JP2019057407A - スタック接続体 - Google Patents

Abstract

【課題】スタック接続体の最高電位を低くする。【解決手段】スタック接続体が備える各電気化学反応セルスタックは、セルブロックとプラス極部材とプラス側導電性部材とプラス側絶縁部材とマイナス極部材とマイナス側導電性部材とマイナス側絶縁部材とを備える。第１の電気化学反応セルスタックの特定マイナス極部材と、特定マイナス極部材に電気的に接続された、第２の電気化学反応セルスタックの特定プラス極部材とが導電体を介して特定電位に保持される。最高電位のプラス極部材の電位とプラス側導電性部材の電位との差の絶対値は、複数の電気化学反応セルスタックの合計電圧とプラス側導電性部材の電位との差の絶対値より小さい。最低電位のマイナス極部材の電位とマイナス側導電性部材の電位との差の絶対値は、複数の電気化学反応セルスタックの合計電圧とマイナス側導電性部材の電位との差の絶対値より小さい。【選択図】図１

Description

本明細書に開示される技術は、スタック接続体に関する。

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。

ＳＯＦＣは、高電圧の電力供給を可能とするため、複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの形態で利用されることがある。各燃料電池スタックは、単セルが第１の方向に複数並べて配置された構造体（以下、「発電ブロック」という）と、発電ブロックに対して、第１の方向の一方側に配置され、空気極に電気的に接続されるプラス極部材と、該プラス極部材に対して発電ブロックとは反対側に配置され、導電性を有するプラス側導電性部材と、プラス極部材と該プラス側導電性部材との間に配置され、絶縁性を有するプラス側絶縁部材と、を備える。さらに、各燃料電池スタックは、発電ブロックに対して、第１の方向の他方側に配置され、燃料極に電気的に接続されるマイナス極部材と、該マイナス極部材に対して発電ブロックとは反対側に配置され、導電性を有し、上記プラス側導電性部材に電気的に接続されるマイナス側導電性部材と、マイナス極部材と該マイナス側導電性部材との間に配置され、絶縁性を有するマイナス側絶縁部材と、を備える。そして、複数の燃料電池スタックのそれぞれに備えられた複数の発電ブロックが電気的に直列に接続されるとともに、複数の燃料電池スタックのそれぞれに備えられたマイナス側導電性部材が互いに電気的に接続される。

このように高電圧の電力供給が可能な燃料電池システムでは、複数の発電ブロックが電気的に直列に接続されるため、最高電位の燃料電池スタックに備えられたプラス極部材の電位と、該最高電位の燃料電池スタックに備えられたプラス側導電性部材との間の電位差（以下、「最高電位差」という）が大きくなり、該プラス極部材とプラス側導電性部材との間で短絡し易くなる。そこで、従来から、複数の燃料電池スタックのそれぞれに個別に絶縁機構を備えることにより、燃料電池システムの最高電位差を小さくしようとするものがある（下記特許文献１参照）。

特開２００９−８７８６３号公報

上述の従来の燃料電池システムでは、複数の燃料電池スタックのそれぞれに個別に絶縁機構を備える必要があるため、例えば、燃料電池システムの構成が複雑化するなどの問題が生じるおそれがあり、改良の余地があった。

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）の一形態である電解セルスタックを複数備える電解セルシステムにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池システムと電解セルシステムとをまとめて「スタック接続体」という。

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スタック接続体は、複数の電気化学反応セルスタックを備えるスタック接続体であって、各前記電気化学反応セルスタックは、電解質層と空気極と燃料極とをそれぞれ含む単セルが、第１の方向に複数並べて配置されたセルブロックと、前記セルブロックに対して、前記第１の方向の一方側に配置され、前記空気極に電気的に接続されるプラス極部材と、前記プラス極部材に対して前記セルブロックとは反対側に配置され、導電性を有するプラス側導電性部材と、前記プラス極部材と前記プラス側導電性部材との間に配置され、絶縁性を有するプラス側絶縁部材と、前記第１の方向の他方側に配置され、前記燃料極に電気的に接続されるマイナス極部材と、前記マイナス極部材に対して前記セルブロックとは反対側に配置され、導電性を有し、前記プラス側導電性部材に電気的に接続されるマイナス側導電性部材と、前記マイナス極部材と前記マイナス側導電性部材との間に配置され、絶縁性を有するマイナス側絶縁部材と、を備えており、前記複数の電気化学反応セルスタックのそれぞれに備えられた複数の前記セルブロックが電気的に直列に接続されるセルブロックが電気的に直列に接続されるとともに、前記複数の電気化学反応セルスタックのそれぞれに備えられた前記マイナス側導電性部材が互いに電気的に接続されるスタック接続体において、前記複数の電気化学反応セルスタックの内、第１の電気化学反応セルスタックに備えられた前記マイナス極部材である特定マイナス極部材と、第２の電気化学反応セルスタックに備えられ、前記特定マイナス極部材に電気的に接続される前記プラス極部材である特定プラス極部材とが導電体を介して特定電位に保持されることにより、前記特定電位に、最高電位の前記プラス極部材と前記特定マイナス極部材との電位差を加算した電位が、前記最高電位の前記プラス極部材の電位とされ、前記特定電位から、前記特定プラス極部材と最低電位の前記マイナス極部材との電位差を減算した電位が、前記最低電位の前記マイナス極部材の電位とされており、前記最高電位の前記プラス極部材の電位と前記プラス側導電性部材の電位との差の絶対値は、前記複数の電気化学反応セルスタックの合計電圧と前記プラス側導電性部材の電位との差の絶対値より小さく、かつ、前記最低電位の前記マイナス極部材の電位と前記マイナス側導電性部材の電位との差の絶対値は、前記複数の電気化学反応セルスタックの合計電圧と前記マイナス側導電性部材の電位との差の絶対値より小さい。本スタック接続体によれば、第１の電気化学反応セルスタックに備えられたマイナス極部材である特定マイナス極部材と、第２の電気化学反応セルスタックに備えられ、特定マイナス極部材に電気的に接続されるプラス極部材とが導電体を介して特定電位に保持されている。ここで、最高電位のプラス極部材の電位と、プラス側導電性部材の電位と、最低電位の前記マイナス極部材の電位と、マイナス側導電性部材の電位とは、次の関係式（１）（２）に示される条件を満たす。
｜「最高電位のプラス極部材の電位」−「プラス側導電性部材の電位」｜＜｜「複数の電気化学反応セルスタックの合計電圧」−「プラス側導電性部材の電位」｜・・・（１）
｜「最低電位のマイナス極部材の電位」−「マイナス側導電性部材の電位」｜＜｜「複数の電気化学反応セルスタックの合計電圧」−「マイナス側導電性部材の電位」｜・・・（２）
なお、プラス側導電性部材とマイナス側導電性部材とは電気的に接続されており、両者の電位は略同一である。
｜「最高電位のプラス極部材の電位」−「プラス側導電性部材の電位」｜は、本スタック接続体における最高電位のプラス極部材の電位とプラス側導電性部材の電位との差の絶対値（以下、「本スタック接続体の最高電位差」という）を示す。また、｜「複数の電気化学反応セルスタックの合計電圧」−「プラス側導電性部材の電位」｜は、特定マイナス極部材と特定プラス極部材とが特定電位に保持されない場合における最高電位のプラス極部材の電位とプラス側導電性部材の電位との差の絶対値（以下、「未接続時の最高電位差」という）を示す。すなわち、関係式（１）は、本スタック接続体の最高電位差が、未接続時の最高電位差より小さいことを意味する。
次に、｜「最低電位のマイナス極部材の電位」−「マイナス側導電性部材の電位」｜は、本スタック接続体における最低電位のマイナス極部材の電位とマイナス側導電性部材の電位との差の絶対値（以下、「本スタック接続体の最低電位差」という）を示す。すなわち、関係式（２）は、本スタック接続体の最低電位差が、未接続時の最高電位差より小さいことを意味する。このような本スタック接続体によれば、特定マイナス極部材と特定プラス極部材とが特定電位に保持されない場合に比べて、最高電位の電気化学反応セルスタックに備えられたプラス極部材と、該最高電位の電気化学反応セルスタックに備えられたプラス側導電性部材との間の電位差（以下、「最高電位差」という）を小さくすることができる。しかも、最低電位の電気化学反応セルスタックに備えられたマイナス極部材と、該最低電位の電気化学反応セルスタックに備えられたマイナス側導電性部材との間の電位差（以下、「最低電位差」という）が増大することを抑制することができる。

（２）上記スタック接続体において、さらに、前記各電気化学反応セルスタックに接続される導電性の管を備え、前記特定マイナス極部材と前記特定プラス極部材とは、前記導電体を介して前記管に電気的に接続されることによって前記特定電位に保持されている構成としてもよい。本スタック接続体によれば、特定マイナス極部材と特定プラス極部材とが、各電気化学反応セルスタックに接続される導電性の管に電気的に接続されることによって、特定電位に保持される。このため、特定マイナス極部材と特定プラス極部材とを特定電位に保持するために専用の構成を別途要することなく、スタック接続体の最高電位を低くすることができる。

（３）上記スタック接続体において、前記スタック接続体は、さらに、前記複数の電気化学反応セルスタックの少なくとも１つを収容する導電性の筐体を備え、前記特定マイナス極部材と前記特定プラス極部材とは、前記導電体を介して前記筐体に電気的に接続されることによって前記特定電位に保持されている構成としてもよい。本スタック接続体によれば、特定マイナス極部材と特定プラス極部材とが、複数の電気化学反応セルスタックの少なくとも１つを収容する導電性の筐体に電気的に接続されることによって、特定電位に保持される。このため、特定マイナス極部材と特定プラス極部材とを特定電位に保持するために専用の構成を別途要することなく、スタック接続体の最高電位を低くすることができる。

（４）上記スタック接続体において、前記複数の電気化学反応セルスタックの全個数は、６つ以上であり、前記複数の電気化学反応セルスタックの内、前記セルブロックの直列接続における並び順で、真ん中に位置する１つまたは２つの前記電気化学反応セルスタックを含み、且つ、前記並び順が連続する、全個数の１／３以下の複数の前記電気化学反応セルスタックを、特定セルスタック群とするとき、前記第１の電気化学反応セルスタックおよび前記第２の電気化学反応セルスタックは、前記特定セルスタック群に含まれる構成としてもよい。本スタック接続体によれば、特定電位に保持される第１の電気化学反応セルスタックおよび第２の電気化学反応セルスタックが特定セルスタック群に含まれない場合に比べて、スタック接続体の最高電位を低くしつつ、スタック接続体の最低電位（最低電位の電気化学反応セルスタックのマイナス極部材の電位）が低くなり過ぎることを抑制することができる。

（５）上記スタック接続体において、前記複数の電気化学反応セルスタックの全個数が４以上の偶数個である場合、前記第１の電気化学反応セルスタックおよび前記第２の電気化学反応セルスタックは、前記セルブロックの直列接続における並び順で、真ん中に位置する一対の電気化学反応セルスタックであり、前記複数の電気化学反応セルスタックの全個数が５以上の奇数個である場合、前記第１の電気化学反応セルスタックおよび前記第２の電気化学反応セルスタックは、直列接続における並び順で、真ん中に位置する一の電気化学反応セルスタックと、前記一の電気化学反応セルスタックの前または後ろの並び順である他の電気化学反応セルスタックとである構成としてもよい。本スタック接続体によれば、特定電位に保持される第１の電気化学反応セルスタックおよび第２の電気化学反応セルスタックは、直列接続における並び順で、略真ん中に位置する２つの電気化学セルスタックとされるため、略真ん中に位置しない２つの電気化学セルスタックとされる構成に比べて、スタック接続体の最高電位を低くしつつ、スタック接続体の最低電位（最低電位の電気化学反応セルスタックのマイナス極部材の電位）が低くなり過ぎることを効果的に抑制することができる。

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、複数の電気化学反応セルスタックを備えるスタック接続体の製造方法等の形態で実現することが可能である。

第１実施形態における燃料電池システム１０の全体構成を示す説明図である。 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る。 図２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る。 図２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。 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る。 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。 比較例における燃料電池システム１０Ｘの全体構成を示す説明図である。 第２実施形態における燃料電池システム１０Ｙの全体構成を示す説明図である。 第２実施形態の変形例における燃料電池システム１０Ｚの全体構成を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池システム１０の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池システム１０の全体構成を示す説明図である。同図では、後述のガス通路部材２７等は省略されている。同図には、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いうものとするが、燃料電池システム１０および次述する燃料電池スタック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２以降についても同様である。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、複数（本実施形態では４つ）の燃料電池スタック１００を備え、４つの燃料電池スタック１００のそれぞれに備えられた複数の発電ブロック１０３（後述）が電気的に直列に接続されている。燃料電池システム１０は、このように複数の発電ブロック１０３（後述）が電気的に直列に接続された形態であるため、高電圧の電力供給が可能であり、例えば業務・産業用の燃料電池として利用される。以下、４つの燃料電池スタック１００のそれぞれの出力電圧は略同一であるとし、１つの燃料電池スタック１００の出力電圧（例えば２０（Ｖ））を「スタック電圧ＶＳ」といい、燃料電池システム１０全体の出力電圧（＝ＶＳ×４ 例えば８０（Ｖ））を「システム電圧ＶＡ」という。燃料電池システム１０における電気的接続関係については、後で詳述する。なお、燃料電池システム１０は、特許請求の範囲におけるスタック接続体に相当し、燃料電池スタック１００は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックに相当する。

（各燃料電池スタック１００の構成）
図２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３は、図２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２のＩＶ−ＩＶ−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。

図２から図４に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２と、第１のエンドプレート１０４と、第２のエンドプレート１０６と、集電板１８とを備える。燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位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。第１のエンドプレート１０４と第２のエンドプレート１０６とは、複数の発電単位１０２から構成される集合体（以下、「発電ブロック１０３」という）を上下から挟むように配置されている。また、発電ブロック１０３と第２のエンドプレート１０６との間には、集電板１８が配置されている。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の方向に相当し、発電ブロック１０３は、特許請求の範囲におけるセルブロックに相当する。

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、第１および第２のエンドプレート１０４，１０６、集電板１８）のＺ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、第１のエンドプレート１０４から第２のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる貫通孔１０８を構成している。以下の説明では、貫通孔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、貫通孔１０８という場合がある。

各貫通孔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。

各ボルト２２の軸部の外径は各貫通孔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貫通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図２および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ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が挿入された貫通孔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が挿入された貫通孔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２および図４に示すように、燃料電池スタック１００のＺ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が挿入された貫通孔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が挿入された貫通孔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、金属により形成されており、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（例えば、図１に示す燃料ガス導入管６０や燃料オフガス排出管７０）が接続される。また、図３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４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。

図３および図４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の上端を構成する第１のエンドプレート１０４の上側表面との間には、マイカにより形成されたシール材５２が介在している。シール材５２には、上述した各貫通孔１０８に連通する孔が形成されている。シール材５２により、シール材５２を挟んで配列方向に互いに隣り合う上側のナット２４と第１のエンドプレート１０４とが電気的に絶縁され、かつ、上側のナット２４と第１のエンドプレート１０４との間のガスシール性が確保される。また、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４とガス通路部材２７との間、および、燃料電池スタック１００の下端を構成する第２のエンドプレート１０６の下側表面とガス通路部材２７の間には、それぞれ、導電性のシール材５３が介在している。シール材５３には、上述した各貫通孔１０８に連通する孔が形成されている。シール材５３により、第２のエンドプレート１０６とガス通路部材２７と下側のナット２４との間のガスシール性が確保される。また、ボルト２２と下側のナット２４とガス通路部材２７とを介して、上側のナット２４と第２のエンドプレート１０６とが電気的に接続されることによって略同電位に保持されている。また、上述したように、各ガス通路部材２７の分岐部２９に燃料ガス導入管６０等が接続されることによって、上側のナット２４と第２のエンドプレート１０６とが略ゼロ（Ｖ）に保持されている。

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
第１および第２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。第１のエンドプレート１０４は、配列方向に略直交する方向（例えばＸ軸負方向）に突出する第１の突出部１４を備える。第１のエンドプレート１０４の第１の突出部１４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する。

（集電板１８の構成）
集電板１８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。集電板１８は、上記配列方向に略直交する方向（例えばＸ軸正方向）に突出する第２の突出部１６を備える。集電板１８の突出部１６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。

集電板１８と第２のエンドプレート１０６との間には、マイカ等の絶縁材５７が介在している。この絶縁材５７を挟んで配列方向に互いに隣り合う２つの導電性部材である集電板１８と第２のエンドプレート１０６とが電気的に絶縁され、かつ、集電板１８と第２のエンドプレート１０６との間のガスシール性が確保される。

（発電単位１０２の構成）
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ＸＺ断面構成を示す説明図であり、図６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。

図５および図６に示すように、発電の最小単位である発電単位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方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される貫通孔１０８に対応する孔が形成されている。

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。

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、略矩形の平板形状部材であり、少なくともＺｒを含んでおり、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）、ＣａＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、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、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。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。

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により、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。

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、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。図５に示すように、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。

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、セパレータ１２０における単セル１１０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。図６に示すように、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。

燃料極側集電体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。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、集電板１８の表面に接触している。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（または集電板１８）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との電気的接続が良好に維持される。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００（発電ブロック１０３）において最も下に位置する発電単位１０２の下側には、インターコネクタ１５０の代わりに集電板１８が配置されており、集電板１８が、燃料極側集電体１４４を介して燃料極１１６に電気的に接続される。したがって、集電板１８は、特許請求の範囲におけるマイナス極部材に相当する。また、第２のエンドプレート１０６は、特許請求の範囲におけるマイナス側導電性部材に相当する。また、集電板１８と第２のエンドプレート１０６との間に配置された絶縁材５７は、特許請求の範囲におけるマイナス側絶縁部材に相当する。

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。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の空気極側集電体１３４は、第１のエンドプレート１０４の表面に接触している。このように、空気極側集電体１３４は、空気極１１４とインターコネクタ１５０（または第１のエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００（発電ブロック１０３）において最も上に位置する発電単位１０２の上側には、インターコネクタ１５０の代わりに第１のエンドプレート１０４が配置されており、第１のエンドプレート１０４が、空気極側集電体１３４を介して空気極１１４に電気的に接続される。したがって、第１のエンドプレート１０４は、特許請求の範囲におけるプラス極部材に相当する。また、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４は、特許請求の範囲におけるプラス側導電性部材に相当する。また、第１のエンドプレート１０４と上側のナット２４との間に配置されたシール材５２は、特許請求の範囲におけるプラス側絶縁部材に相当する。

Ａ−２．各燃料電池スタック１００の動作：
図３および図５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に接続された酸化剤ガス導入管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図４および図６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に接続された燃料ガス導入管６０（図１参照）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

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、出力端子として機能する第１のエンドプレート１０４の第１の突出部１４と集電板１８の第２の突出部１６とから、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３および図５に示すように、酸化剤ガス排出連通孔１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続された酸化剤ガス排出管（図示せず）（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４および図６に示すように、燃料ガス排出連通孔１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続された燃料オフガス排出管７０（図１参照）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

Ａ−３．燃料電池システム１０における電気的接続関係：
以下、４つの燃料電池スタック１００のそれぞれについて、最も電位が高いものから順に、「第１の燃料電池スタック１００Ａ」、「第２の燃料電池スタック１００Ｂ」、「第３の燃料電池スタック１００Ｃ」、「第４の燃料電池スタック１００Ｄ」という。

図１に示すように、第１の燃料電池スタック１００Ａの集電板１８と第２の燃料電池スタック１００Ｂの第１のエンドプレート１０４とが第１の導電体Ｌ１を介して電気的に接続されており、第２の燃料電池スタック１００Ｂの集電板１８と第３の燃料電池スタック１００Ｃの第１のエンドプレート１０４とが第２の導電体Ｌ２を介して電気的に接続されており、第３の燃料電池スタック１００Ｃの集電板１８と第４の燃料電池スタック１００Ｄの第１のエンドプレート１０４とが第３の導電体Ｌ３を介して電気的に接続されている。これにより、第１の燃料電池スタック１００Ａと第２の燃料電池スタック１００Ｂと第３の燃料電池スタック１００Ｃと第４の燃料電池スタック１００Ｄとのそれぞれに備えられた４つの発電ブロック１０３がこの順で電気的に直列に接続されている。４つの燃料電池スタック１００の内、最高電位の第１の燃料電池スタック１００Ａが備える第１のエンドプレート１０４の第１の突出部１４は、燃料電池システム１０のプラス側の出力端子として機能する。また、最低電位の第４の燃料電池スタック１００Ｄが備える集電板１８の第２の突出部１６は、燃料電池システム１０のマイナス側の出力端子として機能する。

燃料ガス導入管６０は、各燃料電池スタック１００の燃料ガス導入マニホールド１７１に燃料ガスＦＧを導入するための配管であり、例えばステンレス等の導電性材料により形成されている。具体的には、図１に示すように、燃料ガス導入管６０は、例えば燃料電池スタック１００の並び方向（Ｘ軸方向）に沿って延びる中空筒状の共通部６２と、該共通部６２の側面から分岐した中空筒状の複数の分岐部６４とを含む。各分岐部６４の孔は、共通部６２の孔と連通している。各分岐部６４における燃料電池スタック１００側の先端は、各燃料電池スタック１００の燃料ガス導入マニホールド１７１に連通するガス通路部材２７に接続されている。

燃料オフガス排出管７０は、各燃料電池スタック１００の燃料ガス導入マニホールド１７１から排出された燃料オフガスＦＯＧを外部に排出するための配管であり、例えばステンレス等の導電性材料により形成されている。具体的には、図１に示すように、燃料オフガス排出管７０は、例えば燃料電池スタック１００の並び方向（Ｘ軸方向）に沿って延びる中空筒状の共通部７２と、該共通部７２の側面から分岐した中空筒状の複数の分岐部７４とを含む。各分岐部７４の孔は、共通部７２の孔と連通している。各分岐部７４における燃料電池スタック１００側の先端は、各燃料電池スタック１００の燃料ガス排出マニホールド１７２に連通するガス通路部材２７に接続されている。

本実施形態では、第２の燃料電池スタック１００Ｂの集電板１８（以下、「特定集電板１８Ｔ」という）と、第３の燃料電池スタック１００Ｃの第１のエンドプレート１０４（以下、「特定エンドプレート１０４Ｔ」という）との間に接続された第２の導電体Ｌ２が、接続線Ｌ４を介して、燃料ガス導入管６０に接続されており、該燃料ガス導入管６０が接地されている。なお、例えば接続線Ｌ４の軸方向に直交する断面の面積が第２の導電体Ｌ２の軸方向に直交する断面の面積より小さいことによって、接続線Ｌ４の固有抵抗値が、第２の導電体Ｌ２の固有抵抗値より大きくなっている。このため、燃料電池システム１０の正常な運転時では、接続線Ｌ４に電流がほとんど流れない。これにより、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとが、第２の導電体Ｌ２および燃料ガス導入管６０を介して略ゼロ（Ｖ）に保持されている。また、接続線Ｌ４には、抵抗素子５００が設けられている。抵抗素子５００の抵抗値（１００ｋΩ〜１ＭΩ程度）は、第２の導電体Ｌ２や接続線Ｌ４の固有抵抗値より大きい。これにより、例えば、第１の導電体Ｌ１や第３の導電体Ｌ３が燃料ガス導入管６０に接触して短絡したときに、燃料電池スタック１００に大電流が流れることを抑制することができる。なお、特定エンドプレート１０４Ｔは、特許請求の範囲における特定プラス極部材に相当し、特定集電板１８Ｔは、特許請求の範囲における特定マイナス極部材に相当する。

Ａ−４．燃料電池システム１０の最高電位差を小さくするための条件：
以下、特定集電板１８Ｔおよび特定エンドプレート１０４Ｔが保持される電位を、「特定電位Ｖ１」という。また、４つの燃料電池スタック１００のそれぞれに備えられた第１のエンドプレート１０４の電位の内の最高電位の第１のエンドプレート１０４（第１の燃料電池スタック１００Ａに備えられた第１のエンドプレート１０４）の電位を、以下、「燃料電池システム１０の最高電位ＶＨ」といい、４つの燃料電池スタック１００のそれぞれに備えられた４つの集電板１８の内の最低電位の集電板１８（第４の燃料電池スタック１００Ｄに備えられた集電板１８）の電位を、以下、「燃料電池システム１０の最低電位ＶＬ」という。また、上側のナット２４および第２のエンドプレート１０６の電位を、以下、「基準電位ＶＧ」という。また、燃料電池システム１０全体の燃料電池スタック１００の総数をｋ個とし、最高電位ＶＨと特定電位Ｖ１との間に位置する燃料電池スタック１００の数をｈ個とし、特定電位Ｖ１と最低電位ＶＬとの間に位置する燃料電池スタック１００の数をｍ個とする。なお、本実施形態では、上述したように、上側のナット２４および第２のエンドプレート１０６は、燃料ガス導入管６０等に電気的に接続されているため、基準電位ＶＧはゼロ（Ｖ）に保持されている。

本実施形態の１００では、次の関係式（１）（２）に示される条件を満たす。
｜「燃料電池システム１０の最高電位ＶＨ（＝Ｖ１＋ｈ・ＶＳ）」−「基準電位ＶＧ」｜＜｜「システム電圧ＶＡ（＝ｋ・ＶＳ）」−「基準電位ＶＧ」｜・・・（１）
｜「燃料電池システム１０の最低電位ＶＬ（＝Ｖ１−ｍ・ＶＳ）」−「基準電位ＶＧ」｜＜｜「システム電圧ＶＡ」−「基準電位ＶＧ」｜・・・（２）
なお、関係式（１）（２）における「システム電圧ＶＡ」は、未接続時の燃料電池システム１０の最高電位ＶＨを意味する。燃料電池システム１０の最高電位ＶＨは、特許請求の範囲における最高電位のプラス極部材の電位に相当し、燃料電池システム１０の最低電位ＶＬは、特許請求の範囲における最低電位のマイナス極部材の電位に相当する。また、基準電位ＶＧは、特許請求の範囲におけるプラス側導電性部材の電位およびマイナス側導電性部材の電位に相当する。システム電圧ＶＡは、特許請求の範囲における複数の電気化学反応セルスタックの合計電圧に相当する。

関係式（１）は、最高電位の第１の燃料電池スタック１００Ａに備えられた第１のエンドプレート１０４と、該第１の燃料電池スタック１００Ａに備えられた上側のナット２４との間の電位差（以下、「最高電位差」という）に関する条件を示す。すなわち、｜「燃料電池システム１０の最高電位ＶＨ」−「基準電位ＶＧ」｜は、燃料電池システム１０における最高電位差を意味する。｜「システム電圧ＶＡ」−「基準電位ＶＧ」｜は、特定集電板１８Ｔおよび特定エンドプレート１０４Ｔが特定電位Ｖ１に保持されない場合における最高電位差（以下、「未接続時の最高電位差」という）を意味する。したがって、関係式（１）は、燃料電池システム１０における最高電位差が、未接続時の最高電位差より小さいことを意味する。

次に、関係式（２）は、最低電位の第４の燃料電池スタック１００Ｄに備えられた集電板１８と、該第４の燃料電池スタック１００Ｄに備えられた第２のエンドプレート１０６との間の電位差（以下、「最低電位差」という）に関する条件を示す。すなわち、｜「燃料電池システム１０の最低電位ＶＬ」−「基準電位ＶＧ」｜は、燃料電池システム１０における最低電位差を意味する。したがって、関係式（２）は、燃料電池システム１０における最低電位差が、未接続時の最高電位差より小さいことを意味する。
なお、第２の燃料電池スタック１００Ｂは、特許請求の範囲における第１の電気化学反応セルスタックに相当し、第３の燃料電池スタック１００Ｃは、特許請求の範囲における第２の電気化学反応セルスタックに相当する。また、燃料ガス導入管６０は、特許請求の範囲における管に相当し、第２の導電体Ｌ２と接続線Ｌ４とは、特許請求の範囲における導電体に相当する。

図７は、比較例における燃料電池システム１０Ｘの全体構成を示す説明図である。図７に示すように、比較例の燃料電池システム１０Ｘは、第１から第３の導電体Ｌ１〜Ｌ３のいずれも所定電位に保持されておらず、燃料電池システム１０の最低電位ＶＬがゼロ（Ｖ）に保持されており、また、基準電位ＶＧがゼロ（Ｖ）に保持されているものとする。比較例の燃料電池システム１０Ｘでは、特定電位Ｖ１＝＋２・ＶＳ（Ｖ）（具体的には＋４０（Ｖ））であり、比較例の燃料電池システム１０Ｘの最高電位ＶＨは、＋４・ＶＳ（Ｖ）（具体的には＋８０（Ｖ））である。したがって、比較例の燃料電池システム１０Ｘにおける最高電位差は、４・ＶＳ（Ｖ）であり、未接続時の最高電位差（４・ＶＳ（Ｖ））と同じであり、上記関係式（１）を満たさない。なお、比較例の燃料電池システム１０Ｘにおける最低電位差は、ゼロ（Ｖ）であり、上記関係式（２）を満たす。

一方、図１に示すように、本実施形態では、特定電位Ｖ１＝特定エンドプレート１０４Ｔの電位Ｖ２＝略０（Ｖ）であり、燃料電池システム１０の最高電位ＶＨは、＋２・ＶＳ（Ｖ）（具体的には＋４０（Ｖ））である。したがって、燃料電池システム１０における最高電位差は、２・ＶＳ（Ｖ）であり、未接続時の最高電位差（４・ＶＳ（Ｖ））より小さいため、上記関係式（１）を満たす。また、燃料電池システム１０における最低電位差も２・ＶＳ（Ｖ）であり、上記関係式（２）を満たす。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、比較例の燃料電池システム１０Ｘに比べて、最高電位差が小さくなっており、かつ、最低電位差が未接続時の最高電位差より大きくなることが抑制されている。なお、図１の例では、特定電位Ｖ１が−４０（Ｖ）より大きく、かつ、＋４０（Ｖ）より小さければ、上記関係式（１）（２）の両方を満たす。したがって、基準電位ＶＧと特定電位Ｖ１とは互いに異なる電位に保持されていてもよい。例えば、基準電位ＶＧがゼロ（Ｖ）に保持され、特定電位Ｖ１が＋３０（Ｖ）に保持されているとしてもよい。

Ａ−５．本実施形態の効果：
本実施形態の燃料電池システム１０では、第２の燃料電池スタック１００Ｂに備えられた特定集電板１８Ｔと、第３の燃料電池スタック１００Ｃに備えられた特定エンドプレート１０４Ｔとが、第２の導電体Ｌ２等を介して特定電位Ｖ１に保持されている。そして、本実施形態の燃料電池システム１０では、上述したように、上記関係式（１）が満たされる。このため、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとが特定電位Ｖ１に保持されない構成（上記比較例の燃料電池システム１０Ｘ）に比べて、特定集電板１８Ｔおよび特定エンドプレート１０４Ｔの電位がゼロ（Ｖ）に近くなるため、燃料電池システム１０の最高電位ＶＨを低くすることができる。また、燃料電池システム１０の最高電位ＶＨが低いため、燃料電池スタック１００Ａにおいて、第１のエンドプレート１０４と上側のナット２４との電位差が大きくなることに起因してシール材５２が破損されることが抑制され、また、第１のエンドプレート１０４と上側のナット２４とが短絡することが抑制される。

また、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとが、各燃料電池スタック１００に接続される導電性を有する燃料ガス導入管６０に電気的に接続されることによって、特定電位Ｖ１に保持される。このため、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとを特定電位Ｖ１に保持するために専用の構成を別途要することなく、燃料電池システム１０Ｘの最高電位ＶＨを低くすることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、特定電位Ｖ１に保持される２つの燃料電池スタック１００は、４つの燃料電池スタック１００において、発電ブロック１０３の直列接続における並び順で略真ん中に位置する第２の燃料電池スタック１００Ｂおよび第３の燃料電池スタック１００Ｃである。このため、特定電位Ｖ１に保持される２つの燃料電池スタック１００が、例えば、第１の燃料電池スタック１００Ａと第２の燃料電池スタック１００Ｂとであったり、第３の燃料電池スタック１００Ｃと第４の燃料電池スタック１００Ｄとであったりする構成に比べて、燃料電池システム１０の最高電位ＶＨを低くしつつ、燃料電池システム１０の最低電位ＶＬが低くなり過ぎることを効果的に抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図８は、第２実施形態における燃料電池システム１０Ｙの全体構成を示す説明図である。第２実施形態の燃料電池システム１０Ｙは、上述した第１実施形態の燃料電池システム１０に対して、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとを特定電位Ｖ１に保持するための構成が異なる。以下では、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｙの構成の内、第１実施形態の燃料電池システム１０の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。

Ｂ−１．構成：
図８に示すように、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｙは、第１の燃料電池スタック１００Ａと第２の燃料電池スタック１００Ｂとを備える。第１の燃料電池スタック１００Ａの集電板１８（以下、「特定集電板１８Ｔ」という）と、第２の燃料電池スタック１００Ｂの第１のエンドプレート１０４（以下、「特定エンドプレート１０４Ｔ」という）とが、第１の導電体Ｌ１Ｙを介して、電気的に接続されている。これにより、第１の燃料電池スタック１００Ａと第２の燃料電池スタック１００Ｂとのそれぞれに備えられた２つの発電ブロック１０３がこの順で電気的に直列に接続されている。また、燃料電池システム１０Ｙでは、第１の燃料電池スタック１００Ａと第２の燃料電池スタック１００Ｂとが、１つの断熱容器１２Ｙにまとめて収容されている。断熱容器１２Ｙは、例えばステンレスにより形成された筐体の内側面に断熱材が設けられた構成であり、導電性を有する筐体が接地されている。

特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとの間に接続された第１の導電体Ｌ１Ｙが、接続線Ｌ２Ｙを介して、断熱容器１２Ｙの筐体に電気的に接続されている。なお、例えば接続線Ｌ２Ｙの軸方向に直交する断面の面積が第１の導電体Ｌ１Ｙの軸方向に直交する断面の面積より小さいことによって、接続線Ｌ２Ｙの固有抵抗値が、第１の導電体Ｌ１Ｙの固有抵抗値より大きくなっている。このため、燃料電池システム１０Ｙの正常な運転時では、接続線Ｌ２Ｙに電流がほとんど流れない。従って、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとの特定電位Ｖ１が、接続線Ｌ２Ｙおよび断熱容器１２Ｙの筐体を介して略ゼロ（Ｖ）に保持されている。第１の導電体Ｌ１Ｙと接続線Ｌ２Ｙとは、特許請求の範囲における導電体に相当する。

Ｂ−２．本実施形態の効果：
本実施形態の燃料電池システム１０Ｙでは、特定電位Ｖ１＝特定エンドプレート１０４Ｔの電位Ｖ２＝略０（Ｖ）であり、最高電位差は２・ＶＳ（Ｖ）（具体的には２０（Ｖ））である。したがって、燃料電池システム１０Ｙについて、上述の第１実施形態における関係式（１）が満たされる。具体的には、燃料電池システム１０Ｙの最高電位ＶＨ（最高電位の第１の燃料電池スタック１００Ａが備える第１のエンドプレート１０４の電位）は、＋ＶＳ（Ｖ）（具体的には＋２０（Ｖ））であり、燃料電池システム１０Ｙの最低電位ＶＬ（最低電位の第２の燃料電池スタック１００Ｂに備えられた集電板１８の電位）は、−ＶＳ（Ｖ）（具体的には−２０（Ｖ））である。このため、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとが特定電位Ｖ１に保持されない構成に比べて、特定集電板１８Ｔおよび特定エンドプレート１０４Ｔの電位がゼロ（Ｖ）に近くなるため、燃料電池システム１０Ｙの最高電位ＶＨを低くすることができ、最高電位差を小さくすることができる。

また、燃料電池システム１０Ｙによれば、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとが、第１の燃料電池スタック１００Ａと第２の燃料電池スタック１００Ｂとを収容する導電性の筐体に電気的に接続されることによって、特定電位Ｖ１に保持される。このため、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとを特定電位Ｖ１に保持するために専用の構成を別途要することなく、燃料電池システム１０Ｙの最高電位ＶＨを低くすることができる。

Ｂ−３．第２実施形態の変形例：
図９は、第２実施形態の変形例における燃料電池システム１０Ｚの全体構成を示す説明図である。本変形例の燃料電池システム１０Ｚでは、第１の燃料電池スタック１００Ａが第１の断熱容器１２Ｚに収容されており、第２の燃料電池スタック１００Ｂが第２の断熱容器１４Ｚに収容されている。第１の断熱容器１２Ｚと第２の断熱容器１４Ｚとは、例えばステンレスにより形成された筐体の内側面に断熱材が設けられた構成であり、導電性を有する筐体が接地されている。

特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとの間に接続された第１の導電体Ｌ１Ｙが、接続線Ｌ２Ｚを介して、第１の断熱容器１２Ｚの筐体に電気的に接続されている。なお、例えば接続線Ｌ２Ｚの軸方向に直交する断面の面積が第１の導電体Ｌ１Ｙの軸方向に直交する断面の面積より小さいことによって、接続線Ｌ２Ｚの固有抵抗値が、第１の導電体Ｌ１Ｙの固有抵抗値より大きくなっている。このため、燃料電池システム１０Ｚの正常な運転時では、接続線Ｌ２Ｚに電流がほとんど流れない。従って、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとの特定電位Ｖ１が、接続線Ｌ２Ｚおよび断熱容器１２Ｙの筐体を介して略ゼロ（Ｖ）に保持されている。第１の導電体Ｌ１Ｙと接続線Ｌ２Ｚとは、特許請求の範囲における導電体に相当する。なお、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとの間に接続された第１の導電体Ｌ１Ｙが、第２の断熱容器１４Ｚの筐体に電気的に接続されるとしてもよい。

本変形例の燃料電池システム１０Ｚによれば、上述の燃料電池システム１０Ｙと同様、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとが特定電位Ｖ１に保持されない構成に比べて、特定集電板１８Ｔおよび特定エンドプレート１０４Ｔの電位がゼロ（Ｖ）に近くなるため、燃料電池システム１０Ｚの最高電位ＶＨを低くすることができる。また、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとを特定電位Ｖ１に保持するために専用の構成を別途要することなく、燃料電池システム１０Ｚの最高電位ＶＨを低くすることができる。

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。

上記第１実施形態において、燃料電池システム１０に備えられた燃料電池スタック１００の個数は４つであったが、２つ、３つ、或いは、５つ以上であるとしてもよい。燃料電池スタック１００の個数が６つ以上である場合、特定電位に保持される２つの燃料電池スタック１００（第１の電気化学反応セルスタックおよび第２の電気化学反応セルスタック）は、特定セルスタック群に含まれることが好ましい。特定セルスタック群は、例えば燃料電池スタック１００の個数が６つである場合、６つの燃料電池スタック１００の内、発電ブロック１０３の直列接続における並び順で、真ん中に位置する１つまたは２つの燃料電池スタック１００を含み、かつ、並び順が連続する、全個数の（１／３）以下の個数（２つ）分の燃料電池スタック１００である。これにより、特定電位に保持される２つの燃料電池スタック１００が特定セルスタック群に含まれない場合に比べて、燃料電池システム１０の最高電位ＶＨを低くしつつ、燃料電池システム１０の最低電位ＶＬが低くなり過ぎることを抑制することができる。

上記第１実施形態において、燃料電池スタック１００の個数が奇数個（５つ以上）である場合、特定電位に保持される２つの燃料電池スタック１００（第１の電気化学反応セルスタックおよび第２の電気化学反応セルスタック）は、直列接続における並び順で、真ん中に位置する一の燃料電池スタック１００と、該一の燃料電池スタック１００の前または後ろの並び順である他の燃料電池スタック１００であることが好ましい。これにより、特定電位に保持される２つの燃料電池スタック１００が、略真ん中に位置しない構成に比べて、燃料電池システム１０の最高電位ＶＨを低くしつつ、燃料電池システム１０の最低電位ＶＬが低くなり過ぎることを抑制することができる。

上記第１実施形態において、第２の燃料電池スタック１００Ｂと第３の燃料電池スタック１００Ｃとを直列に接続する第２の導電体Ｌ２とは別の導電体によって、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとが燃料ガス導入管６０に接続されるとしてもよい。また、上記第１実施形態では、燃料ガス導入管６０が接地されているとしたが、上記関係式（１）が満たされる限りにおいて、燃料ガス導入管６０は接地されていなくてもよい。また、４つの燃料電池スタックのそれぞれに備えられた集電板１８と第１のエンドプレート１０４とが、導電体Ｌ１〜Ｌ３を介して接続されるとしたが、集電板１８と第１のエンドプレート１０４とが締結部材等（図示せず）によって直接連結されることによって電気的に接続されているとしてもよい。また、上記第２実施形態においても、上記関係式（１）が満たされる限りにおいて、断熱容器１２Ｙや第１の断熱容器１２Ｚは接地されていなくてもよい。

また、上記第１実施形態において、第２の導電体Ｌ２は、接続線Ｌ４を介して燃料ガス導入管６０に接続されているとしたが、第２の導電体Ｌ２は、接続線Ｌ４を介さずに、燃料ガス導入管６０に接続されているとしてもよい。また、第２の導電体Ｌ２ではなく、第１の導電体Ｌ１または第３の導電体Ｌ３が、燃料ガス導入管６０等に接続されることによって、特定電位Ｖ１に保持されるとしてもよい。また、上記第１実施形態において、接続線Ｌ４に抵抗素子５００が設けられていなくてもよい。

上記第１実施形態において、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとは、燃料ガス導入管６０に限らず、燃料オフガス排出管７０、酸化剤ガス導入管や酸化剤オフガス排出管に電気的に接続されることによって、特定電位Ｖ１に保持されるとしてもよい。要するに、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとは、燃料電池スタック１００において空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とのいずれかに連通するガス管に電気的に接続されていればよい。さらに、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとは、上記ガス管に限らず、ガス管以外の導電性の管に接続されるとしてもよい。

上記実施形態において、特定電位Ｖ１および基準電位ＶＧは、略ゼロ（Ｖ）であるとしたが、上記関係式（１）（２）が満たされる限りにおいて、略ゼロ（Ｖ）でなくてもよい。例えば、図７に示す比較例の燃料電池システム１０Ｘにおいて、基準電位ＶＧが＋３０（Ｖ）であるとする。そうすると、最高電位ＶＨは、＋８０（Ｖ）であり、第２のエンドプレート１０６に電気的に接続されている上側のナット２４（プラス側導電性部材）は略＋３０（Ｖ）であり、最高電位差は、５０（Ｖ）であり、未接続時の最高電位差と同じであり、上記関係式（１）を満たさない。一方、図１に示す本実施形態における燃料電池システム１０において、基準電位ＶＧは＋３０（Ｖ）であるとする。そうすると、特定電位Ｖ１も＋３０（Ｖ）であり、最高電位ＶＨは＋７０（Ｖ）である。その結果、燃料電池システム１０における最高電位差は、４０（Ｖ）であり、未接続時の最高電位差より小さいため、上記関係式（１）を満たす。また、燃料電池システム１０における最低電位差は１０（Ｖ）であり、上記関係式（２）を満たす。すなわち、本変形例の燃料電池システム１０によれば、比較例の燃料電池システム１０Ｘに比べて、最高電位差が小さくなっており、かつ、最低電位差が未接続時の最高電位差より大きくなることが抑制されている。なお、本変形例では、特定電位Ｖ１が＋２０（Ｖ）より大きく、かつ、＋４０（Ｖ）より小さければ、上記関係式（１）（２）の両方を満たす。

上記第１実施形態の燃料電池システム１０において、特定電位Ｖ１に保持される２つの燃料電池スタック１００は、第１の燃料電池スタック１００Ａと第２の燃料電池スタック１００Ｂとであったり、第３の燃料電池スタック１００Ｃと第４の燃料電池スタック１００Ｄとであったりする構成でもよい。これらの構成であっても、燃料電池システム１０の最高電位ＶＨを低くすることができる。

上記第１実施形態において、各燃料電池スタック１００では、燃料ガス導入管６０が、第２のエンドプレート１０６に電気的に接続されるとともに、ガス通路部材２７、下側のナット２４およびボルト２２を介して、上側のナット２４に電気的に接続される構成でもよい。このような構成では、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとは、燃料ガス導入管６０等の導電体を介して、第２の燃料電池スタック１００Ｂに備えられた第２のエンドプレート１０６に電気的に接続されている。これにより、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとが第２の燃料電池スタック１００Ｂに備えられた第２のエンドプレート１０６に電気的に接続されていない構成に比べて、第２の燃料電池スタック１００Ｂにおいて、集電板１８と第２のエンドプレート１０６との電位差が小さくなるため、集電板１８と第２のエンドプレート１０６とがショートすることを抑制することができる。また、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとは、燃料ガス導入管６０等の導電体を介して、第３の燃料電池スタック１００Ｃに備えられた上側のナット２４に電気的に接続されている。これにより、特定集電板１８Ｔと特定エンドプレート１０４Ｔとが第３の燃料電池スタック１００Ｃに備えられた上側のナット２４に電気的に接続されていない構成に比べて、第３の燃料電池スタック１００Ｃにおいて、第１のエンドプレート１０４と上側のナット２４との電位差が小さくなるため、第１のエンドプレート１０４と上側のナット２４とがショートすることを抑制することができる。

本明細書において、「出力電圧は略同一」「略同電位」は、電圧または電位が、必ずしも完全に同一である場合だけに限定されず、±５％（平均２０（Ｖ）の場合、±１（Ｖ）に相当）以下の誤差がある場合も含まれる。

上記実施形態では、各燃料電池スタック１００において、第１のエンドプレート１０４と上側のナット２４とがシール材５２を介して絶縁された構成であったが、発電ブロック１０３と第１のエンドプレート１０４との間に、別途、ターミナルプレートが備えられ、第１のエンドプレート１０４とターミナルプレートとの間にガラスが配置された構成でもよい。このような構成の燃料電池システムでも、本発明を適用することにより、燃料電池システムの最高電位を低くすることができる。また、燃料電池システムの最高電位が低いため、第１のエンドプレート１０４とターミナルプレートとの電位差が大きくなることに起因して絶縁部材が破損されることが抑制され、また、第１のエンドプレート１０４とターミナルプレートとが短絡することが抑制される。

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の平板形の単セル１１０が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば国際公開第２０１２／１６５４０９号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。

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、貫通孔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、各電解単セル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、貫通孔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単セルにおいても、本発明を適用することにより、スタック接続体の最高電位を低くすることができる。

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、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。

１０，１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚ：燃料電池システム １２Ｙ：断熱容器 １２Ｚ：第１の断熱容器 １４：第１の突出部 １４Ｚ：第２の断熱容器 １６：第２の突出部 １８：集電板 １８Ｔ：特定集電板 ２２：ボルト ２４：ナット ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 ５２：シール材 ５３：シール材 ５７：絶縁材 ６０：燃料ガス導入管 ６２：共通部 ６４：分岐部 ７０：燃料オフガス排出管 ７２：共通部 ７４：分岐部 １００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０３：発電ブロック １０４，１０６：エンドプレート １０４Ｔ：特定エンドプレート １０８：貫通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：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 ５００：抵抗素子 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス Ｌ１，Ｌ１Ｙ：第１の導電体 Ｌ２：第２の導電体 Ｌ２Ｙ，Ｌ２Ｚ，Ｌ４：接続線 Ｌ３：第３の導電体 ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス Ｖ１：特定電位 Ｖ２：電位 ＶＡ：システム電圧 ＶＧ：基準電位 ＶＨ：最高電位 ＶＬ：最低電位 ＶＳ：スタック電圧

Claims (5)

1. 複数の電気化学反応セルスタックを備えるスタック接続体であって、
   各前記電気化学反応セルスタックは、
   電解質層と空気極と燃料極とをそれぞれ含む単セルが、第１の方向に複数並べて配置されたセルブロックと、
   前記セルブロックに対して、前記第１の方向の一方側に配置され、前記空気極に電気的に接続されるプラス極部材と、
   前記プラス極部材に対して前記セルブロックとは反対側に配置され、導電性を有するプラス側導電性部材と、
   前記プラス極部材と前記プラス側導電性部材との間に配置され、絶縁性を有するプラス側絶縁部材と、
   前記第１の方向の他方側に配置され、前記燃料極に電気的に接続されるマイナス極部材と、
   前記マイナス極部材に対して前記セルブロックとは反対側に配置され、導電性を有し、前記プラス側導電性部材に電気的に接続されるマイナス側導電性部材と、
   前記マイナス極部材と前記マイナス側導電性部材との間に配置され、絶縁性を有するマイナス側絶縁部材と、
   を備えており、
   前記複数の電気化学反応セルスタックのそれぞれに備えられた複数の前記セルブロックが電気的に直列に接続されるとともに、前記複数の電気化学反応セルスタックのそれぞれに備えられた前記マイナス側導電性部材が互いに電気的に接続されるスタック接続体において、
   前記複数の電気化学反応セルスタックの内、第１の電気化学反応セルスタックに備えられた前記マイナス極部材である特定マイナス極部材と、第２の電気化学反応セルスタックに備えられ、前記特定マイナス極部材に電気的に接続される前記プラス極部材である特定プラス極部材とが導電体を介して特定電位に保持されることにより、
   前記特定電位に、最高電位の前記プラス極部材と前記特定マイナス極部材との電位差を加算した電位が、前記最高電位の前記プラス極部材の電位とされ、
   前記特定電位から、前記特定プラス極部材と最低電位の前記マイナス極部材との電位差を減算した電位が、前記最低電位の前記マイナス極部材の電位とされており、
   前記最高電位の前記プラス極部材の電位と前記プラス側導電性部材の電位との差の絶対値は、前記複数の電気化学反応セルスタックの合計電圧と前記プラス側導電性部材の電位との差の絶対値より小さく、
   かつ、前記最低電位の前記マイナス極部材の電位と前記マイナス側導電性部材の電位との差の絶対値は、前記複数の電気化学反応セルスタックの合計電圧と前記マイナス側導電性部材の電位との差の絶対値より小さいことを特徴とする、スタック接続体。
2. 請求項１に記載のスタック接続体において、さらに、
   前記各電気化学反応セルスタックに接続される導電性の管を備え、
   前記特定マイナス極部材と前記特定プラス極部材とは、前記導電体を介して前記管に電気的に接続されることによって前記特定電位に保持されていることを特徴とする、スタック接続体。
3. 請求項１または請求項２に記載のスタック接続体において、
   前記スタック接続体は、さらに、
   前記複数の電気化学反応セルスタックの少なくとも１つを収容する導電性の筐体を備え、
   前記特定マイナス極部材と前記特定プラス極部材とは、前記導電体を介して前記筐体に電気的に接続されることによって前記特定電位に保持されていることを特徴とする、スタック接続体。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のスタック接続体において、
   前記複数の電気化学反応セルスタックの全個数は、６つ以上であり、
   前記複数の電気化学反応セルスタックの内、前記セルブロックの直列接続における並び順で、真ん中に位置する１つまたは２つの前記電気化学反応セルスタックを含み、且つ、前記並び順が連続する、全個数の１／３以下の複数の前記電気化学反応セルスタックを、特定セルスタック群とするとき、
   前記第１の電気化学反応セルスタックおよび前記第２の電気化学反応セルスタックは、前記特定セルスタック群に含まれることを特徴とする、スタック接続体。
5. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のスタック接続体において、
   前記複数の電気化学反応セルスタックの全個数が４以上の偶数個である場合、前記第１の電気化学反応セルスタックおよび前記第２の電気化学反応セルスタックは、前記セルブロックの直列接続における並び順で、真ん中に位置する一対の電気化学反応セルスタックであり、
   前記複数の電気化学反応セルスタックの全個数が５以上の奇数個である場合、前記第１の電気化学反応セルスタックおよび前記第２の電気化学反応セルスタックは、直列接続における並び順で、真ん中に位置する一の電気化学反応セルスタックと、前記一の電気化学反応セルスタックの前または後ろの並び順である他の電気化学反応セルスタックとであることを特徴とする、スタック接続体。

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