特許 7169333 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-01

(45)【発行日】2022-11-10

(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 8/0228 20160101AFI20221102BHJP

   H01M 8/0208 20160101ALI20221102BHJP

   H01M 8/021 20160101ALI20221102BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20221102BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20221102BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20221102BHJP

   H01M 8/2432 20160101ALI20221102BHJP

   H01M 8/247 20160101ALI20221102BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20221102BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0228

H01M8/0208

H01M8/021

H01M8/0247

H01M8/0273

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

H01M8/2432

H01M8/247

H01M8/2483

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020194532

(22)【出願日】2020-11-24

(65)【公開番号】P2022083218

(43)【公開日】2022-06-03

【審査請求日】2022-02-25

(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】石田 暁

【審査官】高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－２００８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５０２４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０３４００２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１０／０６１５８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０５４１５８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／１２

Ｈ０１Ｍ ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質層と、前記電解質層の第１の方向の一方側に配置された空気極と、前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された燃料極と、を備える、単セルと、
前記空気極の前記一方側に配置され、前記空気極と電気的に接続される集電部材であって、ステンレスを含有する、集電部材と、
前記燃料極の他方側に配置され、前記燃料極と電気的に接続される燃料極側集電体であって、ニッケルを含有する、燃料極側集電体と、
をそれぞれ備える複数の電気化学反応単位により構成される電気化学反応ブロックを備え、
前記複数の電気化学反応単位は前記第１の方向に並べて配置され、前記燃料極側集電体は前記他方側の隣の前記電気化学反応単位の前記集電部材に接続されている、電気化学反応セルスタックであって、
前記集電部材は、
前記燃料極側集電体に接続される第１の部分と、前記空気極に接続される第２の部分とを有し、
前記第１の部分は、オーステナイト相をなし、かつ、熱膨張係数が前記第２の部分の熱膨張係数よりも前記燃料極側集電体の熱膨張係数に近く、
前記第２の部分は、フェライト相をなし、かつ、熱膨張係数が前記第１の部分の熱膨張係数よりも前記単セルの熱膨張係数に近い、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項2】

請求項１に記載の電気化学反応セルスタックであって、
前記第１の部分の熱膨張係数と前記第２の部分の熱膨張係数との差の絶対値は、前記単セルの熱膨張係数と前記燃料極側集電体の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい、
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、
前記第１の部分の熱膨張係数は、前記第２の部分の熱膨張係数よりも大きく、
前記第１の方向視において、前記第１の部分は、前記燃料極側集電体と前記単セルとが接触している部分に重なっている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックであって、
前記第１の部分の熱膨張係数は、前記第２の部分の熱膨張係数よりも大きく、
前記第１の方向に貫通し、前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との少なくとも一方を構成する第１のフレーム貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記第１のフレーム貫通孔を取り囲む部分が前記集電部材の外周部と接続されているフレーム部材と、
前記フレーム部材を前記第１の方向に貫く第２の貫通孔に挿入され、前記電気化学反応ブロックを締結する締結部材と、を備え、
前記集電部材は、前記第１の方向視において、１つまたは複数の前記第１の部分により構成される中央側群と、前記中央側群よりも前記単セルの中心からの距離が長い１つまたは複数の前記第１の部分により構成される端側群と、からなる複数の前記第１の部分を備え、
前記中央側群に含まれる前記第１の部分の前記第１の方向の厚さは、前記端側群に含まれる前記第１の部分の前記第１の方向の厚さよりも厚い、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。

【背景技術】

【0002】

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の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、構成単位である燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という）を複数備える。複数の発電単位は、所定の方向（以下、「第１の方向」という。）に並べて配置される。発電単位は、燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）と、集電部材と、燃料極側集電体とを備える。

【0003】

単セルは、電解質層と、電解質層の第１の方向の一方側に配置された空気極と、電解質層の第１の方向の他方側に配置された燃料極と、を備える。集電部材は、空気極の第１の方向の一方側に配置され、空気極と電気的に接続される。集電部材は、フェライト相をなすステンレスにより形成されている。集電部材は、発電単位間の電気的導通を確保する。燃料極側集電体は、燃料極の第１の方向の他方側に配置され、燃料極と電気的に接続される。燃料極側集電体は、ニッケルにより形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－４１５７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記従来の燃料電池では、上述した集電部材は、フェライト相をなすステンレスにより形成されており、燃料極側集電体は、ニッケルにより形成されている。そのため、集電部材の熱膨張係数と、集電部材に接続される燃料極側集電体の熱膨張係数との差が大きいことにより、例えば燃料電池の運転に伴う温度変化により、集電部材と燃料極側集電体との剥離が生じるおそれがある。

【0006】

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。

【0007】

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】

【0008】

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。

【0009】

（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、前記電解質層の第１の方向の一方側に配置された空気極と、前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された燃料極と、を備える、単セルと、前記空気極の前記一方側に配置され、前記空気極と電気的に接続される集電部材であって、ステンレスを含有する、集電部材と、前記燃料極の他方側に配置され、前記燃料極と電気的に接続される燃料極側集電体であって、ニッケルを含有する、燃料極側集電体と、をそれぞれ備える複数の電気化学反応単位により構成される電気化学反応ブロックを備え、前記複数の電気化学反応単位は前記第１の方向に並べて配置され、前記燃料極側集電体は前記他方側の隣の前記電気化学反応単位の前記集電部材に接続されている、電気化学反応セルスタックであって、前記集電部材は、前記燃料極側集電体に接続される第１の部分と、前記空気極に接続される第２の部分とを有し、前記第１の部分は、オーステナイト相をなし、かつ、熱膨張係数が前記第２の部分の熱膨張係数よりも前記燃料極側集電体の熱膨張係数に近く、前記第２の部分は、フェライト相をなし、かつ、熱膨張係数が前記第１の部分の熱膨張係数よりも前記単セルの熱膨張係数に近い。

【0010】

本電気化学反応セルスタックは、上述したように、集電部材は、燃料極側集電体に接続される第１の部分であって、オーステナイト相をなし、かつ、熱膨張係数が第２の部分の熱膨張係数よりも、ニッケルを含有する燃料極側集電体の熱膨張係数に近い第１の部分を備える。そのため、第１の部分の熱膨張係数と燃料極側集電体の熱膨張係数との差は、集電部材（第１の部分を含む集電部材の全体）がフェライト相をなす従来の構成における集電部材の熱膨張係数と燃料極側集電体の熱膨張係数との差よりも小さい。これにより、例えば電気化学反応セルスタックの運転に伴う温度変化が生じた際に、従来の構成と比較して、集電部材の熱膨張または熱収縮による第１の方向に直交する方向の変形量と燃料極側集電体の当該方向の変形量との差が小さくなる。また、熱膨張係数がフェライト相の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有するオーステナイト相をなす第１の部分を備えることにより、集電部材がこのような第１の部分を備えない従来の構成と比較して、集電部材（より詳細には、第１の部分）が熱膨張した際の第１の方向の変形量が大きくなり、これにより、集電部材が燃料極側集電体を押す力が大きくなる。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、例えば電気化学反応セルスタックの運転に伴う温度変化が生じた際に、従来の構成と比較して、集電部材と燃料極側集電体との剥離を抑制することができる。

【0011】

仮に、第２の部分を含む集電部材の全体がオーステナイト相である構成（以下、「比較構成１」という。）においては、集電部材の熱膨張係数と、集電部材に接続される単セルの熱膨張係数との差が大きいことにより、集電部材と空気極との剥離が生じるおそれがある。

【0012】

これに対し、上述したように、集電部材は、空気極に接続される第２の部分であって、フェライト相をなし、かつ、熱膨張係数が第１の部分の熱膨張係数よりも単セルの熱膨張係数に近い第２の部分を備える。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、上述したように第１の部分を備えることにより第１の部分と燃料極側集電体との剥離を抑制することができる理由と同様の理由から、上述した比較構成１と比較して、集電部材と空気極との剥離を抑制することができる。

【0013】

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の部分の熱膨張係数と前記第２の部分の熱膨張係数との差の絶対値は、前記単セルの熱膨張係数と前記燃料極側集電体の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい構成としてもよい。

【0014】

ところで、第１の部分の熱膨張係数と第２の部分の熱膨張係数との差の絶対値が大きいほど、第１の部分や第２の部分が熱膨張または熱収縮した際に第１の部分と第２の部分との境界にかかる力が大きくなり、第１の部分と第２の部分との剥離が生じるおそれがある。これに対し、本電気化学反応セルスタックにおいては、第１の部分の熱膨張係数と第２の部分の熱膨張係数との差の絶対値は、単セルの熱膨張係数と燃料極側集電体の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、第１の部分の熱膨張係数と第２の部分の熱膨張係数との差の絶対値が単セルの熱膨張係数と燃料極側集電体の熱膨張係数との差の絶対値以上である構成と比較して、第１の部分の熱膨張係数と第２の部分の熱膨張係数との差を小さくすることができ、ひいては、第１の部分と第２の部分との剥離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、前記第１の部分の熱膨張係数は、前記第２の部分の熱膨張係数よりも大きく、前記第１の方向視において、前記第１の部分は、前記燃料極側集電体と前記単セルとが接触している部分に重なっている構成としてもよい。

【0016】

第１の部分の熱膨張係数は第２の部分の熱膨張係数よりも大きいため、温度変化が生じた際に、第１の部分が第１の方向に熱膨張することにより、第１の方向視において第２の部分のみが接触部に重なっている構成（以下、「比較構成２」という。）よりも強い力で、燃料極側集電体は単セルに対して押し付けられる。そのため、本電気化学反応セルスタックによれば、例えば電気化学反応セルスタックの運転に伴う温度変化が生じた際に、上述した比較構成２と比較して、第１の部分と第２の部分との剥離を抑制することができる。

【0017】

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の部分の熱膨張係数は、前記第２の部分の熱膨張係数よりも大きく、前記第１の方向に貫通し、前記燃料極に面する燃料室と前記空気極に面する空気室との少なくとも一方を構成する第１のフレーム貫通孔が形成されており、前記第１の方向視で前記第１のフレーム貫通孔を取り囲む部分が前記集電部材の外周部と接続されているフレーム部材と、前記フレーム部材を前記第１の方向に貫く第２の貫通孔に挿入され、前記電気化学反応ブロックを締結する締結部材と、を備え、前記集電部材は、前記第１の方向視において、１つまたは複数の前記第１の部分により構成される中央側群と、前記中央側群よりも前記単セルの中心からの距離が長い１つまたは複数の前記第１の部分により構成される端側群と、からなる複数の前記第１の部分を備え、前記中央側群に含まれる前記第１の部分の前記第１の方向の厚さは、前記端側群に含まれる前記第１の部分の前記第１の方向の厚さよりも厚い構成としてもよい。

【0018】

ところで、上述したフレーム部材と締結部材を備える本電気化学反応セルスタックにおいては、第１の部分の第１の方向の厚さが厚いほど、第１の部分の第１の方向の熱膨張または熱収縮による変形量が大きくなり、これにより燃料極側集電体と集電部材（より詳細には、第１の部分）との接続強度が向上する。これは、第１の方向視において単セルの中心により近い第１の部分の第１の方向の厚さが厚いほど、より効果的である。

【0019】

一方、第１の部分の第１の方向の厚さが厚いほど、当該第１の部分の第１の方向の熱膨張または熱収縮による変形量が大きくなることにより、集電部材とフレーム部材との間のシール性が低下する。従って、第１の部分の第１の方向の厚さが薄いほど、集電部材とフレーム部材との間のシール性の低下を抑制することができる。これは、第１の方向視において単セルの中心からより遠い第１の部分の第１の方向の厚さが薄いほど、より効果的である。

【0020】

本電気化学反応セルスタックによれば、上述したように、第１の方向視において単セルの中心に比較的近い中央側群に含まれる第１の部分の第１の方向の厚さが、単セルの中心から比較的遠い端側群に含まれる第１の部分の第１の方向の厚さよりも厚いことにより、より効果的に、燃料極側集電体と集電部材（より詳細には、第１の部分）との接続強度が向上し、かつ、集電部材とフレーム部材との間のシール性の低下を抑制することができる。

【0021】

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】

【0022】

【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る。

【図7】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8】集電部材１８０とその周辺の詳細構成（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】集電部材１８０とその周辺の詳細構成（図４のＸ２部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。

【0024】

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（以下、「発電ブロック１０３」という。）を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）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、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。連通孔１０８は、特許請求の範囲における第２のフレーム貫通孔に相当する。

【0026】

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。なお、ボルト２２とナット２４は、特許請求の範囲における締結部材に相当する。

【0027】

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、例えば空気が使用される。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、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。

【0031】

（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には、後述する燃料極側集電体１４４の一部の構成が拡大して示されている。

【0032】

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、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。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。なお、本実施形態では、単セル１１０の熱膨張係数よりも燃料極側集電体１４４の熱膨張係数の方が大きい。

【0033】

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る。本実施形態では、インターコネクタ１５０はステンレス鋼材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。ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、当該発電単位１０２における空気極１１４の上側に配置され、空気極１１４と電気的に接続される。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）。

【0034】

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。空気極１１４は電解質層１１２の上側に配置され、燃料極１１６は電解質層１１２の下側に配置されている。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。

【0035】

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。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酸化物））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、多孔質な層である。燃料極１１６は、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。このように、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。

【0036】

セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。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ロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。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。

【0037】

図４に示すように、空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向（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。図４に示すように、空気極側フレーム１３０の孔１３１を取り囲む部分は、その下側においてセパレータ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に接触しており、その上側においてインターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部に接触している。このように、空気極側フレーム１３０の孔１３１を取り囲む部分は、インターコネクタ１５０の外周部と接続されている。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。空気極側フレーム１３０は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当し、孔１３１は、特許請求の範囲における第１のフレーム貫通孔（より厳密には、空気室を構成する第１のフレーム貫通孔）に相当する。

【0038】

図５に示すように、燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向（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。図５に示すように、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。このように、燃料極側フレーム１４０の孔１４１を取り囲む部分は、インターコネクタ１５０の外周部と接続されている。また、燃料極側フレーム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。燃料極側フレーム１４０は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当し、孔１４１は、特許請求の範囲における第１のフレーム貫通孔（より厳密には、燃料室を構成する第１のフレーム貫通孔）に相当する。

【0039】

図６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、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１８０（以下、「集電部材１８０」という。）として形成されている。すなわち、集電部材１８０の部材の内の、上下方向（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、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１３５が空気極側集電体１３４として機能する。また、集電部材１８０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。集電部材１８０とその周辺の詳細構成について、下記にて更に説明する。

【0040】

図７に示すように、燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、複数（本実施形態では、８１個）の電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ複数（本実施形態では、８１個）の連接部１４７とを備えており、導電性材料により形成されている。複数の電極対向部１４５は、Ｚ軸方向視で、Ｘ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されている。複数の電極対向部１４５は、Ｘ軸方向に９個ずつ、Ｙ軸方向に９個ずつ並んでいる。また、本実施形態では、燃料極側集電体１４４は、ニッケル箔（例えば厚さ１０～２００μｍ）により形成されている。従って、本実施形態の燃料極側集電体１４４は、ニッケルを含有している。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、平板状のニッケル箔において、複数の矩形領域のそれぞれの３辺に切り込みを入れ、該複数の矩形領域のそれぞれを残り１辺（Ｙ方向に略平行な辺）を基準にしてＺ軸正方向側に起こし、さらにＸ軸負方向側に曲げるように加工することにより製造される。曲げ起こされた各矩形領域の部分が電極対向部１４５となり、曲げ起こされた部分以外の貫通孔１４８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。すなわち、インターコネクタ対向部１４６と電極対向部１４５と連接部１４７とから構成される燃料極側集電体１４４は、一体部材である。なお、図７における部分拡大図では、燃料極側集電体１４４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。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（例えば、拡散接合または溶接等により接合されている）。以上の説明から明らかなように、燃料極側集電体１４４は、下側の隣の発電単位１０２のインターコネクタ１５０に接続されている（本実施形態では、インターコネクタ１５０に接触している）。従って、燃料極側集電体１４４は、下側の隣の発電単位１０２の集電部材１８０に接続されている（本実施形態では、集電部材１８０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、例えばマイカ等の絶縁材料により形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ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。上記の説明から明らかなように、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６の下側に配置され、燃料極１１６と電気的に接続される。

【0041】

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孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

Ａ－３．集電部材１８０とその周辺の詳細構成：
図８および図９は、集電部材１８０とその周辺の詳細構成のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。図８には、図４のＸ１部（Ｚ軸方向視における単セル１１０の中央側）の拡大図が示されており、図９には、図４のＸ２部（Ｚ軸方向視における単セル１１０の端側）の拡大図が示されている。

【0045】

集電部材１８０は、上述したように、インターコネクタ１５０と空気極側集電体１３４とを備える。インターコネクタ１５０と空気極側集電体１３４は、ステンレスにより形成されている。従って、集電部材１８０は、ステンレスを含有している、といえる。

【0046】

集電部材１８０は、複数の第１の部分１５１を有している。第１の部分１５１は、オーステナイト相をなしている。集電部材１８０のうち、第１の部分１５１以外の残りの部分は、フェライト相をなしている。以上の説明から明らかなように、空気極側集電体１３４と、インターコネクタ１５０の第１の部分１５１以外の残りの部分はいずれもフェライト相をなすステンレスにより形成されている。換言すると、集電部材１８０のうち、第１の部分１５１以外の残りの部分（以下、「第２の部分１５２」という。）はフェライト相をなすステンレスにより形成されている。本実施形態では、第１の部分１５１の熱膨張係数は、第２の部分１５２の熱膨張係数よりも大きい。

【0047】

第１の部分１５１は、燃料極側集電体１４４に接続している。より詳細には、第１の部分１５１は、燃料極側集電体１４４のインターコネクタ対向部１４６に接触している。各第１の部分１５１は、互いに異なる電極対向部１４５の下側に位置している。複数の第１の部分１５１は、Ｚ軸方向視で、Ｘ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されている。複数の第１の部分１５１は、Ｘ軸方向に９個ずつ、Ｙ軸方向に９個ずつ並んでいる。

【0048】

本実施形態では、第１の部分１５１は、Ｙ軸方向視において略矩形であり、かつ、Ｚ軸方向視において略矩形である。本実施形態では、第１の部分１５１は、Ｘ軸方向の幅が２．５ｍｍ程度であり、Ｙ軸方向の幅が２．５ｍｍ程度である。

【0049】

第１の部分１５１の熱膨張係数は、第２の部分１５２の熱膨張係数よりも燃料極側集電体１４４の熱膨張係数に近く、かつ、第２の部分１５２の熱膨張係数は、第１の部分１５１の熱膨張係数よりも単セル１１０の熱膨張係数に近い。本実施形態では、第１の部分１５１の熱膨張係数と第２の部分１５２の熱膨張係数との差の絶対値は、単セル１１０の熱膨張係数と燃料極側集電体１４４の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい。具体的には、オーステナイト相をなすステンレスにより構成される第１の部分１５１の線膨張係数は、７００℃で１７～１９（ｐｐｍ／Ｋ）程度であり、フェライト相をなすステンレスにより構成される第２の部分１５２の線膨張係数は、７００℃で１１～１３（ｐｐｍ／Ｋ）程度である。また、ニッケル箔により形成されている燃料極側集電体１４４の線膨張係数は、７００℃で１７～１９（ｐｐｍ／Ｋ）程度であり、上述した構成である単セル１１０の線膨張係数は、７００℃で１１～１３（ｐｐｍ／Ｋ）程度である。

【0050】

本実施形態では、Ｚ軸方向視において、第１の部分１５１は、燃料極側集電体１４４（本実施形態では、第１の部分１５１の全体）と単セル１１０（本実施形態では、空気極１１４）とが接触している部分に重なっている。

【0051】

本実施形態では、第１の部分１５１と第２の部分１５２は、Ｚ軸方向において互いに隣接している。

【0052】

本実施形態では、Ｚ軸方向視において単セル１１０の中心Ｃ（図７参照）からの距離が比較的短い複数（本実施形態では、Ｚ軸方向視において約２５個）の第１の部分１５１により構成される群ＣＧ（以下、「中央側群ＣＧ」という。）（図８参照）と、単セル１１０の中心Ｃからの距離が比較的長い複数（本実施形態では、約５６個）の第１の部分１５１により構成される群ＣＧ（以下、「端側群ＥＧ」という。）（図９参照）とで第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さ（ＣＴ、ＥＴ）が異なっている。具体的には、中央側群ＣＧに含まれる第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さＣＴは、端側群ＥＧに含まれる第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さＥＴよりも厚い。本実施形態では、中央側群ＣＧに含まれる第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さＣＴは５～３０μｍ程度であり、端側群ＥＧに含まれる第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さＥＴは１～５μｍ程度である。

【0053】

なお、中央側群ＣＧと端側群ＥＧとの群の分け方は、種々の方法を採用することができる。例えば、Ｚ軸方向視において格子状に並んでいる８１個の第１の部分１５１のうち、最外周に沿って並んでいる３２個の第１の部分１５１からなる群を端側群ＥＧと、その内側に位置している残りの４９個の第１の部分１５１からなる群を中央側群ＣＧとする。また、単セル１１０の中心Ｃからのある距離を閾値とし、これに基づいて中央側群ＣＧと端側群ＥＧとに分けてもよい。また、中央側群ＣＧや端側群ＥＧに含まれる第１の部分１５１の個数が１つであってもよい。

【0054】

Ａ－４．集電部材１８０の製造方法：
上述した第１の部分１５１と第２の部分１５２とを有する集電部材１８０は、例えば以下の方法により製造することができる。

【0055】

すなわち、まず、集電部材１８０となる材料であって、フェライト相をなす材料（例えば、ＳＵＳ４３０。以下、「集電部材用材料」という。）を準備する。そして、集電部材用材料と燃料極側集電体１４４とをレーザーを用いて接合する際に、レーザーの出力を所定値以上とする。これにより、燃料極側集電体１４４中のニッケルが集電部材用材料（ＦｅＣｒ）へと拡散し、これにより、集電部材用材料に、オーステナイト相をなす第１の部分１５１が形成される。以上のようにして、第１の部分１５１と第２の部分１５２とを有する集電部材１８０を得ることができる。なお、レーザー出力の値を高くするほど、ニッケルが集電部材１８０へと拡散しやすくなり、ひいては、オーステナイト相をなす第１の部分１５１が形成されやすくなる。

【0056】

また、集電部材用材料と燃料極側集電体１４４とをアーク溶接により接合する際においても上述したレーザーを用いて接合する際と同様に、アーク電圧値を所定値以上とすることにより、燃料極側集電体１４４中のニッケルが集電部材１８０へと拡散し、オーステナイト相をなす第１の部分１５１が形成される。これにより、第１の部分１５１と第２の部分１５２とを有する集電部材１８０を得ることができる。なお、アーク電圧値を高くするほど、ニッケルが集電部材１８０へと拡散しやすくなり、ひいては、オーステナイト相をなす第１の部分１５１が形成されやすくなる。

【0057】

Ａ－５．集電部材１８０とその周辺の熱膨張係数の調整方法：
上述した集電部材１８０とその周辺の熱膨張係数は、例えば以下のようにして調整することができる。

【0058】

集電部材１８０を構成する第１の部分１５１と第２の部分１５２、燃料極側集電体１４４、単セル１１０の各熱膨張係数については、それぞれを形成する材料の熱膨張係数を考慮することにより、適宜、調整することができる。

【0059】

Ａ－６．集電部材１８０の特性の特定方法：
上述した集電部材１８０の特性は、例えば以下のようにして特定することができる。

【0060】

集電部材１８０を構成する第１の部分１５１と第２の部分１５２の存在について、例えば以下のようにして特定することができる。

【0061】

電子線後方散乱回折法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）を用いて集電部材１８０のサンプルの関する情報（当該サンプル中の結晶の大きさ等）を測定することにより、当該サンプル中に存在する体心立方格子（ｂｏｄｙ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ：ＢＣＣ）と面心立方格子（Ｆａｃｅ－Ｃｅｎｔｅｒｅｄ Ｃｕｂｉｃ：ＦＣＣ）とを特定する。体心立方格子であると特定された部分は、フェライト相をなし、面心立方格子であると特定された部分は、オーステナイト相をなしていることを意味する。

【0062】

集電部材１８０を構成する第１の部分１５１と第２の部分１５２の各熱膨張係数については、それぞれを形成する材料（ステンレス）の種類を考慮することにより、適宜、特定することができる。すなわち、第１の部分１５１の線膨張係数は、７００℃で１７～１９（ｐｐｍ／Ｋ）程度であり、第２の部分１５２の線膨張係数は、７００℃で１１～１３（ｐｐｍ／Ｋ）程度である。例えば、集電部材１８０となる材料（つまり、第２の部分１５２の材料）がＳＵＳ４３０であれば、第１の部分１５１の線膨張係数は、７００℃で１７～１９（ｐｐｍ／Ｋ）程度であり、第２の部分１５２の線膨張係数は、７００℃で１１～１３（ｐｐｍ／Ｋ）程度である。

【0063】

燃料極側集電体１４４と単セル１１０の各熱膨張係数については、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。

【0064】

Ａ－７．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、複数（本実施形態では、７つ）の発電単位１０２により構成される発電ブロック１０３を備えている。発電単位１０２は、単セル１１０と、集電部材１８０と、燃料極側集電体１４４と、を備えている。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上側（Ｚ軸方向の一方側）に配置された空気極１１４と、電解質層１１２の下側（Ｚ軸方向の他方側）に配置された燃料極１１６と、を備えている。集電部材１８０は、空気極１１４の上側に配置され、空気極１１４と電気的に接続される集電部材１８０であって、ステンレスを含有している。燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６の下側に配置され、燃料極１１６と電気的に接続される。燃料極側集電体１４４は、ニッケルを含有している。複数（本実施形態では、７つ）の発電単位１０２は、Ｚ軸方向に並べて配置されている。燃料極側集電体１４４は、下側の隣の発電単位１０２の集電部材１８０に接続されている。集電部材１８０は、燃料極側集電体１４４に接続される第１の部分１５１と、空気極１１４に接続される第２の部分１５２と、を有している。第１の部分１５１は、オーステナイト相をなしている。第１の部分１５１の熱膨張係数は、第２の部分１５２の熱膨張係数よりも燃料極側集電体１４４の熱膨張係数に近い。第２の部分１５２は、フェライト相をなしている。第２の部分１５２の熱膨張係数は、第１の部分１５１の熱膨張係数よりも単セル１１０の熱膨張係数に近い。

【0065】

本実施形態の燃料電池スタック１００は、上述したように、集電部材１８０は、燃料極側集電体１４４に接続される第１の部分１５１であって、オーステナイト相をなし、かつ、熱膨張係数が第２の部分１５２の熱膨張係数よりも、ニッケルを含有する燃料極側集電体１４４の熱膨張係数に近い第１の部分１５１を備える。そのため、第１の部分１５１の熱膨張係数と燃料極側集電体１４４の熱膨張係数との差は、集電部材１８０（第１の部分１５１を含む集電部材１８０の全体）がフェライト相をなす従来の構成における集電部材１８０の熱膨張係数と燃料極側集電体１４４の熱膨張係数との差よりも小さい。これにより、例えば燃料電池スタック１００の運転に伴う温度変化が生じた際に、従来の構成と比較して、集電部材１８０の熱膨張または熱収縮によるＺ軸方向に直交する方向の変形量と燃料極側集電体１４４の当該方向の変形量との差が小さくなる。また、熱膨張係数がフェライト相の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有するオーステナイト相をなす第１の部分１５１を備えることにより、集電部材１８０がこのような第１の部分１５１を備えない従来の構成と比較して、集電部材１８０（より詳細には、第１の部分１５１）が熱膨張した際のＺ軸方向の変形量が大きくなり、これにより、集電部材１８０が燃料極側集電体１４４を押す力が大きくなる。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、例えば燃料電池スタック１００の運転に伴う温度変化が生じた際に、従来の構成と比較して、集電部材１８０と燃料極側集電体１４４との剥離を抑制することができる。

【0066】

仮に、第２の部分１５２を含む集電部材１８０の全体がオーステナイト相である構成（以下、「比較構成１」という。）においては、集電部材１８０の熱膨張係数と、集電部材１８０に接続される単セル１１０の熱膨張係数との差が大きいことにより、集電部材１８０と空気極１１４との剥離が生じるおそれがある。

【0067】

これに対し、上述したように、集電部材１８０は、空気極１１４に接続される第２の部分１５２であって、フェライト相をなし、かつ、熱膨張係数が第１の部分１５１の熱膨張係数よりも単セル１１０の熱膨張係数に近い第２の部分１５２を備える。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、上述したように第１の部分１５１を備えることにより第１の部分１５１と燃料極側集電体１４４との剥離を抑制することができる理由と同様の理由から、上述した比較構成１と比較して、集電部材１８０と空気極１１４との剥離を抑制することができる。

【0068】

ところで、第１の部分１５１の熱膨張係数と第２の部分１５２の熱膨張係数との差の絶対値が大きいほど、第１の部分１５１や第２の部分１５２が熱膨張または熱収縮した際に第１の部分１５１と第２の部分１５２との境界にかかる力が大きくなり、第１の部分１５１と第２の部分１５２との剥離が生じるおそれがある。これに対し、本実施形態の燃料電池スタック１００においては、第１の部分１５１の熱膨張係数と第２の部分１５２の熱膨張係数との差の絶対値は、単セル１１０の熱膨張係数と燃料極側集電体１４４の熱膨張係数との差の絶対値よりも小さい。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の部分１５１の熱膨張係数と第２の部分１５２の熱膨張係数との差の絶対値が単セル１１０の熱膨張係数と燃料極側集電体１４４の熱膨張係数との差の絶対値以上である構成と比較して、第１の部分１５１の熱膨張係数と第２の部分１５２の熱膨張係数との差の絶対値を小さくすることができ、ひいては、第１の部分１５１と第２の部分１５２との剥離を抑制することができる。

【0069】

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、第１の部分１５１の熱膨張係数は、第２の部分１５２の熱膨張係数よりも大きく、Ｚ軸方向視において、第１の部分１５１（本実施形態では、第１の部分１５１の全体）は、燃料極側集電体１４４と単セル１１０とが接触している部分（以下、「接触部」という。）に重なっている。第１の部分１５１の熱膨張係数は第２の部分１５２の熱膨張係数よりも大きいため、温度変化が生じた際に、第１の部分１５１がＺ軸方向に熱膨張することにより、Ｚ軸方向視において第２の部分１５２のみが接触部に重なっている構成（以下、「比較構成２」という。）よりも強い力で、燃料極側集電体１４４は単セル１１０に対して押し付けられる。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、例えば燃料電池スタック１００の運転に伴う温度変化が生じた際に、上述した比較構成２と比較して、第１の部分１５１と第２の部分１５２との剥離を抑制することができる。

【0070】

また、本実施形態の燃料電池スタック１００は、上述したように第１の部分１５１の熱膨張係数は、第２の部分１５２の熱膨張係数よりも大きく、更に、フレーム部材（空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０）と、締結部材（ボルト２２、ナット２４）と、を備えている。フレーム部材には、Ｚ軸方向に貫通し、燃料室１７６および空気室１６６を構成する第１のフレーム貫通孔（孔１３１、孔１４１）が形成されている。フレーム部材は、Ｚ軸方向視で第１のフレーム貫通孔（孔１３１、孔１４１）を取り囲む部分が集電部材１８０の外周部と接続されている。締結部材（ボルト２２）は、フレーム部材をＺ軸方向に貫く第２のフレーム貫通孔（連通孔１０８）に挿入され、発電ブロック１０３を締結している。集電部材１８０は、Ｚ軸方向視において、複数（本実施形態では、約２５個）の第１の部分１５１により構成される中央側群ＣＧと、中央側群ＣＧよりも単セル１１０の中心Ｃからの距離が長い複数（本実施形態では、約５６個）の第１の部分１５１により構成される端側群ＥＧと、からなる複数の第１の部分１５１を備えている。中央側群ＣＧに含まれる第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さＣＴは、端側群ＥＧに含まれる第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さＥＴよりも厚い。

【0071】

ところで、上述したフレーム部材と締結部材を備える本実施形態の燃料電池スタック１００においては、第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さが厚いほど、第１の部分１５１のＺ軸方向の熱膨張による変形量が大きくなり、これにより燃料極側集電体１４４と集電部材１８０（より詳細には、第１の部分１５１）との接続強度が向上する。これは、Ｚ軸方向視において単セル１１０の中心Ｃにより近い第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さが厚いほど、より効果的である。

【0072】

一方、第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さが厚いほど、当該第１の部分１５１のＺ軸方向の熱膨張による変形量が大きくなることにより、集電部材１８０とフレーム部材との間のシール性が低下する。従って、第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さが薄いほど、集電部材１８０とフレーム部材との間のシール性の低下を抑制することができる。これは、Ｚ軸方向視において単セル１１０の中心Ｃからより遠い第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さが薄いほど、より効果的である。

【0073】

本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、上述したように、Ｚ軸方向視において単セル１１０の中心Ｃに比較的近い中央側群ＣＧに含まれる第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さが、単セル１１０の中心Ｃから比較的遠い端側群ＥＧに含まれる第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さよりも厚いことにより、より効果的に、燃料極側集電体１４４と集電部材１８０（より詳細には、第１の部分１５１）との接続強度が向上し、かつ、集電部材１８０とフレーム部材との間のシール性の低下を抑制することができる。

【0074】

なお、上述したフレーム部材と締結部材を備える構成を採用する際には、中央側群ＣＧと端側群ＥＧとの群の分け方について、上述した燃料極側集電体１４４と集電部材１８０（より詳細には、第１の部分１５１）との接続強度と、集電部材１８０とフレーム部材との間のシール性とを考慮し、さらには、各部材の熱膨張係数や第１の部分１５１の寸法および個数等を考慮することが好ましい。

【0075】

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。

【0076】

上記実施形態における燃料電池スタック１００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、燃料極側集電体１４４が備える複数の電極対向部１４５は、Ｚ軸方向視でＸ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されているが、複数の電極対向部１４５の配置はそのような格子状配置以外の配置であってもよい。また、上記実施形態では、燃料極側集電体１４４は、集電部材１８０に接触しているが、他の部材を介して集電部材１８０に接続されていてもよい。また、上記実施形態では、空気極側フレーム１３０の孔１３１を取り囲む部分は、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に接触することによりインターコネクタ１５０の外周部と接続されているが、他の部材（例えばセパレータ１２０と同様の材質のセパレータ）を介してインターコネクタ１５０の外周部と接続されていてもよい。

【0077】

また、上記実施形態では、第１の部分１５１は、互いに異なる電極対向部１４５の下側に位置し、Ｚ軸方向視でＸ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されているが、第１の部分１５１の配置はそのような配置以外の配置であってもよい。

【0078】

また、上記実施形態では、第１の部分１５１は、燃料極側集電体１４４に接触しているが、他の部材を介して燃料極側集電体１４４に接続されていてもよい。

【0079】

また、上記実施形態では、第２の部分１５２は、空気極１１４に接触しているが、他の部材を介して空気極１１４に接続されていてもよい。

【0080】

また、上記実施形態において、集電部材１８０は、オーステナイト相をなす第１の部分１５１を１つだけ有する構成であってもよい。

【0081】

また、上記実施形態において、集電部材１８０は、オーステナイト相をなす第１の部分１５１と、第１の部分１５１以外の残りの部分であって、フェライト相をなす第２の部分１５２とにより構成されているが、第１の部分１５１と第２の部分１５２の他に、オーステナイト相とフェライト相とのいずれとも異なる結晶構造である部分を有していてもよい。

【0082】

また、上記実施形態において、第１の部分１５１や第２の部分１５２の形状（例えば、第１の部分１５１のＸ軸方向の幅やＹ軸方向の幅）や配置は、種々変更可能である。従って、上記実施形態では、中央側群ＣＧに含まれる第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さＣＴは、端側群ＥＧに含まれる第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さＥＴよりも厚い構成であるが、第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さはそのような構成に限られるものではない。例えば、全ての第１の部分１５１のＺ軸方向の厚さが同等であってもよい。

【0083】

上記実施形態における燃料電池スタック１００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、集電部材１８０の第１の部分１５１や燃料極側集電体１４４が備える複数の電極対向部１４５は、Ｚ軸方向視でＸ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されているが、複数の電極対向部１４５の配置はそのような格子状配置以外の配置であってもよい。また、上記実施形態では、第１の部分１５１は、互いに異なる電極対向部１４５の下側に位置しているが、第１の部分１５１の配置はそのような配置以外の配置であってもよい。

【0084】

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形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。

【0085】

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔１０８を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、連通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位においても、集電部材１８０が上述した第１の部分１５１と第２の部分１５２とを備えることにより、集電部材１８０と燃料極側集電体１４４との剥離を抑制することができ、かつ、集電部材１８０と空気極１１４との剥離を抑制することができる。

【0086】

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。

【符号の説明】

【0087】

２２（２２Ａ～２２Ｅ）：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０３：発電ブロック １０４，１０６：エンドプレート 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 １３５：集電体要素 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：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４８：貫通孔 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １５１：第１の部分 １５２：第２の部分 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：集電部材 Ｃ：単セル１１０の中心 ＣＧ：中央側群 ＣＴ：厚さ ＥＧ：端側群 ＥＴ：厚さ 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】