特開 2024-125476 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック

(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】P2024125476

(43)【公開日】2024-09-19

(54)【発明の名称】電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/1226 20160101AFI20240911BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20240911BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240911BHJP

   C25B 9/77 20210101ALI20240911BHJP

   C25B 9/07 20210101ALI20240911BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240911BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1226

C25B1/042

C25B9/00 A

C25B9/77

C25B9/07

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023033309

(22)【出願日】2023-03-06

(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】弁理士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】島津 めぐみ

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021DB40

4K021DB43

4K021DC01

4K021DC03

5H126AA15

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE11

5H126GG12

5H126JJ02

(57)【要約】

【課題】金属支持体の貫通孔を介したガスの円滑な流れを阻害することなく、金属支持体の異常酸化に起因する単セルの経時的な性能低下を抑制する。
【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の方向に対向する燃料極および空気極と、金属支持体とを備える。金属支持体には、燃料極に対向する第１の表面から、第１の表面とは反対側の第２の表面まで貫通する複数の貫通孔が形成されている。各貫通孔を画定する金属支持体の内周面には、金属酸化物層が形成されている。少なくとも１つの貫通孔において、貫通孔を第１の方向に沿って３つの部分に等分したときの第１の表面に最も近い部分における第１の位置での貫通孔の内径は、３つの部分のうち第２の表面に最も近い部分における第２の位置での貫通孔の内径より小さく、かつ、第１の位置での金属酸化物層の厚さは、第２の位置での金属酸化物層の厚さより薄い。
【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、前記燃料極に対して前記電解質層とは反対側に配置された金属支持体と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記金属支持体には、前記燃料極に対向する第１の表面から、前記第１の表面とは反対側の第２の表面まで貫通する複数の貫通孔が形成されており、
各前記貫通孔を画定する前記金属支持体の内周面には、金属酸化物層が形成されており、
少なくとも１つの前記貫通孔において、
前記貫通孔を前記第１の方向に沿って３つの部分に等分したときの前記３つの部分のうち前記第１の表面に最も近い部分における第１の位置での前記貫通孔の内径は、前記３つの部分のうち前記第２の表面に最も近い部分における第２の位置での前記貫通孔の内径より小さく、かつ、
前記第１の位置での前記金属酸化物層の厚さは、前記第２の位置での前記金属酸化物層の厚さより薄い、
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において、
少なくとも１つの前記貫通孔において、
前記第１の位置での前記金属酸化物層の厚さに対する、前記第２の位置での前記金属酸化物層の厚さの比は、１．０１より大きい、
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において、
少なくとも１つの前記貫通孔において、
前記第２の位置での前記金属酸化物層により画定されるガス流路の断面積は、前記第１の位置での前記金属酸化物層により画定されるガス流路の断面積以上である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。

【請求項4】

請求項１または請求項２に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記金属酸化物層は、Ｃｒと、Ｍｎと、Ｓｉと、Ａｌと、Ｔｉとの少なくとも１つを含む、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。

【請求項5】

前記第１の方向に並べて配置された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において、
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも１つは、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る、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。

【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、電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタックに関する。

【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。金属支持型の単セルは、例えば燃料極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、発電に供される反応ガスが金属支持体内を通過できるように、金属支持体に、燃料極に対向する表面（以下、「第１の表面」という。）から第１の表面とは反対側の第２の表面まで貫通する複数の貫通孔が形成されている。

【0005】

従来、金属支持体の各貫通孔の孔径を、金属支持体の第１の表面に近い位置ほど小さくすることにより、各貫通孔を介したガスの円滑な流通を確保しつつ、金属支持体と燃料極との間の接触面積を大きくして電気抵抗を低減する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１３－３３６１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

金属支持型の単セルでは、運転中に金属支持体が酸素分圧の低い雰囲気に晒されるため、金属支持体の表面に、腐食しやすい酸化物（例えばＦｅ_２Ｏ_３）が形成される異常酸化が発生するおそれがある。このような異常酸化は、金属支持体の劣化、金属支持体の各貫通孔により確保されるガス流路の面積減少による圧損増大、金属支持体の電気抵抗増大等の経時的な性能低下を引き起こすため、好ましくない。従来の単セルでは、このような金属支持体の異常酸化に起因する経時的な性能低下の抑制の点で、向上の余地がある。

【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】

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】

【0010】

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。

【0011】

（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、前記燃料極に対して前記電解質層とは反対側に配置された金属支持体と、を備える。前記金属支持体には、前記燃料極に対向する第１の表面から、前記第１の表面とは反対側の第２の表面まで貫通する複数の貫通孔が形成されている。各前記貫通孔を画定する前記金属支持体の内周面には、金属酸化物層が形成されている。少なくとも１つの前記貫通孔において、前記貫通孔を前記第１の方向に沿って３つの部分に等分したときの前記３つの部分のうち前記第１の表面に最も近い部分における第１の位置での前記貫通孔の内径は、前記３つの部分のうち前記第２の表面に最も近い部分における第２の位置での前記貫通孔の内径より小さく、かつ、前記第１の位置での前記金属酸化物層の厚さは、前記第２の位置での前記金属酸化物層の厚さより薄い。

【0012】

このように、本電気化学反応単セルでは、金属支持体に形成された貫通孔において、貫通孔の内径が、燃料極に対向する第１の表面に近い部分において比較的小さく、反対側の第２の表面に近い部分において比較的大きい。そのため、第１の表面に近い部分においては、ガス流路の圧損が高くなりやすい。一方、第２の表面に近い部分においては、各貫通孔間の距離が小さいため、金属支持体が酸素分圧の低い雰囲気に晒されるなか、酸化物イオンの移動距離が小さくなり、金属支持体に腐食しやすい酸化物（例えばＦｅ_２Ｏ_３）が形成される異常酸化が発生しやすく、この異常酸化に起因する経時的な性能低下が起こりやすい。

【0013】

しかしながら、本電気化学反応単セルでは、貫通孔において、燃料極に対向する第１の表面に近い部分における第１の位置での金属酸化物層の厚さが比較的薄いため、金属酸化物層の存在に起因してガス流路の面積が小さくなって圧損が大きくなることを抑制することができる。また、金属酸化物層の存在に起因して金属支持体の電気抵抗が増大することを抑制することができる。

【0014】

さらに、本電気化学反応単セルでは、貫通孔において、燃料極に対向する第１の表面とは反対側の第２の表面に近い部分における第２の位置での金属酸化物層の厚さが比較的厚いため、金属酸化物層により金属支持体の母材を保護することによって金属支持体の異常酸化を抑制することができ、電気化学反応単セルの経時的な性能低下の発生を抑制することができる。

【0015】

以上のことから、本電気化学反応単セルによれば、金属支持体の貫通孔を介したガスの円滑な流れを阻害することなく、金属支持体の異常酸化に起因する電気化学反応単セルの経時的な性能低下を抑制することができる。

【0016】

（２）上記電気化学反応単セルにおいて、少なくとも１つの前記貫通孔において、前記第１の位置での前記金属酸化物層の厚さに対する、前記第２の位置での前記金属酸化物層の厚さの比は、１．０１より大きい構成としてもよい。このような構成を採用すれば、金属酸化物層の存在に起因してガス流路の面積が小さくなって圧損が大きくなることを効果的に抑制することができると共に、金属酸化物層の存在に起因して金属支持体の電気抵抗が増大することを効果的に抑制することができる。さらに、金属酸化物層の存在によって金属支持体の異常酸化を効果的に抑制することができ、電気化学反応単セルの経時的な性能低下の発生を効果的に抑制することができる。

【0017】

（３）上記電気化学反応単セルにおいて、少なくとも１つの前記貫通孔において、前記第２の位置での前記金属酸化物層により画定されるガス流路の断面積は、前記第１の位置での前記金属酸化物層により画定されるガス流路の断面積以上である構成としてもよい。このような構成を採用すれば、金属支持体の燃料極に対向する第１の表面とは反対側の第２の表面に近い部分において比較的厚い金属酸化物層の存在によりガス流路の圧損が増大することを抑制することができる。

【0018】

（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記金属酸化物層は、Ｃｒと、Ｍｎと、Ｓｉと、Ａｌと、Ｔｉとの少なくとも１つを含む構成としてもよい。これらの元素を含む金属酸化物層は、例えばＦｅ_２Ｏ_３等の腐食しやすい金属酸化物とは異なり、腐食しにくい、換言すれば制御の容易な酸化物である。そのため、このような構成を採用すれば、金属酸化物層の存在によって金属支持体の異常酸化を効果的に抑制することができる。

【0019】

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】

【0020】

【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

【発明を実施するための形態】

【0021】

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。

【0022】

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の方向の一例であり、燃料電池スタック１００は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックの一例である。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

（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、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、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。

【0028】

（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。

【0029】

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。

【0030】

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）。

【0031】

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）に配置された金属支持体１８０を備える。単セル１１０は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルの一例である。

【0032】

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る。金属支持体１８０は、金属により形成されている。金属支持体１８０は、例えばステンレスにより形成されており、より具体的には例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。金属支持体１８０を、例えばフェライト系ステンレスのようにクロムを含む金属により形成すると、金属支持体１８０の耐熱性を向上させることができるため、好ましい。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）。

【0033】

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、金属支持体１８０における上面のうちの中央部に形成されており、金属支持体１８０の上面のうちの中央部を囲む外周部は燃料極１１６により覆われていない。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の上面と、金属支持体１８０の上面の内、燃料極１１６に覆われていない上記外周部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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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、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。

【0038】

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、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。

【0039】

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、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、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。

【0040】

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。

【0041】

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、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、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。

【0042】

Ａ－３．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。

【0043】

図６に示すように、本実施形態における単セル１１０では、金属支持体１８０に複数の貫通孔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に対向する表面である上面Ｓ１から、上面Ｓ１とは反対側の下面Ｓ２まで貫通している。金属支持体１８０の上面Ｓ１は、特許請求の範囲における第１の表面の一例であり、金属支持体１８０の下面Ｓ２は、特許請求の範囲における第２の表面の一例である。

【0044】

金属支持体１８０の表面、すなわち、上面Ｓ１、下面Ｓ２および各貫通孔５０を画定する内周面Ｓ３には、金属酸化物層９０が形成されている。金属酸化物層９０は、金属酸化物により構成された被膜である。金属酸化物層９０は、Ｃｒと、Ｍｎと、Ｓｉと、Ａｌと、Ｔｉとの少なくとも１つを含むことが好ましい。金属酸化物層９０は、例えばＣｒ_２Ｏ_３（クロミア）、Ｍｎ_２Ｏ_３、ＭｎＣｒ_２Ｏ_４、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、ＴｉＯ_２により構成されている。

【0045】

金属酸化物層９０は、例えば金属支持体１８０の母材に対する熱処理を行うことにより形成することができる。また、金属酸化物層９０は、金属支持体１８０の母材を金属酸化物を含む溶液に含浸させた後、乾燥させる処理を、１回または複数回行うことによって形成することもできる。

【0046】

ここで、本実施形態では、金属支持体１８０の各貫通孔５０において、上下方向に沿った各位置での貫通孔５０の内径Ｄが一定ではない。より具体的には、各貫通孔５０を上下方向に沿って３つの部分に等分し、金属支持体１８０の上面Ｓ１に最も近い部分を上側部Ｐａ１、金属支持体１８０の下面Ｓ２に最も近い部分を下側部Ｐａ２、上側部Ｐａ１と下側部Ｐａ２とに挟まれた部分を中間部Ｐａ３とする。このとき、上側部Ｐａ１における第１の位置Ｐｏ１での貫通孔５０の内径Ｄ１は、下側部Ｐａ２における第２の位置Ｐｏ２での貫通孔５０の内径Ｄ２より小さい。なお、上側部Ｐａ１における第１の位置Ｐｏ１は、上側部Ｐａ１における上下方向に沿った所定の位置であり、下側部Ｐａ２における第２の位置Ｐｏ２は、下側部Ｐａ２における上下方向に沿った所定の位置である。図６の例では、第１の位置Ｐｏ１は、上側部Ｐａ１における最上部の位置であるが、上側部Ｐａ１における他の位置であってもよい。同様に、図６の例では、第２の位置Ｐｏ２は、下側部Ｐａ２における最下部の位置であるが、下側部Ｐａ２における他の位置であってもよい。すなわち、上側部Ｐａ１の第１の位置Ｐｏ１での貫通孔５０の内径Ｄ１が下側部Ｐａ２の第２の位置Ｐｏ２での貫通孔５０の内径Ｄ２より小さくなるような、第１の位置Ｐｏ１および第２の位置Ｐｏ２の組合せが存在すればよい。

【0047】

なお、各貫通孔５０において、上側部Ｐａ１における貫通孔５０の内径Ｄの平均値が、下側部Ｐａ２における貫通孔５０の内径Ｄの平均値より小さいことが好ましい。ここで、上側部Ｐａ１または下側部Ｐａ２における貫通孔５０の内径Ｄの平均値は、上側部Ｐａ１または下側部Ｐａ２を上下方向に５等分する位置での内径Ｄの測定値の平均値とする。

【0048】

また、本実施形態では、各貫通孔５０の内径Ｄは、最下部（下面Ｓ２の位置）から最上部（上面Ｓ１の位置）にかけて漸減している。すなわち、各貫通孔５０は、最下部から最上部にかけて縮径するようなテーパ状に形成されている。

【0049】

このような各貫通孔５０の形状は、例えば、金属支持体１８０にレーザー加工またはエッチングを行って各貫通孔５０を形成することにより実現することができる。あるいは、このような各貫通孔５０の形状は、例えば、複数の板状部材を上下方向に積層することにより金属支持体１８０を構成し、各板状部材に形成する孔（貫通孔５０となる孔）の径を板状部材毎に異ならせることによっても実現することができる。

【0050】

また、本実施形態では、金属支持体１８０の各貫通孔５０を画定する内周面Ｓ３に形成された金属酸化物層９０の厚さｔが、上下方向に沿った各位置で一定ではない。より具体的には、各貫通孔５０において、貫通孔５０の上側部Ｐａ１における上記第１の位置Ｐｏ１（図６の例では最上部）での金属酸化物層９０の厚さｔ１は、下側部Ｐａ２における上記第２の位置Ｐｏ２（図６の例では最下部）での金属酸化物層９０の厚さｔ２より薄い。金属酸化物層９０の厚さｔは、貫通孔５０の内周面Ｓ３から金属酸化物層９０の内周面Ｓ４までの、上下方向に直交する方向に沿った最短距離である。

【0051】

なお、各貫通孔５０において、上側部Ｐａ１における金属酸化物層９０の厚さｔの平均値が、下側部Ｐａ２における金属酸化物層９０の厚さｔの平均値より小さいことが好ましい。ここで、上側部Ｐａ１または下側部Ｐａ２における金属酸化物層９０の厚さｔの平均値は、上側部Ｐａ１または下側部Ｐａ２を上下方向に５等分する位置での金属酸化物層９０の厚さｔの測定値の平均値とする。

【0052】

また、本実施形態では、金属支持体１８０の各貫通孔５０を画定する内周面Ｓ３に形成された金属酸化物層９０の厚さｔは、最下部（下面Ｓ２の位置）から最上部（上面Ｓ１の位置）にかけて漸減している。

【0053】

このような各貫通孔５０の上下方向に沿った各位置での金属酸化物層９０の厚さｔの調整は、例えば、上下方向に沿った各位置での金属酸化物層９０の形成方法を異ならせることによって実現することができる。ここで、金属酸化物層９０の形成方法は、例えば、上述した金属支持体１８０の母材を金属酸化物を含む溶液に含浸させた後に乾燥させる処理の実行回数や、金属支持体１８０に対する熱処理の条件等である。あるいは、このような金属酸化物層９０の厚さｔの調整は、例えば、均一の厚さの金属酸化物層９０を形成した後、金属酸化物層９０の一部を機械的または化学的に除去することによっても実現することができる。

【0054】

各貫通孔５０において、上記第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１に対する、上記第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２の比（ｔ２／ｔ１）は、１．０１より大きいことが好ましい。また、該比（ｔ２／ｔ１）は、１．５０以上であることがより好ましく、２．００以上であることがさらに好ましい。

【0055】

また、金属支持体１８０において、各貫通孔５０の内周面Ｓ３に形成された金属酸化物層９０の内周面Ｓ４により、燃料室１７６と燃料極１１６とを連通するガス流路ＦＰが画定される。本実施形態では、各貫通孔５０において、上記第２の位置Ｐｏ２でのガス流路ＦＰの断面積は、上記第１の位置Ｐｏ１でのガス流路ＦＰの断面積以上である。

【0056】

すなわち、本実施形態では、各貫通孔５０において、上記第２の位置Ｐｏ２での貫通孔５０の内径Ｄ２が、上記第１の位置Ｐｏ１での貫通孔５０の内径Ｄ１より大きい。このことは、上記第２の位置Ｐｏ２でのガス流路ＦＰの断面積が大きくなる方向に働く。一方、上記第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２も、上記第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１より大きい。このことは、上記第２の位置Ｐｏ２でのガス流路ＦＰの断面積が小さくなる方向に働く。しかしながら、本実施形態では、上記第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２が比較的厚いとしても、上記第２の位置Ｐｏ２でのガス流路ＦＰの断面積が上記第１の位置Ｐｏ１でのガス流路ＦＰの断面積より小さくなるような程度まで厚くはない。

【0057】

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を構成する各単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下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とは反対側に配置された金属支持体１８０とを備える。金属支持体１８０には、燃料極１１６に対向する上面Ｓ１から、上面Ｓ１とは反対側の下面Ｓ２まで貫通する複数の貫通孔５０が形成されている。各貫通孔５０を画定する金属支持体１８０の内周面Ｓ３には、金属酸化物層９０が形成されている。各貫通孔５０において、貫通孔５０を上下方向に沿って３つの部分に等分したときの該３つの部分のうち上面Ｓ１に最も近い上側部Ｐａ１における第１の位置Ｐｏ１での貫通孔５０の内径Ｄ１は、該３つの部分のうち下面Ｓ２に最も近い下側部Ｐａ２における第２の位置Ｐｏ２での貫通孔５０の内径Ｄ２より小さい。また、各貫通孔５０において、上記第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１は、上記第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２より薄い。

【0058】

このように、本実施形態の単セル１１０では、金属支持体１８０に形成された各貫通孔５０において、貫通孔５０の内径Ｄが、燃料極１１６に対向する上面Ｓ１に近い上側部Ｐａ１において比較的小さく、反対側の下面Ｓ２に近い下側部Ｐａ２において比較的大きい。そのため、上側部Ｐａ１においては、ガス流路ＦＰの圧損が高くなりやすい。一方、下側部Ｐａ２においては、各貫通孔５０間の距離が小さいため、金属支持体１８０が酸素分圧の低い雰囲気に晒されるなか、酸化物イオンの移動距離が小さくなり、金属支持体１８０に腐食しやすい酸化物（例えばＦｅ_２Ｏ_３）が形成される異常酸化が発生しやすく、この異常酸化に起因する経時的な性能低下が起こりやすい。

【0059】

しかしながら、本実施形態の単セル１１０では、各貫通孔５０において、上側部Ｐａ１における上記第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１が比較的薄いため、金属酸化物層９０の存在に起因してガス流路ＦＰの面積が小さくなって圧損が大きくなることを抑制することができる。また、金属酸化物層９０の存在に起因して金属支持体１８０の電気抵抗が増大することを抑制することができる。

【0060】

さらに、本実施形態の単セル１１０では、各貫通孔５０において、下側部Ｐａ２における上記第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２が比較的厚いため、金属酸化物層９０により金属支持体１８０の母材を保護することによって金属支持体１８０の異常酸化を抑制することができ、単セル１１０の経時的な性能低下の発生を抑制することができる。

【0061】

以上のことから、本実施形態の単セル１１０によれば、金属支持体１８０の貫通孔５０を介したガスの円滑な流れを阻害することなく、金属支持体１８０の異常酸化に起因する単セル１１０の経時的な性能低下を抑制することができる。

【0062】

なお、各貫通孔５０において、上側部Ｐａ１の上記第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１に対する、下側部Ｐａ２の上記第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２の比（ｔ２／ｔ１）は、１．０１より大きいことが好ましい。このような構成を採用すれば、金属酸化物層９０の存在に起因してガス流路ＦＰの面積が小さくなって圧損が大きくなることを効果的に抑制することができると共に、金属酸化物層９０の存在に起因して金属支持体１８０の電気抵抗が増大することを効果的に抑制することができる。さらに、金属酸化物層９０の存在によって金属支持体１８０の異常酸化を効果的に抑制することができ、単セル１１０の経時的な性能低下の発生を効果的に抑制することができる。

【0063】

また、本実施形態の単セル１１０では、各貫通孔５０において、下側部Ｐａ２の上記第２の位置Ｐｏ２でのガス流路ＦＰの断面積は、上側部Ｐａ１の上記第１の位置Ｐｏ１でのガス流路ＦＰの断面積以上である。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、金属支持体１８０の下面Ｓ２に近い部分において比較的厚い金属酸化物層９０の存在によりガス流路ＦＰの圧損が増大することを抑制することができる。

【0064】

また、本実施形態の単セル１１０では、金属酸化物層９０は、Ｃｒと、Ｍｎと、Ｓｉと、Ａｌと、Ｔｉとの少なくとも１つを含むことが好ましい。これらの元素を含む金属酸化物層９０は、例えばＦｅ_２Ｏ_３等の腐食しやすい金属酸化物とは異なり、腐食しにくい、換言すれば制御の容易な酸化物である。そのため、このような構成を採用すれば、金属酸化物層９０の存在によって金属支持体１８０の異常酸化を効果的に抑制することができる。

【0065】

Ａ－５．性能評価：
単セル１１０の構成に関し、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。

【0066】

図７に示すように、性能評価には、５つの単セル１１０のサンプル（サンプルＳＡ１～ＳＡ５）を用いた。各サンプルは、金属支持体１８０の表面に形成された金属酸化物層９０の厚さが互いに異なっている。

【0067】

各サンプルの作製方法は、以下の通りである。まず、平板状のフェライト系ステンレスを金属支持体１８０として準備し、金属支持体１８０にレーザー加工により複数の貫通孔５０を形成した。このとき、各貫通孔５０の内径が、最下部（下面Ｓ２の位置）から最上部（上面Ｓ１の位置）にかけて漸減するようにした。

【0068】

次に、金属支持体１８０の表面に、金属酸化物層９０を形成した。サンプルＳＡ１～ＳＡ３，ＳＡ５については、金属支持体１８０の母材を金属酸化物を含む溶液に含浸させた後、乾燥させる処理を行うことにより、金属酸化物層９０を形成した。より詳細には、サンプルＳＡ１では、（１）金属支持体１８０全体を溶液に含浸させることによって金属酸化物層９０を形成する処理を実行した後、（２）金属支持体１８０の下側半分のみを溶液に含浸させることによって金属酸化物層９０を形成する処理を１回実行した。これにより、金属支持体１８０の各貫通孔５０の上側部Ｐａ１の第１の位置Ｐｏ１（最上部の位置）での金属酸化物層９０の厚さｔ１が１．００μｍとなり、下側部Ｐａ２の第２の位置Ｐｏ２（最下部の位置）での金属酸化物層９０の厚さｔ２が１．０１μｍとなり、両者の比（ｔ２／ｔ１）の値が１．０１となった。

【0069】

同様に、サンプルＳＡ２では、上記（１）の処理の後、上記（２）の処理を２回実行した。これにより、第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１が１．００μｍとなり、第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２が１．５０μｍとなり、両者の比（ｔ２／ｔ１）の値が１．５０となった。また、サンプルＳＡ３では、上記（１）の処理の後、上記（２）の処理を３回実行した。これにより、第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１が１．００μｍとなり、第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２が２．００μｍとなり、両者の比（ｔ２／ｔ１）の値が２．００となった。

【0070】

また、サンプルＳＡ５では、上記（１）の処理のみを実行した。ただし、溶液への含浸時間を比較的長くした。これにより、第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１、および、第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２が、共に２．００μｍと比較的厚くなった。また、両者の比（ｔ２／ｔ１）の値は１．００であった。

【0071】

一方、サンプルＳＡ４では、溶液に含浸させることによって金属酸化物層９０を形成する処理を実行しなかった。すなわち、サンプルＳＡ４では、金属支持体１８０の表面に、自然に形成された金属酸化物層９０のみが存在し、第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１、および、第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２が、共に０．５０μｍと比較的薄くなった。また、両者の比（ｔ２／ｔ１）の値は１．００であった。

【0072】

各サンプルの金属支持体１８０を作製した後、金属支持体１８０の表面上に、燃料極１１６の材料であるＮｉＯおよびＧＤＣを含むペーストをスクリーン印刷で成膜し、さらに、電解質層１１２の材料であるＧＤＣを含むペーストをスクリーン印刷で成膜し、大気中１０００℃で焼成することにより、燃料極１１６および電解質層１１２を形成した。さらに、電解質層１１２の表面上に、空気極１１４の材料であるＬＳＣＦを含むペーストをスクリーン印刷で成膜して焼成することにより、空気極１１４を形成した。これにより、各サンプルの単セル１１０を得た。

【0073】

各サンプルについて、熱加速条件での運転（酸素分圧１×１０^－２０以下、９００℃での１００時間の運転）を行った後、
（１）第２の位置Ｐｏ２での異常酸化の有無、
（２）第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の成長量、および、
（３）ＩＲ抵抗
のそれぞれについて評価を行った。

【0074】

上記（１）の評価（第２の位置Ｐｏ２での異常酸化の有無）については、金属支持体１８０の貫通孔５０における第２の位置Ｐｏ２（最下部の位置）をＳＥＭで観察し、層間剥離したクロミア以外の金属酸化物（例えばＦｅ_２Ｏ_３）が認められる場合に、異常酸化ありのため不良（×）と判定し、そのような金属酸化物が認められなかった場合に、異常酸化なしのため良好（〇）と判定した。

【0075】

上記（２）の評価（第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の成長量）については、金属支持体１８０の貫通孔５０における第２の位置Ｐｏ２（最下部の位置）をＳＥＭで観察し、熱加速条件での運転前の金属酸化物層９０の厚さに対する金属酸化物層９０の成長量を測定し、成長量が２μｍ未満である場合に、成長量：小のため優秀（◎）と判定し、成長量が２μｍ以上、５μｍ未満である場合に、成長量：中のため良好（〇）と判定し、成長量が５μｍ以上である場合に、成長量：大のため不良（×）と判定した。

【0076】

上記（３）の評価（ＩＲ抵抗）については、発電時の抵抗の分離により求められる、金属支持体１８０と金属酸化物層９０とを合わせた部分のＩＲ抵抗を熱加速条件での運転前後で測定し、運転前と比べたときのＩＲ抵抗の増加割合が３０％未満である場合に、ＩＲ抵抗増加率：低のため良好（〇）と判定し、運転前と比べたときのＩＲ抵抗の増加割合が３０％以上である場合に、ＩＲ抵抗増加率：高のため不良（×）と判定した。

【0077】

上記（１）～（３）の３つの項目の評価結果を踏まえた総合評価として、１つでも「不良（×）」評価がある場合に、総合的に「不良（×）」と判定し、「不良（×）」評価がなく、かつ、「優秀（◎）」評価もない場合に、総合的に良好（〇）と判定し、「不良（×）」評価がなく、かつ、１つでも「優秀（◎）」評価がある場合に、総合的に優秀（◎）と判定した。

【0078】

サンプルＳＡ４では、上記（１）および（２）の２つの項目で「不良（×）」と判定されたため、総合的に「不良（×）」と判定された。サンプルＳＡ４では、金属支持体１８０の貫通孔５０の下側部Ｐａ２の第２の位置Ｐｏ２（最下部の位置）での金属酸化物層９０の厚さｔ２が０．５０μｍとかなり薄いため、第２の位置Ｐｏ２において、金属酸化物層９０の存在によって金属支持体１８０の異常酸化を抑制することができず、かつ、金属酸化物層９０の成長を抑制することができなかったものと考えられる。

【0079】

また、サンプルＳＡ５では、上記（１）および（２）の２つの項目の評価結果は良好以上であったものの、上記（３）の項目で「不良（×）」と判定されたため、総合的に「不良（×）」と判定された。サンプルＳＡ５では、金属支持体１８０の貫通孔５０の上側部Ｐａ１の第１の位置Ｐｏ１（最上部の位置）での金属酸化物層９０の厚さｔ１が２．００μｍとかなり厚いため、第１の位置Ｐｏ１において、金属酸化物層９０の存在に起因してＩＲ抵抗が増大したものと考えられる。

【0080】

これに対し、サンプルＳＡ１～ＳＡ３では、上記（１）～（３）の３つの項目のすべてで評価結果が良好以上であったため、総合的に「良好（〇）」または「優秀（◎）」と判定された。これらのサンプルでは、金属支持体１８０の貫通孔５０において、上記第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１が上記第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２より薄い（すなわち、ｔ２／ｔ１が１．００より大きい）。そのため、これらのサンプルでは、貫通孔５０の上記第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１が比較的薄いため、金属酸化物層９０の存在に起因してＩＲ抵抗が増大することを抑制できたものと考えられる。また、これらのサンプルでは、貫通孔５０の上記第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２が比較的厚いため、金属酸化物層９０の存在によって金属支持体１８０の異常酸化を効果的に抑制することができたものと考えられる。

【0081】

以上の性能評価結果を参照すると、金属支持体１８０の各貫通孔５０において、上記第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１が上記第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２より薄いという構成を採用することにより、金属酸化物層９０の存在に起因してＩＲ抵抗が増大することを抑制できると共に、金属酸化物層９０の存在によって金属支持体１８０の異常酸化を抑制することができると言える。

【0082】

なお、サンプルＳＡ１～ＳＡ３のうち、サンプルＳＡ２～ＳＡ３では、いずれも、上記第１の位置Ｐｏ１での金属酸化物層９０の厚さｔ１に対する、上記第２の位置Ｐｏ２での金属酸化物層９０の厚さｔ２の比（ｔ２／ｔ１）が１．０１より大きい。そして、これらのサンプルＳＡ２～ＳＡ３では、上記３つの項目で「不良（×）」評価がなく、かつ、１つの項目で「優秀（◎）」評価があったため、総合的に優秀（◎）と判定された。そのため、この性能評価結果を参照すると、該比（ｔ２／ｔ１）が１．０１より大きいと、金属酸化物層９０の存在に起因してＩＲ抵抗が増大することを効果的に抑制することができると共に、金属酸化物層９０の存在によって金属支持体１８０の異常酸化を効果的に抑制することができるため、より好ましいと言える。

【0083】

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。

【0084】

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、上記実施形態における金属支持体１８０の各貫通孔５０の形状や、金属酸化物層９０の厚さ、あくまで一例であり、種々変形可能である。

【0085】

上記実施形態における金属支持体１８０の各貫通孔５０の形状や金属酸化物層９０の厚さに関する構成は、金属支持体１８０に形成されたすべての貫通孔５０において実現されている必要はなく、金属支持体１８０に形成された複数の貫通孔５０のうちの少なくとも１つにおいて実現されていればよい。なお、該構成が、金属支持体１８０に形成された複数の貫通孔５０のうちの５０％以上の貫通孔５０において実現されているとより好ましく、金属支持体１８０に形成された複数の貫通孔５０のうちの８０％以上の貫通孔５０において実現されているとさらに好ましい。

【0086】

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。

【0087】

上記実施形態において、必ずしも燃料電池スタック１００に含まれるすべての単セル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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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】

【0091】

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 ５０：貫通孔 ９０：金属酸化物層 １００：燃料電池スタック １０２：燃料電池発電単位 １０４，１０６：エンドプレート １０８：貫通孔 １１０：燃料電池単セル 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 ＦＰ：ガス流路 Ｐａ１：上側部 Ｐａ２：下側部 Ｐａ３：中間部 Ｐｏ１：第１の位置 Ｐｏ２：第２の位置 Ｓ１：上面 Ｓ２：下面 Ｓ３：内周面 Ｓ４：内周面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】