(57)【要約】インターコネクタの割れやひずみの発生を抑制する。インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体は、電気化学反応単セルとインターコネクタとを備える。インターコネクタには、第１の方向に突出する凸部と、第１の方向における凸部の反対側に配置され、凸部側に凹んだ凹部と、の組合せが複数形成されている。これら複数の組合せの少なくとも１つについて、第１の方向において、凹部の底は、凸部の基端より凹部の開口端側に位置し、第１の方向に平行な断面において、凹部は、第１の方向に直交する第２の方向における凸部の幅ｔ２の範囲内に位置し、第２の方向における凹部の幅ｔ１は、凸部の幅ｔ２より小さい。
2017073530.tif 000002
【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、を備えるインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、
前記インターコネクタには、前記第１の方向に突出する凸部と、前記第１の方向における前記凸部の反対側に配置され、前記凸部側に凹んだ凹部と、の組合せが複数形成されており、
複数の前記組合せの少なくとも１つについて、
前記第１の方向において、前記凹部の底は、前記凸部の基端より前記凹部の開口端側に位置し、
前記第１の方向に平行な断面において、前記凹部は、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記凸部の幅ｔ２の範囲内に位置し、前記第２の方向における前記凹部の幅ｔ１は、前記凸部の前記幅ｔ２より小さいことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【請求項２】
請求項１に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
前記凹部の底側の角部は、Ｒ形状であることを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
前記凸部の基端側の角部と先端側の角部との少なくとも一方は、Ｒ形状であることを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【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インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
複数の前記組合せの少なくとも１つについて、前記凹部の前記第１の方向における深さｈと、前記凹部の開口端と前記凸部の基端との間の前記第１の方向における距離Ｈとは、ｈ／Ｈ≦０．６９という関係を満たすことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【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インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
複数の前記組合せの少なくとも１つについて、前記第１の方向に平行な断面において、前記凹部の前記幅ｔ１と、前記凸部の前記幅ｔ２とは、０．７５≦ｔ１／ｔ２≦０．９２５という関係を満たすことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【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インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
前記電解質層は、固体酸化物を含むことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【請求項７】
前記第１の方向に並べて配列された複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の少なくとも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インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体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８】
請求項７に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体のそれぞれに含まれる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。
【請求項９】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の製造方法であって、
前記電気化学反応単セルを準備するセル準備工程と、
前記インターコネクタをプレス加工により、前記第１の方向に突出する凸部と、前記第１の方向における前記凸部の反対側に配置され、前記凸部側に凹んだ凹部と、の組合せが複数形成された形状に形成するプレス工程と、
前記電気化学反応単セルと前記インターコネクタとを組み付ける組み付け工程と、を含み、
前記プレス工程は、前記インターコネクタを前記第１の方向に平行な断面において、前記凹部は、前記第２の方向における前記凸部の幅ｔ２の範囲内に位置し、前記第２の方向における前記凹部の幅ｔ１は、前記凸部の前記幅ｔ２より小さい形状に形成することを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の製造方法。
【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、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣを構成するインターコネクタ−燃料電池単セル複合体（以下、単に「複合体」という）は、例えば、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）と、単セルの第１の方向に配置されたインターコネクタとを備える。一般に、複合体は、複数の複合体が第１の方向に並べて配置された燃料電池スタックの形態で利用される。【０００３】
従来、第１の方向に突出する凸部と、第１の方向における凸部の反対側に配置され、凸部側に凹んだ凹部と、の組合せが複数形成されたインターコネクタを備える複合体が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような構成のインターコネクタでは、第１の方向の一方側に形成された複数の凹部により構成される空間が、インターコネクタの該一方側に配置された電極（空気極または燃料極）に供給される反応ガスを流す空間（空気室または燃料室）として機能し、該一方側に形成された複数の凸部が、該電極と電気的に接続される集電体として機能する。なお、このような構成のインターコネクタは、例えば、プレス加工やエッチング等により製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／００１７７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池スタックを構成する各複合体は、燃料電池スタックの運転中に高温（例えば７００℃から１０００℃）に晒される。また、燃料電池スタックを構成する各複合体には、締結力による応力が発生する。上記従来のインターコネクタの構成では、これら高温と応力を原因として、インターコネクタに割れやひずみが発生することがある。インターコネクタの割れやひずみは、ガスリークや接触抵抗増大の原因となり得るため、望ましくない。【０００６】
なお、このような課題は、ＳＯＦＣに限らず、他のタイプの燃料電池にも共通の課題である。また、このような課題は、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体に限らず、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う電解セルの最小構成単位である電解セルと、インターコネクタと、を備えるインターコネクタ−電解セル複合体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セルとをまとめて電気化学反応単セルといい、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体とインターコネクタ−電解セル複合体とをまとめてインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体という。【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インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体は、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、を備えるインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、前記インターコネクタには、前記第１の方向に突出する凸部と、前記第１の方向における前記凸部の反対側に配置され、前記凸部側に凹んだ凹部と、の組合せが複数形成されており、複数の前記組合せの少なくとも１つについて、前記第１の方向において、前記凹部の底は、前記凸部の基端より前記凹部の開口端側に位置し、前記第１の方向に平行な断面において、前記凹部は、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記凸部の幅ｔ２の範囲内に位置し、前記第２の方向における前記凹部の幅ｔ１は、前記凸部の前記幅ｔ２より小さい。このインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、インターコネクタが、凸部の幅ｔ２内に包含され、かつ、凹部の幅ｔ１内に包含されない部分を有するため、インターコネクタの凸部の角部や凹部の角部等への応力集中が緩和され、インターコネクタの割れやひずみの発生を抑制することができ、その結果、ガスリークの発生や接触抵抗の増大を抑制することができる。【００１０】
（２）上記インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、前記凹部の底側の角部は、Ｒ形状である構成としてもよい。このインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、インターコネクタの凹部の底側の角部への応力集中が緩和され、インターコネクタの割れやひずみの発生をより効果的に抑制することができる。【００１１】
（３）上記インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、前記凸部の基端側の角部と先端側の角部との少なくとも一方は、Ｒ形状である構成としてもよい。このインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、インターコネクタにコートが施される場合に、凸部の角部においてコートの膜厚が薄くなることを抑制することができる。【００１２】
（４）上記インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、複数の前記組合せの少なくとも１つについて、前記凹部の前記第１の方向における深さｈと、前記凹部の開口端と前記凸部の基端との間の前記第１の方向における距離Ｈとは、ｈ／Ｈ≦０．６９という関係を満たす構成としてもよい。このインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、インターコネクタを所望の形状にしつつ、応力集中をより効果的に緩和することができる。【００１３】
（５）上記インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、複数の前記組合せの少なくとも１つについて、前記第１の方向に平行な断面において、前記凹部の前記幅ｔ１と、前記凸部の前記幅ｔ２とは、０．７５≦ｔ１／ｔ２≦０．９２５という関係を満たす構成としてもよい。このインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、インターコネクタを所望の形状にしつつ、応力集中をより効果的に緩和することができる。【００１４】
（６）上記インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、前記電解質層は、固体酸化物を含む構成としてもよい。本インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、電解質層が固体酸化物を含む構成において、インターコネクタの凸部の角部や凹部の角部等への応力集中が緩和され、インターコネクタの割れやひずみの発生を抑制することができる。【００１５】
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、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体（インターコネクタ−燃料電池単セル複合体またはインターコネクタ−電解セル複合体）、複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体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）、インターコネクタ、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】
【００１６】
【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】インターコネクタ１５０の詳細構成を示す説明図である。
【図８】実施例１のインターコネクタ１５０における相当応力の分布を示す説明図である。
【図９】比較例のインターコネクタ１５０Ｘにおける相当応力の分布を示す説明図である。
【図１０】実施例１のインターコネクタ１５０における相当クリープひずみの分布を示す説明図である。
【図１１】比較例のインターコネクタ１５０Ｘにおける相当クリープひずみの分布を示す説明図である。
【図１２】シミュレーション結果の他の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
Ａ．実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向といい、Ｚ軸負方向を下方向というものとするが、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。
【００１８】
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。また、燃料電池スタック１００は、電気化学反応セルスタックの一例である。
【００１９】
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軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各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という場合がある。
【００２０】
各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、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。
【００２１】
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軸方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿入された連通孔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が挿入された連通孔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、例えば空気が使用される。
【００２２】
また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿入された連通孔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が挿入された連通孔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。
【００２３】
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。
【００２４】
（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。
【００２５】
（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る。
【００２６】
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、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。
【００２７】
インターコネクタ１５０は、略矩形の外形を有する導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレス等のＣｒ（クロム）を含む金属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はエンドプレート１０６を備えているため、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（図２および図３参照）。
【００２８】
図４から図６に示すように、インターコネクタ１５０には、下方向に突出する凸部１５２（以下、「空気極側凸部１５２」という）と、空気極側凸部１５２の上側に配置され、空気極側凸部１５２側に凹んだ凹部１５４（以下、「燃料極側凹部１５４」という）との組合せが複数形成されている。また、隣接する２つの空気極側凸部１５２の間には凹部１５６（以下、「空気極側凹部１５６」という）が形成され、隣接する２つの燃料極側凹部１５４の間には凸部１５８（以下、「燃料極側凸部１５８」という）が形成されている。すなわち、インターコネクタ１５０には、上方向に突出する燃料極側凸部１５８と、燃料極側凸部１５８の下側に配置され、燃料極側凸部１５８側に凹んだ空気極側凹部１５６との組合せも複数形成されている。
【００２９】
ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０に形成された各空気極側凸部１５２は、該発電単位１０２の空気極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直接的または間接的に接触している。また、該インターコネクタ１５０における各燃料極側凸部１５８は、上側に隣接する他の発電単位１０２の燃料極側集電体１４４と直接的または間接的に接触している。そのため、インターコネクタ１５０によって、発電単位１０２間の電気的導通が確保される。また、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０に形成された各空気極側凹部１５６は、該発電単位１０２の空気極１１４に面する空気室１６６の一部を構成する。
【００３０】
なお、本実施形態では、インターコネクタ１５０は、平板形状の金属材料にプレス加工を施し、空気極側凸部１５２と燃料極側凹部１５４との複数の組合せ、および、燃料極側凸部１５８と空気極側凹部１５６との複数の組合せを形成することによって製造される。より具体的には、プレス加工によって形成された隣接する２つの空気極側凸部１５２間の箇所が、空気極側凹部１５６となり、プレス加工によって形成された隣接する２つの燃料極側凹部１５４間の箇所が、燃料極側凸部１５８となる。インターコネクタ１５０の凸部や凹部をプレス加工により形成することにより、例えばエッチング等の他の方法を用いる場合と比較して、製造工程の効率化を図ることができる。インターコネクタ１５０のさらなる詳細構成については、後述する。
【００３１】
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。
【００３２】
電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、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、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【００３３】
セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０をセパレータ付き単セルともいう。
【００３４】
空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。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孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。
【００３５】
燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における電解質層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。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孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。
【００３６】
燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。燃料極側集電体１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）との電気的接続が良好に維持される。
【００３７】
図４および図５に示すように、インターコネクタ１５０の空気極１１４側の表面は、導電性のコート１３６によって覆われている。コート１３６は、例えば、スピネル型酸化物（例えば、ＭｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＭｎ２Ｏ４、ＣｕＭｎ２Ｏ４等）により形成されている。インターコネクタ１５０の表面へのコート１３６の形成は、例えば、スプレーコート、インクジェット印刷、スピンコート、ディップコート、めっき、スパッタリング、溶射等の周知の方法で実行される。コート１３６の存在により、インターコネクタ１５０の表面からＣｒが放出されて拡散する「Ｃｒ拡散」と呼ばれる現象の発生が抑制され、インターコネクタ１５０がＣｒ欠乏によって異常酸化したり、拡散したＣｒが空気極１１４の表面に付着して空気極１１４での電極反応速度が低下する「空気極のＣｒ被毒」と呼ばれる現象が発生したりすることを抑制することができる。なお、インターコネクタ１５０に対する熱処理によって酸化クロムの被膜ができることがあるが、その場合には、コート１３６は、当該被膜ではなく、当該被膜が形成されたインターコネクタ１５０を覆うように形成された層である。以下の説明では、特記しない限り、インターコネクタ１５０は「コート１３６に覆われたインターコネクタ１５０」を意味する。
【００３８】
空気極１１４とインターコネクタ１５０（より詳細には、インターコネクタ１５０の各空気極側凸部１５２）とは、導電性の接合層１３８により接合されている。接合層１３８は、例えば、スピネル型酸化物（例えば、Ｍｎ１．５Ｃｏ１．５Ｏ４やＭｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＭｎ２Ｏ４、ＺｎＭｎＣｏＯ４、ＣｕＭｎ２Ｏ４）により形成されている。接合層１３８により、空気極１１４とインターコネクタ１５０とが電気的に接続される。先に、インターコネクタ１５０は空気極１１４の表面と接触していると説明したが、本実施形態においては、コート１３６に覆われたインターコネクタ１５０と空気極１１４との間には接合層１３８が介在している。
【００３９】
なお、本明細書では、図４および図５に示すように、各発電単位１０２から空気極側フレーム１３０と空気極側フレーム１３０側のインターコネクタ１５０とを除いた構造体、すなわち、単セル１１０と、セパレータ１２０と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側フレーム１４０側のインターコネクタ１５０とを備える構造体を、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体１０７ともいう。上述したように、燃料電池スタック１００は、上下方向に並べて配置された複数の発電単位１０２を備えるが、換言すれば、燃料電池スタック１００は、空気極側フレーム１３０を挟んで並べて配置された複数のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体１０７を備えると言える。インターコネクタ−燃料電池単セル複合体１０７は、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の一例である。
【００４０】
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孔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孔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および燃料ガスＦＧ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は接合層１３８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。
【００４２】
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孔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、燃料ガス排出連通孔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。
【００４３】
Ａ−３．インターコネクタ１５０の詳細構成：
図７は、インターコネクタ１５０の詳細構成を示す説明図である。図７には、図６のＶＩＩ―ＶＩＩの位置におけるインターコネクタ１５０のＹＺ断面構成、すなわち、上下方向（Ｚ軸方向）および左右方向（Ｙ軸方向）に平行な断面であって、Ｘ軸方向における空気極側凸部１５２の中心を通る断面の構成が示されている。
【００４４】
図７には、また、上下方向において、燃料極側凹部１５４の開口端の位置を示す第１仮想直線Ｌ１と、燃料極側凹部１５４の底の位置を示す第２仮想直線Ｌ２と、空気極側凸部１５２の基端の位置を示す第３仮想直線Ｌ３と、空気極側凸部１５２の先端の位置を示す第４仮想直線Ｌ４とが示されている。なお、本実施形態では、上下方向において、燃料極側凸部１５８の先端の位置は燃料極側凹部１５４の開口端の位置に等しく、燃料極側凸部１５８の基端の位置は燃料極側凹部１５４の底の位置に等しく、空気極側凹部１５６の底の位置は空気極側凸部１５２の基端の位置に等しく、空気極側凹部１５６の開口端の位置は空気極側凸部１５２の先端の位置に等しい。すなわち、第１仮想直線Ｌ１は、燃料極側凸部１５８の先端の位置を示す仮想直線でもあり、第２仮想直線Ｌ２は、燃料極側凸部１５８の基端の位置を示す仮想直線でもあり、第３仮想直線Ｌ３は、空気極側凹部１５６の底の位置を示す仮想直線でもあり、第４仮想直線Ｌ４は、空気極側凹部１５６の開口端の位置を示す仮想直線でもある。
【００４５】
図７には、また、各凸部および各凹部の左右方向（Ｙ軸方向）における幅の定義が示されている。すなわち、空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａは、空気極側凸部１５２の一方の側面を延長した仮想直線ＴＬ２１と第４仮想直線Ｌ４との交点Ｐ２１と、空気極側凸部１５２の他方の側面を延長した仮想直線ＴＬ２２と第４仮想直線Ｌ４との交点Ｐ２２との間の距離である。また、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａは、燃料極側凹部１５４を構成するインターコネクタ１５０の互いに対向する内壁面間の距離であり、具体的には、燃料極側凹部１５４の一方の側面を延長した仮想直線ＴＬ１１と第１仮想直線Ｌ１との交点Ｐ１１と、燃料極側凹部１５４の他方の側面を延長した仮想直線ＴＬ１２と第１仮想直線Ｌ１との交点Ｐ１２との間の距離である。同様に、燃料極側凸部１５８の幅ｔ２ｂは、燃料極側凸部１５８の一方の側面を延長した仮想直線ＴＬ１２と第１仮想直線Ｌ１との交点Ｐ１２（上記交点Ｐ１２と同一点）と、燃料極側凸部１５８の他方の側面を延長した仮想直線ＴＬ１３と第１仮想直線Ｌ１との交点Ｐ１３との間の距離である。また、空気極側凹部１５６の幅ｔ１ｂは、空気極側凹部１５６を構成するインターコネクタ１５０の互いに対向する内壁面間の距離であり、具体的には、空気極側凹部１５６の一方の側面を延長した仮想直線ＴＬ２２と第４仮想直線Ｌ４との交点Ｐ２２（上記交点Ｐ２２と同一点）と、空気極側凹部１５６の他方の側面を延長した仮想直線ＴＬ２３と第４仮想直線Ｌ４との交点Ｐ２３との間の距離である。なお、左右方向（Ｙ軸方向）は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。
【００４６】
図７に示すように、本実施形態のインターコネクタ１５０では、上下方向に並ぶ空気極側凸部１５２と燃料極側凹部１５４との組合せについて、燃料極側凹部１５４の底（第２仮想直線Ｌ２の位置）は、空気極側凸部１５２の基端（第３仮想直線Ｌ３の位置）より、燃料極側凹部１５４の開口端側（上側）に位置している。すなわち、インターコネクタ１５０には、上下方向において、空気極側凸部１５２および燃料極側凹部１５４が形成されていない領域（第２仮想直線Ｌ２と第３仮想直線Ｌ３との間の領域）が存在する。なお、本実施形態では、図７に示されたものに限られず、インターコネクタ１５０に形成された空気極側凸部１５２と燃料極側凹部１５４との複数の組合せのすべてについて、同様の構成となっている。
【００４７】
また、本実施形態のインターコネクタ１５０では、上下方向に並ぶ燃料極側凸部１５８と空気極側凹部１５６との組合せについても、同様に、空気極側凹部１５６の底（第３仮想直線Ｌ３の位置）は、燃料極側凸部１５８の基端（第２仮想直線Ｌ２の位置）より、空気極側凹部１５６の開口端側（下側）に位置している。すなわち、インターコネクタ１５０の第２仮想直線Ｌ２と第３仮想直線Ｌ３との間の領域には、燃料極側凸部１５８および空気極側凹部１５６も形成されていない。なお、本実施形態では、図７に示されたものに限られず、インターコネクタ１５０に形成された空気極側凹部１５６と燃料極側凸部１５８との複数の組合せのすべてについて、同様の構成となっている。
【００４８】
このように、本実施形態のインターコネクタ１５０では、上下方向における一部の領域（第２仮想直線Ｌ２と第３仮想直線Ｌ３との間の領域）が、凹部も凸部も形成されておらず、上下方向に直交する連続した平板状部分を構成している。そのため、本実施形態のインターコネクタ１５０は、そのような平板状部分を有さない構成と比較して、より高い剛性を有していると言える。
【００４９】
また、本実施形態のインターコネクタ１５０では、図７に示す断面において、燃料極側凹部１５４は、空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａの範囲内に位置し、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａは、空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａより小さい。そのため、インターコネクタ１５０には、空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａ内に包含され、かつ、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａ内には包含されない部分Ａｘが存在することとなる。なお、本実施形態では、図７に示す断面に限られず、上下方向に平行で空気極側凸部１５２の中心を通る任意の断面において、同様の構成となっている。また、本実施形態では、図７に示されたものに限られず、インターコネクタ１５０に形成された空気極側凸部１５２と燃料極側凹部１５４との複数の組合せのすべてについて、同様の構成となっている。
【００５０】
同様に、本実施形態のインターコネクタ１５０では、図７に示す断面において、空気極側凹部１５６は、燃料極側凸部１５８の幅ｔ２ｂの範囲内に位置し、空気極側凹部１５６の幅ｔ１ｂは、燃料極側凸部１５８の幅ｔ２ｂより小さい。そのため、インターコネクタ１５０には、燃料極側凸部１５８の幅ｔ２ｂ内に包含され、かつ、空気極側凹部１５６の幅ｔ１ｂ内には包含されない部分Ａｘが存在する。なお、本実施形態では、図７に示す断面に限られず、上下方向に平行で燃料極側凸部１５８の中心を通る任意の断面において、同様の構成となっている。また、本実施形態では、図７に示されたものに限られず、インターコネクタ１５０に形成された空気極側凹部１５６と燃料極側凸部１５８との複数の組合せのすべてについて、同様の構成となっている。
【００５１】
このように、本実施形態のインターコネクタ１５０では、上下方向および左右方向に平行な断面であって、空気極側凸部１５２の中心を通る断面(図７に示す断面)において、凹部（燃料極側凹部１５４または空気極側凹部１５６）と凸部（空気極側凸部１５２または燃料極側凸部１５８）との各組合せに関し、凹部は凸部の幅ｔ２の範囲内に位置し、凹部の幅ｔ１は凸部の幅ｔ２より小さい。そのため、凹部の幅が凸部の幅以上である構成（すなわち、図７に示す部分Ａｘが存在しない構成）と比較して、凸部の角部や凹部の角部への応力の集中が緩和され、インターコネクタ１５０に割れやひずみが発生することを抑制することができる。この点については、後に詳述する。
【００５２】
また、本実施形態のインターコネクタ１５０では、燃料極側凹部１５４の底側の角部Ｃ４はＲ形状であり、空気極側凹部１５６の底側の角部Ｃ２もＲ形状である。そのため、インターコネクタ１５０の凹部の角部への応力の集中がより効果的に緩和され、インターコネクタ１５０に割れやひずみが発生することをより効果的に抑制することができる。なお、燃料極側凹部１５４の底側の角部Ｃ４の曲率半径Ｒ４および空気極側凹部１５６の底側の角部Ｃ２の曲率半径Ｒ２は、応力集中緩和の観点から、０．０５（ｍｍ）以上であることが好ましく、０．２５（ｍｍ）以上であることがより好ましい。
【００５３】
また、本実施形態のインターコネクタ１５０では、空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２および先端側の角部Ｃ１はＲ形状であり、燃料極側凸部１５８の基端側の角部Ｃ４および先端側の角部Ｃ３もＲ形状である。そのため、インターコネクタ１５０の凸部の角部がＲ形状ではない構成と比較して、凸部の角部においてコート１３６の膜厚が薄くなることを抑制することができ、凸部の角部からのＣｒ拡散を効果的に抑制することができる。なお、本実施形態では、空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２は、隣接する空気極側凹部１５６の底側の角部Ｃ２と同一であり、燃料極側凸部１５８の基端側の角部Ｃ４は、隣接する燃料極側凹部１５４の底側の角部Ｃ４と同一である。
【００５４】
Ａ−４．インターコネクタ１５０の性能評価：
上述した構成の本実施形態のインターコネクタ１５０について、シミュレーションによる性能評価を行った。図８から図１１は、シミュレーション結果の一例を示す説明図である。シミュレーションでは、燃料電池スタック１００の締結荷重を４７．５Ｎとし、７００℃で発電を行った場合の、発電初期の時点におけるインターコネクタ１５０に生ずる相当応力と、発電を１２万時間行った時点におけるインターコネクタ１５０の相当クリープひずみを算出した。シミュレーションには、実施例１のインターコネクタ１５０を備える燃料電池スタック１００と、比較例のインターコネクタ１５０Ｘを備える燃料電池スタック１００とを用いた。図８には、実施例１のインターコネクタ１５０における相当応力の分布が示されており、図９には、比較例のインターコネクタ１５０Ｘにおける相当応力の分布が示されており、図１０には、実施例１のインターコネクタ１５０における相当クリープひずみの分布が示されており、図１１には、比較例のインターコネクタ１５０Ｘにおける相当クリープひずみの分布が示されている。実施例１のインターコネクタ１５０および比較例のインターコネクタ１５０Ｘの各部の寸法は以下の通りである。
（１）実施例１のインターコネクタ１５０
・燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａ：０．８（ｍｍ）
・空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａ：１．０００（ｍｍ）
・燃料極側凹部１５４の深さｈ１：０．５１５（ｍｍ）
・空気極側凸部１５２の高さｈ２：０．４（ｍｍ）
・インターコネクタ１５０の基準高さＨ：０．８（ｍｍ）
・空気極側凸部１５２の先端側の角部Ｃ１の曲率半径Ｒ１：０．１（ｍｍ）
・空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２の曲率半径Ｒ２：０．２５（ｍｍ）
・燃料極側凹部１５４の底側の角部Ｃ４の曲率半径Ｒ４：０．２５（ｍｍ）
（２）比較例のインターコネクタ１５０Ｘ
・燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａ：１．０００（ｍｍ）
・空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａ：１．０００（ｍｍ）
・燃料極側凹部１５４の深さｈ１：０．４（ｍｍ）
・空気極側凸部１５２の高さｈ２：０．４（ｍｍ）
・インターコネクタ１５０の基準高さＨ：０．８（ｍｍ）
・空気極側凸部１５２の先端側の角部Ｃ１の曲率半径Ｒ１：−（直角形状）
・空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２の曲率半径Ｒ２：−（直角形状）
・燃料極側凹部１５４の底側の角部Ｃ４の曲率半径Ｒ４：−（直角形状）
【００５５】
なお、燃料極側凹部１５４の深さｈ１は、図７に示すように、燃料極側凹部１５４の上下方向における深さ（第１仮想直線Ｌ１と第２仮想直線Ｌ２との間の距離）であり、空気極側凸部１５２の高さｈ２は、空気極側凸部１５２の上下方向における高さ（第３仮想直線Ｌ３と第４仮想直線Ｌ４との間の距離）であり、インターコネクタ１５０の基準高さＨは、空気極側凸部１５２の部分を除くインターコネクタ１５０の上下方向における高さであり、燃料極側凹部１５４の開口端（第１仮想直線Ｌ１）と１５２の基端（第３仮想直線Ｌ３）との間の上下方向における距離である。上述したように、本実施形態では、インターコネクタ１５０の製造の際に、平板形状の金属材料にプレス加工を施すことによって空気極側凸部１５２と燃料極側凹部１５４との複数の組合せを形成し、プレス加工によって形成された隣接する２つの空気極側凸部１５２間の箇所が空気極側凹部１５６となり、プレス加工によって形成された隣接する２つの燃料極側凹部１５４間の箇所が燃料極側凸部１５８となる。そのため、インターコネクタ１５０の基準高さＨは、金属材料の板厚に相当する。
【００５６】
上記の通り、比較例のインターコネクタ１５０Ｘは、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａの値が、実施例１のインターコネクタ１５０と異なる。具体的には、比較例のインターコネクタ１５０Ｘでは、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａが、空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａに等しい(図９，１１参照)。そのため、比較例のインターコネクタ１５０Ｘでは、空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａ内に包含され、かつ、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａ内に包含されない部分Ａｘ(図７参照)は存在しない。また、比較例のインターコネクタ１５０Ｘは、空気極側凸部１５２の先端側の角部Ｃ１、空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２、および、燃料極側凹部１５４の底側の角部Ｃ４が、Ｒ形状ではなく直角形状となっている。
【００５７】
図９に示すように、比較例のインターコネクタ１５０Ｘでは、局所的に応力が集中している。特に、空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２や燃料極側凹部１５４の底側の角部Ｃ４における応力が非常に大きくなっている。これに対し、図８に示すように、実施例１のインターコネクタ１５０では、応力集中が緩和されている。実施例１のインターコネクタ１５０における応力の最大値は空気極側凸部１５２の先端付近で発生しているが、その値は、比較例のインターコネクタ１５０Ｘにおける応力の最大値（空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２で発生）の半分以下であった。このように、実施例１のインターコネクタ１５０において応力集中が緩和されるのは、空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａ内に包含され、かつ、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａ内に包含されない部分Ａｘが存在し、Ｙ軸方向（左右方向）における空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２の位置が、燃料極側凹部１５４の底側の角部Ｃ４の位置とずれているためであると考えられる。さらに、このような応力集中の緩和効果は、燃料極側凹部１５４の底側の角部Ｃ４や、空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２がＲ形状であることによって、一層大きくなっているものと考えられる。
【００５８】
また、図１１に示すように、比較例のインターコネクタ１５０Ｘでは、特に、空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２や燃料極側凹部１５４の底側の角部Ｃ４において、クリープひずみが非常に大きくなっている。これに対し、図１０に示すように、実施例１のインターコネクタ１５０では、クリープひずみは小さくなっている。実施例１のインターコネクタ１５０におけるクリープひずみの最大値は空気極側凸部１５２の先端付近で発生しているが、その値は、比較例のインターコネクタ１５０Ｘにおけるクリープひずみの最大値（空気極側凸部１５２の基端側の角部Ｃ２で発生）の半分以下であった。このように、実施例１のインターコネクタ１５０においてクリープひずみが小さくなるのは、上述した応力が小さくなる理由と同様であると考えられる。
【００５９】
図１２は、シミュレーション結果の他の一例を示す説明図である。図１２には、上述した実施例１および比較例に加えて、他の実施例（実施例２−５）のインターコネクタ１５０における各部の寸法と相当応力の最大値が示されている。図１２中のＮｏ．１〜５が実施例１〜５に対応し、図１２中のＮｏ．６が比較例に対応している。各実施例間の相違点は、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａと、燃料極側凹部１５４の深さｈ１である。本シミュレーションでは、インターコネクタ１５０がプレス加工により製造されると想定しており、空気極側凸部１５２を所定の形状に形成するために、燃料極側凹部１５４の深さｈ１が小さい（浅い）ほど、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａが大きくなっている。なお、すべての実施例において、燃料極側凹部１５４は、空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａの範囲内に位置し、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａは、空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａより小さくなっている。
【００６０】
図１２に示すように、実施例５（つまり図１２中のＮｏ．５）は、他の実施例と比較して、燃料極側凹部１５４の深さｈ１が大きく、その分、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａが小さい。この実施例５では、他の実施例と比較して、相当応力の最大値がやや大きい。これは、燃料極側凹部１５４の深さｈ１が大きくなり過ぎると、インターコネクタ１５０の空気極１１４側表面と燃料極１１６側表面との間の最短距離（肉厚）が小さくなるためであると考えられる。図１２に示す結果から、インターコネクタ１５０の基準高さＨに対する燃料極側凹部１５４の深さｈ１の比（ｈ／Ｈ）は、０．６９以下であることが好ましいと言える。また、空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａに対する燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａの比（ｔ１ａ／ｔ２ａ）は、０．７５以上、かつ、０．９２５以下であることが好ましいと言える。
【００６１】
なお、実施例２（つまり図１２中のＮｏ．２）では、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａが空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａよりわずかに小さいだけであるが、その分、燃料極側凹部１５４の深さｈ１が非常に小さい（浅い）ため、インターコネクタ１５０の空気極１１４側表面と燃料極１１６側表面との間の最短距離（肉厚）が大きくなり、相当応力が小さく抑えられたものと考えられる。
【００６２】
Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上記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。
【００６３】
上記実施形態では、インターコネクタ１５０の空気極１１４側の表面がコート１３６に覆われているとしているが、空気極１１４側の表面に代えて、または空気極１１４側の表面と共に、インターコネクタ１５０の燃料極１１６側の表面がコート(例えば、ニッケルコート)により覆われているとしてもよい。このような構成において、上記実施形態と同様に、インターコネクタ１５０の燃料極側凸部１５８の基端側の角部Ｃ４と先端側の角部Ｃ３との少なくとも一方がＲ形状であると、燃料極側凸部１５８の角部においてコートの膜厚が薄くなることを抑制することができるため、好ましい。また、インターコネクタ１５０のいずれの表面もコートに覆われていないとしてもよい。
【００６４】
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記実施形態では、インターコネクタ１５０は、Ｃｒを含む金属により形成されているが、他の材料により形成されていてもよい。
【００６５】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべてのインターコネクタ１５０に形成された空気極側凸部１５２と燃料極側凹部１５４との複数の組合せのすべて、および、空気極側凹部１５６と燃料極側凸部１５８との複数の組合せのすべてについて、燃料極側凹部１５４の底は空気極側凸部１５２の基端より燃料極側凹部１５４の開口端側に位置し、空気極側凹部１５６の底は燃料極側凸部１５８の基端より空気極側凹部１５６の開口端側に位置しているとしているが、少なくとも１つのインターコネクタ１５０において少なくとも１つの上記組合せについてそのような構成となっていればよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、上下方向に平行で空気極側凸部１５２の中心を通る任意の断面において、燃料極側凹部１５４は空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａの範囲内に位置し、燃料極側凹部１５４の幅ｔ１ａは空気極側凸部１５２の幅ｔ２ａより小さく、空気極側凹部１５６は燃料極側凸部１５８の幅ｔ２ｂの範囲内に位置し、空気極側凹部１５６の幅ｔ１ｂは燃料極側凸部１５８の幅ｔ２ｂより小さいとしているが、上下方向に平行で空気極側凸部１５２の中心を通る少なくとも１つの断面において、そのような構成となっていればよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべてのインターコネクタ１５０にインターコネクタ１５０に形成された空気極側凸部１５２と燃料極側凹部１５４との複数の組合せのすべて、および、空気極側凹部１５６と燃料極側凸部１５８との複数の組合せのすべてについて、上記構成となっているが、少なくとも１つのインターコネクタ１５０において少なくとも１つの上記組合せについてそのような構成となっていればよい。
【００６７】
また、上記実施形態において、各凸部および各凹部の角部の形状がＲ形状であることは必須ではない。
【００６８】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト２２が挿入される各連通孔１０８とは別に設けてもよい。また、上記実施形態では、空気極側フレーム１３０が絶縁体により形成されているとしているが、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体により形成されているとしてもよい。また、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０は、多層構成であってもよい。また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを得るとしているが、ＬＰガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスＦＧを得るとしてもよいし、燃料ガスＦＧとして純水素を利用してもよい。
【００６９】
本明細書において、部材（または部材のある部分、以下同様）Ａを挟んで部材Ｂと部材Ｃとが互いに対向するとは、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとが隣接する形態に限定されず、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層１１２と空気極１１４との間に他の層が設けられた構成であっても、空気極１１４と燃料極１１６とは電解質層１１２を挟んで互いに対向すると言える。
【００７０】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の平板形の発電単位１０２が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば特開２００８−５９７９７号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。
【００７１】
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（ＳＯＥＣ）の最小単位である電解セル単位と、インターコネクタと、を備えるインターコネクタ−電解セル複合体（インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の他の一例）や、複数のインターコネクタ−電解セル複合体を備える電解セルスタック（電気化学反応セルスタックの他の一例）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２０１４−２０７１２０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。
【００７２】
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、本願発明は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、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。
【符号の説明】
【００７３】
２２：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  １０７：インターコネクタ−燃料電池単セル複合体  １０８：連通孔  １１０：単セル  １１２：電解質層  １１４：空気極  １１６：燃料極  １２０：セパレータ  １２１：孔  １２４：接合部  １３０：空気極側フレーム  １３１：孔  １３２：酸化剤ガス供給連通孔  １３３：酸化剤ガス排出連通孔  １３６：コート  １３８：接合層  １４０：燃料極側フレーム  １４１：孔  １４２：燃料ガス供給連通孔  １４３：燃料ガス排出連通孔  １４４：燃料極側集電体  １４５：電極対向部  １４６：インターコネクタ対向部  １４７：連接部  １４９：スペーサー  １５０：インターコネクタ  １５２：空気極側凸部  １５４：燃料極側凹部  １５６：空気極側凹部  １５８：燃料極側凸部  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
【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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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年1月31日(2018.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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、を備えるインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、
前記インターコネクタには、前記第１の方向に突出する凸部と、前記第１の方向における前記凸部の反対側に配置され、前記凸部側に凹んだ凹部と、の組合せが複数形成されており、
複数の前記組合せの少なくとも１つについて、
前記第１の方向において、前記凹部の底は、前記凸部の基端より前記凹部の開口端側に位置し、
前記第１の方向に平行な断面において、前記凹部は、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記凸部の幅ｔ２の範囲内に位置し、前記第２の方向における前記凹部の幅ｔ１は、前記凸部の前記幅ｔ２より小さく、
前記凹部の前記第１の方向における深さｈと、前記凹部の開口端と前記凸部の基端との間の前記第１の方向における距離Ｈとは、０．５６３≦ｈ／Ｈ≦０．７５０という関係を満たすことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【請求項２】
請求項１に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
前記凹部の底側の角部は、Ｒ形状であることを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
前記凸部の基端側の角部と先端側の角部との少なくとも一方は、Ｒ形状であることを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【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インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
複数の前記組合せの少なくとも１つについて、前記凹部の前記第１の方向における深さｈと、前記凹部の開口端と前記凸部の基端との間の前記第１の方向における距離Ｈとは、ｈ／Ｈ≦０．６９という関係を満たすことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【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インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
複数の前記組合せの少なくとも１つについて、前記第１の方向に平行な断面において、前記凹部の前記幅ｔ１と、前記凸部の前記幅ｔ２とは、０．７５≦ｔ１／ｔ２≦０．９２５という関係を満たすことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【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インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であって、
前記電解質層は、固体酸化物を含むことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
【請求項７】
前記第１の方向に並べて配列された複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の少なくとも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インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体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８】
請求項７に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体のそれぞれに含まれる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。
【請求項９】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の製造方法であって、
前記電気化学反応単セルを準備するセル準備工程と、
前記インターコネクタをプレス加工により、前記第１の方向に突出する凸部と、前記第１の方向における前記凸部の反対側に配置され、前記凸部側に凹んだ凹部と、の組合せが複数形成された形状に形成するプレス工程と、
前記電気化学反応単セルと前記インターコネクタとを組み付ける組み付け工程と、を含み、
前記プレス工程は、前記インターコネクタを前記第１の方向に平行な断面において、前記凹部は、前記第２の方向における前記凸部の幅ｔ２の範囲内に位置し、前記第２の方向における前記凹部の幅ｔ１は、前記凸部の前記幅ｔ２より小さい形状に形成することを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の製造方法。
【国際調査報告】
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