JP2017010682A - インターコネクタ−燃料電池単セル複合体および燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張により部材が変形し、部材の位置のガス流路の径が小さくなり圧損が増大し、発電特性が低下するのを抑制する方法の提供。【解決手段】発電単位１０２の外縁部に設けられたＺ方向に延びる燃料ガス導入マニホールド１７１が、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体１０７を構成する平板状のインターコネクタ１５０と、第１の平板状部材（空気極側フレーム、燃料極側フレーム）１３０、１４０と、第１の平板状部材１３０、１４０より薄い第２の平板状部材（セパレータ）１２０とをＺ方向に貫通する貫通孔１０８から成り、Ｚ方向視で、第２の平板状部材１２０の貫通孔１０８は第１の平板状部材１３０、１４０及びインターコネクタ１５０の貫通孔１０８より大きく、第２の平板状部材１２０の貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２は第１の平板状部材１３０、１４０及びインターコネクタ１５０の貫通孔１０８の輪郭線Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５の外側に位置する。【選択図】図１４

Description

本明細書によって開示される技術は、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体に関する。

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を構成するインターコネクタ−燃料電池単セル複合体（以下、単に「複合体」ともいう）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燃料電池単セル（以下、単に「単セル」ともいう）と、単セルの燃料極側に配置された平板状のインターコネクタと、インターコネクタと略平行な平板状のセパレータと、セパレータとインターコネクタとの間に配置された燃料極側フレーム状部材とを備える。

複合体には、燃料ガスや酸化剤ガスを流すための第１の方向に延びるガス流路（「マニホールド」とも呼ばれる）が形成されている。複合体を構成する燃料極側フレーム状部材およびセパレータには、このガス流路を構成する貫通孔が形成されている。一般に、各部材に形成された貫通孔の径は互いに同一である（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−９０６２号公報

一般に、セパレータの第１の方向における厚さは、燃料極側フレーム状部材より薄い。そのため、セパレータは、燃料極側フレーム状部材と比べて、発電による熱サイクルの影響によって変形しやすい。上記従来の構成では、燃料極側フレーム状部材およびセパレータに形成された貫通孔の径は互いに同一であるため、熱サイクルの影響によってセパレータがより大きく変形すると、セパレータの位置においてガス流路の径が小さくなって（すなわち、断面積が小さくなって）圧損が増大し、発電特性（ガス利用率等）が低下するおそれがある。

なお、このような課題は、セパレータと燃料極側フレーム状部材とを備える複合体に限られず、ガス流路を構成する貫通孔が形成された第１の平板状部材と、ガス流路を構成する貫通孔が形成され、第１の方向における厚さが第１の平板状部材より薄い第２の平板状部材とを備える複合体に共通の課題である。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インターコネクタ−燃料電池単セル複合体は、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、平板状のインターコネクタと、を備え、前記第１の方向に延びるガス流路が形成されたインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、さらに、前記インターコネクタと略平行な平板状であり、前記ガス流路を構成する第１の貫通孔が形成された第１の平板状部材と、前記インターコネクタと略平行な平板状であり、前記ガス流路を構成する第２の貫通孔が形成され、前記第１の方向における厚さが前記第１の平板状部材より薄い第２の平板状部材と、を備え、前記第１の方向視で、前記第２の貫通孔は、前記第１の貫通孔より大きく、かつ、前記第２の貫通孔の輪郭線は、前記第１の貫通孔の輪郭線の外側に位置する。第２の平板状部材は第１の平板状部材より薄いために発電による熱サイクルの影響で変形しやすいところ、本インターコネクタ−燃料電池単セル複合体によれば、第２の平板状部材が熱サイクルの影響によって大きく変形しても、第２の平板状部材の位置においてガス流路の径が小さくなって圧損が増大することを抑制することができ、発電特性（ガス利用率等）の低下を抑制することができる。

（２）上記インターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、前記第１の平板状部材には、前記ガス流路を構成する前記第１の貫通孔と、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の一方と、を連通する連通流路が形成されており、前記第１の方向視で、前記連通流路の少なくとも一部は、前記第２の貫通孔の輪郭線の内側に位置する構成としてもよい。本インターコネクタ−燃料電池単セル複合体によれば、連通流路の少なくとも一部と第１の方向に重なる位置には第２の平板部材の実体部分（孔以外の部分）が存在しないため、熱サイクルの影響によって第２の平板部材が大きく変形しても、第２の平板部材が連通流路内に侵入して連通流路の圧損が増大することを抑制することができ、発電特性（ガス利用率等）の低下を抑制することができる。

（３）上記インターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、前記第２の貫通孔の内周面は、第１の方向に直交する方向において、前記ガス流路に面している構成としてもよい。本インターコネクタ−燃料電池単セル複合体によれば、第２の平板状部材が第１の方向に直交する方向に変形することによってガス流路の径が小さくなるおそれのある構成において、第２の平板状部材の第１の方向に直交する方向への変形の影響でガス流路の径が小さくなることを抑制することができ、ガス流路の圧損が増大することを抑制することができる。

（４）上記インターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、前記単セルは、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池の単セルである構成としてもよい。本インターコネクタ−燃料電池単セル複合体によれば、比較的高温で発電が行われるために部材の変形が起こりやすい構成において、第２の平板状部材の第１の方向に直交する方向への変形の影響でガス流路の径が小さくなることを抑制することができ、ガス流路の圧損が増大することを抑制することができる。

（５）上記インターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、前記第２の平板状部材は、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セパレータであり、前記第１の平板状部材は、前記第２の平板状部材と前記インターコネクタとの間に配置されたフレーム状部材である構成としてもよい。本インターコネクタ−燃料電池単セル複合体によれば、第１の方向に直交する方向へのセパレータの変形の影響でガス流路の径が小さくなることを抑制することができ、ガス流路の圧損が増大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、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体（複合体）、複合体を複数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、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。

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斜視図である。 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。 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ＸＺ断面構成を示す説明図である。 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ＹＺ断面構成を示す説明図である。 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。 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７のＩＸ−ＩＸ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７のＸ−Ｘ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７のＸＩ−ＸＩ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７のＸＩＩ−ＸＩＩ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。 熱交換部１０３のＸＹ断面構成を概略的に示す説明図である。 燃料ガス導入マニホールド１７１として機能する貫通孔１０８の位置における実施形態の発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。 燃料ガス供給連通孔１４２の位置における実施形態の発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。 燃料ガス導入マニホールド１７１として機能する貫通孔１０８の位置における比較例の発電単位１０２ＸのＸＺ断面構成を示す説明図である。 燃料ガス供給連通孔１４２の位置における比較例の発電単位１０２ＸのＸＺ断面構成を示す説明図である。 図１２の位置に対応する位置における変形例の発電単位１０２ａのＸＹ断面構成を示す説明図である。 図１０の位置に対応する位置における変形例の発電単位１０２ａのＸＹ断面構成を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１から図６は、本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。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。

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と呼ぶ場合がある。

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の軸部の外径は各貫通孔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貫通孔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が挿入された貫通孔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が挿入された貫通孔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が挿入された貫通孔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、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７から図１２は、発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。図７には、互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成が示されており、図８には、互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成が示されており、図９には、図７のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２の断面構成が示されており、図１０には、図７のＸ−Ｘの位置における発電単位１０２の断面構成が示されており、図１１には、図７のＸＩ−ＸＩの位置における発電単位１０２の断面構成が示されており、図１２には、図７のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における発電単位１０２の断面構成が示されている。

図７および図８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。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方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される貫通孔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、図７から図９に示すように、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４から図６参照）。

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、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。

セパレータ１２０は、図７、図８および図１０に示すように、インターコネクタ１５０と略平行な平板状部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０の中央付近には、上下方向に貫通する矩形の孔１２１が形成されている。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。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。また、各マニホールドを構成するためにセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の内周面におけるすべての領域は、上下方向に直交する方向（ＸＹ平面方向）において、他の部材を介さずに当該マニホールドに面している。セパレータ１２０は、特許請求の範囲における第２の平板状部材に相当し、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８は、特許請求の範囲における第２の貫通孔に相当する。

空気極側フレーム１３０は、図７、図８および図１１に示すように、インターコネクタ１５０と略平行な平板状部材であり、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の中央付近には、上下方向に貫通する矩形の孔１３１が形成されている。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム１３０は、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。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とを連通する連通流路を構成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とを連通する連通流路を構成する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。酸化剤ガス供給連通孔１３２および酸化剤ガス排出連通孔１３３は、空気極側フレーム１３０を厚さ方向（上下方向）に貫通している。

燃料極側フレーム１４０は、図７、図８および図１２に示すように、インターコネクタ１５０と略平行な平板状部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の中央付近には、上下方向に貫通する矩形の孔１４１が形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム１４０は、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。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とを連通する連通流路を構成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とを連通する連通流路を構成する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。燃料ガス供給連通孔１４２および燃料ガス排出連通孔１４３は、燃料極側フレーム１４０を厚さ方向（上下方向）に貫通している。燃料極側フレーム１４０は、特許請求の範囲における第１の平板状部材に相当し、燃料極側フレーム１４０に形成された貫通孔１０８は、特許請求の範囲における第１の貫通孔に相当する。

なお、本実施形態では、セパレータ１２０の上下方向における厚さ（以下、単に「厚さ」という）は例えば０．０４ｍｍから０．３ｍｍ程度であり、燃料極側フレーム１４０の厚さは例えば０．５ｍｍから３ｍｍ程度であり、インターコネクタ１５０の厚さは例えば０．５ｍｍから３ｍｍ程度であり、空気極側フレーム１３０の厚さは例えば０．５ｍｍから３ｍｍ程度である。すなわち、セパレータ１２０の厚さは、燃料極側フレーム１４０やインターコネクタ１５０、空気極側フレーム１３０の厚さより薄い。

空気極側集電体１３４は、図７、図８および図１１に示すように、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。

燃料極側集電体１４４は、図７、図８および図１２に示すように、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。

なお、本明細書では、図７および図８に示すように、各発電単位１０２から空気極側フレーム１３０と空気極側フレーム１３０側のインターコネクタ１５０とを除いた構造体、すなわち、単セル１１０と、セパレータ１２０と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側フレーム１４０側のインターコネクタ１５０とを備える構造体を、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体１０７とも呼ぶ。上述したように、燃料電池スタック１００は、上下方向に並べて配置された複数の発電単位１０２を備えるが、換言すれば、燃料電池スタック１００は、空気極側フレーム１３０を挟んで並べて配置された複数のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体１０７を備えると言える。

（熱交換部１０３の構成）
図１３は、熱交換部１０３の断面構成を概略的に示す説明図である。図１３には、配列方向に直交する方向における熱交換部１０３の断面構成が示されている。図４から図６および図１３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。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。また、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を形成する貫通孔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を形成する貫通孔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１３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。熱交換部１０３は、上側および下側について発電単位１０２に隣接している。また、後述するように、発電単位１０２における発電反応は発熱反応である。そのため、酸化剤ガスＯＧが熱交換部１０３内の熱交換流路１８８を通過する際に、酸化剤ガスＯＧと発電単位１０２との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスＯＧの温度が上昇する。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、図７および図１１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、図８および図１２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、図７および図１１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、図８および図１２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．貫通孔１０８の詳細構成：
図１４および図１５は、発電単位１０２を構成する各部材に形成された貫通孔１０８の詳細構成を示す説明図である。図１４には、燃料ガス導入マニホールド１７１として機能する貫通孔１０８の位置（図１２のＸＩＶ−ＸＩＶの位置）における発電単位１０２のＸＺ断面構成が示されており、図１５には、燃料ガス供給連通孔１４２の位置（図１２のＸＶ−ＸＶの位置）における発電単位１０２のＸＺ断面構成が示されている。

図１４に示すように、各発電単位１０２において、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成するためにセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８は、他の構成部材（燃料極側フレーム１４０、空気極側フレーム１３０、インターコネクタ１５０）に形成された貫通孔１０８より大きく、かつ、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２は、上記他の構成部材に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ４、Ｌ３、Ｌ５の外側に位置する。すなわち、燃料ガス導入マニホールド１７１は、セパレータ１２０の位置において他の位置より径が大きくなっている。図１２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）を構成するためにセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２の位置を破線で示している。

なお、上下方向視で、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８が他の構成部材に形成された貫通孔１０８より大きいとは、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の径（上下方向に直交する方向（ＸＹ平面に平行な方向）における大きさ）が他の構成部材に形成された貫通孔１０８の径より大きいことを意味する。また、上下方向視で、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２が他の構成部材に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ４、Ｌ３、Ｌ５の外側に位置するとは、各貫通孔１０８の輪郭線を上下方向に直交する仮想平面に投影したときに、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２が他の構成部材に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ４、Ｌ３、Ｌ５の外側に位置することを意味する。

なお、図１４には、燃料ガス導入マニホールド１７１として機能する貫通孔１０８の位置の断面構成が示されているが、燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する貫通孔１０８の位置の断面構成も同様である。すなわち、各発電単位１０２において、上下方向視で、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成するためにセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８は、上記他の構成部材に形成された貫通孔１０８より大きく、かつ、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線は、上記他の構成部材に形成された貫通孔１０８の輪郭線の外側に位置する（図１２参照）。すなわち、燃料ガス排出マニホールド１７２は、セパレータ１２０の位置において他の位置より径が大きくなっている。

また、図１５および図１２に示すように、各発電単位１０２において、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する連通流路（燃料ガス供給連通孔１４２）は、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成するためにセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２の内側に位置する。すなわち、燃料ガス供給連通孔１４２と上下方向に重なる位置の少なくとも一部には、セパレータ１２０の実体部分（孔以外の部分）が存在しない。

なお、図１５には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する連通流路を構成する燃料ガス供給連通孔１４２の位置の断面構成が示されているが、燃料ガス排出マニホールド１７２と燃料室１７６とを連通する連通流路を構成する燃料ガス排出連通孔１４３の位置の断面構成も同様である。すなわち、各発電単位１０２において、上下方向視で、燃料ガス排出マニホールド１７２と燃料室１７６とを連通する連通流路（燃料ガス排出連通孔１４３）は、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成するためにセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線の内側に位置する（図１２参照）。すなわち、燃料ガス排出連通孔１４３と上下方向に重なる位置の少なくとも一部には、セパレータ１２０の実体部分（孔以外の部分）が存在しない。

Ａ−４．本実施形態の効果：
本実施形態では、各部材に形成された貫通孔１０８が上述した構成であるため、燃料電池スタック１００の発電特性（燃料ガス利用率等）の低下を抑制することができる。この点について、以下説明する。

図１６および図１７は、比較例の発電単位１０２Ｘを構成する各部材に形成された貫通孔１０８の詳細構成を示す説明図である。図１６および図１７には、それぞれ、図１４および図１５に示す断面と同様の位置における比較例の発電単位１０２Ｘの断面構成が示されている。図１６に示すように、比較例の発電単位１０２Ｘでは、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成するためにセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８は、他の構成部材（燃料極側フレーム１４０、空気極側フレーム１３０、インターコネクタ１５０）に形成された貫通孔１０８と同じ大きさであり、かつ、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２は、上記他の構成部材に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ４、Ｌ３、Ｌ５と同じ位置にある。また、図１７に示すように、比較例の発電単位１０２Ｘでは、燃料ガス供給連通孔１４２と上下方向に重なる位置に、セパレータ１２０の実体部分（孔以外の部分）が存在する。すなわち、上下方向視で、燃料ガス供給連通孔１４２は、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線の内側には位置しない。

ここで、燃料電池スタック１００は、発電時（定格運転時）には比較的高温（例えば７００℃から１０００℃程度）になり、運転停止時には比較的低温（例えば１００℃程度以下）になる。そのため、燃料電池スタック１００は、高温および低温の繰り返し（熱サイクル）に晒される。また、燃料電池スタック１００の発電時には、各発電単位１０２間で温度差が発生する場合がある。これは、各発電単位１０２における発電反応は発熱反応であるため、発電単位１０２が高い密度で配置されている箇所（例えば、比較的エンドプレート１０４，１０６から遠い箇所）では温度が高くなりやすく、反対に発電単位１０２が低い密度で配置されている箇所（例えば、比較的エンドプレート１０４，１０６に近い箇所）では温度が低くなりやすいからである。また、上述したように、熱交換部１０３には、燃料電池スタック１００の外部から導入された比較的低温の酸化剤ガスが流入するため、熱交換部１０３に近い発電単位１０２では温度が低くなりやすいからでもある。

燃料電池スタック１００が熱サイクルに晒されると、燃料電池スタック１００を構成する各部材が変形（膨張）することがある。上述したように、セパレータ１２０の厚さは、他の構成部材（燃料極側フレーム１４０、空気極側フレーム１３０、インターコネクタ１５０）の厚さより薄いため、セパレータ１２０は、上記他の構成部材と比較して、熱サイクルの影響によって変形しやすい。また、各発電単位１０２間での温度差の影響によって、各セパレータ１２０間で変形量に差が発生する場合がある。

上述したように、比較例の発電単位１０２Ｘでは、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成するためにセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８は、他の構成部材に形成された貫通孔１０８と同じ大きさであり、かつ、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２は、他の構成部材に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ４、Ｌ３、Ｌ５と同じ位置にある（図１６参照）。そのため、熱サイクルの影響によってセパレータ１２０が他の構成部材と比較して大きく変形すると（図１６の破線Ｅ１参照）、セパレータ１２０の位置において燃料ガス導入マニホールド１７１の径が小さくなって（すなわち、燃料ガス導入マニホールド１７１の断面積が小さくなって）圧損が増大する。また、各セパレータ１２０間で変形量に差が発生した場合には、燃料ガス導入マニホールド１７１の各位置における圧損の増大量に差が生じ、各発電単位１０２への燃料ガス分配量に差が発生する。なお、このような問題は、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する貫通孔１０８についても同様に発生し得る。

さらに、比較例の発電単位１０２Ｘでは、燃料ガス供給連通孔１４２と上下方向に重なる位置に、セパレータ１２０の実体部分（孔以外の部分）が存在する（図１７参照）。そのため、熱サイクルの影響によってセパレータ１２０が他の構成部材と比較して大きく変形すると（図１７の破線Ｅ１参照）、セパレータ１２０が燃料ガス供給連通孔１４２内に侵入して連通流路の圧損が増大する。また、各セパレータ１２０間で変形量に差が発生した場合には、各発電単位１０２における連通流路の圧損の増大量に差が生じ、各発電単位１０２への燃料ガス分配量に差が発生する。なお、このような問題は、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する貫通孔１０８についても同様に発生し得る。これらの結果、燃料電池スタック１００の発電特性（燃料ガス利用率等）が低下する。

これに対し、本実施形態では、上述したように、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成するためにセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８は、上記他の構成部材に形成された貫通孔１０８より大きく、かつ、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２は、上記他の構成部材に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ４、Ｌ３、Ｌ５の外側に位置する。そのため、熱サイクルの影響によってセパレータ１２０が他の構成部材と比較して大きく変形しても（図１４の破線Ｅ１参照）、セパレータ１２０の位置において燃料ガス導入マニホールド１７１の径が小さくなって圧損が増大することを抑制することができる。なお、この点は、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する貫通孔１０８についても同様である

さらに、本実施形態では、上述したように、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する連通流路（燃料ガス供給連通孔１４２）は、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２の内側に位置する。すなわち、燃料ガス供給連通孔１４２と上下方向に重なる位置には、セパレータ１２０の実体部分（孔以外の部分）が存在しない。そのため、熱サイクルの影響によってセパレータ１２０が他の構成部材と比較して大きく変形しても（図１５の破線Ｅ１参照）、セパレータ１２０が燃料ガス供給連通孔１４２内に侵入して連通流路の圧損が増大することを抑制することができる。なお、この点は、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成する貫通孔１０８についても同様である。

以上のように、本実施形態では、各マニホールドや連通流路の圧損増大によって各発電単位１０２への燃料ガス分配量が減少したり、圧損増大量の差によって各発電単位１０２への燃料ガス分配量に差が生じたりすることを抑制することができる。従って、本実施形態では、燃料電池スタック１００の発電特性（燃料ガス利用率等）の低下を抑制することができる。

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。

上記実施形態では、図１２に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とが、燃料ガス導入マニホールド１７１からＹ方向に延びるように形成された燃料ガス供給連通孔１４２により構成される連通流路を介して連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２と燃料室１７６とが、燃料ガス排出マニホールド１７２からＹ方向に延びるように形成された燃料ガス排出連通孔１４３により構成される連通流路を介して連通しているが、これらの連通の形態はこれに限定されない。図１８および図１９は、変形例における発電単位１０２ａの構成を示す説明図である。図１８には、図１２の位置に対応する位置における変形例の発電単位１０２ａの断面構成が示されており、図１９には、図１０の位置に対応する位置における変形例の発電単位１０２ａの断面構成が示されている。

図１８および図１９に示す変形例では、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とが、燃料ガス導入マニホールド１７１からＸ方向に延びるように形成された第１燃料ガス供給連通孔１４２Ｊと、第１燃料ガス供給連通孔１４２Ｊから燃料室１７６に向かってＹ方向に延びるように形成された複数の第２燃料ガス供給連通孔１４２Ｋとによって構成される連通流路を介して連通している。同様に、燃料ガス排出マニホールド１７２と燃料室１７６とが、燃料ガス排出マニホールド１７２からＸ方向に延びるように形成された第１燃料ガス排出連通孔１４３Ｊと、第１燃料ガス排出連通孔１４３Ｊから燃料室１７６に向かってＹ方向に延びるように形成された複数の第２燃料ガス排出連通孔１４３Ｋとによって構成される連通流路を介して連通している。

また、図１８および図１９に示す変形例では、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する連通流路（第１燃料ガス供給連通孔１４２Ｊおよび第２燃料ガス供給連通孔１４２Ｋ）の少なくとも一部が、燃料ガス導入マニホールド１７１を構成するためにセパレータ１２０ａに形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２ａの内側に位置する。すなわち、第１燃料ガス供給連通孔１４２Ｊおよび第２燃料ガス供給連通孔１４２Ｋと上下方向に重なる位置には、セパレータ１２０ａの実体部分（孔以外の部分）が存在しない領域が存在する。同様に、図１８および図１９に示す変形例では、上下方向視で、燃料ガス排出マニホールド１７２と燃料室１７６とを連通する連通流路を構成する第１燃料ガス排出連通孔１４３Ｊおよび第２燃料ガス排出連通孔１４３Ｋの少なくとも一部が、燃料ガス排出マニホールド１７２を構成するためにセパレータ１２０ａに形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２ａの内側に位置する。すなわち、第１燃料ガス排出連通孔１４３Ｊおよび第２燃料ガス排出連通孔１４３Ｋと上下方向に重なる位置には、セパレータ１２０ａの実体部分（孔以外の部分）が存在しない領域が存在する。なお、図１８および図１９に示す変形例では、上記実施形態と同様に、上下方向視で、燃料ガス導入マニホールド１７１や燃料ガス排出マニホールド１７２を構成するためにセパレータ１２０ａに形成された貫通孔１０８は、他の構成部材に形成された貫通孔１０８より大きく、かつ、セパレータ１２０ａに形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ２ａは、他の構成部材に形成された貫通孔１０８の輪郭線Ｌ４ａ等の外側に位置する。

このような構成の変形例では、上記実施形態と同様に、熱サイクルの影響によってセパレータ１２０ａが他の構成部材と比較して大きく変形しても、セパレータ１２０ａの位置において燃料ガス導入マニホールド１７１や燃料ガス排出マニホールド１７２の径が小さくなって圧損が増大することを抑制することができ、また、セパレータ１２０ａが連通流路内に侵入して連通流路の圧損が増大することを抑制することができる。従って、この変形例においても、発電特性（燃料ガス利用率等）の低下を抑制することができる。

また、上記実施形態では、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を構成する貫通孔１０８に関して、上下方向視で、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８は、他の構成部材（燃料極側フレーム１４０、空気極側フレーム１３０、インターコネクタ１５０）に形成された貫通孔１０８より大きく、かつ、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線は、上記他の構成部材に形成された貫通孔１０８の輪郭線の外側に位置するという構成（以下、「構成Ａ」ともいう）を採用しているが、構成Ａを採用する対象のマニホールドはこれらに限られない。燃料電池スタック１００に形成された複数のマニホールドの少なくとも１つを構成する貫通孔１０８に関して上記構成Ａを採用すれば、セパレータ１２０の位置において当該マニホールドの径が小さくなることを抑制することができ、当該マニホールドの圧損の増大を抑制することができる。

同様に、上記実施形態では、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する連通流路および燃料ガス排出マニホールド１７２と燃料室１７６とを連通する連通流路に関して、上下方向視で、連通流路が、セパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線の内側に位置するという構成（以下、「構成Ｂ」ともいう）を採用しているが、構成Ｂを採用する対象の連通流路はこれらに限られない。燃料電池スタック１００に形成された複数の連通流路（マニホールドと燃料室１７６または空気室１６６とを連通する流路）の少なくとも１つに関して上記構成Ｂを採用すれば、連通流路へのセパレータ１２０の侵入を抑制することができ、当該連通流路の圧損の増大を抑制することができる。また、構成Ｂに関し、上下方向視で、連通流路のすべての部分がセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線の内側に位置する必要はなく、連通流路の少なくとも一部分がセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線の内側に位置すれば、連通流路の当該部分へのセパレータ１２０の侵入を抑制することができ、当該連通流路の圧損の増大を抑制することができる。また、連通流路の全部がセパレータ１２０に形成された貫通孔１０８の輪郭線の内側に位置すれば、連通流路へのセパレータ１２０の侵入を抑制することができ、当該連通流路の圧損の増大を抑制する効果が大きいことは言うまでもない。なお、燃料電池スタック１００に構成Ｂが採用されることは必須ではない。

また、上記実施形態では、セパレータ１２０の厚さが他の構成部材（燃料極側フレーム１４０、空気極側フレーム１３０、インターコネクタ１５０）の厚さより薄いという前提において、上記構成Ａおよび構成Ｂが採用されているが、構成Ａおよび構成Ｂは、セパレータ１２０と他の構成部材との関係に限られず、マニホールドを構成する第１の貫通孔が形成された第１の平板状部材と、マニホールドを構成する第２の貫通孔が形成された第１の平板状部材より薄い第２の平板状部材との関係について広く適用可能である。すなわち、上下方向視で、第２の貫通孔は第１の貫通孔より大きく、かつ、第２の貫通孔の輪郭線は第１の貫通孔の輪郭線の外側に位置するとすれば、第２の平板状部材の位置において当該マニホールドの径が小さくなることを抑制することができ、当該マニホールドの圧損の増大を抑制することができる。また、第１の平板状部材には第１の貫通孔と空気室または燃料室とを連通する連通流路が形成されており、上下方向視で、連通流路の少なくとも一部は第２の貫通孔の輪郭線の内側に位置するとすれば、連通流路への第２の平板状部材の侵入を抑制することができ、当該連通流路の圧損の増大を抑制することができる。

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（またはインターコネクタ−燃料電池単セル複合体１０７、以下同様）について上記構成Ａおよび構成Ｂが採用されているが、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの発電単位１０２について上記構成Ａおよび構成Ｂを採用すれば、少なくとも当該発電単位１０２の位置においてマニホールドや連通流路の圧損の増大を抑制することができる。

また、上記実施形態では、燃料ガス供給連通孔１４２および燃料ガス排出連通孔１４３が、燃料極側フレーム１４０を厚さ方向（上下方向）に貫通する孔として形成されているが、燃料ガス供給連通孔１４２および燃料ガス排出連通孔１４３が、燃料極側フレーム１４０を厚さ方向に貫通せず、溝状に形成されているとしてもよい。酸化剤ガス供給連通孔１３２および酸化剤ガス排出連通孔１３３についても同様である。

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、燃料電池スタック１００は、熱交換部１０３を備えないとしてもよい。

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貫通孔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。また、各マニホールドを各ボルト２２が挿入される各貫通孔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、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。なお、本発明は、ＳＯＦＣやＭＣＦＣ等の、定格運転時の温度が比較的高温となって各部材の変形量が比較的大きくなるタイプの燃料電池において、より好適である。

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 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 １０７：インターコネクタ−燃料電池単セル複合体 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：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 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 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

Claims (6)

1. 電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、平板状のインターコネクタと、を備え、前記第１の方向に延びるガス流路が形成されたインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、さらに、
   前記インターコネクタと略平行な平板状であり、前記ガス流路を構成する第１の貫通孔が形成された第１の平板状部材と、
   前記インターコネクタと略平行な平板状であり、前記ガス流路を構成する第２の貫通孔が形成され、前記第１の方向における厚さが前記第１の平板状部材より薄い第２の平板状部材と、を備え、
   前記第１の方向視で、
   前記第２の貫通孔は、前記第１の貫通孔より大きく、かつ、
   前記第２の貫通孔の輪郭線は、前記第１の貫通孔の輪郭線の外側に位置することを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
2. 請求項１に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、
   前記第１の平板状部材には、前記ガス流路を構成する前記第１の貫通孔と、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の一方と、を連通する連通流路が形成されており、
   前記第１の方向視で、
   前記連通流路の少なくとも一部は、前記第２の貫通孔の輪郭線の内側に位置することを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
3. 請求項１または請求項２に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、
   前記第２の貫通孔の内周面は、第１の方向に直交する方向において、前記ガス流路に面していることを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、
   前記単セルは、固体酸化物形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池の単セルであることを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、
   前記第２の平板状部材は、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セパレータであり、
   前記第１の平板状部材は、前記第２の平板状部材と前記インターコネクタとの間に配置されたフレーム状部材であることを特徴とする、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
6. 前記第１の方向に並べて配列された複数のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体を備える燃料電池スタックにおいて、
   前記複数のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体の少なくとも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インターコネクタ−燃料電池単セル複合体であることを特徴とする、燃料電池スタック。

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