(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、
前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方は、
第１の層と、
前記空気極または前記燃料極を基準として、前記電解質層側を前記第１の方向の一方側とし、前記一方側の反対側を他方側とした場合に、前記第１の層の前記他方側に配置された第２の層と、
を含み、
前記第２の層において、前記一方側の第１の領域と、前記他方側の第２の領域とが、以下の関係Ｖ，Ｗ，Ｘを満たすことを特徴とする、電気化学反応単セル。
関係Ｖ：（前記第１の領域の気孔率）＜（前記第２の領域の気孔率）
関係Ｗ：（前記第２の領域の粒子径Ｄ１０）×０．５≦（前記第１の領域の粒子径Ｄ１０）≦（前記第２の領域の粒子径Ｄ１０）×１．５
関係Ｘ：（前記第１の領域の粒子径Ｄ９０）−（前記第１の領域の粒子径Ｄ１０）＞（前記第２の領域の粒子径Ｄ９０）−（前記第２の領域の粒子径Ｄ１０）
【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、
（前記第１の領域の粒子径Ｄ８５）＞（前記第２の領域の粒子径Ｄ９０）という関係Ｙを満たすことを特徴とする、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、
前記第２の層は、
前記第１の領域を含む層と、
前記第２の領域を含む層と、
を含み、
（前記第１の方向における前記第１の領域を含む層の厚さ）＜（前記第１の方向における前記第２の領域を含む層の厚さ）という関係Ｚを満たすことを特徴とする、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、
前記電気化学反応単セルは、前記電解質層に含まれる電解質が固体酸化物または炭酸塩の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応単セル。
【請求項５】
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４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６】
請求項５に記載の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それぞれは、発電を行う燃料電池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。
【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種類の１つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）が知られている。ＳＯＦＣの最小構成単位である燃料電池単セル（以下、単に「単セル」ともいう）は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第１の方向」ともいう)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む（例えば特許文献１参照）。なお、以下では、空気極または燃料極を基準として、電解質層側を第１の方向の一方側といい、一方側の反対側を他方側という。
【０００３】
一般に、単セルの表面、すなわち空気極または燃料極の表面は、酸化剤ガスまたは燃料ガスが流れる空気室または燃料室に面する。空気室または燃料室を流れる酸化剤ガスまたは燃料ガスは、空気極または燃料極に供給され、空気極または燃料極内において拡散しつつ、発電反応に供される。また、一般に、単セルには、単セルの表面に接触する他の部材（例えば、単セルにおいて生成された電気を集める集電部材）からの押圧力によって、応力が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１１４８１１号
【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、空気極と燃料極との少なくとも一方が、第１の層（活性層とも呼ばれる）と、第１の層の他方側に配置された第２の層（集電層とも呼ばれる）とを含むように構成される場合がある。そのような構成の単セルにおいて、電極におけるガス拡散性の向上と、上記応力に起因する電極割れの発生抑制と、第１の層と第２の層との間の剥離の発生抑制とをすべて達成する技術は知られていない。
【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」ともいう）の最小構成単位である電解セルにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応単セルにも共通の課題である。
【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、電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方は、第１の層と、前記空気極または前記燃料極を基準として、前記電解質層側を前記第１の方向の一方側とし、前記一方側の反対側を他方側とした場合に、前記第１の層の前記他方側に配置された第２の層と、を含み、前記第２の層において、前記一方側の第１の領域と、前記他方側の第２の領域とが、以下の関係Ｖ，Ｗ，Ｘを満たす。
関係Ｖ：（前記第１の領域の気孔率）＜（前記第２の領域の気孔率）
関係Ｗ：（前記第２の領域の粒子径Ｄ１０）×０．５≦（前記第１の領域の粒子径Ｄ１０）≦（前記第２の領域の粒子径Ｄ１０）×１．５
関係Ｘ：（前記第１の領域の粒子径Ｄ９０）−（前記第１の領域の粒子径Ｄ１０）＞（前記第２の領域の粒子径Ｄ９０）−（前記第２の領域の粒子径Ｄ１０）
【００１０】
本電気化学反応単セルによれば、第２の層において、ガスが流れる空気室または燃料室により近い位置に配置された第２の領域の気孔率が、第１の領域の気孔率より高いため（関係Ｖ）、電極の構造的強度の低下を抑制しつつ、電極におけるガス拡散性を向上させることができる。また、電気化学反応単セルの表面により近い位置に配置された第２の領域の気孔率が比較的高いため（関係Ｖ）、第２の領域の硬度が比較的低くなり、電気化学反応単セルの表面に他の部材が接触して応力が発生した際に、第２の領域によって応力が分散され、電極割れの発生を抑制することができる。また、第１の領域と第２の領域とがほぼ同等の微粒子を含み（関係Ｗ）、かつ、第２の領域の方が第１の領域より粒径バラツキが小さい（関係Ｘ）ため、第１の領域よりも第２の領域に気孔（空孔）が多く形成されて第２の領域の硬度が比較的低くなり（すなわち、第１の領域よりも低くなり）、この点からも、電極割れの発生を効果的に抑制することができる。さらに、第１の領域は、比較的粒径バラツキが大きく、比較的径の大きい粒子と比較的径の小さい粒子とが混在しているため、第１の領域と第１の層との界面における接触点が多くなってアンカー効果が大きくなり、この界面における剥離の発生を抑制することができる。
【００１１】
（２）上記電気化学反応単セルにおいて、（前記第１の領域の粒子径Ｄ８５）＞（前記第２の領域の粒子径Ｄ９０）という関係Ｙを満たす構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、第１の領域には第２の領域と比べて比較的大径の粒子がより多く含まれるため（関係Ｙ）、第１の領域と第１の層との界面でのアンカー効果がより大きくなって、この界面における剥離の発生をより効果的に抑制することができる。
【００１２】
（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第２の層は、前記第１の領域を含む層と、前記第２の領域を含む層と、を含み、（前記第１の方向における前記第１の領域を含む層の厚さ）＜（前記第１の方向における前記第２の領域を含む層の厚さ）という関係Ｚを満たす構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、第１の領域と第１の層との界面における剥離の発生を抑制しつつ、気孔率のより高い第２の領域を含む層の厚さがより厚くなって、電極におけるガス拡散性を一層向上させることができると共に、硬度のより低い第２の領域を含む層の厚さがより厚くなって、電極の割れの発生を一層効果的に抑制することができる。
【００１３】
（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記電気化学反応単セルは、前記電解質層に含まれる電解質が固体酸化物または炭酸塩の電気化学反応単セル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、比較的高温で運転されるために電極割れや層間剥離が問題となりやすいタイプの電気化学反応単セルにおいて、電極割れや層間剥離の発生を抑制することができる。
【００１４】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解セル）、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】
【００１５】
【図１】本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。
【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】空気極１１４の詳細構成を示す説明図である。
【図７】集電層４２０の粒径の頻度分布の一例を示す説明図である。
【図８】集電層４２０の粒径の累積分布の一例を示す説明図である。
【図９】単セル１１０の実施例における電解質側集電層４２１および集電体側集電層４２２の特性を示す説明図である。
【図１０】ビッカース硬度の測定結果を示す説明図である。
【図１１】変形例の燃料電池スタックの構成を概略的に示す説明図である。
【図１２】変形例における燃料電池スタックを構成する単セル１の構成を概略的に示す説明図である。
【図１３】図１１および図１２に示した変形例の燃料電池スタックにおける集電体２０および空気極４の詳細構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
Ａ．実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、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。
【００１７】
燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
（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。
【００２４】
（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。
【００２５】
図４および図５に示すように、発電の最小単位である発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。
【００２６】
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）。
【００２７】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で電解質層１１２および空気極１１４を支持する燃料極支持形の単セルである。
【００２８】
電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。空気極１１４の構成については、後に詳述する。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【００２９】
セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０をセパレータ付き単セルともいう。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、本実施形態では、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されている。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として機能する。また、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
【００３４】
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。
【００３５】
各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。
【００３６】
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。
【００３７】
Ａ−３．空気極１１４の詳細構成：
図６は、空気極１１４の詳細構成を示す説明図である。図６には、図５のＰ１部の構成が拡大して示されている。図６に示すように、空気極１１４は、活性層４１０と集電層４２０とを含む。空気極１１４を基準として電解質層１１２の側（図６における下側）を配列方向の「一方側」とし、上記一方側の反対側（図６における上側）を「他方側」とした場合、集電層４２０は、活性層４１０の他方側（上側）に配置されている。
【００３８】
活性層４１０は、主として、酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素のイオン化反応の場として機能する層である。本実施形態では、活性層４１０は、ペロブスカイト型酸化物と、活性化物質としてのＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とを含む。集電層４２０は、主として、空気室１６６から供給された酸化剤ガスＯＧを拡散させると共に、発電反応により得られた電気を集電する場として機能する層である。集電層４２０は、ペロブスカイト型酸化物を含むが、ＧＤＣを含まない。なお、活性層４１０は、集電層４２０と比較して、粒径が全体的に小さく、かつ、緻密質である（すなわち、気孔率が低い）。活性層４１０は、特許請求の範囲における第１の層に相当し、集電層４２０は、特許請求の範囲における第２の層に相当する。
【００３９】
集電層４２０は、電解質側集電層４２１と、電解質側集電層４２１の上記他方側（上側）に配置された集電体側集電層４２２とを含む。本実施形態では、電解質側集電層４２１は活性層４１０に隣接しており、集電体側集電層４２２は空気極側集電体１３４に隣接している。上述したように、空気極側集電体１３４は、集電体要素１３５とインターコネクタ１５０との一体の部材の内の空気極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。そのため、集電体側集電層４２２の上側表面における一部の領域は空気極側集電体１３４に接触し、残りの一部の領域は空気極側集電体１３４に接触せずに空気室１６６に面している。
【００４０】
ここで、本実施形態では、集電層４２０（電解質側集電層４２１および集電体側集電層４２２）が、以下の気孔率に関する関係Ｖ１を満たすように構成されている。すなわち、本実施形態では、集電体側集電層４２２の気孔率が、電解質側集電層４２１の気孔率より高い。
・関係Ｖ１：
（電解質側集電層４２１の気孔率）＜（集電体側集電層４２２の気孔率）
【００４１】
また、本実施形態では、集電層４２０が、以下の粒径に関する関係Ｗ１〜Ｙ１を満たすように構成されている。すなわち、本実施形態では、電解質側集電層４２１と集電体側集電層４２２とがほぼ同等の微粒子を含み（関係Ｗ１）、電解質側集電層４２１の方が集電体側集電層４２２より粒径バラツキが大きくなっており（関係Ｘ１）、電解質側集電層４２１には集電体側集電層４２２と比べて比較的大径の粒子が多く含まれている（関係Ｙ１）。
・関係Ｗ１：
（集電体側集電層４２２の粒子径Ｄ１０）×０．５≦（電解質側集電層４２１の粒子径Ｄ１０）≦（集電体側集電層４２２の粒子径Ｄ１０）×１．５
・関係Ｘ１：
（電解質側集電層４２１の粒子径Ｄ９０）−（電解質側集電層４２１の粒子径Ｄ１０）＞（集電体側集電層４２２の粒子径Ｄ９０）−（集電体側集電層４２２の粒子径Ｄ１０）
・関係Ｙ１：
（電解質側集電層４２１の粒子径Ｄ８５）＞（集電体側集電層４２２の粒子径Ｄ９０）
【００４２】
図７および図８は、集電層４２０の粒径の特徴を示す説明図である。図７には、電解質側集電層４２１および集電体側集電層４２２の粒径の頻度分布の一例が示されている。また、図８には、電解質側集電層４２１および集電体側集電層４２２の粒径の累積分布の一例が示されている。なお、図８に示された粒子径Ｄ１０等に付された「（１）」は電解質側集電層４２１に対応しており、「（２）」は集電体側集電層４２２に対応している。例えば、粒子径Ｄ１０（１）は、電解質側集電層４２１の粒子径Ｄ１０である。
【００４３】
図７および図８に示すように、電解質側集電層４２１と集電体側集電層４２２とは、比較的粒径の小さい領域において、ほぼ同様の分布特性を有するが、電解質側集電層４２１では、比較的粒径の大きい領域において頻度がより高くなっている。すなわち、電解質側集電層４２１と集電体側集電層４２２とは、ほぼ同等の微粒子を含むが、電解質側集電層４２１の方が集電体側集電層４２２より粒径バラツキが大きくなっており、電解質側集電層４２１には集電体側集電層４２２と比べて比較的大径の粒子が多く含まれている。このような特徴を示すのが、上記関係Ｗ１〜Ｙ１である。
【００４４】
なお、図６に示すように、集電層４２０を上下方向（Ｚ軸方向）に沿って１００個の領域に等分し、電解質層１１２に最も近い５つの領域を「第１の領域Ｒ１」といい、電解質層１１２から最も離れた５つの領域を「第２の領域Ｒ２」というものとする。このとき、電解質側集電層４２１と集電体側集電層４２２との間の境界は、第１の領域Ｒ１内にも第２の領域Ｒ２内にも位置しない（第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とに挟まれた領域内に位置する）。図６の例のように、電解質側集電層４２１と集電体側集電層４２２との間の境界が第１の領域Ｒ１内にも第２の領域Ｒ２内にも位置しないので、第１の領域Ｒ１は電解質側集電層４２１により構成され、第２の領域Ｒ２は集電体側集電層４２２により構成される。そのため、集電層４２０の第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とは、気孔率および粒径に関する以下の関係Ｖ〜Ｙを満たすと言える。なお、ここでいう第１の領域Ｒ１は特許請求の範囲における第１の領域に相当し、第２の領域Ｒ２は特許請求の範囲における第２の領域に相当する。
・関係Ｖ：
（第１の領域Ｒ１の気孔率）＜（第２の領域Ｒ２の気孔率）
・関係Ｗ：
（第２の領域Ｒ２の粒子径Ｄ１０）×０．５≦（第１の領域Ｒ１の粒子径Ｄ１０）≦（第２の領域Ｒ２の粒子径Ｄ１０）×１．５
・関係Ｘ：
（第１の領域Ｒ１の粒子径Ｄ９０）−（第１の領域Ｒ１の粒子径Ｄ１０）＞（第２の領域Ｒ２の粒子径Ｄ９０）−（第２の領域Ｒ２の粒子径Ｄ１０）
・関係Ｙ：
（第１の領域Ｒ１の粒子径Ｄ８５）＞（第２の領域Ｒ２の粒子径Ｄ９０）
【００４５】
このように、本実施形態では、集電層４２０において、酸化剤ガスＯＧが流れる空気室１６６により近い位置に配置された第２の領域Ｒ２の気孔率が、第１の領域Ｒ１の気孔率より高いため（関係Ｖ）、空気極１１４の構造的強度の低下を抑制しつつ、空気極１１４におけるガス拡散性を向上させることができる。
【００４６】
また、上述したように、空気極１１４の上側表面における一部の領域は空気極側集電体１３４に接触しており、空気極１１４には、当該接触領域を介して空気極側集電体１３４からの押圧力を受けることによって応力が発生する。本実施形態では、空気極側集電体１３４により近い位置に配置された第２の領域Ｒ２の気孔率が比較的高いため（関係Ｖ）、第２の領域Ｒ２の硬度が比較的低くなる。そのため、硬度が比較的低い第２の領域Ｒ２によって上記応力が分散され、空気極１１４に割れが発生することを抑制することができる。
【００４７】
また、本実施形態では、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とがほぼ同等の微粒子を含み（関係Ｗ）、かつ、第２の領域Ｒ２の方が第１の領域Ｒ１より粒径バラツキが小さい（関係Ｘ）。一般に、焼結体において、同等の微粒子を含む場合には、粒径バラツキが大きいほど気孔（空孔）が少なくなって硬度が高くなり、反対に、粒径バラツキが小さいほど気孔（空孔）が多く形成されて硬度が低くなる傾向にある。従って、この点からも、第２の領域Ｒ２の硬度が比較的低くなるため、空気極１１４の割れの発生が効果的に抑制される。
【００４８】
また、本実施形態では、第１の領域Ｒ１は、比較的粒径バラツキが大きく、比較的径の大きい粒子と比較的径の小さい粒子とが混在しているため、第１の領域Ｒ１と活性層４１０との界面（すなわち、集電層４２０と活性層４１０との界面）における接触点が多くなってアンカー効果が大きくなり、この界面における剥離の発生を抑制することができる。特に、第１の領域Ｒ１には第２の領域Ｒ２と比べて比較的大径の粒子がより多く含まれるため（関係Ｙ）、第１の領域Ｒ１と活性層４１０との界面でのアンカー効果がより大きくなって、この界面における剥離の発生をより効果的に抑制することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、集電層４２０が、以下の層厚に関する関係Ｚを満たすように構成されている。すなわち、本実施形態では、上下方向（Ｚ軸方向）において、集電体側集電層４２２の厚さが電解質側集電層４２１の厚さより厚い（図６参照）。
・関係Ｚ：
（電解質側集電層４２１の厚さ）＜（集電体側集電層４２２の厚さ）
【００５０】
本実施形態では、集電体側集電層４２２の厚さが電解質側集電層４２１の厚さより厚いため（関係Ｚ）、集電層４２０と活性層４１０との界面における剥離の発生を抑制しつつ、気孔率のより高い集電体側集電層４２２の厚さがより厚くなって、空気極１１４におけるガス拡散性を一層向上させることができると共に、硬度のより低い集電体側集電層４２２の厚さがより厚くなって、空気極１１４の割れの発生を一層効果的に抑制することができる。
【００５１】
Ａ−４．単セル１１０の製造方法：
本実施形態における単セル１１０の製造方法の一例は、次の通りである。
【００５２】
（電解質層１１２と燃料極１１６との積層体の形成）
ＢＥＴ法による比表面積が例えば５〜７ｍ２／ｇであるＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート（ＤＯＰ）と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約１０μｍの電解質層用グリーンシートを得る。また、ＢＥＴ法による比表面積が例えば３〜４ｍ２／ｇであるＮｉＯの粉末を、Ｎｉ重量に換算して５５質量部となるように秤量し、ＢＥＴ法による比表面積が例えば５〜７ｍ２／ｇであるＹＳＺの粉末４５質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ２７０μｍの燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて、乾燥させる。その後、例えば１４００℃にて焼成を行うことによって、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。
【００５３】
（空気極１１４の形成）
次に、空気極１１４の活性層４１０の材料として、ＬＳＣＦ粉末と、ＧＤＣ粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、活性層用ペーストを調製する。調整された活性層用ペーストを、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における電解質層１１２側の表面に、スクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。
【００５４】
また、空気極１１４の電解質側集電層４２１の材料として、ＬＳＣＦ粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、電解質側集電層用ペーストを調製する。調整された電解質側集電層用ペーストを、上述した活性層用ペーストの上に、スクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。
【００５５】
さらに、空気極１１４の集電体側集電層４２２の材料として、ＬＳＣＦ粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、集電体側集電層用ペーストを調製する。調整された集電体側集電層用ペーストを、上述した電解質側集電層用ペーストの上に、スクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。なお、空気極１１４の各層用ペーストの塗布方法として、例えば噴霧塗布といった他の方法も採用可能である。
【００５６】
その後、例えば１１００℃にて焼成を行うことによって、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における電解質層１１２側の表面に、活性層４１０と集電層４２０（電解質側集電層４２１および集電体側集電層４２２）とから構成される空気極１１４が形成される。
【００５７】
なお、空気極１１４の集電層４２０が気孔率に関する上記関係Ｖ１を満たすようにするためには、例えば、集電体側集電層４２２の原料粉末に樹脂ビーズやカーボン粉末といった焼成時に焼き飛んで気孔を形成する気孔材を比較的多く添加すればよい。また、空気極１１４の集電層４２０が粒径に関する上記関係Ｗ１〜Ｙ１を満たすようにするためには、電解質側集電層４２１用のＬＳＣＦ粉末として、例えばＤ５０＝１〜５μｍのＬＳＣＦ粉末にＤ５０＝５〜１５μｍのＬＳＣＦ粉末を１０〜３０ｗｔ％の割合で混合したものを用い、集電体側集電層４２２用のＬＳＣＦ粉末として、例えばＤ５０＝１〜５μｍのＬＳＣＦ粉末を用いればよい。また、空気極１１４の集電層４２０の層厚に関する上記関係Ｚを満たすようにするためには、例えば、集電体側集電層用ペーストの塗布厚を電解質側集電層用ペーストの塗布厚より厚くすればよい。
【００５８】
以上の工程により、上述した構成の単セル１１０が製造される。なお、単セル１１０が製造された後、例えば、空気極１１４と空気極側集電体１３４との接合やボルト２２による燃料電池スタック１００の締結等の組み立て工程が行われることにより、上述した構成の燃料電池スタック１００が製造される。
【００５９】
Ａ−５．実施例：
上述した製造方法に従い、単セル１１０の実施例を製造した。図９は、単セル１１０の実施例における電解質側集電層４２１および集電体側集電層４２２の特性を示す説明図である。図９に示す通り、この実施例では、上述の関係Ｖ１〜Ｙ１がすべて満たされている。
【００６０】
図９に示す単セル１１０の実施例を用いて、電解質側集電層４２１および集電体側集電層４２２のビッカース硬度（ＨＶ）を測定した。図１０は、ビッカース硬度の測定結果を示す説明図である。図１０に示すグラフには、電解質側集電層４２１および集電体側集電層４２２のそれぞれについて、複数の位置でのビッカース硬度の測定値と、その平均値（ＡＶ）とがプロットされている。ビッカース硬度の平均値は、集電体側集電層４２２で１４であり、電解質側集電層４２１で２７であった。このように、上述の関係Ｖ１〜Ｙ１を満たすように電解質側集電層４２１および集電体側集電層４２２を製造すれば、集電体側集電層４２２の硬度は電解質側集電層４２１の硬度と比較して低くなる。
【００６１】
Ａ−６．空気極１１４の分析方法：
（分析画像Ｍ１の取得方法）
気孔率や粒径等に関して空気極１１４を分析する方法について説明する。まず、空気極１１４の分析に用いられる分析画像Ｍ１を以下の方法により取得する。単セル１１０において、上下方向（Ｚ軸方向）に平行な１つの断面（ただし空気極１１４を含む断面）を任意に設定し、当該断面において空気極１１４の上下方向における全体が確認できる画像を、分析画像Ｍ１として取得する。より詳細には、空気極１１４の上側表面（空気極側集電体１３４と接触する表面）が、画像を上下方向に１０等分して得られた１０個の分割領域の内の最も上の分割領域内に位置し、かつ、空気極１１４と電解質層１１２との境界が、最も下の分割領域内に位置している画像を、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影し、分析画像Ｍ１として取得する。なお、この分析画像Ｍ１は、ＳＥＭにより撮影された画像を２値化処理した後の２値化画像でもよい。ただし、２値化画像における気孔が実際の形態と大きく異なる場合には、ＳＥＭにより撮影された２値化処理前の画像のコントラストを調整し、その調整後の画像を２値化処理した画像でもよい。また、分析画像Ｍ１は、ＳＥＭにより撮影された２値化処理前の画像そのものでもよい。ＳＥＭの画像の倍率は、上記のように空気極１１４の上下方向における全体が分析画像Ｍ１に収まるような値に設定され、例えば２００〜２０，０００倍とすることができるが、これに限定されず、適宜変更することができる。
【００６２】
（活性層４１０と集電層４２０との境界の決定方法）
空気極１１４を構成する活性層４１０と集電層４２０との境界は、活性層４１０の気孔率が集電層４２０の気孔率より低いという特徴を利用して、以下の方法により特定される。まず、分析画像Ｍ１に対して、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する複数の仮想線Ｋを、０．３μｍ間隔で空気極１１４の上側表面から下方に順番に引き、仮想線Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、・・・、Ｋｍ、・・・、Ｋ（ｍ＋９）、Ｋ（ｍ＋１０）、・・・、Ｋｎを得る。そして、各仮想線Ｋにおいて気孔と重複する部分の長さを測定し、気孔と重複する部分の長さの合計を算出し、各仮想線Ｋの全長に対する気孔と重複する部分の長さの合計の比を、当該仮想線Ｋ上に存在する気孔の割合（気孔率Ｋs）とする。次に、各仮想線Ｋの気孔率Ｋs１、Ｋs２、Ｋs３、・・・、Ｋｓｍ、・・・、Ｋｓ（ｍ＋９）、Ｋｓ（ｍ＋１０）、・・・、Ｋsｎのうち、上方側から順番に１０個の仮想線Ｋの気孔率Ｋｓを有する各データ群を設定し、各データ群の１０個の気孔率Ｋｓの平均値（Ａｖｅ）と各データ群の気孔率Ｋｓの標準偏差（σ）を算出する。
【００６３】
上方側から順番に、データ群Ｇ１は、Ｋs１、Ｋs２、・・・、Ｋs１０からなり、データ群Ｇ２は、Ｋs２、Ｋs３、・・・、Ｋｓ１１からなり、データ群Ｇｍは、Ｋsｍ、Ｋs（ｍ＋１）、Ｋs（ｍ＋２）、・・・、Ｋｓ（ｍ＋９）からなり、データ群Ｇ（ｍ＋１）は、Ｋｓ（ｍ＋１）、Ｋｓ（ｍ＋２）、・・・、Ｋｓ（ｍ＋１０）からなる。すなわち、データ群Ｇ（ｍ＋１）とは、データ群Ｇｍから、データ群Ｇｍの１つ目の仮想線Ｋｍの気孔率Ｋｓｍを除いた９個の気孔率（Ｋｓ（ｍ＋１）、・・・、Ｋｓ（ｍ＋９））に、データ群の最後の仮想線Ｋ（ｍ＋９）の次の仮想線Ｋ（ｍ＋１０）の気孔率Ｋｓ（ｍ＋１０）を加えた１０個の気孔率Ｋｓからなる一つの群を意味する。そして、「Ｇ（ｍ＋１）の気孔率Ｋｓの平均値」が「Ｇｍの気孔率Ｋｓの平均値に、Ｇｍの１０個の気孔率Ｋｓの標準偏差（σ）の２倍の値を加えた値」を初めて上回ったとき、または、「Ｇ（ｍ＋１）の気孔率Ｋｓの平均値」が「Ｇｍの気孔率Ｋｓの平均値から、Ｇｍの１０個の気孔率Ｋｓの標準偏差（σ）の２倍の値を減じた値」を初めて下回ったときの、データ群Ｇ（ｍ＋１）の１０個目の気孔率Ｋｓ（ｍ＋１０）に対応する仮想線Ｋ（ｍ＋１０）を、活性層４１０と集電層４２０との境界とする。すなわち、データ群Ｇｍの気孔率Ｋｓの平均値をＧｍＡｖｅ、データ群Ｇ（ｍ＋１）の気孔率Ｋｓの平均値をＧ（ｍ＋１）Ａｖｅ、データ群Ｇｍの気孔率Ｋｓの標準偏差をσｍとしたとき、下記式（１）を満たす初めてのデータ群Ｇ（ｍ＋１）の１０個目の気孔率Ｋｓ（ｍ＋１０）に対応する仮想線Ｋ（ｍ＋１０）を、活性層４１０と集電層４２０との境界とする。この境界が決定されれば、分析画像Ｍ１上において、活性層４１０と集電層４２０とを区別することができる。
｜（Ｇ（ｍ＋１）Ａｖｅ）−（ＧｍＡｖｅ）｜＞２σｍ ・・・（１）
【００６４】
（粒径の測定方法）
空気極１１４の集電層４２０における粒径の頻度分布や累積分布は、"水谷惟恭、尾崎義治、木村敏夫、山口喬著、「セラミックプロセッシング」、技報堂出版株式会社、1985年3月25日発行、第192頁から第195頁"に記載されている方法（インターセプト方法）に従って特定される。具体的には、上記分析画像Ｍ１において、集電層４２０に、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する直線を所定間隔（例えば４μｍ間隔）で複数本引き、各直線上の各粒子にあたる部分の長さを粒径として測定する。対象の部材や領域に位置する１つまたは複数の直線上のすべての粒子についての粒径を計測し、計測値を用いて図７や図８に示す粒径の頻度分布や累積分布を作成するものとする。
【００６５】
（気孔率の測定方法）
各部材や領域の気孔率は、以下の方法により特定される。上記分析画像Ｍ１において、上下方向（Ｚ軸方向）に直交する直線を所定間隔（例えば４μｍ間隔）で複数本引き、各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、直線における気孔率の測定対象（例えば電解質側集電層４２１）に重なる部分の長さに対する気孔にあたる部分の長さの合計の比を、当該直線上における気孔率とする。気孔率の測定対象に引かれた１つまたは複数の直線における気孔率の平均値を、当該測定対象の気孔率とする。
【００６６】
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。
【００６７】
上記実施形態では、単セル１１０は略平板形状であるが、本発明は、他の構成の単セル、例えば特開２００８−５９７９７号に記載されているような略楕円柱形の単セル、および、そのような単セルを複数備える燃料電池スタックにも同様に適用可能である。図１１は、変形例の燃料電池スタックの構成を概略的に示す説明図である。図１１には、燃料電池スタックの一部分（２つの単セル１と１つの集電体２０）の断面構成が示されているが、燃料電池スタックはさらに多くの単セル１および集電体２０を備えていてもよい。また、図１２は、変形例における燃料電池スタックを構成する単セル１の構成を概略的に示す説明図である。図１１および図１２に示す変形例の燃料電池スタックは、上記実施形態と同様に、複数の単セル１が直列に接続された構成を有するが、各単セル１の構成が上記実施形態と異なる。なお、図１１および図１２に示す変形例の燃料電池スタックの説明において、特に記載の無い構成や材料等については、上述した実施形態の燃料電池スタック１００における構成や材料等と同様である。
【００６８】
図１１および図１２に示す変形例の燃料電池スタックは、複数の単セル１と、単セル１間に配置された複数の集電体２０とを備える。各単セル１は、支持体１０と、燃料極２と、電解質層３と、空気極４と、インターコネクタ５と、空気極材料層１４とを備える。支持体１０は、略楕円形状の断面を有する柱状体であり、多孔質材料で形成されている。支持体１０の内部には、柱状体の延伸方向に延びる複数の燃料ガス通路（燃料室）１６が形成されている。燃料極２は、支持体１０の側面の内、互いに略平行な一対の平坦面の一方と、各平坦面の端部同士をつなぐ２つの曲面とを覆うように設けられている。電解質層３は、燃料極２における支持体１０側とは反対側の側面を覆うように設けられている。空気極４は、電解質層３における燃料極２側とは反対側の側面の内、支持体１０の平坦面上に位置する部分を覆うように設けられている。インターコネクタ５は、支持体１０における燃料極２に覆われていない平坦面に接触するように設けられている。空気極材料層１４は、インターコネクタ５における支持体１０側とは反対側の面上に配置されている。集電体２０は、単セル１の空気極４に接合層２５により接合されると共に、当該単セル１に隣設する他の単セル１の空気極材料層１４に接合層２５により接合されている。空気極４の外側に酸化剤ガスが供給され、支持体１０の燃料ガス通路１６に燃料ガスが供給され、所定の作動温度まで加熱されると、燃料電池スタックにおいて発電が行われる。
【００６９】
図１３は、図１１および図１２に示した変形例の燃料電池スタックにおける集電体２０および空気極４の詳細構成を示す説明図である。図１１および図１３に示すように、この変形例では、空気極４の表面に、集電体２０における空気極４に向けて突出する突出部が、接合層２５を介して接触している。そのため、空気極４には、当該接触部を介して集電体２０からの押圧力を受けることによって応力が発生する。
【００７０】
図１３に示すように、この変形例では、上記実施形態と同様に、空気極４は、活性層４１と集電層４２とを含む。また、集電層４２は、電解質側集電層４５と集電体側集電層４６とを含む。また、電解質側集電層４５と集電体側集電層４６とは、上記実施形態において電解質側集電層４２１と集電体側集電層４２２とが満たしている上記関係Ｖ１〜Ｗ１およびＺと同様の関係を満たしている。そのため、この変形例においても、集電層４２を単セル１の配列方向（図１３の上下方向であり、特許請求の範囲における第１の方向に相当する）に沿って１０個の領域に等分し、電解質層３に最も近い３つの領域を「第１の領域」とし、電解質層３から最も離れた３つの領域を「第２の領域」とした場合に、第１の領域と第２の領域とは、上記関係Ｖ〜Ｗと同様の関係を満たしている。従って、この変形例においても、空気極４の構造的強度の低下を抑制しつつ空気極４におけるガス拡散性を向上させることができると共に、空気極４の割れの発生を抑制することができ、さらに、集電層４２と活性層４１との界面における剥離の発生を抑制することができる。
【００７１】
また、上記実施形態（または変形例、以下同様）では、空気極１１４の集電層４２０は、上記関係Ｖ〜Ｚを満たすように構成されているとしているが、集電層４２０が少なくとも上記関係Ｖ〜Ｘを満たすように構成されていれば、空気極１１４におけるガス拡散性を向上させることができると共に、空気極１１４の割れの発生を抑制することができ、さらに、空気極１１４の活性層４１０と集電層４２０との界面における剥離の発生を抑制することができる。
【００７２】
また、上記実施形態では、空気極１１４の集電層４２０は、電解質側集電層４２１と集電体側集電層４２２との二層構成であるとしているが、集電層４２０が電解質側集電層４２１および集電体側集電層４２２以外の他の層を含むとしてもよい。また、上記実施形態では、空気極１１４の活性層４１０は単層構成であるとしているが、活性層４１０が複数の層から構成されるとしてもよい。
【００７３】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。
【００７４】
本明細書において、部材（または部材のある部分、以下同様）Ａを挟んで部材Ｂと部材Ｃとが互いに対向するとは、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとが隣接する形態に限定されず、部材Ａと部材Ｂまたは部材Ｃとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層１１２と空気極１１４との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、空気極１１４と燃料極１１６とは電解質層１１２を挟んで互いに対向すると言える。
【００７５】
また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００に含まれるすべての単セル１１０について、上記関係Ｖ〜Ｚが満たされた構成であるとしているが、燃料電池スタック１００に含まれる少なくとも１つの単セル１１０について、そのような構成となっていれば、当該単セル１１０について、空気極１１４におけるガス拡散性を向上させることができると共に、空気極１１４の割れの発生を抑制することができ、さらに集電層４２０と活性層４１０との界面における剥離の発生を抑制することができる。
【００７６】
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）の最小単位である電解セルや、複数の電解セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１４−２０７１２０号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解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および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様に、上記関係Ｖ〜Ｚが満たされた構成であるとすれば、空気極１１４におけるガス拡散性を向上させることができると共に、空気極１１４の割れの発生を抑制することができ、さらに集電層４２０と活性層４１０との界面における剥離の発生を抑制することができる。
【００７７】
また、上記実施形態では、空気極１１４は、活性層４１０と、電解質側集電層４２１と集電体側集電層４２２とを含む集電層４２０と、を含む構成であるとしているが、空気極１１４に代えて、または、空気極１１４と共に、燃料極１１６が、上述の空気極１１４の構成と同様に、活性層と、電解質側集電層と集電体側集電層とを含む集電層と、を含む構成であるとしてもよい。その際、燃料極１１６の集電層が、上述した空気極１１４の集電層４２０と同様に、上記関係Ｖ〜Ｚを満たすように構成されるとしてもよい。このようにすれば、燃料極１１６におけるガス拡散性を向上させることができると共に、燃料極１１６の割れの発生を抑制することができ、さらに、燃料極１１６の活性層と集電層との界面における剥離の発生を抑制することができる。
【００７８】
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。なお、本発明は、ＳＯＦＣやＭＣＦＣ等のガスの温度が比較的高温となり、セル割れや層間剥離が問題となりやすいタイプの燃料電池において、より好適である。
【符号の説明】
【００７９】
１：単セル  ２：燃料極  ３：電解質層  ４：空気極  ５：インターコネクタ  １０：支持体  １４：空気極材料層  １６：燃料ガス通路  ２０：集電体  ２２：ボルト  ２４：ナット  ２５：接合層  ２６：絶縁シート  ２７：ガス通路部材  ２８：本体部  ２９：分岐部  ４１：活性層  ４２：集電層  ４５：電解質側集電層  ４６：集電体側集電層  １００：燃料電池スタック  １０２：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  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  ４１０：活性層  ４２０：集電層  ４２１：電解質側集電層  ４２２：集電体側集電層
【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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