JP6804868B2 - 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

Description

本明細書に開示される技術は、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。この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、電解質層の上記第１の方向における他方側に配置され、酸素イオン伝導性を有するセラミックス粒子（例えばＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））と金属粒子（例えばＮｉ（ニッケル））とを含む燃料極とを備える。

このような燃料電池単セルの中には、発電特性を向上させるために、燃料極において、ＹＳＺの平均粒径を０．１（μｍ）〜１０（μｍ）、Ｎｉの平均粒径を１（μｍ）〜３０（μｍ）、気孔の平均径を０．１（μｍ）〜１０（μｍ）とする技術（以下、「従来技術１」という）が知られている（例えば特許文献１参照）。また、発電特性を向上させるために、燃料極においてＹＳＺの平均粒径を１００（ｎｍ）〜３００（ｎｍ）、Ｎｉの平均粒径を２（μｍ）〜５（μｍ）、気孔の平均径を１（μｍ）以下とする技術（以下、「従来技術２」という）が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２００４−３３５１３１号公報 特開２００５−３３９９０５号公報

上記従来技術１では、Ｎｉの平均粒径が比較的に大きく、比表面積が小さい。このため、反応場となる三相界面が少ないことによって単セルの発電特性を十分に向上させることができないおそれがある。上記従来技術２では、ＹＳＺの平均粒径が比較的に小さい。このため、燃料極内における粒子同士の接触面積が小さいことによって燃料極の強度を十分に維持することができないおそれがある。

なお、このような課題は、Ｎｉ以外の金属粒子や、ＹＳＺ以外のセラミックス粒子を含む燃料極を備える単セルにも共通の課題である。また、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いう。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本明細書に開示される電気化学反応単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、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、電解質層の前記第１の方向における他方側に配置され、酸素イオン伝導性を有するセラミックス粒子と金属粒子とを含む燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記セラミックス粒子の平均粒径は、０．６５（μｍ）以上、０．８２（μｍ）以下であり、前記金属粒子の平均粒径は、０．７２（μｍ）以上、０．８１（μｍ）以下であり、前記燃料極の気孔の平均径は、０．５８（μｍ）以上である。本電気化学反応単セルによれば、燃料極において、セラミックス粒子の平均粒径が０．８２（μｍ）より大きく、金属粒子の平均粒径が０．８１（μｍ）より大きく、気孔の平均径が０．５８（μｍ）未満である場合に比べて、反応場となる三相界面が多いことによって電気化学反応単セルの発電特性を向上させることができる。また、本電気化学反応単セルによれば、燃料極において、セラミックス粒子の平均粒径が０．６５（μｍ）未満、金属粒子の平均粒径が０．７２（μｍ）未満である場合に比べて、燃料極を構成する粒子（セラミックス粒子、金属粒子）同士の接触面積が大きいため、燃料極の強度を十分に維持することができる。すなわち、本電気化学反応単セルによれば、電気化学反応単セルの発電特性の向上と強度の維持とを両立させることができる。

（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極の気孔の平均径は、０．８０（μｍ）以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、燃料極の気孔の平均径が、０．８０（μｍ）より大きい場合に比べて、燃料極の強度を向上させることができる。

（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記金属粒子は、Ｎｉである構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、金属粒子としてＮｉを含む燃料極を備える電気化学反応単セルの発電特性の向上と強度の維持とを両立させることができる。

（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記セラミックス粒子は、ＹＳＺである構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、セラミックス粒子としてＹＳＺを含む燃料極を備える電気化学反応単セルの発電特性の向上と強度の維持とを両立させることができる。

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）、電気化学反応単位（燃料電池発電単位）、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。 単セル１１０の一部分（電解質層１１２、燃料極１１６）のＸＺ断面構成を示す説明図である。 単セル１１０の性能評価の結果を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を「上方向」といい、Ｚ軸負方向を「下方向」というものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。なお、燃料電池スタックは、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックに相当する。

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」という。

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。単セル１１０は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルに相当する。

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る。燃料極１１６の構成については、後に詳述する。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含むため、本実施形態の燃料電池は、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、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形成されていてもよい。

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：
図６には、単セル１１０の一部分（電解質層１１２、燃料極１１６）のＸＺ断面構成が示されている。図６に示すように、燃料極１１６は、電解質層１１２に隣接する活性層３５０と、活性層３５０の内の電解質層１１２とは反対側の表面に隣接する基板層３６０とを含む。活性層３５０と基板層３６０とは、いずれも、例えば、ＹＳＺとＮｉ（ニッケル）とからなるサーメットにより形成されている。ＹＳＺは、特許請求の範囲におけるセラミックス粒子に相当し、Ｎｉは、特許請求の範囲における金属粒子に相当する。

活性層３５０は、主として、電解質層１１２から供給される酸素イオンと燃料ガスＦＧに含まれる水素等とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮し、基板層３６０は、主として、活性層３５０と電解質層１１２と空気極１１４とを支持する機能を発揮する。なお、活性層３５０の活性を高めるために、活性層３５０におけるＮｉの含有率（ｍｏｌ％）は、基板層３６０におけるＮｉの含有率より高いことが好ましい。また、基板層３６０の強度を高めるために、基板層３６０の上下方向における厚さは活性層３５０の上下方向における厚さより厚くすることが好ましい。また、基板層３６０のガス拡散性を高めるために、基板層３６０の気孔率は活性層３５０の気孔率より高いことが好ましい。

燃料極１１６の活性層３５０において、ＹＳＺの平均粒径は、０．６５（μｍ）以上、０．８２（μｍ）以下であり、Ｎｉの平均粒径は、０．７２（μｍ）以上、０．８１（μｍ）以下であり、気孔Ｐの平均径は、０．５８（μｍ）以上、０．８０（μｍ）以下である。以下、これらの範囲を「実施例範囲」という。なお、活性層３５０は、電解質層１１２と燃料極１１６との境界Ｂ１からＺ軸負方向に５（μｍ）以上、３０（μｍ）以下の位置までの領域とすることができ、当該領域内において、ＹＳＺの平均粒径とＮｉの平均粒径と気孔Ｐの平均径とのそれぞれが実施例範囲以内であることが好ましい。

Ａ−４．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。

（燃料極基板層用グリーンシートの作製）
ＮｉＯ粉末（５０重量部）とＹＳＺ粉末（５０重量部）との混合粉末（１００重量部）に対して、造孔材である有機ビーズ（混合粉末に対して１５重量％）と、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエンおよびエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。有機ビーズは、例えば、ポリメタクリル酸メチルやポリスチレンなどの高分子により形成された球状粒子である。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、厚さ２５０（μｍ）の燃料極基板層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極基板層用グリーンシートのＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばＮｉＯ粉末：ＹＳＺ粉末が６０：４０や４０：６０であっても構わない。つまり、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末が１００重量部となるように、ＮｉＯ粉末は４０〜６０重量部の間で適宜変更でき、残りをＹＳＺ粉末とすることができる。

（燃料極活性層用グリーンシートの作製）
ＮｉＯ粉末（６０重量部）とＹＳＺ粉末（４０重量部）との混合粉末（１００重量部）に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエンおよびエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。また、上記混合粉末に、更に、造孔材である有機ビーズ（混合粉末に対して３．９重量％）を加えて、ボールミルにて混合して、スラリーを調整することにより、気孔率が燃料極基板層用グリーンシートより高い燃料極活性層用グリーンシートを作製することができる。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、厚さ６（μｍ）〜３６（μｍ）の燃料極活性層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極活性層用グリーンシートのＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばＮｉＯ粉末：ＹＳＺ粉末が５０：５０や４０：６０であっても構わない。つまり、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末が１００重量部となるように、ＮｉＯ粉末は４０〜６０重量部の間で適宜変更でき、残りをＹＳＺ粉末とすることができる。

（電解質層用グリーンシートの作製）
ＹＳＺ粉末（１００重量部）に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエンおよびエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。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、厚さ１０（μｍ）の電解質層用グリーンシートを作製する。

（電解質層１１２と燃料極１１６との積層）
燃料極基板層用グリーンシートと燃料極活性層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとを貼り付けて約２８０℃で脱脂する。さらに、約１３５０℃にて焼成を行い、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）
Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作成する。作成した混合液を、上記積層体における電解質層１１２の表面に噴霧塗布し、１１００℃で焼成することによって空気極１１４が形成される。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、上述した燃料電池スタック１００が製造される。

なお、例えば、燃料極活性層用グリーンシートを作製する際、ＮｉＯ粉末と混合されるＹＳＺ粉末の粒径を調整することにより、燃料極１１６の活性層３５０におけるＹＳＺの平均粒径を調整することができる。また、例えば、燃料極活性層用グリーンシートを作製する際、ＹＳＺ粉末と混合されるＮｉＯ粉末の粒径を調整することにより、燃料極１１６の活性層３５０におけるＮｉの平均粒径を調整することができる。また、燃料極活性層用グリーンシートを作製する際、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末に加える造孔材である有機ビーズの重量比を調整することにより、燃料極１１６の活性層３５０における気孔Ｐの平均径を調整することができる。

Ａ−５．燃料極１１６の分析方法：
粒径等に関して燃料極１１６を分析する方法について説明する。

（分析画像の取得方法）
まず、燃料極１１６の分析に用いられる分析画像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の活性層３５０の上下方向における全体が確認できる画像を、分析画像として取得する。より詳細には、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２との境界Ｂ１（図６参照）と推測される部分が、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の活性層３５０と基板層３６０との境界Ｂ２（図６参照）と推測される部分が、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、分析画像として取得する。なお、この分析画像は、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。ＦＩＢ-ＳＥＭの画像の倍率は、上記のように燃料極１１６の活性層３５０の上下方向における全体が分析画像に収まるような値に設定され、例えば１０，０００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３５０の特定）
燃料極１１６（活性層３５０）と電解質層１１２との境界Ｂ１は、上記ＳＥＭ画像において、活性層３５０と電解質層１１２との構成物質の相違や視認等に基づき特定することができる。また、活性層３５０と基板層３６０との境界Ｂ２は、ＳＥＭ画像において、活性層３５０と基板層３６０とのＮｉの含有率、Ｎｉの平均粒径や気孔率の相違等に基づき特定することができる。

（平均粒径および気孔の平均径の測定方法）
燃料極１１６の活性層３５０におけるＹＳＺの平均粒径、Ｎｉの平均粒径や気孔の平均径は、"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、上記分析画像において、活性層３５０に、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（図６の直線Ｌ参照）を所定間隔（例えば０．５（μｍ）間隔）で複数本引き、各直線Ｌ上の粒子および気孔にあたる部分の長さをそれぞれＹＳＺの粒子径（Ｄ１）、Ｎｉの粒子径（Ｄ２）および気孔径（Ｄ３）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Ｌ上のすべての粒子および気孔についての粒子径および気孔径を計測し、計測値を用いて粒子径および気孔径の平均値を算出するものとする。

活性層３５０内におけるＹＳＺとＮｉと気孔Ｐとの識別は、例えば、各ＳＥＭ画像における明暗差を用いて行うことができる。具体的には、各ＳＥＭ画像を解析することにより、各ＳＥＭ画像を、明度に応じた３つの領域に分類することができる。明度に応じた３つの領域から、ＹＳＺとＮｉと気孔Ｐとを識別する手法としては、ＳＥＭ−ＥＤＳを用いると良い。ＳＥＭ−ＥＤＳによってＹＳＺとＮｉと気孔Ｐとを識別できるため、上記で取得したＳＥＭ画像から、単位面積当たりのＹＳＺの平均粒径、Ｎｉの平均粒径、気孔Ｐの平均径を特定することができる。なお、図６では、ＹＳＺが幅の狭い斜線（グレイ）、Ｎｉが幅の広い斜線（黒）、気孔Ｐが白で示されているが、実際のＳＥＭ画像における各材料の明暗差は撮影条件等によって異なるため、図６のように、各材料がグレイ、黒、白に対応するとは限らない。

Ａ−６．性能評価：
本実施形態の燃料電池スタック１００は、各単セル１１０の燃料極１１６の活性層３５０の構成に特徴がある。以下、燃料極１１６の活性層３５０の構成が互いに異なる複数のサンプルを用いて行った各種性能評価について説明する。図７は、単セル１１０の性能評価の結果を示す説明図である。

（サンプル）
各サンプルは、上述の製造方法により製造された単セル１１０であり、燃料極１１６の活性層３５０の構成は、次の方法により特定した。まず、製造された単セル１１０を約７００（℃）の水素雰囲気に約３時間晒すことにより燃料極１１６の活性層３５０に還元処理（ＮｉＯがＮｉに還元）を施した。次に、還元後の燃料極１１６の活性層３５０の断面について、上記分析方法により分析した。図７の初期平均径は、還元処理を施した後、次述する定格発電運転を行う前におけるＹＳＺ、Ｎｉおよび気孔Ｐのそれぞれの平均径を意味する。

複数のサンプルの内の実施例１〜４では、ＹＳＺの初期平均径は、０．６５（μｍ）以上、０．８２（μｍ）以下であり、Ｎｉの初期平均径は、０．７２（μｍ）以上、０．８１（μｍ）以下であり、気孔Ｐの初期平均径は、０．５８（μｍ）以上、０．８０（μｍ）以下であった。以下、これらの範囲を「実施例範囲」という。

これに対して、比較例１〜７では、ＹＳＺの初期平均径とＮｉの初期平均径と気孔Ｐの初期平均径との内の少なくとも１つは、実施例範囲から外れている。具体的には、比較例１，２では、ＹＳＺの初期平均径は、１．６５（μｍ）、１．５２（μｍ）であり、ＹＳＺの実施例範囲の上限値（０．８２（μｍ））より大きい。比較例３では、ＹＳＺの初期平均径は、０．５７（μｍ）であり、ＹＳＺの実施例範囲の下限値（０．６５（μｍ））より小さい。比較例４では、Ｎｉの初期平均径は、０．５５（μｍ）であり、Ｎｉの実施例範囲の下限値（０．７２（μｍ））より小さい。比較例５では、Ｎｉの初期平均径は、１．０５（μｍ）であり、Ｎｉの実施例範囲の（上限値０．８１（μｍ））より大きい。比較例６では、気孔Ｐの初期平均径は、０．４１（μｍ）であり、気孔Ｐの実施例範囲の下限値（０．５８（μｍ））より小さい。比較例７では、気孔Ｐの初期平均径は、１．５０（μｍ）であり、気孔Ｐの実施例範囲の上限値（０．８０（μｍ））より大きい。

（初期特性評価）
初期特性評価では、各サンプルを用いた燃料電池スタック１００について、約７００（℃）で空気極１１４に酸化剤ガスＯＧを供給し、燃料極１１６に燃料ガスＦＧを供給し、電流密度が０．５５（Ａ／ｃｍ^２）のときの単セル１１０の出力電圧を測定し、その測定値を、初期電圧（定格発電運転前の出力電圧）とした。そして、各サンプルについて、初期電圧が判定電圧（例えば９４０（ｍＶ））より大きい場合「○」とし、判定電圧以下である場合「×」とした。

その結果、図７に示すように、実施例１〜４のいずれも、初期特性評価が「○」になっている。一方、ＹＳＺの初期平均径がＹＳＺの実施例範囲の上限値より大きい比較例１，２や、Ｎｉの初期平均径がＮｉの実施例範囲の上限値より大きい比較例５では、初期特性評価が「×」になっている。燃料極１１６の活性層３５０を構成する粒子（ＹＳＺやＮｉ）の平均粒径が大きいと、比表面積が小さいことによって反応場となる三相界面が少ないため、単セル１１０の初期電圧が相対的に低くなると考えられる。

また、気孔Ｐの初期平均径が気孔Ｐの実施例範囲の下限値より小さい比較例６でも、初期特性評価が「×」になっている。気孔Ｐの平均径が小さいと、活性層３５０内における燃料ガスＦＧの拡散性が低下するため、単セル１１０の初期電圧が相対的に低くなると考えられる。

（耐久特性評価）
耐久特性評価では、各サンプルを用いた燃料電池スタック１００について、８５０（℃）で１００時間の定格発電運転を行った後、７００（℃）、０．５５Ａ／ｃｍ^２の電圧（試験後電圧）を測定し、上記初期電圧に対する初期電圧と試験後電圧との差の割合を、発電劣化率（％）として算出した。そして、各サンプルについて、発電劣化率が判定率（例えば３（％））より小さい場合「○」とし、判定率以上である場合「×」とした。

その結果、図７に示すように、実施例１〜４のいずれも、耐久特性評価が「○」になっている。一方、ＹＳＺの初期平均径がＹＳＺの実施例範囲の上限値より大きい比較例１，２や、Ｎｉの初期平均径がＮｉの実施例範囲の上限値より大きい比較例５では、耐久特性評価が「×」になっている。燃料極１１６の活性層３５０を構成する粒子（ＹＳＺやＮｉ）の平均粒径が大きいと、比表面積が小さいことによって反応場となる三相界面が少ないため、出力電圧の低下度合いが大きくなるからであると考えられる。

また、気孔Ｐの初期平均径が気孔Ｐの実施例範囲の上限値より大きい比較例７でも、耐久特性評価が「×」になっている。気孔Ｐの平均径が大きいと、活性層３５０の強度が低いため、発電動作時に破損し易くなるからであると考えられる。

（強度評価）
耐久特性評価では、各サンプルについて、公知の３点曲げ試験を行った。そして、各サンプルについて、破壊荷重が判定荷重（例えば１００（ＭＰａ））より大きい場合「○」とし、判定荷重以下である場合「×」とした。

その結果、図７に示すように、実施例１〜４のいずれも、強度評価が「○」になっている。一方、ＹＳＺの初期平均径がＹＳＺの実施例範囲の下限値より小さい比較例３や、Ｎｉの初期平均径がＮｉの実施例範囲の下限値より小さい比較例４では、強度評価が「×」になっている。燃料極１１６の活性層３５０を構成する粒子（ＹＳＺやＮｉ）の平均粒径が小さいと、粒子同士の接触面積が小さいため、燃料極１１６の強度を十分に維持することができないからであると考えられる。

また、気孔Ｐの初期平均径が気孔Ｐの実施例範囲の上限値より大きい比較例７でも、強度評価が「×」になっている。気孔Ｐの平均径が大きいと、活性層３５０の強度が低いからであると考えられる。

Ａ−７．本実施形態の効果：
本実施形態の単セル１１０によれば、燃料極１１６において、ＹＳＺの平均粒径が０．８２（μｍ）より大きく、Ｎｉの平均粒径が０．８１（μｍ）より大きく、気孔Ｐの平均径が０．５８（μｍ）未満である場合に比べて、反応場となる三相界面が多いため、単セル１１０の発電特性を向上させることができる。また、本実施形態の単セル１１０によれば、燃料極１１６において、ＹＳＺの平均粒径が０．６５（μｍ）未満、Ｎｉの平均粒径が０．７２（μｍ）未満である場合に比べて、燃料極１１６を構成する粒子（ＹＳＺ、Ｎｉ）同士の接触面積が大きいため、燃料極１１６の強度を十分に維持することができる。すなわち、本実施形態の単セル１１０によれば、単セル１１０の発電特性の向上と強度の維持とを両立させることができる。

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。

上記実施形態において、気孔Ｐの平均径は、０．８０（μｍ）より大きくてもよい。ただし、上記実施形態のように、気孔Ｐの平均径が０．８０（μｍ）以下であれば、気孔Ｐの平均径が０．８０（μｍ）より大きい場合に比べて、燃料極１１６の強度を向上させることができる。

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、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、上記実施形態では、ボルト２２の両側にナット２４が嵌められているとしているが、ボルト２２が頭部を有し、ナット２４はボルト２２の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。

また、上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート１０４，１０６の代わりに、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと接続された別部材（例えば、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと発電単位１０２との間に配置された導電板）が出力端子として機能するとしてもよい。

また、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト２２が挿入される各連通孔１０８とは別に設けてもよい。

また、上記実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合には、１つのインターコネクタ１５０が隣接する２つの発電単位１０２に共有されるとしているが、このような場合でも、２つの発電単位１０２がそれぞれのインターコネクタ１５０を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ１５０や、最も下に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０は省略されているが、これらのインターコネクタ１５０を省略せずに設けてもよい。

また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体１４４と隣接するインターコネクタ１５０とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０は、多層構成であってもよい。

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。例えば、燃料極１１６に含まれるセラミックス粒子は、ＹＳＺに限らず、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣなどでもよい。要するに、酸素イオン伝導性を有するセラミックス粒子であればよい。また、燃料極１１６に含まれる金属粒子は、Ｎｉに限らず、Ｆｅ（鉄）、Ｐｔ（白金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）などでもよい。

また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを得るとしているが、ＬＰガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスＦＧを得るとしてもよいし、燃料ガスＦＧとして純水素を利用してもよい。

また、上記実施形態（または変形例、以下同様）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、上記実施例範囲を満たす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つの発電単位１０２について、そのような構成となっていれば、単セル１１０の発電特性の向上と強度の維持とを両立させることができる。

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の電解セル（ＳＯＥＣ）の最小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に、燃料極１１６を上記実施形態の構成とすれば、電解セルの電気化学反応特性の向上と強度の維持とを両立させることができる。

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 １０４，１０６：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 ２５０：厚さ ３５０：活性層 ３６０：基板層 Ｂ１：境界 Ｂ２：境界 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス Ｐ：気孔

Claims (3)

1. 固体酸化物を含む電解質層と、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、電解質層の前記第１の方向における他方側に配置され、酸素イオン伝導性を有するセラミックス粒子と金属粒子とを含む燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
   前記セラミックス粒子の平均粒径は、０．６５（μｍ）以上、０．８２（μｍ）以下であり、
   前記金属粒子の平均粒径は、０．７２（μｍ）以上、０．８１（μｍ）以下であり、
   前記燃料極の気孔の平均径は、０．５８（μｍ）以上、０．８０（μｍ）以下であり、
   前記金属粒子は、Ｎｉであり、
   前記セラミックス粒子は、ＹＳＺであることを特徴とする、電気化学反応単セル。
2. 請求項１に記載の電気化学反応単セルにおいて、
   前記燃料極の気孔の平均径は、０．６９（μｍ）以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
3. 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または請求項２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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