WO2018142699A1 - 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック - Google Patents

電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック Download PDF

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悠貴 太田
七田　貴史
健太 眞邉
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日本特殊陶業株式会社
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the technology disclosed by this specification relates to an electrochemical reaction unit.
  • a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) is known as one of fuel cells that generate electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • a fuel cell power generation unit (hereinafter referred to as “power generation unit”), which is a constituent unit of SOFC, includes a fuel cell single cell (hereinafter referred to as “single cell”).
  • the single cell includes an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a predetermined direction (hereinafter referred to as “first direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween (see, for example, Patent Document 1).
  • the power generation unit includes an air electrode side member (hereinafter referred to as “air electrode side frame”) in which an air chamber hole that forms an air chamber facing the air electrode is formed.
  • the air electrode side frame forms an air electrode side supply gas flow path (hereinafter referred to as “oxidant gas introduction manifold”) through which a gas supplied to the air chamber (hereinafter referred to as “oxidant gas”) passes.
  • oxidant gas introduction manifold an air electrode side supply gas flow path
  • oxidant gas discharge manifold through which the gas discharged from the air chamber (hereinafter referred to as “oxidant off-gas”) passes.
  • An air electrode side exhaust gas passage hole is formed.
  • the air electrode side frame further includes an air electrode side supply communication channel that communicates with the air electrode side supply gas channel hole and opens on one inner peripheral surface of the air chamber hole, and the air electrode side discharge.
  • the air electrode side discharge communication channel that communicates with the gas channel hole and opens to the other inner peripheral surface of the air chamber hole (the surface facing the one inner peripheral surface in the direction orthogonal to the first direction). And are formed.
  • the oxidant gas is supplied to the air chamber of the power generation unit via the oxidant gas introduction manifold and the air electrode side supply communication channel. Further, the oxidant off-gas discharged from the air chamber is discharged to the outside through the air electrode side discharge communication channel and the oxidant gas discharge manifold.
  • the power generation unit includes a fuel electrode side member (hereinafter referred to as a “fuel electrode side frame”) in which a fuel chamber hole that constitutes a fuel chamber facing the fuel electrode is formed.
  • a fuel electrode side supply that constitutes a fuel electrode side supply gas flow path (hereinafter referred to as “fuel gas introduction manifold”) through which the gas supplied to the fuel chamber (hereinafter referred to as “fuel gas”) passes is provided in the fuel electrode side frame.
  • Fuel electrode side exhaust that constitutes the gas electrode hole exhaust gas flow path (hereinafter referred to as “fuel gas discharge manifold”) through which the gas flow path hole and the gas discharged from the fuel chamber (hereinafter referred to as “fuel off gas”) pass. Gas channel holes are formed.
  • the fuel electrode side frame further includes a fuel electrode side supply communication channel that communicates with the fuel electrode side supply gas channel hole and opens on one inner peripheral surface of the fuel chamber hole, and the fuel electrode side discharge.
  • the fuel electrode side discharge communication channel communicating with the gas channel hole and opening on the other inner peripheral surface of the fuel chamber hole (the surface facing the one inner peripheral surface in the direction orthogonal to the first direction) And are formed.
  • Fuel gas is supplied to the fuel chamber of the power generation unit via the fuel gas introduction manifold and the fuel electrode side supply communication channel. Further, the fuel off-gas discharged from the fuel chamber is discharged to the outside through the fuel electrode side discharge communication channel and the fuel gas discharge manifold.
  • the supply amount of fuel gas tends to be smaller than the supply amount of oxidant gas. Therefore, in the power generation unit having the conventional configuration, the power generation reaction is concentrated in a region close to the opening of the fuel electrode side supply communication channel in the single cell as viewed in the first direction, and a large amount of oxidant gas is present in the region. As a result, the power generation performance of the single cell may be reduced.
  • Such a problem may be solved by adjusting the position of the oxidant gas introduction manifold or the oxidant gas discharge manifold, for example, but the position of each manifold avoids interference with the fastening member, for example.
  • the design flexibility is low due to constraints, and the problem cannot often be solved by adjusting the position of each manifold.
  • Such a problem is common to the electrolytic cell unit that is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. It is.
  • SOEC solid oxide electrolytic cell
  • the fuel cell power generation unit and the electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit.
  • Such a problem is not limited to SOFC and SOEC, but is common to other types of electrochemical reaction units.
  • An electrochemical reaction unit disclosed in this specification includes a single cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and a surface facing the air electrode. And an air chamber hole having a first inner peripheral surface and a second inner peripheral surface facing each other in a second direction orthogonal to the first direction and being supplied to the air chamber.
  • the air electrode side supply gas flow path hole forming the air electrode side supply gas flow path through which the gas passes, and the air electrode side exhaust gas flow forming the air electrode side exhaust gas flow path through which the gas discharged from the air chamber passes.
  • a fuel electrode side supply gas flow path hole constituting a fuel electrode side supply gas flow path through which a gas supplied to the fuel chamber passes, and a hole for the fuel chamber while communicating with the fuel electrode side supply gas flow path hole
  • the electrochemical reaction unit comprising: a fuel electrode side member formed with at least one fuel electrode side supply communication channel that is open to the third inner peripheral surface of the first inner direction;
  • the portion formed by the first inner peripheral surface includes a first linear portion, and the second inner periphery of the outer line of the air chamber hole
  • the portion constituted by the surface includes
  • the distance Lsi is based on the distance Lmi in the direction parallel to the first linear portion between the third point that is the centroid of the air electrode side supply gas passage hole and the second point.
  • the distance Lso is a distance Lmo in a direction parallel to the second linear portion between the fifth point which is the centroid of the air electrode side exhaust gas passage hole and the second point. Satisfy at least one of the second condition of shorter.
  • This electrochemical reaction unit is configured to satisfy at least one of the condition that the distance Lsi is shorter than the distance Lmi and the condition that the distance Lso is shorter than the distance Lmo.
  • each air electrode side supply communication channel is When viewed from the air electrode side supply gas flow path hole constituting the air electrode side supply gas flow path, the first direction is inclined toward the opening side of the third inner peripheral surface of the fuel electrode side supply communication flow path.
  • each air electrode side exhaust communication channel is viewed from the air electrode side exhaust gas channel hole constituting the air electrode side exhaust gas channel in the first direction view.
  • the fuel electrode side supply communication flow path extends in a direction inclined toward the opening on the third inner peripheral surface.
  • the supply of gas is promoted to a region where the reaction in the air chamber tends to concentrate, that is, a region close to the opening in the third inner peripheral surface of the fuel electrode side supply communication channel as viewed in the first direction. Therefore, it is possible to suppress the shortage of gas in the region. Therefore, in this electrochemical reaction unit, the deterioration of the performance of the single cell caused by the shortage of gas in the air chamber can be suppressed.
  • the electrochemical reaction unit may be configured to satisfy both the first condition and the second condition. According to the present electrochemical reaction unit, the supply of gas to the region where the reaction in the air chamber is likely to concentrate is effectively promoted, so that the shortage of gas in the region can be effectively suppressed. Therefore, in this electrochemical reaction unit, the deterioration of the performance of the single cell caused by the shortage of gas in the air chamber can be effectively suppressed.
  • a first virtual line connecting the first point and the third point, the second point, and the third point The third condition that the angle formed by the second virtual line connecting the second point and the fifth point is 10 ° or less, the third virtual line connecting the fourth point and the fifth point, It may be configured to satisfy at least one of a fourth condition that an angle formed by the fourth virtual straight line connecting the second point and the fifth point is 10 ° or less.
  • the supply of gas to the region where the reaction in the air chamber is likely to concentrate is further effectively promoted, so that the shortage of gas in the region can be more effectively suppressed. it can. Therefore, in this electrochemical reaction unit, the deterioration of the performance of the single cell caused by the shortage of gas in the air chamber can be more effectively suppressed.
  • the electrochemical reaction unit may be configured to satisfy both the third condition and the fourth condition. According to the present electrochemical reaction unit, the supply of gas to the region where the reaction in the air chamber is likely to concentrate is promoted very effectively, so that the shortage of gas in the region can be extremely effectively suppressed. it can. Therefore, in the present electrochemical reaction unit, it is possible to extremely effectively suppress the deterioration of the performance of the single cell due to the lack of gas in the air chamber.
  • the single cell may be a fuel cell single cell. According to the present electrochemical reaction unit, it is possible to effectively suppress a decrease in the power generation performance of the single cell due to a shortage of oxidant gas in the air chamber.
  • an electrochemical reaction unit a fuel cell power generation unit or an electrolysis cell unit
  • an electricity provided with a plurality of electrochemical reaction units It can be realized in the form of a chemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a manufacturing method thereof, and the like.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in the present embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position of III-III in FIG. It is explanatory drawing which shows XZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. FIG.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of a power generation unit 102 at a position VI-VI in FIG. 4.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of a power generation unit 102 at a position VII-VII in FIG. 4.
  • 3 is an XY sectional view showing a detailed configuration of each flow path formed in the power generation unit 102.
  • FIG. It is explanatory drawing which shows a performance evaluation result. It is explanatory drawing which shows a performance evaluation result. It is explanatory drawing which shows a performance evaluation result. It is explanatory drawing which shows a performance evaluation result. It is XY sectional drawing which shows the detailed structure of each flow path formed in the electric power generation unit 102a in a 1st modification.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 in the present embodiment
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG.
  • XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction are shown.
  • the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction
  • the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction.
  • the fuel cell stack 100 is actually different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIG.
  • the fuel cell stack 100 includes a plurality (seven in this embodiment) of fuel cell power generation units (hereinafter simply referred to as “power generation units”) 102 and a pair of end plates 104 and 106.
  • the seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in the present embodiment).
  • the pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an assembly composed of seven power generation units 102 from above and below.
  • the arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.
  • each layer (each power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100 penetrates each layer vertically in the periphery of four corners around the Z-axis direction. Holes are formed, and holes corresponding to each other formed in each layer communicate with each other in the vertical direction to constitute a bolt hole 109 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106.
  • eight bolt holes 109 are formed in the fuel cell stack 100.
  • Bolts 22 are inserted into the respective bolt holes 109, and the fuel cell stack 100 is fastened by the respective bolts 22 and nuts (not shown).
  • a hole penetrating each power generation unit 102 in the vertical direction is formed in the vicinity of the middle point of each power generation unit 102 around the Z-axis direction.
  • the holes formed in the unit 102 and corresponding to each other communicate with each other in the vertical direction to constitute a communication hole 108 extending in the vertical direction over the plurality of power generation units 102.
  • a hole formed in each power generation unit 102 to configure the communication hole 108 may also be referred to as the communication hole 108.
  • the communicating hole 108 positioned is an oxidant gas that is a common gas flow path for supplying the oxidant gas OG to the air chamber 166 described later of each power generation unit 102 after the oxidant gas OG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100.
  • the communication hole 108 that functions as the introduction manifold 161 and is located near the midpoint of the side opposite to the side (the side on the negative X-axis side of the two sides parallel to the Y-axis) is connected to each power generation unit 102.
  • oxidant gas discharge manifold 162 It functions as an oxidant gas discharge manifold 162 that is a common gas flow path for discharging the oxidant off-gas OOG that is a gas discharged from the air chamber 166 to the outside of the fuel cell stack 100.
  • air is used as the oxidant gas OG.
  • the oxidant gas introduction manifold 161 corresponds to the air electrode side supply gas flow path in the claims
  • the oxidant gas discharge manifold 162 corresponds to the air electrode side exhaust gas flow path in the claims.
  • the midpoint of one side (the Y-axis positive direction side of two sides parallel to the X-axis) on the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction.
  • the communication hole 108 located in the vicinity receives the fuel gas FG from the outside of the fuel cell stack 100 and introduces the fuel gas, which is a common gas flow path for supplying the fuel gas FG to a fuel chamber 176 described later of each power generation unit 102.
  • the communication hole 108 that functions as the manifold 171 and is located near the midpoint of the side opposite to the side (the side on the Y axis negative direction side of the two sides parallel to the X axis) It functions as a fuel gas discharge manifold 172 that is a shared gas flow path for discharging the fuel off-gas FOG that is a gas discharged from the fuel chamber 176 to the outside of the fuel cell stack 100.
  • a fuel gas discharge manifold 172 that is a shared gas flow path for discharging the fuel off-gas FOG that is a gas discharged from the fuel chamber 176 to the outside of the fuel cell stack 100.
  • the fuel gas FG for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used.
  • the fuel gas introduction manifold 171 corresponds to the fuel electrode side supply gas passage in the claims.
  • the pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are formed of, for example, stainless steel.
  • One end plate 104 is disposed on the upper side of the power generation unit 102 located on the uppermost side, and the other end plate 106 is disposed on the lower side of the power generation unit 102 located on the lowermost side.
  • a plurality of power generation units 102 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106.
  • the upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100
  • the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100. As shown in FIGS.
  • four passage through holes 107 are formed in the lower end plate 106.
  • the four flow passage through holes 107 communicate with the oxidant gas introduction manifold 161, the oxidant gas discharge manifold 162, the fuel gas introduction manifold 171, and the fuel gas discharge manifold 172, respectively.
  • the fuel cell stack 100 further includes four gas passages arranged on the opposite side (that is, the lower side) of the plurality of power generation units 102 with respect to the lower end plate 106.
  • a member 27 is provided.
  • the four gas passage members 27 are respectively arranged at positions that overlap the oxidant gas introduction manifold 161, the oxidant gas discharge manifold 162, the fuel gas introduction manifold 171, and the fuel gas discharge manifold 172 in the vertical direction.
  • Each gas passage member 27 has a main body portion 28 in which a hole communicating with the flow passage through hole 107 of the lower end plate 106 is formed, and a cylindrical branch portion 29 branched from the side surface of the main body portion 28. is doing.
  • the hole of the branch part 29 communicates with the hole of the main body part 28.
  • a gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27.
  • An insulating sheet 26 is disposed between the main body 28 of each gas passage member 27 and the end plate 106.
  • the insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic powder sheet, a glass sheet, a glass ceramic composite agent, or the like.
  • (Configuration of power generation unit 102) 4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 2, and FIG. 5 is adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units.
  • 6 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position VI-VI in FIG. 4
  • FIG. 7 shows the XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position VII-VII in FIG. It is explanatory drawing shown.
  • the power generation unit 102 includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, a fuel electrode side frame 140, and a fuel electrode side.
  • a current collector 144 and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102 are provided.
  • the holes constituting the communication holes 108 functioning as the manifolds 161, 162, 171, and 172 described above. Or the hole which comprises each bolt hole 109 is formed.
  • the interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is formed of, for example, ferritic stainless steel.
  • the interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents reaction gas from being mixed between the power generation units 102.
  • one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102.
  • the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150 and is located at the bottom.
  • the power generation unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).
  • the single cell 110 includes an electrolyte layer 112 and an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 that face each other in the vertical direction (the arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween.
  • the single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode-supported single cell that supports the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 with the fuel electrode 116.
  • the electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate-like member as viewed in the Z direction, and is a dense layer.
  • the electrolyte layer 112 is formed of a solid oxide such as YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (samarium doped ceria), GDC (gadolinium doped ceria), perovskite oxide, and the like.
  • the air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 when viewed in the Z direction, and is a porous layer.
  • the air electrode 114 is made of, for example, a perovskite oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)).
  • the fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 when viewed in the Z direction, and is a porous layer.
  • the fuel electrode 116 is formed of, for example, a cermet made of Ni and oxide ion conductive ceramic particles (for example, YSZ).
  • the single cell 110 (power generation unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the separator 120 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal.
  • the peripheral part of the hole 121 in the separator 120 is opposed to the peripheral part of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side.
  • the separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag brazing) disposed in the facing portion.
  • the separator 120 divides the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and gas leaks from one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion of the single cell 110. It is suppressed.
  • the air electrode side frame 130 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of an insulator such as mica, for example.
  • the air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral edge portion of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge portion of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. .
  • the pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102 is electrically insulated by the air electrode side frame 130.
  • the hole 131 of the air electrode side frame 130 is a hole constituting an air chamber 166 facing the air electrode 114.
  • the hole 131 has a first inner peripheral surface IP1 and a second inner peripheral surface IP2 that face each other in the X-axis direction.
  • the portion constituted by the first inner peripheral surface IP1 and the portion constituted by the second inner peripheral surface IP2 in the outline of the hole 131 as viewed in the Z-axis direction are entirely It is straight.
  • the air electrode side frame 130 communicates with the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161 and the first inner periphery of the hole 131 constituting the air chamber 166.
  • the oxidant gas supply communication channel 132 that opens to the surface IP 1 and the communication hole 108 that forms the oxidant gas discharge manifold 162 communicate with the second inner peripheral surface IP 2 of the hole 131 that forms the air chamber 166.
  • An oxidant gas discharge communication channel 133 is formed.
  • three oxidant gas supply communication channels 132 and three oxidant gas discharge communication channels 133 are formed in the air electrode side frame 130.
  • the air electrode side frame 130 corresponds to the air electrode side member in the claims, and the hole 131 corresponds to the air chamber hole in the claims, and the oxidant gas introduction formed in the air electrode side frame 130 is introduced.
  • the communication hole 108 constituting the manifold 161 corresponds to the air electrode side supply gas passage hole in the claims, and the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 formed in the air electrode side frame 130 is
  • the oxidant gas supply communication channel 132 corresponds to the air electrode side supply communication channel in the claims, and corresponds to the oxidant gas discharge communication.
  • the flow path 133 corresponds to the air electrode side discharge communication flow path in the claims.
  • the X-axis direction corresponds to the second direction in the claims, and the linear portion in the portion constituted by the first inner peripheral surface IP1 in the outline of the hole 131 described above is claimed.
  • the linear portion in the portion constituted by the second inner peripheral surface IP2 in the outline of the hole 131 described above corresponds to the first straight portion in the range of the second straight line in the claims. It corresponds to the shaped part.
  • the fuel electrode side frame 140 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 141 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal.
  • the fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral portion of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral portion of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116.
  • the hole 141 of the fuel electrode side frame 140 is a hole constituting a fuel chamber 176 that faces the fuel electrode 116.
  • the hole 141 has a third inner peripheral surface IP3 and a fourth inner peripheral surface IP4 that face each other in the Y-axis direction.
  • the portion constituted by the third inner peripheral surface IP3 and the portion constituted by the fourth inner peripheral surface IP4 in the outline of the hole 141 are entirely It is straight.
  • the fuel electrode side frame 140 communicates with the communication hole 108 constituting the fuel gas introduction manifold 171 and the third inner peripheral surface of the hole 141 constituting the fuel chamber 176.
  • a communication channel 143 is formed.
  • one fuel gas supply communication channel 142 and one fuel gas discharge communication channel 143 are formed in the fuel electrode side frame 140.
  • the fuel electrode side frame 140 corresponds to a fuel electrode side member in the claims, and the hole 141 corresponds to a fuel chamber hole in the claims, and a fuel gas introduction manifold formed in the fuel electrode side frame 140.
  • the communication hole 108 constituting the 171 corresponds to the fuel electrode side supply gas flow path hole in the claims, and the fuel gas supply communication flow path 142 corresponds to the fuel electrode side supply communication flow path in the claims. To do.
  • the air electrode side current collector 134 is disposed in the air chamber 166.
  • the air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of current collector elements 135 having a substantially quadrangular prism shape, and is formed of, for example, ferritic stainless steel.
  • the air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114.
  • the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 includes the upper end plate. 104 is in contact.
  • the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected.
  • the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, a flat plate portion perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) of the integrated member functions as the interconnector 150 and is formed so as to protrude from the flat plate portion toward the air electrode 114.
  • the current collector element 135 that is a plurality of convex portions functions as the air electrode side current collector 134.
  • the integral member of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be covered with a conductive coat, and between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134, A conductive bonding layer to be bonded may be interposed.
  • the fuel electrode side current collector 144 is disposed in the fuel chamber 176.
  • the fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 that connects the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146.
  • the electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. In contact.
  • the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 has a lower end plate. 106 is in contact. Since the fuel electrode side current collector 144 has such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected. Note that a spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146.
  • the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144.
  • the electrical connection with is maintained well.
  • the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161.
  • the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 via the branch portion 29 of the gas passage member 27, the main body portion 28, and the flow-through hole 107 of the lower end plate 106.
  • the gas is supplied from the oxidant gas introduction manifold 161 to the air chamber 166 through the oxidant gas supply communication channel 132 of each power generation unit 102.
  • FIGS. 1 the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161.
  • the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 via the branch portion 29 of the gas passage member 27, the main body portion 28, and the flow-through hole 107 of the lower end plate 106.
  • the fuel gas FG passes through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171.
  • a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171.
  • the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the branch portion 29 of the gas passage member 27, the main body portion 28, and the flow passage through hole 107 of the lower end plate 106,
  • the fuel gas is supplied from the fuel gas introduction manifold 171 to the fuel chamber 176 via the fuel gas supply communication channel 142 of each power generation unit 102.
  • each power generation unit 102 When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, oxygen contained in the oxidant gas OG and hydrogen contained in the fuel gas FG in the single cell 110. Power is generated by an electrochemical reaction. This power generation reaction is an exothermic reaction.
  • the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to one interconnector 150 via the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is connected via the fuel electrode side current collector 144.
  • the other interconnector 150 is electrically connected.
  • the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series.
  • each power generation unit 102 electrical energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as output terminals of the fuel cell stack 100. Since SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is heated by a heater (after the start-up until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation. (Not shown).
  • the oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 via the oxidant gas discharge communication channel 133 as shown in FIGS. Further, the flow passage through hole 107 of the lower end plate 106 and the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas discharge manifold 162 are connected to the branch portion 29. It is discharged outside the fuel cell stack 100 through a gas pipe (not shown). Further, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication channel 143 as shown in FIGS.
  • the fuel cell stack 100 is discharged outside (not shown).
  • the fuel cell stack 100 (power generation unit 102) of the present embodiment is a cross flow type SOFC in which the flow direction of the oxidant gas OG and the flow direction of the fuel gas FG in each power generation unit 102 are substantially orthogonal.
  • FIG. 8 is an XY cross-sectional view illustrating a detailed configuration of each flow path formed in the power generation unit 102.
  • FIG. 8 shows the fuel electrode side frame 140 in addition to the respective channels (oxidant gas supply communication channel 132 and oxidant gas discharge communication channel 133) formed in the air electrode side frame 130.
  • Each formed flow path fuel gas supply communication flow path 142 and fuel gas discharge communication flow path 143) is also shown.
  • the fuel electrode supply frame 142 and the fuel gas discharge communication channel 143 are not formed in the air electrode frame 130, and the oxidant gas supply is supplied to the fuel electrode frame 140.
  • the communication channel 132 and the oxidant gas discharge communication channel 133 are not formed.
  • each oxidant gas supply communication channel 132 has a first inner hole from the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161 when viewed in the Z-axis direction.
  • Peripheral surface IP1 (To be precise, it is a linear portion in the portion constituted by the first inner peripheral surface IP1 in the outline of the hole 131.
  • first inner peripheral surface IP1 will be used as appropriate. Is not extended in a direction (ie, the X-axis direction) perpendicular to the opening (ie, the Y-axis positive direction side) of the third inner peripheral surface IP3 of the fuel gas supply communication channel 142. ) In the direction inclined.
  • the distance Lsi shown in FIG. 8 is shorter than the distance Lmi.
  • the distance Lsi is the middle point between the end points EP1 and EP2 of the air electrode side supply opening group constituted by all the openings in the first inner peripheral surface IP1 of each oxidant gas supply communication channel 132.
  • One end P1 and both ends of a fuel electrode side supply opening group (only one opening in this embodiment) constituted by all of the openings in the third inner peripheral surface IP3 of each fuel gas supply communication channel 142 This is the distance in the direction parallel to the first inner peripheral surface IP1 (that is, the Y-axis direction) between the second point P2 that is the middle point of the points EP5 and EP6.
  • the distance Lmi is a distance in the same direction (Y-axis direction) between the third point P3, which is the centroid of the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161, and the second point P2. It is.
  • the condition that the distance Lsi is shorter than the distance Lmi corresponds to the first condition in the claims.
  • the degree of inclination of the oxidant gas supply communication channel 132 is represented by the supply side channel angle ⁇ 1.
  • the supply-side flow path angle ⁇ 1 is a virtual straight line (hereinafter referred to as “fifth virtual straight line VL5”) passing through the third point P3 and orthogonal to the first inner peripheral surface IP1 when viewed in the Z-axis direction, This is an angle formed by a virtual straight line connecting the third point P3 and the first point P1 (hereinafter referred to as “first virtual straight line VL1”).
  • the supply-side flow path angle ⁇ 1 is a positive value when the oxidant gas supply communication flow path 132 is inclined toward the opening side of the fuel gas supply communication flow path 142 when viewed from the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161. Shall be taken.
  • the difference in the extending direction of the oxidant gas supply communication channel 132 with respect to the predetermined first reference direction is represented by the supply side differential angle ⁇ 1.
  • the first reference direction refers to the fuel gas supply from the communication hole 108 (more specifically, the third point P3 that is the centroid of the communication hole 108) constituting the oxidant gas introduction manifold 161.
  • the supply-side differential angle ⁇ 1 is the first virtual straight line VL1 and a virtual straight line connecting the third point P3 and the second point P2 (hereinafter referred to as “second virtual straight line VL2”). It is an angle formed by.
  • the supply side differential angle ⁇ 1 is expressed as an absolute value.
  • each oxidant gas discharge communication channel 133 is connected to the second inner peripheral surface IP2 (from the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 when viewed in the Z-axis direction. Exactly, it is a linear part in the part constituted by the second inner peripheral surface IP2 in the outline of the hole 131, and hereinafter, the term “second inner peripheral surface IP2” will have the same meaning as appropriate.
  • the direction perpendicular to the direction (ie, the X-axis direction) of the fuel gas supply communication channel 142 is inclined to the opening side (ie, the Y-axis positive direction side) of the third inner peripheral surface IP3 of the fuel gas supply communication channel 142.
  • the distance Lso shown in FIG. 8 is shorter than the distance Lmo.
  • the distance Lso is the middle point between the end points EP3 and EP4 of the air electrode side discharge opening group constituted by all of the openings in the second inner peripheral surface IP2 of each oxidant gas discharge communication channel 133. 4 is a distance between the fourth point P4 and the second point P2 in a direction parallel to the second inner peripheral surface IP2 (that is, the Y-axis direction).
  • the distance Lmo is the distance in the same direction (Y-axis direction) between the fifth point P5, which is the centroid of the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162, and the second point P2. It is.
  • the condition that the distance Lso is shorter than the distance Lmo corresponds to the second condition in the claims.
  • the discharge-side flow path angle ⁇ 2 is a virtual straight line passing through the fifth point P5 and orthogonal to the second inner peripheral surface IP2 (hereinafter referred to as “sixth virtual straight line VL6”) when viewed in the Z-axis direction, This is an angle formed by a virtual straight line (hereinafter referred to as “third virtual straight line VL3”) connecting the fifth point P5 and the fourth point P4.
  • the discharge-side channel angle ⁇ 2 is a positive value when the oxidant gas discharge communication channel 133 is inclined toward the opening side of the fuel gas supply communication channel 142 when viewed from the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162. Shall be taken.
  • the difference in the extending direction of the oxidant gas discharge communication channel 133 with respect to the predetermined second reference direction is represented by the discharge side differential angle ⁇ 2.
  • the second reference direction refers to the supply of fuel gas from the communication hole 108 that forms the oxidant gas discharge manifold 162 (more specifically, the fifth point P5 that is the centroid of the communication hole 108).
  • the discharge-side differential angle ⁇ 2 is the third virtual straight line VL3 and a virtual straight line connecting the fifth point P5 and the second point P2 (hereinafter referred to as “fourth virtual straight line VL4”). It is an angle formed by.
  • the discharge side differential angle ⁇ 2 is expressed as an absolute value.
  • each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment includes the single cell 110, the air electrode side frame 130, and the fuel electrode side frame 140.
  • the air electrode-side frame 130 has a hole 131 having a first inner peripheral surface IP1 and a second inner peripheral surface IP2 that form an air chamber 166 facing the air electrode 114 and face each other in the X-axis direction, and air
  • the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161 through which the gas supplied to the chamber 166 passes, the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 through which the gas discharged from the air chamber 166 passes, and the oxidant gas At least one oxidant gas supply communication passage 132 communicating with the communication hole 108 constituting the introduction manifold 161 and opening on the first inner peripheral surface IP1 of the hole 131, and the communication hole constituting the oxidant gas discharge manifold 162.
  • the fuel electrode side frame 140 has a fuel chamber 176 that faces the fuel electrode 116 and a hole 141 having a third inner peripheral surface IP3, and a fuel gas introduction manifold 171 through which the gas supplied to the fuel chamber 176 passes.
  • a communication hole 108 constituting the fuel gas introduction manifold 171 and at least one fuel gas supply communication channel 142 opening to the third inner peripheral surface IP3 of the hole 141 are formed. Yes.
  • the portion constituted by the first inner peripheral surface IP1 in the outline of the hole 131 includes a linear portion, and the portion constituted by the second inner peripheral surface IP2 is a linear portion.
  • the air electrode side supply opening group constituted by all the openings in the first inner peripheral surface IP1 of each oxidant gas supply communication channel 132.
  • the distance Lsi in the direction (Y-axis direction) parallel to the linear portion of the first inner peripheral surface IP1 between the second point P2 which is the middle point of the points EP5 and EP6 is an oxidant gas introduction manifold.
  • 161 is shorter than the distance Lmi in the same direction (Y-axis direction) between the third point P3 which is the centroid of the communication hole 108 constituting 161 and the second point P2.
  • each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment has the above-described configuration, the power generation performance of the single cell 110 caused by a shortage of the oxidant gas OG is reduced as described below. Can be suppressed.
  • the supply amount of the fuel gas FG tends to be smaller than the supply amount of the oxidant gas OG in order to improve the utilization efficiency of the fuel gas FG. Therefore, the power generation reaction concentrates in a region (region R1 in FIG. 8) close to the opening of the fuel gas supply communication channel 142 in the single cell 110, and a large amount of the oxidant gas OG is consumed in the region R1.
  • the oxidant gas OG is not sufficiently supplied to the region R1 where the power generation reaction is likely to concentrate, and the oxidant gas OG is insufficient in the region R1. Therefore, the power generation performance of the single cell 110 is reduced.
  • the power generation performance of the single cell 110 is greatly reduced because the oxidant gas OG is further insufficient in the region R1.
  • each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment the above-described distance Lsi is shorter than the distance Lmi.
  • each oxidant gas supply communication channel 132 is located on the third inner peripheral surface IP3 of the fuel gas supply communication channel 142 as viewed from the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161 when viewed in the Z-axis direction. It is the structure extended in the direction inclined to the opening side. In such a configuration, the supply of the oxidant gas OG to the region R1 where the above-described power generation reaction is likely to be concentrated is promoted, so that the shortage of the oxidant gas OG in the region R1 can be suppressed. Therefore, in each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the single cell 110 due to a shortage of the oxidant gas OG.
  • the air electrode side supply opening group constituted by all the openings in the second inner peripheral surface IP2 of each oxidant gas discharge communication channel 133.
  • Direction parallel to the linear portion of the second inner peripheral surface IP2 between the fourth point P4, which is the midpoint between the two end points EP3 and EP4, and the second point P2 (Y-axis direction) Is the distance Lmo in the same direction (Y-axis direction) between the fifth point P5, which is the centroid of the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162, and the second point P2. Shorter.
  • each oxidant gas discharge communication channel 133 is formed on the third inner peripheral surface IP3 of the fuel gas supply communication channel 142 as viewed from the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 when viewed in the Z-axis direction. It is the structure extended in the direction inclined to the opening side. In such a configuration, the supply of the oxidant gas OG to the region R1 where the above-described power generation reaction is likely to concentrate is promoted, so that the shortage of the oxidant gas OG in the region R1 can be suppressed. . Therefore, in each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment, it is possible to extremely effectively suppress a decrease in power generation performance of the single cell 110 caused by a shortage of the oxidant gas OG.
  • the positions of the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas discharge manifold 162 are adjusted in order to promote the supply of the oxidant gas OG to the region R1 where the power generation reaction is likely to concentrate (specifically, It is also conceivable that the fuel gas supply communication channel 142 is positioned close to the opening in the third inner peripheral surface IP3).
  • the positions of the manifolds 161 and 162 have a low degree of design freedom due to restrictions such as avoiding interference with the bolt holes 109, for example.
  • the supply of the oxidant gas OG to the region R1 can be promoted without adjusting the positions of the manifolds 161 and 162, so that the influence on other configurations is minimized.
  • a decrease in power generation performance of the single cell 110 can be effectively suppressed.
  • Performance evaluation by simulation was performed on the relationship between the above-described configuration of each flow path (the inclination of the flow path and the like) and the power generation performance of the single cell 110.
  • 9 to 11 are explanatory diagrams showing the performance evaluation results.
  • the fuel cell stack 100 including the 10 single cells 110 (power generation unit 102) is configured while variously changing the supply-side flow path angle ⁇ 1 in the single cell 110 (power generation unit 102) configured as described above.
  • the voltage per unit cell 110 when the power generation operation was performed at a temperature of 650 ° C. and a current density of 0.25 A / cm 2 was measured.
  • FIG. 9 shows the relationship between the supply-side flow path angle ⁇ 1 and the voltage of the single cell 110.
  • the voltage of the single cell 110 increases.
  • the oxidant gas supply communication flow path 132 extends from the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161 when viewed in the Z-axis direction. This means that the fuel gas supply communication channel 142 extends in a direction inclined toward the opening in the third inner peripheral surface IP3 (that is, the distance Lsi is shorter than the distance Lmi).
  • the oxidant gas discharge communication flow path 133 is configured so that the distance Lsi is shorter than the distance Lmi in the power generation unit 102, the single cell 110 caused by the shortage of the oxidant gas OG. It was confirmed that the decrease in power generation performance can be suppressed.
  • FIG. 10 shows the relationship between the supply-side flow path angle ⁇ 1 and the supply-side differential angle ⁇ 1 and the voltage of the single cell 110.
  • FIG. 10 shows an approximate curve AC obtained from data at each measurement point.
  • each flow path of the power generation unit 102 is configured so that ⁇ 1 becomes 0 ° when the supply-side flow path angle ⁇ 1 is 40 °.
  • FIGS. 9 and 10 when the supply-side flow path angle ⁇ 1 becomes too large (when the supply-side differential angle ⁇ 1 becomes too large), the voltage of the single cell 110 decreases.
  • the supply-side differential angle ⁇ 1 is preferably 10 ° or less, and more preferably 7.5 ° or less. It can be said that the angle is preferably 5 ° or less.
  • the supply side flow path angle ⁇ 1 (and the supply side differential angle ⁇ 1) representing the degree of inclination of the oxidant gas supply communication path 132 was evaluated.
  • the same result is expected for the discharge-side channel angle ⁇ 2 (and the discharge-side differential angle ⁇ 2) representing the degree of inclination of 133. Therefore, the discharge-side flow path angle ⁇ 2 is larger than 0 ° (that is, the oxidant gas discharge communication flow path 133 is viewed from the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 when viewed in the Z-axis direction.
  • the discharge side differential angle ⁇ 2 is preferably 10 ° or less, more preferably 7.5 ° or less, and 5 ° or less. It can be said that it is more preferable.
  • FIG. 12 is an XY cross-sectional view showing a detailed configuration of each flow path formed in the power generation unit 102a in the first modified example.
  • the power generation unit 102a in the first modified example shown in FIG. 12 is such that the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas discharge manifold 162 are in communication with the fuel gas supply as compared with the power generation unit 102 of the above-described embodiment shown in FIG. It is arranged at a position closer to the flow path 142 (that is, the Y axis positive direction side).
  • each oxidant gas supply communication channel 132 has an oxidant as viewed in the Z-axis direction, similarly to the power generation unit 102 in the embodiment shown in FIG. Rather than extending in the direction perpendicular to the first inner peripheral surface IP1 (that is, the X-axis direction) from the communication hole 108 that constitutes the gas introduction manifold 161, the fuel gas supply communication flow path 142 has a third inner peripheral surface IP3. It extends in a direction inclined toward the opening. In other words, the distance Lsi is shorter than the distance Lmi.
  • the oxidant gas introduction manifold 161 is disposed at a position closer to the fuel gas supply communication channel 142.
  • the degree of inclination (supply-side flow path angle ⁇ 1) is smaller than the power generation unit 102 of the above-described embodiment shown in FIG.
  • each oxidant gas discharge communication channel 133 is second from the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 when viewed in the Z-axis direction.
  • the fuel gas supply communication channel 142 extends in a direction inclined toward the opening in the third inner peripheral surface IP3. In other words, the distance Lso is shorter than the distance Lmo.
  • the power generation unit 102a in the first modification shown in FIG. 12 has the above-described configuration, a single cell caused by a shortage of the oxidant gas OG as in the power generation unit 102 of the above-described embodiment shown in FIG.
  • the decrease in power generation performance of 110 can be suppressed.
  • the supply side difference angle ⁇ 1 and the discharge side difference angle ⁇ 2 are preferably 10 ° or less, and preferably 7.5 ° or less. More preferably, it is 5 ° or less.
  • FIG. 13 is an XY cross-sectional view showing the detailed configuration of each flow path formed in the power generation unit 102b in the second modification.
  • the power generation unit 102b in the second modified example shown in FIG. 13 is configured such that the oxidant gas introduction manifold 161 and the oxidant gas discharge manifold 162 are in communication with the fuel gas supply as compared with the power generation unit 102 of the above-described embodiment shown in FIG. It is arranged at a position farther from the flow path 142 (that is, the Y axis negative direction side).
  • each oxidant gas supply communication channel 132 has an oxidant as viewed in the Z-axis direction, as in the power generation unit 102 in the embodiment shown in FIG. Rather than extending in the direction perpendicular to the first inner peripheral surface IP1 (that is, the X-axis direction) from the communication hole 108 that constitutes the gas introduction manifold 161, the fuel gas supply communication flow path 142 has a third inner peripheral surface IP3. It extends in a direction inclined toward the opening. In other words, the distance Lsi is shorter than the distance Lmi.
  • the oxidant gas introduction manifold 161 is disposed at a position farther from the fuel gas supply communication channel 142, so that the oxidant gas supply communication channel 132 is provided.
  • the degree of inclination (supply-side flow path angle ⁇ 1) is larger than that of the power generation unit 102 of the above-described embodiment shown in FIG.
  • each oxidant gas discharge communication channel 133 is second from the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 when viewed in the Z-axis direction.
  • the fuel gas supply communication channel 142 extends in a direction inclined toward the opening in the third inner peripheral surface IP3. In other words, the distance Lso is shorter than the distance Lmo.
  • the power generation unit 102b in the second modified example shown in FIG. 13 has the above-described configuration, a single cell caused by a shortage of the oxidant gas OG as in the power generation unit 102 of the above-described embodiment shown in FIG.
  • the decrease in power generation performance of 110 can be suppressed.
  • the supply side difference angle ⁇ 1 and the discharge side difference angle ⁇ 2 are preferably 10 ° or less, and preferably 7.5 ° or less. More preferably, it is 5 ° or less.
  • FIG. 14 is an XY cross-sectional view showing a detailed configuration of each flow path formed in the power generation unit 102c in the third modification.
  • the power generation unit 102 c in the third modification shown in FIG. 14 is provided with two oxidant gas introduction manifolds 161, and each communication hole 108 constituting each oxidant gas introduction manifold 161 is directed toward the air chamber 166.
  • the oxidant gas supply communication channel 132 extends.
  • each of the communication holes 108 constituting the two oxidant gas introduction manifolds 161 is oxidized as in the power generation unit 102 in the above-described embodiment shown in FIG.
  • the agent gas supply communication channel 132 does not extend from the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161 in a direction orthogonal to the first inner peripheral surface IP1 (that is, in the X axis direction) as viewed in the Z axis direction.
  • the fuel gas supply communication channel 142 extends in a direction inclined toward the opening in the third inner peripheral surface IP3. In other words, the distance Lsi is shorter than the distance Lmi.
  • the centroids of the communication holes 108 located at both ends of the plurality of communication holes 108 is the third point P3, that is, the centroids of the communication holes 108 constituting the plurality of oxidant gas introduction manifolds 161.
  • the opening of the first inner peripheral surface IP1 of the oxidant gas supply communication flow path 132 extending from the plurality of communication holes 108 is formed.
  • a midpoint between the end points EP1 and EP2 of the air electrode side supply opening group constituted by all is defined as a first point P1.
  • the one located on the Y axis positive direction side is disposed closer to the fuel gas supply communication channel 142, so that the oxidant gas introduction manifold 161 is configured.
  • the degree of inclination of the oxidant gas supply communication flow path 132 extending from the communication hole 108 (supply side flow path angle ⁇ 1) is small, and the position located on the Y axis negative direction side is more from the fuel gas supply communication flow path 142. Since it is arranged at a distant position, the degree of inclination of the oxidant gas supply communication channel 132 extending from the communication hole 108 constituting the oxidant gas introduction manifold 161 (supply side channel angle ⁇ 1) is large.
  • each oxidant gas discharge communication channel 133 extends from the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 in a direction orthogonal to the second inner peripheral surface IP2 (that is, the X-axis direction) as viewed in the Z-axis direction. Instead, the fuel gas supply communication channel 142 extends in the direction inclined toward the opening side in the third inner peripheral surface IP3. In other words, the distance Lso is shorter than the distance Lmo.
  • the power generation unit 102c in the third modified example shown in FIG. 14 has the above-described configuration, a single cell caused by a shortage of the oxidant gas OG as in the power generation unit 102 of the above-described embodiment shown in FIG.
  • the decrease in power generation performance of 110 can be suppressed.
  • the supply side difference angle ⁇ 1 and the discharge side difference angle ⁇ 2 are preferably 10 ° or less, and preferably 7.5 ° or less. More preferably, it is 5 ° or less.
  • FIG. 15 is an XY cross-sectional view showing a detailed configuration of each flow path formed in the power generation unit 102d in the fourth modified example.
  • the power generation unit 102d in the fourth modified example shown in FIG. 15 is a side where the fuel gas introduction manifold 171 is arranged with the oxidant gas introduction manifold 161 among the four sides on the outer periphery of the power generation unit 102d around the Z-axis direction.
  • the fuel gas discharge manifold 172 is disposed in the vicinity of the same side as the side on which the oxidant gas discharge manifold 162 is disposed. That is, the power generation unit 102d in the fourth modification shown in FIG. 15 is a coflow type SOFC in which the flow direction of the oxidant gas OG and the flow direction of the fuel gas FG in the power generation unit 102d are substantially the same direction.
  • the fuel gas supply communication flow path 142 has a third inner peripheral surface IP3. It extends in a direction inclined toward the opening. In other words, the distance Lsi is shorter than the distance Lmi.
  • each oxidant gas discharge communication channel 133 is second from the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 when viewed in the Z-axis direction.
  • the fuel gas supply communication channel 142 extends in a direction inclined toward the opening in the third inner peripheral surface IP3. In other words, the distance Lso is shorter than the distance Lmo.
  • the power generation unit 102d in the fourth modification shown in FIG. 15 has the above-described configuration, a single cell caused by a shortage of the oxidant gas OG as in the power generation unit 102 of the above-described embodiment shown in FIG.
  • the decrease in power generation performance of 110 can be suppressed.
  • the supply side difference angle ⁇ 1 and the discharge side difference angle ⁇ 2 are preferably 10 ° or less, and preferably 7.5 ° or less. More preferably, it is 5 ° or less.
  • FIG. 16 is an XY cross-sectional view showing a detailed configuration of each flow path formed in the power generation unit 102e in the fifth modification.
  • the power generation unit 102e in the fifth modified example shown in FIG. 16 is a side where the fuel gas introduction manifold 171 is arranged with the oxidant gas discharge manifold 162 among the four sides on the outer periphery of the power generation unit 102e around the Z-axis direction.
  • the fuel gas discharge manifold 172 is arranged in the vicinity of the same side as the side where the oxidant gas introduction manifold 161 is arranged in the four sides. That is, the power generation unit 102e in the fifth modification shown in FIG. 16 is a counter flow type in which the flow direction of the oxidant gas OG and the flow direction of the fuel gas FG in the power generation unit 102e are substantially opposite (opposite directions). SOFC.
  • each oxidant gas supply communication channel 132 has an oxidant as viewed in the Z-axis direction, as in the power generation unit 102 in the embodiment shown in FIG.
  • the fuel gas supply communication flow path 142 has a third inner peripheral surface IP3. It extends in a direction inclined toward the opening. In other words, the distance Lsi is shorter than the distance Lmi.
  • each oxidant gas discharge communication channel 133 is second from the communication hole 108 constituting the oxidant gas discharge manifold 162 when viewed in the Z-axis direction.
  • the fuel gas supply communication channel 142 extends in a direction inclined toward the opening in the third inner peripheral surface IP3. In other words, the distance Lso is shorter than the distance Lmo.
  • the power generation unit 102e in the fifth modified example shown in FIG. 16 has the above-described configuration, a single cell caused by a shortage of the oxidant gas OG as in the power generation unit 102 of the above-described embodiment shown in FIG.
  • the decrease in power generation performance of 110 can be suppressed.
  • the supply side difference angle ⁇ 1 and the discharge side difference angle ⁇ 2 are preferably 10 ° or less, and preferably 7.5 ° or less. More preferably, it is 5 ° or less.
  • the power generation unit 102 of the above-described embodiment includes a condition (first condition) that the distance Lsi that is a condition for the oxidant gas supply communication channel 132 is shorter than the distance Lmi, and an oxidant gas.
  • the distance Lso that is a condition for the discharge communication channel 133 satisfies both the condition (second condition) that is shorter than the distance Lmo, but the power generation unit 102 does not necessarily have to satisfy both of the two conditions. Absent. If the power generation unit 102 satisfies at least one of the two conditions, the configuration on the satisfied condition side (oxidant gas supply communication channel 132 side or oxidant gas discharge communication channel 133 side) is configured.
  • the supply of the oxidant gas OG to the region where the power generation reaction is likely to concentrate (the region R1) is promoted. it can.
  • the power generation unit 102 satisfies both of the two conditions, the supply of the oxidant gas OG to the region where the power generation reaction is likely to concentrate (the region R1) is very effectively promoted.
  • a decrease in the power generation performance of the single cell 110 due to the lack of OG can be extremely effectively suppressed.
  • the power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 satisfy at least one of the two conditions. At least one power generation unit included in the fuel cell stack 100 is not necessarily satisfied. If at least one of the above two conditions is satisfied with respect to 102, the power generation unit 102 is extremely effectively suppressed from reducing the power generation performance of the single cell 110 due to a shortage of the oxidant gas OG. be able to.
  • one or both of the supply side differential angle ⁇ 1 and the discharge side differential angle ⁇ 2 may exceed 10 °.
  • the supply-side differential angle ⁇ 1 and / or the discharge-side differential angle ⁇ 2 is 10 ° or less, since the performance degradation of the single cell 110 can be effectively suppressed.
  • the whole is linear, only a part constituted by the first inner peripheral surface IP1 and / or a part constituted by the second inner peripheral surface IP2 may be linear. Good. In such a configuration, the linear portion corresponds to the first linear portion or the second linear portion in the claims.
  • the configuration of the fuel cell stack 100 or the power generation unit 102 in the above embodiment is merely an example, and various modifications can be made.
  • the bolt hole 109 is provided independently of the communication hole 108 for each manifold, but the independent bolt hole 109 is not provided, and the communication hole 108 for each manifold is used as a bolt hole. May also be used.
  • an intermediate layer may be disposed between the air electrode 114 and the electrolyte layer 112.
  • the number of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of power generation units 102 is appropriately determined according to the output voltage required for the fuel cell stack 100 or the like.
  • the material which comprises each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be comprised with the other material.
  • the SOFC that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted.
  • the present invention can be similarly applied to an electrolytic cell unit that is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cell units.
  • SOEC solid oxide electrolytic cell
  • the configuration of the electrolytic cell stack is well known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, and therefore will not be described in detail here. However, the configuration is generally the same as that of the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. It is a configuration.
  • the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack
  • the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit
  • the single cell 110 may be read as an electrolytic single cell.
  • a voltage is applied between the two electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode).
  • Water vapor as a source gas is supplied.
  • an electrolysis reaction of water occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out of the electrolysis cell stack through the communication hole.
  • the condition that the distance Lsi is shorter than the distance Lmi (first condition) and the condition that the distance Lso is shorter than the distance Lmo (second condition) If it is configured to satisfy at least one of the above conditions), it is possible to suppress a decrease in the reaction performance of the electrolytic single cell due to a shortage of gas supplied to the air electrode.
  • the solid oxide fuel cell has been described as an example.
  • the present invention is applicable to other types of fuel cells (or electrolytic cells) such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). Applicable.

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Abstract

空気室におけるガスの不足を原因とする単セルの性能の低下を抑制する。電気化学反応単位は、単セルと空気極側部材と燃料極側部材とを備える。電気化学反応単位は、空気室の供給側と排出側との少なくとも一方について、以下の条件を満たす。条件：空気極側連通流路の開口により構成される空気極側開口群の両端点の中点と燃料極側供給連通流路の開口により構成される燃料極側供給開口群の両端点の中点（特定点）との間の、空気室孔の内周面に平行な方向における距離は、空気極側ガス流路用孔の図心と上記特定点との間の、空気室孔の内周面に平行な方向における距離より短い。

Description

電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
　本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。
　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１つとして、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という）は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という）を備える。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向（以下、「第１の方向」という）に互いに対向する空気極および燃料極とを含む（例えば、特許文献１参照）。
　また、発電単位は、空気極に面する空気室を構成する空気室用孔が形成された空気極側部材（以下、「空気極側フレーム」という）を備える。空気極側フレームには、空気室に供給されるガス（以下、「酸化剤ガス」という）が通る空気極側供給ガス流路（以下、「酸化剤ガス導入マニホールド」という）を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、空気室から排出されたガス（以下、「酸化剤オフガス」という）が通る空気極側排出ガス流路（以下、「酸化剤ガス排出マニホールド」という）を構成する空気極側排出ガス流路用孔とが形成されている。空気極側フレームには、さらに、上記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に空気室用孔の一の内周面に開口する空気極側供給連通流路と、上記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に空気室用孔の他の内周面（第１の方向に直交する方向において上記一の内周面に対向する面）に開口する空気極側排出連通流路とが形成されている。発電単位の空気室には、酸化剤ガス導入マニホールドおよび空気極側供給連通流路を介して酸化剤ガスが供給される。また、空気室から排出された酸化剤オフガスは、空気極側排出連通流路および酸化剤ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。
　同様に、発電単位は、燃料極に面する燃料室を構成する燃料室用孔が形成された燃料極側部材（以下、「燃料極側フレーム」という）を備える。燃料極側フレームには、燃料室に供給されるガス（以下、「燃料ガス」という）が通る燃料極側供給ガス流路（以下、「燃料ガス導入マニホールド」という）を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、燃料室から排出されたガス（以下、「燃料オフガス」という）が通る燃料極側排出ガス流路（以下、「燃料ガス排出マニホールド」という）を構成する燃料極側排出ガス流路用孔とが形成されている。燃料極側フレームには、さらに、上記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に燃料室用孔の一の内周面に開口する燃料極側供給連通流路と、上記燃料極側排出ガス流路用孔に連通すると共に燃料室用孔の他の内周面（第１の方向に直交する方向において上記一の内周面に対向する面）に開口する燃料極側排出連通流路とが形成されている。発電単位の燃料室には、燃料ガス導入マニホールドおよび燃料極側供給連通流路を介して燃料ガスが供給される。また、燃料室から排出された燃料オフガスは、燃料極側排出連通流路および燃料ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。
特開２０１６－２０７２７０号公報
　一般に、ＳＯＦＣの運転時には、燃料ガスの利用効率を向上させるため、燃料ガスの供給量が酸化剤ガスの供給量より少なくなる傾向にある。そのため、従来の構成の発電単位では、上記第１の方向視で、単セルの内、燃料極側供給連通流路の開口に近い領域において発電反応が集中し、該領域において酸化剤ガスが大量に消費されて酸化剤ガスが不足し、その結果、単セルの発電性能が低下するおそれがある。なお、このような問題を、例えば酸化剤ガス導入マニホールドや酸化剤ガス排出マニホールドの位置を調整することにより解決することも考えられるが、各マニホールドの位置は、例えば締結部材との干渉を避けるといった制約から設計自由度が低く、各マニホールドの位置の調整によっては問題を解決できないことが多い。
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という）の構成単位である電解セル単位にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて、電気化学反応単位と呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応単位にも共通の課題である。
　本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。
　本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本明細書に開示される電気化学反応単位は、電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、前記空気極に面する空気室を構成すると共に前記第１の方向に直交する第２の方向に互いに対向する第１の内周面および第２の内周面を有する空気室用孔と、前記空気室に供給されるガスが通る空気極側供給ガス流路を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、前記空気室から排出されたガスが通る空気極側排出ガス流路を構成する空気極側排出ガス流路用孔と、前記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第１の内周面に開口する少なくとも１つの空気極側供給連通流路と、前記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第２の内周面に開口する少なくとも１つの空気極側排出連通流路と、が形成された空気極側部材と、前記燃料極に面する燃料室を構成すると共に第３の内周面を有する燃料室用孔と、前記燃料室に供給されるガスが通る燃料極側供給ガス流路を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、前記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第３の内周面に開口する少なくとも１つの燃料極側供給連通流路と、が形成された燃料極側部材と、を備える電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記空気室用孔の外形線の内、前記第１の内周面により構成される部分は、第１の直線状部分を含み、前記空気室用孔の外形線の内、前記第２の内周面により構成される部分は、第２の直線状部分を含み、前記少なくとも１つの空気極側供給連通流路の前記第１の内周面における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点の中点である第１の点と、前記少なくとも１つの燃料極側供給連通流路の前記第３の内周面における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点の中点である第２の点と、の間の前記第１の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｓｉは、前記空気極側供給ガス流路用孔の図心である第３の点と、前記第２の点と、の間の前記第１の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｍｉより短いという第１の条件と、前記少なくとも１つの空気極側排出連通流路の前記第２の内周面における開口のすべてにより構成される空気極側排出開口群の両端点の中点である第４の点と、前記第２の点と、の間の前記第２の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｓｏは、前記空気極側排出ガス流路用孔の図心である第５の点と、前記第２の点と、の間の前記第２の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｍｏより短いという第２の条件と、の少なくとも一方を満たす。本電気化学反応単位は、距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短いという条件と距離Ｌｓｏが距離Ｌｍｏより短いという条件との少なくとも一方を満たす構成であり、換言すれば、各空気極側供給連通流路が、第１の方向視で、空気極側供給ガス流路を構成する空気極側供給ガス流路用孔から見て、燃料極側供給連通流路の第３の内周面における開口の側に傾いた方向に延びた構成、および／または、各空気極側排出連通流路が、第１の方向視で、空気極側排出ガス流路を構成する空気極側排出ガス流路用孔から見て、燃料極側供給連通流路の第３の内周面における開口の側に傾いた方向に延びた構成である。このような構成では、空気室における反応が集中しやすい領域、すなわち、第１の方向視で燃料極側供給連通流路の第３の内周面における開口に近い領域へのガスの供給が促進されるため、該領域においてガスが不足することを抑制することができる。従って、本電気化学反応単位では、空気室におけるガスの不足を原因とする単セルの性能の低下を抑制することができる。
（２）上記電気化学反応単位において、前記第１の条件と前記第２の条件との両方を満たす構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、空気室における反応が集中しやすい領域へのガスの供給が効果的に促進されるため、該領域においてガスが不足することを効果的に抑制することができる。従って、本電気化学反応単位では、空気室におけるガスの不足を原因とする単セルの性能の低下を効果的に抑制することができる。
（３）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記第１の点と前記第３の点とを結ぶ第１の仮想直線と、前記第２の点と前記第３の点とを結ぶ第２の仮想直線と、のなす角が、１０°以下であるという第３の条件と、前記第４の点と前記第５の点とを結ぶ第３の仮想直線と、前記第２の点と前記第５の点とを結ぶ第４の仮想直線と、のなす角が、１０°以下であるという第４の条件と、の少なくとも一方を満たす構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、空気室における反応が集中しやすい領域へのガスの供給が一層効果的に促進されるため、該領域においてガスが不足することを一層効果的に抑制することができる。従って、本電気化学反応単位では、空気室におけるガスの不足を原因とする単セルの性能の低下を一層効果的に抑制することができる。
（４）上記電気化学反応単位において、前記第３の条件と前記第４の条件との両方を満たす構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、空気室における反応が集中しやすい領域へのガスの供給が極めて効果的に促進されるため、該領域においてガスが不足することを極めて効果的に抑制することができる。従って、本電気化学反応単位では、空気室におけるガスの不足を原因とする単セルの性能の低下を極めて効果的に抑制することができる。
（５）上記電気化学反応単位において、前記単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、空気室における酸化剤ガスの不足を原因とする単セルの発電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、電気化学反応単位（燃料電池発電単位または電解セル単位）、複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。
本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。 図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図４のＶＩ－ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図４のＶＩＩ－ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。 性能評価結果を示す説明図である。 性能評価結果を示す説明図である。 性能評価結果を示す説明図である。 第１の変形例における発電単位１０２ａに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。 第２の変形例における発電単位１０２ｂに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。 第３の変形例における発電単位１０２ｃに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。 第４の変形例における発電単位１０２ｄに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。 第５の変形例における発電単位１０２ｅに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。
Ａ．実施形態：
Ａ－１．装置構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
　図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。
　燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という）１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。
　図１に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（各発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸方向回りの外周の４つの角部周辺には、各層を上下方向に貫通する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ボルト孔１０９を構成している。本実施形態では、燃料電池スタック１００に８つのボルト孔１０９が形成されている。各ボルト孔１０９にはボルト２２が挿入されており、各ボルト２２および図示しないナットによって燃料電池スタック１００は締結されている。
　また、図１から図３に示すように、各発電単位１０２のＺ軸方向回りの外周辺の中点付近には、各発電単位１０２を上下方向に貫通する孔が形成されており、各発電単位１０２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、複数の発電単位１０２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を構成するために各発電単位１０２に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。
　図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸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連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の後述する空気室１６６に供給する共用ガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置する連通孔１０８は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する共用ガス流路であ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。酸化剤ガス導入マニホールド１６１は、特許請求の範囲における空気極側供給ガス流路に相当し、酸化剤ガス排出マニホールド１６２は、特許請求の範囲における空気極側排出ガス流路に相当する。
　また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（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連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の後述する燃料室１７６に供給する共用ガス流路である燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置する連通孔１０８は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する共用ガス流路である燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。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燃料極側供給ガス流路に相当する。
（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。図２および図３に示すように、下側のエンドプレート１０６には、４つの流路用貫通孔１０７が形成されている。４つの流路用貫通孔１０７は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド１６１、酸化剤ガス排出マニホールド１６２、燃料ガス導入マニホールド１７１、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。
（ガス通路部材２７等の構成）
　図２および図３に示すように、燃料電池スタック１００は、さらに、下側のエンドプレート１０６に対して複数の発電単位１０２とは反対側（すなわち、下側）に配置された４つのガス通路部材２７を備える。４つのガス通路部材２７は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド１６１、酸化剤ガス排出マニホールド１６２、燃料ガス導入マニホールド１７１、燃料ガス排出マニホールド１７２と上下方向に重なる位置に配置されている。各ガス通路部材２７は、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７に連通する孔が形成された本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した筒状の分岐部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。なお、各ガス通路部材２７の本体部２８とエンドプレート１０６との間には、絶縁シート２６が配置されている。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。
（発電単位１０２の構成）
　図４は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。また、図６は、図４のＶＩ－ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４のＶＩＩ－ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。
　図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、上述した各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する連通孔１０８を構成する孔や、各ボルト孔１０９を構成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２および図３参照）。
　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、Ｚ方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層１１２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、Ｚ方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極１１４は、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、Ｚ方向視で電解質層１１２と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子（例えば、ＹＳＺ）とからなるサーメットにより形成されている。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。
空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔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。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。
　図４および図６に示すように、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を構成する孔である。孔１３１は、Ｘ軸方向に互いに対向する第１の内周面ＩＰ１および第２の内周面ＩＰ２を有する。図６に示すように、Ｚ軸方向視で、孔１３１の外形線の内、第１の内周面ＩＰ１により構成される部分および第２の内周面ＩＰ２により構成される部分は、全体が直線状となっている。また、図４および図６に示すように、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８に連通すると共に空気室１６６を構成する孔１３１の第１の内周面ＩＰ１に開口する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８に連通すると共に空気室１６６を構成する孔１３１の第２の内周面ＩＰ２に開口する酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。本実施形態では、空気極側フレーム１３０に、３本の酸化剤ガス供給連通流路１３２と、３本の酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。
　空気極側フレーム１３０は、特許請求の範囲における空気極側部材に相当し、孔１３１は、特許請求の範囲における空気室用孔に相当し、空気極側フレーム１３０に形成された酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における空気極側供給ガス流路用孔に相当し、空気極側フレーム１３０に形成された酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における空気極側排出ガス流路用孔に相当し、酸化剤ガス供給連通流路１３２は、特許請求の範囲における空気極側供給連通流路に相当し、酸化剤ガス排出連通流路１３３は、特許請求の範囲における空気極側排出連通流路に相当する。また、Ｘ軸方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当し、上述した孔１３１の外形線の内の第１の内周面ＩＰ１により構成される部分における直線状部分は、特許請求の範囲における第１の直線状部分に相当し、上述した孔１３１の外形線の内の第２の内周面ＩＰ２により構成される部分における直線状部分は、特許請求の範囲における第２の直線状部分に相当する。
　燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している。
　図５および図７に示すように、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を構成する孔である。孔１４１は、Ｙ軸方向に互いに対向する第３の内周面ＩＰ３および第４の内周面ＩＰ４を有する。図７に示すように、Ｚ軸方向視で、孔１４１の外形線の内、第３の内周面ＩＰ３により構成される部分および第４の内周面ＩＰ４により構成される部分は、全体が直線状となっている。また、図５および図７に示すように、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８に連通すると共に燃料室１７６を構成する孔１４１の第３の内周面ＩＰ３に開口する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８に連通すると共に燃料室１７６を構成する孔１４１の第４の内周面ＩＰ４に開口する燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。本実施形態では、燃料極側フレーム１４０に、１本の燃料ガス供給連通流路１４２と、１本の燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。
　燃料極側フレーム１４０は、特許請求の範囲における燃料極側部材に相当し、孔１４１は、特許請求の範囲における燃料室用孔に相当し、燃料極側フレーム１４０に形成された燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における燃料極側供給ガス流路用孔に相当し、燃料ガス供給連通流路１４２は、特許請求の範囲における燃料極側供給連通流路に相当する。
　図４～６に示すように、空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。また、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
　図４，５，７に示すように、燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。燃料極側集電体１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）との電気的接続が良好に維持される。
Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
　図２，４，６に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９、本体部２８、および、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３，５，７に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９、本体部２８、および、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
　各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素と燃料ガスＦＧに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。
　各発電単位１０２の空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、図２，４，６に示すように、酸化剤ガス排出連通流路１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、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を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、図３，５，７に示すように、燃料ガス排出連通流路１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出され、さらに下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９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。
　なお、本実施形態の燃料電池スタック１００（発電単位１０２）は、各発電単位１０２における酸化剤ガスＯＧの流れ方向と燃料ガスＦＧの流れ方向とが略直交するクロスフロータイプのＳＯＦＣである。
Ａ－３．発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成：
　次に、発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成について説明する。図８は、発電単位１０２に形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図８には、説明の便宜上、空気極側フレーム１３０に形成された各流路（酸化剤ガス供給連通流路１３２および酸化剤ガス排出連通流路１３３）に加えて、燃料極側フレーム１４０に形成された各流路（燃料ガス供給連通流路１４２および燃料ガス排出連通流路１４３）も示している。実際の構成では、上述したように、空気極側フレーム１３０には燃料ガス供給連通流路１４２および燃料ガス排出連通流路１４３は形成されておらず、燃料極側フレーム１４０には酸化剤ガス供給連通流路１３２および酸化剤ガス排出連通流路１３３は形成されていない。
　図８に示すように、本実施形態の発電単位１０２では、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１（正確には、孔１３１の外形線の内の第１の内周面ＩＰ１により構成される部分における直線状部分であり、以下、適宜「第１の内周面ＩＰ１」との語を同様の意味で用いる）に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側（すなわち、Ｙ軸正方向側）に傾いた方向に延びている。換言すれば、本実施形態の発電単位１０２では、図８に示す距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。ここで、距離Ｌｓｉは、各酸化剤ガス供給連通流路１３２の第１の内周面ＩＰ１における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点ＥＰ１，ＥＰ２の中点である第１の点Ｐ１と、各燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群（本実施形態では１つの開口のみである）の両端点ＥＰ５，ＥＰ６の中点である第２の点Ｐ２との間の、第１の内周面ＩＰ１に平行な方向（すなわちＹ軸方向）における距離である。また、距離Ｌｍｉは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８の図心である第３の点Ｐ３と、上記第２の点Ｐ２との間の、同方向（Ｙ軸方向）における距離である。なお、距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短いという条件は、特許請求の範囲における第１の条件に相当する。
　なお、以下の説明では、酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度を、供給側流路角度α１で表す。供給側流路角度α１は、Ｚ軸方向視で、上記第３の点Ｐ３を通り第１の内周面ＩＰ１に直交する仮想直線（以下、「第５の仮想直線ＶＬ５」という）と、上記第３の点Ｐ３と上記第１の点Ｐ１とを結ぶ仮想直線（以下、「第１の仮想直線ＶＬ１」という）とのなす角である。供給側流路角度α１は、酸化剤ガス供給連通流路１３２が酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の開口側に傾くときに、正の値をとるものとする。また、以下の説明では、所定の第１の基準方向に対する酸化剤ガス供給連通流路１３２の延伸方向の差を、供給側差分角度φ１で表す。ここで、第１の基準方向とは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８（より詳細には、該連通孔１０８の図心である上記第３の点Ｐ３）から、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口（より詳細には、各燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点ＥＰ５，ＥＰ６の中点である上記第２の点Ｐ２）に向かう方向である。すなわち、供給側差分角度φ１は、上記第１の仮想直線ＶＬ１と、上記第３の点Ｐ３と上記第２の点Ｐ２とを結ぶ仮想直線（以下、「第２の仮想直線ＶＬ２」という）とのなす角である。供給側差分角度φ１は、絶対値で表すものとする。
　同様に、本実施形態の発電単位１０２では、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２（正確には、孔１３１の外形線の内の第２の内周面ＩＰ２により構成される部分における直線状部分であり、以下、適宜「第２の内周面ＩＰ２」との語を同様の意味で用いる）に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側（すなわち、Ｙ軸正方向側）に傾いた方向に延びている。換言すれば、本実施形態の発電単位１０２では、図８に示す距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。ここで、距離Ｌｓｏは、各酸化剤ガス排出連通流路１３３の第２の内周面ＩＰ２における開口のすべてにより構成される空気極側排出開口群の両端点ＥＰ３，ＥＰ４の中点である第４の点Ｐ４と、上記第２の点Ｐ２との間の、第２の内周面ＩＰ２に平行な方向（すなわちＹ軸方向）における距離である。また、距離Ｌｍｏは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８の図心である第５の点Ｐ５と、上記第２の点Ｐ２との間の、同方向（Ｙ軸方向）における距離である。なお、距離Ｌｓｏが距離Ｌｍｏより短いという条件は、特許請求の範囲における第２の条件に相当する。
　なお、以下の説明では、酸化剤ガス排出連通流路１３３の傾きの程度を、排出側流路角度α２で表す。排出側流路角度α２は、Ｚ軸方向視で、上記第５の点Ｐ５を通り第２の内周面ＩＰ２に直交する仮想直線（以下、「第６の仮想直線ＶＬ６」という）と、上記第５の点Ｐ５と上記第４の点Ｐ４とを結ぶ仮想直線（以下、「第３の仮想直線ＶＬ３」という）とのなす角である。排出側流路角度α２は、酸化剤ガス排出連通流路１３３が酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の開口側に傾くときに、正の値をとるものとする。また、以下の説明では、所定の第２の基準方向に対する酸化剤ガス排出連通流路１３３の延伸方向の差を、排出側差分角度φ２で表す。ここで、第２の基準方向とは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８（より詳細には、該連通孔１０８の図心である上記第５の点Ｐ５）から、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口（より詳細には、各燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点ＥＰ５，ＥＰ６の中点である上記第２の点Ｐ２）に向かう方向である。すなわち、排出側差分角度φ２は、上記第３の仮想直線ＶＬ３と、上記第５の点Ｐ５と上記第２の点Ｐ２とを結ぶ仮想直線（以下、「第４の仮想直線ＶＬ４」という）とのなす角である。排出側差分角度φ２は、絶対値で表すものとする。
Ａ－４．本実施形態の効果：
　以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２は、単セル１１０と、空気極側フレーム１３０と、燃料極側フレーム１４０とを備える。空気極側フレーム１３０には、空気極１１４に面する空気室１６６を構成すると共にＸ軸方向に互いに対向する第１の内周面ＩＰ１および第２の内周面ＩＰ２を有する孔１３１と、空気室１６６に供給されるガスが通る酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８と、空気室１６６から排出されたガスが通る酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８と、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８に連通すると共に孔１３１の第１の内周面ＩＰ１に開口する少なくとも１つの酸化剤ガス供給連通流路１３２と、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８に連通すると共に孔１３１の第２の内周面ＩＰ２に開口する少なくとも１つの酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。燃料極側フレーム１４０には、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成すると共に第３の内周面ＩＰ３を有する孔１４１と、燃料室１７６に供給されるガスが通る燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８と、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８に連通すると共に孔１４１の第３の内周面ＩＰ３に開口する少なくとも１つの燃料ガス供給連通流路１４２とが形成されている。Ｚ軸方向視で、孔１３１の外形線の内、第１の内周面ＩＰ１により構成される部分は直線状部分を含み、第２の内周面ＩＰ２により構成される部分は直線状部分を含む。また、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、各酸化剤ガス供給連通流路１３２の第１の内周面ＩＰ１における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点ＥＰ１，ＥＰ２の中点である第１の点Ｐ１と、各燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点ＥＰ５，ＥＰ６の中点である第２の点Ｐ２との間の、上記第１の内周面ＩＰ１の直線状部分に平行な方向（Ｙ軸方向）における距離Ｌｓｉは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８の図心である第３の点Ｐ３と、上記第２の点Ｐ２との間の、同方向（Ｙ軸方向）における距離Ｌｍｉより短い。
　本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２は、上述した構成であるため、以下に説明するように、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。
　一般に、ＳＯＦＣの運転時には、燃料ガスＦＧの利用効率を向上させるため、燃料ガスＦＧの供給量が酸化剤ガスＯＧの供給量より少なくなる傾向にある。そのため、単セル１１０の内、燃料ガス供給連通流路１４２の開口に近い領域（図８の領域Ｒ１）において発電反応が集中し、該領域Ｒ１において酸化剤ガスＯＧが大量に消費される。このとき、上述した距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉに等しい構成、すなわち、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（Ｘ軸方向）に延びた構成では、上述した発電反応が集中しやすい領域Ｒ１に酸化剤ガスＯＧが十分に供給されず、該領域Ｒ１において酸化剤ガスＯＧが不足するため、単セル１１０の発電性能が低下する。なお、上述した距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより長い構成、すなわち、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から燃料ガス排出連通流路１４３の開口の側に傾いた方向に延びた構成では、上記領域Ｒ１において酸化剤ガスＯＧがさらに不足するため、単セル１１０の発電性能が大きく低下する。
　これに対し、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、上述した距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短い。すなわち、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びた構成である。このような構成では、上述した発電反応が集中しやすい領域Ｒ１への酸化剤ガスＯＧの供給が促進されるため、該領域Ｒ１において酸化剤ガスＯＧが不足することを抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。
　さらに、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、各酸化剤ガス排出連通流路１３３の第２の内周面ＩＰ２における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点ＥＰ３，ＥＰ４の中点である第４の点Ｐ４と、上記第２の点Ｐ２との間の、上記第２の内周面ＩＰ２の直線状部分に平行な方向（Ｙ軸方向）における距離Ｌｓｏは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８の図心である第５の点Ｐ５と、上記第２の点Ｐ２との間の、同方向（Ｙ軸方向）における距離Ｌｍｏより短い。すなわち、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びた構成である。このような構成では、やはり、上述した発電反応が集中しやすい領域Ｒ１への酸化剤ガスＯＧの供給が促進されるため、該領域Ｒ１において酸化剤ガスＯＧが不足することを抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を極めて効果的に抑制することができる。
　なお、上述した発電反応が集中しやすい領域Ｒ１への酸化剤ガスＯＧの供給を促進するために、酸化剤ガス導入マニホールド１６１や酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置を調整する（具体的には、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口に近い位置にする）ことも考えられる。しかし、各マニホールド１６１，１６２の位置は、例えばボルト孔１０９との干渉を避けるといった制約から設計自由度が低い。本実施形態によれば、各マニホールド１６１，１６２の位置を調整することなく、上記領域Ｒ１への酸化剤ガスＯＧの供給を促進することができるため、他の構成への影響を最小限に抑えつつ効果的に単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。
Ａ－５．性能評価：
　上述した各流路の構成（流路の傾き等）と単セル１１０の発電性能との関係について、シミュレーションによる性能評価を行った。図９から図１１は、性能評価結果を示す説明図である。性能評価では、上述した構成の単セル１１０（発電単位１０２）において供給側流路角度α１を種々変更しつつ、１０個の単セル１１０（発電単位１０２）を備える燃料電池スタック１００を構成し、温度６５０℃、電流密度０．２５Ａ／ｃｍ２で発電運転を行ったときの１つの単セル１１０あたりの電圧を測定した。
　図９には、供給側流路角度α１と単セル１１０の電圧との関係が示されている。図９に示すように、本性能評価では、供給側流路角度α１が０°より大きいと単セル１１０の電圧が高くなるという結果となった。図８に示すように、供給側流路角度α１が０°より大きいとは、酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びていること（すなわち、距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短いこと）を意味する。この結果から、上述したように、発電単位１０２において距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短くなるように酸化剤ガス排出連通流路１３３を構成すれば、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制できることが確認された。
　また、図１０には、供給側流路角度α１および供給側差分角度φ１と単セル１１０の電圧との関係が示されている。具体的には、図１０には、各測定点のデータから求めた近似曲線ＡＣが示されている。図１０に示すように、本性能評価では、供給側流路角度α１が４０°のときにφ１が０°となるように、発電単位１０２の各流路が構成されている。図９および図１０に示すように、供給側流路角度α１が大きくなり過ぎると（供給側差分角度φ１が大きくなりすぎると）、却って単セル１１０の電圧が低下するという結果となった。これは、供給側流路角度α１が大きくなり過ぎると、単セル１１０面内で酸化剤ガスＯＧの濃度が過度に偏ってしまい、酸化剤ガスＯＧの濃度が過度に低い領域における反応性が極端に低下し、単セル１１０全体としての発電性能が低下したものと考えられる。
　図１１に示すように、本性能評価では、供給側差分角度φ１が略０°（正確には０．３７５°）であるとき（すなわち、酸化剤ガス供給連通流路１３２の延伸方向が、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口に向かう方向に略一致するとき）に、図１０に示す近似曲線ＡＣにおける単セル１１０の電圧が最高値を示した。図１１に示された直線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれ、近似曲線ＡＣにおける最高電圧値から０．００１％低い電圧値を示すライン、０．００２％低い電圧値を示すライン、０．００４％低い電圧値を示すラインである。図１１に示す結果から、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましいと言える。
　なお、本性能評価では、酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度を表す供給側流路角度α１（および供給側差分角度φ１）についての評価を行ったが、酸化剤ガス排出連通流路１３３の傾きの程度を表す排出側流路角度α２（および排出側差分角度φ２）についても同様の結果になると予想される。そのため、排出側流路角度α２が０°より大きい構成（すなわち、酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から見て燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている構成であり、距離Ｌｓｏが距離Ｌｍｏより短い構成）では、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制できると言える。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましいと言える。
Ｂ．変形例：
　本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
　図１２は、第１の変形例における発電単位１０２ａに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２ａは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス排出マニホールド１６２が、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と比べて、燃料ガス供給連通流路１４２により近い位置（すなわち、Ｙ軸正方向側）に配置されている。
　図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２ａでは、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。なお、図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２ａでは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１が燃料ガス供給連通流路１４２により近い位置に配置されているため、酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度（供給側流路角度α１）は、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と比べて小さい。
　同様に、図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２ａでは、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。
　図１２に示す第１の変形例における発電単位１０２ａは、上述した構成であるため、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましい。
　図１３は、第２の変形例における発電単位１０２ｂに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１３に示す第２の変形例における発電単位１０２ｂは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス排出マニホールド１６２が、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と比べて、燃料ガス供給連通流路１４２からより遠い位置（すなわち、Ｙ軸負方向側）に配置されている。
　図１３に示す第２の変形例における発電単位１０２ｂでは、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。なお、図１３に示す第２の変形例における発電単位１０２ｂでは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１が燃料ガス供給連通流路１４２からより遠い位置に配置されているため、酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度（供給側流路角度α１）は、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と比べて大きい。
　同様に、図１３に示す第２の変形例における発電単位１０２ｂでは、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。
　図１３に示す第２の変形例における発電単位１０２ｂは、上述した構成であるため、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましい。
　図１４は、第３の変形例における発電単位１０２ｃに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１４に示す第３の変形例における発電単位１０２ｃは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１が２つ設けられており、各酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する各連通孔１０８から空気室１６６に向かって酸化剤ガス供給連通流路１３２が延伸している。
　図１４に示す第３の変形例における発電単位１０２ｃでは、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、２つの酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８のそれぞれについて、酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。なお、本変形例のように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８か複数形成されている場合には、複数の連通孔１０８の内の両端に位置する連通孔１０８の図心（図１４の例では２つの連通孔１０８の図心Ｐ３’）を結ぶ線分の中点を、第３の点Ｐ３、すなわち、複数の酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８の図心とする。また、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８か複数形成されている場合には、複数の連通孔１０８から延びる酸化剤ガス供給連通流路１３２の第１の内周面ＩＰ１における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点ＥＰ１，ＥＰ２の中点を、第１の点Ｐ１とする。なお、２つの酸化剤ガス導入マニホールド１６１の内、Ｙ軸正方向側に位置する方は、燃料ガス供給連通流路１４２により近い位置に配置されているため、該酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から延伸する酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度（供給側流路角度α１）は小さく、Ｙ軸負方向側に位置する方は、燃料ガス供給連通流路１４２からより遠い位置に配置されているため、該酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から延伸する酸化剤ガス供給連通流路１３２の傾きの程度（供給側流路角度α１）は大きい。
　なお、図１４に示す第３の変形例における発電単位１０２ｃでは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２については、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、１つのみが設けられており、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。
　図１４に示す第３の変形例における発電単位１０２ｃは、上述した構成であるため、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましい。
　図１５は、第４の変形例における発電単位１０２ｄに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１５に示す第４の変形例における発電単位１０２ｄは、燃料ガス導入マニホールド１７１が、発電単位１０２ｄのＺ軸方向回りの外周における４つの辺の内の酸化剤ガス導入マニホールド１６１が配置された辺と同じ辺の付近に配置されており、燃料ガス排出マニホールド１７２が、上記４つの辺の内の酸化剤ガス排出マニホールド１６２が配置された辺と同じ辺の付近に配置されている。すなわち、図１５に示す第４の変形例における発電単位１０２ｄは、発電単位１０２ｄにおける酸化剤ガスＯＧの流れ方向と燃料ガスＦＧの流れ方向とが略同一方向となるコフロータイプのＳＯＦＣである。
　図１５に示す第４の変形例における発電単位１０２ｄでは、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。
　同様に、図１５に示す第４の変形例における発電単位１０２ｄでは、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。
　図１５に示す第４の変形例における発電単位１０２ｄは、上述した構成であるため、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましい。
　図１６は、第５の変形例における発電単位１０２ｅに形成された各流路の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１６に示す第５の変形例における発電単位１０２ｅは、燃料ガス導入マニホールド１７１が、発電単位１０２ｅのＺ軸方向回りの外周における４つの辺の内の酸化剤ガス排出マニホールド１６２が配置された辺と同じ辺の付近に配置されており、燃料ガス排出マニホールド１７２が、上記４つの辺の内の酸化剤ガス導入マニホールド１６１が配置された辺と同じ辺の付近に配置されている。すなわち、図１６に示す第５の変形例における発電単位１０２ｅは、発電単位１０２ｅにおける酸化剤ガスＯＧの流れ方向と燃料ガスＦＧの流れ方向とが略反対方向（対向する方向）となるカウンターフロータイプのＳＯＦＣである。
　図１６に示す第５の変形例における発電単位１０２ｅでは、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、各酸化剤ガス供給連通流路１３２が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８から第１の内周面ＩＰ１に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｉが、距離Ｌｍｉより短くなっている。
　同様に、図１６に示す第５の変形例における発電単位１０２ｅでは、各酸化剤ガス排出連通流路１３３が、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８から第２の内周面ＩＰ２に直交する方向（すなわちＸ軸方向）に延びるのではなく、燃料ガス供給連通流路１４２の第３の内周面ＩＰ３における開口の側に傾いた方向に延びている。換言すれば、距離Ｌｓｏが、距離Ｌｍｏより短くなっている。
　図１６に示す第５の変形例における発電単位１０２ｅは、上述した構成であるため、図８等に示す上記実施形態の発電単位１０２と同様に、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。また、単セル１１０の性能低下を一層効果的に抑制するためには、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２は、１０°以下であることが好ましく、７．５°以下であることがより好ましく、５°以下であることが一層好ましい。
　上記実施形態（および変形例、以下同様）の発電単位１０２は、酸化剤ガス供給連通流路１３２についての条件である距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短いという条件（第１の条件）と、酸化剤ガス排出連通流路１３３についての条件である距離Ｌｓｏが距離Ｌｍｏより短いという条件（第２の条件）との両方を満たしているが、発電単位１０２が必ずしも２つの条件の両方を満たしている必要はない。発電単位１０２が２つの条件の内の少なくとも一方を満たしていれば、満たされている条件の側（酸化剤ガス供給連通流路１３２の側または酸化剤ガス排出連通流路１３３の側）の構成によって発電反応が集中しやすい領域（上記領域Ｒ１）への酸化剤ガスＯＧの供給が促進されるため、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を抑制することができる。ただし、発電単位１０２が２つの条件の両方を満たしていれば、発電反応が集中しやすい領域（上記領域Ｒ１）への酸化剤ガスＯＧの供給が極めて効果的に促進されるため、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を極めて効果的に抑制することができる。
　なお、上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２について、上記２つの条件の内の少なくとも一方が満たされる必要はなく、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの発電単位１０２について、上記２つの条件の内の少なくとも一方が満たされていれば、該発電単位１０２について、酸化剤ガスＯＧの不足を原因とする単セル１１０の発電性能の低下を極めて効果的に抑制することができる。
　また、上記実施形態の発電単位１０２において、供給側差分角度φ１および排出側差分角度φ２の一方または両方が１０°を超えるとしてもよい。ただし、上述したように、供給側差分角度φ１および／または排出側差分角度φ２が１０°以下であると、単セル１１０の性能低下を効果的に抑制することができるため、好ましい。
　また、上記実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で、孔１３１の外形線の内、第１の内周面ＩＰ１により構成される部分および第２の内周面ＩＰ２により構成される部分は、全体が直線状となっているが、第１の内周面ＩＰ１により構成される部分および／または第２の内周面ＩＰ２により構成される部分の一部のみが直線状であるとしてもよい。そのような構成では、該直線状の部分が、特許請求の範囲における第１の直線状部分または第２の直線状部分に相当する。
　また、上記実施形態における燃料電池スタック１００または発電単位１０２の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、ボルト孔１０９が、各マニホールド用の連通孔１０８とは独立して設けられているが、独立したボルト孔１０９を設けず、各マニホールド用の連通孔１０８がボルト孔としても用いられるとしてもよい。また、上記実施形態において、空気極１１４と電解質層１１２との間に中間層が配置されていてもよい。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、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。
　また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位や、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号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔１０８を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、連通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様に、距離Ｌｓｉが距離Ｌｍｉより短いという条件（第１の条件）と距離Ｌｓｏが距離Ｌｍｏより短いという条件（第２の条件）との少なくとも一方を満たすように構成すれば、空気極に供給されるガスの不足を原因とする電解単セルの反応性能の低下を抑制することができる。
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。
２２：ボルト　２６：絶縁シート　２７：ガス通路部材　２８：本体部　２９：分岐部　１００：燃料電池スタック　１０２：燃料電池発電単位　１０４：エンドプレート　１０６：エンドプレート　１０７：流路用貫通孔　１０８：連通孔　１０９：ボルト孔　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流路　１３３：酸化剤ガス排出連通流路　１３４：空気極側集電体　１３５：集電体要素　１４０：燃料極側フレーム　１４１：孔　１４２：燃料ガス供給連通流路　１４３：燃料ガス排出連通流路　１４４：燃料極側集電体　１４５：電極対向部　１４６：インターコネクタ対向部　１４７：連接部　１４９：スペーサー　１５０：インターコネクタ　１６１：酸化剤ガス導入マニホールド　１６２：酸化剤ガス排出マニホールド　１６６：空気室　１７１：燃料ガス導入マニホールド　１７２：燃料ガス排出マニホールド　１７６：燃料室

Claims (6)

  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含む単セルと、
    　前記空気極に面する空気室を構成すると共に前記第１の方向に直交する第２の方向に互いに対向する第１の内周面および第２の内周面を有する空気室用孔と、前記空気室に供給されるガスが通る空気極側供給ガス流路を構成する空気極側供給ガス流路用孔と、前記空気室から排出されたガスが通る空気極側排出ガス流路を構成する空気極側排出ガス流路用孔と、前記空気極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第１の内周面に開口する少なくとも１つの空気極側供給連通流路と、前記空気極側排出ガス流路用孔に連通すると共に前記空気室用孔の前記第２の内周面に開口する少なくとも１つの空気極側排出連通流路と、が形成された空気極側部材と、
    　前記燃料極に面する燃料室を構成すると共に第３の内周面を有する燃料室用孔と、前記燃料室に供給されるガスが通る燃料極側供給ガス流路を構成する燃料極側供給ガス流路用孔と、前記燃料極側供給ガス流路用孔に連通すると共に前記燃料室用孔の前記第３の内周面に開口する少なくとも１つの燃料極側供給連通流路と、が形成された燃料極側部材と、
    を備える電気化学反応単位において、
    　前記第１の方向視で、
    　　前記空気室用孔の外形線の内、前記第１の内周面により構成される部分は、第１の直線状部分を含み、
    　　前記空気室用孔の外形線の内、前記第２の内周面により構成される部分は、第２の直線状部分を含み、
    　　前記少なくとも１つの空気極側供給連通流路の前記第１の内周面における開口のすべてにより構成される空気極側供給開口群の両端点の中点である第１の点と、前記少なくとも１つの燃料極側供給連通流路の前記第３の内周面における開口のすべてにより構成される燃料極側供給開口群の両端点の中点である第２の点と、の間の前記第１の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｓｉは、前記空気極側供給ガス流路用孔の図心である第３の点と、前記第２の点と、の間の前記第１の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｍｉより短いという第１の条件と、
    　　前記少なくとも１つの空気極側排出連通流路の前記第２の内周面における開口のすべてにより構成される空気極側排出開口群の両端点の中点である第４の点と、前記第２の点と、の間の前記第２の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｓｏは、前記空気極側排出ガス流路用孔の図心である第５の点と、前記第２の点と、の間の前記第２の直線状部分に平行な方向における距離Ｌｍｏより短いという第２の条件と、
    の少なくとも一方を満たすことを特徴とする、電気化学反応単位。
  2. 　請求項１に記載の電気化学反応単位において、
    　前記第１の条件と前記第２の条件との両方を満たすことを特徴とする、電気化学反応単位。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単位において、
    　前記第１の方向視で、
    　　前記第１の点と前記第３の点とを結ぶ第１の仮想直線と、前記第２の点と前記第３の点とを結ぶ第２の仮想直線と、のなす角が、１０°以下であるという第３の条件と、
    　　前記第４の点と前記第５の点とを結ぶ第３の仮想直線と、前記第２の点と前記第５の点とを結ぶ第４の仮想直線と、のなす角が、１０°以下であるという第４の条件と、
    の少なくとも一方を満たすことを特徴とする、電気化学反応単位。
  4. 　請求項３に記載の電気化学反応単位において、
    　前記第３の条件と前記第４の条件との両方を満たすことを特徴とする、電気化学反応単位。
  5. 　請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
    　前記単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。
  6. 　前記第１の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
    　前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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