(57)【要約】      （修正有）【課題】固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）において、電解質層の厚さが過度に厚くなることによるＩＲ抵抗の増大を抑制しつつ、電解質層の緻密性が低下することによるガスリークの発生を抑制して、電気化学反応単セルの性能の低下を抑制する電気化学反応セルの提供。【解決手段】電気化学反応単セル、固体酸化物を含む電解質層１１２と、電解質層１１２の第１の方向の一方側に配置された多孔質な燃料極１１６と、電解質層１１２の第１の方向の他方側に配置された多孔質な空気極１１４とを備え、燃料極１１６と空気極１１４との一方である特定電極における電解質層１１２に対向する表面の表面粗さＲｚは、３０μｍ以下である電気化学反応セル。特定電極における電解質１１２側の部分の開口率が５〜３５％未満である電気化学反応セル。電解質層１１２は固体酸化物として、イットリア安定化シルコニアを含み、その厚さが２０μｍ以下である、電気化学セル。【選択図】図６
2018195414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層の第１の方向の一方側に配置された多孔質な燃料極と、前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された多孔質な空気極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極における前記電解質層に対向する表面の表面粗さＲｚは、３０μｍ以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
【請求項２】
請求項１に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記特定電極における前記電解質層側の部分の開口率は、５％より高く、かつ、３５％未満であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層は、前記固体酸化物としてのイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記第１の方向における前記電解質層の厚さは、２０μｍ以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層における粒子の成長方向は、前記特定電極の前記電解質層に対向する表面に対して、７５度以上、９０度以下の傾斜角度を有する方向であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
【請求項６】
請求項３に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層を対象とし、ＣｏＫα線を用いたＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．２ｄｅｇ以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
【請求項７】
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セルにおいて、さらに、
前記特定電極に対して前記電解質層とは反対側に配置され、前記電気化学反応単セルを支持する多孔質な金属支持体を備えることを特徴とする、電気化学反応単セル。
【請求項８】
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セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも１つは、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
【請求項９】
固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層の第１の方向の一方側に配置された多孔質な燃料極と、前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された多孔質な空気極と、を備える電気化学反応単セルの製造方法において、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極であって、一の表面の表面粗さＲｚが３０μｍ以下である前記特定電極を準備する工程と、
前記特定電極の前記一の表面に、気相法により前記電解質層を形成する工程と、
前記電解質層の前記特定電極に対向する側とは反対側に、前記燃料極と前記空気極との他方の電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、電気化学反応単セルの製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の電気化学反応単セルの製造方法において、
前記気相法は、スパッタプロセスであることを特徴とする、電気化学反応単セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
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単セル（以下、「単セル」という）は、例えばイットリア安定化ジルコニア（以下、「ＹＳＺ」という）等の固体酸化物を含む電解質層と、電解質層の一方側に配置された多孔質な燃料極と、電解質層の他方側に配置された多孔質な空気極とを備える。
【０００３】
電解質層は、例えば、電解質層用のペーストを焼成することにより形成される。あるいは、電解質層は、燃料極または空気極を下地層として、スパッタプロセス等の気相法による成膜を行うことにより形成される（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】見市知昭、外２名、「高周波マグネトロンスパッタリング法による固体酸化物形燃料電池の作成−単セルのアニール処理温度依存性−」、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｏｃ．Ｊｐｎ．（真空）、平成１６年２月１４日、Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．３，２００４、Ｐ．１２８（３６）−１３１（３９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
単セルにおいて、電解質層の厚さを厚くすると、電解質層のＩＲ抵抗が増大して単セルの性能が低下する。そのため、電解質層の厚さが過大となることは好ましくない。しかしながら、電解質層を薄くすると、電解質層に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下し、ガスリークが発生して単セルの性能が低下するおそれがある。このように、従来の技術では、ＩＲ抵抗の増大およびガスリークの発生による単セルの性能低下を抑制するという点で、向上の余地がある。
【０００６】
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問題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて、電気化学反応単セルと呼ぶ。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
（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、前記電解質層の第１の方向の一方側に配置された多孔質な燃料極と、前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された多孔質な空気極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極における前記電解質層に対向する表面の表面粗さＲｚは、３０μｍ以下である。本電気化学反応単セルによれば、特定電極における電解質層に対向する表面の表面粗さＲｚが比較的小さいことから、特定電極の該表面が、凸部の高さが比較的低く、かつ、凹部の深さが比較的浅い表面となっている。そのため、本電気化学反応単セルでは、電解質層の厚さを過度に厚くしなくても、電解質層に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下することを抑制することができる。従って、本電気化学反応単セルによれば、電解質層の厚さが過度に厚くなることによるＩＲ抵抗の増大を抑制しつつ、電解質層の緻密性が低下することによるガスリークの発生を抑制することができ、その結果、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。
【００１０】
（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極における前記電解質層側の部分の開口率は、５％より高く、かつ、３５％未満である構成としてもよい。特定電極における電解質層側の部分の開口率が過度に高いと、電解質層に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下し、ガスリークが発生するおそれがある。反対に、特定電極における電解質層側の部分の開口率が過度に低いと、特定電極のガス拡散抵抗が増大するおそれがある。本電気化学反応単セルによれば、特定電極における電解質層側の部分の開口率が過度に高くなることも過度に低くなることも回避することができ、その結果、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。
【００１１】
（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層は、前記固体酸化物としてのイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、ＹＳＺを含む電解質層について、電解質層の厚さが過度に厚くなることを抑制しつつ、電解質層の緻密性を確保することができ、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。
【００１２】
（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第１の方向における前記電解質層の厚さは、２０μｍ以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、電解質層の厚さが過度に厚くなることに起因してＩＲ抵抗が増大することを抑制することができ、その結果、単電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。
【００１３】
（５）上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層における粒子の成長方向は、前記特定電極の前記電解質層に対向する表面に対して、７５度以上、９０度以下の傾斜角度を有する方向である構成としてもよい。電解質層における粒子の成長方向の、特定電極の電解質層に対向する表面に対する傾斜角度が過度に小さいと、電解質層における第１の方向への酸素イオンの移動が電解質層における粒界によって阻害され、酸素イオン輸送効率が低下し、電気化学反応単セルの性能が低下するおそれがある。本電気化学反応単セルによれば、電解質層における粒子の成長方向の、特定電極の電解質層に対向する表面に対する傾斜角度が過度に小さくなることを回避することができ、その結果、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。
【００１４】
（６）上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層を対象とし、ＣｏＫα線を用いたＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．２ｄｅｇ以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、このＦＷＨＭが過度に大きいと、電解質層を構成する粒子が過度に小さいこととなり、電解質層における酸素イオン輸送効率が低下し、電気化学反応単セルの性能が低下するおそれがある。本電気化学反応単セルによれば、このＦＷＨＭが過度に大きくなることを回避することができ、その結果、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。
【００１５】
（７）上記電気化学反応単セルにおいて、さらに、前記特定電極に対して前記電解質層とは反対側に配置され、前記電気化学反応単セルを支持する多孔質な金属支持体を備える構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、金属支持体に支持された特定電極上に形成される電解質層の厚さが過度に厚くなることを抑制しつつ、電解質層の緻密性を確保することができ、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。
【００１６】
（８）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、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、上記電気化学反応単セルであることを特徴とする。本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応セルスタックに含まれる少なくとも１つの電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。
【００１７】
（９）本明細書に開示される電気化学反応単セルの製造方法は、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層の第１の方向の一方側に配置された多孔質な燃料極と、前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された多孔質な空気極と、を備える電気化学反応単セルの製造方法において、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極であって、一の表面の表面粗さＲｚが３０μｍ以下である前記特定電極を準備する工程と、前記特定電極の前記一の表面に、気相法により前記電解質層を形成する工程と、前記電解質層の前記特定電極に対向する側とは反対側に、前記燃料極と前記空気極との他方の電極を形成する工程と、を備える。本電気化学反応単セルの製造方法では、特定電極の該一の表面に気相法により電解質層を形成する際に、電解質層の厚さを過度に厚くしなくても、電解質層に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下することを抑制することができる。従って、本電気化学反応単セルの製造方法によれば、電解質層の厚さが過度に厚くなることによるＩＲ抵抗の増大を抑制しつつ、電解質層の緻密性が低下することによるガスリークの発生を抑制することができ、その結果、電気化学反応単セルの性能が低下することを抑制することができる。
【００１８】
（１０）上記電気化学反応単セルの製造方法において、前記気相法は、スパッタプロセスであることを特徴とする構成としてもよい。スパッタプロセスは、蒸着法等の他の気相法に比べ、膜を形成する粒子の持つエネルギーが大きい。そのため、本電気化学反応単セルの製造方法によれば、特定電極の表面への付着力の強い電解質層を形成することができ、その結果、電解質層の緻密性をより確実に確保することができ、電気化学反応単セルの性能が低下することをより効果的に抑制することができる。
【００１９】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解単セル）、複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１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２】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３】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４】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５】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６】単セル１１０における燃料極１１６と電解質層１１２と空気極１１４の界面の詳細構成を示す説明図である。
【図７】単セル１１０の電解質層１１２の構成を示す説明図である。
【図８】単セル１１０の電解質層１１２を対象としたＸＲＤ測定の結果を示す説明図である。
【図９】第１実施形態における単セル１１０の製造方法の一例を示す説明図である。
【図１０】第２実施形態における電解セルスタック１００ａの外観構成を示す斜視図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩの位置における電解セルスタック１００ａのＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図１２】図１０のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における電解セルスタック１００ａのＹＺ断面構成を示す説明図である。
【図１３】図１１に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの電解単位１０２ａのＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図１４】図１２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの電解単位１０２ａのＹＺ断面構成を示す説明図である。
【図１５】第２実施形態における単セル１１０ａの製造方法の一例を示す説明図である。
【図１６】ガスリーク特性評価の結果を示す説明図である。
【図１７】電気的特性評価の結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．装置構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
本願発明の第１実施形態として、本願発明を燃料電池スタック１００を構成する燃料電池単セル１１０に適用した場合について説明する。図１は、第１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。また、本明細書では、Ｚ軸方向に直交する方向を、面方向と呼ぶものとする。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
（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。
【００２９】
（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。
【００３０】
図４および図５に示すように、発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という）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。
【００３１】
インターコネクタ１５０は、Ｚ軸方向に略直交する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）。
【００３２】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２のＺ軸方向一方側（下側）に配置された燃料極１１６と、電解質層のＺ軸方向他方側（上側）に配置された空気極１１４と、燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側（下側）に配置された金属支持体１１８とを備える。
【００３３】
金属支持体１１８は、Ｚ軸方向視で略矩形の平板状の多孔質な部材である。金属支持体１１８は、金属（例えば、熱膨張係数がＹＳＺと比較的近いフェライト系ステンレス）により形成されている。金属支持体１１８の気孔率は、例えば、２０〜７０％である。金属支持体１１８は、ガス透過性および導電性を有しつつ、単セル１１０を支持する（すなわち、単セル１１０の機械的強度を確保する）。このように、本実施形態の単セル１１０は、金属支持体１１８によって単セル１１０の機械的強度を確保する、いわゆる金属支持型（メタルサポート型）の単セルである。金属支持型の単セルは、他のタイプ（例えば燃料極支持型）の単セルと比較して、熱衝撃による割れが生じにくく、また起動性が高い。金属支持体１１８の厚さは、単セル１１０を構成する他の層の厚さより厚いことが好ましく、例えば、２００μｍ〜１０００μｍであることが好ましい。
【００３４】
燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で金属支持体１１８より小さい略矩形の平板状の多孔質な部材である。本実施形態では、燃料極１１６は、電解質層１１２を成膜する際の下地層となる下地層電極として機能する。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子（例えば、ＹＳＺ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の気孔率は、例えば、２０〜５０％である。燃料極１１６の下側の表面は略平面であり、その略全体が、同じく略平面である金属支持体１１８の上側の表面に接している。
【００３５】
電解質層１１２は、膜状の緻密な部材である。本実施形態では、電解質層１１２は、燃料極１１６における上側の表面と、金属支持体１１８における上側の表面の内、燃料極１１６に覆われていない領域とを連続的に覆うように形成されている。電解質層１１２は、例えば、固体酸化物であるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０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。電解質層１１２は、緻密層であるため、気孔が存在しないことが好ましい。また、電解質層１１２に気孔が存在する場合であっても、電解質層１１２内をガスが通過しないために、電解質層１１２を貫通する気孔が存在しなければよい。
【００３６】
空気極１１４は、Ｚ軸方向視で金属支持体１１８より小さい略矩形の平板状の多孔質な部材である。本実施形態では、空気極１１４は、下地層（燃料極１１６）上に成膜された電解質層１１２に対向する対向電極として機能する。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。空気極１１４の気孔率は、例えば、２０〜５０％である。
【００３７】
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を取り囲む部分は、電解質層１１２における上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、緻密な電解質層１１２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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置された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。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とを電気的に接続する。
【００４１】
燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置された複数の略四角柱状の集電体要素１４５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。燃料極側集電体１４４は、金属支持体１１８における燃料極１１６に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における金属支持体１１８に対向する側の表面とに接触している。燃料極側集電体１４４は、このような構成であるため、金属支持体１１８とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。
【００４２】
なお、本実施形態では、空気極側集電体１３４と燃料極側集電体１４４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。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する平板形の部分がインターコネクタ１５０として機能し、該平板形の部分から空気極１１４に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素１３５が空気極側集電体１３４として機能し、該平板形の部分から金属支持体１１８に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素１４５が燃料極側集電体１４４として機能する。
【００４３】
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。
【００４４】
各発電単位１０２の空気室１６６に供給された酸化剤ガスＯＧが多孔質な空気極１１４内に進入し、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧが多孔質な金属支持体１１８の内部を通って多孔質な燃料極１１６内に進入すると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素と燃料ガスＦＧに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は、空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は、金属支持体１１８および燃料極側集電体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。
【００４５】
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。
【００４６】
Ａ−３．単セル１１０の詳細構成：
次に、本実施形態の単セル１１０の詳細構成について説明する。図６は、単セル１１０における燃料極１１６と電解質層１１２と空気極１１４の界面の詳細構成を示す説明図である。図６には、図４のＸ１部のＸＺ断面構成が拡大して示されている。また、図７は、単セル１１０の電解質層１１２の構成を示す説明図である。図７の（Ａ）は、Ｚ軸方向に略平行な電解質層１１２の断面のＳＥＭ画像であり、図７の（Ｂ）には、該ＳＥＭ画像に後述する粒成長界面ＢＬを追記したものである。なお、図７の（Ａ）および（Ｂ）における燃料極１１６を表す領域は、気孔構造を明確化するためにＳＥＭ画像を二値化したものである。
【００４７】
本実施形態の単セル１１０では、電解質層１１２の厚さＴ１は２０μｍ以下である。すなわち、本実施形態の単セル１１０では、電解質層１１２は比較的薄い。なお、電解質層１１２の厚さＴ１は、以下のように特定される。図６に示すように、Ｚ軸方向に略平行な単セル１１０の割断面において、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側の表面（以下、「第１の表面ＳＵ１」という）の最小二乗法による平均線（以下、「燃料極表面平均線ＡＬ１」という）と、電解質層１１２における空気極１１４に対向する側の表面（以下、「第２の表面ＳＵ２」という）の最小二乗法による平均線（以下、「電解質層表面平均線ＡＬ２」という）とを特定する。燃料極表面平均線ＡＬ１と電解質層表面平均線ＡＬ２との間の最短距離を、電解質層１１２の厚さＴ１とする。
【００４８】
また、本実施形態の単セル１１０では、電解質層１１２は、粒成長方向Ｄ１に延びる柱状結晶の粒子ＰＡにより構成されている。なお、本明細書において、粒子ＰＡが柱状であるとは、粒成長方向Ｄ１に直交する方向の粒子サイズＬ２に対する粒成長方向Ｄ１の粒子サイズＬ１の比（Ｌ１／Ｌ２）が１．３以上であることを意味する。
【００４９】
ここで、電解質層１１２を構成する粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１は、以下のように特定される。図７（Ａ）に示すように、Ｚ軸方向に略平行な単セル１１０の割断面のＳＥＭ画像を観察して、図７（Ｂ）に示すように、電解質層１１２を構成する各粒子ＰＡの粒成長界面ＢＬを特定する。また、図６に示すように、電解質層１１２を構成する各粒子ＰＡについて、一方の粒成長界面ＢＬ１と燃料極表面平均線ＡＬ１および電解質層表面平均線ＡＬ２との交点を、それぞれ、第１の交点Ｐ１および第２の交点Ｐ２とし、他方の粒成長界面ＢＬ２と燃料極表面平均線ＡＬ１および電解質層表面平均線ＡＬ２との交点を、それぞれ、第３の交点Ｐ３および第４の交点Ｐ４とする。第１の交点Ｐ１と第３の交点Ｐ３とを結ぶ線分の中点ＭＰ１から、第２の交点Ｐ２と第４の交点Ｐ４とを結ぶ線分の中点ＭＰ２に向かう方向を、粒成長方向Ｄ１とする。
【００５０】
また、本実施形態の単セル１１０では、電解質層１１２を構成する各粒子ＰＡについて、燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１（燃料極表面平均線ＡＬ１）に対する粒成長方向Ｄ１の傾斜角度（以下、「傾斜角度θ」という、ただし０度≦θ≦９０度）は、概ね同じ値となっている。すなわち、本実施形態の単セル１１０では、電解質層１１２を構成する各粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１が概ね同じ方向となっている。なお、本明細書において、各粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θが概ね同じ値であるとは、粒子ＰＡ間の粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θの差が±１０度以内であることを意味する。なお、本実施形態の単セル１１０では、電解質層１１２を構成する各粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θは、７５度以上、９０度以下となっている。
【００５１】
このような構成の電解質層１１２は、後述するように、燃料極１１６（または空気極１１４）を下地層としてスパッタプロセス等の気相法により電解質層１１２を形成することにより実現される。電解質層１１２を気相法により形成すると、電解質層１１２を構成する複数の粒子ＰＡのほとんど（例えば、８０％以上）について、粒子ＰＡの形状が柱状となり、各粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θが概ね同じ値となる。すなわち、電解質層１１２を構成する複数の粒子ＰＡのほとんど（例えば、８０％以上）について、粒子ＰＡの形状が柱状であること、および／または、各粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θが概ね同じ値であることと、電解質層１１２が気相法により形成されたこととは、技術的に同義であると言える。
【００５２】
また、本実施形態の単セル１１０では、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側の表面（第１の表面ＳＵ１）の表面粗さ（最大高さ粗さ）Ｒｚは、３０μｍ以下である。なお、燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１の表面粗さＲｚは、以下のように特定することができる。燃料極１１６のＺ軸方向に平行な断面（例えば、図６に示すＸＺ断面）における面方向の幅が２０μｍの視野範囲において、最小二乗法により第１の表面ＳＵ１の平均線（燃料極表面平均線ＡＬ１）を求め、該平均線を基準とした１〜５番目に高い山頂の高さ（山頂と該平均線との間の距離）の平均値と、該平均線を基準とした１〜５番目に深い谷底の深さ（谷底と該平均線との間の距離）の平均値とを求め、両平均値の和を表面粗さＲｚとする。本実施形態の単セル１１０では、燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１の表面粗さＲｚが比較的小さいため、燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１は、凸部の高さが比較的低く、かつ、凹部の深さが比較的浅い表面であると言える。
【００５３】
なお、燃料極１１６上に電解質層１１２を成膜した後の状態では、燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１の表面粗さＲｚは、ＦＩＢ−ＳＥＭを用いて単セル１１０の断面を３Ｄ像構築し、該断面を解析することにより特定することができるが、クロスセクションポリッシャ加工（イオンミリング加工やイオンポリッシング加工とも呼ばれる）後の断面ＳＥＭ画像を観察することにより特定することもできる。なお、電解質層１１２を成膜する前の状態では、燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１の表面粗さＲｚは、通常の接触式表面粗さ計や非接触式表面形状測定装置を用いて特定することができる。
【００５４】
また、本実施形態の単セル１１０では、燃料極１１６における電解質層１１２側の部分（以下、「電解質層側部分Ｒ１」という）の開口率（気孔率）は、５％より高く、かつ、３５％未満である。なお、燃料極１１６における電解質層側部分Ｒ１とは、上述した表面粗さＲｚの特定に用いられた１〜５番目に高い山頂の高さの平均の位置を通り、かつ、Ｚ軸に直交する第１の仮想線ＶＬ１と、第１の仮想線ＶＬ１と平行であり、かつ、第１の仮想線ＶＬ１から距離２μｍだけ電解質層１１２から離れる側に位置する第２の仮想線ＶＬ２との間に挟まれた部分である。燃料極１１６における電解質層側部分Ｒ１の開口率は、燃料極１１６の破断面のＳＥＭ画像（面方向の視野幅２０μｍ）を二値化し（図７参照）、燃料極１１６の電解質層側部分Ｒ１の面積に占める開口ＶＯ（二値化後の黒色領域）の面積の割合を測定することにより特定することができる。なお、電解質層１１２の品質は、下地層としての燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１の開口率に影響を受けるが、本実施形態では、燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１の開口率が、上述した燃料極１１６における電解質層側部分Ｒ１の開口率と略一致することを確認した上で、指標値として、燃料極１１６における電解質層側部分Ｒ１の開口率を用いている。また、燃料極１１６における最大の開口径（気孔径）は、円相当径（開口の面積と同一の面積を有する円の直径）で１μｍ以下であることが好ましい。
【００５５】
また、図８は、単セル１１０の電解質層１１２を対象としたＸＲＤ測定の結果を示す説明図である。図８には、ＣｏＫα線を用いたＸＲＤ測定結果が示されている。本実施形態の単セル１１０では、ＣｏＫα線を用いた電解質層１１２のＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．２ｄｅｇ以下である。すなわち、本実施形態の単セル１１０では、電解質層１１２を構成する各粒子ＰＡの大きさが比較的大きい。なお、ＹＳＺ回折線の（１１１）面または（２００）面は、他の面より強度が高く、識別・測定が容易であるため、これらの面を対象とすることが好ましい。また、結晶面の半値全幅は、特定の結晶面のピークを用いて測定してもよいし、Ｘ線結晶構造解析、リートベルト法を用いて解析してもよい。
【００５６】
Ａ−４．単セル１１０の製造方法：
第１実施形態の単セル１１０は、例えば、以下の製造方法により製造することができる。図９は、第１実施形態における単セル１１０の製造方法の一例を示す説明図である。
【００５７】
はじめに、金属支持体１１８を準備し、金属支持体１１８上に燃料極１１６を形成する（Ｓ１１０）。より詳細には、例えば、ＮｉＯおよびＹＳＺを含む燃料極用ペーストを金属支持体１１８上に塗布し、所定の条件で焼成することによって燃料極１１６を形成する。
【００５８】
ここで、上述したように、本実施形態の単セル１１０では、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側の表面（第１の表面ＳＵ１）の表面粗さＲｚは、３０μｍ以下である。燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１の表面粗さＲｚは、例えば、原料粉末の粒度、焼成条件、原料に混ぜる造孔材径等を調整することによって調整することができる。具体的には、原料粉末の粒度を細かくすると、燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１の表面粗さＲｚは小さくなる。また、焼成温度を低くする、および／または、焼成時間を短くすると、燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１の表面粗さＲｚは小さくなる。また、造孔材径を小さくすると、燃料極１１６の第１の表面ＳＵ１の表面粗さＲｚは小さくなる。
【００５９】
また、上述したように、本実施形態の単セル１１０では、燃料極１１６における電解質層側部分Ｒ１の開口率（気孔率）は、５％より高く、かつ、３５％未満である。燃料極１１６における電解質層側部分Ｒ１の開口率は、例えば、原料粉末の粒度、焼成条件、原料に混ぜる造孔材径等を調整することによって調整することができる。具体的には、原料粉末の粒度を細かくすると、燃料極１１６における電解質層側部分Ｒ１の開口率は低くなる。また、焼成温度を低くする、および／または、焼成時間を短くすると、燃料極１１６における電解質層側部分Ｒ１の開口率は低くなる。また、造孔材径を小さくすると、燃料極１１６における電解質層側部分Ｒ１の開口率は低くなる。
【００６０】
次に、金属支持体１１８上に形成された燃料極１１６の表面に、電解質層１１２を形成する（Ｓ１２０）。より詳細には、燃料極１１６を下地層として、気相法（例えば、スパッタプロセス）によって電解質層１１２を成膜する。電解質層１１２を気相法により成膜する際には、電解質層１１２を構成する各粒子ＰＡが概ね同一の（方向の差が±１０度以内の）粒成長方向Ｄ１に成長し、最終的に、粒成長方向Ｄ１に延びる柱状結晶の粒子ＰＡとなる。金属支持体１１８の耐熱性の観点、および、部材間の元素拡散による悪影響を抑制する観点から、電解質層１１２の成膜時の温度は８００℃以下であることが好ましい。気相法の内、スパッタプロセスは、５００℃以下で成膜が可能であるので好適である。なお、本実施形態では、金属支持体１１８における燃料極１１６側の表面の内、燃料極１１６に覆われていない領域にも電解質層１１２が形成される。
【００６１】
ここで、本実施形態の単セル１１０では、電解質層１１２を構成する各粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θは、７５度以上、９０度以下である。この傾斜角度θは、例えば、気相法による電解質層１１２の成膜時のワーク角度を調整することによって調整することができる。具体的には、気相法による電解質層１１２の成膜時のワーク角度を大きくすると、傾斜角度θは小さくなる。
【００６２】
また、本実施形態の単セル１１０では、電解質層１１２の厚さＴ１は２０μｍ以下である。電解質層１１２の厚さＴ１は、例えば、気相法による電解質層１１２の成膜条件（温度や時間）を調整することによって調整することができる。具体的には、気相法による電解質層１１２の成膜時における温度を低くすると、電解質層１１２の厚さＴ１は薄くなる。また、気相法による電解質層１１２の成膜時間を短くすると、電解質層１１２の厚さＴ１は薄くなる。
【００６３】
また、本実施形態の単セル１１０では、ＣｏＫα線を用いた電解質層１１２のＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．２ｄｅｇ以下である。このＦＷＨＭは、例えば、気相法による電解質層１１２の成膜条件（温度や時間）を調整することによって調整することができる。具体的には、気相法による電解質層１１２の成膜時における温度を高くすると、ＦＷＨＭは小さくなる。
【００６４】
次に、電解質層１１２における燃料極１１６に対向する側とは反対側の表面に、空気極１１４を形成する（Ｓ１３０）。より詳細には、例えば、ＬＳＣＦ粉末を含む空気極用ペーストを電解質層１１２における燃料極１１６に対向する側とは反対側の表面に塗布し、所定の条件で焼成することによって空気極１１４を形成する。以上の工程により、上述した構成の単セル１１０が製造される。
【００６５】
Ｂ．第２実施形態：
Ｂ−１．電解セルスタック１００ａの構成：
次に、本願発明の第２実施形態として、本願発明を電解セルスタック１００ａを構成する電解単セル１１０ａに適用した場合について説明する。なお、電解セルスタック１００ａの構成は、上述した燃料電池スタック１００の構成と共通する点が多いため、以下の説明では、電解セルスタック１００ａの構成の内、上述した燃料電池スタック１００の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。図１０は、第２実施形態における電解セルスタック１００ａの外観構成を示す斜視図であり、図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩの位置における電解セルスタック１００ａのＸＺ断面構成を示す説明図であり、図１２は、図１０のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における電解セルスタック１００ａのＹＺ断面構成を示す説明図である。
【００６６】
電解セルスタック１００ａは、複数の（本実施形態では７つの）電解単位１０２ａと、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの電解単位１０２ａ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つの電解単位１０２ａ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。上側のエンドプレート１０４は、電解セルスタック１００ａのプラス側の端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、電解セルスタック１００ａのマイナス側の端子として機能する。
【００６７】
電解セルスタック１００ａを構成する各層（電解単位１０２ａ、エンドプレート１０４，１０６）のＺ方向回りの周縁部には連通孔１０８が形成されており、連通孔１０８にはボルト２２が挿入されている。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１０および図１１に示すように、電解セルスタック１００ａ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、電解セルスタック１００ａの外部から各電解単位１０２ａの燃料室１７６に燃料極側供給ガスＧ２としての水蒸気を供給する燃料極側ガス導入マニホールド１７１ａ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、各電解単位１０２ａの燃料極１１６において発生した水素を、燃料極側排出ガスＧ２１として燃料室１７６から電解セルスタック１００ａの外部へと排出する燃料極側ガス排出マニホールド１７２ａとして機能する。
【００６８】
また、図１０および図１２に示すように、電解セルスタック１００ａ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、空気室１６６からの酸素の排出を促すための空気極側供給ガスＧ１（例えば、空気）を電解セルスタック１００ａの外部から各電解単位１０２ａの空気室１６６に供給する空気極側ガス導入マニホールド１６１ａ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、各電解単位１０２ａの空気極１１４において発生した酸素を、空気極側排出ガスＧ１１として空気室１６６から電解セルスタック１００ａの外部へと排出する空気極側ガス排出マニホールド１６２ａとして機能する。
【００６９】
（電解単位１０２ａの構成）
図１３は、図１１に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの電解単位１０２ａのＸＺ断面構成を示す説明図であり、図１４は、図１２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの電解単位１０２ａのＹＺ断面構成を示す説明図である。図１３および図１４に示すように、電解単位１０２ａは、電解単セル１１０ａ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、電解単位１０２ａ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。なお、以下では、電解単セル１１０ａを、単セル１１０ａという。上記第１実施形態における（燃料電池）単セル１１０と区別するため、（電解）単セルの符号の末尾には「ａ」を付している。
【００７０】
単セル１１０ａは、電解質層１１２と、電解質層１１２のＺ軸方向一方側（下側）に配置された空気極１１４と、電解質層のＺ軸方向他方側（上側）に配置された燃料極１１６と、空気極１１４に対して電解質層１１２とは反対側（下側）に配置された金属支持体１１８とを備える。
【００７１】
空気極１１４は、Ｚ軸方向視で金属支持体１１８より小さい略矩形の平板状の多孔質な部材である。空気極１１４の下側の表面は略平面であり、その略全体が、同じく略平面である金属支持体１１８の上側の表面に接している。本実施形態では、空気極１１４は、電解質層１１２を成膜する際の下地層となる下地層電極として機能する。
【００７２】
電解質層１１２は、空気極１１４における上側の表面と、金属支持体１１８における上側の表面の内、空気極１１４に覆われていない領域とを連続的に覆うように形成されている。電解質層１１２は、例えば、固体酸化物であるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０ａは、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）である。
【００７３】
燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で金属支持体１１８より小さい略矩形の平板状の多孔質な部材である。本実施形態では、燃料極１１６は、下地層（空気極１１４）上に成膜された電解質層１１２に対向する対向電極として機能する。
【００７４】
空気極側フレーム１３０には、空気極側ガス導入マニホールド１６１ａと空気室１６６とを連通する空気極側ガス供給連通孔１３２ａと、空気室１６６と空気極側ガス排出マニホールド１６２ａとを連通する空気極側ガス排出連通孔１３３ａとが形成されている。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料極側ガス導入マニホールド１７１ａと燃料室１７６とを連通する燃料極側ガス供給連通孔１４２ａと、燃料室１７６と燃料極側ガス排出マニホールド１７２ａとを連通する燃料極側ガス排出連通孔１４３ａとが形成されている。
【００７５】
なお、第２実施形態における電解質層１１２の詳細構成は、上記第１実施形態において図６に示された電解質層１１２の詳細構成と同一である（ただし、下地層電極は燃料極１１６ではなく空気極１１４である）。すなわち、電解質層１１２の厚さＴ１は２０μｍ以下である。また、電解質層１１２は、粒成長方向Ｄ１に延びる柱状結晶の粒子ＰＡにより構成されている。また、電解質層１１２を構成する各粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１が概ね同じ方向となっている。また、電解質層１１２を構成する各粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θは、７５度以上、９０度以下となっている。また、ＣｏＫα線を用いた電解質層１１２のＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．２ｄｅｇ以下である。
【００７６】
また、第２実施形態において、下地層電極として機能する空気極１１４の表面粗さや開口率は、上記第１実施形態において下地層電極として機能する燃料極１１６の表面粗さや開口率と同様である。すなわち、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側の表面の表面粗さ（最大高さ粗さ）Ｒｚは、３０μｍ以下である。また、空気極１１４における電解質層１１２側の部分の開口率（気孔率）は、５％より高く、かつ、３５％未満である。また、空気極１１４における最大の開口径（気孔径）は、円相当径（開口の面積と同一の面積を有する円の直径）で１μｍ以下であることが好ましい。
【００７７】
Ｂ−２．電解セルスタック１００ａの動作：
図１１および図１３に示すように、燃料極側ガス導入マニホールド１７１ａ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）を介して燃料極側供給ガスＧ２としての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の孔を介して燃料極側ガス導入マニホールド１７１ａに供給され、燃料極側ガス導入マニホールド１７１ａから各電解単位１０２ａの燃料極側ガス供給連通孔１４２ａを介して、燃料室１７６に供給される。また、図１２および図１４に示すように、空気極側ガス導入マニホールド１６１ａ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）を介して空気極側供給ガスＧ１（例えば空気）が供給されると、空気極側供給ガスＧ１は、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して空気極側ガス導入マニホールド１６１ａに供給され、空気極側ガス導入マニホールド１６１ａから各電解単位１０２ａの空気極側ガス供給連通孔１３２ａを介して、空気室１６６に供給される。
【００７８】
このように燃料極側供給ガスＧ２（水蒸気）および空気極側供給ガスＧ１（空気）が供給された状態で、電解セルスタック１００ａの電気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、各電解単位１０２ａ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１１０ａに電圧が印加され、各単セル１１０ａ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。
【００７９】
各単セル１１０ａの燃料極１１６において発生した水素は、燃料極側排出ガスＧ２１として、燃料室１７６から燃料極側ガス排出連通孔１４３ａを介して燃料極側ガス排出マニホールド１７２ａに排出され、さらに燃料極側ガス排出マニホールド１７２ａ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）を介して電解セルスタック１００ａの外部に取り出される。また、各単セル１１０ａの空気極１１４において発生した酸素は、空気極側排出ガスＧ１１として、空気室１６６から空気極側ガス排出連通孔１３３ａを介して空気極側ガス排出マニホールド１６２ａに排出され、さらに空気極側ガス排出マニホールド１６２ａ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）を介して電解セルスタック１００ａの外部に排出される。
【００８０】
Ｂ−３．単セル１１０ａの製造方法：
第２実施形態の単セル１１０ａは、例えば、以下の製造方法により製造することができる。図１５は、第２実施形態における単セル１１０ａの製造方法の一例を示す説明図である。以下の説明では、第２実施形態の単セル１１０ａの製造方法の内、上述した第１実施形態の単セル１１０の製造方法と同一の内容については、その説明を適宜省略する。
【００８１】
はじめに、金属支持体１１８を準備し、金属支持体１１８上に空気極１１４を形成する（Ｓ１１０ａ）。より詳細には、例えば、ＬＳＣＦ粉末を含む空気極用ペーストを金属支持体１１８上に塗布し、所定の条件で焼成することによって空気極１１４を形成する。
【００８２】
ここで、上述したように、本実施形態の単セル１１０ａでは、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側の表面の表面粗さＲｚは、３０μｍ以下である。空気極１１４の該表面の表面粗さＲｚは、例えば、原料粉末の粒度、焼成条件、原料に混ぜる造孔材径等を調整することによって調整することができる。また、上述したように、本実施形態の単セル１１０ａでは、空気極１１４における電解質層１１２側の部分の開口率（気孔率）は、５％より高く、かつ、３５％未満である。空気極１１４における該部分の開口率は、例えば、原料粉末の粒度、焼成条件、原料に混ぜる造孔材径等を調整することによって調整することができる。
【００８３】
次に、金属支持体１１８上に形成された空気極１１４の表面に、電解質層１１２を形成する（Ｓ１２０ａ）。より詳細には、空気極１１４を下地層として、気相法（例えば、スパッタプロセス）によって電解質層１１２を成膜する。なお、本実施形態では、金属支持体１１８における空気極１１４側の表面の内、空気極１１４に覆われていない領域にも電解質層１１２が形成される。
【００８４】
次に、電解質層１１２における空気極１１４に対向する側とは反対側の表面に、燃料極１１６を形成する（Ｓ１３０ａ）。より詳細には、例えば、ＮｉＯおよびＹＳＺを含む燃料極用ペーストを電解質層１１２における空気極１１４に対向する側とは反対側の表面に塗布し、所定の条件で焼成することによって燃料極１１６を形成する。以上の工程により、上述した構成の単セル１１０ａが製造される。
【００８５】
Ｃ．性能評価：
次に、単セルのガスリーク特性および電気的特性について行った性能評価について説明する。性能評価には、上記第２実施形態の単セル１１０ａ、すなわち、空気極１１４を下地層電極とする単セル１１０ａに対応するサンプルを用いた。図１６は、ガスリーク特性評価の結果を示す説明図である。また、図１７は、電気的特性評価の結果を示す説明図である。
【００８６】
（ガスリーク特性評価）
図１６に示すように、ガスリーク特性評価は、６つのサンプル（サンプルＳ１〜Ｓ６）を用いて行った。サンプルＳ１〜Ｓ６は、下地層（空気極１１４に相当）上にＹＳＺ層（電解質層１１２に相当）を成膜したものである。本性能評価では、Ｌａ−Ｓｒ−Ｍｎ系ペロブスカイト材料（以下、「ＬＳＭ」という）を一軸プレス法によりプレスして２５ｍｍφの円板を形成し、これを１０００〜１３００℃の範囲のいずれかの温度で３時間焼成することより作製した多孔質焼結体を、下地層として用いた。また、該多孔質焼結体を下地層として、マグネトロンスパッタプロセスによりＹＳＺ層を成膜した。サンプルＳ１〜Ｓ６は、ＹＳＺ層の成膜条件（より具体的には、成膜時間）と、下地層の表面の表面粗さＲｚと、下地層の開口率（気孔率）とが互いに異なっている。なお、各サンプルの下地層の表面粗さＲｚや開口率の違いは、上述した焼成の際の温度を異ならせることによって実現した。また、サンプルＳ１〜Ｓ６は、これらの違いに起因して、ＹＳＺ層の厚さが互いに異なっている。
【００８７】
ガスリーク特性評価では、各サンプルのＹＳＺ層側にＯリングを介して管状の治具を取り付け、治具内を減圧した後、圧力変動の有無を確認した。減圧後３時間経過しても圧力変動がない場合に良好（〇）と判定し、３時間経過前に差圧がなくなった場合に不良（×）と判定し、３時間経過後に差圧は存在するが初期からの圧力変動があった場合に可（△）と判定した。
【００８８】
図１６に示すように、サンプルＳ３は不良（×）と判定された。サンプルＳ３では、下地層の表面粗さＲｚが４５μｍであり、他のサンプルＳ１，Ｓ２，Ｓ４〜Ｓ６（いずれも下地層の表面粗さＲｚが３１μｍ以下である）と比べて下地層の表面粗さＲｚが大きい。上述した表面粗さＲｚの定義に照らすと、下地層の表面粗さＲｚが比較的大きいということは、下地層の表面が、凸部の高さが比較的高く、かつ、凹部の深さが比較的深いことを意味する。そのため、サンプルＳ３では、下地層の表面の凸部の高さが比較的高く、かつ、凹部の深さが比較的深いために、下地層上へのＹＳＺ層の成膜時にＹＳＺ層に欠損箇所が生じ、該欠損箇所からガスリークが発生したものと考えられる。
【００８９】
また、サンプルＳ２は可（△）と判定された。サンプルＳ２では、下地層の表面粗さＲｚは３０μｍ以下であるものの、下地層の開口率が３５％であり、他のサンプルＳ１，Ｓ４〜Ｓ６（いずれも下地層の開口率が３５％未満である）と比べて下地層の開口率が高い。そのため、サンプルＳ２では、下地層における開口が比較的多いことから、下地層上へのＹＳＺ層の成膜時にＹＳＺ層に若干の欠損箇所が存在し、該欠損箇所からガスリークが発生したものと考えられる。
【００９０】
一方、サンプルＳ１，Ｓ４〜Ｓ６は良好（〇）と判定された。これらのサンプルでは、下地層の表面粗さＲｚが３１μｍ以下であり、かつ、下地層の開口率が３５％未満である。以上の結果から、気相法により下地層上に成膜されたＹＳＺ層のガスリークを抑制するためには、下地層の表面粗さＲｚは３１μｍ以下（より好ましくは３０μｍ以下）であることが好ましく、下地層の開口率は３５％未満であることが好ましいと言える。
【００９１】
（電気的特性評価）
図１７に示すように、電気的特性評価は、６つのサンプル（サンプルＳ１１〜Ｓ１７）を用いて行った。サンプルＳ１１〜Ｓ１７は、上述したガスリーク特性評価に用いられたサンプルと同様のもの、すなわち、ＬＳＭの下地層上にマグネトロンスパッタプロセスによりＹＳＺ層を成膜したものをベースに、さらにＹＳＺ層上に白金（Ｐｔ）をスクリーン印刷により塗布したものである。サンプルＳ１１〜Ｓ１７は、ＹＳＺ層（電解質層１１２）の成膜条件（具体的には、成膜温度、成膜時間、成膜時のワーク角度）と、下地層の開口率とが互いに異なっている。なお、各サンプルの下地層の開口率の違いは、上述した焼成の際の温度を異ならせることによって実現した。また、サンプルＳ１１〜Ｓ１７は、これらの違いに起因して、ＹＳＺ層の厚さと、ＹＳＺ層における粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θ（図６参照）と、ＣｏＫα線を用いたＹＳＺ層のＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）とが互いに異なっている。
【００９２】
電気的特性評価では、各サンプルにおいて空気極１１４として機能するＬＳＭ側を空気雰囲気とし、燃料極１１６として機能する白金側を水素および水蒸気雰囲気とし、７００〜８００℃で発電運転を行ったときのＩ−Ｖ特性から電圧降下量を特定し、電圧降下量が相対的に小さい場合に良好（◎または〇）と判定し、相対的に良好であった場合の中で最も性能の低かったものを（〇）と判定した。また、電圧降下量が相対的に大きい場合に不良（×）と判定し、電圧降下量が良好（〇）と不良（×）の中間程度である場合に可（△）と判定した。
【００９３】
図１７に示すように、サンプルＳ１２は不良（×）と判定された。サンプルＳ１２では、ＹＳＺ層の厚さが２５μｍであり、他のサンプルＳ１１，Ｓ１３〜Ｓ１５（いずれもＹＳＺ層の厚さが２１μｍ以下である）と比べてＹＳＺ層が厚い。そのため、サンプルＳ１２では、ＹＳＺ層のＩＲ抵抗が大きくなり、電圧降下量が大きくなったものと考えられる。
【００９４】
また、サンプルＳ１６は不良（×）と判定された。サンプルＳ１６では、下地層の開口率が５％であり、他のサンプルＳ１１，Ｓ１３〜Ｓ１５（いずれも下地層の開口率が５％より高い）と比べて下地層の開口率が低い。そのため、サンプルＳ１６では、下地層のガス拡散抵抗が大きくなり、電圧降下量が大きくなったものと考えられる。
【００９５】
また、サンプルＳ１５は可（△）と判定された。サンプルＳ１５では、ＹＳＺ層の厚さが２０μｍ以下であり、かつ、下地層の開口率が５％より高いものの、ＹＳＺ層における粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θが７０度であり、他のサンプルＳ１１，Ｓ１３（いずれも傾斜角度θが７５度以上である）と比べて傾斜角度θが小さい。なお、サンプルＳ１５において、傾斜角度θが小さくなったのは、ＹＳＺ層の成膜時のワーク角度が比較的大きい角度（１５度）とされたからである。サンプルＳ１５では、ＹＳＺ層における粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θが比較的小さいため、ＹＳＺ層における積層方向への酸素イオンの移動がＹＳＺ層における粒界によって阻害され、酸素イオン輸送効率が低下し、電圧降下量が大きくなったものと考えられる。
【００９６】
また、サンプルＳ１４は良好（〇）と判定された。サンプルＳ１４では、ＹＳＺ層の厚さが２０μｍ以下であり、かつ、下地層の開口率が５％より高いものの、ＹＳＺ層のＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）が０．４ｄｅｇであり、他のサンプルＳ１１，Ｓ１３（いずれもＦＷＨＭが０．２ｄｅｇ以下である）と比べてＦＷＨＭが大きい（すなわち、ＹＳＺ層を構成する粒子が比較的小さい）。なお、サンプルＳ１４において、ＦＷＨＭが大きくなったのは、ＹＳＺ層の成膜時の温度が比較的低い温度（室温）とされたからである。サンプルＳ１４は、ＦＷＨＭが比較的大きい（すなわち、ＹＳＺ層を構成する粒子が比較的小さい）ため、ＹＳＺ層における酸素イオン輸送効率が低下し、電圧降下量が大きくなったものと考えられる。
【００９７】
一方、サンプルＳ１１，Ｓ１３，Ｓ１７は良好（◎）と判定された。これらのサンプルでは、ＹＳＺ層の厚さが２０μｍ以下であり、下地層の開口率が５％より高く、ＹＳＺ層における粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θが７５度以上（かつ９０度以下）であり、かつ、ＹＳＺ層のＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）が０．２ｄｅｇ以下である。以上の結果から、気相法により下地層上に成膜されたＹＳＺ層の電気的特性の低下を抑制するためには、下地層の開口率は５％より高いことが好ましく、ＹＳＺ層における粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θは７５度以上、９０度以下であることが好ましく、ＹＳＺ層のＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は０．２ｄｅｇ以下であることが好ましく、ＹＳＺ層の厚さは２０μｍ以下であることが好ましいと言える。
【００９８】
なお、上記性能評価には、空気極１１４を下地層電極とする単セルに対応するサンプルを用いたが、下地層電極の上に形成される電解質層１１２の構成（性能）は、下地層電極の表面付近の状態（表面粗さＲｚや開口率）に左右されることから、空気極１１４ではなく燃料極１１６を下地層電極とする単セルにおいても同様の結果となると考えられる。
【００９９】
以上の性能評価結果に照らせば、上記各実施形態の単セル１１０（または１００ａ）において、下地層電極（燃料極１１６または空気極１１４）における電解質層１１２に対向する側の表面の表面粗さＲｚは、３０μｍ以下であることが好ましく、下地層電極（燃料極１１６または空気極１１４）における電解質層１１２の側の部分の開口率（気孔率）は、５％より高く、かつ、３５％未満であることが好ましく、電解質層１１２における粒成長方向Ｄ１は、下地層電極（燃料極１１６または空気極１１４）の電解質層１１２に対向する側の表面に対して７５度以上、９０度以下の傾斜角度θを有する方向であることが好ましく、ＣｏＫα線を用いた電解質層１１２のＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．２ｄｅｇ以下であることが好ましく、Ｚ軸方向における電解質層１１２の厚さは、２０μｍ以下であることが好ましいと言える。
【０１００】
Ｄ．各実施形態の効果：
以上説明したように、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）は、固体酸化物を含む電解質層１１２と、電解質層１１２のＺ軸方向の一方側に配置された多孔質な燃料極１１６と、電解質層１１２のＺ軸方向の他方側に配置された多孔質な空気極１１４とを備え、燃料極１１６と空気極１１４との一方（下地層電極として機能する電極であり、以下「特定電極」という）における電解質層１１２に対向する表面の表面粗さＲｚは３０μｍ以下である。上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）では、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）の電解質層１１２に対向する側の表面の表面粗さＲｚが比較的小さいことから、特定電極の該表面が、凸部の高さが比較的低く、かつ、凹部の深さが比較的浅い表面となっている。そのため、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）では、電解質層１１２の厚さを過度に厚くしなくても、電解質層１１２に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下することを抑制することができる。従って、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）によれば、電解質層１１２の厚さが過度に厚くなることによるＩＲ抵抗の増大を抑制しつつ、電解質層１１２の緻密性が低下することによるガスリークの発生を抑制することができ、その結果、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下することを抑制することができる。
【０１０１】
なお、気相法により電解質層１１２を形成する場合には、特に、電解質層１１２の品質が下地層の表面状態に影響を受けやすい。上記各実施形態のように、気相法により形成された電解質層１１２を備える単セル１１０（または１１０ａ）において、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）における電解質層１１２に対向する側の表面の表面粗さＲｚを３０μｍ以下とすることにより、電解質層１１２に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下することを抑制することができ、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下することを抑制することができる。
【０１０２】
また、気相法により電解質層１１２を形成する場合には、他の方法（例えば焼成法）と比較して、低温で電解質層１１２を形成することができるため、例えば部材間の元素拡散による悪影響を抑制することができる。また、金属支持体１１８の耐熱性の観点から、気相法による電解質層１１２の形成方法は、金属支持型の単セルに好適である。
【０１０３】
また、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）では、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）における電解質層１１２側の部分の開口率は、５％より高く、かつ、３５％未満である。特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）における電解質層１１２側の部分の開口率が過度に高いと、電解質層１１２に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下し、ガスリークが発生するおそれがある。反対に、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）における電解質層１１２側の部分の開口率が過度に低いと、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）のガス拡散抵抗が増大するおそれがある。上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）によれば、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）における電解質層１１２側の部分の開口率が過度に高くなることも過度に低くなることも回避することができ、その結果、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下することを抑制することができる。
【０１０４】
また、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）では、電解質層１１２における粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１は、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）の電解質層１１２に対向する表面に対して、７５度以上、９０度以下の傾斜角度θを有する方向である。傾斜角度θが過度に小さいと、電解質層１１２における積層方向への酸素イオンの移動が電解質層１１２における粒界によって阻害され、酸素イオン輸送効率が低下し、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下するおそれがある。上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）によれば、電解質層１１２における粒子ＰＡの粒成長方向Ｄ１の傾斜角度θが過度に小さくなることを回避することができ、その結果、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下することを抑制することができる。
【０１０５】
また、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）では、電解質層１１２は、固体酸化物としてのイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含む。上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）によれば、ＹＳＺを含む電解質層１１２について、電解質層１１２の厚さが過度に厚くなることを抑制しつつ、電解質層１１２の緻密性を確保することができ、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下することを抑制することができる。
【０１０６】
また、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）では、電解質層１１２を対象とし、ＣｏＫα線を用いたＸＲＤ測定により得られるＹＳＺ回折線の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、０．２ｄｅｇ以下である。ＦＷＨＭが過度に大きいと、電解質層１１２を構成する粒子が過度に小さいこととなり、電解質層１１２における酸素イオン輸送効率が低下し、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下するおそれがある。上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）によれば、ＦＷＨＭが過度に大きくなることを回避することができ、その結果、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下することを抑制することができる。
【０１０７】
また、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）では、Ｚ軸方向における電解質層１１２の厚さは、２０μｍ以下である。そのため、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）によれば、電解質層１１２の厚さが過度に厚くなることに起因してＩＲ抵抗が増大することを抑制することができ、その結果、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下することを抑制することができる。なお、Ｚ軸方向における電解質層１１２の厚さは、１０μｍ以下がより好ましく、５μｍ以下がさらに好ましい。また、電解質層１１２の緻密性を確保する観点から、Ｚ軸方向における電解質層１１２の厚さは、１μｍ以上が好ましく、２μｍ以上がより好ましく、３μｍ以上がさらに好ましい。
【０１０８】
また、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）は、さらに、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）に対して電解質層１１２とは反対側に配置され、単セル１１０（または１１０ａ）を支持する多孔質な金属支持体１１８を備える。そのため、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）によれば、金属支持体１１８に支持された特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）上に形成される電解質層１１２の厚さが過度に厚くなることを抑制しつつ、電解質層１１２の緻密性を確保することができ、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下することを抑制することができる。
【０１０９】
また、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）の製造方法は、一の表面の表面粗さＲｚが３０μｍ以下である特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）を準備する工程と、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）の該一の表面に気相法により電解質層１１２を形成する工程と、電解質層１１２の特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）に対向する側とは反対側に他方の電極（空気極１１４または燃料極１１６）を形成する工程とを備える。上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）の製造方法は、一の表面の表面粗さＲｚが３０μｍ以下である特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）を準備する工程を備えるため、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）の一の表面が、凸部の高さが比較的低く、かつ、凹部の深さが比較的浅い表面となる。そのため、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）の製造方法では、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）の該一の表面に気相法により電解質層１１２を形成する際に、電解質層１１２の厚さを過度に厚くしなくても、電解質層１１２に欠損箇所が生ずるなどして緻密性が低下することを抑制することができる。従って、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）の製造方法によれば、電解質層１１２の厚さが過度に厚くなることによるＩＲ抵抗の増大を抑制しつつ、電解質層１１２の緻密性が低下することによるガスリークの発生を抑制することができ、その結果、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下することを抑制することができる。
【０１１０】
また、上記各実施形態の単セル１１０（または１１０ａ）の製造方法では、気相法として、スパッタプロセスが採用されることが好ましい。スパッタプロセスは、蒸着法等の他の気相法に比べ、膜を形成する粒子の持つエネルギーが大きいため、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）の表面への付着力の強い電解質層１１２を形成することができ、その結果、電解質層１１２の緻密性をより確実に確保することができ、単セル１１０（または１１０ａ）の性能が低下することをより効果的に抑制することができる。
【０１１１】
Ｅ．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。
【０１１２】
上記各実施形態における単セル１１０（または１１０ａ）や燃料電池スタック１００（または電解セルスタック１００ａ）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、上記第１実施形態では、金属支持体１１８が、燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側に配置されているが、金属支持体１１８が、空気極１１４に対して電解質層１１２とは反対側に配置されるとしてもよい。この場合には、金属支持体１１８上に形成された空気極１１４を下地層として、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側の表面上に電解質層１１２が形成される。そのため、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側の表面の表面粗さＲｚが３０μｍ以下とされ、空気極１１４における電解質層１１２側の部分の開口率が５％より高く、かつ、３５％未満であるとされる。なお、この場合には、空気極１１４が特許請求の範囲における特定電極に相当する。
【０１１３】
同様に、上記第２実施形態では、金属支持体１１８が、空気極１１４に対して電解質層１１２とは反対側に配置されているが、金属支持体１１８が、燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側に配置されるとしてもよい。この場合には、金属支持体１１８上に形成された燃料極１１６を下地層として、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側の表面上に電解質層１１２が形成される。そのため、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側の表面の表面粗さＲｚが３０μｍ以下とされ、燃料極１１６における電解質層１１２側の部分の開口率が５％より高く、かつ、３５％未満であるとされる。なお、この場合には、燃料極１１６が特許請求の範囲における特定電極に相当する。
【０１１４】
また、必ずしも単セル１１０（または１１０ａ）が金属支持体１１８を備える必要はない。単セル１１０（または１１０ａ）が金属支持体１１８を備えない場合には、単セル１１０（または１１０ａ）を構成するいずれかの層（例えば燃料極１１６または空気極１１４）によって単セル１１０（または１１０ａ）の機械的強度が確保される。すなわち、本発明は、金属支持型の単セル１１０（または１１０ａ）に限らず、他のタイプ（例えば燃料極支持型や空気極支持型）の単セル１１０（または１１０ａ）にも同様に適用可能である。
【０１１５】
また、上記各実施形態では、電解質層１１２が、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）における上側の表面に加えて、金属支持体１１８における上側の表面の内、特定電極（燃料極１１６または空気極１１４）に覆われていない領域も覆うように形成されているが、他の手段（例えば、金属支持体１１８における周縁部を緻密とし、金属支持体１１８における緻密な周縁部とセパレータ１２０とを接合する手段）により燃料室１７６と空気室１６６との間のガスリーク抑制を実現できれば、必ずしも電解質層１１２が金属支持体１１８の表面を覆っている必要はない。
【０１１６】
また、金属支持体１１８と電極（燃料極１１６または空気極１１４）との間に、金属支持体１１８と電極との間における元素拡散を抑制する拡散抑止層が配置されるとしてもよい。拡散抑止層は、例えば、スピネル系やペロブスカイト系の電子伝導体材料により形成される。なお、拡散抑止層が燃料極雰囲気で用いられる場合には、拡散抑止層は、セリア系の電子伝導体材料により形成されてもよい。
【０１１７】
また、空気極１１４と電解質層１１２との間に、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、ＳｒＺｒＯ３）が生成されることを抑制する反応防止層が配置されるとしてもよい。反応防止層は、例えば、セリア系のイオン伝導体材料により形成される。
【０１１８】
また、上記各実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００（または電解セルスタック１００ａ）に含まれるすべての単セル１１０（または１１０ａ）について、上述した表面粗さＲｚ等に関する要件が満たされている必要はなく、燃料電池スタック１００（または電解セルスタック１００ａ）に含まれる少なくとも１つの単セル１１０（または１１０ａ）について、上述した要件が満たされていればよい。
【０１１９】
また、上記各実施形態において、燃料電池スタック１００（または電解セルスタック１００ａ）に含まれる発電単位１０２（または電解単位１０２ａ）の個数（すなわち、単セル１１０（または１１０ａ）の個数）は、あくまで一例であり、発電単位１０２（または電解単位１０２ａ）の個数は燃料電池スタック１００（または電解セルスタック１００ａ）に要求される性能等に応じて適宜決められる。また、上記各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、上記各実施形態では、電解質層１１２がＹＳＺにより形成されているが、電解質層１１２がセリア系やＬＳＧＭ系等の他の固体酸化物により形成されてもよい。
【０１２０】
また、上記実施形態における単セル１１０（または１１０ａ）の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、電解質層１１２が気相法以外の方法（例えば、焼成法）により形成されるとしてもよい。
【符号の説明】
【０１２１】
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  １００ａ：電解セルスタック  １０２：燃料電池発電単位  １０２ａ：電解単位  １０４：エンドプレート  １０６：エンドプレート  １０８：連通孔  １１０：燃料電池単セル  １１０ａ：電解単セル  １１２：電解質層  １１４：空気極  １１６：燃料極  １１８：金属支持体  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  １３２ａ：空気極側ガス供給連通孔  １３３：酸化剤ガス排出連通孔  １３３ａ：空気極側ガス排出連通孔  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  １４２ａ：燃料極側ガス供給連通孔  １４３：燃料ガス排出連通孔  １４３ａ：燃料極側ガス排出連通孔  １４４：燃料極側集電体  １４５：集電体要素  １５０：インターコネクタ  １６１：酸化剤ガス導入マニホールド  １６１ａ：空気極側ガス導入マニホールド  １６２：酸化剤ガス排出マニホールド  １６２ａ：空気極側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  １７１ａ：燃料極側ガス導入マニホールド  １７２：燃料ガス排出マニホールド  １７２ａ：燃料極側ガス排出マニホールド  １７６：燃料室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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