JP6827672B2 - 電気化学反応セルスタック - Google Patents

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第１の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。

ＳＯＦＣは、一般に、単セルが第１の方向に複数並べて配置された構造体（以下、「燃料電池ブロック」という）と、燃料電池ブロックを挟んで第１の方向に互いに対向する一対の平板状部材（「エンドプレート」とも呼ばれる）とを備える燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックには、燃料電池ブロック全体にわたって延びるガス流路（「マニホールド」とも呼ばれる）が形成されている。ガス流路は、燃料電池スタックに含まれる各単セルへの反応ガス（酸化剤ガスや燃料ガス）の供給や、各単セルからのオフガスの排出のために利用される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−８８２６４号公報

上記従来の燃料電池スタックの構成では、上記一対の平板状部材（エンドプレート）の一方における第１の方向視でガス流路（マニホールド）と重なる位置に、平板状部材を第１の方向に貫通するガス孔が形成されている。反応ガスは、燃料電池スタックの外部に設けられた配管等のガス供給部から、平板状部材に形成されたガス孔を介してガス流路に供給される。そのため、上記従来の燃料電池スタックの構成では、ガス流路に供給される反応ガスの温度が十分に高くならず、その結果、発電性能が十分に高くならないという問題がある。また、上記従来の燃料電池スタックの構成では、例えば、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼させるための燃焼器等を設ける場合、燃料電池スタックの外部に配置され、燃料電池スタックに形成されたガス排出口と燃焼器等の部材に形成されたガス供給口とをつなぐガス配管等が必要となる。その結果、ガス配管等の構成が大型化・複雑化し、燃料電池スタックと燃料電池スタックの外部のガス配管等とを備えるモジュールの構成が大型化・複雑化するという問題がある。

なお、このような問題は、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単セルが第１の方向に複数並べて配置された電解セルブロックを備える電解セルスタックにも共通の問題である。なお、本明細書では、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて「電気化学反応セルスタック」という。また、このような問題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の問題である。

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セルスタックは、電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とをそれぞれ含む電気化学反応単セルが前記第１の方向に複数並べて配置された電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の一方側の位置に、前記第１の方向に並べて配置された複数の平板状部材と、を備え、前記電気化学反応ブロックにわたって延びる複数のガス流路が形成された電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の平板状部材の内の前記第１の方向の前記一方側の端に位置する前記平板状部材である外側平板状部材における前記一方側の表面である外側表面には、前記第１の方向視で前記ガス流路と重ならない位置に複数のガス孔が形成されており、前記複数の平板状部材により構成される構造体の内部に、前記各ガス孔と前記各ガス流路とを連通する複数の連通ガス流路が形成されており、前記複数の平板状部材の内、前記外側平板状部材と前記電気化学反応ブロックとの間に配置された１または複数の前記平板状部材により構成された内側平板構成体における前記第１の方向の前記一方側の表面に、前記複数の連通ガス流路の内の第１の連通ガス流路を構成する第１の凹部が形成されており、前記内側平板構成体における前記第１の方向の前記他方側の表面に、前記複数の連通ガス流路の内の第２の連通ガス流路を構成する第２の凹部が形成されている。本電気化学反応セルスタックでは、外部から電気化学反応セルスタックに導入された反応ガスは、外側平板状部材に設けられたガス孔から連通ガス流路に流入し、その後にガス流路に流入する。反応ガスが連通ガス流路を通過する際には、電気化学反応単セルからの熱によって反応ガスの温度が上昇する。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、反応ガスが電気化学反応セルスタックの外部から直接、ガス流路に流入する構成と比較して、ガス流路に流入する反応ガスの温度を高くすることができ、発電や水素生成の反応効率を向上させることができる。その結果、電気化学反応セルスタックの性能を向上させることができる。また、本電気化学反応セルスタックでは、複数の平板状部材により構成される構造体の内部に連通ガス流路が形成されているため、電気化学反応セルスタックの外部の配管の長さを短くすることができる。その結果、電気化学反応セルスタックと電気化学反応セルスタックの外部のガス配管等とを備えるモジュールの小型化および構成の簡素化を実現することができる。また、第１の連通ガス流路を構成する第１の凹部は、内側平板構成体の第１の方向の一方側の表面に形成され、第２の連通ガス流路を構成する第２の凹部は、内側平板構成体の第１の方向の他方側の表面に形成されている。このため、第１の凹部と第２の凹部とが内側平板構成体の同一面上に形成される場合に比べて、第１の連通ガス流路と第２の連通ガス流路との間のガスのリークを抑制することができる。

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数のガス流路は、酸化剤ガス供給用のガス流路と、酸化剤ガス排出用のガス流路と、燃料ガス供給用のガス流路と、燃料ガス排出用のガス流路と、を含み、前記複数のガス孔は、酸化剤ガス供給用のガス孔と、酸化剤ガス排出用のガス孔と、燃料ガス供給用のガス孔と、燃料ガス排出用のガス孔と、を含み、前記第１の連通ガス流路および前記第２の連通ガス流路の内の一方の連通ガス流路は、前記酸化剤ガス供給用のガス孔と前記酸化剤ガス供給用のガス流路とを連通する酸化剤ガス供給用の連通ガス流路と、前記酸化剤ガス排出用のガス孔と前記酸化剤ガス排出用のガス流路とを連通する酸化剤ガス排出用の連通ガス流路とを含み、前記第１の連通ガス流路および前記第２の連通ガス流路の内の他方の連通ガス流路は、前記燃料ガス供給用のガス孔と前記燃料ガス供給用のガス流路とを連通する燃料ガス供給用の連通ガス流路と、前記燃料ガス排出用のガス孔と前記燃料ガス排出用のガス流路とを連通する燃料ガス排出用の連通ガス流路とを含み、前記第１の凹部および前記第２の凹部の内、前記一方の連通ガス流路を構成する凹部は、前記酸化剤ガス供給用の連通ガス流路を構成する酸化剤ガス供給用の凹部と、前記酸化剤ガス排出用の連通ガス流路を構成する酸化剤ガス排出用の凹部と、を含み、かつ、前記酸化剤ガス供給用の凹部と前記酸化剤ガス排出用の凹部とは、前記内側平板構成体における同一の表面に形成されており、前記第１の凹部および前記第２の凹部の内、前記他方の連通ガス流路を構成する凹部は、前記燃料ガス供給用の連通ガス流路を構成する燃料ガス供給用の凹部と、前記燃料ガス排出用の連通ガス流路を構成する燃料ガス排出用の凹部と、を含み、かつ、前記燃料ガス供給用の凹部と前記燃料ガス排出用の凹部とは、前記内側平板構成体における同一の表面に形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、酸化剤ガスと燃料ガスとの間のリークを、より確実に抑制することができる。

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視で前記第１の凹部と前記第２の凹部との少なくとも一部が重なっている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第１の凹部と第２の凹部とを重ならないように配置する場合に比べて、第１の凹部と第２の凹部との少なくとも一方を長く確保しつつ、レイアウトの自由度を向上させることができる。

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記外側平板状部材の前記外側表面には、前記第１の方向視で前記第１の連通ガス流路を取り囲む仮想線に沿って溶接痕が形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、連通ガス流路のシール性を高めることができ、連通ガス流路からのガス漏れを抑制することができる。

（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の凹部および前記第２の凹部の少なくとも一方の凹部には、当該凹部の長手方向に沿って延びるリブが形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、凹部の変形を抑制しつつ、連通ガス流路におけるガスの圧損を抑制することができる。

（６）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の平板状部材に対して前記第１の方向の前記一方側の位置に配置されたガス燃焼部を備えることを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、ガス燃料部からの熱によって第１の凹部および第２の凹部を流れるガスを加熱することができる。その結果、より効率よくガス流路に流入する反応ガスの温度を高くすることができ、発電や水素生成の反応効率を向上させることができる。

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）、電気化学反応セルスタックとガス配管等とを備える電気化学反応モジュール、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。 本実施形態における燃料電池スタック１００の上側のＸＹ平面構成を示す説明図である。 図２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のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図２のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。 内側カバープレート３００および下側のエンドプレート１０６のそれぞれの外観構成を示す斜視図である。 下側のエンドプレート１０６の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図である。 下側のエンドプレート１０６および外側カバープレート２００のそれぞれの外観構成を示す斜視図である。 図７のＩＸ−ＩＸの位置における外側カバープレート２００およびエンドプレート１０６のＸＺ断面構成を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、燃料電池スタック１００の上側のＸＹ平面構成を示す説明図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図であり、図４は、図２のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図２のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。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。また、本明細書では、Ｚ軸に直交する方向（例えば、Ｘ方向やＹ方向）を面方向と呼ぶ。

図３から図５に示すように、燃料電池スタック１００は、例えばステンレスにより形成された筐体の内側面に断熱材が設けられた断熱容器１０内に、支柱２０を介して設置される。

また、燃料電池スタック１００の下側には、燃料電池スタック１００への吸排気等を担う補助器４０が配置されている。補助器４０には、断熱容器１０の外部から延びる各種の配管７０が接続されており、該配管７０を介して、補助器４０に酸化剤ガスＯＧや原燃料ガス、改質水等が導入されると共に、補助器４０から排ガスが排出される。補助器４０の内部には、原燃料ガスを改質して燃料ガスＦＧを生成するための改質室（図示せず）や、燃料電池スタック１００から排出されたオフガスを燃焼させる燃焼室（図示せず）が形成されている。また、補助器４０と燃料電池スタック１００との間には、各種の配管６０が設けられており、該配管６０を介して、補助器４０から燃料電池スタック１００に酸化剤ガスＯＧや燃料ガスＦＧが導入されると共に、燃料電池スタック１００から補助器４０にオフガスが排出される。なお、補助器４０は、特許請求の範囲におけるガス燃焼部に相当する。

図１から図５に示すように、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、外側カバープレート２００と、内側カバープレート３００とを備える。燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位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、複数の発電単位１０２から構成される集合体（以下、「発電ブロック１０３」という）を上下から挟むように配置されている。また、外側カバープレート２００は、下側のエンドプレート１０６の下に配置され、内側カバープレート３００は、下側のエンドプレート１０６の上に配置されている。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の方向に相当し、発電ブロック１０３は、特許請求の範囲における電気化学反応ブロックに相当する。

図１、図２および図５に示すように、各発電単位１０２、各エンドプレート１０４，１０６および内側カバープレート３００のＺ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各発電単位１０２、各エンドプレート１０４，１０６および内側カバープレート３００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締結用連通孔１０８を構成している。以下の説明では、締結用連通孔１０８を構成するために各部材に形成された孔も、締結用連通孔１０８と呼ぶ場合がある。

各締結用連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両端に嵌められたナット２４とによって、各発電単位１０２および各エンドプレート１０４，１０６が一体に締結されている。なお、各ボルト２２の上側に嵌められたナット２４と上側のエンドプレート１０４の上側表面との間、および、各ボルト２２の下側に嵌められたナット２４と下側のエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。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。

また、図１から図４に示すように、各発電単位１０２のＺ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では４つの）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から構成される集合体（発電ブロック１０３）にわたって上下方向に延びる流路用連通孔１０９を構成している。以下の説明では、流路用連通孔１０９を構成するために各発電単位１０２に形成された孔も、流路用連通孔１０９と呼ぶ場合がある。

図１から図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置する流路用連通孔１０９は、燃料電池スタック１００に導入された酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の空気室１６６に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能する。具体的には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能する流路用連通孔１０９は、上記１つの辺の中点と、該辺に平行な方向（Ｘ軸方向）において該中点の一方側（Ｘ軸負方向）に位置するナット２４（ボルト２２）との間に配置されている。また、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流路用連通孔１０９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の外部へ排出する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。具体的には、酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する流路用連通孔１０９は、上記反対側の辺の中点と、該辺に平行な方向（Ｘ軸方向）において該中点の一方側（Ｘ軸負方向）に位置するナット２４（ボルト２２）との間に配置されている。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。

また、図１、図２および図４に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置する流路用連通孔１０９は、燃料電池スタック１００に導入された燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の燃料室１７６に供給するガス流路である燃料ガス導入マニホールド１７１として機能する。具体的には、燃料ガス導入マニホールド１７１として機能する流路用連通孔１０９は、上記１つの辺の中点と、該辺に平行な方向（Ｘ軸方向）において該中点の他方側（Ｘ軸正方向）に位置するナット２４（ボルト２２）との間に配置されている。また、該辺の反対側の辺（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流路用連通孔１０９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の外部へ排出する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。具体的には、燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する流路用連通孔１０９は、上記反対側の辺の中点と、該辺に平行な方向（Ｘ軸方向）において該中点の他方側（Ｘ軸正方向）に位置するナット２４（ボルト２２）との間に配置されている。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。なお、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２は、特許請求の範囲におけるガス流路（酸化剤ガス供給用のガス流路、酸化剤ガス排出用のガス流路、燃料ガス供給用のガス流路、燃料ガス排出用のガス流路）に相当する。

（エンドプレート１０４，１０６およびカバープレート２００，３００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。上側のエンドプレート１０４は、複数の発電単位１０２から構成される発電ブロック１０３の上側に配置され、下側のエンドプレート１０６は、発電ブロック１０３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。本実施形態では、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。

外側カバープレート２００は、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。外側カバープレート２００は、下側のエンドプレート１０６の下側に隣接して配置されている。内側カバープレート３００は、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。内側カバープレート３００は、下側のエンドプレート１０６の上側に隣接して配置されている。

このように、下側のエンドプレート１０６とカバープレート２００，３００とは、複数の発電単位１０２から構成される発電ブロック１０３に対してＺ方向の一方側（下側）の位置に、Ｚ方向に並べて配置された複数の平板状部材である。外側カバープレート２００は、これらの複数の平板状部材の内、Ｚ方向の上記一方側（下側）の端に位置する平板状部材であり、特許請求の範囲における外側平板状部材に相当する。また、下側のエンドプレート１０６は、これらの複数の平板状部材の内、外側カバープレート２００と発電ブロック１０３との間に配置された平板状部材であり、特許請求の範囲における内側平板構成体に相当する。下側のエンドプレート１０６および各カバープレート２００，３００の構成については、後に詳述する。

（発電単位１０２の構成）
図３から図５に示すように、発電の最小単位である発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ方向回りの周縁部には、上述した締結用連通孔１０８や流路用連通孔１０９に対応する孔が形成されている。なお、発電単位１０２は単セル１１０を備えるため、上述した発電ブロック１０３は、単セル１１０が上下方向に複数並べて配置された構造体であるとも表現できる。

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。

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

電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、少なくともＺｒを含んでおり、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＣａＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部により、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の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における単セル１１０に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。空気極側フレーム１３０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２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と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。

燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における単セル１１０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３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と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。

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、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。燃料極側集電体１４４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における燃料極側集電体１４４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、各発電単位１０２において、燃料極側集電体１４４と下側のインターコネクタ１５０とが一体の部材であるとしてもよい。

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、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、各発電単位１０２において、空気極側集電体１３４と上側のインターコネクタ１５０とが一体の部材であるとしてもよい。

（下側のエンドプレート１０６および各カバープレート２００，３００の構成）
図６は、内側カバープレート３００および下側のエンドプレート１０６のそれぞれの外観構成を示す斜視図であり、図７は、下側のエンドプレート１０６の下面（ＸＹ平面）の構成を示す説明図であり、図８は、下側のエンドプレート１０６および外側カバープレート２００のそれぞれの外観構成を示す斜視図である。なお、図７には、下側のエンドプレート１０６の構成に重ねて、外側カバープレート２００の位置が破線で示されている。

上述したように、下側のエンドプレート１０６のＺ方向回りの周縁部には、下側のエンドプレート１０６を上下方向に貫通する８つの締結用連通孔１０８が形成されている。また、下側のエンドプレート１０６の上面には、面方向に延びる２つの内側流路用凹部（溝部）１０７Ｕが形成されている。下側のエンドプレート１０６の上面は、特許請求の範囲における内側平板構成体における第１の方向の他方側の表面に相当し、内側流路用凹部１０７Ｕは、特許請求の範囲における第２の凹部（酸化剤ガス供給用の凹部、酸化剤ガス排出用の凹部）に相当する。

図２、図３、図５から図７に示すように、２つの内側流路用凹部１０７Ｕの内、一方の内側流路用凹部１０７Ｕについて、Ｚ方向視の形状は、所定方向（Ｙ方向）に沿って延びる直線状の形状である。該一方の内側流路用凹部１０７Ｕの一端部（Ｙ軸正方向の端部）は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１とＺ方向視で重なる位置に配置されるとともに、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と連通している。該一方の内側流路用凹部１０７Ｕの他端部（Ｙ軸負方向の端部）には、下側のエンドプレート１０６を上下方向に貫通する流路用貫通孔１０５が形成されている。

２つの内側流路用凹部１０７Ｕの内、他方の内側流路用凹部１０７Ｕについて、Ｚ方向視の形状は、折れ曲がりつつ、一方の内側流路用凹部１０７Ｕの長手方向と交差する方向に延びる折れ線状の形状である。該他方の内側流路用凹部１０７Ｕの一端部（Ｙ軸負方向の端部）は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２とＺ方向視で重なる位置に配置されるとともに、酸化剤ガス排出マニホールド１６２と連通している。該他方の内側流路用凹部１０７Ｕの他端部（Ｙ軸正方向の端部）には、下側のエンドプレート１０６を上下方向に貫通する流路用貫通孔１０５が形成されている。なお、Ｚ方向視で、２つの内側流路用凹部１０７Ｕのそれぞれに形成された２つの流路用貫通孔１０５が並ぶ方向は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とが並ぶ方向に略直交している。

さらに、各内側流路用凹部１０７Ｕには、長手方向に沿って延びるリブ１７８Ｕが形成されている。具体的には、一方の内側流路用凹部１０７Ｕに形成されたリブ１７８ＵのＺ方向視の形状は、該一方の内側流路用凹部１０７Ｕの短手方向の略中央位置を通過し、かつ、該一方の内側流路用凹部１０７Ｕの長手方向に沿って直線状に延びた形状である。他方の内側流路用凹部１０７Ｕに形成されたリブ１７８ＵのＺ方向視の形状は、該他方の内側流路用凹部１０７Ｕの短手方向の略中央位置を通過し、かつ、該他方の内側流路用凹部１０７Ｕの形状に対応するように折れ曲がりつつ、該他方の内側流路用凹部１０７Ｕの長手方向に沿って延びる折れ線状の形状である。なお、各リブ１７８ＵのＺ軸方向の高さ寸法は、各内側流路用凹部１０７ＵのＺ軸方向の深さ寸法と略同じでもよいし、各内側流路用凹部１０７ＵのＺ軸方向の深さ寸法より小さくてもよい。

図６に示すように、内側カバープレート３００のＺ方向視の外周形状は、下側のエンドプレート１０６の外周形状と同様に、略矩形状の形状である。また、内側カバープレート３００には、内側カバープレート３００を上下方向に貫通する４つの中継孔３０２が形成されている。４つの中継孔３０２は、下側のエンドプレート１０６に形成された４つの流路用凹部１０７Ｕ，１０７Ｄに対応している。図２、図３および図６に示すように、２つの内側流路用凹部１０７Ｕに対応する２つの中継孔３０２は、Ｚ方向視で、対応する内側流路用凹部１０７Ｕと重なり、かつ、各マニホールド１６１，１６２と重なる位置に配置されている。内側カバープレート３００が下側のエンドプレート１０６の上面上に配置された状態では、各内側流路用凹部１０７Ｕにおける中継孔３０２と重ならない部分は、内側カバープレート３００により塞がれる。そのため、内側カバープレート３００と下側のエンドプレート１０６とで構成される構造体の内部には、各内側流路用凹部１０７Ｕにより構成される空間が確保される。２つの外側流路用凹部１０７Ｄに対応する２つの中継孔３０２は、Ｚ方向視で、対応する外側流路用凹部１０７Ｄと重なり、かつ、各マニホールド１７１，１７２と重なる位置に配置されている。このため、各中継孔３０２は、各マニホールド１７１，１７２と連通している。なお、Ｘ軸方向に並ぶ１組の中継孔３０２の間には、締結用連通孔１０８が形成されている。

また、下側のエンドプレート１０６の下面には、面方向に延びる２つの外側流路用凹部（溝部）１０７Ｄが形成されている。下側のエンドプレート１０６の下面は、特許請求の範囲における内側平板構成体における第１の方向の一方側の表面に相当し、外側流路用凹部１０７Ｄは、特許請求の範囲における第１の凹部（燃料ガス供給用の凹部、燃料ガス排出用の凹部）に相当する。

図２、図４、図５、図７および図８に示すように、２つの外側流路用凹部１０７Ｄの内、一方の外側流路用凹部１０７Ｄについて、Ｚ方向視の形状は、所定方向（Ｙ方向）に沿って延びる直線状の形状である。該一方の外側流路用凹部１０７Ｄの一端部（Ｙ軸負方向の端部）は、燃料ガス導入マニホールド１７１とＺ方向視で重なる位置に配置されるとともに、該一端部には、下側のエンドプレート１０６を上下方向に貫通する流路用貫通孔１０５が形成されている。このため、一方の外側流路用凹部１０７Ｄに形成された流路用貫通孔１０５は、内側カバープレート３００に形成された中継孔３０２を介して、燃料ガス導入マニホールド１７１と連通している。該一方の内側流路用凹部１０７Ｕの他端部（Ｙ軸正方向の端部）は、外側カバープレート２００に形成された後述の４つのガス孔２０２の内の１つとＺ方向視で重なる位置に配置されている。

２つの外側流路用凹部１０７Ｄの内、他方の外側流路用凹部１０７Ｄについて、Ｚ方向視の形状は、折れ曲がりつつ、一方の外側流路用凹部１０７Ｄの長手方向と交差する方向に延びる折れ線状の形状である。該他方の外側流路用凹部１０７Ｄの一端部（Ｙ軸正方向の端部）は、燃料ガス排出マニホールド１７２とＺ方向視で重なる位置に配置されるとともに、該一端部には、下側のエンドプレート１０６を上下方向に貫通する流路用貫通孔１０５が形成されている。このため、他方の外側流路用凹部１０７Ｄに形成された流路用貫通孔１０５は、内側カバープレート３００に形成された中継孔３０２を介して、燃料ガス排出マニホールド１７２と連通している。該他方の外側流路用凹部１０７Ｄの他端部（Ｙ軸負方向の端部）は、外側カバープレート２００に形成された後述の４つのガス孔２０２の１つとＺ方向視で重なる位置に配置されている。なお、Ｚ方向視で、２つの外側流路用凹部１０７Ｄのそれぞれに形成された２つの流路用貫通孔１０５が並ぶ方向は、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料ガス排出マニホールド１７２とが並ぶ方向に略直交している。図２、図５および図７に示すように、レイアウトの関係上、Ｚ方向視で、下側のエンドプレート１０６を透過した見た場合において、他方の内側流路用凹部１０７Ｕと他方の外側流路用凹部１０７Ｄとは、互いに一部分が重なっており、下側のエンドプレート１０６によって上下方向において区画されている。

図７および図８に示すように、外側カバープレート２００のＺ方向視の外周形状は、下側のエンドプレート１０６の外周形状に対し、締結用連通孔１０８と重なる位置、すなわち、４つの角部および各辺の略中央部の位置に、切り欠き（外形凹部Ｐａ）が形成された形状である。また、外側カバープレート２００には、外側カバープレート２００を上下方向に貫通する４つのガス孔２０２が形成されている。４つのガス孔２０２は、下側のエンドプレート１０６に形成された４つの流路用凹部１０７Ｕ，１０７Ｄに対応している。４つのガス孔２０２は、特許請求の範囲における複数のガス孔（酸化剤ガス供給用のガス孔、酸化剤ガス排出用のガス孔、燃料ガス供給用のガス孔、燃料ガス排出用のガス孔）に相当する。

図２、図３および図７に示すように、２つの内側流路用凹部１０７Ｕに対応する２つのガス孔２０２は、Ｚ方向視で、各マニホールド１６１，１６２と重ならない位置、具体的には、対応する内側流路用凹部１０７Ｕに形成された流路用貫通孔１０５と重なる位置に配置されている。このため、外側カバープレート２００に形成された２つのガス孔２０２は、流路用貫通孔１０５を介して、各内側流路用凹部１０７Ｕにより構成される空間と連通する。

２つの外側流路用凹部１０７Ｄに対応する２つのガス孔２０２は、Ｚ方向視で、各マニホールド１７１，１７２と重ならない位置、具体的には、対応する外側流路用凹部１０７Ｄの両端部の内、流路用貫通孔１０５が形成されていない端部と重なる位置に配置されている。外側カバープレート２００が下側のエンドプレート１０６の下面上に配置された状態では、各外側流路用凹部１０７Ｄにおけるガス孔２０２と重ならない部分は、外側カバープレート２００により塞がれる。そのため、外側カバープレート２００と下側のエンドプレート１０６とで構成される構造体の内部には、各外側流路用凹部１０７Ｄにより構成される空間が確保される。各流路用凹部１０７Ｕ，１０７Ｄにより構成される空間は、ガス孔２０２を介して燃料電池スタック１００の外部に開口し、かつ、流路用貫通孔１０５を介して対応する各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に連通している。すなわち、各流路用凹部１０７により構成される空間により、ガス孔２０２と各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２とを連通する連通ガス流路が形成される。以下、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通する連通ガス流路を、酸化剤ガス導入連通流路１６３といい、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通する連通ガス流路を、酸化剤ガス排出連通流路１６４といい、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通する連通ガス流路を、燃料ガス導入連通流路１７３といい、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通する連通ガス流路を、燃料ガス排出連通流路１７４という。なお、燃料ガス導入連通流路１７３および燃料ガス排出連通流路１７４は、特許請求の範囲における第１の連通ガス流路（燃料ガス供給用の連通ガス流路、燃料ガス排出用の連通ガス流路）に相当し、酸化剤ガス導入連通流路１６３および酸化剤ガス排出連通流路１６４は、特許請求の範囲における第２の連通ガス流路（酸化剤ガス供給用の連通ガス流路、酸化剤ガス排出用の連通ガス流路）に相当する。

図３に示すように、酸化剤ガス導入連通流路１６３には、補助器４０から酸化剤ガスＯＧを導入するための配管６０が接続されており、酸化剤ガス排出連通流路１６４には、酸化剤オフガスＯＯＧを補助器４０に排出するための配管６０が接続されている。また、図４に示すように、燃料ガス導入連通流路１７３には、補助器４０から燃料ガスＦＧを導入するための配管６０が接続されており、燃料ガス排出連通流路１７４には、燃料オフガスＦＯＧを補助器４０に排出するための配管６０が接続されている。

図７および図８に示すように、外側カバープレート２００は、下側のエンドプレート１０６に対して溶接により接合されている。より詳細には、外側カバープレート２００の下面には、Ｚ方向視で外側カバープレート２００の外周線ＯＬ付近に沿って、外側カバープレート２００と下側のエンドプレート１０６とを接合する外周溶接痕２２０が形成されている。さらに、外側カバープレート２００の下面には、Ｚ方向視で各流路用凹部１０７を取り囲む仮想線ＶＬに沿って、外側カバープレート２００と下側のエンドプレート１０６とを接合する流路用溶接痕２１０が形成されている。これにより、各流路用凹部１０７により形成される上記連通ガス流路（酸化剤ガス導入連通流路１６３、酸化剤ガス排出連通流路１６４、燃料ガス導入連通流路１７３、燃料ガス排出連通流路１７４）のシール性が高められる。なお、流路用溶接痕２１０は、特許請求の範囲における溶接痕に相当する。

図７のＩＸ−ＩＸの位置のＸＺ断面構成を表す図９に示すように、外側カバープレート２００の下側（Ｚ軸負方向側）の表面には溶接用凹部２３０が形成されており、外周溶接痕２２０および流路用溶接痕２１０は、溶接用凹部２３０内に形成されている。また、外周溶接痕２２０および流路用溶接痕２１０は、溶接用凹部２３０の側面から離間している。なお、図６に示すように、内側カバープレート３００についても、外側カバープレート２００と同様に、下側のエンドプレート１０６に対して溶接により接合されるとしてもよい。

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図３に示すように、断熱容器１０の外部の配管７０を介して補助器４０に導入された酸化剤ガスＯＧは、補助器４０から配管６０を介して燃料電池スタック１００内に設けられた酸化剤ガス導入連通流路１６３に導入される。酸化剤ガス導入連通流路１６３に導入された酸化剤ガスＯＧは、酸化剤ガス導入連通流路１６３から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孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図４に示すように、断熱容器１０の外部の配管７０を介して補助器４０に原燃料ガスや改質水が導入されると、補助器４０の改質室内で原燃料ガスが改質されて燃料ガスＦＧが生成され、生成された燃料ガスＦＧが配管６０を介して燃料電池スタック１００内に設けられた燃料ガス導入連通流路１７３に導入される。燃料ガス導入連通流路１７３に導入された燃料ガスＦＧは、燃料ガス導入連通流路１７３から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孔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（または上側のエンドプレート１０４）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（または下側のエンドプレート１０６）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。

図３に示すように、各発電単位１０２の酸化剤ガス排出連通孔１３３を介して空気室１６６から酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２から酸化剤ガス排出連通流路１６４に排出され、酸化剤ガス排出連通流路１６４から燃料電池スタック１００の外部の配管６０を介して補助器４０に排出される。また、図４に示すように、各発電単位１０２の燃料ガス排出連通孔１４３を介して燃料室１７６から燃料ガス排出マニホールド１７２に排出された燃料オフガスＦＯＧは、燃料ガス排出マニホールド１７２から燃料ガス排出連通流路１７４に排出され、燃料ガス排出連通流路１７４から燃料電池スタック１００の外部の配管６０を介して補助器４０に排出される。補助器４０に排出された酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧは、補助器４０に設けられた燃料室内で混合されて燃焼し、配管７０を介して断熱容器１０の外部に排出される。

Ａ−３．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００は、単セル１１０（発電単位１０２）が上下方向に複数並べて配置された発電ブロック１０３と、発電ブロック１０３に対して上下方向の一方側（下側）の位置に、上下方向に並べて配置された複数の平板状部材であるエンドプレート１０６およびカバープレート２００，３００を備える。また、燃料電池スタック１００には、発電ブロック１０３にわたって延びるガス流路である各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２が形成されている。また、上記複数の平板状部材であるエンドプレート１０６およびカバープレート２００，３００の内、上下方向の上記一方側（下側）の端に位置する平板状部材である外側カバープレート２００（外側平板状部材）における上記一方側（下側）の表面（外側表面）には、Ｚ方向視で各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２と重ならない位置にガス孔２０２が形成されている。また、上記複数の平板状部材（エンドプレート１０６およびカバープレート２００，３００）により構成される構造体の内部に、外側カバープレート２００の下面に設けられたガス孔２０２と各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２とを連通する各連通ガス流路（酸化剤ガス導入連通流路１６３、酸化剤ガス排出連通流路１６４、燃料ガス導入連通流路１７３、燃料ガス排出連通流路１７４）が形成されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００では、配管６０を介して燃料電池スタック１００に導入された酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧは、外側カバープレート２００の下面に設けられたガス孔２０２から、エンドプレート１０６およびカバープレート２００，３００により構成される構造体の内部に形成された各連通ガス流路（酸化剤ガス導入連通流路１６３および燃料ガス導入連通流路１７３）に流入し、その後に各マニホールド（酸化剤ガス導入マニホールド１６１および燃料ガス導入マニホールド１７１）に流入する。上述したように、各単セル１１０での発電反応は発熱反応であるため、酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧが各連通ガス流路１６３，１７３を通過する際には、単セル１１０からの熱によって酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの温度が上昇する。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧが燃料電池スタック１００の外部から直接、各マニホールド１６１，１７１に流入する構成と比較して、各マニホールド１６１，１７１に流入する酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの温度を高くすることができるとともに、外部から直接供給され比較的に温度が低い酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧによって単セル１１０の温度が低下することを抑制することができる。その結果、各単セル１１０における発電の反応効率を向上させることができ、その結果、燃料電池スタック１００の発電性能を向上させることができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、エンドプレート１０６およびカバープレート２００，３００により構成される構造体の内部に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されているため、燃料電池スタック１００の外部の配管６０の長さを短くすることができる。その結果、補助器４０を通った酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの温度が低下することも抑制することができる。さらに、燃料電池スタック１００と燃料電池スタック１００の外部のガス配管等とを備えるモジュールの小型化および構成の簡素化を実現することができる。また、燃料電池スタック１００の外部の配管６０の長さが短いため、燃料電池スタック１００から排出された酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧの温度が低下することが抑制されるため、酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧを、補助器４０において効率よく燃焼させることができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上記複数の平板状部材であるエンドプレート１０６および外側カバープレート２００の内、外側平板状部材である外側カバープレート２００を除く平板状部材により構成される内側平板構成体（すなわち、エンドプレート１０６）の上記一方側（下側）に、各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４を構成する流路用凹部１０７が形成されており、外側カバープレート２００のガス孔２０２は、Ｚ方向視で対応する流路用凹部１０７と重なる位置に配置されており、流路用凹部１０７におけるガス孔２０２と重ならない部分は、外側カバープレート２００により塞がれている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、外側カバープレート２００の厚さの増大を抑制しつつ、外側カバープレート２００およびエンドプレート１０６により構成される構造体の内部に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４を形成することができる。

しかも、本実施形態の燃料電池スタック１００では、燃料ガスＦＧの供給および燃料オフガスＦＯＧの排出に利用される第１の連通ガス流路（燃料ガス導入連通流路１７３および燃料ガス排出連通流路１７４）を構成する外側流路用凹部１０７Ｄは、内側平板構成体（下側のエンドプレート１０６）の上記一方側の表面（下面）に形成されている。また、第１の連通ガス流路とは独立に形成され、酸化剤ガスＯＧの供給および酸化剤オフガスＯＯＧの排出に利用される第２の連通ガス流路（酸化剤ガス導入連通流路１６３および酸化剤ガス排出連通流路１６４）を構成する内側流路用凹部１０７Ｕは、内側平板構成体の上記他方側の表面（上面）に形成されている。このため、第１の連通ガス流路を構成する流路用凹部と、第２の連通ガス流路を構成する流路用凹部とが内側平板構成体の同一面上に形成される場合に比べて、第１の連通ガス流路と第２の連通ガス流路との間のガスのリークを抑制することができる。

また、上述したように、本実施形態では、内側流路用凹部１０７Ｕと外側流路用凹部１０７Ｄとが、エンドプレート１０６において互いに反対に位置する表面（上面および下面）にそれぞれ形成されている。このため、Ｚ方向視で、エンドプレート１０６を透過して見た場合において、内側流路用凹部１０７Ｕと外側流路用凹部１０７Ｄとが、互いに重なるように配置しても（図２、図５および図７参照）、内側流路用凹部１０７Ｕと外側流路用凹部１０７Ｄとの間でガスのリークが発生することを抑制することができる。したがって、内側流路用凹部１０７Ｕと外側流路用凹部１０７Ｄとを重ならないように配置する場合に比べて、内側流路用凹部１０７Ｕと外側流路用凹部１０７Ｄとの少なくとも一方を長く確保しつつ、エンドプレート１０６における流路用凹部１０７の配置レイアウトの自由度を向上させることができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、外側カバープレート２００の下面に、Ｚ方向視で各連通ガス流路１７３，１７４を取り囲む仮想線ＶＬに沿って流路用溶接痕２１０が形成されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、各連通ガス流路１７３，１７４のシール性を高めることができ、各連通ガス流路１７３，１７４からのガス漏れを抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、外側カバープレート２００の下面に溶接用凹部２３０が形成されており、流路用溶接痕２１０は溶接用凹部２３０に形成されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、流路用溶接痕２１０が外側カバープレート２００の下面よりも突出することを抑制することができる。同様に、本実施形態の燃料電池スタック１００では、外周溶接痕２２０も溶接用凹部２３０に形成されているため、外周溶接痕２２０が外側カバープレート２００の下面よりも突出することを抑制することができる。

各流路用凹部１０７には、当該流路用凹部１０７の長手方向に沿って延びるリブ１７８Ｕ，１７８Ｄが形成されている。これにより、エンドプレート１０６の内、流路用凹部１０７が形成されることによって厚みが薄くなっている部分が補強されるため、該部分の変形を抑制しつつ、各連通ガス流路におけるガスの圧損を抑制することができる。

また、酸化剤ガス導入連通流路１６３、酸化剤ガス排出連通流路１６４、燃料ガス導入連通流路１７３および燃料ガス排出連通流路１７４は、発電ブロック１０３と補助器４０との間に配置されている。これにより、補助器４０からの熱によって各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４を流れるガスを、より効果的に加熱することができる。

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。

上記実施形態における燃料電池スタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、エンドプレート１０６に流路用凹部１０７が形成されることによって各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されるとしているが、エンドプレート１０６に代えて、あるいは、エンドプレート１０６に加えて、エンドプレート１０６以外の平板状部材（例えば発電ブロック１０３とエンドプレート１０６との間に配置されるターミナルプレート）に同様の流路用凹部が形成されることによって各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されるとしてもよい。

また、上記実施形態では、エンドプレート１０６およびカバープレート２００，３００という３枚の平板状部材により構成される構造体の内部に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されるとしているが、２枚または４枚以上の平板状部材により構成される構造体の内部に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されるとしてもよい。例えば、上記実施形態において、エンドプレート１０６が複数の平板状部材により構成され、エンドプレート１０６を構成する複数の平板状部材とカバープレート２００，３００とにより構成される構造体の内部に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４が形成されるとしてもよい。この場合においては、エンドプレート１０６を構成する複数の平板状部材の内の１枚または複数枚に上下方向の貫通孔が形成され、該貫通孔における発電ブロック１０３に対向する側がエンドプレート１０６を構成する他の平板状部材により塞がれることにより、該貫通孔が各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４として機能するとしてもよい。

また、上記実施形態では、１枚の平板状部材（エンドプレート１０６）の内、第１の方向の一方側の表面に外側流路用凹部１０７Ｄが形成され、第１の方向の他方側の表面に内側流路用凹部１０７Ｕが形成されるとしているが、複数の平板状部材により構成される内側平板構成体の内、上記一方側の表面に外側流路用凹部１０７Ｄが形成され、上記他方側の表面に内側流路用凹部１０７Ｕが形成されるとしてもよい。また、例えば、上記実施形態において、内側平板構成体が複数の平板状部材により構成される場合、２つの外側流路用凹部１０７Ｄが、互いに異なる平板状部材の上記一方側の表面に形成されたり、２つの内側流路用凹部１０７Ｕが、互いに異なる平板状部材の上記他方側の表面に形成されたりしているとしてもよい。

また、上記実施形態では、内側平板構成体に対して、４つのガス流路（マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２）のそれぞれに対応する４つの流路用凹部１０７が形成されるとしているが、内側平板構成体の内、第１の方向の一方側の表面に、４つのガス流路の少なくとも１つのガス流路に対応する流路用凹部１０７が形成され、第１の方向の他方側の表面に、少なくとも他の１つのガス流路に対応する流路用凹部１０７が形成されていればよい。例えば、上記実施形態において、４つのガス孔２０２の内の１つは、酸化剤ガス排出マニホールド１６２とＺ方向視で重なる位置に配置されており、エンドプレート１０６には、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に対応する内側流路用凹部１０７Ｕが形成されないとしてもよい。また、４つのガス孔２０２の内の他の１つは、燃料ガス排出マニホールド１７２とＺ方向視で重なる位置に配置されており、エンドプレート１０６には、燃料ガス排出マニホールド１７２に対応する内側流路用凹部１０７Ｕが形成されないとしてもよい。これらの構成によれば、各マニホールド１６１，１７１に流入する酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの温度を高くすることができ、各単セル１１０における発電の反応効率を向上させることができ、その結果、燃料電池スタック１００の発電性能を向上させることができる。また、内側平板構成体の内、上記一方側の表面に、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に対応する外側流路用凹部１０７Ｄが形成され、上記他方側の表面に、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に対応する内側流路用凹部１０７Ｕが形成されるとしてもよい。これにより、酸化剤ガスＯＧ供給用のガス流路と酸化剤オフガスＯＯＧ排出用のガス流路との間のリークを抑制することができる。

上記実施形態では、一方の内側流路用凹部１０７Ｕの長さと一方の外側流路用凹部１０７Ｄの長さとは同じであったが、互いに異なる長さでもよい。また、他方の内側流路用凹部１０７Ｕの長さと他方の外側流路用凹部１０７Ｄの長さとは同じであったが、互いに異なる長さでもよい。例えば、燃料ガスＦＧが供給される外側流路用凹部１０７Ｄの長さを、酸化剤ガスＯＧが供給される内側流路用凹部１０７Ｕよりも長くして、燃料ガスＦＧをより暖めるようにしてもよい。

上記実施形態では、内側流路用凹部１０７Ｕと外側流路用凹部１０７Ｄとは、Ｚ方向視で互いに一部分が重なっているとしたが、内側流路用凹部１０７Ｕと外側流路用凹部１０７Ｄとは、Ｚ方向視で互いに重ならないとしてもよい。ただし、例えば国際公開第２０１６／６３１５７号に記載されているように、発電単位同士の間に、熱交換のために酸化剤ガスを流す熱交換流路が形成された熱交換部を備える燃料電池スタックでは、複数のガス流路が複雑になる。このため、各ガス流路に連通する連通ガス流路が連通しないように、内側平板構成体に流路用凹部を形成することが難しくなる。このような場合、本発明を適用し、さらに、内側平板構成体の内、一方の面に形成された流路用凹部と他方の面に形成された流路用凹部とがＺ方向視で重なるように配置することにより、内側平板構成体における流路用凹部の配置レイアウトの自由度を向上させることができる。

上記実施形態では、発電ブロック１０３とエンドプレート１０６との間に内側カバープレート３００が配置されるとしているが、内側カバープレート３００が無く、発電ブロック１０３とエンドプレート１０６とが隣接するように配置されるとしてもよい。この場合、例えば、発電ブロック１０３において上記一方側の端に位置するインターコネクタ１５０が、内側カバープレート３００としての機能を兼ねる構成としてもよい。

また、各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４の少なくとも一部は、燃料電池スタック１００の上側に形成されるとしてもよい。例えば、上側のエンドプレート１０４の上側表面にカバープレートが配置され、上側のエンドプレート１０４と該カバープレートとにより構成される構造体の内部に連通ガス流路が形成されるとしてもよい。また、燃料電池スタック１００に各連通ガス流路１６３，１６４，１７３，１７４のすべてが形成される必要は無く、少なくとも１つの連通ガス流路が形成されればよい。

また、上記実施形態では、流路用連通孔１０９が締結用連通孔１０８とは別に設けられているが、燃料電池スタック１００に設けられた締結用連通孔１０８の内の少なくとも１つが流路用連通孔１０９としても機能するとしてもよい。

また、上記実施形態では、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の全体が溶接用凹部２３０に形成されているとしているが、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の一部のみが溶接用凹部２３０に形成されているとしてもよい。

また、上記実施形態において、流路用溶接痕２１０や外周溶接痕２２０の少なくとも一方が形成されていなくてもよい。また、上記実施形態において、外側カバープレート２００に溶接用凹部２３０が形成されていなくてもよい。

また、上記実施形態において、仮想線ＶＬを用いて説明した外側カバープレート２００等の形状は、必須ではなく、種々変形可能である。

上記実施形態において、リブ１７８Ｕ，１７８ＤのＺ方向視の形状は、対応する流路用凹部１０７の長手方向に沿っていない形状でもよい。また、４つの流路用凹部１０７の少なくとも１つにリブが形成されていないとしてもよい。

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（単セル１１０）の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２（単セル１１０）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、上記実施形態において、一の発電単位１０２と他の発電単位１０２との間に、発電機能を有さず導電性を有する層（例えば、面方向のガス流路を確保するための層）が介在していてもよい。この場合であっても、最上段の発電単位１０２から最下段の発電単位１０２までの範囲の構造体（すなわち、上記発電機能を有さず導電性を有する層も含む）が発電ブロック１０３である。

また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、各カバープレート２００，３００とエンドプレート１０６とが同一の材料で形成されるとしてもよい。

本明細書において、部材（または部材のある部分、以下同様）Ａを挟んで部材Ｂと部材Ｃとが互いに対向するとは、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとが隣接する形態に限定されず、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層１１２と空気極１１４との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、空気極１１４と燃料極１１６とは電解質層１１２を挟んで互いに対向すると言える。

また、上記実施形態では、燃料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単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６−８１８１３号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、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、流路用連通孔１０９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、流路用連通孔１０９を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成とすれば、上記実施形態と同様の作用・効果を奏する。

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（または電解単セル）にも適用可能である。

１０：断熱容器 ２０：支柱 ２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ４０：補助器 ６０，７０：配管 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０３：発電ブロック １０４，１０６：エンドプレート １０５：流路用貫通孔 １０７：流路用凹部 １０７Ｄ：外側流路用凹部 １０７Ｕ：内側流路用凹部 １０８：締結用連通孔 １０９：流路用連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６３：酸化剤ガス導入連通流路 １６４：酸化剤ガス排出連通流路 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 １７３：燃料ガス導入連通流路 １７４：燃料ガス排出連通流路 １７６：燃料室 １７８Ｕ，１７８Ｄ：リブ ２００：外側カバープレート ２０２：ガス孔 ２１０：流路用溶接痕 ２２０：外周溶接痕 ２３０：溶接用凹部 ３００：内側カバープレート ３０２：中継孔 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＬ：外周線 ＯＯＧ：酸化剤オフガス Ｐａ：外形凹部 ＶＬ：仮想線

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それぞれ含む電気化学反応単セルが前記第１の方向に複数並べて配置された電気化学反応ブロックと、
   前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の一方側の位置に、前記第１の方向に並べて配置された複数の平板状部材と、
   を備え、前記電気化学反応ブロックにわたって延びる複数のガス流路が形成された電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記複数の平板状部材の内の前記第１の方向の前記一方側の端に位置する前記平板状部材である外側平板状部材における前記一方側の表面である外側表面には、前記第１の方向視で前記ガス流路と重ならない位置に複数のガス孔が形成されており、
   前記複数の平板状部材により構成される構造体の内部に、前記各ガス孔と前記各ガス流路とを連通する複数の連通ガス流路が形成されており、
   前記複数の平板状部材の内、前記外側平板状部材と前記電気化学反応ブロックとの間に配置された１または複数の前記平板状部材により構成された内側平板構成体における前記第１の方向の前記一方側の表面に、前記複数の連通ガス流路の内の第１の連通ガス流路を構成する第１の凹部が形成されており、
   前記内側平板構成体における前記第１の方向の他方側の表面に、前記複数の連通ガス流路の内の第２の連通ガス流路を構成する第２の凹部が形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
2. 請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記複数のガス流路は、酸化剤ガス供給用のガス流路と、酸化剤ガス排出用のガス流路と、燃料ガス供給用のガス流路と、燃料ガス排出用のガス流路と、を含み、
   前記複数のガス孔は、酸化剤ガス供給用のガス孔と、酸化剤ガス排出用のガス孔と、燃料ガス供給用のガス孔と、燃料ガス排出用のガス孔と、を含み、
   前記第１の連通ガス流路および前記第２の連通ガス流路の内の一方の連通ガス流路は、前記酸化剤ガス供給用のガス孔と前記酸化剤ガス供給用のガス流路とを連通する酸化剤ガス供給用の連通ガス流路と、前記酸化剤ガス排出用のガス孔と前記酸化剤ガス排出用のガス流路とを連通する酸化剤ガス排出用の連通ガス流路とを含み、
   前記第１の連通ガス流路および前記第２の連通ガス流路の内の他方の連通ガス流路は、前記燃料ガス供給用のガス孔と前記燃料ガス供給用のガス流路とを連通する燃料ガス供給用の連通ガス流路と、前記燃料ガス排出用のガス孔と前記燃料ガス排出用のガス流路とを連通する燃料ガス排出用の連通ガス流路とを含み、
   前記第１の凹部および前記第２の凹部の内、前記一方の連通ガス流路を構成する凹部は、前記酸化剤ガス供給用の連通ガス流路を構成する酸化剤ガス供給用の凹部と、前記酸化剤ガス排出用の連通ガス流路を構成する酸化剤ガス排出用の凹部と、を含み、かつ、前記酸化剤ガス供給用の凹部と前記酸化剤ガス排出用の凹部とは、前記内側平板構成体における同一の表面に形成されており、
   前記第１の凹部および前記第２の凹部の内、前記他方の連通ガス流路を構成する凹部は、前記燃料ガス供給用の連通ガス流路を構成する燃料ガス供給用の凹部と、前記燃料ガス排出用の連通ガス流路を構成する燃料ガス排出用の凹部と、を含み、かつ、前記燃料ガス供給用の凹部と前記燃料ガス排出用の凹部とは、前記内側平板構成体における同一の表面に形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記第１の方向視で前記第１の凹部と前記第２の凹部との少なくとも一部が重なっていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記外側平板状部材の前記外側表面には、前記第１の方向視で前記第１の連通ガス流路を取り囲む仮想線に沿って溶接痕が形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
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セルスタックにおいて、
   前記第１の凹部および前記第２の凹部の少なくとも一方の凹部には、当該凹部の長手方向に沿って延びるリブが形成されていることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
6. 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セルスタックにおいて、
   前記複数の平板状部材に対して前記第１の方向の前記一方側の位置に配置されたガス燃焼部を備え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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