特開 2022-156005 燃料電池単セルおよび燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022156005

(43)【公開日】2022-10-14

(54)【発明の名称】燃料電池単セルおよび燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/86 20060101AFI20221006BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20221006BHJP

【ＦＩ】

H01M4/86 U

H01M8/12 102A

H01M8/12 101

H01M8/12 102B

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021059490

(22)【出願日】2021-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】519322392

【氏名又は名称】森村ＳＯＦＣテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001911

【氏名又は名称】特許業務法人アルファ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柿沼 保夫

(72)【発明者】

【氏名】石田 暁

(72)【発明者】

【氏名】小野 達也

(72)【発明者】

【氏名】竹内 瑞絵

【テーマコード（参考）】

5H018

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H018AA06

5H018AS02

5H018HH03

5H126BB06

(57)【要約】

【課題】燃料電池単セルの発電性能を向上させる。
【解決手段】
燃料電池単セルは、電解質層と、電解質層の第１の方向の一方側に配置された空気極と、電解質層の第１の方向の他方側に配置された燃料極とを備える。燃料極の電解質層に対向する第１の表面から第１の方向の電解質層とは反対側に延伸する第２の表面に、第１の方向と交差する方向に延在する部分を含む特定溝が形成されている。特定溝が表れる位置における燃料極の第１の方向に沿った特定断面に含まれる１対の第２の表面の輪郭線のうちの一方であって、特定溝を画定する輪郭線を含む特定輪郭線の長さをＬ１１とし、特定輪郭線の一端と他端とを結ぶ仮想線分の長さをＬ１２とし、Ｌ１１／Ｌ１２をＡ１としたときに、数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たす。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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空気極と、
前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された燃料極と、を備える、燃料電池単セルにおいて、
前記燃料極の前記電解質層に対向する第１の表面から前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に延伸する第２の表面に、前記第１の方向と交差する方向に延在する部分を含む特定溝が形成されており、
前記特定溝が表れる位置における前記燃料極の前記第１の方向に沿った特定断面において、
前記特定断面に含まれる１対の前記第２の表面の輪郭線のうちの一方であって、前記特定溝を画定する輪郭線を含む特定輪郭線の長さをＬ１１とし、前記特定輪郭線の一端と他端とを結ぶ仮想線分の長さをＬ１２とし、Ｌ１１／Ｌ１２をＡ１としたときに、
数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たす、
ことを特徴とする燃料電池単セル。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池単セルであって、
前記特定断面において、
前記燃料極の前記第１の表面とは反対の第３の表面であって、前記第２の表面に連なる第３の表面の輪郭線の長さをＬ２１とし、前記第３の表面の一端と他端とを結ぶ仮想線分の長さをＬ２２とし、Ｌ２１／Ｌ２２をＡ２としたときに、
数式：Ａ１＞Ａ２を満たす、
ことを特徴とする燃料電池単セル。

【請求項3】

請求項２に記載の燃料電池単セルであって、
数式：１．０００≦Ａ２＜１．０１０を満たす、
ことを特徴とする燃料電池単セル。

【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燃料電池単セルであって、
前記特定溝は、前記第１の方向の両方に曲がる蛇行状である、
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を備える燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書によって開示される技術は、燃料電池単セルおよび燃料電池スタックに関する。

【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、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という）は、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向（以下、「第１の方向」という）に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（以下、単に「単セル」という。）と、空気極および燃料極にそれぞれ面する空気室および燃料室と、を有している。一般に、ＳＯＦＣは、上記第１の方向に並べて配置された複数の発電単位から構成される発電ブロックを備える燃料電池スタックの形態で利用される（例えば特許文献１）。このような燃料電池スタックにおいては、燃料極は、電解質層に対向する表面（以下、「第１の表面」という。）と、第１の表面から第１の方向の電解質層とは反対側に延伸する表面（以下、「第２の表面」という。）とを備え、第２の表面は略平面である。燃料室（燃料極に面する空間）内に供給される燃料ガスは、燃料極の第２の表面に沿って、第１の方向に直交する方向（以下、「第２の方向」という。）に流れ、それから燃料極内に流れ込むと、燃料極内において発電のための電気化学反応が生じる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－３６４１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した単セルを用いた燃料電池セルスタックにおいては、燃料室内に供給される燃料ガスが燃料極の第２の表面（電解質層に対向する第１の表面から第１の方向の電解質層とは反対側に延伸する表面）に沿って、より第２の方向（第１の方向に直交する方向）に流れ、より広範囲に拡散するほど、発電性能が向上する。

【0005】

しかしながら、従来の単セルでは、第２の表面が平面であるため、燃料室内に供給される燃料ガスが燃料極の第２の表面において、第２の方向に十分に拡散しないで下流側（例えば、燃料極の第１の表面とは反対の表面や、燃料極の内部）に流れ、これにより、燃料ガスの燃料極内における第２の方向の拡散範囲が狭くなる場合がある。そのため、この単セルにおいては、燃料ガスの燃料極内における第２の方向の拡散範囲が狭くなることに起因して単セルの発電性能が低下するおそれがある。

【0006】

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】

【0007】

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。

【0008】

（１）本明細書に開示される燃料電池単セルは、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空気極と、前記電解質層の前記第１の方向の他方側に配置された燃料極と、を備える、燃料電池単セルにおいて、前記燃料極の前記電解質層に対向する第１の表面から前記第１の方向の前記電解質層とは反対側に延伸する第２の表面に、前記第１の方向と交差する方向（以下、「第２の方向」という。）に延在する部分を含む特定溝が形成されており、前記特定溝が表れる位置における前記燃料極の前記第１の方向に沿った特定断面において、前記特定断面に含まれる１対の前記第２の表面の輪郭線のうちの一方であって、前記特定溝を画定する輪郭線を含む特定輪郭線の長さをＬ１１とし、前記特定輪郭線の一端と他端とを結ぶ仮想線分の長さをＬ１２とし、Ｌ１１／Ｌ１２をＡ１としたときに、数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たす。

【0009】

本燃料電池単セルでは、上述した特定部分（第１の方向と交差する第２の方向に延在する部分）を含む特定溝が第２の表面に形成されていることにより、当該特定溝に至った燃料ガスは、当該特定部分を通って、第２の表面に沿って第２の方向（より正確には、第２の方向の成分を有する方向）に流れ易くなる。そのため、本燃料電池単セルによれば、燃料ガスの燃料極内における第２の方向の拡散範囲を広くすることができ、ひいては、上記燃料電池単セルの発電性能（ひいては、上記燃料電池スタックの発電性能）を向上させることができる。

【0010】

（２）上記燃料電池単セルにおいて、前記特定断面において、前記燃料極の前記第１の表面とは反対の第３の表面であって、前記第２の表面に連なる第３の表面の輪郭線の長さをＬ２１とし、前記第３の表面の一端と他端とを結ぶ仮想線分の長さをＬ２２とし、Ｌ２１／Ｌ２２をＡ２としたときに、数式：Ａ１＞Ａ２を満たす構成としてもよい。

【0011】

仮に、Ａ１≦Ａ２を満たす（換言すれば、第３の表面が第２の表面よりも凹凸の激しい形状である）構成においては、第３の表面の凹凸により、燃料ガスが過度に第２の方向（より正確には、第２の方向のうち、特定溝による拡散方向と同じ方向）に流れることにより燃料極から離れたり、または、燃料ガスが第２の方向のうち、特定溝による拡散方向とは反対の方向に流れたりすることにより、燃料ガスの燃料極内における第２の方向の拡散範囲が狭くなり、ひいては、上記燃料電池単セルの発電性能（ひいては、上記燃料電池スタックの発電性能）が低下するおそれがある。

【0012】

これに対し、本燃料電池単セルにおいては、上述したように、Ａ１＞Ａ２を満たす（換言すれば、第３の表面が第２の表面よりも凹凸の小さい形状である）構成である。そのため、燃料極の第２の表面に形成された特定溝により第２の方向に拡散した燃料ガスは、第３の表面を流れる際には、Ａ１≦Ａ２を満たす構成と比較して、第２の方向の位置を変化させずに流れる。よって、本燃料電池単セルによれば、より効果的に、上記燃料電池単セルの発電性能（ひいては、上記燃料電池スタックの発電性能）を向上させることができる。

【0013】

（３）上記燃料電池単セルにおいて、数式：１．０００≦Ａ２＜１．０１０を満たす（換言すれば、第３の表面の凹凸が十分に小さい、もしくは凹凸が無い）構成としてもよい。本燃料電池単セルにおいては、燃料極の第２の表面に形成された特定溝により第２の方向に拡散した燃料ガスは、第３の表面を流れる際には、より効果的に、第２の方向の位置を変化させずに流れる。よって、本燃料電池単セルによれば、より効果的に、上記燃料電池単セルの性能（ひいては、上記燃料電池スタックの発電性能）を向上させることができる。

【0014】

（４）上記燃料電池単セルにおいて、前記特定溝は、前記第１の方向の両方に曲がる蛇行状である構成としてもよい。本燃料電池単セルにおいては、特定溝が第１の方向の両方に曲がる蛇行状であることにより、燃料ガスの第２の方向への流れ易さをある程度確保しつつ、燃料ガスの燃料極内における第１の方向の拡散範囲を広げることができる。

【0015】

本明細書に開示される燃料電池スタックは、上述した燃料電池単セルを備える。本燃料電池スタックによれば、上述したように、燃料ガスの燃料極内における第２の方向の拡散範囲を広くすることができ、ひいては、上記燃料電池単セルの発電性能（ひいては、上記燃料電池スタックの発電性能）を向上させることができる。

【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、燃料電池単セル、燃料電池スタック、燃料電池単セルの製造方法、燃料電池スタック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】

【0017】

【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

【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

【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

【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

【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

【図6】燃料電池スタック１００における単セル１１０（図５のＸ１の部分）のＹＺ断面構成を拡大して示す説明図である。

【図7】単セル１１０付近に導入される燃料ガスＦＧの流れ方向を概略的に示す説明図である。

【図8】単セル１１０の端面（後述する第２の表面Ｓ２）の一部（図７のＸ２の部分）のＸＺ平面構成を拡大して示す説明図である。

【図9】燃料電池スタック１００の性能評価を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

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。

【0019】

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Ｚ軸方向）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、Ｚ軸方向は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

【0020】

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軸方向回りの周縁部には、Ｚ軸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Ｚ軸方向に連通して、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Ｚ軸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。

【0021】

各連通孔１０８にはＺ軸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。

【0022】

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軸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。

【0023】

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軸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。

【0024】

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。

【0025】

（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。

【0026】

（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。

【0027】

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ軸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。

【0028】

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）。

【0029】

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上方（Ｚ軸方向の一方）側に配置された空気極（カソード)１１４と、電解質層１１２の下方（Ｚ軸方向の他方）側に配置された燃料極（アノード）１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された中間層１８０とを備えている。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６によって単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、中間層１８０）を支持する燃料極支持形の単セルである。

【0030】

電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、固体酸化物（例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア））を含むように構成されている。すなわち、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。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型酸化物（例えば、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（以下、「ＬＳＣＦ」という。））を含むように構成されている。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。中間層１８０は、略矩形の平板形状部材であり、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）を含むように構成されている。中間層１８０は、空気極１１４から拡散したＳｒ（ストロンチウム）が電解質層１１２に含まれるＺｒ（ジルコニウム）と反応して高抵抗な物質であるＳｒＺｒＯ_３が生成されることを抑制する。

【0031】

セパレータ１２０は、中央付近にＺ軸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。

【0032】

空気極側フレーム１３０は、中央付近にＺ軸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。

【0033】

燃料極側フレーム１４０は、中央付近にＺ軸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。

【0034】

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。

【0035】

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構成されてもよい。また、空気極側集電体１３４やインターコネクタ１５０の少なくとも一部の表面が、導電性のコートによって覆われていてもよい。また、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間に、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。

【0036】

なお、上述したように、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。従って、インターコネクタ１５０は、空気極側集電体１３４を介して空気極１１４に接続されている。また、このような構成に換えて、インターコネクタ１５０は、空気極側集電体１３４以外の部材を介して空気極１１４に接続されていてもよく、空気極１１４に接触することにより接続されていてもよい。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

Ａ－３．単セル１１０の詳細構成：
図６は、燃料電池スタック１００における単セル１１０（図５のＸ１の部分）のＸＹ断面構成を拡大して示す説明図である。図７は、単セル１１０付近に導入される燃料ガスＦＧの流れ方向を概略的に示す説明図である。図８は、単セル１１０の端面（後述する第２の表面Ｓ２）の一部（図７のＸ２の部分）のＸＺ平面構成を拡大して示す説明図である。

【0041】

以下、燃料極１１６の電解質層１１２に対向する表面Ｓ１を「第１の表面Ｓ１」といい、燃料極１１６の第１の表面Ｓ１からＺ軸負方向（換言すれば、Ｚ軸方向の電解質層１１２とは反対側）に延伸する表面Ｓ２を「第２の表面Ｓ２」という。なお、本実施形態では、燃料極１１６は上述したように略矩形の平板形状部材であり、当該平板形状部材の板厚方向がＺ軸方向である。当該平板形状部材の板厚方向（Ｚ軸方向）に延伸する表面である第２の表面Ｓ２は、Ｚ軸方向に直交するＸ軸方向に長い形状をなしている。

【0042】

図６から図８までに示すように、燃料極１１６の第２の表面Ｓ２に、１つまたは複数よりなる溝（以下、「特定溝」という。）Ｇが形成されている。図８に示すように、燃料極１１６の第２の表面Ｓ２は凸部１１６１と凹部１１６２とを有しており、特定溝Ｇは凹部１１６２によって構成されている。

【0043】

図６では便宜上、特定溝Ｇの形状が単純な形状とされているが、実際には、例えば図８に示すような複雑な形状をなしている。具体的には下記の通りである。

【0044】

図８に示すように、特定溝Ｇは、Ｘ軸方向（換言すれば、Ｚ軸方向と交差する方向）に延在する部分（以下、「特定部分」という。）Ｇ１を含んでいる。ここでいう「Ｘ軸方向に延在する」とは、Ｘ軸方向に直線状に延伸している態様に限らず、特定部分Ｇ１の始点と終点とでＸ軸方向の位置が異なるあらゆる態様が含まれると解釈されてよい。また、特定部分Ｇ１内を通る燃料ガスＦＧのＸ軸方向への流れ易さに鑑み、「Ｘ軸方向に延在する」が、「特定部分Ｇ１の如何なる部分であろうと、始点に対する終点のＸ軸方向の位置関係が同じである（すなわち、如何なる部分であろうと、終点が始点に対してＸ軸正方向（またはＸ軸負方向）側に位置する）」という条件を満たすと解釈されてもよい。

【0045】

特定溝Ｇは、上述したようにＸ軸方向（換言すれば、Ｚ軸方向と交差する方向）に延在する特定部分Ｇ１を含みつつも、全体としては、Ｚ軸方向（換言すれば、燃料室１７６を流れる燃料ガスＦＧの流れの方向に直交する方向）の両方に曲がる蛇行状である。

【0046】

特定溝Ｇの幅（Ｚ軸方向に沿う方向の長さ）、長さ（Ｘ軸方向に沿う方向の長さ）、および深さ（Ｙ軸方向に沿う方向の長さ）は様々であるが、基本的には、特定溝Ｇの幅は０．１μｍ以上、１０．０μｍ以下程度であり、特定溝Ｇの長さは０．５μｍ以上、１００．０μｍ以下程度であり、特定溝Ｇの深さは０．５μｍ以上、１００．０μｍ以下程度である。特定溝Ｇの深さが０．５μｍ以上であることにより、特定溝Ｇは燃料ガスＦＧの流路として好適に機能し、特定溝Ｇの深さが１００．０μｍ以下であることにより、燃料ガスＦＧが特定溝Ｇ内で過度に滞留することが抑制され、燃料ガスＦＧの流通性を確保することができる。

【0047】

以下、特定溝Ｇが表れる位置における燃料極１１６のＺ軸方向に沿った断面（例えば図６に示す燃料極１１６の断面）を「特定断面」という。特定断面において、特定断面に含まれる１対の第２の表面Ｓ２の輪郭線Ｃ１，Ｃ２のうちの一方であって、特定溝Ｇを画定する輪郭線を含む輪郭線（以下、「特定輪郭線」という。）Ｃ１の長さをＬ１１とし、特定輪郭線Ｃ１の一端と他端とを結ぶ仮想線分ＶＬ１の長さをＬ１２とし、Ｌ１１／Ｌ１２をＡ１としたときに、単セル１１０は、数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たしている。ここでいう「単セル１１０は、数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たす」とは、単セル１１０の少なくとも５つの特定断面において数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たすことである。この「５つの特定断面」の選定方法としては、例えば、特定溝ＧをＸ軸方向（換言すれば、燃料室１７６に導入される燃料ガスＦＧの流れの方向に直交する方向）において５等分した各地点における断面を用いることが挙げられる。後述する「数式：Ａ１＞Ａ２」についても同様である。

【0048】

以下、燃料極１１６の第１の表面Ｓ１とは反対に位置し、第２の表面Ｓ２に連なる表面Ｓ３を「第３の表面Ｓ３」という。第３の表面Ｓ３は、第２の表面Ｓ２に対して燃料ガスＦＧの流れの下流側に位置している。第３の表面Ｓ３の輪郭線の長さをＬ２１とし、第３の表面Ｓ３の一端と他端とを結ぶ仮想線分ＶＬ２の長さをＬ２２とし、Ｌ２１／Ｌ２２をＡ２としたときに、特定断面において、単セル１１０は、数式：Ａ１＞Ａ２を満たしている。単セル１１０は、更に、数式：１．０００≦Ａ２＜１．０１０を満たしている。本実施形態では、一例として、Ａ２は１．０００である。

【0049】

なお、本実施形態では、上述した構成である特定溝Ｇは、Ｙ軸方向視（換言すれば、燃料室１７６に導入される燃料ガスＦＧの流れの方向視）において、燃料極１１６の第２の表面Ｓ２の略全体にわたって形成されている。

【0050】

また、図８に示すように、単セル１１０は、電解質層１１２と燃料極１１６とを接合する溶接部２００を備えている。溶接部２００は、Ｚ軸方向視において電解質層１１２と燃料極１１６との周方向に沿って互いに離間しつつ並ぶように複数配置されている。溶接部２００は、溶融溶接法により、電解質層１１２の形成材料（例えばＹＳＺ）と燃料極１１６の形成材料（例えばＮｉ）とが溶融して凝固したものである。

【0051】

Ａ－４．燃料極１１６の各特性の特定方法：
燃料極１１６の各特性（Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、Ｌ２２）の特定方法は、以下の通りである。まず、単セル１１０におけるＺ軸方向に平行な断面（ただし燃料極１１６を含み、かつ、特定溝Ｇが表れる位置）を任意に設定し、該断面における任意の位置（ただし特定溝Ｇが表れる位置）で、燃料極１１６が写ったＦＩＢ－ＳＥＭ（加速電圧１５ｋＶ）におけるＳＥＭ画像（例えば１０００倍）を得る。

【0052】

上記ＳＥＭ画像において、特定輪郭線Ｃ１の長さＬ１１、特定輪郭線Ｃ１の一端と他端とを結ぶ仮想線分ＶＬ１の長さＬ１２、第３の表面Ｓ３の輪郭線の長さＬ２１、および第３の表面Ｓ３の一端と他端とを結ぶ仮想線分ＶＬ２の長さＬ２２は、視認等に基づき特定することができる。

【0053】

Ａ－５．単セル１１０の製造方法：
本実施形態の単セル１１０の製造方法は、例えば以下の通りである。

【0054】

（電解質層１１２と燃料極１１６との積層体の形成）
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、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、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。次に、Ｚ軸方向視で燃料極用グリーンシートの少なくとも一方側（特定溝Ｇが形成される部分周辺）が電解質層用グリーンシートの外側に位置するように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。以下、このように燃料極用グリーンシートが焼成されることにより形成される材料を「切断前燃料極」という。ここで準備する切断前燃料極は、Ｚ軸方向に直交する方向（本実施形態ではＸ軸方向およびＹ軸方向）の寸法が電解質層１１２よりも大きいものとする。

【0055】

次に、レーザーを用いて切断前燃料極の上記一方側（特定溝Ｇが形成される部分周辺）を切断する（Ｓ１４）。具体的には、例えばＣＯ_２レーザー（炭酸ガスレーザー），ＹＡＧレーザー，ファイバーレーザー等のレーザーを、切断前燃料極の上面（Ｚ軸方向の電解質層１１２側の表面）に対してＺ軸方向に照射する。これにより、切断前燃料極が切断されると共に、その切断面（第２の表面Ｓ２）に、上述した特定溝Ｇが形成される。なお、レーザーの出力の大きさにより、特定溝Ｇの形状を制御することができる。具体的には、レーザーの出力を大きくすることにより、特定溝Ｇの入り口の長さや幅や深さが長くなりやすい。また、レーザーを用いて切断前燃料極の上記一方側（特定溝Ｇが形成される部分周辺）を切断することにより特定溝Ｇを形成する方法に換えて、切断前燃料極の上記一方側にサンドブラスト加工を施すことにより特定溝Ｇを形成する方法等を採用してもよい。以上により、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。

【0056】

（中間層１８０の形成）
ＧＤＣ粉末にＹＳＺ粉末を添加し、高純度ジルコニア玉石にて６０時間、分散混合を行う。混合後の粉末に、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加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。得られた中間層用ペーストを、上述した電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における電解質層１１２の表面にスクリーン印刷によって塗布し、例えば１２００℃で焼成を行う。これにより、中間層１８０が形成され、中間層１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。

【0057】

（空気極１１４の形成）
粉砕した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、分散剤と、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、空気極機能層用ペーストを調製する。この際に混合されるＬＳＣＦ粉末とＧＤＣ粉末との重量比は、例えば１：１である。次に、得られた空気極機能層用ペーストを、上述した中間層１８０と電解質層１１２と燃料極１１６との積層体における中間層１８０の表面にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。

【0058】

また、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、分散剤と、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合した混合粉末を作製し、粘度を調整して、空気極集電層用ペーストを調製する。次に、得られた空気極集電層用ペーストを、上述した空気極機能層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。その後、所定の温度（例えば、１０００℃）で所定時間（例えば、３時間）、焼成を行う。焼成により、空気極１１４の機能層および集電層が形成される。

【0059】

Ａ－６．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００を構成する単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２のＺ軸正方向（Ｚ軸方向の一方）側に配置された空気極１１４と、電解質層１１２のＺ軸負方向（Ｚ軸方向の他方）側に配置された燃料極１１６とを備える。燃料極１１６の電解質層１１２に対向する第１の表面Ｓ１からＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に延伸する第２の表面Ｓ２に、Ｘ軸方向（Ｚ軸方向と交差する方向）に延在する部分（以下、「特定部分」という。）Ｇ１を含む特定溝Ｇが形成されている。特定溝Ｇが表れる位置における燃料極１１６のＺ軸方向に沿った特定断面（例えば図６に示す断面）において、特定断面に含まれる１対の第２の表面Ｓ２の輪郭線Ｃ１，Ｃ２のうちの一方であって、特定溝Ｇを画定する輪郭線を含む輪郭線Ｃ１（以下、「特定輪郭線」という。）の長さをＬ１１とし、特定輪郭線Ｃ１の一端と他端とを結ぶ仮想線分ＶＬ１の長さをＬ１２とし、Ｌ１１／Ｌ１２をＡ１としたときに、数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たす。

【0060】

本実施形態の単セル１１０では、上述した特定部分（Ｚ軸方向と交差する方向に延在する部分）Ｇ１を含む特定溝Ｇが第２の表面Ｓ２に形成されていることにより、当該特定溝Ｇに至った燃料ガスＦＧは、当該特定部分）Ｇ１を通って、第２の表面Ｓ２に沿ってＸ軸方向（より正確には、Ｘ軸方向の成分を有する方向）に流れ易くなる。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、燃料ガスＦＧの燃料極１１６内におけるＸ軸方向の拡散範囲を広くすることができ、ひいては、本実施形態の単セル１１０の発電性能（ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能）を向上させることができる。

【0061】

なお、Ａ１の値が１．００５未満である構成においては、特定溝Ｇの寸法が小さいことにより、特定溝Ｇが燃料ガスＦＧの流路として効果的に機能しないことがあるが、本実施形態の単セル１１０では、Ａ１の値が１．００５以上であることにより、特定溝Ｇが燃料ガスＦＧの流路として効果的に機能する。

【0062】

特定断面において、燃料極１１６の第１の表面Ｓ１とは反対の第３の表面Ｓ３であって、第２の表面Ｓ２に連なる第３の表面Ｓ３の輪郭線の長さをＬ２１とし、第３の表面Ｓ３の一端と他端とを結ぶ仮想線分ＶＬ２の長さをＬ２２とし、Ｌ２１／Ｌ２２をＡ２としたときに、数式：Ａ１＞Ａ２を満たす。

【0063】

仮に、Ａ１≦Ａ２を満たす（換言すれば、第３の表面Ｓ３が第１の表面Ｓ１よりも凹凸の激しい形状である）構成においては、第３の表面Ｓ３の凹凸により、燃料ガスＦＧが過度にＸ軸方向（より正確には、Ｘ軸方向のうち、特定溝Ｇによる拡散方向と同じ方向）に流れることにより燃料極１１６から離れたり、または、燃料ガスＦＧがＸ軸方向のうち、特定溝Ｇによる拡散方向とは反対の方向に流れたりすることにより、燃料ガスＦＧの燃料極１１６内におけるＸ軸方向の拡散範囲が狭くなり、ひいては、単セル１１０の発電性能（ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能）が低下するおそれがある。

【0064】

これに対し、本実施形態の単セル１１０においては、上述したように、Ａ１＞Ａ２を満たす（換言すれば、第３の表面Ｓ３が第２の表面Ｓ２よりも凹凸の小さい形状である）構成である。そのため、燃料極１１６の第２の表面Ｓ２に形成された特定溝ＧによりＸ軸方向に拡散した燃料ガスＦＧは、第３の表面Ｓ３を流れる際には、Ａ１≦Ａ２を満たす構成と比較して、Ｘ軸方向の位置を変化させずに流れる。よって、本実施形態の単セル１１０によれば、より効果的に、単セル１１０の発電性能（ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能）を向上させることができる。

【0065】

また、本実施形態の単セル１１０では、数式：１．０００≦Ａ２＜１．０１０（特に、Ａ２＜１．０１０）を満たす。換言すれば、第３の表面Ｓ３の凹凸が十分に小さい、もしくは凹凸が無い。そのため、本実施形態の単セル１１０においては、燃料極１１６の第２の表面Ｓ２に形成された特定溝ＧによりＸ軸方向に拡散した燃料ガスＦＧは、第３の表面Ｓ３を流れる際には、より効果的に、Ｘ軸方向の位置を変化させずに流れる。よって、本実施形態の単セル１１０によれば、より効果的に、単セル１１０の性能（ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能）を向上させることができる。

【0066】

また、本実施形態の単セル１１０では、特定溝Ｇは、Ｚ軸方向の両方に曲がる蛇行状である。本実施形態の単セル１１０においては、特定溝ＧがＺ軸方向の両方に曲がる蛇行状であることにより、燃料ガスＦＧのＸ軸方向への流れ易さをある程度確保しつつ、燃料ガスＦＧの燃料極１１６内におけるＺ軸方向の拡散範囲を広げることができる。

【0067】

Ａ－７．性能評価：
上述した単セル１１０の発電性能（ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能）を向上させる効果について、以下の通り、燃料電池スタック１００の性能評価を行った。

【0068】

図９は、燃料電池スタック１００の性能評価を示す説明図である。図９に示すように、性能評価には、Ａ１の値とＡ２の値との組み合わせが互いに異なる９種類のサンプル（燃料電池スタック）を用いた。上述したように、Ａ１は、Ｌ１１／Ｌ１２であり、Ｌ１１は、特定輪郭線（特定断面に含まれる１対の第２の表面Ｓ２の輪郭線Ｃ１，Ｃ２のうちの一方であって、特定溝Ｇを画定する輪郭線を含む輪郭線）Ｃ１の長さであり、Ｌ１２は、特定輪郭線Ｃ１の一端と他端とを結ぶ仮想線分ＶＬ１の長さである。Ａ２は、Ｌ２１／Ｌ２２であり、Ｌ２１は、第３の表面Ｓ３（燃料極１１６の第１の表面Ｓ１とは反対の表面であって、第２の表面Ｓ２に連なる表面）の輪郭線の長さであり、Ｌ２２は、第３の表面Ｓ３の一端と他端とを結ぶ仮想線分ＶＬ２の長さである。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。

【0069】

各サンプルについて、約７００（℃）で空気極１１４に酸化剤ガスＯＧを供給し、燃料極１１６に燃料ガスＦＧを供給し、７０Ａの電流を流れるように運転し、燃料ガスＦＧ（水素）の量を徐々に減少させていき、電圧が０．３Ｖ以下となる燃料利用率（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「限界燃料利用率」として測定した。その測定結果は、図９の「発電効率」の「限界燃料利用率」欄に示されている通りである。限界燃料利用率が９０％以上であったサンプルを「合格（〇）」と評価し、９０％未満であったサンプルを「不合格（×）」と評価した。

【0070】

図９に示すように、サンプルＳＰ１～ＳＰ６では、限界燃料利用率が９０％以上であり、「合格」と評価した。これに対し、サンプルＳＰ７～ＳＰ９では、限界燃料利用率が９０％未満であり、「不合格」と評価した。ここで、サンプルＳＰ１～ＳＰ６では、数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たしている。一方、サンプルＳＰ９は、数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たしていない。以上の結果から、数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たす構成においては、限界燃料利用率が高くなり、これにより単セル１１０の発電性能（ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能）を向上させる効果が得られることが確認された。このような結果となった理由として、数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たすことにより、特定溝Ｇに至った燃料ガスＦＧが第２の表面Ｓ２に沿ってＸ軸方向（より正確には、Ｘ軸方向の成分を有する方向）に流れ易くなったことが考えられる。

【0071】

また、サンプルＳＰ１～ＳＰ６の中でも、特に、サンプルＳＰ５，ＳＰ６については、限界燃料利用率が９２％未満であるのに対し、サンプルＳＰ１～ＳＰ４については、限界燃料利用率が９２％以上であり、特に高かった。ここで、サンプルＳＰ１～ＳＰ４では、Ａ１＞Ａ２を満たしている。一方、ＳＰ５，ＳＰ６は、Ａ１＞Ａ２を満たしていない。以上の結果から、Ａ１＞Ａ２を満たす構成においては、限界燃料利用率が更に高くなり、これにより単セル１１０の発電性能（ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能）を更に向上させる効果が得られることが確認された。このような結果となった理由として、Ａ１＞Ａ２を満たすことにより、特定溝ＧによりＸ軸方向に拡散した燃料ガスＦＧが第３の表面Ｓ３を流れる際に、Ｘ軸方向の位置を変化させずに流れやすくなったことが考えられる。

【0072】

また、サンプルＳＰ１，ＳＰ２は、サンプルＳＰ３，ＳＰ４よりも限界燃料利用率が高かった。ここで、サンプルＳＰ１，ＳＰ２では、１．０００≦Ａ２＜１．０１０を満たしている。一方、サンプルＳＰ３，ＳＰ４は、１．０００≦Ａ２＜１．０１０を満たしていない。以上の結果から、１．０００≦Ａ２＜１．０１０を満たす構成においては、限界燃料利用率が更に高くなり、これにより単セル１１０の発電性能（ひいては、燃料電池スタック１００の発電性能）を更に向上させる効果が得られることが確認された。このような結果となった理由として、１．０００≦Ａ２＜１．０１０を満たすことにより、特定溝ＧによりＸ軸方向に拡散した燃料ガスＦＧは、第３の表面Ｓ３を流れる際に、より効果的に、Ｘ軸方向の位置を変化させずに流れたことが考えられる。

【0073】

以上の評価により、数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たす単セル１１０の構成や、Ａ１＞Ａ２を満たす単セル１１０の構成や、１．０００≦Ａ２＜１．０１０を満たす構成が優れた効果を奏することが確認された。

【0074】

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。

【0075】

上記実施形態における単セル１１０または燃料電池スタック１００の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態において、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。

【0076】

また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。例えば、上記実施形態において、空気極１１４（機能層および集電層）が上述したペロブスカイト型酸化物以外のペロブスカイト型酸化物をさらに含んでいてもよい。

【0077】

また、特定溝Ｇの形状は、上述した数式：１．００５＜Ａ１＜１．１００を満たす限り、どのような形状であってもよい。

【0078】

上記実施形態では、いわゆる平板型の単セル１１０を対象としているが、本明細書に開示される技術を他のタイプの単セルに適用してもよい。例えば、いわゆる円筒型の単セルに適用してもよい。円筒型の単セルの基本的構成については、例えば特開２０１８－１２９２４６号公報などにより開示されており、公知であるため、説明は省略する。

【0079】

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、本明細書に開示される技術は、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にも適用可能である。

【符号の説明】

【0080】

２２（２２Ａ～２２Ｅ）：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 １００：燃料電池スタック １０２：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 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：中間層 ２００：溶接部 Ｃ１，Ｃ２：輪郭線 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス Ｇ１：特定部分 Ｇ：特定溝 ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス Ｓ１：第１の表面 Ｓ２：第２の表面 Ｓ３：第３の表面 ＶＬ１：仮想線分 ＶＬ２：仮想線分

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】