(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022081854
(43)【公開日】2022-06-01
(54)【発明の名称】電気化学反応セルスタックの製造方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/2404 20160101AFI20220525BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20220525BHJP
H01M 8/2432 20160101ALI20220525BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20220525BHJP
C25B 9/73 20210101ALI20220525BHJP
C25B 13/02 20060101ALI20220525BHJP
【ＦＩ】
H01M8/2404
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
H01M8/2432
C25B1/10
C25B9/20
C25B13/02 302
【審査請求】有
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020193047
(22)【出願日】2020-11-20
(71)【出願人】
【識別番号】519322392
【氏名又は名称】森村ＳＯＦＣテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001911
【氏名又は名称】特許業務法人アルファ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】堀田 信行
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 吉晃
【テーマコード（参考）】
4K021
5H126
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021CA02
4K021DB04
4K021DB43
4K021DB53
4K021EA03
5H126AA22
5H126BB06
5H126DD05
5H126DD11
5H126EE04
5H126EE11
5H126GG18
5H126HH01
5H126HH02
5H126JJ08
(57)【要約】
【課題】電気化学反応セルスタックの単セルの割れを抑制する。
【解決手段】電気化学反応セルスタックの製造方法は、下記の第１工程と第２工程と第３工程とを備える。第１工程は、単セルと、特定電極（空気極と燃料極との一方）に対して第１の方向（電気化学反応単位の配列方向）の電解質層とは反対側に配置されたインターコネクタと、接合部となる部材である接合前接合部であって、導電性材料と熱可塑性材料とを含有し、かつ、第１の方向の単セルとインターコネクタとの間に位置する接合前接合部と、をそれぞれ有し、第１の方向に並べて配置された複数の接合前電気化学反応単位を含む複合体を準備する工程である。第２工程では、複合体における少なくとも接合前接合部を、接合前接合部が軟化する第１の温度に加熱する。第３工程では、接合前接合部が第１の温度に維持された複合体を第１の方向に加圧することにより、接合部を形成する。
【選択図】図８
【解決手段】電気化学反応セルスタックの製造方法は、下記の第１工程と第２工程と第３工程とを備える。第１工程は、単セルと、特定電極（空気極と燃料極との一方）に対して第１の方向（電気化学反応単位の配列方向）の電解質層とは反対側に配置されたインターコネクタと、接合部となる部材である接合前接合部であって、導電性材料と熱可塑性材料とを含有し、かつ、第１の方向の単セルとインターコネクタとの間に位置する接合前接合部と、をそれぞれ有し、第１の方向に並べて配置された複数の接合前電気化学反応単位を含む複合体を準備する工程である。第２工程では、複合体における少なくとも接合前接合部を、接合前接合部が軟化する第１の温度に加熱する。第３工程では、接合前接合部が第１の温度に維持された複合体を第１の方向に加圧することにより、接合部を形成する。
【選択図】図８
【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、を含む単セルと、
前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に対して前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に配置され、前記特定電極と電気的に接続されるインターコネクタと、
前記第１の方向の前記単セルと前記インターコネクタとの間に位置し、前記単セルと前記インターコネクタとを接合する接合部であって、導電性材料を含有する接合部と、
をそれぞれ有し、前記第１の方向に並べて配置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の製造方法において、
前記単セルと、前記特定電極に対して前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に配置された前記インターコネクタと、前記接合部となる部材である接合前接合部であって、導電性材料と熱可塑性材料とを含有し、かつ、前記第１の方向の前記単セルと前記インターコネクタとの間に位置する接合前接合部と、をそれぞれ有し、前記第１の方向に並べて配置された複数の接合前電気化学反応単位を含む複合体を準備する第１工程と、
前記複合体における少なくとも前記接合前接合部を、前記接合前接合部が軟化する第１の温度に加熱する第２工程と、
前記第２工程を経て前記接合前接合部が前記第１の温度に維持された前記複合体を前記第１の方向に加圧することにより、前記接合部を形成する第３工程と、
を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの製造方法。
前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に対して前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に配置され、前記特定電極と電気的に接続されるインターコネクタと、
前記第１の方向の前記単セルと前記インターコネクタとの間に位置し、前記単セルと前記インターコネクタとを接合する接合部であって、導電性材料を含有する接合部と、
をそれぞれ有し、前記第１の方向に並べて配置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の製造方法において、
前記単セルと、前記特定電極に対して前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に配置された前記インターコネクタと、前記接合部となる部材である接合前接合部であって、導電性材料と熱可塑性材料とを含有し、かつ、前記第１の方向の前記単セルと前記インターコネクタとの間に位置する接合前接合部と、をそれぞれ有し、前記第１の方向に並べて配置された複数の接合前電気化学反応単位を含む複合体を準備する第１工程と、
前記複合体における少なくとも前記接合前接合部を、前記接合前接合部が軟化する第１の温度に加熱する第２工程と、
前記第２工程を経て前記接合前接合部が前記第１の温度に維持された前記複合体を前記第１の方向に加圧することにより、前記接合部を形成する第３工程と、
を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの製造方法。
【請求項2】
請求項１に記載の電気化学反応セルスタックの製造方法であって、
前記熱可塑性材料は、樹脂からなり、
前記第２工程は、前記熱可塑性材料が気化する温度よりも低い温度に加熱する工程である、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの製造方法。
前記熱可塑性材料は、樹脂からなり、
前記第２工程は、前記熱可塑性材料が気化する温度よりも低い温度に加熱する工程である、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタックの製造方法。
【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、電気化学反応セルスタックの製造方法に関する。
【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は、一般に、燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という。）が所定の方向（以下、「第１の方向」という。）に複数並べて配置された積層体（以下、「発電ブロック」という。）を備える燃料電池スタックの形態で利用される（例えば、特許文献１）。発電単位は、燃料電池単セル（以下、単に「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。
【0003】
発電単位は、更に、空気極と燃料極との一方（以下、「特定電極」という。）に対して第１の方向の電解質層とは反対側に配置されるインターコネクタと、単セルとインターコネクタとを接合する接合部とを備える。インターコネクタは、特定電極と電気的に接続される。接合部は、第１の方向の単セルとインターコネクタとの間に位置し、導電性材料を含有する。
【0004】
上述した燃料電池スタックは、次の準備工程および加圧工程を経て製造される。準備工程では、第１の方向に並べて配置された複数の接合前発電単位を含む複合体を準備する。接合前発電単位は、単セルと、特定電極（空気極と燃料極との一方）に対して第１の方向の電解質層とは反対側に配置されたインターコネクタと、第１の方向の単セルとインターコネクタとの間に位置する接合前接合部とを備える部材である。接合前接合部は、接合部となる部材であり、導電性材料と熱可塑性材料とを含有する。
【0005】
加圧工程では、上記複合体を第１の方向に加圧することにより、接合部を形成する。以上の準備工程および加圧工程を経て燃料電池スタックの製造は完了する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１９－１９２４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上述した従来の燃料電池スタックの製造において、準備工程により準備される複合体（第１の方向に並べて配置された複数の接合前発電単位を含む複合体）の特定電極（空気極と燃料極との一方）の第１の方向の厚さにバラつきがあることがある。例えば、特定電極をスクリーン印刷等の方法により電解質層上に形成する工程において、特定電極の第１の方向の厚さにバラつきが生じることがある。このような特定電極の厚さのバラつきに起因して、複合体の厚さにバラつきが生じ、複合体の一部が比較的厚くなることがある。準備工程により準備される複合体の特定電極の第１の方向の厚さにバラつきがある際には、加圧工程（複合体を第１の方向に加圧することにより、接合部を形成する工程）において複合体の比較的厚い部分に加圧力が集中することにより、単セルの割れが生じるおそれがある。
【0008】
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を複数備える電解セルスタックにも共通の問題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、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び、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セルスタックにも共通の課題である。
【0009】
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】
【0010】
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。
【0011】
（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックの製造方法は、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、を含む単セルと、前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に対して前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に配置され、前記特定電極と電気的に接続されるインターコネクタと、前記第１の方向の前記単セルと前記インターコネクタとの間に位置し、前記単セルと前記インターコネクタとを接合する接合部であって、導電性材料を含有する接合部と、をそれぞれ有し、前記第１の方向に並べて配置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の製造方法において、前記単セルと、前記特定電極に対して前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に配置された前記インターコネクタと、前記接合部となる部材である接合前接合部であって、導電性材料と熱可塑性材料とを含有し、かつ、前記第１の方向の前記単セルと前記インターコネクタとの間に位置する接合前接合部と、をそれぞれ有し、前記第１の方向に並べて配置された複数の接合前電気化学反応単位を含む複合体を準備する第１工程と、前記複合体における少なくとも前記接合前接合部を、前記接合前接合部が軟化する第１の温度に加熱する第２工程と、前記第２工程を経て前記接合前接合部が前記第１の温度に維持された前記複合体を前記第１の方向に加圧することにより、前記接合部を形成する第３工程と、を備える。
【0012】
本電気化学反応セルスタックの製造方法によれば、上述したように、複合体における少なくとも接合前接合部を、接合前接合部が軟化する温度に加熱する第２工程を備え、第３工程においては、第２工程を経て接合前接合部が第１の温度に維持された複合体を第１の方向に加圧する。本電気化学反応セルスタックの製造方法においては、第３工程において加圧する接合前接合部は第２工程を経ることにより軟化した状態であるため、複合体の厚さにバラつきがある際において、上記第２工程を備えない従来の製造方法と比較して、第３工程において複合体の比較的厚い部分に加圧力が集中することが抑制される。よって、本電気化学反応セルスタックの製造方法によれば、第３工程において複合体の比較的厚い部分に加圧力が集中することに起因する単セルの割れを抑制することができる。
【0013】
（２）上記電気化学反応セルスタックの製造方法において、前記熱可塑性材料は、樹脂からなり、前記第２工程は、前記熱可塑性材料が気化する温度よりも低い温度に加熱する工程である構成としてもよい。
【0014】
接合前接合部に含有される熱可塑性材料は樹脂からなる構成を採用した際に、仮に第２工程において接合前接合部を過度に高い温度で加熱すると、接合前接合部に含有される熱可塑性材料（つまり、熱可塑性樹脂）が気化することにより接合前接合部の軟性が低下し、ひいては、第３工程において上述した単セルの割れを抑制する効果が低下する。
【0015】
これに対し、本製造方法において、上述したように、第２工程において、接合前接合部が軟化する温度であり、かつ、接合前接合部に含有される熱可塑性材料（つまり、熱可塑性樹脂）が気化する温度よりも低い温度に加熱する。そのため、本製造方法によれば、接合前接合部に含有される熱可塑性材料が気化する温度以上の温度に加熱する構成よりも効果的に、第３工程において単セルの割れを抑制することができる。
【0016】
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、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】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
Ａ．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（および後述する図６，７）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６，７）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。また、後述する燃料電池スタック１００の製造方法（特に、後述する第２工程Ｓ１２や第３工程Ｓ１３における複合体１０９の載置方向）についても同様である。
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（および後述する図６，７）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６，７）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。また、後述する燃料電池スタック１００の製造方法（特に、後述する第２工程Ｓ１２や第３工程Ｓ１３における複合体１０９の載置方向）についても同様である。
【0019】
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、下端用セパレータ１８９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（Ｚ軸方向））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（以下、「発電ブロック１０３」という。）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（Ｚ軸方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。
【0020】
燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、下端用セパレータ１８９、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。
【0021】
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とによる上下方向の圧縮力によって、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。
【0022】
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供給マニホールド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。
【0023】
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供給マニホールド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。
【0024】
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、酸化剤ガス供給マニホールド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、酸化剤ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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。
【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、後述の孔１０４Ａ，１０６Ａが形成された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。
一対のエンドプレート１０４，１０６は、後述の孔１０４Ａ，１０６Ａが形成された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。
【0026】
上側のエンドプレート１０４には、中央付近に上下方向に貫通する孔１０４Ａが形成されている。下側のエンドプレート１０６には、中央付近に上下方向に貫通する孔１０６Ａが形成されている。上側のエンドプレート１０４の孔１０４Ａによって取り囲まれた空間は、発電ブロック１０３側に開口している。上下方向視で当該空間の輪郭線は、単セル１１０を内包している。下側のエンドプレート１０６の孔１０６Ａによって取り囲まれた空間は、発電ブロック１０３側に開口している。上下方向視で当該空間の輪郭線は、単セル１１０を内包している。また、上側のエンドプレート１０４における孔１０４Ａの周囲部分は、空気極側フレーム１３０の周縁部に対向している。下側のエンドプレート１０６における孔１０６Ａの周囲部分は、燃料極側フレーム１４０の周縁部に対向している。
【0027】
（下端用セパレータ１８９の構成）
下端用セパレータ１８９は、板状の部材であり、例えば、金属により形成されている。下端用セパレータ１８９の中央付近には、発電ブロック１０３において最も下に位置する発電単位１０２の燃料極側集電体１４４が接合されている。下端用セパレータ１８９の周縁部は、発電ブロック１０３と下側のエンドプレート１０６との間に挟み込まれている。
下端用セパレータ１８９は、板状の部材であり、例えば、金属により形成されている。下端用セパレータ１８９の中央付近には、発電ブロック１０３において最も下に位置する発電単位１０２の燃料極側集電体１４４が接合されている。下端用セパレータ１８９の周縁部は、発電ブロック１０３と下側のエンドプレート１０６との間に挟み込まれている。
【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。図５の上部には、発電単位１０２の一部分のＹＺ断面構成が拡大して示されている。また、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。また、図７は、図４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。図５の上部には、発電単位１０２の一部分のＹＺ断面構成が拡大して示されている。また、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。また、図７は、図４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。
【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、単セル用セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０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１９０および一対のＩＣ用セパレータ１８０とを備えている。単セル用セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、ＩＣ用セパレータ１８０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１９０は、略矩形の平板形状の平板部１５０と、平板部１５０から空気極１１４側に突出した複数の略四角柱状の空気極側集電部１３４とを備えている。インターコネクタ１９０は、導電性部材であり、金属（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１９０は、上下方向視で空気極側フレーム１３０の後述の孔１３１の内側に収まっている。インターコネクタ１９０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抑制する。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１９０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１９０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１９０と同一部材である。なお、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のインターコネクタ１９０は、後述するＩＣ用セパレータ１８０に接触しており、ＩＣ用セパレータ１８０を介して上側のエンドプレート１０４に電気的に接続されている。
【0031】
なお、本実施形態では、インターコネクタ１９０の表面に、例えばＣｒ酸化物により構成された酸化被膜層１９４が形成されており、さらに酸化被膜層１９４の上に、例えばスピネル型酸化物により構成された被覆層１９６が形成されている。以下では、表面に酸化被膜層１９４が形成され、更に酸化被膜層１９４の表面が被覆層１９６に覆われたインターコネクタ１９０を、単にインターコネクタ１９０という。
【0032】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上下方向（Ｚ軸方向）の一方側（下側）に配置された燃料極（アノード）１１６と、電解質層１１２の上下方向の他方側（上側）に配置された空気極（カソード)１１４と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された中間層１１８とを備える。すなわち、空気極１１４および燃料極１１６は、電解質層１１２を挟んで上下方向（Ｚ軸方向）に互いに対向している。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、中間層１１８）を支持する燃料極支持形の単セルである。
【0033】
電解質層１１２は、上下方向視（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。すなわち、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。
【0034】
空気極１１４は、上下方向視（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。本実施形態では、空気極１１４は、ペロブスカイト型酸化物であるＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）とＬＳＣ（ランタンストロンチウムコバルト酸化物）との少なくとも一方から構成されている。なお、以上の説明から明らかなように、インターコネクタ１９０は、空気極１１４の上方（空気極１１４に対して上下方向（Ｚ軸方向）の電解質層１１２とは反対側）に配置されている、といえる。インターコネクタ１９０は、空気極１１４と電気的に接続される。
【0035】
燃料極１１６は、上下方向視（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。
【0036】
中間層１１８は、略矩形の平板形状部材であり、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）を含むように形成されている。中間層１１８は、空気極１１４から拡散した元素（例えば、Ｓｒ）が電解質層１１２に含まれる元素（例えば、Ｚｒ）と反応して高抵抗な物質（例えば、ＳｒＺｒＯ３）が生成されることを抑制する。
【0037】
単セル用セパレータ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。単セル用セパレータ１２０における孔１２１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）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。単セル用セパレータ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。言い換えると、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部は、単セル１１０の周縁部と接合されている。単セル用セパレータ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。
【0038】
単セル用セパレータ１２０は、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部（単セル用セパレータ１２０における孔１２１を取り囲む部分）を含む内側部１２６と、内側部１２６より外周側に位置する外側部１２７と、内側部１２６と外側部１２７とを連結する連結部１２８とを備える。本実施形態では、内側部１２６は、平坦形状であり、上下方向に直交する方向（Ｘ軸方向）に略平行である。外側部１２７は、単セル用セパレータ１２０の周縁部を含んでいる。本実施形態では、外側部１２７は、平坦形状であり、上下方向に直交する方向（Ｘ軸方向）に略平行である。
【0039】
連結部１２８は、内側部１２６と外側部１２７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部１２８における下側（燃料室１７６側）の部分は凸部となっており、連結部１２８における上側（空気室１６６側）の部分は凹部となっている。このため、連結部１２８は、上下方向における位置が内側部１２６および外側部１２７とは異なる部分を含んでいる。
【0040】
電解質層１１２における接合部１２４に対して空気室１６６側には、ガラスを含むガラスシール部１２５が配置されている。ガラスシール部１２５は、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部の表面と、単セル１１０（本実施形態では電解質層１１２）の表面との両方に接触するように形成されている。ガラスシール部１２５により、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リーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。
【0041】
ＩＣ用セパレータ１８０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１８１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。ＩＣ用セパレータ１８０における孔１８１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、インターコネクタ１９０の平板部１５０における上側の表面の周縁部と、例えば溶接により接合されている。ＩＣ用セパレータ１８０は、発電単位１０２の上側と下側にそれぞれ配置されている。上側のＩＣ用セパレータ１８０は、発電単位１０２の最上層の周縁部を構成している。上側のＩＣ用セパレータ１８０により、空気室１６６と、上側に隣接する発電単位１０２における燃料室１７６とが区画される。下側のＩＣ用セパレータ１８０は、発電単位１０２の最下層の周縁部を構成している。下側のＩＣ用セパレータ１８０により、燃料室１７６と、下側に隣接する発電単位１０２における空気室１６６とが区画される。上記のように区画するＩＣ用セパレータ１８０により、単セル１１０の周縁部における発電単位１０２間のガスのリークが抑制される。
【0042】
ＩＣ用セパレータ１８０は、ＩＣ用セパレータ１８０の貫通孔周囲部（ＩＣ用セパレータ１８０における孔１８１を取り囲む部分）を含む内側部１８６と、内側部１８６より外周側に位置する外側部１８７と、内側部１８６と外側部１８７とを連結する連結部１８８とを備える。外側部１８７は、ＩＣ用セパレータ１８０の周縁部を含んでいる。本実施形態では、内側部１８６は、平坦形状であり、上下方向に直交する方向（Ｘ軸方向）に略平行である。本実施形態では、外側部１８７は、平坦形状であり、上下方向に直交する方向（Ｘ軸方向）に略平行である。
【0043】
連結部１８８は、内側部１８６と外側部１８７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部１８８における下側（燃料室１７６側）の部分は凸部となっており、連結部１８８における上側（燃料室１７６側）の部分は凹部となっている。連結部１８８は、上下方向における位置が内側部１８６および外側部１８７とは異なる部分を含んでいる。
【0044】
図４から図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。すなわち、空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気室１６６を取り囲んでいる。空気極側フレーム１３０は、単セル用セパレータ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、上側のＩＣ用セパレータ１８０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おり、両者の間のガスシール性（すなわち、空気室１６６のガスシール性）を確保するシール部材として機能する。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対の単セル用セパレータ１２０およびインターコネクタ１９０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス供給マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤供給ガス流路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排出ガス流路１３３とが形成されている。本実施形態では、各発電単位１０２において、複数の酸化剤供給ガス流路１３２と、複数の酸化剤排出ガス流路１３３とが形成されている。本実施形態では、酸化剤供給ガス流路１３２は、酸化剤ガス供給マニホールド１６１から空気室１６６に向かってＸ方向に延びている。本実施形態では、酸化剤排出ガス流路１３３は、空気室１６６から酸化剤ガス排出マニホールド１６２に向かってＸ方向に延びている。
【0045】
図４，５，７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。燃料極側フレーム１４０は、単セル用セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、下側のＩＣ用セパレータ１８０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、燃料ガス供給マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給ガス流路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ガス流路１４３とが形成されている。
【0046】
図４，５，７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、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１９０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１９０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、下端用セパレータ１８９に接触しており、下端用セパレータ１８９を介して下側のエンドプレート１０６に電気的に接続されている。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１９０（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１９０（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。
【0047】
図４から図６に示すように、上述したインターコネクタ１９０を構成する空気極側集電部１３４は、単セル１１０の空気極１１４の側、すなわち、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電部１３４は、空気極１１４に対向しており、後述する接合部１３８を介して空気極１１４と電気的に接合されている。
【0048】
図４および図５に示すように、空気極１１４と（酸化被膜層１９４および被覆層１９６に覆われた）空気極側集電部１３４とは、導電性の接合部１３８により接合されている。接合部１３８は、空気極１１４と空気極側集電部１３４との間に配置されている。接合部１３８は、Ｍｎを含有する材料、例えばＭｎを含有するスピネル型結晶構造を有する酸化物（例えば、Ｍｎ１．５Ｃｏ１．５Ｏ４やＭｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＭｎ２Ｏ４、ＺｎＭｎＣｏＯ４、ＣｕＭｎ２Ｏ４）により形成されている。接合部１３８により、空気極１１４と空気極側集電部１３４とが電気的に接続される。空気極側集電部１３４と空気極１１４との間には接合部１３８が介在している。本実施形態では、接合部１３８は、各空気極側集電部１３４について互いに独立して設けられている。ただし、一の空気極側集電部１３４に設けられた接合部１３８と、他の空気極側集電部１３４に設けられた接合部１３８とが、一体的に（連続的に）構成されていてもよい。なお、以上の説明から明らかなように、接合部１３８は導電性材料を含有している、といえる。
【0049】
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、酸化剤ガス供給マニホールド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供給マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤供給ガス流路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、燃料ガス供給マニホールド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供給マニホールド１７１に供給され、燃料ガス供給マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給ガス流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
図２および図４に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド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供給マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤供給ガス流路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、燃料ガス供給マニホールド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供給マニホールド１７１に供給され、燃料ガス供給マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給ガス流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
【0050】
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は接合部１３８を介してインターコネクタ１９０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介してインターコネクタ１９０に電気的に接続されている。すなわち、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。
【0051】
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、酸化剤排出ガス流路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、燃料ガス排出ガス流路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。
【0052】
Ａ－３．燃料電池スタック１００の製造方法：
図８は、本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法を示すフローチャートである。図９は、図８に示す製造方法にて準備する複合体１０９を示す説明図である。図９の上部には、複合体１０９の一部分のＹＺ断面構成が拡大して示されている。なお、図９には、複合体１０９の一部（燃料電池スタック１００における図５に対応）のみが示されており、その他の部分の図示は省略されている。
図８は、本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法を示すフローチャートである。図９は、図８に示す製造方法にて準備する複合体１０９を示す説明図である。図９の上部には、複合体１０９の一部分のＹＺ断面構成が拡大して示されている。なお、図９には、複合体１０９の一部（燃料電池スタック１００における図５に対応）のみが示されており、その他の部分の図示は省略されている。
【0053】
（複合体１０９の準備）
本実施形態の燃料電池スタック１００の製造方法は、例えば以下の通りである。まず、図９に示すように、複数の接合前発電単位１０７を含む複合体１０９を準備する（第１工程Ｓ１１）。なお、接合前発電単位１０７は、特許請求の範囲における接合前電気化学反応単位に相当する。
本実施形態の燃料電池スタック１００の製造方法は、例えば以下の通りである。まず、図９に示すように、複数の接合前発電単位１０７を含む複合体１０９を準備する（第１工程Ｓ１１）。なお、接合前発電単位１０７は、特許請求の範囲における接合前電気化学反応単位に相当する。
【0054】
具体的には、接合前発電単位１０７として、上述した単セル１１０とインターコネクタ１９０と接合前接合部１３９とを有する部材を複数準備する。なお、当該部材を作製する方法としては、例えば特許第６４６５５４６号公報に記載の方法を採用することができる。複数の接合前発電単位１０７を上下方向に並べて配置させると共に、上述した下端用セパレータ１８９と一対のエンドプレート１０４，１０６とをこれに組み付ける。インターコネクタ１９０は、空気極１１４に対して上下方向の電解質層１１２とは反対側に配置させる。接合前接合部１３９は、接合部１３８となる部材（つまり、空気極１１４と空気極側集電部１３４とを接合する前の状態の部材。例えば、ペースト状の材料）である。接合前接合部１３９として、導電性材料と熱可塑性材料とを含有する部材を準備し、これを上下方向（Ｚ軸方向）の単セル１１０とインターコネクタ１９０との間に配置させる。接合前接合部１３９に含有される導電性材料としては、上記にて接合部１３８の構成材料として挙げた、Ｍｎを含有する材料、例えばＭｎを含有するスピネル型結晶構造を有する酸化物（例えば、Ｍｎ１．５Ｃｏ１．５Ｏ４やＭｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＭｎ２Ｏ４、ＺｎＭｎＣｏＯ４、ＣｕＭｎ２Ｏ４）を採用する。接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料としては、例えば、樹脂、ガラス等を採用する。
【0055】
次に、各部材に形成された連通孔１０８にボルト２２を挿入し、ボルト２２の両側にナット２４を嵌めることにより、複合体１０９を締結する。以上のようにして複合体１０９は作製される。以下において、複合体１０９がボルト２２およびナット２４により締結されてなる部材を、単に「複合体１０９」という場合がある。
【0056】
（接合部１３８の形成）
次に、複合体１０９における少なくとも接合前接合部１３９を、接合前接合部１３９が軟化する温度に加熱する（第２工程Ｓ１２）。以下、接合前接合部１３９が軟化する温度を「第１の温度Ｔ１」という。第１の温度Ｔ１の値は、接合前接合部１３９の構成（特に、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料の材料種）等によって異なる。接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料が樹脂であれば、第２工程Ｓ１２における加熱温度は、例えば１２０℃から２５０℃までの間である。また、第１の温度Ｔ１には、いわゆる軟化点が含まれると共に、軟化点よりも低い温度であって、かつ、実際に接合前接合部１３９が軟化する温度も含まれる。本実施形態では、複合体１０９における少なくとも接合前接合部１３９を、第１の温度Ｔ１であって、かつ、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料が気化する温度よりも低い温度に加熱する。
次に、複合体１０９における少なくとも接合前接合部１３９を、接合前接合部１３９が軟化する温度に加熱する（第２工程Ｓ１２）。以下、接合前接合部１３９が軟化する温度を「第１の温度Ｔ１」という。第１の温度Ｔ１の値は、接合前接合部１３９の構成（特に、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料の材料種）等によって異なる。接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料が樹脂であれば、第２工程Ｓ１２における加熱温度は、例えば１２０℃から２５０℃までの間である。また、第１の温度Ｔ１には、いわゆる軟化点が含まれると共に、軟化点よりも低い温度であって、かつ、実際に接合前接合部１３９が軟化する温度も含まれる。本実施形態では、複合体１０９における少なくとも接合前接合部１３９を、第１の温度Ｔ１であって、かつ、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料が気化する温度よりも低い温度に加熱する。
【0057】
具体的には、複合体１０９を焼成炉（電気炉）内の作業台に載置し、焼成炉により複合体１０９を焼成する。これにより、接合前接合部１３９は軟化した状態となる。また、本実施形態では、上述したように接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料が気化する温度よりも低い温度に加熱するため、焼成後においても熱可塑性材料が気化せずに残存している。このように熱可塑性材料が気化せずに残存している構成においては、熱可塑性材料が気化した構成と比較して、接合前接合部１３９の軟性が維持される。
【0058】
次に、第２工程Ｓ１２を経て接合前接合部１３９が第１の温度Ｔ１（接合前接合部１３９が軟化する温度）に維持された複合体１０９を上下方向に加圧することにより、接合部１３８を形成する（第３工程Ｓ１３）。なお、「第１の温度Ｔ１」は、あくまで「接合前接合部１３９が軟化する温度」であり、例えば「第２工程Ｓ１２の特定時点における接合前接合部１３９（または複合体１０９）の温度」等のように特に限定されて解釈されるものではない（以下、同様）。
【0059】
具体的には、作業台に載置された複合体１０９の上下方向視（Ｚ軸方向視）で単セル１１０に重なる部分（換言すれば、ボルト２２とナット２４とによって直接締結されている部分でない側の部分）を上方から治具により押圧する。これにより、複合体１０９の当該部分に上下方向の圧縮荷重を加えることにより、空気極１１４と空気極側集電部１３４が接合前接合部１３９に密着した状態となる。このように空気極１１４と空気極側集電部１３４が接合前接合部１３９に密着した状態で接合前接合部１３９を焼成する。これにより、接合前接合部１３９（主に導電性材料）が加熱されると共に硬化し、接合部１３８が形成される。
【0060】
（残りの工程）
次に、残りの組み立て等の工程を行うことにより（第４工程Ｓ１４）、上述した構成の燃料電池スタック１００の製造が完了する。
次に、残りの組み立て等の工程を行うことにより（第４工程Ｓ１４）、上述した構成の燃料電池スタック１００の製造が完了する。
【0061】
図１０は、図８に示す製造方法の一例を示すグラフである。図１０には、上述した第２工程Ｓ１２および第３工程Ｓ１３における「焼成炉の設定温度（℃）」、「接合前接合部１３９の温度（℃）」、および「複合体１０９への加圧荷重（Ｎ）」と、時間（ｍｉｎ）との関係が示されている。なお、この「接合前接合部１３９の温度」は、厳密には複合体１０９の温度を測定した結果であるが、複合体１０９の温度と同等であるため、これを用いている。
【0062】
図１０の例では、接合前接合部１３９に含有される導電性材料はＭｎを含有するスピネル型結晶構造を有する酸化物であり、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料は樹脂である、という構成を採用している。
【0063】
図１０の０ｍｉｎから５５ｍｉｎまでのグラフが第２工程Ｓ１２に対応し、５５ｍｉｎ以降（約１００ｍｉｎまで）のグラフが第３工程Ｓ１３に対応している。
【0064】
図１０に示すように、第２工程Ｓ１２（０ｍｉｎから５５ｍｉｎ）においては、焼成炉の設定温度を２１０℃とする（詳細には、２０℃から２１０℃まで略一定の昇温速度で上昇させ、しばらく２１０℃で維持する）ことにより、接合前接合部１３９の温度を、２０℃から１５０℃まで上昇させた。この際の接合前接合部１３９の温度は、第１の温度Ｔ１（接合前接合部１３９が軟化する温度）に相当する。そのため、５５ｍｉｎの時点において接合前接合部１３９は軟化した状態となっていた。
【0065】
第３工程Ｓ１３（５５ｍｉｎ以降）においては、焼成炉の設定温度を２１０℃から更に上昇させると共に、上述したように、治具を用いて複合体１０９を上下方向に加圧した。より詳細には、加圧荷重を２０００Ｎ以上の大きさとし（詳細には、２０００Ｎまで略一定の上昇速度で上昇させ）、その後は一定値に維持させた。これにより、空気極１１４と空気極側集電部１３４が接合前接合部１３９に密着した状態となると共に、接合部１３８が形成された。
【0066】
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は、上下方向（Ｚ軸方向）に並べて配置された複数の発電単位１０２を備える。発電単位１０２は、単セル１１０と、インターコネクタ１９０と、接合部１３８とを有する。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下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１９０は、空気極１１４に対して上下方向の電解質層１１２とは反対側に配置され、かつ、空気極１１４と電気的に接続される。接合部１３８は、上下方向の単セル１１０とインターコネクタ１９０との間に位置し、かつ、単セル１１０とインターコネクタ１９０とを接合する部材であって、導電性材料を含有する。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００は、上下方向（Ｚ軸方向）に並べて配置された複数の発電単位１０２を備える。発電単位１０２は、単セル１１０と、インターコネクタ１９０と、接合部１３８とを有する。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下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１９０は、空気極１１４に対して上下方向の電解質層１１２とは反対側に配置され、かつ、空気極１１４と電気的に接続される。接合部１３８は、上下方向の単セル１１０とインターコネクタ１９０との間に位置し、かつ、単セル１１０とインターコネクタ１９０とを接合する部材であって、導電性材料を含有する。
【0067】
本実施形態の燃料電池スタック１００の製造方法は、第１工程Ｓ１１と、第２工程Ｓ１２と、第３工程Ｓ１３とを備える。第１工程Ｓ１１は、上下方向に並べて配置された複数の接合前発電単位１０７を含む複合体１０９を準備する工程である。各接合前発電単位１０７は、単セル１１０と、空気極１１４に対して上下方向の電解質層１１２とは反対側に配置されたインターコネクタ１９０と、上下方向の単セル１１０とインターコネクタ１９０との間に位置する接合前接合部１３９とを有する。接合前接合部１３９は、接合部１３８となる部材であり、導電性材料と熱可塑性材料とを含有する。第２工程Ｓ１２は、複合体１０９における少なくとも接合前接合部１３９を、接合前接合部１３９が軟化する第１の温度Ｔ１に加熱する工程である。第３工程Ｓ１３は、第２工程Ｓ１２を経て接合前接合部１３９が第１の温度Ｔ１に維持された複合体１０９を上下方向に加圧することにより、接合部１３８を形成する工程である。
【0068】
本製造方法では、上述したように、複合体１０９における少なくとも接合前接合部１３９を、接合前接合部１３９が軟化する温度に加熱する第２工程Ｓ１２を備え、第３工程Ｓ１３においては、第２工程Ｓ１２を経て接合前接合部１３９が第１の温度Ｔ１に維持された複合体１０９を上下方向に加圧する。本製造方法においては、第２工程Ｓ１２を備えない従来の製造方法と比較して、第３工程Ｓ１３において加圧する接合前接合部１３９は第２工程Ｓ１２を経ることにより軟化した状態であるため、複合体１０９の厚さにバラつきがある際において、第３工程Ｓ１３において複合体１０９の比較的厚い部分に加圧力が集中することが抑制される。よって、本製造方法によれば、第３工程Ｓ１３において複合体１０９の比較的厚い部分に加圧力が集中することに起因する単セル１１０の割れを抑制することができる。
【0069】
また、本製造方法では、第２工程Ｓ１２は、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料が気化する温度よりも低い温度に加熱する工程である。また、本製造方法では、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料は樹脂からなる構成としてもよい。
【0070】
接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料は樹脂からなる構成を採用した際に、仮に第２工程Ｓ１２において接合前接合部１３９を過度に高い温度で加熱すると、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料（つまり、熱可塑性樹脂）が気化することにより接合前接合部１３９の軟性が低下し、ひいては、第３工程Ｓ１３において上述した単セル１１０の割れを抑制する効果が低下する。
【0071】
これに対し、本製造方法において、上述したように、第２工程Ｓ１２において、接合前接合部１３９が軟化する温度であり、かつ、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料（つまり、熱可塑性樹脂）が気化する温度よりも低い温度に加熱する。そのため、本製造方法によれば、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料が気化する温度以上の温度に加熱する構成よりも効果的に、第３工程Ｓ１３において単セル１１０の割れを抑制することができる。
【0072】
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。
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。
【0073】
例えば、上記実施形態では、発電単位１０２は、空気極１１４に対して上下方向の電解質層１１２とは反対側に配置されたインターコネクタ１９０と、上下方向の単セル１１０とインターコネクタ１９０との間に位置し、かつ、単セル１１０とインターコネクタ１９０とを接合する接合部１３８と、を備える構成である。これに換えて、上記実施形態において、インターコネクタ１９０および接合部１３８に換えて、または加えて、燃料極１１６に対して上下方向の電解質層１１２とは反対側（下方）に配置され、かつ、燃料極１１６と電気的に接続されるインターコネクタ（以下、「燃料極側インターコネクタ」という。）と、上下方向の単セル１１０とインターコネクタ１９０との間に位置し、かつ、単セル１１０とインターコネクタ１９０とを接合する接合部（以下、「燃料極側接合部」という。）と、を備える構成であってもよい。燃料極側インターコネクタは、例えばインターコネクタ１９０と同様の構成（材料等）が採用され得る。燃料極側接合部は、例えば接合部１３８と同様の構成（材料等）が採用され得る。この構成においても、上記実施形態の製造方法の第１工程Ｓ１１、第２工程Ｓ１２、および第３工程Ｓ１３において、「インターコネクタ１９０」を「燃料極側インターコネクタ」に読み替え、かつ、「接合部１３８」を「燃料極側接合部」に読み替えた構成を採用することにより、上記実施形態と同様の理由（主に第２工程Ｓ１２および第３工程Ｓ１３を備えることに起因する理由）により、第３工程Ｓ１３において複合体１０９の比較的厚い部分に加圧力が集中することに起因する単セル１１０の割れを抑制することができる。
【0074】
また、上記実施形態では、第３工程Ｓ１３は、作業台に載置された複合体１０９を上方から治具により押圧することにより複合体１０９を上下方向に加圧する構成であるが、この他の方法で複合体１０９を上下方向に加圧する構成であってもよい。この他の方法としては、例えば、複合体１０９の上方および下方の両方から治具等で加圧する構成が挙げられる。
【0075】
また、上記実施形態では、第２工程Ｓ１２は、複合体１０９における少なくとも接合前接合部１３９を、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料が気化する温度よりも低い温度に加熱する構成である。これに換えて、上記実施形態において、接合前接合部１３９が軟化する第１の温度Ｔ１の範囲内であれば、接合前接合部１３９に含有される熱可塑性材料が気化する温度以上の温度に加熱にする構成であってもよい。
【0076】
また、上記実施形態では、ボルト２２およびナット２４により複合体１０９を締結する工程を経た後に第２工程Ｓ１２や第３工程Ｓ１３を行うとしているが、ボルト２２およびナット２４により複合体１０９を締結する工程を行う前に第２工程Ｓ１２や第３工程Ｓ１３を行うとしてもよい。
【0077】
また、上記実施形態では、インターコネクタ１９０は酸化被膜層１９４および被覆層１９６を含んでいるが、酸化被膜層１９４および／または被覆層１９６を含んでいなくてもよい。
【0078】
また、上記実施形態では、単セル１１０が中間層１１８を備えているが、単セル１１０が中間層１１８を備えないとしてもよい。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。
【0079】
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔１０８を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、連通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位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理由（主に第２工程Ｓ１２および第３工程Ｓ１３を備えることに起因する理由）により、第３工程Ｓ１３において複合体１０９の比較的厚い部分に加圧力が集中することに起因する電解単セルの割れを抑制することができる。
【0080】
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。
【符号の説明】
【0081】
２２（２２Ａ～２２Ｅ）： 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 １０３：発電ブロック １０４，１０６：エンドプレート １０４Ａ：孔 １０６Ａ：孔 １０７：接合前発電単位 １０８：連通孔 １０９：複合体 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １１８：中間層 １２０：単セル用セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １２５：ガラスシール部 １２６：内側部 １２７：外側部 １２８：連結部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤供給ガス流路 １３３：酸化剤排出ガス流路 １３４：空気極側集電部 １３８：接合部 １３９：接合前接合部 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給ガス流路 １４３：燃料ガス排出ガス流路 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：平板部 １６１：酸化剤ガス供給マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス供給マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：ＩＣ用セパレータ １８１：孔 １８６：内側部 １８７：外側部 １８８：連結部 １８９：下端用セパレータ １９０：インターコネクタ １９４：酸化被膜層 １９６：被覆層 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】