特許 7249981 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】2023-03-23

(45)【発行日】2023-03-31

(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 20160101AFI20230324BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20230324BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20230324BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20230324BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20230324BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230324BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2465

H01M8/2483

C25B1/042

C25B9/00 A

C25B9/23

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020183519

(22)【出願日】2020-11-02

(65)【公開番号】P2022073494

(43)【公開日】2022-05-17

【審査請求日】2021-11-09

(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】大橋 駿太

(72)【発明者】

【氏名】堀田 信行

(72)【発明者】

【氏名】森川 哲也

【審査官】山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－３１７４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０４－０５４３８４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１８－２０６４７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８－ ８／２４９５

Ｆ１６Ｌ ３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルを有する、電気化学反応ブロックと、
前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の一方側に配置され、かつ、前記第１の方向に貫通するエンド貫通孔が形成されたエンド部材と、
前記エンド部材に対して前記第１の方向の前記一方側に配置され、前記エンド部材に接続されたガス通路部材であって、前記第１の方向に貫通し、かつ、前記エンド貫通孔に連通するガス貫通孔が形成された筒状のガス通路部材と、を備え、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に面するガス室に連通するマニホールドであって、前記エンド貫通孔を含むマニホールドが形成された、電気化学反応セルスタックにおいて、
前記エンド部材に固定されるとともに、前記ガス通路部材の外周面のうち、前記第１の方向において前記エンド部材から離間した部分に接触する補強部材を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【請求項2】

請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記補強部材は、前記第１の方向に略垂直な第２の方向に延びて前記ガス通路部材の前記外周面に接触する平行部分を有している、
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、
前記エンド部材には、前記第１の方向の前記一方側に突出する凸部が形成されており、
前記補強部材の少なくとも一部は、前記ガス通路部材と前記凸部との間に配置され、かつ、前記凸部に接合されている、
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、
前記補強部材は、前記ガス通路部材の外周面に接合されている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に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、単セルを有する発電単位が、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とともに、燃料極と空気極との一方である特定電極に面するガス室に連通するマニホールドが形成された燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックは、さらに、エンド部材とガス通路部材とを備える。エンド部材は、発電ブロックにおける第１の方向の上記一方側に配置されている。また、エンド部材には、第１の方向に貫通するとともにマニホールドに連通するエンド貫通孔が形成されている。ガス通路部材は、エンド部材に対して第１の方向の上記一方側（発電ブロックとは反対側）に配置されるとともにエンド部材に接続されている。また、ガス通路部材には、第１の方向に貫通し、かつ、エンド貫通孔に連通するガス貫通孔が形成された筒状体である（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２０１７－１８８１８９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、ガス通路部材を備える上述した燃料電池スタックでは、ガス通路部材がエンド部材から突出した状態でエンド部材に接続されている。このため、例えばガス通路部材が第１の方向に垂直な第２の方向の力を受けた場合、ガス通路部材が第２の方向に容易に変位し、ガス通路部材とエンド部材との接続部分に応力が集中しやすいという問題があった。ガス通路部材とエンド部材との接続部分に応力が集中すると、例えば該接続部分が損傷し、マニホールドに流れるガスが接続部分から外部にリークし、その結果、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、第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位から構成される電気化学反応ブロックであって、各前記電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで前記第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルを有する、電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックに対して前記第１の方向の一方側に配置され、かつ、前記第１の方向に貫通するエンド貫通孔が形成されたエンド部材と、前記エンド部材に対して前記第１の方向の前記一方側に配置され、前記エンド部材に接続されたガス通路部材であって、前記第１の方向に貫通し、かつ、前記エンド貫通孔に連通するガス貫通孔が形成された筒状のガス通路部材と、を備え、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に面するガス室に連通するマニホールドであって、前記エンド貫通孔を含むマニホールドが形成された、電気化学反応セルスタックにおいて、前記エンド部材に固定されるとともに、前記ガス通路部材の外周面のうち、前記第１の方向において前記エンド部材から離間した部分に接触する補強部材を備える。

【0010】

本電気化学反応セルスタックによれば、補強部材が、エンド部材に固定されるとともに、ガス通路部材の外周面のうち、第１の方向においてエンド部材から離間した部分に接触する。これにより、ガス通路部材が第１の方向に垂直な第２の方向の力を受けた場合、補強部材によってガス通路部材が第２の方向に変位することが抑制されるとともに、ガス通路部材とエンド部材との接続部分に応力が集中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、前記補強部材は、前記第１の方向に略垂直な第２の方向に延びて前記ガス通路部材の前記外周面に接触する平行部分を有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、補強部材が平行部分を有しない構成に比べて、ガス通路部材が第２の方向に変位することを、より確実に抑制できる。

【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の方向の前記一方側に突出する凸部が形成されており、前記補強部材の少なくとも一部は、前記ガス通路部材と前記凸部との間に配置され、かつ、前記凸部に接合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、補強部材が、ガス通路部材と凸部との間に介在する部分を有するため、ガス通路部材が第２の方向に変位することを、より確実に抑制できる。

【0013】

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記補強部材は、前記ガス通路部材の外周面に接合されている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、ガス通路部材が第１の方向の力を受けた場合、補強部材によってガス通路部材が第１の方向に変位することが抑制されるとともに、ガス通路部材とエンド部材との接続部分に応力が集中することを抑制することができる。

【0014】

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】

【0015】

【図1】第１実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図

【図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

【図8】燃料電池スタック１００における補強部材６００の周辺部分を下側から見た斜視図

【図9】第２実施形態における燃料電池スタック１００ａの補強部材６００ａの周辺部分のＸＺ断面構成を示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0016】

Ａ．第１実施形態：
Ａ－１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、第１実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。なお、以下、連通孔１０８のうち、下側エンドプレート１０６に形成された孔を、特にエンド貫通孔１０７という。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

図１から図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とフランジ部２９とを有している。本体部２８には、上下方向に貫通するガス貫通孔２６が形成されている。本体部２８の一端（上端）は、下側エンドプレート１０６に形成されたエンド貫通孔１０７に接続されている。具体的には、本体部２８の上端は、エンド貫通孔１０７内に挿入され、例えば溶接により接合されている。なお、本体部２８の上端の外径および内径は、本体部２８の他端（下端）の外径および内径より小さくなっている。フランジ部２９は、本体部２８の下端側から上下方向（Ｚ軸方向）に垂直な面方向（ＸＹ平面に平行な方向）に張り出すように設けられている。なお、フランジ部２９の上下方向視での形状は、略矩形状であり、４つの角部のそれぞれにはボルト孔２９Ａ（図１および後述の図８参照）が形成されている。各ボルト孔２９Ａには、燃料電池スタック１００を外部装置に接続するためのボルト（図示しない）が挿入される。

【0024】

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のガス貫通孔２６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のガス貫通孔２６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のガス貫通孔２６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のガス貫通孔２６は、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。

【0025】

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、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、下側エンドプレート１０６は、特許請求の範囲における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。

【0026】

（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。

【0027】

（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。

【0028】

（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。

【0029】

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。

【0030】

（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。

【0031】

（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。

【0032】

（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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【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、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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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）。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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の本体部２８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のガス貫通孔２６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の本体部２８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のガス貫通孔２６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。

【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。

【0047】

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のガス貫通孔２６を経て、当該本体部２８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のガス貫通孔２６を経て、当該本体部２８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、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。

【0049】

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。

【0050】

（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、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の輪郭線と略同じ位置に位置している。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。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。

【0051】

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。

【0052】

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、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が複数（外側凸部３２２、内側凸部３２４）形成されている（図２から図４参照）。

【0053】

（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の輪郭線と略同一の位置に位置している。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。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。

【0054】

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。

【0055】

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）。

【0056】

なお、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の厚さとは、互いに同じである。

【0057】

Ａ－４．補強部材６００の詳細構成：
図８は、燃料電池スタック１００における補強部材６００の周辺部分を下側から見た斜視図である。本実施形態の燃料電池スタック１００は、さらに、補強部材６００を備えている。

【0058】

図２、図３および図８に示すように、補強部材６００は、下側エンドプレート１０６に固定されるとともに、ガス通路部材２７の外周面のうち、上下方向（Ｚ軸方向）において下側エンドプレート１０６から離間した部分に接触している。具体的には、補強部材６００は、平板部分６１０と筒部分６２０とを有する。平板部分６１０は、下側エンドプレート１０６の平面部５１０（上下方向に垂直な面方向）に平行な平板状の部分である。平板部分６１０の上下方向視での形状は、略矩形であり、より具体的には、一対の凸部５２０の並び方向（Ｘ軸方向）に長い長方形状である。平板部分６１０は、下側エンドプレート１０６の平面部５１０から下方に離間した位置に配置されている。平板部分６１０の長手方向の一方側（Ｘ軸正方向側）の辺は、外側凸部５２２の内壁面に接触し、例えば溶接により接合されており、平板部分６１０の長手方向の他方側（Ｘ軸負方向側）の辺は、内側凸部５２４の内壁面に接触し、例えば溶接により接合されている。平板部分６１０には、ガス通路部材２７の本体部２８を挿入可能な貫通孔６１２（図２および図３参照）が形成されている。平板部分６１０は、特許請求の範囲における平行部分に相当し、面方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。

【0059】

筒部分６２０は、平板部分６１０の貫通孔６１２に連通する貫通孔６２２を有する円筒状である。筒部分６２０は、平板部分６１０における貫通孔６１２の周囲部分から下側（下側エンドプレート１０６とは反対側）に突出するように形成されている。なお、筒部分６２０の軸方向（Ｚ軸方向）の長さは、平板部分６１０の板厚より長い方が好ましい。平板部分６１０の貫通孔６１２および筒部分６２０の貫通孔６２２を構成する内壁面がガス通路部材２７の本体部２８の外周面（本体部２８のうち、外径が大きい部分の外周面）に接触し、例えば溶接により接合されている。

【0060】

平板部分６１０と筒部分６２０とは、一体に形成されている。補強部材６００は、耐熱性材料や、下側エンドプレート１０６やガス通路部材２７等と同一材料または熱膨張率が同じ材料により形成されていることが好ましく、例えば金属（フェライト系ステンレス等）により形成されている。また、平板部分６１０と下側エンドプレート１０６の平面部５１０との離間距離は、１０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下であることが好ましい。

【0061】

Ａ－５．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では、補強部材６００は、下側エンドプレート１０６に固定されるとともに、ガス通路部材２７の外周面のうち、上下方向（Ｚ軸方向）において下側エンドプレート１０６から離間した部分に接触している（図２、図３および図８参照）。ここで、仮に、補強部材６００がガス通路部材２７の外周面のうちの下側エンドプレート１０６に接触した位置に配置されている構成では、ガス通路部材２７が上下方向に垂直な面方向の外力を受けた場合、補強部材６００とガス通路部材２７との接触部分に応力が集中し、例えば補強部材６００が損傷する可能性が高くなる。

【0062】

これに対して、本実施形態では、補強部材６００が、下側エンドプレート１０６に固定されるとともに、ガス通路部材２７の外周面のうち、上下方向（Ｚ軸方向）において下側エンドプレート１０６（平面部５１０）から離間した部分に接触する。これにより、補強部材６００は、外力に応じて変形しやすく、応力を緩和しつつ、ガス通路部材２７の傾斜を抑制できる。これにより、ガス通路部材２７が面方向の外力を受けた場合、補強部材６００によってガス通路部材２７が面方向に変位することが抑制されるとともに、ガス通路部材２７と下側エンドプレート１０６との接続部分に応力が集中することを抑制することができる。本実施形態では、下側エンドプレート１０６が比較的に薄い平板により形成されているため、ガス通路部材２７が面方向の外力を受けると、下側エンドプレート１０６が変形し、例えば下側エンドプレート１０６と下端プレート１８９との間のシール性が低下したりするおそれがある。しかし、本実施形態によれば、補強部材６００により、そのような下側エンドプレート１０６の変形が抑制される。

【0063】

特に、本実施形態では、補強部材６００は、ガス通路部材２７の本体部２８の全周を囲むように該ガス通路部材２７の外周面に接触している。このため、ガス通路部材２７と下側エンドプレート１０６との接続部分に応力が集中することをより効果的に抑制することができる。しかも、補強部材６００は、筒部分６２０を有していることにより、ガス通路部材２７が面方向に変位することが、より効果的に抑制される。

【0064】

本実施形態では、補強部材６００は、平板部分６１０を有しており、平板部分６１０は、面方向に延びてガス通路部材２７（本体部２８）の外周面に接触している。これにより、本実施形態によれば、補強部材６００が平板部分６１０を有しておらず、面方向に対して傾斜する部分のみを有する構成に比べて、ガス通路部材２７が面方向に変位することを、より確実に抑制できる。

【0065】

本実施形態では、下側エンドプレート１０６には、下側に突出する凸部５２０が形成されている。補強部材６００の少なくとも一部は、ガス通路部材２７と凸部５２０との間に配置され、かつ、凸部５２０に接合されている。これにより、本実施形態によれば、補強部材６００が、ガス通路部材２７と凸部５２０との間に介在する部分を有するため、ガス通路部材２７が面方向に変位することを、より確実に抑制できる。

【0066】

本実施形態では、補強部材６００は、ガス通路部材２７の外周面に接合されている。これにより、本実施形態によれば、ガス通路部材２７が上下方向の力を受けた場合、補強部材６００によってガス通路部材２７が上下方向に変位することが抑制されるとともに、ガス通路部材２７と下側エンドプレート１０６との接続部分に応力が集中することを抑制することができる。

【0067】

Ｂ．第２実施形態：
図９は、第２実施形態における燃料電池スタック１００ａの補強部材６００ａの周辺部分のＸＺ断面構成を示す説明図である。燃料電池スタック１００ａの構成の内、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００と同一の構成（処理）については、同一符号を付すことによって、その説明を省略する。

【0068】

図９に示すように、第２実施形態では、下側エンドプレート１０６ａは、全体として平板状であり、凸部を有していない。下側エンドプレート１０６ａには、エンド貫通孔１０７ａが貫通形成されている。ガス通路部材２７ａは、第１実施形態の本体部２８と略同一形状であり、ガス貫通孔２６ａを有し、フランジ部２９を有していない。ガス通路部材２７ａの上端は、下側エンドプレート１０６ａのエンド貫通孔１０７ａに挿入され、例えば溶接により接合されている。

【0069】

補強部材６００ａは、平板部分６１２ａと傾斜部分６１４ａと筒部分６２０とを有する。平板部分６１２ａは、下側エンドプレート１０６に平行な平板状の部分であり、下側エンドプレート１０６ａから下方に離間した位置に配置されている。傾斜部分６１４ａは、平板部分６１２ａと下側エンドプレート１０６ａとを連結する部分である。傾斜部分６１４ａの一端は、平板部分６１２ａに結合されており、傾斜部分６１４ａの他端は、下側エンドプレート１０６ａの下面に、例えば溶接により接合されている。傾斜部分６１４ａは、下側エンドプレート１０６ａから離れる程、ガス通路部材２７ａの外周面に近づくように傾斜している。

【0070】

本第２実施形態によれば、下側エンドプレート１０６ａが凸部を有しない構成であっても、補強部材６００ａが平板部分６１２ａと傾斜部分６１４ａとを有することにより、ガス通路部材２７ａが面方向の外力を受けた場合、補強部材６００ａによってガス通路部材２７ａが面方向に変位することが効果的に抑制されるとともに、ガス通路部材２７ａと下側エンドプレート１０６ａとの接続部分に応力が集中することを抑制することができる。

【0071】

Ｃ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。

【0072】

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、上記第１実施形態において、ガス通路部材２７は、フランジ部２９を備えない構成であってもよい。上記第１実施形態において、補強部材６００は、平板部分６１０を備えずに、下側エンドプレート１０６の平面部５１０に対して傾斜した部分のみを有する構成であってもよい。また、補強部材６００は、筒部分６２０を備えない構成であってもよいし、平板部分６１０における貫通孔６１２の周囲部分から上側に突出するように形成されていてもよい。

【0073】

上記各実施形態では、補強部材６００，６００ａは、ガス通路部材２７，２７ａの全周を囲み、かつ接触するように配置されていたが、ガス通路部材２７，２７ａの少なくとも一部に接触する構成（例えば複数点接触する形態やＵ字状の切り欠きが形成された形態）あってもよい。また、上記各実施形態において、補強部材６００，６００ａは、ガス通路部材２７，２７ａに接触していればよく、接合されていなくてもよい。また、補強部材６００，６００ａとガス通路部材２７，２７ａとの接合方法は、溶接に限らず、例えば、ロウ付け、締結部材による締結や接着等であってもよい。

【0074】

上記第２実施形態において、補強部材６００ａは、筒部分６２０を有しなくてもよい。

【0075】

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。

【0076】

また、上記第１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。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、上記各実施形態では、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（１０６ａ）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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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】

【0085】

２２：ボルト ２４：ナット ２６，２６ａ：ガス貫通孔 ２７，２７ａ：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：フランジ部 ２９Ａ：ボルト孔 ３２，３４，１３１，１４１，４１２：孔 １００，１００ａ：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 １０６，１０６ａ：下側エンドプレート １０７，１０７ａ：エンド貫通孔 １０８：連通孔 １０９：ボルト孔 １１０：燃料電池単セル（以下、「単セル」という。） 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 １２１，１８１，２１１，６１２，６２２：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 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 ４１０，４２０：ターミナルプレート ６００，６００ａ：補強部材 ６１０，６１２ａ：平板部分 ６１４ａ：傾斜部分 ６２０：筒部分 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】