(57)【要約】【課題】ターミナル部材とエンド部材とが短絡することを抑制する。【解決手段】電気化学反応セルスタックは、第１の方向に並べられた複数の単セルを備える発電ブロックと、発電ブロックに対して第１の方向の一方側に配置された導電性のターミナル部材と、ターミナル部材に対して第１の方向の一方側に配置された絶縁性の絶縁部材と、絶縁部材に対して第１の方向の一方側に配置された導電性のエンド部材と、導電性の締結部材と、を備える。締結部材は、ターミナル部材に形成された第１の貫通孔と絶縁部材に形成された第２の貫通孔とに挿入され、エンド部材に係合している。第１の方向視において、ターミナル部材に形成された第１の貫通孔の内周縁は、絶縁部材に形成された第２の貫通孔の内周縁を取り囲み、第１の方向視において、絶縁部材における第２の貫通孔の内周縁は、締結部材から離間している。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に並べられた複数の電気化学反応単セルを備え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セルは、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の方向の一方側に配置されたターミナル部材であって、前記第１の方向に貫く第１の貫通孔が形成され、かつ、前記電気化学反応ブロックに電気的に接続された導電性のターミナル部材と、
前記ターミナル部材に対して前記第１の方向の前記一方側に配置された絶縁部材であって、前記第１の貫通孔に連通し、かつ、前記第１の方向に貫く第２の貫通孔が形成された、絶縁性の絶縁部材と、
前記絶縁部材に対して前記第１の方向の前記一方側に配置された導電性のエンド部材と、
前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔とに挿入され、かつ、前記エンド部材に係合している導電性の締結部材と、
を備え、前記締結部材によって締結された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、前記ターミナル部材に形成された前記第１の貫通孔の内周縁は、前記絶縁部材に形成された前記第２の貫通孔の内周縁を取り囲み、
前記第１の方向視において、前記絶縁部材における前記第２の貫通孔の内周縁は、前記締結部材から離間している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
【請求項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、
前記第１の方向視における前記締結部材の中心を通り、かつ、前記第１の方向に平行な断面において、前記絶縁部材における前記第２の貫通孔の内周面に相当する第１の線上の任意の点と前記締結部材との間の前記第１の方向に直交する第２の方向における第１の距離に対する、前記第１の線上の前記任意の点と前記第１の線の前記第１の方向における前記一方側の端点との間の前記第１の線に沿った第２の距離の比は、前記絶縁部材を形成する材料の比誘電率の値未満である、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
【請求項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、
前記絶縁部材は、マイカにより形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
【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セルスタックにおいて、
前記ターミナル部材に形成された前記第１の貫通孔には、前記締結部材の軸周りの外周を囲む絶縁性の筒状部材が配置されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
【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セルスタックにおいて、
前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
【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、電気化学反応セルスタックに関する。
【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。
【０００３】
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、「発電ブロック」という）と、電気化学反応ブロックを挟んで第１の方向に互いに対向する一対の導電性のターミナル部材と、一対のターミナル部材を挟んで第１の方向に互いに対向する一対の絶縁部材と、一対の絶縁部材を挟んで第１の方向に互いに対向する一対の導電性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。燃料電池スタックは、さらに、一対のターミナル部材に形成された貫通孔と一対の絶縁部材に形成された貫通孔とに挿入され、一対のエンド部材の少なくとも一方に係合する導電性の締結部材を備える。このような各部材を備える燃料電池スタックにおいて、一のターミナル部材に形成された貫通孔の内周面は、当該ターミナル部材に面して配置された絶縁部材に形成された貫通孔の内周面と面一の構成となっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１１１８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燃料電池スタックでは、例えば、高電圧が生じた場合に、上記一のターミナル部材と、当該ターミナル部材に面して配置された絶縁部材に面して配置されたエンド部材との間で放電が起こり、ターミナル部材とエンド部材とが短絡するおそれがある。
【０００６】
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）の一形態であ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」といい、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」といい、発電ブロックと電解ブロックとをまとめて「電気化学反応ブロック」という。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セルスタックにも共通の課題である。
【０００７】
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】
【０００８】
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。
【０００９】
（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の方向に並べられた複数の電気化学反応単セルを備え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セルは、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の方向の一方側に配置されたターミナル部材であって、前記第１の方向に貫く第１の貫通孔が形成され、かつ、前記電気化学反応ブロックに電気的に接続された導電性のターミナル部材と、前記ターミナル部材に対して前記第１の方向の前記一方側に配置された絶縁部材であって、前記第１の貫通孔に連通し、かつ、前記第１の方向に貫く第２の貫通孔が形成された、絶縁性の絶縁部材と、前記絶縁部材に対して前記第１の方向の前記一方側に配置された導電性のエンド部材と、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔とに挿入され、かつ、前記エンド部材に係合している導電性の締結部材と、を備え、前記締結部材によって締結された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、前記ターミナル部材に形成された前記第１の貫通孔の内周縁は、前記絶縁部材に形成された前記第２の貫通孔の内周縁を取り囲み、前記第１の方向視において、前記絶縁部材における前記第２の貫通孔の内周縁は、前記締結部材から離間している。
【００１０】
本電気化学反応セルスタックでは、第１の方向視において、ターミナル部材に形成された第１の貫通孔の内周縁は、絶縁部材に形成された第２の貫通孔の内周縁を取り囲んでいる。すなわち、本電気化学反応セルスタックでは、第１の方向視における締結部材の中心を通り、かつ、第１の方向に平行な断面において、絶縁部材における第２の貫通孔の内周面は、ターミナル部材における第１の貫通孔の内周面と比較して、締結部材側へ突出している。このため、絶縁部材における第２の貫通孔の内周面が、ターミナル部材における第１の貫通孔の内周面と一致する構成と比較して、ターミナル部材からエンド部材に至るまでの絶縁部材における沿面距離を大きくすることができる。このため、本電気化学反応セルスタックによれば、ターミナル部材とエンド部材との間の短絡の発生を抑制することができる。
【００１１】
本電気化学反応セルスタックでは、第１の方向視において、絶縁部材における第２の貫通孔の内周縁は、締結部材から離間している。すなわち、絶縁部材と締結部材との間には空間が形成されている。このため、本電気化学反応セルスタックによれば、ターミナル部材と締結部材との間の短絡の発生を抑制することができる。
【００１２】
従って、本電気化学反応セルスタックによれば、ターミナル部材と締結部材との間の短絡の発生を抑制するとともに、ターミナル部材とエンド部材との間の短絡の発生を抑制することができる。
【００１３】
（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視における前記締結部材の中心を通り、かつ、前記第１の方向に平行な断面において、前記絶縁部材における前記第２の貫通孔の内周面に相当する第１の線上の任意の点と前記締結部材との間の前記第１の方向に直交する第２の方向における第１の距離に対する、前記第１の線上の前記任意の点と前記第１の線の前記第１の方向における前記一方側の端点との間の前記第１の線に沿った第２の距離の比は、前記絶縁部材を形成する材料の比誘電率の値未満である構成としてもよい。
【００１４】
本電気化学反応セルスタックでは、第１の方向視における締結部材の中心を通り、かつ、第１の方向に平行な断面において、上記第１の距離に対する、上記第２の距離の比は、絶縁部材を形成する材料の比誘電率の値未満である。ここで、絶縁部材におけるターミナル部材からの突出距離が大きくなるほど、ターミナル部材からエンド部材に至るまでの絶縁部材における沿面距離は大きくなり、これにより、電気化学反応セルスタックの耐電圧は向上する。しかしながら、絶縁部材におけるターミナル部材からの突出距離が大きくなりすぎると、上記第１の距離、すなわち、絶縁部材と締結部材との間の距離が十分に確保できない。この結果、電気化学反応セルスタックにおいて、上記第１の距離、すなわち、絶縁部材と締結部材との間の距離が十分に確保されていない構成では、絶縁部材と締結部材との間の空間が十分に確保されず、当該空間に満たされている空気（比誘電率１．０）を介して、ターミナル部材と締結部材との間の短絡が発生する。具体的には、上記第１の距離に対する上記第２の距離の比が、絶縁部材を形成する材料の比誘電率の値以上となる構成では、ターミナル部材と締結部材との間の短絡が発生する。一方、本電気化学反応セルスタックでは、上記第１の距離に対する上記第２の距離の比が、絶縁部材を形成する材料の比誘電率の値未満となる構成とする。すなわち、本電気化学反応セルスタックでは、上記第１の距離、すなわち、絶縁部材と締結部材との間の距離が十分に確保されている。このため、絶縁部材と締結部材との間の空間に満たされている空気（比誘電率１．０）を介することにより、ターミナル部材と締結部材との間で短絡することをより効果的に抑制することができる。
【００１５】
従って、本電気化学反応セルスタックによれば、ターミナル部材とエンド部材との間の短絡の発生を抑制することができるとともに、ターミナル部材と締結部材との間の短絡の発生をより効果的に抑制することができる。
【００１６】
（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記絶縁部材は、マイカにより形成されている構成としてもよい。マイカは、市場において容易かつ安価に入手でき、成形加工性に優れている傾向があるため、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応セルスタックを効率的に製造することができる。
【００１７】
（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記ターミナル部材に形成された前記第１の貫通孔には、前記締結部材の軸周りの外周を囲む絶縁性の筒状部材が配置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、電気化学反応セルスタックが保護管を備えているため、導電性部材であるターミナル部材に形成された第１の貫通孔と締結部材とが短絡することをより効果的に抑制することができる。
【００１８】
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）、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】
【００１９】
【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および図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る。
【図３】図１および図７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。
【図４】図１および図７のＩＶ−ＩＶ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５】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６】図１および図７のＶＩ−ＶＩ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７】図４のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における下側のターミナルプレート４２０のＸＹ断面構成を示す説明図である。
【図８】図１および図７のＩＶ−ＩＶの位置の断面図において、図４に示す断面のＸ１部を部分的に示すＸＺ断面図である。
【図９】変形例における、図４に示す断面のＸ１部を部分的に示すＸＺ断面図である。
【図１０】性能評価結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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７）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り、図４は、図１（および後述する図７）のＩＶ−ＩＶ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５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。
【００２１】
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。
【００２２】
図１および図４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および各絶縁シート５１０，５２０）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。
【００２３】
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、略円柱形状の導電性部材である。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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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軸方向における厚さ（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２から図４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。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。下側のターミナルプレート４２０の構成については、後に詳述する。
【００２８】
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軸方向における厚さ（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。図２から図４に示すように、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。下側の絶縁シート５２０の構成については、後に詳述する。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。
【００２９】
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。各エンドプレート１０４，１０６のＺ軸方向における厚さ（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。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２から図４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。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。
【００３０】
（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。
【００３１】
（発電単位１０２の構成）
図５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６は、図１（および後述する図７）のＶＩ−ＶＩ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５および図６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。
【００３２】
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〜図４参照）。
【００３３】
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。
【００３４】
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））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。
【００３５】
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。
【００３６】
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状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。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。
【００３７】
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状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している。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。
【００３８】
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。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。
【００３９】
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。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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
Ａ−３．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の詳細構成：
図７は、図４のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における下側のターミナルプレート４２０のＸＹ断面構成を示す説明図である。なお、図７では、便宜上、Ｚ軸方向において、図４のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における下側のターミナルプレート４２０のＸＹ断面とは異なる位置のＸＹ断面に存在する下側の絶縁シート５２０も図示している。図８は、燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を部分的に示す説明図である。図８は、図４に示す断面のＸ１部における部分拡大図、すなわち、図１および図７のＩＶ−ＩＶの位置の断面における部分拡大図である。詳しくは、図８には、Ｚ軸方向視におけるボルト２２の中心点ＰＯを通り、かつ、Ｚ軸方向に平行なＸＺ断面の構成が示されている。
【００４５】
上述の通り、下側のターミナルプレート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（図７参照）。また、下側のターミナルプレート４２０には、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、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とを構成する連通孔１０８が形成されている。下側のターミナルプレート４２０には、さらに、Ｚ軸方向回りの外周の４つの角部周辺にボルト孔１０９が形成されている。また、Ｙ軸方向視において、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉは、Ｚ軸方向と平行な略直線である。換言すると、Ｙ軸方向視において、絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉは、下側の絶縁シート５２０における上側の表面と直交している。
【００４６】
図７における部分拡大図に示すように、Ｚ軸方向視において、ボルト孔１０９の略中央には、ボルト２２が配置されている。Ｚ軸方向視におけるボルト孔１０９の中心点は、ボルト２２の中心点ＰＯと略同じ位置である。ボルト孔１０９の一部を構成する、下側のターミナルプレート４２０に形成されたボルト孔１０９（以下、「ターミナルプレート貫通孔４２２」ともいう）の孔径Ｄ２は、ボルト２２の軸部における外径（最大外径）Ｄ１より大きい。また、ボルト孔１０９の一部を構成する、下側の絶縁シート５２０に形成されたボルト孔１０９（以下、「絶縁シート貫通孔５２２」ともいう）の孔径Ｄ３は、ボルト２２の軸部における外径（最大外径）Ｄ１より大きく、かつ、ターミナルプレート貫通孔４２２の孔径Ｄ２より小さい。また、Ｚ軸方向視において、ボルト２２の軸部と、ターミナルプレート貫通孔４２２と、絶縁シート貫通孔５２２とは、略同心である。すなわち、Ｚ軸方向視において、下側のターミナルプレート４２０に形成されたターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔは、下側の絶縁シート５２０に形成された絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉを取り囲んでいる。ここで、「ターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔ」は、ターミナルプレート貫通孔４２２の内周面Ｓｔと下側の絶縁シート５２０の上側表面とが接する点Ｐ１を含む縁である。また、「Ｚ軸方向視において、下側のターミナルプレート４２０に形成されたターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔは、下側の絶縁シート５２０に形成された絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉを取り囲んでいる」とは、Ｚ軸方向視において、ターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔが、内周縁Ｅｔの全周にわたって、絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉより外側に位置していることを意味し、内周縁Ｅｔと内周縁Ｅｉとが一致することを意味しない。換言すると、Ｙ軸方向視において、下側の絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉは、下側のターミナルプレート貫通孔４２２の内周面Ｓｔからボルト２２側へ突出している。
【００４７】
Ｚ軸方向視において、下側のターミナルプレート４２０におけるターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔおよび下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉは、いずれもボルト２２の軸部の全周にわたって離間している。なお、上述の下側のターミナルプレート４２０の内周面Ｓｔとは、下側のターミナルプレート４２０の表面の内、ボルト２２に対向する表面であり、後述の下側の絶縁シート５２０の内周面Ｓｉとは、下側の絶縁シート５２０の表面の内、ボルト２２に対向する表面である。なお、下側のターミナルプレート４２０におけるターミナルプレート貫通孔４２２の内周面Ｓｔおよび下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉは、それらの全ての部分においてボルト２２から離間している。また、下側のターミナルプレート４２０とボルト２２との間には、他の部材が介在することなく、下側のターミナルプレート４２０とボルト２２との間の空間は空気（比誘電率１．０）で満たされている。換言すると、ボルト孔１０９に占める空気の体積の値は、ボルト孔１０９の体積からボルト２２の体積を差し引いた値と同等である。
【００４８】
図８に示すように、Ｚ軸方向に直交するＹ軸方向視において、下側のターミナルプレート４２０のターミナルプレート貫通孔４２２における内周面Ｓｔと、下側の絶縁シート５２０とは点Ｐ１において接している。Ｙ軸方向視において、下側の絶縁シート５２０の絶縁シート貫通孔５２２における内周面Ｓｉと、下側のエンドプレート１０６とは端点Ｐ３において接している。Ｙ軸方向視において、下側の絶縁シート５２０の上方向側の表面における点Ｐ２は、ボルト２２に最も近い点であり、かつ、下側の絶縁シート５２０の表面における屈曲点である。線Ｌ１は、Ｙ軸方向視において、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉに相当する線である。空間距離Ｄａは、線Ｌ１上の任意の点Ｐａとボルト２２との間のＸ軸方向における最短距離である。距離Ｄｂは、線Ｌ１上の任意の点Ｐａと線Ｌ１のＺ軸方向における下方向側の端点Ｐ３との間の線Ｌ１に沿った距離である。なお、図８において、ボルト孔１０９内に図示された点線は、ターミナルプレート貫通孔４２２内の空間と絶縁シート貫通孔５２２内の空間とを示すために便宜上図示された点線である。
【００４９】
本実施形態の燃料電池スタック１００において、上記空間距離Ｄａに対する上記距離Ｄｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）は、下側の絶縁シート５２０を形成する材料の比誘電率の値未満である。本実施形態において、下側の絶縁シート５２０を形成する材料がマイカであり、マイカの比誘電率が７．０である場合において、上記比（Ｄｂ／Ｄａ）は、７．０未満である。なお、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２によって形成される空間は、空気（比誘電率１．０）で満たされている。また、下側の絶縁シート５２０を形成する材料が、アルミナ、窒化ケイ素、ジルコニアである場合において、それらの比誘電率は、アルミナでは８．５〜１０．０、窒化ケイ素では８．３〜９．６、ジルコニアでは２８〜３３である。なお、下側の絶縁シート５２０を形成する材料の比誘電率は、例えば、ＪＩＳ  Ｃ２１４１に準拠して測定することができる。なお、本実施形態の燃料電池スタック１００では、図８に示すＸＺ断面だけでなく、Ｚ軸方向視におけるボルト２２の中心点ＰＯを通るいずれの断面においても同様の構成となっている。
【００５０】
本実施形態の燃料電池スタック１００において、各ボルト２２の軸部（詳しくは、軸部のねじ山の部分）における外径Ｄ１は、４ｍｍ以上、１４ｍｍ以下であり、好ましくは、８ｍｍ以上、１１ｍｍ以下である。また、下側のターミナルプレート４２０に形成されたターミナルプレート貫通孔４２２の孔径Ｄ２は、６ｍｍ以上、１６ｍｍ以下であり、好ましくは、１０ｍｍ以上、１３ｍｍ以下である。また、下側の絶縁シート５２０に形成された絶縁シート貫通孔５２２の孔径Ｄ３は、５ｍｍ以上、１５ｍｍ以下であり、好ましくは、９ｍｍ以上、１２ｍｍ以下である。また、下側のターミナルプレート貫通孔４２２におけるボルト２２との間の間隙に対する、下側の絶縁シート５２０における下側のターミナルプレート４２０からの突出距離の割合は、５％以上であり、好ましくは、２０％以上であり、より好ましくは、５０％以上である。ここで、下側のターミナルプレート貫通孔４２２におけるボルト２２との間の間隙は、ターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔとボルト２２の外径Ｄ１との間の距離（（Ｄ２−Ｄ１）／２）であり、下側の絶縁シート５２０における下側のターミナルプレート４２０からの突出距離は、ターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔと絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉとの間の距離（（Ｄ２−Ｄ３）／２）である。
【００５１】
なお、Ｚ軸方向（配列方向または上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。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。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。下側のターミナルプレート４２０は、特許請求の範囲におけるターミナル部材に相当する。ターミナルプレート貫通孔４２２は、特許請求の範囲における第１の貫通孔に相当する。下側の絶縁シート５２０は、特許請求の範囲における絶縁部材に相当する。絶縁シート貫通孔５２２は、特許請求の範囲における第２の貫通孔に相当する。下側のエンドプレート１０６は、特許請求の範囲におけるエンド部材に相当する。ボルト２２は、特許請求の範囲における締結部材に相当する。空間距離Ｄａは、特許請求の範囲における第１の距離に相当する。距離Ｄｂは、特許請求の範囲における第２の距離に相当する。
【００５２】
Ａ−４．性能評価：
複数の燃料電池スタック１００のサンプルを用いて行った性能評価について、以下説明する。図１０は、性能評価（耐電圧値についての評価）の結果を示す説明図である。図１０の縦軸は、耐電圧値の比率であり、横軸は、燃料電池スタック１００を構成する下側の絶縁シート５２０とボルト２２との間の空間距離Ｄａ（ｍｍ）である。
【００５３】
（評価方法）
本性能評価では、以下の構成を有する燃料電池スタック１００を用いた。
・ボルト２２
材料：ステンレス
・下側のターミナルプレート４２０
材料：ステンレス
厚さＴ１：１ｍｍ
・下側の絶縁シート５２０
材料：マイカ（比誘電率７．０）
厚さＴ１：１．５ｍｍ
・下側のエンドプレート１０６
材料：ステンレス
厚さＴ１：８ｍｍ
・下側の絶縁シート５２０とボルト２２との間の空間距離Ｄａ：
０ｍｍ，０．１５ｍｍ，０．３ｍｍ，０．５ｍｍ，１ｍｍ，１．５ｍｍ，１．８ｍｍ，２ｍｍ
【００５４】
（評価結果）
図１０において、縦軸の「耐電圧値の比率」は、上記空間距離Ｄａが２ｍｍである構成を有する燃料電池スタック１００の耐電圧の測定値を１としたときの、上記空間距離Ｄａが上記各距離（０ｍｍ〜１．８ｍｍ）である構成を有する燃料電池スタック１００の耐電圧の測定値の比率である。なお、「空間距離Ｄａが２ｍｍである構成」とは、ターミナルプレート貫通孔４２２の孔径Ｄ２と絶縁シート貫通孔５２２の孔径Ｄ３とが同じ値である構成を意味している。また、本性能評価に用いた燃料電池スタック１００において、Ｙ軸方向視において、絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉは、下側の絶縁シート５２０における上側の表面と直交している。このため、上記空間距離Ｄａは、Ｙ軸方向視において、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉに相当する上記線Ｌ１上のいずれの点Ｐａにおいても、同じ値である。また、下側の絶縁シート５２０の厚さＴ１は１．５ｍｍであるため、上記距離Ｄｂは最大で１．５ｍｍである。
【００５５】
本性能評価において、耐電圧値の比率は、上記空間距離Ｄａが２ｍｍの点を基点として小さくなるにつれて上昇し、上記空間距離Ｄａが０．３ｍｍの点で最大値を示した。これは、上記空間距離Ｄａが０．３ｍｍ〜１．８ｍｍである構成を有する燃料電池スタック１００では、上記空間距離Ｄａに対する上記距離Ｄｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）が、下側の絶縁シート５２０を形成する材料であるマイカの比誘電率７．０未満の値であったためと考えられる。一方、上記空間距離Ｄａが０．１５ｍｍの点における耐電圧値の比率は、上記空間距離Ｄａが０．３ｍｍの点における耐電圧値の比率と比較して、顕著に低い値を示した。これは、上記空間距離Ｄａが０．１５ｍｍである構成を有する燃料電池スタック１００では、上記空間距離Ｄａに対する上記距離Ｄｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）が、下側の絶縁シート５２０を形成する材料であるマイカの比誘電率７．０を超える値であったためと考えられる。
【００５６】
下側の絶縁シート５２０とボルト２２との間の空間の空気の誘電率は、下側の絶縁シート５２０を形成する材料であるマイカの誘電率よりも小さいため、上記距離Ｄｂに沿って放電が起こりやすいと考えられる。一方、上記比（Ｄｂ／Ｄａ）がマイカの比誘電率以上の場合には、上記空間距離Ｄａにおいて放電が起こりやすくなると考えられる。
【００５７】
Ａ−５．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、下側のターミナルプレート４２０と、下側の絶縁シート５２０と、下側のエンドプレート１０６と、ボルト２２とを備える。発電ブロック１０３は、Ｚ軸方向に並べられた複数の単セル１１０を備える。各単セル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。下側のターミナルプレート４２０は、発電ブロック１０３に対してＺ軸方向の下方向側に配置されている。下側のターミナルプレート４２０には、Ｚ軸方向に貫くターミナルプレート貫通孔４２２が形成されている。下側のターミナルプレート４２０は、発電ブロック１０３に電気的に接続される導電性の部材である。下側の絶縁シート５２０は、下側のターミナルプレート４２０に対してＺ軸方向の下方向側に配置された絶縁性の部材である。下側の絶縁シート５２０には、ターミナルプレート貫通孔４２２に連通し、かつ、Ｚ軸方向に貫く絶縁シート貫通孔５２２が形成されている。下側のエンドプレート１０６は、下側の絶縁シート５２０に対してＺ軸方向の下方向側に配置された導電性の部材である。ボルト２２は、ターミナルプレート貫通孔４２２と絶縁シート貫通孔５２２とに挿入され、かつ、下側のエンドプレート１０６に係合している導電性の部材である。また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ軸方向視において、下側のターミナルプレート４２０に形成されたターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔは、下側の絶縁シート５２０に形成された絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉを取り囲んでいる。Ｚ軸方向視において、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉは、ボルト２２から離間している。
【００５８】
本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ軸方向視において、下側のターミナルプレート４２０に形成されたターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔは、下側の絶縁シート５２０に形成された絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉを取り囲んでいる。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ軸方向視におけるボルト２２の中心点ＰＯを通り、かつ、Ｚ軸方向に平行な断面において、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉは、下側のターミナルプレート４２０におけるターミナルプレート貫通孔４２２の内周面Ｓｔと比較して、ボルト２２側へ突出している。このため、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉが、下側のターミナルプレート４２０におけるターミナルプレート貫通孔４２２の内周面Ｓｔと一致する構成と比較して、下側のターミナルプレート４２０から下側のエンドプレート１０６に至るまでの下側の絶縁シート５２０における沿面距離を大きくすることができる。このため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡の発生を抑制することができる。
【００５９】
本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ方向視において、絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉは、ボルト２２から離間している。すなわち、絶縁シート５２０とボルト２２との間には空間が形成されている。このため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、下側のターミナルプレート４２０とボルト２２との間の短絡の発生を抑制することができる。
【００６０】
従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、下側のターミナルプレート４２０とボルト２２との間の短絡の発生を抑制するとともに、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡の発生を抑制することができる。
【００６１】
上記性能評価で用いた、上記空間距離Ｄａが２ｍｍおよび１．５ｍｍである構成を有する燃料電池スタック１００について、電界強度に関するシミュレーションを行った。この結果、上記空間距離Ｄａが１．５ｍｍである構成、すなわち、下側のターミナルプレート４２０のターミナルプレート貫通孔４２２の内周面Ｓｔから、下側の絶縁シート５２０の絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉがボルト２２側へ突出している構成（以下、「突出構成」ともいう）において、内周面Ｓｔと下側の絶縁シート５２０とが接する点Ｐ１における電界強度は０．６４０ｅ７であった。一方、上記空間距離Ｄａが２ｍｍである構成、すなわち、下側のターミナルプレート４２０のターミナルプレート貫通孔４２２の内周面Ｓｔと下側の絶縁シート５２０の絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉとが面一である構成（以下、「面一構成」ともいう）においては、内周面Ｓｔと下側の絶縁シート５２０とが接する点Ｐ１における電界強度は０．２２９ｅ７であった。すなわち、上記突出構成における点Ｐ１での電界強度は、上記面一構成における点Ｐ１での電界強度と比較して大きいことが示された。これにより、上記突出構成が、上記面一構成と比較して、上記下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡がより発生しやすい構成であると考えられる。しかしながら、上記性能評価の結果にも示されているように、本実施形態の燃料電池スタック１００の構成、すなわち、下側のターミナルプレート４２０から下側のエンドプレート１０６に至るまでの下側の絶縁シート５２０における上記沿面距離を大きくする構成とすることにより、耐電圧値が上昇し、ひいては、上記下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡がより発生しにくくなると考えられる。
【００６２】
（シミュレーション条件）
上記電界強度に関するシミュレーションの条件は、以下の通りである。
・ボルト２２
材料：ステンレス（比誘電率１ｅ６）
・下側のターミナルプレート４２０
材料：ステンレス（比誘電率１ｅ６）
厚さＴ１：１ｍｍ
・下側の絶縁シート５２０
材料：マイカ（比誘電率７．０）
厚さＴ１：１．５ｍｍ
・下側のエンドプレート１０６
材料：ステンレス（比誘電率１ｅ６）
厚さＴ１：８ｍｍ
・下側の絶縁シート５２０とボルト２２との間の空間距離Ｄａ：
１．５ｍｍ，２ｍｍ
・各部材における電位
ボルト２２：０Ｖ
下側のターミナルプレート４２０：１０００Ｖ
下側のエンドプレート１０６：０Ｖ
【００６３】
本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ軸方向視におけるボルト２２の中心点ＰＯを通り、かつ、Ｚ軸方向に平行なＸＺ断面において、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉに相当する線Ｌ１上の任意の点Ｐａとボルト２２との間のＺ軸方向に直交するＸ軸方向における空間距離Ｄａに対する、線Ｌ１上の点Ｐａと線Ｌ１のＺ軸方向における下方向側の端点Ｐ３との間の線Ｌ１に沿った距離Ｄｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）は、下側の絶縁シート５２０を形成する材料の比誘電率の値未満である。
【００６４】
本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ軸方向視におけるボルト２２の中心点ＰＯを通り、かつ、Ｚ軸方向に平行なＸＺ断面において、上記空間距離Ｄａに対する上記距離Ｄｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）は、下側の絶縁シート５２０を形成する材料の比誘電率の値未満である。ここで、下側の絶縁シート５２０における下側のターミナルプレート４２０からの突出距離が大きくなるほど、下側のターミナルプレート４２０から下側のエンドプレート１０６に至るまでの下側の絶縁シート５２０における沿面距離は大きくなり、これにより、燃料電池スタック１００の耐電圧は向上する。しかしながら、下側の絶縁シート５２０における下側のターミナルプレート４２０からの突出距離が大きくなりすぎると、下側の絶縁シート５２０とボルト２２との間の空間距離Ｄａが十分に確保できない。この結果、燃料電池スタック１００において、下側の絶縁シート５２０とボルト２２との間の空間距離Ｄａが十分に確保されていない構成では、下側の絶縁シート５２０とボルト２２との間の空間が十分に確保されず、当該空間に満たされている空気（比誘電率１．０）を介して、下側のターミナルプレート４２０とボルト２２との間の短絡が発生する。具体的には、上記空間距離Ｄａに対する上記距離Ｄｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）が、下側の絶縁シート５２０を形成する材料の比誘電率の値以上となる構成では、下側のターミナルプレート４２０とボルト２２との間の短絡が発生する。一方、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上記空間距離Ｄａに対する上記距離Ｄｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）が、下側の絶縁シート５２０を形成する材料の比誘電率の値未満となる構成とする。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１００では、下側の絶縁シート５２０とボルト２２との間の空間距離Ｄａが十分に確保されている。このため、下側の絶縁シート５２０とボルト２２との間の空間に満たされている空気（比誘電率１．０）を介することにより、下側のターミナルプレート４２０とボルト２２との間で短絡することをより効果的に抑制することができる。
【００６５】
従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡の発生を抑制することができるとともに、下側のターミナルプレート４２０とボルト２２との間の短絡の発生をより効果的に抑制することができる。
【００６６】
本実施形態の燃料電池スタック１００では、下側の絶縁シート５２０は、マイカにより形成されている。マイカは、市場において容易かつ安価に入手でき、成形加工性に優れている傾向があるため、燃料電池スタック１００を効率的に製造することができる。
【００６７】
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。
【００６８】
図９に示すように、上記実施形態の燃料電池スタック１００において、下側のターミナルプレート４２０には、下側の絶縁シート５２０に面する欠損空間４２５が形成されていてもよい。欠損空間４２５は、例えば、下側のターミナルプレート４２０と下側のターミナルプレート４２０に面する発電単位１０２の内の燃料極側フレーム１４０との間を溶接により接合する際に発生する溶接部の一部（ビード）を収めるために形成される。このように、下側のターミナルプレート４２０に欠損空間４２５が形成されている構成において、下側のターミナルプレート４２０のターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔは、ターミナルプレート貫通孔４２２の内周面Ｓｔと下側の絶縁シート５２０の上側表面とが接する点Ｐ４を含む縁である。このような構成において、電流は、下側のターミナルプレート４２０における点Ｐ４から、点Ｐ２を通って下側のエンドプレート１０６へ流れると考えられるためである。すなわち、下側のターミナルプレート４２０に欠損空間４２５が形成されている構成においても、Ｚ軸方向視において、下側のターミナルプレート４２０に形成されたターミナルプレート貫通孔４２２における点Ｐ４を含む内周縁Ｅｔが、下側の絶縁シート５２０に形成された絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉを取り囲み、かつ、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉがボルト２２から離間している構成であれば、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡の発生を抑制することができる。なお、図９において、ボルト孔１０９内に図示された点線は、ターミナルプレート貫通孔４２２内の空間と絶縁シート貫通孔５２２内の空間とを示すために便宜上図示された点線である。
【００６９】
上記実施形態において、燃料電池スタック１００は、略円筒状の絶縁性部材である保護管を備えていても良い。具体的には、保護管は、図４および図８に示すボルト孔１０９の内周面とボルト２２との間に配置される。保護管は、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素等の絶縁材料により形成される。より具体的には、保護管は、ボルト２２の軸部の軸周りの外周を全周にわたって囲むとともに、Ｚ軸方向において、上側のエンドプレート１０４から下側のターミナルプレート４２０まで延びており、保護管の下方向側の端面は下側の絶縁シート５２０の上方向側の表面に接する。保護管の厚さは、保護管の軸周りの全周にわたって略均一であることが好ましい。また、保護管の厚さは、保護管の全長にわたって略均一であることが好ましい。また、保護管の厚さは、ボルト２２とボルト孔１０９の内周面との間の面方向の距離に対して、１／３以上であることが好ましく、１／２以上であることがより好ましい。保護管は、特許請求の範囲における筒状部材に相当する。このように、燃料電池スタック１００が保護管を備えることにより、導電性部材であるターミナルプレート４１０，４２０、セパレータ１２０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１０に形成されたボルト孔１０９とボルト２２とが短絡することを抑制することができる。なお、保護管は、略円筒状に限らず、例えば略角筒状等のように筒状であればよい。
【００７０】
上記実施形態の燃料電池スタック１００において、ボルト２２の軸部と、ターミナルプレート貫通孔４２２と、絶縁シート貫通孔５２２とは、Ｚ軸方向視において略同心である構成を採用したが、これに限定されない。すなわち、Ｚ軸方向視において、下側のターミナルプレート４２０に形成されたターミナルプレート貫通孔４２２の内周縁Ｅｔが、下側の絶縁シート５２０に形成された絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉを取り囲んでおり、かつ、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉがボルト２２から離間していれば、ボルト２２の軸部と、ターミナルプレート貫通孔４２２と、絶縁シート貫通孔５２２とが、Ｚ軸方向視において略同心でない構成であってもよい。
【００７１】
上記実施形態の燃料電池スタック１００において、ボルト２２の軸部の下側端部が下側のエンドプレート１０６を貫いて下方に突出し、その突出した下側端部に形成されたねじ部にナットが螺合している構成であってもよい。また、上記実施形態において、ボルト２２の軸部の上側端部の外周面におねじが形成され、上側のエンドプレート１０４に形成された貫通孔の内周面にめねじが形成されており、ボルト２２の軸部の上側端部が上側のエンドプレート１０４に形成された貫通孔に螺合している構成であってもよい。
【００７２】
上記実施形態の燃料電池スタック１００において、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉが、Ｙ軸方向視において、Ｚ軸方向と平行な略直線でない構成であってもよい。具体的には、Ｙ軸方向視において、絶縁シート貫通孔５２２の内周面Ｓｉは、内周面Ｓｉとボルト２２との間の距離が、下方向側に向かうほど小さくなる構成であってもよい。
【００７３】
上記実施形態の燃料電池スタック１００において、下側の絶縁シート５２０の点Ｐ２を含む部分が、Ｙ軸方向視において、Ｒ形状である構成であってもよい。ただし、燃料電池スタック１００において良好な耐電圧を確保する観点から、下側の絶縁シート５２０の点Ｐ２を含む部分は、上記実施形態のように直角形状であることが好ましい。下側のターミナルプレート４２０から下側のエンドプレート１０６に至るまでの下側の絶縁シート５２０における沿面距離が同じである構成であっても、下側の絶縁シート５２０の点Ｐ２を含む部分が直角形状している方が、すなわち、当該点Ｐ２の部分で屈曲している方が、より効果的に耐電圧が向上する傾向があるからである。
【００７４】
上記実施形態において、下側の絶縁シート５２０の絶縁シート貫通孔５２２の内周縁Ｅｉは、内周面Ｓｉのうち、Ｚ軸方向視において、ボルト２２側に最も近い点を含む縁である。
【００７５】
上記実施形態の燃料電池スタック１００において、上側のターミナルプレート４１０および上側の絶縁シート５１０の構成に、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と同様の構成が採用されていてもよい。
【００７６】
上記実施形態の燃料電池スタック１００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。
【００７７】
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。
【符号の説明】
【００７８】
１０：インターコネクタ  ２２：ボルト  ２６：絶縁シート  ２７：ガス通路部材  ２８：本体部  ２９：分岐部  １００：燃料電池スタック  １０２：燃料電池発電単位（発電単位）  １０３：発電ブロック  １０４：上側のエンドプレート  １０６：下側のエンドプレート  １０７：流路用貫通孔  １０８：連通孔  １０９：ボルト孔  １１０：燃料電池単セル（単セル）  １１２：電解質層  １１４：空気極（カソード)  １１６：燃料極（アノード）  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  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  ４１０：上側のターミナルプレート  ４２０：下側のターミナルプレート  ４２２：ターミナルプレート貫通孔  ４２５：欠損空間  ５１０：上側の絶縁シート  ５２０：下側の絶縁シート  ５２２：絶縁シート貫通孔  Ｄ１：外径  Ｄ２：孔径  Ｄ３：孔径  Ｄａ：空間距離  Ｄｂ：距離  Ｅｉ：内周縁  Ｅｔ：内周縁  ＦＧ：燃料ガス  ＦＯＧ：燃料オフガス  Ｌ１：線  ＯＧ：酸化剤ガス  ＯＯＧ：酸化剤オフガス  Ｐ１：点  Ｐ２：点  Ｐ３：端点  Ｐ４：点  ＰＯ：中心点  Ｐａ：点  Ｓｉ：内周面  Ｓｔ：内周面  Ｔ１：厚さ
【図１】
2020035533.tif 000003
【図２】
2020035533.tif 000004
【図３】
2020035533.tif 000005
【図４】
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【図５】
2020035533.tif 000007
【図６】
2020035533.tif 000008
【図７】
2020035533.tif 000009
【図８】
2020035533.tif 000010
【図９】
2020035533.tif 000011
【図１０】
2020035533.tif 000012