JP2021140883A - 電気化学反応セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータまたは単セルからのろう付け部の剥離に起因するセパレータと単セルとの接合強度の低下を抑制する。【解決手段】電気化学反応セルスタックは、第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位を備える。電気化学反応単位は、電解質層と空気極および燃料極とを含む単セルと、燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、セパレータと単セルとを接合するろう付け部と、を備える。セパレータは、第１の方向に直交する第２の方向に延びているセパレータ基準部と、第１の方向視でセパレータ基準部の外周側に隣接し、セパレータ基準部に対して一方とは反対の方向に突出しているセパレータ突出部と、を有する。ろう付け部は、セパレータ突出部に接触している。【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１つとして、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）が知られている。ＳＯＦＣは、一般に、燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という。）が所定の方向（以下、「第１の方向」という。）に複数並べて配置された積層体を備える燃料電池スタックの形態で利用される。発電単位は、燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という。）を備える。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを備える。

また、発電単位は、第１の方向に貫通する貫通孔が形成され、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、ろう材により形成され、セパレータと単セルとを接合するろう付け部とを備える。セパレータのうち、第１の方向視で上記貫通孔を取り囲む部分は、単セルに対して第１の方向の一方に位置している。ろう付け部の少なくとも一部は、セパレータと単セルとの間に位置している。

従来の電気化学反応セルスタックでは、セパレータは、その全体が第１の方向に直交する方向に延びており、ろう付け部は、そのような形状をなすセパレータに接触しており、第１の方向視で単セルと重なる位置から単セルと重ならない位置に亘って形成されている（例えば、特許文献１参照）。このようにろう付け部が第１の方向視で単セルと重ならない位置まで形成されていることにより、ろう付け部が単セルと重なる位置のみに形成されている構成と比較して、ろう付け部とセパレータとの接触面積が大きくなり、これによりろう付け部によるセパレータと単セルとの接合強度が向上する。

特開２０１５−１３５８０７号公報

特許文献１に記載された電気化学反応セルスタックでは、ろう付け部のうち、第１の方向視で単セルと重ならない外周側の部分（以下、「ろう付け外周部」という。）は、空気室および燃料室のうちの一方（以下、「特定ガス室」という。）に露出する。より詳細には、ろう付け外周部のうち、セパレータと単セルとのいずれにも接触していない表面（以下、「露出面」という。）が特定ガス室に露出する。この電気化学反応セルスタックでは、ろう付け外周部の露出面に、特定ガス室内を流れるガスが接触することにより、ろう付け外周部が飛散し、セパレータまたは単セルから剥離することがあり、これによりセパレータと単セルとの接合強度が低下するおそれがある。

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。）の構成単位である電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも共通の問題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、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び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。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、を含む単セルと、前記第１の方向に貫通する貫通孔が形成され、前記第１の方向視で前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルに対して前記第１の方向の一方に位置しており、前記空気極に面する空気室と、前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、ろう材により形成され、少なくとも一部が前記セパレータと前記単セルとの間に位置しており、前記セパレータと前記単セルとを接合するろう付け部と、を備える電気化学反応単位が、前記第１の方向に複数並べて配置される電気化学反応セルスタックにおいて、前記セパレータは、前記第１の方向に直交する第２の方向に延びているセパレータ基準部と、前記第１の方向視で前記セパレータ基準部の外周側に隣接し、前記セパレータ基準部に対して前記一方とは反対の方向に突出しているセパレータ突出部と、を有し、前記ろう付け部は、前記セパレータ突出部に接触している。本電気化学反応セルスタックによれば、前記空気室と前記燃料室とのうち、ろう付け外周部（前記ろう付け部のうち、前記第１の方向視で前記単セルと重ならない外周側の部分）が露出するガス室（以下、「特定ガス室」という。）内を流れるガスに起因するろう付け外周部の前記セパレータまたは前記単セルからの剥離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、前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記セパレータ突出部の前記ろう付け部に接触している表面のうちの前記一方の端部と、前記一方とは反対の方向の端部とを通る仮想直線と、前記第２の方向に平行な仮想直線とがなす角度θ（０°≦θ＜１８０°）が３５°以上である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、前記ろう付け部における特定ガス室への露出面積の増大をより効果的に抑制することができ、ひいては、特定ガス室内を流れるガスに起因するろう付け外周部の前記セパレータまたは前記単セルからの剥離をより効果的に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、前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記セパレータのうち、前記ろう付け部と接触している部分は、３個／１００μｍ以上の凸部Ｃｐを有している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、前記セパレータのうち、前記ろう付け部と接触している部分が平坦である構成と比較して、前記ろう付け部と前記セパレータとの接触面積が大きくなり、これにより前記ろう付け部による前記セパレータと前記単セルとの接合強度をより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。

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Ｐｘ部（セパレータ１２０およびろう付け部１２４とその周辺の部分）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。 セパレータ１２０とろう付け部１２４との境界の周辺のＸＺ断面構成を模式的に示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、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り、図２は、図１（および後述する図６，７）のＩＩ−ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１（および後述する図６，７）のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。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する。

燃料電池スタック１００は、複数の（第１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（第１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の方向に相当し、発電単位１０２は、特許請求の範囲における電気化学反応単位に相当する。

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方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（第１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と呼ぶ場合がある。

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２および図３に示すように、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の上端を構成するエンドプレート１０４の上側表面との間、および、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の下端を構成するエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。ただし、後述のガス通路部材２７が設けられた箇所では、ナット２４とエンドプレート１０６の表面との間に、ガス通路部材２７とガス通路部材２７の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート２６とが介在している。絶縁シート２６は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。

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が挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、第１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が挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２に供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、第１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、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る。

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電部１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電部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が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。なお、セパレータ１２０の厚さは、例えば５０〜２００μｍである。

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、第１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の上下方向（第１の方向）の一方側（下側）に配置された燃料極（アノード）１１６と、電解質層１１２の上下方向の他方側（上側）に配置された空気極（カソード)１１４とを備える。言い換えると、空気極１１４および燃料極１１６は、電解質層１１２を挟んで上下方向に互いに対向している。なお、第１実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、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。すなわち、第１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、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。

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貫通孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０のうち、上下方向視で貫通孔１２１を取り囲む部分は、単セル１１０に対して上方（本実施形態では電解質層１１２に対して上方）に位置している。セパレータ１２０は、単セル１１０から離隔しており、その対向した部分に配置されたろう材（例えばＡｇろう）により形成されたろう付け部１２４により、単セル１１０（第１実施形態では電解質層１１２）と接合されている。ろう付け部１２４の少なくとも一部は、セパレータ１２０と単セル１１０との間に位置している。本実施形態では、ろう付け部１２４の当該一部は、セパレータ１２０の下側の表面と、電解質層１１２の上側の表面との間に位置している。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部分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、ろう付け部１２４の形成材料は、液相線温度が比較的高いＡｇろうなどの所謂、硬ろうに限られず、液相線温度が比較的低い所謂、軟ろう（はんだ）であってもよい。

電解質層１１２におけるろう付け部１２４に対して空気室１６６側には、ガラスを含むガラスシール部１２５が配置されている。ガラスシール部１２５は、セパレータ１２０の貫通孔１２１を取り囲む部分の表面と、単セル１１０（第１実施形態では電解質層１１２）の表面との両方に接触するように形成されている。ガラスシール部１２５により、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リーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。

図４〜６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。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。

図４，５，７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、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。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。

図４，５，７に示すように、燃料極側集電部１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。燃料極側集電部１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電部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。

図４〜６に示すように、空気極側集電部１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電部１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素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１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、空気極側集電部１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として構成されていてもよい。また、空気極側集電部１３４が導電性のコートによって覆われていてもよく、また、空気極１１４と空気極側集電部１３４との間に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、空気極側集電部１３４を構成する２つの隣り合う集電体要素の間の空間は、酸化剤ガスＯＧが流れるガス流路として機能する。図６に示すように、第１実施形態では、各集電体要素は、軸方向（長手方向）がＸ軸方向に略一致する向きで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に並ぶように配置されている。そのため、酸化剤ガスＯＧが流れるガス流路は、上下方向視でＸ軸方向およびＹ軸方向に格子状に延びるような形状となっている。

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孔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はインターコネクタ１５０および空気極側集電部１３４の集合体に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電部１４４を介してインターコネクタ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。

Ａ−３．セパレータ１２０及びろう付け部１２４の詳細構成：
図８は、図４のＰｘ部（セパレータ１２０およびろう付け部１２４とその周辺の部分）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。図９は、セパレータ１２０とろう付け部１２４との境界の周辺のＸＺ断面構成を模式的に示す説明図である。図９には、セパレータ１２０とろう付け部１２４との境界の一例として、セパレータ１２０とセパレータ突出部１２０Ｂの傾斜部１２１Ｂとの境界の一部が示されている。

図８に示すように、上下方向に平行であり、かつ上下方向視でセパレータ１２０の中心を通る任意のセパレータ１２０断面（例えば、図８に示される断面）において、セパレータ１２０は、上下方向に直交する方向（図８の断面ではＸ軸方向）に延びているセパレータ基準部１２０Ａと、上下方向視でセパレータ基準部１２０Ａの外周側に隣接し、セパレータ基準部１２０Ａに対して下方（Ｚ軸負方向）に突出しているセパレータ突出部１２０Ｂと、を有している。なお、上記の「上下方向に直交する方向に延びている」とは、両方向のなす角度が厳密に９０°である方向に延びている形態に限定されず、当該角度が（９０±α）°（０≦α≦１０）である方向に延びている形態を含む。なお、上下方向に直交する方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。また、以下において、上下方向に直交する方向を、単に「直交方向」という。

セパレータ突出部１２０Ｂは、上下方向視でセパレータ基準部１２０Ａの外周側に隣接する傾斜部１２１Ｂと、傾斜部１２１Ｂの外周側に隣接する直線部１２２Ｂと、を備えている。傾斜部１２１Ｂは、上下方向の位置がセパレータ１２０の外周側（図８の断面ではＸ軸正方向）に向かうにつれて下方に位置するようにＸ軸方向に対して傾斜する方向に延びている。直線部１２２Ｂは、Ｘ軸方向に延びている。

ろう付け部１２４は、上下方向視で単セル１１０と重なる位置から単セル１１０と重ならない位置に亘って形成されている。なお、本実施形態では、ろう付け部１２４は、その厚さがＸ軸方向の全長に亘って略均一（セパレータ突出部１２０Ｂの傾斜部１２１Ｂと接触している部分を除く。）であり、Ｘ軸方向に延びているが、ろう付け部１２４の構成はこのような構成に限られるものではない。

ろう付け部１２４のうち、上下方向視で単セル１１０と重ならない外周側の部分（以下、「ろう付け外周部」という。）１２４Ａは、燃料室１７６に露出している。より詳細には、ろう付け外周部１２４Ａのうち、セパレータ１２０と単セル１１０とのいずれにも接触していない表面（空気室１６６に露出している部分を除く。以下、「露出面」という。）ＥＳは、燃料室１７６に露出している。

ろう付け部１２４は、セパレータ突出部１２０Ｂ（より詳細には、セパレータ突出部１２０Ｂの傾斜部１２１Ｂ）に接触している。ろう付け部１２４は、直交方向（図８の断面ではＸ軸方向）においてセパレータ突出部１２０Ｂの傾斜部１２１Ｂを乗り越えて直線部１２２Ｂの側に至ることが無いように形成されている。言い換えると、ろう付け部１２４は、直交方向の位置がセパレータ突出部１２０Ｂの直線部１２２Ｂの位置に至らないようにセパレータ基準部１２０Ａとセパレータ基準部１２０Ａの傾斜部１２１Ｂとのいずれかの位置に収まるように配置されている。

そのため、本実施形態においては、上記特許文献１のように「セパレータ１２０の全体が直交方向に延びており、ろう付け部１２４が、そのような形状をなすセパレータ１２０に接触している」構成と比較して、ろう付け部１２４の直交方向の長さが制限されており、その結果、露出面ＥＳ（ろう付け部１２４のうち、燃料室１７６に露出している表面）の面積が小さくなっている。

ここで、仮に上記特許文献１の構成においては、ろう付け外周部１２４Ａのうち直交方向に対向する面（以下、「ろう付け外周部１２４Ａの側面」という。）は、燃料室１７６に露出することとなる。これに対し、本実施形態においては、セパレータ１２０は、セパレータ基準部１２０Ａに対して下方に突出しているセパレータ突出部１２０Ｂを有し、図８に示すように、ろう付け部１２４の側面Ｓは、セパレータ突出部１２０Ｂに接触している。そのため、本実施形態では、ろう付け外周部１２４Ａの側面Ｓは、燃料室１７６に露出していない。このような観点からも、本実施形態においては、上記特許文献１の構成と比較すると、露出面ＥＳの面積が小さくなっている。

また、上下方向に平行であり、かつ上下方向視でセパレータ１２０の中心を通る任意のセパレータ１２０の断面（例えば、図８に示される断面）において、セパレータ突出部１２０Ｂのうち、ろう付け部１２４に接触している表面のうちの上方の端部Ｕｅと、下方の端部Ｄｅとを通る仮想直線ＴＡと、直交方向（図８の断面ではＸ軸方向）に平行な仮想直線ＴＢとがなす角度θ（０°≦θ＜１８０°）は、３５°以上である。なお、図８では当該角度θが４５°である形態が示されている。

また、図９に示すように、上下方向に平行な少なくとも１つの燃料電池スタック１００の断面（例えば、図８および図９に示される断面）において、セパレータ１２０のうち、ろう付け部１２４と接触している部分は、３個／１００μｍ以上の凸部Ｃｐを有している。上記の１００μｍ内に含まれる各凸部Ｃｐの高さは、１μｍ以上である。

なお、ろう付け部１２４とセパレータ１２０との接触面積を大きくする（ひいては、ろう付け部１２４によるセパレータ１２０と単セル１１０との接合強度を向上させる）観点からは、上記の１００μｍ内に含まれる３個の凸部Ｃｐの平均高さ（以下、単に「凸部Ｃｐの平均高さ」という。）は大きいほど好ましく、例えば０．５μｍ以上であることが好ましい。また、凸部Ｃｐの平均高さが過大となると、ろう付け部１２４のうち、凸部Ｃｐが位置する部分（具体的には、上下方向視で凸部Ｃｐと重なる部分）の厚さが過度に薄くなることにより、ろう付け部１２４によるセパレータ１２０と単セル１１０との接合強度を十分に確保できなくなるおそれがある。そのため、凸部Ｃｐの平均高さは、ある程度の高さ以下（例えば、セパレータ１２０の厚さの０．１倍以下）に設定されることがより好ましい。従って、セパレータ１２０の厚さが１００μｍであれば、凸部Ｃｐの平均高さが１０μｍ以下であることがより好ましい。

以上のことに鑑みると、凸部Ｃｐの平均高さは、例えば、セパレータ１２０の厚さが５０〜２００μｍであれば、０．９〜１．１μｍであることがより好ましく、１.０μｍであることが特に好ましい。

なお、本実施形態では、上下方向に平行な少なくとも１つの燃料電池スタック１００の断面（例えば、図８および図９に示される断面）において、セパレータ１２０のうち、ろう付け部１２４と接触している部分の全体に亘って、３個／１００μｍ以上の凸部Ｃｐを有しているが、このような態様に換えて、セパレータ１２０のうち、ろう付け部１２４と接触している部分の一部のみにおいて、３個／１００μｍ以上の凸部Ｃｐを有していてもよい。

上述したセパレータ１２０とろう付け部１２４との接合構造は、例えば、以下の方法で形成される。まず、上述した構成をなすセパレータ１２０のセパレータ突出部１２０Ｂ（本実施形態では傾斜部１２１Ｂ）に接触するようにろう付け部１２４が配置された部材を準備する。次に、当該部材に配置されたろう付け部１２４に単セル１１０を接触させる。以上の方法により、上述したセパレータ１２０とろう付け部１２４との接合構造が形成される。

Ａ−４．第１実施形態の効果：
以上説明したように、第１実施形態の燃料電池スタック１００は、上下方向に並べて配置された複数（本実施形態では７つ）の発電単位１０２を備える。発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、ろう付け部１２４と、を備えている。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向に互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６と、を含んでいる。セパレータ１２０は、上下方向に貫通する貫通孔１２１が形成され、上下方向視で貫通孔１２１を取り囲む部分が単セル１１０に対して上方（Ｚ軸正方向）に位置しており、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とを区画している。ろう付け部１２４は、ろう材により形成され、少なくとも一部がセパレータ１２０と単セル１１０との間に位置しており、セパレータ１２０と単セル１１０とを接合している。セパレータ１２０は、直交方向（上下方向に直交する方向）に延びているセパレータ基準部１２０Ａと、上下方向視でセパレータ基準部１２０Ａの外周側に隣接し、セパレータ基準部１２０Ａに対して下方（Ｚ軸負方向）に突出しているセパレータ突出部１２０Ｂと、を有している。ろう付け部１２４は、セパレータ突出部１２０Ｂに接触している。

本実施形態の燃料電池スタック１００では、ろう付け部１２４のうち、セパレータ突出部１２０Ｂに接触している表面（上記の側面Ｓの一部）は、ろう付け部１２４とセパレータ１２０との接触面積を大きくするものでありながら、燃料室１７６に露出していない。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、ろう付け部１２４とセパレータ１２０との接触面積を大きくすることにより、ろう付け部１２４によるセパレータ１２０と単セル１１０との接合強度を向上させながらも、上記特許文献１のように「セパレータ１２０の全体が直交方向に延びており、ろう付け部１２４が、そのような形状をなすセパレータ１２０に接触している」構成と比較して、ろう付け外周部１２４Ａにおける燃料室１７６への露出面積の増大が抑制され、ひいては燃料室１７６内を流れるガスに起因するろう付け外周部１２４Ａのセパレータ１２０または単セル１１０からの剥離を抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上下方向に平行な少なくとも１つの断面（例えば、図８に示される断面）において、セパレータ突出部１２０Ｂのろう付け部１２４に接触している表面のうちの上方（Ｚ軸正方向）の端部Ｕｅと、下方（Ｚ軸正方向とは反対のＺ軸負方向）の端部Ｄｅとを通る仮想直線ＴＡと、直交方向（上下方向に直交する方向）に平行な仮想直線ＴＢとがなす角度θ（０°≦θ＜１８０°）が３５°以上である。

本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、上下方向に平行な少なくとも１つの断面（例えば、図８に示される断面）において、上記角度θが大きいほど、ろう付け部１２４における燃料室１７６への露出面積が小さくなる。本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、当該角度θが３５°以上と十分に大きいことにより、ろう付け部１２４における燃料室１７６への露出面積の増大をより効果的に抑制することができ、ひいては、燃料室１７６内を流れるガスに起因するろう付け外周部１２４Ａのセパレータ１２０または単セル１１０からの剥離をより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１０では、上下方向に平行な断面（例えば、図８に示される断面）において、セパレータ１２０のうち、ろう付け部１２４と接触している部分は、３個／１００μｍ以上の凸部Ｃｐを有している。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、セパレータ１２０のうち、ろう付け部１２４と接触している部分が平坦である構成と比較して、ろう付け部１２４とセパレータ１２０との接触面積が大きくなり、これによりろう付け部１２４によるセパレータ１２０と単セル１１０との接合強度をより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（または変形例。以下、同様）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。

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は、ろう付け外周部１２４Ａが燃料室１７６に露出している構成であるが、ろう付け外周部１２４Ａが空気室１６６に露出している構成であってもよい。例えば、上記実施形態において、燃料電池スタック１００は、以下のような構成であってもよい。電解質層１１２は、上下方向視で燃料極１１６の外側にまで突出する部分（以下、「電解質突出部」という。）を有している。セパレータ１２０のうち、上下方向視で貫通孔１２１を取り囲む部分が電解質突出部に対して下方に位置している。ろう付け部１２４の少なくとも一部は、電解質突出部の下側の表面と、セパレータ１２０の上側の表面との間に位置している。セパレータ１２０は、直交方向（上下方向に直交する方向）に延びているセパレータ基準部１２０Ａと、上下方向視でセパレータ基準部１２０Ａの外周側に隣接し、セパレータ基準部１２０Ａに対して上方（Ｚ軸正方向）に突出しているセパレータ突出部と、を有している。ろう付け部１２４は、当該セパレータ突出部に接触している。このような構成においても、第１実施形態の場合と同様の理由から、ろう付け外周部１２４Ａにおける空気室１６６への露出面積の増大が抑制され、ひいては空気室１６６内を流れるガスに起因するろう付け外周部１２４Ａのセパレータ１２０または単セル１１０からの剥離を抑制することができる。なお、以下において、燃料室１７６と空気室１６６とのうち、ろう付け外周部１２４Ａが露出するガス室を「特定ガス室」という。

また、上記実施形態において、上下方向に平行であり、かつ上下方向視でセパレータ１２０の中心を通るセパレータ１２０の断面のうちのいずれかの断面のみにおいて、セパレータ１２０は、セパレータ基準部１２０Ａとセパレータ突出部１２０Ｂ（ろう付け外周部１２４Ａが空気室１６６に露出している構成においては、セパレータ突出部、以下同様）上記とを有していてもよい。

また、上記実施形態において、上下方向に平行であり、かつ上下方向視でセパレータ１２０の中心を通る燃料電池スタック１００の断面のうちのいずれかの断面のみにおいて、セパレータ突出部１２０Ｂのうち、ろう付け部１２４に接触している表面のうちの上方の端部Ｕｅと、下方の端部Ｄｅとを通る仮想直線ＴＡと、直交方向に平行な仮想直線ＴＢとがなす角度θ（０°≦θ＜１８０°）が３５°以上であってもよい。

また、上記実施形態において、セパレータ突出部１２０Ｂの構成（例えば、形状）は、上下方向視でセパレータ基準部１２０Ａの外周側に隣接し、セパレータ基準部１２０Ａに対して下方（または上方）に突出しているとの要件を満たす限りにおいて、上記実施形態において記載した構成に限定されるものではない。例えば、上記第１実施形態において、セパレータ１２０は、下方に突出する凸形状をなすセパレータ突出部１２０Ｂを備えていてもよい。具体的には、セパレータ１２０は、上述した上下方向に直交する方向に延びているセパレータ基準部１２０Ａと、当該方向に延びている第２のセパレータ基準部と、セパレータ基準部１２０Ａと第２のセパレータ基準部とを連結しており、セパレータ基準部１２０Ａと第２のセパレータ基準部との両方に対して下方（または上方）に突出しているセパレータ突出部１２０Ｂとを備える構成であってもよい（例えば、特開２０１９−１６９２４０号公報に記載されているセパレータ１２０の第１の平坦部１２６、第２の平坦部１２７、連結部１２８を参照）。このような構成であれば、第１実施形態と同様の理由から、ろう付け外周部１２４Ａにおける特定ガス室への露出面積の増大が抑制され、ひいては特定ガス室内を流れるガスに起因するろう付け外周部１２４Ａのセパレータ１２０または単セル１１０からの剥離を抑制することができる。

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０（発電単位１０２）の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０（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、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のセパレータおよびろう付け部を採用することにより、上記実施形態の場合と同様の理由から、特定ガス室内を流れるガスに起因するろう付け外周部１２４Ａのセパレータ１２０または単セル１１０からの剥離を抑制することができる。

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。

１００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２０Ａ：セパレータ基準部 １２０Ｂ：セパレータ突出部 １２４：ろう付け部 １２４Ａ：ろう付け外周部 １６６：空気室 １７６：燃料室 Ｃｐ：凸部

Claims (3)

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、を含む単セルと、
   前記第１の方向に貫通する貫通孔が形成され、前記第１の方向視で前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルに対して前記第１の方向の一方に位置しており、前記空気極に面する空気室と、前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、
   ろう材により形成され、少なくとも一部が前記セパレータと前記単セルとの間に位置しており、前記セパレータと前記単セルとを接合するろう付け部と、
   を備える電気化学反応単位が、前記第１の方向に複数並べて配置される電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記セパレータは、
   前記第１の方向に直交する第２の方向に延びているセパレータ基準部と、
   前記第１の方向視で前記セパレータ基準部の外周側に隣接し、前記セパレータ基準部に対して前記一方とは反対の方向に突出しているセパレータ突出部と、
   を有し、
   前記ろう付け部は、前記セパレータ突出部に接触している、
   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、
   前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記セパレータ突出部の前記ろう付け部に接触している表面のうちの前記一方の端部と、前記一方とは反対の方向の端部とを通る仮想直線と、前記第２の方向に平行な仮想直線とがなす角度θ（０°≦θ＜１８０°）が３５°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。
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、
   前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記セパレータのうち、前記ろう付け部と接触している部分は、３個／１００μｍ以上の凸部を有している、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

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