JP2020170630A - 電気化学反応セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁部材を介して配置された第１の導電性部材と第２の導電性部材とが短絡することを抑制した、電気化学反応セルスタックの提供。【解決手段】電気化学反応セルスタックは、第１の導電性部材４２０と絶縁部材５２０と第２の導電性部材１０６とを備える。第１の導電性部材は、第１の方向（Ｚ軸方向）に略直交する第１の表面（下面Ｓ１）を有し、かつ、第１の導電性部材には、平板貫通孔４３０が形成されている。絶縁部材には、平板貫通孔に連通する絶縁貫通孔５３０が形成されている。第２の導電性部材は、第１の方向に略直交する第２の表面（上面Ｓ２）を有している。絶縁貫通孔を画定する絶縁部材の内面は、凹凸構造を有している。第１の方向視において絶縁貫通孔の中心を通り、かつ、第１の方向に略平行な少なくとも１つの断面において、絶縁部材の内面における最大高さＲｚは、８０μｍ以下である。【選択図】図８

Description

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。

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、一般に、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、発電ブロックを挟んで第１の方向に互いに対向する一対の導電性のターミナル部材と、一対のターミナル部材を挟んで第１の方向に互いに対向する一対の絶縁部材と、一対の絶縁部材を挟んで第１の方向に互いに対向する一対の導電性のエンド部材とを備える燃料電池スタックの形態で利用される。このような各部材を備える燃料電池スタックにおいて、例えば、一の導電性部材としてのターミナル部材に形成された貫通孔（例えば、ボルト孔やマニホールド用の孔）の内周面は、当該ターミナル部材に面して配置された絶縁部材に形成された貫通孔の内周面と面一の構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−１１１８５６号公報

燃料電池スタックの運転中において、上記一のターミナル部材と、当該ターミナル部材に面して配置された絶縁部材に面して配置されたエンド部材との間には電位差がある。このため、従来の燃料電池スタックでは、例えば、高電圧が生じた場合に、上記一のターミナル部材と、上記エンド部材との間で放電が起こり、ターミナル部材とエンド部材とが短絡するおそれがある。

なお、このような課題は、ターミナル部材とエンド部材との間に限らず、燃料電池スタックを構成する他の絶縁部材を挟んで第１の方向に互いに対向するように配置された２つの導電性部材間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）の一形態である電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池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」といい、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」といい、発電ブロックと電解ブロックとをまとめて「電気化学反応ブロック」という。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セルスタック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含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルに対して前記第１の方向の一方側に配置された第１の導電性部材であって、前記第１の方向に略直交する平面状の第１の表面を有し、かつ、前記第１の方向に貫く平板貫通孔が形成された、導電性を有する第１の導電性部材と、前記第１の導電性部材に対して前記第１の方向の前記一方側に配置された絶縁部材であって、前記平板貫通孔に連通し、かつ、前記第１の方向に貫く絶縁貫通孔が形成された、絶縁性を有する絶縁部材と、前記絶縁部材に対して前記第１の方向の前記一方側に配置され、前記第１の方向に略直交する平面状の第２の表面を有する第２の導電性部材であって、導電性を有する第２の導電性部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記絶縁部材は、前記第１の表面と前記第２の表面とに接しており、前記絶縁貫通孔を画定する前記絶縁部材の内面は、凹凸構造を有し、前記第１の方向視において前記絶縁貫通孔の中心を通り、かつ、前記第１の方向に略平行な少なくとも１つの断面において、前記絶縁部材の前記内面における最大高さＲｚは、８０μｍ以下である。このため、本発明の電気化学反応セルスタックでは、絶縁貫通孔を画定する絶縁部材の内面が凹凸構造を有することにより、第１の方向における絶縁部材の厚さを変えることなく、絶縁部材の沿面距離を大きくすることができ、ひいては、電気化学反応セルスタックの耐電圧を向上させることができる。また、本発明の電気化学反応セルスタックでは、絶縁貫通孔を画定する絶縁部材の内面における最大高さＲｚが８０μｍ以下であり、当該内面における最大高さＲｚが比較的小さい。すなわち、当該内面は、凹凸構造のうちの凸部の高さが比較的低く、かつ、凹部の深さが比較的浅い表面となっている。このため、当該内面において電界強度の高い部分が生じることを抑制することができる。従って、本発明の電気化学反応セルスタックによれば、絶縁部材の沿面距離が、絶縁部材の厚さと同じである構成と比較して、電気化学反応セルスタックの耐電圧を向上させつつ、絶縁貫通孔を画定する絶縁部材の内面における電界強度を低下させることができ、ひいては、第１の導電性部材と第２の導電性部材との間の短絡の発生を抑制することができる。

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記少なくとも１つの断面において、前記絶縁部材の前記内面における算術平均粗さＲａは、２０μｍ以下である構成としてもよい。このため、当該内面における算術平均粗さが比較的小さい。すなわち、当該内面は、その全体において、凹凸構造のうちの凸部の高さが比較的低く、かつ、凹部の深さが比較的浅い表面となっている。このため、当該内面の全体において電界強度の高い部分が生じることを抑制することができる。このような構成が採用された電気化学反応セルスタックによれば、第１の導電性部材と第２の導電性部材との間の短絡の発生を抑制することができる。

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記少なくとも１つの断面において、前記絶縁部材の前記内面における凹凸の平均間隔Ｓｍは、２０μｍ以上である構成としてもよい。このため、当該内面における凹凸の間隔が比較的大きい。すなわち、当該内面において、電界強度が高くなり易い部分である凸部（凹部）が、当該凸部に隣接する凸部（当該凹部に隣接する凹部）から比較的離れている。このため、当該内面において、電界強度の高い部分が生じることを抑制することができる。このような構成が採用された電気化学反応セルスタックによれば、第１の導電性部材と第２の導電性部材との間の短絡の発生を抑制することができる。

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記少なくとも１つの断面において、前記絶縁部材の前記内面における凹部の挟角の最小値は９０°以上である構成としてもよい。このため、当該内面における凹部の挟角の角度が比較的大きい。このため、当該内面において電界強度の高い部分が生じることを抑制することができる。このような構成が採用された電気化学反応セルスタックによれば、第１の導電性部材と第２の導電性部材との間の短絡の発生を抑制することができる。

（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記絶縁部材は、マイカにより形成されている構成としてもよい。マイカは、市場において容易かつ安価に入手でき、成形加工性に優れている傾向があるため、このような構成が採用された電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応セルスタックを効率的に製造することができる。

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、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および図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る。 図１および図７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１および図７のＩＶ−ＩＶ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３および図４のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における下側の絶縁シート５２０のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図４に示す断面のＸ１部を部分的に示すＸＺ断面図である。 図３に示す断面のＸ２部を部分的に示すＸＺ断面図である。 性能評価結果を示す説明図である。

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７）のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図４は、図１（および後述する図７）のＩＶ−ＩＶ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５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、一対のターミナルプレート４１０，４２０と、一対の絶縁シート５１０，５２０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。一対のターミナルプレート４１０，４２０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。一対の絶縁シート５１０，５２０は一対のターミナルプレート４１０，４２０を上下から挟むように配置されている。また、一対のエンドプレート１０４，１０６は、一対の絶縁シート５１０，５２０を上下から挟むように配置されている。なお、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し、上記配列方向（上下方向またはＺ軸方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

図１および図４に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（上側のエンドプレート１０４、各発電単位１０２、各ターミナルプレート４１０，４２０および各絶縁シート５１０，５２０）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し、かつ、Ｚ軸方向視において略円形の孔が形成されている。さらに燃料電池スタック１００を構成する下側のエンドプレート１０６のＺ軸方向回りの外周の４つの角部周辺の上面には、後述するボルト２２の下側端部が螺合される孔（ねじ孔）が形成されている。各発電単位１０２と各ターミナルプレート４１０，４２０と各絶縁シート５１０，５２０と各エンドプレート１０４，１０６とに形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上側のエンドプレート１０４から下側のエンドプレート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。以下の説明では、ボルト孔１０９を構成するために各層に形成された孔も、ボルト孔１０９ということがある。

各ボルト２２は、上下方向に延びる各ボルト孔１０９に挿通されている、略円柱形状の導電性部材である。各ボルト２２の下側端部には、各ボルト２２が、下側のエンドプレート１０６に係合可能なように、下側のエンドプレート１０６のＺ軸方向回りの外周の４つの角部周辺の上面に形成された上記孔（ねじ孔）に螺合可能なねじ部が形成されている。このように、本実施形態の燃料電池スタック１００では、各ボルト２２の頭部と下側のエンドプレート１０６とによって、各発電単位１０２および各エンドプレート１０４，１０６が一体に締結されている。ここで、「各ボルト２２が、下側のエンドプレート１０６に係合」しているとは、各ボルト２２が直接的にまたは他の部材（例えば、ナット）を介して下側のエンドプレート１０６に取り付けられていることを意味する。

また、図１から図３に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（各発電単位１０２、下側のターミナルプレート４２０および下側の絶縁シート５２０）のＺ軸方向回りの外周辺の付近には、各発電単位１０２と、下側のターミナルプレート４２０と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層に形成された孔も、連通孔１０８ということがある。

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。

（ターミナルプレート４１０，４２０、絶縁シート５１０，５２０およびエンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のターミナルプレート４１０，４２０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。各ターミナルプレート４１０，４２０のＺ軸方向における厚さ（板厚）は、例えば、０．２ｍｍ以上、３ｍｍ以下である。上側のターミナルプレート４１０は、複数の発電単位１０２から構成される発電ブロック１０３の上方向側に配置されており、下側のターミナルプレート４２０は、発電ブロック１０３の下方向側に配置されている。すなわち、上側のターミナルプレート４１０は、複数の単セル１１０の内、Ｚ軸方向において、最も上方向側に位置する単セル１１０を備える発電単位１０２の上方向側に配置されている。また、下側のターミナルプレート４２０は、複数の単セル１１０の内、Ｚ軸方向において、最も下方向側に位置する単セル１１０を備える発電単位１０２の下方向側に配置されている。図２から図４に示すように、上側のターミナルプレート４１０には、４つのボルト孔１０９が形成されている。また、下側のターミナルプレート４２０には、４つの連通孔１０８と、４つのボルト孔１０９とが形成されている。上側のターミナルプレート４１０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、下側のターミナルプレート４２０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。下側のターミナルプレート４２０は、特許請求の範囲における第１の導電性部材に相当する。

一対の絶縁シート５１０，５２０は、略矩形のシート状の絶縁部材である。絶縁シート５１０，５２０は、例えばマイカ、アルミナ、窒化ケイ素、ジルコニア等により形成されている。各絶縁シート５１０，５２０のＺ軸方向における厚さ（シート厚）Ｔｉは、例えば、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、好ましくは、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。上側の絶縁シート５１０は、上側のターミナルプレート４１０の上方向側に配置されており、下側の絶縁シート５２０は、下側のターミナルプレート４２０の下方向側に配置されている。図２から図４に示すように、上側の絶縁シート５１０には、４つのボルト孔１０９が形成されている。また、下側の絶縁シート５２０には、４つの連通孔１０８と、４つのボルト孔１０９とが形成されている。下側の絶縁シート５２０の構成については、後に詳述する。なお、本明細書において、「導電性部材」とは、電気抵抗率が１００μΩ・ｍ以下である部材を意味し、「絶縁部材」とは、電気抵抗率が１０ＭΩ・ｍ以上である部材を意味している。下側の絶縁シート５２０は、特許請求の範囲における絶縁部材に相当する。

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。各エンドプレート１０４，１０６のＺ軸方向における厚さ（板厚）は、例えば、１ｍｍ以上、１５ｍｍ以下である。上側のエンドプレート１０４は、上側の絶縁シート５１０の上方向側に配置されており、下側のエンドプレート１０６は、下側の絶縁シート５２０の下方向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、一対の絶縁シート５１０，５２０と、一対のターミナルプレート４１０，４２０と、複数の発電単位１０２とが押圧された状態で挟持されている。図２から図４に示すように、上側のエンドプレート１０４には、４つのボルト孔１０９が形成されている。また、下側のエンドプレート１０６には、４つの流路用貫通孔１０７と、４つのボルト孔１０９とが形成されている。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。下側のエンドプレート１０６は、特許請求の範囲における第２の導電性部材に相当する。

（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材等により構成される。

（発電単位１０２の構成）
図５は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図６は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。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、燃料電池単セル（以下、単に「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、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軸方向回りの外周には、上述した各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する各連通孔１０８を構成する孔と、各ボルト孔１０９を構成する孔とが形成されている。なお、発電単位１０２は単セル１１０を備えるため、上述した発電ブロック１０３は、単セル１１０が上下方向に複数並べて配置された構造体であるとも表現できる。単セル１１０は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルに相当する。

一対のインターコネクタ１５０は、Ｚ軸方向視で単セル１１０より大きい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。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は一対のターミナルプレート４１０，４２０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〜図４参照）。

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。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（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、ステンレス等の金属材料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。

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空気室用孔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に形成された空気室用孔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。

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燃料室用孔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に形成された燃料室用孔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。

燃料極側集電部材１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部材１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６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。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１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電部材１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電部材１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０との電気的接続が良好に維持される。

空気極側集電部材１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電部材１３４は、複数の略四角柱状の集電部材要素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。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とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電部材１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電部材要素１３５が空気極側集電部材１３４として機能する。また、空気極側集電部材１３４とインターコネクタ１５０との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電部材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。なお、各発電単位１０２において、空気極側集電部材１３４と上側のインターコネクタ１５０とが別の部材であるとしてもよい。

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２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、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、下側の絶縁シート５２０の連通孔１０８および下側のターミナルプレート４２０の連通孔１０８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、下側のエンドプレート１０６の流路用貫通孔１０７、下側の絶縁シート５２０の連通孔１０８および下側のターミナルプレート４２０の連通孔１０８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（または上側のターミナルプレート４１０）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（または下側のターミナルプレート４２０）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ターミナルプレート４１０，４２０から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

図２に示すように、各発電単位１０２の酸化剤ガス排出連通流路１３３を介して空気室１６６から酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、下側のターミナルプレート４２０の連通孔１０８、下側の絶縁シート５２０の連通孔１０８、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、図３に示すように、各発電単位１０２の燃料ガス排出連通流路１４３を介して燃料室１７６から燃料ガス排出マニホールド１７２に排出された燃料オフガスＦＯＧは、下側のターミナルプレート４２０の連通孔１０８、下側の絶縁シート５２０の連通孔１０８、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（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．ボルト２２付近の下側の絶縁シート５２０の詳細構成：
図７は、図３および図４のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における下側の絶縁シート５２０のＸＹ断面構成を示す説明図である。図８は、燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を部分的に示す説明図である。図８は、図４に示す断面のＸ１部における燃料電池スタック１００の部分拡大図、すなわち、図１および図７のＩＶ−ＩＶの位置の断面における燃料電池スタック１００の部分拡大図である。詳しくは、図８には、ボルト２２の中心軸Ｐ２２を通る、ＸＺ断面の構成が示されている。

図７および図８に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１００において、下側の絶縁シート５２０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と、酸化剤ガス排出マニホールド１６２と、燃料ガス導入マニホールド１７１と、燃料ガス排出マニホールド１７２とを構成する連通孔１０８が形成されている。下側の絶縁シート５２０には、さらに、Ｚ軸方向回りの外周の４つの角部周辺にボルト孔１０９が形成されている。

図８に示すように、下側の絶縁シート５２０の下側のエンドプレート１０６に対向する側の表面（以下、「下面Ｓ４」という）は、下側のエンドプレート１０６の下側の絶縁シート５２０に対向する側の表面（以下、「上面Ｓ２」という）に接している。また、下側の絶縁シート５２０の下側のターミナルプレート４２０に対向する側の表面（以下、「上面Ｓ３」という）は、下側のターミナルプレート４２０の下側の絶縁シート５２０に対向する側の表面（以下、「下面Ｓ１」という）に接している。下面Ｓ１、上面Ｓ２、上面Ｓ３および下面Ｓ４は、それぞれ、Ｚ軸方向に略直交する平面である。下面Ｓ１は、特許請求の範囲における第１の表面に相当し、上面Ｓ２は、特許請求の範囲における第２の表面に相当する。

図７および図８に示すように、ボルト２２付近において、下側のターミナルプレート４２０に形成されたターミナルプレート貫通孔４３０と、下側の絶縁シート５２０に形成された絶縁シート貫通孔５３０とは、それぞれボルト孔１０９の一部を構成している。ターミナルプレート貫通孔４３０は、特許請求の範囲における平板貫通孔に相当し、絶縁シート貫通孔５３０は、特許請求の範囲における絶縁貫通孔に相当する。

図８に示すように、絶縁シート貫通孔５３０を画定する下側の絶縁シート５２０の内面Ｓｉ（以下、「絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉ」ともいう）は、凹凸構造を有している。具体的には、当該凹凸構造は、高さＲｘ（深さＲｘ）を有する凹部５２３が間隔Ｓｘで配置されることにより構成されている。本実施形態の燃料電池スタック１００において、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおける凹凸構造は、内面Ｓｉにおける最大高さＲｚと、算術平均粗さＲａと、凹凸の平均間隔Ｓｍと、凹部５２３の挟角５２３ａの最小値θｍとによって規定される。

具体的には、内面Ｓｉにおける最大高さＲｚは、８０μｍ以下である。当該最大高さＲｚが８０μｍを超えると、内面Ｓｉにおける凹凸構造のうちの凸部５２１の高さＲｘが高い部分周辺や、凹部５２３の深さＲｘが深い部分周辺の電界強度が高くなり、その結果、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡の発生が生じやすくなる傾向がある。これに対し、当該最大高さＲｚが８０μｍ以下であれば、電界強度の高い部分が生じにくく、上記短絡の発生が抑制される傾向がある。当該最大高さＲｚは、好ましくは、６０μｍ以下であり、より好ましくは、１４μｍ以下である。

また、内面Ｓｉにおける算術平均粗さＲａは、好ましくは、２０μｍ以下である。当該算術平均粗さＲａが２０μｍを超えると、内面Ｓｉにおける凹凸構造のうちの凸部５２１の高さＲｘが高い部分や、凹部５２３の深さＲｘが深い部分が生じやすくなり、当該部分周辺の電界強度が高くなり、その結果、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡の発生が生じやすくなる傾向がある。これに対し、当該算術平均粗さＲａが２０μｍ以下であれば、電界強度の高い部分が生じにくく、上記短絡の発生が抑制される傾向がある。当該算術平均粗さＲａは、より好ましくは、５μｍ以下であり、さらに好ましくは、２μｍ以下である。

また、内面Ｓｉにおける凹凸の平均間隔Ｓｍは、好ましくは、２０μｍ以上である。当該凹凸の平均間隔Ｓｍが２０μｍ以下であると、内面Ｓｉにおける凹凸構造のうちの電界強度が高くなり易い部分である凸部５２１または凹部５２３が密集する傾向にあり、その結果、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡の発生が生じやすくなる傾向がある。これに対し、当該凹凸の平均間隔Ｓｍが２０μｍを超えると、電界強度が高くなりやすい部分である凸部５２１または凹部５２３が密集にくく、上記短絡の発生が抑制される傾向がある。当該凹凸の平均間隔Ｓｍは、より好ましくは、３０μｍ以下であり、さらに好ましくは、５０μｍ以下である。ここで、最大高さＲｚ、算術平均粗さＲａおよび凹凸の平均間隔Ｓｍは、それぞれ、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定された値である。

また、内面Ｓｉにおける凹部５２３の挟角５２３ａの最小値θｍは、好ましくは、９０°以上である。当該挟角５２３ａの最小値θｍが９０°未満であると、内面Ｓｉにおける凹部５２３のうち、挟角５２３ａが９０°未満である凹部５２３周辺の電界強度が高くなり、その結果、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡の発生が生じやすくなる傾向がある。これに対し、当該挟角５２３ａの最小値θｍが９０°以上であれば、電界強度の高い部分が生じにくく、上記短絡の発生が抑制される傾向がある。当該挟角５２３ａの最小値θｍは、より好ましくは、１００°以上であり、さらに好ましくは、１１０°以上である。ここで、当該挟角５２３ａの最小値θｍは、例えば、算術平均粗さＲａと凹凸の平均間隔Ｓｍとを用いて、以下に示す方法で算出される。
θｍ＝２＊ＡＴＡＮ（Ｓｍ／（２＊Ｒａ））

本実施形態の燃料電池スタック１００における、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉの凹凸構造は、例えば、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉに鏡面加工等を施すことによって達成することができる。

図７（Ａ）に示すように、Ｚ軸方向視において、ボルト孔１０９の略中央には、ボルト２２が配置されている。Ｚ軸方向視におけるボルト孔１０９の中心軸は、ボルト２２の中心軸Ｐ２２と略同じ位置である。Ｚ軸方向視において、ボルト２２の軸部と、絶縁シート貫通孔５３０は、ボルト２２の中心軸Ｐ２２を中心とする略同心である。本実施形態の燃料電池スタック１００において、絶縁シート貫通孔５３０の孔径Ｄ２１は、ボルト２２の軸部における外径（最大外径）Ｄｂより大きい。すなわち、Ｚ軸方向視において、絶縁シート貫通孔５３０の内周縁Ｅｉは、ボルト２２の外周縁Ｅｂを取り囲んでいる。換言すれば、図８に示すように、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉは、ボルト２２の外周面Ｓｂから離間している。また、本実施形態の燃料電池スタック１００において、Ｚ軸方向視において、絶縁シート貫通孔５３０の内周縁Ｅｉは、ターミナルプレート貫通孔４３０の内周縁Ｅｔを取り囲んでいる。また、図８に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１００において、ターミナルプレート貫通孔４３０の内周面Ｓｔは、ボルト２２の外周面Ｓｂから離間している。換言すれば、Ｚ軸方向視において、ターミナルプレート貫通孔４３０の内周縁Ｅｔは、ボルト２２の外周縁Ｅｂを取り囲んでいる。

ここで、絶縁シート貫通孔５３０の内周縁Ｅｉとは、Ｚ軸方向視における絶縁シート貫通孔５３０の最内縁を意味する。また、例えば、「Ｚ軸方向視において、絶縁シート貫通孔５３０の内周縁Ｅｉは、ボルト２２の外周縁Ｅｂを取り囲んでいる」とは、Ｚ軸方向視において、絶縁シート貫通孔５３０の内周縁Ｅｉが、内周縁Ｅｉの全周にわたって、ボルト２２の外周縁Ｅｂより外側に位置していることを意味し、内周縁Ｅｉと外周縁Ｅｂとが一致することを意味しない。

本実施形態の燃料電池スタック１００は、上記構成であるため、下側のターミナルプレート４２０から下側のエンドプレート１０６に至るまでの下側の絶縁シート５２０における最短距離である沿面距離ＣＤは、Ｚ軸方向における下側の絶縁シート５２０の厚さＴｉより大きい。ここで、沿面距離ＣＤは、下側のターミナルプレート４２０の下面Ｓ１と、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉと、の交線Ｌ１（点Ｐ１を含む線）から、下側のエンドプレート１０６と絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉとの交線Ｌ２（点Ｐ２を含む線）に至るまでの距離である。本実施形態の燃料電池スタック１００において、具体的には、沿面距離ＣＤは、下側のターミナルプレート４２０の下面Ｓ１と絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉとの交線Ｌ１から、内面Ｓｉに形成された凹凸を介して、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉと下側のエンドプレート１０６との交線Ｌ２までの距離である。沿面距離ＣＤは、好ましくは、Ｚ軸方向における下側の絶縁シート５２０の厚さＴｉの１．１３倍以上である。

なお、本実施形態の燃料電池スタック１００では、図８に示されたＸＺ断面とは異なる他の断面（ボルト２２の中心軸Ｐ２２を通る任意の他の断面）においても、上記と同様の構成が採用されている。また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、図８に示されたＸＺ断面において、図示されていない他のボルト２２付近においても、上記と同様の構成が採用されている。また、図８では、Ｙ軸方向視における、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉの凹凸構造を示しているが、Ｚ軸方向視においても、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉは上述した凹凸構造を有している。

Ａ−４．燃料ガス導入マニホールド１７１付近の下側の絶縁シート５２０の詳細構成：
図９は、燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を部分的に示す説明図である。図９は、図３に示す断面のＸ２部における燃料電池スタック１００の部分拡大図、すなわち、図１および図７のＩＩＩ−ＩＩＩの位置の断面における燃料電池スタック１００の部分拡大図である。詳しくは、図９には、連通孔１０８（具体的には、絶縁シート貫通孔５３０）の中心軸ＰＯを通る、ＸＺ断面の構成が示されている。

図９に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１付近の下側の絶縁シート５２０は、上述のボルト２２付近の下側の絶縁シート５２０と同様に、その内面Ｓｉに凹凸構造を有している。下側の絶縁シート５２０の詳細構成は、上述の通りである。具体的には、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおける最大高さＲｚは、８０μｍ以下である。また、内面Ｓｉにおける算術平均粗さＲａは、好ましくは、２０μｍ以下である。また、内面Ｓｉにおける凹凸の平均間隔Ｓｍは、好ましくは、２０μｍ以上である。また、内面Ｓｉにおける凹部５２３の挟角５２３ａの最小値θｍは、好ましくは、９０°以上である。

図７および図９に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１付近において、下側のターミナルプレート４２０に形成されたターミナルプレート貫通孔４３０と、下側の絶縁シート５２０に形成された絶縁シート貫通孔５３０とは、それぞれ連通孔１０８の一部を構成している。

図７（Ｂ）に示すように、Ｚ軸方向視において、ターミナルプレート貫通孔４３０と、絶縁シート貫通孔５３０とは、ターミナルプレート貫通孔４３０の中心軸ＰＯを中心とする略同心である。換言すれば、Ｚ軸方向視において、絶縁シート貫通孔５３０の内周縁Ｅｉは、ターミナルプレート貫通孔４３０の内周縁Ｅｔを取り囲んでいる。

本実施形態の燃料電池スタック１００は、上記構成であるため、燃料ガス導入マニホールド１７１付近においても、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおいて、電界強度の高い部分が生じにくい。また、下側のターミナルプレート４２０から下側のエンドプレート１０６に至るまでの下側の絶縁シート５２０における沿面距離ＣＤは、Ｚ軸方向における下側の絶縁シート５２０の厚さＴｉより大きい。好ましくは、沿面距離ＣＤは、Ｚ軸方向における下側の絶縁シート５２０の厚さＴｉの１．１３倍以上である。

なお、本実施形態の燃料電池スタック１００では、図９に示されたＸＺ断面とは異なる他の断面（ターミナルプレート貫通孔４３０の中心軸ＰＯを通る任意の他の断面）においても、上記と同様の構成が採用されている。また、本実施形態の燃料電池スタック１００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マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２付近においても、上記と同様の構成が採用されている。

Ａ−５．性能評価：
複数の燃料電池スタック１００のサンプルを用いて行った性能評価について、以下説明する。図１０は、性能評価（電界強度についての評価）の結果を示す説明図である。図１０（Ａ）の縦軸は、電界強度の値であり、横軸は、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉの最大高さＲｚの値である。なお、内面Ｓｉにおける凹凸の平均間隔Ｓｍは２０μｍである。図１０（Ｂ）の縦軸は、電界強度の値であり、横軸は、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉの凹凸の平均間隔Ｓｍの値である。なお、内面Ｓｉにおける最大高さＲｚは５０μｍである。

（評価方法）
本性能評価では、以下の構成を有する燃料電池スタック１００を用いた。
・ボルト２２
材料：ステンレス（比誘電率１ｅ６）
外径Ｄｂ：８ｍｍ
・下側のターミナルプレート４２０
材料：ステンレス（比誘電率１ｅ６）
厚さＴｉ：１ｍｍ
孔径：１０ｍｍ
・下側の絶縁シート５２０
材料：マイカ（比誘電率７．０）
厚さＴｉ：１．５ｍｍ
孔径Ｄ２１：１２ｍｍ
・下側のエンドプレート１０６（比誘電率１ｅ６）
材料：ステンレス
厚さＴｉ：８ｍｍ
・図１０（Ａ）における絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉの最大高さＲｚ：
１μｍ，３μｍ，５μｍ，１０μｍ，１５μｍ，２０μｍ，５０μｍ，８０μｍ
・図１０（Ｂ）における絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉの凹凸の平均間隔Ｓｍ：
１０μｍ，１５μｍ，１８μｍ，１９μｍ，２０μｍ，３０μｍ，５０μｍ
・各部材における電位
ボルト２２：０Ｖ
下側のターミナルプレート４２０：１０００Ｖ
下側のエンドプレート１０６：０Ｖ

（評価結果）
図１０（Ａ）に示すように、本性能評価において、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおける最大高さＲｚの値が大きくなるにつれて、電界強度の値は上昇した。当該最大高さＲｚの値を、８０μｍ以下とすることにより、燃料電池スタック１００として好ましい電界強度である、３．３０×１０^６Ｖ／ｍ以下を達成することができる。また、図１０（Ｂ）に示すように、本性能評価において、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおける凹凸の平均間隔Ｓｍが大きくなるにつれて、電界強度の値は低下した。当該凹凸の平均間隔Ｓｍの値を２０μｍ以上とすることにより、燃料電池スタック１００として好ましい電界強度である３．３０×１０^６Ｖ／ｍ以下を達成することができる。

Ａ−６．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、単セル１１０と、下側のターミナルプレート４２０と、下側の絶縁シート５２０と、下側のエンドプレート１０６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。下側のターミナルプレート４２０は、単セル１１０に対してＺ軸方向の下方向側に配置され、導電性を有している。下側のターミナルプレート４２０は、Ｚ軸方向に略直交する平面状の下面Ｓ１を有し、かつ、下側のターミナルプレート４２０には、Ｚ軸方向に貫くターミナルプレート貫通孔４３０が形成されている。下側の絶縁シート５２０は、下側のターミナルプレート４２０に対してＺ軸方向の下方向側に配置され、絶縁性を有している。下側の絶縁シート５２０には、ターミナルプレート貫通孔４３０に連通し、かつ、Ｚ軸方向に貫く絶縁シート貫通孔５３０が形成されている。下側のエンドプレート１０６は、下側の絶縁シート５２０に対してＺ軸方向の下方向側に配置され、導電性を有している。下側のエンドプレート１０６は、Ｚ軸方向に略直交する平面状の上面Ｓ２を有している。また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、下側の絶縁シート５２０は、下側のターミナルプレート４２０の下面Ｓ１と、下側のエンドプレート１０６の上面Ｓ２とに接している。また、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉは、凹凸構造を有している。また、Ｚ軸方向視において絶縁シート貫通孔５３０の中心を通り、かつ、Ｚ軸方向に略平行な少なくとも１つの断面（すなわち、ボルト２２の中心軸Ｐ２２を通るＸＺ断面またはターミナルプレート貫通孔４３０の中心軸ＰＯを通るＸＺ断面）において、下側の絶縁シート５２０の内面Ｓｉにおける最大高さＲｚは、８０μｍ以下である。このため、本実施形態の燃料電池スタック１００では、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉが凹凸構造を有することにより、Ｚ軸方向における下側の絶縁シート５２０の厚さＴｉを変えることなく、下側の絶縁シート５２０の沿面距離ＣＤを大きくすることができ、ひいては、燃料電池スタック１００の耐電圧を向上させることができる。また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおける最大高さＲｚが８０μｍ以下であり、内面Ｓｉにおける最大高さＲｚが比較的小さい。すなわち、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉは、凹凸構造のうちの凸部５２１の高さＲｘが比較的低く、かつ、凹部５２３の深さＲｘが比較的浅い表面となっている。このため、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおいて電界強度の高い部分が生じること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によれば、下側の絶縁シート５２０の沿面距離ＣＤが、下側の絶縁シート５２０の厚さＴｉと同じである構成と比較して、燃料電池スタック１００の耐電圧を向上させつつ、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおける電界強度を低下させることができ、ひいては、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡の発生を抑制することができる。また、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおいて沿面距離ＣＤが大きくなるよう設計する場合、絶縁シート貫通孔５３０の孔内は限られた空間であるため、燃料電池スタック１００の外部へ露出している下側の絶縁シート５２０の外縁における沿面距離が大きくなるよう設計する場合に比べ困難である。本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、上述の通り、絶縁シート貫通孔５３０の孔内の限られた空間において、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおける沿面距離ＣＤを効果的に大きくすることができる。

本実施形態の燃料電池スタック１００では、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおける算術平均粗さＲａは、２０μｍ以下であり、内面Ｓｉにおける算術平均粗さが比較的小さい。すなわち、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉは、その全体において、凹凸構造のうちの凸部５２１の高さＲｘが比較的低く、かつ、凹部５２３の深さＲｘが比較的浅い表面となっている。このため、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉの全体において電界強度の高い部分が生じること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によれば、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡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では、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおける凹凸の平均間隔Ｓｍは、２０μｍ以上であり、内面Ｓｉにおける凹凸の間隔が比較的大きい。すなわち、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおいて、電界強度が高くなり易い部分である凸部５２１（凹部５２３）が、当該凸部５２１に隣接する凸部５２１（当該凹部５２３に隣接する凹部５２３）から比較的離れている。このため、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおいて、電界強度の高い部分が生じること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によれば、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡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では、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおける凹部５２３の挟角５２３ａの最小値θｍは９０°以上であり、凹部５２３の挟角５２３ａの角度θｘが比較的大きい。このため、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉにおいて電界強度の高い部分が生じること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によれば、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間の短絡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では、下側の絶縁シート５２０は、マイカにより形成されている。マイカは、市場において容易かつ安価に入手でき、成形加工性に優れている傾向があるため、燃料電池スタック１００を効率的に製造することができる。

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。

上記実施形態では、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉは、最大高さＲｚが８０μｍ以下であるとともに、算術平均粗さＲａが２０μｍ以下であり、かつ、凹凸の平均間隔Ｓｍが２０μｍ以上であり、かつ、凹部５２３の挟角５２３ａの最小値θｍが９０°以上である表面構成が採用されているがこれに限定されない。具体的には、絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉは、最大高さＲｚが８０μｍ以下であれば、算術平均粗さＲａ、凹凸の平均間隔Ｓｍ、凹部５２３の挟角５２３ａの最小値θｍが上記数値範囲を満たしていなくてもよい。

上記実施形態の燃料電池スタック１００では、図８および図９に示されたＸＺ断面とは異なる他の断面においても、上記と同様の構成が採用されているが、これに限定されず、少なくとも一部の断面において、上記と同様の構成が採用されていればよい。好ましくは、例えば、図７（Ａ）に示されたＸＹ断面を、中心軸Ｐ２２を中心として４等分し、４等分された各区画における少なくとも一部の断面（ボルト２２の中心軸Ｐ２２を通る任意の断面）において、図８に示された構成と同様の構成が採用される。図９についても同様である。

上記実施形態では、下側の絶縁シート５２０は、１段構成を採用しているが、これに限定されない。例えば、下側の絶縁シート５２０が、２段以上の多段構成を採用していてもよい。下側の絶縁シート５２０が上記多段構成を採用する場合には、下側の絶縁シート５２０に形成された絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉが階段状またはスロープ状となるよう、各段の絶縁シートに形成された絶縁シート貫通孔の孔径を互いに異ならせることが好ましい。

上記実施形態の燃料電池スタック１００において、ボルト２２の軸部と、絶縁シート貫通孔５３０とは、ボルト２２の中心軸Ｐ２２を中心とする略同心である構成を採用したが、これに限定されない。すなわち、Ｚ軸方向視において、絶縁シート貫通孔５３０の内周縁Ｅｉが、ボルト２２の外周縁Ｅｂを取り囲んでいれば、ボルト２２の軸部と、絶縁シート貫通孔５３０とが、ボルト２２の中心軸Ｐ２２を中心とする略同心でない構成であってもよい。また、上記実施形態の燃料電池スタック１００において、ターミナルプレート貫通孔４３０と、絶縁シート貫通孔５３０とは、ターミナルプレート貫通孔４３０の中心軸ＰＯを中心とする略同心である構成を採用したが、これに限定されない。すなわち、ターミナルプレート貫通孔４３０と絶縁シート貫通孔５３０とが連通していれば、Ｚ軸方向において、ターミナルプレート貫通孔４３０と、絶縁シート貫通孔５３０とが、ターミナルプレート貫通孔４３０の中心軸ＰＯを中心とする略同心でない構成であってもよい。

上記実施形態の燃料電池スタック１００において、Ｚ軸方向において、絶縁シート貫通孔５３０の内周縁Ｅｉは、ターミナルプレート貫通孔４３０の内周縁Ｅｔを取り囲んでいる構成を採用したが、これに限定されない。すなわち、ターミナルプレート貫通孔４３０と絶縁シート貫通孔５３０とが連通していれば、Ｚ軸方向において、ターミナルプレート貫通孔４３０の内周縁Ｅｔが、絶縁シート貫通孔５３０の内周縁Ｅｉを取り囲んでいる構成や、絶縁シート貫通孔５３０の内周縁Ｅｉで囲まれる領域の一部のみが、ターミナルプレート貫通孔４３０の内周縁Ｅｔで囲まれる領域に重複している構成であってもよい。このような構成が採用された燃料電池スタックでは、下側の絶縁シート５２０の表面のうち、絶縁シート貫通孔５３０に面する部分の少なくとも一部に、上記実施形態における表面構成を採用することができる。すなわち、上記実施形態の表面構成は、下側の絶縁シート５２０における絶縁シート貫通孔５３０の内面Ｓｉに限らず、上面Ｓ３および／またはその他の面において採用されうる。

上記実施形態の燃料電池スタック１００では、図８および図９に示されたＸＺ断面に図示されていない他のボルト２２付近および他のマニホールド１６１，１６２，１７１，１７２付近においても、上記と同様の構成が採用されているが、これに限定されず、少なくとも一部のボルト２２付近およびマニホールド１６１，１６２，１７１，１７２付近において、上記と同様の構成が採用されていればよい。

上記実施形態では、下側のターミナルプレート４２０と下側のエンドプレート１０６との間に位置する下側の絶縁シート５２０に対して、上記構成を採用したが、これに限定されない。例えば、下側の絶縁シート５２０に代えて、または、下側の絶縁シート５２０とともに、上側のターミナルプレート４１０と上側のエンドプレート１０４との間に位置する上側の絶縁シート５１０に対して、上記構成を採用してもよい。この構成において、上側の絶縁シート５１０は、特許請求の範囲における絶縁部材に相当し、上側のターミナルプレート４１０は、特許請求の範囲における第１の導電性部材に相当し、上側のエンドプレート１０４は、特許請求の範囲における第２の導電性部材に相当する。また、この構成において、上側のターミナルプレート４１０の上面は、特許請求の範囲における第１の表面に相当し、上側のエンドプレート１０４の下面は、特許請求の範囲における第２の表面に相当する。

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００を構成する少なくとも１つの空気極側フレーム１３０に対して、上記構成を採用してもよい。すなわち、セパレータ１２０と上側のターミナルプレート４１０またはインターコネクタ１５０との間に配置された空気極側フレーム１３０に対して、上記構成を採用することができる。この構成において、空気極側フレーム１３０は、特許請求の範囲における絶縁部材に相当し、セパレータ１２０は、特許請求の範囲における第１の導電性部材に相当し、上側のターミナルプレート４１０およびインターコネクタ１５０は、特許請求の範囲における第２の導電性部材に相当する。また、この構成において、セパレータ１２０の上面は、特許請求の範囲における第１の表面に相当し、上側のターミナルプレート４１０の下面およびインターコネクタ１５０の下面は、特許請求の範囲における第２の表面に相当する。

上記実施形態において、下側のターミナルプレート４２０の下面Ｓ１および下側のエンドプレート１０６の上面Ｓ２は、ともに平面であるとしたがこれに限定されない。例えば、下面Ｓ１および上面Ｓ２の一部に凹凸を含んでいてもよい。また、上述の通り、第１の導電性部材として、上側のターミナルプレート４１０またはセパレータ１２０を採用し、第２の導電性部材として、上側のエンドプレート１０４、上側のターミナルプレート４１０またはインターコネクタ１５０を採用した構成においても同様である。

上記実施形態における単セル１１０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、上記実施形態において、ボルト２２の軸部の下側端部が下側のエンドプレート１０６を貫いて下方に突出し、その突出した下側端部に形成されたねじ部にナットが螺合しているとしてもよい。また、上記実施形態において、ボルト２２の軸部の上側端部の外周面におねじが形成され、上側のエンドプレート１０４に形成された貫通孔の内周面にめねじが形成されており、ボルト２２の軸部の上側端部が上側のエンドプレート１０４に形成された貫通孔に螺合しているとしてもよい。

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数は、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。

上記実施形態の発電単位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、上記実施形態では、電気化学反応単位として、カウンターフロータイプの発電単位１０２を例示したが、これに限らず、酸化剤ガスの主たる流れ方向と燃料ガスの主たる流れ方向とが交差するクロスフロータイプの構成や、酸化剤ガスの主たる流れ方向と燃料ガスの主たる流れ方向とが同じ方向であるコフロータイプの構成でもよい。また、上記実施形態では、複数の集電部材要素１３５（複数の電極対向部１４５）は、少なくとも一の方向に均等間隔で並ぶように配置されるとしたが、これに限らず、複数の集電部材要素１３５の少なくとも一部が、一の方向に不均一な間隔で並ぶように配置されるとしてもよいし、また、複数の集電部材要素１３５の少なくとも一部が、一の方向に対して側方に外れた位置に配置されるとしてもよい。

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ともに、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、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単セルにおいても、本発明を適用することにより上記効果を得ることができる。

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、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 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：発電単位 １０３：発電ブロック 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（カソード) １１６：燃料極（アノード） １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：空気室用孔 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：空気極側集電部材 １３５：集電部材要素 １４０：燃料極側フレーム １４１：燃料室用孔 １４２：燃料ガス供給連通流路 １４３：燃料ガス排出連通流路 １４４：燃料極側集電部材 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサ 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 ４１０：ターミナルプレート ４２０：ターミナルプレート ４３０：ターミナルプレート貫通孔 ５１０：絶縁シート ５２０：絶縁シート ５２１：凸部 ５２３：凹部 ５２３ａ：挟角 ５３０：絶縁シート貫通孔 ＣＤ：沿面距離 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 Ｔｉ：厚さ（シート厚）

Claims (6)

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に対して前記第１の方向の一方側に配置された第１の導電性部材であって、前記第１の方向に略直交する平面状の第１の表面を有し、かつ、前記第１の方向に貫く平板貫通孔が形成された、導電性を有する第１の導電性部材と、
   前記第１の導電性部材に対して前記第１の方向の前記一方側に配置された絶縁部材であって、前記平板貫通孔に連通し、かつ、前記第１の方向に貫く絶縁貫通孔が形成された、絶縁性を有する絶縁部材と、
   前記絶縁部材に対して前記第１の方向の前記一方側に配置され、前記第１の方向に略直交する平面状の第２の表面を有する第２の導電性部材であって、導電性を有する第２の導電性部材と、
   を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記絶縁部材は、前記第１の表面と前記第２の表面とに接しており、
   前記絶縁貫通孔を画定する前記絶縁部材の内面は、凹凸構造を有し、
   前記第１の方向視において前記絶縁貫通孔の中心を通り、かつ、前記第１の方向に略平行な少なくとも１つの断面において、前記絶縁部材の前記内面における最大高さＲｚは、８０μｍ以下である、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
2. 請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記少なくとも１つの断面において、前記絶縁部材の前記内面における算術平均粗さＲａは、２０μｍ以下である、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記少なくとも１つの断面において、前記絶縁部材の前記内面における凹凸の平均間隔Ｓｍは、２０μｍ以上である、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記少なくとも１つの断面において、前記絶縁部材の前記内面における凹部の挟角の最小値は９０°以上である、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
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セルスタックにおいて、
   前記絶縁部材は、マイカにより形成されている、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
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セルスタックにおいて、
   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セルスタック。

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