(57)【要約】【課題】単セルの面方向における電気化学反応量のバラツキを抑制する。【解決手段】電気化学反応単位は、単セルと、単セルの空気極側に配置され、空気極の表面に電気的に接続される空気極側集電部材と、を備え、第１の方向視で、空気極の形状は矩形状であり、かつ、矩形状の第１の辺は、空気極に供給されるガスの供給口に最も近い位置に配置され、第２の辺は、燃料極に供給されるガスの供給口に最も近い位置に配置されている。第１の方向視で、空気極の表面を四等分したときに形成される４つの分割領域のうち、第１の角部を含む特定分割領域において空気極と空気極側集電部材とが電気的に接続される特定接続面積は、３つの他の分割領域のそれぞれにおいて空気極と空気極側集電部材とが電気的に接続される３つの他の接続面積の平均値より小さい。【選択図】図６
2019003793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物を含む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単セルと、
前記単セルの前記空気極側に配置され、前記空気極の表面に電気的に接続される空気極側集電部材と、を備え、
前記第１の方向視で、前記空気極の形状は矩形状であり、かつ、前記矩形状を構成する４つの辺のうちの第１の辺は、前記空気極に供給されるガスの供給口に最も近い位置に配置され、前記第１の辺に第１の角部を介して繋がる第２の辺は、前記燃料極に供給されるガスの供給口に最も近い位置に配置された電気化学反応単位において、
前記第１の方向視で、前記空気極の表面を、前記第１の辺に平行な第１の仮想直線と前記第２の辺に平行な第２の仮想直線とによって四等分したときに形成される４つの分割領域のうち、前記第１の角部を含む特定分割領域において前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される特定接続面積は、３つの他の分割領域のそれぞれにおいて前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される３つの他の接続面積の平均値より小さい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、
前記特定分割領域における前記特定接続面積は、前記３つの他の分割領域のそれぞれにおける前記他の接続面積のいずれよりも小さい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、
前記空気極側集電部材は、前記空気極の表面に電気的に接続される複数の凸部を有し、
前記特定分割領域に電気的に接続される前記凸部は、前記第１の方向に直交する第１の平面に平行な断面の面積が、前記他の分割領域に電気的に接続される前記凸部である他の凸部の前記第１の平面に平行な断面の面積より小さい狭小凸部を含むことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項４】
請求項３に記載の電気化学反応単位において、
前記他の分割領域に電気的に接続される前記凸部は、前記第１の方向に直交する１つの第２の方向に第１の配置間隔で並ぶように配置された複数の前記凸部を含み、
前記特定分割領域に電気的に接続される前記凸部は、前記第２の方向に前記第１の配置間隔以下の第２の配置間隔で並ぶように配置された複数の前記狭小凸部を含む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、
前記空気極側集電部材は、前記空気極の表面側に向かう複数の凸部を有し、
前記特定分割領域に向かう前記凸部は、前記空気極に電気的に接続される接続凸部と、前記空気極に電気的に接続されない非接続凸部とを含むことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項６】
請求項５に記載の電気化学反応単位において、
前記非接続凸部は、前記凸部と、前記凸部と前記空気極との間に配置され、導電率が前記接続凸部の導電率より低い低導電部とを有することを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
前記特定分割領域は、
第１の領域と、
前記第１の領域よりも前記空気極に供給されるガスの供給口に近い位置に配置され、かつ、前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される接続面積が、前記第１の領域において前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される接続面積に比べて小さい第２の領域と、を含む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３つの他の接続面積の平均値（Ｍ）に対する、前記特定接続面積（Ｎ）の割合（Ｎ／Ｍ）は、０．８５より大きく、かつ、０．９５より小さいことを特徴とする、電気化学反応単位。
【請求項９】
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は、燃料電池単セルを備える。燃料電池単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向（以下、「第１の方向」という）に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。燃料電池発電単位は、さらに、燃料電池単セルの空気極側に配置され、該空気極の表面に電気的に接続される空気極側集電部材を備える。
【０００３】
ＳＯＦＣには、第１の方向視で、空気極の形状は矩形状であり、かつ、該矩形状を構成する４つの辺のうちの第１の辺は、空気極に供給される酸化剤ガスの供給口に最も近い位置に配置され、第１の辺に第１の角部を介して繋がる第２の辺は、燃料極に供給される燃料ガスの供給口に最も近い位置に配置された構成のものがある（下記特許文献１参照）。このような構成では、第１の方向視で酸化剤ガスの主たる流れ方向と燃料ガスの主たる流れ方向とが略直交するため、同構成はクロスフロータイプと呼ばれる。
【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】
上述のクロスフロータイプのＳＯＦＣでは、燃料電池単セルのうち、酸化剤ガスの供給口と燃料ガスの供給口との両方に近い部分、すなわち、空気極の上記第１の角部の周辺領域に対応する部分において、特に酸化剤ガスおよび燃料ガスが豊富に供給されるため、発電反応が集中的に起こる。その結果、燃料電池単セルの面方向における発電反応量のバラツキが生じる。この燃料電池単セルの面方向における発電反応量のバラツキが生じると、例えばガスの供給口に近い部分で発電反応によりガスの消費量が増大する分だけ、ガスの供給口から離れた部分ではガスが不足し、例えば周辺に位置する金属部材のコーティングに含まれる酸化物を還元させるおそれがある。
【０００６】
なお、上述のような反応量にバラツキが生じる課題は、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）を構成す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、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、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、固体酸化物を含む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単セルと、前記単セルの前記空気極側に配置され、前記空気極の表面に電気的に接続される空気極側集電部材と、を備え、前記第１の方向視で、前記空気極の形状は矩形状であり、かつ、前記矩形状を構成する４つの辺のうちの第１の辺は、前記空気極に供給されるガスの供給口に最も近い位置に配置され、前記第１の辺に第１の角部を介して繋がる第２の辺は、前記燃料極に供給されるガスの供給口に最も近い位置に配置された電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記空気極の表面を、前記第１の辺に平行な第１の仮想直線と前記第２の辺に平行な第２の仮想直線とによって四等分したときに形成される４つの分割領域のうち、前記第１の角部を含む特定分割領域において前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される特定接続面積は、３つの他の分割領域のそれぞれにおいて前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される３つの他の接続面積の平均値より小さい。本電気化学反応単位によれば、第１の角部を含む特定分割領域において空気極と空気極側集電部材とが電気的に接続される特定接続面積は、３つの他の分割領域のそれぞれにおいて空気極と空気極側集電部材とが電気的に接続される３つの他の接続面積の平均値より小さい。これにより、空気極のうち、特にガスの豊富な供給量に起因して電気化学反応が集中しやすい特定分割領域における電気化学反応の反応量が低減されるため、単セルの面方向における電気化学反応量のバラツキ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、前記特定分割領域における前記特定接続面積は、前記３つの他の分割領域のそれぞれにおける前記他の接続面積のいずれよりも小さい構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、特定分割領域における特定接続面積は、３つの他の分割領域のそれぞれにおける他の接続面積のいずれよりも小さい。これにより、３つの他の接続面積の中に、特定接続面積より大きいものが含まれる構成に比べて、特定分割領域における電気化学反応の反応量が集中的に低減されるため、単セルの面方向における電気化学反応量のバラツキをより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、前記空気極側集電部材は、前記空気極の表面に電気的に接続される複数の凸部を有し、前記特定分割領域に電気的に接続される前記凸部は、前記第１の方向に直交する第１の平面に平行な断面の面積が、前記他の分割領域に電気的に接続される前記凸部である他の凸部の前記第１の平面に平行な断面の面積より小さい狭小凸部を含む構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、凸部の断面の面積を変更することによって、特定接続面積が３つの他の分割領域のそれぞれにおける他の接続面積の平均値より小さい構成を実現することができる。
【００１２】
（４）上記電気化学反応単位において、前記他の分割領域に電気的に接続される前記凸部は、前記第１の方向に直交する１つの第２の方向に第１の配置間隔で並ぶように配置された複数の前記凸部を含み、前記特定分割領域に電気的に接続される前記凸部は、前記第２の方向に前記第１の配置間隔以下の第２の配置間隔で並ぶように配置された複数の前記狭小凸部を含む構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、例えば、特定分割領域における複数の狭小凸部の第２の配置間隔が、他の分割領域における複数の凸部の第１の配置間隔より広い場合に比べて、接続面積が小さいことに起因して特定分割領域に対応する部分が、他の分割領域に対応する部分に比べて電気化学反応単位の強度が低下することを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、前記空気極側集電部材は、前記空気極の表面側に向かう複数の凸部を有し、前記特定分割領域に向かう前記凸部は、前記空気極に電気的に接続される接続凸部と、前記空気極に電気的に接続されない非接続凸部とを含む構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、空気極側集電部材の凸部を残しつつ、特定接続面積が３つの他の分割領域のそれぞれにおける他の接続面積の平均値より小さい構成を実現することができる。
【００１４】
（６）上記電気化学反応単位において、前記非接続凸部は、前記凸部と、前記凸部と前記空気極との間に配置され、導電率が前記接続凸部の導電率より低い低導電部とを有する構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、非接続凸部では、凸部と空気極との間に低導電部が介在するため、凸部と空気極との間が空間である構成に比べて、凸部と空気極との低導通性を確実に維持しつつ、空気極側集電部材と空気極との間の強度の低下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、前記特定分割領域は、第１の領域と、前記第１の領域よりも前記空気極に供給されるガスの供給口に近い位置に配置され、かつ、前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される接続面積が、前記第１の領域において前記空気極と前記空気極側集電部材とが電気的に接続される接続面積に比べて小さい第２の領域と、を含む構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、特定分割領域のうち、特にガスの豊富な供給量に起因して電気化学反応が集中しやすいガスの供給口付近の領域における電気化学反応の反応量が低減されるため、特定分割領域の面方向における電気化学反応量のバラツキ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３つの他の接続面積の平均値（Ｍ）に対する、前記特定接続面積（Ｎ）の割合（Ｎ／Ｍ）は、０．８５より大きく、かつ、０．９５より小さい構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、割合（Ｎ／Ｍ）が０．８５以下である構成に比べて、電気化学反応単位の電気抵抗の増大を抑制することができ、割合（Ｎ／Ｍ）が０．９５以上である構成に比べて、空気極に供給されるガスの濃度のバラツキを抑制することができる。
【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、燃料電池発電単位、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、電解セル単位、複数の電解セル単位を備える電解セルスタック、電解セルスタックを備える水素生成モジュール、水素生成モジュールを備える水素生成システム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】第１の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】接続面積割合（Ｎ／Ｍ）と酸素の濃度差と集電ロスとの関係を示す説明図である。
【図８】第２の実施形態における発電単位１０２ＡのＸＹ断面構成を示す説明図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２の一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図１０】第３の実施形態における発電単位１０２ＢのＸＹ断面構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
Ａ．第１の実施形態：
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。
【００２０】
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。
【００２１】
図１に示すように、各発電単位１０２のＺ方向回りの外周の４つの角部には、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、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によって燃料電池スタック１００は締結されている。
【００２２】
図１、図２および図３に示すように、各発電単位１０２および下側のエンドプレート１０６のＺ方向回りの外周辺の中点付近には、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、各発電単位１０２およびエンドプレート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。
【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。
【００２４】
また、図１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、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。
【００２５】
図１から図３に示すように、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。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。なお、各ガス通路部材２７とエンドプレート１０６の表面との間には、絶縁シート２６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。
【００２６】
（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。
【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ＹＺ断面構成を示す説明図であり、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。なお、図６では、説明上、断面を示すハッチングの一部が省略されている。また、図６では、燃料ガスＦＧの流れと燃料ガス供給連通孔１４２と燃料ガス排出連通孔１４３とが二点鎖線で示されている。
【００２８】
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、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が挿入されるボルト孔１０９に対応する孔や、各マニホールドして機能する連通孔１０８に対応する孔が形成されている（図６参照）。なお、発電単位１０２は、特許請求の範囲における電気化学反応単位に相当し、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。
【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、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２および図３参照）。
【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、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置される中間層１８０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と中間層１８０と空気極１１４と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、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）、ＣａＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）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）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。
【００３２】
中間層１８０は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）等の固体酸化物により形成されている。中間層１８０は、燃料電池スタック１００の運転動作時のような高温条件下において、空気極１１４に含まれるＳｒと電解質層１１２に含まれるＺｒとが反応して高抵抗層（例えばＳｒＺｒＯ３）が形成されることを抑制する反応防止層として機能する。なお、中間層１８０は、イオン伝導性を有するため、空気極１１４において酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素分子のイオン化反応により生成された酸化物イオンを電解質層１１２へと移動させる機能も有する。
【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。酸化剤ガス供給連通孔１３２は、特許請求の範囲における空気極に供給されるガスの供給口に相当する。
【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。燃料ガス供給連通孔１４２は、特許請求の範囲における燃料極に供給されるガスの供給口に相当する。また、図６に示すように、本実施形態におけるガスフロー方式は、上下方向（Ｚ方向）視で、酸化剤ガス供給連通孔１３２から酸化剤ガス排出連通孔１３３に向かう酸化剤ガスＯＧの流れ方向と、燃料ガス供給連通孔１４２から燃料ガス排出連通孔１４３に向かう燃料ガスＦＧの流れ方向とが略直交する、いわゆるクロスフロー方式である。
【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】
空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として形成されていてもよい。空気極側集電体１３４は、特許請求の範囲における空気極側集電部材に相当し、集電体要素１３５は、特許請求の範囲における凸部に相当する。空気極側集電体１３４の詳細構成については後述する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
Ａ−３．空気極側集電体１３４の詳細構成：
図６に示すように、上下方向（Ｚ方向）視で、空気極１１４の形状（外径、外周線）は矩形状である。空気極１１４の矩形状を構成する４つの辺のうち、第１の辺ＳＤ１（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）は、酸化剤ガス供給連通孔１３２に最も近い位置に配置されている。また、第１の辺ＳＤ１に第１の角部Ｃ１を介して繋がる（換言すれば、第１の辺ＳＤ１と第１の角部Ｃ１を共有する）第２の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）は、燃料ガス供給連通孔１４２に最も近い位置に配置されている。以下、空気極１１４の矩形状を構成する４つの辺のうち、第１の辺ＳＤ１に対向する辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）を、第３の辺ＳＤ３といい、第２の辺ＳＤ２に対向する辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）を、第４の辺ＳＤ４という。また、空気極１１４の矩形状の４つの角部のうち、第１の角部Ｃ１以外の３つの角部を、それぞれ、第２の角部Ｃ２、第３の角部Ｃ３、第４の角部Ｃ４という。
【００４２】
また、図６の中の符号Ｌ１は、第１の辺ＳＤ１に平行であり、かつ、第２の辺ＳＤ２の中点と第４の辺ＳＤ４の中点とを通る第１の仮想線を意味し、符号Ｌ２は、第２の辺ＳＤ２に平行であり、かつ、第１の辺ＳＤ１の中点と第３の辺ＳＤ３の中点とを通る第２の仮想線を意味する。符号Ｅ１〜Ｅ４は、空気極１１４の上面を第１の仮想線Ｌ１と第２の仮想線Ｌ２とによって四等分したときに形成される４つの分割領域を示す。なお、以下、４つの分割領域Ｅ１〜Ｅ４のうち、第１の角部Ｃ１を含む第１の分割領域Ｅ１を、特定分割領域Ｅ１といい、分割領域Ｅ２〜Ｅ４を、他の分割領域Ｅ２〜Ｅ４ということがある。
【００４３】
ここで、次に説明するように、特定分割領域Ｅ１において空気極１１４と空気極側集電体１３４とが電気的に接続される接続面積の合計（以下、「特定接続面積（Ｎ）」という）は、３つの他の分割領域Ｅ２〜Ｅ４のそれぞれにおいて空気極１１４と空気極側集電体１３４とが電気的に接続される接続面積の合計（以下、「他の接続面積」という）の平均値（Ｍ）より小さい。以下、該平均値（Ｍ）に対する特定接続面積（Ｎ）の割合（Ｎ／Ｍ）を、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）という。
【００４４】
すなわち、上述したように、空気極側集電体１３４は、複数の集電体要素１３５から構成されており、これらの複数の集電体要素１３５の少なくとも一部の集電体要素１３５の下面が空気極１１４の上面に接触していることによって、該集電体要素１３５（空気極側集電体１３４）を介して、空気極１１４とインターコネクタ１５０とが電気的に接続されている。具体的には、複数の集電体要素１３５は、Ｚ軸方向視で、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに並ぶ格子状に配置されている。図６には、各分割領域Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれに対して、８つずつの集電体要素１３５が対向するように配置されており、全８つの集電体要素１３５の下面が空気極１１４の上面に接触している。各集電体要素１３５は、Ｚ軸方向視で、上記酸化剤ガスＯＧの流れ方向（Ｘ軸方向）における長さが上記燃料ガスＦＧの流れ方向（Ｙ軸方向）における長さより長い細長形状となっている。
【００４５】
ここで、空気極１１４の特定分割領域Ｅ１に対向する集電体要素１３５（以下、「特定集電体要素１３５Ｂ」という）の酸化剤ガスＯＧの流れ方向（Ｘ軸方向）における長さと、他の分割領域Ｅ２〜Ｅ４のそれぞれに対向する集電体要素１３５（以下、「他の集電体要素１３５Ａ」という）の酸化剤ガスＯＧの流れ方向における長さとは略同一である。一方、特定集電体要素１３５Ｂの燃料ガスＦＧの流れ方向（Ｙ軸方向）における長さＨ２は、特定集電体要素１３５Ｂの流れ方向における長さＨ１より短い。このため、１つの特定集電体要素１３５Ｂの上下方向に直交する平面（ＸＹ平面）に平行な断面の面積は、１つの集電体要素１３５Ａの上下方向に直交する上記平面（ＸＹ平面）に平行な断面の面積より小さい。すなわち、特定分割領域Ｅ１における特定接続面積は、各他の分割領域Ｅ２〜Ｅ４のそれぞれにおける他の接続面積のいずれより小さい。ＸＹ平面は、特許請求の範囲における第１の平面に相当し、特定集電体要素１３５Ｂは、特許請求の範囲における狭小凸部に相当する。
【００４６】
また、特定集電体要素１３５Ｂの燃料ガスＦＧの流れ方向（Ｙ軸方向）における第２の配置間隔ＤＭ２と、他の集電体要素１３５Ａの燃料ガスＦＧの流れ方向における第１の配置間隔ＤＭ１とは略同じである。なお、本明細書において、Ａ方向における部材Ｂ同士の配置間隔とは、一の部材ＢのＡ方向の中心を通り、かつ、Ａ方向に直交する平面と、Ａ方向において該一の部材Ｂと隣り合う他の部材ＢのＡ方向の中心を通り、かつ、Ａ方向に直交する平面との間の最短距離（ピッチ間隔）をいう。
【００４７】
Ａ−４．分割領域Ｅ１〜Ｅ４とガス濃度との関係：
次に説明するように、単セル１１０のうち、第１の分割領域Ｅ１に対応する部分には、酸化剤ガスＯＧと燃料ガスＦＧとがともに豊富に供給される。すなわち、上述したように、酸化剤ガス供給連通孔１３２は、空気極側フレーム１３０の第１の辺ＳＤ１側部分に配置されている。このため、空気極１１４の表面のうち、酸化剤ガス供給連通孔１３２に相対的に近い第１の分割領域Ｅ１と第４の分割領域Ｅ４とは、燃料電池スタック１００の運転時における酸化剤ガスＯＧの濃度が相対的に高い酸化剤ガス高濃度領域となる。一方、酸化剤ガス供給連通孔１３２から相対的に遠い第２の分割領域Ｅ２と第３の分割領域Ｅ３とは、燃料電池スタック１００の運転時における酸化剤ガスＯＧの濃度が相対的に低い酸化剤ガス低濃度領域となる。
【００４８】
また、燃料ガス供給連通孔１４２は、燃料極側フレーム１４０の第２の辺ＳＤ２側部分に配置されている。このため、１１６の表面のうち、燃料ガス供給連通孔１４２に相対的に近い、第１の分割領域Ｅ１の裏側の領域と第２の分割領域Ｅ２の裏側の領域とは、燃料電池スタック１００の運転時における燃料ガスＦＧの濃度が相対的に高い燃料ガス高濃度領域となる。一方、燃料ガス供給連通孔１４２から相対的に遠い、第３の分割領域Ｅ３の裏側の領域と第４の分割領域Ｅ４の裏側の領域とは、燃料電池スタック１００の運転時における燃料ガスＦＧの濃度が相対的に低い燃料ガス低濃度領域となる。
【００４９】
以上のことから、単セル１１０のうち、酸化剤ガス供給連通孔１３２と燃料ガス供給連通孔１４２との両方に近い第１の分割領域Ｅ１に対応する部分では、該第１の分割領域Ｅ１が酸化剤ガス高濃度領域となり、かつ、該第１の分割領域Ｅ１の裏側の領域が燃料ガス高濃度領域となる。すなわち、単セル１１０のうちの第１の分割領域Ｅ１に対応する部分には、酸化剤ガスＯＧと燃料ガスＦＧとがともに豊富に供給される。このため、第１の分割領域Ｅ１に対応する部分は、他の領域Ｅ２〜Ｅ４に対応する部分に比べて発電反応が集中的に起こる可能性が高い。第１の分割領域Ｅ１は、特許請求の範囲における特定分割領域に相当する。
【００５０】
Ａ−５．接続面積割合（Ｎ／Ｍ）と酸素の濃度差と集電ロスとの関係：
図７には、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）と酸素の濃度差と集電ロスとの関係を示す説明図である。酸素の濃度差は、空気室１６６におけるＸＹ平面方向における酸素の濃度分布において、最高濃度（または平均濃度）と最低濃度との差を意味する。図７の上段のグラフの縦軸は、酸素の濃度差を示しており、上側に向かうほど行くほど、酸素濃度差が小さいことを意味し、横軸は、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）を示している。この図７の上段のグラフによれば、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）が低いほど、特定分割領域Ｅ１に対応する部分について、発電反応量が効果的に低減されるから、酸素の濃度差を抑制することができる。
【００５１】
一方、集電ロスは、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）の低減に伴う発電単位１０２全体の空気極１１４と空気極側集電体１３４との接触面積の低下による単セル１１０における電圧降下を意味する。図７の下段のグラフの縦軸は、集電ロスを示しており、上側に向かうほど行くほど、集電ロスが大きくなることを意味し、横軸は、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）を示している。この図７の下段のグラフによれば、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）が低いほど、発電単位１０２全体として空気極１１４と空気極側集電体１３４との接触面積が小さくなるため、集電ロスが増大する。
【００５２】
以上より、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）が低いほど、酸素の濃度差を抑制できるが、逆に、集電ロスが増大する。そこで、図７の結果から、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）は、０．８５より大きく、かつ、０．９５より小さいことが好ましい。
【００５３】
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では、特定分割領域Ｅ１における特定接続面積は、３つの他の分割領域Ｅ２〜Ｅ４のそれぞれにおける他の接続面積の平均値より小さい。このため、本実施形態の燃料電池スタック１００では、特定分割領域Ｅ１における特定接続面積が他の分割領域Ｅ２〜Ｅ４の他の接続面積の平均値以上である構成に比べて、単セル１１０のうち、酸化剤ガスＯＧと燃料ガスＦＧとがともに豊富に供給される第１の分割領域Ｅ１に対応する部分について、発電反応量が低減される。したがって、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、単セル１１０の面方向（ＸＹ平面方向）における発電反応量のバラツキを抑制することができる。
【００５４】
また、本実施形態では、特定分割領域Ｅ１における特定接続面積は、３つの他の分割領域Ｅ２〜Ｅ４のそれぞれにおける他の接続面積のいずれよりも小さい。これにより、３つの他の接続面積の中に、特定接続面積より大きいものが含まれる構成に比べて、特定分割領域Ｅ１における発電反応量が集中的に低減されるため、単セル１１０の面方向における発電反応量のバラツキをより効果的に抑制することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、１つの特定集電体要素１３５Ｂの上下方向に直交する平面（ＸＹ平面）に平行な断面の面積は、１つの集電体要素１３５Ａの上下方向に直交する上記平面（ＸＹ平面）に平行な断面の面積より小さいことによって、特定接続面積が３つの他の接続面積の平均値より小さい構成を実現されている。また、このように、特定分割領域Ｅ１では、他の分割領域Ｅ２〜Ｅ４に対して、集電体要素１３５の断面の面積を小さくしつつ、集電体要素１３５同士の配置間隔が維持されているため、集電体要素１３５同士の配置間隔が異なる構成に比べて、空気極１１４と空気極側集電体１３４との接触面積の低減を原因とする発電単位１０２の強度の低下を抑制することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）は、０．８５より大きく、かつ、０．９５より小さい。これにより接続面積割合（Ｎ／Ｍ）が０．８５以下である構成に比べて、発電単位１０２（単セル１１０）の電気抵抗の増大を抑制することができる。また、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）が０．９５以上である構成に比べて、空気極１１４に供給される酸化剤ガスＯＧの濃度のバラツキを抑制することができる。
【００５７】
Ｂ．第２の実施形態：
図８は、第２の実施形態における発電単位１０２ＡのＸＹ断面構成を示す説明図である。ただし、図８では、説明上、燃料極側フレーム１４０、セパレータ１２０および電解質層１１２が省略されている。図９は、図８のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２の一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。第２の実施形態の構成の内、上述した第１の実施形態と同一の構成については、同一符号を付すことによって、その説明を省略する。
【００５８】
図８および図９に示すように、本実施形態の発電単位１０２Ａでは、特定分割領域Ｅ１に対向する集電体要素１３５には、他の分割領域Ｅ２〜Ｅ４に接触する上記他の集電体要素１３５Ａ（以下、「接触集電要素１３５Ａ」ともいう）と、非接触集電要素１３５Ｃとが含まれる。接触集電要素１３５Ａは、要素本体１３５Ａ１と、接点ペースト１３５Ａ２とを含む。接点ペースト１３５Ａ２は、要素本体１３５Ａ１の下面と空気極１１４の上面と間に介在し、両者を接合する。接点ペースト１３５Ａ２は、例えば、比較的に導電率が高い材料（ＣｕＭｎ２Ｏ４など）によって形成されているため、接点ペースト１３５Ａ２を介して、要素本体１３５Ａ１と空気極１１４とが電気的に接続されている。
【００５９】
非接触集電要素１３５Ｃは、要素本体１３５Ｃ１と、接点ペースト１３５Ｃ２とを含む。接点ペースト１３５Ｃ２は、要素本体１３５Ｃ１の下面と空気極１１４の上面との間に介在し、両者を接合する。接点ペースト１３５Ｃ２は、少なくとも上記接点ペースト１３５Ａ２に比べて導電率が低い材料（Ｍｎ３Ｏ４など）によって形成されている。このため、要素本体１３５Ｃ１と空気極１１４との導通性が、要素本体１３５Ａ１と空気極１１４との導通性より低い。接点ペースト１３５Ｃ２は、特許請求の範囲における低導電部に相当する。なお、上下方向視で、各接点ペースト１３５Ａ２，１３５Ｃ２は、要素本体１３５Ａ１，１３５Ｃ１から側方にはみ出していてもよい。接触集電要素１３５Ａは、特許請求の範囲における接続凸部に相当し、非接触集電要素１３５Ｃは、特許請求の範囲における非接続凸部に相当する。なお、仮に、要素本体１３５Ｃ１の下面と空気極１１４の上面との間が空間である構成では、例えば燃料電池スタック１００の組み立ての際のボルト２２による締結力によって単セル１１０にかかる圧力が、単セル１１０における接触集電要素１３５Ａに対向する部分に集中する。その結果、例えば単セル１１０が損傷（割れ）し易くなるおそれがある。これに対して、本実施形態では、要素本体１３５Ｃ１の下面と空気極１１４の上面との間に接点ペースト１３５Ｃ２（低導電部）が介在するため、上記締結力によって単セル１１０にかかる圧力が、単セル１１０における接触集電要素１３５Ａに対向する部分と非接触集電要素１３５Ｃに対向する部分とに分散される。このため、要素本体１３５Ｃ１の下面と空気極１１４の上面との間が空間である構成に比べて、単セル１１０の特定箇所に応力が集中することを原因とする単セル１１０の損傷の発生を抑制することができる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の発電単位１０２Ａによれば、特定分割領域Ｅ１に対向する集電体要素１３５の一部を、非接触集電要素１３５Ｃとすることによって、非接触集電要素１３５Ｃの要素本体１３５Ｃ１を削るなどの加工を要することなく、特定接続面積が３つの他の接続面積の平均値より小さい構成を実現されている。また、非接触集電要素１３５Ｃでは、要素本体１３５Ｃ１と空気極１１４との間に接点ペースト１３５Ｃ２が介在するため、要素本体１３５Ｃ１と空気極１１４との間が空間である構成に比べて、空気極側集電体１３４と空気極１１４との低導通性を確実に維持しつつ、空気極側集電体１３４と空気極１１４との間の強度の低下を抑制することができる。
【００６１】
Ｃ．第３の実施形態：
図１０は、第３の実施形態における発電単位１０２ＢのＸＹ断面構成を示す説明図である。ただし、図１０では、説明上、燃料極側フレーム１４０、セパレータ１２０および電解質層１１２等が省略されている。第３の実施形態の構成の内、上述した第１の実施形態と同一の構成については、同一符号を付すことによって、その説明を省略する。
【００６２】
図１０において、符号Ｅ１−１〜Ｅ１−４は、特定分割領域Ｅ１を、さらに、第１の仮想線Ｌ１に平行な第３の仮想線Ｌ３と、第２の仮想線Ｌ２に平行な第４の仮想線Ｌ４とによって四等分したときに形成される４つの再分割領域を示す。本実施形態の発電単位１０２Ｂでは、酸化剤ガス供給連通孔１３２と燃料ガス供給連通孔１４２との両方に最も近い再分割領域Ｅ１−１には、該再分割領域Ｅ１−１に接触している集電体要素１３５が存在しない。それ以外の他の再分割領域Ｅ１−２〜Ｅ１−４には、各他の再分割領域Ｅ１−２〜Ｅ１−４に接触している上述の他の集電体要素１３５Ａが存在する。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態の発電単位１０２Ｂによれば、特定分割領域Ｅ１のうち、特にガスの豊富な供給量に起因して電気化学反応が集中しやすい再分割領域Ｅ１−１における発電反応量が低減されるため、特定分割領域Ｅ１の面方向における発電反応量のバラツキを抑制することができる。
【００６４】
Ｄ．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。
【００６５】
上記第１の実施形態では、各分割領域Ｅ１〜Ｅ４のそれぞれについて、全ての集電体要素１３５の下面が空気極１１４の上面に接触しているとしているが、一部の集電体要素１３５は、空気極１１４の上面に接触しておらず、該空気極１１４と電気的に接続されていないとしてもよい。
【００６６】
また、上記各実施形態では、集電体要素１３５は、Ｚ軸方向視で、上記酸化剤ガスＯＧの流れ方向（Ｘ軸方向）における長さが上記燃料ガスＦＧの流れ方向（Ｙ軸方向）における長さより長い細長形状となっているが、これに限定されず、例えば円形状や正方形状であるとしてもよい。
【００６７】
また、上記第１の実施形態において、特定集電体要素１３５Ｂの酸化剤ガスＯＧの流れ方向（Ｘ軸方向）における長さと、他の集電体要素１３５Ａの酸化剤ガスＯＧの流れ方向における長さとは互いに異なるとしてもよい。また、上記第１の実施形態において、特定集電体要素１３５Ｂの燃料ガスＦＧの流れ方向（Ｙ軸方向）における長さＨ２は、特定集電体要素１３５Ｂの流れ方向における長さＨ１以上であるとしてもよい。また、上記第１の実施形態において、特定集電体要素１３５Ｂの燃料ガスＦＧの流れ方向（Ｙ軸方向）における第２の配置間隔ＤＭ２と、他の集電体要素１３５Ａの燃料ガスＦＧの流れ方向における第１の配置間隔ＤＭ１とは互いに異なるとしてもよい。
【００６８】
また、上記第１の実施形態において、接続面積割合（Ｎ／Ｍ）は、０．８５以下であるとしてもよいし、０．９５以上であるとしてもよい。
【００６９】
上記第２の実施形態において、非接触集電要素１３５Ｃの要素本体１３５Ｃ１と空気極１１４との間に接点ペースト１３５Ｃ２が介在せずに、要素本体１３５Ｃ１と空気極１１４との間が空間であるとしてもよい。この場合、要素本体１３５Ｃ１の上下方向の長さを、接触集電要素１３５Ａの要素本体１３５Ａ１の上下方向の長さより短くすることによって、要素本体１３５Ｃ１と空気極１１４との間の導電性を確実に低くすることが好ましい。
【００７０】
上記実施形態では、電気化学反応単セルとして、中間層１８０を備える単セル１１０を例示したが、これに限定されず、中間層１８０を備えないものでもよい。
【００７１】
本明細書において、「矩形状」には、必ずしも厳密な四角形だけを意味するものではなく、例えば矩形の基材の少なくとも１つの角部がＣ面取り加工やＲ面取り加工により面取りされたものも含まれる。
【００７２】
本明細書において、「第１の仮想直線と第２の仮想直線とが略直交する」は、第１の仮想直線と第２の仮想直線とのなす角度が９０度であることだけに限定されず、第１の仮想直線と第２の仮想直線とのなす角度が、９０度±２０度である場合も含まれる。
【００７３】
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。
【００７４】
また、上記実施形態では、ボルト２２の両側にナット２４が嵌められているとしているが、ボルト２２が頭部を有し、ナット２４はボルト２２の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート１０４，１０６の代わりに、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと接続された別部材（例えば、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと発電単位１０２との間に配置された導電板）が出力端子として機能するとしてもよい。
【００７６】
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。
【００７７】
また、上記実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合には、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に共有されるとしているが、このような場合でも、２つの発電単位１０２がそれぞれのインターコネクタ１５０を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ１５０や、最も下に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０は省略されているが、これらのインターコネクタ１５０を省略せずに設けてもよい。
【００７８】
また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体１４４と隣接するインターコネクタ１５０とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体であってもよい。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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
また、上記実施形態（または変形例、以下同様）では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２について、本発明を適用した構成であるとしているが、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの発電単位１０２について、本発明を適用した構成であるとしてもよい。
【００８３】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００の構成が、平板形の単セル１１０を複数備える構成であるが、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、略円筒形の単セルを複数備える燃料電池スタックにも同様に適用可能である。
【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の電解セル（ＳＯＥＣ）の最小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スタックにおいても、本発明を適用することによって単セルの面方向における電気化学反応量のバラツキが抑制されることによって酸素濃度のバラツキを抑制することができる。
【符号の説明】
【００８５】
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  １０２Ａ：発電単位  １０２Ｂ：発電単位  １０４，１０６：エンドプレート  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  １３５Ａ１，１３５Ｃ１：要素本体  １３５Ａ２，１３５Ｃ２：接点ペースト  １３５Ａ：接触集電要素  １３５Ｂ：特定集電体要素  １３５Ｃ：非接触集電要素  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  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  １８０：中間層  Ｃ１〜Ｃ４：角部  ＤＭ１：第１の配置間隔  ＤＭ２：第２の配置間隔  Ｅ１−１〜Ｅ１−４：再分割領域  Ｅ１〜Ｅ４：分割領域  ＦＧ：燃料ガス  ＦＯＧ：燃料オフガス  Ｌ１：第１の仮想線  Ｌ２：第２の仮想線  Ｌ３：第３の仮想線  Ｌ４：第４の仮想線  ＯＧ：酸化剤ガス  ＯＯＧ：酸化剤オフガス  ＳＤ１：第１の辺  ＳＤ２：第２の辺  ＳＤ３：第３の辺  ＳＤ４：第４の辺
【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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