特許 7522715 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】2024-07-17

(45)【発行日】2024-07-25

(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 8/1213 20160101AFI20240718BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240718BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1213

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021192045

(22)【出願日】2021-11-26

(65)【公開番号】P2023078773

(43)【公開日】2023-06-07

【審査請求日】2023-03-08

(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】柿沼 保夫

【審査官】高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１５／０３７２１７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(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、を備える単セルと、
前記第１の方向視において、前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に対して外側に位置する流路画定部材であって、前記特定電極に面するガス室の少なくとも一部を画定する流路画定部材と、
前記単セルと前記流路画定部材とを接合する接合部であって、前記流路画定部材よりも前記特定電極側に形成され、かつ、前記第１の方向に直交する第２の方向において前記特定電極と対向する端部である接合端部を有する接合部と、
をそれぞれ有する複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定電極のうち、前記接合端部に対向する端部を電極端部としたときに、
前記第１の方向に沿った少なくとも一つの断面である特定断面において、
前記電極端部の前記ガス室に面する電極端面のうち、前記第１の方向の負方向の端点を電極端面始点とし、前記電極端面のうち、前記第１の方向の正方向の端点を電極端面終点とし、前記電極端面始点を通る前記第２の方向の直線と前記電極端面終点を通る前記第２の方向の直線との間の領域を前記第１の方向に３等分する２直線を、前記電極端面始点側から順に第１直線、第２直線とし、前記電極端面の前記第１直線との交点における接線を第１接線とし、前記電極端面の前記第２直線との交点における接線を第２接線としたときに、前記第２の方向に対する前記第１接線の傾斜角θ１１と、前記第２の方向に対する前記第２接線の傾斜角θ１２とのいずれもが９０°未満であり、前記接合端部の前記ガス室に面する接合端面のうち、前記第１の方向の負方向の端点を接合端面始点とし、前記第１の方向の正方向の端点を接合端面終点とし、前記接合端面始点を通る前記第２の方向の直線と前記接合端面終点を通る前記第２の方向の直線との間の領域を前記第１の方向に３等分する２直線を、前記接合端面始点側から順に第３直線、第４直線とし、前記接合端面の前記第３直線との交点における接線を第３接線とし、前記接合端面の前記第４直線との交点における接線を第４接線としたときに、前記第２の方向に対する前記第３接線の傾斜角θ２１と、前記第２の方向に対する前記第４接線の傾斜角θ２２とのいずれもが９０°未満であり、かつ、
前記第２の方向に対する前記第１接線の傾斜角θ１１と、前記第２の方向に対する前記第２接線の傾斜角θ１２とのいずれもが、前記第２の方向に対する前記第３接線の傾斜角θ２１と、前記第２の方向に対する前記第４接線の傾斜角θ２２とのいずれよりも小さい、
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２の方向に対する前記電極端面の傾斜角θ１は、４５°未満である、
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２の方向に対する前記接合端面の傾斜角θ２は、７５°未満である、
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、一般に、所定の方向（以下、「第１の方向」という。）に並べて配置された複数の燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という。）を備える燃料電池スタックの形態で利用される。各単セルは、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備える。

【0003】

燃料電池スタックは、更に、セパレータと接合部とを備える。セパレータは、第１の方向視において空気極に対して外側に位置し、かつ、空気極に面する空気室の少なくとも一部を画定する部材である。接合部は、単セルとセパレータとを接合する部材である。接合部は、セパレータよりも空気極側に形成され、かつ、第１の方向に直交する方向（以下、「第２の方向」という。）において空気極と対向する端部（以下、「接合端部」という。）を有する。また、空気極は、接合端部に対向する端部（以下、「電極端部」という。）を有する。燃料電池スタックの第１の方向に沿った断面において、第２の方向に対する電極端部の空気室に面する端面（以下、「電極端面」という。）の傾斜角は９０°であり、また、第２の方向に対する接合端部の空気室に面する端面（以下、「接合端面」という。）の傾斜角も９０°である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－１６９２４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の燃料電池スタックにおいては、上述したように、第２の方向（第１の方向に直交する方向）に対する電極端面（空気極のうち、接合端部に対向する電極端部の空気室に面する端面）の傾斜角と、第２の方向に対する接合端面（接合部のうち、空気極に対向する接合端部の空気室に面する端面）の傾斜角とは、いずれも９０°である。一般に、ガスが流れる流路が急変する（換言すれば、上記傾斜角が９０°に近い）と、渦や乱流が発生する等、反応ガスの流れに乱れが生じやすくなる。この燃料電池スタックでは、上述した各傾斜角が９０°であるため、反応ガス（酸化剤ガス）が空気室を流れる際に、電極端面の近傍（例えば、電極端部と電解質層との境界の近傍）や、接合端面の近傍（例えば、接合端部と電解質層との境界の近傍）等において、渦や乱流が発生する等、反応ガスの流れに乱れが生じることがある。これにより圧力損失が生じることにより、空気室における反応ガスの流通性が低下し、ひいては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、燃料極に面する燃料室の少なくとも一部を画定する部材と、単セルと当該部材を接合する接合部とを備える構成においても共通の課題である。また、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単セル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、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。

【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、を備える単セルと、前記第１の方向視において、前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極に対して外側に位置する流路画定部材であって、前記特定電極に面するガス室の少なくとも一部を画定する流路画定部材と、前記単セルと前記流路画定部材とを接合する接合部であって、前記流路画定部材よりも前記特定電極側に形成され、かつ、前記第１の方向に直交する第２の方向において前記特定電極と対向する端部である接合端部を有する接合部と、をそれぞれ有する複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定電極のうち、前記接合端部に対向する端部を電極端部としたときに、前記第１の方向に沿った少なくとも一つの断面である特定断面において、前記第２の方向に対する前記電極端部の前記ガス室に面する電極端面の傾斜角θ１と、前記第２の方向に対する前記接合端部の前記ガス室に面する接合端面の傾斜角θ２とは、いずれも９０°未満であり、かつ、前記第２の方向に対する前記電極端面の傾斜角θ１は、前記第２の方向に対する前記接合端面の傾斜角θ２よりも小さい。

【0010】

本電気化学反応セルスタックにおいては、上述したように、第２の方向に対する電極端面の傾斜角θ１は、９０°未満である。そのため、第２の方向に対する電極端面の傾斜角θ１が９０°である従来の構成と比較して、電極端面の近傍等において反応ガスの流れに乱れが生じることが抑制され、圧力損失の発生を抑制することができる。本電気化学反応セルスタックにおいては、さらに、第２の方向に対する接合端面の傾斜角θ２も９０°未満である。そのため、第２の方向に対する接合端面の傾斜角θ２が９０°である従来の構成と比較して、接合端面の近傍等において反応ガスの流れに乱れが生じることが抑制され、圧力損失の発生を抑制することができる。従って、本電気化学反応セルスタックにおいては、上述した従来の構成と比較して、反応ガスの流通性の低下に起因する電気化学反応セルスタックの性能の低下を抑制することができる。

【0011】

ところで、圧力損失の発生を抑制する効果は、基本的には、上述した各傾斜角（第２の方向に対する電極端面の傾斜角θ１、第２の方向に対する接合端面の傾斜角θ２）が小さいほど高くすることができる。

【0012】

ここで、設計上の事情等により、電気化学反応セルスタックやこれを構成する各部材の第２の方向のサイズの自由度が制限されることがある。このようなときには、そのような制限の下、第２の方向に対する電極端面の傾斜角θ１を小さくすると、特定電極（電極端部）の第２の方向のサイズが大きくなるという制約を受ける場合がある。同様に、第２の方向に対する接合端面の傾斜角θ２を小さくすると、接合部（接合端部）の第２の方向のサイズが大きくなるという制約を受ける場合がある。このとき、第２の方向に対する電極端面の傾斜角θ１を小さくするとしても、第２の方向に対する接合端面の傾斜角θ２を小さくするとしても、いずれにしても電気化学反応セルスタックの第２の方向のサイズが大きくなる。しかしながら、第２の方向に対する電極端面の傾斜角θ１を小さくするとしたときには、特定電極（電極端部）と電解質層との接触長さが大きくなることにより、電気化学反応セルスタックの性能が向上するという利点がある。この点を考慮すると、本電気化学反応セルスタックにおいては、第２の方向に対する電極端面の傾斜角θ１が、第２の方向に対する接合端面の傾斜角θ２よりも小さいことにより、第２の方向に対する電極端面の傾斜角θ１が、第２の方向に対する接合端面の傾斜角θ２以上である構成と比較して、より効率的に、電気化学反応セルスタックの性能を向上させることができる。

【0013】

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２の方向に対する前記電極端面の傾斜角θ１は、４５°未満であ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、特に効果的に、電極端面の近傍等において反応ガスの流れに乱れが生じることが抑制され、圧力損失の発生を抑制することができる。

【0014】

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２の方向に対する前記接合端面の傾斜角θ２は、７５°未満であ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、特に効果的に、接合端面の近傍等において反応ガスの流れに乱れが生じることが抑制され、圧力損失の発生を抑制することができる。

【0015】

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】

【0016】

【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】発電単位１０２の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。

【図9】発電単位１０２の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。

【図10】変形例における発電単位１０２の一部分の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】

【0017】

Ａ．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６，７）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６，７）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。また、本明細書では、Ｚ軸に直交する方向（例えばＸ軸方向）を面方向という。Ｚ軸方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向の一例である。

【0018】

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Ｚ軸方向（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。

【0019】

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、Ｚ軸方向（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Ｚ軸方向（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Ｚ軸方向（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。

【0020】

各連通孔１０８にはＺ軸方向（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。

【0021】

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。

【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。

【0023】

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。

【0024】

（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。

【0025】

（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。

【0026】

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。

【0027】

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。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）。

【0028】

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向（上下方向）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。

【0029】

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。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、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。

【0030】

セパレータ１２０は、中央付近にＺ軸方向（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。セパレータ１２０は、Ｚ軸方向視において、空気極１１４に対して外側に位置している。セパレータ１２０は、空気室１６６（の一部）を画定している。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１２２」という。）は、単セル１１０におけるＺ軸方向（上下方向）の一方側（上側）の表面の周縁部に対向している。なお、本実施形態では、空気極１１４はＺ軸方向視における大きさが電解質層１１２より小さいため、セパレータ１２０における貫通孔周囲部１２２は、単セル１１０における上側の表面の内、電解質層１１２により構成された表面に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置された第１接合部１２４と、セパレータ１２０および第１接合部１２４よりも空気極１１４側に形成された第２接合部１２５とにより、単セル１１０（電解質層１１２）と接合されている。第１接合部１２４および第２接合部１２５は、Ｚ軸方向視においてセパレータ１２０の貫通孔周囲部１２２の全周にわたって位置している。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とが区画される。なお、セパレータ１２０は、特許請求の範囲における流路画定部材の一例であり、空気室１６６は、特許請求の範囲におけるガス室の一例である。

【0031】

第１接合部１２４は、ロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された部材である。第１接合部１２４（の一部）は、燃料室１７６を画定している。

【0032】

第２接合部１２５は、ガラスを含むガラスシール部である。第２接合部１２５は、第１接合部１２４に対して空気室１６６側に配置されている。第２接合部１２５は、セパレータ１２０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２接合部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。第２接合部１２５は、特許請求の範囲における接合部の一例である。

【0033】

なお、本実施形態では、第１接合部１２４が、セパレータ１２０と単セル１１０とが対向する領域から空気室１６６側にはみ出すように形成されており、第２接合部１２５は、第１接合部１２４における上記はみ出した箇所に接するように形成されている。第１接合部１２４の一部は、第２接合部１２５により覆われている。また、本実施形態では、第２接合部１２５が、セパレータ１２０における単セル１１０に対向する側とは反対側（上側）の表面を覆っており、第２接合部１２５と第１接合部１２４とがセパレータ１２０を挟んでＺ軸方向に互いに対向している。

【0034】

セパレータ１２０は、貫通孔周囲部１２２を含むと共にＺ軸方向（上下方向）に直交する方向（すなわち、面方向）に略平行な第１の平坦部１２６と、第１の平坦部１２６に対して外側に位置すると共に面方向に略平行な第２の平坦部１２７とを備える。第１の平坦部１２６と第２の平坦部１２７とのＺ軸方向における位置は、互いに略同一である。

【0035】

セパレータ１２０は、さらに、第１の平坦部１２６の端部と第２の平坦部１２７の端部とを連結する連結部１２８を備える。本実施形態では、連結部１２８は、第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７の位置から燃料室１７６側（下側）に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、連結部１２８における燃料室１７６側（下側）は凸部となり、連結部１２８における空気室１６６側（上側）は凹部となる。このように、連結部１２８は、Ｚ軸方向における位置が第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７とは異なる部分を含む。なお、連結部１２８は、Ｚ軸方向視で、貫通孔１２１を取り囲むように形成されている。また、セパレータ１２０における連結部１２８は、例えば、プレス加工により形成される。セパレータ１２０の連結部１２８は、上述した構成であるため、面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能する。そのため、本実施形態のセパレータ１２０は、連結部１２８を備えない構成と比較して、連結部１２８の位置で面方向に変形しやすい。また、セパレータ１２０は、インターコネクタ１５０と一体の部材として構成されていてもよい。

【0036】

図６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（上下方向）に貫通する略矩形のガス室用孔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１３０は、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の周縁部とに接触している。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。

【0037】

図６に示すように、空気極側フレーム１３０のガス室用孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する孔である。ガス室用孔１３１は、Ｘ軸方向に互いに対向する第１の内面ＩＰ１および第２の内面ＩＰ２を有する。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を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１３１の第１の内面ＩＰ１に開口する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１３１の第２の内面ＩＰ２に開口する酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。このような構成では、酸化剤ガスＯＧは、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および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。

【0038】

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（上下方向）に貫通する略矩形のガス室用孔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。

【0039】

図７に示すように、燃料極側フレーム１４０のガス室用孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する孔である。ガス室用孔１４１は、Ｙ軸方向に互いに対向する第３の内面ＩＰ３および第４の内面ＩＰ４を有する。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を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１４１の第３の内面ＩＰ３に開口する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８に連通すると共にガス室用孔１４１の第４の内面ＩＰ４に開口する燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。

【0040】

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、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。図４および図５に示すように、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、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１５０と一体の部材として構成されていてもよい。

【0041】

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。図４および図５に示すように、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。

【0042】

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流路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流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

【0043】

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧ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。

【0044】

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、図５および図７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。

【0045】

Ａ－３．発電単位１０２の詳細構成：
図８は、セパレータ１２０の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。以下、図８を参照しつつ、発電単位１０２（特に空気極１１４や第２接合部１２５の周辺）の詳細構成について説明する。

【0046】

第２接合部１２５は、Ｚ軸方向に直交する方向（図８の断面ではＸ軸方向）において空気極１１４と対向する端部（以下、「接合端部」という。）ＪＥを有する。また、空気極１１４は、接合端部ＪＥに対向する端部（以下、「電極端部ＥＥ」という。）を有する。

【0047】

燃料電池スタック１００は、Ｚ軸方向に沿った少なくとも一つの断面（例えば図８に示す断面）において、以下に示す条件Ｃを満たしている。なお、本実施形態では、燃料電池スタック１００は、Ｚ軸方向に沿い、かつ、Ｚ軸方向視における燃料電池スタック１００の中心を通るいずれの断面においても、条件Ｃを満たしている。条件Ｃを満たす燃料電池スタック１００のＺ軸方向に沿った断面（例えば図８に示す断面）は、特許請求の範囲における特定断面の一例であり、そのような断面におけるＺ軸方向に直交する方向（図８に示す断面ではＸ軸方向）は、特許請求の範囲における第２の方向の一例である。

【0048】

なお、以下では、条件Ｃを満たす燃料電池スタック１００のＺ軸方向に沿った断面の例として、図８に示す断面について説明するが、その他のＺ軸方向に沿った断面（本実施形態では、Ｚ軸方向視における燃料電池スタック１００の中心を通る断面）についても基本的には同様の構成である。また、条件Ｃを満たす燃料電池スタック１００のＺ軸方向に沿った断面においてＺ軸方向に直交する方向（図８に示す断面ではＸ軸方向）を「直交方向」という。

【0049】

（条件Ｃについて）
図８に示すように、燃料電池スタック１００は、Ｚ軸方向に沿った断面において、直交方向（Ｘ軸方向）に対する電極端部ＥＥの空気室１６６に面する端面（以下、「電極端面」という。）ＥＳの傾斜角θ１と、直交方向（Ｘ軸方向）に対する接合端部ＪＥの空気室１６６に面する端面（以下、「接合端部」という。）ＪＳの傾斜角θ２とは、いずれも９０°未満であり、かつ、電極端面ＥＳの傾斜角θ１は、接合端面ＪＳの傾斜角θ２よりも小さい、という条件Ｃを満たす。各傾斜角θ１，θ２の有効数字は２桁である（後述する他の傾斜角についても同様）。

【0050】

本実施形態では、電極端面ＥＳの傾斜角θ１は４５°未満（４０°程度）であり、接合端面ＪＳの傾斜角θ２は７５°未満（７０°程度）である。

【0051】

なお、本実施形態では、条件Ｃを満たすか否かの基準は、電極端面ＥＳの全体（換言すれば、任意の部分）および接合端面ＪＳの全体（換言すれば、任意の部分）において条件Ｃを満たすこととしているが、電極端面ＥＳの一部のみや接合端面ＪＳの一部のみにおいて条件Ｃを満たすこととしてもよい。

【0052】

図９は、発電単位１０２の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。図９は、図８と基本的には同様の図であり、後述する特定の傾斜角θ１１，θ１２，θ２１，θ２２を説明するための記載が示されている。電極端面ＥＳの一部のみや接合端面ＪＳの一部のみにおいて条件Ｃを満たす構成の一例として、図９に示すように、電極端面ＥＳの傾斜角θ１を、後述する特定の傾斜角θ１１，θ１２のいずれに置き換えたとしても、かつ、接合端面ＪＳの傾斜角θ２を、後述する特定の傾斜角θ２１，θ２２のいずれに置き換えたとしても条件Ｃを満たすことを以って、条件Ｃを満たすこととしてもよい。

【0053】

図９に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向に沿った断面において、電極端面ＥＳのうちＺ軸負方向（下方）の端点を電極端面始点ＥＳＳとし、電極端面ＥＳのうち、Ｚ軸正方向（上方）の端点を電極端面終点ＥＳＥとし、電極端面始点ＥＳＳを通る直交方向（Ｘ軸方向）の直線と電極端面終点ＥＳＥを通る直交方向（Ｘ軸方向）の直線との間の領域をＺ軸方向に３等分する２直線Ｌ１，Ｌ２を、電極端面始点ＥＳＳ側から順に第１直線Ｌ１、第２直線Ｌ２とし、電極端面ＥＳの第１直線Ｌ１との交点Ｉ１における接線を第１接線Ｔ１とし、電極端面ＥＳの第２直線Ｌ２との交点Ｉ２における接線を第２接線Ｔ２としたときに、上述した特定の傾斜角θ１１，θ１２の一方は、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第１接線Ｔ１の傾斜角θ１１であり、他方は、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第２接線Ｔ２の傾斜角θ１２である。

【0054】

同様に、図９に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向に沿った断面において、接合端面ＪＳのうち、Ｚ軸負方向（下方）の端点を接合端面始点ＪＳＳとし、接合端面ＪＳのうち、Ｚ軸正方向（上方）の端点を接合端面終点ＪＳＥとし、接合端面始点ＪＳＳを通る直交方向（Ｘ軸方向）の直線と接合端面終点ＪＳＥを通る直交方向（Ｘ軸方向）の直線との間の領域をＺ軸方向に３等分する２直線Ｌ３，Ｌ４を、接合端面始点ＪＳＳ側から順に第３直線Ｌ３、第４直線Ｌ４とし、接合端面ＪＳの第３直線Ｌ３との交点Ｉ３における接線を第３接線Ｔ３とし、接合端面ＪＳの第４直線Ｌ４との交点Ｉ４における接線を第４接線Ｔ４としたときに、上述した特定の傾斜角θ２１，θ２２の一方は、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第３接線Ｔ３の傾斜角θ２１であり、他方は、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第４接線Ｔ４の傾斜角θ２２である。

【0055】

すなわち、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第１接線Ｔ１の傾斜角θ１１と、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第２接線Ｔ２の傾斜角θ１２と、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第３接線Ｔ３の傾斜角θ２１と、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第４接線Ｔ４の傾斜角θ２２とのいずれもが９０°未満であり、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第１接線Ｔ１の傾斜角θ１１と、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第２接線Ｔ２の傾斜角θ１２とのいずれもが、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第３接線Ｔ３の傾斜角θ２１と、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第４接線Ｔ４の傾斜角θ２２とのいずれよりも小さい、という条件を満たすことを以って、条件Ｃを満たすこととしてもよい。

【0056】

同様に、電極端面ＥＳの傾斜角θ１は４５°未満であるという条件や、接合端面ＪＳの傾斜角θ２は７５°未満であるという条件についても、電極端面ＥＳの傾斜角θ１や接合端面ＪＳの傾斜角θ２を、上述した特定の傾斜角θ１１，θ１２，θ２１，θ２２に置き換えることを以って、当該条件を満たすこととしてもよい。すなわち、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第１接線Ｔ１の傾斜角θ１１と、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第２接線Ｔ２の傾斜角θ１２とのいずれもが４５°未満であることを以って、電極端面ＥＳの傾斜角θ１は４５°未満であるという条件を満たすこととしてもよい。また、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第３接線Ｔ３の傾斜角θ２１と、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第４接線Ｔ４の傾斜角θ２２とのいずれもが７５°未満であることを以って、接合端面ＪＳの傾斜角θ２は７５°未満であるという条件を満たすこととしてもよい。

【0057】

また、電極端面ＥＳの傾斜角θ１を、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第１接線Ｔ１の傾斜角θ１１と、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第２接線Ｔ２の傾斜角θ１２との平均値に置き換え、かつ、接合端面ＪＳの傾斜角θ２を、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第３接線Ｔ３の傾斜角θ２１と、直交方向（Ｘ軸方向）に対する第４接線Ｔ４の傾斜角θ２２との平均値に置き換えたときに条件Ｃを満たすことを以って、条件Ｃを満たすこととしてもよい。

【0058】

図８に示すように、本実施形態では、第２接合部１２５は、空気極１１４から離隔している。仮に第２接合部１２５が空気極１１４に接触している構成においては、第２接合部１２５と空気極１１４とが反応することにより、燃料電池スタック１００の発電性能が低下することもありえるが、本実施形態においては、第２接合部１２５が空気極１１４から離隔していることにより、そのような不具合の発生が抑制される。

【0059】

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、複数の発電単位１０２を備える。各発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、第２接合部１２５とを備える。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを備える。セパレータ１２０は、Ｚ軸方向視において、空気極１１４に対して外側に位置し、かつ、空気極１１４に面する空気室１６６の少なくとも一部を画定する部材である。第２接合部１２５は、単セル１１０とセパレータ１２０とを接合する部材である。第２接合部１２５は、セパレータ１２０よりも空気極１１４側に形成され、かつ、直交方向（Ｚ軸方向に直交する方向）（図８の断面ではＸ軸方向）において空気極１１４と対向する端部である接合端部ＪＥを有する。空気極１１４のうち、接合端部ＪＥに対向する端部を電極端部ＥＥとしたときに、燃料電池スタック１００のＺ軸方向に沿った少なくとも一つの断面（例えば図８に示す断面）において、直交方向に対する電極端部ＥＥの空気室１６６に面する電極端面ＥＳの傾斜角θ１（以下、単に「電極端面ＥＳの傾斜角θ１」という。）と、直交方向に対する接合端部ＪＥの空気室１６６に面する接合端面ＪＳの傾斜角θ２（以下、単に「接合端面ＪＳの傾斜角θ２」という。）とは、いずれも９０°未満であり、かつ、電極端面ＥＳの傾斜角θ１は、接合端面ＪＳの傾斜角θ２よりも小さい。

【0060】

本実施形態の燃料電池スタック１００においては、上述したように、電極端面ＥＳの傾斜角θ１は、９０°未満である。そのため、電極端面ＥＳの傾斜角θ１が９０°である従来の構成と比較して、電極端面ＥＳの近傍等において反応ガス（酸化剤ガスＯＧ）の流れに乱れが生じることが抑制され、圧力損失の発生を抑制することができる。本実施形態の燃料電池スタック１００においては、さらに、接合端面ＪＳの傾斜角θ２も９０°未満である。そのため、接合端面ＪＳの傾斜角θ２が９０°である従来の構成と比較して、接合端面ＪＳの近傍等において反応ガスの流れに乱れが生じることが抑制され、圧力損失の発生を抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００においては、上述した従来の構成と比較して、反応ガスの流通性の低下に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を抑制することができる。

【0061】

ところで、圧力損失の発生を抑制する効果は、基本的には、上述した各傾斜角θ１，θ２が小さいほど高くすることができる。

【0062】

ここで、設計上の事情等により、燃料電池スタック１００やこれを構成する各部材の直交方向（Ｚ軸方向に直交する方向）のサイズの自由度が制限されることがある。このようなときには、そのような制限の下、電極端面ＥＳの傾斜角θ１を小さくすると、空気極１１４（電極端部ＥＥ）の直交方向のサイズが大きくなるという制約を受ける場合がある。同様に、接合端面ＪＳの傾斜角θ２を小さくすると、第２接合部１２５（接合端部ＪＥ）の直交方向のサイズが大きくなるという制約を受ける場合がある。このとき、電極端面ＥＳの傾斜角θ１を小さくするとしても、接合端面ＪＳの傾斜角θ２を小さくするとしても、いずれにしても燃料電池スタック１００の直交方向のサイズが大きくなる。しかしながら、電極端面ＥＳの傾斜角θ１を小さくするとしたときには、空気極１１４（電極端部ＥＥ）と電解質層１１２（接合端部ＪＥ）との接触長さが大きくなることにより、燃料電池スタック１００の性能が向上するという利点がある。この点を考慮すると、本実施形態の燃料電池スタック１００においては、電極端面ＥＳの傾斜角θ１が接合端面ＪＳの傾斜角θ２よりも小さいことにより、電極端面ＥＳの傾斜角θ１が接合端面ＪＳの傾斜角θ２以上である構成と比較して、より効率的に、燃料電池スタック１００の性能を向上させることができる。

【0063】

本実施形態の燃料電池スタック１００では、電極端面ＥＳの傾斜角θ１は、４５°未満である。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、特に効果的に、電極端面ＥＳの近傍等において反応ガスの流れに乱れが生じることが抑制され、圧力損失の発生を抑制することができる。

【0064】

本実施形態の燃料電池スタック１００では、接合端面ＪＳの傾斜角θ２は、７５°未満である。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、特に効果的に、接合端面ＪＳの近傍等において反応ガスの流れに乱れが生じることが抑制され、圧力損失の発生を抑制することができる。

【0065】

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。

【0066】

上記実施形態における単セル１１０、発電単位１０２、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。

【0067】

例えば、上記実施形態では、第１接合部１２４および第２接合部１２５はＺ軸方向視においてセパレータ１２０の貫通孔周囲部１２２の全周にわたって位置しているが、第１接合部１２４および第２接合部１２５はセパレータ１２０の貫通孔周囲部１２２の全周の一部のみに位置するとしてもよい。

【0068】

また、燃料電池スタック１００が第１接合部１２４を備えているが、燃料電池スタック１００が第１接合部１２４を備えないとしてもよい。

【0069】

また、上記実施形態では、セパレータ１２０が、Ｚ軸方向における位置が第１の平坦部１２６および第２の平坦部１２７とは異なる部分を含む連結部１２８を備えているが、セパレータ１２０が連結部１２８を備えないとしてもよい。

【0070】

また、上記実施形態では、単セル１１０とセパレータ１２０とを接合する部材である第１接合部１２４や第２接合部１２５は、単セル１１０の一部である電解質層１１２に接合されているが、単セル１１０の他の部分に接合されていてもよい。例えば、単セル１１０は電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された反応防止層を備えており、第１接合部１２４や第２接合部１２５が当該反応防止層に接合されているとしてもよい。当該反応防止層は、例えば、Ｚ軸方向視で空気極１１４より大きい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る。このような当該反応防止層は、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。

【0071】

また、上記実施形態では、電極端面ＥＳの傾斜角θ１は４０°程度であり、接合端面ＪＳの傾斜角θ２は７０°程度であるが、電極端面ＥＳの傾斜角θ１や接合端面ＪＳの傾斜角θ２の数値は、条件Ｃを満たす限りにおいて種々変更可能である。例えば、電極端面ＥＳの傾斜角θ１が４５°以上であるとしてもよいし、接合端面ＪＳの傾斜角θ２が７５°以上であるとしてもよい。

【0072】

図１０は、変形例における発電単位１０２の一部分のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。図１０に示すように、単セル１１０とセパレータ１２０とを接合する部材である第２接合部１２５と、これが対向する電極である空気極１１４とが接触していてもよい。

【0073】

また、上記実施形態では、Ｚ軸方向に沿い、かつ、Ｚ軸方向視における燃料電池スタック１００の中心を通るいずれの断面においても条件Ｃを満たす構成としているが、Ｚ軸方向に沿った少なくとも一つの断面において条件Ｃを満たせば、その他の構成であってもよい。

【0074】

上記実施形態では、空気室１６６の少なくとも一部を画定する部材であるセパレータ１２０と、単セル１１０とセパレータ１２０とを接合する部材である第２接合部１２５とを備える構成に本発明を適用した（条件Ｃを満たす構成とする）例を示したが、燃料室１７６の少なくとも一部を画定する部材（以下、「燃料室画定部材」という。）と、単セル１１０と燃料室画定部材とを接合する部材（以下、「燃料室側接合部」という。）とを備える構成に本発明を適用してもよい。基本的には、上記実施形態において、「セパレータ１２０」を「燃料室画定部材」と置き換え、「第２接合部１２５」を「燃料室側接合部」と置き換え、これらに関連して適宜、「空気極１１４」を「燃料極１１６」に置き換え、「空気室１６６」を「燃料室１７６」に置き換えた上で、条件Ｃのように、直交方向（Ｚ軸方向に沿った断面においてＺ軸方向に直交する方向）に対する燃料極１１６の燃料室１７６に面する端面の傾斜角度θ１Ａと、直交方向に対する燃料室側接合部の燃料室１７６に面する端面の傾斜角θ２Ａとは、いずれも９０°未満であり、かつ、直交方向に対する燃料極１１６の燃料室１７６に面する端面の傾斜角度θ１Ａは、直交方向に対する燃料室側接合部の燃料室１７６に面する端面の傾斜角θ２Ａよりも小さい構成としてもよい。この構成においても、上記実施形態における理由と同様の理由から、燃料室側接合部の端面の近傍等において反応ガス（燃料ガスＦＧ）の流れに乱れが生じることが抑制され、圧力損失の発生を抑制することができ、ひいては、反応ガスの流通性の低下に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を抑制することができる。

【0075】

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。

【0076】

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は、平板型の単セル１１０を複数備える構成であるが、本発明は、他のタイプ（例えば円筒型）の単セルを複数備える燃料電池スタックにも同様に適用可能である。

【0077】

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単セルや、複数の電解単セル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および電解セルスタックにおいても、上記実施形態に、本発明を適用する（条件Ｃを満たす構成とする）ことにより、接合部の端面の近傍等において反応ガスの流れに乱れが生じることが抑制され、圧力損失の発生を抑制することができ、ひいては、反応ガスの流通性の低下に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を抑制することができる。

【符号の説明】

【0078】

２２（２２Ａ～２２Ｅ）： ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：（ガス通路部材の）本体部 ２９：（ガス通路部材の）分岐部 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 １１８：反応防止層 １２０：セパレータ １２１：貫通孔 １２２：（セパレータの）貫通孔周囲部 １２４：第１接合部 １２５：第２接合部 １２６：（セパレータの）第１の平坦部 １２７：（セパレータの）第２の平坦部 １２８：（セパレータの）連結部 １３０：空気極側フレーム １３１：ガス室用孔 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 １４１：ガス室用孔 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：（燃料極側集電体の）電極対向部 １４６：（燃料極側集電体の）インターコネクタ対向部 １４７：（燃料極側集電体の）連接部 １４９：（燃料極側集電体の）スペーサー １５０：インターコネクタ 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 ＥＥ：電極端部 ＥＳ：電極端面 ＥＳＥ：電極端面終点 ＥＳＳ：電極端面始点 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＩＰ１：第１の内面 ＩＰ２：第２の内面 ＩＰ３：第３の内面 ＩＰ４：第４の内面 ＪＥ：接合端部 ＪＳ：接合端面 ＪＳＥ：接合端面終点 ＪＳＳ：接合端面始点 Ｌ１：第１直線 Ｌ２：第２直線 Ｌ３：第３直線 Ｌ４：第４直線 ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス Ｔ１：第１接線 Ｔ２：第２接線 Ｔ３：第３接線 Ｔ４：第４接線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】