特開 2022-146309 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック

(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】P2022146309

(43)【公開日】2022-10-05

(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 20160101AFI20220928BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20220928BHJP

   H01M 8/2432 20160101ALI20220928BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20220928BHJP

   C25B 9/63 20210101ALI20220928BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1226

H01M8/12 101

H01M8/2432

C25B9/00 A

C25B9/63

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021047202

(22)【出願日】2021-03-22

(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】鈴木 伸輔

(72)【発明者】

【氏名】松田 和幸

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA02

4K021DB46

4K021DB53

5H126AA02

5H126AA22

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE11

5H126GG02

(57)【要約】

【課題】電気化学反応単セルにおける金属支持体からの特定電極の剥離を抑制する。
【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（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。特定電極は、複数の貫通孔の１つ（特定貫通孔）内に位置する電極孔内部を備える。電気化学反応単セルの第１の方向に沿った特定断面において、金属支持体の特定貫通孔を画定する２つの輪郭線の少なくとも一方は、第１の方向に沿って延伸する第１の延伸部と、第１の延伸部から第２の方向に沿って延伸する第２の延伸部と、第２の延伸部から第１の方向に沿って延伸する第３の延伸部とを備える段差部を有する。電極孔内部は、第２の延伸部の第１の方向の電解質層とは反対側に位置する特定部分を有する。
【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する金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記特定電極は、前記複数の貫通孔の少なくとも１つである特定貫通孔内に位置する電極孔内部を備え、
前記電気化学反応単セルの前記第１の方向に沿った少なくとも１つの断面である特定断面において、
前記金属支持体の前記特定貫通孔を画定する２つの輪郭線の少なくとも一方は、
前記第１の方向の前記電解質層側の端部から延伸している第１の延伸部であって、前記第１の方向に沿って延伸している部分を含む第１の延伸部と、
前記第１の延伸部の前記第１の方向の前記電解質層とは反対側の端部から延伸している第２の延伸部であって、前記第１の方向に交差する第２の方向のうち、前記第１の延伸部によって画定される前記特定貫通孔の前記電解質層側部分の中心から遠ざかる方向である遠心方向に沿って延伸している部分を含む第２の延伸部と、
前記第２の延伸部の前記遠心方向の端部から延伸している第３の延伸部であって、前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に沿って延伸している部分を含む第３の延伸部と、を備える第１の段差部を有し、
前記電極孔内部は、前記第２の延伸部に対して前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に位置する特定部分を有する、
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、
前記特定断面において、
前記特定部分は、前記第２の延伸部に接合されている、
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または請求項２に記載の電気化学反応単セルであって、
前記特定断面において、
前記特定貫通孔は、前記電極孔内部の前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に空間を有する、
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、
前記金属支持体は、
板状の第１の金属部材であって、前記第２の延伸部を含む第１の表面と、前記第１の表面から前記第１の方向に貫通する貫通孔であって、前記第１の延伸部によって画定される前記特定貫通孔の前記電解質層側部分を構成する貫通孔と、を有する板状の第１の金属部材と、
前記第１の表面に接合される第２の表面を有する板状の第２の金属部材であって、前記第２の表面から前記第１の方向に貫通する貫通孔であって、前記第２の延伸部と前記第３の延伸部とによって画定される前記特定貫通孔の前記電解質層とは反対側の部分を構成する貫通孔を有する第２の金属部材と、を含む、
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、
前記特定断面において、
前記金属支持体の前記特定貫通孔を画定する前記２つの輪郭線の他方は、
前記第１の方向の前記電解質層側の端部から延伸している第４の延伸部であって、前記第１の方向に沿って延伸している部分を含む第４の延伸部と、
前記第４の延伸部の前記第１の方向の前記電解質層とは反対側の端部から延伸している第５の延伸部であって、前記第２の方向のうち、前記第４の延伸部によって画定される前記特定貫通孔の前記電解質層側部分の中心に近づく方向である求心方向に沿って延伸している部分を含む第５の延伸部と、
前記第５の延伸部の前記求心方向の端部から延伸している第６の延伸部であって、前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に沿って延伸している部分を含む第６の延伸部と、を備える第２の段差部を有し、
前記特定電極は、前記第５の延伸部に接合されている、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。

【請求項6】

請求項１から請求項５まで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、
前記遠心方向は、前記第２の方向の前記ガス室におけるガス流れの方向とは反対の方向である、
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、第１の方向視で特定電極と重なる位置において第１の方向に貫通する複数の貫通孔が形成され、特定電極は、その全体が金属支持体の貫通孔に対して第１の方向の電解質層側に位置す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】特許５４２３０９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の金属支持型の単セルでは、上述したように、特定電極は、その全体が金属支持体の貫通孔に対して上記第１の方向の電解質層側に位置しており、換言すれば、金属支持体の貫通孔内に位置する部分を備えていない。この単セルでは、金属支持体に形成された複数の当該貫通孔の存在により特定電極と金属支持体との接触面積が小さくなることに起因して、特定電極と金属支持体との接合強度が低下し、ひいては金属支持体からの特定電極の剥離が生じるおそれがある。

【0007】

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。

【0008】

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】

【0009】

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。

【0010】

（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する金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極は、前記複数の貫通孔の少なくとも１つである特定貫通孔内に位置する電極孔内部を備え、前記電気化学反応単セルの前記第１の方向に沿った少なくとも１つの断面である特定断面において、前記金属支持体の前記特定貫通孔を画定する２つの輪郭線の少なくとも一方は、前記第１の方向の前記電解質層側の端部から延伸している第１の延伸部であって、前記第１の方向に沿って延伸している部分を含む第１の延伸部と、前記第１の延伸部の前記第１の方向の前記電解質層とは反対側の端部から延伸している第２の延伸部であって、前記第１の方向に交差する第２の方向のうち、前記第１の延伸部によって画定される前記特定貫通孔の前記電解質層側部分の中心から遠ざかる方向である遠心方向に沿って延伸している部分を含む第２の延伸部と、前記第２の延伸部の前記遠心方向の端部から延伸している第３の延伸部であって、前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に沿って延伸している部分を含む第３の延伸部と、を備える第１の段差部を有し、前記電極孔内部は、前記第２の延伸部に対して前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に位置する特定部分を有する。

【0011】

本電気化学反応単セルにおいては、上述したように、特定電極（燃料極と空気極との一方）は、特定貫通孔（複数の貫通孔の少なくとも１つ）内に位置する電極孔内部を備える。特定断面において、金属支持体の特定貫通孔を画定する２つの輪郭線の一方である輪郭線は、上述した第１の延伸部と第２の延伸部と第３の延伸部とを備える第１の段差部を有する。特定電極の電極孔内部は、上記遠心方向（第１の方向に交差する第２の方向のうち、第１の延伸部によって画定される特定貫通孔の電解質層側部分の中心から遠ざかる方向）に延伸する第２の延伸部に対して第１の方向の電解質層とは反対側に位置する特定部分を有する。本電気化学反応単セルでは、金属支持体の第１の段差部と特定電極の特定部分とを引き離す力（第１の方向に略平行な力）が作用したときに、特定電極の特定部分が金属支持体の第１の段差部に係合してアンカーとして効果的に機能する。そのため、本電気化学反応単セルでは、特定電極と金属支持体とにおける相対的な第１の方向（より詳細には、第１の方向のうち、特定電極と金属支持体とが離れる方向）の位置ずれを抑制することができ、ひいては、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができる。

【0012】

（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定断面において、前記特定部分は、前記第２の延伸部に接合されている構成としてもよい。電極孔内部の第１の方向の長さが長くなるほど、金属支持体の貫通孔を通る反応ガスの流通性は悪化し、ひいては、上記電気化学反応単セルの性能は低下する。本電気化学反応単セルにおいては、上述したように、特定断面において、特定電極の特定部分が上記遠心方向（第１の方向に交差する第２の方向のうち、第１の延伸部によって画定される特定貫通孔の電解質層側部分の中心から遠ざかる方向）に沿って延伸する第２の延伸部に接合されているため、特定電極の特定部分が第１の方向に沿って延伸する部分に接合される構成と比較して、電極孔内部の第１の方向の長さを長くせずに特定電極と金属支持体との接触面積を大きくすることができる。従って、本電気化学反応単セルによれば、金属支持体の貫通孔を通る反応ガスの流通性に起因する上記電気化学反応単セルの性能の低下を抑制しつつ、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。

【0013】

（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定断面において、前記特定貫通孔は、前記電極孔内部の前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に空間を有する構成としてもよい。本電気化学反応単セルにおいては、上述したように、金属支持体が第１の段差部を有し、かつ、特定電極が特定部分を有することにより、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができる。本電気化学反応単セルによれば、このような効果が得られるものでありながら、上述したように特定貫通孔が電極孔内部の第１の方向の電解質層とは反対側に空間を有することにより、特定貫通孔が当該空間を有さない構成（例えば特定貫通孔の全体に渡って特定電極が充填された構成）と比較して、特定貫通孔を通る反応ガスの流通性を向上させることができ、ひいては、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。

【0014】

（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記金属支持体は、板状の第１の金属部材であって、前記第２の延伸部を含む第１の表面と、前記第１の表面から前記第１の方向に貫通する貫通孔であって、前記第１の延伸部によって画定される前記特定貫通孔の前記電解質層側部分を構成する貫通孔と、を有する板状の第１の金属部材と、前記第１の表面に接合される第２の表面を有する板状の第２の金属部材であって、前記第２の表面から前記第１の方向に貫通する貫通孔であって、前記第２の延伸部と前記第３の延伸部とによって画定される前記特定貫通孔の前記電解質層とは反対側の部分を構成する貫通孔を有する第２の金属部材と、を含む構成としてもよい。本電気化学反応単セルにおいては、第１の段差部は、上述した第１の金属部材と第２の金属部材とを接合する際に、板状である第１の金属部材の上記貫通孔と、板状である第２の金属部材の上記貫通孔との相対位置を調節することにより容易に実現（製造）することができる。また、特定電極の特定部分は、特定電極を形成する材料（例えば、ペースト。以下、「電極材料」という。）を、板状である第１の金属部材の上記貫通孔と、板状である第２の金属部材の上記貫通孔とのそれぞれに充填することにより特定電極を形成する際に、各貫通孔に充填する電極材料の構成（例えば、充填量や充填位置）を調節することにより容易に実現（製造）することができる。

【0015】

（５）上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定断面において、前記金属支持体の前記特定貫通孔を画定する前記２つの輪郭線の他方は、前記第１の方向の前記電解質層側の端部から延伸している第４の延伸部であって、前記第１の方向に沿って延伸している部分を含む第４の延伸部と、前記第４の延伸部の前記第１の方向の前記電解質層とは反対側の端部から延伸している第５の延伸部であって、前記第２の方向のうち、前記第４の延伸部によって画定される前記特定貫通孔の前記電解質層側部分の中心に近づく方向である求心方向に沿って延伸している部分を含む第５の延伸部と、前記第５の延伸部の前記求心方向の端部から延伸している第６の延伸部であって、前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に沿って延伸している部分を含む第６の延伸部と、を備える第２の段差部を有し、前記特定電極は、前記第５の延伸部に接合されている構成としてもよい。本電気化学反応単セルにおいては、特定電極のうち、金属支持体の第５の延伸部に接合されている部分が特定貫通孔の第１の方向に沿って延伸する部分に接合される構成と比較して、電極孔内部の第１の方向の長さを長くせずに特定電極と金属支持体との接触面積を大きくすることができる。従って、本電気化学反応単セルにおいては、より効果的に、金属支持体の貫通孔を通る反応ガスの流通性に起因する上記電気化学反応単セルの性能の低下を抑制しつつ、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。

【0016】

（６）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（５）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、前記遠心方向（前記第１の方向に交差する第２の方向のうち、前記第１の延伸部によって画定される前記特定貫通孔の前記電解質層側部分の中心から遠ざかる方向）は、前記第２の方向の前記ガス室におけるガス流れの方向とは反対の方向である。そのため、本電気化学反応セルスタックにおいては、第１の段差部は、上記遠心方向に、第１の延伸部、第２の延伸部、第３の延伸部の順に位置する構成である。本電気化学反応セルスタックにおいては、更に、上述したように上記遠心方向は第２の方向（第１の方向に交差する方向）の燃料室におけるガスの流れの方向とは反対の方向であるため、第１の段差部は、第２の方向において、ガスの流れの方向に、第３の延伸部、第２の延伸部、第１の延伸部の順に位置する構成である。この第３の延伸部、第２の延伸部、第１の延伸部という並び順は、第１の方向のガス流れの方向（第１の方向の金属支持体に対して電解質層の方向）とも一致している。そのため、本電気化学反応単セルによれば、例えば上記遠心方向がガス流れの方向である構成（つまり、ガス流れの方向に、第１の延伸部、第２の延伸部、第３の延伸部の順に位置する構成）等と比較して、特定貫通孔を通る反応ガスの流通性を向上させることができ、ひいては、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。

【0017】

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】

【0018】

【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2】図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図

【図3】図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図

【図4】図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図

【図5】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

【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

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

各ボルト２２の軸部の外周面と各貫通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図１および図２に示すように、１つのボルト２２（ボルト２２Ａ）と該ボルト２２Ａが挿通された貫通孔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。

【0024】

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。

【0025】

（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、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、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。

【0026】

（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。

【0027】

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。

【0028】

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）。

【0029】

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。

【0030】

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）。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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、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。

【0036】

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、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。

【0037】

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、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、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。

【0038】

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。

【0039】

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、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、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。

【0040】

Ａ－３．単セル１１０の詳細構成：
図６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５および図６に示す単セル１１０の断面は、Ｚ軸方向に沿った断面であり、特許請求の範囲における特定断面の一例である。

【0041】

図６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。

【0042】

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。なお、第１の金属部材１８１の下面Ｓ１２は、特許請求の範囲における第１の表面の一例であり、第２の金属部材１８２の上面Ｓ２１は、特許請求の範囲における第２の表面の一例である。

【0043】

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。第１の金属部材１８１において、各第１の部分５１は、燃料極１１６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Ｓ１２まで貫通している。このことから、各貫通孔５０の第１の部分５１はＺ軸方向に延伸しているといえる。ここでいう「ある方向に沿って延伸している」とは、当該方向に略直線状に延伸していることを意味し、その延伸方向について、±１０°までの誤差が許容されるものであってもよい（以下、同様）。

【0044】

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Ｓ２２における開口５４を含む部分である。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。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の輪郭線と重ならないように位置し、かつ、Ｚ軸方向に延伸している。

【0045】

金属支持体１８０の各貫通孔５０を画定する２つの輪郭線（ＯＬ１，ＯＬ２）の一方（本実施形態ではＹ軸正方向）である輪郭線ＯＬ１は、第１の延伸部ＯＬ１１と第２の延伸部ＯＬ１２と第３の延伸部ＯＬ１３とを備える第１の段差部ＯＬ１０を有している。

【0046】

金属支持体１８０の輪郭線ＯＬ１の第１の延伸部ＯＬ１１は、輪郭線ＯＬ１のＺ軸正方向の端部から延伸している。第１の延伸部ＯＬ１１は、Ｚ軸方向に沿って延伸している部分を含んでいる。この「Ｚ軸正方向」は、Ｚ軸方向の電解質層１１２側である、といえる（以下、同様）。本実施形態では、第１の延伸部ＯＬ１１は、その全体がＺ軸方向に沿って延伸しているが、一部のみがＺ軸方向に沿って延伸しているものであってもよい。例えば、金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する面（のＺ軸方向の電解質層１１２側）に面取りを施した際には、第１の延伸部ＯＬ１１のＺ軸方向の電解質層１１２側の端部は、Ｚ軸方向に対して傾いた方向に延伸するテーパー状となる（後述する第２～６の延伸部ＯＬ１２，ＯＬ１３，ＯＬ２４，ＯＬ２５，ＯＬ２６について面取りを施した場合も同様）。本実施形態では、第１の延伸部ＯＬ１１は、第１の金属部材１８１の貫通孔５０の第１の部分５１を画定する部分である。以上のことから、第１の金属部材１８１は、第２の延伸部ＯＬ１２を含む下面Ｓ１２と、下面Ｓ１２からＺ軸方向に貫通する貫通孔（第１の部分５１）とを有している、といえる。当該貫通孔（第１の部分５１）は、第１の延伸部ＯＬ１１によって画定される貫通孔５０の電解質層１１２側部分を構成している。

【0047】

金属支持体１８０の輪郭線ＯＬ１の第２の延伸部ＯＬ１２は、第１の延伸部ＯＬ１１のＺ軸負方向の端部から延伸している。第２の延伸部ＯＬ１２は、Ｙ軸正方向に沿って延伸している部分を含んでいる。本実施形態では、第２の延伸部ＯＬ１２は、その全体がＹ軸正方向に沿って延伸しているが、一部のみがＹ軸正方向に沿って延伸しているものであってもよい。この「Ｙ軸正方向」は、Ｙ軸方向（Ｚ軸方向に交差する方向）のうち、第１の延伸部ＯＬ１１によって画定される貫通孔５０の電解質層１１２側部分の中心から遠ざかる方向ＣＦＤ（以下、「遠心方向ＣＦＤ」という。）である、といえる。本実施形態では、金属支持体１８０の輪郭線ＯＬ１の第２の延伸部ＯＬ１２は、第１の金属部材１８１の下面Ｓ１２の一部である。また、遠心方向ＣＦＤ（Ｙ軸正方向）は、Ｘ軸方向の燃料室１７６における反応ガス（酸化剤ガスＯＧ）の流れの方向（Ｙ軸負方向）とは反対の方向である、といえる。

【0048】

金属支持体１８０の輪郭線ＯＬ１の第３の延伸部ＯＬ１３は、第２の延伸部ＯＬ１２のＹ軸正方向（遠心方向ＣＦＤ）の端部から延伸している。第３の延伸部ＯＬ１３は、Ｚ軸負方向に沿って延伸している部分を含んでいる。本実施形態では、第３の延伸部ＯＬ１３は、その全体がＺ軸負方向に沿って延伸しているが、一部のみがＺ軸負方向に沿って延伸しているものであってもよい。この「Ｚ軸負方向」は、Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側であるといえる（以下、同様）。本実施形態では、第３の延伸部ＯＬ１３は、貫通孔５０の第２の部分５２を画定する部分である。第２の金属部材１８２は、第１の金属部材１８１の下面Ｓ１２に接合される上面Ｓ２１を有し、かつ、上面Ｓ２１からＺ軸方向に貫通する貫通孔（第２の部分５２）を有している。当該貫通孔（第２の部分５２）は、第２の延伸部ＯＬ１２と第３の延伸部ＯＬ１３とによって画定される貫通孔５０のＺ軸負方向（Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側）の部分を構成している。

【0049】

燃料極１１６は、各貫通孔５０について、基部１１７に連なり、かつ、貫通孔５０内に位置する部分１１８（以下、「孔内部１１８」という。）を備えている。燃料極１１６の孔内部１１８は、特許請求の範囲における電極孔内部の一例である。各孔内部１１８は、第２の延伸部ＯＬ１２に対してＺ軸負方向（Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側）に位置する部分１１９（以下、「特定部分１１９」という。）を有している。

【0050】

本実施形態では、燃料極１１６の特定部分１１９は、金属支持体１８０の第２の延伸部ＯＬ１２に接合されている。

【0051】

金属支持体１８０の各貫通孔５０を画定する２つの輪郭線（ＯＬ１，ＯＬ２）の他方である輪郭線ＯＬ２は、第４の延伸部ＯＬ２４と第５の延伸部ＯＬ２５と第６の延伸部ＯＬ２６とを備える第２の段差部ＯＬ２０を有する。第４の延伸部ＯＬ２４は、輪郭線ＯＬ２のＺ軸正方向（Ｚ軸方向の電解質層１１２側）の端部から延伸している。第４の延伸部ＯＬ２４は、Ｚ軸方向に沿って延伸している部分を含んでいる。第５の延伸部ＯＬ２５は、第４の延伸部ＯＬ２４のＺ軸負方向（Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側）の端部から延伸している。第５の延伸部ＯＬ２５は、Ｙ軸正方向に沿って延伸している部分を含んでいる。この「Ｙ軸正方向」は、Ｙ軸方向のうち、第４の延伸部ＯＬ２４によって画定される貫通孔５０の電解質層１１２側部分の中心に近づく方向ＣＰＤ（以下、「求心方向ＣＰＤ」という。）である、といえる。第６の延伸部ＯＬ２６は、第５の延伸部ＯＬ２５のＸ軸正方向（求心方向ＣＰＤ）の端部からＺ軸負方向（Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側）に沿って延伸している部分である。

【0052】

本実施形態では、燃料極１１６は、金属支持体１８０の第５の延伸部ＯＬ２５に接合されている。

【0053】

各貫通孔５０は、燃料極１１６の各孔内部１１８のＺ軸負方向（Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側）に空間ＳＰを有している。燃料室１７６に供給された反応ガス（燃料ガスＦＧ）は、該空間ＳＰから燃料極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。

【0054】

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。

【0055】

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と連通し、かつ第１の段差部ＯＬ１０および第２の段差部ＯＬ２０が形成され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。なお、本実施形態では、第１の金属部材１８１と第２の金属部材１８２とを接合する際に、板状である第１の金属部材１８１の上記貫通孔（第１の部分５１）と、板状である第２の金属部材１８２の上記貫通孔（第２の部分５２）との相対位置を調節することにより第１の段差部ＯＬ１０および第２の段差部ＯＬ２０を容易に実現（製造）することができる。

【0056】

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に形成された各貫通孔５０に充填する。このとき、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１１８を形成するためのペーストが該部分には充填されないようにする。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。

【0057】

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。なお、本実施形態では、燃料極１１６を形成するペーストを、板状である第１の金属部材１８１の上記貫通孔（第１の部分５１）と、板状である第２の金属部材１８２の上記貫通孔（第２の部分５２）とのそれぞれに充填することにより燃料極１１６を形成する際に、各貫通孔（５１，５２）に充填する電極材料の構成（例えば、充填量や充填位置）を調節することにより燃料極１１６の特定部分１１９を容易に実現（製造）することができる。

【0058】

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。燃料極１１６は、複数の貫通孔５０の少なくとも１つである貫通孔（以下、「特定貫通孔」という。）内に位置する孔内部１１８を備える。単セル１１０のＺ軸方向に沿った少なくとも１つの断面（例えば、図５および図６に示す単セル１１０の断面。以下、「特定断面」という。）において、金属支持体１８０の特定貫通孔を画定する２つの輪郭線（ＯＬ１，ＯＬ２）の一方である輪郭線ＯＬ１は、第１の延伸部ＯＬ１１と第２の延伸部ＯＬ１２と第３の延伸部ＯＬ１３とを備える第１の段差部ＯＬ１０を有する。第１の延伸部ＯＬ１１は、輪郭線ＯＬ１のＺ軸方向の電解質層１１２側の端部から延伸している。第１の延伸部ＯＬ１１は、Ｚ軸方向に沿って延伸している部分を含む。第２の延伸部ＯＬ１２は、第１の延伸部ＯＬ１１のＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側の端部から延伸している。第２の延伸部ＯＬ１２は、Ｙ軸方向（Ｚ軸方向に交差する方向）のうち、第１の延伸部ＯＬ１１によって画定される特定貫通孔の電解質層１１２側部分の中心から遠ざかる方向である遠心方向ＣＦＤに沿って延伸している部分を含む。第３の延伸部ＯＬ１３は、第２の延伸部ＯＬ１２の遠心方向ＣＦＤの端部から延伸している。第３の延伸部ＯＬ１３は、Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側に沿って延伸している部分を含む。燃料極１１６の孔内部１１８は、第２の延伸部ＯＬ１２に対してＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に位置する特定部分１１９を有する。

【0059】

本実施形態の単セル１１０においては、上述したように、燃料極１１６は、特定貫通孔（複数の貫通孔５０の少なくとも１つ）内に位置する孔内部１１８を備える。特定断面において、金属支持体１８０の特定貫通孔を画定する２つの輪郭線（ＯＬ１，ＯＬ２）の一方である輪郭線ＯＬ１は、上述した第１の延伸部ＯＬ１１と第２の延伸部ＯＬ１２と第３の延伸部ＯＬ１３とを備える第１の段差部ＯＬ１０を有する。燃料極１１６の孔内部１１８は、遠心方向ＣＦＤ（Ｘ軸方向のうち、第１の延伸部ＯＬ１１によって画定される特定貫通孔の単セル１１０側部分の中心から遠ざかる方向）に延伸する第２の延伸部ＯＬ１２に対してＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に位置する特定部分１１９を有する。本実施形態の単セル１１０では、金属支持体１８０の第１の段差部ＯＬ１０と燃料極１１６の特定部分１１９とを引き離す力（Ｚ軸方向に略平行な力）が作用したときに、燃料極１１６の特定部分１１９が金属支持体１８０の第１の段差部ＯＬ１０に係合してアンカーとして効果的に機能する。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、燃料極１１６と金属支持体１８０とにおける相対的なＺ軸方向（より詳細には、Ｚ軸方向のうち、燃料極１１６と金属支持体１８０とが離れる方向）の位置ずれを抑制することができ、ひいては、金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離を抑制することができる。

【0060】

また、本実施形態の単セル１１０は、特定断面において、燃料極１１６の特定部分１１９（第２の延伸部ＯＬ１２に対してＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に位置する部分）は、第２の延伸部ＯＬ１２に接合されている。燃料極１１６の孔内部１１８のＺ軸方向の長さが長くなるほど、金属支持体１８０の貫通孔５０を通る反応ガス（酸化剤ガスＯＧ）の流通性は悪化し、ひいては、単セル１１０の発電性能は低下する。本実施形態の単セル１１０においては、上述したように、特定断面において、燃料極１１６の特定部分１１９が遠心方向ＣＦＤ（Ｙ軸方向のうち、第１の延伸部ＯＬ１１によって画定される特定貫通孔の電解質層１１２側部分の中心から遠ざかる方向）に沿って延伸する第２の延伸部ＯＬ１２に接合されているため、燃料極１１６の特定部分１１９がＺ軸方向に沿って延伸する部分に接合される構成と比較して、燃料極１１６の孔内部１１８のＺ軸方向の長さを長くせずに燃料極１１６と金属支持体１８０との接触面積を大きくすることができる。従って、本実施形態の単セル１１０によれば、金属支持体１８０の貫通孔５０を通る反応ガスの流通性に起因する単セル１１０の発電性能の低下を抑制しつつ、燃料極１１６と金属支持体１８０との接合強度を向上させることができる。

【0061】

また、本実施形態の単セル１１０は、特定断面において、特定貫通孔は、燃料極１１６の孔内部１１８のＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に空間ＳＰを有する。本実施形態の単セル１１０においては、上述したように、金属支持体１８０が第１の段差部ＯＬ１０を有し、かつ、燃料極１１６が特定部分１１９を有することにより、金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離を抑制することができる。本実施形態の単セル１１０によれば、このような効果が得られるものでありながら、上述したように特定貫通孔が孔内部１１８のＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に空間ＳＰを有することにより、特定貫通孔が当該空間ＳＰを有さない構成（例えば特定貫通孔の全体に渡って燃料極１１６が充填された構成）と比較して、特定貫通孔を通る反応ガスの流通性を向上させることができ、ひいては、単セル１１０の発電性能を向上させることができる。

【0062】

また、金属支持体１８０は、第１の金属部材１８１と第２の金属部材１８２とを含んでいる。第１の金属部材１８１は、板状部材であって、第２の延伸部ＯＬ１２を含む下面Ｓ１２と、下面Ｓ１２からＺ軸方向に貫通する貫通孔（第１の部分５１）であって、第１の延伸部ＯＬ１１によって画定される特定貫通孔の電解質層１１２側部分を構成する貫通孔（第１の部分５１）とを有する。第２の金属部材１８２は、第１の金属部材１８１の下面Ｓ１２に接合される上面Ｓ２１を有する板状部材であって、上面Ｓ２１からＺ軸方向に貫通する貫通孔５２であって、第２の延伸部ＯＬ１２と第３の延伸部ＯＬ１３とによって画定される特定貫通孔の電解質層１１２とは反対側の部分を構成する貫通孔５２を有する。本実施形態の単セル１１０においては、第１の段差部ＯＬ１０は、上述した第１の金属部材１８１と第２の金属部材１８２とを接合する際に、板状である第１の金属部材１８１の上記貫通孔（第１の部分５１）と、板状である第２の金属部材１８２の上記貫通孔（第２の部分５２）との相対位置を調節することにより容易に実現（製造）することができる。また、燃料極１１６の特定部分１１９は、燃料極１１６を形成する材料（例えば、ペースト。以下、「電極材料」という。）を、板状である第１の金属部材１８１の上記貫通孔（第１の部分５１）と、板状である第２の金属部材１８２の上記貫通孔（第２の部分５２）とのそれぞれに充填することにより燃料極１１６を形成する際に、各貫通孔（５１，５２）に充填する電極材料の構成（例えば、充填量や充填位置）を調節することにより燃料極１１６の特定部分１１９を容易に実現（製造）することができる。

【0063】

また、本実施形態の単セル１１０は、特定断面において、金属支持体１８０の特定貫通孔を画定する２つの輪郭線（ＯＬ１，ＯＬ２）の他方である輪郭線ＯＬ２は、第４の延伸部ＯＬ２４と第５の延伸部ＯＬ２５と第６の延伸部ＯＬ２６とを備える第２の段差部ＯＬ２０を有する。第４の延伸部ＯＬ２４は、輪郭線ＯＬ２のＺ軸方向の電解質層１１２側の端部から延伸している。第４の延伸部ＯＬ２４は、Ｚ軸方向に沿って延伸している部分を含む。本実施形態では、第４の延伸部ＯＬ２４は、その全体がＺ軸方向に沿って延伸しているが、一部のみがＺ軸方向に沿って延伸しているものであってもよい。第５の延伸部ＯＬ２５は、第４の延伸部ＯＬ２４のＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側の端部から延伸している。第５の延伸部ＯＬ２５は、Ｙ軸方向のうち、第４の延伸部ＯＬ２４によって画定される特定貫通孔の電解質層１１２側部分の中心に近づく方向である求心方向ＣＰＤに沿って延伸している部分を含む。本実施形態では、第５の延伸部ＯＬ２５は、その全体が求心方向ＣＰＤに沿って延伸しているが、一部のみが求心方向ＣＰＤに沿って延伸しているものであってもよい。第６の延伸部ＯＬ２６は、第５の延伸部ＯＬ２５の求心方向ＣＰＤの端部から延伸している。第６の延伸部ＯＬ２６は、Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側に沿って延伸している部分を含む。本実施形態では、第６の延伸部ＯＬ２６は、その全体が、Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側に沿って延伸しているが、一部のみが、Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側に沿って延伸しているものであってもよい。燃料極１１６は、第５の延伸部ＯＬ２５に接合されている。

【0064】

本実施形態の単セル１１０においては、上述したように、特定断面において、燃料極１１６は、求心方向ＣＰＤ（Ｙ軸方向のうち、第４の延伸部ＯＬ２４によって画定される特定貫通孔の電解質層１１２側部分の中心に近づく方向）に沿って延伸する第５の延伸部ＯＬ２５に接合されている。そのため、本実施形態の単セル１１０においては、燃料極１１６のうち、金属支持体１８０の第５の延伸部ＯＬ２５に接合されている部分が特定貫通孔のＺ軸方向に沿って延伸する部分に接合される構成と比較して、燃料極１１６の孔内部１１８のＺ軸方向の長さを長くせずに燃料極１１６と金属支持体１８０との接触面積を大きくすることができる。従って、本実施形態の単セル１１０においては、より効果的に、金属支持体１８０の貫通孔５０を通る反応ガスの流通性に起因する単セル１１０の発電性能の低下を抑制しつつ、燃料極１１６と金属支持体１８０との接合強度を向上させることができる。

【0065】

本実施形態の燃料電池スタック１００は、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。少なくとも１つの発電単位１０２において、遠心方向ＣＦＤは、Ｙ軸方向の燃料室１７６におけるガス流れの方向とは反対の方向である。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００においては、第１の段差部ＯＬ１０は、Ｙ軸方向のうち、第１の延伸部ＯＬ１１によって画定される特定貫通孔の電解質層１１２側部分の中心から遠ざかる方向である遠心方向ＣＦＤに、第１の延伸部ＯＬ１１、第２の延伸部ＯＬ１２、第３の延伸部ＯＬ１３の順に位置する構成である。本実施形態の燃料電池スタック１００においては、更に、上述したように遠心方向ＣＦＤはＹ軸方向の燃料室１７６におけるガスの流れの方向とは反対の方向であるため、第１の段差部ＯＬ１０は、Ｙ軸方向において、ガスの流れの方向に、第３の延伸部ＯＬ１３、第２の延伸部ＯＬ１２、第１の延伸部ＯＬ１１の順に位置する構成である。この第３の延伸部ＯＬ１３、第２の延伸部ＯＬ１２、第１の延伸部ＯＬ１１という並び順は、Ｚ軸方向のガス流れの方向（Ｚ軸方向の金属支持体１８０に対して電解質層１１２の方向）とも一致している。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、例えば遠心方向ＣＦＤがガス流れの方向である構成（換言すれば、ガス流れの方向に、第１の延伸部ＯＬ１１、第２の延伸部ＯＬ１２、第３の延伸部ＯＬ１３の順に位置する構成）等と比較して、特定貫通孔を通る反応ガスの流通性を向上させることができ、ひいては、単セル１１０の発電性能を向上させることができる。

【0066】

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。

【0067】

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の輪郭線ＯＬ１が第１の段差部ＯＬ１０を有する限りにおいて、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、第１の部分５１および第２の部分５２に加えて、第２の部分５２に連通する第３の部分を有していてもよい。また、当該第３の部分が、第３の延伸部ＯＬ１３のＺ軸負方向の端部からＹ軸正方向（遠心方向ＣＦＤまたは求心方向ＣＰＤ）に延伸する延伸部と、当該延伸部からＺ軸負方向（Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側）に延伸する延伸部とを備える第３の段差部を有していてもよいし、同様に第４以降の段差部を有していても良い。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

上記実施形態では、特定貫通孔は、燃料極１１６の孔内部１１８のＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に空間ＳＰを有しているが、必ずしもこれに限られない。例えば、特定貫通孔の全体に渡って燃料極１１６が充填されていてもよい。

【0071】

上記実施形態では、金属支持体１８０（の輪郭線ＯＬ２）は、第４の延伸部ＯＬ２４と第５の延伸部ＯＬ２５と第６の延伸部ＯＬ２６とを備える第２の段差部ＯＬ２０を有するが、必ずしもこれに限られない。例えば、金属支持体１８０の輪郭線ＯＬ２は、後述する第７の延伸部と第８の延伸部と第９の延伸部とを備える構成であってもよい。第７の延伸部は、上記輪郭線（２つの輪郭線の一方）のＺ軸方向の電解質層１１２側の端部からＺ軸方向に沿って延伸している部分である。第８の延伸部は、第７の延伸部のＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側の端部から、Ｙ軸方向（Ｚ軸方向に交差する方向）のうち、第７の延伸部によって画定される特定貫通孔の電解質層１１２側部分の中心から遠ざかる方向である遠心方向に沿って延伸している部分である。第９の延伸部は、第８の延伸部の当該遠心方向の端部からＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に沿って延伸している部分である。

【0072】

上記実施形態では、燃料極１１６の特定部分１１９は、金属支持体１８０の第２の延伸部ＯＬ１２に接合されているが、接合されていなくてもよいし、接合されずに接触しているだけでもよいし、離隔していてもよい。

【0073】

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、金属支持体１８０（の輪郭線ＯＬ１）は、第１の延伸部ＯＬ１１と第２の延伸部ＯＬ１２と第３の延伸部ＯＬ１３とを備える第１の段差部ＯＬ１０を有し、かつ、燃料極１１６の孔内部１１８は、第２の延伸部ＯＬ１２に対してＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に位置する特定部分１１９を有する。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、特定断面（単セル１１０のＺ軸方向に沿った少なくとも１つの断面）において、空気極側金属支持体の２つの輪郭線の一方は、第１の段差部ＯＬ１０と同様の段差部（以下、「空気極側段差部」という。）を有し、かつ、空気極１１４は、特定部分１１９と同様の特定部分（以下、「空気極特定部分」という。）を有する構成を採用してもよい。具体的には、空気極側金属支持体は、Ｚ軸方向視で空気極１１４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（以下、「空気極側貫通孔」という。）を有する。空気極側段差部は、後述する第１０の延伸部と第１１の延伸部と第１２の延伸部とを備える。第１０の延伸部は、空気極側金属支持体の上記輪郭線（２つの輪郭線の一方）のＺ軸方向の電解質層１１２側の端部からＺ軸方向に沿って延伸している部分である。第１１の延伸部は、第１０の延伸部のＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側の端部から、Ｘ軸方向（Ｚ軸方向に交差する方向）のうち、第１０の延伸部によって画定される空気極側特定貫通孔の電解質層１１２側部分の中心から遠ざかる方向である遠心方向に沿って延伸している部分である。第１２の延伸部は、第１１の延伸部の当該遠心方向の端部からＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に沿って延伸している部分である。空気極１１４は、空気極側貫通孔の少なくとも１つである貫通孔（以下、「空気極側特定貫通孔」という。）内に位置する孔内部（以下、「空気極孔内部」という。）を備え、この空気極孔内部が空気極特定部分を有する。空気極特定部分は、空気極側金属支持体の第１１の延伸部に対してＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に位置する部分である。以上のような空気極側金属支持体を備える（かつ、空気極１１４が空気極孔内部を備える）構成においては、空気極側金属支持体の空気極側段差部と空気極特定部分の存在により、空気極１１４と空気極側金属支持体とにおける相対的なＺ軸方向（より詳細には、Ｚ軸方向のうち、空気極１１４と空気極側金属支持体とが離れる方向）の位置ずれを抑制することができ、ひいては、空気極側金属支持体からの空気極１１４の剥離を抑制することができる。また同様に、以上説明した空気極側金属支持体を備える（かつ、空気極１１４が空気極孔内部を備える）構成において上記実施形態の他の特徴的な構成を更に採用してもよい。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。

【0074】

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、ＳｒＺｒＯ_３）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。

【0075】

上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれるすべての単セル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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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】

【0079】

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 １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １１７：基部 １１８：孔内部 １１９：特定部分 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 ＣＦＤ：遠心方向 ＣＰＤ：求心方向 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＬ１０：第１の段差部 ＯＬ１１：第１の延伸部 ＯＬ１２：第２の延伸部 ＯＬ１３：第３の延伸部 ＯＬ１：輪郭線 ＯＬ２０：第２の段差部 ＯＬ２４：第４の延伸部 ＯＬ２５：第５の延伸部 ＯＬ２６：第６の延伸部 ＯＬ２：輪郭線 ＯＯＧ：酸化剤オフガス 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】