(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】P2023081742
(43)【公開日】2023-06-13
(54)【発明の名称】電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0247 20160101AFI20230606BHJP
H01M 8/0241 20160101ALI20230606BHJP
C25B 9/65 20210101ALI20230606BHJP
C25B 13/04 20210101ALI20230606BHJP
C25B 13/05 20210101ALI20230606BHJP
C25B 9/23 20210101ALI20230606BHJP
C25B 15/00 20060101ALI20230606BHJP
H01M 8/0208 20160101ALI20230606BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20230606BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0247
H01M8/0241
C25B9/65
C25B13/04 302
C25B13/05
C25B9/23
C25B15/00 302Z
H01M8/0208
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021195697
(22)【出願日】2021-12-01
(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】柿沼 保夫
(72)【発明者】
【氏名】堀田 信行
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 吉晃
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 伸輔
(72)【発明者】
【氏名】島津 めぐみ
【テーマコード（参考）】
4K021
5H126
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021CA07
4K021CA15
4K021DB04
4K021DB40
4K021DB43
4K021DB49
4K021DB53
4K021DC01
4K021DC03
4K021EA05
5H126AA12
5H126AA14
5H126BB06
5H126DD05
5H126EE11
5H126GG08
5H126JJ02
5H126JJ05
(57)【要約】
【課題】インターコネクタに含まれるＭｎが燃料室に飛散することを抑制する。
【解決手段】電気化学反応単位は、固体酸化物を含む電解質層と、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、を含む電気化学反応単セルと、燃料極に対して第１の方向の空気極とは反対側に位置するインターコネクタであって、燃料極が面する燃料室を画定し、かつ、Ｍｎを含むインターコネクタと、を備える。インターコネクタに溝部が形成されている。電気化学反応単位は、少なくとも一部が前記溝部に収容された特定部材であって、Ｍｎと化合物を形成する特定元素を含み、少なくとも一部が燃料室に面する、特定部材を備える。
【選択図】図４
【解決手段】電気化学反応単位は、固体酸化物を含む電解質層と、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、を含む電気化学反応単セルと、燃料極に対して第１の方向の空気極とは反対側に位置するインターコネクタであって、燃料極が面する燃料室を画定し、かつ、Ｍｎを含むインターコネクタと、を備える。インターコネクタに溝部が形成されている。電気化学反応単位は、少なくとも一部が前記溝部に収容された特定部材であって、Ｍｎと化合物を形成する特定元素を含み、少なくとも一部が燃料室に面する、特定部材を備える。
【選択図】図４
【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、を含む電気化学反応単セルと、
前記燃料極に対して前記第１の方向の前記空気極とは反対側に位置するインターコネクタであって、前記燃料極が面する燃料室を画定し、かつ、Ｍｎを含むインターコネクタと、を備える、電気化学反応単位において、
前記インターコネクタに溝部が形成されており、
少なくとも一部が前記溝部に収容された特定部材であって、Ｍｎと化合物を形成する特定元素を含み、少なくとも一部が前記燃料室に面する、特定部材を備える、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
前記燃料極に対して前記第１の方向の前記空気極とは反対側に位置するインターコネクタであって、前記燃料極が面する燃料室を画定し、かつ、Ｍｎを含むインターコネクタと、を備える、電気化学反応単位において、
前記インターコネクタに溝部が形成されており、
少なくとも一部が前記溝部に収容された特定部材であって、Ｍｎと化合物を形成する特定元素を含み、少なくとも一部が前記燃料室に面する、特定部材を備える、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項2】
請求項１に記載の電気化学反応単位であって、
前記特定部材の全体は、前記溝部に収容されている、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
前記特定部材の全体は、前記溝部に収容されている、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項3】
請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単位であって、
複数の前記特定部材を備え、
複数の前記特定部材は、前記第１の方向視において格子状に位置している、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
複数の前記特定部材を備え、
複数の前記特定部材は、前記第１の方向視において格子状に位置している、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項4】
請求項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単位であって、
前記第１の方向視において、前記燃料極を、前記燃料室内を流れるガスの流れの上流側の部分である上流側部分と、下流側の部分である下流側部分とに２分したときに、
前記第１の方向視において、前記上流側部分の面積に対する、前記上流側部分と重なる前記特定部材の面積の合計の割合は、前記下流側部分の面積に対する、前記下流側部分と重なる前記特定部材の面積の合計の割合よりも大きい、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
前記第１の方向視において、前記燃料極を、前記燃料室内を流れるガスの流れの上流側の部分である上流側部分と、下流側の部分である下流側部分とに２分したときに、
前記第１の方向視において、前記上流側部分の面積に対する、前記上流側部分と重なる前記特定部材の面積の合計の割合は、前記下流側部分の面積に対する、前記下流側部分と重なる前記特定部材の面積の合計の割合よりも大きい、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【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単位であって、
前記インターコネクタは、Ｃｒを含む、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
前記インターコネクタは、Ｃｒを含む、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【請求項6】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位であって、
前記特定部材における前記特定元素の含有量は、１０質量％以上である、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
前記特定部材における前記特定元素の含有量は、１０質量％以上である、
ことを特徴とする電気化学反応単位。
【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単位が前記第１の方向に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、
前記インターコネクタは、前記溝部に対して前記第１の方向の反対側に位置する突部であって、前記空気極に電気的に接続される突部を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
前記インターコネクタは、前記溝部に対して前記第１の方向の反対側に位置する突部であって、前記空気極に電気的に接続される突部を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位および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、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という。）は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）と、インターコネクタとを備える（例えば、特許文献１参照）。単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向（以下、「第１の方向」という。）に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。インターコネクタは、燃料極に対して第１の方向の空気極とは反対側に位置している。インターコネクタは、燃料極が面する燃料室（の一部）を画定している。インターコネクタは、フェライト系ステンレスにより形成されている。そのため、インターコネクタは、Ｍｎを含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２１‐０８６７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記従来の構成では、インターコネクタに含まれるＭｎが燃料室に飛散することにより、燃料室におけるＭｎ蒸気圧が上昇し、ひいては、電解質層にクラックが発生するなど、電気化学反応単セルの性能に悪影響を及ぼすことがある。
【0005】
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の構成単位である電解セル単位にも共通の課題である。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、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応単位にも共通の課題である。また、このような課題は、複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにも共通の課題である。
【0006】
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】
【0007】
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。
【0008】
（１）本明細書に開示される電気化学反応単位は、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、を含む電気化学反応単セルと、前記燃料極に対して前記第１の方向の前記空気極とは反対側に位置するインターコネクタであって、前記燃料極が面する燃料室を画定し、かつ、Ｍｎを含むインターコネクタと、を備える、電気化学反応単位において、前記インターコネクタに溝部が形成されており、少なくとも一部が前記溝部に収容された特定部材であって、Ｍｎと化合物を形成する特定元素を含み、少なくとも一部が前記燃料室に面する、特定部材を備える。
【0009】
本電気化学反応単位は、上述した特定部材を備えるため、特定部材に含まれる特定元素が、ガスとして燃料室に飛散し、インターコネクタに含まれるＭｎと反応してＭｎとの化合物を生成し、その結果、インターコネクタに含まれるＭｎが燃料室に飛散することが抑制される。これは、Ｍｎが特定元素との化合物となることにより、燃料室に飛散しにくくなるからである。従って、本電気化学反応単位によれば、上記従来技術と比較して、燃料室におけるＭｎ蒸気圧の上昇を抑制することができ、これにより単セルの性能を向上させることができる。
【0010】
ところで、燃料室に面する特定部材がインターコネクタの表面から所定方向（燃料室を流れる燃料ガスの流れに直交する方向、例えば第１の方向）（以下、「ガス流れ直交方向」という。）に突出する構成（以下、「比較構成」という。）においては、燃料ガスの流れが特定部材により阻害され、これにより単セルの性能に悪影響を及ぼすことがある。本電気化学反応単位においては、上述したように、特定部材の少なくとも一部がインターコネクタの溝部（以下、単に「溝部」ともいう。）に収容されていることにより、比較構成よりも、特定部材がインターコネクタの表面からガス流れ直交方向（第１の方向）に突出する程度が抑制され、ひいては、燃料室を流れる燃料ガスの流れが特定部材により阻害される程度が抑制される。従って、本電気化学反応単位によれば、燃料ガスの流れが特定部材により阻害されることにより電気化学反応単位の性能が低下することを抑制することができ、これにより更に電気化学反応単位の性能を向上させることができる。
【0011】
（２）上記電気化学反応単位において、前記特定部材の全体は、前記溝部に収容されている構成としてもよい。本電気化学反応単位においては、特定部材の一部が溝部の外部である燃料室に位置する構成よりも更に、燃料ガスの流れが特定部材により阻害される程度が抑制される。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を特に向上させることができる。
【0012】
（３）上記電気化学反応単位において、複数の前記特定部材を備え、複数の前記特定部材は、前記第１の方向視において格子状に位置している構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第１の方向視において複数の特定部材が格子状でない歪な配置とされた構成と比較して、ガスの流通性をある程度確保しつつ、特定部材に含まれる特定元素による上記効果（Ｍｎ蒸気圧の上昇を抑制する効果）を広範囲かつ均一に発揮させることができる。
【0013】
（４）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向視において、前記燃料極を、前記燃料室内を流れるガスの流れの上流側の部分である上流側部分と、下流側の部分である下流側部分とに２分したときに、前記第１の方向視において、前記上流側部分の面積に対する、前記上流側部分と重なる前記特定部材の面積の合計の割合は、前記下流側部分の面積に対する、前記下流側部分と重なる前記特定部材の面積の合計の割合よりも大きい構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、これらの割合が同一である構成等よりも効果的に、燃料室におけるＭｎ蒸気圧の上昇を抑制することができる。
【0014】
（５）上記電気化学反応単位において、前記インターコネクタは、Ｃｒを含む構成としてもよい。そのため、本電気化学反応単位では、インターコネクタの表面にＣｒ２Ｏ３が形成される。そのため、インターコネクタの表面に形成されるＭｎと特定元素の化合物を核として、Ｍｎ蒸気圧が低いＭｎとＣｒの化合物を形成され、これにより、Ｍｎが燃料室に飛散することが更に抑制される。従って、本電気化学反応単位によれば、より効果的に、燃料室におけるＭｎ蒸気圧の上昇を抑制することができる。
【0015】
（６）上記電気化学反応単位において、前記特定部材における前記特定元素の含有量は、１０質量％以上である構成としてもよい。そのため、本電気化学反応単位によれば、より効果的に、燃料室におけるＭｎ蒸気圧の上昇を抑制することができ、これにより単セルの性能を向上させることができる。
【0016】
（７）本明細書に開示される気化学反応セルスタックは、上記（１）から（６）までのいずれか１つに記載の電気化学反応単位が前記第１の方向に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、前記インターコネクタは、前記溝部に対して前記第１の方向の反対側に位置する突部（以下、単に「突部」ともいう。）であって、前記空気極に電気的に接続される突部を備える。このような溝部および突部は、インターコネクタの製造時において、例えばプレス加工により同時に形成することができる。そのため、本電気化学反応セルスタックにおいては、Ｍｎ蒸気圧の上昇を抑制する効果を奏する上記溝部と、空気極と電気的に接続される集電部として機能する上記突部とを備える構成を容易に実現（製造）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、電気化学反応単位（燃料電池発電単位または電解セル単位）、複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック、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】
【0018】
【図1】第１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6】燃料極側集電部材１４８の作製方法の一例を示す説明図
【図9】第２実施形態における燃料電池スタック１００Ａの発電単位１０２ＡのＸＹ断面構成を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【0019】
Ａ．第１実施形態：
Ａ－１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、第１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は、図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。
Ａ－１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、第１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は、図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。
【0020】
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、一対のターミナルプレート７０，８０と、一対の絶縁シート９２，９６と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のターミナルプレート７０，８０のうちの一方（以下、「上側ターミナルプレート７０」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、一対の絶縁シート９２，９６のうちの一方（以下、「上側絶縁シート９２」という。）は、上側ターミナルプレート７０の上側に配置されており、一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの一方（以下、「上側エンドプレート１０４」という。）は、上側絶縁シート９２の上側に配置されている。また、一対のターミナルプレート７０，８０のうちの他方（以下、「下側ターミナルプレート８０」という。）は、発電ブロック１０３の下側に配置されており、一対の絶縁シート９２，９６のうちの他方（以下、「下側絶縁シート９６」という。）は、下側ターミナルプレート８０の下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、下側絶縁シート９６の下側に配置されている。一対のターミナルプレート７０，８０は、発電ブロック１０３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、上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向の一例である。
【0021】
燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、ターミナルプレート７０，８０、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、上側エンドプレート１０４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。
【0022】
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と上側エンドプレート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と下側エンドプレート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と下側エンドプレート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ている。
【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。
【0024】
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。
【0025】
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。
（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、例えばステンレス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を内包している。そのため、各ボルト２２およびナット２４による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。
（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、例えばステンレス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を内包している。そのため、各ボルト２２およびナット２４による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。
【0026】
（絶縁シート９２，９６の構成）
一対の絶縁シート９２，９６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の絶縁性材料により構成されている。上側絶縁シート９２の中央付近には、上側エンドプレート１０４の孔３２に連通し、かつ、Ｚ軸方向に貫通する孔が形成されている。
一対の絶縁シート９２，９６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の絶縁性材料により構成されている。上側絶縁シート９２の中央付近には、上側エンドプレート１０４の孔３２に連通し、かつ、Ｚ軸方向に貫通する孔が形成されている。
【0027】
（ターミナルプレート７０，８０の構成）
一対のターミナルプレート７０，８０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。上側ターミナルプレート７０の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔７１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７０に形成された孔７１の内周線は、後述する各単セル１１０を内包している。なお、本実施形態では、Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート７０に形成された孔７１の内周線は、上側エンドプレート１０４に形成された孔３２の内周線と略一致している。上側ターミナルプレート７０は、Ｚ軸方向視で、上側エンドプレート１０４の外周線から外側に突出した突出部７８を備えており、該突出部７８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する。また、下側ターミナルプレート８０は、Ｚ軸方向視で、下側エンドプレート１０６の外周線から外側に突出した突出部８８を備えており、該突出部８８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。
一対のターミナルプレート７０，８０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。上側ターミナルプレート７０の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔７１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７０に形成された孔７１の内周線は、後述する各単セル１１０を内包している。なお、本実施形態では、Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート７０に形成された孔７１の内周線は、上側エンドプレート１０４に形成された孔３２の内周線と略一致している。上側ターミナルプレート７０は、Ｚ軸方向視で、上側エンドプレート１０４の外周線から外側に突出した突出部７８を備えており、該突出部７８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する。また、下側ターミナルプレート８０は、Ｚ軸方向視で、下側エンドプレート１０６の外周線から外側に突出した突出部８８を備えており、該突出部８８は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。
【0028】
（発電単位１０２の構成）
図４は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。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。
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。
【0029】
図４および図５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１４８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、インターコネクタ１９０（より詳細には、後述する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】
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）を支持する燃料極支持形の単セルである。
【0031】
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。
【0032】
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導電性部材であり、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の板厚は、比較的薄く、例えば０．０５ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下程度である。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（電解質層１１２）と接合されている。従って、単セル用セパレータ１２０は、接合部１２４を介して単セル１１０に接続されていると言える。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（クロスリーク）が抑制される。
【0033】
インターコネクタ１９０は、略矩形の略平板形状の平板部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、ＩＣ用セパレータ１８０とを有する導電性の部材であり、Ｍｎ（マンガン）およびＣｒ（クロム）を含む金属（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、燃料極１１６が面する燃料室１７６（の一部）を画定している。本実施形態では、インターコネクタ１９０の平板部１５０および空気極側集電部１３４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が形成さ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。
【0034】
図４に示すように、インターコネクタ１９０（の平板部１５０）のうち、燃料室１７６を画定する表面Ｓ１には、Ｚ軸負方向（Ｚ軸方向の燃料極１１６に対して空気極１１４とは反対の方向）に凹む溝部１９１が複数形成されている。各溝部１９１は、空気極側集電部１３４のうち、Ｚ軸正方向側の部分により形成されている。インターコネクタ１９０の各溝部１９１には、特定部材５０が配置されている。特定部材５０の構成については後述する。
【0035】
各発電単位１０２において、上側のインターコネクタ１９０（の平板部１５０）は、単セル１１０に対して上側に配置されている。上側のインターコネクタ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。また、各発電単位１０２において、下側のインターコネクタ１９０は、単セル１１０に対して燃料室１７６を挟んで下側に配置されており、後述する燃料極側集電部材１４８を介して、単セル１１０の燃料極１１６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。発電単位１０２を構成する各インターコネクタ１９０は、燃料極１１６に対してＺ軸方向の空気極１１４とは反対側に位置している。また、燃料電池スタック１００はターミナルプレート８０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および図３参照）。
【0036】
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の板厚は、比較的薄く、例えば０．０５ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下程度である。ＩＣ用セパレータ１８０は、Ｚ軸方向において単セル用セパレータ１２０と対向している。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のＩＣ用セパレータ１８０は、ターミナルプレート７０に電気的に接続されている。
【0037】
図４および図５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（の一部）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間（すなわち、一対のインターコネクタ１９０間）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ガス排出連通流路１３３とが形成されている。
【0038】
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（の一部）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連通流路１４３とが形成されている。
【0039】
燃料極側集電部材１４８は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部材１４８は、導電性部１４４と弾性部１４９とを有する。導電性部１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１９０とを電気的に接続する部分であり、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。導電性部１４４は、燃料極１１６の下側の表面に接触した電極対向部１４５と、インターコネクタ１９０の上側の表面に接触したインターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを有している。また、弾性部１４９は、燃料極側集電部材１４８の弾性を確保するための部分であり、例えば、マイカ等により形成されている。導電性部１４４のうちのインターコネクタ対向部１４６は、Ｚ軸方向においてインターコネクタ１９０と弾性部１４９との間に配置され、導電性部１４４のうちの電極対向部１４５は、Ｚ軸方向において燃料極１１６と弾性部１４９との間に配置されている。これにより、燃料極側集電部材１４８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１４８を介した燃料極１１６とインターコネクタ１９０との電気的接続が良好に維持される。
【0040】
図６は、燃料極側集電部材１４８の作製方法の一例を示す説明図である。燃料極側集電部材１４８は、例えば、図６に示すように、平板状の材料（例えば、厚さ１０～２００μｍのニッケル箔）に切り込みＳＬを入れ、該材料の上に複数の孔が形成されたシート状の弾性部１４９を配置した状態で、複数の矩形部分を曲げ起こして弾性部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ＯＰ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。なお、図６では、燃料極側集電部材１４８の製造方法を示すため、一部の矩形部分について、曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。
【0041】
また、本実施形態の発電単位１０２は、さらに、フェルト部材４１を備える。図４および図７に示すように、フェルト部材４１は、燃料室１７６に配置されている。より具体的には、フェルト部材４１は、燃料室１７６において、燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（Ｙ軸方向）に直交する方向（Ｘ軸方向）の両端の位置（Ｚ軸方向において単セル１１０の空気極１１４と重ならない位置）に充填されている。フェルト部材４１の存在により、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧが、発電にあまり寄与しない領域を通過して燃料室１７６から排出されることを抑制することができ、発電効率を向上させることができる。
【0042】
フェルト部材４１は、アルミナ－シリカ（二酸化ケイ素）系のフェルト材料により構成されている。すなわち、フェルト部材４１は、セラミックスであるアルミナと、シリカ成分とを含んでいる。フェルト部材４１がアルミナを含むことにより、フェルト部材４１の耐熱性や柔軟性を向上させることができる。なお、本実施形態で使用されるフェルト部材４１は、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有すると共に、ＳｉＯ２の結晶構造も有している。このようなフェルト部材４１は、Ａｌ２Ｏ３の結晶構造を有する市販のアルミナ－シリカ系のフェルト原材料を、例えば１０００℃以上、１３００℃以下で８～１２時間の熱処理を行い、その後に成形することにより作製することができる。本実施形態のフェルト部材４１は、更に、ハロゲン元素を含む化合物およびアルカリ金属元素を含む化合物を含んでいる。
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の酸化剤ガス供給連通流路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の燃料ガス供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
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の酸化剤ガス供給連通流路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の燃料ガス供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
【0043】
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１４８を介して下側のインターコネクタ１９０（または、ターミナルプレート８０）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は、ターミナルプレート７０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は、燃料極側集電部材１４８を介してターミナルプレート８０に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７０，８０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。
【0044】
図２および図４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３および図５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。
【0045】
なお、本実施形態におけるガスフロー方式は、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス供給連通流路１３２から酸化剤ガス排出連通流路１３３に向かう酸化剤ガスＯＧの流れ方向と、燃料ガス供給連通流路１４２から燃料ガス排出連通流路１４３に向かう燃料ガスＦＧの流れ方向とが略直交する、いわゆるクロスフロー方式である。
【0046】
Ａ－３．特定部材５０およびその周辺の構成：
図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ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。図４、図７および図８に示すように、発電単位１０２は、更に、複数（本実施形態では８１個）の特定部材５０を備える。以下、特定部材５０およびその周辺の構成について説明する。
図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ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。図４、図７および図８に示すように、発電単位１０２は、更に、複数（本実施形態では８１個）の特定部材５０を備える。以下、特定部材５０およびその周辺の構成について説明する。
【0047】
特定部材５０は、Ｓｉ（シリコン）を含む直方体状の部材（例えばマイカ）である。Ｓｉは、インターコネクタ１９０に含まれるＭｎと化合物を形成する元素（以下、「特定元素」という。）に該当する。なお、マイカは、水酸基（ＯＨ）と結合したＳｉを含んでいる。また、特定部材５０が水酸基（ＯＨ）と結合した特定元素（Ｓｉ）を有することは、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）によって結晶相を同定する方法や、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ－ＩＲ）によって水酸基結合ピーク（例えばＳｉ－ＯＨ結合の場合は、３６００～３８００ｃｍ-１のピーク）を検出することによって確認することができる。
【0048】
各特定部材５０の少なくとも一部は、燃料室１７６に面している。そのため、燃料電池スタック１００の運転時等において、特定部材５０に含まれる特定元素（Ｓｉ）は、ガスとして燃料室１７６に飛散する。従って、特定部材５０は、特定元素（Ｓｉ）を含むガスが発生する部材に該当する。
【0049】
各特定部材５０の高さ（Ｚ軸方向の幅）は、例えば、１０μｍ以上であり、５ｍｍ以下である。各特定部材５０のＸ軸方向またはＹ軸方向の幅は、例えば、１ｍｍ以上であり、５００ｍｍ以下である。
【0050】
各特定部材５０における特定元素（Ｓｉ）の含有量は、１０質量％以上（例えば、白雲母の場合には２１質量％）である。なお、特定部材５０における特定元素（Ｓｉ）の含有量は、硝酸等を用いて特定部材５０を溶解させたサンプルについて、ＩＣＰ発光分析を行うことにより測定することができる。
【0051】
上述したように、インターコネクタ１９０（の平板部１５０）のうち、燃料室１７６を画定する表面Ｓ１には、Ｚ軸負方向（Ｚ軸方向の燃料極１１６に対して空気極１１４とは反対の方向）に凹む溝部１９１が複数形成されている。特定部材５０は、インターコネクタ１９０の各溝部１９１に１つずつ配置されている。
【0052】
図４および図８に示すように、特定部材５０の少なくとも一部は、インターコネクタ１９０の溝部１９１に収容されている。換言すれば、特定部材５０の少なくとも一部がインターコネクタ１９０の溝部１９１内に位置している。なお、図４および図８に示すように特定部材５０の全体がインターコネクタ１９０の溝部１９１に収容（換言すれば、特定部材５０の全体がインターコネクタ１９０の溝部１９１内に位置している）されていてもよいが、特定部材５０の一部のみがインターコネクタ１９０の溝部１９１に収容されていてもよい。
【0053】
図４および図８に示すように、インターコネクタ１９０（の平板部１５０）のうち、空気室１６６を画定する表面Ｓ２には、Ｚ軸負方向（Ｚ軸方向の燃料極１１６に対して空気極１１４とは反対の方向）に突出する突部１９２が複数形成されている。各突部１９２は、空気極側集電部１３４のうち、Ｚ軸負方向側の部分により形成されている。以上の説明から明らかであるが、各突部１９２は、溝部１９１に対してＺ軸負方向（溝部１９１に対してＺ軸方向の反対）側に位置する。インターコネクタ１９０の各突部１９２は、空気極１１４に電気的に接続される。このような突部１９２は、インターコネクタ１９０の製造時において、平板部１５０を形成するための平板形状の材料に対し、例えばプレス加工により局所的にＺ軸負方向の変形を加えることにより、溝部１９１と同時に形成することができる。
【0054】
インターコネクタ１９０の各溝部１９１の深さ（Ｚ軸方向の深さ）は、例えば、１０μｍ以上であり、５ｍｍ以下である。また、インターコネクタ１９０の各突部１９２の高さ（Ｚ軸方向の幅）も略同様である。
【0055】
図７に示すように、複数の特定部材５０は、Ｚ軸方向視において格子状に位置している。
【0056】
なお、各特定部材５０は、燃料室１７６のうち、Ｚ軸方向視において電解質層１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なっている領域（以下、「反応領域」という。）ＲＡ内に位置している。反応領域ＲＡは、発電反応が主に生じる領域であり、Ｚ軸方向視において電解質層１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なっていない領域と比べて発電に対する寄与が大きい。
【0057】
また、以下の構成に限定される必要は特には無いが、本実施形態では、図７に示すように、Ｚ軸方向視において、燃料室１７６を、燃料室１７６内を流れるガス（燃料ガスＦＧ）の流れの上流側（本実施形態ではＹ軸正方向側）の部分である上流側部分１７７と、下流側（本実施形態ではＹ軸負方向側）の部分である下流側部分１７８とに２分したときに、Ｚ軸方向視において、燃料室１７６の上流側部分１７７の面積に対する、上流側部分１７７と重なる特定部材５０の面積の合計の割合は、下流側部分１７８の面積に対する、下流側部分１７８と重なる特定部材５０の面積の合計の割合と同一である。燃料室１７６の上流側部分１７７は、Ｚ軸方向視において、反応領域ＲＡの中心を通り、かつ、燃料室１７６内を流れるガス（燃料ガスＦＧ）の流れの方向に交差する方向（本実施形態ではＸ軸方向）の仮想直線ＶＬを境界として燃料室１７６を２分したときの燃料室１７６内を流れるガス（燃料ガスＦＧ）の流れの上流側に位置する部分であり、下流側部分１７８は、その下流側に位置する部分である。なお、仮想直線ＶＬは、反応領域ＲＡの中心を通るものでなく、単セル１１０の中心またはインターコネクタ１９０の中心を通るものであってもよい。
【0058】
Ａ－４．第１実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態における燃料電池スタック１００は、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とを備える。単セル１１０は、固体酸化物を含む電解質層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１９０は、燃料極１１６に対してＺ軸負方向側（Ｚ軸方向の空気極１１４とは反対側）に位置している。インターコネクタ１９０は、燃料極１１６が面する燃料室１７６を画定し、かつ、Ｍｎを含んでいる。インターコネクタ１９０に溝部１９１が形成されている。発電単位１０２は、少なくとも一部がインターコネクタ１９０の溝部１９１に収容された特定部材５０を備える。特定部材５０は、Ｍｎと化合物を形成する特定元素（Ｓｉ）を含む部材である。特定部材５０の少なくとも一部は、燃料室１７６に面している。
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、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とを備える。単セル１１０は、固体酸化物を含む電解質層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１９０は、燃料極１１６に対してＺ軸負方向側（Ｚ軸方向の空気極１１４とは反対側）に位置している。インターコネクタ１９０は、燃料極１１６が面する燃料室１７６を画定し、かつ、Ｍｎを含んでいる。インターコネクタ１９０に溝部１９１が形成されている。発電単位１０２は、少なくとも一部がインターコネクタ１９０の溝部１９１に収容された特定部材５０を備える。特定部材５０は、Ｍｎと化合物を形成する特定元素（Ｓｉ）を含む部材である。特定部材５０の少なくとも一部は、燃料室１７６に面している。
【0059】
本実施形態の発電単位１０２は、上述した特定部材５０を備えるため、特定部材５０に含まれる特定元素（Ｓｉ）が、ガスとして燃料室１７６に飛散し、インターコネクタ１９０に含まれるＭｎと反応してＭｎとの化合物（例えばＭｎ２ＳｉＯ４（珪酸マンガン）等）を生成し、その結果、インターコネクタ１９０に含まれるＭｎが燃料室１７６に飛散することが抑制される。これは、Ｍｎが特定元素（Ｓｉ）との化合物となることにより、燃料室１７６に飛散しにくくなるからである。従って、本実施形態の発電単位１０２によれば、上記従来技術と比較して、燃料室１７６におけるＭｎ蒸気圧の上昇を抑制することができ、これにより単セル１１０の性能を向上させることができる。
【0060】
ところで、燃料室１７６に面する特定部材５０がインターコネクタ１９０の表面から所定方向（燃料室１７６を流れる燃料ガスＦＧの流れに直交する方向、例えばＺ軸方向）（以下、「ガス流れ直交方向」という。）に突出する構成（以下、「比較構成」という。）においては、燃料ガスＦＧの流れが特定部材５０により阻害され、これにより単セル１１０の性能に悪影響を及ぼすことがある。本実施形態の発電単位１０２においては、上述したように、特定部材５０の少なくとも一部がインターコネクタ１９０の溝部１９１に収容されていることにより、比較構成よりも、特定部材５０がインターコネクタ１９０の表面からガス流れ直交方向（Ｚ軸方向）に突出する程度が抑制され、ひいては、燃料室１７６を流れる燃料ガスＦＧの流れが特定部材５０により阻害される程度が抑制される。従って、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料ガスＦＧの流れが特定部材５０により阻害されることにより発電単位１０２の性能が低下することを抑制することができ、これにより更に発電単位１０２の性能を向上させることができる。
【0061】
本実施形態の発電単位１０２においては、特定部材５０の全体は、溝部１９１に収容されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２においては、特定部材５０の一部が溝部１９１の外部である燃料室１７６に位置する構成よりも更に、燃料ガスＦＧの流れが特定部材５０により阻害される程度が抑制される。従って、本実施形態の発電単位１０２によれば、発電単位１０２の性能を特に向上させることができる。なお、燃料ガスＦＧの流れが特定部材５０により阻害されることを抑制する効果の観点から、特定部材５０の一部のみでなく全体がインターコネクタ１９０の溝部１９１に収容されている構成が特に好ましい。
【0062】
本実施形態の発電単位１０２は、複数の特定部材５０を備え、複数の特定部材５０は、Ｚ軸方向視において格子状に位置している。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、Ｚ軸方向視において複数の特定部材５０が格子状でない歪な配置とされた構成と比較して、燃料ガスＦＧの流通性をある程度確保しつつ、特定部材５０に含まれる特定元素（Ｓｉ）による上記効果（Ｍｎ蒸気圧の上昇を抑制する効果）を広範囲かつ均一に発揮させることができる。なお、Ｍｎ蒸気圧の上昇を抑制する効果の観点から、複数の特定部材５０が並ぶ方向が燃料室１７６内における燃料ガスＦＧの流れの方向（Ｙ軸方向）に沿っている構成がより好ましく、上記のように格子状であれば、図７に示すように格子の並び方向が燃料室１７６内における燃料ガスＦＧの流れの方向（Ｙ軸方向）に沿っている構成が特に好ましい。
【0063】
本実施形態の発電単位においては、インターコネクタ１９０は、Ｃｒを含む。そのため、本実施形態の発電単位１０２では、インターコネクタ１９０の表面にＣｒ２Ｏ３が形成される。そのため、インターコネクタ１９０の表面に形成されるＭｎと特定元素（Ｓｉ）の化合物を核として、Ｍｎ蒸気圧が低いＭｎとＣｒの化合物（（Ｃｒ、Ｍｎ）３Ｏ４等）が形成され、これにより、Ｍｎが燃料室１７６に飛散することが更に抑制される。従って、本実施形態の発電単位１０２によれば、より効果的に、燃料室１７６におけるＭｎ蒸気圧の上昇を抑制することができる。
【0064】
本実施形態の発電単位においては、特定部材５０における特定元素（Ｓｉ）の含有量は、１０質量％以上である。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、より効果的に、燃料室１７６におけるＭｎ蒸気圧の上昇を抑制することができ、これにより単セル１１０の性能を向上させることができる。
【0065】
本実施形態の発電単位においては、インターコネクタ１９０は、溝部１９１に対してＺ軸負方向（溝部１９１に対してＺ軸方向の反対）側に位置する突部１９２であって、空気極１１４に電気的に接続される突部１９２を備える。このような溝部１９１および突部１９２は、インターコネクタ１９０の製造時において、例えばプレス加工により同時に形成することができる。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００においては、Ｍｎ蒸気圧の上昇を抑制する効果を奏する上記溝部１９１と、空気極１１４と電気的に接続される集電部として機能する上記突部１９２とを備える構成を容易に実現（製造）することができる。
【0066】
Ｂ．第２実施形態：
図９は、第２実施形態における燃料電池スタック１００Ａの発電単位１０２ＡのＸＹ断面構成を示す説明図である。図９には、第１実施形態における図７と同様の位置における発電単位１０２ＡのＸＹ断面構成が示されている。
図９は、第２実施形態における燃料電池スタック１００Ａの発電単位１０２ＡのＸＹ断面構成を示す説明図である。図９には、第１実施形態における図７と同様の位置における発電単位１０２ＡのＸＹ断面構成が示されている。
【0067】
第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａの構成は、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００の構成と比較して、基本的な構成は同様であるが、発電単位１０２Ａに備えられる特定部材５０の量が異なっている。以下では、第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａの構成のうち、上述した第１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、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
【0068】
図９に示すように、Ｚ軸方向視において、燃料室１７６の上流側部分１７７の面積に対する、上流側部分１７７と重なる特定部材５０の面積の合計の割合は、下流側部分１７８の面積に対する、下流側部分１７８と重なる特定部材５０の面積の合計の割合よりも大きい。各割合の有効数字は３桁である。上述したように、燃料室１７６の上流側部分１７７は、Ｚ軸方向視において、反応領域ＲＡの中心を通り、かつ、燃料室１７６内を流れるガス（燃料ガスＦＧ）の流れの方向に交差する方向（本実施形態ではＸ軸方向）の仮想直線ＶＬを境界として燃料室１７６を２分したときの燃料室１７６内を流れるガス（燃料ガスＦＧ）の流れの上流側に位置する部分であり、下流側部分１７８は、その下流側に位置する部分である。なお、発電単位１０２Ａのその他の構成は、第１実施形態の発電単位１０２と同様である。
【0069】
ところで、ガス（燃料ガスＦＧ）の流れを考慮すると、Ｚ軸方向視において燃料極１１６の上流側に位置する特定部材５０のほうが、インターコネクタ１９０の下流側に位置する特定部材５０よりも上記効果（Ｍｎ蒸気圧の上昇を抑制する効果）に資する蓋然性が高い。
【0070】
本実施形態の発電単位１０２によれば、上述したように燃料室１７６の上流側部分１７７の面積に対する、上流側部分１７７と重なる特定部材５０の面積の合計の割合は、下流側部分１７８の面積に対する、下流側部分１７８と重なる特定部材５０の面積の合計の割合よりも大きい構成であることにより、これらの割合が同一である構成等よりも効果的に、燃料室１７６におけるＭｎ蒸気圧の上昇を抑制することができる。
【0071】
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。
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。
【0072】
上記実施形態における燃料電池スタック１００、１００Ａの構成や燃料電池スタック１００、１００Ａを構成する各部分の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では特定部材５０の形状は直方体状であるが、特定部材５０の形状やサイズは特に限定されるものではなく、例えば球状や膜状であってもよい。また、特定部材５０を収容するインターコネクタ１９０の溝部１９１（以下、単に「溝部１９１」ともいう。）の形状やサイズも特に限定されるものではない。また、上記実施形態では発電単位１０２は複数の特定部材５０および溝部１９１を備えるが、特定部材５０および溝部１９１を１つだけ備えていてもよい。
【0073】
また、特定部材５０および溝部１９１の配置は特に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では複数の特定部材５０および溝部１９１がＺ軸方向視において格子状に位置しているが、これと異なる配置としてもよい。また、上記実施形態では特定部材５０（および溝部１９１）は、燃料室１７６における反応領域ＲＡ（Ｚ軸方向視において電解質層１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なっている領域）内に位置しているが、特定部材５０は反応領域ＲＡ外に位置しているとしてもよい。
【0074】
また、燃料室１７６の上流側部分１７７の面積に対する、上流側部分１７７と重なる特定部材５０の面積の合計の割合は、下流側部分１７８の面積に対する、下流側部分１７８と重なる特定部材５０の面積の合計の割合よりも小さい、としてもよい。
【0075】
また、上記実施形態では特定部材５０はインターコネクタ１９０の溝部１９１に１つずつ配置されているが、インターコネクタ１９０の溝部１９１に複数の特定部材５０が配置されていてもよい。
【0076】
上記実施形態では、特定元素（インターコネクタ１９０に含まれるＭｎと化合物を形成する元素）がＳｉであり、Ｓｉは水蒸気と接したときに揮発しやすい点から特に好適であるが、Ｓｉに換えて、または加えて、特定部材５０の特定元素として、Ｓｉ以外の元素（例えば、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓ（硫黄））を採用してもよい。
【0077】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００、１００Ａに含まれるすべての発電単位１０２、１０２Ａが特定部材５０および溝部１９１を備えているが、必ずしも燃料電池スタック１００、１００Ａに含まれるすべての発電単位１０２、１０２Ａが特定部材５０を備えている必要はなく、少なくとも１つの発電単位１０２、１０２Ａが特定部材５０および溝部１９１を備えていればよい。
【0078】
また、インターコネクタ１９０の溝部１９１の形状、サイズ、および個数は特に限定されるものではない。また、上記実施形態では発電単位１０２、１０２Ａは複数の特定部材５０および溝部１９１を備えるが、特定部材５０を１つだけ備えていてもよい。
【0079】
また、上記実施形態では、インターコネクタ１９０は導電性の被覆層１９４を含んでいるが、インターコネクタ１９０が該被覆層１９４を含んでいなくてもよい。また、上記実施形態では、単セル１１０が電解質層１１２、空気極１１４および燃料極１１６を有しているが、単セル１１０が電解質層１１２と空気極１１４との間に反応防止層を有していてもよい。反応防止層は、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）を含むように構成してもよく、空気極１１４から拡散した元素が電解質層１１２に含まれる元素と反応して高抵抗な物質が生成されることを抑制する機能を有するものであってもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数（発電単位１０２、１０２Ａ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。
【0080】
インターコネクタ１９０はＣｒを含んでなくてもよい。
【0081】
インターコネクタ１９０は、各部（平板部１５０、空気極側集電部１３４、ＩＣ用セパレータ１８０）の一部または全体が一つの部材により構成されていてもよい。
【0082】
また、上記実施形態の燃料電池スタック１００は、クロスフロータイプのＳＯＦＣであるが、本明細書に開示される技術は、コフロータイプのＳＯＦＣにも同様に適用可能である。また、本明細書に開示される技術は、カウンターフロータイプのＳＯＦＣにも同様に適用可能である。
【0083】
また、本発明を、特開２０１８－１９５４１４号公報に記載されているような、金属支持型（メタルサポート型）の単セル１１０を備える構成に適用してもよい。この構成においても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【0084】
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燃料電池スタック１００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単セル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、電解セルスタックの基本的な構成は、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が、おおよそ以下の通りである。すなわち、電解セルスタックの構成は、上述した実施形態の燃料電池スタック１００の構成において、「発電単位」を「電解セル単位」と読み替え、「単セル」を「電解単セル」と読み替え、「酸化剤ガス供給マニホールド」を「空気排出マニホールド」と読み替え、「酸化剤ガス排出マニホールド」を「空気供給マニホールド」と読み替え、「燃料ガス供給マニホールド」を「水素排出マニホールド」と読み替え、「燃料ガス排出マニホールド」を「水蒸気供給マニホールド」と読み替え、「酸化剤ガス供給連通流路」を「空気排出連通流路」と読み替え、「酸化剤ガス排出連通流路」を「空気供給連通流路」と読み替え、「燃料ガス供給連通流路」を「水素排出連通流路」と読み替え、「燃料ガス排出連通流路」を「水蒸気供給連通流路」と読み替えた構成である。
【0085】
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（水素極）１１６がマイナス（陰極）となるように、電解セルスタックに電圧が印加される。また、ガス通路部材２７を介して水蒸気供給マニホールドに原料ガスとしての水蒸気が供給される。なお、供給される水蒸気に、水素ガスが含まれていてもよい。水蒸気供給マニホールドに供給された水蒸気は、水蒸気供給マニホールドから各電解セル単位の水蒸気供給連通流路を介して燃料室１７６に供給され、各電解単セルにおける水の電気分解反応に供される。各電解単セルにおける水の電気分解反応により燃料室１７６で発生した水素ガスは、余った水蒸気と共に水素排出連通流路を介して水素排出マニホールドに排出され、水素排出マニホールドからガス通路部材２７を経て電解セルスタックの外部に取り出される。
【0086】
また、電解セルスタックの運転の際には、電解セルスタックの温度の制御等のために、必要により空気が電解セルスタックの内部に供給される。この場合には、ガス通路部材２７を介して空気供給マニホールドに供給された空気が、空気供給マニホールドから各電解セル単位の空気供給連通流路を介して、空気室１６６に供給される。空気室１６６に供給された空気は、空気極１１４で生成される酸素とともに空気排出連通流路を介して空気排出マニホールドに排出され、空気排出マニホールドからガス通路部材２７を経て電解セルスタックの外部に排出される。
【0087】
このような構成の電解セルスタックにおいても、上記実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成を採用することにより、上記実施形態における燃料電池スタック１００の作用効果と同様の作用効果を奏する。
【0088】
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、本明細書に開示される技術は、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】
【0089】
２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：（ガス通路部材の）本体部 ２９：（ガス通路部材の）分岐部 ３２，３４：孔 ４１：フェルト部材 ５０：特定部材 ７０：上側ターミナルプレート ７１：孔 ７８：（上側ターミナルプレート７０の）突出部 ８０：下側ターミナルプレート ８８：（下側ターミナルプレート８０の）突出部 ９２：上側絶縁シート ９６：下側絶縁シート １００、１００Ａ：燃料電池スタック １０２、１０２Ａ：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 １０８：連通孔 １１０：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 １２１：貫通孔 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流路 １３３：酸化剤ガス排出連通流路 １３４：空気極側集電部 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通流路 １４３：燃料ガス排出連通流路 １４４：（燃料極側集電部材の）導電性部 １４５：（燃料極側集電部材の）電極対向部 １４６：（燃料極側集電部材の）インターコネクタ対向部 １４７：（燃料極側集電部材の）連接部 １４８：燃料極側集電部材 １４９：（燃料極側集電部材の）弾性部 １５０：（インターコネクタ１９０の）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 １７７：（燃料室の）上流側部分 １７８：（燃料室の）下流側部分 １８０：ＩＣ用セパレータ １８１：貫通孔 １９０：インターコネクタ １９１：（インターコネクタの）溝部 １９２：（インターコネクタの）突部 １９４：（インターコネクタの）被覆層 １９６：導電性接合材 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 ＲＡ：反応領域 Ｓ１：（インターコネクタのうち、燃料室を画定する）表面 Ｓ２：（インターコネクタのうち、空気室を画定する）表面 ＳＬ：切り込み ＶＬ：仮想直線
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】