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JP7522679B2 - Electrochemical reaction single cells and electrochemical reaction cell stacks - Google Patents

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JP7522679B2
JP7522679B2 JP2021023318A JP2021023318A JP7522679B2 JP 7522679 B2 JP7522679 B2 JP 7522679B2 JP 2021023318 A JP2021023318 A JP 2021023318A JP 2021023318 A JP2021023318 A JP 2021023318A JP 7522679 B2 JP7522679 B2 JP 7522679B2
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Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタックに関する。 The technology disclosed in this specification relates to electrochemical reaction single cells and electrochemical reaction cell stacks.

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、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という。)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という。)は、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という。)に互いに対向する燃料極および空気極とを備える。 Solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as "SOFCs") are known as one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A single fuel cell (hereinafter simply referred to as a "single cell"), which is the building block of an SOFC, comprises an electrolyte layer containing solid oxide, and a fuel electrode and an air electrode that face each other in a specific direction (hereinafter referred to as the "first direction") across the electrolyte layer.

単セルの一形態として、金属支持型(メタルサポート型)の単セルが知られている。金属支持型の単セルは、燃料極と空気極との一方(以下、「特定電極」という。)に対して電解質層とは反対側に配置された金属支持体を備え、金属支持体によって単セルにおける他の部分(電解質層等)を支持する。一般に、金属支持型の単セルは、他のタイプ(例えば燃料極支持型)の単セルと比較して、熱衝撃による割れが生じにくく、また起動性が高い。 A metal-supported type single cell is known as one type of single cell. A metal-supported type single cell has a metal support placed on the opposite side of the electrolyte layer to one of the fuel electrode and air electrode (hereinafter referred to as the "specific electrode"), and the metal support supports other parts of the single cell (such as the electrolyte layer). In general, metal-supported type single cells are less susceptible to cracking due to thermal shock and have high starting performance compared to other types of single cells (e.g., fuel electrode supported type).

金属支持型の単セルでは、金属支持体に、発電に供される反応ガスを通過させるために、金属支持体の一方の表面から他方の表面まで貫通する複数の貫通孔が形成されている。従来、金属支持体に含まれる全ての貫通孔において、当該貫通孔の全体に渡って燃料極が充填されている構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In a metal-supported single cell, a plurality of through holes are formed in the metal support, penetrating from one surface to the other surface of the metal support, to allow the passage of the reactive gas used for power generation. Conventionally, a configuration is known in which the fuel electrode is filled throughout all of the through holes contained in the metal support (see, for example, Patent Document 1).

特開2005-93262号公報JP 2005-93262 A

特定電極(例えば燃料極)と金属支持体の上記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第1の方向(燃料極と空気極との対向方向)の長さ(以下、単に「接合部の長さ」という。)が長いほど、特定電極と金属支持体との接合強度は向上するが、当該貫通孔を通るガスの流通性が低下し、これにより単セルの性能は低下する。 The longer the length (hereinafter simply referred to as the "length of the joint") in the first direction (the direction in which the fuel electrode and the air electrode face each other) of the joint where the specific electrode (e.g., the fuel electrode) and the surface of the metal support that defines the through hole are joined, the greater the joint strength between the specific electrode and the metal support, but the less gas can flow through the through hole, which reduces the performance of the single cell.

従来の金属支持型の単セルでは、上述したように、金属支持体に含まれる全ての貫通孔おいて、当該貫通孔の全体に渡って特定電極が充填されているため、全ての貫通孔において、接合部の第1の方向の長さは、均一であり、かつ、最大である。そのため、この単セルでは、特定電極と金属支持体との接合強度は特に優れるが、当該貫通孔を通るガスの流通性が特に悪化し、これにより単セルの性能が特に低下するという欠点がある。 In a conventional metal-supported single cell, as described above, the specific electrode is filled throughout all of the through holes contained in the metal support, so that the length of the joint in the first direction is uniform and maximum in all of the through holes. Therefore, in this single cell, the joint strength between the specific electrode and the metal support is particularly excellent, but the flow of gas through the through holes is particularly poor, which has the disadvantage of particularly degrading the performance of the single cell.

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問題である。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。 These issues are also common to single electrolytic cells, which are the building blocks of solid oxide electrolysis cells (hereinafter referred to as "SOECs") that generate hydrogen using the electrolysis reaction of water. In this specification, single fuel cell cells and single electrolytic cells are collectively referred to as single electrochemical reaction cells.

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。 This specification discloses a technology that can solve the above-mentioned problems.

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。 The technology disclosed in this specification can be realized, for example, in the following forms:

(1)本明細書に開示される電気化学反応単セルは、電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する燃料極および空気極と、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記第1の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第1の方向に貫通する複数の貫通孔を有しており、かつ、前記複数の貫通孔の少なくとも1つにおいて、前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面に前記特定電極が接合されている金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記複数の貫通孔を、1つまたは複数の前記貫通孔により構成される第1の貫通孔群と、1つまたは複数の前記貫通孔により構成される第2の貫通孔群とに分けたときに、前記第1の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第1の方向の長さは、前記第2の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第1の方向の長さよりも短い。 (1) The electrochemical reaction single cell disclosed in this specification is an electrochemical reaction cell comprising: an electrolyte layer; a fuel electrode and an air electrode that face each other in a first direction with the electrolyte layer in between; and a metal support that is located on the opposite side of the electrolyte layer from a specific electrode that is one of the fuel electrode and the air electrode, and has a plurality of through holes that penetrate in the first direction at a position that overlaps with the specific electrode when viewed in the first direction, and in at least one of the plurality of through holes, the specific electrode is joined to a surface of the metal support that defines the through hole. In the chemical reaction unit cell, when the plurality of through holes are divided into a first through hole group consisting of one or more of the through holes and a second through hole group consisting of one or more of the through holes, the length in the first direction of the joint portion at which the specific electrode in the through hole included in the first through hole group is joined to the surface of the metal support that defines the through hole is shorter than the length in the first direction of the joint portion at which the specific electrode in the through hole included in the second through hole group is joined to the surface of the metal support that defines the through hole.

本電気化学反応単セルにおいては、上述したように、第1の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第1の方向の長さは、第2の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第1の方向の長さよりも短い。そのため、本電気化学反応単セルによれば、第1の貫通孔群における接合部の長さと第2の貫通孔群における接合部の長さとが同等である構成と比較して、第1の貫通孔群における接合部の長さが短い分だけ、貫通孔を通るガスの流通性を向上させることができ、これにより上記電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。 In this electrochemical reaction single cell, as described above, the length in the first direction of the joint at which the specific electrode in the through hole included in the first through hole group is joined to the surface that defines the through hole of the metal support is shorter than the length in the first direction of the joint at which the specific electrode in the through hole included in the second through hole group is joined to the surface that defines the through hole of the metal support. Therefore, according to this electrochemical reaction single cell, compared to a configuration in which the length of the joint in the first through hole group and the length of the joint in the second through hole group are equal, the flowability of gas through the through hole can be improved by the amount that the length of the joint in the first through hole group is shorter, thereby improving the performance of the electrochemical reaction single cell.

(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記第2の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数は、前記第1の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数よりも少ない構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、これらの個数が同一である構成と比較して、貫通孔群におけるガスの流通性を向上させることができる。 (2) In the above electrochemical reaction single cell, the number of through holes included in the second through hole group may be smaller than the number of through holes included in the first through hole group. With this electrochemical reaction single cell, the gas flow in the through hole group can be improved compared to a configuration in which the numbers are the same.

(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記第1の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数は、前記第2の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数よりも少ない構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、これらの個数が同一である構成と比較して、特定電極と金属支持体との接合強度を向上させることができる。 (3) In the above electrochemical reaction single cell, the number of the through holes included in the first through hole group may be smaller than the number of the through holes included in the second through hole group. With this electrochemical reaction single cell, the bonding strength between the specific electrode and the metal support can be improved compared to a configuration in which the numbers are the same.

(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極のうち、前記第1の貫通孔群と前記第2の貫通孔群との一方(以下、「特定貫通孔群」という。)に含まれる前記貫通孔内に位置する第1の部分の気孔率は、前記特定電極のうち、前記第1の貫通孔群と前記第2の貫通孔群との他方に含まれる前記貫通孔内に位置する第2の部分の気孔率よりも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、特定電極の第1の部分の気孔率が第2の部分の気孔率よりも大きいことにより、これらの気孔率が同等である構成と比較して、特定貫通孔群に含まれる貫通孔におけるガスの流通性を向上させることができる。 (4) In the above electrochemical reaction single cell, the porosity of a first portion of the specific electrode located within the through hole included in one of the first through hole group and the second through hole group (hereinafter referred to as the "specific through hole group") may be greater than the porosity of a second portion of the specific electrode located within the through hole included in the other of the first through hole group and the second through hole group. According to this electrochemical reaction single cell, the porosity of the first portion of the specific electrode is greater than the porosity of the second portion, thereby improving the flow of gas through the through hole included in the specific through hole group compared to a configuration in which the porosities are equivalent.

(5)本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、上記(1)から(4)までのいずれか一つに記載の電気化学反応単セルと、前記特定電極が面するガス室とをそれぞれ有し、前記第1の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位を備え、少なくとも1つの前記電気化学反応単位において、前記第1の貫通孔群は、前記第2の貫通孔群に対して、前記ガス室におけるガス流れの上流側に位置する。 (5) The electrochemical reaction cell stack disclosed in this specification includes a plurality of electrochemical reaction units each having an electrochemical reaction single cell described in any one of (1) to (4) above and a gas chamber facing the specific electrode, and arranged in the first direction, and in at least one of the electrochemical reaction units, the first through-hole group is located upstream of the gas flow in the gas chamber relative to the second through-hole group.

金属支持体における貫通孔の位置によって、その貫通孔における上記接合部(特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部)の長さによる上記電気化学反応単セルの性能への影響度は異なる。すなわち、ある領域(例えば、ガス流れの上流側)に位置する貫通孔における上記接合部の長さは、他の領域(例えば、ガス流れの下流側)に位置する貫通孔における上記接合部の長さと比較して、上記電気化学反応単セルの性能への影響度が大きい。 The degree of influence on the performance of the electrochemical reaction unit cell due to the length of the joint (the joint where the specific electrode and the surface defining the through hole of the metal support are joined) in the through hole varies depending on the position of the through hole in the metal support. That is, the length of the joint in a through hole located in a certain region (e.g., the upstream side of the gas flow) has a greater influence on the performance of the electrochemical reaction unit cell than the length of the joint in a through hole located in another region (e.g., the downstream side of the gas flow).

これに鑑み、本電気化学反応セルスタックにおいては、上述したように、第1の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第1の方向の長さは、第2の貫通孔群に含まれる貫通孔における特定電極と金属支持体の貫通孔を画定する面とが接合される接合部の第1の方向の長さよりも短い。上記接合部の長さによる上記電気化学反応単セルの性能への影響度が比較的大きい領域(例えば、ガス流れの上流側)に第1の貫通孔群が位置し、かつ、当該影響度が比較的小さい領域(例えば、ガス流れの下流側)に、上記接合部の長さが比較的長い第2の貫通孔群が位置することにより、従来よりも効率的に、特定電極と金属支持体との接合強度と、上記電気化学反応単セルの性能(ひいては、上記電気化学反応セルスタックの性能)との両方を確保することができる。 In view of this, in the present electrochemical reaction cell stack, as described above, the length in the first direction of the joint at which the specific electrode in the through hole included in the first through hole group and the surface defining the through hole of the metal support are joined is shorter than the length in the first direction of the joint at which the specific electrode in the through hole included in the second through hole group and the surface defining the through hole of the metal support are joined. The first through hole group is located in a region where the influence of the length of the joint on the performance of the electrochemical reaction single cell is relatively large (e.g., the upstream side of the gas flow), and the second through hole group, in which the length of the joint is relatively long, is located in a region where the influence is relatively small (e.g., the downstream side of the gas flow). This makes it possible to ensure both the joint strength between the specific electrode and the metal support and the performance of the electrochemical reaction single cell (and thus the performance of the electrochemical reaction cell stack) more efficiently than in the past.

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)、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(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。 The technology disclosed in this specification can be realized in various forms, such as an electrochemical reaction cell (a single fuel cell cell or a single electrolysis cell), an electrochemical reaction cell stack (a fuel cell stack or a single electrolysis cell stack) comprising multiple single electrochemical reaction cells, or a manufacturing method thereof.

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FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 according to an embodiment of the present invention; 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FIG. 2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 taken along the line II-II in FIG. 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FIG. 2 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 taken along the line III-III in FIG. 1. 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FIG. 3 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in FIG. 2 . 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FIG. 4 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in FIG. 3 . 本実施形態における単セル110の詳細構成を示す説明図FIG. 1 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a unit cell 110 according to the present embodiment. 本実施形態における単セル110の詳細構成を示す説明図FIG. 1 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a unit cell 110 according to the present embodiment. 本実施形態における単セル110の詳細構成を示す説明図FIG. 1 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a unit cell 110 according to the present embodiment. 変形例における単セル110Aの詳細構成を示す説明図FIG. 13 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a unit cell 110A according to a modified example.

A.実施形態:
A-1.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。
A. Embodiments:
A-1. Configuration of fuel cell stack 100:
FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of a fuel cell stack 100 in this embodiment, FIG. 2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II in FIG. 1, and FIG. 3 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG. 1. Each figure shows mutually orthogonal XYZ axes for specifying directions. In this specification, for convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction, but the fuel cell stack 100 may actually be installed in a direction different from these directions. The same applies to FIG. 4 and subsequent figures.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という。)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態ではZ軸方向)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。上記配列方向(Z軸方向)は、特許請求の範囲における第1の方向の一例である。発電単位102は、特許請求の範囲における電気化学反応単位の一例である。 The fuel cell stack 100 comprises a plurality (seven in this embodiment) of fuel cell power generation units (hereinafter simply referred to as "power generation units") 102 and a pair of end plates 104, 106. The seven power generation units 102 are arranged in a predetermined arrangement direction (the Z-axis direction in this embodiment). The pair of end plates 104, 106 are arranged to sandwich the assembly made up of the seven power generation units 102 from above and below. The arrangement direction (the Z-axis direction) is an example of the first direction in the claims. The power generation units 102 are an example of the electrochemical reaction units in the claims.

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、Z軸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Z軸方向に連通して、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Z軸方向に延びる貫通孔108を構成している。以下の説明では、貫通孔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、貫通孔108と呼ぶ場合がある。 A plurality of holes (eight in this embodiment) penetrating in the Z-axis direction are formed in the peripheral portion around the Z-axis direction of each layer (power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100, and corresponding holes formed in each layer communicate with each other in the Z-axis direction to form through holes 108 extending in the Z-axis direction from one end plate 104 to the other end plate 106. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the through holes 108 may also be referred to as through holes 108.

各貫通孔108にはZ軸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、ナット24と各エンドプレート104,106(または後述するガス通路部材27)との間には、絶縁シート26が介在している。 A bolt 22 extending in the Z-axis direction is inserted into each through hole 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolt 22 and nuts 24 fitted on both sides of the bolt 22. As shown in Figures 2 and 3, an insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 and each end plate 104, 106 (or a gas passage member 27 described later).

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。図1および図2に示すように、1つのボルト22(ボルト22A)と当該ボルト22Aが挿通された貫通孔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(例えば空気)が導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102の空気室166に供給するガス流路である空気極側ガス供給マニホールド161として機能し、他の1つのボルト22(ボルト22B)と当該ボルト22Bが挿通された貫通孔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空気極側ガス排出マニホールド162として機能する。また、図1および図3に示すように、他の1つのボルト22(ボルト22D)と当該ボルト22Dが挿通された貫通孔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(例えば水素リッチなガス)が導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102の燃料室176に供給する燃料極側ガス供給マニホールド171として機能し、他の1つのボルト22(ボルト22E)と当該ボルト22Eが挿通された貫通孔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極側ガス排出マニホールド172として機能する。 A space is provided between the outer peripheral surface of the shaft of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each through hole 108. As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the space formed by one bolt 22 (bolt 22A) and the through hole 108 through which the bolt 22A is inserted functions as an air electrode side gas supply manifold 161, which is a gas flow path through which oxidant gas OG (e.g., air) is introduced from outside the fuel cell stack 100 and the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102, and the space formed by the other bolt 22 (bolt 22B) and the through hole 108 through which the bolt 22B is inserted functions as an air electrode side gas exhaust manifold 162 that exhausts oxidant off-gas OOG, which is a gas exhausted from the air chamber 166 of each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. As shown in FIG. 1 and FIG. 3, the space formed by the other bolt 22 (bolt 22D) and the through hole 108 through which the bolt 22D is inserted functions as a fuel electrode side gas supply manifold 171 through which fuel gas FG (e.g., hydrogen-rich gas) is introduced from outside the fuel cell stack 100 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, and the space formed by the other bolt 22 (bolt 22E) and the through hole 108 through which the bolt 22E is inserted functions as a fuel electrode side gas exhaust manifold 172 that exhausts fuel off-gas FOG, which is gas exhausted from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100.

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の本体部28の孔は、各ガス通路部材27の設置位置に設けられた各マニホールド161,162,171,172に連通している。 Four gas passage members 27 are provided in the fuel cell stack 100. Each gas passage member 27 has a hollow cylindrical main body 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branched off from the side of the main body 28. The hole of the branch portion 29 is connected to the hole of the main body 28. The hole of the main body 28 of each gas passage member 27 is connected to each manifold 161, 162, 171, 172 provided at the installation position of each gas passage member 27.

(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軸方向に略直交する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、当該発電単位102と電気的に接続されている。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、当該発電単位102と電気的に接続されている。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。
(Configuration of end plates 104, 106)
The pair of end plates 104, 106 are flat conductive members that are approximately perpendicular to the Z-axis direction and are made of, for example, stainless steel. One end plate 104 is disposed above the uppermost power generating unit 102 and is electrically connected to that power generating unit 102. The other end plate 106 is disposed below the lowermost power generating unit 102 and is electrically connected to that power generating unit 102. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal for the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal for the fuel cell stack 100.

(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。
(Configuration of power generation unit 102)
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in FIG. 2, and FIG. 5 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 102 at the same position as the cross-section shown in FIG. 3.

図4および図5に示すように、発電単位102は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という。)110と、セパレータ120と、空気極側フレーム部材130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム部材140と、燃料極側集電体144と、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、空気極側フレーム部材130、燃料極側フレーム部材140、インターコネクタ150の周縁部には、上述したボルト22が挿通される貫通孔108に対応する孔が形成されている。 As shown in Figures 4 and 5, the power generation unit 102 includes a fuel cell unit (hereinafter referred to as a "unit cell") 110, a separator 120, an air electrode side frame member 130, an air electrode side current collector 134, an anode side frame member 140, an anode side current collector 144, and a pair of interconnectors 150. Holes corresponding to the through holes 108 through which the bolts 22 described above are inserted are formed on the periphery of the separator 120, the air electrode side frame member 130, the anode side frame member 140, and the interconnector 150.

インターコネクタ150は、Z軸方向に略直交する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。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)。 The interconnector 150 is a flat conductive member that is approximately perpendicular to the Z-axis direction, and is made of, for example, stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical conduction between the power generation units 102 and prevents the reaction gases from mixing between the power generation units 102. In this embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by the two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in one power generation unit 102 is made of the same material as the lower interconnector 150 in the other power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. In addition, the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have an upper interconnector 150, and the power generation unit 102 located at the bottom does not have a lower interconnector 150 (see Figures 2 and 3).

単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んでZ軸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。単セル110は、さらに、燃料極116(より詳細には、後述する燃料極116の基部117)に対して電解質層112とは反対側(下側)に配置された金属支持体180を備える。 The single cell 110 includes an electrolyte layer 112, and an air electrode 114 and a fuel electrode 116 that face each other in the Z-axis direction with the electrolyte layer 112 in between. The single cell 110 further includes a metal support 180 that is disposed on the opposite side (lower side) of the electrolyte layer 112 with respect to the fuel electrode 116 (more specifically, the base 117 of the fuel electrode 116, which will be described later).

金属支持体180は、Z軸方向に略直交する平板形状の導電性部材であり、金属(例えばステンレス)により形成されている。金属支持体180は、単セル110における他の構成要素(電解質層112等)を支持している。このように、本実施形態の単セル110は、金属支持体180によって単セル110の機械的強度を確保する、いわゆる金属支持型(メタルサポート型)の単セルである。金属支持型の単セルは、他のタイプ(例えば燃料極支持型)の単セルと比較して、熱衝撃による割れが生じにくく、また起動性が高い。後述するように、金属支持体180には、燃料ガスFGを通過させるための複数の貫通孔50が形成されている(図6参照)。 The metal support 180 is a conductive member having a flat plate shape that is approximately perpendicular to the Z-axis direction, and is made of metal (e.g., stainless steel). The metal support 180 supports other components (such as the electrolyte layer 112) in the unit cell 110. In this manner, the unit cell 110 of this embodiment is a so-called metal-supported unit cell in which the mechanical strength of the unit cell 110 is ensured by the metal support 180. Compared to other types of unit cells (e.g., fuel electrode-supported type), metal-supported unit cells are less likely to crack due to thermal shock and have high starting performance. As described below, the metal support 180 has multiple through holes 50 formed therein to allow the fuel gas FG to pass through (see FIG. 6).

電解質層112は、Z軸方向に略直交する平板形状部材であり、緻密な層である。本実施形態では、電解質層112は、燃料極116における上側の表面と、金属支持体180における上側の表面の内、燃料極116に覆われていない領域とを連続的に覆うように形成されている。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリ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。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軸方向に略直交する平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物))により形成されている。燃料極116は、Z軸方向に略直交する平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。本実施形態では、燃料極116は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。 The electrolyte layer 112 is a flat plate-shaped member that is approximately perpendicular to the Z-axis direction and is a dense layer. In this embodiment, the electrolyte layer 112 is formed so as to continuously cover the upper surface of the fuel electrode 116 and the area of the upper surface of the metal support 180 that is not covered by the fuel electrode 116. The electrolyte layer 112 is formed of a solid oxide such as YSZ (yttria-stabilized zirconia). In this way, the single cell 110 of this embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte. The air electrode 114 is a flat plate-shaped member that is approximately perpendicular to the Z-axis direction and is a porous layer. The air electrode 114 is formed of, for example, a perovskite-type oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide)). The fuel electrode 116 is a flat plate-shaped member that is approximately perpendicular to the Z-axis direction and is a porous layer. The fuel electrode 116 is formed, for example, from a cermet made of Ni and oxide ion conductive ceramic particles (e.g., YSZ). In this embodiment, the fuel electrode 116 corresponds to a specific electrode in the claims.

セパレータ120は、中央付近にZ軸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、例えばステンレスにより形成されている。セパレータ120における孔121を取り囲む部分は、例えばロウ材を含む接合部124により、単セル110(電解質層112)の周縁部と接合されている。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とが区画される。 The separator 120 is a frame-shaped member with a roughly rectangular hole 121 formed near the center that penetrates in the Z-axis direction, and is made of, for example, stainless steel. The portion of the separator 120 surrounding the hole 121 is joined to the periphery of the unit cell 110 (electrolyte layer 112) by a joint 124 that contains, for example, brazing material. The separator 120 divides the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116.

空気極側フレーム部材130は、中央付近にZ軸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。空気極側フレーム部材130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム部材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。空気極側フレーム部材130には、空気極側ガス供給マニホールド161と空気室166とを連通する空気極側ガス供給連通流路132と、空気室166と空気極側ガス排出マニホールド162とを連通する空気極側ガス排出連通流路133とが形成されている。 The air electrode side frame member 130 is a frame-shaped member with a substantially rectangular hole 131 formed near the center that penetrates in the Z-axis direction, and is formed of an insulator such as mica. The hole 131 of the air electrode side frame member 130 forms an air chamber 166 facing the air electrode 114. The air electrode side frame member 130 electrically insulates a pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102. The air electrode side frame member 130 is formed with an air electrode side gas supply communication flow path 132 that connects the air electrode side gas supply manifold 161 and the air chamber 166, and an air electrode side gas exhaust communication flow path 133 that connects the air chamber 166 and the air electrode side gas exhaust manifold 162.

燃料極側フレーム部材140は、中央付近にZ軸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、例えばステンレスにより形成されている。燃料極側フレーム部材140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム部材140には、燃料極側ガス供給マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料極側ガス供給連通流路142と、燃料室176と燃料極側ガス排出マニホールド172とを連通する燃料極側ガス排出連通流路143とが形成されている。 The fuel electrode side frame member 140 is a frame-shaped member with a substantially rectangular hole 141 formed near the center that penetrates in the Z-axis direction, and is made of, for example, stainless steel. The hole 141 in the fuel electrode side frame member 140 forms a fuel chamber 176 that faces the fuel electrode 116. The fuel electrode side frame member 140 is formed with a fuel electrode side gas supply communication passage 142 that connects the fuel electrode side gas supply manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel electrode side gas exhaust communication passage 143 that connects the fuel chamber 176 and the fuel electrode side gas exhaust manifold 172.

空気極側集電体134は、空気室166内に配置された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とインターコネクタ150とを電気的に接続する。ただし、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、空気極114と上側のエンドプレート104とを電気的に接続する(図2および図3参照)。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いてもよい。 The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of roughly rectangular prism-shaped current collector elements 135 arranged in the air chamber 166, and is formed of, for example, stainless steel. The air electrode side current collector 134 electrically connects the air electrode 114 and the interconnector 150. However, since the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have an upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 electrically connects the air electrode 114 and the upper end plate 104 (see Figures 2 and 3). The air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be configured as an integrated member.

燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置された複数の略四角柱状の集電体要素145から構成されており、例えばステンレスにより形成されている。燃料極側集電体144は、金属支持体180とインターコネクタ150とを電気的に接続する。ただし、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における燃料極側集電体144は、金属支持体180と下側のエンドプレート106とを電気的に接続する(図2および図3参照)。なお、燃料極側集電体144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いてもよい。 The fuel electrode side current collector 144 is composed of multiple roughly rectangular prism-shaped current collector elements 145 arranged in the fuel chamber 176, and is made of, for example, stainless steel. The fuel electrode side current collector 144 electrically connects the metal support 180 and the interconnector 150. However, since the power generation unit 102 located at the bottom of the fuel cell stack 100 does not have a lower interconnector 150, the fuel electrode side current collector 144 in that power generation unit 102 electrically connects the metal support 180 and the lower end plate 106 (see Figures 2 and 3). The fuel electrode side current collector 144 and the interconnector 150 may be configured as an integrated member.

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OGは、空気極側ガス供給マニホールド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)から、当該ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して空気極側ガス供給マニホールド161に供給され、空気極側ガス供給マニホールド161から各発電単位102の空気極側ガス供給連通流路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FGは、燃料極側ガス供給マニホールド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)から、当該ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料極側ガス供給マニホールド171に供給され、燃料極側ガス供給マニホールド171から各発電単位102の燃料極側ガス供給連通流路142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
2 and 4, the oxidant gas OG is supplied from a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the air electrode side gas supply manifold 161 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and a hole in the main body 28 to the air electrode side gas supply manifold 161, and is supplied from the air electrode side gas supply manifold 161 to the air chamber 166 through the air electrode side gas supply communication passage 132 of each power generation unit 102. Also, as shown in Fig. 3 and 5, the fuel gas FG is supplied from a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel electrode side gas supply manifold 171 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and a hole in the main body 28 to the fuel electrode side gas supply manifold 171, and is supplied from the fuel electrode side gas supply manifold 171 to the fuel chamber 176 through the fuel electrode side gas supply communication passage 142 of each power generation unit 102.

各発電単位102において、空気室166に供給された酸化剤ガスOGが多孔質な空気極114内に進入し、かつ、燃料室176に供給された燃料ガスFGが金属支持体180に形成された複数の貫通孔50を通って多孔質な燃料極116内に進入すると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素と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、金属支持体180および燃料極側集電体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。 In each power generation unit 102, when the oxidant gas OG supplied to the air chamber 166 enters the porous air electrode 114 and the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176 enters the porous fuel electrode 116 through the multiple through holes 50 formed in the metal support 180, power is generated in the single cell 110 by an electrochemical reaction between the oxygen contained in the oxidant gas OG and the hydrogen contained in the fuel gas FG. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to one interconnector 150 via the air electrode side collector 134, and the fuel electrode 116 is electrically connected to the other interconnector 150 via the metal support 180 and the fuel electrode side collector 144. In addition, the multiple power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, the electric energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104, 106 that function as the output terminals of the fuel cell stack 100. In addition, since SOFCs generate electricity at relatively high temperatures (e.g., 700°C to 1000°C), after startup, the fuel cell stack 100 may be heated by a heater (not shown) until the heat generated by power generation can maintain the high temperature.

図2および図4に示すように、各発電単位102の空気室166から空気極側ガス排出連通流路133を介して空気極側ガス排出マニホールド162に排出された酸化剤オフガスOOGは、空気極側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を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)から燃料電池スタック100の外部に排出される。また、図3および図5に示すように、各発電単位102の燃料室176から燃料極側ガス排出連通流路143を介して燃料極側ガス排出マニホールド172に排出された燃料オフガスFOGは、燃料極側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を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)から燃料電池スタック100の外部に排出される。 2 and 4, the oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 to the air electrode side gas discharge manifold 162 through the air electrode side gas discharge communication passage 133 passes through the main body 28 and branch 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the air electrode side gas discharge manifold 162, and is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 from the gas pipe (not shown) connected to the branch 29. Also, as shown in FIG. 3 and FIG. 5, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 to the fuel electrode side gas discharge manifold 172 through the fuel electrode side gas discharge communication passage 143 passes through the main body 28 and branch 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel electrode side gas discharge manifold 172, and is discharged to the outside of the fuel cell stack 100 from the gas pipe (not shown) connected to the branch 29.

A-3.単セル110の詳細構成:
図6から図8までは、本実施形態における単セル110の詳細構成を示す説明図である。図6には、図5のX1部(後述する第1の貫通孔群G1が位置する領域周辺)における単セル110のYZ断面構成が拡大して示されており、図7には、図5のX2部(後述する第2の貫通孔群G2が位置する領域周辺)における単セル110のYZ断面構成が拡大して示されている。なお、図6および図7では、インターコネクタ150の図示が省略されている。図8には、金属支持体180のXY平面構成が模式的に示されている。
A-3. Detailed configuration of the unit cell 110:
6 to 8 are explanatory diagrams showing a detailed configuration of the unit cell 110 in this embodiment. In FIG. 6, the YZ cross-sectional configuration of the unit cell 110 at the X1 portion (around the region where the first through-hole group G1 described later is located) in FIG. 5 is shown enlarged, and in FIG. 7, the YZ cross-sectional configuration of the unit cell 110 at the X2 portion (around the region where the second through-hole group G2 described later is located) in FIG. 5 is shown enlarged. Note that the interconnector 150 is omitted in FIG. 6 and FIG. 7. In FIG. 8, the XY plane configuration of the metal support 180 is shown typically.

図6および図7に示すように、本実施形態における単セル110では、金属支持体180に複数の貫通孔50が形成されている。金属支持体180において、各貫通孔50は、燃料極116(より詳細には、燃料極116における電解質層112に近い側の一部分である基部117)に接する、電解質層112側の上面S11から、上面S11とは反対側の下面S22まで貫通している。このことから、各貫通孔50はZ軸方向に貫通する孔であるといえる。 As shown in Figures 6 and 7, in the single cell 110 of this embodiment, multiple through holes 50 are formed in the metal support 180. In the metal support 180, each through hole 50 penetrates from the upper surface S11 on the electrolyte layer 112 side, which contacts the fuel electrode 116 (more specifically, the base 117, which is a part of the fuel electrode 116 on the side closer to the electrolyte layer 112), to the lower surface S22 on the opposite side to the upper surface S11. Therefore, each through hole 50 can be said to be a hole that penetrates in the Z-axis direction.

本実施形態では、金属支持体180は、2枚の板状部材(第1の金属部材181および第2の金属部材182)がZ軸方向に積層された構成を有している。第2の金属部材182は、第1の金属部材181の下側に配置されており、例えば溶接によって第1の金属部材181と接合されている。本実施形態では、第1の金属部材181の厚さと第2の金属部材182の厚さとは、略同一である。 In this embodiment, the metal support 180 has a configuration in which two plate-shaped members (a first metal member 181 and a second metal member 182) are stacked in the Z-axis direction. The second metal member 182 is disposed below the first metal member 181 and is joined to the first metal member 181 by, for example, welding. In this embodiment, the thickness of the first metal member 181 and the thickness of the second metal member 182 are approximately the same.

金属支持体180に形成された各貫通孔50は、金属支持体180の上面S11における開口53を含む第1の部分51を有している。各貫通孔50の第1の部分51は、金属支持体180を構成する第1の金属部材181に形成されている。各第1の部分51は、第1の金属部材181における燃料極116に接する上面S11から、上面S11とは反対側の下面S12まで貫通している。 Each through hole 50 formed in the metal support 180 has a first portion 51 including an opening 53 in the upper surface S11 of the metal support 180. The first portion 51 of each through hole 50 is formed in the first metal member 181 constituting the metal support 180. Each first portion 51 penetrates from the upper surface S11 of the first metal member 181 that contacts the fuel electrode 116 to the lower surface S12 on the opposite side to the upper surface S11.

また、金属支持体180に形成された各貫通孔50は、第1の部分51に加えて、第1の部分51に連通する第2の部分52を有している。第2の部分52は、金属支持体180の下面(後述する第2の金属部材182の下面S22)における開口54を含む部分である。各第2の部分52は、第2の金属部材182における第1の金属部材181に接する上面S21から、上面S21とは反対側の下面S22まで貫通している。すなわち、本実施形態では、各貫通孔50は、第1の部分51と第2の部分52とから構成されている。本実施形態では、各貫通孔50において、第2の部分52は、Z軸方向視における輪郭線が第1の部分51の輪郭線と重なるように位置している。 In addition, each through hole 50 formed in the metal support 180 has a second portion 52 that communicates with the first portion 51 in addition to the first portion 51. The second portion 52 is a portion that includes an opening 54 on the lower surface of the metal support 180 (the lower surface S22 of the second metal member 182 described later). Each second portion 52 penetrates from the upper surface S21 of the second metal member 182 that contacts the first metal member 181 to the lower surface S22 opposite to the upper surface S21. That is, in this embodiment, each through hole 50 is composed of a first portion 51 and a second portion 52. In this embodiment, in each through hole 50, the second portion 52 is positioned so that the contour line in the Z-axis direction overlaps with the contour line of the first portion 51.

図8に示すように、金属支持体180に形成された複数(本実施形態では192個)の貫通孔50は、複数(本実施形態では128個)の貫通孔50により構成される第1の貫通孔群G1と、複数(本実施形態では64個)の貫通孔50により構成される第2の貫通孔群G2とにより構成されている。このことから、本実施形態では、第2の貫通孔群G2に含まれる貫通孔50の個数は、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50の個数よりも少ないといえる。 As shown in FIG. 8, the multiple (192 in this embodiment) through holes 50 formed in the metal support 180 are configured as a first through hole group G1 consisting of multiple (128 in this embodiment) through holes 50, and a second through hole group G2 consisting of multiple (64 in this embodiment) through holes 50. For this reason, in this embodiment, it can be said that the number of through holes 50 included in the second through hole group G2 is smaller than the number of through holes 50 included in the first through hole group G1.

本実施形態では、第1の貫通孔群G1を構成する複数の貫通孔50は、X軸方向に16個かつY軸方向に8個ずつ、格子点上に並んでいる。X軸方向に隣り合う2つの貫通孔50間の間隔は略一定であり、Y軸方向に隣り合う2つの貫通孔50間の間隔も略一定である。第2の貫通孔群G2を構成する複数の貫通孔50は、X軸方向に16個かつY軸方向に4個ずつ、格子点上に並んでいる。 In this embodiment, the multiple through holes 50 constituting the first through hole group G1 are arranged on lattice points, 16 in the X-axis direction and 8 in the Y-axis direction. The distance between two adjacent through holes 50 in the X-axis direction is approximately constant, and the distance between two adjacent through holes 50 in the Y-axis direction is also approximately constant. The multiple through holes 50 constituting the second through hole group G2 are arranged on lattice points, 16 in the X-axis direction and 4 in the Y-axis direction.

本実施形態では、第1の貫通孔群G1は、第2の貫通孔群G2に対して、燃料室176における燃料ガスFGの流れの上流側(Y軸正方向側)に位置している。これは、下記の条件(1)から条件(3)までの少なくとも1つを満たすことと同義である。なお、本実施形態では、下記の条件(1)から条件(3)までの全てを満たしている。
条件(1):
第1の貫通孔群G1に含まれる少なくとも1つの貫通孔50は、第2の貫通孔群G2のいずれの貫通孔50よりもY軸方向(燃料室176における燃料ガスFGの流れの方向)のガス流れ上流側に位置する。
条件(2):
第1の貫通孔群G1に含まれる全ての貫通孔50は、第2の貫通孔群G2のいずれの貫通孔50よりもY軸方向(燃料室176における燃料ガスFGの流れの方向)のガス流れ上流側に位置する。
条件(3):
Z軸方向視で単セル110に重なる点を通り、かつ、ガス室(上記実施形態では燃料室176)における燃料ガスFGの流れの方向に直交する仮想直線VLにより区画される2つの領域の一方をガス流れ上流側とし、他方をガス流れ下流側とする。第1の貫通孔群G1に含まれる全ての貫通孔50は、当該2つの領域の一方に位置し、第2の貫通孔群G2に含まれる全ての貫通孔50は、当該2つの領域の他方に位置する。なお、当該仮想直線VLは、Z軸方向視で単セル110の中心点を通る直線であってもよい。
In this embodiment, the first through-hole group G1 is located upstream (positive Y-axis direction) of the flow of fuel gas FG in the fuel chamber 176 relative to the second through-hole group G2. This is equivalent to satisfying at least one of the following conditions (1) to (3). Note that in this embodiment, all of the following conditions (1) to (3) are satisfied.
Condition (1):
At least one through hole 50 included in the first through hole group G1 is located upstream of the gas flow in the Y axis direction (the direction of the flow of fuel gas FG in the fuel chamber 176) of any of the through holes 50 in the second through hole group G2.
Condition (2):
All of the through holes 50 included in the first through hole group G1 are located upstream of the gas flow in the Y axis direction (the direction of the flow of fuel gas FG in the fuel chamber 176) of any of the through holes 50 in the second through hole group G2.
Condition (3):
A virtual straight line VL passes through a point overlapping with the unit cell 110 as viewed in the Z-axis direction and is perpendicular to the direction of the flow of the fuel gas FG in the gas chamber (the fuel chamber 176 in the above embodiment), and one of the two regions is defined as the upstream side of the gas flow, and the other is defined as the downstream side of the gas flow. All of the through holes 50 included in the first through-hole group G1 are located in one of the two regions, and all of the through holes 50 included in the second through-hole group G2 are located in the other of the two regions. The virtual straight line VL may be a straight line passing through the center point of the unit cell 110 as viewed in the Z-axis direction.

図6に示すように、本実施形態では、第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50においては、貫通孔50内に燃料極116が充填されていない。換言すれば、燃料極116は、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50内に位置する部分を有していない。従って、燃料極116は、金属支持体180のうち、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50を画定する面には接合されていない。これに対し、図7に示すように、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50においては、貫通孔50の全体にわたって燃料極116が充填されている。燃料極116は、基部117に連なり、かつ、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50内のZ軸方向の全範囲に位置する部分(以下、「孔内部」という。)118を備え、当該孔内部118は、金属支持体180の当該貫通孔50を画定する面に接合されている。すなわち、燃料極116は、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50を画定する面に接合されている。 As shown in FIG. 6, in this embodiment, in each through hole 50 included in the first through hole group G1, the fuel electrode 116 is not filled in the through hole 50. In other words, the fuel electrode 116 does not have a portion located in the through hole 50 included in the first through hole group G1. Therefore, the fuel electrode 116 is not bonded to the surface of the metal support 180 that defines the through hole 50 included in the first through hole group G1. In contrast, as shown in FIG. 7, in each through hole 50 included in the second through hole group G2, the fuel electrode 116 is filled throughout the entire through hole 50. The fuel electrode 116 is connected to the base 117 and has a portion (hereinafter referred to as the "hole interior") 118 located throughout the entire range in the Z-axis direction in each through hole 50 included in the second through hole group G2, and the hole interior 118 is bonded to the surface of the metal support 180 that defines the through hole 50. That is, the fuel electrode 116 is bonded to the surface that defines each of the through holes 50 included in the second through hole group G2.

このことから、第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J1のZ軸方向の長さLJ1(本実施形態では、当該接合部J1は存在しないため、当該接合部J1の長さLJ1は0(零))は、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J2のZ軸方向の長さLJ2よりも短い、といえる。 From this, it can be said that the Z-axis length LJ1 of the joint J1 at which the fuel electrode 116 in each through hole 50 included in the first through hole group G1 is joined to the surface that defines the through hole 50 in the metal support 180 (in this embodiment, the joint J1 does not exist, so the length LJ1 of the joint J1 is 0 (zero)) is shorter than the Z-axis length LJ2 of the joint J2 at which the fuel electrode 116 in each through hole 50 included in the second through hole group G2 is joined to the surface that defines the through hole 50 in the metal support 180.

上述したように第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50内には燃料極116が充填されていないため、第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50においては、当該貫通孔50の全体において空間SPが形成されている。第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50においては、貫通孔50の全体にわたって燃料極116が充填されている。燃料室176に供給された反応ガス(燃料ガスFG)の多くは、第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50(空間SP)内を進行し、さらに燃料極116の基部117の空隙内を進行して、反応場に供給される。第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50(空間SP)内に進入せずに、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50側に進んだ反応ガスは、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50に充填された燃料極116の各孔内部118の空隙内を進行し、さらに燃料極116の基部117の空隙内を進行して、反応場に供給される。 As described above, since the fuel electrode 116 is not filled in each of the through holes 50 included in the first through hole group G1, a space SP is formed throughout the entire through hole 50 in each of the through holes 50 included in the first through hole group G1. The fuel electrode 116 is filled throughout the entire through hole 50 in each of the through holes 50 included in the second through hole group G2. Most of the reaction gas (fuel gas FG) supplied to the fuel chamber 176 advances through each of the through holes 50 (space SP) included in the first through hole group G1, and further advances through the gap in the base 117 of the fuel electrode 116 to be supplied to the reaction field. The reaction gas that does not enter the through holes 50 (space SP) included in the first through hole group G1 but proceeds to each of the through holes 50 included in the second through hole group G2 proceeds through the gaps in the interiors 118 of the fuel electrodes 116 filled in each of the through holes 50 included in the second through hole group G2, and further proceeds through the gaps in the base 117 of the fuel electrode 116, and is supplied to the reaction field.

なお、本実施形態では、単セル110のXY断面における各貫通孔50の形状は、円形である。各貫通孔50の径は、金属支持体180の上面S11における開口53の位置から下面S22における開口54の位置にわたって略一定である。また、複数の貫通孔50の径は、互いに略同一である。 In this embodiment, the shape of each through hole 50 in the XY cross section of the single cell 110 is circular. The diameter of each through hole 50 is approximately constant from the position of the opening 53 on the upper surface S11 of the metal support 180 to the position of the opening 54 on the lower surface S22. In addition, the diameters of the multiple through holes 50 are approximately the same.

このような構成の単セル110は、例えば以下の製造方法により製造することができる。まず、金属支持体180を構成する第1の金属部材181および第2の金属部材182を準備し、孔開け加工によって第1の金属部材181に各貫通孔50の第1の部分51を形成すると共に、第2の金属部材182に各貫通孔50の第2の部分52を形成する。次に、第1の金属部材181と第2の金属部材182とを、各第1の部分51が各第2の部分52と連通する(本実施形態では、かつ、Z軸方向視における第1の部分51の輪郭線と第2の部分52の輪郭線とが重なる)ように位置を合わせて、例えば溶接によって接合することにより、金属支持体180を作製する。 The single cell 110 having such a configuration can be manufactured, for example, by the following manufacturing method. First, the first metal member 181 and the second metal member 182 constituting the metal support 180 are prepared, and the first portion 51 of each through hole 50 is formed in the first metal member 181 by a hole drilling process, and the second portion 52 of each through hole 50 is formed in the second metal member 182. Next, the first metal member 181 and the second metal member 182 are aligned so that each first portion 51 communicates with each second portion 52 (in this embodiment, and the contour line of the first portion 51 and the contour line of the second portion 52 overlap when viewed in the Z-axis direction), and are joined by, for example, welding to produce the metal support 180.

次に、燃料極116の孔内部118および基部117のそれぞれを形成するためのペーストを調製する。そして、孔内部118を形成するためのペーストを、金属支持体180に形成された第2の貫通孔群G2を構成する各貫通孔50に充填する。その後、基部117を形成するためのペーストを、金属支持体180の上面S11に塗布することによって成膜する。なお、孔内部118を形成するためのペーストと基部117を形成するためのペーストとは、同一組成であってもよいし、互いに異なる組成であってもよい。 Next, pastes are prepared for forming the hole interior 118 and the base 117 of the fuel electrode 116. The paste for forming the hole interior 118 is then filled into each of the through holes 50 constituting the second through hole group G2 formed in the metal support 180. Thereafter, the paste for forming the base 117 is applied to the upper surface S11 of the metal support 180 to form a film. The paste for forming the hole interior 118 and the paste for forming the base 117 may have the same composition or may have different compositions.

次に、電解質層112を形成するためのペーストを調製し、燃料極116の基部117を形成するためのペーストの塗膜上に塗布することによって成膜する。このようにして作製された積層体を所定の温度で焼成することにより、電解質層112および燃料極116を形成し、金属支持体180と電解質層112と燃料極116との積層体を得る。次に、空気極114を形成するためのペーストを調製し、電解質層112上に塗布することによって成膜する。このようにして作製された積層体を所定の温度で焼成することにより、空気極114を形成し、上述した構成の単セル110を得る。 Next, a paste for forming the electrolyte layer 112 is prepared and applied onto the coating of the paste for forming the base 117 of the fuel electrode 116 to form a film. The laminate thus produced is fired at a predetermined temperature to form the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116, and a laminate of the metal support 180, the electrolyte layer 112, and the fuel electrode 116 is obtained. Next, a paste for forming the air electrode 114 is prepared and applied onto the electrolyte layer 112 to form a film. The laminate thus produced is fired at a predetermined temperature to form the air electrode 114, and a single cell 110 having the above-mentioned configuration is obtained.

A-4.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を構成する各単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んでZ軸方向に互いに対向する燃料極116および空気極114と、金属支持体180とを備える。金属支持体180は、燃料極116に対して電解質層112とは反対側に位置する部材である。金属支持体180は、Z軸方向視で燃料極116と重なる位置においてZ軸方向に貫通する複数の貫通孔50を有する。第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50において、金属支持体180の貫通孔50を画定する面に燃料極116が接合されている。第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J1のZ軸方向の長さLJ1は、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J2のZ軸方向の長さLJ2よりも短い。第1の貫通孔群G1と第2の貫通孔群G2とは、いずれも、複数の貫通孔50により構成される群である。
A-4. Advantages of this embodiment:
As described above, each unit cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of this embodiment includes an electrolyte layer 112, an anode 116 and an air electrode 114 which face each other in the Z-axis direction with the electrolyte layer 112 sandwiched therebetween, and a metal support 180. The metal support 180 is a member located on the opposite side of the electrolyte layer 112 with respect to the anode 116. The metal support 180 has a plurality of through holes 50 penetrating in the Z-axis direction at positions overlapping with the anode 116 as viewed in the Z-axis direction. In each of the through holes 50 included in the second through hole group G2, the anode 116 is joined to a surface of the metal support 180 which defines the through hole 50. A length LJ1 in the Z-axis direction of a joint J1 at which the anode 116 in each through hole 50 included in the first through hole group G1 is joined to a surface defining the through hole 50 of the metal support 180 is shorter than a length LJ2 in the Z-axis direction of a joint J2 at which the anode 116 in each through hole 50 included in the second through hole group G2 is joined to a surface defining the through hole 50 of the metal support 180. Both the first through hole group G1 and the second through hole group G2 are groups constituted by a plurality of through holes 50.

本実施形態の単セル110においては、上述したように、第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J1のZ軸方向の長さLJ1は、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J2のZ軸方向の長さLJ2よりも短い。そのため、本実施形態の単セル110によれば、第1の貫通孔群G1における接合部J1の長さLJ1と第2の貫通孔群G2における接合部J2の長さLJ2とが同等である構成と比較して、第1の貫通孔群G1における接合部J1の長さLJ1が短い分だけ、貫通孔50を通るガスの流通性を向上させることができ、これにより単セル110の発電性能を向上させることができる。 In the single cell 110 of this embodiment, as described above, the length LJ1 in the Z-axis direction of the joint J1 at which the fuel electrode 116 in each through hole 50 included in the first through hole group G1 is joined to the surface that defines the through hole 50 of the metal support 180 is shorter than the length LJ2 in the Z-axis direction of the joint J2 at which the fuel electrode 116 in each through hole 50 included in the second through hole group G2 is joined to the surface that defines the through hole 50 of the metal support 180. Therefore, according to the single cell 110 of this embodiment, compared to a configuration in which the length LJ1 of the joint J1 in the first through hole group G1 and the length LJ2 of the joint J2 in the second through hole group G2 are equivalent, the flowability of gas through the through hole 50 can be improved by the amount that the length LJ1 of the joint J1 in the first through hole group G1 is shorter, thereby improving the power generation performance of the single cell 110.

また、本実施形態の単セル110では、第2の貫通孔群G2に含まれる貫通孔50の個数は、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50の個数よりも少ない。そのため、本実施形態の単セル110によれば、これらの個数が同一である構成と比較して、貫通孔50におけるガスの流通性を向上させることができる。 In addition, in the single cell 110 of this embodiment, the number of through holes 50 included in the second through hole group G2 is smaller than the number of through holes 50 included in the first through hole group G1. Therefore, according to the single cell 110 of this embodiment, the gas flow through the through holes 50 can be improved compared to a configuration in which these numbers are the same.

また、本実施形態の燃料電池スタック100は、上述した単セル110と、燃料極116が面する燃料室176とをそれぞれ有し、Z軸方向に並べて配置された複数の発電単位102を備える。各発電単位102において、第1の貫通孔群G1は、第2の貫通孔群G2に対して、燃料室176における燃料ガスFGの流れの上流側に位置する。 The fuel cell stack 100 of this embodiment includes a plurality of power generating units 102 arranged in the Z-axis direction, each of which has the above-mentioned single cell 110 and a fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116. In each power generating unit 102, the first through-hole group G1 is located upstream of the flow of fuel gas FG in the fuel chamber 176 relative to the second through-hole group G2.

金属支持体180における貫通孔50の位置によって、その貫通孔50における上記接合部(J1,J2)の長さ(LJ1,LJ2)による単セル110の発電性能への影響度は異なる。すなわち、ある領域(例えば、燃料ガスFGの流れの上流側)に位置する貫通孔50における上記接合部(J1,J2)の長さ(LJ1,LJ2)は、他の領域(例えば、燃料ガスFGの流れの下流側)に位置する貫通孔50における上記接合部(J1,J2)の長さ(LJ1,LJ2)と比較して、単セル110の発電性能への影響度が大きい。 Depending on the position of the through hole 50 in the metal support 180, the impact of the length (LJ1, LJ2) of the joint (J1, J2) in the through hole 50 on the power generation performance of the single cell 110 varies. That is, the length (LJ1, LJ2) of the joint (J1, J2) in the through hole 50 located in a certain region (e.g., upstream of the flow of fuel gas FG) has a greater impact on the power generation performance of the single cell 110 than the length (LJ1, LJ2) of the joint (J1, J2) in the through hole 50 located in another region (e.g., downstream of the flow of fuel gas FG).

これに鑑み、本実施形態の燃料電池スタック100においては、上述したように、第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J1のZ軸方向の長さLJ1は、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J2のZ軸方向の長さLJ2よりも短い。上記接合部(J1,J2)の長さ(LJ1,LJ2)による単セル110の発電性能への影響度が比較的大きい領域(例えば、ガス流れの上流側)に第1の貫通孔群G1が位置し、かつ、当該影響度が比較的小さい領域(例えば、ガス流れの下流側)に、接合部J2の長さLJ2が比較的長い第2の貫通孔群G2が位置することにより、従来よりも効率的に、燃料極116と金属支持体180との接合強度と、単セル110の発電性能(ひいては、燃料電池スタック100の発電性能)との両方を確保することができる。 In view of this, in the fuel cell stack 100 of this embodiment, as described above, the Z-axis length LJ1 of the joint J1 at which the fuel electrode 116 in each through hole 50 included in the first through hole group G1 is joined to the surface defining the through hole 50 in the metal support 180 is shorter than the Z-axis length LJ2 of the joint J2 at which the fuel electrode 116 in each through hole 50 included in the second through hole group G2 is joined to the surface defining the through hole 50 in the metal support 180. The first through-hole group G1 is located in an area (e.g., the upstream side of the gas flow) where the length (LJ1, LJ2) of the joint (J1, J2) has a relatively large effect on the power generation performance of the unit cell 110, and the second through-hole group G2, in which the length LJ2 of the joint J2 is relatively long, is located in an area (e.g., the downstream side of the gas flow) where the effect is relatively small. This makes it possible to more efficiently ensure both the bond strength between the fuel electrode 116 and the metal support 180 and the power generation performance of the unit cell 110 (and thus the power generation performance of the fuel cell stack 100) than in the past.

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。
B. Variations:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the spirit of the invention. For example, the following modifications are also possible.

上記実施形態における燃料電池スタック100や単セル110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、金属支持体180に形成された各貫通孔50が、第1の部分51と第2の部分52とから構成されているが、貫通孔50の構成は、金属支持体180のZ軸方向の一方の面から他方の面まで貫通する限りにおいて、必ずしもこれに限られない。例えば、金属支持体180に形成された貫通孔50が、Z軸方向に直交する方向に延伸する部分を含んでいてもよい。 The configuration of the fuel cell stack 100 and the single cell 110 in the above embodiment is merely an example, and various modifications are possible. For example, in the above embodiment, each through hole 50 formed in the metal support 180 is composed of a first portion 51 and a second portion 52, but the configuration of the through hole 50 is not necessarily limited to this, so long as it penetrates from one surface of the metal support 180 in the Z-axis direction to the other surface. For example, the through hole 50 formed in the metal support 180 may include a portion that extends in a direction perpendicular to the Z-axis direction.

上記実施形態(または変形例、以下同様)では、単セル110のXY断面における金属支持体180の各貫通孔50形状は、円形であるが、円形以外の形状(例えば矩形)であってもよい。また、上記実施形態では、各貫通孔50の径は、金属支持体180の上面S11における開口53の位置から下面S22における開口54の位置にわたって略一定であるが、いずれかの位置で異なっていてもよい。また、上記実施形態では複数の貫通孔50の構成は同様であるが、いずれかの貫通孔の構成が他の貫通孔の構成と異なっていてもよい。例えば、複数の貫通孔50の径は、互いに略同一であるが、互いに異なっていてもよい。 In the above embodiment (or modified example, the same applies below), the shape of each through hole 50 of the metal support 180 in the XY cross section of the single cell 110 is circular, but it may be a shape other than circular (e.g., rectangular). Also, in the above embodiment, the diameter of each through hole 50 is approximately constant from the position of the opening 53 on the upper surface S11 of the metal support 180 to the position of the opening 54 on the lower surface S22, but it may be different at any position. Also, in the above embodiment, the configuration of the multiple through holes 50 is similar, but the configuration of any through hole may be different from the configuration of the other through holes. For example, the diameters of the multiple through holes 50 are approximately the same as each other, but they may be different from each other.

図9は、変形例における単セル110Aの詳細構成を示す説明図である。上記実施形態では、燃料極116は、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50内に位置する部分を備えず、金属支持体180のうち、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50を画定する面には接合されていないが、例えば図9に示す例のように、「第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J1のZ軸方向の長さLJ1は、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J2のZ軸方向の長さLJ2よりも短い」という条件(以下、「特定条件」という。)を満たす限りにおいて、燃料極116は、基部117に連なり、かつ、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50内に位置(より詳細には、貫通孔50のZ軸方向の一部のみに位置)する部分(以下、「孔内部」という。)118Aを備え、孔内部118Aが金属支持体180の貫通孔50を画定する面に接合されていてもよい。このような構成においても、上記の特定条件を満たすことにより、上記実施形態と同様に、第1の貫通孔群G1における接合部J1の長さLJ1が短い分だけ、貫通孔50を通るガスの流通性を向上させることができ、これにより単セル110Aの発電性能を向上させることができる。また、上記実施形態では、燃料極116は、第2の貫通孔群G2に含まれる貫通孔50内に位置する孔内部118は、Z軸方向の全範囲に位置するものであるが、貫通孔50のZ軸方向の一部のみに位置するものであってもよい。なお、燃料極116が金属支持体180の貫通孔50のZ軸方向の一部のみに位置する構成は、上述した製造方法において、金属支持体180の各貫通孔50の最下部の一部分(第2の部分52における下側の一部分)に例えば樹脂を充填しておくことにより、孔内部118Aを形成するためのペーストが当該孔内部118Aには充填されないようにすることにより実現(製造)できる。 9 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of a single cell 110A in a modified example. In the above embodiment, the fuel electrode 116 does not have a portion located within the through hole 50 included in the first through hole group G1, and is not joined to the surface of the metal support 180 that defines the through hole 50 included in the first through hole group G1. However, as in the example shown in FIG. 9, for example, "the length LJ1 in the Z-axis direction of the joint J1 at which the fuel electrode 116 in each through hole 50 included in the first through hole group G1 and the surface defining the through hole 50 of the metal support 180 are joined is longer than the length LJ1 of the fuel electrode 116 in each through hole 50 included in the second through hole group G2." As long as the condition (hereinafter referred to as the "specific condition") that the length LJ1 of the joint J1 in the first through-hole group G1 is shorter than the length LJ2 in the Z-axis direction of the joint J2 at which the joint J1 in the first through-hole group G1 is joined to the surface defining the through-hole 50 of the metal support 180 is satisfied, the fuel electrode 116 may have a portion (hereinafter referred to as the "hole interior") 118A that is connected to the base 117 and located within the through-hole 50 included in the first through-hole group G1 (more specifically, located in only a part of the through-hole 50 in the Z-axis direction), and the hole interior 118A may be joined to the surface defining the through-hole 50 of the metal support 180. Even in such a configuration, by satisfying the specific condition, the flowability of gas passing through the through-hole 50 can be improved by the amount that the length LJ1 of the joint J1 in the first through-hole group G1 is shorter, as in the above embodiment, and thus the power generation performance of the single cell 110A can be improved. In the above embodiment, the fuel electrode 116 is located in the through hole 50 included in the second through hole group G2, and the hole interior 118 is located in the entire range in the Z axis direction, but it may be located only in a part of the through hole 50 in the Z axis direction. The configuration in which the fuel electrode 116 is located only in a part of the through hole 50 in the metal support 180 in the Z axis direction can be realized (manufactured) by filling, for example, a part of the bottom of each through hole 50 of the metal support 180 (a part on the lower side of the second part 52) with resin in the above-mentioned manufacturing method, so that the paste for forming the hole interior 118A is not filled in the hole interior 118A.

燃料極116は、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50内に位置する部分118Aを備える構成において、燃料極116のうち、第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50内に位置する部分118Aの気孔率P1は、燃料極116のうち、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50内に位置する孔内部118の気孔率P2よりも大きい、構成を採用してもよい。この構成によれば、これらの気孔率(P1,P2)が同等である構成と比較して、第2の貫通孔群G2に含まれる貫通孔50におけるガスの流通性を向上させることができる。この例では、燃料極116のうち、第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50内に位置する部分118Aは、特許請求の範囲における第1の部分の一例であり、燃料極116のうち、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50内に位置する孔内部118は、特許請求の範囲における第2の部分の一例である。また、燃料極116のうち、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50内に位置する孔内部118の気孔率P2は、燃料極116のうち、第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50内に位置する部分118Aの気孔率P1よりも大きい、構成を採用してもよい。この構成においても、これらの気孔率(P1,P2)が同等である構成と比較して、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50におけるガスの流通性を向上させることができる。この例では、燃料極116のうち、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50内に位置する孔内部118は、特許請求の範囲における第1の部分の一例であり、燃料極116のうち、第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50内に位置する部分118Aは、特許請求の範囲における第2の部分の一例である。なお、燃料極116を構成する各部(118、118A)における気孔率(P1,P2)の測定は、例えば次のように行うことができる。まず、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて、燃料極116のうち、貫通孔50内に位置する部分の断面を、例えば1000倍~3000倍に拡大して観察し、観察される視野について、画像解析によって、気孔を含めた燃料極116の上記部分の合計面積と、気孔の合計面積とを算出する。そして、数式:(気孔の合計面積/(気孔を含めた燃料極116の上記部分の合計面積))×100(%)により、気孔率(P1,P2)を算出する。燃料極116を構成する各部(118、118A)における気孔率の調整は、例えば、各部を形成するペーストを調製する際に、造孔材の添加量を調整することにより、実現することができる。具体的には、当該ペーストを調製する際に、造孔材の添加量を多くするほど、気孔率は高くなる。 In a configuration in which the fuel electrode 116 includes a portion 118A located in the through hole 50 included in the first through hole group G1, the porosity P1 of the portion 118A located in each through hole 50 included in the first through hole group G1 of the fuel electrode 116 may be greater than the porosity P2 of the hole interior 118 located in each through hole 50 included in the second through hole group G2 of the fuel electrode 116. With this configuration, the gas flowability in the through hole 50 included in the second through hole group G2 can be improved compared to a configuration in which these porosities (P1, P2) are equivalent. In this example, the portion 118A of the fuel electrode 116 located in each through hole 50 included in the first through hole group G1 is an example of the first portion in the claims, and the hole interior 118 of the fuel electrode 116 located in each through hole 50 included in the second through hole group G2 is an example of the second portion in the claims. In addition, a configuration may be adopted in which the porosity P2 of the hole interior 118 located in each through hole 50 included in the second through hole group G2 of the anode 116 is larger than the porosity P1 of the portion 118A located in each through hole 50 included in the first through hole group G1 of the anode 116. In this configuration, the gas flowability in the through hole 50 included in the first through hole group G1 can be improved compared to a configuration in which these porosities (P1, P2) are equivalent. In this example, the hole interior 118 located in each through hole 50 included in the second through hole group G2 of the anode 116 is an example of the first portion in the claims, and the portion 118A located in each through hole 50 included in the first through hole group G1 of the anode 116 is an example of the second portion in the claims. The porosity (P1, P2) of each portion (118, 118A) constituting the anode 116 can be measured, for example, as follows. First, a cross section of the portion of the fuel electrode 116 located within the through hole 50 is observed, for example, at a magnification of 1000 to 3000 times using a SEM (scanning electron microscope), and the total area of the above portion of the fuel electrode 116 including the pores and the total area of the pores are calculated for the observed field of view by image analysis. Then, the porosity (P1, P2) is calculated using the formula: (total area of the pores/(total area of the above portion of the fuel electrode 116 including the pores)) x 100 (%). The porosity of each portion (118, 118A) constituting the fuel electrode 116 can be adjusted, for example, by adjusting the amount of pore-forming material added when preparing the paste that forms each portion. Specifically, the more the amount of pore-forming material added when preparing the paste, the higher the porosity.

上記実施形態では、上記の条件(1)から条件(3)までの全てを満たす構成であるが、上記の条件(1)から条件(3)までの1つまたは2つのみを満たす構成であってもよい。この構成においても、第1の貫通孔群G1は、第2の貫通孔群G2に対して、燃料室176における燃料ガスFGの流れの上流側に位置するといえ、これにより、従来よりも効率的に、燃料極116と金属支持体180との接合強度と、単セル110の発電性能(ひいては、燃料電池スタック100の発電性能)との両方を確保することができる。 In the above embodiment, the configuration satisfies all of the above conditions (1) to (3), but the configuration may also satisfy only one or two of the above conditions (1) to (3). Even in this configuration, the first through-hole group G1 is located upstream of the flow of fuel gas FG in the fuel chamber 176 relative to the second through-hole group G2, and this makes it possible to more efficiently ensure both the bonding strength between the fuel electrode 116 and the metal support 180 and the power generation performance of the single cell 110 (and thus the power generation performance of the fuel cell stack 100) than in the past.

金属支持体180に形成された複数の貫通孔50を第1の貫通孔群G1と第2の貫通孔群G2とに分ける際の選び方は、上記実施形態のものに限られず、種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、第1の貫通孔群G1は、第2の貫通孔群G2に対して、燃料室176における燃料ガスFGの流れの上流側(Y軸正方向側)に位置している構成であるが、このような位置関係ではない第1の貫通孔群G1および第2の貫通孔群G2を採用してもよい。また、上記実施形態では、第2の貫通孔群G2に含まれる貫通孔50の個数は、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50の個数よりも少ない構成であるが、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50の個数よりも多い構成(換言すれば、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50の個数は、第2の貫通孔群G2に含まれる貫通孔50の個数よりも少ない構成)であってもよい。この構成においても、第1の貫通孔群G1に含まれる貫通孔50の個数が第2の貫通孔群G2に含まれる貫通孔50の個数よりも少ないことにより、これらの個数が同一である構成と比較して、ガスの流通性を向上させることができる。また、上記実施形態では、第1の貫通孔群G1と第2の貫通孔群G2とはいずれも複数の貫通孔50により構成されているが、第1の貫通孔群G1と第2の貫通孔群G2との一方または両方が1つの貫通孔50のみにより構成されてもよい。 The method of selecting the plurality of through holes 50 formed in the metal support 180 to be divided into the first through hole group G1 and the second through hole group G2 is not limited to that of the above embodiment, and can be changed in various ways. For example, in the above embodiment, the first through hole group G1 is located upstream (positive Y-axis direction) of the flow of the fuel gas FG in the fuel chamber 176 with respect to the second through hole group G2, but the first through hole group G1 and the second through hole group G2 that are not in such a positional relationship may be adopted. Also, in the above embodiment, the number of through holes 50 included in the second through hole group G2 may be less than the number of through holes 50 included in the first through hole group G1, but may be more than the number of through holes 50 included in the first through hole group G1 (in other words, the number of through holes 50 included in the first through hole group G1 may be less than the number of through holes 50 included in the second through hole group G2). In this configuration, the number of through holes 50 included in the first through hole group G1 is smaller than the number of through holes 50 included in the second through hole group G2, so that the gas flow can be improved compared to a configuration in which the numbers of through holes 50 are the same. In addition, in the above embodiment, both the first through hole group G1 and the second through hole group G2 are composed of multiple through holes 50, but one or both of the first through hole group G1 and the second through hole group G2 may be composed of only one through hole 50.

上記実施形態では、金属支持体180が、Z軸方向に積層された第1の金属部材181および第2の金属部材182から構成されているが、金属支持体180の構成はこれに限られない。例えば、金属支持体180が、1枚の板状部材から構成されていてもよいし、Z軸方向に積層された3枚以上の板状部材から構成されていてもよい。また、金属支持体180がZ軸方向に積層された複数の板状部材から構成されている場合、各板状部材の厚さは互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。 In the above embodiment, the metal support 180 is composed of a first metal member 181 and a second metal member 182 stacked in the Z-axis direction, but the configuration of the metal support 180 is not limited to this. For example, the metal support 180 may be composed of one plate-shaped member, or may be composed of three or more plate-shaped members stacked in the Z-axis direction. Furthermore, when the metal support 180 is composed of multiple plate-shaped members stacked in the Z-axis direction, the thicknesses of the plate-shaped members may be the same as each other or may be different from each other.

上記実施形態では、単セル110は、燃料極116に対して電解質層112とは反対側に位置する金属支持体180を備え、かつ、上記の特定条件(第1の貫通孔群G1に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J1のZ軸方向の長さLJ1は、第2の貫通孔群G2に含まれる各貫通孔50における燃料極116と金属支持体180の貫通孔50を画定する面とが接合される接合部J2のZ軸方向の長さLJ2よりも短い)を満たす。このような金属支持体180に換えて、または加えて、後述する空気極側金属支持体を備える構成を採用してもよい。すなわち、単セル110は、空気極114に対して電解質層112とは反対側に位置する金属支持体(以下、「空気極側金属支持体」という。)を備え、かつ、上記の特定条件と同様の条件を満たす構成を採用してもよい。このような構成においては、空気極側金属支持体の貫通孔を通るガスの流通性を向上させることができ、これにより単セル110の発電性能を向上させることができる。なお、このような構成において、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。 In the above embodiment, the single cell 110 includes a metal support 180 located on the opposite side of the electrolyte layer 112 with respect to the fuel electrode 116, and satisfies the above specific condition (the length LJ1 in the Z-axis direction of the joint J1 at which the fuel electrode 116 in each through hole 50 included in the first through hole group G1 is joined to the surface defining the through hole 50 of the metal support 180 is shorter than the length LJ2 in the Z-axis direction of the joint J2 at which the fuel electrode 116 in each through hole 50 included in the second through hole group G2 is joined to the surface defining the through hole 50 of the metal support 180). Instead of or in addition to such a metal support 180, a configuration including an air electrode side metal support described later may be adopted. That is, the single cell 110 may include a metal support (hereinafter referred to as the "air electrode side metal support") located on the opposite side of the electrolyte layer 112 with respect to the air electrode 114, and may adopt a configuration that satisfies the same conditions as the above specific condition. In such a configuration, the gas flow through the through holes of the air electrode side metal support can be improved, thereby improving the power generation performance of the single cell 110. In this configuration, the air electrode 114 is an example of a specific electrode in the scope of the claims.

上記実施形態において、単セル110の空気極114と電解質層112との間に、空気極114から拡散した元素(例えば、Sr)が電解質層112に含まれる元素(例えば、Zr)と反応して高抵抗な物質(例えば、SrZrO)が生成されることを抑制する反応防止層が配置されるとしてもよい。反応防止層は、例えば、セリア系のイオン伝導体材料により形成される。 In the above embodiment, a reaction prevention layer may be disposed between the air electrode 114 and the electrolyte layer 112 of the single cell 110 to prevent an element (e.g., Sr) diffused from the air electrode 114 from reacting with an element (e.g., Zr) contained in the electrolyte layer 112 to generate a highly resistive substance (e.g., SrZrO 3 ). The reaction prevention layer is formed, for example, from a ceria-based ion conductor material.

上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック100に含まれる全ての単セル110において、上述した構成が実現されている必要はなく、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において、上述した構成が実現されていればよい。例えば、上記実施形態では各単セル110が備える金属支持体180の構成は同様であるが、いずれかの単セルが備える金属支持体の構成が異なっていてもよい。また、上記実施形態では各単セル110が備える燃料極116の構成は同様であるが、いずれかの単セルが備える燃料極の構成が異なっていてもよい。 In the above embodiment, the above-mentioned configuration does not necessarily need to be realized in all of the unit cells 110 included in the fuel cell stack 100, but it is sufficient that the above-mentioned configuration is realized in at least one unit cell 110 included in the fuel cell stack 100. For example, in the above embodiment, the configuration of the metal support 180 provided in each unit cell 110 is the same, but the configuration of the metal support provided in any unit cell may be different. Also, in the above embodiment, the configuration of the fuel electrode 116 provided in each unit cell 110 is the same, but the configuration of the fuel electrode provided in any unit cell may be different.

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、上記実施形態における単セル110の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。 The materials constituting each component in the above embodiment are merely examples, and each component may be composed of other materials. Furthermore, the manufacturing method of the unit cell 110 in the above embodiment is merely an example, and various modifications are possible.

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固体酸化物形燃料電池(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および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、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単セルにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用することにより、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。 In the above embodiment, the subject is a solid oxide fuel cell (SOFC) that generates electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen contained in a fuel gas and oxygen contained in an oxidant gas. However, the technology disclosed in this specification can also be applied to an electrolysis cell stack including a plurality of electrolysis cell units, which are constituent units of a solid oxide electrolysis cell (SOEC) that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water. The configuration of the electrolysis cell stack is publicly known, for example, as described in JP 2016-81813 A, and will not be described in detail here, but it is generally similar to the configuration of the fuel cell stack 100 in the above embodiment. That is, the fuel cell stack 100 in the above embodiment may be read as an electrolysis cell stack, the power generation unit 102 as an electrolysis cell unit, and the single cell 110 as an electrolysis single cell. However, when the electrolysis cell stack is operated, a voltage is applied between the electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode), and water vapor is supplied as a raw material gas through the through hole 108. As a result, a water electrolysis reaction occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is extracted to the outside of the electrolysis cell stack through the through hole 108. By adopting a configuration similar to that of the above embodiment, an electrolysis single cell having such a configuration can achieve the same effects as the above embodiment.

上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本明細書に開示される技術は、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。 In the above embodiment, a solid oxide fuel cell (SOFC) is used as an example, but the technology disclosed in this specification can also be applied to other types of fuel cells (or electrolytic cells), such as a molten carbonate fuel cell (MCFC).

22(22A~22E): 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 50:貫通孔 51:第1の部分 52:第2の部分 53:開口 54:開口 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:貫通孔 110:単セル 110A:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 117:基部 118:孔内部 118A:孔内部 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム部材 131:孔 132:空気極側ガス供給連通流路 133:空気極側ガス排出連通流路 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム部材 141:孔 142:燃料極側ガス供給連通流路 143:燃料極側ガス排出連通流路 144:燃料極側集電体 145:集電体要素 150:インターコネクタ 161:空気極側ガス供給マニホールド 162:空気極側ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料極側ガス供給マニホールド 172:燃料極側ガス排出マニホールド 176:燃料室 180:金属支持体 181:第1の金属部材 182:第2の金属部材 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス G1:第1の貫通孔群 G2:第2の貫通孔群 J1:接合部 J2:接合部 LJ1:長さ LJ2:長さ OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス P1:気孔率 P2:気孔率 S11:上面 S12:下面 S21:上面 S22:下面 SP:空間 22 (22A to 22E): Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branching portion 50: Through hole 51: First portion 52: Second portion 53: Opening 54: Opening 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Through hole 110: Single cell 110A: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 117: Base 118: Inside hole 118A: Inside hole 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130: Air electrode side frame member 131: Hole 132: Air electrode side gas supply communication channel 133: Air electrode side gas exhaust communication channel 134: Air electrode side current collector 135: current collector element 140: fuel electrode side frame member 141: hole 142: fuel electrode side gas supply communication channel 143: fuel electrode side gas exhaust communication channel 144: fuel electrode side current collector 145: current collector element 150: interconnector 161: air electrode side gas supply manifold 162: air electrode side gas exhaust manifold 166: air chamber 171: fuel electrode side gas supply manifold 172: fuel electrode side gas exhaust manifold 176: fuel chamber 180: metal support 181: first metal member 182: second metal member FG: fuel gas FOG: fuel off-gas G1: first through-hole group G2: second through-hole group J1: joint J2: joint LJ1: length LJ2: length OG: oxidant gas OOG: oxidant off-gas P1: Porosity P2: Porosity S11: Top surface S12: Bottom surface S21: Top surface S22: Bottom surface SP: Space

Claims (5)

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燃料極および空気極と、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記第1の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第1の方向に貫通する複数の貫通孔を有しており、かつ、前記複数の貫通孔の少なくとも1つにおいて、前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面に前記特定電極が接合されている金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記複数の貫通孔を、1つまたは複数の前記貫通孔により構成される第1の貫通孔群と、1つまたは複数の前記貫通孔により構成される第2の貫通孔群とに分けたときに、
前記第1の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第1の方向の長さは、前記第2の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第1の方向の長さよりも短く、
前記第1の貫通孔群と、前記第2の貫通孔群とが、互いに異なる領域に配置されていることを特徴とする電気化学反応単セル。
An electrolyte layer;
a fuel electrode and a cathode facing each other in a first direction with the electrolyte layer therebetween;
an electrochemical reaction unit cell comprising: a metal support positioned on the opposite side of the electrolyte layer with respect to a specific electrode, which is one of the fuel electrode and the air electrode, the metal support having a plurality of through holes penetrating in the first direction at a position overlapping with the specific electrode when viewed in the first direction, and the specific electrode being joined to a surface of the metal support that defines the through hole in at least one of the plurality of through holes;
When the plurality of through holes are divided into a first through hole group consisting of one or more of the through holes and a second through hole group consisting of one or more of the through holes,
a length in the first direction of a joint portion at which the specific electrode in the through hole included in the first through hole group is joined to a surface of the metal support that defines the through hole is shorter than a length in the first direction of a joint portion at which the specific electrode in the through hole included in the second through hole group is joined to a surface of the metal support that defines the through hole ,
The electrochemical reaction unit cell , wherein the first group of through holes and the second group of through holes are arranged in different regions.
請求項1に記載の電気化学反応単セルであって、
前記第2の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数は、前記第1の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数よりも少ない、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
2. The electrochemical reaction unit cell according to claim 1,
the number of the through holes included in the second through hole group is smaller than the number of the through holes included in the first through hole group;
Electrochemical reaction unit cell.
請求項1に記載の電気化学反応単セルであって、
前記第1の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数は、前記第2の貫通孔群に含まれる前記貫通孔の個数よりも少ない、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
2. The electrochemical reaction unit cell according to claim 1,
the number of the through holes included in the first through hole group is smaller than the number of the through holes included in the second through hole group;
Electrochemical reaction unit cell.
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燃料極および空気極と、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記第1の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第1の方向に貫通する複数の貫通孔を有しており、かつ、前記複数の貫通孔の少なくとも1つにおいて、前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面に前記特定電極が接合されている金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記複数の貫通孔を、1つまたは複数の前記貫通孔により構成される第1の貫通孔群と、1つまたは複数の前記貫通孔により構成される第2の貫通孔群とに分けたときに、
前記第1の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第1の方向の長さは、前記第2の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第1の方向の長さよりも短く、
前記特定電極のうち、前記第1の貫通孔群と前記第2の貫通孔群との一方に含まれる前記貫通孔内に位置する第1の部分の気孔率は、前記特定電極のうち、前記第1の貫通孔群と前記第2の貫通孔群との他方に含まれる前記貫通孔内に位置する第2の部分の気孔率よりも大きい、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
An electrolyte layer;
a fuel electrode and a cathode facing each other in a first direction with the electrolyte layer therebetween;
an electrochemical reaction unit cell comprising: a metal support positioned on the opposite side of the electrolyte layer with respect to a specific electrode, which is one of the fuel electrode and the air electrode, the metal support having a plurality of through holes penetrating in the first direction at a position overlapping with the specific electrode when viewed in the first direction, and the specific electrode being joined to a surface of the metal support that defines the through hole in at least one of the plurality of through holes;
When the plurality of through holes are divided into a first through hole group consisting of one or more of the through holes and a second through hole group consisting of one or more of the through holes,
a length in the first direction of a joint portion at which the specific electrode in the through hole included in the first through hole group is joined to a surface of the metal support that defines the through hole is shorter than a length in the first direction of a joint portion at which the specific electrode in the through hole included in the second through hole group is joined to a surface of the metal support that defines the through hole,
a porosity of a first portion of the specific electrode located within the through hole included in one of the first through hole group and the second through hole group is greater than a porosity of a second portion of the specific electrode located within the through hole included in the other of the first through hole group and the second through hole group;
Electrochemical reaction unit cell.
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燃料極および空気極と、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記第1の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第1の方向に貫通する複数の貫通孔を有しており、かつ、前記複数の貫通孔の少なくとも1つにおいて、前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面に前記特定電極が接合されている金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記複数の貫通孔を、1つまたは複数の前記貫通孔により構成される第1の貫通孔群と、1つまたは複数の前記貫通孔により構成される第2の貫通孔群とに分けたときに、
前記第1の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第1の方向の長さは、前記第2の貫通孔群に含まれる前記貫通孔における前記特定電極と前記金属支持体の前記貫通孔を画定する面とが接合される接合部の前記第1の方向の長さよりも短い電気化学反応単セルと、前記特定電極が面するガス室とをそれぞれ有し、前記第1の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックであって、
少なくとも1つの前記電気化学反応単位において、前記第1の貫通孔群は、前記第2の貫通孔群に対して、前記ガス室におけるガス流れの上流側に位置する、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。
An electrolyte layer;
a fuel electrode and a cathode facing each other in a first direction with the electrolyte layer therebetween;
an electrochemical reaction unit cell comprising: a metal support positioned on the opposite side of the electrolyte layer with respect to a specific electrode, which is one of the fuel electrode and the air electrode, the metal support having a plurality of through holes penetrating in the first direction at a position overlapping with the specific electrode when viewed in the first direction, and the specific electrode being joined to a surface of the metal support that defines the through hole in at least one of the plurality of through holes;
When the plurality of through holes are divided into a first through hole group consisting of one or more of the through holes and a second through hole group consisting of one or more of the through holes,
an electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction units arranged side by side in the first direction, each of which has an electrochemical reaction unit cell and a gas chamber facing the specific electrode, the electrochemical reaction unit cell having a length in the first direction of a joint portion at which the specific electrode in the through hole included in the first through hole group and a surface of the metal support that defines the through hole being joined, the length in the first direction of a joint portion at which the specific electrode in the through hole included in the second through hole group and a surface of the metal support that defines the through hole being joined, the length in the first direction of a joint portion being shorter than a length in the first direction of a joint portion at which the specific electrode in the through hole included in the second through hole group and a surface of the metal support that defines the through hole being joined,
In at least one of the electrochemical reaction units, the first through-hole group is located upstream of the gas flow in the gas chamber with respect to the second through-hole group.
Electrochemical reaction cell stack comprising:
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