JP2022146310A - electrochemical reaction single cell - Google Patents

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伸輔 鈴木
Shinsuke Suzuki
和幸 松田
Kazuyuki Matsuda
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Morimura SOFC Technology Co Ltd
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Abstract

To effectively suppressing peeling of a specific electrode from a metal support body.SOLUTION: An electrochemical reaction single cell comprises: an electrolyte layer; a fuel electrode and an air electrode which face each other to a first direction while nipping the electrolyte layer; and a metal support body that is arranged at the side opposite to the electrolyte layer against a base part as one part which is near from the electrolyte layer in a specific electrode as one of the fuel electrode and the air electrode. In the metal support body, a plurality of penetration holes penetrated to a second surface opposite to a first surface from the first surface on the base part of the specific electrode is formed. At least one part of the plurality of penetration holes of the metal support body is a first part containing an opening in the first surface, and includes the first part extending to a direction where an angle θ1 formed by the first direction is larger than 0 degrees and smaller than 90 degrees. The specific electrode is continued to the base part, and includes a filling part filled into at least one part of the first part of each penetration hole of the metal support body.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。 The technology disclosed by this specification relates to an electrochemical reaction single cell.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という。)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という。)は、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という。)に互いに対向する燃料極および空気極とを備える。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one type of fuel cell that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell single cell (hereinafter simply referred to as "single cell"), which is a structural unit of SOFC, has an electrolyte layer containing a solid oxide and a predetermined direction (hereinafter referred to as "first direction") across the electrolyte layer. .) with an anode and an air electrode facing each other.

単セルの一形態として、金属支持型(メタルサポート型)の単セルが知られている。金属支持型の単セルは、燃料極と空気極との一方(以下、「特定電極」という。)に対して電解質層とは反対側に配置された金属支持体を備え、金属支持体によって単セルにおける他の部分(電解質層等)を支持する。一般に、金属支持型の単セルは、他のタイプ(例えば燃料極支持型)の単セルと比較して、熱衝撃による割れが生じにくく、また起動性が高い。 As one form of the single cell, a metal-supported single cell is known. A metal-supported single cell has a metal support disposed on the side opposite to the electrolyte layer with respect to one of the fuel electrode and the air electrode (hereinafter referred to as "specific electrode"). Supports other parts of the cell (such as the electrolyte layer). In general, metal-supported single cells are less likely to crack due to thermal shock and have higher startability than other types of single cells (for example, fuel electrode-supported cells).

金属支持型の単セルでは、金属支持体に、発電に供される反応ガスを通過させるために、金属支持体の一方の表面から他方の表面まで貫通する複数の貫通孔が形成されている。従来、金属支持体に、上記第1の方向(単セルの各構成要素の配列方向)に平行に延伸した複数の貫通孔が形成され、各貫通孔に特定電極の一部が充填された構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In a metal-supported single cell, a plurality of through-holes extending from one surface of the metal support to the other surface are formed in the metal support in order to pass the reaction gas used for power generation. Conventionally, a metal support has a plurality of through-holes extending parallel to the first direction (the arrangement direction of each component of the unit cell), and each through-hole is partially filled with a specific electrode. is known (see, for example, Patent Document 1).

特開2005-93262号公報JP-A-2005-93262

金属支持型の単セルでは、金属支持体の表面の平滑性が比較的高いため、金属支持体からの特定電極の剥離が発生しやすいという課題がある。上記従来の構成の単セルでは、金属支持体に形成された複数の貫通孔に特定電極の一部が充填されているが、複数の貫通孔が上記第1の方向(単セルの各構成要素の配列方向)に平行に延伸しているため、特定電極における貫通孔に充填された部分がアンカーとして効果的に機能せず、上記剥離の発生を効果的に抑制することができない。 A metal-supported single cell has a problem that the specific electrode tends to separate from the metal support because the surface of the metal support is relatively smooth. In the single cell having the above-described conventional configuration, the plurality of through holes formed in the metal support are partially filled with the specific electrode, but the plurality of through holes are arranged in the first direction (each component of the single cell). arrangement direction), the portion of the specific electrode filled in the through-hole does not effectively function as an anchor, and the occurrence of detachment cannot be effectively suppressed.

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という。)の構成単位である電解単セルにも共通の問題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて、電気化学反応単セルと呼ぶ。 Such problems are also common to electrolytic single cells, which are structural units of solid oxide electrolytic cells (hereinafter referred to as "SOEC") that generate hydrogen using the electrolysis reaction of water. It is a problem. In this specification, the fuel cell single cell and the electrolysis single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell.

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。 This specification discloses a technology capable of solving the above-described problems.

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 this specification can be implemented, for example, in the following forms.

(1)本明細書に開示される電気化学反応単セルは、電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する燃料極および空気極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、さらに、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極における前記電解質層に近い側の一部分である基部に対して前記電解質層とは反対側に配置された金属支持体を備え、前記金属支持体には、前記特定電極の前記基部側の第1の表面から、前記第1の表面とは反対側の第2の表面まで貫通する複数の貫通孔が形成されており、前記金属支持体の前記複数の貫通孔のうちの少なくとも一部は、前記第1の表面における開口を含む第1の部分であって、前記第1の方向とのなす角θ1が0度より大きく90度より小さい方向に延伸する第1の部分を有し、前記特定電極は、前記基部に連続すると共に、前記金属支持体の前記貫通孔の前記第1の部分の少なくとも一部分に充填された充填部を有する。 (1) The electrochemical reaction single cell disclosed in the present specification is an electrochemical reaction single cell comprising an electrolyte layer, and a fuel electrode and an air electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. a metal support arranged on the side opposite to the electrolyte layer with respect to a base portion, which is a part of a specific electrode, which is one of the fuel electrode and the air electrode, on the side closer to the electrolyte layer; The metal support has a plurality of through-holes penetrating from a first surface on the base side of the specific electrode to a second surface opposite to the first surface. At least part of the plurality of through-holes in the body is a first portion including openings on the first surface, and forms an angle θ1 with the first direction greater than 0 degrees and greater than 90 degrees. Having a first portion extending in a small direction, the specific electrode has a filling portion that is continuous with the base portion and that fills at least a portion of the first portion of the through hole of the metal support. .

本電気化学反応単セルでは、例えば各部材の熱膨張係数の差に起因して特定電極と金属支持体とを引き離す力(第1の方向に略平行な力)が作用したときに、特定電極の充填部における貫通孔の第1の部分に充填された部分、すなわち、第1の方向とのなす角θ1が0度より大きく90度より小さい方向に延伸している部分が、貫通孔の第1の部分の内壁面に係合してアンカーとして効果的に機能する。従って、本電気化学反応単セルによれば、金属支持体からの特定電極の剥離を効果的に抑制することができる。 In this electrochemical reaction single cell, when a force (a force substantially parallel to the first direction) separating the specific electrode and the metal support due to, for example, the difference in the thermal expansion coefficient of each member acts, the specific electrode The portion filled in the first portion of the through-hole in the filled portion of the through-hole, that is, the portion extending in the direction where the angle θ1 formed with the first direction is larger than 0 degrees and smaller than 90 degrees is the first portion of the through-hole It engages the inner wall surface of part 1 and effectively functions as an anchor. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to effectively suppress peeling of the specific electrode from the metal support.

(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記金属支持体の前記複数の貫通孔のうちの少なくとも一部は、前記第1の部分に加えて、前記第1の部分に連通する第2の部分であって、前記第1の方向とのなす角θ2が0度より大きく90度より小さく、かつ、前記第1の部分の延伸方向とは異なる方向に延伸する第2の部分を有し、前記特定電極の前記充填部は、前記金属支持体の前記貫通孔の前記第1の部分の、前記第1の表面における開口から前記第2の部分に達するまでの部分と、前記第2の部分における前記第1の部分に連続する少なくとも一部分とに充填されている構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、特定電極と金属支持体とを引き離す力が作用したときに、特定電極の充填部における貫通孔の第1の部分に充填された部分がアンカーとして効果的に機能するのに加えて、特定電極の充填部における貫通孔の第2の部分に充填された部分、すなわち、第1の方向とのなす角θ2が0度より大きく90度より小さい方向に延伸している部分が、貫通孔の第2の部分の内壁面に係合してアンカーとして効果的に機能する。また、貫通孔において、第2の部分の延伸方向は第1の部分の延伸方向と異なるため、貫通孔の第1の部分と第2の部分とにわたって充填された特定電極の充填部は、第1の部分と第2の部分との箇所において屈曲した形状となり、強固なアンカーとして機能する。従って、本電気化学反応単セルによれば、金属支持体からの特定電極の剥離を極めて効果的に抑制することができる。 (2) In the above electrochemical reaction single cell, at least some of the plurality of through-holes of the metal support are, in addition to the first portion, second portions communicating with the first portions. a second portion forming an angle θ2 with the first direction greater than 0 degrees and less than 90 degrees and extending in a direction different from the extending direction of the first portions; The filling portion of the specific electrode includes a portion of the first portion of the through hole of the metal support from the opening on the first surface to the second portion, and the second portion of the through hole. At least a portion continuous with the first portion may be filled. In this electrochemical reaction single cell, when a force acts to separate the specific electrode and the metal support, the portion filled in the first portion of the through hole in the filling portion of the specific electrode effectively functions as an anchor. In addition to the above, the portion filled in the second portion of the through hole in the filling portion of the specific electrode, that is, extends in a direction at which the angle θ2 formed with the first direction is greater than 0 degrees and less than 90 degrees. The portion engages the inner wall surface of the second portion of the throughbore to effectively function as an anchor. In addition, in the through-hole, the extending direction of the second portion is different from the extending direction of the first portion. It has a bent shape at the location of the first portion and the second portion, and functions as a strong anchor. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to extremely effectively suppress the separation of the specific electrode from the metal support.

(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記金属支持体は、複数の板状部材が前記第1の方向に積層された構成を有し、前記金属支持体の前記貫通孔の前記第1の部分と前記第2の部分とは、互いに異なる前記板状部材に形成されている構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、金属支持体に、互いに異なる方向に延伸する第1の部分および第2の部分を有する貫通孔を容易に形成することができる。 (3) In the above electrochemical reaction single cell, the metal support has a configuration in which a plurality of plate-like members are stacked in the first direction, and the first The portion and the second portion may be configured to be formed on the plate-like members different from each other. According to this electrochemical reaction single cell, it is possible to easily form a through-hole having a first portion and a second portion extending in different directions in a metal support.

(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極の前記充填部の少なくとも1つは、前記金属支持体の前記貫通孔の、前記第1の表面における開口の位置から、前記第2の表面における開口より前記第1の表面に近い位置まで延伸している構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、金属支持体の貫通孔の、第2の表面における開口付近の一部分に、充填部が存在しない空間が確保される。そのため、本電気化学反応単セルによれば、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制しつつ、反応ガスの貫通孔内への流入を促進することができ、特定電極側のガス拡散性の低下を抑制することができる。 (4) In the above electrochemical reaction single cell, at least one of the filling portions of the specific electrode extends from the position of the opening of the through-hole of the metal support on the first surface to the second surface. It is good also as a structure extended to the position near the said 1st surface from the opening in. In this electrochemical reaction single cell, a space without a filling portion is secured in a part of the through-hole of the metal support near the opening on the second surface. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to promote the inflow of the reaction gas into the through-hole while suppressing the separation of the specific electrode from the metal support, and the gas diffusibility on the side of the specific electrode can be improved. Decrease can be suppressed.

(5)上記電気化学反応単セルにおいて、前記金属支持体の前記複数の貫通孔は、前記第1の部分の延伸方向が互いに異なる複数の前記貫通孔を含む構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、特定電極の複数の充填部が、延伸方向が互いに異なる形状となり、全体として強固なアンカーとして機能する。従って、本電気化学反応単セルによれば、金属支持体からの特定電極の剥離を極めて効果的に抑制することができる。 (5) In the above electrochemical reaction single cell, the plurality of through holes of the metal support may include a plurality of through holes in which the extending directions of the first portions are different from each other. According to the present electrochemical reaction single cell, the plurality of filling portions of the specific electrode have different extending directions, and function as a strong anchor as a whole. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to extremely effectively suppress the separation of the specific electrode from the metal support.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル(燃料電池単セルまたは電解単セル)、複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be implemented in various forms. For example, an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic single cell), a plurality of electrochemical reaction single cells It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolysis cell stack), manufacturing methods 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1 is a perspective view showing the external configuration of a fuel cell stack 100 according to this embodiment; FIG. 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Explanatory drawing showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II in 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Explanatory drawing showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position 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Explanatory diagram showing the 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. 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Explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 本実施形態における単セル110の詳細構成を示す説明図Explanatory diagram showing the detailed configuration of the single cell 110 in the present embodiment

A.実施形態:
A-1.燃料電池スタック100の構成:
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Configuration of fuel cell stack 100:
FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of the fuel cell stack 100 in this embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG. Each figure shows mutually orthogonal XYZ axes for specifying directions. In this specification, for the sake of convenience, the positive Z-axis direction is referred to as the upward direction, and the negative Z-axis direction is referred to as the downward direction. may be installed. The same applies to FIG. 4 and subsequent figures.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という。)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態ではZ軸方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。上記配列方向(Z軸方向)は、特許請求の範囲における第1の方向の一例である。 The fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in this embodiment) 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 (the Z-axis direction in this embodiment). A pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an aggregate composed of seven power generation units 102 from above and below. The arrangement direction (Z-axis direction) is an example of a first direction in the scope of 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軸方向回りの周縁部には、Z軸方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士がZ軸方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたってZ軸方向に延びる貫通孔108を構成している。以下の説明では、貫通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、貫通孔108と呼ぶ場合がある。 A plurality of holes (eight in this embodiment) penetrating in the Z-axis direction are formed in the peripheral edge portion around the Z-axis direction of each layer (the power generating unit 102, the end plates 104 and 106) constituting the fuel cell stack 100. Corresponding holes formed in each layer communicate with each other in the Z-axis direction to form through-holes 108 extending in the Z-axis 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 through holes 108 may also be referred to as the through holes 108 .

各貫通孔108にはZ軸方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ナット24と各エンドプレート104,106(または後述するガス通路部材27)との間には、絶縁シート26が介在している。 A bolt 22 extending in the Z-axis direction is inserted through each through-hole 108 , and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolt 22 and nuts 24 fitted on both sides of the bolt 22 . As shown in FIGS. 2 and 3, an insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 and each of the end plates 104, 106 (or a gas passage member 27 to be described later).

各ボルト22の軸部の外周面と各貫通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、1つのボルト22(ボルト22A)と該ボルト22Aが挿通された貫通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOG(例えば空気)が導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102の空気室166に供給するガス流路である空気極側ガス供給マニホールド161として機能し、他の1つのボルト22(ボルト22B)と該ボルト22Bが挿通された貫通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する空気極側ガス排出マニホールド162として機能する。また、図1および図3に示すように、他の1つのボルト22(ボルト22D)と該ボルト22Dが挿通された貫通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFG(例えば水素リッチなガス)が導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102の燃料室176に供給する燃料極側ガス供給マニホールド171として機能し、他の1つのボルト22(ボルト22E)と該ボルト22Eが挿通された貫通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料極側ガス排出マニホールド172として機能する。 A space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each through hole 108 . As shown in FIGS. 1 and 2, the space formed by one bolt 22 (bolt 22A) and the through-hole 108 through which the bolt 22A is inserted allows the oxidant gas OG (for example, oxidant gas) from the outside of the fuel cell stack 100 to air) is introduced, and functions as an air electrode side gas supply manifold 161, which is a gas flow path for supplying the oxidant gas OG to the air chamber 166 of each power generation unit 102, and the other one bolt 22 (bolt 22B). The space formed by the through-hole 108 through which the bolt 22B is inserted serves as an air electrode for discharging the oxidant off-gas OOG, which is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. It functions as a side gas exhaust manifold 162 . As shown in FIGS. 1 and 3, the space formed by another bolt 22 (bolt 22D) and the through hole 108 through which the bolt 22D is inserted is filled with fuel gas from the outside of the fuel cell stack 100. FG (for example, hydrogen-rich gas) is introduced, and functions as a fuel electrode side gas supply manifold 171 that supplies the fuel gas FG to the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, and the other one bolt 22 (bolt 22E). The space formed by the through hole 108 through which the bolt 22E is inserted is the fuel electrode side through which the fuel off-gas FOG, which is the gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, is discharged to the outside of the fuel cell stack 100. It functions as a gas exhaust manifold 172 .

燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の本体部28の孔は、各ガス通路部材27の設置位置に設けられた各マニホールド161,162,171,172に連通している。 Four gas passage members 27 are provided in the fuel cell stack 100 . Each gas passage member 27 has a hollow tubular body portion 28 and a hollow tubular branch portion 29 branched from a side surface of the main body portion 28 . A hole in the branch portion 29 communicates with a hole in the main body portion 28 . The holes of the body portion 28 of each gas passage member 27 communicate with manifolds 161 , 162 , 171 and 172 provided at the installation positions of the gas passage members 27 .

(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、Z軸方向に略直交する平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、該発電単位102と電気的に接続されている。他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置され、該発電単位102と電気的に接続されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of end plates 104, 106)
The pair of end plates 104 and 106 are plate-shaped conductive members substantially orthogonal to the Z-axis direction, and are made of stainless steel, for example. One end plate 104 is arranged above the uppermost power generating unit 102 and electrically connected to the power generating unit 102 . The other end plate 106 is arranged below the lowermost power generation unit 102 and is electrically connected with the power generation unit 102 . The upper end plate 104 functions as the positive side output terminal of the fuel cell stack 100 , and the lower end plate 106 functions as the negative side 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。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory diagram showing the 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. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of two power generation units 102;

図4および図5に示すように、発電単位102は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という。)110と、セパレータ120と、空気極側フレーム部材130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム部材140と、燃料極側集電体144と、一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム部材130、燃料極側フレーム部材140、インターコネクタ150の周縁部には、上述したボルト22が挿通される貫通孔108に対応する孔が形成されている。 As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 includes a fuel cell single cell (hereinafter referred to as "single cell") 110, a separator 120, an air electrode side frame member 130, and an air electrode side current collector. 134 , an anode-side frame member 140 , an anode-side current collector 144 , and a pair of interconnectors 150 . Peripheral portions of the separator 120, the air electrode side frame member 130, the fuel electrode side frame member 140, and the interconnector 150 are formed with holes corresponding to the through holes 108 through which the bolts 22 are inserted.

インターコネクタ150は、Z軸方向に略直交する平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。 The interconnector 150 is a plate-shaped conductive member substantially perpendicular to the Z-axis direction, and is made of, for example, stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generating units 102 and prevents mixing of reaction gases between the power generating units 102 . In this embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacently, one interconnector 150 is shared by the two adjacent power generation units 102 . That is, the upper interconnector 150 in a certain 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 . In addition, the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, and the power generation unit 102 located at the bottom does not have the lower interconnector 150 (FIGS. 2 and 3). See Figure 3).

単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んでZ軸方向に互いに対向する空気極114および燃料極116とを備える。単セル110は、さらに、燃料極116(より詳細には、後述する燃料極116の基部117)に対して電解質層112とは反対側(下側)に配置された金属支持体180を備える。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の一例である。 The unit cell 110 includes an electrolyte layer 112, and an air electrode 114 and a fuel electrode 116 facing each other in the Z-axis direction with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The unit cell 110 further includes a metal support 180 arranged on the opposite side (lower side) of the electrolyte layer 112 with respect to the fuel electrode 116 (more specifically, the base 117 of the fuel electrode 116 described later). The single cell 110 is an example of an electrochemical reaction single cell in the claims.

金属支持体180は、Z軸方向に略直交する平板形状の導電性部材であり、金属(例えばステンレス)により形成されている。金属支持体180は、単セル110における他の構成要素(電解質層112等)を支持している。このように、本実施形態の単セル110は、金属支持体180によって単セル110の機械的強度を確保する、いわゆる金属支持型(メタルサポート型)の単セルである。金属支持型の単セルは、他のタイプ(例えば燃料極支持型)の単セルと比較して、熱衝撃による割れが生じにくく、また起動性が高い。後述するように、金属支持体180には、燃料ガスFGを通過させるための複数の貫通孔50が形成されている(図6参照)。 The metal support 180 is a flat plate-shaped conductive member substantially perpendicular to the Z-axis direction, and is made of metal (for example, stainless steel). The metal support 180 supports other components in the single cell 110 (such as the electrolyte layer 112). As described above, the unit cell 110 of the present embodiment is a so-called metal support type unit cell in which the mechanical strength of the unit cell 110 is ensured by the metal support 180 . A metal-supported single cell is less prone to cracking due to thermal shock and has a higher startability than other types of single cells (for example, a fuel electrode-supported type). As will be described later, the metal support 180 is formed with a plurality of through holes 50 for passing the fuel gas FG (see FIG. 6).

電解質層112は、Z軸方向に略直交する平板形状部材であり、緻密な層である。本実施形態では、電解質層112は、燃料極116における上側の表面と、金属支持体180における上側の表面の内、燃料極116に覆われていない領域とを連続的に覆うように形成されている。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)等の固体酸化物により形成されている。このように、本実施形態の単セル110は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。空気極114は、Z軸方向に略直交する平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物))により形成されている。燃料極116は、Z軸方向に略直交する平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。燃料極116は、特許請求の範囲における特定電極の一例である。 The electrolyte layer 112 is a plate-shaped member substantially orthogonal to the Z-axis direction, and is a dense layer. In this embodiment, the electrolyte layer 112 is formed so as to continuously cover the upper surface of the fuel electrode 116 and the region of the upper surface of the metal support 180 that is not covered with the fuel electrode 116 . there is The electrolyte layer 112 is made of solid oxide such as YSZ (yttria-stabilized zirconia). Thus, the single cell 110 of this embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide as an electrolyte. The air electrode 114 is a flat plate-shaped member substantially orthogonal to the Z-axis 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)). The fuel electrode 116 is a flat plate-shaped member substantially orthogonal to the Z-axis direction, and is a porous layer. The fuel electrode 116 is made of, for example, a cermet made of Ni and oxide ion conductive ceramic particles (eg, YSZ). The fuel electrode 116 is an example of a specific electrode in the claims.

セパレータ120は、中央付近にZ軸方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。セパレータ120における孔121を取り囲む部分は、例えばロウ材を含む接合部124により、単セル110(電解質層112)の周縁部と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画される。 The separator 120 is a frame-like member having a substantially rectangular hole 121 extending in the Z-axis direction near its center, and is made of stainless steel, for example. A portion of the separator 120 surrounding the hole 121 is joined to the peripheral portion of the unit cell 110 (electrolyte layer 112) by a joining portion 124 containing brazing material, for example. Separator 120 separates air chamber 166 facing air electrode 114 and fuel chamber 176 facing fuel electrode 116 .

空気極側フレーム部材130は、中央付近にZ軸方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えばマイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム部材130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム部材130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。空気極側フレーム部材130には、空気極側ガス供給マニホールド161と空気室166とを連通する空気極側ガス供給連通流路132と、空気室166と空気極側ガス排出マニホールド162とを連通する空気極側ガス排出連通流路133とが形成されている。 The air electrode-side frame member 130 is a frame-shaped member having a substantially rectangular hole 131 penetrating in the Z-axis direction near the center, and is made of an insulator such as mica. The hole 131 of the cathode-side frame member 130 constitutes an air chamber 166 facing the cathode 114 . A pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102 are electrically insulated by the cathode-side frame member 130 . The air electrode side frame member 130 has an air electrode side gas supply communication passage 132 that communicates between the air electrode side gas supply manifold 161 and the air chamber 166, and an air electrode side gas discharge manifold 162 that communicates with the air chamber 166. An air electrode side gas discharge communication channel 133 is formed.

燃料極側フレーム部材140は、中央付近にZ軸方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。燃料極側フレーム部材140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム部材140には、燃料極側ガス供給マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料極側ガス供給連通流路142と、燃料室176と燃料極側ガス排出マニホールド172とを連通する燃料極側ガス排出連通流路143とが形成されている。 The fuel electrode-side frame member 140 is a frame-shaped member having a substantially rectangular hole 141 penetrating in the Z-axis direction near the center, and is made of stainless steel, for example. A hole 141 of the anode-side frame member 140 constitutes a fuel chamber 176 facing the anode 116 . In the fuel electrode side frame member 140, a fuel electrode side gas supply communication passage 142 that communicates between the fuel electrode side gas supply manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel electrode side gas discharge manifold 172 that communicates with the fuel chamber 176 are provided. A fuel electrode side gas discharge communication channel 143 is formed.

空気極側集電体134は、空気室166内に配置された複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えばステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114とインターコネクタ150とを電気的に接続する。ただし、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、該発電単位102における空気極側集電体134は、空気極114と上側のエンドプレート104とを電気的に接続する(図2および図3参照)。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として構成されていてもよい。 The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially quadrangular prism-shaped current collector elements 135 arranged in the air chamber 166, and is made of, for example, stainless steel. The air electrode side current collector 134 electrically connects the air electrode 114 and the interconnector 150 . However, since the uppermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 consists of the air electrode 114 and the upper end plate 104 and are electrically connected (see FIGS. 2 and 3). The cathode-side current collector 134 and the interconnector 150 may be configured as an integral member.

燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置された複数の略四角柱状の集電体要素145から構成されており、例えばステンレスにより形成されている。燃料極側集電体144は、金属支持体180とインターコネクタ150とを電気的に接続する。ただし、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、該発電単位102における燃料極側集電体144は、金属支持体180と下側のエンドプレート106とを電気的に接続する(図2および図3参照)。なお、燃料極側集電体144とインターコネクタ150とが一体の部材として構成されていてもよい。 The fuel electrode side current collector 144 is composed of a plurality of substantially quadrangular prism-shaped current collector elements 145 arranged in the fuel chamber 176, and is made of, for example, stainless steel. The fuel electrode-side current collector 144 electrically connects the metal support 180 and the interconnector 150 . However, since the lowest power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not have the lower interconnector 150, the fuel electrode side current collector 144 in the power generation unit 102 is formed by the metal support 180 and the lower It is electrically connected to the end plate 106 (see FIGS. 2 and 3). Note that the fuel electrode-side current collector 144 and the interconnector 150 may be configured as an integral member.

A-2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガスOGは、空気極側ガス供給マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)から、該ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して空気極側ガス供給マニホールド161に供給され、空気極側ガス供給マニホールド161から各発電単位102の空気極側ガス供給連通流路132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガスFGは、燃料極側ガス供給マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)から、該ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料極側ガス供給マニホールド171に供給され、燃料極側ガス供給マニホールド171から各発電単位102の燃料極側ガス供給連通流路142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied from a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the air electrode side gas supply manifold 161. The air is supplied to the air electrode side gas supply manifold 161 via the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the air electrode side gas supply communication channel of each power generation unit 102 from the air electrode side gas supply manifold 161. 132 to air chamber 166 . Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel gas FG is supplied from a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel electrode side gas supply manifold 171. , is supplied to the fuel electrode side gas supply 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 electrode side gas supply communication flow of each power generation unit 102 is supplied from the fuel electrode side gas supply manifold 171. It is supplied to fuel chamber 176 via passage 142 .

各発電単位102において、空気室166に供給された酸化剤ガスOGが多孔質な空気極114内に進入し、かつ、燃料室176に供給された燃料ガスFGが金属支持体180に形成された複数の貫通孔50を通って多孔質な燃料極116内に進入すると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は、空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は、金属支持体180および燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。 In each power generation unit 102, the oxidant gas OG supplied to the air chamber 166 entered the porous air electrode 114, and the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176 was formed on the metal support 180. When entering the porous fuel electrode 116 through the plurality of through-holes 50 , electricity is generated by an electrochemical reaction between oxygen contained in the oxidant gas OG and hydrogen contained in the fuel gas FG in the single cell 110 . 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 through the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is connected to the metal support 180 and the fuel electrode side. It is electrically connected to the other interconnector 150 via the current collector 144 . Also, the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, the 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 the SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700° C. to 1000° C.), the fuel cell stack 100 is heated by the heater ( (not shown).

図2および図4に示すように、各発電単位102の空気室166から空気極側ガス排出連通流路133を介して空気極側ガス排出マニホールド162に排出された酸化剤オフガスOOGは、空気極側ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29を経て、該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)から燃料電池スタック100の外部に排出される。また、図3および図5に示すように、各発電単位102の燃料室176から燃料極側ガス排出連通流路143を介して燃料極側ガス排出マニホールド172に排出された燃料オフガスFOGは、燃料極側ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29を経て、該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)から燃料電池スタック100の外部に排出される。 As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant offgas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 to the air electrode side gas discharge manifold 162 through the air electrode side gas discharge communication channel 133 is The gas is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 from a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 via the main portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the side gas discharge manifold 162 . be done. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 to the fuel electrode side gas discharge manifold 172 through the fuel electrode side gas discharge communication passage 143 is The gas is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 from a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 via the main portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the pole-side gas discharge manifold 172 . be done.

A-3.単セル110の詳細構成:
図6は、本実施形態における単セル110の詳細構成を示す説明図である。図6には、図5のX1部における単セル110のYZ断面構成が拡大して示されている。
A-3. Detailed configuration of single cell 110:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the detailed configuration of the single cell 110 in this embodiment. FIG. 6 shows an enlarged view of the YZ cross-sectional configuration of the single cell 110 at the X1 portion of FIG.

図6に示すように、本実施形態における単セル110では、金属支持体180に複数の貫通孔50が形成されている。金属支持体180において、各貫通孔50は、燃料極116(より詳細には燃料極116における電解質層112に近い側の一部分である基部117)側の上面S1から、上面S1とは反対側の下面S2まで貫通している。金属支持体180の上面S1は、特許請求の範囲における第1の表面の一例であり、金属支持体180の下面S2は、特許請求の範囲における第2の表面の一例である。 As shown in FIG. 6 , in the single cell 110 of this embodiment, a plurality of through holes 50 are formed in the metal support 180 . In the metal support 180, each through-hole 50 extends from the upper surface S1 on the side of the fuel electrode 116 (more specifically, the base portion 117, which is a portion of the fuel electrode 116 on the side closer to the electrolyte layer 112), to the side opposite to the upper surface S1. It penetrates to the lower surface S2. The upper surface S1 of the metal support 180 is an example of a first surface in the claims, and the lower surface S2 of the metal support 180 is an example of a second surface in the claims.

本実施形態では、金属支持体180は、2枚の板状部材(第1の板状部材181および第2の板状部材182)がZ軸方向に積層された構成を有している。第2の板状部材182は、第1の板状部材181の下側に配置されており、例えば溶接によって第1の板状部材181と接合されている。本実施形態では、第1の板状部材181の厚さと第2の板状部材182の厚さとは、略同一である。 In this embodiment, the metal support 180 has a configuration in which two plate-like members (a first plate-like member 181 and a second plate-like member 182) are laminated in the Z-axis direction. The second plate-like member 182 is arranged below the first plate-like member 181 and is joined to the first plate-like member 181 by welding, for example. In this embodiment, the thickness of the first plate member 181 and the thickness of the second plate member 182 are substantially the same.

金属支持体180に形成された各貫通孔50は、金属支持体180の上面S1における開口53を含む第1の部分51を有している。各貫通孔50の第1の部分51は、金属支持体180を構成する第1の板状部材181に形成されている。各貫通孔50の第1の部分51は、Z軸方向とのなす角θ1が0度より大きく90度より小さい方向に、略直線状に延伸している。すなわち、各貫通孔50の第1の部分51の延伸方向は、Z軸方向に平行でもなく、Z軸方向に直交する方向でもなく、いわゆる斜めの方向である。各貫通孔50の第1の部分51の延伸方向は、互いに同一方向に揃ってはいない。すなわち、金属支持体180に形成された複数の貫通孔50は、第1の部分51の延伸方向が互いに異なる複数の貫通孔50を含んでいる。各貫通孔50の第1の部分51の延伸方向とZ軸方向とのなす角θ1は、10度より大きく50度より小さいことが好ましく、20度より大きく40度より小さいことがさらに好ましい。 Each through-hole 50 formed in the metal support 180 has a first portion 51 including an opening 53 in the upper surface S1 of the metal support 180. As shown in FIG. A first portion 51 of each through-hole 50 is formed in a first plate member 181 that constitutes the metal support 180 . The first portion 51 of each through-hole 50 extends substantially linearly in a direction that forms an angle θ1 with the Z-axis direction that is larger than 0 degrees and smaller than 90 degrees. That is, the extending direction of the first portion 51 of each through-hole 50 is neither parallel to the Z-axis direction nor a direction orthogonal to the Z-axis direction, but is a so-called oblique direction. The extending directions of the first portions 51 of the through holes 50 are not aligned in the same direction. That is, the plurality of through holes 50 formed in the metal support 180 include the plurality of through holes 50 in which the extending directions of the first portions 51 are different from each other. An angle θ1 between the extending direction of the first portion 51 of each through-hole 50 and the Z-axis direction is preferably larger than 10 degrees and smaller than 50 degrees, and more preferably larger than 20 degrees and smaller than 40 degrees.

また、金属支持体180に形成された各貫通孔50は、第1の部分51に加えて、第1の部分51に連通する第2の部分52を有している。第2の部分52は、金属支持体180の下面S2における開口54を含む部分である。すなわち、本実施形態では、各貫通孔50は、第1の部分51と第2の部分52とから構成されている。各貫通孔50において、第2の部分52は、Z軸方向とのなす角θ2が0度より大きく90度より小さく、かつ、第1の部分51の延伸方向とは異なる方向に、略直線状に延伸している。すなわち、各貫通孔50の第2の部分52の延伸方向は、Z軸方向に平行でもなく、Z軸方向に直交する方向でもなく、いわゆる斜めの方向であり、また、各貫通孔50は、第1の部分51と第2の部分52との接続箇所において、屈曲している。各貫通孔50の第2の部分52の延伸方向は、互いに同一方向に揃ってはいない。すなわち、金属支持体180に形成された複数の貫通孔50は、第2の部分52の延伸方向が互いに異なる複数の貫通孔50を含んでいる。各貫通孔50の第2の部分52の延伸方向とZ軸方向とのなす角θ2は、10度より大きく50度より小さいことが好ましく、20度より大きく40度より小さいことがさらに好ましい。 Each through-hole 50 formed in the metal support 180 has a second portion 52 communicating with the first portion 51 in addition to the first portion 51 . The second portion 52 is a portion including the opening 54 in the lower surface S2 of the metal support 180. As shown in FIG. That is, in this embodiment, each through hole 50 is composed of a first portion 51 and a second portion 52 . In each through-hole 50, the second portion 52 forms an angle θ2 with the Z-axis direction that is greater than 0 degrees and less than 90 degrees, and is substantially linear in a direction different from the extending direction of the first portions 51. is extended to That is, the extension direction of the second portion 52 of each through-hole 50 is neither parallel to the Z-axis direction nor a direction orthogonal to the Z-axis direction, but a so-called oblique direction. The connecting portion between the first portion 51 and the second portion 52 is bent. The extending directions of the second portions 52 of the through holes 50 are not aligned in the same direction. That is, the plurality of through holes 50 formed in the metal support 180 include the plurality of through holes 50 in which the extension directions of the second portions 52 are different from each other. The angle θ2 between the extending direction of the second portion 52 of each through-hole 50 and the Z-axis direction is preferably greater than 10 degrees and less than 50 degrees, and more preferably greater than 20 degrees and less than 40 degrees.

なお、本実施形態では、各貫通孔50の径は、金属支持体180の上面S1における開口53の位置から下面S2における開口54の位置にわたって略一定である。また、複数の貫通孔50の径は、互いに略同一である。 In this embodiment, the diameter of each through-hole 50 is substantially constant from the position of the opening 53 on the upper surface S1 of the metal support 180 to the position of the opening 54 on the lower surface S2. Also, the diameters of the plurality of through holes 50 are substantially the same.

燃料極116は、上述した基部117(電解質層112に近い側の一部分であり、Z軸方向に略直交する平板形状部材)に加えて、複数の充填部118を有している。各充填部118は、基部117に連続すると共に、金属支持体180に形成された貫通孔50に充填されている。各充填部118は、金属支持体180の貫通孔50の、上面S1における開口53の位置から、下面S2における開口54より上面S1に近い位置まで延伸している。すなわち、各充填部118は、貫通孔50の第1の部分51の、上面S1における開口53から第2の部分52に達するまでの部分と、第2の部分52における第1の部分51に連続する一部分(上側の一部分)とに充填されている。その結果、貫通孔50の最下部の一部分(第2の部分52における下側の一部分)に、充填部118が存在しない空間SPが確保されている。燃料室176に供給された燃料ガスFGは、該空間SPから燃料極116の各充填部118の空隙内を進行し、さらに燃料極116の基部117の空隙内を進行して、反応場に供給される。 The fuel electrode 116 has a plurality of filling portions 118 in addition to the above-described base portion 117 (a portion of the side close to the electrolyte layer 112 and a plate-shaped member substantially orthogonal to the Z-axis direction). Each filling portion 118 continues to the base portion 117 and fills the through hole 50 formed in the metal support 180 . Each filling portion 118 extends from the position of the opening 53 in the upper surface S1 of the through-hole 50 of the metal support 180 to a position closer to the upper surface S1 than the opening 54 in the lower surface S2. That is, each filling portion 118 is continuous with the portion of the first portion 51 of the through-hole 50 from the opening 53 in the upper surface S1 to the second portion 52 and the first portion 51 in the second portion 52. It is filled in the part that does (upper part). As a result, a space SP in which the filling portion 118 does not exist is secured in a lowermost portion of the through-hole 50 (a lower portion of the second portion 52). The fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176 advances from the space SP through the gaps of the filling portions 118 of the fuel electrode 116, further advances through the gaps of the base 117 of the fuel electrode 116, and is supplied to the reaction field. be done.

このような構成の単セル110は、例えば以下の製造方法により製造することができる。まず、金属支持体180を構成する第1の板状部材181および第2の板状部材182を準備し、孔開け加工によって第1の板状部材181に各貫通孔50の第1の部分51を形成すると共に、第2の板状部材182に各貫通孔50の第2の部分52を形成する。次に、第1の板状部材181と第2の板状部材182とを、各第1の部分51が各第2の部分52と連通するように位置を合わせて、例えば溶接によって接合することにより、金属支持体180を作製する。なお、本実施形態では、第1の板状部材181の厚さと第2の板状部材182の厚さとは略同一であるため、第1の部分51および第2の部分52の位置や個数を調整することにより、同一サイズの複数の板状部材に同様の孔開け加工を施し、複数の板状部材の一部を第1の板状部材181として利用し、複数の板状部材の他の一部を第2の板状部材182として利用することができるため、量産の効率化を実現することができる。 The single cell 110 having such a configuration can be manufactured, for example, by the following manufacturing method. First, the first plate-like member 181 and the second plate-like member 182 that constitute the metal support 180 are prepared, and the first portions 51 of the through-holes 50 are formed in the first plate-like member 181 by punching. is formed, and the second portion 52 of each through-hole 50 is formed in the second plate member 182 . Next, the first plate-like member 181 and the second plate-like member 182 are aligned so that each first portion 51 communicates with each second portion 52, and are joined by welding, for example. to fabricate the metal support 180 . In this embodiment, since the thickness of the first plate-like member 181 and the thickness of the second plate-like member 182 are substantially the same, the positions and the number of the first portions 51 and the second portions 52 are changed. By adjusting, a plurality of plate-shaped members of the same size are subjected to the same drilling process, some of the plurality of plate-shaped members are used as the first plate-shaped member 181, and other of the plurality of plate-shaped members are used. Since a part of it can be used as the second plate member 182, efficiency of mass production can be realized.

次に、燃料極116の充填部118および基部117のそれぞれを形成するためのペーストを調製する。そして、充填部118を形成するためのペーストを、金属支持体180に形成された各貫通孔50に充填する。このとき、金属支持体180の各貫通孔50の最下部の一部分(第2の部分52における下側の一部分)に例えば樹脂を充填しておくことにより、充填部118を形成するためのペーストが該部分には充填されないようにする。その後、基部117を形成するためのペーストを、金属支持体180の上面S1に塗布することによって成膜する。なお、充填部118を形成するためのペーストと基部117を形成するためのペーストとは、同一組成であってもよいし、互いに異なる組成であってもよい。 Next, pastes for forming filling portion 118 and base portion 117 of fuel electrode 116 are prepared. Then, each through-hole 50 formed in the metal support 180 is filled with a paste for forming the filling portion 118 . At this time, the lowermost part of each through-hole 50 (the lower part of the second part 52) of the metal support 180 is filled with resin, for example, so that the paste for forming the filling part 118 is formed. Do not fill the part. After that, a film is formed by applying a paste for forming the base portion 117 to the upper surface S1 of the metal support 180 . The paste for forming filling portion 118 and the paste for forming base portion 117 may have the same composition or may have different compositions.

次に、電解質層112を形成するためのペーストを調製し、燃料極116の基部117を形成するためのペーストの塗膜上に塗布することによって成膜する。このようにして作製された積層体を所定の温度で焼成することにより、電解質層112および燃料極116を形成し、金属支持体180と電解質層112と燃料極116との積層体を得る。次に、空気極114を形成するためのペーストを調製し、電解質層112上に塗布することによって成膜する。このようにして作製された積層体を所定の温度で焼成することにより、空気極114を形成し、上述した構成の単セル110を得る。 Next, a paste for forming the electrolyte layer 112 is prepared and applied on the coating film of the paste for forming the base 117 of the fuel electrode 116 to form a film. By firing the laminate thus produced at a predetermined temperature, the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 are formed, and a laminate of the metal support 180, the electrolyte layer 112, and the fuel electrode 116 is obtained. Next, a paste for forming the air electrode 114 is prepared and applied on the electrolyte layer 112 to form a film. By firing the laminated body thus produced at a predetermined temperature, the air electrode 114 is formed and the single cell 110 having the above-described structure is obtained.

A-4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んでZ軸方向に互いに対向する燃料極116および空気極114と、燃料極116における電解質層112に近い側の一部分である基部117に対して電解質層112とは反対側に配置された金属支持体180とを備える。金属支持体180には、燃料極116の基部117側の上面S1から、上面S1とは反対側の下面S2まで貫通する複数の貫通孔50が形成されている。金属支持体180に形成された各貫通孔50は、上面S1における開口53を含む第1の部分51を有する。第1の部分51は、Z軸方向とのなす角θ1が0度より大きく90度より小さい方向に延伸している。燃料極116は、基部117に連続すると共に、金属支持体180の各貫通孔50の第1の部分51の少なくとも一部分に充填された充填部118を有する。
A-4. Effect of this embodiment:
As described above, each unit cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment includes an electrolyte layer 112, a fuel electrode 116 and an air electrode 114 facing each other in the Z-axis direction with the electrolyte layer 112 interposed therebetween, and a metal support 180 disposed on the side opposite to the electrolyte layer 112 with respect to the base portion 117 , which is the portion of the anode 116 closer to the electrolyte layer 112 . A plurality of through holes 50 are formed in the metal support 180 so as to extend from the upper surface S1 of the fuel electrode 116 on the side of the base 117 to the lower surface S2 opposite to the upper surface S1. Each through-hole 50 formed in the metal support 180 has a first portion 51 including an opening 53 in the top surface S1. The first portion 51 extends in a direction in which the angle θ1 formed with the Z-axis direction is greater than 0 degrees and less than 90 degrees. The fuel electrode 116 has a filling portion 118 that continues from the base portion 117 and fills at least a portion of the first portion 51 of each through hole 50 of the metal support 180 .

本実施形態の単セル110は上記構成であるため、例えば各部材の熱膨張係数の差に起因して燃料極116と金属支持体180とを引き離す力(Z軸方向に略平行な力)が作用したときに、燃料極116の各充填部118における貫通孔50の第1の部分51に充填された部分、すなわち、Z軸方向とのなす角θ1が0度より大きく90度より小さい方向に延伸している部分が、貫通孔50の第1の部分51の内壁面に係合してアンカーとして効果的に機能する。従って、本実施形態の単セル110によれば、金属支持体180からの燃料極116の剥離を効果的に抑制することができる。 Since the unit cell 110 of this embodiment has the above structure, the force (the force substantially parallel to the Z-axis direction) separating the fuel electrode 116 and the metal support 180 due to, for example, the difference in the coefficient of thermal expansion of each member. When the fuel electrode 116 is actuated, the portion filled in the first portion 51 of the through hole 50 in each filling portion 118 of the fuel electrode 116, that is, in the direction where the angle θ1 with the Z-axis direction is greater than 0 degrees and less than 90 degrees. The extending portion engages the inner wall surface of the first portion 51 of the through hole 50 and effectively functions as an anchor. Therefore, according to the single cell 110 of the present embodiment, separation of the fuel electrode 116 from the metal support 180 can be effectively suppressed.

また、本実施形態の単セル110では、金属支持体180に形成された各貫通孔50は、第1の部分51に加えて、第1の部分51に連通する第2の部分52を有する。第2の部分52は、Z軸方向とのなす角θ2が0度より大きく90度より小さく、かつ、第1の部分51の延伸方向とは異なる方向に延伸している。また、燃料極116の各充填部118は、金属支持体180の貫通孔50の第1の部分51の、上面S1における開口53から第2の部分52に達するまでの部分と、第2の部分52における第1の部分51に連続する少なくとも一部分とに充填されている。本実施形態の単セル110は上記構成であるため、燃料極116と金属支持体180とを引き離す力が作用したときに、燃料極116の各充填部118における貫通孔50の第1の部分51に充填された部分がアンカーとして効果的に機能するのに加えて、燃料極116の各充填部118における貫通孔50の第2の部分52に充填された部分、すなわち、Z軸方向とのなす角θ2が0度より大きく90度より小さい方向に延伸している部分が、貫通孔50の第2の部分52の内壁面に係合してアンカーとして効果的に機能する。また、各貫通孔50において、第2の部分52の延伸方向は第1の部分51の延伸方向と異なるため、各貫通孔50の第1の部分51と第2の部分52とにわたって充填された燃料極116の充填部118は、第1の部分51と第2の部分52との箇所において屈曲した形状となり、強固なアンカーとして機能する。従って、本実施形態の単セル110によれば、金属支持体180からの燃料極116の剥離を極めて効果的に抑制することができる。 Further, in the single cell 110 of the present embodiment, each through-hole 50 formed in the metal support 180 has a second portion 52 communicating with the first portion 51 in addition to the first portion 51 . The second portion 52 forms an angle θ2 with the Z-axis direction that is greater than 0 degrees and less than 90 degrees, and extends in a direction different from the extending direction of the first portions 51 . In addition, each filling portion 118 of the fuel electrode 116 includes a portion of the first portion 51 of the through-hole 50 of the metal support 180 from the opening 53 in the upper surface S1 to the second portion 52, and the second portion. At least a portion of 52 that is continuous with the first portion 51 is filled. Since the single cell 110 of the present embodiment has the above structure, when a force separating the fuel electrode 116 and the metal support 180 acts, the first portion 51 of the through-hole 50 in each filling portion 118 of the fuel electrode 116 In addition to effectively functioning as an anchor, the portion filled in the second portion 52 of the through-hole 50 in each filling portion 118 of the fuel electrode 116, that is, the Z-axis direction. The portion extending in the direction where the angle θ2 is larger than 0 degrees and smaller than 90 degrees engages the inner wall surface of the second portion 52 of the through-hole 50 and effectively functions as an anchor. In addition, in each through-hole 50, since the extending direction of the second portion 52 is different from the extending direction of the first portion 51, the first portion 51 and the second portion 52 of each through-hole 50 are filled. The filling portion 118 of the fuel electrode 116 has a bent shape at the location between the first portion 51 and the second portion 52 and functions as a strong anchor. Therefore, according to the single cell 110 of the present embodiment, separation of the fuel electrode 116 from the metal support 180 can be suppressed extremely effectively.

また、本実施形態の単セル110では、金属支持体180が、複数の板状部材181,182がZ軸方向に積層された構成を有し、金属支持体180の各貫通孔50の第1の部分51と第2の部分52とが、互いに異なる板状部材181,182に形成されている。そのため、本実施形態の単セル110によれば、金属支持体180に、互いに異なる方向に延伸する第1の部分51および第2の部分52を有する貫通孔50を容易に形成することができる。 Further, in the single cell 110 of the present embodiment, the metal support 180 has a configuration in which a plurality of plate-like members 181 and 182 are stacked in the Z-axis direction, and the first through-holes 50 of the metal support 180 The portion 51 and the second portion 52 are formed on plate-like members 181 and 182 different from each other. Therefore, according to the single cell 110 of the present embodiment, the through-hole 50 having the first portion 51 and the second portion 52 extending in different directions can be easily formed in the metal support 180 .

また、本実施形態の単セル110では、燃料極116の各充填部118は、金属支持体180の貫通孔50の、上面S1における開口53の位置から、下面S2における開口54より上面S1に近い位置まで延伸している。すなわち、本実施形態の単セル110では、金属支持体180の各貫通孔50の最下部の一部分に、充填部118が存在しない空間SPが確保されている。そのため、本実施形態の単セル110によれば、金属支持体180からの燃料極116の剥離を抑制しつつ、燃料ガスFGの各貫通孔50内への流入を促進することができ、燃料極116側のガス拡散性の低下を抑制することができる。 Further, in the single cell 110 of the present embodiment, each filling portion 118 of the fuel electrode 116 is closer to the upper surface S1 than the opening 54 of the lower surface S2 of the through-hole 50 of the metal support 180 from the position of the opening 53 on the upper surface S1. Extends to position. That is, in the single cell 110 of this embodiment, a space SP in which the filling portion 118 does not exist is secured in a part of the lowermost portion of each through hole 50 of the metal support 180 . Therefore, according to the single cell 110 of the present embodiment, it is possible to suppress the separation of the fuel electrode 116 from the metal support 180 and promote the flow of the fuel gas FG into each through-hole 50. A decrease in gas diffusivity on the 116 side can be suppressed.

また、本実施形態の単セル110では、金属支持体180に形成された複数の貫通孔50は、第1の部分51の延伸方向が互いに異なる複数の貫通孔50を含む。そのため、本実施形態の単セル110によれば、燃料極116の複数の充填部118が、延伸方向が互いに異なる形状となり、全体として強固なアンカーとして機能する。従って、本実施形態の単セル110によれば、金属支持体180からの燃料極116の剥離を極めて効果的に抑制することができる。 Further, in the single cell 110 of the present embodiment, the plurality of through holes 50 formed in the metal support 180 include the plurality of through holes 50 in which the extending directions of the first portions 51 are different from each other. Therefore, according to the unit cell 110 of the present embodiment, the plurality of filling portions 118 of the fuel electrode 116 have shapes with different extending directions, and function as a strong anchor as a whole. Therefore, according to the single cell 110 of the present embodiment, separation of the fuel electrode 116 from the metal support 180 can be suppressed extremely effectively.

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. Variant:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the scope of the invention. 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や単セル110の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、金属支持体180に形成された各貫通孔50が、第1の部分51と第2の部分52とから構成されているが、貫通孔50の構成は必ずしもこれに限られない。例えば、金属支持体180に形成された貫通孔50が、第1の部分51のみから構成されていてもよいし、第1の部分51および第2の部分52に加えて、第2の部分52に連通すると共に第2の部分52とは異なる方向に延伸する第3の部分を有していてもよいし、同様にして第4以降の部分を有していてもよい。また、上記実施形態では、貫通孔50の第2の部分52は、Z軸方向とのなす角θ2が0度より大きく90度より小さい方向に延伸しているが、第2の部分52の延伸方向がZ軸方向に平行であってもよい。 The configurations of the fuel cell stack 100 and the unit cells 110 in the above embodiment are merely examples, and various modifications are possible. For example, in the above embodiment, each through-hole 50 formed in the metal support 180 is composed of the first portion 51 and the second portion 52, but the configuration of the through-hole 50 is not necessarily limited to this. can't For example, the through hole 50 formed in the metal support 180 may be composed of only the first portion 51, or the second portion 52 may be composed of the first portion 51 and the second portion 52 in addition to the first portion 51 and the second portion 52. It may have a third portion communicating with the second portion 52 and extending in a direction different from that of the second portion 52, and similarly may have a fourth and subsequent portions. In the above-described embodiment, the second portion 52 of the through-hole 50 extends in the direction where the angle θ2 formed with the Z-axis direction is greater than 0 degrees and less than 90 degrees. The direction may be parallel to the Z-axis direction.

上記実施形態では、金属支持体180に形成された各貫通孔50の第1の部分51の延伸方向が互いに同一方向に揃ってはいないが、各貫通孔50の第1の部分51の延伸方向が互いに同一方向に揃っていてもよい。同様に、上記実施形態では、金属支持体180に形成された各貫通孔50の第2の部分52の延伸方向が互いに同一方向に揃ってはいないが、各貫通孔50の第2の部分52の延伸方向が互いに同一方向に揃っていてもよい。 In the above embodiment, the extending directions of the first portions 51 of the through holes 50 formed in the metal support 180 are not aligned in the same direction, but the extending directions of the first portions 51 of the through holes 50 may be aligned in the same direction. Similarly, in the above-described embodiment, the extending directions of the second portions 52 of the through-holes 50 formed in the metal support 180 are not aligned in the same direction, but the second portions 52 of the through-holes 50 may be aligned in the same direction.

上記実施形態では、金属支持体180に形成された各貫通孔50の第1の部分51と第2の部分52との接続箇所において、Z軸方向に直交する方向における第1の部分51と第2の部分52との位置が同一であるが、第1の部分51と第2の部分52とが連通している限りにおいて、該位置がずれていてもよい。この点は、各貫通孔50が第3以降の部分を有する場合においても同様である。 In the above-described embodiment, at the connection point between the first portion 51 and the second portion 52 of each through-hole 50 formed in the metal support 180, the first portion 51 and the second portion 51 are connected in the direction orthogonal to the Z-axis direction. Although the position of the second portion 52 is the same, the positions may be shifted as long as the first portion 51 and the second portion 52 are in communication. This point is the same when each through-hole 50 has a third and subsequent portions.

上記実施形態では、燃料極116の各充填部118は、貫通孔50の第1の部分51の、上面S1における開口53から第2の部分52に達するまでの部分と、第2の部分52における第1の部分51に連続する一部分(上側の一部分)とに充填されているが、充填部118の構成は必ずしもこれに限られない。例えば、燃料極116の充填部118が、貫通孔50の第1の部分51の、上面S1における開口53から第2の部分52に達するまでの部分に充填されているが、第2の部分52には充填されていなくてもよい。なお、燃料極116の充填部118が、貫通孔50の第1の部分51の、上面S1における開口53から第2の部分52に達するまでの部分に充填されているとは、必ずしも第1の部分51の該部分に充填部118が隙間なく充填されている形態のみを意味するものではなく、充填部118が上面S1における開口53から第2の部分52に達するまで連続的に位置している限りにおいて、第1の部分51の該部分に充填部118が存在しない箇所がある形態を含む。また、燃料極116の充填部118が、貫通孔50の第1の部分51の、上面S1における開口53から第2の部分52に達するまでの部分ではなく、上側の一部分のみに充填されていてもよい。また、燃料極116の充填部118が、貫通孔50の第1の部分51の、上面S1における開口53から第2の部分52に達するまでの部分と、第2の部分52の、下面S2における開口54から第1の部分51に達するまでの部分とに充填されていてもよい。すなわち、燃料極116の充填部118が、貫通孔50の上面S1における開口53の位置から、下面S2における開口54の位置まで延伸していてもよい。このように、燃料極116の各充填部118の構成は、貫通孔50の第1の部分51の少なくとも一部分に充填されている限りにおいて、任意に変更可能である。この点は、各貫通孔50が第1の部分51のみから構成される場合や、第3以降の部分を有する場合においても同様である。 In the above-described embodiment, each filling portion 118 of the fuel electrode 116 includes a portion of the first portion 51 of the through-hole 50 from the opening 53 in the upper surface S1 to the second portion 52, and Although a portion (an upper portion) continuous with the first portion 51 is filled, the configuration of the filling portion 118 is not necessarily limited to this. For example, the filling portion 118 of the fuel electrode 116 fills the first portion 51 of the through-hole 50 from the opening 53 in the upper surface S1 to the second portion 52, but the second portion 52 may not be filled. It should be noted that filling portion 118 of fuel electrode 116 filled into first portion 51 of through-hole 50 from opening 53 in upper surface S1 to second portion 52 does not necessarily mean the first portion. It does not mean only the form in which the filling part 118 is filled in the part 51 without gaps, but the filling part 118 is continuously positioned from the opening 53 in the upper surface S1 until it reaches the second part 52. As far as possible, it includes a form in which there is a portion where the filling portion 118 does not exist in that portion of the first portion 51 . In addition, the filling portion 118 of the fuel electrode 116 is filled only in the upper portion of the first portion 51 of the through-hole 50, not the portion from the opening 53 in the upper surface S1 to the second portion 52. good too. In addition, the filled portion 118 of the fuel electrode 116 is the portion of the first portion 51 of the through hole 50 from the opening 53 in the upper surface S1 to the second portion 52, and the lower surface S2 of the second portion 52. A portion from the opening 54 to the first portion 51 may be filled. That is, the filling portion 118 of the fuel electrode 116 may extend from the position of the opening 53 on the upper surface S1 of the through-hole 50 to the position of the opening 54 on the lower surface S2. Thus, the configuration of each filling portion 118 of the fuel electrode 116 can be arbitrarily changed as long as at least a portion of the first portion 51 of the through hole 50 is filled. This point is the same when each through-hole 50 is composed of only the first portion 51 or has the third and subsequent portions.

上記実施形態では、金属支持体180が、Z軸方向に積層された第1の板状部材181および第2の板状部材182から構成されているが、金属支持体180の構成はこれに限られない。例えば、金属支持体180が、1枚の板状部材から構成されていてもよいし、Z軸方向に積層された3枚以上の板状部材から構成されていてもよい。また、金属支持体180がZ軸方向に積層された複数の板状部材から構成されている場合、各板状部材の厚さは互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。また、金属支持体180の表面にコート層が形成されていてもよい。 In the above embodiment, the metal support 180 is composed of the first plate-like member 181 and the second plate-like member 182 laminated in the Z-axis direction, but the structure of the metal support 180 is limited to this. can't For example, the metal support 180 may be composed of one plate-like member, or may be composed of three or more plate-like members stacked in the Z-axis direction. Moreover, when the metal support 180 is composed of a plurality of plate-like members laminated in the Z-axis direction, the thickness of each plate-like member may be the same or different. Moreover, a coat layer may be formed on the surface of the metal support 180 .

上記実施形態における金属支持体180の貫通孔50や燃料極116の充填部118の構成は、金属支持体180に形成されたすべての貫通孔50および該すべての貫通孔50に充填された充填部118において実現されている必要はなく、金属支持体180に形成された複数の貫通孔50のうちの少なくとも一部および該一部に充填された充填部118において実現されていればよい。 The configuration of the through-holes 50 of the metal support 180 and the filling portions 118 of the fuel electrode 116 in the above-described embodiment is as follows: It does not have to be implemented in 118, and may be implemented in at least a portion of the plurality of through holes 50 formed in the metal support 180 and the filling portion 118 filled in the portion.

上記実施形態では、金属支持体180が、燃料極116(燃料極116における電解質層112に近い側の一部分である基部117)に対して電解質層112とは反対側に配置されているが、これに代えて、金属支持体180が、空気極114(空気極114における電解質層112に近い側の一部分である基部)に対して電解質層112とは反対側に配置されていてもよい。このような場合も金属支持体180の貫通孔50および貫通孔50に充填される空気極114の充填部を上記と同様の構成とすることにより、金属支持体180からの空気極114の剥離を効果的に抑制することができる。なお、このような構成において、空気極114は、特許請求の範囲における特定電極の一例である。 In the above embodiment, the metal support 180 is disposed on the opposite side of the anode 116 (the base portion 117, which is a portion of the anode 116 on the side closer to the electrolyte layer 112) than the electrolyte layer 112. Alternatively, the metal support 180 may be arranged on the side opposite to the electrolyte layer 112 with respect to the cathode 114 (the base portion, which is the portion of the cathode 114 on the side closer to the electrolyte layer 112 ). Even in such a case, the through hole 50 of the metal support 180 and the filling portion of the air electrode 114 filled in the through hole 50 are configured in the same manner as described above, so that the separation of the air electrode 114 from the metal support 180 can be prevented. can be effectively suppressed. In addition, in such a configuration, the air electrode 114 is an example of a specific electrode in the claims.

上記実施形態において、単セル110の空気極114と電解質層112との間に、空気極114から拡散した元素(例えば、Sr)が電解質層112に含まれる元素(例えば、Zr)と反応して高抵抗な物質(例えば、SrZrO)が生成されることを抑制する反応防止層が配置されるとしてもよい。反応防止層は、例えば、セリア系のイオン伝導体材料により形成される。 In the above embodiment, an element (for example, Sr) diffused from the air electrode 114 reacts with an element (for example, Zr) contained in the electrolyte layer 112 between the air electrode 114 and the electrolyte layer 112 of the single cell 110. An anti-reaction layer may be placed to suppress the formation of highly resistive materials (eg, SrZrO 3 ). The reaction prevention layer is made of, for example, a ceria-based ion conductor material.

また、上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック100に含まれるすべての単セル110において、上述した構成が実現されている必要はなく、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも1つの単セル110において、上述した構成が実現されていればよい。 Further, in the above-described embodiment, it is not necessary that all the single cells 110 included in the fuel cell stack 100 have the above configuration, and at least one single cell 110 included in the fuel cell stack 100 has the above configuration. It suffices if a configuration that

上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。また、上記実施形態における単セル110の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。 The materials constituting each member in the above embodiment are merely examples, and each member may be made of another material. Moreover, the manufacturing method of the single cell 110 in the above embodiment is merely an example, and various modifications are possible.

上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行う固体酸化物形燃料電池(SOFC)を対象としているが、本明細書に開示される技術は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解単セルおよび複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016-81813号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、貫通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、貫通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解単セルにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用することにより、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。 In the above embodiment, the object is a solid oxide fuel cell (SOFC) that generates power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas. The disclosed technology can also be applied to an electrolytic cell stack comprising an electrolytic single cell and a plurality of electrolytic single cells, which are constituent units of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) that produces hydrogen using an electrolysis reaction of water. equally applicable. The configuration of the electrolysis cell stack is known, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, so it will not be described in detail here. Configuration. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment can be read as an electrolytic cell stack, the power generation unit 102 can be read as an electrolytic cell unit, and the single cell 110 can be read as an electrolytic single cell. However, during the operation of the electrolytic cell stack, 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 is supplied as a source gas. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176 , and the hydrogen is taken out of the electrolysis cell stack through the through-hole 108 . Even in the electrolytic single cell having such a configuration, by adopting a configuration similar to that of the above-described embodiment, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.

上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本明細書に開示される技術は、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。 In the above embodiments, a solid oxide fuel cell (SOFC) was described as an example, but the technology disclosed herein can be applied to other types of fuel cells (or electrolysis) such as molten carbonate fuel cells (MCFC). cell).

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 50:貫通孔 51:第1の部分 52:第2の部分 53:開口 54:開口 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 108:貫通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 117:基部 118:充填部 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム部材 131:孔 132:空気極側ガス供給連通流路 133:空気極側ガス排出連通流路 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム部材 141:孔 142:燃料極側ガス供給連通流路 143:燃料極側ガス排出連通流路 144:燃料極側集電体 145:集電体要素 150:インターコネクタ 161:空気極側ガス供給マニホールド 162:空気極側ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料極側ガス供給マニホールド 172:燃料極側ガス排出マニホールド 176:燃料室 180:金属支持体 181:第1の板状部材 182:第2の板状部材 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス S1:上面 S2:下面 SP:空間 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 50: Through hole 51: First portion 52: Second portion 53: Opening 54: Opening 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104: End plate 106: End plate 108: Through hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 117: Base 118: Filling part 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130 : air electrode side frame member 131: hole 132: air electrode side gas supply communication channel 133: air electrode side gas discharge communication channel 134: air electrode side current collector 135: current collector element 140: fuel electrode side frame member 141: Hole 142: Fuel electrode side gas supply communication channel 143: Fuel electrode side gas discharge communication channel 144: Fuel electrode side current collector 145: Current collector element 150: Interconnector 161: Air electrode side gas supply manifold 162 : air electrode side gas discharge manifold 166: air chamber 171: fuel electrode side gas supply manifold 172: fuel electrode side gas discharge manifold 176: fuel chamber 180: metal support 181: first plate member 182: second plate FG: Fuel gas FOG: Fuel off-gas OG: Oxidant gas OOG: Oxidant off-gas S1: Upper surface S2: Lower surface SP: Space

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燃料極および空気極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、さらに、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極における前記電解質層に近い側の一部分である基部に対して前記電解質層とは反対側に配置された金属支持体を備え、
前記金属支持体には、前記特定電極の前記基部側の第1の表面から、前記第1の表面とは反対側の第2の表面まで貫通する複数の貫通孔が形成されており、
前記金属支持体の前記複数の貫通孔のうちの少なくとも一部は、前記第1の表面における開口を含む第1の部分であって、前記第1の方向とのなす角θ1が0度より大きく90度より小さい方向に延伸する第1の部分を有し、
前記特定電極は、前記基部に連続すると共に、前記金属支持体の前記貫通孔の前記第1の部分の少なくとも一部分に充填された充填部を有する、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
An electrochemical reaction single cell comprising an electrolyte layer, and a fuel electrode and an air electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, further comprising:
a metal support disposed on the side opposite to the electrolyte layer with respect to a base portion, which is a portion of the specific electrode, which is one of the fuel electrode and the air electrode, on the side closer to the electrolyte layer;
The metal support has a plurality of through-holes penetrating from a first surface on the base side of the specific electrode to a second surface opposite to the first surface,
At least some of the plurality of through-holes of the metal support are a first portion including openings on the first surface, and form an angle θ1 with the first direction greater than 0 degrees. having a first portion extending in a direction less than 90 degrees;
The specific electrode has a filling portion that is continuous with the base and that fills at least a portion of the first portion of the through hole of the metal support,
An electrochemical reaction single cell characterized by:
請求項1に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記金属支持体の前記複数の貫通孔のうちの少なくとも一部は、前記第1の部分に加えて、前記第1の部分に連通する第2の部分であって、前記第1の方向とのなす角θ2が0度より大きく90度より小さく、かつ、前記第1の部分の延伸方向とは異なる方向に延伸する第2の部分を有し、
前記特定電極の前記充填部は、前記金属支持体の前記貫通孔の前記第1の部分の、前記第1の表面における開口から前記第2の部分に達するまでの部分と、前記第2の部分における前記第1の部分に連続する少なくとも一部分とに充填されている、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell according to claim 1,
At least some of the plurality of through-holes of the metal support are, in addition to the first portion, second portions communicating with the first portions, and are oriented in the first direction. having an angle θ2 greater than 0 degree and less than 90 degrees and extending in a direction different from the direction of extension of the first portion;
The filling portion of the specific electrode includes a portion of the first portion of the through-hole of the metal support from the opening on the first surface to the second portion, and the second portion. at least a portion continuous with the first portion in
An electrochemical reaction single cell characterized by:
請求項2に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記金属支持体は、複数の板状部材が前記第1の方向に積層された構成を有し、
前記金属支持体の前記貫通孔の前記第1の部分と前記第2の部分とは、互いに異なる前記板状部材に形成されている、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell according to claim 2,
The metal support has a configuration in which a plurality of plate-like members are laminated in the first direction,
wherein the first portion and the second portion of the through-hole of the metal support are formed on the plate-like members different from each other;
An electrochemical reaction single cell characterized by:
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記特定電極の前記充填部の少なくとも1つは、前記金属支持体の前記貫通孔の、前記第1の表面における開口の位置から、前記第2の表面における開口より前記第1の表面に近い位置まで延伸している、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 3,
At least one of the filling portions of the specific electrode is positioned closer to the first surface than the opening on the second surface from the position of the opening on the first surface of the through hole of the metal support. extends up to
An electrochemical reaction single cell characterized by:
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記金属支持体の前記複数の貫通孔は、前記第1の部分の延伸方向が互いに異なる複数の前記貫通孔を含む、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 4,
The plurality of through-holes of the metal support include a plurality of through-holes in which the extending directions of the first portion are different from each other,
An electrochemical reaction single cell characterized by:
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