特開 2023-3942 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】P2023003942

(43)【公開日】2023-01-17

(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 20160101AFI20230110BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230110BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0247

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021105336

(22)【出願日】2021-06-25

(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

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA14

5H126BB06

5H126EE11

5H126JJ00

5H126JJ03

(57)【要約】

【課題】ガス室を流れる反応ガスの単セル内への流通性が阻害されることに起因する電気化学反応セルスタックの性能の低下を抑制する。
【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を備える。電気化学反応単位は、単セルと、単セルに対して第１の方向（空気極と燃料極とが対向する方向）側に配置された第１導電部材と、単セルと第１導電部材との間に位置し、かつ、熱膨張係数が第１導電部材の熱膨張係数とは異なる第２導電部材と、単セルと第１導電部材との間に位置するスペーサーとを備える。電気化学反応単位は、更に、第２導電部材の先端部と、第１導電部材とを接合する複数の接合部を備える。複数の接合部は、第１の方向視において特定方向に沿って互いに間隔を空けつつ並んでいる。第２導電部材の先端部は、特定領域の一部において欠損している。
【選択図】図１０

【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、
前記単セルに対して前記第１の方向側に配置された第１導電部材と、
前記単セルと前記第１導電部材との間に位置し、かつ、熱膨張係数が前記第１導電部材の熱膨張係数とは異なる、第２導電部材と、
前記単セルと前記第１導電部材との間に位置するスペーサーと、を備える電気化学反応単位が複数並べて配置された電気化学反応セルスタックであって、
少なくとも１つの前記電気化学反応単位である特定反応単位における前記第２導電部材は、
前記空気極と前記燃料極とのうちの一方である特定電極に接触し、前記特定電極とは反対側において前記スペーサーと接触する電極側接触部と、
前記第１導電部材に接触する反対側接触部と、
前記電極側接触部と前記反対側接触部とを繋ぐ連接部と、
前記電極側接触部に繋がり、かつ、前記スペーサーに対して前記連接部とは反対側に位置する部分を有する先端部であって、前記第１の方向視において前記スペーサーに沿った特定方向に延伸している先端部と、を備える、電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定反応単位は、前記第２導電部材の前記先端部と、前記第１導電部材とを接合する複数の接合部であって、前記第１の方向視において前記特定方向に沿って互いに間隔を空けつつ並んでいる複数の接合部を備え、
前記複数の接合部のうちのいずれかを第１接合部とし、前記第１接合部の隣に位置する前記接合部を第２接合部とし、かつ、
前記第１の方向視において、前記第１接合部の中心と前記第２接合部の中心とを通る仮想直線に直交する方向を第２の方向とし、前記第１接合部に重なる前記第２の方向の仮想直線のうち、前記先端部の前記電極側接触部とは反対側の輪郭線と交差する第１外側交点と、前記第１接合部に最も近い前記スペーサーの表面と交差する第１内側交点とを結ぶ仮想線分を第１線分とし、前記第２接合部に重なる前記第２の方向の仮想直線のうち、前記先端部の前記電極側接触部とは反対側の輪郭線と交差する第２外側交点と、前記第２接合部に最も近い前記スペーサーの表面と交差する第２内側交点とを結ぶ仮想線分を第２線分とし、前記第１外側交点と前記第２外側交点とを結ぶ仮想線分を第３線分とし、前記第１内側交点と前記第２内側交点とを結ぶ仮想線分を第４線分とし、前記第１線分と前記第２線分と前記第３線分と前記第４線分とにより囲まれた領域を特定領域としたときに、
前記先端部は、前記特定領域の一部において欠損している、
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であって、
前記第１線分の前記第２の方向の長さをＬ１とし、前記第２線分の前記第２の方向の長さをＬ２とし、前記第１線分と前記第２線分との間において前記第２の方向に前記先端部の欠損している部分を通過する仮想線分であって、前記第３線分と前記第４線分とを結ぶ仮想線分のうち、前記電極側接触部および前記先端部と重なる部分の長さをＬ３とし、長さＬ３／長さＬ１を第１比Ａ１とし、長さＬ３／長さＬ２を第２比Ａ２としたときに、
第１比Ａ１と第２比Ａ２は、いずれも０．８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であって、
前記連接部に、前記連接部に対して前記スペーサーとは反対側の空間に連通する貫通孔であって、前記単セルに面する貫通孔が形成されている、
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。）が複数並べて配置された燃料電池スタックの形態で利用される。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。

【0003】

各発電単位１０２は、さらに、単セルに対して第１の方向側に配置されたインターコネクタと、単セルとインターコネクタとの間に位置する燃料極側集電体と、単セルとインターコネクタとの間に位置するスペーサーとを備える。インターコネクタは、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。燃料極側集電体は、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。インターコネクタと燃料極側集電体とは、互いに熱膨張係数が異なっている。スペーサーは、第１の方向視において所定方向に延伸している。

【0004】

燃料極側集電体は、電極側接触部と、反対側接触部と、連接部と、先端部とを備える（例えば、特許文献１参照）。電極側接触部は、燃料極に接触し、燃料極とは反対側においてスペーサーと接触している。反対側接触部は、インターコネクタに接触している。連接部は、電極側接触部と反対側接触部とを繋いでいる。先端部は、電極側接触部に繋がり、かつ、スペーサーに対して連接部とは反対側に位置する部分を有する。先端部は、第１の方向視において、スペーサーが延伸する方向（以下、「スペーサー延伸方向」という。）に延伸している。各発電単位は、燃料極側集電体の先端部とインターコネクタとを接合する複数の接合部を備える。この複数の接合部は、第１の方向視においてスペーサー延伸方向に沿って互いに間隔を空けつつ並んでいる。第１の方向視において、燃料極側集電体の先端部のスペーサー延伸方向の長さは、均一である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２１－０２２４７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した従来の燃料電池スタックにおいては、例えば運転中の温度変化が生じた際に、インターコネクタと燃料極側集電体（より厳密には、燃料極側集電体の上記先端部）との間の熱膨張差に起因して燃料極側集電体の上記先端部が変形した結果、当該先端部のうち、いずれかの上記接合部と当該接合部の隣に位置する上記接合部との間の部分（換言すれば、インターコネクタに接合されていない部分。以下、「非接合部」という。）が単セルに接触し、その結果、当該非接合部により、単セルと燃料室（単セルとインターコネクタとの間の空間）との間が塞がれた状態となることがある。このように単セルと燃料室との間が塞がれると、燃料室（単セルとインターコネクタとの間の空間）を流れる反応ガスの単セル内への流通性が阻害される。そのため、この燃料電池スタックにおいては、燃料室を流れる反応ガスの単セル内への流通性が阻害され、これにより、燃料電池スタックの性能が低下するおそれがある。

【0007】

なお、このような課題は、上記の燃料電池スタックにおいて、「燃料極」を「空気極」に置換し、「燃料極極側集電体」を「空気極側集電体」に置換した構成である燃料電池スタックにも共通の問題である。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。

【0008】

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】

【0009】

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。

【0010】

（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、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、前記単セルに対して前記第１の方向側に配置された第１導電部材と、前記単セルと前記第１導電部材との間に位置し、かつ、熱膨張係数が前記第１導電部材の熱膨張係数とは異なる、第２導電部材と、前記単セルと前記第１導電部材との間に位置するスペーサーと、を備える電気化学反応単位が複数並べて配置された電気化学反応セルスタックであって、少なくとも１つの前記電気化学反応単位である特定反応単位における前記第２導電部材は、前記空気極と前記燃料極とのうちの一方である特定電極に接触し、前記特定電極とは反対側において前記スペーサーと接触する電極側接触部と、前記第１導電部材に接触する反対側接触部と、前記電極側接触部と前記反対側接触部とを繋ぐ連接部と、前記電極側接触部に繋がり、かつ、前記スペーサーに対して前記連接部とは反対側に位置する部分を有する先端部であって、前記第１の方向視において前記スペーサーに沿った特定方向に延伸している先端部と、を備える、電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定反応単位は、前記第２導電部材の前記先端部と、前記第１導電部材とを接合する複数の接合部であって、前記第１の方向視において前記特定方向に沿って互いに間隔を空けつつ並んでいる複数の接合部を備え、前記複数の接合部のうちのいずれかを第１接合部とし、前記第１接合部の隣に位置する前記接合部を第２接合部とし、かつ、前記第１の方向視において、前記第１接合部の中心と前記第２接合部の中心とを通る仮想直線に直交する方向を第２の方向とし、前記第１接合部に重なる前記第２の方向の仮想直線のうち、前記先端部の前記電極側接触部とは反対側の輪郭線と交差する第１外側交点と、前記第１接合部に最も近い前記スペーサーの表面と交差する第１内側交点とを結ぶ仮想線分を第１線分とし、前記第２接合部に重なる前記第２の方向の仮想直線のうち、前記先端部の前記電極側接触部とは反対側の輪郭線と交差する第２外側交点と、前記第２接合部に最も近い前記スペーサーの表面と交差する第２内側交点とを結ぶ仮想線分を第２線分とし、前記第１外側交点と前記第２外側交点とを結ぶ仮想線分を第３線分とし、前記第１内側交点と前記第２内側交点とを結ぶ仮想線分を第４線分とし、前記第１線分と前記第２線分と前記第３線分と前記第４線分とにより囲まれた領域を特定領域としたときに、前記先端部は、前記特定領域の一部において欠損している。

【0011】

本電気化学反応セルスタックでは、上述したように、第２導電部材は、スペーサーに対して連接部とは反対側に位置する部分を有する先端部を備える。そのため、スペーサーの所定方向（第２導電部材の連接部とスペーサーとが並ぶ方向）の位置ずれを抑制することができ、ひいては、スペーサーの当該所定方向の位置ずれによりガス室（単セルと第１導電部材との間の空間）内のガスの流れが悪化することに起因する電気化学反応セルスタックの性能の低下を抑制することができる。

【0012】

ところで、上述した従来の燃料電池スタック（特開２０２１－０２２４７１号公報）では、特定領域は欠損していない。そのため、この燃料電池スタックにおいては、例えば運転中の温度変化が生じた際に、第１導電部材と第２導電部材（より厳密には、第２導電部材の先端部）との間の熱膨張差に起因して第２導電部材の先端部が変形した結果、先端部の非接合部（先端部のうち、第１接合部と第２接合部との間の部分）が単セルに接触し、その結果、当該非接合部により、単セルとガス室（単セルと第１導電部材との間の空間）との間が塞がれた状態となることがある。このように単セルとガス室との間が塞がれると、ガス室（単セルと第１導電部材との間の空間）を流れる反応ガスの単セル内への流通性が阻害される。そのため、この燃料電池スタックにおいては、ガス室を流れる反応ガスの単セル内への流通性が阻害され、これにより、電気化学反応セルスタックの性能が低下するおそれがある。

【0013】

これに対し、本電気化学反応セルスタックでは、上述したように、特定領域の一部において欠損している。そのため、第１導電部材と第２導電部材との間の熱膨張差に起因して、先端部の非接合部（先端部のうち、第１接合部と第２接合部との間の部分）が変形し、先端部の非接合部が単セルに接触したとしても、特定領域が欠損していない構成と比較して、先端部の非接合部と単セルとの接触面積が小さいため、ガス室を流れる反応ガスの単セル内への流通性が阻害されることが抑制される。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、第１導電部材と第２導電部材との間の熱膨張差に起因して先端部の非接合部が変形し、先端部の非接合部が単セルに接触することに起因する電気化学反応セルスタックの性能の低下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線分の前記第２の方向の長さをＬ１とし、前記第２線分の前記第２の方向の長さをＬ２とし、前記第１線分と前記第２線分との間において前記第２の方向に前記先端部の欠損している部分を通過する仮想線分であって、前記第３線分と前記第４線分とを結ぶ仮想線分のうち、前記電極側接触部および前記先端部と重なる部分の長さをＬ３とし、長さＬ３／長さＬ１を第１比Ａ１とし、長さＬ３／長さＬ２を第２比Ａ２としたときに、第１比Ａ１と第２比Ａ２は、いずれも０．８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では、先端部の非接合部と単セルとの接触面積が特に小さくなり、ガス室を流れる反応ガスの単セル内への流通性が阻害されることが特に効果的に抑制される。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、特に効果的に、第１導電部材と第２導電部材との間の熱膨張差に起因して先端部の非接合部が変形し、先端部の非接合部が単セルに接触することに起因する電気化学反応セルスタックの性能の低下を抑制することができる。

【0015】

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記連接部に、前記連接部に対して前記スペーサーとは反対側の空間に連通する貫通孔であって、前記単セルに面する貫通孔が形成されてい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、ガス室（連接部に対してスペーサーとは反対側の空間）を流れる反応ガスの単セル内への流通性を更に向上させることができ、これにより電気化学反応セルスタックの性能を更に向上させることができる。

【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、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）、電気化学反応セルスタック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】

【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】単セル１１０の一部分（図４のＸ１部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。

【図9】単セル１１０の一部分（図５のＸ２部）のＹＺ断面構成を拡大して示す説明図である。

【図10】単セル１１０の一部分（図７のＸ３部）のＸＹ断面構成を拡大して示す説明図である。

【図11】図１０のＸＩ－ＸＩの位置における単セル１１０のＹＺ断面構成を示す説明図である。

【図12】変形例における単セル１１０の一部分（図７のＸ３部に対応する部分）のＸＹ断面構成を拡大して示す説明図である。

【図13】図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩの位置における発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【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のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を「上方向」といい、Ｚ軸負方向を「下方向」というものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。なお、Ｚ軸方向は、特許請求の範囲における第１の方向の一例である。燃料電池スタックは、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。

【0019】

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では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を上下から挟むように配置されている。

【0020】

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、Ｚ軸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Ｚ軸方向に連通して、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Ｚ軸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。

【0021】

各連通孔１０８にはＺ軸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、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、当該辺の反対側の辺（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。

【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、当該辺の反対側の辺（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、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】

（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の上部に示されている部分拡大図は、断面構成を示す図ではなく斜視図である。

【0027】

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、スペーサー１４９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。インターコネクタ１５０は、単セル１１０に対してＺ軸方向側に配置されている、といえる。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が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。なお、発電単位１０２は、特許請求の範囲における電気化学反応単位の一例である。

【0028】

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２および図３参照）。インターコネクタ１５０は、特許請求の範囲における第１導電部材の一例である。

【0029】

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向（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。

【0030】

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（気孔率が低い）層である。ここでいうＺ軸方向視は、「Ｚ軸方向に平行な方向から見たとき」を意味する（以下における「方向視」も同様）。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（電解質層１１２より気孔率が高い）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（電解質層１１２より気孔率が高い）層である。燃料極１１６の厚さは、例えば２００μｍ～１０００μｍである。燃料極１１６における燃料極側集電体１４４の付近の部分の平均気孔率は、例えば２５～６０ｖｏｌ％であり、当該部分の平均気孔径は、例えば０．５μｍ～４μｍである。このような構成である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。なお、本実施形態の燃料極１１６は、特許請求の範囲における特定電極の一例である。

【0031】

セパレータ１２０は、中央付近にＺ軸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ろう材（例えばＡｇろう）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。

【0032】

図６に示すように、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、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。

【0033】

図７に示すように、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、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。

【0034】

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、当該一体の部材の内の、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、当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。

【0035】

図４および図５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、単セル１１０とインターコネクタ１５０との間に位置している。

【0036】

燃料極側集電体１４４の熱膨張係数は、インターコネクタ１５０の熱膨張係数とは異なっている。燃料極側集電体１４４は、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。燃料極側集電体とインターコネクタとの各熱膨張係数については、それぞれを形成する材料の種類を考慮することにより、適宜、調整することができ、例えば熱膨張率測定装置(株式会社リガク社製 ＴＭＡ８３１０)を用いて測定することにより、特定することができる。燃料極側集電体１４４は、特許請求の範囲における第２導電部材の一例である。

【0037】

燃料極側集電体１４４は、上記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。

【0038】

スペーサー１４９は、燃料極側集電体１４４に覆われている。スペーサー１４９は、例えばマイカ等により板状に形成されている。なお、スペーサー１４９の板厚は、例えば０．４～３ｍｍである。

【0039】

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の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

Ａ－３．燃料極側集電体１４４およびその周辺の詳細構成：
図８は、単セル１１０の一部分（図４のＸ１部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。但し、図８では、燃料極側集電体１４４に、後述する貫通孔ＴＨが形成されている位置における単セル１１０の断面が示されている。図８は、後述する図１０のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩの位置における単セル１１０のＸＺ断面構成を示している。図９は、単セル１１０の一部分（図５のＸ２部）のＹＺ断面構成を拡大して示す説明図である。図１０は、単セル１１０の一部分（図７のＸ３部）のＸＹ断面構成を拡大して示す説明図である。図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩの位置における単セル１１０のＹＺ断面構成を示す説明図である。

【0043】

図８に示すように、燃料極側集電体１４４は、電極側接触部１４５と、反対側接触部１４６と、連接部１４７（図４参照）と、Ｘ方向先端部１４８とを備えている。電極側接触部１４５は、燃料極１１６に接触し、燃料極１１６とは反対側においてスペーサー１４９と接触している。反対側接触部１４６は、インターコネクタ１５０（より正確には、一対のインターコネクタ１５０のうち、下側のインターコネクタ１５０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における反対側接触部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。連接部１４７は、電極側接触部１４５と反対側接触部１４６とを繋いでいる（図４参照）。Ｘ方向先端部１４８は、電極側接触部１４５のうち、連接部１４７に繋がる側とは反対側（Ｘ軸負方向側）に繋がっている。燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８と電極側接触部１４５と連接部１４７と反対側接触部１４６とによって、スペーサー１４９は覆われている。なお、Ｘ方向先端部１４８は、特許請求の範囲における先端部の一例である。

【0044】

上述のように燃料極側集電体１４４の電極側接触部１４５と反対側接触部１４６との間にスペーサー１４９が配置されていることにより、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。

【0045】

図９に示すように、燃料極側集電体１４４は、更に、Ｙ方向先端部１４８Ａと、Ｙ方向先端部１４８Ｂとを備えている。２つのＹ方向先端部１４８Ａ，１４８Ｂはそれぞれ、電極側接触部１４５のうち、Ｙ軸方向の一方（Ｙ軸負方向）の端と他方（Ｙ軸正方向）の端とに繋がっている。

【0046】

（Ｘ方向先端部１４８およびその周辺の更なる詳細構成）
図８（および図４）に示すように、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８は、スペーサー１４９に対して連接部１４７とは反対側（Ｘ軸負方向側）に位置する部分を有している。図８に示すようにＸ方向先端部１４８の全体がスペーサー１４９に対して連接部１４７とは反対側（Ｘ軸負方向側）に位置していてもよいが、Ｘ方向先端部１４８の一部のみがスペーサー１４９に対して連接部１４７とは反対側（Ｘ軸負方向側）に位置していてもよい。なお、「スペーサー１４９に対して連接部１４７とは反対側（Ｘ軸負方向側）に位置する」とは、スペーサー１４９に対して連接部１４７とは反対側（Ｘ軸負方向側）であって、かつ、Ｘ軸方向視においてスペーサー１４９と重なるように位置することを意味する。

【0047】

燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８は、電極側接触部１４５における連接部１４７に接続する側とは反対側（Ｘ軸負方向側）から下方に延びる第１の上下延伸部２００と、第１の上下延伸部２００の下端からＸ軸負方向に延びるＸ延伸部２０１とを備えている。

【0048】

図１０に示すように、Ｘ方向先端部１４８は、Ｚ軸方向視においてスペーサー１４９（換言すれば、スペーサー１４９の延伸方向）に沿った方向であるＹ軸方向に延伸している。

【0049】

図８および図１０に示すように、各発電単位１０２は、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８（より詳細には、Ｘ延伸部２０１）とインターコネクタ１５０とを接合する複数の接合部１５１を備える。本実施形態の接合部１５１は、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８とインターコネクタ１５０とを溶接（例えば、レーザーを用いたスポット溶接）することにより形成された溶接痕である。図１０に示すように、複数の接合部１５１は、Ｚ軸方向視においてＹ軸方向に沿って互いに間隔（例えば、略等間隔）を空けつつ並んでいる。ここでいう「ある方向に沿って」とは、当該方向について±２０°の誤差が許容されるものであってもよい。Ｙ軸方向は、特許請求の範囲における特定方向の一例である。なお、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とを溶接する工程は燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とを密着させつつ行う必要があり、燃料極側集電体１４４として薄い材料（例えば、２５μｍ程度のＮｉ箔）を用いる際には密着させることが容易ではない。そのため、溶接の方法としては、燃料極側集電体１４４として薄い材料を用いる際でも燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とを密着させやすい方法であるスポット溶接を採用することが好ましい。

【0050】

ここで、Ｚ軸方向視において以下のように定義される領域を「特定領域ＳＡ」とする。すなわち、図１０に示すように、特定領域ＳＡは、第１線分ＬＰ１と第２線分ＬＰ２と第３線分ＬＰ３と第４線分ＬＰ４とにより囲まれた領域である。複数の接合部１５１の１つ（以下、「第１接合部１５１」という。例えば、図１０の接合部１５１１）の中心Ｃ１と、第１接合部１５１の隣に位置する接合部１５１（以下、「第２接合部１５１」という。例えば、図１０の接合部１５１２）の中心Ｃ２とを通る仮想直線ＶＬに直交する方向を特定直交方向（本実施形態ではＸ軸方向）という。第１線分ＬＰ１は、第１接合部１５１に重なる特定直交方向（Ｘ軸方向）の仮想直線のうち、Ｘ方向先端部１４８の電極側接触部１４５とは反対側の輪郭線と交差する第１外側交点ＯＩ１と、第１接合部１５１に最も近いスペーサー１４９の表面と交差する第１内側交点ＩＩ１とを結ぶ仮想線分である。第２線分ＬＰ２は、第２接合部１５１に重なる特定直交方向（Ｘ軸方向）の仮想直線のうち、Ｘ方向先端部１４８の電極側接触部１４５とは反対側の輪郭線と交差する第２外側交点ＯＩ２と、第２接合部１５１に最も近いスペーサー１４９の表面と交差する第２内側交点ＩＩ２とを結ぶ仮想線分である。第３線分ＬＰ３は、第１外側交点ＯＩ１と第２外側交点ＯＩ２とを結ぶ仮想線分である。第４線分ＬＰ４は、第１内側交点ＩＩ１と第２内側交点ＩＩ２とを結ぶ仮想線分である。なお、図１０に示されるＳＡは、複数の接合部１５１の１つである接合部１５１１を第１接合部１５１とし、接合部１５１１の隣に位置する接合部１５１である接合部１５１２を第２接合部１５１としたときの特定領域ＳＡを示している。特定直交方向（Ｘ軸方向）は、特許請求の範囲における第２の方向の一例である。

【0051】

図１０に示すように、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８は、特定領域ＳＡの一部において欠損している。より詳細には、本実施形態では、燃料極側集電体１４４は、Ｘ軸方向に凹むように切り欠かれた切り欠き部ＣＰを複数有しており、これにより特定領域ＳＡの一部において欠損している。切り欠き部ＣＰは、隣り合う２つの接合部１５１間に１つずつ形成されている。なお、隣り合う２つの接合部１５１間に形成される切り欠き部ＣＰの個数が２つ以上であってもよい。各切り欠き部ＣＰは、燃料室１７６の一部であって、燃料極１１６の近傍に位置する部分に面している。なお、本実施形態では、いずれの隣り合う２つの接合部１５１の組合せに係る特定領域ＳＡにおいても、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８は、上記のように特定領域ＳＡの一部において欠損している。また、図１０では、切り欠き部ＣＰは、上底が下底（凹みの底）よりも長い略台形状をなしているが、その形状は特に限定されるものではなく、例えば矩形などであってもよい。また、切り欠き部ＣＰの角が直線状でなく曲線状としてもよく、この際にはより変形しにくくなる（浮き上がりにくくなる）ことがある。

【0052】

第１線分ＬＰ１の特定直交方向（本実施形態では、Ｘ軸方向）の長さをＬ１とし、第２線分ＬＰ２の特定直交方向（Ｘ軸方向）の長さをＬ２とし、第１線分ＬＰ１と第２線分ＬＰ２との間において特定直交方向（Ｘ軸方向）にＸ方向先端部１４８の欠損している部分を通過する仮想線分であって、第３線分ＬＰ３と第４線分ＬＰ４とを結ぶ仮想線分のうち、電極側接触部１４５およびＸ方向先端部１４８と重なる部分の長さをＬ３とし、長さＬ３／長さＬ１を第１比Ａ１とし、長さＬ３／長さＬ２を第２比Ａ２としたときに、第１比Ａ１と第２比Ａ２は、いずれも０．８以下である。第１比Ａ１と第２比Ａ２は、例えば、０．５である。

【0053】

（Ｙ方向先端部１４８Ａ，１４８Ｂおよびその周辺の更なる詳細構成）
図９に示すように、燃料極側集電体１４４のＹ方向先端部（１４８Ａ，１４８Ｂ）は、スペーサー１４９に対してＹ軸方向側に位置する部分を有している。より詳細には、燃料極側集電体１４４の電極側接触部１４５のＹ軸負方向の端に繋がっているＹ方向先端部１４８Ａは、スペーサー１４９に対してＹ軸負方向側に位置する部分を有している。燃料極側集電体１４４の電極側接触部１４５のＹ軸正方向の端に繋がっているＹ方向先端部１４８Ｂは、スペーサー１４９に対してＹ軸正方向側に位置する部分を有している。なお、図９に示すようにＹ方向先端部（１４８Ａ，１４８Ｂ）の全体がスペーサー１４９に対してＹ軸方向側に位置していてもよいが、Ｙ方向先端部（１４８Ａ，１４８Ｂ）の一部のみがスペーサー１４９に対してＹ軸方向側に位置していてもよい。

【0054】

本実施形態では、燃料極側集電体１４４の電極側接触部１４５のＹ軸負方向の端に接続されているＹ方向先端部１４８Ａは、電極側接触部１４５のＹ軸負方向の端から下方に延びる第２の上下延伸部２０３と、第２の上下延伸部２０３の下端からＹ軸負方向に延びるＹ延伸部２０４とを備えている。当該第２の上下延伸部２０３および当該Ｙ延伸部２０４は、スペーサー１４９に対してＹ軸負方向側に位置している。なお、「スペーサー１４９に対してＹ軸負方向側に位置する」とは、スペーサー１４９に対してＹ軸負方向側であって、かつ、Ｙ軸方向視においてスペーサー１４９と重なるように位置することを意味する。

【0055】

本実施形態では、燃料極側集電体１４４の電極側接触部１４５のＹ軸正方向の端に接続されているＹ方向先端部１４８Ｂは、電極側接触部１４５のＹ軸正方向の端から下方に延びる第３の上下延伸部２０５と、第３の上下延伸部２０５の下端からＹ軸正方向に延びるＹ延伸部２０６とを備えている。当該第３の上下延伸部２０５および当該Ｙ延伸部２０６は、スペーサー１４９に対してＹ軸正方向側に位置している。なお、「スペーサー１４９に対してＹ軸正方向側に位置する」とは、スペーサー１４９に対してＹ軸正方向側であって、かつ、Ｙ軸方向視においてスペーサー１４９と重なるように位置することを意味する。

【0056】

図９に示すように、各発電単位１０２は、燃料極側集電体１４４のＹ方向先端部１４８Ａ（より詳細には、Ｙ延伸部２０４）とインターコネクタ１５０とを接合する接合部１５３と、燃料極側集電体１４４のＹ方向先端部１４８Ｂ（より詳細には、Ｙ延伸部２０６）とインターコネクタ１５０とを接合する接合部１５４とを備える。本実施形態の接合部１５３と接合部１５４とはいずれも、溶接（例えば、スポット溶接）により形成された溶接痕である。なお、図７における部分拡大図では、図の理解を容易にするために、便宜上、燃料極側集電体１４４のＹ方向先端部１４８Ａがインターコネクタ１５０に接合される前の状態が示されている。

【0057】

（連接部１４７の更なる詳細構成）
図８および図１０に示すように、連接部１４７に、連接部１４７に対してスペーサー１４９とは反対側の空間に連通する貫通孔１８１が複数形成されている。各貫通孔１８１は、単セル１１０に面している。

【0058】

図１０に示すように、複数の貫通孔１８１は、Ｙ軸方向に互いに間隔を空けつつ並んでいる。

【0059】

なお、本実施形態では、燃料極側集電体１４４の反対側接触部１４６と電極側接触部１４５と連接部１４７とＸ方向先端部１４８とＹ方向先端部１４８ＡとＹ方向先端部１４８Ｂとは一体の部材により構成されている。

【0060】

本実施形態では、燃料極側集電体１４４は、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る金属箔（例えば、厚さが１０～８００μｍ）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、略矩形の金属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し、当該矩形部分に上記切り欠き部ＣＰを形成するために切り欠き加工を施すことにより製造される。

【0061】

Ａ－４．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態における燃料電池スタック１００は、並べて配置された複数の発電単位１０２を備える。各発電単位１０２は、単セル１１０と、インターコネクタ１５０と、燃料極側集電体１４４と、スペーサー１４９とを備える。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸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１５０は、単セル１１０に対してＺ軸方向側に配置されている。燃料極側集電体１４４は、単セル１１０とインターコネクタ１５０（より正確には、一対のインターコネクタ１５０のうちの下側のインターコネクタ１５０、以下同様）との間に位置し、かつ、熱膨張係数がインターコネクタ１５０の熱膨張係数とは異なる。スペーサー１４９は、単セル１１０とインターコネクタ１５０との間に位置している。燃料極側集電体１４４は、電極側接触部１４５と、反対側接触部１４６と、連接部１４７と、Ｘ方向先端部１４８とを備える。電極側接触部１４５は、燃料極１１６に接触し、燃料極１１６とは反対側においてスペーサー１４９と接触している。反対側接触部１４６は、インターコネクタ１５０に接触している。連接部１４７は、電極側接触部１４５と反対側接触部１４６とを繋いでいる。Ｘ方向先端部１４８は、電極側接触部１４５に繋がり、かつ、スペーサー１４９に対して連接部１４７とは反対側に位置する部分を有する。Ｘ方向先端部１４８は、Ｚ軸方向視においてスペーサー１４９に沿った方向であるＹ軸方向（以下、「特定方向Ｙ」という。）に延伸している。各発電単位１０２は、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８とインターコネクタ１５０とを接合する複数の接合部１５１を備える。複数の接合部１５１は、Ｚ軸方向視において特定方向Ｙに沿って互いに間隔を空けつつ並んでいる。Ｘ方向先端部１４８は、特定領域ＳＡの一部において欠損している。

【0062】

なお、上述したように、特定領域ＳＡは、Ｚ軸方向視において以下のように定義される領域である。すなわち、特定領域ＳＡは、第１線分ＬＰ１と第２線分ＬＰ２と第３線分ＬＰ３と第４線分ＬＰ４とにより囲まれた領域である。第１線分ＬＰ１は、複数の接合部１５１の１つである第１接合部１５１に重なる特定直交方向（本実施形態ではＸ軸方向）の仮想直線のうち、Ｘ方向先端部１４８の電極側接触部１４５とは反対側の輪郭線と交差する第１外側交点ＯＩ１と、第１接合部１５１に最も近いスペーサー１４９の表面と交差する第１内側交点ＩＩ１とを結ぶ仮想線分である。特定直交方向（Ｘ軸方向）は、第１接合部１５１の中心Ｃ１と、第１接合部１５１の隣に位置する接合部１５１である第２接合部１５１の中心Ｃ２とを通る仮想直線ＶＬに直交する方向である。第２線分ＬＰ２は、第２接合部１５１に重なる特定直交方向（Ｘ軸方向）の仮想直線のうち、Ｘ方向先端部１４８の電極側接触部１４５とは反対側の輪郭線と交差する第２外側交点ＯＩ２と、第２接合部１５１に最も近いスペーサー１４９の表面と交差する第２内側交点ＩＩ２とを結ぶ仮想線分である。第３線分ＬＰ３は、第１外側交点ＯＩ１と第２外側交点ＯＩ２とを結ぶ仮想線分である。第４線分ＬＰ４は、第１内側交点ＩＩ１と第２内側交点ＩＩ２とを結ぶ仮想線分である。

【0063】

本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述したように、燃料極側集電体１４４は、スペーサー１４９に対して連接部１４７とは反対側（Ｘ軸負方向側）に位置する部分を有するＸ方向先端部１４８を備える。そのため、スペーサー１４９のＸ軸方向の位置ずれを抑制することができ、ひいては、スペーサー１４９のＸ軸方向の位置ずれにより燃料室１７６内のガスの流れが悪化することに起因する燃料電池スタック１００の発電性能の低下を抑制することができる。

【0064】

ところで、上述した従来の燃料電池スタック（特開２０２１－０２２４７１号公報）では、燃料極側集電体の先端部の特定直交方向（Ｘ軸方向）の長さは均一である。換言すれば、上記のような特定領域ＳＡを考慮すると、特定領域ＳＡは欠損していないといえる。そのため、この燃料電池スタックにおいては、例えば運転中の温度変化が生じた際に、インターコネクタ１５０と燃料極側集電体１４４（より厳密には、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８）との間の熱膨張差に起因して燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８が変形した結果、Ｘ方向先端部１４８の非接合部１５２（Ｘ方向先端部１４８のうち、第１接合部１５１と第２接合部１５１との間の部分）が単セル１１０に接触し、その結果、当該非接合部により、単セル１１０と燃料室１７６（単セル１１０とインターコネクタ１５０との間の空間）との間が塞がれた状態となることがある。このように単セル１１０と燃料室１７６との間が塞がれると、燃料室１７６（単セル１１０とインターコネクタ１５０との間の空間）を流れる反応ガスの単セル１１０内への流通性が阻害される。そのため、この燃料電池スタックにおいては、燃料室１７６を流れる反応ガスの単セル１１０内への流通性が阻害され、これにより、燃料電池スタック１００の発電性能が低下するおそれがある。

【0065】

これに対し、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述したように、特定領域ＳＡの一部において欠損している。そのため、インターコネクタ１５０と燃料極側集電体１４４との間の熱膨張差に起因して、Ｘ方向先端部１４８の非接合部１５２（Ｘ方向先端部１４８のうち、第１接合部１５１と第２接合部１５１との間の部分）が変形し、Ｘ方向先端部１４８の非接合部１５２が単セル１１０に接触したとしても、特定領域ＳＡが欠損していない構成と比較して、Ｘ方向先端部１４８の非接合部１５２と単セル１１０との接触面積が小さいため、燃料室１７６を流れる反応ガスの単セル１１０内への流通性が阻害されることが抑制される。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、インターコネクタ１５０と燃料極側集電体１４４との間の熱膨張差に起因してＸ方向先端部１４８の非接合部１５２が変形し、Ｘ方向先端部１４８の非接合部１５２が単セル１１０に接触することに起因する燃料電池スタック１００の発電性能の低下を抑制することができる。

【0066】

本実施形態の燃料電池スタック１００では、第１比Ａ１と第２比Ａ２は、いずれも０．８以下である。なお、上述したように、第１比Ａ１は、長さＬ３／長さＬ１である。長さＬ３は、第１線分ＬＰ１と第２線分ＬＰ２との間において特定直交方向（Ｘ軸方向）にＸ方向先端部１４８の欠損している部分を通過する仮想線分であって、第３線分ＬＰ３と第４線分ＬＰ４とを結ぶ仮想線分のうち、電極側接触部１４５およびＸ方向先端部１４８と重なる部分の長さである。長さＬ１は、第１線分ＬＰ１の特定直交方向（Ｘ軸方向）の長さである。第２比Ａ２は、長さＬ３／長さＬ２である。長さＬ２は、第２線分ＬＰ２の特定直交方向（Ｘ軸方向）の長さである。

【0067】

そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｘ方向先端部１４８の非接合部１５２と単セル１１０との接触面積が特に小さくなり、燃料室１７６を流れる反応ガスの単セル１１０内への流通性が阻害されることが特に効果的に抑制される。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、特に効果的に、インターコネクタ１５０と燃料極側集電体１４４との間の熱膨張差に起因してＸ方向先端部１４８の非接合部１５２が変形し、Ｘ方向先端部１４８の非接合部１５２が単セル１１０に接触することに起因する燃料電池スタック１００の発電性能の低下を抑制することができる。

【0068】

本実施形態の燃料電池スタック１００では、連接部１４７に、連接部１４７に対してスペーサー１４９とは反対側の空間に連通する貫通孔１８１が形成されている。貫通孔１８１は、単セル１１０に面している。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、燃料室１７６（連接部１４７に対してスペーサー１４９とは反対側の空間）を流れる反応ガスの単セル１１０内への流通性を更に向上させることができ、これにより燃料電池スタック１００の発電性能を更に向上させることができる。

【0069】

本実施形態の燃料電池スタック１００では、燃料極側集電体１４４は、スペーサー１４９に対してＹ軸方向側に位置する部分を有するＹ方向先端部１４８Ａを備える。そのため、スペーサー１４９のＹ軸方向の位置ずれを抑制することができ、ひいては、スペーサー１４９のＹ軸方向の位置ずれにより燃料室１７６内のガスの流れが悪化することに起因する燃料電池スタック１００の発電性能の低下を抑制することができる。

【0070】

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。

【0071】

上記実施形態において、一部の発電単位１０２における燃料極側集電体１４４は、電極側接触部１４５と、反対側接触部１４６と、連接部１４７と、Ｘ方向先端部１４８と、Ｙ方向先端部１４８Ａと、Ｙ方向先端部１４８Ｂとのいずれかを備えない、としてもよい。少なくとも１つの燃料極側集電体１４４が、反対側接触部１４６と、電極側接触部１４５と、連接部１４７と、Ｘ方向先端部１４８とを備える構成であれば、当該燃料極側集電体１４４の電極側接触部１４５と反対側接触部１４６との間に配置されたスペーサー１４９のＸ軸方向の位置ずれを抑制することができる。なお、発電単位１０２に含まれる燃料極側集電体１４４の個数の５０％以上（より好ましくは８０％以上）の個数の燃料極側集電体１４４がそのような構成（反対側接触部１４６と、電極側接触部１４５と、連接部１４７と、Ｘ方向先端部１４８を備える構成）となっていることが特に好ましい。また、発電単位１０２に含まれる燃料極側集電体１４４の個数の５０％以上（より好ましくは８０％以上）の個数の燃料極側集電体１４４がそのような構成となっている発電単位１０２の個数が、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数の２０％以上（より好ましくは５０％以上、さらに好ましくは８０％）となっていることが特に好ましい。

【0072】

上記実施形態（または変形例、以下同様）において、全てまたは一部の発電単位１０２における燃料極側集電体１４４は、Ｙ方向先端部１４８ＢとＹ方向先端部１４８Ｂとの両方または一方を備えない、としてもよい。

【0073】

上記実施形態では、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８と、電極側接触部１４５と、連接部１４７と、反対側接触部１４６とによって、スペーサー１４９は覆われている。これについて、単セル１１０の任意の断面においてスペーサー１４９は覆われているとしてよいが、単セル１１０の一部の断面のみにおいてスペーサー１４９は覆われているとしてもよい。また、スペーサー１４９の全周に亘って覆うとしてよいが、スペーサー１４９の全周でなく、一部のみを覆うとしてもよい。

【0074】

上記実施形態において、１つの燃料極側集電体１４４に覆われるスペーサー１４９が複数の分割した部分により構成されていてもよい。

【0075】

上記実施形態では、接合部１５１，１５３，１５４は、溶接により形成された溶接痕であるが、これらの全てまたは一部が溶接以外の接合方法（例えば、機械的接合や接着）により形成されるものであってもよい。

【0076】

上記実施形態では、燃料極側集電体１４４は、Ｘ軸方向に凹むように切り欠かれた切り欠き部ＣＰを複数有しており、これにより特定領域ＳＡの一部において欠損しているが、切り欠き部ＣＰ以外の態様により、特定領域ＳＡの一部において欠損している、としてもよい。図１２は、変形例における単セル１１０の一部分（図７のＸ３部に対応する部分）のＸＹ断面構成を拡大して示す説明図である。図１３は、図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩの位置における発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。例えば、図１２および図１３に示すように、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８に、Ｚ軸方向に貫通する貫通孔ＴＨが形成されており、これにより特定領域ＳＡの一部において欠損している、としてもよい。なお、図１２および図１３の例では、貫通孔ＴＨが複数形成されており、複数の貫通孔ＴＨは、Ｚ軸方向視においてＹ軸方向に沿って互いに間隔を空けつつ並んでいる。貫通孔ＴＨは、隣り合う２つの接合部１５１間に３つずつ形成されている。隣り合う２つの接合部１５１間に形成される貫通孔ＴＨの個数は、３つに限らず、可変可能である。各貫通孔ＴＨは、燃料室１７６の一部であって、燃料極１１６の近傍に位置する部分に面している。いずれの隣り合う２つの接合部１５１の組合せに係る特定領域ＳＡにおいても、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８は、上記のように特定領域ＳＡの一部において欠損している。貫通孔ＴＨは、例えば、プレス加工などにより形成することができる。なお、図１２および図１３の例では、各貫通孔ＴＨは、略円形状であるが、その形状は特に限定されるものではなく、例えば長孔などであってもよい。

【0077】

上記実施形態では、いずれの接合部１５１とその隣の接合部１５１の組合せにおいても、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８は、特定領域ＳＡの一部において欠損しているが、一部の接合部１５１とその隣の接合部１５１の組合せのみにおいて、燃料極側集電体１４４のＸ方向先端部１４８は、特定領域ＳＡの一部において欠損している、としてもよい。

【0078】

上記実施形態において、燃料極側集電体１４４の電極側接触部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合材を介して接触している構成であってもよい。また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４の反対側接触部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合材を介して接触している構成であってもよい。

【0079】

また、上記実施形態では、燃料極側集電体１４４の反対側接触部１４６と電極側接触部１４５と連接部１４７とＸ方向先端部１４８とは一体の部材により構成されているが、反対側接触部１４６と電極側接触部１４５と連接部１４７とのいずれかまたはすべてが別体の部材により構成されていてもよい。

【0080】

上記実施形態の燃料電池スタック１００において、空気極側集電体１３４が、単セル１１０に対して上方（Ｚ軸方向の一方）の側に配置されたインターコネクタ１５０（以下、当該インターコネクタ１５０を特に指すときには「上側のインターコネクタ１５０」という。）の表面に接触する反対側接触部と、空気極１１４に接触する電極側接触部と、当該反対側接触部と当該電極側接触部とをつなぐ連接部と、当該電極側接触部における当該連接部に接続する側とは反対側に接続されているＸ軸方向先端部（以下、「空気極側のＸ軸方向先端部」という。）を備え、当該反対側接触部と当該電極側接触部との間にスペーサー（スペーサー１４９と同様の材料および形状である部材。以下、「空気極側スペーサー」という。）が配置され、空気極側のＸ軸方向先端部が特定領域ＳＡの一部において欠損している構成が採用されてもよい。この構成においても、上記実施形態の場合と同様の理由から、空気極側のＸ軸方向先端部の存在により、スペーサー１４９のＸ軸方向の位置ずれを抑制することができ、更に、空気極側のＸ軸方向先端部が特定領域ＳＡの一部において欠損していることにより、空気極側のＸ軸方向先端部の非接合部が単セル１１０に接触することに起因する燃料電池スタック１００の発電性能の低下を抑制することができる。この構成においては、上側のインターコネクタ１５０は、特許請求の範囲における第１導電部材の一例であり、空気極側集電体１３４は、特許請求の範囲における第２導電部材の一例であり、空気極１１４は特許請求の範囲における特定電極の一例である。また、このような構成に加えて、上記実施形態の燃料電池スタック１００において、空気極側集電体１３４が、電極側接触部１４５におけるＹ軸方向の端に接続されている第２の先端部であって、少なくとも一部が空気極側スペーサーに対してＹ軸方向の側に位置するＹ軸方向先端部（以下、「空気極側のＹ軸方向先端部」という。）を備える構成が採用されてもよい。この構成においても、上記実施形態の場合と同様の理由から、空気極側のＹ軸方向先端部の存在により、空気極側スペーサーのＹ軸方向の位置ずれを抑制することができる。

【0081】

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（ＳＯＥＣ）の最小単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替えればよい。

【符号の説明】

【0082】

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 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 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：電極側接触部 １４６：反対側接触部 １４７：連接部 １４８：Ｘ方向先端部 １４８Ａ，１４８Ｂ：Ｙ方向先端部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １５１，１５３，１５４：接合部 １５２：非接合部 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 １８１：貫通孔 ２００：第１の上下延伸部 ２０１：Ｘ延伸部 ２０３：第２の上下延伸部 ２０４：Ｙ延伸部 ２０５：第３の上下延伸部 ２０６：Ｙ延伸部 １５１１：接合部 １５１２：接合部 ＣＰ：切り欠き部 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＩＩ１：第１内側交点 ＩＩ２：第２内側交点 ＯＧ：酸化剤ガス ＯＩ１：第１外側交点 ＯＩ２：第２外側交点 ＯＯＧ：酸化剤オフガス ＳＡ：特定領域 ＴＨ：貫通孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】