JP2018018694A - Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress growth of a coated film of oxidation resistance and deterioration of performance of an electrochemical reaction unit.SOLUTION: An electrochemical reaction unit comprises: an electrochemical reaction unit cell that includes an electrolyte layer, air electrodes opposite to each other while sandwiching the electrolyte layer, and a fuel electrode side; a metal inter connector that is arranged on the fuel electrode side of the electrochemical reaction unit cell; and a metal collector that is arranged between the fuel electrode and the inter connector, and includes a plurality of convex parts contacted to a front surface of the fuel electrode. From a first direction view, the collector and the inter connector are connected in a first region that is an overlapping region overlapping with both of a contact surface of the fuel electrode in the convex part of the collector and the contact surface of the inter connector in the collector. In a second region surrounding the first region as a part of the overlapping region, a coated film of an oxidation resistance is formed on the front surface of the side opposite to the fuel electrode in the inter connector.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。   The technology disclosed herein relates to electrochemical reaction units.

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の構成単位である燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という）は、少なくとも、燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）と、インターコネクタと、集電体とを備える。単セルは、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に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。インターコネクタは、単セルの燃料極側に配置された金属製の部材である。集電体は、燃料極とインターコネクタとの間に配置された金属製の部材であって、燃料極の表面に接する複数の凸部を有し、単セル（の燃料極）とインターコネクタとの間の導電性（電気的接続）を確保する。   A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) is known as one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell power generation unit (hereinafter simply referred to as “power generation unit”) that is a constituent unit of SOFC includes at least a fuel cell single cell (hereinafter simply referred to as “single cell”), an interconnector, and a current collector. . The single cell includes an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a predetermined direction with the electrolyte layer interposed therebetween. The interconnector is a metal member disposed on the fuel electrode side of the single cell. The current collector is a metal member disposed between the fuel electrode and the interconnector, and has a plurality of convex portions in contact with the surface of the fuel electrode. Ensure electrical conductivity (electrical connection) between the two.

従来、インターコネクタにおける燃料極に対向する側の表面の内、集電体と接触せずに露出している領域に、耐酸化性の被膜（例えば、Ｃｒ２Ｏ３等のクロム酸化物の被膜）を形成して、インターコネクタの酸化の進行を防ぐ技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, an oxidation-resistant film (for example, a film of chromium oxide such as Cr 2 O 3) is exposed on a region of the surface of the interconnector facing the fuel electrode that is exposed without contacting the current collector. ) Is formed to prevent the progress of oxidation of the interconnector (see, for example, Patent Document 1).

特開２０１０−１９９０５８号公報JP 2010-199058 A

上記従来の技術では、集電体とインターコネクタとの接触領域に酸素が進入し、該接触領域において耐酸化性の被膜が成長するおそれがある。一般に、耐酸化性の被膜は高い電気抵抗を有するため、集電体とインターコネクタとの接触領域において耐酸化性の被膜が成長すると、集電体とインターコネクタとの間の導通面積が小さくなる。その結果、電流集中による局所的な温度上昇が引き起こされ、電極構造が変化して発電単位の性能が低下するおそれがある。   In the conventional technique, oxygen may enter the contact region between the current collector and the interconnector, and an oxidation-resistant film may grow in the contact region. In general, since an oxidation-resistant film has a high electric resistance, when the oxidation-resistant film grows in a contact region between the current collector and the interconnector, a conduction area between the current collector and the interconnector is reduced. . As a result, a local temperature increase due to current concentration is caused, and the electrode structure may change to deteriorate the performance of the power generation unit.

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セル単位にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼ぶ。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単位にも共通の課題である。  Such a problem is common to the electrolytic cell unit that is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. It is. In the present specification, the fuel cell power generation unit and the electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit. Such a problem is not limited to SOFC and SOEC, but is common to other types of electrochemical reaction units.

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。   In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.

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。   The technology disclosed in the present specification can be realized as, for example, the following forms.

（１）本明細書に開示される電気化学反応単位は、電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記燃料極側に配置された金属製のインターコネクタと、前記燃料極と前記インターコネクタとの間に配置され、前記燃料極の表面に接する複数の凸部を有する金属製の集電体と、を備える電気化学反応単位において、前記第１の方向視で、前記集電体の前記凸部における前記燃料極との接触面と、前記集電体における前記インターコネクタとの接触面と、の両方に重なる重複領域の一部である第１の領域において、前記集電体と前記インターコネクタとが接合されており、前記重複領域の一部であって前記第１の領域を取り囲む第２の領域において、前記インターコネクタにおける前記燃料極に対向する側の表面に耐酸化性の被膜が形成されている。本電気化学反応単位によれば、集電体とインターコネクタとが接合された部分において高抵抗な耐酸化性の被膜の形成を抑え、集電体とインターコネクタとの間の導電性を確保することができる。また、集電体とインターコネクタとの間における第２の領域より内側の第１の領域への酸素の進入を抑制することができ、高抵抗な耐酸化性の被膜が第１の領域に向かって成長することを抑制することができ、集電体とインターコネクタとの間の導電性が確保された領域の面積が減少すること（つまり、運転中の導電性が確保された領域の面積の変化）を抑制することができる。その結果、集電体とインターコネクタとの間の導電領域の面積減少による電流集中を抑制することができ、電流集中による局所的な温度上昇によって電極構造が変化し、電気化学反応単位の性能が低下することを抑制することができる。 (1) An electrochemical reaction unit disclosed in the present specification includes an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween; A metal interconnector disposed on the fuel electrode side of the chemical reaction unit cell, and a metal interconnector disposed between the fuel electrode and the interconnector and having a plurality of convex portions that contact the surface of the fuel electrode. An electrochemical reaction unit comprising: a current collector; and a contact surface of the convex portion of the current collector with the fuel electrode in contact with the interconnector in the current collector in the first direction view. And in the first region that is part of the overlapping region that overlaps both of the surfaces, the current collector and the interconnector are joined, and the first region is part of the overlapping region. In the surrounding second area , The fuel electrode to the opposite of oxidation resistance on the surface of the side coating is formed in the interconnector. According to this electrochemical reaction unit, the formation of a high-resistance, oxidation-resistant film is suppressed at the portion where the current collector and the interconnector are joined, and the electrical conductivity between the current collector and the interconnector is ensured. be able to. In addition, the entry of oxygen into the first region inside the second region between the current collector and the interconnector can be suppressed, and a high-resistance oxidation-resistant film is directed toward the first region. The area of the area where the conductivity between the current collector and the interconnector is ensured is reduced (that is, the area of the area where the conductivity is ensured during operation is reduced). Change) can be suppressed. As a result, current concentration due to a decrease in the area of the conductive region between the current collector and the interconnector can be suppressed, and the electrode structure changes due to local temperature rise due to current concentration, and the performance of the electrochemical reaction unit is reduced. It can suppress that it falls.

（２）上記電気化学反応単位において、前記重複領域以外の領域である非重複領域の少なくとも一部の領域において、前記インターコネクタにおける前記燃料極に対向する側の表面に前記耐酸化性の被膜が形成されている構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、インターコネクタの酸化の進行を防ぐことができる。 (2) In the electrochemical reaction unit, in at least a partial region of the non-overlapping region that is a region other than the overlapping region, the oxidation-resistant film is formed on a surface of the interconnector facing the fuel electrode. It is good also as the structure currently formed. According to this electrochemical reaction unit, the progress of oxidation of the interconnector can be prevented.

（３）上記電気化学反応単位において、前記第１の領域において、前記集電体と前記インターコネクタとが拡散層を介して接合されている構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、集電体とインターコネクタとの間の導電性を確実に確保することができる。 (3) In the electrochemical reaction unit, the current collector and the interconnector may be joined via a diffusion layer in the first region. According to this electrochemical reaction unit, the electrical conductivity between the current collector and the interconnector can be reliably ensured.

（４）上記電気化学反応単位において、前記耐酸化性の被膜は、クロム酸化物を含む構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、Ｃｒを含むインターコネクタを用いる際に、クロム酸化物を含む耐酸化性の被膜が第１の領域まで進行することを抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction unit, the oxidation-resistant film may include a chromium oxide. According to this electrochemical reaction unit, when using the interconnector containing Cr, it can suppress that the oxidation-resistant film containing a chromium oxide progresses to a 1st area | region.

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、電気化学反応単位（燃料電池発電単位または電解セル単位）、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（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。   Note that the technology disclosed in this specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction unit (a fuel cell power generation unit or an electrolysis cell unit), and an electricity provided with a plurality of electrochemical reaction units. It can be realized in the form of a chemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a manufacturing method thereof, and the like.

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。1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in the present embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the fuel cell stack 100 in the position of II-II of FIG. 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。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position of III-III in FIG. 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。It is explanatory drawing which shows XZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 図４および図５のＶＩ−ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows XY cross-section structure of the electric power generation unit 102 in the position of VI-VI of FIG. 4 and FIG. 図４および図５のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of a power generation unit at a position VII-VII in FIGS. 4 and 5. 燃料極側集電体１４４およびインターコネクタ１５０の詳細構成を示すＸＺ断面図である。3 is an XZ sectional view showing a detailed configuration of a fuel electrode side current collector 144 and an interconnector 150. FIG. 燃料極側集電体１４４およびインターコネクタ１５０の詳細構成を示すＹＺ断面図である。4 is a YZ sectional view showing a detailed configuration of a fuel electrode side current collector 144 and an interconnector 150. FIG. 燃料極側集電体１４４およびインターコネクタ１５０の詳細構成を示すＸＹ断面図である。4 is an XY cross-sectional view showing a detailed configuration of a fuel electrode side current collector 144 and an interconnector 150. FIG. 変形例における燃料極側集電体１４４ａおよびインターコネクタ１５０の詳細構成を示すＸＺ断面図である。It is XZ sectional drawing which shows the detailed structure of the fuel electrode side collector 144a and the interconnector 150 in a modification.

Ａ．実施形態：
Ａ−１．装置構成：
（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。 A. Embodiment:
A-1. Device configuration:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in the present embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position of III-III in FIG. In each figure, XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction are shown. In this specification, for the sake of convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction. However, the fuel cell stack 100 is actually different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIG.

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。   The fuel cell stack 100 includes a plurality (seven in this embodiment) of fuel cell power generation units (hereinafter simply referred to as “power generation units”) 102 and a pair of end plates 104 and 106. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in the present embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an assembly composed of seven power generation units 102 from above and below. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.

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。   A plurality of (eight in the present embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z direction of each layer (power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100. The holes formed in each layer and corresponding to each other communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the communication holes 108 may also be referred to as communication holes 108.

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。   Bolts 22 extending in the vertical direction are inserted into the communication holes 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolts 22 and nuts 24 fitted on both sides of the bolts 22. 2 and 3, between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the end plate 104 constituting the upper end of the fuel cell stack 100, and the bolt An insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of 22 and the lower surface of the end plate 106 constituting the lower end of the fuel cell stack 100. However, in a place where a gas passage member 27 described later is provided, an insulating sheet disposed between the nut 24 and the surface of the end plate 106 on the upper and lower sides of the gas passage member 27 and the gas passage member 27, respectively. 26 is interposed. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic powder sheet, a glass sheet, a glass ceramic composite agent, or the like.

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。   The outer diameter of the shaft portion of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108. Therefore, a space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108. As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 100 is located near the midpoint of one side (the X-axis positive direction side of two sides parallel to the Y-axis) on the outer periphery around the Z-direction. The space formed by the bolt 22 (bolt 22A) and the communication hole 108 through which the bolt 22A is inserted is introduced with the oxidant gas OG from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is generated by each power generation. It functions as an oxidant gas introduction manifold 161 that is a gas flow path to be supplied to the unit 102, and is the midpoint of the side opposite to the side (X-axis negative direction side of two sides parallel to the Y-axis) The space formed by the bolts 22 (bolts 22B) located in the vicinity and the communication holes 108 through which the bolts 22B are inserted contains the oxidant off-gas OOG that is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. Burning Functions as the oxidizing gas discharging manifold 162 for discharging to the outside of the cell stack 100. In the present embodiment, for example, air is used as the oxidant gas OG.

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。   Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the Y axis positive direction side of two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z direction The space formed by the bolt 22 (bolt 22D) positioned at the position and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted is introduced with the fuel gas FG from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is generated by each power generation. Bolt 22 that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the unit 102 and is located in the vicinity of the midpoint of the opposite side (the side on the Y axis negative direction side of the two sides parallel to the X axis). The space formed by the (bolt 22E) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted is a fuel cell stack 1 that uses the fuel off-gas FOG that is a gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 as the fuel cell stack 1 Functions as a fuel gas exhaust manifold 172 for discharging to the outside of the 0. In the present embodiment, as the fuel gas FG, for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used.

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。   The fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 has a hollow cylindrical main body portion 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branched from the side surface of the main body portion 28. The hole of the branch part 29 communicates with the hole of the main body part 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. Further, as shown in FIG. 2, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> A forming the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161. The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> B that forms the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162. Further, as shown in FIG. 3, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> E forming the discharge manifold 172 communicates with the fuel gas discharge manifold 172.

（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。 (Configuration of end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are formed of, for example, stainless steel. One end plate 104 is disposed on the upper side of the power generation unit 102 located on the uppermost side, and the other end plate 106 is disposed on the lower side of the power generation unit 102 located on the lowermost side. A plurality of power generation units 102 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

（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。また、図６は、図４および図５のＶＩ−ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４および図５のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。なお、図７には、後述する燃料極側集電体１４４の一部の構成が拡大して示されている。 (Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 2, and FIG. 5 is adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units. 6 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position VI-VI in FIGS. 4 and 5, and FIG. 7 is a power generation unit at the position VII-VII in FIGS. 4 and 5. It is explanatory drawing which shows XY cross-section structure of 102. FIG. FIG. 7 shows an enlarged view of a part of the configuration of a fuel electrode side current collector 144 described later.

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。   As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, a fuel electrode side frame 140, and a fuel electrode side. A current collector 144 and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102 are provided. The separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the periphery of the interconnector 150 around the Z direction are formed with holes corresponding to the communication holes 108 through which the bolts 22 are inserted.

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る。本実施形態では、インターコネクタ１５０はステンレス鋼材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）。   The interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member. In the present embodiment, the interconnector 150 is formed of a stainless steel material. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents reaction gas from being mixed between the power generation units 102. In the present embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Further, since the fuel cell stack 100 includes the pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150 and is located at the bottom. The power generation unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).

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。   The unit cell 110 includes an electrolyte layer 112, and an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 that face each other in the vertical direction (the arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode-supported single cell that supports the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 with the fuel electrode 116.

電解質層１１２は、Ｚ方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層１１２は、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、Ｚ方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の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）、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、Ｚ方向視で電解質層１１２と略同一の大きさの略矩形の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（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。   The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate member as viewed in the Z direction, and is a dense layer. The electrolyte layer 112 is formed of a solid oxide such as YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (samarium doped ceria), GDC (gadolinium doped ceria), perovskite oxide, and the like. Yes. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 when viewed in the Z direction, and is a porous layer. The air electrode 114 is made of, for example, a perovskite oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)). The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 when viewed in the Z direction, and is a porous layer. The fuel electrode 116 is made of, for example, Ni (nickel), cermet made of Ni and ceramic particles, Ni-based alloy, or the like. Thus, the single cell 110 (power generation unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

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。   The separator 120 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. The peripheral part of the hole 121 in the separator 120 is opposed to the peripheral part of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag brazing) disposed in the facing portion. The separator 120 divides the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and gas leaks from one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion of the single cell 110. It is suppressed.

図６に示すように、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。  As shown in FIG. 6, the air electrode side frame 130 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of an insulator such as mica, for example. . The hole 131 of the air electrode side frame 130 forms an air chamber 166 that faces the air electrode 114. The air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral edge portion of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge portion of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. . The pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102 is electrically insulated by the air electrode side frame 130. The air electrode side frame 130 has an oxidant gas supply communication hole 132 communicating the oxidant gas introduction manifold 161 and the air chamber 166, and an oxidant gas communicating the air chamber 166 and the oxidant gas discharge manifold 162. A discharge communication hole 133 is formed.

図７に示すように、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。   As shown in FIG. 7, the fuel electrode side frame 140 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 141 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. The hole 141 of the fuel electrode side frame 140 forms a fuel chamber 176 that faces the fuel electrode 116. The fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral portion of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral portion of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116. Further, the fuel electrode side frame 140 has a fuel gas supply communication hole 142 that connects the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that connects the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. And are formed.

図６に示すように、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。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。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（またはエンドプレート１０４）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。   As shown in FIG. 6, the air electrode side current collector 134 is disposed in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of current collector elements 135 having a substantially quadrangular prism shape, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 includes the upper end plate. 104 is in contact. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected. In the present embodiment, the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, a flat plate portion perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) of the integrated member functions as the interconnector 150 and is formed so as to protrude from the flat plate portion toward the air electrode 114. The current collector element 135 that is a plurality of convex portions functions as the air electrode side current collector 134. Moreover, the integral member of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be covered with a conductive coat, and between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134, A conductive bonding layer to be bonded may be interposed.

図７に示すように、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、複数の電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ複数の連接部１４７とを備えており、導電性材料により形成されている。本実施形態では、燃料極側集電体１４４は、ニッケル箔（例えば厚さ１０〜２００μｍ）により形成されている。図７における部分拡大図に示すように、燃料極側集電体１４４は、略矩形のニッケル箔に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた各矩形部分が電極対向部１４５となり、曲げ起こされた部分以外の穴ＯＰが開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部１４６となり、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ部分が連接部１４７となる。なお、図７における部分拡大図では、燃料極側集電体１４４の製造方法を示すため、一部の矩形部分について、曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。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。燃料極側集電体１４４は、特許請求の範囲における集電体に相当し、電極対向部１４５は、特許請求の範囲における凸部に相当する。なお、電極対向部１４５は、第１の方向視で、燃料極１１６の外形をインターコネクタ１５０に投影した領域の範囲内に配置されている。   As shown in FIG. 7, the fuel electrode side current collector 144 is disposed in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, a plurality of electrode facing portions 145, and a plurality of connecting portions 147 that connect the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146, and is electrically conductive. It is made of material. In the present embodiment, the fuel electrode side current collector 144 is formed of a nickel foil (for example, a thickness of 10 to 200 μm). As shown in the partially enlarged view of FIG. 7, the fuel electrode side current collector 144 is manufactured by cutting a substantially rectangular nickel foil and bending the plurality of rectangular portions. Each rectangular part bent up becomes an electrode facing part 145, and a flat plate part in a state where a hole OP other than the bent raised part is opened becomes an interconnector facing part 146. The electrode facing part 145 and the interconnector facing part 146 The connecting portion is a connecting portion 147. In addition, in the partial enlarged view in FIG. 7, in order to show the manufacturing method of the fuel electrode side collector 144, the state before a bending raising process is completed about a part of rectangular part is shown. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. In contact. However, as described above, since the lowermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not include the lower interconnector 150, the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 has a lower end plate. 106 is in contact. Since the fuel electrode side current collector 144 has such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected. Note that a spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144. The electrical connection with is maintained well. The fuel electrode side current collector 144 corresponds to a current collector in the claims, and the electrode facing portion 145 corresponds to a convex portion in the claims. Note that the electrode facing portion 145 is disposed within a range of a region obtained by projecting the outer shape of the fuel electrode 116 onto the interconnector 150 as viewed in the first direction.

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２、図４および図６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、図５および図７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。 A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2, 4, and 6, the oxidant gas is connected via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. When OG is supplied, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the branch part 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body part 28, and each power generation unit is supplied from the oxidant gas introduction manifold 161. 102 is supplied to the air chamber 166 through the oxidant gas supply communication hole 132. Further, as shown in FIGS. 3, 5, and 7, the fuel gas is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. When the FG is supplied, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the fuel of each power generation unit 102 is supplied from the fuel gas introduction manifold 171. The fuel is supplied to the fuel chamber 176 through the gas supply communication hole 142.

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。   When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, oxygen contained in the oxidant gas OG and hydrogen contained in the fuel gas FG in the single cell 110. Power is generated by an electrochemical reaction. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to one interconnector 150 via the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is connected via the fuel electrode side current collector 144. The other interconnector 150 is electrically connected. The plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, electrical energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as output terminals of the fuel cell stack 100. Since SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is heated by a heater (after the startup until the high temperature can be maintained by heat generated by power generation) (Not shown).

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、図４および図６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、図５および図７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。   The oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 through the oxidant gas discharge communication hole 133 as shown in FIGS. Further, the fuel passes through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas discharge manifold 162 and is connected to the branch portion 29 through a gas pipe (not shown). It is discharged outside the battery stack 100. Further, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication hole 143 as shown in FIGS. 3, 5, and 7. Further, the fuel cell stack 100 is connected to a gas pipe member (not shown) connected to the branch portion 29 through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas discharge manifold 172. Is discharged outside.

Ａ−３．燃料極側集電体１４４およびインターコネクタ１５０の詳細構成：
図８は、燃料極側集電体１４４およびインターコネクタ１５０の詳細構成を示すＸＺ断面図である。図８には、図４のＸ１部の拡大図であり、図１０のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの位置の断面図が示されている。また、図９は、燃料極側集電体１４４およびインターコネクタ１５０の詳細構成を示すＹＺ断面図である。図９には、図５のＸ２部の拡大図であり、図１０のＩＸ−ＩＸの位置の断面図が示されている。また、図１０は、燃料極側集電体１４４およびインターコネクタ１５０の詳細構成を示すＸＹ断面図である。図１０には、図７のＸ３部の位置の拡大図であり、図８および図９のＸ−Ｘの位置の断面図が示されている。 A-3. Detailed configuration of fuel electrode side current collector 144 and interconnector 150:
FIG. 8 is an XZ sectional view showing a detailed configuration of the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150. FIG. 8 is an enlarged view of a portion X1 in FIG. 4 and shows a cross-sectional view at a position VIII-VIII in FIG. FIG. 9 is a YZ sectional view showing a detailed configuration of the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150. FIG. 9 is an enlarged view of a portion X2 in FIG. 5 and shows a cross-sectional view at a position IX-IX in FIG. FIG. 10 is an XY cross-sectional view showing a detailed configuration of the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150. FIG. 10 is an enlarged view of the position X3 in FIG. 7, and a cross-sectional view of the position XX in FIGS. 8 and 9 is shown.

図８から図１０までに示すように、以下の説明では、燃料極側集電体１４４およびインターコネクタ１５０において、Ｚ方向視で、燃料極側集電体１４４の各電極対向部１４５における燃料極１１６との接触面と、燃料極側集電体１４４のインターコネクタ対向部１４６におけるインターコネクタ１５０との接触面と、の両方に重なる領域を、重複領域ＡＲｏという。上述したように、燃料極側集電体１４４は複数の電極対向部（凸部）１４５を有するため、重複領域ＡＲｏは複数存在する。各重複領域ＡＲｏは、主として、燃料極側集電体１４４にＺ方向の圧縮力（接圧）が作用する領域であると共に、燃料極側集電体１４４が燃料極１１６とインターコネクタ１５０との間の導電経路として機能する領域である。なお、本実施形態では、インターコネクタ対向部１４６におけるＺ方向視で各電極対向部１４５と重なる部分は、必ずインターコネクタ１５０と接触しているため、重複領域ＡＲｏは、Ｚ方向視で各電極対向部１４５における燃料極１１６との接触面に重なる領域であると言える。   As shown in FIGS. 8 to 10, in the following description, in the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150, the fuel electrode in each electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 as viewed in the Z direction. A region that overlaps both the contact surface with 116 and the contact surface with the interconnector 150 in the interconnector facing portion 146 of the fuel electrode side current collector 144 is referred to as an overlapping region ARo. As described above, since the fuel electrode side current collector 144 has a plurality of electrode facing portions (convex portions) 145, a plurality of overlapping regions ARo exist. Each overlapping area ARo is mainly an area where a compression force (contact pressure) in the Z direction acts on the fuel electrode side current collector 144, and the fuel electrode side current collector 144 is connected to the fuel electrode 116 and the interconnector 150. It is a region that functions as a conductive path between the two. In the present embodiment, the portion of the interconnector facing portion 146 that overlaps each electrode facing portion 145 when viewed in the Z direction is always in contact with the interconnector 150. Therefore, the overlapping area ARo is opposed to each electrode when viewed in the Z direction. It can be said that the region overlaps the contact surface of the portion 145 with the fuel electrode 116.

また、以下の説明では、各重複領域ＡＲｏ以外の領域を非重複領域ＡＲｎという。本実施形態では、非重複領域ＡＲｎは、１つの連続した領域（ただし、各重複領域ＡＲｏの部分が欠けた領域）である（図１０参照）。   In the following description, an area other than each overlapping area ARo is referred to as a non-overlapping area ARn. In the present embodiment, the non-overlapping area ARn is one continuous area (however, an area where each overlapping area ARo is missing) (see FIG. 10).

本実施形態では、各重複領域ＡＲｏの一部、具体的には、各重複領域ＡＲｏにおける周縁部分を除く中央部分（以下、「中央部ＣＰ」という）において、燃料極側集電体１４４（のインターコネクタ対向部１４６）とインターコネクタ１５０とが拡散接合されている。すなわち、各重複領域ＡＲｏの中央部ＣＰにおいて、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とが、燃料極側集電体１４４に含まれる金属原子とインターコネクタ１５０に含まれる金属原子とが相互に拡散して形成された拡散層１５８を介して接合されている。なお、各重複領域ＡＲｏの中央部ＣＰは、特許請求の範囲における第１の領域に相当する。   In the present embodiment, a part of each overlapping region ARo, specifically, in a central portion excluding the peripheral portion in each overlapping region ARo (hereinafter referred to as “central portion CP”), the fuel electrode side current collector 144 ( The interconnector facing portion 146) and the interconnector 150 are diffusion bonded. That is, in the central portion CP of each overlapping region ARo, the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 are connected to each other so that the metal atoms included in the fuel electrode side current collector 144 and the metal atoms included in the interconnector 150 are mutually connected. It joins via the diffusion layer 158 formed by diffusing. The central portion CP of each overlapping area ARo corresponds to the first area in the claims.

また、本実施形態では、非重複領域ＡＲｎにおいて、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、耐酸化性被膜１５２が形成されている。さらに、各重複領域ＡＲｏにおいて中央部ＣＰを取り囲む上記周縁部分（以下、「周縁部ＰＰ」という）においても、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、耐酸化性被膜１５２が形成されている。なお、図１０では、非重複領域ＡＲｎと各重複領域ＡＲｏとを明確に区別するために、非重複領域ＡＲｎを表すハッチングと各重複領域ＡＲｏの周縁部ＰＰを表すハッチングとを異ならせているが、耐酸化性被膜１５２は、非重複領域ＡＲｎと各重複領域ＡＲｏにおける周縁部ＰＰとにわたって連続的に形成されている（図８および図９参照）。耐酸化性被膜１５２は、インターコネクタ１５０（具体的には、インターコネクタ１５０を形作る鋼材）よりも耐酸化性の高い（酸化し難い）被膜であり、インターコネクタ１５０の表面に形成されることによってインターコネクタ１５０の酸化の進行を防ぐものであるが、一般に高い電気抵抗を有する。本実施形態では、耐酸化性被膜１５２は、Ｃｒ２Ｏ３等のクロム酸化物を含む被膜である。各重複領域ＡＲｏの周縁部ＰＰは、特許請求の範囲における第２の領域に相当する。 In the present embodiment, the oxidation resistant coating 152 is formed on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116 in the non-overlapping region ARn. Further, also in the peripheral portion (hereinafter referred to as “peripheral portion PP”) surrounding the central portion CP in each overlapping region ARo, an oxidation resistant coating 152 is formed on the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116. Has been. In FIG. 10, in order to clearly distinguish the non-overlapping area ARn and each overlapping area ARo, the hatching representing the non-overlapping area ARn and the hatching representing the peripheral portion PP of each overlapping area ARo are different. The oxidation resistant coating 152 is continuously formed over the non-overlapping region ARn and the peripheral edge PP in each overlapping region ARo (see FIGS. 8 and 9). The oxidation resistant coating 152 is a coating having higher oxidation resistance (not easily oxidized) than the interconnector 150 (specifically, a steel material forming the interconnector 150), and is formed on the surface of the interconnector 150. Although it prevents the progress of oxidation of the interconnector 150, it generally has a high electrical resistance. In the present embodiment, the oxidation resistant coating 152 is a coating containing a chromium oxide such as Cr 2 O 3 . The peripheral portion PP of each overlapping region ARo corresponds to a second region in the claims.

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を構成する各発電単位１０２では、Ｚ方向視で、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５における燃料極１１６との接触面と、燃料極側集電体１４４におけるインターコネクタ１５０との接触面と、の両方に重なる各重複領域ＡＲｏの一部の領域、具体的には、各重複領域ＡＲｏの中央部ＣＰにおいて、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とが拡散層１５８を介して接合されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、拡散層１５８が形成された部分において高抵抗な耐酸化性被膜１５２の形成を抑え、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との間の導電性を確実に確保することができる。また、本実施形態の発電単位１０２では、各重複領域ＡＲｏの他の一部、具体的には、各重複領域ＡＲｏにおける中央部ＣＰを取り囲む周縁部ＰＰにおいて、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、クロム酸化物を含む耐酸化性被膜１５２が形成されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、例えば運転時や停止時、水蒸気パージ時において燃料極側が酸化環境になっても、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との間における各重複領域ＡＲｏの周縁部ＰＰより内側の領域（すなわち中央部ＣＰ）への酸素の進入を抑制することができる。従って、高抵抗な耐酸化性被膜１５２が各重複領域ＡＲｏの中央部ＣＰに向かって成長することを抑制することができる。従って、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との間の導電性が確保された領域の面積が減少すること（使用中の導電性が確保された領域の面積の変化）を抑制することができる。その結果、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との間の導電領域の面積減少による電流集中を抑制することができ、電流集中による局所的な温度上昇によって電極構造が変化し、発電単位１０２の性能が低下することを抑制することができる。 A-4. Effects of this embodiment:
As described above, in each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the contact surface with the fuel electrode 116 in the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 as viewed in the Z direction, In the partial area of each overlapping area ARo that overlaps both the contact surface with the interconnector 150 in the fuel electrode side current collector 144, specifically, in the central portion CP of each overlapping area ARo, The electric body 144 and the interconnector 150 are joined via the diffusion layer 158. Therefore, according to the power generation unit 102 of the present embodiment, the formation of the high resistance oxidation-resistant film 152 is suppressed in the portion where the diffusion layer 158 is formed, and the gap between the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 is reduced. Conductivity can be ensured reliably. Further, in the power generation unit 102 of the present embodiment, the fuel electrode 116 in the interconnector 150 is opposed to the other part of each overlapping region ARo, specifically, the peripheral portion PP surrounding the central portion CP in each overlapping region ARo. An oxidation-resistant film 152 containing chromium oxide is formed on the surface on the side to be processed. Therefore, according to the power generation unit 102 of the present embodiment, for example, even when the fuel electrode side is in an oxidizing environment at the time of operation, stoppage, or steam purge, each between the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 is It is possible to suppress the ingress of oxygen into the region inside the peripheral portion PP of the overlapping region ARo (that is, the central portion CP). Therefore, it is possible to suppress the high-resistance oxidation resistant film 152 from growing toward the central portion CP of each overlapping region ARo. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the area of the region where the conductivity between the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 is ensured (change in the area of the region where the conductivity is ensured during use). Can do. As a result, current concentration due to reduction in the area of the conductive region between the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 can be suppressed, and the electrode structure changes due to local temperature rise due to current concentration, thereby generating a power generation unit. It can suppress that the performance of 102 falls.

また、本実施形態の発電単位１０２では、重複領域ＡＲｏ以外の領域である非重複領域ＡＲｎにおいて、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、耐酸化性被膜１５２が形成されている。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、インターコネクタ１５０の酸化の進行を防ぐことができる。   Further, in the power generation unit 102 of the present embodiment, the oxidation resistant coating 152 is formed on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116 in the non-overlapping region ARn that is a region other than the overlapping region ARo. . Therefore, according to the power generation unit 102 of the present embodiment, the progress of oxidation of the interconnector 150 can be prevented.

Ａ−５．評価試験：
上記実施形態の効果について検証するために、インターコネクタ１５０に見立てたステンレス鋼板（５０ｍｍ×５０ｍｍ）の載置面上に、燃料極側集電体１４４に見立てたＮｉ箔（１０ｍｍ×１０ｍｍ）を載置し、Ｎｉ箔に５ＭＰａの接圧をかけた構成の実施例および比較例について、水素−水蒸気各５０％環境で９００℃、１０００時間の熱処理を行う評価試験を行った。比較例では、ステンレス鋼板の載置面の内、Ｎｉ箔が載置されていない部分のみに耐酸化性被膜１５２としてのＣｒ２Ｏ３被膜を形成されている。一方、実施例では、ステンレス鋼板の載置面の内、Ｎｉ箔が載置されていない部分に加えて、Ｎｉ箔が載置された部分における周縁部にも耐酸化性被膜１５２としてのＣｒ２Ｏ３被膜が形成されている。比較例では、熱処理後に、Ｃｒ２Ｏ３被膜がＮｉ箔が載置された部分へと進行していることが確認された。一方、実施例では、熱処理後に、Ｃｒ２Ｏ３被膜の進行は確認されなかった。この結果からも、上記実施形態の発電単位１０２の構成を採用すれば、耐酸化性被膜１５２の成長を抑制することができることが確認された。 A-5. Evaluation test:
In order to verify the effects of the above-described embodiment, a Ni foil (10 mm × 10 mm) assumed to be the fuel electrode side current collector 144 is mounted on the mounting surface of the stainless steel plate (50 mm × 50 mm) assumed to be the interconnector 150. Then, an example and a comparative example in which a contact pressure of 5 MPa was applied to the Ni foil were subjected to an evaluation test in which heat treatment was performed at 900 ° C. for 1000 hours in a 50% hydrogen-water vapor environment. In the comparative example, the Cr 2 O 3 coating as the oxidation resistant coating 152 is formed only on the portion of the mounting surface of the stainless steel plate where the Ni foil is not mounted. On the other hand, in the embodiment, in addition to the portion where the Ni foil is not placed on the placement surface of the stainless steel plate, Cr 2 as the oxidation resistant coating 152 is also formed on the peripheral portion of the portion where the Ni foil is placed. An O 3 film is formed. In the comparative example, it was confirmed that after the heat treatment, the Cr 2 O 3 coating progressed to the portion where the Ni foil was placed. On the other hand, in the examples, the progress of the Cr 2 O 3 coating was not confirmed after the heat treatment. Also from this result, it was confirmed that the growth of the oxidation-resistant film 152 can be suppressed by adopting the configuration of the power generation unit 102 of the above embodiment.

Ａ−６．製造方法：
上記実施形態の燃料極側集電体１４４およびインターコネクタ１５０は、例えば以下の製法により製造することができる。まず、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一部に、耐酸化性被膜１５２を形成する。具体的には、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の内、各重複領域ＡＲｏの中央部ＣＰを、酸素非透過性のマスクを用いてマスキングする。酸素非透過性のマスクとしては、例えば、スピネル型酸化物（例えば、Ｍｎ１．５Ｃｏ１．５Ｏ４やＭｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＭｎＣｏＯ４、ＣｕＭｎ２Ｏ４）のコートを用いることができる。なお、インターコネクタ１５０における他の表面（空気極１１４に対向する側の表面等）についても、同様にマスキングする。この状態で、熱処理（例えば、大気中で９００〜１１００℃、１〜３時間の熱処理）を行うことにより、マスキングされていない部分、すなわち、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内、非重複領域ＡＲｎと、各重複領域ＡＲｏの周縁部ＰＰにおいて、ステンレス製のインターコネクタ１５０に含まれるＣｒが酸素と反応してクロム酸化物（Ｃｒ２Ｏ３等）を含む耐酸化性被膜１５２が形成される。 A-6. Production method:
The fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 of the above embodiment can be manufactured, for example, by the following manufacturing method. First, the oxidation resistant coating 152 is formed on a part of the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. Specifically, the central portion CP of each overlapping region ARo is masked by using an oxygen-impermeable mask among the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. As an oxygen non-permeable mask, for example, a spinel oxide (for example, Mn 1.5 Co 1.5 O 4 , MnCo 2 O 4 , ZnCo 2 O 4 , ZnMnCoO 4 , CuMn 2 O 4 ) is coated. Can be used. The other surfaces of the interconnector 150 (such as the surface facing the air electrode 114) are similarly masked. In this state, heat treatment (for example, heat treatment at 900 to 1100 ° C. for 1 to 3 hours in the air) is performed, so that an unmasked portion, that is, a surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116 is formed. Among them, in the non-overlapping region ARn and the peripheral portion PP of each overlapping region ARo, the oxidation-resistant film containing chromium oxide (Cr 2 O 3 or the like) is formed by reacting Cr contained in the stainless steel interconnector 150 with oxygen. 152 is formed.

なお、上記方法に代えて、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全面に耐酸化性被膜１５２を形成し、その後、各重複領域ＡＲｏの中央部ＣＰに形成された耐酸化性被膜１５２をブラスト処理等によって除去する方法を採用するとしてもよい。この方法によっても、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内、非重複領域ＡＲｎと、各重複領域ＡＲｏの周縁部ＰＰとに、耐酸化性被膜１５２を形成することができる。   Instead of the above method, an oxidation-resistant film 152 is formed on the entire surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116, and then the oxidation-resistance formed on the central portion CP of each overlapping region ARo. A method of removing the film 152 by blasting or the like may be employed. Also by this method, the oxidation resistant coating 152 can be formed on the non-overlapping region ARn and the peripheral portion PP of each overlapping region ARo in the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116.

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耐酸化性被膜１５２を形成した後、該表面上に燃料極側集電体１４４を配置する。このとき、燃料極側集電体１４４の各電極対向部１４５がＺ方向視で各重複領域ＡＲｏに重なるように、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との位置合わせがなされる。   After the oxidation-resistant film 152 is formed on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116, the fuel electrode-side current collector 144 is disposed on the surface. At this time, the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 are aligned so that each electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 overlaps each overlap region ARo as viewed in the Z direction.

その後、複数の発電単位１０２をスタッキングしてボルト２２により締結することにより燃料電池スタック１００を製造すると、燃料極側集電体１４４に接圧が作用する。そして、燃料電池スタック１００に電流を流し、発電運転が正常に行われることを確認する。これにより、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とが、各重複領域ＡＲｏの中央部ＣＰにおいて拡散接合される。   Thereafter, when the fuel cell stack 100 is manufactured by stacking a plurality of power generation units 102 and fastening them with the bolts 22, contact pressure acts on the fuel electrode side current collector 144. Then, a current is passed through the fuel cell stack 100 to confirm that the power generation operation is normally performed. Thereby, the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 are diffusion-bonded at the central portion CP of each overlapping region ARo.

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。 B. Variations:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

上記実施形態における燃料電池スタック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、上記実施形態における燃料極側集電体１４４の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。図１１は、変形例における燃料極側集電体１４４ａおよびインターコネクタ１５０の詳細構成を示すＸＺ断面図（図８に対応する部分の断面図）である。図１１に示す変形例では、燃料極側集電体１４４ａが、空気極側集電体１３４と同様に、複数の略四角柱状の集電体要素（凸部）１４８から構成されている。このような構成においても、Ｚ方向視で、燃料極側集電体１４４ａの各集電体要素１４８における燃料極１１６との接触面と、燃料極側集電体１４４ａにおけるインターコネクタ１５０との接触面と、の両方に重なる各重複領域ＡＲｏの一部の領域、具体的には、各重複領域ＡＲｏの中央部ＣＰにおいて、燃料極側集電体１４４ａとインターコネクタ１５０とが拡散層１５８を介して接合されており、また、各重複領域ＡＲｏの他の一部、具体的には、各重複領域ＡＲｏにおける中央部ＣＰを取り囲む周縁部ＰＰにおいて、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、クロム酸化物を含む耐酸化性被膜１５２が形成されていれば、燃料極側集電体１４４ａとインターコネクタ１５０との間の導電性を確実に確保しつつ、耐酸化性被膜１５２の成長による性能低下を抑制することができる。   The configuration of the fuel cell stack 100 in the above embodiment is merely an example, and various modifications can be made. For example, the configuration of the fuel electrode side current collector 144 in the above embodiment is merely an example and can be variously modified. FIG. 11 is an XZ cross-sectional view (a cross-sectional view of a portion corresponding to FIG. 8) showing a detailed configuration of the fuel electrode side current collector 144a and the interconnector 150 in the modification. In the modification shown in FIG. 11, the fuel electrode side current collector 144 a is composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements (convex portions) 148, as with the air electrode side current collector 134. Even in such a configuration, the contact surface of each current collector element 148 of the fuel electrode side current collector 144a with the fuel electrode 116 and the contact between the fuel electrode side current collector 144a and the interconnector 150 are viewed in the Z direction. In the overlap area ARo that overlaps both of the surfaces, specifically, in the central portion CP of each overlap area ARo, the fuel electrode side current collector 144a and the interconnector 150 pass through the diffusion layer 158. Further, in the other part of each overlapping region ARo, specifically, the peripheral portion PP surrounding the central portion CP in each overlapping region ARo, the side of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116 If an oxidation-resistant film 152 containing chromium oxide is formed on the surface, the conductivity between the fuel electrode side current collector 144a and the interconnector 150 can be reliably ensured. , It is possible to suppress the performance degradation due to the growth of the oxidation resistant coating 152.

また、上記実施形態では、各重複領域ＡＲｏの中央部ＣＰの全面において、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とが接合されているとしているが、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との接合領域の形態はこれに限られない。燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との接合領域は、周縁部ＰＰに取り囲まれた領域であればよく、例えば、中央部ＣＰの内の一部の島状の領域において両者は接合されておらず、中央部ＣＰの他の領域のみにおいて両者が接合されているとしてもよい。ただし、中央部ＣＰの全面において両者が接合されていると、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との間の導電性を向上させることができるため、好ましい。   In the above embodiment, the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 are joined to the entire surface of the central portion CP of each overlapping area ARo, but the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector are connected. The form of the joining region with 150 is not limited to this. The joining region between the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 may be a region surrounded by the peripheral portion PP. For example, both are joined in a part of the island-like region in the central portion CP. However, both may be joined only in other regions of the central portion CP. However, it is preferable that the two are bonded on the entire surface of the central portion CP because the conductivity between the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 can be improved.

また、上記実施形態では、各重複領域ＡＲｏの中央部ＣＰにおいて、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とが拡散層１５８を介して接合されているとしているが、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との接合方法の形態はこれに限られない。例えば、この部分において、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とが、他の種類の接合層（例えば、Ｎｉペースト）を介して接合されているとしてもよい。   In the above embodiment, the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 are joined via the diffusion layer 158 in the central portion CP of each overlapping area ARo. The form of the joining method of 144 and the interconnector 150 is not restricted to this. For example, in this portion, the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 may be bonded via another type of bonding layer (for example, Ni paste).

また、上記実施形態では、非重複領域ＡＲｎの全領域において、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耐酸化性被膜１５２が形成されているとしているが、非重複領域ＡＲｎの内の一部の領域のみにおいて、インターコネクタ１５０の該表面に耐酸化性被膜１５２が形成されているとしてもよい。また、非重複領域ＡＲｎにおいては、インターコネクタ１５０の該表面に耐酸化性被膜１５２が形成されてないとしてもよい。ただし、非重複領域ＡＲｎの全領域において、インターコネクタ１５０の該表面に耐酸化性被膜１５２が形成されていると、インターコネクタ１５０の酸化の進行を効果的に防ぐことができるため、好ましい。   In the above embodiment, the oxidation-resistant coating 152 is formed on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116 in the entire non-overlapping area ARn. The oxidation-resistant film 152 may be formed on the surface of the interconnector 150 only in a part of the region. Further, in the non-overlapping area ARn, the oxidation-resistant film 152 may not be formed on the surface of the interconnector 150. However, it is preferable that the oxidation-resistant coating film 152 is formed on the surface of the interconnector 150 in the entire region of the non-overlapping area ARn, since the progress of oxidation of the interconnector 150 can be effectively prevented.

また、上記実施形態では、耐酸化性被膜１５２はクロム酸化物を含むとしているが、耐酸化性被膜１５２の組成はインターコネクタ１５０の材質に応じて種々変形可能である。例えば、インターコネクタ１５０を形作る鋼材がアルミニウムを用いて形成されている場合には、耐酸化性被膜１５２はアルミニウム酸化物（ＡＬ２Ｏ３）を含むとしてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the oxidation resistant film 152 contains chromium oxide, the composition of the oxidation resistant film 152 can be variously modified according to the material of the interconnector 150. For example, when the steel material forming the interconnector 150 is formed using aluminum, the oxidation resistant coating 152 may include aluminum oxide (AL 2 O 3 ).

また、上記実施形態では、すべての重複領域ＡＲｏについて、中央部ＣＰにおいて、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とが拡散層１５８を介して接合され、かつ、周縁部ＰＰにおいて、インターコネクタ１５０の表面に耐酸化性被膜１５２が形成されているとしているが、必ずしもすべての重複領域ＡＲｏについて上記構成となっている必要は無い。少なくとも１つの重複領域ＡＲｏについて上記構成となっていれば、少なくとも該重複領域ＡＲｏにおいては、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との間の導電性を確実に確保することができると共に、耐酸化性被膜１５２の成長を抑制することができる。   In the above embodiment, the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 are joined via the diffusion layer 158 in the central portion CP and the interconnector is connected at the peripheral portion PP in all the overlapping regions ARo. Although the oxidation-resistant film 152 is formed on the surface 150, it is not always necessary to have the above-described configuration for all the overlapping regions ARo. If at least one overlapping region ARo has the above-described configuration, at least in the overlapping region ARo, the conductivity between the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 can be reliably ensured, and The growth of the oxidation resistant film 152 can be suppressed.

また、燃料電池スタック１００に含まれるすべての発電単位１０２において、上述した燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との接合構成やインターコネクタ１５０の表面における耐酸化性被膜１５２の構成が採用される必要は無く、少なくとも１つの発電単位１０２において該構成が採用されれば、該発電単位１０２について、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との導電性を確保しつつ、耐酸化性被膜１５２の成長を抑制することができる。   Further, in all the power generation units 102 included in the fuel cell stack 100, the above-described joining configuration of the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 and the configuration of the oxidation resistant coating 152 on the surface of the interconnector 150 are employed. If the configuration is adopted in at least one power generation unit 102, the oxidation-resistant film is secured while ensuring the conductivity between the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 for the power generation unit 102. The growth of 152 can be suppressed.

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形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。   In the above embodiment, the number of unit cells 110 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of unit cells 110 is appropriately determined according to the output voltage required for the fuel cell stack 100 or the like. Moreover, the material which forms each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be formed with another material.

本明細書において、部材（または部材のある部分、以下同様）Ａを挟んで部材Ｂと部材Ｃとが互いに対向するとは、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとが隣接する形態に限定されず、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層１１２と空気極１１４との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、空気極１１４と燃料極１１６とは電解質層１１２を挟んで互いに対向すると言える。   In the present specification, the fact that the member B and the member C are opposed to each other across the member (or a part having the member, the same applies hereinafter) A is not limited to the form in which the member A and the member B or the member C are adjacent to each other. It includes a form in which another component is interposed between member A and member B or member C. For example, another layer may be provided between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114. Even with such a configuration, it can be said that the air electrode 114 and the fuel electrode 116 face each other with the electrolyte layer 112 interposed therebetween.

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の平板形の発電単位１０２が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば国際公開第２０１２／１６５４０９号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。   Moreover, in the said embodiment, although the fuel cell stack 100 is the structure by which the several flat plate-shaped electric power generation unit 102 was laminated | stacked, this invention is described in other structures, for example, international publication 2012/165409. Thus, the present invention can be similarly applied to a configuration in which a plurality of substantially cylindrical fuel cell single cells are connected in series.

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セル単位や、複数の電解セル単位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号公報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単位においても、上述した燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との接合構成やインターコネクタ１５０の表面における耐酸化性被膜１５２の構成が採用されれば、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０との導電性を確保しつつ、耐酸化性被膜１５２の成長を抑制することができる。   In the above embodiment, the SOFC that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted. The present invention can be similarly applied to an electrolytic cell unit that is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cell units. The configuration of the electrolysis cell stack is well known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-81813, and therefore will not be described in detail here, but is roughly the same as the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. It is the composition. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit, and the single cell 110 may be read as an electrolytic single cell. However, when the electrolysis cell stack is operated, a voltage is applied between the two electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode). Water vapor as a source gas is supplied. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out of the electrolysis cell stack through the communication hole. Even in the electrolytic cell unit having such a configuration, if the above-described joining configuration of the fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 or the configuration of the oxidation-resistant coating 152 on the surface of the interconnector 150 is employed, the fuel electrode. The growth of the oxidation-resistant film 152 can be suppressed while ensuring the conductivity between the side current collector 144 and the interconnector 150.

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。  In the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example. However, the present invention is applicable to other types of fuel cells (or electrolytic cells) such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). Applicable.

２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００：燃料電池スタック １０２：燃料電池発電単位 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 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 １４８：集電体要素 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １５２：耐酸化性被膜 １５８：拡散層 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 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell power generation unit 104: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joint part 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air Electrode side current collector 135: Current collector element 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: Inter Connector facing portion 147: Connecting portion 148: Current collector element 149: Spacer 150: interconnector 152: oxidation resistant coating 158: diffusion layer 161: oxidizing gas inlet manifold 162: oxidizing gas discharging manifold 166: an air chamber 171: fuel gas inlet manifold 172: fuel gas discharging manifold 176: fuel chamber

Claims (5)

電解質層と前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、
前記電気化学反応単セルの前記燃料極側に配置された金属製のインターコネクタと、
前記燃料極と前記インターコネクタとの間に配置され、前記燃料極の表面に接する複数の凸部を有する金属製の集電体と、を備える電気化学反応単位において、
前記第１の方向視で、前記集電体の前記凸部における前記燃料極との接触面と、前記集電体における前記インターコネクタとの接触面と、の両方に重なる重複領域の一部である第１の領域において、前記集電体と前記インターコネクタとが接合されており、
前記重複領域の一部であって前記第１の領域を取り囲む第２の領域において、前記インターコネクタにおける前記燃料極に対向する側の表面に耐酸化性の被膜が形成されていることを特徴とする、電気化学反応単位。 An electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer;
A metal interconnector disposed on the fuel electrode side of the electrochemical reaction unit cell;
In an electrochemical reaction unit comprising: a metal current collector disposed between the fuel electrode and the interconnector and having a plurality of convex portions in contact with the surface of the fuel electrode;
In the first direction view, in a part of an overlapping region that overlaps both the contact surface with the fuel electrode in the convex portion of the current collector and the contact surface with the interconnector in the current collector. In a certain first region, the current collector and the interconnector are joined,
In a second region that is a part of the overlapping region and surrounds the first region, an oxidation-resistant film is formed on the surface of the interconnector that faces the fuel electrode. An electrochemical reaction unit. 請求項１に記載の電気化学反応単位において、
前記重複領域以外の領域である非重複領域の少なくとも一部の領域において、前記インターコネクタにおける前記燃料極に対向する側の表面に前記耐酸化性の被膜が形成されていることを特徴とする、電気化学反応単位。 The electrochemical reaction unit according to claim 1,
The oxidation-resistant film is formed on the surface of the interconnector on the side facing the fuel electrode in at least a part of the non-overlapping region that is a region other than the overlapping region, Electrochemical reaction unit. 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単位において、
前記第１の領域において、前記集電体と前記インターコネクタとが拡散層を介して接合されていることを特徴とする、電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to claim 1 or 2,
In the first region, the current collector and the interconnector are joined via a diffusion layer. 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位において、
前記耐酸化性の被膜は、クロム酸化物を含むことを特徴とする、電気化学反応単位。 In the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 3,
The electrochemical reaction unit, wherein the oxidation-resistant film contains chromium oxide. 前記第１の方向に並べて配列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において、
前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、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位であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 In an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction units arranged side by side in the first direction,
5. The electrochemical reaction cell stack according to claim 1, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction units is the electrochemical reaction unit according to claim 1.
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