(57)【要約】【課題】単セルにおける反応を効率的に実行しつつ、単セルの性能劣化を抑制する。【解決手段】電気化学反応単位は、電解質層と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、単セルの燃料極側に配置されたインターコネクタと、燃料極とインターコネクタとの間に配置され、燃料極とインターコネクタとを電気的に接続する集電体とを備える。集電体は、燃料極における集電体に対向する表面に接触している複数の電極対向部と、インターコネクタにおける集電体に対向する表面に接触している複数のインターコネクタ対向部と、電極対向部とインターコネクタ対向部とをつなぐ連接部とを有する。少なくとも１つの電極対向部には、特定電極に面する第１の欠損空間が形成されている。第１の欠損空間は、特定電極の内の電極対向部に対向していない部分に面するガス室に連通している。【選択図】図１０
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【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に対して前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極側に配置された導電性を有するインターコネクタと、
前記第１の方向において、前記特定電極と前記インターコネクタとの間に配置され、前記特定電極と前記インターコネクタとを電気的に接続する導電性の集電体であって、前記特定電極における前記集電体に対向する表面に接触している複数の電極対向部と、前記インターコネクタにおける前記集電体に対向する表面に接触している複数のインターコネクタ対向部と、前記電極対向部と前記インターコネクタ対向部とをつなぐ連接部と、を有する集電体と、
前記第１の方向で前記電極対向部における前記インターコネクタ対向部側の表面に接触するスペーサと、を備える電気化学反応単位において、
少なくとも１つの前記電極対向部には、前記特定電極に面する第１の欠損空間が形成されており、
前記第１の欠損空間は、前記特定電極の内の前記電極対向部に対向していない部分に面するガス室に連通している、
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の欠損空間は、前記ガス室に直接連通している、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項３】
請求項２に記載の電気化学反応単位において、
前記第１の欠損空間は、前記電極対向部における前記連接部との境界側において、前記ガス室に直接連通しており、
前記スペーサの前記連接部側の端面は、前記電極対向部側において前記連接部から離間しており、前記連接部から離間した前記スペーサの前記端面と前記連接部との間に形成される離間空間は、前記第１の欠損空間に直接連通し、かつ、前記ガス室に直接連通している、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の電気化学反応単位において、
前記連接部には、前記ガス室に面する第２の欠損空間が形成されており、
前記第２の欠損空間は、前記第１の欠損空間に直接連通している、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項５】
請求項４に記載の電気化学反応単位において、
前記第２の欠損空間は、前記インターコネクタ対向部の表面の内の前記スペーサと対向する表面を前記第１の方向に略直交する方向に延長した仮想延長面から離間している、
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、
前記第１の欠損空間は、前記第１の方向視において前記電極対向部の中心点を含む領域に形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項７】
請求項２に記載の電気化学反応単位において、
前記第１の欠損空間は、前記ガス室におけるガスの主たる流れ方向に略平行に延びるガス流路空間に直接連通している、
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を挟んで前記集電体に対向する他の集電体の少なくとも一部が、前記第１の方向視において、前記電極対向部における前記第１の欠損空間を挟んで所定の方向に対向する２つの領域の少なくとも一部分に重なるように配置されている、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項９】
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において、
前記電極対向部には、前記第１の方向視で、前記電極対向部がＵ字形状となるように前記第１の欠損空間が形成されており、
前記第１の方向視において、前記電極対向部の内の前記第１の欠損空間を形成している部分が有する、少なくとも１つの角部はＲ形状である、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項１０】
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９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」ともいう）は燃料電池単セル（以下、単に「単セル」ともいう）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。空気極は、例えば、ペロブスカイト型酸化物を含む。また、燃料極は、電子伝導性物質（例えば、ニッケル（以下、「Ｎｉ」という））と酸化物イオン伝導性セラミックス（例えば、イットリア安定化ジルコニア（以下、「ＹＳＺ」という））とを含有する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
発電単位は、さらに、集電体とインターコネクタとを備える。集電体は、第１の方向において、特定電極とインターコネクタとの間に配置され、特定電極とインターコネクタとを電気的に接続する導電性の集電体である。また、集電体は、特定電極における集電体に対向する表面に接触している複数の電極対向部と、インターコネクタにおける集電体に対向する表面に接触している複数のインターコネクタ対向部と、電極対向部とインターコネクタ対向部とをつなぐ連接部と、を有する。集電体は、電極対向部と連接部とインターコネクタ対向部とによって、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２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−８４２８１号公報
【特許文献２】国際公開２０１３／０２１６２９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、ＳＯＦＣの運転時には、特定電極としての燃料極や空気極に反応ガスが供給されることによって生成した生成ガスがガス室に滞留し、ガス室へのさらなる反応ガスの流入を妨げる傾向がある。そのため、特定電極における反応ガスの分圧が低下し、ひいては、反応効率の低下を招くという課題がある。また、特定電極が燃料極の場合には、特に、燃料極の表面の内、集電体の電極対向部の表面と密着している部分において、単セルにおける反応により燃料極側で生成される水（水蒸気）が、燃料室へ排出されにくく燃料極の表面に滞留することによって、水蒸気分圧が高くなる傾向がある。燃料極のある領域において水蒸気分圧が高くなると、燃料極の該領域に含まれるＮｉの微構造変化（凝集）が促進される。このような燃料極に含まれるＮｉの微構造変化が、三相界面の減少を引き起こし、単セルの性能劣化の原因となるという課題もある。
【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。すなわち、ＳＯＥＣの運転時には、特定電極に反応ガスが供給されることによって生成した生成ガスが滞留し、さらなる反応ガスの流入を妨げる傾向がある。そのため、ＳＯＥＣにおいても、ＳＯＦＣと同様に、特定電極における反応ガスの分圧が低下し、ひいては、反応効率の低下を招くという課題がある。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に対して前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極側に配置された導電性を有するインターコネクタと、前記第１の方向において、前記特定電極と前記インターコネクタとの間に配置され、前記特定電極と前記インターコネクタとを電気的に接続する導電性の集電体であって、前記特定電極における前記集電体に対向する表面に接触している複数の電極対向部と、前記インターコネクタにおける前記集電体に対向する表面に接触している複数のインターコネクタ対向部と、前記電極対向部と前記インターコネクタ対向部とをつなぐ連接部と、を有する集電体と、前記第１の方向で前記電極対向部における前記インターコネクタ対向部側の表面に接触するスペーサと、を備える電気化学反応単位において、少なくとも１つの前記電極対向部には、前記特定電極に面する第１の欠損空間が形成されており、前記第１の欠損空間は、前記特定電極の内の前記電極対向部に対向していない部分に面するガス室に連通している。このように、本電気化学反応単位によれば、集電体の内、特定電極における集電体に対向する表面に接触している電極対向部に、特定電極に面する第１の欠損空間が形成されているため、特定電極の内、電極対向部と接触している領域において生成した生成ガスを、第１の欠損空間を介して特定電極に面するガス室へ良好に排出することができる。そのため、特定電極に反応ガスが供給されることによって生成した生成ガスが滞留することが抑制され、反応ガスのガス室への流入を容易にし、単セルにおける反応を効率的に実行することができる。また、特定電極が燃料極である場合には、本電気化学反応単位では、燃料極の内、燃料極側集電体の電極対向部と接触している領域における水蒸気の滞留を抑制し、水蒸気分圧の上昇を抑制することができる。このため、本電気化学反応単位では、水蒸気分圧の上昇に伴うＮｉの微構造変化の発生を抑制することができ、ひいては、単セルの性能劣化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、前記第１の欠損空間は、前記ガス室に直接連通している構成としてもよい。このように、本電気化学反応単位では、第１の欠損空間に滞留する生成ガスを直接的にガス室へ排出することができる。したがって本電気化学反応単位では、単セルにおける反応をさらに効率的に実行することができる。
【００１１】
（３）上記電気化学反応単位において、前記第１の欠損空間は、前記電極対向部における前記連接部との境界側において、前記ガス室に直接連通しており、前記スペーサの前記連接部側の端面は、前記電極対向部側において前記連接部から離間しており、前記連接部から離間した前記スペーサの前記端面と前記連接部との間に形成される離間空間は、前記第１の欠損空間に直接連通し、かつ、前記ガス室に直接連通している構成としてもよい。このように、本電気化学反応単位によれば、第１の欠損空間に滞留する生成ガスを、スペーサの端面と連接部との間に形成された離間空間を介してガス室へ排出することもできる。これにより、特定電極の内、集電体の電極対向部と接触している領域における生成ガスの滞留をより抑制することができる。さらに、この離間空間が第１の欠損空間と連通していることにより、第１の欠損空間に反応ガスが拡散しやすくなる。これにより、第１の欠損空間に面する特定電極における反応を促進させることができると共に、第１の欠損空間に滞留する生成ガスがガス室へ排出することを容易にする。したがって、本電気化学反応単位では、単セルにおける反応をさらに効率的に実行することができる。
【００１２】
（４）上記電気化学反応単位において、前記連接部には、前記ガス室に面する第２の欠損空間が形成されており、前記第２の欠損空間は、前記第１の欠損空間に直接連通している構成としてもよい。このように、本電気化学反応単位によれば、第１の欠損空間に滞留する生成ガスを、第２の欠損空間を介して、効果的にガス室へ排出させることができる。したがって、本電気化学反応単位では、単セルにおける反応をさらに効率的に実行することができる。
【００１３】
（５）上記電気化学反応単位において、前記第２の欠損空間は、前記インターコネクタ対向部の表面の内の前記スペーサと対向する表面を前記第１の方向に略直交する方向に延長した仮想延長面から離間している構成としてもよい。このため、本電気化学反応単位によれば、第１の欠損空間に滞留する生成ガスを効果的にガス室へ排出させることができると共に、集電体の連接部における強度を確保することができる。したがって、本電気化学反応単位では、単セルにおける反応をさらに効率的に実行することができると共に、集電体の連接部における強度を確保することができる。
【００１４】
（６）上記電気化学反応単位において、前記第１の欠損空間は、前記第１の方向視において前記電極対向部の中心点を含む領域に形成されている構成としてもよい。特定電極において反応により生成した生成ガスは、特定電極と接触している面である電極対向部の中心点を含む領域において、特に、ガス室に排出されにくく滞留しやすい。本電気化学反応単位によれば、このような電極対向部の中心点を含む領域に第１の欠損空間を形成することにより、生成ガスのガス室への排出を容易にし、特定電極と電極対向部との間における生成ガスの滞留を低減することができる。したがって、本電気化学反応単位では、単セルにおける反応をさらに効率的に実行することができると共に、単セルの性能劣化をさらに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の欠損空間は、前記ガス室におけるガスの主たる流れ方向に略平行に延びるガス流路空間に直接連通し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の欠損空間がガス室におけるガス流路空間に直接連通していることにより、第１の欠損空間に滞留する生成ガスをより効率的にガス室へ排出することができる。したがって、本電気化学反応単位では、単セルにおける反応をさらに効率的に実行することができると共に、単セル１１０の性能劣化をさらに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を挟んで前記集電体に対向する他の集電体の少なくとも一部が、前記第１の方向視において、前記電極対向部における前記第１の欠損空間を挟んで所定の方向に対向する２つの領域の少なくとも一部分に重なるように配置されている構成としてもよい。一方、単セルを挟んで集電体に対向する他の集電体が、第１の方向視において、電極対向部における第１の欠損空間を挟んで所定の方向に対向する２つの領域に重ならない場合、単セルにおける他の集電体の縁部付近に応力が集中してセル割れ等の原因となりうる。本電気化学反応単位では、上記構成を採用しているため、複数の単セルを組み立てて電気化学反応セルスタックとして構成する際や、電気化学反応セルスタックの運転中に、単セルにおいて応力集中が発生し、セル割れによる性能低下が発生することを低減する。
【００１７】
（９）上記電気化学反応単位において、前記電極対向部には、前記第１の方向視で、前記電極対向部がＵ字形状となるように前記第１の欠損空間が形成されており、前記第１の方向視において、前記電極対向部の内の前記第１の欠損空間を形成している部分が有する、少なくとも１つの角部はＲ形状である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、電極対向部の内の第１の欠損空間を形成している部分が有する、少なくとも１つの角部をＲ形状とすることで、集電体を加工する際や、電気化学反応セルスタックの運転中に、角部に応力集中が発生することを低減し、ひいては、当該応力集中する角部を起点として亀裂が発生することを低減することができる。
【００１８】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単位（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】
【００１９】
【図１】本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。
【図２】図１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】変形例における燃料極側集電体１４４の詳細構成を示すＸＺ断面図およびＸＹ断面図である。
【図１２】変形例における燃料極側集電体１４４の詳細構成を示すＸＺ断面図およびＹＺ断面図である。
【図１３】変形例における燃料極側集電体１４４の詳細構成を示すＸＹ断面図である。
【図１４】変形例における燃料極側集電体１４４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】
【００２０】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．装置構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１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。
【００２１】
燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、「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、燃料電池スタック１００は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックに相当し、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、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。
【００２２】
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と呼ぶ場合がある。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
（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。
【００２９】
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軸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。
【００３０】
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）。
【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。なお、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。
【００３２】
電解質層１１２は、Ｚ軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層１１２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極１１４は、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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軸方向視で、Ｘ軸方向およびＹ軸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、略矩形のニッケル箔に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こす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部分が電極対向部１４５となり、曲げ起こされた部分以外の穴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。なお、燃料極１１６は、特許請求の範囲における特定電極に相当し、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。燃料極側集電体１４４の詳細構成については後述する。
【００３８】
燃料極側集電体１４４が上記構成であるため、燃料室１７６は、Ｚ軸方向視において、Ｙ軸方向に並ぶ電極対向部１４５の列と、当該列のＸ軸方向で隣に位置する電極対向部１４５の列との間に形成される空間であって、Ｙ軸方向に略平行に延びる空間（以下、「燃料ガス流路空間２１０」という）を有している。なお、燃料ガス流路空間２１０は、後述する燃料ガスＦＧの主たる流れ方向に略平行に延びている。
【００３９】
なお、燃料極側集電体１４４において、電極対向部１４５と、インターコネクタ対向部１４６とは、次のように規定される。まず、電極対向部１４５の表面の内のスペーサ１４９と対向する表面をＺ軸方向に略直交する方向（電極対向部１４５の面方向）に延長した第１の仮想延長面と、インターコネクタ対向部１４６の表面の内のスペーサ１４９と対向する表面をＺ軸方向に略直交する方向（インターコネクタ対向部１４６の面方向）に延長した第２の仮想延長面を規定する。このとき、電極対向部１４５は、燃料極側集電体１４４の内、Ｚ軸方向において、第１の仮想延長面と燃料極１１６との間に存在する部分である。インターコネクタ対向部１４６は、燃料極側集電体１４４の内、Ｚ軸方向において、第２の仮想延長面とインターコネクタ１５０との間に存在する部分である。また、電極対向部１４５と連接部１４７との上側境界Ｂ１と、インターコネクタ対向部１４６と連接部１４７との下側境界Ｂ２とは、次のように規定される。図８および図９に示すように、上側境界Ｂ１は、上記第１の仮想延長面と、燃料極側集電体１４４におけるスペーサ１４９が配置されている方とは反対側の表面とが交わる交線である。下側境界Ｂ２は、上記第２の仮想延長面と、燃料極側集電体１４４におけるスペーサ１４９が配置されている方とは反対側の表面とが交わる交線である。また、上側境界Ｂ１は、Ｚ軸方向視において、電極対向部１４５の外縁の一部である。下側境界Ｂ２は、Ｚ軸方向視において、インターコネクタ対向部１４６の外縁の一部である。図９において、上側境界Ｂ１および下側境界Ｂ２は、ともに点線で示されている。なお、図８において、上側境界Ｂ１として示した点線は、電極対向部１４５における上記第１の仮想延長面の一部を示すため、便宜上図示された点線である。下側境界Ｂ２として示した点線は、インターコネクタ対向部１４６における上記第２の仮想延長面の一部を示すため、便宜上図示された点線である。
【００４０】
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。
【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。
【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。
【００４３】
なお、図６に示すように、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における、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向は、概ねＸ軸正方向側からＸ軸負方向側に向かう方向である。一方、図７に示すように、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における、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向は、概ねＹ軸正方向側からＹ軸負方向側に向かう方向である。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１００は、酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向と燃料ガスＦＧの主たる流れ方向とが交差するクロスフロータイプのものである。
【００４４】
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。
【００４５】
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（面同士で接触）している。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。
【００４６】
本実施形態において、燃料極側集電体１４４は、ガス透過性を有さない材料により構成されている。ここで、ガス透過性を有さない材料とは、ガスを実質的に透過しない材料をいう。本実施形態における燃料極側集電体１４４は、上述したように、ニッケル箔により形成されている。
【００４７】
ここで、図８から図１０に示すように、本実施形態では、燃料極側集電体１４４における各電極対向部１４５に、電極対向部１４５におけるスペーサ１４９側の表面とスペーサ１４９が配置されている方とは反対側の表面とを貫通する第１の欠損空間４０（図８において点線で図示）が形成されている。本実施形態において、第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５をＺ軸方向（厚み方向）に貫通するように形成されている。Ｚ軸方向視において、第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５における連接部１４７との境界である上側境界Ｂ１の略中央から、電極対向部１４５の外縁の内、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁の方向（本実施形態では、Ｘ軸負方向）へ向かって延びており、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁に達していない。換言すれば、本実施形態において、Ｚ軸方向視での第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１において燃料室１７６に直接連通しており、かつ、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１以外の外縁において燃料室１７６に連通していない欠損部（切り欠き）である。すなわち、電極対向部１４５には、Ｚ軸方向視で、電極対向部１４５がＵ字形状となるように第１の欠損空間４０が形成されている。このような構成であるため、第１の欠損空間４０は、燃料室１７６に直接連通している。
【００４８】
更には、第１の欠損空間４０は、燃料室１７６における燃料ガスの主たる流れ方向に略平行に延びる燃料ガス流路空間２１０に直接連通している。また、第１の欠損空間４０は、Ｚ軸方向視において電極対向部１４５の中心点Ｐ０を含む領域に形成されている。なお、Ｚ軸方向視において、電極対向部１４５の外縁により領域を規定したとき、当該領域における重心（面心）を中心点Ｐ０とすることができる。また、燃料ガス流路空間２１０は、特許請求の範囲におけるガス流路空間に相当する。
【００４９】
また、電極対向部１４５の面方向（Ｚ軸方向に直交する方向）の内、上側境界Ｂ１に相当する境界線が伸びる方向（本実施形態では、Ｙ軸方向）に沿った第１の欠損空間４０の長さは、同方向に沿った電極対向部１４５の長さの３分の１以下であることが好ましい。Ｘ軸方向における、第１の欠損空間４０の深さは、同方向に沿った電極対向部１４５の長さの３分の２以下であることが好ましい。また、Ｚ軸方向視において、電極対向部１４５の内の第１の欠損空間４０を形成している部分が有する角部は全てＲ形状である。
【００５０】
また、図８から図１０に示すように、本実施形態では、燃料極側集電体１４４における各連接部１４７に、連接部１４７におけるスペーサ１４９側の表面とスペーサ１４９が配置されている方とは反対側の表面とを貫通する第２の欠損空間５０（図８において点線で図示）が形成されている。本実施形態において、第２の欠損空間５０は、連接部１４７をＸ軸方向（厚み方向）に貫通するように形成されている。すなわち、第２の欠損空間５０は、燃料室１７６に面して形成されている。Ｘ軸方向視において、第２の欠損空間５０は、電極対向部１４５における連接部１４７との境界である上側境界Ｂ１の略中央から、連接部１４７における上側境界Ｂ１に対向する側の外縁、すなわち、下側境界Ｂ２の方向（本実施形態では、Ｚ軸負方向）へ向かって延びている。また、第２の欠損空間５０は、下側境界Ｂ２には達していない。換言すれば、本実施形態において、Ｘ軸方向視での第２の欠損空間５０は、上側境界Ｂ１において第１の欠損空間４０に直接連通しており、かつ、連接部１４７におけるインターコネクタ対向部１４６との境界である下側境界Ｂ２から離間している。また、Ｘ軸方向視において、第２の欠損空間５０は、連接部１４７における上側境界Ｂ１以外の外縁において、外縁に達していない欠損部（切り欠き）である。すなわち、連接部１４７には、Ｘ軸方向視で、連接部１４７がＵ字形状となるように第２の欠損空間５０が形成されている。このような構成であるため、第２の欠損空間５０は、第１の欠損空間４０および燃料室１７６に直接連通している。換言すると、燃料極側集電体１４４において、第１の欠損空間４０は第２の欠損空間５０と直接連通している。
【００５１】
また、連接部１４７の面方向（Ｘ軸方向に直交する方向）の内、上側境界Ｂ１に相当する境界線が伸びる方向（本実施形態では、Ｙ軸方向）に沿った第２の欠損空間５０の長さは、同方向に沿った連接部１４７の長さの３分の１以下であることが好ましい。Ｚ軸方向における、第２の欠損空間５０の深さは、同方向に沿った連接部１４７の長さの２分の１以下であることが好ましい。また、Ｘ軸方向視において、連接部１４７の内の第２の欠損空間５０を形成している部分が有する角部は全てＲ形状である。
【００５２】
図８に示すように、本実施形態において、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間に配置されているスペーサ１４９は、Ｘ軸方向において、電極対向部１４５の外縁の内、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁から、上側境界Ｂ１の方向へ向かって延びており、連接部１４７におけるスペーサ１４９に対向する面には達していない。すなわち、図８に示すように、スペーサ１４９の連接部１４７側の端面６０は、連接部１４７から離間している。これにより、スペーサ１４９の端面６０と連接部１４７との間に離間空間６２が形成されている。そして、離間空間６２は、第１の欠損空間４０および第２の欠損空間５０に直接連通し、かつ、燃料室１７６に直接連通している。
【００５３】
図１０を用いて、発電単位１０２における燃料極側集電体１４４と空気極側集電体１３４との配置関係を説明する。本実施形態の発電単位１０２において、集電体要素１３５（空気極側集電体１３４）は、燃料極側集電体１４４に対して、集電体要素１３５のＹ軸方向における幅が、電極対向部１４５における２つの領域、すなわち、領域Ｒ１または領域Ｒ２（図１０において点線で図示）のいずれか一方のＹ軸方向における幅の範囲内に収まるように設けられている。すなわち、集電体要素１３５（空気極側集電体１３４）は、Ｚ軸方向視において、第１の欠損空間４０以外の部分に重なっており、第１の欠損空間４０に重なっていない。また、上記２つの領域（領域Ｒ１，Ｒ２）には、それぞれ異なる集電体要素１３５（空気極側集電体１３４）が設けられている。なお、領域Ｒ１および領域Ｒ２は、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５における、第１の欠損空間４０を挟んでＹ軸方向に対向する２つの領域である。また、図１０において、単セル１１０を挟んで燃料極側集電体１４４に対向する側に存在する空気極側集電体１３４として、Ｚ軸方向視において、Ｘ軸方向を長手方向とする矩形状の集電体要素１３５の外縁を点線で示している。なお、図１０では、便宜上、発電単位１０２が備える空気極側集電体１３４のうち３つの集電体要素１３５のみを図示しており、他の集電体要素１３５の図示を省略している。すなわち、他の燃料極側集電体１４４に対向する位置にも上述の配置関係のように、他の集電体要素１３５が配置されている。
【００５４】
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における燃料極側集電体１４４に対向する表面に接触している複数の電極対向部１４５と、インターコネクタ１５０における燃料極側集電体１４４に対向する表面に接触している複数のインターコネクタ対向部１４６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、を有する。また、各発電単位１０２は、Ｚ軸方向で電極対向部１４５におけるインターコネクタ対向部１４６側の表面に接触するスペーサ１４９と、を備える。このような各発電単位１０２において、電極対向部１４５には、電極対向部１４５に面する第１の欠損空間４０が形成されており、第１の欠損空間４０は、燃料極１１６の内の電極対向部１４５に対向していない部分に面する燃料室１７６に連通している。このように、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極側集電体１４４の内、燃料極１１６における燃料極側集電体１４４に対向する表面に接触している電極対向部１４５に、燃料極１１６に面する第１の欠損空間４０が形成されている。このため、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極側集電体１４４における電極対向部１４５に第１の欠損空間４０が形成されていない構成と比較して、燃料極１１６の内、電極対向部１４５と接触している領域において発生した水蒸気を、第１の欠損空間４０を介して燃料室１７６へ良好に排出することができる。そのため、燃料極１１６に燃料ガスＦＧが供給されることによって発生した水蒸気が滞留することが抑制され、燃料ガスＦＧの燃料室１７６への流入を容易にし、単セル１１０における反応を効率的に実行することができる。また、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極１１６の内、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５と接触している領域における水蒸気の滞留を抑制し、水蒸気分圧の上昇を抑制することができる。このため、本実施形態の発電単位１０２では、水蒸気分圧の上昇に伴うＮｉの微構造変化の発生を抑制することができ、ひいては、単セル１１０の性能劣化を抑制することができる。
【００５５】
さらに、本実施形態の発電単位１０２では、第１の欠損空間４０は、燃料室１７６に直接連通している。このため、第１の欠損空間４０に滞留する水蒸気を直接的に燃料室１７６へ排出することができる。したがって、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０における反応をさらに効率的に実行することができると共に、単セル１１０の性能劣化をさらに抑制することができる。
【００５６】
また、本実施形態の発電単位１０２では、第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５における連接部１４７との上側境界Ｂ１側において、燃料室１７６に直接連通しており、かつ、スペーサ１４９の連接部１４７側の端面６０は、電極対向部１４５側において連接部１４７から離間している。そして、連接部１４７から離間したスペーサ１４９の端面６０と連接部１４７との間に形成される離間空間６２は、第１の欠損空間４０に直接連通し、かつ、燃料室１７６に直接連通している。このため、第１の欠損空間４０に滞留する水蒸気を、離間空間６２を介して燃料室１７６へ排出することもできる。これにより、燃料極１１６の内、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５と接触している領域における水蒸気の滞留をより抑制することができる。さらに、この離間空間６２が第１の欠損空間４０と連通していることにより、第１の欠損空間４０に燃料ガスＦＧが拡散しやすくなる。これにより、第１の欠損空間４０に面する燃料極１１６における反応を促進させることができると共に、第１の欠損空間４０に滞留する水蒸気が燃料室１７６へ排出することを容易にする。したがって、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０における反応をさらに効率的に実行することができると共に、単セル１１０の性能劣化をさらに抑制することができる。
【００５７】
また、本実施形態の発電単位１０２では、連接部１４７には、燃料室１７６に面する第２の欠損空間５０が形成されており、この第２の欠損空間５０は、第１の欠損空間４０に直接連通している。このため、第１の欠損空間４０に滞留する水蒸気を、第２の欠損空間５０を介して、効果的に燃料室１７６へ排出させることができる。したがって、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０における反応をさらに効率的に実行することができると共に、単セル１１０の性能劣化をさらに抑制することができる。
【００５８】
また、本実施形態の発電単位１０２では、第２の欠損空間５０は、インターコネクタ対向部１４６の第２の仮想延長面から離間している。このため、第１の欠損空間４０に滞留する水蒸気を効果的に燃料室１７６へ排出させることができると共に、燃料極側集電体１４４の連接部１４７における強度を確保することができる。したがって、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０における反応をさらに効率的に実行することができると共に、燃料極側集電体１４４の連接部１４７における強度を確保することができる。
【００５９】
また、本実施形態の発電単位１０２では、第１の欠損空間４０は、Ｚ軸方向視において電極対向部１４５の中心点Ｐ０を含む領域に形成されている。燃料極１１６において反応により生成した水蒸気は、燃料極１１６と接触している面である電極対向部１４５の中心点Ｐ０を含む領域において、特に、燃料室１７６に排出されにくく滞留しやすい。本実施形態の発電単位１０２によれば、このような電極対向部１４５の中心点Ｐ０を含む領域に第１の欠損空間４０を形成することにより、水蒸気の燃料室１７６への排出を容易にし、燃料極１１６と電極対向部１４５との間における水蒸気の滞留を低減することができる。したがって、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０における反応をさらに効率的に実行することができると共に、単セル１１０の性能劣化をさらに抑制することができる。
【００６０】
また、本実施形態の発電単位１０２では、第１の欠損空間４０は、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向に略平行に延びる燃料ガス流路空間２１０に直接連通している。このように、第１の欠損空間４０が燃料室１７６における燃料ガス流路空間２１０に直接連通していることにより、第１の欠損空間４０に滞留する水蒸気をより効率的に燃料室１７６へ排出することができる。したがって、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０における反応をさらに効率的に実行することができると共に、単セル１１０の性能劣化をさらに抑制することができる。
【００６１】
また、単セル１１０を挟んで燃料極側集電体１４４に対向する他の空気極側集電体１３４が、Ｚ軸方向視において、電極対向部１４５における第１の欠損空間４０を挟んでＹ軸方向に対向する２つの領域（領域Ｒ１，Ｒ２）に重ならない場合、単セル１１０における空気極側集電体１３４の縁部付近に応力が集中してセル割れ等の原因となりうる。一方、本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０を挟んで燃料極側集電体１４４に対向する他の空気極側集電体１３４の少なくとも一部が、Ｚ軸方向視において、電極対向部１４５における上記２つの領域（領域Ｒ１，Ｒ２）の少なくとも一部分に重なるように配置されている。このため、本実施形態の発電単位１０２では、複数の単セル１１０を組み立てて燃料電池スタック１００として構成する際や、燃料電池スタック１００の運転中に、単セル１１０において応力集中が発生し、セル割れによる性能低下が発生することを低減する。
【００６２】
また、本実施形態の発電単位１０２では、電極対向部１４５には、Ｚ軸方向視で、電極対向部１４５がＵ字形状となるように第１の欠損空間４０が形成されており、Ｚ軸方向視において、電極対向部１４５の内の第１の欠損空間４０を形成している部分が有する角部はＲ形状である。当該角部をＲ形状とすることで、燃料極側集電体１４４を加工する際や、燃料電池スタック１００の運転中に、角部に応力集中が発生することを低減し、ひいては、当該応力集中する角部を起点として亀裂が発生することを低減することができる。
【００６３】
Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。例えば、本明細書で開示される技術は、円筒型や円筒平板型等の燃料電池の公知の構造にも適用することができる。
【００６４】
図１１に示すように、上記実施形態において、第１の欠損空間４０（図１１（Ａ）において点線で図示）は、Ｚ軸方向視において、Ｚ軸方向視における電極対向部１４５の外縁の内、連接部１４７との上側境界Ｂ１の略中央から、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁の方向（Ｘ軸負方向）へ向かって延びており、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁に達している態様としてもよい。換言すれば、Ｚ軸方向視において第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１において燃料室１７６に直接連通しており、かつ、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１と対向する側の外縁においても燃料室１７６に直接連通している欠損部（切り欠き）であってもよい。すなわち、図１１（Ｂ）に示すように、電極対向部１４５には、Ｚ軸方向視で、Ｉ字形状の第１の欠損空間４０が形成されていることになる。このような構成であるため、第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５の外縁の内、上側境界Ｂ１と、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁との両方において、燃料室１７６に連通していることになる。また、連接部１４７には、上記実施形態における連接部１４７と同様に、第２の欠損空間５０（図１１（Ａ）において点線で図示）が形成されていてもよい。このような態様において、スペーサ１４９は、Ｘ軸方向において、電極対向部１４５の外縁の内、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁から、上側境界Ｂ１の方向へ向かって延びており、連接部１４７におけるスペーサ１４９に対向する面に達していてもよい。この場合、スペーサ１４９の連接部１４７側の端面６０は、連接部１４７から離間していないことになる。すなわち、離間空間６２が形成されていなくてもよい。
【００６５】
図１２に示すように、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は第１の欠損空間４０（図１２（Ａ）において点線で図示）のみを有している態様としてもよい。すなわち、燃料極側集電体１４４の連接部１４７に第２の欠損空間５０が形成されていなくてもよい。このような態様において、スペーサ１４９は、スペーサ１４９におけるＺ軸方向での電極対向部１４５側では、Ｘ軸方向において、電極対向部１４５の外縁の内、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁から、上側境界Ｂ１の方へ向かって延びており、連接部１４７におけるスペーサ１４９に対向する面には達していない一方、スペーサ１４９におけるＺ軸方向でのインターコネクタ対向部１４６側では、Ｘ軸方向において、電極対向部１４５の外縁の内、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁から、上側境界Ｂ１の方へ向かって延びており、連接部１４７におけるスペーサ１４９に対向する面に達していてもよい。この場合、スペーサ１４９の連接部１４７側の端面６０の内、電極対向部１４５側の端面６０ａは、連接部１４７から離間しており、インターコネクタ対向部１４６側の端面６０ｂは、連接部１４７から離間していないことになる。すなわち、スペーサ１４９の端面６０ａと連接部１４７との間にのみ離間空間６２が形成されていてもよい。
【００６６】
図１３（Ａ）に示すように、上記実施形態において、第１の欠損空間４０は、Ｚ軸方向視において、Ｚ軸方向視における電極対向部１４５の外縁の内、連接部１４７との上側境界Ｂ１に対向する側の外縁の略中央から、上側境界Ｂ１の方向（Ｘ軸正方向）へ向かって延びており、上側境界Ｂ１に達していない態様としてもよい。換言すれば、Ｚ軸方向視での第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１と対向する側の外縁において燃料室１７６に直接連通しており、かつ、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１と対向する側の外縁以外の外縁において燃料室１７６に連通していない欠損部（切り欠き）であってもよい。すなわち、電極対向部１４５には、Ｚ軸方向視で、電極対向部１４５がＵ字形状となるように第１の欠損空間４０が形成されていてもよい。
【００６７】
図１３（Ｂ）に示すように、上記実施形態において、第１の欠損空間４０は、Ｚ軸方向視において、Ｚ軸方向視における電極対向部１４５の外縁の内、連接部１４７との上側境界Ｂ１の略中央から、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁の方向（Ｘ軸負方向）へ向かって延びる矩形部分と、電極対向部１４５の中心点Ｐ０を含み、かつ、上記矩形部分のＹ軸方向における幅より広い幅の直径を有する略円形の円形部分とが結合した態様としてもよい。換言すれば、Ｚ軸方向視での第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１において燃料室１７６に直接連通しており、かつ、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１以外の外縁において燃料室１７６に連通していない欠損部（切り欠き）であってもよい。すなわち、電極対向部１４５には、Ｚ軸方向視で、カギ穴形状の第１の欠損空間４０が形成されていることになる。図１３（Ｂ）では、第１の欠損空間４０の先端部分の形状は略円形としているが、略円形に限られず、略矩形であってもよいし、他の形状であってもよい。
【００６８】
図１４（Ａ）に示すように、上記実施形態において、第１の欠損空間４０は、Ｚ軸方向視において、Ｚ軸方向視における電極対向部１４５の外縁の内、連接部１４７との上側境界Ｂ１の略中央から、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁の方向（Ｘ軸負方向）へ向かって延びる第１の部分と、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁の略中央から、上側境界Ｂ１の方向（Ｘ軸正方向）へ向かって延びる第２の部分とからなり、第１の部分は電極対向部１４５の中心点Ｐ０において、第２の部分に達していない態様としてもよい。換言すれば、Ｚ軸方向視での第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１と、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１と対向する側の外縁と、において燃料室１７６に直接連通しており、かつ、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１および電極対向部１４５における上側境界Ｂ１と対向する側の外縁以外の外縁において燃料室１７６に直接連通していない欠損部（切り欠き）であってもよい。すなわち、電極対向部１４５には、Ｚ軸方向視で、電極対向部１４５がＨ字形状となるように第１の欠損空間４０が形成されていることになる。
【００６９】
図１４（Ｂ）に示すように、上記実施形態において、第１の欠損空間４０は、Ｚ軸方向視において、Ｚ軸方向視における電極対向部１４５の外縁の内、連接部１４７との上側境界Ｂ１から、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁の方向（Ｘ軸負方向）へ向かって延びており、上側境界Ｂ１に対向する側の外縁に達していない２つの部分からなる態様としてもよい。換言すれば、Ｚ軸方向視での第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１の２箇所において燃料室１７６に直接連通しており、かつ、電極対向部１４５における上側境界Ｂ１と対向する側の外縁においては燃料室１７６に連通していない欠損部（切り欠き）であってもよい。すなわち、電極対向部１４５には、Ｚ軸方向視で、電極対向部１４５がＥ字形状となるように第１の欠損空間４０が形成されていることになる。
【００７０】
なお、燃料極側集電体１４４とスペーサ１４９との組み合わせは、上記実施形態および変形例に記載した組み合わせに限定されず、上記実施形態および変形例に記載した燃料極側集電体１４４とスペーサ１４９とを自由に組み合わせることができる。
【００７１】
また、上記実施形態の発電単位１０２では、第１の欠損空間４０は電極対向部１４５を厚み方向に貫通する貫通孔であり、第２の欠損空間５０は連接部１４７を厚み方向に貫通する貫通孔としたが、これに限定されない。すなわち、第１の欠損空間４０は、電極対向部１４５の表面の内の燃料極１１６と対向する側の表面に開口し、電極対向部１４５を厚み方向に貫通しない有底孔であってもよい。同様に、第２の欠損空間５０は、連接部１４７の表面の内の燃料室１７６に面する側の表面に開口し、連接部１４７を厚み方向に貫通しない有底孔であってもよい。また、第１の欠損空間４０および第２の欠損空間５０は、ともに貫通孔であってもよく、ともに有底孔であってもよく、貫通孔と有底孔との組み合わせであってもよい。また、一の第１の欠損空間４０の一部が貫通しており、他の一部が貫通していない構造であってもよい。第２の欠損空間５０についても同様である。
【００７２】
本実施形態の発電単位１０２では、単セル１１０を挟んで燃料極側集電体１４４に対向する空気極側集電体１３４は、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５における領域Ｒ１，Ｒ２の幅の範囲内に収まるように設けられていることとしたが、これに限定されない。例えば、空気極側集電体１３４の少なくとも一部が、Ｚ軸方向視において、電極対向部１４５における第１の欠損空間４０を挟んでＹ軸方向に対向する領域Ｒ１，Ｒ２の少なくとも一部分に重なるように配置されている構成としてもよい。
【００７３】
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、電気化学反応単位として、クロスフロータイプの発電単位１０２を例示したが、これに限らず、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反対方向（互いに対向する方向）であるカウンタフロータイプの構成や、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同じ方向であるコフロータイプの構成でもよい。
【００７４】
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単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば国際公開第２０１２／１６５４０９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を介して燃料室１７６に原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解単セルにおいて水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、連通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。
【００７５】
ここで、ＳＯＥＣの運転時には、燃料極１１６側に供給されるガスとしての水蒸気が、ガス流れ方向に進みつつ電解単セルにおける反応に供されるため、燃料極１１６の内、ガス流れ方向の上流側の領域において水蒸気分圧が高くなる。そのため、ＳＯＥＣにおいても、燃料極１１６における特定の領域において水蒸気分圧が高くなることによって燃料極１１６に含まれるＮｉの微構造変化が促進され、電解単セルの性能劣化が発生しやすいという課題がある。そこで、電解単セルの燃料極側集電体１４４においても、電極対向部１４５に第１の欠損空間４０が形成されており、第１の欠損空間４０が燃料室１７６に連通している構成を採用すれば、水蒸気分圧の上昇に伴うＮｉの微構造変化の発生を抑制することができ、ひいては、単セル１１０の性能劣化を抑制することができる。
【００７６】
また、上記実施形態において説明した燃料極１１６の構成（Ｎｉ含有率の関係等）は、燃料電池スタック１００（または電解セルスタック、以下同様）に含まれるすべての単セル１１０（または電解単セル、以下同様）において採用されていてもよいし、燃料電池スタック１００に含まれる一部のみの単セル１１０において採用されていてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
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  ４０：第１の欠損空間  ５０：第２の欠損空間  ６０，６０ａ，６０ｂ：端面  ６２：離間空間  １００：燃料電池スタック  １０２：燃料電池発電単位（発電単位）  １０４，１０６：エンドプレート  １０８：連通孔  １１０：単セル  １１２：電解質層  １１４：空気極（カソード)  １１６：燃料極（アノード）  １２０：セパレータ  １２１：孔  １２４：接合部  １３０：空気極側フレーム  １３１：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：穴  １４９：スペーサ  １５０：インターコネクタ  １６１：酸化剤ガス導入マニホールド  １６２：酸化剤ガス排出マニホールド  １６６：空気室  １７１：燃料ガス導入マニホールド  １７２：燃料ガス排出マニホールド  １７６：燃料室  ２１０：燃料ガス流路空間
【図１】
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【図２】
2019204592.tif 000004
【図３】
2019204592.tif 000005
【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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【図１３】
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【図１４】
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