JP7368402B2

JP7368402B2 - 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: JP7368402B2
Application number: JP2021008435A
Authority: JP
Inventors: 保夫柿沼; 暁石田; 達也小野; 瑞絵竹内
Original assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Current assignee: Morimura SOFC Technology Co Ltd
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2023-10-24
Anticipated expiration: 2041-01-22
Also published as: JP2022112590A

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。

従来の単セルでは、電解質層のうち、空気極と燃料極との少なくとも一方である特定電極側の特定表面は、特定電極（または電解質層と特定電極との間に配置される中間層）に対して全面にわたって接触した構成になっている（例えば特許文献１～３参照）。

特開２０１０－２７７８２５号公報特開平５－３０７９６８号公報特開２００５－１５８７３９号公報

単セルでは、電解質層と燃料極との熱膨張差に起因して電解質層に応力が生じることがある。電解質層の特定表面が、その電解質層に対向する対向部（特定電極や中間層）に対して全面にわたって接触している上記従来の単セルでは、電解質層に生じた応力が任意の特定箇所に集中し、電解質層が損傷しやすい、という問題がある。なお、電解質層は、緻密で堅いため、応力の発生によって損傷（例えばクラックの発生および進展）しやすい。しかも、電解質層は、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室との間を区画する機能をも果たすため、特に損傷を抑制する必要がある。

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。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。

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、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層のうち、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側の特定表面には、内部が空洞である有底の複数の凹所が形成されている。本電気化学反応単セルでは、電解質層のうち、空気極と燃料極との少なくとも一方である特定電極側の表面には、複数の凹所が形成されている。凹所は、有底であり、かつ、内部が空洞である。このため、例えば特定電極と電解質層との熱膨張差に起因して電解質層に生じた応力が複数の凹所に分散される。また、各凹所の内部が空洞であるため、凹所の内部が空洞でない構成に比べて、凹所に生じた応力が周囲に伝わることが抑制される。これにより、本電気化学反応単セルによれば、電解質層の損傷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、前記複数の凹所は、前記電解質層の前記特定表面のうち、前記特定電極に覆われている被覆領域に形成されている第１の凹所が含まれており、前記第１の凹所を画定する前記電解質層の内壁面と前記特定電極との間に空洞が存在している構成としてもよい。仮に、第１の凹所内に特定電極の形成材料が埋設された構成では、例えば電気化学反応単セルの応力変化に伴って、特定電極の埋設部分が第１の凹所の内壁面から剥離することにより、電気化学反応単セルの性能が低下しやすい。また、第１の凹所に生じた応力が特定電極に伝達されたり、特定電極の埋設部分に生じた応力が第１の凹所を介して電解質層に伝達されたりしやすい。これに対して、本電気化学反応単セルでは、第１の凹所を画定する電解質層の内壁面と特定電極との間に空洞が存在しているため、電気化学反応単セルの性能の経時的な低下の抑制と応力の伝達の抑制とを図ることができる。さらに、仮に、電気化学反応単セルの応力変化に伴って、特定電極に亀裂が発生し、特定電極内において亀裂が進展したとしても、第１の凹所を画定する電解質層の内壁面と特定電極との間に存在する空洞において応力が解放されるため、特定電極における亀裂の進展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、前記特定電極は、前記第１の方向視で前記被覆領域と重なる領域において部分的に厚みが薄くなっている薄肉部を有し、前記薄肉部が第１の方向視で前記第１の凹所と重なっている構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、特定電極が第１の凹所と重なる位置に薄肉部を有していることにより、特定電極内において発生した応力が薄肉部において確実に解放されるため、特定電極における亀裂の進展をより効果的に抑制することができる。その結果、特定電極の損傷を最小限に抑えることができる。

（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層と前記特定電極との間に形成された中間層を有し、前記複数の凹所は、前記電解質層の前記特定表面のうち、前記中間層に覆われている被覆領域に形成されている第１の凹所が含まれており、前記第１の凹所の内壁面と前記中間層との間に空洞が存在している構成としてもよい。仮に、第１の凹所内に中間層の形成材料が埋設された構成では、例えば電気化学反応単セルの応力変化に伴って、中間層の埋設部分が第１の凹所の内壁面から剥離することにより、電気化学反応単セルの性能が低下しやすい。また、第１の凹所に生じた応力が中間層に伝達されたり、中間層の埋設部分に生じた応力が第１の凹所を介して電解質層に伝達されたりしやすい。これに対して、本電気化学反応単セルでは、第１の凹所を画定する電解質層の内壁面と中間層との間に空洞が存在しているため、電気化学反応単セルの性能の経時的な低下の抑制と応力の伝達の抑制とを図ることができる。

（５）上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極は、前記第１の凹所内に突出し、かつ、前記内壁面から離間している突出部分を有している構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、特定電極が突出部分を有していない構成に比べて、電解質層と特定電極との間の剥離を抑制しつつ、電解質層の損傷を抑制することができる。

（６）上記電気化学反応単セルにおいて、前記中間層は、前記第１の凹所内に突出し、かつ、前記内壁面から離間している突出部分を有している構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、中間層が突出部分を有していない構成に比べて、電解質層と中間層との間の剥離を抑制しつつ、電解質層の損傷を抑制することができる。

（７）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の凹所の開口の最大長さは、１０００μｍ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、第１の凹所の開口の最大長さが１０００μｍより大きい構成に比べて、第１の凹所に起因して電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。

（８）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の凹所の最大深さは、前記電解質層の厚さの２／３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、第１の凹所の最大深さが電解質層の厚さの２／３より長い構成に比べて、電解質層における第１の凹所が形成された部分の抵抗が過度に小さくなることに起因して局所的な電流集中が生じることを抑制することができる。

（９）上記電気化学反応単セルにおいて、前記複数の凹所は、前記電解質層の前記特定表面のうち、前記第１の方向において前記特定電極と重なっていない非重複領域に形成されている複数の第２の凹所が含まれている構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、電解質層の特定表面における非重複領域に第２の凹所が形成されている。このため、電解質層に生じた応力が、電気化学反応に寄与しない非重複領域に分散される。これにより、本電気化学反応単セルによれば、電解質層の損傷を、より効果的に抑制することができる。

（１０）上記電気化学反応単セルにおいて、前記凹所の開口の最大長さは、１０μｍ以上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、凹所の開口の最大長さが１０μｍより小さい構成に比べて、応力が凹所に過度に集中することなく分散されるため、電解質層に生じる損傷がより効果的に抑制される。

（１１）上記電気化学反応セルスタックにおいて、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（１０）までのいずれか一つ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、電解質層の損傷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単セル）、電気化学反応単セルを有する電気化学反応単位を複数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。

第１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図４における単セル１１０のＸ１部分の断面構成を示す説明図図４における単セル１１０のＸ２部分の断面構成を示す説明図第２実施形態における単セル１１０ａのＸ１ａ部分の断面構成を示す説明図

Ａ．第１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、上下方向は、特許請求の範囲における第１の方向の一例である。

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。

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、Ｚ軸方向視で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。

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、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、Ｚ軸方向視で略矩形の平板形状の導電性部材であり、Ｃｒを含む材料、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に対して上側に配置された空気極（カソード)１１４と、電解質層１１２に対して下側に配置された燃料極（アノード)１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された中間層１８０とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６によって単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、中間層１８０）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（気孔率が低い）層である。電解質層１１２は、固体酸化物（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）、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア））を含んでいる。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、気孔率が電解質層１１２の気孔率よりも高い多孔質な層である。空気極１１４は、ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型酸化物（例えば、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウム鉄酸化物（ＬＳＦ）、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムマンガン酸化物（ＬＳＭ）、ランタンニッケル鉄酸化物（ＬＮＦ）等）を含有している。

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、気孔率が電解質層１１２の気孔率よりも高い多孔質な層である。なお図示しないが、本実施形態では、燃料極１１６は、燃料極１１６における下方側の表面を構成する基板層と、基板層と電解質層１１２との間に位置する機能層とを備える。燃料極１１６の機能層は、主として、電解質層１１２から供給される酸素イオンと燃料ガスＦＧに含まれる水素等とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮する層であり、電子伝導性物質であるＮｉと、酸素イオンイオン伝導性酸化物（例えば、ＹＳＺ）とを含んでいる。また、燃料極１１６の基板層は、主として、機能層と電解質層１１２と空気極１１４とを支持する機能を発揮する層であり、電子伝導性物質であるＮｉと、酸素イオン伝導性酸化物（例えば、ＹＳＺ）とを含んでいる。

中間層（反応防止層）１８０は、Ｚ軸方向視で略矩形の平板形状部材である。中間層１８０は、例えば、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）、ＬＤＣ（ランタンドープセリア）、ＹＤＣ（イットリウムドープセリア）等のイオン伝導性を有する固体酸化物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。

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、Ｃｒを含む材料、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、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。空気極１１４と空気極側集電体１３４との間に、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。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。

Ａ－３．電解質層１１２の特定表面１１３の詳細構成：
次に、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する単セル１１０における電解質層１１２の特定表面１１３の詳細構成について説明する。本実施形態では、電解質層１１２の特定表面１１３は、電解質層１１２の内、空気極１１４側であって、中間層１８０に上下方向に隣接する表面（上面）である。

図６は、図４における単セル１１０のＸ１部分の断面構成を示す説明図である。図６には、電解質層１１２の特定表面１１３のうちの発電領域１１３Ａ付近について、上下方向に平行な断面構成が示されている。発電領域１１３Ａは、電解質層１１２の特定表面１１３のうち、上下方向視で中間層１８０に覆われている領域である。図７は、図４における単セル１１０のＸ２部分の断面構成を示す説明図である。図７には、電解質層１１２の特定表面１１３のうちの非発電領域１１３Ｂ付近について、上下方向に平行な断面構成が示されている。非発電領域１１３Ｂは、電解質層１１２の特定表面１１３のうち、上下方向において空気極１１４と重なっていない非重複領域である。なお、図６および図７は、Ｘ１、Ｘ２部分について、上下方向に平行な断面が写ったＳＥＭ（加速電圧１５ｋＶ）におけるＳＥＭ画像（例えば９０倍）を模式的に示したものである。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。発電領域１１３Ａは、特許請求の範囲における被覆領域の一例であり、非発電領域１１３Ｂは、特許請求の範囲における非重複領域の一例である。

電解質層１１２の特定表面１１３には、複数の凹所２００が形成されている。凹所２００は、有底であり、内部が空洞である。具体的には、凹所２００は、中間層１８０（空気極１１４）側に開口し、かつ、燃料極１１６側に閉塞している。すなわち、凹所２００の内部に中間層１８０の材料は入り込んでおらず、凹所２００の底と中間層１８０の下表面とは離間しており、空洞が確保されている。なお、凹所２００の上下方向の開口形は、略円形状（楕円を含む）である。また、凹所２００の上下方向の開口形は、所定方向に伸びる溝状でもよい。

電解質層１１２の特定表面１１３に形成された複数の凹所２００は、発電側凹所２１０と非発電側凹所２２０とを含んでいる。発電側凹所２１０は、特許請求の範囲における第１の凹所の一例であり、非発電側凹所２２０は、特許請求の範囲における第２の凹所の一例である。

図６に示すように、発電側凹所２１０は、電解質層１１２の発電領域１１３Ａに形成された凹所２００である。発電領域１１３Ａには、発電側凹所２１０が複数形成されている。具体的には、発電領域１１３Ａには、全体にわたって、発電側凹所２１０が点在している。発電側凹所２１０を画定する電解質層１１２の内壁面２１２と中間層１８０との間に空洞が存在している。中間層１８０は、突出部分１８２を有している。突出部分１８２は、発電側凹所２１０の内部に突出し、かつ、電解質層１１２の内壁面２１２（底面）から離間している。突出部分１８２は、凹所２００の開口端から該開口の中心に向かうにつれて内壁面２１２の底面に連続的に近づくように隆起している。

なお、図６および図７に示すように、凹所２００の内壁面２１２は、曲面形状であることが好ましい。これにより、応力が特定箇所に集中することが抑制される。また、凹所２００の開口面積は、電解質層１１２の特定表面１１３に近づくほど小さくなっていることが好ましい。これにより、電解質層１１２と中間層１８０との中間層の接触面積を広く確保しつつ、応力緩和に十分なサイズの空洞を確保することができる。

発電側凹所２１０の開口の最大長さＬ１は、例えば１０００μｍ以下である。発電側凹所２１０の開口の最大長さＬ１は、例えば１０μｍ以上である。また、発電側凹所２１０の最大深さＤ１（発電側凹所２１０の開口から発電側凹所２１０の底面までの距離）は、電解質層１１２の厚さＤ２の２／３以下である。

図７に示すように、非発電側凹所２２０は、電解質層１１２の非発電領域１１３Ｂに形成された凹所２００である。非発電領域１１３Ｂには、非発電側凹所２２０が複数形成されている。具体的には、非発電領域１１３Ｂには、全体にわたって、非発電側凹所２２０が点在している。非発電側凹所２２０は、空洞になっており、非発電側凹所２２０の開口を介して外部に連通している。すなわち、非発電側凹所２２０の内壁面２２２は、空気室１６６に面している。

非発電側凹所２２０の開口の最大長さＬ２は、例えば１０００μｍ以下である。非発電側凹所２２０の開口の最大長さＬ２は、例えば１０μｍ以上である。また、非発電側凹所２２０の最大深さＤ３は、電解質層１１２の厚さＤ２の２／３以下である。なお、本実施形態では、電解質層１１２の上下方向の厚さＤ２は、１０μｍ以下であり、燃料極１１６の機能層の上下方向の厚さは２０μｍ以下であり、燃料極１１６の基板層の上下方向の厚さは１０００μｍ以下である。

Ａ－４．燃料電池スタック１００の製造方法：
本実施形態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）
ＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるフタル酸ジオクチル（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、所定の厚さ（例えば約６μｍ）の電解質層用グリーンシートを得る。また、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ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、所定の厚さ（例えば約４００μｍ）の燃料極基板層用グリーンシートを得る。また、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末に対して、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、所定の厚さ（例えば約１１μｍ）の燃料極機能層用グリーンシートを得る。各グリーンシートを貼り付けて圧着することにより、燃料極基板層用グリーンシートと燃料極機能層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとがこの順で積層された成形体を得る。

次に、上記成形体のうち、電解質層用グリーンシートの表面側に対してレーザ加工（レーザ光をスポット照射）を施すことにより、焼成後に凹所２００となる凹所を形成する。レーザ加工には、例えば、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバレーザ等の周知のレーザを用いることができる。その後、凹所が形成された成形体を、所定の温度（例えば約２８０℃）で脱脂した後、所定の温度（例えば約１３５０℃）で所定の時間（例えば約１時間）焼成を行う。これにより、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。この積層体のうち、電解質層１１２の特定表面１１３には凹所２００が形成されている。

（中間層１８０の形成）
ＧＤＣ粉末に、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加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。得られた中間層用ペーストを、上述した凹所２００が形成された積層体における電解質層１１２の表面に、例えばスクリーン印刷によって塗布し、所定の温度（例えば１２００℃）で焼成を行う。これにより、中間層１８０が形成され、中間層１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。中間層用ペーストは、粘性があるため、電解質層１１２の表面に塗布した際には凹所２００の内部を完全に埋めることはなく、凹所２００内に空洞が確保される。その状態で焼成されることにより、凹所２００の空洞が維持されるとともに、中間層１８０に上述の突出部分１８２が形成される。

このように、焼成前の電解質層前駆体の表面に有底の凹所を設けることで上記成形体を同時に焼成する際に生じる脱脂ガスを電解質層前駆体（電解質層１１２）の特定表面１１３から速やかに逃がし、電解質層１１２と中間層１８０の界面における脱脂ガスの滞留を抑制することで、電解質層１１２と中間層１８０との界面で生じる剥離を抑制することができる。

（空気極１１４の形成）
ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ）の粉末と硫酸塩（例えばＳｒＳＯ_４）の粉末との混合粉末を準備し、該混合粉末に対し、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加えて混合し、粘度を調整することにより、空気極用ペーストを調製する。得られた空気極用ペーストを、上述した中間層１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における中間層１８０の表面に、例えばスクリーン印刷によって塗布して乾燥させ、空気極用ペーストが塗布された積層体を所定の温度（例えば約１１００℃）で焼成する。これにより、空気極１１４が形成され、燃料極１１６と電解質層１１２と中間層１８０と空気極１１４とを備える単セル１１０が作製される。

上述した方法に従い複数の単セル１１０を作製した後、組み立て工程（例えば、各単セル１１０にセパレータ１２０等の他の部材を取り付ける工程、複数の単セル１１０を積層する工程、ボルト２２により締結する工程等）を行う。以上により、燃料電池スタック１００の製造が完了する。

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を構成する単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを備える。さらに、空気極１１４と燃料極１１６との間には中間層１８０が形成されている。ここで、上述したように、電解質層１１２は、緻密で堅いため、応力の発生によって損傷（例えばクラックの発生および進展）しやすい。しかも、電解質層１１２は、空気室１６６と燃料室１７６との間を区画する機能をも果たすため、特に損傷を抑制する必要がある。

これに対して、本実施形態では、電解質層１１２の特定表面１１３には、複数の凹所２００が形成されている。凹所２００は、有底であり、内部が空洞である。このため、例えば空気極１１４と電解質層１１２との熱膨張差に起因して電解質層１１２に生じた応力が複数の凹所２００に分散され、その結果、例えばクラックの発生を抑制することができる。また、電解質層１１２と中間層１８０との層間剥離を抑制することができる。確かに、本実施形態は、電解質層１１２と中間層１８０とが隙間無く全面的に接触している構成に比べて、発電性能が若干低くなる可能性はあるが、電解質層１１２の損傷や電解質層１１２と中間層１８０との層間剥離等に起因する発電性能の経時的低下を効果的に抑制することができる。また、各凹所２００の内部が空洞であるため、凹所２００の内部が空洞でない構成に比べて、応力が凹所２００に過度に集中することなく分散され、その結果、例えば亀裂や層間剥離の進展を抑制することができる。以上により、本実施形態によれば、電解質層１１２の損傷を抑制することができる。

仮に、発電側凹所２１０内に中間層１８０の形成材料が埋設された構成では、例えば単セル１１０の応力変化に伴って、中間層１８０の埋設部分が発電側凹所２１０の内壁面から剥離することにより、単セル１１０の性能が低下しやすい。また、発電側凹所２１０に生じた応力が中間層１８０に伝達されたり、中間層１８０の埋設部分に生じた応力が発電側凹所２１０を介して電解質層１１２に伝達されたりしやすい。これに対して、本実施形態では、発電側凹所２１０を画定する電解質層１１２の内壁面２１２と中間層１８０との間に空洞が存在しているため、単セル１１０の性能の経時的な低下の抑制と応力の伝達の抑制とを図ることができる。

本実施形態では、中間層１８０は、突出部分１８２を有している。突出部分１８２は、発電側凹所２１０の内部に突出し、かつ、電解質層１１２の内壁面２１２（底面）から離間している。このため、突出部分１８２と発電側凹所２１０とが掛かり合うことによって電解質層１１２と中間層１８０との間の剥離が抑制される。これにより、本実施形態によれば、中間層１８０が突出部分１８２を有していない構成に比べて、電解質層１１２と中間層１８０との間の剥離を抑制しつつ、電解質層１１２の損傷を抑制することができる。

本実施形態では、発電側凹所２１０の開口の最大長さＬ１は、例えば１０００μｍ以下である。このため、本実施形態によれば、発電側凹所２１０の開口の最大長さＬ１が１０００μｍより大きい構成に比べて、発電側凹所２１０の存在による電解質層１１２と中間層１８０との接触面積の低下に起因して単セル１１０の性能が低下することを抑制することができる。

本実施形態では、発電側凹所２１０の最大深さＤ１は、電解質層１１２の厚さＤ２の２／３以下である。このため、本実施形態によれば、発電側凹所２１０の最大深さＤ１が電解質層の厚さＤ２の２／３より長い構成に比べて、電解質層１１２における発電側凹所２１０が形成された部分の抵抗が過度に小さくなることに起因して局所的な電流集中が生じることを抑制することができる。

本実施形態では、非発電側凹所２２０は、電解質層１１２の非発電領域１１３Ｂに形成された凹所２００である。このため、電解質層１１２に生じた応力が、発電反応に寄与しない非発電領域１１３Ｂに分散される。これにより、本実施形態によれば、電解質層１１２の損傷を、より効果的に抑制することができる。

本実施形態では、凹所２００（発電側凹所２１０、非発電側凹所２２０）の開口の最大長さＬ１は、例えば１０μｍ以上である。このため、本実施形態によれば、凹所２００の開口の最大長さＬ１，Ｌ２が１０μｍより小さい構成に比べて、凹所２００に生じた応力が周囲に伝わることがより効果的に抑制される。

Ｂ．第２実施形態：
図８は、第２実施形態の燃料電池スタック１００における単セル１１０ａのＸ１ａ部分の断面構成を示す説明図である。なお、Ｘ１ａ部分は、図４における上述のＸ１部分と同じ位置である。以下では、第２実施形態の単セル１１０ａの構成の内、上述した第１実施形態の１１０の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。

電解質層１１２ａの特定表面１１３ａに形成された複数の凹所２００ａは、発電側凹所２１０ａと非発電側凹所（図示しない）とを含んでいる。図８に示すように、発電側凹所２１０ａは、電解質層１１２ａの発電領域１１３Ａａに形成された凹所２００ａである。発電領域１１３Ａａには、発電側凹所２１０ａが複数形成されている。具体的には、発電領域１１３Ａａには、全体にわたって、発電側凹所２１０ａが点在している。発電側凹所２１０ａを画定する電解質層１１２ａの内壁面２１２ａと空気極１１４ａとの間に空洞が存在している。

空気極１１４ａは、複数の薄肉部１８２ａを有している。薄肉部１８２ａは、空気極１１４ａのうち、上下方向視で発電領域１１３Ａａにおける発電側凹所２１０ａと重なる領域に形成されている。薄肉部１８２ａは、空気極１１４ａのうち、部分的に薄くなっている部分であり、換言すれば、薄肉部１８２ａの周囲部分よりも上下方向の厚さが薄くなっている部分である。具体的には、各薄肉部１８２ａは、上側凹所１８４ａと下側凹所１８６ａとによって形成されている。上側凹所１８４ａは、空気極１１４ａのうち、電解質層１１２ａとは反対側の面（図８で上面）に形成された凹所である。下側凹所１８６ａは、空気極１１４ａのうち、電解質層１１２ａ側の面（図８で下面）に形成された凹所である。上側凹所１８４ａと下側凹所１８６ａとは、上下方向視で互いに重なる位置に形成されている。なお、下側凹所１８６ａは、上下方向に対向する発電側凹所２１０ａとともに一体的な空間を形成している。

中間層１８０ａは、空気極１１４ａと電解質層１１２ａとの間に配置されている。ただし、例えば、図８の左側の発電側凹所２１０ａに示すように、空気極１１４ａの下側凹所１８６ａと電解質層１１２ａの発電側凹所２１０ａとをつなぐ貫通孔１８８ａが形成されていてもよい。また、図８の右側の発電側凹所２１０ａに示すように、中間層１８０ａが、発電側凹所２１０ａを画定する電解質層１１２ａの内壁面２１２ａに沿いつつ覆うように配置されていてもよい。なお、図８に示す構成は、例えば上記第１実施形態の燃料電池スタック１００の製造方法において、中間層用ペーストや空気極用ペーストの印刷形成時の印圧やペーストの粘度を調整することによって形成することができる。

以上の説明によれば、本実施形態では、単セル１１０ａにおいて、空気極１１４ａは、薄肉部１８２ａを有している。薄肉部１８２ａは、上下方向視で発電側凹所２１０ａと重なっている。これにより、空気極１１４ａ内において発生した応力が薄肉部１８２ａにおいて確実に解放されるため、空気極１１４ａにおける亀裂の進展をより効果的に抑制することができる。その結果、空気極１１４ａの損傷を最小限に抑えることができる。また、中間層１８０ａが発電側凹所２１０ａの壁面を覆っており、中間層１８０ａによって空洞が画定される場合においても、単セル１１０ａの性能の経時的な低下の抑制と応力の伝達の抑制とを図ることができる。

Ｃ．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１１０，１１０ａ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、上記実施形態では、単セル１１０，１１０ａが中間層１８０を含んでいるが、単セル１１０，１１０ａが中間層１８０，１８０ａを含んでいなくてもよい。このように中間層１８０，１８０ａを備えない構成では、電解質層１１２，１１２ａの特定表面１１３，１１３ａに対して空気極１１４，１１４ａが直接覆いかつ接触することになる。このような構成であっても、特定表面１１３，１１３ａに発電側凹所２１０，２１０ａが形成されており、発電側凹所２１０，２１０ａを画定する電解質層１１２，１１２ａの内壁面２１２，２１２ａと空気極１１４，１１４ａとの間に空洞が存在すれば、単セル１１０，１１０ａの性能の経時的な低下の抑制と応力の伝達の抑制とを図ることができる。

上記実施形態では、燃料極１１６が基板層と機能層との２層構成であるとしているが、燃料極１１６が単層構成であってもよいし、３層以上の構成であってもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０，１１０ａの個数は、あくまで一例であり、単セル１１０，１１０ａ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、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。

上記実施形態では、特定電極として空気極１１４，１１４ａを例示したが、燃料極１１６であってもよい。このような構成では、電解質層１１２，１１２ａのうち、燃料極１１６側の表面（図１等で下面）に複数の凹所が形成されていれば電解質層の損傷を抑制することができる。要するに、電解質層の第１の方向の少なくとも一方の特定表面に凹所が形成されていれば、電解質層の損傷を抑制することができる。また、その凹所を画定する電解質層の内壁面と、その表面に隣接する部（層、電極）との間に空洞が存在すれば、電気化学反応単セルの性能の経時的な低下の抑制と応力の伝達の抑制とを図ることができる。また、燃料極１１６が、第１の凹所内に突出し、かつ、その第１の凹所を画定する内壁面（底面）から離間している突出部分を有していれば、電解質層と特定電極との間の剥離を抑制しつつ、電解質層の損傷を抑制することができる。

上記実施形態において、電解質層１１２，１１２ａの特定表面１１３，１１３ａに、発電側凹所２１０，２１０ａと非発電側凹所２２０とのいずれか一方が形成されていない構成でもよい。また、上記第１実施形態において、中間層１８０は、突出部分１８２を有しない構成でもよい。凹所２００（発電側凹所２１０、非発電側凹所２２０）の開口の最大長さＬ１は、例えば１０００μｍより長くてもよい。発電側凹所２１０の最大深さＤ１は、電解質層１１２の厚さＤ２の２／３より長くてもよい。

また、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、上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれるすべての単セル１１０について、電解質層１１２，１１２ａの特定表面１１３，１１３ａに凹所２００，２００ａが形成された構成が実現されている必要は無く、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１１０，１１０ａについて、電解質層１１２，１１２ａの特定表面１１３，１１３ａに凹所２００，２００ａが形成された構成が実現されていれば、電解質層１１２，１１２ａの損傷を抑制することができる。

また、上記実施形態では、平板形の単セル１１０，１１０ａを対象としているが、本明細書に開示される技術は、平板形以外の他の単セルにも同様に適用可能である。

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の凹所２００が形成された構成を採用すれば、同様の効果を奏する。

上記実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法は、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、凹所２００を形成するためにレーザ加工を採用したが、これに限らず、他の形成法（例えば孔開け加工）を採用してもよい。

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１１０，１１０ａ：単セル１１２，１１２ａ：電解質層１１３ａ，１１３：特定表面１１３Ａ，１１３Ａａ：発電領域１１３Ｂ：非発電領域１１４，１１４ａ：空気極１１６：燃料極１２０：セパレータ１２１，１３１，１４１：孔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：空気極側集電体１３５：集電体要素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１８０：中間層１８２：突出部分２００，２００ａ：凹所２１０，２１０ａ：発電側凹所２１２，２１２ａ，２２２：内壁面２２０：非発電側凹所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

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、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層のうち、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側の特定表面には、内部が空洞である有底の複数の凹所が形成されており、
前記複数の凹所は、前記電解質層の前記特定表面のうち、前記第１の方向において前記特定電極と重なっていない非重複領域に形成されている複数の第２の凹所が含まれており、
前記複数の凹所は、前記電解質層の前記特定表面のうち、前記特定電極に覆われている被覆領域に形成されている第１の凹所が含まれており、
前記第１の凹所を画定する前記電解質層の内壁面と前記特定電極との間に空洞が存在している、
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、
前記特定電極は、前記第１の方向視で前記被覆領域と重なる領域において部分的に厚みが薄くなっている薄肉部を有し、前記薄肉部が第１の方向において前記第１の凹所と重なっている、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
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、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層のうち、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側の特定表面には、内部が空洞である有底の複数の凹所が形成されており、
前記複数の凹所は、前記電解質層の前記特定表面のうち、前記第１の方向において前記特定電極と重なっていない非重複領域に形成されている複数の第２の凹所が含まれており、
前記電解質層と前記特定電極との間に形成された中間層を有し、
前記複数の凹所は、前記電解質層の前記特定表面のうち、前記中間層に覆われている被覆領域に形成されている第１の凹所が含まれており、
前記第１の凹所の内壁面と前記中間層との間に空洞が存在している、
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、
前記特定電極は、前記第１の凹所内に突出し、かつ、前記内壁面から離間している突出部分を有している、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
請求項３に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記中間層は、前記第１の凹所内に突出し、かつ、前記内壁面から離間している突出部分を有している、
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５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、
前記第１の凹所の開口の最大長さは、１０００μｍ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セルにおいて、
前記第１の凹所の最大深さは、前記電解質層の厚さの２／３以下である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
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、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層のうち、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側の特定表面には、内部が空洞である有底の複数の凹所が形成されており、
前記複数の凹所は、前記電解質層の前記特定表面のうち、前記第１の方向において前記特定電極と重なっていない非重複領域に形成されている複数の第２の凹所が含まれており、
前記凹所の開口の最大長さは、１０μｍ以上である、
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８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。