(57)【要約】      （修正有）【課題】単セルの変形や割れを抑制し、かつ、ガス室においてガス流路が狭くなることを抑制し、ひいては、発電単位の性能を向上させる、電気化学反応単位および電気化学反応セルスタックの提供。【解決手段】電気化学反応単位は、単セル１１０と、インターコネクタ１５０と、第１のセパレータ１２０と、第２のセパレータ１８０とを備える。第１のセパレータは、第１の内側部１２６および第１の外側部１２７と、第１の内側部と第１の外側部とを連結し、かつ、第１の内側部と第１の外側部との両方に対して、第１の方向の一方側に突出している第１の連結部１２８とを有する。第２のセパレータは、第２の内側部１８６および第２の外側部１８７と、第２の内側部と第２の外側部とを連結し、かつ、第２の内側部と第２の外側部との両方に対して、第１の方向の一方側に突出している第２の連結部１８８とを有する。第２の連結部は、更に、第１の連結部から離間している。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項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、を含む電気化学反応単セルと、
前記電気化学反応単セルの前記第１の方向に配置されたインターコネクタと、
前記第１の方向に貫通する第１の貫通孔が形成された第１のセパレータであって、前記第１の貫通孔を取り囲む部分である第１の貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの周縁部と接合されることにより、前記空気極と前記燃料極との一方である第１の電極に面する第１のガス室と、前記空気極と前記燃料極との他方である第２の電極に面する第２のガス室とを区画する第１のセパレータと、
前記第１の方向に貫通する第２の貫通孔が形成された第２のセパレータであって、前記第２の貫通孔を取り囲む部分である第２の貫通孔周囲部が前記インターコネクタの周縁部と接合されることにより、前記第２のガス室と、隣接する他の前記電気化学反応単セルの前記第１の電極に面する前記第１のガス室とを区画する第２のセパレータと、
を備える電気化学反応単位において、
前記第１のセパレータは、
前記第１の貫通孔周囲部を含む第１の内側部と、
前記第１の内側部より外周側に位置する第１の外側部と、
前記第１の内側部と前記第１の外側部とを連結し、かつ、前記第１の内側部と前記第１の外側部との両方に対して、前記第１の方向の一方側に突出している第１の連結部と、を有し、
前記第２のセパレータは、
前記第２の貫通孔周囲部を含む第２の内側部と、
前記第２の内側部より外周側に位置する第２の外側部と、
前記第２の内側部と前記第２の外側部とを連結し、かつ、前記第２の内側部と前記第２の外側部との両方に対して、前記第１の方向の前記一方側に突出しており、かつ、前記第１の連結部から離間している第２の連結部と、を有する、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項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の方向視において、前記第１の連結部の少なくとも一部分は、前記第２の連結部の少なくとも一部分と重なっている、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項３】
請求項２に記載の電気化学反応単位において、
前記第１の内側部と前記第２の内側部との間の前記第１の方向における距離と、前記第１の連結部の最突出部と前記第２の連結部の最突出部との間の前記第１の方向における距離と、前記第１の外側部と前記第２の外側部との間の前記第１の方向における距離とは、互いに略同一である、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項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単位において、
前記第１の内側部と前記第１の外側部との前記第１の方向における位置は、互いに略同一であり、
前記第２の内側部と前記第２の外側部との前記第１の方向における位置は、互いに略同一である、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項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、さらに、
前記第１の方向に貫通するガス室用孔であって、前記第１のガス室を構成するガス室用孔が形成されたフレーム部材、
を備え、
前記第１の方向視での前記電気化学反応単セルの中心点を通り、かつ、前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記第１の内側部における、前記第１の内側部と前記第１の連結部との境界と前記電気化学反応単セルの外縁との間の前記第１の方向に直交する第２の方向における長さは、前記第１の外側部における、前記第１の外側部と前記第１の連結部との境界と前記フレーム部材の内縁との間の前記第２の方向における長さより短い、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項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単位において、
前記第１の貫通孔周囲部における前記第１の方向の前記一方側の表面は、ロウ材を含む第１の接合部を介して、前記電気化学反応単セルの周縁部における前記第１の方向の他方側の表面に接合されている、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項７】
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６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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）と、インターコネクタとを備える。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２つの電極（空気極および燃料極）とを含む。インターコネクタは、隣り合う他の発電単位との電気的接続を確保しつつ反応ガスの混合を防止する。
【０００３】
発電単位は、第１のセパレータと、第２のセパレータとを備える。第１のセパレータには、第１の方向に貫通する第１の貫通孔が形成されている。第１のセパレータは、第１の貫通孔を取り囲む部分である第１の貫通孔周囲部が単セルの周縁部と接合されることにより、空気極と燃料極との一方である第１の電極に面する第１のガス室と、空気極と燃料極との他方である第２の電極に面する第２のガス室とを区画する。また、第２のセパレータには、第１の方向に貫通する第２の貫通孔が形成されている。第２のセパレータは、第２の貫通孔を取り囲む部分である第２の貫通孔周囲部がインターコネクタの周縁部と接合されることにより、第２のガス室と、隣接する他の単セルの第１の電極に面する第１のガス室とを区画する。
【０００４】
上記構成の発電単位において、応力集中による単セルの変形や割れを抑制するために、それぞれに備えられたセパレータに連結部（屈曲部）を設けた構成が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１では、さらに、互いに絶縁された２つのセパレータが接触することにより短絡することを防止するために、互いに絶縁された２つのセパレータの連結部（屈曲部）同士を互いに逆方向に突出させた構成を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１５３６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、発電単位では、第１のガス室および第２のガス室におけるガスの流れを安定的かつ良好とすることにより、第１の電極および第２の電極における反応を安定的かつ効率的に進行させることができる。しかしながら、上記従来の構成では、電気的に接続されている２つのセパレータの連結部（屈曲部）が互いに対向する方向へ突出している、すなわち、同じガス室に向かって突出している。このため、当該ガス室におけるガス流路が狭くなる（以下、「ガス流路の狭窄」ともいう）。このガス流路の狭窄は、当該ガス室における安定的かつ良好なガスの流入を阻害し、この結果、当該ガス室が面しているセル面における反応効率が低下する原因となりうる。また、当該ガス室におけるガス流路の狭窄は、発電単位の圧力損失の増大を招き、この結果、発電単位の性能低下の原因となりうる。すなわち、セパレータが連結部（屈曲部）を有する構成において、ガス流路の狭窄が一因となり、発電単位の性能を充分に向上させることができず、さらなる性能向上の余地がある。
【０００７】
なお、このような課題は、燃料電池発電単位に限らず、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、固体酸化物形に限らず、他のタイプの電気化学反応単位にも共通の課題である。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
（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、を含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記第１の方向に配置されたインターコネクタと、前記第１の方向に貫通する第１の貫通孔が形成された第１のセパレータであって、前記第１の貫通孔を取り囲む部分である第１の貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの周縁部と接合されることにより、前記空気極と前記燃料極との一方である第１の電極に面する第１のガス室と、前記空気極と前記燃料極との他方である第２の電極に面する第２のガス室とを区画する第１のセパレータと、前記第１の方向に貫通する第２の貫通孔が形成された第２のセパレータであって、前記第２の貫通孔を取り囲む部分である第２の貫通孔周囲部が前記インターコネクタの周縁部と接合されることにより、前記第２のガス室と、隣接する他の前記電気化学反応単セルの前記第１の電極に面する前記第１のガス室とを区画する第２のセパレータと、を備える電気化学反応単位において、前記第１のセパレータは、前記第１の貫通孔周囲部を含む第１の内側部と、前記第１の内側部より外周側に位置する第１の外側部と、前記第１の内側部と前記第１の外側部とを連結し、かつ、前記第１の内側部と前記第１の外側部との両方に対して、前記第１の方向の一方側に突出している第１の連結部と、を有し、前記第２のセパレータは、前記第２の貫通孔周囲部を含む第２の内側部と、前記第２の内側部より外周側に位置する第２の外側部と、前記第２の内側部と前記第２の外側部とを連結し、かつ、前記第２の内側部と前記第２の外側部との両方に対して、前記第１の方向の前記一方側に突出しており、かつ、前記第１の連結部から離間している第２の連結部と、を有する。
【００１１】
本電気化学反応単位によれば、第１の方向において、第１のセパレータの第１の連結部が第１の内側部と第１の外側部との両方に対して、第１の方向の一方側（例えば下方側）に突出しているため、第１のセパレータの第１の連結部が第１の方向に直交する第２の方向（例えば面方向）に容易に伸び縮みするバネのように機能し、第１のセパレータが第１の連結部の位置で第２の方向に変形することを可能にする。このため、熱サイクルやヒートショック等によって電気化学反応単セルを第２の方向に変形させる荷重がかかった場合に、第１のセパレータが応力を緩和する機能（応力緩和機能）を発揮することができる。すなわち、電気化学反応単セルに接合している第１のセパレータは主として第１の連結部が第１の方向に撓むことにより第１の連結部の位置で第２の方向に変形し、電気化学反応単セルにかかる応力を緩和することができる。これにより、電気化学反応単セルの変形や割れを抑制することができる。
【００１２】
本電気化学反応単位によれば、第１の方向において、第２のセパレータの第２の連結部が第２の内側部と第２の外側部との両方に対して、第１の方向の上記一方側（例えば下方側）に突出しているため、第１のセパレータと同様に、第２のセパレータが第２の連結部の位置で第２の方向（例えば面方向）に変形することを可能とする。このため、熱サイクルやヒートショック等によってインターコネクタを第２の方向に変形させる荷重がかかった場合に、第２のセパレータが応力緩和機能を発揮することができる。このように、インターコネクタへの応力が緩和されることにより、インターコネクタと電気化学反応単セルとの間に介在する空気極側集電体を介して、当該応力が電気化学反応単セルへかかることを抑制することができる。これにより、電気化学反応単セルの変形や割れを抑制することができる。
【００１３】
本電気化学反応単位によれば、さらに、第１の方向において、第１のセパレータの第１の連結部と、第２のセパレータの第２の連結部とが、互いに同じ方向（例えば下方向）に突出している。このため、第１のセパレータおよび第２のセパレータが共に応力緩和機能を発揮する際、すなわち、第１の連結部および第２の連結部の両方が上記同じ方向（例えば下方向）に撓む際であっても、第１のガス室および第２のガス室のいずれのガス室においても、第１の連結部および第２の連結部の両方によりガス流路が狭窄されることを抑制することができる。これにより、第１のガス室および第２のガス室における安定的かつ良好なガスの流入が阻害されることを抑制し、ひいては、第１のガス室および第２のガス室が面している電気化学反応単セル面における反応効率の低下を抑制することができる。また、ガス流路の狭窄が抑制されることにより、電気化学反応単位の圧力損失が増大することを抑制し、この結果、電気化学反応単位の性能低下を抑制しうる。従って、本電気化学反応単位では、電気化学反応単セルの変形や割れを抑制しつつ、電気化学反応単セル面における反応効率の低下を抑制し、かつ、電気化学反応単位の圧力損失が増大することを抑制し、ひいては、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。
【００１４】
（２）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向視において、前記第１の連結部の少なくとも一部分は、前記第２の連結部の少なくとも一部分と重なっている構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第１の連結部および第２の連結部が第１の方向に撓んだ場合であっても、第１のセパレータの第１の連結部と第２のセパレータとの離間距離および第２のセパレータの第２の連結部と第２のセパレータとの離間距離を確保し易い構造を実現できる。このため、ガス流路の確保が容易となり、ひいては、電気化学反応単セル面における反応効率の低下を効果的に抑制することができる。また、ガス流路の確保が容易となることにより、電気化学反応単位の圧力損失が増大することを効果的に抑制することができる。更には、第１の連結部および第２の連結部の第１の方向への突出深さを深くすることが可能となり、ひいては、応力緩和機能を効果的に発揮させることができうる。従って、本電気化学反応単位では、電気化学反応単セルの変形や割れを効果的に抑制しつつ、電気化学反応単セル面における反応効率の低下を効果的に抑制し、かつ、電気化学反応単位の圧力損失が増大することを効果的に抑制し、ひいては、電気化学反応単位の性能を効果的に向上させることができる。
【００１５】
（３）上記電気化学反応単位において、前記第１の内側部と前記第２の内側部との間の前記第１の方向における距離と、前記第１の連結部の最突出部と前記第２の連結部の最突出部との間の前記第１の方向における距離と、前記第１の外側部と前記第２の外側部との間の前記第１の方向における距離とは、互いに略同一である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第１のガス室および第２のガス室の両方において、ガスの流れ方向における各断面である、第１の内側部と第２の内側部との間に形成されるガス流路断面と、第１の外側部と第２の外側部との間に形成されるガス流路断面と、第１の連結部と第２の連結部との間に形成されるガス流路断面とにおける各断面積が互いに略同一となる構成を実現できる。このため、第１のガス室および第２のガス室におけるガス流れの安定性を向上させることができ、電気化学反応単セル面における反応効率の低下を更に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、電気化学反応単セル面における反応効率の低下を更に効果的に抑制し、ひいては、電気化学反応単位の性能を更に効果的に向上させることができる。
【００１６】
（４）上記電気化学反応単位において、前記第１の内側部と前記第１の外側部との前記第１の方向における位置は、互いに略同一であり、前記第２の内側部と前記第２の外側部との前記第１の方向における位置は、互いに略同一である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、ガス流れの方向が、第２の方向と略平行となる構成を実現できる。このため、第１のガス室および第２のガス室におけるガス流れの安定性を更に向上させることができ、電気化学反応単セル面における反応効率の低下を更に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、電気化学反応単セル面における反応効率の低下を更に効果的に抑制し、ひいては、電気化学反応単位の性能を更に効果的に向上させることができる。
【００１７】
（５）上記電気化学反応単位において、さらに、前記第１の方向に貫通するガス室用孔であって、前記第１のガス室を構成するガス室用孔が形成されたフレーム部材、を備え、前記第１の方向視での前記電気化学反応単セルの中心点を通り、かつ、前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記第１の内側部における、前記第１の内側部と前記第１の連結部との境界と前記電気化学反応単セルの外縁との間の前記第２の方向における長さは、前記第１の外側部における、前記第１の外側部と前記第１の連結部との境界と前記フレーム部材の内縁との間の前記第２の方向における長さより短い構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、熱サイクルやヒートショック等により、第１のセパレータに応力がかかる際、その応力は第１のセパレータの第１の連結部に集中する傾向がある。本電気化学反応単位によれば、第１の連結部が、第１のセパレータにおいて電気化学反応単セルからより離れた外周側に位置するのではなく、電気化学反応単セルに近い位置に位置することで、第１の連結部にかかる応力を抑制し、第１の連結部の割れを抑制することができる。また、本電気化学反応単位によれば、第１の連結部が、第１のセパレータにおいて電気化学反応単セルからより離れた外周側に位置するのではなく、電気化学反応単セルに近い位置に位置することで、電気化学反応単セルにかかる応力を抑制し、電気化学反応単セルの変形や割れ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、第１の連結部の割れや、電気化学反応単セルの変形や割れを更に効果的に抑制し、ひいては、電気化学反応単位の性能を更に効果的に向上させることができる。
【００１８】
（６）上記電気化学反応単位において、前記第１の貫通孔周囲部における前記第１の方向の前記一方側の表面は、ロウ材を含む第１の接合部を介して、前記電気化学反応単セルの周縁部における前記第１の方向の他方側の表面に接合されている構成としてもよい。上述したように、第１のセパレータに応力がかかり、第１のセパレータが第１の連結部の位置で第２の方向に変形する際、第１の連結部には第１の方向の一方向（例えば下方向）の応力がかかる。本電気化学反応単位によれば、第１の連結部にかかる応力の方向（例えば下方向）と第１のセパレータの電気化学反応単セルからの剥離方向（例えば上方向）とが略反対方向となる構成を採用している。このため、第１の方向において上記一方側（例えば下方側）に突出している第１の連結部に第１の方向において上記一方側（例えば下方側）への応力がかかった際に、第１のセパレータが電気化学反応単セルから剥離しにくい。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を向上させることができると共に、第１のセパレータの電気化学反応単セルからの剥離を抑制することができる。
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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２】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３】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４】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５】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６】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７】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８】第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０の詳細構成を示すＸＺ断面図である。
【図９】変形例における第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０の詳細構成を示すＸＺ断面図である。
【図１０】変形例における第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０の詳細構成を示すＸＺ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
Ａ．第１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（および後述する図６，図７）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，図７）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。また、本明細書では、Ｚ軸に直交する方向を面方向という。面方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。
【００２２】
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、「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。
【００２３】
燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸回りの周縁部には、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を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。
【００２４】
各連通孔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の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２および図３に示すように、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の上端を構成するエンドプレート１０４の上側表面との間、および、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の下端を構成するエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。ただし、後述のガス通路部材２７が設けられた箇所では、ナット２４とエンドプレート１０６の表面との間に、ガス通路部材２７とガス通路部材２７の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート２６とが介在している。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。
【００２５】
各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。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ボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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、空気が使用される。また、本実施形態では、酸化剤ガス導入マニホールド１６１への酸化剤ガスＯＧの導入のために、ブロワ（図示せず）が用いられる。また、酸化剤ガスＯＧが酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入される前に、熱交換（例えば、燃料電池スタック１００から排出された酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとを燃焼させたときに発生する熱との熱交換）を利用して、酸化剤ガスＯＧの予加熱が行われるとしてもよい。なお、空気室１６６は、特許請求の範囲における第１のガス室に相当する。
【００２６】
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ボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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に供給す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ボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、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。なお、燃料室１７６は、特許請求の範囲における第２のガス室に相当する。
【００２７】
燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部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。また、図２に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成するボルト２２Ａの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を形成するボルト２２Ｂの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。また、図３に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１を形成するボルト２２Ｄの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２を形成するボルト２２Ｅの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。
【００２８】
（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。
【００２９】
（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。
【００３０】
図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、第１のセパレータ１２０と、第２のセパレータ１８０と、空気極側フレーム部材１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム部材１４０と、燃料極側集電体１４４と、一対のインターコネクタ１５０とを備えている。第１のセパレータ１２０、第２のセパレータ１８０、空気極側フレーム部材１３０、燃料極側フレーム部材１４０におけるＺ軸回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。なお、上述したように、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２を備えているため、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）単セル１１０を備えていると言える。
【００３１】
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）。
【００３２】
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、平板型の単セルであり、また、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。なお、単セル１１０は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルに相当する。また、空気極１１４は、特許請求の範囲における第１の電極に相当し、燃料極１１６は、特許請求の範囲における第２の電極に相当する。
【００３３】
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。このように、本実施形態の単セル１１０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。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））により形成されている。本実施形態では、Ｚ軸方向視での空気極１１４の面積は、比較的大きく、より具体的には１３０ｃｍ２以上である。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。
【００３４】
第１のセパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の第１の貫通孔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。第１のセパレータ１２０は、第１のセパレータ１２０における第１の貫通孔１２１を取り囲む部分である第１の貫通孔周囲部１２２（図８参照）を有する。第１の貫通孔周囲部１２２の表面の内の下方向側の表面は、単セル１１０を構成する電解質層１１２における空気極１１４に対向する側（上側）の表面の周縁部に対向している。第１のセパレータ１２０は、第１の貫通孔周囲部１２２に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）を含む第１の接合部１２４により、単セル１１０（電解質層１１２）と接合されている。第１のセパレータ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の周縁部における空気室１６６から燃料室１７６へのガスのリークが抑制される。
【００３５】
第１の接合部１２４に対して空気室１６６側には、ガラスを含む第１のガラスシール部１２５が配置されている。第１のガラスシール部１２５は、第１のセパレータ１２０の第１の貫通孔周囲部１２２の表面と、単セル１１０（本実施形態では単セル１１０を構成する電解質層１１２）の表面との両方に接触するように形成されている。第１のガラスシール部１２５により、空気室１６６と燃料室１７６との間のガスリーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。
【００３６】
第２のセパレータ１８０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の第２の貫通孔１８１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。第２のセパレータ１８０により、燃料室１７６と、隣接する他の単セル１１０の空気極１１４に面する空気室１６６とが区画され、インターコネクタ１５０の周縁部における空気室１６６から燃料室１７６へのガスのリークが抑制される。
【００３７】
第２のセパレータ１８０は、第２の貫通孔周囲部１８２における下方向側の表面において、インターコネクタ１５０の周縁部における上方向側の表面と、溶接により接合されている。これにより、空気室１６６と燃料室１７６との間のガスリーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。
【００３８】
図４〜図６に示すように、空気極側フレーム部材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。空気極側フレーム部材１３０は、第１のセパレータ１２０の表面の内の空気室１６６に面している側（上側）の表面の周縁部と、第２のセパレータ１８０の表面の内の空気室１６６に面している側（下側）の表面の周縁部とに接触している。空気極側フレーム部材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、空気極側フレーム部材１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対の第２のセパレータ１８０間が電気的に絶縁される。その結果、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、空気極側フレーム部材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。なお、空気室用孔１３１は、特許請求の範囲におけるガス室用孔に相当し、空気極側フレーム部材１３０は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当する。
【００３９】
図４、図５および図７に示すように、燃料極側フレーム部材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。燃料極側フレーム部材１４０は、第１のセパレータ１２０の表面の内の燃料室１７６に面している側（下側）の表面の周縁部と、第２のセパレータ１８０の表面の内の燃料室１７６に面している側（上側）の表面の周縁部とに接触している。燃料極側フレーム部材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、燃料極側フレーム部材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。
【００４０】
図４および図５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、空気極側集電体１３４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。また、空気極側集電体１３４は、インターコネクタ１５０と一体の部材として構成されていてもよい。
【００４１】
図４および図５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。
【００４２】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図４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および本体部２８の孔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および図５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および本体部２８の孔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。
【００４３】
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。
【００４４】
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および図４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の孔を経て、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および図５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の孔を経て、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。
【００４５】
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（図２に示すように、Ｘ軸正方向側からＸ軸負方向側に向かう方向）と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（図３に示すように、Ｙ軸正方向側からＹ軸負方向側に向かう方向）とが交差している。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、クロスフロータイプのＳＯＦＣである。
【００４６】
Ａ−３．第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０の詳細構成：
図８は、第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０の詳細構成を示す説明図である。図８には、図４のＰｘ部の構成が拡大して示されている。ここで、図４に示された発電単位１０２の断面は、Ｚ軸方向視における単セル１１０の中心点ＰＯを通り、かつ、Ｚ軸方向に平行な断面である。なお、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向視における単セル１１０の中心点ＰＯを通り、かつ、Ｚ軸方向に平行な任意の断面において、以下に示す第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０の構成が採用されている。
【００４７】
Ａ−３−１．第１のセパレータ１２０の詳細構成：
第１のセパレータ１２０について説明する。図８に示すように、第１のセパレータ１２０は、第１の内側部１２６と、第１の外側部１２７と、第１の連結部１２８とを備える。第１の内側部１２６は、第１の貫通孔周囲部１２２を含んでいる。第１の外側部１２７は、第１の内側部１２６より外周側に位置している。第１の連結部１２８は、第１の内側部１２６の端部と第１の外側部１２７の端部とを連結するよう配置されている。
【００４８】
第１の内側部１２６と第１の外側部１２７とのＺ軸方向における位置は、互いに略同一である。ここで、第１の内側部１２６と第１の外側部１２７とのＺ軸方向における位置が、互いに略同一とは、Ｚ軸方向において、第１の内側部１２６の位置が、第１の外側部１２７の位置の±５ｍｍの範囲内であることを意味する。なお、第１の内側部１２６のＺ軸方向における位置とは、第１の内側部１２６の表面の内の空気室１６６に面している側（上側）の表面において、第１の内側部１２６における最も上に位置する部分の位置を意味する。第１の外側部１２７のＺ軸方向における位置とは、第１の外側部１２７の表面の内の空気室１６６に面している側（上側）の表面において、第１の外側部１２７における最も上に位置する部分の位置を意味する。
【００４９】
図８において、第１の内側部１２６の第１の長さＬ１は、第１の外側部１２７の第２の長さＬ２より短い。ここで、第１の長さＬ１は、第１の内側部１２６と第１の連結部１２８との境界点Ｐ２と、Ｚ軸方向視での第１の内側部１２６における単セル１１０（電解質層１１２）の外縁と重なる点Ｐ１との、Ｘ軸方向における長さである。第２の長さＬ２は、第１の外側部１２７と第１の連結部１２８との境界点Ｐ４と、Ｚ軸方向視での第１の外側部１２７における空気極側フレーム部材１３０の内縁と重なる点Ｐ３との、Ｘ軸方向における長さである。すなわち、第１の長さＬ１が第２の長さＬ２より短いとは、換言すれば、Ｚ軸方向視において第１の連結部１２８は、単セル１１０（電解質層１１２）の外縁と空気極側フレーム部材１３０の内縁との間において、単セル１１０（電解質層１１２）の外縁よりも、空気極側フレーム部材１３０の内縁から遠い位置にあることを意味する。なお、第１の内側部１２６の第１の長さＬ１は、第１の外側部１２７の第２の長さＬ２に比べて、好ましくは、１ｍｍ〜５ｍｍ短い。
【００５０】
第１のセパレータ１２０の配列方向における厚さ（板厚）ｔ１は、０．０１（ｍｍ）以上であればよく、耐酸化性の低下を抑制する観点から、好ましくは０．０３（ｍｍ）以上、より好ましくは０．０５（ｍｍ）以上であって、０．２（ｍｍ）以下であることが好ましい。第１のセパレータ１２０の厚さｔ１を０．０３（ｍｍ）以上とすることにより、第１のセパレータ１２０の耐酸化性の低下を抑制することができ、第１のセパレータ１２０の厚さｔ１を０．２（ｍｍ）以下とすることにより、第１の連結部１２８のバネ性を一定程度以上確保することができる。このため、熱サイクルやヒートショック等によって単セル１１０を面方向に変形させる荷重がかかった場合に、第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８の存在により、第１のガラスシール部１２５や単セル１１０に発生する応力が緩和される。これにより、第１のガラスシール部１２５や単セル１１０の変形や割れを抑制することができる。
【００５１】
第１の連結部深さＨ１は、０．１（ｍｍ）以上、０．６（ｍｍ）以下であることがさらに好ましい。第１の連結部深さＨ１を０．１（ｍｍ）以上とすることにより、第１の連結部１２８による第１のガラスシール部１２５や単セル１１０の変形や割れを抑制する効果を確保することができる。また、第１の連結部深さＨ１が０．６（ｍｍ）より高くなると、第１の連結部１２８によってガスの流れが阻害され、発電性能が低下するおそれがあるため好ましくないが、第１の連結部深さＨ１を０．６（ｍｍ）以下とすることにより、第１の連結部１２８によってガスの流れが阻害されて発電性能が低下することを抑制することができる。
【００５２】
また、第１の連結部深さＨ１は第１のセパレータ１２０の厚さｔ１より大きいことが好ましい。第１の連結部深さＨ１を第１のセパレータ１２０の厚さｔ１より大きくすることにより、第１の連結部１２８による第１のガラスシール部１２５や単セル１１０の変形や割れを抑制する効果を確保することができる。
【００５３】
本実施形態では、第１の連結部１２８は、Ｙ軸方向視において、第１の内側部１２６および第１の外側部１２７の位置から燃料室１７６側（下側）に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、第１の連結部１２８における燃料室１７６側（下側）は凸部となり、第１の連結部１２８における空気室１６６側（上側）は凹部となる。このように、第１の連結部１２８は、上下方向における位置が第１の内側部１２６および第１の外側部１２７とは異なる部分を含む。なお、第１の連結部１２８は、上下方向視で、第１の貫通孔１２１を取り囲むように形成されている（図６参照）。また、第１のセパレータ１２０における第１の連結部１２８は、例えば、プレス加工により形成される。第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８は、上述した構成であるため、面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能する。そのため、本実施形態の第１のセパレータ１２０は、第１の連結部１２８を備えない構成と比較して、第１の連結部１２８の位置で面方向に変形しやすい。
【００５４】
上述したように、第１の貫通孔周囲部１２２における下方向側の表面は、ロウ材を含む第１の接合部１２４を介して、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部における上方向側の表面に接合されている。すなわち、第１の内側部１２６の第１の貫通孔周囲部１２２は、Ｚ軸方向での第１の内側部１２６の下方向側、つまり、第１の連結部１２８が突出している方向と同方向の側において、第１の接合部１２４を介して電解質層１１２と接合されている。
【００５５】
Ａ−３−２．第２のセパレータ１８０の詳細構成：
次に、第２のセパレータ１８０について説明する。図８に示すように、第２のセパレータ１８０は、第２の内側部１８６と、第２の外側部１８７と、第２の連結部１８８とを備える。第２の内側部１８６は、第２の貫通孔周囲部１８２を含んでいる。第２の外側部１８７は、第２の内側部１８６より外周側に位置している。第２の連結部１８８は、第２の内側部１８６の端部と第２の外側部１８７の端部とを連結するよう配置されている。
【００５６】
第２の内側部１８６と第２の外側部１８７との上下方向における位置は、互いに略同一である。ここで、第２の内側部１８６と第２の外側部１８７とのＺ軸方向における位置が、互いに略同一とは、Ｚ軸方向において、第２の内側部１８６の位置が、第２の外側部１８７の位置の±５ｍｍの範囲内であることを意味する。なお、第２の内側部１８６のＺ軸方向における位置とは、第２の内側部１８６の表面の内の燃料室１７６に面している側（上側）の表面において、第２の内側部１８６における最も上に位置する部分の位置を意味する。第２の外側部１８７のＺ軸方向における位置とは、第２の外側部１８７の表面の内の燃料室１７６に面している側（上側）の表面において、第２の外側部１８７における最も上に位置する部分の位置を意味する。
【００５７】
第２のセパレータ１８０の配列方向における厚さ（板厚）ｔ２は、第１のセパレータ１２０の配列方向における厚さ（板厚）ｔ１と同様、０．０１（ｍｍ）以上であればよく、耐酸化性の低下を抑制する観点から、好ましくは０．０３（ｍｍ）以上、より好ましくは０．０５（ｍｍ）以上であって、０．２（ｍｍ）以下であることが好ましい。第２のセパレータ１８０の厚さｔ２を０．０３（ｍｍ）以上とすることにより、第２のセパレータ１８０の耐酸化性の低下を抑制することができ、第２のセパレータ１８０の厚さｔ２を０．２（ｍｍ）以下とすることにより、第２の連結部１８８のバネ性を一定程度以上確保することができる。このため、熱サイクルやヒートショック等によってインターコネクタ１５０を面方向に変形させる荷重がかかった場合に、第２のセパレータ１８０の第２の連結部１８８の存在により、インターコネクタ１５０への応力が緩和され、ひいては、当該応力が単セル１１０へかかることを抑制することができる。これにより、単セル１１０の変形や割れを抑制することができる。
【００５８】
第２の連結部深さＨ２は、第１のセパレータ１２０の第１の連結部深さＨ１と同様、０．１（ｍｍ）以上、０．６（ｍｍ）以下であることがさらに好ましい。第２の連結部深さＨ２を０．１（ｍｍ）以上とすることにより、第２の連結部１８８による単セル１１０の変形や割れを抑制する効果を確保することができる。また、第２の連結部深さＨ２が０．６（ｍｍ）より高くなると、第２の連結部１８８によってガスの流れが阻害され、発電性能が低下するおそれがあるため好ましくないが、第２の連結部深さＨ２を０．６（ｍｍ）以下とすることにより、第２の連結部１８８によってガスの流れが阻害されて発電性能が低下することを抑制することができる。
【００５９】
また、第２の連結部深さＨ２は第２のセパレータ１８０の厚さｔ２より大きいことが好ましい。第２の連結部深さＨ２を第２のセパレータ１８０の厚さｔ２より大きくすることにより、第２の連結部１８８による単セル１１０の変形や割れを抑制する効果を確保することができる。
【００６０】
本実施形態では、第２の連結部１８８は、第１の連結部１２８から離間するように配置されている。また、第２の連結部１８８は、第２の内側部１８６および第２の外側部１８７の位置から空気室１６６側（下側）に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、第２の連結部１８８における空気室１６６側（下側）は凸部となり、第２の連結部１８８における燃料室１７６側（上側）は凹部となる。このように、第２の連結部１８８は、上下方向における位置が第２の内側部１８６および第２の外側部１８７とは異なる部分を含む。第２の連結部１８８は、上述の構成であるため、第１の連結部１２８と同じ側（下側）に突出していることとなる。なお、第２の連結部１８８は、上下方向視で、第２の貫通孔１８１を取り囲むように形成されている（図７参照）。また、第２のセパレータ１８０における第２の連結部１８８は、例えば、プレス加工により形成される。第２のセパレータ１８０の第２の連結部１８８は、上述した構成であるため、面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能する。そのため、本実施形態の第２のセパレータ１８０は、第２の連結部１８８を備えない構成と比較して、第２の連結部１８８の位置で面方向に変形しやすい。
【００６１】
上述したように、第２の貫通孔周囲部１８２における下方向側の表面は、溶接により、インターコネクタ１５０の周縁部における上方向側の表面に接合されている。すなわち、第２の内側部１８６の第２の貫通孔周囲部１８２は、Ｚ軸方向での第２の内側部１８６の下方向側、つまり、第２の連結部１８８が突出している方向と同方向の側において、インターコネクタ１５０と接合されている。
【００６２】
Ａ−３−３．第１のセパレータ１２０と第２のセパレータ１８０との位置関係：
図８を用いて、第１のセパレータ１２０と第２のセパレータ１８０との位置関係について説明する。本実施形態において、Ｚ軸方向視において、第１の最突出部Ｐ５は、第２の最突出部Ｑ５と略同一の位置に位置している。すなわち、第１の最突出部Ｐ５と、第２の最突出部Ｑ５とは、いずれも仮想直線ＶＬ上に位置している。
【００６３】
ここで、Ｚ軸方向視において、第１の最突出部Ｐ５が第２の最突出部Ｑ５と略同一の位置に位置しているとは、Ｚ軸方向視での第１の最突出部Ｐ５と第２の最突出部Ｑ５との間の距離が、０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内であることを意味する。また、第１の最突出部Ｐ５は、第１の連結部１２８の内、Ｚ軸方向において最も下方向側に突出している部分である。第２の最突出部Ｑ５は、第２の連結部１８８の内、Ｚ軸方向において最も下方向側に突出している部分である。仮想直線ＶＬは、第１の最突出部Ｐ５と第２の最突出部Ｑ５とを通る直線である。
【００６４】
なお、上述したように、第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８は、Ｚ軸方向視において、単セル１１０（電解質層１１２）の外縁と空気極側フレーム部材１３０の内縁との間において、単セル１１０（電解質層１１２）の外縁よりも、空気極側フレーム部材１３０の内縁に近い位置にある。このため、第２のセパレータ１８０の第２の連結部１８８についても、第１の連結部１２８と同様に、Ｚ軸方向視において、単セル１１０（電解質層１１２）の外縁と空気極側フレーム部材１３０（燃料極側フレーム部材１４０）の内縁との間において、単セル１１０（電解質層１１２）の外縁よりも、空気極側フレーム部材１３０（燃料極側フレーム部材１４０）の内縁に近い位置にある。
【００６５】
本実施形態において、内側部間距離Ｄ１と、外側部間距離Ｄ２と、連結部間距離Ｄ３とは、互いに略同一である。ここで、内側部間距離Ｄ１と、外側部間距離Ｄ２と、連結部間距離Ｄ３とが、互いに略同一とは、内側部間距離Ｄ１および外側部間距離Ｄ２が、それぞれ、連結部間距離Ｄ３を基準として、±５ｍｍの範囲内であることを意味する。
【００６６】
上記において、内側部間距離Ｄ１は、Ｚ軸方向における第１の内側部１２６と第２の内側部１８６との間の距離である。より詳しくは、内側部間距離Ｄ１は、第１の内側部１２６の表面の内の燃料室１７６に面している側（下側）の表面において、第１の内側部１２６における最も下に位置する部分から、第２の内側部１８６の表面の内の燃料室１７６に面している側（上側）の表面において、第２の内側部１８６における最も上に位置する部分までの距離である。外側部間距離Ｄ２は、Ｚ軸方向における第１の外側部１２７と第２の外側部１８７との間の距離である。より詳しくは、外側部間距離Ｄ２は、第１の外側部１２７の表面の内の燃料室１７６に面している側（下側）の表面において、第１の外側部１２７における最も下に位置する部分から、第２の外側部１８７の表面の内の燃料室１７６に面している側（上側）の表面において、第２の外側部１８７における最も上に位置する部分までの距離である。連結部間距離Ｄ３は、Ｚ軸方向における第１の連結部１２８と第２の連結部１８８との間の距離である。より詳しくは、連結部間距離Ｄ３は、第１の連結部１２８の表面の内の燃料室１７６に面している側（下側）の表面における第１の最突出部Ｐ５から、第２の連結部１８８の表面の内の燃料室１７６に面している側（上側）の表面において、第２の最突出部Ｑ５と重なる部分までの距離である。
【００６７】
第１の連結部幅Ｌ３は、第２の連結部幅Ｌ４と略同一である。ここで、第１の連結部幅Ｌ３が第２の連結部幅Ｌ４と略同一であるとは、第１の連結部幅Ｌ３と第２の連結部幅Ｌ４との差が、０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内であることを意味する。なお、第１の連結部幅Ｌ３は、Ｘ軸方向における境界点Ｐ２と境界点Ｐ４との間の距離である。第２の連結部幅Ｌ４は、Ｘ軸方向における境界点Ｑ２と境界点Ｑ４との間の距離である。なお、第１の連結部幅Ｌ３は、第１のセパレータ１２０の第１の内側部１２６における第１の長さＬ１と、第１の外側部１２７における第２の長さＬ２と、第１の連結部幅Ｌ３とを足した合計長さの１／２以下であり、好ましくは、１／３以下である。第１の長さＬ１と、第２の長さＬ２と、第１の連結部幅Ｌ３とを足した合計長さは、Ｚ軸方向視での第１の内側部１２６における単セル１１０（電解質層１１２）の外縁と重なる点から、Ｚ軸方向視での第１の外側部１２７における空気極側フレーム部材１３０の内縁と重なる点までの長さと同等である。また、第２の連結部幅Ｌ４についても、Ｚ軸方向視での第２の内側部１８６におけるインターコネクタ１５０の外縁と重なる点から、Ｚ軸方向視での第２の外側部１８７における燃料極側フレーム部材１４０の内縁と重なる点までの長さの１／２以下であり、好ましくは、１／３以下である。
【００６８】
第１の連結部深さＨ１は、第２の連結部深さＨ２と略同一である。ここで、第１の連結部深さＨ１が第２の連結部深さＨ２と略同一であるとは、第１の連結部深さＨ１と第２の連結部深さＨ２との差が、０ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内であることを意味する。なお、第１の連結部深さＨ１は、第１の連結部１２８のＺ軸方向における深さである。より詳細には、第１の連結部深さＨ１は、第１の連結部１２８の空気室１６６に面している側（上側）の表面において、第１の連結部１２８における最も上に位置する部分から最も下に位置する部分までの距離（深さ）である。第２の連結部深さＨ２は、第２の連結部１８８のＺ軸方向における深さである。より詳細には、第２の連結部深さＨ２は、第２の連結部１８８の燃料室１７６に面している側（上側）側の表面において、第２の連結部１８８における最も上に位置する部分から最も下に位置する部分までの距離（深さ）である。
【００６９】
なお、第１のセパレータ１２０と第２のセパレータ１８０との間、すなわち、第１の内側部１２６と第２の内側部１８６との間、第１の外側部１２７と第２の外側部１８７との間、および、第１の連結部１２８と第２の連結部１８８との間は、空気室１６６または燃料室１７６の一部であるとともに、空気極１１４または燃料極１１６へ酸化剤ガスＯＧまたは燃料ガスＦＧを供給するガス流路として機能する。
【００７０】
Ａ−３−４．第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０の各部分の特定：
第１のセパレータ１２０における第１の内側部１２６と、第１の外側部１２７と、第１の連結部１２８とは、次のように特定することができる。まず、Ｚ軸方向視で単セル１１０の中心ＰＯを通り、かつ、Ｚ軸方向に平行な少なくとも１つの第１のセパレータ１２０の断面において、第１のセパレータ１２０におけるＺ軸方向の下方向側の表面上の点であって、Ｚ軸方向における単セル１１０からの距離が最も大きい点（図８において、第１の最突出部Ｐ５）を特定する。この第１の最突出部Ｐ５における接線と、第１の最突出部Ｐ５を通り、かつ、Ｚ軸に平行な仮想直線とのなす角θを特定する。次に、第１の最突出部Ｐ５から面方向における単セル１１０側へ所定間隔でＺ軸に平行な仮想直線を引く。第１のセパレータ１２０と仮想直線との交点（点Ｐｎ）における接線と、当該点Ｐｎにおける仮想直線とのなす角θｎ（ただし、０°≦θｎ≦９０°）を特定する。当該なす角θｎを順に特定し、当該なす角θｎがθｎ−１＜θｎになった点Ｐｎ（例えば、θｎ−１＝１８°、θｎ＝２０°）を、第１の連結部１２８と第１の内側部１２６との境界点ＢＰｎとする。一方、同様に、第１の最突出部Ｐ５から面方向における燃料極側フレーム部材１４０側へ所定間隔でＺ軸に平行な仮想直線を引く。第１のセパレータ１２０と仮想直線との交点（点Ｐｍ）における接線と、当該点Ｐｍにおける仮想直線とのなす角θｍ（ただし、０°≦θｍ≦９０°）を特定する。当該なす角θｍを順に特定し、なす角θｍがθｍ−１＜θｍになった点Ｐｍを、第１の連結部１２８と第１の外側部１２７との境界点ＢＰｍとする。第１のセパレータ１２０において、境界点ＢＰｍと境界点ＢＰｎとの間に位置する部分を第１の連結部１２８と特定することができる。また、第１のセパレータ１２０において、境界点ＢＰｎから単セル１１０側の部分を第１の内側部１２６と特定し、境界点ＢＰｍから燃料極側フレーム部材１４０側の部分を第１の外側部１２７と特定することができる。後述の第２のセパレータ１８０における第２の内側部１８６と、第２の外側部１８７と、第２の連結部１８８とについても、上記第１のセパレータ１２０における各部分を特定する方法と同様にして特定することができる。
【００７１】
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、インターコネクタ１５０と、第１のセパレータ１２０と、第２のセパレータ１８０とを備える。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを含む。インターコネクタ１５０は、単セル１１０のＺ軸方向に配置されている。
【００７２】
第１のセパレータ１２０には、Ｚ軸方向に貫通する第１の貫通孔１２１が形成されている。第１のセパレータ１２０における第１の貫通孔１２１を取り囲む部分である第１の貫通孔周囲部１２２は、単セル１１０の周縁部と接合されている。第１のセパレータ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とが区画される。第１のセパレータ１２０は、第１の内側部１２６と、第１の外側部１２７と、第１の連結部１２８とを有している。第１の内側部１２６は、第１の貫通孔周囲部１２２を含んでいる。第１の外側部１２７は、第１の内側部１２６より外周側に位置している。第１の連結部１２８は、第１の内側部１２６と第１の外側部１２７とを連結すると共に第１の内側部１２６と第１の外側部１２７との両方に対して、上下方向の下方向側に突出している。
【００７３】
第２のセパレータ１８０には、Ｚ軸方向に貫通する第２の貫通孔１８１が形成されている。第２のセパレータ１８０における第２の貫通孔１８１を取り囲む部分である第２の貫通孔周囲部１８２は、インターコネクタ１５０の周縁部と接合されている。第２のセパレータ１８０により、燃料室１７６と、隣接する他の単セル１１０の空気極１１４に面する空気室１６６とが区画される。第２のセパレータ１８０は、第２の内側部１８６と、第２の外側部１８７と、第２の連結部１８８とを有している。第２の内側部１８６は、第２の貫通孔周囲部１８２を含んでいる。第２の外側部１８７は、第２の内側部１８６より外周側に位置している。第２の連結部１８８は、第２の内側部１８６と第２の外側部１８７とを連結する共に、第２の内側部１８６と第２の外側部１８７との両方に対して、上下方向の下方向側に突出している。第２の連結部１８８は、さらに、第１の連結部１２８から離間している。
【００７４】
このように、本実施形態の発電単位１０２は、Ｚ軸方向において、第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８が第１の内側部１２６と第１の外側部１２７との両方に対して、Ｚ軸方向の下方向側に突出しているため、第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８がＺ軸方向に直交する面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能し、第１のセパレータ１２０が第１の連結部１２８の位置で面方向に変形することを可能にする。このため、熱サイクルやヒートショック等によって単セル１１０を面方向に変形させる荷重がかかった場合に、第１のセパレータ１２０が応力を緩和する機能（応力緩和機能）を発揮することができる。すなわち、単セル１１０に接合している第１のセパレータ１２０は主として第１の連結部１２８がＺ軸方向に撓むことにより第１の連結部１２８の位置で面方向に変形し、単セル１１０にかかる応力を緩和することができる。これにより、単セル１１０の変形や割れを抑制することができる。
【００７５】
本実施形態の発電単位１０２は、Ｚ軸方向において、第２のセパレータ１８０の第２の連結部１８８が第２の内側部１８６と第２の外側部１８７との両方に対して、Ｚ軸方向の下方向側に突出しているため、第１のセパレータ１２０と同様に、第２のセパレータ１８０が第２の連結部１８８の位置で面方向に変形することを可能とする。このため、熱サイクルやヒートショック等によってインターコネクタ１５０を面方向に変形させる荷重がかかった場合に、第２のセパレータ１８０が応力緩和機能を発揮することができる。このように、インターコネクタ１５０への応力が緩和されることにより、インターコネクタ１５０と単セル１１０との間に介在する空気極側集電体１３４を介して、当該応力が単セル１１０へかかることを抑制することができる。これにより、単セル１１０の変形や割れを抑制することができる。
【００７６】
本実施形態の発電単位１０２では、さらに、Ｚ軸方向において、第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８と、第２のセパレータ１８０の第２の連結部１８８とが、互いに同じ方向（具体的には、下方向）に突出している。このため、第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０が共に応力緩和機能を発揮する際、すなわち、第１の連結部１２８および第２の連結部１８８の両方が下方向に撓む際であっても、空気室１６６および燃料室１７６のいずれのガス室においても、第１の連結部１２８および第２の連結部１８８の両方によりガス流路が狭窄されることを抑制することができる。これにより、空気室１６６および燃料室１７６における安定的かつ良好な酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの流入が阻害されることを抑制し、ひいては、空気室１６６および燃料室１７６が面している単セル１１０面における反応効率の低下を抑制することができる。また、ガス流路の狭窄が抑制されることにより、発電単位１０２の圧力損失が増大することを抑制し、この結果、発電単位１０２の性能低下を抑制することができる。発電単位１０２における圧力損失の増大が抑制された場合、例えば、酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧを空気室１６６および燃料室１７６に導入するために用いられるブロワ等の補機に要する電力の増大を抑制することができる。従って、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０の変形や割れを抑制しつつ、単セル１１０面における反応効率の低下を抑制し、かつ、発電単位１０２の圧力損失が増大することを抑制し、ひいては、発電単位１０２の性能を向上させることができる。
【００７７】
本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向視において、第１の連結部１２８が、第２の連結部１８８と重なっている。このような構成とすることにより、第１の連結部１２８および第２の連結部１８８がＺ軸方向に撓んだ場合であっても、第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８と第２のセパレータ１８０との離間距離および第２のセパレータ１８０の第２の連結部１８８と第２のセパレータ１８０との離間距離を確保し易い構造を実現できる。このため、ガス流路の確保が容易となり、ひいては、単セル１１０面における反応効率の低下を効果的に抑制することができる。また、ガス流路の確保が容易となることにより、発電単位１０２の圧力損失が増大することを効果的に抑制することができる。更には、第１の連結部１２８および第２の連結部１８８のＺ軸方向への突出深さを深くすることが可能となり、ひいては、応力緩和機能を効果的に発揮させることができうる。従って、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０の変形や割れを効果的に抑制しつつ、単セル１１０面における反応効率の低下を効果的に抑制し、かつ、発電単位１０２の圧力損失が増大することを効果的に抑制し、ひいては、発電単位１０２の性能を効果的に向上させることができる。
【００７８】
本実施形態の発電単位１０２では、第１の内側部１２６と第２の内側部１８６との間のＺ軸方向における内側部間距離Ｄ１と、第１の外側部１２７と第２の外側部１８７との間のＺ軸方向における外側部間距離Ｄ２と、第１の連結部１２８の第１の最突出部Ｐ５と第２の連結部１８８の第２の最突出部Ｑ５との間のＺ軸方向における連結部間距離Ｄ３とは、互いに略同一である。このような構成とすることにより、空気室１６６および燃料室１７６の両方において、酸化剤ガスＯＧまたは燃料ガスＦＧの流れ方向における各断面である、第１の内側部１２６と第２の内側部１８６との間に形成されるガス流路断面と、第１の外側部１２７と第２の外側部１８７との間に形成されるガス流路断面と、第１の連結部１２８と第２の連結部１８８との間に形成されるガス流路断面とにおける各断面積が互いに略同一となる構成を実現できる。このため、空気室１６６および燃料室１７６におけるガス流れの安定性を向上させることができ、単セル１１０面における反応効率の低下を更に効果的に抑制することができる。従って、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０面における反応効率の低下を更に効果的に抑制し、ひいては、発電単位１０２の性能を更に効果的に向上させることができる。
【００７９】
本実施形態の発電単位１０２では、第１の内側部１２６と第１の外側部１２７とのＺ軸方向における位置は互いに略同一であり、かつ、第２の内側部１８６と第２の外側部１８７とのＺ軸方向における位置は互いに略同一である。このような構成とすることにより、酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧのガス流れの方向が、面方向と略平行となる構成を実現できる。このため、空気室１６６および燃料室１７６におけるガス流れの安定性を更に向上させることができ、単セル１１０面における反応効率の低下を更に効果的に抑制することができる。従って、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０面における反応効率の低下を更に効果的に抑制し、ひいては、発電単位１０２の性能を更に効果的に向上させることができる。
【００８０】
本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向に貫通する空気室用孔１３１であって、空気室１６６を構成する空気室用孔１３１が形成された空気極側フレーム部材１３０を備える。また、Ｚ軸方向視での単セル１１０の中心点ＰＯを通り、かつ、Ｚ軸方向に平行な少なくとも１つの断面において、第１の内側部１２６における、第１の内側部１２６と第１の連結部１２８との境界点Ｐ２と単セル１１０の外縁との間の面方向における第１の長さＬ１は、第１の外側部１２７における、第１の外側部１２７と第１の連結部１２８との境界点Ｐ４と空気極側フレーム部材１３０の内縁との間の面方向における第２の長さＬ２より短い。熱サイクルやヒートショック等により、第１のセパレータ１２０に応力がかかる際、その応力は第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８に集中する傾向がある。そして、単セル１１０の外縁から第１の連結部１２８までの第１の長さＬ１が短いほど、単セル１１０は第１の連結部１２８にかかる応力の影響を受けやすく、単セル１１０の変形や割れを生じやすい。本発電単位１０２では、上述のとおりの構成とすることにより、第１の連結部１２８は、第１のセパレータ１２０において単セル１１０からより離れた外周側に位置する構成を実現できる。これにより、第１の連結部１２８にかかる応力が、単セル１１０にかかりにくい構成を実現できる。従って、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０の変形や割れを更に効果的に抑制し、ひいては、発電単位１０２の性能を更に効果的に向上させることができる。
【００８１】
本実施形態の発電単位１０２では、第１の貫通孔周囲部１２２におけるＺ軸方向の下方向側の表面は、ロウ材を含む第１の接合部１２４を介して、単セル１１０の周縁部におけるＺ軸方向の上方向側の表面に接合されている。上述したように、第１のセパレータ１２０に応力がかかり、第１のセパレータ１２０が第１の連結部１２８の位置で面方向に変形する際、第１の連結部１２８には下方向の応力がかかる。このように、本実施形態の発電単位１０２では、第１の連結部１２８にかかる応力の方向（下方向）と第１のセパレータ１２０の単セル１１０からの剥離方向（上方向）とが略反対方向となる構成を採用している。このため、Ｚ軸方向において下方側に突出している第１の連結部１２８にＺ軸方向において下方側への応力がかかった際に、第１のセパレータ１２０が単セル１１０から剥離しにくい。従って、本実施形態の発電単位１０２では、発電単位１０２の性能を向上させることができると共に、第１のセパレータ１２０の単セル１１０からの剥離を抑制することができる。
【００８２】
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。
【００８３】
上記実施形態において、Ｚ軸方向視における、第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８と第２のセパレータ１８０の第２の連結部１８８との位置関係は、図９（Ａ）に示す位置関係であってもよい。具体的には、Ｚ軸方向視において、第２の連結部１８８の第２の連結部幅Ｌ４の範囲内に、第１の連結部１２８の第１の最突出部Ｐ５が位置する位置関係とすることができる。
【００８４】
上記実施形態において、Ｚ軸方向視における、第１の連結部１２８と第２の連結部１８８との位置関係は、図９（Ｂ）に示す位置関係であってもよい。具体的には、Ｚ軸方向視において、第１の連結部１２８の第１の連結部幅Ｌ３に対して、第２の連結部１８８の第２の連結部幅Ｌ４の一部が重なっている位置関係とすることができる。換言すれば、第１の連結部１２８の少なくとも一部分が第２の連結部１８８の少なくとも一部分に重なっている位置関係である。なお、図９（Ｂ）では、第２の連結部１８８の内の第２の外側部１８７側において、第２の連結部幅Ｌ４の一部が第１の連結部幅Ｌ３に重なっている構成を示したが、これに限らず、第２の連結部１８８の内の第２の内側部１８６側において、第２の連結部幅Ｌ４の一部が第１の連結部幅Ｌ３に重なっている構成としてもよい。
【００８５】
上記実施形態において、Ｚ軸方向視における、第１の連結部１２８と第２の連結部１８８との位置関係は、図１０（Ａ）に示す位置関係であってもよい。具体的には、Ｚ軸方向において、第１の連結部幅Ｌ３に対して、第２の連結部幅Ｌ４が重なっていない位置関係とすることができる。換言すれば、第１の連結部１２８の少なくとも一部分が第２の連結部１８８の少なくとも一部分に重なっていない位置関係である。なお、図１０（Ａ）では、第２の連結部１８８は、第１の連結部１２８に対して、第１の内側部１２６側に位置する構成を示したが、これに限らず、第２の連結部１８８が第１の外側部１２７側に位置する構成としてもよい。
【００８６】
上記実施形態において、図１０（Ｂ）に示すように、第１の連結部１２８および第２の連結部１８８が、いずれも上下方向において上側に突出している構成であってもよい。具体的には、第１の連結部１２８が、第１の内側部１２６および第１の外側部１２７の位置から空気室１６６側（上側）に突出するように湾曲した形状を有していてもよい。すなわち、第１の連結部１２８における空気室１６６側（上側）は凸部となり、第１の連結部１２８における燃料室１７６側（下側）は凹部となる構成である。また、第２の連結部１８８についても第１の連結部１２８と同様に、第２の連結部１８８が、第２の内側部１８６および第２の外側部１８７の位置から燃料室１７６側（上側）に突出するように湾曲した形状を有していてもよい。すなわち、第２の連結部１８８における燃料室１７６側（上側）は凸部となり、第２の連結部１８８における空気室１６６側（下側）は凹部となる構成である。
【００８７】
上記実施形態において、第１のセパレータ１２０は、第１の貫通孔周囲部１２２の表面の内の上方向側の表面において、単セル１１０を構成する燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側（下側）の表面の周縁部に対向している構成としてもよい。この場合においても、第１のセパレータ１２０は、第１の貫通孔周囲部１２２に配置されたロウ材を含む第１の接合部１２４により、単セル１１０（燃料極１１６）と接合されうる。また、第２のセパレータ１８０は、第２の貫通孔周囲部１８２の表面の内の上方向側の表面において、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側（下側）の表面の周縁部に対向している構成としてもよい。この場合においても、第２のセパレータ１８０は、第２の貫通孔周囲部１８２において、例えば溶接により、インターコネクタ１５０と接合されうる。
【００８８】
上記実施形態において、第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０は、Ｚ軸方向視における単セル１１０の中心点ＰＯを通り、かつ、Ｚ軸方向に平行な一部の断面において、上述の構成となっていてもよい。例えば、Ｚ軸方向視において、第１の貫通孔１２１を取り囲むように形成される第１の連結部１２８は、第１の貫通孔１２１を取り囲む周の内の一部において形成されていなくてもよい。
【００８９】
上記実施形態において、第１の連結部１２８および第２の連結部１８８は、Ｙ軸方向視において、湾曲した形状に限らず、矩形状等、応力緩和機能を発揮可能な形状を採用してもよい。
【００９０】
上記実施形態において、第１の連結部１２８の表面の内の燃料室１７６に面している側（下側）の表面から第２の連結部１８８の表面の内の燃料室１７６に面している側（上側）の表面までの、Ｚ軸方向における距離はいずれの部分においても同一であってもよく、また、一部分において異なっていてもよい。
【００９１】
上記実施形態において、第１の連結部１２８の第１の連結部幅Ｌ３は、第２の連結部１８８の第２の連結部幅Ｌ４と異なっていてもよい。
【００９２】
上記実施形態において、内側部間距離Ｄ１と、外側部間距離Ｄ２と、連結部間距離Ｄ３とを、燃料室１７６における距離としたが、空気室１６６における距離としてもよい。この場合、上記において、第１の内側部１２６を第２の内側部１８６と、第１の外側部１２７を第２の外側部１８７と、第１の連結部１２８を第２の連結部１８８と、空気室１６６を燃料室１７６と読み替えることとする。
【００９３】
上記実施形態において、第１のセパレータ１２０と第２のセパレータ１８０との間の距離である、内側部間距離Ｄ１と、外側部間距離Ｄ２と、連結部間距離Ｄ３との内の少なくとも１つの距離は他の距離と異なっていてもよい。
【００９４】
上記実施形態において、Ｚ軸方向における、第１の内側部１２６の位置と第１の外側部１２７の位置とは異なっていてもよい。また、Ｚ軸方向における、第２の内側部１８６の位置と第２の外側部１８７の位置とは異なっていてもよい。
【００９５】
上記実施形態において、第１の内側部１２６における第１の長さＬ１は、第１の外側部１２７における第２の長さＬ２と同等であってもよく、また、短くてもよい。
【００９６】
上記実施形態において、第１のセパレータ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、かつ、第２のセパレータ１８０により、空気室１６６と、隣接する他の単セル１１０の燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画されることとしてもよい。この場合、上述において、第１の電極を燃料極１１６と読み替え、第２の電極を空気極１１４と読み替え、第１のガス室を燃料室１７６と読み替え、第２のガス室を空気室１６６と読み替えるものとする。
【００９７】
上記実施形態では、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交差するクロス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つの流れ方向が略反対方向であるカウンターフロータイプ等）にも適用可能である。
【００９８】
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。
【００９９】
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の構成を採用すると、単セル１１０の変形や割れを抑制し、かつ、単セル１１０面における反応効率の低下を抑制し、かつ、電解セル単位の圧力損失が増大することを抑制し、ひいては、電解セル単位の性能を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１００】
２２：ボルト  ２２Ａ：ボルト  ２２Ｂ：ボルト  ２２Ｄ：ボルト  ２２Ｅ：ボルト  ２４：ナット  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：発電単位  １０４：エンドプレート  １０６：エンドプレート  １０８：連通孔  １１０：単セル  １１２：電解質層  １１４：空気極  １１６：燃料極  １２０：第１のセパレータ  １２１：第１の貫通孔  １２２：第１の貫通孔周囲部  １２４：第１の接合部  １２５：第１のガラスシール部  １２６：第１の内側部  １２７：第１の外側部  １２８：第１の連結部  １３０：空気極側フレーム部材  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：空気極側集電体  １３５：集電体要素  １４０：燃料極側フレーム部材  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  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  １８０：第２のセパレータ  １８１：第２の貫通孔  １８２：第２の貫通孔周囲部  １８６：第２の内側部  １８７：第２の外側部  １８８：第２の連結部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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