JP6835631B2 - Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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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。 The techniques disclosed herein relate to electrochemical reaction single cells.

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。燃料極は、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックス（例えば、イットリア安定化ジルコニア（以下、「ＹＳＺ」という））とを含有し、電解質層に隣接する活性層を有する（例えば、特許文献１参照）。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") having an electrolyte layer containing a solid oxide is known as one of the types of fuel cells that generate electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Has been done. The fuel cell single cell (hereinafter, simply referred to as “single cell”), which is the minimum constituent unit of SOFC, faces each other in a predetermined direction (hereinafter, referred to as “first direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween. Includes air and fuel poles. The fuel electrode contains Ni and oxide ion conductive ceramics (for example, yttria-stabilized zirconia (hereinafter referred to as “YSZ”)) and has an active layer adjacent to the electrolyte layer (see, for example, Patent Document 1). ..

このような単セルにおいて、各層のグリーンシートを焼成して得られたハーフセルについて、活性層の平均厚さおよび気孔率と電解質層の平均厚さおよび気孔率とからなるパラメータの値を所定の数値範囲内に調整することにより、優れた発電性能を発揮する単セルを得ようとする技術がある（例えば、特許文献１参照）。 In such a single cell, for the half cell obtained by firing the green sheet of each layer, the value of the parameter consisting of the average thickness and porosity of the active layer and the average thickness and porosity of the electrolyte layer is a predetermined numerical value. There is a technique for obtaining a single cell that exhibits excellent power generation performance by adjusting within the range (see, for example, Patent Document 1).

特開２０１５−２０７４８７号公報JP-A-2015-207487

このような単セルにおいて、電解質層と燃料極の活性層との間で剥離が発生することがある。例えば電解質層と燃料極の活性層との間の熱膨張係数差に起因する応力が電解質層と燃料極との界面付近に集中することが原因であると想定される。上記従来の技術では、電解質層と燃料極の活性層との間の剥離について十分に検討されていないため、電解質層と燃料極の活性層との間の剥離の抑制と、単セルの特性（発電性能）の低下抑制とを両立することができないおそれがある。例えば、燃料極の活性層の気孔率が低いほど、単位体積当たりのＮｉおよびＹＳＺの絶対量が増えることに伴って、活性層における反応場が増加することにより、活性層における活性化分極が低減するため、単セルの特性の低下を抑制することができる。しかし、その反面、燃料極の活性層の気孔率が低いほど、活性層の硬度が高い分だけ、界面への応力集中による剥離（クラック）の進展を抑制できなくなる。 In such a single cell, peeling may occur between the electrolyte layer and the active layer of the fuel electrode. For example, it is assumed that the stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion between the electrolyte layer and the active layer of the fuel electrode is concentrated near the interface between the electrolyte layer and the fuel electrode. In the above-mentioned conventional technique, since the peeling between the electrolyte layer and the active layer of the fuel electrode has not been sufficiently studied, the suppression of the peeling between the electrolyte layer and the active layer of the fuel electrode and the characteristics of a single cell ( There is a risk that it will not be possible to achieve both suppression of deterioration in power generation performance). For example, as the porosity of the active layer of the fuel electrode is lower, the reaction field in the active layer increases as the absolute amounts of Ni and YSZ per unit volume increase, so that the activation polarization in the active layer decreases. Therefore, deterioration of the characteristics of the single cell can be suppressed. However, on the other hand, the lower the porosity of the active layer of the fuel electrode, the higher the hardness of the active layer, and the more difficult it is to suppress the progress of peeling (cracks) due to stress concentration at the interface.

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。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いう。 It should be noted that such a problem is also common to the electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water. Is. In the present specification, the fuel cell single cell and the electrolytic single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell.

本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique capable of solving at least a part of the above-mentioned problems.

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized, for example, in the following forms.

（１）本明細書に開示される電気化学反応単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、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、前記燃料極は、前記電解質層に隣接する活性層を有し、前記活性層の前記第１の方向の平均厚さ（α）と、前記活性層の気孔率（β）と、前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）と、前記電解質層の気孔率（δ）とは、以下の式（１）により規定される条件を満たす。
３５００ ≦ ｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６５００
電解質層と燃料極が有する活性層との間の剥離発生の主な要因として、電解質層と活性層との熱膨張率の差によって電解質層と活性層との界面に応力が発生することが挙げられる。電解質層と活性層との界面に発生する応力の大きさを定める主な要素は、電解質層および活性層のそれぞれについての第１の方向（空気極と燃料極とが対向する方向）の平均厚さおよび気孔率である。第１の方向の平均厚さについては、当該平均厚さが厚いほど、界面に集中する応力が増大するからである。気孔率については、気孔率が高いほど、界面に生じた応力が緩和されるからである。一方、各層における第１の方向の平均厚さと気孔率とは、電気化学反応単セルの特性に影響する。例えば、電解質層の第１の方向の平均厚さは、厚いほど、電気化学反応単セルのＩＲ抵抗が大きくなる。また、電解質層の気孔率が高いほど、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室との間のガスリークが発生する可能性が高くなる。また、活性層の気孔率が高いほど、電解質層から供給される酸化物イオンと燃料室から供給される燃料ガスに含まれる水素との反応の場が減少する。そこで、本願発明者は、第１の方向の平均厚さと気孔率とに基づく新たなパラメータとして、「第１の方向の平均厚さ／（気孔率×０．０１）」を見出した。そして、本電気化学反応単セルによれば、上記の式（１）を満たすことにより、電解質層と燃料極が有する活性層との間の剥離の抑制と、電気化学反応単セルの特性の低下抑制とを両立することができる。 (1) The electrochemical reaction single cell disclosed in the present specification is an electricity comprising an electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. In the chemical reaction single cell, the fuel electrode has an active layer adjacent to the electrolyte layer, and the average thickness (α) of the active layer in the first direction and the pore ratio (β) of the active layer. The average thickness (γ) of the electrolyte layer in the first direction and the pore ratio (δ) of the electrolyte layer satisfy the conditions defined by the following formula (1).
3500 ≦ ｜ (α / ( β × 0.01) )-(γ / ( δ × 0.01) ) ｜ ≦ 6500
The main cause of exfoliation between the electrolyte layer and the active layer of the fuel electrode is that stress is generated at the interface between the electrolyte layer and the active layer due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the electrolyte layer and the active layer. Be done. The main factor that determines the magnitude of stress generated at the interface between the electrolyte layer and the active layer is the average thickness in the first direction (the direction in which the air electrode and the fuel electrode face each other) for each of the electrolyte layer and the active layer. Fuel and porosity. This is because the thicker the average thickness in the first direction, the greater the stress concentrated on the interface. As for the porosity, the higher the porosity, the more the stress generated at the interface is relaxed. On the other hand, the average thickness and porosity in the first direction in each layer affect the characteristics of the electrochemical reaction single cell. For example, the thicker the average thickness of the electrolyte layer in the first direction, the greater the IR resistance of the electrochemical reaction single cell. Further, the higher the porosity of the electrolyte layer, the higher the possibility that a gas leak will occur between the air chamber facing the air electrode and the fuel chamber facing the fuel electrode. Further, the higher the porosity of the active layer, the smaller the reaction field between the oxide ions supplied from the electrolyte layer and the hydrogen contained in the fuel gas supplied from the fuel chamber. Therefore, the inventor of the present application has found " average thickness in the first direction / ( porosity x 0.01) " as a new parameter based on the average thickness in the first direction and the porosity. Then, according to the present electrochemical reaction single cell, by satisfying the above formula (1), peeling between the electrolyte layer and the active layer of the fuel electrode is suppressed, and the characteristics of the electrochemical reaction single cell are deteriorated. It is possible to achieve both suppression.

（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記活性層の前記第１の方向の平均厚さ（α）と、前記活性層の気孔率（β）と、前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）と、前記電解質層の気孔率（δ）とは、さらに、以下の式（２）により規定される条件を満たす構成としてもよい。
｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６３００
本電気化学反応単セルによれば、電解質層と燃料極が有する活性層との間の剥離を抑制しつつ、電気化学反応単セルの特性の低下を、より効果的に抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction single cell, the average thickness (α) of the active layer in the first direction, the porosity (β) of the active layer, and the electrolyte layer in the first direction. The average thickness (γ) and the porosity (δ) of the electrolyte layer may further satisfy the conditions defined by the following formula (2).
｜ (α / ( β × 0.01) ) − (γ / ( δ × 0.01) ) ｜ ≦ 6300
According to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to more effectively suppress the deterioration of the characteristics of the electrochemical reaction single cell while suppressing the peeling between the electrolyte layer and the active layer of the fuel electrode.

（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）は、６．４（μｍ）未満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、電解質層の第１の方向の平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）以上である場合に比べて、電解質層と燃料極が有する活性層との間の剥離を抑制しつつ、電気化学反応単セルの特性の低下を、より効果的に抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the average thickness (γ) of the electrolyte layer in the first direction may be less than 6.4 (μm). According to this electrochemical reaction single cell, the electrolyte layer and the active layer of the fuel electrode have a higher average thickness (γ) in the first direction than when the average thickness (γ) of the electrolyte layer is 6.4 (μm) or more. It is possible to more effectively suppress the deterioration of the characteristics of the electrochemical reaction single cell while suppressing the peeling between the cells.

（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記活性層の気孔率（β）は、４０（％）未満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、活性層の気孔率（β）が４０（％）以上である場合に比べて、電解質層と燃料極が有する活性層との間の剥離を抑制しつつ、電気化学反応単セルの特性の低下を、より効果的に抑制することができる。 (4) In the above-mentioned electrochemical reaction single cell, the porosity (β) of the active layer may be less than 40 (%). According to this electrochemical reaction single cell, as compared with the case where the porosity (β) of the active layer is 40 (%) or more, the separation between the electrolyte layer and the active layer of the fuel electrode is suppressed, while suppressing the separation. The deterioration of the characteristics of the electrochemical reaction single cell can be suppressed more effectively.

（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、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、上記（１）から（４）までのいずれか一つの電気化学反応単セルであることを特徴とする構成としてもよい。 (5) In the electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction single cells arranged side by side in the first direction, at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is , The composition may be characterized in that it is an electrochemical reaction single cell according to any one of the above (1) to (4).

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、燃料電池単セル、複数の燃料電池単セルを備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、電解セル、複数の電解セルを備える電解セルスタック、電解セルスタックを備える水素生成モジュール、水素生成モジュールを備える水素生成システム等の形態で実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, a fuel cell single cell, a fuel cell stack including a plurality of fuel cell single cells, and a power generation module including a fuel cell stack. It can be realized in the form of a fuel cell system including a power generation module, an electrolytic cell, an electrolytic cell stack having a plurality of electrolytic cells, a hydrogen generation module having an electrolytic cell stack, a hydrogen generation system having a hydrogen generation module, and the like. ..

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。It is a perspective view which shows the appearance structure of the fuel cell stack 100 in embodiment. 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。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of II-II of FIG. 図１のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the position of III-III of FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the XZ cross section configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the YZ cross section configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 単セル１１０の詳細構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the detailed structure of the single cell 110. 性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the performance evaluation result.

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、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。 A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Structure of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 according to the embodiment, and FIG. 2 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II of FIG. 3 is an explanatory view showing a YZ cross-sectional structure of the fuel cell stack 100 at the positions III-III of FIG. 1. Each figure shows XYZ axes that are orthogonal to each other to identify the direction. In the present specification, for convenience, the Z-axis positive direction is referred to as an upward direction, and the Z-axis negative direction is referred to as a downward direction, but the fuel cell stack 100 is actually in a direction different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIGS. 4 and later. The fuel cell stack 100 corresponds to an electrochemical reaction cell stack within the claims.

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。 The fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in this embodiment) fuel cell power generation units (hereinafter, simply referred to as “power generation units”) 102, and a pair of end plates 104 and 106. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in this embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an aggregate composed of seven power generation units 102 from above and below. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、エンドプレート１０４，１０６）のＺ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。 A plurality of holes (eight in this embodiment) penetrating in the vertical direction are formed on the peripheral edge of each layer (power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100 in the vertical direction. , The holes formed in each layer and corresponding to each other communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the communication holes 108 may also be referred to as the communication holes 108.

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。 A bolt 22 extending in the vertical direction is inserted into each communication hole 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolt 22 and the nuts 24 fitted on both sides of the bolt 22. As shown in FIGS. 2 and 3, between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the end plate 104 forming the upper end of the fuel cell stack 100, and the bolt. An insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of the 22 and the lower surface of the end plate 106 forming the lower end of the fuel cell stack 100. However, in the place where the gas passage member 27 described later is provided, the insulating sheets arranged on the upper side and the lower side of the gas passage member 27 and the gas passage member 27 between the nut 24 and the surface of the end plate 106, respectively. 26 is intervening. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic dust sheet, a glass sheet, a glass-ceramic composite agent, or the like.

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。 The outer diameter of the shaft portion of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108. Therefore, a space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108. As shown in FIGS. 1 and 2, the position is located near the midpoint of one side (the side on the positive side of the X axis among the two sides parallel to the Y axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z direction. In the space formed by the bolt 22 (bolt 22A) and the communication hole 108 through which the bolt 22A is inserted, the oxidant gas OG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is generated for each power generation. It functions as an oxidizer gas introduction manifold 161 that is a gas flow path supplied to the unit 102, and is the midpoint of the side opposite to the side (the side on the negative direction of the X axis of the two sides parallel to the Y axis). The space formed by the bolt 22 (bolt 22B) located in the vicinity and the communication hole 108 through which the bolt 22B is inserted provides the oxidant off-gas OOG, which is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. It functions as an oxidant gas discharge manifold 162 that discharges to the outside of the fuel cell stack 100. In this embodiment, for example, air is used as the oxidant gas OG.

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。 Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the positive side of the Y axis among the two sides parallel to the X axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z direction. A fuel gas FG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100 into the space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located in the above and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted, and the fuel gas FG is generated by each power generation. A bolt 22 that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the unit 102 and is located near the midpoint of the side opposite to the side (the side on the negative side of the Y axis of the two sides parallel to the X axis). The space formed by (bolt 22E) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted sends the fuel off-gas FOG, which is the gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, to the outside of the fuel cell stack 100. It functions as a fuel gas discharge manifold 172 to be discharged. In the present embodiment, for example, a hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used as the fuel gas FG.

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。 The fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 has a hollow tubular main body 28 and a hollow tubular branch 29 branched from the side surface of the main body 28. The hole of the branch portion 29 communicates with the hole of the main body portion 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. Further, as shown in FIG. 2, the hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22A forming the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161. The hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22B forming the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162. Further, as shown in FIG. 3, the hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171 and fuel gas. The hole of the main body 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22E forming the discharge manifold 172 communicates with the fuel gas discharge manifold 172.

（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。 (Structure of end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are made of, for example, stainless steel. One end plate 104 is arranged above the power generation unit 102 located at the top, and the other end plate 106 is arranged below the power generation unit 102 located at the bottom. A plurality of power generation units 102 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

（発電単位１０２の構成）
図４は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。 (Structure of power generation unit 102)
FIG. 4 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 2, and FIG. 5 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration at the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-sectional structure of two power generation units 102.

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。 As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 includes a single cell 110, a separator 120, an air pole side frame 130, an air pole side current collector 134, a fuel pole side frame 140, and a fuel pole side. It includes a current collector 144 and a pair of interconnectors 150 that form the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102. Holes corresponding to the communication holes 108 through which the above-mentioned bolts 22 are inserted are formed on the peripheral edges of the separator 120, the air pole side frame 130, the fuel pole side frame 140, and the interconnector 150 in the Z direction.

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）。 The interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is made of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents mixing of reaction gases between the power generation units 102. In the present embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a certain power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Further, since the fuel cell stack 100 includes a pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150 and is located at the bottom. The power generation unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上下方向の一方側（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）を支持する燃料極支持形の単セルである。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。 The single cell 110 is arranged on the electrolyte layer 112, the fuel electrode (anode) 116 arranged on one side (lower side) in the vertical direction of the electrolyte layer 112, and the other side (upper side) in the vertical direction of the electrolyte layer 112. It is provided with an air electrode (cathode) 114. The single cell 110 of the present embodiment is a fuel pole support type single cell that supports other layers (electrolyte layer 112, air pole 114) constituting the single cell 110 with the fuel pole 116. The single cell 110 corresponds to an electrochemical reaction single cell in the claims.

電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、少なくともＺｒを含んでおり、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）、ＣａＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されている。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）、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。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。 The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and contains, for example, at least Zr. For example, YSZ (yttria-stabilized zirconia), ScSZ (scandia-stabilized zirconia), CaSZ (calcia-stabilized zirconia), and the like. It is formed of solid oxide. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, a perovskite-type oxide (for example, LSCF (lanternstrontium cobalt iron oxide), LSM (lanternstrontium manganese oxide), LNF (lantern nickel iron)). Has been done. The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, Ni (nickel), a cermet composed of Ni and ceramic particles, a Ni-based alloy, or the like. The configuration of the fuel electrode 116 will be described in detail later. As described above, the single cell 110 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

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。 The separator 120 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of metal, for example. The peripheral portion of the hole 121 in the separator 120 faces the peripheral edge of the surface of the electrolyte layer 112 on the side of the air electrode 114. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag wax) arranged at the opposite portion thereof. The separator 120 partitions the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and a gas leak from one electrode side to the other electrode side at the peripheral edge of the single cell 110. It is suppressed.

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。 The air electrode side frame 130 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of, for example, an insulator such as mica. The hole 131 of the air electrode side frame 130 constitutes an air chamber 166 facing the air electrode 114. The air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral edge of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. .. Further, the air electrode side frame 130 electrically insulates between the pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102. Further, in the air electrode side frame 130, the oxidant gas supply communication hole 132 that communicates the oxidant gas introduction manifold 161 and the air chamber 166, and the oxidant gas that communicates the air chamber 166 and the oxidant gas discharge manifold 162. A discharge communication hole 133 is formed.

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。 The fuel electrode side frame 140 is a frame-shaped member in which a substantially rectangular hole 141 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of, for example, metal. Hole 141 of the fuel electrode side frame 140 constitutes a fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116. The fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral edge of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116. Further, in the fuel electrode side frame 140, a fuel gas supply communication hole 142 that communicates the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that communicates the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. And are formed.

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。 The fuel electrode side current collector 144 is arranged in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. For example, nickel or nickel alloy. , Stainless steel, etc. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel pole 116 opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 facing the fuel pole 116. Are in contact. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the bottom of the fuel cell stack 100 does not have the lower interconnector 150, the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 is the lower end plate. It is in contact with 106. Since the fuel pole side current collector 144 has such a configuration, the fuel pole 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected to each other. A spacer 149 formed of, for example, mica is arranged between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144 follow. Good electrical connection with is maintained.

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とは一体の部材として形成されているとしてもよい。また、空気極側集電体１３４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。 The air pole side current collector 134 is arranged in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements 135, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 on the side facing the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the top of the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 has an upper end plate. It is in contact with 104. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected. The air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be formed as an integral member. Further, the air electrode side current collector 134 may be covered with a conductive coat, and a conductive bonding layer for bonding the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 may be provided between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134. It may be intervening.

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。 A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. Then, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the holes of the branch portion 29 and the main body portion 28 of the gas passage member 27, and the oxidizer gas introduction manifold 161 oxidizes each power generation unit 102. It is supplied to the air chamber 166 through the agent gas supply communication hole 132. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel gas FG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. Then, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the holes of the branch portion 29 and the main body portion 28 of the gas passage member 27, and the fuel gas supply communication of each power generation unit 102 is performed from the fuel gas introduction manifold 171. It is supplied to the fuel chamber 176 through the hole 142.

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。 When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, power is generated by the electrochemical reaction of the oxidant gas OG and the fuel gas FG in the single cell 110. Will be. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air pole 114 of the single cell 110 is electrically connected to one of the interconnectors 150 via the air pole side current collector 134, and the fuel pole 116 is via the fuel pole side current collector 144. It is electrically connected to the other interconnector 150. Further, the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, the electric energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as the output terminals of the fuel cell stack 100. Since the SOFC generates electricity at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is a heater (for example, until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation after the start-up. (Not shown) may be heated.

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。 As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 through the oxidant gas discharge communication hole 133, and further oxidized. The fuel cell stack 100 is passed through the holes of the main body 28 and the branch 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the agent gas discharge manifold 162, and the gas pipe (not shown) connected to the branch 29. It is discharged to the outside of. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 through the fuel gas discharge communication hole 143, and further, the fuel gas. To the outside of the fuel cell stack 100 via the holes of the main body 28 and the branch 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the discharge manifold 172, and via a gas pipe (not shown) connected to the branch 29. It is discharged.

Ａ−３．燃料極１１６の詳細構成：
図６は、単セル１１０の詳細構成を示す説明図である。図６に示すように、燃料極１１６は、活性層（機能層ともいう）３５０と、活性層３５０に対して電解質層１１２側とは反対側に配置された基板層３６０とを備える。本実施形態では、活性層３５０は、電解質層１１２に隣接して配置されており、基板層３６０は、活性層３５０に隣接して配置されている。活性層３５０と基板層３６０とは、いずれも、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックスであるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）とを含むサーメットにより形成されている。 A-3. Detailed configuration of fuel pole 116:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the single cell 110. As shown in FIG. 6, the fuel electrode 116 includes an active layer (also referred to as a functional layer) 350 and a substrate layer 360 arranged on the side opposite to the electrolyte layer 112 side with respect to the active layer 350. In the present embodiment, the active layer 350 is arranged adjacent to the electrolyte layer 112, and the substrate layer 360 is arranged adjacent to the active layer 350. Both the active layer 350 and the substrate layer 360 are formed of cermet containing Ni and YSZ (yttria-stabilized zirconia) which is an oxide ion conductive ceramic.

活性層３５０は、主として、電解質層１１２から供給される酸化物イオンと燃料ガスＦＧに含まれる水素とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮する層である。また、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層である。なお、基板層３６０の強度を高めるため、基板層３６０のＺ方向の平均厚さは、活性層３５０のＺ方向の平均厚さより厚いことが好ましい。また、基板層３６０のガス拡散性を高めるため、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。 The active layer 350 is a layer that mainly exerts a function of reacting oxide ions supplied from the electrolyte layer 112 with hydrogen contained in the fuel gas FG to generate electrons and water vapor. Further, the substrate layer 360 is a layer that mainly exerts a function of supporting the active layer 350, the electrolyte layer 112, and the air electrode 114. In order to increase the strength of the substrate layer 360, the average thickness of the substrate layer 360 in the Z direction is preferably thicker than the average thickness of the active layer 350 in the Z direction. Further, in order to enhance the gas diffusivity of the substrate layer 360, the porosity of the substrate layer 360 is preferably higher than the porosity of the active layer 350.

本実施形態では、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２とについて、次の式（１）により規定される条件が満たされている。
３５００ ≦ ｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６５００ ・・・（１）
α：燃料極１１６の活性層３５０のＺ方向の平均厚さ
β：燃料極１１６の活性層３５０の気孔率
γ：電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ
δ：電解質層１１２の気孔率
また、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２とについて、さらに、次の式（２）により規定される条件が満たされていることがより好ましい。
｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６３００ ・・・（２） In the present embodiment, the conditions defined by the following formula (1) are satisfied for the active layer 350 and the electrolyte layer 112 of the fuel electrode 116.
3500 ≦ ｜ (α / ( β × 0.01) ) − (γ / ( δ × 0.01) ) ｜ ≦ 6500 ・ ・ ・ (1)
α: Average thickness of the active layer 350 of the fuel electrode 116 in the Z direction β: Porosity of the active layer 350 of the fuel electrode 116 γ: Average thickness of the electrolyte layer 112 in the Z direction δ: Porosity of the electrolyte layer 112 It is more preferable that the active layer 350 and the electrolyte layer 112 of the fuel electrode 116 further satisfy the conditions defined by the following formula (2).
｜ (α / ( β × 0.01) ) − (γ / ( δ × 0.01) ) ｜ ≦ 6300 ・ ・ ・ (2)

また、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）は、６．４（μｍ）未満であることがより好ましい。また、活性層３５０の気孔率（β）は、４０（％）未満であることがより好ましい。 Further, the average thickness (γ) of the electrolyte layer 112 in the Z direction is more preferably less than 6.4 (μm). Further, the porosity (β) of the active layer 350 is more preferably less than 40 (%).

Ａ−４．燃料電池スタック１００の製造方法：
本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法の一例は、以下の通りである。 A-4. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
An example of the method for manufacturing the fuel cell stack 100 in the present embodiment is as follows.

（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＋エタノール混合溶剤とを加え、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２５０μｍ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。 (Preparation of green sheet for fuel electrode substrate layer)
With respect to the mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (50 parts by weight) and YSZ powder (50 parts by weight), organic beads (15% by weight with respect to the mixed powder) which are pore-forming materials, and butyral resin , DOP which is a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene + ethanol are added and mixed with a ball mill to prepare a slurry. Organic beads are, for example, spherical particles formed of a polymer such as polymethyl methacrylate or polystyrene. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to prepare a green sheet for a fuel electrode substrate layer having a thickness of 250 μm. The ratio of NiO powder and YSZ powder in the green sheet for the fuel electrode substrate layer can be appropriately changed as long as the performance is satisfied. For example, even if the NiO powder: YSZ powder is 60:40 or 40:60. I do not care. That is, the NiO powder can be appropriately changed between 40 and 60 parts by weight so that the mixed powder of the NiO powder and the YSZ powder is 100 parts by weight, and the rest can be the YSZ powder.

（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＋エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。なお、例えば、ＮｉＯ粉末の粒径を調整することにより、後述する還元後の単セル１１０におけるＮｉの平均粒径を調整することができる。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６μｍ〜３６μｍ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。 (Preparation of green sheet for fuel polar active layer)
A butyral resin, a plasticizer DOP, a dispersant, and a toluene + ethanol mixed solvent are added to a mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (60 parts by weight) and YSZ powder (40 parts by weight). In addition, mix with a ball mill to prepare the slurry. By adjusting the particle size of the NiO powder, for example, the average particle size of Ni in the reduced single cell 110, which will be described later, can be adjusted. Further, organic beads (3.9% by weight with respect to the mixed powder) as a pore-forming material are further added to the mixed powder and mixed with a ball mill to adjust the slurry, whereby the porosity is fueled. A green sheet for a fuel polar active layer, which is higher than the green sheet for a polar substrate layer, can be produced. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to prepare a green sheet for a fuel polar active layer having a thickness of 6 μm to 36 μm. The ratio of NiO powder and YSZ powder in the green sheet for the fuel polar active layer can be appropriately changed as long as the performance is satisfied. For example, even if the NiO powder: YSZ powder is 50:50 or 40:60. I do not care. That is, the NiO powder can be appropriately changed between 40 and 60 parts by weight so that the mixed powder of the NiO powder and the YSZ powder is 100 parts by weight, and the rest can be the YSZ powder.

（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＋エタノール混合溶剤とを加え、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１０μｍの電解質層用グリーンシートを作製する。 (Preparation of green sheet for electrolyte layer)
Butyral resin, plasticizer DOP, dispersant, and toluene + ethanol mixed solvent are added to YSZ powder (100 parts by weight) and mixed with a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is thinned by the doctor blade method to prepare a green sheet for an electrolyte layer having a thickness of 10 μm.

（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。 (Lamination of electrolyte layer 112 and fuel electrode 116)
The green sheet for the fuel electrode substrate layer, the green sheet for the fuel electrode active layer, and the green sheet for the electrolyte layer are attached and degreased at about 280 ° C. Further, firing is performed at about 1350 ° C. to obtain a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116.

（空気極１１４の形成）
Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３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を形成する。 (Formation of air pole 114)
A mixed solution consisting of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder and isopropyl alcohol is prepared. The prepared mixed solution is spray-coated on the surface of the electrolyte layer 112 in the laminate and fired at 1100 ° C. to form an air electrode 114.

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。その後、複数の単セル１１０が製造された後、複数の単セル１１０および他の部品を組み立ててボルト２２により締結することにより、上述した燃料電池スタック１００が製造される。なお、活性層の気孔率（β）と電解質層の気孔率（δ）とを調整する方法として、例えば以下の３つの方法を採用することができる。
ａ）原料粉末として用いる粉末の粒径を調整する方法
ｂ）原料粉末に、樹脂ビーズやカーボン粉末といった焼成時に焼き飛んで気孔を形成する造孔材の添加量を調整する方法
ｃ）焼結温度を調整することにより焼結収縮の程度を調整する方法
例えば、ａ）の方法では、原料粉末として用いる粉末の粒径を調整する際、粒径を小さくすると気孔率が低下し、粒径を大きくすると気孔率が高くなる。ｂ）の方法では、樹脂ビーズやカーボン粉末などの造孔材を添加することによって気孔を形成する際、造孔材の添加量を多くするほど気孔率が高くなる。また、ｃ）の方法では、焼結温度を高くすると、より焼結が進むため気孔率が低下し、焼結温度を低くすると気孔率は高くなる傾向がある。 Through the above steps, the single cell 110 having the above-described configuration is manufactured. After that, after the plurality of single cells 110 are manufactured, the fuel cell stack 100 described above is manufactured by assembling the plurality of single cells 110 and other parts and fastening them with bolts 22. As a method for adjusting the porosity (β) of the active layer and the porosity (δ) of the electrolyte layer, for example, the following three methods can be adopted.
a) Method of adjusting the particle size of the powder used as the raw material powder b) Method of adjusting the amount of pore-forming material such as resin beads or carbon powder that burns off during firing to form pores in the raw material powder c) Sintering temperature For example, in the method a), when adjusting the particle size of the powder used as the raw material powder, if the particle size is reduced, the porosity decreases and the particle size is increased. Then, the pore ratio becomes high. In the method b), when pores are formed by adding a pore-forming material such as resin beads or carbon powder, the porosity increases as the amount of the pore-forming material added increases. Further, in the method c), when the sintering temperature is raised, the porosity tends to decrease because the sintering proceeds more, and when the sintering temperature is lowered, the porosity tends to increase.

Ａ−５．性能評価：
複数の単セル１１０のサンプルを作製し、作製された複数の単セル１１０のサンプルを用いて各種性能評価を行った。図７は、性能評価結果を示す説明図である。なお、図７中の計算値Ｐは、上記式（１）（２）における「｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜」の値である。以下、この性能評価について説明する。 A-5. Performance evaluation:
Samples of a plurality of single cells 110 were prepared, and various performance evaluations were performed using the prepared samples of the plurality of single cells 110. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the performance evaluation result. The calculated value P in FIG. 7 is the value of “| (α / ( β × 0.01) ) − (γ / ( δ × 0.01) ) |” in the above equations (1) and (2). is there. This performance evaluation will be described below.

Ａ−５−１．各サンプルについて：
図７に示すように、各種性能評価は、サンプル１〜１０を対象として行った。各サンプルでは、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２との構成が互いに異なっている。より具体的には、各サンプルは、活性層３５０のＺ方向の平均厚さ（α）と、活性層３５０の気孔率（β）と、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）と、電解質層１１２の気孔率（δ）との組合せが、互いに異なっている。なお、各層（活性層３５０、電解質層１１２）の平均厚さは、次のようにして算出した。各サンプルについて、活性層３５０と電解質層１１２との両方の上下方向における全体が確認できるＳＥＭ画像を取得する。このＳＥＭ画像において、基板層３６０と活性層３５０との第１の境界Ｂ１と、活性層３５０と電解質層１１２との第２の境界Ｂ２とから、活性層３５０のＺ方向の平均厚さ（α）を算出した。また、第２の境界Ｂ２と、電解質層１１２と空気極１１４との第３の境界Ｂ３とから、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）を算出した。平均厚さ（γ）は、次のように求めることができる。すなわち、基板層３６０の少なくとも一部と、活性層３５０と電解質層１１２との配列方向（Ｚ方向）における全体が視野範囲に入る断面のＳＥＭ画像において、配列方向に平行な任意の仮想直線を１０本以上引き、各仮想直線と、第１の境界Ｂ１、第２の境界Ｂ２および第３の境界Ｂ３とそれぞれが交差する点同士を結ぶ２つの線分長さを、各層の厚みとし、１０本以上の仮想直線における各層の厚みの平均値を平均厚さとする。なお、第１の境界Ｂ１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、気孔径、気孔率の相違等に基づき特定することができる。第２の境界Ｂ２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、第３の境界Ｂ３は、上記ＳＥＭ画像において、電解質層１１２と空気極１１４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、各層の気孔率は、各層のＳＥＭ断面写真を用い、インターセプト法（例えば、水谷惟恭著、「セラミックプロセシング」、技報堂出版、１９８５年３月、ｐ．１９３−ｐ．１９５参照）によって算出した。 A-5-1. For each sample:
As shown in FIG. 7, various performance evaluations were performed on samples 1 to 10. In each sample, the configurations of the active layer 350 and the electrolyte layer 112 of the fuel electrode 116 are different from each other. More specifically, each sample has the average thickness (α) of the active layer 350 in the Z direction, the porosity (β) of the active layer 350, and the average thickness (γ) of the electrolyte layer 112 in the Z direction. , The combination with the porosity (δ) of the electrolyte layer 112 is different from each other. The average thickness of each layer (active layer 350, electrolyte layer 112) was calculated as follows. For each sample, an SEM image is obtained in which the entire active layer 350 and the electrolyte layer 112 can be confirmed in the vertical direction. In this SEM image, the average thickness (α) of the active layer 350 in the Z direction from the first boundary B1 between the substrate layer 360 and the active layer 350 and the second boundary B2 between the active layer 350 and the electrolyte layer 112. ) Was calculated. Further, the average thickness (γ) of the electrolyte layer 112 in the Z direction was calculated from the second boundary B2 and the third boundary B3 between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114. The average thickness (γ) can be calculated as follows. That is, in the SEM image of the cross section in which at least a part of the substrate layer 360 and the active layer 350 and the electrolyte layer 112 in the arrangement direction (Z direction) are entirely within the viewing range, 10 arbitrary virtual straight lines parallel to the arrangement direction are formed. The thickness of each layer is 10 lines, and the length of two line segments connecting each virtual straight line and the points where the first boundary B1, the second boundary B2, and the third boundary B3 intersect with each other is defined as the thickness of each layer. Let the average value of the thickness of each layer in the above virtual straight line be the average thickness. The first boundary B1 can be specified in the SEM image based on the difference in Ni content between the active layer 350 and the substrate layer 360, the average particle size of Ni, the pore diameter, the porosity, and the like. The second boundary B2 can be identified in the SEM image based on the difference in the constituent substances between the active layer 350 and the electrolyte layer 112, visual recognition, and the like. Further, the third boundary B3 can be specified in the SEM image based on the difference in the constituent substances between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114, visual recognition, and the like. The porosity of each layer was calculated by the intercept method (see, for example, "Ceramic Processing" by Satoshi Mizutani, Gihodo Publishing Co., Ltd., March 1985, p.193-p.195) using SEM cross-sectional photographs of each layer. ..

具体的には、計算値Ｐに関して、サンプル１〜７では、計算値Ｐが３５００以上、かつ、６５００以下であるため、上記式（１）に規定される条件が満たされている。さらに、サンプル１〜５では、計算値Ｐが３５００以上、かつ、６３００以下であるため、上記式（２）に規定される条件が満たされている。一方、サンプル８〜１０では、計算値Ｐが３５００未満、または、６５００を超えるため、上記式（１）（２）に規定される条件が満たされていない。 Specifically, regarding the calculated value P, since the calculated value P is 3500 or more and 6500 or less in the samples 1 to 7, the condition defined in the above formula (1) is satisfied. Further, in Samples 1 to 5, since the calculated value P is 3500 or more and 6300 or less, the condition defined in the above formula (2) is satisfied. On the other hand, in the samples 8 to 10, since the calculated value P is less than 3500 or exceeds 6500, the conditions defined in the above equations (1) and (2) are not satisfied.

また、燃料極１１６の活性層３５０の気孔率（β）に関して、サンプル７のみ、気孔率（β）が４０（％）以上であり、その他のサンプルでは、気孔率（β）が４０（％）未満である。また、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）に関して、サンプル１〜５では、平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）未満であり、サンプル６，７では、平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）以上である。また、電解質層１１２の気孔率（δ）に関して、サンプル１〜７，１０では、気孔率（δ）が０．１（％）であり、サンプル８では、気孔率（δ）が０．１（％）より高く、サンプル９では、気孔率（δ）が０．１（％）より低い。 Regarding the porosity (β) of the active layer 350 of the fuel electrode 116, only sample 7 has a porosity (β) of 40 (%) or more, and the other samples have a porosity (β) of 40 (%). Is less than. Regarding the average thickness (γ) of the electrolyte layer 112 in the Z direction, the average thickness (γ) of the samples 1 to 5 was less than 6.4 (μm), and the average thickness (γ) of the samples 6 and 7 was the average thickness (γ). γ) is 6.4 (μm) or more. Regarding the porosity (δ) of the electrolyte layer 112, the porosity (δ) was 0.1 (%) in Samples 1 to 7 and 10, and the porosity (δ) was 0.1 (δ) in Sample 8. %), And in sample 9, the porosity (δ) is less than 0.1 (%).

Ａ−５−２．評価項目および評価方法：
本性能評価では、電解質層１１２と燃料極１１６の活性層３５０との剥離の有無、電解質層１１２のガスリークの有無、初期特性についての評価を行った。 A-5-2. Evaluation items and evaluation methods:
In this performance evaluation, the presence / absence of peeling between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 of the fuel electrode 116, the presence / absence of a gas leak in the electrolyte layer 112, and the initial characteristics were evaluated.

（電解質層１１２と燃料極１１６の活性層３５０との剥離の有無の評価方法）
各サンプルについて、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２との第２の境界Ｂ２の近傍が確認できる断面のＳＥＭ画像を取得し、そのＳＥＭ画像の断面観察を行い、視認にて、電解質層１１２と活性層３５０との剥離の有無を判定した。 (Evaluation method for the presence or absence of peeling between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 of the fuel electrode 116)
For each sample, an SEM image of a cross section in which the vicinity of the second boundary B2 between the active layer 350 of the fuel electrode 116 and the electrolyte layer 112 can be confirmed is acquired, the cross section of the SEM image is observed, and the electrolyte layer is visually observed. The presence or absence of peeling between 112 and the active layer 350 was determined.

（電解質層１１２のガスリークの有無の評価方法）
各サンプルにおける燃料極１１６と電解質層１１２との積層部分について、ヘリウムリークディテクタ（島津エミット株式会社製 ＭＳＥ−２０００型）を用いて、ヘリウムリーク試験を行った。ヘリウムリーク量が１０−７（Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃ）以上である場合にはリーク有り「×」と判定し、ヘリウムリーク量が１０−７（Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃ）未満である場合にはリーク無し「○」と判定した。 (Evaluation method for the presence or absence of gas leak in the electrolyte layer 112)
A helium leak test was performed on the laminated portion of the fuel electrode 116 and the electrolyte layer 112 in each sample using a helium leak detector (MSE-2000 type manufactured by Shimadzu Emit Co., Ltd.). If the helium leak amount is 10-7 (Pa · m 3 / sec) or more, it is judged as “x” with a leak, and if the helium leak amount is less than 10-7 (Pa · m 3 / sec), it is judged as “x”. Was judged to be "○" with no leak.

（初期特性の評価方法）
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／ｃｍ２）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Ｖｏ（定格発電運転前の出力電圧）とした。初期電圧Ｖｏが０．９２（Ｖ）以上である場合には良（○）と判定し、初期電圧Ｖｏが０．９０（Ｖ）以上、０．９２（Ｖ）未満である場合には合格（△）と判定し、初期電圧Ｖｏが０．９０（Ｖ）未満である場合には不合格（×）と判定した。 (Evaluation method of initial characteristics)
For the fuel cell stack 100 using each sample, the oxidant gas OG was supplied to the air electrode 114 and the fuel gas FG was supplied to the fuel electrode 116 at about 700 ° C., and the current density was 0.55 (A / cm 2 ). The output voltage of the single cell 110 at this time was measured, and the measured value was taken as the initial voltage Vo (output voltage before the rated power generation operation). If the initial voltage Vo is 0.92 (V) or more, it is judged as good (○), and if the initial voltage Vo is 0.90 (V) or more and less than 0.92 (V), it is passed (pass). If the initial voltage Vo is less than 0.90 (V), it is determined to be rejected (x).

Ａ−５−３．評価結果：
（計算値Ｐについて）
図７に示すように、サンプル１〜７では、計算値Ｐが３５００以上、かつ、６５００以下であり、剥離試験の評価結果は「剥離無し」であり、初期特性の評価結果は「合格（△）」以上であった。このことは、計算値Ｐが３５００以上、かつ、６５００以下である場合、電解質層１１２と燃料極１１６の活性層３５０との間の剥離の抑制と、単セル１１０の特性（初期特性）の低下抑制とを両立することができることを意味する。また、サンプル１〜６については、計算値Ｐは６４００以下であり、単セル１１０の特性低下を抑制できるため、より好ましい。さらに、サンプル１〜５では、計算値Ｐが３５００以上、かつ、６３００以下であり、初期特性の評価結果は「良（○）」であった。このことは、計算値Ｐが６３００以下である場合、単セル１１０の特性の低下を、より効果的に抑制できることを意味する。さらに、本評価結果によると、サンプル１〜５の計算値Ｐは３５２９以上である場合、単セル１１０の特定低下を抑制できており、より好ましいといえる。計算値Ｐが６２１８以下である場合、単セル１１０の特性低下を、さらに効果的に抑制できるため、より好ましい。サンプル１〜５では、特に、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）未満であることによって単セル１１０のＩＲ抵抗が相対的に小さいことが、単セル１１０の特性低下の抑制に貢献したと考えられる。 A-5-3. Evaluation results:
(About calculated value P)
As shown in FIG. 7, in Samples 1 to 7, the calculated value P is 3500 or more and 6500 or less, the evaluation result of the peeling test is “no peeling”, and the evaluation result of the initial characteristics is “passed (Δ). ) ”And more. This means that when the calculated value P is 3500 or more and 6500 or less, the peeling between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 of the fuel electrode 116 is suppressed, and the characteristics (initial characteristics) of the single cell 110 are deteriorated. It means that it can be compatible with suppression. Further, for samples 1 to 6, the calculated value P is 6400 or less, which is more preferable because the deterioration of the characteristics of the single cell 110 can be suppressed. Further, in Samples 1 to 5, the calculated value P was 3500 or more and 6300 or less, and the evaluation result of the initial characteristics was “good (◯)”. This means that when the calculated value P is 6300 or less, the deterioration of the characteristics of the single cell 110 can be suppressed more effectively. Further, according to the present evaluation result, when the calculated value P of the samples 1 to 5 is 3529 or more, the specific decrease of the single cell 110 can be suppressed, which is more preferable. When the calculated value P is 6218 or less, the deterioration of the characteristics of the single cell 110 can be suppressed more effectively, which is more preferable. In Samples 1 to 5, the IR resistance of the single cell 110 is relatively small because the average thickness (γ) of the electrolyte layer 112 in the Z direction is less than 6.4 (μm). It is considered that it contributed to the suppression of the deterioration of the characteristics of.

また、電解質層１１２の気孔率（δ）が比較的に高い場合、電解質層１１２内の気孔を介して一方の電極側から他方の電極側へのガスリーク（クロスリーク）が発生し、単セル１１０の特性（発電性能）が低下するおそれがある。したがって、単セル１１０の特性向上の面では、電解質層１１２に気孔が存在しないことが好ましい。しかし、サンプル１〜７では、電解質層１１２の気孔率（δ）が０．１（％）であり、電解質層１１２に気孔が存在するにもかかわらず、リーク試験の評価結果が「リーク無し（○）」であり、剥離試験の評価結果は「剥離無し」であった。すなわち、気孔が閉気孔として電解質層１１２に少量存在する程度であれば、気孔の存在が単セル１１０の特性に与える影響は比較的に小さく、むしろ、気孔の存在によって、電解質層１１２と活性層３５０との界面への応力集中が緩和され、クラックの進行の抑制に貢献すると言える。また、活性層３５０の気孔率（β）が４０（％）未満であれば、活性層３５０における反応場の減少による初期特性の低下を抑えることができる。 Further, when the porosity (δ) of the electrolyte layer 112 is relatively high, a gas leak (cross leak) from one electrode side to the other electrode side occurs through the pores in the electrolyte layer 112, and the single cell 110 There is a risk that the characteristics (power generation performance) of the Therefore, in terms of improving the characteristics of the single cell 110, it is preferable that the electrolyte layer 112 does not have pores. However, in Samples 1 to 7, the porosity (δ) of the electrolyte layer 112 was 0.1 (%), and despite the presence of pores in the electrolyte layer 112, the evaluation result of the leak test was “no leak (no leak (δ)). ◯) ”, and the evaluation result of the peeling test was“ no peeling ”. That is, if a small amount of pores are present in the electrolyte layer 112 as closed pores, the influence of the presence of the pores on the characteristics of the single cell 110 is relatively small. Rather, the presence of the pores causes the electrolyte layer 112 and the active layer. It can be said that the stress concentration at the interface with the 350 is relaxed and contributes to the suppression of the progress of cracks. Further, when the porosity (β) of the active layer 350 is less than 40 (%), it is possible to suppress a decrease in the initial characteristics due to a decrease in the reaction field in the active layer 350.

一方、サンプル８では、計算値Ｐが３５００未満であり、剥離試験の評価結果は「剥離無し」であるが、リーク試験の評価結果は「リーク有り（×）」であり、初期特性の評価結果は「不合格（×）」であった。サンプル８では、電解質層１１２の気孔率（δ）がサンプル１〜７より高いことによって、ガスリークが発生し、その結果、単セル１１０の初期特性が低下したと考えられる。また、サンプル８では、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）が相対的に厚いため、単セル１１０のＩＲ抵抗が増大したことによって初期特性が低下したと考えられる。 On the other hand, in sample 8, the calculated value P is less than 3500, and the evaluation result of the peeling test is "no peeling", but the evaluation result of the leak test is "leaky (x)", and the evaluation result of the initial characteristics. Was "failed (x)". In Sample 8, it is considered that the porosity (δ) of the electrolyte layer 112 was higher than that of Samples 1 to 7, causing a gas leak, and as a result, the initial characteristics of the single cell 110 were deteriorated. Further, in sample 8, since the average thickness (γ) of the electrolyte layer 112 in the Z direction is relatively thick, it is considered that the initial characteristics are deteriorated due to the increase in IR resistance of the single cell 110.

サンプル９では、計算値Ｐが６５００を超えており、リーク試験の評価結果は「リーク無し（○）」であるが、剥離試験の評価結果は「剥離有り」であり、初期特性の評価結果は「不合格（×）」であった。サンプル９では、電解質層１１２の気孔率（δ）が相対的に低く、電解質層１１２が過度に緻密であるため、剥離が発生し易くなったと考えられる。したがって、剥離抑制のため、電解質層１１２の気孔率（δ）は、０．０６（％）より大きいことが好ましい。 In sample 9, the calculated value P exceeds 6500, and the evaluation result of the leak test is "no leak (○)", but the evaluation result of the peeling test is "with peeling", and the evaluation result of the initial characteristics is It was "failed (x)". In sample 9, the porosity (δ) of the electrolyte layer 112 is relatively low, and the electrolyte layer 112 is excessively dense, so that it is considered that peeling is likely to occur. Therefore, the porosity (δ) of the electrolyte layer 112 is preferably larger than 0.06 (%) in order to suppress peeling.

サンプル１０では、計算値Ｐが、サンプル９より小さいが、６５００を超えており、剥離試験の評価結果は「剥離無し」であり、リーク試験の評価結果は「リーク無し（○）」であるが、初期特性の評価結果は「不合格（×）」であった。サンプル１０では、電解質層１１２の厚み（γ）が相対的に厚いため、ＩＲ抵抗が増大し、初期特性が低下したと考えられる。したがって、ＩＲ抵抗の増大の抑制のため、電解質層１１２の厚み（γ）は６．７（μｍ）より薄いことが好ましい。 In sample 10, the calculated value P is smaller than sample 9, but exceeds 6500, the evaluation result of the peeling test is "no peeling", and the evaluation result of the leak test is "no leak (○)". , The evaluation result of the initial characteristics was "Failure (x)". In sample 10, since the thickness (γ) of the electrolyte layer 112 is relatively thick, it is considered that the IR resistance is increased and the initial characteristics are lowered. Therefore, the thickness (γ) of the electrolyte layer 112 is preferably thinner than 6.7 (μm) in order to suppress the increase in IR resistance.

Ａ−６．本実施形態の効果：
電解質層１１２と燃料極１１６が有する活性層３５０との間の剥離発生の主な要因として、電解質層１１２と活性層３５０との熱膨張率の差によって電解質層１１２と活性層３５０との界面に応力が発生することが挙げられる。電解質層１１２と活性層３５０との界面に発生する応力の大きさを定める主な要素は、電解質層１１２および活性層３５０のそれぞれについてのＺ方向の平均厚さおよび気孔率である。Ｚ方向の平均厚さについては、当該平均厚さが厚いほど、例えば各層における上側と下側とで体積変動量の差が大きくなることによって、界面に集中する応力が増大するからである。気孔率については、気孔率が高いほど、例えば各層の硬度が低下し、気孔によって界面への応力が吸収されることによって界面に生じた応力が緩和されるからである。 A-6. Effect of this embodiment:
The main cause of peeling between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 of the fuel electrode 116 is the difference in the coefficient of thermal expansion between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 at the interface between the electrolyte layer 112 and the active layer 350. The generation of stress can be mentioned. The main factors that determine the magnitude of the stress generated at the interface between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 are the average thickness and porosity in the Z direction for each of the electrolyte layer 112 and the active layer 350. This is because the thicker the average thickness in the Z direction, the greater the difference in the amount of volume variation between the upper side and the lower side of each layer, so that the stress concentrated on the interface increases. As for the porosity, the higher the porosity, the lower the hardness of each layer, for example, and the stress generated at the interface is relaxed by the absorption of the stress to the interface by the pores.

一方、各層におけるＺ方向の平均厚さと気孔率とは、単セル１１０の特性に影響する。例えば、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さは、厚いほど、単セル１１０のＩＲ抵抗が大きくなる。また、電解質層１１２の気孔率が高いほど、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室との間のガスリークが発生する可能性が高くなる。また、活性層３５０の気孔率が高いほど、単位体積当たりのＮｉおよびＹＳＺの絶対量が減少することに伴って、電解質層１１２から供給される酸化物イオンと燃料室から供給される燃料ガスに含まれる水素との反応の場が減少する。反応場が減少すると、活性層３５０における活性化分極が増大するため、単セル１１０の特性が低下する。 On the other hand, the average thickness and porosity in the Z direction in each layer affect the characteristics of the single cell 110. For example, the thicker the average thickness of the electrolyte layer 112 in the Z direction, the greater the IR resistance of the single cell 110. Further, the higher the porosity of the electrolyte layer 112, the higher the possibility that a gas leak will occur between the air chamber facing the air electrode and the fuel chamber facing the fuel electrode. Further, as the porosity of the active layer 350 increases, the absolute amounts of Ni and YSZ per unit volume decrease, so that the oxide ions supplied from the electrolyte layer 112 and the fuel gas supplied from the fuel chamber become available. The field of reaction with the contained hydrogen is reduced. When the reaction field decreases, the activation polarization in the active layer 350 increases, so that the characteristics of the single cell 110 deteriorate.

以上のように、活性層３５０のＺ方向の平均厚さ（α）と、活性層３５０の気孔率（β）と、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）と、電解質層１１２の気孔率（δ）とを適切に設定しなければ、電解質層１１２と燃料極１１６の活性層３５０との間の剥離の抑制と、単セル１１０の特性の低下抑制とを両立できない。そこで、上述したように、本願発明者は、電解質層１１２と活性層３５０とにおけるＺ方向の平均厚さと気孔率とに基づく新たなパラメータ（計算値Ｐ）として、「Ｚ方向の平均厚さ／（気孔率×０．０１）」を見出した。そして、本実施形態の単セル１１０によれば、電解質層１１２と活性層３５０との間について、上記式（１）により規定される条件を満たすように、Ｚ方向の平均厚さ／（気孔率×０．０１）のバランスを調整することにより、電解質層１１２と燃料極１１６の活性層３５０との間の剥離の抑制と、単セル１１０の特性の低下抑制とを両立することができる。
As described above, the average thickness (α) of the active layer 350 in the Z direction, the porosity (β) of the active layer 350, the average thickness (γ) of the electrolyte layer 112 in the Z direction, and the electrolyte layer 112. Unless the porosity (δ) is set appropriately, it is not possible to suppress the separation between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 of the fuel electrode 116 and suppress the deterioration of the characteristics of the single cell 110 at the same time. Therefore, as described above, the inventor of the present application has set a new parameter (calculated value P) based on the average thickness in the Z direction and the porosity of the electrolyte layer 112 and the active layer 350 as "average thickness in the Z direction / ( Porosity x 0.01) ”was found. Then, according to the single cell 110 of the present embodiment, the average thickness / ( porosity) in the Z direction is satisfied between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 so as to satisfy the condition defined by the above formula (1). By adjusting the balance of × 0.01) , it is possible to suppress the peeling between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 of the fuel electrode 116 and suppress the deterioration of the characteristics of the single cell 110 at the same time.

また、本実施形態の単セル１１０によれば、電解質層１１２と活性層３５０との間について、上記式（２）により規定される条件を満たすことにより、電解質層１１２と活性層３５０との間の剥離を抑制しつつ、単セル１１０の特性の低下を、より効果的に抑制することができる。また、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）未満であれば、６．４（μｍ）以上である場合に比べて、電解質層１１２と活性層３５０との間の剥離を抑制しつつ、単セル１１０の特性の低下を、より効果的に抑制することができる。また、活性層３５０の気孔率（β）が４０（％）未満であれば、４０（％）以上である場合に比べて、電解質層１１２と活性層３５０との間の剥離を抑制しつつ、単セル１１０の特性の低下を、より効果的に抑制することができる。 Further, according to the single cell 110 of the present embodiment, the space between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 is between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 by satisfying the conditions defined by the above formula (2). It is possible to more effectively suppress the deterioration of the characteristics of the single cell 110 while suppressing the peeling of the cell 110. Further, if the average thickness (γ) of the electrolyte layer 112 in the Z direction is less than 6.4 (μm), the electrolyte layer 112 and the active layer 350 are more than the case where the average thickness (γ) is 6.4 (μm) or more. It is possible to more effectively suppress the deterioration of the characteristics of the single cell 110 while suppressing the peeling between the cells. Further, when the porosity (β) of the active layer 350 is less than 40 (%), the peeling between the electrolyte layer 112 and the active layer 350 is suppressed as compared with the case where the porosity (β) is 40 (%) or more. The deterioration of the characteristics of the single cell 110 can be suppressed more effectively.

Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。 B. Modification example:
The technique disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be transformed into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are also possible.

上記実施形態では、燃料極１１６は、活性層３５０と基板層３６０とを含むとされていたが、これに限定されず、燃料極１１６は、活性層３５０のみを含む単層であるとしてもよいし、活性層３５０と基板層３６０とに加えてさらに別の層を含むとしてもよい。 In the above embodiment, the fuel electrode 116 is said to include the active layer 350 and the substrate layer 360, but the present invention is not limited to this, and the fuel electrode 116 may be a single layer including only the active layer 350. Then, in addition to the active layer 350 and the substrate layer 360, another layer may be included.

上記実施形態において、単セル１１０は、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２とについて、式（１）により規定される条件を満たすが、式（２）により規定される条件を満たさないとしてもよい。また、単セル１１０は、式（１）により規定される条件を満たせば、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）以上であってもよいし、活性層３５０の気孔率（β）が４０（％）以上であってもよい。 In the above embodiment, the single cell 110 satisfies the conditions specified by the formula (1) for the active layer 350 and the electrolyte layer 112 of the fuel electrode 116, but does not satisfy the conditions specified by the formula (2). May be good. Further, the single cell 110 may have an average thickness (γ) of the electrolyte layer 112 in the Z direction of 6.4 (μm) or more as long as the conditions specified by the formula (1) are satisfied, or the active layer. The porosity (β) of 350 may be 40 (%) or more.

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、燃料電池スタック１００に含まれる複数の単セル１１０の内、少なくとも１つについて、上記式（１）により規定された条件を満たせばよい。 Further, in the above embodiment, the number of single cells 110 included in the fuel cell stack 100 is only an example, and the number of single cells 110 is appropriately determined according to the output voltage and the like required for the fuel cell stack 100. Further, at least one of the plurality of single cells 110 included in the fuel cell stack 100 may satisfy the conditions specified by the above formula (1).

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。例えば、上記実施形態では、電解質層１１２がＹＳＺを含むとしているが、電解質層１１２は、ＹＳＺに代えて、あるいはＹＳＺに加えて、例えばＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）やＣａＳＺ（酸化カルシウム安定化ジルコニア）等の他の固体酸化物を含むとしてもよい。 Further, the material constituting each member in the above embodiment is merely an example, and each member may be composed of another material. For example, in the above embodiment, the electrolyte layer 112 contains YSZ, but the electrolyte layer 112 may be used in place of YSZ or in addition to YSZ, for example, ScSZ (scandia-stabilized zirconia) or CaSZ (calcium oxide-stabilized zirconia). ) And other solid oxides may be included.

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の平板形の単セル１１０が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば国際公開第２０１２／１６５４０９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。 Further, in the above embodiment, the fuel cell stack 100 has a configuration in which a plurality of flat plate-shaped single cells 110 are laminated, but the present invention is described in another configuration, for example, International Publication No. 2012/1655409. As described above, the same applies to a configuration in which a plurality of substantially cylindrical fuel cell single cells are connected in series.

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、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単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、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２とについて、上記式（１）により規定される条件を満たす構成を採用すれば、電解質層と燃料極の活性層との間の剥離の抑制と、単セルの特性の低下抑制とを両立することができる。 Further, in the above embodiment, the SOFC that generates power by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidizing agent gas is targeted, but the present invention comprises an electrolysis reaction of water. It is also applicable to an electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide fuel cell (SOEC) that generates hydrogen by utilizing it, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single cells. Since the configuration of the electrolytic cell stack is known, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, the structure is not described in detail here, but is generally the same as the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. It has a similar configuration. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, and the single cell 110 may be read as an electrolytic single cell. However, during the operation of the electrolytic cell stack, a voltage is applied between both electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode), and the voltage is applied through the communication hole 108. Water vapor as a raw material gas is supplied. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolytic cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out to the outside of the electrolytic cell stack through the communication hole 108. In the electrolytic single cell and the electrolytic cell stack having such a configuration, similarly to the above embodiment, the active layer 350 and the electrolyte layer 112 of the fuel electrode 116 are configured to satisfy the conditions defined by the above formula (1). If it is adopted, it is possible to suppress the peeling between the electrolyte layer and the active layer of the fuel electrode and suppress the deterioration of the characteristics of the single cell at the same time.

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：第１の境界 Ｂ２：第２の境界 Ｂ３：第３の境界 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：計算値 22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air pole 116: Fuel pole 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130: Air pole side frame 131: Hole 132: Oxidizing agent gas supply communication hole 133: Oxidizing agent gas discharge communication hole 134: Air pole side current collection Body 135: Collector element 140: Fuel pole side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel pole side current collector 145: Electrode facing part 146: Interconnector facing part 147 : Connecting part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidizing agent gas introduction manifold 162: Oxidizing agent gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 250: Thickness 350: Active layer 360: Substrate layer B1: First boundary B2: Second boundary B3: Third boundary FG: Fuel gas FOG: Fuel off gas OG: Oxidizing gas OOG: Oxidating agent off gas P: Calculated value

Claims (3)

固体酸化物を含む電解質層と、
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、
前記燃料極は、前記電解質層に隣接する活性層を有し、
前記活性層の前記第１の方向の平均厚さ（α）と、前記活性層の気孔率（β）と、前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）と、前記電解質層の気孔率（δ）とは、以下の式（１）により規定される条件を満たし、
前記活性層の前記第１の方向の平均厚さ（α）は、１０（μｍ）以上、２０（μｍ）以下であり、
前記活性層の気孔率（β）は、４０（％）未満であり、
前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）は、６．４（μｍ）未満であり、
前記電解質層の気孔率（δ）は、０．１（％）以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
３５００ ≦ ｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６５００ An electrolyte layer containing solid oxides and
In an electrochemical reaction single cell including an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween.
The fuel electrode has an active layer adjacent to the electrolyte layer and has an active layer.
The average thickness (α) of the active layer in the first direction, the porosity (β) of the active layer, the average thickness (γ) of the electrolyte layer in the first direction, and the electrolyte layer. the porosity and ([delta]) is to satisfy the condition defined by the following equation (1),
The average thickness (α) of the active layer in the first direction is 10 (μm) or more and 20 (μm) or less.
The porosity (β) of the active layer is less than 40 (%).
The average thickness (γ) of the electrolyte layer in the first direction is less than 6.4 (μm).
An electrochemical reaction single cell characterized in that the porosity (δ) of the electrolyte layer is 0.1 (%) or less.
3500 ≦ ｜ (α / ( β × 0.01) )-(γ / ( δ × 0.01) ) ｜ ≦ 6500 請求項１に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記活性層の前記第１の方向の平均厚さ（α）と、前記活性層の気孔率（β）と、前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）と、前記電解質層の気孔率（δ）とは、さらに、以下の式（２）により規定される条件を満たすことを特徴とする、電気化学反応単セル。
｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６３００ In the electrochemical reaction single cell according to claim 1,
The average thickness (α) of the active layer in the first direction, the porosity (β) of the active layer, the average thickness (γ) of the electrolyte layer in the first direction, and the electrolyte layer. The porosity (δ) of the above is an electrochemical reaction single cell further characterized by satisfying the conditions defined by the following formula (2).
｜ (α / ( β × 0.01) ) − (γ / ( δ × 0.01) ) ｜ ≦ 6300 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。 In an electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction single cells arranged side by side in the first direction.
The electrochemical reaction cell stack, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell according to claim 1 or 2.
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