JP2023119145A - 集電体－電気化学反応単セル複合体、および、電気化学反応セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】拡散用凸部の存在に起因してガス室内におけるガスの流通抵抗が増大することを抑制する。【解決手段】集電体は、電気化学反応単セルに向けて突出するとともに電気化学反応単セルに接合されている複数の突出部を有する。複数の突出部は、少なくとも、複数の突出部が、第１の方向視で、第２の方向に間隔を空けて並んでいる第１列の突出部群と、第１の方向視で、第１列の突出部群に対して、第２の方向に交差する第３の方向の一方側に位置し、複数の突出部が、第２の方向に間隔を空けて並んでいる第２列の突出部群と、を含んでいる。電気化学反応単セルと集電体との間のガス室には、第１列の突出部群における突出部同士の隙間と第２列の突出部群における突出部同士の隙間との間の連通路が存在しており、集電体には、少なくとも、連通路と第１の方向視で重なる重複領域に、突出部に比べて突出長さが短い拡散用凸部が形成されている。【選択図】図６

Description

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

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の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の構成単位である集電体－燃料電池単セル複合体は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）と、集電体とを備える。単セルは、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。）に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。集電体は、単セルの空気極側または燃料極側に配置される。集電体は、例えば単セルに向けて突出する複数の突出部が格子状に配置された構成を有している。複数の突出部が単セルの空気極または燃料極に接合されることによって集電体と単セルとが電気的に接続されている。

特開２０２１－９６９６４号公報

従来の集電体－燃料電池単セル複合体では、単セルと集電体との間におけるガスの流れは、複数の突出部の配置によって定まる。このため、上下方向視で単セルと集電体とが重なる発電エリアにおいて、ガスが流れやすい箇所とガスが流れ難い箇所とが生じやすい。その結果、集電体－燃料電池単セル複合体の発電性能が低下するおそれがある。

なお、このような問題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という）と集電体とを備える集電体－電解セル複合体にも同様に生じる。なお、本明細書では、集電体－燃料電池単セル複合体と集電体－電解セル複合体とをまとめて「集電体－電気化学反応単セル複合体」といい、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて「電気化学反応セルスタック」という。

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。

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

（１）本明細書に開示される集電体－電気化学反応単セル複合体は、電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記第１の方向に配置された集電体と、を備える集電体－電気化学反応単セル複合体において、前記集電体は、前記電気化学反応単セルに向けて突出するとともに前記電気化学反応単セルに接合されている複数の突出部を有し、前記複数の突出部は、少なくとも、複数の前記突出部が、前記第１の方向視で、第２の方向に間隔を空けて並んでいる第１列の突出部群と、前記第１の方向視で、前記第１列の突出部群に対して、前記第２の方向に交差する第３の方向の一方側に位置し、複数の前記突出部が、前記第２の方向に間隔を空けて並んでいる第２列の突出部群と、を含んでおり、かつ、前記電気化学反応単セルと前記集電体との間のガス室には、前記第１列の突出部群における前記突出部同士の隙間と前記第２列の突出部群における前記突出部同士の隙間との間の連通路が存在しており、前記集電体には、少なくとも、前記連通路と前記第１の方向視で重なる重複領域に、前記突出部に比べて突出長さが短い拡散用凸部が形成されている。

本集電体－電気化学反応単セル複合体では、第１列の突出部群と第２列の突出部群とによって定められるガスの流路（連通路）に拡散用凸部が配置されている。このため、第２の方向に並ぶ突出部同士の間を抜けたガスは、拡散用凸部に衝突して拡散する。これにより、ガスが流れ難い箇所（例えば第１列の突出部群と第２列の突出部群との間など）にガスを拡散させることができる。また、拡散用凸部は、突出部に比べて突出長さが短く、かつ、各列における突出部同士の間ではなく、第１列の突出部群と第２列の突出部群との間の領域に配置されている。このため、拡散用凸部の存在に起因してガス室内におけるガスの流通抵抗が増大することを抑制することができる。

（２）上記集電体－電気化学反応単セル複合体において、前記拡散用凸部の前記第２の方向の両端は、前記重複領域よりも前記第２の方向の外側まで延びている、構成としてもよい。本集電体－電気化学反応単セル複合体では、拡散用凸部の両端が、第３の方向視で、連通路の両側に位置する一対の突出部に重なる位置まで延びており、拡散用凸部によって集電体における連通路を形成する部分（重複領域）が補強されている。これにより、本集電体－電気化学反応単セル複合体によれば、例えば拡散用凸部の第２の方向の両端が重複領域よりも第２の方向の内側に位置している構成に比べて、集電体の強度の向上を図ることができる。

（３）上記集電体－電気化学反応単セル複合体において、前記拡散用凸部は、前記第３の方向において、前記第１列の突出部群と前記第２列の突出部群との少なくとも一方から離間している、構成としてもよい。本集電体－電気化学反応単セル複合体によれば、突出部同士の間を抜けたガスは、拡散用凸部と突出部との間の隙間に流れ込み易くなるため、ガスの拡散性を、効果的に向上させることができる。

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向に並べて配列された複数の集電体－電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の集電体－電気化学反応単セル複合体の少なくとも１つは、（１）から（３）までのいずれか一つの集電体－電気化学反応単セル複合体である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、拡散用凸部の存在に起因してガス室内におけるガスの流通抵抗が増大することを抑制することができる。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解セル）と集電体とを備える集電体－電気化学反応単セル複合体（集電体－燃料電池単セル複合体または集電体－電解単セル複合体）、複数の集電体－電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。

本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。 図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。 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。 図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。 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。 図４のＶＩ－ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図４のＶＩＩ－ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 変形例における空気極側集電体１３４ａのＸＹ断面構成を拡大して示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ－１．燃料電池スタック１００の構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１（および後述する図６，７）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（および後述する図６，７）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。

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という。）１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２および図３に示すように、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の上端を構成するエンドプレート１０４の上側表面との間、および、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の下端を構成するエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。ただし、後述のガス通路部材２７が設けられた箇所では、ナット２４とエンドプレート１０６の表面との間に、ガス通路部材２７とガス通路部材２７の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート２６とが介在している。絶縁シート２６は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。

各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。

また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２に供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。

燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部２９とを有している。分岐部２９の孔は本体部２８の孔と連通している。各ガス通路部材２７の分岐部２９には、ガス配管（図示せず）が接続される。また、図２に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成するボルト２２Ａの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を形成するボルト２２Ｂの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。また、図３に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１を形成するボルト２２Ｄの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２を形成するボルト２２Ｅの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。

（発電単位１０２の構成）
図４は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。また、図６は、図４のＶＩ－ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４のＶＩＩ－ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。図６には、空気極側集電体１３４のＸ１部分が拡大して示されている。

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４とを備えている。空気極側集電体１３４は、発電単位１０２の最上層を構成するインターコネクタ１５０を備えており、燃料極側集電体１４４は、発電単位１０２の最下層を構成するインターコネクタ１５０を備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２および図３参照）。

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上下方向（第１の方向）の一方側（下側）に配置された燃料極（アノード）１１６と、電解質層１１２の上下方向の他方側（上側）に配置された空気極（カソード)１１４とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４）を支持する燃料極支持形の単セルである。

電解質層１１２は、Ｚ軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層１１２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。すなわち、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

空気極１１４は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極１１４は、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄酸化物）により形成されている。

燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉ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。

セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。

図４から図６に示すように、空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。

図４，５，７に示すように、燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。

図４，５，７に示すように、燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、さらに、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２（燃料極側集電体１４４）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（燃料極側集電体１４４）におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。インターコネクタ対向部１４６と電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６と（以下、「インターコネクタ対向部１４６等」ともいう）は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、インターコネクタ対向部１４６等が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、インターコネクタ対向部１４６等を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）との電気的接続が良好に維持される。

図４～６に示すように、空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、さらに、突出部１３５を備えている。突出部１３５は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接続されている（接している）。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２（空気極側集電体１３４）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（空気極側集電体１３４）における突出部１３５は、上側のエンドプレート１０４に接触している。突出部１３５は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。空気極側集電体１３４の詳細構成については後述する。

なお、図４および図５に示すように、本実施形態では、突出部１３５とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、平板形の部分（インターコネクタ１５０）と、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の突出部１３５（集電体要素）とが、空気極側集電体１３４として機能する。また、突出部１３５とインターコネクタ１５０との一体部材（空気極側集電体１３４）の空気極１１４側の表面は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電体１３４（突出部１３５）との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。

Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３および図５に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は突出部１３５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はインターコネクタ対向部１４６等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℃以上、１０００℃以下）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

各発電単位１０２の空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、図２および図４に示すように、酸化剤ガス排出連通孔１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、図３および図５に示すように、燃料ガス排出連通孔１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

Ａ－３．空気極側集電体１３４の詳細構成：
図４および図６に示すように、空気極側集電体１３４は、上下方向視で格子状（行列状）に並んだ複数の突出部１３５を有している。各突出部１３５は、単セル１１０に向けて突出するとともに単セル１１０に接合されている。具体的には、各突出部１３５は、空気室１６６内における酸化剤ガスＯＧの流れ方向（Ｘ軸方向 以下、「ガス流れ方向Ｘ」という）に延びる略長方形状であり、インターコネクタ１５０からＺ軸負方向（Ｚ軸方向の上記一方側（空気極１１４の側））に突出し、空気極１１４の表面に接合されている。なお、ここでいうガス流れ方向Ｘは、空気室１６６における酸化剤ガス供給連通孔１３２と酸化剤ガス排出連通孔１３３との最短距離を通る直線方向である。空気極側集電体１３４は、特許請求の範囲における集電体の一例であり、ガス流れ方向Ｘは、特許請求の範囲における第３の方向の一例であり、空気室１６６は、特許請求の範囲におけるガス室の一例である。

本実施形態では、図６に示すように、空気極側集電体１３４は、第１列の突出部群１３６Ａと、第２列の突出部群１３６Ｂと、第３列の突出部群１３６Ｃとを含んでいる。第１列の突出部群１３６Ａと、第２列の突出部群１３６Ｂと、第３列の突出部群１３６Ｃとは、上下方向（Ｚ軸方向）視で、ガス流れ方向Ｘに所定の間隔を空けて並んでいる。各突出部群１３６Ａ，１３６Ｂ，１３６Ｃは、上下方向視で、複数の突出部１３５が、ガス流れ方向Ｘに垂直な方向（Ｙ軸方向 以下、「突出部１３５の並び方向Ｙ」という）に所定の間隔を空けて並んでいる。突出部１３５の並び方向Ｙは、特許請求の範囲における第２の方向の一例である。なお、第１列の突出部群１３６Ａと、第２列の突出部群１３６Ｂと、第３列の突出部群１３６Ｃとは、均等間隔に並んでいてもよいし、互いに異なる間隔で並んでいてもよい。また、各突出部群１３６Ａ，１３６Ｂ，１３６Ｃは、複数の突出部１３５が、均等間隔に並んでいてもよいし、少なくとも一部が異なる間隔で並んでいてもよい。

このような複数の突出部１３５の配置により、空気室１６６には、第１列の突出部群１３６Ａと第２列の突出部群１３６Ｂとの間の空間に、複数の連通路Ｒが存在している（図６のＸ１部分の拡大図参照）。各連通路Ｒは、第１列の突出部群１３６Ａにおける突出部１３５同士の隙間と、第２列の突出部群１３６Ｂにおける突出部１３５同士の隙間との間において、ガス流れ方向Ｘに沿って延びる空間である。また、空気室１６６には、第２列の突出部群１３６Ｂと第３列の突出部群１３６Ｃとの間の空間にも、複数の連通路Ｒが存在している。各連通路Ｒは、第２列の突出部群１３６Ｂにおける突出部１３５同士の隙間と、第３列の突出部群１３６Ｃにおける突出部１３５同士の隙間との間において、ガス流れ方向Ｘに沿って延びる空間である。なお、突出部１３５の並び方向Ｙにおける突出部１３５同士の間隔（離間距離）と、ガス流れ方向Ｘにおける突出部群同士の間隔とは、同じでもよいし、異なってもよい。

図６に示すように、空気極側集電体１３４には、少なくとも、上下方向（Ｚ軸方向）視で連通路Ｒと重なる重複領域Ｅに、単セル１１０側に突出する拡散用凸部１５２が形成されている。具体的には、第１列の突出部群１３６Ａと第２列の突出部群１３６Ｂとの間における重複領域Ｅと、第２列の突出部群１３６Ｂと第３列の突出部群１３６Ｃとの間における重複領域Ｅとのそれぞれに拡散用凸部１５２が形成されている。

図４に示すように、拡散用凸部１５２の突出長さＨ２は、突出部１３５の突出長さＨ１よりも短く、拡散用凸部１５２は、単セル１１０から離間している（図４参照）。すなわち、拡散用凸部１５２と単セル１１０との間には空間が存在している。なお、拡散用凸部１５２の突出長さＨ２は、インターコネクタ１５０の突出長さＨ１の１／１０以上でもよいし、１／２以下でもよい。

突出部１３５の並び方向Ｙにおける、拡散用凸部１５２の両端は、重複領域Ｅよりも突出部１３５の並び方向Ｙの外側まで延びている。換言すれば、ガス流れ方向Ｘ視で、拡散用凸部１５２は、例えば、第１列の突出部群１３６Ａの突出部１３５の背後（第１列の突出部群１３６Ａの突出部１３５と、第２列の突出部群１３６Ｂの突出部１３５との間の空間）まで延びている。具体的には、図６に示すにように、拡散用凸部１５２は、各突出部群１３６Ａ，１３６Ｂ，１３６Ｃの全長にわたって直線状に延びている。

拡散用凸部１５２は、ガス流れ方向Ｘにおいて、各突出部群１３６Ａ，１３６Ｂ，１３６Ｃから離間している。すなわち、拡散用凸部１５２と各突出部群１３６Ａ，１３６Ｂ，１３６Ｃとの間に、突出部１３５および拡散用凸部１５２のいずれも存在しない空間が存在している。具体的には、図４および図６に示すように、拡散用凸部１５２は、ガス流れ方向Ｘにおいて、第１列の突出部群１３６Ａの突出部１３５から離間しており、かつ、第２列の突出部群１３６Ｂの突出部１３５から離間している。また、拡散用凸部１５２は、ガス流れ方向Ｘにおいて、第２列の突出部群１３６Ｂの突出部１３５から離間しており、かつ、第３列の突出部群１３６Ｃの突出部１３５から離間している。

なお、インターコネクタ１５０および空気極側集電体１３４を構成する部材は、例えばステンレス製の平板にプレス加工を施すことにより作製することができる。

Ａ－４．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態における空気極側集電体１３４と単セル１１０とを備える集電体－単セル複合体では、第１列の突出部群１３６Ａと第２列の突出部群１３６Ｂとによって定められるガスの流路（連通路Ｒ、重複領域Ｅ）に拡散用凸部１５２が配置されている。このため、第１列の突出部群１３６Ａにおける突出部１３５同士の間の隙間を抜けた酸化剤ガスＯＧは、拡散用凸部１５２に衝突して拡散する。これにより、酸化剤ガスＯＧが流れ難い箇所に酸化剤ガスＯＧを拡散させることができる。

例えば図６のＸ１部分の拡大図に示すように、第１列の突出部群１３６Ａにおける突出部１３５同士の間の隙間を抜けた酸化剤ガスＯＧの一部は、拡散用凸部１５２を乗り越えて、第２列の突出部群１３６Ｂにおける突出部１３５同士の間の隙間へと直進する。一方、酸化剤ガスＯＧの他の一部は、拡散用凸部１５２に衝突することにより、突出部１３５の並び方向Ｙへと導かれ、第１列の突出部群１３６Ａと第２列の突出部群との間に流れ込む。これにより、酸化剤ガスＯＧが流れ難い箇所への酸化剤ガスＯＧの供給不足が軽減され、単セル１１０の発電エリア内でのガスの流量分布の偏りが抑制される。この結果、発電エリアにおける発電反応のばらつきに起因する燃料電池スタック１００の性能低下を抑制することができる。本実施形態では、さらに、第２列の突出部群１３６Ｂと第３列の突出部群１３６Ｃとの間にも拡散用凸部１５２が形成されている。このため、発電エリア内における酸化剤ガスＯＧの拡散性をさらに向上させることができる。

また、拡散用凸部１５２の突出長さＨ２は、突出部１３５の突出長さＨ１よりも短く、かつ、拡散用凸部１５２は、各突出部群１３６Ａ，１３６Ｂ，１３６Ｃにおける突出部１３５同士の間ではなく、第１列の突出部群１３６Ａと第２列の突出部群１３６Ｂとの間の重複領域Ｅに配置されている。このため、拡散用凸部１５２の存在に起因して空気室１６６内における酸化剤ガスＯＧの流通抵抗が増大することを抑制することができる。

本実施形態では、突出部１３５の並び方向Ｙにおける、拡散用凸部１５２の両端は、重複領域Ｅよりも突出部１３５の並び方向Ｙの外側まで延びている。換言すれば、拡散用凸部１５２の両端が、ガス流れ方向Ｘ視で、連通路Ｒの両側に位置する一対の突出部１３５の両方に重なる位置まで延びている。このため、拡散用凸部１５２によって空気極側集電体１３４における連通路Ｒを形成する部分（重複領域Ｅ）が補強されている。これにより、本実施形態によれば、例えば拡散用凸部１５２の両端が重複領域Ｅよりも内側に位置している構成に比べて、空気極側集電体１３４の強度の向上を図ることができる。特に、本実施形態では、拡散用凸部１５２が、各列の突出部群１３６Ａ，１３６Ｂ，１３６Ｃの全長にわたって延びているため、空気極側集電体１３４に反りが発生することが抑制されている。

本実施形態では、拡散用凸部１５２は、ガス流れ方向Ｘにおいて、各突出部群１３６Ａ，１３６Ｂ，１３６Ｃから離間している。このため、突出部１３５同士の間の隙間を抜けた酸化剤ガスＯＧは、拡散用凸部１５２と突出部１３５との間の隙間に流れ込み易くなるため、発電エリア内における酸化剤ガスＯＧの拡散性を、効果的に向上させることができる。

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

上記実施形態における単セル１１０、発電単位１０２または燃料電池スタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、突出部１３５の上下方向視での形状は、略長方形状に限らず、例えば、矩形や円形でもよい。上記実施形態では、集電体として、空気極側集電体１３４を例示したが、燃料極１１６側に配置される集電体（燃料極側集電体１４４）でもよい。その場合、燃料室１７６が特許請求の範囲におけるガス室の一例となる。

上記実施形態において、空気極側集電体１３４は、２列、または、４列以上の突出部群を備える構成でもよい。上記実施形態において、突出部１３５の並び方向Ｙにおける、拡散用凸部１５２の両端の少なくとも一方が、重複領域Ｅよりも突出部１３５の並び方向Ｙの内側に位置してもよい。また、上記実施形態において、拡散用凸部１５２は、ガス流れ方向Ｘにおいて、各突出部群１３６Ａ，１３６Ｂ，１３６Ｃに接触していてもよい。上記実施形態では、空気極側集電体１３４の全ての重複領域Ｅに拡散用凸部１５２を配置したが、これに限らず、例えば高温部や電流集中部分などのガス不足になり易い部分が予め想定される場合、そのガス不足になり易い部分に酸化剤ガスＯＧを導く位置に拡散用凸部１５２を配置する構成でもよい。

上記実施形態では、空気極側集電体１３４は、上下方向視で格子状に並んだ複数の突出部１３５を有している構成であったが、例えば次に説明するように、格子状に配置されない複数の突出部を有する構成でもよい。図８は、変形例における空気極側集電体１３４ａのＸＹ断面構成を拡大して示す説明図である。変形例の空気極側集電体１３４ａでは、ガス流れ方向Ｘ視で、第１列の突出部群１３６Ａの各突出部１３５が、第２列の突出部群１３６Ｂにおける突出部１３５同士の間に位置している。空気室１６６には、第１列の突出部群１３６Ａと第２列の突出部群１３６Ｂとの間に、複数の連通路Ｒａ（図８では１つのみ図示）が存在している。各連通路Ｒａは、第１の最短空間Ｒａ１と第２の最短空間Ｒａ２とが重なる空間である。第１の最短空間Ｒａ１は、第１列の突出部群１３６Ａにおける突出部１３５同士の隙間から、第２列の突出部群１３６Ｂにおける突出部１３５同士の隙間までの最短距離の空間である。第２の最短空間Ｒａ２は、第２列の突出部群１３６Ｂにおける突出部１３５同士の隙間から、第１列の突出部群１３６Ａにおける突出部１３５同士の隙間までの最短距離の空間である。なお、図８では、見やすくするため、各空間を区画する線分は、互いに若干ずらして示されている。そして、空気極側集電体１３４ａのインターコネクタ１５０には、上下方向（Ｚ軸方向）視で連通路Ｒａと重なる重複領域Ｅａに、単セル１１０側に突出する矩形柱状の拡散用凸部１５２ａが形成されている。これにより、第１列の突出部群１３６Ａにおける突出部１３５同士の間の隙間を抜けた酸化剤ガスＯＧは、拡散用凸部１５２ａに衝突して拡散する。本変形例では、連通路Ｒａは、第１列の突出部群１３６Ａにおける突出部１３５同士の隙間と、第２列の突出部群１３６Ｂにおける突出部１３５同士の隙間との間において、ガス流れ方向Ｘに延びる空間である。このため、第１列の突出部群１３６Ａにおける突出部１３５同士の隙間から第２列の突出部群１３６Ｂにおける突出部１３５同士の隙間に向かってガス流れ方向Ｘに直進する酸化剤ガスＯＧを効果的に拡散することができる。

上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔１０８を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、連通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上述した構成の空気極側集電体１３４，１３４ａを採用することにより、ガスが流れ難い箇所にガスを拡散させることができる。

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。

２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０４，１０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４，１３４ａ：空気極側集電体 １３５：突出部 １３６Ａ，１３６Ｂ，１３６Ｃ：突出部群 １４０：燃料極側フレーム １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １５２，１５２ａ：拡散用凸部 １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 Ｅ，Ｅａ：重複領域 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 Ｒ，Ｒａ：連通路

Claims (4)

1. 電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記第１の方向に配置された集電体と、を備える集電体－電気化学反応単セル複合体において、
   前記集電体は、前記電気化学反応単セルに向けて突出するとともに前記電気化学反応単セルに接合されている複数の突出部を有し、
   前記複数の突出部は、少なくとも、
   複数の前記突出部が、前記第１の方向視で、第２の方向に間隔を空けて並んでいる第１列の突出部群と、
   前記第１の方向視で、前記第１列の突出部群に対して、前記第２の方向に交差する第３の方向の一方側に位置し、複数の前記突出部が、前記第２の方向に間隔を空けて並んでいる第２列の突出部群と、を含んでおり、
   かつ、前記電気化学反応単セルと前記集電体との間のガス室には、前記第１列の突出部群における前記突出部同士の隙間と前記第２列の突出部群における前記突出部同士の隙間との間の連通路が存在しており、
   前記集電体には、少なくとも、前記連通路と前記第１の方向視で重なる重複領域に、前記突出部に比べて突出長さが短い拡散用凸部が形成されている、ことを特徴とする、集電体－電気化学反応単セル複合体。
2. 請求項１に記載の集電体－電気化学反応単セル複合体であって、
   前記拡散用凸部の前記第２の方向の両端は、前記重複領域よりも前記第２の方向の外側まで延びている、ことを特徴とする、集電体－電気化学反応単セル複合体。
3. 請求項１または請求項２に記載の集電体－電気化学反応単セル複合体において、
   前記拡散用凸部は、前記第３の方向において、前記第１列の突出部群と前記第２列の突出部群との少なくとも一方から離間している、ことを特徴とする、集電体－電気化学反応単セル複合体。
4. 前記第１の方向に並べて配列された複数の集電体－電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記複数の集電体－電気化学反応単セル複合体の少なくとも１つは、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の集電体－電気化学反応単セル複合体であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。

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