(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を含む単セルを複数備える燃料電池スタックにおいて、
複数の前記単セルの内の少なくとも１つの単セルに含まれる前記燃料極は、遷移金属元素と酸素イオン伝導性物質とを含有する活性層を有し、
前記活性層の前記遷移金属元素の平均粒径が１μｍ以上であり、前記空気極と前記燃料極とが対向する第１の方向における前記活性層の厚さが５μｍ以上、３０μｍ以下であり、かつ、前記活性層の気孔率が１６．８ｖｏｌ％以上であり、
７００℃以上、燃料利用率が８０％以上、電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2以上の状況下で運転されることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記活性層の前記遷移金属元素の平均粒径は、１．３５μｍ以上であることを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記活性層の気孔率は、３５ｖｏｌ％以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。
【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スタックにおいて、
複数の前記単セルの内、第１の単セルに含まれる前記燃料極に面する第１の燃料室と、第２の単セルに含まれる前記燃料極に面する第２の燃料室とに連通し、前記第１の燃料室から排出されたガスを前記第２の燃料室に導くガス流路が形成されており、
少なくとも前記第２の単セルに含まれる前記燃料極は前記活性層を有することを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項５】
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、を含む燃料電池単セルにおいて、
前記燃料極は、遷移金属元素および酸素イオン伝導性物質を含有する活性層を有し、
還元後における前記活性層の前記遷移金属元素の平均粒径が１μｍ以上であり、前記空気極と前記燃料極とが対向する第１の方向における前記活性層の厚さが５μｍ以上、３０μｍ以下であり、かつ、還元後における前記活性層の気孔率が１６．８ｖｏｌ％以上であり、
７００℃以上、燃料利用率が８０％以上、電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2以上の状況下で運転されることを特徴とする、燃料電池単セル。
【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、燃料電池スタックに関する。
【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。ＳＯＦＣは、一般に、所定の方向（以下、「配列方向」ともいう）に並べて配置された複数の単セルを備える燃料電池スタックの形態で利用される。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで配列方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含んでいる。燃料極は、遷移金属元素（例えばＮｉ（ニッケル））と酸素イオン伝導性物質（例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ））とを含有する活性層を有し、この活性層において、電解質層から供給される酸素イオンと燃料ガスに含まれる水素等とが反応し、電子が放出される。遷移金属元素は、主として、酸素イオンと水素等との反応を促進する触媒とし機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−３２４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池スタックでは、燃料極に供給された燃料ガスの量に対する発電反応に利用された燃料ガスの量の割合を示す燃料利用率が高くなることがある。例えば、燃料電池スタックに接続される負荷の抵抗値が変動すると、燃料電池スタックの発電量が増加し、発電反応に利用される燃料ガスの量が多くなることにより、燃料電池スタックの燃料利用率が高くなる。また、複数の単セルの内、一の単セルに含まれる燃料極に面する燃料室と、他の単セルに含まれる燃料極に面する燃料室とに連通し、一の単セルの燃料室から排出されたガスに含まれる水素等を他の単セルの燃料室に導くガス流路が形成された、いわゆる直列型または直並列型の燃料電池スタックが知られている。このような直列型または直並列型の燃料電池スタックでは、一の単セルの燃料室から排出されたガスに含まれる水素等が、更に、他の単セルの発電反応に利用されるため、燃料電池スタックの燃料利用率が高くなり易い。
【０００５】
燃料利用率が高くなると、燃料極のＩＲ抵抗が大きくなり、燃料電池スタックの発電効率が低下するという問題が生じることがある。即ち、燃料利用率が高くなると、燃料極が高温・高水蒸気圧に曝されることにより、燃料極の活性層に含まれる遷移金属元素と水蒸気とが酸化反応を起こし易くなるため、多くの遷移金属元素が、水酸化物として揮発して電解質層とは反対側に移動する。その結果、活性層の内、電解質層と活性層との境界付近の遷移金属元素が減少し、活性層の触媒機能が低下するため、燃料電池スタックの発電効率が低下する。また、例えば７００度以上、燃料利用率が８０％以上、電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2以上の高温・高燃料利用率・高電流密度の状況下で燃料電池スタックを運転した場合、燃料極が高温・高水蒸気圧に曝され易い。このような場合、燃料極の活性層に含まれる遷移金属元素と水蒸気とが酸化反応を起こし易くなるため、遷移金属元素が水酸化物として揮発して電解質層とは反対側に移動することが顕著に起こり易くなる。
【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スタックは、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を含む単セルを複数備える燃料電池スタックにおいて、複数の前記単セルの内の少なくとも１つの単セルに含まれる前記燃料極は、遷移金属元素と酸素イオン伝導性物質とを含有する活性層を有し、前記活性層の前記遷移金属元素の平均粒径が１μｍ以上であり、前記空気極と前記燃料極とが対向する第１の方向における前記活性層の厚さが５μｍ以上、３０μｍ以下であり、かつ、前記活性層の気孔率が１６．８ｖｏｌ％以上である。本燃料電池スタックによれば、燃料極の活性層が含有する遷移金属元素の平均粒径は１μｍ以上であり、比較的に大きいため、遷移金属元素自体が活性層内を移動し難い。また、活性層の上下方向における厚さが３０μｍ以下であり、比較的に薄いため、遷移金属元素と反応し得る水蒸気が活性層から排出され易い。さらに、活性層の気孔率は１６．８ｖｏｌ％以上であり、比較的に大きいため、遷移金属元素と反応し得る水蒸気が活性層から排出され易い。従って、高燃料利用率の状況下において遷移金属元素が活性層内において電解質層とは反対側に移動することに起因して燃料極のＩＲ抵抗が上昇することを抑制することができる。
【０００９】
（２）上記燃料電池スタックにおいて、前記活性層の前記遷移金属元素の平均粒径は、１．３５μｍ以上である構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、燃料極の活性層が含有する遷移金属元素の平均粒径が１．３５μｍ以上であり、比較的に大きいため、高燃料利用率の状況下において遷移金属元素が電解質層とは反対側に移動することを、より効果的に抑制することができる。
【００１０】
（３）上記燃料電池スタックにおいて、前記活性層の気孔率は、３５ｖｏｌ％以下である構成としてもよい。本燃料電池スタックによれば、活性層の気孔率が３５ｖｏｌ％以下であるため、遷移金属元素の移動を抑制しつつ、活性層の強度と、触媒効果を発揮し得る遷移金属元素の含有量とを確保することができる。
【００１１】
（４）上記燃料電池スタックにおいて、複数の前記単セルの内、第１の単セルに含まれる前記燃料極に面する第１の燃料室と、第２の単セルに含まれる前記燃料極に面する第２の燃料室とに連通し、前記第１の燃料室から排出されたガスを前記第２の燃料室に導くガス流路が形成されており、少なくとも前記第２の単セルに含まれる前記燃料極は前記活性層を有する構成としてもよい。直列型または直並列型のスタックでは、特に、ガス流路の下流側に位置する単セルにおいて、燃料ガス中に発電に利用される成分の濃度が薄くなっており、高燃料利用率の状況になり易いため、本発明を適用することで、この下流側の単セルにおいて遷移金属元素が電解質層とは反対側に移動することを抑制することができる。
【００１２】
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】
【００１３】
【図１】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斜視図
【図２】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
【図３】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
【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
【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ＹＺ断面構成を示す説明図
【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
【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下流および上流の２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図
【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上流の２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図
【図９】図６に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流の２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図
【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
【図１１】図７のＸＩ−ＸＩの位置における上流の発電単位１０２ＵのＸＹ断面構成を示す説明図
【図１２】図７のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における下流の発電単位１０２ＤのＸＹ断面構成を示す説明図
【図１３】単セル１１０の一部分（電解質層１１２、燃料極１１６、空気極１１４）のＸＺ断面構成を示す説明図
【図１４】本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法を示すフローチャート
【図１５】燃料極１１６の性能評価の結果を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
Ａ．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ＸＺ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ＹＺ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ＹＺ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。
【００１５】
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、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。以下、６つの発電単位１０２の内、上から３つの発電単位１０２を下流の発電単位１０２Ｄと呼ぶことがあり、残りの３つの発電単位１０２、即ち、下から３つの発電単位１０２を上流の発電単位１０２Ｕと呼ぶことがある。一対のエンドプレート１０４，１０６は、６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。
【００１６】
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。
【００１７】
各連通孔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。なお、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。
【００１８】
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つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中央付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿入された連通孔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が挿入された連通孔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。
【００１９】
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つの頂点（Ｘ軸正方向側およびＹ軸負方向側の頂点）付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｃ）と、そのボルト２２Ｃが挿入された連通孔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を上流の各発電単位１０２Ｕに供給する燃料ガス導入マニホールド１７１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（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が挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６から排出されたガスである燃料中間ガスＦＭＧを、下流の各発電単位１０２Ｄに向けて運ぶガス流路である燃料ガス中継マニホールド１７２として機能する。燃料中間ガスＦＭＧには、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６において発電反応に利用されなかった水素等が含まれる。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が挿入された連通孔１０８とにより形成された空間は、下流の各発電単位１０２Ｄ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１７３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。
【００２０】
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。また、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５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２２Ｃ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、図６に示すように、燃料ガス排出マニホールド１７３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１７３に連通している。
【００２１】
（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。
【００２２】
（発電単位１０２の構成）
図７から図１２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４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する下流の１つの発電単位１０２Ｄと上流の１つの発電単位１０２ＵとのＸＺ断面構成が示されており、図８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上流の２つの発電単位１０２ＵのＹＺ断面構成が示されており、図９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下流の２つの発電単位１０２ＤのＹＺ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ＸＹ断面構成が示されており、図１１には、図７のＸＩ−ＸＩの位置における上流の発電単位１０２ＵのＸＹ断面構成が示されており、図１２には、図７のＸＩＩ−ＸＩＩの位置における下流の発電単位１０２ＤのＸＹ断面構成が示されている。
【００２３】
図７から図９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が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。
【００２４】
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４から図６参照）。
【００２５】
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。上流の発電単位１０２Ｕに備えられた単セル１１０は、特許請求の範囲における第１の単セルに相当し、下流の発電単位１０２Ｄに備えられた単セル１１０は、特許請求の範囲における第２の単セルに相当する。
【００２６】
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。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。
【００２７】
燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材である。図１３には、単セル１１０の一部分（電解質層１１２、燃料極１１６、空気極１１４）のＸＺ断面構成が示されている。図１３に示すように、燃料極１１６は、電解質層１１２に隣接する活性層３５０と、活性層３５０の内の電解質層１１２とは反対側の表面に隣接する基板層３６０とを含む。活性層３５０と基板層３６０とは、いずれも、例えば、Ｎｉ（ニッケル）とセラミック粒子とからなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。セラミック粒子は、酸化イオン伝導性を有し、例えば、電解質層１１２を形成する上述の各材料（ＹＳＺ等）である。Ｎｉは、特許請求の範囲における遷移金属元素に相当し、セラミック粒子は、特許請求の範囲における酸素イオン伝導性物質に相当する。
【００２８】
活性層３５０は、主として、電解質層１１２から供給される酸素イオンと燃料ガスＦＧや燃料中間ガスＦＭＧに含まれる水素等とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮し、基板層３６０は、主として、活性層３５０と電解質層１１２と空気極１１４とを支持する機能を発揮する。なお、活性層３５０の活性を高めるために、活性層３５０におけるＮｉの含有率（ｍｏｌ％）は、基板層３６０におけるＮｉの含有率より高いことが好ましい。また、基板層３６０の強度を高めるために、基板層３６０の上下方向における厚さは活性層３５０の上下方向における厚さより厚くすることが好ましい。基板層３６０のガス拡散性を高めるために、基板層３６０の気孔率は活性層３５０の気孔率より高いことが好ましい。
【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、図７から図１０に示すように、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。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。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、図７から図９、図１１および図１２に示すように、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。図８および図１１に示すように、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料極側フレーム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１４２Ｕと、燃料室１７６と燃料ガス中継マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３Ｕとが形成されている。図９および図１２に示すように、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス中継マニホールド１７２と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２Ｄと、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７３とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３Ｄとが形成されている。
【００３２】
空気極側集電体１３４は、図７から図１０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している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４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。
【００３３】
燃料極側集電体１４４は、図７から図９、図１１および図１２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。
【００３４】
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図４、図７および図１０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から下流および上流の各発電単位１０２Ｄ，１０２Ｕ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。
【００３５】
また、図５、図８および図１１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から上流の各発電単位１０２Ｕの燃料ガス供給連通孔１４２Ｕを介して、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６に供給される。なお、燃料ガス導入マニホールド１７１は、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６には連通していないため、燃料ガス導入マニホールド１７１から下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されることはない。上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６から排出された燃料中間ガスＦＭＧは、燃料ガス排出連通孔１４３Ｕを介して燃料ガス中継マニホールド１７２に排出される。図６、図９および図１２に示すように、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６には、この上流の各発電単位１０２Ｕから排出された燃料中間ガスＦＭＧが、燃料ガス中継マニホールド１７２、および、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料ガス供給連通孔１４２Ｄを介して供給される。
【００３６】
上流の各発電単位１０２Ｕの空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、上流の各発電単位１０２Ｕの燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、上流の各発電単位１０２Ｕの単セル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。また、下流の各発電単位１０２Ｄの空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６に燃料中間ガスＦＭＧが供給されると、下流の各発電単位１０２Ｄの単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料中間ガスＦＭＧの電気化学反応による発電が行われる。これら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。
【００３７】
図４、図７および図１０に示すように、下流および上流の各発電単位１０２Ｕ，１０２Ｄの空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、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、図６、図９および図１２に示すように、下流の各発電単位１０２Ｄの燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、燃料ガス排出連通孔１４３Ｄを介して燃料ガス排出マニホールド１７３に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７３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。このように、燃料電池スタック１００の燃料ガスＦＧの流路構成は、外部から導入された燃料ガスＦＧが、上流の複数の発電単位１０２に並列に供給され、上流の各発電単位１０２Ｕから排出された燃料中間ガスＦＭＧが、燃料ガス中継マニホールド１７２を介して、下流の複数の発電単位１０２Ｄに並列に供給される、いわゆる直並列型になっている。上流の発電単位１０２Ｕの燃料室１７６は、特許請求の範囲における第１の燃料室に相当し、下流の発電単位１０２Ｄの燃料室１７６は、特許請求の範囲における第２の燃料室に相当し、燃料ガス中継マニホールド１７２は、特許請求の範囲におけるガス流路に相当する。
【００３８】
Ａ−３．燃料極１１６の詳細構成：
燃料極１１６の活性層３５０と基板層３６０（図１３参照）とは、Ｎｉの平均粒径と、上下方向（Ｚ軸方向）における厚さ（以下、単に「厚さ」という）と、気孔率とが互いに異なる。具体的には、活性層３５０のＮｉの平均粒径、厚さおよび気孔率は、次の通りである。
活性層３５０のＮｉの平均粒径：１μｍ以上、好ましくは１．３５μｍ以上
活性層３５０の厚さ：５μｍ以上、３０μｍ以下
活性層３５０の気孔率：１６．８ｖｏｌ％以上、３５ｖｏｌ％以下
また、本実施形態では、Ｎｉの平均粒径は、活性層３５０の厚さの１／３以下である。
【００３９】
一方、基板層３６０は、上述の活性層３５０で規定された、Ｎｉの平均粒径、厚さおよび気孔率の少なくとも１つの条件を満たさない層である。
【００４０】
以上のように、燃料極１１６の活性層３５０の気孔率は１６．８ｖｏｌ％以上であり、比較的に高く、また、活性層３５０の厚さが３０μｍ以下であり、比較的に薄いので、Ｎｉと反応し得る水蒸気が活性層３５０から排出されやすい。このため、活性層３５０に含まれるＮｉと水蒸気との酸化反応が起こり難い。また、燃料極１１６の活性層３５０が含有するＮｉの平均粒径は１μｍ以上、好ましくは１．３５μｍ以上であり、比較的に大きいため、仮に、Ｎｉと水蒸気との酸化反応が起きたとしても、その酸化反応により生成されたＮｉＯは活性層３５０内を移動し難い。従って、高燃料利用率の状況下においてＮｉが活性層３５０内において電解質層１１２とは反対側に移動することに起因して燃料極１１６のＩＲ抵抗が上昇することを抑制することができる。換言すれば、例えば７００度以上、燃料利用率が８０％以上、電流密度が０．５Ａ／ｃｍ2以上等の高温・高燃料利用率・高電流密度の状況下で使用可能な燃料電池スタック１００を製造することができる。
【００４１】
また、活性層３５０の気孔率が３５ｖｏｌ％以下であるため、気孔率が３５ｖｏｌ％より高い場合に比べて、気孔がない非気孔部分が多くなるため、強度が高い活性層３５０であって、触媒効果を発揮するＮｉの含有率が高い活性層３５０を形成することができる。さらに、活性層３５０のＮｉの平均粒径は、活性層３５０の厚さの１／３以下であるので、活性層３５０のＮｉの平均粒径が活性層３５０の厚さの１／３より大きい場合に比べて、高い酸素イオン伝導性を確保し、活性層３５０の活性を高めることができる。
【００４２】
Ａ−４．燃料電池スタック１００の製造方法：
図１４は、本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法を示すフローチャートである。まず、単セル１１０を作製される（Ｓ１１０）。具体的には、次の通りである。
（燃料極基板層用グリーンシートの作製）
ＮｉＯ粉末（５０重量部）とＹＳＺ粉末（５０重量部）との混合粉末（１００重量部）に対して、造孔材である有機ビーズ（混合粉末に対して１５重量％）と、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエン＋エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。有機ビーズは、例えば、ポリメタクリル酸メチルやポリスチレンなどの高分子により形成された球状粒子である。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、厚さ２５０μｍの燃料極基板層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極基板層用グリーンシートのＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばＮｉＯ粉末：ＹＳＺ粉末が６０：４０や４０：６０であっても構わない。つまり、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末が１００重量部となるように、ＮｉＯ粉末は４０〜６０重量部の間で適宜変更でき、残りをＹＳＺ粉末とすることができる。
【００４３】
（燃料極活性層用グリーンシートの作製）
ＮｉＯ粉末（６０重量部）とＹＳＺ粉末（４０重量部）との混合粉末（１００重量部）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＋エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。なお、例えば、ＮｉＯ粉末の粒径を調整することにより、後述する還元後の単セル１１０におけるＮｉの平均粒径を調整することができる。また、上記混合粉末に、更に、造孔材である有機ビーズ（混合粉末に対して３．９重量％）を加えて、ボールミルにて混合して、スラリーを調整することにより、気孔率が燃料極基板層用グリーンシートより高い燃料極活性層用グリーンシートを作製することができる。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、厚さ１０μｍ〜３０μｍの燃料極活性層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極活性層用グリーンシートのＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばＮｉＯ粉末：ＹＳＺ粉末が５０：５０や４０：６０であっても構わない。つまり、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末が１００重量部となるように、ＮｉＯ粉末は４０〜６０重量部の間で適宜変更でき、残りをＹＳＺ粉末とすることができる。
【００４４】
（電解質層用グリーンシートの作製）
ＹＳＺ粉末（１００重量部）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＋エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。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、厚さ１０μｍの電解質層用グリーンシートを作製する。
【００４５】
（電解質層１１２と燃料極１１６との積層）
燃料極基板層用グリーンシートと燃料極活性層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとを貼り付けて約２８０℃で脱脂する。さらに、約１３５０℃にて焼成を行い、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。
【００４６】
（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する。作成した混合液を、上記積層体における電解質層１１２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を成形することにより、焼成体（還元前の単セル１１０）を得ることができる。
【００４７】
その後、残りの組み立て工程（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）が行われ、燃料極１１６の活性層３５０が還元される前の燃料電池スタック１００の組み立てが完了する（Ｓ１２０）。
【００４８】
（還元工程）
組み立て後の燃料電池スタック１００が、７００℃の水素雰囲気に約１時間晒されることにより活性層３５０が還元（ＮｉＯがＮｉに還元）され（Ｓ１３０）、上述した構成の燃料電池スタック１００の製造が完了する。
【００４９】
Ａ−５．燃料極１１６の活性層３５０の分析方法：
還元後の燃料電池スタック１００における各単セル１１０の燃料極１１６の活性層３５０について、Ｎｉの平均粒径と、厚さと、気孔率との特定方法は次の通りである。
【００５０】
（Ｎｉの平均粒径の特定方法）
活性層３５０のＮｉの平均粒径は、以下の方法により特定される。Ｎｉの平均粒径を特定する際は、還元後の活性層３５０を用いて特定することが好ましい。酸化剤ガス流れ方向（図２に示すように本実施形態ではＸ軸方向）に沿って並ぶ３つの位置で、酸化剤ガス流れ方向に直交する発電単位１０２の断面を設定し、各断面の任意の３カ所で、活性層３５０が写ったＦＩＢ-ＳＥＭ（加速電圧１．５ｋＶ）におけるＳＥＭ画像（例えば５０００倍）を得る。つまり、９つのＳＥＭ画像が得られる。各ＳＥＭ画像は、例えば、活性層３５０の上下方向における全体が確認できる画像であって、活性層３５０と電解質層１１２との境界Ｂ１（図１３参照）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個の分割領域の内、最も上の分割領域内に位置し、活性層３５０と基板層３６０との境界Ｂ２（図１３参照）と推測される部分、あるいは、燃料極１１６（基板層３６０）の下端が、最も下の分割領域内に位置している画像である。得られた各ＳＥＭ画像において、上下方向に直交する複数の直線を所定の間隔（例えば１μｍから５μｍ間隔）で引く。ここで、活性層３５０内におけるＮｉ粒子とＹＳＺ粒子と気孔との識別は、例えば、各ＳＥＭ画像における明暗差を用いて行うことができる。具体的には、各ＳＥＭ画像を解析することにより、各ＳＥＭ画像を、明度に応じた３つの領域に分類することができる。最も明るい領域がＮｉ粒子に対応し、２番目に明るい領域がＹＳＺ粒子に対応し、最も暗い領域が気孔に対応する。各直線上のＮｉにあたる部分の長さを測定し、そのＮｉにあたる部分の長さの平均値を、当該線上におけるＮｉの粒子径とする。活性層３５０に引かれた複数の直線におけるＮｉの粒子径の平均値を、活性層３５０の最終的なＮｉの平均粒径とする。
【００５１】
（厚さの特定方法）
活性層３５０の厚さは、以下の方法により特定される。上記各ＳＥＭ画像において、活性層３５０と電解質層１１２との境界Ｂ１は、活性層３５０と電解質層１１２との構成物質の相違や視認等に基づき特定することができる。また、活性層３５０と基板層３６０との境界Ｂ２は、活性層３５０と基板層３６０とのＮｉの含有率、Ｎｉの平均粒径や気孔率の相違等に基づき特定することができる。得られた各ＳＥＭ画像において、上下方向（発電単位１０２の並び方向）に平行な複数の線を所定の間隔（例えば１μｍから５μｍ間隔）で引く。各直線上において、活性層３５０と電解質層１１２との境界Ｂ１と、活性層３５０と基板層３６０との境界Ｂ２との距離を測定し、その測定値を当該線上における厚さとする。活性層３５０の部分に引かれた複数の直線における厚さの平均値を、そのＳＥＭ画像における活性層３５０の厚さとする。活性層３５０について、９つのＳＥＭ画像において求められた厚さの平均値を取ることにより、最終的な厚さとする。
【００５２】
（気孔率の特定方法）
各部材の気孔率は、以下の方法により特定される。上記各ＳＥＭ画像において、上下方向（発電単位１０２の並び方向）に直交する複数の線を所定の間隔（例えば１μｍから５μｍ間隔）で引く。各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、直線の全長に対する気孔にあたる部分の長さの合計の比を、当該線上における気孔率とする。気孔率を特定すべき部材の部分に引かれた複数の直線における気孔率の平均値を、そのＳＥＭ画像における当該部材の気孔率とする。当該部材について、９つのＳＥＭ画像において求められた気孔率の平均値を取ることにより、最終的な気孔率とする。
【００５３】
Ａ−６．燃料極１１６の性能評価：
上述した燃料極１１６のＩＲ抵抗上昇の抑制効果について、以下の通り、燃料極１１６の性能評価を行った。図１５は、燃料極１１６の性能評価の結果を示す説明図である。図１５に示すように、性能評価には、活性層３５０内におけるＮｉの平均粒径（μｍ）と、活性層３５０の厚さ（μｍ）と、活性層３５０の気孔率（ｖｏｌ％）との組み合わせが互いに異なる１６種類のサンプルを用いた。各サンプルは、上述の製造方法により作成することができる。また、各サンプルは、還元後の単セル１１０である。各サンプルに、次の運転条件Ａと運転条件Ｂとで発電動作をさせて、各サンプルの燃料極１１６のＩＲ抵抗（Ωｃｍ２）を測定し、その測定値に基づき判定を行った。
運転条件Ａ：サンプルの温度が８５０℃であり、サンプルの燃料極１１６側における水素に対する水蒸気の濃度比が通電時にてＨ２：Ｈ２Ｏ＝１：４の状態（相対的に燃料利用率が高い状態）を９０時間維持する。具体的には、燃料極１１６側に水素を２０ｍｌ／ｍｉｎと窒素を３１０ｍｌ／ｍｉｎとをバブラーに通して燃料極１１６側に供給する。なお、窒素を供給する理由は、水素に対する水蒸気の濃度比を擬似的に高くするためである。
運転条件Ｂ：サンプルの温度が７００℃であり、サンプルの燃料極１１６側における水素に対する水蒸気の濃度比が通電時にてＨ２：Ｈ２Ｏ＝９６：４の状態（相対的に燃料利用率が低い状態）を１００時間維持する。具体的には、水素を３２０ｍｌ／ｍｉｎをバブラーに通して燃料極１１６側に供給する。
即ち、運転条件Ａは、運転条件Ｂより高温・高燃料利用率である。なお、運転条件Ａおよび運転条件Ｂともに、サンプルの電流密度は０．５５Ａ／ｃｍ２である。また、図１５の判定における「◎」は、ＩＲ抵抗の測定値が０．１Ωｃｍ２以下であることを意味し、「○」は、ＩＲ抵抗の測定値が０．１Ωｃｍ２より大きく、０．３Ωｃｍ２以下であることを意味し、「×」は、ＩＲ抵抗の測定値が０．３Ωｃｍ２より大きいことを意味する。
【００５４】
サンプル１は、活性層３５０の気孔率が１６．８ｖｏｌ％未満のものであり、運転条件Ｂでは「○」と判定されたが、運転条件Ａでは「×」と判定された。この理由は次の通りであると考えられる。活性層３５０の気孔率が低いと、活性層３５０の通気性が悪くなるため、発電反応によって発生した水蒸気が活性層３５０内に滞留し易くなる。そうすると、活性層３５０内の水蒸気濃度が高くなり、水蒸気とＮｉとが酸化反応し易くなるため、多くのＮｉが、Ｎｉ（ＯＨ）２として揮発して基板層３６０側に移動し、その結果、活性層３５０内のＮｉが減少し、活性層３５０の触媒機能が低下し、燃料極１１６のＩＲ抵抗が大きくなると考えられる。
【００５５】
サンプル２は、活性層３５０のＮｉの平均粒径が１μｍ未満のものであり、運転条件Ｂでは「○」と判定されたが、運転条件Ａでは「×」と判定された。この理由は次の通りであると考えられる。Ｎｉの平均粒径が比較的に小さいと、水蒸気とＮｉとが反応し易いため、Ｎｉ（ＯＨ）２が生成しＮｉが移動し易くなる。その結果、電解質層１１２と活性層３５０との境界Ｂ１付近のＮｉが減少し、活性層３５０の触媒機能が低下し、燃料極１１６のＩＲ抵抗が大きくなると考えられる。
【００５６】
サンプル１４は、活性層３５０の厚さが３０μｍより大きいものであり、運転条件Ａで「×」と判定された。この理由は次の通りであると考えられる。活性層３５０の厚さが厚いと、発電反応によって発生した水蒸気が活性層３５０内に滞留し易くなる。そうすると、活性層３５０内の水蒸気濃度が高くなり、水蒸気とＮｉとが酸化反応し易くなるため、多くのＮｉが、Ｎｉ（ＯＨ）２として揮発して基板層３６０側に移動し、その結果、電解質層１１２と活性層３５０との境界Ｂ１付近のＮｉが減少し、活性層３５０の触媒機能が低下し、燃料極１１６のＩＲ抵抗が大きくなると考えられる。
【００５７】
一方、上記のサンプル１，２，１４以外のサンプル３〜１３，１５，１６は、活性層３５０の気孔率が１６．８ｖｏｌ％以上、Ｎｉの平均粒径が１μｍ以上、かつ、活性層３５０の厚さが３０μｍ以下のものであり、運転条件Ｂでは「○」と判定され、運転条件Ａでは「○」若しくは「◎」と判定された。この理由は次の通りであると考えられる。活性層３５０の厚さが３０μｍ以下であり、比較的に薄いため、発電反応によって発生した水蒸気が活性層３５０から排出され易い。さらに、活性層３５０の気孔率は１６．８ｖｏｌ％以上であり、比較的に大きいため、発電反応によって発生した水蒸気が活性層３５０から、より排出され易い。このため、活性層３５０に含まれるＮｉと水蒸気との酸化反応が起こり難い。また、Ｎｉの平均粒径が１μｍ以上であり、比較的に大きいため、仮に、Ｎｉと水蒸気との酸化反応が起きたとしても、その酸化反応により生成されたＮｉＯは活性層３５０内を移動し難い。従って、高温・高燃料利用率の状況下においても活性層３５０内のＮｉが基板層３６０側に移動することに起因して燃料極１１６のＩＲ抵抗が上昇することを抑制することができる。
【００５８】
さらに、サンプル９〜１１，１５は、活性層３５０の気孔率が１６．８ｖｏｌ％以上、Ｎｉの平均粒径が１．３５μｍ以上、かつ、活性層３５０の厚さが１０μｍ以下のものであり、運転条件Ｂでは「○」と判定され、運転条件Ａでは「◎」と判定された。この判定結果より、活性層３５０内のＮｉの平均粒径をより大きくしつつ、活性層３５０の厚さをより薄くすることにより、高温・高燃料利用率の状況下において、活性層３５０内のＮｉが基板層３６０側に移動することに起因して燃料極１１６のＩＲ抵抗が上昇することをより効果的に抑制することができるといえる。
【００５９】
また、サンプル８は、Ｎｉの平均粒径が１．３５μｍ未満であるが、活性層３５０の厚さが１０μｍ以下、かつ、活性層３５０の気孔率が３０ｖｏｌ％以上のものであり、運転条件Ｂでは「○」と判定され、運転条件Ａでは「◎」と判定された。この判定結果より、Ｎｉの平均粒径が１．３５μｍ未満であっても、活性層３５０の気孔率を高くすることにより、高温・高燃料利用率の状況下において、活性層３５０内のＮｉが基板層３６０側に移動することに起因して燃料極１１６のＩＲ抵抗が上昇することをより効果的に抑制することができるといえる。
【００６０】
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。
【００６１】
上記実施形態では、燃料極として、活性層３５０と基板層３６０とを有する燃料極１１６を例示したが、燃料極は、これに限定されず、例えば活性層３５０のみ有する構成（例えば電解質層支持形の単セル）や、基板層３６０に代えて、あるいは、基板層３６０に加えて、別の層を有する構成などでもよい。
【００６２】
上記実施形態では、遷移金属元素として、Ｎｉを例示したが、遷移金属元素は、これに限定されず、例えば、Ｎｉ、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）等でもよい。但し、Ｎｉといった高い水素酸化活性を有する金属元素が好ましい。
【００６３】
上記実施形態では、酸素イオン伝導性物質として、セラミック粒子を例示したが、酸素イオン伝導性物質は、これに限定されず、酸素イオン伝導性を有する他の物質でもよい。
【００６４】
上記実施形態では、燃料電池スタックとして、直並列型の燃料電池スタック１００を例示したが、燃料電池スタックは、これに限定されず、複数の単セルに含まれる燃料極に面する燃料室が互いに直列に接続された、いわゆる直列型の燃料電池スタックでもよいし、複数の単セルに含まれる燃料極に面する燃料室が互いに並列に接続された、いわゆる並列型の燃料電池スタックでもよい。但し、直並列型や直列型の燃料電池スタックでは、下流側の単セルにおいて水素等が不足気味になり易いので、特に本発明が有効である。
【００６５】
上記実施形態において、活性層３５０のＮｉの平均粒径は、１μｍ以上、１．３５μｍ未満でもよい。また、活性層３５０の気孔率は、３５ｖｏｌ％より高くてもよい。
【００６６】
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。また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００の締結に使用されるボルト２２の個数は、あくまで一例であり、ボルト２２の個数は燃料電池スタック１００に要求される締結力等に応じて適宜決められる。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
また、上記実施形態では、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が挿入される各連通孔１０８とは別に設けてもよい。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【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。
【００７５】
また、上記実施形態（または変形例、以下同様）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、活性層３５０のＮｉの平均粒径が１．３５μｍ以上であり、活性層３５０の厚さが５μｍ以上、３０μｍ以下であり、且つ、活性層３５０の気孔率が１６．８ｖｏｌ％以上、３５ｖｏｌ％以下であるという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、燃料極１１６のＩＲ抵抗上昇が抑制され、燃料電池スタック１００の発電効率が向上するという効果を奏する。例えば、６つの発電単位１０２の内、水素等が不足気味になり易い下流の発電単位１０２Ｄだけが、そのような構成になっていてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
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  １０２Ｄ，１０２Ｕ：発電単位  １０４，１０６：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  １４０：燃料極側フレーム  １４１：孔  １４２Ｄ：燃料ガス供給連通孔  １４２Ｕ：燃料ガス供給連通孔  １４３Ｄ：燃料ガス排出連通孔  １４３Ｕ：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：燃料ガス中継マニホールド  １７３：燃料ガス排出マニホールド  １７６：燃料室  ３５０：活性層  ３６０：基板層  Ｂ１：境界  Ｂ２：境界  ＦＧ：燃料ガス  ＦＭＧ：燃料中間ガス  ＦＯＧ：燃料オフガス  ＯＧ：酸化剤ガス  ＯＯＧ：酸化剤オフガス
【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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