JP7096644B2 - 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック - Google Patents

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の１つとして、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池発電単位は、燃料電池単セルを備える。燃料電池単セルは、電解質層と、電解質層に対して所定の方向（以下、「第１の方向」という）の一方側に配置された空気極と、電解質層に対して第１の方向の他方側に配置された燃料極とを含む。

また、燃料電池発電単位は、燃料極に対して第１の方向の上記他方側に配置された導電性の集電体を備える。集電体は、燃料電池単セルにおける発電反応によって生じる電力を取り出すための部材である。集電体は、燃料極における第１の方向の上記他方側の表面に導通する複数の集電部を有する。発電運転時には、燃料極の該表面と集電体の各集電部とが導通する部分において、燃料極と集電体との間の電子のやりとりが行われる。また、燃料極に面する燃料室に供給された燃料ガスは、燃料極の該表面の内、集電体の各集電部と対向しない（各集電部に覆われていない）部分から燃料極内に流入する。

従来、燃料電池発電単位の性能を向上させるため、燃料極の厚さ（第１の方向における厚さ）の好ましい範囲が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９－１９０８２４号公報

しかし、従来のように燃料極の厚さの好ましい範囲を考慮するだけでは、燃料電池発電単位の性能を十分に向上させることができず、さらなる性能向上の余地がある。

また、一般に、上述した構成の燃料電池発電単位は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という）の構成単位である電解セル単位としても使用可能である。燃料電池発電単位を電解セル単位として使用する際には、空気極がプラス（陽極）で燃料極がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧を印加し、燃料極に面する燃料室に水蒸気を供給する。これにより、燃料電池単セル（この場合には、電解単セルとして機能する）において水の電気分解反応が起こり、燃料極で水素が発生する。燃料電池発電単位を電解セル単位として使用する場合においても、従来のように燃料極の厚さの好ましい範囲を考慮するだけでは、性能を十分に向上させることができず、さらなる性能向上の余地がある。

なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼び、複数の燃料電池単セル（燃料電池発電単位）を備える燃料電池スタックと複数の電解単セル（電解セル単位）を備える電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。

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

（１）本明細書に開示される電気化学反応単位は、電解質層と、前記電解質層に対して第１の方向の一方側に配置された空気極と、前記電解質層に対して前記第１の方向の他方側に配置された燃料極であって、前記燃料極における前記第１の方向の前記他方側の表面を構成する第１の燃料極層と、前記第１の燃料極層と前記電解質層との間に配置された第２の燃料極層と、を含む前記燃料極と、を備える電気化学反応単セルと、前記第１の燃料極層に対して前記第１の方向の前記他方側に配置され、前記第１の燃料極層における前記第１の方向の前記他方側の表面に導通する複数の集電部を有する導電性の集電体と、を備える電気化学反応単位において、前記第１の燃料極層の気孔率は、３５％以上であり、前記複数の集電部の内の少なくとも１つである特定集電部について、前記第１の方向に直交する第２の方向における前記特定集電部と前記特定集電部の隣に位置する前記集電部との間の最短距離αに対する、前記第１の方向における前記燃料極の厚さβの比である第１の比率（β／α）は、０．２０以上であり、かつ、前記最短距離αに対する、前記第１の方向における前記第１の燃料極層の厚さδの比である第２の比率（δ／α）は、０．１８以上である。本電気化学反応単位では、燃料極における第１の方向の他方側の表面を構成する第１の燃料極層の気孔率が３５％以上であるため、電気化学反応単位を燃料電池発電単位として使用する際（以下、「ＦＣモード」という）においては、燃料極における反応場として機能する第２の燃料極層での電気化学反応に使用される燃料ガスを第１の燃料極層内に良好に進入させることができ、ガス拡散分極の増大を抑制することができ、また、電気化学反応単位を電解セル単位として使用する際（以下、「ＥＣモード」という）においては、第２の燃料極層での電気化学反応により発生した水素が第１の燃料極層内を良好に通過するようにすることができ、水素が滞留して燃料極に圧力がかかることによる燃料極の剥離を抑制することができる。また、本電気化学反応単位は、第１の比率（β／α）がある程度大きいことから、燃料極の厚さβがある程度厚く、および／または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αがある程度短い構成であるため、ＦＣモードにおいて、燃料極における反応場として機能する第２の燃料極層で発生した電子が第１の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って移動するときに、第１および第２の燃料極層の全体にわたって、そこで発生した電子が集電体の集電部に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することができる。また、本電気化学反応単位は、第２の比率（δ／α）がある程度大きいことから、第１の燃料極層の厚さδがある程度厚く、および／または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αがある程度短い構成であるため、ＥＣモードにおいて、第１の燃料極層内に進入した電子が第１の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って移動するときに、第２の燃料極層の厚さ方向の全体にわたって、電子が到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。

（２）上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第２の方向における前記特定集電部の前記第１の燃料極層に対向する部分の幅γに対する、前記第１の方向における前記燃料極の厚さβの比である第３の比率（β／γ）は、０．０６以上であり、かつ、前記幅γに対する、前記第１の方向における前記第１の燃料極層の厚さδの比である第４の比率（δ／γ）は、０．０５以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位は、第３の比率（β／γ）がある程度大きいことから、燃料極の厚さβがある程度厚く、および／または、集電体の集電部の幅γがある程度狭い構成であるため、ＦＣモードにおいて、第２の燃料極層で発生した水蒸気が第１の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って流れるときに、第１および第２の燃料極層の全体にわたって、そこで発生した水蒸気が燃料室に排出されにくい領域を減らすことができ、水蒸気が滞留して燃料極に圧力がかかることによる燃料極の剥離を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。また、本電気化学反応単位は、第４の比率（δ／γ）がある程度大きいことから、第１の燃料極層の厚さδがある程度厚く、および／または、集電体の集電部の幅γがある程度狭い構成であるため、ＥＣモードにおいて、第１の燃料極層内に流入した水蒸気が第１の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って流れるときに、第２の燃料極層の厚さ方向の全体にわたって、水蒸気が到達しにくい領域を減らすことができ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を効果的に向上させることができる。

（３）上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第１の比率（β／α）は、０．４０以上であり、かつ、前記第２の比率（δ／α）は、０．３９以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第１の比率（β／α）がさらに大きいことから、燃料極の厚さβをより厚くする、および／または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αをより短くすることができるため、ＦＣモードにおいて、第２の燃料極層の全体にわたって、そこで発生した電子が集電体の集電部に到達しにくい領域をさらに効果的に減らすことができ、活性化分極の増大をさらに効果的に抑制することができる。また、本電気化学反応単位によれば、第２の比率（δ／α）がさらに大きいことから、第１の燃料極層の厚さδをより厚くする、および／または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αをより短くすることができるため、ＥＣモードにおいて、第２の燃料極層の厚さ方向の全体にわたって、電子が到達しにくい領域をさらに効果的に減らすことができ、活性化分極の増大をさらに効果的に抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能をさらに効果的に向上させることができる。

（４）上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第３の比率（β／γ）は、０．５０以下であり、かつ、前記第４の比率（δ／γ）は、０．４９以下である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第３の比率（β／γ）の上限が設定されていることから、燃料極の厚さβが過度に厚くなることを抑制できる、および／または、集電体の集電部の幅γが過度に狭くなることを抑制できるため、第２の燃料極層の各位置から燃料室までのガス（ＦＣモード時における水蒸気またはＥＣモード時における水素）の排出経路が過度に長くなって燃料極に圧力がかかることによる燃料極の剥離を抑制することができると共に、応力集中による燃料極の破損を抑制することができる。また、本電気化学反応単位によれば、第４の比率（δ／γ）の上限が設定されていることから、第１の燃料極層の厚さδが過度に厚くなることを抑制できる、および／または、集電体の集電部の幅γが過度に狭くなることを抑制できるため、燃料室から第２の燃料極層の各位置までのガス（ＦＣモード時における燃料ガスまたはＥＣモード時における水蒸気）の移動経路が過度に長くなることによるガス拡散分極の増大を抑制することができると共に、応力集中による燃料極の破損を抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能をより一層効果的に向上させることができる。

（５）上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第１の比率（β／α）は、０．６０以下であり、かつ、前記第２の比率（δ／α）は、０．５８以下である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第１の比率（β／α）の上限が設定されていることから、燃料極の厚さβが過度に厚くなることを抑制できる、および／または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αが過度に短くなることを抑制できるため、第２の燃料極層の各位置から燃料室までのガス（ＦＣモード時における水蒸気またはＥＣモード時における水素）の排出経路が過度に長くなって燃料極に圧力がかかることによる燃料極の剥離を抑制することができると共に、第１の燃料極層における集電体の集電部に覆われていない部分の面積が過度に小さくなって排出ガスが滞留することによるセルの破損を効果的に抑制することができる。また、本電気化学反応単位によれば、第２の比率（δ／α）の上限が設定されていることから、第１の燃料極層の厚さδが過度に厚くなることを抑制できる、および／または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αが過度に短くなることを抑制できるため、燃料室から第２の燃料極層の各位置までのガス（ＦＣモード時における燃料ガスまたはＥＣモード時における水蒸気）の移動経路が過度に長くなることによるガス拡散分極の増大を効果的に抑制することができると共に、第１の燃料極層における集電体の集電部に覆われていない部分の面積が過度に小さくなったりすることによるガス拡散分極の増大を効果的に抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を極めて効果的に向上させることができる。

（６）上記電気化学反応単位において、前記燃料極における前記第１の方向の前記他方側の部分の気孔率は、前記燃料極における前記第１の方向の前記一方側の部分の気孔率より高い構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、反応場（三相界面長さ）を確保しつつ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単位（燃料電池発電単位および／または電解セル単位）、複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックおよび／または電解セルスタック）、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。

実施形態における電気化学反応セルスタック１００の外観構成を示す斜視図である。 図１のＩＩ－ＩＩの位置における電気化学反応セルスタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における電気化学反応セルスタック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つの反応単位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つの反応単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図４のＶＩ－ＶＩの位置における反応単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図４のＶＩＩ－ＶＩＩの位置における反応単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 集電部幅γおよび集電部間最短距離αの特定に用いる断面ＳＥ１を示す説明図である。 集電部幅γおよび集電部間最短距離αの特定に用いる断面ＳＥ１を示す説明図である。 性能評価結果を示す説明図である。 第１の比率Ｒ１（＝β／α）とＦＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第１の比率Ｒ１（＝β／α）とＦＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第１の比率Ｒ１（＝β／α）とＦＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第２の比率Ｒ２（＝δ／α）とＥＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第２の比率Ｒ２（＝δ／α）とＥＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第２の比率Ｒ２（＝δ／α）とＥＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第３の比率Ｒ３（＝β／γ）とＦＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第３の比率Ｒ３（＝β／γ）とＦＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第３の比率Ｒ３（＝β／γ）とＦＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）とＥＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）とＥＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）とＥＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。 燃料極１１６の各層の気孔率の特定方法を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ－１．構成：
（電気化学反応セルスタック１００の構成）
図１は、実施形態における電気化学反応セルスタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１（および後述する図６，７）のＩＩ－ＩＩの位置における電気化学反応セルスタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１（および後述する図６，７）のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における電気化学反応セルスタック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、電気化学反応セルスタック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。

電気化学反応セルスタック１００は、燃料電池スタックとしても電解セルスタックとしても使用可能な装置（いわゆる、リバーシブル型の電気化学反応セルスタック）である。すなわち、電気化学反応セルスタック１００は、第１のモード（以下、「ＦＣモード」という）においては、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スタックとして機能し、第２のモード（以下、「ＥＣモード」という）においては、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う電解セルスタックとして機能する。

電気化学反応セルスタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）電気化学反応単位（以下、単に「反応単位」という）１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの反応単位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つの反応単位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。

電気化学反応セルスタック１００を構成する各層（反応単位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を構成するために電気化学反応セルスタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、電気化学反応セルスタック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と電気化学反応セルスタック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と電気化学反応セルスタック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、電気化学反応セルスタック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、ＦＣモードにおいて電気化学反応セルスタック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を各反応単位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、ＦＣモードにおいて各反応単位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を電気化学反応セルスタック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、電気化学反応セルスタック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、ＦＣモードにおいて電気化学反応セルスタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各反応単位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、ＦＣモードにおいて各反応単位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を電気化学反応セルスタック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。

なお、上述したように、本明細書では、各マニホールドをＦＣモードにおける機能を表す名称で呼ぶものとする。また、図１～図７に示されたガスの流れ方向は、ＦＣモードにおけるガスの流れ方向である。ＥＣモードにおいては、酸化剤ガス排出マニホールド１６２は、各反応単位１０２の空気極１１４において発生した酸素を空気室１６６から電気化学反応セルスタック１００の外部へと排出するガス流路として機能し、酸化剤ガス導入マニホールド１６１は、空気室１６６からの酸素の排出を促すための回収ガス（例えば空気）を電気化学反応セルスタック１００の外部から各反応単位１０２の空気室１６６に供給するガス流路として機能する。また、ＥＣモードにおいては、燃料ガス導入マニホールド１７１は、電気化学反応セルスタック１００の外部から各反応単位１０２の燃料室１７６に水蒸気を供給するガス流路として機能し、燃料ガス排出マニホールド１７２は、各反応単位１０２の燃料極１１６において発生した水素を燃料室１７６から電気化学反応セルスタック１００の外部へと排出するガス流路として機能する。

電気化学反応セルスタック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、最も上に位置する反応単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する反応単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の反応単位１０２が押圧された状態で挟持されている。ＦＣモードにおいては、上側のエンドプレート１０４は、電気化学反応セルスタック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、電気化学反応セルスタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。また、ＥＣモードにおいては、上側のエンドプレート１０４は、電気化学反応セルスタック１００のプラス側の入力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、電気化学反応セルスタック１００のマイナス側の入力端子として機能する。

（反応単位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つの反応単位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つの反応単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。図４の下部には、反応単位１０２の一部分のＸＺ断面構成が拡大して示されている。また、図６は、図４のＶＩ－ＶＩの位置における反応単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４のＶＩＩ－ＶＩＩの位置における反応単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。

反応単位１０２は、ＦＣモードにおいては燃料電池発電単位として機能し、ＥＣモードにおいては電解セル単位として機能する。図４および図５に示すように、反応単位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、反応単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、反応単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、反応単位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つの反応単位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つの反応単位１０２に共有されている。すなわち、ある反応単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その反応単位１０２の上側に隣接する他の反応単位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、電気化学反応セルスタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、電気化学反応セルスタック１００において最も上に位置する反応単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する反応単位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、ＦＣモードにおいては燃料電池単セルとして機能し、ＥＣモードにおいては電解単セルとして機能する。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上下方向（第１の方向）の一方側（上側）に配置された空気極１１４と、電解質層１１２の上下方向の他方側（下側）に配置された燃料極１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された中間層１８０とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、中間層１８０）を支持する燃料極支持形の単セルである。

電解質層１１２は、Ｚ方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層１１２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。すなわち、本実施形態の単セル１１０（反応単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）または電解セル（ＳＯＥＣ）である。

空気極１１４は、Ｚ方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極１１４は、例えば、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）等のペロブスカイト型酸化物を含むように形成されている。

燃料極１１６は、Ｚ方向視で電解質層１１２と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子（例えば、ＹＳＺ）とからなるサーメットにより形成されている。図４に示すように、本実施形態では、燃料極１１６は、燃料極１１６における下側の表面（後述する燃料極側集電体１４４に対向する側の表面）を構成する基板層２１０と、基板層２１０と電解質層１１２との間に配置された活性層２２０とから構成されている。活性層２２０は、主として、燃料極１１６における電極反応（ＦＣモードにおいては酸化物イオンと水素とから電子と水とを生成する反応、ＥＣモードにおいては水と電子とから水素と酸化物イオンとを生成する反応）の場として機能する層である。また、基板層２１０は、主として、単セル１１０を構成する各層を支持すると共に、燃料室１７６から供給された燃料ガスＦＧ、または、活性層２２０において発生した水素を移動させ、かつ、電子を移動させる場として機能する層である。基板層２１０は、特許請求の範囲における第１の燃料極層に相当し、活性層２２０は、特許請求の範囲における第２の燃料極層に相当する。

本実施形態では、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１は活性層２２０の気孔率ＲＯ２より高い。すなわち、燃料極１１６における下側の部分の気孔率は、燃料極１１６における上側の部分の気孔率より高い。なお、基板層２１０および活性層２２０における気孔率は、Ｚ軸方向に平行な方向において概ね一様である。このような構成によれば、反応場（三相界面長さ）を確保しつつ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。基板層２１０の気孔率ＲＯ１は、ガス拡散性を確保するためにある程度高いことが好ましい。具体的には、基板層２１０の気孔率ＲＯ１は、３５％以上であることが好ましく、５５％以下であることが好ましい。また、活性層２２０の気孔率ＲＯ２は、１０％以上であることが好ましく、３０％以下であることが好ましい。

中間層１８０は、略矩形の平板形状部材であり、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）を含むように形成されている。中間層１８０は、空気極１１４から拡散した元素（例えば、Ｓｒ）が電解質層１１２に含まれる元素（例えば、Ｚｒ）と反応して高抵抗な物質（例えば、ＳｒＺｒＯ_３）が生成されることを抑制する。

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

図４～６に示すように、空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム１３０によって、反応単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。

図４，５，７に示すように、燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。

図４，５，７に示すように、燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内（より詳細には、燃料極１１６の基板層２１０の下側）に配置されている。燃料極側集電体１４４は、導電性を有し、かつ、ガス透過性を有さない部材であり、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。

燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、複数の電極対向部１４５と、各電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えている。図７における部分拡大図に示すように、燃料極側集電体１４４は、略矩形の平板部材（例えばニッケル箔）に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた各矩形部分が電極対向部１４５となり、曲げ起こされた部分以外の穴ＯＰが開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部１４６となり、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ部分が連接部１４７となる。なお、図７における部分拡大図では、燃料極側集電体１４４の製造方法を示すため、一部の矩形部分について、曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。

各電極対向部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いる。すなわち、各電極対向部１４５は、燃料極１１６の基板層２１０における下側の表面に導通している。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、電気化学反応セルスタック１００において最も下に位置する反応単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該反応単位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反応単位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。燃料極側集電体１４４は、特許請求の範囲における集電体に相当し、複数の電極対向部１４５は、特許請求の範囲における複数の集電部に相当する。

図４～６に示すように、空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、電気化学反応セルスタック１００において最も上に位置する反応単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該反応単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形状の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形状の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能する。

また、図４および図５に示すように、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）の表面は、導電性のコート１３６によって覆われている。コート１３６は、例えば、スピネル型酸化物により形成されている。以下の説明では、特記しない限り、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）は「コート１３６に覆われた空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）」を意味する。なお、図６では、コート１３６の図示を省略している。また、図４および図５に示すように、空気極１１４と空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）とは、導電性を有する接合層１３８により接合されている。接合層１３８は、例えば、スピネル型酸化物により形成されている。接合層１３８により、空気極１１４と空気極側集電体１３４とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体１３４は空気極１１４の表面と接触していると説明したが、正確には、空気極側集電体１３４と空気極１１４との間には接合層１３８が介在している。

Ａ－２．電気化学反応セルスタック１００の動作：
（ＦＣモードにおける動作）
ＦＣモードにおいて、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から各反応単位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から各反応単位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。

各反応単位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。各反応単位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を介してインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、電気化学反応セルスタック１００に含まれる複数の反応単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、電気化学反応セルスタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各反応単位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、電気化学反応セルスタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

各反応単位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）を介して電気化学反応セルスタック１００の外部に排出される。また、各反応単位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）を介して電気化学反応セルスタック１００の外部に排出される。

（ＥＣモードにおける動作）
ＥＣモードにおいて、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）を介して水蒸気が供給されると、水蒸気は、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から各反応単位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。また、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）を介して回収ガス（例えば空気）が供給されると、回収ガスは、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から各反応単位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。

このように水蒸気および回収ガスが供給された状態で、電気化学反応セルスタック１００の入力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６に電圧が印加されると、各反応単位１０２を構成するインターコネクタ１５０や空気極側集電体１３４、燃料極側集電体１４４等を介して各単セルに１１０に電圧が印加され、各単セル１１０において水の電気分解反応が起こる。この水の電気分解反応により、燃料極１１６において水素が発生し、空気極１１４において酸素が発生する。

各単セル１１０の燃料極１１６において発生した水素は、燃料室１７６から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）を介して電気化学反応セルスタック１００の外部に取り出される。また、各単セル１１０の空気極１１４において発生した酸素は、空気室１６６から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）を介して電気化学反応セルスタック１００の外部に排出される。

Ａ－３．性能評価：
本実施形態の電気化学反応セルスタック１００を構成する各反応単位１０２は、燃料極１１６と燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５との関係に特徴がある。以下、燃料極１１６と燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５との関係に関して行った性能評価について説明する。

（各パラメータについて）
図４に示すように、本性能評価では、Ｚ軸方向における燃料極１１６の厚さを、「燃料極厚さβ」といい、Ｚ軸方向における燃料極１１６の基板層２１０の厚さを、「燃料極基板層厚さδ」という。なお、燃料極１１６の厚さが一様ではない場合には、燃料極厚さβは、燃料極１１６（ただし、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向する部分）における最薄部の厚さとする。同様に、燃料極１１６の基板層２１０の厚さが一様ではない場合には、燃料極基板層厚さδは、燃料極１１６の基板層２１０（ただし、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向する部分）における最薄部の厚さとする。なお、燃料極１１６における基板層２１０と活性層２２０との境界は、燃料極１１６の断面のＳＥＭ画像において、Ｎｉの含有率やＮｉの平均粒径、気孔率の相違等に基づき特定することができる。

また、燃料極側集電体１４４の各電極対向部１４５における燃料極１１６の基板層２１０に対向する部分（基板層２１０に接触する部分）の幅（Ｚ軸方向に直交する方向の大きさ）を、「集電部幅γ」という。

なお、集電部幅γの特定は、図８および図９に示すように、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５のＸＹ断面において、電極対向部１４５の外周線に４点（Ｐ１～Ｐ４）以上で内接する仮想楕円ＶＥを設定したときの、該仮想楕円ＶＥの短径Ａｍを含み、かつ、Ｚ軸方向に平行な断面ＳＥ１（図８および図９の例ではＹＺ断面）において行うものとする。

また、上記断面ＳＥ１における集電部幅γの測定位置は、燃料極１１６の基板層２１０（ただし、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向する部分）における最薄部の下端位置から、下方に距離Ｌｘ（＝１０μｍ）だけ離れた位置とする。例えば、図４に示すように、燃料極１１６の基板層２１０の厚さが略一様である構成では、集電部幅γは、上記断面ＳＥ１（図４の例ではＸＺ断面）における、燃料極１１６の基板層２１０の下面から距離Ｌｘ（＝１０μｍ）だけ下方に位置し、かつ、Ｚ軸方向に直交する仮想直線ＶＬ１上において特定される。

また、一の電極対向部１４５とその隣に位置する他の電極対向部１４５との間の最短距離（Ｚ軸方向に直交する方向における最短距離）を、「集電部間最短距離α」という。集電部間最短距離αは、集電部幅γと同様に、上記断面ＳＥ１における上記仮想直線ＶＬ１上において特定される（図４参照）。

また、集電部間最短距離αに対する燃料極厚さβの比率（β／α）を、「第１の比率Ｒ１」という。第１の比率Ｒ１の値が高いことは、集電部間最短距離αの値が小さいこと（すなわち、２つの電極対向部１４５間の間隔が狭いこと）、および／または、燃料極厚さβの値が大きいことを意味する。また、集電部間最短距離αに対する燃料極基板層厚さδの比率（δ／α）を、「第２の比率Ｒ２」という。第２の比率Ｒ２の値が高いことは、集電部間最短距離αの値が小さいこと、および／または、燃料極基板層厚さδの値が大きいことを意味する。また、集電部幅γに対する燃料極厚さβの比率（β／γ）を、「第３の比率Ｒ３」という。第３の比率Ｒ３の値が高いことは、集電部幅γの値が小さいこと（すなわち、電極対向部１４５の幅が狭いこと）、および／または、燃料極厚さβの値が大きいことを意味する。また、集電部幅γに対する燃料極基板層厚さδの比率（δ／γ）を、「第４の比率Ｒ４」という。第４の比率Ｒ４の値が高いことは、集電部幅γの値が小さいこと、および／または、燃料極基板層厚さδの値が大きいことを意味する。

（各サンプルについて）
図１０は、性能評価結果を示す説明図である。図１０に示すように、性能評価に用いられた反応単位１０２の各サンプル（Ｓ１～Ｓ１５）は、上述した集電部間最短距離α、燃料極厚さβ、燃料極基板層厚さδ、および、集電部幅γの値が互いに異なっており、その結果、第１の比率Ｒ１から第４の比率Ｒ４の値が互いに異なっている。さらに、各サンプルは、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１、および、燃料極１１６の活性層２２０の気孔率ＲＯ２の値が互いに異なっている。図１０に示すように、性能評価に用いられたすべてのサンプルにおいて、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１は、燃料極１１６の活性層２２０の気孔率ＲＯ２より高くなっている。気孔率ＲＯ１および気孔率ＲＯ２の特定方法については、後述する。

各サンプルの作製にあたり、燃料極１１６（基板層２１０および活性層２２０）をＮｉおよびＹＳＺからなるサーメットにより形成した。また、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１および活性層２２０の気孔率ＲＯ２を、原料の粒度を調整したり焼成温度を調整したりすることによって調整した。また、燃料極側集電体１４４（電極対向部１４５、インターコネクタ対向部１４６、連接部１４７）をＮｉ箔により構成し、スペーサー１４９をマイカにより構成した。各サンプルについて、電極対向部１４５等の形状や配置を互いに異ならせることにより、集電部間最短距離αおよび集電部幅γの値を互いに異ならせた。

（評価方法について）
本性能評価では、初期通電特性についての評価を行った。具体的には、作製した反応単位１０２の各サンプルについて、空気極１１４側に第１の混合ガス（２０ｖｏｌ％の酸素と８０ｖｏｌ％の窒素との混合ガス）を供給し、燃料極１１６側に第２の混合ガス（９５ｖｏｌ％の水素と５ｖｏｌ％の水蒸気との混合ガス）を供給し、温度７００℃において、電流密度が－０．１Ａ／ｃｍ^２～０．５５Ａ／ｃｍ^２の範囲となるように通電を行い、電圧を測定した。なお、電流密度が正の値のときは反応単位１０２がＦＣモードで動作しており、電流密度が負の値のときは反応単位１０２がＥＣモードで動作していることとなる。

ＦＣモード時の評価として、電流密度が０．５５Ａ／ｃｍ^２のときの電圧の値に応じて、以下のように「Ａ」～「Ｆ」の６段階で評価した（「Ａ」が最も優れているという評価であり、「Ｆ」が最も劣っているという評価である）。
・評価：「Ａ」・・・電圧：０．９２０Ｖ以上
・評価：「Ｂ」・・・電圧：０．９１５Ｖ以上、０．９２０Ｖ未満
・評価：「Ｃ」・・・電圧：０．９１０Ｖ以上、０．９１５Ｖ未満
・評価：「Ｄ」・・・電圧：０．９００Ｖ以上、０．９１０Ｖ未満
・評価：「Ｅ」・・・電圧：０．８００Ｖ以上、０．９００Ｖ未満
・評価：「Ｆ」・・・電圧：０．８００Ｖ未満

また、ＥＣモード時の評価として、電流密度が－０．１Ａ／ｃｍ^２のときの電圧の値に応じて、以下のように「Ａ」～「Ｆ」の６段階で評価した（「Ａ」が最も優れているという評価であり、「Ｆ」が最も劣っているという評価である）。なお、一般に、ＥＣモードでの運転は、電圧一定で行われ、該電圧を維持するために必要な電流が低いほど性能が劣っていると評価される。本性能評価では、電流一定で運転を行い、電圧が高いほど性能が劣っていると評価した。どちらの評価も意味としては同じである。
・評価：「Ａ」・・・電圧：１．１２５Ｖ未満
・評価：「Ｂ」・・・電圧：１．１２５Ｖ以上、１．１３０Ｖ未満
・評価：「Ｃ」・・・電圧：１．１３０Ｖ以上、１．１４０Ｖ未満
・評価：「Ｄ」・・・電圧：１．１４０Ｖ以上、１．１５０Ｖ未満
・評価：「Ｅ」・・・電圧：１．１５０Ｖ以上、１．１６０Ｖ未満
・評価：「Ｆ」・・・電圧：１．１６０Ｖ以上

（評価結果について）
（サンプルＳ１について）
図１０に示すように、サンプルＳ１の評価結果は、ＦＣモード時の評価でもＥＣモード時の評価でも、最も低い「Ｆ」評価であった。サンプルＳ１では、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１が２０％であり、他のサンプル（いずれも基板層２１０の気孔率ＲＯ１が３５％以上である）と比べて低い値となっている。そのため、サンプルＳ１では、ＦＣモードにおいては、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧが燃料極１１６の基板層２１０内に良好に進入せず、燃料極１１６における反応場として機能する活性層２２０において燃料ガスＦＧが不足することによってガス拡散分極が極めて大きくなり、その結果、性能が極めて低くなったものと考えられる。また、サンプルＳ１では、ＥＣモードにおいては、燃料極１１６における反応場として機能する活性層２２０で発生した水素が基板層２１０内を良好に通過しないために水素の排出が滞り、燃料極１１６の内部でガスの圧力が高くなることによって燃料極１１６の剥離が生じ、その結果、性能が極めて低くなったものと考えられる。この結果から、反応単位１０２の性能向上（性能低下の抑制）のためには、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１は３５％以上であることが好ましいと言える。

（サンプルＳ２について）
サンプルＳ２の評価結果は、ＦＣモード時の評価でもＥＣモード時の評価でも、２番目に低い「Ｅ」評価であった。サンプルＳ２では、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１が３５％以上ではあるものの、第１の比率Ｒ１（＝β／α）が０．２０未満であり、サンプルＳ３～Ｓ１５（いずれも第１の比率Ｒ１が０．２０以上である）と比べて低い値となっており、かつ、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）が０．１８未満であり、サンプルＳ３～Ｓ１５（いずれも第２の比率Ｒ２が０．１８以上である）と比べて低い値となっている。そのため、サンプルＳ２では、以下に説明するように、サンプルＳ３～Ｓ１５と比べてＦＣモードおよびＥＣモードにおける性能が低くなったものと考えられる。

図１１から図１３は、第１の比率Ｒ１（＝β／α）とＦＣモード（図中では「ＦＣｍｏｄｅ」と標記する（他の図においても同様））における性能との関係を概念的に示す説明図である。図１１から図１３には、反応単位１０２の一部（図４のＸ１部）のＸＺ断面構成が示されている。図１１に示す反応単位１０２の構成では、図１３に示す反応単位１０２の構成と比較して、集電部間最短距離αの値が大きい。そのため、図１１に示す反応単位１０２の構成では、図１３に示す反応単位１０２の構成と比較して、第１の比率Ｒ１（＝β／α）の値が小さくなっている。また、図１２に示す反応単位１０２の構成では、図１３に示す反応単位１０２の構成と比較して、燃料極厚さβの値が小さい。そのため、図１２に示す反応単位１０２の構成では、図１３に示す反応単位１０２の構成と比較して、第１の比率Ｒ１（＝β／α）の値が小さくなっている。

ここで、ＦＣモードにおいて、燃料極１１６の活性層２２０における電極反応により発生した電子は、活性層２２０から基板層２１０内を通過して燃料極側集電体１４４内に進入するが、基板層２１０と燃料極側集電体１４４との間の電子（ｅ^－）のやりとりは、基板層２１０の表面の内、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向しない（接しない）部分（すなわち、集電部間最短距離αに対応する部分）では行われず、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向する（接する）部分（すなわち、集電部幅γに対応する部分）で行われる。また、活性層２２０で発生した電子は、Ｚ軸方向に対する傾きが概ね所定値θ１以内の範囲の方向に沿って、燃料極側集電体１４４に向けて流れる。そのため、図１１に示すように集電部間最短距離αの値が比較的大きい構成や図１２に示すように燃料極厚さβの値が比較的小さい構成（すなわち、第１の比率Ｒ１の値が比較的小さい構成）では、活性層２２０の内の一部の領域Ａｘ１で発生した電子が燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に到達しにくくなることによって活性化分極が大きくなり、その結果、反応単位１０２の性能が低くなる。

これに対し、図１３に示す反応単位１０２の構成では、図１１に示す反応単位１０２の構成と比較して、集電部間最短距離αの値が小さく、また、図１２に示す反応単位１０２の構成と比較して、燃料極厚さβの値が大きい。すなわち、図１３に示す反応単位１０２の構成では、図１１および図１２に示す反応単位１０２の構成と比較して、第１の比率Ｒ１（＝β／α）の値が大きい。図１３に示す反応単位１０２の構成では、集電部間最短距離αの値が比較的小さいため、燃料極１１６の活性層２２０の内、そこで発生した電子が燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に到達しにくい領域の面積を減らすことができる。また、図１３に示す反応単位１０２の構成では、燃料極厚さβの値が比較的大きいため、燃料極１１６の活性層２２０で発生した電子の、Ｚ軸方向に直交する方向への移動距離を比較的長くすることができる。なお、活性層２２０の厚さ方向の全体（活性層２２０と電解質層１１２との界面付近を含む）にわたって、そこで発生した電子を良好に燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に到達させるためには、燃料極基板層厚さδではなく燃料極厚さβと集電部間最短距離αとの関係（すなわち、第１の比率Ｒ１（＝β／α））が上記要件を満たすことが好ましい。従って、図１３に示すように、第１の比率Ｒ１の値が比較的大きい構成では、燃料極１１６の活性層２２０の厚さ方向の全体にわたって、そこで発生した電子が燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。

また、図１４から図１６は、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）とＥＣモード（図中では「ＥＣｍｏｄｅ」と標記する（他の図においても同様））における性能との関係を概念的に示す説明図である。図１４から図１６には、反応単位１０２の一部（図４のＸ１部）のＸＺ断面構成が示されている。図１４に示す反応単位１０２の構成では、図１６に示す反応単位１０２の構成と比較して、集電部間最短距離αの値が大きい。そのため、図１４に示す反応単位１０２の構成では、図１６に示す反応単位１０２の構成と比較して、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）の値が小さくなっている。また、図１５に示す反応単位１０２の構成では、図１６に示す反応単位１０２の構成と比較して、燃料極基板層厚さδの値が小さい。そのため、図１５に示す反応単位１０２の構成では、図１６に示す反応単位１０２の構成と比較して、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）の値が小さくなっている。

ここで、ＥＣモードにおいて、燃料極１１６の基板層２１０と燃料極側集電体１４４との間の電子（ｅ^－）のやりとりは、燃料極１１６の基板層２１０の表面の内、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向しない（接しない）部分（すなわち、集電部間最短距離αに対応する部分）では行われず、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向する（接する）部分（すなわち、集電部幅γに対応する部分）で行われる。また、燃料極１１６の基板層２１０内に進入した電子は、Ｚ軸方向に対する傾きが概ね所定値θ２以内の範囲の方向に沿って、燃料極１１６における反応場として機能する活性層２２０に向けて移動する。そのため、図１４に示すように集電部間最短距離αの値が比較的大きい構成や図１５に示すように燃料極基板層厚さδの値が比較的小さい構成（すなわち、第２の比率Ｒ２の値が比較的小さい構成）では、燃料極１１６の活性層２２０の内の一部の領域Ａｘ２に電子が到達しにくくなることによって活性化分極が大きくなり、その結果、反応単位１０２の性能が低くなる。

これに対し、図１６に示す反応単位１０２の構成では、図１４に示す反応単位１０２の構成と比較して、集電部間最短距離αの値が小さく、また、図１５に示す反応単位１０２の構成と比較して、燃料極基板層厚さδの値が大きい。すなわち、図１６に示す反応単位１０２の構成では、図１４および図１５に示す反応単位１０２の構成と比較して、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）の値が大きい。図１６に示す反応単位１０２の構成では、集電部間最短距離αの値が比較的小さいため、燃料極１１６の活性層２２０の内、電子が到達しにくい領域の面積を減らすことができる。また、図１６に示す反応単位１０２の構成では、燃料極基板層厚さδの値が比較的大きいため、燃料極１１６の基板層２１０内に進入した電子の、Ｚ軸方向に直交する方向への移動距離を比較的長くすることができる。なお、活性層２２０の厚さ方向の全体（活性層２２０と基板層２１０との界面付近を含む）にわたって良好に電子を到達させるためには、燃料極厚さβではなく燃料極基板層厚さδと集電部間最短距離αとの関係（すなわち、第２の比率Ｒ２（＝δ／α））が上記要件を満たすことが好ましい。従って、図１６に示すように、第２の比率Ｒ２の値が比較的大きい構成では、燃料極１１６の活性層２２０の厚さ方向の全体にわたって、電子が到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。

上述したように、第１の比率Ｒ１（＝β／α）が０．２０未満であり、かつ、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）が０．１８未満であるサンプルＳ２の評価結果が、第１の比率Ｒ１が０．２０以上であり、かつ、第２の比率Ｒ２が０．１８以上であるサンプルＳ３～Ｓ１５の評価結果より劣ることを考慮すると、反応単位１０２の性能向上（性能低下の抑制）のためには、第１の比率Ｒ１は０．２０以上であり、かつ、第２の比率Ｒ２は０．１８以上であることが好ましいと言える。

（サンプルＳ３，Ｓ４について）
サンプルＳ３，Ｓ４の評価結果は、ＦＣモード時の評価でもＥＣモード時の評価でも、３番目に低い「Ｄ」評価であった。サンプルＳ３，Ｓ４では、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１が３５％以上であり、第１の比率Ｒ１（＝β／α）が０．２０以上であり、かつ、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）が０．１８以上であるものの、第３の比率Ｒ３（＝β／γ）が０．０６未満であり、サンプルＳ５～Ｓ１５（いずれも第３の比率Ｒ３が０．０６以上である）と比べて低い値となっており、かつ、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）が０．０５未満であり、サンプルＳ５～Ｓ１５（いずれも第４の比率Ｒ４が０．０５以上である）と比べて低い値となっている。そのため、サンプルＳ３，Ｓ４では、以下に説明するように、サンプルＳ５～Ｓ１５と比べてＦＣモードおよびＥＣモードにおける性能が低くなったものと考えられる。

図１７から図１９は、第３の比率Ｒ３（＝β／γ）とＦＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。図１７から図１９には、反応単位１０２の一部（図４のＸ１部）のＸＺ断面構成が示されている。図１７に示す反応単位１０２の構成では、図１９に示す反応単位１０２の構成と比較して、集電部幅γの値が大きい。そのため、図１７に示す反応単位１０２の構成では、図１９に示す反応単位１０２の構成と比較して、第３の比率Ｒ３（＝β／γ）の値が小さくなっている。また、図１８に示す反応単位１０２の構成では、図１９に示す反応単位１０２の構成と比較して、燃料極厚さβの値が小さい。そのため、図１８に示す反応単位１０２の構成では、図１９に示す反応単位１０２の構成と比較して、第３の比率Ｒ３（＝β／γ）の値が小さくなっている。

ここで、ＦＣモードにおいて、燃料極１１６の活性層２２０で発生した水（水蒸気）は、活性層２２０から基板層２１０内を通過して燃料室１７６に排出されるが、基板層２１０の表面の内、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向する（接する）部分（すなわち、集電部幅γに対応する部分）からは排出されず、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向しない（接しない）部分（すなわち、集電部間最短距離αに対応する部分）から排出される。また、活性層２２０で発生した水蒸気は、Ｚ軸方向に対する傾きが概ね所定値θ３以内の範囲の方向に沿って、燃料室１７６に向けて流れる。そのため、図１７に示すように集電部幅γの値が比較的大きい構成や図１８に示すように燃料極厚さβの値が比較的小さい構成（すなわち、第３の比率Ｒ３（＝β／γ）の値が比較的小さい構成）では、活性層２２０の内の一部の領域Ａｘ３で発生した水蒸気が燃料室１７６に排出されにくくなり、燃料極１１６の内部でガスの圧力が高くなることによって燃料極１１６の剥離が生じ、その結果、反応単位１０２の性能が低くなる。

これに対し、図１９に示す反応単位１０２の構成では、図１７に示す反応単位１０２の構成と比較して、集電部幅γの値が小さく、また、図１８に示す反応単位１０２の構成と比較して、燃料極厚さβの値が大きい。すなわち、図１９に示す反応単位１０２の構成では、図１７および図１８に示す反応単位１０２の構成と比較して、第３の比率Ｒ３（＝β／γ）の値が大きい。図１９に示す反応単位１０２の構成では、集電部幅γの値が比較的小さいため、燃料極１１６の活性層２２０の内、そこで発生した水蒸気が燃料室１７６に排出されにくい領域の面積を減らすことができる。また、図１９に示す反応単位１０２の構成では、燃料極厚さβの値が比較的大きいため、燃料極１１６の活性層２２０で発生した水蒸気の、Ｚ軸方向に直交する方向への移動距離を比較的長くすることができる。なお、活性層２２０の厚さ方向の全体（活性層２２０と電解質層１１２との界面付近を含む）にわたって、そこで発生した水蒸気を良好に排出させるためには、燃料極基板層厚さδではなく燃料極厚さβと集電部幅γとの関係（すなわち、第３の比率Ｒ３（＝β／γ））が上記要件を満たすことが好ましい。従って、図１９に示すように、第３の比率Ｒ３の値が比較的大きい構成では、燃料極１１６の活性層２２０の厚さ方向の全体にわたって、そこで発生した水蒸気が燃料室１７６に排出されにくい領域を減らすことができ、燃料極１１６の内部でガスの圧力が高くなることによる燃料極１１６の剥離を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。

また、図２０から図２２は、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）とＥＣモードにおける性能との関係を概念的に示す説明図である。図２０から図２２には、反応単位１０２の一部（図４のＸ１部）のＸＺ断面構成が示されている。図２０に示す反応単位１０２の構成では、図２２に示す反応単位１０２の構成と比較して、集電部幅γの値が大きい。そのため、図２０に示す反応単位１０２の構成では、図２２に示す反応単位１０２の構成と比較して、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）の値が小さくなっている。また、図２１に示す反応単位１０２の構成では、図２２に示す反応単位１０２の構成と比較して、燃料極基板層厚さδの値が小さい。そのため、図２１に示す反応単位１０２の構成では、図２２に示す反応単位１０２の構成と比較して、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）の値が小さくなっている。

ここで、ＥＣモードにおいて、燃料室１７６に供給された水（水蒸気）は、燃料極１１６の基板層２１０の表面の内、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向する（接する）部分（すなわち、集電部幅γに対応する部分）からは流入せず、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に対向しない（接しない）部分（すなわち、集電部間最短距離αに対応する部分）から燃料極１１６の基板層２１０内に流入する。また、燃料極１１６の基板層２１０内に流入した水蒸気は、Ｚ軸方向に対する傾きが概ね所定値θ４以内の範囲の方向に沿って、燃料極１１６における反応場として機能する活性層２２０に向けて流れる。そのため、図２０に示すように集電部幅γの値が比較的大きい構成や図２１に示すように燃料極基板層厚さδの値が比較的小さい構成（すなわち、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）の値が比較的小さい構成）では、燃料極１１６の活性層２２０の内の一部の領域Ａｘ４に水蒸気が到達しにくくなることによってガス拡散分極が大きくなり、その結果、反応単位１０２の性能が低くなる。

これに対し、図２２に示す反応単位１０２の構成では、図２０に示す反応単位１０２の構成と比較して、集電部幅γの値が小さく、また、図２１に示す反応単位１０２の構成と比較して、燃料極基板層厚さδの値が大きい。すなわち、図２２に示す反応単位１０２の構成では、図２０および図２１に示す反応単位１０２の構成と比較して、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）の値が大きい。図２２に示す反応単位１０２の構成では、集電部幅γの値が比較的小さいため、燃料極１１６の活性層２２０の内、水蒸気が到達しにくい領域の面積を減らすことができる。また、図２２に示す反応単位１０２の構成では、燃料極基板層厚さδの値が比較的大きいため、燃料極１１６の基板層２１０内に進入した水蒸気の、Ｚ軸方向に直交する方向への移動距離を比較的長くすることができる。なお、活性層２２０の厚さ方向の全体（活性層２２０と基板層２１０との界面付近を含む）にわたって良好に水蒸気を供給するためには、燃料極厚さβではなく燃料極基板層厚さδと集電部幅γとの関係（すなわち、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ））が上記要件を満たすことが好ましい。従って、図２２に示すように、第４の比率Ｒ４の値が比較的大きい構成では、燃料極１１６の活性層２２０の厚さ方向の全体にわたって、水蒸気が到達しにくい領域を減らすことができ、ガス拡散分極の増大を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。

上述したように、第３の比率Ｒ３（＝β／γ）が０．０６未満であり、かつ、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）が０．０５未満であるサンプルＳ３，Ｓ４の評価結果が、第３の比率Ｒ３が０．０６以上であり、かつ、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）が０．０５以上であるサンプルＳ５～Ｓ１５の評価結果より劣ることを考慮すると、反応単位１０２のさらなる性能向上（性能低下の抑制）のためには、第３の比率Ｒ３は０．０６以上であり、かつ、第４の比率Ｒ４は０．０５以上であることが好ましいと言える。

（サンプルＳ５～Ｓ７について）
サンプルＳ５～Ｓ７の評価結果は、ＦＣモード時において、４番目に低い（すなわち、３番目に高い）「Ｃ」評価であった（ＥＣモード時の評価は「Ｄ」評価）。サンプルＳ５～Ｓ７では、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１が３５％以上であり、第１の比率Ｒ１（＝β／α）が０．２０以上であり、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）が０．１８以上であり、第３の比率Ｒ３（＝β／γ）が０．０６以上であり、かつ、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）が０．０５以上であるものの、第１の比率Ｒ１が０．４０未満であり、サンプルＳ８～Ｓ１５（いずれも第１の比率Ｒ１が０．４０以上である）と比べて低い値となっており、かつ、第２の比率Ｒ２が０．３９未満であり、サンプルＳ８～Ｓ１５（いずれも第２の比率Ｒ２が０．３９以上である）と比べて低い値となっている。

上述したように、第１の比率Ｒ１の値が大きいほど、ＦＣモードにおいて、燃料極１１６の活性層２２０の内、そこで発生した電子が燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。また、上述したように、第２の比率Ｒ２の値が大きいほど、ＥＣモードにおいて、燃料極１１６の活性層２２０の内、電子が到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって性能の低下を抑制することができる。

第１の比率Ｒ１が０．４０未満であり、かつ、第２の比率Ｒ２が０．３９未満であるサンプルＳ５～Ｓ７の評価結果が、第１の比率Ｒ１が０．４０以上であり、かつ、第２の比率Ｒ２が０．３９以上であるＳ８～Ｓ１５の評価結果より劣ることを考慮すると、反応単位１０２のさらなる性能向上（性能低下の抑制）のためには、第１の比率Ｒ１は０．４０以上であり、かつ、第２の比率Ｒ２は０．３９以上であることが好ましいと言える。

（サンプルＳ８について）
サンプルＳ８の評価結果は、ＦＣモード時の評価でもＥＣモード時の評価でも、５番目に低い（すなわち、２番目に高い）「Ｂ」評価であった。サンプルＳ８では、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１が３５％以上であり、第１の比率Ｒ１（＝β／α）が０．４０以上であり、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）が０．３９以上であり、第３の比率Ｒ３（＝β／γ）が０．０６以上であり、かつ、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）が０．０５以上である。しかし、サンプルＳ８では、第３の比率Ｒ３が０．５０を超えており、サンプルＳ９～Ｓ１５（いずれも第３の比率Ｒ３が０．５０以下である）と比べて過度に高い値となっている。また、サンプルＳ８では、第４の比率Ｒ４が０．４９を超えており、サンプルＳ９～Ｓ１５（いずれも第４の比率Ｒ４が０．４９以下である）と比べて過度に高い値となっている。

第３の比率Ｒ３（＝β／γ）が過度に高いということは、燃料極厚さβの値が過度に大きいこと、および／または、集電部幅γの値が過度に小さいことを意味する。燃料極厚さβの値が過度に大きいと、活性層２２０の各位置（電解質層１１２との界面付近を含む）から燃料室１７６までのガス（ＦＣモード時における水蒸気またはＥＣモード時における水素）の排出経路が過度に長くなり、ガスが滞留して燃料極１１６に圧力がかかることによって燃料極１１６の剥離が生じ、その結果、性能が低くなる上に、燃料極１１６を形成するための使用材料量の増加や、電気化学反応セルスタック１００を駆動させていない状態においても燃料極１１６と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、集電部幅γの値が過度に小さいと、燃料極１１６と燃料極側集電体１４４との接触面積が過度に小さくなるため、応力が集中して燃料極１１６の破損を引き起こし、その結果、性能が低くなる。

また、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）が過度に高いということは、燃料極基板層厚さδの値が過度に大きいこと、および／または、集電部幅γの値が過度に小さいことを意味する。燃料極基板層厚さδの値が過度に大きいと、燃料室１７６から活性層２２０の各位置（基板層２１０との界面付近を含む）までのガス（ＦＣモード時における燃料ガスＦＧまたはＥＣモード時における水蒸気）の移動経路が過度に長くなるため、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、性能が低くなる上に、基板層２１０を形成するための使用材料量の増加や、電気化学反応セルスタック１００を駆動させていない状態においても基板層２１０と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、上述したように、集電部幅γの値が過度に小さいと、燃料極１１６と燃料極側集電体１４４との接触面積が過度に小さくなるため、応力が集中して燃料極１１６の破損を引き起こし、その結果、性能が低くなる。

上述した理由の少なくとも１つによって、サンプルＳ８では、ＦＣモードおよびＥＣモードにおける性能が低くなったものと考えられる。第３の比率Ｒ３が０．５０を超え、かつ、第４の比率Ｒ４が０．４９を超えているサンプルＳ８の評価結果が、第３の比率Ｒ３が０．５０以下であり、かつ、第４の比率Ｒ４が０．４９以下であるサンプルＳ９～Ｓ１５の評価結果より劣ることを考慮すると、反応単位１０２のさらなる性能向上（性能低下の抑制）のためには、第３の比率Ｒ３は０．５０以下であり、かつ、第４の比率Ｒ４は０．４９以下であることが好ましいと言える。

（サンプルＳ９について）
サンプルＳ９の評価結果は、ＥＣモードにおいて、５番目に低い（すなわち、２番目に高い）「Ｂ」評価であった（ただし、ＦＣモード時の評価は「Ａ」評価）。サンプルＳ９では、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１が３５％以上であり、第１の比率Ｒ１（＝β／α）が０．４０以上であり、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）が０．３９以上であり、第３の比率Ｒ３（＝β／γ）が０．０６以上、０．５０以下であり、かつ、第４の比率Ｒ４（＝δ／γ）が０．０５以上、０．４９以下である。しかし、サンプルＳ９では、第１の比率Ｒ１が０．６０を超えており、サンプルＳ１０～Ｓ１５（いずれも第１の比率Ｒ１が０．６０以下である）と比べて過度に高い値となっている。また、サンプルＳ９では、第２の比率Ｒ２が０５８を超えており、サンプルＳ１０～Ｓ１５（いずれも第２の比率Ｒ２が０．５８以下である）と比べて過度に高い値となっている。

第１の比率Ｒ１（＝β／α）が過度に高いということは、燃料極厚さβの値が過度に大きいこと、および／または、集電部間最短距離αの値が過度に小さいことを意味する。燃料極厚さβの値が過度に大きいと、活性層２２０の各位置（電解質層１１２との界面付近を含む）から燃料室１７６までのガス（ＦＣモード時における水蒸気またはＥＣモード時における水素）の排出経路が過度に長くなり、ガスが滞留して燃料極１１６に圧力がかかることによって燃料極１１６の剥離が生じ、その結果、性能が低くなる上に、燃料極１１６を形成するための使用材料量の増加や、電気化学反応セルスタック１００を駆動させていない状態においても燃料極１１６と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、集電部間最短距離αの値が過度に小さいと、ガス流路が過度に狭くなることによってガスの圧力損失が増大し、燃料極１１６の面内に均一にガス（ＦＣモード時における燃料ガスＦＧまたはＥＣモード時における水蒸気）が進入せず、その結果、性能が低くなる。

また、第２の比率Ｒ２（＝δ／α）が過度に高いということは、燃料極基板層厚さδの値が過度に大きいこと、および／または、集電部間最短距離αの値が過度に小さいことを意味する。燃料極基板層厚さδの値が過度に大きいと、燃料室１７６から活性層２２０の各位置（基板層２１０との界面付近を含む）までのガス（ＦＣモード時における燃料ガスＦＧまたはＥＣモード時における水蒸気）の移動経路が過度に長くなるため、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、性能が低くなる上に、基板層２１０を形成するための使用材料量の増加や、電気化学反応セルスタック１００を駆動させていない状態においても基板層２１０と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、上述したように、集電部間最短距離αの値が過度に小さいと、燃料極１１６の基板層２１０における燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に覆われていない部分の面積が過度に小さくなるため、ガス（ＦＣモード時における燃料ガスＦＧまたはＥＣモード時における水蒸気）が燃料極１１６に良好に進入せず、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、性能が低くなる。

上述した理由の少なくとも１つによって、サンプルＳ９では、ＥＣモードにおける性能が低くなったものと考えられる。第１の比率Ｒ１が０．６０を超え、かつ、第２の比率Ｒ２が０．５８を超えているサンプルＳ９の評価結果が、第１の比率Ｒ１が０．６０以下であり、かつ、第２の比率Ｒ２が０．５８以下であるサンプルＳ１０～Ｓ１５の評価結果より劣ることを考慮すると、反応単位１０２のさらなる性能向上（性能低下の抑制）のためには、第１の比率Ｒ１は０．６０以下であり、かつ、第２の比率Ｒ２は０．５８以下であることが好ましいと言える。

（性能評価結果のまとめ）
以上説明した性能評価結果を参照すると、反応単位１０２の性能向上（性能低下の抑制）のためには、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１が３５％以上であり、第１の比率Ｒ１（集電部間最短距離αに対する燃料極厚さβの比（β／α））が０．２０以上であり、かつ、第２の比率Ｒ２（集電部間最短距離αに対する燃料極基板層厚さδの比（δ／α））が０．１８以上であることが好ましく、第３の比率Ｒ３（集電部幅γに対する燃料極厚さβの比（β／γ））が０．０６以上であり、かつ、第４の比率Ｒ４（集電部幅γに対する燃料極基板層厚さδの比（δ／γ））が０．０５以上であることがさらに好ましく、第１の比率Ｒ１が０．４０以上であり、かつ、第２の比率Ｒ２が０．３９以上であることがさらに好ましく、第３の比率Ｒ３が０．５０以下であり、かつ、第４の比率Ｒ４が０．４９以下であることがさらに好ましく、第１の比率Ｒ１が０．６０以下であり、かつ、第２の比率Ｒ２が０．５８以下であることが最も好ましいと言える。

Ａ－４．燃料極１１６の各層の気孔率の特定方法：
上述した燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１の特定は、水谷惟恭著「セラミックプロセシング」（技報堂出版）のｐ．１９３－１９５の記載を参考に、以下の方法に従って行った（図２３参照）。まず、反応単位１０２（単セル１１０）において、燃料室１７６におけるガス（燃料ガスＦＧまたは水蒸気）の流れ方向（図５および図７に示すように本実施形態ではＹ軸方向）に沿って並ぶ任意の３つの位置で、該流れ方向に略直交する断面（本実施形態ではＸＺ断面）を設定し、各断面の任意の３カ所で、燃料極１１６の基板層２１０における燃料極側集電体１４４側の表面を含む部分が写ったＦＩＢ－ＳＥＭ（加速電圧１．５ｋＶ）におけるＳＥＭ画像（５０００倍）を得る。つまり、９つのＳＥＭ画像が得られる。上記各ＳＥＭ画像において、燃料極１１６の基板層２１０における燃料極側集電体１４４側の表面付近に、Ｚ軸方向に直交する５本の仮想直線ＶＬ（ＶＬ１１～ＶＬ１５）を１μｍ間隔で設定する。５本の仮想直線ＶＬのそれぞれにおいて、気孔にあたる各部分の長さを測定し、仮想直線ＶＬの全長に対する気孔にあたる各部分の長さの合計の比を、当該仮想直線ＶＬ上における気孔率とする。すべてのＳＥＭ画像において設定されたすべての仮想直線ＶＬ上における気孔率の平均値を、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１とする。

同様に、燃料極１１６の活性層２２０の気孔率ＲＯ２の特定は、以下の方法に従って行った（図２３参照）。まず、反応単位１０２（単セル１１０）において、燃料室１７６におけるガス（燃料ガスＦＧまたは水蒸気）の流れ方向（本実施形態ではＹ軸方向）に沿って並ぶ任意の３つの位置で、該流れ方向に略直交する断面（本実施形態ではＸＺ断面）を設定し、各断面の任意の３カ所で、燃料極１１６の活性層２２０における電解質層１１２側の表面を含む部分が写ったＦＩＢ－ＳＥＭ（加速電圧１．５ｋＶ）におけるＳＥＭ画像（５０００倍）を得る。つまり、９つのＳＥＭ画像が得られる。上記各ＳＥＭ画像において、燃料極１１６の活性層２２０における電解質層１１２側の表面付近に、Ｚ軸方向に直交する５本の仮想直線ＶＬ（ＶＬ２１～ＶＬ２５）を１μｍ間隔で設定する。なお、燃料極１１６の活性層２２０における電解質層１１２側の表面は、上記各ＳＥＭ画像において、燃料極１１６の活性層２２０と電解質層１１２との構成物質の相違等に基づき特定することができる。５本の仮想直線ＶＬのそれぞれにおいて、気孔にあたる各部分の長さを測定し、仮想直線ＶＬの全長に対する気孔にあたる各部分の長さの合計の比を、当該仮想直線ＶＬ上における気孔率とする。すべてのＳＥＭ画像において設定されたすべての仮想直線ＶＬ上における気孔率の平均値を、燃料極１１６の活性層２２０の気孔率ＲＯ２とする。

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

上記実施形態における単セル１１０、反応単位１０２または電気化学反応セルスタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、燃料極１１６は、２層構成であるとしているが、燃料極１１６が、構成の互いに異なる３つ以上の層から構成されているとしてもよい。

また、上記実施形態では、燃料極側集電体１４４が、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６と連接部１４７とから構成されているが、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６の基板層２１０の表面に導通する複数の集電部を有する限りにおいて、他の構成であってもよい。例えば、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様に、複数の略四角柱状の集電体要素から構成されていてもよい。そのような構成では、複数の集電体要素が複数の集電部として機能する。また、上記実施形態では、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間にスペーサー１４９が配置されているが、スペーサー１４９は省略可能である。

また、上記実施形態において、燃料極１１６の基板層２１０における燃料極側集電体１４４側の表面に、ガス透過性を有する導電性材料（例えば、Ｎｉで形成された細かいピッチ（電極対向部１４５の配置ピッチより細かいピッチ）のメッシュ材）が配置されており、燃料極１１６の基板層２１０の該表面が、該ガス透過性を有する導電性材料を介して、燃料極側集電体１４４の電極対向部１４５に導通しているとしてもよい。そのような構成では、燃料極１１６の基板層２１０が特許請求の範囲における第１の燃料極層に相当し、燃料極側集電体１４４が特許請求の範囲における集電体に相当し、該ガス透過性を有する導電性材料は特許請求の範囲における第１の燃料極層にも集電体にも相当しない。

また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４が導電性のコートにより覆われていてもよい。そのような構成において、該コートがガス透過性を有しない場合には、燃料極側集電体１４４および該コートが特許請求の範囲における集電体に相当し、該コートがガス透過性を有する場合には、燃料極側集電体１４４が特許請求の範囲における集電体に相当し、該コートは特許請求の範囲における第１の燃料極層にも集電体にも相当しない。

なお、上述した集電部間最短距離α、燃料極厚さβ、燃料極基板層厚さδ、集電部幅γは、それぞれ、以下の範囲であることが好ましい。
・１０００μｍ≦集電部間最短距離α≦３０００μｍ
・２５０μｍ≦燃料極厚さβ≦１２００μｍ
・２００μｍ≦燃料極基板層厚さδ≦１１５０μｍ
・５００μｍ≦集電部幅γ≦９０００μｍ

また、上記実施形態では、単セル１１０が中間層１８０を備えているが、単セル１１０は必ずしも中間層１８０を備える必要は無い。また、上記実施形態では、インターコネクタ１５０と空気極側集電体１３４とが一体部材であるが、インターコネクタ１５０と空気極側集電体１３４とが別部材であってもよい。また、上記実施形態では、空気極側集電体１３４がコート１３６に覆われているが、空気極側集電体１３４がコート１３６に覆われていないとしてもよい。また、上記実施形態では、空気極側集電体１３４が接合層１３８を介して空気極１１４に接しているが、空気極側集電体１３４が接合層１３８を介さずに空気極１１４に接しているとしてもよい。

また、上記実施形態において、電気化学反応セルスタック１００に含まれる単セル１１０（反応単位１０２）の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０（反応単位１０２）の個数は電気化学反応セルスタック１００に要求される出力電圧や水素生成量等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。

また、上記実施形態に記載した反応単位１０２の性能向上（性能低下の抑制）のための構成要件（例えば、燃料極１１６の基板層２１０の気孔率ＲＯ１が３５％以上であり、第１の比率Ｒ１（＝β／α）が０．２０以上であり、かつ、第２の比率Ｒ２（δ／α）が０．１８以上であること等）は、必ずしも電気化学反応セルスタック１００を構成する複数の反応単位１０２のすべてにおいて満たされている必要はなく、電気化学反応セルスタック１００を構成する複数の反応単位１０２の内の少なくとも１つにおいて満たされていればよい。また、１つの反応単位１０２に注目したときに、該構成要件は、必ずしも燃料極側集電体１４４が備える複数の電極対向部１４５のすべてにおいて満たされている必要はなく、燃料極側集電体１４４が備える複数の電極対向部１４５の内の少なくとも１つにおいて満たされていればよい。なお、反応単位１０２の効果的な性能向上（性能低下の抑制）のため、燃料極側集電体１４４が備えるすべての電極対向部１４５の内、３０％以上の電極対向部１４５において上記構成要件が満たされていることが好ましく、５０％以上の電極対向部１４５において上記構成要件が満たされていることがより好ましく、７０％以上の電極対向部１４５において上記構成要件が満たされていることがさらに好ましく、９０％以上の電極対向部１４５において上記構成要件が満たされていることが一層好ましく、１００％の電極対向部１４５において上記構成要件が満たされていることが最も好ましい。該構成要件が満たされている電極対向部１４５は、特許請求の範囲における特定集電部に相当する。

また、上記実施形態では、いわゆるリバーシブル型の電気化学反応セルスタックを例に説明したが、一般に、燃料電池スタックは、その構成上、電解セルスタックとしても使用可能であり、電解セルスタックは、その構成上、燃料電池スタックとしても使用可能であるため、本発明は、「リバーシブル型」とされているものに限らず、一般的な燃料電池スタック（燃料電池発電単位）および電解セルスタック（電解セル単位）にも適用可能である。

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。

２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００：電気化学反応セルスタック １０２：電気化学反応単位 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １３６：コート １３８：接合層 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：中間層 ２１０：基板層 ２２０：活性層

Claims (7)

1. 電解質層と、前記電解質層に対して第１の方向の一方側に配置された空気極と、前記電解質層に対して前記第１の方向の他方側に配置された燃料極であって、前記燃料極における前記第１の方向の前記他方側の表面を構成する第１の燃料極層と、前記第１の燃料極層と前記電解質層との間に配置された第２の燃料極層と、を含む前記燃料極と、を備える電気化学反応単セルと、
   前記第１の燃料極層に対して前記第１の方向の前記他方側に配置され、前記第１の燃料極層における前記第１の方向の前記他方側の表面に導通する複数の集電部を有する導電性の集電体と、
   を備える電気化学反応単位において、
   前記第１の燃料極層の気孔率は、３５％以上、５５％以下であり、
   前記複数の集電部は、互いに同一の形状であり、かつ、前記第１の方向と前記燃料極に面する燃料室におけるガスの流れ方向との両方に直交する第２の方向に沿って等間隔に配置されており、かつ、前記燃料室におけるガスの流れ方向に沿って等間隔に配置されており、
   前記複数の集電部の内の少なくとも１つである特定集電部について、前記特定集電部と前記特定集電部に対して前記第２の方向の隣に位置する前記集電部との間の前記第２の方向における最短距離αに対する、前記第１の方向における前記燃料極の厚さβの比である第１の比率（β／α）は、０．２０以上であり、かつ、前記最短距離αに対する、前記第１の方向における前記第１の燃料極層の厚さδの比である第２の比率（δ／α）は、０．１８以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。
2. 請求項１に記載の電気化学反応単位において、
   前記特定集電部について、前記第２の方向における前記特定集電部の前記第１の燃料極層に対向する部分の幅γに対する、前記第１の方向における前記燃料極の厚さβの比である第３の比率（β／γ）は、０．０６以上であり、かつ、前記幅γに対する、前記第１の方向における前記第１の燃料極層の厚さδの比である第４の比率（δ／γ）は、０．０５以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。
3. 請求項２に記載の電気化学反応単位において、
   前記特定集電部について、前記第１の比率（β／α）は、０．４０以上であり、かつ、前記第２の比率（δ／α）は、０．３９以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。
4. 請求項３に記載の電気化学反応単位において、
   前記特定集電部について、前記第３の比率（β／γ）は、０．５０以下であり、かつ、前記第４の比率（δ／γ）は、０．４９以下であることを特徴とする、電気化学反応単位。
5. 請求項４に記載の電気化学反応単位において、
   前記特定集電部について、前記第１の比率（β／α）は、０．６０以下であり、かつ、前記第２の比率（δ／α）は、０．５８以下であることを特徴とする、電気化学反応単位。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
   前記燃料極における前記第１の方向の前記他方側の部分の気孔率は、前記燃料極における前記第１の方向の前記一方側の部分の気孔率より高いことを特徴とする、電気化学反応単位。
7. 前記第１の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
   前記複数の電気化学反応単位の少なくとも１つは、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。

Images