JP7213276B2

JP7213276B2 - 電気化学反応セルスタック

Info

Publication number: JP7213276B2
Application number: JP2021002525A
Authority: JP
Inventors: 琢也星子; 享史山本; 駿太大橋
Original assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Current assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2041-01-12
Also published as: JP2022107872A

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、燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックは、それぞれ燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という。）を有する複数の燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という。）が所定の方向に並べて配置された構造体である発電ブロックを備える。単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで上記所定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。

燃料電池スタックは、各発電単位で発電した電気を集めて取り出すための部材として、一対の内部端子部材と、一対の内部端子部材のそれぞれについて設けられた接続部材（例えば、バスバー）とを備える（例えば、特許文献１参照）。一対の内部端子部材は、発電ブロックと電気的に接続されている。各接続部材は、一端部において内部端子部材と接合され、他端部に外部端子との接続部が設けられている。内部端子部材と接続部材とは、両者の接合部を介して電気的に接続されている。

特開２０１６－１６７３７２号公報

従来の燃料電池スタックの構成では、発電運転の際に、内部端子部材と接続部材との接合部に電流が集中し、これにより該接合部の温度が上昇して電気的ロスが増大する、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。）の一形態である電解セルスタックにも共通の課題である。なお、電解セルスタックは、それぞれ電解単セルを有する複数の電解セル単位が所定の方向に並べて配置された構造体である電解ブロックを備える構造体である。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、発電ブロックと電解ブロックとをまとめて電気化学反応ブロックと呼び、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互いに対向する空気極および燃料極とを有する単セルをそれぞれ含む複数の電気化学反応単位が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と電気的に接続された一対の内部端子部材と、前記一対の内部端子部材のそれぞれについて設けられ、一端部において前記内部端子部材と接合部を介して接合され、他端部に外部端子との接続部が設けられた接続部材と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記一対の内部端子部材の少なくとも一方である特定内部端子部材と前記接続部材との間は、前記接合部である特定接合部を介して電気的に接続されており、前記特定接合部における電流通過断面積は、前記特定内部端子部材と接続された前記接続部材における、前記特定接合部より前記外部端子との前記接続部側であり、かつ、前記外部端子との前記接続部より前記特定接合部側である特定部分の最小断面積より大きい。本電気化学反応セルスタックによれば、内部端子部材と接続部材との接合部における電流通過断面積が比較的大きいため、該接合部における電流集中を緩和することができ、該接合部の温度上昇による電気的ロスの発生を抑制することができる。

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記特定接合部は、互いに離間した複数の小接合部の集合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、内部端子部材と接続部材との接合部における電流集中を効果的に緩和することができ、該接合部の温度上昇による電気的ロスの発生を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、前記特定接合部は、前記接続部材の前記一端部から前記他端部に向かう延伸方向に沿って並び、前記特定接合部の前記延伸方向の両端までの前記延伸方向に沿った距離が等しい前記延伸方向に直交する中心線を境に区分される第１の部分および第２の部分を有し、前記第１の部分および前記第２の部分の、前記内部端子部材と前記接続部材とが対向する方向に直交する少なくとも１つの断面について、前記接続部材に作用する曲げモーメントに起因する前記接続部材と前記特定内部端子部材とを引き剥がす力が前記第１の部分より大きく作用する前記第２の部分の断面積が、前記第１の部分の断面積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、内部端子部材と接続部材との接合部の不良（破損や剥離）の発生を抑制することができる。

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記電気化学反応セルスタックの運転温度は５００℃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、比較的高温で運転されるために部材の劣化（異常酸化等）が発生しやすい電気化学反応セルスタックにおいて、内部端子部材と接続部材との接合部における電流集中を緩和することができ、該接合部の温度上昇による部材の劣化を抑制することができる。

（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記電気化学反応セルスタックは固体酸化物形の電気化学反応セルスタック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、さらに高温で運転されるために部材の劣化（異常酸化等）が特に発生しやすい電気化学反応セルスタックにおいて、内部端子部材と接続部材との接合部における電流集中を緩和することができ、該接合部の温度上昇による部材の劣化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）およびそ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第１実施形態の燃料電池スタック１００における下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０の詳細構成を示す説明図第２実施形態の燃料電池スタック１００ａにおける下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０ａの詳細構成を示す説明図第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂにおける下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０ｂの詳細構成を示す説明図

Ａ．第１実施形態：
Ａ－１．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。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の一例である。

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、「発電単位」という。）１０２と、上側エンドプレート１０４と、下側エンドプレート１０６と、集電板１８と、上側バスバー６０と、下側バスバー７０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Ｚ軸方向）に並べて配置されている。上側エンドプレート１０４および集電板１８の組は、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１０１」という。）を上下から挟むように配置されている。下側エンドプレート１０６は、集電板１８の下側に配置されている。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の一例であり、発電ブロック１０１は、特許請求の範囲における電気化学反応ブロックの一例であり、上側エンドプレート１０４および集電板１８の組は、特許請求の範囲における一対の内部端子部材の一例であり、上側バスバー６０および下側バスバー７０は、特許請求の範囲における一対の接続部材の一例である。

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、上側エンドプレート１０４および下側エンドプレート１０６、集電板１８）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貫通孔１０８を構成している。以下の説明では、貫通孔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、貫通孔１０８という場合がある。

各貫通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、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、ナット２４と各エンドプレート１０４，１０６（または後述するガス通路部材２７）との間には、絶縁シート２６が介在している。

各ボルト２２の軸部の外周面と各貫通孔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、１つのボルト２２（ボルト２２Ａ）と該ボルト２２Ａが挿入された貫通孔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（例えば空気）が導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の空気室１６６に供給するガス流路である空気極側ガス供給マニホールド１６１として機能し、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｂ）と該ボルト２２Ｂが挿入された貫通孔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空気極側ガス排出マニホールド１６２として機能する。また、図１および図３に示すように、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｄ）と該ボルト２２Ｄが挿入された貫通孔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（例えば水素リッチなガス）が導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の燃料室１７６に供給する燃料極側ガス供給マニホールド１７１として機能し、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｅ）と該ボルト２２Ｅが挿入された貫通孔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極側ガス排出マニホールド１７２として機能する。

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の本体部２８の孔は、各ガス通路部材２７の設置位置に設けられた各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に連通している。

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
上側エンドプレート１０４および下側エンドプレート１０６は、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。上側エンドプレート１０４は、発電ブロック１０１の上側に配置され、発電ブロック１０１と電気的に接続されている。上側エンドプレート１０４は、Ｚ軸方向視で発電ブロック１０１に重なる本体部１３と、本体部１３からＺ軸方向に直交する方向（本実施形態ではＸ軸負方向）に突出する突出部１４とを有する。上側エンドプレート１０４（の突出部１４）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。

（集電板１８の構成）
集電板１８は、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。集電板１８は、発電ブロック１０１の下側に配置され、発電ブロック１０１と電気的に接続されている。集電板１８は、Ｚ軸方向視で発電ブロック１０１に重なる本体部１５と、本体部１５からＺ軸方向に直交する方向（本実施形態ではＸ軸正方向）に突出する突出部１６とを有する。集電板１８の（突出部１６）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。集電板１８と下側エンドプレート１０６との間には、マイカ等の絶縁材５７が介在している。絶縁材５７には、上記各貫通孔１０８に対応する位置に孔が形成されている。絶縁材５７によって、集電板１８と下側エンドプレート１０６とが電気的に絶縁されている。

（バスバー６０，７０の構成）
上側バスバー６０および下側バスバー７０は、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。なお、図１および図２では、上側バスバー６０および下側バスバー７０の一部分の図示を省略している。上側バスバー６０の一端部は、上側エンドプレート１０４の突出部１４の上面に接しており、突出部１４と接合部９０を介して接合されている。また、下側バスバー７０の一端部は、集電板１８の突出部１６の上面に接しており、突出部１６と接合部８０を介して接合されている。バスバー６０，７０と上側エンドプレート１０４または集電板１８との接合箇所の構成については、後に詳述する。

（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。

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、空気極側フレーム部材１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム部材１４０と、燃料極側集電体１４４と、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、空気極側フレーム部材１３０、燃料極側フレーム部材１４０、インターコネクタ１５０の周縁部には、上述したボルト２２が挿通される貫通孔１０８に対応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。電解質層１１２は、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）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、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））により形成されている。燃料極１１６は、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孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。セパレータ１２０における孔１２１を取り囲む部分は、例えばロウ材を含むロウ付け部１２４により、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部と接合されている。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とが区画される。

空気極側フレーム部材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。空気極側フレーム部材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。空気極側フレーム部材１３０には、空気極側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流路１３２と、空気室１６６と空気極側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。

燃料極側フレーム部材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、例えばステンレスにより形成されている。燃料極側フレーム部材１４０には、燃料極側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流路１４２と、燃料室１７６と燃料極側ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。

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とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。ただし、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、空気極１１４と上側エンドプレート１０４とを電気的に接続する（図２および図３参照）。

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の表面に接触しており、その結果、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。ただし、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における燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６と集電板１８とを電気的に接続する（図２および図３参照）。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサ１４９が配置されている。

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ＯＧは、空気極側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）から、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８を介して空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給され、空気極側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ＦＧは、燃料極側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）から、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８を介して燃料極側ガス供給マニホールド１７１に供給され、燃料極側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、各発電単位１０２の単セル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上側エンドプレート１０４および集電板１８から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

図２および図４に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から酸化剤ガス排出連通流路１３３を介して空気極側ガス排出マニホールド１６２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、空気極側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）から燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、図３および図５に示すように、各発電単位１０２の燃料室１７６から燃料ガス排出連通流路１４３を介して燃料極側ガス排出マニホールド１７２に排出された燃料オフガスＦＯＧは、燃料極側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）から燃料電池スタック１００の外部に排出される。

Ａ－３．下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０の詳細構成：
図６は、第１実施形態の燃料電池スタック１００における下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０の詳細構成を示す説明図である。図６には、下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０付近の上面（ＸＹ平面）構成が示されている。図６では、下側バスバー７０の一部分の図示を省略している。本実施形態では、下側バスバー７０は、Ｚ軸方向に直交する方向（より具体的にはＸ軸方向）に延伸する平板形状の部材である。下側バスバー７０の一端部（図６における右端部）には、外部端子（不図示）との接続部７２が設けられている。本実施形態では、接続部７２は、略円形の貫通孔である。

また、下側バスバー７０の他端部（図６における左端部）は、集電板１８の突出部１６と、接合部８０を介して接合されている。本実施形態では、接合部８０は、スポット溶接による溶接部であり、Ｚ軸方向視で略円形である。また、本実施形態では、下側バスバー７０の表面に、接合部８０が形成されている部分を除いて、アルミナなどの電気抵抗の高い被膜が形成されている。そのため、下側バスバー７０と集電板１８との間は、接合部８０を介して電気的に接続されている。

本実施形態の燃料電池スタック１００では、接合部８０における電流通過断面積Ｓ１は、下側バスバー７０における特定部分ＳＰの最小断面積Ｓ２より大きい。ここで本実施形態において、接合部８０における電流通過断面積Ｓ１は、Ｚ軸方向視での接合部８０の面積に等しい。また、下側バスバー７０における特定部分ＳＰは、接合部８０より接続部７２側であり、かつ、接続部７２より接合部８０側の部分である。本実施形態では、下側バスバー７０は、Ｘ軸方向に延伸する平板形状の部材であるため、下側バスバー７０における特定部分ＳＰの最小断面積Ｓ２は、特定部分ＳＰにおけるＹＺ断面の面積の最小値である。集電板１８は、特許請求の範囲における特定内部端子部材の一例であり、接合部８０は、特許請求の範囲における特定接合部の一例である。

なお、図示しないが、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上側バスバー６０と上側エンドプレート１０４とを接合する接合部９０の構成も、下側バスバー７０と集電板１８とを接合する接合部８０の構成と同様である。すなわち、上側バスバー６０と上側エンドプレート１０４との接合部９０における電流通過断面積は、上側バスバー６０における特定部分（接合部９０より外部端子との接続部側であり、かつ、該接続部より接合部９０側の部分）の最小断面積より大きくなっている。上側エンドプレート１０４は、特許請求の範囲における特定内部端子部材の一例であり、接合部９０は、特許請求の範囲における特定接合部の一例である。

Ａ－４．第１実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００は、発電ブロック１０１と、上側エンドプレート１０４および集電板１８と、上側バスバー６０および下側バスバー７０とを備える。発電ブロック１０１は、電解質層１１２と電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを有する単セル１１０をそれぞれ含む複数の発電単位１０２が並べて配置された構造体である。上側エンドプレート１０４および集電板１８は、発電ブロック１０１と電気的に接続された一対の内部端子部材である。上側バスバー６０および下側バスバー７０は、それぞれ、上側エンドプレート１０４および集電板１８について設けられ、一端部において上側エンドプレート１０４または集電板１８と、接合部９０または接合部８０を介して接合され、他端部に外部端子との接続部が設けられている。上側エンドプレート１０４または集電板１８と上側バスバー６０または下側バスバー７０との間は、接合部９０または接合部８０を介して電気的に接続されている。集電板１８と下側バスバー７０との接合部８０における電流通過断面積Ｓ１は、下側バスバー７０における、接合部８０より外部端子との接続部７２側であり、かつ、該外部端子との接続部７２より接合部８０側である特定部分ＳＰの最小断面積Ｓ２より大きい。また、上側エンドプレート１０４と上側バスバー６０との接合部９０における電流通過断面積は、上側バスバー６０における、接合部９０より外部端子との接続部側であり、かつ、該外部端子との接続部より接合部９０側である特定部分の最小断面積より大きい。

このように、本実施形態の燃料電池スタック１００では、集電板１８と下側バスバー７０との接合部８０における電流通過断面積Ｓ１が比較的大きいため、該接合部８０における電流集中を緩和することができ、該接合部８０の温度上昇による電気的ロスの発生を抑制することができる。同様に、上側エンドプレート１０４と上側バスバー６０との接合部９０における電流通過断面積が比較的大きいため、該接合部９０における電流集中を緩和することができ、該接合部９０の温度上昇による電気的ロスの発生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は、固体酸化物形の燃料電池スタックである。固体酸化物形の燃料電池スタックは、非常に高温（例えば７００℃以上）で運転されるために部材の劣化（異常酸化等）が特に発生しやすいが、本実施形態の燃料電池スタック１００では、集電板１８と下側バスバー７０との接合部８０や上側エンドプレート１０４と上側バスバー６０との接合部９０における電流集中を緩和することができるため、該接合部８０，９０の温度上昇による部材の劣化を抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａにおける下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０ａの詳細構成を示す説明図である。以下では、第２実施形態における接合部８０ａの構成のうち、上述した第１実施形態における接合部８０と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。

第２実施形態では、第１実施形態と同様に、下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０ａにおける電流通過断面積Ｓ１は、下側バスバー７０における特定部分ＳＰの最小断面積Ｓ２より大きい。そのため、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａによれば、接合部８０ａにおける電流集中を緩和することができ、該接合部８０ａの温度上昇による電気的ロスの発生を抑制することができる。

第２実施形態における接合部８０ａは、Ｚ軸方向視での形状が、第１実施形態における接合部８０と異なっている。具体的には、第２実施形態における接合部８０ａのＺ軸方向視での形状は、下側バスバー７０の延伸方向（本実施形態ではＸ軸方向）に沿って外部端子との接続部７２に近い側ほど、該延伸方向に直交する方向（本実施形態ではＹ軸方向）の幅が小さい略三角形状である。換言すれば、接合部８０ａは、該延伸方向に沿って並び、接合部８０ａの延伸方向の両端までの延伸方向に沿った距離が等しい延伸方向に直交する中心線ＣＬを境に区分される第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２（ただし、第１の部分Ｐ１は第２の部分Ｐ２より接続部７２に近い）を有しており、第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２の、集電板１８と下側バスバー７０とが対向する方向（本実施形態ではＺ軸方向）に直交する少なくとも１つの断面について、第２の部分Ｐ２の断面積Ａ２が第１の部分Ｐ１の断面積Ａ１より大きくなっている。なお、このような形状の接合部８０ａは、例えばプロジェクション溶接により形成することができる。

ここで、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａでは、下側バスバー７０の接続部７２に接続される外部端子から、下側バスバー７０における接続部７２の位置を下方向に押すような力を受ける。そのため、この力によって下側バスバー７０に作用する曲げモーメントに起因して、接合部８０ａの第２の部分Ｐ２には、第１の部分Ｐ１と比べて、下側バスバー７０と集電板１８とを引き剥がす力がより大きく作用する。従って、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａでは、接合部８０ａを構成する第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２のうち、下側バスバー７０と集電板１８とを引き剥がす力がより大きく作用する第２の部分Ｐ２の断面積Ａ２が、第１の部分Ｐ１の断面積Ａ１より大きくなっていると言える。そのため、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａによれば、集電板１８と下側バスバー７０との接合部８０ａの不良（破損や剥離）の発生を抑制することができる。

なお、図示しないが、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａでは、上側バスバー６０と上側エンドプレート１０４との接合部も同様の構成であるため、上側エンドプレート１０４と上側バスバー６０との接合部の不良（破損や剥離）の発生を抑制することができる。

Ｃ．第３実施形態：
図８は、第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂにおける下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０ｂの詳細構成を示す説明図である。以下では、第３実施形態における接合部８０ｂの構成のうち、上述した第１実施形態における接合部８０と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。

第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂでは、下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０ｂが、互いに離間した複数の小接合部８２の集合となっている。本実施形態では、接合部８０ｂは、Ｚ軸方向視で略円形の３つの小接合部８２の集合である。３つの小接合部８２のうち、２つの小接合部８２は、下側バスバー７０の延伸方向（本実施形態ではＸ軸方向）に直交する方向（本実施形態ではＹ軸方向）に並んで位置しており、残りの１つの小接合部８２は、それら２つの小接合部８２に対して外部端子との接続部７２に近い側（Ｘ軸正方向側）に位置している。第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂでは、第１実施形態の燃料電池スタック１００と同様に、下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０ｂにおける電流通過断面積Ｓ１、すなわち、各小接合部８２における電流通過断面積Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃの合計は、下側バスバー７０における特定部分ＳＰの最小断面積Ｓ２より大きい。そのため、第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂによれば、接合部８０ｂにおける電流集中を緩和することができ、該接合部８０ｂの温度上昇による電気的ロスの発生を抑制することができる。特に、第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂでは、接合部８０ｂが互いに離間した複数の小接合部８２の集合であるため、下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０ｂにおける電流集中を効果的に緩和することができ、該接合部８０ｂの温度上昇による電気的ロスの発生を効果的に抑制することができる。

また、第３実施形態における接合部８０ｂは、第２実施形態における接合部８０ａと同様に、下側バスバー７０の延伸方向（本実施形態ではＸ軸方向）に沿って並び、接合部８０ｂの延伸方向の両端までの延伸方向に沿った距離が等しい延伸方向に直交する中心線ＣＬを境に区分される第１の部分Ｐ１（１つの小接合部８２）と第２の部分Ｐ２（２つの小接合部８２の集合）とを有しており、第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２の、集電板１８と下側バスバー７０とが対向する方向（本実施形態ではＺ軸方向）に直交する少なくとも１つの断面について、第２の部分Ｐ２の断面積Ａ２が第１の部分Ｐ１の断面積Ａ１より大きくなっている。第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂでも、第２実施形態の燃料電池スタック１００ａと同様に、下側バスバー７０に作用する曲げモーメントに起因して、接合部８０ｂの第２の部分Ｐ２には、第１の部分Ｐ１と比べて、下側バスバー７０と集電板１８とを引き剥がす力がより大きく作用している。従って、第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂでは、接合部８０ｂを構成する第１の部分Ｐ１および第２の部分Ｐ２のうち、下側バスバー７０と集電板１８とを引き剥がす力がより大きく作用する第２の部分Ｐ２の断面積Ａ２が、第１の部分Ｐ１の断面積Ａ１より大きくなっていると言える。そのため、第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂによれば、集電板１８と下側バスバー７０との接合部８０ｂの不良（破損や剥離）の発生を抑制することができる。

なお、図示しないが、第３実施形態の燃料電池スタック１００ｂでは、上側バスバー６０と上側エンドプレート１０４との接合部も同様の構成であるため、該接合部の温度上昇による電気的ロスの発生を効果的に抑制することができると共に、上側エンドプレート１０４と上側バスバー６０との接合部の不良（破損や剥離）の発生を抑制することができる。

Ｄ．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燃料電池スタック１００の構成や燃料電池スタック１００を構成する各部分の構成は、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、下側バスバー７０と集電板１８との接合部８０と、上側バスバー６０と上側エンドプレート１０４との接合部９０との両方について、接合部における電流通過断面積は下側バスバー７０または上側バスバー６０における特定部分の最小断面積より大きいとしているが、接合部８０と接合部９０との一方のみについて、そのような構成が採用されていてもよい。

上記実施形態では、上側エンドプレート１０４がプラス側の出力端子として機能しているが、上側エンドプレート１０４とは別に、発電ブロック１０１と電気的に接続されてプラス側の出力端子として機能する別部材を設けてもよい。この場合には、該別部材が、特許請求の範囲における内部端子部材の一例となる。また、上記実施形態では、集電板１８がマイナス側の出力端子として機能しているが、下側エンドプレート１０６をマイナス側の出力端子として機能させ、集電板１８を省略してもよい。この場合には、下側エンドプレート１０６が、特許請求の範囲における内部端子部材の一例となる。

上記実施形態では、接合部８０や接合部９０が、スポット溶接やプロジェクション溶接により形成されているが、接合部８０や接合部９０の形成方法はこれに限られない。例えば、接合部８０や接合部９０は、他の種類の溶接（例えばレーザー溶接や抵抗溶接）、拡散接合、導電性ペースト（例えば、Ａｇ、Ｎｉ等を含む導電性ペーストや、ＭｎおよびＣｏを含むスピネル型酸化物を含む導電性ペースト）を用いた接合といった他の接合方法により形成されてもよい。また、上記実施形態における接合部８０や接合部９０の形状は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、接合部８０や接合部９０のＺ軸方向視での形状が略矩形であってもよい。また、接合部８０や接合部９０が複数の小接合部８２の集合である場合において、各小接合部８２のＺ軸方向視での形状が略矩形や略三角形であってもよいし、各小接合部８２の形状や大きさが互いに異なっていてもよい。また、接合部８０や接合部９０が上述した接合方法により形成されている限りにおいて、ボルト締結が併用されていてもよい。

上記実施形態では、下側バスバー７０や上側バスバー６０が、一端から他端まで一方向（Ｘ軸方向）に延伸した形状であるが、下側バスバー７０や上側バスバー６０の形状はこれに限られない。例えば、下側バスバー７０や上側バスバー６０が、一端から一方向に延伸し、途中で屈曲して他の方向に延伸して他端に至る形状であってもよい。

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固体酸化物形燃料電池（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、発電ブロック１０１を電解ブロックと読み替え、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、貫通孔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、貫通孔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を採用することにより、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。

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、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。なお、本明細書に開示される技術は、運転温度が５００℃以上である燃料電池または電解セルに適用されることが好適である。このような燃料電池または電解セルのスタックでは、５００℃以上の高温で運転されるために部材の劣化（異常酸化等）が特に発生しやすいが、本明細書に開示される技術を適用すれば、接合部における電流集中を緩和することができるため、該接合部の温度上昇による部材の劣化を抑制することができる。

１３：本体部１４：突出部１５：本体部１６：突出部１８：集電板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５７：絶縁材６０：上側バスバー７０：下側バスバー７２：接続部８０：接合部８２：小接合部９０：接合部１００：燃料電池スタック１０１：発電ブロック１０２：発電単位１０４：上側エンドプレート１０６：下側エンドプレート１０８：貫通孔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：ロウ付け部１３０：空気極側フレーム部材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：燃料極側フレーム部材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１５０：インターコネクタ１６１：空気極側ガス供給マニホールド１６２：空気極側ガス排出マニホールド１６６：空気室１７１：燃料極側ガス供給マニホールド１７２：燃料極側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ＯＧ：酸化剤ガスＯＯＧ：酸化剤オフガスＰ１：第１の部分Ｐ２：第２の部分ＳＰ：特定部分

Claims

電解質層と前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを有する単セルをそれぞれ含む複数の電気化学反応単位が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と電気的に接続された一対の内部端子部材と、
前記一対の内部端子部材のそれぞれについて設けられ、一端部において前記内部端子部材と接合部を介して接合され、他端部に外部端子との接続部が設けられた接続部材と、
を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記一対の内部端子部材の少なくとも一方である特定内部端子部材と前記接続部材との間は、前記接合部である特定接合部を介して電気的に接続されており、
前記特定接合部における電流通過断面積は、前記特定内部端子部材と接続された前記接続部材における、前記特定接合部より前記外部端子との前記接続部側であり、かつ、前記外部端子との前記接続部より前記特定接合部側である特定部分の最小断面積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。
請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記特定接合部は、互いに離間した複数の小接合部の集合である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、
前記特定接合部は、前記接続部材の前記一端部から前記他端部に向かう延伸方向に沿って並び、前記特定接合部の前記延伸方向の両端までの前記延伸方向に沿った距離が等しい前記延伸方向に直交する中心線を境に区分される第１の部分および第２の部分を有し、
前記第１の部分および前記第２の部分の、前記内部端子部材と前記接続部材とが対向する方向に直交する少なくとも１つの断面について、前記接続部材に作用する曲げモーメントに起因する前記接続部材と前記特定内部端子部材とを引き剥がす力が前記第１の部分より大きく作用する前記第２の部分の断面積が、前記第１の部分の断面積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。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電気化学反応セルスタックの運転温度は５００℃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。
請求項４に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記電気化学反応セルスタックは固体酸化物形の電気化学反応セルスタックであることを特徴とする電気化学反応セルスタック。