(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物を含む電解質層と、
前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、
前記電解質層と前記空気極との間に配置され、ＳＤＣまたはＧＤＣを含む中間層と、を備える燃料電池単セルにおいて、
前記中間層の内、前記空気極と前記燃料極とが対向する第１の方向に平行である少なくとも１つの断面に、以下の領域条件を満たす領域が存在することを特徴とする、燃料電池単セル。
前記領域条件：前記領域に存在する複数の気孔の数に対する第１の気孔条件を満たす気孔の数の割合が６３．６％以上であること。
前記第１の気孔条件：前記第１の方向の寸法／前記第１の方向に直交する第２の方向の寸法＞１
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池単セルにおいて、
前記領域に存在する複数の気孔の数に対する第１の気孔条件を満たす気孔の数の割合は、８０％以下であることを特徴とする、燃料電池単セル。
【請求項３】
固体酸化物を含む電解質層と、
前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、
前記電解質層と前記空気極との間に配置され、ＳＤＣまたはＧＤＣを含む中間層と、を備える燃料電池単セルにおいて、
前記中間層の内、前記空気極と前記燃料極とが対向する第１の方向に平行である少なくとも１つの断面に、以下の第２の気孔条件を満たす気孔が存在することを特徴とする、燃料電池単セル。
前記第２の気孔条件：前記第１の方向の気孔の寸法／前記第１の方向に直交する第２の方向の気孔の寸法＞２
【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燃料電池単セルにおいて、
前記中間層の気孔率は、１０％以上、２５％以下であることを特徴とする、燃料電池単セル。
【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燃料電池単セルにおいて、
前記中間層の前記第１の方向における厚さは、１μｍ以上、１５μｍ以下であることを特徴とする、燃料電池単セル。
【請求項６】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池単セルにおいて、
前記中間層は、第１の中間層と、前記第１の中間層と前記電解質層との間に配置され、前記第１の中間層よりも緻密である第２の中間層とを含むことを特徴とする、燃料電池単セル。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池単セルにおいて、
前記第２の中間層の前記第１の方向における厚さは、０．１μｍ以上、０．９μｍ以下であることを特徴とする、燃料電池単セル。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の燃料電池単セルにおいて、
前記第１の中間層の気孔率は、１０％以上、２５％以下であることを特徴とする、燃料電池単セル。
【請求項９】
請求項６から請求項８までのいずれか一項に記載の燃料電池単セルにおいて、
前記第１の中間層の前記第１の方向における厚さは、１μｍ以上、１５μｍ以下であることを特徴とする、燃料電池単セル。
【請求項１０】
複数の燃料電池単セルを備える燃料電池スタックにおいて、
前記複数の燃料電池単セルの少なくとも１つは、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の燃料電池単セルであることを特徴とする、燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される技術は、燃料電池単セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物を電解質として用いる固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）が知られている。このＳＯＦＣに備えられる燃料電池単セルは、電解質層と、所定の方向（以下、「対向方向」ともいう）において電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを備え、空気極に酸化剤ガスが供給され、燃料極に燃料ガスが供給されることによって発電する。このような燃料電池単セルの中には、例えば、電解質層と空気極との境界付近で、空気極に含まれる物質が電解質層に含まれる物質と反応して高抵抗層が形成されることを抑制するために、空気極と電解質層との間に中間層が配置されたものが知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
この燃料電池単セルでは、中間層と電解質層との熱膨張率や焼成収縮量の相違等が原因で生じる歪みによって中間層と電解質層との境界付近に応力が集中し、中間層と電解質層とが剥離することを抑制するために、中間層内に気孔が存在するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２３０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した気孔が存在する中間層を含む燃料電池単セルでは、中間層内に、上記対向方向に平行な断面において、対向方向（以下、縦方向ともいう）の寸法と、当該対向方向に直交する方向（以下、横方向ともいう）の寸法とが異なる形状の気孔が存在し得る。この形状の気孔の内、横方向の寸法が縦方向の寸法より長い気孔が中間層内に存在する場合、この気孔が邪魔になるため、空気極から電解質層へと縦方向に沿って直線状に連続的に繋がるイオン導電経路が少なくなるため、ＳＯＦＣの発電効率が低下する場合がある。
【０００６】
本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に開示される技術は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００８】
（１）本明細書に開示される燃料電池単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、前記電解質層と前記空気極との間に配置される中間層と、を備える燃料電池単セルにおいて、前記中間層の内、前記空気極と前記燃料極とが対向する第１の方向に平行である少なくとも１つの断面に、以下の領域条件を満たす領域が存在することを特徴とする。前記領域条件：前記領域に存在する複数の気孔の数に対する第１の気孔条件を満たす気孔の数の割合が５０％以上であること。前記第１の気孔条件：前記第１の方向の寸法／前記第１の方向に直交する第２の方向の寸法＞１。本燃料電池単セルによれば、中間層の内、空気極と燃料極とが対向する第１の方向に平行である、いずれの断面にも領域条件を満たす領域が存在しない場合に比べて、中間層において空気極側から電解質層側に向かって第１の方向に連続的に繋がっているイオン導電経路長が短くなり、元素イオンが直線的に移動し易くなるため、気孔の存在によって燃料電池単セルの発電効率が低下することが抑制される。即ち、電解質層および空気極の少なくとも一方と中間層との境界付近に応力が集中することを、中間層の気孔によって緩和しつつ、その気孔の存在によって燃料電池単セルの発電効率が低下することを抑制することができる。
【０００９】
（２）本明細書に開示される燃料電池単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、前記電解質層と前記空気極との間に配置される中間層と、を備える燃料電池単セルにおいて、前記中間層の内、前記空気極と前記燃料極とが対向する第１の方向に平行である少なくとも１つの断面に、以下の第２の気孔条件を満たす気孔が存在することを特徴とする。前記第２の気孔条件：前記第１の方向の気孔の寸法／前記第１の方向に直交する第２の方向の気孔の寸法＞２。本燃料電池単セルによれば、中間層の内、空気極と燃料極とが対向する第１の方向に平行である、いずれの断面にも第２の気孔条件を満たす気孔が存在しない場合に比べて、中間層において空気極側から電解質層側に向かって第１の方向に連続的に繋がっているイオン導電経路長が短くなり、元素イオンが直線的に移動し易くなるため、気孔の存在によって燃料電池単セルの発電効率が低下することが抑制される。即ち、電解質層および空気極の少なくとも一方と中間層との境界付近に応力が集中することを、中間層の気孔によって緩和しつつ、気孔の存在によって燃料電池単セルの発電効率が低下することを抑制することができる。しかも、中間層は、第２の気孔条件を満たす気孔が存在することによって、中間層に対して第１の方向に隣接する各層との間に発生する熱膨張による応力（例えば、剪断応力）が、気孔を構成する第１の方向に長い内壁によって分散され易くなるため、電解質層および空気極の少なくとも一方と中間層との境界付近に応力が集中することを、より効果的に緩和することができる。
【００１０】
（３）上記燃料電池単セルにおいて、前記中間層の気孔率は、１０％以上、２５％以下であることを特徴とする構成としてもよい。本燃料電池単セルによれば、電解質層および空気極の少なくとも一方と中間層との境界付近に応力が集中することを緩和しつつ、中間層の抵抗が高くなりすぎることを抑制することができる。
【００１１】
（４）上記燃料電池単セルにおいて、前記中間層の前記第１の方向における厚さは、１μｍ以上、１５μｍ以下である構成としてもよい。本燃料電池単セルによれば、電解質層および空気極の少なくとも一方と中間層との境界付近に応力が集中することを緩和しつつ、中間層の抵抗が高くなりすぎることを抑制することができる。
【００１２】
（５）上記燃料電池単セルにおいて、前記中間層は、第１の中間層と、前記第１の中間層と前記電解質層との間に配置され、前記第１の中間層よりも緻密である第２の中間層とを含む構成としてもよい。この燃料電池単セルによれば、中間層に第２の中間層が含まれることにより、空気極から電解質層へと元素が拡散して高抵抗層が形成されることを抑制することができる。第２の中間層が第１の中間層よりも電解質層側に存在することにより、空気極と中間層との境界付近に応力が集中することを抑制することができる。
【００１３】
（６）上記燃料電池単セルにおいて、前記第２の中間層の前記第１の方向における厚さは、０．１μｍ以上、０．９μｍ以下である構成としてもよい。本燃料電池単セルによれば、空気極から電解質層への元素の拡散を抑制しつつ、中間層の抵抗が高くなりすぎることを抑制することができる。
【００１４】
（７）上記燃料電池単セルにおいて、前記第１の中間層の気孔率は、１０％以上、２５％以下である構成としてもよい。本燃料電池単セルによれば、電解質層および空気極の少なくとも一方と中間層との境界付近に応力が集中することを緩和しつつ、中間層の抵抗が高くなりすぎることを抑制することができる。
【００１５】
（８）上記燃料電池単セルにおいて、前記第１の中間層の前記第１の方向における厚さは、１μｍ以上、１５μｍ以下である構成としてもよい。本燃料電池単セルによれば、電解質層および空気極の少なくとも一方と中間層との境界付近に応力が集中することを緩和しつつ、中間層の抵抗が高くなりすぎることを抑制することができる。
【００１６】
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、単セル、燃料電池発電単位、燃料電池発電単位を備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム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】
【００１７】
【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】第１実施形態における燃料電池スタック１００の上側のＸＹ平面構成を示す説明図である。
【図３】第１実施形態における燃料電池スタック１００の下側のＸＹ平面構成を示す説明図である。
【図４】図１から図３のＩＶ−ＩＶ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５】図１から図３のＶ−Ｖ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６】図１から図３のＶＩ−ＶＩ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７】図５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８】図６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９】図７のＩＸ−ＩＸ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１０】図７のＸ−Ｘ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１１】熱交換部１０３のＸＹ断面構成を概略的に示す説明図である。
【図１２】単セル１１０の一部分のＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図１３】比較例における単セルの一部分のＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図１４】第２実施形態における単セルの一部分のＸＺ断面構成を示す説明図である。
【図１５】第３実施形態における燃料電池スタック１００ＣのＸＺ断面構成を概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１から図６は、本実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。図１には、燃料電池スタック１００の外観構成が示されており、図２には、燃料電池スタック１００の上側の平面構成が示されており、図３には、燃料電池スタック１００の下側の平面構成が示されており、図４には、図１から図３のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図５には、図１から図３のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図６には、図１から図３のＶＩ−ＶＩの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されている。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７以降についても同様である。
【００１９】
燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では６つの）発電単位１０２と、熱交換部１０３と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。６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。ただし、６つの発電単位１０２の内、３つの発電単位１０２は互いに隣接するように配置され、残りの３つの発電単位１０２も互いに隣接するように配置され、上記３つの発電単位１０２と上記残りの３つの発電単位１０２との間に熱交換部１０３が配置されている。すなわち、熱交換部１０３は、６つの発電単位１０２と熱交換部１０３とから構成される集合体における上下方向の中央付近に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、６つの発電単位１０２と熱交換部１０３と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。
【００２０】
燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、熱交換部１０３、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ボルト孔１０８を構成している。以下の説明では、ボルト孔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、ボルト孔１０８と呼ぶものとする。
【００２１】
各ボルト孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、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。
【００２２】
図４から図６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。
【００２３】
各ボルト２２の軸部の外径は各ボルト孔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ボルト孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図２から図４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つの頂点（Ｙ軸負方向側およびＸ軸負方向側の頂点）付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）とボルト孔１０８の内周面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、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２２Ｃ）とボルト孔１０８の内周面とにより形成された空間は、熱交換部１０３から排出された酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に向けて運ぶガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド１６３として機能する。また、図２、図３および図５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）とボルト孔１０８の内周面とにより形成された空間は、各発電単位１０２から排出された未反応の酸化剤ガスＯＧ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。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。
【００２４】
また、図２、図３および図６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）とボルト孔１０８の内周面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）とボルト孔１０８の内周面とにより形成された空間は、各発電単位１０２から排出された未反応の燃料ガスＦＧや燃料ガスＦＧの発電後のガスを含む燃料オフガス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。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。
【００２５】
図４から図６に示すように、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。図４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に連通している。図５に示すように、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。図６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。
【００２６】
（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、方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と熱交換部１０３と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。
【００２７】
（発電単位１０２の構成）
図７から図１０は、発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。図７には、図５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の断面構成が示されており、図８には、図６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の断面構成が示されており、図９には、図７のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２の断面構成が示されており、図１０には、図７のＸ−Ｘの位置における発電単位１０２の断面構成が示されている。
【００２８】
図７および図８に示すように、発電の最小単位である発電単位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が挿入されるボルト孔１０８が形成されている。
【００２９】
インターコネクタ１５０は、方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４から図６参照）。
【００３０】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで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、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置される中間層３００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、中間層３００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。
【００３１】
電解質層１１２は、方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、方形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、方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。
【００３２】
図７および図８に示すように、中間層３００は、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置されている。中間層３００は、空気極１１４と略同一の大きさの方形の平板形状部材であり、例えば、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト型酸化物といったイオン導電性を有する固体酸化物により形成されている。仮に、電解質層１１２と空気極１１４との間に中間層３００が無い場合、燃料電池スタック１００の運転動作時のような高温条件下において、空気極１１４に含まれる金属の元素（例えばＳｒやＬａ  以下、拡散元素ともいう）と、電解質層１１２に含まれる遷移元素（例えば部分Ｚｒ）とが反応して空気極１１４と電解質層１１２との境界付近に高抵抗層（例えばＳｒＺｒＯ３）が形成されることにより、単セル１１０の発電効率が低下することがある。これに対して、本実施形態の単セル１１０では、中間層３００が、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置されている。このため、中間層３００は、空気極１１４に含まれる金属の元素と、電解質層１１２に含まれる遷移元素とが反応して高抵抗層が形成されることを抑制する反応防止層としての機能を有する。また、中間層３００は、イオン導電性を有する固体酸化物により形成されている。このため、中間層３００は、酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素分子のイオン化反応により空気極１１４にて生成された酸化物イオンを電解質層１１２へと移動させる機能を有する。
【００３３】
セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する方形の孔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。
【００３４】
空気極側フレーム１３０は、図７から図９に示すように、中央付近に上下方向に貫通する方形の孔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。すなわち、空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０とインターコネクタ１５０とにより挟持されている。そのため、空気極側フレーム１３０によって、空気室１６６のシール（コンプレッションシール）が実現される。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。上述したように、空気極側フレーム１３０における孔１３１の周囲には、上述したボルト２２が挿入されるボルト孔１０８が形成されている。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス供給マニホールド１６３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。
【００３５】
燃料極側フレーム１４０は、図７、図８および図１０に示すように、中央付近に上下方向に貫通する方形の孔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。上述したように、燃料極側フレーム１４０における孔１４１の周囲には、上述したボルト２２が挿入されるボルト孔１０８が形成されている。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。
【００３６】
空気極側集電体１３４は、図７から図９に示すように、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材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することにより、空気極１１４とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として形成されていてもよい。
【００３７】
燃料極側集電体１４４は、図７、図８および図１０に示すように、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、複数の電極対向部１４５と、各電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、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。各電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触し、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する。そのため、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０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との電気的接続が良好に維持される。
【００３８】
（熱交換部１０３の構成）
図１１は、熱交換部１０３の断面構成を概略的に示す説明図である。図１１には、配列方向に直交する方向における熱交換部１０３の断面構成が示されている。図４から図６および図１１に示すように、熱交換部１０３は、方形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。上述したように、熱交換部１０３のＺ方向回りの周縁部には、ボルト２２が挿入されるボルト孔１０８が形成されている。また、熱交換部１０３の中央付近には、上下方向に貫通する孔１８２が形成されている。さらに、熱交換部１０３には、中央の孔１８２と酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成するボルト孔１０８とを連通する連通孔１８４と、中央の孔１８２と酸化剤ガス供給マニホールド１６３を形成するボルト孔１０８とを連通する連通孔１８６とが形成されている。熱交換部１０３は、熱交換部１０３の上側に隣接する発電単位１０２に含まれる下側のインターコネクタ１５０と、熱交換部１０３の下側に隣接する発電単位１０２に含まれる上側のインターコネクタ１５０とに挟持されている。これらのインターコネクタ１５０間において、孔１８２と連通孔１８４と連通孔１８６とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスＯＧを流す熱交換流路１８８として機能する。
【００３９】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
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に供給される。酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給された酸化剤ガスＯＧは、図４および図１１に示すように、熱交換部１０３内に形成された熱交換流路１８８内に流入し、熱交換流路１８８を通って酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出される。熱交換部１０３は、上側および下側について発電単位１０２に隣接している。また、後述するように、発電単位１０２における発電反応は発熱反応である。そのため、酸化剤ガスＯＧが熱交換部１０３内の熱交換流路１８８を通過する際に、酸化剤ガスＯＧと発電単位１０２との間で熱交換が行われ、酸化剤ガスＯＧの温度が上昇する。なお、酸化剤ガス導入マニホールド１６１は、各発電単位１０２の空気室１６６には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給されることはない。
【００４０】
熱交換流路１８８を通って酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出された酸化剤ガスＯＧは、図４、図５、図７および図９に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６３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。
【００４１】
また、図６、図８および図１０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。
【００４２】
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、熱交換部１０３を介しているものの、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。
【００４３】
各発電単位１０２において発電反応に利用されなかった酸化剤ガスＯＧである酸化剤オフガスＯＯＧは、図５、図７および図９に示すように、空気室１６６から酸化剤ガス排出連通孔１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、各発電単位１０２において発電反応に利用されなかった燃料ガスＦＧである燃料オフガスＦＯＧは、図６、図８および図１０に示すように、燃料室１７６から燃料ガス排出連通孔１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。
【００４４】
Ａ−３．中間層の詳細構成：
中間層３００は、空気極１１４に隣接している第１の中間層３１０と、電解質層１１２に隣接している第２の中間層３２０とを含む。第１の中間層３１０は、多孔質層であり、第２の中間層３２０は、第１の中間層３１０よりも緻密な層である。例えば、第１の中間層３１０の気孔率は１０％以上であり、第２の中間層３２０の気孔率は１０％未満である。
【００４５】
図１２には、単セル１１０の一部分（電解質層１１２、空気極１１４、中間層３００）の上下方向（Ｚ方向）に平行な断面構成（ＺＸ平面に平行な断面構成）が示されている。空気極１１４と燃料極１１６とが対向する上下方向（Ｚ方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当し、以下、「縦方向」ともいう。また、上下方向に直交する方向（ＸＹ平面に平行な方向）は、特許請求の範囲における第２の方向に相当し、以下、「横方向」ともいう。
【００４６】
第１の中間層３１０には、様々な形状や向きの複数の気孔Ｐが存在する。図１２には、１１個の気孔Ｐが存在する領域Ｅ１が示されている。１１個の気孔Ｐの内、気孔Ｐ１〜Ｐ７は、縦方向の寸法ΔＺ（開口径）が横方向の寸法ΔＸ（開口径）より大きい（縦方向の寸法ΔＺ／横方向の寸法ΔＸ＞１）という第１の気孔条件を満たす気孔（以下、「第１の縦長気孔」ともいう）である。一方、残りの気孔Ｐ８〜Ｐ１１は、縦方向の寸法ΔＺが横方向の寸法ΔＸより小さい、即ち、上記第１の気孔条件を満たさない気孔（以下、「横長気孔」ともいう）である。そして、領域Ｅ１に存在する複数の気孔Ｐの数に対する第１の縦長気孔の数の割合（＝（第１の縦長気孔の数／領域Ｅ１に存在する気孔Ｐの数）×１００  以下、「縦長孔割合」ともいう）は、約６３．６％である。
【００４７】
また、第１の中間層３１０の気孔率は、１０％以上、２５％以下であり、第１の中間層３１０の縦方向における厚さは、１μｍ以上、１５μｍ以下である。第２の中間層３２０の縦方向における厚さは、０．１μｍ以上、０．９μｍ以下である。
【００４８】
Ａ−４．単セル１１０の製造方法：
単セル１１０の製造方法の一例は、次の通りである。
（固体電解質層用のグリーンシートの作製）
ＢＥＴ法による比表面積が、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。得られたスラリーにドクターブレード法を用いることによって、厚さ１０μｍの固体電解質層用グリーンシートを得る。
【００４９】
（燃料極層用のグリーンシートの作製）
ＢＥＴ法による比表面積が、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５〜７ｍ２／ｇであるＹＳＺの粉末４５質量部と混合し、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。得られたスラリーにドクターブレード法を用いることによって、厚さ１０μｍの燃料極活性層用グリーンシートを得る。
【００５０】
（固体電解質層と燃料極層との積層）
固体電解質層用のグリーンシートと、燃料極層用のグリーンシートとを、貼り付け、乾燥させる。さらに、１４００℃にて焼成を行い、電解質層１１２と燃料極（燃料極層）１１６との積層体を得る。
【００５１】
（中間層形成用スラリーの調製、印刷、及び焼成）
ＧＤＣ粉末に、アクリルバインダーとイソプロピルアルコールとからなる溶媒を添加し、さらに、レオロジー性を高めるためのチクソ材を加えて、混合して、中間層形成用スラリーを調製する。調製したスラリーを、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における、固体電解質成形体側の表面に、メッシュを用いてスクリーン印刷法にて塗布し、塗布後の積層体を焼成する。このように中間層形成用スラリーのレオロジー性を高めることにより、電解質層１１２内に存在する非対称の気孔Ｐの長手方向を、所定の方向（Ｚ方向）に沿わせて上記第１の縦長気孔や後述の第２の縦長気孔を形成させることができる。
【００５２】
また、積層体の焼成の過程で、中間層３００の内、電解質層１１２との境界Ｂ１側の部分が、電解質層１１２とは反対側の部分に比べて粗密になり、その結果、電解質層１１２との境界Ｂ１側の部分が第２の中間層３２０となり、電解質層１１２とは反対側の部分が第１の中間層３１０となる。なお、第２の中間層３２０の縦方向の厚さは、塗布後の積層体を焼成する際の焼成温度と焼成時間とを適宜変更することにより調整することができる。例えば、焼成温度が１２５０度で焼成時間が８時間である場合、焼成温度が１２５０度で焼成時間が１時間である場合よりも、縦方向の厚さが大きい第２の中間層３２０を形成することができる。
【００５３】
（空気極１１４の形成）
Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作成した。作成した混合液を、中間層３００が形成された上記積層体における第１の中間層３１０の表面に噴霧塗布し、１１００℃で焼成することによって空気極１１４を成形し、単セル１１０を得ることができる。
【００５４】
Ａ−５．中間層３００の分析方法：
（分析画像Ｍ１の取得方法）
まず、中間層３００について、第１の中間層３１０と第２の中間層３２０との境界Ｂ３や、気孔Ｐを分析するための分析画像Ｍ１を次のようにして取得する。すなわち、図１２に示すように、中間層３００の上下方向における全体が確認できる画像であって、中間層３００と空気極１１４との境界Ｂ１と推測される部分が、当該画像を上下方向に１０等分に分割して得られた１０コの分割領域の内、最も上の分割領域内に位置し、中間層３００と電解質層１１２との境界Ｂ２と推測される部分が、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）により観察できるようにして、その画像を撮影することにより、分析画像Ｍ１を取得する。なお、この分析画像Ｍ１は、ＳＥＭにより観察された画像を２値化処理した後の２値化画像でもよい。但し、２値化画像における気孔Ｐが実際の形態と大きく異なる場合には、ＳＥＭにより観察された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、ＳＥＭにより観察された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、５，０００〜２０，０００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。
【００５５】
（第１の中間層３１０と第２の中間層３２０との境界Ｂ３の決定方法）
次に、第１の中間層３１０と第２の中間層３２０との境界Ｂ３は、中間層３００内の気孔率Ｋsにより決定される。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Ｐ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Ｐと重複する部分の長さの合計との比を、当該仮想線Ｋ上に存在する気孔Ｐ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。
【００５６】
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、第１の中間層３１０と第２の中間層３２０との境界Ｂ３とする。すなわち、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、第１の中間層３１０と第２の中間層３２０との境界Ｂ３とする。
｜（Ｇ（ｍ＋１）Ａｖｅ）−（ＧｍＡｖｅ）｜＞２σｍ ・・・（１）
なお、この境界Ｂ３が決定されれば、分析画像Ｍ１上において、第１の中間層３１０と第２の中間層３２０とを区別することができ、各気孔Ｐが第１の中間層３１０および第２の中間層３２０のいずれに存在するかを特定することができる。
【００５７】
（気孔Ｐの寸法の測定方法）
気孔Ｐの縦方向の寸法ΔＺおよび横方向の寸法ΔＸは、次のようにして測定する。すなわち、分析画像Ｍ１（分析画像Ｍ１が二値化処理前のものであれば二値化処理した後の画像）に対して、公知の画像処理を施すことにより水平フェレ径と垂直フェレ径とを求める。水平フェレ径は、各気孔Ｐに外接し、縦方向に平行な２辺と横方向に平行な２辺とから構成される方形（以下、外接方形Ｗともいう）の横方向に平行な辺の長さであり、気孔Ｐの横方向の寸法ΔＸに相当し、垂直フェレ径は、外接方形Ｗの縦方向に平行な辺の長さであり、気孔Ｐの縦方向の寸法ΔＺに相当する。
【００５８】
そして、分析画像Ｍ１内において、例えば、開口面積または上記外接方形Ｗの面積が大きい順に所定数分、所定割合分（５〜８割）、あるいは、開口面積または上記外接方形Ｗの面積が所定値（例えば分析画像Ｍ１上の視認可能な面積）以上の気孔Ｐについて、縦方向の寸法ΔＺおよび横方向の寸法ΔＸを測定し、その測定結果から、各気孔Ｐが、第１の気孔条件を満たすか否かを判断し、満たすと判断した場合、第１の縦長気孔であるとし、満たさないと判断した場合、第１の縦長気孔ではないとする。そして、この判断結果から、縦長気孔割合を求めることができる。この縦長気孔割合が５０％以上であること（第１の領域条件）は、特許請求の範囲における領域条件に相当する。
【００５９】
Ａ−６．本実施形態の効果：
図１３には、比較例の単セルの一部分（電解質層１１２、空気極１１４、中間層３００）の上下方向（Ｚ方向）に平行な断面構成（ＺＸ平面に平行な断面構成）の領域ＥＣの分析画像ＭＣが示されている。この比較例の単セルでは、１１個の気孔Ｐ１〜Ｐ１１の内、４つの気孔Ｐ２〜Ｐ４，Ｐ７だけが第１の縦長気孔であり、縦長気孔割合は３６．３％であり、５０％未満である。このため、中間層３００において空気極１１４側から電解質層１１２側に向かって連続的に繋がっている酸化物イオンのイオン導電経路Ｒの中に、イオン導電経路Ｒ４〜Ｒ６のように、気孔Ｐ同士の間を迂回するように湾曲したものが多くなるため、燃料電池スタック１００の発電効率が低下する場合がある。
【００６０】
これに対して、本実施形態の単セル１１０では、図１２に示すように、縦長気孔割合は５０％以上である。このため、中間層３００におけるイオン導電経路Ｒの中に、イオン導電経路Ｒ１〜Ｒ３のように、空気極１１４側から電解質層１１２側へと縦方向に沿って直線状に連続的に繋がっており、イオン導電経路長が短いものが多くなるため、比較例の単セルに比べて、酸化物イオンを空気極１１４から電解質層１１２へと効率よく移動させることができるため、燃料電池スタック１００の発電効率の低下を抑制することができる。
【００６１】
以上により、中間層３００を、空気極１１４と同様の多孔質層にすることにより、空気極１１４と中間層３００との境界付近に応力が集中したり、空気極１１４と中間層３００とが剥離したりすることを緩和することができる。その一方で、中間層３００内の気孔Ｐが邪魔して空気極から電解質層へとの酸化物イオンのイオン導電経路が長くなることに起因して、燃料電池スタック１００の発電効率が低下するおそれがある。しかし、本実施形態の燃料電池スタック１００では、中間層３００に上記領域条件を満たす領域が存在する。これにより、空気極１１４と中間層３００との境界付近に応力が集中することを、中間層３００の気孔Ｐによって緩和しつつ、気孔Ｐの存在によって燃料電池スタック１００の発電効率が低下することを抑制することができる。
【００６２】
中間層３００には、第１の中間層３１０よりも緻密である第２の中間層３２０が、第１の中間層３１０と電解質層１１２との間に配置されている。このため、高抵抗層（例えばＳｒＺｒＯ３）の生成源であるＳｒ等の拡散元素が電解質層１１２側に拡散することを抑制することができる。また、第２の中間層３２０が第１の中間層３１０よりも電解質層側に存在する。すなわち、多孔質の第１の中間層３１０が、多孔質の空気極１１４に接触しており、緻密層の第２の中間層３２０が緻密層の電解質層１１２に接触している。これにより、多孔質の第１の中間層３１０が、緻密層の電解質層１１２に接触し、緻密層の第２の中間層３２０が多孔質の空気極１１４に接触している場合に比べて、空気極１１４と中間層３００との境界付近に応力が集中したり、空気極１１４と中間層３００とが剥離したりすることを抑制することができる。
【００６３】
第２の中間層３２０の縦方向における厚さは、０．１μｍ以上、０．９μｍ以下である。このため、空気極１１４から電解質層１１２への元素の拡散を抑制しつつ、中間層３００の抵抗が高くなりすぎることを抑制することができる。また、第１の中間層３１０の気孔率は、１０％以上、２５％以下である。このため、空気極１１４と中間層３００との境界付近に応力が集中することを緩和しつつ、中間層３００の抵抗が高くなりすぎることを抑制することができる。さらに、第１の中間層３１０の縦方向における厚さは、１μｍ以上、１５μｍ以下である。このため、空気極１１４と中間層３００との境界付近に応力が集中することを緩和しつつ、中間層３００の抵抗が高くなりすぎることを抑制することができる。
【００６４】
Ｂ．第２実施形態：
図１４は第２実施形態の単セルの一部分の詳細構成を示す。第２実施形態の燃料電池スタックの構成の内、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００と同一の構成については、同一符号を付すことによって、その説明を省略する。
【００６５】
本実施形態の単セルは、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置される中間層３００Ａとを備える。
【００６６】
中間層３００Ａには、様々な形状や向きの複数の気孔Ｐが存在する。図１４には、１１個の気孔Ｐが存在する領域Ｅ２が示されている。１１個の気孔Ｐの内、気孔Ｐ１は、縦方向の寸法ΔＺが、横方向の寸法ΔＸの２倍より大きい（縦方向の寸法ΔＺ／横方向の寸法ΔＸ＞２）という第２の気孔条件を満たす気孔（以下、「第２の縦長気孔」ともいう）であり、他の気孔Ｐ２〜Ｐ１１は、縦方向の寸法ΔＺが、横方向の寸法ΔＸの２倍より小さいため、第２の気孔条件を満たさない。従って、中間層３００Ａの内、縦方向（上下方向）に平行である少なくとも１つ断面に、第２の縦長気孔が１つ以上、存在する領域Ｅ２が存在する。この第２の縦長気孔が存在すること（第２の領域条件）は、特許請求の範囲における領域条件に相当する。なお、１１個の気孔Ｐの内、４つの気孔Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４，Ｐ７だけが上記第１の気孔条件を満たす第１縦長気孔であり、縦長気孔割合は３６，３％であるため、第１実施形態の上記第１の領域条件を満たさない。
【００６７】
中間層３００Ａは、１つの多孔質層で構成されており、その気孔率は１０％以上、２５％以下である。また、中間層３００Ａの縦方向における厚さは、１μｍ以上、１５μｍ以下である。
【００６８】
本実施形態の単セルによれば、中間層３００Ａの内、縦方向に平行である断面に、第２の縦長気孔が存在する。これにより、第２の縦長気孔の周囲部分には、空気極１１４側から電解質層１１２側へと縦方向に沿って直線状に連続的に繋がっているイオン導電経路Ｒ７，Ｒ８が比較的に長い範囲に亘って形成される。従って、中間層３００Ａの内、縦方向に平行である、いずれの断面にも第２の縦長気孔が存在しない場合に比べて、酸化物イオンを空気極１１４から電解質層１１２へと効率よく移動させることができる。即ち、空気極１１４と中間層３００Ａとの境界付近に応力が集中することを、中間層３００Ａの気孔Ｐによって緩和しつつ、気孔Ｐの存在によって燃料電池スタックの発電効率が低下することを抑制することができる。
【００６９】
しかも、中間層３００Ａは、第２の縦長気孔が存在することによって、中間層３００Ａに対して上下方向に隣接する各層との間に発生する熱膨張による横方向の応力（例えば、剪断応力）が、第２の縦長気孔を構成する縦方向に長い内壁によって分散され易くなる。このため、電解質層１１２および空気極１１４と中間層３００Ａとの境界付近に応力が集中することを、より効果的に緩和することができる。
【００７０】
中間層３００Ａの気孔率は、１０％以上、２５％以下である。このため、空気極１１４と中間層３００Ａとの境界付近に応力が集中することを緩和しつつ、中間層３００Ａの抵抗が高くなりすぎることを抑制することができる。さらに、中間層３００Ａの縦方向における厚さは、１μｍ以上、１５μｍ以下である。このため、空気極１１４と中間層３００Ａとの境界付近に応力が集中することを緩和しつつ、中間層３００Ａの抵抗が高くなりすぎることを抑制することができる。
【００７１】
Ｃ．第３実施形態：
図１５には、いわゆる筒状平板形の複数の発電単位１０２Ｃを有する燃料電池スタック１００Ｃが示されている。燃料電池スタック１００Ｃは、互いに所定間隔をあけて並んで配置された複数の発電単位１０２Ｃを有する。複数の発電単位１０２Ｃは、隣り合う発電単位１０２Ｃ同士の間に配置された集電部８７０を介して電気的に直列に接続されている。各発電単位１０２Ｃは、扁平柱形状の外観を有し、電極支持体８３０と、単セル１１０Ｃと、インターコネクタ８１０とを備える。
【００７２】
電極支持体８３０は、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。電極支持体８３０の内部には，柱状体の延伸方向に延びる複数の燃料ガス流路８２０が形成されている。単セル１１０Ｃは、燃料極８４０と、固体電解質層８５０と、空気極８６０と、中間層９００とを含む。燃料極８４０は，電極支持体８３０の側面の内、互いに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。固体電解質層８５０は，この燃料極８４０の側面を覆うように設けられている。空気極８６０は，固体電解質層８５０の側面の内，電極支持体８３０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。中間層９００は、多孔質層を有し、固体電解質層８５０と空気極８６０との間に配置されている。インターコネクタ８１０は，燃料極８４０および固体電解質層８５０が設けられていない側の電極支持体８３０の平坦面上に設けられている。上述した集電部８７０は、発電単位１０２Ｃの空気極８６０と，その発電単位１０２Ｃに隣り合う発電単位１０２Ｃのインターコネクタ８１０とを電気的に接続する。
【００７３】
このような構成の燃料電池スタック１００Ｃでは、燃料極８４０と空気極８６０とが対向する第１の方向（Ｚ方向）に平行である少なくとも１つの断面に、上記第１の領域条件および第２の領域条件の少なくとも一方を満たす領域が存在する。これにより、空気極８６０と中間層９００との境界付近に応力が集中することを、中間層９００の気孔によって緩和しつつ、気孔の存在によって燃料電池スタック１００Ｃの発電効率が低下することを抑制することができる。
【００７４】
Ｄ．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。
【００７５】
上記第１実施形態では、中間層として、第１の中間層３１０および第２の中間層３２０の２層で構成された中間層３００を例示したが、これに限定されず、中間層は、第１の方向に平行である少なくとも１つの断面に、上記第１の領域条件を満たす領域が存在する層を含めば、１つまたは３つ以上の層から構成された中間層もよい。
【００７６】
上記第２実施形態では、中間層として、１つの層から構成された中間層３００Ａを例示したが、これに限定されず、中間層は、第１の方向に平行である少なくとも１つの断面に、上記第２の領域条件を満たす領域が存在する層を含めば、２つ以上の層から構成された中間層もよい。
【００７７】
上記実施形態では、同一材料に対して焼成条件等を変えることにより気孔率が互いに異なる第１の中間層３１０および第２の中間層３２０が形成された中間層３００を例示したが、中間層は、これに限定されず、互いに気孔率が異なる２つの部材を共焼することにより、第１の中間層および第２の中間層が形成された中間層でもよい。
【００７８】
第２の中間層３２０の縦方向における厚さは、０．１μｍ未満でもよいし、０．９μｍより大きくてもよい。第１の中間層３１０（中間層３００Ａ）の気孔率は、１０％未満でもよいし、２５％より大きくてよい。また、第１の中間層３１０（中間層３００Ａ）の第１の方向における厚さは、１μｍ未満でもよいし、１５μｍより厚くてもよい。
【００７９】
上記各実施形態では、第１の中間層３１０（中間層３００Ａ）の第１の方向に平行である１つの断面に、上記第１の領域条件（第２の領域条件）を満たす領域が存在する例を説明したが、これに限定されず、第１の中間層３１０（中間層３００Ａ）の第１の方向に平行である複数の断面に上記第１の領域条件（第２の領域条件）を満たす領域が存在してもよい。例えば、第１の中間層３１０（中間層３００Ａ）を、第１の方向に直交する方向において等間隔に配列された複数の断面のうち、少なくとも３０％以上、４０％以上、５０％以上、あるいは、６０％以上の数の断面に上記第１の領域条件（第２の領域条件）を満たす領域が存在してもよい。なお、１つの断面において、第１の領域条件および第２の領域条件の両方を満たす領域が存在してもよい。
【００８０】
上記実施形態１における縦長気孔割合は、１００％未満であり、８０％以下でもよいし、７０％以下でもよいし、６０％以下でもよい。縦長気孔割合が８０％以下であれば、縦長気孔割合が８０％を超える場合に比べて、空気極１１４と第１の中間層３１０との境界付近にクラックが発生することを抑制し、また、上記拡散元素が空気極１１４から電解質層１１２側に拡散することを、より効果的に抑制することができる。
【００８１】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、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。
【００８２】
なお、本明細書において、直交・垂直とは、互いのなす角が８９度以上、９１度以下であることを意味する。また、平行とは、互いのなす角が−１度以上、１度以下であることを意味する。
【００８３】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００の配列方向における熱交換部１０３の位置はあくまで一例であり、熱交換部１０３の位置は任意の位置に変更可能である。ただし、熱交換部１０３の位置は、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２の内、より高温になる発電単位１０２に隣接する位置であることが、燃料電池スタック１００の配列方向における熱分布の緩和のために好ましい。例えば、燃料電池スタック１００の配列方向中央付近の発電単位１０２がより高温になりやすい場合には、上記実施形態のように、燃料電池スタック１００の配列方向中央付近に熱交換部１０３を設けることが好ましい。また、燃料電池スタック１００が２つ以上の熱交換部１０３を備えていてもよい。
【００８４】
また、上記実施形態では、熱交換部１０３が酸化剤ガスＯＧの温度を上昇させるように構成されているが、熱交換部１０３が、酸化剤ガスＯＧに代えて燃料ガスＦＧの温度を上昇させるように構成されてもよいし、酸化剤ガスＯＧと共に燃料ガスＦＧの温度を上昇させるように構成されてもよい。
【００８５】
また、上記実施形態では、ボルト２２の両側にナット２４が嵌められているとしているが、ボルト２２が頭部を有し、ナット２４はボルト２２の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。また、上記実施形態では、締結部材としてボルト２２が用いられているが、ボルト２２以外の他の締結部材により燃料電池スタック１００が締結されるとしてもよい。
【００８６】
また、上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート１０４，１０６の代わりに、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと接続された別部材（例えば、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと発電単位１０２との間に配置された導電板）が出力端子として機能するとしてもよい。
【００８７】
また、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各ボルト孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを、各ボルト２２が挿入されるボルト孔１０８と別に設けてもよい。
【００８８】
また、上記実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合には、１つのインターコネクタ１５０が隣接する２つの発電単位１０２に共有されるとしているが、このような場合でも、２つの発電単位１０２がそれぞれのインターコネクタ１５０を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ１５０や、最も下に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０は省略されているが、これらのインターコネクタ１５０を省略せずに設けてもよい。
【００８９】
また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体１４４と隣接するインターコネクタ１５０とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０は、多層構成であってもよい。
【００９０】
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。
【００９１】
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを得るとしているが、ＬＰガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスＦＧを得るとしてもよいし、燃料ガスＦＧとして純水素を利用してもよい。
【００９２】
また、上記実施形態において、電解質層１１２と空気極１１４との間に、例えばセリアを含む反応防止層を設け、電解質層１１２内のジルコニウム等と空気極１１４内のストロンチウム等とが反応することによる電解質層１１２と空気極１１４との間の電気抵抗の増大を抑制するとしてもよい。なお、本明細書において、Ａを挟んでＢとＣとが互いに対向するとは、ＡとＢまたはＣとが隣接することを必要とせず、ＡとＢまたは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との間に反応防止層が設けられた構成であっても、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。
【００９３】
上記実施形態では、燃料電池スタック１００に本発明を適用した例を説明したが、これに限らず、発電単位１０２単体や、単セル１１０単体に本発明を適用することにより、中間層内の気孔に起因して燃料電池の発電効率が低下することを抑制することができる。
【符号の説明】
【００９４】
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  ４５：粉末  １００，１００Ｃ：燃料電池スタック  １０２，１０２Ｃ：発電単位  １０３：熱交換部  １０４，１０６：エンドプレート  １０８：ボルト孔  １１０，１１０Ｃ：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  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  １６３：酸化剤ガス供給マニホールド  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  １８２：孔  １８４：連通孔  １８６：連通孔  １８８：熱交換流路  ３００，３００Ａ：中間層  ３１０：第１の中間層  ３２０：第２の中間層  ８１０：インターコネクタ  ８２０：燃料ガス流路  ８３０：電極支持体  ８４０：燃料極  ８５０：固体電解質層  ８６０：空気極  ８７０：集電部  ９００：中間層  Ｂ１：境界  Ｂ２：境界  Ｂ３：境界  Ｅ１，Ｅ２：領域  ＥＣ：領域  ＦＧ：燃料ガス  ＦＯＧ：燃料オフガス  Ｍ１：分析画像  ＭＣ：分析画像  ＯＧ：酸化剤ガス  ＯＯＧ：酸化剤オフガス  Ｐ：気孔  Ｒ：イオン導電経路
【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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