JP2018185957A - 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】ガス室における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向へのガス拡散性を向上させ、電気化学反応単位の性能を向上させる。【解決手段】電気化学反応単位は、単セルと、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を構成するガス室用孔が形成されたフレーム部材と、特定電極に対向する側の表面に複数の凸部と複数の凹部とが形成されたインターコネクタと、特定電極とインターコネクタとを電気的に接続する集電体とを備える。集電体は、特定電極の表面に導通する複数の集電部を有し、複数の集電部は、特定電極に面するガス流路空間を挟んで並んでいる。ガス室における主たるガス流れ方向に直交する断面において、インターコネクタに形成された凸部と特定電極との間には、凸部の一方側に隣り合う凹部内の空間に連通するガス流路空間が存在する。【選択図】図９

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の１つとして、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という）は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という）を備える。単セルは、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。

また、発電単位は、単セルの燃料極に面する燃料室（ガス室）を構成するガス室用孔が形成されたフレーム部材を備える。フレーム部材には、ガス室用孔に加えて、燃料室に供給されるガス（以下、「燃料ガス」という）が通る燃料ガス供給マニホールドを構成する供給側マニホールド用孔と、燃料室から排出されたガス（以下、「燃料オフガス」という）が通る燃料ガス排出マニホールドを構成する排出側マニホールド用孔とが形成されている。フレーム部材には、さらに、供給側マニホールド用孔に連通すると共にガス室用孔の内周面に開口する供給側連通流路と、排出側マニホールド用孔に連通すると共にガス室用孔の内周面に開口する排出側連通流路とが形成されている。発電単位の燃料室には、燃料ガス供給マニホールドおよび供給側連通流路を介して燃料ガスが供給される。また、燃料室から排出側連通流路を介して排出された燃料オフガスは、燃料ガス排出マニホールドを介して外部に排出される。

また、発電単位は、導電性のインターコネクタと、燃料極とインターコネクタとを電気的に接続する導電性の集電体とを備える。集電体は、燃料極の表面に導通する複数の集電部を有する。集電体の集電部と集電部との間は、燃料極に面するガス流路空間として機能する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−１６９０９号公報

インターコネクタの構成として、燃料極に対向する側の表面に複数の凸部と複数の凹部とが形成された構成が採用されることがある。このような構成において、燃料室における主たるガス流れ方向（すなわち、上記第１の方向視で、供給側連通流路のガス室用孔の内周面への開口の中点と排出側連通流路のガス室用孔の内周面への開口の中点とを結ぶ方向）に直交し、かつ、上記第１の方向に平行な断面において、インターコネクタの凸部と燃料極との間に集電体の集電部が位置すると、燃料室に供給された燃料ガスが、集電部に阻まれて上記主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散せず、発電単位の性能が低下するおそれがある。

なお、このような課題は、燃料極側に限らず、空気極側に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。

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。

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。

（１）本明細書に開示される電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、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を構成するガス室用孔と、前記ガス室に供給されるガスが通る供給側マニホールドを構成する供給側マニホールド用孔と、前記ガス室から排出されたガスが通る排出側マニホールドを構成する排出側マニホールド用孔と、前記供給側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する供給側連通流路と、前記排出側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する排出側連通流路と、が形成されたフレーム部材と、前記特定電極に対向する側の表面に複数の凸部と複数の凹部とが形成された導電性のインターコネクタと、前記特定電極と前記インターコネクタとを電気的に接続する導電性の集電体であって、それぞれ前記特定電極の表面に導通し、かつ、前記特定電極に面するガス流路空間を挟んで並んだ複数の集電部を有する集電体と、を備える電気化学反応単位において、前記第１の方向視で前記供給側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点と前記排出側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点とを結ぶ第２の方向に直交し、かつ、前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面である特定断面において、前記インターコネクタに形成された少なくとも１つの前記凸部である特定凸部と前記特定電極との間には、前記特定凸部の一方側に隣り合う第１の前記凹部内の第１の空間に連通する前記ガス流路空間が存在する。本電気化学反応単位では、特定電極に面するガス室における主たるガス流れ方向（上記第２の方向）に直交する特定断面において、インターコネクタの特定凸部と特定電極との間に、集電体の集電部と集電部とに挟まれたガス流路空間が位置し、かつ、該ガス流路空間が、該特定凸部に隣り合う凹部（第１の凹部）内の空間（第１の空間）に連通している。そのため、本電気化学反応単位によれば、特定電極に面するガス室に供給されたガスを、ガス室における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散させることができ、その結果、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。

（２）上記電気化学反応単位において、前記特定断面において、前記特定凸部と前記特定電極との間には、前記特定凸部の一方側に隣り合う前記第１の凹部内の前記第１の空間と、前記特定凸部の他方側に隣り合う第２の前記凹部内の第２の空間と、に連通する前記ガス流路空間が存在する構成としてもよい。本電気化学反応単位では、特定電極に面するガス室における主たるガス流れ方向に直交する特定断面において、インターコネクタの特定凸部と特定電極との間に、集電体の集電部と集電部とに挟まれたガス流路空間が位置し、かつ、該ガス流路空間が、該特定凸部の両側に隣り合う２つの凹部（第１の凹部および第２の凹部）内の空間（第１の空間および第２の空間）に連通している。そのため、本電気化学反応単位によれば、特定電極に面するガス室に供給されたガスを、ガス室における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向にさらに良好に拡散させることができ、その結果、電気化学反応単位の性能を効果的に向上させることができる。

（３）上記電気化学反応単位において、前記特定断面において、前記特定凸部と前記特定電極との間に位置する前記ガス流路空間は、前記第１の凹部内の前記第１の空間を介して、他の前記ガス流路空間に連通している構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、特定電極に面するガス室に供給されたガスを、ガス室における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に一層良好に拡散させることができ、その結果、電気化学反応単位の性能をさらに効果的に向上させることができる。

（４）上記電気化学反応単位において、前記特定断面において、前記第１の凹部は前記第１の方向において複数の前記集電部に対向している構成としてもよい。本電気化学反応単位では、特定凸部と特定電極との間に位置する上記ガス流路空間が、上記凹部（第１の凹部）内の空間（第１の空間）を介して、複数の他のガス流路空間に連通することとなる。そのため、本電気化学反応単位によれば、特定電極に面するガス室に供給されたガスを、ガス室における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に極めて良好に拡散させることができ、その結果、電気化学反応単位の性能を極めて効果的に向上させることができる。

（５）上記電気化学反応単位において、前記集電体の複数の前記集電部は、ガス透過性を有さない構成としてもよい。本電気化学反応単位では、集電部がガス透過性を有さないため、特定電極に面するガス室における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向へのガス拡散性の低下が課題となりやすい。しかしながら、本電気化学反応単位では、上述した各構成が採用されているため、特定電極に面するガス室に供給されたガスを、ガス室における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散させることができ、その結果、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。

（６）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記第２の方向に直交する方向における前記第１の凹部の長さは、前記第２の方向における前記第１の凹部の長さより長い構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、特定電極に面するガス室に供給されたガスを、第２の方向に直交する方向に長い上記凹部（第１の凹部）内の空間（第１の空間）を利用して、ガス室における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散させることができ、その結果、電気化学反応単位の性能を効果的に向上させることができる。

（７）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記インターコネクタに形成された複数の凹部は、前記第２の方向に直交する方向と前記第２の方向とに並ぶ格子状に配置されており、前記特定断面は、互いに異なる前記凹部を通る複数の断面を含む構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、ガス室における主たるガス流れ方向に並ぶ複数の位置において、特定電極に面するガス室に供給されたガスを、ガス室における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散させることができ、その結果、電気化学反応単位の性能を効果的に向上させることができる。

（８）上記電気化学反応単位において、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、特定電極に面するガス室に供給されたガスを、ガス室における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散させることができ、その結果、電気化学反応単セルの発電性能を向上させることができる。

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。

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４のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ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。 インターコネクタ１５０および燃料極側集電体１４４の詳細構成を示す説明図である。

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（および後述する図６〜８）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６〜８）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いい、Ｚ軸負方向を下方向というものとするが、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。

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という）１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。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。

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という場合がある。

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、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。

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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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。

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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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。燃料ガス導入マニホールド１７１は、特許請求の範囲における供給側マニホールドに相当し、燃料ガス排出マニホールド１７２は、特許請求の範囲における排出側マニホールドに相当する。

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。

（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。

（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り、図８は、図４のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。

図４および図５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、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が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

図６に示すように、インターコネクタ１５０は、Ｚ軸方向視で略矩形の外形を有する導電性部材であり、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はエンドプレート１０６を備えているため、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（図２および図３参照）。

図４から図７に示すように、インターコネクタ１５０における単セル１１０に対向する部分には、下方向に突出する凸部１５２（以下、「空気極側凸部１５２」という）と、空気極側凸部１５２の上側に配置され、空気極側凸部１５２側に凹んだ凹部１５４（以下、「燃料極側凹部１５４」という）との組合せが複数形成されている。また、隣り合う２つの空気極側凸部１５２の間には凹部１５６（以下、「空気極側凹部１５６」という）が形成され、隣り合う２つの燃料極側凹部１５４の間には凸部１５８（以下、「燃料極側凸部１５８」という）が形成されている。すなわち、インターコネクタ１５０には、上方向に突出する燃料極側凸部１５８と、燃料極側凸部１５８の下側に配置され、燃料極側凸部１５８側に凹んだ空気極側凹部１５６との組合せも複数形成されている。インターコネクタ１５０に形成された複数の燃料極側凸部１５８は、特許請求の範囲における複数の凸部に相当し、インターコネクタ１５０に形成された複数の燃料極側凹部１５４は、複数の凹部に相当する。

ある発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０に形成された各燃料極側凸部１５８は、該発電単位１０２の燃料極側集電体１４４に直接的または間接的に接触している。また、該インターコネクタ１５０における各空気極側凸部１５２は、下側に隣り合う他の発電単位１０２の空気極１１４に直接的または間接的に接触している。そのため、インターコネクタ１５０によって、発電単位１０２間の電気的導通が確保される。なお、ある発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０に形成された各燃料極側凹部１５４は、該発電単位１０２の燃料極１１６に面する燃料室１７６の一部を構成し、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０に形成された各空気極側凹部１５６は、該発電単位１０２の空気極１１４に面する空気室１６６の一部を構成する。

図６に示すように、本実施形態では、燃料極側凹部１５４および空気極側凸部１５２は、Ｚ軸方向視で、Ｘ軸方向における長さがＹ軸方向（後述する燃料室１７６における主たるガス流れ方向である第２の方向）における長さより長い細長形状となっている。また、燃料極側凹部１５４および空気極側凸部１５２は、Ｚ軸方向視で、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに並ぶ格子状に配置されている。

本実施形態では、インターコネクタ１５０は、平板形状の金属材料にプレス加工を施し、空気極側凸部１５２と燃料極側凹部１５４との複数の組合せ、および、燃料極側凸部１５８と空気極側凹部１５６との複数の組合せを形成することによって製造される。より具体的には、プレス加工によって形成された隣り合う２つの空気極側凸部１５２間の箇所が、空気極側凹部１５６となり、プレス加工によって形成された隣り合う２つの燃料極側凹部１５４間の箇所が、燃料極側凸部１５８となる。インターコネクタ１５０の凸部や凹部をプレス加工により形成することにより、例えばエッチング等の他の方法を用いる場合と比較して、製造工程の効率化を図ることができる。

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、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。

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、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（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。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）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、Ｚ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、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。燃料極１１６は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。

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。

図７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。

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。本実施形態では、空気極側フレーム１３０に、３つの酸化剤ガス供給連通流路１３２と、３つの酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。

図８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。

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。本実施形態では、燃料極側フレーム１４０に、３つの燃料ガス供給連通流路１４２と、３つの燃料ガス排出連通流路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、ガス室用孔１４１は、特許請求の範囲におけるガス室用孔に相当する。また、燃料極側フレーム１４０に形成された連通孔１０８の内、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における供給側マニホールド用孔に相当し、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８は、特許請求の範囲における排出側マニホールド用孔に相当する。また、燃料極側フレーム１４０に形成された燃料ガス供給連通流路１４２は、特許請求の範囲における供給側連通流路に相当し、燃料ガス排出連通流路１４３は、特許請求の範囲における排出側連通流路に相当する。

燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。図８における部分拡大図に示すように、燃料極側集電体１４４は、略矩形の平板部材（例えばニッケル箔）に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こす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部分が電極対向部１４５となり、曲げ起こされた部分以外の穴ＯＰ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。なお、図８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。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、燃料極側集電体１４４は、さらに、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間に配置されたスペーサー１４９を備える。スペーサー１４９は、例えばマイカにより形成されている。スペーサー１４９の存在により、電極対向部１４５等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。燃料極側集電体１４４は、特許請求の範囲における集電体に相当する。

図４および図５に示すように、インターコネクタ１５０の空気極１１４側の表面は、導電性のコート１３６によって覆われている。コート１３６は、例えば、スピネル型酸化物（例えば、ＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎ_２Ｏ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４等）により形成されている。インターコネクタ１５０の表面へのコート１３６の形成は、例えば、スプレーコート、インクジェット印刷、スピンコート、ディップコート、めっき、スパッタリング、溶射等の周知の方法で実行される。コート１３６の存在により、インターコネクタ１５０の表面からＣｒが放出されて拡散する「Ｃｒ拡散」と呼ばれる現象の発生が抑制され、インターコネクタ１５０がＣｒ欠乏によって異常酸化したり、拡散したＣｒが空気極１１４の表面に付着して空気極１１４での電極反応速度が低下する「空気極のＣｒ被毒」と呼ばれる現象が発生したりすることを抑制することができる。

空気極１１４とインターコネクタ１５０（より詳細には、インターコネクタ１５０の各空気極側凸部１５２）とは、導電性の接合層１３８により接合されている。接合層１３８は、例えば、スピネル型酸化物（例えば、Ｍｎ_１．５Ｃｏ_１．５Ｏ_４やＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎＣｏＯ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４）により形成されている。接合層１３８により、空気極１１４とインターコネクタ１５０とが電気的に接続される。先に、インターコネクタ１５０は空気極１１４の表面と接触していると説明したが、本実施形態においては、コート１３６に覆われたインターコネクタ１５０と空気極１１４との間には接合層１３８が介在している。

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３および図５に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

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は接合層１３８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。

各発電単位１０２の空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、図２および図４に示すように、酸化剤ガス排出連通流路１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、図３および図５に示すように、燃料ガス排出連通流路１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

なお、図８に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２では、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向は、概ねＹ軸正方向側からＹ軸負方向側に向かう方向である。燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向は、例えば、燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の第３の内面ＩＰ３への開口の中点ＭＰ１から、燃料ガス排出連通流路１４３のガス室用孔１４１の第４の内面ＩＰ４への開口の中点ＭＰ２に向かう方向として特定することができる。ここで、本実施形態では、燃料極側フレーム１４０に燃料ガス供給連通流路１４２が複数（３つ）形成されているが、そのような場合には、上述した燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の第３の内面ＩＰ３への開口の中点ＭＰ１とは、複数の燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の第３の内面ＩＰ３への開口から構成される開口群の両端点（ＥＰ１１，ＥＰ１２）を結ぶ線分の中点を意味する。同様に、本実施形態では、燃料極側フレーム１４０に燃料ガス排出連通流路１４３が複数（３つ）形成されているが、そのような場合には、上述した燃料ガス排出連通流路１４３のガス室用孔１４１の第４の内面ＩＰ４への開口の中点ＭＰ２とは、複数の燃料ガス排出連通流路１４３のガス室用孔１４１の第４の内面ＩＰ４への開口から構成される開口群の両端点（ＥＰ２１，ＥＰ２２）を結ぶ線分の中点を意味する。

また、本実施形態では、Ｚ軸方向視で、燃料ガス供給連通流路１４２が開口するガス室用孔１４１の第３の内面ＩＰ３は、略直線状部分を有し、かつ、燃料ガス排出連通流路１４３が開口するガス室用孔１４１の第４の内面ＩＰ４は、上記第３の内面ＩＰ３の略直線状部分と略平行な略直線状部分を有する。そのため、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向は、例えば、Ｚ軸方向視で、ガス室用孔１４１の第３の内面ＩＰ３における略直線状部分と、ガス室用孔１４１の第４の内面ＩＰ４における略直線状部分と、が対向する方向としても特定することができる。すなわち、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向は、Ｚ軸方向視で、ガス室用孔１４１の内周面の内、燃料ガス供給連通流路１４２が開口する第３の内面ＩＰ３における略直線状部分から、燃料ガス排出連通流路１４３が開口する第４の内面ＩＰ４における略直線状部分であって、上記第３の内面ＩＰ３における略直線状部分に略平行な略直線状部分に向かう方向であると言える。

上述した各方法により特定される燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。

Ａ−３．インターコネクタ１５０および燃料極側集電体１４４の詳細構成：
図９は、インターコネクタ１５０および燃料極側集電体１４４の詳細構成を示す説明図である。図９には、図２のＸ１部における発電単位１０２のＸＺ断面構成が拡大して示されている。上述したように、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向はＹ軸方向であるため、図９に示されたＸＺ断面は、該主たる流れ方向に直交し、かつ、単セル１１０における空気極１１４と燃料極１１６との対向方向（Ｚ軸方向）に平行な断面である。図９に示されたＸＺ断面は、特許請求の範囲における特定断面に相当する。

上述したように、燃料極側集電体１４４は、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６と連接部１４７とスペーサー１４９とを備えている。以下の説明では、燃料極側集電体１４４における１つの電極対向部１４５と、該電極対向部１４５に接続された連接部１４７と、Ｚ軸方向において該電極対向部１４５に重なるインターコネクタ対向部１４６およびスペーサー１４９の部分とを、合わせて集電部１４８という。燃料極側集電体１４４は、複数の集電部１４８を有する。複数の集電部１４８のそれぞれは、燃料極１１６の表面に導通している。また、集電部１４８と集電部１４８との間は、燃料極１１６に面するガス流路空間２１０として機能する。すなわち、複数の集電部１４８は、燃料極１１６に面するガス流路空間２１０を挟んで並んでいる。なお、集電部１４８は、ガス透過性を有さないように構成される。ここで、ガス透過性を有さない構成とは、ガスを実質的に透過しない構成をいう。換言すれば、ガスと接したときに該ガスの流れを変更する構成である。例えば、集電部１４８を構成する電極対向部１４５と連接部１４７とインターコネクタ対向部１４６とをニッケル箔により形成し、集電部１４８を構成するスペーサー１４９をマイカにより形成すると、集電部１４８はガス透過性を有さない構成となる。集電部１４８はガス透過性を有さないように構成されるため、燃料室１７６において、集電部１４８を間に挟んだ２つの流路間の燃料ガスＦＧの流れが制限される。集電部１４８の平均密度は、例えば、１ｇ／ｃｍ^３〜１０ｇ／ｃｍ^３である。また、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（Ｙ軸方向）に直交し、かつ、単セル１１０における空気極１１４と燃料極１１６との対向方向（Ｚ軸方向）に平行な断面（例えば、図９に示されたＸＺ断面）において、Ｚ軸方向において電極対向部１４５と重なり、かつ、燃料極１１６の表面とインターコネクタ１５０の燃料極側凸部１５８の頂点の位置との間に位置する部分(図９のＳ１部)の断面積に占める集電部１４８の断面積の割合は、例えば、３０％以上である。

本実施形態の発電単位１０２では、図９に示されたＸＺ断面において、インターコネクタ１５０に形成された燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に、燃料極側集電体１４４の集電部１４８が位置しておらず、集電部１４８と集電部１４８との間に形成されたガス流路空間２１０が存在する。なお、燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間にガス流路空間２１０が存在するとは、必ずしも燃料極側凸部１５８の幅方向（Ｘ軸方向）の全体と燃料極１１６との間にガス流路空間２１０が存在する形態に限られず、燃料極側凸部１５８の幅方向の一部分と燃料極１１６との間にガス流路空間２１０が存在し、燃料極側凸部１５８の幅方向の残りの一部分と燃料極１１６との間には集電部１４８が位置する形態を含む。

また、本実施形態の発電単位１０２では、図９に示されたＸＺ断面において、インターコネクタ１５０の燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０が、該燃料極側凸部１５８の一方側（例えば、Ｘ軸正方向側）に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０と、該燃料極側凸部１５８の他方側（例えば、Ｘ軸負方向側）に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０とに連通している。すなわち、燃料極側凸部１５８の幅方向（Ｘ軸方向）の両側に、該燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０と燃料極側凹部１５４内の空間２２０とを連通する隙間２３０が存在している。なお、ある燃料極側凸部１５８の一方側（例えば、Ｘ軸正方向側）に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０は、特許請求の範囲における第１の凹部内の第１の空間に相当し、該燃料極側凸部１５８の他方側（例えば、Ｘ軸正負向側）に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０は、特許請求の範囲における第２の凹部内の第２の空間に相当する。

また、本実施形態の発電単位１０２では、図９に示されたＸＺ断面において、インターコネクタ１５０の燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０が、該燃料極側凸部１５８の一方側（例えば、Ｘ軸正方向側）に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０を介して、他のガス流路空間２１０に連通している。また、本実施形態の発電単位１０２では、図９に示されたＸＺ断面において、インターコネクタ１５０の燃料極側凸部１５８の一方側（例えば、Ｘ軸正方向側）に隣り合う燃料極側凹部１５４は、Ｚ軸方向において複数の（具体的には３つの）集電部１４８に対向している。そのため、本実施形態の発電単位１０２では、図９に示されたＸＺ断面において、燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０は、該燃料極側凸部１５８に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０を介して、上記３つの集電部１４８の間に挟まれた２つのガス流路空間２１０に連通している。なお、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０は、該燃料極側凸部１５８に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０を介して、上記３つの集電部１４８の間に挟まれた２つのガス流路空間２１０に連通し、さらに、該燃料極側凹部１５４に隣り合う他の燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在する他のガス流路空間２１０に連通している。

なお、本実施形態の発電単位１０２では、図９に示されたＸＺ断面において、図示されていない他の燃料極側凸部１５８についても、上記と同様の構成（例えば、燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０が、燃料極側凹部１５４内の空間２２０と連通している構成）が採用されている。また、上述したように、インターコネクタ１５０の燃料極側凹部１５４は、Ｚ軸方向視で、Ｘ軸方向とＹ軸方向とに並ぶ格子状に配置されている（図６参照）。本実施形態の発電単位１０２では、図９に示されたＸＺ断面とは異なる他のＸＺ断面（図９に示されたＸＺ断面が通る燃料極側凹部１５４とは異なる他の燃料極側凹部１５４を通る任意のＸＺ断面）においても、上記と同様の構成（例えば、燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０が、燃料極側凹部１５４内の空間２２０と連通している構成）が採用されている。なお、これらのＸＺ断面も、特許請求の範囲における特定断面に相当する。

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を構成する各発電単位１０２は、単セル１１０と、燃料極側フレーム１４０と、インターコネクタ１５０と、燃料極側集電体１４４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（第１の方向）に互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを含む。燃料極側フレーム１４０には、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成するガス室用孔１４１と、燃料室１７６に供給される燃料ガスＦＧが通る燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８と、燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧが通る燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８と、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。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は、複数の燃料極側凸部１５８と、複数の燃料極側凹部１５４とが形成されている。燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する導電性の部材であり、それぞれ燃料極１１６の表面に導通し、かつ、燃料極１１６に面するガス流路空間２１０を挟んで並んだ複数の集電部１４８を有する。また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で燃料ガス供給連通流路１４２のガス室用孔１４１の第３の内面ＩＰ３への開口の中点ＭＰ１と燃料ガス排出連通流路１４３のガス室用孔１４１の第４の内面ＩＰ４への開口の中点ＭＰ２とを結ぶ方向（Ｙ軸方向、第２の方向）に直交し、かつ、Ｚ軸方向に平行な断面である特定断面（例えば、図９に示されたＸＺ断面）において、インターコネクタ１５０に形成された燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間には、該燃料極側凸部１５８の一方側に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０に連通するガス流路空間２１０が存在する。

このように、本実施形態の発電単位１０２では、燃料室１７６における主たるガス流れ方向（上記第２の方向）に直交する特定断面（例えば、図９に示されたＸＺ断面）において、インターコネクタ１５０の燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に、燃料極側集電体１４４の集電部１４８と集電部１４８とに挟まれたガス流路空間２１０が位置し、かつ、該ガス流路空間２１０が、該燃料極側凸部１５８に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０に連通している。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧを、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向（例えば、Ｘ軸方向）に良好に拡散させることができ、その結果、発電性能を向上させることができる。

また、本実施形態の発電単位１０２では、上記特定断面において、インターコネクタ１５０に形成された燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間には、該燃料極側凸部１５８の一方側に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０と、該燃料極側凸部１５８の他方側に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０と、に連通するガス流路空間２１０が存在する。このように、本実施形態の発電単位１０２では、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に直交する特定断面において、インターコネクタ１５０の燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に、燃料極側集電体１４４の集電部１４８と集電部１４８とに挟まれたガス流路空間２１０が位置し、かつ、該ガス流路空間２１０が、該燃料極側凸部１５８の両側に隣り合う２つの燃料極側凹部１５４内の空間２２０に連通している。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧを、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向にさらに良好に拡散させることができ、その結果、発電性能を効果的に向上させることができる。

また、本実施形態の発電単位１０２では、上記特定断面において、インターコネクタ１５０に形成された燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に位置するガス流路空間２１０は、該燃料極側凸部１５８の一方側に隣り合う燃料極側凹部１５４内の空間２２０を介して、他のガス流路空間２１０に連通している。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧを、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に一層良好に拡散させることができ、その結果、発電性能をさらに効果的に向上させることができる。なお、本実施形態の発電単位１０２では、上記燃料極側凸部１５８の一方側に隣り合う上記燃料極側凹部１５４は、Ｚ軸方向において複数の集電部１４８に対向している。そのため、本実施形態の発電単位１０２では、上記燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に位置する上記ガス流路空間２１０は、上記燃料極側凹部１５４内の空間２２０を介して、複数の他のガス流路空間２１０に連通することとなる。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧを、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に極めて良好に拡散させることができ、その結果、発電性能を極めて効果的に向上させることができる。

なお、本実施形態の発電単位１０２では、燃料極側集電体１４４の集電部１４８がガス透過性を有さないため、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向へのガス拡散性の低下が課題となりやすい。しかしながら、本実施形態の発電単位１０２では、上述した各構成が採用されているため、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧを、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散させることができ、その結果、発電性能を向上させることができる。

また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に直交する方向（例えば、Ｘ軸方向）における燃料極側凹部１５４の長さは、燃料室１７６における主たるガス流れ方向（例えば、Ｙ軸方向）における燃料極側凹部１５４の長さより長い（図６参照）。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧを、燃料極側凹部１５４内の空間２２０を利用して、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散させることができ、その結果、発電性能を効果的に向上させることができる。

また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向視で、インターコネクタ１５０に形成された複数の燃料極側凹部１５４は、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に直交する方向（例えば、Ｘ軸方向）にと該ガス流れ方向（例えば、Ｙ軸方向）とに並ぶ格子状に配置されており、互いに異なる燃料極側凹部１５４を通る任意の複数の特定断面（ＸＺ断面）において、上記構成が採用されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に並ぶ複数の位置において、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧを、燃料室１７６における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散させることができ、その結果、発電性能を効果的に向上させることができる。

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。

上記実施形態における単セル１１０、発電単位１０２または燃料電池スタック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、インターコネクタ１５０の燃料極１１６に対向する側の表面に複数の燃料極側凸部１５８と複数の燃料極側凹部１５４とが形成されていると共に、インターコネクタ１５０の空気極１１４に対向する側の表面に複数の空気極側凸部１５２と複数の空気極側凹部１５６とが形成されているが、インターコネクタ１５０の空気極１１４に対向する側の表面には凸部および凹部が設けられていない（すなわち、略平坦形状である）としてもよい。

また、上記実施形態では、燃料極側集電体１４４の集電部１４８が、例えば金属により形成された電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６と連接部１４７と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間に配置され、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９とから構成されているが、集電部１４８の形状や材料は、種々変形可能である。例えば、集電部１４８が、燃料極１１６にもインターコネクタ１５０にも接触する単一部材により構成されるとしてもよい。

また、上記実施形態では、１つの特定断面（例えば、図９に示されたＸＺ断面）において、すべての燃料極側凸部１５８について上述した構成（例えば、燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０が、燃料極側凹部１５４内の空間２２０と連通している構成）が採用されているが、必ずしもそのような構成である必要はなく、１つの特定断面において少なくとも１つの燃料極側凸部１５８について上述した構成が採用されていればよい。

また、上記実施形態では、互いに異なる燃料極側凹部１５４を通る任意の複数の特定断面において、上述した構成（例えば、燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０が、燃料極側凹部１５４内の空間２２０と連通している構成）が採用されているが、必ずしもそのような構成である必要はなく、少なくとも１つの特定断面において上述した構成が採用されていればよい。なお、燃料ガスＦＧを燃料室１７６における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散させるという観点から、上述した互いに異なる燃料極側凹部１５４を通る任意の複数の特定断面の内、少なくとも、燃料室１７６における主たるガス流れ方向の上流側に位置する特定断面（例えば、該ガス流れ方向に単セル１１０を３等分したときの最もガス上流側に近い単セル１１０の部分に重なる特定断面）において上述した構成が採用されていることが好ましい。

また、上記実施形態において説明した構成（例えば、燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０が、燃料極側凹部１５４内の空間２２０と連通している構成）は、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２において採用されていてもよいし、燃料電池スタック１００に含まれる一部の発電単位１０２のみにおいて採用されていてもよい。

また、上記実施形態では、インターコネクタ１５０と、インターコネクタ１５０と燃料極１１６との間に配置された燃料極側集電体１４４との関係について、上記構成（例えば、燃料極側凸部１５８と燃料極１１６との間に存在するガス流路空間２１０が、燃料極側凹部１５４内の空間２２０と連通している構成）が採用されているが、燃料極１１６に代えて空気極１１４側において同様の構成が採用されるとしてもよい。すなわち、例えば、空気極１１４とインターコネクタ１５０との間に両者を電気的に接続する導電性の集電体が配置され、該集電体は、それぞれ空気極１１４の表面に導通し、かつ、空気極１１４に面するガス流路空間を挟んで並んだ複数の集電部を有し、空気室１６６における主たるガス流れ方向（Ｚ軸方向視で酸化剤ガス供給連通流路１３２のガス室用孔１３１の第１の内面ＩＰ１への開口の中点と酸化剤ガス排出連通流路１３３のガス室用孔１３１の第２の内面ＩＰ２への開口の中点とを結ぶ方向）に直交し、かつ、Ｚ軸方向に平行な少なくとも１つの断面である特定断面において、インターコネクタ１５０に形成された少なくとも１つの空気極側凸部１５２と空気極１１４との間にガス流路空間が存在し、該ガス流路空間が、該空気極側凸部１５２の一方側に隣り合う空気極側凹部１５６内の空間に連通している構成が採用されてもよい。このような構成によれば、空気室１６６に供給された酸化剤ガスＯＧを、空気室１６６における主たるガス流れ方向に対して略直交する方向に良好に拡散させることができ、その結果、発電性能を向上させることができる。

また、上記実施形態では、インターコネクタ１５０の空気極１１４側の表面がコート１３６に覆われているとしているが、空気極１１４側の表面に代えて、または空気極１１４側の表面と共に、インターコネクタ１５０の燃料極１１６側の表面がコート(例えば、ニッケルコート)により覆われているとしてもよい。また、インターコネクタ１５０のいずれの表面もコートに覆われていないとしてもよい。また、上記実施形態では、燃料極側フレーム１４０に３つの燃料ガス供給連通流路１４２と３つの燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されているが、燃料極側フレーム１４０に形成される燃料ガス供給連通流路１４２および燃料ガス排出連通流路１４３の数は２つ以下でもよいし、４つ以上でもよい。

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト２２が挿入される各連通孔１０８とは別に設けてもよい。

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および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用することにより、ガス拡散性を向上させることによって性能を向上させることができる。

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、本願発明は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、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。

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 １００：燃料電池スタック １０２：燃料電池発電単位 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：燃料電池単セル 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：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 １３６：コート １３８：接合層 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：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４８：集電部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １５２：空気極側凸部 １５４：燃料極側凹部 １５６：空気極側凹部 １５８：燃料極側凸部 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 ２１０：ガス流路空間 ２２０：空間 ２３０：隙間

Claims (9)

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、を含む電気化学反応単セルと、
   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を構成するガス室用孔と、前記ガス室に供給されるガスが通る供給側マニホールドを構成する供給側マニホールド用孔と、前記ガス室から排出されたガスが通る排出側マニホールドを構成する排出側マニホールド用孔と、前記供給側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する供給側連通流路と、前記排出側マニホールド用孔に連通すると共に前記ガス室用孔の内周面に開口する排出側連通流路と、が形成されたフレーム部材と、
   前記特定電極に対向する側の表面に複数の凸部と複数の凹部とが形成された導電性のインターコネクタと、
   前記特定電極と前記インターコネクタとを電気的に接続する導電性の集電体であって、それぞれ前記特定電極の表面に導通し、かつ、前記特定電極に面するガス流路空間を挟んで並んだ複数の集電部を有する集電体と、
   を備える電気化学反応単位において、
   前記第１の方向視で前記供給側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点と前記排出側連通流路の前記ガス室用孔の内周面への開口の中点とを結ぶ第２の方向に直交し、かつ、前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面である特定断面において、前記インターコネクタに形成された少なくとも１つの前記凸部である特定凸部と前記特定電極との間には、前記特定凸部の一方側に隣り合う第１の前記凹部内の第１の空間に連通する前記ガス流路空間が存在することを特徴とする、電気化学反応単位。
2. 請求項１に記載の電気化学反応単位において、
   前記特定断面において、前記特定凸部と前記特定電極との間には、前記特定凸部の一方側に隣り合う前記第１の凹部内の前記第１の空間と、前記特定凸部の他方側に隣り合う第２の前記凹部内の第２の空間と、に連通する前記ガス流路空間が存在することを特徴とする、電気化学反応単位。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単位において、
   前記特定断面において、前記特定凸部と前記特定電極との間に位置する前記ガス流路空間は、前記第１の凹部内の前記第１の空間を介して、他の前記ガス流路空間に連通していることを特徴とする、電気化学反応単位。
4. 請求項３に記載の電気化学反応単位において、
   前記特定断面において、前記第１の凹部は前記第１の方向において複数の前記集電部に対向していることを特徴とする、電気化学反応単位。
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単位において、
   前記集電体の複数の前記集電部は、ガス透過性を有さないことを特徴とする、電気化学反応単位。
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単位において、
   前記第１の方向視で、前記第２の方向に直交する方向における前記第１の凹部の長さは、前記第２の方向における前記第１の凹部の長さより長いことを特徴とする、電気化学反応単位。
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単位において、
   前記第１の方向視で、前記インターコネクタに形成された複数の凹部は、前記第２の方向に直交する方向と前記第２の方向とに並ぶ格子状に配置されており、
   前記特定断面は、互いに異なる前記凹部を通る複数の断面を含むことを特徴とする、電気化学反応単位。
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単位において、
   前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。
9. 前記第１の方向に並べて配列された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、
   前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、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単位であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。

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