JP6147441B2 - 電気化学反応単位および燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）が知られている。ＳＯＦＣの発電の最小単位である燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」ともいう）は、電解質層と電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む単セルと、単セルで発生した電力を集めるために単セルの空気極側および燃料極側のそれぞれに配置される導電性の集電部材とを備える。一般に、単セルの空気極側に配置される集電部材は、空気極に向けて突出する突出部を有する。空気極と集電部材の突出部とが導電性の接合層によって接合されることにより、空気極と集電部材とが電気的に接続される。
単セルの空気極側に配置される集電部材は、例えば、フェライト系ステンレスのようなＣｒ（クロム）を含む金属により形成される。このような集電部材が、ＳＯＦＣの作動中に例えば摂氏７００度から１０００度程度の高温の雰囲気にさらされると、集電部材の表面からＣｒが放出されて拡散する「Ｃｒ拡散」と呼ばれる現象が発生することがある。集電部材から放出されたＣｒが接合層の内部に進入すると、Ｃｒが接合層の成分と反応して接合層の導電性低下を引き起こしたり、Ｃｒが接合層内を通って空気極との界面まで達し、空気極での電極反応速度が低下する「空気極のＣｒ被毒」と呼ばれる現象を引き起こしたりすることがあるため、好ましくない。集電部材からのＣｒ拡散を抑制するため、集電部材の表面を導電性のコートによって覆う技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２０１１−９９１５９号公報
集電部材の突出部における角部は、突出部における角部以外の部分と比較して、より多くの表面を有している。また、突出部を覆うコートの厚さは、突出部における角部の位置で薄くなりやすい。そのため、集電部材の突出部における角部では、突出部における角部以外の部分と比較して、Ｃｒ拡散が発生しやすい。そのため、集電部材の突出部の角部付近では、突出部から放出されたＣｒが接合層内部へ進入することによる接合層の導電性低下や空気極の電極反応速度低下が発生しやすい。上記従来技術では、このような接合層の導電性低下や空気極の電極反応速度低下を十分に抑制できないという問題がある。
なお、このような問題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」ともいう）の最小単位である電解セル単位にも共通の課題である。なお、本明細書では、発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼ぶ。
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電気化学反応単位は、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む単セルと、前記単セルの前記空気極の側に配置され、前記空気極に向けて突出する突出部を有する集電部材と、前記集電部材の表面を覆う導電性のコートと、前記コートに覆われた前記突出部と前記空気極とを接合する導電性の接合層と、を備える電気化学反応単位において、前記突出部の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記コートに覆われた前記突出部は、前記接合層に覆われた被覆部分と、前記コートに覆われた前記突出部の角部を含む部分であって前記接合層から露出している露出部分と、を有することを特徴とする。本電気化学反応単位によれば、表面が多く、かつ、コートが薄くなりやすいためにＣｒが放出されやすい集電部材の突出部の角部から放出されたＣｒが接合層の内部に進入することを抑制することができ、接合層の導電性低下や空気極の電極反応速度低下の発生を効果的に抑制することができる。
（２）上記電気化学反応単位において、前記突出部の前記第１の方向に平行なすべての断面において、前記コートに覆われた前記突出部は、前記被覆部分と前記露出部分とを有する構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、集電部材の突出部の角部から放出されたＣｒが接合層の内部に進入することをより効果的に抑制することができ、接合層の導電性低下や空気極の電極反応速度低下の発生をより効果的に抑制することができる。
（３）上記電気化学反応単位において、前記集電部材は、前記突出部を複数有し、複数の前記突出部のそれぞれの前記第１の方向に平行なすべての断面において、前記コートに覆われた前記突出部は、前記被覆部分と前記露出部分とを有する構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、複数の突出部のそれぞれについて、突出部の角部から放出されたＣｒが接合層の内部に進入することをより効果的に抑制することができ、接合層の導電性低下や空気極の電極反応速度低下の発生をより効果的に抑制することができる。
（４）上記電気化学反応単位において、前記接合層における前記空気極との接触面積は、前記接合層における前記コートに覆われた前記突出部との接触面積より小さい構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、接合層によって空気極の内部へのガス拡散が阻害されることを抑制することができるため、発電性能の低下を抑制することができる。
（５）上記電気化学反応単位において、前記接合層における前記空気極との接触面積は、前記接合層における前記コートに覆われた前記突出部との接触面積より大きい構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、接合層と空気極との接触面積を大きくすることができ、接合層の導電性の低下をさらに効果的に抑制することができる。また、本電気化学反応単位によれば、空気極の電子を受け取る反応界面が大きくなり、発電性能を向上させることができる。
（６）上記電気化学反応単位において、前記接合層は、スピネル型酸化物により形成されている構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、突出部の角部から放出されたＣｒが接合層内に入り込んでも、接合層がペロブスカイト型酸化物等の他の材料によって形成された構成と比較して、Ｃｒの影響による抵抗値の上昇の程度を低く抑えることができるため、接合層の導電性が低下することをさらに効果的に抑制することができる。
（７）上記電気化学反応単位において、前記接合層は、ＺｎとＭｎとＣｏとＣｕとの少なくとも１つを含むスピネル型酸化物により形成されている構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、ＺｎとＭｎとＣｏとＣｕとの少なくとも１つを含むスピネル型酸化物は、長期間、比較的高温環境におかれてもスピネル構造を維持しやすい材料であるため、接合層がそのようなスピネル型酸化物により形成されていると、接合層の導電性の低下を抑制できる効果を長期間維持することができる。
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池発電単位、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、電解セル単位、複数の電解セル単位を備える電解セルスタック、電解セルスタックを備える水素生成モジュール、水素生成モジュールを備える水素生成システム等の形態で実現することが可能である。
燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す外観斜視図である。 発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図（ＸＺ断面図）である。 発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図（ＹＺ断面図）である。 発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図（ＸＹ断面図）である。 発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図（ＸＹ断面図）である。 空気極側集電体１３４の周りの構成を示す説明図である。 第２実施形態における空気極側集電体１３４の周りの構成を示す説明図である。 第３実施形態における空気極側集電体１３４の周りの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１３４ｃの周りの構成を示す説明図である。 他の変形例における空気極側集電体１３４ｄの周りの構成を示す説明図である。 他の変形例における空気極側集電体１３４ｅの周りの構成を示す説明図である。 他の変形例における空気極側集電体１３４ｆの周りの構成を示す説明図である。 他の変形例における空気極側集電体１３４ｇの周りの構成を示す説明図である。 他の変形例における燃料電池スタックの構成を概略的に示す説明図である。 他の変形例における燃料電池スタックを構成する燃料電池セル１の構成を概略的に示す説明図である。 図１４および図１５に示した他の変形例の燃料電池スタックにおける集電体２０の詳細構成を示す説明図である。 図１４および図１５に示した他の変形例の燃料電池スタックにおける集電体２０の詳細構成を示す説明図である。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．装置の基本構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す外観斜視図である。図１には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸を示している。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がそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図２以降についても同様である。
燃料電池スタック１００は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置された複数の燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」ともいう）１０２と、複数の発電単位１０２を上下から挟むように配置された一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。図１に示す燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。なお、上記配列方向（上下方向）は第１の方向に相当する。
燃料電池スタック１００のＺ方向回りの周縁部には、上側のエンドプレート１０４から下側のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる複数の（本実施形態では８つの）貫通孔１０８が形成されている。各貫通孔１０８に挿入されたボルト２２とボルト２２にはめられたナット２４とによって、燃料電池スタック１００を構成する各層は締め付けられて固定されている。
各ボルト２２の軸部の外径は各貫通孔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貫通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と貫通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２に酸化剤ガス（各図において「ＯＧ」と表す）を供給する酸化剤ガス供給マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と貫通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２から未反応の酸化剤ガス（以下、「酸化剤オフガス」といい、各図において「ＯＯＧ」と表す）を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（図２参照）。また、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における他の辺（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）と貫通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２に燃料ガス（各図において「ＦＧ」と表す）を供給する燃料ガス供給マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）と貫通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２から未反応の燃料ガス（以下、「燃料オフガス」といい、各図において「ＯＦＧ」と表す）を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、酸化剤ガスとして例えば空気が使用され、燃料ガスとして例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、方形の平板形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。各エンドプレート１０４，１０６のＺ軸周りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される貫通孔１０８に対応する孔が形成されている。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（または上側のエンドプレート１０４に接続された別部材）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（または下側のエンドプレート１０６に接続された別部材）は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。
（発電単位１０２の構成）
図２から図５は、発電単位１０２の構成を概略的に示す説明図である。図２には、図１、図４および図５のＩＩ−ＩＩの位置における発電単位１０２の断面構成を示しており、図３には、図１、図４および図５のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における発電単位１０２の断面構成を示しており、図４には、図２のＩＶ−ＩＶの位置における発電単位１０２の断面構成を示しており、図５には、図２のＶ−Ｖの位置における発電単位１０２の断面構成を示している。なお、図２および図３には、一部の断面を拡大して示している。
図２および図３に示すように、発電の最小単位である発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０のＺ軸周りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される貫通孔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、方形の平板形の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレス等のＣｒ（クロム）を含む金属により形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間でのガスの混合を防止する。なお、１つのインターコネクタ１５０は、２つの発電単位１０２に共用されている。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における上側のインターコネクタ１５０、および、最も下に位置する発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０は省略可能である。
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下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。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で電解質層１１２および空気極１１４を支持する燃料極支持形の単セルである。
電解質層１１２は、方形の平板形部材であり、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、Ｘ−Ｙ平面で見た場合に電解質層１１２より小さい方形の平板形部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、Ｘ−Ｙ平面で見た場合に電解質層１１２と同一の大きさの方形の平板形部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０は、固体酸化物を含む電解質層１１２を備える固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
セパレータ１２０は、中央付近に方形の貫通孔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における貫通孔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、一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０をセパレータ付き単セルともいう。
図２から図４に示すように、空気極側フレーム１３０は、中央付近に方形の貫通孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。空気極側フレーム１３０によって、空気極１１４とインターコネクタ１５０との間に空気室１６６が確保されると共に、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス供給マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。
図２、図３および図５に示すように、燃料極側フレーム１４０は、中央付近に方形の貫通孔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。燃料極側フレーム１４０によって、燃料極１１６とインターコネクタ１５０との間に燃料室１７６が確保される。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス供給マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。
図２、図３および図５に示すように、燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、複数の電極対向部１４５と、各電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。具体的には、燃料極側集電体１４４は、方形の平板形部材に切り込みを入れ、複数の方形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた方形部分が電極対向部１４５となり、曲げ起こされた部分以外の穴あき状態の平板部分がインターコネクタ対向部１４６となり、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ部分が連接部１４７となる。なお、図５における部分拡大図では、燃料極側集電体１４４の製造方法を示すため、複数の方形部分の一部の曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。各電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触し、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触する。そのため、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間に、例えばマイカにより形成されたスペーサ１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０との電気的接続が良好に維持される。
図２から図４に示すように、空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えばフェライト系ステンレス等のＣｒ（クロム）を含む金属により形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触することにより、空気極１１４とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。空気極側集電体１３４、または空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０との一体部材は、集電部材の一例である。また、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５は、空気極１１４に向けて突出する突出部の一例である。
図２および図３に示すように、空気極側集電体１３４の表面は、導電性のコート１３６によって覆われている。コート１３６は、Ｚｎ（亜鉛）とＭｎ（マンガン）とＣｏ（コバルト）とＣｕ（銅）との少なくとも１つを含むスピネル型酸化物（例えば、Ｍｎ１．５Ｃｏ１．５Ｏ４やＭｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＭｎＣｏＯ４、ＣｕＭｎ２Ｏ４）により形成されている。空気極側集電体１３４の表面へのコート１３６の形成は、例えば、スプレーコート、インクジェット印刷、スピンコート、ディップコート、めっき、スパッタリング、溶射等の周知の方法で実行される。なお、上述したように、本実施形態では、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。そのため、実際には、空気極側集電体１３４の表面の内、インターコネクタ１５０との境界面はコート１３６により覆われていない一方、インターコネクタ１５０の表面の内、少なくとも酸化剤ガスの流路に面する表面（すなわち、インターコネクタ１５０における空気極１１４側の表面や酸化剤ガス供給マニホールド１６１および酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する貫通孔１０８に面した表面等）はコート１３６により覆われている。また、空気極側集電体１３４に対する熱処理によって酸化クロムの被膜ができることがあるが、その場合には、コート１３６は、当該被膜ではなく、当該被膜が形成された空気極側集電体１３４を覆うように形成された層である。以下の説明では、特記しない限り、空気極側集電体１３４（または集電体要素１３５）は「コート１３６に覆われた空気極側集電体１３４（または集電体要素１３５）」を意味する。
空気極１１４と空気極側集電体１３４とは、導電性の接合層１３８により接合されている。接合層１３８は、コート１３６と同様に、ＺｎとＭｎとＣｏとＣｕとの少なくとも１つを含むスピネル型酸化物（例えば、Ｍｎ１．５Ｃｏ１．５Ｏ４やＭｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＣｏ２Ｏ４、ＺｎＭｎＣｏＯ４、ＣｕＭｎ２Ｏ４）により形成されている。なお、本実施形態では、コート１３６と接合層１３８とは、主成分元素が互いに同一であるスピネル型酸化物により形成されている。ここでいう主成分元素とは、スピネル型酸化物を構成する金属元素のことをいう。また、スピネル型酸化物の同定は、Ｘ線回折と元素分析を行うことで実現できる。接合層１３８は、例えば、接合層用のペーストが空気極１１４の表面の内、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５の先端部と対向する部分に印刷され、各集電体要素１３５の先端部がペーストに押し付けられた状態で所定の条件で焼成されることにより形成される。接合層１３８により、空気極１１４と空気極側集電体１３４とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体１３４は空気極１１４の表面と接触していると述べたが、正確には、（コート１３６に覆われた）空気極側集電体１３４と空気極１１４との間には接合層１３８が介在している。
Ａ−２．燃料電池スタック１００における発電動作：
図２に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６１に酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、酸化剤ガス供給マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を経て、空気室１６６に供給される。また、図３に示すように、燃料ガス供給マニホールド１７１に燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、燃料ガス供給マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通孔１４２を経て、燃料室１７６に供給される。
各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４（およびコート１３６、接合層１３８）を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、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（例えば摂氏７００度から１０００度）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が加熱器により加熱されてもよい。
酸化剤オフガスＯＯＧ（各発電単位１０２において発電反応に利用されなかった酸化剤ガス）は、図２に示すように、空気室１６６から酸化剤ガス排出連通孔１３３、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を経て、燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、燃料オフガスＯＦＧ（各発電単位１０２において発電反応に利用されなかった燃料ガス）は、図３に示すように、燃料室１７６から燃料ガス排出連通孔１４３、燃料ガス排出マニホールド１７２を経て、燃料電池スタック１００の外部に排出される。
Ａ−３．空気極側集電体１３４および接合層１３８の詳細構成：
図２および図３に示すように、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５の上下方向に平行な各断面において、接合層１３８は、空気極１１４と集電体要素１３５における空気極１１４と対向する面（以下、「底面ＢＦ」という）の中央部の一部との間の領域に存在するが、当該領域から外側（上下方向に直交する方向側）には延びていない。すなわち、集電体要素１３５は、接合層１３８に覆われた被覆部分ＰＣと、接合層１３８に覆われず接合層１３８から露出している露出部分ＰＥとを有しており、かつ、露出部分ＰＥは、集電体要素１３５の角部ＣＰを含んでいる。換言すれば、集電体要素１３５の角部ＣＰは接合層１３８に覆われていない。ここで、集電体要素１３５の角部ＣＰは、図２および図３に示すような底面ＢＦと側面ＬＦとが共に単一の平面である形態では、底面ＢＦと側面ＬＦとの境界付近の部分である。本実施形態では、接合層１３８が集電体要素１３５の底面ＢＦの中央部のみを覆って周縁部を覆わず、かつ、集電体要素１３５の側面ＬＦも覆っていないため、集電体要素１３５の角部ＣＰが接合層１３８に覆われていない。
本実施形態では、集電体要素１３５の上下方向に平行な任意の断面において、図２および図３に示す断面と同様に、集電体要素１３５の角部ＣＰが接合層１３８に覆われていない。すなわち、空気極１１４側から見ると、集電体要素１３５の角部ＣＰの全周が接合層１３８に覆われていない。また、図２および図３には、空気極側集電体１３４を構成する一部の集電体要素１３５の構成を示しているが、本実施形態では、空気極側集電体１３４を構成するすべての集電体要素１３５について、同様に、集電体要素１３５の角部ＣＰの全周が接合層１３８に覆われていない。このような構成は、燃料電池スタック１００を製造する際に、接合層用のペーストを、空気極１１４の表面の内、各集電体要素１３５の底面ＢＦの中央部と対向する領域に印刷し（底面ＢＦの周縁部と対向する領域には印刷せず）、各集電体要素１３５の底面ＢＦで接合層用のペーストを押し潰しても集電体要素１３５の角部ＣＰが接合層用のペーストで覆われないよう状態とすることにより実現される。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００では、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５の上下方向に平行なすべての断面において、（コート１３６に覆われた）集電体要素１３５は、接合層１３８に覆われた被覆部分ＰＣと、集電体要素１３５の角部ＣＰを含む部分であって接合層１３８に覆われず接合層１３８から露出している露出部分ＰＥとを有している。すなわち、各集電体要素１３５の角部ＣＰの全周は、接合層１３８に覆われておらず、接合層１３８に接触していない。ここで、図６に示すように、集電体要素１３５の角部ＣＰは、底面ＢＦに加えて側面ＬＦも有する部分であるため、角部ＣＰ以外の部分と比較してより多くの拡散表面を有していると言える。また、集電体要素１３５を覆うコート１３６の厚さは、角部ＣＰの位置で薄くなりやすい。特に、コート１３６の形成が、スプレーコート、インクジェット印刷、スピンコート、ディップコート、めっき、スパッタリング、溶射等の方法で実行される場合には、その傾向が顕著である。そのため、図６に矢印で示すように、集電体要素１３５の角部ＣＰでは、角部ＣＰ以外の部分と比較して、Ｃｒが放出されて拡散しやすい。集電体要素１３５から放出されたＣｒが接合層１３８の内部に進入すると、Ｃｒが接合層１３８の成分と反応して接合層１３８の導電性低下を引き起こしたり、Ｃｒが接合層１３８内を通って空気極１１４との界面まで達し、空気極１１４での電極反応速度が低下する「空気極のＣｒ被毒」と呼ばれる現象を引き起こしたりすることがあるため、好ましくない。本実施形態では、各集電体要素１３５の角部ＣＰの全周が接合層１３８に覆われていないため、各集電体要素１３５の角部ＣＰが接合層１３８に覆われている構成と比較して、各集電体要素１３５の角部ＣＰからコート１３６を通過してＣｒが放出されても、放出されたＣｒが接合層１３８の内部に進入することが抑制され、接合層１３８の導電性低下や空気極１１４の電極反応速度低下の発生を効果的に抑制することができる。
なお、集電体要素１３５の角部ＣＰから放出されて空気室１６６内に拡散したＣｒが、接合層１３８の内部に進入したり空気極１１４の表面に付着したりするおそれはあるが、一般に空気室１６６内には酸化剤ガスの流れがあるため、空気室１６６内に拡散したＣｒが接合層１３８の内部に進入したり空気極１１４の表面に付着したりするおそれは、集電体要素１３５の角部ＣＰと接合層１３８や空気極１１４とが接触している構成と比較して、小さいと言える。また、仮に空気極１１４の表面にＣｒが付着するとしても、主な導電経路である接合層１３８に覆われた空気極１１４の部分の表面にＣｒが付着する可能性は低いため、空気極１１４の電極反応速度低下の発生する可能性は低いと言える。
また、本実施形態では、接合層１３８がスピネル型酸化物により形成されているため、集電体要素１３５の角部ＣＰから放出されたＣｒが接合層１３８内に入り込んでも、接合層１３８をペロブスカイト型酸化物等の他の材料によって形成する場合と比較して、Ｃｒの影響による抵抗値の上昇の程度を低く抑えることができるため、接合層１３８の導電性が低下することをさらに効果的に抑制することができる。
また、本実施形態では、接合層１３８の形成材料であるスピネル型酸化物はＺｎとＭｎとＣｏとＣｕとの少なくとも１つを含むスピネル型酸化物である。ＺｎとＭｎとＣｏとＣｕとの少なくとも１つを含むスピネル型酸化物は、長期間、比較的高温環境におかれてもスピネル構造を維持しやすい材料であるため、接合層１３８がそのようなスピネル型酸化物により形成されていると、接合層１３８の導電性の低下を抑制できる効果を長期間維持することができる。
Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態における空気極側集電体１３４の周りの構成を示す説明図である。図７には、空気極側集電体１３４の周囲の部分についてのＺ軸およびＹ軸に平行な断面構成を示している。第２実施形態の構成の内、上述した第１実施形態の構成と同一構成については、同一の符号を付すことによって、その説明を省略する。
第２実施形態では、接合層１３８ａの構成が、第１実施形態と異なる。具体的には、第２実施形態では、接合層１３８ａにおける空気極１１４との接触面積は、接合層１３８ａにおける（コート１３６に覆われた）集電体要素１３５との接触面積より大きい。そのため、接合層１３８ａと空気極１１４との接触面積を大きくすることができ、接合層１３８ａの導電性の低下をさらに効果的に抑制することができる。また、第２実施形態では、空気極１１４の電子を受け取る反応界面（接合層１３８ａとの接触界面）が大きくなり、発電性能を向上させることができる。
なお、第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５の上下方向に平行なすべての断面において、集電体要素１３５は、接合層１３８ａに覆われた被覆部分ＰＣと、集電体要素１３５の角部ＣＰを含む部分であって接合層１３８ａに覆われず接合層１３８ａから露出している露出部分ＰＥとを有している。すなわち、各集電体要素１３５の角部ＣＰの全周が接合層１３８ａに覆われていない。そのため、第２実施形態においても、上述した第１実施形態の効果と同一の効果を奏する。
Ｃ．第３実施形態：
図８は、第３実施形態における空気極側集電体１３４の周りの構成を示す説明図である。図８には、空気極側集電体１３４の周囲の部分についてのＺ軸およびＹ軸に平行な断面構成を示している。第３実施形態の構成の内、上述した第１実施形態の構成と同一構成については、同一の符号を付すことによって、その説明を省略する。
第３実施形態では、接合層１３８ｂの構成が、第１実施形態および第２実施形態と異なる。具体的には、第３実施形態では、接合層１３８ｂにおける空気極１１４との接触面積は、接合層１３８ｂにおける（コート１３６に覆われた）集電体要素１３５との接触面積より小さい。そのため、接合層１３８ｂによって空気極１１４の内部へのガス拡散が阻害されることを抑制することができるため、発電性能の低下を抑制することができる。
なお、第３実施形態においても、第１実施形態と同様に、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５の上下方向に平行なすべての断面において、集電体要素１３５は、接合層１３８ｂに覆われた被覆部分ＰＣと、集電体要素１３５の角部ＣＰを含む部分であって接合層１３８ｂに覆われず接合層１３８ｂから露出している露出部分ＰＥとを有している。すなわち、各集電体要素１３５の角部ＣＰの全周が接合層１３８ｂに覆われていない。そのため、第３実施形態においても、上述した第１実施形態の効果と同一の効果を奏する。
Ｄ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の各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。
上記各実施形態では、図２および図３に示すように、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５の底面ＢＦと側面ＬＦとが共に単一の平面であるが、必ずしもこのような形態である必要は無い。図９は、変形例における空気極側集電体１３４ｃの周りの構成を示す説明図である。図９には、空気極側集電体１３４ｃの周囲の部分についてのＺ軸およびＹ軸に平行な断面構成を示している。なお、後述の図１０から図１３についても同様である。図９に示す変形例では、空気極側集電体１３４ｃを構成する集電体要素１３５ｃの側面ＬＦに突起ＢＵが存在する。この変形例においても、集電体要素１３５ｃの角部ＣＰは、集電体要素１３５ｃにおける底面ＢＦと側面ＬＦとの境界付近の部分である。図９に示す構成では、接合層１３８が集電体要素１３５ｃの底面ＢＦの中央部のみを覆って周縁部を覆わず、かつ、集電体要素１３５ｃの側面ＬＦも覆っていないため、集電体要素１３５ｃは、接合層１３８に覆われた被覆部分ＰＣと、集電体要素１３５ｃの角部ＣＰを含む部分であって接合層１３８に覆われず接合層１３８から露出している露出部分ＰＥとを有していると言える。
図１０は、他の変形例における空気極側集電体１３４ｄの周りの構成を示す説明図である。図１０に示す変形例では、空気極側集電体１３４ｄを構成する集電体要素１３５ｄの側面ＬＦが平面ではなく曲面である。集電体要素１３５ｄの側面ＬＦにおける底面ＢＦとの境界付近は、集電体要素１３５ｄの外側に凸な曲面となっている。この変形例においても、集電体要素１３５ｄの角部ＣＰは、集電体要素１３５ｄにおける底面ＢＦと側面ＬＦとの境界付近の部分である。図１０に示す構成では、接合層１３８が集電体要素１３５ｄの底面ＢＦの中央部のみを覆って周縁部を覆わず、かつ、集電体要素１３５ｄの側面ＬＦも覆っていないため、集電体要素１３５ｄは、接合層１３８に覆われた被覆部分ＰＣと、集電体要素１３５ｄの角部ＣＰを含む部分であって接合層１３８に覆われず接合層１３８から露出している露出部分ＰＥとを有していると言える。
図１１は、他の変形例における空気極側集電体１３４ｅの周りの構成を示す説明図である。図１１に示す変形例では、空気極側集電体１３４ｅを構成する集電体要素１３５ｅの側面ＬＦが平面ではなく曲面である。集電体要素１３５ｅの側面ＬＦにおける底面ＢＦとの境界付近は、集電体要素１３５ｅの内側に凸な曲面となっている。この変形例においても、集電体要素１３５ｅの角部ＣＰは、集電体要素１３５ｅにおける底面ＢＦと側面ＬＦとの境界付近の部分である。図１１に示す構成では、接合層１３８が集電体要素１３５ｅの底面ＢＦの中央部のみを覆って周縁部を覆わず、かつ、集電体要素１３５ｅの側面ＬＦも覆っていないため、集電体要素１３５ｅは、接合層１３８に覆われた被覆部分ＰＣと、集電体要素１３５ｅの角部ＣＰを含む部分であって接合層１３８に覆われず接合層１３８から露出している露出部分ＰＥとを有していると言える。
図１２は、他の変形例における空気極側集電体１３４ｆの周りの構成を示す説明図である。図１２に示す変形例では、空気極側集電体１３４ｆを構成する集電体要素１３５ｆの側面ＬＦおよび底面ＢＦが平面ではなく曲面である。集電体要素１３５ｆの側面ＬＦにおける底面ＢＦとの境界付近は、集電体要素１３５ｆの内側に凸な曲面となっている。また、集電体要素１３５ｆの底面ＢＦにおける側面ＬＦとの境界付近は、集電体要素１３５ｆの外側に凸な曲面となっている。この変形例においても、集電体要素１３５ｆの角部ＣＰは、集電体要素１３５ｆにおける底面ＢＦと側面ＬＦとの境界付近の部分である。図１２に示す構成では、接合層１３８が集電体要素１３５ｆの底面ＢＦの中央部のみを覆って周縁部を覆わず、かつ、集電体要素１３５ｆの側面ＬＦも覆っていないため、集電体要素１３５ｆは、接合層１３８に覆われた被覆部分ＰＣと、集電体要素１３５ｆの角部ＣＰを含む部分であって接合層１３８に覆われず接合層１３８から露出している露出部分ＰＥとを有していると言える。
図１３は、他の変形例における空気極側集電体１３４ｇの周りの構成を示す説明図である。図１３に示す変形例では、空気極側集電体１３４ｇを構成する集電体要素１３５ｇの底面ＢＦが平面ではなく曲面である。集電体要素１３５ｇの底面ＢＦは、１つまたは複数の平面または曲面から構成されているが、全体として下側に凸形状の面を構成している。この変形例においても、集電体要素１３５ｇの角部ＣＰは、集電体要素１３５ｇにおける底面ＢＦと側面ＬＦとの境界付近の部分である。図１３に示す構成では、接合層１３８が集電体要素１３５ｇの底面ＢＦの中央部のみを覆って周縁部を覆わず、かつ、集電体要素１３５ｇの側面ＬＦも覆っていないため、集電体要素１３５ｇは、接合層１３８に覆われた被覆部分ＰＣと、集電体要素１３５ｇの角部ＣＰを含む部分であって接合層１３８に覆われず接合層１３８から露出している露出部分ＰＥとを有していると言える。
また、上記各実施形態では、燃料電池スタック１００が複数の平板形の発電単位１０２が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば特開２００８−５９７９７号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。図１４は、他の変形例における燃料電池スタックの構成を概略的に示す説明図であり、図１５は、他の変形例における燃料電池スタックを構成する燃料電池セル１の構成を概略的に示す説明図である。図１４および図１５に示すように、この変形例における燃料電池スタックは、複数の中空平板形の燃料電池セル１と、集電体２０とを備える。燃料電池セル１は、中空平板状の支持基板１０と、中空平板状の支持基板１０の周囲に設けられた多孔質の燃料極２と、緻密な電解質層３と、多孔質の空気極４と、緻密なインターコネクタ５と、空気極材料層１４とを備える。支持基板１０は、内部に、燃料電池セル１の配列方向に交わる方向（セル長さ方向）に伸びた複数の燃料ガス通路１６を有している。集電体２０は、一方の燃料電池セル１の空気極４に接合層２５により接合されると共に、隣設する他方の燃料電池セル１の空気極材料層１４に接合層２５により接合され、これにより、複数の燃料電池セル１が電気的に直列に接続される。空気極４の外側に酸化剤ガスが供給され、支持基板１０内のガス通路１６に燃料ガスが供給され、所定の作動温度まで加熱されると、燃料電池スタックにおいて発電が行われる。
図１６および図１７は、図１４および図１５に示した他の変形例の燃料電池スタックにおける集電体２０の詳細構成を示す説明図である。図１６および図１７において、集電体２０の下側に燃料電池セル１の空気極４が配置されているものとする。集電体２０は、例えばＣｒを含む金属により形成され、その表面が導電性のコート２０３で覆われている。ここで、図１６および図１７に示すように、集電体２０における空気極４に向けて突出する突出部の角部ＣＰは、接合層２５に覆われず接合層２５から露出している。そのため、集電体２０の突出部の角部ＣＰが接合層２５に覆われている構成と比較して、集電体２０の突出部の角部ＣＰからコート２０３を通過してＣｒが放出されても、放出されたＣｒが接合層２５の内部に進入することが抑制され、接合層２５の導電性低下や空気極１１４の電極反応速度低下の発生を効果的に抑制することができる。
また、上記各実施形態では、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の電解セル（ＳＯＥＣ）の最小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２０１４−２０７１２０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各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、上述した各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セル単位および電解セルスタックにおいても、上記各実施形態と同様に、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５の上下方向に平行なすべての断面において集電体要素１３５の角部ＣＰが接合層１３８に覆われていない構成を採用すれば、Ｃｒが接合層１３８の内部に進入することが抑制され、接合層１３８の導電性低下や空気極１１４の電極反応速度低下の発生を抑制することができる。
また、上記各実施形態（または各変形例、以下同様）では、燃料電池スタック１００（または電解セルスタック、以下同様）に含まれるすべての発電単位１０２（または電解セル単位、以下同様）について、空気極側集電体１３４を構成するすべての集電体要素１３５の上下方向に平行なすべての断面において角部ＣＰが接合層１３８に覆われていないとしているが、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの発電単位１０２について、そのような構成となっていれば、当該発電単位１０２において、Ｃｒが接合層１３８の内部に進入することが抑制され、接合層１３８の導電性低下や空気極１１４の電極反応速度低下の発生を抑制することができる。また、空気極側集電体１３４を構成する複数の集電体要素１３５の内、少なくとも１つの集電体要素１３５についてそのような構成となっていれば、当該集電体要素１３５の位置において、Ｃｒが接合層１３８の内部に進入することが抑制され、接合層１３８の導電性低下や空気極１１４の電極反応速度低下の発生を抑制することができる。また、各集電体要素１３５の上下方向に平行な少なくとも１つの断面において角部ＣＰが接合層１３８に覆われていない構成とすれば、各集電体要素１３５の上下方向に平行なすべての断面において角部ＣＰが接合層１３８に覆われている構成と比較して、Ｃｒが接合層１３８の内部に進入することが抑制され、接合層１３８の導電性低下や空気極１１４の電極反応速度低下の発生を抑制することができる。
また、上記各実施形態では、コート１３６および接合層１３８は、主成分元素が互いに同一であるスピネル型酸化物により形成されているが、主成分元素が互いに異なるスピネル型酸化物により形成されていてもよい。また、上記各実施形態では、コート１３６および接合層１３８は、ＺｎとＭｎとＣｏとＣｕとの少なくとも１つを含むスピネル型酸化物により形成されているが、これらの元素を含まないスピネル型酸化物により形成されていてもよい。また、上記各実施形態では、コート１３６および接合層１３８は、スピネル型酸化物により形成されているが、ペロブスカイト型酸化物等の他の材料により形成されていてもよい。
また、上記各実施形態において、電解質層１１２は固体酸化物により形成されているとしているが、電解質層１１２は固体酸化物の他に他の物質を含んでいてもよい。また、上記各実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記各実施形態では、空気極側集電体１３４は、Ｃｒを含む金属により形成されているが、空気極側集電体１３４は、コート１３６により覆われていれば他の材料により形成されていてもよい。また、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５の形状は、四角柱状に限らず、インターコネクタ１５０側から空気極１１４側に突出するような形状であれば他の形状であってもよい。
また、上記各実施形態において、電解質層１１２と空気極１１４との間に、例えばセリアを含む反応防止層を設け、電解質層１１２内のジルコニウム等と空気極１１４内のストロンチウム等とが反応することによる電解質層１１２と空気極１１４との間の電気抵抗の増大を抑制するとしてもよい。また、上記各実施形態において、空気極側集電体１３４と、隣接するインターコネクタ１５０とが別部材であってもよい。また、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体１４４と、隣接するインターコネクタ１５０とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０は、多層構成であってもよい。
また、上記各実施形態では、エンドプレート１０４，１０６が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート１０４，１０６の代わりに、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと発電単位１０２との間に配置された導電板が出力端子として機能するとしてもよい。また、上記各実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各貫通孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２に軸方向の孔を設け、その孔を各マニホールドとして利用してもよいし、各マニホールドを各ボルト２２が挿通される各貫通孔１０８とは別に設けてもよい。
１：燃料電池セル ２：燃料極 ３：電解質層 ４：空気極 ５：インターコネクタ １０：支持基板 １４：空気極材料層 １６：燃料ガス通路 ２０：集電体 ２２：ボルト ２４：ナット ２５：接合層 １００：燃料電池スタック １０２：燃料電池発電単位 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：貫通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：貫通孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：貫通孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １３６：コート １３８：接合層 １４０：燃料極側フレーム １４１：貫通孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサ １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス供給マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス供給マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 ２０３：コート

Claims (10)

  1. 固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む単セルと、
    前記単セルの前記空気極の側に配置され、前記空気極に向けて突出する突出部を有する集電部材と、
    前記集電部材の表面を覆う導電性のコートと、
    前記コートに覆われた前記突出部と前記空気極とを接合する導電性の接合層と、を備える電気化学反応単位において、
    前記突出部の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面において、前記コートに覆われた前記突出部は、前記接合層に覆われた被覆部分と、前記コートに覆われた前記突出部の角部を含む部分であって前記接合層から露出している露出部分と、を有することを特徴とする、電気化学反応単位。
  2. 請求項１に記載の電気化学反応単位において、
    前記突出部の前記第１の方向に平行なすべての断面において、前記コートに覆われた前記突出部は、前記被覆部分と前記露出部分とを有することを特徴とする、電気化学反応単位。
  3. 請求項２に記載の電気化学反応単位において、
    前記集電部材は、前記突出部を複数有し、
    複数の前記突出部のそれぞれの前記第１の方向に平行なすべての断面において、前記コートに覆われた前記突出部は、前記被覆部分と前記露出部分とを有することを特徴とする、電気化学反応単位。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
    前記接合層における前記空気極との接触面積は、前記接合層における前記コートに覆われた前記突出部との接触面積より小さいことを特徴とする、電気化学反応単位。
  5. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
    前記接合層における前記空気極との接触面積は、前記接合層における前記コートに覆われた前記突出部との接触面積より大きいことを特徴とする、電気化学反応単位。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
    前記接合層は、スピネル型酸化物により形成されていることを特徴とする、電気化学反応単位。
  7. 請求項６に記載の電気化学反応単位において、
    前記接合層は、ＺｎとＭｎとＣｏとＣｕとの少なくとも１つを含むスピネル型酸化物により形成されていることを特徴とする、電気化学反応単位。
  8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
    前記電解質層と、前記空気極と、前記燃料極とは、平板形状であることを特徴とする、電気化学反応単位。
  9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
    前記電気化学反応単位は、発電を行う燃料電池発電単位であることを特徴とする、電気化学反応単位。
  10. 複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタックにおいて、
    前記複数の燃料電池発電単位の少なくとも１つは、請求項９に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする、燃料電池スタック。
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