JPWO2016178394A1 - 燃料電池発電単位および燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

発電効率の低下を抑制しつつ、溶接部の突起部の存在に起因してガスシール部材によるガスシール性が低下することを抑制する。燃料電池発電単位は、単セルと、第１，２のインターコネクタと、セパレータと、セパレータと第１のインターコネクタとの間に配置された金属製のフレーム部材と、セパレータの表面と第２のインターコネクタの表面とに接触して空気室または燃料室をシールする接触部を有するガスシール部材とを備える。燃料電池発電単位における接触部と第１の方向に重なる部分である接触重複部分には、ガスシール部材とセパレータとフレーム部材と第１，第２のインターコネクタとのいずれもが存在する。単セルの外周部からの距離が接触重複部分より遠い位置に、セパレータとフレーム部材との間をシールする第１の溶接部と、フレーム部材と第１のインターコネクタとの間をシールする第２の溶接部との少なくとも一方が形成されている。

Description

本明細書によって開示される技術は、燃料電池発電単位および燃料電池スタックに関する。
燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）が知られている。ＳＯＦＣの発電の最小単位である燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」ともいう）は、例えば、単セルと、金属製のセパレータと、第１および第２のインターコネクタと、金属製のフレーム部材と、ガスシール部材とを備える。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。セパレータは、貫通孔が形成されたフレーム状の部材であり、セパレータの貫通孔を取り囲む部分は、単セルの周縁部と接合される。このような構成のセパレータによって、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室とが区画される。第１および第２のインターコネクタは、単セルを挟んで第１の方向に互いに対向するように配置された平板状の部材である。フレーム部材は、セパレータと第１のインターコネクタとの間に配置され、燃料室を構成する貫通孔が形成されたフレーム状の部材である。ガスシール部材は、セパレータと第２のインターコネクタとの間に配置され、セパレータにおける第２のインターコネクタ側の表面と第２のインターコネクタにおけるセパレータ側の表面との両方に接触して空気室をシールする接触部を有する。
発電単位において、例えばレーザ溶接等により、セパレータとフレーム部材との間をシールする溶接部が形成されることがある。このような構成では、溶接部に形成されたビード等の突起部によってセパレータの表面の平坦性が保たれず、ガスシール部材がセパレータの表面に良好に接触することが妨げられ、ガスシール部材による空気室のガスシール性が低下するおそれがある。従来、フレーム部材を、薄板部と、第１の方向に直交する第２の方向において薄板部の外側（単セルの外周部からの距離が遠い側）に配置された厚板部とから構成された段付き形状とし、セパレータをフレーム部材の薄板部に溶接することにより、溶接部の突起部が収容される空間を確保し、突起部の存在に起因してガスシール部材による空気室のガスシール性が低下することを抑制する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１２−２３０８７５号公報
上記従来の技術では、ガスシール部材においてフレーム部材の厚板部と接触する部分が空気室のシール機能を担う接触部となるため、接触部は、フレーム部材の薄板部の位置に形成された溶接部より外側に位置することとなる。そのため、接触部より内側において、上述した溶接部の突起部が収容される空間が空気室と連通し、そのような空間が酸化剤ガスの迂回路となって、一部の酸化剤ガスが発電に寄与しないまま空気室から排出され、発電効率が低下するおそれがある。
なお、このような課題は、フレーム部材に空気室を構成する貫通孔が形成され、かつ、ガスシール部材の接触部が燃料室をシールする構成にも共通の課題である。また、このような課題は、セパレータとフレーム部材との間をシールする溶接部が形成される構成に限らず、フレーム部材と第１のインターコネクタとの間をシールする溶接部が形成される構成にも共通の課題である。また、このような課題は、ＳＯＦＣに限らず、他のタイプの燃料電池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燃料電池発電単位は、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、前記単セルを挟んで前記第１の方向に互いに対向する金属製の第１および第２のインターコネクタと、貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する金属製のセパレータと、前記セパレータと前記第１のインターコネクタとの間に配置され、前記燃料室と前記空気室との一方である第１の室を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、前記セパレータと前記第２のインターコネクタとの間に配置され、前記セパレータにおける前記第２のインターコネクタ側の表面と前記第２のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触して前記燃料室と前記空気室との他方である第２の室をシールする接触部を有するガスシール部材と、を備える燃料電池発電単位において、前記燃料電池発電単位の一部分であって前記接触部と前記第１の方向に重なる部分である接触重複部分には、前記ガスシール部材と前記セパレータと前記フレーム部材と前記第１のインターコネクタと前記第２のインターコネクタとのいずれもが存在し、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記単セルの外周部からの距離が前記接触部の内、前記単セルに最も近い位置に配置された前記接触部に対応する前記接触重複部分より遠い位置に、前記セパレータと前記フレーム部材との間をシールする第１の溶接部と、前記フレーム部材と前記第１のインターコネクタとの間をシールする第２の溶接部と、の少なくとも一方が形成されていることを特徴とする。本燃料電池発電単位によれば、第１の方向に直交する第２の方向における単セルの外周部からの距離がガスシール部材の接触部と第１の方向に重なる接触重複部分より遠い位置に、第１の溶接部と第２の溶接部との少なくとも一方が形成されているため、溶接部に形成された突起部の影響を受けることなく、ガスシール部材の接触部によって第２の室を良好にシールすることができる。さらに、本燃料電池発電単位によれば、第２の方向において溶接部と重なる空間が第２の室と連通することが接触部により妨げられるため、そのような空間がガスの迂回路となって発電効率が低下することを抑制することができる。
（２）上記燃料電池発電単位において、前記燃料電池発電単位の一部分であって前記第１の溶接部と前記第２の溶接部との少なくとも一方と前記第１の方向に重なる部分である溶接重複部分の内、前記ガスシール部材と前記第２の方向に重なる範囲には、空間が存在することを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池発電単位によれば、ガスシール部材の形状を調整するだけで上記効果を得られるため、例えばインターコネクタ等の金属製部材に溝加工等を行う場合と比較して、製造工程の容易化・効率化を実現することができる。
（３）上記燃料電池発電単位において、前記燃料電池発電単位の一部分であって前記第１の溶接部と前記第２の溶接部との少なくとも一方と前記第１の方向に重なる部分である溶接重複部分の内、前記第１のインターコネクタと前記第２のインターコネクタとの少なくとも一方と前記第２の方向に重なる範囲には、空間が存在することを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池発電単位によれば、溶接重複部分に空間を確保するという目的のためにガスシール部材の形状が制約されることがないため、ガスシール部材の外形をセパレータやフレーム部材の外形と合わせて位置合わせを容易化することにより、組み付け精度を向上させることができる。
（４）上記燃料電池発電単位において、前記ガスシール部材は、前記第２の方向における前記単セルの外周部からの距離が前記第１の溶接部および前記第２の溶接部より遠い位置に、前記セパレータにおける前記第２のインターコネクタ側の表面と前記第２のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触してシールする第２の接触部を有することを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池発電単位によれば、第２の接触部の存在により溶接重複部分に形成された空間が閉空間となるため、空間内にガラスシール等のシール材を容易に配置することができ、ガスシール性をさらに向上させることができる。
（５）上記燃料電池発電単位において、前記ガスシール部材は、前記フレーム部材と前記単セルとの間の空間と前記第１の方向に重なることを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池発電単位によれば、ガスシール部材が第２の方向のより内側まで延伸しているため、第２の室における発電に寄与しないガスが流れる空間の容積をより小さくすることができ、発電効率が低下することをさらに効果的に抑制することができる。
（６）本明細書に開示される燃料電池スタックは、第１の方向に並べて配置された複数の燃料電池発電単位と、前記複数の燃料電池発電単位を挟んで前記第１の方向に互いに対向する金属製の第１および第２のエンドプレートと、を備える燃料電池スタックにおいて、各前記燃料電池発電単位は、電解質層と前記電解質層を挟んで前記第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、前記単セルと前記第１の方向に対向する金属製の第１および第２のインターコネクタと、貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する金属製のセパレータと、前記セパレータと、前記セパレータの一方の面に対向する前記第１のインターコネクタと、の間に配置され、前記燃料室または前記空気室のいずれか一方である第１の室を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、前記セパレータと、前記セパレータの前記フレーム部材に対向する面とは反対側の面に対向する前記第２のインターコネクタと、の間に配置され、前記セパレータにおける前記第２のインターコネクタ側の表面と前記第２のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触して前記燃料室と前記空気室との他方である第２の室をシールする接触部を有するガスシール部材と、を含み、前記燃料電池スタックの一部分であって各前記燃料電池発電単位の前記接触部と前記第１の方向に重なる部分である接触重複部分には、各前記燃料電池発電単位の前記ガスシール部材と前記セパレータと前記フレーム部材と前記第１のインターコネクタと前記第２のインターコネクタと、前記第１および第２のエンドプレートとのいずれもが存在し、各前記燃料電池発電単位において、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記単セルの外周部からの距離が前記接触部の内、前記単セルに最も近い位置に配置された前記接触部に対応する前記接触重複部分より遠い位置に、前記セパレータと前記フレーム部材との間をシールする第１の溶接部と、前記フレーム部材と前記第１のインターコネクタとの間をシールする第２の溶接部と、の少なくとも一方が形成されている。本燃料電池スタックによれば、第１の方向に直交する第２の方向における単セルの外周部からの距離がガスシール部材の接触部と第１の方向に重なる接触重複部分より遠い位置に、第１の溶接部と第２の溶接部との少なくとも一方が形成されているため、溶接部に形成された突起部の影響を受けることなく、ガスシール部材の接触部によって第２の室を良好にシールすることができる。さらに、本燃料電池スタックによれば、第２の方向において溶接部と重なる空間が第２の室と連通することが接触部により妨げられるため、そのような空間がガスの迂回路となって発電効率が低下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、燃料電池発電単位、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム等の形態で実現することが可能である。
第１実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。 第１実施形態における燃料電池スタック１００の上側のＸＹ平面構成を示す説明図である。 第１実施形態における燃料電池スタック１００の下側のＸＹ平面構成を示す説明図である。 図１から図３のＩＶ−ＩＶ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から図３のＶ−Ｖ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４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。 第１実施形態における空気極側フレーム１３０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。 第１実施形態における燃料極側フレーム１４０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。 第１実施形態におけるセパレータ１２０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。 第１実施形態におけるインターコネクタ１５０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。 第１実施形態における熱交換部１０３のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図７から図１０のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における発電単位１０２の一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。 比較例における発電単位１０２Ｘの一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。 第１実施形態における発電単位１０２の一部のＸＺ断面構成を示す他の説明図である。 第２実施形態における発電単位１０２ａの一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。 第３実施形態における発電単位１０２ｂの一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。 第４実施形態における発電単位１０２ｃの一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。 第５実施形態における発電単位１０２ｄの一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。 第６実施形態における発電単位１０２ｅの一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。 第７実施形態における発電単位１０２ｆの一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。 第８実施形態における燃料電池スタック１００ｇのＸＺ断面構成を示す説明図である。 第８実施形態における発電単位１０２ｇの一部のＸＺ断面構成を示す説明図である。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池スタック１００の構成:
図１から図６は、第１実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。図１には、燃料電池スタック１００の外観構成が示されており、図２には、燃料電池スタック１００の上側の平面構成が示されており、図３には、燃料電池スタック１００の下側の平面構成が示されており、図４には、図１から図３のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図５には、図１から図３のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図６には、図１から図３のＶＩ−ＶＩの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されている。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７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６つの）発電単位１０２と、熱交換部１０３と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。６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。ただし、６つの発電単位１０２の内、３つの発電単位１０２は互いに隣接するように配置され、残りの３つの発電単位１０２も互いに隣接するように配置され、上記３つの発電単位１０２と上記残りの３つの発電単位１０２との間に熱交換部１０３が配置されている。すなわち、熱交換部１０３は、６つの発電単位１０２と熱交換部１０３とから構成される集合体における上下方向の中央付近に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、６つの発電単位１０２と熱交換部１０３と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。
燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、熱交換部１０３、エンドプレート１０４，１０６）のＺ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（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。
各連通孔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４から図６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２から図４に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの頂点（Ｙ軸負方向側およびＸ軸負方向側の頂点）付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿入された連通孔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、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｃ）と、そのボルト２２Ｃが挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、熱交換部１０３から排出された酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に向けて運ぶガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド１６３として機能する。また、図２、図３および図５に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）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が挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２から排出された未反応の酸化剤ガスＯＧ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２、図３および図６に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿入された連通孔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が挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２から排出された未反応の燃料ガスＦＧや燃料ガスＦＧの発電後のガスを含む燃料オフガス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。
図４から図６に示すように、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４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に連通している。また、図５に示すように、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６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、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と熱交換部１０３とが押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。
（発電単位１０２の構成）
図４から図６に示すように、発電の最小単位である発電単位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。
図７から図１０は、第１実施形態における発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図である。図７から図１０には、それぞれ、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、セパレータ１２０、インターコネクタ１５０の位置における発電単位１０２のＺ方向に直交する断面構成が示されている。図７から図１０に示すように、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、セパレータ１２０、インターコネクタ１５０におけるＺ方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。
図１０に示すように、インターコネクタ１５０は、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、図４から図６に示すように、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５に示すように、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。空気極１１４および燃料極１１６が対向する方向（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。
電解質層１１２は、矩形の平板形状部材であり、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、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）、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、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。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。
図９に示すように、セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔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。図５に示すように、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。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０をセパレータ付き単セルともいう。
図７に示すように、空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカやサーミキュライト、バーミキュライト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。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１６３と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。図４から図６に示すように、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。より詳細には、空気極側フレーム１３０は、ボルト２２による締結力によって上下方向に圧縮力が加えられた状態で、セパレータ１２０の表面とインターコネクタ１５０の表面とに接触している。このような構成の空気極側フレーム１３０によって、空気室１６６がシールされると共に、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。なお、空気極側フレーム１３０によるシールは、コンプレッションシールとも呼ばれる。空気極側フレーム１３０の構成については、後に詳述する。
図８に示すように、燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。図４から図６に示すように、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。燃料極側フレーム１４０の構成については、後に詳述する。
図４から図７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、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材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することにより、空気極１１４とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として形成されていてもよい。
図４から図６および図８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、複数の電極対向部１４５と、各電極対向部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。各電極対向部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、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する。そのため、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。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との電気的接続が良好に維持される。
（熱交換部１０３の構成）
図１１は、第１実施形態における熱交換部１０３の構成を概略的に示す説明図である。図１１には、熱交換部１０３のＺ方向に直交する断面構成が示されている。図４から図６および図１１に示すように、熱交換部１０３は、矩形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。上述したように、熱交換部１０３のＺ方向回りの周縁部には、ボルト２２が挿入される連通孔１０８を構成する８つの孔が形成されている。また、熱交換部１０３の中央付近には、上下方向に貫通する孔１８２が形成されている。さらに、熱交換部１０３には、中央の孔１８２と酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成する連通孔１０８とを連通する連通孔１８４と、中央の孔１８２と酸化剤ガス供給マニホールド１６３を形成する連通孔１０８とを連通する連通孔１８６とが形成されている。熱交換部１０３は、熱交換部１０３の上側に隣接する発電単位１０２に含まれる下側のインターコネクタ１５０と、熱交換部１０３の下側に隣接する発電単位１０２に含まれる上側のインターコネクタ１５０とに挟持されている。これらのインターコネクタ１５０間において、孔１８２と連通孔１８４と連通孔１８６とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスＯＧを流す熱交換流路１８８として機能する。
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給された酸化剤ガスＯＧは、図４および図１１に示すように、熱交換部１０３内に形成された熱交換流路１８８内に流入し、熱交換流路１８８を通って酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出される。なお、酸化剤ガス導入マニホールド１６１は、各発電単位１０２の空気室１６６には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給されることはない。酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出された酸化剤ガスＯＧは、図４、図５および図７に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６３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６および図８に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体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、熱交換部１０３を介しているものの、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５および図７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６および図８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．発電単位１０２の詳細構成：
図１２は、第１実施形態における発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。図１２には、図７から図１０のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における発電単位１０２の一部の断面構成が示されている。図１２に示すように、発電単位１０２において、燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０に溶接されていると共に、一対のインターコネクタ１５０の内の下側（燃料極１１６側）のインターコネクタ１５０にも溶接されている。すなわち、発電単位１０２には、燃料極側フレーム１４０とセパレータ１２０との間をシールする第１の溶接部４１０と、燃料極側フレーム１４０とインターコネクタ１５０との間をシールする第２の溶接部４２０とが形成されている。第１および第２の溶接部４１０，４２０は、例えばレーザ溶接により形成される。第１および第２の溶接部４１０，４２０の形成の際には、ビード等の突起部ＢＵが形成され、溶接面の平坦性が低下することがある。
図８および図９に示すように、燃料極側フレーム１４０とセパレータ１２０との間をシールする第１の溶接部４１０は、発電単位１０２のＺ方向回りの外周の内側に沿って連続的に形成されている。同様に、図８および図１０に示すように、燃料極側フレーム１４０とインターコネクタ１５０との間をシールする第２の溶接部４２０も、発電単位１０２のＺ方向回りの外周の内側に沿って連続的に形成されている。
図１２に示すように、Ｚ方向に直交する方向（以下、「面方向」ともいう）において、空気極側フレーム１３０の外形寸法は、燃料極側フレーム１４０やインターコネクタ１５０の外形寸法より小さくなっている。その結果、空気極側フレーム１３０は、Ｚ方向において第１および第２の溶接部４１０，４２０と重ならないようになっている。すなわち、発電単位１０２において、第１および第２の溶接部４１０，４２０とＺ方向に重なる部分を溶接重複部分Ａｗとすると、溶接重複部分Ａｗの内、空気極側フレーム１３０と面方向に重なる範囲には、空間ＳＰ１が存在している。つまり、燃料電池スタック１００におけるＺ方向に圧力を加える場合、空間ＳＰ１が存在していることにより、溶接重複部分Ａｗには過度な圧力が加わることがなく、第１および第２の溶接部４１０，４２０に形成された突起部ＢＵによる各部材の変形や変位を抑制することができる。
また、空気極側フレーム１３０において、セパレータ１２０の表面とインターコネクタ１５０の表面とに接触する部分が、空気室１６６をシールする接触部１３７として機能する。図１２に示す断面では、空気極側フレーム１３０の全体が、接触部１３７となっている。面方向において、接触部１３７と単セル１１０の外周部との間の距離は、第１および第２の溶接部４１０，４２０と単セル１１０の外周部との間の距離より近い。また、発電単位１０２において、接触部１３７とＺ方向に重なる部分を接触重複部分Ａｃとすると、接触重複部分Ａｃのいずれの位置にも、空気極側フレーム１３０とセパレータ１２０と燃料極側フレーム１４０とインターコネクタ１５０とのいずれかが存在し、空間は存在しない。また、本実施形態では、接触重複部分Ａｃには、空気極側フレーム１３０とセパレータ１２０と燃料極側フレーム１４０と上下のインターコネクタ１５０とのいずれもが存在している。
以上説明した本実施形態の発電単位１０２によれば、以下に説明するように、発電効率の低下を抑制しつつ、第１および第２の溶接部４１０，４２０の突起部ＢＵの存在に起因して空気極側フレーム１３０による空気室１６６のガスシール性が低下することを抑制することができる。
図１３は、比較例における発電単位１０２Ｘの詳細構成を示す説明図である。図１３に示す比較例の発電単位１０２Ｘでは、燃料極側フレーム１４０が、薄板部５１０と、面方向において薄板部５１０の外側（単セル１１０の外周部からの距離が遠い側）に配置された厚板部５２０とから構成された段付き形状となっている。セパレータ１２０と燃料極側フレーム１４０との間をシールする第１の溶接部４１０は、薄板部５１０の位置に形成されている。そのため、比較例の発電単位１０２Ｘでは、第１の溶接部４１０の突起部ＢＵが収容される空間ＳＰ２が確保される。また、空気極側フレーム１３０の内、燃料極側フレーム１４０の厚板部５２０に対向する部分が、接触部１３７として機能する。そのため、比較例の発電単位１０２Ｘでは、第１の溶接部４１０の突起部ＢＵの存在に起因して空気極側フレーム１３０による空気室１６６のガスシール性が低下することを抑制することができる。
しかし、比較例の発電単位１０２Ｘでは、面方向において、空気室１６６のシール機能を担う空気極側フレーム１３０の接触部１３７が、第１の溶接部４１０より外側に位置することとなる。そのため、接触部１３７より内側（単セル１１０の外周部からの距離が近い側）において、第１の溶接部４１０の突起部ＢＵが収容される空間ＳＰ２が空気室１６６と連通し、この空間ＳＰ２が酸化剤ガスＯＧの迂回路となって、一部の酸化剤ガスＯＧが発電に寄与しないまま空気室１６６から排出され、発電効率が低下するおそれがある。
一方、図１２に示すように、本実施形態の発電単位１０２では、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が接触部１３７より遠い位置（すなわち、該接触部１３７に対応する接触重複部分Ａｃより遠い位置）に、第１および第２の溶接部４１０，４２０が形成されている。そのため、第１および第２の溶接部４１０，４２０に形成された突起部ＢＵの影響を受けることなく、接触部１３７によって空気室１６６を良好にシールすることができる。なお、本実施形態では、発電単位１０２の溶接重複部分Ａｗには空間ＳＰ１が存在し、発電単位１０２の接触重複部分Ａｃのいずれの位置にもいずれかの部材が存在している（空間が存在しない）ため（発電単位１０２の接触重複部分Ａｃには、空気極側フレーム１３０とセパレータ１２０と燃料極側フレーム１４０と上下のインターコネクタ１５０とのいずれもが存在しているため）、突起部ＢＵの影響によって接触部１３７が変形したり変位したりすることが抑制され、接触部１３７によって空気室１６６を確実にシールすることができる。さらに、本実施形態の発電単位１０２では、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１が空気室１６６と連通することが接触部１３７により妨げられるため、そのような空間ＳＰ１が酸化剤ガスＯＧの迂回路となって発電効率が低下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、空気極側フレーム１３０の形状を調整するだけで上記効果を得られるため、例えば燃料極側フレーム１４０やインターコネクタ１５０等の金属製部材に溝加工等を行う場合と比較して、製造工程の容易化・効率化を実現することができる。
なお、本実施形態の発電単位１０２において、一対のインターコネクタ１５０の内の下側（燃料極１１６側）のインターコネクタ１５０が特許請求の範囲における第１のインターコネクタに相当し、上側（空気極１１４側）のインターコネクタ１５０が特許請求の範囲における第２のインターコネクタに相当し、燃料室１７６が特許請求の範囲における第１の室に相当し、空気室１６６が特許請求の範囲における第２の室に相当し、Ｚ方向(上下方向)が特許請求の範囲における第１の方向に相当し、Ｚ方向に直交する方向（面方向）が特許請求の範囲における第２の方向に相当する。
また、本実施形態では、第１および第２の溶接部４１０，４２０は、上述した発電単位１０２のＺ方向回りの外周付近に加えて、各連通孔１０８を取り囲む位置にも形成されている。図１４は、第１実施形態における発電単位１０２の詳細構成を示す他の説明図である。図１４には、図５に示された位置と同じ位置における発電単位１０２の一部の断面構成が示されている。図１４および図８から図１０に示すように、第１および第２の溶接部４１０，４２０は、各連通孔１０８を取り囲む位置にも形成されている。空気極側フレーム１３０は、この位置に形成された第１および第２の溶接部４１０，４２０にも重ならないように形成されている。すなわち、空気極側フレーム１３０における連通孔１０８を構成する貫通孔の径は、燃料極側フレーム１４０やインターコネクタ１５０における連通孔１０８を構成する貫通孔の径より大きくなっている。そのため、本実施形態の発電単位１０２では、各連通孔１０８についても、空気極側フレーム１３０によるガスシール性の低下を抑制することができる。
Ｂ．第２実施形態：
図１５は、第２実施形態における発電単位１０２ａの詳細構成を示す説明図である。第２実施形態における発電単位１０２ａは、空気極側フレーム１３０ａの構成が、図１２に示した第１実施形態の発電単位１０２と異なっている。第２実施形態における発電単位１０２ａのその他の構成は、第１実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
上述したように、図１２に示した第１実施形態の発電単位１０２では、空気極側フレーム１３０が、Ｚ方向において第１および第２の溶接部４１０，４２０と重ならないように形成されているが、図１５に示す第２実施形態の発電単位１０２ａでは、空気極側フレーム１３０ａが、Ｚ方向において第１および第２の溶接部４１０，４２０と重なっている。ただし、空気極側フレーム１３０ａにおける当該重なる部分において、セパレータ１２０に対向する表面側の一部分が欠損し、溶接重複部分Ａｗの空気極側フレーム１３０ａの板厚が他の部分より薄くなっている。そのため、第２実施形態の発電単位１０２ａにおいても、発電単位１０２ａの溶接重複部分Ａｗの内、空気極側フレーム１３０ａと面方向に重なる範囲に、空間ＳＰ１が存在している。
第２実施形態の発電単位１０２ａでは、上述した第１実施形態の発電単位１０２と同様に、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が接触部１３７より遠い位置（すなわち、該接触部１３７に対応する接触重複部分Ａｃより遠い位置）に、第１および第２の溶接部４１０，４２０が形成されているため、第１および第２の溶接部４１０，４２０に形成された突起部ＢＵの影響を受けることなく、接触部１３７によって空気室１６６を良好にシールすることができる。また、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１が空気室１６６と連通することが接触部１３７により妨げられるため、そのような空間ＳＰ１が酸化剤ガスＯＧの迂回路となって発電効率が低下することを抑制することができる。また、空気極側フレーム１３０ａの形状を調整するだけで上記効果を得られるため、例えば燃料極側フレーム１４０やインターコネクタ１５０等の金属製部材に溝加工等を行う場合と比較して、製造工程の容易化・効率化を実現することができる。
なお、第２実施形態では、第１の溶接部４１０の突起部ＢＵは空間ＳＰ１に面しているが、第２の溶接部４２０の突起部ＢＵは空間ＳＰ１に面していない。しかし、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１によって、第１の溶接部４１０に形成された突起部ＢＵによる各部材の変形や変位に加え、第２の溶接部４２０に形成された突起部ＢＵによる各部材の変形や変位も吸収されるため、接触部１３７により空気室１６６を良好にシールすることができる。つまり、燃料電池スタック１００におけるＺ方向に圧力を加える場合、空間ＳＰ１が存在していることにより、溶接重複部分Ａｗには過度な圧力が加わることがなく、第１および第２の溶接部４１０，４２０に形成された突起部ＢＵによる各部材の変形や変位を抑制することができる。また、第２実施形態の空気極側フレーム１３０ａにおいて、セパレータ１２０に対向する表面側ではなくインターコネクタ１５０に対向する表面側の部分が欠損して、板厚が他の部分より薄くなっていてもよい。
Ｃ．第３実施形態：
図１６は、第３実施形態における発電単位１０２ｂの詳細構成を示す説明図である。第３実施形態における発電単位１０２ｂは、インターコネクタ１５０ｂおよび空気極側フレーム１３０ｂの構成が、図１２に示した第１実施形態の発電単位１０２と異なっている。第３実施形態における発電単位１０２ｂのその他の構成は、第１実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
第３実施形態における発電単位１０２ｂでは、インターコネクタ１５０ｂの内、Ｚ方向において第１および第２の溶接部４１０，４２０と重なる部分が薄板部１５２となっている。薄板部１５２は、Ｚ方向の板厚が薄くなるように、インターコネクタ１５０ｂにおける空気極側フレーム１３０ｂに対向する表面側から溝加工された部分である。インターコネクタ１５０ｂと燃料極側フレーム１４０との間をシールする第２の溶接部４２０は、薄板部１５２の位置に形成される。第３実施形態の発電単位１０２ｂにおいて、第１および第２の溶接部４１０，４２０とＺ方向に重なる溶接重複部分Ａｗの内、インターコネクタ１５０ｂと面方向に重なる範囲に、空間ＳＰ１が存在している。
また、第３実施形態における発電単位１０２ｂでは、空気極側フレーム１３０ｂは、Ｚ方向において第１および第２の溶接部４１０，４２０と重なるように形成されている。すなわち、面方向において、空気極側フレーム１３０ｂの外形寸法は、燃料極側フレーム１４０やインターコネクタ１５０ｂの外形寸法と同じである。
第３実施形態の発電単位１０２ｂでは、上述した第１実施形態の発電単位１０２と同様に、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が接触部１３７より遠い位置（すなわち、該接触部１３７に対応する接触重複部分Ａｃより遠い位置）に、第１および第２の溶接部４１０，４２０が形成されているため、第１および第２の溶接部４１０，４２０に形成された突起部ＢＵの影響を受けることなく、接触部１３７によって空気室１６６を良好にシールすることができる。また、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１が空気室１６６と連通することが接触部１３７により妨げられるため、そのような空間ＳＰ１が酸化剤ガスＯＧの迂回路となって発電効率が低下することを抑制することができる。
また、第３実施形態の発電単位１０２ｂでは、溶接重複部分Ａｗに空間ＳＰ１を確保するという目的のために空気極側フレーム１３０ｂの形状が制約されることがないため、空気極側フレーム１３０ｂの外形をセパレータ１２０や燃料極側フレーム１４０の外形と合わせて位置合わせを容易化することにより、組み付け精度を向上させることができる。
なお、第３実施形態では、第２の溶接部４２０の突起部ＢＵは空間ＳＰ１に面しているが、第１の溶接部４１０の突起部ＢＵは空間ＳＰ１に面していない。しかし、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１によって、第２の溶接部４２０に形成された突起部ＢＵによる各部材の変形や変位に加え、第１の溶接部４１０に形成された突起部ＢＵによる各部材の変形や変位も吸収されるため、接触部１３７により空気室１６６を良好にシールすることができる。
Ｄ．第４実施形態：
図１７は、第４実施形態における発電単位１０２ｃの詳細構成を示す説明図である。第４実施形態における発電単位１０２ｃは、空気極側フレーム１３０ｃの構成が、図１２に示した第１実施形態の発電単位１０２と異なっている。第４実施形態における発電単位１０２ｃのその他の構成は、第１実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
第４実施形態における発電単位１０２ｃでは、第１実施形態の発電単位１０２と同様に、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が接触部１３７より遠い位置（すなわち、該接触部１３７に対応する接触重複部分Ａｃより遠い位置）に、第１および第２の溶接部４１０，４２０が形成されている。第４実施形態における発電単位１０２ｃでは、さらに、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が第１および第２の溶接部４１０，４２０より遠い位置に、空気極側フレーム１３０ｃが存在する。空気極側フレーム１３０ｃにおけるこの部分は、接触部１３７と同様に、セパレータ１２０の表面とインターコネクタ１５０の表面とに接触して両者の間をシールする第２の接触部１３８として機能する。
第４実施形態の発電単位１０２ｃでは、上述した第１実施形態の発電単位１０２と同様に、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が接触部１３７より遠い位置（すなわち、該接触部１３７に対応する接触重複部分Ａｃより遠い位置）に、第１および第２の溶接部４１０，４２０が形成されているため、第１および第２の溶接部４１０，４２０に形成された突起部ＢＵの影響を受けることなく、接触部１３７によって空気室１６６を良好にシールすることができる。また、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１が空気室１６６と連通することが接触部１３７により妨げられるため、そのような空間ＳＰ１が酸化剤ガスＯＧの迂回路となって発電効率が低下することを抑制することができる。また、空気極側フレーム１３０ｃの形状を調整するだけで上記効果を得られるため、例えば燃料極側フレーム１４０やインターコネクタ１５０等の金属製部材に溝加工等を行う場合と比較して、製造工程の容易化・効率化を実現することができる。
さらに、第４実施形態の発電単位１０２ｃでは、第２の接触部１３８の存在により空間ＳＰ１が閉空間となるため、空間ＳＰ１内にガラスシール等のシール材を容易に配置することができ、ガスシール性をさらに向上させることができる。
Ｅ．第５実施形態：
図１８は、第５実施形態における発電単位１０２ｄの詳細構成を示す説明図である。第５実施形態における発電単位１０２ｄは、空気極側フレーム１３０ｄおよびインターコネクタ１５０ｄの構成が、図１６に示した第３実施形態の発電単位１０２ｂと異なっている。第５実施形態における発電単位１０２ｄのその他の構成は、第３実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
第５実施形態における発電単位１０２ｄでは、第３実施形態の発電単位１０２ｂと同様に、インターコネクタ１５０ｄの内、Ｚ方向において第１および第２の溶接部４１０，４２０と重なる部分が薄板部１５２ｄとなっている。そのため、発電単位１０２ｄにおいて、第１および第２の溶接部４１０，４２０とＺ方向に重なる溶接重複部分Ａｗの内、インターコネクタ１５０ｄと面方向に重なる範囲に、空間ＳＰ１が存在している。ただし、第５実施形態における発電単位１０２ｄでは、薄板部１５２ｄは、インターコネクタ１５０ｄの外縁部ではなく、外縁部より内側に形成されている。また、第５実施形態における発電単位１０２ｄでは、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が第１および第２の溶接部４１０，４２０より遠い位置に、空気極側フレーム１３０ｄが存在する。空気極側フレーム１３０ｄにおけるこの部分は、接触部１３７と同様に、セパレータ１２０の表面とインターコネクタ１５０の表面とに接触して両者の間をシールする第２の接触部１３８として機能する。
第５実施形態の発電単位１０２ｄでは、上述した第３実施形態の発電単位１０２ｂと同様に、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が接触部１３７より遠い位置（すなわち、該接触部１３７に対応する接触重複部分Ａｃより遠い位置）に、第１および第２の溶接部４１０，４２０が形成されているため、第１および第２の溶接部４１０，４２０に形成された突起部ＢＵの影響を受けることなく、接触部１３７によって空気室１６６を良好にシールすることができる。また、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１が空気室１６６と連通することが接触部１３７により妨げられるため、そのような空間ＳＰ１が酸化剤ガスＯＧの迂回路となって発電効率が低下することを抑制することができる。
また、第５実施形態の発電単位１０２ｄでは、溶接重複部分Ａｗに空間ＳＰ１を確保するという目的のために空気極側フレーム１３０ｄの形状が制約されることがないため、空気極側フレーム１３０ｄの外形をセパレータ１２０や燃料極側フレーム１４０の外形と合わせて位置合わせを容易化することにより、組み付け精度を向上させることができる。
さらに、第５実施形態の発電単位１０２ｄでは、第２の接触部１３８の存在により空間ＳＰ１が閉空間となるため、空間ＳＰ１内にガラスシール等のシール材を容易に配置することができ、ガスシール性をさらに向上させることができる。
なお、第５実施形態では、第２の溶接部４２０の突起部ＢＵは空間ＳＰ１に面しているが、第１の溶接部４１０の突起部ＢＵは空間ＳＰ１に面していない。しかし、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１によって、第２の溶接部４２０に形成された突起部ＢＵによる各部材の変形や変位に加え、第１の溶接部４１０に形成された突起部ＢＵによる各部材の変形や変位も吸収されるため、接触部１３７により空気室１６６を良好にシールすることができる。
Ｆ．第６実施形態：
図１９は、第６実施形態における発電単位１０２ｅの詳細構成を示す説明図である。第６実施形態における発電単位１０２ｅは、インターコネクタ１５０ｅの構成が、図１６に示した第３実施形態の発電単位１０２ｂと異なっている。第６実施形態における発電単位１０２ｅのその他の構成は、第３実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
第６実施形態における発電単位１０２ｅでは、インターコネクタ１５０ｅが、Ｚ方向において第１および第２の溶接部４１０，４２０と重ならないように形成されている。すなわち、面方向において、インターコネクタ１５０ｅの外形寸法は、燃料極側フレーム１４０や空気極側フレーム１３０ｅの外形寸法より小さくなっている。そのため、発電単位１０２ｅにおいて、第１および第２の溶接部４１０，４２０とＺ方向に重なる溶接重複部分Ａｗの内、インターコネクタ１５０ｅと面方向に重なる範囲に、空間ＳＰ１が存在している。なお、本実施形態では、燃料極側フレーム１４０とインターコネクタ１５０との間をシールする第２の溶接部４２０は形成されていない。
第６実施形態の発電単位１０２ｅでは、上述した第３実施形態の発電単位１０２ｂと同様に、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が接触部１３７より遠い位置（すなわち、該接触部１３７に対応する接触重複部分Ａｃより遠い位置）に、第１の溶接部４１０が形成されているため、第１の溶接部４１０に形成された突起部ＢＵの影響を受けることなく、接触部１３７によって空気室１６６を良好にシールすることができる。また、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１が空気室１６６と連通することが接触部１３７により妨げられるため、そのような空間ＳＰ１が酸化剤ガスＯＧの迂回路となって発電効率が低下することを抑制することができる。
また、第６実施形態の発電単位１０２ｅでは、溶接重複部分Ａｗに空間ＳＰ１を確保するという目的のために空気極側フレーム１３０ｅの形状が制約されることがないため、空気極側フレーム１３０ｅの外形をセパレータ１２０や燃料極側フレーム１４０の外形と合わせて位置合わせを容易化することにより、組み付け精度を向上させることができる。
さらに、第６実施形態の発電単位１０２ｅでは、第３実施形態のようにインターコネクタ１５０ｂに薄板部１５２を形成する場合に行われる溝加工等の煩雑な加工を行うことなく、溶接重複部分Ａｗに空間ＳＰ１を確保することができる。
なお、第６実施形態では、第１の溶接部４１０の突起部ＢＵは空間ＳＰ１に面していない。しかし、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１によって、第１の溶接部４１０に形成された突起部ＢＵによる各部材の変形や変位は吸収されるため、接触部１３７により空気室１６６を良好にシールすることができる。
Ｇ．第７実施形態：
図２０は、第７実施形態における発電単位１０２ｆの詳細構成を示す説明図である。第７実施形態における発電単位１０２ｆは、空気極側フレーム１３０ｆの構成が、図１２に示した第１実施形態の発電単位１０２と異なっている。第７実施形態における発電単位１０２ｆのその他の構成は、第１実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
第７実施形態における発電単位１０２ｆでは、第１実施形態の発電単位１０２と比較して、空気極側フレーム１３０ｆが、面方向のより内側まで延伸している。すなわち、空気極側フレーム１３０ｆは、燃料極側フレーム１４０と単セル１１０との間に存在する空間ＳＰ３と、Ｚ方向に重なっている。
第７実施形態の発電単位１０２ｆでは、上述した第１実施形態の発電単位１０２と同様に、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が接触部１３７より遠い位置（すなわち、該接触部１３７に対応する接触重複部分Ａｃより遠い位置）に、第１および第２の溶接部４１０，４２０が形成されているため、第１および第２の溶接部４１０，４２０に形成された突起部ＢＵの影響を受けることなく、接触部１３７によって空気室１６６を良好にシールすることができる。また、溶接重複部分Ａｗに存在する空間ＳＰ１が空気室１６６と連通することが接触部１３７により妨げられるため、そのような空間ＳＰ１が酸化剤ガスＯＧの迂回路となって発電効率が低下することを抑制することができる。また、空気極側フレーム１３０ｆの形状を調整するだけで上記効果を得られるため、例えば燃料極側フレーム１４０やインターコネクタ１５０等の金属製部材に溝加工等を行う場合と比較して、製造工程の容易化・効率化を実現することができる。
さらに、第７実施形態の発電単位１０２ｆでは、空気極側フレーム１３０ｆが面方向のより内側まで延伸しているため、空気室１６６における発電に寄与しない酸化剤ガスＯＧが流れる空間の容積をより小さくすることができ、発電効率が低下することをさらに効果的に抑制することができる。
Ｈ．第８実施形態：
図２１は、第８実施形態における燃料電池スタック１００ｇの構成を概略的に示す説明図である。また、図２２は、第８実施形態における発電単位１０２ｇの詳細構成を示す説明図である。図２１には、図５と同様の位置における燃料電池スタック１００ｇの断面構成が示されており、図２２には、図２１のＰｘ部の拡大図が示されている。第８実施形態における燃料電池スタック１００ｇは、エンドプレート１０４ｇ，１０６ｇの構成および発電単位１０２ｇの構成が、第１実施形態と異なっている。第８実施形態における燃料電池スタック１００ｇのその他の構成は、第１実施形態と同一であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
図２２に示すように、第８実施形態では、各発電単位１０２ｇにおける溶接重複部分Ａｗには空間ＳＰ１が存在しない。その代わりに、エンドプレート１０４ｇ，１０６ｇが、Ｚ方向において第１および第２の溶接部４１０，４２０と重ならないように形成されている。すなわち、面方向において、エンドプレート１０４ｇ，１０６ｇの外形寸法は、燃料極側フレーム１４０やインターコネクタ１５０の外形寸法より小さくなっている。そのため、燃料電池スタック１００ｇにおいて、第１および第２の溶接部４１０，４２０とＺ方向に重なる部分の内、エンドプレート１０４ｇ，１０６ｇと面方向に重なる範囲に、空間ＳＰ１が存在している。つまり、エンドプレート１０４ｇ，１０６ｇによって各発電単位１０２ｇを押圧して挟持する場合、エンドプレート１０４ｇ，１０６ｇに設けられた空間ＳＰ１により、溶接重複部分Ａｗには過度な圧力が加わることがなく、第１および第２の溶接部４１０，４２０に形成された突起部ＢＵによる各部材の変形や変位を抑制することができる。また、第８８施形態では、接触重複部分Ａｃには、各発電単位１０２ｇの空気極側フレーム１３０とセパレータ１２０と燃料極側フレーム１４０と上下のインターコネクタ１５０と、エンドプレート１０４ｇ，１０６ｇとのいずれもが存在している。
第８実施形態では、上述した第１実施形態と同様に、面方向における単セル１１０の外周部からの距離が接触部１３７より遠い位置（すなわち、該接触部１３７に対応する接触重複部分Ａｃより遠い位置）に、第１および第２の溶接部４１０，４２０が形成されているため、第１および第２の溶接部４１０，４２０に形成された突起部ＢＵの影響を受けることなく、接触部１３７によって空気室１６６を良好にシールすることができる。また、空間ＳＰ１が空気室１６６と連通することがないため、そのような空間ＳＰ１が酸化剤ガスＯＧの迂回路となって発電効率が低下することを抑制することができる。
さらに、第８実施形態では、発電単位１０２ｇを構成する各部材と比較してより厚い板状部材であるエンドプレート１０４ｇ，１０６ｇの面方向の寸法が小さくなるため、燃料電池スタック１００ｇを軽量化することができる。
Ｉ．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。
上記各実施形態において、空気極側フレーム１３０の全体が接触部１３７として機能する必要は無く、空気極側フレーム１３０の一部分が接触部１３７として機能するとしてもよい。
また、上記各実施形態において、発電単位１０２に第１の溶接部４１０と第２の溶接部４２０との両方が形成されている必要は無く、発電単位１０２に第１の溶接部４１０と第２の溶接部４２０との少なくとも一方が形成されていればよい。また、上記各実施形態において、面方向における第１の溶接部４１０および第２の溶接部４２０の位置は同一である必要は無く、両者の位置がずれていてもよい。
また、上記実施形態では、発電単位１０２が、燃料室１７６を構成する孔１４１が形成された燃料極側フレーム１４０と、セパレータ１２０の表面とインターコネクタ１５０の表面との両方に接触して空気室１６６をシールする接触部１３７を有する空気極側フレーム１３０とを備え、セパレータ１２０と燃料極側フレーム１４０との間をシールする第１の溶接部４１０と、燃料極側フレーム１４０とインターコネクタ１５０との間をシールする第２の溶接部４２０とが形成されているが、この構成において燃料極側と空気極側とを反対にしてもよい。すなわち、発電単位１０２が、空気室１６６を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、セパレータ１２０の表面とインターコネクタ１５０の表面との両方に接触して燃料室１７６をシールする接触部を有するガスシール部材とを備え、セパレータ１２０とフレーム部材との間をシールする第１の溶接部と、フレーム部材とインターコネクタ１５０との間をシールする第２の溶接部とが形成されているとしてもよい。
また、上記実施形態において、空間ＳＰ１に柔らかい詰め物（例えば発電単位１０２を構成する各部材よりヤング率の小さい物）が挿入されていてもよい。
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、上記実施形態において、燃料電池スタック１００の配列方向における熱交換部１０３の位置はあくまで一例であり、熱交換部１０３の位置は任意の位置に変更可能である。ただし、熱交換部１０３の位置は、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２の内、より高温になる発電単位１０２に隣接する位置であることが、燃料電池スタック１００の配列方向における熱分布の緩和のために好ましい。例えば、燃料電池スタック１００の配列方向中央付近の発電単位１０２がより高温になりやすい場合には、上記実施形態のように、燃料電池スタック１００の配列方向中央付近に熱交換部１０３を設けることが好ましい。また、燃料電池スタック１００が２つ以上の熱交換部１０３を備えていてもよい。
また、上記実施形態では、熱交換部１０３が酸化剤ガスＯＧの温度を上昇させるように構成されているが、熱交換部１０３が、酸化剤ガスＯＧに代えて燃料ガスＦＧの温度を上昇させるように構成されてもよいし、酸化剤ガスＯＧと共に燃料ガスＦＧの温度を上昇させるように構成されてもよい。
また、上記実施形態では、ボルト２２の両側にナット２４が嵌められているとしているが、ボルト２２が頭部を有し、ナット２４はボルト２２の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。
また、上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート１０４，１０６の代わりに、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと接続された別部材（例えば、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと発電単位１０２との間に配置された導電板）が出力端子として機能するとしてもよい。
また、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよいし、各マニホールドを各ボルト２２が挿入される各連通孔１０８とは別に設けてもよい。
また、上記実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合には、１つのインターコネクタ１５０が隣接する２つの発電単位１０２に共有されるとしているが、このような場合でも、２つの発電単位１０２がそれぞれのインターコネクタ１５０を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ１５０や、最も下に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０は省略されているが、これらのインターコネクタ１５０を省略せずに設けてもよい。
また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体１４４と隣接するインターコネクタ１５０とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０は、多層構成であってもよい。
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを得るとしているが、ＬＰガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスＦＧを得るとしてもよいし、燃料ガスＦＧとして純水素を利用してもよい。
また、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が上述した通りの構成（面方向における単セル１１０の外周部からの距離が接触部１３７より遠い位置に第１および／または第２の溶接部４１０，４２０が形成されている構成）であるとしているが、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が上述した通りの構成であれば、少なくともその発電単位１０２において、発電効率の低下を抑制しつつ第１および第２の溶接部４１０，４２０の突起部ＢＵの存在に起因して空気極側フレーム１３０による空気室１６６のガスシール性が低下すること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、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にも適用可能である。
また、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も可能である。
（１）電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、
前記単セルを挟んで前記第１の方向に互いに対向する金属製の第１および第２のインターコネクタと、
貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する金属製のセパレータと、
前記セパレータと前記第１のインターコネクタとの間に配置され、前記燃料室と前記空気室との一方である第１の室を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、
前記セパレータと前記第２のインターコネクタとの間に配置され、前記セパレータにおける前記第２のインターコネクタ側の表面と前記第２のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触して前記燃料室と前記空気室との他方である第２の室をシールする接触部を有するガスシール部材と、を備える燃料電池発電単位において、
前記第１の方向に直交する第２の方向における前記単セルの外周部からの距離が、前記接触部の内、前記単セルに最も近い位置に配置された前記接触部より遠い位置に、前記セパレータと前記フレーム部材との間をシールする第１の溶接部と、前記フレーム部材と前記第１のインターコネクタとの間をシールする第２の溶接部と、の少なくとも一方が形成されていることを特徴とする、燃料電池発電単位。
（２）第１の方向に並べて配置された複数の燃料電池発電単位と、前記複数の燃料電池発電単位を挟んで前記第１の方向に互いに対向する金属製の第１および第２のエンドプレートと、を備える燃料電池スタックにおいて、
各前記燃料電池発電単位は、
電解質層と前記電解質層を挟んで前記第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、
前記単セルと前記第１の方向に対向する金属製の第１および第２のインターコネクタと、
貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する金属製のセパレータと、
前記セパレータと、前記セパレータの一方の面に対向する前記第１のインターコネクタと、の間に配置され、前記燃料室または前記空気室のいずれか一方である第１の室を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、
前記セパレータと、前記セパレータの前記フレーム部材に対向する面とは反対側の面に対向する前記第２のインターコネクタと、の間に配置され、前記セパレータにおける前記第２のインターコネクタ側の表面と前記第２のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触して前記燃料室と前記空気室との他方である第２の室をシールする接触部を有するガスシール部材と、を含み、
各前記燃料電池発電単位において、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記単セルの外周部からの距離が、前記接触部の内、前記単セルに最も近い位置に配置された前記接触部より遠い位置に、前記セパレータと前記フレーム部材との間をシールする第１の溶接部と、前記フレーム部材と前記第１のインターコネクタとの間をシールする第２の溶接部と、の少なくとも一方が形成されている、燃料電池スタック。
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 １０２：発電単位 １０３：熱交換部 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：連通孔 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：接合部 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：空気極側集電体 １３７：接触部 １３８：第２の接触部 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：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 １５２：薄板部 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 １６３：酸化剤ガス供給マニホールド 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 １８２：孔 １８４：連通孔 １８６：連通孔 １８８：熱交換流路 ４１０：第１の溶接部 ４２０：第２の溶接部 ５１０：薄板部 ５２０：厚板部

Claims (7)

  1. 電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、
    前記単セルを挟んで前記第１の方向に互いに対向する金属製の第１および第２のインターコネクタと、
    貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する金属製のセパレータと、
    前記セパレータと前記第１のインターコネクタとの間に配置され、前記燃料室と前記空気室との一方である第１の室を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、
    前記セパレータと前記第２のインターコネクタとの間に配置され、前記セパレータにおける前記第２のインターコネクタ側の表面と前記第２のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触して前記燃料室と前記空気室との他方である第２の室をシールする接触部を有するガスシール部材と、を備える燃料電池発電単位において、
    前記燃料電池発電単位の一部分であって前記接触部と前記第１の方向に重なる部分である接触重複部分には、前記ガスシール部材と前記セパレータと前記フレーム部材と前記第１のインターコネクタと前記第２のインターコネクタとのいずれもが存在し、
    前記第１の方向に直交する第２の方向における前記単セルの外周部からの距離が、前記接触部の内、前記単セルに最も近い位置に配置された前記接触部に対応する前記接触重複部分より遠い位置に、前記セパレータと前記フレーム部材との間をシールする第１の溶接部と、前記フレーム部材と前記第１のインターコネクタとの間をシールする第２の溶接部と、の少なくとも一方が形成されていることを特徴とする、燃料電池発電単位。
  2. 請求項１に記載の燃料電池発電単位において、
    前記燃料電池発電単位の一部分であって前記第１の溶接部と前記第２の溶接部との少なくとも一方と前記第１の方向に重なる部分である溶接重複部分の内、前記ガスシール部材と前記第２の方向に重なる範囲には、空間が存在することを特徴とする、燃料電池発電単位。
  3. 請求項１に記載の燃料電池発電単位において、
    前記燃料電池発電単位の一部分であって前記第１の溶接部と前記第２の溶接部との少なくとも一方と前記第１の方向に重なる部分である溶接重複部分の内、前記第１のインターコネクタと前記第２のインターコネクタとの少なくとも一方と前記第２の方向に重なる範囲には、空間が存在することを特徴とする、燃料電池発電単位。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池発電単位において、
    前記ガスシール部材は、前記第２の方向における前記単セルの外周部からの距離が前記第１の溶接部および前記第２の溶接部より遠い位置に、前記セパレータにおける前記第２のインターコネクタ側の表面と前記第２のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触してシールする第２の接触部を有することを特徴とする、燃料電池発電単位。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池発電単位において、
    前記ガスシール部材は、前記フレーム部材と前記単セルとの間の空間と前記第１の方向に重なることを特徴とする、燃料電池発電単位。
  6. 複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタックにおいて、
    前記複数の燃料電池発電単位の少なくとも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燃料電池発電単位であることを特徴とする、燃料電池スタック。
  7. 第１の方向に並べて配置された複数の燃料電池発電単位と、前記複数の燃料電池発電単位を挟んで前記第１の方向に互いに対向する金属製の第１および第２のエンドプレートと、を備える燃料電池スタックにおいて、
    各前記燃料電池発電単位は、
    電解質層と前記電解質層を挟んで前記第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、
    前記単セルと前記第１の方向に対向する金属製の第１および第２のインターコネクタと、
    貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む部分が前記単セルの周縁部と接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画する金属製のセパレータと、
    前記セパレータと、前記セパレータの一方の面に対向する前記第１のインターコネクタと、の間に配置され、前記燃料室または前記空気室のいずれか一方である第１の室を構成する貫通孔が形成された金属製のフレーム部材と、
    前記セパレータと、前記セパレータの前記フレーム部材に対向する面とは反対側の面に対向する前記第２のインターコネクタと、の間に配置され、前記セパレータにおける前記第２のインターコネクタ側の表面と前記第２のインターコネクタにおける前記セパレータ側の表面との両方に接触して前記燃料室と前記空気室との他方である第２の室をシールする接触部を有するガスシール部材と、を含み、
    前記燃料電池スタックの一部分であって各前記燃料電池発電単位の前記接触部と前記第１の方向に重なる部分である接触重複部分には、各前記燃料電池発電単位の前記ガスシール部材と前記セパレータと前記フレーム部材と前記第１のインターコネクタと前記第２のインターコネクタと、前記第１および第２のエンドプレートとのいずれもが存在し
    各前記燃料電池発電単位において、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記単セルの外周部からの距離が、前記接触部の内、前記単セルに最も近い位置に配置された前記接触部に対応する前記接触重複部分より遠い位置に、前記セパレータと前記フレーム部材との間をシールする第１の溶接部と、前記フレーム部材と前記第１のインターコネクタとの間をシールする第２の溶接部と、の少なくとも一方が形成されている、燃料電池スタック。
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