JP6797153B2 - Electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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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に関する。 The techniques disclosed herein relate to electrochemical reaction cell stacks.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)を有する。SOFCは、一般に、上記第1の方向に並べて配置された複数の発電単位から構成された燃料電池スタックの形態で利用される。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") having an electrolyte layer containing a solid oxide is known as one of the types of fuel cells that generate electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Has been done. The fuel cell power generation unit (hereinafter, simply referred to as “power generation unit”), which is a constituent unit of SOFC, is an air that faces each other in a predetermined direction (hereinafter, referred to as “first direction”) with the electrolyte layer in between. It has a fuel cell single cell (hereinafter, simply referred to as “single cell”) including a pole and a fuel pole. SOFCs are generally used in the form of a fuel cell stack composed of a plurality of power generation units arranged side by side in the first direction.

燃料電池スタックには、複数のマニホールドが形成されている。各マニホールドは、複数の発電単位にわたって延びるガス流路である。また、燃料電池スタックを構成する各発電単位には、燃料極に面する燃料室と、燃料室と複数のマニホールドの1つとを連通する入口側連通ガス流路と、燃料室と複数のマニホールドの1つとを連通する出口側連通ガス流路とが形成されている。マニホールドに供給されたガス(水素を含むガス)は、各発電単位における入口側連通ガス流路を介して各発電単位の燃料室内に流入し、各発電単位における発電反応に利用される。その後、各発電単位の燃料室内のガスは、各発電単位における出口側連通ガス流路を介して他のマニホールドに排出される。 A plurality of manifolds are formed in the fuel cell stack. Each manifold is a gas flow path that extends over multiple units of power generation. In addition, each power generation unit constituting the fuel cell stack includes a fuel chamber facing the fuel electrode, an inlet-side communicating gas flow path that communicates the fuel chamber with one of the plurality of manifolds, and a fuel chamber and the plurality of manifolds. An outlet-side communicating gas flow path that communicates with one is formed. The gas supplied to the manifold (gas containing hydrogen) flows into the fuel chamber of each power generation unit through the inlet side communicating gas flow path in each power generation unit, and is used for the power generation reaction in each power generation unit. After that, the gas in the fuel chamber of each power generation unit is discharged to another manifold through the outlet-side communicating gas flow path in each power generation unit.

従来、上流側発電単位と下流側発電単位とを備える、いわゆる並直列型の燃料電池スタックが知られている(例えば、特許文献1参照)。並直列型の燃料電池スタックでは、下流側発電単位の入口側連通ガス流路は、マニホールドを介して、上流側発電単位の出口側連通ガス流路と連通している。そのため、並直列型の燃料電池スタックでは、上流側発電単位における発電反応に利用された後のガスが、下流側発電単位の燃料室に供給されて下流側発電単位における発電反応にも利用されることとなり、燃料ガスの利用率を向上させることができる。 Conventionally, a so-called parallel series type fuel cell stack including an upstream power generation unit and a downstream power generation unit is known (see, for example, Patent Document 1). In the parallel series type fuel cell stack, the inlet side communicating gas flow path of the downstream power generation unit communicates with the outlet side communicating gas flow path of the upstream power generation unit via a manifold. Therefore, in the parallel series type fuel cell stack, the gas after being used for the power generation reaction in the upstream power generation unit is supplied to the fuel chamber of the downstream power generation unit and also used for the power generation reaction in the downstream power generation unit. As a result, the fuel gas utilization rate can be improved.

特開2014−197492号公報JP-A-2014-197492

従来の並直列型の燃料電池スタックでは、各発電単位の燃料室から排出されたガスが他の発電単位を経由せずに燃料電池スタックの外部に排出される構成と比較して、燃料電池スタック全体としての燃料極側の圧力損失が増大するおそれがある。 In the conventional parallel series type fuel cell stack, the fuel cell stack is compared with the configuration in which the gas discharged from the fuel cell of each power generation unit is discharged to the outside of the fuel cell stack without passing through other power generation units. The pressure loss on the fuel electrode side as a whole may increase.

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という)の一形態である電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池スタックと電解セルスタックとを、まとめて「電気化学反応セルスタック」という。また、このような課題は、固体酸化物形に限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の課題である。 It should be noted that such a problem is also common to the electrolytic cell stack, which is a form of a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. Is. In the present specification, the fuel cell stack and the electrolytic cell stack are collectively referred to as an "electrochemical reaction cell stack". Further, such a problem is common not only to the solid oxide fuel cell but also to other types of electrochemical reaction cell stacks.

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は、電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルをそれぞれ有すると共に、前記第1の方向に並べて配置されたL(Lは3以上の整数)個の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記電気化学反応セルスタックには、それぞれ複数の前記電気化学反応単位にわたって延びるガス流路である複数のマニホールドが形成されており、各前記電気化学反応単位には、前記燃料極に面する燃料室と、前記燃料室と前記複数のマニホールドの1つとを連通する入口側連通ガス流路と、前記燃料室と前記複数のマニホールドの1つとを連通する出口側連通ガス流路と、が形成されており、前記L個の電気化学反応単位は、M(Mは1以上の整数)個の第1の電気化学反応単位と、N(Nは2以上の整数)個の第2の電気化学反応単位であって、各前記第2の電気化学反応単位の前記入口側連通ガス流路は、少なくとも1つの前記マニホールドを介して、各前記第1の電気化学反応単位の前記出口側連通ガス流路と連通している、N個の第2の電気化学反応単位と、を含み、各前記第2の電気化学反応単位の前記燃料室における前記第1の方向に前記燃料極と対向する部分の高さは、互いに等しく、かつ、各前記第1の電気化学反応単位の前記燃料室における前記第1の方向に前記燃料極と対向する部分の高さより高く、前記N個の第2の電気化学反応単位は、前記入口側連通ガス流路と前記出口側連通ガス流路との少なくとも一方である特定連通ガス流路の幅が互いに異なる複数の前記第2の電気化学反応単位を含み、前記N個の第2の電気化学反応単位における前記特定連通ガス流路の幅の最大値は、前記M個の第1の電気化学反応単位における前記特定連通ガス流路の幅の最小値より小さい。 (1) The electrochemical reaction cell stack disclosed in the present specification each has an electrochemical reaction single cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. In an electrochemical reaction cell stack having L (L is an integer of 3 or more) electrochemical reaction units arranged side by side in the first direction, each of the plurality of the electrochemical reaction cell stacks has the same amount of electricity. A plurality of manifolds, which are gas flow paths extending over the chemical reaction units, are formed, and each of the electrochemical reaction units has a fuel chamber facing the fuel electrode, the fuel chamber, and one of the plurality of manifolds. An inlet-side communicating gas flow path and an outlet-side communicating gas flow path that communicate with the fuel chamber and one of the plurality of manifolds are formed, and the L electrochemical reaction units are M (). M is one or more integers) first electrochemical reaction unit and N (N is two or more integers) second electrochemical reaction unit, and each of the second electrochemical reaction units The inlet-side communicating gas flow path communicates with the outlet-side communicating gas flow path of each said first electrochemical reaction unit via at least one of the manifolds, and N second electrochemical reactions. The heights of the portions of each of the second electrochemical reaction units in the fuel chamber facing the fuel electrode in the first direction, including the unit, are equal to each other and each of the first electrochemical reactions. The reaction unit is higher than the height of the portion of the fuel chamber facing the fuel electrode in the first direction, and the N second electrochemical reaction units communicate with the inlet side communication gas flow path and the outlet side communication. The specific communicating gas flow path in the N second electrochemical reaction units, which comprises a plurality of the second electrochemical reaction units having different widths of at least one of the specific communicating gas flow paths with the gas flow path. The maximum value of the width of is smaller than the minimum value of the width of the specific communicating gas flow path in the M first electrochemical reaction units.

本電気化学反応セルスタックでは、M個の第1の電気化学反応単位とN個の第2の電気化学反応単位とを備え、各第2の電気化学反応単位の入口側連通ガス流路は、マニホールドを介して、各第1の電気化学反応単位の出口側連通ガス流路と連通している。そのため、各第1の電気化学反応単位の燃料室から排出されたガスは、各第2の電気化学反応単位の燃料室内に導入され、その後、各第2の電気化学反応単位の燃料室から排出され、最終的に電気化学反応セルスタックの外部に排出される。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、第1の電気化学反応単位における反応に利用された後のガスが、第2の電気化学反応単位における反応にも利用されることとなり、燃料室に供給されるガスの利用率を向上させることができる。 In this electrochemical reaction cell stack, M first electrochemical reaction units and N second electrochemical reaction units are provided, and the inlet-side communicating gas flow path of each second electrochemical reaction unit is provided. It communicates with the outlet-side communicating gas flow path of each first electrochemical reaction unit via a manifold. Therefore, the gas discharged from the fuel chamber of each first electrochemical reaction unit is introduced into the fuel chamber of each second electrochemical reaction unit, and then discharged from the fuel chamber of each second electrochemical reaction unit. And finally discharged to the outside of the electrochemical reaction cell stack. Therefore, according to the present electrochemical reaction cell stack, the gas after being used for the reaction in the first electrochemical reaction unit is also used for the reaction in the second electrochemical reaction unit, and is used in the fuel chamber. The utilization rate of the supplied gas can be improved.

ただし、本電気化学反応セルスタックでは、上記構成であるため、各電気化学反応単位の燃料室から排出されたガスが他の電気化学反応単位を経由せずに電気化学反応セルスタックの外部に排出される構成と比較して、電気化学反応セルスタック全体としての燃料極側の圧力損失が増大するおそれがある。しかしながら、本電気化学反応セルスタックでは、各第2の電気化学反応単位の燃料室の高さが、各第1の電気化学反応単位の燃料室の高さより高い。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、燃料室に供給されるガスの利用率を向上させつつ、各第2の電気化学反応単位の燃料室における圧力損失を低減させることができ、その結果、電気化学反応セルスタック全体としての燃料極側の圧力損失の増大を抑制することができる。 However, since this electrochemical reaction cell stack has the above configuration, the gas discharged from the fuel chamber of each electrochemical reaction unit is discharged to the outside of the electrochemical reaction cell stack without passing through other electrochemical reaction units. There is a risk that the pressure loss on the fuel electrode side of the entire electrochemical reaction cell stack will increase as compared to the configuration. However, in the present electrochemical reaction cell stack, the height of the fuel chamber of each second electrochemical reaction unit is higher than the height of the fuel chamber of each first electrochemical reaction unit. Therefore, according to this electrochemical reaction cell stack, it is possible to reduce the pressure loss in the fuel chamber of each second electrochemical reaction unit while improving the utilization rate of the gas supplied to the fuel chamber, and as a result. , It is possible to suppress an increase in pressure loss on the fuel electrode side of the entire electrochemical reaction cell stack.

また、本電気化学反応セルスタックでは、各第2の電気化学反応単位の燃料室の高さが比較的高いため、各第2の電気化学反応単位の燃料室における圧力損失を低減させることができる一方で、複数の第2の電気化学反応単位間で、燃料室へ供給されるガスの流量にバラツキが発生しやすく、各第2の電気化学反応単位における反応バラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の性能が低下するおそれがある。しかしながら、本電気化学反応セルスタックでは、N個の第2の電気化学反応単位は、入口側連通ガス流路と出口側連通ガス流路との少なくとも一方である特定連通ガス流路の幅が互いに異なる複数の第2の電気化学反応単位を含んでいる。そのため、各第2の電気化学反応単位の特定連通ガス流路の幅を適切に設定することにより、各第2の電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の性能が低下することを抑制することができる。 Further, in the present electrochemical reaction cell stack, since the height of the fuel chamber of each second electrochemical reaction unit is relatively high, the pressure loss in the fuel chamber of each second electrochemical reaction unit can be reduced. On the other hand, the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber tends to vary among the plurality of second electrochemical reaction units, and the electrochemical reaction cell is caused by the reaction variation in each second electrochemical reaction unit. The performance of the entire stack may deteriorate. However, in the present electrochemical reaction cell stack, the widths of the specific communicating gas flow paths, which are at least one of the inlet side communicating gas flow path and the outlet side communicating gas flow path, of the N second electrochemical reaction units are mutual. It contains a plurality of different second electrochemical reaction units. Therefore, by appropriately setting the width of the specific communication gas flow path of each second electrochemical reaction unit, it is possible to suppress the variation in the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber of each second electrochemical reaction unit. As a result, it is possible to suppress the deterioration of the performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to the variation.

(2)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記N個の第2の電気化学反応単位は、前記第1の方向に互いに隣接する複数の前記第2の電気化学反応単位から構成された電気化学反応単位グループを含み、前記電気化学反応単位グループを構成する複数の前記第2の電気化学反応単位は、一の前記第2の電気化学反応単位と、前記一の第2の電気化学反応単位と比較して、前記燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、前記特定連通ガス流路の幅が狭い他の前記第2の電気化学反応単位と、を含む構成としてもよい。電気化学反応単位グループを構成する複数の第2の電気化学反応単位の内、燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の比較的近くに位置する第2の電気化学反応単位では、燃料室に供給されるガスの流量が多くなりやすい。本電気化学反応セルスタックでは、電気化学反応単位グループを構成する複数の第2の電気化学反応単位の内、燃料室に供給されるガスの流量が多くなりやすい第2の電気化学反応単位において、特定連通ガス流路の幅が比較的狭くなっている。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単位グループを構成する複数の第2の電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の性能が低下することを効果的に抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction cell stack, the N second electrochemical reaction units are composed of a plurality of the second electrochemical reaction units adjacent to each other in the first direction. A plurality of the second electrochemical reaction units including the unit group and constituting the electrochemical reaction unit group are compared with one said second electrochemical reaction unit and the said one second electrochemical reaction unit. Then, the other second electricity, which is located near the discharge hole for discharging the gas discharged from the fuel chamber to the outside of the electrochemical reaction cell stack and has a narrow width of the specific communication gas flow path. It may be configured to include a chemical reaction unit. Of the plurality of second electrochemical reaction units constituting the electrochemical reaction unit group, the second located relatively close to the discharge hole for discharging the gas discharged from the fuel chamber to the outside of the electrochemical reaction cell stack. In the electrochemical reaction unit of, the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber tends to increase. In this electrochemical reaction cell stack, among a plurality of second electrochemical reaction units constituting the electrochemical reaction unit group, in the second electrochemical reaction unit in which the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber tends to be large, The width of the specific communication gas flow path is relatively narrow. Therefore, according to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to suppress the variation in the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber of the plurality of second electrochemical reaction units constituting the electrochemical reaction unit group, and as a result. , It is possible to effectively suppress the deterioration of the performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to the variation.

(3)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記N個の第2の電気化学反応単位は、それぞれ前記第1の方向に互いに隣接する複数の前記第2の電気化学反応単位から構成された複数の電気化学反応単位グループを含み、前記複数の電気化学反応単位グループは、一の前記電気化学反応単位グループと、前記一の電気化学反応単位グループと比較して、前記燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、前記特定連通ガス流路の幅の最小値が小さい他の前記電気化学反応単位グループと、を含む構成としてもよい。複数の電気化学反応単位グループの内、燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の比較的近くに位置する電気化学反応単位グループでは、燃料室に供給されるガスの流量が多くなりやすい。本電気化学反応セルスタックでは、複数の電気化学反応単位グループの内、燃料室に供給されるガスの流量が多くなりやすい電気化学反応単位グループにおいて、特定連通ガス流路の幅の最小値が比較的小さくなっている。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、複数の電気化学反応単位グループ間での、第2の電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の性能が低下することを効果的に抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction cell stack, the N second electrochemical reaction units are each composed of a plurality of the second electrochemical reaction units adjacent to each other in the first direction. Including the electrochemical reaction unit group, the plurality of electrochemical reaction unit groups compare the one electrochemical reaction unit group with the one electrochemical reaction unit group, and the gas discharged from the fuel chamber is compared. It may be configured to include the other electrochemical reaction unit group located near the discharge hole for discharging to the outside of the electrochemical reaction cell stack and having a small minimum width of the specific communicating gas flow path. .. Among the plurality of electrochemical reaction unit groups, the electrochemical reaction unit group located relatively close to the discharge hole for discharging the gas discharged from the fuel chamber to the outside of the electrochemical reaction cell stack is supplied to the fuel chamber. The flow rate of gas tends to increase. In this electrochemical reaction cell stack, among the plurality of electrochemical reaction unit groups, the minimum value of the width of the specific communication gas flow path is compared in the electrochemical reaction unit group in which the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber tends to be large. It is getting smaller. Therefore, according to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to suppress the variation in the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber of the second electrochemical reaction unit among the plurality of electrochemical reaction unit groups. As a result, it is possible to effectively suppress the deterioration of the performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to the variation.

(4)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第2の電気化学反応単位の個数Nは、前記第1の電気化学反応単位の個数Mより小さい構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、燃料室に供給されるガスの利用率を向上させつつ、第2の電気化学反応単位においてガスが不足して反応性が低下することを抑制することができる。ただし、本電気化学反応セルスタックでは、第2の電気化学反応単位の個数Nが第1の電気化学反応単位の個数Mより小さいため、第1の電気化学反応単位と比較して第2の電気化学反応単位の方が、1つの電気化学反応単位あたりの燃料室へ供給されるガスの流量が多くなり、各第2の電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量にバラツキが発生しやすい。本電気化学反応セルスタックによれば、そのようなバラツキが発生しやすい構成においても、特定連通ガス流路の幅を適切に設定することにより、各第2の電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の性能が低下することを抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction cell stack, the number N of the second electrochemical reaction units may be smaller than the number M of the first electrochemical reaction units. According to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to improve the utilization rate of the gas supplied to the fuel chamber and suppress the decrease in reactivity due to the shortage of gas in the second electrochemical reaction unit. .. However, in the present electrochemical reaction cell stack, since the number N of the second electrochemical reaction units is smaller than the number M of the first electrochemical reaction units, the second electrochemical reaction unit is compared with the first electrochemical reaction unit. In the chemical reaction unit, the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber per electrochemical reaction unit is larger, and the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber of each second electrochemical reaction unit varies. It's easy to do. According to this electrochemical reaction cell stack, even in a configuration in which such variation is likely to occur, the width of the specific communicating gas flow path is appropriately set to supply the gas to the fuel chamber of each second electrochemical reaction unit. It is possible to suppress the variation in the flow rate of the gas to be produced, and as a result, it is possible to suppress the deterioration of the performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to the variation.

(5)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、各電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの利用率を向上させつつ、電気化学反応セルスタック全体としての圧力損失の増大を抑制することができ、さらに、各電気化学反応単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキに起因して電気化学反応セルスタック全体の発電性能が低下することを抑制することができる。 (5) In the electrochemical reaction cell stack, the electrochemical reaction single cell may be configured to be a fuel cell single cell. According to this electrochemical reaction cell stack, it is possible to improve the utilization rate of the gas supplied to the fuel chamber of each electrochemical reaction unit and suppress an increase in the pressure loss of the entire electrochemical reaction cell stack. Further, it is possible to suppress deterioration of the power generation performance of the entire electrochemical reaction cell stack due to the variation in the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber of each electrochemical reaction unit.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応セルスタック、電気化学反応セルスタックを備えるシステム、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The techniques disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, in the form of an electrochemical reaction cell stack, a system including an electrochemical reaction cell stack, a method for manufacturing the same, and the like. It is possible to do.

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1のIV−IVの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position IV-IV 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5のVIII−VIIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at the position of VIII-VIII of FIG. 図5のIX−IXの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at the position of IX-IX of FIG. 図5のX−Xの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XY cross-sectional structure of the power generation unit 102 at the position XX of FIG. 燃料電池スタック100を構成する各発電単位102における燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the width Wi of the combustion chamber inlet side communication gas flow path 142, and the width Wo of the fuel chamber outlet side communication gas flow path 143 in each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100.

A.第1の実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1(および後述する図8から図10)のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1(および後述する図8から図10)のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図であり、図4は、図1(および後述する図8から図10)のIV−IVの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を「上方向」といい、Z軸負方向を「下方向」というものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図5以降についても同様である。また、本明細書では、Z軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。
A. First Embodiment:
A-1. Constitution:
(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 a perspective view of the fuel cell stack 100 at the position II-II of FIG. 1 (and FIGS. 8 to 10 described later). It is explanatory drawing which shows the XZ 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. 8 to FIG. 10 which will be described later), FIG. Is an explanatory view showing a YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position IV-IV in FIG. 1 (and FIGS. 8 to 10 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 "upward" and the Z-axis negative direction is referred to as "downward", but the fuel cell stack 100 is actually in such an orientation. It may be installed in a different orientation. The same applies to FIGS. 5 and later. Further, in the present specification, the direction orthogonal to the Z-axis direction is referred to as a plane direction.

燃料電池スタック100は、L(Lは3以上の整数であり、本実施形態ではL=15)個の燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。15個の発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、15個の発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。 The fuel cell stack 100 includes L (L is an integer of 3 or more, L = 15 in this embodiment) fuel cell power generation units (hereinafter, simply referred to as “power generation units”) 102, and a pair of end plates 104. It is equipped with 106. The 15 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 15 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が備える15個の発電単位102は、M(Mは1以上の整数であり、本実施形態ではM=9)個の上流側発電単位102Uと、N(Nは2以上の整数であり、本実施形態ではN=6)個の下流側発電単位102Dとを含む。より詳細には、15個の発電単位102の内、下から数えて1〜3,6〜8番目の発電単位102が下流側発電単位102Dであり、4,5,9〜15番目の発電単位102が上流側発電単位102Uである。本実施形態では、下流側発電単位102Dの個数Nは、上流側発電単位102Uの個数Mより小さい。上流側発電単位102Uは、特許請求の範囲における第1の電気化学反応単位に相当し、下流側発電単位102Dは、特許請求の範囲における第2の電気化学反応単位に相当する。 The 15 power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are M (M is an integer of 1 or more, M = 9 in this embodiment) upstream power generation units 102U and N (N is an integer of 2 or more). In this embodiment, N = 6) downstream power generation units 102D are included. More specifically, of the 15 power generation units 102, the 1st to 3rd, 6th to 8th power generation units 102 counting from the bottom are the downstream power generation unit 102D, and the 4, 5, 9 to 15th power generation units. 102 is the upstream power generation unit 102U. In the present embodiment, the number N of the downstream power generation unit 102D is smaller than the number M of the upstream power generation unit 102U. The upstream power generation unit 102U corresponds to the first electrochemical reaction unit in the claims, and the downstream power generation unit 102D corresponds to the second electrochemical reaction unit 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軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、「連通孔108」という。 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 in the vertical direction. 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 are also 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が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2〜図4に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。 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 to 4, 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。該空間の内の少なくとも一部は、複数の発電単位102にわたって延びるガス流路であるマニホールドとして機能する。 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. At least a portion of the space functions as a manifold, which is a gas flow path extending over the plurality of power generation units 102.

具体的には、図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能する。また、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。 Specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, one side of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction (the side on the positive side of the X-axis of the two sides parallel to the Y-axis). In the space formed by the bolt 22 (bolt 22A) located near the midpoint and the communication hole 108 into which the bolt 22A is inserted, the oxidant gas OG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100 and its oxidation is performed. It functions as an oxidant gas introduction manifold 161 which is a gas flow path for supplying the agent gas OG to each power generation unit 102. Further, the bolt 22 (bolt 22B) located near the midpoint of one side (the side on the negative side of the X-axis of the two sides parallel to the Y-axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction. And the space formed by the communication hole 108 into which the bolt 22B is inserted discharges the oxidant off-gas OOG, which is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. It functions as an oxidant gas discharge manifold 162. In this embodiment, for example, air is used as the oxidant gas OG.

また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの頂点(X軸正方向側およびY軸負方向側の頂点)付近に位置するボルト22(ボルト22C)と、そのボルト22Cが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各上流側発電単位102Uに供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能する。また、図1、図3および図4に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各上流側発電単位102Uの燃料室176から排出されたガスである燃料中間ガスFMGを各下流側発電単位102Dに向けて運ぶ燃料ガス中継マニホールド172として機能する。また、図1、図3および図4に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各下流側発電単位102Dの燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド173として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。また、燃料中間ガスFMGには、各上流側発電単位102Uにおいて発電反応に利用されなかった水素等が含まれる。 Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the bolt 22 (bolt) located near one apex (the apex on the positive X-axis side and the negative side on the Y-axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction. In the space formed by the 22C) and the communication hole 108 into which the bolt 22C is inserted, the fuel gas FG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is supplied to each upstream power generation unit 102U. It functions as a fuel gas introduction manifold 171. Further, as shown in FIGS. 1, 3 and 4, one side of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction (the side on the positive side of the Y-axis of the two sides parallel to the X-axis). The space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located near the midpoint and the communication hole 108 into which the bolt 22D is inserted is the gas discharged from the fuel chamber 176 of each upstream power generation unit 102U. It functions as a fuel gas relay manifold 172 that carries the fuel intermediate gas FMG toward each downstream power generation unit 102D. Further, as shown in FIGS. 1, 3 and 4, one side of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction (the side on the negative side of the Y-axis of the two sides parallel to the X-axis). The space formed by the bolt 22 (bolt 22E) located near the midpoint and the communication hole 108 into which the bolt 22E is inserted is the gas discharged from the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D. It functions as a fuel gas discharge manifold 173 that discharges the fuel off-gas FOG to the outside of the fuel cell stack 100. In the present embodiment, for example, a hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used as the fuel gas FG. Further, the fuel intermediate gas FMG contains hydrogen and the like that were not used in the power generation reaction in each upstream power generation unit 102U.

燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通している。すなわち、このガス通路部材27は、酸化剤ガスOGを燃料電池スタック100の外部から内部に供給する供給孔として機能する。また、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。すなわち、このガス通路部材27は、酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の内部から外部へ排出する排出孔として機能する。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Cの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通している。すなわち、このガス通路部材27は、燃料ガスFGを燃料電池スタック100の外部から内部に供給する供給孔として機能する。また、図4に示すように、燃料ガス排出マニホールド173を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド173に連通している。すなわち、このガス通路部材27は、燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の内部から外部へ排出する排出孔として機能する。 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. That is, the gas passage member 27 functions as a supply hole for supplying the oxidant gas OG from the outside to the inside of the fuel cell stack 100. Further, 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. That is, the gas passage member 27 functions as a discharge hole for discharging the oxidant off-gas OOG from the inside to the outside of the fuel cell stack 100. 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 22C forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171. That is, the gas passage member 27 functions as a supply hole for supplying the fuel gas FG from the outside to the inside of the fuel cell stack 100. Further, as shown in FIG. 4, the hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22E forming the fuel gas discharge manifold 173 communicates with the fuel gas discharge manifold 173. That is, the gas passage member 27 functions as a discharge hole for discharging the fuel off-gas FOG from the inside to the outside of the fuel cell stack 100.

(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5は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102(1つの上流側発電単位102Uと1つの下流側発電単位102D)のXZ断面構成を示す説明図であり、図6は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102(2つの上流側発電単位102U)のYZ断面構成を示す説明図であり、図7は、図4に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102(2つの下流側発電単位102D)のYZ断面構成を示す説明図である。また、図8は、図5のVIII−VIIIの位置における発電単位102(上流側発電単位102U)のXY断面構成を示す説明図であり、図9は、図5のIX−IXの位置における発電単位102(上流側発電単位102U)のXY断面構成を示す説明図であり、図10は、図5のX−Xの位置における発電単位102(下流側発電単位102D)のXY断面構成を示す説明図である。
(Structure of power generation unit 102)
FIG. 5 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 (one upstream power generation unit 102U and one downstream power generation unit 102D) adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. FIG. 6 is an explanatory view showing a YZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 (two upstream power generation units 102U) adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 3, and FIG. 7 is shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross section configuration of two power generation units 102 (two downstream power generation units 102D) adjacent to each other at the same position as the cross section. 8 is an explanatory view showing an XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 (upstream power generation unit 102U) at the position of VIII-VIII of FIG. 5, and FIG. 9 is a power generation at the position of IX-IX of FIG. It is explanatory drawing which shows the XY cross section composition of the unit 102 (upstream power generation unit 102U), and FIG. 10 is the explanation which shows the XY cross section composition of the power generation unit 102 (downstream power generation unit 102D) at the position XX of FIG. It is a figure.

図5〜図7に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ軸方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される連通孔108に対応する孔が形成されている。 As shown in FIGS. 5 to 7, 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 into which the bolts 22 described above are inserted are formed in the peripheral edges of the separator 120, the air pole side frame 130, the fuel pole side frame 140, and the interconnector 150 around the Z axis direction.

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

単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。 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 fuel pole support type single cell in which the fuel pole 116 supports the electrolyte layer 112 and the air pole 114.

電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、CaSZ(カルシア安定化ジルコニア)等の固体酸化物により形成されている。このように、本実施形態の単セル110は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。空気極114は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子とからなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。 The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, a solid oxide such as YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), and CaSZ (calcia-stabilized zirconia). 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, and is formed of, for example, a perovskite-type oxide (for example, LSCF (lanternstrontium cobalt iron oxide), LSM (lanternstrontium manganese oxide), LNF (lantern nickel iron)). Has been done. The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, Ni (nickel), a cermet composed of Ni and ceramic particles, a Ni-based alloy, or the like.

セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、ステンレス等の金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、単セル110に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。 The separator 120 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, a metal such as stainless steel. The peripheral portion of the hole 121 in the separator 120 faces the peripheral edge of the surface of the electrolyte layer 112 on the side of the air electrode 114. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag wax) arranged at the opposite portion thereof. The separator 120 partitions the air chamber 166 facing the single cell 110 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, so that gas leaks from one electrode side to the other electrode side at the peripheral edge of the single cell 110. It is suppressed.

空気極側フレーム130は、図8に示すように、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、空気室166と酸化剤ガス導入マニホールド161とを連通する空気室入口側連通ガス流路132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する空気室出口側連通ガス流路133とが形成されている。空気室入口側連通ガス流路132および空気室出口側連通ガス流路133は、空気極側フレーム130に形成された面方向に延びる孔である。 As shown in FIG. 8, the air electrode side frame 130 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of, for example, an insulator such as mica. .. The hole 131 of the air electrode side frame 130 constitutes an air chamber 166 facing the air electrode 114. 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. .. Further, the air electrode side frame 130 electrically insulates between the pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102. Further, in the air electrode side frame 130, the air chamber 166 and the oxidant gas introduction manifold 161 are communicated with each other, and the air chamber inlet side communication gas flow path 132 is communicated with the air chamber 166 and the oxidant gas discharge manifold 162. A communication gas flow path 133 on the chamber outlet side is formed. The air chamber inlet side communicating gas flow path 132 and the air chamber outlet side communicating gas flow path 133 are holes formed in the air electrode side frame 130 in the plane direction.

燃料極側フレーム140は、図9および図10に示すように、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、ステンレス等の金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料室176と1つのマニホールドとを連通する燃料室入口側連通ガス流路142と、燃料室176と他の1つのマニホールドとを連通する燃料室出口側連通ガス流路143とが形成されている。燃料室入口側連通ガス流路142および燃料室出口側連通ガス流路143は、燃料極側フレーム140に形成された面方向に延びる孔である。図9に示すように、上流側発電単位102Uにおいては、燃料室入口側連通ガス流路142は、燃料室176と燃料ガス導入マニホールド171とを連通し、燃料室出口側連通ガス流路143は、燃料室176と燃料ガス中継マニホールド172とを連通する。また、図10に示すように、下流側発電単位102Dにおいては、燃料室入口側連通ガス流路142は、燃料室176と燃料ガス中継マニホールド172とを連通し、燃料室出口側連通ガス流路143は、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド173とを連通する。 As shown in FIGS. 9 and 10, the fuel electrode side frame 140 is a frame-shaped member having a substantially rectangular hole 141 formed in the vicinity of the center in the vertical direction, and is formed of, for example, a metal such as stainless steel. ing. Hole 141 of the fuel electrode side frame 140 constitutes a fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116. 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. Further, the fuel electrode side frame 140 has a fuel chamber inlet side communication gas flow path 142 that communicates the fuel chamber 176 and one manifold, and a fuel chamber outlet side communication that communicates the fuel chamber 176 and the other manifold. A gas flow path 143 is formed. The fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 are holes extending in the plane direction formed in the fuel electrode side frame 140. As shown in FIG. 9, in the upstream power generation unit 102U, the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 communicates the fuel chamber 176 and the fuel gas introduction manifold 171, and the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 is , The fuel chamber 176 and the fuel gas relay manifold 172 are communicated with each other. Further, as shown in FIG. 10, in the downstream power generation unit 102D, the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 communicates the fuel chamber 176 and the fuel gas relay manifold 172, and the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 142. The 143 communicates the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 173.

空気極側集電体134は、図5〜図8に示すように、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。 The air pole side current collector 134 is arranged in the air chamber 166 as shown in FIGS. 5 to 8. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially square columnar conductive members arranged at predetermined intervals, and is made 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 and the interconnector 150 may be formed as an integral member.

燃料極側集電体144は、図5〜図7、図9および図10に示すように、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、複数の電極対向部145と、各電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えた導電体であり、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。各電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。 The fuel electrode side current collector 144 is arranged in the fuel chamber 176 as shown in FIGS. 5 to 7, 9 and 10. The fuel electrode side current collector 144 is a conductor including an interconnector facing portion 146, a plurality of electrode facing portions 145, and a connecting portion 147 connecting each electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. For example, it is made of nickel, nickel alloy, stainless steel, or the like. Each 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 the surface of the interconnector 150 facing the fuel pole 116. Is in contact with. 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.

A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図5に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102(上流側発電単位102Uおよび下流側発電単位102D)の空気室入口側連通ガス流路132を介して空気室166に供給され、各発電単位102の単セル110の空気極114に供給される。
A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 5, the outside of the fuel cell stack 100 is provided via a gas pipe (not shown) connected to a branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. When the oxidant gas OG is supplied from, 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 the oxidant gas introduction manifold 161 Is supplied to the air chamber 166 via the air chamber inlet side communicating gas flow path 132 of each power generation unit 102 (upstream power generation unit 102U and downstream power generation unit 102D), and the air electrode 114 of the single cell 110 of each power generation unit 102. Is supplied to.

また、図3および図6に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各上流側発電単位102Uの燃料室入口側連通ガス流路142を介して燃料室176に供給され、各上流側発電単位102Uの単セル110の燃料極116に供給される。なお、燃料ガス導入マニホールド171は、各下流側発電単位102Dの燃料室176には連通しておらず、燃料ガス導入マニホールド171から各下流側発電単位102Dの燃料室176に燃料ガスFGが供給されることはない。 Further, as shown in FIGS. 3 and 6, the fuel cell stack 100 is connected to a gas pipe (not shown) connected to a branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. When the fuel gas FG is supplied from the outside, 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 each upstream from the fuel gas introduction manifold 171. It is supplied to the fuel chamber 176 via the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 of the side power generation unit 102U, and is supplied to the fuel pole 116 of the single cell 110 of each upstream power generation unit 102U. The fuel gas introduction manifold 171 does not communicate with the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D, and the fuel gas FG is supplied from the fuel gas introduction manifold 171 to the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D. There is nothing.

また、図3、図4、図6および図7に示すように、各上流側発電単位102Uの燃料室176から燃料室出口側連通ガス流路143を介して燃料ガス中継マニホールド172に排出された燃料中間ガスFMGは、各下流側発電単位102Dの燃料室入口側連通ガス流路142を介して燃料室176に供給され、各下流側発電単位102Dの単セル110の燃料極116に供給される。 Further, as shown in FIGS. 3, 4, 6 and 7, the fuel was discharged from the fuel chamber 176 of each upstream power generation unit 102U to the fuel gas relay manifold 172 via the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143. The fuel intermediate gas FMG is supplied to the fuel chamber 176 via the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 of each downstream power generation unit 102D, and is supplied to the fuel pole 116 of the single cell 110 of each downstream power generation unit 102D. ..

各発電単位102(上流側発電単位102Uおよび下流側発電単位102D)の単セル110の空気極114に酸化剤ガスOGが供給され、単セル110の燃料極116に燃料ガスFGまたは燃料中間ガスFMGが供給されると、各単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGまたは燃料中間ガスFMGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。 Oxidizing agent gas OG is supplied to the air pole 114 of the single cell 110 of each power generation unit 102 (upstream power generation unit 102U and downstream power generation unit 102D), and fuel gas FG or fuel intermediate gas FMG is supplied to the fuel pole 116 of the single cell 110. Is supplied, power is generated in each single cell 110 by an electrochemical reaction of the oxidant gas OG and the fuel gas FG or the fuel intermediate gas FMG. 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.

図2および図5に示すように、各発電単位102(上流側発電単位102Uおよび下流側発電単位102D)の空気室166から空気室出口側連通ガス流路133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出された酸化剤オフガスOOGは、酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、図4および図7に示すように、各下流側発電単位102Dの燃料室176から燃料室出口側連通ガス流路143を介して燃料ガス排出マニホールド173に排出された燃料オフガスFOGは、燃料ガス排出マニホールド173の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。 As shown in FIGS. 2 and 5, the oxidizer gas discharge manifold 162 is transmitted from the air chamber 166 of each power generation unit 102 (upstream power generation unit 102U and downstream power generation unit 102D) to the air chamber outlet side communication gas flow path 133. The oxidant off-gas OOG discharged to the gas pipe (gas pipe) connected to the branch portion 29 through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas discharge manifold 162. It is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 via (not shown). Further, as shown in FIGS. 4 and 7, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D to the fuel gas discharge manifold 173 via the fuel chamber outlet side communication gas flow path 143 is the fuel. The outside of the fuel cell stack 100 via the holes of the main body 28 and the branch 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the gas discharge manifold 173, and via a gas pipe (not shown) connected to the branch 29. Is discharged to.

このように、本実施形態の燃料電池スタック100では、燃料電池スタック100の外部から導入された燃料ガスFGが、燃料ガス導入マニホールド171を介して複数の上流側発電単位102Uに並列に供給され、その後、各上流側発電単位102Uから排出された燃料中間ガスFMGが、燃料ガス中継マニホールド172を介して複数の下流側発電単位102Dに並列に供給される。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック100は、いわゆる並直列型の燃料電池スタックである。 As described above, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the fuel gas FG introduced from the outside of the fuel cell stack 100 is supplied in parallel to the plurality of upstream power generation units 102U via the fuel gas introduction manifold 171. After that, the fuel intermediate gas FMG discharged from each upstream power generation unit 102U is supplied in parallel to the plurality of downstream power generation units 102D via the fuel gas relay manifold 172. That is, the fuel cell stack 100 of the present embodiment is a so-called parallel series type fuel cell stack.

A−3.各発電単位102の燃料極側の詳細構成:
次に、各発電単位102の燃料極側の構成について、さらに詳細に説明する。上述したように、本実施形態の燃料電池スタック100が備えるL(本実施形態ではL=15)個の発電単位102は、M(本実施形態ではM=9)個の上流側発電単位102Uと、N(本実施形態ではN=6)個の下流側発電単位102Dとを含む。本実施形態の燃料電池スタック100では、下流側発電単位102Dの個数Nは、上流側発電単位102Uの個数Mより小さい(N<M)。
A-3. Detailed configuration on the fuel pole side of each power generation unit 102:
Next, the configuration on the fuel electrode side of each power generation unit 102 will be described in more detail. As described above, the L (L = 15 in this embodiment) power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 of the present embodiment are replaced with M (M = 9 in this embodiment) upstream power generation units 102U. , N (N = 6 in this embodiment) of downstream power generation units 102D. In the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the number N of the downstream power generation unit 102D is smaller than the number M of the upstream power generation unit 102U (N <M).

本実施形態の燃料電池スタック100では、6個の下流側発電単位102Dのそれぞれの燃料室176における、Z軸方向に燃料極116と対向する部分の高さHd(以下、単に「下流側発電単位102Dの燃料室176の高さHd」という)は、互いに等しい(図5および図7参照)。なお、下流側発電単位102Dの燃料室176の高さHdが、燃料室176における面方向の各位置で異なる場合には、下流側発電単位102Dの燃料室176の高さHdは、各位置での高さHdの最小値を意味するものとする。また、本明細書において、複数の燃料室176の高さが互いに等しいとは、各燃料室176の高さの差が±0.01mm以下であることを意味する。各下流側発電単位102Dの燃料室176の高さHdは、例えば、1.9mm〜2.3mm程度である。 In the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the height Hd of the portion of each of the six downstream power generation units 102D facing the fuel pole 116 in the Z-axis direction (hereinafter, simply "downstream power generation unit"). The height Hd of the fuel chamber 176 of 102D ”is equal to each other (see FIGS. 5 and 7). If the height Hd of the fuel chamber 176 of the downstream power generation unit 102D is different at each position in the plane direction in the fuel chamber 176, the height Hd of the fuel chamber 176 of the downstream power generation unit 102D is at each position. It shall mean the minimum value of the height Hd of. Further, in the present specification, when the heights of the plurality of fuel chambers 176 are equal to each other, it means that the difference in height of each fuel chamber 176 is ± 0.01 mm or less. The height Hd of the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D is, for example, about 1.9 mm to 2.3 mm.

同様に、本実施形態の燃料電池スタック100では、9個の上流側発電単位102Uのそれぞれの燃料室176における、Z軸方向に燃料極116と対向する部分の高さHu(以下、単に「上流側発電単位102Uの燃料室176の高さHu」という)は、互いに等しい(図5および図6参照)。なお、上流側発電単位102Uの燃料室176の高さHuが、燃料室176における面方向の各位置で異なる場合には、上流側発電単位102Uの燃料室176の高さHuは、各位置での高さHuの最小値を意味するものとする。各上流側発電単位102Uの燃料室176の高さHuは、例えば、1.4mm〜1.8mm程度である。 Similarly, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the height Hu of the portion of each fuel chamber 176 of the nine upstream power generation units 102U facing the fuel pole 116 in the Z-axis direction (hereinafter, simply "upstream"). The height Hu of the fuel chamber 176 of the side power generation unit 102U) is equal to each other (see FIGS. 5 and 6). If the height Hu of the fuel chamber 176 of the upstream power generation unit 102U is different at each position in the plane direction in the fuel chamber 176, the height Hu of the fuel chamber 176 of the upstream power generation unit 102U is at each position. It shall mean the minimum value of the height Hu of. The height Hu of the fuel chamber 176 of each upstream power generation unit 102U is, for example, about 1.4 mm to 1.8 mm.

また、本実施形態の燃料電池スタック100では、各下流側発電単位102Dの燃料室176の高さHdは、各上流側発電単位102Uの燃料室176の高さHuより高い(Hd>Hu)。本実施形態では、各下流側発電単位102Dの燃料極側フレーム140の厚さ(Z軸方向における大きさ)を各上流側発電単位102Uの燃料極側フレーム140の厚さより厚くすることにより、上記関係(Hd>Hu)を実現している。下流側発電単位102Dの燃料室176の高さHdと、上流側発電単位102Uの燃料室176の高さHuとの差(=Hd−Hu)は、0.5mm以上であることが好ましい。 Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the height Hd of the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D is higher than the height Hu of the fuel chamber 176 of each upstream power generation unit 102U (Hd> Hu). In the present embodiment, the thickness (size in the Z-axis direction) of the fuel pole side frame 140 of each downstream power generation unit 102D is made thicker than the thickness of the fuel pole side frame 140 of each upstream power generation unit 102U. The relationship (Hd> Hu) is realized. The difference (= Hd-Hu) between the height Hd of the fuel chamber 176 of the downstream power generation unit 102D and the height Hu of the fuel chamber 176 of the upstream power generation unit 102U is preferably 0.5 mm or more.

また、図11は、燃料電池スタック100を構成する各発電単位102における燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woを示す説明図である。図11の右端の表には、燃料電池スタック100を構成する各発電単位102について、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの値が示されている。 Further, FIG. 11 is an explanatory diagram showing the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the width Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 in each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100. In the table at the right end of FIG. 11, the values of the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the width Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 are shown for each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100. It is shown.

ここで、図9および図10に示すように、各発電単位102における燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiは、Z軸方向視で、燃料室入口側連通ガス流路142の延伸方向に直交する方向の大きさである。燃料室入口側連通ガス流路142の各位置において幅Wiが異なる場合には、燃料室入口側連通ガス流路142における燃料室176との接続位置において幅Wiを特定するものとする。また、1つの発電単位102に複数の燃料室入口側連通ガス流路142が存在する場合には、各燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの合計を、該発電単位102の燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiというものとする。同様に、各発電単位102における燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woは、Z軸方向視で、燃料室出口側連通ガス流路143の延伸方向に直交する方向の大きさである。燃料室出口側連通ガス流路143の各位置において幅Woが異なる場合には、燃料室出口側連通ガス流路143における燃料室176との接続位置において幅Woを特定するものとする。また、1つの発電単位102に複数の燃料室出口側連通ガス流路143が存在する場合には、各燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの合計を、該発電単位102の燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woというものとする。 Here, as shown in FIGS. 9 and 10, the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 in each power generation unit 102 is the extending direction of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 in the Z-axis direction. It is the size in the direction orthogonal to. When the width Wi is different at each position of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142, the width Wi is specified at the connection position with the fuel chamber 176 in the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142. When a plurality of fuel chamber inlet-side communicating gas flow paths 142 exist in one power generation unit 102, the total width Wi of each fuel chamber inlet-side communicating gas flow path 142 is calculated as the fuel chamber of the power generation unit 102. It is assumed that the width Wi of the inlet side communicating gas flow path 142. Similarly, the width Wo of the combustion chamber outlet side communicating gas flow path 143 in each power generation unit 102 is the size in the direction orthogonal to the extending direction of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 in the Z-axis direction. When the width Wo is different at each position of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143, the width Wo shall be specified at the connection position with the fuel chamber 176 in the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143. When a plurality of fuel chamber outlet side communicating gas flow paths 143 exist in one power generation unit 102, the total width Wo of each fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 is calculated as the fuel chamber of the power generation unit 102. The width W of the outlet-side communicating gas flow path 143.

図11に示すように、本実施形態の燃料電池スタック100では、6個の下流側発電単位102Dのそれぞれにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiは、互いに等しくない。すなわち、6個の下流側発電単位102Dは、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiが互いに異なる複数の下流側発電単位102Dを含む。なお、本明細書において、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiが互いに異なるとは、各幅Wiの差が±0.01mmより大きいことを意味する。具体的には、本実施形態の燃料電池スタック100では、下から数えて1,2,3,6,7,8番目の下流側発電単位102Dの燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiは、それぞれ、「j」mm、「j+0.1」mm、「j+0.2」mm、「j+0.1」mm、「j+0.2」mm、「j+0.3」mmである。ここで、「j」は、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの基準値(以下、「入口側基準幅j」という)であり、本実施形態では、最も下に位置する発電単位102(下流側発電単位102D)の燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiと同値である。なお、入口側基準幅jは、例えば、1.2mm〜1.6mm程度である。また、本実施形態の燃料電池スタック100では、各下流側発電単位102Dにおいて、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiは、燃料室176の高さHdより小さい。燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiに対する燃料室176の高さHdの比(=Hd/Wi)は、1.1以上であることが好ましい。 As shown in FIG. 11, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 in each of the six downstream power generation units 102D is not equal to each other. That is, the six downstream power generation units 102D include a plurality of downstream power generation units 102D having different width Wis of the fuel chamber inlet side communication gas flow paths 142. In the present specification, the fact that the width Wis of the combustion chamber inlet side communicating gas flow paths 142 are different from each other means that the difference between the width Wis is larger than ± 0.01 mm. Specifically, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the width Wi of the fuel cell inlet side communicating gas flow path 142 of the 1, 2, 3, 6, 7, and 8th downstream power generation unit 102D counted from the bottom. Are "j" mm, "j + 0.1" mm, "j + 0.2" mm, "j + 0.1" mm, "j + 0.2" mm, and "j + 0.3" mm, respectively. Here, "j" is a reference value of the width Wi of the combustion chamber inlet side communicating gas flow path 142 (hereinafter, referred to as "inlet side reference width j"), and in the present embodiment, the power generation unit located at the lowest position. It is the same value as the width Wi of the communication gas flow path 142 on the inlet side of the fuel chamber of 102 (downstream power generation unit 102D). The reference width j on the inlet side is, for example, about 1.2 mm to 1.6 mm. Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, in each downstream power generation unit 102D, the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 is smaller than the height Hd of the fuel chamber 176. The ratio (= Hd / Wi) of the height Hd of the fuel chamber 176 to the width Wi of the communication gas flow path 142 on the fuel chamber inlet side is preferably 1.1 or more.

同様に、本実施形態の燃料電池スタック100では、6個の下流側発電単位102Dのそれぞれにおける燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woは、互いに等しくない。すなわち、6個の下流側発電単位102Dは、燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woが互いに異なる複数の下流側発電単位102Dを含む。なお、本明細書において、燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woが互いに異なるとは、各幅Woの差が±0.01mmより大きいことを意味する。具体的には、本実施形態の燃料電池スタック100では、下から数えて1,2,3,6,7,8番目の下流側発電単位102Dの燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woは、それぞれ、「k」mm、「k+0.1」mm、「k+0.2」mm、「k+0.1」mm、「k+0.2」mm、「k+0.3」mmである。ここで、「k」は、燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの基準値(以下、「出口側基準幅k」という)であり、本実施形態では、最も下に位置する発電単位102(下流側発電単位102D)の燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woと同値である。なお、出口側基準幅kは、例えば、1.2mm〜1.6mm程度である。また、本実施形態の燃料電池スタック100では、各下流側発電単位102Dにおいて、燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woは、燃料室176の高さHdより小さい。燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woに対する燃料室176の高さHdの比(=Hd/Wo)は、1.1以上であることが好ましい。 Similarly, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the widths of the fuel chamber outlet side communicating gas flow paths 143 in each of the six downstream power generation units 102D are not equal to each other. That is, the six downstream power generation units 102D include a plurality of downstream power generation units 102D having different widths Wo of the fuel chamber outlet side communication gas flow path 143. In the present specification, the fact that the widths Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow paths 143 are different from each other means that the difference between the widths Wo is larger than ± 0.01 mm. Specifically, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the width Wo of the fuel cell outlet side communication gas flow path 143 of the 1, 2, 3, 6, 7, and 8th downstream power generation unit 102D counted from the bottom. Are "k" mm, "k + 0.1" mm, "k + 0.2" mm, "k + 0.1" mm, "k + 0.2" mm, and "k + 0.3" mm, respectively. Here, "k" is a reference value of the width Wo of the combustion chamber outlet side communication gas flow path 143 (hereinafter, referred to as "outlet side reference width k"), and in the present embodiment, the power generation unit located at the lowest position. It is the same value as the width Wo of the fuel chamber outlet side communication gas flow path 143 of 102 (downstream power generation unit 102D). The outlet side reference width k is, for example, about 1.2 mm to 1.6 mm. Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, in each downstream power generation unit 102D, the width Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 is smaller than the height Hd of the fuel chamber 176. The ratio of the height Hd of the fuel chamber 176 to the width Wo of the gas flow path 143 on the outlet side of the fuel chamber (= Hd / Wo) is preferably 1.1 or more.

一方、本実施形態の燃料電池スタック100では、9個の上流側発電単位102Uのそれぞれにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiは、互いに等しい(すべて、「j+0.5」mmである)。また、9個の上流側発電単位102Uのそれぞれにおける燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woも、互いに等しい(すべて、「k+0.5」mmである)。 On the other hand, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 in each of the nine upstream power generation units 102U is equal to each other (all are "j + 0.5" mm). ). Further, the widths of the fuel chamber outlet-side communicating gas flow paths 143 in each of the nine upstream power generation units 102U are also equal to each other (all are "k + 0.5" mm).

また、本実施形態の燃料電池スタック100では、6個の下流側発電単位102Dにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの最大値(=「j+0.3」mm)は、9個の上流側発電単位102Uにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの最小値(=「j+0.5」mm)より小さくなっている。すなわち、各下流側発電単位102Dにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiは、各上流側発電単位102Uにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiと比較して、全体的に狭くなっている。同様に、本実施形態の燃料電池スタック100では、6個の下流側発電単位102Dにおける燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの最大値(=「k+0.3」mm)は、9個の上流側発電単位102Uにおける燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの最小値(=「k+0.5」mm)より小さくなっている。すなわち、各下流側発電単位102Dにおける燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woは、各上流側発電単位102Uにおける燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woと比較して、全体的に狭くなっている。 Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the maximum value (= "j + 0.3" mm) of the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 in the six downstream power generation units 102D is nine. It is smaller than the minimum value (= "j + 0.5" mm) of the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 in the upstream power generation unit 102U. That is, the width Wi of the combustion chamber inlet side communicating gas flow path 142 in each downstream power generation unit 102D is generally wider than the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 in each upstream power generation unit 102U. It's getting narrower. Similarly, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the maximum value (= “k + 0.3” mm) of the width Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 in the six downstream power generation units 102D is nine. It is smaller than the minimum value (= "k + 0.5" mm) of the width Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 in the upstream side power generation unit 102U. That is, the width Wo of the combustion chamber outlet side communicating gas flow path 143 in each downstream power generation unit 102D is generally wider than the width Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 in each upstream power generation unit 102U. It's getting narrower.

なお、本実施形態における燃料室入口側連通ガス流路142および燃料室出口側連通ガス流路143は、特許請求の範囲における特定連通ガス流路に相当する。 The fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 in the present embodiment correspond to the specific communicating gas flow path within the scope of the claims.

また、Z軸方向に互いに隣接する複数の下流側発電単位102Dから構成されたグループを、下流側発電単位グループ102DGと呼ぶものとすると、本実施形態の燃料電池スタック100では、6個の下流側発電単位102Dは、2つの下流側発電単位グループ102DGを有すると言える(図2〜図4,図11参照)。すなわち、本実施形態では、下から数えて1,2,3番目の3つの下流側発電単位102Dから構成された下流側発電単位グループ102DG(以下、「下側下流側発電単位グループ102DG1」という)と、下から数えて6,7,8番目の3つの下流側発電単位102Dから構成された下流側発電単位グループ102DG(以下、「上側下流側発電単位グループ102DG2」という)とが存在する。 Further, assuming that a group composed of a plurality of downstream power generation units 102D adjacent to each other in the Z-axis direction is referred to as a downstream power generation unit group 102DG, the fuel cell stack 100 of the present embodiment has six downstream power generation units 102D. It can be said that the power generation unit 102D has two downstream power generation unit groups 102DG (see FIGS. 2 to 4 and 11). That is, in the present embodiment, the downstream power generation unit group 102DG composed of the first, second, and third downstream power generation units 102D counted from the bottom (hereinafter, referred to as "lower downstream power generation unit group 102DG1"). And, there is a downstream power generation unit group 102DG (hereinafter, referred to as “upper downstream power generation unit group 102DG2”) composed of three downstream power generation units 102D, which are the sixth, seventh, and eighth from the bottom.

1つの下流側発電単位グループ102DGに着目すると、該下流側発電単位グループ102DGを構成する複数の下流側発電単位102Dの内、より下側に位置する下流側発電単位102Dほど、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woが狭くなっている。例えば、下側下流側発電単位グループ102DG1を構成する3つの下流側発電単位102Dの内、最も上側に位置する下流側発電単位102Dにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiは「j+0.2」mmであり、最も下側に位置する下流側発電単位102Dにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiは、それより狭い「j」mmであり、両者の中間に位置する下流側発電単位102Dにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiは、両者の中間である「j+0.1」mmである。下側下流側発電単位グループ102DG1における燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woや、上側下流側発電単位グループ102DG2の燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woについても同様となっている。 Focusing on one downstream power generation unit group 102DG, among the plurality of downstream power generation units 102D constituting the downstream power generation unit group 102DG, the downstream power generation unit 102D located on the lower side communicates with the combustion chamber inlet side. The width Wi of the gas flow path 142 and the width Wo of the communication gas flow path 143 on the fuel chamber outlet side are narrowed. For example, among the three downstream power generation units 102D constituting the lower downstream power generation unit group 102DG1, the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 in the downstream power generation unit 102D located at the uppermost side is "j + 0. The width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 in the downstream power generation unit 102D, which is 2 ”mm and is located at the lowermost side, is“ j ”mm, which is narrower than that, and is located on the downstream side between the two. The width Wi of the communication gas flow path 142 on the fuel chamber inlet side in the power generation unit 102D is "j + 0.1" mm, which is intermediate between the two. The width Wo of the combustion chamber outlet side communication gas flow path 143 in the lower downstream power generation unit group 102DG1, the width Wi of the fuel chamber inlet side communication gas flow path 142 of the upper downstream power generation unit group 102DG2, and the fuel chamber outlet side communication gas. The same applies to the width Wo of the flow path 143.

なお、1つの下流側発電単位グループ102DGを構成する複数の下流側発電単位102Dの内、より下側に位置する下流側発電単位102Dは、燃料室176から排出されたガス(燃料オフガスFOG)を燃料電池スタック100の外部へ排出する排出孔(すなわち、燃料ガス排出マニホールド173の位置に設けられたガス通路部材27(図4参照))のより近くに位置する下流側発電単位102Dであると言える。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100では、1つの下流側発電単位グループ102DGを構成する複数の下流側発電単位102Dは、一の下流側発電単位102Dと、該一の下流側発電単位102Dと比較して、燃料室176から排出されたガスを燃料電池スタック100の外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woが狭い他の下流側発電単位102Dとを含むと言える。 Of the plurality of downstream power generation units 102D constituting one downstream power generation unit group 102DG, the downstream power generation unit 102D located on the lower side uses the gas (fuel off gas FOG) discharged from the fuel chamber 176. It can be said that the downstream power generation unit 102D is located closer to the discharge hole (that is, the gas passage member 27 (see FIG. 4) provided at the position of the fuel gas discharge manifold 173) for discharging to the outside of the fuel cell stack 100. .. Therefore, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the plurality of downstream power generation units 102D constituting one downstream power generation unit group 102DG include one downstream power generation unit 102D and the one downstream power generation unit 102D. In comparison, it is located near the discharge hole for discharging the gas discharged from the fuel cell stack 100 to the outside of the fuel cell stack 100, and the width Wi of the fuel cell inlet side communication gas flow path 142 and the fuel cell outlet side communication. It can be said that the gas flow path 143 includes another downstream power generation unit 102D having a narrow width Wo.

また、複数の下流側発電単位グループ102DGを互いに比較すると、より下側に位置する下流側発電単位グループ102DGほど、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの最小値および燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの最小値が小さくなっている。例えば、下側下流側発電単位グループ102DG1における燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの最小値(=「j」mm)は、上側下流側発電単位グループ102DG2における燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの最小値(=「j+0.1」mm)より小さい。燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの最小値についても同様となっている。 Comparing a plurality of downstream power generation unit groups 102DG with each other, the downstream power generation unit group 102DG located on the lower side has the minimum value of the width Wi of the fuel chamber inlet side communication gas flow path 142 and the fuel chamber outlet side communication. The minimum value of the width Wo of the gas flow path 143 is small. For example, the minimum value (= "j" mm) of the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 in the lower downstream power generation unit group 102DG1 is the fuel chamber inlet side communicating gas flow in the upper downstream power generation unit group 102DG2. It is smaller than the minimum value (= "j + 0.1" mm) of the width Wi of the road 142. The same applies to the minimum value of the width Wo of the communication gas flow path 143 on the fuel chamber outlet side.

なお、複数の下流側発電単位グループ102DGの内、より下側に位置する下流側発電単位グループ102DGは、燃料室176から排出されたガス(燃料オフガスFOG)を燃料電池スタック100の外部へ排出する排出孔(燃料ガス排出マニホールド173の位置に設けられたガス通路部材27)のより近くに位置する下流側発電単位グループ102DGであると言える。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100では、複数の下流側発電単位グループ102DGは、一の下流側発電単位グループ102DGと、該一の下流側発電単位グループ102DGと比較して、燃料室176から排出されたガスを燃料電池スタック100の外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの最小値および燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの最小値が小さい他の下流側発電単位グループ102DGとを含むと言える。 Among the plurality of downstream power generation unit groups 102DG, the downstream power generation unit group 102DG located on the lower side discharges the gas (fuel off gas FOG) discharged from the fuel chamber 176 to the outside of the fuel cell stack 100. It can be said that the downstream power generation unit group 102DG is located closer to the discharge hole (the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas discharge manifold 173). Therefore, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the plurality of downstream power generation unit groups 102DG are compared with one downstream power generation unit group 102DG and the one downstream power generation unit group 102DG from the fuel chamber 176. It is located near the discharge hole for discharging the discharged gas to the outside of the fuel cell stack 100, and the minimum value of the width Wi of the fuel chamber inlet side communication gas flow path 142 and the fuel chamber outlet side communication gas flow path 143. It can be said that it includes another downstream power generation unit group 102DG having a small minimum width Wo.

A−4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100は、Z軸方向に並べて配置されたL(Lは3以上の整数であり、本実施形態ではL=15)個の発電単位102を備える。各発電単位102は、電解質層112と、電解質層112を挟んでZ軸方向に互いに対向する空気極114および燃料極116と、を含む単セル110を有する。燃料電池スタック100には、それぞれ複数の発電単位102にわたって延びるガス流路である複数のマニホールド161,162,171,172,173が形成されている。各発電単位102には、燃料極116に面する燃料室176と、燃料室176と複数のマニホールドの1つ(燃料ガス導入マニホールド171または燃料ガス中継マニホールド172)とを連通する燃料室入口側連通ガス流路142と、燃料室176と複数のマニホールドの1つ(燃料ガス中継マニホールド172または燃料ガス排出マニホールド173)とを連通する燃料室出口側連通ガス流路143とが形成されている。L個の発電単位102は、M(Mは1以上の整数であり、本実施形態ではM=9)個の上流側発電単位102Uと、N(Nは2以上の整数であり、本実施形態ではN=6)個の下流側発電単位102Dとを含む。各下流側発電単位102Dの燃料室入口側連通ガス流路142は、燃料ガス中継マニホールド172を介して、各上流側発電単位102Uの燃料室出口側連通ガス流路143と連通している。また、本実施形態の燃料電池スタック100では、各下流側発電単位102Dの燃料室176におけるZ軸方向に燃料極116と対向する部分の高さHdは、互いに等しく、かつ、各上流側発電単位102Uの燃料室176におけるZ軸方向に燃料極116と対向する部分の高さHuより高い。また、N個の下流側発電単位102Dは、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woが互いに異なる複数の下流側発電単位102Dを含む。また、N個の下流側発電単位102Dにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの最大値は、M個の上流側発電単位102Uにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの最小値より小さく、かつ、N個の下流側発電単位102Dにおける燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの最大値は、M個の上流側発電単位102Uにおける燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの最小値より小さい。
A-4. Effect of this embodiment:
As described above, the fuel cell stack 100 of the present embodiment includes L (L is an integer of 3 or more, L = 15 in the present embodiment) power generation units 102 arranged side by side in the Z-axis direction. .. Each power generation unit 102 has a single cell 110 including an electrolyte layer 112, an air pole 114 and a fuel pole 116 facing each other in the Z-axis direction with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The fuel cell stack 100 is formed with a plurality of manifolds 161, 162, 171 and 172, 173, each of which is a gas flow path extending over the plurality of power generation units 102. Each power generation unit 102 has a fuel chamber inlet side communication that communicates a fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, a fuel chamber 176, and one of a plurality of manifolds (fuel gas introduction manifold 171 or fuel gas relay manifold 172). A gas flow path 142, and a fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 that communicates the fuel chamber 176 and one of the plurality of manifolds (fuel gas relay manifold 172 or fuel gas discharge manifold 173) are formed. The L power generation units 102 are M (M is an integer of 1 or more, M = 9 in this embodiment) upstream power generation units 102U and N (N is an integer of 2 or more, and the present embodiment). Then, N = 6) downstream power generation units 102D are included. The fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 of each downstream power generation unit 102D communicates with the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 of each upstream power generation unit 102U via the fuel gas relay manifold 172. Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the height Hd of the portion of the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D facing the fuel pole 116 in the Z-axis direction is equal to each other, and each upstream power generation unit The height of the portion of the fuel chamber 176 of 102U facing the fuel electrode 116 in the Z-axis direction is higher than Hu. Further, the N downstream power generation units 102D include a plurality of downstream power generation units 102D in which the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the width W of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 are different from each other. Further, the maximum value of the width Wi of the combustion chamber inlet side communicating gas flow path 142 in the N downstream power generation units 102D is the width Wi of the combustion chamber inlet side communicating gas flow path 142 in the M upstream power generation units 102U. The maximum value of the width Wo of the combustion chamber outlet side communication gas flow path 143 in N downstream power generation units 102D, which is smaller than the minimum value, is the fuel chamber outlet side communication gas flow path in M upstream power generation units 102U. It is smaller than the minimum value of the width Wo of 143.

このように、本実施形態の燃料電池スタック100は、M個の上流側発電単位102UとN個の下流側発電単位102Dとを備え、各下流側発電単位102Dの燃料室入口側連通ガス流路142は、燃料ガス中継マニホールド172を介して、各上流側発電単位102Uの燃料室出口側連通ガス流路143と連通している。そのため、各上流側発電単位102Uの燃料室176から排出されたガス(燃料中間ガスFMG)は、各下流側発電単位102Dの燃料室176内に導入され、その後、各下流側発電単位102Dの燃料室176から燃料オフガスFOGとして排出され、最終的に燃料電池スタック100の外部に排出される。従って、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、上流側発電単位102Uにおける発電反応に利用された後のガスが、下流側発電単位102Dにおける発電反応にも利用されることとなり、燃料ガスFGの利用率を向上させることができる。 As described above, the fuel cell stack 100 of the present embodiment includes M upstream power generation units 102U and N downstream power generation units 102D, and the fuel chamber inlet side communication gas flow path of each downstream power generation unit 102D. The 142 communicates with the fuel chamber outlet side communication gas flow path 143 of each upstream power generation unit 102U via the fuel gas relay manifold 172. Therefore, the gas (fuel intermediate gas FMG) discharged from the fuel chamber 176 of each upstream power generation unit 102U is introduced into the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D, and then the fuel of each downstream power generation unit 102D. It is discharged from the chamber 176 as a fuel off-gas FOG, and finally discharged to the outside of the fuel cell stack 100. Therefore, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the gas after being used for the power generation reaction in the upstream power generation unit 102U is also used for the power generation reaction in the downstream power generation unit 102D, and the fuel gas FG It is possible to improve the utilization rate of.

ただし、本実施形態の燃料電池スタック100では、上記構成であるため、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスが他の発電単位102を経由せずに燃料電池スタック100の外部に排出される構成と比較して、燃料電池スタック100全体としての燃料極側の圧力損失が増大するおそれがある。しかしながら、本実施形態の燃料電池スタック100では、各下流側発電単位102Dの燃料室176の高さHdが、各上流側発電単位102Uの燃料室176の高さHuより高い。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、燃料ガスFGの利用率を向上させつつ、各下流側発電単位102Dの燃料室176における圧力損失を低減させることができ、その結果、燃料電池スタック100全体としての燃料極側の圧力損失の増大を抑制することができる。 However, since the fuel cell stack 100 of the present embodiment has the above configuration, the gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 without passing through the other power generation unit 102. There is a possibility that the pressure loss on the fuel electrode side of the fuel cell stack 100 as a whole will increase as compared with the configuration. However, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the height Hd of the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D is higher than the height Hu of the fuel chamber 176 of each upstream power generation unit 102U. Therefore, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, it is possible to reduce the pressure loss in the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D while improving the utilization rate of the fuel gas FG, and as a result, the fuel cell. It is possible to suppress an increase in pressure loss on the fuel electrode side of the stack 100 as a whole.

また、本実施形態の燃料電池スタック100では、各下流側発電単位102Dの燃料室176の高さHdが比較的高いため、各下流側発電単位102Dの燃料室176における圧力損失を低減させることができる一方で、複数の下流側発電単位102D間で、燃料室176へ供給されるガス(燃料中間ガスFMG)の流量にバラツキが発生しやすく、各下流側発電単位102Dにおける反応バラツキに起因して燃料電池スタック100全体の発電性能が低下するおそれがある。しかしながら、本実施形態の燃料電池スタック100では、N個の下流側発電単位102Dは、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woが互いに異なる複数の下流側発電単位102Dを含んでいる。そのため、各下流側発電単位102Dの燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woを適切に設定することにより、各下流側発電単位102Dの燃料室176へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して燃料電池スタック100全体の発電性能が低下することを抑制することができる。 Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, since the height Hd of the fuel cell 176 of each downstream power generation unit 102D is relatively high, the pressure loss in the fuel cell 176 of each downstream power generation unit 102D can be reduced. On the other hand, the flow rate of the gas (fuel intermediate gas FMG) supplied to the fuel chamber 176 tends to vary among the plurality of downstream power generation units 102D, which is caused by the reaction variation in each downstream power generation unit 102D. The power generation performance of the entire fuel cell stack 100 may deteriorate. However, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the width Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 are different from each other in the N downstream power generation units 102D. It includes a plurality of downstream power generation units 102D. Therefore, by appropriately setting the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the width Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 of each downstream power generation unit 102D, the fuel of each downstream power generation unit 102D is set. It is possible to suppress the variation in the flow rate of the gas supplied to the chamber 176, and as a result, it is possible to suppress the deterioration of the power generation performance of the entire fuel cell stack 100 due to the variation.

また、本実施形態の燃料電池スタック100では、N個の下流側発電単位102Dは、Z軸方向に互いに隣接する複数の下流側発電単位102Dから構成された下流側発電単位グループ102DGを含む。下流側発電単位グループ102DGを構成する複数の下流側発電単位102Dは、一の下流側発電単位102Dと、該一の下流側発電単位102Dと比較して、燃料室176から排出されたガス(燃料オフガスFOG)を燃料電池スタック100の外部へ排出する排出孔(燃料ガス排出マニホールド173の位置に設けられたガス通路部材27)の近くに位置し、かつ、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woが狭い他の下流側発電単位102Dとを含む。下流側発電単位グループ102DGを構成する複数の下流側発電単位102Dの内、上記排出孔の比較的近くに位置する下流側発電単位102Dでは、燃料室176に供給されるガス(燃料中間ガスFMG)の流量が多くなりやすい。本実施形態の燃料電池スタック100では、下流側発電単位グループ102DGを構成する複数の下流側発電単位102Dの内、燃料室176に供給されるガスの流量が多くなりやすい下流側発電単位102Dにおいて、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woが比較的狭くなっている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、下流側発電単位グループ102DGを構成する複数の下流側発電単位102Dの燃料室176へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して燃料電池スタック100全体の発電性能が低下することを効果的に抑制することができる。 Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the N downstream power generation units 102D include a downstream power generation unit group 102DG composed of a plurality of downstream power generation units 102D adjacent to each other in the Z-axis direction. The plurality of downstream power generation units 102D constituting the downstream power generation unit group 102DG compare one downstream power generation unit 102D and the one downstream power generation unit 102D with the gas (fuel) discharged from the fuel chamber 176. The off-gas FOG) is located near the discharge hole (gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas discharge manifold 173) for discharging the fuel cell stack 100 to the outside, and the communication gas flow path 142 on the fuel chamber inlet side is located. The width Wi and the other downstream power generation unit 102D having a narrow width W of the fuel chamber outlet side communication gas flow path 143 are included. Of the plurality of downstream power generation units 102D constituting the downstream power generation unit group 102DG, in the downstream power generation unit 102D located relatively close to the discharge hole, the gas supplied to the fuel chamber 176 (fuel intermediate gas FMG). Flow rate tends to increase. In the fuel cell stack 100 of the present embodiment, among the plurality of downstream power generation units 102D constituting the downstream power generation unit group 102DG, in the downstream power generation unit 102D in which the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber 176 tends to be large. The width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the width W of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 are relatively narrow. Therefore, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, it is possible to suppress variations in the flow rate of the gas supplied to the fuel chambers 176 of the plurality of downstream power generation units 102D constituting the downstream power generation unit group 102DG. As a result, it is possible to effectively suppress the deterioration of the power generation performance of the entire fuel cell stack 100 due to the variation.

また、本実施形態の燃料電池スタック100では、N個の下流側発電単位102Dは、それぞれZ軸方向に互いに隣接する複数の下流側発電単位102Dから構成された複数の下流側発電単位グループ102DGを含む。複数の下流側発電単位グループ102DGは、一の下流側発電単位グループ102DGと、該一の下流側発電単位グループ102DGと比較して、燃料室176から排出されたガス(燃料オフガスFOG)を燃料電池スタック100の外部へ排出する排出孔(燃料ガス排出マニホールド173の位置に設けられたガス通路部材27)の近くに位置し、かつ、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの最小値および燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの最小値が小さい他の下流側発電単位グループ102DGとを含む。複数の下流側発電単位グループ102DGの内、上記排出孔の比較的近くに位置する下流側発電単位グループ102DGでは、燃料室176に供給されるガス(燃料中間ガスFMG)の流量が多くなりやすい。本実施形態の燃料電池スタック100では、複数の下流側発電単位グループ102DGの内、燃料室176に供給されるガスの流量が多くなりやすい下流側発電単位グループ102DGにおいて、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiの最小値および燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woの最小値が比較的小さくなっている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、複数の下流側発電単位グループ102DG間での、下流側発電単位102Dの燃料室176へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して燃料電池スタック100全体の発電性能が低下することを効果的に抑制することができる。 Further, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the N downstream power generation units 102D form a plurality of downstream power generation unit groups 102DG each composed of a plurality of downstream power generation units 102D adjacent to each other in the Z-axis direction. Including. The plurality of downstream power generation unit groups 102DG compare one downstream power generation unit group 102DG with the one downstream power generation unit group 102DG, and compare the gas (fuel off gas FOG) discharged from the fuel chamber 176 with the fuel cell. It is located near the discharge hole (gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas discharge manifold 173) for discharging to the outside of the stack 100, and has the minimum value of the width Wi of the communication gas flow path 142 on the fuel chamber inlet side. It includes another downstream power generation unit group 102DG having a small minimum value of the width Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143. Among the plurality of downstream power generation unit groups 102DG, in the downstream power generation unit group 102DG located relatively close to the discharge hole, the flow rate of the gas (fuel intermediate gas FMG) supplied to the fuel chamber 176 tends to increase. In the fuel cell stack 100 of the present embodiment, among the plurality of downstream power generation unit groups 102DG, in the downstream power generation unit group 102DG in which the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber 176 tends to be large, the continuous gas flow on the fuel chamber inlet side The minimum value of the width Wi of the road 142 and the minimum value of the width Wo of the fuel chamber outlet side communication gas flow path 143 are relatively small. Therefore, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, it is possible to suppress the variation in the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber 176 of the downstream power generation unit 102D among the plurality of downstream power generation unit groups 102DG. As a result, it is possible to effectively suppress the deterioration of the power generation performance of the entire fuel cell stack 100 due to the variation.

なお、本実施形態の燃料電池スタック100では、下流側発電単位102Dの個数Nは、上流側発電単位102Uの個数Mより小さい(N<M)。そのため、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、燃料ガスFGの利用率を向上させつつ、下流側発電単位102Dにおいてガス(水素)が不足して反応性が低下することを抑制することができる。ただし、本実施形態の燃料電池スタック100では、下流側発電単位102Dの個数Nが上流側発電単位102Uの個数Mより小さいため、上流側発電単位102Uと比較して下流側発電単位102Dの方が、1つの発電単位102あたりの燃料室176へ供給されるガスの流量が多くなり、各下流側発電単位102Dの燃料室176へ供給されるガスの流量にバラツキが発生しやすい。本実施形態の燃料電池スタック100によれば、そのようなバラツキが発生しやすい構成においても、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woを適切に設定することにより、各下流側発電単位102Dの燃料室176へ供給されるガスの流量のバラツキを抑制することができ、その結果、該バラツキに起因して燃料電池スタック100全体の発電性能が低下することを抑制することができる。 In the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the number N of the downstream power generation unit 102D is smaller than the number M of the upstream power generation unit 102U (N <M). Therefore, according to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, it is possible to improve the utilization rate of the fuel gas FG and suppress the shortage of gas (hydrogen) in the downstream power generation unit 102D to reduce the reactivity. it can. However, in the fuel cell stack 100 of the present embodiment, since the number N of the downstream power generation unit 102D is smaller than the number M of the upstream power generation unit 102U, the downstream power generation unit 102D is smaller than the upstream power generation unit 102U. The flow rate of the gas supplied to the fuel chamber 176 per one power generation unit 102 increases, and the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D tends to vary. According to the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the width W of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 are set even in a configuration in which such variation is likely to occur. By making appropriate settings, it is possible to suppress variations in the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber 176 of each downstream power generation unit 102D, and as a result, the power generation performance of the entire fuel cell stack 100 due to the variations. Can be suppressed from decreasing.

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燃料電池スタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態の燃料電池スタック100における、発電単位102の個数L、上流側発電単位102Uの個数M、下流側発電単位102Dの個数N、下流側発電単位グループ102DGの個数、各下流側発電単位グループ102DGを構成する下流側発電単位102Dの個数等は、あくまで一例であり、任意に変更可能である。例えば、上記実施形態では、下流側発電単位102Dの個数Nは上流側発電単位102Uの個数Mより小さいが(N<M)、下流側発電単位102Dの個数Nは上流側発電単位102Uの個数M以上であってもよい(N≧M)。 The configuration of the fuel cell stack 100 in the above embodiment is merely an example and can be variously modified. For example, in the fuel cell stack 100 of the above embodiment, the number L of power generation units 102, the number M of upstream power generation units 102U, the number N of downstream power generation units 102D, the number of downstream power generation unit groups 102DG, and each downstream power generation. The number of downstream power generation units 102D constituting the unit group 102DG is merely an example and can be arbitrarily changed. For example, in the above embodiment, the number N of the downstream power generation unit 102D is smaller than the number M of the upstream power generation unit 102U (N <M), but the number N of the downstream power generation unit 102D is the number M of the upstream power generation unit 102U. It may be the above (N ≧ M).

また、上記実施形態では、各下流側発電単位102Dの燃料室入口側連通ガス流路142が、1つのマニホールド(燃料ガス中継マニホールド172)を介して各上流側発電単位102Uの燃料室出口側連通ガス流路143と連通しているが、各下流側発電単位102Dの燃料室入口側連通ガス流路142が、複数のマニホールドを介して各上流側発電単位102Uの燃料室出口側連通ガス流路143と連通しているとしてもよい。例えば、各下流側発電単位102Dの燃料室入口側連通ガス流路142が、1つのマニホールドを介して上流側発電単位102U以外に形成された面方向のガス流路に連通し、該ガス流路が燃料ガス中継マニホールド172を介して各上流側発電単位102Uの燃料室出口側連通ガス流路143と連通しているとしてもよい。 Further, in the above embodiment, the fuel chamber inlet side communication gas flow path 142 of each downstream power generation unit 102D communicates with the fuel chamber outlet side of each upstream power generation unit 102U via one manifold (fuel gas relay manifold 172). Although it communicates with the gas flow path 143, the fuel chamber inlet side communication gas flow path 142 of each downstream power generation unit 102D communicates with the fuel chamber outlet side communication gas flow path 142 of each upstream power generation unit 102U via a plurality of manifolds. It may communicate with 143. For example, the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 of each downstream power generation unit 102D communicates with the gas flow path in the plane direction formed other than the upstream power generation unit 102U via one manifold, and the gas flow path May communicate with the fuel chamber outlet side communication gas flow path 143 of each upstream power generation unit 102U via the fuel gas relay manifold 172.

また、上記実施形態において、各発電単位102の燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woは、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、6個の下流側発電単位102Dは、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiが互いに異なる複数の下流側発電単位102Dを含み、かつ、6個の下流側発電単位102Dは、燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woが互いに異なる複数の下流側発電単位102Dを含むとしているが、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiと燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woとの一方について、6個の下流側発電単位102Dのそれぞれにおける連通ガス流路の幅が等しい構成としてもよい。この場合において、燃料室入口側連通ガス流路142と燃料室出口側連通ガス流路143との内、幅が等しくない方の連通ガス流路が、特許請求の範囲における特定連通ガス流路に相当する。また、例えば、上記実施形態では、9個の上流側発電単位102Uのそれぞれにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woは等しい構成としているが、燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiと燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woとの少なくとも一方について、連通ガス流路の幅が等しくないとしてもよい。 Further, in the above embodiment, the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the width W of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 of each power generation unit 102 are merely examples and can be variously modified. For example, in the above embodiment, the six downstream power generation units 102D include a plurality of downstream power generation units 102D having different width Wis of the fuel chamber inlet side communication gas flow paths 142, and the six downstream power generation units 102D. The unit 102D is said to include a plurality of downstream power generation units 102D having different widths Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143, but the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the fuel chamber outlet side communication. One of the widths Wo of the gas flow path 143 may have the same width of the communicating gas flow paths in each of the six downstream power generation units 102D. In this case, of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143, the communicating gas flow path having the same width is the specific communicating gas flow path within the scope of the claims. Equivalent to. Further, for example, in the above embodiment, the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the width Wo of the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 in each of the nine upstream power generation units 102U are configured to be equal. However, the widths of the communicating gas flow paths may not be equal for at least one of the width Wi of the communication gas flow path 142 on the fuel chamber inlet side and the width Wo of the communication gas flow path 143 on the fuel chamber outlet side.

また、上記実施形態では、各下流側発電単位グループ102DGを構成する複数の(3つの)下流側発電単位102Dの燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiおよび燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woが互いに異なっているが、該複数の下流側発電単位102Dの内の少なくとも一部の下流側発電単位102Dについて、幅Wiおよび幅Woの少なくとも一方が互いに同一であるとしてもよい。すなわち、各下流側発電単位グループ102DGは、幅Wiおよび幅Woの少なくとも一方が互いに同一である複数の下流側発電単位102Dを含んでいてもよい。例えば、図11に示す下側下流側発電単位グループ102DG1を構成する3つの下流側発電単位102Dの内、最も上側に位置する下流側発電単位102Dにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiと、中央に位置する下流側発電単位102Dにおける燃料室入口側連通ガス流路142の幅Wiとが、共に「j+0.2」mmであるとしてもよい。あるいは、下側下流側発電単位グループ102DG1を構成する3つの下流側発電単位102Dの内、最も下側に位置する下流側発電単位102Dにおける燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woと、中央に位置する下流側発電単位102Dにおける燃料室出口側連通ガス流路143の幅Woとが、共にkmmであるとしてもよい。なお、これらの変形例においても、下流側発電単位グループ102DGを構成する複数の下流側発電単位102Dは、一の下流側発電単位102Dと、該一の下流側発電単位102Dと比較して、燃料室176から排出された燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、燃料室入口側連通ガス流路142および/または燃料室出口側連通ガス流路143の幅Wi,Woが狭い他の下流側発電単位102Dと、を含んでいると言える。 Further, in the above embodiment, the width Wi of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the fuel chamber outlet side communicating gas flow path of the plurality of (three) downstream power generation unit 102Ds constituting each downstream power generation unit group 102DG. Although the width Wo of 143 is different from each other, at least one of the width Wi and the width Wo may be the same for at least a part of the downstream power generation units 102D among the plurality of downstream power generation units 102D. That is, each downstream power generation unit group 102DG may include a plurality of downstream power generation units 102D in which at least one of the width Wi and the width Wo is the same as each other. For example, of the three downstream power generation units 102D constituting the lower downstream power generation unit group 102DG1 shown in FIG. 11, the width Wi of the combustion chamber inlet side communicating gas flow path 142 in the downstream power generation unit 102D located at the uppermost side. And the width Wi of the communication gas flow path 142 on the fuel chamber inlet side in the downstream power generation unit 102D located at the center may both be "j + 0.2" mm. Alternatively, the width Wo of the combustion chamber outlet side communication gas flow path 143 in the downstream power generation unit 102D located at the lowermost side among the three downstream power generation units 102D constituting the lower downstream power generation unit group 102DG1 and the center. The width Wo of the combustion chamber outlet side communication gas flow path 143 in the downstream power generation unit 102D located at may be km. Also in these modifications, the plurality of downstream power generation units 102D constituting the downstream power generation unit group 102DG are compared with one downstream power generation unit 102D and the one downstream power generation unit 102D as fuel. The fuel off-gas FOG discharged from the chamber 176 is located near the discharge hole for discharging the fuel off-gas FOG to the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and / or the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143. It can be said that the width Wi and Wo include another downstream power generation unit 102D having a narrow width.

また、上記実施形態における各マニホールドや各連通ガス流路の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、各下流側発電単位102Dに形成される燃料室入口側連通ガス流路142や燃料室出口側連通ガス流路143の個数は1つであるが、各下流側発電単位102Dに形成される燃料室入口側連通ガス流路142や燃料室出口側連通ガス流路143の個数は、任意に設定可能であり、複数であってもよい。また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト22が挿入される各連通孔108とは別に設けてもよい。 Further, the configuration of each manifold and each communicating gas flow path in the above embodiment is merely an example and can be variously deformed. For example, in the above embodiment, the number of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 formed in each downstream side power generation unit 102D is one, but each downstream side power generation unit. The number of the fuel chamber inlet side communicating gas flow path 142 and the fuel chamber outlet side communicating gas flow path 143 formed in the 102D can be arbitrarily set and may be plural. Further, in the above embodiment, the space between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108 is used as each manifold, but instead of this, the shaft of each bolt 22 is used. Axial holes may be formed in the portion, and the holes may be used as each manifold. Further, each manifold may be provided separately from each communication hole 108 into which each bolt 22 is inserted.

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016−81813号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、マニホールドを介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、マニホールドを介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用すると、各電解セル単位の燃料室へ供給されるガスの利用率を向上させつつ、電解セルスタック全体としての圧力損失の増大を抑制することができ、さらに、各電解セル単位の燃料室へ供給されるガスの流量のバラツキに起因して電解セルスタック全体の性能が低下することを抑制することができる。 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 cell stack having a plurality of electrolytic cell units, which are constituent units of a solid oxide fuel cell (SOEC) that uses it to generate hydrogen. The configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is known as described in, for example, 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 a configuration. 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 raw material gas is passed through the manifold. Water vapor is supplied as. 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 via the manifold. Even in the electrolytic cell stack having such a configuration, if the same configuration as that of the above embodiment is adopted, the pressure loss of the electrolytic cell stack as a whole is improved while improving the utilization rate of the gas supplied to the fuel chamber of each electrolytic cell unit. Further, it is possible to suppress the deterioration of the performance of the entire electrolytic cell stack due to the variation in the flow rate of the gas supplied to the fuel chamber of each electrolytic cell unit.

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本願発明は、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池スタック(または電解セルスタック)にも適用可能である。 Further, in the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example, but the present invention has a solid polymer fuel cell (PEFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), and a molten carbonate fuel cell. It is also applicable to other types of fuel cell stacks (or electrolytic cell stacks) such as fuel cells (MCFCs).

22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 102D:下流側発電単位 102DG:下流側発電単位グループ 102U:上流側発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:空気室入口側連通ガス流路 133:空気室出口側連通ガス流路 134:空気極側集電体 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料室入口側連通ガス流路 143:燃料室出口側連通ガス流路 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス中継マニホールド 173:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 FG:燃料ガス FMG:燃料中間ガス FOG:燃料オフガス Hd:高さ Hu:高さ OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス Wi:幅 Wo:幅 j:入口側基準幅 k:出口側基準幅 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 102D: Downstream power generation unit 102DG: Downstream power generation unit group 102U: Upstream Side power generation unit 104: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air pole 116: Fuel pole 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130: Air pole side frame 131: Hole 132: Air chamber inlet side communication gas flow path 133: Air chamber outlet side communication gas flow path 134: Air electrode side current collector 140: Fuel pole side frame 141: Hole 142: Fuel chamber inlet side communication gas flow path 143: Fuel Room outlet side communication gas flow path 144: Fuel electrode 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: Oxidating agent gas discharge Manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas relay manifold 173: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber FG: Fuel gas FMG: Fuel intermediate gas FOG: Fuel off gas Hd: Height Hu: Height OG: Oxidizing agent gas OOG: Oxidizing agent off gas Wi: Width Wo: Width j: Inlet side reference width k: Outlet side reference width

Claims (5)

電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルをそれぞれ有すると共に、前記第1の方向に並べて配置されたL(Lは3以上の整数)個の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電気化学反応セルスタックには、それぞれ複数の前記電気化学反応単位にわたって延びるガス流路である複数のマニホールドが形成されており、
各前記電気化学反応単位には、
前記燃料極に面する燃料室と、
前記燃料室と前記複数のマニホールドの1つとを連通する入口側連通ガス流路と、
前記燃料室と前記複数のマニホールドの1つとを連通する出口側連通ガス流路と、
が形成されており、
前記L個の電気化学反応単位は、
M(Mは1以上の整数)個の第1の電気化学反応単位と、
N(Nは2以上の整数)個の第2の電気化学反応単位であって、各前記第2の電気化学反応単位の前記入口側連通ガス流路は、少なくとも1つの前記マニホールドを介して、各前記第1の電気化学反応単位の前記出口側連通ガス流路と連通している、N個の第2の電気化学反応単位と、
を含み、
各前記第2の電気化学反応単位の前記燃料室における前記第1の方向に前記燃料極と対向する部分の高さは、互いに等しく、かつ、各前記第1の電気化学反応単位の前記燃料室における前記第1の方向に前記燃料極と対向する部分の高さより高く、
前記N個の第2の電気化学反応単位は、前記入口側連通ガス流路と前記出口側連通ガス流路との少なくとも一方である特定連通ガス流路の幅が互いに異なる複数の前記第2の電気化学反応単位を含み、
前記N個の第2の電気化学反応単位における前記特定連通ガス流路の幅の最大値は、前記M個の第1の電気化学反応単位における前記特定連通ガス流路の幅の最小値より小さい、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
L (L is 3) having an electrochemical reaction single cell containing an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and arranged side by side in the first direction. In an electrochemical reaction cell stack having (the above integers) the electrochemical reaction units,
The electrochemical reaction cell stack is formed with a plurality of manifolds, each of which is a gas flow path extending over the plurality of the electrochemical reaction units.
For each electrochemical reaction unit,
The fuel chamber facing the fuel electrode and
An inlet-side communicating gas flow path that communicates the fuel chamber with one of the plurality of manifolds,
An outlet-side communicating gas flow path that communicates the fuel chamber with one of the plurality of manifolds,
Is formed,
The L electrochemical reaction units are
With M (M is an integer of 1 or more) first electrochemical reaction unit,
N (N is an integer of 2 or more) second electrochemical reaction units, and the inlet-side communicating gas flow path of each of the second electrochemical reaction units is via at least one of the manifolds. N second electrochemical reaction units communicating with the outlet-side communicating gas flow path of each first electrochemical reaction unit.
Including
The heights of the portions of the fuel chamber of each of the second electrochemical reaction units facing the fuel electrode in the first direction are equal to each other, and the fuel chambers of the first electrochemical reaction units are located. Higher than the height of the portion facing the fuel electrode in the first direction in
The N second electrochemical reaction units are a plurality of the second electrochemical reaction units having different widths of at least one of the inlet side communicating gas flow path and the outlet side communicating gas flow path. Including electrochemical reaction units
The maximum value of the width of the specific communicating gas flow path in the N second electrochemical reaction units is smaller than the minimum value of the width of the specific communicating gas flow path in the M first electrochemical reaction units. ,
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
請求項1に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記N個の第2の電気化学反応単位は、前記第1の方向に互いに隣接する複数の前記第2の電気化学反応単位から構成された電気化学反応単位グループを含み、
前記電気化学反応単位グループを構成する複数の前記第2の電気化学反応単位は、
一の前記第2の電気化学反応単位と、
前記一の第2の電気化学反応単位と比較して、前記燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、前記特定連通ガス流路の幅が狭い他の前記第2の電気化学反応単位と、
を含む、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
In the electrochemical reaction cell stack according to claim 1,
The N second electrochemical reaction units include an electrochemical reaction unit group composed of a plurality of the second electrochemical reaction units adjacent to each other in the first direction.
The plurality of the second electrochemical reaction units constituting the electrochemical reaction unit group are
With the second electrochemical reaction unit of one
Compared with the first and second electrochemical reaction units, the gas discharged from the fuel chamber is located near the discharge hole for discharging the gas discharged to the outside of the electrochemical reaction cell stack, and the specific communicating gas flow. With the other second electrochemical reaction unit with a narrow path,
including,
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
請求項1または請求項2に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記N個の第2の電気化学反応単位は、それぞれ前記第1の方向に互いに隣接する複数の前記第2の電気化学反応単位から構成された複数の電気化学反応単位グループを含み、
前記複数の電気化学反応単位グループは、
一の前記電気化学反応単位グループと、
前記一の電気化学反応単位グループと比較して、前記燃料室から排出されたガスを前記電気化学反応セルスタックの外部へ排出する排出孔の近くに位置し、かつ、前記特定連通ガス流路の幅の最小値が小さい他の前記電気化学反応単位グループと、
を含む、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
In the electrochemical reaction cell stack according to claim 1 or 2.
The N second electrochemical reaction units include a plurality of electrochemical reaction unit groups composed of a plurality of the second electrochemical reaction units adjacent to each other in the first direction.
The plurality of electrochemical reaction unit groups
With the above-mentioned electrochemical reaction unit group of one
Compared to the one electrochemical reaction unit group, it is located near the discharge hole for discharging the gas discharged from the fuel chamber to the outside of the electrochemical reaction cell stack, and is located in the specific communicating gas flow path. With the other electrochemical reaction unit group having a smaller minimum width,
including,
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第2の電気化学反応単位の個数Nは、前記第1の電気化学反応単位の個数Mより小さい、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
In the electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 1 to 3.
The number N of the second electrochemical reaction units is smaller than the number M of the first electrochemical reaction units.
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
In the electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 1 to 4.
The electrochemical reaction cell stack is a fuel cell single cell.
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