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(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】P2024058262
(43)【公開日】2024-04-25
(54)【発明の名称】電気化学反応単セル
(51)【国際特許分類】
H01M 4/86 20060101AFI20240418BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20240418BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20240418BHJP
C25B 11/091 20210101ALI20240418BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20240418BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20240418BHJP
【ＦＩ】
H01M4/86 T
C25B1/04
C25B9/00 A
C25B11/091
H01M8/12 102A
H01M8/12 101
H01M8/12 102B
H01M8/12 102C
H01M8/10 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022165516
(22)【出願日】2022-10-14
(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】竹内 瑞絵
(72)【発明者】
【氏名】林 千栄
【テーマコード（参考）】
4K011
4K021
5H018
5H126
【Ｆターム（参考）】
4K011AA22
4K011AA24
4K011DA01
4K021AA01
4K021BA02
4K021DC01
4K021DC03
5H018AA06
5H018EE04
5H018EE12
5H018HH03
5H018HH05
5H126BB06
5H126CC02
5H126DD05
5H126EE11
(57)【要約】
【課題】電気化学反応単セルの発電性能をより向上させると共に燃料極の強度を確保する。
【解決手段】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互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極は、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有し、前記燃料極について紫外可視分光分析をした場合に、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値があり、かつ、前記最高値が１０％以上かつ８０％以下である。
【選択図】図９
【解決手段】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互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極は、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有し、前記燃料極について紫外可視分光分析をした場合に、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値があり、かつ、前記最高値が１０％以上かつ８０％以下である。
【選択図】図９
【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互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルにおいて、
前記燃料極は、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有し、
前記燃料極について紫外可視分光分析をした場合に、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値があり、かつ、前記最高値が１０％以上かつ８０％以下である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
前記燃料極は、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有し、
前記燃料極について紫外可視分光分析をした場合に、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値があり、かつ、前記最高値が１０％以上かつ８０％以下である、
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、
前記最高値が１５％以上かつ５０％以下である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
前記最高値が１５％以上かつ５０％以下である、
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に記載の電気化学反応単セルであって、
前記燃料極における前記酸化物イオン伝導性セラミックスの含有量（重量％）は、２０％以上かつ７０％以下である、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
前記燃料極における前記酸化物イオン伝導性セラミックスの含有量（重量％）は、２０％以上かつ７０％以下である、
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に記載の電気化学反応単セルであって、
前記燃料極の１０箇所について前記紫外可視分光分析をした場合に、前記１０箇所の各箇所全てにおいて６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値があり、かつ、
前記１０箇所の各箇所全ての前記最高値のうちの最高値を特定最高値とし、前記１０箇所の各箇所全ての前記最高値のうちの最低値を特定最低値としたときに、数式：特定最高値／特定最低値≦５を満たす、
ことを特徴とする電気化学反応単セル。
前記燃料極の１０箇所について前記紫外可視分光分析をした場合に、前記１０箇所の各箇所全てにおいて６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値があり、かつ、
前記１０箇所の各箇所全ての前記最高値のうちの最高値を特定最高値とし、前記１０箇所の各箇所全ての前記最高値のうちの最低値を特定最低値としたときに、数式：特定最高値／特定最低値≦５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は、一般に、複数の燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という。）を備える燃料電池スタックの形態で利用される。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで所定方向（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】
従来、燃料電池スタックにおいて、燃料極がＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。酸化物イオン伝導性セラミックスは、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）である。燃料極が含有するＮｉは主に電子伝導部として機能し、ＮｉＯは主に気孔率を調整する材料として機能し、酸化物イオン伝導性セラミックスは主に酸化物イオン伝導性部として機能する。また、当該酸化物イオン伝導性セラミックスは燃料極の骨格部としても機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０―１７０６０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
単セルの発電性能をより向上させることが課題となっている。単セルの発電性能をより向上させる方法として、電子伝導性を有する燃料極におけるＮｉの含有量を増やし、電子伝導経路を増やす方法がありえるが、単にＮｉの含有量を増やすだけでは、骨格部となる酸化物イオン伝導性セラミックスの含有割合が小さくなり、また、ＮｉＯの含有割合の減少に伴い、燃料極の気孔率が増加するため、燃料極の強度が確保されにくい（例えば、燃料電池スタックの運転時等において燃料極に割れが生じやすい）ことが更なる課題となりうる。
【0006】
そこで、本願発明者は、燃料極におけるＮｉＯの含有量に対するＮｉの含有量の比率が高い（換言すれば、Ｎｉの含有量に対するＮｉＯの含有量の比率が低い）ほど、燃料極の導電性（ひいては単セルの発電性能）が確保されやすいが、燃料極の強度が確保されにくいことに着目した。なお、上記特許文献１では、燃料極におけるＮｉの含有量とＮｉＯの含有量との比率に関しては、特に記載されていない。
【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課題である。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。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応単セルにも共通の課題である。
【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互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極は、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有し、前記燃料極について紫外可視分光分析をした場合に、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値があり、かつ、前記最高値が１０％以上かつ８０％以下である。
【0011】
本電気化学反応単セルによれば、上記最高値が１０％以上である（そのため、ＮｉＯがある程度多い）ことにより燃料極の強度（ひいては電気化学反応単セルの強度）を確保できると共に、上記最高値が８０％以下である（そのため、Ｎｉがある程度多い）ことにより燃料極の導電性（ひいては電気化学反応単セルの発電性能）を向上させることができる。
【0012】
（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記最高値が１５％以上かつ５０％以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、上記最高値が５０％以下であることにより、燃料極の導電性（ひいては電気化学反応単セルの発電性能）を特に効果的に向上させることができる。
【0013】
（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極における前記酸化物イオン伝導性セラミックスの含有量（重量％）は、２０％以上かつ７０％以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、燃料極の強度（ひいては電気化学反応単セルの強度）を特に確保できると共に、上記含有量（重量％）が７０％以下であることにより燃料極の導電性（ひいては電気化学反応単セルの発電性能）を特に向上させることができる。
【0014】
（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極の１０箇所について前記紫外可視分光分析をした場合に、前記１０箇所の各箇所全てにおいて６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値があり、かつ、前記１０箇所の各箇所全ての前記最高値のうちの最高値を特定最高値とし、前記１０箇所の各箇所全ての前記最高値のうちの最低値を特定最低値としたときに、数式：特定最高値／特定最低値≦５を満たす構成としてもよい。
【0015】
仮に燃料極の部位ごとで反射率の最高値のばらつきが大きい（例えば、特定最高値／特定最低値＞５）構成においては、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとが燃料極において均一に分布しておらず偏在しているため、電気化学反応単セルの発電時において発電性能にムラが生じ、燃料極の温度のばらつきが大きくなりやすい。電気化学反応単セルの発電時において燃料極の温度のばらつきが大きいと、高温部で燃料極に供給されるガスの粘度が高くなることで燃料極の全体にガスが分配されにくく流配が悪化するため、電気化学反応単セルの発電性能が低下しやすく、また、燃料極と他の部材（電解質層等）との接合性が確保されにくい。これに対し、本電気化学反応単セルにおいては、上記数式：特定最高値／特定最低値≦５を満たすため、燃料極における、ある程度広範囲において、上記反射率の最高値のばらつきが小さい。そのため、電気化学反応単セルの発電時における燃料極の温度のばらつきが小さくなる。そのため、本電気化学反応単セルによれば、電気化学反応単セルの発電性能を向上させることができ、また、燃料極と他の部材との接合性を向上させることができる。なお、「燃料極の部位ごと」は、例えば「燃料極の表面の一の領域と燃料極の表面の他の領域」と「燃料極内部の一の領域と燃料極の内部の他の領域」と「燃料極の表面の一の領域と燃料極の内部の他の領域」とのいずれかの組合せを含む。
【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、電気化学反応セル（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】
【0017】
【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ＸＺ断面構成を示す説明図であり、図４は、図１のＩＶ－ＩＶ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５以降についても同様である。
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ＸＺ断面構成を示す説明図であり、図４は、図１のＩＶ－ＩＶ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５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）燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という。）１０２と、末端セパレータ２１０と、上端プレート２２０と、下端プレート１８９と、一対のターミナルプレート４１０，４２０と、絶縁部２００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（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のターミナルプレート４１０，４２０のうちの一方（以下、「上側ターミナルプレート４１０」という。）は、７つの発電単位１０２から構成される集合体（以下、「発電ブロック１０３」という。）の上側に配置されており、一対のターミナルプレート４１０，４２０のうちの他方（以下、「下側ターミナルプレート４２０」という。）は、発電ブロック１０３の下側に配置されている。末端セパレータ２１０は、上側ターミナルプレート４１０の上側に配置されており、下端プレート１８９は、下側ターミナルプレート４２０の下側に配置されている。絶縁部２００は、末端セパレータ２１０の上側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの一方（以下、「上側エンドプレート１０４」という。）は、絶縁部２００の上側に配置されており、一対のエンドプレート１０４，１０６のうちの他方（以下、「下側エンドプレート１０６」という。）は、下端プレート１８９の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、発電ブロック１０３と、末端セパレータ２１０と、下端プレート１８９と、一対のターミナルプレート４１０，４２０と、絶縁部２００とを上下から挟むように配置されている。
【0020】
図１および図４に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（発電ブロック１０３、末端セパレータ２１０、下端プレート１８９、一対のターミナルプレート４１０，４２０、および、絶縁部２００）のＺ軸方向回りの外周の４つの角部付近には、各層を上下方向に貫通する孔が形成されている。上側エンドプレート１０４のＺ軸方向回りの外周の４つの角部付近には、孔が貫通形成されており、下側エンドプレート１０６のＺ軸方向回りの外周の４つの角部付近には、孔が貫通形成されている。これらの各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上下方向に延びるボルト孔１０９を構成している。以下の説明では、ボルト孔１０９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、ボルト孔１０９と呼ぶ場合がある。
【0021】
各ボルト孔１０９にはボルト２２が挿入されている。各ボルト２２の上端部は、上側エンドプレート１０４の孔を介してナット２４のネジ孔に螺合しており、各ボルト２２の下端部は、下側エンドプレート１０６の孔を介してナット２４のネジ孔に螺合している。このような構成のボルト２２およびナット２４により、燃料電池スタック１００の各層が一体に締結されている。
【0022】
また、図１から図３に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（各発電単位１０２、下側ターミナルプレート４２０、下端プレート１８９、下側エンドプレート１０６）のＺ軸方向回りの周縁部には、各層を上下方向に貫通する４つの孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、最上部の発電単位１０２から下側エンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。以下の説明では、連通孔１０８を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、連通孔１０８と呼ぶ場合がある。なお、以下、連通孔１０８のうち、下側エンドプレート１０６に形成された孔を、特にエンド貫通孔１０７という。
【0023】
図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ軸方向回りの外周を構成する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）の付近に位置する１つの連通孔１０８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の後述する空気室１６６に供給するガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド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）の付近に位置する１つの連通孔１０８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の外部へ排出するガス流路である酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。酸化剤ガス供給マニホールド１６１および酸化剤ガス排出マニホールド１６２は、各発電単位１０２の空気極１１４（後述）との間でガスのやり取りを行うガス流路である。なお、酸化剤ガスＯＧとしては、例えば空気が使用される。
【0024】
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軸方向回りの外周を構成する辺の内、上述した酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する連通孔１０８に最も近い辺の付近に位置する他の１つの連通孔１０８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の後述する燃料室１７６に供給するガス流路である燃料ガス供給マニホールド１７１として機能し、上述した酸化剤ガス供給マニホールド１６１として機能する連通孔１０８に最も近い辺の付近に位置する他の１つの連通孔１０８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の外部へ排出するガス流路である燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。燃料ガス供給マニホールド１７１および燃料ガス排出マニホールド１７２は、各発電単位１０２の燃料極１１６（後述）との間でガスのやり取りを行うガス流路である。なお、燃料ガスＦＧとしては、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。また、以下では、空気室１６６と燃料室１７６とを、まとめて「ガス室」という。
【0025】
図１から図３に示すように、燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８とフランジ部２９とを有している。本体部２８には、上下方向に貫通するガス貫通孔２６が形成されている。本体部２８の一端（上端）は、下側エンドプレート１０６に形成されたエンド貫通孔１０７に接続されている。具体的には、本体部２８の上端は、エンド貫通孔１０７内に挿入され、例えば溶接により接合されている。なお、本体部２８の上端の外径および内径は、本体部２８の他端（下端）の外径および内径より小さくなっている。フランジ部２９は、本体部２８の下端側から上下方向（Ｚ軸方向）に垂直な面方向（ＸＹ平面に平行な方向）に張り出すように設けられている。なお、フランジ部２９の上下方向視での形状は、略矩形状であり、４つの角部のそれぞれにはボルト孔２９Ａ（図１参照）が形成されている。各ボルト孔２９Ａには、燃料電池スタック１００を外部装置に接続するためのボルト（図示しない）が挿入される。
【0026】
図２に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６１の位置に配置されたガス通路部材２７のガス貫通孔２６は、酸化剤ガス供給マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に配置されたガス通路部材２７のガス貫通孔２６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、燃料ガス供給マニホールド１７１の位置に配置されたガス通路部材２７のガス貫通孔２６は、燃料ガス供給マニホールド１７１に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に配置されたガス通路部材２７のガス貫通孔２６は、燃料ガス排出マニホールド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軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。一対のエンドプレート１０４，１０６の中央付近には、それぞれ、Ｚ軸方向に貫通する孔３２，３４が形成されている。Ｚ軸方向視で、一対のエンドプレート１０４，１０６のそれぞれに形成された孔３２，３４の内周線は、後述する各単セル１１０の少なくとも一部を内包している。各ボルト２２およびナット２４による締結によって生じるＺ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位１０２の周縁部（後述する各単セル１１０より外周側の部分）に作用する。なお、エンドプレート１０４，１０６は、それぞれ、１枚の板状部材をプレス加工（屈曲）して形成されたものである。
一対のエンドプレート１０４，１０６は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。一対のエンドプレート１０４，１０６の中央付近には、それぞれ、Ｚ軸方向に貫通する孔３２，３４が形成されている。Ｚ軸方向視で、一対のエンドプレート１０４，１０６のそれぞれに形成された孔３２，３４の内周線は、後述する各単セル１１０の少なくとも一部を内包している。各ボルト２２およびナット２４による締結によって生じるＺ軸方向の圧縮力は、主として各発電単位１０２の周縁部（後述する各単セル１１０より外周側の部分）に作用する。なお、エンドプレート１０４，１０６は、それぞれ、１枚の板状部材をプレス加工（屈曲）して形成されたものである。
【0028】
図２から図４に示すように、上側エンドプレート１０４は、平面部３１０と、凸部３２０と、を含んでいる。平面部３１０は、Ｚ軸方向に垂直な面方向（ＸＹ平面に平行な方向）に沿った平坦部分である。具体的には、平面部３１０のＺ軸方向視での形状は、全体として、矩形枠状である。なお、上述したボルト孔１０９を構成する孔は、平面部３１０におけるＺ軸方向回りの周縁部に形成されている。凸部３２０は、平面部３１０から上側に突出したリブである。凸部３２０は、外側凸部３２２と、内側凸部３２４と、を有している。外側凸部３２２は、平面部３１０の外周部から上側に突出している。外側凸部３２２は、平面部３１０の外周部の全周にわたって形成されている。内側凸部３２４は、平面部３１０の内周部から上側に突出している。内側凸部３２４は、平面部３１０の内周部の全周にわたって形成されている。
【0029】
また、下側エンドプレート１０６は、平面部５１０と、凸部５２０と、を含んでいる。平面部５１０は、Ｚ軸方向に垂直な面方向（ＸＹ平面に平行な方向）に沿った平坦部分である。具体的には、平面部５１０のＺ軸方向視での形状は、全体として、矩形枠状である。なお、上述したボルト孔１０９を構成する孔は、平面部５１０におけるＺ軸方向回りの周縁部に形成されている。凸部５２０は、平面部５１０から下側に突出したリブである。凸部５２０は、外側凸部５２２と、内側凸部５２４と、を有している。外側凸部５２２は、平面部５１０の外周部から下側に突出している。外側凸部５２２は、平面部５１０の外周部の全周にわたって形成されている。内側凸部５２４は、平面部５１０の内周部から下側に突出している。内側凸部５２４は、平面部５１０の内周部の全周にわたって形成されている。
【0030】
図２および図３に示すように、下側エンドプレート１０６には、補強部材６００が固定されている。補強部材６００は、平板部分６１０と、筒部分６２０と、を有する。平板部分６１０は、下側エンドプレート１０６の平面部５１０に平行な平板状の部分である。平板部分６１０の上下方向視での形状は、略矩形である。平板部分６１０は、下側エンドプレート１０６の平面部５１０から下方に離間した位置に配置されている。平板部分６１０の長手方向の一方側の辺は、外側凸部５２２の内壁面に接触し、例えば溶接により接合されており、平板部分６１０の長手方向の他方側の辺は、内側凸部５２４の内壁面に接触し、例えば溶接により接合されている。平板部分６１０には、ガス通路部材２７の本体部２８を挿入可能な貫通孔６１２が形成されている。筒部分６２０は、平板部分６１０の貫通孔６１２に連通する貫通孔６２２を有する円筒状の部分である。筒部分６２０は、平板部分６１０における貫通孔６１２の周囲部分から下側に突出するように形成されている。平板部分６１０の貫通孔６１２および筒部分６２０の貫通孔６２２を構成する内壁面がガス通路部材２７の本体部２８の外周面に接触し、例えば溶接により接合されている。平板部分６１０と筒部分６２０とは、一体に形成されている。補強部材６００は、耐熱性材料や、下側エンドプレート１０６やガス通路部材２７等と同一材料または熱膨張率が同じ材料により形成されていることが好ましく、例えば金属（フェライト系ステンレス等）により形成されている。
【0031】
（ターミナルプレート４１０，４２０の構成）
一対のターミナルプレート４１０，４２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。上側ターミナルプレート４１０の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔４１２が形成されている。Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート４１０に形成された孔４１２の内周線は、後述する各単セル１１０を内包している。Ｚ軸方向視で、一対のターミナルプレート４１０，４２０のそれぞれの一方側（Ｘ軸正方向側）の端部は、発電ブロック１０３から側方に張り出している。本実施形態では、上側ターミナルプレート４１０の張り出し部分は、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、下側ターミナルプレート４２０の張り出し部分は、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。
一対のターミナルプレート４１０，４２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。上側ターミナルプレート４１０の中央付近には、Ｚ軸方向に貫通する孔４１２が形成されている。Ｚ軸方向視で、上側ターミナルプレート４１０に形成された孔４１２の内周線は、後述する各単セル１１０を内包している。Ｚ軸方向視で、一対のターミナルプレート４１０，４２０のそれぞれの一方側（Ｘ軸正方向側）の端部は、発電ブロック１０３から側方に張り出している。本実施形態では、上側ターミナルプレート４１０の張り出し部分は、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、下側ターミナルプレート４２０の張り出し部分は、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。
【0032】
（上端プレート２２０の構成）
上端プレート２２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。上端プレート２２０は、発電ブロック１０３の上側に配置されており、発電ブロック１０３における上端に位置するインターコネクタ１９０（後述）に電気的に接続されている。本実施形態では、上端プレート２２０とインターコネクタ１９０とは、後述の燃料極側集電部材１４４と同一構造の接続部材を介して電気的に接続されている。
上端プレート２２０は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。上端プレート２２０は、発電ブロック１０３の上側に配置されており、発電ブロック１０３における上端に位置するインターコネクタ１９０（後述）に電気的に接続されている。本実施形態では、上端プレート２２０とインターコネクタ１９０とは、後述の燃料極側集電部材１４４と同一構造の接続部材を介して電気的に接続されている。
【0033】
（末端セパレータ２１０の構成）
末端セパレータ２１０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔２１１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。末端セパレータ２１０における貫通孔２１１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、上端プレート２２０の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。末端セパレータ２１０は、上端プレート２２０と発電ブロック１０３との間の空間と燃料電池スタック１００の外部空間とを区画する。
末端セパレータ２１０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔２１１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。末端セパレータ２１０における貫通孔２１１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、上端プレート２２０の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。末端セパレータ２１０は、上端プレート２２０と発電ブロック１０３との間の空間と燃料電池スタック１００の外部空間とを区画する。
【0034】
末端セパレータ２１０は、末端セパレータ２１０の貫通孔周囲部を含む内側部２１６と、内側部２１６より外周側に位置する外側部２１７と、内側部２１６と外側部２１７とを連結する連結部２１８とを備える。本実施形態では、内側部２１６および外側部２１７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部２１８は、内側部２１６と外側部２１７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部２１８における下側（発電ブロック１０３側）の部分は凸部となっており、連結部２１８における上側（上側エンドプレート１０４側）の部分は凹部となっている。このため、連結部２１８は、Ｚ軸方向における位置が内側部２１６および外側部２１７とは異なる部分を含んでいる。
【0035】
（下端プレート１８９の構成）
下端プレート１８９は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。下端プレート１８９の周縁部は、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との間に挟み込まれており、これにより、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２のシール性と、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との絶縁性とが確保されている。
下端プレート１８９は、Ｚ軸方向視での外形が略矩形の平板状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。下端プレート１８９の周縁部は、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との間に挟み込まれており、これにより、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２のシール性と、下側ターミナルプレート４２０と下側エンドプレート１０６との絶縁性とが確保されている。
【0036】
（絶縁部２００の構成）
絶縁部２００は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔が形成されたフレーム状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。絶縁部２００は、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との間に挟み込まれており、これにより、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との絶縁性とが確保されている。
絶縁部２００は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔が形成されたフレーム状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。絶縁部２００は、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との間に挟み込まれており、これにより、上側エンドプレート１０４と末端セパレータ２１０との絶縁性とが確保されている。
【0037】
（発電単位１０２の構成）
図５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６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ＸＺ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。
図５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６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ＸＺ断面構成を示す説明図であり、図７は、図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。
【0038】
図５から図７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、単セル用セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電部材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１９０および一対のＩＣ用セパレータ１８０とを備えている。単セル用セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、ＩＣ用セパレータ１８０におけるＺ軸方向回りの周縁部には、各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２として機能する各連通孔１０８を構成する孔と、各ボルト孔１０９を構成する孔とが形成されている。
【0039】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２のＺ軸方向の一方側（上側）に配置された空気極１１４と、電解質層１１２のＺ軸方向の他方側（下側）に配置された燃料極１１６と、電解質層１１２と空気極１１４との間に配置された反応防止層１１８とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で単セル１１０を構成する他の層（電解質層１１２、空気極１１４、反応防止層１１８）を支持する燃料極支持形の単セルである。
【0040】
電解質層１１２は、Ｚ軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物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、Ｚ軸方向視で電解質層１１２より小さい略矩形の平板形状部材であり、例えばペロブスカイト型酸化物（例えば、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物））を含むように構成されている。燃料極１１６は、Ｚ軸方向視で電解質層１１２と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、Ｎｉ（ニッケル）とＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する。例えば、酸化物イオン伝導性セラミックスとして、ＹＳＺとＳｃＳＺとＳＤＣとＧＤＣとの少なくとも１種を用いることができる。反応防止層１１８は、Ｚ軸方向視で空気極１１４と略同じ大きさの略矩形の平板形状部材であり、例えばＧＤＣを含むように構成されている。反応防止層１１８は、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、ＳｒＺｒＯ３）が生成されることを抑制する機能を有する。
【0041】
単セル用セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔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。単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部における上側の表面に対向している。単セル用セパレータ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、単セル１１０（電解質層１１２）と接合されている。単セル用セパレータ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（クロスリーク）が抑制される。
【0042】
単セル用セパレータ１２０は、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部を含む内側部１２６と、内側部１２６より外周側に位置する外側部１２７と、内側部１２６と外側部１２７とを連結する連結部１２８とを備える。本実施形態では、内側部１２６および外側部１２７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部１２８は、内側部１２６と外側部１２７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部１２８における下側（燃料室１７６側）の部分は凸部となっており、連結部１２８における上側（空気室１６６側）の部分は凹部となっている。このため、連結部１２８は、Ｚ軸方向における位置が内側部１２６および外側部１２７とは異なる部分を含んでいる。
【0043】
単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１付近には、ガラスを含むガラスシール部１２５が配置されている。ガラスシール部１２５は、接合部１２４に対して空気室１６６側に位置しており、単セル用セパレータ１２０の貫通孔周囲部の表面と、単セル１１０（本実施形態では電解質層１１２）の表面との両方に接触するように形成されている。ガラスシール部１２５により、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（クロスリーク）が効果的に抑制される。
【0044】
インターコネクタ１９０は、略矩形の平板形状の平板部１５０と、平板部１５０から空気極１１４側に突出した複数の略柱状の空気極側集電部１３４とを有する導電性の部材であり、金属（例えば、フェライト系ステンレス）により形成されている。本実施形態では、インターコネクタ１９０の表面（空気室１６６に面する表面）に、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性の被覆層１９４が形成されている。以下では、被覆層１９４に覆われたインターコネクタ１９０を、単にインターコネクタ１９０という。インターコネクタ１９０（の各空気極側集電部１３４）は、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性接合材１９６を介して、単セル１１０の空気極１１４に接合されており、これにより単セル１１０の空気極１１４に電気的に接続されている。インターコネクタ１９０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抑制する。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１９０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１９０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１９０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は下側ターミナルプレート４２０および下端プレート１８９を備えているため、燃料電池スタック１００において最も下側に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１９０を備えていない（図２から図４参照）。
【0045】
ＩＣ用セパレータ１８０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔１８１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。ＩＣ用セパレータ１８０における貫通孔１８１を取り囲む部分（以下、「貫通孔周囲部」という。）は、インターコネクタ１９０の平板部１５０の周縁部における上側の表面に例えば溶接により接合されている。ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、上側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の空気室１６６と、該発電単位１０２に対して上側に隣り合う他の発電単位１０２の燃料室１７６とを区画する。また、ある発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０のうち、下側のＩＣ用セパレータ１８０は、該発電単位１０２の燃料室１７６と、該発電単位１０２に対して下側に隣り合う他の発電単位１０２の空気室１６６とを区画する。このように、ＩＣ用セパレータ１８０により、発電単位１０２の周縁部における発電単位１０２間のガスのリークが抑制される。なお、燃料電池スタック１００において最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０に接合されたＩＣ用セパレータ１８０は、上側ターミナルプレート４１０に電気的に接続されている。
【0046】
ＩＣ用セパレータ１８０は、ＩＣ用セパレータ１８０の貫通孔周囲部を含む内側部１８６と、内側部１８６より外周側に位置する外側部１８７と、内側部１８６と外側部１８７とを連結する連結部１８８とを備える。本実施形態では、内側部１８６および外側部１８７は、Ｚ軸方向に略直交する方向に延びる略平板状である。また、連結部１８８は、内側部１８６と外側部１８７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状となっている。連結部１８８における下側（空気室１６６側）の部分は凸部となっており、連結部１８８における上側（燃料室１７６側）の部分は凹部となっている。このため、連結部１８８は、Ｚ軸方向における位置が内側部１８６および外側部１８７とは異なる部分を含んでいる。
【0047】
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、単セル用セパレータ１２０の周縁部における上側の表面と、上側のＩＣ用セパレータ１８０の周縁部における下側の表面とに接触しており、両者の間のガスシール性（すなわち、空気室１６６のガスシール性）を確保するシール部材として機能する。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のＩＣ用セパレータ１８０間（すなわち、一対のインターコネクタ１９０間）が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス供給マニホールド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。
【0048】
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、単セル用セパレータ１２０の周縁部における下側の表面と、下側のＩＣ用セパレータ１８０の周縁部における上側の表面とに接触している。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス供給マニホールド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。
【0049】
図５から図７に示すように、燃料極側集電部材１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電部材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の下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１９０（の平板部１５０）の上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において最も下側に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１９０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部材１４４のインターコネクタ対向部１４６は、下側ターミナルプレート４２０に接触している。燃料極側集電部材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１９０（または下側ターミナルプレート４２０）とを電気的に接続する。なお、燃料極側集電部材１４４の電極対向部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、燃料極側集電部材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、燃料極側集電部材１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１９０（または下側ターミナルプレート４２０）との電気的接続が良好に維持される。燃料極側集電部材１４４は、例えば、平板状の材料（例えば、厚さ１０～２００μｍのニッケル箔）に複数の矩形の切り込みを入れ、該材料の上に複数の孔が形成されたシート状の燃料極側集電部材１４４を配置した状態で、複数の矩形部分を曲げ起こしてスペーサー１４９を挟むように加工することにより作製される。曲げ起こされた各矩形部分が電極対向部１４５となり、曲げ起こされた部分以外の穴が開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部１４６となり、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ部分が連接部１４７となる。
Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図５に示すように、酸化剤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の本体部２８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のガス貫通孔２６を介して酸化剤ガス供給マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド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６に示すように、燃料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の本体部２８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のガス貫通孔２６を介して燃料ガス供給マニホールド１７１に供給され、燃料ガス供給マニホールド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。
Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図５に示すように、酸化剤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の本体部２８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のガス貫通孔２６を介して酸化剤ガス供給マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド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６に示すように、燃料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の本体部２８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のガス貫通孔２６を介して燃料ガス供給マニホールド１７１に供給され、燃料ガス供給マニホールド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。
【0050】
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は上側のインターコネクタ１９０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電部材１４４を介して下側のインターコネクタ１９０（または下側ターミナルプレート４２０）に電気的に接続されている。すなわち、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。また、最も上側に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１９０およびＩＣ用セパレータ１８０は、上側ターミナルプレート４１０に電気的に接続されており、最も下側に位置する発電単位１０２の燃料極側集電部材１４４には、下側ターミナルプレート４２０が電気的に接続されている。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ターミナルプレート４１０，４２０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６００℃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。
【0051】
図２および図５に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から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に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、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のガス貫通孔２６を経て、当該本体部２８に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、図３および図６に示すように、各発電単位１０２の燃料室１７６から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に排出された燃料オフガスＦＯＧは、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のガス貫通孔２６を経て、当該本体部２８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。
【0052】
なお、本実施形態の燃料電池スタック１００は、各発電単位１０２において、空気室１６６における酸化剤ガスＯＧの主たる流れ方向（Ｘ軸負方向）と燃料室１７６における燃料ガスＦＧの主たる流れ方向（Ｘ軸正方向）とが略反対方向（互いに対向する方向）である、カウンターフロータイプのＳＯＦＣである。
【0053】
Ａ－３．燃料極１１６の詳細構成：
【0054】
燃料極１１６は、多孔質な層である。燃料極１１６の気孔率は、電解質層１１２の気孔率よりも高い。なお、燃料極１１６を気孔率は、例えば５０００倍に拡大したＳＥＭ画像を用いてインターセプト法により気孔率を測定することにより、特定することができる。
【0055】
燃料極１１６は、基板層１１６Ｂと電解質層１１２との間に位置する機能層１１６Ａと、機能層１１６Ａの下方に位置し、燃料極１１６における下方側の表面を構成する基板層１１６Ｂとを備える。機能層１１６Ａの気孔率は、基板層１１６Ｂの気孔率よりも低い。
【0056】
上述したように、燃料極１１６は、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する。機能層１１６Ａと基板層１１６Ｂの少なくとも一方が、上記のＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する。
【0057】
機能層１１６Ａは、主として、電解質層１１２から供給される酸化物イオンと燃料ガスＦＧに含まれる水素等とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮する層である。また、基板層１１６Ｂは、主として、機能層１１６Ａと電解質層１１２と空気極１１４とを支持する機能を発揮し、燃料ガスＦＧに含まれる水素等を機能層１１６Ａに供給する層である。
【0058】
燃料極１１６における酸化物イオン伝導性セラミックスの含有量（重量％）は、２０％以上かつ７０％以下である。本実施形態では、機能層１１６Ａと基板層１１６Ｂとのそれぞれにおける酸化物イオン伝導性セラミックスの含有量（重量％）が、２０％以上かつ７０％以下である。なお、上述したように、燃料極１１６は、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスと気孔とで構成されている。酸化物イオン伝導性セラミックスの含有量（重量％）は、燃料極１１６から気孔を除いた、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとの合計を１００重量％としたときに求められる値である。
【0059】
燃料極１１６の気孔率は、燃料ガスＦＧのガス拡散性（ひいては、単セル１１０の発電性能）を考慮すると高いほど好ましいが、燃料極１１６の強度を考慮すると低いほど好ましい。燃料極１１６の気孔率は、例えば、１０％以上かつ７０％以下（機能層１１６Ａにおいては１０％以上かつ５０％以下、基板層１１６Ｂにおいては３０％以上かつ７０％以下）である。
【0060】
燃料極１１６の厚さは、燃料極１１６の強度を考慮すると厚いほど好ましい。燃料極１１６の厚さは、例えば、５μｍ以上かつ５ｍｍ以下（機能層１１６Ａは１μｍ以上かつ１００μｍ以下、基板層１１６Ｂは４μｍ以上かつ４．９ｍｍ以下）である。
【0061】
燃料極１１６は、下記の第１特定条件を満たしている。
（第１特定条件）
燃料極１１６について紫外可視分光分析をした場合に、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値Ｍａｘがあり、かつ、当該最高値Ｍａｘが１０％以上かつ８０％以下（図８の例では、６５％程度）である。なお、この「紫外可視分光分析」の詳細については後述する。
（第１特定条件）
燃料極１１６について紫外可視分光分析をした場合に、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値Ｍａｘがあり、かつ、当該最高値Ｍａｘが１０％以上かつ８０％以下（図８の例では、６５％程度）である。なお、この「紫外可視分光分析」の詳細については後述する。
【0062】
燃料極１１６は、更に、下記の第２特定条件を満たしている。
（第２特定条件）
上記最高値Ｍａｘは１５％以上かつ５０％以下である。
（第２特定条件）
上記最高値Ｍａｘは１５％以上かつ５０％以下である。
【0063】
上記紫外可視分光分析について説明する。図８は、紫外可視分光法により燃料極１１６の反射率を測定した結果を示す図である。紫外可視分光分析は、以下のように行うものである（後述する「第３特定条件」における「紫外可視分光分析」も同様）。
（紫外可視分光分析）
紫外可視分光法（ＵＶ－Ｖｉｓ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｖｉｓｉｂｌｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、波長ごとに分けた光を測定対象物（燃料極１１６）に向かって照射したときの反射率（％）を測定する。具体的には、図８に示すように、例えば、１９０ｎｍ以上、１０９０ｎｍ以下の波長範囲において反射率を測定する。その測定結果において、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲における反射率の最高値を上記最高値Ｍａｘとする。当該最高値Ｍａｘに基づいて、上記の第１特定条件や第２特定条件（および、後述する第３特定条件）の成否を判断する。
（紫外可視分光分析）
紫外可視分光法（ＵＶ－Ｖｉｓ：Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｖｉｓｉｂｌｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、波長ごとに分けた光を測定対象物（燃料極１１６）に向かって照射したときの反射率（％）を測定する。具体的には、図８に示すように、例えば、１９０ｎｍ以上、１０９０ｎｍ以下の波長範囲において反射率を測定する。その測定結果において、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲における反射率の最高値を上記最高値Ｍａｘとする。当該最高値Ｍａｘに基づいて、上記の第１特定条件や第２特定条件（および、後述する第３特定条件）の成否を判断する。
【0064】
なお、本実施形態（図８の測定）では、一例として、光を、燃料極１１６の下面（換言すれば、燃料極１１６のうち、電解質層１１２とは反対側の表面）ＳＦ（図５，６参照）に向かって照射する方法を採用した。なお、紫外可視分光法は、本実施形態の燃料極１１６のように気孔が形成されている測定対象物（燃料極１１６）の表面に向かって光を照射したときに、測定対象物の最表面の反射率だけでなく、最表面から内側にくぼんだ気孔の内面（例えば、最表面から深さ１～５μｍ程度までの領域）の反射率をも観測できるという利点がある。
【0065】
燃料極１１６は、更に、下記の第３特定条件を満たしている。
（第３特定条件）
燃料極１１６の１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）（図示せず）について紫外可視分光分析をした場合に、１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）の各箇所全てにおいて６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値Ｍａｘ１，・・・，Ｍａｘ１０があり、かつ、１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）の各箇所全ての最高値Ｍａｘ１，・・・，Ｍａｘ１０のうちの最高値を特定最高値ＳＭａｘとし、１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）の各箇所全ての最高値のうちの最低値を特定最低値ＳＭｉｎとしたときに、数式：特定最高値ＳＭａｘ／特定最低値ＳＭｉｎ≦５を満たす。
（第３特定条件）
燃料極１１６の１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）（図示せず）について紫外可視分光分析をした場合に、１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）の各箇所全てにおいて６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値Ｍａｘ１，・・・，Ｍａｘ１０があり、かつ、１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）の各箇所全ての最高値Ｍａｘ１，・・・，Ｍａｘ１０のうちの最高値を特定最高値ＳＭａｘとし、１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）の各箇所全ての最高値のうちの最低値を特定最低値ＳＭｉｎとしたときに、数式：特定最高値ＳＭａｘ／特定最低値ＳＭｉｎ≦５を満たす。
【0066】
Ａ－４．単セル１１０の製造方法：
本実施形態における単セル１１０の製造方法の一例は、次の通りである。
本実施形態における単セル１１０の製造方法の一例は、次の通りである。
【0067】
（電解質層１１２用グリーンシートの作製）
ＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）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整する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ（例えば約１０μｍ）の電解質層１１２用グリーンシートを作製する。
ＹＳＺ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）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整する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ（例えば約１０μｍ）の電解質層１１２用グリーンシートを作製する。
【0068】
（燃料極１１６の基板層１１６Ｂ用グリーンシートの作製）
ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエン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。有機ビーズは、例えば、ポリメタクリル酸メチルやポリスチレンなどの高分子により形成された球状粒子である。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ（例えば約２００μｍ）の基板層１１６Ｂ用グリーンシートを作製する。基板層１１６Ｂ用グリーンシートを作製する際のＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合比率は、その性能を満足する限りにおいて適宜設定されればよい。スラリーを調整する際の混合粉末は、例えば、混合粉末１００重量部に対して、ＮｉＯ粉末を５０重量部含み、ＹＳＺ粉末を５０重量部含む。また、混合粉末に加えられる有機ビーズの量は、例えば、混合粉末１００重量部に対して１５重量部である。なお、上述した第１特定条件、第２特定条件、第３特定条件を満たす構成を実現するための方法について、後述の「燃料極１１６の各特性の調整方法」にて説明する。
ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエン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。有機ビーズは、例えば、ポリメタクリル酸メチルやポリスチレンなどの高分子により形成された球状粒子である。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ（例えば約２００μｍ）の基板層１１６Ｂ用グリーンシートを作製する。基板層１１６Ｂ用グリーンシートを作製する際のＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合比率は、その性能を満足する限りにおいて適宜設定されればよい。スラリーを調整する際の混合粉末は、例えば、混合粉末１００重量部に対して、ＮｉＯ粉末を５０重量部含み、ＹＳＺ粉末を５０重量部含む。また、混合粉末に加えられる有機ビーズの量は、例えば、混合粉末１００重量部に対して１５重量部である。なお、上述した第１特定条件、第２特定条件、第３特定条件を満たす構成を実現するための方法について、後述の「燃料極１１６の各特性の調整方法」にて説明する。
【0069】
（燃料極１１６の機能層１１６Ａ用グリーンシートの作製）
ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末と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。なお、上述した基板層１１６Ｂ用グリーンシートの作製方法と同様に、スラリーの調整の際に、造孔材としての有機ビーズを加えてもよい。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、所定の厚さ（例えば約２０μｍ）の機能層１１６Ａ用グリーンシートを作製する。なお、機能層１１６Ａ用グリーンシートを作製する際のＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合比率は、その性能を満足する限りにおいて適宜設定されればよい。スラリーを調整する際の混合粉末は、例えば、混合粉末１００重量部に対して、ＮｉＯ粉末を５０重量部含み、ＹＳＺ粉末を５０重量部含む。また、本実施形態では、混合粉末に有機ビーズは添加していない。
ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末と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。なお、上述した基板層１１６Ｂ用グリーンシートの作製方法と同様に、スラリーの調整の際に、造孔材としての有機ビーズを加えてもよい。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、所定の厚さ（例えば約２０μｍ）の機能層１１６Ａ用グリーンシートを作製する。なお、機能層１１６Ａ用グリーンシートを作製する際のＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合比率は、その性能を満足する限りにおいて適宜設定されればよい。スラリーを調整する際の混合粉末は、例えば、混合粉末１００重量部に対して、ＮｉＯ粉末を５０重量部含み、ＹＳＺ粉末を５０重量部含む。また、本実施形態では、混合粉末に有機ビーズは添加していない。
【0070】
（電解質層１１２と燃料極１１６との積層体の作製）
基板層１１６Ｂ用グリーンシートと機能層１１６Ａ用グリーンシートと電解質層１１２用グリーンシートとを貼り付けることにより、グリーンシート積層体を作製する。この際、機能層１１６Ａ用グリーンシートは、電解質層１１２用グリーンシートと基板層１１６Ｂ用グリーンシートとの間に位置している。以上のようにグリーンシート積層体を作製することにより、グリーンシート積層体を準備する。
基板層１１６Ｂ用グリーンシートと機能層１１６Ａ用グリーンシートと電解質層１１２用グリーンシートとを貼り付けることにより、グリーンシート積層体を作製する。この際、機能層１１６Ａ用グリーンシートは、電解質層１１２用グリーンシートと基板層１１６Ｂ用グリーンシートとの間に位置している。以上のようにグリーンシート積層体を作製することにより、グリーンシート積層体を準備する。
【0071】
次に、グリーンシート積層体を所定の温度（例えば約２８０℃）で脱脂する。さらに、脱脂後のグリーンシートの積層体を所定の温度（例えば約１３５０℃）で所定の時間（例えば約１時間）焼成する。これにより、電解質層１１２用グリーンシートにより形成される電解質層１１２と、基板層１１６Ｂ用グリーンシートにより形成される基板層１１６Ｂと、機能層１１６Ａ用グリーンシートにより形成される機能層１１６Ａと、を含む焼結体が作製される。すなわち、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体が作製される。
【0072】
（反応防止層１１８の形成）
ＧＤＣ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、粘度を調整して反応防止層用ペーストを調製する。調整された反応防止層用ペーストを、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側の表面に例えばスクリーン印刷によって塗布し、例えば１２００℃にて焼成を行う。これにより、反応防止層１１８が形成される。
ＧＤＣ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、粘度を調整して反応防止層用ペーストを調製する。調整された反応防止層用ペーストを、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側の表面に例えばスクリーン印刷によって塗布し、例えば１２００℃にて焼成を行う。これにより、反応防止層１１８が形成される。
【0073】
（空気極１１４の形成）
ＬＳＣＦ粉末と、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混合し、粘度を調整して、空気極用ペーストを調製する。調整された空気極用ペーストを、上記積層体における反応防止層１１８の表面に、例えばスクリーン印刷によって塗布して乾燥させ、空気極用ペーストが塗布された積層体を所定の焼成温度（例えば約１１００℃）で焼成する。これにより空気極１１４が形成され、燃料極１１６と電解質層１１２と空気極１１４とを備える単セル１１０が作製される。
ＬＳＣＦ粉末と、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混合し、粘度を調整して、空気極用ペーストを調製する。調整された空気極用ペーストを、上記積層体における反応防止層１１８の表面に、例えばスクリーン印刷によって塗布して乾燥させ、空気極用ペーストが塗布された積層体を所定の焼成温度（例えば約１１００℃）で焼成する。これにより空気極１１４が形成され、燃料極１１６と電解質層１１２と空気極１１４とを備える単セル１１０が作製される。
【0074】
Ａ－５．燃料極１１６の各特性の調整方法：
燃料極１１６の各特性は、例えば以下のように調整することができる。
燃料極１１６の各特性は、例えば以下のように調整することができる。
【0075】
（６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲における反射率の最高値Ｍａｘ）
燃料極１１６の６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲における反射率の最高値Ｍａｘは、上述した製造方法で得られた単セル１１０を還元雰囲気で焼成する際に、焼成温度等を制御することにより調整することができる。基本的には、当該焼成温度を高くするほど、上記最高値Ｍａｘは低くなる。また、上述した製造方法において、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末にＮｉ粉末を添加することにより、ＮｉとＮｉＯ等の比率を調整するようにしてもよい。
燃料極１１６の６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲における反射率の最高値Ｍａｘは、上述した製造方法で得られた単セル１１０を還元雰囲気で焼成する際に、焼成温度等を制御することにより調整することができる。基本的には、当該焼成温度を高くするほど、上記最高値Ｍａｘは低くなる。また、上述した製造方法において、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末にＮｉ粉末を添加することにより、ＮｉとＮｉＯ等の比率を調整するようにしてもよい。
【0076】
（気孔率）
燃料極１１６の気孔率は、上述した製造方法において各グリーンシート（機能層１１６Ａ用グリーンシート、基板層１１６Ｂ用グリーンシート）を作製するためのスラリーを調製する際に、造孔材の添加量を制御することにより調整することができる。基本的には、造孔材の添加量を多くするほど、気孔率は高くなる。
燃料極１１６の気孔率は、上述した製造方法において各グリーンシート（機能層１１６Ａ用グリーンシート、基板層１１６Ｂ用グリーンシート）を作製するためのスラリーを調製する際に、造孔材の添加量を制御することにより調整することができる。基本的には、造孔材の添加量を多くするほど、気孔率は高くなる。
【0077】
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が備える単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６と、を含む。燃料極１１６は、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する。燃料極１１６について紫外可視分光分析をした場合に、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値Ｍａｘがあり、かつ、当該最高値Ｍａｘが１０％以上かつ８０％以下である。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００が備える単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６と、を含む。燃料極１１６は、ＮｉとＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する。燃料極１１６について紫外可視分光分析をした場合に、６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値Ｍａｘがあり、かつ、当該最高値Ｍａｘが１０％以上かつ８０％以下である。
【0078】
本実施形態の単セル１１０によれば、上記最高値Ｍａｘが１０％以上である（そのため、ＮｉＯと酸化物イオン伝導性セラミックスとがある程度多い）ことにより燃料極１１６の強度（ひいては単セル１１０の強度）を確保できると共に、上記最高値Ｍａｘが８０％以下である（そのため、Ｎｉがある程度多い）ことにより燃料極１１６の導電性（ひいては単セル１１０の発電性能）を向上させることができる。
【0079】
また、本実施形態の単セル１１０では、上記最高値Ｍａｘが１５％以上かつ５０％以下である。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、上記最高値Ｍａｘが５０％以下であることにより、燃料極１１６の導電性（ひいては単セル１１０の発電性能）を特に効果的に向上させることができる。
【0080】
また、本実施形態の単セル１１０では、燃料極１１６における酸化物イオン伝導性セラミックスの含有量（重量％）は、２０％以上かつ７０％以下である。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、燃料極１１６の強度（ひいては単セル１１０の強度）を特に確保できると共に、上記含有量（重量％）が７０％以下であることにより燃料極１１６の導電性（ひいては単セル１１０の発電性能）を特に向上させることができる。
【0081】
また、本実施形態の単セル１１０では、燃料極１１６の１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）について紫外可視分光分析をした場合に、１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）の各箇所全てにおいて６００ｎｍから１０００ｎｍまでの波長範囲に反射率の最高値Ｍａｘ１，・・・，Ｍａｘ１０があり、かつ、１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）の各箇所全ての最高値Ｍａｘ１，・・・，Ｍａｘ１０のうちの最高値を特定最高値ＳＭａｘとし、１０箇所（Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１０）の各箇所全ての最高値のうちの最低値を特定最低値ＳＭｉｎとしたときに、数式：特定最高値ＳＭａｘ／特定最低値ＳＭｉｎ≦５を満たす。
【0082】
仮に燃料極１１６（の表面ＳＦ付近）の部位ごとで反射率の最高値（Ｍａｘ１，・・・，Ｍａｘ１０）のばらつきが大きい（例えば、特定最高値ＳＭａｘ／特定最低値ＳＭｉｎ＞５）構成においては、単セル１１０の発電時において燃料極１１６（の表面ＳＦ付近）の温度のばらつきが大きくなりやすい。単セル１１０の発電時において燃料極１１６（の表面ＳＦ付近）の温度のばらつきが大きいと、単セル１１０の発電性能が低下しやすく、また、燃料極１１６と他の部材（電解質層１１２等）との接合性が確保されにくい。これに対し、本実施形態の単セル１１０においては、上記数式：特定最高値ＳＭａｘ／特定最低値ＳＭｉｎ≦５を満たすため、燃料極１１６（の表面ＳＦ付近）における、ある程度広範囲において、上記最高値Ｍａｘ１，・・・，Ｍａｘ１０のばらつきが小さい。そのため、単セル１１０による発電時における燃料極１１６（の表面ＳＦ付近）の温度のばらつきが小さくなる。そのため、本実施形態の単セル１１０によれば、単セル１１０の発電性能を向上させることができ、また、燃料極１１６と他の部材との接合性を向上させることができる。
【0083】
Ａ－７．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９は、性能評価結果を示す説明図である。
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９は、性能評価結果を示す説明図である。
【0084】
図９に示すように、本性能評価には、単セル１１０の１４個のサンプル（サンプルＳＰ１，・・・，ＳＰ１４）が用いられた。各サンプルは、燃料極１１６の組成（ＮｉとＮｉＯとＹＳＺとの含有量（重量％））と、燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘ（％）とが互いに異なっている。各サンプルの燃料極１１６の組成と燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘとは、図９に示す通りである。図９では、燃料極１１６の反射率の評価として、燃料極１１６の反射率の最高値が１５％以上かつ５０％以下であったサンプルを「特に良い（Ａ）」と評価し、同最高値が１０％以上かつ１５％未満、または、５０％より高くかつ８０以下であったサンプルを「良い（Ｂ）」と評価し、同最高値が１０％未満または８０％より高かったサンプルを「不合格（Ｃ）」と評価した。なお、いずれのサンプルについても、上述した製造方法で得られた単セル１１０の還元焼成を、１００％水素雰囲気下において１時間という条件で行った。また、当該還元焼成における焼成温度は、サンプルＳＰ１については４５０℃、サンプルＳＰ２,ＳＰ５,ＳＰ９については４００℃、サンプルＳＰ３,ＳＰ１０,ＳＰ１３については５００℃、サンプルＳＰ４,ＳＰ８,ＳＰ１２については、８００℃、サンプルＳＰ６については５５０℃、サンプルＳＰ７,ＳＰ１１については６００℃、サンプルＳＰ１４については７００℃とした。
【0085】
（単セル１１０の発電性能（初期セル特性）についての評価）
本評価では、単セル１１０の替わりとして、単セル１１０と基本的な構成（材質等）が同じである１４個のボタンセルを用いた。各サンプル（ボタンセル）は、上下方向視で２５ｍｍの辺を有する四角形をなす燃料極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、単セル１１０のサンプルと燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘおよび電解質層１１２の材料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）。
本評価では、単セル１１０の替わりとして、単セル１１０と基本的な構成（材質等）が同じである１４個のボタンセルを用いた。各サンプル（ボタンセル）は、上下方向視で２５ｍｍの辺を有する四角形をなす燃料極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、単セル１１０のサンプルと燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘおよび電解質層１１２の材料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）。
【0086】
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（水素）を供給し、電流密度が０．５５Ａ／ｃｍ２のときの単セル１１０の出力電圧を測定し、その測定値が０．７Ｖ以上であったサンプルを「特に良い（Ａ）」と評価し、その測定値が０．７Ｖ未満であり、かつ、０．２Ｖ以上であったサンプルを「良い（Ｂ）」と評価し、その測定値が０．２Ｖ未満であったサンプルを「不合格（Ｃ）」と評価した。
【0087】
図９に示すように、燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘが１０％以上かつ８０％以下であるサンプルＳＰ２～ＳＰ１３では、測定値が０．２Ｖ以上であり、「良い（Ｂ）」以上との評価であった。一方、燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘが８０％より高いサンプルＳＰ１や、同最高値Ｍａｘが１０％未満であるサンプルＳＰ１４では、測定値が０．２Ｖ未満であり、「不合格（Ｃ）」との評価であった。この結果から、燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘが１０％以上かつ８０％以下である構成においては、燃料極１１６の導電性（ひいては単セル１１０の初期セル特性）が向上することが確認された。
【0088】
また、燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘが１５％以上かつ５０％以下であるサンプルＳＰ４，ＳＰ６～ＳＰ８，ＳＰ１１，ＳＰ１２では、測定値が０．７Ｖ以上であり、「特に良い（Ａ）」との評価であった。この結果から、燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘが１５％以上かつ５０％以下である構成においては、燃料極１１６の導電性（ひいては単セル１１０の初期セル特性）が更に向上することが確認された。
【0089】
（燃料極１１６の剥離強度についての評価）
各サンプル（単セル１１０）ＳＰ１，・・・，ＳＰ１４について、８５０℃、１０００時間の継続運転による耐久試験後に剥離強度試験を行った。剥離強度試験では、該耐久試験後の各サンプルについて、電解質層１１２と燃料極１１６との界面を含む断面を観察し、界面付近にクラックが無かったサンプルを「特に良い（Ａ）」と評価し、界面付近にクラックがあったが、単セル１１０の発電が可能であったサンプルを「良い（Ｂ）」と評価し、界面付近にクラックがあり、かつ、単セル１１０の発電が不可能であったサンプルを「不合格（Ｃ）」と評価した。
各サンプル（単セル１１０）ＳＰ１，・・・，ＳＰ１４について、８５０℃、１０００時間の継続運転による耐久試験後に剥離強度試験を行った。剥離強度試験では、該耐久試験後の各サンプルについて、電解質層１１２と燃料極１１６との界面を含む断面を観察し、界面付近にクラックが無かったサンプルを「特に良い（Ａ）」と評価し、界面付近にクラックがあったが、単セル１１０の発電が可能であったサンプルを「良い（Ｂ）」と評価し、界面付近にクラックがあり、かつ、単セル１１０の発電が不可能であったサンプルを「不合格（Ｃ）」と評価した。
【0090】
図９に示すように、燃料極１１６におけるＹＳＺの含有量が２０％以上かつ７０％以下であるサンプルＳＰ２～ＳＰ１３では、「良い（Ｂ）」以上との評価であった。一方、燃料極１１６におけるＹＳＺの含有量が７０％より高いサンプルＳＰ１や、同含有量が２０％未満であるサンプルＳＰ１４では、「不合格（Ｃ）」との評価であった。この結果から、燃料極１１６におけるＹＳＺの含有量が２０％以上かつ７０％以下である構成においては、燃料極１１６の剥離強度が向上することが確認された。
【0091】
また、サンプルＳＰ２～ＳＰ１３のうち、燃料極１１６におけるＮｉの含有量がＮｉＯの含有量よりも相対的に多いサンプルＳＰ４，ＳＰ６～ＳＰ８，ＳＰ１１，ＳＰ１２では、「特に良い（Ａ）」との評価であった。燃料極１１６においてＮｉＯからＮｉが生成される際に燃料極１１６が収縮して電解質層１１２と燃料極１１６との界面付近にクラックが発生すると考えられる。サンプルＳＰ４，ＳＰ６～ＳＰ８，ＳＰ１１，ＳＰ１２では、燃料極１１６におけるＮｉＯの含有量が相対的に少ないため、特にクラックの発生が抑制されたと考えられる。
【0092】
（燃料極１１６の強度（破壊強度）についての評価）
各サンプル（単セル１１０）ＳＰ１，・・・，ＳＰ１４について、上記耐久試験後にスモールパンチ試験を行うことにより、破壊時の荷重を測定し、その測定値が１５０ＭＰａ以上であったサンプルを「特に良い（Ａ）」と評価し、その測定値が１５０ＭＰａ未満であり、かつ、１００ＭＰａ以上であったサンプルを「良い（Ｂ）」と評価し、その測定値が１００ＭＰａ未満であったサンプルを「不合格（Ｃ）」と評価した。
各サンプル（単セル１１０）ＳＰ１，・・・，ＳＰ１４について、上記耐久試験後にスモールパンチ試験を行うことにより、破壊時の荷重を測定し、その測定値が１５０ＭＰａ以上であったサンプルを「特に良い（Ａ）」と評価し、その測定値が１５０ＭＰａ未満であり、かつ、１００ＭＰａ以上であったサンプルを「良い（Ｂ）」と評価し、その測定値が１００ＭＰａ未満であったサンプルを「不合格（Ｃ）」と評価した。
【0093】
図９に示すように、燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘが１０％以上であるサンプルＳＰ１～ＳＰ１４では、測定値が１００ＭＰａ以上であり、「良い（Ｂ）」以上との評価であった。一方、燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘが１０％未満であるサンプルＳＰ１４では、測定値が１００ＭＰａ未満であり、「不合格（Ｃ）」との評価であった。この結果から、燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘが１０％以上である構成においては、燃料極１１６の破壊強度が向上することが確認された。
【0094】
また、以下のように解釈することもできる。燃料極１１６におけるＹＳＺ（酸化物イオン伝導性セラミックス）の含有量が２０％以上であるサンプルＳＰ１～ＳＰ１３では、測定値が１００ＭＰａ以上であり、「良い（Ｂ）」以上との評価であった。一方、燃料極１１６におけるＹＳＺの含有量が２０％未満であるサンプルＳＰ１４では、測定値が１００ＭＰａ未満であり、「不合格（Ｃ）」との評価であった。この結果から、燃料極１１６におけるＹＳＺの含有量が２０％以上である構成においては、燃料極１１６の破壊強度が向上することが確認された。
【0095】
また、サンプルＳＰ１～ＳＰ１３のうち、燃料極１１６におけるＹＳＺの含有量が４０％以上であるサンプルＳＰ４，ＳＰ６～ＳＰ８，ＳＰ１１，ＳＰ１２では、「特に良い（Ａ）」との評価であった。燃料極１１６の骨格を形成するＹＳＺの含有量が多いほど、燃料極１１６の強度が高くなるからであると考えられる。
【0096】
（総合評価）
総合評価としては、単セル１１０の発電性能と剥離強度と破壊強度との３つの評価において、「特に良い（Ａ）」が３つであれば「最優良（ＡＡ）」と評価し、「不合格（Ｃ）」が無く、かつ、「特に良い（Ａ）」が２つであれば「優良（Ａ）」と評価し、「不合格（Ｃ）」が無く、かつ、「特に良い（Ａ）」が無い、あるいは、１つあれば「良（Ｂ）と評価し、「不合格（Ｃ）」が１つ以上であれば「不合格（Ｃ）」と評価した。
総合評価としては、単セル１１０の発電性能と剥離強度と破壊強度との３つの評価において、「特に良い（Ａ）」が３つであれば「最優良（ＡＡ）」と評価し、「不合格（Ｃ）」が無く、かつ、「特に良い（Ａ）」が２つであれば「優良（Ａ）」と評価し、「不合格（Ｃ）」が無く、かつ、「特に良い（Ａ）」が無い、あるいは、１つあれば「良（Ｂ）と評価し、「不合格（Ｃ）」が１つ以上であれば「不合格（Ｃ）」と評価した。
【0097】
図９に示すように、燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘが１５％以上かつ５０％以下であり、かつ、燃料極１１６におけるＹＳＺの含有量が４０％以上であったサンプルＳＰ４，ＳＰ６～ＳＰ８では、「最優良（ＡＡ）」と評価した。燃料極１１６の反射率の最高値Ｍａｘが１５％以上かつ５０％以下であり、かつ、燃料極１１６におけるＹＳＺの含有量が４０％未満かつ３０％以上であったサンプルＳＰ１１，ＳＰ１２では、「優良（Ａ）」と評価した。燃料極１１６の反射率の最高値が１０％以上かつ１５％未満、または、５０％より高くかつ８０以下であったサンプルＳＰ２，ＳＰ３,ＳＰ５,ＳＰ９，ＳＰ１０，ＳＰ１３では、「良（Ｂ）」と評価した。
【0098】
Ｂ．変形例：
本明細書に開示される技術は、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。
本明細書に開示される技術は、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。
【0099】
上記実施形態における燃料電池スタック１００や発電単位１０２の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。
【0100】
本明細書に開示される技術は、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。
【0101】
上記実施形態における燃料電池スタック１００や発電単位１０２の構成は、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、上記紫外可視分光分析において、光を、燃料極１１６の下面（換言すれば、燃料極１１６のうち、電解質層１１２とは反対側の表面）ＳＦ（図５，６参照）に向かって照射する方法を採用しているが、燃料極１１６の上記表面ＳＦ以外の表面に光を照射するとしてもよい。また、燃料極１１６を分断した上で、その表面に光を照射するとしてもよい。
【0103】
上記実施形態では、第１特定条件、第２特定条件、第３特定条件の全てを満たしているが、これらの条件のうち、第１特定条件のみを満たすとしてもよいし、第１特定条件と他の何れかの条件のみを満たすとしてもよい。
【0104】
上記実施形態では、一対のエンドプレート１０４，１０６に孔３２，３４が形成されているが、一対のエンドプレート１０４，１０６の少なくとも一方について該孔３２，３４が形成されていなくてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００が一対のターミナルプレート４１０，４２０を備えているが、他の部材（例えば、一対のエンドプレート１０４，１０６）をターミナルプレートとしても機能させ、専用部材としてのターミナルプレート４１０，４２０を省略してもよい。
【0105】
上記実施形態では、単セル用セパレータ１２０が、内側部１２６と外側部１２７との両方に対して下側に突出するように湾曲した形状の連結部１２８を有しているが、連結部１２８の形状は他の形状であってもよい。また、単セル用セパレータ１２０が連結部１２８を有さなくてもよい。ＩＣ用セパレータ１８０における連結部１８８についても同様である。
【0106】
上記実施形態では、単セル用セパレータ１２０における貫通孔１２１付近にガラスシール部１２５が配置されているが、ガラスシール部１２５は省略されてもよい。
【0107】
上記実施形態では、インターコネクタ１９０は導電性の被覆層１９４を含んでいるが、インターコネクタ１９０が該被覆層１９４を含んでいなくてもよい。また、上記実施形態では、単セル１１０が反応防止層１１８を有しているが、単セル１１０が反応防止層１１８を有さないとしてもよい。
【0108】
上記実施形態では、単セル１１０は燃料極支持形の単セルであるが、電解質支持形や金属支持形等の他のタイプの単セルであってもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００がカウンターフロータイプの燃料電池であるが、燃料電池スタック１００がコフロータイプといった他のタイプの燃料電池であってもよい。
【0109】
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（発電単位１０２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。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。
【0110】
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セル単位や、電解セル単位を複数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、電解セル単位および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発電単位１０２および燃料電池スタック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、マニホールド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、マニホールド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セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用すると、ガス流路を流れるガスに混入した異物に起因する電解セルスタックの性能低下や電解セルスタックを含むシステムの不具合の発生を抑制することができる。
【0111】
上記実施形態では、いわゆる平板型の燃料電池スタックを例に用いて説明したが、本明細書に開示される技術は、以下に説明するように、平板型に限らず、他のタイプ（いわゆる円筒平板型や円筒形）の燃料電池スタックにも同様に適用可能である。
【0112】
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、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、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】
【0113】
２２：ボルト ２４：ナット ２６：（ガス通路部材の）ガス貫通孔 ２７：ガス通路部材 ２８：（ガス通路部材の）本体部 ２９：（ガス通路部材の）フランジ部 ２９Ａ：ボルト孔 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０３：発電ブロック １０４：上側エンドプレート １０６：下側エンドプレート １０７：エンド貫通孔 １０８：連通孔 １０９：ボルト孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １１６Ａ：（燃料極の）機能層 １１６Ｂ：（燃料極の）基板層 １１８：反応防止層 １２０：単セル用セパレータ １２１：（単セル用セパレータの）貫通孔 １２４：（単セル用セパレータの）接合部 １２５：ガラスシール部 １２６：（単セル用セパレータの）内側部 １２７：（単セル用セパレータの）外側部 １２８：（単セル用セパレータの）連結部 １３０：空気極側フレーム １３１：（空気極側フレームの）孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電部 １４０：燃料極側フレーム １４１：（燃料極側フレームの）孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電部材 １４５：（燃料極側集電部材の）電極対向部 １４６：（燃料極側集電部材の）インターコネクタ対向部 １４７：（燃料極側集電部材の）連接部 １４９：（燃料極側集電部材の）スペーサー １５０：（燃料極側集電部材の）平板部 １６１：酸化剤ガス供給マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス供給マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 １８０：ＩＣ用セパレータ １８１：（ＩＣ用セパレータの）貫通孔 １８６：（ＩＣ用セパレータの）内側部 １８７：（ＩＣ用セパレータの）外側部 １８８：（ＩＣ用セパレータの）連結部 １８９：下端プレート １９０：インターコネクタ １９４：被覆層 １９６：導電性接合材 ２００：絶縁部 ２１０：末端セパレータ ２１１：（末端セパレータの）貫通孔 ２１６：（末端セパレータの）内側部 ２１７：（末端セパレータの）外側部 ２１８：（末端セパレータの）連結部 ２２０：上端プレート ３１０：（上側エンドプレート１０４の）平面部 ３２０：（上側エンドプレート１０４の）凸部 ３２２：（上側エンドプレート１０４の）外側凸部 ３２４：（上側エンドプレート１０４の）内側凸部 ４１０：上側ターミナルプレート ４１２：（上側ターミナルプレートの）孔 ４２０：下側ターミナルプレート ５１０：（下側ターミナルプレートの）平面部 ５２０：（下側ターミナルプレートの）凸部 ５２２：（下側ターミナルプレートの）外側凸部 ５２４：（下側ターミナルプレートの）内側凸部 ６００：補強部材 ６１０：（補強部材の）平板部分 ６１２：（補強部材の）貫通孔 ６２０：（補強部材の）筒部分 ６２２：（補強部材の）貫通孔 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 ＳＦ：（燃料極１１６の）表面
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】