(57)【要約】【課題】電気化学反応単位の性能の低下を抑制しつつ、ガス拡散性を向上させる。【解決手段】電気化学反応単位は、単セルと、インターコネクタと、単セルの燃料極とインターコネクタとの間に配置された集電体と、燃料室を構成する貫通孔が形成されたフレーム状部材とを備える。集電体は、燃料極とインターコネクタとの一方に対向する第１の表面を含む複数の第１の部分と、他方に対向する第２の表面を含み、第１の方向視で第１の部分と重なる複数の第２の部分と、第１の部分と第２の部分とを接続し、長さＬ１の複数の第３の部分と、ガス流れ方向とのなす角が４５度以上、１３５度以下である第２の方向において、第１の部分と第２の部分との組合せに隣接する貫通孔が形成された第４の部分とを備える。第１の部分は、第１の方向と第２の方向とに直交する第３の方向の幅が、貫通孔の幅より小さい箇所を有する。【選択図】図１０
2018041570.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燃料極側に配置された金属製のインターコネクタと、
前記燃料極と前記インターコネクタとの間に配置され、前記燃料極と前記インターコネクタとに電気的に接続された金属製の集電体と、
前記インターコネクタの前記電気化学反応単セル側に配置され、前記燃料極に面する燃料室を構成する貫通孔が形成されたフレーム状部材と、
を備える電気化学反応単位において、
前記フレーム状部材には、前記燃料室への燃料ガスの供給孔と、前記燃料室からの燃料ガスの排出孔とが形成されており、
前記集電体は、
前記燃料極と前記インターコネクタとの一方に対向する表面である第１の表面をそれぞれ含む複数の第１の部分と、
前記燃料極と前記インターコネクタとの他方に対向する表面である第２の表面をそれぞれ含み、前記第１の方向視で、対応する前記第１の部分と重なる位置に配置された複数の第２の部分と、
前記複数の第１の部分のそれぞれの端部と、対応する前記複数の第２の部分のそれぞれの端部と、を接続し、前記第１の方向における長さがＬ１である複数の第３の部分と、
前記第１の方向における位置が前記第２の部分と略同一であり、前記第１の方向に直交し、かつ、前記供給孔と前記排出孔とを結ぶガス流れ方向とのなす角が４５度以上、１３５度以下である第２の方向において、前記第１の部分と前記第２の部分との複数の組合せのそれぞれに隣接する複数の貫通孔が形成された第４の部分と、
を備え、
少なくとも１つの前記第１の部分は、前記貫通孔に隣接する側の縁から前記第２の方向における距離がＬ２である位置における前記第１の方向と前記第２の方向とに直交する第３の方向の幅が、前記第１の部分に隣接する前記貫通孔の前記第１の部分に隣接する側の縁から前記第２の方向における距離が（Ｌ１＋Ｌ２）である位置における前記第３の方向の幅より小さい箇所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、さらに、
前記第１の部分と前記第２の部分との前記複数の組合せのそれぞれについて、前記第１の部分と前記第２の部分との間に配置され、絶縁性を有する絶縁層を備えることを特徴とする、電気化学反応単位。
【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単位において、
前記少なくとも１つの第１の部分について、前記第３の方向における幅は、前記第１の部分に隣接する前記貫通孔から遠い位置ほど小さくなってい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の表面は、前記集電体の前記第１の部分における前記燃料極に対向する表面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、
前記複数の第１の部分は、前記第１の方向視で、前記第２の方向および前記第３の方向に沿った格子状に配置されていることを特徴とする、電気化学反応単位。
【請求項６】
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５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、単に「発電単位」という）は、燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）と、インターコネクタと、集電体とを備える。単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向（以下、「第１の方向」という）に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。インターコネクタは、単セルの燃料極側に配置された金属製の部材である。
【０００３】
集電体は、単セルの燃料極とインターコネクタとの間に配置された金属製の部材であり、燃料極とインターコネクタとの一方に対向する表面を含む複数の部分（以下、「第１の部分」という）と、燃料極とインターコネクタとの他方に対向する表面を含み、上記第１の方向視で、対応する第１の部分と重なる位置に配置された複数の部分（以下、「第２の部分」という）とを有する。集電体は、第１の部分および第２の部分において、燃料極およびインターコネクタに電気的に接続されて両者の間の導電性（電気的接続）を確保する（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２０１４−２６９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術では、集電体の第１の部分または第２の部分とインターコネクタとの間の領域に酸素が進入し、該領域におけるインターコネクタの表面に耐酸化性の被膜（例えば、Ｃｒ２Ｏ３等のクロム酸化物の被膜）が生成されるおそれがある。一般に、耐酸化性の被膜は高い電気抵抗を有するため、上記領域におけるインターコネクタの表面に耐酸化性の被膜が生成されると、集電体とインターコネクタとの間の導通面積が小さくなる。その結果、電流集中による局所的な温度上昇が引き起こされ、電極構造が変化して発電単位の性能が低下するおそれがある。
【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、ＳＯＦＣやＳＯＥＣ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。
【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燃料極側に配置された金属製のインターコネクタと、前記燃料極と前記インターコネクタとの間に配置され、前記燃料極と前記インターコネクタとに電気的に接続された金属製の集電体と、前記インターコネクタの前記電気化学反応単セル側に配置され、前記燃料極に面する燃料室を構成する貫通孔が形成されたフレーム状部材と、を備える電気化学反応単位において、前記フレーム状部材には、前記燃料室への燃料ガスの供給孔と、前記燃料室からの燃料ガスの排出孔とが形成されており、前記集電体は、前記燃料極と前記インターコネクタとの一方に対向する表面である第１の表面をそれぞれ含む複数の第１の部分と、前記燃料極と前記インターコネクタとの他方に対向する表面である第２の表面をそれぞれ含み、前記第１の方向視で、対応する前記第１の部分と重なる位置に配置された複数の第２の部分と、前記複数の第１の部分のそれぞれの端部と、対応する前記複数の第２の部分のそれぞれの端部と、を接続し、前記第１の方向における長さがＬ１である複数の第３の部分と、前記第１の方向における位置が前記第２の部分と略同一であり、前記第１の方向に直交し、かつ、前記供給孔と前記排出孔とを結ぶガス流れ方向とのなす角が４５度以上、１３５度以下である第２の方向において、前記第１の部分と前記第２の部分との複数の組合せのそれぞれに隣接する複数の貫通孔が形成された第４の部分と、を備え、少なくとも１つの前記第１の部分は、前記貫通孔に隣接する側の縁から前記第２の方向における距離がＬ２である位置における前記第１の方向と前記第２の方向とに直交する第３の方向の幅が、前記第１の部分に隣接する前記貫通孔の前記第１の部分に隣接する側の縁から前記第２の方向における距離が（Ｌ１＋Ｌ２）である位置における前記第３の方向の幅より小さい箇所を有する。本電気化学反応単位によれば、第１の部分が上記箇所を有さない構成と比較して、第１の部分の第１の表面の面積を小さくすることができ、単位面積あたりの接圧を高くすることができる。その結果、集電体の第２の部分とインターコネクタとが良好に拡散接合され、第２の部分に対向するインターコネクタの表面に耐酸化性の被膜が生成されることを抑制することができ、電気化学反応単位の性能の低下を抑制することができる。また、本電気化学反応単位において、第３の方向は、第１の方向と第２の方向とに直交する方向であり、第２の方向は、ガス流れ方向とのなす角が４５度以上、１３５度以下の方向であることから、第３の方向は、ガス流れ方向に比較的近い方向となる。本電気化学反応単位では、ガス流れ方向に近い第３の方向における第１の部分の幅を小さくすることができるため、ガス流れ方向に略直交する方向へのガスの拡散性を向上させることができ、燃料室内のガスの濃度の均一性を向上させて局所的な反応の集中を抑制し、長期耐久性の低下を抑制することができる。
【００１０】
（２）上記電気化学反応単位において、さらに、前記第１の部分と前記第２の部分との前記複数の組合せのそれぞれについて、前記第１の部分と前記第２の部分との間に配置され、絶縁性を有する絶縁層を備える構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、絶縁層の存在により、第１の表面を有する第１の部分を燃料極とインターコネクタとの一方側に押圧すると共に、第２の表面を有する第２の部分を燃料極とインターコネクタとの他方側に押圧することができ、集電体を介した燃料極とインターコネクタとの電気的接続を良好に維持することができる。
【００１１】
（３）上記電気化学反応単位において、前記少なくとも１つの第１の部分について、前記第３の方向における幅は、前記第１の部分に隣接する前記貫通孔から遠い位置ほど小さく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、ガス流れ方向に略直交する方向へのガスの拡散性を効果的に向上させることができ、燃料室内のガスの濃度の均一性を効果的に向上させて局所的な反応の集中を抑制し、長期耐久性の低下を効果的に抑制することができる。
【００１２】
（４）上記電気化学反応単位において、前記第１の表面は、前記集電体の前記第１の部分における前記燃料極に対向する表面である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、燃料室における燃料極の表面に近い領域でのガスの拡散性を向上させることができ、局所的な反応の集中を効果的に抑制することによって長期耐久性の低下を効果的に抑制することができる。
【００１３】
（５）上記電気化学反応単位において、前記複数の第１の部分は、前記第１の方向視で、前記第２の方向および前記第３の方向に沿った格子状に配置され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の方向に直交する方向において、バランス良く、燃料室におけるガスの拡散性を向上させることができ、局所的な反応の集中を効果的に抑制することによって長期耐久性の低下を効果的に抑制することができる。
【００１４】
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】
【００１５】
【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および図５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および図５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】燃料極側集電体１４４の詳細構成を示すＸＺ断面図である。
【図９】燃料極側集電体１４４の詳細構成を示すＹＺ断面図である。
【図１０】燃料極側集電体１４４の詳細構成を示すＸＹ断面図である。
【図１１】比較例における燃料極側集電体１４４ｘの詳細構成を示すＸＹ断面図である。
【図１２】第２実施形態における燃料極側集電体１４４ａの詳細構成を示すＸＹ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という）１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。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。
【００１８】
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と呼ぶ場合がある。
【００１９】
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。
【００２０】
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、例えば空気が使用される。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
（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。
【００２４】
（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および図５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および図５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。なお、図７には、後述する燃料極側集電体１４４の一部の構成が拡大して示されている。
【００２５】
図４および図５に示すように、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、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ方向回りの周縁部には、上述したボルト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。
【００２６】
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る。本実施形態では、インターコネクタ１５０はステンレス鋼材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）。
【００２７】
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。
【００２８】
電解質層１１２は、Ｚ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。
【００２９】
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。
【００３０】
図６に示すように、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。図４に示すように、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。
【００３１】
図７に示すように、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。図５に示すように、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。燃料極側フレーム１４０は、特許請求の範囲におけるフレーム状部材に相当し、燃料ガス供給連通孔１４２は、特許請求の範囲における燃料ガスの供給孔に相当し、燃料ガス排出連通孔１４３は、特許請求の範囲における燃料ガスの排出孔に相当し、燃料ガス供給連通孔１４２と燃料ガス排出連通孔１４３とを結ぶ方向（燃料ガス供給連通孔１４２や燃料ガス排出連通孔１４３が複数ある場合には、Ｚ方向視における複数の燃料ガス供給連通孔１４２の図心と複数の燃料ガス排出連通孔１４３の図心とを結ぶ方向であり、本実施形態ではＹ方向と略同一方向）は、特許請求の範囲におけるガス流れ方向に相当する。
【００３２】
図６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、本実施形態では、空気極側集電体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体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。また、空気極側集電体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。
【００３３】
図７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、複数の電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ複数の連接部１４７とを備えており、導電性材料により形成されている。複数の電極対向部１４５は、Ｚ方向視で、Ｘ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されている。また、本実施形態では、燃料極側集電体１４４は、ニッケル箔（例えば厚さ１０〜２００μｍ）により形成されている。図７における部分拡大図に示すように、燃料極側集電体１４４は、平板状のニッケル箔において、複数の矩形領域のそれぞれの３辺に切り込みを入れ、該複数の矩形領域のそれぞれを残り１辺（Ｙ方向に略平行な辺）を基準にしてＺ軸正方向側に起こし、さらにＸ軸負方向側に曲げるように加工することにより製造される。曲げ起こされた各矩形領域の部分が電極対向部１４５となり、曲げ起こされた部分以外の貫通孔１４８が開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部１４６となり、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ部分が連接部１４７となる。すなわち、インターコネクタ対向部１４６と電極対向部１４５と連接部１４７とから構成される燃料極側集電体１４４は、一体部材である。なお、図７における部分拡大図では、燃料極側集電体１４４の製造方法を示すため、一部の矩形部分について、曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。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、例えばマイカ等の絶縁材料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。燃料極側集電体１４４は、特許請求の範囲における集電体に相当する。
【００３４】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２、図４および図６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、図５および図７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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、図４および図６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、図５および図７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。
【００３７】
Ａ−３．燃料極側集電体１４４の詳細構成：
図８は、燃料極側集電体１４４の詳細構成を示すＸＺ断面図である。図８には、図４のＸ１部の拡大図であり、図１０のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの位置の断面図が示されている。また、図９は、燃料極側集電体１４４の詳細構成を示すＹＺ断面図である。図９には、図５のＸ２部の拡大図であり、図１０のＩＸ−ＩＸの位置の断面図が示されている。また、図１０は、燃料極側集電体１４４の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１０には、図７のＸ３部の拡大図であり、図８および図９のＸ−Ｘの位置の断面図が示されている。
【００３８】
上述したように、燃料極側集電体１４４は、複数の電極対向部１４５を有しており、各電極対向部１４５は、燃料極１１６の表面に接触している。各電極対向部１４５は、燃料極１１６に対向する第１の表面Ｓ１を含む第１の部分Ｐ１に該当する。なお、本明細書において、「接触」という用語は、部材Ａと部材Ｂとが直接的に接触している状態の他に、部材Ａと部材Ｂとが他の部材Ｃを介して接触している状態も含む意味である。例えば、上述した電極対向部１４５と燃料極１１６との「接触」は、両者が直接的に接触している状態であってもよいし、両者の間に導電性を有する他の部材（例えばＮｉのペースト）が介在した状態であってもよい。
【００３９】
また、上述したように、燃料極側集電体１４４のインターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０の表面に接触している。インターコネクタ対向部１４６において、Ｚ方向視で第１の部分Ｐ１としての電極対向部１４５と重なる位置に配置された部分は、インターコネクタ１５０に対向する第２の表面Ｓ２を含む第２の部分Ｐ２に該当する。燃料極側集電体１４４には、複数の第１の部分Ｐ１（電極対向部１４５）にそれぞれ対応する第２の部分Ｐ２が存在する。すなわち、燃料極側集電体１４４には、互いに対応する第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との組合せが複数存在する。第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との各組合せは、燃料極側集電体１４４においてＺ方向の圧縮力（接圧）が作用する部分である。なお、第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２とが互いに対応するとは、第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２とがＺ方向視で重なる位置関係にあることを意味する。本実施形態では、互いに対応する第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２とは、一体部材である。
【００４０】
また、上述したように、燃料極側集電体１４４は、複数の電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ複数の連接部１４７を備えている。複数の連接部１４７は、複数の第１の部分Ｐ１（電極対向部１４５）のそれぞれの端部と、複数の第１の部分Ｐ１にそれぞれ対応する第２の部分Ｐ２（インターコネクタ対向部１４６の一部分）の端部とを、それぞれ接続する複数の第３の部分Ｐ３に該当する。また、上述したように、各電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、絶縁材料により形成されたスペーサー１４９が配置されている。スペーサー１４９は、第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との複数の組合せのそれぞれについて、第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との間に配置された絶縁性を有する絶縁層に該当する。
【００４１】
また、燃料極側集電体１４４のインターコネクタ対向部１４６における上記第２の部分Ｐ２以外の部分は、複数の貫通孔１４８が形成された第４の部分Ｐ４に該当する。第４の部分Ｐ４に形成された複数の貫通孔１４８のそれぞれは、Ｚ方向および上述したガス流れ方向（本実施形態ではＹ方向）に直交する方向（本実施形態ではＸ方向）において、第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との複数の組合せのそれぞれに隣接している。なお、第２の部分Ｐ２は燃料極側集電体１４４の一部分であり、第４の部分Ｐ４は燃料極側集電体１４４の他の一部分であるため、第２の部分Ｐ２と第４の部分Ｐ４とは、Ｚ方向における位置が互いに略同一であると言える。Ｘ方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当し、Ｙ方向は、特許請求の範囲における第３の方向に相当する。
【００４２】
ここで、本実施形態では、図１０に示すように、燃料極側集電体１４４における各第１の部分Ｐ１（電極対向部１４５）は、貫通孔１４８に隣接する側の縁からＸ方向（第２の方向）における距離がＬ２である位置におけるＹ方向（第３の方向）の幅Ｗ１が、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８の該第１の部分Ｐ１に隣接する側の縁からＸ方向における距離が（Ｌ１＋Ｌ２）である位置におけるＹ方向の幅Ｗｏより小さい箇所を有する。ここで、図８に示すように、上記Ｌ１は、連接部１４７（第３の部分Ｐ３）のＺ方向（第１の方向）における長さである。上述したように、燃料極側集電体１４４は、平板状のニッケル箔において、複数の矩形領域のそれぞれの３辺に切り込みを入れ、該複数の矩形領域のそれぞれを残り１辺（Ｙ方向に略平行な辺）を基準にしてＺ軸正方向側に起こし、さらにＸ軸負方向側に曲げるように加工することにより製造される（図７参照）。このとき、曲げ起こされた各矩形領域の部分が第１の部分Ｐ１（電極対向部１４５）となる。上述した第１の部分Ｐ１のＹ方向における幅Ｗ１と貫通孔１４８のＹ方向における幅Ｗｏとの比較は、第１の部分Ｐ１を曲げ起こす前の状態において、Ｘ方向の同じ位置での両者の幅の比較に相当する。上述した燃料極側集電体１４４の構成は、例えば、この曲げ起こす各矩形領域におけるＹ方向両端を切除するなどして、曲げ起こす各矩形領域のＹ方向における最小幅を各切り込みのＹ方向における最小幅より小さくすることにより実現することができる。すなわち、第１の部分Ｐ１を曲げ起こす前の状態において、Ｚ軸方向視で、第１の部分Ｐ１の面積は、貫通孔１４８の外周線に囲まれた面積より小さい。
【００４３】
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では、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６に対向する第１の表面Ｓ１をそれぞれ含む複数の第１の部分Ｐ１（電極対向部１４５）と、インターコネクタ１５０に対向する第２の表面Ｓ２をそれぞれ含み、Ｚ方向視で、対応する第１の部分Ｐ１と重なる位置に配置された第２の部分Ｐ２（インターコネクタ対向部１４６の一部分）と、複数の第１の部分Ｐ１のそれぞれの端部と、対応する複数の第２の部分Ｐ２のそれぞれの端部と、を接続し、Ｚ軸方向における長さがＬ１である複数の第３の部分Ｐ３（連接部１４７）と、Ｚ方向における位置が第２の部分Ｐ２と略同一であり、Ｘ方向において第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との複数の組合せのそれぞれに隣接する複数の貫通孔１４８が形成された第４の部分Ｐ４（インターコネクタ対向部１４６の他の一部分）とを備える。また、各第１の部分Ｐ１は、貫通孔１４８に隣接する側の縁からＸ方向における距離がＬ２である位置におけるＹ方向の幅Ｗ１が、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８の該第１の部分Ｐ１に隣接する側の縁からＸ方向における距離が（Ｌ１＋Ｌ２）である位置におけるＹ方向の幅Ｗｏより小さい箇所を有する。そのため、本実施形態の発電単位１０２では、第１の部分Ｐ１がそのような箇所を有さない構成と比較して、各第１の部分Ｐ１の第１の表面Ｓ１の面積を小さくすることができ、単位面積あたりの接圧を高くすることができる。その結果、燃料極側集電体１４４の各第２の部分Ｐ２とインターコネクタ１５０とが良好に拡散接合され、各第２の部分Ｐ２に対向するインターコネクタ１５０の表面に耐酸化性の被膜（例えば、Ｃｒ２Ｏ３等のクロム酸化物の被膜）が生成されることを抑制することができる。耐酸化性の被膜は、インターコネクタ１５０の表面に形成されることによってインターコネクタ１５０の酸化の進行を防ぐものであるが、一般に高い電気抵抗を有するため、各第２の部分Ｐ２に対向するインターコネクタ１５０の表面に耐酸化性の被膜が生成されると、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との間の導通面積が小さくなり、電流集中による局所的な温度上昇が引き起こされ、電極構造が変化して発電単位１０２の発電性能が低下するおそれがある。本実施形態の発電単位１０２では、各第２の部分Ｐ２に対向するインターコネクタ１５０の表面に高抵抗な耐酸化性の被膜が生成されることを抑制することができるため、そのような発電単位１０２の発電性能の低下を抑制することができる。
【００４４】
さらに、本実施形態の発電単位１０２では、燃料ガスＦＧの流れ方向と略同一であるＹ方向における各第１の部分Ｐ１の幅Ｗ１を小さくすることができる。ここで、各第１の部分Ｐ１の第１の表面Ｓ１の面積を小さくするために、図１１に示す比較例の燃料極側集電体１４４ｘのように、燃料ガスＦＧの流れ方向と略同一であるＹ方向ではなく、燃料ガスＦＧの流れ方向に略直交するＸ方向における各第１の部分Ｐ１の幅を小さくすることも考えられる。しかし、図１１に示す比較例のような構成では、Ｙ方向において互いに隣り合う２つの電極対向部１４５の間の空間が小さいため、ガス流れ方向に略直交するＸ方向への燃料ガスＦＧの拡散性が低下し、燃料室１７６内の燃料ガスＦＧの濃度の均一性が低下して局所的な発電反応の集中が引き起こされ、その結果、発熱集中によって各部材が劣化して長期耐久性が低下するおそれがある。本実施形態の発電単位１０２では、燃料ガスＦＧの流れ方向と略同一であるＹ方向における各第１の部分Ｐ１の幅Ｗ１が小さいため、Ｙ方向において互いに隣り合う２つの電極対向部１４５の間の空間が多くなる。そのため、本実施形態の発電単位１０２では、ガス流れ方向に略直交するＸ方向への燃料ガスＦＧの拡散性を向上させることができ、燃料室１７６内の燃料ガスＦＧの濃度の均一性を向上させて局所的な発電反応の集中を抑制し、長期耐久性の低下を抑制することができる。
【００４５】
特に、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極１１６に対向する表面である第１の表面Ｓ１を有する各第１の部分Ｐ１について、Ｙ方向における幅Ｗ１が小さくなっているため、燃料室１７６における燃料極１１６の表面に近い領域での燃料ガスＦＧの拡散性を向上させることができ、局所的な発電反応の集中を効果的に抑制することによって長期耐久性の低下を効果的に抑制することができる。
【００４６】
なお、各第１の部分Ｐ１のＹ方向における上記幅Ｗ１は、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８の上記幅Ｗｏの１／２以上、９／１０以下であることが好ましく、２／３以上、８／９以下であることがより好ましい。
【００４７】
また、本実施形態の発電単位１０２では、複数の第１の部分Ｐ１は、Ｚ方向視でＸ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ方向に直交する方向において、バランス良く、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの拡散性を向上させることができ、局所的な発電反応の集中を効果的に抑制することによって長期耐久性の低下を効果的に抑制することができる。
【００４８】
また、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極側集電体１４４の第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との複数の組合せのそれぞれについて、第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との間に配置され、絶縁性を有する絶縁層としてのスペーサー１４９を備える。そのため、本実施形態の発電単位１０２では、絶縁層としてのスペーサー１４９の存在により、第１の表面Ｓ１を有する第１の部分Ｐ１を燃料極１１６側に押圧すると共に、第２の表面Ｓ２を有する第２の部分Ｐ２をインターコネクタ１５０側に押圧することができ、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との電気的接続を良好に維持することができる。
【００４９】
Ｂ．第２実施形態：
図１２は、第２実施形態における燃料極側集電体１４４ａの詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１２には、図１０と同様に、図７のＸ３部の拡大図が示されている。以下では、第２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に含まれる燃料極側集電体１４４ａの構成の内、上述した第１実施形態における燃料極側集電体１４４の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
【００５０】
図１２に示すように、第２実施形態では、燃料極側集電体１４４ａの各第１の部分Ｐ１（電極対向部１４５）の形状が、上述した第１実施形態と異なっている。具体的には、第２実施形態では、各第１の部分Ｐ１のＹ方向における幅が、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８から遠い位置ほど小さくなっている。すなわち、各第１の部分Ｐ１のＹ方向における両端部分が、テーパー形状とされている。なお、第２実施形態においても、上述した第１実施形態と同様に、各第１の部分Ｐ１は、貫通孔１４８に隣接する側の縁からＸ方向における距離がＬ２である位置におけるＹ方向の幅Ｗ１が、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８の該第１の部分Ｐ１に隣接する側の縁からＸ方向における距離が（Ｌ１＋Ｌ２）である位置におけるＹ方向の幅Ｗｏより小さい箇所を有する。第２実施形態の燃料極側集電体１４４ａの構成は、例えば、燃料極側集電体１４４ａの製造の際に、ニッケル箔の曲げ起こす各矩形領域におけるＹ方向両端をテーパー状に切除することにより実現することができる。
【００５１】
以上説明したように、第２実施形態では、上述した第１実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。すなわち、第２実施形態では、各第１の部分Ｐ１のＹ方向における幅が、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８から遠い位置ほど小さくなっている。そのため、第２実施形態では、ガス流れ方向に略直交するＸ方向への燃料ガスＦＧの拡散性を効果的に向上させることができ、燃料室１７６内の燃料ガスＦＧの濃度の均一性を効果的に向上させて局所的な発電反応の集中を抑制し、長期耐久性の低下を効果的に抑制することができる。
【００５２】
Ｃ．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。
【００５３】
上記実施形態における燃料電池スタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、燃料極側集電体１４４が備える複数の電極対向部１４５は、Ｚ方向視でＸ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されているが、複数の電極対向部１４５の配置はそのような格子状配置以外の配置であってもよい。また、上記実施形態では、第１の部分Ｐ１（電極対向部１４５）と第２の部分Ｐ２（インターコネクタ対向部１４６の一部分）との複数の組合せのそれぞれについて、第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との間に絶縁性を有する絶縁層としてのスペーサー１４９が配置されているとしているが、必ずしもスペーサー１４９が配置されている必要はない。
【００５４】
また、上記実施形態では、第１の部分Ｐ１と第２の部分Ｐ２との組合せと貫通孔１４８とが隣接する隣接方向（特許請求の範囲における第２の方向に相当し、本実施形態ではＸ方向である）は、ガス流れ方向に略直交する方向であるとしているが、上記隣接方向は、ガス流れ方向とのなす角が４５度以上、１３５度以下である方向であればよい。隣接方向とガス流れ方向とのなす角が４５度以上、１３５度以下である場合、隣接方向に直交する方向は、ガス流れ方向に比較的近い方向であると言える。従って、隣接方向が上記範囲内であれば、Ｚ方向（第１の方向）と隣接方向（第２の方向）とに直交する第３の方向は、ガス流れ方向に比較的近い方向となる。そのため、隣接方向が上記範囲内である場合に、各第１の部分Ｐ１が、貫通孔１４８に隣接する側の縁から第２の方向における距離がＬ２である位置における第３の方向の幅Ｗ１が、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８の該第１の部分Ｐ１に隣接する側の縁から第２の方向における距離が（Ｌ１＋Ｌ２）である位置における第３の方向の幅Ｗｏより小さい箇所を有する構成を採用することにより、ガス流れ方向に略直交する方向への燃料ガスＦＧの拡散性を向上させて局所的な発電反応の集中を抑制することができる。
【００５５】
また、上記実施形態では、燃料極側集電体１４４が備えるすべての第１の部分Ｐ１について、貫通孔１４８に隣接する側の縁から第２の方向（例えばＸ方向、以下同様）における距離がＬ２である位置における第３の方向（例えばＹ方向、以下同様）の幅Ｗ１が、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８の該第１の部分Ｐ１に隣接する側の縁から第２の方向における距離が（Ｌ１＋Ｌ２）である位置における第３の方向の幅Ｗｏより小さい箇所を有するとしているが、必ずしもすべての第１の部分Ｐ１について上記構成が採用される必要は無い。燃料極側集電体１４４が備える少なくとも１つの第１の部分Ｐ１について、そのような構成が採用されれば、少なくとも該第１の部分Ｐ１の箇所において、インターコネクタ１５０の表面に高抵抗な耐酸化性の被膜が生成されることを抑制して発電単位１０２の発電性能の低下を抑制しつつ、第２の方向への燃料ガスＦＧの拡散性を向上させて局所的な発電反応の集中を抑制することができる。
【００５６】
また、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２において、第１の部分Ｐ１が貫通孔１４８に隣接する側の縁から第２の方向における距離がＬ２である位置における第３の方向の幅Ｗ１が、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８の該第１の部分Ｐ１に隣接する側の縁から第２の方向における距離が（Ｌ１＋Ｌ２）である位置における第３の方向の幅Ｗｏより小さい箇所を有する構成が採用される必要は無く、少なくとも１つの発電単位１０２において該構成が採用されれば、該発電単位１０２について、インターコネクタ１５０の表面に高抵抗な耐酸化性の被膜が生成されることを抑制して発電単位１０２の発電性能の低下を抑制しつつ、第２の方向への燃料ガスＦＧの拡散性を向上させて局所的な発電反応の集中を抑制することができる。
【００５７】
また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４が上下方向（Ｚ方向）に反対向きに設置されるとしてもよい。すなわち、燃料極側集電体１４４が、インターコネクタ１５０に対向する表面である第１の表面Ｓ１をそれぞれ含む複数の第１の部分Ｐ１と、燃料極１１６に対向する表面である第２の表面Ｓ２をそれぞれ含み、Ｚ方向視で、対応する第１の部分Ｐ１と重なる位置に配置された複数の第２の部分Ｐ２と、を備え、第１の部分Ｐ１は、貫通孔１４８に隣接する側の縁から第２の方向における距離がＬ２である位置における第３の方向の幅Ｗ１が、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８の該第１の部分Ｐ１に隣接する側の縁から第２の方向における距離が（Ｌ１＋Ｌ２）である位置における第３の方向の幅Ｗｏより小さい箇所を有するとしてもよい。このような構成においても、インターコネクタ１５０の表面に高抵抗な耐酸化性の被膜が生成されることを抑制して発電単位１０２の発電性能の低下を抑制しつつ、第２の方向への燃料ガスＦＧの拡散性を向上させて局所的な発電反応の集中を抑制することができる。
【００５８】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数（発電単位１０２の個数）は、あくまで一例であり、単セル１１０の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態にお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。
【００５９】
本明細書において、部材（または部材のある部分、以下同様）Ａを挟んで部材Ｂと部材Ｃとが互いに対向するとは、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとが隣接する形態に限定されず、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層１１２と空気極１１４との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、空気極１１４と燃料極１１６とは電解質層１１２を挟んで互いに対向すると言える。
【００６０】
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、例えば国際公開第２０１２／１６５４０９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。
【００６１】
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位や、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号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、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においても、上述した第１の部分Ｐ１が、貫通孔１４８に隣接する側の縁から第２の方向における距離がＬ２である位置における第３の方向の幅Ｗ１が、該第１の部分Ｐ１に隣接する貫通孔１４８の該第１の部分Ｐ１に隣接する側の縁から第２の方向における距離が（Ｌ１＋Ｌ２）である位置における第３の方向の幅Ｗｏより小さい箇所を有する構成が採用されれば、インターコネクタ１５０の表面に高抵抗な耐酸化性の被膜が生成されることを抑制して電解セル単位の性能の低下を抑制しつつ、第２の方向へのガス拡散性を向上させて局所的な反応の集中を抑制することができる。
【００６２】
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６３】
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：燃料電池発電単位  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：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  １３４：空気極側集電体  １３５：集電体要素  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  １４８：貫通孔  １４９：スペーサー  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
【図１】
2018041570.tif 000003
【図２】
2018041570.tif 000004
【図３】
2018041570.tif 000005
【図４】
2018041570.tif 000006
【図５】
2018041570.tif 000007
【図６】
2018041570.tif 000008
【図７】
2018041570.tif 000009
【図８】
2018041570.tif 000010
【図９】
2018041570.tif 000011
【図１０】
2018041570.tif 000012
【図１１】
2018041570.tif 000013
【図１２】
2018041570.tif 000014