KR102167205B1 - 전기 화학 반응 단위 및 전기 화학 반응 셀 스택 - Google Patents

Abstract

공기실에 있어서의 가스의 부족을 원인으로 하는 단셀의 성능 저하를 억제한다. 전기 화학 반응 단위는, 단셀과 공기극측 부재와 연료극측 부재를 구비한다. 전기 화학 반응 단위는, 공기실의 공급측과 배출측 중 적어도 일방에 대해서, 아래의 조건을 만족한다. 조건 : 공기극측 연통 유로의 개구에 의해서 구성되는 공기극측 개구군의 양 단점의 중점과 연료극측 공급 연통 유로의 개구에 의해서 구성되는 연료극측 공급 개구군의 양 단점의 중점 (특정 점) 사이의, 공기실 구멍의 내주면과 평행한 방향에 있어서의 거리는, 공기극측 가스 유로용 구멍의 도심과 상기 특정 점 사이의, 공기실 구멍의 내주면과 평행한 방향에 있어서의 거리보다 짧다.

Description

전기 화학 반응 단위 및 전기 화학 반응 셀 스택

본 명세서에 의해서 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 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).

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, 또한, 상기 공기극측 공급 가스 유로용 구멍으로 연통됨과 함께 공기실용 구멍의 하나의 내주면으로 개구하는 공기극측 공급 연통 유로와, 상기 공기극측 배출 가스 유로용 구멍으로 연통됨과 함께 공기실용 구멍의 다른 내주면 (제 1 방향과 직교하는 방향에 있어서 상기 하나의 내주면에 대향하는 면) 으로 개구하는 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 외부로 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, 또한, 상기 연료극측 공급 가스 유로용 구멍으로 연통됨과 함께 연료실용 구멍의 하나의 내주면으로 개구하는 연료극측 공급 연통 유로와, 상기 연료극측 배출 가스 유로용 구멍으로 연통됨과 함께 연료실용 구멍의 다른 내주면 (제 1 방향과 직교하는 방향에 있어서 상기 하나의 내주면에 대향하는 면) 으로 개구하는 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 외부로 배출된다.

일본 공개특허공보 2016－207270호

일반적으로, SOFC 의 운전시에는, 연료 가스의 이용 효율을 향상시키기 위해서, 연료 가스의 공급량이 산화제 가스의 공급량보다 적어지는 경향이 있다. 그 때문에, 종래의 구성의 발전 단위에서는, 상기 제 1 방향에서 보았을 때, 단셀중, 연료극측 공급 연통 유로의 개구에 가까운 영역에 있어서 발전 반응이 집중되고, 그 영역에 있어서 산화제 가스가 대량으로 소비되어 산화제 가스가 부족해, 그 결과, 단셀의 발전 성능이 저하될 우려가 있다. 또한, 이와 같은 문제를, 예를 들어 산화제 가스 도입 매니폴드나 산화제 가스 배출 매니폴드의 위치를 조정함으로써 해결하는 것도 생각할 수 있으나, 각 매니폴드의 위치는, 예를 들어 체결 부재와의 간섭을 피하는 등의 제약으로부터 설계 자유도가 낮고, 각 매니폴드의 위치 조정에 의해서는 문제를 해결할 수 없는 경우가 많다.

또한, 이와 같은 과제는, 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 행하는 고체 산화물형의 전해 셀 (이하,「SOEC」라고 한다) 의 구성 단위인 전해 셀 단위에도 공통되는 과제이다. 또한, 본 명세서에서는, 연료 전지 발전 단위와 전해 셀 단위를 합쳐서 전기 화학 반응 단위라고 부른다. 또, 이와 같은 과제는, SOFC 나 SOEC 에 한정하지 않고, 다른 타입의 전기 화학 반응 단위에도 공통되는 과제이다.

본 명세서에서는, 상기 서술한 과제를 해결할 수 있는 기술을 개시한다.

본 명세서에 개시되는 기술은, 예를 들어, 아래의 형태로서 실현되는 것이 가능하다.

(1) 본 명세서에 개시되는 전기 화학 반응 단위는, 전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 단 셀과, 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 구멍으로 연통됨과 함께 상기 공기실용 구멍의 상기 제 1 내주면으로 개구하는 적어도 1 개의 공기극측 공급 연통 유로와, 상기 공기극측 배출 가스 유로용 구멍으로 연통됨과 함께 상기 공기실용 구멍의 상기 제 2 내주면으로 개구하는 적어도 1 개의 공기극측 배출 연통 유로가 형성된 공기극측 부재와, 상기 연료극에 면하는 연료실을 구성함과 함께 제 3 내주면을 갖는 연료실용 구멍과, 상기 연료실에 공급되는 가스가 통과하는 연료극측 공급 가스 유로를 구성하는 연료극측 공급 가스 유로용 구멍과, 상기 연료극측 공급 가스 유로용 구멍으로 연통됨과 함께 상기 연료실용 구멍의 상기 제 3 내주면으로 개구하는 적어도 1 개의 연료극측 공급 연통 유로가 형성된 연료극측 부재를 구비하는 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 제 1 방향에서 보았을 때, 상기 공기실용 구멍의 외형선 중, 상기 제 1 내주면에 의해서 구성되는 부분은, 제 1 직선상 부분을 포함하고, 상기 공기실용 구멍의 외형선 중, 상기 제 2 내주면에 의해서 구성되는 부분은, 제 2 직선상 부분을 포함하며, 상기 적어도 1 개의 공기극측 공급 연통 유로의 상기 제 1 내주면에 있어서의 개구에 의해서 구성되는 공기극측 공급 개구군의 양 단점 (端點) 의 중점 (中點) 인 제 1 점과, 상기 적어도 1 개의 연료극측 공급 연통 유로의 상기 제 3 내주면에 있어서의 개구에 의해서 구성되는 연료극측 공급 개구군의 양 단점의 중점인 제 2 점 사이의 상기 제 1 직선상 부분과 평행한 방향에 있어서의 거리 Lsi 는, 상기 공기극측 공급 가스 유로용 구멍의 도심 (圖心) 인 제 3 점과, 상기 제 2 점 사이의 상기 제 1 직선상 부분과 평행한 방향에 있어서의 거리 Lmi 보다 짧다는 제 1 조건과, 상기 적어도 1 개의 공기극측 배출 연통 유로의 상기 제 2 내주면에 있어서의 개구에 의해서 구성되는 공기극측 배출 개구군의 양 단점의 중점인 제 4 점과, 상기 제 2 점 사이의 상기 제 2 직선상 부분과 평행한 방향에 있어서의 거리 Lso 는, 상기 공기극측 배출 가스 유로용 구멍의 도심인 제 5 점과, 상기 제 2 점 사이의 상기 제 2 직선상 부분과 평행한 방향에 있어서의 거리 Lmo 보다 짧다는 제 2 조건 중 적어도 일방을 만족한다. 본 전기 화학 반응 단위는, 거리 Lsi 가 거리 Lmi 보다 짧다는 조건과 거리 Lso 가 거리 Lmo 보다 짧다는 조건 중 적어도 일방을 만족하는 구성이고, 바꾸어 말하면, 각 공기극측 공급 연통 유로가, 제 1 방향에서 보았을 때, 공기극측 공급 가스 유로를 구성하는 공기극측 공급 가스 유로용 구멍에서 보아, 연료극측 공급 연통 유로의 제 3 내주면에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신된 구성, 및/또는, 각 공기극측 배출 연통 유로가, 제 1 방향에서 보았을 때, 공기극측 배출 가스 유로를 구성하는 공기극측 배출 가스 유로용 구멍에서 보아, 연료극측 공급 연통 유로의 제 3 내주면에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신된 구성이다. 이와 같은 구성에서는, 공기실에 있어서의 반응이 집중되기 쉬운 영역, 즉, 제 1 방향에서 보았을 때 연료극측 공급 연통 유로의 제 3 내주면에 있어서의 개구에 가까운 영역으로의 가스의 공급이 촉진되기 때문에, 그 영역에 있어서 가스가 부족한 것을 억제할 수 있다. 따라서, 본 전기 화학 반응 단위에서는, 공기실에 있어서의 가스의 부족을 원인으로 하는 단셀의 성능 저하를 억제할 수 있다.

(2) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 제 1 조건과 상기 제 2 조건의 양방을 만족하는 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 공기실에 있어서의 반응이 집중되기 쉬운 영역으로의 가스의 공급이 효과적으로 촉진되기 때문에, 그 영역에 있어서 가스가 부족한 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 본 전기 화학 반응 단위에서는, 공기실에 있어서의 가스의 부족을 원인으로 하는 단셀의 성능 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.

(3) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 제 1 방향에서 보았을 때, 상기 제 1 점과 상기 제 3 점을 잇는 제 1 가상 직선과, 상기 제 2 점과 상기 제 3 점을 잇는 제 2 가상 직선이 이루는 각이, 10°이하라는 제 3 조건과, 상기 제 4 점과 상기 제 5 점을 잇는 제 3 가상 직선과, 상기 제 2 점과 상기 제 5 점을 잇는 제 4 가상 직선이 이루는 각이, 10°이하라는 제 4 조건 중 적어도 일방을 만족하는 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 공기실에 있어서의 반응이 집중되기 쉬운 영역으로의 가스의 공급이 더욱 효과적으로 촉진되기 때문에, 그 영역에 있어서 가스가 부족한 것을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 본 전기 화학 반응 단위에서는, 공기실에 있어서의 가스의 부족을 원인으로 하는 단셀의 성능 저하를 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

(4) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 제 3 조건과 상기 제 4 조건의 양방을 만족하는 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 공기실에 있어서의 반응이 집중되기 쉬운 영역으로의 가스의 공급이 매우 효과적으로 촉진되기 때문에, 그 영역에 있어서 가스가 부족한 것을 매우 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 본 전기 화학 반응 단위에서는, 공기실에 있어서의 가스의 부족을 원인으로 하는 단셀의 성능 저하를 매우 효과적으로 억제할 수 있다.

(5) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 단셀은, 연료 전지 단셀인 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 공기실에 있어서의 산화제 가스의 부족을 원인으로 하는 단셀의 발전 성능의 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 명세서에 개시되는 기술은, 여러 가지 형태로 실현되는 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 실현되는 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 YZ 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 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 6 은, 도 4 의 Ⅵ-Ⅵ 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 7 은, 도 4 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 상세한 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
도 9 는, 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다.
도 10 은, 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다.
도 11 은, 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다.
도 12 는, 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에 형성된 각 유로의 상세한 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
도 13 은, 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에 형성된 각 유로의 상세한 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
도 14 는, 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에 형성된 각 유로의 상세한 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
도 15 는, 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 에 형성된 각 유로의 상세한 구성을 나타내는 XY 단면도이다.
도 16 은, 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에 형성된 각 유로의 상세한 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 의 Ⅱ-Ⅱ 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이며, 도 3 은, 도 1 의 Ⅲ-Ⅲ 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다. 각 도면에는, 방향을 특정하기 위한 서로 직교하는 XYZ 축이 나타내어져 있다. 본 명세서에서는, 편의상, Z 축 정방향을 상방향이라고 부르고, Z 축 부방향을 하방향이라고 부르는 것으로 하지만, 연료 전지 스택 (100) 은 실제로는 그러한 방향과는 상이한 방향에서 설치되어도 된다. 도 4 이후에 대해서도 동일하다.

연료 전지 스택 (100) 은, 복수의 (본 실시형태에서는 7 개의) 연료 전지 발전 단위 (이하, 간단히「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 나란히 배치되어 있다. 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 7 개의 발전 단위 (102) 로 구성되는 집합체를 상하로부터 사이에 끼우도록 배치되어 있다. 또한, 상기 배열 방향 (상하 방향) 은, 특허청구범위에 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 코너부 주변에는, 각 층을 상하 방향으로 관통하는 구멍이 형성되어 있고, 각 층에 형성되어 서로 대응하는 구멍끼리가 상하 방향으로 연통되고, 일방의 엔드 플레이트 (104) 로부터 타방의 엔드 플레이트 (106) 에 걸쳐서 상하 방향으로 연신되는 볼트공 (109) 을 구성하고 있다. 본 실시형태에서는, 연료 전지 스택 (100) 에 8 개의 볼트공 (109) 이 형성되어 있다. 각 볼트공 (109) 에는 볼트 (22) 가 삽입되어 있고, 각 볼트 (22) 및 도시되지 않은 너트에 의해서 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 중점 부근에는, 각 발전 단위 (102) 를 상하 방향으로 관통하는 구멍이 형성되어 있고, 각 발전 단위 (102) 에 형성되어 서로 대응하는 구멍끼리가 상하 방향으로 연통되고, 복수의 발전 단위 (102) 에 걸쳐서 상하 방향으로 연신되는 연통공 (108) 을 구성하고 있다. 아래의 설명에서는, 연통공 (108) 을 구성하기 때문에, 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 중점 부근에 위치하는 연통공 (108) 은, 연료 전지 스택 (100) 의 외부로부터 산화제 가스 (OG) 가 도입되고, 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 중점 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 외부로 배출하는 공용 가스 유로인 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 로서 기능한다. 또한, 본 실시형태에서는, 산화제 가스 (OG) 로서, 예를 들어 공기가 사용된다. 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 는, 특허청구범위에 있어서의 공기극측 공급 가스 유로에 상당하고, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 는, 특허청구범위에 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 외주에 있어서의 1 개의 변 (X 축과 평행한 2 개의 변 중의 Y 축 정방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 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, 그 변의 반대측의 변 (X 축과 평행한 2 개의 변 중의 Y 축 부방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 연통공 (108) 은, 각 발전 단위 (102) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 가스인 연료 오프 가스 (FOG) 를 연료 전지 스택 (100) 의 외부로 배출하는 공용 가스 유로인 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 로서 기능한다. 또한, 본 실시형태에서는, 연료 가스 (FG) 로서, 예를 들어 도시 가스를 개질한 수소 리치한 가스가 사용된다. 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 는, 특허청구범위에 있어서의 연료극측 공급 가스 유로에 상당한다.

(엔드 플레이트 (104, 106) 의 구성)

1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 대략 사각형의 평판 형상의 도전성 부재로서, 예를 들어 스테인리스에 의해서 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 의해서 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) 로 연통되어 있다.

(가스 통로 부재 (27) 등의 구성)

도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 은, 또한, 하측의 엔드 플레이트 (106) 에 대해서 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 겹쳐지는 위치에 배치되어 있다. 각 가스 통로 부재 (27) 는, 하측의 엔드 플레이트 (106) 의 유로용 관통공 (107) 으로 연통되는 구멍이 형성된 본체부 (28) 와, 본체부 (28) 의 측면에서 분기된 통형상의 분기부 (29) 를 갖고 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 의해서 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 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다. 또, 도 6 은, 도 4 의 Ⅵ-Ⅵ 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이고, 도 7 은, 도 4 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 부재로서, 예를 들어 페라이트계 스테인리스에 의해서 형성되어 있다. 인터커넥터 (150) 는, 발전 단위 (102) 간의 전기적 도통을 확보함과 함께, 발전 단위 (102) 간에서의 반응 가스의 혼합을 방지한다. 또한, 본 실시형태에서는, 2 개의 발전 단위 (102) 가 인접해서 배치되어 있는 경우, 1 개의 인터커넥터 (150) 는, 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 에 공유되어 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 배열되는 배열 방향) 으로 서로 대향하는 공기극 (캐소드) (114) 및 연료극 (애노드) (116) 을 구비한다. 또한, 본 실시형태의 단셀 (110) 은, 연료극 (116) 으로 전해질층 (112) 및 공기극 (114) 을 지지하는 연료극 지지형의 단셀이다.

전해질층 (112) 은, Z 방향에서 보았을 때 대략 사각형의 평판 형상 부재로서, 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 의해서 형성되어 있다. 공기극 (114) 은, Z 방향에서 보았을 때 전해질층 (112) 보다 작은 대략 사각형의 평판 형상 부재로서, 다공질인 층이다. 공기극 (114) 은, 예를 들어, 페로브스카이트형 산화물 (예를 들어, LSCF (란탄스트론튬코발트철 산화물), LSM (란탄스트론튬망간 산화물), LNF (란탄니켈철)) 에 의해서 형성되어 있다. 연료극 (116) 은, Z 방향에서 보았을 때 전해질층 (112) 과 대략 동일한 크기의 대략 사각형의 평판 형상 부재로서, 다공질인 층이다. 연료극 (116) 은, 예를 들어, Ni 와 산화물 이온 전도성 세라믹스 입자 (예를 들어, YSZ) 로 이루어지는 서멧에 의해서 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 부재로서, 예를 들어, 금속에 의해서 형성되어 있다. 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 구멍 (121) 의 주위 부분은, 전해질층 (112) 에 있어서의 공기극 (114) 의 측의 표면의 주연부에 대향하고 있다. 세퍼레이터 (120) 는, 그 대향된 부분에 배치된 납재 (蠟材) (예를 들어, Ag 납) 에 의해서 형성된 접합부 (124) 에 의해서, 전해질층 (112) (단셀 (110)) 과 접합되어 있다. 세퍼레이터 (120) 에 의해서, 공기극 (114) 에 면하는 공기실 (166) 과 연료극 (116) 에 면하는 연료실 (176) 이 구획되고, 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 부재로서, 예를 들어, 마이카 등의 절연체에 의해서 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 의해서, 발전 단위 (102) 에 포함되는 1 쌍의 인터커넥터 (150) 사이가 전기적으로 절연된다.

도 4 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 공기극측 프레임 (130) 의 구멍 (131) 은, 공기극 (114) 에 면하는 공기실 (166) 을 구성하는 구멍이다. 구멍 (131) 은, X 축 방향으로 서로 대향하는 제 1 내주면 (IP1) 및 제 2 내주면 (IP2) 을 갖는다. 도 6 에 나타내는 바와 같이, Z 축 방향에서 보았을 때, 구멍 (131) 의 외형선 중, 제 1 내주면 (IP1) 에 의해서 구성되는 부분 및 제 2 내주면 (IP2) 에 의해서 구성되는 부분은, 전체가 직선상으로 되어 있다. 또, 도 4 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 공기극측 프레임 (130) 에는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로 연통됨과 함께 공기실 (166) 을 구성하는 구멍 (131) 의 제 1 내주면 (IP1) 으로 개구하는 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 와, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 으로 연통됨과 함께 공기실 (166) 을 구성하는 구멍 (131) 의 제 2 내주면 (IP2) 으로 개구하는 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, 특허청구범위에 있어서의 공기극측 부재에 상당하고, 구멍 (131) 은, 특허청구범위에 있어서의 공기실용 구멍에 상당하며, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 은, 특허청구범위에 있어서의 공기극측 공급 가스 유로용 구멍에 상당하고, 공기극측 프레임 (130) 에 형성된 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 은, 특허청구범위에 있어서의 공기극측 배출 가스 유로용 구멍에 상당하며, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 는, 특허청구범위에 있어서의 공기극측 공급 연통 유로에 상당하고, 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 는, 특허청구범위에 있어서의 공기극측 배출 연통 유로에 상당한다. 또, X 축 방향은, 특허청구범위에 있어서의 제 2 방향에 상당하고, 상기 서술한 구멍 (131) 의 외형선 중의 제 1 내주면 (IP1) 에 의해서 구성되는 부분에 있어서의 직선상 부분은, 특허청구범위에 있어서의 제 1 직선상 부분에 상당하고, 상기 서술한 구멍 (131) 의 외형선 중의 제 2 내주면 (IP2) 에 의해서 구성되는 부분에 있어서의 직선상 부분은, 특허청구범위에 있어서의 제 2 직선상 부분에 상당한다.

연료극측 프레임 (140) 은, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 대략 사각형의 구멍 (141) 이 형성된 프레임상의 부재로서, 예를 들어, 금속에 의해서 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 5 및 도 7 에 나타내는 바와 같이, 연료극측 프레임 (140) 의 구멍 (141) 은, 연료극 (116) 에 면하는 연료실 (176) 을 구성하는 구멍이다. 구멍 (141) 은, Y 축 방향으로 서로 대향하는 제 3 내주면 (IP3) 및 제 4 내주면 (IP4) 을 갖는다. 도 7 에 나타내는 바와 같이, Z 축 방향에서 보았을 때, 구멍 (141) 의 외형선 중, 제 3 내주면 (IP3) 에 의해서 구성되는 부분 및 제 4 내주면 (IP4) 에 의해서 구성되는 부분은, 전체가 직선상으로 되어 있다. 또, 도 5 및 도 7 에 나타내는 바와 같이, 연료극측 프레임 (140) 에는, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 으로 연통됨과 함께 연료실 (176) 을 구성하는 구멍 (141) 의 제 3 내주면 (IP3) 으로 개구하는 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 와, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 으로 연통됨과 함께 연료실 (176) 을 구성하는 구멍 (141) 의 제 4 내주면 (IP4) 으로 개구하는 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, 특허청구범위에 있어서의 연료극측 부재에 상당하고, 구멍 (141) 은, 특허청구범위에 있어서의 연료실용 구멍에 상당하며, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 은, 특허청구범위에 있어서의 연료극측 공급 가스 유로용 구멍에 상당하고, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 는, 특허청구범위에 있어서의 연료극측 공급 연통 유로에 상당한다.

도 4 ∼ 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 의해서 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 돌출하도록 형성된 복수의 볼록부인 집전체 요소 (135) 가 공기극측 집전체 (134) 로서 기능한다. 또, 공기극측 집전체 (134) 와 인터커넥터 (150) 의 일체 부재는, 도전성의 코트에 의해서 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 잇는 연접부 (147) 를 구비하고 있고, 예를 들어, 니켈이나 니켈 합금, 스테인리스 등에 의해서 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 의해서 형성된 스페이서 (149) 가 배치되어 있다. 그 때문에, 연료극측 집전체 (144) 가 온도 사이클이나 반응 가스 압력 변동에 의한 발전 단위 (102) 의 변형에 추종하고, 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 함유되는 산소와 연료 가스 (FG) 에 함유되는 수소의 전기 화학 반응에 의한 발전이 행해진다. 이 발전 반응은 발열 반응이다. 각 발전 단위 (102) 에 있어서, 단셀 (110) 의 공기극 (114) 은 공기극측 집전체 (134) 를 개재하여 일방의 인터커넥터 (150) 에 전기적으로 접속되고, 연료극 (116) 은 연료극측 집전체 (144) 를 개재하여 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) 에서 생성된 전기 에너지가 추출된다. 또한, SOFC 는, 비교적 고온 (예를 들어, 700 ℃ 내지 1000 ℃) 에서 발전이 이루어지는 점에서, 기동 후, 발전에 의해서 발생되는 열로 고온을 유지할 수 있는 상태가 될 때까지, 연료 전지 스택 (100) 이 가열기 (도시 생략) 에 의해서 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) 로 배출되고, 다시 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 외부로 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) 로 배출되고, 다시 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 (도시하지 않음) 을 통하여 연료 전지 스택 (100) 의 외부로 배출된다.

또한, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) (발전 단위 (102)) 은, 각 발전 단위 (102) 에 있어서의 산화제 가스 (OG) 의 흐름 방향과 연료 가스 (FG) 의 흐름 방향이 대략 직교하는 크로스 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 대해서 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 유로 (산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 및 산화제 가스 배출 연통 유로 (133)) 에 더하여, 연료극측 프레임 (140) 에 형성된 각 유로 (연료 가스 공급 연통 유로 (142) 및 연료 가스 배출 연통 유로 (143)) 도 도시되어 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, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 1 내주면 (IP1) (정확하게는, 구멍 (131) 의 외형선 중의 제 1 내주면 (IP1) 에 의해서 구성되는 부분에 있어서의 직선상 부분으로서, 이하, 적절히「제 1 내주면 (IP1)」이라는 용어를 동일한 의미에서 사용한다) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측 (즉, Y 축 정방향측) 으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 도 8 에 나타내는 거리 Lsi 가, 거리 Lmi 보다 짧게 되어 있다. 여기서, 거리 Lsi 는, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 제 1 내주면 (IP1) 에 있어서의 개구 모두에 의해서 구성되는 공기극측 공급 개구군의 양 단점 (EP1, EP2) 의 중점인 제 1 점 (P1) 과, 각 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구에 의해서 구성되는 연료극측 공급 개구군 (본 실시형태에서는 1 개의 개구뿐이다) 의 양 단점 (EP5, EP6) 의 중점인 제 2 점 (P2) 사이의, 제 1 내주면 (IP1) 과 평행한 방향 (즉, Y 축 방향) 에 있어서의 거리이다. 또, 거리 Lmi 는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 도심인 제 3 점 (P3) 과, 상기 제 2 점 (P2) 사이의, 동 방향 (Y 축 방향) 에 있어서의 거리이다. 또한, 거리 Lsi 가 거리 Lmi 보다 짧다는 조건은, 특허청구범위에 있어서의 제 1 조건에 상당한다.

또한, 아래의 설명에서는, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 경사 정도를, 공급측 유로 각도 α1 로 나타낸다. 공급측 유로 각도 α1 은, Z 축 방향에서 보았을 때, 상기 제 3 점 (P3) 을 통과하여 제 1 내주면 (IP1) 과 직교하는 가상 직선 (이하,「제 5 가상 직선 VL5」라고 한다) 과, 상기 제 3 점 (P3) 과 상기 제 1 점 (P1) 을 잇는 가상 직선 (이하,「제 1 가상 직선 VL1」이라고 한다) 이 이루는 각이다. 공급측 유로 각도 α1 은, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 에서 보았을 때 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 개구측으로 경사질 때, 정의 값을 취하는 것으로 한다. 또, 아래의 설명에서는, 소정의 제 1 기준 방향에 대한 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 연신 방향의 차를, 공급측 차분 각도 φ1 로 나타낸다. 여기서, 제 1 기준 방향이란, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) (보다 상세하게는, 그 연통공 (108) 의 도심인 상기 제 3 점 (P3)) 으로부터, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구 (보다 상세하게는, 각 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구에 의해서 구성되는 연료극측 공급 개구군의 양 단점 (EP5, EP6) 의 중점인 상기 제 2 점 (P2)) 을 향하는 방향이다. 즉, 공급측 차분 각도 φ1 은, 상기 제 1 가상 직선 VL1 과, 상기 제 3 점 (P3) 과 상기 제 2 점 (P2) 을 잇는 가상 직선 (이하,「제 2 가상 직선 VL2」라고 한다) 이 이루는 각이다. 공급측 차분 각도 φ1 은, 절대치로 나타내는 것으로 한다.

마찬가지로, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 2 내주면 (IP2) (정확하게는, 구멍 (131) 의 외형선 중의 제 2 내주면 (IP2) 에 의해서 구성되는 부분에 있어서의 직선상 부분으로서, 이하, 적절히「제 2 내주면 (IP2)」이라는 용어를 동일한 의미에서 사용한다) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측 (즉, Y 축 정방향측) 으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 본 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, 도 8 에 나타내는 거리 Lso 가, 거리 Lmo 보다 짧게 되어 있다. 여기서, 거리 Lso 는, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 의 제 2 내주면 (IP2) 에 있어서의 개구 모두에 의해서 구성되는 공기극측 배출 개구군의 양 단점 (EP3, EP4) 의 중점인 제 4 점 (P4) 과, 상기 제 2 점 (P2) 사이의, 제 2 내주면 (IP2) 과 평행한 방향 (즉, Y 축 방향) 에 있어서의 거리이다. 또, 거리 Lmo 는, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 도심인 제 5 점 (P5) 과, 상기 제 2 점 (P2) 사이의, 동 방향 (Y 축 방향) 에 있어서의 거리이다. 또한, 거리 Lso 가 거리 Lmo 보다 짧다는 조건은, 특허청구범위에 있어서의 제 2 조건에 상당한다.

또한, 아래의 설명에서는, 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 의 경사 정도를, 배출측 유로 각도 α2 로 나타낸다. 배출측 유로 각도 α2 는, Z 축 방향에서 보았을 때, 상기 제 5 점 (P5) 을 통과하여 제 2 내주면 (IP2) 과 직교하는 가상 직선 (이하,「제 6 가상 직선 VL6」이라고 한다) 과, 상기 제 5 점 (P5) 과 상기 제 4 점 (P4) 을 잇는 가상 직선 (이하,「제 3 가상 직선 VL3」이라고 한다) 이 이루는 각이다. 배출측 유로 각도 α2 는, 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 에서 보아 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 개구측으로 경사질 때, 정의 값을 취하는 것으로 한다. 또, 아래의 설명에서는, 소정의 제 2 기준 방향에 대한 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 의 연신 방향의 차를, 배출측 차분 각도 φ2 로 나타낸다. 여기서, 제 2 기준 방향이란, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) (보다 상세하게는, 그 연통공 (108) 의 도심인 상기 제 5 점 (P5)) 으로부터, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구 (보다 상세하게는, 각 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구에 의해서 구성되는 연료극측 공급 개구군의 양 단점 (EP5, EP6) 의 중점인 상기 제 2 점 (P2)) 를 향하는 방향이다. 즉, 배출측 차분 각도 φ2 는, 상기 제 3 가상 직선 VL3 과, 상기 제 5 점 (P5) 과 상기 제 2 점 (P2) 을 잇는 가상 직선 (이하,「제 4 가상 직선 VL4」라고 한다) 이 이루는 각이다. 배출측 차분 각도 φ2 는, 절대치로 나타내는 것으로 한다.

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) 으로 연통됨과 함께 구멍 (131) 의 제 1 내주면 (IP1) 으로 개구하는 적어도 1 개의 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 와, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 으로 연통됨과 함께 구멍 (131) 의 제 2 내주면 (IP2) 으로 개구하는 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 제 3 내주면 (IP3) 을 갖는 구멍 (141) 과, 연료실 (176) 에 공급되는 가스가 통과하는 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 과, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 구성하는 연통공 (108) 으로 연통됨과 함께 구멍 (141) 의 제 3 내주면 (IP3) 으로 개구하는 적어도 1 개의 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 가 형성되어 있다. Z 축 방향에서 보았을 때, 구멍 (131) 의 외형선 중, 제 1 내주면 (IP1) 에 의해서 구성되는 부분은 직선상 부분을 포함하고, 제 2 내주면 (IP2) 에 의해서 구성되는 부분은 직선상 부분을 포함한다. 또, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 발전 단위 (102) 에서는, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 제 1 내주면 (IP1) 에 있어서의 개구 모두에 의해서 구성되는 공기극측 공급 개구군의 양 단점 (EP1, EP2) 의 중점인 제 1 점 (P1) 과, 각 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구에 의해서 구성되는 연료극측 공급 개구군의 양 단점 (EP5, EP6) 의 중점인 제 2 점 (P2) 사이의, 상기 제 1 내주면 (IP1) 의 직선상 부분과 평행한 방향 (Y 축 방향) 에 있어서의 거리 Lsi 는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 도심인 제 3 점 (P3) 과, 상기 제 2 점 (P2) 사이의, 동 방향 (Y 축 방향) 에 있어서의 거리 Lmi 보다 짧다.

본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 발전 단위 (102) 는, 상기 서술한 구성이기 때문에, 아래에서 설명하는 바와 같이, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.

일반적으로, SOFC 의 운전시에는, 연료 가스 (FG) 의 이용 효율을 향상시키기 위해서, 연료 가스 (FG) 의 공급량이 산화제 가스 (OG) 의 공급량보다 적어지는 경향이 있다. 그 때문에, 단셀 (110) 중, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 개구에 가까운 영역 (도 8 의 영역 (R1)) 에 있어서 발전 반응이 집중되고, 그 영역 (R1) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 가 대량으로 소비된다. 이 때, 상기 서술한 거리 Lsi 가 거리 Lmi 와 동등한 구성, 즉, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 1 내주면 (IP1) 과 직교하는 방향 (X 축 방향) 으로 연신된 구성에서는, 상기 서술한 발전 반응이 집중되기 쉬운 영역 (R1) 에 산화제 가스 (OG) 가 충분히 공급되지 않고, 그 영역 (R1) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 가 부족하기 때문에, 단셀 (110) 의 발전 성능이 저하된다. 또한, 상기 서술한 거리 Lsi 가 거리 Lmi 보다 긴 구성, 즉, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 연료 가스 배출 연통 유로 (143) 의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신된 구성에서는, 상기 영역 (R1) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 가 더욱 부족하기 때문에, 단셀 (110) 의 발전 성능이 크게 저하된다.

이에 비해서, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 발전 단위 (102) 에서는, 상기 서술한 거리 Lsi 가 거리 Lmi 보다 짧다. 즉, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 에서 보아 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신된 구성이다. 이와 같은 구성에서는, 상기 서술한 발전 반응이 집중되기 쉬운 영역 (R1) 으로의 산화제 가스 (OG) 의 공급이 촉진되기 때문에, 그 영역 (R1) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 가 부족한 것을 억제할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 발전 단위 (102) 에서는, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 발전 단위 (102) 에서는, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 의 제 2 내주면 (IP2) 에 있어서의 개구 모두에 의해서 구성되는 공기극측 배출 개구군의 양 단점 (EP3, EP4) 의 중점인 제 4 점 (P4) 과, 제 2 점 (P2) 사이의, 상기 제 2 내주면 (IP2) 의 직선상 부분과 평행한 방향 (Y 축 방향) 에 있어서의 거리 Lso 는, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 의 도심인 제 5 점 (P5) 과, 상기 제 2 점 (P2) 사이의, 동 방향 (Y 축 방향) 에 있어서의 거리 Lmo 보다 짧다. 즉, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 에서 보아 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신된 구성이다. 이와 같은 구성에서는, 역시, 상기 서술한 발전 반응이 집중되기 쉬운 영역 (R1) 으로의 산화제 가스 (OG) 의 공급이 촉진되기 때문에, 그 영역 (R1) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 가 부족한 것을 억제할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 발전 단위 (102) 에서는, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 매우 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 상기 서술한 발전 반응이 집중되기 쉬운 영역 (R1) 으로의 산화제 가스 (OG) 의 공급을 촉진하기 위해서, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 나 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 의 위치를 조정하는 (구체적으로는, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구에 가까운 위치로 하는) 것도 생각할 수 있다. 그러나, 각 매니폴드 (161, 162) 의 위치는, 예를 들어 볼트공 (109) 과의 간섭을 피하는 등의 제약에서 설계 자유도가 낮다. 본 실시형태에 의하면, 각 매니폴드 (161, 162) 의 위치를 조정하지 않고, 상기 영역 (R1) 으로의 산화제 가스 (OG) 의 공급을 촉진할 수 있기 때문에, 다른 구성에 대한 영향을 최소한으로 억제하면서 효과적으로 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.

A-5. 성능 평가 :

상기 서술한 각 유로의 구성 (유로의 경사 등) 과 단셀 (110) 의 발전 성능의 관계에 대해서, 시뮬레이션에 의한 성능 평가를 행하였다. 도 9 내지 도 11 은, 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다. 성능 평가에서는, 상기 서술한 구성의 단셀 (110) (발전 단위 (102)) 에 있어서 공급측 유로 각도 α1 을 여러 가지로 변경하면서, 10 개의 단셀 (110) (발전 단위 (102)) 을 구비하는 연료 전지 스택 (100) 을 구성하고, 온도 650 ℃, 전류 밀도 0.25 A/㎠ 로 발전 운전을 행했을 때의 하나의 단셀 (110) 당 전압을 측정하였다.

도 9 에는, 공급측 유로 각도 α1 과 단셀 (110) 의 전압의 관계가 나타내어져 있다. 도 9 에 나타내는 바와 같이, 본 성능 평가에서는, 공급측 유로 각도 α1 이 0°보다 크면 단셀 (110) 의 전압이 높아진다는 결과가 되었다. 도 8 에 나타내는 바와 같이, 공급측 유로 각도 α1 이 0°보다 크다는 것은, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 에서 보아 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있는 것 (즉, 거리 Lsi 가 거리 Lmi 보다 짧은 것) 을 의미한다. 이 결과로부터, 상기 서술한 바와 같이, 발전 단위 (102) 에 있어서 거리 Lsi 가 거리 Lmi 보다 짧아지도록 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 를 구성하면, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있는 것이 확인되었다.

또, 도 10 에는, 공급측 유로 각도 α1 및 공급측 차분 각도 φ1 과 단셀 (110) 의 전압의 관계가 나타내어져 있다. 구체적으로는, 도 10 에는, 각 측정점의 데이터로부터 구한 근사 곡선 AC 가 나타내어져 있다. 도 10 에 나타내는 바와 같이, 본 성능 평가에서는, 공급측 유로 각도 α1 이 40°일 때에 φ1 이 0°가 되도록, 발전 단위 (102) 의 각 유로가 구성되어 있다. 도 9 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 공급측 유로 각도 α1 이 지나치게 커지면 (공급측 차분 각도 φ1 이 지나치게 커지면), 오히려 단셀 (110) 의 전압이 저하된다는 결과가 되었다. 이것은, 공급측 유로 각도 α1 이 지나치게 커지면, 단셀 (110) 면 내에서 산화제 가스 (OG) 의 농도가 과도하게 치중되어 버리고, 산화제 가스 (OG) 의 농도가 과도하게 낮은 영역에 있어서의 반응성이 극단적으로 저하되어, 단셀 (110) 전체로서의 발전 성능이 저하된 것으로 생각할 수 있다.

도 11 에 나타내는 바와 같이, 본 성능 평가에서는, 공급측 차분 각도 φ1 이 대략 0°(정확하게는 0.375°) 일 때 (즉, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 연신 방향이, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구를 향하는 방향과 대략 일치할 때), 도 10 에 나타내는 근사 곡선 AC 에 있어서의 단셀 (110) 의 전압이 최고치를 나타냈다. 도 11 에 나타난 직선 L1, L2, L3 은, 각각, 근사 곡선 AC 에 있어서의 최고 전압값으로부터 0.001 ％ 낮은 전압값을 나타내는 라인, 0.002 ％ 낮은 전압값을 나타내는 라인, 0.004 ％ 낮은 전압값을 나타내는 라인이다. 도 11 에 나타내는 결과로부터, 단셀 (110) 의 성능 저하를 더욱 효과적으로 억제하기 위해서는, 공급측 차분 각도 φ1 은, 10°이하인 것이 바람직하고, 7.5°이하인 것이 보다 바람직하며, 5°이하인 것이 더욱 바람직하다고 말할 수 있다.

또한, 본 성능 평가에서는, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 경사 정도를 나타내는 공급측 유로 각도 α1 (및 공급측 차분 각도 φ1) 에 대한 평가를 행했지만, 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 의 경사 정도를 나타내는 배출측 유로 각도 α2 (및 배출측 차분 각도 φ2) 에 대해서도 동일한 결과가 될 것으로 예상된다. 그 때문에, 배출측 유로 각도 α2 가 0°보다 큰 구성 (즉, 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 에서 보아 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있는 구성이고, 거리 Lso 가 거리 Lmo 보다 짧은 구성) 에서는, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다고 말할 수 있다. 또, 단셀 (110) 의 성능 저하를 더욱 효과적으로 억제하기 위해서는, 배출측 차분 각도 φ2 는, 10°이하인 것이 바람직하고, 7.5°이하인 것이 보다 바람직하며, 5°이하인 것이 더욱 바람직하다고 말할 수 있다.

B. 변형예 :

본 명세서에서 개시되는 기술은, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 형태로 변형할 수 있고, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.

도 12 는, 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 12 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 및 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 가, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 비교해서, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 에 보다 가까운 위치 (즉, Y 축 정방향측) 에 배치되어 있다.

도 12 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 1 내주면 (IP1) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 거리 Lsi 가, 거리 Lmi 보다 짧게 되어 있다. 또한, 도 12 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에서는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 가 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 에 보다 가까운 위치에 배치되어 있기 때문에, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 경사 정도 (공급측 유로 각도 α1) 는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 비교해서 작다.

마찬가지로, 도 12 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 에서는, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 2 내주면 (IP2) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 거리 Lso 가, 거리 Lmo 보다 짧게 되어 있다.

도 12 에 나타내는 제 1 변형예에 있어서의 발전 단위 (102a) 는, 상기 서술한 구성이기 때문에, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 또, 단셀 (110) 의 성능 저하를 더욱 효과적으로 억제하기 위해서는, 공급측 차분 각도 φ1 및 배출측 차분 각도 φ2 는, 10°이하인 것이 바람직하고, 7.5°이하인 것이 보다 바람직하며, 5°이하인 것이 더욱 바람직하다.

도 13 은, 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 13 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 및 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 가, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 비교해서, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 로부터 보다 먼 위치 (즉, Y 축 부방향측) 에 배치되어 있다.

도 13 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 1 내주면 (IP1) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 거리 Lsi 가, 거리 Lmi 보다 짧게 되어 있다. 또한, 도 13 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에서는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 가 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 로부터 보다 먼 위치에 배치되어 있기 때문에, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 경사 정도 (공급측 유로 각도 α1) 는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 비교해서 크다.

마찬가지로, 도 13 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 에서는, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 2 내주면 (IP2) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 거리 Lso 가, 거리 Lmo 보다 짧게 되어 있다.

도 13 에 나타내는 제 2 변형예에 있어서의 발전 단위 (102b) 는, 상기 서술한 구성이기 때문에, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 또, 단셀 (110) 의 성능 저하를 더욱 효과적으로 억제하기 위해서는, 공급측 차분 각도 φ1 및 배출측 차분 각도 φ2 는, 10°이하인 것이 바람직하고, 7.5°이하인 것이 보다 바람직하며, 5°이하인 것이 더욱 바람직하다.

도 14 는, 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 14 에 나타내는 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 가 2 개 형성되어 있고, 각 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 각 연통공 (108) 으로부터 공기실 (166) 을 향하여 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가 연신되어 있다.

도 14 에 나타내는 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 2 개의 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 각각에 대해서, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 1 내주면 (IP1) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 거리 Lsi 가, 거리 Lmi 보다 짧게 되어 있다. 또한, 본 변형예와 같이, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 이 복수 형성되어 있는 경우에는, 복수의 연통공 (108) 중의 양단에 위치하는 연통공 (108) 의 도심 (도 14 의 예에서는 2 개의 연통공 (108) 의 도심 (P3')) 을 잇는 선분의 중점을, 제 3 점 (P3), 즉, 복수의 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 의 도심으로 한다. 또, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 이 복수 형성되어 있는 경우에는, 복수의 연통공 (108) 으로부터 연신되는 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 제 1 내주면 (IP1) 에 있어서의 개구 모두에 의해서 구성되는 공기극측 공급 개구군의 양 단점 (EP1, EP2) 의 중점을, 제 1 점 (P1) 으로 한다. 또한, 2 개의 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 중, Y 축 정방향측에 위치하는 쪽은, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 에 보다 가까운 위치에 배치되어 있기 때문에, 그 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 연신되는 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 경사 정도 (공급측 유로 각도 α1) 는 작고, Y 축 부방향 측에 위치하는 쪽은, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 로부터 보다 먼 위치에 배치되어 있기 때문에, 그 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 연신되는 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 경사 정도 (공급측 유로 각도 α1) 는 크다.

또한, 도 14 에 나타내는 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 에서는, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 에 대해서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 1 개만이 형성되어 있고, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 2 내주면 (IP2) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 거리 Lso 가, 거리 Lmo 보다 짧게 되어 있다.

도 14 에 나타내는 제 3 변형예에 있어서의 발전 단위 (102c) 는, 상기 서술한 구성이기 때문에, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 또, 단셀 (110) 의 성능 저하를 더욱 효과적으로 억제하기 위해서는, 공급측 차분 각도 φ1 및 배출측 차분 각도 φ2 는, 10°이하인 것이 바람직하고, 7.5°이하인 것이 보다 바람직하며, 5°이하인 것이 더욱 바람직하다.

도 15 는, 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 15 에 나타내는 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 는, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 가, 발전 단위 (102d) 의 Z 축 방향 둘레의 외주에 있어서의 4 개의 변 중의 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 가 배치된 변과 동일한 변의 부근에 배치되어 있고, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 가, 상기 4 개의 변 중의 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 가 배치된 변과 동일한 변의 부근에 배치되어 있다. 즉, 도 15 에 나타내는 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 는, 발전 단위 (102d) 에 있어서의 산화제 가스 (OG) 의 흐름 방향과 연료 가스 (FG) 의 흐름 방향이 대략 동일 방향이 되는 코플로 타입의 SOFC 이다.

도 15 에 나타내는 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 1 내주면 (IP1) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 거리 Lsi 가, 거리 Lmi 보다 짧게 되어 있다.

마찬가지로, 도 15 에 나타내는 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 에서는, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 2 내주면 (IP2) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 거리 Lso 가, 거리 Lmo 보다 짧게 되어 있다.

도 15 에 나타내는 제 4 변형예에 있어서의 발전 단위 (102d) 는, 상기 서술한 구성이기 때문에, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 또, 단셀 (110) 의 성능 저하를 더욱 효과적으로 억제하기 위해서는, 공급측 차분 각도 φ1 및 배출측 차분 각도 φ2 는, 10°이하인 것이 바람직하고, 7.5°이하인 것이 보다 바람직하며, 5°이하인 것이 더욱 바람직하다.

도 16 은, 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에 형성된 각 유로의 상세 구성을 나타내는 XY 단면도이다. 도 16 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 는, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 가, 발전 단위 (102e) 의 Z 축 방향 둘레의 외주에 있어서의 4 개의 변 중의 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 가 배치된 변과 동일한 변의 부근에 배치되어 있고, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 가, 상기 4 개의 변 중의 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 가 배치된 변과 동일한 변의 부근에 배치되어 있다. 즉, 도 16 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 는, 발전 단위 (102e) 에 있어서의 산화제 가스 (OG) 의 흐름 방향과 연료 가스 (FG) 의 흐름 방향이 대략 반대 방향 (대향하는 방향) 이 되는 카운터 플로 타입의 SOFC 이다.

도 16 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에서는, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 각 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 1 내주면 (IP1) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 거리 Lsi 가, 거리 Lmi 보다 짧게 되어 있다.

마찬가지로, 도 16 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 에서는, 각 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 가, Z 축 방향에서 보았을 때, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 으로부터 제 2 내주면 (IP2) 과 직교하는 방향 (즉, X 축 방향) 으로 연신되는 것이 아니라, 연료 가스 공급 연통 유로 (142) 의 제 3 내주면 (IP3) 에 있어서의 개구의 측으로 경사진 방향으로 연신되어 있다. 바꾸어 말하면, 거리 Lso 가, 거리 Lmo 보다 짧게 되어 있다.

도 16 에 나타내는 제 5 변형예에 있어서의 발전 단위 (102e) 는, 상기 서술한 구성이기 때문에, 도 8 등에 나타내는 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 와 마찬가지로, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 또, 단셀 (110) 의 성능 저하를 더욱 효과적으로 억제하기 위해서는, 공급측 차분 각도 φ1 및 배출측 차분 각도 φ2 는, 10°이하인 것이 바람직하고, 7.5°이하인 것이 보다 바람직하며, 5°이하인 것이 더욱 바람직하다.

상기 실시형태 (및 변형예, 이하 동일) 의 발전 단위 (102) 는, 산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 에 대한 조건인 거리 Lsi 가 거리 Lmi 보다 짧다는 조건 (제 1 조건) 과, 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 에 대한 조건인 거리 Lso 가 거리 Lmo 보다 짧다는 조건 (제 2 조건) 의 양방을 만족하지만, 발전 단위 (102) 가 반드시 2 가지 조건의 양방을 만족할 필요는 없다. 발전 단위 (102) 가 2 가지 조건 중의 적어도 일방을 만족하면, 만족되는 조건의 측 (산화제 가스 공급 연통 유로 (132) 의 측 또는 산화제 가스 배출 연통 유로 (133) 의 측) 의 구성에 의해서 발전 반응이 집중되기 쉬운 영역 (상기 영역 (R1)) 으로의 산화제 가스 (OG) 의 공급이 촉진되기 때문에, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 단, 발전 단위 (102) 가 2 개의 조건의 양방을 만족하면, 발전 반응이 집중되기 쉬운 영역 (상기 영역 (R1)) 으로의 산화제 가스 (OG) 의 공급이 매우 효과적으로 촉진되기 때문에, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 매우 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에 있어서, 반드시 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 모든 발전 단위 (102) 에 대해서, 상기 2 가지 조건 중의 적어도 일방이 만족될 필요는 없고, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 적어도 1 개의 발전 단위 (102) 에 대해서, 상기 2 가지 조건 중의 적어도 일방이 만족되면, 그 발전 단위 (102) 에 대해서, 산화제 가스 (OG) 의 부족을 원인으로 하는 단셀 (110) 의 발전 성능의 저하를 매우 효과적으로 억제할 수 있다.

또, 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 에 있어서, 공급측 차분 각도 φ1 및 배출측 차분 각도 φ2 의 일방 또는 양방이 10°를 초과하는 것으로 해도 된다. 단, 상기 서술한 바와 같이, 공급측 차분 각도 φ1 및/또는 배출측 차분 각도 φ2 가 10°이하이면, 단셀 (110) 의 성능 저하를 효과적으로 억제할 수 있기 때문에 바람직하다.

또, 상기 실시형태의 발전 단위 (102) 에서는, Z 축 방향에서 보았을 때, 구멍 (131) 의 외형선 중, 제 1 내주면 (IP1) 에 의해서 구성되는 부분 및 제 2 내주면 (IP2) 에 의해서 구성되는 부분은, 전체가 직선상으로 되어 있지만, 제 1 내주면 (IP1) 에 의해서 구성되는 부분 및/또는 제 2 내주면 (IP2) 에 의해서 구성되는 부분의 일부만이 직선상인 것으로 해도 된다. 그와 같은 구성에서는, 그 직선상의 부분이, 특허청구범위에 있어서의 제 1 직선상 부분 또는 제 2 직선상 부분에 상당한다.

또, 상기 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 또는 발전 단위 (102) 의 구성은 어디까지나 일례로서, 여러 가지로 변형이 가능하다. 예를 들어, 상기 실시형태에서는, 볼트공 (109) 이, 각 매니폴드용의 연통공 (108) 과는 독립적으로 형성되어 있지만, 독립된 볼트공 (109) 을 형성하지 않고, 각 매니폴드용의 연통공 (108) 이 볼트공으로 사용되는 것으로 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 일례로서, 발전 단위 (102) 의 개수는 연료 전지 스택 (100) 에 요구되는 출력 전압 등에 따라서 적절히 결정된다. 또, 상기 실시형태에 있어서의 각 부재를 구성하는 재료는, 어디까지나 예시로서, 각 부재가 다른 재료에 의해서 구성되어 있어도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 연료 가스에 함유되는 수소와 산화제 가스에 함유되는 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 발전을 행하는 SOFC 를 대상으로 하고 있지만, 본 발명은, 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 행하는 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 공지된 것이기 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 바꾸어 읽고, 발전 단위 (102) 를 전해 셀 단위로 바꾸어 읽고, 단셀 (110) 을 전해 단셀로 바꾸어 읽어도 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 추출된다. 이와 같은 구성의 전해 셀 단위 및 전해 셀 스택에 있어서도, 상기 실시형태와 마찬가지로, 거리 Lsi 가 거리 Lmi 보다 짧다는 조건 (제 1 조건) 과 거리 Lso 가 거리 Lmo 보다 짧다는 조건 (제 2 조건) 중 적어도 일방을 만족하도록 구성하면, 공기극에 공급되는 가스의 부족을 원인으로 하는 전해 단셀의 반응 성능의 저하를 억제할 수 있다.

또, 상기 실시형태에서는, 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 용융 탄산염형 연료 전지 (MCFC) 등의 다른 타입의 연료 전지 (또는 전해 셀) 에도 적용 가능하다.

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 (6)

1. 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 구멍으로 연통됨과 함께 상기 공기실용 구멍의 상기 제 1 내주면으로 개구하는 적어도 1 개의 공기극측 공급 연통 유로와, 상기 공기극측 배출 가스 유로용 구멍으로 연통됨과 함께 상기 공기실용 구멍의 상기 제 2 내주면으로 개구하는 적어도 1 개의 공기극측 배출 연통 유로가 형성된 공기극측 부재와,
   상기 연료극에 면하는 연료실을 구성함과 함께 제 3 내주면을 갖는 연료실용 구멍과, 상기 연료실에 공급되는 가스가 통과하는 연료극측 공급 가스 유로를 구성하는 연료극측 공급 가스 유로용 구멍과, 상기 연료극측 공급 가스 유로용 구멍으로 연통됨과 함께 상기 연료실용 구멍의 상기 제 3 내주면으로 개구하는 적어도 1 개의 연료극측 공급 연통 유로가 형성된 연료극측 부재를 구비하는 전기 화학 반응 단위에 있어서,
   상기 제 1 방향에서 보았을 때,
   상기 공기실용 구멍의 외형선 중, 상기 제 1 내주면에 의해서 구성되는 부분은, 제 1 직선상 부분을 포함하고,
   상기 공기실용 구멍의 외형선 중, 상기 제 2 내주면에 의해서 구성되는 부분은, 제 2 직선상 부분을 포함하고,
   상기 적어도 1 개의 공기극측 공급 연통 유로의 상기 제 1 내주면에 있어서의 개구에 의해서 구성되는 공기극측 공급 개구군의 양 단점의 중점인 제 1 점과, 상기 적어도 1 개의 연료극측 공급 연통 유로의 상기 제 3 내주면에 있어서의 개구에 의해서 구성되는 연료극측 공급 개구군의 양 단점의 중점인 제 2 점 사이의 상기 제 1 직선상 부분과 평행한 방향에 있어서의 거리 Lsi 는, 상기 공기극측 공급 가스 유로용 구멍의 도심인 제 3 점과, 상기 제 2 점 사이의 상기 제 1 직선상 부분과 평행한 방향에 있어서의 거리 Lmi 보다 짧다는 제 1 조건과,
   상기 적어도 1 개의 공기극측 배출 연통 유로의 상기 제 2 내주면에 있어서의 개구에 의해서 구성되는 공기극측 배출 개구군의 양 단점의 중점인 제 4 점과, 상기 제 2 점 사이의 상기 제 2 직선상 부분과 평행한 방향에 있어서의 거리 Lso 는, 상기 공기극측 배출 가스 유로용 구멍의 도심인 제 5 점과, 상기 제 2 점 사이의 상기 제 2 직선상 부분과 평행한 방향에 있어서의 거리 Lmo 보다 짧다는 제 2 조건 중 적어도 일방을 만족하는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 단위.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 조건과 상기 제 2 조건의 양방을 만족하는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 단위.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 방향에서 보았을 때,
   상기 제 1 점과 상기 제 3 점을 잇는 제 1 가상 직선과, 상기 제 2 점과 상기 제 3 점을 잇는 제 2 가상 직선이 이루는 각이, 10°이하라는 제 3 조건과,
   상기 제 4 점과 상기 제 5 점을 잇는 제 3 가상 직선과, 상기 제 2 점과 상기 제 5 점을 잇는 제 4 가상 직선이 이루는 각이, 10°이하라는 제 4 조건 중 적어도 일방을 만족하는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 단위.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제 3 조건과 상기 제 4 조건의 양방을 만족하는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 단위.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 단셀은, 연료 전지 단셀인 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 단위.
6. 상기 제 1 방향으로 나란히 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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