(57)【要約】【課題】単セルの損傷が発生することを抑制しつつ、電気化学反応単位の電気的性能を向上させる。【解決手段】電気化学反応単位は、単セルと、空気極と燃料極との一方である第１の電極に対向するように配置されたインターコネクタと、インターコネクタと第１の電極との間に配置された第１の集電部材と、第１の集電部材の第１の電極対向部の表面に接するように配置された第１のスペーサと、インターコネクタの表面の内、第１の集電部材が接する表面とは反対側の表面に接する第２の集電部材と、第２の集電部材の第２の電極対向部の表面に接するように配置された第２のスペーサとを備える。インターコネクタと第１の集電部材とが接する位置であって、第２のスペーサから離間した位置に、インターコネクタと第１の集電部材の第１のインターコネクタ対向部とを接合する第１の溶接部が形成されている。【選択図】図６
2019200878.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、
前記空気極と前記燃料極との一方である第１の電極に対向するように配置された金属製のインターコネクタと、
前記インターコネクタと前記第１の電極との間に配置された金属製の第１の集電部材であって、前記インターコネクタと電気的に接続された第１のインターコネクタ対向部と、前記第１の電極と電気的に接続された第１の電極対向部と、前記第１のインターコネクタ対向部と前記第１の電極対向部とを結ぶ第１の連接部と、を含む、第１の集電部材と、
前記第１の集電部材の前記第１の電極対向部における前記第１のインターコネクタ対向部側の表面に接するように配置された第１のスペーサと、
を備える電気化学反応単位において、さらに、
前記インターコネクタの表面の内、前記第１の集電部材が接する一方の面とは反対側の他方の面に接する金属製の第２の集電部材であって、前記インターコネクタと電気的に接続された第２のインターコネクタ対向部と、他の前記電気化学反応単位が備える前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との他方である第２の電極と電気的に接続される第２の電極対向部と、前記第２のインターコネクタ対向部と前記第２の電極対向部とを結ぶ第２の連接部と、を含む、第２の集電部材と、
前記第２の集電部材の前記第２の電極対向部における前記第２のインターコネクタ対向部側の表面に接するように配置された第２のスペーサと、
を備え、
前記インターコネクタと前記第１の集電部材とが接する位置であって、前記第２のスペーサから離間した位置に、前記インターコネクタと前記第１の集電部材の前記第１のインターコネクタ対向部とを接合する第１の溶接部が形成されている、
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の方向において、前記第１のスペーサの少なくとも一部分は、前記第２のスペーサ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、
前記第１の方向に平行で、かつ、前記第２の集電部材における互いに連続した前記第２の電極対向部と前記第２の連接部と前記第２のインターコネクタ対向部とを含む断面において、前記第１の溶接部は、前記第２のスペーサに対して、前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第２の集電部材の前記第２のインターコネクタ対向部側の位置に形成されている、
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の方向に平行で、かつ、前記第２の集電部材における互いに連続した前記第２の電極対向部と前記第２の連接部と前記第２のインターコネクタ対向部とを含む断面において、前記第１の溶接部は、前記第１の方向において、前記第２の集電部材の前記第２のインターコネクタ対向部と重なる位置に形成されている、
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、
前記第１の方向に平行で、かつ、前記第２の集電部材における互いに連続した前記第２の電極対向部と前記第２の連接部と前記第２のインターコネクタ対向部とを含む断面において、前記第１のスペーサは、前記第１の方向において、前記第２の集電部材の前記第２のインターコネクタ対向部と重ならない位置に配置されている、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項６】
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、
前記インターコネクタと前記第２の集電部材とが接する位置であって、前記第１のスペーサおよび前記第２のスペーサから離間した位置に、前記インターコネクタと前記第２の集電部材の前記第２のインターコネクタ対向部とを接合する第２の溶接部が形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項７】
請求項６に記載の電気化学反応単位において、
前記第１の溶接部における前記インターコネクタの一方の表面の位置での径は、前記インターコネクタの他方の表面の位置での径より大きく、かつ、前記第２の溶接部における前記インターコネクタの前記一方の表面の位置での径は、前記インターコネクタの前記他方の表面の位置での径より小さい、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
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単位。
【請求項９】
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８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）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に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。
【０００３】
また、発電単位は、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金属製のインターコネクタと、インターコネクタと燃料極との間に配置されて両者を電気的に接続する金属製の燃料極側集電部材とを備える。従来、燃料極側集電部材として、インターコネクタと電気的に接続されたインターコネクタ対向部と、燃料極と電気的に接続された電極対向部と、インターコネクタ対向部と電極対向部とを結ぶ連接部と、を含む燃料極側集電部材を用い、インターコネクタと燃料極側集電部材のインターコネクタ対向部とを溶接（例えば、レーザ溶接や抵抗溶接）により接合して固定する技術が知られている（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２０１４−２６８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の発電単位の構成では、燃料極とインターコネクタとの間の電気的接続性の点で向上の余地があり、ひいては、発電単位の電気的性能の点で向上の余地がある。
【０００６】
なお、このような課題は、燃料極とインターコネクタとの関係に限らず、空気極とインターコネクタとの関係にも共通の課題である。また、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。
【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、前記空気極と前記燃料極との一方である第１の電極に対向するように配置された金属製のインターコネクタと、前記インターコネクタと前記第１の電極との間に配置された金属製の第１の集電部材であって、前記インターコネクタと電気的に接続された第１のインターコネクタ対向部と、前記第１の電極と電気的に接続された第１の電極対向部と、前記第１のインターコネクタ対向部と前記第１の電極対向部とを結ぶ第１の連接部と、を含む、第１の集電部材と、前記第１の集電部材の前記第１の電極対向部における前記第１のインターコネクタ対向部側の表面に接するように配置された第１のスペーサと、を備える電気化学反応単位において、さらに、前記インターコネクタの表面の内、前記第１の集電部材が接する一方の面とは反対側の他方の面に接する金属製の第２の集電部材であって、前記インターコネクタと電気的に接続された第２のインターコネクタ対向部と、他の前記電気化学反応単位が備える前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との他方である第２の電極と電気的に接続される第２の電極対向部と、前記第２のインターコネクタ対向部と前記第２の電極対向部とを結ぶ第２の連接部と、を含む、第２の集電部材と、前記第２の集電部材の前記第２の電極対向部における前記第２のインターコネクタ対向部側の表面に接するように配置された第２のスペーサと、を備え、前記インターコネクタと前記第１の集電部材とが接する位置であって、前記第２のスペーサから離間した位置に、前記インターコネクタと前記第１の集電部材の前記第１のインターコネクタ対向部とを接合する第１の溶接部が形成されている。本電気化学反応単位では、金属製のインターコネクタと金属製の第１の集電部材の第１のインターコネクタ対向部とを接合する第１の溶接部が形成されている。そのため、第１の電極とインターコネクタとの間の導電経路として、第１の電極から第１の集電部材の第１の電極対向部と第１の連接部と第１のインターコネクタ対向部とを通ってインターコネクタに至る第１の導電経路に加えて、第１の電極から第１の集電部材の第１の電極対向部と第１の連接部と第１のインターコネクタ対向部と第１の溶接部とを通ってインターコネクタに至る第２の導電経路も存在する。このように、本電気化学反応単位によれば、第１の溶接部の存在により、第１の電極とインターコネクタとの間の導電経路を増やすことができるため、第１の電極とインターコネクタとの間の電気的接続性を向上させることができ、その結果、電気化学反応単位の電気的性能を向上させることができる。ただし、第１の溶接部の一部分（例えばビード）が第２のスペーサに干渉すると、第１の方向の接圧のバラツキが発生し、そのような接圧のバラツキに起因して電気化学反応単セルの損傷（割れ等）が発生するおそれがある。しかしながら、本電気化学反応単位では、第１の溶接部が第２のスペーサから離間した位置に形成されているため、第１の溶接部が第２のスペーサに干渉して接圧のバラツキが発生することを抑制することができ、接圧のバラツキに起因して電気化学反応単セルの損傷が発生することを抑制することができる。このように、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単セルの損傷が発生することを抑制しつつ、電気化学反応単位の電気的性能を向上させることができる。
【００１０】
（２）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向において、前記第１のスペーサの少なくとも一部分は、前記第２のスペーサ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のスペーサおよび第２のスペーサを介した第１の方向の応力伝達を良好とすることができ、その結果、接圧のバラツキが発生することを効果的に抑制することができ、接圧のバラツキに起因して電気化学反応単セルの損傷が発生することを効果的に抑制することができる。
【００１１】
（３）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向に平行で、かつ、前記第２の集電部材における互いに連続した前記第２の電極対向部と前記第２の連接部と前記第２のインターコネクタ対向部とを含む断面において、前記第１の溶接部は、前記第２のスペーサに対して、前記第１の方向に直交する第２の方向において前記第２の集電部材の前記第２のインターコネクタ対向部側の位置に形成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の溶接部が第２のスペーサに対して第２のインターコネクタ対向部側とは反対側に位置する構成と比較して、第１の溶接部を介して第１の集電部材から第２の集電部材に至る導電経路を短くすることができ、その結果、電気化学反応単位の電気的性能を効果的に向上させることができる。
【００１２】
（４）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向に平行で、かつ、前記第２の集電部材における互いに連続した前記第２の電極対向部と前記第２の連接部と前記第２のインターコネクタ対向部とを含む断面において、前記第１の溶接部は、前記第１の方向において、前記第２の集電部材の前記第２のインターコネクタ対向部と重なる位置に形成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の溶接部を介して第１の集電部材から第２の集電部材に至る導電経路を最も短くすることができ、その結果、電気化学反応単位の電気的性能を極めて効果的に向上させることができる。
【００１３】
（５）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向に平行で、かつ、前記第２の集電部材における互いに連続した前記第２の電極対向部と前記第２の連接部と前記第２のインターコネクタ対向部とを含む断面において、前記第１のスペーサは、前記第１の方向において、前記第２の集電部材の前記第２のインターコネクタ対向部と重ならない位置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のスペーサが第２のインターコネクタ対向部と重なる位置に配置された構成と比較して、第１のスペーサの大きさを小さくすることができ、第１のスペーサが大きくなることに起因して第１の電極に面するガス室における圧損が増大することを抑制することができる。
【００１４】
（６）上記電気化学反応単位において、前記インターコネクタと前記第２の集電部材とが接する位置であって、前記第１のスペーサおよび前記第２のスペーサから離間した位置に、前記インターコネクタと前記第２の集電部材の前記第２のインターコネクタ対向部とを接合する第２の溶接部が形成されている構成としてもよい。本電気化学反応単位では、第２の電極とインターコネクタとの間の導電経路として、第２の電極から第２の集電部材の第２の電極対向部と第２の連接部と第２のインターコネクタ対向部と第２の溶接部とを通ってインターコネクタに至る導電経路が存在する。従って、本電気化学反応単位によれば、第２の電極とインターコネクタとの間の導電経路を増やすことができ、第２の電極とインターコネクタとの間の電気的接続性を向上させることができ、その結果、電気化学反応単位の電気的性能をさらに向上させることができる。また、本電気化学反応単位では、第２の溶接部は、第１のスペーサおよび第２のスペーサから離間した位置に形成されているため、第２の溶接部が第１のスペーサや第２のスペーサに干渉して接圧のバラツキが発生することを抑制することができ、接圧のバラツキに起因して電気化学反応単セルの損傷が発生することを抑制することができる。
【００１５】
（７）上記電気化学反応単位において、前記第１の溶接部における前記インターコネクタの一方の表面の位置での径は、前記インターコネクタの他方の表面の位置での径より大きく、かつ、前記第２の溶接部における前記インターコネクタの前記一方の表面の位置での径は、前記インターコネクタの前記他方の表面の位置での径より小さい構成としてもよい。本電気化学反応単位では、第１の溶接部および第２の溶接部のインターコネクタの各表面の位置での径の関係が上記の通りであるため、第１の溶接部および第２の溶接部を形成する際の溶接の向きが互いに逆向きであることとなり、第１の溶接部および第２の溶接部を設けることに伴いインターコネクタに反りが発生することを抑制することができる。
【００１６】
（８）上記電気化学反応単位において、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単セルの損傷が発生することを抑制しつつ、電気化学反応単位の発電性能を向上させることができる。
【００１７】
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】
【００１８】
【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ＸＺ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ＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図６】図７および図８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〜図６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】図４〜図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ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９】第２実施形態における発電単位１０２ａの構成を概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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および図８）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および図８）のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。また、本明細書では、Ｚ軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。
【００２０】
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。
【００２１】
図１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、エンドプレート１０４，１０６）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する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ボルト孔１０９を構成している。各ボルト孔１０９にはボルト２２が挿入されており、各ボルト２２および図示しないナットによって燃料電池スタック１００は締結されている。
【００２２】
また、図１〜図３に示すように、各発電単位１０２のＺ軸方向回りの外周辺の付近には、各発電単位１０２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発電単位１０２に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
（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。図２および図３に示すように、下側のエンドプレート１０６には、４つの流路用貫通孔１０７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。
【００２６】
（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剤等により構成される。
【００２７】
（発電単位１０２の構成）
図４は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図６は、後述する図７および図８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。また、図７は、図４〜図６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り、図８は、図４〜図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ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。
【００２８】
図４〜図６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軸方向回りの周縁部には、上述した各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する連通孔１０８を構成する孔や、各ボルト孔１０９を構成する孔が形成されている。
【００２９】
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Ｃｒ（クロム）を含む金属であるフェライト系ステンレス等の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間の電気的接続を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止するための部材である。本実施形態では、インターコネクタ１５０における後述する空気極１１４に対向する側の表面が、導電性のコート１５１によって覆われている。コート１５１は、例えば、Ｍｎ２ＣｏＯ４やＭｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＭｎＣｏＯ４、ＣｕＭｎ２Ｏ４といったスピネル型酸化物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１５１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１５１の存在により、インターコネクタ１５０から空気極１１４側へのＣｒの放出・拡散が抑制され、空気極１１４の表面にＣｒが付着して空気極１１４での電極反応速度が低下する「空気極１１４のＣｒ被毒」と呼ばれる現象の発生が抑制される。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１５１に覆われたインターコネクタ１５０」を意味する。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）。
【００３０】
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。
【００３１】
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。本実施形態における空気極１１４は、特許請求の範囲における第２の電極に相当する。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。本実施形態における燃料極１１６は、特許請求の範囲における第１の電極に相当する。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。
【００３２】
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。
【００３３】
図４〜図７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。
【００３４】
図４〜図６および図８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、ステンレス等の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。
【００３５】
図４〜図６および図８に示すように、燃料極側集電部材１４４は、インターコネクタ１５０と単セル１１０の燃料極１１６との間に配置された導電性部材であり、例えば、ニッケルまたはニッケル合金の箔またはメッシュ等の金属により形成されている。燃料極側集電部材１４４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における燃料極側集電部材１４４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（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。燃料極側集電部材１４４の構成については、後にさらに詳述する。本実施形態における燃料極側集電部材１４４は、特許請求の範囲における第１の集電部材に相当する。
【００３６】
なお、燃料極側集電部材１４４と燃料極１１６とは、導電性の接合層により接合されていてもよく、その場合には、燃料極側集電部材１４４が燃料極１１６の表面に接するとは、燃料極側集電部材１４４と燃料極１１６との間を接合する接合層を介して両者が接する状態を含む。
【００３７】
図４〜図７に示すように、空気極側集電部材１３４は、インターコネクタ１５０と単セル１１０の空気極１１４との間に配置された導電性部材であり、例えば、フェライト系ステンレス等の金属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（換言すれば、インターコネクタ１５０の表面の内、燃料極側集電部材１４４が接する一方の面（本実施形態では上面）とは反対側の他方の面（同下面））とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電部材１３４は、上側のエンドプレート１０４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（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。空気極側集電部材１３４の構成については、後にさらに詳述する。本実施形態における空気極側集電部材１３４は、特許請求の範囲における第２の集電部材に相当する。
【００３８】
なお、本実施形態では、空気極側集電部材１３４は、上述したインターコネクタ１５０を覆うコート１５１と同様の導電性のコート３８によって覆われている。これにより、空気極側集電部材１３４からのＣｒの放出・拡散が抑制され、空気極１１４のＣｒ被毒の発生が抑制される。以下の説明では、特記しない限り、「空気極側集電部材１３４」は、「コート３８に覆われた空気極側集電部材１３４」を意味する。また、本実施形態では、空気極側集電部材１３４と空気極１１４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、Ｍｎ２ＣｏＯ４やＭｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＭｎＣｏＯ４、ＣｕＭｎ２Ｏ４といったスピネル型酸化物により形成されている。接合層１３８は、例えば、接合層用ペーストを空気極側集電部材１３４に印刷し、該接合層用ペーストを空気極１１４の表面に押し付けた状態で所定の条件で焼成を行うことにより、形成することができる。本明細書において、空気極側集電部材１３４が空気極１１４の表面に接するとは、空気極側集電部材１３４と空気極１１４との間を接合する接合層１３８を介して両者が接する状態を含む。
【００３９】
なお、上述したように、本実施形態では、１つのインターコネクタ１５０が隣接する２つの発電単位１０２に共有されているため、１つのインターコネクタ１５０に注目すると、該インターコネクタ１５０の一方側（例えば上側）の表面上に位置する燃料極側集電部材１４４は、一の発電単位１０２を構成する単セル１１０の燃料極１１６と電気的に接続されており、該インターコネクタ１５０の他方側（例えば下側）の表面上に位置する空気極側集電部材１３４は、他の発電単位１０２を構成する単セル１１０の空気極１１４と電気的に接続されている。
【００４０】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２、図４および図７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、および、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７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、図５および図８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、および、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７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、図４および図７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、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８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（図７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８に示すように、Ｘ軸負方向側からＸ軸正方向側に向かう方向）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．燃料極側集電部材１４４の詳細構成：
次に、燃料極側集電部材１４４の詳細構成について説明する。図４〜図６および図８に示すように、燃料極側集電部材１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、複数の燃料極対向部１４５と、複数の連接部１４７とを有している。
【００４５】
燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６、以下同様）における燃料極１１６に対向する側の表面に接し、かつ、インターコネクタ１５０と電気的に接続された板状部分である。インターコネクタ対向部１４６には、インターコネクタ対向部１４６を厚さ方向に貫通する（すなわち、Ｚ軸方向に延びる）複数の貫通孔４０が形成されている。燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６は、特許請求の範囲における第１のインターコネクタ対向部に相当する。
【００４６】
燃料極側集電部材１４４の各燃料極対向部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し、かつ、燃料極１１６と電気的に接続された板状部分である。Ｚ軸方向視での各燃料極対向部１４５の形状は、略矩形である。また、複数の燃料極対向部１４５は、Ｚ軸方向視で、Ｘ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されている。各燃料極対向部１４５は、Ｚ軸方向においてインターコネクタ対向部１４６と重なるように配置されている。各燃料極対向部１４５のＹ軸負方向側の端部４３は、自由端となっている。燃料極側集電部材１４４の燃料極対向部１４５は、特許請求の範囲における第１の電極対向部に相当する。
【００４７】
燃料極側集電部材１４４の各連接部１４７は、各燃料極対向部１４５におけるＹ軸負方向側の端部４２とインターコネクタ対向部１４６における貫通孔４０に面する端部４１とを結ぶ板状部分である。燃料極側集電部材１４４の連接部１４７は、特許請求の範囲における第１の連接部に相当する。
【００４８】
このように、燃料極側集電部材１４４は、インターコネクタ１５０と電気的に接続されたインターコネクタ対向部１４６と、燃料極１１６と電気的に接続された複数の燃料極対向部１４５と、各燃料極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とを結ぶ連接部１４７とを有するため、上述したように、燃料極１１６とインターコネクタ１５０との間を電気的に接続する。
【００４９】
このような構成の燃料極側集電部材１４４は、例えば、図８における部分拡大図に示すように、燃料極側集電部材１４４作製用の平板材料に対して打ち抜き加工を行うことによって、完成状態において各燃料極対向部１４５および各連接部１４７となる矩形領域のそれぞれの３辺に切り込みを入れ、次に、打ち抜き加工後の平板材料に対して折り曲げ加工を行うことによって各燃料極対向部１４５および各連接部１４７を形成することにより、作製することができる。なお、図８における部分拡大図では、燃料極側集電部材１４４の作製方法を示すため、一部、折り曲げ加工前の状態が示されている。
【００５０】
燃料極側集電部材１４４の各燃料極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、燃料極側集電部材１４４の燃料極対向部１４５におけるインターコネクタ対向部１４６側の表面に接するように、燃料極側スペーサ１４９が配置されている。燃料極側スペーサ１４９の形成材料は、弾性材料であってもよいし非弾性材料であってもよく、また、導電性材料であってもよいし絶縁性材料であってもよく、例えば、ステンレス等の金属（非弾性材料かつ導電性材料）やマイカ（弾性材料かつ絶縁性材料）等を用いることができる。燃料極側スペーサ１４９の存在により、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（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。燃料極側スペーサ１４９は、特許請求の範囲における第１のスペーサに相当する。
【００５１】
Ａ−４．空気極側集電部材１３４の詳細構成：
次に、空気極側集電部材１３４の詳細構成について説明する。図４〜図７に示すように、空気極側集電部材１３４は、インターコネクタ対向部１３６と、複数の空気極対向部１３５と、複数の連接部１３７とを有している。
【００５２】
空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６は、インターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４、以下同様）における空気極１１４に対向する側の表面に接し、かつ、インターコネクタ１５０と電気的に接続された板状部分である。インターコネクタ対向部１３６には、インターコネクタ対向部１３６を厚さ方向に貫通する（すなわち、Ｚ軸方向に延びる）複数の貫通孔３０が形成されている。図７に示すように、本実施形態では、インターコネクタ対向部１３６に形成された各貫通孔３０は、Ｘ軸方向に長い形状の孔である。また、インターコネクタ対向部１３６において、複数の貫通孔３０はＹ軸方向に並ぶように配置されている。空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６は、特許請求の範囲における第２のインターコネクタ対向部に相当する。
【００５３】
空気極側集電部材１３４の各空気極対向部１３５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に接し、かつ、空気極１１４と電気的に接続された板状部分である。Ｚ軸方向視での各空気極対向部１３５の形状は、略矩形である。また、複数の空気極対向部１３５は、Ｚ軸方向視で、Ｘ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されている。各空気極対向部１３５は、Ｚ軸方向においてインターコネクタ対向部１３６に形成された貫通孔３０と重なるように配置されている。各空気極対向部１３５のＹ軸正方向側の端部３３は、自由端となっている。空気極側集電部材１３４の空気極対向部１３５は、特許請求の範囲における第２の電極対向部に相当する。
【００５４】
空気極側集電部材１３４の各連接部１３７は、各空気極対向部１３５におけるＹ軸負方向側の端部３２と、インターコネクタ対向部１３６における貫通孔３０に面する端部３１と、を結ぶ板状部分である。空気極側集電部材１３４の連接部１３７は、特許請求の範囲における第２の連接部に相当する。
【００５５】
このように、空気極側集電部材１３４は、インターコネクタ１５０と電気的に接続されたインターコネクタ対向部１３６と、空気極１１４と電気的に接続された複数の空気極対向部１３５と、各空気極対向部１３５とインターコネクタ対向部１３６とを結ぶ連接部１３７とを有するため、上述したように、空気極１１４とインターコネクタ１５０との間を電気的に接続する。
【００５６】
このような構成の空気極側集電部材１３４は、例えば、空気極側集電部材１３４作製用の平板部材に対して打ち抜き加工を行うことによって、完成状態において各空気極対向部１３５および各連接部１３７となる部分を残しつつ各貫通孔３０の外形に対応する孔をあけ、次に、孔あけ後の平板部材に対して折り曲げ加工を行うことによって各空気極対向部１３５および各連接部１３７を形成することにより、作製することができる。
【００５７】
空気極側集電部材１３４の各空気極対向部１３５とインターコネクタ１５０との間には、空気極側集電部材１３４の空気極対向部１３５におけるインターコネクタ対向部１３６側の表面に接するように、空気極側スペーサ１３９が配置されている。空気極側スペーサ１３９の形成材料は、弾性材料であってもよいし非弾性材料であってもよく、また、導電性材料であってもよいし絶縁性材料であってもよく、例えば、マイカ（弾性材料かつ絶縁性材料）やステンレス等の金属（非弾性材料かつ導電性材料）等を用いることができる。図６および図７に示すように、各空気極側スペーサ１３９は、Ｚ軸方向において、インターコネクタ１５０の表面から各空気極対向部１３５の表面まで延びるような形状となっている。各空気極側スペーサ１３９におけるインターコネクタ１５０側の一部分は、空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６に形成された貫通孔３０内に収容されている。空気極側スペーサ１３９の存在により、空気極側集電部材１３４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、空気極側集電部材１３４を介した空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）との電気的接続が良好に維持される。空気極側スペーサ１３９は、特許請求の範囲における第２のスペーサに相当する。
【００５８】
なお、本実施形態の発電単位１０２では、図６に示すように、Ｚ軸方向において、燃料極側スペーサ１４９の少なくとも一部分は、空気極側スペーサ１３９の少なくとも一部分と重なっている。また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向に平行で、かつ、空気極側集電部材１３４における互いに連続した空気極対向部１３５と連接部１３７とインターコネクタ対向部１３６とを含む断面（例えば、図６に示すＹＺ断面）において、燃料極側スペーサ１４９は、Ｚ軸方向において空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６と重ならない位置に配置されている。
【００５９】
Ａ−５．各集電部材とインターコネクタ１５０との接合構成：
図６に示すように、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極側集電部材１４４が、レーザ溶接によってインターコネクタ１５０に接合されることにより、インターコネクタ１５０に固定されている。より詳細には、インターコネクタ１５０における燃料極側集電部材１４４に対向する側とは反対側の表面（本実施形態では下面）からレーザ溶接を行うことにより、インターコネクタ１５０と燃料極側集電部材１４４とが接する位置であって、かつ、空気極側スペーサ１３９から離間した位置に、インターコネクタ１５０と燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６とを接合する燃料極側溶接部（溶融部）４７が形成されている。燃料極側溶接部４７の一部分は、被溶接部材の表面、具体的には、インターコネクタ１５０の下面に露出している。燃料極側溶接部４７は、特許請求の範囲における第１の溶接部に相当する。本実施形態では、燃料極側溶接部４７は、Ｘ軸方向に沿って、燃料極側集電部材１４４の一端付近から他端付近まで連続的に形成されている。なお、本実施形態では、燃料極側溶接部４７は、燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６を貫通して燃料極側スペーサ１４９内まで進入しているが、燃料極対向部１４５までは到達していない。すなわち、燃料極側溶接部４７における燃料極対向部１４５側の端部は、燃料極対向部１４５から離間している。
【００６０】
上述したように、燃料極側溶接部４７は、インターコネクタ１５０における燃料極側集電部材１４４に対向する側とは反対側の表面（本実施形態では下面）からレーザ溶接を行うことにより形成されるため、燃料極側溶接部４７におけるインターコネクタ１５０の該表面（下面）の位置での径Ｄ１１は、インターコネクタ１５０の反対側の表面（上面）の位置での径Ｄ１２より大きくなっている。また、インターコネクタ１５０の該表面（下面）には、燃料極側溶接部４７の一部（ビード）が突出している。
【００６１】
また、燃料極側溶接部４７は、Ｚ軸方向に平行で、かつ、空気極側集電部材１３４における互いに連続した空気極対向部１３５と連接部１３７とインターコネクタ対向部１３６とを含む断面（例えば、図６に示すＹＺ断面）において、空気極側スペーサ１３９に対して、Ｚ軸方向に直交する方向（例えば、図６に示す断面の場合にはＹ軸方向であり、特許請求の範囲における第２の方向に相当する）において空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６側の位置に形成されている。換言すれば、燃料極側溶接部４７は、上記Ｚ軸方向に直交する方向（Ｙ軸方向）において空気極側スペーサ１３９とインターコネクタ対向部１３６とに挟まれた位置に形成されている。
【００６２】
また、図６に示すように、本実施形態の発電単位１０２では、空気極側集電部材１３４が、レーザ溶接によってインターコネクタ１５０に接合されることにより、インターコネクタ１５０に固定されている。より詳細には、インターコネクタ１５０における空気極側集電部材１３４に対向する側とは反対側の表面（本実施形態では上面）からレーザ溶接を行うことにより、インターコネクタ１５０と空気極側集電部材１３４とが接する位置であって、かつ、燃料極側スペーサ１４９および空気極側スペーサ１３９から離間した位置に、インターコネクタ１５０と空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６とを接合する空気極側溶接部（溶融部）３７が形成されている。空気極側溶接部３７の一部分は、被溶接部材の表面、具体的には、インターコネクタ１５０の上面に露出している。空気極側溶接部３７は、特許請求の範囲における第２の溶接部に相当する。本実施形態では、空気極側溶接部３７は、Ｘ軸方向に沿って、空気極側集電部材１３４の一端付近から他端付近まで連続的に形成されている。
【００６３】
上述したように、空気極側溶接部３７は、インターコネクタ１５０における空気極側集電部材１３４に対向する側とは反対側の表面（本実施形態では上面）からレーザ溶接を行うことにより形成されるため、空気極側溶接部３７におけるインターコネクタ１５０の該表面とは反対側の表面（下面）の位置での径Ｄ２１は、インターコネクタ１５０の該表面（上面）の位置での径Ｄ２２より小さくなっている。また、インターコネクタ１５０の該表面（上面）には、空気極側溶接部３７の一部（ビード）が突出している。
【００６４】
Ａ−６．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、燃料極側集電部材１４４と、燃料極側スペーサ１４９と、空気極側集電部材１３４と、空気極側スペーサ１３９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、燃料極１１６に対向するように配置された金属製の部材である。燃料極側集電部材１４４は、インターコネクタ１５０と燃料極１１６との間に配置された金属製の部材であり、インターコネクタ１５０と電気的に接続されたインターコネクタ対向部１４６と、燃料極１１６と電気的に接続された燃料極対向部１４５と、インターコネクタ対向部１４６と燃料極対向部１４５とを結ぶ連接部１４７とを含む。燃料極側スペーサ１４９は、燃料極側集電部材１４４の燃料極対向部１４５におけるインターコネクタ対向部１４６側の表面に接するように配置された部材である。空気極側集電部材１３４は、インターコネクタ１５０の表面の内、燃料極側集電部材１４４が接する一方の面とは反対側の他方の面に接する金属製の部材であり、インターコネクタ１５０と電気的に接続されたインターコネクタ対向部１３６と、他の発電単位１０２が備える単セル１１０の空気極１１４と電気的に接続される空気極対向部１３５と、インターコネクタ対向部１３６と空気極対向部１３５とを結ぶ連接部１３７とを含む。空気極側スペーサ１３９は、空気極側集電部材１３４の空気極対向部１３５におけるインターコネクタ対向部１３６側の表面に接するように配置された部材である。また、本実施形態の発電単位１０２では、インターコネクタ１５０と燃料極側集電部材１４４とが接する位置であって、空気極側スペーサ１３９から離間した位置に、インターコネクタ１５０と燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６とを接合する燃料極側溶接部４７が形成されている。本実施形態の発電単位１０２は、上述した構成であるため、以下に説明するように、単セル１１０の損傷（割れ等）が発生することを抑制しつつ、発電単位１０２の電気的性能を向上させることができる。
【００６５】
図６に示すように、本実施形態の発電単位１０２には、燃料極１１６とインターコネクタ１５０との間の導電経路として、燃料極１１６から燃料極側集電部材１４４の燃料極対向部１４５と連接部１４７とインターコネクタ対向部１４６とを通ってインターコネクタ１５０に至る第１の導電経路ＥＰ１が存在する。さらに、本実施形態の発電単位１０２では、金属製のインターコネクタ１５０と金属製の燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６とを接合する燃料極側溶接部４７が形成されているため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０との間の導電経路として、燃料極１１６から燃料極側集電部材１４４の燃料極対向部１４５と連接部１４７とインターコネクタ対向部１４６と燃料極側溶接部４７とを通ってインターコネクタ１５０に至る第２の導電経路ＥＰ２も存在する。このように、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料極側溶接部４７の存在により、燃料極１１６とインターコネクタ１５０との間の導電経路を増やすことができるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０との間の電気的接続性を向上させることができ、その結果、発電単位１０２の電気的性能を向上させることができる。
【００６６】
ただし、燃料極側溶接部４７の一部分（例えばビード）が空気極側スペーサ１３９に干渉すると、Ｚ軸方向の接圧のバラツキが発生し、そのような接圧のバラツキに起因して単セル１１０の損傷（割れ等）が発生するおそれがある。しかしながら、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極側溶接部４７が空気極側スペーサ１３９から離間した位置に形成されているため、燃料極側溶接部４７が空気極側スペーサ１３９に干渉して接圧のバラツキが発生することを抑制することができ、接圧のバラツキに起因して単セル１１０の損傷（割れ等）が発生することを抑制することができる。
【００６７】
また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向において、燃料極側スペーサ１４９の少なくとも一部分は、空気極側スペーサ１３９の少なくとも一部分と重なっている。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料極側スペーサ１４９および空気極側スペーサ１３９を介したＺ軸方向の応力伝達を良好とすることができ、その結果、接圧のバラツキが発生することを効果的に抑制することができ、接圧のバラツキに起因して単セル１１０の損傷（割れ等）が発生することを効果的に抑制することができる。
【００６８】
また、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極側溶接部４７は、Ｚ軸方向に平行で、かつ、空気極側集電部材１３４における互いに連続した空気極対向部１３５と連接部１３７とインターコネクタ対向部１３６とを含む断面（例えば、図６に示すＹＺ断面）において、空気極側スペーサ１３９に対して、Ｚ軸方向に直交する方向（例えば、図６に示す断面の場合にはＹ軸方向）において空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６側の位置に形成されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料極側溶接部４７が空気極側スペーサ１３９に対してインターコネクタ対向部１３６側とは反対側に位置する構成と比較して、燃料極側溶接部４７を介して燃料極側集電部材１４４から空気極側集電部材１３４に至る導電経路を短くすることができ、その結果、発電単位１０２の電気的性能を効果的に向上させることができる。
【００６９】
また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向に平行で、かつ、空気極側集電部材１３４における互いに連続した空気極対向部１３５と連接部１３７とインターコネクタ対向部１３６とを含む断面（例えば、図６に示すＹＺ断面）において、燃料極側スペーサ１４９は、Ｚ軸方向において、空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６と重ならない位置に配置されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料極側スペーサ１４９がインターコネクタ対向部１３６と重なる位置に配置された構成と比較して、燃料極側スペーサ１４９の大きさを小さくすることができ、燃料極側スペーサ１４９が大きくなることに起因して燃料室１７６における圧損が増大することを抑制することができる。
【００７０】
また、本実施形態の発電単位１０２では、インターコネクタ１５０と空気極側集電部材１３４とが接する位置であって、かつ、燃料極側スペーサ１４９および空気極側スペーサ１３９から離間した位置に、インターコネクタ１５０と空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６とを接合する空気極側溶接部（溶融部）３７が形成されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２では、空気極１１４とインターコネクタ１５０との間の導電経路として、空気極１１４から空気極側集電部材１３４の空気極対向部１３５と連接部１３７とインターコネクタ対向部１３６と空気極側溶接部３７とを通ってインターコネクタ１５０に至る導電経路が存在する。従って、本実施形態の発電単位１０２によれば、空気極１１４とインターコネクタ１５０との間の導電経路を増やすことができ、空気極１１４とインターコネクタ１５０との間の電気的接続性を向上させることができ、その結果、発電単位１０２の電気的性能をさらに向上させることができる。また、空気極側溶接部３７は、燃料極側スペーサ１４９および空気極側スペーサ１３９から離間した位置に形成されているため、空気極側溶接部３７が燃料極側スペーサ１４９や空気極側スペーサ１３９に干渉して接圧のバラツキが発生することを抑制することができ、接圧のバラツキに起因して単セル１１０の損傷（割れ等）が発生することを抑制することができる。
【００７１】
また、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極側溶接部４７におけるインターコネクタ１５０一方の表面（下面）の位置での径Ｄ１１は、インターコネクタ１５０の他方の表面（上面）の位置での径Ｄ１２より大きく、かつ、空気極側溶接部３７におけるインターコネクタ１５０の上記一方の表面（下面）の位置での径Ｄ２１は、インターコネクタ１５０の上記他方の表面（上面）の位置での径Ｄ２２より小さい。このことは、燃料極側溶接部４７を形成する際のレーザ溶接の向き（インターコネクタ１５０の下面側から溶接を行う）が、空気極側溶接部３７を形成する際のレーザ溶接の向き（インターコネクタ１５０の上面側から溶接を行う）と逆向きであることを意味する。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料極側溶接部４７および空気極側溶接部３７を設けることに伴いインターコネクタ１５０に反りが発生することを抑制することができる。
【００７２】
Ｂ．第２実施形態：
図９は、第２実施形態における発電単位１０２ａの構成を概略的に示す説明図である。図９には、図６に示された第１実施形態の発電単位１０２のＹＺ断面構成に対応する第２実施形態の発電単位１０２ａのＹＺ断面構成が示されている。以下では、第２実施形態の発電単位１０２ａの構成の内、上述した第１実施形態の発電単位１０２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。
【００７３】
図９に示すように、第２実施形態の発電単位１０２ａは、主として、溶接部の構成が、第１実施形態の発電単位１０２と異なっている。具体的には、第２実施形態の発電単位１０２ａでは、インターコネクタ１５０および燃料極側集電部材１４４に加えて、空気極側集電部材１３４も一体的に接合する共通溶接部５７が形成されている。より詳細には、共通溶接部５７は、空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６とインターコネクタ１５０と燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６とを接合するように形成されている。換言すれば、本実施形態の発電単位１０２ａでは、共通溶接部５７は、Ｚ軸方向に平行で、かつ、空気極側集電部材１３４における互いに連続した空気極対向部１３５と連接部１３７とインターコネクタ対向部１３６とを含む断面（例えば、図９に示すＹＺ断面）において、Ｚ軸方向において空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６と重なる位置に形成されている。なお、本実施形態では、共通溶接部５７は、燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６を貫通して燃料極側スペーサ１４９内まで進入しているが、燃料極対向部１４５までは到達していない。このような共通溶接部５７は、例えば、空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６におけるインターコネクタ１５０に対向する側とは反対側の表面（本実施形態では下面）からレーザ溶接を行うことにより形成することができる。共通溶接部５７の一部分は、被溶接部材の表面、具体的には、空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６の下面に露出している。共通溶接部５７は、特許請求の範囲における第１の溶接部に相当する。
【００７４】
このように、第２実施形態の発電単位１０２ａでは、第１実施形態の発電単位１０２と同様に、インターコネクタ１５０と燃料極側集電部材１４４とが接する位置であって、空気極側スペーサ１３９から離間した位置に、インターコネクタ１５０と燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６とを接合する共通溶接部５７が形成されているため、単セル１１０の損傷（割れ等）が発生することを抑制しつつ、発電単位１０２ａの電気的性能を向上させることができる。さらに、第２実施形態の発電単位１０２ａでは、共通溶接部５７が、Ｚ軸方向に平行で、かつ、空気極側集電部材１３４における互いに連続した空気極対向部１３５と連接部１３７とインターコネクタ対向部１３６とを含む断面（例えば、図９に示すＹＺ断面）において、Ｚ軸方向において空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６と重なる位置に形成されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２ａによれば、共通溶接部５７を介して燃料極側集電部材１４４から空気極側集電部材１３４に至る導電経路ＥＰ３を最も短くすることができ、その結果、発電単位１０２ａの電気的性能を極めて効果的に向上させることができる。
【００７５】
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。
【００７６】
上記実施形態の発電単位１０２または燃料電池スタック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、燃料極側溶接部４７における燃料極対向部１４５側の端部が燃料極対向部１４５から離間しているが、燃料極側溶接部４７における燃料極対向部１４５側の端部が燃料極対向部１４５まで到達しているとしてもよい。
【００７７】
また、上記第１実施形態では、燃料極側溶接部４７を形成する際のレーザ溶接の向きと空気極側溶接部３７を形成する際のレーザ溶接の向きとが逆向きであるが、それらが同じ向きであるとしてもよい。また、上記第１実施形態では、燃料極側溶接部４７と空気極側溶接部３７との２つの溶接部が形成されているが、それらの内の一方が形成されないとしてもよい。
【００７８】
また、上記第２実施形態において、空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６とインターコネクタ１５０と燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６とを一体的に接合する共通溶接部５７に代えて、インターコネクタ１５０と燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６とを接合する溶接部（すなわち、空気極側集電部材１３４の接合を行わない溶接部）が形成されてもよい。このような構成であっても、該溶接部が、Ｚ軸方向に平行で、かつ、空気極側集電部材１３４における互いに連続した空気極対向部１３５と連接部１３７とインターコネクタ対向部１３６とを含む断面において、Ｚ軸方向において空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６と重なる位置に形成されていれば、該溶接部を介して燃料極側集電部材１４４から空気極側集電部材１３４に至る導電経路を最も短くすることができ、その結果、発電単位１０２ａの電気的性能を極めて効果的に向上させることができる。
【００７９】
また、上記実施形態における燃料極側集電部材１４４および燃料極側スペーサ１４９の構成（形状や材料等）や、空気極側集電部材１３４および空気極側スペーサ１３９の構成（形状や材料等）は、あくまで一例であり、種々変形可能である。
【００８０】
また、上記実施形態では、インターコネクタ１５０がコート１５１により覆われているが、インターコネクタ１５０がコート１５１により覆われていないとしてもよい。同様に、上記実施形態では、空気極側集電部材１３４がコート３８により覆われているが、空気極側集電部材１３４がコート３８により覆われていないとしてもよい。また、上記実施形態では、空気極側集電部材１３４と空気極１１４との間に接合層１３８が介在しているが、空気極側集電部材１３４と空気極１１４との間に接合層１３８が介在しないとしてもよい。
【００８１】
また、上記実施形態では、ボルト孔１０９が、各マニホールド用の連通孔１０８とは独立して設けられているが、独立したボルト孔１０９を設けず、各マニホールド用の連通孔１０８がボルト孔としても用いられるとしてもよい。また、上記実施形態では、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向とが略反対方向であるカウンターフロータイプを例に挙げて説明しているが、本発明は、他のタイプ（上記２つの流れ方向が略同一方向であるコフロータイプや上記２つの流れ方向が交差するクロスフロータイプ等）にも適用可能である。
【００８２】
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。
【００８３】
また、上記実施形態において、空気極側の集電部材や溶接部等の構成が、燃料極側の構成と同様であるとしてもよい。例えば、空気極側スペーサ１３９が、空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６と空気極対向部１３５との間に配置されており、インターコネクタ１５０と空気極側集電部材１３４とが接する位置であって、燃料極側スペーサ１４９から離間した位置に、インターコネクタ１５０と空気極側集電部材１３４のインターコネクタ対向部１３６とを接合する溶接部が形成されているとしてもよい。この場合には、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。
【００８４】
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の集電部材や溶接部等の構成を採用すると、電解単セルの損傷（割れ等）が発生することを抑制しつつ、電解セル単位の電気的性能を向上させることができる。
【符号の説明】
【００８５】
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  ３０：貫通孔  ３１：端部  ３２：端部  ３３：端部  ３７：空気極側溶接部  ３８：コート  ４０：貫通孔  ４１：端部  ４２：端部  ４３：端部  ４７：燃料極側溶接部  ５７：共通溶接部  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  １０７：流路用貫通孔  １０８：連通孔  １０９：ボルト孔  １１０：単セル  １１２：電解質層  １１４：空気極  １１６：燃料極  １２０：セパレータ  １２１：孔  １２４：接合部  １３０：空気極側フレーム  １３１：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：空気極対向部  １３６：インターコネクタ対向部  １３７：連接部  １３８：接合層  １３９：空気極側スペーサ  １４０：燃料極側フレーム  １４１：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：燃料極対向部  １４６：インターコネクタ対向部  １４７：連接部  １４９：燃料極側スペーサ  １５０：インターコネクタ  １５１：コート  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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