JP2017130304A - 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】動作中に電気化学反応単セルの性能が変化する（低下する）ことを抑制する。
【解決手段】電気化学反応単セルは、電解質層と、電解質層の第１の方向における一方側に配置された空気極と、電解質層の第１の方向における他方側に配置され、金属粒子を含む燃料極とを備える。燃料極は、第１の方向視で空気極に重なる重複部と、第１の方向視で空気極に重ならない非重複部とを含む。重複部の第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第１の領域と非重複部の第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第２の領域との組合せであって、以下の関係Ｐ１を満たす組合せが存在する。関係Ｐ１：Ｎ（１）＜Ｎ（２）（ただし、Ｎ（１）は、第１の領域における単位面積あたりの金属粒子の個数であり、Ｎ（２）は、第２の領域における単位面積あたりの金属粒子の個数である。）
【選択図】図６

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣの最小構成単位である燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）は、電解質層と、電解質層の所定の方向(以下、「第１の方向」という)における一方側に配置された空気極と、電解質層の第１の方向における他方側に配置され、金属粒子（例えばＮｉ粒子）を含む燃料極とを備える。

発電および発熱の均一化等のため、単セルの燃料極に含まれる金属粒子の粒径に関し、燃料ガスの上流側に位置する金属粒子ほど粒径を大きくする技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−２１６２９７号公報

上記従来の構成では、発電動作中に、特に燃料極における燃料ガスの下流側において、燃料極に含まれる金属粒子の凝集が進み、金属粒子のサイズが大きくなって比表面積が減少し、反応場となる三相界面が減少して単セルの発電性能が変化する（低下する）おそれがある。

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という）の最小構成単位である電解セルにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼ぶ。

本明細書では、上述した課題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セルは、電解質層と、前記電解質層の第１の方向における一方側に配置された空気極と、前記電解質層の前記第１の方向における他方側に配置され、金属粒子を含む燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記空気極と前記燃料極とは、前記第１の方向において、少なくとも一部が対向しており、前記燃料極は、前記第１の方向視における大きさが前記空気極より大きく、前記第１の方向視で前記空気極に重なる重複部と、前記第１の方向視で前記空気極に重ならない非重複部と、を含み、前記重複部の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第１の領域と前記非重複部の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第２の領域との組合せであって、以下の関係Ｐ１を満たす組合せが存在する。
関係Ｐ１ ： Ｎ（１）＜Ｎ（２）（ただし、Ｎ（１）は、前記第１の領域における単位面積あたりの前記金属粒子の個数であり、Ｎ（２）は、前記第２の領域における単位面積あたりの前記金属粒子の個数である。）

本電気化学反応単セルによれば、燃料極の重複部では、非重複部と比較して、金属粒子の個数を少なくすることで、動作中に金属粒子のさらなる凝集が起こりにくいため、動作中に電気化学反応単セルの性能が変化する（低下する）ことを抑制することができる。

（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の領域と前記第２の領域との組合せは、以下の関係Ｑ１を満たす組合せである構成としてもよい。
関係Ｑ１ ： Ｓ（１）＞Ｓ（２）（ただし、Ｓ（１）は、前記第１の領域における平均した金属粒子サイズであり、Ｓ（２）は、前記第２の領域における平均した金属粒子サイズである。）

本電気化学反応単セルによれば、燃料極の重複部では、非重複部と比較して、金属粒子の凝集がある程度完了しており、動作中に金属粒子のさらなる凝集が起こりにくいため、動作中に電気化学反応単セルの性能が変化する（低下する）こと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セルにおいて、前記第１の領域と前記第２の領域との組合せは、以下の関係Ｐ２を満たす組合せである構成としてもよい。
関係Ｐ２ ： Ｎ（１）＜０．９×Ｎ（２）

本電気化学反応単セルによれば、燃料極の重複部では、非重複部と比較して、金属粒子の数が十分に少ないので、動作中に金属粒子のさらなる凝集が極めて起こりにくいため、動作中に電気化学反応単セルの性能が変化する（低下する）ことをより確実に抑制することができる。

（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の領域と前記第２の領域との組合せは、以下の関係Ｑ２を満たす組合せである構成としてもよい。
関係Ｑ２ ： Ｓ（１）＞１．０９×Ｓ（２）

本電気化学反応単セルによれば、燃料極の重複部では、非重複部と比較して、金属粒子の凝集がかなりの程度完了しており、動作中に金属粒子のさらなる凝集が極めて起こりにくいため、動作中に電気化学反応単セルの性能が変化する（低下する）ことをさらに確実に抑制することができる。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解セル）、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。

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。 燃料極１１６の重複部Ｐｏの断面（ＸＺ断面）の構成を模式的に示す説明図である。 燃料極１１６の非重複部Ｐｎの断面（ＸＺ断面）の構成を模式的に示す説明図である。 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。 性能評価の結果を示す説明図である。 性能評価の結果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、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。

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

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

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、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４および図５に示すように、発電の最小単位である発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔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を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で電解質層１１２および空気極１１４を支持する燃料極支持形の単セルである。

電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）粒子、Ｎｉ粒子とセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。なお、図４および図５に示すように、本実施形態では、燃料極１１６は、Ｚ方向視における大きさが空気極１１４より大きい。すなわち、燃料極１１６は、Ｚ方向視で空気極１１４に重なる重複部Ｐｏと、Ｚ方向視で空気極１１４に重ならない非重複部Ｐｎとを含んでいる。燃料極１１６の内、重複部Ｐｏは主として発電反応に寄与する部分であり、非重複部Ｐｎは発電反応にほとんど寄与しない部分である。燃料極１１６の構成については、後に詳述する。

セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画される。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０をセパレータ付き単セルともいう。

接合部１２４に対して空気室１６６側には、ガラスにより形成されたガラスシール部１２５が配置されている。ガラスシール部１２５は、セパレータ１２０の表面と、単セル１１０の表面（本実施形態では単セル１１０を構成する電解質層１１２の表面）との両方に接触するように形成されている。ガラスシール部１２５により、空気室１６６と燃料室１７６との間がシールされ、両者の間のガスリーク（クロスリーク）が効果的に抑制される。

空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。

燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。

燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。燃料極側集電体１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）との電気的接続が良好に維持される。

空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、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、本実施形態では、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。また、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。

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

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

各発電単位１０２の空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、図２および図４に示すように、酸化剤ガス排出連通孔１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、図３および図５に示すように、燃料ガス排出連通孔１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

Ａ−３．燃料極１１６の詳細構成：
上述したように、本実施形態では、燃料極１１６は、重複部Ｐｏと非重複部Ｐｎとを有する(図４および図５参照)。図６は、燃料極１１６の重複部Ｐｏの断面（ＸＺ断面）の構成を模式的に示す説明図であり、図７は、燃料極１１６の非重複部Ｐｎの断面（ＸＺ断面）の構成を模式的に示す説明図である。図６および図７に示す例では、燃料極１１６は、金属粒子ＭＰであるＮｉ粒子と、セラミック粒子ＣＰであるＹＳＺ粒子とから構成されており、粒子間には空隙ＳＰが存在している。

図６および図７に示すように、燃料極１１６の重複部ＰｏのＸＺ断面では、非重複部ＰｎのＸＺ断面と比較して、単位面積あたりの金属粒子ＭＰの個数が少ない。また、燃料極１１６の重複部ＰｏのＸＺ断面では、非重複部ＰｎのＸＺ断面と比較して、平均した金属粒子ＭＰのサイズが大きい。すなわち、燃料極１１６の重複部Ｐｏでは、非重複部Ｐｎと比較して、金属粒子ＭＰの凝集の進行程度が大きい。そのため、燃料極１１６の重複部Ｐｏでは、非重複部Ｐｎと比較して、金属粒子ＭＰの凝集がある程度完了しており、発電動作中に金属粒子ＭＰのさらなる凝集が起こりにくいと言える。なお、単位面積あたりの金属粒子ＭＰの個数や、平均した金属粒子ＭＰのサイズの特定方法については、後述する。

上述したように、燃料極１１６の重複部Ｐｏは、Ｚ方向視で空気極１１４に重なる部分であり、主として発電反応に寄与する部分である。そのため、燃料極１１６の重複部Ｐｏにおいて発電動作中に金属粒子ＭＰの凝集がさらに進行すると、金属粒子ＭＰのサイズが大きくなって比表面積が減少し、反応場となる三相界面が減少して単セル１１０の発電性能が変化する（低下する）おそれがある。本実施形態では、燃料極１１６の重複部Ｐｏでは、非重複部Ｐｎと比較して、金属粒子ＭＰの凝集がある程度完了しており、発電動作中に金属粒子ＭＰのさらなる凝集が起こりにくいため、発電動作中に単セル１１０の発電性能が変化する（低下する）ことを抑制することができ、ひいては燃料電池スタック１００の発電性能が変化する（低下する）ことを抑制することができる。なお、燃料極１１６の非重複部Ｐｎについては、重複部Ｐｏと比べて、発電動作中に金属粒子ＭＰの凝集が進みやすいが、非重複部Ｐｎは発電反応にほとんど寄与しない部分であるため、仮に非重複部Ｐｎにおいて金属粒子ＭＰの凝集が進んでも、単セル１１０の発電性能への影響はほとんど無い。

なお、燃料極１１６の重複部Ｐｏおよび非重複部ＰｎのそれぞれのＺ方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれるある領域について、上述のような構成となっていれば、上述の効果を奏すると言える。そのため、単セル１１０の燃料極１１６が、重複部ＰｏのＺ方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第１の領域と、非重複部ＰｎのＺ方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第２の領域との組合せであって、以下の関係Ｐ１を満たす組合せが存在するように構成されていると、発電動作中に単セル１１０（燃料電池スタック１００）の発電性能が変化する（低下する）ことを抑制することができるため、好ましい。例えば、単セル１１０の出荷時（燃料電池スタック１００の形態での出荷時や、燃料電池スタック１００を備える燃料電池システムの形態での出荷時を含む）にこのような構成となっていれば、出荷後に単セル１１０（燃料電池スタック１００）の発電性能が変化する（低下する）ことを抑制することができる（以降の関係Ｑ１，Ｐ２，Ｑ２についても同様である)。
関係Ｐ１ ： Ｎ（１）＜Ｎ（２）
（ただし、Ｎ（１）は、重複部Ｐｏの上記断面の上記第１の領域における単位面積あたりの金属粒子ＭＰ（Ｎｉ粒子）の個数であり、Ｎ（２）は、非重複部Ｐｎの上記断面の上記第２の領域における単位面積あたりの金属粒子ＭＰ（Ｎｉ粒子）の個数である。）

また、重複部Ｐｏの上記断面の上記第１の領域と、非重複部Ｐｎの上記断面の上記第２の領域との組合せは、以下の関係Ｑ１を満たす組合せであると、発電動作中に単セル１１０（燃料電池スタック１００）の発電性能が変化する（低下する）ことを効果的に抑制することができるため、さらに好ましい。
関係Ｑ１ ： Ｓ（１）＞Ｓ（２）
（ただし、Ｓ（１）は、重複部Ｐｏの上記断面の上記第１の領域における平均した金属粒子ＭＰ（Ｎｉ粒子）のサイズであり、Ｓ（２）は、非重複部Ｐｎの上記断面の上記第２の領域における平均した金属粒子ＭＰ（Ｎｉ粒子）のサイズである。）

Ａ−４．単セル１１０の製造方法：
図８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。はじめに、単セル１１０を作製する（Ｓ１１０）。単セル１１０の作製方法は、例えば次の通りである。

ＢＥＴ法による比表面積が例えば５〜７ｍ^２／ｇであるＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート（ＤＯＰ）と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約１０μｍの電解質層用グリーンシートを得る。また、ＢＥＴ法による比表面積が例えば３〜４ｍ^２／ｇであるＮｉＯの粉末を、Ｎｉ重量に換算して５５質量部となるように秤量し、ＢＥＴ法による比表面積が例えば５〜７ｍ^２／ｇであるＹＳＺの粉末４５質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ２７０μｍの燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて、乾燥させる。その後、例えば１４００℃にて焼成を行うことによって、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。

次に、ＬＳＣＦ粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極用ペーストを調製する。調整された空気極用ペーストを、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における電解質層１１２側の表面に、スクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。なお、空気極用ペーストの塗布方法として、例えば噴霧塗布といった他の方法も採用可能である。その後、例えば１１００℃にて焼成を行うことによって、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における電解質層１１２側の表面に、空気極１１４が形成される。以上の工程により、単セル１１０が作製される。

次に、作製された複数の単セル１１０を用いて、燃料電池スタック１００を組み立てる（Ｓ１２０）。この段階では、各単セル１１０の燃料極１１６には、ＮｉＯが含まれている。

次に、燃料電池スタック１００に対して還元処理を行う（Ｓ１３０）。具体的には、例えば、燃料電池スタック１００の酸化剤ガス導入マニホールド１６１に空気を供給すると共に、燃料ガス導入マニホールド１７１に、発電反応により生成される水蒸気量よりも多い量の水蒸気を加えた燃料ガス（例えば、水蒸気２０％−水素８０％のガス）を供給しつつ、燃料電池スタック１００を例えば７００℃になるように加熱する。この還元処理により、各単セル１１０の燃料極１１６に含まれるＮｉＯがＮｉに還元され、各単セル１１０が発電可能な状態となる。

次に、燃料電池スタック１００に対して通電処理を行う（Ｓ１４０）。具体的には、例えば、燃料電池スタック１００の酸化剤ガス導入マニホールド１６１に空気を供給すると共に、燃料ガス導入マニホールド１７１に燃料ガス（例えば、水蒸気４％−水素９６％のガス）を供給しつつ、燃料電池スタック１００を、発電動作中の温度よりも数十℃〜１００℃程度高い所定の温度になるように加熱する。このときの電流値は例えば０．５Ａ／ｃｍ^２であり、通電時間は例えば１０時間である。この通電処理の際には、各単セル１１０の燃料極１１６の重複部Ｐｏでは、発熱反応が起こり、反応熱によって上記所定の温度より高い温度となるため、Ｎｉ粒子の凝集が進む。一方、各単セル１１０の燃料極１１６の非重複部Ｐｎでは、発熱反応が起こらないため、重複部Ｐｏに比べて低温となり、Ｎｉ粒子の凝集が進まない。そのため、還元処理と通電処理が完了した後の燃料電池スタック１００では、各単セル１１０の燃料極１１６が、上述したように、重複部ＰｏのＺ方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第１の領域と非重複部ＰｎのＺ方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第２の領域との組合せであって、上記関係Ｐ１および関係Ｑ１を満たす組合せが存在するような構成となる。以上により、上述した構成の燃料電池スタック１００の製造が完了する。

なお、上記通電処理に代えて、燃料電池スタック１００を外部から加熱する処理を行うことによっても、燃料極１１６の重複部ＰｏにおけるＮｉ粒子の凝集を進行させることは可能である。しかし、この方法では、燃料極１１６の重複部Ｐｏの温度をＮｉ粒子の凝集が進行するような温度にするために、燃料電池スタック１００全体をそれ以上の温度になるように加熱する必要がある。そのため、この方法では、燃料電池スタック１００の他の部材（例えばガラスシール部１２５やインターコネクタ１５０）が高温に晒されて耐久性能が低下したり、汚染物質（例えばＣｒ）を含む部材（例えばインターコネクタ１５０やセパレータ１２０）から汚染物質が拡散して電極活性が低下することにより発電性能が低下する等の問題が発生するおそれがある。しかし、本実施形態では、上記還元処理と上記通電処理によって燃料極１１６の重複部ＰｏにおけるＮｉ粒子の凝集を進行させているため、そのような問題の発生を抑制することができる。

Ａ−５．性能評価：
燃料極１１６の構成が互いに異なる複数のサンプルを用いて性能評価を行った。図９および図１０は、性能評価の結果を示す説明図である。性能評価では、サンプル１（実施例）およびサンプル２（比較例）の２つの燃料電池スタック１００のサンプルを用いて、発電運転を１０００時間行った後の電圧（試験後電圧）を測定し、初期電圧に対する試験後電圧の割合を、電圧維持率（％）として算出した。

２つのサンプルは、製造方法が互いに異なっており、その結果、燃料極１１６の構成が互いに異なっている。具体的には、図９に示すように、サンプル１（実施例）の燃料電池スタック１００は、上述した本実施形態の製造方法の通り、還元処理(図３のＳ１３０)および通電処理(同Ｓ１４０)を経て製造されたものである。そのため、サンプル１の燃料電池スタック１００では、各単セル１１０の燃料極１１６の重複部Ｐｏにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（１）は、非重複部Ｐｎにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（２）より少ない。また、サンプル１の燃料電池スタック１００では、各単セル１１０の燃料極１１６の重複部Ｐｏにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（１）は、非重複部Ｐｎにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（２）より大きい。実際にサンプル１の燃料電池スタック１００を構成するある単セル１１０の燃料極１１６を対象に、Ｚ方向に平行な断面の構成を調べたところ、重複部Ｐｏにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（１）は０．３８（個／μｍ^２）であり、非重複部Ｐｎにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（２）は０．４３（個／μｍ^２）であり、両者の比（Ｎ（１）／Ｎ（２））は０．８８であった。また、重複部Ｐｏにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（１）は１．０４（μｍ）であり、非重複部Ｐｎにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（２）は０．９５（μｍ）であり、両者の比（Ｓ（１）／Ｓ（２））は１．０９であった。

一方、サンプル２（比較例）の燃料電池スタック１００は、還元処理(図３のＳ１３０)を経て製造されたものであるが、製造の際に通電処理(同Ｓ１４０)は実行されていない。そのため、サンプル２の燃料電池スタック１００では、各単セル１１０の燃料極１１６の重複部Ｐｏにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（１）は、非重複部Ｐｎにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（２）と同等である。また、サンプル２の燃料電池スタック１００では、各単セル１１０の燃料極１１６の重複部Ｐｏにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（１）は、非重複部Ｐｎにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（２）と同等である。実際にサンプル２の燃料電池スタック１００を構成するある単セル１１０の燃料極１１６を対象に、Ｚ方向に平行な断面の構成を調べたところ、重複部Ｐｏにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（１）は０．４３（個／μｍ^２）であり、非重複部Ｐｎにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（２）は０．４３（個／μｍ^２）であり、両者の比（Ｎ（１）／Ｎ（２））は１．００であった。また、重複部Ｐｏにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（１）は０．９５（μｍ）であり、非重複部Ｐｎにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（２）は０．９５（μｍ）であり、両者の比（Ｓ（１）／Ｓ（２））は１．００であった。

図９および図１０に示すように、サンプル１（実施例）では、１０００時間運転後の電圧維持率が９８．８％と比較的高く、合格（〇）と判定された。一方、サンプル２（比較例）では、１０００時間運転後の電圧維持率が９８．１％と比較的低く、不合格（×）と判定された。この要因としては、以下のことが考えられる。すなわち、サンプル１の燃料電池スタック１００では、各単セル１１０の燃料極１１６の重複部Ｐｏにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（１）が非重複部Ｐｎにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（２）より少なく、また、各単セル１１０の燃料極１１６の重複部Ｐｏにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（１）が非重複部Ｐｎにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（２）より大きいため、重複部ＰｏではＮｉ粒子の凝集がある程度完了しており、重複部Ｐｏにおいて発電動作中にＮｉ粒子の凝集がさらに進行することが抑制され、各単セル１１０の発電性能が変化する（低下する）ことが抑制され、ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能が変化する（低下する）ことが抑制されたものと考えられる。一方、サンプル２（比較例）の燃料電池スタック１００では、各単セル１１０の燃料極１１６の重複部Ｐｏにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（１）が非重複部Ｐｎにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数Ｎ（２）と同等であり、また、各単セル１１０の燃料極１１６の重複部Ｐｏにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（１）が非重複部Ｐｎにおける平均したＮｉ粒子のサイズＳ（２）と同等であるため、発電動作中に燃料極１１６の重複部ＰｏにおいてＮｉ粒子の凝集がさらに進行し、Ｎｉ粒子のサイズが大きくなって比表面積が減少し、反応場となる三相界面が減少して各単セル１１０の発電性能が変化し（低下し）、ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能が変化した（低下した）ものと考えられる。

以上説明した性能評価の結果から、単セル１１０の燃料極１１６が、重複部ＰｏのＺ方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第１の領域と、非重複部ＰｎのＺ方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第２の領域との組合せであって、上述の関係Ｐ１（Ｎ（１）＜Ｎ（２））を満たす組合せが存在するように構成されていると、単セル１１０の発電性能が変化する（低下する）ことを抑制することができるため、好ましいと言える。また、重複部Ｐｏの上記断面の上記第１の領域と、非重複部Ｐｎの上記断面の上記第２の領域との組合せが、以下の関係Ｐ２を満たす組合せであると、重複部Ｐｏにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数が非重複部Ｐｎにおける単位面積あたりのＮｉ粒子の個数を大きく下回るため、重複部ＰｏにおけるＮｉ粒子の個数が十分に少ないと言え、単セル１１０の発電性能が変化する（低下する）ことをより確実に抑制することができるため、さらに好ましいと言える。
関係Ｐ２ ： Ｎ（１）＜０．９×Ｎ（２）

また、重複部Ｐｏの上記断面の上記第１の領域と、非重複部Ｐｎの上記断面の上記第２の領域との組合せは、上述の関係Ｑ１（Ｓ（１）＞Ｓ（２））を満たす組合せであると、単セル１１０の発電性能が変化する（低下する）ことを効果的に抑制することができるため、さらに好ましいと言える。また、重複部Ｐｏの上記断面の上記第１の領域と、非重複部Ｐｎの上記断面の上記第２の領域との組合せが、以下の関係Ｑ２を満たす組合せであると、重複部Ｐｏにおける平均したＮｉ粒子のサイズが非重複部Ｐｎにおける平均したＮｉ粒子のサイズを大きく上回るため、重複部ＰｏにおけるＮｉ粒子の凝集がかなりの程度完了していると言え、単セル１１０の発電性能が変化する（低下する）ことをより確実に抑制することができるため、さらに好ましいと言える。
関係Ｑ２ ： Ｓ（１）＞１．０９×Ｓ（２）

Ａ−６．燃料極１１６の分析方法：
（分析画像Ｍ１の取得方法）
金属粒子ＭＰの個数やサイズ等に関して燃料極１１６を分析する方法について説明する。まず、燃料極１１６の分析に用いられる分析画像Ｍ１を以下の方法により取得する。単セル１１０において、上下方向（Ｚ軸方向）に平行な断面（ただし燃料極１１６を含む断面）を任意に設定し、当該断面において燃料極１１６の上下方向における全体が確認できる画像を、分析画像Ｍ１として取得する。より詳細には、燃料極１１６の一方側の表面（燃料極側集電体１４４と接触する表面）が、画像を上下方向に１０等分して得られた１０個の分割領域の内の最も上の分割領域内に位置し、かつ、燃料極１１６と電解質層１１２との境界が、最も下の分割領域内に位置している画像を、例えばＦＩＢ−ＳＥＭにより撮影し、分析画像Ｍ１として取得する。燃料極１１６の重複部Ｐｏの分析のための分析画像Ｍ１と非重複部Ｐｎの分析のための分析画像Ｍ１とは、同一の断面から取得してもよいし、互いに異なる断面から取得してもよい。なお、この分析画像Ｍ１は、ＦＩＢ−ＳＥＭにより撮影された画像を２値化処理した後の２値化画像でもよい。ただし、２値化画像における粒子等が実際の形態と大きく異なる場合には、ＦＩＢ−ＳＥＭにより撮影された２値化処理前の画像のコントラストを調整し、その調整後の画像を２値化処理した画像でもよい。また、分析画像Ｍ１は、ＦＩＢ−ＳＥＭにより撮影された２値化処理前の画像そのものでもよい。ＦＩＢ−ＳＥＭの画像の倍率は、上記のように燃料極１１６の上下方向における全体が分析画像Ｍ１に収まるような値に設定され、例えば２００〜３０，０００倍とすることができるが、これに限定されず、適宜変更することができる。

（金属粒子ＭＰの個数の特定方法）
燃料極１１６の重複部Ｐｏまたは非重複部Ｐｎの分析のための分析画像Ｍ１における任意の領域を、上記第１の領域または第２の領域として設定する。設定された各領域について、ＥＤＳにより金属元素（Ｎｉ元素）を特定することにより金属粒子ＭＰ（Ｎｉ粒子）を特定し、特定された金属粒子ＭＰの個数をカウントすることにより、各領域における単位面積あたりの金属粒子ＭＰ（Ｎｉ粒子）の個数（Ｎ（１）またはＮ（２））を特定する。

（金属粒子ＭＰのサイズの特定方法）
燃料極１１６における金属粒子ＭＰ（Ｎｉ粒子）のサイズは、"水谷惟恭、尾崎義治、木村敏夫、山口喬著、「セラミックプロセッシング」、技報堂出版株式会社、1985年3月25日発行、第192頁から第195頁"に記載されている方法（インターセプト方法）に従って特定される。具体的には、燃料極１１６の重複部Ｐｏまたは非重複部Ｐｎの分析のための分析画像Ｍ１における任意の領域を、上記第１の領域または第２の領域として設定し、各領域において、上下方向（Ｚ軸方向）の直線および上下方向に直交する方向の直線を所定間隔（例えば０．５μｍ間隔）で複数本引き、各直線上の金属粒子ＭＰにあたる部分の長さを金属粒子ＭＰのサイズとして測定する。なお、この長さは、金属粒子ＭＰの粒径ではないため金属粒子ＭＰのサイズと呼ぶが、金属粒子ＭＰのサイズは金属粒子ＭＰの粒径に相関する指標であると言える。各領域内に位置する１つまたは複数の直線上のすべての金属粒子ＭＰについてのサイズを測定し、測定値の平均値を各領域における平均した金属粒子ＭＰのサイズとして特定する。

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

上記実施形態（または変形例、以下同様）では、燃料極１１６は、金属粒子ＭＰであるＮｉ粒子と、セラミック粒子ＣＰであるＹＳＺ粒子とを含むとしているが、燃料極１１６は、Ｎｉ粒子に代えて他の金属（例えば、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｒｕ）の粒子を含んでいてもよい。また、燃料極１１６は、必ずしもセラミック粒子ＣＰを含んでいる必要は無い。

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての単セル１１０について、燃料極１１６が上述した構成であるとしているが、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの単セル１１０について、燃料極１１６がそのような構成となっていれば、当該単セル１１０について、発電動作中に発電性能が変化する（低下する）ことを抑制することができる。

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０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形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。

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

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の平板形の発電単位１０２が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば特開２００８−５９７９７号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。

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）の最小単位である電解セルや、複数の電解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２０１４−２０７１２０号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解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および電解セルスタックにおいても、燃料極１１６を上記実施形態と同様の構成とすれば、動作中に単セル１１０の性能が変化する（低下する）ことを抑制することができる。

２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０４：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 １２５：ガラスシール部 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 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

Claims (6)

1. 電解質層と、
   前記電解質層の第１の方向における一方側に配置された空気極と、
   前記電解質層の前記第１の方向における他方側に配置され、金属粒子を含む燃料極と、
   を備える電気化学反応単セルにおいて、
   前記空気極と前記燃料極とは、前記第１の方向において、少なくとも一部が対向しており、
   前記燃料極は、前記第１の方向視における大きさが前記空気極より大きく、前記第１の方向視で前記空気極に重なる重複部と、前記第１の方向視で前記空気極に重ならない非重複部と、を含み、
   前記重複部の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第１の領域と前記非重複部の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に含まれる第２の領域との組合せであって、以下の関係Ｐ１を満たす組合せが存在することを特徴とする、電気化学反応単セル。
   関係Ｐ１ ： Ｎ（１）＜Ｎ（２）
   （ただし、Ｎ（１）は、前記第１の領域における単位面積あたりの前記金属粒子の個数であり、Ｎ（２）は、前記第２の領域における単位面積あたりの前記金属粒子の個数である。）
2. 請求項１に記載の電気化学反応単セルにおいて、
   前記第１の領域と前記第２の領域との組合せは、以下の関係Ｑ１を満たす組合せであることを特徴とする、電気化学反応単セル。
   関係Ｑ１ ： Ｓ（１）＞Ｓ（２）
   （ただし、Ｓ（１）は、前記第１の領域における平均した金属粒子サイズであり、Ｓ（２）は、前記第２の領域における平均した金属粒子サイズである。）
3. 請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単セルにおいて、
   前記第１の領域と前記第２の領域との組合せは、以下の関係Ｐ２を満たす組合せであることを特徴とする、電気化学反応単セル。
   関係Ｐ２ ： Ｎ（１）＜０．９×Ｎ（２）
4. 請求項２に記載の電気化学反応単セルにおいて、
   前記第１の領域と前記第２の領域との組合せは、以下の関係Ｑ２を満たす組合せであることを特徴とする、電気化学反応単セル。
   関係Ｑ２ ： Ｓ（１）＞１．０９×Ｓ（２）
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
   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、電気化学反応単セル。
6. 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セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも１つは、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。

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