(57)【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、前記燃料極および前記空気極の一方の電極に対向して配置される対向部材と、前記一方の電極と前記対向部材との両方に接触するように配置される集電部材と、前記一方の電極と前記対向部材とに面し、前記集電部材が配置されるガス室とを含む電気化学反応単位を４つ以上備える電気化学反応セルスタックにおいて、
４つ以上の前記電気化学反応単位は、第１の前記ガス室が形成された２つ以上の第１の電気化学反応単位と、第２の前記ガス室が形成された２つ以上の第２の電気化学反応単位とを含んでおり、
前記電気化学反応セルスタックには、２つ以上の前記第１のガス室と、２つ以上の前記第２のガス室とに連通し、前記第１のガス室から排出されたガスを前記第２のガス室に導くガス流路が形成されており、
各前記第２の電気化学反応単位に含まれる前記集電部材について、前記第１の方向の厚さが最大である前記集電部材と前記第１の方向の厚さが最小である前記集電部材との前記第１の方向の厚さの差である集電部材厚さの大小差は２５（μｍ）以下であり、
各前記第１の電気化学反応単位に含まれる前記集電部材について、前記第１の方向の厚さが最大である前記集電部材と前記第１の方向の厚さが最小である前記集電部材との前記第１の方向の厚さの差である前記集電部材厚さの大小差は、前記第２の電気化学反応単位についての前記集電部材厚さの大小差より大きいことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第２の電気化学反応単位における前記集電部材の前記第１の方向の厚さが、各前記第２の電気化学反応単位に含まれる前記集電部材の前記第１の方向の厚さの平均値から±２．５（μｍ）の範囲以内に含まれるという第１の条件を満たす前記第２の電気化学反応単位を含み、
前記第２の電気化学反応単位の総数に対し、前記第１の条件を満たす前記第２の電気化学反応単位の数の割合は５０％以上であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第１の電気化学反応単位を２つ以上備え、
各前記第１の電気化学反応単位に含まれる前記集電部材について、前記第１の方向の厚さが最大である前記集電部材と前記第１の方向の厚さが最小である前記集電部材厚さの大小差は２５（μｍ）以下であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項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セルスタックにおいて、
前記第１の電気化学反応単位における前記集電部材の前記第１の方向の厚さが、各前記第１の電気化学反応単位に含まれる前記集電部材の前記第１の方向の厚さの平均値から±２．５（μｍ）の範囲以内に含まれるという第２の条件を満たす前記第１の電気化学反応単位を含み、
前記第１の電気化学反応単位の総数に対し、前記第２の条件を満たす前記第１の電気化学反応単位の数の割合は５０％以上であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項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セルスタックにおいて、
前記集電部材は、前記一方の電極と前記対向部材との前記第１の方向の離間距離の変位に追随する構成であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項６】
請求項５に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記集電部材は、
前記一方の電極に対向する第１の対向部と、前記対向部材に対向する第２の対向部と、前記第１の対向部と前記第２の対向部とをつなぐ連接部とを含む導電体と、
前記第１の対向部と前記第２の対向部との間に配置される絶縁性を有する弾性体と、を備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【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セルスタックにおいて、
前記電気化学反応セルスタックは、２つ以上の前記第１の電気化学反応単位と２つ以上の前記第２の電気化学反応単位とを備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項８】
請求項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セルスタックにおいて、
前記電気化学反応単位は、燃料電池発電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、電気化学反応セルスタックに関する。
【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種類の１つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える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は、一般に、所定の方向（以下、「配列方向」ともいう）に並べて配置された複数の燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という）を備える燃料電池スタックの形態で利用される。発電単位は、ＳＯＦＣの発電の最小単位であり、電解質層と電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、燃料極に対向して配置される対向部材と、燃料極と対向部材との両方に接触するように配置される集電部材と、を含んでいる。
【０００３】
このような燃料電池スタックの中には、いわゆる並直列型の燃料電池スタックが知られている（例えば特許文献１参照）。並直列型の燃料電池スタックでは、複数の発電単位の内の第１の発電単位に含まれる燃料極に面する燃料室と、第２の発電単位に含まれる燃料極に面する燃料室とに連通し、第１の発電単位の燃料室から排出されたガスに含まれる水素等を第２の発電単位の燃料室に導くガス流路が形成されている。並直列型の燃料電池スタックによれば、燃料極に供給された燃料ガスの量に対する発電反応に利用された燃料ガスの量の割合を示す燃料利用率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１９７４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
並直列型の燃料電池スタックにおいて、ガスの流れ方向の下流側に位置する第２の発電単位では、ガスの流れ方向の上流側に位置する第１の発電単位に比べて、燃料室に供給される燃料ガスの水素濃度が低い。このため、第２の発電単位を複数備える並直列型の燃料電池スタックにおいて、複数の第２の発電単位間で集電部材の上記配列方向の厚さ（以下、単に「集電部材の厚さ」という）のバラツキが大きい場合、集電部材の厚さが相対的に小さい第２の発電単位の燃料室内に供給される燃料ガスの圧力損失が大きくなることによって、第２の発電単位全体に燃料ガスが十分に供給されず、その結果、出力低下が顕著に現れることがある。
【０００６】
なお、このような課題は、燃料極側だけでなく、空気極側にも共通の課題である。また、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）の一形態である電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて「電気化学反応セルスタック」という。
【０００７】
本明細書では、上述した課題の少なくとも一部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セルスタックは、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、前記燃料極および前記空気極の一方の電極に対向して配置される対向部材と、前記一方の電極と前記対向部材との両方に接触するように配置される集電部材と、前記一方の電極と前記対向部材とに面し、前記集電部材が配置されるガス室とを含む電気化学反応単位を３つ以上備える電気化学反応セルスタックにおいて、３つ以上の前記電気化学反応単位は、第１の前記ガス室が形成された１つ以上の第１の電気化学反応単位と、第２の前記ガス室が形成された２つ以上の第２の電気化学反応単位とを含んでおり、前記電気化学反応セルスタックには、１つ以上の前記第１のガス室と、２つ以上の前記第２のガス室とに連通し、前記第１のガス室から排出されたガスを前記第２のガス室に導くガス流路が形成されており、各前記第２の電気化学反応単位に含まれる前記集電部材について、前記第１の方向の厚さが最大である前記集電部材と前記第１の方向の厚さが最小である前記集電部材との前記第１の方向の厚さの差である集電部材厚さの大小差は２５（μｍ）以下である。本電気化学反応セルスタックによれば、ガスの流れ方向の下流側に位置する２つ以上の第２の電気化学反応単位に含まれる集電部材について、集電部材厚さの大小差（第１の方向の厚さが最大である集電部材と第１の方向の厚さが最小である集電部材との第１の方向の厚さの差）は２５（μｍ）以下である。このため、集電部材厚さの大小差が２５（μｍ）より大きい場合に比べて、集電部材の厚さのバラツキが小さいため、集電部材の厚さのバラツキによるガスの供給不足を抑制することができる。
【００１０】
（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２の電気化学反応単位における前記集電部材の前記第１の方向の厚さが、各前記第２の電気化学反応単位に含まれる前記集電部材の前記第１の方向の厚さの平均値から±２．５（μｍ）の範囲以内に含まれるという第１の条件を満たす前記第２の電気化学反応単位を含み、前記第２の電気化学反応単位の総数に対し、前記第１の条件を満たす前記第２の電気化学反応単位の数の割合は５０％以上である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、２以上の第２の電気化学反応単位の内の５０％以上の第２の電気化学反応単位に含まれる集電部材の第１の方向の厚さは、全ての第２の電気化学反応単位に含まれる集電部材の第１の方向の厚さの平均値から±２．５（μｍ）の範囲以内に含まれるという条件を満たす。このため、集電部材の厚さのバラツキがさらに低減されることによって、ガスの供給不足を、より効果的に抑制することができる。
【００１１】
（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の電気化学反応単位を２つ以上備え、各前記第１の電気化学反応単位に含まれる前記集電部材について、前記第１の方向の厚さが最大である前記集電部材と前記第１の方向の厚さが最小である前記集電部材との前記第１の方向の厚さの差である前記集電部材厚さの大小差は、前記第２の電気化学反応単位についての前記集電部材厚さの大小差より大きい構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、ガスの流れ方向の上流側に位置する２以上の第１の電気化学反応単位に含まれる集電部材についての集電部材厚さの大小差が相対的に大きい。このため、集電部材の厚さのバラツキによるガスの供給不足を抑制しつつ、一方の電極や対向部材の熱による変形によって一方の電極または対向部材と集電部材との間に隙間が形成されることを抑制することができる。
【００１２】
（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の電気化学反応単位を２つ以上備え、各前記第１の電気化学反応単位に含まれる前記集電部材について、前記第１の方向の厚さが最大である前記集電部材と前記第１の方向の厚さが最小である前記集電部材厚さの大小差は２５（μｍ）以下である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、ガスの流れ方向の上流側に位置する第１の電気化学反応単位についても、集電部材の厚さのバラツキが低減されることによって、ガスの供給不足を効果的に抑制することができる。
【００１３】
（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の電気化学反応単位における前記集電部材の前記第１の方向の厚さが、各前記第１の電気化学反応単位に含まれる前記集電部材の前記第１の方向の厚さの平均値から±２．５（μｍ）の範囲以内に含まれるという第２の条件を満たす前記第１の電気化学反応単位を含み、前記第１の電気化学反応単位の総数に対し、前記第２の条件を満たす前記第１の電気化学反応単位の数の割合は５０％以上である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、ガスの流れ方向の上流側に位置する第１の電気化学反応単位についても、集電部材の厚さのバラツキが低減されることによって、ガスの供給不足を効果的に抑制することができる。
【００１４】
（６）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記集電部材は、前記一方の電極と前記対向部材との前記第１の方向の離間距離の変位に追随する構成である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、一方の電極や前記対向部材の熱による変形によって一方の電極または対向部材と集電部材との間に隙間が形成されることを抑制することができる。
【００１５】
（７）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記集電部材は、前記一方の電極に対向する第１の対向部と、前記対向部材に対向する第２の対向部と、前記第１の対向部と前記第２の対向部とをつなぐ連接部とを含む導電体と、前記第１の対向部と前記第２の対向部との間に配置される絶縁性を有する弾性体と、を備える構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、弾性体の弾性力によって、一方の電極や対向部材の熱による変形によって一方の電極または対向部材と集電部材との間に隙間が形成されることを抑制することができる。
【００１６】
（８）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記電気化学反応セルスタックは、１つ以上の前記第１の電気化学反応単位と２つ以上の前記第２の電気化学反応単位とを備える構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、並直列の単品の電気化学反応セルスタックにおいて、集電部材の厚さのバラツキによるガスの供給不足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、単セル、電気化学反応単位、電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック、電気化学反応セルスタックを備える電気化学反応モジュール、電気化学反応モジュールを備える電気化学反応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の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態における燃料電池スタック１００の上側のＸＹ平面構成を示す説明図である。
【図３】第１の実施形態における燃料電池スタック１００の下側のＸＹ平面構成を示す説明図である。
【図４】図１から図３のＩＶ−ＩＶ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５】図１から図３のＶ−Ｖ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６】図１から図３のＶＩ−ＶＩ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７】図５に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流および上流の２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図８】図６に示す断面と同一の位置における互いに隣接する上流の２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。
【図９】図６に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流の２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。
【図１０】図７のＸ−Ｘ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１１】図７のＸＩ−ＸＩの位置における上流の発電単位１０２ＵのＸＹ断面構成を示す説明図である。
【図１２】図７のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における下流の発電単位１０２ＤのＸＹ断面構成を示す説明図である。
【図１３】実施例の燃料電池スタック１００における下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さを示す説明図である。
【図１４】比較例の燃料電池スタックにおける下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さを示す説明図である。
【図１５】実施例の燃料電池スタック１００における下流の発電単位１０２Ｄの各段のセル電圧を示す説明図である。
【図１６】比較例の燃料電池スタックにおける下流の発電単位１０２Ｄの各段のセル電圧を示す説明図である。
【図１７】第２の実施形態の燃料電池スタック１００Ａにおける下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さ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から図６は、本実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。図１には、燃料電池スタック１００の外観構成が示されており、図２には、燃料電池スタック１００の上側の平面構成が示されており、図３には、燃料電池スタック１００の下側の平面構成が示されており、図４には、図１から図３のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成が示されており、図５には、図１から図３のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成が示されており、図６には、図１から図３のＶＩ−ＶＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成が示されている。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７以降についても同様である。
【００２０】
燃料電池スタック１００は、３つ以上（本実施形態では２０個、図１、図４から図６では６個を例示）の発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。２０個の発電単位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。以下、２０個の発電単位１０２の内、上から８個（図１、図４から図６では上から２個）の発電単位１０２を下流の発電単位１０２Ｄといい、残りの１２個の発電単位１０２、即ち、下から１２個（図１、図４から図６では下から４個）の発電単位１０２を上流の発電単位１０２Ｕという。一対のエンドプレート１０４，１０６は、２０個の発電単位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の方向に相当し、上流の発電単位１０２Ｕは、特許請求の範囲における第１の電気化学反応単位に相当し、下流の発電単位１０２Ｄは、特許請求の範囲における第２の電気化学反応単位に相当する。
【００２１】
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という。
【００２２】
各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図４から図６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。
【００２３】
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２から図４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）の中央付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され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、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軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。
【００２４】
また、図２、図３および図５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つの頂点（Ｘ軸正方向側およびＹ軸負方向側の頂点）付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｃ）と、そのボルト２２Ｃが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを上流の各発電単位１０２Ｕに供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、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が挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６から排出されたガスである燃料中間ガスＦＭＧを、下流の各発電単位１０２Ｄに向けて運ぶガス流路である燃料ガス中継マニホールド１７２として機能する。燃料中間ガスＦＭＧには、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６において発電反応に利用されなかった水素等が含まれる。図２、図３および図６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軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、下流の各発電単位１０２Ｄ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１７３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４から図６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。また、図４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５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２２Ｃ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、図６に示すように、燃料ガス排出マニホールド１７３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１７３に連通している。
【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７から図１２は、発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。図７には、図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流の１つの発電単位１０２Ｄと上流の１つの発電単位１０２ＵとのＸＺ断面構成が示されており、図８には、図５に示す断面と同一の位置における互いに隣接する上流の２つの発電単位１０２ＵのＹＺ断面構成が示されており、図９には、図６に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流の２つの発電単位１０２ＤのＹＺ断面構成が示されており、図１０には、図７のＸ−Ｘの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成が示されており、図１１には、図７のＸＩ−ＸＩの位置における上流の発電単位１０２ＵのＸＹ断面構成が示されており、図１２には、図７のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における下流の発電単位１０２ＤのＸＹ断面構成が示されている。
【００２８】
図７から図９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が挿入される連通孔１０８に対応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４から図６参照）。
【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。上流の発電単位１０２Ｕに備えられた単セル１１０は、特許請求の範囲における第１の単セルに相当し、下流の発電単位１０２Ｄに備えられた単セル１１０は、特許請求の範囲における第２の単セルに相当する。
【００３１】
電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、少なくともＺｒを含んでおり、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）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【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、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。
【００３３】
空気極側フレーム１３０は、図７から図１０に示すように、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の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。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。
【００３４】
燃料極側フレーム１４０は、図７から図９、図１１および図１２に示すように、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。図８および図１１に示すように、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料極側フレーム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１４２Ｕと、燃料室１７６と燃料ガス中継マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３Ｕとが形成されている。図９および図１２に示すように、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス中継マニホールド１７２と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２Ｄと、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７３とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３Ｄとが形成されている。なお、燃料極１１６は、特許請求の範囲における一方の電極に相当する。また、燃料室１７６は、特許請求の範囲におけるガス室に相当し、上流の発電単位１０２Ｕに形成された燃料室１７６は、特許請求の範囲における第１のガス室に相当し、下流の発電単位１０２Ｄに形成された燃料室１７６は、特許請求の範囲における第２のガス室に相当する。
【００３５】
空気極側集電体１３４は、図７から図１０に示すように、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材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。
【００３６】
燃料極側集電体１４４は、図７から図９、図１１および図１２に示すように、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、各電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えた導電体であり、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。各電極対向部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。なお、燃料極側集電体１４４は、特許請求の範囲における集電部材に相当し、インターコネクタ１５０および下側のエンドプレート１０６は、特許請求の範囲における対向部材に相当する。また、電極対向部１４５は、特許請求の範囲における第１の対向部に相当し、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２の対向部に相当し、連接部１４７は、特許請求の範囲における連接部に相当する。また、スペーサー１４９は、特許請求の範囲における弾性体に相当する。
【００３７】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図４、図７および図１０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から下流および上流の各発電単位１０２Ｄ，１０２Ｕ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。
【００３８】
また、図５、図８および図１１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から上流の各発電単位１０２Ｕの燃料ガス供給連通孔１４２Ｕを介して、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６に供給される。なお、燃料ガス導入マニホールド１７１は、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６には連通していないため、燃料ガス導入マニホールド１７１から下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されることはない。上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６から排出された燃料中間ガスＦＭＧは、燃料ガス排出連通孔１４３Ｕを介して燃料ガス中継マニホールド１７２に排出される。図６、図９および図１２に示すように、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６には、この上流の各発電単位１０２Ｕから排出された燃料中間ガスＦＭＧが、燃料ガス中継マニホールド１７２、および、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料ガス供給連通孔１４２Ｄを介して供給される。
【００３９】
上流の各発電単位１０２Ｕの空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、上流の各発電単位１０２Ｕの単セル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。また、下流の各発電単位１０２Ｄの空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６に燃料中間ガスＦＭＧが供給されると、下流の各発電単位１０２Ｄの単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料中間ガスＦＭＧの電気化学反応による発電が行われる。これら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】
図４、図７および図１０に示すように、下流および上流の各発電単位１０２Ｕ，１０２Ｄの空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、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、図６、図９および図１２に示すように、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、燃料ガス排出連通孔１４３Ｄを介して燃料ガス排出マニホールド１７３に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７３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。このように、燃料電池スタック１００の燃料ガスＦＧの流路構成は、外部から導入された燃料ガスＦＧが、上流の複数の発電単位１０２に並列に供給され、上流の各発電単位１０２Ｕから排出された燃料中間ガスＦＭＧが、燃料ガス中継マニホールド１７２を介して、下流の複数の発電単位１０２Ｄに並列に供給される、いわゆる並直列型になっている。
【００４１】
Ａ−３．燃料極側集電体１４４の厚さについて：
本実施形態の燃料電池スタック１００は、燃料極側集電体１４４の上下方向（Ｚ軸方向）における厚さ（以下、単に「厚さ」という）について、次の条件Ａ，Ｂを満たしている。なお、燃料極側集電体１４４の厚さは、燃料室１７６を流れるガス（燃料ガスＦＧ、燃料中間ガスＦＭＧ）の流れ方向（図８のＹ軸正方向、図９のＹ軸負方向）における燃料室１７６の中央部に位置する燃料極側集電体１４４の部位の厚さであることが好ましい。
【００４２】
（下流の発電単位１０２Ｄに含まれる燃料極側集電体１４４について）
８個の下流の発電単位１０２Ｄに含まれる燃料極側集電体１４４（以下、「下流の燃料極側集電体１４４Ｄ」という）の厚さは、次の条件Ａを満たしている。
条件Ａ：集電部材厚さの大小差（ΔＤＤ）は、２５（μｍ）以下である。ただし、ここでいう集電部材厚さの大小差（ΔＤＤ）は、８個の下流の燃料極側集電体１４４Ｄの内、厚さが最大である下流の燃料極側集電体１４４Ｄと、厚さが最小である下流の燃料極側集電体１４４Ｄとの厚さの差である。条件Ａは、次の式１で示すことができる。
＜式１＞
ΔＤＤ＝ＤＤｍａｘ−ＤＤｍｉｎ  ≦  ２５（μｍ）
ＤＤｍａｘ：厚さが最大である下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さ
ＤＤｍｉｎ：厚さが最小である下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さ
【００４３】
（上流の発電単位１０２Ｕに含まれる燃料極側集電体１４４について）
１２個の上流の発電単位１０２Ｕに含まれる燃料極側集電体１４４（以下、「上流の燃料極側集電体１４４Ｕ」という）の厚さは、次の条件Ｂを満たしている。
条件Ｂ：集電部材厚さの大小差（ΔＤＵ）は、２５（μｍ）以下である。ただし、ここでいう集電部材厚さの大小差（ΔＤＵ）は、１２個の上流の燃料極側集電体１４４Ｕの内、厚さが最大である上流の燃料極側集電体１４４Ｕと、厚さが最小である上流の燃料極側集電体１４４Ｕとの厚さの差である。条件Ｂは、次の式２で示すことができる。
＜式２＞
ΔＤＵ＝ＤＵｍａｘ−ＤＵｍｉｎ  ≦  ２５（μｍ）
ＤＵｍａｘ：厚さが最大である上流の燃料極側集電体１４４Ｕの厚さ
ＤＵｍｉｎ：厚さが最小である上流の燃料極側集電体１４４Ｕの厚さ
【００４４】
（下流の燃料極側集電体１４４と上流の燃料極側集電体１４４との関係について）
上流の燃料極側集電体１４４の上記集電部材厚さの大小差（ΔＤＵ）は、下流の燃料極側集電体１４４の上記集電部材厚さの大小差（ΔＤＤ）より大きい。これにより、上流の発電単位１０２における燃料室１７６の膨らみ度合いは、下流の発電単位１０２における燃料室１７６の膨らみ度合いより大きくなっている。燃料室１７６の膨らみ度合いとは、ガスの流れ方向における燃料室１７６の端側（ボルト２２とナット２４との締結部材による締め付け位置側）の厚さと、燃料極側集電体１４４の厚さとの差（の平均値）である。なお、集電部材厚さの大小差（ΔＤＵ）は、集電部材厚さの大小差（ΔＤＤ）より１（μｍ）以上大きいことが好ましい。
【００４５】
なお、上記条件Ａ，Ｂ等を満たすには、燃料電池スタック１００の組み立て前に、上記条件Ａ，Ｂを満たす適切な厚さの組み合わせの複数の燃料極側集電体１４４を選択しておき、選択された複数の燃料極側集電体１４４を用いて燃料電池スタック１００を組み立てればよい。
【００４６】
Ａ−４．燃料電池スタック１００の性能評価：
実施例の燃料電池スタック１００と比較例の燃料電池スタックとについて、以下に説明する性能評価を行った。実施例の燃料電池スタック１００と比較例の燃料電池スタックとは、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さのばらつき度合いが異なるのみで、他の構成は共通する。
【００４７】
図１３は、実施例の燃料電池スタック１００における下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さを示す説明図であり、図１４は、比較例の燃料電池スタックにおける下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さを示す説明図である。図１３および図１４のグラフの横軸の数字は、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの段数を意味する。例えば数字「１」は、下から１つ目（１段目）の燃料極側集電体１４４Ｄを意味し、数位「２」は、下から２つ目（２段目）の燃料極側集電体１４４Ｄを意味する。図１３および図１４のグラフの縦軸の数字は、８個の下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さの平均値を１とした場合における各燃料極側集電体１４４Ｄの厚さを意味する。なお、本実施形態では、燃料極側集電体１４４Ｄの厚さは、例えば、燃料電池スタック１００等の組み立て前における各燃料極側集電体１４４Ｄの厚さを測定し、その測定値に圧縮率を乗算して特定してもよい。圧縮率は、例えば燃料電池スタック１００等の組み立て時のボルト２２とナット２４との締結力や各部材の材料等から予め求めることができる。なお、燃料極側集電体１４４Ｄの厚さは、燃料電池スタック１００等の組み立て後の各燃料極側集電体１４４Ｄを実際に測定して特定してもよい。
【００４８】
図１３に示すように、実施例の燃料電池スタック１００では、厚さが最大である８段目の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さ（ＤＤｍａｘ）が１．０２１（ｍｍ）であり、厚さが最小である５段目の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さ（ＤＤｍｉｎ）が０．９９６（ｍｍ）であり、集電部材厚さの大小差（ΔＤＤ）は、２５（μｍ）である。一方、図１４に示すように、比較例の燃料電池スタックでは、厚さが最大である８段目の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さ（ＤＤｍａｘ）が１．０１３（ｍｍ）であり、厚さが最小である４段目の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さ（ＤＤｍｉｎ）が０．９７９（ｍｍ）であり、集電部材厚さの大小差（ΔＤＤ）は、３４（μｍ）である。すなわち、実施例の燃料電池スタック１００では、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さのバラツキが相対的に小さく、比較例の燃料電池スタックでは、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さのバラツキが相対的に大きい。
【００４９】
図１５は、実施例の燃料電池スタック１００における下流の発電単位１０２Ｄの各段のセル電圧を示す説明図であり、図１６は、比較例の燃料電池スタックにおける下流の発電単位１０２Ｄの各段のセル電圧を示す説明図である。図１５および図１６のグラフの横軸の数字は、上記図１３等と同様、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの段数を意味する。図１５および図１６のグラフの縦軸の数字は、８個の下流の燃料極側集電体１４４Ｄの燃料利用率８４％時のセル電圧の平均値を１（Ｖ）とした場合における各燃料極側集電体１４４Ｄのセル電圧を意味する。なお、燃料利用率は、燃料極１１６に供給された燃料中間ガスＦＭＧの量に対する発電反応に利用された燃料中間ガスＦＭＧの量の割合を示す。なお、燃料利用率およびセル電圧は公知な方法により特定することができる。
【００５０】
図１５に示すように、実施例の燃料電池スタック１００では、下流の発電単位１０２Ｄの各段のセル電圧のバラツキは相対的に小さく、全ての下流の発電単位１０２Ｄのセル電圧が平均値に近似している。すなわち、下流の発電単位１０２Ｄの各段のセル電圧はほぼ一定に保たれている。一方、図１６に示すように、比較例の燃料電池スタックでは、下流の発電単位１０２Ｄの各段のセル電圧のバラツキは相対的に大きく、特に１段目および４段目の下流の発電単位１０２Ｄのセル電圧が平均値から大きく落ち込んでいる。すなわち、特に、１段目および４段目の下流の発電単位１０２Ｄにおいて、燃料中間ガスＦＭＧ（水素）の供給不足になり易くなっている。この理由は、１段目および４段目の下流の発電単位１０２Ｄでは、燃料極側集電体１４４Ｄの厚さが薄いことによって燃料極１１６の空間の広さが狭くなっている。このため、燃料極１１６内に供給される燃料中間ガスＦＭＧの圧力損失が大きくなっているからである。そして、比較例の燃料電池スタックでは、実施例の燃料電池スタック１００に比べて、１段目および４段目の下流の発電単位１０２Ｄのセル電圧が落ち込むことによって、８個の下流の発電単位１０２Ｄ全体のセル電圧が低下している。
【００５１】
Ａ−５．本実施形態の効果：
本実施形態によれば、下流の燃料極側集電体１４４Ｄについて、集電部材厚さの大小差（ΔＤＤ）は２５（μｍ）以下であり、集電部材厚さのバラツキが相対的に小さい。このため、８個の下流の発電単位１０２Ｄにおいてセル電圧を均一することができ、特定の下流の発電単位１０２Ｄにおいて燃料中間ガスＦＭＧの供給不足が生じることを抑制することができる。
【００５２】
また、上流の燃料極側集電体１４４Ｕについても、集電部材厚さの大小差（ΔＤＵ）は２５（μｍ）以下であり、集電部材厚さのバラツキが相対的に小さい。このため、１２個の上流の発電単位１０２Ｕにおいてセル電圧を均一することができ、特定の上流の発電単位１０２Ｕにおいて燃料ガスＦＧの供給不足が生じることを抑制することができる。
【００５３】
ここで、燃料電池スタック１００では、中央部（単セル１１０の配置部分）においてエンドプレート１０４，１０６の間に挟まれる各部材の厚さの合計が、周縁部（結部材による締め付け部分）においてエンドプレート１０４，１０６の間に挟まれる部材の厚さの合計より大きいことが好ましい。このような構成によれば、燃料電池スタック１００の中央部に付与される圧力が、周縁部に付与される圧力より高いため、単セル１１０の発電反応による各部材の熱膨張によって部材間に隙間が形成されることが抑制されるからである。そして、この燃料電池スタック１００の中央部と周縁部との厚さの差は、燃料極側集電体１４４の厚さで調整することができる。すなわち、燃料極側集電体１４４の厚さを厚くすることにより、中央部と周縁部との厚さの差を大きくすることができる。
【００５４】
これに対して、本実施形態では、上流の燃料極側集電体１４４の上記集電部材厚さの大小差（ΔＤＵ）は、下流の燃料極側集電体１４４の上記集電部材厚さの大小差（ΔＤＤ）より大きいことによって、上流の発電単位１０２における燃料室１７６の膨らみ度合いが、下流の発電単位１０２における燃料室１７６の膨らみ度合いより大きくなっている。すなわち、下流の発電単位１０２Ｄでは、燃料中間ガスＦＭＧの水素濃度が低いため、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さのバラツキを抑制することによって燃料中間ガスＦＭＧの供給不足の発生が抑制されている。その一方で、上流の発電単位１０２Ｕでは、燃料ガスＦＧの水素濃度が高く、燃料ガスＦＧの供給不足の問題が生じにくい。このため、例えば特定の上流の燃料極側集電体１４４Ｕの厚さを厚くして上流の燃料極側集電体１４４Ｕの厚さのバラツキを大きくすることによって燃料電池スタック１００の中央部と周縁部との厚さの差が形成されている。これにより、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さのバラツキによるガスの供給不足を抑制しつつ、燃料極１１６やインターコネクタ１５０の熱による変形によって燃料極１１６またはインターコネクタ１５０と燃料極側集電体１４４との間に隙間が形成されることを抑制することができる。
【００５５】
また、燃料極側集電体１４４は、マイカにより形成されたスペーサー１４９の弾性力によって、燃料極１１６やインターコネクタ１５０の熱による変形によって燃料極１１６またはインターコネクタ１５０と燃料極側集電体１４４との間に隙間が形成されることを抑制することができる。
【００５６】
Ｂ．第２の実施形態：
図１７は第２の実施形態の燃料電池スタック１００Ａ（図示せず）における下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さを示す説明図である。第２の実施形態の燃料電池スタック１００Ａの構成の内、上述した第１の実施形態の燃料電池スタック１００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。
【００５７】
Ｂ−１．燃料極側集電体１４４の厚さについて：
本実施形態の燃料電池スタック１００Ａ（図示せず）は、燃料極側集電体１４４の厚さについて、上記条件Ａ，Ｂに加えて、さらに、次の条件Ｃ，Ｄを満たしている。
【００５８】
（下流の燃料極側集電体１４４Ｄについて）
下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さは、上記条件Ａに加えて、次の条件Ｃを満たしている。
条件Ｃ：下流の発電単位１０２Ｄの総数（ＮＤ＝８）に対し、平均近似条件を満たす下流の発電単位１０２Ｄの数（ＫＤ）の割合が５０％以上である。ただし、ここでいう平均近似条件は、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さ（ＤＤ１、ＤＤ２、・・・、ＤＤ８）が、８個の下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さの平均値（ＤＤａｖｅ）から±２．５（μｍ）の範囲以内に含まれることである。条件Ｃおよび平均近似条件は、次の式３，４で示すことができる。なお、下流の発電単位１０２Ｄについての平均近似条件は、特許請求の範囲における第１の条件に相当する。
＜式３＞
（ＫＤ／ＮＤ）×１００  ≧  ５０％
＜式４＞
｜ＤＤ−ＤＤａｖｅ｜  ≦  ＋２．５（μｍ）
ＤＤａｖｅ＝（ＤＤ１＋ＤＤ２＋・・・＋ＤＤ８）／ＮＤ
【００５９】
（上流の燃料極側集電体１４４Ｕについて）
上流の燃料極側集電体１４４Ｕの厚さは、上記条件Ｂに加えて、次の条件Ｄを満たしている。
条件Ｄ：上流の発電単位１０２Ｕの総数（ＮＵ＝１２）に対し、平均近似条件を満たす上流の発電単位１０２Ｕの数（ＫＵ）の割合が５０％以上である。ただし、ここでいう平均近似条件は、燃料極側集電体１４４Ｕの厚さ（ＤＵ１、ＤＵ２、・・・、ＤＵ１２）が、１２個の上流の燃料極側集電体１４４Ｕの厚さの平均値（ＤＵａｖｅ）から±２．５（μｍ）の範囲以内に含まれることである。条件Ｄおよび平均近似条件は、次の式５，６で示すことができる。なお、上流の発電単位１０２Ｕについての平均近似条件は、特許請求の範囲における第２の条件に相当する。
＜式５＞
（ＫＵ／ＮＵ）×１００  ≧  ５０％
＜式６＞
｜ＤＵ−ＤＵａｖｅ｜  ≦  ＋２．５（μｍ）
ＤＵａｖｅ＝（ＤＵ１＋ＤＵ２＋・・・＋ＤＵ１２）／ＮＵ
なお、下流の発電単位１０２Ｄの総数に対し、平均近似条件を満たす下流の発電単位１０２Ｄの数の割合は、上流の発電単位１０２Ｕの総数に対し、平均近似条件を満たす上流の発電単位１０２Ｕの数の割合より高いことが好ましい。
【００６０】
本実施形態によれば、下流の発電単位１０２Ｄの総数に対し、平均近似条件を満たす下流の発電単位１０２Ｄの数の割合は５０％以上である。このため、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さのバラツキがさらに低減されることによって、ガスの供給不足を、より効果的に抑制することができる。
【００６１】
また、本実施形態によれば、上流の発電単位１０２Ｕの総数に対し、平均近似条件を満たす上流の発電単位１０２Ｕの数の割合も５０％以上である。このため、上流の燃料極側集電体１４４Ｕの厚さのバラツキがさらに低減されることによって、ガスの供給不足を、より効果的に抑制することができる。
【００６２】
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。
【００６３】
上記各実施形態において、上流の燃料極側集電体１４４Ｕの厚さについて、条件Ｂ（式２）を満たしていなくてもよい。また、上記各実施形態において、上流の燃料極側集電体１４４Ｕの上記集電部材厚さの大小差（ΔＤＵ）は、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの上記集電部材厚さの大小差（ΔＤＤ）以下でもよい。また、上記第２の実施形態において、上流の燃料極側集電体１４４Ｕの厚さについて、条件Ｄ（式５）を満たしていなくてもよい。
【００６４】
上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は、例えばＮｉにより形成されたセグメントで形成されたものでもよい。要するに、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０との上記配列方向（上下方向）の離間距離の変位に追随する構成であればよい。また、上記実施形態において、スペーサー１４９は、ゴムにより形成されたものでもよい。
【００６５】
上記実施形態では、燃料極１１６側のガス流路（燃料ガスＦＧの導入口から燃料オフガスＦＯＧの排出口までの流路）が並直列型であったが、これに限らず、空気極１１４側のガス流路（酸化剤ガスＯＧの導入口から酸化剤オフガスＯＯＧの排出口までの流路）が並直列型であってもよい。そして、各発電単位１０２の空気極側集電体１３４の厚さについて本発明を適用してもよい。この場合、空気極１１４は、特許請求の範囲における一方の電極に相当する。
【００６６】
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、上流の発電単位１０２Ｕの個数や下流の発電単位１０２Ｄの個数も、あくまでも一例である。ただし、下流の発電単位１０２Ｄでは、上流の発電単位１０２Ｕに比べて、燃料室１７６に供給されるガス（燃料ガスＦＧ、燃料中間ガスＦＭＧ）の水素濃度が低い。従って、下流の発電単位１０２Ｄでのガスの供給不足を抑制するため、下流の発電単位１０２Ｄの個数は、上流の発電単位１０２Ｕの個数より少ないことが好ましい。また、下流の発電単位１０２Ｄの個数が５個以上になると、下流の燃料極側集電体１４４Ｄの厚さのバラツキによるガスの供給不足が生じる可能性が高くなるため、本発明を適用することが特に有効である。
【００６７】
上記実施形態において、燃料電池スタック１００の締結に使用されるボルト２２の個数は、あくまで一例であり、ボルト２２の個数は燃料電池スタック１００に要求される締結力等に応じて適宜決められる。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の平板形の発電単位１０２が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば特開２００８−５９７９７号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。
【００７７】
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）の最小単位である電解セルや、複数の電解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、例えば特開２０１４−２０７１２０号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解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および電解セルスタックにおいても、燃料極１１６を上記実施形態と同様の構成とすれば、特定の上流の電解セル単位において原料ガスの供給不足が生じることを抑制することができる。
【符号の説明】
【００７８】
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  １０２Ｄ：下流の発電単位  １０２Ｕ：上流の発電単位  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  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  １４０：燃料極側フレーム  １４１：孔  １４２Ｄ：燃料ガス供給連通孔  １４２Ｕ：燃料ガス供給連通孔  １４３Ｄ：燃料ガス排出連通孔  １４３Ｕ：燃料ガス排出連通孔  １４４：燃料極側集電体  １４４Ｄ：下流の燃料極側集電体  １４４Ｕ：上流の燃料極側集電体  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：燃料ガス中継マニホールド  １７３：燃料ガス排出マニホールド  １７６：燃料室  ＦＧ：燃料ガス  ＦＭＧ：燃料中間ガス  ＦＯＧ：燃料オフガス  ＯＧ：酸化剤ガス  ＯＯＧ：酸化剤オフガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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