特開 2023-23051 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】P2023023051

(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 8/0228 20160101ALI20230209BHJP

   H01M 8/0215 20160101ALI20230209BHJP

   C25B 9/63 20210101ALI20230209BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20230209BHJP

   H01M 8/1286 20160101ALI20230209BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230209BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1213

H01M8/0228

H01M8/0215

C25B9/63

C25B9/23

H01M8/1286

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021128227

(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】鈴木 伸輔

(72)【発明者】

【氏名】松田 和幸

【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】電気化学反応単セルにおいて、金属支持体からの特定電極の剥離を抑制する。
【解決手段】電気化学反応単セルは、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を備える。電気化学反応単セルの断面において、金属支持体の貫通孔を画定する１対の輪郭線の一方のうち、特定電極側の端を含む第１部分の表面粗さをＡ１（μｍ）とし、金属支持体の対向面の輪郭線のうち、特定電極の基部が接する部分の表面粗さをＡ２（μｍ）としたときに、数式（１）：Ａ１＞Ａ２を満たし、かつ、特定電極の孔内部（金属支持体の貫通孔内に位置する部分）は、金属支持体の第１部分の少なくとも一部に接している。
【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、
前記特定電極は、前記対向面に接する基部と、前記複数の貫通孔の少なくとも１つである特定貫通孔内に位置する孔内部と、を備え、
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、
前記金属支持体の前記特定貫通孔を画定する１対の輪郭線の一方のうち、前記特定電極側の端を含む第１部分の表面粗さをＡ１（μｍ）とし、前記金属支持体の前記対向面の輪郭線のうち、前記特定電極の前記基部が接する部分の表面粗さをＡ２（μｍ）としたときに、
数式（１）：Ａ１＞Ａ２を満たし、かつ、
前記特定電極の前記孔内部は、前記金属支持体の前記第１部分の少なくとも一部に接している、
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（２）：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、
前記特定電極の前記孔内部に接する前記酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ１とし、前記特定電極の前記基部に接する前記酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ２としたときに、
数式（３）：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（４）：Ａ４≧１．２を満たす、
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。従来の金属支持型の単セルでは、金属支持体の表面（金属支持体の貫通孔を画定する表面を含む）の表面粗さは均一であり、特定電極の貫通孔内に位置する部分（以下、「孔内部」という。）は、このような表面粗さを有する金属支持体表面に接している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５－９３２６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記従来の金属支持型の単セルでは、金属支持体と特定電極とを引き離す力（第１の方向に略平行な力）が作用したときに、金属支持体からの特定電極の剥離が生じるおそれがある。

【0007】

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。

【0008】

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】

【0009】

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。

【0010】

（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、前記特定電極は、前記対向面に接する基部と、前記複数の貫通孔の少なくとも１つである特定貫通孔内に位置する孔内部と、を備え、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、前記金属支持体の前記特定貫通孔を画定する１対の輪郭線の一方（以下、「特定輪郭線」という。）のうち、前記特定電極側の端を含む第１部分の表面粗さをＡ１（μｍ）とし、前記金属支持体の前記対向面の輪郭線のうち、前記特定電極の前記基部が接する部分の表面粗さをＡ２（μｍ）としたときに、数式（１）：Ａ１＞Ａ２を満たし、かつ、前記特定電極の前記孔内部は、前記金属支持体の前記第１部分の少なくとも一部に接している。

【0011】

本電気化学反応単セルでは、数式（１）：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、金属支持体と特定電極とを引き離す力（第１の方向に略平行な力）が作用したときに、特定電極の孔内部が金属支持体の特定輪郭線の第１部分に係合してアンカーとして効果的に機能する。そのため、本電気化学反応単セルでは、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、特定電極と金属支持体とにおける相対的な第１の方向（より詳細には、第１の方向のうち、特定電極と金属支持体とが離れる方向）の位置ずれを抑制することができ、ひいては、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る。

【0012】

ところで、本電気化学反応単セルでは、上述したように、金属支持体のうち、特定電極に接する対向面の少なくとも一部は、酸化被膜によって構成されている。このような電気化学反応単セルにおいて、Ａ２が大きい（換言すれば、金属支持体の上記対向面のうち、特定電極の基部が接する部分の表面粗さが大きい）と、金属支持体と特定電極とが接触する接触部の分布が不均一となり、これにより、電流集中や、局所的に金属支持体と特定電極との間での元素拡散が生じやすいといった問題が生じやすい。

【0013】

本電気化学反応単セルでは、数式（１）：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、電流集中や、局所的な金属支持体と特定電極との間での元素拡散を抑制することができる。

【0014】

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、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、かつ、電流集中や、局所的な金属支持体と特定電極との間での元素拡散を抑制することができ、これにより、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】

（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（２）：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よれば、Ａ３＜１．２を満たす構成と比較して、より効果的に、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、かつ、電流集中や、局所的な金属支持体と特定電極との間での元素拡散を抑制することができ、これにより、電気化学反応単セルの性能を向上させることができる。

【0016】

（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記特定電極の前記孔内部に接する前記酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ１とし、前記特定電極の前記基部に接する前記酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ２としたときに、数式（３）：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、ＴＶ１とＴＶ２が同等である構成と比較して、より効果的に、電流集中や、局所的な金属支持体と特定電極との間での元素拡散を抑制することができ、これにより、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】

（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（４）：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、Ａ４＜１．２を満たす構成と比較して、より効果的に、電流集中や、局所的な金属支持体と特定電極との間での元素拡散を抑制することができ、これにより、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】

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）、電気化学反応単セル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】

【0019】

【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】単セル１１０の一部分（図５のＸ１部）のＹＺ断面構成を拡大して示す説明図である。

【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】

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【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、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。

【0027】

（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。

【0028】

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。

【0029】

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）。

【0030】

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（より詳細には、後述する燃料極１１６の基部１１７）に対して電解質層１１２とは反対側（下側）に配置された金属支持体１８０を備える。

【0031】

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。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）。この複数の貫通孔５０は、金属支持体１８０の上面（後述する上面Ｓ１１）から下面（後述する下面Ｓ２２）までＺ軸方向に貫通している。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。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。

【0040】

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。

【0041】

Ａ－３．単セル１１０の詳細構成：
図６は、単セル１１０の一部分（図５のＸ１部）のＹＺ断面構成を拡大して示す説明図である。図６に示す断面は、特許請求の範囲における特定断面の一例である。

【0042】

（金属支持体１８０）
上述したように、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。金属支持体１８０において、各貫通孔５０は、燃料極１１６（より詳細には、後述する基部１１７）に接する上面Ｓ１１から、上面Ｓ１１とは反対側の下面Ｓ２２まで、Ｚ軸方向に貫通している。各貫通孔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。

【0043】

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。

【0044】

金属支持体１８０に形成された各貫通孔５０は、金属支持体１８０の上面Ｓ１１における開口５３を含む上側部５１を有している。各貫通孔５０の上側部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。各上側部５１は、第１の金属部材１８１における燃料極１１６に接する上面Ｓ１１から、上面Ｓ１１とは反対側の下面Ｓ１２まで貫通している。

【0045】

また、金属支持体１８０に形成された各貫通孔５０は、上側部５１に加えて、上側部５１に連通する下側部５２を有している。下側部５２は、金属支持体１８０の下面（後述する第２の金属部材１８２の下面Ｓ２２）における開口５４を含む部分である。各下側部５２は、第２の金属部材１８２における第１の金属部材１８１に接する上面Ｓ２１から、上面Ｓ２１とは反対側の下面Ｓ２２まで貫通している。Ｚ軸方向視において下側部５２の輪郭線は上側部５１の輪郭線と重なっている。すなわち、各貫通孔５０は、上側部５１と下側部５２とから構成されている。

【0046】

以下、単セル１１０のＺ軸方向に沿った断面（例えば、図６に示す断面）において、金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する１対の輪郭線の一方を輪郭線５０１といい、他方を輪郭線５０２という。

【0047】

金属支持体１８０の輪郭線５０１のうち、第１の金属部材１８１により形成された部分を第１部分５０１１といい、第２の金属部材１８２により形成された部分を第２部分５０１２という。換言すれば、輪郭線５０１の第１部分５０１１は、輪郭線５０１のうち、燃料極１１６側の端を含む部分であり、輪郭線５０１の第２部分５０１２は、輪郭線５０１のうち、燃料極１１６とは反対側において第１部分５０１１と連続する部分である。なお、第２部分５０１２は、輪郭線５０１のうち、燃料極１１６とは反対側の端部を構成している。

【0048】

金属支持体１８０の表面は、酸化被膜（本実施形態では、酸化クロム被膜）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の表面の一部のみが酸化被膜によって構成されていてもよい。このように表面が酸化被膜によって構成される金属支持体１８０は、例えば、金属部材の表面に熱処理を施すことにより酸化被膜を形成することにより得ることができる。

【0049】

単セル１１０のＺ軸方向に沿った断面において下記の数式（１）～（４）を満たす。なお、単セル１１０のＺ軸方向に沿った任意の断面において下記の数式（１）～（４）を満たしていてもよいが、単セル１１０のＺ軸方向に沿った少なくとも１つの断面において下記の数式（１）～（４）を満たしていればよい。

【0050】

金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する１対の輪郭線（５０１，５０２）の一方である輪郭線５０１の第１部分５０１１の表面粗さをＡ１（μｍ）とし、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である上面Ｓ１１（以下、「対向面Ｓ１１」という。）の輪郭線のうち、燃料極１１６の基部１１７が接する部分５０３の表面粗さをＡ２（μｍ）としたときに、数式（１）：Ａ１＞Ａ２を満たしている。Ａ１やＡ２の有効数字は３桁である。

【0051】

更に、Ａ１／Ａ２をＡ３としたときに、数式（２）：Ａ３≧１．２を満たしている。

【0052】

また、もう一方の輪郭線５０２の構成についても、上述した輪郭線５０１の構成と同様である。すなわち、もう一方の輪郭線５０２の構成は以下の通りである。

【0053】

金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する１対の輪郭線（５０１，５０２）の他方である輪郭線５０２の第１部分５０２１の表面粗さをＡ１（μｍ）としたときに、数式（１）：Ａ１＞Ａ２を満たしている。Ａ２は、上記と同様、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の輪郭線のうち、燃料極１１６の基部１１７が接する部分５０３の表面粗さ（μｍ）である。Ａ１やＡ２の有効数字は３桁である。更に、Ａ１／Ａ２をＡ３としたときに、数式（２）：Ａ３≧１．２を満たす。

【0054】

更に、金属支持体１８０のうち、燃料極１１６の孔内部１１８に接する酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ１とし、金属支持体１８０のうち、燃料極１１６の基部１１７に接する酸化被膜の厚さのばらつきＴＶ２としたときに、数式（３）：ＴＶ１＞ＴＶ２を満たしている。ＴＶ１やＴＶ２の有効数字は３桁である。

【0055】

更に、ＴＶ１／ＴＶ２をＡ４としたときに、数式（４）：Ａ４≧１．２を満たしている。

【0056】

金属支持体１８０の輪郭線（第１部分５０１１，５０２１や、燃料極１１６の基部１１７が接する部分５０３など）の表面粗さの特定は、例えば次のように行う。まず、単セル１１０におけるＺ軸方向に平行な断面（但し、金属支持体１８０の貫通孔５０、燃料極１１６が表れる位置）を任意に設定し、当該断面における任意の位置（但し、金属支持体１８０の輪郭線５０１が表れる位置）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。なお、レーザー顕微鏡における画像を用いてもよい。

【0057】

上記ＳＥＭ画像において、金属支持体１８０の輪郭線５０１の第１部分５０１１の画像解析を行うことにより輪郭線５０１の第１部分５０１１における算術平均粗さＲａに相当する表面粗さの値を算出する。なお、もう一方の輪郭線５０２の第１部分５０２１の表面粗さや、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の輪郭線のうち、燃料極１１６の基部１１７が接する部分５０３の表面粗さの特定についても同様である。

【0058】

金属支持体１８０の輪郭線５０１の第１部分５０１１，５０２１の表面粗さの調整は、例えば、エッチングを行うことにより金属支持体１８０に貫通孔５０を形成する際に、エッチングの条件（エッチング液の種類など）を適宜変更することにより、実現することができる。すなわち、金属支持体１８０の輪郭線５０１の第１部分５０１１，５０２１の表面粗さを適宜変更することにより、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の輪郭線のうち、燃料極１１６の基部１１７が接する部分５０３の表面粗さとの差を調整することができる。

【0059】

金属支持体１８０の酸化被膜の各部（孔内部１１８に接する部分や、燃料極１１６の基部１１７に接する部分）の厚さのばらつきの特定は、例えば次のように行う。酸化被膜の各部における何れかの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、金属支持体１８０の酸化被膜の各部の厚さのばらつきを特定することができる。上記の１０箇所は、酸化被膜の各部における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。なお、金属支持体１８０のうち、金属支持体１８０の酸化被膜の厚さのばらつきは、上述した金属支持体１８０の輪郭線の表面粗さとある程度の相関性がある。具体的には、金属支持体１８０の酸化被膜の厚さのばらつきは、基本的には、金属支持体１８０の輪郭線の表面粗さが大きいほど大きくなる。この点を考慮し、金属支持体１８０の輪郭線の表面粗さに基づいて金属支持体１８０の酸化被膜の厚さのばらつきを推定するようにしてもよい。

【0060】

金属支持体１８０の酸化被膜の各部（孔内部１１８に接する部分や、燃料極１１６の基部１１７に接する部分）の厚さのばらつきの調整は、例えば次のように行う。金属支持体１８０の酸化被膜の各部の厚さのばらつきは、焼成温度と焼成時間を適宜変更することにより、調整することができる。なお、上述したように、金属支持体１８０の酸化被膜の厚さのばらつきは、金属支持体１８０の輪郭線の表面粗さとある程度の相関性がある。この点を考慮し、金属支持体１８０の輪郭線の表面粗さに基づいて金属支持体１８０の酸化被膜の厚さのばらつきを調整するようにしてもよい。

【0061】

（燃料極１１６等）
燃料極１１６は、平板形状である基部１１７と、複数の孔内部１１８とを備える。各孔内部１１８は、基部１１７に連なり、かつ、金属支持体１８０の各貫通孔５０内に位置している。

【0062】

燃料極１１６の各孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１に接している。なお、図６では、燃料極１１６の孔内部１１８の略全体が、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１に接しているが、燃料極１１６の孔内部１１８の少なくとも一部が、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１に接していればよい。また、燃料極１１６が有する複数の孔内部１１８のうちのいずれかのみにおいて、燃料極１１６の孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１に接している、という態様であってもよい。

【0063】

各貫通孔５０は、燃料極１１６の孔内部１１８のＺ軸方向の電解質層１１２とは反対側に空間ＳＰを有する。

【0064】

なお、上記のような態様に換えて、燃料極１１６の各孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１と第２部分５０１２，５０２２との両方に接している態様であってもよく、また、上記空間ＳＰを有さない態様（孔内部１１８が貫通孔５０の全体に充填されている態様）であってもよい。

【0065】

本実施形態では、複数の貫通孔５０は、Ｚ軸方向視において金属支持体１８０と燃料極１１６とが重なる範囲の略全体にわたって配置されている。また、単セル１１０のＸＹ断面における各貫通孔５０の形状は、円形である。各貫通孔５０の径は、金属支持体１８０の上面（対向面）Ｓ１１における開口５３の位置から下面Ｓ２２における開口５４の位置にわたって略一定である。また、複数の貫通孔５０の径は、互いに略同一である。

【0066】

燃料室１７６に供給された反応ガス（燃料ガスＦＧ）は、各貫通孔５０（空間ＳＰ）内を進行し、さらに燃料極１１６の孔内部１１８や基部１１７の空隙内を進行して、反応場に供給される。

【0067】

Ａ－４．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、燃料極１１６および空気極１１４と、金属支持体１８０とを備える。燃料極１１６および空気極１１４は、電解質層１１２を挟んでＺ軸方向に互いに対向している。金属支持体１８０は、燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側に位置している。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である対向面Ｓ１１は、燃料極１１６に接している。金属支持体１８０は、Ｚ軸方向に貫通する複数の貫通孔５０を有する。各貫通孔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。燃料極１１６は、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１に接する基部１１７と、貫通孔５０内に位置する孔内部１１８とを備える。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軸方向に沿った少なくとも１つの断面（以下、「特定断面」という。）において、金属支持体１８０の貫通孔５０を画定する１対の輪郭線（５０１，５０２）の一方である輪郭線５０１のうち、燃料極１１６側の端を含む第１部分５０１１の表面粗さをＡ１（μｍ）とし、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の輪郭線のうち、燃料極１１６の基部１１７が接する部分５０３の表面粗さをＡ２（μｍ）としたときに、数式（１）：Ａ１＞Ａ２を満たし、かつ、燃料極１１６の孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１の第１部分５０１１の少なくとも一部に接している。

【0068】

本実施形態の単セル１１０では、数式（１）：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、金属支持体１８０と燃料極１１６とを引き離す力（Ｚ軸方向に略平行な力）が作用したときに、燃料極１１６の孔内部１１８が金属支持体１８０の輪郭線５０１の第１部分５０１１に係合してアンカーとして効果的に機能する。そのため、本実施形態の単セル１１０では、Ａ１とＡ２が同等である構成と比較して、燃料極１１６と金属支持体１８０とにおける相対的なＺ軸方向（より詳細には、Ｚ軸方向のうち、燃料極１１６と金属支持体１８０とが離れる方向）の位置ずれを抑制することができ、ひいては、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る。

【0069】

ところで、本実施形態の単セル１１０では、上述したように、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。このような単セル１１０において、Ａ２が大きい（換言すれば、金属支持体１８０の対向面Ｓ１１のうち、燃料極１１６の基部１１７が接する部分の表面粗さが大きい）と、金属支持体１８０と燃料極１１６とが接触する接触部の分布が不均一となり、これにより、電流集中や、局所的に金属支持体１８０と燃料極１１６との間での元素拡散が生じやすいといった問題が生じやすい。

【0070】

本実施形態の単セル１１０では、数式（１）：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、電流集中や、局所的な金属支持体１８０と燃料極１１６との間での元素拡散を抑制することができる。

【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、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、かつ、電流集中や、局所的な金属支持体１８０と燃料極１１６との間での元素拡散を抑制することができ、これにより、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0072】

また、本実施形態の単セル１１０では、Ａ１／Ａ２をＡ３としたときに、数式（２）Ａ３≧１．２を満たす。本実施形態の単セル１１０によれば、Ａ３＜１．２を満たす構成と比較して、より効果的に、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、かつ、電流集中や、局所的な金属支持体１８０と燃料極１１６との間での元素拡散を抑制することができ、これにより、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0073】

上記では、本発明を、輪郭線５０１に関する構成に適用した部分による効果を説明したが、輪郭線５０２に関する構成に適用した部分についても同様の効果が得られる。

【0074】

また、本実施形態の単セル１１０では、金属支持体１８０のうち、燃料極１１６の孔内部１１８に接する酸化被膜の厚さのばらつきをＴＶ１とし、金属支持体１８０のうち、燃料極１１６の基部に接する酸化被膜の厚さのばらつきＴＶ２としたときに、数式（３）：ＴＶ１＞ＴＶ２を満たす。本実施形態の単セル１１０によれば、ＴＶ１とＴＶ２が同等である構成と比較して、より効果的に、電流集中や、局所的な金属支持体１８０と燃料極１１６との間での元素拡散を抑制することができ、これにより、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0075】

また、本実施形態の単セル１１０では、ＴＶ１／ＴＶ２をＡ４としたときに、数式（４）：Ａ４≧１．２を満たす。本実施形態の単セル１１０によれば、Ａ４＜１．２を満たす構成と比較して、より効果的に、電流集中や、局所的な金属支持体１８０と燃料極１１６との間での元素拡散を抑制することができ、これにより、単セル１１０の性能を向上させることができる。

【0076】

Ａ－５．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。

【0077】

図７に示すように、本性能評価には、単セル１１０の４個のサンプル（サンプルＳＡ１～ＳＡ４）が用いられた。

【0078】

以下、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１の表面粗さをまとめて「Ａ１」（μｍ）という。各サンプルは、特性が互いに異なっている。具体的には、各サンプルは、燃料極１１６の孔内部１１８の有無（図７の「孔内部１１８の有無」欄を参照）と、Ａ１（金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１の表面粗さＡ１）(μｍ)と、Ａ２（金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の輪郭線のうち、燃料極１１６の基部１１７が接する部分５０３の表面粗さ）（μｍ）との大小関係（図７の「Ａ１とＡ２の大小関係」欄を参照）と、Ａ１／Ａ２≧１．２を満たすか否かの成否（図７の「Ａ１／Ａ２≧１．２」欄を参照）とのいずれかが互いに異なっている。

【0079】

なお、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第２部分５０１２，５０２２の表面粗さは、第１部分５０１１，５０２１の表面粗さＡ１(μｍ)と同等である。また、いずれのサンプルにおいてもＡ２の値は同一である。また、金属支持体１８０の表面のうち、輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１以外の部分の表面粗さは、基本的にＡ２（μｍ）である。また、燃料極１１６の孔内部１１８が「有り」である各サンプルは、「燃料極１１６の孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１の少なくとも一部に接している」という条件を満たしている。

【0080】

（燃料極１１６と金属支持体１８０との接合強度についての評価）
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燃料極１１６と金属支持体１８０と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１の判定閾値」という。）以下であったサンプルを「特に良い（◎）」と評価した。粘着テープに付着している燃料極１１６の量が、第１の判定閾値より大きく、かつ、第１の判定閾値よりも大きい所定の判定閾値（以下、「第２の判定閾値」という。）以下であったサンプルを「良い（〇）」と評価した。粘着テープに付着している燃料極１１６の量が第２の判定閾値より大きかったサンプルを「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１０％の値を用い、第２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との接合強度」欄に示されている通りである。

【0081】

図７に示すように、サンプルＳＡ１では、粘着テープに付着した燃料極１１６の量が第１の判定閾値以下であったため、「特に良い」と評価した。また、サンプルＳＡ２では、粘着テープに付着した燃料極１１６の量が第１の判定閾値より大きく、かつ、第２の判定閾値以下であったため、「良い」と評価した。これに対し、サンプルＳＡ３，ＳＡ４では、粘着テープに付着した燃料極１１６の量が第１の判定閾値より大きかったため、「不合格」と評価した。

【0082】

ここで、サンプルＳＡ１，ＳＡ２では、燃料極１１６の孔内部１１８が「有り」（かつ、料極１１６の孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１の少なくとも一部に接している）であり、かつ、Ａ１＞Ａ２である。一方、サンプルＳＡ３では、燃料極１１６の孔内部１１８が「有り」であるが、Ａ１＝Ａ２である（つまり、Ａ１＞Ａ２を満たしていない）。サンプルＳＡ３では、Ａ１＞Ａ２であるが、燃料極１１６の孔内部１１８が「無し」である（つまり、「燃料極１１６の孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１の少なくとも一部に接している」という条件を満たしていない）。以上の結果から、燃料極１１６の孔内部１１８が「有り」（かつ、燃料極１１６の孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１の少なくとも一部に接している）であり、かつ、Ａ１＞Ａ２を満たす構成においては、粘着テープに付着する燃料極１１６の量が少なくなり、すなわち、燃料極１１６と金属支持体１８０との接合強度が高い単セル１１０が得られることが確認された。

【0083】

また、サンプルＳＡ１では、Ａ１／Ａ２≧１．２を満たす一方で、サンプルＳＡ２では、Ａ１／Ａ２≧１．２を満たしていない。以上の結果から、Ａ１／Ａ２≧１．２を満たす構成においては、粘着テープに付着する燃料極１１６の量が特に少なくなり、すなわち、燃料極１１６と金属支持体１８０との接合強度が特に高い単セル１１０が得られることが確認された。

【0084】

（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４個のサンプル（サンプルＳＡ１～ＳＡ４）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４個のボタンセルが用いられた。各サンプル（ボタンセル）は、上述した特性（「Ａ１とＡ２の大小関係」など）が上記の単セル１１０の各サンプルと同様であるものであり、上下方向視で２５ｍｍの辺を有する四角形をなす燃料極１１６および電解質層１１２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のサンプルと特性（「Ａ１とＡ２の大小関係」など）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ＳＡ１）。

【0085】

各サンプル（単セル１１０）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３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、測定値が第３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。

【0086】

図７に示すように、サンプルＳＡ１，ＳＡ２では、測定値（単セル１１０の出力電圧）が第３の判定閾値以上であったため、「合格」と評価した。これに対し、サンプルＳＡ３，ＳＡ４では、測定値が第３の判定閾値より低かったため、「不合格」と評価した。

【0087】

ここで、上述したように、サンプルＳＡ１，ＳＡ２では、燃料極１１６の孔内部１１８が「有り」（かつ、燃料極１１６の孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１の少なくとも一部に接している）であり、かつ、Ａ１＞Ａ２である。一方、サンプルＳＡ３では、燃料極１１６の孔内部１１８が「有り」であるが、Ａ１＝Ａ２である（つまり、Ａ１＞Ａ２を満たしていない）。サンプルＳＡ３では、Ａ１＞Ａ２であるが、燃料極１１６の孔内部１１８が「無し」である（つまり、「料極１１６の孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１の少なくとも一部に接している」という条件を満たしていない）。以上の結果から、燃料極１１６の孔内部１１８が「有り」（かつ、燃料極１１６の孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１の少なくとも一部に接している）であり、かつ、Ａ１＞Ａ２を満たす構成においては、発電性能が特に高い単セル１１０が得られることが確認された。

【0088】

以上の評価により、燃料極１１６の孔内部１１８が「有り」（かつ、燃料極１１６の孔内部１１８は、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１の少なくとも一部に接している）であり、かつ、Ａ１＞Ａ２（数式（１））を満たす構成が優れた効果を奏することが確認された。また、金属支持体１８０の２つの輪郭線５０１，５０２の一方のみがこのような表面粗さの条件を満たす構成においては、効果の程度がいくらか劣ることになる可能性があるものの、同様の効果（特に「燃料極１１６と金属支持体１８０との接合強度」および「発電性能」についての効果）が得られると考えられる。

【0089】

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。

【0090】

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、上側部５１と下側部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。

【0091】

上記実施形態（または変形例、以下同様）では、単セル１１０のＸＹ断面における金属支持体１８０の各貫通孔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、各貫通孔５０の径は、金属支持体１８０の上面（対向面）Ｓ１１における開口５３の位置から下面Ｓ２２における開口５４の位置にわたって略一定であるが、いずれかの位置で異なっていてもよい。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。

【0092】

上記実施形態では、金属支持体１８０の表面は、酸化クロム被膜によって構成されているが、金属支持体１８０の表面は、酸化クロム被膜以外の酸化被膜によって構成されていてもよい。金属支持体１８０の表面が酸化クロム被膜以外の酸化被膜によって構成されている態様においても、上記実施形態と同様に、上述した問題（電流集中や、局所的に金属支持体１８０と燃料極１１６との間での元素拡散）に対し、数式（１）：Ａ１＞Ａ２を満たすことにより当該問題の発生を抑制することができる。

【0093】

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の輪郭線５０１，５０２の第１部分５０１１，５０２１や第２部分５０１２，５０２２が複数の板状部材に跨って形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。

【0094】

上記実施形態では、金属支持体１８０の輪郭線５０１，５０２の第２部分５０１２，５０２２は、輪郭線５０１，５０２のうち、燃料極１１６とは反対側の端部を構成しているが、第２部分５０１２，５０２２は、輪郭線５０１，５０２のうち、燃料極１１６とは反対側の端部でない、としてもよい。すなわち、第２部分５０１２，５０２２は、第１部分５０１１，５０２１と、燃料極１１６とは反対側の端部との間を構成する部分であるとしてもよい。

【0095】

上記実施形態では、金属支持体１８０は、数式（２）：Ａ３≧１．２を満たしているが、数式（１）：Ａ１＞Ａ２を満たす限りにおいて、数式（２）：Ａ３≧１．２を満たしていないとしてもよい。

【0096】

上記実施形態では、輪郭線５０１と輪郭線５０２との両方が上記数式（１）～（４）の全部または一部を満たしているが、輪郭線５０１と輪郭線５０２との一方のみが上記数式（１）～（４）の全部または一部を満たしている、としてもよい。

【0097】

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。

【0098】

上記実施形態では、金属支持体１８０に形成された全ての貫通孔５０（および、貫通孔５０内に位置する燃料極１１６の孔内部１１８）について、本発明の特徴的構成をなす（数式（１）：Ａ１＞Ａ２を満たす、等）としているが、金属支持体１８０に形成された全ての貫通孔５０（および、貫通孔５０内に位置する燃料極１１６の孔内部１１８）のうちのいずれかのみが本発明の特徴的構成をなしているとしてもよい。

【0099】

上記実施形態では、金属支持体１８０が燃料極１１６に対して電解質層１１２とは反対側に位置する部材である燃料電池スタック１００に本発明を適用したものである。また、金属支持体が空気極１１４に対して電解質層１１２とは反対側に位置する部材である燃料電池スタックに本発明を適用してもよい。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。

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

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】

【0103】

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 ５０：貫通孔 ５１：（貫通孔の）上側部 ５２：（貫通孔の）下側部 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 １１７：（燃料極の）基部 １１８：（燃料極の）孔内部 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 ５０１，５０２：輪郭線 ５０３：金属支持体１８０の対向面Ｓ１１の輪郭線の部分 ５０１１，５０２１：第１部分 ５０１２，５０２２：第２部分 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）上面（対向面） Ｓ１２：（第１の金属部材の）下面 Ｓ２１：（第２の金属部材の）上面 Ｓ２２：（第２の金属部材の）下面 ＳＰ：空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】