(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022125626
(43)【公開日】2022-08-29
(54)【発明の名称】電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック
(51)【国際特許分類】
H01M 8/1226 20160101AFI20220822BHJP
H01M 4/86 20060101ALI20220822BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20220822BHJP
C25B 9/63 20210101ALI20220822BHJP
C25B 11/03 20210101ALI20220822BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20220822BHJP
【ＦＩ】
H01M8/1226
H01M4/86 U
C25B9/00 A
C25B9/02 302
C25B11/03
H01M8/12 102A
H01M8/12 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021023318
(22)【出願日】2021-02-17
(71)【出願人】
【識別番号】519322392
【氏名又は名称】森村ＳＯＦＣテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001911
【氏名又は名称】特許業務法人アルファ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】松田 和幸
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 伸輔
【テーマコード（参考）】
4K011
4K021
5H018
5H126
【Ｆターム（参考）】
4K011AA11
4K011AA17
4K011DA01
4K021AA01
4K021BA02
4K021BC01
4K021CA02
4K021CA04
4K021DB04
4K021DB36
4K021DB40
4K021DB43
4K021DB53
4K021DC03
4K021EA05
5H018AA05
5H018AA06
5H018EE02
5H018HH03
5H018HH04
5H018HH05
5H126AA02
5H126BB05
5H126BB06
5H126JJ03
5H126JJ04
5H126JJ05
(57)【要約】
【課題】電気化学反応単セルの性能の低下を抑制する。
【解決手段】電気化学反応単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する燃料極および空気極と、燃料極と空気極との一方である特定電極に対して電解質層とは反対側に位置する金属支持体とを備える。金属支持体は、第１の方向に貫通する複数の貫通孔を有する。複数の貫通孔を、１つまたは複数の貫通孔により構成される第１の貫通孔群と、１つまたは複数の貫通孔により構成される第２の貫通孔群とに分けたときに、第１の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第１の方向の長さは、第２の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第１の方向の長さよりも短い。
【選択図】図６
【解決手段】電気化学反応単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する燃料極および空気極と、燃料極と空気極との一方である特定電極に対して電解質層とは反対側に位置する金属支持体とを備える。金属支持体は、第１の方向に貫通する複数の貫通孔を有する。複数の貫通孔を、１つまたは複数の貫通孔により構成される第１の貫通孔群と、１つまたは複数の貫通孔により構成される第２の貫通孔群とに分けたときに、第１の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第１の方向の長さは、第２の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第１の方向の長さよりも短い。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項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燃料極および空気極と、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記第１の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第１の方向に貫通する複数の貫通孔を有しており、かつ、前記複数の貫通孔の少なくとも１つにおいて、前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面に前記特定電極が接合されている金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記複数の貫通孔を、１つまたは複数の前記貫通孔により構成される第１の貫通孔群と、１つまたは複数の前記貫通孔により構成される第２の貫通孔群とに分けたときに、
前記第１の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第１の方向の長さは、前記第２の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第１の方向の長さよりも短い、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する燃料極および空気極と、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記第１の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第１の方向に貫通する複数の貫通孔を有しており、かつ、前記複数の貫通孔の少なくとも１つにおいて、前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面に前記特定電極が接合されている金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記複数の貫通孔を、１つまたは複数の前記貫通孔により構成される第１の貫通孔群と、１つまたは複数の前記貫通孔により構成される第２の貫通孔群とに分けたときに、
前記第１の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第１の方向の長さは、前記第２の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第１の方向の長さよりも短い、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
【請求項2】
請求項１に記載の電気化学反応単セルであって、
前記第２の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数は、前記第１の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数よりも少ない、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
前記第２の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数は、前記第１の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数よりも少ない、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
【請求項3】
請求項１に記載の電気化学反応単セルであって、
前記第１の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数は、前記第２の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数よりも少ない、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
前記第１の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数は、前記第２の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数よりも少ない、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
【請求項4】
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単セルであって、
前記特定電極のうち、前記第１の貫通孔群と前記第２の貫通孔群との一方に含まれる前記貫通孔内に位置する第１の部分の気孔率は、前記特定電極のうち、前記第１の貫通孔群と前記第２の貫通孔群との他方に含まれる前記貫通孔内に位置する第２の部分の気孔率よりも大きい、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
前記特定電極のうち、前記第１の貫通孔群と前記第２の貫通孔群との一方に含まれる前記貫通孔内に位置する第１の部分の気孔率は、前記特定電極のうち、前記第１の貫通孔群と前記第２の貫通孔群との他方に含まれる前記貫通孔内に位置する第２の部分の気孔率よりも大きい、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
【請求項5】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電気化学反応単セルと、前記特定電極が面するガス室とをそれぞれ有し、前記第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックであって、
少なくとも１つの前記電気化学反応単位において、前記第１の貫通孔群は、前記第２の貫通孔群に対して、前記ガス室におけるガス流れの上流側に位置する、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
少なくとも１つの前記電気化学反応単位において、前記第１の貫通孔群は、前記第２の貫通孔群に対して、前記ガス室におけるガス流れの上流側に位置する、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタックに関する。
【背景技術】
【0002】
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、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向（以下、「第１の方向」という。）に互いに対向する燃料極および空気極とを備える。
【0003】
単セルの一形態として、金属支持型（メタルサポート型）の単セルが知られている。金属支持型の単セルは、燃料極と空気極との一方（以下、「特定電極」という。）に対して電解質層とは反対側に配置された金属支持体を備え、金属支持体によって単セルにおける他の部分（電解質層等）を支持する。一般に、金属支持型の単セルは、他のタイプ（例えば燃料極支持型）の単セルと比較して、熱衝撃による割れが生じにくく、また起動性が高い。
【0004】
金属支持型の単セルでは、金属支持体に、発電に供される反応ガスを通過させるために、金属支持体の一方の表面から他方の表面まで貫通する複数の貫通孔が形成されている。従来、金属支持体に含まれる全ての貫通孔において、当該貫通孔の全体に渡って燃料極が充填されている構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００５－９３２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特定電極（例えば燃料極）と金属支持体の上記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第１の方向（燃料極と空気極との対向方向）の長さ（以下、単に「接合部の長さ」という。）が長いほど、特定電極と金属支持体との接合強度は向上するが、当該貫通孔を通るガスの流通性が低下し、これにより単セルの性能は低下する。
【0007】
従来の金属支持型の単セルでは、上述したように、金属支持体に含まれる全ての貫通孔おいて、当該貫通孔の全体に渡って特定電極が充填されているため、全ての貫通孔において、接合部の第１の方向の長さは、均一であり、かつ、最大である。そのため、この単セルでは、特定電極と金属支持体との接合強度は特に優れるが、当該貫通孔を通るガスの流通性が特に悪化し、これにより単セルの性能が特に低下するという欠点がある。
【0008】
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の構成単位である電解単セルにも共通の問題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて、電気化学反応単セルと呼ぶ。
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【0011】
（１）本明細書に開示される電気化学反応単セルは、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燃料極および空気極と、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記第１の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第１の方向に貫通する複数の貫通孔を有しており、かつ、前記複数の貫通孔の少なくとも１つにおいて、前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面に前記特定電極が接合されている金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記複数の貫通孔を、１つまたは複数の前記貫通孔により構成される第１の貫通孔群と、１つまたは複数の前記貫通孔により構成される第２の貫通孔群とに分けたときに、前記第１の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第１の方向の長さは、前記第２の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第１の方向の長さよりも短い。
【0012】
本電気化学反応単セルにおいては、上述したように、第１の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第１の方向の長さは、第２の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第１の方向の長さよりも短い。そのため、本電気化学反応単セルによれば、第１の貫通孔群における接合部の長さと第２の貫通孔群における接合部の長さとが同等である構成と比較して、第１の貫通孔群における接合部の長さが短い分だけ、貫通孔を通るガスの流通性を向上させることができ、これにより上記電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。
【0013】
（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第２の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数は、前記第１の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数よりも少ない構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、これらの個数が同一である構成と比較して、貫通孔群におけるガスの流通性を向上させることができる。
【0014】
（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数は、前記第２の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数よりも少ない構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、これらの個数が同一である構成と比較して、特定電極と金属支持体との接合強度を向上させることができる。
【0015】
（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極のうち、前記第１の貫通孔群と前記第２の貫通孔群との一方（以下、「特定貫通孔群」という。）に含まれる前記貫通孔内に位置する第１の部分の気孔率は、前記特定電極のうち、前記第１の貫通孔群と前記第２の貫通孔群との他方に含まれる前記貫通孔内に位置する第２の部分の気孔率よりも大きい構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、特定電極の第１の部分の気孔率が第２の部分の気孔率よりも大きいことにより、これらの気孔率が同等である構成と比較して、特定貫通孔群に含まれる貫通孔におけるガスの流通性を向上させることができる。
【0016】
（５）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、上記（１）から（４）までのいずれか一つに記載の電気化学反応単セルと、前記特定電極が面するガス室とをそれぞれ有し、前記第１の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位を備え、少なくとも１つの前記電気化学反応単位において、前記第１の貫通孔群は、前記第２の貫通孔群に対して、前記ガス室におけるガス流れの上流側に位置する。
【0017】
金属支持体における貫通孔の位置によって、その貫通孔における上記接合部（特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部）の長さによる上記電気化学反応単セルの性能への影響度は異なる。すなわち、ある領域（例えば、ガス流れの上流側）に位置する貫通孔における上記接合部の長さは、他の領域（例えば、ガス流れの下流側）に位置する貫通孔における上記接合部の長さと比較して、上記電気化学反応単セルの性能への影響度が大きい。
【0018】
これに鑑み、本電気化学反応セルスタックにおいては、上述したように、第１の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第１の方向の長さは、第２の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第１の方向の長さよりも短い。上記接合部の長さによる上記電気化学反応単セルの性能への影響度が比較的大きい領域（例えば、ガス流れの上流側）に第１の貫通孔群が位置し、かつ、当該影響度が比較的小さい領域（例えば、ガス流れの下流側）に、上記接合部の長さが比較的長い第２の貫通孔群が位置することにより、従来よりも効率的に、特定電極と金属支持体との接合強度と、上記電気化学反応単セルの性能（ひいては、上記電気化学反応セルスタックの性能）との両方を確保することができる。
【0019】
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、電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解単セル）、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）、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】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
【図6】本実施形態における単セル１１０の詳細構成を示す説明図
【図7】本実施形態における単セル１１０の詳細構成を示す説明図
【図8】本実施形態における単セル１１０の詳細構成を示す説明図
【図9】変形例における単セル１１０Ａの詳細構成を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【0021】
Ａ．実施形態：
Ａ－１．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。
Ａ－１．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。
【0022】
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、単に「発電単位」という。）１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態ではＺ軸方向）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。上記配列方向（Ｚ軸方向）は、特許請求の範囲における第１の方向の一例である。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る。
【0023】
燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸方向回りの周縁部には、Ｚ軸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Ｚ軸方向に連通して、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Ｚ軸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。
【0024】
各貫通孔１０８にはＺ軸方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２および図３に示すように、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。
【0025】
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）と当該ボルト２２Ａが挿通された貫通孔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）と当該ボルト２２Ｂが挿通された貫通孔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）と当該ボルト２２Ｄが挿通された貫通孔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）と当該ボルト２２Ｅが挿通された貫通孔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。
【0026】
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。
【0027】
（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、Ｚ軸方向に略直交する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、当該発電単位１０２と電気的に接続されている。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、当該発電単位１０２と電気的に接続されている。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。
一対のエンドプレート１０４，１０６は、Ｚ軸方向に略直交する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、当該発電単位１０２と電気的に接続されている。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、当該発電単位１０２と電気的に接続されている。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。
【0028】
（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。
【0029】
図４および図５に示すように、発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）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。
【0030】
インターコネクタ１５０は、Ｚ軸方向に略直交する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）。
【0031】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを備える。単セル１１０は、さらに、燃料極１１６（より詳細には、後述する燃料極１１６の基部１１７）に対して電解質層１１２とは反対側（下側）に配置された金属支持体１８０を備える。
【0032】
金属支持体１８０は、Ｚ軸方向に略直交する平板形状の導電性部材であり、金属（例えばステンレス）により形成されている。金属支持体１８０は、単セル１１０における他の構成要素（電解質層１１２等）を支持している。このように、本実施形態の単セル１１０は、金属支持体１８０によって単セル１１０の機械的強度を確保する、いわゆる金属支持型（メタルサポート型）の単セルである。金属支持型の単セルは、他のタイプ（例えば燃料極支持型）の単セルと比較して、熱衝撃による割れが生じにくく、また起動性が高い。後述するように、金属支持体１８０には、燃料ガスＦＧを通過させるための複数の貫通孔５０が形成されている（図６参照）。
【0033】
電解質層１１２は、Ｚ軸方向に略直交する平板形状部材であり、緻密な層である。本実施形態では、電解質層１１２は、燃料極１１６における上側の表面と、金属支持体１８０における上側の表面の内、燃料極１１６に覆われていない領域とを連続的に覆うように形成されている。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、Ｚ軸方向に略直交する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、Ｚ軸方向に略直交する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。本実施形態では、燃料極１１６は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。
【0034】
セパレータ１２０は、中央付近にＺ軸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接合部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。
【0035】
空気極側フレーム部材１３０は、中央付近にＺ軸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。空気極側フレーム部材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とを連通する空気極側ガス供給連通流路１３２と、空気室１６６と空気極側ガス排出マニホールド１６２とを連通する空気極側ガス排出連通流路１３３とが形成されている。
【0036】
燃料極側フレーム部材１４０は、中央付近にＺ軸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とを連通する燃料極側ガス供給連通流路１４２と、燃料室１７６と燃料極側ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料極側ガス排出連通流路１４３とが形成されている。
【0037】
空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置された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と上側のエンドプレート１０４とを電気的に接続する（図２および図３参照）。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構成されていてもよい。
【0038】
燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置された複数の略四角柱状の集電体要素１４５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。燃料極側集電体１４４は、金属支持体１８０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、金属支持体１８０と下側のエンドプレート１０６とを電気的に接続する（図２および図３参照）。なお、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として構成されていてもよい。
【0039】
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、当該ガス通路部材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の空気極側ガス供給連通流路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、当該ガス通路部材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の燃料極側ガス供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
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、当該ガス通路部材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の空気極側ガス供給連通流路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、当該ガス通路部材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の燃料極側ガス供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
【0040】
各発電単位１０２において、空気室１６６に供給された酸化剤ガスＯＧが多孔質な空気極１１４内に進入し、かつ、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧが金属支持体１８０に形成された複数の貫通孔５０を通って多孔質な燃料極１１６内に進入すると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素と燃料ガスＦＧに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は、空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は、金属支持体１８０および燃料極側集電体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。
【0041】
図２および図４に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から空気極側ガス排出連通流路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から燃料極側ガス排出連通流路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。
【0042】
Ａ－３．単セル１１０の詳細構成：
図６から図８までは、本実施形態における単セル１１０の詳細構成を示す説明図である。図６には、図５のＸ１部（後述する第１の貫通孔群Ｇ１が位置する領域周辺）における単セル１１０のＹＺ断面構成が拡大して示されており、図７には、図５のＸ２部（後述する第２の貫通孔群Ｇ２が位置する領域周辺）における単セル１１０のＹＺ断面構成が拡大して示されている。なお、図６および図７では、インターコネクタ１５０の図示が省略されている。図８には、金属支持体１８０のＸＹ平面構成が模式的に示されている。
図６から図８までは、本実施形態における単セル１１０の詳細構成を示す説明図である。図６には、図５のＸ１部（後述する第１の貫通孔群Ｇ１が位置する領域周辺）における単セル１１０のＹＺ断面構成が拡大して示されており、図７には、図５のＸ２部（後述する第２の貫通孔群Ｇ２が位置する領域周辺）における単セル１１０のＹＺ断面構成が拡大して示されている。なお、図６および図７では、インターコネクタ１５０の図示が省略されている。図８には、金属支持体１８０のＸＹ平面構成が模式的に示されている。
【0043】
図６および図７に示すように、本実施形態における単セル１１０では、金属支持体１８０に複数の貫通孔５０が形成されている。金属支持体１８０において、各貫通孔５０は、燃料極１１６（より詳細には、燃料極１１６における電解質層１１２に近い側の一部分である基部１１７）に接する、電解質層１１２側の上面Ｓ１１から、上面Ｓ１１とは反対側の下面Ｓ２２まで貫通している。このことから、各貫通孔５０はＺ軸方向に貫通する孔であるといえる。
【0044】
本実施形態では、金属支持体１８０は、２枚の板状部材（第１の金属部材１８１および第２の金属部材１８２）がＺ軸方向に積層された構成を有している。第２の金属部材１８２は、第１の金属部材１８１の下側に配置されており、例えば溶接によって第１の金属部材１８１と接合されている。本実施形態では、第１の金属部材１８１の厚さと第２の金属部材１８２の厚さとは、略同一である。
【0045】
金属支持体１８０に形成された各貫通孔５０は、金属支持体１８０の上面Ｓ１１における開口５３を含む第１の部分５１を有している。各貫通孔５０の第１の部分５１は、金属支持体１８０を構成する第１の金属部材１８１に形成されている。各第１の部分５１は、第１の金属部材１８１における燃料極１１６に接する上面Ｓ１１から、上面Ｓ１１とは反対側の下面Ｓ１２まで貫通している。
【0046】
また、金属支持体１８０に形成された各貫通孔５０は、第１の部分５１に加えて、第１の部分５１に連通する第２の部分５２を有している。第２の部分５２は、金属支持体１８０の下面（後述する第２の金属部材１８２の下面Ｓ２２）における開口５４を含む部分である。各第２の部分５２は、第２の金属部材１８２における第１の金属部材１８１に接する上面Ｓ２１から、上面Ｓ２１とは反対側の下面Ｓ２２まで貫通している。すなわち、本実施形態では、各貫通孔５０は、第１の部分５１と第２の部分５２とから構成されている。本実施形態では、各貫通孔５０において、第２の部分５２は、Ｚ軸方向視における輪郭線が第１の部分５１の輪郭線と重なるように位置している。
【0047】
図８に示すように、金属支持体１８０に形成された複数（本実施形態では１９２個）の貫通孔５０は、複数（本実施形態では１２８個）の貫通孔５０により構成される第１の貫通孔群Ｇ１と、複数（本実施形態では６４個）の貫通孔５０により構成される第２の貫通孔群Ｇ２とにより構成されている。このことから、本実施形態では、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる貫通孔５０の個数は、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０の個数よりも少ないといえる。
【0048】
本実施形態では、第１の貫通孔群Ｇ１を構成する複数の貫通孔５０は、Ｘ軸方向に１６個かつＹ軸方向に８個ずつ、格子点上に並んでいる。Ｘ軸方向に隣り合う２つの貫通孔５０間の間隔は略一定であり、Ｙ軸方向に隣り合う２つの貫通孔５０間の間隔も略一定である。第２の貫通孔群Ｇ２を構成する複数の貫通孔５０は、Ｘ軸方向に１６個かつＹ軸方向に４個ずつ、格子点上に並んでいる。
【0049】
本実施形態では、第１の貫通孔群Ｇ１は、第２の貫通孔群Ｇ２に対して、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの流れの上流側（Ｙ軸正方向側）に位置している。これは、下記の条件（１）から条件（３）までの少なくとも１つを満たすことと同義である。なお、本実施形態では、下記の条件（１）から条件（３）までの全てを満たしている。
条件（１）：
第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる少なくとも１つの貫通孔５０は、第２の貫通孔群Ｇ２のいずれの貫通孔５０よりもＹ軸方向（燃料室１７６における燃料ガスＦＧの流れの方向）のガス流れ上流側に位置する。
条件（２）：
第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる全ての貫通孔５０は、第２の貫通孔群Ｇ２のいずれの貫通孔５０よりもＹ軸方向（燃料室１７６における燃料ガスＦＧの流れの方向）のガス流れ上流側に位置する。
条件（３）：
Ｚ軸方向視で単セル１１０に重なる点を通り、かつ、ガス室（上記実施形態では燃料室１７６）における燃料ガスＦＧの流れの方向に直交する仮想直線ＶＬにより区画される２つの領域の一方をガス流れ上流側とし、他方をガス流れ下流側とする。第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる全ての貫通孔５０は、当該２つの領域の一方に位置し、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる全ての貫通孔５０は、当該２つの領域の他方に位置する。なお、当該仮想直線ＶＬは、Ｚ軸方向視で単セル１１０の中心点を通る直線であってもよい。
条件（１）：
第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる少なくとも１つの貫通孔５０は、第２の貫通孔群Ｇ２のいずれの貫通孔５０よりもＹ軸方向（燃料室１７６における燃料ガスＦＧの流れの方向）のガス流れ上流側に位置する。
条件（２）：
第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる全ての貫通孔５０は、第２の貫通孔群Ｇ２のいずれの貫通孔５０よりもＹ軸方向（燃料室１７６における燃料ガスＦＧの流れの方向）のガス流れ上流側に位置する。
条件（３）：
Ｚ軸方向視で単セル１１０に重なる点を通り、かつ、ガス室（上記実施形態では燃料室１７６）における燃料ガスＦＧの流れの方向に直交する仮想直線ＶＬにより区画される２つの領域の一方をガス流れ上流側とし、他方をガス流れ下流側とする。第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる全ての貫通孔５０は、当該２つの領域の一方に位置し、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる全ての貫通孔５０は、当該２つの領域の他方に位置する。なお、当該仮想直線ＶＬは、Ｚ軸方向視で単セル１１０の中心点を通る直線であってもよい。
【0050】
図６に示すように、本実施形態では、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０においては、貫通孔５０内に燃料極１１６が充填されていない。換言すれば、燃料極１１６は、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０内に位置する部分を有していない。従って、燃料極１１６は、金属支持体１８０のうち、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０を画定する面には接合されていない。これに対し、図７に示すように、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０においては、貫通孔５０の全体にわたって燃料極１１６が充填されている。燃料極１１６は、基部１１７に連なり、かつ、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０内のＺ軸方向の全範囲に位置する部分（以下、「孔内部」という。）１１８を備え、当該孔内部１１８は、金属支持体１８０の当該貫通孔５０を画定する面に接合されている。すなわち、燃料極１１６は、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０を画定する面に接合されている。
【0051】
このことから、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ１のＺ軸方向の長さＬＪ１（本実施形態では、当該接合部Ｊ１は存在しないため、当該接合部Ｊ１の長さＬＪ１は０（零））は、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ２のＺ軸方向の長さＬＪ２よりも短い、といえる。
【0052】
上述したように第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０内には燃料極１１６が充填されていないため、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０においては、当該貫通孔５０の全体において空間ＳＰが形成されている。第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０においては、貫通孔５０の全体にわたって燃料極１１６が充填されている。燃料室１７６に供給された反応ガス（燃料ガスＦＧ）の多くは、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０（空間ＳＰ）内を進行し、さらに燃料極１１６の基部１１７の空隙内を進行して、反応場に供給される。第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０（空間ＳＰ）内に進入せずに、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０側に進んだ反応ガスは、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０に充填された燃料極１１６の各孔内部１１８の空隙内を進行し、さらに燃料極１１６の基部１１７の空隙内を進行して、反応場に供給される。
【0053】
なお、本実施形態では、単セル１１０のＸＹ断面における各貫通孔５０の形状は、円形である。各貫通孔５０の径は、金属支持体１８０の上面Ｓ１１における開口５３の位置から下面Ｓ２２における開口５４の位置にわたって略一定である。また、複数の貫通孔５０の径は、互いに略同一である。
【0054】
このような構成の単セル１１０は、例えば以下の製造方法により製造することができる。まず、金属支持体１８０を構成する第１の金属部材１８１および第２の金属部材１８２を準備し、孔開け加工によって第１の金属部材１８１に各貫通孔５０の第１の部分５１を形成すると共に、第２の金属部材１８２に各貫通孔５０の第２の部分５２を形成する。次に、第１の金属部材１８１と第２の金属部材１８２とを、各第１の部分５１が各第２の部分５２と連通する（本実施形態では、かつ、Ｚ軸方向視における第１の部分５１の輪郭線と第２の部分５２の輪郭線とが重なる）ように位置を合わせて、例えば溶接によって接合することにより、金属支持体１８０を作製する。
【0055】
次に、燃料極１１６の孔内部１１８および基部１１７のそれぞれを形成するためのペーストを調製する。そして、孔内部１１８を形成するためのペーストを、金属支持体１８０に形成された第２の貫通孔群Ｇ２を構成する各貫通孔５０に充填する。その後、基部１１７を形成するためのペーストを、金属支持体１８０の上面Ｓ１１に塗布することによって成膜する。なお、孔内部１１８を形成するためのペーストと基部１１７を形成するためのペーストとは、同一組成であってもよいし、互いに異なる組成であってもよい。
【0056】
次に、電解質層１１２を形成するためのペーストを調製し、燃料極１１６の基部１１７を形成するためのペーストの塗膜上に塗布することによって成膜する。このようにして作製された積層体を所定の温度で焼成することにより、電解質層１１２および燃料極１１６を形成し、金属支持体１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。次に、空気極１１４を形成するためのペーストを調製し、電解質層１１２上に塗布することによって成膜する。このようにして作製された積層体を所定の温度で焼成することにより、空気極１１４を形成し、上述した構成の単セル１１０を得る。
【0057】
Ａ－４．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を構成する各単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向する燃料極１１６および空気極１１４と、金属支持体１８０とを備える。金属支持体１８０は、燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側に位置する部材である。金属支持体１８０は、Ｚ軸方向視で燃料極１１６と重なる位置においてＺ軸方向に貫通する複数の貫通孔５０を有する。第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０において、金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面に燃料極１１６が接合されている。第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ１のＺ軸方向の長さＬＪ１は、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ２のＺ軸方向の長さＬＪ２よりも短い。第１の貫通孔群Ｇ１と第２の貫通孔群Ｇ２とは、いずれも、複数の貫通孔５０により構成される群である。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向する燃料極１１６および空気極１１４と、金属支持体１８０とを備える。金属支持体１８０は、燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側に位置する部材である。金属支持体１８０は、Ｚ軸方向視で燃料極１１６と重なる位置においてＺ軸方向に貫通する複数の貫通孔５０を有する。第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０において、金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面に燃料極１１６が接合されている。第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ１のＺ軸方向の長さＬＪ１は、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ２のＺ軸方向の長さＬＪ２よりも短い。第１の貫通孔群Ｇ１と第２の貫通孔群Ｇ２とは、いずれも、複数の貫通孔５０により構成される群である。
【0058】
本実施形態の単セル１１０においては、上述したように、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ１のＺ軸方向の長さＬＪ１は、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ２のＺ軸方向の長さＬＪ２よりも短い。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、第１の貫通孔群Ｇ１における接合部Ｊ１の長さＬＪ１と第２の貫通孔群Ｇ２における接合部Ｊ２の長さＬＪ２とが同等である構成と比較して、第１の貫通孔群Ｇ１における接合部Ｊ１の長さＬＪ１が短い分だけ、貫通孔５０を通るガスの流通性を向上させることができ、これにより単セル１１０の発電性能を向上させることができる。
【0059】
また、本実施形態の単セル１１０では、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる貫通孔５０の個数は、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０の個数よりも少ない。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、これらの個数が同一である構成と比較して、貫通孔５０におけるガスの流通性を向上させることができる。
【0060】
また、本実施形態の燃料電池スタック１００は、上述した単セル１１０と、燃料極１１６が面する燃料室１７６とをそれぞれ有し、Ｚ軸方向に並べて配置された複数の発電単位１０２を備える。各発電単位１０２において、第１の貫通孔群Ｇ１は、第２の貫通孔群Ｇ２に対して、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの流れの上流側に位置する。
【0061】
金属支持体１８０における貫通孔５０の位置によって、その貫通孔５０における上記接合部（Ｊ１，Ｊ２）の長さ（ＬＪ１，ＬＪ２）による単セル１１０の発電性能への影響度は異なる。すなわち、ある領域（例えば、燃料ガスＦＧの流れの上流側）に位置する貫通孔５０における上記接合部（Ｊ１，Ｊ２）の長さ（ＬＪ１，ＬＪ２）は、他の領域（例えば、燃料ガスＦＧの流れの下流側）に位置する貫通孔５０における上記接合部（Ｊ１，Ｊ２）の長さ（ＬＪ１，ＬＪ２）と比較して、単セル１１０の発電性能への影響度が大きい。
【0062】
これに鑑み、本実施形態の燃料電池スタック１００においては、上述したように、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ１のＺ軸方向の長さＬＪ１は、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ２のＺ軸方向の長さＬＪ２よりも短い。上記接合部（Ｊ１，Ｊ２）の長さ（ＬＪ１，ＬＪ２）による単セル１１０の発電性能への影響度が比較的大きい領域（例えば、ガス流れの上流側）に第１の貫通孔群Ｇ１が位置し、かつ、当該影響度が比較的小さい領域（例えば、ガス流れの下流側）に、接合部Ｊ２の長さＬＪ２が比較的長い第２の貫通孔群Ｇ２が位置することにより、従来よりも効率的に、燃料極１１６と金属支持体１８０との接合強度と、単セル１１０の発電性能（ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能）との両方を確保することができる。
【0063】
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。
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。
【0064】
上記実施形態における燃料電池スタック１００や単セル１１０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、金属支持体１８０に形成された各貫通孔５０が、第１の部分５１と第２の部分５２とから構成されているが、貫通孔５０の構成は、金属支持体１８０のＺ軸方向の一方の面から他方の面まで貫通する限りにおいて、必ずしもこれに限られない。例えば、金属支持体１８０に形成された貫通孔５０が、Ｚ軸方向に直交する方向に延伸する部分を含んでいてもよい。
【0065】
上記実施形態（または変形例、以下同様）では、単セル１１０のＸＹ断面における金属支持体１８０の各貫通孔５０形状は、円形であるが、円形以外の形状（例えば矩形）であってもよい。また、上記実施形態では、各貫通孔５０の径は、金属支持体１８０の上面Ｓ１１における開口５３の位置から下面Ｓ２２における開口５４の位置にわたって略一定であるが、いずれかの位置で異なっていてもよい。また、上記実施形態では複数の貫通孔５０の構成は同様であるが、いずれかの貫通孔の構成が他の貫通孔の構成と異なっていてもよい。例えば、複数の貫通孔５０の径は、互いに略同一であるが、互いに異なっていてもよい。
【0066】
図９は、変形例における単セル１１０Ａの詳細構成を示す説明図である。上記実施形態では、燃料極１１６は、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０内に位置する部分を備えず、金属支持体１８０のうち、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０を画定する面には接合されていないが、例えば図９に示す例のように、「第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ１のＺ軸方向の長さＬＪ１は、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ２のＺ軸方向の長さＬＪ２よりも短い」という条件（以下、「特定条件」という。）を満たす限りにおいて、燃料極１１６は、基部１１７に連なり、かつ、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０内に位置（より詳細には、貫通孔５０のＺ軸方向の一部のみに位置）する部分（以下、「孔内部」という。）１１８Ａを備え、孔内部１１８Ａが金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面に接合されていてもよい。このような構成においても、上記の特定条件を満たすことにより、上記実施形態と同様に、第１の貫通孔群Ｇ１における接合部Ｊ１の長さＬＪ１が短い分だけ、貫通孔５０を通るガスの流通性を向上させることができ、これにより単セル１１０Ａの発電性能を向上させることができる。また、上記実施形態では、燃料極１１６は、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる貫通孔５０内に位置する孔内部１１８は、Ｚ軸方向の全範囲に位置するものであるが、貫通孔５０のＺ軸方向の一部のみに位置するものであってもよい。なお、燃料極１１６が金属支持体１８０の貫通孔５０のＺ軸方向の一部のみに位置する構成は、上述した製造方法において、金属支持体１８０の各貫通孔５０の最下部の一部分（第２の部分５２における下側の一部分）に例えば樹脂を充填しておくことにより、孔内部１１８Ａを形成するためのペーストが当該孔内部１１８Ａには充填されないようにすることにより実現（製造）できる。
【0067】
燃料極１１６は、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０内に位置する部分１１８Ａを備える構成において、燃料極１１６のうち、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０内に位置する部分１１８Ａの気孔率Ｐ１は、燃料極１１６のうち、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０内に位置する孔内部１１８の気孔率Ｐ２よりも大きい、構成を採用してもよい。この構成によれば、これらの気孔率（Ｐ１，Ｐ２）が同等である構成と比較して、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる貫通孔５０におけるガスの流通性を向上させることができる。この例では、燃料極１１６のうち、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０内に位置する部分１１８Ａは、特許請求の範囲における第１の部分の一例であり、燃料極１１６のうち、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０内に位置する孔内部１１８は、特許請求の範囲における第２の部分の一例である。また、燃料極１１６のうち、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０内に位置する孔内部１１８の気孔率Ｐ２は、燃料極１１６のうち、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０内に位置する部分１１８Ａの気孔率Ｐ１よりも大きい、構成を採用してもよい。この構成においても、これらの気孔率（Ｐ１，Ｐ２）が同等である構成と比較して、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０におけるガスの流通性を向上させることができる。この例では、燃料極１１６のうち、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０内に位置する孔内部１１８は、特許請求の範囲における第１の部分の一例であり、燃料極１１６のうち、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０内に位置する部分１１８Ａは、特許請求の範囲における第２の部分の一例である。なお、燃料極１１６を構成する各部（１１８、１１８Ａ）における気孔率（Ｐ１，Ｐ２）の測定は、例えば次のように行うことができる。まず、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて、燃料極１１６のうち、貫通孔５０内に位置する部分の断面を、例えば１０００倍～３０００倍に拡大して観察し、観察される視野について、画像解析によって、気孔を含めた燃料極１１６の上記部分の合計面積と、気孔の合計面積とを算出する。そして、数式：（気孔の合計面積/（気孔を含めた燃料極１１６の上記部分の合計面積））×１００（％）により、気孔率（Ｐ１，Ｐ２）を算出する。燃料極１１６を構成する各部（１１８、１１８Ａ）における気孔率の調整は、例えば、各部を形成するペーストを調製する際に、造孔材の添加量を調整することにより、実現することができる。具体的には、当該ペーストを調製する際に、造孔材の添加量を多くするほど、気孔率は高くなる。
【0068】
上記実施形態では、上記の条件（１）から条件（３）までの全てを満たす構成であるが、上記の条件（１）から条件（３）までの１つまたは２つのみを満たす構成であってもよい。この構成においても、第１の貫通孔群Ｇ１は、第２の貫通孔群Ｇ２に対して、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの流れの上流側に位置するといえ、これにより、従来よりも効率的に、燃料極１１６と金属支持体１８０との接合強度と、単セル１１０の発電性能（ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能）との両方を確保することができる。
【0069】
金属支持体１８０に形成された複数の貫通孔５０を第１の貫通孔群Ｇ１と第２の貫通孔群Ｇ２とに分ける際の選び方は、上記実施形態のものに限られず、種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、第１の貫通孔群Ｇ１は、第２の貫通孔群Ｇ２に対して、燃料室１７６における燃料ガスＦＧの流れの上流側（Ｙ軸正方向側）に位置している構成であるが、このような位置関係ではない第１の貫通孔群Ｇ１および第２の貫通孔群Ｇ２を採用してもよい。また、上記実施形態では、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる貫通孔５０の個数は、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０の個数よりも少ない構成であるが、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０の個数よりも多い構成（換言すれば、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０の個数は、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる貫通孔５０の個数よりも少ない構成）であってもよい。この構成においても、第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる貫通孔５０の個数が第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる貫通孔５０の個数よりも少ないことにより、これらの個数が同一である構成と比較して、ガスの流通性を向上させることができる。また、上記実施形態では、第１の貫通孔群Ｇ１と第２の貫通孔群Ｇ２とはいずれも複数の貫通孔５０により構成されているが、第１の貫通孔群Ｇ１と第２の貫通孔群Ｇ２との一方または両方が１つの貫通孔５０のみにより構成されてもよい。
【0070】
上記実施形態では、金属支持体１８０が、Ｚ軸方向に積層された第１の金属部材１８１および第２の金属部材１８２から構成されているが、金属支持体１８０の構成はこれに限られない。例えば、金属支持体１８０が、１枚の板状部材から構成されていてもよいし、Ｚ軸方向に積層された３枚以上の板状部材から構成されていてもよい。また、金属支持体１８０がＺ軸方向に積層された複数の板状部材から構成されている場合、各板状部材の厚さは互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。
【0071】
上記実施形態では、単セル１１０は、燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側に位置する金属支持体１８０を備え、かつ、上記の特定条件（第１の貫通孔群Ｇ１に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ１のＺ軸方向の長さＬＪ１は、第２の貫通孔群Ｇ２に含まれる各貫通孔５０における燃料極１１６と金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面とが接合される接合部Ｊ２のＺ軸方向の長さＬＪ２よりも短い）を満たす。このような金属支持体１８０に換えて、または加えて、後述する空気極側金属支持体を備える構成を採用してもよい。すなわち、単セル１１０は、空気極１１４に対して電解質層１１２とは反対側に位置する金属支持体（以下、「空気極側金属支持体」という。）を備え、かつ、上記の特定条件と同様の条件を満たす構成を採用してもよい。このような構成においては、空気極側金属支持体の貫通孔を通るガスの流通性を向上させることができ、これにより単セル１１０の発電性能を向上させることができる。なお、このような構成において、空気極１１４は、特許請求の範囲における特定電極の一例である。
【0072】
上記実施形態において、単セル１１０の空気極１１４と電解質層１１２との間に、空気極１１４から拡散した元素（例えば、Ｓｒ）が電解質層１１２に含まれる元素（例えば、Ｚｒ）と反応して高抵抗な物質（例えば、ＳｒＺｒＯ３）が生成されることを抑制する反応防止層が配置されるとしてもよい。反応防止層は、例えば、セリア系のイオン伝導体材料により形成される。
【0073】
上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれる全ての単セル１１０において、上述した構成が実現されている必要はなく、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの単セル１１０において、上述した構成が実現されていればよい。例えば、上記実施形態では各単セル１１０が備える金属支持体１８０の構成は同様であるが、いずれかの単セルが備える金属支持体の構成が異なっていてもよい。また、上記実施形態では各単セル１１０が備える燃料極１１６の構成は同様であるが、いずれかの単セルが備える燃料極の構成が異なっていてもよい。
【0074】
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、上記実施形態における単セル１１０の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。
【0075】
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単セルおよび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、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単セルにおいても、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。
【0076】
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。
【符号の説明】
【0077】
２２（２２Ａ～２２Ｅ）： 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 ５０：貫通孔 ５１：第１の部分 ５２：第２の部分 ５３：開口 ５４：開口 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０４，１０６：エンドプレート １０８：貫通孔 １１０：単セル １１０Ａ：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １１７：基部 １１８：孔内部 １１８Ａ：孔内部 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム部材 １３１：孔 １３２：空気極側ガス供給連通流路 １３３：空気極側ガス排出連通流路 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：孔 １４２：燃料極側ガス供給連通流路 １４３：燃料極側ガス排出連通流路 １４４：燃料極側集電体 １４５：集電体要素 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 １８０：金属支持体 １８１：第１の金属部材 １８２：第２の金属部材 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス Ｇ１：第１の貫通孔群 Ｇ２：第２の貫通孔群 Ｊ１：接合部 Ｊ２：接合部 ＬＪ１：長さ ＬＪ２：長さ ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス Ｐ１：気孔率 Ｐ２：気孔率 Ｓ１１：上面 Ｓ１２：下面 Ｓ２１：上面 Ｓ２２：下面 ＳＰ：空間
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】