JP2018206586A - 電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接触抵抗の増大に起因する電気化学反応単位の性能低下の抑制と、ガス拡散抵抗の増大に起因する電気化学反応単位の性能低下の抑制とを効果的に両立させる。【解決手段】電気化学反応単位は、単セルと、空気極と燃料極との一方である特定電極の表面に対向する複数の凸部を有する導電性の集電体と、複数の凸部のそれぞれについて設けられ、凸部の表面と特定電極の表面とを接合する導電性の接合材とを備える。（ａ）接合材は、凸部の底面部分と、凸部の側面部分における底面部分に隣接した少なくとも一部の領域とに接し、（ｂ）第１の方向に直交する第２の方向において、接合材の最大幅は、凸部の内の接合材に接する部分の最大幅より大きく、かつ、（ｃ）接合材と特定電極の表面との接触角は鈍角である。【選択図】図５

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の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発電単位（以下、「発電単位」という）は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という）を備える。単セルは、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２つの電極（空気極および燃料極）とを備える。

また、発電単位は、空気極と燃料極との一方（以下、「特定電極」という）の表面に対向する複数の凸部を有する導電性の集電体を備える。集電体は、単セルにおける発電反応によって生じる電力を取り出すための部材である。発電単位は、さらに、集電体の複数の凸部のそれぞれについて設けられ、凸部の表面と特定電極の表面とを接合する導電性の接合材を備える（例えば、特許文献１参照）。集電体の各凸部と特定電極とは、接合材を介して、互いに接合されると共に、互いに電気的に接続される。

特開２０１５−１２２２２５号公報

上記従来の構成において、集電体の凸部と接合材との間の導電経路が十分に確保されないと、接触抵抗が増大して反応単位の性能が低下するおそれがある。また、上記従来の構成において、特定電極の表面における接合材によって覆われる領域が大きいと、ガス拡散抵抗が増大して反応単位の性能が低下するおそれがある。上記従来の構成では、接触抵抗の増大に起因する反応単位の性能低下の抑制と、ガス拡散抵抗の増大に起因する反応単位の性能低下の抑制との両立の点で、向上の余地がある。

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セル単位にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて、電気化学反応単位と呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応単位にも共通の課題である。

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本明細書に開示される電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極の表面に対向する複数の凸部を有する導電性の集電体であって、前記凸部の表面は、前記凸部の表面上の各点における仮想的な接平面と前記特定電極の表面とのなす角が４５度以上である各点により構成される側面部分と、前記側面部分によって囲まれ、前記なす角が４５度未満である各点により構成される底面部分と、を含む、前記集電体と、前記複数の凸部のそれぞれについて設けられ、前記凸部の表面と前記特定電極の表面とを接合する導電性の接合材と、を備える電気化学反応単位において、少なくとも１つの前記凸部について設けられた前記接合材について、（ａ）前記接合材は、前記凸部の前記底面部分と、前記凸部の前記側面部分における前記底面部分に隣接した少なくとも一部の領域と、に接し、（ｂ）前記第１の方向に直交する第２の方向において、前記接合材の最大幅は、前記凸部の内の前記接合材に接する部分の最大幅より大きく、かつ、（ｃ）前記接合材と前記特定電極の表面との接触角は、鈍角である。本電気化学反応単位によれば、接合材が、集電体の凸部の底面部分に加えて、凸部の側面部分における少なくとも一部の領域にも接しており（上記要件（ａ））、かつ、接合材の最大幅が集電体の凸部の最大幅より大きいため（上記要件（ｂ））、集電体の凸部と接合材との間の導電経路を十分に確保することができ、その結果、接触抵抗の増大による電気化学反応単位の性能低下を抑制することができる。また、本電気化学反応単位によれば、接合材と特定電極の表面との接触角が鈍角であるため（上記要件（ｃ））、上記要件（ａ）および（ｂ）を満たす構成を採用しても、特定電極の表面において接合材により覆われる領域を小さくすることができ、その結果、ガス拡散抵抗の増大による電気化学反応単位の性能低下を抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、接触抵抗の増大に起因する電気化学反応単位の性能低下の抑制と、ガス拡散抵抗の増大に起因する電気化学反応単位の性能低下の抑制とを効果的に両立させることができる。

（２）上記電気化学反応単位において、前記接合材と前記特定電極の表面との接触角は、１１０度以上、１６０度以下である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、集電体の凸部と接合材との間の導電経路の確保と、特定電極の表面において接合材により覆われる領域面積の低減とをバランスよく両立させることができ、電気化学反応単位の性能低下を効果的に抑制することができる。

（３）上記電気化学反応単位において、前記第１の方向において、前記特定電極の表面に面するガス室の高さｔ２に対する、前記特定電極の表面から前記接合材の前記最大幅の位置までの距離ｔ１の比（ｔ１／ｔ２）は、０．０２以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位では、上記比（ｔ１／ｔ２）が０．０２以上とある程度大きいことから、接合材における幅が最大の部分が特定電極の表面からある程度離れていることとなるため、接合材によって特定電極の表面付近のガス流れが阻害されることを抑制することができ、ガス拡散抵抗の増大による電気化学反応単位の性能低下を効果的に抑制することができる。

（４）上記電気化学反応単位において、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、接触抵抗の増大に起因する電気化学反応単位の発電性能低下の抑制と、ガス拡散抵抗の増大に起因する電気化学反応単位の発電性能低下の抑制とを効果的に両立させることができる。

（５）本明細書に開示される電気化学反応単位の製造方法は、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空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極の表面に対向する複数の凸部を有する導電性の集電体であって、前記凸部の表面は、前記凸部の表面上の各点における仮想的な接平面と前記特定電極の表面とのなす角が４５度以上である各点により構成される側面部分と、前記側面部分により囲まれ、前記なす角が４５度未満である各点により構成される底面部分と、を含む、前記集電体と、前記複数の凸部のそれぞれについて設けられ、前記凸部の表面と前記特定電極の表面とを接合する導電性の接合材と、を備える電気化学反応単位の製造方法において、前記集電体の各前記凸部の表面の内の少なくとも前記底面部分に、前記接合材用のペーストを塗布する第１の工程と、前記第１の工程の後、前記ペーストの温度を上昇させる処理を行うことなく、前記第１の方向に前記集電体と前記電気化学反応単セルとを相対移動させることによって前記ペーストが前記特定電極の表面に接触した特定状態を形成する第２の工程と、前記第２の工程の後、所定の時間、前記特定状態を維持する第３の工程と、前記第３の工程の後、前記ペーストの温度を上昇させる処理を行うことによって前記接合材を形成する第４の工程と、を備える。本電気化学反応単位の製造方法によれば、第２の工程においてペーストの温度を上昇させる処理が行われないため、第１の工程における塗布時からのペーストの粘度の変化（加熱による粘度の低下や乾燥による粘度の上昇）が抑制される。塗布時からのペーストの粘度の低下が抑制されることにより、ペーストの形状の意図しない変化（第１の方向に直交する方向（面方向）への過度の広がり）が抑制される。また、塗布時からのペーストの粘度の上昇が抑制されることにより、ペーストと凸部の表面（特に、側面部分）との間の接触不良の発生が抑制される。また、本電気化学反応単位の製造方法によれば、第２の工程の後、所定の時間、ペーストが特定電極の表面に接触した特定状態を維持する第３の工程が行われるため、ペーストの内、特定電極の表面付近の部分では、ペースト中の溶剤分が比較的多孔質な特定電極内に浸透することによって粘度がさらに高くなり、その結果、ペーストの面方向への広がりが効果的に抑制される。一方、ペーストの内、集電体の凸部付近の部分では、粘度が概ね維持されるため、集電体の凸部の底面部分から側面部分に向けてペーストが良好に広がる。その後、ペーストの温度を上昇させることによって接合材を形成する第４の工程が行われることにより、特定電極の表面付近においては面方向への広がりが抑制され、集電体の凸部付近においては凸部の底面部分から側面部分に向けて広がった形状の接合材が形成される。すなわち、形成される接合材は、上述した要件（ａ）〜（ｃ）を満たすものとなる。このように、本電気化学反応単位の製造方法によれば、上述した要件（ａ）〜（ｃ）を満たす接合材を備える電気化学反応単位を製造することができる。そのため、本電気化学反応単位の製造方法によれば、接触抵抗の増大に起因する性能低下の抑制と、ガス拡散抵抗の増大に起因する性能低下の抑制とを効果的に両立させることができる電気化学反応単位を製造することができる。

（６）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、前記第１の方向に並べて配列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において、前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、上記電気化学反応単位である。本電気化学反応セルスタックによれば、接触抵抗の増大に起因する電気化学反応単位の性能低下の抑制と、ガス拡散抵抗の増大に起因する電気化学反応単位の性能低下の抑制とを効果的に両立させることができる。

（７）上記電気化学反応単位の製造方法において、前記第１の工程は、６０Ｐａ・ｓ以上、１５０Ｐａ・ｓ以下の前記ペーストを塗布する工程である構成としてもよい。本電気化学反応単位の製造方法によれば、第１の工程において塗布されるペーストの粘度を６０Ｐａ・ｓ以上とすることにより、その後の工程においてペーストの形状の意図しない変化（面方向への過度の広がり）を効果的に抑制することができる。また、第１の工程において塗布されるペーストの粘度を１５０Ｐａ・ｓ以下とすることにより、集電体の凸部に対して円滑にペーストを塗布することができる。

（８）上記電気化学反応単位の製造方法において、前記第１の工程は、前記ペーストを２０μｍ以上、５０μｍ以下の厚さで塗布する工程であることを特徴とする構成としてもよい。本電気化学反応単位の製造方法によれば、第１の工程において塗布されるペーストの厚さを２０μｍ以上とすることにより、第２の工程においてペーストが特定電極の表面に接触した状態を形成する際に、各部材の寸法バラツキをペーストによって吸収することができ、接合材による確実な接合および電気的接続を実現することができる。また、第１の工程において塗布されるペーストの厚さを５０μｍ以下とすることにより、ペーストから形成される接合材の面方向における幅が過大となってガス拡散抵抗が増大すること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、電気化学反応単位（燃料電池発電単位または電解セル単位）、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（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。

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る。 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る。 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。 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る。 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のＶＩ−ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図４のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 第１の比較例における発電単位１０２Ｘの構成を示す説明図である。 第２の比較例における発電単位１０２Ｙの構成を示す説明図である。 本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法の一例を示すフローチャートである。 本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法の内の発電単位１０２の製造方法の概要を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、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（および後述する図６，７）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（および後述する図６，７）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。

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（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、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、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５の上部には、発電単位１０２の一部分のＹＺ断面構成が拡大して示されている。また、図６は、図４のＶＩ−ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４のＶＩＩ−ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ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、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレス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の上下方向（第１の方向）の一方側（下側）に配置された燃料極（アノード）１１６と、電解質層１１２の上下方向の他方側（上側）に配置された空気極（カソード)１１４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で単セル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方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層１１２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。すなわち、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

空気極１１４は、Ｚ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、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）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。

燃料極１１６は、Ｚ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、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。

中間層１８０は、略矩形の平板形状部材であり、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）を含むように形成されている。中間層１８０は、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_３）が生成されることを抑制する。

セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。

図４〜６に示すように、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。

図４，５，７に示すように、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。

図４，５，７に示すように、燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、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。

図４〜６に示すように、空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。

なお、空気極側集電体１３４を構成する２つの隣り合う集電体要素１３５の間の空間は、酸化剤ガスＯＧが流れるガス流路として機能する。図６に示すように、本実施形態では、各集電体要素１３５は、軸方向（長手方向）がＸ軸方向に略一致する向きで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に並ぶように配置されている。そのため、酸化剤ガスＯＧが流れるガス流路は、Ｚ軸方向視でＸ軸方向およびＹ軸方向に格子状に延びるような形状となっている。

また、本実施形態では、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形状の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形状の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。

また、図４および図５に示すように、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）の表面は、導電性のコート１３６によって覆われている。コート１３６は、例えば、スピネル型酸化物（例えば、Ｍｎ_１．５Ｃｏ_１．５Ｏ_４やＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎＣｏＯ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４）により形成されている。空気極側集電体１３４の表面へのコート１３６の形成は、例えば、スプレーコート、インクジェット印刷、スピンコート、ディップコート、めっき、スパッタリング、溶射等の周知の方法で実行される。なお、上述したように、本実施形態では、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）とインターコネクタ１５０とが一体の部材として形成されているため、実際には、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）の表面の内、インターコネクタ１５０との境界面はコート１３６により覆われていない一方、インターコネクタ１５０の表面の内、少なくとも酸化剤ガスＯＧが流れるガス流路に面する表面（例えば、インターコネクタ１５０における空気極１１４側の表面）はコート１３６により覆われている。また、空気極側集電体１３４等に対する熱処理によって酸化クロムの被膜ができることがあるが、その場合には、コート１３６は、当該被膜ではなく、当該被膜が形成された空気極側集電体１３４を覆うように形成された層である。以下の説明では、特記しない限り、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）は「コート１３６に覆われた空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）」を意味する。なお、図６では、コート１３６の図示を省略している。

また、図４および図５に示すように、空気極１１４と空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）とは、導電性を有する接合材１３８により接合されている。接合材１３８は、例えば、スピネル型酸化物（例えば、Ｍｎ_１．５Ｃｏ_１．５Ｏ_４やＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎＣｏＯ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４）やペロブスカイト型酸化物（例えば、ＬＳＣＦ）により形成されている。本実施形態では、一の集電体要素１３５と空気極１１４とを接合する接合材１３８と、他の集電体要素１３５と空気極１１４とを接合する接合材１３８とは、互いに独立している。接合材１３８により、空気極１１４と空気極側集電体１３４とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体１３４は空気極１１４の表面と接触していると説明したが、正確には、空気極側集電体１３４と空気極１１４との間には接合材１３８が介在している。接合材１３８の構成については、後にさらに詳述する。

図５に示すように、上述した構成において、インターコネクタ１５０と空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）との一体部材と、コート１３６とを１つの部材（以下、「集電体１９０」という）と捉えると、該集電体１９０の内、コート１３６に覆われた集電体要素１３５により構成される複数の部分（以下、「凸部１９２」という）は、コート１３６に覆われたインターコネクタ１５０から構成される部分から空気極１１４側に突出している。また、該複数の凸部１９２のそれぞれは、空気極１１４における上側の表面に対向している。すなわち、集電体１９０は、空気極１１４における上側の表面に対向する複数の凸部１９２を有する。また、接合材１３８は、集電体１９０が備える複数の凸部１９２のそれぞれについて設けられ、凸部１９２の表面と空気極１１４の表面とを接合している。本実施形態における集電体１９０は、特許請求の範囲における集電体に相当し、本実施形態における凸部１９２は、特許請求の範囲における凸部に相当し、本実施形態における空気極１１４は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３および図５に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は接合材１３８を介して集電体１９０（インターコネクタ１５０、空気極側集電体１３４およびコート１３６の集合体）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．接合材１３８の詳細構成：
次に、接合材１３８の詳細構成について説明する。図５に示すように、接合材１３８は、集電体１９０の凸部１９２の表面１９４の内、底面部分１９５の全域に接すると共に、側面部分１９６における底面部分１９５に隣接した一部の領域にも接している。ここで、側面部分１９６とは、集電体１９０の凸部１９２の表面１９４上の各点における仮想的な接平面ＴＰと空気極１１４の表面とのなす角θ２（ただし、０度≦θ２≦９０度）が４５度以上である各点により構成される部分である。また、底面部分１９５とは、集電体１９０の凸部１９２の表面１９４の内、側面部分１９６によって囲まれ、かつ、上記なす角θ２が４５度未満である各点により構成される部分である。なお、図５には、側面部分１９６と底面部分１９５との境界の位置における接平面ＴＰ（すなわち、上記なす角θ２が４５度となる接平面ＴＰ）が示されている。

また、本実施形態では、Ｚ軸方向に直交する方向（例えばＹ方向であり、以下「面方向」という）において、接合材１３８の最大幅Ｗ１は、集電体１９０の凸部１９２の内の接合材１３８に接する部分の最大幅Ｗ２より大きい。なお、面方向は、特許請求の範囲における第２の方向に相当する。

また、本実施形態では、接合材１３８と空気極１１４の表面との接触角θ１（ただし、０度≦θ１≦１８０度）は、鈍角である。より詳細には、接合材１３８と空気極１１４の表面との接触角θ１は、１１０度以上、１６０度以下である。なお、接合材１３８と空気極１１４の表面との接触角θ１は、例えば、ＪＩＳ Ｒ３２５７に準拠して特定することができる。

また、本実施形態では、Ｚ軸方向において、空気極１１４の表面に面するガス室である空気室１６６の高さｔ２に対する、空気極１１４の表面から接合材１３８の最大幅Ｗ１の位置Ｐ１までの距離ｔ１の比（ｔ１／ｔ２）は、０．０２以上である。なお、上記比（ｔ１／ｔ２）は、０．１以下であることが好ましい。また、距離ｔ１は、例えば１０μｍ以上、５０μｍ以下であることが好ましく、高さｔ２は、例えば５００μｍ以上、７００μｍ以下であることが好ましい。

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を構成する各発電単位１０２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、を含む単セル１１０と、空気極１１４の表面に対向する複数の凸部１９２を有する導電性の集電体１９０と、複数の凸部１９２のそれぞれについて設けられ、凸部１９２の表面と空気極１１４の表面とを接合する導電性の接合材１３８とを備える。また、本実施形態の発電単位１０２では、各凸部１９２について設けられた接合材１３８が、以下の要件（ａ）、（ｂ）、および、（ｃ）を満たしている。
（ａ）接合材１３８は、凸部１９２の底面部分１９５と、凸部１９２の側面部分１９６における底面部分１９５に隣接した一部の領域と、に接する。
（ｂ）Ｚ軸方向に直交する方向（面方向）において、接合材１３８の最大幅Ｗ１は、凸部１９２の内の接合材１３８に接する部分の最大幅Ｗ２より大きい。
（ｃ）接合材１３８と空気極１１４の表面との接触角θ１は、鈍角である。

本実施形態の発電単位１０２は、上記構成を有しているため、以下に説明するように、接触抵抗の増大に起因する発電単位１０２の性能低下の抑制と、ガス拡散抵抗の増大に起因する発電単位１０２の性能低下の抑制とを効果的に両立させることができる。

図８は、第１の比較例における発電単位１０２Ｘの構成を示す説明図である。図８に示す第１の比較例の発電単位１０２Ｘでは、接合材１３８と空気極１１４の表面との接触角θ１が、鋭角である。すなわち、第１の比較例の発電単位１０２Ｘは、上記要件（ｃ）を満たさない。第１の比較例の発電単位１０２Ｘでは、上記要件（ｃ）を満たさないため、空気極１１４の表面において接合材１３８により覆われる領域が大きくなり、その結果、ガス拡散抵抗が増大して発電単位１０２の性能が低下する。

また、図９は、第２の比較例における発電単位１０２Ｙの構成を示す説明図である。図９に示す第２の比較例の発電単位１０２Ｙでは、接合材１３８は、凸部１９２の底面部分１９５の一部の領域に接しているものの、凸部１９２の側面部分１９６には接していない。すなわち、第２の比較例の発電単位１０２Ｙは、上記要件（ａ）を満たさない。第２の比較例の発電単位１０２Ｙでは、上記要件（ａ）を満たさないため、集電体１９０の凸部１９２と接合材１３８との間の導電経路を十分に確保することができず、その結果、接触抵抗が増大して発電単位１０２の性能が低下する。

これに対し、本実施形態の発電単位１０２では、接合材１３８が、集電体１９０の凸部１９２の底面部分１９５に加えて、凸部１９２の側面部分１９６における一部の領域にも接しており（上記要件（ａ））、かつ、接合材１３８の最大幅Ｗ１が集電体１９０の凸部１９２の最大幅Ｗ２より大きいため（上記要件（ｂ））、集電体１９０の凸部１９２と接合材１３８との間の導電経路を十分に確保することができ、その結果、接触抵抗の増大による発電単位１０２の性能低下を抑制することができる。また、本実施形態の発電単位１０２では、接合材１３８と空気極１１４の表面との接触角θ１が鈍角であるため（上記要件（ｃ））、上記要件（ａ）および（ｂ）を満たす構成を採用しても、空気極１１４の表面において接合材１３８により覆われる領域を小さくすることができ、その結果、ガス拡散抵抗の増大による発電単位１０２の性能低下を抑制することができる。従って、本実施形態の発電単位１０２によれば、接触抵抗の増大に起因する発電単位１０２の性能低下の抑制と、ガス拡散抵抗の増大に起因する発電単位１０２の性能低下の抑制とを効果的に両立させることができる。なお、上記構成を採用することにより、電流密度０．７Ａ／ｃｍ^２で電流を流すことができることを確認した。

また、本実施形態の発電単位１０２では、接合材１３８と空気極１１４の表面との接触角θ１は、１１０度以上、１６０度以下である。そのため、本実施形態の発電単位１０２によれば、集電体１９０の凸部１９２と接合材１３８との間の導電経路の確保と、空気極１１４の表面において接合材１３８により覆われる領域面積の低減とをバランスよく両立させることができ、発電単位１０２の性能低下を効果的に抑制することができる。なお、接合材１３８と空気極１１４の表面との接触角θ１は、１２０度以上、１５０度以下であることがより好ましく、１３０度以上、１４０度以下であることがさらに好ましい。

また、本実施形態の発電単位１０２では、Ｚ軸方向において、空気極１１４の表面に面するガス室である空気室１６６の高さｔ２に対する、空気極１１４の表面から接合材１３８の最大幅Ｗ１の位置Ｐ１までの距離ｔ１の比（ｔ１／ｔ２）が、０．０２以上である。このように、本実施形態の発電単位１０２では、上記比（ｔ１／ｔ２）が０．０２以上とある程度大きいことから、接合材１３８における幅が最大の部分（図５の位置Ｐ１の部分）が空気極１１４の表面からある程度離れていることとなるため、接合材１３８によって空気極１１４の表面付近の酸化剤ガスＯＧの流れが阻害されることを抑制することができ、ガス拡散抵抗の増大による発電単位１０２の性能低下を効果的に抑制することができる。なお、上記比は、０．０３以上であることがより好ましく、０．０４以上であることがさらに好ましい。また、上記比（ｔ１／ｔ２）は０．１以下であることが好ましい。このような構成では、上記比（ｔ１／ｔ２）が０．１以下と過大ではないことから、集電体１９０の凸部１９２と接合材１３８とのなす角が急峻になりすぎることを抑制することができ、凸部１９２と接合材１３８との接合性を確保することができる。なお、上記比は、０．０９以下であることがより好ましく、０．０８以下であることがさらに好ましい。

Ａ−５．燃料電池スタック１００の製造方法：
次に、燃料電池スタック１００の製造方法について説明する。図１０は、本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法の一例を示すフローチャートである。また、図１１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法の内の発電単位１０２の製造方法の概要を示す説明図である。

はじめに、単セル１１０と集電体１９０とを作製する（Ｓ１１０）。単セル１１０および集電体１９０は公知の方法により作製可能であるため、ここではその作製方法の説明を省略する。

次に、集電体１９０の各凸部１９２に、接合材１３８用のペーストＰＡを塗布する（Ｓ１２０、図１１のＡ）。本実施形態では、集電体１９０の凸部１９２における底面部分１９５の一部の領域に、ペーストＰＡを塗布するものとする。なお、本実施形態では、塗布されるペーストＰＡの粘度は、６０Ｐａ・ｓ以上、１５０Ｐａ・ｓ以下に設定される。本明細書において、ペーストＰＡの粘度は、リオン株式会社製の粘度計（ＶＴ−０４Ｆ）の２号ロータを用い、室温２３℃で測定した粘度である。また、本実施形態では、ペーストＰＡの塗布厚さｄは、２０μｍ以上、５０μｍ以下に設定される。Ｓ１２０の工程は、特許請求の範囲における第１の工程に相当する。

Ｓ１２０におけるペーストＰＡの塗布後、ペーストＰＡの温度を上昇させる処理（例えば、乾燥処理）を行うことなく、Ｚ軸方向に沿って集電体１９０を単セル１１０に近付けることによって、集電体１９０の凸部１９２の底面部分１９５に塗布されたペーストＰＡを、空気極１１４の表面に接触させる（Ｓ１３０、図１１のＢ）。これにより、ペーストＰＡが変形して、凸部１９２の底面部分１９５の全領域と、側面部分１９６の一部の領域とに接する状態となる（図１１のＢの矢印Ｂ２参照）。Ｓ１３０の工程は、特許請求の範囲における第２の工程に相当し、ペーストＰＡが空気極１１４の表面に接触した状態は、特許請求の範囲における特定状態に相当する。

次に、所定の時間、ペーストＰＡが空気極１１４の表面に接触した状態を維持する（Ｓ１４０）。Ｓ１４０の工程は、特許請求の範囲における第３の工程に相当する。

次に、ペーストＰＡの温度を上昇させる処理を行うことによってペーストＰＡを硬化させ、接合材１３８を形成する（Ｓ１５０、図１１のＣ）。これにより、接合材１３８によって集電体１９０の各凸部１９２と空気極１１４の表面とが接合された構成の発電単位１０２が製造される。なお、ペーストＰＡの温度を上昇させる処理は、例えば、加熱処理や、還元処理、通電処理である。

上述した製造方法により複数の発電単位１０２を製造し、製造された複数の発電単位１０２や他の部材を組み立てる組み立て工程を行う（Ｓ１６０）。以上の工程により、上述した構成の燃料電池スタック１００が製造される。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００の製造方法における発電単位１０２の製造方法は、集電体１９０の各凸部１９２の表面１９４の内の底面部分１９５に接合材１３８用のペーストＰＡを塗布するステップＳ１２０と、ステップＳ１２０の後、ペーストＰＡの温度を上昇させる処理を行うことなく、Ｚ軸方向に沿って集電体１９０を単セル１１０に近付けることによってペーストＰＡが空気極１１４の表面に接触した状態を形成するステップＳ１３０と、ステップＳ１３０の後、所定の時間、ペーストＰＡが空気極１１４の表面に接触した状態を維持するステップＳ１４０と、ステップＳ１４０の後、ペーストＰＡの温度を上昇させる処理を行うことによって接合材１３８を形成するステップＳ１５０とを備える。

このように、本実施形態の発電単位１０２の製造方法では、ステップＳ１３０においてペーストＰＡの温度を上昇させる処理が行われないため、Ｓ１２０における塗布時からのペーストＰＡの粘度の変化（加熱による粘度の低下や乾燥による粘度の上昇）が抑制される。塗布時からのペーストＰＡの粘度の低下が抑制されることにより、ペーストＰＡの形状の意図しない変化（面方向への過度の広がり）が抑制される。また、塗布時からのペーストＰＡの粘度の上昇が抑制されることにより、ペーストＰＡと凸部１９２の表面１９４（特に、側面部分１９６）との間の接触不良の発生が抑制される。

また、本実施形態の発電単位１０２の製造方法では、ステップＳ１３０の後、所定の時間、ペーストＰＡが空気極１１４の表面に接触した状態を維持するステップＳ１４０が行われるため、ペーストＰＡの内、空気極１１４の表面付近の部分では、ペーストＰＡ中の溶剤分が比較的多孔質な空気極１１４内に浸透することによって粘度がさらに高くなり（図１１のＢの矢印Ｂ１参照）、その結果、ペーストＰＡの面方向への広がりが効果的に抑制される。一方、ペーストＰＡの内、集電体１９０の凸部１９２付近の部分では、粘度が概ね維持されるため、集電体１９０の凸部１９２の底面部分１９５から側面部分１９６に向けてペーストＰＡが良好に広がる（図１１のＢの矢印Ｂ２参照）。その後、ペーストＰＡの温度を上昇させることによって接合材１３８を形成するステップＳ１５０が行われることにより、空気極１１４の表面付近においては面方向への広がりが抑制され、集電体１９０の凸部１９２付近においては凸部１９２の底面部分１９５から側面部分１９６に向けて広がった形状の接合材１３８が形成される。すなわち、形成される接合材１３８は、上述した要件（ａ）〜（ｃ）を満たすものとなる。

このように、本実施形態の発電単位１０２の製造方法によれば、上述した要件（ａ）〜（ｃ）を満たす接合材１３８を備える発電単位１０２を製造することができる。そのため、本実施形態の発電単位１０２の製造方法によれば、接触抵抗の増大に起因する性能低下の抑制と、ガス拡散抵抗の増大に起因する性能低下の抑制とを効果的に両立させることができる発電単位１０２を製造することができる。

また、上述したように、本実施形態の発電単位１０２の製造方法では、Ｓ１２０において塗布されるペーストＰＡの粘度が、６０Ｐａ・ｓ以上、１５０Ｐａ・ｓ以下に設定される。Ｓ１２０において塗布されるペーストＰＡの粘度を６０Ｐａ・ｓ以上とすることにより、その後の工程においてペーストＰＡの形状の意図しない変化（面方向への過度の広がり）を効果的に抑制することができる。また、Ｓ１２０において塗布されるペーストＰＡの粘度を１５０Ｐａ・ｓ以下とすることにより、集電体１９０の凸部１９２に対して円滑にペーストＰＡを塗布することができる。また、Ｓ１２０において塗布されるペーストＰＡの粘度が６０Ｐａ・ｓ以上、１５０Ｐａ・ｓ以下に設定されると、組み付け荷重が０．２〜０．６ＭＰａ程度に抑えられるため、単セル１１０の割れの発生を抑制することができる。

また、上述したように、本実施形態の発電単位１０２の製造方法では、Ｓ１２０において塗布されるペーストＰＡの厚さｄが、２０μｍ以上、５０μｍ以下に設定される。ステップＳ１２０において塗布されるペーストの厚さｄを２０μｍ以上とすることにより、ステップＳ１３０においてペーストＰＡが空気極１１４の表面に接触した状態を形成する際に、各部材の寸法バラツキをペーストＰＡによって吸収することができ、接合材１３８による確実な接合および電気的接続を実現することができる。また、Ｓ１２０において塗布されるペーストＰＡの厚さｄを５０μｍ以下とすることにより、ペーストＰＡから形成される接合材１３８の面方向における幅が過大となってガス拡散抵抗が増大することを抑制することができる。

Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態における単セル１１０、発電単位１０２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、接合材１３８が凸部１９２の側面部分１９６における一部の領域のみに接するとしているが、接合材１３８が側面部分１９６における全領域に接するとしてもよい。

また、上記実施形態では、接合材１３８と空気極１１４の表面との接触角θ１は１１０度以上、１６０度以下であるとしているが、該接触角θ１は、鈍角であれば、１１０度以上、１６０度以下の範囲外であるとしてもよい。

また、上記実施形態では、Ｚ軸方向において、空気極１１４の表面に面するガス室である空気室１６６の高さｔ２に対する、空気極１１４の表面から接合材１３８の最大幅Ｗ１の位置Ｐ１までの距離ｔ１の比（ｔ１／ｔ２）は０．０２以上であるとしているが、該比（ｔ１／ｔ２）は０．０２未満であるとしてもよい。

また、上記実施形態では、インターコネクタ１５０と空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）とが一体部材であるとしているが、両者が別部材であってもよい。このような構成では、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）およびコート１３６により集電体１９０が構成される。また、上記実施形態では、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）がコート１３６に覆われているが、空気極側集電体１３４がコート１３６に覆われていないとしてもよい。このような構成では、集電体１９０には、コート１３６が含まれない。

また、上記実施形態では、単セル１１０が中間層１８０を備えているが、単セル１１０は必ずしも中間層１８０を備える必要は無い。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（発電単位１０２）の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０（発電単位１０２）の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態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、上記実施形態に記載した構成要件（例えば、接合材１３８に関する上記要件（ａ）〜（ｃ））は、必ずしも燃料電池スタック１００を構成する複数の発電単位１０２のすべてにおいて満たされている必要はなく、燃料電池スタック１００を構成する複数の発電単位１０２の内の少なくとも１つにおいて満たされていればよい。また、１つの発電単位１０２に注目したときに、該構成要件は、必ずしも集電体１９０が備える複数の凸部１９２のすべてにおいて満たされている必要はなく、集電体１９０が備える複数の凸部１９２の内の少なくとも１つにおいて満たされていればよい。なお、発電単位１０２において接触抵抗の増大に起因する性能低下の抑制とガス拡散抵抗の増大に起因する性能低下の抑制とを効果的に両立させるため、集電体１９０が備えるすべての凸部１９２の内、３０％以上の凸部１９２において上記構成要件が満たされていることが好ましく、５０％以上の凸部１９２において上記構成要件が満たされていることがより好ましく、７０％以上の凸部１９２において上記構成要件が満たされていることがさらに好ましく、９０％以上の凸部１９２において上記構成要件が満たされていることが一層好ましく、１００％の凸部１９２において上記構成要件が満たされていることが最も好ましい。

また、上記実施形態における燃料電池スタック１００や発電単位１０２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、ペーストＰＡの粘度が６０Ｐａ・ｓ以上、１５０Ｐａ・ｓ以下に設定されるが、ペーストＰＡの粘度は必ずしもこの範囲内に設定される必要はない。また、上記実施形態では、ペーストＰＡの塗布厚さｄが２０μｍ以上、５０μｍ以下に設定されるが、ペーストＰＡの塗布厚さｄは必ずしもこの範囲内に設定される必要はない。また、上記実施形態では、ペーストＰＡを集電体１９０の各凸部１９２の底面部分１９５の一部の領域に塗布するとしているが、ペーストＰＡを底面部分１９５の全領域に塗布するとしてもよいし、ペーストＰＡを底面部分１９５に加えて側面部分１９６にも塗布するとしてもよい。

また、上記実施形態では、ステップＳ１３０において、Ｚ軸方向に沿って集電体１９０を単セル１１０に近付けることによってペーストＰＡが空気極１１４の表面に接触した状態を形成するとしているが、必ずしもこのようにする必要はなく、Ｚ軸方向に集電体１９０と単セル１１０とを相対移動させることによってペーストＰＡが空気極１１４の表面に接触した状態を形成すればよい。

また、上記実施形態では、空気極１１４と、空気極１１４の表面に対向する複数の凸部１９２を有する集電体１９０と、を接合する接合材１３８の特徴について説明したが、燃料極１１６と、燃料極１１６の表面に対向する複数の凸部を有する集電体と、を接合する接合材が用いられる場合には、該接合材にも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６−８１８１３号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、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セル単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成の接合材を採用することにより、接触抵抗の増大に起因する性能低下の抑制と、ガス拡散抵抗の増大に起因する性能低下の抑制とを効果的に両立させることができる。

また、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、本発明は、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。

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：燃料電池発電単位 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １３６：コート １３８：接合材 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：中間層 １９０：集電体 １９２：凸部 １９４：表面 １９５：底面部分 １９６：側面部分

Claims (8)

1. 電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、
   前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極の表面に対向する複数の凸部を有する導電性の集電体であって、前記凸部の表面は、前記凸部の表面上の各点における仮想的な接平面と前記特定電極の表面とのなす角が４５度以上である各点により構成される側面部分と、前記側面部分によって囲まれ、前記なす角が４５度未満である各点により構成される底面部分と、を含む、前記集電体と、
   前記複数の凸部のそれぞれについて設けられ、前記凸部の表面と前記特定電極の表面とを接合する導電性の接合材と、
   を備える電気化学反応単位において、
   少なくとも１つの前記凸部について設けられた前記接合材について、
   （ａ）前記接合材は、前記凸部の前記底面部分と、前記凸部の前記側面部分における前記底面部分に隣接した少なくとも一部の領域と、に接し、
   （ｂ）前記第１の方向に直交する第２の方向において、前記接合材の最大幅は、前記凸部の内の前記接合材に接する部分の最大幅より大きく、かつ、
   （ｃ）前記接合材と前記特定電極の表面との接触角は、鈍角である、
   ことを特徴とする、電気化学反応単位。
2. 請求項１に記載の電気化学反応単位において、
   前記接合材と前記特定電極の表面との接触角は、１１０度以上、１６０度以下であることを特徴とする、電気化学反応単位。
3. 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単位において、
   前記第１の方向において、前記特定電極の表面に面するガス室の高さｔ２に対する、前記特定電極の表面から前記接合材の前記最大幅の位置までの距離ｔ１の比（ｔ１／ｔ２）は、０．０２以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
   前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。
5. 前記第１の方向に並べて配列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において、
   前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
6. 電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、
   前記空気極と前記燃料極との一方である特定電極の表面に対向する複数の凸部を有する導電性の集電体であって、前記凸部の表面は、前記凸部の表面上の各点における仮想的な接平面と前記特定電極の表面とのなす角が４５度以上である各点により構成される側面部分と、前記側面部分により囲まれ、前記なす角が４５度未満である各点により構成される底面部分と、を含む、前記集電体と、
   前記複数の凸部のそれぞれについて設けられ、前記凸部の表面と前記特定電極の表面とを接合する導電性の接合材と、
   を備える電気化学反応単位の製造方法において、
   前記集電体の各前記凸部の表面の内の少なくとも前記底面部分に、前記接合材用のペーストを塗布する第１の工程と、
   前記第１の工程の後、前記ペーストの温度を上昇させる処理を行うことなく、前記第１の方向に前記集電体と前記電気化学反応単セルとを相対移動させることによって前記ペーストが前記特定電極の表面に接触した特定状態を形成する第２の工程と、
   前記第２の工程の後、所定の時間、前記特定状態を維持する第３の工程と、
   前記第３の工程の後、前記ペーストの温度を上昇させる処理を行うことによって前記接合材を形成する第４の工程と、
   を備えることを特徴とする、電気化学反応単位の製造方法。
7. 請求項６に記載の電気化学反応単位の製造方法において、
   前記第１の工程は、６０Ｐａ・ｓ以上、１５０Ｐａ・ｓ以下の前記ペーストを塗布する工程であることを特徴とする、電気化学反応単位の製造方法。
8. 請求項６または請求項７に記載の電気化学反応単位の製造方法において、
   前記第１の工程は、前記ペーストを２０μｍ以上、５０μｍ以下の厚さで塗布する工程であることを特徴とする、電気化学反応単位の製造方法。

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