JP2018181568A

JP2018181568A - 集電部材−電気化学反応単セル複合体および電池化学反応セルスタック

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Publication number: JP2018181568A
Application number: JP2017078431A
Authority: JP
Inventors: 健太江口; Kenta Eguchi; 健太眞邉; Kenta Manabe; 哲也森川; Tetsuya Morikawa; 駿太大橋; Shunta Ohashi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2037-04-11
Also published as: JP6867852B2

Abstract

【課題】集電部材と接合層との間の剥離の発生を抑制する。【解決手段】集電部材−電気化学反応単セル複合体は、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、電気化学反応単セルの空気極の側に配置され、空気極に向けて突出する突出部を有する集電部材と、突出部と空気極とを接合する導電性の接合層と、を備える。突出部および接合層の第１の方向に平行な少なくとも１つの断面は、第１の方向に直交する第２の方向において、接合層の両端は、突出部の空気極側の両端と同じ位置、または、突出部の両端より内側に位置する第１の条件と、突出部と接合層との境界線は、第２の方向に沿った平坦線と、平坦線に対して空気極側および空気極とは反対側の少なくとも一方に突出する凸状の非平坦線とを含む第２の条件との両方を満たす。【選択図】図６

Description

本明細書によって開示される技術は、集電部材−電気化学反応単セル複合体に関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）が知られている。ＳＯＦＣの発電の最小単位である燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」ともいう）は、電解質層と電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、単セルで発生した電力を集めるために単セルの空気極側および燃料極側のそれぞれに配置される導電性の集電部材とを備える。一般に、単セルの空気極側に配置される集電部材は、空気極に向けて突出する突出部を有する。空気極と集電部材の突出部とが導電性の接合層によって接合されることにより、空気極と集電部材とが電気的に接続される（例えば特許文献１参照）。なお、本明細書では、単セルと空気側の集電部材とから構成される構造体を、集電部材−燃料電池単セル複合体という。

特開２０１１−９９１５９号公報

上述した従来の集電部材−電気化学反応単セル複合体では、集電部材の突出部における空気極との対向面が全体にわたって平坦であり、その平坦な対向面と空気極とが接合層によって接合されている。このように集電部材の突出部の対向面の全体が平坦である構成では、十分な接合力が得られず、突出部と接合層との間で剥離が発生し、例えば、集電部材と空気極との間の導通が十分に確保されなくなるという問題がある。

なお、このような問題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という）の構成単位である電解単セルと空気極側集電部材とから構成される集電部材−電解単セル複合体にも共通の問題である。なお、本明細書では、集電部材−燃料電池単セル複合体と集電部材−電解単セル複合体とをまとめて集電部材−電気化学反応単セル複合体と呼ぶ。また、このような問題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応単セルと燃料極側集電部材とから構成される集電部材−電気化学反応単セル複合体にも共通の問題である。

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本明細書に開示される集電部材−電気化学反応単セル複合体は、固体酸化物を含む電解質層と、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空気極の側に配置された集電部材であって、前記空気極から離間した離間部と前記離間部から前記空気極に向けて突出する突出部とを有する集電部材と、前記突出部と前記空気極とを接合する導電性の接合層と、を備える集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記突出部および前記接合層の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面は、前記第１の方向に直交する第２の方向において、前記接合層の両端は、前記突出部の前記空気極側の両端と同じ位置、または、前記突出部の前記両端より内側に位置する第１の条件と、前記突出部と前記接合層との境界線は、前記第２の方向に沿った平坦線と、前記平坦線に対して前記空気極側および前記空気極とは反対側の少なくとも一方に突出する凸状の非平坦線とを含む第２の条件との両方を満たす。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、突出部および接合層の第１の方向に平行な少なくとも１つの断面は、次の２つの条件を満たす。
（ア）第１の方向に直交する第２の方向において、接合層の両端は、突出部の空気極側の両端と同じ位置、または、突出部の両端より内側に位置すること
（イ）突出部と接合層との境界線は、第２の方向に沿った平坦線と、平坦線に対して空気極側および空気極とは反対側の少なくとも一方に突出する凸状の非平坦線とを含む。
このため、本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、突出部の対向面の全体が平坦である従来の集電部材−電気化学反応単セル複合体に比べて、集電部材と接合層との接触面積が広いことによって集電部材と接合層との間の接合強度が高いため、集電部材と接合層との間の剥離の発生を抑制することができる。

（２）上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記非平坦線は、前記接合層の前記両端の少なくとも一方の端に位置し、前記平坦線は、前記非平坦線に対して前記少なくとも一方の端とは反対側に位置する構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、非平坦線が、接合層の両端のいずれにも位置しない構成（非平坦線が接合層の端から離間している）に比べて、接合層の端部において、集電部材との剥離の発生を抑制することができる。

（３）上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記突出部は、前記第１の方向視で、前記第２の方向と交差する第３の方向に沿って延びる辺部を有し、前記突出部の前記辺部および前記接合層の前記第３の方向の任意の位置における前記断面は、前記第１の条件および前記第２の条件の両方を満たし、かつ、前記辺部と前記接合層との境界に前記非平坦線が存在する構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、突出部の辺部の第３の方向の全長にわたって、接合層と集電部材との剥離の発生を抑制することができる。

（４）上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記非平坦線は、前記平坦線に対して前記空気極側に突出する凸状の線である構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、非平坦線が集電部材側に向けて突出する線である構成に比べて、接合層が薄いことによって、温度変化による接合層の変化量が小さいため、集電部材と接合層との間の剥離の発生をより効果的に抑制することができる。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池発電単位、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、電解セル単位、複数の電解セル単位を備える電解セルスタック、電解セルスタックを備える水素生成モジュール、水素生成モジュールを備える水素生成システム等の形態で実現することが可能である。

本実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す外観斜視図である。発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図（ＸＺ断面図）である。発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図（ＹＺ断面図）である。発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図（ＸＹ断面図）である。発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図（ＸＹ断面図）である。空気極側集電体１３４の集電体要素１３５と接合層１３８との詳細構成を示すＸＺ断面図である。集電体要素１３５の長辺方向の端部の構成を示す斜視図である。空気極側集電体１３４の集電体要素１３５と接合層１３８との詳細構成を示すＹＺ断面図である。インターコネクタ１５０（空気極側集電体１３４，集電体要素１３５）の製造方法の一例を示す説明図である。変形例における空気極側集電体１３４Ｘの集電体要素１３５Ｘと接合層１３８Ｘとの詳細構成を示すＸＺ断面図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．装置の基本構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す外観斜視図である。図１には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸を示している。図１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いい、Ｚ軸負方向を下方向というものとするが、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２以降についても同様である。

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

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という場合がある。各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、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。

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。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が挿入された連通孔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供給マニホールド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が挿入された連通孔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。

また、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が挿入された連通孔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供給マニホールド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が挿入された連通孔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。

（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。

（発電単位１０２の構成）
図２から図５は、発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図である。図２には、図１、図４および図５のＩＩ−ＩＩの位置における発電単位１０２の断面構成を示しており、図３には、図１、図４および図５のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における発電単位１０２の断面構成を示しており、図４には、図２のＩＶ−ＩＶの位置における発電単位１０２の断面構成を示しており、図５には、図２のＶ−Ｖの位置における発電単位１０２の断面構成を示している。

図２および図３に示すように、発電の最小単位である発電単位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が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレス等のＣｒ（クロム）を含む金属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。

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。単セル１１０は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルに相当する。

電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、少なくともＺｒを含んでおり、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＣａＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、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。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０をセパレータ付き単セルともいう。

図２から図４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。空気極側フレーム１３０によって、空気極１１４とインターコネクタ１５０との間に空気室１６６が確保されると共に、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、酸化剤ガス供給マニホールド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。

図２、図３および図５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、燃料ガス供給マニホールド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。

図２、図３および図５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、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。具体的には、燃料極側集電体１４４は、方形の平板形部材に切り込みを入れ、複数の方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。曲げ起こされた方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あき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５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、複数の方形部分の一部の曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。各電極対向部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、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する。そのため、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間に、例えばマイカにより形成されたスペーサ１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０との電気的接続が良好に維持される。

図２から図４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等のＣｒ（クロム）を含む金属により形成されている。集電体要素１３５は、酸化剤ガス供給連通孔１３２から酸化剤ガス排出連通孔１３３に向かう酸化剤ガスＯＧの流れ方向（Ｘ軸負方向）に沿って延びた形状である。すなわち、上下方向視で、集電体要素１３５の酸化剤ガスＯＧの流れ方向の幅寸法は、該酸化剤ガスＯＧの流れ方向に直交する方向（Ｙ軸方向）の幅寸法より長い。以下、集電体要素１３５について、酸化剤ガスＯＧの流れ方向を「長辺方向」といい、酸化剤ガスＯＧの流れ方向に直交する上記方向を「短辺方向」という。また、集電体要素１３５における空気極１１４に対向する側の表面を「対向面１３６」という。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（集電体要素１３５の対向面１３６）とに接触することにより、空気極１１４とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。なお、空気極側集電体１３４の表面は、導電性のコート（図示せず）によって覆われているとしてもよい。空気極側集電体１３４、または空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０との一体部材は、特許請求の範囲における集電部材に相当する。また、また、インターコネクタ１５０は、特許請求の範囲における離間部に相当し、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５は、特許請求の範囲における突出部に相当する。空気極側集電体１３４の集電体要素１３５と接合層１３８との詳細構成については後述する。

空気極１１４と空気極側集電体１３４とは、導電性の接合層１３８により接合されている。接合層１３８は、例えば、ＺｎとＭｎとＣｏとＣｕとの少なくとも１つを含むスピネル型酸化物（例えば、Ｍｎ_１．５Ｃｏ_１．５Ｏ_４やＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎＣｏＯ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４）により形成されている。接合層１３８は、例えば、接合層用のペーストが空気極１１４の表面の内、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５の先端部と対向する部分に印刷され、乾燥工程を経て、各集電体要素１３５の先端部がペーストに押し付けられた状態で所定の条件で焼成されることにより形成される。また、空気極側集電体１３４の先端部に接合層用のペーストを、印刷などにより塗布して乾燥した後、空気極１１４に押し付けて焼成してもよい。接合層１３８により、空気極１１４と空気極側集電体１３４とが電気的に接続される。空気極１１４と空気極側集電体１３４とが接合層１３８により接合された複合体（単セル１１０、空気極側集電体１３４、接合層１３８）が、特許請求の範囲における集電部材−電気化学反応単セル複合体に相当する。

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６１に酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、酸化剤ガス供給マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を経て、空気室１６６に供給される。また、図３に示すように、燃料ガス供給マニホールド１７１に燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、燃料ガス供給マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通孔１４２を経て、燃料室１７６に供給される。

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４（および接合層１３８）を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

各発電単位１０２の空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、図２に示すように、空気室１６６から酸化剤ガス排出連通孔１３３、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を経て、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に示すように、燃料室１７６から燃料ガス排出連通孔１４３、燃料ガス排出マニホールド１７２を経て、燃料電池スタック１００の外部に排出される。

Ａ−３．空気極側集電体１３４の集電体要素１３５と接合層１３８との詳細構成：
図６は、空気極側集電体１３４の集電体要素１３５と接合層１３８との詳細構成を示すＸＺ断面図であり、図２のＶ１部分の拡大図である。図７は、集電体要素１３５の長辺方向の端部の構成を示す斜視図である。図６に示すように、集電体要素１３５および接合層１３８のＸＺ断面は、次の第１の条件と第２の条件との両方を満たす。
第１の条件：長辺方向（Ｘ軸方向）において、接合層１３８の両端は、集電体要素１３５における空気極１１４側の両端１３５Ａと同じ位置、または、集電体要素１３５における空気極１１４側の両端１３５Ａより内側に位置する。
第２の条件：集電体要素１３５と接合層１３８との境界線Ｌは、平坦線Ｌ１と非平坦線Ｌ２とを含む。平坦線Ｌ１は、長辺方向に沿った直線状の境界線であり、非平坦線Ｌ２は、該平坦線Ｌ１に対して空気極１１４側と該空気極１１４とは反対側との少なくとも一方に突出する凸状の境界線である。なお、長辺方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当し、集電体要素１３５および接合層１３８のＸＺ断面は、特許請求の範囲における突出部および接合層の第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に相当する。

より具体的には、長辺方向（Ｘ軸方向）において、接合層１３８の両端は、集電体要素１３５における空気極１１４側の両端（上述の対向面１３６の両端）１３５Ａと同じ位置（±１００（μｍ）程度のずれは同じ位置であるとみなす。以下、同じ）である。また、集電体要素１３５と接合層１３８との境界線Ｌは、長辺方向において、略中央部に位置する平坦線Ｌ１と、該平坦線Ｌ１の両側にそれぞれ位置する一対の非平坦線Ｌ２とを含む。各非平坦線Ｌ２は、上下方向（Ｚ軸方向）において、平坦線Ｌ１に対して空気極１１４側（Ｚ軸負方向側）に突出する円弧状の境界線である。各非平坦線Ｌ２は、該非平坦線Ｌ２の両端よりも空気極１１４側に位置する突出先端点Ｐを有する。また、各非平坦線Ｌ２は、接合層１３８の両端のいずれか一方の端に位置する。より詳細には、各非平坦線Ｌ２の一方の端は、接合層１３８の両端（集電体要素１３５の対向面１３６の両端１３５Ａ）のいずれか一方と同じ位置に位置する。なお、各非平坦線Ｌ２の長辺方向の幅Ｈは、例えば、０．５（μｍ）以上、２（μｍ）以下である。

図７に示すように、集電体要素１３５の対向面１３６は、長辺方向（Ｘ軸方向）において、略中央部に位置する平坦面１３６Ａと、該平坦面１３６Ａの両側のそれぞれに位置する一対の非平坦面１３６Ｂとを含む。平坦面１３６Ａは、上述の短辺方向（Ｙ軸方向）の全長にわたって平坦な平面であり、各非平坦面１３６Ｂは、短辺方向の全長にわたって、該短辺方向視の断面形状が空気極１１４側（Ｚ軸負方向側）に突出する円弧状である曲面である。このため、本実施形態の燃料電池スタック１００では、図６に示すＸＺ断面だけでなく、短辺方向の任意の位置におけるＸＺ断面において、上記第１の条件および第２の条件の両方を満たす。なお、短辺方向は、特許請求の範囲における第３の方向に相当し、集電体要素１３５の短辺方向に沿った短辺部は、特許請求の範囲における辺部に相当する。

以上のように、集電体要素１３５の対向面１３６は、空気極１１４側に突出する非平坦面１３６Ｂを含む一方で、空気極１１４における集電体要素１３５と対向する側の表面（上面）は、全体が平坦な平面である。このため、図６に示すように、集電体要素１３５の非平坦面１３６Ｂと空気極１１４の上面との間における接合層１３８の第２の厚さＤ２は、平坦面１３６Ａと空気極１１４の上面との間における接合層１３８の第１の厚さＤ１より薄くなっている。例えば、第１の厚さＤ１は、１０（μｍ）以上、３５（μｍ）以下であり、第２の厚さＤ２は、５（μｍ）以上、２５（μｍ）以下である。

図８は、空気極側集電体１３４の集電体要素１３５と接合層１３８との詳細構成を示すＹＺ断面図であり、図３のＶ２部分の拡大図である。図８に示すように、短辺方向（Ｙ軸方向）において、接合層１３８の両端は、集電体要素１３５における空気極１１４側の両端（上述の対向面１３６の両端）１３５Ｃと同じ位置である。また、集電体要素１３５と接合層１３８との境界線Ｍは、該境界線Ｍの両端に対して境界線Ｍの中央部が空気極１１４側（Ｚ軸負方向側）に突出する円弧状の境界線である。これに対して、上述したように、空気極１１４の上面は、全体が平坦な平面である。このため、集電体要素１３５と接合層１３８とのＹＺ断面図において、集電体要素１３５の中央部と空気極１１４の上面との間における接合層１３８の厚さＤ４は、集電体要素１３５の両端１３５Ｃと空気極１１４の上面との間における接合層１３８の厚さＤ３より薄くなっている。

Ａ−４．インターコネクタ１５０（空気極側集電体１３４，集電体要素１３５）の製造方法：
図９は、インターコネクタ１５０（空気極側集電体１３４，集電体要素１３５）の製造方法の一例を示す説明図である。図９に示すように、本実施形態では、まず、平板形状の金属体２００を準備し（Ｓ１１０）、この金属体２００にプレス型Ｗを用いてプレス加工を施す（Ｓ１２０〜Ｓ１４０）。プレス型Ｗにおける金属体２００に対向する側の表面は、平坦面ＷＢと、該平坦面ＷＢの両側のそれぞれに位置する一対の突出面ＷＡとを備える。各突出面ＷＡは、平坦面ＷＢに対して金属体２００側に突出する曲面である。このようなプレス型Ｗによって金属体２００が押圧されると、金属体２００における各突出面ＷＡによって押圧される部分が、金属体２００における平坦面ＷＢによって押圧される部分より、プレス型Ｗとは反対側に盛り上がるように変形する（Ｓ１３０，Ｓ１４０）。この変形により、金属体２００の上面側が、上述の平坦面１３６Ａおよび一対の非平坦面１３６Ｂを含む形状になる。この変形後の金属体２００に切削等の加工を施すことにより、上述のインターコネクタ１５０を作製することができる。なお、インターコネクタ１５０は、図９に示す作製方法に限定されず、エッチング等の他の作製方法を用いて作製することができる。

Ａ−５．本実施形態の効果：
例えば、集電体要素１３５の対向面１３６の全体が平坦である構成では、接合層１３８を形成した後の乾燥過程で、接合層１３８が収縮して接合層１３８と接触する集電体要素１３５の端部で剥離が生じ、十分な接合力が得られず、空気極側集電体１３４と空気極１１４との間の導通が十分に確保されないおそれがある。これに対して、本実施形態の燃料電池スタック１００では、図６に示すように、集電体要素１３５および接合層１３８のＸＺ断面は、上述の第１の条件と第２の条件との両方を満たす。これにより、集電体要素１３５の対向面１３６の全体が平坦である構成に比べて、集電体要素１３５と接合層１３８との接触面積が広いことにより、集電体要素１３５と接合層１３８との間の接合強度が高いため、集電体要素１３５と接合層１３８との間の剥離の発生を抑制することができる。

また、上述の第１の条件と第２の条件との両方を満たす場合、燃料電池スタック１００の製造段階において、次の効果がある。すなわち、空気極１１４と集電体要素１３５との接合工程では、空気極１１４と集電体要素１３５とを、接合剤（図示せず）を介して重ね合わせて、接合剤を乾燥させることによって接合層１３８を形成させる。その乾燥過程で、接合剤が収縮することにより、集電体要素１３５と接合層１３８との間の剥離が発生するおそれがある。しかし、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、集電体要素１３５と接合層１３８との境界線Ｌは、非平坦線Ｌ２を含む。このため、集電体要素１３５と接合剤との接触面積が広いことにより、接合剤の乾燥過程において集電体要素１３５と接合剤（接合層１３８）との間の剥離の発生を抑制することができる。また、接合剤は、長辺方向の収縮量が短辺方向の収縮量より大きい。これは、接合剤の長辺方向の全長が、短辺方向の全長より長いからである。このため、特に、長辺方向において集電体要素１３５と接合層１３８との境界線Ｌが非平坦線を含むと、剥離の発生をより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、各非平坦線Ｌ２は、接合層１３８の両端のいずれか一方の端に位置する。これにより、非平坦線Ｌ２が、接合層１３８の両端のいずれにも位置しない構成（非平坦線Ｌ２が接合層１３８の端から離間している）に比べて、接合層１３８の端部において、集電体要素１３５との剥離の発生を抑制することができる。また、図６に示すように、集電体要素１３５と接合層１３８との境界線Ｌは、接合層１３８における長辺方向の両端側にそれぞれ位置する一対の非平坦線Ｌ２と、それら一対の非平坦線Ｌ２の間に位置する１つの平坦線Ｌ１とを含む。このように、平坦線Ｌ１が、主としてイオン導電経路に利用される接合層１３８の中央部に位置することにより、接合層１３８の厚さの不均一に起因するイオン導電経路の抵抗ばらつきを抑制できる。また、非平坦線Ｌ２が、特に集電体要素１３５と接合層１３８との剥離が発生し易い接合層１３８の両端に位置することにより、集電体要素１３５と接合層１３８との剥離の発生をより確実に抑制できる。

また、本実施形態では、図６に示すＸＺ断面だけでなく、短辺方向の任意の位置におけるＸＺ断面において、上記第１の条件および第２の条件の両方を満たす。これにより、集電体要素１３５の短辺方向（Ｙ軸方向）の全長にわたって、集電体要素１３５と接合層１３８との剥離の発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、各非平坦線Ｌ２は、上下方向（Ｚ軸方向）において、平坦線Ｌ１に対して空気極１１４側（Ｚ軸負方向側）に突出している。これにより、図６に示すように、集電体要素１３５の非平坦面１３６Ｂと空気極１１４の上面との間における接合層１３８の第２の厚さＤ２は、平坦面１３６Ａと空気極１１４の上面との間における接合層１３８の第１の厚さＤ１より薄くなっている。このため、非平坦面１３６Ｂと空気極１１４の上面との間（本実施形態では、接合層１３８の端側）において、温度変化による接合層１３８の変化量が小さい分だけ、温度変化による集電体要素１３５と接合層１３８との剥離の発生を抑制することができる。

また、本実施形態では、非平坦線Ｌ２は、角部がない曲線である。これにより、角部に応力が集中し、集電体要素１３５が損傷することを抑制することができる。

Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態では、長辺方向（Ｘ軸方向）において、接合層１３８の両端の少なくとも一方が、集電体要素１３５における空気極１１４側の両端（上述の対向面１３６の両端）１３５Ａより内側に位置するとしてもよい。

上記実施形態では、集電体要素１３５と接合層１３８との境界線Ｌは、略中央部に位置する平坦線Ｌ１と、該平坦線Ｌ１の両側にそれぞれ位置する一対の非平坦線Ｌ２とを含むとしているが、平坦線Ｌ１を２つ以上含むとしてもよいし、非平坦線Ｌ２を１つだけ含むとしてもよいし、非平坦線Ｌ２を３つ以上含むとしてもよい。また、非平坦線Ｌ２は、接合層１３８の両端より内側に位置するとしてもよい。

また、上記実施形態では、非平坦線Ｌ２は、円弧状であったが、これに限らず、三角形状や矩形状であるとしてもよい。また、非平坦線Ｌ２の数を増やしたりすることにより、アンカー効果の高まり、集電体要素１３５と接合層１３８との間の接合強度をより向上させることができる。また、非平坦線Ｌ２は、平坦線Ｌ１に対して空気極１１４側（Ｚ軸負方向側）に突出する線部分と、空気極１１４とは反対側（Ｚ軸正方向側）に突出する線部分と、の両方を含む凹凸状としてもよい。

また、図１０は、空気極側集電体１３４Ｘの集電体要素１３５Ｘと接合層１３８Ｘとの詳細構成を示すＸＺ断面図である。図１０に示すように、集電体要素１３５Ｘと接合層１３８Ｘとの境界線ＬＸは、長辺方向において、略中央部に位置する平坦線Ｌ１Ｘと、該平坦線Ｌ１Ｘの両側にそれぞれ位置する一対の非平坦線Ｌ２Ｘとを含む。各非平坦線Ｌ２Ｘは、上下方向（Ｚ軸方向）において、平坦線Ｌ１Ｘに対して空気極１１４とは反対側（Ｚ軸正方向側）に突出する円弧状の境界線である。各非平坦線Ｌ２Ｘは、該非平坦線Ｌ２Ｘの両端よりも空気極１１４とは反対側に位置する突出先端点ＰＸを有する。平坦線Ｌ１Ｘと空気極１１４の上面との間における接合層１３８の第５の厚さＤ５は、非平坦線Ｌ２Ｘと空気極１１４の上面との間における接合層１３８の第６の厚さＤ６より薄くなっている。これにより、主としてイオン導電経路に利用される接合層１３８の中央部において、接合層１３８の抵抗成分を低減することができる。

本明細書における「第２の方向に沿った平坦線」は、第２の方向に厳密に平行である線だけを意味するものではなく、第２の方向に対して±５度程度傾いた線も含まれる。

また、上記実施形態では、図６に示すＸＺ断面だけでなく、短辺方向の任意の位置におけるＸＺ断面において、上記第１の条件および第２の条件の両方を満たすとされているが、集電体要素１３５および接合層１３８の上下方向に平行な少なくとも１つの断面が、第１の条件および第２の条件の両方を満たせばよい。また、上記実施形態において、短辺方向の任意の位置だけでなく、長辺方向の任意の位置における断面が、上記第１の条件および第２の条件の両方を満たすとしてもよい。これにより、接合層１３８の全周にわたって集電体要素１３５と接合層１３８との剥離の発生を抑制することができる。

上記実施形態における単セル１１０または燃料電池スタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、空気極１１４は、活性層２１０と集電層２２０との二層構成であるとしているが、空気極１１４が活性層２１０および集電層２２０以外の他の層を含むとしてもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。

また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。

なお、上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれるすべての集電体要素１３５および接合層１３８について、上記第１の条件および第２の条件の両方を満たす必要は無く、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１組の集電体要素１３５および接合層１３８について、上記第１の条件および第２の条件の両方を満たせば、該集電体要素１３５および接合層１３８について剥離の発生を抑制することができる。

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６−８１８１３号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。このような構成の集電部材−電気化学反応単セル複合体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に、集電体要素１３５および接合層１３８について、上記第１の条件および第２の条件の両方を満たせば、該集電体要素１３５および接合層１３８について剥離の発生を抑制することができるという効果を奏する。

また、次のような集電部材−電気化学反応単セル複合体の製造方法であるとしてもよい。
「固体酸化物を含む電解質層と、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空気極の側に配置され、前記空気極に向けて突出する突出部を有する集電部材と、
前記突出部と前記空気極とを接合する導電性の接合層と、を備える集電部材−電気化学反応単セル複合体の製造方法において、
前記集電部材の前記突出部における前記空気極との対向面は、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿った平坦面と、前記平坦面に対して前記空気極側および前記空気極とは反対側の少なくとも一方に突出する凸状の非平坦面とを含み、
前記空気極と前記集電部材の前記突出部における前記対向面とを接合剤を介して重ねる工程と、
前記接合剤を乾燥させることにより、前記接合層を形成する工程と、を含む。」
この製造方法によれば、上述したように、突出部（集電体要素１３５）と接合剤との接触面積が広いことにより、接合剤の乾燥過程において集電部材（集電体要素１３５）と接合剤（接合層１３８）との間の剥離の発生を抑制することができる。

２２：ボルト２４：ナット１００：燃料電池スタック１０２：発電単位１０４，１０６：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１３４，１３４Ｘ：空気極側集電体１３５，１３５Ｘ：集電体要素１３５Ａ，１３５Ｃ：集電体要素の端１３６：対向面１３６Ａ：平坦面１３６Ｂ：非平坦面１３８，１３８Ｘ：接合層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１５０：インターコネクタ１６１：酸化剤ガス供給マニホールド１６２：酸化剤ガス排出マニホールド１６６：空気室１７１：燃料ガス供給マニホールド１７２：燃料ガス排出マニホールド１７６：燃料室２００：金属体２１０：活性層２２０：集電層Ｄ１〜Ｄ６：厚さＦＧ：燃料ガスＦＯＧ：燃料オフガスＨ：幅Ｌ１，Ｌ１Ｘ：平坦線Ｌ２，Ｌ２Ｘ：非平坦線Ｌ，ＬＸ：境界線Ｍ：境界線ＯＧ：酸化剤ガスＯＯＧ：酸化剤オフガスＰ，ＰＸ：突出先端点Ｗ：プレス型ＷＡ：突出面ＷＢ：平坦面

Claims

固体酸化物を含む電解質層と、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空気極の側に配置された集電部材であって、前記空気極から離間した離間部と前記離間部から前記空気極に向けて突出する突出部とを有する集電部材と、
前記突出部と前記空気極とを接合する導電性の接合層と、を備える集電部材−電気化学反応単セル複合体において、
前記突出部および前記接合層の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面は、
前記第１の方向に直交する第２の方向において、前記接合層の両端は、前記突出部の前記空気極側の両端と同じ位置、または、前記突出部の前記両端より内側に位置する第１の条件と、
前記突出部と前記接合層との境界線は、前記第２の方向に沿った平坦線と、前記平坦線に対して前記空気極側および前記空気極とは反対側の少なくとも一方に突出する凸状の非平坦線とを含む第２の条件との両方を満たすことを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。
請求項１に記載の集電部材−電気化学反応単セル複合体において、
前記非平坦線は、前記接合層の前記両端の少なくとも一方の端に位置し、
前記平坦線は、前記非平坦線に対して前記少なくとも一方の端とは反対側に位置することを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。
請求項１または請求項２に記載の集電部材−電気化学反応単セル複合体において、
前記突出部は、前記第１の方向視で、前記第２の方向と交差する第３の方向に沿って延びる辺部を有し、
前記突出部の前記辺部および前記接合層の前記第３の方向の任意の位置における前記断面は、前記第１の条件および前記第２の条件の両方を満たし、かつ、前記辺部と前記接合層との境界に前記非平坦線が存在することを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の集電部材−電気化学反応単セル複合体において、
前記非平坦線は、前記平坦線に対して前記空気極側に突出する凸状の線であることを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。
複数の集電部材−電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の集電部材−電気化学反応単セル複合体の少なくとも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集電部材−電気化学反応単セル複合体であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。