JP7564678B2 - 電気化学反応セルスタック - Google Patents

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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、単に「発電単位」という）は、固体酸化物を含む電解質層と、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燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）を有している。
ＳＯＦＣは、一般に、複数の発電単位を第１の方向に並べて配置された構造体（以下、「発電ブロック」という）と、発電ブロックを挟んで第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材とを備える燃料電池スタックの形態で利用される。
このような燃料電池スタックの発電ブロックとして、さらに、電解質層と、空気極と、燃料極とが互いに重なる領域を取り囲むフレーム部分を有するガス流通部材を備える発電ブロックが知られている。当該フレーム部分には、空気極に面する空気室および燃料極に面する燃料室に供給または排出されるガスが通るマニホールドを構成するマニホールド用孔が形成されている（例えば、特許文献１）。
特開２０１８－１８１４６６号公報
燃料電池スタックの発電時において、上記発電単位における発電反応は発熱反応であるため、第１の方向視において、燃料電池スタックの中央部分は、燃料電池スタックにおけるマニホールドに近い部分と比較して比較的高温になる傾向がある。これにより、単セルの面内における温度分布がばらつき、当該温度分布のバラツキにより生じる熱応力によって単セルが劣化し、または、単セルの発電効率が低下するなどの問題が生じるおそれがある。
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の構成単位である電解単セルを複数備える電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、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セルスタック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セルスタックは、第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第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電気化学反応単セルと、前記第１の方向視において、前記電解質層と、前記空気極と、前記燃料極とが互いに重なる領域を取り囲むフレーム部分を有するガス流通部材であって、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室に供給または前記ガス室から排出されるガスが通るマニホールドを構成するマニホールド用孔が前記フレーム部分に形成されたガス流通部材と、を有する、電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向において、前記一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材の表面のうちの前記電気化学反応ブロックとは反対側の表面である特定表面に配置され、かつ、断熱性を有する第１の断熱部材、を備え、前記第１の断熱部材は、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックにおける、前記電気化学反応セルスタックの中心を含む内側部分の外側に位置しており、前記第１の断熱部材と隣り合う前記内側部分は空洞である。本電気化学反応セルスタックでは、第１の断熱部材が、上記特定エンド部材の特定表面に配置されている。第１の方向視において、第１の断熱部材は、電気化学反応セルスタックにおける上記内側部分の外側に位置している。また、当該内側部分は、空洞である。換言すれば、第１の断熱部材の断熱性能は、空洞である内側部分の断熱性能と比較して高い。このため、第１の方向視において、比較的低温になりやすい電気化学反応セルスタックにおけるマニホールドに近い部分（第１の断熱部材に重なる部分）からの放熱を抑制しつつ、比較的高温になりやすい電気化学反応セルスタックの中央部分（内側部分に重なる部分）からの放熱を容易にすることができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単セルの面内における温度分布のバラツキを抑制し、ひいては、電気化学反応単セルの劣化や、電気化学反応単セルの発電効率の低下を抑制することができる。
（２）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第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電気化学反応単セルと、前記第１の方向視において、前記電解質層、前記空気極、及び前記燃料極が互いに重なる領域を取り囲むように配置されているフレーム部分を有するガス流通部材であって、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室に供給または前記ガス室から排出されるガスが通るマニホールドを構成するマニホールド用孔が前記フレーム部分に形成されたガス流通部材と、を有する、電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向において、前記一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材の表面のうちの前記電気化学反応ブロックとは反対側の表面である特定表面側に配置され、かつ、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックの中心を含む内側部分の外側に位置する第１の断熱部材であって、断熱性を有する第１の断熱部材と、前記特定表面側に配置され、かつ、前記内側部分に位置する第２の断熱部材であって、断熱性を有する第２の断熱部材と、を備え、前記第１の断熱部材の厚みは、前記第２の断熱部材の厚みと比較して大きい。本電気化学反応セルスタックによれば、第１の断熱部材と、第２の断熱部材とが、上記特定エンド部材の特定表面側に配置されている。第１の方向視において、第１の断熱部材は、電気化学反応セルスタックにおける上記内側部分の外側に位置し、第２の断熱部材は、当該内側部分に位置している。また、第１の断熱部材の厚みは、第２の断熱部材の厚みと比較して大きい。換言すれば、例えば、第１の断熱部材の形成材料における熱伝導率と、第２の断熱部材の形成材料における熱伝導率とが同等である、または、第１の断熱部材の形成材料における熱伝導率が、第２の断熱部材の形成材料における熱伝導率よりも小さい構成において、第１の断熱部材の断熱性能は、第２の断熱部材の断熱性能と比較して高い。このため、第１の方向視において、比較的低温になりやすい電気化学反応セルスタックにおけるマニホールドに近い部分（第１の断熱部材に重なる部分）からの放熱を抑制しつつ、比較的高温になりやすい電気化学反応セルスタックの中央部分（第２の断熱部材に重なる部分）からの放熱を容易にすることができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単セルの面内における温度分布のバラツキを抑制し、ひいては、電気化学反応単セルの劣化や、電気化学反応単セルの発電効率の低下を抑制することができる。
（３）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第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電気化学反応単セルと、前記第１の方向視において、前記電解質層、前記空気極、及び前記燃料極が互いに重なる領域を取り囲むように配置されているフレーム部分を有するガス流通部材であって、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室に供給または前記ガス室から排出されるガスが通るマニホールドを構成するマニホールド用孔が前記フレーム部分に形成されたガス流通部材と、を有する、電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向において、前記一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材の表面のうちの前記電気化学反応ブロックとは反対側の表面である特定表面側に配置され、かつ、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックの中心を含む内側部分の外側に位置する第１の断熱部材であって、断熱性を有する第１の断熱部材と、前記特定表面側に配置され、かつ、前記内側部分に位置する第２の断熱部材であって、断熱性を有する第２の断熱部材と、を備え、前記第１の断熱部材の熱伝導率は、前記第２の断熱部材の熱伝導率と比較して小さい。本電気化学反応セルスタックによれば、第１の断熱部材と、第２の断熱部材とが、上記特定エンド部材の特定表面側に配置されている。第１の方向視において、第１の断熱部材は、電気化学反応セルスタックにおける上記内側部分の外側に位置し、第２の断熱部材は、当該内側部分に位置している。また、第１の断熱部材の熱伝導率は、第２の断熱部材の熱伝導率と比較して小さい。換言すれば、例えば、第１の断熱部材の厚みと、第２の断熱部材の厚みとが同等である、または、第１の断熱部材の厚みが、第２の断熱部材の厚みよりも大きい構成において、第１の断熱部材の断熱性能は、第２の断熱部材の断熱性能と比較して高い。このため、第１の方向視において、比較的低温になりやすい電気化学反応セルスタックにおけるマニホールドに近い部分（第１の断熱部材に重なる部分）からの放熱を抑制しつつ、比較的高温になりやすい電気化学反応セルスタックの中央部分（第２の断熱部材に重なる部分）からの放熱を容易にすることができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単セルの面内における温度分布のバラツキを抑制し、ひいては、電気化学反応単セルの劣化や、電気化学反応単セルの発電効率の低下を抑制することができる。
（４）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第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電気化学反応単セルと、前記第１の方向視において、前記電解質層、前記空気極、及び前記燃料極が互いに重なる領域を取り囲むように配置されているフレーム部分を有するガス流通部材であって、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室に供給または前記ガス室から排出されるガスが通るマニホールドを構成するマニホールド用孔が前記フレーム部分に形成されたガス流通部材と、を有する、電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向において、前記一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材の表面のうちの前記電気化学反応ブロックとは反対側の表面である特定表面側に配置され、かつ、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックの中心を含む内側部分の外側に位置する第１の断熱部材であって、断熱性を有する第１の断熱部材と、前記特定表面側に配置され、かつ、前記内側部分に位置する第２の断熱部材であって、断熱性を有する第２の断熱部材と、を備え、前記第１の断熱部材の密度は、前記第２の断熱部材の密度と比較して大きい。本電気化学反応セルスタックによれば、第１の断熱部材と、第２の断熱部材とが、上記特定エンド部材の特定表面側に配置されている。第１の方向視において、第１の断熱部材は、電気化学反応セルスタックにおける上記内側部分の外側に位置し、第２の断熱部材は、当該内側部分に位置している。また、第１の断熱部材の密度は、第２の断熱部材の密度と比較して大きい。換言すれば、例えば、第１の断熱部材の厚みと、第２の断熱部材の厚みとが同等である構成において、第１の断熱部材の断熱性能は、第２の断熱部材の断熱性能と比較して高い。このため、第１の方向視において、比較的低温になりやすい電気化学反応セルスタックにおけるマニホールドに近い部分（第１の断熱部材に重なる部分）からの放熱を抑制しつつ、比較的高温になりやすい電気化学反応セルスタックの中央部分（第２の断熱部材に重なる部分）からの放熱を容易にすることができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単セルの面内における温度分布のバラツキを抑制し、ひいては、電気化学反応単セルの劣化や、電気化学反応単セルの発電効率の低下を抑制することができる。
（５）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第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電気化学反応単セルと、前記第１の方向視において、前記電解質層、前記空気極、及び前記燃料極が互いに重なる領域を取り囲むように配置されているフレーム部分を有するガス流通部材であって、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室に供給または前記ガス室から排出されるガスが通るマニホールドを構成するマニホールド用孔が前記フレーム部分に形成されたガス流通部材と、を有する、電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向において、前記一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材の表面のうちの前記電気化学反応ブロックとは反対側の表面である特定表面側に配置され、かつ、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックの中心を含む内側部分の外側に位置する第１の断熱部材であって、断熱性を有する第１の断熱部材と、前記特定表面側に配置され、かつ、前記内側部分に位置する第２の断熱部材であって、断熱性を有する第２の断熱部材と、を備え、前記第２の断熱部材には、前記第２の断熱部材における前記第１の方向に略直交する第１の表面と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面との少なくとも一方に開口する貫通孔と有底孔との少なくとも一方が形成されている。内側断熱部材には貫通孔または有底孔があるため、内側断熱部材における単位体積当たりの断熱材充填率が、外側断熱部材における単位体積当たりの断熱材充填率と比較して、低くなる。このため、第１の方向視において、比較的低温になりやすい電気化学反応セルスタックにおけるマニホールドに近い部分（第１の断熱部材に重なる部分）からの放熱を抑制しつつ、比較的高温になりやすい電気化学反応セルスタックの中央部分（第２の断熱部材に重なる部分）からの放熱を容易にすることができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単セルの面内における温度分布のバラツキを抑制し、ひいては、電気化学反応単セルの劣化や、電気化学反応単セルの発電効率の低下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、前記第１の方向視において、前記第１の断熱部材は、前記内側部分を取り囲むように配置されている構成としてもよい。本構成が採用された電気化学反応セルスタックでは、第１の方向視において、第１の断熱部材は、内側部分を取り囲むように配置されている。このため、第１の方向視において、比較的高温になりやすい電気化学反応セルスタックの中央部分（内側部分に重なる部分）からの放熱を容易にしつつ、比較的低温になりやすい電気化学反応セルスタックにおけるマニホールドに近い部分（第１の断熱部材に重なる部分）からの放熱をより効果的に抑制させることができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単セルの面内における温度分布のバラツキをより効果的に抑制し、ひいては、電気化学反応単セルの劣化や、電気化学反応単セルの発電効率の低下をより効果的に抑制することができる。
（７）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視において、前記第１の断熱部材の少なくとも一部分は、前記フレーム部分と重なっている構成としてもよい。本構成が採用された電気化学反応セルスタックでは、第１の方向視において、第１の断熱部材の少なくとも一部分が、ガス流通部材のフレーム部分と重なっている。このため、第１の方向視において、比較的低温になりやすい電気化学反応セルスタックにおけるフレーム部分に重なる部分からの放熱をより効果的に抑制させることができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単セルの面内における温度分布のバラツキをより効果的に抑制し、ひいては、電気化学反応単セルの劣化や、電気化学反応単セルの発電効率の低下をより効果的に抑制することができる。
（８）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記フレーム部分には、前記マニホールド用孔として、前記第１の方向視において、前記電気化学反応単セルを挟んで対向する第１の側と第２の側とにそれぞれ位置する２つの空気室用マニホールド用孔であって、それぞれ、前記空気極に面する空気室に供給または前記空気室から排出されるガスが通る２つの空気室用マニホールド用孔と、前記第１の方向視において、前記第１の側と前記第２の側とにそれぞれ位置する２つの燃料室用マニホールド用孔であって、それぞれ、前記燃料極に面する燃料室に供給または前記燃料室から排出されるガスが通る２つの燃料室用マニホールド用孔と、を有し、前記第１の方向視において、前記第１の断熱部材は、４つの辺を有する略矩形状の外縁を有し、前記第１の断熱部材の外縁を構成する４つの辺のうち、前記２つの空気室用マニホールド用孔のうちの前記第１の側に位置する特定空気室用マニホールド用孔と、前記２つの燃料室用マニホールド用孔のうちの前記第１の側に位置する特定燃料室用マニホールド用孔と、の両方に最も近接する辺を第１の辺とし、前記第１の断熱部材の外縁のうちの前記第１の辺に接続する辺を第２の辺とし、前記第１の辺の一部を構成する第１の部分外縁と、前記第１の部分外縁に対向する前記第１の断熱部材の第１の部分内縁との間の最短距離を第１の幅とし、前記第２の辺の一部を構成する第２の部分外縁と、前記第２の部分外縁に対向する前記第１の断熱部材の第２の部分内縁との間の最短距離を第２の幅としたとき、前記第１の幅は、前記第２の幅と比較して大きい構成としてもよい。本構成が採用された電気化学反応セルスタックでは、第１の断熱部材における上記第１の幅が、上記第２の幅と比較して大きい。このため、第１の方向視において、比較的低温になりやすい電気化学反応セルスタックにおけるマニホールドに近い部分における断熱性能をより効果的に高め、マニホールドに近い部分からの放熱をより効果的に抑制させることができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単セルの面内における温度分布のバラツキをより効果的に抑制し、ひいては、電気化学反応単セルの劣化や、電気化学反応単セルの発電効率の低下をより効果的に抑制することができる。
（９）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定表面に配置され、かつ、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックの少なくとも中央に重なる領域に配置された伝熱部材であって、前記特定エンド部材の熱伝導率より高い熱伝導率を有する伝熱部材、を備える構成としてもよい。本構成が採用された電気化学反応セルスタックでは、第１の方向視において、特定エンド部材の特定表面における、電気化学反応セルスタックの少なくとも中央に重なる領域に伝熱部材が配置されている。また、当該伝熱部材の熱伝導率は、特定エンド部材の熱伝導率より高い。このため、第１の方向視において、比較的高温になりやすい電気化学反応セルスタックの中央の発熱を、特定エンド部材を介して伝熱部材へと熱伝導させ、さらには、当該熱を伝熱部材の内部に拡散させることができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応単セルの面内における温度分布のバラツキをより効果的に抑制し、ひいては、電気化学反応単セルの劣化や、電気化学反応単セルの発電効率の低下をより効果的に抑制することができる。
第１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 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 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ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 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 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 図２のＶＩ－ＶＩの位置における断熱部材６０のＸＹ断面構成を示す説明図 第２実施形態における燃料電池スタック１００ＡのＸＺ断面構成を示す説明図 第２実施形態における断熱部材６０ＡのＸＹ断面構成を示す説明図 第３実施形態における燃料電池スタック１００ＢのＸＺ断面構成を示す説明図 第３実施形態における断熱部材６０ＢのＸＹ断面構成を示す説明図 第１変形例における断熱部材６０ＣのＸＹ断面構成を示す説明図 第２変形例における断熱部材６０ＤのＸＹ断面構成を示す説明図
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、第１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（および後述する図６）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（および後述する図６）のＩＩＩ－ＩＩＩ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。図４以降についても同様である。また、本明細書では、Ｚ軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。
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、一対のターミナルプレート４１０，４２０と、一対の絶縁シート５１０，５２０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。一対のターミナルプレート４１０，４２０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。一対の絶縁シート５１０，５２０は一対のターミナルプレート４１０，４２０を上下から挟むように配置されている。また、一対のエンドプレート１０４，１０６は、一対の絶縁シート５１０，５２０を上下から挟むように配置されている。また、燃料電池スタック１００は、更に、上側のエンドプレート１０４の上方向側に、断熱部材６０と、伝熱部材６３とを備えている。断熱部材６０および伝熱部材６３については、後で詳述する。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。上側のエンドプレート１０４は、特許請求の範囲における特定エンド部材に相当し、断熱部材６０は、特許請求の範囲における第１の断熱部材に相当する。
図１に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（上側のエンドプレート１０４、各発電単位１０２、各ターミナルプレート４１０，４２０、各絶縁シート５１０，５２０および伝熱部材６３）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し、かつ、Ｚ軸方向視において略円形の孔が形成されている。さらに燃料電池スタック１００を構成する下側のエンドプレート１０６のＺ軸方向回りの外周の４つの角部周辺の上面には、後述するボルト２２の下側端部が螺合される孔（ねじ孔）が形成されている。各発電単位１０２と各ターミナルプレート４１０，４２０と各絶縁シート５１０，５２０と各エンドプレート１０４，１０６と伝熱部材６３と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、上側のエンドプレート１０４から下側のエンドプレート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。以下の説明では、ボルト孔１０９を構成するために各層に形成された孔も、ボルト孔１０９ということがある。
各ボルト２２は、上下方向に延びる各ボルト孔１０９に挿通されている。各ボルト２２の下側端部には、各ボルト２２が、下側のエンドプレート１０６に係合可能なように、下側のエンドプレート１０６のＺ軸方向回りの外周の４つの角部周辺の上面に形成された上記孔（ねじ孔）に螺合可能なねじ部が形成されている。このように、本実施形態の燃料電池スタック１００では、各ボルト２２の頭部２４と下側のエンドプレート１０６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。ここで、「各ボルト２２が、下側のエンドプレート１０６に係合」しているとは、各ボルト２２が直接的にまたは他の部材（例えば、ナット）を介して下側のエンドプレート１０６に取り付けられていることを意味する。
また、図１から図３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、下側のターミナルプレート４２０および下側の絶縁シート５２０）のＺ軸方向回りの外周辺の付近には、各発電単位１０２と、下側のターミナルプレート４２０と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層に形成された孔も、連通孔１０８ということがある。
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。酸化剤ガスＯＧとしては、例えば空気が使用される。空気室１６６は、特許請求の範囲におけるガス室に相当する。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は、それぞれ、特許請求の範囲におけるマニホールドに相当する。
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軸方向回りの外周を構成する辺の内、上述した酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する連通孔１０８に最も近い辺の付近に位置する他の連通孔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、上述した酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能する連通孔１０８に最も近い辺の付近に位置する他の連通孔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。燃料ガスＦＧとしては、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。燃料室１７６は、特許請求の範囲におけるガス室に相当する。燃料ガス導入マニホールド１７１および燃料ガス排出マニホールド１７２は、それぞれ、特許請求の範囲におけるマニホールドに相当する。
（ターミナルプレート４１０，４２０、絶縁シート５１０，５２０およびエンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のターミナルプレート４１０，４２０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。各ターミナルプレート４１０，４２０のＺ軸方向における厚み（板厚）は、０．２ｍｍ以上、３ｍｍ以下である。上側のターミナルプレート４１０は、複数の発電単位１０２から構成される発電ブロック１０３の上方向側に配置されており、下側のターミナルプレート４２０は、発電ブロック１０３の下方向側に配置されている。すなわち、上側のターミナルプレート４１０は、複数の単セル１１０の内、Ｚ軸方向において、最も上方向側に位置する単セル１１０を備える発電単位１０２の上方向側に配置されている。また、下側のターミナルプレート４２０は、複数の単セル１１０の内、Ｚ軸方向において、最も下方向側に位置する単セル１１０を備える発電単位１０２の下方向側に配置されている。図１に示すように、上側のターミナルプレート４１０には、４つのボルト孔１０９が形成されている。また、下側のターミナルプレート４２０には、４つの連通孔１０８と、４つのボルト孔１０９とが形成されている（図２および図３参照）。上側のターミナルプレート４１０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、下側のターミナルプレート４２０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。
一対の絶縁シート５１０，５２０は、略矩形のシート状の絶縁部材である。絶縁シート５１０，５２０は、例えばマイカ、アルミナ、窒化ケイ素、ジルコニア等により形成されている。各絶縁シート５１０，５２０のＺ軸方向における厚み（シート厚）Ｔ１は、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、好ましくは、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。上側の絶縁シート５１０は、上側のターミナルプレート４１０の上方向側に配置されており、下側の絶縁シート５２０は、下側のターミナルプレート４２０の下方向側に配置されている。上側のターミナルプレート４１０と同様に、上側の絶縁シート５１０には、４つのボルト孔１０９が形成されている。また、下側のターミナルプレート４２０と同様に、下側の絶縁シート５２０には、４つの連通孔１０８と、４つのボルト孔１０９とが形成されている。なお、本明細書において、「導電性部材」とは、電気抵抗率が１００μΩ・ｍ以下である部材を意味し、「絶縁部材」とは、電気抵抗率が１０ＭΩ・ｍ以上である部材を意味している。
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。一対のエンドプレート１０４，１０６の熱伝導率は、例えば、２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。各エンドプレート１０４，１０６のＺ軸方向における厚み（板厚）は、１ｍｍ以上、１５ｍｍ以下である。上側のエンドプレート１０４は、上側の絶縁シート５１０の上方向側に配置されており、下側のエンドプレート１０６は、下側の絶縁シート５２０の下方向側に配置されている。換言すれば、一対のエンドプレート１０４，１０６は、発電ブロック１０３を挟んでＺ軸方向に互いに対向し、かつ、Ｚ軸方向視で、後述の空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０におけるフレーム部分に重なるように配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって、一対の絶縁シート５１０，５２０と、一対のターミナルプレート４１０，４２０と、複数の発電単位１０２とが押圧された状態で挟持されている。図１に示すように、上側のエンドプレート１０４には、４つのボルト孔１０９が形成されている。また、下側のエンドプレート１０６には、４つの流路用貫通孔１０７と、４つのボルト孔１０９とが形成されている（図２および図３参照）。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材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ＸＺ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、空気極側集電部材１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電部材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軸方向回りの外周には、上述した各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する各連通孔１０８を構成する孔と、各ボルト孔１０９を構成する孔とが形成されている。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。空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０は、それぞれ、特許請求の範囲におけるガス流通部材に相当する。
一対のインターコネクタ１５０は、Ｚ軸方向視で単セル１１０より大きい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。また、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は一対のターミナルプレート４１０，４２０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。空気極１１４および燃料極１１６は、それぞれ、特許請求の範囲における特定電極に相当する。
電解質層１１２は、Ｚ軸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軸方向視で電解質層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酸化物））により形成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層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（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、ステンレス等の金属材料により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、単セル１１０とセパレータ１２０との接合箇所付近に、空気室１６６と燃料室１７６との間をシールするシール部材（例えば、ガラスシール部材）がさらに設けられてもよい。
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空気室用孔１３１が形成されたフレーム部分を有する部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。フレーム部分は、Ｚ軸方向視で、電解質層１１２と、空気極１１４と、燃料極１１６とが互いに重なる領域を取り囲む部分であり、上述の各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する各連通孔１０８を構成する孔（マニホールド用孔）は、フレーム部分に形成されている。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。空気極側フレーム１３０に形成された空気室用孔１３１によって、空気極１１４に面する空気室１６６が構成される。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通流路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流路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燃料室用孔１４１が形成されたフレーム部分を有する部材であり、例えば、金属により形成されている。フレーム部分は、空気極側フレーム１３０におけるフレーム部分と同様に、Ｚ軸方向視で、上記領域を取り囲む部分である。また、燃料極側フレーム１４０においても、上述の各連通孔１０８を構成する孔（マニホールド用孔）は、フレーム部分に形成されている。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。燃料極側フレーム１４０に形成された燃料室用孔１４１によって、燃料極１１６に面する燃料室１７６が構成される。また、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流路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流路１４３とが形成されている。
燃料極側集電部材１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部材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（図示せず）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。燃料極側集電部材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１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電部材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、燃料極側集電部材１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０との電気的接続が良好に維持される。
空気極側集電部材１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電部材１３４は、複数の略四角柱状の集電部材要素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。空気極側集電部材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部材１３４は、上側のターミナルプレート４１０に接触している。空気極側集電部材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、空気極側集電部材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部材要素１３５が空気極側集電部材１３４として機能する。また、空気極側集電部材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と空気極側集電部材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。なお、各発電単位１０２において、空気極側集電部材１３４と上側のインターコネクタ１５０とが別の部材であるとしてもよい。
Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
図２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、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、下側の絶縁シート５２０の連通孔１０８および下側のターミナルプレート４２０の連通孔１０８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、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、下側の絶縁シート５２０の連通孔１０８および下側のターミナルプレート４２０の連通孔１０８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は空気極側集電部材１３４を介して一方のインターコネクタ１５０（または上側のターミナルプレート４１０）に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電部材１４４を介して他方のインターコネクタ１５０（または下側のターミナルプレート４２０）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ターミナルプレート４１０，４２０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２に示すように、各発電単位１０２の酸化剤ガス排出連通流路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、下側のターミナルプレート４２０の連通孔１０８、下側の絶縁シート５２０の連通孔１０８、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、図３に示すように、各発電単位１０２の燃料ガス排出連通流路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、下側のターミナルプレート４２０の連通孔１０８、下側の絶縁シート５２０の連通孔１０８、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を構成する各発電単位１０２では、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向とが、略反対方向（互いに対向する方向）となっている。すなわち、本実施形態の発電単位１０２（燃料電池スタック１００）は、カウンターフロータイプのＳＯＦＣである。
Ａ－３．断熱部材６０および伝熱部材６３の詳細構成：
次に、断熱部材６０および伝熱部材６３の詳細構成について説明する。図６は、断熱部材６０の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図６には、図２のＶＩ－ＶＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＹ断面構成が示されている。なお、図６には、説明の便宜上、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０に形成された各連通孔１０８（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）およびガス室用孔（空気室用孔１３１および燃料室用孔１４１）を点線により図示している。実際の構成では、断熱部材６０および伝熱部材６３には、上記各連通孔１０８は形成されていない。
伝熱部材６３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。伝熱部材６３の熱伝導率は、上側のエンドプレート１０４の熱伝導率より高く、例えば、２５Ｗ／ｍ・Ｋ程度以上である。伝熱部材６３のＺ軸方向における厚み（板厚）は、１ｍｍ以上、２５ｍｍ以下である。伝熱部材６３は、Ｚ軸方向における、上側のエンドプレート１０４における発電ブロック１０３とは反対側の表面（以下、「表面Ｓ１０４」という）に接触して配置されている。より具体的には、伝熱部材６３は、Ｚ軸方向視において、内側部分ＩＰと外側部分ＯＰとに重なるように配置されている。ここで、内側部分ＩＰは、燃料電池スタック１００の中心ＰＯを含む部分であり、外側部分ＯＰは、内側部分ＩＰの外側に位置する部分である。本実施形態において、外側部分ＯＰの内縁は、Ｚ軸方向視において、セパレータ１２０の孔１２１の内縁に重なっており、外側部分ＯＰは、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０における各フレーム部分を包含している。なお、上側のエンドプレート１０４の表面Ｓ１０４は、特許請求の範囲における特定表面に相当する。上側のエンドプレート１０４の表面Ｓ１０４における内側部分ＩＰと重なる領域は、特許請求の範囲における「電気化学反応セルスタックの少なくとも中央に重なる領域」に相当する。
断熱部材６０は、内側部分ＩＰにおいて上下方向に貫通する略矩形（本実施形態では、Ｚ軸方向視において略正方形）の孔６１と、Ｚ軸方向回りの外周の４つの角部周辺に位置し、かつ、Ｚ軸方向視において略円形の貫通孔が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、シリカ系材料により形成されている。当該４つの貫通孔の内縁は、Ｚ軸方向視において、それぞれ、ボルト２２の頭部２４の外縁を取り囲んでいる。断熱部材６０のＺ軸方向における厚みＨ（板厚）は、例えば、３ｍｍ以上、２５ｍｍ以下である（図２および図３参照）。断熱部材６０の熱伝導率は、例えば、６００℃時に０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。断熱部材６０の密度は、例えば、０．１５ｇ／ｃｍ３以上、２．５ｇ／ｃｍ３以下である。断熱部材６０は、Ｚ軸方向における、伝熱部材６３における発電ブロック１０３とは反対側の表面（以下、「表面Ｓ６３」という）に接触して配置されている。換言すれば、断熱部材６０は、Ｚ軸方向における、上側のエンドプレート１０４における表面Ｓ１０４側に配置されている。また、断熱部材６０は、Ｚ軸方向視において、外側部分ＯＰに重なるように配置されている。より具体的には、本実施形態において、断熱部材６０は、Ｚ軸方向視において、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０における各フレーム部分と重なるように配置されている。また、断熱部材６０と隣り合う内側部分ＩＰは空洞となっている。より具体的には、本実施形態において、断熱部材６０は、Ｚ軸方向視において、単セル１１０が位置する部分のうち、電解質１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なる部分と重なる内側部分ＩＰを取り囲むように配置されている。このため、伝熱部材６３の表面Ｓ６３における内側部分ＩＰに重なる領域は、燃料電池スタック１００の外部に露出している。なお、断熱部材６０は、接着剤等により伝熱部材６３に接合されている。
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は、発電ブロック１０３と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備えている。また、上側のエンドプレート１０４の表面Ｓ１０４側に断熱部材６０を更に備えている。断熱部材６０は、Ｚ軸方向視において、燃料電池スタック１００における外側部分ＯＰに位置しており、断熱部材６０と隣り合う内側部分ＩＰは空洞である。換言すれば、断熱部材６０の断熱性能は、空洞である内側部分ＩＰの断熱性能と比較して高い。このため、Ｚ軸方向視において、比較的低温になりやすい燃料電池スタック１００におけるマニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に近い部分（断熱部材６０に重なる部分）からの放熱を抑制しつつ、比較的高温になりやすい燃料電池スタック１００の中央部分（内側部分ＩＰに重なる部分）からの放熱を容易にすることができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、単セル１１０の面内における温度分布のバラツキを抑制し、ひいては、単セル１１０の劣化や、単セル１１０の発電効率の低下を抑制することができる。
本実施形態の燃料電池スタック１００では、断熱部材６０は、Ｚ軸方向視において、内側部分ＩＰを取り囲むように配置されている。このため、Ｚ軸方向視において、比較的高温になりやすい燃料電池スタック１００の中央部分（内側部分ＩＰに重なる部分）からの放熱を容易にしつつ、比較的低温になりやすい燃料電池スタック１００におけるマニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に近い部分（断熱部材６０に重なる部分）からの放熱をより効果的に抑制させることができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、単セル１１０の面内における温度分布のバラツキをより効果的に抑制することができる。
本実施形態の燃料電池スタック１００では、断熱部材６０の一部は、Ｚ軸方向視において、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０のフレーム部分と重なっている。このため、Ｚ軸方向視において、比較的低温になりやすい燃料電池スタック１００におけるフレーム部分に重なる部分からの放熱をより効果的に抑制させることができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、単セル１１０の面内における温度分布のバラツキをより効果的に抑制することができる。
本実施形態の燃料電池スタック１００は、Ｚ軸方向視において、上側のエンドプレート１０４の表面Ｓ１０４における内側部分ＩＰに配置された伝熱部材６３を備えている。また、伝熱部材６３の熱伝導率は、上側のエンドプレート１０４の熱伝導率より高い。このため、Ｚ軸方向視において、比較的高温になりやすい燃料電池スタック１００の中央の発熱を、上側のエンドプレート１０４を介して伝熱部材６３へと熱伝導させ、さらには、当該熱を伝熱部材６３の内部に拡散させることができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、単セル１１０の面内における温度分布のバラツキをより効果的に抑制することができる。
Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態における燃料電池スタック１００ＡのＸＺ断面構成を示す説明図であり、図８は、第２実施形態における断熱部材６０Ａの詳細構成を示すＸＹ断面図である。図８には、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００ＡのＸＹ断面構成が示されている。なお、図８には、図６と同様に、説明の便宜上、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０に形成された各連通孔１０８およびガス室用孔（空気室用孔１３１および燃料室用孔１４１）を点線により図示しているが、実際の構成では、断熱部材６０Ａおよび伝熱部材６３には、上記各連通孔１０８は形成されていない。
図７に示すように、第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａは、断熱部材６０に代えて断熱部材６０Ａを備えている点で、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００の構成と異なる。以下では、第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａの構成のうち、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
本実施形態の断熱部材６０Ａは、第１実施形態の断熱部材６０と同様に、伝熱部材６３の表面Ｓ６３に接触して配置されている。本実施形態の断熱部材６０Ａは、外側断熱部材６０１Ａと、内側断熱部材６０３Ａとの別部材から構成されている。本実施形態において、外側断熱部材６０１Ａは、第１実施形態の断熱部材６０と同様の構成である。すなわち、外側断熱部材６０１Ａは、略矩形（本実施形態では、Ｚ軸方向視において略正方形）の孔６１Ａが形成されたフレーム状の部材であり、例えば、シリカ系材料により形成されている。外側断熱部材６０１Ａの厚みＨ（板厚）は、例えば、５ｍｍ以上、２５ｍｍ以下である（図７参照）。外側断熱部材６０１Ａは、Ｚ軸方向視において、外側部分ＯＰに重なるように配置されている。より具体的には、本実施形態において、外側断熱部材６０１Ａは、Ｚ軸方向視において、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０における各フレーム部分と重なるように配置されている。なお、外側断熱部材６０１Ａは、特許請求の範囲における第１の断熱部材に相当し、内側断熱部材６０３Ａは、特許請求の範囲における第２の断熱部材に相当する。
内側断熱部材６０３Ａは、略矩形（本実施形態では、Ｚ軸方向視において略正方形）の平板形状の部材であり、例えば、シリカ系材料により形成されている。内側断熱部材６０３ＡのＺ軸方向における厚みＨ３（板厚）は、例えば、１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下である（図７参照）。内側断熱部材６０３Ａは、Ｚ軸方向視において、内側部分ＩＰに重なるように配置されている。より具体的には、本実施形態において、内側断熱部材６０３Ａは、Ｚ軸方向視において、単セル１１０が位置する部分のうち、電解質層１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なる部分と重なるように配置されている。本実施形態において、内側断熱部材６０３Ａは、外縁６０３ｅが、外側断熱部材６０１Ａの孔６１Ａを画定する外縁に接するよう構成されている。
上述の通り、本実施形態の燃料電池スタック１００Ａでは、外側断熱部材６０１Ａの厚みＨは、内側断熱部材６０３Ａの厚みＨ３と比較して大きい。より具体的には、内側断熱部材６０３Ａの厚みＨ３に対する、外側断熱部材６０１Ａの厚みＨの割合（（Ｈ／Ｈ３）×１００）は、１０１％以上であり、好ましくは、２００％以上である。
本実施形態の燃料電池スタック１００Ａは、発電ブロック１０３と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備えている。また、上側のエンドプレート１０４の表面Ｓ１０４に、外側断熱部材６０１Ａと内側断熱部材６０３Ａとから構成される断熱部材６０Ａを更に備えている。Ｚ軸方向視において、外側断熱部材６０１Ａは、燃料電池スタック１００Ａにおける外側部分ＯＰに配置され、内側断熱部材６０３Ａは、内側部分ＩＰに配置されている。外側断熱部材６０１Ａの厚みＨは、内側断熱部材６０３Ａの厚みＨ３と比較して大きい。換言すれば、例えば、外側断熱部材６０１Ａの形成材料における熱伝導率と、内側断熱部材６０３Ａの形成材料における熱伝導率とが同等である、または、外側断熱部材６０１Ａの形成材料における熱伝導率が、内側断熱部材６０３Ａの形成材料における熱伝導率よりも小さい構成において、外側断熱部材６０１Ａの断熱性能は、内側断熱部材６０３Ａの断熱性能と比較して高い。このため、Ｚ軸方向視において、比較的低温になりやすい燃料電池スタック１００Ａにおけるマニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に近い部分（外側断熱部材６０１Ａに重なる部分）からの放熱を抑制しつつ、比較的高温になりやすい燃料電池スタック１００Ａの中央部分（内側断熱部材６０３Ａに重なる部分）からの放熱を容易にすることができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００Ａによれば、単セル１１０の面内における温度分布のバラツキを抑制することができる。
Ｃ．第３実施形態：
図９は、第３実施形態における燃料電池スタック１００ＢのＸＺ断面構成を示す説明図であり、図１０は、第３実施形態における断熱部材６０Ｂの詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１０には、図９のＸ－Ｘの位置における燃料電池スタック１００ＢのＸＹ断面構成が示されている。なお、図１０には、図６および図８と同様に、説明の便宜上、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０に形成された各連通孔１０８およびガス室用孔（空気室用孔１３１および燃料室用孔１４１）を点線により図示しているが、実際の構成では、断熱部材６０Ｂおよび伝熱部材６３には、上記各連通孔１０８は形成されていない。
図９に示すように、第３実施形態の燃料電池スタック１００Ｂは、断熱部材６０Ａに代えて断熱部材６０Ｂを備えている点で、上述した第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａの構成と異なる。以下では、第３実施形態の燃料電池スタック１００Ｂの構成のうち、上述した実施形態の燃料電池スタック１００，１００Ａの構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
本実施形態の断熱部材６０Ｂは、上述の実施形態の断熱部材６０，６０Ａと同様に、伝熱部材６３の表面Ｓ６３に接触して配置されている。本実施形態の断熱部材６０Ｂは、外側断熱部材６０１Ｂと、内側断熱部材６０３Ｂとの別部材から構成されている。本実施形態において、外側断熱部材６０１Ｂは、第１実施形態の断熱部材６０および第２実施形態の外側断熱部材６０１Ａと同様の構成である。すなわち、外側断熱部材６０１Ｂは、略矩形（本実施形態では、Ｚ軸方向視において略正方形）の孔６１Ｂが形成されたフレーム状の部材であり、例えば、シリカ系材料により形成されている。外側断熱部材６０１Ｂの厚みＨ（板厚）は、例えば、３ｍｍ以上、２５ｍｍ以下である（図９参照）。外側断熱部材６０１Ｂの熱伝導率は、例えば、６００℃時に０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。外側断熱部材６０１Ｂは、Ｚ軸方向視において、外側部分ＯＰに重なるように配置されている。より具体的には、本実施形態において、外側断熱部材６０１Ｂは、Ｚ軸方向視において、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０における各フレーム部分と重なるように配置されている。なお、外側断熱部材６０１Ｂは、特許請求の範囲における第１の断熱部材に相当し、内側断熱部材６０３Ｂは、特許請求の範囲における第２の断熱部材に相当する。
内側断熱部材６０３Ｂは、略矩形（本実施形態では、Ｚ軸方向視において略正方形）の平板形状の部材であり、例えば、シリカ系材料により形成されている。内側断熱部材６０３ＢのＺ軸方向における厚みＨ（板厚）は、外側断熱部材６０１Ｂの厚みＨと同等である（図７参照）。内側断熱部材６０３Ｂの熱伝導率は、例えば、６００℃時に０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、１．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。内側断熱部材６０３Ｂは、Ｚ軸方向視において、内側部分ＩＰに重なるように配置されている。より具体的には、本実施形態において、内側断熱部材６０３Ｂは、Ｚ軸方向視において、単セル１１０が位置する部分のうち、電解質層１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なる部分と重なるように配置されている。本実施形態において、内側断熱部材６０３Ｂは、外縁６０３ｅが、外側断熱部材６０１Ｂの孔６１Ｂを画定する外縁に接するよう構成されている。
上述の通り、本実施形態の燃料電池スタック１００Ｂでは、外側断熱部材６０１Ｂの熱伝導率は、内側断熱部材６０３Ｂの熱伝導率と比較して小さい。より具体的には、外側断熱部材６０１Ｂの熱伝導率の値に対する、内側断熱部材６０３Ｂの熱伝導率の値の割合（（内側断熱部材６０３Ｂの熱伝導率値／外側断熱部材６０１Ｂの熱伝導率値）×１００）は、１０１％以上であり、好ましくは、１５０％以上である。
本実施形態の燃料電池スタック１００Ｂは、発電ブロック１０３と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備えている。また、上側のエンドプレート１０４の表面Ｓ１０４に、外側断熱部材６０１Ｂと内側断熱部材６０３Ｂとから構成される断熱部材６０Ｂを更に備えている。Ｚ軸方向視において、外側断熱部材６０１Ｂは、燃料電池スタック１００Ａにおける外側部分ＯＰに配置され、内側断熱部材６０３Ｂは、内側部分ＩＰに配置されている。外側断熱部材６０１Ｂの熱伝導率は、内側断熱部材６０３Ｂの熱伝導率と比較して小さい。換言すれば、例えば、外側断熱部材６０１Ｂの厚みＨと、内側断熱部材６０３Ｂの厚みＨとが同等である、または、外側断熱部材６０１Ｂの厚みＨが内側断熱部材６０３Ｂの厚みＨよりも大きい構成において、外側断熱部材６０１Ｂの断熱性能は、内側断熱部材６０３Ｂの断熱性能と比較して高い。このため、Ｚ軸方向視において、比較的低温になりやすい燃料電池スタック１００Ｂにおけるマニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に近い部分（外側断熱部材６０１Ｂに重なる部分）からの放熱を抑制しつつ、比較的高温になりやすい燃料電池スタック１００Ｂの中央部分（内側断熱部材６０３Ｂに重なる部分）からの放熱を容易にすることができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００Ｂによれば、単セル１１０の面内における温度分布のバラツキを抑制することができる。
第３実施形態において、外側断熱部材６０１Ｂの熱伝導率と、内側断熱部材６０３Ｂの熱伝導率とが異なる構成に代えて、または、これとともに、外側断熱部材６０１Ｂの密度と、内側断熱部材６０３Ｂの密度とが異なる構成を採用することができる。より具体的には、外側断熱部材６０１Ｂの密度が、内側断熱部材６０３Ｂの密度と比較して大きい構成とすることができる。このような構成において、外側断熱部材６０１Ｂの密度は、例えば、１ｇ／ｃｍ３以上、３ｇ／ｃｍ３以下であり、内側断熱部材６０３Ｂの密度は、例えば、０．１５ｇ／ｃｍ３以上、２ｇ／ｃｍ３以下である。より具体的には、内側断熱部材６０３Ｂの密度の値に対する、外側断熱部材６０１Ｂの密度の値の割合（（外側断熱部材６０１Ｂの密度値／内側断熱部材６０３Ｂの密度値）×１００）は、１０１％以上であり、好ましくは、１５０％以上である。
上記構成では、外側断熱部材６０１Ｂの密度は、内側断熱部材６０３Ｂの密度と比較して大きい。換言すれば、例えば、外側断熱部材６０１Ｂの厚みＨと、内側断熱部材６０３Ｂの厚みＨとが同等である構成において、外側断熱部材６０１Ｂの断熱性能は、内側断熱部材６０３Ｂの断熱性能と比較して高い。このため、Ｚ軸方向視において、比較的低温になりやすい燃料電池スタック１００Ｂにおけるマニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に近い部分（外側断熱部材６０１Ｂに重なる部分）からの放熱を抑制しつつ、比較的高温になりやすい燃料電池スタック１００の中央部分（内側断熱部材６０３Ｂに重なる部分）からの放熱を容易にすることができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００Ｂによれば、単セル１１０の面内における温度分布のバラツキを抑制することができる。
Ｄ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Ｄ－１．第１変形例：
図１１は、第１変形例の燃料電池スタック１００Ｃにおける断熱部材６０Ｃの詳細構成を示すＸＹ断面図である。なお、図１１には、図６、図８および図１０と同様に、説明の便宜上、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０に形成された各連通孔１０８およびガス室用孔（空気室用孔１３１および燃料室用孔１４１）を点線により図示しているが、実際の構成では、断熱部材６０Ｃおよび伝熱部材６３には、上記各連通孔１０８は形成されていない。
図１１に示すように、本変形例の燃料電池スタック１００Ｃは、断熱部材６０Ａに代えて断熱部材６０Ｃを備えている点で、上述した第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａの構成と異なる。以下では、本変形例の燃料電池スタック１００Ｃの構成のうち、上述した第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａの構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
本変形例の断熱部材６０Ｃは、上述の実施形態の断熱部材６０，６０Ａ，６０Ｂと同様に、伝熱部材６３の表面Ｓ６３に接触して配置されている。本変形例の断熱部材６０Ｃは、外側断熱部材６０１Ｃと、内側断熱部材６０３Ｃとの別部材から構成されている。本変形例において、外側断熱部材６０１Ｃは、孔６１Ｃの形状を除き、第２実施形態の外側断熱部材６０１Ａと同様の構成である。すなわち、外側断熱部材６０１Ｃは、例えば、シリカ系材料により形成されている。外側断熱部材６０１Ｃの厚み（板厚）は、例えば、３ｍｍ以上、２５ｍｍ以下である。外側断熱部材６０１Ｃは、Ｚ軸方向視において、外側部分ＯＰに重なるように配置されている。より具体的には、本変形例において、外側断熱部材６０１Ｃは、Ｚ軸方向視において、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０における各フレーム部分と重なるように配置されている。なお、外側断熱部材６０１Ｃは、特許請求の範囲における第１の断熱部材に相当し、内側断熱部材６０３Ｃは、特許請求の範囲における第２の断熱部材に相当する。
本変形例では、外側断熱部材６０１Ｃの孔６１Ｃの形状は、Ｚ軸方向視において略長方形である。より具体的には、孔６１Ｃは、Ｚ軸方向視において、各連通孔１０８（例えば、酸化剤ガス排出マニホールド１６２および燃料ガス導入マニホールド１７１）が配置された部分における外側断熱部材６０１Ｃの幅Ｗ１が、連通孔１０８が配置されていない部分における外側断熱部材６０１Ｃの幅Ｗ２と比較して大きくなるよう形成されている。外側断熱部材６０１Ｃの幅Ｗ１は、例えば、１０ｍｍ以上、５０ｍｍ以下であり、幅Ｗ２は、例えば、５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下である。
上記において、幅Ｗ１は、第１の辺Ｓ１の一部を構成する第１の部分外縁Ｐｏ１と、第１の部分外縁Ｐｏ１に対向する第１の部分内縁Ｐｉ１との最短距離である。また、幅Ｗ２は、第２の辺Ｓ２の一部を構成する第２の部分外縁Ｐｏ２と、第２の部分外縁Ｐｏ２に対向する第２の部分内縁Ｐｉ２との最短距離である。なお、第１の辺Ｓ１、第２の辺Ｓ２（および辺Ｓ３，Ｓ４）は、それぞれ、外側断熱部材６０１Ｃの外縁６０１ｅを構成する各辺である。第１の辺Ｓ１は、外縁６０１ｅを構成する４つの辺のうち、酸化剤ガス排出マニホールド１６２と燃料ガス導入マニホールド１７１との両方に最も近接している辺であり、第２の辺Ｓ２は、第１の辺Ｓ１に接続している辺である。また、第１の部分内縁Ｐｉ１および第２の部分内縁Ｐｉ２は、それぞれ、孔６１Ｃを画定する外縁の一部を構成している。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特定空気室用マニホールド用孔に相当し、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特定燃料室用マニホールド用孔に相当する。幅Ｗ１は、特許請求の範囲における第１の幅に相当し、幅Ｗ２は、特許請求の範囲における第２の幅に相当する。
内側断熱部材６０３Ｃは、Ｚ軸方向視における形状が略長方形である点を除き、第２実施形態の内側断熱部材６０３Ａと同様の構成である。すなわち、内側断熱部材６０３Ｃは、例えば、シリカ系材料により形成されている。内側断熱部材６０３ＣのＺ軸方向における厚み（板厚）は、例えば、１ｍｍ以上、２５ｍｍ以下である。内側断熱部材６０３Ｃは、Ｚ軸方向視において、内側部分ＩＰに重なるように配置されている。より具体的には、本変形例において、内側断熱部材６０３Ｃは、Ｚ軸方向視において、単セル１１０が位置する部分のうち、電解質層１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なる部分と重なるように配置されている。本変形例において、内側断熱部材６０３Ｃは、外縁６０３ｅが、外側断熱部材６０１Ｃの孔６１Ｃを画定する外縁に接するよう構成されている。
上記構成では、外側断熱部材６０１Ｃにおける幅Ｗ１が、幅Ｗ２と比較して大きい。このため、Ｚ軸方向視において、比較的低温になりやすい燃料電池スタック１００Ｃにおけるマニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に近い部分における断熱性能をより効果的に高め、マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に近い部分からの放熱をより効果的に抑制させることができる。従って、本変形例の燃料電池スタック１００Ｃによれば、単セル１１０の面内における温度分布のバラツキをより効果的に抑制することができる。
Ｄ－２．第２変形例：
図１２は、第２変形例の燃料電池スタック１００Ｄにおける断熱部材６０Ｄの詳細構成を示すＸＹ断面図である。なお、図１２には、図６、図８および図１０と同様に、説明の便宜上、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０に形成された各連通孔１０８およびガス室用孔（空気室用孔１３１および燃料室用孔１４１）を点線により図示しているが、実際の構成では、断熱部材６０Ｄおよび伝熱部材６３には、上記各連通孔１０８は形成されていない。
図１２に示すように、第２変形例の燃料電池スタック１００Ｄは、断熱部材６０Ａに代えて断熱部材６０Ｄを備えている点で、上述した第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａの構成と異なる。以下では、本変形例の燃料電池スタック１００Ｄの構成のうち、上述した第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａの構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
本変形例の断熱部材６０Ｄは、上述の実施形態の断熱部材６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃと同様に、伝熱部材６３の表面Ｓ６３に接触して配置されている。本変形例の断熱部材６０Ｄは、外側断熱部材６０１Ｄと、内側断熱部材６０３Ｄとの別部材から構成されている。本変形例において、外側断熱部材６０１Ｄは、第２実施形態の外側断熱部材６０１Ａと同様の構成である。すなわち、外側断熱部材６０１Ｄは、例えば、シリカ系材料により形成されている。外側断熱部材６０１Ｄの厚み（板厚）は、例えば、３ｍｍ以上、２５ｍｍ以下である。外側断熱部材６０１Ｄは、Ｚ軸方向視において、外側部分ＯＰに重なるように配置されている。より具体的には、本変形例において、外側断熱部材６０１Ｄは、Ｚ軸方向視において、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０における各フレーム部分と重なるように配置されている。なお、外側断熱部材６０１Ｄは、特許請求の範囲における第１の断熱部材に相当し、内側断熱部材６０３Ｄは、特許請求の範囲における第２の断熱部材に相当する。
内側断熱部材６０３Ｄは、Ｚ軸方向に貫通する複数の貫通孔６０３Ｈが形成された、略矩形（本実施形態では、Ｚ軸方向視において略正方形）の平板形状の部材であり、例えば、シリカ系材料により形成されている。内側断熱部材６０３ＤのＺ軸方向における厚み（板厚）は、外側断熱部材６０１Ｄの厚みと同等である。内側断熱部材６０３Ｂは、Ｚ軸方向視において、内側部分ＩＰに重なるように配置されている。より具体的には、本実施形態において、内側断熱部材６０３Ｄは、Ｚ軸方向視において、単セル１１０が位置する部分のうち、電解質層１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なる部分と重なるように配置されている。本変形例において、内側断熱部材６０３Ｄは、外縁６０３ｅが、外側断熱部材６０１Ｄの孔６１Ｄを画定する外縁に接するよう構成されている。
上述の通り、本変形例の燃料電池スタック１００Ｄでは、内側断熱部材６０３Ｄには、複数の貫通孔６０３Ｈが形成されている。換言すれば、貫通孔６０３Ｈは、内側断熱部材６０３ＤにおけるＺ軸方向に略直交する上面と、下面との両方に開口している。貫通孔６０３Ｈの数は、例えば、１以上、５０以下である。貫通孔６０３Ｈの直径は、２ｍｍ以上、８０ｍｍ以下である。本変形例の内側断熱部材６０３Ｄには、貫通孔６０３Ｈが形成されているため、内側断熱部材６０３Ｄにおける単位体積当たりの断熱材充填率は、外側断熱部材６０１Ｄにおける単位体積当たりの断熱材充填率と比較して、低い。例えば、内側断熱部材６０３Ｄの上記断熱材充填率は、例えば、５％以上、９０％以下である。また、外側断熱部材６０１Ｄの上記断熱材充填率の値に対する、内側断熱部材６０３Ｄの断熱材充填率の値の割合（（内側断熱部材６０３Ｄの上記断熱材充填率値／外側断熱部材６０１Ｄの上記断熱材充填率値）×１００）は、５％以上であり、好ましくは、１０％以上である。
上記構成では、上述の通り、内側断熱部材６０３Ｄには貫通孔６０３Ｈがあるため、内側断熱部材６０３Ｄにおける上記断熱材充填率が、外側断熱部材６０１Ｄにおける上記断熱材充填率と比較して、低くなる。このため、Ｚ軸方向視において、比較的低温になりやすい燃料電池スタック１００Ｄにおけるマニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に近い部分（外側断熱部材６０１Ｄに重なる部分）からの放熱を抑制しつつ、比較的高温になりやすい燃料電池スタック１００Ｄの中央部分（内側断熱部材６０３Ｄに重なる部分）からの放熱を容易にすることができる。従って、本変形例の燃料電池スタック１００Ｄによれば、単セル１１０の面内における温度分布のバラツキを抑制し、ひいては、単セル１１０の劣化や、単セル１１０の発電効率の低下を抑制することができる。
Ｄ－３．その他変形例：
上記実施形態および第１変形例では、断熱部材６０や、外側断熱部材６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃ，６０１Ｄを、上側のエンドプレート１０４の表面Ｓ１０４に備えているが、これに限定されない。例えば、これに代えて、または、これとともに、断熱部材６０や、外側断熱部材６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃ，６０１Ｄを、下側のエンドプレート１０６の下方向側の表面に備えていてもよい。上記第１変形例において、内側断熱部材６０３Ｃが省略されていてもよい。
上記実施形態および変形例において、断熱部材６０や、外側断熱部材６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃ，６０１Ｄは、内側部分ＩＰを完全に取り囲んでいる構成でなくてもよい。例えば、外側断熱部材６０１Ｃ等の幅方向（例えば、幅Ｗ１の方向）にスリットが形成されていてもよい。また、外側断熱部材６０１Ｃ等の一部が部分的に欠損していることにより、外側部分ＯＰにおける伝熱部材６３が露出している構成であってもよい。これと同様に、外側断熱部材６０１Ｃ等の一部が部分的に欠損していることにより、内側部分ＩＰにおける伝熱部材６３が露出している構成であってもよい。
上記実施形態および変形例において、断熱部材６０や、外側断熱部材６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃ，６０１Ｄに形成された孔６１，６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄの大きさおよび形状は特に限定されない。例えば、断熱部材６０の孔６１の形状は、Ｚ軸方向視において、略長方形であってもよい。また、外側断熱部材６０１Ｃの孔６１Ｃの形状は、Ｚ軸方向視において、略正方形であってもよい。このような構成において、外側断熱部材６０１Ｃ（ひいては、燃料電池スタック１００Ｃ）は、Ｚ軸方向視において、第１の辺Ｓ１の長さが第２の辺Ｓ２の長さより短い略長方形の形状を有する。また、例えば、Ｚ軸方向視において、断熱部材６０の孔６１の内縁は、セパレータ１２０の孔１２１の内縁より内側（中心ＰＯ側）に位置していてもよく、また、外側に位置していてもよい。他の例として、Ｚ軸方向視において、断熱部材６０の孔６１の内縁は、空気極側フレーム１３０または燃料極側フレーム１４０の空気室用孔１３１または燃料室用孔１４１の内縁に重なっていてもよい。また、断熱部材６０は、空気極側フレーム１３０と燃料極側フレーム１４０との少なくとも一方に重なっていなくてもよい。外側断熱部材６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃ，６０１Ｄについても、上記と同様である。
上記実施形態および変形例において、例えば、燃料電池スタック１００は、伝熱部材６３を備えない構成としてもよい。
上記第２変形例において、貫通孔６０３Ｈの数および直径は特に限定されない。また、貫通孔６０３Ｈに代えて、または、貫通孔６０３Ｈとともに有底孔が形成されていてもよい。当該有底孔は、内側断熱部材６０３Ｄの上面と、下面とのいずれに開口していてもよいが、上面に開口していることが好ましい。換言すれば、伝熱部材６３から内側断熱部材６０３Ｄへの放熱がより容易である観点から、内側断熱部材６０３Ｄの下面と、伝熱部材６３の表面Ｓ６３との接触面積は、大きい方が好ましい。
第２実施形態において、断熱部材６０Ａを構成する外側断熱部材６０１Ａと内側断熱部材６０３Ａとは、一体に形成されていてもよい。これと同様に、第３実施形態および変形例においても、断熱部材を構成する外側断熱部材と内側断熱部材とは、一体に形成されていてもよい。
第２実施形態において、内側断熱部材６０３Ａは、外縁６０３ｅが、外側断熱部材６０１Ａの孔６１Ａを画定する外縁に接していなくてもよい。これと同様に、第３実施形態および変形例においても、内側断熱部材は、その外縁が、外側断熱部材の孔を画定する外縁に接していなくてもよい。
上記実施形態および変形例において、空気極側フレーム１３０には、空気室用孔１３１と、酸化剤ガス供給連通流路１３２と、酸化剤ガス排出連通流路１３３との少なくとも１つが形成されていなくてもよい。これと同様に、燃料極側フレーム１４０には、燃料室用孔１４１と、燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料ガス排出連通流路１４３との少なくとも１つが形成されていなくてもよい。
上記実施形態および変形例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。例えば、断熱部材６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃが、シリカ系材料以外の材料により形成されていてもよい。また、外側断熱部材６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃの形成材料は、外側断熱部材６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃが内側断熱部材６０３Ａ，６０３Ｂ，６０３Ｃと比較して高い断熱性を有する限りにおいて、それぞれ、内側断熱部材６０３Ａ，６０３Ｂ，６０３Ｃの形成材料と同一であってもよく、また、異なっていてもよい。
また、上記実施形態および変形例では、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、上記実施形態および変形例では、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向とが略反対方向であるカウンターフロータイプを例に挙げて説明しているが、本発明は、他のタイプ（上記２つの流れ方向が略同一方向であるコフロータイプや上記２つの流れ方向が交差するクロスフロータイプ等）にも適用可能である。
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ともに、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、各電解単セル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単セルにおいても、本発明を適用することにより上記効果を得ることができる。
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、本明細書に開示される技術は、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 ２４：頭部 ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 ６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ，６０Ｄ：断熱部材 ６１，６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄ：孔 ６３：伝熱部材 １００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ：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 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：空気室用孔 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：空気極側集電部材 １３５：集電部材要素 １４０：燃料極側フレーム １４１：燃料室用孔 １４２：燃料ガス供給連通流路 １４３：燃料ガス排出連通流路 １４４：燃料極側集電部材 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４９：スペーサ 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 ４１０，４２０：ターミナルプレート ５１０，５２０：絶縁シート ６０１Ａ，６０１Ｂ，６０１Ｃ，６０１Ｄ：外側断熱部材 ６０１ｅ：外縁 ６０３Ａ，６０３Ｂ，６０３Ｃ，６０３Ｄ：内側断熱部材 ６０３Ｈ： 貫通孔 ６０３ｅ：外縁 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＩＰ：内側部分 ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス ＯＰ：外側部分 Ｓ１０４：表面 Ｓ６３：表面

Claims (8)

  1. 第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第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電気化学反応単セルと、前記第１の方向視において、前記電解質層と、前記空気極と、前記燃料極とが互いに重なる領域を取り囲むフレーム部分を有するガス流通部材であって、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室に供給または前記ガス室から排出されるガスが通るマニホールドを構成するマニホールド用孔が前記フレーム部分に形成されたガス流通部材と、を有する、電気化学反応ブロックと、
    前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、
    を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記第１の方向において、前記一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材の表面のうちの前記電気化学反応ブロックとは反対側の表面である特定表面側に配置され、かつ、断熱性を有する第１の断熱部材、を備え、
    前記第１の断熱部材は、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックにおける、前記電気化学反応セルスタックの中心を含む内側部分の外側に位置しており、
    前記第１の断熱部材と隣り合う前記内側部分は空洞である、
    ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
  2. 第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第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電気化学反応単セルと、前記第１の方向視において、前記電解質層、前記空気極、及び前記燃料極が互いに重なる領域を取り囲むように配置されているフレーム部分を有するガス流通部材であって、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室に供給または前記ガス室から排出されるガスが通るマニホールドを構成するマニホールド用孔が前記フレーム部分に形成されたガス流通部材と、を有する、電気化学反応ブロックと、
    前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、
    を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記第１の方向において、前記一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材の表面のうちの前記電気化学反応ブロックとは反対側の表面である特定表面側に配置され、かつ、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックの中心を含む内側部分の外側に位置する第１の断熱部材であって、断熱性を有する第１の断熱部材と、
    前記特定表面側に配置され、かつ、前記内側部分に位置する第２の断熱部材であって、断熱性を有する第２の断熱部材と、を備え、
    前記第１の断熱部材の厚みは、前記第２の断熱部材の厚みと比較して大きい、
    ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
  3. 第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第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電気化学反応単セルと、前記第１の方向視において、前記電解質層、前記空気極、及び前記燃料極が互いに重なる領域を取り囲むように配置されているフレーム部分を有するガス流通部材であって、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室に供給または前記ガス室から排出されるガスが通るマニホールドを構成するマニホールド用孔が前記フレーム部分に形成されたガス流通部材と、を有する、電気化学反応ブロックと、
    前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、
    を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記第１の方向において、前記一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材の表面のうちの前記電気化学反応ブロックとは反対側の表面である特定表面側に配置され、かつ、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックの中心を含む内側部分の外側に位置する第１の断熱部材であって、断熱性を有する第１の断熱部材と、
    前記特定表面側に配置され、かつ、前記内側部分に位置する第２の断熱部材であって、断熱性を有する第２の断熱部材と、を備え、
    前記第１の断熱部材の熱伝導率は、前記第２の断熱部材の熱伝導率と比較して小さい、
    ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
  4. 第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第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電気化学反応単セルと、前記第１の方向視において、前記電解質層、前記空気極、及び前記燃料極が互いに重なる領域を取り囲むように配置されているフレーム部分を有するガス流通部材であって、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極に面するガス室に供給または前記ガス室から排出されるガスが通るマニホールドを構成するマニホールド用孔が前記フレーム部分に形成されたガス流通部材と、を有する、電気化学反応ブロックと、
    前記電気化学反応ブロックを挟んで前記第１の方向に互いに対向する一対のエンド部材であって、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部分に重なるように配置された一対のエンド部材と、
    を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
    前記第１の方向において、前記一対のエンド部材の少なくとも一方である特定エンド部材の表面のうちの前記電気化学反応ブロックとは反対側の表面である特定表面側に配置され、かつ、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックの中心を含む内側部分の外側に位置する第１の断熱部材であって、断熱性を有する第１の断熱部材と、
    前記特定表面側に配置され、かつ、前記内側部分に位置する第２の断熱部材であって、断熱性を有する第２の断熱部材と、を備え、
    前記第２の断熱部材には、前記第２の断熱部材における前記第１の方向に略直交する第１の表面と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面との少なくとも一方に開口する貫通孔と有底孔との少なくとも一方が形成されている、
    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の方向視において、前記第１の断熱部材は、前記内側部分を取り囲むように配置されている、
    ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
  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、
    前記第１の方向視において、前記第１の断熱部材の少なくとも一部分は、前記フレーム部分と重なっている、
    ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
  7. 請求項１から請求項６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、
    前記フレーム部分には、前記マニホールド用孔として、
    前記第１の方向視において、前記電気化学反応単セルを挟んで対向する第１の側と第２の側とにそれぞれ位置する２つの空気室用マニホールド用孔であって、それぞれ、前記空気極に面する空気室に供給または前記空気室から排出されるガスが通る２つの空気室用マニホールド用孔と、
    前記第１の方向視において、前記第１の側と前記第２の側とにそれぞれ位置する２つの燃料室用マニホールド用孔であって、それぞれ、前記燃料極に面する燃料室に供給または前記燃料室から排出されるガスが通る２つの燃料室用マニホールド用孔と、を有し、
    前記第１の方向視において、前記第１の断熱部材は、４つの辺を有する略矩形状の外縁を有し、
    前記第１の断熱部材の外縁を構成する４つの辺のうち、前記２つの空気室用マニホールド用孔のうちの前記第１の側に位置する特定空気室用マニホールド用孔と、前記２つの燃料室用マニホールド用孔のうちの前記第１の側に位置する特定燃料室用マニホールド用孔と、の両方に最も近接する辺を第１の辺とし、
    前記第１の断熱部材の外縁のうちの前記第１の辺に接続する辺を第２の辺とし、
    前記第１の辺の一部を構成する第１の部分外縁と、前記第１の部分外縁に対向する前記第１の断熱部材の第１の部分内縁との間の最短距離を第１の幅とし、
    前記第２の辺の一部を構成する第２の部分外縁と、前記第２の部分外縁に対向する前記第１の断熱部材の第２の部分内縁との間の最短距離を第２の幅としたとき、
    前記第１の幅は、前記第２の幅と比較して大きい、
    ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
  8. 請求項１から請求項７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、
    前記特定表面に配置され、かつ、前記第１の方向視において、前記電気化学反応セルスタックの少なくとも中央に重なる領域に配置された伝熱部材であって、前記特定エンド部材の熱伝導率より高い熱伝導率を有する伝熱部材、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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