced.

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単セルを複数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、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。 In addition, such a problem is an electrolytic cell including a plurality of electrolytic single cells which are constituent units of a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter referred to as "SOEC") that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water. This is a common problem with stacks. In the present specification, the fuel cell single cell and the electrolytic single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell, and the fuel cell stack and the electrolytic cell stack are collectively referred to as an electrochemical reaction cell stack.

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。 This specification discloses a technique capable of solving the above-mentioned problems.

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。 The technique disclosed in the present specification can be realized, for example, in the following forms.

（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックの運転方法は、固体酸化物を含む電解質層と、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、をそれぞれ有する複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックであって、各前記電気化学反応単セルの前記空気極に面する空気室に空気を供給する空気供給流路が形成された電気化学反応セルスタックの運転方法において、各前記電気化学反応単セルの前記空気極において、第１の部分の温度Ｔ１と、前記第１の部分より前記空気供給流路における前記空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各前記電気化学反応単セルに電気化学反応を生じさせる運転工程を備える。本電気化学反応セルスタックの運転方法では、空気極における第１の部分の温度Ｔ１と第２の部分の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上とされる。すなわち、被毒による性能劣化が生じやすい第２の部分は、比較的低温とされ、その結果、電気抵抗が比較的高くなる。そのため、第２の部分において被毒による性能劣化が生じても、電気化学反応単セル（電気化学反応セルスタック全体）の性能への影響は小さい。一方、第１の部分は、比較的高温とされ、その結果、電気抵抗が比較的低くなるが、この第１の部分では被毒による性能劣化が生じにくい。従って、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。 (1) The method of operating the electrochemical reaction cell stack disclosed in the present specification includes an electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. An electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells each having an air supply flow path for supplying air to an air chamber facing the air electrode of each of the electrochemical reaction single cells. In the method of operating the electrochemical reaction cell stack, in the air electrode of each electrochemical reaction single cell, the temperature T1 of the first portion and the connection from the first portion to the air chamber in the air supply flow path. Electrochemistry in each of the electrochemical reaction single cells so that the temperature difference ΔT (= T1-T2) between the temperature T2 (where T1> T2) of the second portion near the location is 130 ° C. or higher. It is provided with an operation process that causes a reaction. In the method of operating the electrochemical reaction cell stack, the temperature difference ΔT (= T1-T2) between the temperature T1 of the first portion and the temperature T2 of the second portion of the air electrode is set to 130 ° C. or higher. That is, the second portion where performance deterioration due to poisoning is likely to occur is set to a relatively low temperature, and as a result, the electrical resistance becomes relatively high. Therefore, even if the performance deteriorates due to poisoning in the second portion, the influence on the performance of the electrochemical reaction single cell (the entire electrochemical reaction cell stack) is small. On the other hand, the first portion is relatively hot, and as a result, the electrical resistance is relatively low, but the performance deterioration due to poisoning is unlikely to occur in this first portion. Therefore, according to the operation method of the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to effectively reduce the degree of deterioration of the performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to the operation for a long time.

（２）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、前記運転工程において、前記第２の部分の温度Ｔ２は、６４０℃以下である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、第２の部分の温度Ｔ２が６４０℃以下と非常に低くされるため、被毒による性能劣化が生じやすい第２の部分の電気抵抗が非常に高くなる。そのため、第２の部分において被毒による性能劣化が生じても、電気化学反応単セル全体（電気化学反応セルスタック全体）の性能への影響は非常に小さくなる。従って、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を非常に効果的に低減することができる。 (2) In the operation method of the electrochemical reaction cell stack, the temperature T2 of the second portion may be 640 ° C. or lower in the operation step. According to the operation method of this electrochemical reaction cell stack, the temperature T2 of the second portion is extremely low at 640 ° C. or lower, so that the electrical resistance of the second portion, which is prone to performance deterioration due to poisoning, is extremely high. Become. Therefore, even if the performance deteriorates due to poisoning in the second part, the influence on the performance of the entire electrochemical reaction single cell (the entire electrochemical reaction cell stack) becomes very small. Therefore, according to the operation method of the present electrochemical reaction cell stack, the degree of deterioration of the performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to the operation for a long time can be reduced very effectively.

（３）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、前記運転工程において、空気利用率は、４０％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の運転方法によれば、空気利用率が４０％以上と比較的高くされるため、空気供給流路を介して空気室に供給される空気の流量が比較的小さくなり、空気極に付着する汚染物質の量が比較的少なくなる。従って、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を極めて効果的に低減することができる。 (3) In the operation method of the electrochemical reaction cell stack, the air utilization rate may be 40% or more in the operation step. According to the operation method of this electrochemical reaction cell stack, the air utilization rate is relatively high at 40% or more, so that the flow rate of air supplied to the air chamber through the air supply flow path becomes relatively small, and the air The amount of contaminants adhering to the poles is relatively low. Therefore, according to the operation method of the present electrochemical reaction cell stack, the degree of deterioration of the performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to the operation for a long time can be extremely effectively reduced.

（４）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、各前記電気化学反応単セルは、平板型の電気化学反応単セルである構成としてもよい。平板型の電気化学反応単セルは、円筒型等の他のタイプと比べて、セル面内の温度差がつきやすい。そのため、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、空気極における第１の部分の温度Ｔ１と第２の部分の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを容易に１３０℃以上とすることができ、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。 (4) In the method of operating the electrochemical reaction cell stack, each of the electrochemical reaction single cells may be configured to be a flat plate type electrochemical reaction single cell. The flat plate type electrochemical reaction single cell is more likely to have a temperature difference in the cell surface than other types such as a cylindrical type. Therefore, according to the operation method of the present electrochemical reaction cell stack, the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion and the temperature T2 of the second portion of the air electrode can be easily set to 130 ° C. or more. This makes it possible to effectively reduce the degree of deterioration in the performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to long-term operation.

（５）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、前記電気化学反応セルスタックは、さらに、複数の前記電気化学反応単セルに対応して設けられた複数のセパレータであって、各前記セパレータには貫通孔が形成され、各前記セパレータは、各前記セパレータにおける前記貫通孔を取り囲む部分である貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの周縁部と接合されることによって、前記空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する、複数のセパレータを備え、各前記セパレータは、前記貫通孔周囲部を含み、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行な第１の平坦部と、前記第２の方向に略平行な第２の平坦部と、前記第１の方向における位置が前記第１の平坦部および前記第２の平坦部とは異なる部分を含み、前記第１の平坦部と前記第２の平坦部とを連結する連結部と、を備える構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックの運転方法では、セパレータの連結部が第２の方向に容易に伸び縮みするバネのように機能し、セパレータが連結部の位置で第２の方向に変形しやすい。従って、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、空気極における第１の部分の温度Ｔ１と第２の部分の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを１３０℃以上とすることによって各部材の熱膨張差が大きくなっても、セパレータの連結部の存在により、電気化学反応単セルにかかる応力を緩和することができ、電気化学反応単セルにクラックや割れが発生することを抑制することができる。 (5) In the method of operating the electrochemical reaction cell stack, the electrochemical reaction cell stack is a plurality of separators provided corresponding to the plurality of the electrochemical reaction single cells, and each of the separators has a plurality of separators. Is formed, and each of the separators has the air chamber and the separator by joining a peripheral portion of the through hole, which is a portion surrounding the through hole in each separator, to a peripheral portion of the electrochemical reaction single cell. A first separator comprising a plurality of separators that partition the fuel chamber facing the fuel electrode, each of which includes a perimeter of the through hole and is substantially parallel to a second direction orthogonal to the first direction. The first flat portion includes a flat portion, a second flat portion substantially parallel to the second direction, and a portion whose position in the first direction is different from that of the first flat portion and the second flat portion. The configuration may include a connecting portion for connecting the flat portion 1 and the second flat portion. In the method of operating the electrochemical reaction cell stack, the connecting portion of the separator functions like a spring that easily expands and contracts in the second direction, and the separator is easily deformed in the second direction at the position of the connecting portion. Therefore, according to the operation method of the present electrochemical reaction cell stack, each member is set to have a temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion and the temperature T2 of the second portion of the air electrode at 130 ° C. or higher. Even if the difference in thermal expansion is large, the presence of the connecting part of the separator can alleviate the stress applied to the electrochemical reaction single cell and suppress the occurrence of cracks or cracks in the electrochemical reaction single cell. Can be done.

（６）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、各前記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の方向視での前記空気極の面積は、１３０ｃｍ２以上である構成としてもよい。空気極の面積が１３０ｃｍ２以上と比較的大きいと、セル面内の温度差がつきやすい。そのため、本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、空気極における第１の部分の温度Ｔ１と第２の部分の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを容易に１３０℃以上とすることができ、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。 (6) In the method of operating the electrochemical reaction cell stack, the area of the air electrode in the first directional view may be 130 cm 2 or more in each of the electrochemical reaction single cells. If the area of the air electrode is as large as 130 cm 2 or more, a temperature difference in the cell surface is likely to occur. Therefore, according to the operation method of the present electrochemical reaction cell stack, the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion and the temperature T2 of the second portion of the air electrode can be easily set to 130 ° C. or more. This makes it possible to effectively reduce the degree of deterioration in the performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to long-term operation.

（７）上記電気化学反応セルスタックの運転方法において、各前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックの運転方法によれば、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック全体としての発電性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。 (7) In the method of operating the electrochemical reaction cell stack, each of the electrochemical reaction single cells may be configured to be a fuel cell single cell. According to the operation method of the electrochemical reaction cell stack, it is possible to effectively reduce the degree of deterioration of the power generation performance of the fuel cell stack as a whole due to the long-time power generation operation.

（８）本明細書に開示される電気化学反応システムは、固体酸化物を含む電解質層と、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、をそれぞれ有する複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックであって、各前記電気化学反応単セルの前記空気極に面する空気室に空気を供給する空気供給流路が形成された電気化学反応セルスタックと、各前記電気化学反応単セルにおける電気化学反応を制御する制御部と、を備える電気化学反応システムにおいて、前記制御部は、各前記電気化学反応単セルの前記空気極において、第１の部分の温度Ｔ１と、前記第１の部分より前記空気供給流路における前記空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各前記電気化学反応単セルに電気化学反応を生じさせる、ことを特徴とする。本電気化学反応システムでは、空気極における第１の部分の温度Ｔ１と第２の部分の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上とされる。すなわち、被毒による性能劣化が生じやすい第２の部分は、比較的低温とされ、その結果、電気抵抗が比較的高くなる。そのため、第２の部分において被毒による性能劣化が生じても、電気化学反応単セル（電気化学反応セルスタック全体）の性能への影響は小さい。一方、第１の部分は、比較的高温とされ、その結果、電気抵抗が比較的低くなるが、この第１の部分では被毒による性能劣化が生じにくい。従って、本電気化学反応システムによれば、運転を長時間行うことに伴う電気化学反応セルスタック全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。 (8) The electrochemical reaction system disclosed in the present specification has a plurality of electrochemical reaction systems having an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. An electrochemical reaction cell stack comprising the above-mentioned electrochemical reaction single cell, wherein an air supply flow path for supplying air to an air chamber facing the air electrode of each of the electrochemical reaction single cells is formed. In an electrochemical reaction system comprising a stack and a control unit for controlling an electrochemical reaction in each of the electrochemical reaction single cells, the control unit is a first in the air electrode of each of the electrochemical reaction single cells. The temperature difference ΔT (wherein, T1> T2) between the temperature T1 of the portion and the temperature T2 (where T1> T2) of the second portion closer to the connection point with the air chamber in the air supply flow path than the first portion. = T1-T2) is characterized in that an electrochemical reaction is caused in each of the electrochemical reaction single cells so that the temperature is 130 ° C. or higher. In this electrochemical reaction system, the temperature difference ΔT (= T1-T2) between the temperature T1 of the first portion and the temperature T2 of the second portion of the air electrode is set to 130 ° C. or higher. That is, the second portion where performance deterioration due to poisoning is likely to occur is set to a relatively low temperature, and as a result, the electrical resistance becomes relatively high. Therefore, even if the performance deteriorates due to poisoning in the second portion, the influence on the performance of the electrochemical reaction single cell (the entire electrochemical reaction cell stack) is small. On the other hand, the first portion is relatively hot, and as a result, the electrical resistance is relatively low, but the performance deterioration due to poisoning is unlikely to occur in this first portion. Therefore, according to this electrochemical reaction system, it is possible to effectively reduce the degree of deterioration in the performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to long-term operation.

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を備える電気化学反応システム（燃料電池システムまたは電解セルシステム）、それらの運転方法や制御方法等の形態で実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), an electrochemical reaction cell stack including an electrochemical reaction cell stack. It can be realized in the form of a reaction system (fuel cell system or electrolytic cell system), their operation method, control method, and the like.

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。It is a perspective view which shows the appearance structure of the fuel cell stack 100 in this embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of II-II of FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of III-III of FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the XZ cross section configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the YZ cross section configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at the position of VI-VI of FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at the position of VII-VII of FIG. セパレータ１２０の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。It is explanatory drawing which enlarges and shows the XZ cross-sectional structure of a part (Px part of FIG. 4) of a separator 120. 本実施形態における燃料電池システム１０の構成を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system 10 in this embodiment. 性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the performance evaluation result.

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（および後述する図６，７）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６，７）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。また、本明細書では、Ｚ軸に直交する方向を面方向という。面方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。 A. Embodiment:
A-1. Device configuration:
(Structure of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 according to the present embodiment, and FIG. 2 is an XZ of the fuel cell stack 100 at the position II-II of FIG. 1 (and FIGS. 6 and 7 described later). It is explanatory drawing which shows the cross-sectional structure, and FIG. 3 is the explanatory view which shows the YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position III-III of FIG. 1 (and FIG. 6 and 7 which will be described later). Each figure shows XYZ axes that are orthogonal to each other to identify the direction. In the present specification, for convenience, the Z-axis positive direction is referred to as an upward direction, and the Z-axis negative direction is referred to as a downward direction, but the fuel cell stack 100 is actually in a direction different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIGS. 4 and later. Further, in the present specification, the direction orthogonal to the Z axis is referred to as a plane direction. The plane direction corresponds to the second direction in the claims.

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、「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。 The fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in this embodiment) fuel cell power generation unit (hereinafter, referred to as “power generation unit”) 102, and a pair of end plates 104 and 106. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in the present embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an aggregate composed of seven power generation units 102 from above and below. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.

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と呼ぶ場合がある。 A plurality of holes (eight in this embodiment) penetrating in the vertical direction are formed on the peripheral edge of each layer (power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100 around the Z axis. , The holes formed in each layer and corresponding to each other communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the communication holes 108 may also be referred to as communication holes 108.

各連通孔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および図３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。 A bolt 22 extending in the vertical direction is inserted into each communication hole 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolt 22 and the nuts 24 fitted on both sides of the bolt 22. As shown in FIGS. 2 and 3, between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the end plate 104 forming the upper end of the fuel cell stack 100, and the bolt. An insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of the 22 and the lower surface of the end plate 106 forming the lower end of the fuel cell stack 100. However, in the place where the gas passage member 27 described later is provided, the insulating sheets arranged on the upper side and the lower side of the gas passage member 27 and the gas passage member 27 between the nut 24 and the surface of the end plate 106, respectively. 26 is intervening. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic dust sheet, a glass sheet, a glass-ceramic composite agent, or the like.

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。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が挿通された連通孔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ボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔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、空気が使用される。また、本実施形態では、酸化剤ガス導入マニホールド１６１への酸化剤ガスＯＧの導入のために、ブロワ（図示せず）が用いられる。また、酸化剤ガスＯＧが酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入される前に、熱交換（例えば、燃料電池スタック１００から排出された酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとを燃焼させたときに発生する熱との熱交換）を利用して、酸化剤ガスＯＧの予加熱が行われるとしてもよい。 The outer diameter of the shaft portion of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108. Therefore, a space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108. As shown in FIGS. 1 and 2, the position is near the midpoint of one side (the side on the positive side of the X axis among the two sides parallel to the Y axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z axis. In the space formed by the bolt 22 (bolt 22A) and the communication hole 108 through which the bolt 22A is inserted, the oxidant gas OG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is generated for each power generation. It functions as an oxidizer gas introduction manifold 161 that is a gas flow path supplied to the unit 102, and is the midpoint of the side opposite to the side (the side on the negative side of the X axis among the two sides parallel to the Y axis). The space formed by the bolt 22 (bolt 22B) located in the vicinity and the communication hole 108 through which the bolt 22B is inserted provides the oxidant off-gas OOG, which is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. It functions as an oxidant gas discharge manifold 162 that discharges to the outside of the fuel cell stack 100. In this embodiment, air is used as the oxidant gas OG. Further, in the present embodiment, a blower (not shown) is used for introducing the oxidant gas OG into the oxidant gas introduction manifold 161. Further, it is generated when heat exchange (for example, the oxidant off gas OOG discharged from the fuel cell stack 100 and the fuel off gas FOG are burned) before the oxidant gas OG is introduced into the oxidant gas introduction manifold 161. Preheating of the oxidant gas OG may be performed by utilizing heat exchange with heat).

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が挿通された連通孔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を各発電単位１０２に供給す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ボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔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。 Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the positive side of the Y axis among the two sides parallel to the X axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z axis. In the space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located in the above and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted, the fuel gas FG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is generated by each power generation. A bolt 22 that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the unit 102 and is located near the midpoint of the side opposite to the side (the side on the negative side of the Y axis of the two sides parallel to the X axis). The space formed by (bolt 22E) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted sends the fuel off-gas FOG, which is the gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. It functions as a fuel gas discharge manifold 172 to be discharged. In the present embodiment, for example, a hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used as the fuel gas FG.

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に連通しており、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。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２２Ｄ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に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２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１７２に連通している。 The fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 has a hollow tubular main body 28 and a hollow tubular branch 29 branched from the side surface of the main body 28. The hole of the branch portion 29 communicates with the hole of the main body portion 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. Further, as shown in FIG. 2, the hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161. The hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22B forming the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162. Further, as shown in FIG. 3, the hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171 and fuel gas. The hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22E forming the discharge manifold 172 communicates with the fuel gas discharge manifold 172.

（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。 (Structure of end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are made of, for example, stainless steel. One end plate 104 is arranged above the power generation unit 102 located at the top, and the other end plate 106 is arranged below the power generation unit 102 located at the bottom. A plurality of power generation units 102 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

（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。 (Structure of power generation unit 102)
FIG. 4 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 2, and FIG. 5 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration at the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of two power generation units 102. Further, FIG. 6 is an explanatory view showing an XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position of VI-VI in FIG. 4, and FIG. 7 is an explanatory view showing an XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position of VII-VII in FIG. It is explanatory drawing which shows.

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軸回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。なお、上述したように、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２を備えているため、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）単セル１１０を備えていると言える。 As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 includes a single cell 110, a separator 120, an air pole side frame 130, an air pole side current collector 134, a fuel pole side frame 140, and a fuel pole side. It includes a current collector 144 and a pair of interconnectors 150 that form the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102. Holes corresponding to the communication holes 108 through which the above-mentioned bolts 22 are inserted are formed on the peripheral edges of the separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the interconnector 150 around the Z axis. As described above, since the fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in the present embodiment) power generation units 102, the fuel cell stack 100 has a plurality of (seven in the present embodiment) single cells. It can be said that it has 110.

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）。 The interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is made of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents mixing of reaction gases between the power generation units 102. In the present embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a certain power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Further, since the fuel cell stack 100 includes a pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150 and is located at the bottom. The power generation unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).

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、平板型の単セルであり、また、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。 The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 facing each other in the vertical direction (arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 in between. The single cell 110 of the present embodiment is a flat plate type single cell, and is a fuel pole support type single cell in which the electrolyte layer 112 and the air pole 114 are supported by the fuel pole 116.

電解質層１１２は、Ｚ軸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。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、Ｚ軸方向視で電解質層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。本実施形態では、Ｚ軸方向視での空気極１１４の面積は、比較的大きく、より具体的には１３０ｃｍ２以上である。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層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。 The electrolyte layer 112 is a flat plate-shaped member that is substantially rectangular in the Z-axis direction, and is a dense layer. The electrolyte layer 112 is formed of, for example, a solid oxide such as YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), SDC (samarium-doped ceria), GDC (gadolinium-doped ceria), and perovskite-type oxide. There is. As described above, the single cell 110 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, and is a porous layer. The air electrode 114 is formed of, for example, a perovskite-type oxide (for example, LSCF (lanternstrontium cobalt iron oxide), LSM (lanternstrontium manganese oxide), LNF (lantern nickel iron)). In the present embodiment, the area of the air electrode 114 in the Z-axis direction is relatively large, more specifically 130 cm 2 or more. The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-shaped member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction, and is a porous layer. The fuel electrode 116 is formed of, for example, a cermet composed of Ni and oxide ion conductive ceramic particles (for example, YSZ).

セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。図８は、セパレータ１２０の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。セパレータ１２０における貫通孔１２１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部１２２」という）は、単セル１１０における上下方向の一方側（図面中の上側）の表面の周縁部に対向している。なお、本実施形態では、空気極１１４はＺ軸方向視における大きさが電解質層１１２より小さいため、セパレータ１２０における貫通孔周囲部１２２は、単セル１１０における上側の表面の内、電解質層１１２により構成された表面に対向している。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、単セル１１０（電解質層１１２）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とが区画される。 The separator 120 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular through hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. FIG. 8 is an enlarged explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of a part of the separator 120 (Px portion of FIG. 4). The portion of the separator 120 that surrounds the through hole 121 (hereinafter, referred to as “through hole peripheral portion 122”) faces the peripheral edge portion of the surface of one side (upper side in the drawing) in the vertical direction of the single cell 110. In the present embodiment, since the size of the air electrode 114 in the Z-axis direction is smaller than that of the electrolyte layer 112, the peripheral portion 122 of the through hole in the separator 120 is formed by the electrolyte layer 112 in the upper surface of the single cell 110. Facing the constructed surface. The separator 120 is bonded to the single cell 110 (electrolyte layer 112) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag wax) arranged at the opposite portion thereof. The separator 120 separates the air chamber 166 facing the air pole 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel pole 116.

接合部１２４に対して空気室１６６側には、ガラスを含むガラスシール部１２５が配置されている。ガラスシール部１２５は、セパレータ１２０の貫通孔周囲部１２２の表面と、単セル１１０（本実施形態では単セル１１０を構成する電解質層１１２）の表面との両方に接触するように形成されている。ガラスシール部１２５により、空気室１６６と燃料室１７６との間のガスリーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。 A glass seal portion 125 containing glass is arranged on the air chamber 166 side with respect to the joint portion 124. The glass seal portion 125 is formed so as to be in contact with both the surface of the through-hole peripheral portion 122 of the separator 120 and the surface of the single cell 110 (in the present embodiment, the electrolyte layer 112 constituting the single cell 110). .. The glass seal portion 125 effectively suppresses a gas leak (cross leak) between the air chamber 166 and the fuel chamber 176.

なお、本実施形態では、接合部１２４が、セパレータ１２０と単セル１１０とが対向する領域から空気室１６６側にはみ出すように形成されており、ガラスシール部１２５は、接合部１２４における上記はみ出した箇所に接するように形成されている。すなわち、接合部１２４の一部は、ガラスシール部１２５により覆われている。また、本実施形態では、ガラスシール部１２５が、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（上側）の表面を覆っており、ガラスシール部１２５と接合部１２４とがセパレータ１２０を挟んでＺ軸方向に互いに対向している。 In the present embodiment, the joint portion 124 is formed so as to protrude from the region where the separator 120 and the single cell 110 face each other toward the air chamber 166 side, and the glass seal portion 125 protrudes from the joint portion 124. It is formed so as to be in contact with a portion. That is, a part of the joint portion 124 is covered with the glass seal portion 125. Further, in the present embodiment, the glass seal portion 125 covers the surface of the separator 120 on the side opposite to the side facing the single cell 110 (upper side), and the glass seal portion 125 and the joint portion 124 form the separator 120. They face each other in the Z-axis direction across the glass.

セパレータ１２０は、貫通孔周囲部１２２を含むと共にＺ軸方向（上下方向）に直交する方向（すなわち、面方向）に略平行な第１の平坦部１２６と、第１の平坦部１２６より外周側に位置すると共に面方向に略平行な第２の平坦部１２７とを備える。第１の平坦部１２６と第２の平坦部１２７とのＺ軸方向における位置は、互いに略同一である。 The separator 120 includes a first flat portion 126 that includes a through hole peripheral portion 122 and is substantially parallel to a direction (that is, a plane direction) orthogonal to the Z-axis direction (vertical direction), and an outer peripheral side of the first flat portion 126. It is provided with a second flat portion 127 which is located at and substantially parallel to the plane direction. The positions of the first flat portion 126 and the second flat portion 127 in the Z-axis direction are substantially the same as each other.

セパレータ１２０は、さらに、第１の平坦部１２６の端部と第２の平坦部１２７の端部とを連結する連結部１２８を備える。本実施形態では、連結部１２８は、第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７の位置から燃料室１７６側（下側）に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、連結部１２８における燃料室１７６側（下側）は凸部となり、連結部１２８における空気室１６６側（上側）は凹部となる。このように、連結部１２８は、Ｚ軸方向における位置が第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７とは異なる部分を含む。なお、連結部１２８は、Ｚ軸方向視で、貫通孔１２１を取り囲むように形成されている。また、セパレータ１２０における連結部１２８は、例えば、プレス加工により形成される。セパレータ１２０の連結部１２８は、上述した構成であるため、面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能する。そのため、本実施形態のセパレータ１２０は、連結部１２８を備えない構成と比較して、連結部１２８の位置で面方向に変形しやすい。 The separator 120 further includes a connecting portion 128 that connects the end of the first flat portion 126 and the end of the second flat portion 127. In the present embodiment, the connecting portion 128 has a curved shape so as to project from the positions of the first flat portion 126 and the second flat portion 127 toward the fuel chamber 176 side (lower side). That is, the fuel chamber 176 side (lower side) of the connecting portion 128 is a convex portion, and the air chamber 166 side (upper side) of the connecting portion 128 is a concave portion. As described above, the connecting portion 128 includes a portion whose position in the Z-axis direction is different from that of the first flat portion 126 and the second flat portion 127. The connecting portion 128 is formed so as to surround the through hole 121 in the Z-axis direction. Further, the connecting portion 128 in the separator 120 is formed by, for example, press working. Since the connecting portion 128 of the separator 120 has the above-described configuration, it functions like a spring that easily expands and contracts in the surface direction. Therefore, the separator 120 of the present embodiment is more likely to be deformed in the plane direction at the position of the connecting portion 128 as compared with the configuration not provided with the connecting portion 128.

図６に示すように、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ガス室用孔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。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。 As shown in FIG. 6, the air electrode side frame 130 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular gas chamber hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of, for example, an insulator such as mica. Has been done. The air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral edge of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. .. The air electrode side frame 130 electrically insulates between the pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102.

図６に示すように、空気極側フレーム１３０のガス室用孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する孔である。ガス室用孔１３１は、Ｘ軸方向に互いに対向する第１の内面ＩＰ１および第２の内面ＩＰ２を有する。また、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に連通すると共にガス室用孔１３１の第１の内面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に連通すると共にガス室用孔１３１の第２の内面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。このような構成では、酸化剤ガスＯＧは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および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。酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２により構成される流路は、特許請求の範囲における空気供給流路に相当する。 As shown in FIG. 6, the gas chamber hole 131 of the air electrode side frame 130 is a hole constituting the air chamber 166 facing the air electrode 114. The gas chamber hole 131 has a first inner surface IP1 and a second inner surface IP2 facing each other in the X-axis direction. Further, the air electrode side frame 130 has an oxidant gas supply communication flow path 132 that communicates with the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161 and opens to the first inner surface IP1 of the gas chamber hole 131. An oxidant gas discharge communication flow path 133 that communicates with the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 and opens to the second inner surface IP2 of the gas chamber hole 131 is formed. In such a configuration, the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 via the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas supply communication flow path 132. The flow path composed of the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas supply communication flow path 132 corresponds to the air supply flow path in the claims.

図７に示すように、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ガス室用孔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。 As shown in FIG. 7, the fuel electrode side frame 140 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular gas chamber hole 141 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of, for example, metal. The fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral edge of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116.

図７に示すように、燃料極側フレーム１４０のガス室用孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する孔である。ガス室用孔１４１は、Ｙ軸方向に互いに対向する第３の内面ＩＰ３および第４の内面ＩＰ４を有する。また、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に連通すると共にガス室用孔１４１の第３の内面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に連通すると共にガス室用孔１４１の第４の内面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。 As shown in FIG. 7, the gas chamber hole 141 of the fuel electrode side frame 140 is a hole constituting the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116. The gas chamber hole 141 has a third inner surface IP3 and a fourth inner surface IP4 facing each other in the Y-axis direction. Further, the fuel electrode side frame 140 has a fuel gas supply communication flow path 142 that communicates with the communication hole 108 constituting the fuel gas introduction manifold 171 and opens to the third inner surface IP3 of the gas chamber hole 141, and the fuel gas. A fuel gas discharge communication flow path 143 that communicates with the communication hole 108 constituting the discharge manifold 172 and opens to the fourth inner surface IP4 of the gas chamber hole 141 is formed.

図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、空気極側集電体１３４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。また、空気極側集電体１３４は、インターコネクタ１５０と一体の部材として構成されていてもよい。 As shown in FIG. 6, the air electrode side current collector 134 is arranged in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements 135, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 on the side facing the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 has an upper end plate. It is in contact with 104. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected. The air electrode side current collector 134 may be covered with a conductive coat, and a conductive bonding layer for bonding the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 may be provided. It may be intervening. Further, the air electrode side current collector 134 may be configured as a member integrated with the interconnector 150.

図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。 As shown in FIG. 7, the fuel electrode side current collector 144 is arranged in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. For example, nickel or nickel alloy. , Stainless steel, etc. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel pole 116 opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 facing the fuel pole 116. Are in contact. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the bottom of the fuel cell stack 100 does not have the lower interconnector 150, the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 is the lower end plate. It is in contact with 106. Since the fuel pole side current collector 144 has such a configuration, the fuel pole 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected to each other. A spacer 149 formed of, for example, mica is arranged between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144 follow. Good electrical connection with is maintained.

（燃料電池システム１０の構成）
本実施形態の燃料電池スタック１００は、燃料電池システム１０を構成している。図９は、本実施形態における燃料電池システム１０の構成を概略的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、上述した燃料電池スタック１００と、制御部２００とを備える。制御部２００は、例えば、ＣＰＵとメモリとを備えるコンピュータにより構成され、以下に説明する燃料電池スタック１００の動作（燃料電池スタック１００における発電反応等）を制御する。 (Configuration of fuel cell system 10)
The fuel cell stack 100 of this embodiment constitutes the fuel cell system 10. FIG. 9 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system 10 in the present embodiment. The fuel cell system 10 includes the fuel cell stack 100 described above and a control unit 200. The control unit 200 is composed of, for example, a computer including a CPU and a memory, and controls the operation of the fuel cell stack 100 described below (power generation reaction in the fuel cell stack 100, etc.).

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２、図４および図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、図５および図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。 A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2, 4 and 6, the oxidant gas is passed through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. When the OG is supplied, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the holes of the branch portion 29 and the main body portion 28 of the gas passage member 27, and each power generation unit is supplied from the oxidizer gas introduction manifold 161. It is supplied to the air chamber 166 via the oxidizing agent gas supply communication flow path 132 of 102. Further, as shown in FIGS. 3, 5 and 7, the fuel gas is passed through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. When the FG is supplied, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the holes of the branch portion 29 and the main body portion 28 of the gas passage member 27, and the fuel of each power generation unit 102 is supplied from the fuel gas introduction manifold 171. It is supplied to the fuel chamber 176 via the gas supply communication flow path 142.

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。 When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, oxygen contained in the oxidant gas OG and hydrogen contained in the fuel gas FG in the single cell 110 are supplied. Power is generated by an electrochemical reaction with. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air pole 114 of the single cell 110 is electrically connected to one of the interconnectors 150 via the air pole side current collector 134, and the fuel pole 116 is via the fuel pole side current collector 144. It is electrically connected to the other interconnector 150. Further, the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, the electric energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as the output terminals of the fuel cell stack 100. Since the SOFC generates electricity at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is a heater (for example, until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation after the start-up. (Not shown) may be heated.

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、図４および図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、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、図５および図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。 The oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 via the oxidant gas discharge communication flow path 133 as shown in FIGS. 2, 4 and 6. Further, through the holes of the main body 28 and the branch 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas discharge manifold 162, and through the gas pipe (not shown) connected to the branch 29. It is discharged to the outside of the fuel cell stack 100. Further, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication flow path 143 as shown in FIGS. 3, 5, and 7. Further, the fuel cell stack is passed through the holes of the main body 28 and the branch 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas discharge manifold 172, and via a gas pipe (not shown) connected to the branch 29. It is discharged to the outside of 100.

Ａ−３．燃料電池スタック１００の運転方法：
次に、本実施形態における燃料電池スタック１００の運転方法について説明する。なお、燃料電池スタック１００の運転は、制御部２００によって制御される。以下の説明では、図６に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０の空気極１１４において、酸化剤ガス供給連通流路１３２における空気室１６６との接続箇所Ｐ０から比較的離れている部分を第１の部分Ｐ１とし、第１の部分Ｐ１より該接続箇所Ｐ０に近い部分を第２の部分Ｐ２とする。このとき、制御部２００は、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）との間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が大きくなるように、具体的には温度差ΔＴが１３０℃以上となるように、各単セル１１０における発電反応を生じさせる。換言すれば、本実施形態における燃料電池スタック１００の運転方法は、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが１３０℃以上となるように、各単セル１１０に発電反応を生じさせる運転工程を備える。 A-3. How to operate the fuel cell stack 100:
Next, the operation method of the fuel cell stack 100 in this embodiment will be described. The operation of the fuel cell stack 100 is controlled by the control unit 200. In the following description, as shown in FIG. 6, the air electrode 114 of each single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 is relatively separated from the connection point P0 with the air chamber 166 in the oxidant gas supply communication flow path 132. The portion closer to the connection portion P0 than the first portion P1 is referred to as a second portion P2. At this time, the control unit 200 increases the temperature difference ΔT (= T1-T2) between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 (however, T1> T2). Specifically, a power generation reaction is generated in each single cell 110 so that the temperature difference ΔT is 130 ° C. or higher. In other words, in the operation method of the fuel cell stack 100 in the present embodiment, the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 is 130 ° C. or more. Each single cell 110 is provided with an operation process for causing a power generation reaction.

上述した燃料電池スタック１００の運転方法（空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが１３０℃以上となるような運転方法）は、例えば、以下の（１）〜（４）の少なくとも１つにより実現可能である。 The operation method of the fuel cell stack 100 described above (an operation method in which the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 in the air electrode 114 is 130 ° C. or more) For example, it can be realized by at least one of the following (1) to (4).

（１）酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して空気室１６６に供給する酸化剤ガスＯＧ（空気）の流速を速くする。酸化剤ガスＯＧの流速が速いと、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入された酸化剤ガスＯＧが空気極１１４における第２の部分Ｐ２に到達するまでの酸化剤ガスＯＧの温度上昇が小さくなるため、第２の部分Ｐ２に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が低くなり、その結果、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が低くなる。一方、単セル１１０における発電反応は発熱反応であるため、酸化剤ガスＯＧが空気極１１４における第２の部分Ｐ２から第１の部分Ｐ１に移動する間に、酸化剤ガスＯＧの温度は急激に上昇する。そのため、第１の部分Ｐ１に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が高くなり、その結果、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１が高くなる。従って、酸化剤ガスＯＧの流速を速くすると、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが大きくなる。なお、酸化剤ガスＯＧの流速は、ブロワの駆動力を大きくしたり、酸化剤ガス供給連通流路１３２の空気室１６６に面する開口面積を小さくしたりすることにより、速くすることができる。 (1) The flow velocity of the oxidant gas OG (air) supplied to the air chamber 166 via the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas supply communication flow path 132 is increased. When the flow velocity of the oxidant gas OG is high, the temperature rise of the oxidant gas OG until the oxidant gas OG introduced into the oxidant gas introduction manifold 161 reaches the second portion P2 at the air electrode 114 becomes small. , The temperature of the oxidant gas OG when it reaches the second portion P2 becomes low, and as a result, the temperature T2 of the second portion P2 becomes low. On the other hand, since the power generation reaction in the single cell 110 is an exothermic reaction, the temperature of the oxidant gas OG suddenly rises while the oxidant gas OG moves from the second portion P2 to the first portion P1 in the air electrode 114. Rise. Therefore, the temperature of the oxidant gas OG when it reaches the first portion P1 becomes high, and as a result, the temperature T1 of the first portion P1 becomes high. Therefore, when the flow velocity of the oxidant gas OG is increased, the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 becomes large. The flow velocity of the oxidant gas OG can be increased by increasing the driving force of the blower or reducing the opening area of the oxidant gas supply communication flow path 132 facing the air chamber 166.

（２）酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して空気室１６６に供給する酸化剤ガスＯＧ（空気）の流量を大きくする。酸化剤ガスＯＧの流量が大きいと、酸化剤ガスＯＧの熱容量が大きくなり、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入された酸化剤ガスＯＧが空気極１１４における第２の部分Ｐ２に到達するまでの酸化剤ガスＯＧの温度上昇が小さくなるため、第２の部分Ｐ２に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が低くなり、その結果、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が低くなる。一方、単セル１１０における発電反応は発熱反応であるため、酸化剤ガスＯＧが空気極１１４における第２の部分Ｐ２から第１の部分Ｐ１に移動する間に、酸化剤ガスＯＧの温度は急激に上昇する。そのため、第１の部分Ｐ１に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が高くなり、その結果、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１が高くなる。従って、酸化剤ガスＯＧの流量を大きくすると、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが大きくなる。 (2) The flow rate of the oxidant gas OG (air) supplied to the air chamber 166 via the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas supply communication flow path 132 is increased. When the flow rate of the oxidant gas OG is large, the heat capacity of the oxidant gas OG becomes large, and the oxidant gas OG introduced into the oxidant gas introduction manifold 161 is oxidized until it reaches the second portion P2 in the air electrode 114. Since the temperature rise of the agent gas OG becomes small, the temperature of the oxidant gas OG when it reaches the second portion P2 becomes low, and as a result, the temperature T2 of the second portion P2 becomes low. On the other hand, since the power generation reaction in the single cell 110 is an exothermic reaction, the temperature of the oxidant gas OG suddenly rises while the oxidant gas OG moves from the second portion P2 to the first portion P1 in the air electrode 114. Rise. Therefore, the temperature of the oxidant gas OG when it reaches the first portion P1 becomes high, and as a result, the temperature T1 of the first portion P1 becomes high. Therefore, when the flow rate of the oxidant gas OG is increased, the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 becomes large.

（３）酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入する酸化剤ガスＯＧの温度を下げる。例えば、酸化剤ガスＯＧを酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入する前に熱交換を利用した酸化剤ガスＯＧの予加熱を行う場合には、熱交換経路を短くしたり熱交換時間を短くしたりすることにより、酸化剤ガスＯＧの温度上昇を抑制する。このようにすると、空気極１１４における第２の部分Ｐ２に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が低くなり、その結果、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が低くなる。一方、単セル１１０における発電反応は発熱反応であるため、酸化剤ガスＯＧが空気極１１４における第２の部分Ｐ２から第１の部分Ｐ１に移動する間に、酸化剤ガスＯＧの温度は急激に上昇する。そのため、第１の部分Ｐ１に到達したときの酸化剤ガスＯＧの温度が高くなり、その結果、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１が高くなる。従って、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入する酸化剤ガスＯＧの温度を下げると、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが大きくなる。 (3) The temperature of the oxidant gas OG introduced into the oxidant gas introduction manifold 161 is lowered. For example, when preheating the oxidant gas OG using heat exchange before introducing the oxidant gas OG into the oxidant gas introduction manifold 161, the heat exchange path may be shortened or the heat exchange time may be shortened. By doing so, the temperature rise of the oxidant gas OG is suppressed. In this way, the temperature of the oxidant gas OG when it reaches the second portion P2 at the air electrode 114 becomes lower, and as a result, the temperature T2 of the second portion P2 becomes lower. On the other hand, since the power generation reaction in the single cell 110 is an exothermic reaction, the temperature of the oxidant gas OG suddenly rises while the oxidant gas OG moves from the second portion P2 to the first portion P1 in the air electrode 114. Rise. Therefore, the temperature of the oxidant gas OG when it reaches the first portion P1 becomes high, and as a result, the temperature T1 of the first portion P1 becomes high. Therefore, when the temperature of the oxidant gas OG introduced into the oxidant gas introduction manifold 161 is lowered, the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 becomes large.

（４）発電運転時の電流量を大きくする。単セル１１０における発電に伴う発熱量は、電流の２乗に比例する。そのため、発電運転時の電流量を大きくすると、発熱量は電流量の２乗に比例して大きくなる。ここで、空気極１１４における第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２は、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１より低いため、第２の部分Ｐ２では、第１の部分Ｐ１と比較して、抵抗が高く、電流密度が小さくなる。そのため、発電運転時の電流量を大きくすると、第１の部分Ｐ１での発熱量と第２の部分Ｐ２での発熱量との差が大きくなるため、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴが大きくなる。 (4) Increase the amount of current during power generation operation. The amount of heat generated by power generation in the single cell 110 is proportional to the square of the current. Therefore, when the amount of current during power generation operation is increased, the amount of heat generated increases in proportion to the square of the amount of current. Here, since the temperature T2 of the second portion P2 in the air electrode 114 is lower than the temperature T1 of the first portion P1, the resistance of the second portion P2 is higher than that of the first portion P1. The current density decreases. Therefore, when the amount of current during power generation operation is increased, the difference between the amount of heat generated in the first portion P1 and the amount of heat generated in the second portion P2 becomes large, so that the temperatures T1 and the second of the first portion P1 become large. The temperature difference ΔT between the temperature T2 and the temperature T2 of the portion P2 becomes large.

なお、燃料電池スタック１００の発電運転の際には、空気極１１４における第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下とされることが好ましい。また、燃料電池スタック１００の発電運転の際には、空気利用率が４０％以上とされることが好ましい。 During the power generation operation of the fuel cell stack 100, it is preferable that the temperature T2 of the second portion P2 at the air electrode 114 is 640 ° C. or lower. Further, it is preferable that the air utilization rate is 40% or more during the power generation operation of the fuel cell stack 100.

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、固体酸化物を含む電解質層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、をそれぞれ有する複数の単セル１１０を備える。また、燃料電池スタック１００には、各単セル１１０の空気極１１４に面する空気室１６６に酸化剤ガスＯＧとしての空気を供給する酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２が形成されている。また、本実施形態における燃料電池スタック１００の運転方法は、各単セル１１０の空気極１１４において、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と、第１の部分Ｐ１より酸化剤ガス供給連通流路１３２における空気室１６６との接続箇所Ｐ０に近い第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各単セル１１０に発電反応を生じさせる運転工程を備える。 A-4. Effect of this embodiment:
As described above, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the electrolyte layer 112 containing the solid oxide and the air poles 114 and the fuel poles 116 facing each other in the Z-axis direction with the electrolyte layer 112 interposed therebetween are respectively. It includes a plurality of single cells 110 having. Further, the fuel cell stack 100 includes an oxidant gas introduction manifold 161 for supplying air as an oxidant gas OG to an air chamber 166 facing the air electrode 114 of each single cell 110, and an oxidant gas supply communication flow path 132. It is formed. Further, in the operation method of the fuel cell stack 100 in the present embodiment, in the air electrode 114 of each single cell 110, the temperature T1 of the first portion P1 and the oxidant gas supply communication flow path 132 from the first portion P1 Each unit has a temperature difference ΔT (= T1-T2) of 130 ° C. or higher between the temperature T2 (however, T1> T2) of the second portion P2 near the connection point P0 with the air chamber 166. The cell 110 is provided with an operation step of causing a power generation reaction.

ここで、燃料電池スタック１００の発電運転の際には、各単セル１１０の空気極１１４に面する空気室１６６に、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して酸化剤ガスＯＧとしての空気が供給される。酸化剤ガスＯＧとしての空気には、種々の汚染物質（例えば、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、クロム（Ｃｒ）、リン（Ｐ））が含まれる。該汚染物質が空気極１１４に付着すると、空気極１１４の性能が低下する（具体的には、空気極１１４の抵抗が増大する）被毒と呼ばれる現象が起こる。空気極１１４において、酸化剤ガス供給連通流路１３２における空気室１６６との接続箇所Ｐ０に近い第２の部分Ｐ２では、接続箇所Ｐ０から離れている第１の部分Ｐ１と比較して、酸化剤ガスＯＧに含まれる汚染物質が付着しやすいため、被毒による性能劣化が生じやすい。 Here, during the power generation operation of the fuel cell stack 100, the air chamber 166 facing the air electrode 114 of each single cell 110 is oxidized via the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas supply communication flow path 132. Air as the agent gas OG is supplied. Air as an oxidant gas OG contains various pollutants (for example, boron (B), silicon (Si), sulfur (S), chlorine (Cl), chromium (Cr), phosphorus (P)). .. When the pollutant adheres to the air electrode 114, a phenomenon called poisoning occurs in which the performance of the air electrode 114 deteriorates (specifically, the resistance of the air electrode 114 increases). In the air electrode 114, in the second portion P2 near the connection point P0 with the air chamber 166 in the oxidant gas supply communication flow path 132, the oxidant is compared with the first portion P1 away from the connection point P0. Since pollutants contained in gas OG are likely to adhere, performance deterioration due to poisoning is likely to occur.

しかしながら、本実施形態における燃料電池スタック１００の運転方法では、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上とされる。すなわち、被毒による性能劣化が生じやすい第２の部分Ｐ２は、比較的低温とされ、その結果、電気抵抗が比較的高くなって電流密度が比較的低くなる。そのため、第２の部分Ｐ２において被毒による性能劣化が生じても、単セル１１０全体（燃料電池スタック１００全体）の性能への影響は小さい。一方、第１の部分Ｐ１は、比較的高温とされ、その結果、電気抵抗が比較的低くなって電流密度が比較的高くなるが、この第１の部分Ｐ１では被毒による性能劣化が生じにくい。従って、本実施形態における燃料電池スタック１００の運転方法によれば、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。 However, in the operation method of the fuel cell stack 100 in the present embodiment, the temperature difference ΔT (= T1-T2) between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 at the air electrode 114 is large. The temperature is 130 ° C or higher. That is, the second portion P2, which is prone to performance deterioration due to poisoning, is kept at a relatively low temperature, and as a result, the electrical resistance becomes relatively high and the current density becomes relatively low. Therefore, even if the performance deteriorates due to poisoning in the second portion P2, the influence on the performance of the entire single cell 110 (the entire fuel cell stack 100) is small. On the other hand, the first portion P1 has a relatively high temperature, and as a result, the electric resistance becomes relatively low and the current density becomes relatively high, but the performance deterioration due to poisoning is unlikely to occur in this first portion P1. .. Therefore, according to the operation method of the fuel cell stack 100 in the present embodiment, it is possible to effectively reduce the degree of deterioration of the performance of the fuel cell stack 100 as a whole due to the long-time power generation operation.

なお、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０は、平板型の単セル１１０である。平板型の単セル１１０は、円筒型等の他のタイプと比べて、セル面内の温度差がつきやすい。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００の運転方法によれば、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを容易に１３０℃以上とすることができ、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。 Each single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment is a flat plate type single cell 110. The flat plate type single cell 110 is more likely to have a temperature difference in the cell surface than other types such as a cylindrical type. Therefore, according to the operation method of the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 at the air electrode 114 can be easily set to 130 ° C. The above can be achieved, and the degree of deterioration in the performance of the fuel cell stack 100 as a whole due to the long-term power generation operation can be effectively reduced.

また、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０の空気極１１４の面積は、１３０ｃｍ２以上である。空気極１１４の面積が１３０ｃｍ２以上と比較的大きいと、セル面内の温度差がつきやすい。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００の運転方法によれば、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを容易に１３０℃以上とすることができ、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。 Further, the area of the air electrode 114 of each single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment is 130 cm 2 or more. If the area of the air electrode 114 is as large as 130 cm 2 or more, a temperature difference in the cell surface is likely to occur. Therefore, according to the operation method of the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 at the air electrode 114 can be easily set to 130 ° C. The above can be achieved, and the degree of deterioration in the performance of the fuel cell stack 100 as a whole due to the long-term power generation operation can be effectively reduced.

また、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０のセパレータ１２０は、貫通孔周囲部１２２を含み、Ｚ軸方向に直交する面方向に略平行な第１の平坦部１２６と、面方向に略平行な第２の平坦部１２７と、Ｚ軸方向における位置が第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７とは異なる部分を含み、第１の平坦部１２６と第２の平坦部１２７とを連結する連結部１２８と、を備える。そのため、セパレータ１２０の連結部１２８が面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能し、セパレータ１２０が連結部１２８の位置で面方向に変形しやすい。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００の運転方法によれば、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴを１３０℃以上とすることによって各部材の熱膨張差が大きくなっても、セパレータ１２０の連結部１２８の存在により、単セル１１０にかかる応力を緩和することができ、単セル１１０にクラックや割れが発生することを抑制することができる。 Further, the separator 120 of each single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment includes a through hole peripheral portion 122, and includes a first flat portion 126 substantially parallel to the plane direction orthogonal to the Z-axis direction. The first flat portion 126 and the second flat portion 126 include a second flat portion 127 substantially parallel to the plane direction and a portion whose position in the Z-axis direction is different from that of the first flat portion 126 and the second flat portion 127. A connecting portion 128 for connecting the flat portion 127 is provided. Therefore, the connecting portion 128 of the separator 120 functions like a spring that easily expands and contracts in the surface direction, and the separator 120 is easily deformed in the surface direction at the position of the connecting portion 128. Therefore, according to the operation method of the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 at the air electrode 114 is set to 130 ° C. or higher. Even if the difference in thermal expansion of each member becomes large, the stress applied to the single cell 110 can be relaxed due to the presence of the connecting portion 128 of the separator 120, and cracks or cracks occur in the single cell 110. It can be suppressed.

また、燃料電池スタック１００の発電運転の際には、空気極１１４における第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下とされることが好ましい。第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下と非常に低くされると、被毒による性能劣化が生じやすい第２の部分Ｐ２の電気抵抗が非常に高くなって電流密度が非常に低くなる。そのため、第２の部分Ｐ２において被毒による性能劣化が生じても、単セル１１０全体（燃料電池スタック１００全体）の性能への影響は非常に小さくなる。従って、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２を６４０℃以下とすれば、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を非常に効果的に低減することができる。 Further, during the power generation operation of the fuel cell stack 100, it is preferable that the temperature T2 of the second portion P2 in the air electrode 114 is 640 ° C. or lower. When the temperature T2 of the second portion P2 is very low, 640 ° C. or lower, the electrical resistance of the second portion P2, which tends to cause performance deterioration due to poisoning, becomes very high, and the current density becomes very low. Therefore, even if the performance deteriorates due to poisoning in the second portion P2, the influence on the performance of the entire single cell 110 (the entire fuel cell stack 100) becomes very small. Therefore, if the temperature T2 of the second portion P2 is set to 640 ° C. or lower, the degree of deterioration in the performance of the fuel cell stack 100 as a whole due to the long-term power generation operation can be reduced very effectively. ..

また、燃料電池スタック１００の発電運転の際には、空気利用率が４０％以上とされることが好ましい。空気利用率が４０％以上と比較的高くされると、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して空気室１６６に供給される酸化剤ガスＯＧの流量が比較的小さくなり、空気極１１４に付着する汚染物質の量が比較的少なくなる。従って、空気利用率を４０％以上とすれば、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を極めて効果的に低減することができる。 Further, it is preferable that the air utilization rate is 40% or more during the power generation operation of the fuel cell stack 100. When the air utilization rate is relatively high at 40% or more, the flow rate of the oxidant gas OG supplied to the air chamber 166 via the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas supply communication flow path 132 becomes relatively small. , The amount of pollutants adhering to the air electrode 114 is relatively small. Therefore, if the air utilization rate is 40% or more, the degree of deterioration in the performance of the fuel cell stack 100 as a whole due to the long-term power generation operation can be extremely effectively reduced.

Ａ−５．性能評価：
上述した燃料電池スタック１００の運転方法について、以下の通り、性能評価を行った。図１０は、性能評価結果を示す説明図である。性能評価では、異なる条件で燃料電池スタック１００を運転したときの、燃料電池スタック１００の初期状態からの性能劣化の程度について評価を行った。 A-5. Performance evaluation:
The performance of the above-mentioned operation method of the fuel cell stack 100 was evaluated as follows. FIG. 10 is an explanatory diagram showing the performance evaluation result. In the performance evaluation, the degree of performance deterioration of the fuel cell stack 100 from the initial state when the fuel cell stack 100 was operated under different conditions was evaluated.

具体的には、図１０に示すように、上述した空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１および第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２を種々変更して（その結果、温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が種々変更された条件で）、燃料電池スタック１００の発電運転を行った。図１０に示すように、サンプル番号が小さいほど、温度差ΔＴが大きくなっている。なお、各サンプルにおける空気利用率は、サンプルＳ１から順に、４０％、４２％、４４％、４６％、４７％、４８％、５０％とした。 Specifically, as shown in FIG. 10, the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 in the above-mentioned air electrode 114 are variously changed (as a result, the temperature difference ΔT (= T1). -T2) was changed in various ways), and the fuel cell stack 100 was operated for power generation. As shown in FIG. 10, the smaller the sample number, the larger the temperature difference ΔT. The air utilization rate in each sample was set to 40%, 42%, 44%, 46%, 47%, 48%, and 50% in order from sample S1.

サンプル毎に設定された上記条件で、４０００時間の発電運転を行い、初期状態からの抵抗増加量ΔＲ（ただし、１０００時間運転あたり）を測定した。抵抗増加量ΔＲが１０ｍΩｃｍ２以下である場合に合格（〇）と判定し、抵抗増加量ΔＲが１０ｍΩｃｍ２を越える場合に不合格（×）と判定した。 Under the above conditions set for each sample, the power generation operation was performed for 4000 hours, and the resistance increase amount ΔR (however, per 1000 hours operation) from the initial state was measured. When the resistance increase amount ΔR was 10 mΩcm 2 or less, it was judged as acceptable (◯), and when the resistance increase amount ΔR exceeded 10 mΩcm 2 , it was judged as rejected (x).

図１０に示すように、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との温度差ΔＴが１３０℃以上であるサンプルＳ１，Ｓ２では、抵抗増加量ΔＲが１０ｍΩｃｍ２以下であったため、合格（〇）と判定された。一方、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との温度差ΔＴが１３０℃未満であるサンプルＳ３〜Ｓ７では、抵抗増加量ΔＲが１０ｍΩｃｍ２を越えたため、不合格（×）と判定された。 As shown in FIG. 10, in the samples S1 and S2 in which the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 in the air electrode 114 is 130 ° C. or more, the resistance increase amount ΔR is Since it was 10 mΩcm 2 or less, it was judged to be acceptable (〇). On the other hand, in the samples S3 to S7 in which the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 in the air electrode 114 is less than 130 ° C., the resistance increase amount ΔR exceeds 10 mΩcm 2. , It was judged as rejected (x).

このように、本性能評価によれば、空気極１１４における第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、燃料電池スタック１００の発電運転を行うと、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減できることが確認された。 As described above, according to this performance evaluation, the temperature difference ΔT (= T1-T2) between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 in the air electrode 114 is 130 ° C. or higher. Therefore, it was confirmed that when the fuel cell stack 100 is subjected to the power generation operation, the degree of deterioration in the performance of the fuel cell stack 100 as a whole due to the long-term power generation operation can be effectively reduced.

なお、合格（〇）と判定されたサンプルＳ１，Ｓ２では、空気極１１４における第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下と非常に低くされている。このように、本性能評価によれば、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下となるように、燃料電池スタック１００の発電運転を行うと、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減できることが確認された。 In the samples S1 and S2 judged to be acceptable (◯), the temperature T2 of the second portion P2 at the air electrode 114 is extremely low at 640 ° C. or lower. As described above, according to this performance evaluation, when the power generation operation of the fuel cell stack 100 is performed so that the temperature T2 of the second portion P2 is 640 ° C. or lower, the fuel cell associated with the power generation operation for a long time It was confirmed that the degree of deterioration in the performance of the stack 100 as a whole can be effectively reduced.

また、合格（〇）と判定されたサンプルＳ１，Ｓ２では、空気利用率が４０％以上と比較的高くされている。このように、本性能評価によれば、空気利用率が４０％以上となるように、燃料電池スタック１００の発電運転を行うと、発電運転を長時間行うことに伴う燃料電池スタック１００全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減できることが確認された。 Further, in the samples S1 and S2 judged to be acceptable (◯), the air utilization rate is relatively high at 40% or more. As described above, according to this performance evaluation, when the power generation operation of the fuel cell stack 100 is performed so that the air utilization rate is 40% or more, the fuel cell stack 100 as a whole is accompanied by the power generation operation for a long time. It was confirmed that the degree of deterioration in performance can be effectively reduced.

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。 B. Modification example:
The technique disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be transformed into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are also possible.

上記実施形態における単セル１１０、発電単位１０２、燃料電池スタック１００または燃料電池システム１０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、燃料電池スタック１００がガラスシール部１２５を備えているが、燃料電池スタック１００がガラスシール部１２５を備えないとしてもよい。また、上記実施形態では、セパレータ１２０が、Ｚ軸方向における位置が第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７とは異なる部分を含む連結部１２８を備えているが、セパレータ１２０が連結部１２８を備えないとしてもよい。 The configuration of the single cell 110, the power generation unit 102, the fuel cell stack 100, or the fuel cell system 10 in the above embodiment is merely an example and can be variously modified. For example, in the above embodiment, the fuel cell stack 100 includes the glass seal portion 125, but the fuel cell stack 100 may not include the glass seal portion 125. Further, in the above embodiment, the separator 120 includes a connecting portion 128 including a portion whose position in the Z-axis direction is different from that of the first flat portion 126 and the second flat portion 127, but the separator 120 is the connecting portion. 128 may not be provided.

また、上記実施形態では、Ｚ軸方向視での空気極１１４の面積が１３０ｃｍ２以上であるとしているが、空気極１１４の面積は任意に変形可能である。 Further, in the above embodiment, the area of the air electrode 114 in the Z-axis direction is 130 cm 2 or more, but the area of the air electrode 114 can be arbitrarily deformed.

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧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。 Further, in the above embodiment, the number of single cells 110 included in the fuel cell stack 100 is only an example, and the number of single cells 110 is appropriately determined according to the output voltage and the like required for the fuel cell stack 100. Further, the material constituting each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be composed of another material.

また、上記実施形態における１００の運転方法は、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、空気極１１４における第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２が６４０℃以下とされているが、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との温度差ΔＴが１３０℃以上である限りにおいて、第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２は任意に変更可能である。また、上記実施形態では、空気利用率が４０％以上とされているが、第１の部分Ｐ１の温度Ｔ１と第２の部分Ｐ２の温度Ｔ２との温度差ΔＴが１３０℃以上である限りにおいて、空気利用率は任意に変更可能である。 Further, the 100 operating methods in the above embodiment are merely examples and can be variously modified. For example, in the above embodiment, the temperature T2 of the second portion P2 in the air electrode 114 is 640 ° C. or lower, but the temperature difference between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2. As long as ΔT is 130 ° C. or higher, the temperature T2 of the second portion P2 can be arbitrarily changed. Further, in the above embodiment, the air utilization rate is 40% or more, but as long as the temperature difference ΔT between the temperature T1 of the first portion P1 and the temperature T2 of the second portion P2 is 130 ° C. or more. , The air utilization rate can be changed arbitrarily.

また、図６に示す空気極１１４における第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２の位置は、あくまで一例であり、第２の部分Ｐ２が第１の部分Ｐ１より空気供給流路（酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス供給連通流路１３２により構成される流路）における空気室１６６との接続箇所Ｐ０に近い限りにおいて、空気極１１４における第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２の位置は任意に変更可能である。 Further, the positions of the first portion P1 and the second portion P2 in the air electrode 114 shown in FIG. 6 are merely examples, and the second portion P2 is an air supply flow path (oxidizing agent gas) from the first portion P1. Positions of the first portion P1 and the second portion P2 in the air electrode 114 as long as they are close to the connection point P0 with the air chamber 166 in the introduction manifold 161 and the flow path formed by the oxidant gas supply communication flow path 132). Can be changed arbitrarily.

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は、平板型の単セル１１０を複数備える構成であるが、本発明は、他のタイプ（例えば円筒型）の単セルを複数備える燃料電池スタックにも同様に適用可能である。 Further, in the above embodiment, the fuel cell stack 100 is configured to include a plurality of flat plate type single cells 110, but the present invention also includes a fuel cell stack including a plurality of other types (for example, cylindrical) single cells. It is applicable as well.

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２０１６−８１８１３号公報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、上記実施形態に、空気極１１４において、第１の部分の温度Ｔ１と、第１の部分より空気供給流路における空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各電解単セルに電気化学反応を生じさせる運転を行うことにより、運転を長時間行うことに伴う電解セルスタック全体としての性能の劣化の程度を効果的に低減することができる。 Further, in the above embodiment, the SOFC that generates power by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidizing agent gas is targeted, but the present invention comprises an electrolysis reaction of water. It is also applicable to an electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide fuel cell (SOEC) that uses it to generate hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single cells. The configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is known, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, but is generally the same as the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. It is the composition of. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit, and the single cell 110 may be read as an electrolytic single cell. However, during the operation of the electrolytic cell stack, a voltage is applied between both electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode), and the voltage is applied through the communication hole 108. Water vapor as a raw material gas is supplied. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolytic cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out to the outside of the electrolytic cell stack through the communication hole 108. Also in the electrolytic cell unit and the electrolytic cell stack having such a configuration, in the above embodiment, in the air electrode 114, the temperature T1 of the first portion and the connection point between the first portion and the air chamber in the air supply flow path are connected. An electrochemical reaction is caused in each electrolytic single cell so that the temperature difference ΔT (= T1-T2) between the temperature T2 (where T1> T2) of the second portion close to is 130 ° C. or higher. By performing the operation, it is possible to effectively reduce the degree of deterioration in the performance of the electrolytic cell stack as a whole due to the operation for a long time.

１０：燃料電池システム 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 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：貫通孔 １２２：貫通孔周囲部 １２４：接合部 １２５：ガラスシール部 １２６：第１の平坦部 １２７：第２の平坦部 １２８：連結部 １３０：空気極側フレーム １３１：ガス室用孔 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：ガス室用孔 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 ２００：制御部 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＩＰ１：第１の内面 ＩＰ２：第２の内面 ＩＰ３：第３の内面 ＩＰ４：第４の内面 ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス Ｐ０：接続箇所 Ｐ１：第１の部分 Ｐ２：第２の部分 10: Fuel cell system 22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell power generation unit 104: End plate 106: End plate 108: Communication Hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Through hole 122: Through hole peripheral part 124: Joint part 125: Glass seal part 126: First flat part 127: Second Flat part 128: Connecting part 130: Air pole side frame 131: Gas chamber hole 132: Oxidizing agent gas supply communication flow path 133: Oxidizing agent gas discharge communication flow path 134: Air pole side current collector 135: Current collector Element 140: Fuel pole side frame 141: Gas chamber hole 142: Fuel gas supply communication flow path 143: Fuel gas discharge communication flow path 144: Fuel pole side current collector 145: Electrode facing part 146: Interconnector facing part 147: Connecting part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidizing agent gas introduction manifold 162: Oxidizing agent gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 200: Control unit FG: Fuel Gas FOG: Fuel off gas IP1: First inner surface IP2: Second inner surface IP3: Third inner surface IP4: Fourth inner surface OG: Oxidizing gas OOG: Oxidizing agent off gas P0: Connection point P1: First part P2 : Second part

Claims (7)

固体酸化物を含む電解質層と、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、をそれぞれ有する複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックであって、各前記電気化学反応単セルの前記空気極に面する空気室に空気を供給する空気供給流路が形成された電気化学反応セルスタックの運転方法において、
各前記電気化学反応単セルの前記空気極において、第１の部分の温度Ｔ１と、前記第１の部分より前記空気供給流路における前記空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２であり、Ｔ２は、６４０℃以下である。）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各前記電気化学反応単セルに電気化学反応を生じさせる運転工程を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの運転方法。 An electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells each having an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer. In the method of operating an electrochemical reaction cell stack in which an air supply flow path for supplying air to an air chamber facing the air electrode of each of the electrochemical reaction single cells is formed.
In the air electrode of each electrochemical reaction single cell, the temperature T1 of the first portion and the temperature T2 of the second portion closer to the connection point between the first portion and the air chamber in the air supply flow path. (However, T1> T2 , and T2 is 640 ° C. or lower. ) In each of the electrochemical reaction single cells so that the temperature difference ΔT (= T1-T2) between the temperature difference is 130 ° C. or higher. Equipped with an operating process that causes an electrochemical reaction,
A method of operating an electrochemical reaction cell stack, which is characterized in that. 請求項１に記載の電気化学反応セルスタックの運転方法において、
前記運転工程において、空気利用率は、４０％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の運転方法。 In the method for operating an electrochemical reaction cell stack according to claim 1 ,
In the operation process, the air utilization rate is 40% or more.
A method of operating an electrochemical reaction cell stack, which is characterized in that. 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の運転方法において、
各前記電気化学反応単セルは、平板型の電気化学反応単セルである、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの運転方法。 In the method of operating an electrochemical reaction cell stack according to claim 1 or 2 .
Each of the electrochemical reaction single cells is a flat plate type electrochemical reaction single cell.
A method of operating an electrochemical reaction cell stack, which is characterized in that. 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の運転方法において、
前記電気化学反応セルスタックは、さらに、
複数の前記電気化学反応単セルに対応して設けられた複数のセパレータであって、各前記セパレータには貫通孔が形成され、各前記セパレータは、各前記セパレータにおける前記貫通孔を取り囲む部分である貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの周縁部と接合されることによって、前記空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する、複数のセパレータを備え、
各前記セパレータは、
前記貫通孔周囲部を含み、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行な第１の平坦部と、
前記第２の方向に略平行な第２の平坦部と、
前記第１の方向における位置が前記第１の平坦部および前記第２の平坦部とは異なる部分を含み、前記第１の平坦部と前記第２の平坦部とを連結する連結部と、
を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの運転方法。 The method for operating an electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 1 to 3 .
The electrochemical reaction cell stack further
A plurality of separators provided corresponding to the plurality of electrochemical reaction single cells, each of which has a through hole formed therein, and each of the separators is a portion surrounding the through hole in each of the separators. A plurality of separators are provided, which partition the air chamber and the fuel chamber facing the fuel electrode by joining the peripheral portion of the through hole to the peripheral edge portion of the electrochemical reaction single cell.
Each said separator
A first flat portion including the peripheral portion of the through hole and substantially parallel to the second direction orthogonal to the first direction,
A second flat portion substantially parallel to the second direction,
A connecting portion that includes a portion whose position in the first direction is different from the first flat portion and the second flat portion, and connects the first flat portion and the second flat portion.
To prepare
A method of operating an electrochemical reaction cell stack, which is characterized in that. 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の運転方法において、
各前記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の方向視での前記空気極の面積は、１３０ｃｍ２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の運転方法。 In the method for operating an electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 1 to 4 .
In each of the electrochemical reaction single cells, the area of the air electrode in the first directional view is 130 cm2 or more.
A method of operating an electrochemical reaction cell stack, which is characterized in that. 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セルスタックの運転方法において、
各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の運転方法。 The method for operating an electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 1 to 5 .
Each of the electrochemical reaction single cells is a fuel cell single cell.
A method of operating an electrochemical reaction cell stack, which is characterized in that. 固体酸化物を含む電解質層と、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、をそれぞれ有する複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックであって、各前記電気化学反応単セルの前記空気極に面する空気室に空気を供給する空気供給流路が形成された電気化学反応セルスタックと、
各前記電気化学反応単セルにおける電気化学反応を制御する制御部と、
を備える電気化学反応システムにおいて、
前記制御部は、各前記電気化学反応単セルの前記空気極において、第１の部分の温度Ｔ１と、前記第１の部分より前記空気供給流路における前記空気室との接続箇所に近い第２の部分の温度Ｔ２（ただし、Ｔ１＞Ｔ２であり、Ｔ２は、６４０℃以下である。）と、の間の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が１３０℃以上となるように、各前記電気化学反応単セルに電気化学反応を生じさせる、
ことを特徴とする電気化学反応システム。 An electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells each having an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer. , An electrochemical reaction cell stack in which an air supply flow path for supplying air to the air chamber facing the air electrode of each of the electrochemical reaction single cells is formed.
A control unit that controls the electrochemical reaction in each of the electrochemical reaction single cells,
In an electrochemical reaction system equipped with
In the air electrode of each electrochemical reaction single cell, the control unit is closer to the connection point between the temperature T1 of the first portion and the air chamber in the air supply flow path than the first portion. The temperature difference ΔT (= T1-T2) between the temperature T2 (where T1> T2 and T2 is 640 ° C. or lower ) and the temperature T2 (where T1> T2) is 130 ° C. or higher. Chemical reaction Causes an electrochemical reaction in a single cell,
An electrochemical reaction system characterized by this.
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