特開 2023-144595 電気化学反応セルスタック

(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】P2023144595

(43)【公開日】2023-10-11

(54)【発明の名称】電気化学反応セルスタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0247 20160101AFI20231003BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20231003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0247

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022051651

(22)【出願日】2022-03-28

(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】弁理士法人アルファ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大川 貴志

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA12

5H126BB06

5H126DD05

5H126JJ00

5H126JJ03

(57)【要約】

【課題】セパレータが区画する２つの流体流路の圧力差に起因するセパレータの変形を抑制することができる。
【解決手段】電気化学反応セルスタックは、複数の電気化学反応単位が積層された構成を有する。各電気化学反応単位は、電気化学反応単セルと、セパレータとを有する。電気化学反応単セルは、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。セパレータは、２つの流体流路を互いに区画する板状の部材である。セパレータは、屈曲部と、平板部とを有する。屈曲部の少なくとも一部である第１部分の剛性は、平板部の少なくとも一部である第２部分の剛性より高い。
【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、２つの流体流路を互いに区画する板状のセパレータとをそれぞれ有する複数の電気化学反応単位が積層された電気化学反応セルスタックにおいて、
前記セパレータは、平板部と、屈曲部と、を有し、
前記屈曲部の少なくとも一部である第１部分の剛性は、前記平板部の少なくとも一部である第２部分の剛性より高い、
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１部分には、前記セパレータの一方の表面側に凹であり、かつ、他方の表面側に凸である突起部が存在する、
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に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第１部分の板厚は、前記第２部分の板厚より厚い、
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、
前記セパレータは、
前記複数の電気化学反応単位の積層方向に略直交する方向に延びる内側部と、
前記積層方向視で前記内側部より外周側に位置し、かつ、前記積層方向に略直交する方向に延びる外側部と、
前記内側部と前記外側部とを連結し、かつ、前記内側部と前記外側部との両方に対して前記積層方向に突出している連結部と、
を有し、
前記屈曲部の前記第１部分は、前記内側部と前記連結部との接続箇所と、前記外側部と前記連結部との接続箇所と、前記連結部の少なくとも一部と、の少なくとも１つであり、
前記平板部の前記第２部分は、前記内側部の少なくとも一部と、前記外側部の少なくとも一部と、前記連結部の少なくとも一部と、の少なくとも１つである、
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４に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記連結部は、前記セパレータにより区画される前記２つの流体流路のうちの圧力が高い方の前記流体流路側に凹な形状である、
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、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）が知られている。ＳＯＦＣは、一般に、複数の燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という。）が積層された燃料電池スタックの形態で利用される。

【0003】

各発電単位は、燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という。）を有する。単セルは、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。

【0004】

また、各発電単位は、空気極に面するガス流路である空気室と、燃料極に面するガス流路である燃料室と、を互いに区画する板状のセパレータを有する。

【0005】

燃料電池スタックの定常運転時等においては、各部材の熱膨張差等に起因して単セルに応力が集中し、単セルの変形や割れが発生するおそれがある。従来、セパレータに屈曲部を設け、セパレータが該屈曲部において変形することによって応力を緩和し、応力集中による単セルの変形や割れを抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２１－２２５６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

燃料電池スタックの定常運転時等において、セパレータが区画する空気室と燃料室との間の圧力差が大きくなることがある。例えば、空気室の圧力が、燃料室の圧力より２ｋＰａ以上大きくなることがある。このように空気室と燃料室との間の圧力差が増大した際には、圧力の高い側（例えば空気室側）から圧力の低い側（例えば燃料室側）に向けてセパレータを押圧する荷重が大きくなり、セパレータにおいて変形しやすい部分である屈曲部が大きく変形するおそれがある。このようなセパレータの屈曲部の大きな変形は、ガス流路におけるガスの円滑な流通を阻害するため、望ましくない。

【0008】

なお、このような課題は、発電単位が空気室と燃料室とを互いに区画するセパレータを有する構成に限られず、発電単位が２つの流体流路を互いに区画するセパレータを有する構成において共通の課題である。

【0009】

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電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の構成単位である電解単セルを含む電解セル単位が複数積層された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い、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。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの燃料電池や電解セルにも共通の課題である。

【0010】

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】

【0011】

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。

【0012】

（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、複数の電気化学反応単位が積層された構成を有する。各電気化学反応単位は、電気化学反応単セルと、セパレータとを有する。電気化学反応単セルは、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。セパレータは、２つの流体流路を互いに区画する板状の部材である。セパレータは、屈曲部と、平板部とを有する。屈曲部の少なくとも一部である第１部分の剛性は、平板部の少なくとも一部である第２部分の剛性より高い。

【0013】

セパレータの屈曲部は、平板部と比較して、セパレータが区画する２つの流体流路の圧力差に起因して変形が発生しやすい箇所である。本電気化学反応セルスタックでは、セパレータの屈曲部の少なくとも一部である第１部分の剛性が、平板部の少なくとも一部である第２部分の剛性より高い。そのため、セパレータが区画する２つの流体流路の圧力差に起因するセパレータの変形を抑制することができる。これにより、セパレータの変形によって流体流路における流体の円滑な流通が阻害されることを抑制することができる。

【0014】

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１部分には、前記セパレータの一方の表面側に凹であり、かつ、他方の表面側に凸である突起部が存在す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、セパレータの構成を大きく変更することなく、かつ、比較的簡単な製造方法により、セパレータの第１部分の剛性が第２部分の剛性より高い構成を実現することができる。

【0015】

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１部分の板厚は、前記第２部分の板厚より厚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、セパレータの構成を大きく変更することなく、かつ、比較的簡単な製造方法により、セパレータの第１部分の剛性が第２部分の剛性より高い構成を実現することができる。

【0016】

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記セパレータは、前記複数の電気化学反応単位の積層方向に略直交する方向に延びる内側部と、前記積層方向視で前記内側部より外周側に位置し、かつ、前記積層方向に略直交する方向に延びる外側部と、前記内側部と前記外側部とを連結し、かつ、前記内側部と前記外側部との両方に対して前記積層方向に突出している連結部と、を有し、前記屈曲部の前記第１部分は、前記内側部と前記連結部との接続箇所と、前記外側部と前記連結部との接続箇所と、前記連結部の少なくとも一部と、の少なくとも１つであり、前記平板部の前記第２部分は、前記内側部の少なくとも一部と、前記外側部の少なくとも一部と、前記連結部の少なくとも一部と、の少なくとも１つ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、セパレータに、自ら変形することによって電気化学反応単セルへの応力集中を抑制する応力緩衝機能を持たせつつ、セパレータが区画する２つの流体流路の圧力差に起因するセパレータの変形を抑制することができる。

【0017】

（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記連結部は、前記セパレータにより区画される前記２つの流体流路のうちの圧力が高い方の前記流体流路側に凹な形状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、セパレータが区画する２つの流体流路の圧力差に起因するセパレータの変形を効果的に抑制することができる。

【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）やそ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

【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

【図3】図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図

【図4】図１のＩＶ－ＩＶ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

【図5】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

【図6】図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図

【図7】図４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

【図8】第１実施形態における単セル用セパレータ１２０の詳細構成を示す斜視図

【図9】第２実施形態における単セル用セパレータ１２０の詳細構成を示す斜視図

【図10】第３実施形態における発電単位１０２の構成を示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0020】

Ａ．第１実施形態：
Ａ－１．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ＸＺ断面構成を示す説明図であり、図４は、図１のＩＶ－ＩＶ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５以降についても同様である。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の一例である。

【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、単に「発電単位」という。）１０２と、末端セパレータ２１０と、上端プレート２２０と、下端プレート１８９と、一対のターミナルプレート４１０，４２０と、絶縁部２００と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。

【0022】

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。一対のターミナルプレート４１０，４２０のうちの一方（以下、「上側ターミナルプレート４１０」という。）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。）の上側に配置されており、一対のターミナルプレート４１０，４２０のうちの他方（以下、「下側ターミナルプレート４２０」という。）は、発電ブロック１０３の下側に配置されている。末端セパレータ２１０は、上側ターミナルプレート４１０の上側に配置されており、下端プレート１８９は、下側ターミナルプレート４２０の下側に配置されている。絶縁部２００は、末端セパレータ２１０の上側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの一方（以下、「上側エンドプレート１０４」という。）は、絶縁部２００の上側に配置されており、一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの他方（以下、「下側エンドプレート１０６」という。）は、下端プレート１８９の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、発電ブロック１０３と、末端セパレータ２１０と、下端プレート１８９と、一対のターミナルプレート４１０，４２０と、絶縁部２００とを上下から挟むように配置されている。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の一例である。

【0023】

図１および図４に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（発電ブロック１０３、末端セパレータ２１０、下端プレート１８９、一対のターミナルプレート４１０，４２０、および、絶縁部２００）のＺ軸方向回りの外周の４つの角部付近には、各層を上下方向に貫通する孔が形成されている。上側エンドプレート１０４のＺ軸方向回りの外周の４つの角部付近には、孔（ネジ孔）が貫通形成されており、下側エンドプレート１０６のＺ軸方向回りの外周の４つの角部付近には、孔（ネジ孔）が貫通形成されている。これらの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。以下の説明では、ボルト孔１０９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、ボルト孔１０９と呼ぶ場合がある。

【0024】

各ボルト孔１０９にはボルト２２が挿入されている。各ボルト２２の上端部は、上側エンドプレート１０４の孔を介してナット２４のネジ孔に螺合しており、各ボルト２２の下端部は、下側エンドプレート１０６の孔を介してナット２４のネジ孔に螺合している。このような構成のボルト２２およびナット２４により、燃料電池スタック１００の各層が一体に締結されている。

【0025】

また、図１から図３に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（各発電単位１０２、下側ターミナルプレート４２０、下端プレート１８９、下側エンドプレート１０６）のＺ軸方向回りの周縁部には、各層を上下方向に貫通する４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、最上部の発電単位１０２から下側エンドプレート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。なお、以下、連通孔１０８のうち、下側エンドプレート１０６に形成された孔を、特にエンド貫通孔１０７という。

【0026】

図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周を構成する１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の付近に位置する１つの連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の後述する空気室１６６に供給するガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺の付近に位置する１つの連通孔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の外部へ排出するガス流路である酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、酸化剤ガスＯＧとしては、例えば空気が使用される。

【0027】

また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周を構成する辺の内、上述した酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する連通孔１０８に最も近い辺の付近に位置する他の１つの連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の後述する燃料室１７６に供給するガス流路である燃料ガス供給マニホールド１７１として機能し、上述した酸化剤ガス供給マニホールド１６１として機能する連通孔１０８に最も近い辺の付近に位置する他の１つの連通孔１０８は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へ排出するガス流路である燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、燃料ガスＦＧとしては、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。以下では、空気室１６６と燃料室１７６とを、まとめて「ガス室」という。

【0028】

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、例えば金属により形成され、中空筒状の本体部２８とフランジ部２９とを有している。本体部２８には、上下方向に貫通するガス貫通孔２６が形成されている。本体部２８の上端は、下側エンドプレート１０６に形成されたエンド貫通孔１０７内に挿入され、例えば溶接により接合されている。フランジ部２９は、本体部２８の下端側から上下方向に垂直な面方向に張り出すように設けられている。フランジ部２９の上下方向視での形状は略矩形状であり、フランジ部２９の４つの角部のそれぞれにはボルト孔２９Ａ（図１参照）が形成されている。各ボルト孔２９Ａには、燃料電池スタック１００を外部装置に接続するためのボルト（図示しない）が挿入される。

【0029】

図２に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６１の位置に配置されたガス通路部材２７のガス貫通孔２６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の位置に配置されたガス通路部材２７のガス貫通孔２６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の位置に配置されたガス通路部材２７のガス貫通孔２６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の位置に配置されたガス通路部材２７のガス貫通孔２６は、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。

【0030】

（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、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば金属により形成されている。一対のエンドプレート１０４，１０６の中央付近には、それぞれ、Ｚ軸方向に貫通する孔３２，３４が形成されている。Ｚ軸方向視で、一対のエンドプレート１０４，１０６のそれぞれに形成された孔３２，３４の内周線は、後述する各単セル１１０の少なくとも一部を内包している。各ボルト２２およびナット２４による締結によって生じるＺ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位１０２の周縁部（後述する各単セル１１０より外周側の部分）に作用する。

【0031】

（ターミナルプレート４１０，４２０の構成）
一対のターミナルプレート４１０，４２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、導電材料により形成されている。上側ターミナルプレート４１０の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔４１２が形成されている。Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート４１０に形成された孔４１２の内周線は、後述する各単セル１１０を内包している。Ｚ軸方向視で、一対のターミナルプレート４１０，４２０のそれぞれの一方側の端部は、発電ブロック１０３から側方に張り出している。上側ターミナルプレート４１０の張り出し部分は、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、下側ターミナルプレート４２０の張り出し部分は、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。

【0032】

（上端プレート２２０の構成）
上端プレート２２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、導電材料により形成されている。上端プレート２２０は、発電ブロック１０３の上側に配置されており、発電ブロック１０３における上端に位置するインターコネクタ１９０（後述）に電気的に接続されている。本実施形態では、上端プレート２２０とインターコネクタ１９０とは、後述の燃料極側集電部材１４４と同一構造の接続部材を介して電気的に接続されている。

【0033】

（末端セパレータ２１０の構成）
末端セパレータ２１０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔２１１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。末端セパレータ２１０における貫通孔２１１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、上端プレート２２０の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。末端セパレータ２１０は、上端プレート２２０と発電ブロック１０３との間の空間と燃料電池スタック１００の外部空間とを区画する。

【0034】

末端セパレータ２１０は、末端セパレータ２１０の貫通孔周囲部を含む内側部２１６と、内側部２１６より外周側に位置する外側部２１７と、内側部２１６と外側部２１７とを連結する連結部２１８とを備える。本実施形態では、内側部２１６および外側部２１７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部２１８は、内側部２１６と外側部２１７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状である。すなわち、連結部２１８は、下側に凸、かつ、上側に凹な形状である。連結部２１８は、Ｚ軸方向における位置が内側部２１６および外側部２１７とは異なる部分を含んでいる。このような構成の末端セパレータ２１０は、燃料電池スタック１００の定常運転時等において各部材の熱膨張差に起因する応力を、自ら変形することによって緩和（吸収）し、これにより、単セル１１０に応力が集中して単セル１１０の変形や割れが発生することを抑制する。

【0035】

（下端プレート１８９の構成）
下端プレート１８９は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。下端プレート１８９の周縁部は、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との間に挟み込まれており、これにより、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との絶縁性とが確保されている。

【0036】

（絶縁部２００の構成）
絶縁部２００は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔が形成されたフレーム状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。絶縁部２００は、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との間に挟み込まれており、これにより、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２のシール性と、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との絶縁性とが確保されている。

【0037】

（発電単位１０２の構成）
図５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６は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図７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２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。

【0038】

図５から図７に示すように、発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）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、燃料極側集電部材１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ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、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する各連通孔１０８を構成する孔と、各ボルト孔１０９を構成する孔とが形成されている。

【0039】

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上側に配置された空気極１１４と、電解質層１１２の下側に配置された燃料極１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された反応防止層１１８とを備える。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、反応防止層１１８）を支持する燃料極支持形の単セルである。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の一例である。

【0040】

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、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含むように構成されている。すなわち、本実施形態の単セル１１０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。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、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））を含むように構成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２と略同じ大きさの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。反応防止層１１８は、Ｚ軸方向視で空気極１１４と略同じ大きさの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）を含むように構成されている。反応防止層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、ＳｒＺｒＯ_３）が生成されることを抑制する機能を有する。

【0041】

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貫通孔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における貫通孔１２１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部における上側の表面に対向している。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、単セル１１０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とが区画される。単セル用セパレータ１２０の厚さは、例えば０．０５ｍｍ～０．３ｍｍである。なお、燃料電池スタック１００の定常運転時等においては、空気室１６６の圧力が、燃料室１７６の圧力より２ｋＰａ以上大きくなることがある。なお、燃料電池スタック１００の流体流路の圧力は、該流路を流れる媒体、流量、流路の断面積、発電条件（電流値）に基づき算出することができる。単セル用セパレータ１２０は、特許請求の範囲におけるセパレータの一例であり、単セル用セパレータ１２０により区画された空気室１６６および燃料室１７６は、特許請求の範囲における２つの流体流路の一例である。

【0042】

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および外側部１２７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、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である。すなわち、連結部１２８は、下側に凸、かつ、上側に凹な形状である。換言すれば、連結部１２８は、単セル用セパレータ１２０により区画される空気室１６６および燃料室１７６のうちの圧力が高い方である空気室１６６側に凹な形状である。連結部１２８は、Ｚ軸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。このような構成の単セル用セパレータ１２０は、燃料電池スタック１００の定常運転時等において各部材の熱膨張差に起因する応力を、自ら変形することによって緩和（吸収）し、これにより、単セル１１０に応力が集中して単セル１１０の変形や割れが発生することを抑制する。

【0043】

単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１付近には、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、接合部１２４に対して空気室１６６側に位置しており、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のリーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。

【0044】

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柱状の空気極側集電部１３４とを有する導電性の部材であり、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。本実施形態では、インターコネクタ１９０の表面（空気室１６６に面する表面）に、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性の被覆層１９４が形成されている。以下では、被覆層１９４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。インターコネクタ１９０の各空気極側集電部１３４は、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性接合材１９６を介して、単セル１１０の空気極１１４に接合されており、これにより単セル１１０の空気極１１４に電気的に接続されている。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。また、燃料電池スタック１００は下側ターミナルプレート４２０および下端プレート１８９を備えているため、燃料電池スタック１００において最も下側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（図２から図４参照）。

【0045】

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貫通孔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における貫通孔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の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、上側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の空気室１６６と、該発電単位１０２に対して上側に隣り合う他の発電単位１０２の燃料室１７６とを区画する。また、ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、下側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の燃料室１７６と、該発電単位１０２に対して下側に隣り合う他の発電単位１０２の空気室１６６とを区画する。このように、ＩＣ用セパレータ１８０により、発電単位１０２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。なお、燃料電池スタック１００において最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０に接合されたＩＣ用セパレータ１８０は、上側ターミナルプレート４１０に電気的に接続されている。ＩＣ用セパレータ１８０の厚さは、例えば０．０５ｍｍ～０．３ｍｍである。ＩＣ用セパレータ１８０は、特許請求の範囲におけるセパレータの一例であり、ＩＣ用セパレータ１８０により区画された空気室１６６および燃料室１７６は、特許請求の範囲における２つの流体流路の一例である。

【0046】

ＩＣ用セパレータ１８０は、ＩＣ用セパレータ１８０の貫通孔周囲部を含む内側部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。本実施形態では、内側部１８６および外側部１８７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、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である。すなわち、連結部１８８は、下側に凸、かつ、上側に凹な形状である。連結部１８８は、Ｚ軸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。このような構成のＩＣ用セパレータ１８０は、燃料電池スタック１００の定常運転時等において各部材の熱膨張差に起因する応力を、自ら変形することによって緩和（吸収）し、これにより、単セル１１０に応力が集中して単セル１１０の変形や割れが発生することを抑制する。なお、本実施形態では、ＩＣ用セパレータ１８０は、全周にわたってＺ軸方向視で単セル用セパレータ１２０と重なる位置に設けられている。ただし、ＩＣ用セパレータ１８０の少なくとも一部が、Ｚ軸方向視で単セル用セパレータ１２０と重ならない位置に設けられていてもよい。

【0047】

空気極側フレーム１３０は、中央付近にＺ軸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、単セル用セパレータ１２０の周縁部における上側の表面と、上側のＩＣ用セパレータ１８０の周縁部における下側の表面とに接触しており、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ＩＣ用セパレータ１８０の間（すなわち、一対のインターコネクタ１９０の間）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。

【0048】

燃料極側フレーム１４０は、中央付近にＺ軸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の周縁部における下側の表面と、下側のＩＣ用セパレータ１８０の周縁部における上側の表面とに接触している。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。

【0049】

燃料極側集電部材１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部材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の下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の平板部１５０の上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において最も下側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、該発電単位１０２における燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６は、下側ターミナルプレート４２０に接触している。燃料極側集電部材１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１９０（または下端プレート１８９）とを電気的に接続する。なお、燃料極側集電部材１４４の電極対向部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、燃料極側集電部材１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電部材１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１９０（または下側ターミナルプレート４２０）との電気的接続が良好に維持される。燃料極側集電部材１４４は、例えば、平板状の材料（例えば、厚さ１０～２００μｍのニッケル箔）に複数の矩形の切り込みを入れ、該材料の上に複数の孔が形成されたシート状の燃料極側集電部材１４４を配置した状態で、複数の矩形部分を曲げ起こしてスペーサー１４９を挟むように加工することにより作製される。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。

【0050】

Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図５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の本体部２８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のガス貫通孔２６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６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の本体部２８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のガス貫通孔２６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の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

【0051】

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は上側のインターコネクタ１９０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電部材１４４を介して下側のインターコネクタ１９０（または、下端プレート１８９）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。また、最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０およびＩＣ用セパレータ１８０は、上側ターミナルプレート４１０に電気的に接続されており、最も下側に位置する発電単位１０２の燃料極側集電部材１４４には、下側ターミナルプレート４２０が電気的に接続されている。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ターミナルプレート４１０，４２０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６００℃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。

【0052】

図２および図５に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から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に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、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のガス貫通孔２６を経て、当該本体部２８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３および図６に示すように、各発電単位１０２の燃料室１７６から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に排出された燃料オフガスＦＯＧは、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のガス貫通孔２６を経て、当該本体部２８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。

【0053】

なお、本実施形態の燃料電池スタック１００は、各発電単位１０２において、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向（Ｘ軸正方向からＸ軸負方向へ向かう方向）と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（Ｘ軸負方向からＸ軸正方向へ向かう方向）とが略反対方向（互いに対向する方向）である、カウンターフロータイプのＳＯＦＣである。

【0054】

Ａ－３．単セル用セパレータ１２０の詳細構成：
次に、単セル用セパレータ１２０の詳細構成について説明する。図８は、第１実施形態における単セル用セパレータ１２０の詳細構成を示す斜視図である。図８には、単セル用セパレータ１２０における連結部１２８付近の一部分の構成を拡大して示している。

【0055】

上述したように、単セル用セパレータ１２０は、複数の発電単位１０２の積層方向（Ｚ軸方向）に略直交する方向に延びる内側部１２６と、該積層方向視で内側部１２６より外周側に位置し、かつ、該積層方向に略直交する方向に延びる外側部１２７と、内側部１２６と外側部１２７とを連結し、かつ、内側部１２６と外側部１２７との両方に対して該積層方向に突出している連結部１２８とを有している。なお、本実施形態では、単セル用セパレータ１２０の板厚は、全体にわたって略一定である。

【0056】

図８に示すように、連結部１２８は、内側部１２６との接続箇所（内側部１２６の外周端部）から下方に延伸する内側延伸部１２８Ａと、内側延伸部１２８Ａの下端部において屈曲した内側屈曲部１２８Ｂと、内側屈曲部１２８Ｂから外周側に延伸する中央延伸部１２８Ｃと、中央延伸部１２８Ｃの外周端部において屈曲した外側屈曲部１２８Ｄと、外側屈曲部１２８Ｄから外側部１２７との接続箇所（外側部１２７の内周端部）に向けて上方に延伸する外側延伸部１２８Ｅとを含んでいる。なお、中央延伸部１２８Ｃは、内側部１２６や外側部１２７と同様に、複数の発電単位１０２の積層方向（Ｚ軸方向）に略直交する方向に延びる部分である。

【0057】

単セル用セパレータ１２０の上記構成は、単セル用セパレータ１２０は屈曲部１２０Ａと平板部１２０Ｂとを有する、と換言することができる。なお、本明細書において、板状部材の「屈曲部」とは、板厚を超えて屈曲している部分を意味し、板厚の範囲内での屈曲（うねり等）を意味しない。

【0058】

図８に示すように、単セル用セパレータ１２０の屈曲部１２０Ａは、例えば、内側部１２６と連結部１２８との接続箇所、外側部１２７と連結部１２８との接続箇所、連結部１２８における内側屈曲部１２８Ｂおよび外側屈曲部１２８Ｄである。一方、単セル用セパレータ１２０の平板部１２０Ｂは、単セル用セパレータ１２０における屈曲部１２０Ａ以外の部分であり、例えば、内側部１２６における連結部１２８との接続箇所以外の部分、外側部１２７における連結部１２８との接続箇所以外の部分、連結部１２８における中央延伸部１２８Ｃである。

【0059】

図８に示すように、単セル用セパレータ１２０の屈曲部１２０Ａの少なくとも一部である第１部分Ｐ１には、突起部１２０Ｘが存在している。本実施形態では、第１部分Ｐ１は、屈曲部１２０Ａのうち、外側部１２７と連結部１２８との接続箇所である。突起部１２０Ｘは、単セル用セパレータ１２０の一方の表面側に凹であり、かつ、他方の表面側に凸である部分である。本実施形態では、突起部１２０Ｘは、空気室１６６側に凹であり、燃料室１７６側に凸である。また、本実施形態では、第１部分Ｐ１である外側部１２７と連結部１２８との接続箇所に、複数の突起部１２０Ｘが、該接続箇所の延伸方向（図８の例ではＹ軸方向）に沿って略均等に並ぶように形成されている。また、図８では、単セル用セパレータ１２０の一部の箇所のみを示しているが、本実施形態では、外側部１２７と連結部１２８との接続箇所（Ｚ軸方向視で略矩形の枠状の箇所）の全体にわたって、複数の突起部１２０Ｘが略均等に並ぶように形成されている。

【0060】

このように、本実施形態の単セル用セパレータ１２０では、屈曲部１２０Ａの少なくとも一部である第１部分Ｐ１に突起部１２０Ｘが存在しているため、第１部分Ｐ１の剛性が、平板部１２０Ｂの少なくとも一部である第２部分Ｐ２の剛性より高くなっている。本実施形態では、第２部分Ｐ２は、平板部１２０Ｂにおける任意の部分である。本実施形態では、単セル用セパレータ１２０の板厚は全体にわたって略一定であり、かつ、第２部分Ｐ２には突起部１２０Ｘが存在しないため、突起部１２０Ｘが存在する第１部分Ｐ１の剛性が第２部分Ｐ２の剛性より高くなっている。

【0061】

上述した構成の単セル用セパレータ１２０は、例えば、プレス加工によって突起部１２０Ｘ形成前の単セル用セパレータ１２０を作製した後、プレス加工によって打痕としての突起部１２０Ｘを形成することにより作製することができる。

【0062】

本実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２の単セル用セパレータ１２０が、上述した構成を備えている。また、図示しないが、本実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２のＩＣ用セパレータ１８０が、上述した単セル用セパレータ１２０の構成と同様の構成を備えている。すなわち、ＩＣ用セパレータ１８０は平板部と屈曲部とを有し、屈曲部の少なくとも一部である第１部分に、ＩＣ用セパレータ１８０の一方の表面側に凹であり、かつ、他方の表面側に凸である突起部が存在することにより、第１部分の剛性が平板部の少なくとも一部である第２部分の剛性より高くなっている。

【0063】

Ａ－４．第１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、複数の発電単位１０２が積層された構成を有する。各発電単位１０２は、単セル１１０と、単セル用セパレータ１２０とを有する。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを含む。単セル用セパレータ１２０は、空気室１６６と燃料室１７６とを区画する板状の部材である。単セル用セパレータ１２０は、屈曲部１２０Ａと、平板部１２０Ｂとを有する。屈曲部１２０Ａの少なくとも一部である第１部分Ｐ１の剛性は、平板部１２０Ｂの少なくとも一部である第２部分Ｐ２の剛性より高い。

【0064】

単セル用セパレータ１２０の屈曲部１２０Ａは、平板部１２０Ｂと比較して、単セル用セパレータ１２０が区画する空気室１６６と燃料室１７６との間の圧力差に起因して変形が発生しやすい箇所である。本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述したように、屈曲部１２０Ａの少なくとも一部である第１部分Ｐ１の剛性が、平板部１２０Ｂの少なくとも一部である第２部分Ｐ２の剛性より高い。そのため、単セル用セパレータ１２０が区画する空気室１６６と燃料室１７６との間の圧力差に起因する単セル用セパレータ１２０の変形を抑制することができる。これにより、単セル用セパレータ１２０の変形によって空気室１６６または燃料室１７６におけるガスの円滑な流通が阻害されることを抑制することができる。

【0065】

なお、例えば単セル用セパレータ１２０の板厚を一律に増大させて単セル用セパレータ１２０の剛性を一律に高めることも考えられるが、そのような構成では、重量の増加や熱マスの増加を招くために好ましくない上に、単セル用セパレータ１２０において変形しやすい箇所が存在するという課題は依然として解決されない。本実施形態では、単セル用セパレータ１２０の平板部１２０Ｂと比べて形状的に変形しやすい屈曲部１２０Ａの剛性を平板部１２０Ｂより高めることにより、重量の増加や熱マスの増加を招くことなく、単セル用セパレータ１２０において変形しやすい箇所をなくすことができ、極めて有用である。

【0066】

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、単セル用セパレータ１２０の第１部分Ｐ１に、単セル用セパレータ１２０の一方の表面側に凹であり、かつ、他方の表面側に凸である突起部１２０Ｘが存在する。そのため、単セル用セパレータ１２０の構成を大きく変更することなく、かつ、比較的簡単な製造方法により、単セル用セパレータ１２０の第１部分Ｐ１の剛性が第２部分Ｐ２の剛性より高い構成を実現することができる。

【0067】

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、単セル用セパレータ１２０は、複数の発電単位１０２の積層方向（Ｚ軸方向）に略直交する方向に延びる内側部１２６と、該積層方向視で内側部１２６より外周側に位置し、かつ、該積層方向に略直交する方向に延びる外側部１２７と、内側部１２６と外側部１２７とを連結し、かつ、内側部１２６と外側部１２７との両方に対して該積層方向に突出している連結部１２８とを有する。また、単セル用セパレータ１２０の屈曲部１２０Ａの第１部分Ｐ１は、外側部１２７と連結部１２８との接続箇所である。また、単セル用セパレータ１２０の平板部１２０Ｂの第２部分Ｐ２は、内側部１２６の少なくとも一部と、外側部１２７の少なくとも一部と、連結部１２８の少なくとも一部と、の少なくとも１つである。そのため、単セル用セパレータ１２０に、自ら変形することによって単セル１１０への応力集中を抑制する応力緩衝機能を持たせつつ、単セル用セパレータ１２０が区画する空気室１６６と燃料室１７６との間の圧力差に起因する単セル用セパレータ１２０の変形を抑制することができる。

【0068】

なお、本実施形態の燃料電池スタック１００では、各発電単位１０２が、空気室１６６と燃料室１７６とを区画する板状の部材であるＩＣ用セパレータ１８０を有し、ＩＣ用セパレータ１８０は、上述した単セル用セパレータ１２０の構成と同様の構成を有している。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、ＩＣ用セパレータ１８０が区画する空気室１６６と燃料室１７６との間の圧力差に起因するＩＣ用セパレータ１８０の変形を抑制することができる。

【0069】

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、単セル用セパレータ１２０の連結部１２８は、単セル用セパレータ１２０が区画する空気室１６６および燃料室１７６うち、圧力がより高いガス流路である空気室１６６側に凹な形状である。一般に、単セル用セパレータ１２０等の板状部材は、凹側からの荷重によっては変形しにくい特性がある。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、単セル用セパレータ１２０が区画する空気室１６６と燃料室１７６との間の圧力差に起因する単セル用セパレータ１２０の変形をさらに効果的に抑制することができる。

【0070】

Ｂ．第２実施形態：
図９は、第２実施形態における単セル用セパレータ１２０の詳細構成を示す斜視図である。以下では、第２実施形態の単セル用セパレータ１２０の構成のうち、上述した第１実施形態の単セル用セパレータ１２０の構成とは異なる点に限って説明する。

【0071】

図９に示すように、第２実施形態の単セル用セパレータ１２０では、連結部１２８の中央延伸部１２８Ｃの板厚ｔ２が、単セル用セパレータ１２０における他の部分の板厚ｔ１より薄くなっている。すなわち、単セル用セパレータ１２０の屈曲部１２０Ａの少なくとも一部である第１部分Ｐ１（本実施形態では、すべての屈曲部１２０Ａ）の板厚ｔ１は、平板部１２０Ｂの少なくとも一部である第２部分Ｐ２（本実施形態では、連結部１２８の中央延伸部１２８Ｃ）の板厚ｔ２より厚い。なお、図９では、単セル用セパレータ１２０の一部の箇所のみを示しているが、本実施形態では、連結部１２８の中央延伸部１２８Ｃの全体にわたって、板厚ｔ２が、単セル用セパレータ１２０における他の部分の板厚ｔ１より薄くなっている。

【0072】

このように、本実施形態の単セル用セパレータ１２０では、単セル用セパレータ１２０の屈曲部１２０Ａの少なくとも一部である第１部分Ｐ１の板厚ｔ１が、平板部１２０Ｂの少なくとも一部である第２部分Ｐ２の板厚ｔ２より厚いため、第１部分Ｐ１の剛性が第２部分Ｐ２の剛性より高くなっている。

【0073】

上述した構成の単セル用セパレータ１２０は、例えば、プレス加工によって板厚が略一定の単セル用セパレータ１２０を作製した後、切削加工によって連結部１２８の中央延伸部１２８Ｃの板厚を薄くすることにより作製することができる。

【0074】

本実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２の単セル用セパレータ１２０が、上述した構成を備えている。また、図示しないが、本実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２のＩＣ用セパレータ１８０が、上述した単セル用セパレータ１２０の構成と同様の構成を備えている。

【0075】

このように、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、単セル用セパレータ１２０の屈曲部１２０Ａの少なくとも一部である第１部分Ｐ１の剛性が、平板部１２０Ｂの少なくとも一部である第２部分Ｐ２の剛性より高い。そのため、単セル用セパレータ１２０が区画する空気室１６６と燃料室１７６との間の圧力差に起因する単セル用セパレータ１２０の変形を抑制することができる。

【0076】

また、第２実施形態では、単セル用セパレータ１２０の第１部分Ｐ１の板厚ｔ１が、第２部分Ｐ２の板厚ｔ２より厚い。そのため、単セル用セパレータ１２０の構成を大きく変更することなく、かつ、比較的簡単な製造方法により、単セル用セパレータ１２０の第１部分Ｐ１の剛性が第２部分Ｐ２の剛性より高い構成を実現することができる。

【0077】

Ｃ．第３実施形態：
図１０は、第３実施形態における発電単位１０２の構成を示す説明図である。以下では、第３実施形態の発電単位１０２の構成のうち、上述した第１実施形態の発電単位１０２の構成とは異なる点に限って説明する。

【0078】

図１０に示すように、第３実施形態の発電単位１０２では、ＩＣ用セパレータ１８０の連結部１８８が、上側に凸、かつ、下側に凹な形状である。換言すれば、ＩＣ用セパレータ１８０の連結部１８８は、単セル用セパレータ１２０の連結部１２８と同様に、セパレータにより区画される空気室１６６および燃料室１７６のうちの圧力が高い方である空気室１６６側に凹な形状である。

【0079】

このように、第３実施形態では、単セル用セパレータ１２０の連結部１２８と同様に、ＩＣ用セパレータ１８０の連結部１８８が、セパレータにより区画する空気室１６６および燃料室１７６うち、圧力がより高い空気室１６６側に凹な形状である。そのため、ＩＣ用セパレータ１８０が区画する空気室１６６と燃料室１７６との間の圧力差に起因するＩＣ用セパレータ１８０の変形をさらに効果的に抑制することができる。

【0080】

Ｄ．変形例：
本明細書に開示される技術は、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。

【0081】

上記実施形態における燃料電池スタック１００やその構成部材の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記第１実施形態では、単セル用セパレータ１２０に形成された突起部１２０Ｘは、空気室１６６側に凹であり、燃料室１７６側に凸であるが、反対に、突起部１２０Ｘが、空気室１６６側に凸であり、燃料室１７６側に凹であってもよい。また、上記第１実施形態では、複数の突起部１２０Ｘが略均等に並ぶように形成されているが、複数の突起部１２０Ｘが不均等に並ぶように形成されていてもよい。また、単セル用セパレータ１２０に形成される突起部１２０Ｘの個数は、１以上の任意の個数に設定可能である。また、上記第１実施形態では、単セル用セパレータ１２０の屈曲部１２０Ａのうち、外側部１２７と連結部１２８との接続箇所に突起部１２０Ｘが形成されているが、該箇所に代えて、あるいは、該箇所と共に、他の屈曲部１２０Ａ（内側部１２６と連結部１２８との接続箇所、連結部１２８の内側屈曲部１２８Ｂおよび外側屈曲部１２８Ｄ）に突起部１２０Ｘが形成されていてもよい。突起部１２０Ｘが形成された箇所は、第１部分Ｐ１に該当する。

【0082】

上記第２実施形態では、単セル用セパレータ１２０の連結部１２８の中央延伸部１２８Ｃの全体にわたって、中央延伸部１２８Ｃの板厚ｔ２が他の部分の板厚ｔ１より薄くなっているが、中央延伸部１２８Ｃの一部のみにおいて、中央延伸部１２８Ｃの板厚ｔ２が他の部分の板厚ｔ１より薄くなっているとしてもよい。また、上記第２実施形態では、単セル用セパレータ１２０の平板部１２０Ｂのうち、連結部１２８の中央延伸部１２８Ｃの板厚が薄くなっているが、該箇所に代えて、あるいは、該箇所と共に、他の平板部１２０Ｂ（内側部１２６や外側部１２７）の板厚が薄くなっていてもよい。板厚が薄くされた箇所は、第２部分Ｐ２に該当する。また、上記第２実施形態では、単セル用セパレータ１２０のうちの一部（連結部１２８の内側延伸部１２８Ａ）の板厚を薄くすることにより、屈曲部１２０Ａの少なくとも一部である第１部分Ｐ１の板厚が平板部１２０Ｂの少なくとも一部である第２部分Ｐ２の板厚より厚い、という構成を実現しているが、反対に、単セル用セパレータ１２０のうちの一部（屈曲部１２０Ａの少なくとも一部）の板厚を厚くすることにより、上記構成を実現してもよい。

【0083】

単セル用セパレータ１２０の屈曲部１２０Ａの少なくとも一部である第１部分Ｐ１の剛性が平板部１２０Ｂの少なくとも一部である第２部分Ｐ２の剛性より高い、という構成を実現するために、上記第１実施形態の構成（突起部１２０Ｘが形成された構成）と、上記第２実施形態の構成（板厚を異ならせた構成）とを組み合わせてもよい。

【0084】

上記各実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２において、単セル用セパレータ１２０の屈曲部１２０Ａの少なくとも一部である第１部分Ｐ１の剛性が平板部１２０Ｂの少なくとも一部である第２部分Ｐ２の剛性より高い、という構成が実現されているが、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも一部の発電単位１０２において上記構成が実現されていればよい。

【0085】

上記各実施形態では、単セル用セパレータ１２０およびＩＣ用セパレータ１８０の両方について、屈曲部の少なくとも一部である第１部分の剛性が平板部の少なくとも一部である第２部分の剛性より高い、という構成が実現されているが、単セル用セパレータ１２０とＩＣ用セパレータ１８０との少なくとも一方について上記構成が実現されていればよい。

【0086】

上記各実施形態では、単セル用セパレータ１２０および／またはＩＣ用セパレータ１８０について、屈曲部の少なくとも一部である第１部分の剛性が平板部の少なくとも一部である第２部分の剛性より高い、という構成が実現されているが、該部材に代えて、あるいは、該部材と共に、他のセパレータ（２つの流体流路を互いに区画する板状部材）について、上記構成が実現されていてもよい。

【0087】

上記各実施形態では、各発電単位１０２がＩＣ用セパレータ１８０を有するが、各発電単位１０２がＩＣ用セパレータ１８０を有さないとしてもよい。この場合には、例えば、インターコネクタ１９０が燃料電池スタック１００の外周縁まで延伸した構成とすればよい。

【0088】

上記各実施形態では、単セル用セパレータ１２０が、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の連結部１２８を有しているが、連結部１２８の形状は他の形状であってもよい。ＩＣ用セパレータ１８０における連結部１８８についても同様である。

【0089】

上記各実施形態では、単セル１１０は燃料極支持形の単セルであるが、電解質支持形や金属支持形等の他のタイプの単セルであってもよい。また、上記各実施形態では、燃料電池スタック１００がカウンターフロータイプの燃料電池であるが、燃料電池スタック１００がコフロータイプといった他のタイプの燃料電池であってもよい。

【0090】

上記各実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数（発電単位１０２の個数）は、あくまで一例であり、単セル１１０の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記各実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。

【0091】

上記各実施形態では、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、本明細書に開示される技術は、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、電解セル単位を複数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、電解セル単位および電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における発電単位１０２および燃料電池スタック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、マニホールド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、マニホールド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、上記実施形態と同様の構成を採用すると、セパレータが区画する２つの流体流路間の圧力差に起因するセパレータの変形を抑制することができる。

【0092】

上記実施形態では、いわゆる平板型の燃料電池スタックを例に用いて説明したが、本明細書に開示される技術は、以下に説明するように、平板型に限らず、他のタイプ（いわゆる円筒平板型や円筒形）の燃料電池スタック（または電解セルスタック）にも同様に適用可能である。

【0093】

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、本明細書に開示される技術は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、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】

【0094】

２２：ボルト ２４：ナット ２６：ガス貫通孔 ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：フランジ部 ２９Ａ：ボルト孔 ３２，３４：孔 １００：燃料電池スタック １０２：燃料電池発電単位 １０３：発電ブロック １０４：上側エンドプレート １０６：下側エンドプレート １０７：エンド貫通孔 １０８：連通孔 １０９：ボルト孔 １１０：燃料電池単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １１８：反応防止層 １２０：単セル用セパレータ １２０Ａ：屈曲部 １２０Ｂ：平板部 １２０Ｘ：突起部 １２１：貫通孔 １２４：接合部 １２５：ガラスシール部 １２６：内側部 １２７：外側部 １２８：連結部 １２８Ａ：内側延伸部 １２８Ｂ：内側屈曲部 １２８Ｃ：中央延伸部 １２８Ｄ：外側屈曲部 １２８Ｅ：外側延伸部 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：空気極側集電部 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：燃料極側集電部材 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：貫通孔 １８６：内側部 １８７：外側部 １８８：連結部 １８９：下端プレート １９０：インターコネクタ １９４：被覆層 １９６：導電性接合材 ２００：絶縁部 ２１０：末端セパレータ ２１１：貫通孔 ２１６：内側部 ２１７：外側部 ２１８：連結部 ２２０：上端プレート ４１０：上側ターミナルプレート ４１２：孔 ４２０：下側ターミナルプレート 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 Ｐ１：第１部分 Ｐ２：第２部分

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】