特開 2022-156004 燃料電池単セル、燃料電池スタック、および燃料電池単セルの製造方法

(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】P2022156004

(43)【公開日】2022-10-14

(54)【発明の名称】燃料電池単セル、燃料電池スタック、および燃料電池単セルの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/86 20060101AFI20221006BHJP

   H01M 4/88 20060101ALI20221006BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20221006BHJP

【ＦＩ】

H01M4/86 U

H01M4/88 T

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021059489

(22)【出願日】2021-03-31

(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】柿沼 保夫

(72)【発明者】

【氏名】石田 暁

(72)【発明者】

【氏名】小野 達也

(72)【発明者】

【氏名】竹内 瑞絵

【テーマコード（参考）】

5H018

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H018AA06

5H018AS02

5H018BB11

5H018HH02

5H018HH03

5H126BB06

(57)【要約】

【課題】電気化学反応単セルの性能を向上させる。
【解決手段】
電気化学反応単セルは、空気極と燃料極との対向方向である第１の方向に電解質層と空気極と燃料極とが重なっている発電部と、発電部に含まれない非発電部とを有する。非発電部は、燃料極の一部である燃料極非発電部を含む。燃料極非発電部は、燃料電池単セルを構成する燃料極以外の部材から露出する露出表面を有し、燃料極非発電部に、露出表面に開口する入り口の長さが当該入り口の幅の５倍以上である溝が形成されている。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質層と、
前記電解質層の第１の方向の一方側に配置された空気極と、
前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された燃料極であって、改質触媒を備える燃料極と、を備え、
前記第１の方向に前記電解質層と前記空気極と前記燃料極とが重なっている発電部と、前記発電部に含まれない非発電部であって、前記燃料極の一部である燃料極非発電部を含む非発電部と、を有する、燃料電池単セルにおいて、
前記燃料極非発電部は、前記燃料電池単セルを構成する前記燃料極以外の部材から露出する露出表面を有し、
前記燃料極非発電部に、前記露出表面に開口する入り口の長さが当該入り口の幅の５倍以上である溝が形成されている、
ことを特徴とする燃料電池単セル。

【請求項2】

前記第１の方向に並べて配置された複数の発電単位から構成される発電ブロックを有し、かつ、各前記発電単位は請求項１に記載の燃料電池単セルを備える燃料電池スタックであって、
前記溝の入り口が形成された前記燃料極非発電部の露出表面は、燃料ガスが流れる燃料室に面している、
ことを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項3】

請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
前記溝の入り口は、前記燃料極非発電部の露出表面のうち、前記燃料室を流れる燃料ガスの流れに対向する部分である対向面に形成されている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池スタックであって、
前記燃料室を流れる燃料ガスの流れの方向視において、
前記溝の面積は、前記対向面の全面積に対して１／１０以下である、
ことを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項5】

請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、
前記燃料極のうち、前記発電部に含まれる部分を燃料極発電部としたときに、
前記溝は、前記燃料極発電部の少なくとも一部に対して、前記燃料室を流れる燃料ガスの流れの上流側に位置している、
ことを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項6】

請求項１に記載の燃料電池単セルの製造方法であって、
前記燃料極を形成する材料であって、前記第１の方向に直交する第２の方向の寸法が前記燃料極よりも大きい材料を準備する第１工程と、
レーザーを用いて前記材料を切断することにより、前記溝の入り口が形成される前記燃料極非発電部の露出表面と、前記溝と、を形成する第２工程と、を備える、
ことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。

【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、燃料電池単セル、燃料電池スタック、および燃料電池単セルの製造方法に関する。

【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は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）を備える。単セルは、電解質層と、電解質層の所定の方向（以下、「第１の方向」という。）の一方側に配置された空気極と、電解質層の第１の方向の他方側に配置された燃料極と、を備える。

【0003】

従来、上述した燃料極の内部に改質触媒を備える単セルの構成が知られている（例えば、特許文献１）。この単セルにおいては、例えば、炭化水素（例えばＣＨ_２）を用いて水素リッチな燃料ガスとするために、または別途の改質器により炭化水素を改質して得られる燃料ガスをさらに改質するために、燃料極周辺に導入される燃料ガスを、燃料極の内部に備えられた改質触媒（例えばＮｉ）により改質する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－３６４１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述した改質触媒による改質反応は吸熱反応である。上述した単セルでは、燃料極のうち、第１の方向に電解質層と空気極とに重なっている部分（以下、「燃料極発電部」という。）内で上記改質反応が生じることにより燃料極発電部内の温度が低くなり、これにより単セルの発電性能が低下するおそれがある。

【0006】

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】

【0007】

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。

【0008】

（１）本明細書に開示される燃料電池単セルは、電解質層と、前記電解質層の第１の方向の一方側に配置された空気極と、前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された燃料極であって、改質触媒を備える燃料極と、を備え、前記第１の方向に前記電解質層と前記空気極と前記燃料極とが重なっている発電部と、前記発電部に含まれない非発電部であって、前記燃料極の一部である燃料極非発電部を含む非発電部と、を有する、燃料電池単セルにおいて、前記燃料極非発電部は、前記燃料電池単セルを構成する前記燃料極以外の部材から露出する露出表面を有し、前記燃料極非発電部に、前記露出表面に開口する入り口の長さが当該入り口の幅の５倍以上である溝が形成されている。

【0009】

本燃料電池単セルでは、上記溝が形成されているため、燃料極非発電部の露出表面を通る燃料ガスは当該溝に入り込むことにより燃料極非発電部内に滞留し易くなり、燃料極非発電部内で改質されやすくなる。そのため、本燃料電池単セルにおいては、燃料極発電部内に至る燃料ガスの改質率（全体の燃料ガスの流量に対する、既に改質された燃料ガスの流量の割合）を向上させることができ、これにより燃料極発電部の温度の低下を抑制することができる。よって、本燃料電池単セルによれば、上記溝が形成されていない従来の構成と比較して、燃料極発電部内において上記改質反応（吸熱反応）が生じることに起因する燃料極発電部の温度の低下を抑制することができ、ひいては、燃料電池単セルの発電性能を向上させることができる。

【0010】

本燃料電池スタックは、Ｚ軸方向に並べて配置された複数の発電単位から構成される発電ブロックを有する。各発電単位は上述した燃料電池単セルを備える。溝の入り口が形成された燃料極非発電部の露出表面は、燃料ガスが流れる燃料室に面している。このような構成である本燃料電池スタックによれば、上述したように、上記溝が形成されていることにより、燃料極発電部内において上記改質反応（吸熱反応）が生じることに起因する燃料極発電部内の温度の低下を抑制することができ、ひいては、燃料電池単セルの発電性能（ひいては、燃料電池スタックの発電性能）を向上させることができる。

【0011】

（２）本明細書に開示される燃料電池スタックは、前記第１の方向に並べて配置された複数の発電単位から構成される発電ブロックを有し、かつ、各前記発電単位は上記燃料電池単セルを備え、前記溝の入り口が形成された前記燃料極非発電部の露出表面は、燃料ガスが流れる燃料室に面している構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、上述したように、上記溝が形成されていることにより、燃料極発電部内において上記改質反応（吸熱反応）が生じることに起因する燃料極発電部内の温度の低下を抑制することができ、ひいては、燃料電池単セルの発電性能（ひいては、燃料電池スタックの発電性能）を向上させることができる。

【0012】

（３）上記燃料電池スタックにおいて、前記溝の入り口は、前記燃料極非発電部の露出表面のうち、前記燃料室を流れる燃料ガスの流れに対向する部分である対向面に形成されている構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、より効果的に、燃料ガスが燃料極非発電部内により滞留し易くなり、ひいては、より効果的に、燃料電池単セルの発電性能（ひいては、燃料電池スタックの発電性能）を向上させることができる。

【0013】

（４）上記燃料電池スタックにおいて、前記燃料室を流れる燃料ガスの流れの方向視において、前記溝の面積は、前記対向面の全面積に対して１／１０以下である構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、上記溝が形成されていることにより、上述したように燃料極発電部内に至る燃料ガスの改質率を向上させることができる。更に、燃料室を流れる燃料ガスの流れの方向視において、溝の面積は、上記対向面の全面積に対して１／１０以下と十分に小さいことにより、溝の面積が上記対向面の全面積に対して１／１０より大きい構成と比較して、燃料極の強度を向上させることができる。

【0014】

（５）上記燃料電池スタックにおいて、前記燃料極のうち、前記発電部に含まれる部分を燃料極発電部としたときに、前記溝は、前記燃料極発電部の少なくとも一部に対して、前記燃料室を流れる燃料ガスの流れの上流側に位置している構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、より効果的に、燃料ガスが燃料極非発電部内により滞留し易くなり、ひいては、より効果的に、燃料電池単セルの発電性能（ひいては、燃料電池スタックの発電性能）を向上させることができる。

【0015】

（６）上記燃料電池単セルの製造方法において、前記燃料極を形成する材料であって、前記第１の方向に直交する第２の方向の寸法が前記燃料極よりも大きい材料を準備する第１工程と、レーザーを用いて前記材料を切断することにより、前記溝の入り口が形成される前記燃料極非発電部の露出表面と、前記溝と、を形成する第２工程と、を備える構成としてもよい。本製造方法によれば、上述したように燃料ガスを滞留させる上記溝を容易に形成することができるため、当該溝が形成された燃料極を備える燃料電池単セルを容易に製造することができる。

【0016】

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池単セル、燃料電池スタック、燃料電池単セルの製造方法、燃料電池スタック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】

【0017】

【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】単セル１１０（特に燃料極非発電部１１８）の構成を概略的に示す斜視図である。

【図7】燃料極非発電部１１８の一部のＹＺ断面構成を示す説明図

【図8】本実施形態における単セル１１０の製造方法を示すフローチャート

【図9】変形例における燃料極非発電部１１８の一部のＹＺ断面構成を示す説明図

【図10】変形例における燃料電池スタック１００ＡのＹＺ断面構成を示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0018】

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。

【0019】

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（以下、「発電ブロック１０３」という。）を上下から挟むように配置されている。なお、上下方向（Ｚ軸方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

【0020】

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、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔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、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。

【0021】

各連通孔１０８には上下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、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。

【0022】

各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸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２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２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ボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２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。

【0023】

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軸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が挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２に供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２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。燃料電池スタック１００の外部から導入される燃料ガスＦＧとしては、例えば、炭化水素（例えばＣＨ_２）を外部の改質器などにより改質して得られるガスが使用され得る。

【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の分岐部２９には、ガス配管（図示せず）が接続される。また、図２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に連通しており、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３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。

【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、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。

【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、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軸方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔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、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。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の上方（上下方向の一方）側に配置された空気極（カソード)１１４と、電解質層１１２の下方（上下方向の他方）側に配置された燃料極（アノード）１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された中間層１８０とを備えている。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６によって単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、中間層１８０）を支持する燃料極支持形の単セルである。単セル１１０は、Ｚ軸方向に電解質層１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なっている発電部ＰＧと、発電部ＰＧに含まれない非発電部ＮＰＧとを有している。発電部ＰＧは発電反応が主に生じる部分であり、発電に対する寄与が比較的大きいのに対し、非発電部ＮＰＧは発電反応が比較的生じにくく、発電に対する寄与が比較的小さい。本実施形態では、Ｚ軸方向視において、発電部ＰＧは単セル１１０の中央に位置し、非発電部ＮＰＧは発電部ＰＧの周囲を囲むように位置している。

【0030】

電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含むように構成されている。すなわち、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、略矩形の平板形状部材であり、ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型酸化物（例えば、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（以下、「ＬＳＣＦ」という。））を含むように構成されている。

【0031】

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。燃料極１１６は、その内部において、上述したＮｉまたは他の材料よりなる改質触媒ＲＴ（図示せず）を備えている。改質触媒ＲＴは、炭化水素（例えばＣＨ_２）などのガスを用いて水素リッチな燃料ガスとするための触媒として機能する。燃料電池スタック１００の外部から導入される燃料ガスＦＧは、未改質のガス（例えば炭化水素）を含んでいる場合がある。換言すれば、燃料ガスＦＧの全体の流量に対する、既に改質された燃料ガスＦＧの流量の割合（以下、「改質率」という。）が１００％でない場合がある。改質率が１００％でない燃料ガスＦＧは、燃料極１１６内に流れると、改質触媒ＲＴを利用した改質反応により更に改質される。なお、この改質反応は吸熱反応である。このように、燃料極１１６内に備えられた改質触媒ＲＴによって、燃料ガスＦＧの改質率が向上する。

【0032】

中間層１８０は、略矩形の平板形状部材であり、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）を含むように構成されている。中間層１８０は、空気極１１４から拡散したＳｒ（ストロンチウム）が電解質層１１２に含まれるＺｒ（ジルコニウム）と反応して高抵抗な物質であるＳｒＺｒＯ_３が生成されることを抑制する。

【0033】

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、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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。ただし、上述したように、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におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６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（またはエンドプレート１０６）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（またはエンドプレート１０６）との電気的接続が良好に維持される。

【0037】

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。ただし、上述したように、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、上側のエンドプレート１０４に接触している。

【0038】

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。

【0039】

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。このとき、燃料室１７６に供給される燃料ガスＦＧは、燃料室１７６内に備えられた改質触媒ＲＴを利用した改質反応により、更に改質される。このように改質された燃料ガスＦＧにより上記発電反応が行われるため、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）が向上する。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。

【0040】

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（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

【0041】

Ａ－３．単セル１１０の詳細構成：
以下において、燃料極１１６のうち、発電部ＰＧ（単セル１１０のうち、Ｚ軸方向に電解質層１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なっている部分）に含まれる部分を「燃料極発電部１１７」といい、非発電部ＮＰＧ（単セル１１０のうち、発電部ＰＧに含まれない部分）に含まれる部分を「燃料極非発電部１１８」という。なお、上述したように燃料極１１６は改質触媒ＲＴ（図示せず）を備えるが、より詳細には、燃料極発電部１１７と燃料極非発電部１１８とのいずれもが改質触媒ＲＴを備えている。

【0042】

図６は、単セル１１０（特に燃料極非発電部１１８）の構成を概略的に示す斜視図である。図６の下部には、燃料極非発電部１１８のうち、単セル１１０を構成する燃料極１１６以外の部材（電解質層１１２など）から露出する表面（以下、「露出表面」という。）ＳＳの様子が拡大して示されている。図７は、燃料極非発電部１１８の一部のＹＺ断面構成を示す説明図である。図６および図７に示すように、燃料極非発電部１１８の露出表面ＳＳには、複数の溝Ｇが形成されている。

【0043】

各溝Ｇを画定する燃料極非発電部１１８の表面の少なくとも一部は改質触媒ＲＴにより構成されている。

【0044】

各溝Ｇの露出表面ＳＳに開口する入り口Ｇ１は、燃料極非発電部１１８の露出表面ＳＳのうち、燃料室１７６を流れる燃料ガスＦＧの流れ（以下、単に「燃料ガスＦＧの流れ」という。）に対向する部分（以下、「対向面」という。）ＦＳに形成されている。

【0045】

燃料極非発電部１１８のうち、溝Ｇの入り口Ｇ１が形成されている表面である上記対向面ＦＳは、燃料ガスＦＧが流れる燃料室１７６に面している。

【0046】

図６に示すように、各溝Ｇの入り口Ｇ１の長さＬＧ１は、当該入り口Ｇ１の幅ＧＧ１の５倍以上（例えば約６倍）である。ここでいう入り口Ｇ１の幅ＧＧ１は、当該入り口Ｇ１における最大幅である。例えば、各溝Ｇの入り口Ｇ１の幅ＧＧ１は約０．１～１．０μｍであり、入り口Ｇ１の長さＬＧ１は約０．５～５．０μｍである。なお、本実施形態では、各溝Ｇの入り口Ｇ１の長さＬＧ１の方向（延伸方向）は様々である。

【0047】

Ｙ軸方向視（換言すれば、燃料室１７６を流れる燃料ガスＦＧの流れの方向視）において、各溝Ｇの面積は、燃料極非発電部１１８の上記対向面ＦＳの全面積に対して１／１０以下（例えば１／１００）である。なお、本実施形態では、Ｙ軸方向視において、燃料極非発電部１１８の上記対向面ＦＳの略全体にわたって複数の溝Ｇが分散するように配置されている。

【0048】

各溝Ｇは、燃料極発電部１１７（燃料極１１６のうち、発電部ＰＧに含まれる部分）に対して、燃料ガスＦＧの流れの上流側（本実施形態ではＹ軸負方向側）に位置している。

【0049】

図７に示すように、本実施形態では、各溝Ｇの幅（ＧＧ）は入り口Ｇ１から底まで略同一である。各溝Ｇの深さ（本実施形態ではＹ軸方向の深さ）ＧＤは、例えば約０．５～５．０μｍである。燃料極非発電部１１８のＹＺ断面（換言すれば、溝Ｇの深さ方向に沿った断面）において、各溝Ｇは入り口Ｇ１以外が閉じている袋小路状である。なお、厳密には溝Ｇと連通する極めて微小な（例えば幅が０．０１μｍ以下）孔が存在する場合があるが、このような場合も上記の「閉じている」に該当するものと解釈してもよい。

【0050】

なお、図６の下図に示すように、単セル１１０は、電解質層１１２と燃料極１１６とを接合する溶接部２００を備えている。溶接部２００は、Ｚ軸方向視において電解質層１１２と燃料極１１６との周方向に沿って互いに離間しつつ並ぶように複数配置されている。溶接部２００は、溶融溶接法により、電解質層１１２の形成材料（例えばＹＳＺ）と燃料極１１６の形成材料（例えばＮｉ）とが溶融して凝固したものである。

【0051】

Ａ－４．単セル１１０の製造方法：
図８は、本実施形態における単セル１１０の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態の単セル１１０の製造方法は、例えば以下の通りである。

【0052】

（電解質層１１２と燃料極１１６との積層体の形成）
ＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート（ＤＯＰ）と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約１０μｍの電解質層用グリーンシートを得る（Ｓ１１）。また、ＮｉＯの粉末をＮｉ重量に換算して５５質量部となるように秤量し、ＹＳＺの粉末４５質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ２７０μｍの燃料極用グリーンシートを得る（Ｓ１２）。次に、Ｚ軸方向視で燃料極用グリーンシートの少なくとも一方側（溝Ｇが形成される部分周辺）が電解質層用グリーンシートの外側に位置するように電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて、乾燥させる。その後、例えば１４００℃にて焼成を行う（Ｓ１３）。このように燃料極用グリーンシートが焼成されることにより形成される材料を「切断前燃料極」という。ここで準備する切断前燃料極は、Ｚ軸方向に直交する方向（本実施形態ではＸ軸方向およびＹ軸方向）の寸法が電解質層１１２よりも大きいものとする。なお、切断前燃料極は、特許請求の範囲における「燃料極を形成する材料」の一例であり、切断前燃料極を準備する工程は、特許請求の範囲における第１工程の一例である。

【0053】

次に、レーザーを用いて切断前燃料極の上記一方側（溝Ｇが形成される部分周辺）を切断する（Ｓ１４）。具体的には、例えばＣＯ_２レーザー（炭酸ガスレーザー），ＹＡＧレーザー，ファイバーレーザー等のレーザーを、切断前燃料極の上面（Ｚ軸方向の電解質層１１２側の表面）に対してＺ軸方向に照射する。これにより、切断前燃料極が切断されると共に、その切断面（燃料極非発電部１１８の露出表面ＳＳ（本実施形態では上記対向面ＦＳ）に相当）に、上述した溝Ｇが形成される。なお、レーザーの出力の大きさにより、溝Ｇの形状を制御することができる。具体的には、レーザーの出力を大きくすることにより、溝Ｇの入り口Ｇ１の長さＬＧ１や幅ＧＧ１や深さＧＤが長くなりやすい。以上により、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。このように燃料極用グリーンシートを切断する工程は、特許請求の範囲における第２工程の一例である。

【0054】

（中間層１８０の形成）
ＧＤＣ粉末にＹＳＺ粉末を添加し、高純度ジルコニア玉石にて６０時間、分散混合を行う。混合後の粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。得られた中間層用ペーストを、上述した電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における電解質層１１２の表面にスクリーン印刷によって塗布し、例えば１２００℃で焼成を行う（Ｓ１５）。これにより、中間層１８０が形成され、中間層１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。

【0055】

（空気極１１４の形成）
粉砕したＬＳＣＦ粉末と、ＧＤＣ粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、分散剤と、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極用ペーストを調製する。次に、得られた空気極用ペーストを、上述した中間層１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における中間層１８０の表面にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。その後、所定の温度（例えば、１０００℃）で所定時間（例えば、３時間）、焼成を行う。焼成により、空気極１１４が形成される（Ｓ１５）。以上の工程により、上述した構成の単セル１１０が製造される。

【0056】

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を構成する単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２のＺ軸正方向（Ｚ軸方向の一方）側に配置された空気極１１４と、電解質層１１２のＺ軸負方向（Ｚ軸方向の他方）側に配置された燃料極１１６とを備える。燃料極１１６は、改質触媒ＲＴを備える。単セル１１０は、Ｚ軸方向に電解質層１１２と空気極１１４と燃料極１１６とが重なっている発電部ＰＧと、発電部ＰＧに含まれない非発電部ＮＰＧとを有する。非発電部ＮＰＧは、燃料極１１６の一部である燃料極非発電部１１８を含む。燃料極非発電部１１８は、単セル１１０を構成する燃料極１１６以外の部材（電解質層１１２など）から露出する露出表面ＳＳを有する。燃料極非発電部１１８に、露出表面ＳＳに開口する入り口Ｇ１の長さＬＧ１が当該入り口Ｇ１の幅ＧＧ１の５倍以上である溝Ｇが形成されている。

【0057】

本実施形態の単セル１１０では、当該溝Ｇが形成されているため、燃料極非発電部１１８の露出表面ＳＳを通る燃料ガスＦＧは当該溝Ｇに入り込むことにより燃料極非発電部１１８内に滞留し易くなり、燃料極非発電部１１８内で改質されやすくなる。そのため、本実施形態の単セル１１０においては、燃料極発電部１１７内に至る燃料ガスＦＧの改質率（全体の燃料ガスＦＧの流量に対する、既に改質された燃料ガスＦＧの流量の割合）を向上させることができ、これにより燃料極発電部１１７の温度の低下を抑制することができる。よって、本実施形態の単セル１１０によれば、上記溝Ｇが形成されていない従来の構成と比較して、燃料極発電部１１７内において上記改質反応（吸熱反応）が生じることに起因する燃料極発電部１１７の温度の低下を抑制することができ、ひいては、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）を向上させることができる。

【0058】

本実施形態の燃料電池スタック１００は、Ｚ軸方向に並べて配置された複数の発電単位１０２から構成される発電ブロック１０３を有する。各発電単位１０２は上述した単セル１１０を備える。溝Ｇの入り口Ｇ１が形成された燃料極非発電部１１８の露出表面ＳＳ（より詳細には上記対向面ＦＳ）は、燃料ガスＦＧが流れる燃料室１７６に面している。このような構成である本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、上述したように、上記溝Ｇが形成されていることにより、燃料極発電部１１７内において上記改質反応（吸熱反応）が生じることに起因する燃料極発電部１１７内の温度の低下を抑制することができ、ひいては、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）を向上させることができる。

【0059】

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、溝Ｇの入り口Ｇ１は、燃料極非発電部１１８の露出表面ＳＳのうち、燃料室１７６を流れる燃料ガスＦＧの流れに対向する部分である対向面ＦＳに形成されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、より効果的に、燃料ガスＦＧが燃料極非発電部１１８内により滞留し易くなり、ひいては、より効果的に、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）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では、燃料室１７６を流れる燃料ガスＦＧの流れの方向視（本実施形態ではＸ軸方向視）において、溝Ｇの面積は、燃料極非発電部１１８の上記対向面ＦＳの全面積に対して１／１０以下である。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、上記溝Ｇが形成されていることにより、上述したように燃料極発電部１１７内に至る燃料ガスＦＧの改質率を向上させることができる。更に、燃料室１７６を流れる燃料ガスＦＧの流れの方向視において、溝Ｇの面積は、燃料極非発電部１１８の上記対向面ＦＳの全面積に対して１／１０以下と十分に小さいことにより、溝Ｇの面積が燃料極非発電部１１８の上記対向面ＦＳの全面積に対して１／１０より大きい構成と比較して、燃料極１１６の強度を向上させることができる。

【0061】

また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、溝Ｇは、燃料極発電部１１７（燃料極１１６のうち、発電部ＰＧに含まれる部分）の少なくとも一部に対して、燃料室１７６を流れる燃料ガスＦＧの流れの上流側に位置している。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、より効果的に、燃料ガスＦＧが燃料極非発電部１１８内により滞留し易くなり、ひいては、より効果的に、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）を向上させることができる。

【0062】

また、本実施形態の単セル１１０の製造方法は、下記の第１工程と第２工程とを備える。第１工程は、燃料極１１６を形成する材料であって、Ｚ軸方向に直交する方向（本実施形態ではＸ軸方向）の寸法が燃料極１１６よりも大きい材料を準備する工程である。第２工程は、レーザーを用いて材料を切断することにより、溝Ｇの入り口Ｇ１が形成される燃料極非発電部１１８の露出表面ＳＳ（より詳細には上記対向面ＦＳ）と、溝Ｇとを形成する工程である。本製造方法によれば、上述したように燃料ガスＦＧを滞留させる上記溝Ｇを容易に形成することができるため、当該溝Ｇが形成された燃料極１１６を備える単セル１１０を容易に製造することができる。

【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。

【0064】

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、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。

【0065】

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。

【0066】

また、溝Ｇの形状は、入り口Ｇ１の長さＬＧ１が当該入り口Ｇ１の幅ＧＧ１の５倍以上であるという条件を満たす限り、どのような形状であってもよい。図９は、変形例における燃料極非発電部１１８の一部のＹＺ断面構成を示す説明図である。例えば、上記実施形態では、各溝Ｇの幅（ＧＧ）は入り口Ｇ１から底まで略同一であるが、図９に示すように、各溝Ｇの幅（ＧＧ）が入り口Ｇ１から底に向かうにつれて狭くなるものであってもよい。

【0067】

また、溝Ｇが形成される場所は、入り口Ｇ１が燃料極非発電部１１８の露出表面ＳＳに開口するという条件を満たす限り、燃料極非発電部１１８のどこであってもよい。例えば、上記実施形態において、溝Ｇが燃料極非発電部１１８の下面に形成されていてもよい。また、上記実施形態において、溝Ｇが燃料極非発電部１１８における燃料ガスＦＧの流れ方向に沿った側面に形成されていてもよい。

【0068】

また、上記実施形態において、溝Ｇは、燃料極発電部１１７（燃料極１１６のうち、発電部ＰＧに含まれる部分）の全体ではなく一部のみに対して、燃料ガスＦＧの流れの上流側に位置している構成であってもよい。この構成においても、溝Ｇが燃料極発電部１１７の当該一部に対して燃料ガスＦＧの流れの上流側に位置していることにより、より効果的に、燃料ガスＦＧが燃料極非発電部１１８内により滞留し易くなり、ひいては、より効果的に、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）を向上させることができる。

【0069】

また、上記実施形態では、改質触媒ＲＴを備える燃料極１１６は、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、発電反応が進行する反応場として機能する部材であり、このような燃料極１１６に上記溝Ｇが形成されている構成である。このような構成に換えて、改質触媒ＲＴを備える燃料極が上記反応場として機能しない部材であり、このような燃料極に上記溝Ｇが形成されている構成を採用してもよい。

【0070】

上記実施形態では、いわゆる平板型の単セル１１０を対象としているが、本明細書に開示される技術を他のタイプの単セルに適用してもよい。図１０は、変形例における燃料電池スタック１００ＡのＹＺ断面構成を示す説明図である。例えば、図１０に示すように、いわゆる円筒型の単セル１１０Ａに適用してもよい。円筒型の単セルの基本的構成については、例えば特開２０１８－１２９２４６号公報などにより開示されており、公知であるため、説明は省略する。図１０の単セル１１０Ａは、電解質層１１２Ａと、空気極１１４Ａと、燃料極１１６Ａとを備える。燃料極１１６Ａは、改質触媒ＲＴＡ（図示せず）を備える。単セル１１０Ａは、発電部ＰＧＡと、発電部ＰＧに含まれない非発電部ＮＰＧＡとを有する。非発電部ＮＰＧＡは、燃料極１１６Ａの一部である燃料極非発電部１１８Ａを含む。燃料極非発電部１１８Ａは、単セル１１０Ａを構成する燃料極１１６Ａ以外の部材（電解質層１１２Ａなど）から露出する露出表面ＳＳＡを有する。燃料極非発電部１１８Ａに、露出表面ＳＳに開口する入り口Ｇ１Ａの長さＬＧ１Ａ（図示せず）が当該入り口Ｇ１Ａの幅ＧＧ１Ａの５倍以上である溝ＧＡが形成されている。図１０の単セル１１０Ａにおいても、上記溝ＧＡが形成されていない従来の構成と比較して、燃料極発電部１１７Ａ内において改質反応（吸熱反応）が生じることに起因する燃料極発電部１１７Ａの温度の低下を抑制することができ、ひいては、単セル１１０Ａの発電性能（ひいては、燃料電池スタック１００Ａの発電性能）を向上させることができる。

【0071】

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単セルおよび電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の溝Ｇが形成された構成を採用すれば、燃料極発電部１１７内において上記改質反応（吸熱反応）が生じることに起因する燃料極発電部１１７内の温度の低下を抑制することができ、ひいては、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）を向上させることができる。

【0072】

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】

【0073】

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 １００：燃料電池スタック １００Ａ：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０３：発電ブロック １０４，１０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１０Ａ：単セル １１２：電解質層 １１２Ａ：電解質層 １１４：空気極 １１４Ａ：空気極 １１６：燃料極 １１６Ａ：燃料極 １１７：燃料極発電部 １１７Ａ：燃料極発電部 １１８：燃料極非発電部 １１８Ａ：燃料極非発電部 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 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 １８０：中間層 ２００：溶接部 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＦＳ：対向面 Ｇ１：入り口 Ｇ１Ａ：入り口 Ｇ：溝 ＧＡ：溝 ＧＤ：溝の深さ ＧＧ１：溝の幅 ＧＧ１Ａ：溝の幅 ＬＧ１：溝の長さ ＬＧ１Ａ：溝の長さ ＮＰＧ：非発電部 ＮＰＧＡ：非発電部 ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス ＰＧ：発電部 ＰＧＡ：発電部 ＲＴ：改質触媒 ＲＴＡ：改質触媒 ＳＳ：露出表面 ＳＳＡ：露出表面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】