特許 7237043 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】2023-03-02

(45)【発行日】2023-03-10

(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 8/2465 20160101AFI20230303BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20230303BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20230303BHJP

   H01M 8/2432 20160101ALI20230303BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2465

H01M8/0273

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

H01M8/2432

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020120432

(22)【出願日】2020-07-14

(65)【公開番号】P2022017724

(43)【公開日】2022-01-26

【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】弁理士法人アルファ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】森川 哲也

(72)【発明者】

【氏名】堀田 信行

【審査官】山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０３８９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３１７４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１２９５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２１６２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－２４３２５９（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、前記空気極に面する空気室または前記燃料極に面する燃料室を構成するフレーム貫通孔が形成されたフレーム部材と、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た電気化学反応ブロックと、
前記電気化学反応ブロックにおける前記第１の方向の両側にそれぞれ位置し、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部材に重なるように配置された一対のエンド部材と、
前記第１の方向において互いに隣り合う前記電気化学反応単位の前記フレーム部材同士の間に配置されたコンプレッションシール部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記一対のエンド部材の少なくとも一方には、前記第１の方向視で前記コンプレッションシール部材に重なり、かつ、前記第１の方向に垂直な面方向に沿った平面部と、前記面方向に沿って延び、かつ、前記平面部より前記第１の方向に突出する凸部とが形成されており、
前記エンド部材の厚さが３ｍｍ以下である、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項2】

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、前記空気極に面する空気室または前記燃料極に面する燃料室を構成するフレーム貫通孔が形成されたフレーム部材と、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た電気化学反応ブロックと、
前記電気化学反応ブロックにおける前記第１の方向の両側にそれぞれ位置し、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部材に重なるように配置された一対のエンド部材と、
前記第１の方向において互いに隣り合う前記電気化学反応単位の前記フレーム部材同士の間に配置されたコンプレッションシール部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記一対のエンド部材の少なくとも一方には、前記第１の方向視で前記コンプレッションシール部材に重なり、かつ、前記第１の方向に垂直な面方向に沿った平面部と、前記面方向に沿って延び、かつ、前記平面部より前記第１の方向に突出する凸部とが形成されており、
前記凸部と前記平面部とがＲ部を介して連結されており、かつ、前記Ｒ部の内側面の半径は、前記平面部の厚さより大きい、
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において、
前記エンド部材の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記凸部が複数形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記エンド部材には、前記第１の方向視で、エンド貫通孔が形成されており、
前記エンド部材における外周部と内周部との両方に前記凸部が形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【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セルスタックにおいて、
前記凸部は、前記エンド部材における全周にわたって形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【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セルスタックにおいて、
前記エンド部材には、さらに、前記エンド部材の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記平面部同士を連結し、前記第１の方向に隆起した隆起部が形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【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セルスタックにおいて、
前記平面部からの前記凸部の立ち上がり長さは、前記平面部の厚さより大きい、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項8】

請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第１の方向視で、前記凸部の少なくとも１つは、前記コンプレッションシール部材に重なる位置に配置されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項9】

請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記エンド部材の表面には、不動態被膜が形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項10】

請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記凸部の厚さと前記平面部の厚さとは同じである、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。

【背景技術】

【0002】

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える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単セル（以下、単に「単セル」という）は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第１の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。

【0003】

ＳＯＦＣは、一般に、発電単位が、第１の方向に複数並べて配置された発電ブロックを備える燃料電池スタックの形態で利用される。発電単位は、例えば、単セルと、フレーム部材と、を備える。フレーム部材は、空気極に面する空気室または燃料極に面する燃料室を構成する貫通孔が形成されている。第１の方向において互いに隣り合う発電単位のフレーム部材同士の間には、コンプレッションシール部材が配置されている。また、燃料電池スタックは、さらに、一対のエンド部材を備える。一対のエンド部材は、発電ブロックにおける第１の方向の両側にそれぞれ位置し、第１の方向視で少なくとも一部がフレーム部材に重なるように配置されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－５３９２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上述した燃料電池スタックでは、エンド部材は、単に平板状の部材であり、剛性が低いため、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンド部材が変形しやすい。その結果、例えば燃料電池スタックの性能が低下するおそれがある。

【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を複数備える電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、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び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の課題である。

【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、前記空気極に面する空気室または前記燃料極に面する燃料室を構成するフレーム貫通孔が形成されたフレーム部材と、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た電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックにおける前記第１の方向の両側にそれぞれ位置し、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部材に重なるように配置された一対のエンド部材と、前記第１の方向において互いに隣り合う前記電気化学反応単位の前記フレーム部材同士の間に配置されたコンプレッションシール部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記一対のエンド部材の少なくとも一方には、前記第１の方向視で前記コンプレッションシール部材に重なり、かつ、前記第１の方向に垂直な面方向に沿った平面部と、前記面方向に沿って延び、かつ、前記平面部より前記第１の方向に突出する凸部とが形成されている。

【0010】

本電気化学反応セルスタックによれば、凸部によってエンド部材の剛性が向上するため、エンド部材が凸部を備えない構成に比べて、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンド部材が変形することを抑制することができる。

【0011】

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記エンド部材の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記凸部が複数形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、エンド部材の断面において、凸部が１つだけ形成された構成に比べて、エンド部材の剛性がさらに向上するため、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンド部材が変形することを、より効果的に抑制することができる。

【0012】

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記エンド部材には、前記第１の方向視で、エンド貫通孔が形成されており、前記エンド部材における外周部と内周部との両方に前記凸部が形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、エンド部材の剛性がさらに向上するため、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンド部材が変形することを、より効果的に抑制することができる。

【0013】

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記凸部は、前記エンド部材における全周にわたって形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、凸部の一部が欠けている構成に比べて、エンド部材の剛性がさらに向上するため、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンド部材が変形することを、より効果的に抑制することができる。

【0014】

（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記エンド部材には、さらに、前記エンド部材の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記平面部同士を連結し、前記第１の方向に隆起した隆起部が形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、エンド部材には、凸部に加えて、隆起部が形成されているため、エンド部材の剛性がさらに向上し、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンド部材が変形することを、より効果的に抑制することができる。

【0015】

（６）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記平面部からの前記凸部の立ち上がり長さは、前記平面部の厚さより大きい構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、平面部からの凸部の立ち上がり長さが平面部の厚さ以下である構成に比べて、エンド部材の剛性がさらに向上するため、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンド部材が変形することを、より効果的に抑制することができる。

【0016】

（７）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視で、前記凸部の少なくとも１つは、前記コンプレッションシール部材に重なる位置に配置されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、凸部がコンプレッションシール部材に重ならない位置に配置された構成に比べて、コンプレッションシール部材によるシール性能を向上させることができる。

【0017】

（８）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記エンド部材の表面には、不動態被膜が形成されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、不動態被膜が形成されており、肉厚を厚くすることが難しいエンド部材を備える電気化学反応セルスタックに対して本発明は特に有用である。

【0018】

（９）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記凸部と前記平面部とがＲ部を介して連結されており、かつ、前記Ｒ部の内側面の半径は、前記平面部の厚さより大きい構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、凸部と平面部との間のＲ面の半径が平面部の厚さ以下である構成に比べて、凸部と平面部との境界部分に応力が集中することに起因して破損等することを抑制することができる。

【0019】

（１０）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記凸部の厚さと前記平面部の厚さとは同じである構成としてもよい。

【0020】

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、電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解単セル）、電気化学反応単セルを有する電気化学反応単位（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（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】

【0021】

【図1】本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図

【図2】図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図

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

【図4】図１のＩＶ－ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図

【図5】図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図

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

【図7】図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0022】

Ａ．実施形態：
Ａ－１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図４は、図１のＩＶ－ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図５以降についても同様である。

【0023】

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という。）１０２と、末端セパレータ２１０、上端プレート２２０、下端プレート１８９と、一対のターミナルプレート４１０，４２０、絶縁部２００、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４１０，４２０のうちの一方（以下、「上側ターミナルプレート４１０」という。）は、７つの発電単位１０２から構成される集合体（以下、「発電ブロック１０３」という。）の上側に配置されており、一対のターミナルプレート４１０，４２０のうちの他方（以下、「下側ターミナルプレート４２０」という。）は、発電ブロック１０３の下側に配置されている。末端セパレータ２１０は、上側ターミナルプレート４１０の上側に配置されており、下端プレート１８９は、下側ターミナルプレート４２０の下側に配置されている。絶縁部２００は、末端セパレータ２１０の上側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの一方（以下、「上側エンドプレート１０４」という。）は、絶縁部２００の上側に配置されており、一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの他の（以下、「下側エンドプレート１０６」という。）は、下端プレート１８９の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、発電ブロック１０３と、末端セパレータ２１０と、下端プレート１８９と、一対のターミナルプレート４１０，４２０、絶縁部２００と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。

【0024】

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

【0025】

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

【0026】

また、図１から図３に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（各発電単位１０２、下側ターミナルプレート４２０、下端プレート１８９、下側エンドプレート１０６）のＺ軸方向回りの周縁部には、各層を上下方向に貫通する４つの孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、最上部の発電単位１０２から下側エンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。

【0027】

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

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

【0029】

図２および図３に示すように、燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、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。図２に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６１の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部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。なお、各ガス通路部材２７と下側エンドプレート１０６の表面との間には、絶縁シート２６が介在している。

【0030】

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。一対のエンドプレート１０４，１０６の中央付近には、それぞれ、Ｚ軸方向に貫通する孔３２，３４が形成されている。Ｚ軸方向視で、一対のエンドプレート１０４，１０６のそれぞれに形成された孔３２，３４の内周線は、後述する各単セル１１０の少なくとも一部を内包している。各ボルト２２およびナット２４による締結によって生じるＺ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位１０２の周縁部（後述する各単セル１１０より外周側の部分）に作用する。なお、エンドプレート１０４，１０６は、特許請求の範囲における一対のエンド部材に相当する。エンドプレート１０４，１０６の具体的構成については後述する。

【0031】

（ターミナルプレート４１０，４２０の構成）
一対のターミナルプレート４１０，４２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。上側ターミナルプレート４１０の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔４１２が形成されている。Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート４１０に形成された孔４１２の内周線は、後述する各単セル１１０を内包している。Ｚ軸方向視で、一対のターミナルプレート４１０，４２０のそれぞれの一方側（Ｘ軸正方向側）の端部は、発電ブロック１０３から側方に張り出している。本実施形態では、上側ターミナルプレート４１０の張り出し部分は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側ターミナルプレート４２０の張り出し部分は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。

【0032】

（上端プレート２２０の構成）
上端プレート２２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。上端プレート２２０は、発電ブロック１０３の上側に配置されており、発電ブロック１０３における上端に位置するインターコネクタ１９０に電気的に接続されている。本実施形態では、上端プレート２２０とインターコネクタ１９０とは、後述の燃料極側集電部材１４４と同一構造の接続部材を介して電気的に接続されている。下端プレート１８９は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。

【0033】

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

【0034】

末端セパレータ２１０は、末端セパレータ２１０の貫通孔周囲部（貫通孔２１１を取り囲む部分）を含む内側部２１６と、内側部２１６より外周側に位置する外側部２１７と、内側部２１６と外側部２１７とを連結する連結部２１８とを備える。本実施形態では、内側部２１６および外側部２１７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部２１８は、内側部２１６と外側部２１７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部２１８における下側（発電ブロック１０３側）の部分は凸部となっており、連結部２１８における上側（上側エンドプレート１０４側）の部分は凹部となっている。このため、連結部２１８は、Ｚ軸方向における位置が内側部２１６および外側部２１７とは異なる部分を含んでいる。

【0035】

（下端プレート１８９の構成）
下端プレート１８９は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。下端プレート１８９の周縁部は、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との間に挟み込まれており、これにより、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２のシール性と、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との絶縁性とが確保されている。

【0036】

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

【0037】

（発電単位１０２の構成）
図５は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図６は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。

【0038】

図５から図７に示すように、発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）１１０と、単セル用セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電部材１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１９０および一対のＩＣ用セパレータ１８０とを備えている。単セル用セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、ＩＣ用セパレータ１８０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する各連通孔１０８を構成する孔と、各ボルト孔１０９を構成する孔とが形成されている。

【0039】

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２のＺ軸方向の一方側（上側）に配置された空気極１１４と、電解質層１１２のＺ軸方向の他方側（下側）に配置された燃料極１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された反応防止層１１８とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、反応防止層１１８）を支持する燃料極支持形の単セルである。

【0040】

電解質層１１２は、Ｚ軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含むように構成されている。すなわち、本実施形態の単セル１１０は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。空気極１１４は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、例えばペロブスカイト型酸化物（例えば、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物））を含むように構成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。反応防止層１１８は、Ｚ軸方向視で空気極１１４と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とＹＳＺとを含むように構成されている。反応防止層１１８は、空気極１１４から拡散した元素（例えば、Ｓｒ）が電解質層１１２に含まれる元素（例えば、Ｚｒ）と反応して高抵抗な物質（例えば、ＳｒＺｒＯ_３）が生成されることを抑制する機能を有する。

【0041】

単セル用セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。単セル用セパレータ１２０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。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。

【0042】

単セル用セパレータ１２０は、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部（貫通孔１２１を取り囲む部分）を含む内側部１２６と、内側部１２６より外周側に位置する外側部１２７と、内側部１２６と外側部１２７とを連結する連結部１２８とを備える。本実施形態では、内側部１２６および外側部１２７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部１２８は、内側部１２６と外側部１２７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部１２８における下側（燃料室１７６側）の部分は凸部となっており、連結部１２８における上側（空気室１６６側）の部分は凹部となっている。このため、連結部１２８は、Ｚ軸方向における位置が内側部１２６および外側部１２７とは異なる部分を含んでいる。

【0043】

単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１付近には、ガラスを含むガラスシール部１２５が配置されている。ガラスシール部１２５は、接合部１２４に対して空気室１６６側に位置しており、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部の表面と、単セル１１０（本実施形態では電解質層１１２）の表面との両方に接触するように形成されている。ガラスシール部１２５により、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。

【0044】

インターコネクタ１９０は、略矩形の平板形状の平板部１５０と、平板部１５０から空気極１１４側に突出した複数の略柱状の空気極側集電部１３４とを有する導電性の部材であり、金属（例えば、フェライト系ステンレス）により形成されている。本実施形態では、インターコネクタ１９０の表面（空気室１６６に面する表面）に、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性の被覆層１９４が形成されている。以下では、被覆層１９４に覆われたインターコネクタ１９０を、単にインターコネクタ１９０という。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に対して空気室１６６を挟んで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１４４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。また、燃料電池スタック１００は下側ターミナルプレート４２０および下端プレート１８９を備えているため、燃料電池スタック１００において最も下側に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１９０を備えていない（図２から図４参照）。

【0045】

ＩＣ用セパレータ１８０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１８１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。ＩＣ用セパレータ１８０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における貫通孔１８１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、インターコネクタ１９０の平板部１５０の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、上側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の空気室１６６と、該発電単位１０２に対して上側に隣り合う他の発電単位１０２の燃料室１７６とを区画する。また、ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、下側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の燃料室１７６と、該発電単位１０２に対して下側に隣り合う他の発電単位１０２の空気室１６６とを区画する。このように、ＩＣ用セパレータ１８０により、発電単位１０２の周縁部における発電単位１０２間のガスのリークが抑制される。なお、燃料電池スタック１００において最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０に接合されたＩＣ用セパレータ１８０は、上側ターミナルプレート４１０に電気的に接続されている。

【0046】

ＩＣ用セパレータ１８０は、ＩＣ用セパレータ１８０の貫通孔周囲部（貫通孔１８１を取り囲む部分）を含む内側部１８６と、内側部１８６より外周側に位置する外側部１８７と、内側部１８６と外側部１８７とを連結する連結部１８８とを備える。本実施形態では、内側部１８６および外側部１８７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部１８８は、内側部１８６と外側部１８７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部１８８における下側（空気室１６６側）の部分は凸部となっており、連結部１８８における上側（燃料室１７６側）の部分は凹部となっている。このため、連結部１８８は、Ｚ軸方向における位置が内側部１８６および外側部１８７とは異なる部分を含んでいる。

【0047】

図５から図７に示すように、空気極側フレーム１３０は、中央付近にＺ軸方向に貫通する略矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム１３０は、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。なお、空気極側フレーム１３０は、特許請求の範囲におけるコンプレッションシール部材に相当する。

【0048】

図５から図７に示すように、燃料極側フレーム１４０は、中央付近にＺ軸方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム１４０は、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。

【0049】

図５から図７に示すように、燃料極側集電部材１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部材１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６の下側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１９０（の平板部１５０）の上側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下側に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１９０を備えていないため、該発電単位１０２における燃料極側集電部材１４４のインターコネクタ対向部１４６は、下側ターミナルプレート４２０に接触している。燃料極側集電部材１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１９０（または下端プレート１８９）とを電気的に接続する。なお、燃料極側集電部材１４４の電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電部材１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電部材１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１９０（または下側ターミナルプレート４２０）との電気的接続が良好に維持される。

【0050】

Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図５に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部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６に示すように、燃料ガス供給マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部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。

【0051】

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は上側のインターコネクタ１９０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電部材１４４を介して下側のインターコネクタ１９０（または、下端プレート１８９）に電気的に接続されている。すなわち、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。また、最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０およびＩＣ用セパレータ１８０は、上側ターミナルプレート４１０に電気的に接続されており、最も下側に位置する発電単位１０２の燃料極側集電部材１４４には、下側ターミナルプレート４２０が電気的に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するターミナルプレート４１０，４２０から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば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。

【0052】

図２および図５に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から酸化剤ガス排出連通流路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６に示すように、各発電単位１０２の燃料室１７６から燃料ガス排出連通流路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。

【0053】

なお、本実施形態の燃料電池スタック１００では、Ｚ軸方向視で、酸化剤ガス供給マニホールド１６１に連通する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通する燃料ガス排出連通流路１４３とが、単セルの一の辺に（同じ方向に）対向するように配置されており、かつ、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通する酸化剤ガス排出連通流路１３３と、燃料ガス供給マニホールド１７１に連通する燃料ガス供給連通流路１４２とが、単セルの一の辺に対して単セル１１０の中心点を挟んで対向する他の辺に（同じ方向に）対向するように配置されている。すなわち、本実施形態の発電単位１０２（燃料電池スタック１００）は、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向（Ｘ軸正方向からＸ軸負方向へ向かう方向）と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（Ｘ軸負方向からＸ軸正方向へ向かう方向）とが略反対方向（互いに対向する方向）である、カウンターフロータイプのＳＯＦＣである。

【0054】

Ａ－３．エンドプレート１０４，１０６の詳細構成：
エンドプレート１０４，１０６の詳細構成について説明する。

【0055】

（上側エンドプレート１０４の構成）
図２から図４に示すように、上側エンドプレート１０４は、平面部３１０と、凸部３２０と、隆起部３３０と、を含んでいる。平面部３１０は、Ｚ軸方向視で燃料極側フレーム１４０に重なり、かつ、Ｚ軸方向に垂直な面方向（ＸＹ平面に平行な方向）に沿っている。平面部３１０は、所定の領域（例えば締結部材（ボルト２２）が挿入される２つ以上のボルト孔１０９同士をつなぐ領域）を有して面方向に平行な平坦部分である。具体的には、平面部３１０のＺ軸方向視での形状は、全体として、矩形枠状である。Ｚ軸方向視で、平面部３１０の内周部（孔３２の輪郭線）は、全周にわたって、燃料極側フレーム１４０の孔１４１の輪郭線の内周側に位置している。Ｚ軸方向視で、平面部３１０の外周部は、全周にわたって、燃料極側フレーム１４０の外周部と同じ位置、または、該外周部の外周側に位置している。すなわち、Ｚ軸方向視で、平面部３１０の外周側が燃料極側フレーム１４０に重なっており、平面部３１０の内周側が燃料極側フレーム１４０より内側に張り出している。なお、上述したボルト孔１０９を構成する孔は、平面部３１０におけるＺ軸方向回りの周縁部に形成されている。孔３２は、特許請求の範囲におけるエンド貫通孔に相当し、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フレーム貫通孔に相当する。

【0056】

凸部３２０は、面方向に沿って延び、かつ、平面部３１０よりＺ軸方向に突出している。凸部３２０は、所定の長さ（例えば凸部３２０の厚さより大きい長さ）を有して面方向（凸部３２０）に平行に延びているリブである。平面部３１０からの凸部３２０の立ち上がり長さ（Ｚ軸方向の長さ）は、平面部３１０の厚さより大きく、例えば、平面部３１０の厚さの３０倍以上の長さが好ましく、５０倍以上の長さがより好ましい。なお、凸部３２０は、例えば締結部材（ボルト２２）が挿入される２つ以上のボルト孔１０９同士をつなぐ領域（平面部３１０）の周縁部に形成されていることが好ましい。

【0057】

具体的には、凸部３２０は、外側凸部３２２と、内側凸部３２４と、を有している。外側凸部３２２は、平面部３１０の外周部から上側（発電ブロック１０３とは反対側 Ｚ軸正方向側）に向かって突出している。外側凸部３２２は、平面部３１０の外周部の全周にわたって形成されている。Ｚ軸方向視で、外側凸部３２２は、空気極側フレーム１３０に重なる位置に配置されている。内側凸部３２４は、平面部３１０の内周部から上側（発電ブロック１０３とは反対側 Ｚ軸正方向側）に向かって突出している。内側凸部３２４は、平面部３１０の内周部の全周にわたって形成されている。すなわち、上側エンドプレート１０４のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面において、凸部３２０（外側凸部３２２、内側凸部３２４）が複数形成されている（図２から図４参照）。

【0058】

隆起部３３０は、上側エンドプレート１０４のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面において、平面部３１０の部分同士を連結し、Ｚ軸方向に隆起した部分である。すなわち、隆起部３３０は、上側エンドプレート１０４の周縁部から離間した位置に形成されており、Ｚ軸方向における位置が平面部３１０とは異なる部分（隆起した先端部分）を有している。隆起部３３０は、所定の長さ（例えば凸部３２０の厚さより大きい長さ）を有して面方向（凸部３２０）に平行に延びている。隆起部３３０は、例えば締結部材（ボルト２２）が挿入される２つのボルト孔１０９同士の間に位置し、かつ、該２つのボルト孔１０９の並び方向に沿って延びていることが好ましい（図１参照）。

【0059】

具体的には、隆起部３３０は、上側エンドプレート１０４における外側凸部３２２と内側凸部３２４との間に配置されている。各隆起部３３０は、凸部３２０に平行に延びる一対の側壁３３２と、一対の外側凸部３２２同士の上端を連結する連結壁３３４と、隆起部３３０の長手方向の両端を塞ぐ封止壁３３６と、を有している。各側壁３３２は、平面部３１０に対して略垂直であり、連結壁３３４は、平面部３１０に略平行であり、各封止壁３３６は、連結壁３３４から平面部３１０に向かって傾斜している（図１参照）。

【0060】

（下側エンドプレート１０６の構成）
図２から図４に示すように、下側エンドプレート１０６は、平面部５１０と、凸部５２０と、を含んでいる。平面部５１０は、Ｚ軸方向視で燃料極側フレーム１４０に重なり、かつ、Ｚ軸方向に垂直な面方向（ＸＹ平面に平行な方向）に沿っている。平面部５１０は、所定の領域（例えば締結部材（ボルト２２）が挿入される２つ以上のボルト孔１０９同士をつなぐ領域）を有して面方向に平行な平坦部分である。具体的には、平面部５１０のＺ軸方向視での形状は、全体として、矩形枠状である。Ｚ軸方向視で、平面部５１０の内周部（孔３４の輪郭線）は、全周にわたって、燃料極側フレーム１４０の孔１４１の輪郭線の内周側に位置している。Ｚ軸方向視で、平面部５１０の外周部は、全周にわたって、燃料極側フレーム１４０の外周部と同じ位置、または、該外周部の外周側に位置している。すなわち、Ｚ軸方向視で、平面部５１０の外周側が燃料極側フレーム１４０に重なっており、平面部３１０の内周側が燃料極側フレーム１４０より内側に張り出している。なお、上述したボルト孔１０９を構成する孔は、平面部５１０におけるＺ軸方向回りの周縁部に形成されている。孔３４は、特許請求の範囲におけるエンド貫通孔に相当する。

【0061】

凸部５２０は、面方向に沿って延び、かつ、平面部５１０よりＺ軸方向に突出している。凸部５２０は、所定の長さ（例えば凸部５２０の厚さより大きい長さ）を有して面方向（凸部５２０）に平行に延びているリブである。平面部５１０からの凸部５２０の立ち上がり長さ（Ｚ軸方向の長さ）は、平面部５１０の厚さより大きく、例えば、平面部５１０の厚さの３０倍以上の長さが好ましく、５０倍以上の長さがより好ましい。なお、凸部５２０は、例えば締結部材（ボルト２２）が挿入される２つ以上のボルト孔１０９同士をつなぐ領域（平面部５１０）の周縁部に形成されていることが好ましい。

【0062】

具体的には、凸部５２０は、外側凸部５２２と、内側凸部５２４と、を有している。外側凸部５２２は、平面部５１０の外周部から下側（発電ブロック１０３とは反対側 Ｚ軸負方向側）に向かって突出している。外側凸部５２２は、平面部５１０の外周部の全周にわたって形成されている。Ｚ軸方向視で、外側凸部５２２は、燃料極側フレーム１４０に重なる位置に配置されている。内側凸部５２４は、平面部５１０の内周部から下側（発電ブロック１０３とは反対側 Ｚ軸負方向側）に向かって突出している。内側凸部５２４は、平面部５１０の内周部の全周にわたって形成されている。すなわち、上側エンドプレート１０４のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面において、凸部５２０（外側凸部５２２、内側凸部５２４）が複数形成されている（図２から図４参照）。

【0063】

上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれの表面には、不動態被膜（例えばアルミナ被膜）が形成されている。また、凸部３２０，５２０と平面部３１０，５１０とがＲ部を介して連結されており、かつ、Ｒ部の内側面の半径は、平面部３１０，５１０の厚さより大きい。また、エンドプレート１０４，１０６は、それぞれ、１枚の板状部材をプレス加工（屈曲）して形成されたものである。したがって、平面部３１０，５１０の厚さと、凸部３２０，５２０の厚さと、隆起部３３０の厚さとは、互いに同じである。エンドプレート１０４，１０６の板厚は、例えば０．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下程度である。

【0064】

なお、本実施形態では、各凸部３２０，５２０の先端部分は、面方向に折り曲げられている。これにより、各エンドプレート１０４，１０６の剛性がさらに向上している。また、各外側凸部３２２，５２２の先端部分は、外周側に折り曲げられており、Ｚ軸方向視で発電ブロック１０３より外側に突出している。このような構成により、燃料電池スタック１００を横向きに配置したときに発電ブロック１０３が床面に衝突することを抑制できる。

【0065】

Ａ－４．絶縁部２００の詳細構成：
絶縁部２００の詳細構成について説明する。図２から図４に示すように、絶縁部２００は、第１の絶縁体２０１と、第２の絶縁体２０２と、を備えている。第１の絶縁体２０１と第２の絶縁体２０２とは、例えばマイカシートや、バーミキュライトシート、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。第１の絶縁体２０１および第２の絶縁体２０２のそれぞれのＺ軸方向視での形状は、全体として、矩形枠状である。

【0066】

（第１の絶縁体２０１の構成）
Ｚ軸方向視で、第１の絶縁体２０１の内周部は、全周にわたって、末端セパレータ２１０の外側部２１７より内周側まで延出している。Ｚ軸方向視で、第１の絶縁体２０１の外周部は、全周にわたって、燃料極側フレーム１４０の外周部と同じ位置、または、該外周部の外周側に位置している。すなわち、Ｚ軸方向視で、第１の絶縁体２０１の外周側が燃料極側フレーム１４０に重なっており、第１の絶縁体２０１の内周側が燃料極側フレーム１４０より内側に張り出している。第１の絶縁体２０１は、上側エンドプレート１０４の下面全体を覆っている。

【0067】

第１の絶縁体２０１と末端セパレータ２１０の連結部２１８とは、Ｚ軸方向において離間している。なお、ここでいう離間距離とは、第１の絶縁体２０１と、該連結部２１８の凹形状における底（内周面の最下点）との距離である。また、第１の絶縁体２０１と末端セパレータ２１０の連結部２１８との離間距離は、空気極側フレーム１３０のＺ軸方向の長さより長い。空気極側フレーム１３０は、特許請求の範囲におけるシール部材に相当する。また、第１の絶縁体２０１と末端セパレータ２１０の連結部２１８との離間距離は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。また、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０における連結部２１８との離間距離は、末端セパレータ２１０における内側部２１６と外側部２１７との距離より長い。

【0068】

（第２の絶縁体２０２の構成）
Ｚ軸方向視で、第２の絶縁体２０２の内周部は、全周にわたって、燃料極側フレーム１４０の内周部と同じ位置、または、該内周部の内周側であって、かつ、第１の絶縁体２０１の内周部より外周側に位置している。Ｚ軸方向視で、第２の絶縁体２０２の外周部は、全周にわたって、燃料極側フレーム１４０の外周部と同じ位置、または、該外周部の外周側に位置している。すなわち、上側エンドプレート１０４に最も近い第１の絶縁体２０１だけが、末端セパレータ２１０の外側部２１７より内周側に延出している。これにより、不要に多くの絶縁部を使用することなく、末端セパレータ２１０と上側エンドプレート１０４との間に介在する第１の絶縁体２０１を末端セパレータ２１０から離間させることにより、末端セパレータ２１０の自由な変位が確保されている。

【0069】

Ａ－５．本実施形態の効果：
（エンドプレート１０４，１０６の剛性）
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００では、各エンドプレート１０４，１０６は、３ｍｍ以下の薄板により形成されている。このため、従来の厚板のエンド部材を備える形態に比べて、燃料電池スタック１００全体の軽量化を図ることができる。また、燃料電池スタック１００全体の熱容量を低減できるため、燃料電池スタック１００の温度制御の応答遅れに起因する燃料電池スタック１００の起動と停止の動作遅れを抑制することができる。ただし、このような薄板のエンド部材を備える構成では、エンド部材の剛性が低いため、空気極側フレーム１３０等のコンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンド部材が変形しやすい。

【0070】

これに対して、本実施形態では、エンドプレート１０４，１０６には、凸部３２０，５２０が形成されている。凸部３２０は、面方向に沿って延び、かつ、平面部３１０よりＺ軸方向に突出している。このため、エンドプレート１０４，１０６の軽量化および熱容量の低減を図りつつ、エンドプレート１０４，１０６の剛性が向上する。このため、空気極側フレーム１３０等からの反発力に起因してエンドプレート１０４，１０６が変形することを抑制することができる。

【0071】

本実施形態では、各エンドプレート１０４，１０６のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面において、凸部３２０，５２０（外側凸部３２２，５２２、内側凸部３２４，５２４）が複数形成されている（図２から図４参照）。これにより、同断面において、凸部が１つだけ形成された構成に比べて、各エンドプレート１０４，１０６の剛性がさらに向上するため、コンプレッションシール部材（空気極側フレーム１３０等）からの反発力に起因してエンドプレート１０４，１０６が変形することを、より効果的に抑制することができる。

【0072】

本実施形態では、凸部３２０，５２０は、各エンドプレート１０４，１０６の外周部と内周部との両方に形成されている。これにより、凸部３２０，５２０が各エンドプレート１０４，１０６の外周部と内周部との一方だけに形成された形態に比べて、エンドプレート１０４，１０６の剛性がさらに向上するため、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンドプレート１０４，１０６が変形することを、より効果的に抑制することができる。

【0073】

凸部３２０，５２０は、各エンドプレート１０４，１０６の全周にわたって形成されている。これにより、凸部３２０，５２０が、エンドプレート１０４，１０６の外周部の一部分だけに形成された構成に比べて、エンドプレート１０４，１０６の剛性がさらに向上するため、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンド部材が変形することを、より効果的に抑制することができる。

【0074】

上側エンドプレート１０４には、隆起部３３０が形成されている。隆起部３３０は、上側エンドプレート１０４のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面において、平面部３１０の部分同士を連結し、Ｚ軸方向に隆起した部分である。これにより、上側エンドプレート１０４の剛性がさらに向上し、コンプレッションシール部材からの反発力に起因して上側エンドプレート１０４が変形することを、より効果的に抑制することができる。

【0075】

平面部３１０，５１０からの凸部３２０，５２０の立ち上がり長さ（Ｚ軸方向の長さ）は、平面部３１０，５１０の厚さより大きい。これにより、該立ち上がり長さが平面部３１０，５１０の厚さ以下である構成に比べて、エンドプレート１０４，１０６の剛性がさらに向上するため、コンプレッションシール部材からの反発力に起因してエンドプレート１０４，１０６が変形することを、より効果的に抑制することができる。

【0076】

Ｚ軸方向視で、外側凸部３２２，５２２は、空気極側フレーム１３０に重なる位置に配置されている。これにより、いずれの凸部３２０，５２０も空気極側フレーム１３０に重ならない位置に配置された構成に比べて、空気極側フレーム１３０によるシール性能を向上させることができる。

【0077】

本実施形態では、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれの表面には、不動態被膜（例えばアルミナ被膜）が形成されている。このような不動態被膜が形成される部材をエンドプレート１０４，１０６に用いる場合、エンドプレート１０４，１０６の肉厚を厚くすることが難しい。しかし、本実施形態のようにエンドプレート１０４，１０６に凸部３２０，５２０等を形成することにより、エンドプレート１０４，１０６の剛性を向上させることができるから特に有用である。

【0078】

凸部３２０，５２０と平面部３１０，５１０とがＲ部を介して連結されており、かつ、Ｒ部の内側面の半径は、平面部３１０，５１０の厚さより大きい。これにより、凸部３２０，５２０と平面部３１０，５１０との間のＲ面の半径が平面部３１０，５１０の厚さ以下である構成に比べて、凸部３２０，５２０と平面部３１０，５１０との境界部分に応力が集中することに起因して破損等することを抑制することができる。

【0079】

（上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との短絡抑制）
本実施形態では、上側エンドプレート１０４の剛性の向上のために１０４の面方向の幅が広く確保されており、Ｚ軸方向視で、上側エンドプレート１０４（平面部３１０）の内周側が燃料極側フレーム１４０より内側に張り出している。このため、部材間の熱膨張差に起因して変化する末端セパレータ２１０と上側エンドプレート１０４とが接触して短絡しやすい。これに対して、本実施形態では、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との間に第１の絶縁体２０１が介在しており、Ｚ軸方向視で、第１の絶縁体２０１の内周部は、全周にわたって、末端セパレータ２１０の外側部２１７より内周側まで延出している。これにより、部材間の熱膨張差に起因して末端セパレータ２１０が変化しても、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０とが短絡することを抑制することができる。

【0080】

第１の絶縁体２０１と末端セパレータ２１０の連結部２１８とは、Ｚ軸方向において離間している。これにより、末端セパレータ２１０の連結部２１８と第１の絶縁体２０１とが接触している構成に比べて、第１の絶縁体２０１の存在に起因して末端セパレータ２１０の変位が制約されることを抑制することができる。第１の絶縁体２０１と末端セパレータ２１０の連結部２１８との離間距離は、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、末端セパレータ２１０における連結部２１８と第１の絶縁体２０１との離間距離が０．５ｍｍ未満である構成に比べて、第１の絶縁体２０１の存在に起因して末端セパレータ２１０の変位が制約されることを抑制することができる。第１の絶縁体２０１と末端セパレータ２１０の連結部２１８との離間距離は、空気極側フレーム１３０のＺ軸方向の長さより長い。これにより、末端セパレータ２１０における連結部２１８と第１の絶縁体２０１との離間距離が空気極側フレーム１３０の上下方向の長さ以下である構成に比べて、第１の絶縁体２０１の存在に起因して末端セパレータ２１０の変位が制約されることを抑制することができる。末端セパレータ２１０における連結部２１８と第１の絶縁体２０１との離間距離が０．５ｍｍ以上である構成でもよいし、該離間距離が空気極側フレーム１３０の上下方向の長さ以上である構成であってもよい。

【0081】

上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０における連結部２１８との離間距離は、末端セパレータ２１０における内側部２１６と外側部２１７との距離より長い。これにより、末端セパレータ２１０における連結部２１８と第１の絶縁体２０１との離間距離が末端セパレータ２１０における内側部２１６と外側部２１７との距離以下である構成に比べて、第１の絶縁体２０１の存在に起因して末端セパレータ２１０の変位が制約されることを抑制することができる。

【0082】

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。

【0083】

上記実施形態における燃料電池スタック１００の構成や燃料電池スタック１００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、単セル用セパレータ１２０およびＩＣ用セパレータ１８０が、連結部１２８，１８８を有しているが、単セル用セパレータ１２０およびＩＣ用セパレータ１８０が、連結部１２８，１８８を有さなくてもよい。

【0084】

また、上記実施形態では、一対のエンドプレート１０４，１０６に孔３２，３４が形成されているが、一対のエンドプレート１０４，１０６の少なくとも一方について該孔３２，３４が形成されていなくてもよい。各エンドプレート１０４，１０６の孔３２，３４の輪郭線は、燃料極側フレーム１４０における孔１４１の輪郭線の内周側に位置していなくてもよい。また、一対のエンドプレート１０４，１０６の少なくとも一方は、３ｍｍを超える厚さの厚板であってもよい。また、一対のエンドプレート１０４，１０６の少なくとも一方は、凸部３２０，５２０等を備えない全体として平板状であってもよい。また、上記実施形態では、一対のターミナルプレート４１０，４２０を備えていたが、一対のターミナルプレート４１０，４２０を備えずに、一対のエンドプレート１０４，１０６がターミナルプレートとして機能する形態であってもよい。この場合、末端セパレータは、発電ブロック１０３のＺ軸方向の上端に位置するＩＣ用セパレータ１８０であってもよい。

【0085】

上記実施形態では、凸部３２０，５２０は、平面部３１０，５１０からＺ軸方向に突出していたが、凸部３２０，５２０は、平面部３１０，５１０に垂直な方向に対して傾斜していてもよい。平面部３１０，５１０に対する凸部３２０，５２０の傾斜角度は、７０度以上であることが好ましい。また、各凸部３２０，５２０は、各エンドプレート１０４，１０６における全周にわたって形成されていたが、各凸部３２０，５２０は、各エンドプレート１０４，１０６における全周における一部分だけに形成されていてもよい。また、凸部３２０，５２０が各エンドプレート１０４，１０６の外周部と内周部とのいずれか一方だけに形成された形態であってもよい。平面部３１０，５１０からの凸部３２０，５２０の立ち上がり長さ（Ｚ軸方向の長さ）は、平面部３１０，５１０の厚さ以下であってもよい。

【0086】

上側エンドプレート１０４は、隆起部３３０を備えない構成であってもよい。また、下側エンドプレート１０６は、隆起部を備える構成であってもよい。また、いずれの凸部３２０，５２０も空気極側フレーム１３０に重ならない位置に配置された構成であってもよい。

【0087】

上記実施形態において、エンドプレート１０４，１０６の表面に不動態被膜が形成されていなくてもよい。また、凸部３２０，５２０と平面部３１０，５１０との間のＲ面の半径が平面部３１０，５１０の厚さ以下である構成であってもよい。

【0088】

上記実施形態において、第１の絶縁体２０１と末端セパレータ２１０の連結部２１８とは接触していてもよい。また、末端セパレータ２１０における連結部２１８と第１の絶縁体２０１との離間距離が末端セパレータ２１０における内側部２１６と外側部２１７との距離以下である構成であってもよい。また、上記実施形態において、第２の絶縁体２０２を備えない構成、１枚だけ備える構成、３枚以上備える構成であってもよい。

【0089】

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が反応防止層１１８を有しているが、単セル１１０が反応防止層１１８を有さないとしてもよい。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。

【0090】

また、上記実施形態の燃料電池スタック１００は、カウンターフロータイプの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。なお、コフロータイプのＳＯＦＣでは、Ｚ軸方向視で、燃料ガス供給連通流路１４２と酸化剤ガス供給連通流路１３２とは、単セル１１０の一の辺に対向するように配置され、かつ、燃料ガス排出連通流路１４３と酸化剤ガス排出連通流路１３３とは、単セル１１０の該一の辺に対して単セル１１０の中心点を挟んで対向する他の辺に対向するように配置されているような構成を有している。また、本明細書に開示される技術は、クロスフロータイプのＳＯＦＣにも同様に適用可能である。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

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】

【0096】

２２：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 ３２，３４，１３１，１４１，４１２：孔 １００：燃料電池スタック １０２：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 １０９：ボルト孔 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 １２１，１８１，２１１：貫通孔 １２４：接合部 １２５：ガラスシール部 １２６，１８６，２１６：内側部 １２７，１８７，２１７：外側部 １２８，１８８，２１８：連結部 １３０：空気極側フレーム 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 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 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １５０：平板部 １６１：酸化剤ガス供給マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス供給マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：ＩＣ用セパレータ １８９：下端プレート １９０：インターコネクタ １９４：被覆層 １９６：導電性接合材 ２００：絶縁部 ２０１：第１の絶縁体 ２０２：第２の絶縁体 ２１０：末端セパレータ ２２０：上端プレート ３１０，５１０：平面部 ３２０，５２０：凸部 ３２２，５２２：外側凸部 ３２４，５２４：内側凸部 ３３０：隆起部 ３３２：側壁 ３３４：連結壁 ３３６：封止壁 ４１０：上側ターミナルプレート ４２０：下側ターミナルプレート ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】