特開 2023-23050 電気化学反応単セル

(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】P2023023050

(43)【公開日】2023-02-16

(54)【発明の名称】電気化学反応単セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/1213 20160101AFI20230209BHJP

   H01M 8/0215 20160101ALI20230209BHJP

   H01M 8/0228 20160101ALI20230209BHJP

   C25B 9/63 20210101ALI20230209BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20230209BHJP

   H01M 8/1286 20160101ALI20230209BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230209BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1213

H01M8/0215

H01M8/0228

C25B9/63

C25B9/23

H01M8/1286

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021128226

(22)【出願日】2021-08-04

(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】松田 和幸

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 伸輔

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA02

4K021CA04

4K021DB40

4K021DB43

4K021DB48

4K021DB53

4K021DC03

4K021EA03

4K021EA04

4K021EA05

5H126AA02

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE11

5H126GG12

5H126JJ00

5H126JJ03

(57)【要約】

【課題】優れた性能を発揮する電気化学反応単セルを提供する。
【解決手段】電気化学反応単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する燃料極および空気極と、燃料極と空気極との一方（特定電極）に対して電解質層とは反対側に位置する金属支持体とを備える。金属支持体は、特定電極に対して第１の方向に対向する対向面が特定電極に接しており、第１の方向視で特定電極と重なる位置において第１の方向に貫通する複数の貫通孔を有する。金属支持体のうち、特定電極に接する対向面は、酸化被膜によって構成される。電気化学反応単セルの第１の方向に沿った少なくとも１つの断面において、金属支持体のうち、第１の方向の対向面とは反対側の表面である反対面の表面粗さをＡ１（μｍ）とし、金属支持体の対向面のうち、特定電極が接する部分である第１部分の表面粗さをＡ２（μｍ）としたときに、数式：Ａ１＞Ａ２を満たす。
【選択図】図７

【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燃料極および空気極と、
前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記特定電極に対して前記第１の方向に対向する表面である対向面が前記特定電極に接しており、前記第１の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第１の方向に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記金属支持体のうち、前記特定電極に接する前記対向面の少なくとも一部は、酸化被膜によって構成され、
前記電気化学反応単セルの前記第１の方向に沿った少なくとも１つの断面である特定断面において、
前記金属支持体のうち、前記第１の方向の前記対向面とは反対側の表面である反対面の表面粗さをＡ１（μｍ）とし、前記金属支持体の前記対向面のうち、前記特定電極が接する部分である第１部分の表面粗さをＡ２（μｍ）としたときに、
数式：Ａ１＞Ａ２を満たす、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。

【請求項2】

請求項１に記載の電気化学反応単セルであって、
Ａ１／Ａ２をＡ３としたときに、
数式：Ａ３≧１．２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であって、
前記反対面を構成する前記酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ１（μｍ）とし、前記第１部分を構成する前記酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ２（μｍ）としたときに、
数式：ＴＶ１＞ＴＶ２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３に記載の電気化学反応単セルであって、
ＴＶ１／ＴＶ２をＡ４としたときに、
数式：Ａ４≧１．２を満たす、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。

【請求項5】

請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであって、
数式：ＴＶ１≧１．０を満たす、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。

【請求項6】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであって、
数式：ＴＶ２＜１．０を満たす、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。

【請求項7】

請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであって、
前記第１部分を構成する前記酸化被膜の平均厚さは、前記反対面を構成する前記酸化被膜の平均厚さよりも小さい、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。

【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、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）が知られている。ＳＯＦＣの構成単位である燃料電池単セル（以下、単に「単セル」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。）に互いに対向する燃料極および空気極とを備える。

【0003】

単セルの一形態として、金属支持型（メタルサポート型）の単セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。金属支持型の単セルは、燃料極と空気極との一方（以下、「特定電極」という。）に対して電解質層とは反対側に配置された金属支持体を備え、金属支持体によって単セルにおける他の部分（電解質層等）を支持する。一般に、金属支持型の単セルは、他のタイプ（例えば燃料極支持型）の単セルと比較して、熱衝撃による割れが生じにくく、また起動性が高い。

【0004】

金属支持型の単セルでは、金属支持体に、発電に供される反応ガスを通過させるために、金属支持体の一方の表面から他方の表面まで第１の方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。複数の貫通孔は、第１の方向視で特定電極と重なるように位置している。以下、金属支持体のうち、特定電極に対向する側の表面を「対向面」といい、対向面とは反対側の表面を「反対面」という。金属支持体の対向面は、特定電極に対して第１の方向に対向し、かつ、特定電極に接している。金属支持体の表面（対向面および反対面を含む）は、酸化被膜によって構成されている。金属支持体の対向面の表面粗さと、反対面の表面粗さとは同等である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１８－１９５４１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来の金属支持型の単セルでは、発電運転の際に、金属支持体の反対面の表面粗さが小さいと、単セルに対して供給され、金属支持体の反対面に沿って流れる反応ガスが、金属支持体の貫通孔に進入せずに通り過ぎやすくなる。そのため、金属支持体の貫通孔内を通って特定電極に供給される反応ガスの量が少なくなり、これにより単セルの性能が低下するおそれがある。

【0007】

また、発電運転の際に、金属支持体の酸化被膜の形成や、金属支持体と特定電極との間で元素の相互拡散が生じることがある。仮に金属支持体の対向面の表面粗さが大きいと、上述した酸化被膜の形成や元素の相互拡散が過度に生じやすく、ひいては、オーミック抵抗の増大や、金属支持体からの特定電極の剥離といった問題が生じやすくなる。

【0008】

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の構成単位である電解単セルにも共通の問題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて、電気化学反応単セルと呼ぶ。

【0009】

上記に鑑み、本発明は、従来と比較して、反応ガスの供給効率を向上させながらも、オーミック抵抗の増大や、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができ、ひいては優れた性能を発揮する単セルを提供することを目的とする。

【0010】

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】

【0011】

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。

【0012】

（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燃料極および空気極と、前記燃料極と前記空気極との一方である特定電極に対して前記電解質層とは反対側に位置する金属支持体であって、前記特定電極に対して前記第１の方向に対向する表面である対向面が前記特定電極に接しており、前記第１の方向視で前記特定電極と重なる位置において前記第１の方向に貫通する複数の貫通孔を有する金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記金属支持体のうち、前記特定電極に接する前記対向面の少なくとも一部は、酸化被膜によって構成され、前記電気化学反応単セルの前記第１の方向に沿った少なくとも１つの断面である特定断面において、前記金属支持体のうち、前記第１の方向の前記対向面とは反対側の表面である反対面の表面粗さをＡ１（μｍ）とし、前記金属支持体の前記対向面のうち、前記特定電極が接する部分である第１部分の表面粗さをＡ２（μｍ）としたときに、数式：Ａ１＞Ａ２を満たす。

【0013】

電気化学反応単セルにおいて、Ａ１（μｍ）が小さい（換言すれば、金属支持体の反対面の粗さが小さい）と、電気化学反応単セルに対して供給され、金属支持体の反対面に沿って流れる反応ガスが、金属支持体の貫通孔に進入せずに通り過ぎやすくなる。そのため、金属支持体の貫通孔内を通って特定電極に供給される反応ガスの量が少なくなり、これにより電気化学反応単セルの性能が低下する。

【0014】

これに対し、本電気化学反応単セルでは、Ａ１＞Ａ２を満たすことにより、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、Ａ１が大きい（換言すれば、金属支持体の反対面の粗さが大きい）ことにより、発電運転の際に、金属支持体の反対面に沿って流れる反応ガスの反対面に沿う方向の進行が抑制されやすくなり、その結果、反応ガスが金属支持体の貫通孔に進入しやすくなる。そのため、本電気化学反応単セルにおいては、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、金属支持体の貫通孔内を通って特定電極に供給される反応ガスの量が多くなる（換言すれば、反応ガスの供給効率が向上する）。そのため、本電気化学反応単セルによれば、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。

【0015】

ところで、このような電気化学反応単セルにおいては、発電運転の際に、金属支持体の酸化被膜の形成や、金属支持体と特定電極との間で元素の相互拡散が生じることがある。Ａ２が大きい（換言すれば、金属支持体の対向面の表面粗さが大きい）と、上述した酸化被膜の形成や元素の相互拡散が過度に生じやすく、ひいては、オーミック抵抗の増大や、金属支持体からの特定電極の剥離といった問題が生じやすくなる。

【0016】

これに対し、本電気化学反応単セルでは、Ａ１＞Ａ２を満たすことにより、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、Ａ２が小さいことにより、上述した酸化被膜の形成や元素の相互拡散が抑制される。よって、本電気化学反応単セルにおいては、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、オーミック抵抗の増大や、金属支持体からの特定電極の剥離が抑制される。そのため、本電気化学反応単セルによれば、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。

【0017】

以上の説明から明らかなように、本電気化学反応単セルによれば、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、反応ガスの供給効率を向上させることができ、かつ、オーミック抵抗の増大や、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができ、ひいては電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。

【0018】

（２）上記電気化学反応単セルにおいて、Ａ１／Ａ２をＡ３としたときに、数式：Ａ３≧１．２を満たす構成としてもよい。本電気化学反応単セルにおいては、より効果的に、金属支持体の反対面に沿って流れる反応ガスの反対面に沿う方向の進行が抑制されやすくなり、反応ガスが金属支持体の貫通孔に進入しやすくなる。そのため、より効果的に、金属支持体の貫通孔内を通って特定電極に供給される反応ガスの量が多くなり（換言すれば、反応ガスの供給効率が向上する）。そのため、本電気化学反応単セルによれば、より効果的に、電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。

【0019】

（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記反対面を構成する前記酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ１（μｍ）とし、前記第１部分を構成する前記酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ２（μｍ）としたときに、数式：ＴＶ１＞ＴＶ２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、より効果的に、オーミック抵抗の増大や、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができ、ひいては、より効果的に、電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。

【0020】

（４）上記電気化学反応単セルにおいて、ＴＶ１／ＴＶ２をＡ４としたときに、数式：Ａ４≧１．２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、より効果的に、オーミック抵抗の増大や、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制することができ、ひいては、より効果的に、電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。

【0021】

（５）上記電気化学反応単セルにおいて、数式：ＴＶ１≧１．０を満たす構成としてもよい。本電気化学反応単セルにおいては、特に効果的に、金属支持体の貫通孔内を通って特定電極に供給される反応ガスの量が多くなる（換言すれば、反応ガスの供給効率が向上する）。そのため、本電気化学反応単セルによれば、特に効果的に、電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。

【0022】

（６）上記電気化学反応単セルにおいて、数式：ＴＶ２＜１．０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、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、特に効果的に、オーミック抵抗の増大や、金属支持体からの特定電極の剥離が抑制される。そのため、本電気化学反応単セルによれば、より効果的に、電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。

【0023】

（７）上記電気化学反応単セルにおいて、前記第１部分を構成する前記酸化被膜の平均厚さは、前記反対面を構成する前記酸化被膜の平均厚さよりも小さい構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、特に効果的に、オーミック抵抗の増大や、金属支持体からの特定電極の剥離が抑制される。そのため、本電気化学反応単セルによれば、特に効果的に、電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。

【0024】

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル（燃料電池単セルまたは電解単セル）、複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【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】本実施形態における単セル１１０の詳細構成を示す説明図

【図7】性能評価結果を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

Ａ．実施形態：
Ａ－１．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。

【0027】

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という。）１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では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。上記配列方向（Ｚ軸方向）は、特許請求の範囲における第１の方向の一例である。発電単位１０２は、特許請求の範囲における電気化学反応単位の一例である。

【0028】

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軸方向に延びる貫通孔１０８を構成している。以下の説明では、貫通孔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、貫通孔１０８と呼ぶ場合がある。

【0029】

各貫通孔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、ナット２４と各エンドプレート１０４，１０６（または後述するガス通路部材２７）との間には、絶縁シート２６が介在している。

【0030】

各ボルト２２の軸部の外周面と各貫通孔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、１つのボルト２２（ボルト２２Ａ）と当該ボルト２２Ａが挿通された貫通孔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（例えば空気）が導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の空気室１６６に供給するガス流路である空気極側ガス供給マニホールド１６１として機能し、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｂ）と当該ボルト２２Ｂが挿通された貫通孔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空気極側ガス排出マニホールド１６２として機能する。また、図１および図３に示すように、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｄ）と当該ボルト２２Ｄが挿通された貫通孔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（例えば水素リッチなガス）が導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の燃料室１７６に供給する燃料極側ガス供給マニホールド１７１として機能し、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｅ）と当該ボルト２２Ｅが挿通された貫通孔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極側ガス排出マニホールド１７２として機能する。

【0031】

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の本体部２８の孔は、各ガス通路部材２７の設置位置に設けられた各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に連通している。

【0032】

（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、Ｚ軸方向に略直交する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、当該発電単位１０２と電気的に接続されている。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、当該発電単位１０２と電気的に接続されている。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。

【0033】

（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。

【0034】

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、燃料電池単セル（以下、「単セル」という。）１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム部材１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム部材１４０と、燃料極側集電体１４４と、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、空気極側フレーム部材１３０、燃料極側フレーム部材１４０、インターコネクタ１５０の周縁部には、上述したボルト２２が挿通される貫通孔１０８に対応する孔が形成されている。

【0035】

インターコネクタ１５０は、Ｚ軸方向に略直交する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。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）。

【0036】

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを備える。単セル１１０は、さらに、燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側（下側）に位置する金属支持体１８０を備える。

【0037】

金属支持体１８０は、Ｚ軸方向に略直交する平板形状の導電性部材であり、金属（例えばステンレス）により形成されている。金属支持体１８０は、単セル１１０における他の構成要素（電解質層１１２等）を支持している。このように、本実施形態の単セル１１０は、金属支持体１８０によって単セル１１０の機械的強度を確保する、いわゆる金属支持型（メタルサポート型）の単セルである。金属支持型の単セルは、他のタイプ（例えば燃料極支持型）の単セルと比較して、熱衝撃による割れが生じにくく、また起動性が高い。後述するように、金属支持体１８０には、燃料ガスＦＧを通過させるための複数の貫通孔５０が形成されている（図６参照）。

【0038】

電解質層１１２は、Ｚ軸方向に略直交する平板形状部材であり、緻密な層である。本実施形態では、電解質層１１２は、燃料極１１６における上側の表面と、金属支持体１８０における上側の表面の内、燃料極１１６に覆われていない領域とを連続的に覆うように形成されている。電解質層１１２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。空気極１１４は、Ｚ軸方向に略直交する平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極１１４は、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物））により形成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向に略直交する平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子（例えば、ＹＳＺ）とからなるサーメットにより形成されている。本実施形態では、燃料極１１６は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。

【0039】

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、例えばステンレスにより形成されている。セパレータ１２０における孔１２１を取り囲む部分は、例えばロウ材を含む接合部１２４により、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部と接合されている。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とが区画される。

【0040】

空気極側フレーム部材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。空気極側フレーム部材１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム部材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。空気極側フレーム部材１３０には、空気極側ガス供給マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する空気極側ガス供給連通流路１３２と、空気室１６６と空気極側ガス排出マニホールド１６２とを連通する空気極側ガス排出連通流路１３３とが形成されている。

【0041】

燃料極側フレーム部材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、例えばステンレスにより形成されている。燃料極側フレーム部材１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム部材１４０には、燃料極側ガス供給マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料極側ガス供給連通流路１４２と、燃料室１７６と燃料極側ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料極側ガス排出連通流路１４３とが形成されている。

【0042】

空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置された複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えば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とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。ただし、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、空気極１１４と上側のエンドプレート１０４とを電気的に接続する（図２および図３参照）。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いてもよい。

【0043】

燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置された複数の略四角柱状の集電体要素１４５から構成されており、例えばステンレスにより形成されている。燃料極側集電体１４４は、金属支持体１８０とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。ただし、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における燃料極側集電体１４４は、金属支持体１８０と下側のエンドプレート１０６とを電気的に接続する（図２および図３参照）。なお、燃料極側集電体１４４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として構成されていてもよい。

【0044】

Ａ－２．単セル１１０の詳細構成：
図６は、本実施形態における単セル１１０の詳細構成を示す説明図である。図６には、図５のＸ１部における単セル１１０のＹＺ断面構成が拡大して示されている。

【0045】

図６に示すように、単セル１１０は、上述した金属支持体１８０を備えている。金属支持体１８０の表面は酸化被膜によって構成されている。なお、金属支持体１８０の表面の全体が酸化被膜によって構成されていてもよいが、金属支持体１８０のうち、少なくとも対向面Ｓ１１の少なくとも一部が酸化被膜によって構成されていればよい。

【0046】

金属支持体１８０のうち、燃料極１１６に対してＺ軸方向に対向する表面（以下、「対向面」という。）Ｓ１１は、燃料極１１６に接している。

【0047】

金属支持体１８０には、複数の貫通孔５０が形成されている。複数の貫通孔５０は、Ｚ軸方向視で燃料極１１６と重なるように位置している。複数の貫通孔５０は、Ｚ軸方向視において燃料極１１６と重なっている部分の略全体に分布している。隣り合う２つの貫通孔５０間の間隔は略一定である。

【0048】

各貫通孔５０は、金属支持体１８０のうち、燃料極１１６に接する対向面Ｓ１１から、対向面Ｓ１１とは反対側の表面（以下、「反対面」という。）Ｓ２２まで貫通している。このことから、各貫通孔５０はＺ軸方向に貫通する孔であるといえる。なお、金属支持体１８０のＸＹ断面における各貫通孔５０形状は、円形である。

【0049】

金属支持体１８０は、２枚の板状部材（第１の金属部材１８１および第２の金属部材１８２）がＺ軸方向に積層された構成を有している。第２の金属部材１８２は、第１の金属部材１８１の下側に配置されており、例えば溶接によって第１の金属部材１８１と接合されている。第１の金属部材１８１の厚さと第２の金属部材１８２の厚さとは、略同一である。

【0050】

金属支持体１８０に形成された各貫通孔５０は、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１における開口５３を含む第１の部分５１を有している。各貫通孔５０の第１の部分５１は、金属支持体１８０を構成する第１の金属部材１８１に形成されている。各第１の部分５１は、第１の金属部材１８１における燃料極１１６に接する対向面Ｓ１１から、対向面Ｓ１１とは反対側の表面Ｓ１２まで貫通している。

【0051】

また、金属支持体１８０に形成された各貫通孔５０は、第１の部分５１に加えて、第１の部分５１に連通する第２の部分５２を有している。第２の部分５２は、金属支持体１８０の下面（後述する第２の金属部材１８２の表面Ｓ２２）における開口５４を含む部分である。各第２の部分５２は、第２の金属部材１８２における第１の金属部材１８１に接する表面Ｓ２１から、表面Ｓ２１とは反対側の表面Ｓ２２まで貫通している。すなわち、各貫通孔５０は、第１の部分５１と第２の部分５２とから構成されている。各貫通孔５０において、第２の部分５２は、Ｚ軸方向視における輪郭線が第１の部分５１の輪郭線と重なるように位置している。なお、各貫通孔５０内に燃料極１１６は充填されていない。

【0052】

本実施形態の単セル１１０は、単セル１１０におけるＺ軸方向に沿った断面において、下記の構成を有する。なお、この単セル１１０の構成は、Ｚ軸方向に沿ったいずれの断面において満たすものであってもよいが、Ｚ軸方向に沿った少なくとも１つの断面において満たすものであればよい。

【0053】

本実施形態の単セル１１０では、金属支持体１８０のうち、Ｚ軸方向の対向面Ｓ１１とは反対側の表面である反対面Ｓ２２の表面粗さをＡ１（μｍ）とし、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１のうち、燃料極１１６が接する部分である第１部分Ｓ１１０の表面粗さをＡ２（μｍ）としたときに、数式：Ａ１＞Ａ２を満たす。なお、Ａ１，Ａ２の有効数字は２桁である。更に、Ａ１／Ａ２をＡ３としたときに、数式：Ａ３≧１．２を満たす。例えば、Ａ１（μｍ）は１．０μｍ以上（例えば、２．０～１０μｍ程度）であることが特に好ましく、１０μｍ以上であることが更に好ましく、Ａ２（μｍ）は１．０μｍ未満（例えば、０．１～０．９μｍ程度）であることが特に好ましい。

【0054】

金属支持体１８０の反対面Ｓ２２を構成する酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ１（μｍ）とし、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の第１部分Ｓ１１０を構成する酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ２（μｍ）としたときに、数式：ＴＶ１＞ＴＶ２を満たす。なお、ＴＶ１，ＴＶ２の有効数字は２桁である。更に、ＴＶ１／ＴＶ２をＡ４としたときに、数式：Ａ４≧１．２を満たす。ＴＶ１は、１．０μｍ以上である。ＴＶ２は、１．０μｍ未満である。例えば、ＴＶ１（μｍ）は２．０～１０μｍ程度であり、ＴＶ２（μｍ）は０．１～０．９μｍ程度である。

【0055】

金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の第１部分Ｓ１１０を構成する酸化被膜の平均厚さは、反対面Ｓ２２を構成する酸化被膜の平均厚さよりも小さい。ここでいう「酸化被膜の平均厚さ」とは、当該酸化被膜における何れかの１０箇所の厚さの平均値である。（以下、同様）。この１０箇所は、当該酸化被膜の特定箇所に限られないものであることが特に好ましいが、特定箇所に限られるものであってもよい。例えば、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の第１部分Ｓ１１０を構成する酸化被膜の平均厚さは、反対面Ｓ２２を構成する酸化被膜の平均厚さよりも１．０～２．０μｍ程度小さい。

【0056】

なお、上述した金属支持体１８０の表面（対向面Ｓ１１、反対面Ｓ２２）の粗さ（Ａ１（μｍ）、Ａ２（μｍ））は、例えば、以下のように実現することができる。金属支持体１８０を構成する板状の金属材料（本実施形態では、第１の金属部材１８１用材料と第２の金属部材１８２用材料との２枚構成）の表面に、研削を施すことにより表面粗さを大きくする。この際の研削条件を適宜変更することにより、金属支持体１８０の表面の粗さを、目標値に調整することができる。なお、必要に応じて、研磨、砥石を用いた研磨、バフを用いた研磨、ブラスト処理などを施してもよい。

【0057】

また、上述した金属支持体１８０の表面（対向面Ｓ１１、反対面Ｓ２２）を構成する酸化被膜の厚さのばらつき（ＴＶ１（μｍ）、ＴＶ２（μｍ））は、焼成時の温度と時間を適宜調節することにより、実現することができる。

【0058】

Ａ－３．金属支持体１８０の各特性の特定方法：
金属支持体１８０の表面（対向面Ｓ１１、反対面Ｓ２２）の粗さ（Ａ１（μｍ）、Ａ２（μｍ））の特定方法は、以下の通りである。

【0059】

まず、単セル１１０におけるＺ軸方向に沿った断面（ただし燃料極１１６を含む位置）を任意に設定し、該断面における任意の位置で、燃料極１１６が写ったＳＥＭ（加速電圧１５ｋＶ）におけるＳＥＭ画像（例えば１０００倍）を得る。

【0060】

上記ＳＥＭ画像において、視認等に基づいて、単セル１１０におけるＺ軸方向に沿った断面に含まれる表面（対向面Ｓ１１、反対面Ｓ２２）の画像解析を行うことにより、算術平均粗さＲａに相当する金属支持体１８０の表面粗さ（Ａ１（μｍ）、Ａ２（μｍ））を得ることができる。

【0061】

金属支持体１８０の表面（対向面Ｓ１１、反対面Ｓ２２）を構成する酸化被膜の厚さのばらつき（ＴＶ１（μｍ）、ＴＶ２（μｍ））の特定方法は、以下の通りである。すなわち、各酸化被膜における何れかの１０箇所の厚さを測定し、その厚さの最大値と最小値の差を算出することにより特定することができる。この１０箇所は、当該酸化被膜の特定箇所に限られないものであることが特に好ましいが、特定箇所に限られるものであってもよい。

【0062】

Ａ－４．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ＯＧは、空気極側ガス供給マニホールド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）から、当該ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給され、空気極側ガス供給マニホールド１６１から各発電単位１０２の空気極側ガス供給連通流路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ＦＧは、燃料極側ガス供給マニホールド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）から、当該ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料極側ガス供給マニホールド１７１に供給され、燃料極側ガス供給マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料極側ガス供給連通流路１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

【0063】

各発電単位１０２において、空気室１６６に供給された酸化剤ガスＯＧが多孔質な空気極１１４内に進入し、かつ、燃料室１７６に供給された燃料ガスＦＧが金属支持体１８０に形成された複数の貫通孔５０を通って多孔質な燃料極１１６内に進入すると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素と燃料ガスＦＧに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。図６に示すように、燃料室１７６に供給される燃料ガスＦＧは、金属支持体１８０の反対面Ｓ２２に沿って流れ、金属支持体１８０の各貫通孔５０に進入する。金属支持体１８０の貫通孔５０に進入した燃料ガスＦＧは、貫通孔５０内を進行し、さらに燃料極１１６の空隙内を進行して、反応場に供給される。

【0064】

各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は、空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は、金属支持体１８０および燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

【0065】

図２および図４に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から空気極側ガス排出連通流路１３３を介して空気極側ガス排出マニホールド１６２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、空気極側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を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）から燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、図３および図５に示すように、各発電単位１０２の燃料室１７６から燃料極側ガス排出連通流路１４３を介して燃料極側ガス排出マニホールド１７２に排出された燃料オフガスＦＯＧは、燃料極側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を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）から燃料電池スタック１００の外部に排出される。

【0066】

Ａ－５．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を構成する各単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向する燃料極１１６および空気極１１４と、燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側に位置する金属支持体１８０とを備える。金属支持体１８０は、燃料極１１６に対してＺ軸方向に対向する表面である対向面Ｓ１１が燃料極１１６に接しており、Ｚ軸方向視で燃料極１１６と重なる位置においてＺ軸方向に貫通する複数の貫通孔５０を有する。金属支持体１８０のうち、燃料極１１６に接する対向面Ｓ１１の少なくとも一部は、酸化被膜によって構成されている。単セル１１０のＺ軸方向に沿った断面（以下、「特定断面」という。）において、金属支持体１８０のうち、Ｚ軸方向の対向面Ｓ１１とは反対側の表面である反対面Ｓ２２の表面粗さをＡ１（μｍ）とし、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１のうち、燃料極１１６が接する部分である第１部分Ｓ１１０の表面粗さをＡ２（μｍ）としたときに、数式：Ａ１＞Ａ２を満たす。

【0067】

単セル１１０において、Ａ１（μｍ）が小さい（換言すれば、金属支持体１８０の反対面Ｓ２２の粗さが小さい）と、単セル１１０に対して供給され、金属支持体１８０の反対面Ｓ２２に沿って流れる反応ガス（燃料ガスＦＧ）が、金属支持体１８０の貫通孔５０に進入せずに通り過ぎやすくなる。そのため、金属支持体１８０の貫通孔５０内を通って燃料極１１６に供給される反応ガス（燃料ガスＦＧ）の量が少なくなり、これにより単セル１１０の性能が低下する。

【0068】

これに対し、本実施形態の単セル１１０では、Ａ１＞Ａ２を満たすことにより、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、Ａ１が大きい（換言すれば、金属支持体１８０の反対面Ｓ２２の粗さが大きい）ことにより、発電運転の際に、金属支持体１８０の反対面Ｓ２２に沿って流れる反応ガス（燃料ガスＦＧ）の反対面Ｓ２２に沿う方向の進行が抑制されやすくなり、その結果、反応ガス（燃料ガスＦＧ）が金属支持体１８０の貫通孔５０に進入しやすくなる。そのため、本実施形態の単セル１１０においては、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、金属支持体１８０の貫通孔５０内を通って燃料極１１６に供給される反応ガス（燃料ガスＦＧ）の量が多くなる（換言すれば、反応ガス（燃料ガスＦＧ）の供給効率が向上する）。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0069】

ところで、このような単セル１１０においては、発電運転の際に、金属支持体１８０の酸化被膜の形成や、金属支持体１８０と燃料極１１６との間で元素の相互拡散が生じることがある。Ａ２が大きい（換言すれば、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の表面粗さが大きい）と、上述した酸化被膜の形成や元素の相互拡散が過度に生じやすく、ひいては、オーミック抵抗の増大や、金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離といった問題が生じやすくなる。

【0070】

これに対し、本実施形態の単セル１１０では、Ａ１＞Ａ２を満たすことにより、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、Ａ２が小さいことにより、酸化被膜の厚さのばらつきが小さくなり、そのため、上述した酸化被膜の形成や元素の相互拡散が抑制される。よって、本実施形態の単セル１１０においては、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、オーミック抵抗の増大や、金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離が抑制される。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0071】

以上の説明から明らかなように、本実施形態の単セル１１０によれば、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、反応ガス（燃料ガスＦＧ）の供給効率を向上させることができ、かつ、オーミック抵抗の増大や、金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離を抑制することができ、ひいては単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0072】

更に、本実施形態の単セル１１０では、Ａ１／Ａ２をＡ３としたときに、数式：Ａ３≧１．２を満たす。そのため、本実施形態の単セル１１０においては、より効果的に、金属支持体１８０の反対面Ｓ２２に沿って流れる反応ガス（燃料ガスＦＧ）の反対面Ｓ２２に沿う方向の進行が抑制されやすくなり、反応ガス（燃料ガスＦＧ）が金属支持体１８０の貫通孔５０に進入しやすくなる。そのため、より効果的に、金属支持体１８０の貫通孔５０内を通って燃料極１１６に供給される反応ガス（燃料ガスＦＧ）の量が多くなり（換言すれば、反応ガス（燃料ガスＦＧ）の供給効率が向上する）。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、より効果的に、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0073】

更に、本実施形態の単セル１１０では、金属支持体１８０の反対面Ｓ２２を構成する酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ１（μｍ）とし、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の第１部分Ｓ１１０を構成する酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ２（μｍ）としたときに、数式：ＴＶ１＞ＴＶ２を満たす。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、より効果的に、オーミック抵抗の増大や、金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離を抑制することができ、ひいては、より効果的に、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0074】

更に、本実施形態の単セル１１０では、ＴＶ１／ＴＶ２をＡ４としたときに、数式：Ａ４≧１．２を満たす。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、より効果的に、オーミック抵抗の増大や、金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離を抑制することができ、ひいては、より効果的に、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0075】

更に、本実施形態の単セル１１０では、数式：ＴＶ１≧１．０を満たす。そのため、特に効果的に、金属支持体１８０の貫通孔５０内を通って燃料極１１６に供給される反応ガス（燃料ガスＦＧ）の量が多くなる（換言すれば、反応ガス（燃料ガスＦＧ）の供給効率が向上する）。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、特に効果的に、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0076】

更に、本実施形態の単セル１１０では、数式：ＴＶ２＜１．０を満たす。そのため、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、特に効果的に、オーミック抵抗の増大や、金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離が抑制される。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、より効果的に、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0077】

更に、本実施形態の単セル１１０では、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の第１部分Ｓ１１０を構成する酸化被膜の平均厚さは、反対面Ｓ２２を構成する酸化被膜の平均厚さよりも小さい。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、特に効果的に、オーミック抵抗の増大や、金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離が抑制される。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、特に効果的に、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0078】

Ａ－６．性能評価：
次に、本実施形態の性能評価について説明する。各特性が互いに異なる複数の単セル１１０のサンプルを作製し、当該サンプル（「単セル１１０の発電性能についての評価」については後述するボタンセル）を用いて性能評価を行った。図７は、性能評価結果を示す説明図である。

【0079】

図７に示すように、本性能評価には、単セル１１０の５個のサンプル（サンプルＳＰ１～ＳＰ５）が用いられた。図７に示すように、各サンプルは、金属支持体１８０の反対面Ｓ２２の表面粗さであるＡ１（μｍ）と、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の第１部分Ｓ１１０の表面粗さであるＡ２（μｍ）とが互いに異なっている。

【0080】

（単セル１１０の発電性能についての評価）
本評価では、上記の単セル１１０の５個のサンプル（サンプルＳＰ１～ＳＰ５）に換えて、上述した単セル１１０の製造方法に倣って作製した５個のボタンセルが用いられた。各サンプル（ボタンセル）は、Ａ１（μｍ）とＡ２（μｍ）の値が上記の単セル１１０の各サンプルと同様のものであり、上下方向視で２５ｍｍの辺を有する四角形をなす金属支持体１８０と燃料極１１６と電解質層１１２とを備える積層体の上に、上下方向視で直径１３ｍｍの円形をなす空気極１１４が形成されたものである。下記において、便宜上、上記の単セル１１０のサンプルとＡ１（μｍ）とＡ２（μｍ）の値が同一であるボタンセルのサンプルを同じ符号を付して呼ぶ（例えばサンプルＳＰ１）。

【0081】

各サンプル（ボタンセル）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、電流密度が０．５５Ａ／ｃｍ^２のときの単セル１１０の出力電圧を測定し、その測定値が所定の判定閾値（以下、「第１の判定閾値」という。）以上であったサンプルを「合格（〇）」と評価し、その測定値が第１の判定閾値より低かったサンプルを「不合格（×）」と評価した。その評価結果は、図７の「発電性能」欄に示されている通りである。

【0082】

図７に示すように、サンプルＳＰ１，ＳＰ３では、測定値（単セル１１０の出力電圧）が第１の判定閾値以上であり、「合格」と評価し、サンプルＳＰ２，ＳＰ４，ＳＰ５では、測定値が第１の判定閾値より低く、「不合格」と評価した。この結果から、基本的には、Ａ１（μｍ）の値が大きいほど発電性能が向上することが確認された。

【0083】

上述のように、サンプルＳＰ１では、測定値が第１の判定閾値以上であり、「合格」と評価した。これに対し、ＳＰ２では、測定値が第１の判定閾値より低く、「不合格」と評価した。ここで、サンプルＳＰ１とサンプルＳＰ２とはＡ２（μｍ）の値が互いに同一である。更に、サンプルＳＰ１では、Ａ１（μｍ）の値がＡ２（μｍ）の値よりも大きく、サンプルＳＰ２では、Ａ１（μｍ）の値がＡ２（μｍ）の値と同一である。この結果から、Ａ１＞Ａ２を満たす構成によれば、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、単セル１１０の性能を向上させることができることが確認された。単セル１１０の性能が向上した理由として、Ａ１が大きい（換言すれば、金属支持体１８０の反対面Ｓ２２の粗さが大きい）ことにより、発電運転の際に、金属支持体１８０の貫通孔５０内を通って燃料極１１６に供給される反応ガス（燃料ガスＦＧ）の量が多くなった（換言すれば、反応ガス（燃料ガスＦＧ）の供給効率が向上した）ことが考えられる。

【0084】

上述したように、サンプルＳＰ３では、測定値が第１の判定閾値以上であり、「合格」と評価した。これに対し、ＳＰ５では、測定値が第１の判定閾値より低く、「不合格」と評価した。ここで、サンプルＳＰ３とサンプルＳＰ５とはＡ２（μｍ）の値が互いに同一である。更に、サンプルＳＰ３では、Ａ１（μｍ）の値がＡ２（μｍ）の値よりも大きく、サンプルＳＰ５では、Ａ１（μｍ）の値がＡ２（μｍ）の値と同一である。この結果からも、Ａ１＞Ａ２を満たす構成によれば、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、単セル１１０の性能を向上させることができることが確認された。単セル１１０の性能が向上した理由としては、Ａ１が大きい（換言すれば、金属支持体１８０の反対面Ｓ２２の粗さが大きい）ことにより、発電運転の際に、金属支持体１８０の貫通孔５０内を通って燃料極１１６に供給される反応ガス（燃料ガスＦＧ）の量が多くなった（換言すれば、反応ガス（燃料ガスＦＧ）の供給効率が向上した）ことが考えられる。

【0085】

また、ＳＰ４についても、測定値が第１の判定閾値より低く、「不合格」と評価した。単セル１１０の性能が劣化した理由としては、後述する、金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離が生じたことが考えられる。

【0086】

（燃料極１１６と金属支持体１８０との接合性についての評価）
各サンプル（単セル１１０）について、燃料極１１６の表面に粘着テープを貼り、粘着テープを剥がす際の金属支持体１８０からの燃料極１１６の剥離の有無を確認した。粘着テープを剥がした後に粘着テープに付着している燃料極１１６の量（面積）が所定の判定閾値（以下、「第２の判定閾値」という。）以下であったサンプルを「合格（○）」と評価し、粘着テープに付着している燃料極１１６の量が第２の判定閾値より多かったサンプルを「不合格（×）」と評価した。なお、第１の判定閾値として、燃料極１１６の表面のうち、粘着テープが貼られた部分の面積の３０％の値を用いた。その評価結果は、図７の「燃料極１１６と金属支持体１８０との接合性」欄に示されている通りである。

【0087】

図７に示すように、サンプルＳＰ１～ＳＰ３，ＳＰ５では、測定値（粘着テープに付着している燃料極１１６の量）が第２の判定閾値以上であり、「合格」と評価し、サンプルＳＰ４では、測定値が第２の判定閾値より低く、「不合格」と評価した。この結果から、基本的には、Ａ２（μｍ）の値が小さいほど、燃料極１１６と金属支持体１８０との接合性が向上することが確認された。

【0088】

上述のように、サンプルＳＰ３では、測定値が第２の判定閾値以上であり、「合格」と評価した。これに対し、ＳＰ４では、測定値が第２の判定閾値より低く、「不合格」と評価した。ここで、サンプルＳＰ３とサンプルＳＰ４とはＡ１（μｍ）の値が互いに同一である。更に、サンプルＳＰ３では、Ａ１（μｍ）の値がＡ２（μｍ）の値よりも大きく、サンプルＳＰ４では、Ａ１（μｍ）の値がＡ２（μｍ）の値と同一である。この結果から、Ａ１＞Ａ２を満たす構成によれば、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、Ａ２が小さいことにより、燃料極１１６と金属支持体１８０との接合性させることができることが確認された。燃料極１１６と金属支持体１８０との接合性が向上した理由としては、Ａ２が小さいことにより、酸化被膜の厚さのばらつきが小さくなり、そのため、上述した酸化被膜の形成や元素の相互拡散が抑制されたことによるものと考えられる。

【0089】

（総合評価）
総合評価としては、単セル１１０の発電性能についての評価と、燃料極１１６と金属支持体１８０との接合性についての評価との両方が「合格」であれば、「合格（〇）」であり、これらのうち少なくとも１つが「不合格」であれば、「不合格（×）」と評価した。

【0090】

従って、単セル１１０の発電性能についての評価と、燃料極１１６と金属支持体１８０との接合性についての評価との両方が「合格」であったサンプルＳＰ１，ＳＰ３については、「合格」と評価し、その他のサンプル（ＳＰ２，ＳＰ４，ＳＰ５）については、「不合格」と評価した。

【0091】

以上の評価により、Ａ１＞Ａ２を満たす単セル１１０の構成が優れた効果を奏することが確認された。

【0092】

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。

【0093】

上記実施形態における燃料電池スタック１００や単セル１１０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、上記実施形態では、金属支持体１８０に形成された各貫通孔５０が、第１の部分５１と第２の部分５２とから構成されているが、貫通孔５０の構成は、金属支持体１８０のＺ軸方向の一方の面から他方の面まで貫通する限りにおいて、必ずしもこれに限られない。例えば、金属支持体１８０に形成された貫通孔５０が、Ｚ軸方向に直交する方向に延伸する部分を含んでいてもよい。

【0094】

上記実施形態（または変形例、以下同様）の単セル１１０において、数式：Ａ１＞Ａ２を満たし、かつ、数式：Ａ３≧１．２、数式：ＴＶ１＞ＴＶ２、数式：Ａ４≧１．２、数式：ＴＶ１≧１．０、および数式：ＴＶ２＜１．０の内の一部または全部を満たさないとしてもよい。

【0095】

上記実施形態の単セル１１０において、金属支持体１８０の貫通孔５０内（一部であってもよいし、全体であってもよい）に燃料極１１６が充填されていてもよい。

【0096】

また、金属支持体１８０のＸＹ断面における各貫通孔５０形状は、円形であるが、円形以外の形状（例えば矩形）であってもよい。また、上記実施形態では複数の貫通孔５０の構成は同様であるが、いずれかの貫通孔の構成が他の貫通孔の構成と異なっていてもよい。例えば、複数の貫通孔５０の径は、互いに略同一であるが、互いに異なっていてもよい。

【0097】

上記実施形態では、金属支持体１８０が、Ｚ軸方向に積層された第１の金属部材１８１および第２の金属部材１８２から構成されているが、金属支持体１８０の構成はこれに限られない。例えば、金属支持体１８０が、１枚の板状部材から構成されていてもよいし、Ｚ軸方向に積層された３枚以上の板状部材から構成されていてもよい。また、金属支持体１８０がＺ軸方向に積層された複数の板状部材から構成されている場合、各板状部材の厚さは互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。

【0098】

上記実施形態では、単セル１１０は、燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側に位置する金属支持体１８０を備え、かつ、上記の特定条件（数式：Ａ１＞Ａ２など）を満たす。このような金属支持体１８０に換えて、または加えて、後述する空気極側金属支持体を備える構成を採用してもよい。すなわち、単セル１１０は、空気極１１４に対して電解質層１１２とは反対側に位置する金属支持体（以下、「空気極側金属支持体」という。）を備え、かつ、上記の特定条件と同様の条件を満たす構成を採用してもよい。このような構成においては、空気極側金属支持体の貫通孔内を通って空気極１１４に供給される反応ガス（酸化剤ガスＯＧ）の量が多くなり、ひいては、単セル１１０の性能を向上させることができる。なお、このような構成において、空気極１１４は、特許請求の範囲における特定電極の一例である。

【0099】

上記実施形態において、単セル１１０の空気極１１４と電解質層１１２との間に、空気極１１４から拡散した元素（例えば、Ｓｒ）が電解質層１１２に含まれる元素（例えば、Ｚｒ）と反応して高抵抗な物質（例えば、ＳｒＺｒＯ_３）が生成されることを抑制する反応防止層が配置されるとしてもよい。反応防止層は、例えば、セリア系のイオン伝導体材料により形成される。

【0100】

上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれる全ての単セル１１０において、上述した構成が実現されている必要はなく、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において、上述した構成が実現されていればよい。例えば、上記実施形態では各単セル１１０が備える金属支持体１８０の構成は同様であるが、いずれかの単セルが備える金属支持体の構成が異なっていてもよい。また、上記実施形態では各単セル１１０が備える燃料極１１６の構成は同様であるが、いずれかの単セルが備える燃料極の構成が異なっていてもよい。

【0101】

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。また、上記実施形態における単セル１１０の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。

【0102】

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固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を対象としているが、本明細書に開示される技術は、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）の構成単位である電解単セルおよび複数の電解単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２０１６－８１８１３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を電解単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、貫通孔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、貫通孔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単セルにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用することにより、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。

【0103】

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（または電解セル）にも適用可能である。

【符号の説明】

【0104】

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 ５０：貫通孔 ５１：（貫通孔５０の）第１の部分 ５２：（貫通孔５０の）第２の部分 ５３，５４：開口 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０４，１０６：エンドプレート １０８：貫通孔 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：空気極側フレーム部材 １３１：孔 １３２：空気極側ガス供給連通流路 １３３：空気極側ガス排出連通流路 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １４０：燃料極側フレーム部材 １４１：孔 １４２：燃料極側ガス供給連通流路 １４３：燃料極側ガス排出連通流路 １４４：燃料極側集電体 １４５：集電体要素 １５０：インターコネクタ １６１：空気極側ガス供給マニホールド １６２：空気極側ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料極側ガス供給マニホールド １７２：燃料極側ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：金属支持体 １８１：第１の金属部材 １８２：第２の金属部材 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス Ｓ１１：（第１の金属部材の）対向面 S１１０：第１部分（金属支持体１８０の対向面Ｓ１１のうち、燃料極１１６が接する部分） Ｓ１２：（第１の金属部材の）表面 Ｓ２１：（第２の金属部材の）表面 Ｓ２２：（第２の金属部材の）反対面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】