JPWO2018083911A1 - 電気化学反応セルスタック - Google Patents

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Abstract

電気化学反応ブロック全体として電気化学反応性能の低下を抑制する。電気化学反応セルスタックは、電気化学反応単位が第１の方向に３つ以上並べて配置された電気化学反応ブロックと、電気化学反応ブロックに対して第１の方向の一方側に配置され、電気化学反応ブロックが発した熱を吸収する第１の吸熱部材と、電気化学反応ブロックに対して第１の方向の他方側に配置され、電気化学反応ブロックが発した熱を吸収する第２の吸熱部材と、を備える。第１の吸熱部材に最も近い位置に配置された下流の電気化学反応単位と、第１の吸熱部材との間に、上流の電気化学反応単位が配置されており、第２の吸熱部材に最も近い位置に配置された下流の電気化学反応単位と、第２の吸熱部材との間に、上流の電気化学反応単位が配置されている。

Description

本明細書に開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣは、一般に、所定の方向（以下、「配列方向」ともいう）に並べて配置された複数の燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という）を備える燃料電池スタックの形態で利用される。発電単位は、ＳＯＦＣの発電の最小単位であり、電解質層と電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含んでおり、燃料極に面する燃料室が形成されている。
このような燃料電池スタックの中には、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、複数の発電単位の内の上流の発電単位（例えば、燃料電池スタック内に供給され発電に使用されるガスが、最初に供給される一または複数の発電単位）に含まれる燃料極に面する燃料室と、下流の発電単位（例えば、上流の一又は複数の発電単位から排出され発電に使用されるガスが供給される一または複数の発電単位）に含まれる燃料極に面する燃料室とに連通し、上流の発電単位の燃料室から排出されたガスに含まれる水素等を下流の発電単位の燃料室に導くガス流路が形成されている。並直列型の燃料電池スタックによれば、燃料室に供給された燃料ガスの量に対する発電反応に利用された燃料ガスの量の割合を示す燃料利用率を向上させることができる。
特開２０１４−１９７４９２号公報
並直列型の燃料電池スタックにおいて、ガスの流れ方向の下流側に位置する下流の発電単位では、ガスの流れ方向の上流側に位置する上流の発電単位に比べて、燃料室に供給される燃料ガスの水素濃度が低い。このような下流の発電単位が、例えば複数の発電単位の配列方向の一方側の端に配置されるエンドプレートのように発電単位からの熱を吸収する吸熱部材に隣接している場合、燃料ガスの水素濃度が低い状況下で下流の発電単位の温度が低下することによって、下流の発電単位の発電性能が低下し易くなるという問題が生じる。
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という）の一形態である電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて「電気化学反応セルスタック」という。
本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。
本明細書に開示される技術は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含み、前記燃料極に面する燃料室が形成された電気化学反応単位が前記第１の方向に３つ以上並べて配置された電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の一方側に配置され、前記電気化学反応ブロックが発した熱を吸収する第１の吸熱部材と、前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の他方側に配置され、前記電気化学反応ブロックが発した熱を吸収する第２の吸熱部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、３つ以上の前記電気化学反応単位は、２つ以上の上流の電気化学反応単位と、１つ以上の下流の電気化学反応単位とを含んでおり、前記電気化学反応セルスタックには、２つ以上の前記上流の電気化学反応単位に形成された上流の前記燃料室と、１つ以上の前記下流の電気化学反応単位に形成された下流の前記燃料室とに連通し、前記上流の燃料室から排出されたガスを前記下流の燃料室に導くガス流路が形成されており、前記第１の吸熱部材に最も近い位置に配置された前記下流の電気化学反応単位と、前記第１の吸熱部材との間に、前記上流の電気化学反応単位が配置されており、前記第２の吸熱部材に最も近い位置に配置された前記下流の電気化学反応単位と、前記第２の吸熱部材との間に、前記上流の電気化学反応単位が配置されている。上流の電気化学反応単位では、下流の電気化学反応単位に比べて、燃料室に供給される燃料ガスの水素濃度が高いため、発電量が多い。その結果、上流の電気化学反応単位では、下流の電気化学反応単位に比べて、発熱量が多いため、吸熱部材による温度低下が電気化学反応性能に与える影響は比較的に小さい。そこで、本電気化学反応セルスタックによれば、各吸熱部材と、当該吸熱部材に最も近い位置に配置されている下流の電気化学反応単位との間に、上流の電気化学反応単位が配置されている。これにより、下流の電気化学反応単位が吸熱部材に隣接して配置された場合に比べて、下流の電気化学反応単位の温度低下が抑制されることによって下流の電気化学反応単位の電気化学反応性能の低下が抑えられる。その結果、電気化学反応ブロック全体として電気化学反応性能の低下を抑制することができる。
（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の吸熱部材は、前記第１の吸熱部材の内部に導入されるガスと前記第１の方向に隣接する前記電気化学反応単位との熱交換を行う熱交換部材であり、前記第２の吸熱部材は、前記電気化学反応セルスタックの前記第１の方向の一方側の端に配置されたエンドプレートである構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、熱交換部材とエンドプレートとの間に配置された電気化学反応ブロックについて、下流の電気化学反応単位の電気化学反応性能の低下が抑えられ、その結果、電気化学反応ブロック全体として電気化学反応性能の低下を抑制することができる。
（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の吸熱部材に最も近い位置に配置された前記下流の電気化学反応単位と前記第１の吸熱部材との間に配置された前記上流の電気化学反応単位の数は２つ以上であり、前記第２の吸熱部材に最も近い位置に配置された前記下流の電気化学反応単位と前記第２の吸熱部材との間に配置された前記上流の電気化学反応単位の数は２つ以上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、各吸熱部材に最も近い位置に配置された下流の電気化学反応単位と、当該吸熱部材との間に配置された上流の電気化学反応単位の数が２つ未満である場合に比べて、下流の電気化学反応単位の電気化学反応性能の低下がより確実に抑えられ、その結果、電気化学反応ブロック全体として電気化学反応性能の低下を効果的に抑制することができる。
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、単セル、電気化学反応単位、電気化学反応単位を備える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電気化学反応モジュール、電気化学反応モジュールを備える電気化学反応システム等の形態で実現することが可能である。
第１の実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す斜視図である。 第１の実施形態における燃料電池スタック１００の上側のＸＹ平面構成を示す説明図である。 第１の実施形態における燃料電池スタック１００の下側のＸＹ平面構成を示す説明図である。 図１から図３のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図１から図３のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図１から図３のＶＩ−ＶＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図１から図３のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図５に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流および上流の２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図６に示す断面と同一の位置における互いに隣接する上流の２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図７に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流の２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図８のＸＩ−ＸＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図８のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における上流の発電単位１０２ＵのＸＹ断面構成を示す説明図である。 図７のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩの位置における下流の発電単位１０２ＤのＸＹ断面構成を示す説明図である。 熱交換部１０３のＸＹ断面構成を概略的に示す説明図である。 燃料利用率の低下率と下流の発電単位１０２の圧力損失との関係を示す説明図である。 下流の連通体積と下流の発電単位１０２の圧力損失との関係を示す説明図である。 燃料利用率の低下率と下流の連通体積との関係を示す説明図である。 第２の実施形態の燃料電池スタック１００Ａにおける発電単位１０２とエンドプレート１０４，１０６との位置関係を示す説明図である。 第３の実施形態の燃料電池スタック１００Ｂにおける発電単位１０２と熱交換部１０３とエンドプレート１０４，１０６との位置関係を示す説明図である。
Ａ．第１の実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１から図７は、本実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。図１には、燃料電池スタック１００の外観構成が示されており、図２には、燃料電池スタック１００の上側の平面構成が示されており、図３には、燃料電池スタック１００の下側の平面構成が示されており、図４には、図１から図３のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図５には、図１から図３のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図６には、図１から図３のＶＩ−ＶＩの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図７には、図１から図３のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されている。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図８以降についても同様である。
燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では８つの）発電単位１０２と、熱交換部１０３と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。８つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。ただし、８つの発電単位１０２の内、下から１つ目から６つ目までの６つの発電単位１０２は互いに隣接するように配置され、残りの上から１つ目および２つ目の２つの発電単位１０２も互いに隣接するように配置されている。上記６つの発電単位１０２と上記残りの２つの発電単位１０２との間に熱交換部１０３が配置されている。すなわち、熱交換部１０３は、８つの発電単位１０２と熱交換部１０３とから構成される集合体において上から３つ目の位置に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、８つの発電単位１０２と熱交換部１０３と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。以下、上記６つの発電単位１０２を「第１の発電ブロック１０２Ｇ１」といい、上記残りの２つの発電単位１０２を「第２の発電ブロック１０２Ｇ２」という。また、８つの発電単位１０２の内、下から３つ目および４つ目の２つの発電単位１０２を「下流の発電単位１０２Ｄ」といい、残りの６つの発電単位１０２を「上流の発電単位１０２Ｕ」という。以下、８つの発電単位１０２について、下から順に、発電単位１０２−１、発電単位１０２−２、発電単位１０２−３、・・・といった枝番付きの符号を付すものとする（図４から図１０参照）。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当し、上流の発電単位１０２Ｕは、特許請求の範囲における上流の電気化学反応単位に相当し、下流の発電単位１０２Ｄは、特許請求の範囲における下流の電気化学反応単位に相当する。また、第１の発電ブロック１０２Ｇ１は、特許請求の範囲における電気化学反応ブロックに相当する。
燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、熱交換部１０３、エンドプレート１０４，１０６）のＺ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。
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４から図７に示すように、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の上端を構成するエンドプレート１０４の上側表面との間、および、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の下端を構成するエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。ただし、後述のガス通路部材２７が設けられた箇所では、ナット２４とエンドプレート１０６の表面との間に、ガス通路部材２７とガス通路部材２７の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート２６とが介在している。絶縁シート２６は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図２から図５に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの頂点（Ｙ軸負方向側およびＸ軸負方向側の頂点）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が導入されるガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能し、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（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、熱交換部１０３から排出された酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に向けて運ぶガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド１６３として機能する。また、図２、図３および図５に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（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から排出された酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。
また、図２、図３および図６に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの頂点（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２２Ｆ）と、そのボルト２２Ｆ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を上流の各発電単位１０２Ｕに供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト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、上流の各発電単位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、下流の各発電単位１０２Ｄに向けて運ぶガス流路である燃料ガス中継マニホールド１７２として機能する。燃料中間ガスＦＭＧには、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６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。図２、図３および図７に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト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、下流の各発電単位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、燃料ガス導入マニホールド１７１は、特許請求の範囲における導入ガス流路に相当し、燃料ガス中継マニホールド１７２は、特許請求の範囲における中継ガス流路に相当する。燃料ガス排出マニホールド１７３は、特許請求の範囲における排出ガス流路に相当する。
図４から図７に示すように、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４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成するボルト２２Ａの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通しており、図５に示すように、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を形成するボルト２２Ｂの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。また、図６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２２Ｆの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通しており、図７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。
（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。
（発電単位１０２の構成）
図８から図１３は、発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。図８には、図５に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流の１つの発電単位１０２Ｄと上流の１つの発電単位１０２ＵとのＸＺ断面構成が示されており、図９には、図６に示す断面と同一の位置における互いに隣接する上流の２つの発電単位１０２ＵのＹＺ断面構成が示されており、図１０には、図７に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流の２つの発電単位１０２ＤのＹＺ断面構成が示されている。また、図１１には、図８のＸＩ−ＸＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成が示されており、図１２には、図８のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における上流の発電単位１０２ＵのＸＹ断面構成が示されており、図１３には、図８のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩの位置における下流の発電単位１０２ＤのＸＹ断面構成が示されている。
図８から図１０に示すように、発電の最小単位である発電単位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方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。
インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図４から図７参照）。
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で電解質層１１２および空気極１１４を支持する燃料極支持形の単セルである。
電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、少なくともＺｒを含んでおり、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。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０をセパレータ付き単セルともいう。
空気極側フレーム１３０は、図８から図１１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は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。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、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。
燃料極側フレーム１４０は、図８から図１０、図１２および図１３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、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。図９および図１２に示すように、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２Ｕと、燃料室１７６と燃料ガス中継マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３Ｕとが形成されている。図１０および図１３に示すように、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス中継マニホールド１７２と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２Ｄと、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７３とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３Ｄとが形成されている。
空気極側集電体１３４は、図８から図１１に示すように、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として形成されていてもよい。
燃料極側集電体１４４は、図８から図１０、図１２および図１３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とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。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。
（熱交換部１０３の構成）
図１４には、配列方向に直交する方向における熱交換部１０３の断面構成が示されている。図４から図７および図１４に示すように、熱交換部１０３は、矩形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。熱交換部１０３の中央付近には、上下方向に貫通する孔１８２が形成されている。また、熱交換部１０３には、中央の孔１８２と酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成する連通孔１０８とを連通する連通孔１８４と、中央の孔１８２と酸化剤ガス供給マニホールド１６３を形成する連通孔１０８とを連通する連通孔１８６とが形成されている。熱交換部１０３は、熱交換部１０３の上側に隣接する発電単位１０２（１０２−７）に含まれる下側のインターコネクタ１５０と、熱交換部１０３の下側に隣接する発電単位１０２（１０２−６）に含まれる上側のインターコネクタ１５０とに挟持されている。これらのインターコネクタ１５０間において、孔１８２と連通孔１８４と連通孔１８６とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスＯＧを流す熱交換流路１８８として機能する。
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給された酸化剤ガスＯＧは、図４および図１４に示すように、熱交換部１０３内に形成された熱交換流路１８８内に流入し、熱交換流路１８８を通って酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出される。熱交換部１０３は、上側および下側について発電単位１０２に隣接している。また、後述するように、発電単位１０２における発電反応は発熱反応である。そのため、酸化剤ガスＯＧが熱交換部１０３内の熱交換流路１８８を通過する際に、酸化剤ガスＯＧと発電単位１０２との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスＯＧの温度が上昇する。なお、酸化剤ガス導入マニホールド１６１は、各発電単位１０２の空気室１６６には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給されることはない。酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出された酸化剤ガスＯＧは、図４、図５、図８および図１１に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６３から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。
また、図６、図９および図１２に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から上流の各発電単位１０２Ｕの燃料ガス供給連通孔１４２Ｕを介して、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６に供給される。なお、燃料ガス導入マニホールド１７１は、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６には連通していないため、燃料ガス導入マニホールド１７１から下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されることはない。上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６から排出された燃料中間ガスＦＭＧは、燃料ガス排出連通孔１４３Ｕを介して燃料ガス中継マニホールド１７２に排出される。図７、図１０および図１３に示すように、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６には、この上流の各発電単位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、および、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料ガス供給連通孔１４２Ｄを介して供給される。
上流の各発電単位１０２Ｕの空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、上流の各発電単位１０２Ｕの単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。また、下流の各発電単位１０２Ｄの空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６に燃料中間ガスＦＭＧが供給されると、下流の各発電単位１０２Ｄの単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料中間ガスＦＭＧの電気化学反応による発電が行われる。これら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、熱交換部１０３を介しているものの、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。
図５、図８および図１１に示すように、下流および上流の各発電単位１０２Ｕ，１０２Ｄの空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、酸化剤ガス排出連通孔１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、図７、図１０および図１３に示すように、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、燃料ガス排出連通孔１４３Ｄを介して燃料ガス排出マニホールド１７３に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７３の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。このように、燃料電池スタック１００の燃料ガスＦＧの流路構成は、外部から導入された燃料ガスＦＧが、上流の複数の発電単位１０２に並列に供給され、上流の各発電単位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、下流の複数の発電単位１０２Ｄに並列に供給される、いわゆる並直列型になっている。
Ａ−３．吸熱部材（熱交換部１０３、エンドプレート１０４，１０６）について：
熱交換部１０３とエンドプレート１０４，１０６とは、隣接する各発電ブロック１０２Ｇ１，１０２Ｇ２が発した熱を吸収する吸熱部材である。具体的には、上述したように、熱交換部１０３は、第１の発電ブロック１０２Ｇ１と第２の発電ブロック１０２Ｇ２とに隣接しており、酸化剤ガスＯＧが熱交換部１０３の熱交換流路１８８を通過する際に、酸化剤ガスＯＧと発電単位１０２との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスＯＧの温度が上昇する。熱交換部１０３内を通過する酸化剤ガスＯＧの温度が、発電単位１０２との熱交換により上昇することは、熱交換部１０３が、少なくとも、当該熱交換部１０３に隣接する各発電単位１０２−６，７（各発電ブロック１０２Ｇ１，１０２Ｇ２）が発した熱を吸収していることを意味する。また、各エンドプレート１０４，１０６は、一方の面だけが発電単位１０２に隣接しており、他方の面は発電単位１０２に隣接していない。すなわち、各エンドプレート１０４，１０６の一方の面は、発電ブロック１０２Ｇ１，１０２Ｇ２の発電反応により相対的に温度が高くなっている高温環境下に面しており、他方の面は、当該高温環境下に面しておらず、各発電ブロック１０２Ｇ１，１０２Ｇ２よりも相対的に温度が低い低温環境下（例えば外気）に面している。このため、各エンドプレート１０４，１０６に隣接する発電ブロック１０２Ｇ１，１０２Ｇ２と外気との間で熱交換が行われ、各エンドプレート１０４，１０６に隣接する発電単位１０２の温度が若干低下する。このことは、エンドプレート１０４，１０６が、当該エンドプレート１０４，１０６に隣接する各発電単位１０２−１，８（各発電ブロック１０２Ｇ１，１０２Ｇ２）が発した熱を吸収していることを意味する。なお、熱交換部１０３とエンドプレート１０４，１０６とは、特許請求の範囲における第１の吸熱部材、第２の吸熱部材に相当し、熱交換部１０３は、特許請求の範囲における熱交換部材に相当する。
Ａ−４．発電単位１０２と吸熱部材との位置関係について：
燃料電池スタック１００では、下流の発電単位１０２Ｄは、上流の発電単位１０２Ｕを介して吸熱部材から離間した位置に配置されている。具体的には、第１の発電ブロック１０２Ｇ１において、互いに隣接する２つの下流の発電単位１０２Ｄ（１０２−３，４）の内、熱交換部１０３に最も近い位置に配置されている下流の発電単位１０２Ｄ（１０２−４）と、熱交換部１０３との間には、２つの上流の発電単位１０２Ｕ（１２０−５，６）が配置されている。また、エンドプレート１０６に最も近い位置に配置されている下流の発電単位１０２Ｄ（１０２−３）と、エンドプレート１０６との間にも、２つの上流の発電単位１０２Ｕ（１０２−１，２）が配置されている。なお、第２の発電ブロック１０２Ｇ１には、下流の発電単位１０２Ｄは含まれておらず、上流の発電単位１０２Ｕ（１２０−７，８）のみが含まれている。
上述したように、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６には、上流の各発電単位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を介して供給される。このため、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６に供給される燃料ガスＦＧの水素濃度は、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６に供給される燃料ガスＦＧの水素濃度に比べて低い。ここで、仮に、下流の各発電単位１０２Ｄが吸熱部材に隣接するように配置された場合、下流の各発電単位１０２Ｄでは、燃料ガスＦＧの水素濃度が低いことに加えて、下流の各発電単位１０２Ｄの温度が低下することによって、発電反応が起こりにくくなり、発電性能が低下するおそれがある。
これに対して、本実施形態では、下流の発電単位１０２Ｄは、上流の発電単位１０２Ｕを介して吸熱部材から離間した位置に配置されている。このため、下流の発電単位１０２Ｄが吸熱部材に隣接している場合に比べて、吸熱部材の吸熱による下流の発電単位１０２Ｄの温度低下が抑制されることによって、下流の各発電単位１０２Ｄの発電性能の低下を抑制することができる。一方、吸熱部材に隣接する上流の発電単位１０２Ｕの温度は、吸熱部材の吸熱によって低下する。しかし、上流の各発電単位１０２Ｕでは、下流の各発電単位１０２Ｄに比べて、燃料室１７６に供給される燃料ガスＦＧの水素濃度が高いため、発電反応が多く起こり、発熱量が多い。このため、上流の各発電単位１０２Ｕでは、下流の各発電単位１０２Ｄに比べて、吸熱部材の吸熱が発電性能に与える影響が小さい。以上により、本実施形態によれば、第１の発電ブロック１０２Ｇ１（燃料電池スタック１００）全体として発電性能の低下を抑制することができる。
しかも、本実施形態では、下流の発電単位１０２Ｄと吸熱部材との間には２つの上流の発電単位１０２Ｕが配置されているため、下流の発電単位１０２Ｄと吸熱部材との間に２つ未満の上流の発電単位１０２Ｕが配置された場合に比べて、下流の発電単位１０２Ｄの発電性能の低下がより確実に抑えられ、その結果、第１の発電ブロック１０２Ｇ１（燃料電池スタック１００）全体として発電性能の低下を効果的に抑制することができる。
Ａ−５．燃料室１７６の導入連通路と排出連通路との合計体積について：
本実施形態では、各下流の発電単位１０２Ｄのそれぞれについて、燃料ガス供給連通孔１４２Ｄ（下流の導入連通路）と燃料ガス排出連通孔１４３Ｄ（下流の排出連通路）との合計体積（以下、「下流の連通体積」という）は、上流の発電単位１０２Ｕにおける燃料ガス供給連通孔１４２Ｕ（上流の導入連通路）と燃料ガス排出連通孔１４３Ｕ（上流の排出連通路）との合計体積（以下、「上流の連通体積」という）より小さい。具体的には、燃料ガス供給連通孔１４２Ｄおよび燃料ガス排出連通孔１４３Ｄの開口面積（または、単セル１１０に平行な幅寸法）が、燃料ガス供給連通孔１４２Ｕおよび燃料ガス排出連通孔１４３Ｕの開口面積より小さい。また、燃料ガス供給連通孔１４２Ｄおよび燃料ガス排出連通孔１４３Ｄのガスの流れ方向に沿った長さが、燃料ガス供給連通孔１４２Ｕおよび燃料ガス排出連通孔１４３Ｕのガスの流れ方向に沿った長さより短くてもよい。
ここで、各発電単位１０２における燃料ガス供給連通孔１４２と燃料ガス排出連通孔１４３との合計体積（連通体積）が小さいほど、各発電単位１０２における燃料ガスＦＧの圧力損失が大きくなる。その一方で、各発電単位１０２における連通体積が小さいほど、各発電単位１０２における燃料利用率の低下率が小さくなる分だけ、複数の発電単位１０２間における燃料利用率の差が小さくなる傾向がある。そこで、本実施形態によれば、各下流の発電単位１０２Ｄのそれぞれにおける下流の連通体積は、いずれの上流の発電単位１０２Ｕにおける上流の連通体積より小さい。これにより、上流の発電単位１０２Ｕへの十分な燃料ガスＦＧの供給を確保しつつ、下流の発電単位１０２Ｄにおける燃料ガスＦＧの圧力損失の差による燃料枯れを抑制することによって、燃料電池スタック１００全体としての性能低下を抑制することができる。燃料枯れに起因して局所的な発電反応が起きることによってセル面内の温度分布がばらつき、温度分布のバラツキにより生じる熱応力によって単セル１１０に割れが生じるなどの問題が生じることを抑制することができる。
また、図１５は、燃料利用率の低下率ΔＵｆ（％）と下流の発電単位１０２の圧力損失（ｋＰａ）との関係を示す説明図であり、図１６は、下流の連通体積（ｍｍ３）と下流の発電単位１０２の圧力損失との関係を示す説明図であり、図１７は、燃料利用率の低下率と下流の連通体積との関係を示す説明図である。図１５に示すように、下流の発電単位１０２Ｄの圧力損失が大きくなるほど燃料利用率の低下率が小さくなっていくことがわかる。さらに、下流の発電単位１０２Ｄの圧力損失が１（ｋＰａ）付近で燃料利用率の低下率はほぼ一定になる。また、図１６に示すように、下流の連通体積を小さくすることで、下流の発電単位１０２Ｄの圧力損失を大きくすることができる。さらに、図１７に示すように、下流の連通体積を小さくすることで、燃料利用率の低下率が小さくなっていくことがわかる。また、下流の連通体積が６０（ｍｍ３）付近で燃料利用率の低下率はほぼ一定になる。したがって、上述のように、各下流の発電単位１０２Ｄのそれぞれにおける下流の連通体積を、いずれの上流の発電単位１０２Ｕにおける上流の連通体積より小さくすることで、燃料利用率の低下率が抑制されるため、下流の発電単位１０２Ｄにおける燃料枯れを抑制することができる。具体的には、下流の連通体積が６０（ｍｍ３）より大きい場合には、上述したように下流の発電単位１０２の圧力損失が小さくなり、燃料利用率の低下率が大きくなる。しかし、下流の連通体積が６０（ｍｍ３）以下である場合には、下流の連通体積が小さいほど、下流の発電単位１０２の圧力損失が大きくなるものの（図１６参照）、下流の連通体積の大小に関係なく、燃料利用率の低下率はほぼ一定になる（図１７参照）。このことは、複数の発電単位１０２Ｄのそれぞれの下流の連通体積が６０（ｍｍ３）以下である場合、複数の発電単位１０２Ｄにおける燃料利用率が略均一になるため、一部の下流の発電単位１０２Ｄに燃料枯れが生じる可能性が低いことを意味する。そこで、本実施形態では、下流の連通体積は、６０（ｍｍ３）以下であることが好ましい。また、下流の連通体積は、５０（ｍｍ３）以下であることがより好ましく、４０（ｍｍ３）以下であることがさらに好ましい。これにより、複数の発電単位１０２Ｄにおける燃料利用率の差が抑制されることによって、燃料電池スタック１００全体としての性能低下を、より確実に抑制することができる。なお、図１５中の「燃料利用率の低下率ΔＵｆ（％）」は、複数の下流の発電単位１０２Ｄの中で、最も高い燃料利用率の発電単位１０２Ｄと最も低い燃料利用率の発電単位１０２Ｄとの燃料利用率の差である。
Ｂ．第２の実施形態：
図１８は、第２の実施形態の燃料電池スタック１００Ａにおける発電単位１０２とエンドプレート１０４，１０６との位置関係を示す説明図である。図１８では、発電単位１０２の構成が簡略化されているとともに、燃料ガス導入マニホールド１７１、燃料ガス中継マニホールド１７２および燃料ガス排出マニホールド１７３が点線で示されている。第２の実施形態の燃料電池スタック１００Ａの構成の内、上述した第１の実施形態の燃料電池スタック１００と同一の構成については、同一符号を付すことによって、その説明を省略する。
図１８に示すように、燃料電池スタック１００Ａは、３つの発電単位１０２（１０２−１〜３）を含む発電ブロック１０２Ｇと、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備えており、熱交換部材を備えていない。３つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。燃料電池スタック１００Ａでは、３つの発電単位１０２の内、下から１つ目と３つ目の２つの発電単位１０２−１，３が、上流の発電単位１０２Ｕであり、下から２つ目の１つの発電単位１０２−２が、下流の発電単位１０２Ｄである。すなわち、下流の発電単位１０２Ｄは、１つの上流の発電単位１０２Ｕを介して、吸熱部材としてのエンドプレート１０４，１０６から離間した位置に配置されている。このため、下流の発電単位１０２Ｄが吸熱部材に隣接している場合に比べて、吸熱部材の吸熱による下流の発電単位１０２Ｄの温度低下が抑制されることによって、下流の各発電単位１０２Ｄの発電性能の低下を抑制することができる。
Ｃ．第３の実施形態：
図１９は、第３の実施形態の燃料電池スタック１００Ｂにおける発電単位１０２と熱交換部１０３とエンドプレート１０４，１０６との位置関係を示す説明図である。図１９では、発電単位１０２の構成が簡略化されているとともに、燃料ガス導入マニホールド１７１、燃料ガス中継マニホールド１７２および燃料ガス排出マニホールド１７３が点線で示されている。第３の実施形態の燃料電池スタック１００Ｂの構成の内、上述した第１の実施形態の燃料電池スタック１００と同一の構成については、同一符号を付すことによって、その説明を省略する。
図１９に示すように、燃料電池スタック１００Ｂは、４５つの発電単位１０２（１０２−１〜４５）と、３つの熱交換部１０３（１０３−１〜３）と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。４５つの発電単位１０２は、第１の発電ブロック１０２Ｇ１と、第２の発電ブロック１０２Ｇ２と、第３の発電ブロック１０２Ｇ３と、第４の発電ブロック１０２Ｇ４とを含む。
（第１の発電ブロック１０２Ｇ１について）
第１の発電ブロック１０２Ｇ１は、エンドプレート１０６と第１の熱交換部１０３−１との間に配置されている。第１の発電ブロック１０２Ｇ１は、上下方向に互いに隣接するように配置された１３つの発電単位１０２（１０２−１〜１３）を有している。１３つの発電単位１０２の内、下から２つ目から１１つ目までの１０つの発電単位１０２−２〜１１が、下流の発電単位１０２Ｄである。以下、１０つの下流の発電単位１０２Ｄを、「第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１」という。この第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１とエンドプレート１０６との間に位置する１つの発電単位１０２−１と、第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１と第１の熱交換部１０３−１との間に位置する２つの発電単位１０２−１２，１３とが、上流の発電単位１０２Ｕである。すなわち、第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１は、１つの上流の発電単位１０２Ｕを介して、吸熱部材であるエンドプレート１０６から離間して配置されており、また、２つの上流の発電単位１０２Ｕを介して、吸熱部材である第１の熱交換部１０３−１から離間して配置されている。さらに、第１の発電ブロック１０２Ｇ１における各下流の発電単位１０２Ｄのそれぞれについて、燃料ガス供給連通孔１４２Ｄと燃料ガス排出連通孔１４３Ｄとの合計体積（下流の連通体積）は、上流の発電単位１０２Ｕにおける燃料ガス供給連通孔１４２Ｕと燃料ガス排出連通孔１４３Ｕとの合計体積（上流の連通体積）より小さい。このため、複数の発電単位１０２Ｄにおける燃料利用率の差が抑制されることによって、燃料電池スタック１００全体としての性能低下を、より確実に抑制することができる。加えて、下流の発電単位１０２Ｄが吸熱部材に隣接している場合に比べて、吸熱部材の吸熱による下流の発電単位１０２Ｄの温度低下が抑制されることによって、下流の各発電単位１０２Ｄの発電性能の低下を抑制することができる。
ここで、発電単位１０２は、燃料ガス排出マニホールド１７３に連通する排出孔１７３Ａに近い位置に配置されているほど、当該発電単位１０２に形成された燃料室１７６から燃料ガスＦＧが排出され易く、これに伴って、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給され易くなる。本実施形態では、第１の発電ブロック１０２Ｇ１の上下方向の中央位置（発電単位１０２−７の位置）と第１の発電ブロック１０２Ｇ１の下端との間である下側領域には、５つの下流の発電単位１０２Ｄ（１０２−２〜６）が配置されている。また、第１の発電ブロック１０２Ｇ１の上下方向の中央位置と第１の発電ブロック１０２Ｇ１の上端との間である上側領域には、４つの下流の発電単位１０２Ｄ（１０２−８〜１１）が配置されている。すなわち、燃料ガス排出マニホールド１７３において、排出孔１７３Ａに近い下側領域に配置された下流の発電単位１０２Ｄの数（以下、「排出孔側発電単位数」という）が、排出孔１７３Ａから遠い上側領域に配置された下流の発電単位１０２Ｄの数（以下、「反対側発電単位数」という）より多い。これにより、排出孔側発電単位数が反対側発電単位数より少ない場合に比べて、燃料枯れが抑制されることによって、燃料電池スタック１００Ｂ全体としての性能低下を、より確実に抑制することができる。
（第２の発電ブロック１０２Ｇ２について）
第２の発電ブロック１０２Ｇ２は、第１の熱交換部１０３−１と第２の熱交換部１０３−２との間に配置されている。第２の発電ブロック１０２Ｇ２は、上下方向に互いに隣接するように配置された１０つの発電単位１０２（１０２−１４〜２３）を有している。１０つの発電単位１０２の内、下から３つ目から８つ目までの６つの発電単位１０２−１６〜２１が、下流の発電単位１０２Ｄである。以下、６つの下流の発電単位１０２Ｄを、「第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２」という。この第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２と第１の熱交換部１０３−１との間に位置する２つの発電単位１０２−１４，１５と、第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２と第２の熱交換部１０３−２との間に位置する２つの発電単位１０２−２２，２３とが、上流の発電単位１０２Ｕである。すなわち、第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２は、２つの上流の発電単位１０２Ｕを介して、吸熱部材である第１の熱交換部１０３−１および第２の熱交換部１０３−２のそれぞれから離間して配置されている。また、第２の発電ブロック１０２Ｇ２における各下流の発電単位１０２Ｄのそれぞれについて、下流の連通体積は、上流の連通体積より小さい。このため、第２の発電ブロック１０２Ｇ２においても、複数の発電単位１０２Ｄにおける燃料利用率の差が抑制されることによって、燃料電池スタック１００全体としての性能低下を、より確実に抑制することができる。加えて、下流の発電単位１０２Ｄが吸熱部材に隣接している場合に比べて、吸熱部材の吸熱による下流の発電単位１０２Ｄの温度低下が抑制されることによって、下流の各発電単位１０２Ｄの発電性能の低下を抑制することができる。
（第３の発電ブロック１０２Ｇ３について）
第３の発電ブロック１０２Ｇ３は、第２の熱交換部１０３−２と第３の熱交換部１０３−３との間に配置されている。第３の発電ブロック１０２Ｇ３は、上下方向に互いに隣接するように配置された１１つの発電単位１０２（１０２−２４〜３４）を有している。１１つの発電単位１０２の全てが、上流の発電単位１０２Ｕである。
（第４の発電ブロック１０２Ｇ４について）
第４の発電ブロック１０２Ｇ４は、第３の熱交換部１０３−３とエンドプレート１０４との間に配置されている。第４の発電ブロック１０２Ｇ４は、上下方向に互いに隣接するように配置された１１つの発電単位１０２（１０２−３５〜４５）を有している。１１つの発電単位１０２の全てが、上流の発電単位１０２Ｕである。
（第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１と第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２とについて）
第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１に含まれる下流の発電単位１０２Ｄの数は１０つであり、第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２に含まれる下流の発電単位１０２Ｄの数は６つである。また、第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１は、第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２よりも、燃料ガス排出マニホールド１７３において排出孔１７３Ａに近い位置に配置されている。すなわち、第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１は、第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２に比べて、含まれる発電単位１０２Ｄの数が多く、かつ、排出孔１７３Ａに近い位置に配置されている。これにより、第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１を、第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２より排出孔１７３Ａから遠い位置に配置した場合に比べて、当該発電単位１０２に形成された燃料室１７６から燃料ガスＦＧが排出され易く、これに伴って、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給され易く、燃料枯れが抑制されることによって、燃料電池スタック１００Ｂ全体としての性能低下を、より確実に抑制することができる。なお、第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１は、特許請求の範囲における第２の電気化学反応単位群に相当し、第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２は、特許請求の範囲における第１の電気化学反応単位群に相当する。
Ｄ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
上記第１の実施形態において、下流の発電単位１０２Ｄと吸熱部材との間に、１つまたは３つ以上の上流の発電単位１０２Ｕが配置されているとしてもよい。また、熱交換部１０３は、エンドプレート１０４，１０６に比べて吸熱能力が高い（吸熱量が多い）。そこで、熱交換部１０３と下流の発電単位１０２Ｄとの間に配置される上流の発電単位１０２Ｕの数を、エンドプレート１０４，１０６と下流の発電単位１０２Ｄとの間に配置される上流の発電単位１０２Ｕの数より多くしてもよい。要するに、第１の吸熱能力を有する吸熱部材と下流の発電単位１０２Ｄとの間に配置される上流の発電単位１０２Ｕの数は、上記第１の吸熱能力より低い第２の吸熱能力を有する吸熱部材と下流の発電単位１０２Ｄとの間に配置される上流の発電単位１０２Ｕの数より多くてもよい。このような構成であれば、吸熱部材の吸熱能力に応じた適切な数の上流の発電単位１０２Ｕを配置することにより、吸熱部材の吸熱による下流の発電単位１０２Ｄの温度低下を効果的に抑制することができる。
吸熱部材は、熱交換部１０３やエンドプレート１０４，１０６に限られず、例えばターミナスプレートなどでもよい。要するに、吸熱部材は、電気化学反応単位に近接して配置されており、電気化学反応セルスタックの動作中において、電気化学反応単位が発した熱を吸収する部材であればよい。
電気化学反応セルスタックが複数の電気化学反応ブロックを含む場合、少なくとも１つの電気化学反応ブロックについて本発明を適用すればよく、必ずしも全ての電気化学反応ブロックについて本発明を適用しなくてもよい。例えば、第３の実施形態において、第１の下流発電単位群１０２ＤＧ１および第２の下流発電単位群１０２ＤＧ２のいずれか一方を、吸熱部材に隣接するように配置してもよい。なお、第１の吸熱部材と第２の吸熱部材との間において第１の方向に並べて配置された全ての電気化学反応単位は、特許請求の範囲における、３つ以上の電気化学反応単位（電気化学反応ブロック）に相当する。この全ての電気化学反応単位について着目したときに、「第１の吸熱部材に最も近い位置に配置された下流の電気化学反応単位と記第１の吸熱部材との間に、上流の電気化学反応単位が配置されており、第２の吸熱部材に最も近い位置に配置された下流の電気化学反応単位と、第２の吸熱部材との間に、上流の電気化学反応単位が配置されている」という本発明の要件を満たせばよい。具体的には、エンドプレートと熱交換部材との間、または、２つの熱交換部材同士の間において第１の方向に並べて配置された全ての電気化学反応単位は、特許請求の範囲における、３つ以上の電気化学反応単位に相当する。例えば、上記第３の実施形態において図１９に示す構成では、エンドプレート１０６と第１の熱交換部１０３−１との間に配置された１３つの発電単位１０２（１０２−１〜１３）は、特許請求の範囲における、３つ以上の電気化学反応単位に相当する。また、第１の熱交換部１０３−１と第２の熱交換部１０３−２との間に配置された１０つの発電単位１０２（１０２−１４〜２３）は、特許請求の範囲における、３つ以上の電気化学反応単位に相当する。
第１の実施形態において、下流の連通体積は、６０（ｍｍ３）より大きくてもよい。要するに、下流の発電単位１０２Ｄにおける下流の連通体積が、上流の発電単位１０２Ｕにおける上流の連通体積より小さければよい。
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上流の発電単位１０２Ｕの個数や下流の発電単位１０２Ｄの個数も、あくまでも一例である。ただし、下流の発電単位１０２Ｄでは、上流の発電単位１０２Ｕに比べて、燃料室１７６に供給されるガス（燃料ガスＦＧ、燃料中間ガスＦＭＧ）の水素濃度が低い。従って、下流の発電単位１０２Ｄでのガスの供給不足を抑制するため、下流の発電単位１０２Ｄの個数は、上流の発電単位１０２Ｕの個数より少ないことが好ましい。
上記実施形態において、燃料電池スタック１００の締結に使用されるボルト２２の個数は、あくまで一例であり、ボルト２２の個数は燃料電池スタック１００に要求される締結力等に応じて適宜決められる。
また、上記実施形態では、ボルト２２の両側にナット２４が嵌められているとしているが、ボルト２２が頭部を有し、ナット２４はボルト２２の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。
また、上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート１０４，１０６の代わりに、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと接続された別部材（例えば、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと発電単位１０２との間に配置された導電板）が出力端子として機能するとしてもよい。
また、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト２２が挿入される各連通孔１０８とは別に設けてもよい。
また、上記実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合には、１つのインターコネクタ１５０が隣接する２つの発電単位１０２に共有されるとしているが、このような場合でも、２つの発電単位１０２がそれぞれのインターコネクタ１５０を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ１５０や、最も下に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０は省略されているが、これらのインターコネクタ１５０を省略せずに設けてもよい。
また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体１４４と隣接するインターコネクタ１５０とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０は、多層構成であってもよい。
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを得るとしているが、ＬＰガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスＦＧを得るとしてもよいし、燃料ガスＦＧとして純水素を利用してもよい。
本明細書において、部材（または部材のある部分、以下同様）Ａを挟んで部材Ｂと部材Ｃとが互いに対向するとは、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとが隣接する形態に限定されず、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層１１２と空気極１１４との間に他の層が設けられた構成であっても、空気極１１４と燃料極１１６とは電解質層１１２を挟んで互いに対向すると言える。
また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の平板形の発電単位１０２が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば特開２００８−５９７９７号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（ＳＯＥＣ）の最小単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６−８１８１３号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔１０８を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、連通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セルスタックにおいても、本発明を適用することによって上述の効果を得ることができる。
２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００，１００Ａ，１００Ｂ：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０２Ｄ：下流の発電単位 １０２ＤＧ１：第１の下流発電単位群 １０２ＤＧ２：第２の下流発電単位群 １０２Ｇ１：第１の発電ブロック １０２Ｇ２：第２の発電ブロック １０２Ｇ３：第３の発電ブロック １０２Ｇ４：第４の発電ブロック １０２Ｇ：発電ブロック １０２Ｕ：上流の発電単位 １０３：熱交換部 １０４，１０６：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：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４２Ｄ：燃料ガス供給連通孔 １４２Ｕ：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４３Ｄ：燃料ガス排出連通孔 １４３Ｕ：燃料ガス排出連通孔 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 １６３：酸化剤ガス供給マニホールド 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 １７３Ａ：排出孔 １７６：燃料室 １８２：孔 １８４：連通孔 １８６：連通孔 １８８：熱交換流路 ＦＧ：燃料ガス ＦＭＧ：燃料中間ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス

Claims (3)

  1. 電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含み、前記燃料極に面する燃料室が形成された電気化学反応単位が前記第１の方向に３つ以上並べて配置された電気化学反応ブロックと、
    前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の一方側に配置され、前記電気化学反応ブロックが発した熱を吸収する第１の吸熱部材と、
    前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の他方側に配置され、前記電気化学反応ブロックが発した熱を吸収する第２の吸熱部材と、
    を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
    ３つ以上の前記電気化学反応単位は、２つ以上の上流の電気化学反応単位と、１つ以上の下流の電気化学反応単位とを含んでおり、
    前記電気化学反応セルスタックには、２つ以上の前記上流の電気化学反応単位に形成された上流の前記燃料室と、１つ以上の前記下流の電気化学反応単位に形成された下流の前記燃料室とに連通し、前記上流の燃料室から排出されたガスを前記下流の燃料室に導くガス流路が形成されており、
    前記第１の吸熱部材に最も近い位置に配置された前記下流の電気化学反応単位と、前記第１の吸熱部材との間に、前記上流の電気化学反応単位が配置されており、
    前記第２の吸熱部材に最も近い位置に配置された前記下流の電気化学反応単位と、前記第２の吸熱部材との間に、前記上流の電気化学反応単位が配置されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  2. 請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記第１の吸熱部材は、前記第１の吸熱部材の内部に導入されるガスと前記第１の方向に隣接する前記電気化学反応単位との熱交換を行う熱交換部材であり、
    前記第２の吸熱部材は、前記電気化学反応セルスタックの前記第１の方向の一方側の端に配置されたエンドプレートであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
  3. 請求項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、
    前記第１の吸熱部材に最も近い位置に配置された前記下流の電気化学反応単位と前記第１の吸熱部材との間に配置された前記上流の電気化学反応単位の数は２つ以上であり、
    前記第２の吸熱部材に最も近い位置に配置された前記下流の電気化学反応単位と前記第２の吸熱部材との間に配置された前記上流の電気化学反応単位の数は２つ以上であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
JP2018502276A 2016-11-04 2017-09-26 電気化学反応セルスタック Active JP6450885B2 (ja)

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