JP6760869B2

JP6760869B2 - 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック

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Publication number: JP6760869B2
Application number: JP2017041416A
Authority: JP
Inventors: 哲也森川
Original assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Current assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date: 2017-03-06
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2037-03-06
Also published as: JP2018147713A

Description

本明細書に開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。

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」という）が知られている。ＳＯＦＣの最小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、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。このような単セルの中には、空気極および燃料極の少なくとも一方の電極における電解質層とは反対側の第１の表面の形状が、該第１の表面の中央部側から周縁部まで、当該周縁部に向かうに連れて電解質層に近づくように傾斜している形状である単セル（以下、「周縁部傾斜の単セル」という）がある（例えば特許文献１参照）。なお、ＳＯＦＣは、一般に、第１の方向に並べて配置された複数の単セルを備える燃料電池スタックの形態で利用される。

特開２０１５−６５１５１号公報

上記従来の周縁部傾斜の単セルでは、電極の周縁部に向かうに連れて電極の第１方向の厚さが小さくなるため、電極の周縁部の強度が低くなるおそれがある。また、上記従来の周縁部傾斜の単セルを用いて、例えば燃料電池スタックや燃料電池単位等の電気化学反応体を構成する場合、当該電気化学反応体の性能が低下するおそれがある。例えば、電極と、当該電極の第１の表面に対向して配置される集電部材等の導電性部材とを接合するための導電性の接合剤を、電極の第１の表面に塗布すると、その塗布された接合剤が傾斜面部分に沿って流動して第１の表面から流れ落ちることにより、電極と集電部材とが十分に接合されなかったり導通されなかったりし、その結果、電気化学反応体の性能が低下するおそれがある。

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課題である。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。

本明細書では、上述した課題の少なくとも一部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、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セルは、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、を含む電気化学反応単セルにおいて、前記空気極および前記燃料極の少なくとも一方の電極における前記電解質層とは反対側の第１の表面は、前記第１の表面の中央部側から周縁部側に向かうに連れて前記電解質層に近づくように傾斜する傾斜面部分と、前記傾斜面部分に対して前記第１の表面の前記周縁部側に配置され、前記傾斜面部分を含む仮想平面よりも前記電解質層とは反対側に突出する突出面部分と、を含む。本電気化学反応単セルによれば、空気極および燃料極の少なくとも一方電極における電解質層とは反対側の第１の表面は、第１の表面の中央部側から周縁部側に向かうに連れて電解質層に近づくように傾斜する傾斜面部分を含む。さらに、第１の表面は、傾斜面部分に対して第１の表面の周縁部側に配置された突出面部分を含む。この突出面部分は、傾斜面部分を含む仮想平面よりも電解質層とは反対側に突出している。このため、傾斜面部分に対して第１の表面の周縁部側に突出面部分が配置されていない上記周縁部傾斜構成の単セルに比べて、電極の周縁部の強度低下を抑制することができ、また、接合剤の流動が抑制されるため、電気化学反応単セルを用いて構成された電気化学反応体の性能が低下することを抑制することができる。

（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記突出面部分における前記第１の方向の最大の厚さは、前記第１の表面の中央部における前記第１の方向の最大の厚さ以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、突出面部分が電極の第１の表面の中央部より電解質層とは反対側に突出しないため、突出面部分が外力を受けて破損することを抑制することができる。

（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記突出面部分の内の前記第１の表面の前記周縁部側に位置する外側面部分について前記第１の方向に直交する第１の平面に対する第１の傾斜角度は、前記傾斜面部分について前記第１の平面に対する第２の傾斜角度より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、突出面部分の外側面部分の勾配（第１の傾斜角度）が、傾斜面部分の勾配（第２の傾斜角度）より大きい。これにより、突出面部分の外側面部分の勾配が、傾斜面部分の勾配より小さい場合に比べて、より電極の第１の表面の周縁部側において、電極と導電性部材との間の導通確保部分を確保できるとともに、例えば傾斜面部分を介して、第１の表面の中央部側と周縁部側との間でガスを円滑に流すことができる。

（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記突出面部分の内の前記第１の表面の前記周縁部側に位置する外側面部分について前記第１の方向に直交する第１の平面に対する第１の傾斜角度は、前記突出面部分の内の前記第１の表面の前記中央部側に位置する内側面部分について前記第１の平面に対する第３の傾斜角度より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、突出面部分の外側面部分の勾配（第１の傾斜角度）が、突出面部分の内側面部分の勾配（第３の傾斜角度）より大きい。これにより、突出面部分の外側面部分の勾配が、突出面部分の内側面部分の勾配より小さい場合に比べて、より電極の第１の表面の周縁部側において、電極と導電性部材との間の導通確保部分を確保できるとともに、電極の周縁部の強度低下を抑制することができる。

（５）複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも１つは、上記（１）から（４）までのいずれか１つに記載の電気化学反応単セル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、電気化学反応体の性能が低下することを抑制することができる。

（６）上記電気化学反応セルスタックにおいて、さらに、前記第１の表面に対向し、かつ、前記第１の方向視で、前記突出面部分と重なる位置に配置されている導電性部材を備える構成としてもよい。周縁部傾斜構成の単セルでは、第１の表面を含む電極と導電性部材との距離が、第１の表面に周縁部に向かうに連れて遠くなるため、接合部が第１の表面の周縁部と導電性部材との両方に十分に接合されず、第１の表面を含む電極と導電性部材とが十分に導通されないおそれがある。その結果、第１の表面において導通確保部分が減少し、電気化学反応単セルの性能が低下するおそれがある。これに対して、本電気化学反応セルスタックよれば、突出面部分は、第１の方向視で導電性部材と重なる位置に配置されている。これにより、第１の表面の周縁部側においても、第１の表面と導電性部材との間の導通確保部分を確保することができる。

（７）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１の方向視で、前記突出面部分の内、前記電解質層から最も離れた先端部位と前記導電性部材とは重なっていないことを特徴とす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、突出面部分の先端部位に導電性部材からの加重が直接かかることが抑制されるため、突出面部分の破損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、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。

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本実施形態および比較例１，２における空気極側集電体１３４（１３４Ｘ，１３４Ｙ）および空気極１１４（１１４Ｘ，１１４Ｙ）のＸＺ断面構成を示す説明図

Ａ．実施形態：
Ａ−１．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。なお、燃料電池スタック１００は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックに相当する。

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位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。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

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が挿入されており、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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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。なお、図２および図３には、一部の断面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におけるＺ方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される連通孔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を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）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。単セル１１０は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルに相当する。

電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、少なくともＺｒを含んでおり、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）、ＣａＳＺ（カルシ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。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、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、略矩形の平板形状部材であり、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（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。なお、空気極１１４の表面形状の詳細については後述する。

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。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。

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。

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。

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、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。燃料極側集電体１４４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、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（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。

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、複数の略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、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４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。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）に直交する平板形状の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形状の部分から空気極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。集電体要素１３５は、特許請求の範囲における導電性部材に相当する。

図４および図５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、例えば、スピネル型酸化物（例えば、Ｍｎ_１．５Ｃｏ_１．５Ｏ_４やＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎＣｏＯ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４）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とが一体の部材として形成されているため、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導入マニホールド１６１および酸化剤ガス排出マニホールド１６２を構成する連通孔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、導電性を有する多孔質の接合層１３８により接合されている。接合層１３８は、例えば、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕの少なくとも１つを含む材料、より具体的には、スピネル型酸化物（例えば、Ｍｎ_１．５Ｃｏ_１．５Ｏ_４やＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎＣｏＯ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４）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説明したが、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。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によって実現される。

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、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。

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。また、空気極側集電体１３４の表面を覆うコート１３６によって、空気極側集電体１３４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抑制される。

Ａ−３．空気極１１４の詳細構成：
図４および図５に示すように、空気極１１４における電解質層１１２とは反対側の表面（上面１１５）は、平坦面部分１１５Ａと、傾斜面部分１１５Ｂと、突出面部分１１５Ｃとを含む。平坦面部分１１５Ａは、Ｚ方向視で上面１１５の中央部に位置する略矩形状の部分である。また、平坦面部分１１５Ａは、上下方向（Ｚ軸方向）に略直交する平面部分であり、換言すれば、平坦面部分１１５Ａは、電解質層１１２の上面および各集電体要素１３５の先端面（下面）と略平行な平面部分である。傾斜面部分１１５Ｂは、Ｚ方向視で平坦面部分１１５Ａの全周を囲むように配置された環状の部分である。傾斜面部分１１５Ｂは、上面１１５の中央部側（図４および図５の拡大図において紙面右側）から周縁部側（図４および図５の拡大図において紙面左側）に向かうに連れて電解質層１１２に近づくように傾斜する部分である。突出面部分１１５Ｃは、Ｚ方向視で傾斜面部分１１５Ｂの全周を囲むように配置された環状の部分である。突出面部分１１５Ｃは、傾斜面部分１１５Ｂに対して上面１１５の周縁部側に配置され、傾斜面部分１１５Ｂを含む第１の仮想平面Ｖ１よりも電解質層１１２とは反対側に突出する部分である。空気極１１４の上面１１５は、特許請求の範囲における第１の表面に相当する。なお、本実施形態では、平坦面部分１１５Ａと傾斜面部分１１５Ｂとは隣接しており、傾斜面部分１１５Ｂと突出面部分１１５Ｃとは隣接している。第１の仮想平面Ｖ１は、特許請求の範囲における仮想平面に相当する。

図４の拡大図に示すように、突出面部分１１５Ｃにおける上下方向の最大の厚さＨ１（以下、単に「突出面部分１１５Ｃの厚さＨ１」という）は、空気極１１４の上面１１５の中央部（平坦面部分１１５Ａ）における上下方向の最大の厚さＨ２（以下、単に「平坦面部分１１５Ａの厚さＨ２」という）より小さい。換言すれば、上下方向において、突出面部分１１５Ｃの全体は、空気極１１４の上面１１５の中央部（平坦面部分１１５Ａ）を含み、かつ、上下方向に直交する第２の仮想平面Ｖ２より電解質層１１２側に位置している。

また、突出面部分１１５Ｃの内、上面１１５の中央部側に位置する表面部分を、内側面部分１１５Ｃ１といい、上面１１５の周縁部側に位置する表面部分を、外側面部分１１５Ｃ２という。外側面部分１１５Ｃ２について上下方向に直交する第３の仮想平面Ｖ３に対する傾斜角度（例えば、５度以上、２０度以下以下、「突出面部分１１５Ｃの外側傾斜角度θ１」という）は、傾斜面部分１１５Ｂについて第３の仮想平面Ｖ３に対する傾斜角度（例えば、０．０２度以上、０．１０度以下以下、「傾斜面部分１１５Ｂの傾斜角度θ２」という）より大きい。また、突出面部分１１５Ｃの外側傾斜角度θ１は、内側面部分１１５Ｃ１について第３の仮想平面Ｖ３に対する傾斜角度（例えば、０．０２度以上、５度以下以下、「突出面部分１１５Ｃの内側傾斜角度θ３」という）より大きい。なお、外側傾斜角度θ１は、傾斜角度θ２および内側傾斜角度θ３より大きく、かつ、内側傾斜角度θ３は、傾斜角度θ２より大きいことが好ましい。これにより、燃料電池スタック１００の発電量を向上させることができる。第３の仮想平面Ｖ３は、特許請求の範囲における第１の平面に相当し、突出面部分１１５Ｃの外側傾斜角度θ１は、特許請求の範囲における第１の傾斜角度に相当し、傾斜面部分１１５Ｂの傾斜角度θ２は、特許請求の範囲における第２の傾斜角度に相当し、突出面部分１１５Ｃの内側傾斜角度θ３は、特許請求の範囲における第３の傾斜角度に相当する。

また、図４および図５に示すように、集電体要素１３５は、インターコネクタ１５０から空気極１１４の上面１１５に向けて突出した凸部である。集電体要素１３５は、空気極１１４の上面１１５に対向し、かつ、上下方向視で、突出面部分１１５Ｃと重なる位置に配置されている。さらに、上下方向視で、突出面部分１１５Ｃの内、電解質層１１２から最も離れた先端部位１１５Ｃ３と集電体要素１３５とは重なっていない（異なる位置に配置されている）。具体的には、上下方向視で、突出面部分１１５Ｃの先端部位１１５Ｃ３は、上面１１５の中央部を中心とする径方向において、集電体要素１３５より外側に配置されている。

Ａ−４．燃料電池スタック１００の製造方法：
上述した構成の燃料電池スタック１００の製造方法は、例えば以下の通りである。

（電解質層１１２と燃料極１１６との積層体の形成）
はじめに、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を形成する。具体的には、ＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート（ＤＯＰ）と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、電解質層用グリーンシートを得る。また、ＮｉＯの粉末とＹＳＺの粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて乾燥させ、例えば１４００℃にて焼成を行うことによって、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。

（空気極１１４の形成）
次に、空気極１１４を形成する。はじめに、ＬＳＣＦ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極１１４を形成するための材料である空気極用ペーストを調製する。

次に、準備された空気極用ペーストを、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における電解質層１１２側の表面に例えばスクリーン印刷によって塗布する。この際、例えば、空気極用ペーストの粘度、スクリーン印刷時においてスクリーン版を積層体から離すスピード、スクリーン印刷後の空気極用ペーストの放置時間等を調整することにより、突出面部分１１５Ｃの突出高さ、突出面部分１１５Ｃの外側傾斜角度θ１や内側傾斜角度θ３を調整することができる。空気極用ペーストが塗布された積層体を、乾燥させた後、所定の焼成温度で焼成する。これにより、上述した形状の空気極１１４が成形され、単セル１１０を作成することができる。また、まず、突出面部分１１５Ｃに相当する部分をスクリーン印刷によって形成し、その後、空気極用ペーストを、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体にスクリーン印刷することによって、周縁部まで傾斜し、突出面部分１１５Ｃが無い空気極を形成することにより、上述した形状の空気極１１４が成形されるとしてもよい。なお、スクリーンマスクの乳剤厚みや、突出部分用のペーストと空気極用のペーストとの粘度をそれぞれ調整することにより、突出高さや傾斜角度を調整することができる。

上述の方法により複数の単セル１１０を作製し、複数の単セル１１０を、空気極側集電体１３４や燃料極側集電体１４４、インターコネクタ１５０等の集電部材を間に介してＺ軸方向に並べて配置し、ボルト２２により締結することにより、上述した燃料電池スタック１００が製造される。

Ａ−５．本実施形態の効果：
図６は、本実施形態および比較例１，２における空気極側集電体１３４（１３４Ｘ，１３４Ｙ）および空気極１１４（１１４Ｘ，１１４Ｙ）のＸＺ断面構成を示す説明図である。また、空気極側集電体１３４（１３４Ｘ，１３４Ｙ）と空気極１１４（１１４Ｘ，１１４Ｙ）とが対向する対向領域のうち、空気極側集電体１３４（１３４Ｘ，１３４Ｙ）と空気極１１４（１１４Ｘ，１１４Ｙ）とが接触する部分は、空気極１１４と集電体要素１３５との導通が確保される導通確保部分Ｅ１（電気化学反応の際に電流が流れる領域）である。具体的には、図５の拡大図に示すように、導通確保部分Ｅ１は、空気極側集電体１３４における集電体要素１３５と空気極１１４とが接合層１３８を介して接合された部分である。また、対向領域のうち、空気極側集電体１３４（１３４Ｘ，１３４Ｙ）と空気極１１４（１１４Ｘ，１１４Ｙ）とが接触しない部分は、電流は流れないが、酸化剤ガスＯＧに触れるガス接触部分Ｅ２（電気化学反応に寄与する領域）である。具体的には、図５の拡大図に示すように、ガス接触領域Ｅ２は、空気極側集電体１３４における集電体要素１３５が無い部分と空気極１１４とが空間を介して対向している部分である。

ここで、比較例１では、空気極１１４Ｘの上面１１５Ｘは、平坦面部分１１５Ａおよび傾斜面部分１１５Ｂを含むが、突出面部分１１５Ｃを含まない周縁部傾斜の形状である。このため、上面１１５の周縁部の強度が比較的に低い。また、上下方向視で、平坦面部分１１５Ａは、接合層１３８Ｘを介して集電体要素１３５と重なっているが、傾斜面部分１１５Ｂは、集電体要素１３５と重なっていない。すなわち、空気極１１４の上面１１５の面積に対して、集電体要素１３５の空気極１１４に対向する部分の面積（集電面積）が小さい。このため、例えば、導通確保部分Ｅ１の面積を所定面積だけ確保しようとすると、ガス接触領域Ｅ２が狭くなるため、比較例１の構成を有する燃料電池スタックの発電量は比較的に少ない。

比較例２では、空気極１１４Ｙの上面１１５Ｙは、上記比較例１と同様、周縁部傾斜の形状である。しかし、比較例２では、比較例１とは異なり、上下方向視で、平坦面部分１１５Ａおよび傾斜面部分１１５Ｂの両方が、集電体要素１３５と重なっている。このため、比較例１に比べて、空気極１１４Ｙと集電体要素１３５との対向領域の面積が大きくなることによって、比較例２の構成を有する燃料電池スタックの発電量が大きくなることが期待される。しかし、比較例２でも、次の理由により、比較例２の構成を有する燃料電池スタックの発電量が低下するおそれがある。製造段階において、空気極１１４Ｙと集電体要素１３５との間に接合層１３８Ｙを形成するための導電性の接合剤が、空気極１１４Ｙの上面１１５Ｙに塗布される。しかし、塗布された接合剤は、傾斜面部分１１５Ｂに沿って上面１１５Ｙの周縁部側に流動して上面１１５Ｙから流れ落ちるおそれがある。塗布された接合剤が上面１１５Ｙから流れ落ちると、傾斜面部分１１５Ｂと集電体要素１３５との間の接合剤が不足して接合層１３８Ｙが十分に形成されないことによって、傾斜面部分１１５Ｂと集電体要素１３５とが対向する領域が導通確保部分Ｅ１として有効に利用されない可能性がある。また、流れ落ちた接合剤によって、空気極１１４Ｙとセパレータ１２０とが導通して空気極１１４Ｙと燃料極１１６とがショートする可能性がある。これらの理由により、比較例２の構成を有する燃料電池スタックの発電量が低下するおそれがある。

これに対して、本実施形態の燃料電池スタック１００では、空気極１１４の上面１１５は、傾斜面部分１１５Ｂと突出面部分１１５Ｃとを含む。突出面部分１１５Ｃは、傾斜面部分１１５Ｂを含む第１の仮想平面Ｖ１よりも電解質層１１２側に突出している。このため、比較例１，２のような周縁部傾斜の形状に比べて、空気極１１４の周縁部の厚さが大きくなる分だけ、空気極１１４の周縁部の強度低下を抑制することができる。また、単セル１１０の製造段階において、空気極１１４と集電体要素１３５との間に接合層１３８を形成するための導電性の接合剤が、空気極１１４の上面１１５に塗布される。塗布された接合剤は、傾斜面部分１１５Ｂに沿って上面１１５の周縁部側に流動し得る。しかし、接合剤の流動は、突出面部分１１５Ｃによって抑制されることによって、十分な量の接合剤が空気極１１４の上面１１５上に確保される。そのため、接合剤の硬化後において、空気極１１４と集電体要素１３５とを十分に接合させるとともに十分に導通させることができる。すなわち、空気極１１４と集電体要素１３５との接合不良に起因して、単セル１１０および燃料電池スタック１００の性能が低下することを抑制することができる。例えば、図６に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１００では、比較例１に比べて、対向領域の面積が広いため、導通確保部分Ｅ１の面積を所定面積だけ確保しつつ、ガス接触領域Ｅ２を広く確保できるため、燃料電池スタック１００の発電量を向上させることができる。また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、空気極１１４の上面１１５の周縁部側でも導通確保部分Ｅ１を確保できるため、導通確保部分Ｅ１の面積を所定面積だけ確保しつつ、比較例２に比べて、ガス接触領域Ｅ２を広く確保できる。

また、突出面部分１１５Ｃの厚さＨ１は、平坦面部分１１５Ａの厚さＨ２より小さい。これにより、突出面部分１１５Ｃが空気極１１４の上面１１５の中央部より電解質層１１２とは反対側に突出しないため、突出面部分１１５Ｃが外力（集電体要素１３５からの押圧力）を受けて破損することを抑制することができる。また、上下方向において、突出面部分１１５Ｃの全体は、空気極１１４の上面１１５の中央部（平坦面部分１１５Ａ）を含み、かつ、上下方向に直交する第２の仮想平面Ｖ２より電解質層１１２側に位置している。このため、突出面部分１１５Ｃが各ガス（ＯＧ，ＯＯＧ）の流れの障害になることが抑制することができる。例えば、燃料極１１６内において、酸化剤ガス供給連通孔１３２から供給された酸化剤ガスＯＧを、空気極１１４の上面１１５の全体に円滑に流すことができる。

また、突出面部分１１５Ｃの外側面部分１１５Ｃ２の勾配（外側傾斜角度θ１）は、傾斜面部分１１５Ｂの勾配（傾斜角度θ２）より大きい。これにより、外側面部分１１５Ｃ２の勾配が、傾斜面部分１１５Ｂの勾配より小さい場合に比べて、空気極１１４と集電体要素１３５との導通確保部分の面積を広く確保することができる。また、傾斜面部分１１５Ｂの勾配より小さい分だけ、傾斜面部分１１５Ｂを介して、上面１１５の中央部側と周縁部側との間でガスを円滑に流すことができる。

また、突出面部分１１５Ｃの外側面部分１１５Ｃ２の勾配（外側傾斜角度θ１）は、突出面部分１１５Ｃの内側面部分１１５Ｃ１の勾配（内側傾斜角度θ３）より大きい。これにより、外側面部分１１５Ｃ２の勾配が、内側面部分１１５Ｃ１の勾配より小さい場合に比べて、空気極１１４と集電体要素１３５との導通確保部分の面積を広く確保することができる。空気極１１４の周縁部の厚さが大きくなる分だけ、空気極１１４の周縁部の強度低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、集電体要素１３５は、空気極１１４の上面１１５に対向し、かつ、上下方向視で、突出面部分１１５Ｃと重なる位置に配置されている。このため、上面１１５の周縁部側も空気極１１４と集電体要素１３５との導通確保部分として利用することができる。さらに、上下方向視で、突出面部分１１５Ｃの先端部位１１５Ｃ３は、上面１１５の中央部を中心とする径方向において、集電体要素１３５より外側に配置されている。これにより、突出面部分１１５Ｃの先端部位１１５Ｃ３に集電体要素１３５からの加重が直接かかることが抑制されるため、突出面部分１１５Ｃの破損を抑制することができる。

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。

上記実施形態では、傾斜面部分１１５Ｂおよび突出面部分１１５Ｃは、空気極１１４の上面１１５の周縁部の全周にわたって形成されているとしたが、これに限定されず、傾斜面部分１１５Ｂおよび突出面部分１１５Ｃの少なくとも一方は、空気極１１４の上面１１５の周縁部の一部だけに形成されているとしてもよい。例えば、突出面部分１１５Ｃは、空気極１１４の上面１１５の周縁部の内、酸化剤ガス供給連通孔１３２に対向する側の辺と燃料ガス供給連通孔１４２に対向する側の辺との少なくとも一方だけに形成されているとしてもよい。

また、上記実施形態では、空気極１１４の上面１１５は、平坦面部分１１５Ａと、傾斜面部分１１５Ｂと、突出面部分１１５Ｃとを含むとしたが、これに限定されず、例えば平坦面部分１１５Ａを含まず、上面１１５の中心から突出面部分１１５Ｃの位置まで傾斜面部分が形成されているとしてもよい。また、空気極１１４の上面１１５は、平坦面部分１１５Ａの代わりに、上面１１５の中心に向かうに連れて電解質層１１２に近づくように傾斜する凹部分であるとしてもよい。また、傾斜面部分１１５Ｂと突出面部分１１５Ｃとの間に平坦面部分が配置されているとしてもよい。

また、上記実施形態では、空気極１１４の上面１１５に本発明を適用した構成であったが、これに限定されず、燃料極１１６の電解質層１１２とは反対側の面に本発明を適用してもよい。例えば、燃料極１１６の電解質層１１２とは反対側の面が、少なくとも傾斜面部分と突出面部分とを含むとしてもよい。

上記実施形態において、突出面部分１１５Ｃの厚さＨ１は、平坦面部分１１５Ａの厚さＨ２以上であってもよい。例えば、上下方向視で突出面部分１１５Ｃと集電体要素１３５とが重ならない位置に配置されている場合、突出面部分１１５Ｃが、上面１１５の中央部（平坦面部分１１５Ａ）より集電体要素１３５側に突出しているとしてもよい。このような構成であれば、接合剤が空気極１１４の上面１１５から流れ落ちることを、より確実に抑制することができる。

上記実施形態において、突出面部分１１５Ｃの外側傾斜角度θ１は、傾斜面部分１１５Ｂの傾斜角度θ２と同じであるとしてもよいし、傾斜面部分１１５Ｂの傾斜角度θ２より小さいとしてもよい。このような構成であれば、外側傾斜角度θ１が小さい分だけ、上面１１５の周縁部と中央部側と間でガスを円滑に流すことができる。

上記実施形態において、突出面部分１１５Ｃの外側傾斜角度θ１は、突出面部分１１５Ｃの内側傾斜角度θ３と同じであるとしてもよいし、突出面部分１１５Ｃの内側傾斜角度θ３より小さいとしてもよい。また、上記実施形態では、突出面部分１１５Ｃの内側傾斜角度θ３は、傾斜面部分１１５Ｂの傾斜角度θ２より大きいとしているが、これに限定されず、突出面部分１１５Ｃの内側傾斜角度θ３は、傾斜面部分１１５Ｂの傾斜角度θ２と同じであるとしてもよいし、突出面部分１１５Ｃの内側傾斜角度θ３より小さいとしてもよい。ただし、内側傾斜角度θ３が大きいほど、上面１１５の中央部側に接合剤を多く確保することができるとともに、接合層と空気極とが、内側面部分１１５Ｃ１を介して互いに勘合し合うために、接合層と空気極との対向方向に直交する方向における位置ズレを抑制することができる。

上記実施形態において、集電体要素１３５は、上下方向視で、突出面部分１１５Ｃと重ならない位置に配置されているとしてもよい。また、上下方向視で、突出面部分１１５Ｃの先端部位１１５Ｃ３は、上面１１５の中央部を中心とする径方向において、集電体要素１３５より内側に配置されているとしてもよい。

また、上記実施形態において、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。

また、上記実施形態では、ボルト２２の両側にナット２４が嵌められているとしているが、ボルト２２が頭部を有し、ナット２４はボルト２２の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。

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のそれぞれと接続された別部材（例えば、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連通孔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の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト２２が挿入される各連通孔１０８とは別に設けてもよい。

また、上記実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合には、１つのインターコネクタ１５０が隣接する２つの発電単位１０２に共有されるとしているが、このような場合でも、２つの発電単位１０２がそれぞれのインターコネクタ１５０を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ１５０や、最も下に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０は省略されているが、これらのインターコネクタ１５０を省略せずに設けてもよい。

また、上記実施形態において、空気極側集電体１３４と、それに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、上記実施形態において、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、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを得るとしているが、ＬＰガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスＦＧを得るとしてもよいし、燃料ガスＦＧとして純水素を利用してもよい。

本明細書において、部材（または部材のある部分、以下同様）Ａを挟んで部材Ｂと部材Ｃとが互いに対向するとは、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとが隣接する形態に限定されず、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層１１２と空気極１１４との間に他の層が設けられた構成であっても、空気極１１４と燃料極１１６とは電解質層１１２を挟んで互いに対向すると言える。

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に含まれるすべての単セル１１０について、空気極１１４の上面１１５が、傾斜面部分１１５Ｂおよび突出面部分１１５Ｃを含む構成であるとしているが、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、空気極１１４と集電体要素１３５との接合不良に起因して、単セル１１０および燃料電池スタック１００の性能が低下することを抑制することができる。

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電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解単セルや、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、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単セル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、空気極および燃料極の少なくとも一方における電解質層とは反対側の表面が、傾斜面部分および突出面部分を含む構成を採用すれば、空気極と、当該空気極の表面に接合される導電性部材との接合不良に起因して、電解単セルおよび電解セルスタックの性能が低下することを抑制することができる。

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１１４，１１４Ｘ，１１４Ｙ：空気極１１５，１１５Ｘ，１１５Ｙ：上面１１５Ａ：平坦面部分１１５Ｂ：傾斜面部分１１５Ｃ１：内側面部分１１５Ｃ２：外側面部分１１５Ｃ３：先端部位１１５Ｃ：突出面部分１１６：燃料極１２０：セパレータ１２１：孔１２４：接合部１３０：空気極側フレーム１３１：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１３８，１３８Ｘ，１３８Ｙ：接合層１４０：燃料極側フレーム１４１：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：スペーサー１５０：インターコネクタ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Ｅ１：導通確保部分Ｅ２：ガス接触領域ＦＧ：燃料ガスＦＯＧ：燃料オフガスＨ１：厚さＨ２：厚さＯＧ：酸化剤ガスＯＯＧ：酸化剤オフガスＶ１：仮想平面Ｖ２：仮想平面Ｖ３：仮想平面 θ１：外側傾斜角度 θ２：傾斜角度 θ３：内側傾斜角度

Claims

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、を含む電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極および前記燃料極の少なくとも一方の電極における前記電解質層とは反対側の第１の表面は、
前記第１の表面の中央部側から周縁部側に向かうに連れて前記電解質層に近づくように傾斜する傾斜面部分と、
前記傾斜面部分に対して前記第１の表面の前記周縁部側に配置され、前記傾斜面部分を含む仮想平面よりも前記電解質層とは反対側に突出する突出面部分と、を含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。
請求項１に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記突出面部分における前記第１の方向の最大の厚さは、前記第１の表面の中央部における前記第１の方向の最大の厚さ以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記突出面部分の内の前記第１の表面の前記周縁部側に位置する外側面部分について前記第１の方向に直交する第１の平面に対する第１の傾斜角度は、前記傾斜面部分について前記第１の平面に対する第２の傾斜角度より大きいことを特徴とする、電気化学反応単セル。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記突出面部分の内の前記第１の表面の前記周縁部側に位置する外側面部分について前記第１の方向に直交する第１の平面に対する第１の傾斜角度は、前記突出面部分の内の前記第１の表面の前記中央部側に位置する内側面部分について前記第１の平面に対する第３の傾斜角度より大きいことを特徴とする、電気化学反応単セル。
複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも１つは、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
請求項５に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
さらに、前記第１の表面に対向し、かつ、前記第１の方向視で、前記突出面部分と重なる位置に配置されている導電性部材を備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
請求項６に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記第１の方向視で、前記突出面部分の内、前記電解質層から最も離れた先端部位と前記導電性部材とは重なっていないことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。