JP7096645B2 - 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（以下、「発電単位」という）は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という）を備える。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燃料極と、電解質層に対して第１の方向の他方側に配置された空気極とを含む。

また、発電単位は、単セルを構成する空気極に対向する位置に配置された導電性の集電体を備える。集電体は、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、空気極における第１の方向の上記他方側の表面に接する複数の凸部を有する。発電運転時には、空気極の該表面と集電体の各凸部とが接する部分において、空気極と集電体との間の電子のやりとりが行われる。また、空気極に面する空気室に供給された酸化剤ガスは、空気極の該表面の内、集電体の各凸部と接しない（各凸部に覆われていない）部分から空気極内に流入する。

従来、発電単位の性能を向上させるため、空気極の厚さ（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２０１３－２２９３１１号公報

しかし、従来のように空気極の厚さの好ましい範囲を考慮するだけでは、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。

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セル単位にも共通の課題である。なお、本明細書では、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燃料極と、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空気極と、を備える電気化学反応単セルと、前記空気極における前記第１の方向の前記他方側の表面に接する複数の凸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、前記空気極における前記集電体側の部分の気孔率は、３０％以上であり、前記複数の凸部の内の少なくとも１つである特定凸部について、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凸部の前記空気極に接する部分の幅γに対する、前記第１の方向における前記空気極の厚さβの比である第１の比率（β／γ）は、０．０７以上である。本電気化学反応単位では、空気極における集電体側の部分の気孔率が３０％以上であるため、ガスを空気極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る。また、本電気化学反応単位は、空気極の厚さβがある程度厚く、および／または、集電体の特定凸部の空気極に接する部分の幅γがある程度狭い構成であるため、空気極内に流入した酸化剤ガスが第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、空気極における反応場の内、酸化剤ガス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、前記特定凸部について、前記第２の方向における前記特定凸部と前記特定凸部の隣に位置する前記凸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空気極の厚さβの比である第２の比率（β／α）は、０．０３５以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位は、空気極の厚さβがある程度厚く、および／または、集電体の凸部と凸部との間の最短距離αがある程度短い構成であるため、空気極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、空気極における反応場の内、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電気化学反応単位の性能を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、前記特定凸部について、前記第１の比率（β／γ）は、０．１６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、空気極の厚さβが過度に厚くなることを抑制できる、および／または、集電体の特定凸部の空気極に接する部分の幅γが過度に狭くなることを抑制できるため、ガス拡散分極の増大や応力集中による空気極の破損を抑制することによって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。

（４）上記電気化学反応単位において、前記特定凸部について、前記第２の比率（β／α）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によれば、空気極の厚さβをより厚くする、および／または、集電体の凸部と凸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、空気極における反応場の内、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によって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。

（５）上記電気化学反応単位において、前記特定凸部について、前記第２の比率（β／α）は、０．１３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、空気極の厚さβが過度に厚くなることを抑制できる、および／または、集電体の凸部と凸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、ガス拡散分極の増大を抑制することによって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。

（６）上記電気化学反応単位において、前記空気極における前記第１の方向の前記他方側の部分の気孔率は、前記空気極における前記第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。

（７）上記電気化学反応単位において、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の発電性能を向上させることができる。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単位（燃料電池発電単位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。

実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。 図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図４のＶＩ－ＶＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図４のＶＩＩ－ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 凸部接触部幅γおよび凸部間最短距離αの特定に用いる断面ＳＥ１を示す説明図である。 凸部接触部幅γおよび凸部間最短距離αの特定に用いる断面ＳＥ１を示す説明図である。 凸部接触部幅γおよび凸部間最短距離αの測定位置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／γ）と発電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／γ）と発電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／γ）と発電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（＝β／α）と発電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（＝β／α）と発電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（＝β／α）と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。 空気極１１４の気孔率の特定方法を示す説明図である。 変形例における集電体１９０付近の構成を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ－１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、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（および後述する図６，７）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（および後述する図６，７）のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図４以降についても同様である。

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）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。

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

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２および図３に示すように、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の上端を構成するエンドプレート１０４の上側表面との間、および、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の下端を構成するエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。ただし、後述のガス通路部材２７が設けられた箇所では、ナット２４とエンドプレート１０６の表面との間に、ガス通路部材２７とガス通路部材２７の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート２６とが介在している。絶縁シート２６は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。

各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。

また、図１および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２に供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。

燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部２９とを有している。分岐部２９の孔は本体部２８の孔と連通している。各ガス通路部材２７の分岐部２９には、ガス配管（図示せず）が接続される。また、図２に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成するボルト２２Ａの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を形成するボルト２２Ｂの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。また、図３に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１を形成するボルト２２Ｄの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２を形成するボルト２２Ｅの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。

（発電単位１０２の構成）
図４は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。図５の上部には、発電単位１０２の一部分のＹＺ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の位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４のＶＩＩ－ＶＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２および図３参照）。

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上下方向（第１の方向）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、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（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

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、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。なお、本実施形態では、空気極１１４の気孔率は、Ｚ軸方向に平行な方向において概ね一様であるが、Ｚ軸方向において異なり得る。例えば、空気極１１４における上側の部分の気孔率（後述の空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１）は、空気極１１４における下側の部分の気孔率（後述の空気極１１４における電解質層１１２側の部分の気孔率ＲＯ２）より高い。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。空気極１１４における上記上側の部分の気孔率（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、空気極１１４における上記上側の部分の気孔率（気孔率ＲＯ１）は、３０％以上であることが好ましく、４５％以下であることが好ましい。

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。

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、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。

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。

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、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を構成する２つの隣り合う集電体要素１３５の間の空間は、酸化剤ガスＯＧが流れるガス流路として機能する。図６に示すように、本実施形態では、各集電体要素１３５は、軸方向（長手方向）がＸ軸方向に略一致する向きで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に並ぶように配置されている。そのため、酸化剤ガスＯＧが流れるガス流路は、Ｚ軸方向視でＸ軸方向およびＹ軸方向に格子状に延びるような形状となっている。

また、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（例えば、Ｍｎ_１．５Ｃｏ_１．５Ｏ_４やＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎＣｏＯ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４）により形成されている。空気極側集電体１３４の表面へのコート１３６の形成は、例えば、スプレーコート、インクジェット印刷、スピンコート、ディップコート、めっき、スパッタリング、溶射等の周知の方法で実行される。なお、上述したように、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とが一体の部材として形成されているため、実際には、空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）の表面の内、インターコネクタ１５０との境界面はコート１３６により覆われていない一方、インターコネクタ１５０の表面の内、少なくとも酸化剤ガスＯＧが流れるガス流路に面する表面（例えば、インターコネクタ１５０における空気極１１４側の表面）はコート１３６により覆われている。また、空気極側集電体１３４等に対する熱処理によって酸化クロムの被膜ができることがあるが、その場合には、コート１３６は、当該被膜ではなく、当該被膜が形成された空気極側集電体１３４を覆うように形成された層である。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（例えば、Ｍｎ_１．５Ｃｏ_１．５Ｏ_４やＭｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎ_２Ｏ_４、ＺｎＭｎＣｏＯ_４、ＣｕＭｎ_２Ｏ_４）により形成されている。本実施形態では、一の集電体要素１３５と空気極１１４とを接合する接合層１３８と、他の集電体要素１３５と空気極１１４とを接合する接合層１３８とは、互いに独立している。また、接合層１３８は、集電体要素１３５における先端部（空気極１１４に近い部分）の角部を覆っている。このような構成の接合層１３８は、例えば、接合層用のペーストを、空気極側集電体１３４を構成する各集電体要素１３５の先端部に印刷し、空気極１１４の表面に押し付けた状態で所定の条件で焼成を行うことにより形成することができる。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。

図５に示すように、上述した構成において、インターコネクタ１５０と空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）との一体部材と、コート１３６と、接合層１３８とを１つの部材（以下、「集電体１９０」という）と捉えると、該集電体１９０の内、コート１３６に覆われた集電体要素１３５と接合層１３８との組合せから構成される複数の部分（以下、「凸部１９２」という）は、インターコネクタ１５０から構成される部分から空気極１１４側に突出している。また、該複数の凸部１９２のそれぞれは、空気極１１４における上側の表面に接している。すなわち、集電体１９０は、空気極１１４における上側の表面に接する複数の凸部１９２を有する。本実施形態における集電体１９０は、特許請求の範囲における集電体に相当し、本実施形態における凸部１９２は、特許請求の範囲における凸部に相当する。

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

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧ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は集電体１９０（インターコネクタ１５０、空気極側集電体１３４、コート１３６、接合層１３８の集合体）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、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

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

Ａ－３．性能評価：
本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する各発電単位１０２は、空気極１１４と集電体１９０との関係に特徴がある。以下、空気極１１４と集電体１９０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５に示すように、本性能評価では、Ｚ軸方向における空気極１１４の厚さを、「空気極厚さβ」という。なお、空気極１１４の厚さが一様ではない場合には、空気極厚さβは、空気極１１４（ただし、集電体１９０の凸部１９２に接する部分）における最薄部の厚さとする。

また、集電体１９０の各凸部１９２（空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）と接合層１３８との組合せ）における空気極１１４に接する部分の幅（Ｚ軸方向に直交する方向の大きさ）を、「凸部接触部幅γ」という。

なお、凸部接触部幅γの特定は、図８および図９に示すように、集電体要素１３５のＸＹ断面において、集電体要素１３５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における凸部接触部幅γの測定位置は、空気極１１４（ただし、集電体１９０の凸部１９２に接する部分）における最薄部の上端位置から、上方に距離Ｌｘ（＝１０μｍ）だけ離れた位置とする。例えば、図５に示すように、空気極１１４の厚さが略一様である構成では、凸部接触部幅γは、上記断面ＳＥ１（図５の例ではＹＺ断面）における、空気極１１４の上面から距離Ｌｘ（＝１０μｍ）だけ上方に位置し、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。同様に、例えば図１０に示すように、空気極１１４の厚さが略一様であり、かつ、接合層１３８が集電体要素１３５における先端部の角部を覆っていない構成においても、凸部接触部幅γは、上記断面ＳＥ１（図１０の例ではＹＺ断面）における、空気極１１４の上面から距離Ｌｘ（＝１０μｍ）だけ上方に位置し、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、一の凸部１９２とその隣に位置する他の凸部１９２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、「凸部間最短距離α」という。凸部間最短距離αは、凸部接触部幅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５，１０参照）。

また、凸部接触部幅γに対する空気極厚さβの比率（β／γ）を、「第１の比率Ｒ１」という。第１の比率Ｒ１の値が高いことは、凸部接触部幅γの値が小さいこと（すなわち、凸部１９２の幅が狭いこと）、および／または、空気極厚さβの値が大きいことを意味する。また、凸部間最短距離αに対する空気極厚さβの比率（β／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、凸部間最短距離αの値が小さいこと（すなわち、２つの凸部１９２間の間隔が狭いこと）、および／または、空気極厚さβの値が大きいことを意味する。

（各サンプルについて）
図１１は、性能評価結果を示す説明図である。図１１に示すように、性能評価に用いられた発電単位１０２の各サンプル（Ｓ１～Ｓ１３）は、上述した凸部間最短距離α、空気極厚さβ、および、凸部接触部幅γの値が互いに異なっており、その結果、第１の比率Ｒ１および第２の比率Ｒ２の値が互いに異なっている。さらに、各サンプルは、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１、および、空気極１１４における電解質層１１２側の部分の気孔率ＲＯ２の値が互いに異なっている。図１１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、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１は、空気極１１４における電解質層１１２側の部分の気孔率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、空気極１１４はペロブスカイト型酸化物を含むように構成した。また、空気極１１４の気孔率ＲＯ１および気孔率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、集電体１９０を構成するインターコネクタ１５０および空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）を金属（フェライト系ステンレス）により構成し、コート１３６および接合層１３８をスピネル型酸化物により構成した。各サンプルについて、集電体要素１３５等の形状や配置を互いに異ならせることにより、凸部間最短距離αおよび凸部接触部幅γの値を互いに異ならせた。なお、すべてのサンプルにおいて、接合層１３８を、コート１３６に覆われた集電体要素１３５の先端部の角部を覆うように形成した（図５参照）。

（評価方法について）
本性能評価では、発電性能についての評価を行った。具体的には、作製した発電単位１０２の各サンプルについて、温度：７００℃、電流密度：０．５５Ａ／ｃｍ^２の条件における初期電圧を測定し、初期電圧の値に応じて以下のように「Ａ」～「Ｇ」の７段階で評価した（「Ａ」が最も優れているという評価であり、「Ｇ」が最も劣っているという評価である）。
・評価：「Ａ」・・・初期電圧：０．９２Ｖ以上
・評価：「Ｂ」・・・初期電圧：０．９１５Ｖ以上、０．９２Ｖ未満
・評価：「Ｃ」・・・初期電圧：０．９１Ｖ以上、０．９１５Ｖ未満
・評価：「Ｄ」・・・初期電圧：０．９０５Ｖ以上、０．９１Ｖ未満
・評価：「Ｅ」・・・初期電圧：０．９Ｖ以上、０．９０５Ｖ未満
・評価：「Ｆ」・・・初期電圧：０．８Ｖ以上、０．９Ｖ未満
・評価：「Ｇ」・・・初期電圧：０．８Ｖ未満

（評価結果について）
（サンプルＳ１について）
図１１に示すように、サンプルＳ１の評価結果は、最も低い「Ｇ」評価であった。サンプルＳ１では、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１が２６％であり、他のサンプル（いずれも気孔率ＲＯ１が３０％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、空気室１６６に供給された酸化剤ガスＯＧが空気極１１４内に良好に進入せず、空気極１１４における反応場（電解質層１１２側の部分）において酸化剤ガスＯＧ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、初期電圧が極めて低くなったものと考えられる。この結果から、発電単位１０２の発電性能向上（発電性能低下の抑制）のためには、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１は３０％以上であることが好ましいと言える。

（サンプルＳ２，Ｓ３について）
サンプルＳ２，Ｓ３の評価結果は、２番目に低い「Ｆ」評価であった。サンプルＳ２，Ｓ３では、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１が３０％以上ではあるものの、第１の比率Ｒ１（＝β／γ）が０．０６であり、サンプルＳ４～Ｓ１３（いずれも第１の比率Ｒ１が０．０７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，Ｓ３では、以下に説明するように、サンプルＳ４～Ｓ１３と比べて初期電圧が低くなったものと考えられる。

図１２から図１４は、第１の比率Ｒ１（＝β／γ）と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。図１２から図１４には、発電単位１０２の一部（図５のＸ１部）のＹＺ断面構成が示されている。図１２に示す発電単位１０２の構成では、図１４に示す発電単位１０２の構成と比較して、凸部接触部幅γの値が大きい。そのため、図１２に示す発電単位１０２の構成では、図１４に示す発電単位１０２の構成と比較して、第１の比率Ｒ１の値が小さくなっている。また、図１３に示す発電単位１０２の構成では、図１４に示す発電単位１０２の構成と比較して、空気極厚さβの値が小さい。そのため、図１３に示す発電単位１０２の構成では、図１４に示す発電単位１０２の構成と比較して、第１の比率Ｒ１の値が小さくなっている。

ここで、空気室１６６に供給された酸化剤ガスＯＧは、空気極１１４の表面の内、集電体１９０の凸部１９２に接する部分（すなわち、凸部接触部幅γに対応する部分）からは流入せず、集電体１９０の凸部１９２に接しない部分（すなわち、凸部間最短距離αに対応する部分）から空気極１１４内に流入する。また、空気極１１４内に流入した酸化剤ガスＯＧ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、空気極１１４における反応場Ａｘ０（空気極１１４における電解質層１１２側の部分）に向けて流れる。そのため、図１２に示すように凸部接触部幅γの値が比較的大きい構成や図１３に示すように空気極厚さ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、空気極１１４における反応場Ａｘ０の内の一部の領域Ａｘ１に酸化剤ガスＯＧ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、発電単位１０２の初期電圧が低くなる。

これに対し、図１４に示す発電単位１０２の構成では、図１２に示す発電単位１０２の構成と比較して、凸部接触部幅γの値が小さく、また、図１３に示す発電単位１０２の構成と比較して、空気極厚さβの値が大きい。すなわち、図１４に示す発電単位１０２の構成では、図１２および図１３に示す発電単位１０２の構成と比較して、第１の比率Ｒ１の値が大きい。図１４に示す発電単位１０２の構成では、凸部接触部幅γの値が比較的小さいため、空気極１１４における反応場Ａｘ０の内、酸化剤ガスＯＧ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１４に示す発電単位１０２の構成では、空気極厚さβの値が比較的大きいため、空気極１１４内に進入した酸化剤ガスＯＧの、Ｚ軸方向に直交する方向への移動距離（拡散距離）を比較的長くすることができる。従って、図１４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、空気極１１４における反応場Ａｘ０の内、酸化剤ガスＯＧ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初期電圧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／γ）が０．０７未満であるサンプルＳ２，Ｓ３の評価結果が、第１の比率Ｒ１が０．０７以上であるサンプルＳ４～Ｓ１３の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位１０２の発電性能向上（発電性能低下の抑制）のためには、第１の比率Ｒ１は０．０７以上であることが好ましいと言える。

（サンプルＳ４について）
サンプルＳ４の評価結果は、３番目に低い「Ｅ」評価であった。サンプルＳ４では、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１が３０％以上であり、かつ、第１の比率Ｒ１（＝β／γ）が０．０７以上であるものの、第２の比率Ｒ２（＝β／α）が０．０３２であり、サンプルＳ５～Ｓ１３（いずれも第２の比率Ｒ２が０．０３５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Ｓ４では、以下に説明するように、サンプルＳ５～Ｓ１３と比べて初期電圧が低くなったものと考えられる。

図１５から図１７は、第２の比率Ｒ２（＝β／α）と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。図１５から図１７には、発電単位１０２の一部（図５のＸ１部）のＹＺ断面構成が示されている。図１５に示す発電単位１０２の構成では、図１７に示す発電単位１０２の構成と比較して、凸部間最短距離αの値が大きい。そのため、図１５に示す発電単位１０２の構成では、図１７に示す発電単位１０２の構成と比較して、第２の比率Ｒ２の値が小さくなっている。また、図１６に示す発電単位１０２の構成では、図１７に示す発電単位１０２の構成と比較して、空気極厚さβの値が小さい。そのため、図１６に示す発電単位１０２の構成では、図１７に示す発電単位１０２の構成と比較して、第２の比率Ｒ２の値が小さくなっている。

ここで、空気極１１４と集電体１９０との間の電子（ｅ^－）のやりとりは、空気極１１４の表面の内、集電体１９０の凸部１９２に接しない部分（すなわち、凸部間最短距離αに対応する部分）では行われず、集電体１９０の凸部１９２に接する部分（すなわち、凸部接触部幅γに対応する部分）で行われる。また、空気極１１４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、空気極１１４における反応場Ａｘ０（空気極１１４における電解質層１１２側の部分）に向けて移動する。そのため、図１５に示すように凸部間最短距離αの値が比較的大きい構成や図１６に示すように空気極厚さβ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、空気極１１４における反応場Ａｘ０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、発電単位１０２の初期電圧が低くなる。

これに対し、図１７に示す発電単位１０２の構成では、図１５に示す発電単位１０２の構成と比較して、凸部間最短距離αの値が小さく、また、図１６に示す発電単位１０２の構成と比較して、空気極厚さβの値が大きい。すなわち、図１７に示す発電単位１０２の構成では、図１５および図１６に示す発電単位１０２の構成と比較して、第２の比率Ｒ２の値が大きい。図１７に示す発電単位１０２の構成では、凸部間最短距離αの値が比較的小さいため、空気極１１４における反応場Ａｘ０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１７に示す発電単位１０２の構成では、空気極厚さβの値が比較的大きいため、空気極１１４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。従って、図１７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、空気極１１４における反応場Ａｘ０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初期電圧の低下を抑制することができる。

上述したように、第２の比率Ｒ２（＝β／α）が０．０３５未満であるサンプルＳ４の評価結果が、第２の比率Ｒ２が０．０３５以上であるサンプルＳ５～Ｓ１３の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位１０２のさらなる発電性能向上（発電性能低下の抑制）のためには、第２の比率Ｒ２は０．０３５以上であることが好ましいと言える。

（サンプルＳ５，Ｓ６について）
サンプルＳ５，Ｓ６の評価結果は、４番目に低い（すなわち、４番目に高い）「Ｄ」評価であった。サンプルＳ５，Ｓ６では、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１が３０％以上であり、第１の比率Ｒ１（＝β／γ）が０．０７以上であり、かつ、第２の比率Ｒ２（＝β／α）が０．０３５以上であるものの、第１の比率Ｒ１が０．１６を超えており、サンプルＳ７～Ｓ１３（いずれも第１の比率Ｒ１が０．１６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が過度に高いということは、空気極厚さβの値が過度に大きいこと、および／または、凸部接触部幅γの値が過度に小さいことを意味する。空気極厚さβの値が過度に大きいと、空気極１１４の表面から反応場Ａｘ０までの酸化剤ガスＯＧの拡散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、初期電圧が低くなる上に、空気極１１４を形成するための使用材料量の増加や空気極１１４と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、凸部接触部幅γの値が過度に小さいと、空気極１１４と集電体１９０との接触面積が過度に小さくなるため、応力が集中して空気極１１４の破損を引き起こし、その結果、初期電圧が低くなる。これらの内の少なくとも１つの理由によって、サンプルＳ５，Ｓ６では、初期電圧が低くなったものと考えられる。第１の比率Ｒ１（＝β／γ）が０．１６を超えるサンプルＳ５，Ｓ６の評価結果が、第１の比率Ｒ１が０．１６以下であるサンプルＳ７～Ｓ１３の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位１０２のさらなる発電性能向上（発電性能低下の抑制）のためには、第１の比率Ｒ１は０．１６以下であることが好ましいと言える。

（サンプルＳ７，Ｓ８について）
サンプルＳ７，Ｓ８の評価結果は、５番目に低い（すなわち、３番目に高い）「Ｃ」評価であった。サンプルＳ７，Ｓ８では、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１が３０％以上であり、第１の比率Ｒ１（＝β／γ）が０．０７以上、０．１６以下であり、かつ、第２の比率Ｒ２（＝β／α）が０．０３５以上であるものの、第２の比率Ｒ２が０．０５未満であり、サンプルＳ９～Ｓ１３（いずれも第２の比率Ｒ２が０．０５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２の比率Ｒ２の値が大きいほど、空気極１１４における反応場Ａｘ０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発電性能を向上させる（発電性能の低下を抑制する）ことができる。第２の比率Ｒ２（＝β／α）が０．０５未満であるサンプルＳ７，Ｓ８の評価結果が、第２の比率Ｒ２が０．０５以上であるサンプルＳ９～Ｓ１３の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位１０２のさらなる発電性能向上（発電性能低下の抑制）のためには、第２の比率Ｒ２は０．０５以上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、６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Ｓ９では、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１が３０％以上であり、第１の比率Ｒ１（＝β／γ）が０．０７以上、０．１６以下であり、かつ、第２の比率Ｒ２（＝β／α）が０．０５以上であるものの、第２の比率Ｒ２が０．１３を超えており、サンプルＳ１０～Ｓ１３（いずれも第２の比率Ｒ２が０．１３以下である）と比べて過度に高い値となっている。第２の比率Ｒ２が過度に高いということは、空気極厚さβの値が過度に大きいこと、および／または、凸部間最短距離αの値が過度に小さいことを意味する。空気極厚さβの値が過度に大きいと、空気極１１４の表面から反応場Ａｘ０までの酸化剤ガスＯＧの拡散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、初期電圧が低くなる上に、空気極１１４を形成するための使用材料量の増加や空気極１１４と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、凸部間最短距離αの値が過度に小さいと、空気極１１４における集電体１９０の凸部１９２に覆われていない部分の面積が過度に小さくなるため、空気室１６６に供給された酸化剤ガスＯＧが空気極１１４内に良好に進入せず、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、初期電圧が低くなる。これらの内の少なくとも１つの理由によって、サンプルＳ９では、初期電圧が低くなったものと考えられる。第２の比率Ｒ２（＝β／α）が０．１３を超えるサンプルＳ９の評価結果が、第２の比率Ｒ２が０．１３以下であるサンプルＳ１０～Ｓ１３の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位１０２のさらなる発電性能向上（発電性能低下の抑制）のためには、第２の比率Ｒ２は０．１３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、発電単位１０２の発電性能向上（発電性能低下の抑制）のためには、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１が３０％以上であり、かつ、第１の比率Ｒ１（凸部接触部幅γに対する空気極厚さβの比（β／γ））が０．０７以上であることが好ましく、第２の比率Ｒ２（凸部間最短距離αに対する空気極厚さβの比（β／α））が０．０３５以上であることがさらに好ましく、第１の比率Ｒ１が０．１６以下であることがさらに好ましく、第２の比率Ｒ２が０．０５以上であることがさらに好ましく、第２の比率Ｒ２が０．１３以下であることが最も好ましいと言える。

Ａ－４．空気極１１４の気孔率の特定方法：
上述した空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率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１８参照）。まず、発電単位１０２（単セル１１０）において、酸化剤ガスＯＧの流れ方向（図４および図６に示すように本実施形態ではＸ軸方向）に沿って並ぶ任意の３つの位置で、酸化剤ガスＯＧの流れ方向に略直交する断面（本実施形態ではＹＺ断面）を設定し、各断面の任意の３カ所で、空気極１１４における集電体１９０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、空気極１１４における集電体１９０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、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１とする。

同様に、空気極１１４における電解質層１１２側の部分の気孔率ＲＯ２の特定は、以下の方法に従って行った（図１８参照）。まず、発電単位１０２（単セル１１０）において、酸化剤ガスＯＧの流れ方向（本実施形態ではＸ軸方向）に沿って並ぶ任意の３つの位置で、酸化剤ガスＯＧの流れ方向に略直交する断面（本実施形態ではＹＺ断面）を設定し、各断面の任意の３カ所で、空気極１１４における電解質層１１２側（中間層１８０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、空気極１１４における電解質層１１２側（中間層１８０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、空気極１１４における電解質層１１２側（中間層１８０側）の表面は、上記各ＳＥＭ画像において、空気極１１４と電解質層１１２や中間層１８０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、空気極１１４における電解質層１１２側の部分の気孔率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、発電単位１０２または燃料電池スタック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、空気極１１４は、単層構成であるとしているが、空気極１１４が、構成材料の互いに異なる複数の層から構成されているとしてもよい。空気極１１４が複数の層から構成されている場合でも、上下方向（第１の方向）における空気極１１４の厚さβは、空気極１１４全体の厚さ（各層の厚さの合計）を意味する。

例えば、空気極１１４が、電解質層１１２側に位置する第１の空気極（活性層）と、集電体１９０側に位置する第２の空気極（集電層）と、の二層構成であるとしてもよい。このような構成では、上下方向（第１の方向）における空気極１１４の厚さβは、第１の空気極（活性層）の厚さと第２の空気極（集電層）の厚さとの合計を意味する。なお、このような構成でも、空気極１１４における第２の空気極（集電層）の気孔率（空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１）は、空気極１１４における第１の空気極（活性層）の気孔率（空気極１１４における電解質層１１２側の部分の気孔率ＲＯ２）より高いことが好ましい。例えば、空気極１１４における第２の空気極（集電層）の気孔率（空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１）は、３０％以上であることが好ましく、４５％以下であることが好ましい。また、空気極１１４における第１の空気極（活性層）の気孔率（空気極１１４における電解質層１１２側の部分の気孔率ＲＯ２）は、１５％以上であることが好ましく、４０％以下であることが好ましい。

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（集電体要素１３５）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（集電体要素１３５）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。このような構成では、集電体１９０には、コート１３６が含まれない。また、上記実施形態では、（コート１３６に覆われた）空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）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。このような構成では、集電体１９０には、接合層１３８が含まれない。

また、図１９は、変形例における集電体１９０付近の構成を概略的に示す説明図である。図１９に示す変形例では、接合層１３８の気孔率が例えば３０％～４５％と比較的高く、また、接合層１３８が空気極１１４の表面を連続的に覆っている。図１９に示す変形例では、接合層１３８は、集電とガス拡散の役割を担っているため、機能的には「空気極」の一部である。そのため、図１９に示す変形例では、インターコネクタ１５０と空気極側集電体１３４（集電体要素１３５）との一体部材と、コート１３６とが、集電体１９０として機能し、該集電体１９０の内、コート１３６に覆われた集電体要素１３５から構成される複数の部分が、空気極（空気極１１４＋接合層１３８）における上側の表面に接する凸部１９２として機能する。また、図１９に示す変形例では、空気極厚さβは、空気極（空気極１１４＋接合層１３８）の内の集電体１９０の凸部１９２に接する部分における最薄部の厚さである。また、図１９に示す変形例では、凸部接触部幅γおよび凸部間最短距離αは、空気極（空気極１１４＋接合層１３８）の内の集電体１９０の凸部１９２に接する部分における最薄部の上端から距離Ｌｘ（＝１０μｍ）だけ上方に位置し、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。

なお、上述した凸部間最短距離α、空気極厚さβ、凸部接触部幅γは、それぞれ、以下の範囲であることが好ましい。
・１０００μｍ≦凸部間最短距離α≦２０００μｍ
・３０μｍ≦空気極厚さβ≦２００μｍ
・３００μｍ≦凸部接触部幅γ≦２０００μｍ

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（発電単位１０２）の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０（発電単位１０２）の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態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発電単位１０２の発電性能向上（発電性能低下の抑制）のための構成要件（例えば、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１が３０％以上であり、かつ、第１の比率Ｒ１（＝β／γ）が０．０７以上であること等）は、必ずしも燃料電池スタック１００を構成する複数の発電単位１０２のすべてにおいて満たされている必要はなく、燃料電池スタック１００を構成する複数の発電単位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つの発電単位１０２に注目したときに、該構成要件は、必ずしも集電体１９０が備える複数の凸部１９２のすべてにおいて満たされている必要はなく、集電体１９０が備える複数の凸部１９２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、発電単位１０２の効果的な発電性能向上（発電性能低下の抑制）のため、集電体１９０が備えるすべての凸部１９２の内、３０％以上の凸部１９２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％以上の凸部１９２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％以上の凸部１９２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％以上の凸部１９２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％の凸部１９２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凸部１９２は、特許請求の範囲における特定凸部に相当する。

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うＳＯＦＣを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔１０８を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、連通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、性能向上（性能低下の抑制）のためには、上記実施形態と同様に、空気極１１４における集電体１９０側の部分の気孔率ＲＯ１が３０％以上であり、かつ、第１の比率Ｒ１（＝β／γ）が０．０７以上であることが好ましく、第２の比率Ｒ２（＝β／α）が０．０３５以上であることがさらに好ましく、第１の比率Ｒ１が０．１６以下であることがさらに好ましく、第２の比率Ｒ２が０．０５以上であることがさらに好ましく、第２の比率Ｒ２が０．１３以下であることが最も好ましい。

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：燃料電池スタック １０２：燃料電池発電単位 １０４：エンドプレート １０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 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 １９０：集電体 １９２：凸部

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燃料極と、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空気極と、を備える電気化学反応単セルと、
   前記空気極における前記第１の方向の前記他方側の表面に接する複数の凸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、
   前記空気極における前記集電体側の部分の気孔率は、３０％以上、４５％以下であり、
   前記複数の凸部は、互いに同一の形状であり、かつ、前記第１の方向と前記空気極に面する空気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、前記空気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、
   前記複数の凸部の内の少なくとも１つである特定凸部について、前記第２の方向における前記特定凸部の前記空気極に接する部分の幅γに対する、前記第１の方向における前記空気極の厚さβの比である第１の比率（β／γ）は、０．０７以上であり、
   前記空気極における前記第１の方向の前記他方側の部分の気孔率は、前記空気極における前記第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。
2. 請求項１に記載の電気化学反応単位において、
   前記特定凸部について、前記特定凸部と前記特定凸部に対して前記第２の方向の隣に位置する前記凸部との間の前記第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空気極の厚さβの比である第２の比率（β／α）は、０．０３５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、
   前記特定凸部について、前記第１の比率（β／γ）は、０．１６以下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、
   前記特定凸部について、前記第２の比率（β／α）は、０．０５以上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、
   前記特定凸部について、前記第２の比率（β／α）は、０．１３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、
   前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。
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。

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