(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-14
(45)【発行日】2022-10-24
(54)【発明の名称】電気化学反応セルスタックおよびＩＣ－単セル複合体
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0247 20160101AFI20221017BHJP
H01M 8/0206 20160101ALI20221017BHJP
H01M 8/2465 20160101ALI20221017BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20221017BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0247
H01M8/0206
H01M8/2465
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2020129958
(22)【出願日】2020-07-31
(65)【公開番号】P2022026469
(43)【公開日】2022-02-10
【審査請求日】2021-09-17
(73)【特許権者】
【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】小林 法之
(72)【発明者】
【氏名】八木 宏明
(72)【発明者】
【氏名】山本 享史
【審査官】山本 雄一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１５３６７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１７４７１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－００９７４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０３３６２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１７２９６４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７
Ｈ０１Ｍ ８／０８－ ８／２４９５
(57)【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、前記第１の方向に貫通する第１のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記第１のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接続されており、前記空気極に面する空気室と、前記燃料極に面する燃料室とを区画するセル側セパレータと、
前記第１の方向に貫通し、前記燃料室と前記空気室との少なくとも一方を構成するフレーム貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記フレーム貫通孔を取り囲む部分が前記セル側セパレータの外周部と接続されているフレーム部材と、
を備える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る電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面である第１の特定断面において、
前記セル側セパレータは、
前記第１の方向に直交する第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第１の直線部と、
前記第２の方向における前記第１の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第２の直線部と、
前記第１の直線部と前記第２の直線部とを連結しており、前記第１の直線部と前記第２の直線部との両方に対して前記第１の方向に突出し、第１の底部を有する第１の連結部と、
を備え、
前記第１の直線部と前記第１の連結部との境界部分、および前記第１の連結部と前記第２の直線部との境界部分が湾曲しており、
以下の式（１）を満たす、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
２．２≦Ｌ１／Ｌ２≦４．３ ・・・（１）
Ｌ１：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ２：前記第２の方向における前記第１の底部の長さ
【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の特定断面において、
前記セル側セパレータのうち、前記第１の直線部と前記第１の連結部との境界部分、および前記第１の連結部と前記第２の直線部との境界部分は、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
【請求項3】
請求項１または請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、前記電気化学反応単位は、
前記単セルと前記第１の方向に対向するインターコネクタ部材と、
前記第１の方向に貫通する第２のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記第２のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記インターコネクタ部材の周縁部と接続されており、前記空気極に面する空気室と、前記燃料極に面する燃料室とを区画するＩＣ側セパレータと、
を備え、
前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面である第２の特定断面において、
前記ＩＣ側セパレータは、
前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第３の直線部と、
前記第２の方向における前記第３の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第４の直線部と、
前記第３の直線部と前記第４の直線部とを連結しており、前記第３の直線部と前記第４の直線部との両方に対して前記第１の方向に突出し、第２の底部を有する第２の連結部と、
を備え、
以下の式（２）を満たす、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
Ｌ３／Ｌ４≦４．３ ・・・（２）
Ｌ３：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ４：前記第２の方向における前記第２の底部の長さ
【請求項4】
請求項３に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２の特定断面において、
前記ＩＣ側セパレータのうち、前記第３の直線部と前記第２の連結部との境界部分、および前記第２の連結部と前記第４の直線部との境界部分は、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
【請求項5】
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、前記第１の方向に貫通する第１のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記第１のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接続されているセル側セパレータと、
前記第１の方向に貫通するフレーム貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記フレーム貫通孔を取り囲む部分が前記セル側セパレータの外周部と接続されているフレーム部材と、
を備えるＩＣ－単セル複合体において、
前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面である第１の特定断面において、
前記セル側セパレータは、
前記第１の方向に直交する第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第１の直線部と、
前記第２の方向における前記第１の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第２の直線部と、
前記第１の直線部と前記第２の直線部とを連結しており、前記第１の直線部と前記第２の直線部との両方に対して前記第１の方向に突出し、第１の底部を有する第１の連結部と、
を備え、
前記第１の直線部と前記第１の連結部との境界部分、および前記第１の連結部と前記第２の直線部との境界部分が湾曲しており、
以下の式（１）を満たす、
ことを特徴とするＩＣ－単セル複合体。
２．２≦Ｌ１／Ｌ２≦４．３ ・・・（１）
Ｌ１：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ２：前記第２の方向における前記第１の底部の長さ
【請求項6】
請求項５に記載のＩＣ－単セル複合体において、前記第１の特定断面において、
前記セル側セパレータのうち、前記第１の直線部と前記第１の連結部との境界部分、および前記第１の連結部と前記第２の直線部との境界部分は、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している、
ことを特徴とするＩＣ－単セル複合体。
【請求項7】
請求項５または請求項６に記載のＩＣ－単セル複合体において、さらに、
前記単セルと前記第１の方向に対向するインターコネクタ部材と、
前記第１の方向に貫通する第２のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記第２のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記インターコネクタ部材の周縁部と接続されているＩＣ側セパレータと、
を備え、
前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面である第２の特定断面において、
前記ＩＣ側セパレータは、
前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第３の直線部と、
前記第２の方向における前記第３の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第４の直線部と、
前記第３の直線部と前記第４の直線部とを連結しており、前記第３の直線部と前記第４の直線部との両方に対して前記第１の方向に突出し、第２の底部を有する第２の連結部と、
を備え、
以下の式（２）を満たす、
ことを特徴とするＩＣ－単セル複合体。
Ｌ３／Ｌ４≦４．３ ・・・（２）
Ｌ３：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ４：前記第２の方向における前記第２の底部の長さ
【請求項8】
請求項７に記載のＩＣ－単セル複合体において、前記第２の特定断面において、
前記ＩＣ側セパレータのうち、前記第３の直線部と前記第２の連結部との境界部分、および前記第２の連結部と前記第４の直線部との境界部分は、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している、
ことを特徴とするＩＣ－単セル複合体。
【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）、セル側セパレータと、フレーム部材とを備える。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。また、ＳＯＦＣは、所定の方向（以下、「第１の方向」という）に並んで配置された燃料電池スタックの形態で利用される。
【0003】
セル側セパレータには、第１の方向に貫通する貫通孔であるセパレータ貫通孔が形成されている。セル側セパレータのうち、第１の方向視でセパレータ貫通孔を取り囲む部分は、単セルの周縁部と接続されている。フレーム部材には、第１の方向に貫通するフレーム貫通孔が形成されている。フレーム貫通孔は、空気極に面する空気室と、燃料極に面する燃料室とを構成する。フレーム部材のうち、第１の方向視でフレーム貫通孔を取り囲む部分は、セル側セパレータの外周部と接続されている。セル側セパレータは、空気室と燃料室とを区画する。
【0004】
従来の燃料電池スタックとして、燃料電池スタックにおける第１の方向に平行な断面（以下、「特定断面」という。）において、セル側セパレータは、単セルに接続されている第１の部分と、フレーム部材に接続されている第２の部分と、第１の部分と第２の部分とを連結しており、第１の部分と第２の部分との両方に対して第１の方向に突出している連結部とを備え、連結部の全体が湾曲した形状をなしているものが知られている（例えば特許文献１）。この燃料電池スタックにおいては、セル側セパレータが上記の連結部を備えることにより、燃料電池スタックの発電運転時の熱サイクル等によって単セルに荷重がかかった場合に、セル側セパレータの連結部が当該荷重の方向に撓むことにより、単セルに生じる応力を緩和することができ、ひいては単セルに生じる応力に起因する単セルの変形や割れを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０２０－９７４４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では、特定断面（第１の方向に平行な断面）において、セル側セパレータの連結部は、その全体が湾曲した形状をなしている。そのため、この燃料電池スタックでは、例えば燃料電池スタックが熱サイクルに晒されたときに、セル側セパレータの連結部にひずみが蓄積しやすいことにより、セル側セパレータに疲労破壊が生じる恐れがある。
【0007】
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、例えば、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、前記第１の方向に複数並べて配置される電気化学反応単位を備える。電気化学反応単位は、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、前記第１の方向に貫通する第１のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記第１のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接続されており、前記空気極に面する空気室と、前記燃料極に面する燃料室とを区画するセル側セパレータと、前記第１の方向に貫通し、前記燃料室または前記空気室を構成するフレーム貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記フレーム貫通孔を取り囲む部分が前記セル側セパレータの外周部と接続されているフレーム部材と、を備える。前記電気化学反応セルスタックにおける、前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面である第１の特定断面において、前記セル側セパレータは、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第１の直線部と、前記第２の方向における前記第１の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第２の直線部と、前記第１の直線部と前記第２の直線部とを連結しており、前記第１の直線部と前記第２の直線部との両方に対して前記第１の方向に突出し、第１の底部を有する第１の連結部と、を備え、以下の式（１）を満たす。
Ｌ１／Ｌ２≦４．３ ・・・（１）
Ｌ１：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ２：前記第２の方向における前記第１の底部の長さ
Ｌ１／Ｌ２≦４．３ ・・・（１）
Ｌ１：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ２：前記第２の方向における前記第１の底部の長さ
【0011】
本電気化学反応セルスタックでは、式：Ｌ１／Ｌ２≦４．３を満たしていることにより、式：Ｌ１／Ｌ２≦４．３を満たしていない構成と比較して、上記電気化学反応セルスタックが熱サイクルに晒されたときに、前記第１の連結部にひずみが蓄積することが抑制される。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、前記第１の連結部にひずみが蓄積することに起因して前記セル側セパレータに疲労破壊が生じることを抑制することができる。
【0012】
（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の特定断面において、前記セル側セパレータのうち、前記第１の直線部と前記第１の連結部との境界部分、および前記第１の連結部と前記第２の直線部との境界部分は、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲し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、このような構成であることにより、上記の各境界部分（前記第１の直線部と前記第１の連結部との境界部分、および前記第１の連結部と前記第２の直線部との境界部分）が屈曲している構成と比較して、上記の各境界部分にひずみが蓄積することが抑制され、ひいては、前記第１の連結部にひずみが蓄積することに起因して前記セル側セパレータに疲労破壊が生じることをより効果的に抑制することができる。
【0013】
（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、請求項１または請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、前記電気化学反応単位は、前記単セルと前記第１の方向に対向するインターコネクタ部材と、前記第１の方向に貫通する第２のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記第２のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記インターコネクタ部材の周縁部と接続されており、前記空気極に面する空気室と、前記燃料極に面する燃料室とを区画するＩＣ側セパレータと、を備える。前記電気化学反応セルスタックにおける、前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面である第２の特定断面において、前記ＩＣ側セパレータは、前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第３の直線部と、前記第２の方向における前記第３の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第４の直線部と、前記第３の直線部と前記第４の直線部とを連結しており、前記第３の直線部と前記第４の直線部との両方に対して前記第１の方向に突出し、第２の底部を有する第２の連結部と、を備え、以下の式（２）を満たす構成としてもよい。
Ｌ３／Ｌ４≦４．３ ・・・（２）
Ｌ３：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ４：前記第２の方向における前記第２の底部の長さ
Ｌ３／Ｌ４≦４．３ ・・・（２）
Ｌ３：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ４：前記第２の方向における前記第２の底部の長さ
【0014】
本電気化学反応セルスタックでは、式：Ｌ３／Ｌ４≦４．３を満たしていることにより、式：Ｌ３／Ｌ４≦４．３を満たしていない構成と比較して、上記電気化学反応セルスタックが熱サイクルに晒されたときに、前記第２の連結部にひずみが蓄積することが抑制される。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、前記第２の連結部にひずみが蓄積することに起因して前記ＩＣ側セパレータに疲労破壊が生じることを抑制することができる。
【0015】
（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２の特定断面において、前記ＩＣ側セパレータのうち、前記第３の直線部と前記第２の連結部との境界部分、および前記第２の連結部と前記第４の直線部との境界部分は、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲し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、このような構成であることにより、上記の各境界部分（前記第３の直線部と前記第２の連結部との境界部分、および前記第２の連結部と前記第４の直線部との境界部分）が屈曲している構成と比較して、上記の各境界部分にひずみが蓄積することが抑制され、ひいては、前記第２の連結部にひずみが蓄積することに起因して前記ＩＣ側セパレータに疲労破壊が生じることをより効果的に抑制することができる。
【0016】
（５）本明細書に開示されるＩＣ－単セル複合体は、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、前記第１の方向に貫通する第１のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記第１のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接続されているセル側セパレータと、前記第１の方向に貫通するフレーム貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記フレーム貫通孔を取り囲む部分が前記セル側セパレータの外周部と接続されているフレーム部材と、を備えるＩＣ－単セル複合体において、前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面である第１の特定断面において、前記セル側セパレータは、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第１の直線部と、前記第２の方向における前記第１の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第２の直線部と、前記第１の直線部と前記第２の直線部とを連結しており、前記第１の直線部と前記第２の直線部との両方に対して前記第１の方向に突出し、第１の底部を有する第１の連結部と、を備え、以下の式（１）を満たす。
Ｌ１／Ｌ２≦４．３ ・・・（１）
Ｌ１：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ２：前記第２の方向における前記第１の底部の長さ
Ｌ１／Ｌ２≦４．３ ・・・（１）
Ｌ１：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ２：前記第２の方向における前記第１の底部の長さ
【0017】
本ＩＣ－単セル複合体によれば、上記（１）に記載されている電気化学反応セルスタックによって得られる効果と同様の効果が得られる。
【0018】
（６）上記ＩＣ－単セル複合体において、前記第１の特定断面において、前記セル側セパレータのうち、前記第１の直線部と前記第１の連結部との境界部分、および前記第１の連結部と前記第２の直線部との境界部分は、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している構成としてもよい。本ＩＣ－単セル複合体によれば、上記（２）に記載されている電気化学反応セルスタックによって得られる効果と同様の効果が得られる。
【0019】
（７）上記ＩＣ－単セル複合体において、さらに、前記単セルと前記第１の方向に対向するインターコネクタ部材と、前記第１の方向に貫通する第２のセパレータ貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記第２のセパレータ貫通孔を取り囲む部分が前記インターコネクタ部材の周縁部と接続されているＩＣ側セパレータと、を備え、前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面である第２の特定断面において、前記ＩＣ側セパレータは、前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第３の直線部と、前記第２の方向における前記第３の直線部と前記フレーム部材との間に位置し、前記第２の方向に延びている第４の直線部と、前記第３の直線部と前記第４の直線部とを連結しており、前記第３の直線部と前記第４の直線部との両方に対して前記第１の方向に突出し、第２の底部を有する第２の連結部と、を備え、以下の式（２）を満たす構成としてもよい。
Ｌ３／Ｌ４≦４．３ ・・・（２）
Ｌ３：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ４：前記第２の方向における前記第２の底部の長さ
Ｌ３／Ｌ４≦４．３ ・・・（２）
Ｌ３：前記第２の方向における前記単セルと前記フレーム部材との間の長さ
Ｌ４：前記第２の方向における前記第２の底部の長さ
【0020】
本ＩＣ－単セル複合体によれば、上記（３）に記載されている電気化学反応セルスタックによって得られる効果と同様の効果が得られる。
【0021】
（８）上記ＩＣ－単セル複合体において、前記第２の特定断面において、前記ＩＣ側セパレータのうち、前記第３の直線部と前記第２の連結部との境界部分、および前記第２の連結部と前記第４の直線部との境界部分は、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している構成としてもよい。本ＩＣ－単セル複合体によれば、上記（４）に記載されている電気化学反応セルスタックによって得られる効果と同様の効果が得られる。
【0022】
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（燃料電池発電単位または電解セル単位）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】
【0023】
【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8】セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０の詳細構成を示すＸＺ断面図である。
【図9】性能評価結果を示す説明図である。
【図10】性能評価結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
Ａ．本実施形態：
Ａ－１．装置構成：
（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，図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，図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。なお、上下方向（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。
Ａ－１．装置構成：
（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，図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，図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。なお、上下方向（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。
【0025】
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、「発電単位」という）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（本実施形態では上下方向）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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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導入マニホールド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、空気が使用される。また、本実施形態では、酸化剤ガス導入マニホールド１６１への酸化剤ガスＯＧの導入のために、ブロワ（図示せず）が用いられる。また、酸化剤ガスＯＧが酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入される前に、熱交換（例えば、燃料電池スタック１００から排出された酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとを燃焼させたときに発生する熱との熱交換）を利用して、酸化剤ガスＯＧの予加熱が行われるとしてもよい。
【0029】
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導入マニホールド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。
【0030】
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、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成するボルト２２Ａの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を形成するボルト２２Ｂの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。また、図３に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１を形成するボルト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、燃料ガス導入マニホールド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。
【0031】
（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。
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。
【0032】
（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。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り、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。
【0033】
図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セル側セパレータ１２０と、ＩＣ側セパレータ１８０と、空気極側フレーム部材１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム部材１４０と、燃料極側集電体１４４と、一対のインターコネクタ部材１５０とを備えている。セル側セパレータ１２０、ＩＣ側セパレータ１８０、空気極側フレーム部材１３０、燃料極側フレーム部材１４０におけるＺ軸回りの周縁部には、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、本実施形態における単セル１１０と、セル側セパレータ１２０と、ＩＣ側セパレータ１８０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム部材１４０と、燃料極側集電体１４４と、インターコネクタ部材１５０とを備える複合体は、特許請求の範囲におけるＩＣ－単セル複合体に相当し、燃料極側フレーム部材１４０は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当する。
【0034】
インターコネクタ部材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。インターコネクタ部材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部材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部材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部材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部材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部材１５０を備えていない（図２および図３参照）。なお、発電単位１０２を構成するインターコネクタ部材１５０は、当該発電単位１０２を構成する単セル１１０と上下方向に対向している。
【0035】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、平板型の単セルであり、また、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。
【0036】
電解質層１１２は、上下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。このように、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、上下方向視で電解質層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。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、上下方向視で電解質層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。
【0037】
セル側セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の第１のセパレータ貫通孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、ステンレス等の金属材料により形成されている。セル側セパレータ１２０は、セル側セパレータ１２０における第１のセパレータ貫通孔１２１を取り囲む部分である第１の貫通孔周囲部１２２（図８参照）を有する。第１の貫通孔周囲部１２２の表面の内の下方向側の表面は、単セル１１０を構成する電解質層１１２における空気極１１４に対向する側（上側）の表面の周縁部に対向している。セル側セパレータ１２０は、第１の貫通孔周囲部１２２に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）を含む第１の接合部１２４により、単セル１１０（電解質層１１２）と接合されている。従って、第１の貫通孔周囲部１２２は、単セル１１０の周縁部と接続されている。セル側セパレータ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の周縁部における空気室１６６から燃料室１７６へのガスのリークが抑制される。
【0038】
第１の接合部１２４に対して空気室１６６側には、ガラスを含む第１のガラスシール部１２５が配置されている。第１のガラスシール部１２５は、セル側セパレータ１２０の第１の貫通孔周囲部１２２の表面と、単セル１１０（本実施形態では単セル１１０を構成する電解質層１１２）の表面との両方に接触するように形成されている。第１のガラスシール部１２５により、空気室１６６と燃料室１７６との間のガスリーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。
【0039】
ＩＣ側セパレータ１８０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の第２のセパレータ貫通孔１８１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、ステンレス等の金属材料により形成されている。ＩＣ側セパレータ１８０により、燃料室１７６と、隣接する他の単セル１１０の空気極１１４に面する空気室１６６とが区画され、インターコネクタ部材１５０の周縁部における空気室１６６から燃料室１７６へのガスのリークが抑制される。
【0040】
ＩＣ側セパレータ１８０は、ＩＣ側セパレータ１８０における第２のセパレータ貫通孔１８１を取り囲む部分である第２の貫通孔周囲部１８２（図８参照）を有する。ＩＣ側セパレータ１８０は、第２の貫通孔周囲部１８２における下方向側の表面において、インターコネクタ部材１５０の周縁部における上方向側の表面と、溶接により接合されている。従って、ＩＣ側セパレータ１８０のうち、上下方向視で第２のセパレータ貫通孔１８１を取り囲む第２の貫通孔周囲部１８２は、インターコネクタ部材１５０の周縁部と接続されている。本実施形態では、上述したようにＩＣ側セパレータ１８０が溶接により接合されていることにより、空気室１６６と燃料室１７６との間のガスリーク（クロスリーク）がより効果的に抑制される。
【0041】
図４～図６に示すように、空気極側フレーム部材１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の空気室用孔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。空気極側フレーム部材１３０のうち、上下方向視で空気室用孔１３１を取り囲む部分は、セル側セパレータ１２０の表面の内の空気室１６６に面している側（上側）の表面の外周部と、ＩＣ側セパレータ１８０の表面の内の空気室１６６に面している側（下側）の表面の外周部とに接触している。空気極側フレーム部材１３０に形成された空気室用孔１３１によって、空気極１１４に面する空気室１６６が構成される。また、空気極側フレーム部材１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ側セパレータ１８０間が電気的に絶縁される。その結果、一対のインターコネクタ部材１５０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム部材１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通流路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。
【0042】
図４、図５および図７に示すように、燃料極側フレーム部材１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の燃料室用孔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。燃料極側フレーム部材１４０のうち、上下方向視で燃料室用孔１４１を取り囲む部分は、セル側セパレータ１２０の表面の内の燃料室１７６に面している側（下側）の表面の外周部と、ＩＣ側セパレータ１８０の表面の内の燃料室１７６に面している側（上側）の表面の外周部とに接触している。燃料極側フレーム部材１４０に形成された燃料室用孔１４１によって、燃料極１１６に面する燃料室１７６が構成される。また、燃料極側フレーム部材１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通流路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。
【0043】
図４および図５に示すように、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１３５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、インターコネクタ部材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部材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部材１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４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。また、空気極側集電体１３４は、インターコネクタ部材１５０と一体の部材として構成されていてもよい。
【0044】
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、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、インターコネクタ部材１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ部材１５０を備えていないため、当該発電単位１０２におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。燃料極側集電体１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ部材１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサ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部材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】
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、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位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、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位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。
図２および図４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位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、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位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。
【0046】
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部材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部材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。
【0047】
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、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、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。
【0048】
なお、以下において、空気極側フレーム部材１３０と燃料極側フレーム部材１４０とからなる組み合わせを「フレーム部材２００」といい、空気室用孔１３１と燃料室用孔１４１とからなる組み合わせを「フレーム貫通孔２０１」といい、フレーム部材２００のうち、上下方向視でフレーム貫通孔２０１を取り囲む部分を「フレーム貫通孔周囲部２０２」という（図８参照）。なお、フレーム部材２００は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当する。
【0049】
上述したように、空気極側フレーム部材１３０のうち、上下方向視で空気室用孔１３１を取り囲む部分は、セル側セパレータ１２０の表面の内の空気室１６６に面している側の表面の外周部と、ＩＣ側セパレータ１８０の表面の内の空気室１６６に面している側の表面の外周部とに接触している。また、燃料極側フレーム部材１４０のうち、上下方向視で燃料室用孔１４１を取り囲む部分は、セル側セパレータ１２０の表面の内の燃料室１７６に面している側の表面の外周部と、ＩＣ側セパレータ１８０の表面の内の燃料室１７６に面している側の表面の外周部とに接触している。以上のことから明らかなように、フレーム部材２００のうち、上下方向視でフレーム貫通孔２０１を取り囲むフレーム貫通孔周囲部２０２は、セル側セパレータ１２０の外周部と接続されている。
【0050】
Ａ－３．セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０の詳細構成：
図８は、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０の詳細構成を示す説明図である。図８には、図４のＰｘ部の構成が拡大して示されている。図４および図８に示す燃料電池スタック１００の断面は、上下方向視における単セル１１０の中心点ＰＯ（図６または図７参照）を通り、かつ、上下方向に平行な断面である。図４に示す燃料電池スタック１００の断面は、特許請求の範囲における第１の特定断面に相当し、第２の特定断面に相当する。
図８は、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０の詳細構成を示す説明図である。図８には、図４のＰｘ部の構成が拡大して示されている。図４および図８に示す燃料電池スタック１００の断面は、上下方向視における単セル１１０の中心点ＰＯ（図６または図７参照）を通り、かつ、上下方向に平行な断面である。図４に示す燃料電池スタック１００の断面は、特許請求の範囲における第１の特定断面に相当し、第２の特定断面に相当する。
【0051】
本実施形態の燃料電池スタック１００では、上下方向視における単セル１１０の中心点ＰＯを通り、かつ、上下方向に平行な任意の断面において、以下に示すセル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０の構成が採用されている。図４および図８に示す断面は、上下方向視における単セル１１０の中心点ＰＯを通り、かつ、上下方向に平行な任意の断面の一例である。
【0052】
Ａ－３－１．セル側セパレータ１２０の詳細構成：
【0053】
図８に示すように、セル側セパレータ１２０は、第１の直線部１２６と、第２の直線部１２７と、第１の連結部１２８と、を備えている。セル側セパレータ１２０の厚さ（板厚、以下同様）Ｔ１は、０．３ｍｍ以下であり、例えば約０．１ｍｍである。なお、第１の直線部１２６は、第１の貫通孔周囲部１２２を含んでいる。
【0054】
第１の直線部１２６は、上下方向に直交する方向であるＸ軸方向における単セル１１０とフレーム部材２００との間に位置し、Ｘ軸方向に直線状に延びている。第１の直線部１２６は、なお、Ｘ軸方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。
【0055】
第２の直線部１２７は、Ｘ軸方向における第１の直線部１２６とフレーム部材２００との間に位置し、Ｘ軸方向に直線状に延びている。
【0056】
第１の連結部１２８は、第１の直線部１２６と第２の直線部１２７とを連結しており、第１の直線部１２６と第２の直線部１２７との両方に対して下方に突出している。第１の連結部１２８は、第１の直線部１２６および第２の直線部１２７の位置から下方に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、第１の連結部１２８における上側は凹部となっている。なお、第１の直線部１２６または第２の直線部１２７に対して第１の連結部１２８が突出している長さ（以下、「第１の連結部深さ」という。）Ｈ１は、０．２ｍｍ以上であり、例えば１ｍｍである。第１の連結部１２８は、例えば、プレス加工により形成される。
【0057】
セル側セパレータ１２０が上述したように第１の直線部１２６と第２の直線部１２７との両方に対して下方に突出している第１の連結部１２８を備えることにより、燃料電池スタック１００の発電運転時の熱サイクル等によって単セル１１０に荷重がかかった場合に、第１の連結部１２８が当該荷重の方向に撓むことにより、単セル１１０に生じる応力を緩和することができ、ひいては単セル１１０に生じる応力に起因する単セル１１０の変形や割れを抑制することができる。
【0058】
第１の連結部１２８の詳細構成は、以下の通りである。
【0059】
第１の連結部１２８は、第１の連結部１２８の突出方向（本実施形態では下方）の端に位置する第１の底部１２８ａと、第１の底部１２８ａと第１の直線部１２６とを接続する第１の接続部１２８ｂと、第１の底部１２８ａと第２の直線部１２７とを接続する第２の接続部１２８ｃと、を有している。第１の底部１２８ａは、第１の直線部１２６と第２の直線部１２７との両方に対して下方に位置している。
【0060】
第１の底部１２８ａに関し、燃料電池スタック１００は以下の式（１）を満たしている。
Ｌ１／Ｌ２≦４．３ ・・・（１）
Ｌ１：Ｘ軸方向における単セル１１０とフレーム部材２００との間の長さ
Ｌ２：Ｘ軸方向における第１の底部１２８ａの長さ
Ｌ１／Ｌ２≦４．３ ・・・（１）
Ｌ１：Ｘ軸方向における単セル１１０とフレーム部材２００との間の長さ
Ｌ２：Ｘ軸方向における第１の底部１２８ａの長さ
【0061】
上記の「Ｘ軸方向（上下方向に直交する方向）における第１の底部１２８ａの長さ」とは、セル側セパレータ１２０の第１の連結部１２８のうち、後述する境界部分Ｂ１１（第１の底部１２８ａと第１の接続部１２８ｂとの境界部分Ｂ１１）と、境界部分Ｂ１２（第１の底部１２８ａと第２の接続部１２８ｃとの境界部分Ｂ１２）と繋ぐ部分（図８のＲを参照）のＸ軸方向の長さ（図８のＬ２を参照）を意味する。
【0062】
Ｌ１の値は、１０（ｍｍ）以上、１５（ｍｍ）以下である。Ｌ２の値は、３（ｍｍ）以上、８（ｍｍ）ｍｍである。例えば、Ｌ１の値は１３（ｍｍ）であり、Ｌ２の値は６（ｍｍ）であり、この場合、Ｌ１／Ｌ２の値は２．２である。
【0063】
また、セル側セパレータ１２０のうち、第１の直線部１２６と第１の連結部１２８との境界部分Ｂ１は、Ｙ軸方向視においてＸ軸負方向に位置するほど下方となり、かつ、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している。ここで、セル側セパレータ１２０のうち、「ある部分αとある部分βとの境界部分γは、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している」とは、セル側セパレータ１２０の表面（空気室１６６に面する表面、または燃料室１７６に面する表面の少なくとも一方）のうち、部分αと部分βとの境界点γ０と、境界点γ０から単セル１１０の側に０．２９ｍｍ離れた点γ１との間の部分は、曲率半径が０．８ｍｍ以上である曲線であり、かつ、境界点γ０と、境界点γ０から点γ１とは反対側に０．２９ｍｍ離れた点γ２との間の部分は、曲率半径が０．８ｍｍ以上である曲線であることを意味する（以下同様）。なお、図８のＢｐ１０は、セル側セパレータ１２０の表面のうち、第１の直線部１２６と第１の連結部１２８との境界点を示し、Ｂｐ１１は、境界点Ｂｐ１０から単セル１１０の側に０．２９ｍｍ離れた点を示し、Ｂｐ１２は、境界点Ｂｐ１０から点Ｂｐ１１とは反対側に０．２９ｍｍ離れた点を示している。
【0064】
また、セル側セパレータ１２０のうち、第１の連結部１２８と第２の直線部１２７との境界部分Ｂ２は、Ｙ軸方向視においてＸ軸正方向に位置するほど下方となり、かつ、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している。
【0065】
また、セル側セパレータ１２０の第１の連結部１２８のうち、第１の底部１２８ａと第１の接続部１２８ｂとの境界部分Ｂ１１は、Ｙ軸方向視においてＸ軸正方向に位置するほど上方となり、かつ、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している。
【0066】
また、セル側セパレータ１２０の第１の連結部１２８のうち、第１の底部１２８ａと第２の接続部１２８ｃとの境界部分Ｂ１２は、Ｙ軸方向視においてＸ軸負方向に位置するほど上方となり、かつ、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している。
【0067】
なお、第１の直線部１２６と、第２の直線部１２７と、第１の連結部１２８とは、上下方向視で、第１のセパレータ貫通孔１２１を取り囲むように形成されている（図６参照）。第２の直線部１２７は、上下方向視において第１の直線部１２６よりセル側セパレータ１２０の外周側に位置している。
【0068】
Ａ－３－２．ＩＣ側セパレータ１８０の詳細構成：
図８に示すように、ＩＣ側セパレータ１８０は、第３の直線部１８６と、第４の直線部１８７と、第２の連結部１８８と、を備えている。ＩＣ側セパレータ１８０の詳細構成は、上述したセル側セパレータ１２０の詳細構成と基本的な構成は同様である。従って、基本的には、上述したセル側セパレータ１２０の詳細構成における「セル側セパレータ１２０」を「ＩＣ側セパレータ１８０」と読み替え、「第１の直線部１２６」を「第３の直線部１８６」と読み替え、「第２の直線部１２７」を「第４の直線部１８７」と読み替え、「第１の連結部１２８」を「第２の連結部１８８」と読み替えればよい。さらに、「第１の貫通孔周囲部１２２」を「第２の貫通孔周囲部１８２」と読み替え、「第１の連結部深さＨ１」を「第２の連結部深さＨ２」と読み替え、「第１の底部１２８ａ」を「第２の底部１８８ａ」と読み替えればよい。そのため、ＩＣ側セパレータ１８０の詳細構成についての説明は基本的には省略し、特徴的な構成についてのみ以下に述べる。
図８に示すように、ＩＣ側セパレータ１８０は、第３の直線部１８６と、第４の直線部１８７と、第２の連結部１８８と、を備えている。ＩＣ側セパレータ１８０の詳細構成は、上述したセル側セパレータ１２０の詳細構成と基本的な構成は同様である。従って、基本的には、上述したセル側セパレータ１２０の詳細構成における「セル側セパレータ１２０」を「ＩＣ側セパレータ１８０」と読み替え、「第１の直線部１２６」を「第３の直線部１８６」と読み替え、「第２の直線部１２７」を「第４の直線部１８７」と読み替え、「第１の連結部１２８」を「第２の連結部１８８」と読み替えればよい。さらに、「第１の貫通孔周囲部１２２」を「第２の貫通孔周囲部１８２」と読み替え、「第１の連結部深さＨ１」を「第２の連結部深さＨ２」と読み替え、「第１の底部１２８ａ」を「第２の底部１８８ａ」と読み替えればよい。そのため、ＩＣ側セパレータ１８０の詳細構成についての説明は基本的には省略し、特徴的な構成についてのみ以下に述べる。
【0069】
第２の連結部１８８は、第３の直線部１８６と第４の直線部１８７とを連結しており、第３の直線部１８６と第４の直線部１８７との両方に対して下方に突出している。第２の連結部１８８は、第３の直線部１８６および第４の直線部１８７の位置から下方に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、第２の連結部１８８における上側は凹部となっている。
【0070】
第３の直線部１８６は、第２の連結部１８８の突出方向（本実施形態では下方）の端に位置する第２の底部１８８ａと、第２の底部１８８ａと第３の直線部１８６とを接続する第３の接続部１８８ｂと、第２の底部１８８ａと第４の直線部１８７とを接続する第４の接続部１８８ｃと、を有している。第２の底部１８８ａは、第３の直線部１８６と第４の直線部１８７との両方に対して下方に位置している。
【0071】
第２の底部１８８ａに関し、燃料電池スタック１００は以下の式（２）を満たしている。
Ｌ３／Ｌ４≦４．３ ・・・（２）
Ｌ３：Ｘ軸方向における単セル１１０とフレーム部材２００との間の長さ
Ｌ４：Ｘ軸方向における第２の底部１８８ａの長さ
Ｌ３／Ｌ４≦４．３ ・・・（２）
Ｌ３：Ｘ軸方向における単セル１１０とフレーム部材２００との間の長さ
Ｌ４：Ｘ軸方向における第２の底部１８８ａの長さ
【0072】
上記の「Ｘ軸方向における第２の底部１８８ａの長さ」の意味は、上述した「Ｘ軸方向における第１の底部１２８ａの長さ」の意味と同様の考え方により定義されるものである。すなわち、ＩＣ側セパレータ１８０の第２の連結部１８８のうち、後述する境界部分Ｂ１３（第２の底部１８８ａと第３の接続部１８８ｂとの境界部分Ｂ１３）と、境界部分Ｂ１４（第２の底部１８８ａと第４の接続部１８８ｃとの境界部分Ｂ１４）とを繋ぐ部分のＸ軸方向の長さを意味する。
【0073】
ＩＣ側セパレータ１８０のうち、第３の直線部１８６と第２の連結部１８８との境界部分Ｂ３は、Ｙ軸方向視においてＸ軸負方向に位置するほど下方となり、かつ、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している。
【0074】
ＩＣ側セパレータ１８０のうち、第２の連結部１８８と第４の直線部１８７との境界部分Ｂ４は、Ｙ軸方向視においてＸ軸正方向に位置するほど下方となり、かつ、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している。
【0075】
また、ＩＣ側セパレータ１８０の第２の連結部１８８のうち、第２の底部１８８ａと第３の接続部１８８ｂとの境界部分Ｂ１３は、Ｙ軸方向視においてＸ軸正方向に位置するほど上方となり、かつ、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している。
【0076】
また、ＩＣ側セパレータ１８０の第２の連結部１８８のうち、第２の底部１８８ａと第４の接続部１８８ｃとの境界部分Ｂ１４は、Ｙ軸方向視においてＸ軸負方向に位置するほど上方となり、かつ、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している。
【0077】
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を備えている。発電単位１０２は、単セル１１０と、セル側セパレータ１２０と、フレーム部材２００（空気極側フレーム部材１３０および燃料極側フレーム部材１４０）と、を備えている。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、を含んでいる。セル側セパレータ１２０には、上下方向に貫通する第１のセパレータ貫通孔１２１が形成されている。セル側セパレータ１２０のうち、上下方向視で第１のセパレータ貫通孔１２１を取り囲む第１の貫通孔周囲部１２２は、単セル１１０の周縁部と接続されている。セル側セパレータ１２０は、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とを区画する。フレーム部材２００には、上下方向に貫通し、燃料室１７６と空気室１６６とを構成するフレーム貫通孔２０１が形成されている。フレーム部材２００のうち、上下方向視でフレーム貫通孔２０１を取り囲むフレーム貫通孔周囲部２０２は、セル側セパレータ１２０の外周部と接続されている。燃料電池スタック１００における上下方向に平行な断面（例えば、図４および図８に示す断面。以下、「第１の特定断面」という。）において、セル側セパレータ１２０は、第１の直線部１２６と、第２の直線部１２７と、第１の連結部１２８と、を備えている。第１の直線部１２６は、上下方向に直交する方向（以下、第１の特定断面における当該方向を「第１の直交方向」という。）における単セル１１０とフレーム部材２００との間に位置し、第１の直交方向に延びている。第２の直線部１２７は、第１の直交方向における第１の直線部１２６とフレーム部材２００との間に位置し、第１の直交方向に延びている。第１の連結部１２８は、第１の直線部１２６と第２の直線部１２７とを連結しており、第１の直線部１２６と第２の直線部１２７との両方に対して下方に突出している。第１の連結部１２８は、第２の底部１８８ａを有している。燃料電池スタック１００は、式：Ｌ１／Ｌ２≦４．３を満たしている。Ｌ１は、第１の直交方向における単セル１１０とフレーム部材２００との間の長さであり、Ｌ２は、第１の直交方向における第１の連結部１２８の第２の底部１８８ａの長さである。
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を備えている。発電単位１０２は、単セル１１０と、セル側セパレータ１２０と、フレーム部材２００（空気極側フレーム部材１３０および燃料極側フレーム部材１４０）と、を備えている。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、を含んでいる。セル側セパレータ１２０には、上下方向に貫通する第１のセパレータ貫通孔１２１が形成されている。セル側セパレータ１２０のうち、上下方向視で第１のセパレータ貫通孔１２１を取り囲む第１の貫通孔周囲部１２２は、単セル１１０の周縁部と接続されている。セル側セパレータ１２０は、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とを区画する。フレーム部材２００には、上下方向に貫通し、燃料室１７６と空気室１６６とを構成するフレーム貫通孔２０１が形成されている。フレーム部材２００のうち、上下方向視でフレーム貫通孔２０１を取り囲むフレーム貫通孔周囲部２０２は、セル側セパレータ１２０の外周部と接続されている。燃料電池スタック１００における上下方向に平行な断面（例えば、図４および図８に示す断面。以下、「第１の特定断面」という。）において、セル側セパレータ１２０は、第１の直線部１２６と、第２の直線部１２７と、第１の連結部１２８と、を備えている。第１の直線部１２６は、上下方向に直交する方向（以下、第１の特定断面における当該方向を「第１の直交方向」という。）における単セル１１０とフレーム部材２００との間に位置し、第１の直交方向に延びている。第２の直線部１２７は、第１の直交方向における第１の直線部１２６とフレーム部材２００との間に位置し、第１の直交方向に延びている。第１の連結部１２８は、第１の直線部１２６と第２の直線部１２７とを連結しており、第１の直線部１２６と第２の直線部１２７との両方に対して下方に突出している。第１の連結部１２８は、第２の底部１８８ａを有している。燃料電池スタック１００は、式：Ｌ１／Ｌ２≦４．３を満たしている。Ｌ１は、第１の直交方向における単セル１１０とフレーム部材２００との間の長さであり、Ｌ２は、第１の直交方向における第１の連結部１２８の第２の底部１８８ａの長さである。
【0078】
本実施形態の燃料電池スタック１００では、式：Ｌ１／Ｌ２≦４．３を満たしていることにより、式：Ｌ１／Ｌ２≦４．３を満たしていない構成と比較して、燃料電池スタック１００が熱サイクルに晒されたときに、第１の連結部１２８にひずみが蓄積することが抑制される。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、第１の連結部１２８にひずみが蓄積することに起因してセル側セパレータ１２０に疲労破壊が生じることを抑制することができる。
【0079】
なお、セル側セパレータ１２０（第１の直線部１２６，第２の直線部１２７，第１の連結部１２８）の厚さＴ１が大きいほど、第１の連結部１２８に蓄積するひずみは大きくなる傾向がある。そのため、第１の連結部１２８にひずみが蓄積することに起因してセル側セパレータ１２０に疲労破壊が生じることを抑制する観点から、セル側セパレータ１２０の厚さＴ１は、上述したように０．３ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以下であることがより好ましい。
【0080】
また、仮にＬ１／Ｌ２の値が４．３より大きい構成においては、燃料電池スタック１００が熱サイクルに晒されたときに、セル側セパレータ１２０が非弾性変形（塑性変形またはクリープ変形）し、これにより空気室１６６または燃料室１７６におけるガス流路が閉塞または縮小するより、ガスの流配が阻害され、空気室１６６または燃料室１７６における圧損が増大する恐れがある。そのため、この構成においては、空気室１６６または燃料室１７６におけるガス流路が閉塞または縮小することにより、燃料電池スタック１００の発電性能が低下する等の問題が生じる恐れがある。これに対し、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述したように式：Ｌ１／Ｌ２≦４．３を満たしていることにより、セル側セパレータ１２０が非弾性変形することが抑制され、ひいては燃料電池スタック１００の発電性能の低下等の問題が生じることを抑制することができる。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、発電性能を良好なものとすることができる。上記構成により当該効果が得られる理由は、必ずしも明らかではないが、Ｌ１／Ｌ２≦４．３を満たすことにより、上述したように燃料電池スタック１００が熱サイクルに晒されたときに第１の連結部１２８にひずみが蓄積することが抑制されることによるものと推測される。
【0081】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、第１の特定断面において、セル側セパレータ１２０のうち、第１の直線部１２６と第１の連結部１２８との境界部分Ｂ１、および第１の連結部１２８と第２の直線部１２７との境界部分Ｂ２は、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している。
【0082】
本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、上記の境界部分Ｂ１，Ｂ２は曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲しているという構成であることにより、境界部分Ｂ１，Ｂ２が屈曲している構成と比較して、境界部分Ｂ１，Ｂ２にひずみが蓄積することが抑制され、ひいては、第１の連結部１２８にひずみが蓄積することに起因してセル側セパレータ１２０に疲労破壊が生じることをより効果的に抑制することができる。
【0083】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、発電単位１０２は、単セル１１０と上下方向に対向するインターコネクタ部材１５０と、ＩＣ側セパレータ１８０と、を備えている。ＩＣ側セパレータ１８０には、上下方向に貫通する第２のセパレータ貫通孔１８１が形成されている。ＩＣ側セパレータ１８０のうち、上下方向視で第２のセパレータ貫通孔１８１を取り囲む第２の貫通孔周囲部１８２は、インターコネクタ部材１５０の周縁部と接続されている。ＩＣ側セパレータ１８０は、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とを区画する。燃料電池スタック１００における上下方向に平行な断面（例えば、図４および図８に示す断面。以下、「第２の特定断面」という。）において、ＩＣ側セパレータ１８０は、第３の直線部１８６と、第４の直線部１８７と、第２の連結部１８８と、を備えている。第３の直線部１８６は、第２の特定断面における上下方向に平行な断面（以下、「第２の直交方向」という。）における単セル１１０とフレーム部材２００との間に位置し、第２の直交方向に延びている。第４の直線部１８７は、第２の直交方向における第３の直線部１８６とフレーム部材２００との間に位置し、第２の直交方向に延びている。第２の連結部１８８は、第３の直線部１８６と第４の直線部１８７とを連結しており、第３の直線部１８６と第４の直線部１８７との両方に対して上下方向に突出している。第２の連結部１８８は、第２の底部１８８ａを有している。燃料電池スタック１００は、式：Ｌ３／Ｌ４≦４．３を満たしている。Ｌ３は、第２の直交方向における単セル１１０とフレーム部材２００との間の長さであり、Ｌ４は、第２の直交方向における第２の連結部１８８の第２の底部１８８ａの長さである。
【0084】
本実施形態の燃料電池スタック１００では、式：Ｌ３／Ｌ４≦４．３を満たしていることにより、式：Ｌ３／Ｌ４≦４．３を満たしていない構成と比較して、燃料電池スタック１００が熱サイクルに晒されたときに、第２の連結部１８８にひずみが蓄積することが抑制される。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、第２の連結部１８８にひずみが蓄積することに起因してＩＣ側セパレータ１８０に疲労破壊が生じることを抑制することができる。
【0085】
なお、上述したセル側セパレータ１２０の厚さＴ１と同様に、ＩＣ側セパレータ１８０（第３の直線部１８６，第４の直線部１８７，第２の連結部１８８）の厚さＴ２が大きいほど、第２の連結部１８８に蓄積するひずみは大きくなる傾向がある。そのため、第２の連結部１８８にひずみが蓄積することに起因してＩＣ側セパレータ１８０に疲労破壊が生じることを抑制する観点から、ＩＣ側セパレータ１８０の厚さＴ２は、上述したように０．３ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以下であることがより好ましい。
【0086】
セル側セパレータ１２０が上述したように非弾性変形するのと同様に、仮にＬ３／Ｌ４の値が４．３より大きい構成においては、燃料電池スタック１００が熱サイクルに晒されたときに、ＩＣ側セパレータ１８０が非弾性変形し、これにより空気室１６６または燃料室１７６におけるガス流路が閉塞され、ガスの流配が阻害されることにより、燃料電池スタック１００の発電性能が低下する等の問題が生じる恐れがある。これに対し、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述したように式：Ｌ３／Ｌ４≦４．３を満たしていることにより、ＩＣ側セパレータ１８０が非弾性変形することが抑制され、ひいては燃料電池スタック１００の発電性能の低下等の問題が生じることをより効果的に抑制することができる。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、発電性能をより良好なものとすることができる。
【0087】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、第２の特定断面において、セル側セパレータ１２０のうち、第３の直線部１８６と第２の連結部１８８との境界部分Ｂ３、および第２の連結部１８８と第４の直線部１８７との境界部分Ｂ４は、曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲している。
【0088】
本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、上記の境界部分Ｂ３，Ｂ４は曲率半径が０．８ｍｍ以上となるように湾曲しているという構成であることにより、境界部分Ｂ３，Ｂ４が屈曲している構成と比較して、境界部分Ｂ３，Ｂ４にひずみが蓄積することが抑制され、ひいては、第２の連結部１８８にひずみが蓄積することに起因してＩＣ側セパレータ１８０に疲労破壊が生じることをより効果的に抑制することができる。
【0089】
Ａ－５．性能評価：
次に、本実施形態の性能評価について説明する。各特性が互いに異なる複数の燃料電池スタック１００のサンプルについてシミュレーションによる性能評価（セパレータの疲労破壊に対する耐久性に関する性能評価）を行った。図９および図１０は、性能評価結果を示す説明図である。本性能評価では、複数の単セル１１０（発電単位１０２）を備える燃料電池スタック１００を構成し、発電運転を行ったときのセル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみを測定した。
次に、本実施形態の性能評価について説明する。各特性が互いに異なる複数の燃料電池スタック１００のサンプルについてシミュレーションによる性能評価（セパレータの疲労破壊に対する耐久性に関する性能評価）を行った。図９および図１０は、性能評価結果を示す説明図である。本性能評価では、複数の単セル１１０（発電単位１０２）を備える燃料電池スタック１００を構成し、発電運転を行ったときのセル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみを測定した。
【0090】
図９には、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０の疲労破壊に対する耐久性についての評価の結果が示されている。図９に示すように、本性能評価には、燃料電池スタック１００の６個のサンプル（サンプルＳ１～Ｓ６）が用いられた。各サンプルは、Ｌ１の値が互いに同一であり、Ｌ２の値が互いに異なっており、そのため、Ｌ１／Ｌ２の値が互いに異なっている。図１０には、上述した運転条件で発電運転を行ったときにセル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみの増加量を検証するシミュレーションの結果が示されている。
【0091】
図９の「ひずみの増加量（Δε）」欄に記載されている「大」は、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみの量が大きいことを示すものであり、「小」は、当該ひずみの量が小さいことを示すものである。
【0092】
各サンプルについて、シミュレーションの結果、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみの増加量がクライテリア以上であれば、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみの量が過大であることによりセル側セパレータ１２０やＩＣ側セパレータ１８０に疲労破壊が生じる危険性が高いと判断し、「×（不合格）」と評価した。また、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみの増加量がクライテリア未満であれば、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみの量が過大であることはないため、セル側セパレータ１２０やＩＣ側セパレータ１８０に疲労破壊が生じる危険性が低いと判断し、「○（合格）」と評価した。
【0093】
図９に示すように、サンプルＳ１，Ｓ２では、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみの量が「大」であったため、「×」と評価した。これに対し、サンプルＳ３～Ｓ６では、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみの量が「小」であったため、「○」と評価した。ここで、サンプルＳ１，Ｓ２では、Ｌ１／Ｌ２の値が４．３よりも大きく、一方、サンプルＳ３～Ｓ６では、Ｌ１／Ｌ２の値が４．３以下である。以上の結果から、Ｌ１／Ｌ２の値が４．３以下である構成においては、Ｌ１／Ｌ２の値が４．３より大きい構成と比較してセル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０にひずみが蓄積することが抑制され、ひいては、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０にひずみが蓄積することに起因してセル側セパレータ１２０やＩＣ側セパレータ１８０に疲労破壊が生じることを抑制することができることが確認された。なお、図１０に示すように、Ｌ２の値が大きいほど、セル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０に蓄積されるひずみの量は小さくなる傾向が確認された。
【0094】
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。
【0095】
例えば、上記実施形態の燃料電池スタック１００では、上下方向視における単セル１１０の中心点ＰＯを通り、かつ、上下方向に平行な任意の断面において、上述したセル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０の構成が採用されているが、上下方向視における単セル１１０の中心点ＰＯを通り、かつ、上下方向に平行ないずれかの断面のみにおいて、上述したセル側セパレータ１２０およびＩＣ側セパレータ１８０の構成が採用されてもよい。また、上記実施形態の燃料電池スタック１００において、上述したセル側セパレータ１２０の構成と、上述したＩＣ側セパレータ１８０の構成とが、互いに異なる断面において採用されてもよい。
【0096】
また、上記実施形態（または変型例、以下同様）において、第１の連結部１２８は、第１の直線部１２６と第２の直線部１２７との両方に対して上方に突出している構成であってもよい。この構成においても、第１の連結部１２８が下方に突出している構成における理由と同様の理由から、単セル１１０に生じる応力に起因する単セル１１０の変形や割れを抑制することができる。また、第２の連結部１８８は、第３の直線部１８６と第４の直線部１８７とを連結しており、第３の直線部１８６と第４の直線部１８７との両方に対して下方に突出している構成であってもよい。この構成においても、第２の連結部１８８が下方に突出している構成における理由と同様の理由から、単セル１１０に生じる応力に起因する単セル１１０の変形や割れを抑制することができる。
【0097】
また、上記実施形態において、フレーム部材２００を構成する空気極側フレーム部材１３０と燃料極側フレーム部材１４０とが一体に形成されていてもよい。
【0098】
また、フレーム部材２００は、フレーム貫通孔２０１が燃料室１７６と空気室１６６との一方のみを構成するものであってもよい。
【0099】
上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態において、空気極１１４と電解質層１１２との間に中間層が配置されていてもよい。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。
【0100】
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構成を採用すると、セル側セパレータ１２０に疲労破壊が生じることを抑制することができる。
【符号の説明】
【0101】
２２：ボルト ２２Ａ：ボルト ２２Ｂ：ボルト ２２Ｄ：ボルト 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：セル側セパレータ １２１：第１のセパレータ貫通孔 １２２：第１の貫通孔周囲部 １２４：第１の接合部 １２５：第１のガラスシール部 １２６：第１の直線部 １２７：第２の直線部 １２８：第１の連結部 １２８ａ：第１の底部 １２８ｂ：第１の接続部 １２８ｃ：第２の接続部 １３０：空気極側フレーム部材 １３１：空気室用孔 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：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １４０：燃料極側フレーム部材 １４１：燃料室用孔 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 １５０：インターコネクタ部材 １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：ＩＣ側セパレータ １８１：第２のセパレータ貫通孔 １８２：第２の貫通孔周囲部 １８６：第３の直線部 １８７：第４の直線部 １８８：第２の連結部 １８８ａ：第２の底部 １８８ｂ：第３の接続部 １８８ｃ：第４の接続部２００：フレーム部材 ２０１：フレーム貫通孔 ２０２：フレーム貫通孔周囲部 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】