JP6873944B2 - 電気化学反応セルスタック - Google Patents

Description

本明細書に開示される技術は、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、第１の方向に並べて配置された複数の単セルと、複数の導電性部材と、締結部材とを備える燃料電池スタックの形態で利用される。複数の導電性部材は、それぞれ、第１の方向における複数の単セルの両側および単セル同士の間にそれぞれ配置されている。また、複数の導電性部材には第１の方向に貫く貫通孔が形成されている。締結部材は、第１の方向に延びており、複数の導電性部材に形成された貫通孔に挿入されており、この締結部材によって燃料電池スタックが締結されている。

特開２０１６−２２５０７８号公報

導電性部材の貫通孔に締結部材が挿入された従来の燃料電池スタックでは、例えば、高電圧が生じた場合に、本来、複数の導電性部材のうち、締結部材とは電気的に接続されるべきでない非接続導電性部材（例えば単セル同士の間に配置される導電性部材）に形成された貫通孔の内壁と、締結部材との間で放電が起こり、非接続導電性部材と締結部材とが短絡することがある。非接続導電性部材と締結部材とが短絡すると、燃料電池スタックの性能低下（例えば、出力低下）を招く。

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」ともいう）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、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、電解質層と空気極と燃料極とをそれぞれ含み、第１の方向に並べて配置された複数の単セルと、前記第１の方向における前記複数の単セルの両側および前記単セル同士の間にそれぞれ配置された複数の導電性部材であって、前記複数の導電性部材を前記第１の方向に貫く貫通孔が形成された複数の導電性部材と、前記第１の方向に延びており、前記複数の導電性部材に形成された前記貫通孔に挿入された締結部材と、を備え、前記締結部材によって締結された電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の導電性部材のうち、前記締結部材に電気的に接続されていない複数の非接続導電性部材に形成された前記貫通孔と前記締結部材との間には、絶縁性を有する筒状部材が配置されており、前記筒状部材は、前記締結部材の軸周りの外周を囲むとともに、前記複数の非接続導電性部材のうち、前記第１の方向の一端に位置する第１の非接続導電性部材から、前記第１の方向の他端に位置する第２の非接続導電性部材まで延びている。本電気化学反応セルスタックによれば、複数の非接続導電性部材に形成された貫通孔と締結部材との間には、絶縁性を有する筒状部材が配置されている。この筒状部材は、締結部材の軸周りの外周を囲むとともに、複数の導電性部材のうちの締結部材に電気的に接続されていない複数の非接続導電性部材のうち、第１の方向の一端に位置する第１の非接続導電性部材から、第１の方向の他端に位置する第２の非接続導電性部材まで延びている。すなわち、複数の非接続導電性部材と締結部材との間には、筒状部材が介在する。これにより、非接続導電性部材に形成された貫通孔と締結部材との間に何ら部材が介在しない構成に比べて、非接続導電性部材と締結部材とが短絡すること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の方向に垂直な面方向において、前記複数の非接続導電性部材に形成された前記貫通孔の内壁と前記筒状部材との間に第１の隙間が形成されてい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、第１の方向に垂直な面方向において、複数の非接続導電性部材に形成された貫通孔の内壁と筒状部材との間に第１の隙間が形成されている。これにより、該貫通孔と筒状部材との間に隙間が形成されていない構成に比べて、非接続導電性部材と筒状部材との熱膨張差に起因する熱応力が筒状部材に生じることが抑制され、その結果、例えば、筒状部材の割れ等を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、前記筒状部材における前記第１の方向の両端のうちの少なくとも一方は、前記第１の方向において、前記電気化学反応セルスタックを構成する部材から離間してい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、筒状部材における第１の方向の両端のうちの少なくとも一方は、第１の方向において、電気化学反応セルスタックを構成する部材から離間している。すなわち、筒状部材は、貫通孔内において第１の方向に変位可能である。これにより、筒状部材における第１の方向の両端が、第１の方向において、電気化学反応セルスタックを構成する部材に接触している構成に比べて、導電性部材と筒状部材との熱膨張差に起因する熱応力が筒状部材に生じることが抑制され、その結果、例えば、筒状部材の割れ等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、前記第１の方向に垂直な面方向において、前記締結部材と前記筒状部材との間に第２の隙間が形成されてい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、第１の方向に垂直な面方向において、締結部材と筒状部材との間に第２の隙間が形成されている。これにより、締結部材と筒状部材との間に隙間が形成されていない構成に比べて、締結部材と筒状部材との熱膨張差に起因する熱応力が筒状部材に生じることが抑制され、その結果、例えば、筒状部材の割れ等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、複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）、その製造方法等の形態で実現することが可能である。

本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００の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。 燃料電池スタック１００の締結のための構成を示す説明図である。 図６におけるボルト２２のフランジ部２２８の周辺部分を拡大して示す説明図である。

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。図４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７つの）発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

図１に示すように、各発電単位１０２のＺ方向回りの外周の４つの角部には、上下方向に貫通する孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上下方向に延びるボルト孔１０９を構成している。各ボルト孔１０９には導電性を有するボルト２２が挿入されており、各ボルト２２によって燃料電池スタック１００は締結されている。燃料電池スタック１００の締結のための構成については、後に詳述する。ボルト２２は、特許請求の範囲における締結部材に相当する。

また、図１から図３に示すように、各発電単位１０２のＺ方向回りの外周辺の中点付近には、各発電単位１０２を上下方向に貫通する孔が形成されており、各発電単位１０２に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、複数の発電単位１０２にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために各発電単位１０２に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。

図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ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連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の後述する空気室１６６に供給する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連通孔１０８は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出するガス流路である酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。

また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ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連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の後述する燃料室１７６に供給するガス流路である燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、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連通孔１０８は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出するガス流路である燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。図２および図３に示すように、下側のエンドプレート１０６には、４つの流路用貫通孔１０７が形成されている。４つの流路用貫通孔１０７は、それぞれ、酸化剤ガス導入マニホールド１６１、酸化剤ガス排出マニホールド１６２、燃料ガス導入マニホールド１７１、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。

図２および図３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。図２に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、下側のエンドプレート１０６に形成された流路用貫通孔１０７を介して、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、下側のエンドプレート１０６に形成された流路用貫通孔１０７を介して、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の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、下側のエンドプレート１０６に形成された流路用貫通孔１０７を介して、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、下側のエンドプレート１０６に形成された流路用貫通孔１０７を介して、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。なお、各ガス通路部材２７とエンドプレート１０６の表面との間には、絶縁シート２６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。

（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、各発電単位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、上述した各ボルト孔１０９に対応する孔と、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２を構成する連通孔１０８に対応する孔と、が形成されている。

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。

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、略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、略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、略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、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、単セル１１０と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。

空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０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。

燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０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。

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。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。

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。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とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。また、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。

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孔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、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および図４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３および図５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．燃料電池スタック１００の締結のための構成：
図６は、燃料電池スタック１００の締結のための構成を示す説明図である。図６には、図１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。上述したように、燃料電池スタック１００は、複数のボルト２２によって締結されている。図６に示すように、ボルト２２は、軸部２２６と、軸部２２６の一方（本実施形態では上側）の端部に形成されたフランジ部２２８とを備えている。軸部２２６とフランジ部２２８とは、一体の部材である。フランジ部２２８は、径（軸部２２６の軸方向に直交する方向の寸法）が軸部２２６より大きい部分であり、座面２２９を有している。座面２２９は、フランジ部２２８における軸部２２６の軸方向に直交する表面の内、軸部２２６側の表面である。ボルト２２の軸部２２６におけるフランジ部２２８とは反対側の端部には、ねじ部２２４が形成されている。ねじ部２２４の外周面には、おねじが形成されている。

ボルト孔１０９は、各発電単位１０２に形成された貫通孔と、上側のエンドプレート１０４に形成された貫通孔とから構成されている。また、下側のエンドプレート１０６には、ボルト孔１０９に連通するねじ孔１０３が形成されている。ねじ孔１０３は、下側のエンドプレート１０６を上下方向に貫通しており、その内周面にめねじが形成されている。ボルト孔１０９およびねじ孔１０３は、特許請求の範囲における貫通孔に相当する。

ボルト２２は、ボルト孔１０９に挿入されており、ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４は、下側のエンドプレート１０６に形成されたねじ孔１０３に螺合している。この状態において、ボルト２２の軸部２２６は、上下方向（Ｚ軸方向）に延びる姿勢となっている。また、フランジ部２２８は、軸部２２６に対して上側（Ｚ軸正方向側）に位置しており、フランジ部２２８の座面２２９は、上側のエンドプレート１０４の上側の表面に接している。

また、図２および図３に示すように、上側のエンドプレート１０４の下面と最上段の発電単位１０２（インターコネクタ１５０の上面）との間には、絶縁シート２１０が介在している。絶縁シート２１０には、ボルト孔１０９を構成する孔２１２が形成されている。絶縁シート２１０に形成された孔２１２の径は、各発電単位１０２に形成された貫通孔の径と略同一である。また、下側のエンドプレート１０６の上面と最下段の発電単位１０２（インターコネクタ１５０の下面）との間には、絶縁シート２２０が介在している。絶縁シート２２０には、ボルト孔１０９に連通する孔２２２が形成されている。絶縁シート２２０に形成された孔２２２の径は、各発電単位１０２に形成された貫通孔の径より小さい。絶縁シート２１０，２２０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。このため、本実施形態では、一対のエンドプレート１０４，１０６は、ボルト２２に電気的に接続されるが、各発電単位１０２におけるセパレータ１２０と燃料極側フレーム１４０とインターコネクタ１５０とは、ボルト２２に電気的に接続されない。一対のエンドプレート１０４，１０６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とは、特許請求の範囲における導電性部材に相当し、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とは、特許請求の範囲における非接続導電性部材に相当する。

Ａ−４．非接続導電性部材とボルト２２との絶縁のための構成：
図７は、図６におけるボルト２２のフランジ部２２８の周辺部分を拡大して示す説明図である。図６および図７に示すように、燃料電池スタック１００は、さらに、絶縁性を有する保護管３００を備える。保護管３００は、例えばアルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素等の絶縁材料により形成されている。保護管３００は、複数の非接続導電性部材（セパレータ１２０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０）に形成されたボルト孔１０９（ボルト孔１０９を構成する各非接続導電性部材に形成された貫通孔の内壁）とボルト２２との間に配置されている。具体的には、保護管３００は、ボルト２２の軸部２２６の軸周りの外周を囲むとともに、複数の非接続導電性部材のうち、上端に位置する第１の非接続導電性部材（図６における上から１番目の発電単位１０２の上側のインターコネクタ１５０）から、下端に位置する第２の非接続導電性部材（図６における上から７番目の発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０）まで延びている。より具体的には、保護管３００は、略円筒状の部材であり、複数の非接続導電性部材（セパレータ１２０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０）に形成されたボルト孔１０９内に挿入されている。保護管３００内には、ボルト２２の軸部２２６が挿入されている。換言すれば、保護管３００は、ボルト２２の軸部２２６の全周を囲むように配置されている。また、保護管３００の厚さは、保護管３００の軸周りの全周にわたって略均一であることが好ましい。また、保護管３００の厚さは、保護管３００の全長にわたって略均一であることが好ましい。また、保護管３００の厚さは、ボルト２２と非接続導電性部材に形成されたボルト孔１０９の内壁との間の面方向の距離に対して、１／３以上であることが好ましく、１／２以上であることがより好ましい。保護管３００は、特許請求の範囲における筒状部材に相当する。

また、上下方向（Ｚ軸方向）に垂直な面方向（ＸＹ平面方向）において、保護管３００と、複数の非導電性部材（セパレータ１２０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０）に形成されたボルト孔１０９の内壁との間には、第１の隙間Ｓ１が形成されている。具体的には、図７に示すように、保護管３００の外径Ｄ３は、ボルト孔１０９の径Ｄ４より小さい。また、面方向において、保護管３００とボルト２２の軸部２２６との間に、第２の隙間Ｓ２が形成されている。具体的には、図７に示すように、保護管３００の内径Ｄ２は、ボルト２２の軸部２２６の外径（最大外径）Ｄ１より大きい。なお、第１の隙間Ｓ１および第２の隙間Ｓ２は、少なくとも燃料電池スタック１００の運転前において形成されていればよい。

また、保護管３００の上端および下端のうちの少なくとも一方は、上下方向（Ｚ軸方向）において、燃料電池スタック１００を構成する部材から離間している。具体的には、図６および図７に示すように、上側のエンドプレート１０４に形成され、かつ、ボルト孔１０９を構成する孔１０５は、第１の孔部１０５Ａと、第２の孔部１０５Ｂとを有する。第１の孔部１０５Ａは、エンドプレート１０４の発電単位１０２側の表面（下面）に開口している。第１の孔部１０５Ａの径Ｄ４は、保護管３００の外径Ｄ３より大きい。本実施形態では、第１の孔部１０５Ａの径Ｄ４は、非接続導電性部材に形成されたボルト孔１０９の径と略同一である。第１の孔部１０５Ａと第２の孔部１０５Ｂとの間には、段差面１０５Ｃが形成されている。図６に示すように、上側のエンドプレート１０４における段差面１０５Ｃと絶縁シート２２０の上面との上下方向の距離Ｌ２は、保護管３００の全長Ｌ１より長い。図６では、保護管３００の下端は、絶縁シート２２０の上面のうちの孔２２２の周囲部分に接触し、保護管３００の上端が上側のエンドプレート１０４における段差面１０５Ｃから離間した状態が示されている。このように、保護管３００の下端と下側のエンドプレート１０６との間に絶縁シート２２０が介在することにより、保護管３００と下側のエンドプレート１０６とが直接接触する構成に比べて、燃料電池スタック１００の耐電圧が向上する。

また、図６の状態のとき、保護管３００の上端は、最上段の非接続導電性部材（１番目の発電単位１０２の上側のインターコネクタ１５０の上面）より上側に位置していることが好ましい。換言すれば、保護管３００の全長Ｌ１は、上側のエンドプレート１０４と下側のエンドプレート１０６との間に挟まれた複数の発電単位１０２の上下方向の合計長さＬ３より長い。これにより、例えば、保護管３００と発電単位１０２との熱膨張差によって、発電単位１０２が保護管３００に対して相対的に膨張しても、非接続導電性部材とボルト２２との短絡を、より確実に抑制することができる。また、保護管３００は、ボルト孔１０９内において固定されておらず、上下方向および面方向に変位可能に配置されている。なお、保護管３００と燃料電池スタック１００を構成する部材との間の上下方向の隙間は、少なくとも燃料電池スタック１００の運転前において形成されていればよい。

なお、図６には、１つのボルト孔１０９の位置における燃料電池スタック１００の断面が示されているが、他の３つのボルト孔１０９の位置における燃料電池スタック１００の断面も同様の構成である。そのため、下側のエンドプレート１０６には、合計４つのねじ孔１０３が形成されており、各ねじ孔１０３にボルト２２のねじ部２２４が螺合していることとなる。各ねじ孔１０３に螺合した各ボルト２２によって、燃料電池スタック１００が締結される。また、燃料電池スタック１００に形成された４つのボルト孔１０９のそれぞれに、上述した保護管３００が配置されている。

Ａ−５．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によれば、複数の非接続導電性部材（セパレータ１２０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０）に形成された貫通孔（ボルト孔１０９）とボルト２２との間には、絶縁性を有する保護管３００が配置されている。この保護管３００は、ボルト２２の軸周りの外周を囲むとともに、上端に位置する第１の非接続導電性部材から、下端に位置する第２の非接続導電性部材まで延びている。すなわち、複数の非接続導電性部材とボルト２２との間には、保護管３００が介在する。これにより、非接続導電性部材に形成された貫通孔と締結部材との間に何ら部材が介在しない構成に比べて、非接続導電性部材とボルト２２とが短絡することを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、面方向において、保護管３００と、複数の非導電性部材に形成されたボルト孔１０９の内壁との間には、第１の隙間Ｓ１が形成されている。これにより、該ボルト孔１０９と保護管３００との間に隙間が形成されていない構成に比べて、非接続導電性部材と保護管３００との熱膨張差に起因する面方向の熱応力が保護管３００に生じることが抑制され、その結果、例えば、保護管３００の割れ等を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、面方向において、保護管３００とボルト２２の軸部２２６との間に、第２の隙間Ｓ２が形成されている。これにより、保護管３００とボルト２２との間に隙間が形成されていない構成に比べて、保護管３００とボルト２２との熱膨張差に起因する面方向の熱応力が保護管３００に生じることが抑制され、その結果、例えば、保護管３００の割れ等を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、保護管３００の上端および下端のうちの少なくとも一方は、上下方向（Ｚ軸方向）において、燃料電池スタック１００を構成する部材から離間している。すなわち、保護管３００は、ボルト孔１０９内において上下方向に変位可能である。これにより、保護管３００における上下方向の両端が、上下方向において、燃料電池スタック１００を構成する部材に接触している構成に比べて、導電性部材と保護管３００との熱膨張差に起因する上下方向の熱応力が保護管３００に生じることが抑制され、その結果、例えば、保護管３００の割れ等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。

上記実施形態における単セル１１０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、ボルト２２の軸部２２６の下側端部が下側のエンドプレート１０６を貫いて下方に突出し、その突出した下側端部に形成されたねじ部２２４にナットが螺合しているとしてもよい。また、上記実施形態において、ボルト２２の軸部２２６の上側端部の外周面におねじが形成され、上側のエンドプレート１０４に形成された貫通孔の内周面にめねじが形成されており、ボルト２２の軸部２２６の上側端部が上側のエンドプレート１０４に形成された貫通孔に螺合しているとしてもよい。また、上記実施形態において、絶縁シート２１０を備えておらず、代わりに、ボルト２２の座面２２９と上側のエンドプレート１０４との間に、絶縁シートが配置されているとしてもよい。この場合、インターコネクタ１５０等に加えて、上側のエンドプレート１０４も、特許請求の範囲における非接続導電性部材に相当する。

また、上記実施形態において、保護管３００は、略円筒状に限らず、例えば略角筒状などでもよい。また、上記実施形態において、保護管３００は、筒状であればよい。このような構成でも、非接続導電性部材とボルト２２との短絡を抑制することができる。

また、上記実施形態で、上述の第１の隙間Ｓ１は、保護管３００の軸周りの全周にわたって形成されている必要は無く、第１の隙間Ｓ１が保護管３００の軸周りの一部に形成されることにより、保護管３００がボルト孔１０９内において非導電性部材に対して面方向に変位可能であればよい。また、上記実施形態において、保護管３００と非導電性部材に形成されたボルト孔１０９の内壁との間に、第１の隙間Ｓ１が形成されていないとしてもよい。また、上記実施形態で、上述の第２の隙間Ｓ２は、保護管３００の軸周りの全周にわたって形成されている必要は無く、第２の隙間Ｓ２が保護管３００の軸周りの一部に形成されることにより、保護管３００がボルト孔１０９内においてボルト２２に対して面方向に変位可能であればよい。また、上記実施形態において、保護管３００と非導電性部材に形成されたボルト孔１０９の内壁との間に、第２の隙間Ｓ２が形成されていないとしてもよい。また、保護管３００における上下方向（Ｚ軸方向）の両端が、上下方向において、燃料電池スタック１００を構成する部材に接触しているとしてもよい。

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に形成された全てのボルト孔１０９に保護管３００が配置された構成が採用される必要はなく、少なくとも１つのボルト孔１０９に保護管３００が配置された構成が採用されればよい。

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スタックにおいても、上記実施形態と同様に、電解セルスタックに形成された貫通孔と締結部材との間に筒状部材を配置すれば、導電性部材と締結部材との短絡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（または電解セル）にも適用可能である。

２２：ボルト ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０３：ねじ孔 １０４，１０６：エンドプレート １０５：孔 １０５Ａ：第１の孔部 １０５Ｂ：第２の孔部 １０５Ｃ：段差面 １０７：流路用貫通孔 １０８：連通孔 １０９：ボルト孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 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 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 ２１０，２２０：絶縁シート ２１２，２２２：孔 ２２４：ねじ部 ２２６：軸部 ２２８：フランジ部 ２２９：座面 ３００：保護管 Ｄ１，Ｄ３：外径 Ｄ２：内径 Ｄ４：径 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス Ｌ１：全長 Ｌ２：距離 Ｌ３：長さ ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス Ｓ１：第１の隙間 Ｓ２：第２の隙間

Claims (3)

1. 電解質層と空気極と燃料極とをそれぞれ含み、第１の方向に並べて配置された複数の単セルと、
   前記第１の方向における前記複数の単セルの両側および前記単セル同士の間にそれぞれ配置された複数の導電性部材であって、前記複数の導電性部材を前記第１の方向に貫く貫通孔が形成された複数の導電性部材と、
   前記第１の方向に延びており、前記複数の導電性部材に形成された前記貫通孔に挿入された締結部材と、
   を備え、前記締結部材によって締結された電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記複数の導電性部材のうち、前記締結部材に電気的に接続されていない複数の非接続導電性部材に形成された前記貫通孔と前記締結部材との間には、絶縁性を有する筒状部材が配置されており、
   前記筒状部材は、前記締結部材の軸周りの外周を囲むとともに、前記複数の非接続導電性部材のうち、前記第１の方向の一端に位置する第１の非接続導電性部材から、前記第１の方向の他端に位置する第２の非接続導電性部材まで延びており、
   前記第１の方向に垂直な面方向において、前記複数の非接続導電性部材に形成された前記貫通孔の内壁と前記筒状部材との間に第１の隙間が形成されている、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
2. 請求項１に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記筒状部材における前記第１の方向の両端のうちの少なくとも一方は、前記第１の方向において、前記電気化学反応セルスタックを構成する部材から離間している、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
3. 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の方向に垂直な面方向において、前記締結部材と前記筒状部材との間に第２の隙間が形成されている、
   ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

Images