JP7082958B2

JP7082958B2 - 電気化学反応セルスタック

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Publication number: JP7082958B2
Application number: JP2019137409A
Authority: JP
Inventors: 哲也森川
Original assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Current assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: JP2021022459A

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、電気化学反応単位が、第１の方向に複数並べて配置された電気化学反応ブロックを備える燃料電池スタックの形態で利用される。電気化学反応単位は、例えば、単セルと、フレーム部材と、セパレータと、を備える。フレーム部材は、空気極に面する空気室または燃料極に面する燃料室を構成する貫通孔が形成されている。セパレータは、貫通孔が形成され、該貫通孔を取り囲む貫通孔周囲部が単セルに接合されると共に周縁部がフレーム部材に接合され、空気室と燃料室とを区画する。燃料電池スタックは、さらに、電気化学反応ブロックにおける第１の方向の両側にそれぞれ位置し、第１の方向視で少なくとも一部がフレーム部材に重なるように配置された一対のエンド部材を備える（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－１０７０９号公報

ところで、上述した燃料電池スタックにおいて、一対のエンド部材の少なくとも一方には空間が形成された形態が考えられる。このエンド部材に形成された空間は、少なくとも電気化学反応ブロック側に開口しており、かつ、第１の方向視で該空間の輪郭線が単セルを内包する。このようにエンド部材に空間が形成された電気化学反応セルスタックでは、例えばエンド部材に空間が形成されておらず、該エンド部材の電気化学反応ブロック側の表面全体が平坦である構成に比べて、電気化学反応ブロックにおけるフレーム部材と単セルとで一対のエンド部材から受ける荷重が互いに異なることに起因して、フレーム部材と単セルとの第１の方向の変位差が生じやすい。そして、例えば熱サイクルやヒートショック等によってフレーム部材と単セルとの第１の方向の変位差がさらに大きくなる。フレーム部材と単セルとの第１の方向の変位差が生じると、例えばセパレータを介して単セルを第１の方向に引っ張る力が生じることによって単セルにクラック（割れ）が生じたり、フレーム部材によるシール性が低下したりするなど、電気化学反応セルスタックの性能が低下する、という課題がある。

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複数備え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単セルと、前記空気極に面する空気室または前記燃料極に面する燃料室を構成するフレーム貫通孔が形成されたフレーム部材と、セパレータ貫通孔が形成され、前記セパレータ貫通孔を取り囲む貫通孔周囲部が前記単セルに接合されると共に周縁部が前記フレーム部材に接合され、前記空気室と前記燃料室とを区画するセパレータと、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た電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックにおける前記第１の方向の両側にそれぞれ位置し、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部材に重なるように配置された一対のエンド部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記一対のエンド部材の少なくとも一方には、少なくとも前記電気化学反応ブロック側に開口する空間であって、前記第１の方向視で輪郭線が前記単セルを内包する空間が形成されており、少なくとも１つの前記セパレータは、前記貫通孔周囲部を含む内側部と、前記内側部より外周側に位置する外側部と、前記内側部と前記外側部とを連結し、かつ、前記内側部と前記外側部との両方に対して、前記第１の方向の一方側に突出している連結部と、を備える。

本電気化学反応セルスタックでは、一対のエンド部材の少なくとも一方には空間が形成されている。この空間は、少なくとも電気化学反応ブロック側に開口しており、かつ、複数の電気化学反応単位の並ぶ方向である第１の方向視で輪郭線が単セルを内包する。このようにエンド部材に空間が形成された電気化学反応セルスタックでは、例えばエンド部材に空間が形成されておらず、該エンド部材の電気化学反応ブロック側の表面全体が平坦である構成に比べて、電気化学反応ブロックにおけるフレーム部材と単セルとでは、一対のエンド部材から受ける荷重が互いに異なることに起因して、フレーム部材と単セルとの第１の方向の変位差が生じやすい。そして、例えば熱サイクルやヒートショック等によってフレーム部材と単セルとの第１の方向の変位差がさらに大きくなる。フレーム部材と単セルとの第１の方向の変位差が生じると、例えばセパレータを介して単セルが第１の方向に引っ張られることによって単セルにクラック（割れ）が生じたり、フレーム部材によるシール性が低下したりするなど、電気化学反応セルスタックの性能が低下するおそれがある。これに対して、本電気化学反応セルスタックによれば、セパレータの連結部が容易に伸び縮みするバネのように機能し、セパレータが連結部の位置で変形しやすいため、フレーム部材と単セルとの第１の方向の変位差が大きくなると、セパレータが主として連結部の位置で伸びるように変形し、その結果、上記変位差によって単セルやフレーム部材に発生する応力が緩和されるため、フレーム部材と単セルとの第１の方向の変位差に起因する電気化学反応セルスタックの性能の低下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、前記少なくとも１つの前記セパレータに接合されている前記単セルと前記フレーム部材との前記第１の方向に直交する第３の方向の距離である第１の距離は、前記少なくとも１つの前記セパレータの内、前記単セルと接合されているセル側接合部と、前記フレーム部材と接合されているフレーム側接合部との前記第１の方向の距離である第２の距離より長い構成としてもよい。

本電気化学反応セルスタックでは、第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、少なくとも１つのセパレータに接合されている単セルとフレーム部材との第１の方向に直交する第３の方向の距離である第１の距離は、該少なくとも１つのセパレータの内、単セルと接合されているセル側接合部と、フレーム部材と接合されているフレーム側接合部との第１の方向の距離である第２の距離より長い。このため、例えば、第１の距離が第２の距離以下である構成に比べて、第２の距離が同じである条件下において、セパレータの第２の方向に対する傾きが緩やかなであり、その結果、単セルおよびフレーム部材に発生する第１の方向の応力が小さい。したがって、本電気化学反応セルスタックによれば、フレーム部材と単セルとの第１の方向の変位差に起因する電気化学反応セルスタックの性能の低下を、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、前記少なくとも１つの前記セパレータにおける前記連結部の長さは、前記少なくとも１つの前記セパレータの内、前記単セルと接合されているセル側接合部と、前記フレーム部材と接合されているフレーム側接合部との最短距離から、前記少なくとも１つの前記セパレータに接合されている前記単セルと前記フレーム部材との前記第１の方向に直交する第３の方向の距離である第１の距離を引いた長さより長い構成としてもよい。

本電気化学反応セルスタックによれば、第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、例えば、少なくとも１つのセパレータにおける連結部の長さが、該セパレータの内のセル側接合部とフレーム側接合部との最短距離から、該単セルと該フレーム部材との第１の方向に直交する第３の方向の距離である第１の距離を引いた長さ以下である構成に比べて、フレーム部材と単セルとの第１の方向の変位差に起因して単セルやフレーム部材に発生する応力を、セパレータの連結部の伸長によって効果的に緩和することができる。

（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、前記少なくとも１つの前記セパレータの内、前記単セルと接合されているセル側接合部と、前記フレーム部材と接合されているフレーム側接合部との前記第１の方向の距離である第２の距離は、０．０１ｍｍより大きい構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、セパレータの内のセル側接合部とフレーム側接合部との第１の方向の距離である第２の距離が０．０１ｍｍより大きい構成において、特に有効である。

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）、電気化学反応セルスタックを備える電気化学反応システム（燃料電池システムまたは電解セルシステム）、それらの運転方法や制御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。本実施形態における第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。変形例における第１のセパレータ１２０ａの一部分のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。

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６）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）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。また、本明細書では、Ｚ軸に直交する方向を面方向という。面方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。

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、「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（以下、「セルブロック１０３」という）を上下から挟むように配置されている。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、セルブロック１０３は、特許請求の範囲における電気化学反応ブロックに相当する。

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軸回りの周縁部には、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、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軸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、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、空気が使用される。また、本実施形態では、酸化剤ガス導入マニホールド１６１への酸化剤ガスＯＧの導入のために、ブロワ（図示せず）が用いられる。また、酸化剤ガスＯＧが酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入される前に、熱交換（例えば、燃料電池スタック１００から排出された酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとを燃焼させたときに発生する熱との熱交換）を利用して、酸化剤ガスＯＧの予加熱が行われるとしてもよい。

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、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。なお、一対のエンドプレート１０４，１０６は、特許請求の範囲における一対のエンド部材に相当する。

（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、第１のセパレータ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、第２のセパレータ１８０と、を備えている。第１のセパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、第２のセパレータ１８０におけるＺ軸回りの周縁部には、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、上述したように、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２を備えているため、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）単セル１１０を備えていると言える。

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、平板型の単セルであり、また、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。このように、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、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。

第１のセパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の第１のセパレータ貫通孔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。図６に示すように、第１のセパレータ１２０における第１のセパレータ貫通孔１２１を取り囲む部分（以下、「第１の貫通孔周囲部１２２」という）は、単セル１１０における上下方向の一方側（図面中の上側）の表面の周縁部に対向している。なお、本実施形態では、空気極１１４はＺ軸方向視における大きさが電解質層１１２より小さいため、第１のセパレータ１２０における第１の貫通孔周囲部１２２は、単セル１１０における上側の表面の内、電解質層１１２により構成された表面に対向している。第１のセパレータ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、単セル１１０（電解質層１１２）と接合されている。第１のセパレータ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の空気室用孔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、第１のセパレータ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、第２のセパレータ１８０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。すなわち、空気極側フレーム１３０は、第１のセパレータ１２０と第２のセパレータ１８０とにより挟持されている。そのため、空気極側フレーム１３０によって、空気室１６６のシール（コンプレッションシール）が実現される。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および第２のセパレータ１８０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、第１のセパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、第２のセパレータ１８０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および図５参照）。なお、空気極側フレーム１３０および燃料極側フレーム１４０は、特許請求の範囲におけるフレーム部材に相当し、空気室用孔１３１および燃料室用孔１４１は、特許請求の範囲におけるフレーム貫通孔に相当する。

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、最上段の第２のセパレータ１８０に接触しており、該第２のセパレータ１８０を介して上側のエンドプレート１０４に電気的に接続されている。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、空気極側集電体１３４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。また、空気極側集電体１３４は、インターコネクタ１５０と一体の部材として構成されていてもよい。

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、後述する中間部材１９０に接触しており、該中間部材１９０を介して下側のエンドプレート１０６に電気的に接続されている。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、図４および図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流路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、図４および図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．セルブロック１０３における単セル１１０およびフレーム１３０，１４０と一対のエンドプレート１０４，１０６との関係：
図１から図３に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１００では、各エンドプレート１０４，１０６には、上下方向（単セル１１０の並び方向）に貫通する開口窓１０４Ａ，１０６Ａが形成されている。すなわち、各エンドプレート１０４，１０６には、開口窓１０４Ａ，１０６Ａによって、上下の両側（セルブロック１０３側と、該セルブロック１０３とは反対側）に開口する空間Ｓ１，Ｓ２が形成されている。上下方向視で、各空間Ｓ１，Ｓ２の輪郭線は、単セル１１０を内包している。換言すれば、各空間Ｓ１，Ｓ２の輪郭線は、全周にわたって、単セル１１０の外形線の外側に位置している。上下方向視で、各エンドプレート１０４，１０６は、セルブロック１０３に重なっておらず、フレーム１３０，１４０に重なっている。

セルブロック１０３と下側のエンドプレート１０６との間には、中間部材１９０が配置されている。中間部材１９０は、貫通孔が形成されていない平板状の部材であり、例えば、金属により形成されている。中間部材１９０の中央付近には、セルブロック１０３の最下位に位置する燃料極側集電体１４４が接合されており、中間部材１９０の周縁部は、セルブロック１０３と下側のエンドプレート１０６との間に挟み込まれている。すなわち、セルブロック１０３は、各フレーム１３０，１４０に対して、第１のセパレータ１２０と第２のセパレータ１８０と中間部材１９０とによって支持されている。なお、第１のセパレータ１２０、第２のセパレータ１８０および中間部材１９０は、いずれも、上下方向の厚さが、各フレーム１３０，１４０の上下方向の厚さより薄く、各フレーム１３０，１４０に比べて可撓性が高い。

以上の構成により、燃料電池スタック１００は、複数の締結部材（ボルト２２、ナット２４）を備えて、複数の締結部材は、一対のエンドプレート１０４，１０６とセルブロック１０３におけるフレーム１３０，１４０とにわたって形成された複数の連通孔１０８のそれぞれに挿入されており、燃料電池スタック１００は、該複数の締結部材で締結されている。詳しくは、燃料電池スタック１００（セルブロック１０３）のうち、上下方向視でエンドプレート１０４，１０６と重なる部分（主としてフレーム１３０，１４０）は、一対のエンドプレート１０４，１０６の間に挟み込まれており、一対のエンドプレート１０４，１０６を締結する締結部材（ボルト２２、ナット２４）の締結力による比較的に大きい荷重を受ける。これにより、フレーム１３０，１４０によって、空気室１６６や燃料室１７６のシールが実現される。一方、燃料電池スタック１００のうち、上下方向視でエンドプレート１０４，１０６と重ならない部分（主として単セル１１０）は、一対のエンドプレート１０４，１０６を締結する締結部材の締結力による荷重を直接的には受けない。すなわち、燃料電池スタック１００における単セル１１０とフレーム１３０，１４０とは、一対のエンドプレート１０４，１０６から上下方向に受ける荷重の大きさが互いに異なる。これにより、フレーム１３０，１４０には、空気室１６６や燃料室１７６のシールを実現するために必要な比較的に大きい荷重を付与し、単セル１１０には、単セル１１０同士の間の導通性を確保しつつ不要に大きい荷重がかかることを抑制することができる。

Ａ－４．第１のセパレータ１２０の詳細構成：
図７は、第１のセパレータ１２０および第２のセパレータ１８０の一部分（図４のＰｘ部）のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。なお、第１のセパレータ１２０の上下方向の厚さ（例えば０．１ｍｍ）は、各フレーム１３０，１４０の上下方向の厚さ（例えば１ｍｍ）より薄い。第１のセパレータ１２０は、特許請求の範囲におけるセパレータに相当する。

第１のセパレータ１２０は、第１の貫通孔周囲部１２２を含む第１の内側部１２６と、第１の内側部１２６より外周側に位置する第１の外側部１２７とを備える。第１の内側部１２６と第１の外側部１２７とのＺ軸方向における位置は、互いに略同一である。なお、第１の内側部１２６のＺ軸方向における位置とは、第１の内側部１２６の表面の内の空気室１６６に面している側（上側）の表面において、第１の内側部１２６における最も上に位置する部分の位置を意味する。第１の外側部１２７のＺ軸方向における位置とは、第１の外側部１２７の表面の内の空気室１６６に面している側（上側）の表面において、第１の外側部１２７における最も上に位置する部分の位置を意味する。また、第１の内側部１２６は、特許請求の範囲における内側部に相当し、第１の外側部１２７は、特許請求の範囲における外側部に相当する。

第１のセパレータ１２０は、さらに、第１の内側部１２６の端部と第１の外側部１２７の端部とを連結する第１の連結部１２８を備える。本実施形態では、第１の連結部１２８は、第１の内側部１２６および第１の外側部１２７の位置から燃料室１７６側（下側）に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、第１の連結部１２８における燃料室１７６側（下側）は凸部となり、第１の連結部１２８における空気室１６６側（上側）は凹部となる。このように、第１の連結部１２８は、Ｚ軸方向における位置が第１の内側部１２６および第１の外側部１２７とは異なる部分を含む。なお、第１の連結部１２８は、Ｚ軸方向視で、第１のセパレータ貫通孔１２１を取り囲むように形成されている。また、第１のセパレータ１２０における第１の連結部１２８は、例えば、プレス加工により形成される。第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８は、上述した構成であるため、面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能する。そのため、本実施形態の第１のセパレータ１２０は、第１の連結部１２８を備えない構成と比較して、第１の連結部１２８の位置で面方向に変形しやすい。また、第１のセパレータ１２０の上下方向における厚さｔ_１（板厚）は、０．０１（ｍｍ）以上であればよく、耐酸化性の低下を抑制する観点から、好ましくは０．０３（ｍｍ）以上、より好ましくは０．０５（ｍｍ）以上であって、０．２（ｍｍ）以下であることが好ましい。第１のセパレータ１２０の厚さｔ_１を０．０３（ｍｍ）以上とすることにより、第１のセパレータ１２０の耐酸化性の低下を抑制することができ、第１のセパレータ１２０の厚さｔ_１を０．２（ｍｍ）以下とすることにより、第１の連結部１２８のバネ性を一定程度以上確保することができる。

図７に示すように、第１の連結部深さＨ_１は、０．１（ｍｍ）以上、２．０（ｍｍ）以下であることがさらに好ましい。第１の連結部深さＨ_１を０．１（ｍｍ）以上とすることにより、第１の連結部１２８による単セル１１０の変形や割れを抑制する効果を確保することができる。また、第１の連結部深さＨ_１が２．０（ｍｍ）より高くなると、第１の連結部１２８によってガスの流れが阻害され、発電性能が低下するおそれがあるため好ましくないが、第１の連結部深さＨ_１を２．０（ｍｍ）以下とすることにより、第１の連結部１２８によってガスの流れが阻害されて発電性能が低下することを抑制することができる。

また、第１の連結部深さＨ_１は第１のセパレータ１２０の厚さｔ_１より大きいことが好ましい。第１の連結部深さＨ_１を第１のセパレータ１２０の厚さｔ_１より大きくすることにより、第１の連結部１２８による単セル１１０の変形や割れを抑制する効果を確保することができる。なお、第１の連結部１２８は、特許請求の範囲における連結部に相当する。

また、図６には、上下方向視で、エンドプレート１０４，１０６に形成された開口窓１０４Ａ，１０６Ａの輪郭線内の領域を、該輪郭線（矩形）の２本の対角線（仮想直線）によって４等分して形成される第１から第４の区画領域Ｅ１～Ｅ４が示されている。本実施形態では、第１のセパレータ１２０には、第１の連結部１２８が第１から第４の区画領域Ｅ１～Ｅ４の全ての領域に位置するように形成されている。具体的には、第１のセパレータ１２０には、第１の連結部１２８が、第１のセパレータ１２０の周縁部に沿って全周にわたって連続的に形成されている。なお、エンドプレート１０４，１０６に形成された開口窓１０４Ａ，１０６Ａの形状は、矩形に限らず、例えば円形等でもよい。

また、第１のセパレータ１２０は、単セル１１０の上下方向（Ｚ軸方向）視の中心Ｏを通り、かつ、上下方向に平行な全ての断面において、さらに、次の第１の要件を満たしている（図７参照）。なお、同断面において、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する方向（Ｘ軸方向）は、特許請求の範囲における第３の方向に相当する。
＜第１の要件＞
「第１の距離ΔＸ１」＞「第２の距離ΔＺ１」
第１の距離ΔＸ１：単セル１１０と空気極側フレーム１３０（上下方向において、第１のセパレータ１２０に対して単セル１１０と同じ側に位置するフレーム）との上下方向視における距離
第２の距離ΔＺ１：第１のセパレータ１２０の内、単セル１１０と接合されているセル側接合部１２３と、空気極側フレーム１３０と接合されているフレーム側接合部１２９との上下方向の距離

また、第１のセパレータ１２０は、単セル１１０の上下方向（Ｚ軸方向）視の中心Ｏを通り、かつ、上下方向に平行な全ての断面において、さらに、次の第２の要件を満たしている（図７参照）。
＜第２の要件＞
「第１の連結部１２８の長さΔＣ１」＞「セル側接合部１２３とフレーム側接合部１２９との最短距離ΔＢ１」－「第１の距離ΔＸ１」
第１の連結部１２８の長さΔＣ１：第１の連結部１２８の内周面上における、第１の内側部１２６と第１の外側部１２７との間の最短距離
セル側接合部１２３とフレーム側接合部１２９との最短距離ΔＢ１：［（第１の距離ΔＸ１）^２＋（第２の距離ΔＺ１）^２］の平方根から第１の距離ΔＸ１を除算した値である。

また、第１のセパレータ１２０は、単セル１１０の上下方向（Ｚ軸方向）視の中心Ｏを通り、かつ、上下方向に平行な全ての断面において、さらに、次の第３の要件を満たしている（図７参照）。
＜第３の要件＞
「第２の距離ΔＺ１」＞０．０１ｍｍ

Ａ－５．第２のセパレータ１８０の詳細構成：
第２のセパレータ１８０は、第２の貫通孔周囲部１８２を含む第２の内側部１８６と、第２の内側部１８６より外周側に位置する第２の外側部１８７とを備える。第２の内側部１８６と第２の外側部１８７とのＺ軸方向における位置は、互いに略同一である。なお、第２の内側部１８６のＺ軸方向における位置とは、第２の内側部１８６の表面の内の燃料室１７６に面している側（上側）の表面において、第２の内側部１８６における最も上に位置する部分の位置を意味する。第２の外側部１８７のＺ軸方向における位置とは、第２の外側部１８７の表面の内の燃料室１７６に面している側（上側）の表面において、第２の外側部１８７における最も上に位置する部分の位置を意味する。

第２のセパレータ１８０は、さらに、第２の内側部１８６の端部と第２の外側部１８７の端部とを連結する第２の連結部１８８を備える。本実施形態では、第２の連結部１８８は、第２の内側部１８６および第２の外側部１８７の位置から燃料室１７６側（下側）に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、第２の連結部１８８における燃料室１７６側（下側）は凸部となり、第２の連結部１８８における空気室１６６側（上側）は凹部となる。このように、第２の連結部１８８は、Ｚ軸方向における位置が第２の内側部１８６および第２の外側部１８７とは異なる部分を含む。なお、第２の連結部１８８は、Ｚ軸方向視で、第２のセパレータ貫通孔１８１を取り囲むように形成されている。また、第２のセパレータ１８０における第２の連結部１８８は、例えば、プレス加工により形成される。第２のセパレータ１８０の第２の連結部１８８は、上述した構成であるため、面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能する。そのため、本実施形態の第２のセパレータ１８０は、第２の連結部１８８を備えない構成と比較して、第２の連結部１８８の位置で面方向に変形しやすい。また、第２のセパレータ１８０の上下方向における厚さｔ_２（板厚）は、０．０１（ｍｍ）以上であればよく、耐酸化性の低下を抑制する観点から、好ましくは０．０３（ｍｍ）以上、より好ましくは０．０５（ｍｍ）以上であって、０．２（ｍｍ）以下であることが好ましい。第２のセパレータ１８０の厚さｔ_２を０．０３（ｍｍ）以上とすることにより、第２のセパレータ１８０の耐酸化性の低下を抑制することができ、第２のセパレータ１８０の厚さｔ_２を０．２（ｍｍ）以下とすることにより、第２の連結部１８８のバネ性を一定程度以上確保することができる。

図７に示すように、第２の連結部深さＨ_２は、０．１（ｍｍ）以上、２．０（ｍｍ）以下であることがさらに好ましい。第２の連結部深さＨ_２を０．１（ｍｍ）以上とすることにより、第２の連結部１８８による単セル１１０の変形や割れを抑制する効果を確保することができる。また、第２の連結部深さＨ_２が２．０（ｍｍ）より高くなると、第２の連結部１８８によってガスの流れが阻害され、発電性能が低下するおそれがあるため好ましくないが、第２の連結部深さＨ_２を２．０（ｍｍ）以下とすることにより、第２の連結部１８８によってガスの流れが阻害されて発電性能が低下することを抑制することができる。

また、第２の連結部深さＨ_２は第２のセパレータ１８０の厚さｔ_２より大きいことが好ましい。第２の連結部深さＨ_２を第２のセパレータ１８０の厚さｔ_２より大きくすることにより、第２の連結部１８８による単セル１１０の変形や割れを抑制する効果を確保することができる。

また、本実施形態では、上述の第１のセパレータ１２０と同様、第２のセパレータ１８０には、第２の連結部１８８が第１から第４の区画領域Ｅ１～Ｅ４の全ての領域に位置するように形成されている。具体的には、第２のセパレータ１８０には、第２の連結部１８８が、第２のセパレータ１８０の周縁部に沿って全周にわたって連続的に形成されている。

また、第２のセパレータ１８０は、単セル１１０の上下方向（Ｚ軸方向）視の中心Ｏを通り、かつ、上下方向に平行な全ての断面において、さらに、次の第４の要件を満たしている（図７参照）。
＜第４の要件＞
「第１の距離ΔＸ２」＞「第２の距離ΔＺ２」
第１の距離ΔＸ２：単セル１１０と空気極側フレーム１３０（上下方向において、第２のセパレータ１８０に対して単セル１１０と同じ側に位置するフレーム）との上下方向視における距離
第２の距離ΔＺ２：第２のセパレータ１８０の内、インターコネクタ１５０に接合されているコネクタ側接合部１８３と、燃料極側フレーム１４０に接合されているフレーム側接合部１８９との上下方向の距離

また、第２のセパレータ１８０は、単セル１１０の上下方向（Ｚ軸方向）視の中心Ｏを通り、かつ、上下方向に平行な全ての断面において、さらに、次の第５の要件を満たしている（図７参照）。
＜第５の要件＞
「第２の連結部１８８の長さΔＣ２」＞「コネクタ側接合部１８３とフレーム側接合部１８９との最短距離ΔＢ２」－「第１の距離ΔＸ２」
第２の連結部１８８の長さΔＣ２：第２の連結部１８８の内周面上における、第２の内側部１８６と第２の外側部１８７との間の最短距離
コネクタ側接合部１８３とフレーム側接合部１８９との最短距離ΔＢ２：［（第１の距離ΔＸ２）^２＋（第２の距離ΔＺ２）^２］の平方根から第１の距離ΔＸ２を除算した値である。

また、第２のセパレータ１８０は、単セル１１０の上下方向（Ｚ軸方向）視の中心Ｏを通り、かつ、上下方向に平行な全ての断面において、さらに、次の第６の要件を満たしている（図７参照）。
＜第６の要件＞
「第２の距離ΔＺ２」＞０．０１ｍｍ

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では、エンドプレート１０４，１０６に空間Ｓ１が形成されている。この空間Ｓ１は、少なくともセルブロック１０３側に開口しており、かつ、複数の発電単位１０２（単セル１１０）の並ぶ方向である上下方向視で輪郭線が単セル１１０を内包する。このようにエンドプレート１０４，１０６に空間Ｓ１が形成された燃料電池スタック１００では、例えばエンドプレート１０４，１０６に空間が形成されておらず、該エンドプレート１０４，１０６のセルブロック１０３側の表面全体が平坦である構成に比べて、セルブロック１０３におけるフレーム１３０，１４０と単セル１１０とでは、一対のエンドプレート１０４，１０６から受ける荷重が互いに異なることに起因して、エンドプレート１０４，１０６と単セル１１０との上下の方向の変位差（図７に示すセル側接合部１２３とフレーム側接合部１２９との上下方向の変位差）が生じやすい。そして、例えば熱サイクルやヒートショック等によってエンドプレート１０４，１０６と単セル１１０との上下方向の変位差がさらに大きくなる。エンドプレート１０４，１０６と単セル１１０との上下方向の変位差が生じると、例えば第１のセパレータ１２０を介して単セル１１０が上下方向に引っ張られることによって単セル１１０にクラック（割れ）が生じたり、エンドプレート１０４，１０６によるシール性が低下したりするなど、燃料電池スタック１００の性能が低下するおそれがある。

これに対して、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８が容易に伸び縮みするバネのように機能し、第１のセパレータ１２０が第１の連結部１２８の位置で変形しやすいため（図７参照）、エンドプレート１０４，１０６と単セル１１０との上下方向の変位差が大きくなると、第１のセパレータ１２０が主として第１の連結部１２８の位置で伸びるように変形し、その結果、上記変位差によって単セル１１０やエンドプレート１０４，１０６に発生する応力が緩和されるため、エンドプレート１０４，１０６と単セル１１０との上下方向の変位差に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、第１のセパレータ１２０には、第１の連結部１２８が第１から第４の区画領域Ｅ１～Ｅ４の全ての領域に位置するように形成されている（図６参照）。このため、本実施形態によれば、第１のセパレータ１２０の全周にわたって応力緩和の機能が発揮されるため、例えば、第１から第４の区画領域Ｅ１～Ｅ４のいずれかに第１の連結部１２８が形成されていない構成に比べて、エンドプレート１０４，１０６と単セル１１０との上下方向の変位差に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を、より効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、第１のセパレータ１２０に接合されている単セル１１０とフレーム１３０，１４０との上下方向視における距離である第１の距離ΔＸ１は、第１のセパレータ１２０におけるセル側接合部１２３とフレーム側接合部１２９との上下方向の距離である第２の距離ΔＺ１より長い（上記第１の要件図７参照）。ここで、図８は、変形例における第１のセパレータ１２０ａの一部分のＸＺ断面構成を拡大して示す説明図である。変形例の燃料電池スタック１００ａでは、第１の距離ΔＸ１が第２の距離ΔＺａ（＞ΔＺ１）以下である。このため、第１のセパレータ１２０ａの面方向に対する第２の傾き（角度θ１ａ＞上記角度θ１）が比較的に急峻になり、その結果、単セル１１０およびフレーム１３０，１４０に発生する上下方向の応力が比較的に大きい。これに対して、本実施形態によれば、変形例の燃料電池スタック１００ａに比べて、第２の距離ΔＺａが同じである条件下において、第１のセパレータ１２０の面方向に対する傾き（角度θ１参照）が比較的に緩やかなであり、その結果、単セルおよびフレーム部材に発生する第１の方向の応力が小さい。したがって、本実施形態によれば、エンドプレート１０４，１０６と単セル１１０との上下方向の変位差に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を、より効果的に抑制することができる。

本実施形態では、第１のセパレータ１２０における第１の連結部１２８の長さΔＣ１は、第１のセパレータ１２０におけるセル側接合部１２３とフレーム側接合部１２９との最短距離ΔＢ１から、第１の距離ΔＸ１を引いた長さより長い（図７参照）。このため、本実施形態によれば、第１の連結部１２８の長さΔＣ１が、上記最短距離ΔＢ１から第１の距離ΔＸ１を引いた長さより短い構成に比べて、フレーム１３０，１４０と単セル１１０との上下方向の変位差に起因して単セル１１０やフレーム１３０，１４０に発生する応力を、第１のセパレータ１２０の第１の連結部１２８の伸長によって効果的に緩和することができる。

また、本実施形態によれば、第１のセパレータ１２０の内のセル側接合部１２３とフレーム側接合部１２９との上下方向の距離である第２の距離ΔＺ１が０．０１ｍｍより大きい構成において、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。例えば、上記実施形態において、一対のエンドプレート１０４，１０６の一方だけに空間が形成された構成であってもよい。また、上記実施形態では、空間として、エンドプレート１０４，１０６を貫通する空間Ｓ１，Ｓ２を例示したが、空間は、例えば、セルブロック１０３側に開口し、セルブロック１０３とは反対側に開口していない凹部状の空間であってもよい。また、上記実施形態では、エンド部材として、平板状のエンドプレート１０４，１０６を例示したが、エンド部材は、平板状以外の形状であってもよい。また、上記実施形態では、エンド部材の上下方向視の形状は、枠状だったが、例えば、上記実施形態において、エンドプレート１０４，１０６の形状を、燃料電池スタック１００のＺ軸回りの外周における３つの辺のそれぞれに沿った部分（例えばボルト２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｄ，２２Ｅのいずれか１つを除く７つのボルト２２で締結される部分）を有し、残りの１つの辺に沿った部分を有しない形状としてもよいし、燃料電池スタック１００のＺ軸回りの外周における互いに平行な２つの辺に沿った部分（例えばボルト２２Ａ，２２Ｂまたはボルト２２Ｄ，２２Ｅのいずれか１組を除く６つのボルト２２で締結される部分）を有し、残りの２つの辺に沿った部分を有しない形状としてもよい。

また、上記実施形態において、中間部材１９０は、貫通孔が形成された構成であってもよい。

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００に備えられた全ての第１のセパレータ１２０が第１の連結部１２８を備えるとしたが、燃料電池スタック１００に備えられた全ての第１のセパレータ１２０の少なくとも１つが第１の連結部１２８を備える構成であれば、フレーム１３０，１４０と単セル１１０との上下方向の変位差に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を抑制することができる。なお、燃料電池スタック１００に備えられた全ての第１のセパレータ１２０の内、５０％以上の第１のセパレータ１２０が第１の連結部１２８を備える構成が好ましく、全ての第１のセパレータ１２０の内、８０％以上の第１のセパレータ１２０が第１の連結部１２８を備える構成がより好ましい。また、特に、上下方向においてエンドプレート１０４，１０６から離れた位置に配置された発電単位１０２では、フレーム１３０，１４０と単セル１１０との上下方向の変位差が生じやすい。このため、上下方向においてエンドプレート１０４，１０６から離れた位置に配置された第１のセパレータ１２０（燃料電池スタック１００における上下方向の中央側に位置する第１のセパレータ１２０）が第１の連結部１２８を備える構成が好ましい。

また、上記実施形態では、単セル１１０の上下方向（Ｚ軸方向）視の中心Ｏを通り、かつ、上下方向に平行な全ての断面において、第１の要件から第６の要件を満たすとしたが、これに限らず、単セル１１０の上下方向）視の中心Ｏを通り、かつ、上下方向に平行な少なくとも１つの断面において、第１の要件から第６の要件を満たすとしてもよい。具体的には、上記実施形態では、第１の連結部１２８は、第１のセパレータ１２０の内、上下方向視で単セル１１０の回りの全周にわたって形成されていたが、第１の連結部１２８は、第１のセパレータ１２０の内、単セル１１０の回りの少なくとも一部分だけに形成されていれば、フレーム１３０，１４０と単セル１１０との上下方向の変位差に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を抑制することができる。例えば、上記実施形態において、第１の連結部１２８は、第１から第４の区画領域Ｅ１～Ｅ４の少なくとも１つに位置するように形成されていればよい。なお、第１の連結部１２８は、第１のセパレータ１２０の内、単セル１１０の回りの全周の５０％以上の部分だけに形成された構成が好ましく、第１のセパレータ１２０の内、単セル１１０の回りの全周の８０％以上の部分だけに形成された構成が好ましい。なお、第２のセパレータ１８０における第２の連結部１８８についても同様である。

また、上記実施形態では、第１の連結部１２８は、燃料室１７６側（下側）に突出するように湾曲した形状を有していたが、第１の連結部１２８は、空気室１６６側（上側）に突出するように湾曲した形状を有していてもよい。また、上記実施形態では、全ての第１のセパレータ１２０に形成された第１の連結部１２８が同一方向（下側）に湾曲した形状であったが、一部の第１のセパレータ１２０に形成された第１の連結部１２８が、他の第１のセパレータ１２０に形成された第１の連結部１２８とは逆の方向（上側）に湾曲した形状であってもよい。但し、上記実施形態のように、全ての第１のセパレータ１２０に形成された第１の連結部１２８が同一方向に湾曲した形状であれば、エンドプレート１０４，１０６と単セル１１０との上下方向の変位差の変動に対して、全ての第１のセパレータ１２０が常に同一方向に統一的に変形するため、第１のセパレータ１２０同士の短絡を抑制することができる。なお、第１の連結部１２８の凹部の深さは、該凹部の開口幅より長いことが好ましい（図８参照）。なお、第２のセパレータ１８０における第２の連結部１８８についても同様である。

また、上記実施形態において、第１のセパレータ１２０は、上述の第１の要件から第３の要件の内、いずれも満たさなくてもよいし、少なくとも１つ、または、２つを満たす構成であってもよい。また、第２のセパレータ１８０は、第２の連結部１８８を備えない構成であってもよい。また、第２のセパレータ１８０は、上述の第４の要件から第６の要件の内、いずれも満たさなくてもよいし、少なくとも１つ、または、２つを満たす構成であってもよい。また、第２のセパレータ１８０は、第２の連結部１８８を備えない構成であってもよい。

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。

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、第１のセパレータ１２０に第１の連結部１２８を形成することにより、エンドプレート１０４，１０６と単セル１１０との上下方向の変位差に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下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（または電解単セル）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１００：燃料電池スタック１００ａ：燃料電池スタック１０２：発電単位１０３：セルブロック１０４，１０６：エンドプレート１０４Ａ，１０６Ａ：開口窓１０８：連通孔１１０：単セル１１２：電解質層１１４：空気極１１６：燃料極１２０，１２０ａ：第１のセパレータ１２１：第１のセパレータ貫通孔１２２：第１の貫通孔周囲部１２３：セル側接合部１２４：接合部１２６：第１の内側部１２７：第１の外側部１２８：第１の連結部１２９：フレーム側接合部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：空気極側集電体１３５：集電体要素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：燃料極側集電体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１８０：第２のセパレータ１８１：第２のセパレータ貫通孔１８２：第２の貫通孔周囲部１８３：コネクタ側接合部１８６：第２の内側部１８７：第２の外側部１８８：第２の連結部１８９：フレーム側接合部１９０：中間部材Ｂ１：最短距離Δ Ｂ２：最短距離Δ Ｃ１：長さΔ Ｃ２：長さΔ Ｅ１～Ｅ４：区画領域ＦＧ：燃料ガスＦＯＧ：燃料オフガスＯＧ：酸化剤ガスＯＯＧ：酸化剤オフガス

Claims

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、前記空気極に面する空気室または前記燃料極に面する燃料室を構成するフレーム貫通孔が形成されたフレーム部材と、セパレータ貫通孔が形成され、前記セパレータ貫通孔を取り囲む貫通孔周囲部が前記単セルに接合されると共に周縁部が前記フレーム部材に接合され、前記空気室と前記燃料室とを区画するセパレータと、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た電気化学反応ブロックと、
前記電気化学反応ブロックにおける前記第１の方向の両側にそれぞれ位置し、前記第１の方向視で少なくとも一部が前記フレーム部材に重なるように配置された一対のエンド部材と、
を備え、前記一対のエンド部材が締結部材により締結されている電気化学反応セルスタックにおいて、
前記一対のエンド部材の少なくとも一方には、少なくとも前記電気化学反応ブロック側に開口する空間であって、前記第１の方向視で輪郭線が前記単セルを内包する空間が形成されており、
少なくとも１つの前記セパレータは、
前記貫通孔周囲部を含む内側部と、
前記内側部より外周側に位置する外側部と、
前記内側部と前記外側部とを連結し、かつ、前記内側部と前記外側部との両方に対して、前記第１の方向の一方側に突出している連結部と、
を備え、
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、前記少なくとも１つの前記セパレータに接合されている前記単セルと前記フレーム部材との前記第１の方向に直交する第３の方向の距離である第１の距離は、前記少なくとも１つの前記セパレータの内、前記単セルと接合されているセル側接合部と、前記フレーム部材と接合されているフレーム側接合部との前記第１の方向の距離である第２の距離より長い、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
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、前記少なくとも１つの前記セパレータにおける前記連結部の長さは、前記少なくとも１つの前記セパレータの内、前記単セルと接合されているセル側接合部と、前記フレーム部材と接合されているフレーム側接合部との最短距離から、前記少なくとも１つの前記セパレータに接合されている前記単セルと前記フレーム部材との前記第１の方向に直交する第３の方向の距離である第１の距離を引いた長さより長い、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
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、前記少なくとも１つの前記セパレータの内、前記単セルと接合されているセル側接合部と、前記フレーム部材と接合されているフレーム側接合部との前記第１の方向の距離である第２の距離は、０．０１ｍｍより大きい、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。