KR102167201B1 - 전기 화학 반응 단위 및 전기 화학 반응 셀 스택 - Google Patents

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Abstract

공기실에 공급되는 가스의 면 방향으로의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀의 성능의 저하를 억제한다. 전기 화학 반응 단위는, 단셀과 공기극측 부재와 연료극측 부재를 구비한다. 단셀의 중앙 위치를 나타내는 가상 직선과 공기극측 공급 연통 유로의 개구에 의해 구성되는 공기극측 공급 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lai) 와, 상기 가상 직선과 공기극측 배출 연통 유로의 개구에 의해 구성되는 공기극측 배출 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lao) 의 합 (La) 은, 상기 가상 직선과 연료극측 공급 연통 유로의 개구에 의해 구성되는 연료극측 공급 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lfi) 와, 상기 가상 직선과 연료극측 배출 연통 유로의 개구에 의해 구성되는 연료극측 배출 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) 보다 작다.

Description

전기 화학 반응 단위 및 전기 화학 반응 셀 스택
본 명세서에 의해 개시되는 기술은, 전기 화학 반응 단위에 관한 것이다.
수소와 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 발전을 실시하는 연료 전지의 하나로서, 고체 산화물형의 연료 전지 (이하, 「SOFC」라고 한다) 가 알려져 있다. SOFC 의 구성 단위인 연료 전지 발전 단위 (이하, 「발전 단위」라고 한다) 는, 연료 전지 단셀 (이하, 「단셀」이라고 한다) 을 구비한다. 단셀은, 전해질층과, 전해질층을 사이에 두고 소정의 방향 (이하, 「제 1 방향」이라고 한다) 으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함한다.
또, 발전 단위는, 공기극에 면하는 공기실을 구성하는 공기실용 구멍이 형성된 공기극측 부재 (이하, 「공기극측 프레임」이라고 한다) 를 구비한다. 공기극측 프레임에는, 공기실에 공급되는 가스 (이하, 「산화제 가스」라고 한다) 가 통과하는 공기극측 공급 가스 유로 (이하, 「산화제 가스 도입 매니폴드」라고 한다) 를 구성하는 공기극측 공급 가스 유로용 구멍과, 공기실로부터 배출된 가스 (이하, 「산화제 오프 가스」라고 한다) 가 통과하는 공기극측 배출 가스 유로 (이하, 「산화제 가스 배출 매니폴드」라고 한다) 를 구성하는 공기극측 배출 가스 유로용 구멍이 형성되어 있다. 공기극측 프레임에는, 추가로 상기 공기극측 공급 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 공기실용 구멍의 내주면 (이하, 「제 1 내주면」이라고 한다) 으로 개구되는 공기극측 공급 연통 유로와, 상기 공기극측 배출 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 공기실용 구멍의 상기 제 1 내주면에 대향하는 다른 내주면 (이하, 「제 2 내주면」이라고 한다) 으로 개구되는 공기극측 배출 연통 유로가 형성되어 있다. 발전 단위의 공기실에는, 산화제 가스 도입 매니폴드 및 공기극측 공급 연통 유로를 통하여 산화제 가스가 공급된다. 또, 공기실로부터 배출된 산화제 오프 가스는, 공기극측 배출 연통 유로 및 산화제 가스 배출 매니폴드를 통하여 외부에 배출된다.
마찬가지로, 발전 단위는, 연료극에 면하는 연료실을 구성하는 연료실용 구멍이 형성된 연료극측 부재 (이하, 「연료극측 프레임」이라고 한다) 를 구비한다. 연료극측 프레임에는, 연료실에 공급되는 가스 (이하, 「연료 가스」라고 한다) 가 통과하는 연료극측 공급 가스 유로 (이하, 「연료 가스 도입 매니폴드」라고 한다) 를 구성하는 연료극측 공급 가스 유로용 구멍과, 연료실로부터 배출된 가스 (이하, 「연료 오프 가스」라고 한다) 가 통과하는 연료극측 배출 가스 유로 (이하, 「연료 가스 배출 매니폴드」라고 한다) 를 구성하는 연료극측 배출 가스 유로용 구멍이 형성되어 있다. 연료극측 프레임에는, 추가로 상기 연료극측 공급 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 연료실용 구멍의 내주면 (이하, 「제 3 내주면」이라고 한다) 으로 개구되는 연료극측 공급 연통 유로와, 상기 연료극측 배출 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 연료실용 구멍의 상기 제 3 내주면에 대향하는 다른 내주면 (이하, 「제 4 내주면」이라고 한다) 으로 개구되는 연료극측 배출 연통 유로가 형성되어 있다. 발전 단위의 연료실에는, 연료 가스 도입 매니폴드 및 연료극측 공급 연통 유로를 통하여 연료 가스가 공급된다. 또, 연료실로부터 배출된 연료 오프 가스는, 연료극측 배출 연통 유로 및 연료 가스 배출 매니폴드를 통하여 외부에 배출된다.
SOFC 에는, 공기극측 프레임에 있어서의 공기극측 공급 연통 유로가 개구되는 제 1 내주면과 공기극측 배출 연통 유로가 개구되는 제 2 내주면의 대향 방향과, 연료극측 프레임에 있어서의 연료극측 공급 연통 유로가 개구되는 제 3 내주면과 연료극측 배출 연통 유로가 개구되는 제 4 내주면의 대향 방향이, 대략 동일 방향인 구성의 것이 있다. 이와 같은 구성에서는, 발전 단위의 공기실에 있어서의 가스의 주된 흐름 방향과 연료실에 있어서의 가스의 주된 흐름 방향이 대략 반대 방향 (서로 대향하는 방향) 이 되거나, 또는 양 가스의 주된 흐름 방향이 대략 동일 방향이 된다. 양 가스의 주된 흐름 방향이 대략 반대 방향인 것은, 카운터 플로 타입이라고 불리고, 양 가스의 주된 흐름 방향이 대략 동일 방향인 것은, 코플로 타입이라고 불린다.
일반적으로, 카운터 플로 타입 또는 코플로 타입의 SOFC 에서는, 공기극측 프레임에 형성된 각 연통 유로 (공기극측 공급 연통 유로 및 공기극측 배출 연통 유로) 의 공기실에 대한 개구와, 연료극측 프레임에 형성된 각 연통 유로 (연료극측 공급 연통 유로 및 연료극측 배출 연통 유로) 의 연료실에 대한 개구는, 산화제 가스 또는 연료 가스의 주된 흐름 방향과 직교하는 방향에 있어서의 단셀의 중앙 위치에 대해, 대략 대칭의 위치에 배치된다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 그 때문에, 공기극측 프레임에 형성된 각 연통 유로의 공기실에 대한 개구도, 연료극측 프레임에 형성된 각 연통 유로의 연료실에 대한 개구도, 단셀의 상기 중앙 위치로부터 어느 정도 떨어진 위치에 배치되게 된다.
일본 공개특허공보 2003-86204호
산화제 가스 (예를 들어 공기) 는, 연료 가스 (예를 들어 수소 리치한 가스) 와 비교하여, 평균 분자량이 크기 때문에 확산성이 낮다. 특히, SOFC 는 비교적 고온 (예를 들어 700 ℃ 내지 1000 ℃) 에서 운전되는 점에서, 산화제 가스는 고온이 된다. 산화제 가스는, 고온이 되면, 연료 가스에 비해 점도가 높아지는 경향이 있다. 요컨대, 고온 환경 하에서는, 산화제 가스는, 연료 가스보다 확산되기 힘든 상태가 된다. 그 때문에, 상기 종래의 SOFC 와 같이, 공기극측 프레임에 형성된 각 연통 유로의 공기실에 대한 개구도 연료극측 프레임에 형성된 각 연통 유로의 연료실에 대한 개구도 단셀의 중앙 위치로부터 어느 정도 떨어진 위치에 배치된 구성에서는, 연료 가스는 면 방향으로 양호하게 흘러 확산되지만, 산화제 가스는 면 방향으로의 확산이 불충분해진다. 그 결과, 단셀의 일부의 영역에 있어서 산화제 가스가 부족하여, 단셀의 발전 성능이 저하될 우려가 있다.
또한, 이와 같은 과제는, 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 실시하는 고체 산화물형의 전해 셀 (이하, 「SOEC」라고 한다) 의 구성 단위인 전해 셀 단위에도 공통의 과제이다. 또한, 본 명세서에서는, 연료 전지 발전 단위와 전해 셀 단위를 통합하여, 전기 화학 반응 단위라고 부른다.
본 명세서에서는, 상기 서술한 과제를 해결하는 것이 가능한 기술을 개시한다.
본 명세서에 개시되는 기술은, 예를 들어, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 명세서에 개시되는 전기 화학 반응 단위는, 고체 산화물을 포함하는 전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 단셀과, 상기 공기극에 면하는 공기실을 구성함과 함께 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 서로 대향하는 제 1 내주면 및 제 2 내주면을 갖는 공기실용 구멍과, 상기 공기실에 공급되는 가스가 통과하는 공기극측 공급 가스 유로를 구성하는 공기극측 공급 가스 유로용 구멍과, 상기 공기실로부터 배출된 가스가 통과하는 공기극측 배출 가스 유로를 구성하는 공기극측 배출 가스 유로용 구멍과, 상기 공기극측 공급 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 상기 공기실용 구멍의 상기 제 1 내주면으로 개구되는 적어도 1 개의 공기극측 공급 연통 유로와, 상기 공기극측 배출 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 상기 공기실용 구멍의 상기 제 2 내주면으로 개구되는 적어도 1 개의 공기극측 배출 연통 유로가 형성된 공기극측 부재와, 상기 연료극에 면하는 연료실을 구성함과 함께 상기 제 2 방향으로 서로 대향하는 제 3 내주면 및 제 4 내주면을 갖는 연료실용 구멍과, 상기 연료실에 공급되는 가스가 통과하는 연료극측 공급 가스 유로를 구성하는 연료극측 공급 가스 유로용 구멍과, 상기 연료실로부터 배출된 가스가 통과하는 연료극측 배출 가스 유로를 구성하는 연료극측 배출 가스 유로용 구멍과, 상기 연료극측 공급 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 상기 연료실용 구멍의 상기 제 3 내주면으로 개구되는 적어도 1 개의 연료극측 공급 연통 유로와, 상기 연료극측 배출 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 상기 연료실용 구멍의 상기 제 4 내주면으로 개구되는 적어도 1 개의 연료극측 배출 연통 유로가 형성된 연료극측 부재를 구비하는 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 제 1 방향에서 보아, 상기 단셀의 상기 제 2 방향의 일방측의 변의 중점과 상기 제 2 방향의 타방측의 변의 중점을 연결하는 가상 직선과, 상기 적어도 1 개의 공기극측 공급 연통 유로의 상기 제 1 내주면에 있어서의 개구에 의해 구성되는 공기극측 공급 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lai) 와, 상기 가상 직선과, 상기 적어도 1 개의 공기극측 배출 연통 유로의 상기 제 2 내주면에 있어서의 개구에 의해 구성되는 공기극측 배출 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lao) 의 합 (La) 은, 상기 가상 직선과, 상기 적어도 1 개의 연료극측 공급 연통 유로의 상기 제 3 내주면에 있어서의 개구에 의해 구성되는 연료극측 공급 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lfi) 와, 상기 가상 직선과, 상기 적어도 1 개의 연료극측 배출 연통 유로의 상기 제 4 내주면에 있어서의 개구에 의해 구성되는 연료극측 배출 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) 보다 작다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 공기극측 부재에 형성된 각 연통 유로 (공기극측 공급 연통 유로 및 공기극측 배출 연통 유로) 의 공기실에 대한 개구가, 연료극측 부재에 형성된 각 연통 유로 (연료극측 공급 연통 유로 및 연료극측 배출 연통 유로) 의 연료실에 대한 개구와 비교하여, 공기실에 공급되는 가스 또는 연료실에 공급되는 가스의 주된 흐름 방향 (제 2 방향) 과 직교하는 방향에 있어서의 단셀의 중앙 위치 (가상 직선의 위치) 에 가까운 위치에 배치된다. 그 때문에, 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 공기실에 공급되는 가스를 면 방향으로 양호하게 확산시킬 수 있어, 그 가스의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀의 성능 저하를 억제할 수 있다.
(2) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 제 1 방향에서 보아, 상기 공기극측 공급 가스 유로용 구멍의 면적과 상기 공기극측 배출 가스 유로용 구멍의 면적의 합은, 상기 연료극측 공급 가스 유로용 구멍의 면적과 상기 연료극측 배출 가스 유로용 구멍의 면적의 합보다 큰 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 연료극측 공급 가스 유로용 구멍 및 연료극측 배출 가스 유로용 구멍의 면적의 증대를 억제하면서, 공기극측 공급 가스 유로용 구멍 및 공기극측 배출 가스 유로용 구멍의 면적을 크게 할 수 있고, 발전 단위의 대형화를 억제하여 장치의 소형화 및 기동성의 향상 등을 실현하면서, 공기극측의 각 유로에 있어서의 압손을 억제할 수 있고, 발전 단위의 효율 저하를 억제할 수 있다.
(3) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 제 1 방향에서 보아, 상기 공기극측 공급 개구군의 개구폭의 합계와 상기 공기극측 배출 개구군의 개구폭의 합계의 합은, 상기 연료극측 공급 개구군의 개구폭의 합계와 상기 연료극측 배출 개구군의 개구폭의 합계의 합보다 크고, 상기 제 1 방향에서 보아, 상기 가상 직선과 직교하고, 또한 상기 단셀의 중심을 통과하는 제 2 가상 직선 상에 있어서의 상기 단셀의 길이를 기준 길이 (Lc) 로 했을 때에, 상기 합 (La) 과 상기 합 (Lf) 의 차를 상기 기준 길이 (Lc) 로 나눈 값 ((La ― Lf)/Lc) 은, ―0.45 이상, 0 이하인 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 단셀의 중앙 위치 (가상 직선의 위치) 에 대해, 각 개구군의 상대적인 위치 관계를 비율로 나타낸, 상기 합 (La) 과 상기 합 (Lf) 의 차를 상기 기준 길이 (Lc) 로 나눈 값 (La ― Lf)/Lc 가, ―0.45 이상, 0 이하를 만족함으로써, 공기실에 공급되는 가스를 면 방향으로, 보다 한층 양호하게 확산시킬 수 있어, 그 가스의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀의 성능 저하를 보다 한층 억제할 수 있다.
(4) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 단셀은, 연료 전지 단셀인 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 공기실에 있어서의 산화제 가스의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀의 발전 성능의 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시되는 기술은, 여러 가지의 형태로 실현하는 것이 가능하고, 예를 들어, 전기 화학 반응 단위 (연료 전지 발전 단위 또는 전해 셀 단위), 복수의 전기 화학 반응 단위를 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택 (연료 전지 스택 또는 전해 셀 스택), 그것들의 제조 방법 등의 형태로 실현하는 것이 가능하다.
도 1 은, 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 외관 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2 는, 도 1 의 II-II 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 3 은, 도 1 의 III-III 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4 는, 도 2 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 도 3 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 6 은, 도 4 및 도 5 의 VI-VI 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 7 은, 도 4 및 도 5 의 VII-VII 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 8 은, 발전 단위 (102) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
도 9 는, 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다.
도 10 은, 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
도 11 은, 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
도 12 는, 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
도 13 은, 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
도 14 는, 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
A. 실시형태 :
A-1. 장치 구성 :
(연료 전지 스택 (100) 의 구성)
도 1 은, 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 외관 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2 는, 도 1 (및 후술하는 도 6, 7) 의 II-II 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이며, 도 3 은, 도 1 (및 후술하는 도 6, 7) 의 III-III 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다. 각 도면에는, 방향을 특정하기 위한 서로 직교하는 XYZ 축이 나타나 있다. 본 명세서에서는, 편의적으로, Z 축 정 (正) 방향을 상방향이라고 부르고, Z 축 부 (負) 방향을 하방향이라고 부르는 것으로 하지만, 연료 전지 스택 (100) 은 실제로는 그러한 방향과는 상이한 방향에서 설치되어도 된다. 도 4 이후에 대해서도 동일하다. 또, 본 명세서에서는, Z 축 방향과 직교하는 방향을, 면 방향이라고 부르는 것으로 한다.
연료 전지 스택 (100) 은, 복수의 (본 실시형태에서는 7 개의) 연료 전지 발전 단위 (이하, 간딘히 「발전 단위」라고 한다) (102) 와, 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 를 구비한다. 7 개의 발전 단위 (102) 는, 소정의 배열 방향 (본 실시형태에서는 상하 방향) 으로 나열하여 배치되어 있다. 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 7 개의 발전 단위 (102) 로 구성되는 집합체를 상하로부터 사이에 두도록 배치되어 있다. 또한, 상기 배열 방향 (상하 방향) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 제 1 방향에 상당한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 층 (각 발전 단위 (102), 엔드 플레이트 (104, 106)) 의 Z 축 방향 둘레의 외주의 4 개의 모서리부 주변에는, 각 층을 상하 방향으로 관통하는 구멍이 형성되어 있고, 각 층에 형성되어 서로 대응하는 구멍끼리가 상하 방향으로 연통되어, 일방의 엔드 플레이트 (104) 로부터 타방의 엔드 플레이트 (106) 에 걸쳐서 상하 방향으로 연장되는 볼트공 (109) 을 구성하고 있다. 각 볼트공 (109) 에는 볼트 (22) 가 삽입되어 있고, 각 볼트 (22) 및 도시되지 않은 너트에 의해 연료 전지 스택 (100) 은 체결되어 있다.
또, 도 1 내지 도 3 에 나타내는 바와 같이, 각 발전 단위 (102) 의 Z 축 방향 둘레의 외주변의 부근에는, 각 발전 단위 (102) 를 상하 방향으로 관통하는 구멍이 형성되어 있고, 각 발전 단위 (102) 에 형성되어 서로 대응하는 구멍끼리가 상하 방향으로 연통되어, 복수의 발전 단위 (102) 에 걸쳐서 상하 방향으로 연장되는 연통공 (108) 을 구성하고 있다. 이하의 설명에서는, 연통공 (108) 을 구성하기 위해서 각 발전 단위 (102) 에 형성된 구멍도, 연통공 (108) 이라고 부르는 경우가 있다.
도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 축 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (Y 축과 평행한 2 개의 변 중의 X 축 정방향측의 변) 의 부근에 위치하는 연통공 (108) 은, 연료 전지 스택 (100) 의 외부로부터 산화제 가스 (OG) 가 도입되어, 그 산화제 가스 (OG) 를 각 발전 단위 (102) 의 후술하는 공기실 (166) 에 공급하는 공용 가스 유로인 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로서 기능하고, 그 변의 반대측의 변 (Y 축과 평행한 2 개의 변 중의 X 축 부방향측의 변) 의 부근에 위치하는 연통공 (108) 은, 각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 로부터 배출된 가스인 산화제 오프 가스 (OOG) 를 연료 전지 스택 (100) 의 외부에 배출하는 공용 가스 유로인 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 로서 기능한다. 또한, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 에는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 및 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 가, 각각 1 개만 존재하고 있다. 또, 본 실시형태에서는, 산화제 가스 (OG) 로서, 예를 들어 공기가 사용된다. 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 공기극측 공급 가스 유로에 상당하고, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 공기극측 배출 가스 유로에 상당한다.
또, 도 1 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 축 방향 둘레의 외주를 구성하는 변 중, 상기 서술한 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 로서 기능하는 연통공 (108) 에 가장 가까운 변의 부근에 위치하는 다른 연통공 (108) 은, 연료 전지 스택 (100) 의 외부로부터 연료 가스 (FG) 가 도입되고, 그 연료 가스 (FG) 를 각 발전 단위 (102) 의 후술하는 연료실 (176) 에 공급하는 공용 가스 유로인 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 로서 기능하고, 상기 서술한 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로서 기능하는 연통공 (108) 에 가장 가까운 변의 부근에 위치하는 다른 연통공 (108) 은, 각 발전 단위 (102) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 가스인 연료 오프 가스 (FOG) 를 연료 전지 스택 (100) 의 외부에 배출하는 공용 가스 유로인 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 로서 기능한다. 또한, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 에는, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 및 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 가, 각각 1 개만 존재하고 있다. 또, 본 실시형태에서는, 연료 가스 (FG) 로서, 예를 들어 도시 가스를 개질한 수소 리치한 가스가 사용된다. 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 연료극측 공급 가스 유로에 상당하고, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 연료극측 배출 가스 유로에 상당한다.
(엔드 플레이트 (104, 106) 의 구성)
1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 대략 사각형의 평판 형상의 도전성 부재이고, 예를 들어 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 일방의 엔드 플레이트 (104) 는, 가장 위에 위치하는 발전 단위 (102) 의 상측에 배치되고, 타방의 엔드 플레이트 (106) 는, 가장 아래에 위치하는 발전 단위 (102) 의 하측에 배치되어 있다. 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 에 의해 복수의 발전 단위 (102) 가 가압된 상태에서 협지되어 있다. 상측의 엔드 플레이트 (104) 는, 연료 전지 스택 (100) 의 플러스측의 출력 단자로서 기능하고, 하측의 엔드 플레이트 (106) 는, 연료 전지 스택 (100) 의 마이너스측의 출력 단자로서 기능한다. 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 하측의 엔드 플레이트 (106) 에는, 4 개의 유로용 관통공 (107) 이 형성되어 있다. 4 개의 유로용 관통공 (107) 은, 각각, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161), 산화제 가스 배출 매니폴드 (162), 연료 가스 도입 매니폴드 (171), 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 에 연통되어 있다.
(가스 통로 부재 (27) 등의 구성)
도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 은, 추가로, 하측의 엔드 플레이트 (106) 에 대해 복수의 발전 단위 (102) 와는 반대측 (즉, 하측) 에 배치된 4 개의 가스 통로 부재 (27) 를 구비한다. 4 개의 가스 통로 부재 (27) 는, 각각, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161), 산화제 가스 배출 매니폴드 (162), 연료 가스 도입 매니폴드 (171), 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 와 상하 방향으로 중첩되는 위치에 배치되어 있다. 각 가스 통로 부재 (27) 는, 하측의 엔드 플레이트 (106) 의 유로용 관통공 (107) 에 연통되는 구멍이 형성된 본체부 (28) 와, 본체부 (28) 의 측면으로부터 분기된 통상의 분기부 (29) 를 가지고 있다. 분기부 (29) 의 구멍은 본체부 (28) 의 구멍과 연통되어 있다. 각 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 에는, 가스 배관 (도시 생략) 이 접속된다. 또한, 각 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 와 엔드 플레이트 (106) 사이에는, 절연 시트 (26) 가 배치되어 있다. 절연 시트 (26) 는, 예를 들어 마이카 시트나, 세라믹 섬유 시트, 세라믹 압분 시트, 유리 시트, 유리 세라믹 복합제 등에 의해 구성된다.
(발전 단위 (102) 의 구성)
도 4 는, 도 2 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이고, 도 5 는, 도 3 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다. 또, 도 6 은, 도 4 및 도 5 의 VI-VI 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이고, 도 7 은, 도 4 및 도 5 의 VII-VII 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 발전 단위 (102) 는, 단셀 (110) 과, 세퍼레이터 (120) 와, 공기극측 프레임 (130) 과, 공기극측 집전체 (134) 와, 연료극측 프레임 (140) 과, 연료극측 집전체 (144) 와, 발전 단위 (102) 의 최상층 및 최하층을 구성하는 1 쌍의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있다. 세퍼레이터 (120), 공기극측 프레임 (130), 연료극측 프레임 (140), 인터커넥터 (150) 에 있어서의 Z 축 방향 둘레의 주연부에는, 상기 서술한 각 매니폴드 (161, 162, 171, 172) 로서 기능하는 연통공 (108) 을 구성하는 구멍이나, 각 볼트공 (109) 을 구성하는 구멍이 형성되어 있다.
인터커넥터 (150) 는, 대략 사각형의 평판 형상의 도전성 부재이고, 예를 들어 페라이트계 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 인터커넥터 (150) 는, 발전 단위 (102) 사이의 전기적 도통을 확보함과 함께, 발전 단위 (102) 사이에서의 반응 가스의 혼합을 방지한다. 또한, 본 실시형태에서는, 2 개의 발전 단위 (102) 가 인접하여 배치되어 있는 경우, 1 개의 인터커넥터 (150) 는, 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 에 공유되고 있다. 즉, 어느 발전 단위 (102) 에 있어서의 상측의 인터커넥터 (150) 는, 그 발전 단위 (102) 의 상측에 인접하는 다른 발전 단위 (102) 에 있어서의 하측의 인터커넥터 (150) 와 동일 부재이다. 또, 연료 전지 스택 (100) 은 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 를 구비하고 있기 때문에, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서 가장 위에 위치하는 발전 단위 (102) 는 상측의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있지 않고, 가장 아래에 위치하는 발전 단위 (102) 는 하측의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있지 않다 (도 2 및 도 3 참조).
단셀 (110) 은, 전해질층 (112) 과, 전해질층 (112) 을 사이에 두고 상하 방향 (발전 단위 (102) 가 나열되는 배열 방향) 으로 서로 대향하는 공기극 (캐소드) (114) 및 연료극 (애노드) (116) 을 구비한다. 또한, 본 실시형태의 단셀 (110) 은, 연료극 (116) 에서 전해질층 (112) 및 공기극 (114) 을 지지하는 연료극 지지형의 단셀이다.
전해질층 (112) 은, Z 방향에서 보아 대략 사각형의 평판 형상 부재이며, 치밀한 층이다. 전해질층 (112) 은, 예를 들어, YSZ (이트리아 안정화 지르코니아), ScSZ (스칸디아 안정화 지르코니아), SDC (사마륨 도프 세리아), GDC (가돌리늄 도프 세리아), 페로브스카이트형 산화물 등의 고체 산화물에 의해 형성되어 있다. 공기극 (114) 은, Z 방향에서 보아 전해질층 (112) 보다 작은 대략 사각형의 평판 형상 부재이며, 다공질인 층이다. 공기극 (114) 은, 예를 들어, 페로브스카이트형 산화물 (예를 들어 LSCF (란탄스트론튬코발트철 산화물), LSM (란탄스트론튬망간 산화물), LNF (란탄니켈철)) 에 의해 형성되어 있다. 연료극 (116) 은, Z 방향에서 보아 전해질층 (112) 과 대략 동일한 크기의 대략 사각형의 평판 형상 부재이고, 다공질인 층이다. 연료극 (116) 은, 예를 들어, Ni 와 산화물 이온 전도성 세라믹스 입자 (예를 들어, YSZ) 로 이루어지는 서멧에 의해 형성되어 있다. 이와 같이, 본 실시형태의 단셀 (110) (발전 단위 (102)) 은, 전해질로서 고체 산화물을 사용하는 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 이다.
세퍼레이터 (120) 는, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 대략 사각형의 구멍 (121) 이 형성된 프레임상의 부재이고, 예를 들어, 금속에 의해 형성되어 있다. 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 구멍 (121) 의 주위 부분은, 전해질층 (112) 에 있어서의 공기극 (114) 측의 표면의 주연부에 대향하고 있다. 세퍼레이터 (120) 는, 그 대향한 부분에 배치된 납재 (예를 들어 Ag 납) 에 의해 형성된 접합부 (124) 에 의해, 전해질층 (112) (단셀 (110)) 과 접합되어 있다. 세퍼레이터 (120) 에 의해, 공기극 (114) 에 면하는 공기실 (166) 과 연료극 (116) 에 면하는 연료실 (176) 이 구획되어, 단셀 (110) 의 주연부에 있어서의 일방의 전극측으로부터 타방의 전극측으로의 가스의 리크가 억제된다.
공기극측 프레임 (130) 은, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 대략 사각형의 구멍 (131) 이 형성된 프레임상의 부재이고, 예를 들어, 마이카 등의 절연체에 의해 형성되어 있다. 공기극측 프레임 (130) 은, 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측과는 반대측의 표면의 주연부와, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 공기극 (114) 에 대향하는 측의 표면의 주연부에 접촉하고 있다. 또, 공기극측 프레임 (130) 에 의해, 발전 단위 (102) 에 포함되는 1 쌍의 인터커넥터 (150) 사이가 전기적으로 절연된다.
도 4 ∼ 도 6 에 나타내는 바와 같이, 공기극측 프레임 (130) 의 구멍 (131) 은, 공기극 (114) 에 면하는 공기실 (166) 을 구성하는 구멍이다. 도 6 에 나타내는 바와 같이, Z 축 방향에서 보아, 구멍 (131) 의 외형선은 대략 사각형이다. 구멍 (131) 은, X 축 방향으로 서로 대향하는 제 1 내주면 (IP1) 및 제 2 내주면 (IP2) 을 갖는다. 구멍 (131) 의 외형선 중, 제 1 내주면 (IP1) 에 의해 구성되는 부분 및 제 2 내주면 (IP2) 에 의해 구성되는 부분은, Y 축 방향과 대략 평행한 직선상 부분을 가지고 있다. 또, 도 4 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 공기극측 프레임 (130) 에는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 에 연통함과 함께 공기실 (166) 을 구성하는 구멍 (131) 의 제 1 내주면 (IP1) 으로 개구되는 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 와, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 에 연통함과 함께 공기실 (166) 을 구성하는 구멍 (131) 의 제 2 내주면 (IP2) 으로 개구되는 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 공기극측 프레임 (130) 에, 3 개의 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 와, 3 개의 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가 형성되어 있다.
공기극측 프레임 (130) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 공기극측 부재에 상당하고, 구멍 (131) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 공기실용 구멍에 상당하고, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 공기극측 공급 가스 유로용 구멍에 상당하고, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 공기극측 배출 가스 유로용 구멍에 상당하고, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 공기극측 공급 연통 유로에 상당하고, 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 공기극측 배출 연통 유로에 상당하고, X 축 방향은, 특허 청구의 범위에 있어서의 제 2 방향에 상당한다.
연료극측 프레임 (140) 은, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 대략 사각형의 구멍 (141) 이 형성된 프레임상의 부재이고, 예를 들어, 금속에 의해 형성되어 있다. 연료극측 프레임 (140) 은, 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측의 표면의 주연부와, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 연료극 (116) 에 대향하는 측의 표면의 주연부에 접촉하고 있다.
도 4, 도 5 및 도 7 에 나타내는 바와 같이, 연료극측 프레임 (140) 의 구멍 (141) 은, 연료극 (116) 에 면하는 연료실 (176) 을 구성하는 구멍이다. 도 7 에 나타내는 바와 같이, Z 축 방향에서 보아, 구멍 (141) 의 외형선은 대략 사각형이다. 구멍 (141) 은, X 축 방향으로 서로 대향하는 제 3 내주면 (IP3) 및 제 4 내주면 (IP4) 을 갖는다. 구멍 (141) 의 외형선 중, 제 3 내주면 (IP3) 에 의해 구성되는 부분 및 제 4 내주면 (IP4) 에 의해 구성되는 부분은, Y 축 방향과 대략 평행한 직선상 부분을 가지고 있다. 또, 도 5 및 도 7 에 나타내는 바와 같이, 연료극측 프레임 (140) 에는, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 에 연통함과 함께 연료실 (176) 을 구성하는 구멍 (141) 의 제 3 내주면 (IP3) 으로 개구되는 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 와, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 에 연통함과 함께 연료실 (176) 을 구성하는 구멍 (141) 의 제 4 내주면 (IP4) 으로 개구되는 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 가 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 연료극측 프레임 (140) 에, 1 개의 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 와, 1 개의 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 가 형성되어 있다.
연료극측 프레임 (140) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 연료극측 부재에 상당하고, 구멍 (141) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 연료실용 구멍에 상당하고, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 연료극측 공급 가스 유로용 구멍에 상당하고, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 연료극측 배출 가스 유로용 구멍에 상당하고, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 연료극측 공급 연통 유로에 상당하고, 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 연료극측 배출 연통 유로에 상당한다.
도 4 ∼ 도 6 에 나타내는 바와 같이, 공기극측 집전체 (134) 는, 공기실 (166) 내에 배치되어 있다. 공기극측 집전체 (134) 는, 복수의 대략 사각 기둥상의 집전체 요소 (135) 로 구성되어 있고, 예를 들어, 페라이트계 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 공기극측 집전체 (134) 는, 공기극 (114) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측과는 반대측의 표면과, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 공기극 (114) 에 대향하는 측의 표면에 접촉하고 있다. 단, 상기 서술한 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서 가장 위에 위치하는 발전 단위 (102) 는 상측의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있지 않기 때문에, 당해 발전 단위 (102) 에 있어서의 공기극측 집전체 (134) 는, 상측의 엔드 플레이트 (104) 에 접촉하고 있다. 공기극측 집전체 (134) 는, 이와 같은 구성이기 때문에, 공기극 (114) 과 인터커넥터 (150) (또는 엔드 플레이트 (104)) 를 전기적으로 접속한다. 또한, 본 실시형태에서는, 공기극측 집전체 (134) 와 인터커넥터 (150) 는 일체의 부재로서 형성되어 있다. 즉, 그 일체의 부재 중의, 상하 방향 (Z 축 방향) 과 직교하는 평판형의 부분이 인터커넥터 (150) 로서 기능하고, 그 평판형의 부분으로부터 공기극 (114) 을 향하여 돌출되도록 형성된 복수의 볼록부인 집전체 요소 (135) 가 공기극측 집전체 (134) 로서 기능한다. 또, 공기극측 집전체 (134) 와 인터커넥터 (150) 의 일체 부재는, 도전성의 코트에 의해 덮여 있어도 되고, 공기극 (114) 과 공기극측 집전체 (134) 사이에는, 양자를 접합하는 도전성의 접합층이 개재되어 있어도 된다.
도 4, 5, 7 에 나타내는 바와 같이, 연료극측 집전체 (144) 는, 연료실 (176) 내에 배치되어 있다. 연료극측 집전체 (144) 는, 인터커넥터 대향부 (146) 와, 전극 대향부 (145) 와, 전극 대향부 (145) 와 인터커넥터 대향부 (146) 를 연결하는 연접부 (147) 를 구비하고 있고, 예를 들어, 니켈이나 니켈 합금, 스테인리스 등에 의해 형성되어 있다. 전극 대향부 (145) 는, 연료극 (116) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측과는 반대측의 표면에 접촉하고 있고, 인터커넥터 대향부 (146) 는, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 연료극 (116) 에 대향하는 측의 표면에 접촉하고 있다. 단, 상기 서술한 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서 가장 아래에 위치하는 발전 단위 (102) 는 하측의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있지 않기 때문에, 당해 발전 단위 (102) 에 있어서의 인터커넥터 대향부 (146) 는, 하측의 엔드 플레이트 (106) 에 접촉하고 있다. 연료극측 집전체 (144) 는, 이와 같은 구성이기 때문에, 연료극 (116) 과 인터커넥터 (150) (또는 엔드 플레이트 (106)) 를 전기적으로 접속한다. 또한, 전극 대향부 (145) 와 인터커넥터 대향부 (146) 사이에는, 예를 들어 마이카에 의해 형성된 스페이서 (149) 가 배치되어 있다. 그 때문에, 연료극측 집전체 (144) 가 온도 사이클이나 반응 가스 압력 변동에 의한 발전 단위 (102) 의 변형에 추종하여, 연료극측 집전체 (144) 를 개재한 연료극 (116) 과 인터커넥터 (150) (또는 엔드 플레이트 (106)) 의 전기적 접속이 양호하게 유지된다.
A-2. 연료 전지 스택 (100) 의 동작 :
도 2, 4, 6 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시 생략) 을 통하여 산화제 가스 (OG) 가 공급되면, 산화제 가스 (OG) 는, 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29), 본체부 (28), 및 하측의 엔드 플레이트 (106) 의 유로용 관통공 (107) 을 통하여 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 에 공급되고, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로부터 각 발전 단위 (102) 의 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 를 통하여, 공기실 (166) 에 공급된다. 또, 도 3, 5, 7 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시 생략) 을 통하여 연료 가스 (FG) 가 공급되면, 연료 가스 (FG) 는, 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29), 본체부 (28), 및 하측의 엔드 플레이트 (106) 의 유로용 관통공 (107) 을 통하여 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 에 공급되고, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 로부터 각 발전 단위 (102) 의 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 를 통하여, 연료실 (176) 에 공급된다.
각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 에 산화제 가스 (OG) 가 공급되고, 연료실 (176) 에 연료 가스 (FG) 가 공급되면, 단셀 (110) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 에 포함되는 산소와 연료 가스 (FG) 에 포함되는 수소의 전기 화학 반응에 의한 발전이 실시된다. 이 발전 반응은 발열 반응이다. 각 발전 단위 (102) 에 있어서, 단셀 (110) 의 공기극 (114) 은 공기극측 집전체 (134) 를 통하여 일방의 인터커넥터 (150) 에 전기적으로 접속되고, 연료극 (116) 은 연료극측 집전체 (144) 를 통하여 타방의 인터커넥터 (150) 에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 복수의 발전 단위 (102) 는, 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 그 때문에, 연료 전지 스택 (100) 의 출력 단자로서 기능하는 엔드 플레이트 (104, 106) 로부터, 각 발전 단위 (102) 에 있어서 생성된 전기 에너지가 취출된다. 또한, SOFC 는, 비교적 고온 (예를 들어 700 ℃ 내지 1000 ℃) 에서 발전이 실시되는 점에서, 기동 후, 발전에 의해 발생하는 열로 고온을 유지할 수 있는 상태가 될 때까지, 연료 전지 스택 (100) 이 가열기 (도시 생략) 에 의해 가열되어도 된다.
각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 로부터 배출된 산화제 오프 가스 (OOG) 는, 도 2, 4, 6 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 를 통하여 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 에 배출되고, 추가로 하측의 엔드 플레이트 (106) 의 유로용 관통공 (107), 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 및 분기부 (29) 를 거쳐, 당해 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시 생략) 을 통하여 연료 전지 스택 (100) 의 외부에 배출된다. 또, 각 발전 단위 (102) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 연료 오프 가스 (FOG) 는, 도 3, 5, 7 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 를 통하여 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 에 배출되고, 추가로 하측의 엔드 플레이트 (106) 의 유로용 관통공 (107), 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 및 분기부 (29) 를 거쳐, 당해 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시되지 않은) 을 통하여 연료 전지 스택 (100) 의 외부에 배출된다.
또한, 상기 서술한 바와 같이, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 발전 단위 (102) 에서는, 공기극측 프레임 (130) 의 구멍 (131) 에 있어서의 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가 개구되는 제 1 내주면 (IP1) 과 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가 개구되는 제 2 내주면 (IP2) 의 대향 방향 (X 축 방향) 과, 연료극측 프레임 (140) 의 구멍 (141) 에 있어서의 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 가 개구되는 제 3 내주면 (IP3) 과 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 가 개구되는 제 4 내주면 (IP4) 의 대향 방향 (X 축 방향) 이 대략 동일 방향이다. 또, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 이, 상기 대향 방향의 동일한 측 (X 축 정방향측) 에 배치되고, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 과 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 이, 상기 대향 방향의 동일한 측 (X 축 부방향측) 에 배치되어 있다. 그 때문에, 각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 에 있어서의 산화제 가스 (OG) 의 주된 흐름 방향 (도 6 에 나타내는 바와 같이, X 축 부방향) 과 연료실 (176) 에 있어서의 연료 가스 (FG) 의 주된 흐름 방향 (도 7 에 나타내는 바와 같이, X 축 정방향) 이, 대략 반대 방향 (서로 대향하는 방향) 이 된다. 즉, 본 실시형태의 발전 단위 (102) (연료 전지 스택 (100)) 는, 카운터 플로 타입의 SOFC 이다.
A-3. 발전 단위 (102) 에 형성된 각 유로의 상세 구성 :
다음으로, 발전 단위 (102) 에 형성된 각 유로의 상세 구성에 대해 설명한다. 도 8 은, 발전 단위 (102) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 8 에는, 설명의 편의상, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 각 연통 유로 (산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 및 산화제 가스 배출 연통 유로 (133)) 에 추가로, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 각 연통 유로 (연료 가스 공급 연통 유로 (142) 및 연료 가스 배출 연통 유로 (143)) 도 나타내고 있다. 실제의 구성에서는, 상기 서술한 바와 같이, 공기극측 프레임 (130) 에는 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 및 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 는 형성되어 있지 않고, 연료극측 프레임 (140) 에는 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 및 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 는 형성되어 있지 않다.
도 8 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 각 연통 유로 (산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 및 산화제 가스 배출 연통 유로 (133)) 와, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 각 연통 유로 (연료 가스 공급 연통 유로 (142) 및 연료 가스 배출 연통 유로 (143)) 는, Z 축 방향에서 보아 서로 중첩되어 있지 않다.
또, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, Z 축 방향에서 보아, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 각 연통 유로 (산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 및 산화제 가스 배출 연통 유로 (133)) 의 공기실 (166) 에 대한 개구가, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 각 연통 유로 (연료 가스 공급 연통 유로 (142) 및 연료 가스 배출 연통 유로 (143)) 의 연료실 (176) 에 대한 개구와 비교하여, 산화제 가스 (OG) 또는 연료 가스 (FG) 의 주된 흐름 방향 (X 축 방향) 과 직교하는 방향 (Y 축 방향) 에 있어서의 단셀 (110) 의 중앙 위치 (이하에 정의하는 가상 직선 (VL) 의 위치) 에 가까운 위치에 배치되어 있다.
·가상 직선 (VL) :
단셀 (110) (구체적으로는, 단셀 (110) 을 구성하는 각 층 중의 면 방향의 크기가 가장 작은 층이고, 본 실시형태에서는 공기극 (114)) 의 X 축 방향의 일방측 (X 축 부방향측) 의 변 (상세하게는, 그 변 중의 대략 직선상 부분 (이하 동일)) 의 중점 (MPc1) 과, X 축 방향의 타방측 (X 축 정방향측) 의 변의 중점 (MPc2) 을 연결하는 가상적인 직선
보다 상세하게는, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, Z 축 방향에서 보아, 이하에 각각 정의하는 제 1 거리 (Lai) 와 제 2 거리 (Lao) 의 합 (La) (이하, 「공기극측 거리 합 (La)」이라고 한다) 은, 제 3 거리 (Lfi) 와 제 4 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) (이하, 「연료극측 거리 합 (Lf)」이라고 한다) 보다 작게 되어 있다.
·제 1 거리 (Lai) :
가상 직선 (VL) 과, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 제 1 내주면 (IP1) 에 있어서의 개구의 전부에 의해 구성되는 공기극측 공급 개구군의 양 단점 (EP1, EP2) 의 중점 (MPai) 사이의 거리
·제 2 거리 (Lao) :
가상 직선 (VL) 과, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 의 제 2 내주면 (IP2) 에 있어서의 개구의 전부에 의해 구성되는 공기극측 배출 개구군의 양 단점 (EP3, EP4) 의 중점 (MPao) 사이의 거리
·제 3 거리 (Lfi) :
가상 직선 (VL) 과, 각 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구에 의해 구성되는 연료극측 공급 개구군의 양 단점 (EP5, EP6) 의 중점 (MPfi) 사이의 거리
·제 4 거리 (Lfo) :
가상 직선 (VL) 과, 각 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 의 제 4 내주면 (IP4) 에 있어서의 개구에 의해 구성되는 연료극측 배출 개구군의 양 단점 (EP7, EP8) 의 중점 (MPfo) 사이의 거리
또한, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, Z 축 방향에서 보아, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 제 1 내주면 (IP1) 에 있어서의 개구의 전부에 의해 구성되는 공기극측 공급 개구군의 개구폭의 합계와, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 의 제 2 내주면 (IP2) 에 있어서의 개구의 전부에 의해 구성되는 공기극측 배출 개구군의 개구폭의 합계의 합은, 각 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구에 의해 구성되는 연료극측 공급 개구군의 개구폭의 합계와, 각 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 의 제 4 내주면 (IP4) 에 있어서의 개구에 의해 구성되는 연료극측 배출 개구군의 개구폭의 합계의 합보다 크게 되어 있다.
또, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합은, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합보다 크게 되어 있다. 보다 상세하게는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적은, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적보다 크게, 또한 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적은, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적보다 크게 되어 있다.
A-4. 본 실시형태의 효과 :
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 발전 단위 (102) 는, 단셀 (110) 과, 공기극측 프레임 (130) 과, 연료극측 프레임 (140) 을 구비한다. 공기극측 프레임 (130) 에는, 공기극 (114) 에 면하는 공기실 (166) 을 구성함과 함께 X 축 방향으로 서로 대향하는 제 1 내주면 (IP1) 및 제 2 내주면 (IP2) 을 갖는 구멍 (131) 과, 공기실 (166) 에 공급되는 가스가 통과하는 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 과, 공기실 (166) 로부터 배출된 가스가 통과하는 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 과, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 에 연통함과 함께 구멍 (131) 의 제 1 내주면 (IP1) 으로 개구되는 적어도 1 개의 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 와, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 에 연통함과 함께 구멍 (131) 의 제 2 내주면 (IP2) 으로 개구되는 적어도 1 개의 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가 형성되어 있다. 연료극측 프레임 (140) 에는, 연료극 (116) 에 면하는 연료실 (176) 을 구성함과 함께 X 축 방향으로 서로 대향하는 제 3 내주면 (IP3) 및 제 4 내주면 (IP4) 을 갖는 구멍 (141) 과, 연료실 (176) 에 공급되는 가스가 통과하는 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 과, 연료실 (176) 로부터 배출된 가스가 통과하는 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 과, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 에 연통함과 함께 구멍 (141) 의 제 3 내주면 (IP3) 으로 개구되는 적어도 1 개의 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 와, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 에 연통함과 함께 구멍 (141) 의 제 4 내주면 (IP4) 으로 개구되는 적어도 1 개의 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 가 형성되어 있다. 또, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 발전 단위 (102) 에서는, Z 축 방향에서 보아, 상기 서술한 제 1 거리 (Lai) 와 제 2 거리 (Lao) 의 합 (La) (공기극측 거리 합 (La)) 은, 제 3 거리 (Lfi) 와 제 4 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) (연료극측 거리 합 (Lf)) 보다 작다.
본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 발전 단위 (102) 는, 상기 서술한 구성이기 때문에, 이하에 설명하는 바와 같이, 산화제 가스 (OG) 의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.
공기극측 프레임 (130) 이나 연료극측 프레임 (140) 에 있어서 상기 각 연통 유로가 형성된 지점에서는, 복수의 발전 단위 (102) 를 나열하여 연료 전지 스택 (100) 을 구성했을 때에 있어서의 Z 축 방향의 압력 (면압) 이 낮아지기 쉽다. 상기 서술한 바와 같이, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 각 연통 유로 (산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 및 산화제 가스 배출 연통 유로 (133)) 와, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 각 연통 유로 (연료 가스 공급 연통 유로 (142) 및 연료 가스 배출 연통 유로 (143)) 는, Z 축 방향에서 보아 서로 중첩되어 있지 않다. 그 때문에, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 면압이 낮아지기 쉬운 지점이 Z 축 방향에서 보아 서로 중첩되는 것을 원인으로 하여 가스 리크가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
한편, 그러한 구성을 채용하는 경우에는, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 각 연통 유로 (산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 및 산화제 가스 배출 연통 유로 (133)) 의 공기실 (166) 에 대한 개구와, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 각 연통 유로 (연료 가스 공급 연통 유로 (142) 및 연료 가스 배출 연통 유로 (143)) 의 연료실 (176) 에 대한 개구의 양방을, 공기실 (166) 또는 연료실 (176) 에 있어서의 가스 확산성 면에서 이상적인 위치 (즉, 산화제 가스 (OG) 또는 연료 가스 (FG) 의 주된 흐름 방향 (X 축 방향) 과 직교하는 방향에 있어서의 단셀 (110) 의 중앙 위치이고, 상기 가상 직선 (VL) 에 의해 나타내는 위치) 에 배치할 수 없다. 그 때문에, 종래의 SOFC 에서는, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 상기 각 연통 유로의 공기실 (166) 에 대한 개구와, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 상기 각 연통 유로의 연료실 (176) 에 대한 개구가, 상기 단셀 (110) 의 중앙 위치 (가상 직선 (VL) 의 위치) 에 대해 대략 대칭의 위치에 배치되어 있었다. 이와 같은 종래의 구성에서는, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 상기 각 연통 유로의 공기실 (166) 에 대한 개구도, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 상기 각 연통 유로의 연료실 (176) 에 대한 개구도, 단셀 (110) 의 상기 중앙 위치로부터 어느 정도 떨어진 위치에 배치되게 된다.
여기서, 산화제 가스 (OG) (예를 들어 공기) 는, 연료 가스 (FG) (예를 들어 수소 리치한 가스) 와 비교하여, 평균 분자량이 크기 때문에 확산성이 낮다. 특히, SOFC 는 비교적 고온 (예를 들어 700 ℃ 내지 1000 ℃) 에서 운전되는 점에서, 산화제 가스 (OG) 는 고온이 된다. 산화제 가스 (OG) 는, 고온이 되면, 연료 가스 (FG) 에 비해 점도가 높아지는 경향이 있다. 요컨대, 고온 환경 하에서는, 산화제 가스 (OG) 는, 연료 가스 (FG) 보다 확산되기 힘든 상태가 된다. 그 때문에, 상기 종래의 구성에서는, 연료 가스 (FG) 는 면 방향으로 양호하게 흘러 확산되지만, 산화제 가스 (OG) 는 면 방향으로의 확산이 불충분해져, 단셀 (110) 의 일부의 영역에 있어서 산화제 가스 (OG) 가 부족하여, 단셀 (110) 의 발전 성능이 저하될 우려가 있다.
이것에 반해, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 상기 서술한 바와 같이, 제 1 거리 (Lai) 와 제 2 거리 (Lao) 의 합 (La) (공기극측 거리 합 (La)) 이, 제 3 거리 (Lfi) 와 제 4 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) (연료극측 거리 합 (Lf)) 보다 작다. 즉, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 각 연통 유로 (산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 및 산화제 가스 배출 연통 유로 (133)) 의 공기실 (166) 에 대한 개구가, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 각 연통 유로 (연료 가스 공급 연통 유로 (142) 및 연료 가스 배출 연통 유로 (143)) 의 연료실 (176) 에 대한 개구와 비교하여, 단셀 (110) 의 상기 중앙 위치 (가상 직선 (VL) 의 위치) 에 가까운 위치에 배치되어 있다. 그 때문에, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 산화제 가스 (OG) 를 면 방향으로 양호하게 확산시킬 수 있어, 산화제 가스 (OG) 의 면 방향으로의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또한, 고온의 산화제 가스 (OG) 는 점성이 높아, 매니폴드 (161, 162) 등의 유로에서의 압손이 커지기 쉽다. 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 상기 서술한 바와 같이, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합보다 크다. 그 때문에, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 및 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 증대를 억제하면서, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 및 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적을 크게 할 수 있고, 발전 단위 (102) (연료 전지 스택 (100)) 전체의 대형화를 억제하여 장치의 소형화 및 기동성의 향상 등을 실현하면서, 공기극 (114) 측의 각 매니폴드 (161, 162) 에 있어서의 압손을 억제할 수 있고, 발전 단위 (102) (연료 전지 스택 (100)) 의 효율 저하를 억제할 수 있다.
A-5. 성능 평가 :
상기 서술한 각 유로의 구성과 단셀 (110) 의 발전 성능의 관계에 대해, 시뮬레이션에 의한 성능 평가를 실시하였다. 도 9 는, 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다. 성능 평가에서는, 상기 서술한 구성의 단셀 (110) (발전 단위 (102)) 에 있어서, 각 연통 유로 (132, 133, 142, 143) 의 위치를 변경함으로써 공기극측 거리 합 (La) 과 연료극측 거리 합 (Lf) 의 차 (La ― Lf) 의 값을 다양하게 변경하면서, 10 개의 단셀 (110) (발전 단위 (102)) 을 구비하는 연료 전지 스택 (100) 을 구성하고, 온도 700 ℃, 전류 밀도 0.55 A/㎠ 로 발전 운전을 실시했을 때의 하나의 단셀 (110) 당의 전압을 측정하였다. 또한, 공기극측 거리 합 (La) 과 연료극측 거리 합 (Lf) 의 차 (La ― Lf) 의 값에 대해, 단셀 (110) (발전 단위 (102)) 의 크기의 영향을 배제하기 위해서, 이하에 정의하는 기준 길이 (Lc) (도 8 참조) 로 공기극측 거리 합 (La) 과 연료극측 거리 합 (Lf) 의 차 (La ― Lf) 의 값을 나누고 있다.
·기준 길이 (Lc) :
이하에 정의하는 제 2 가상 직선 (VL2) 상에 있어서의 (제 2 가상 직선 (VL2) 과 중첩되는) 단셀 (110) 의 길이
·제 2 가상 직선 (VL2) :
Z 축 방향에서 보아 (즉, 면 방향에 있어서), 상기 서술한 가상 직선 (VL) 과 직교하고, 또한 단셀 (110) 의 중심을 통과하는 가상적인 직선
도 9 에는, 상기 (La ― Lf)/Lc 의 값과 단셀 (110) 의 전압의 관계가 나타나 있다. 도 9 에 나타내는 바와 같이, 본 성능 평가에서는, 상기 (La ― Lf)/Lc 가 부의 값이면 (즉, 공기극측 거리 합 (La) 이 연료극측 거리 합 (Lf) 보다 작으면), 단셀 (110) 의 전압이 높아진다는 결과가 되었다. 이 결과로부터, 상기 서술한 바와 같이, 발전 단위 (102) 에 있어서, 공기극측 거리 합 (La) 이 연료극측 거리 합 (Lf) 보다 작아지도록, 각 연통 유로 (132, 133, 142, 143) 를 구성하면, 산화제 가스 (OG) 의 면 방향으로의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 성능 저하를 억제할 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 본 성능 평가에서는, 상기 (La ― Lf)/Lc 의 값이 지나치게 작아지면, 오히려 단셀 (110) 의 전압이 저하된다는 결과가 되었다. 이것은, 상기 (La ― Lf)/Lc 의 값이 지나치게 작아지면, 연료극측 거리 합 (Lf) 이 지나치게 커지기 (연료 가스 공급 연통 유로 (142) 및 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 가 중앙 위치로부터 지나치게 떨어지기) 때문에, 연료 가스 (FG) 의 이용 효율이 침체되기 때문인 것으로 생각된다. 그 때문에, 단셀 (110) 의 성능 저하를 한층 효과적으로 억제하기 위해서는, 상기 (La ― Lf)/Lc 의 값은, ―0.45 이상, 0 이하인 것이 바람직하고, ―0.4 이상, ―0.1 이하인 것이 보다 바람직하며, ―0.3 이상, ―0.2 이하인 것이 한층 바람직하다고 할 수 있다.
B. 변형예 :
본 명세서에서 개시되는 기술은, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 형태로 변형할 수 있고, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.
도 10 은, 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 10 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에서는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 및 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 이, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 비교하여, 단셀 (110) 의 상기 중앙 위치 (가상 직선 (VL) 의 위치) 에 보다 가까운 위치에 배치되어 있다. 보다 상세하게는, 도 10 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에서는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 이 정확히 단셀 (110) 의 상기 중앙 위치 (가상 직선 (VL) 의 위치) 에 위치하고 있기 때문에, 상기 제 1 거리 (Lai) 는 제로이며, 마찬가지로, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 이 정확히 단셀 (110) 의 상기 중앙 위치 (가상 직선 (VL) 의 위치) 에 위치하고 있기 때문에, 상기 제 2 거리 (Lao) 도 제로이다.
도 10 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 제 1 거리 (Lai) 와 제 2 거리 (Lao) 의 합 (La) (공기극측 거리 합 (La)) 이, 제 3 거리 (Lfi) 와 제 4 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) (연료극측 거리 합 (Lf)) 보다 작다. 그 때문에, 도 10 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 (OG) 를 면 방향으로 양호하게 확산시킬 수 있어, 산화제 가스 (OG) 의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또, 도 10 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합보다 크다. 그 때문에, 도 10 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 발전 단위 (102a) (연료 전지 스택 (100)) 전체의 대형화를 억제하여 장치의 소형화 및 기동성의 향상 등을 실현하면서, 공기극 (114) 측의 각 매니폴드 (161, 162) 에 있어서의 압손을 억제할 수 있고, 발전 단위 (102a) (연료 전지 스택 (100)) 의 효율 저하를 억제할 수 있다.
도 11 은, 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 11 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에서는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 이, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 비교하여, 단셀 (110) 의 상기 중앙 위치 (가상 직선 (VL) 의 위치) 에 보다 가까운 위치에 배치되어 있다. 보다 상세하게는, 도 11 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에서는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 이 정확히 단셀 (110) 의 상기 중앙 위치 (가상 직선 (VL) 의 위치) 에 위치하고 있기 때문에 상기 제 1 거리 (Lai) 는 제로이다.
또, 도 11 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에서는, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 이, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 비교하여 작게 되어 있고, 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 의 개수도 2 개로 감소되어 있다.
도 11 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 제 1 거리 (Lai) 와 제 2 거리 (Lao) 의 합 (La) (공기극측 거리 합 (La)) 이, 제 3 거리 (Lfi) 와 제 4 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) (연료극측 거리 합 (Lf)) 보다 작다. 그 때문에, 도 11 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 (OG) 를 면 방향으로 양호하게 확산시킬 수 있어, 산화제 가스 (OG) 의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또, 도 11 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합보다 크다. 그 때문에, 도 11 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 발전 단위 (102b) (연료 전지 스택 (100)) 전체의 대형화를 억제하여 장치의 소형화 및 기동성의 향상 등을 실현하면서, 공기극 (114) 측의 각 매니폴드 (161, 162) 에 있어서의 압손을 억제할 수 있고, 발전 단위 (102b) (연료 전지 스택 (100)) 의 효율 저하를 억제할 수 있다.
도 12 는, 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 12 에 나타내는 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에서는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 및 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 이, 모두 단셀 (110) 의 상기 중앙 위치 (가상 직선 (VL) 의 위치) 의 일방측 (Y 축 정방향측) 에 위치하고, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 및 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 이, 모두 단셀 (110) 의 상기 중앙 위치 (가상 직선 (VL) 의 위치) 의 타방측 (Y 축 부방향측) 에 위치하고 있다.
도 12 에 나타내는 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 제 1 거리 (Lai) 와 제 2 거리 (Lao) 의 합 (La) (공기극측 거리 합 (La)) 이, 제 3 거리 (Lfi) 와 제 4 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) (연료극측 거리 합 (Lf)) 보다 작다. 그 때문에, 도 12 에 나타내는 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 (OG) 를 면 방향으로 양호하게 확산시킬 수 있어, 산화제 가스 (OG) 의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또, 도 12 에 나타내는 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합보다 크다. 그 때문에, 도 12 에 나타내는 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 발전 단위 (102c) (연료 전지 스택 (100)) 전체의 대형화를 억제하여 장치의 소형화 및 기동성의 향상 등을 실현하면서, 공기극 (114) 측의 각 매니폴드 (161, 162) 에 있어서의 압손을 억제할 수 있고, 발전 단위 (102c) (연료 전지 스택 (100)) 의 효율 저하를 억제할 수 있다.
도 13 은, 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 13 에 나타내는 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 에서는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합과 대략 동일하다.
도 13 에 나타내는 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 제 1 거리 (Lai) 와 제 2 거리 (Lao) 의 합 (La) (공기극측 거리 합 (La)) 이, 제 3 거리 (Lfi) 와 제 4 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) (연료극측 거리 합 (Lf)) 보다 작다. 그 때문에, 도 13 에 나타내는 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 (OG) 를 면 방향으로 양호하게 확산시킬 수 있어, 산화제 가스 (OG) 의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 성능 저하를 억제할 수 있다.
도 14 는, 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 14 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 공기극측 프레임 (130) 의 구멍 (131) 에 있어서의 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가 개구되는 제 1 내주면 (IP1) 과 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가 개구되는 제 2 내주면 (IP2) 의 대향 방향 (X 축 방향) 과, 연료극측 프레임 (140) 의 구멍 (141) 에 있어서의 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 가 개구되는 제 3 내주면 (IP3) 과 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 가 개구되는 제 4 내주면 (IP4) 의 대향 방향 (X 축 방향)이, 대략 동일 방향이다. 단, 도 14 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에서는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 과 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 이, 상기 대향 방향의 동일한 측 (X 축 정방향측) 에 배치되고, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 이, 상기 대향 방향의 동일한 측 (X 축 부방향측) 에 배치되어 있다. 그 때문에, 발전 단위 (102e) 의 공기실 (166) 에 있어서의 산화제 가스 (OG) 의 주된 흐름 방향 (도 14 에 나타내는 바와 같이, X 축 부방향) 과 연료실 (176) 에 있어서의 연료 가스 (FG) 의 주된 흐름 방향 (마찬가지로, X 축 부방향) 이, 대략 동일 방향이 된다. 즉, 도 14 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 는, 코플로 타입의 SOFC 이다.
도 14 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 제 1 거리 (Lai) 와 제 2 거리 (Lao) 의 합 (La) (공기극측 거리 합 (La)) 이, 제 3 거리 (Lfi) 와 제 4 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) (연료극측 거리 합 (Lf)) 보다 작다. 그 때문에, 도 14 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 (OG) 를 면 방향으로 양호하게 확산시킬 수 있어, 산화제 가스 (OG) 의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또, 도 14 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합보다 크다. 그 때문에, 도 14 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 발전 단위 (102e) (연료 전지 스택 (100)) 전체의 대형화를 억제하여 장치의 소형화 및 기동성의 향상 등을 실현하면서, 공기극 (114) 측의 각 매니폴드 (161, 162) 에 있어서의 압손을 억제할 수 있고, 발전 단위 (102e) (연료 전지 스택 (100)) 의 효율 저하를 억제할 수 있다.
상기 실시형태 (및 변형예, 이하 동일) 의 발전 단위 (102) 또는 연료 전지 스택 (100) 의 구성은, 어디까지나 일례이며, 다양하게 변형 가능하다. 예를 들어, 상기 실시형태에서는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 의 면적의 합보다 크다고 하고 있으나, 반드시 이와 같은 관계일 필요는 없다.
또, 상기 실시형태에 있어서, 반드시 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 모든 발전 단위 (102) 에 대해, 공기극측 거리 합 (La) 이 연료극측 거리 합 (Lf) 보다 작다는 관계가 만족되어 있을 필요는 없고, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 적어도 1 개의 발전 단위 (102) 에 대해, 상기 관계가 만족되어 있으면, 그 발전 단위 (102) 에 대해, 산화제 가스 (OG) 의 면 방향으로의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 볼트공 (109) 이, 각 매니폴드용의 연통공 (108) 과는 독립적으로 형성되어 있지만, 독립적인 볼트공 (109) 을 형성하지 않고, 각 매니폴드용의 연통공 (108) 이 볼트공으로서도 사용된다고 해도 된다. 또, 상기 실시형태에 있어서, 공기극 (114) 과 전해질층 (112) 사이에 중간층이 배치되어 있어도 된다. 또, 상기 실시형태에 있어서, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 발전 단위 (102) 의 개수는, 어디까지나 일례이며, 발전 단위 (102) 의 개수는 연료 전지 스택 (100) 에 요구되는 출력 전압 등에 따라 적절히 결정할 수 있다. 또, 상기 실시형태에 있어서의 각 부재를 구성하는 재료는, 어디까지나 예시이고, 각 부재가 다른 재료에 의해 구성되어 있어도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 연료 가스에 포함되는 수소와 산화제 가스에 포함되는 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 발전을 실시하는 SOFC 를 대상으로 하고 있지만, 본 발명은, 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 실시하는 고체 산화물형 전해 셀 (SOEC) 의 구성 단위인 전해 셀 단위나, 복수의 전해 셀 단위를 구비하는 전해 셀 스택에도 동일하게 적용 가능하다. 또한, 전해 셀 스택의 구성은, 예를 들어 일본 공개특허공보 2016-81813호에 기재되어 있는 바와 같이 공지이기 때문에, 여기서는 상세히 서술하지 않지만, 개략적으로는 상기 서술한 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 과 동일한 구성이다. 즉, 상기 서술한 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 을 전해 셀 스택으로 바꿔 읽고, 발전 단위 (102) 를 전해 셀 단위로 바꿔 읽고, 단셀 (110) 을 전해 단셀로 바꿔 읽으면 된다. 단, 전해 셀 스택의 운전시에는, 공기극 (114) 이 플러스 (양극) 이고 연료극 (116) 이 마이너스 (음극) 가 되도록 양 전극간에 전압이 인가됨과 함께, 연통공 (108) 을 통하여 원료 가스로서의 수증기가 공급된다. 이로써, 각 전해 셀 단위에 있어서 물의 전기 분해 반응이 일어나고, 연료실 (176) 에서 수소 가스가 발생하여, 연통공 (108) 을 통하여 전해 셀 스택의 외부로 수소가 취출된다. 이와 같은 구성의 전해 셀 단위 및 전해 셀 스택에 있어서도, 상기 실시형태와 마찬가지로, 공기극측 거리 합 (La) 이 연료극측 거리 합 (Lf) 보다 작다는 관계를 만족하도록 구성하면, 공기극에 공급되는 가스의 면 방향으로의 확산이 불충분한 것을 원인으로 하는 전해 단셀의 성능 저하를 억제할 수 있다.
22 : 볼트
26 : 절연 시트
27 : 가스 통로 부재
28 : 본체부
29 : 분기부
100 : 연료 전지 스택
102 : 연료 전지 발전 단위
104 : 엔드 플레이트
106 : 엔드 플레이트
107 : 유로용 관통공
108 : 연통공
109 : 볼트공
110 : 단셀
112 : 전해질층
114 : 공기극
116 : 연료극
120 : 세퍼레이터
121 : 구멍
124 : 접합부
130 : 공기극측 프레임
131 : 구멍
132 : 산화제 가스 공급 연통 유로
133 : 산화제 가스 배출 연통 유로
134 : 공기극측 집전체
135 : 집전체 요소
140 : 연료극측 프레임
141 : 구멍
142 : 연료 가스 공급 연통 유로
143 : 연료 가스 배출 연통 유로
144 : 연료극측 집전체
145 : 전극 대향부
146 : 인터커넥터 대향부
147 : 연접부
149 : 스페이서
150 : 인터커넥터
161 : 산화제 가스 도입 매니폴드
162 : 산화제 가스 배출 매니폴드
166 : 공기실
171 : 연료 가스 도입 매니폴드
172 : 연료 가스 배출 매니폴드
176 : 연료실

Claims (5)

  1. 고체 산화물을 포함하는 전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 단셀과,
    상기 공기극에 면하는 공기실을 구성함과 함께 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 서로 대향하는 제 1 내주면 및 제 2 내주면을 갖는 공기실용 구멍과, 상기 공기실에 공급되는 가스가 통과하는 공기극측 공급 가스 유로를 구성하는 공기극측 공급 가스 유로용 구멍과, 상기 공기실로부터 배출된 가스가 통과하는 공기극측 배출 가스 유로를 구성하는 공기극측 배출 가스 유로용 구멍과, 상기 공기극측 공급 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 상기 공기실용 구멍의 상기 제 1 내주면으로 개구되는 적어도 1 개의 공기극측 공급 연통 유로와, 상기 공기극측 배출 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 상기 공기실용 구멍의 상기 제 2 내주면으로 개구되는 적어도 1 개의 공기극측 배출 연통 유로가 형성된 공기극측 부재와,
    상기 연료극에 면하는 연료실을 구성함과 함께 상기 제 2 방향으로 서로 대향하는 제 3 내주면 및 제 4 내주면을 갖는 연료실용 구멍과, 상기 연료실에 공급되는 가스가 통과하는 연료극측 공급 가스 유로를 구성하는 연료극측 공급 가스 유로용 구멍과, 상기 연료실로부터 배출된 가스가 통과하는 연료극측 배출 가스 유로를 구성하는 연료극측 배출 가스 유로용 구멍과, 상기 연료극측 공급 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 상기 연료실용 구멍의 상기 제 3 내주면으로 개구되는 적어도 1 개의 연료극측 공급 연통 유로와, 상기 연료극측 배출 가스 유로용 구멍에 연통함과 함께 상기 연료실용 구멍의 상기 제 4 내주면으로 개구되는 적어도 1 개의 연료극측 배출 연통 유로가 형성된 연료극측 부재를 구비하는 전기 화학 반응 단위에 있어서,
    상기 제 1 방향에서 보아,
    상기 단셀의 상기 제 2 방향의 일방측의 변의 중점과 상기 제 2 방향의 타방측의 변의 중점을 연결하는 가상 직선과, 상기 적어도 1 개의 공기극측 공급 연통 유로의 상기 제 1 내주면에 있어서의 개구에 의해 구성되는 공기극측 공급 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lai) 와, 상기 가상 직선과, 상기 적어도 1 개의 공기극측 배출 연통 유로의 상기 제 2 내주면에 있어서의 개구에 의해 구성되는 공기극측 배출 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lao) 의 합 (La) 은,
    상기 가상 직선과, 상기 적어도 1 개의 연료극측 공급 연통 유로의 상기 제 3 내주면에 있어서의 개구에 의해 구성되는 연료극측 공급 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lfi) 와, 상기 가상 직선과, 상기 적어도 1 개의 연료극측 배출 연통 유로의 상기 제 4 내주면에 있어서의 개구에 의해 구성되는 연료극측 배출 개구군의 양 단점의 중점 사이의 거리 (Lfo) 의 합 (Lf) 보다 작은 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 단위.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방향에서 보아,
    상기 공기극측 공급 가스 유로용 구멍의 면적과 상기 공기극측 배출 가스 유로용 구멍의 면적의 합은, 상기 연료극측 공급 가스 유로용 구멍의 면적과 상기 연료극측 배출 가스 유로용 구멍의 면적의 합보다 큰 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 단위.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 방향에서 보아, 상기 공기극측 공급 개구군의 개구폭의 합계와 상기 공기극측 배출 개구군의 개구폭의 합계의 합은, 상기 연료극측 공급 개구군의 개구폭의 합계와 상기 연료극측 배출 개구군의 개구폭의 합계의 합보다 크고,
    상기 제 1 방향에서 보아, 상기 가상 직선과 직교하고, 또한 상기 단셀의 중심을 통과하는 제 2 가상 직선 상에 있어서의 상기 단셀의 길이를 기준 길이 (Lc) 로 했을 때에, 상기 합 (La) 과 상기 합 (Lf) 의 차를 상기 기준 길이 (Lc) 로 나눈 값 ((La ― Lf)/Lc) 은, ―0.45 이상, 0 이하인 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 단위.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단셀은, 연료 전지 단셀인 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 단위.
  5. 상기 제 1 방향으로 나열하여 배열된 복수의 전기 화학 반응 단위를 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서,
    상기 복수의 전기 화학 반응 단위 중 적어도 하나는, 제 1 항에 기재된 전기 화학 반응 단위인 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 셀 스택.
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