JP2018018693A - 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】電極の粒子表面への汚染物質の付着による電気化学反応単セルの性能低下を抑制する。【解決手段】電気化学反応単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで第１の方向に対向する空気極および燃料極とを備える。単セルの電極は、単セルの表面側に位置する第１の層と、第１の層の電解質層側に位置する第２の層とを含む。第１の層の少なくとも１つの断面に、以下の条件Ｃ１およびＣ２を満たす領域が存在する。条件Ｃ１：粒子の平均扁平率≧１．５（粒子の扁平率は、第１の方向における粒子の長さに対する第１の方向に直交する第２の方向における粒子の長さの比）。条件Ｃ２：第２の方向における粒子の平均長さ≧１．２（μｍ）。【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の構成単位である燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という）は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第１の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−４９３２１号公報

単セルにおいて、空気極と燃料極との少なくとも一方の電極が、第１の方向において単セルの表面側に配置される第１の層（以下、「集電層」という）と、第１の方向において集電層の電解質層側（すなわち、集電層より電解質層に近い側）に位置する第２の層（以下、「活性層」という）とを含むように構成される場合がある。集電層は、主として、供給された反応ガス（酸化剤ガスまたは燃料ガス）を拡散させると共に、発電反応により得られた電気エネルギーを集める場として機能する。また、活性層は、主として、発電反応の場（反応場）として機能する。このような構成の単セルでは、供給された反応ガスは、電極の集電層内を拡散して活性層内に進入し、活性層内において電気化学反応に供される。このとき、反応ガスに含まれる汚染物質（例えば、シリカ、クロム、硫黄、ホウ素等）が集電層を通過して活性層内に進入すると、汚染物質が活性層を構成する粒子の表面に付着して反応場が減少する現象（活性層の被毒）が発生し、発電性能が低下するおそれがある。

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という）の構成単位である電解単セルにも共通の課題である。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。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セル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空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方は、前記第１の方向において前記電気化学反応単セルの表面側に配置された第１の層と、前記第１の方向において前記第１の層の前記電解質層側に位置する第２の層と、を含み、前記第１の層の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に、以下の条件Ｃ１およびＣ２を満たす領域が存在する。
条件Ｃ１：粒子の平均扁平率≧１．５（ただし、粒子の扁平率は、前記第１の方向における粒子の長さに対する前記第１の方向に直交する第２の方向における粒子の長さの比である。）
条件Ｃ２：前記第２の方向における粒子の平均長さ≧１．２（μｍ）
本電気化学反応単セルによれば、電極の第１の層を構成する各粒子の扁平率が比較的大きく、かつ、電極の第１の層を構成する各粒子の第２の方向の長さが比較的長いため、第１の層において、反応ガスの拡散経路が各粒子に遮られて比較的長くなる。従って、本電気化学反応単セルによれば、単セルの表面側に位置する第１の層に供給された反応ガスが電解質層側に位置する第２の層に至るまでに、反応ガスに含まれる汚染物質が第１の層の各粒子に衝突しやすくなる。これにより、汚染物質が第１の層の各粒子の表面に付着してトラップされやすくなり、汚染物質が第１の層を通過して反応場である第２の層内に進入しにくくなる。その結果、汚染物質による第２の層の被毒を原因とした性能低下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、前記領域は、さらに、以下の条件Ｃ３を満たす領域である構成としてもよい。
条件Ｃ３：気孔率＜４０（％）
本電気化学反応単セルによれば、電極の第１の層の気孔率が比較的低いため、第１の層内に供給された反応ガスが拡散するための空間が比較的狭く、反応ガスが第２の層に向かって拡散する経路が限定される。従って、本電気化学反応単セルによれば、単セルの表面側に位置する第１の層に供給された反応ガスが電解質層側に位置する第２の層に至るまでに、反応ガスに含まれる汚染物質が第１の層の各粒子に、より衝突しやすくなる。これにより、汚染物質が第１の層の各粒子の表面に付着してよりトラップされやすくなり、汚染物質が第１の層を通過して反応場である第２の層内に、より進入しにくくなる。その結果、汚染物質による第２の層の被毒を原因とした性能低下を効果的に抑制することができる。

（３）また、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空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方は、前記第１の方向において前記電気化学反応単セルの表面側に配置された第１の層と、前記第１の方向において前記第１の層の前記電解質層側に位置する第２の層と、を含み、前記第１の層の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に、以下の条件Ｃ１およびＣ３を満たす領域が存在する。
条件Ｃ１：粒子の平均扁平率≧１．５（ただし、粒子の扁平率は、前記第１の方向における粒子の長さに対する前記第１の方向に直交する第２の方向における粒子の長さの比である。）
条件Ｃ３：気孔率＜４０（％）
本電気化学反応単セルによれば、電極の第１の層を構成する各粒子の扁平率が比較的大きいため、第１の層において、反応ガスの拡散経路が各粒子に遮られて比較的長くなる。また、電極の第１の層の気孔率が比較的低いため、第１の層内に供給された反応ガスが拡散するための空間が比較的狭く、反応ガスが第２の層に向かって拡散する経路が限定される。従って、本電気化学反応単セルによれば、単セルの表面側に位置する第１の層に供給された反応ガスが電解質層側に位置する第２の層に至るまでに、反応ガスに含まれる汚染物質が第１の層の各粒子に衝突しやすくなる。これにより、汚染物質が第１の層の各粒子の表面に付着してトラップされやすくなり、汚染物質が第１の層を通過して反応場である第２の層内に進入しにくくなる。その結果、汚染物質による第２の層の被毒を原因とした性能低下を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の層の前記第１の方向に平行な３つの断面であって、前記第１の方向視で前記空気極を前記第１の方向に垂直な方向に４等分する３つの断面に、前記領域が存在する構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、第２の方向において満遍なく、電極の第１の層を構成する各粒子の扁平率が比較的大きく、電極の第１の層を構成する各粒子の第２の方向の長さが比較的長く、電極の第１の層の気孔率が比較的低い構成とすることができるため、電気化学反応単セルの性能低下を効果的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。

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。 本実施形態における空気極１１４の集電層４１０のＸＺ断面構成を模式的に示す説明図である。 比較例における空気極１１４の集電層４１０ｘのＸＺ断面構成を模式的に示す説明図である。 性能評価に用いた各サンプルの特性を示す説明図である。 性能評価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。空気極１１４の構成については、後に詳述する。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

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

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

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

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

空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えば、フェライト系ステンレス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。空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０との一体部材を、単にインターコネクタと呼ぶ場合もある。

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．空気極１１４の詳細構成：
図５に示すように、空気極１１４は、集電層４１０と活性層４２０とを含む。集電層４１０は、Ｚ方向において単セル１１０の表面側に配置されている。また、活性層４２０は、Ｚ方向において集電層４１０の電解質層１１２側、すなわち、集電層４１０より電解質層１１２に近い側に位置している。

空気極１１４の活性層４２０は、主として、酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素のイオン化反応の場として機能する層である。本実施形態では、活性層４２０は、ペロブスカイト型酸化物と、活性化物質としてのＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とを含む。空気極１１４の集電層４１０は、主として、空気室１６６から供給された酸化剤ガスＯＧを拡散させると共に、発電反応により得られた電気を集電する場として機能する層である。本実施形態では、集電層４１０は、ペロブスカイト型酸化物を含むがＧＤＣを含まない。なお、活性層４２０は、集電層４１０と比較して、粒径が全体的に小さく、かつ、気孔率が低い。活性層４２０は、特許請求の範囲における第２の層に相当し、集電層４１０は、特許請求の範囲における第１の層に相当する。

本実施形態の燃料電池スタック１００は、各発電単位１０２の空気極１１４の集電層４１０の構成に特徴がある。図６は、本実施形態における空気極１１４の集電層４１０のＸＺ断面構成を模式的に示す説明図である。図６に示すように、本実施形態では、集電層４１０を構成する各粒子ＰＡの扁平率ＦＬが比較的大きい。なお、粒子ＰＡの扁平率ＦＬは、粒子ＰＡのＺ軸方向の長さ（以下、「拡散方向長さＳ１」という）に対する、Ｚ軸方向に直交する方向（例えばＸ軸方向であり、以下「面方向」という）の長さ（以下、「面方向長さＳ２」という）の比である。従って、扁平率ＦＬ（＝Ｓ２／Ｓ１）が比較的大きいとは、図６においては、各粒子ＰＡが横長形状であることを意味する。また、本実施形態では、集電層４１０を構成する各粒子ＰＡの面方向長さＳ２自体が比較的長い。

より具体的には、本実施形態では、集電層４１０のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面（例えばＸＺ断面）に、以下の条件Ｃ１〜条件Ｃ３を満たす領域が存在する。
・条件Ｃ１：各粒子ＰＡの扁平率ＦＬの平均値（平均扁平率ＦＬ（ａ））≧１．５
・条件Ｃ２：各粒子ＰＡの面方向長さＳ２の平均値（平均面方向長さＳ２（ａ））≧１．２（μｍ）
・条件Ｃ３：集電層４１０の気孔率ＰＯ＜４０（％）

このように、本実施形態では、集電層４１０のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面に、上記条件Ｃ１〜条件Ｃ３を満たす領域が存在するため、以下に説明するように、汚染物質による被毒を原因とする発電性能の低下を抑制することができる。

図７は、比較例における空気極１１４の集電層４１０ｘのＸＺ断面構成を模式的に示す説明図である。図７に示す比較例では、図６に示す本実施形態と比較して、集電層４１０ｘの気孔率ＰＯが高い。そのため、集電層４１０ｘにおいて、空気室１６６から集電層４１０ｘ内に供給された酸化剤ガスＯＧが拡散するための空間が比較的広く、酸化剤ガスＯＧが活性層４２０に向かって拡散する経路が広く確保される。また、図７に示す比較例では、図６に示す本実施形態と比較して、集電層４１０ｘを構成する各粒子ＰＡの扁平率ＦＬ（＝Ｓ２／Ｓ１）が小さく（すなわち、図７において各粒子ＰＡが横長形状ではなく）、また、各粒子ＰＡの面方向長さＳ２自体が短い。そのため、集電層４１０ｘにおいて、酸化剤ガスＯＧの各拡散経路ＬＰは比較的短くなる。従って、図７に示す比較例では、空気室１６６から集電層４１０ｘに供給された酸化剤ガスＯＧが活性層４２０に至るまでに、酸化剤ガスＯＧに含まれる汚染物質（例えば、シリカ、クロム、硫黄、ホウ素等）が集電層４１０ｘの各粒子ＰＡに衝突しにくくなり、汚染物質が集電層４１０ｘの各粒子ＰＡの表面に付着してトラップされることなく集電層４１０ｘを通過して発電反応の場である活性層４２０内に進入しやすい。その結果、図７に示す比較例では、汚染物質が活性層４２０の各粒子の表面に付着して反応場が減少する現象（活性層の被毒）が発生しやすく、発電性能が低下しやすい。

これに対し、図６に示す本実施形態では、空気極１１４の集電層４１０の気孔率ＰＯが比較的低い。そのため、集電層４１０において、空気室１６６から集電層４１０内に供給された酸化剤ガスＯＧが拡散するための空間が比較的狭く、酸化剤ガスＯＧが活性層４２０に向かって拡散する経路が限定される。また、本実施形態では、集電層４１０を構成する各粒子ＰＡの扁平率ＦＬ（＝Ｓ２／Ｓ１）が比較的大きく（すなわち、図６において各粒子ＰＡが横長形状であり）、また、各粒子ＰＡの面方向長さＳ２自体が比較的長い。そのため、集電層４１０において、酸化剤ガスＯＧの各拡散経路ＬＰは、各粒子ＰＡに遮られてＺ軸方向に直線状に延びることができず、各粒子ＰＡに衝突しながら迂回する経路となる。従って、酸化剤ガスＯＧの各拡散経路ＬＰの長さは比較的長くなる。従って、図６に示す本実施形態では、空気室１６６から集電層４１０に供給された酸化剤ガスＯＧが活性層４２０に至るまでに、酸化剤ガスＯＧに含まれる汚染物質が集電層４１０の各粒子ＰＡに衝突しやすくなり、汚染物質が集電層４１０の各粒子ＰＡの表面に付着してトラップされやすくなり、汚染物質が集電層４１０を通過して発電反応の場である活性層４２０内に進入しにくくなる。その結果、図６に示す本実施形態では、汚染物質による活性層４２０の被毒を原因とした発電性能の低下を抑制することができる。このように、本実施形態では、集電層４１０における酸化剤ガスＯＧの拡散経路ＬＰの直線性を低下させることによって、酸化剤ガスＯＧに含まれる汚染物質を集電層４１０でトラップし、汚染物質が活性層４２０内に進入することを抑制することによって発電性能の低下を抑制することができる。

なお、汚染物質による活性層４２０の被毒の発生を抑制するために、燃料電池スタック１００の外部に設けたフィルタによって燃料電池スタック１００に導入される酸化剤ガスＯＧ中の汚染物質を取り除くことも考えられる。しかし、このような構成では、装置構成が大型化・複雑化する上に、燃料電池スタック１００の内部で発生する汚染物質（例えば、燃料電池スタック１００を構成する鋼材から飛散するクロムや、ガラス製のシール材から発生するシリカ等）による活性層４２０の被毒の発生を抑制することができない。これに対し、本実施形態では、空気極１１４の集電層４１０を上述した構成とすることにより、装置構成の大型化・複雑化を回避できると共に、燃料電池スタック１００の内部で発生する汚染物質による活性層４２０の被毒の発生をも抑制することができる。

なお、空気極１１４の集電層４１０が、面方向において満遍なく、気孔率ＰＯが比較的低く、粒子ＰＡの平均面方向長さＳ２（ａ）が比較的長く、粒子ＰＡの平均扁平率ＦＬ（ａ）が比較的大きい構成であると、面方向全体にわたって活性層４２０の被毒の発生を抑制することができるため、さらに好ましいと言える。そのため、例えば、集電層４１０のＺ方向に平行な３つの断面であって、Ｚ方向視で空気極１１４を面方向に４等分する３つの断面に上記条件Ｃ１〜条件Ｃ３を満たす領域が存在するように、空気極１１４の集電層４１０が構成されていると、さらに好ましいと言える。

また、発電性能の低下をより効果的に抑制するという観点から、集電層４１０内には、扁平率ＦＬが１．５以上であり、かつ、面方向長さＳ２が１．２（μｍ）以上である粒子ＰＡが１５％以上存在することが好ましい。

Ａ−４．性能評価：
空気極１１４の集電層４１０の構成が互いに異なる２つの単セル１１０のサンプルを作成し、発電性能についての評価を行った。図８は、性能評価に用いた各サンプルの特性を示す説明図であり、図９は、性能評価結果を示す説明図である。

図８に示すように、性能評価では、単セル１１０の２つのサンプル（サンプル１およびサンプル２）を作成した。サンプル１（実施例）は、集電層４１０の粒子ＰＡの平均面方向長さＳ２（ａ）が１．２（μｍ）であり、平均拡散方向長さＳ１（ａ）が０．８（μｍ）であり、集電層４１０の粒子ＰＡの平均扁平率ＦＬ（ａ）が１．５であり、集電層４１０の気孔率ＰＯが３６．７（％）のサンプルである。すなわち、サンプル１では、空気極１１４の集電層４１０のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面に上記条件Ｃ１〜条件Ｃ３を満たす領域が存在すると言える。

一方、サンプル２（比較例）は、集電層４１０の粒子ＰＡの平均面方向長さＳ２（ａ）が０．８１（μｍ）であり、平均拡散方向長さＳ１（ａ）が０．７（μｍ）であり、集電層４１０の粒子ＰＡの平均扁平率ＦＬ（ａ）が１．１６であり、集電層４１０の気孔率ＰＯが５３（％）のサンプルである。サンプル２は、サンプル１と比較して、集電層４１０の気孔率ＰＯが高く、集電層４１０の粒子ＰＡの平均面方向長さＳ２（ａ）が短く、集電層４１０の粒子ＰＡの平均扁平率ＦＬ（ａ）が小さい。

図９に示すように、性能評価では、各サンプルについて、シリカを含む酸化剤ガスＯＧを空気極１１４の集電層４１０に供給する劣化処理を行い、集電層４１０におけるシリカ含有率（％）と、初期状態（シリカ含有率が０％の状態）からのη抵抗の増加量（Δη（Ω／ｃｍ^２））との関係を調べた。

図９に示すように、サンプル２（比較例）では、集電層４１０におけるシリカ含有率が高くなるにつれて、初期状態からのη抵抗の増加量Δηが急激に大きくなった。これは、サンプル２では、集電層４１０の気孔率ＰＯが比較的高く、集電層４１０の粒子ＰＡの平均面方向長さＳ２（ａ）が比較的短く、集電層４１０の粒子ＰＡの平均扁平率ＦＬ（ａ）が比較的小さいため、集電層４１０に供給された酸化剤ガスＯＧが活性層４２０に至るまでに酸化剤ガスＯＧに含まれるシリカが集電層４１０の各粒子ＰＡの表面にあまり付着せず、比較的多くのシリカが集電層４１０を通過して活性層４２０内に進入し、活性層４２０のシリカ被毒を原因としてη抵抗が大幅に増加したものと考えられる。

これに対し、サンプル１（実施例）では、集電層４１０におけるシリカ含有率が高くなるにつれて、初期状態からのη抵抗の増加量Δηは比較的緩やかに大きくなった。これは、サンプル１では、集電層４１０の気孔率ＰＯが比較的低く、集電層４１０の粒子ＰＡの平均面方向長さＳ２（ａ）が比較的長く、集電層４１０の粒子ＰＡの平均扁平率ＦＬ（ａ）が比較的大きいため、集電層４１０に供給された酸化剤ガスＯＧが活性層４２０に至るまでに酸化剤ガスＯＧに含まれるシリカの大部分が集電層４１０の各粒子ＰＡの表面に付着し、集電層４１０を通過して活性層４２０内に進入するシリカの量が少なくなり、活性層４２０のシリカ被毒を原因としたη抵抗の増加が抑制されたものと考えられる。

以上の性能評価結果から、空気極１１４の集電層４１０のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面に上記条件Ｃ１〜条件Ｃ３を満たす領域が存在すれば、酸化剤ガスＯＧに含まれる汚染物質による活性層４２０の被毒を原因とした発電性能の低下を抑制することができることが確認された。

Ａ−５．単セル１１０の製造方法：
本実施形態における単セル１１０の製造方法の一例は、次の通りである。

（電解質層１１２と燃料極１１６との積層体の形成）
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。

（空気極１１４の形成）
次に、空気極１１４の活性層４２０の材料として、ＬＳＣＦ粉末と、ＧＤＣ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、活性層用ペーストを調製する。調整された活性層用ペーストを、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。

また、空気極１１４の集電層４１０の材料として、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、集電層用ペーストを調製する。調整された集電層用ペーストを、上述した活性層用ペーストの上に、スクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。なお、空気極１１４の各層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、活性層４２０と集電層４１０とから構成される空気極１１４が形成される。

なお、空気極１１４の集電層４１０の粒子ＰＡの平均面方向長さＳ２（ａ）および平均扁平率ＦＬ（ａ）や、集電層４１０の気孔率ＰＯは、例えば、以下の方法により調整することができる。すなわち、集電層４１０の粒子ＰＡの平均面方向長さＳ２（ａ）を長くしたり、平均扁平率ＦＬ（ａ）を大きくしたりしたい場合には、集電層４１０の材料としてのＬＳＣＦ粉末を作成するための粉砕処理の時間を比較的短くすることによって、比較的細長い形状のＬＳＣＦ粒子を多く含むＬＳＣＦ粉末材料が得られる。また、調整された集電層用ペーストを塗布して乾燥させた後、集電層用ペーストにＺ方向の圧縮力を加えることにより、集電層用ペーストに含まれる細長い形状のＬＳＣＦ粒子の少なくとも一部が、その長手方向が面方向に近づくように姿勢を変化させる。そのため、このような方法によれば、集電層４１０の粒子ＰＡの平均面方向長さＳ２（ａ）を長くすることができ、かつ、平均扁平率ＦＬ（ａ）を大きくすることができる。また、集電層４１０の気孔率ＰＯを低くしたい場合には、例えば、焼成温度を高くしたり、焼成時間を長くしたりすればよい。

以上の工程により、上述した構成の単セル１１０が製造される。なお、単セル１１０が製造された後、例えば、空気極１１４と空気極側集電体１３４との接合やボルト２２による燃料電池スタック１００の締結等の組み立て工程が行われることにより、上述した構成の燃料電池スタック１００が製造される。

Ａ−６．空気極１１４の分析方法：
（分析画像Ｍ１の取得方法）
粒子ＰＡの長さや気孔率等に関して空気極１１４を分析する方法について説明する。まず、空気極１１４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１つの断面（ただし空気極１１４を含む断面）を任意に設定し、当該断面において空気極１１４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、空気極１１４の上側表面（空気極側集電体１３４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、空気極１１４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、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影し、分析画像Ｍ１として取得する。なお、この分析画像Ｍ１は、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、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、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。ＳＥＭの画像の倍率は、上記のように空気極１１４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２００〜２０，０００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。

（活性層４２０と集電層４１０との境界の決定方法）
空気極１１４を構成する活性層４２０と集電層４１０との境界は、活性層４２０の気孔率が集電層４１０の気孔率より低いという特徴を利用して、以下の方法により特定される。まず、分析画像Ｍ１に対して、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する複数の仮想線Ｋを、０．３μｍ間隔で空気極１１４の上側表面から下方に順番に引き、仮想線Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｍ、・・・、Ｋ（ｍ＋９）、Ｋ（ｍ＋１０）、・・・、Ｋｎを得る。そして、各仮想線Ｋにおいて気孔と重複する部分の長さを測定し、気孔と重複する部分の長さの合計を算出し、各仮想線Ｋの全長に対する気孔と重複する部分の長さの合計の比を、当該仮想線Ｋ上に存在する気孔の割合（気孔率Ｋs）とする。次に、各仮想線Ｋの気孔率Ｋs１、Ｋs２、Ｋs３、・・・、Ｋｓｍ、・・・、Ｋｓ（ｍ＋９）、Ｋｓ（ｍ＋１０）、・・・、Ｋsｎのうち、上方側から順番に１０個の仮想線Ｋの気孔率Ｋｓを有する各データ群を設定し、各データ群の１０個の気孔率Ｋｓの平均値（Ａｖｅ）と各データ群の気孔率Ｋｓの標準偏差（σ）を算出する。

上方側から順番に、データ群Ｇ１は、Ｋs１、Ｋs２、・・・、Ｋs１０からなり、データ群Ｇ２は、Ｋs２、Ｋs３、・・・、Ｋｓ１１からなり、データ群Ｇｍは、Ｋsｍ、Ｋs（ｍ＋１）、Ｋs（ｍ＋２）、・・・、Ｋｓ（ｍ＋９）からなり、データ群Ｇ（ｍ＋１）は、Ｋｓ（ｍ＋１）、Ｋｓ（ｍ＋２）、・・・、Ｋｓ（ｍ＋１０）からなる。すなわち、データ群Ｇ（ｍ＋１）とは、データ群Ｇｍから、データ群Ｇｍの１つ目の仮想線Ｋｍの気孔率Ｋｓｍを除いた９個の気孔率（Ｋｓ（ｍ＋１）、・・・、Ｋｓ（ｍ＋９））に、データ群の最後の仮想線Ｋ（ｍ＋９）の次の仮想線Ｋ（ｍ＋１０）の気孔率Ｋｓ（ｍ＋１０）を加えた１０個の気孔率Ｋｓからなる一つの群を意味する。そして、「Ｇ（ｍ＋１）の気孔率Ｋｓの平均値」が「Ｇｍの気孔率Ｋｓの平均値に、Ｇｍの１０個の気孔率Ｋｓの標準偏差（σ）の２倍の値を加えた値」を初めて上回ったとき、または、「Ｇ（ｍ＋１）の気孔率Ｋｓの平均値」が「Ｇｍの気孔率Ｋｓの平均値から、Ｇｍの１０個の気孔率Ｋｓの標準偏差（σ）の２倍の値を減じた値」を初めて下回ったときの、データ群Ｇ（ｍ＋１）の１０個目の気孔率Ｋｓ（ｍ＋１０）に対応する仮想線Ｋ（ｍ＋１０）を、活性層４２０と集電層４１０との境界とする。すなわち、データ群Ｇｍの気孔率Ｋｓの平均値をＧｍＡｖｅ、データ群Ｇ（ｍ＋１）の気孔率Ｋｓの平均値をＧ（ｍ＋１）Ａｖｅ、データ群Ｇｍの気孔率Ｋｓの標準偏差をσｍとしたとき、下記式（１）を満たす初めてのデータ群Ｇ（ｍ＋１）の１０個目の気孔率Ｋｓ（ｍ＋１０）に対応する仮想線Ｋ（ｍ＋１０）を、活性層４２０と集電層４１０との境界とする。この境界が決定されれば、分析画像Ｍ１上において、活性層４２０と集電層４１０とを区別することができる。
｜（Ｇ（ｍ＋１）Ａｖｅ）−（ＧｍＡｖｅ）｜＞２σｍ ・・・（１）

（粒子ＰＡの長さの測定方法）
空気極１１４の集電層４１０の各粒子ＰＡの長さは、"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、上記分析画像Ｍ１において、集電層４１０に、上下方向（Ｚ軸方向）に平行な直線、および、上下方向に直交する直線を、所定間隔（例えば４μｍ間隔）で複数本引き、各直線上の各粒子ＰＡにあたる部分の長さを、それぞれ拡散方向長さＳ１および面方向長さＳ２として測定する。対象の部材や領域に位置する１つまたは複数の直線上のすべての粒子ＰＡについての拡散方向長さＳ１および面方向長さＳ２を計測し、計測値を用いて平均面方向長さＳ２（ａ）や平均扁平率ＦＬ（ａ）等を算出するものとする。

（気孔率ＰＯの測定方法）
空気極１１４の集電層４１０の気孔率ＰＯは、以下の方法により特定される。上記分析画像Ｍ１において、上下方向に直交する直線を所定間隔（例えば４μｍ間隔）で複数本引き、各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、直線の全長に対する気孔にあたる部分の長さの合計の比を、当該線上における気孔率とする。集電層４１０の部分に引かれた複数の直線上における気孔率の平均値を、集電層４１０の気孔率とする。

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、空気極１１４の集電層４１０のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面に上記条件Ｃ１〜条件Ｃ３を満たす領域が存在するとしているが、該断面に上記条件Ｃ１および条件Ｃ２を満たす領域が存在していれば、集電層４１０の粒子ＰＡの平均面方向長さＳ２（ａ）が比較的長く、集電層４１０の粒子ＰＡの平均扁平率ＦＬ（ａ）が比較的大きいこととなるため、集電層４１０に供給された酸化剤ガスＯＧが活性層４２０に至るまでに酸化剤ガスＯＧに含まれる汚染物質の大部分が集電層４１０の各粒子ＰＡの表面に付着し、集電層４１０を通過して活性層４２０内に進入する汚染物質の量が少なくなり、活性層４２０の被毒を原因とした発電性能の低下を抑制することができる。また、該断面に上記条件Ｃ１および条件Ｃ３を満たす領域が存在していれば、集電層４１０の気孔率ＰＯが比較的低く、集電層４１０の粒子ＰＡの平均扁平率ＦＬ（ａ）が比較的大きいこととなるため、集電層４１０に供給された酸化剤ガスＯＧが活性層４２０に至るまでに酸化剤ガスＯＧに含まれる汚染物質の大部分が集電層４１０の各粒子ＰＡの表面に付着し、集電層４１０を通過して活性層４２０内に進入する汚染物質の量が少なくなり、活性層４２０の被毒を原因とした発電性能の低下を抑制することができる。

また、上記実施形態では、空気極１１４は、活性層４２０と集電層４１０との二層構成であるとしているが、空気極１１４は、活性層４２０および集電層４１０以外の他の層を含むとしてもよい。

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、空気極１１４の集電層４１０に上記条件Ｃ１〜条件Ｃ３が満たす領域が存在する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、そのような構成となっていれば、当該単セル１１０について発電性能の低下を抑制することができる。

また、上記実施形態では、空気極１１４の集電層４１０のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面に上記条件Ｃ１〜条件Ｃ３を満たす領域が存在するとしているが、空気極１１４側に代えて、あるいは、空気極１１４側と共に、燃料極１１６側についても同様の構成であるとしてもよい。すなわち、燃料極１１６が集電層と活性層とを備え、燃料極１１６の集電層のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面に上記条件Ｃ１〜条件Ｃ３を満たす領域が存在するとしてもよい。このような構成とすれば、燃料極１１６の集電層の気孔率が比較的低く、燃料極１１６の集電層の粒子の平均面方向長さが比較的長く、燃料極１１６の粒子の平均扁平率が比較的大きいこととなるため、燃料極１１６の集電層に供給された燃料ガスＦＧが活性層に至るまでに燃料ガスＦＧに含まれる汚染物質の大部分が集電層の各粒子の表面に付着し、燃料極１１６の集電層を通過して活性層内に進入する汚染物質の量が少なくなり、燃料極１１６の活性層の被毒を原因とした発電性能の低下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）の構成単位である電解単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６−８１８１３号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、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および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様に、空気極１１４の集電層４１０のＺ軸方向に平行な少なくとも１つの断面に上記条件Ｃ１〜条件Ｃ３を満たす領域が存在するとすれば、空気極１１４の活性層４２０の被毒を原因とする性能低下を抑制することができる。

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（または電解単セル）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 ４５：粉末 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 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 ４１０：集電層 ４２０：活性層

Claims (5)

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の少なくとも一方は、
   前記第１の方向において前記電気化学反応単セルの表面側に配置された第１の層と、
   前記第１の方向において前記第１の層の前記電解質層側に位置する第２の層と、
   を含み、
   前記第１の層の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に、以下の条件Ｃ１およびＣ２を満たす領域が存在することを特徴とする、電気化学反応単セル。
   条件Ｃ１：粒子の平均扁平率≧１．５
   （ただし、粒子の扁平率は、前記第１の方向における粒子の長さに対する前記第１の方向に直交する第２の方向における粒子の長さの比である。）
   条件Ｃ２：前記第２の方向における粒子の平均長さ≧１．２（μｍ）
2. 請求項１に記載の電気化学反応単セルにおいて、
   前記領域は、さらに、以下の条件Ｃ３を満たす領域であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
   条件Ｃ３：気孔率＜４０（％）
3. 電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
   前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方は、
   前記第１の方向において前記電気化学反応単セルの表面側に配置された第１の層と、
   前記第１の方向において前記第１の層の前記電解質層側に位置する第２の層と、
   を含み、
   前記第１の層の前記第１の方向に平行な少なくとも１つの断面に、以下の条件Ｃ１およびＣ３を満たす領域が存在することを特徴とする、電気化学反応単セル。
   条件Ｃ１：粒子の平均扁平率≧１．５
   （ただし、粒子の扁平率は、前記第１の方向における粒子の長さに対する前記第１の方向に直交する第２の方向における粒子の長さの比である。）
   条件Ｃ３：気孔率＜４０（％）
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セルにおいて、
   前記第１の層の前記第１の方向に平行な３つの断面であって、前記第１の方向視で前記空気極を前記第１の方向に垂直な方向に４等分する３つの断面に、前記領域が存在することを特徴とする、電気化学反応単セル。
5. 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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