JP2023023049A - Electrochemical reaction single cell and method of manufacturing the same - Google Patents

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Shinsuke Suzuki
和幸 松田
Kazuyuki Matsuda
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Abstract

To suppress delamination of a specific electrode from a metal support body, in an electrochemical reaction single cell.SOLUTION: An electrochemical reaction single cell comprises: an electrolyte layer; a fuel electrode and an air electrode opposed to each other in a first direction while interposing the electrolyte layer; and a metal support body located on an opposite side to the electrolyte layer, of a specific electrode, which is one of the fuel electrode and the air electrode, having a plurality of through-holes penetrating in the first direction. The specific electrode comprises an electrode hole interior located inside a specific through-hole, which is at least one of the plurality of through-holes. In at least one cross section along the first direction of the electrochemical reaction single cell, when surface roughness of a first portion including an end at the specific electrode side, of a pair of outlines that defines the specific through-hole on the metal support body, is defined as A1 (μm), and surface roughness of a second portion continuous to the first portion at an opposite side to the specific electrode, of the outlines, is defined as A2 (μm), a numerical expression: A1>A2 is satisfied. The electrode hole interior is in contact with at least a part of the first portion 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および電気化学反応単セルの製造方法に関する。 The technology disclosed by this specification relates to an electrochemical reaction single cell and a method for manufacturing 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(例えば、特許文献1参照)。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 a single cell, a metal-supported single cell is known (see, for example, Patent Document 1). 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。複数の貫通孔は、第1の方向視で特定電極と重なるように位置している。従来の金属支持型の単セルでは、金属支持体の貫通孔を画定する表面(以下、「孔内表面」という。)の表面粗さは均一であり、特定電極の貫通孔内に位置する部分(以下、「孔内部」という。)は、このような表面粗さを有する金属支持体の孔内表面に接している。 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. The plurality of through holes are positioned so as to overlap the specific electrodes when viewed from the first direction. In a conventional metal-supported single cell, the surface of the metal support that defines the through-hole (hereinafter referred to as the “inner surface of the hole”) has a uniform surface roughness. (hereinafter referred to as "inside the pore") is in contact with the pore inner surface of the metal support having such surface roughness.

特開2005-93262号公報JP-A-2005-93262

上記従来の金属支持型の単セルでは、金属支持体と特定電極とを引き離す力(第1の方向に略平行な力)が作用したときに、金属支持体からの特定電極の剥離が生じるおそれがある。 In the conventional metal-supported single cell described above, when a force (a force substantially parallel to the first direction) is applied to separate the metal support and the specific electrode, the specific electrode may be separated from the metal support. There is

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、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記第1の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第1の方向に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極は、前記複数の貫通孔の少なくとも1つである特定貫通孔内に位置する電極孔内部を備え、前記電気化学反応単セルの前記第1の方向に沿った少なくとも1つの断面である特定断面において、前記金属支持体の前記特定貫通孔を画定する1対の輪郭線の一方である特定輪郭線のうち、前記特定電極側の端を含む第1部分の表面粗さをA1(μm)とし、前記特定輪郭線のうち、前記特定電極とは反対側において前記第1部分と連続する第2部分の表面粗さをA2(μm)としたときに、数式:A1>A2を満たし、かつ、前記電極孔内部は、前記金属支持体の前記第1部分の少なくとも一部に接している。 (1) The electrochemical reaction single cell disclosed in the present specification includes an electrolyte layer, a fuel electrode and an air electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and the fuel electrode and the air electrode. A metal support located on the side opposite to the electrolyte layer with respect to one specific electrode, and a plurality of metal supports penetrating in the first direction at a position overlapping the specific electrode when viewed in the first direction and a metal support having through holes, wherein the specific electrode has an electrode hole inside located in at least one specific through hole of the plurality of through holes, and the electrochemical In a specific cross section that is at least one cross section of the reaction unit cell along the first direction, of a pair of specific contour lines that define the specific through-hole of the metal support, the Let A1 (μm) be the surface roughness of the first portion including the end on the side of the specific electrode, and the surface roughness of the second portion of the specific contour line that is continuous with the first portion on the side opposite to the specific electrode. is A2 (μm), the formula: A1>A2 is satisfied, and the inside of the electrode hole is in contact with at least a part of the first portion of the metal support.

本電気化学反応単セルでは、A1>A2を満たすことにより、金属支持体と特定電極とを引き離す力(第1の方向に略平行な力)が作用したときに、電極孔内部が金属支持体の特定輪郭線(金属支持体の貫通孔を画定する輪郭線)の第1部分(特定電極側の端を含む部分)に係合してアンカーとして効果的に機能する。そのため、本電気化学反応単セルによれば、A1とA2が同等である構成と比較して、特定電極と金属支持体とにおける第1の方向のうち、特定電極と金属支持体とが離れる方向の位置ずれを抑制することができ、ひいては、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができる。 In the present electrochemical reaction single cell, by satisfying A1>A2, when a force (a force substantially parallel to the first direction) separating the metal support and the specific electrode acts, the inside of the electrode hole becomes the metal support. (the contour line defining the through-hole of the metal support) of the first portion (the portion including the end on the side of the specific electrode) to effectively function as an anchor. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, compared with the configuration in which A1 and A2 are equal, of the first directions in the specific electrode and the metal support, the direction in which the specific electrode and the metal support separate can be suppressed, and in turn, peeling of the specific electrode from the metal support can be suppressed.

更に、本電気化学反応単セルでは、A1>A2を満たすことにより、A1とA2が同等である構成と比較して、金属支持体の貫通孔内において特定輪郭線の第2部分に沿って流れる反応ガスの流通性を向上させることができる。 Furthermore, in this electrochemical reaction single cell, by satisfying A1>A2, the flow along the second portion of the specific contour line in the through hole of the metal support compared to the configuration in which A1 and A2 are equal It is possible to improve the flowability of the reaction gas.

以上の説明から明らかなように、本電気化学反応単セルによれば、A1とA2が同等である構成と比較して、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができ、かつ、金属支持体の貫通孔内を通る反応ガスの流通性を向上させることができ、これにより、上記電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。 As is clear from the above description, according to the present electrochemical reaction single cell, peeling of the specific electrode from the metal support can be suppressed compared to the configuration in which A1 and A2 are equal, and It is possible to improve the flowability of the reaction gas passing through the through-holes of the metal support, thereby improving the performance of the electrochemical reaction single cell.

(2)上記電気化学反応単セルにおいて、数式:A1/A2≧1.2を満たす構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、より効果的に、特定電極と金属支持体とにおける第1の方向のうち、特定電極と金属支持体とが離れる方向の位置ずれを抑制することができ、ひいては、より効果的に、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができる。 (2) The electrochemical reaction single cell may have a configuration that satisfies the formula: A1/A2≧1.2. According to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to more effectively suppress positional deviation in the first direction between the specific electrode and the metal support in the direction in which the specific electrode and the metal support separate, As a result, peeling of the specific electrode from the metal support can be suppressed more effectively.

(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記金属支持体は、前記特定輪郭線の前記第1部分を有する第1の金属部材と、前記特定輪郭線の前記第2部分を有する第2の金属部材と、を含む構成としてもよい。 (3) In the above electrochemical reaction single cell, the metal support comprises a first metal member having the first portion of the specific contour and a second metal member having the second portion of the specific contour. It is good also as a structure containing a member.

金属支持体が単一の金属部材よりなる構成では、上記電気化学反応単セルの製造において、異なる2種の表面粗さ(A1,A2)を有する表面を、単一の金属部材に(尚且つ、同一の貫通孔を画定する各部について)形成しなければならないため、このような表面粗さとする加工が容易ではない。これに対し、特定輪郭線の第1部分を有する第1の金属部材と、特定輪郭線の第2部分を有する第2の金属部材とを含む構成である本電気化学反応単セルにおいては、1種の表面粗さ(A1またはA2)を各金属部材(第1の金属部材、第2の金属部材)に形成する加工を施し、それらを組み付けるだけで、異なる2種の表面粗さ(A1,A2)を有する金属支持体を作製することができる。従って、このような構成である本電気化学反応単セルは、容易に製造することができる。 In a configuration in which the metal support is made of a single metal member, surfaces having two different types of surface roughness (A1, A2) are formed on the single metal member (and , for each portion defining the same through-hole), it is not easy to process to achieve such surface roughness. On the other hand, in the present electrochemical reaction unit cell, which is configured to include the first metal member having the first portion of the specific contour line and the second metal member having the second portion of the specific contour line, 1 Each metal member (first metal member, second metal member) is processed to have different surface roughness (A1 or A2), and only by assembling them, two different surface roughnesses (A1, A2) can be obtained. A metal support with A2) can be made. Therefore, the present electrochemical reaction single cell having such a configuration can be easily manufactured.

(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定断面において、前記特定貫通孔は、前記電極孔内部の前記第1の方向の前記電解質層とは反対側に空間を有する構成としてもよい。 (4) In the above electrochemical reaction single cell, in the specific cross section, the specific through hole may have a space on the side opposite to the electrolyte layer in the first direction inside the electrode hole.

本電気化学反応単セルにおいては、上述したように、A1>A2を満たすことにより、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができ、かつ、金属支持体の貫通孔内を通る反応ガスの流通性を向上させることができ、これらにより、上記電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。本電気化学反応単セルによれば、このような効果が得られるものでありながら、上述したように金属支持体の貫通孔が電極孔内部の第1の方向の電解質層とは反対側に空間を有することにより、金属支持体の貫通孔が当該空間を有さない構成(例えば貫通孔の全体に渡って特定電極が充填された構成)と比較して、貫通孔を通る反応ガスの流通性を向上させることができ、ひいては、上記電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。 In the present electrochemical reaction single cell, as described above, by satisfying A1>A2, the separation of the specific electrode from the metal support can be suppressed, and the reaction passing through the through holes of the metal support can be suppressed. It is possible to improve gas flowability, thereby improving the performance of the electrochemical reaction single cell. According to the present electrochemical reaction single cell, although such an effect can be obtained, as described above, the through-hole of the metal support is a space on the opposite side of the electrolyte layer in the first direction inside the electrode hole. By having the through-hole of the metal support, compared to a configuration in which the through-hole does not have the space (for example, a configuration in which the entire through-hole is filled with the specific electrode), the flow of the reaction gas through the through-hole can be improved, and thus the performance of the electrochemical reaction single cell can be improved.

(5)上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定断面において、前記金属支持体の前記特定輪郭線の前記第1部分と、前記特定電極と、が接合される接合部(以下、「第1接合部」という。)の前記第1の方向の長さは、前記金属支持体の前記特定輪郭線の前記第2部分と、前記特定電極と、が接合される接合部(以下、「第2接合部」という。)の前記第1の方向の長さよりも大きい構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、より効果的に、特定電極と金属支持体とにおける第1の方向のうち、特定電極と金属支持体とが離れる方向の位置ずれを抑制することができ、ひいては、より効果的に、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができる。 (5) In the electrochemical reaction single cell, in the specific cross section, a joint portion where the first portion of the specific contour line of the metal support and the specific electrode are joined (hereinafter referred to as “first joint The length in the first direction of the second portion of the specific contour line of the metal support and the specific electrode are joined to the joint portion (hereinafter referred to as the “second joint (referred to as "part") in the first direction. According to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to more effectively suppress positional deviation in the first direction between the specific electrode and the metal support in the direction in which the specific electrode and the metal support separate, As a result, peeling of the specific electrode from the metal support can be suppressed more effectively.

(6)上記電気化学反応単セルの製造方法において、前記金属支持体と、前記特定電極を形成するためのペースト状材料とを準備する第1工程と、前記ペースト状材料を前記金属支持体に配置する第2工程であって、前記金属支持体に形成された前記特定貫通孔に対し、前記第1部分側から前記第2部分側に流し込む第2工程と、少なくとも前記ペースト状材料を硬化させることにより、前記電極孔内部を備える前記特定電極と、前記金属支持体とを備え、かつ、前記特定貫通孔が前記電極孔内部の前記第1の方向の前記電解質層とは反対側に空間を有する部材を得る第3工程と、を備える構成としてもよい。 (6) In the method for producing an electrochemical reaction single cell, a first step of preparing the metal support and a paste material for forming the specific electrode; a second step of disposing, the second step of pouring from the first portion side to the second portion side into the specific through-hole formed in the metal support; and curing at least the paste-like material. Thus, the specific electrode having the inside of the electrode hole and the metal support are provided, and the specific through hole forms a space inside the electrode hole on the side opposite to the electrolyte layer in the first direction. and a third step of obtaining a member having.

本電気化学反応単セルの製造方法における金属支持体は、上述したように、A1>A2を満たす。換言すれば、金属支持体の特定輪郭線(金属支持体の貫通孔を画定する輪郭線)の第1部分(特定電極側の端を含む部分)の表面粗さ(A1)は比較的高く、金属支持体の特定輪郭線の第2部分の表面粗さ(A2)は比較的低い。そのため、A1とA2が同等である製造方法と比較すると、第2工程において、ペースト状材料を、金属支持体に形成された貫通孔に対し、第1部分側から第2部分側に向かって流し込んだ際に、表面粗さが高い第1部分においてはペースト状材料が留まりやすく、一方、表面粗さ(A2)が低い第2部分においてはペースト状材料が留まりにくくなる。このような第2工程を経て、第3工程ST13においてペースト状材料を硬化させる。従って、本製造方法によれば、A1とA2が同等である製造方法と比較して容易または確実に、金属支持体の貫通孔が電極孔内部の第1の方向の電解質層とは反対側に空間を有する構成を実現(製造)することができる。 The metal support in the manufacturing method of the present electrochemical reaction single cell satisfies A1>A2 as described above. In other words, the surface roughness (A1) of the first portion (the portion including the end on the side of the specific electrode) of the specific contour line of the metal support (the contour line defining the through-hole of the metal support) is relatively high, The surface roughness (A2) of the second portion of the specific contour line of the metal support is relatively low. Therefore, compared to the manufacturing method in which A1 and A2 are equivalent, in the second step, the paste-like material is poured from the first portion side toward the second portion side into the through holes formed in the metal support. However, the paste-like material tends to stay in the first portion with high surface roughness, while the paste-like material does not easily stay in the second portion with low surface roughness (A2). After such a second step, the paste material is cured in a third step ST13. Therefore, according to the present manufacturing method, compared with the manufacturing method in which A1 and A2 are equal, the through hole of the metal support is easily or reliably positioned on the opposite side of the electrolyte layer in the first direction inside the electrode hole. Spatial configurations can be realized (manufactured).

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)、電気化学反応単セル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 the present specification can be implemented in various forms. It is possible to implement it in the form of

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. 単セル110の一部分(図5のX1部)のYZ断面構成を拡大して示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing an enlarged YZ cross-sectional configuration of a portion (X1 section in FIG. 5) of the single cell 110; 単セル110の製造方法を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a method of manufacturing a single cell 110. FIG. 性能評価結果を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing performance evaluation results;

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)と当該ボルト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)と当該ボルト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)と当該ボルト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)と当該ボルト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 oxidizing gas OG (for example, 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 . Further, 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、当該発電単位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、当該発電単位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 generation unit 102 and is electrically connected to the power generation unit 102 . The other end plate 106 is arranged below the lowest power generation unit 102 and is electrically connected to 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。 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).

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。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)。この複数の貫通孔50は、金属支持体180の上面(後述する上面S11)から下面(後述する下面S22)までZ軸方向に貫通している。 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). The metal support 180 is formed with a plurality of through holes 50 for passing the fuel gas FG (see FIG. 6). The plurality of through holes 50 penetrate in the Z-axis direction from the upper surface (upper surface S11 described later) to the lower surface (lower surface S22 described later) of the metal support 180 .

電解質層112は、Z軸方向に略直交する平板形状部材であり、緻密な層である。本実施形態では、電解質層112は、燃料極116における上側の表面と、金属支持体180における上側の表面の内、燃料極116に覆われていない領域とを連続的に覆うように形成されている。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)等の固体酸化物により形成されている。このように、本実施形態の単セル110は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。空気極114は、Z軸方向に略直交する平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物))により形成されている。燃料極116は、Z軸方向に略直交する平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。本実施形態では、燃料極116は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。 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). In this embodiment, the fuel electrode 116 corresponds to 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、当該発電単位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 is composed 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、当該発電単位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、当該ガス通路部材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、当該ガス通路部材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 gas is supplied to the air electrode side gas supply manifold 161 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and from the air electrode side gas supply manifold 161 to the air electrode side gas supply communication channel of each power generation unit 102. 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、当該分岐部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、当該分岐部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、単セル110の一部分(図5のX1部)のYZ断面構成を拡大して示す説明図である。図6に示す断面は、特許請求の範囲における特定断面の一例である。
A-3. Detailed configuration of single cell 110:
FIG. 6 is an explanatory view showing an enlarged YZ cross-sectional configuration of a portion (X1 portion in FIG. 5) of the single cell 110. As shown in FIG. The cross section shown in FIG. 6 is an example of a specific cross section in the claims.

(金属支持体180)
上述したように、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。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、後述する基部117)に接する上面S11から、上面S11とは反対側の下面S22まで、Z軸方向に貫通している。各貫通孔50は、Z軸方向視で燃料極116と重なるように位置している。
(Metal support 180)
As described above, the metal support 180 is formed with a plurality of through holes 50 for passing the fuel gas FG. In the metal support 180, each through-hole 50 penetrates in the Z-axis direction from an upper surface S11 in contact with the fuel electrode 116 (more specifically, a base portion 117 described later) to a lower surface S22 opposite to the upper surface S11. there is Each through-hole 50 is positioned so as to overlap the fuel electrode 116 when viewed in the Z-axis direction.

金属支持体180は、2枚の板状部材(第1の金属部材181および第2の金属部材182)がZ軸方向に積層された構成を有している。第2の金属部材182は、第1の金属部材181の下側に配置されており、例えば溶接によって第1の金属部材181と接合されている。第1の金属部材181の厚さと第2の金属部材182の厚さとは、略同一である。 The metal support 180 has a structure in which two plate members (a first metal member 181 and a second metal member 182) are laminated in the Z-axis direction. The second metal member 182 is arranged below the first metal member 181 and is joined to the first metal member 181 by welding, for example. The thickness of the first metal member 181 and the thickness of the second metal 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S11における開口53を含む上側部51を有している。各貫通孔50の上側部51は、金属支持体180を構成する第1の金属部材181に形成されている。各上側部51は、第1の金属部材181における燃料極116に接する上面S11から、上面S11とは反対側の下面S12まで貫通している。 Each through-hole 50 formed in the metal support 180 has an upper portion 51 that includes an opening 53 in the upper surface S11 of the metal support 180 . An upper portion 51 of each through-hole 50 is formed in a first metal member 181 that constitutes the metal support 180 . Each upper part 51 penetrates from the upper surface S11 of the first metal member 181 in contact with the fuel electrode 116 to the lower surface S12 opposite to the upper surface S11.

また、金属支持体180に形成された各貫通孔50は、上側部51に加えて、上側部51に連通する下側部52を有している。下側部52は、金属支持体180の下面(後述する第2の金属部材182の下面S22)における開口54を含む部分である。各下側部52は、第2の金属部材182における第1の金属部材181に接する上面S21から、上面S21とは反対側の下面S22まで貫通している。Z軸方向視において下側部52の輪郭線は上側部51の輪郭線と重なっている。すなわち、各貫通孔50は、上側部51と下側部52とから構成されている。 Each through-hole 50 formed in the metal support 180 has an upper portion 51 and a lower portion 52 communicating with the upper portion 51 . The lower side portion 52 is a portion including the opening 54 in the lower surface of the metal support 180 (the lower surface S22 of the second metal member 182 described later). Each lower part 52 penetrates from the upper surface S21 of the second metal member 182 in contact with the first metal member 181 to the lower surface S22 opposite to the upper surface S21. The outline of the lower portion 52 overlaps the outline of the upper portion 51 when viewed in the Z-axis direction. That is, each through hole 50 is composed of an upper portion 51 and a lower portion 52 .

以下、単セル110のZ軸方向に沿った断面(例えば、図6に示す断面)において、金属支持体180の貫通孔50を画定する1対の輪郭線の一方を輪郭線501といい、他方を輪郭線502という。 Hereinafter, in a cross section along the Z-axis direction of the unit cell 110 (for example, the cross section shown in FIG. 6), one of a pair of contour lines defining the through hole 50 of the metal support 180 is referred to as a contour line 501, and the other is referred to as a contour line 501. is called a contour line 502 .

金属支持体180の輪郭線501のうち、第1の金属部材181により形成された部分を第1部分5011といい、第2の金属部材182により形成された部分を第2部分5012という。換言すれば、輪郭線501の第1部分5011は、輪郭線501のうち、燃料極116側の端を含む部分であり、輪郭線501の第2部分5012は、輪郭線501のうち、燃料極116とは反対側において第1部分5011と連続する部分である。なお、第2部分5012は、輪郭線501のうち、燃料極116とは反対側の端部を構成している。 A portion of the outline 501 of the metal support 180 formed by the first metal member 181 is called a first portion 5011 , and a portion formed by the second metal member 182 is called a second portion 5012 . In other words, the first portion 5011 of the contour 501 is the portion of the contour 501 that includes the end on the fuel electrode 116 side, and the second portion 5012 of the contour 501 is the portion of the contour 501 that includes the fuel electrode 116 side. 116 is a portion continuous with the first portion 5011 on the opposite side. The second portion 5012 constitutes the end of the outline 501 opposite to the fuel electrode 116 .

金属支持体180の輪郭線501の第1部分5011の表面粗さをA11(μm)とし、輪郭線501の第2部分5012の表面粗さをA21(μm)としたときに、本実施形態の単セル110は、数式:A11>A21を満たす。A11やA21の有効数字は3桁である。なお、本実施形態では、単セル110のZ軸方向に沿った任意の断面において当該数式を満たす。 When the surface roughness of the first portion 5011 of the contour 501 of the metal support 180 is A11 (μm) and the surface roughness of the second portion 5012 of the contour 501 is A21 (μm), the The single cell 110 satisfies the formula: A11>A21. A11 and A21 have three significant digits. In this embodiment, any cross section along the Z-axis direction of the unit cell 110 satisfies the formula.

金属支持体180の輪郭線501の各部(第1部分5011,第2部分5012)の表面粗さの特定は、例えば次のように行う。まず、単セル110におけるZ軸方向に平行な断面(但し、金属支持体180の貫通孔50、燃料極116が表れる位置)を任意に設定し、該断面における任意の位置(但し、金属支持体180の輪郭線501が表れる位置)で、燃料極116が写ったSEM(加速電圧15kV)におけるSEM画像(例えば1000倍)を得る。なお、レーザー顕微鏡における画像を用いてもよい。 The surface roughness of each portion (the first portion 5011 and the second portion 5012) of the contour line 501 of the metal support 180 is specified, for example, as follows. First, a cross section parallel to the Z-axis direction in the single cell 110 (however, the position where the through hole 50 of the metal support 180 and the fuel electrode 116 appear) is arbitrarily set, and an arbitrary position in the cross section (however, the metal support 180 where the contour line 501 appears), an SEM image (for example, 1000 times magnification) of the fuel electrode 116 is obtained with an SEM (accelerating voltage of 15 kV). In addition, you may use the image in a laser microscope.

上記SEM画像において、輪郭線501の第1部分5011(または第2部分5012)の画像解析を行うことにより、輪郭線501の第1部分5011(または第2部分5012)における算術平均粗さRaに相当する表面粗さの値を算出する。この比に基づいて、第1の部分5011(または第2部分5012)の表面粗さを推測することにより特定する。なお、もう一方の輪郭線502の第1部分5021や第2部分5022の表面粗さの特定についても同様である。 In the SEM image, by performing image analysis of the first portion 5011 (or second portion 5012) of the contour 501, the arithmetic mean roughness Ra in the first portion 5011 (or second portion 5012) of the contour 501 Calculate the corresponding surface roughness value. Based on this ratio, the surface roughness of the first portion 5011 (or the second portion 5012) is estimated and identified. The same applies to specifying the surface roughness of the first portion 5021 and the second portion 5022 of the other contour line 502 .

金属支持体180の輪郭線501の各部(第1部分5011,第2部分5012)の表面粗さの調整は、例えば、エッチングを行うことにより金属支持体180に貫通孔50を形成する際に、エッチングの条件(エッチング液の種類など)を適宜変更することにより、実現することができる。 The adjustment of the surface roughness of each part (the first part 5011 and the second part 5012) of the contour line 501 of the metal support 180 is performed, for example, when forming the through holes 50 in the metal support 180 by etching, It can be realized by appropriately changing the etching conditions (type of etchant, etc.).

また、もう一方の輪郭線502の構成についても、上述した輪郭線501の構成と同様である。すなわち、もう一方の輪郭線502の構成は以下の通りである。 The configuration of the other contour line 502 is also the same as the configuration of the contour line 501 described above. That is, the configuration of the other contour line 502 is as follows.

輪郭線502の第1部分5021の表面粗さをA12(μm)とし、輪郭線502の第2部分5012の表面粗さをA22(μm)としたときに、本実施形態の単セル110は、数式:A12>A22を満たす。A12やA22の有効数字は3桁である。なお、本実施形態では、単セル110のZ軸方向に沿った任意の断面において当該数式を満たす。 When the surface roughness of the first portion 5021 of the contour line 502 is A12 (μm) and the surface roughness of the second portion 5012 of the contour line 502 is A22 (μm), the single cell 110 of the present embodiment is Expression: A12>A22 is satisfied. A12 and A22 have three significant digits. In this embodiment, any cross section along the Z-axis direction of the unit cell 110 satisfies the formula.

(燃料極116等)
燃料極116は、平板形状である基部117と、複数の孔内部118とを備える。各孔内部118は、基部117に連なり、かつ、金属支持体180の各貫通孔50内に位置している。
(Fuel electrode 116, etc.)
The fuel electrode 116 includes a base portion 117 having a flat plate shape and a plurality of hole interiors 118 . Each hole interior 118 is connected to the base 117 and located within each through hole 50 of the metal support 180 .

燃料極116の各孔内部118は、各貫通孔50のうち、上側部51のみに位置している。燃料極116の各孔内部118は、金属支持体180の輪郭線501,502の第1部分5011,5012に接している一方で、第2部分5011,5012には接していない。金属支持体180の輪郭線501,502の第1部分5011,5012の略全体(第1の金属部材181のうち、貫通孔50を画定する面)に接合されている。従って、燃料極116の孔内部118は、金属支持体180の輪郭線501,502の第1部分5011,5012の略全体に接している。 Each hole interior 118 of the fuel electrode 116 is located only in the upper portion 51 of each through hole 50 . Each hole interior 118 of the anode 116 is in contact with a first portion 5011,5012 of the contour lines 501,502 of the metal support 180, but is not in contact with a second portion 5011,5012. The first portions 5011 and 5012 of the contour lines 501 and 502 of the metal support 180 are joined to substantially the entirety (the surface of the first metal member 181 defining the through hole 50). Accordingly, the hole interior 118 of the fuel electrode 116 contacts substantially the entirety of the first portions 5011 and 5012 of the contour lines 501 and 502 of the metal support 180 .

従って、単セル110のZ軸方向に沿った断面(例えば、図6に示す断面)において、金属支持体180の輪郭線501の第1部分5011と、燃料極116と、が接合される接合部のZ軸方向の長さは、金属支持体180の輪郭線501の第2部分5012と、燃料極116と、が接合される接合部のZ軸方向の長さよりも大きい。更に、金属支持体180の輪郭線502の第1部分5021と、燃料極116と、が接合される接合部のZ軸方向の長さも、金属支持体180の輪郭線502の第2部分5022と、燃料極116と、が接合される接合部のZ軸方向の長さよりも大きい。 Therefore, in the cross section along the Z-axis direction of the unit cell 110 (for example, the cross section shown in FIG. 6), the joint portion where the first portion 5011 of the contour line 501 of the metal support 180 and the fuel electrode 116 are joined is greater than the length in the Z-axis direction of the joint where the second portion 5012 of the contour line 501 of the metal support 180 and the fuel electrode 116 are joined. Furthermore, the length in the Z-axis direction of the joint where the first portion 5021 of the contour 502 of the metal support 180 and the fuel electrode 116 are joined is also the length of the second portion 5022 of the contour 502 of the metal support 180. , and the anode 116 are longer than the length in the Z-axis direction of the joint.

各貫通孔50は、燃料極116の孔内部118のZ軸方向の電解質層112とは反対側に空間SPを有する。 Each through-hole 50 has a space SP on the opposite side of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction inside the hole 118 of the fuel electrode 116 .

なお、本実施形態では、複数の貫通孔50は、Z軸方向視において金属支持体180と燃料極116とが重なる範囲の略全体にわたって配置されている。また、単セル110のXY断面における各貫通孔50の形状は、円形である。各貫通孔50の径は、金属支持体180の上面S11における開口53の位置から下面S22における開口54の位置にわたって略一定である。また、複数の貫通孔50の径は、互いに略同一である。 In addition, in the present embodiment, the plurality of through holes 50 are arranged over substantially the entire range in which the metal support 180 and the fuel electrode 116 overlap when viewed in the Z-axis direction. Moreover, the shape of each through-hole 50 in the XY cross section of the single cell 110 is circular. The diameter of each through-hole 50 is substantially constant from the position of the opening 53 on the upper surface S11 of the metal support 180 to the position of the opening 54 on the lower surface S22. Also, the diameters of the plurality of through holes 50 are substantially the same.

燃料室176に供給された反応ガス(燃料ガスFG)は、各貫通孔50(空間SP)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 reaction gas (fuel gas FG) supplied to the fuel chamber 176 advances through each through-hole 50 (space SP), further advances through the gap of the base 117 of the fuel electrode 116, and is supplied to the reaction field. .

A-4.単セル110の製造方法:
図7は、単セル110の製造方法を示すフローチャートである。
A-4. Manufacturing method of single cell 110:
FIG. 7 is a flow chart showing a method for manufacturing the single cell 110. As shown in FIG.

単セル110は、例えば以下の工程により製造することができる。まず、金属支持体180と、燃料極116を形成するためのペースト状材料(以下、「燃料極用ペースト状材料」という。)とを準備する(ST11)。ST11の工程は、特許請求の範囲における第1工程の一例である。 The single cell 110 can be manufactured, for example, by the following steps. First, a metal support 180 and a paste material for forming the fuel electrode 116 (hereinafter referred to as "fuel electrode paste material") are prepared (ST11). The step of ST11 is an example of the first step in the claims.

金属支持体180は、例えば以下のように作製することができる。金属支持体180を構成する第1の金属部材181および第2の金属部材182を準備し、孔開け加工によって第1の金属部材181に各貫通孔50の上側部51を形成すると共に、第2の金属部材182に各貫通孔50の下側部52を形成する。次に、第1の金属部材181と第2の金属部材182とを、各上側部51が各下側部52と連通する(かつ、Z軸方向視における上側部51の輪郭線と下側部52の輪郭線とが重なる)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。また、燃料極用ペースト状材料は、各種材料を調製することにより得ることができる。 The metal support 180 can be produced, for example, as follows. A first metal member 181 and a second metal member 182 that constitute a metal support 180 are prepared, and the upper portions 51 of the through holes 50 are formed in the first metal member 181 by drilling. The lower part 52 of each through-hole 50 is formed in the metal member 182 of . Next, the first metal member 181 and the second metal member 182 are connected so that each upper portion 51 communicates with each lower portion 52 (and the contour line of the upper portion 51 and the lower portion when viewed in the Z-axis direction). A metal support 180 is fabricated by aligning and joining, for example, by welding. Moreover, the fuel electrode paste material can be obtained by preparing various materials.

次に、燃料極用ペースト状材料を金属支持体180に配置し、更に、金属支持体180に形成された複数の貫通孔50に対し、輪郭線501,502の第1部分5011側(上側)から第2部分5012側(下側)に流し込む(ST12)。これにより、燃料極116の孔内部118を形成するための燃料極用ペースト状材料が、金属支持体180に形成された複数の貫通孔50に充填される。このとき、各貫通孔50に上記空間(燃料極116の孔内部118のZ軸方向の電解質層112とは反対側の空間)SPが形成されるように、各貫通孔50内に充填される燃料極用ペースト状材料の充填量を調整する。ST12の工程は、特許請求の範囲における第2工程の一例である。 Next, the fuel electrode paste material is placed on the metal support 180, and further, the first portion 5011 side (upper side) of the contour lines 501 and 502 is applied to the plurality of through holes 50 formed in the metal support 180. from the second portion 5012 side (lower side) (ST12). As a result, the plurality of through holes 50 formed in the metal support 180 are filled with the fuel electrode paste material for forming the hole interiors 118 of the fuel electrode 116 . At this time, each through-hole 50 is filled so that the above-mentioned space (space on the side opposite to the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction in the inside 118 of the hole 118 of the fuel electrode 116) SP is formed in each through-hole 50. The filling amount of the fuel electrode paste material is adjusted. The step of ST12 is an example of the second step in the claims.

次に、燃料極116の基部117を形成するための燃料極用ペースト状材料を、金属支持体180の上面S11に塗布することによって成膜する。以上の工程により、金属支持体180と燃料極用ペースト状材料とを備える積層体を得る。なお、燃料極116の孔内部118を形成するためのペースト状材料と、基部117を形成するためのペースト状材料とは、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, a fuel electrode paste material for forming the base portion 117 of the fuel electrode 116 is applied to the upper surface S11 of the metal support 180 to form a film. Through the above steps, a laminate including the metal support 180 and the fuel electrode paste material is obtained. The paste-like material for forming the hole interior 118 of the fuel electrode 116 and the paste-like material for forming the 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状材料を配置する(ST13)。すなわち、電解質層112を形成するためのペースト状材料を調製し、燃料極116の基部117を形成するための燃料極用ペースト状材料の塗膜上に塗布することによって成膜する。 Next, a paste material for forming electrolyte layer 112 is arranged (ST13). That is, a paste-like material for forming the electrolyte layer 112 is prepared, and the paste-like material for forming the base portion 117 of the fuel electrode 116 is coated on the coating film of the fuel electrode paste-like material to form a film.

次に、上記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、上述した各種ペースト状材料(少なくとも燃料極用ペースト状材料)を硬化させる(ST14)。これにより、各種ペースト状材料を硬化させることにより、燃料極116および電解質層112を形成し、金属支持体180と燃料極116と電解質層112とを備える積層体を得る。ST13の工程は、特許請求の範囲における第3工程の一例である。 Next, the laminate produced as described above is fired at a predetermined temperature to harden the above various paste materials (at least the fuel electrode paste materials) (ST14). Thus, by curing various paste-like materials, the fuel electrode 116 and the electrolyte layer 112 are formed, and a laminate including the metal support 180, the fuel electrode 116, and the electrolyte layer 112 is obtained. The step of ST13 is an example of the third step in the claims.

次に、空気極114を形成する(ST15)。すなわち、空気極114を形成するためのペースト状材料を調製し、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、上述した単セル110(金属支持体180と燃料極116と電解質層112と空気極114とを備える単セル110)を得る。 Next, the air electrode 114 is formed (ST15). That is, a paste material for forming the air electrode 114 is prepared and applied onto the electrolyte layer 112 to form a film. By firing the laminate thus produced at a predetermined temperature, the air electrode 114 is formed, and the unit cell 110 described above (the metal support 180, the fuel electrode 116, the electrolyte layer 112, and the air electrode 114 is A single cell 110) comprising:

なお、ST13の工程(電解質層112を形成するためのペースト状材料を配置する工程)や、ST15の工程(空気極114を形成する工程)の全部または一部を行う順番を他の工程(ST11,ST12,ST14)と入れ替えてもよい。 The order of performing all or part of the step of ST13 (the step of disposing a paste material for forming the electrolyte layer 112) and the step of ST15 (the step of forming the air electrode 114) should be changed to another step (ST11). , ST12, ST14).

A-5.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各単セル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に対して電解質層112とは反対側に位置する金属支持体180とを備える。金属支持体180は、Z軸方向視で燃料極116と重なる位置においてZ軸方向に貫通する複数の貫通孔50を有する。燃料極116は、貫通孔50内に位置する孔内部118を備える。単セル110のZ軸方向に沿った少なくとも1つの断面(以下、「特定断面」という。)において、金属支持体180の貫通孔50を画定する1対の輪郭線(501,502)の一方である輪郭線501のうち、燃料極116側の端を含む第1部分5011の表面粗さをA11(μm)とし、輪郭線501のうち、燃料極116とは反対側において第1部分5011と連続する第2部分5012の表面粗さをA21(μm)としたときに、数式:A11>A21を満たす。燃料極116の孔内部118は、金属支持体180の第1部分5011の少なくとも一部に接している。
A-5. 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 located on the opposite side of the anode 116 from the electrolyte layer 112 . The metal support 180 has a plurality of through holes 50 penetrating in the Z-axis direction at positions overlapping the fuel electrode 116 when viewed in the Z-axis direction. The anode 116 comprises a bore interior 118 located within the through bore 50 . In at least one cross section along the Z-axis direction of the unit cell 110 (hereinafter referred to as "specific cross section"), one of the pair of contour lines (501, 502) defining the through hole 50 of the metal support 180 A11 (μm) is the surface roughness of a first portion 5011 of a certain contour line 501 including the end on the fuel electrode 116 side. When the surface roughness of the second portion 5012 to be used is A21 (μm), the formula: A11>A21 is satisfied. The hole interior 118 of the fuel electrode 116 is in contact with at least a portion of the first portion 5011 of the metal support 180 .

本実施形態の単セル110では、A11>A21を満たすことにより、金属支持体180と燃料極116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の孔内部118が金属支持体180の輪郭線501(貫通孔50を画定する輪郭線)の第1部分5011(燃料極116側の端を含む部分)に係合してアンカーとして効果的に機能する。そのため、本実施形態の単セル110によれば、A11とA21が同等である構成と比較して、燃料極116と金属支持体180とにおけるZ軸方向のうち、燃料極116と金属支持体180とが離れる方向の位置ずれを抑制することができ、ひいては、金属支持体180からの燃料極116の剥離を抑制することができる。 In the single cell 110 of the present embodiment, by satisfying A11>A21, when a force (a force substantially parallel to the Z-axis direction) separating the metal support 180 and the fuel electrode 116 acts, the hole of the fuel electrode 116 The inner portion 118 engages with the first portion 5011 (the portion including the end on the fuel electrode 116 side) of the contour 501 (the contour defining the through hole 50) of the metal support 180 to effectively function as an anchor. Therefore, according to the single cell 110 of the present embodiment, compared to the configuration in which A11 and A21 are equal, the fuel electrode 116 and the metal support 180 It is possible to suppress positional deviation in the direction in which the metal support 180 separates from the metal support 180 , and thus to suppress separation of the fuel electrode 116 from the metal support 180 .

更に、本実施形態の単セル110では、A11>A21を満たすことにより、A11とA21が同等である構成と比較して、貫通孔50内において輪郭線501の第2部分5012(燃料極116とは反対の端を含む部分)に沿って流れる反応ガス(燃料ガスFG)の流通性を向上させることができる。 Furthermore, in the unit cell 110 of the present embodiment, by satisfying A11>A21, the second portion 5012 of the outline 501 (the fuel electrode 116 and can improve the flowability of the reactant gas (fuel gas FG) flowing along the portion including the opposite end).

以上の説明から明らかなように、本実施形態の単セル110によれば、A11とA21が同等である構成と比較して、金属支持体180からの燃料極116の剥離を抑制することができ、かつ、金属支持体180の貫通孔50内を通る反応ガス(燃料ガスFG)の流通性を向上させることができ、これにより、単セル110の性能を向上させることができる。 As is clear from the above description, according to the single cell 110 of the present embodiment, separation of the fuel electrode 116 from the metal support 180 can be suppressed as compared with the configuration in which A11 and A21 are equal. Moreover, the flowability of the reaction gas (fuel gas FG) passing through the through-holes 50 of the metal support 180 can be improved, thereby improving the performance of the single cell 110 .

また、本実施形態の単セル110では、数式:A11/A21≧1.2を満たす。そのため、本実施形態の単セル110によれば、より効果的に、燃料極116と金属支持体180とにおけるZ軸方向のうち、燃料極116と金属支持体180とが離れる方向の位置ずれを抑制することができ、ひいては、より効果的に、金属支持体180からの燃料極116の剥離を抑制することができる。 Further, the single cell 110 of the present embodiment satisfies the formula: A11/A21≧1.2. Therefore, according to the unit cell 110 of the present embodiment, the displacement in the Z-axis direction between the fuel electrode 116 and the metal support 180 can be more effectively reduced. In addition, separation of the fuel electrode 116 from the metal support 180 can be suppressed more effectively.

また、本実施形態の単セル110では、金属支持体180は、輪郭線501の第1部分5011を有する第1の金属部材181と、輪郭線501の第2部分5012を有する第2の金属部材182と、を含む。 In addition, in the unit cell 110 of the present embodiment, the metal support 180 includes the first metal member 181 having the first portion 5011 of the contour line 501 and the second metal member 181 having the second portion 5012 of the contour line 501. 182 and .

金属支持体180が単一の金属部材よりなる構成では、単セル110の製造において、異なる2種の表面粗さ(A11,A21)を有する表面を、単一の金属部材に(尚且つ、同一の貫通孔50を画定する各部について)形成しなければならないため、このような表面粗さとする加工が容易ではない。これに対し、輪郭線501の第1部分5011を有する第1の金属部材181と、輪郭線501の第2部分5012を有する第2の金属部材182とを含む構成である本実施形態の単セル110においては、1種の表面粗さ(A11またはA21)を各金属部材(第1の金属部材181、第2の金属部材182)に形成する加工を施し、それらを組み付けるだけで、異なる2種の表面粗さ(A11,A21)を有する金属支持体180を作製することができる。従って、このような構成である本実施形態の単セル110は、容易に製造することができる。 In a configuration where the metal support 180 is made of a single metal member, surfaces having two different types of surface roughness (A11, A21) are formed on the single metal member (and the same (for each portion defining the through-hole 50), it is not easy to process such a surface roughness. On the other hand, the unit cell of the present embodiment includes a first metal member 181 having a first portion 5011 of the contour line 501 and a second metal member 182 having a second portion 5012 of the contour line 501. In 110, one type of surface roughness (A11 or A21) is applied to each metal member (first metal member 181, second metal member 182), and only by assembling them, two different types of surface roughness can be obtained. A metal support 180 can be fabricated with a surface roughness (A11, A21) of . Therefore, the single cell 110 of this embodiment having such a configuration can be easily manufactured.

また、本実施形態の単セル110では、特定断面において、貫通孔50は、燃料極116の孔内部118のZ軸方向の電解質層112とは反対側に空間SPを有する。 In addition, in the unit cell 110 of the present embodiment, the through hole 50 has a space SP on the opposite side of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction of the inside 118 of the hole of the fuel electrode 116 in the specific cross section.

本実施形態の単セル110においては、上述したように、A11>A21を満たすことにより、金属支持体180からの燃料極116の剥離を抑制することができ、かつ、金属支持体180の貫通孔50内を通る反応ガス(燃料ガスFG)の流通性を向上させることができ、これらにより、単セル110の性能を向上させることができる。本実施形態の単セル110によれば、このような効果が得られるものでありながら、上述したように貫通孔50が燃料極116の孔内部118のZ軸方向の電解質層112とは反対側に空間を有することにより、貫通孔50が当該空間を有さない構成(例えば貫通孔50の全体に渡って燃料極116が充填された構成)と比較して、貫通孔50を通る反応ガス(燃料ガスFG)の流通性を向上させることができ、ひいては、単セル110の性能を向上させることができる。 In the unit cell 110 of the present embodiment, as described above, by satisfying A11>A21, separation of the fuel electrode 116 from the metal support 180 can be suppressed, and the through hole of the metal support 180 can be suppressed. The flowability of the reactant gas (fuel gas FG) passing through the inside of 50 can be improved, and the performance of the single cell 110 can be improved. According to the single cell 110 of the present embodiment, although such an effect can be obtained, as described above, the through hole 50 is located on the opposite side of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction of the inside 118 of the fuel electrode 116 . By having a space in the through-hole 50, the reactant gas passing through the through-hole 50 ( The flowability of the fuel gas FG) can be improved, and thus the performance of the single cell 110 can be improved.

また、本実施形態の単セル110においては、特定断面において、金属支持体180の輪郭線501の第1部分5011と、燃料極116と、が接合される接合部(以下、「第1接合部」という。)のZ軸方向の長さは、金属支持体180の輪郭線501の第2部分5012と、燃料極116と、が接合される接合部(以下、「第2接合部」という。)のZ軸方向の長さよりも大きい。本実施形態の単セル110によれば、より効果的に、燃料極116と金属支持体180とにおけるZ軸方向のうち、燃料極116と金属支持体180とが離れる方向の位置ずれを抑制することができ、ひいては、より効果的に、金属支持体180からの燃料極116の剥離を抑制することができる。 Further, in the unit cell 110 of the present embodiment, in a specific cross section, a joint portion (hereinafter referred to as “first joint portion ) in the Z-axis direction is the joint portion where the second portion 5012 of the outline 501 of the metal support 180 and the fuel electrode 116 are joined (hereinafter referred to as the “second joint portion”). ) in the Z-axis direction. According to the single cell 110 of the present embodiment, displacement in the Z-axis direction between the fuel electrode 116 and the metal support 180 is more effectively suppressed. As a result, separation of the fuel electrode 116 from the metal support 180 can be suppressed more effectively.

また、本実施形態の単セル110の製造方法では、第1工程ST11と、第2工程ST12と、第3工程ST13とを備える。第1工程ST11は、金属支持体180と、燃料極116を形成するためのペースト状材料とを準備する工程である。第2工程ST12は、ペースト状材料を金属支持体180に配置し、更に、金属支持体180に形成された貫通孔50に対し、第1部分5011側から第2部分5012側に流し込む工程である。第3工程ST13は、少なくともペースト状材料を硬化させることにより、孔内部118を備える燃料極116と、金属支持体180とを備え、かつ、貫通孔50が燃料極116の孔内部118のZ軸方向の電解質層112とは反対側に空間SPを有する部材を得る工程である。 Moreover, the manufacturing method of the single cell 110 of the present embodiment includes a first step ST11, a second step ST12, and a third step ST13. The first step ST11 is a step of preparing the metal support 180 and the paste-like material for forming the fuel electrode 116 . The second step ST12 is a step of placing a paste-like material on the metal support 180 and then pouring it into the through holes 50 formed in the metal support 180 from the first portion 5011 side to the second portion 5012 side. . In the third step ST13, by curing at least the paste-like material, the fuel electrode 116 having the hole inside 118 and the metal support 180 are provided, and the through hole 50 is aligned with the Z axis of the hole inside 118 of the fuel electrode 116. It is a step of obtaining a member having a space SP on the side opposite to the electrolyte layer 112 in the direction.

本実施形態の単セル110の製造方法における金属支持体180は、上述したように、A11>A21を満たす。換言すれば、金属支持体180の輪郭線501(貫通孔50を画定する輪郭線)の第1部分5011(燃料極116側の端を含む部分)の表面粗さ(A11)は比較的高く、金属支持体180の輪郭線501の第2部分5012(燃料極116とは反対の端を含む部分)の表面粗さ(A21)は比較的低い。そのため、A11とA21が同等である製造方法と比較すると、第2工程ST12において、ペースト状材料を、金属支持体180に形成された貫通孔50に対し、第1部分5011側から第2部分5012側に向かって流し込んだ際に、表面粗さが高い第1部分5011においてはペースト状材料が留まりやすく、一方、表面粗さ(A21)が低い第2部分5012においてはペースト状材料が留まりにくくなる。このような第2工程ST12を経て、第3工程ST13においてペースト状材料を硬化させる。従って、本製造方法によれば、A11とA21が同等である製造方法と比較して容易または確実に、貫通孔50が燃料極116の孔内部118のZ軸方向の電解質層112とは反対側に空間SPを有する構成を実現(製造)することができる。 The metal support 180 in the manufacturing method of the single cell 110 of this embodiment satisfies A11>A21 as described above. In other words, the surface roughness (A11) of the first portion 5011 (the portion including the end on the fuel electrode 116 side) of the contour 501 (the contour defining the through hole 50) of the metal support 180 is relatively high, The surface roughness (A21) of the second portion 5012 (the portion including the end opposite the anode 116) of the contour 501 of the metal support 180 is relatively low. Therefore, when compared with the manufacturing method in which A11 and A21 are equivalent, in the second step ST12, the paste-like material is applied to the through holes 50 formed in the metal support 180 from the first portion 5011 side to the second portion 5012. When poured sideways, the paste-like material tends to stay in the first portion 5011 with a high surface roughness, while the paste-like material does not easily stay in the second portion 5012 with a low surface roughness (A21). . After the second step ST12, the paste material is cured in the third step ST13. Therefore, according to the present manufacturing method, compared with a manufacturing method in which A11 and A21 are equivalent, the through-hole 50 is easily or reliably formed on the opposite side of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction of the hole interior 118 of the fuel electrode 116. It is possible to realize (manufacture) a configuration having a space SP at .

上記では、本発明を、輪郭線501に関する構成に適用した部分による効果を説明したが、輪郭線502に関する構成に適用した部分についても同様の効果が得られる。 Although the effects of applying the present invention to the configuration relating to the contour line 501 have been described above, the same effects can be obtained by applying the present invention to the configuration relating to the contour line 502 .

A-6.性能評価:
次に、本実施形態の性能評価について説明する。各特性が互いに異なる複数の単セル110のサンプルを作製し、当該サンプル(「単セル110の発電性能についての評価」については後述するボタンセル)を用いて性能評価を行った。図8は、性能評価結果を示す説明図である。
A-6. Performance evaluation:
Next, performance evaluation of this embodiment will be described. A plurality of single cell 110 samples having different characteristics were produced, and performance evaluation was performed using the samples ("Evaluation of power generation performance of single cell 110" will be described later as a button cell). FIG. 8 is an explanatory diagram showing performance evaluation results.

図8に示すように、本性能評価には、単セル110の6個のサンプル(サンプルSP1~SP6)が用いられた。 As shown in FIG. 8, six samples (samples SP1 to SP6) of the single cell 110 were used for this performance evaluation.

各サンプルは、金属支持体180(第1の金属部材181)のうち、貫通孔50の上側部51を画定する表面の表面粗さは均一であるものとした。すなわち、単セル110のZ軸方向に沿った断面(例えば、図6に示す断面)において、金属支持体180の輪郭線501の第1部分5011の表面粗さA11(μm)と、もう一方の輪郭線502の第1部分5021の表面粗さA12(μm)とは同等であるものとした。以下、金属支持体180の輪郭線501,502の第1部分5011,5021の表面粗さA11,A12をまとめて「A1」(μm)という。 In each sample, the surface of the metal support 180 (first metal member 181) defining the upper portion 51 of the through-hole 50 had a uniform surface roughness. That is, in a cross section along the Z-axis direction of the unit cell 110 (for example, the cross section shown in FIG. 6), the surface roughness A11 (μm) of the first portion 5011 of the contour line 501 of the metal support 180 and the roughness of the other The surface roughness A12 (μm) of the first portion 5021 of the outline 502 is assumed to be equivalent. Hereinafter, the surface roughnesses A11 and A12 of the first portions 5011 and 5021 of the contour lines 501 and 502 of the metal support 180 are collectively referred to as "A1" (μm).

同様に、金属支持体180(第2の金属部材182)のうち、貫通孔50の下側部52を画定する表面の表面粗さは均一であるものとした。すなわち、単セル110のZ軸方向に沿った断面(例えば、図6に示す断面)において、金属支持体180の輪郭線501の第2部分5012の表面粗さA21(μm)と、もう一方の輪郭線502の第2部分5022の表面粗さA22(μm)とは同等であるものとした。以下、金属支持体180の輪郭線501,502の第2部分5012,5022の表面粗さA21,A22をまとめて「A2」(μm)という。 Similarly, the surface roughness of the surface of the metal support 180 (second metal member 182) defining the lower portion 52 of the through-hole 50 was uniform. That is, in the cross section along the Z-axis direction of the single cell 110 (for example, the cross section shown in FIG. 6), the surface roughness A21 (μm) of the second portion 5012 of the contour line 501 of the metal support 180 and the surface roughness A21 (μm) of the other The surface roughness A22 (μm) of the second portion 5022 of the outline 502 is assumed to be equivalent. Hereinafter, the surface roughnesses A21 and A22 of the second portions 5012 and 5022 of the contour lines 501 and 502 of the metal support 180 are collectively referred to as "A2" (μm).

各サンプルは、特性が互いに異なっている。具体的には、各サンプルは、金属支持体180の輪郭線501,502の第1部分5011,5021の表面粗さA1(μm)と、輪郭線501,502の第2部分5012,5022の表面粗さをA2(μm)との大小関係(図8の「A1とA2の大小関係」欄)と、A1/A2≧1.2を満たすか否かの成否(図8の「A1/A2≧1.2」欄)と、空間SP(貫通孔50のうち、燃料極116の孔内部118のZ軸方向の電解質層112とは反対側に形成された空間SP)の有無(図8の「空間SPの有無」欄)とのいずれかが互いに異なっている。 Each sample differs from each other in properties. Specifically, each sample has a surface roughness A1 (μm) of the first portions 5011 and 5021 of the contours 501 and 502 of the metal support 180 and a surface roughness A1 (μm) of the second portions 5012 and 5022 of the contours 501 and 502. The size relationship between roughness and A2 (μm) (“A1 and A2 size relationship” column in FIG. 8) and whether or not A1/A2≧1.2 is satisfied (“A1/A2≧1 in FIG. 1.2” column) and the presence or absence of the space SP (the space SP formed in the through-hole 50 on the opposite side of the electrolyte layer 112 in the Z-axis direction inside the hole 118 of the fuel electrode 116) (“ column) are different from each other.

(燃料極116と金属支持体180との接合強度についての評価)
各サンプル(単セル110)について、燃料極116の表面に粘着テープを貼り、粘着テープを剥がす際の燃料極116と金属支持体180との剥離の有無を確認した。粘着テープを剥がした後に粘着テープに付着している燃料極116の量(面積)が所定の判定閾値(以下、「第1の判定閾値」という。)以下であったサンプルを「特に良い(◎)」と評価した。粘着テープに付着している燃料極116の量が、第1の判定閾値より大きく、かつ、第1の判定閾値よりも大きい所定の判定閾値(以下、「第2の判定閾値」という。)以下であったサンプルを「良い(〇)」と評価した。粘着テープに付着している燃料極116の量が第2の判定閾値より大きかったサンプルを「不合格(×)」と評価した。なお、第1の判定閾値として、燃料極116の表面のうち、粘着テープが貼られた部分の面積の10%の値を用い、第2の判定閾値として、燃料極116の表面のうち、粘着テープが貼られた部分の面積の30%の値を用いた。その評価結果は、図8の「燃料極116と金属支持体180との接合強度」欄に示されている通りである。
(Evaluation of bonding strength between fuel electrode 116 and metal support 180)
For each sample (single cell 110), an adhesive tape was attached to the surface of the fuel electrode 116, and the presence or absence of separation between the fuel electrode 116 and the metal support 180 when the adhesive tape was peeled off was checked. A sample in which the amount (area) of the fuel electrode 116 adhering to the adhesive tape after peeling off the adhesive tape was equal to or less than a predetermined determination threshold value (hereinafter referred to as “first determination threshold value”) was evaluated as “particularly good (◎ )” was evaluated. The amount of the fuel electrode 116 adhering to the adhesive tape is greater than a first determination threshold and is equal to or less than a predetermined determination threshold (hereinafter referred to as a "second determination threshold") that is greater than the first determination threshold. The sample was evaluated as "good (○)". A sample in which the amount of the fuel electrode 116 adhering to the adhesive tape was larger than the second judgment threshold was evaluated as "failed (x)". As the first determination threshold value, 10% of the area of the portion of the surface of the fuel electrode 116 to which the adhesive tape is attached is used, and as the second determination threshold value, A value of 30% of the taped area was used. The evaluation results are as shown in the column "bonding strength between fuel electrode 116 and metal support 180" in FIG.

図8に示すように、サンプルSP1,SP4では、粘着テープに付着した燃料極116の量が第1の判定閾値以下であったため、「特に良い」と評価した。また、サンプルSP2,SP5では、粘着テープに付着した燃料極116の量が第1の判定閾値より大きく、かつ、第2の判定閾値以下であったため、「良い」と評価した。これに対し、サンプルSP3,SP6では、粘着テープに付着した燃料極116の量が第1の判定閾値より大きかったため、「不合格」と評価した。 As shown in FIG. 8, samples SP1 and SP4 were evaluated as "particularly good" because the amount of fuel electrode 116 adhering to the adhesive tape was equal to or less than the first determination threshold. In samples SP2 and SP5, the amount of fuel electrode 116 adhering to the adhesive tape was greater than the first determination threshold and less than or equal to the second determination threshold, so they were evaluated as "good." On the other hand, in samples SP3 and SP6, the amount of the fuel electrode 116 adhering to the adhesive tape was larger than the first determination threshold, so they were evaluated as "failed".

サンプルSP3,SP6では、金属支持体180の輪郭線501,502の第1部分5011,5021の表面粗さA1(μm)は、輪郭線501,502の第2部分5012,5022の表面粗さA2(μm)より小さい。以上の結果から、金属支持体180の輪郭線501,502の第1部分5011,5021の表面粗さA1(μm)は、輪郭線501,502の第2部分5012,5022の表面粗さA2(μm)より大きい構成においては、粘着テープに付着する燃料極116の量が少なくなり、すなわち、燃料極116と金属支持体180との接合強度が高い単セル110が得られることが確認された。 In samples SP3 and SP6, the surface roughness A1 (μm) of the first portions 5011 and 5021 of the contours 501 and 502 of the metal support 180 is the surface roughness A2 of the second portions 5012 and 5022 of the contours 501 and 502. (μm). From the above results, the surface roughness A1 (μm) of the first portions 5011 and 5021 of the contour lines 501 and 502 of the metal support 180 is the surface roughness A2 (μm) of the second portions 5012 and 5022 of the contour lines 501 and 502. μm), the amount of the fuel electrode 116 adhering to the adhesive tape is reduced, that is, it was confirmed that the single cell 110 with high bonding strength between the fuel electrode 116 and the metal support 180 can be obtained.

また、サンプルSP1,SP4では、A1/A2≧1.2を満たす一方で、サンプルSP2,SP5では、A1/A2≧1.2を満たしていない。以上の結果から、A1/A2≧1.2を満たす構成においては、粘着テープに付着する燃料極116の量が特に少なくなり、すなわち、燃料極116と金属支持体180との接合強度が特に高い単セル110が得られることが確認された。 Further, while samples SP1 and SP4 satisfy A1/A2≧1.2, samples SP2 and SP5 do not satisfy A1/A2≧1.2. From the above results, in the configuration satisfying A1/A2≧1.2, the amount of the fuel electrode 116 adhering to the adhesive tape is particularly small, that is, the bonding strength between the fuel electrode 116 and the metal support 180 is particularly high. It was confirmed that a single cell 110 was obtained.

(単セル110の発電性能についての評価)
本評価では、上記の単セル110の6個のサンプル(サンプルSP1~SP6)に換えて、上述した単セル110の製造方法に倣って作製した6個のボタンセルが用いられた。各サンプル(ボタンセル)は、上述した特性(「A1とA2の大小関係」など)が上記の単セル110の各サンプルと同様であるものであり、上下方向視で25mmの辺を有する四角形をなす金属支持体上180上に燃料極116および電解質層112が積層された積層体の上に、上下方向視で直径13mmの円形をなす空気極114が形成されたものである。下記において、便宜上、上記の単セル110のサンプルと特性(「A1とA2の大小関係」など)が同一であるボタンセルのサンプルを同じ符号を付して呼ぶ(例えばサンプルSP1)。
(Evaluation of power generation performance of single cell 110)
In this evaluation, instead of the six samples (samples SP1 to SP6) of the single cell 110 described above, six button cells manufactured according to the manufacturing method of the single cell 110 described above were used. Each sample (button cell) has the same characteristics as those of the single cell 110 described above (such as "the magnitude relationship between A1 and A2"), and is a square having sides of 25 mm when viewed from the top and bottom. The air electrode 114 having a circular shape with a diameter of 13 mm when viewed from above is formed on a laminate in which the fuel electrode 116 and the electrolyte layer 112 are laminated on the metal support 180 . In the following, for the sake of convenience, a button cell sample having the same characteristics (such as "the magnitude relationship between A1 and A2") as the sample of the single cell 110 described above will be referred to by the same reference numerals (for example, sample SP1).

各サンプル(単セル110)について、約700(℃)で空気極114に酸化剤ガスOGを供給し、燃料極116に燃料ガスFGを供給し、電流密度が0.55A/cmのときの単セル110の出力電圧を測定し、その測定値が所定の判定閾値(以下、「第3の判定閾値」という。)以上であったサンプルを「合格(〇)」と評価し、測定値が第3の判定閾値より低かったサンプルを「不合格(×)」と評価した。その評価結果は、図8の「発電性能」欄に示されている通りである。 For each sample (single cell 110), the oxidant gas OG was supplied to the air electrode 114 at about 700 (° C.), the fuel gas FG was supplied to the fuel electrode 116, and the current density was 0.55 A/cm 2 . The output voltage of the single cell 110 was measured, and the sample whose measured value was equal to or higher than a predetermined judgment threshold (hereinafter referred to as the “third judgment threshold”) was evaluated as “passed (◯)”, and the measured value was Samples that were lower than the third determination threshold were evaluated as "failed (x)". The evaluation results are as shown in the "power generation performance" column of FIG.

図8に示すように、サンプルSP1,SP2,SP3では、測定値(単セル110の出力電圧)が第3の判定閾値以上であったため、「合格」と評価した。これに対し、サンプルSP4,SP5,SP6では、測定値が第3の判定閾値より低かったため、「不合格」と評価した。 As shown in FIG. 8, in samples SP1, SP2, and SP3, the measured value (the output voltage of the single cell 110) was equal to or higher than the third determination threshold, and thus was evaluated as "acceptable." On the other hand, samples SP4, SP5, and SP6 were evaluated as "failed" because the measured values were lower than the third determination threshold.

ここで、サンプルSP1,SP2,SP3では、空間SPが有る。一方、サンプルSP4,SP5,SP6では、空間SPが無い(貫通孔50の全体に燃料極116の孔内部118が充填されている)。以上の結果から、空間SPが有る構成においては、発電性能が特に高い単セル110が得られることが確認された。 Here, the samples SP1, SP2 and SP3 have a space SP. On the other hand, in samples SP4, SP5, and SP6, there is no space SP (the entire through hole 50 is filled with the inside 118 of the fuel electrode 116). From the above results, it was confirmed that the single cell 110 with particularly high power generation performance can be obtained in the configuration with the space SP.

以上の評価により、金属支持体180の輪郭線501,502の第1部分5011,5021の表面粗さA1(μm)は、輪郭線501,502の第2部分5012,5022の表面粗さA2(μm)より大きい単セル110の構成が優れた効果を奏することが確認された。また、金属支持体180の2つの輪郭線501,502の一方のみがこのような表面粗さの条件を満たす構成においては、効果の程度がいくらか劣ることになる可能性があるものの、同様の効果(特に「燃料極116と金属支持体180との接合強度」についての効果)が得られると考えられる。 From the above evaluation, the surface roughness A1 (μm) of the first portions 5011 and 5021 of the contours 501 and 502 of the metal support 180 is the surface roughness A2 (μm) of the second portions 5012 and 5022 of the contours 501 and 502. It was confirmed that the structure of the single cell 110 larger than μm) has an excellent effect. Also, in a configuration in which only one of the two contour lines 501, 502 of the metal support 180 satisfies such surface roughness conditions, the effect may be somewhat less, but the same effect may be obtained. (Particularly, the effect on the "joint strength between the fuel electrode 116 and the metal support 180") can be obtained.

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、上側部51と下側部52とから構成されているが、貫通孔50の構成は、金属支持体180のZ軸方向の一方の面から他方の面まで貫通する限りにおいて、必ずしもこれに限られない。例えば、金属支持体180に形成された貫通孔50が、Z軸方向に直交する方向に延伸する部分を含んでいてもよい。 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-described embodiment, each through-hole 50 formed in the metal support 180 is composed of an upper portion 51 and a lower portion 52 , but the configuration of the through-hole 50 is different from the Z direction of the metal support 180 . As long as it penetrates from one axial surface to the other axial surface, it is not necessarily limited to this. For example, the through hole 50 formed in the metal support 180 may include a portion extending in a direction orthogonal to the Z-axis direction.

上記実施形態(または変形例、以下同様)では、単セル110のXY断面における金属支持体180の各貫通孔50形状は、円形であるが、円形以外の形状(例えば矩形)であってもよい。また、上記実施形態では、各貫通孔50の径は、金属支持体180の上面S11における開口53の位置から下面S22における開口54の位置にわたって略一定であるが、いずれかの位置で異なっていてもよい。また、上記実施形態では複数の貫通孔50の構成は同様であるが、いずれかの貫通孔の構成が他の貫通孔の構成と異なっていてもよい。例えば、複数の貫通孔50の径は、互いに略同一であるが、互いに異なっていてもよい。 In the above embodiment (or modified example, the same applies hereinafter), each through-hole 50 of the metal support 180 in the XY cross section of the unit cell 110 is circular, but may be other than circular (for example, rectangular). . In the above embodiment, the diameter of each through-hole 50 is substantially constant from the position of the opening 53 on the upper surface S11 of the metal support 180 to the position of the opening 54 on the lower surface S22. good too. Further, although the configurations of the plurality of through holes 50 are the same in the above-described embodiment, the configuration of one of the through holes may be different from the configuration of the other through holes. For example, the diameters of the plurality of through holes 50 are substantially the same, but may be different.

上記実施形態では、金属支持体180は、金属(例えばステンレス)により形成されているが、金属(例えばステンレス)により形成された基材の表面が酸化被膜やコーティング膜等により覆われていてもよい。 In the above embodiment, the metal support 180 is made of metal (eg, stainless steel), but the surface of the base material made of metal (eg, stainless steel) may be covered with an oxide film, coating film, or the like. .

上記実施形態では、金属支持体180が、Z軸方向に積層された第1の金属部材181および第2の金属部材182から構成されているが、金属支持体180の構成はこれに限られない。例えば、金属支持体180が、1枚の板状部材から構成されていてもよいし、Z軸方向に積層された3枚以上の板状部材から構成されていてもよい。また、輪郭線501,502の第1部分5011,5021や第2部分5012,5022が複数の板状部材に跨って形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。 In the above embodiment, the metal support 180 is composed of the first metal member 181 and the second metal member 182 laminated in the Z-axis direction, but the configuration of the metal support 180 is not limited to this. . 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. Also, the first portions 5011 and 5021 and the second portions 5012 and 5022 of the outlines 501 and 502 may be formed across a plurality of plate members. 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.

上記実施形態では、金属支持体180の輪郭線501,502の第2部分5012,5022は、輪郭線501,502のうち、燃料極116とは反対側の端部を構成しているが、第2部分5012,5022は、輪郭線501,502のうち、燃料極116とは反対側の端部でない、としてもよい。すなわち、第2部分5012,5022は、第1部分5011,5021と、燃料極116とは反対側の端部との間を構成する部分であるとしてもよい。 In the above embodiment, the second portions 5012 and 5022 of the contour lines 501 and 502 of the metal support 180 form the ends of the contour lines 501 and 502 opposite to the fuel electrode 116. The two portions 5012 , 5022 may not be the ends of the contours 501 , 502 opposite the anode 116 . In other words, the second portions 5012 and 5022 may be portions that form between the first portions 5011 and 5021 and the end opposite to the fuel electrode 116 .

上記実施形態では、金属支持体180は、数式:A1/A2≧1.2を満たしているが、数式:A1>A2を満たす限りにおいて、数式:A1/A2≧1.2を満たしていないとしてもよい。なお、A1は、単セル110のZ軸方向に沿った少なくとも1つの断面(以下、「特定断面」という。)において、金属支持体180の貫通孔50を画定する1対の輪郭線の一方である特定輪郭線501,502のうち、燃料極116側の端を含む第1部分5011,5012の表面粗さ(μm)である。A2は、特定輪郭線501,502のうち、燃料極116とは反対側において第1部分5011と連続する第2部分5012の表面粗さ(μm)である。 In the above embodiment, the metal support 180 satisfies the formula: A1/A2≧1.2, but as long as the formula: A1>A2 is satisfied, the formula: A1/A2≧1.2 is not satisfied. good too. Note that A1 is one of a pair of contour lines defining the through-hole 50 of the metal support 180 in at least one cross section along the Z-axis direction of the unit cell 110 (hereinafter referred to as "specific cross section"). It is the surface roughness (μm) of the first portions 5011 and 5012 of the specific contour lines 501 and 502 including the ends on the fuel electrode 116 side. A2 is the surface roughness (μm) of the second portion 5012 of the specific contour lines 501 and 502 that is continuous with the first portion 5011 on the side opposite to the fuel electrode 116 .

上記実施形態では、燃料極116の孔内部118は、金属支持体180の輪郭線501,502の第1部分5011,5021の略全体に接しているが、金属支持体180の輪郭線501,502の第1部分5011,5021の少なくとも一部に接していればよい。また、上記実施形態では、燃料極116の孔内部118は、金属支持体180の輪郭線501,502の第2部分5012,5022に接していないが、金属支持体180の輪郭線501,502の第2部分5012,5022に接していてもよい。 In the above embodiment, the hole interior 118 of the anode 116 is in contact with substantially the entirety of the first portions 5011, 5021 of the contours 501, 502 of the metal support 180, but the contours 501, 502 of the metal support 180 contact with at least part of the first portions 5011 and 5021 of the . Further, in the above embodiment, the hole inside 118 of the fuel electrode 116 is not in contact with the second portions 5012 and 5022 of the contour lines 501 and 502 of the metal support 180, but the contour lines 501 and 502 of the metal support 180 It may be in contact with the second portions 5012 and 5022 .

上記実施形態では、燃料極116の孔内部118は、金属支持体180の輪郭線501,502(金属支持体180のうち、貫通孔50を画定する面)に接合されているが、金属支持体180の輪郭線501,502に接しているのであれば、接合されていなくてもよい。 In the above embodiment, the hole interior 118 of the fuel electrode 116 is bonded to the contour lines 501 and 502 of the metal support 180 (surfaces of the metal support 180 that define the through hole 50). As long as they are in contact with the contour lines 501 and 502 of 180, they do not have to be joined.

上記実施形態では、燃料極116の孔内部118は、本実施形態では、燃料極116の孔内部118は、各貫通孔50の上側部51のみに位置しているが、燃料極116の孔内部118の配置はこれに限られるものではなく、例えば、下側部52に位置するものであってもよく、Z軸方向の全範囲に位置するものであってもよい。 In the above embodiment, the hole interior 118 of the anode 116 is located only in the upper portion 51 of each through-hole 50 in this embodiment. The arrangement of 118 is not limited to this. For example, it may be positioned at the lower side portion 52 or may be positioned over the entire range in the Z-axis direction.

上記実施形態では、金属支持体180が燃料極116に対して電解質層112とは反対側に位置する部材である燃料電池スタック100に本発明を適用したものである。また、金属支持体が空気極114に対して電解質層112とは反対側に位置する部材である燃料電池スタックに本発明を適用してもよい。なお、このような構成において、空気極114は、特許請求の範囲における特定電極の一例である。 In the above embodiment, the present invention is applied to the fuel cell stack 100 in which the metal support 180 is located on the opposite side of the fuel electrode 116 from the electrolyte layer 112 . Moreover, the present invention may be applied to a fuel cell stack in which the metal support is a member located on the side opposite to the electrolyte layer 112 with respect to the air electrode 114 . 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、必ずしも燃料電池スタック100に含まれる全ての単セル110において、上述した構成が実現されている必要はなく、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも1つの単セル110において、上述した構成が実現されていればよい。例えば、上記実施形態では各単セル110が備える金属支持体180の構成は同様であるが、いずれかの単セルが備える金属支持体の構成が異なっていてもよい。また、上記実施形態では各単セル110が備える燃料極116の構成は同様であるが、いずれかの単セルが備える燃料極の構成が異なっていてもよい。 In the above embodiment, it is not necessary that all the unit cells 110 included in the fuel cell stack 100 have the above-described configuration, and at least one unit cell 110 included in the fuel cell stack 100 has the above-described configuration. should be realized. For example, in the above embodiment, the metal supports 180 included in each unit cell 110 have the same configuration, but the metal supports included in any of the single cells may have different configurations. Further, in the above-described embodiment, the configuration of the fuel electrode 116 provided in each unit cell 110 is the same, but the configuration of the fuel electrode provided in any of the unit cells may be different.

上記実施形態では、金属支持体180に形成された全ての貫通孔50(および、貫通孔50内に位置する燃料極116の孔内部118)について、本発明の特徴的構成をなす(数式:A11>A21を満たす、等)としているが、金属支持体180に形成された全ての貫通孔50(および、貫通孔50内に位置する燃料極116の孔内部118)のうちのいずれかのみが本発明の特徴的構成をなしているとしてもよい。 In the above-described embodiment, all the through holes 50 formed in the metal support 180 (and the hole interiors 118 of the fuel electrodes 116 located in the through holes 50) have the characteristic configuration of the present invention (formula: A11 >A21, etc.), but only one of all the through-holes 50 formed in the metal support 180 (and the hole interior 118 of the fuel electrode 116 located in the through-hole 50) It may constitute a characteristic configuration of the invention.

上記実施形態では、単セル110のZ軸方向に沿った任意の断面において本発明の特徴的構成をなす(数式:A11>A21を満たす、等)としているが、単セル110のZ軸方向に沿った少なくとも1つの断面で本発明の特徴的構成をなすとしてもよい。 In the above embodiment, any cross section of the unit cell 110 along the Z-axis direction has the characteristic configuration of the present invention (formula: A11>A21, etc.). At least one cross-section along may be a characteristic feature of the invention.

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).

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:(貫通孔の)上側部 52:(貫通孔の)下側部 53:開口 54:開口 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:貫通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 117:(燃料極の)基部 118:(燃料極の)孔内部 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の金属部材 182:第2の金属部材 501,502:輪郭線 5011,5021:(輪郭線の)第1部分 5012,5022:(輪郭線の)第2部分 A1,A11,A12:(第1部分の)表面粗さ A2,A21,A22:(第2部分の)表面粗さ 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 S11:上面 S12:下面 S21:上面 S22:下面 SP:空間 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 50: Through hole 51: Upper portion (of through hole) 52: Lower portion (of through hole) 53: Opening 54: Opening 100 : Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Through hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 117: Base (of fuel electrode) 118: Hole (of fuel electrode) Inside 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 metal member 182: Second metal member 501, 502: Contour lines 5011, 5021: First portion (of contour line) 5012, 5022: Second portion (of contour line) A1, A11, A12: (Second 1 part) surface roughness A2, A21, A22: (2nd part) surface roughness FG: Fuel gas FOG: Fuel off-gas OG: Oxidant gas OOG: Oxidant off-gas S11: Upper surface S12: Lower surface S21: Upper surface S22 : Lower surface SP: Space

Claims (6)

電解質層と、
前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する燃料極および空気極と、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記第1の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第1の方向に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記特定電極は、前記複数の貫通孔の少なくとも1つである特定貫通孔内に位置する電極孔内部を備え、
前記電気化学反応単セルの前記第1の方向に沿った少なくとも1つの断面である特定断面において、
前記金属支持体の前記特定貫通孔を画定する1対の輪郭線の一方である特定輪郭線のうち、前記特定電極側の端を含む第1部分の表面粗さをA1(μm)とし、前記特定輪郭線のうち、前記特定電極とは反対側において前記第1部分と連続する第2部分の表面粗さをA2(μm)としたときに、
数式:A1>A2を満たし、かつ、
前記電極孔内部は、前記金属支持体の前記第1部分の少なくとも一部に接している、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
an electrolyte layer;
a fuel electrode and an air electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween;
A metal support located on a side opposite to the electrolyte layer with respect to a specific electrode, which is one of the fuel electrode and the air electrode, and the metal support at a position overlapping the specific electrode when viewed in the first direction. and a metal support having a plurality of through-holes penetrating in one direction,
The specific electrode has an electrode hole interior positioned within a specific through hole that is at least one of the plurality of through holes,
In a specific cross section that is at least one cross section along the first direction of the electrochemical reaction unit cell,
Let A1 (μm) be the surface roughness of a first portion including an end on the side of the specific electrode of a specific contour line that is one of a pair of contour lines defining the specific through-hole of the metal support, and When the surface roughness of the second portion of the specific contour line, which is continuous with the first portion on the side opposite to the specific electrode, is A2 (μm),
Formula: satisfies A1>A2, and
the inside of the electrode hole is in contact with at least part of the first portion 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であって、
数式:A1/A2≧1.2を満たす、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
The electrochemical reaction single cell according to claim 1,
Formula: satisfies A1/A2≧1.2,
An electrochemical reaction single cell characterized by:
請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単セルであって、
前記金属支持体は、
前記特定輪郭線の前記第1部分を有する第1の金属部材と、
前記特定輪郭線の前記第2部分を有する第2の金属部材と、を含む、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
The electrochemical reaction single cell according to claim 1 or claim 2,
The metal support is
a first metal member having the first portion of the specific contour;
a second metal member having the second portion of the specific outline;
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であって、
前記特定断面において、
前記特定貫通孔は、前記電極孔内部の前記第1の方向の前記電解質層とは反対側に空間を有する、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
The electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 3,
In the specific cross section,
The specific through-hole has a space inside the electrode hole on a side opposite to the electrolyte layer in the first direction,
An electrochemical reaction single cell characterized by:
請求項4に記載の電気化学反応単セルであって、
前記特定断面において、
前記金属支持体の前記特定輪郭線の前記第1部分と、前記特定電極と、が接合される接合部の前記第1の方向の長さは、前記金属支持体の前記特定輪郭線の前記第2部分と、前記特定電極と、が接合される接合部の前記第1の方向の長さよりも大きい、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
The electrochemical reaction single cell according to claim 4,
In the specific cross section,
The length in the first direction of the joint portion where the first portion of the specific contour line of the metal support and the specific electrode are joined is the length of the first part of the specific contour line of the metal support. greater than the length in the first direction of the joint where the two parts and the specific electrode are joined;
An electrochemical reaction single cell characterized by:
請求項4または請求項5に記載の電気化学反応単セルの製造方法であって、
前記金属支持体と、前記特定電極を形成するためのペースト状材料とを準備する第1工程と、
前記ペースト状材料を前記金属支持体に配置する第2工程であって、前記金属支持体に形成された前記特定貫通孔に対し、前記第1部分側から前記第2部分側に流し込む第2工程と、
少なくとも前記ペースト状材料を硬化させることにより、前記電極孔内部を備える前記特定電極と、前記金属支持体とを備え、かつ、前記特定貫通孔が前記電極孔内部の前記第1の方向の前記電解質層とは反対側に空間を有する部材を得る第3工程と、を備える、
ことを特徴とする電気化学反応単セルの製造方法。
A method for manufacturing an electrochemical reaction single cell according to claim 4 or 5,
a first step of preparing the metal support and a paste-like material for forming the specific electrode;
A second step of disposing the paste-like material on the metal support, wherein the paste material is poured from the first portion side to the second portion side into the specific through-hole formed in the metal support. and,
By curing at least the paste-like material, the specific electrode provided with the inside of the electrode hole and the metal support, and the specific through hole is the electrolyte in the first direction inside the electrode hole a third step of obtaining a member having a space on the opposite side of the layer;
A method for manufacturing an electrochemical reaction single cell, characterized by:
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