JP6885786B2 - 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

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は、燃料電池単セルを備える。燃料電池単セルは、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。

また、燃料電池発電単位は、燃料電池単セルを構成する空気極側に配置された導電性の空気極側集電部材と、燃料極側に配置された導電性の燃料極側集電部材とを備える（例えば特許文献１参照）。空気極側集電部材および燃料極側集電部材は、燃料電池単セルにおける発電反応によって生じる電力を取り出すための部材である。空気極側集電部材は、空気極の表面に接触する複数の凸部を有する。また、燃料極側集電部材は、燃料極の表面に接触する複数の凸部を有する。発電運転時には、各電極（空気極、燃料極）の該表面と集電部材（空気極側集電部材、燃料極側集電部材）の各凸部とが接触する部分において、電極と集電部材との間の電子のやりとりが行われる。また、各電極に面するガス室（空気室、燃料室）に供給されたガス（酸化剤ガス、燃料ガス）は、電極の該表面の内、集電部材の各凸部と接触しない（各凸部に覆われていない）部分から電極内に流入する。

特開２０１３−５５０４２号公報

上述した従来の構成では、上下方向視で、燃料極側集電部材が有する複数の凸部（以下、「燃料極側凸部」という）の全てが、空気極側集電部材が有する凸部（以下、「空気極側凸部」という）に重なるように配置されている。ここで、集電部材が有する複数の凸部について、電極側への突出長さが互いに同一になるように集電部材を形成することは困難であり、凸部ごとに突出長さがばらつくことがある。上述した従来の構成において、例えば互いに隣り合う３つの燃料極側凸部の突出長さがばらついている場合、該３つの燃料極側凸部のそれぞれが空気極側凸部との間で燃料電池単セルに与える押圧力が互いに異なることによって、燃料電池単セルが曲げ応力（例えば３点曲げ応力）を受けた状態になる。燃料電池単セルが曲げ応力を受けると、例えば燃料電池単セルが損傷（割れ等）し、燃料電池発電単位の性能（発電性能）が低下するおそれがある。

なお、このような課題は、上述した従来の構成において、上下方向視で、空気極側集電部材が有する複数の空気極側凸部の全てが、燃料極側集電部材が有する燃料極側凸部に重なるように配置された燃料電池発電単位にも共通の課題である。また、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。

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、固体酸化物を含む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、前記単セルに対して前記空気極および前記燃料極の一方である第１の電極側に配置され、前記第１の電極の表面に接触する３つ以上の第１の凸部を有する第１の集電部材と、前記単セルに対して前記空気極および前記燃料極の他方である第２の電極側に配置され、前記第２の電極の表面に接触する複数の第２の凸部を有する第２の集電部材と、を備える電気化学反応単位において、前記３つ以上の第１の凸部は、前記第１の方向視で前記第２の凸部に重なる２つの重複凸部と、前記２つの重複凸部の間に配置され、前記第１の方向視で前記第２の凸部に重ならない非重複凸部と、を含む。本電気化学反応単位によれば、３つ以上の第１の凸部は、第１の方向視で第２の凸部に重なる２つの重複凸部と、該２つの重複凸部の間に配置され、第１の方向視で第２の凸部に重ならない非重複凸部と、を含む。これにより、３つ以上の第１の凸部の全てが重複凸部であり、かつ、重複凸部同士が相対的に近い位置に配置される構成に比べて、第１の凸部の突出長さのバラツキを原因とする単セルへの曲げ応力の発生を緩和することができる。一方、３つ以上の第１の凸部の全てが重複凸部であり、かつ、重複凸部同士が相対的に遠い位置に配置される構成では、単セルへの曲げ応力の発生を緩和できるが、第１の電極と第１の集電部材との間の導通面積を減少する。これに対して、本電気化学反応単位によれば、２つの重複凸部の間に非重複凸部が存在するため、第１の電極と第１の集電部材との間の導通面積の減少を抑制できる。すなわち、第１の電極と第１の集電部材との間の導通面積を増大させつつ、第１の凸部の突出長さのバラツキを原因とする単セルへの曲げ応力の発生を緩和することができる。

（２）上記電気化学反応単位において、前記３つ以上の第１の凸部は、前記第１の方向に直交する第２の方向に等間隔に並べて配置され、前記複数の第２の凸部は、前記第２の方向に等間隔に並べて配置されており、前記第２の凸部間の離間距離は、前記第１の凸部同士の配置間隔より広い構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第２の凸部間の離間距離が第１の凸部間の配置間隔より狭い構成に比べて、重複凸部同士が近くに配置されることが抑制されるため、重複凸部の突出長さのバラツキを原因とする単セルへの曲げ応力の発生を緩和することができる。

（３）上記電気化学反応単位において、前記第２の凸部間の前記離間距離は、前記第１の凸部同士の前記配置間隔の２倍以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第２の凸部間の離間距離が第１の凸部間の配置間隔の２倍より狭い構成に比べて、２つの重複凸部同士の離間距離が長くなるため、重複凸部の突出長さのバラツキを原因とする単セルへの曲げ応力をより効果的に軽減することができる。

（４）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記第１の凸部および前記第２の凸部の形状は、矩形状であり、かつ、前記第１の凸部の前記矩形状における最小の辺の長さは、前記第２の凸部の前記矩形状における最小の辺の長さより短い構成としてもよい。凸部（第１の凸部、第２の凸部）の第１の方向視の形状が矩形状である場合、該凸部の矩形状の最小辺の長さが短いほど、該凸部からセルへの応力が特定箇所に集中するため、セルへの曲げ応力が大きくなり易い。そこで、本電気化学反応単位によれば、第１の凸部の矩形状における最小の辺の長さは、第２の凸部の前記矩形状における最小の辺の長さより短い。すなわち、矩形状における最小の辺の長さが短い第１の凸部が、第１の方向視で共通の第２の凸部に重なる数が１つまたは２つである。これにより、矩形状における最小の辺の長さが短い方の凸部によるセルへの曲げ応力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、前記第１の凸部の前記矩形状における最小の辺の長さは、５（ｍｍ）以下である構成としてもよい。第１の凸部および第２の凸部の少なくとも一方における第１の方向に直交する方向の幅寸法が５（ｍｍ）以下である構成では、単セルのうち、該幅寸法が５（ｍｍ）以下の凸部との接触部位に応力が集中することにより、単セルに大きな曲げ応力が発生し易い。これに対して、本電気化学反応単位によれば、単セルへの曲げ応力を抑制できるため、このような該幅寸法が５（ｍｍ）以下の凸部と単セルとが接触する構成に対して特に有効である。

（６）上記電気化学反応単位において、前記第１の電極は前記空気極であり、前記第２の電極は前記燃料極である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第１の電極と第１の集電部材との間の導通面積を増大させつつ、単セルへの曲げ応力を低減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４および図５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および図５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６のＸ１部分における集電体要素１３５と電極対向部１４５との配置関係を示すＸＹ断面図である。 図６および図７のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図６および図７のＸ−Ｘの位置における発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。 比較例１の発電単位１０２ａにおける集電体要素１３５と電極対向部１４５との配置関係を示すＹＺ断面図である。

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から図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に供給する共用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共用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。なお、本実施形態の燃料電池スタック１００には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１および酸化剤ガス排出マニホールド１６２が、それぞれ１つのみ存在している。また、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に供給する共用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共用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。なお、本実施形態の燃料電池スタック１００には、燃料ガス導入マニホールド１７１および燃料ガス排出マニホールド１７２が、それぞれ１つのみ存在している。また、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。

（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る。また、図６は、図４および図５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および図５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、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ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間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（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、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。

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。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。

図４〜図６に示すように、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を構成する孔である。図６に示すように、Ｚ軸方向視で、孔１３１の外形線は略矩形である。孔１３１は、Ｘ軸方向に互いに対向する第１の内周面ＩＰ１および第２の内周面ＩＰ２を有する。孔１３１の外形線の内、第１の内周面ＩＰ１により構成される部分および第２の内周面ＩＰ２により構成される部分は、Ｙ軸方向に略平行な直線状部分を有している。また、図４および図６に示すように、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８に連通すると共に空気室１６６を構成する孔１３１の第１の内周面ＩＰ１に開口する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８に連通すると共に空気室１６６を構成する孔１３１の第２の内周面ＩＰ２に開口する酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。本実施形態では、空気極側フレーム１３０に、３本の酸化剤ガス供給連通流路１３２と、３本の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。

図４，図５および図７に示すように、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を構成する孔である。図７に示すように、Ｚ軸方向視で、孔１４１の外形線は略矩形である。孔１４１は、Ｘ軸方向に互いに対向する第３の内周面ＩＰ３および第４の内周面ＩＰ４を有する。孔１４１の外形線の内、第３の内周面ＩＰ３により構成される部分および第４の内周面ＩＰ４により構成される部分は、Ｙ軸方向に略平行な直線状部分を有している。また、図５および図７に示すように、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８に連通すると共に燃料室１７６を構成する孔１４１の第３の内周面ＩＰ３に開口する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８に連通すると共に燃料室１７６を構成する孔１４１の第４の内周面ＩＰ４に開口する燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。本実施形態では、燃料極側フレーム１４０に、１本の燃料ガス供給連通流路１４２と、１本の燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。

図４〜図６に示すように、空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体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、本実施形態では、空気極側集電体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体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。また、空気極側集電体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と空気極側集電体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。

図４，５，７に示すように、燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。なお、燃料極側集電体１４４のうち、燃料極１１６に接触している部分が電極対向部１４５であり、インターコネクタ１５０に接触している部分がインターコネクタ対向部１４６であり、燃料極１１６とインターコネクタ１５０とのいずれにも接触していない部分が連接部１４７である。燃料極側集電体１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート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、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０（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−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２，４，６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３，５，７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は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、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２，４，６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３，５，７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、上述したように、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では、空気極側フレーム１３０の孔１３１における酸化剤ガス供給連通流路１３２が開口する第１の内周面ＩＰ１と酸化剤ガス排出連通流路１３３が開口する第２の内周面ＩＰ２との対向方向（Ｘ軸方向）と、燃料極側フレーム１４０の孔１４１における燃料ガス供給連通流路１４２が開口する第３の内周面ＩＰ３と燃料ガス排出連通流路１４３が開口する第４の内周面ＩＰ４との対向方向（Ｘ軸方向）とが、略同一方向である。また、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を構成する連通孔１０８と燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する連通孔１０８とが、上記対向方向の同じ側（Ｘ軸正方向側）に配置され、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔１０８と燃料ガス導入マニホールド１７１を構成する連通孔１０８とが、上記対向方向の同じ側（Ｘ軸負方向側）に配置されている。そのため、各発電単位１０２の空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向（図６に示すように、Ｘ軸負方向）と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（図７に示すように、Ｘ軸正方向）とが、略反対方向（互いに対向する方向）となる。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．空気極側集電体１３４および燃料極側集電体１４４の詳細構成：
図８は、図６のＸ１部分における集電体要素１３５と電極対向部１４５との配置関係を示すＸＹ断面図である。図８では、上下方向視（Ｚ方向視）における集電体要素１３５と電極対向部１４５との配置関係が分かるようにするため、集電体要素１３５が点線で示されており、電極対向部１４５が実線で示されている。図９は、図６および図７のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図であり、図１０は、図６および図７のＸ−Ｘの位置における発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。

また、以下の説明では、Ａ方向において複数の部材Ｂが均等間隔に並ぶことには、部材Ｂ同士の離間距離が完全に同一である形態に限らず、部材Ｂ同士の離間距離のバラツキが±１（ｍｍ）以下である形態も含まれる。また、Ａ方向における部材（または部材のある部分、以下同様）Ｂと部材Ｃとの離間距離とは、部材Ｂのうちの部材Ｃに最も近い端を通り、かつ、Ａ方向に直交する平面と、部材Ｃのうちの部材Ｂに最も近い端を通り、かつ、Ａ方向に直交する平面との間の最短距離をいう。また、Ａ方向における部材Ｂ同士の配置間隔とは、一の部材ＢのＡ方向の中心を通り、かつ、Ａ方向に直交する平面と、Ａ方向において該一の部材Ｂと隣り合う他の部材ＢのＡ方向の中心を通り、かつ、Ａ方向に直交する平面との間の最短距離（ピッチ間隔）をいう。

（空気極側集電体１３４の構成）
図６および図８に示すように、上下方向視で、空気極側集電体１３４が有する各集電体要素１３５の形状は略矩形状である。具体的には、集電体要素１３５の形状は、略長方形状であり、上述した酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（Ｘ方向）の寸法が、該流れ方向に直交する方向（Ｙ方向）の寸法より長い。以下、集電体要素１３５の長辺に沿った方向（Ｘ方向）を、長辺方向といい、集電体要素１３５の短辺に沿った方向（Ｙ方向）を、短辺方向という。また、集電体要素１３５の長辺方向の寸法を、長辺幅１３５Ｘといい、集電体要素１３５の短辺方向の寸法を、短辺幅１３５Ｙという。なお、短辺幅１３５Ｙは、５（ｍｍ）以下であることが好ましい。なお、長辺方向および短辺方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。

また、複数の集電体要素１３５は、短辺方向に均等間隔で並ぶように配置されている。図６では、短辺方向（Ｙ方向）に３６個の集電体要素１３５が均等間隔で並ぶように配置されている。図９にも示すように、本実施形態では、集電体要素１３５同士の短辺方向の第２の離間距離１３５ＤＹは、短辺幅１３５Ｙより長い。また、集電体要素１３５同士の短辺方向の第２の配置間隔１３５ＰＹは、短辺幅１３５Ｙより長い。

また、複数の集電体要素１３５は、長辺方向に均等間隔で並ぶように配置されている。図６では、長辺方向（Ｘ方向）に６個の集電体要素１３５が均等間隔で並ぶように配置されている。図１０にも示すように、本実施形態では、集電体要素１３５同士の長辺方向の第１の離間距離１３５ＤＸは、長辺幅１３５Ｘより短い。また、集電体要素１３５同士の長手方向の第１の配置間隔１３５ＰＸは、長辺幅１３５Ｘと略同一である。

（燃料極側集電体１４４の構成）
図７および図８に示すように、上下方向視で、燃料極側集電体１４４が有する各電極対向部１４５の形状は略矩形形状である。具体的には、電極対向部１４５の形状は、略長方形状であり、集電体要素１３５のＸ方向の寸法が、集電体要素１３５のＹ方向の寸法より長い。そのため、集電体要素１３５のＸ方向が長辺方向であり、集電体要素１３５のＹ方向が短辺方向である。以下、電極対向部１４５の長辺方向の寸法を、長辺幅１４５Ｘといい、電極対向部１４５の短辺方向の寸法を、短辺幅１４５Ｙという。

また、複数の電極対向部１４５は、短辺方向に均等間隔で並ぶように配置されている。図７では、短辺方向（Ｙ方向）に９個の電極対向部１４５が均等間隔で並ぶように配置されている。図９にも示すように、本実施形態では、電極対向部１４５同士の短辺方向の第５の離間距離１４５ＤＹは、電極対向部１４５の短辺幅１４５Ｙより長い。また、電極対向部１４５同士の短辺方向の第５の配置間隔１４５ＰＹは、電極対向部１４５の短辺幅１４５Ｙより長く、電極対向部１４５の短辺幅１４５Ｙの略２倍である。

また、複数の電極対向部１４５は、長辺方向に並ぶように配置されている。図７では、長辺方向（Ｘ方向）に１２個の電極対向部１４５が均等間隔で並ぶように配置されている。本実施形態では、長辺方向において互いに第３の離間距離１４５ＤＸ１で並ぶ２つの電極対向部１４５を含む電極対向部対が、複数対、第４の離間距離１４５ＤＸ２で並ぶように配置されている。図１０にも示すように、本実施形態では、電極対向部１４５同士の長辺方向の離間距離１４５ＤＸ１，１４５ＤＸ２は、電極対向部１４５の長辺幅１４５Ｘより短い。また、一対の電極対向部１４５同士の長手方向の第３の配置間隔１４５ＰＸ１は、電極対向部１４５の長辺幅１４５Ｘと略同一であり、電極対向部対同士の第４の配置間隔１４５ＰＸ２は、電極対向部１４５の長辺幅１４５Ｘより長い。

（集電体要素１３５と電極対向部１４５との配置関係）
（１）１つの電極対向部１４５に対する集電体要素１３５の配置
図８および図９に示すように、複数の集電体要素１３５には、上下方向視で、電極対向部１４５に重なる集電体要素１３５（以下、「重複集電体要素１３５Ａ」という）と、電極対向部１４５に重ならない集電体要素１３５（以下、「非重複集電体要素１３５Ｂ」という）とが含まれる。本実施形態では、全ての電極対向部１４５のそれぞれに対して、上下方向視で該電極対向部１４５に重なる重複集電体要素１３５Ａの数は２つずつである。また、全ての重複集電体要素１３５Ａについて、上下方向視で、重複集電体要素１３５Ａの短辺方向（Ｙ方向）の全体が、１つの電極対向部１４５に重なっている。より具体的には、上下方向視で、重複集電体要素１３５Ａの短辺方向の両側が、１つの電極対向部１４５の短辺方向の両側より内側に位置している（図８参照）。また、上下方向視で、短辺方向に互いに隣り合う２つの電極対向部１４５の間の空間に重なる非重複集電体要素１３５Ｂの数は、２つである。すなわち、短辺方向において重複集電体要素１３５Ａと非重複集電体要素１３５Ｂとが同数（２つ）ずつ交互に並ぶように配置されている。

また、複数の重複集電体要素１３５Ａは、短辺方向の両端に位置する重複集電体要素１３５Ａを除き、次の関係が成り立っている。一の重複集電体要素１３５Ａと、該一の重複集電体要素１３５Ａに対して短辺方向の一方側において該一の重複集電体要素１３５Ａに最も近い位置に配置された一方側の重複集電体要素１３５Ａとの離間距離を一方側離間距離とする。また、一の重複集電体要素１３５Ａと、該一の重複集電体要素１３５Ａに対して短辺方向の他方側において該一の重複集電体要素１３５Ａに最も近い位置に配置された他方側の重複集電体要素１３５Ａとの離間距離を他方側離間距離とする。一方側離間距離と他方側離間距離とは互いに異なっている。例えば、図９において、紙面左端から２つ目の重複集電体要素１３５Ａを、一の重複集電体要素１３５Ａとし、紙面左端から１つ目の重複集電体要素１３５Ａを、一方側（Ｙ軸負方向側）の重複集電体要素１３５Ａとし、紙面左端から３つ目の重複集電体要素１３５Ａ（紙面左から５つ目の集電体要素１３５）を、他方側（Ｙ軸正方向側）の重複集電体要素１３５Ａとする。このとき、一方側離間距離はΔＬ１であり、他方側離間距離はΔＬ２であり、両者は異なる。換言すれば、共通の電極対向部１４５に重なる２つの重複集電体要素１３５Ａ同士の第６の離間距離ΔＬ１（第２の離間距離１３５ＤＹと同じ）に対して、互いに異なる電極対向部１４５にそれぞれ重なる２つの重複集電体要素１３５Ａ同士の第７の離間距離ΔＬ２の方が長い（例えば、第２の離間距離１３５ＤＹの２倍以上）。なお、第７の離間距離ΔＬ２は、第６の離間距離ΔＬ１の１．５倍以上であることが好ましく、さらには、第６の離間距離ΔＬ１の２倍以上であることがより好ましい。

また、空気極１１４の短辺方向（Ｙ方向）の幅（Ｌ１）に対する、空気極１１４に接触する集電体要素１３５の短辺方向の合計幅（Ｍ１）の割合は、３０％以上である。合計幅（Ｍ１）は、複数の集電体要素１３５のそれぞれが空気極１１４と接触する領域の短辺方向の幅（本実施形態では、短辺幅１３５Ｙと同じ）の合算値であり、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間における導通可能領域の短辺方向の合計幅を意味する。また、上下方向視で、集電体要素１３５の矩形状における最小の辺の長さ（短辺幅１３５Ｙ）は、電極対向部１４５の矩形状における最小の辺の長さ（長辺幅１４５Ｘまたは短辺幅１４５Ｙ）より短い。

この場合、空気極１１４は、特許請求の範囲における第１の電極に相当し、空気極側集電体１３４は、特許請求の範囲における第１の集電部材に相当し、集電体要素１３５は、特許請求の範囲における第１の凸部に相当する。また、燃料極１１６は、特許請求の範囲における第２の電極に相当し、燃料極側集電体１４４は、特許請求の範囲における第２の集電部材に相当し、電極対向部１４５は、特許請求の範囲における第２の凸部に相当する。また、重複集電体要素１３５Ａは、特許請求の範囲における重複凸部に相当し、非重複集電体要素１３５Ｂは、特許請求の範囲における非重複凸部に相当する。

（２）１つの集電体要素１３５に対する電極対向部１４５の配置
図８および図１０に示すように、全ての電極対向部１４５のそれぞれは、上下方向視で、集電体要素１３５に重なっている。本実施形態では、全ての集電体要素１３５のそれぞれに対して、上下方向視で該集電体要素１３５に重なる電極対向部１４５の数は２つずつである。また、全ての電極対向部１４５について、上下方向視で、集電体要素１３５の長辺方向（Ｘ方向）における電極対向部１４５の全体が、１つの集電体要素１３５に重なっている。より具体的には、上下方向視で、長辺方向における電極対向部１４５の両側が、１つの集電体要素１３５の長辺方向の両側より内側に位置している（図８参照）。なお、また、上下方向視で、長辺方向に互いに隣り合う２つの集電体要素１３５の間の空間に重なる電極対向部１４５の数は、０（ゼロ）である。

また、複数の電極対向部１４５は、上記長辺方向の両端に位置する電極対向部１４５を除き、次の関係が成り立っている。一の電極対向部１４５と、該一の電極対向部１４５に対して長辺方向の一方側において該一の電極対向部１４５に最も近い位置に配置された一方側の電極対向部１４５との離間距離を一方側離間距離とする。また、一の電極対向部１４５と、該一の電極対向部１４５に対して長辺方向の他方側において該一の電極対向部１４５に最も近い位置に配置された他方側の電極対向部１４５との離間距離を他方側離間距離とする。一方側離間距離と他方側離間距離とは互いに異なっている。例えば、図１０において、紙面左端から２つ目の電極対向部１４５を、一の電極対向部１４５とし、紙面左端から１つ目の電極対向部１４５を、一方側（Ｘ軸負方向側）の電極対向部１４５とし、紙面左端から３つ目の電極対向部１４５を、他方側（Ｘ軸正方向側）の電極対向部１４５とする。このとき、一方側離間距離はΔＬ３（第３の離間距離１４５ＤＸ１）であり、他方側離間距離はΔＬ４（第４の離間距離１４５ＤＸ２）であり、両者は異なる。換言すれば、共通の集電体要素１３５に重なる２つの電極対向部１４５同士の第８の離間距離ΔＬ３に対して、互いに異なる集電体要素１３５にそれぞれ重なる２つの電極対向部１４５同士の第９の離間距離ΔＬ４の方が長い。なお、第９の離間距離ΔＬ４は、第８の離間距離ΔＬ３の１．５倍以上であることが好ましく、さらには、第８の離間距離ΔＬ３の２倍以上であることがより好ましい。

また、上記長辺方向における燃料極１１６の幅（Ｌ２）に対する、燃料極１１６に接触する電極対向部１４５の長辺方向の合計幅（Ｍ２）の割合は、４０％以上である。合計幅（Ｍ２）は、複数の電極対向部１４５のそれぞれが燃料極１１６と接触する領域の長辺方向の幅（本実施形態では、長辺幅１４５Ｘと同じ）の合算値であり、燃料極１１６と燃料極側集電体１４４との間における導通可能領域の長辺方向の合計幅を意味する。

この場合、燃料極１１６は、特許請求の範囲における第１の電極に相当し、燃料極側集電体１４４は、特許請求の範囲における第１の集電部材に相当し、電極対向部１４５は、特許請求の範囲における第１の凸部に相当する。また、空気極１１４は、特許請求の範囲における第２の電極に相当し、空気極側集電体１３４は、特許請求の範囲における第２の集電部材に相当し、集電体要素１３５は、特許請求の範囲における第２の凸部に相当する。また、電極対向部１４５は、特許請求の範囲における重複凸部に相当する。

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、空気極側集電体１３４と、燃料極側集電体１４４とを備える。空気極側集電体１３４は、空気極１１４側に配置され、空気極１１４の表面に接触する３つ以上の集電体要素１３５を有する。燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６側に配置され、燃料極１１６の表面に接触する複数の電極対向部１４５を有する。３つ以上の集電体要素１３５は、上下方向視で電極対向部１４５に重なる２つの重複集電体要素１３５Ａと、該２つの重複集電体要素１３５Ａの間に配置され、上下方向視で電極対向部１４５に重ならない非重複集電体要素１３５Ｂと、を含む。

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１１４（単セル１１０）と空気極側集電体１３４との間の導通面積を増大させつつ、集電体要素１３５の突出長さのバラツキを原因とする単セル１１０への曲げ応力の発生を緩和することができる。図１１は、比較例１の発電単位１０２ａにおける集電体要素１３５と電極対向部１４５との配置関係を示すＹＺ断面図である。

まず、図９の構成において、仮に、紙面左端から３つ目および４つ目の集電体要素１３５（紙面左端から１つ目および２つ目の非重複集電体要素１３５Ｂ）が無い構成とする。このような集電体要素１３５の数が少ない構成では、単セル１１０と空気極側集電体１３４との導通面積が減少し、燃料電池スタック１００の発電性能が低下するおそれがある。一方、図９の構成において、仮に、集電体要素１３５の数は減らさずに、紙面左端から１つ目の電極対向部１４５（燃料極側集電体１４４）と２つ目の電極対向部１４５との間には、新たに電極対向部１４５を追加し、その追加された電極対向部１４５が上下方向視で紙面左端から３つ目および４つ目の集電体要素１３５に重なる構成とする。このような構成であれば、単セル１１０と空気極側集電体１３４との導通面積の減少は抑制される。

しかし、以下に説明するように、３つ以上の重複集電体要素１３５Ａが互いに近い位置に配置されるため、３つ以上の重複集電体要素１３５Ａの突出長さのバラツキによって、単セル１１０に曲げ応力（例えば３点曲げ応力や４点曲げ応力）が発生しやすくなる。まず、空気極側集電体１３４が有する複数の集電体要素１３５について、空気極１１４側への突出長さが互いに同一になるように空気極側集電体１３４を形成することは困難であり、集電体要素１３５ごとに突出長さのバラツキが生じる。なお、空気極側集電体１３４の集電体要素１３５の形成方法として、切削加工やプレス加工など様々な公知の方法を採用することができるが、特にプレス加工を採用した場合に集電体要素１３５の突出長さのバラツキが生じやすい。

例えば、３つの重複集電体要素１３５Ａは空気極１１４に接触し、３つ以上の重複集電体要素１３５Ａと電極対向部１４５との間に単セル１１０が挟み込まれる。そして、３つの重複集電体要素１３５Ａのうち、中央に位置する重複集電体要素１３５Ａの突出長さが、他の２つの重複集電体要素１３５Ａの突出長さより長い場合、単セル１１０は、中央に位置する重複集電体要素１３５Ａの接触箇所を可動支点とする３点曲げ応力を受けることになる。そして、３つの１３５Ａが互いに近い位置に配置される程、この３点曲げ応力は大きくなる。単セル１１０が曲げ応力を受けると、例えば単セル１１０が損傷（割れ等）し、発電単位１０２ａの発電性能が低下するおそれがある。なお、単セル１１０における非重複集電体要素１３５Ｂの接触箇所は、単セル１１０の背後に電極対向部１４５が存在しない。このため、重複集電体要素１３５Ａの接触箇所への押圧力は、非重複集電体要素１３５Ｂの接触箇所への押圧力に比べて大きい。このため、特に、重複集電体要素１３５Ａの接触箇所において、集電体要素１３５の突出長さのバラツキを原因とする単セル１１０への曲げ応力の影響が大きい。

これに対して、本実施形態によれば、複数の集電体要素１３５には、少なくとも、２つの重複集電体要素１３５Ａと、該２つの重複集電体要素１３５Ａの間に配置された非重複集電体要素１３５Ｂとが含まれる。これにより、３つ以上の重複集電体要素１３５Ａが互いに近い位置に配置されることが抑制される。すなわち、本実施形態によれば、重複集電体要素１３５Ａの間に非重複集電体要素１３５Ｂが配置されない構成に比べて、単セル１１０（空気極１１４）と空気極側集電体１３４との間の導通面積を増大させつつ、単セル１１０に曲げ応力が発生することを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、電極対向部１４５の第５の離間距離１４５ＤＹは、集電体要素１３５の第２の配置間隔１３５ＰＹより広い（図９参照）。ここで、図１１に示す比較例１のように、電極対向部１４５同士の第６の離間距離１４５ＤＶが、集電体要素１３５の第２の配置間隔１３５ＰＹより狭い構成では、重複集電体要素１３５Ａ同士の距離が近くなるため、重複集電体要素１３５Ａの突出長さのバラツキによって、単セル１１０に曲げ応力が発生しやすくなる。これに対して、本実施形態によれば、重複集電体要素１３５Ａの突出長さのバラツキを原因とする単セル１１０への曲げ応力の発生を緩和することができる。さらに、本実施形態では、電極対向部１４５の第５の離間距離１４５ＤＹは、集電体要素１３５の第２の配置間隔１３５ＰＹの２倍以上である（図９参照）。これにより、２つの重複集電体要素１３５Ａ同士の離間距離が長くなるため、重複集電体要素１３５Ａの突出長さのバラツキを原因とする単セル１１０への曲げ応力をより効果的に軽減することができる。

また、凸部（集電体要素１３５および電極対向部１４５）の上下方向視の形状が矩形状である場合、凸部の矩形状の最小の辺の長さが短いほど、該凸部から単セル１１０への応力が特定箇所に集中するため、単セル１１０への曲げ応力が大きくなりやすい。そこで、本電気化学反応単位によれば、集電体要素１３５の矩形状における最小辺の長さ（短辺幅１３５Ｙ）は、電極対向部１４５の矩形状における最小辺の長さ（短辺幅１４５Ｙ）より短い。そして、矩形状における最小の辺の長さが短い集電体要素１３５が、上下方向視で共通の電極対向部１４５に重なる数が１つまたは２つである。これにより、矩形状における最小の辺の長さが短い方の凸部による単セル１１０への曲げ応力を抑制することができる。しかも、集電体要素１３５の短辺幅１３５Ｙは、５（ｍｍ）以下であるため、単セル１１０のうち、該集電体要素１３５の短辺側との接触部位に応力が集中することにより、単セル１１０に大きな曲げ応力が発生しやすい。これに対して、本実施形態によれば、単セル１１０への曲げ応力を抑制できるため、このような該幅寸法が５（ｍｍ）以下の凸部と単セルとが接触する構成に対して特に有効である。

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。

上記実施形態において、集電部材（第１の集電部材、第２の集電部材）として、空気極側集電体１３４および燃料極側集電体１４４を例示し、凸部（第１の凸部、第２の凸部）として、集電体要素１３５および電極対向部１４５を例示した。このように集電部材および凸部は、例えば次のいずれかの構成であってもよい。
（１）集電部材は、電極から離間した離間部と該離間部から電極側に突出して該電極に接触する柱状の突出部とを有する構成（例えば空気極側集電体１３４）であり、凸部は、該突出部（例えば集電体要素１３５）である構成であるとしてもよい。
（２）集電部材は、電極（例えば燃料極１１６）と、該電極と対向する対向部材（例えばインターコネクタ１５０）との間の離間距離の変化に追随する構成（例えば燃料極側集電体１４４）であり、凸部は、該集電部材のうち電極に接触する部分（例えば電極対向部１４５）である構成であるとしてもよい。より具体的には、集電部材は、電極と対向部材との間の離間距離の変化に追随するように弾性変形する弾性体であり、凸部は、該弾性体のうち電極に接触する部分である構成であるとしてもよい。この構成において、凸部は、電極に接触する部分全体が変位する構成であるとしてもよいし、一端が固定端とされると共に他端が自由端とされた片持ち状の形状であり、自由端側が変位可能である構成であるとしてもよい。

上記実施形態では、全ての電極対向部１４５のそれぞれに対して、上下方向視で該電極対向部１４５に重なる重複集電体要素１３５Ａの数は２つずつであったが、これに限らない。例えば、全ての電極対向部１４５のそれぞれに対して、上下方向視で該電極対向部１４５に重なる重複集電体要素１３５Ａの数は１つずつであるとしてもよい。また、複数の電極対向部１４５に、上下方向視で重なる重複集電体要素１３５Ａの数が１つである電極対向部１４５と、上下方向視で重なる重複集電体要素１３５Ａの数が２つである電極対向部１４５とが混在するとしてもよい。さらに、複数の電極対向部１４５に、上下方向視で重なる重複集電体要素１３５Ａの数が３つ以上である電極対向部１４５が含まれるとしてもよい。

また、上記実施形態では、全ての集電体要素１３５のそれぞれに対して、上下方向視で該集電体要素１３５に重なる電極対向部１４５の数は２つずつであったが、これに限らない。例えば、全ての集電体要素１３５のそれぞれに対して、上下方向視で重なる電極対向部１４５の数は１つずつであるとしてもよい。また、複数の集電体要素１３５に、上下方向視で重なる電極対向部１４５の数が１つである集電体要素１３５と、上下方向視で重なる電極対向部１４５の数が２つである集電体要素１３５とが混在するとしてもよい。さらに、複数の集電体要素１３５に、上下方向視で重なる電極対向部１４５の数が３つ以上である集電体要素１３５が含まれるとしてもよい。要するに、複数の第２の凸部の少なくとも１つは、第１の方向視で第２の凸部に重なる第１の凸部である重複凸部の数が１つまたは２つであればよい。

また、上記実施形態では、上下方向視で１つの電極対向部１４５に重なる重複集電体要素１３５Ａの数が１つまたは２つであるとともに、上下方向視で１つの集電体要素１３５に重なる電極対向部１４５の数も１つまたは２つであるとしたが、これに限らず、例えば、上下方向視で１つの電極対向部１４５に重なる重複集電体要素１３５Ａの数が１つまたは２つである一方で、上下方向視で１つの集電体要素１３５に重なる電極対向部１４５の数も３つ以上であるとしてもよいし、上下方向視で１つの電極対向部１４５に重なる重複集電体要素１３５Ａの数が３つ以上であるとともに、上下方向視で１つの集電体要素１３５に重なる電極対向部１４５の数も１つまたは２つであるとしてもよい。

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、複数の集電体要素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、複数の集電体要素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、複数の集電体要素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。

また、上記実施形態において、集電体要素１３５同士の短辺方向の第２の離間距離１３５ＤＹは、集電体要素１３５の短辺幅１３５Ｙ以下であるとしてもよい。また、上記実施形態において、集電体要素１３５同士の短辺方向の第２の配置間隔１３５ＰＹは、集電体要素１３５の短辺幅１３５Ｙ以下であるとしてもよい。また、上記実施形態において、集電体要素１３５同士の長辺方向の第１の離間距離１３５ＤＸは、集電体要素１３５の長辺幅１３５Ｘ以上であるとしてもよい。また、集電体要素１３５同士の長手方向の第１の配置間隔１３５ＰＸは、集電体要素１３５の長辺幅１３５Ｘより長いとしてもいいし、集電体要素１３５の長辺幅１３５Ｘより短いとしてもよい。

また、上記実施形態では、集電体要素１３５や電極対向部１４５の上下方向視の形状は、長方形状であるとしたが、これに限らず、長方形以外の矩形状（例えば正方形状）であるとしてもよいし、矩形以外の多角形状や円形状であるとしてもよい。

また、上記実施形態において、電極対向部１４５同士の短辺方向の第５の離間距離１４５ＤＹは、電極対向部１４５の短辺幅１４５Ｙ以下であるとしてもよい。また、上記実施形態において、電極対向部１４５同士の短辺方向の第５の配置間隔１４５ＰＹは、電極対向部１４５の短辺幅１４５Ｙ以下であるとしてもよい。

また、上記実施形態において、電極対向部１４５同士の長辺方向の離間距離１４５ＤＸ１，１４５ＤＸ２は、電極対向部１４５の長辺幅１４５Ｘ以上であるとしてもよい。また、一対の電極対向部１４５同士の長手方向の第３の配置間隔１４５ＰＸ１は、電極対向部１４５の長辺幅１４５Ｘより広くしてもよいし、電極対向部１４５の長辺幅１４５Ｘより狭くてもよい。また、電極対向部対同士の第４の配置間隔１４５ＰＸ２は、電極対向部１４５の長辺幅１４５Ｘ以下であるとしてもよい。

また、上記実施形態において、上下方向視で、重複集電体要素１３５Ａの短辺方向の一部分が、電極対向部１４５の短辺方向の両側より外側にはみ出しているとしてもよい。また、上下方向視で、電極対向部１４５の長辺方向の一部分が、集電体要素１３５の長辺方向の両側より外側にはみ出しているとしてもよい。

また、上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２について、複数の第２の凸部の少なくとも１つは、第１の方向視で第２の凸部に重なる第１の凸部である重複凸部の数が１つまたは２つである必要はなく、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について、複数の第２の凸部の少なくとも１つは、第１の方向視で第２の凸部に重なる第１の凸部である重複凸部の数が１つまたは２つであれば、該発電単位１０２について、第１の凸部の突出長さのバラツキを原因とする単セルへの曲げ応力の発生を緩和することができる。

上記実施形態では、共通の電極対向部１４５に重なる２つの重複集電体要素１３５Ａ同士の第６の離間距離ΔＬ１に対して、互いに異なる電極対向部１４５にそれぞれ重なる２つの重複集電体要素１３５Ａ同士の第７の離間距離ΔＬ２の方が長いとしているが、これに限らず、第７の離間距離ΔＬ２は、第６の離間距離ΔＬ１以下であるとしてもよい。また、上記実施形態では、共通の集電体要素１３５に重なる２つの電極対向部１４５同士の第８の離間距離ΔＬ３に対して、互いに異なる集電体要素１３５にそれぞれ重なる２つの電極対向部１４５同士の第９の離間距離ΔＬ４の方が長いとしているが、これに限らず、第９の離間距離ΔＬ４は、第８の離間距離ΔＬ３以下であるとしてもよい。

上記実施形態では、２つの重複集電体要素１３５Ａの間に、２つの非重複集電体要素１３５Ｂが配置されていたが（図９参照）、これに限らず、２つの重複集電体要素１３５Ａの間に、１つ、または、３つ以上の非重複集電体要素１３５Ｂが配置されているとしてもよい。また、上記実施形態では、複数の電極対向部１４５の全てが上下方向視で集電体要素１３５に重なるとしたが、複数の電極対向部１４５の一部は、集電体要素１３５に重ならないとしてもよい。

また、上記実施形態では、１つの電極対向部１４５に重なる重複集電体要素１３５Ａの数と、２つの重複集電体要素１３５Ａの間に位置する非重複集電体要素１３５Ｂの数とが同数（２つ）であったが、これに限らず、１つの電極対向部１４５（第２の凸部）に重なる重複集電体要素１３５Ａ（重複凸部）の数と、２つの重複集電体要素１３５Ａの間に位置する非重複集電体要素１３５Ｂ（非重複凸部）の数より多くてもよいし、少なくてもよい。前者の構成であれば、電極対向部１４５同士を互いに近い位置に配置することができる分だけ、燃料極側集電体１４４と単セル１１０（燃料極１１６）との導通面積を広く確保する（接触密度を高くする）ことができる。後者の構成であれば、重複集電体要素１３５Ａ同士の離間距離が長くなるため、集電体要素１３５の突出長さのバラツキを原因とする単セル１１０への曲げ応力の発生を緩和することができる。なお、上記実施形態のように、２つの重複凸部と、該２つの重複凸部の間に配置される非重複凸部とは、一の方向に連続して並ぶように配置されていることが好ましい。

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に、複数の第２の凸部の少なくとも１つは、第１の方向視で第２の凸部に重なる第１の凸部である重複凸部の数が１つまたは２つである構成にすれば、該発電単位１０２について、第１の凸部の突出長さのバラツキを原因とする単セルへの曲げ応力の発生を緩和することができる。

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 １００：燃料電池スタック １０２, １０２ａ：発電単位 １０４，１０６：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：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １３５Ａ：重複集電体要素 １３５Ｂ：非重複集電体要素 １３５ＤＸ：第１の離間距離 １３５ＤＹ：第２の離間距離 １３５ＰＸ：第１の配置間隔 １３５ＰＹ：第２の配置間隔 １３５Ｘ：長辺幅 １３５Ｙ：短辺幅 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：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４５ＤＸ１：第３の離間距離 １４５ＤＸ２：第４の離間距離 １４５ＤＹ：第５の離間距離 １４５ＰＸ１：第３の配置間隔 １４５ＰＸ２：第４の配置間隔 １４５ＰＹ：第５の配置間隔 １４５ＤＶ：第６の配置間隔 １４５Ｘ：長辺幅 １４５Ｙ：短辺幅 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＩＰ１：内周面 ＩＰ２：内周面 ＩＰ３：内周面 ＩＰ４：内周面 ΔＬ１：第６の離間距離 ΔＬ２：第７の離間距離 ΔＬ３：第８の離間距離 ΔＬ４：第９の離間距離 ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス

Claims (8)

1. 固体酸化物を含む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、
   前記単セルに対して前記空気極および前記燃料極の一方である第１の電極側に配置され、前記第１の電極の表面に接触する３つ以上の第１の凸部を有する第１の集電部材と、
   前記単セルに対して前記空気極および前記燃料極の他方である第２の電極側に配置され、前記第２の電極の表面に接触する複数の第２の凸部を有する第２の集電部材と、を備える電気化学反応単位において、
   前記３つ以上の第１の凸部は、
   前記第１の方向視で前記第２の凸部に重なる２つの重複凸部と、
   前記２つの重複凸部の間に配置され、前記第１の方向視で前記第２の凸部に重ならない非重複凸部と、を含んでおり、
   前記非重複凸部の数は、前記重複凸部の数よりも多いことを特徴とする、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３つ以上の第１の凸部は、前記第１の方向に直交する第２の方向に等間隔に並べて配置され、
   前記複数の第２の凸部は、前記第２の方向に等間隔に並べて配置されており、
   前記第２の凸部間の離間距離は、前記第１の凸部同士の配置間隔より広いことを特徴とする、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、
   前記第２の凸部間の前記離間距離は、前記第１の凸部同士の前記配置間隔の２倍以上であ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、
   前記第１の方向視で、
   前記第１の凸部および前記第２の凸部の形状は、矩形状であり、かつ、
   前記第１の凸部の前記矩形状における最小の辺の長さは、前記第２の凸部の前記矩形状における最小の辺の長さより短いことを特徴とする、電気化学反応単位。
5. 請求項４に記載の電気化学反応単位において、
   前記第１の凸部の前記矩形状における最小の辺の長さは、５（ｍｍ）以下であ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、
   前記第１の電極は前記空気極であり、前記第２の電極は前記燃料極であ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６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。
8. 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７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。

Images