JP6595581B2 - 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。Ｃｒ拡散が発生すると、集電部材がＣｒ欠乏によって異常酸化したり、拡散したＣｒが空気極の表面に付着して空気極での電極反応速度が低下する「空気極のＣｒ被毒」と呼ばれる現象が発生したりすることがあるため、好ましくない。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、上記従来技術のように、単に集電部材の表面をコートによって覆うだけでは、集電部材の突出部における角部からのＣｒ拡散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の角部が前記接合層に覆われていることを特徴とする。本電気化学反応単位によれば、集電部材の突出部の角部が全周にわたって接合層に覆われるため、多くの表面を有し、かつ、コートが薄くなりやすいためにＣｒ拡散が発生しやすい突出部の角部からのＣｒ拡散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についての前記第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の前記角部が前記接合層に覆わ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、集電部材における複数の突出部のそれぞれの角部が全周にわたって接合層に覆われるため、突出部の角部からのＣｒ拡散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、前記コートと前記接合層とは、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構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、コートに加えて接合層もＣｒ拡散抑制効果の高いスピネル型酸化物により形成されているため、集電部材の突出部の角部からのＣｒ拡散を一層効果的に抑制することができる。また、コートや接合層を例えば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、熱処理温度を下げることができるため、その点からも集電部材の突出部の角部からのＣｒ拡散を一層効果的に抑制することができる。さらに、コートと接合層とが共にスピネル型酸化物により形成されているため、コートと接合層との熱膨張差を低減することができ、熱膨張差によるコートと接合層との界面でのクラック発生を抑制することができる。また、コートや接合層を他の材料によって形成する場合と比較して、コートや接合層の導電抵抗を低くすることができる。
（４）上記電気化学反応単位において、前記コートと前記接合層とは、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、コートと接合層と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、集電部材の突出部の角部からのＣｒ拡散を抑制する効果や導電抵抗を低くできる効果を長期間維持することができる。
（５）上記電気化学反応単位において、前記コートと前記接合層とは、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とを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、コートと接合層とが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ため、コートと接合層との熱膨張差をより小さくすることができ、熱膨張差によるコートと接合層との界面でのクラック発生をより効果的に抑制することができる。
（６）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ける、前記突出部の前記角部における前記空気極に最も近い点と前記空気極の表面とを最短距離で結ぶ線分上において、前記接合層の平均厚さが前記コートの平均厚さより厚く、前記コートの気孔率＜前記接合層の気孔率という関係を満たすことを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、コートより気孔率の高い接合層の平均厚さがコートの平均厚さより厚いため、応力を緩衝する効果をより大きく得ることができ、コートと接合層との界面でのクラック発生をより効果的に抑制することができる。
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池発電単位、複数の燃料電池発電単位を備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、電解セル単位、複数の電解セル単位を備える電解セルスタック、電解セルスタックを備える水素生成モジュール、水素生成モジュールを備える水素生成システム等の形態で実現することが可能である。
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。 変形例における空気極側集電体１３４ａ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１３４ｂ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１２および図１３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１２および図１３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１２および図１３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の変形例を示す説明図である。
Ａ．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。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）との間の領域に存在すると共に、当該領域から外側（上下方向に直交する方向側）まで延び、さらに、集電体要素１３５における底面ＢＦから空気極１１４とは反対側に延びる面（以下、「側面ＬＦ」という）に沿って上側に延伸している。すなわち、接合層１３８は、（コート１３６に覆われた）集電体要素１３５の角部ＣＰを覆っている。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。また、集電体要素１３５の角部ＣＰが接合層１３８に覆われているとは、接合層１３８が集電体要素１３５の底面ＢＦに加えて、側面ＬＦの内の少なくとも底面ＢＦに連なる一部も覆っていることを意味する。
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に覆われている。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に覆われている。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に覆われている。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と対向する領域と、当該領域を取り囲む所定の大きさの領域とに印刷し、各集電体要素１３５の底面ＢＦによって接合層用のペーストを押し潰すことにより接合層用のペーストを各集電体要素１３５の側面ＬＦに沿うように盛り上がらせ、その状態で焼成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の角部ＣＰが接合層１３８に覆われている。すなわち、各集電体要素１３５の角部ＣＰの全周が接合層１３８に覆われている。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。しかし、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に覆われているため、仮に集電体要素１３５の角部ＣＰからコート１３６を通過してＣｒが拡散しようとしても、接合層１３８の存在によりＣｒ拡散が妨げられ、角部ＣＰからのＣｒ拡散を効果的に抑制することができる。
なお、例えば各集電体要素１３５の角部ＣＰのコート１３６の厚さを他の部分より厚くすることにより角部ＣＰからのＣｒ拡散を抑制することも考えられるが、このような構成では、空気極１１４とコート１３６に覆われた各集電体要素１３５とを接合層１３８によって接合する際に、接合層１３８の厚さが不均一となり、コート１３６に覆われた各集電体要素１３５と空気極１１４とが局所的に接触することとなり、導電性の低下や応力集中によるクラックの発生のおそれがあるため、好ましくない。
また、本実施形態では、コート１３６に加えて接合層１３８も、Ｃｒ拡散抑制効果の高いスピネル型酸化物により形成されているため、接合層１３８がコート機能を有することとなり、集電体要素１３５の角部ＣＰからのＣｒ拡散を一層効果的に抑制することができる。また、コート１３６や接合層１３８を例えば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、熱処理温度を下げることができるため、その点からも集電体要素１３５の角部ＣＰからのＣｒ拡散を一層効果的に抑制することができる。さらに、コート１３６と接合層１３８とが共にスピネル型酸化物により形成されているため、コート１３６と接合層１３８との熱膨張差を低減することができ、熱膨張差によるコート１３６と接合層１３８との界面でのクラック発生を抑制することができる。また、コート１３６や接合層１３８を他の材料によって形成する場合と比較して、コート１３６や接合層１３８の導電抵抗を低くすることができる。
また、本実施形態では、コート１３６および接合層１３８の形成材料であるスピネル型酸化物は、共に、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、コート１３６と接合層１３８と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、集電体要素１３５の角部ＣＰからのＣｒ拡散を抑制する効果や導電抵抗を低くできる効果を長期間維持することができる。
さらに、本実施形態では、コート１３６および接合層１３８の形成材料であるスピネル型酸化物は、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。そのため、コート１３６と接合層１３８との熱膨張差をより小さくすることができ、熱膨張差によるコート１３６と接合層１３８との界面でのクラック発生をより効果的に抑制することができる。なお、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。
また、本実施形態では、図２および図３に示すように、集電体要素１３５の上下方向に平行な断面において、集電体要素１３５の角部ＣＰにおける空気極１１４に最も近い点と空気極１１４の表面とを最短距離で結ぶ線分ＬＳ上において、接合層１３８の平均厚さｔｐはコート１３６の平均厚さｔｃより厚い。本実施形態では、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、線分ＬＳ上における接合層１３８の平均厚さｔｐがコート１３６の平均厚さｔｃより厚くなっている。また、本実施形態では、コート１３６の気孔率と接合層１３８の気孔率との関係は、コート１３６の気孔率＜接合層１３８の気孔率という関係を満たす。このように、本実施形態では、コート１３６より気孔率の高い接合層１３８の平均厚さｔｐがコート１３６の平均厚さｔｃより厚いため、応力を緩衝する効果をより大きく得ることができ、コート１３６と接合層１３８との界面でのクラック発生をより効果的に抑制することができる。
なお、各部材の気孔率は、以下のようにして特定するものとする。酸化剤ガス流れ方向（図２に示すように本実施形態ではＸ軸方向）に沿って並ぶ３つの位置で、酸化剤ガス流れ方向に直交する発電単位１０２の断面を設定し、各断面の任意の３カ所で、空気極１１４、接合層１３８、コート１３６が写ったＳＥＭ画像（５００倍）を得る。つまり、９つのＳＥＭ画像が得られる。得られた各ＳＥＭ画像において、発電単位１０２の並び方向（本実施形態ではＺ軸方向）に直交する複数の線を所定の間隔（例えば１から５μｍ間隔）で引く。各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、直線の全長に対する気孔にあたる部分の長さの合計の比を、当該線上における気孔率とする。各部材（空気極１１４、接合層１３８、コート１３６）の部分に引かれた複数の直線における気孔率の平均値を、そのＳＥＭ画像における各部材の気孔率とする。各部材について、９つのＳＥＭ画像において求められた気孔率の平均値を取ることにより、最終的な気孔率とする。
また、集電体要素１３５（突出部）の角部ＣＰにおける空気極１１４に最も近い点と空気極１１４の表面とを最短距離で結ぶ線分ＬＳ上におけるコート１３６および接合層１３８の平均厚さは、以下のようにして求めることができる。まず、集電体要素１３５とコート１３６と接合層１３８と空気極１１４とを含むように発電単位１０２の並び方向（本実施形態ではＺ軸方向）に平行な方向の断面画像（例えばＳＥＭ画像）を取得する。なお、取得する断面画像は、例えば、取得する断面に垂直な方向の集電体要素１３５全体の長さを略等間隔で６等分する位置の断面画像（５枚）とすることができる。集電体要素１３５の大きさ等によって取得する断面画像の数は変更可能であるが、集電体要素１３５全体の長さを略等間隔で区切り複数個所において取得することとする。取得した断面画像について、集電体要素１３５の角部ＣＰにおける空気極１１４に最も近い点と空気極１１４の表面とを最短距離で結ぶ線分ＬＳ上におけるコート１３６および接合層１３８の長さを取得し、それぞれをコート１３６および接合層１３８の厚さとする。厚さの測定を、取得する複数の断面画像（例えば５枚）において行い、複数の断面画像から得られるコート１３６の厚さの算術平均をコート１３６の平均厚さｔｃとし、複数の断面画像から得られる接合層１３８の厚さの算術平均を接合層１３８の平均厚さｔｐとする。
Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
上記実施形態では、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７は、変形例における空気極側集電体１３４ａ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１３４ａ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８から図１１についても同様である。図７に示す変形例では、空気極側集電体１３４ａを構成する集電体要素１３５ａ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１３５ａの角部ＣＰは、集電体要素１３５ａにおける底面ＢＦと側面ＬＦとの境界付近の部分である。図７に示す構成では、接合層１３８によって集電体要素１３５ａの側面ＬＦの一部が覆われているため、集電体要素１３５ａの角部ＣＰが接合層１３８に覆われていると言える。
図８は、他の変形例における空気極側集電体１３４ｂの周りの構成を示す説明図である。図８に示す変形例では、空気極側集電体１３４ｂを構成する集電体要素１３５ｂの側面ＬＦが平面ではなく曲面である。集電体要素１３５ｂの側面ＬＦにおける底面ＢＦとの境界付近は、集電体要素１３５ｂ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１３５ｂの角部ＣＰは、集電体要素１３５ｂにおける底面ＢＦと側面ＬＦとの境界付近の部分である。図８に示す構成では、接合層１３８によって集電体要素１３５ｂの側面ＬＦの一部が覆われているため、集電体要素１３５ｂの角部ＣＰが接合層１３８に覆われていると言える。
図９は、他の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が平面ではなく曲面である。集電体要素１３５ｃの側面ＬＦにおける底面ＢＦとの境界付近は、集電体要素１３５ｃ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によって集電体要素１３５ｃの側面ＬＦの一部が覆われているため、集電体要素１３５ｃの角部ＣＰが接合層１３８に覆われていると言える。
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および底面ＢＦ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の内側に凸な曲面となっている。また、集電体要素１３５ｄの底面ＢＦにおける側面ＬＦ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によって集電体要素１３５ｄの側面ＬＦの一部が覆われているため、集電体要素１３５ｄの角部ＣＰが接合層１３８に覆われていると言える。
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の底面ＢＦが平面ではなく曲面である。集電体要素１３５ｅ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によって集電体要素１３５ｅの側面ＬＦの一部が覆われているため、集電体要素１３５ｅの角部ＣＰが接合層１３８に覆われていると言える。
また、上記実施形態では、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１２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１３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１２および図１３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１４および図１５は、図１２および図１３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１４および図１５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空気極４に近い側の角部ＣＰは、接合層２５に覆われている。そのため、仮に集電体２０の突出部の角部ＣＰからコート２０３を通過してＣｒが拡散しようとしても、空気極４に近い側の角部ＣＰにおいては、接合層２５の存在によりＣｒ拡散が妨げられる。よって、角部ＣＰからのＣｒ拡散を効果的に抑制することができる。なお、図１６は、図１２および図１３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の変形例を示す説明図である。図１６に示す変形例では、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のすべてが接合層２５に覆われている。このような構成とすれば、集電体２０の突出部の角部ＣＰからのＣｒ拡散をさらに効果的に抑制することができるため、より好ましい。
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（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に覆われた構成を採用すれば、角部ＣＰからのＣｒ拡散を効果的に抑制することができる。
また、上記実施形態（または変形例、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に覆われているとしているが、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、集電体要素１３５の角部ＣＰからのＣｒ拡散抑制という効果を奏する。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の角部ＣＰからのＣｒ拡散抑制という効果を奏する。
また、上記実施形態では、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 (9)

  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、
    Ｃｒを含有し、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であって、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の角部が前記接合層に覆われており、
    前記集電部材は、複数の前記突出部を有し、
    一の前記突出部と前記空気極とを接合する前記接合層と、他の前記突出部と前記空気極とを接合する前記接合層とは、互いに独立してい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についての前記第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の前記角部が前記接合層に覆われていることを特徴とする、電気化学反応単位。
  3. 請求項１または請求項２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。
  4. 請求項３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。
  5. 請求項３または請求項４に記載の電気化学反応単位において、
    前記コートと前記接合層とは、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、
    前記突出部の前記第１の方向に平行なすべての断面における、前記突出部の前記角部における前記空気極に最も近い点と前記空気極の表面とを最短距離で結ぶ線分上において、前記接合層の平均厚さが前記コートの平均厚さより厚く、
    前記コートの気孔率＜前記接合層の気孔率という関係を満たすことを特徴とする、電気化学反応単位。
  7. 請求項１から請求項６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。
  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。
  9. 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８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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