JP2019186147A - 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】集電部材の重量の増加を抑制しつつガス室の高さを一定以上確保し、集電部材の製造容易性を向上させ、かつ、単セルの割れが発生することを効果的に抑制する。【解決手段】電気化学反応単位は、単セルと、単セルの特定電極側に配置されたインターコネクタと、インターコネクタと特定電極との間に配置された集電部材とを備える。集電部材は、インターコネクタの表面に接する板状であり、貫通孔が形成されたベース部と、第１の方向視でベース部の貫通孔と重なるように配置され、特定電極の表面に接する板状の複数のセル接触部と、各セル接触部とベース部とを結ぶ連接部とを含む。電気化学反応単位は、さらに、弾性体により構成され、第１の方向において、ベース部の貫通孔内に収容され、かつ、インターコネクタの表面から各セル接触部の表面まで延びる形状のスペーサを備える。【選択図】図７

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、隣り合う他の発電単位との電気的接続を確保しつつ反応ガスの混合を防止する板状のインターコネクタと、インターコネクタと空気極との間に配置されて両者を電気的に接続する空気極側集電部材とを備える。従来、空気極側集電部材として複数の略四角柱状の導電性部材を用い、かつ、インターコネクタと該空気極側集電部材とが一体部材とされた構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。この構成では、該一体部材の内、平板形の部分がインターコネクタとして機能し、該平板形の部分から空気極に向けて突出するように形成された複数の凸部が空気極側集電部材として機能する。

特開２０１８−４１５７０号公報

発電単位において、空気極に面する空気室におけるガス拡散性の低下を抑制したり、圧損の増大を抑制したりするためには、空気室の高さをある程度以上確保することが好ましい。上記従来のインターコネクタおよび空気極側集電部材の構成において、空気室の高さをある程度以上確保するために空気極側集電部材の高さをある程度以上にすると、空気極側集電部材の重量が増加し、その結果、例えば熱容量が大きくなって装置の起動性が低下するという課題がある。また、上記従来のインターコネクタと空気極側集電部材との一体部材は、一般に、プレス加工により作製されるため、空気極側集電部材の高さをある程度以上にするためには、プレス圧を大きくしたりプレス時間を長くしたりする必要があり、製造容易性の点で課題がある。

なお、このような課題は、インターコネクタと空気極との間に配置された空気極側集電部材に限らず、インターコネクタと燃料極との間に配置された燃料極側集電部材にも共通の課題である。また、このような課題は、燃料電池発電単位に限らず、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、固体酸化物形に限らず、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、前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側に配置された板状のインターコネクタと、前記インターコネクタと前記特定電極との間に配置された導電性の集電部材と、を備える電気化学反応単位において、前記集電部材は、前記インターコネクタの表面に接する板状であり、前記第１の方向に延びる貫通孔が形成されたベース部と、前記第１の方向視で前記ベース部の前記貫通孔と重なるように配置され、前記特定電極の表面に接する板状の複数のセル接触部と、各前記セル接触部の端部と前記ベース部における前記貫通孔に面する端部とを結ぶ連接部と、を含み、前記電気化学反応単位は、さらに、弾性体により構成され、前記第１の方向において、前記ベース部の前記貫通孔内に収容され、かつ、前記インターコネクタの表面から各前記セル接触部の表面まで延びる形状のスペーサを備える。

本電気化学反応単位は、板状のインターコネクタと、インターコネクタと特定電極との間に配置された導電性の集電部材とを備える。集電部材は、インターコネクタの表面に接する板状のベース部と、特定電極の表面に接する板状の複数のセル接触部と、各セル接触部とベース部とを結ぶ連接部とを含む。そのため、本電気化学反応単位によれば、連接部の長さや角度を調整することによってベース部とセル接触部との間の距離を一定以上とすることにより、集電部材の重量の増加を抑制しつつ容易にガス室の高さを一定以上確保することができる。また、このような構成の集電部材は、例えば平板材料に対する打ち抜き加工や折り曲げ加工を行うことにより容易に作製することができるため、製造容易性の点でも優れている。

ただし、このような集電部材の構成では、集電部材の各位置における剛性（変形のしにくさ）が均一ではなくなる。具体的には、連接部の位置における集電部材の剛性が、セル接触部の位置における集電部材の剛性と比較して高くなる。そのため、電気化学反応単位に対して第１の方向の荷重が与えられると、集電部材の連接部付近に応力が集中し、これに起因して電気化学反応単セルの割れが発生するおそれがある。

しかしながら、本電気化学反応単位は、弾性体により構成されたスペーサを備える。スペーサは、第１の方向において、集電部材のベース部の貫通孔内に収容されており、かつ、インターコネクタの表面から各セル接触部の表面まで延びる形状である。そのため、スペーサの存在により、集電部材の各セル接触部の剛性が補われ、その結果、連接部付近に応力が集中することを抑制することができ、電気化学反応単セルの割れが発生することを抑制することができる。

さらに、本電気化学反応単位では、スペーサは、第１の方向においてインターコネクタの表面から各セル接触部の表面まで延びるような形状となっており、ベース部と重なっていない（ベース部に乗り上げていない）。そのため、スペーサがベース部に乗り上げた構成と比較して、集電部材の各位置での応力の集中を効果的に抑制することができ、電気化学反応単セルの割れが発生することを効果的に抑制することができる。

このように、本電気化学反応単位によれば、集電部材の重量の増加を抑制しつつガス室の高さを一定以上確保することができ、また、集電部材の製造容易性を向上させることができると共に、電気化学反応単セルの割れが発生することを効果的に抑制することができる。

（２）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向における前記ベース部の厚さは、前記第１の方向における前記電気化学反応単セルの厚さの１０分の１以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位では、第１の方向におけるベース部の厚さが比較的厚い。ベース部の厚さが比較的厚い構成において、スペーサがベース部に乗り上げていると、スペーサがベース部に乗り上げた位置付近で応力が特に集中しやすい。本電気化学反応単位では、スペーサが、第１の方向においてインターコネクタの表面から各セル接触部の表面まで延びるような形状となっており、ベース部に乗り上げていないため、ベース部の厚さが比較的厚い構成においても、集電部材の各位置での応力の集中を効果的に抑制することができ、電気化学反応単セルの割れが発生することを効果的に抑制することができる。

（３）上記電気化学反応単位において、各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、前記スペーサは、前記第２の方向に沿った移動が規制されるように、前記ベース部の前記貫通孔の内周面に当接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、第２の方向におけるスペーサの位置ずれを抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、スペーサが第２の方向に位置ずれして一部のセル接触部と接しなくなり、該セル接触部に対応する連接部付近に応力が集中して電気化学反応単セルの割れが発生する、という事態の発生を抑制することができる。

（４）上記電気化学反応単位において、各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、前記スペーサは、前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向に沿った移動が規制されるように、前記ベース部の前記貫通孔の内周面に当接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、第３の方向におけるスペーサの位置ずれを抑制することができる。スペーサが、第３の方向において連接部に近付く側にずれると、スペーサにより連接部の位置における剛性が高くなるため、連接部付近に応力が集中して電気化学反応単セルの割れが発生するおそれがある。反対に、スペーサが、第３の方向において連接部から遠ざかる側にずれると、スペーサによるセル接触部の位置における剛性の補強効果が低下するため、やはり連接部付近に応力が集中して電気化学反応単セルの割れが発生するおそれがある。本電気化学反応単位によれば、第３の方向におけるスペーサの位置ずれを抑制することができるため、電気化学反応単セルの割れが発生することを効果的に抑制することができる。

（５）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向において、前記インターコネクタと前記セル接触部における前記連接部側の一部分との間に、前記スペーサが存在しない空間が確保されている構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、スペーサが集電部材の連接部と干渉することを確実に抑制することができ、そのような干渉によってスペーサに圧縮以外の応力（せん断応力等）が加わってスペーサが損傷することを抑制することができる。

（６）上記電気化学反応単位において、各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向における各前記セル接触部の前記連接部との境界とは反対側の端部は、前記第１の方向視で、前記スペーサと重なっている構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、スペーサの存在により、集電部材のセル接触部と特定電極との間の接触性（集電性）を向上させることができ、電気化学反応単位の電気的性能を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、各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向における各前記セル接触部の前記連接部との境界とは反対側の端部は、前記第１の方向視で、前記スペーサと重なっていない構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、スペーサの厚さにばらつきがあっても、各セル接触部における連接部との境界とは反対側の端部付近において応力が集中することを抑制することができ、電気化学反応単セルの割れが発生することを抑制することができる。

（８）上記電気化学反応単位において、各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、前記ベース部には、前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向に並んで配置された複数の前記貫通孔が形成されており、前記電気化学反応単位は、前記複数の貫通孔に対応して設けられた、互いに離間した複数の前記スペーサを備える構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、複数の貫通孔に対応して設けられた複数のスペーサが互いに連結されている構成と比較して、スペーサによりガス室におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができ、ガス拡散性を向上させたり、圧損を低減させたりすることができる。

（９）上記電気化学反応単位において、各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、各前記セル接触部の前記第２の方向に沿った幅は、前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向に沿った幅より小さい構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第１の方向視で集電部材の全体面積に対して、集電機能を発揮するセル接触部の面積の合計を大きくしつつ、主たるガス流路となる面積を大きくすることができるため、電気化学反応単位の性能をさらに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ＸＺ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ＸＺ断面構成を示す説明図である。 図７および図８のＶＩ−ＶＩ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〜図６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〜図６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。 第２実施形態における発電単位１０２ａの構成を概略的に示す説明図である。 第１の変形例における空気極側集電部材１３４の構成を概略的に示す説明図である。 第２の変形例における空気極側集電部材１３４の構成を概略的に示す説明図である。 第３の変形例における空気極側集電部材１３４の構成を概略的に示す説明図である。

Ａ．第１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７および図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７および図８）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。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軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。

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、単に「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。

図１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、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸方向回りの外周の４つの角部周辺には、各層を上下方向に貫通する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ボルト孔１０９を構成している。各ボルト孔１０９にはボルト２２が挿入されており、各ボルト２２および図示しないナットによって燃料電池スタック１００は締結されている。

また、図１〜図３に示すように、各発電単位１０２のＺ軸方向回りの外周辺の付近には、各発電単位１０２を上下方向に貫通する孔が形成されており、各発電単位１０２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、複数の発電単位１０２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を構成するために各発電単位１０２に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。

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）の付近に位置する連通孔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）の付近に位置する連通孔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の外部へと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。酸化剤ガスＯＧとしては、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導入マニホールド１７１として機能し、上述した酸化剤ガス導入マニホールド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の外部へと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。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。

（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。図２および図３に示すように、下側のエンドプレート１０６には、４つの流路用貫通孔１０７が形成されている。４つの流路用貫通孔１０７は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド１６１、酸化剤ガス排出マニホールド１６２、燃料ガス導入マニホールド１７１、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。

（ガス通路部材２７等の構成）
図２および図３に示すように、燃料電池スタック１００は、さらに、下側のエンドプレート１０６に対して複数の発電単位１０２とは反対側（すなわち、下側）に配置された４つのガス通路部材２７を備える。４つのガス通路部材２７は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド１６１、酸化剤ガス排出マニホールド１６２、燃料ガス導入マニホールド１７１、燃料ガス排出マニホールド１７２と上下方向に重なる位置に配置されている。各ガス通路部材２７は、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７に連通する孔が形成された本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した筒状の分岐部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。なお、各ガス通路部材２７の本体部２８とエンドプレート１０６との間には、絶縁シート２６が配置されている。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。

（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ＸＺ断面構成を示す説明図であり、図６は、後述する図７および図８のＶＩ−ＶＩ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７は、図４〜図６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〜図６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〜図６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、空気極側集電部材１３４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、上述した各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する連通孔１０８を構成する孔や、各ボルト孔１０９を構成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間の電気的接続を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止するための部材である。本実施形態では、インターコネクタ１５０における後述する空気極１１４に対向する側の表面が、導電性のコート１５１によって覆われている。コート１５１は、例えば、Ｍｎ_２ＣｏＯ_４やＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎＣｏＯ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４といったスピネル型酸化物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１５１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１５１の存在により、インターコネクタ１５０から空気極１１４側へのＣｒ（クロム）の放出・拡散が抑制され、空気極１１４の表面にＣｒが付着して空気極１１４での電極反応速度が低下する「空気極１１４のＣｒ被毒」と呼ばれる現象の発生が抑制される。以下の説明では、特記しない限り、「インターコネクタ１５０」は、「コート１５１に覆われたインターコネクタ１５０」を意味する。また、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）。

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、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。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））により形成されている。本実施形態における空気極１１４は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。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。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、ステンレス等の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。なお、単セル１１０とセパレータ１２０との接合箇所付近に、空気室１６６と燃料室１７６との間をシールするシール部材（例えば、ガラスシール部材）がさらに設けられてもよい。

図４〜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に形成された孔１３１によって、空気極１１４に面する空気室１６６が構成される。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０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。

図４〜図６および図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孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、ステンレス等の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に形成された孔１４１によって、燃料極１１６に面する燃料室１７６が構成される。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。

図４〜図７に示すように、空気極側集電部材１３４は、インターコネクタ１５０と単セル１１０の空気極１１４との間に配置された導電性部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電部材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部材１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電部材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。空気極側集電部材１３４の構成については、後にさらに詳述する。

なお、本実施形態では、空気極側集電部材１３４は、上述したインターコネクタ１５０を覆うコート１５１と同様の導電性のコート３８によって覆われている。これにより、空気極側集電部材１３４からのＣｒの放出・拡散が抑制され、空気極１１４のＣｒ被毒の発生が抑制される。以下の説明では、特記しない限り、「空気極側集電部材１３４」は、「コート３８に覆われた空気極側集電部材１３４」を意味する。また、本実施形態では、空気極側集電部材１３４と空気極１１４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、Ｍｎ_２ＣｏＯ_４やＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎＣｏＯ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４といったスピネル型酸化物により形成されている。接合層１３８は、例えば、接合層用ペーストを空気極側集電部材１３４に印刷し、該接合層用ペーストを空気極１１４の表面に押し付けた状態で所定の条件で焼成を行うことにより、形成することができる。本明細書において、空気極側集電部材１３４が空気極１１４の表面に接するとは、空気極側集電部材１３４と空気極１１４との間を接合する接合層１３８を介して両者が接する状態を含む。

図４〜図６および図８に示すように、燃料極側集電部材１４４は、インターコネクタ１５０と単セル１１０の燃料極１１６との間に配置された導電性部材であり、例えば、ニッケルまたはニッケル合金の箔またはメッシュ等により形成されている。燃料極側集電部材１４４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における燃料極側集電部材１４４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１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。燃料極側集電部材１４４の構成については、後にさらに詳述する。

なお、燃料極側集電部材１４４と燃料極１１６とは、導電性の接合層により接合されていてもよく、その場合には、燃料極側集電部材１４４が燃料極１１６の表面に接するとは、燃料極側集電部材１４４と燃料極１１６との間を接合する接合層を介して両者が接する状態を含む。

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２、図４および図７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、本体部２８、および、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７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８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、本体部２８、および、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７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は空気極側集電部材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は燃料極側集電部材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、図４および図７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、さらに下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、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８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、さらに下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、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、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、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向（図７に示すように、Ｘ軸正方向側からＸ軸負方向側に向かう方向）と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（図８に示すように、Ｘ軸負方向側からＸ軸正方向側に向かう方向）とが、略反対方向（互いに対向する方向）となっている。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、カウンターフロータイプのＳＯＦＣである。

Ａ−３．燃料極側集電部材１４４の詳細構成：
次に、燃料極側集電部材１４４の詳細構成について説明する。図４〜図６および図８に示すように、燃料極側集電部材１４４は、ベース部１４６と、複数のセル接触部１４５と、複数の連接部１４７とを有している。

燃料極側集電部材１４４のベース部１４６は、インターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６、以下同様）における燃料極１１６に対向する側の表面に接し、かつ、インターコネクタ１５０と電気的に接続された板状部分である。ベース部１４６は、例えばレーザ溶接や抵抗溶接によって、インターコネクタ１５０に接合されている。ベース部１４６には、ベース部１４６を厚さ方向に貫通する（すなわち、Ｚ軸方向に延びる）複数の貫通孔４０が形成されている。

燃料極側集電部材１４４の各セル接触部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し、かつ、燃料極１１６と電気的に接続された板状部分である。Ｚ軸方向視での各セル接触部１４５の形状は、略矩形である。また、複数のセル接触部１４５は、Ｚ軸方向視で、Ｘ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されている。各セル接触部１４５は、Ｚ軸方向においてベース部１４６と重なるように配置されている。

燃料極側集電部材１４４の各連接部１４７は、各セル接触部１４５の端部とベース部１４６における貫通孔４０に面する端部とを結ぶ板状部分である。

このように、燃料極側集電部材１４４は、インターコネクタ１５０と電気的に接続されたベース部１４６と、燃料極１１６と電気的に接続された複数のセル接触部１４５と、各セル接触部１４５とベース部１４６とを結ぶ連接部１４７とを有するため、上述したように、燃料極１１６とインターコネクタ１５０との間を電気的に接続する。

このような構成の燃料極側集電部材１４４は、例えば、図８における部分拡大図に示すように、燃料極側集電部材１４４作製用の平板材料に対して打ち抜き加工を行うことによって、完成状態において各セル接触部１４５および各連接部１４７となる矩形領域のそれぞれの３辺に切り込みを入れ、次に、打ち抜き加工後の平板材料に対して折り曲げ加工を行うことによって各セル接触部１４５および各連接部１４７を形成することにより、作製することができる。なお、図８における部分拡大図では、燃料極側集電部材１４４の作製方法を示すため、一部、折り曲げ加工前の状態が示されている。

燃料極側集電部材１４４の各セル接触部１４５とベース部１４６との間には、例えばマイカ等の弾性材料（弾性体）により形成された燃料極側スペーサ１４９が配置されている。燃料極側スペーサ１４９の存在により、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。

Ａ−４．空気極側集電部材１３４の詳細構成：
次に、空気極側集電部材１３４の詳細構成について説明する。図４〜図７に示すように、空気極側集電部材１３４は、ベース部１３６と、複数のセル接触部１３５と、複数の連接部１３７とを有している。

空気極側集電部材１３４のベース部１３６は、インターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４、以下同様）における空気極１１４に対向する側の表面に接し、かつ、インターコネクタ１５０と電気的に接続された板状部分である。本実施形態では、ベース部１３６の厚さ（Ｚ軸方向における大きさ）は、単セル１１０の厚さの１０分の１以上である。なお、ベース部１３６の厚さは、空気室１６６の高さ（空気極１１４の表面からインターコネクタ１５０の表面までの距離）の２分の１以下であることが好ましい。ベース部１３６の厚さは、例えば、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。ベース部１３６は、例えばレーザ溶接や抵抗溶接により、インターコネクタ１５０に接合されている。ベース部１３６には、ベース部１３６を厚さ方向に貫通する（すなわち、Ｚ軸方向に延びる）複数の貫通孔３０が形成されている。図７に示すように、本実施形態では、ベース部１３６に形成された各貫通孔３０は、Ｘ軸方向に長い形状の孔である。また、ベース部１３６において、複数の貫通孔３０はＹ軸方向に並ぶように配置されている。

空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５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に接し、かつ、空気極１１４と電気的に接続された板状部分である。Ｚ軸方向視での各セル接触部１３５の形状は、略矩形である。また、複数のセル接触部１３５は、Ｚ軸方向視で、Ｘ方向およびＹ方向に沿った格子状に配置されている。各セル接触部１３５は、Ｚ軸方向においてベース部１３６に形成された貫通孔３０と重なるように配置されている。本実施形態では、各セル接触部１３５のＸ軸方向に沿った幅Ｗ１は、Ｙ軸方向に沿った幅Ｗ２より小さい。また、各セル接触部１３５のＹ軸正方向側の端部３３は、何にも固定・接続されていない自由端となっている。Ｘ軸方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当し、Ｙ軸方向は、特許請求の範囲における第３の方向に相当する。

空気極側集電部材１３４の各連接部１３７は、各セル接触部１３５におけるＹ軸負方向側の端部３２と、ベース部１３６における貫通孔３０に面する端部３１と、を結ぶ板状部分である。各連接部１３７は、セル接触部１３５やベース部１３６と平行ではない。すなわち、各連接部１３７は、Ｚ軸方向に直交する仮想平面（ＸＹ平面）に交差するような板状である。また、各連接部１３７と各セル接触部１３５との境界は、Ｘ軸方向に略平行となっている。

このように、空気極側集電部材１３４は、インターコネクタ１５０と電気的に接続されたベース部１３６と、空気極１１４と電気的に接続された複数のセル接触部１３５と、各セル接触部１３５とベース部１３６とを結ぶ連接部１３７とを有するため、上述したように、空気極１１４とインターコネクタ１５０との間を電気的に接続する。

このような構成の空気極側集電部材１３４は、例えば、空気極側集電部材１３４作製用の平板部材に対して打ち抜き加工を行うことによって、完成状態において各セル接触部１３５および各連接部１３７となる部分を残しつつ各貫通孔３０の外形に対応する孔をあけ、次に、孔あけ後の平板部材に対して折り曲げ加工を行うことによって各セル接触部１３５および各連接部１３７を形成することにより、作製することができる。

空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５とインターコネクタ１５０との間には、空気極側スペーサ１３９が配置されている。空気極側スペーサ１３９は、略直方体形状の部材であり、例えばマイカ等の弾性材料（弾性体）により形成されている。なお、本明細書において、弾性材料（弾性体）とは、ヤング率が１００ＧＰａ以下の材料を意味する。本実施形態では、Ｘ軸方向に並ぶ複数のセル接触部１３５により構成されるグループのそれぞれに対して１つの空気極側スペーサ１３９が設けられている。セル接触部１３５の各グループに対応する各空気極側スペーサ１３９は、互いに離間している。

図６および図７に示すように、各空気極側スペーサ１３９は、Ｚ軸方向において、インターコネクタ１５０の表面から各セル接触部１３５の表面まで延びるような形状となっている。各空気極側スペーサ１３９（より詳細には、空気極側スペーサ１３９におけるインターコネクタ１５０側の一部分）は、Ｚ軸方向において、空気極側集電部材１３４のベース部１３６に形成された貫通孔３０内に収容されている。すなわち、各空気極側スペーサ１３９は、Ｚ軸方向において、空気極側集電部材１３４のベース部１３６と重なっていない（ベース部１３６に乗り上げていない）。

また、図７に示すように、各空気極側スペーサ１３９は、Ｘ軸方向において、空気極側集電部材１３４のベース部１３６に形成された貫通孔３０の一方の端部から他方の端部まで延びるような形状となっている。そのため、各空気極側スペーサ１３９は、Ｘ軸正方向およびＸ軸負方向において貫通孔３０の内周面に当接している。すなわち、各空気極側スペーサ１３９は、Ｘ軸方向に沿った移動が規制されるように、貫通孔３０の内周面に当接している。なお、本明細書において、２つの部材が当接しているとは、該２つの部材が接触している態様に限られず、該２つの部材の間の距離の最小値が１ｍｍ以下であることを意味する。各空気極側スペーサ１３９と貫通孔３０の内周面との間の距離の最小値が１ｍｍ以下であれば、各空気極側スペーサ１３９のＸ軸方向に沿った移動が規制されると言える。

また、図７に示すように、ベース部１３６に形成された各貫通孔３０におけるＹ軸正方向側の部分は、Ｘ軸方向の幅が他の部分より広い幅広部３４を構成しており、各空気極側スペーサ１３９は、Ｙ軸方向において、貫通孔３０の幅広部３４の一方の端部から他方の端部まで延びるような形状となっている。そのため、各空気極側スペーサ１３９は、Ｙ軸正方向において貫通孔３０の幅広部３４の内周面に当接し、かつ、Ｙ軸負方向において貫通孔３０の幅広部３４の内周面（幅広部３４と他の部分との境界面）に当接している。すなわち、各空気極側スペーサ１３９は、Ｙ軸方向に沿った移動が規制されるように、貫通孔３０（の幅広部３４）の内周面に当接している。上述したように、本明細書において、２つの部材が当接しているとは、該２つの部材が接触している態様に限られず、該２つの部材の間の距離の最小値が１ｍｍ以下であることを意味する。各空気極側スペーサ１３９と貫通孔３０（の幅広部３４）の内周面との間の距離の最小値が１ｍｍ以下であれば、各空気極側スペーサ１３９のＹ軸方向に沿った移動が規制されると言える。

また、各空気極側スペーサ１３９は上述のような構成であるため、空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５における連接部１３７との境界とは反対側の端部（自由端）３３は、Ｚ軸方向視で空気極側スペーサ１３９と重なっている（図６および図７参照）。また、Ｚ軸方向において、インターコネクタ１５０と空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５における連接部１３７側の一部分との間には、空気極側スペーサ１３９が存在しない空間３９が確保されている（図６参照）。換言すれば、Ｚ軸方向において、インターコネクタ１５０と空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５における連接部１３７側の一部分との間には空間３９が存在し、該空間３９には、空気極側スペーサ１３９を含めて何らかの部材が存在しない。すなわち、空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５における連接部１３７側の一部分は、Ｚ軸方向において、他の部材を介さずにインターコネクタ１５０に対向している（面している）。

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を構成する各発電単位１０２は、単セル１１０と、インターコネクタ１５０と、空気極側集電部材１３４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とを含む。インターコネクタ１５０は、単セル１１０の空気極１１４側に配置された板状の部材である。空気極側集電部材１３４は、インターコネクタ１５０と空気極１１４との間に配置された導電性の部材である。空気極側集電部材１３４は、ベース部１３６と、複数のセル接触部１３５と、連接部１３７とを含む。ベース部１３６は、インターコネクタ１５０の表面に接する板状の部材であり、Ｚ軸方向に延びる貫通孔３０が形成されている。各セル接触部１３５は、Ｚ軸方向視でベース部１３６の貫通孔３０と重なるように配置され、かつ、空気極１１４の表面に接する板状の部材である。連接部１３７は、各セル接触部１３５の端部３２とベース部１３６における貫通孔３０に面する端部３１とを結ぶ部材である。また、発電単位１０２は、さらに、弾性体により構成された空気極側スペーサ１３９を備える。空気極側スペーサ１３９は、Ｚ軸方向において、ベース部１３６の貫通孔３０内に収容されており、かつ、インターコネクタ１５０の表面から各セル接触部１３５の表面まで延びる形状となっている。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、上述した構成であるため、以下に説明するように、空気極側集電部材１３４の重量の増加を抑制しつつ空気室１６６の高さを一定以上確保することができ、また、空気極側集電部材１３４の製造容易性を向上させることができると共に、単セル１１０の割れが発生することを効果的に抑制することができる。

発電単位１０２において、空気極１１４に面する空気室１６６におけるガス拡散性の低下を抑制したり、圧損の増大を抑制したりするためには、空気室１６６の高さをある程度以上確保することが好ましい。空気極側集電部材として複数の略四角柱状の導電性部材を用いる従来の構成において、空気室１６６の高さをある程度以上確保するために空気極側集電部材の高さをある程度以上にすると、空気極側集電部材の重量が増加し、その結果、例えば熱容量が大きくなって装置の起動性が低下するという課題がある。また、インターコネクタと空気極側集電部材とが一体部材とされた従来の構成では、該一体部材をプレス加工により作製する際に、空気極側集電部材の高さをある程度以上にするためには、プレス圧を大きくしたりプレス時間を長くしたりする必要があり、製造容易性の点で課題がある。

これに対し、本実施形態の発電単位１０２は、板状のインターコネクタ１５０と、インターコネクタ１５０と空気極１１４との間に配置された導電性の空気極側集電部材１３４とを備える。空気極側集電部材１３４は、インターコネクタ１５０の表面に接する板状のベース部１３６と、空気極１１４の表面に接する板状の複数のセル接触部１３５と、各セル接触部１３５とベース部１３６とを結ぶ連接部１３７とを含む。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、連接部１３７の長さや角度を調整することによってベース部１３６とセル接触部１３５との間の距離を一定以上とすることにより、空気極側集電部材１３４の重量の増加を抑制しつつ容易に空気室１６６の高さを一定以上確保することができる。また、このような構成の空気極側集電部材１３４は、例えば平板材料に対する打ち抜き加工や折り曲げ加工を行うことにより容易に作製することができるため、製造容易性の点でも優れている。

ただし、本実施形態における空気極側集電部材１３４の構成では、空気極側集電部材１３４の各位置における剛性（変形のしにくさ）が均一ではなくなる。具体的には、連接部１３７の位置における空気極側集電部材１３４の剛性が、セル接触部１３５の（特に自由端３３に近い）位置における空気極側集電部材１３４の剛性と比較して高くなる。そのため、発電単位１０２（燃料電池スタック１００）に対してＺ軸方向の荷重が与えられると、空気極側集電部材１３４の連接部１３７付近に応力が集中し、これに起因して単セル１１０の割れが発生するおそれがある。

しかしながら、本実施形態の発電単位１０２は、弾性体により構成された空気極側スペーサ１３９を備える。空気極側スペーサ１３９は、Ｚ軸方向において、空気極側集電部材１３４のベース部１３６の貫通孔３０内に収容されており、かつ、インターコネクタ１５０の表面から各セル接触部１３５の表面まで延びる形状である。そのため、空気極側スペーサ１３９の存在により、空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５の剛性が補われ、その結果、連接部１３７付近に応力が集中することを抑制することができ、単セル１１０の割れが発生することを抑制することができる。

さらに、本実施形態の発電単位１０２では、空気極側スペーサ１３９は、Ｚ軸方向においてインターコネクタ１５０の表面から各セル接触部１３５の表面まで延びるような形状となっており、ベース部１３６と重なっていない（ベース部１３６に乗り上げていない）。そのため、空気極側スペーサ１３９がベース部１３６に乗り上げた構成と比較して、空気極側集電部材１３４の各位置での応力の集中を効果的に抑制することができ、単セル１１０の割れが発生することを効果的に抑制することができる。

このように、本実施形態の発電単位１０２によれば、空気極側集電部材１３４の重量の増加を抑制しつつ空気室１６６の高さを一定以上確保することができ、また、空気極側集電部材１３４の製造容易性を向上させることができると共に、単セル１１０の割れが発生することを効果的に抑制することができる。

特に、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向における空気極側集電部材１３４のベース部１３６の厚さが、単セル１１０の厚さの１０分の１以上と比較的厚い。ベース部１３６の厚さが比較的厚い構成において、空気極側スペーサ１３９がベース部１３６に乗り上げていると、空気極側スペーサ１３９がベース部１３６に乗り上げた位置付近で応力が特に集中しやすい。上述したように、本実施形態の発電単位１０２では、空気極側スペーサ１３９が、Ｚ軸方向においてインターコネクタ１５０の表面から各セル接触部１３５の表面まで延びるような形状となっており、ベース部１３６に乗り上げていないため、ベース部１３６の厚さが比較的厚い構成においても、空気極側集電部材１３４の各位置での応力の集中を効果的に抑制することができ、単セル１１０の割れが発生することを効果的に抑制することができる。

また、本実施形態の発電単位１０２では、空気極側スペーサ１３９は、Ｘ軸方向（Ｚ軸方向に直交する方向の内、各セル接触部１３５と各連接部１３７との境界の延伸方向）に沿った移動が規制されるように、ベース部１３６の貫通孔３０の内周面に当接している。そのため、本実施形態の燃料電池発電単位１０２によれば、Ｘ軸方向における空気極側スペーサ１３９の位置ずれを抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池発電単位１０２によれば、空気極側スペーサ１３９がＸ軸方向に位置ずれして一部のセル接触部１３５と接しなくなり、該セル接触部１３５に対応する連接部１３７付近に応力が集中して単セル１１０の割れが発生する、という事態の発生を抑制することができる。

また、本実施形態の発電単位１０２では、空気極側スペーサ１３９は、Ｙ軸方向（Ｚ軸方向に直交する方向の内、各セル接触部１３５と各連接部１３７との境界の延伸方向であるＸ軸方向に直交する方向）に沿った移動が規制されるように、ベース部１３６の貫通孔３０の内周面に当接している。そのため、本実施形態の燃料電池発電単位１０２によれば、Ｙ軸方向における空気極側スペーサ１３９の位置ずれを抑制することができる。空気極側スペーサ１３９が、Ｙ軸方向において連接部１３７に近付く側（Ｙ軸負方向側）にずれると、空気極側スペーサ１３９により連接部１３７の位置における剛性が高くなるため、連接部１３７付近に応力が集中して単セル１１０の割れが発生するおそれがある。反対に、空気極側スペーサ１３９が、Ｙ軸方向において連接部１３７から遠ざかる側（Ｙ軸正方向側）にずれると、空気極側スペーサ１３９によるセル接触部１３５の位置における剛性の補強効果が低下するため、やはり連接部１３７付近に応力が集中して単セル１１０の割れが発生するおそれがある。本実施形態の燃料電池発電単位１０２によれば、Ｙ軸方向における空気極側スペーサ１３９の位置ずれを抑制することができるため、単セル１１０の割れが発生することを効果的に抑制することができる。

また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向において、インターコネクタ１５０と空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５における連接部１３７側の一部分との間に、空気極側スペーサ１３９が存在しない空間３９が確保されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、空気極側スペーサ１３９が空気極側集電部材１３４の連接部１３７と干渉することを確実に抑制することができ、そのような干渉によって空気極側スペーサ１３９に圧縮以外の応力（せん断応力等）が加わって空気極側スペーサ１３９が損傷することを抑制することができる。

また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｙ軸方向（Ｚ軸方向に直交する方向の内、各セル接触部１３５と各連接部１３７との境界の延伸方向であるＸ軸方向に直交する方向）における各セル接触部１３５の連接部１３７との境界とは反対側の端部（自由端）３３は、Ｚ軸方向視で、空気極側スペーサ１３９と重なっている。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、空気極側スペーサ１３９の存在により、空気極側集電部材１３４のセル接触部１３５と空気極１１４との間の接触性（集電性）を向上させることができ、発電単位１０２の電気的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、空気極側集電部材１３４のベース部１３６に、Ｙ軸方向（Ｚ軸方向に直交する方向の内、各セル接触部１３５と各連接部１３７との境界の延伸方向であるＸ軸方向に直交する方向）に並んで配置された複数の貫通孔３０が形成されており、発電単位１０２は、複数の貫通孔３０に対応して設けられた、互いに離間した複数の空気極側スペーサ１３９を備える。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、複数の貫通孔３０に対応して設けられた複数の空気極側スペーサ１３９が互いに連結されている構成と比較して、空気極側スペーサ１３９により空気室１６６におけるガスの流れが阻害されることを抑制することができ、ガス拡散性を向上させたり、圧損を低減させたりすることができる。

また、本実施形態の発電単位１０２では、空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５のＸ軸方向（Ｚ軸方向に直交する方向の内、各セル接触部１３５と各連接部１３７との境界の延伸方向）に沿った幅Ｗ１は、Ｙ軸方向（Ｚ軸方向に直交する方向の内、Ｘ軸方向に直交する方向）に沿った幅Ｗ２より小さい。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、Ｚ軸方向視で空気極側集電部材１３４の全体面積に対して、集電機能を発揮するセル接触部１３５の面積の合計を大きくしつつ、主たるガス流路（Ｘ軸方向に並ぶ複数のセル接触部１３５により構成されるグループ間に位置するＸ軸方向に延びる空間）となる面積を大きくすることができるため、発電単位１０２の性能をさらに向上させることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図９は、第２実施形態における発電単位１０２ａの構成を概略的に示す説明図である。図９には、第２実施形態の発電単位１０２ａにおける空気極側集電部材１３４および空気極側スペーサ１３９の一部分の構成が示されている。以下では、第２実施形態の発電単位１０２ａの構成の内、上述した第１実施形態の発電単位１０２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。

図９に示すように、第２実施形態の発電単位１０２ａは、主として、空気極側集電部材１３４のベース部１３６の構成と、空気極側スペーサ１３９の構成とが、第１実施形態の発電単位１０２と異なっている。具体的には、第２実施形態の発電単位１０２ａでは、ベース部１３６に形成された各貫通孔３０の幅広部３４におけるＹ軸正方向側の縁が、空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５における連接部１３７との境界とは反対側の端部（自由端）３３よりＹ軸負方向側に位置する。なお、第１実施形態の発電単位１０２と同様に、空気極側スペーサ１３９は、Ｙ軸方向において、貫通孔３０の幅広部３４の一方の端部から他方の端部まで延びるような形状となっている。そのため、第２実施形態の発電単位１０２ａでは、空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５における端部（自由端）３３は、Ｚ軸方向視で空気極側スペーサ１３９と重なっていない。

第２実施形態の発電単位１０２ａは上記構成であるため、空気極側スペーサ１３９の厚さにばらつきがあっても、各セル接触部１３５における端部（自由端）３３付近において応力が集中することを抑制することができ、単セル１１０の割れが発生することを抑制することができる。

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。

図１０は、第１の変形例における空気極側集電部材１３４の構成を概略的に示す説明図である。図１０に示すように、空気極側集電部材１３４の各セル接触部１３５が、連接部１３７との接続位置から、Ｙ軸方向ではなく、Ｙ軸に交差する方向（Ｙ軸およびＸ軸に交差する方向やＸ軸に平行な方向）に延伸していてもよい。

図１１は、第２の変形例における空気極側集電部材１３４の構成を概略的に示す説明図である。図１１に示すように、空気極側集電部材１３４のベース部１３６から各連接部１３７および各セル接触部１３５が延伸する方向は、すべて同一である必要はなく、互いに異なる（例えば、Ｚ軸方向視で、一部の連接部１３７等はベース部１３６からＹ軸負方向側に延伸し、他の一部の連接部１３７等はベース部１３６からＹ軸正方向側に延伸する）としてもよい。

図１２は、第３の変形例における空気極側集電部材１３４の構成を概略的に示す説明図である。図１２に示すように、空気極側集電部材１３４のベース部１３６において、貫通孔３０を挟んだ両側の端部から連接部１３７およびセル接触部１３５が延伸しているとしてもよい。

また、上記実施形態（および変形例、以下同様）の発電単位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、上記実施形態における空気極側集電部材１３４や空気極側スペーサ１３９の構成（形状や材料等）は、あくまで一例であり、種々変形可能である。

また、上記実施形態では、インターコネクタ１５０がコート１５１により覆われているが、インターコネクタ１５０がコート１５１により覆われていないとしてもよい。同様に、上記実施形態では、空気極側集電部材１３４がコート３８により覆われているが、空気極側集電部材１３４がコート３８により覆われていないとしてもよい。また、上記実施形態では、空気極側集電部材１３４と空気極１１４との間に接合層１３８が介在しているが、空気極側集電部材１３４と空気極１１４との間に接合層１３８が介在しないとしてもよい。

また、上記実施形態では、ボルト孔１０９が、各マニホールド用の連通孔１０８とは独立して設けられているが、独立したボルト孔１０９を設けず、各マニホールド用の連通孔１０８がボルト孔としても用いられるとしてもよい。また、上記実施形態では、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向とが略反対方向であるカウンターフロータイプを例に挙げて説明しているが、本発明は、他のタイプ（上記２つの流れ方向が略同一方向であるコフロータイプや上記２つの流れ方向が交差するクロスフロータイプ等）にも適用可能である。

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、上記実施形態において、空気極１１４と電解質層１１２との間に中間層が配置されていてもよい。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。

また、上記実施形態では、インターコネクタ１５０と空気極１１４との間に配置された空気極側集電部材１３４および空気極側集電部材１３４付近に配置された空気極側スペーサ１３９の構成を説明したが、燃料極１１６側についても、空気極側集電部材１３４および空気極側スペーサ１３９と同様の構成の集電部材およびスペーサが用いられてもよい。その場合には、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。

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の集電部材およびスペーサを用いると、集電部材の重量の増加を抑制しつつガス室の高さを一定以上確保することができ、また、集電部材の製造容易性を向上させることができると共に、電解単セルの割れが発生することを効果的に抑制することができる。

２２：ボルト ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 ３０：貫通孔 ３１：端部 ３２：端部 ３３：端部 ３４：幅広部 ３８：コート ３９：空間 ４０：貫通孔 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 １０７：流路用貫通孔 １０８：連通孔 １０９：ボルト孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：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：空気極側集電部材 １３５：セル接触部 １３６：ベース部 １３７：連接部 １３８：接合層 １３９：空気極側スペーサ １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通流路 １４３：燃料ガス排出連通流路 １４４：燃料極側集電部材 １４５：セル接触部 １４６：ベース部 １４７：連接部 １４９：燃料極側スペーサ １５０：インターコネクタ １５１：コート 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 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

Claims (11)

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、
   前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側に配置された板状のインターコネクタと、
   前記インターコネクタと前記特定電極との間に配置された導電性の集電部材と、
   を備える電気化学反応単位において、
   前記集電部材は、
   前記インターコネクタの表面に接する板状であり、前記第１の方向に延びる貫通孔が形成されたベース部と、
   前記第１の方向視で前記ベース部の前記貫通孔と重なるように配置され、前記特定電極の表面に接する板状の複数のセル接触部と、
   各前記セル接触部の端部と前記ベース部における前記貫通孔に面する端部とを結ぶ連接部と、
   を含み、
   前記電気化学反応単位は、さらに、
   弾性体により構成され、前記第１の方向において、前記ベース部の前記貫通孔内に収容され、かつ、前記インターコネクタの表面から各前記セル接触部の表面まで延びる形状のスペーサを備える、
   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、
   前記第１の方向における前記ベース部の厚さは、前記第１の方向における前記電気化学反応単セルの厚さの１０分の１以上である、
   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、
   各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、
   前記スペーサは、前記第２の方向に沿った移動が規制されるように、前記ベース部の前記貫通孔の内周面に当接している、
   ことを特徴とする電気化学反応単位。
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単位において、
   各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、
   前記スペーサは、前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向に沿った移動が規制されるように、前記ベース部の前記貫通孔の内周面に当接している、
   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、
   前記第１の方向において、前記インターコネクタと前記セル接触部における前記連接部側の一部分との間に、前記スペーサが存在しない空間が確保されている、
   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、
   各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、
   前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向における各前記セル接触部の前記連接部との境界とは反対側の端部は、前記第１の方向視で、前記スペーサと重なっている、
   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、
   各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、
   前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向における各前記セル接触部の前記連接部との境界とは反対側の端部は、前記第１の方向視で、前記スペーサと重なっていない、
   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、
   各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、
   前記ベース部には、前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向に並んで配置された複数の前記貫通孔が形成されており、
   前記電気化学反応単位は、前記複数の貫通孔に対応して設けられた、互いに離間した複数の前記スペーサを備える、
   ことを特徴とする電気化学反応単位。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
   各前記セル接触部と各前記連接部との境界は、前記第１の方向に直交する第２の方向に略平行であり、
   各前記セル接触部の前記第２の方向に沿った幅は、前記第１の方向と前記第２の方向との両方に直交する第３の方向に沿った幅より小さい、
   ことを特徴とする電気化学反応単位。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
    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。
11. 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１０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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