JP2023080457A - 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】インターコネクタと単セル用セパレータとの間の短絡の発生を抑制する。【解決手段】電気化学反応単位は、単セルと、単セル用セパレータと、シール部と、インターコネクタとを備える。単セル用セパレータは、単セルに接合され、空気極に面するガス室と燃料極に面するガス室とを区画する導電性の部材である。シール部は、単セルの表面と単セル用セパレータの表面とにわたって配置されることにより両者の間をシールする絶縁性の部材である。インターコネクタは、第１の方向において燃料極と空気極との一方である特定電極に対向するように配置され、特定電極に電気的に接続された導電性の部材である。第１の方向に沿った特定断面において、インターコネクタのうち単セル用セパレータに最も近接する最近接部の全体は、単セル用セパレータとインターコネクタの最近接部とを最短距離で結ぶ方向においてシール部に対向している。【選択図】図８

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位および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。）を有する。単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向（以下、「第１の方向」という。）に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む。

また、発電単位は、単セル用セパレータおよびインターコネクタを有する。単セル用セパレータは、単セルに接合され、空気極に面するガス室と燃料極に面するガス室とを区画する導電性の部材である。また、インターコネクタは、上記第１の方向において燃料極と空気極との一方（以下、「特定電極」という。）に対向するように配置され、特定電極に電気的に接続された導電性の部材である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０２１－２２４６０号公報

発電単位では、温度変化やガス圧の変化等に起因して各構成部材に反り等の変形が発生し、その結果、インターコネクタと単セル用セパレータとの間の距離が小さくなることがある。インターコネクタと単セル用セパレータとの間の距離が小さくなると、両者の間で短絡が発生するおそれがある。このような短絡が発生すると、単セルが破損するおそれがある。

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単セルを含む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、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び、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタックと複数の電解セル単位を備える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、他のタイプの燃料電池や電解セル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、電気化学反応単セルと、単セル用セパレータと、シール部と、インターコネクタとを備える。電気化学反応単セルは、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。単セル用セパレータは、前記第１の方向において前記電気化学反応単セルの少なくとも一部と重なった状態で前記電気化学反応単セルに接合され、前記空気極に面するガス室と前記燃料極に面するガス室とを区画する導電性の部材である。シール部は、前記電気化学反応単セルの表面と前記単セル用セパレータの表面とにわたって配置されることにより、前記電気化学反応単セルと前記単セル用セパレータとの間をシールする絶縁性の部材である。インターコネクタは、前記第１の方向において前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対向するように配置され、前記特定電極に電気的に接続された導電性の部材である。前記第１の方向に沿った少なくとも１つの断面である特定断面において、前記インターコネクタのうち前記単セル用セパレータに最も近接する最近接部の全体は、前記単セル用セパレータと前記インターコネクタの前記最近接部とを最短距離で結ぶ方向において前記シール部に対向している。

本電気化学反応単位では、第１の方向に沿った少なくとも１つの断面である特定断面において、インターコネクタのうち単セル用セパレータに最も近接する最近接部の全体が単セル用セパレータとインターコネクタの最近接部とを最短距離で結ぶ方向においてシール部に対向しているため、インターコネクタの最近接部と単セル用セパレータとを結ぶ最短経路上に絶縁性のシール部が介在している。そのため、本電気化学反応単位によれば、インターコネクタの最近接部と単セル用セパレータとの間の距離が小さくなった場合にも、両者の間の短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して電気化学反応単セルが破損することを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、前記最近接部は、前記第１の方向に略直交すると共に少なくとも一部が前記特定電極に対向する表面と、外周側に向いた表面と、をつなぐ角部であって、前記第１の方向において前記シール部に対向する特定角部である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、インターコネクタの最近接部が電界集中が生じやすい角部であるところ、該角部が第１の方向において絶縁性のシール部に対向する特定角部であるため、インターコネクタの最近接部と単セル用セパレータとの間の短絡の発生を効果的に抑制することができ、該短絡に起因して電気化学反応単セルが破損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、前記特定角部は、前記第１の方向において、前記シール部のうち、前記第１の方向視で前記単セル用セパレータに重ならない部分に対向する構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、インターコネクタの特定角部と単セル用セパレータとの間の距離をより長く取ることができ、インターコネクタの最近接部と単セル用セパレータとの間の短絡の発生を効果的に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、さらに、前記特定電極に面するガス室内における前記インターコネクタの前記角部と前記第１の方向において対向するように配置された絶縁性部材を備え、前記特定角部は、前記第１の方向において、前記絶縁性部材を介することなく前記シール部に対向する構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、絶縁性部材が配置されていないためにインターコネクタの最近接部と単セル用セパレータとの間の短絡が発生しやすい特定角部がシール部と対向していることにより、該短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して電気化学反応単セルが破損することを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、さらに、前記インターコネクタに接合され、前記特定電極に面するガス室を区画する導電性のインターコネクタ用セパレータを備え、前記特定角部は、前記第１の方向視における前記インターコネクタの外周に位置する角部である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、電界集中が発生しやすいインターコネクタの外周に位置し、単セル用セパレータとの間の短絡が発生しやすい特定角部がシール部と対向していることにより、該短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して電気化学反応単セルが破損することを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、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 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 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 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 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 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 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 発電単位１０２の一部（図４のＸ１部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図 発電単位１０２の他の一部（図５のＸ２部）のＹＺ断面構成を拡大して示す説明図 比較例における発電単位１０２Ｚの構成を示す説明図 変形例における発電単位１０２の構成を示す説明図 変形例の燃料電池スタック１００１の外観構成を示す説明図

Ａ．実施形態：
Ａ－１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１（および後述する図６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り、図３は、図１（および後述する図６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。

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７０，８０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。上記配列方向（Ｚ軸方向）は、特許請求の範囲における第１の方向の一例である。

一対のターミナルプレート７０，８０のうちの一方（以下、「上側ターミナルプレート７０」という。）は、７つの発電単位１０２から構成される集合体（以下、「発電ブロック１０３」という。）の上側に配置されており、一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの一方（以下、「上側エンドプレート１０４」という。）は、上側ターミナルプレート７０の上側に配置されている。また、一対のターミナルプレート７０，８０のうちの他方（以下、「下側ターミナルプレート８０」という。）は、発電ブロック１０３の下側に配置されており、一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの他方（以下、「下側エンドプレート１０６」という。）は、下側ターミナルプレート８０の下側に配置されている。なお、上側ターミナルプレート７０と上側エンドプレート１０４との間、および、下側ターミナルプレート８０と下側エンドプレート１０６との間には、絶縁シート９２が介在している。絶縁シート９２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ている。なお、より詳細には、上側ターミナルプレート７０と絶縁シート９２との間には、後述するカバー用セパレータ６０が介在している。

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、ターミナルプレート７０，８０、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上側エンドプレート１０４から下側エンドプレート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とによる上下方向の圧縮力によって、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と上側エンドプレート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と下側エンドプレート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と下側エンドプレート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ている。

各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔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供給マニホールド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、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。

また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿通された連通孔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供給マニホールド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、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、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、酸化剤ガス供給マニホールド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、酸化剤ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一対のエンドプレート１０４，１０６の中央付近には、それぞれ、Ｚ軸方向に貫通する孔３２，３４が形成されている。Ｚ軸方向視で、一対のエンドプレート１０４，１０６のそれぞれに形成された孔３２，３４の内周線は、後述する各単セル１１０を内包している。そのため、各ボルト２２およびナット２４によるＺ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位１０２の周縁部（後述する各単セル１１０より外周側の部分）に作用する。

（ターミナルプレート７０，８０の構成）
一対のターミナルプレート７０，８０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。上側ターミナルプレート７０の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔７１が形成されている。Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート７０に形成された孔７１の内周線は、後述する各単セル１１０を内包している。なお、本実施形態では、Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート７０に形成された孔７１の内周線は、上側エンドプレート１０４に形成された孔３２の内周線と略一致している。上側ターミナルプレート７０は、Ｚ軸方向視で、上側エンドプレート１０４の外周線から外側に突出した突出部７８を備えており、該突出部７８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。また、下側ターミナルプレート８０は、Ｚ軸方向視で、下側エンドプレート１０６の外周線から外側に突出した突出部８８を備えており、該突出部８８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（最上部に位置する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（最上部に位置する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、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）１１０と、単セル用セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電部材１４８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１９０および一対のインターコネクタ用セパレータ（以下、「ＩＣ用セパレータ」という。）１８０とを備えている。単セル用セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、ＩＣ用セパレータ１８０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２のＺ軸方向の一方側（上側）に配置された空気極１１４と、電解質層１１２のＺ軸方向の他方側（下側）に配置された燃料極１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された中間層１１８とを備える。なお、本実施形態の単セル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、中間層１１８）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、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含むように構成されている。すなわち、本実施形態の単セル１１０は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。空気極１１４は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、例えばペロブスカイト型酸化物（例えば、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物））を含むように構成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。中間層１１８は、Ｚ軸方向視で空気極１１４と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とＹＳＺとを含むように構成されている。中間層１１８は、空気極１１４から拡散した元素（例えば、Ｓｒ）が電解質層１１２に含まれる元素（例えば、Ｚｒ）と反応して高抵抗な物質（例えば、ＳｒＺｒＯ_３）が生成されることを抑制する機能を有する。

単セル用セパレータ１２０は、中央付近にＺ軸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導電性部材であり、例えば、金属により形成されている。単セル用セパレータ１２０は、Ｚ軸方向において単セル１１０の少なくとも一部と重なった状態で単セル１１０に接合されている。より詳細には、単セル用セパレータ１２０における孔１２１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、電解質層１１２における空気極１１４の側（上側）の表面の周縁部に対向している。単セル用セパレータ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。単セル用セパレータ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（クロスリーク）が抑制される。

単セル用セパレータ１２０は、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部（孔１２１を取り囲む部分）を含む内側部１２６と、内側部１２６より外周側に位置する外側部１２７と、内側部１２６と外側部１２７とを連結する連結部１２８とを備える。本実施形態では、内側部１２６および外側部１２７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部１２８は、内側部１２６と外側部１２７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部１２８における下側（燃料室１７６側）の部分は凸部となっており、連結部１２８における上側（空気室１６６側）の部分は凹部となっている。このため、連結部１２８は、Ｚ軸方向における位置が内側部１２６および外側部１２７とは異なる部分を含んでいる。

単セル用セパレータ１２０における孔１２１付近には、ガラスを含む絶縁性のガラスシール部１２５が配置されている。ガラスシール部１２５は、接合部１２４に対して空気室１６６側に位置しており、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部の表面と、単セル１１０（本実施形態では電解質層１１２）の表面とにわたって配置されている。ガラスシール部１２５により、単セル１１０と単セル用セパレータ１２０との間がシールされ、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（クロスリーク）が効果的に抑制される。ガラスシール部１２５は、特許請求の範囲におけるシール部の一例である。

図４から図６に示すように、インターコネクタ１９０は、略矩形の平板形状の平板部１５０と、平板部１５０から空気極１１４側に突出した複数の略柱状の空気極側集電部１３４とを有する導電性の部材であり、金属（例えば、フェライト系ステンレス）により形成されている。本実施形態では、インターコネクタ１９０の表面（空気室１６６に面する表面）に、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性の被覆層１９４が形成されている。以下では、被覆層１９４に覆われたインターコネクタ１９０を、単にインターコネクタ１９０という。インターコネクタ１９０（より詳細には、インターコネクタ１９０の各空気極側集電部１３４）は、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性接合材１９６を介して、単セル１１０の空気極１１４に接合されることにより、空気極１１４と電気的に接続されている。インターコネクタ１９０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１９０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１９０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１９０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００において最も下側に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１９０は、導電性接合材１９６を介して下側ターミナルプレート８０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００において最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０は、ＩＣ用セパレータ１８０および／または後述する他の部材（接続部材４８、カバー部材５０、カバー用セパレータ６０）を介して上側ターミナルプレート７０に電気的に接続されている。空気極１１４は、特許請求の範囲における特定電極の一例である。

ＩＣ用セパレータ１８０は、中央付近にＺ軸方向に貫通する略矩形の孔１８１が形成されたフレーム状の導電性部材であり、例えば、金属により形成されている。ＩＣ用セパレータ１８０における孔１８１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、インターコネクタ１９０（の平板部１５０）の周縁部における上側の表面に、例えば溶接により接合されている。ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、上側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の空気室１６６と、該発電単位１０２に対して上側に隣り合う他の発電単位１０２の燃料室１７６とを区画する。また、ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、下側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の燃料室１７６と、該発電単位１０２に対して下側に隣り合う他の発電単位１０２の空気室１６６とを区画する。このように、ＩＣ用セパレータ１８０により、発電単位１０２の周縁部における発電単位１０２間のガスのリークが抑制される。

ＩＣ用セパレータ１８０は、ＩＣ用セパレータ１８０の貫通孔周囲部（孔１８１を取り囲む部分）を含む内側部１８６と、内側部１８６より外周側に位置する外側部１８７と、内側部１８６と外側部１８７とを連結する連結部１８８とを備える。本実施形態では、内側部１８６および外側部１８７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部１８８は、内側部１８６と外側部１８７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部１８８における下側（空気室１６６側）の部分は凸部となっており、連結部１８８における上側（燃料室１７６側）の部分は凹部となっている。このため、連結部１８８は、Ｚ軸方向における位置が内側部１８６および外側部１８７とは異なる部分を含んでいる。

図６に示すように、空気極側フレーム１３０は、中央付近にＺ軸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、単セル用セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側（上側）の表面の周縁部と、上側のＩＣ用セパレータ１８０における空気室１６６に対向する側（下側）の表面の周縁部とに接触しており、両者の間のガスシール性（すなわち、空気室１６６のガスシール性）を確保するシール部材として機能する。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ＩＣ用セパレータ１８０間（すなわち、一対のインターコネクタ１９０間）が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス供給マニホールド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７に示すように、燃料極側フレーム１４０は、中央付近にＺ軸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導電性部材であり、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、単セル用セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側（下側）の表面の周縁部と、下側のＩＣ用セパレータ１８０における燃料室１７６に対向する側（上側）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、燃料ガス供給マニホールド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。

燃料極側集電部材１４８は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部材１４８は、導電性部１４４と弾性部１４９とを有する。導電性部１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１９０とを電気的に接続する部分であり、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。導電性部１４４は、燃料極１１６の下側の表面に接触した電極対向部１４５と、インターコネクタ１９０の上側の表面に接触したインターコネクタ対向部１４６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とを有している。また、弾性部１４９は、燃料極側集電部材１４８の弾性を確保するための部分であり、例えば、マイカ等により形成されている。導電性部１４４のうちのインターコネクタ対向部１４６は、Ｚ軸方向においてインターコネクタ１９０と弾性部１４９との間に配置され、導電性部１４４のうちの電極対向部１４５は、Ｚ軸方向において燃料極１１６と弾性部１４９との間に配置されている。これにより、燃料極側集電部材１４８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１４８を介した燃料極１１６とインターコネクタ１９０との電気的接続が良好に維持される。燃料極側集電部材１４８は、例えば、平板状の材料（例えば、厚さ１０～２００μｍのニッケル箔）に切り込みを入れ、該材料の上に複数の孔が形成されたシート状の弾性部１４９を配置した状態で、複数の矩形部分を曲げ起こして弾性部１４９を挟むように加工することにより作製される。曲げ起こされた各矩形部分が電極対向部１４５となり、曲げ起こされた部分以外の穴が開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部１４６となり、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ部分が連接部１４７となる。

また、図４から図７に示すように、本実施形態の各発電単位１０２は、さらに、空気室１６６および燃料室１７６に配置されたフェルト部材４１を備える。フェルト部材４１は、アルミナ－シリカ（二酸化ケイ素）系のフェルト材料により構成された絶縁性部材である。すなわち、フェルト部材４１は、セラミックスであるアルミナと、シリカ成分とを含んでいる。フェルト部材４１がアルミナを含むことにより、フェルト部材４１の耐熱性や柔軟性を向上させることができる。フェルト部材４１は、特許請求の範囲における絶縁性部材の一例である。

図５および図６に示すように、空気室１６６において、フェルト部材４１は、酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）の両端の位置（Ｚ軸方向において単セル１１０の空気極１１４と重ならない位置）に充填されている。空気室１６６において、フェルト部材４１の一部（単セル１１０の中心に近い側の部分）は、Ｚ軸方向においてインターコネクタ１９０の外周部（後述する角部ＣＰを含む）と対向するように配置されている。また、図４および図７に示すように、燃料室１７６において、フェルト部材４１は、燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（Ｙ軸方向）に直交する方向（Ｘ軸方向）の両端の位置（Ｚ軸方向において単セル１１０の空気極１１４と重ならない位置）に充填されている。フェルト部材４１の存在により、空気室１６６に供給された酸化剤ガスＯＧまたは燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧが、発電にあまり寄与しない領域を通過して空気室１６６または燃料室１７６から排出されることを抑制することができ、発電効率を向上させることができる。

また、図４および図５に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１００は、最も上側に位置する発電単位１０２（以下、「特定発電単位１０２Ｘ」ともいう。）より上側に配置されたカバー部材５０およびカバー用セパレータ６０を備える。カバー部材５０は、Ｚ軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、導電性材料（例えば金属）により形成されている。カバー部材５０は、上側ターミナルプレート７０に形成された孔７１内に配置されており、特定発電単位１０２Ｘに含まれる上側のインターコネクタ１９０に対してＺ軸方向に離間しつつ隣り合っている。すなわち、カバー部材５０と、特定発電単位１０２Ｘに含まれる上側のインターコネクタ１９０との間には、空間（上側ターミナルプレート７０の孔７１により構成される空間であり、以下、「特定空間５８」という。）が形成されている。特定空間５８は、燃料電池スタック１００に含まれる複数の単セル１１０（すべての単セル１１０）に対して上側に位置している。

また、カバー用セパレータ６０は、中央付近にＺ軸方向に貫通する略矩形の孔６１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。カバー用セパレータ６０における孔６１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、カバー部材５０の周縁部における上側の表面に、例えば溶接により接合されている。また、カバー用セパレータ６０における周縁部は、ターミナルプレート７０の上側の表面に、例えばロウ付けにより接合されている。カバー用セパレータ６０（および特定発電単位１０２Ｘに含まれる上側のインターコネクタ１９０に接合されたＩＣ用セパレータ１８０）により、特定空間５８が区画される。

カバー用セパレータ６０は、カバー用セパレータ６０の貫通孔周囲部（孔６１を取り囲む部分）を含む内側部６６と、内側部６６より外周側に位置する外側部６７と、内側部６６と外側部６７とを連結する連結部６８とを備える。本実施形態では、内側部６６および外側部６７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部６８は、内側部６６と外側部６７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部６８における下側（特定空間５８側）の部分は凸部となっており、連結部６８における上側（外部空間側）の部分は凹部となっている。このため、連結部６８は、Ｚ軸方向における位置が内側部６６および外側部６７とは異なる部分を含んでいる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１００は、さらに、特定空間５８に配置された接続部材４８を備える。本実施形態では、接続部材４８は、燃料極側集電部材１４８と同様の構成を有している。すなわち、接続部材４８は、導電性部４４と弾性部４９とを有する。導電性部４４は、カバー部材５０と、特定発電単位１０２Ｘに含まれる上側のインターコネクタ１９０とを電気的に接続する部分であり、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。導電性部４４は、カバー部材５０の下側の表面に接触したカバー部材対向部４５と、インターコネクタ１９０の上側の表面に接触したインターコネクタ対向部４６と、カバー部材対向部４５とインターコネクタ対向部４６とをつなぐ連接部４７とを有している。また、弾性部４９は、接続部材４８の弾性を確保するための部分であり、例えば、マイカ等により形成されている。導電性部４４のうちのインターコネクタ対向部４６は、Ｚ軸方向においてインターコネクタ１９０と弾性部４９との間に配置され、導電性部４４のうちのカバー部材対向部４５は、Ｚ軸方向においてカバー部材５０と弾性部４９との間に配置されている。接続部材４８は、例えば、上述した燃料極側集電部材１４８の作製方法と同様の方法により作製することができる。

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、酸化剤ガス供給マニホールド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供給マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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供給マニホールド１７１に供給され、燃料ガス供給マニホールド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は導電性接合材１９６を介してインターコネクタ１９０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電部材１４８を介してインターコネクタ１９０に電気的に接続されている。すなわち、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。また、燃料電池スタック１００において、最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０は上側ターミナルプレート７０に電気的に接続されており、最も下側に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１９０は下側ターミナルプレート８０に電気的に接続されている。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一対のターミナルプレート７０，８０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．インターコネクタ１９０の詳細構成：
次に、本実施形態の発電単位１０２におけるインターコネクタ１９０の詳細構成について説明する。図８は、発電単位１０２の一部（図４のＸ１部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図であり、図９は、発電単位１０２の他の一部（図５のＸ２部）のＹＺ断面構成を拡大して示す説明図である。本実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２において、以下に説明するインターコネクタ１９０の詳細構成が採用されている。

図８および図９に示すように、Ｚ軸方向に沿った断面（例えば、ＸＺ断面およびＹＺ断面）において、インターコネクタ１９０は角部ＣＰを有する。角部ＣＰは、該断面において、Ｚ軸方向に略直交すると共に少なくとも一部が空気極１１４に対向する表面Ｓ１と、外周側に向いた表面Ｓ２と、をつなぐ部分である。なお、ある方向がＺ軸方向に略直交するとは、Ｚ軸方向に厳密に直交する方向に対する該方向の傾きが±１０度以内であることを意味する。本実施形態では、インターコネクタ１９０の角部ＣＰの少なくとも一部は、Ｚ軸方向視におけるインターコネクタ１９０の外周部に存在する。インターコネクタ１９０の角部ＣＰが、Ｚ軸方向視におけるインターコネクタ１９０の外周部以外の位置に存在してもよい。

図９に示すように、インターコネクタ１９０の角部ＣＰのうちの一部（以下、「一般角部ＧＣＰ」という。）は、ガラスシール部１２５よりも外周側（図９における左側）に位置しており、Ｚ軸方向においてガラスシール部１２５と対向していない。すなわち、一般角部ＧＣＰは、Ｚ軸方向においてガラスシール部１２５を介することなく単セル用セパレータ１２０に対向している。本実施形態では、Ｚ軸方向においてフェルト部材４１と対向する角部ＣＰは、すべて、ガラスシール部１２５よりも外周側に位置する一般角部ＧＣＰとなっている。

一方、図８に示すように、インターコネクタ１９０の角部ＣＰのうちの他の一部（以下、「特定角部ＳＣＰ」という。）は、Ｚ軸方向においてガラスシール部１２５と対向している。すなわち、特定角部ＳＣＰは、Ｚ軸方向においてガラスシール部１２５を介して単セル用セパレータ１２０に対向しているか、または、Ｚ軸方向において単セル用セパレータ１２０に対向していない。なお、本実施形態では、特定角部ＳＣＰは、Ｚ軸方向において、ガラスシール部１２５のうち、Ｚ軸方向視で単セル用セパレータ１２０に重ならない部分（以下、「内側部１２５ｉ」という。）に対向している。すなわち、特定角部ＳＣＰは、Ｚ軸方向において単セル用セパレータ１２０に対向していない。本実施形態では、Ｚ軸方向においてフェルト部材４１と対向していない角部ＣＰは、すべて、Ｚ軸方向においてガラスシール部１２５と対向する特定角部ＳＣＰとなっている。すなわち、特定角部ＳＣＰは、Ｚ軸方向において、フェルト部材４１を介することなくガラスシール部１２５に対向している。

このように、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向に沿った少なくとも１つの断面（例えば図８に示す断面であり、以下、「特定断面」という。）において、インターコネクタ１９０は、Ｚ軸方向に略直交すると共に少なくとも一部が空気極１１４に対向する表面Ｓ１と、外周側に向いた表面Ｓ２と、をつなぐ角部ＣＰであって、Ｚ軸方向においてガラスシール部１２５に対向する特定角部ＳＣＰを有する。

本実施形態の発電単位１０２は上述した構成を有している。そのため、本実施形態の発電単位１０２は、特定断面（例えば図８に示す断面）において、インターコネクタ１９０のうち単セル用セパレータ１２０に最も近接する最近接部（本実施形態では特定角部ＳＣＰ）の全体は、単セル用セパレータ１２０とインターコネクタ１９０の最近接部（特定角部ＳＣＰ）とを最短距離で結ぶ方向（図８の方向Ｄ１）においてガラスシール部１２５に対向している、という構成を有していると言える。

Ａ－４．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の発電単位１０２は、単セル１１０と、単セル用セパレータ１２０と、ガラスシール部１２５と、インターコネクタ１９０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。単セル用セパレータ１２０は、Ｚ軸方向において単セル１１０の少なくとも一部と重なった状態で単セル１１０に接合され、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とを区画する導電性の部材である。ガラスシール部１２５は、単セル１１０の表面と単セル用セパレータ１２０の表面とにわたって配置されることにより、単セル１１０と単セル用セパレータ１２０との間をシールする絶縁性の部材である。インターコネクタ１９０は、Ｚ軸方向において空気極１１４に対向するように配置され、空気極１１４に電気的に接続された導電性の部材である。また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向に沿った少なくとも１つの断面である特定断面（例えば、図８に示す断面）において、インターコネクタ１９０のうち単セル用セパレータ１２０に最も近接する最近接部（特定角部ＳＣＰ）の全体は、単セル用セパレータ１２０とインターコネクタ１９０の最近接部（特定角部ＳＣＰ）とを最短距離で結ぶ方向においてガラスシール部１２５に対向している。

本実施形態の発電単位１０２は、上記構成を有するため、以下に説明するように、インターコネクタ１９０と単セル用セパレータ１２０との間での短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して単セル１１０が破損することを抑制することができる。

図１０は、比較例における発電単位１０２Ｚの構成を示す説明図である。比較例の発電単位１０２Ｚでは、インターコネクタ１９０の角部ＣＰがすべて、ガラスシール部１２５よりも外周側に位置するためにＺ軸方向においてガラスシール部１２５を介することなく単セル用セパレータ１２０に対向している一般角部ＧＣＰとなっている。すなわち、図１０に示すように、インターコネクタ１９０の角部ＣＰのうち、Ｚ軸方向においてフェルト部材４１と対向していない角部ＣＰも、一般角部ＧＣＰとなっている。そのため、インターコネクタ１９０のうち単セル用セパレータ１２０に最も近接する最近接部の少なくとも一部（例えば、一般角部ＧＣＰ）は、単セル用セパレータ１２０とインターコネクタ１９０の最近接部とを最短距離で結ぶ方向においてガラスシール部１２５に対向していない。

ここで、発電単位１０２では、温度変化やガス圧の変化等に起因して各構成部材に反り等の変形が発生し、その結果、インターコネクタ１９０のうち単セル用セパレータ１２０に最も近接する最近接部と単セル用セパレータ１２０との間の距離が小さくなることがある。比較例における発電単位１０２Ｚでは、インターコネクタ１９０の最近接部の少なくとも一部（一般角部ＧＣＰ）が単セル用セパレータ１２０とインターコネクタ１９０の最近接部とを最短距離で結ぶ方向においてガラスシール部１２５に対向していないため、インターコネクタ１９０の最近接部と単セル用セパレータ１２０とを結ぶ最短経路上にガラスシール部１２５が介在していない箇所がある。そのため、インターコネクタ１９０の最近接部と単セル用セパレータ１２０との間の距離が小さくなると、両者の間で短絡が発生するおそれがあり、このような短絡が発生すると単セル１１０が破損するおそれがある。特に、インターコネクタ１９０の角部ＣＰは電界が集中しやすいため、上記短絡が発生するおそれが相当程度ある。なお、該短絡に起因する単セル１１０の破損としては、例えば、短絡箇所を介した電気経路に電流が流れ続けることによって燃料極１１６側で燃料ガスＦＧの不足が発生し、燃料ガスＦＧの不足に起因して燃料極１１６に含まれるＮｉが異常酸化して膨張し、その結果、電解質層１１２にクラックや割れが発生するという現象が挙げられる。

これに対し、本実施形態の発電単位１０２では、インターコネクタ１９０の最近接部（特定角部ＳＣＰ）の全体が単セル用セパレータ１２０とインターコネクタ１９０の最近接部とを最短距離で結ぶ方向（図８の方向Ｄ１）においてガラスシール部１２５に対向しているため、インターコネクタ１９０の最近接部と単セル用セパレータ１２０とを結ぶ最短経路上に絶縁性のガラスシール部１２５が介在している。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、インターコネクタ１９０の最近接部と単セル用セパレータ１２０との間の距離が小さくなった場合にも、両者の間の短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して単セル１１０が破損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、インターコネクタ１９０の最近接部は、Ｚ軸方向に略直交すると共に少なくとも一部が空気極１１４に対向する表面Ｓ１と、外周側に向いた表面Ｓ２と、をつなぐ角部ＣＰであって、Ｚ軸方向においてガラスシール部１２５に対向する特定角部ＳＣＰである。本実施形態の発電単位１０２によれば、インターコネクタ１９０の最近接部が電界集中が生じやすい角部ＣＰであるところ、該角部ＣＰがＺ軸方向においてガラスシール部１２５に対向する特定角部ＳＣＰであるため、インターコネクタ１９０と単セル用セパレータ１２０との間の短絡の発生を効果的に抑制することができ、該短絡に起因して単セル１１０が破損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、インターコネクタ１９０の最近接部である特定角部ＳＣＰは、Ｚ軸方向において、ガラスシール部１２５のうち、Ｚ軸方向視で単セル用セパレータ１２０に重ならない部分（内側部１２５ｉ）に対向している。本実施形態の発電単位１０２によれば、インターコネクタ１９０の特定角部ＳＣＰと単セル用セパレータ１２０との間の距離をより長く取ることができ、インターコネクタ１９０と単セル用セパレータ１２０との間の短絡の発生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は、さらに、フェルト部材４１を備える。フェルト部材４１は、空気極１１４に面する空気室１６６内におけるインターコネクタ１９０の角部ＣＰとＺ軸方向において対向するように配置された絶縁性部材である。また、インターコネクタ１９０の最近接部である特定角部ＳＣＰは、Ｚ軸方向において、フェルト部材４１を介することなく単セル用セパレータ１２０に対向している。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、フェルト部材４１が配置されていないためにインターコネクタ１９０の最近接部と単セル用セパレータ１２０との間の短絡が発生しやすい位置において、該位置における最近接部を特定角部ＳＣＰとすることにより、該短絡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は、さらに、ＩＣ用セパレータ１８０を備える。ＩＣ用セパレータ１８０は、インターコネクタ１９０に接合され、空気極１１４に面する空気室１６６を区画する導電性の部材である。また、本実施形態の発電単位１０２では、インターコネクタ１９０の最近接部である特定角部ＳＣＰは、Ｚ軸方向視におけるインターコネクタ１９０の外周に位置する角部ＣＰである。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、電界集中が発生しやすいインターコネクタ１９０の外周に位置する角部ＣＰにおいて、該角部ＣＰを特定角部ＳＣＰとすることにより、該角部ＣＰにおけるインターコネクタ１９０と単セル用セパレータ１２０との間の短絡の発生を抑制することができる。

Ｂ．変形例：
本明細書に開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態における燃料電池スタック１００や発電単位１０２の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。図１１は、変形例における発電単位１０２の構成を示す説明図である。図１１に示す変形例の発電単位１０２では、ＩＣ用セパレータ１８０が設けられておらず、インターコネクタ１９０が燃料電池スタック１００の外周部まで延伸したような構成を有している。すなわち、図１１に示す変形例の発電単位１０２では、上述した第１実施形態の発電単位１０２におけるインターコネクタ１９０とＩＣ用セパレータ１８０とが一体部材となったような構成を有している。一体部材となったインターコネクタ１９０における空気極１１４に対向する側（下側）の表面には、中央部と外周部との境界の位置に、外周部の方が凹になるような段差が設けられている。図１１に示す変形例の発電単位１０２では、この段差部が、インターコネクタ１９０の角部ＣＰに該当し、かつ、インターコネクタ１９０のうち単セル用セパレータ１２０に最も近接する最近接部に該当する。図１１に示す変形例の発電単位１０２では、インターコネクタ１９０の該段差部に存在する角部ＣＰのうち、Ｚ軸方向においてフェルト部材４１と対向していない角部ＣＰは、すべて、Ｚ軸方向においてガラスシール部１２５と対向する特定角部ＳＣＰとなっている。そのため、図１１に示す変形例の発電単位１０２によれば、上述した第１実施形態の発電単位１０２と同様に、インターコネクタ１９０と単セル用セパレータ１２０との間での短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して単セル１１０が破損することを抑制することができる。

上記実施形態では、Ｚ軸方向においてフェルト部材４１と対向していない角部ＣＰは、すべて、Ｚ軸方向においてガラスシール部１２５と対向する特定角部ＳＣＰであるが、該角部ＣＰの一部のみが特定角部ＳＣＰであり、残りの一部は一般角部ＧＣＰであるとしてもよい。また、上記実施形態では、Ｚ軸方向においてフェルト部材４１と対向する角部ＣＰは、すべて、ガラスシール部１２５よりも外周側に位置する一般角部ＧＣＰであるが、該角部ＣＰの少なくとも一部が特定角部ＳＣＰであるとしてもよい。

上記実施形態では、空気室１６６および／または燃料室１７６に配置する絶縁性部材としてフェルト部材４１を用いているが、絶縁性部材として他の絶縁性材料により形成された部材が用いられてもよい。また、必ずしも空気室１６６および／または燃料室１７６に絶縁性部材を配置する必要はなく、絶縁性部材が省略されてもよい。

上記実施形態では、単セル１１０と単セル用セパレータ１２０の表面とにわたって配置されることにより単セル１１０と単セル用セパレータ１２０との間をシールする絶縁性のシール部として、ガラスシール部１２５を用いているが、該シール部として他の絶縁性材料により形成されたシール部が用いられてもよい。

上記実施形態では、Ｚ軸方向に沿った発電単位１０２の断面において、インターコネクタ１９０の角部ＣＰは、空気極１１４に対向する表面Ｓ１と外周側に向いた表面Ｓ２とをつなぐ部分であるとしているが、インターコネクタ１９０の角部ＣＰは、これに代えて、インターコネクタ１９０における燃料極１１６に対向する表面と外周側に向いた表面とをつなぐ部分であるとしてもよい。この場合においては、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。

上記実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２において、上述したインターコネクタ１９０の詳細構成（インターコネクタ１９０のうち単セル用セパレータ１２０に最も近接する最近接部の全体が、単セル用セパレータ１２０とインターコネクタ１９０の最近接部とを最短距離で結ぶ方向においてガラスシール部１２５に対向している構成）が採用されているが、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの発電単位１０２において該構成が採用されていればよい。

上記実施形態では、一対のエンドプレート１０４，１０６に孔３２，３４が形成されているが、一対のエンドプレート１０４，１０６の少なくとも一方について該孔３２，３４が形成されていなくてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００が一対のターミナルプレート７０，８０を備えているが、他の部材（例えば、一対のエンドプレート１０４，１０６）をターミナルプレートとしても機能させ、専用部材としてのターミナルプレート７０，８０を省略してもよい。

上記実施形態では、単セル用セパレータ１２０が、内側部１２６と外側部１２７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状の連結部１２８を有しているが、連結部１２８の形状は他の形状であってもよい。また、単セル用セパレータ１２０が連結部１２８を有さなくてもよい。ＩＣ用セパレータ１８０における連結部１８８についても同様である。

上記実施形態では、インターコネクタ１９０は導電性の被覆層１９４を含んでいるが、インターコネクタ１９０が該被覆層１９４を含んでいなくてもよい。また、上記実施形態では、単セル１１０が中間層１１８を有しているが、単セル１１０が中間層１１８を有さないとしてもよい。

上記実施形態では、単セル１１０は燃料極支持形の単セルであるが、電解質支持型や金属支持形等の他のタイプの単セルであってもよい。なお、金属支持形の単セルが用いられた形態では、金属支持体が特許請求の範囲における単セル用セパレータに相当し、金属支持体により支持される他の層が特許請求の範囲における単セルに相当する。

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（発電単位１０２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、本明細書に開示される技術は、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、電解セル単位を複数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、電解セル単位および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発電単位１０２および燃料電池スタック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、マニホールド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、マニホールド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スタックにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用すると、インターコネクタの角部と単セル用セパレータとの間での短絡の発生を抑制することができ、該短絡に起因して電解単セルが破損することを抑制することができる。

上記実施形態では、いわゆる平板型の燃料電池スタックおよび発電単位を例に用いて説明したが、本明細書に開示される技術は、平板型に限らず、他のタイプ（いわゆる円筒平板型や円筒形）の燃料電池スタックおよび発電単位にも同様に適用可能である。

図１２は、変形例の燃料電池スタック１００１の外観構成を示す説明図である。この変形例における燃料電池スタック１００１は、複数の単セル１１００と、マニホールド１２００と、ガラスシール部１３００とを備える。マニホールド１２００は、複数の単セル１１００のそれぞれに燃料ガスＦＧを供給するための部材であり、内部空間ＳＰが形成された中空体である。マニホールド１２００には導入管が接合されており、導入管を介して外部からマニホールド１２００の内部空間ＳＰに燃料ガスＦＧが導入される。マニホールド１２００の上面を構成する板状部分には、マニホールド１２００の外側（外部空間）と内部空間ＳＰとを連通する複数の貫通孔１２２１が形成されている。

各単セル１１００は、ＹＺ断面形状が略円形であり、Ｘ軸方向に延伸する筒形の部材である。各単セル１１００の基端部は、マニホールド１２００の貫通孔１２２１に挿入された状態で、ガラスシール部１３００によってマニホールド１２００に接合されている。これにより、複数の単セル１１００は、Ｚ軸方向に沿って並ぶように配置される。

各単セル１１００は、支持基板１０１０と、燃料極１００４と、電解質層１００５と、空気極１００６とを有する。支持基板１０１０の内部には、Ｘ軸方向に延びて支持基板１０１０を貫通する燃料ガス流路１０１１が形成されている。燃料ガス流路１０１１には、マニホールド１２００の内部空間ＳＰから燃料ガスＦＧが供給される。燃料ガス流路１０１１に供給された燃料ガスＦＧは、支持基板１０１０の内部を通って燃料極１００４に供給される。燃料極１００４に供給されなかった燃料ガスＦＧは、燃料ガス流路１０１１の上端から燃料オフガスＦＯＧとして排出される。燃料電池スタック１００１に含まれる複数の単セル１１００は、セル間集電部材１４００を介して電気的に直列に接続されている。

図１２に示す変形例の構成において、単セル１１００は、電解質層１００５と、電解質層１００５を挟んでＺ軸方向に互いに対向する空気極１００６および燃料極１００４とを含む。また、マニホールド１２００は、Ｚ軸方向において単セル１１００の少なくとも一部と重なった状態で単セル１１００に接合され、空気極１００６に面するガス室と燃料極に面するガス室とを区画する導電性の部材であり、特許請求の範囲における単セル用セパレータに相当する。また、ガラスシール部１３００は、単セル１１００の表面とマニホールド１２００の表面とにわたって配置されることにより、単セル１１００とマニホールド１２００との間をシールする絶縁性の部材であり、特許請求の範囲におけるシール部に相当する。セル間集電部材１４００は、Ｚ軸方向において燃料極１００４と空気極１００６との一方である特定電極に対向するように配置され、特定電極に電気的に接続された導電性の部材であり、特許請求の範囲におけるインターコネクタに相当する。また、単セル１１００とマニホールド１２００とガラスシール部１３００とセル間集電部材１４００との集合体は、特許請求の範囲における電気化学反応単位に相当する。また、図１２に示す変形例の構成において、Ｚ軸方向に沿った少なくとも１つの断面である特定断面において、セル間集電部材１４００のうちマニホールド１２００に最も近接する最近接部（図１２に示す部分１４１０）の全体は、マニホールド１２００とセル間集電部材１４００の最近接部（部分１４１０）とを最短距離で結ぶ方向（図１２に示すＸ軸方向）においてガラスシール部１３００に対向している。そのため、図１２に示す変形例においても、セル間集電部材１４００とマニホールド１２００との間の短絡の発生を抑制することができる。

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、本明細書に開示される技術は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。

２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 ３２，３４：孔 ４１：フェルト部材 ４４：導電性部 ４５：カバー部材対向部 ４６：インターコネクタ対向部 ４７：連接部 ４８：接続部材 ４９：弾性部 ５０：カバー部材 ５８：特定空間 ６０：カバー用セパレータ ６１：孔 ６６：内側部 ６７：外側部 ６８：連結部 ７０：上側ターミナルプレート ７１：孔 ７８：突出部 ８０：下側ターミナルプレート ８８：突出部 ９２：絶縁シート １００：燃料電池スタック １０２：燃料電池発電単位 １０３：発電ブロック １０４：上側エンドプレート １０６：下側エンドプレート １０８：連通孔 １１０：燃料電池単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １１８：中間層 １２０：単セル用セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １２５：ガラスシール部 １２６：内側部 １２７：外側部 １２８：連結部 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：空気極側集電部 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：導電性部 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４８：燃料極側集電部材 １４９：弾性部 １５０：平板部 １６１：酸化剤ガス供給マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス供給マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：インターコネクタ用セパレータ １８１：孔 １８６：内側部 １８７：外側部 １８８：連結部 １９０：インターコネクタ １９４：被覆層 １９６：導電性接合材 １００１：燃料電池スタック １００４：燃料極 １００５：電解質層 １００６：空気極 １０１０：支持基板 １０１１：燃料ガス流路 １１００：単セル １２００：マニホールド １２２１：貫通孔 １３００：ガラスシール部 １４００：セル間集電部材 １４１０：部分 ＣＰ：角部

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、
   前記第１の方向において前記電気化学反応単セルの少なくとも一部と重なった状態で前記電気化学反応単セルに接合され、前記空気極に面するガス室と前記燃料極に面するガス室とを区画する導電性の単セル用セパレータと、
   前記電気化学反応単セルの表面と前記単セル用セパレータの表面とにわたって配置されることにより、前記電気化学反応単セルと前記単セル用セパレータとの間をシールする絶縁性のシール部と、
   前記第１の方向において前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対向するように配置され、前記特定電極に電気的に接続された導電性のインターコネクタと、
   を備える電気化学反応単位において、
   前記第１の方向に沿った少なくとも１つの断面である特定断面において、前記インターコネクタのうち前記単セル用セパレータに最も近接する最近接部の全体は、前記単セル用セパレータと前記インターコネクタの前記最近接部とを最短距離で結ぶ方向において前記シール部に対向している、
   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、
   前記最近接部は、前記第１の方向に略直交すると共に少なくとも一部が前記特定電極に対向する表面と、外周側に向いた表面と、をつなぐ角部であって、前記第１の方向において前記シール部に対向する特定角部である、
   ことを特徴とする電気化学反応単位。
3. 請求項２に記載の電気化学反応単位において、
   前記特定角部は、前記第１の方向において、前記シール部のうち、前記第１の方向視で前記単セル用セパレータに重ならない部分に対向する、
   ことを特徴とする電気化学反応単位。
4. 請求項２または請求項３に記載の電気化学反応単位において、さらに、
   前記特定電極に面するガス室内における前記インターコネクタの前記角部と前記第１の方向において対向するように配置された絶縁性部材を備え、
   前記特定角部は、前記第１の方向において、前記絶縁性部材を介することなく前記シール部に対向する、
   ことを特徴とする電気化学反応単位。
5. 請求項２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、さらに、
   前記インターコネクタに接合され、前記特定電極に面するガス室を区画する導電性のインターコネクタ用セパレータを備え、
   前記特定角部は、前記第１の方向視における前記インターコネクタの外周に位置する角部である、
   ことを特徴とする電気化学反応単位。
6. 前記第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５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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