JP6835631B2 - 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック - Google Patents

Description

本明細書に開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。

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、固体酸化物を含む電解質層を備える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の最小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、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第１の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。燃料極は、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックス（例えば、イットリア安定化ジルコニア（以下、「ＹＳＺ」という））とを含有し、電解質層に隣接する活性層を有する（例えば、特許文献１参照）。

このような単セルにおいて、各層のグリーンシートを焼成して得られたハーフセルについて、活性層の平均厚さおよび気孔率と電解質層の平均厚さおよび気孔率とからなるパラメータの値を所定の数値範囲内に調整することにより、優れた発電性能を発揮する単セルを得ようとする技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−２０７４８７号公報

このような単セルにおいて、電解質層と燃料極の活性層との間で剥離が発生することがある。例えば電解質層と燃料極の活性層との間の熱膨張係数差に起因する応力が電解質層と燃料極との界面付近に集中することが原因であると想定される。上記従来の技術では、電解質層と燃料極の活性層との間の剥離について十分に検討されていないため、電解質層と燃料極の活性層との間の剥離の抑制と、単セルの特性（発電性能）の低下抑制とを両立することができないおそれがある。例えば、燃料極の活性層の気孔率が低いほど、単位体積当たりのＮｉおよびＹＳＺの絶対量が増えることに伴って、活性層における反応場が増加することにより、活性層における活性化分極が低減するため、単セルの特性の低下を抑制することができる。しかし、その反面、燃料極の活性層の気孔率が低いほど、活性層の硬度が高い分だけ、界面への応力集中による剥離（クラック）の進展を抑制できなくなる。

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。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いう。

本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。

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。

（１）本明細書に開示される電気化学反応単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極は、前記電解質層に隣接する活性層を有し、前記活性層の前記第１の方向の平均厚さ（α）と、前記活性層の気孔率（β）と、前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）と、前記電解質層の気孔率（δ）とは、以下の式（１）により規定される条件を満たす。
３５００ ≦ ｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６５００
電解質層と燃料極が有する活性層との間の剥離発生の主な要因として、電解質層と活性層との熱膨張率の差によって電解質層と活性層との界面に応力が発生することが挙げられる。電解質層と活性層との界面に発生する応力の大きさを定める主な要素は、電解質層および活性層のそれぞれについての第１の方向（空気極と燃料極とが対向する方向）の平均厚さおよび気孔率である。第１の方向の平均厚さについては、当該平均厚さが厚いほど、界面に集中する応力が増大するからである。気孔率については、気孔率が高いほど、界面に生じた応力が緩和されるからである。一方、各層における第１の方向の平均厚さと気孔率とは、電気化学反応単セルの特性に影響する。例えば、電解質層の第１の方向の平均厚さは、厚いほど、電気化学反応単セルのＩＲ抵抗が大きくなる。また、電解質層の気孔率が高いほど、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室との間のガスリークが発生する可能性が高くなる。また、活性層の気孔率が高いほど、電解質層から供給される酸化物イオンと燃料室から供給される燃料ガスに含まれる水素との反応の場が減少する。そこで、本願発明者は、第１の方向の平均厚さと気孔率とに基づく新たなパラメータとして、「第１の方向の平均厚さ／（気孔率×０．０１）」を見出した。そして、本電気化学反応単セルによれば、上記の式（１）を満たすことにより、電解質層と燃料極が有する活性層との間の剥離の抑制と、電気化学反応単セルの特性の低下抑制とを両立することができる。

（２）上記電気化学反応単セルにおいて、前記活性層の前記第１の方向の平均厚さ（α）と、前記活性層の気孔率（β）と、前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）と、前記電解質層の気孔率（δ）とは、さらに、以下の式（２）により規定される条件を満たす構成としてもよい。
｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６３００
本電気化学反応単セルによれば、電解質層と燃料極が有する活性層との間の剥離を抑制しつつ、電気化学反応単セルの特性の低下を、より効果的に抑制することができる。

（３）上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）は、６．４（μｍ）未満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、電解質層の第１の方向の平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）以上である場合に比べて、電解質層と燃料極が有する活性層との間の剥離を抑制しつつ、電気化学反応単セルの特性の低下を、より効果的に抑制することができる。

（４）上記電気化学反応単セルにおいて、前記活性層の気孔率（β）は、４０（％）未満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、活性層の気孔率（β）が４０（％）以上である場合に比べて、電解質層と燃料極が有する活性層との間の剥離を抑制しつつ、電気化学反応単セルの特性の低下を、より効果的に抑制することができる。

（５）上記電気化学反応セルスタックにおいて、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、上記（１）から（４）までのいずれか一つの電気化学反応単セルであることを特徴とする構成としてもよい。

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池単セル、複数の燃料電池単セルを備える燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム、電解セル、複数の電解セルを備える電解セルスタック、電解セルスタックを備える水素生成モジュール、水素生成モジュールを備える水素生成システム等の形態で実現することが可能である。

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る。 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る。 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。 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る。 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。 単セル１１０の詳細構成を示す説明図である。 性能評価結果を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１は、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。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に相当する。

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（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。

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方向回りの周縁部には、上下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上下方向に連通して、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。

各連通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿通されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２および図３に示すように、ボルト２２の一方の側（上側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の上端を構成するエンドプレート１０４の上側表面との間、および、ボルト２２の他方の側（下側）に嵌められたナット２４と燃料電池スタック１００の下端を構成するエンドプレート１０６の下側表面との間には、絶縁シート２６が介在している。ただし、後述のガス通路部材２７が設けられた箇所では、ナット２４とエンドプレート１０６の表面との間に、ガス通路部材２７とガス通路部材２７の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート２６とが介在している。絶縁シート２６は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。

各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図１および図２に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）と、そのボルト２２Ａが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）と、そのボルト２２Ｂが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。

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方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）と、そのボルト２２Ｄが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２に供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）と、そのボルト２２Ｅが挿通された連通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。

燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部２９とを有している。分岐部２９の孔は本体部２８の孔と連通している。各ガス通路部材２７の分岐部２９には、ガス配管（図示せず）が接続される。また、図２に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成するボルト２２Ａの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を形成するボルト２２Ｂの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。また、図３に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１を形成するボルト２２Ｄの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２を形成するボルト２２Ｅの位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。

（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。

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿通される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２および図３参照）。

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２の上下方向の一方側（下側）に配置された燃料極（アノード）１１６と、電解質層１１２の上下方向の他方側（上側）に配置された空気極（カソード)１１４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）を支持する燃料極支持形の単セルである。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に相当する。

電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、少なくともＺｒを含んでおり、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）、ＣａＳＺ（カルシ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。空気極１１４は、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）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。燃料極１１６の構成については、後に詳述する。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。

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孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。

空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。

燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。

燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２におけるインターコネクタ対向部１４６は、下側のエンドプレート１０６に接触している。燃料極側集電体１４４は、このような構成であるため、燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）とを電気的に接続する。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０６）との電気的接続が良好に維持される。

空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、上側のエンドプレート１０４に接触している。空気極側集電体１３４は、このような構成であるため、空気極１１４とインターコネクタ１５０（またはエンドプレート１０４）とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とは一体の部材として形成されているとしてもよい。また、空気極側集電体１３４は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極１１４と空気極側集電体１３４との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。

Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図３および図５に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

各発電単位１０２の空気室１６６から排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、図２および図４に示すように、酸化剤ガス排出連通孔１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出された燃料オフガスＦＯＧは、図３および図５に示すように、燃料ガス排出連通孔１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。

Ａ−３．燃料極１１６の詳細構成：
図６は、単セル１１０の詳細構成を示す説明図である。図６に示すように、燃料極１１６は、活性層（機能層ともいう）３５０と、活性層３５０に対して電解質層１１２側とは反対側に配置された基板層３６０とを備える。本実施形態では、活性層３５０は、電解質層１１２に隣接して配置されており、基板層３６０は、活性層３５０に隣接して配置されている。活性層３５０と基板層３６０とは、いずれも、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックスであるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）とを含むサーメットにより形成されている。

活性層３５０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３６０は、主として、活性層３５０と電解質層１１２と空気極１１４とを支持する機能を発揮する層である。なお、基板層３６０の強度を高めるため、基板層３６０のＺ方向の平均厚さは、活性層３５０のＺ方向の平均厚さより厚いことが好ましい。また、基板層３６０のガス拡散性を高めるため、基板層３６０の気孔率は、活性層３５０の気孔率より高いことが好ましい。

本実施形態では、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２とについて、次の式（１）により規定される条件が満たされている。
３５００ ≦ ｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６５００ ・・・（１）
α：燃料極１１６の活性層３５０のＺ方向の平均厚さ
β：燃料極１１６の活性層３５０の気孔率
γ：電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ
δ：電解質層１１２の気孔率
また、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２とについて、さらに、次の式（２）により規定される条件が満たされていることがより好ましい。
｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６３００ ・・・（２）

また、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）は、６．４（μｍ）未満であることがより好ましい。また、活性層３５０の気孔率（β）は、４０（％）未満であることがより好ましい。

Ａ−４．燃料電池スタック１００の製造方法：
本実施形態における燃料電池スタック１００の製造方法の一例は、以下の通りである。

（燃料極基板層用グリーンシートの作製）
ＮｉＯ粉末（５０重量部）とＹＳＺ粉末（５０重量部）との混合粉末（１００重量部）に対して、造孔材である有機ビーズ（混合粉末に対して１５重量％）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＋エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。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、厚さ２５０μｍの燃料極基板層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極基板層用グリーンシートのＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばＮｉＯ粉末：ＹＳＺ粉末が６０：４０や４０：６０であっても構わない。つまり、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末が１００重量部となるように、ＮｉＯ粉末は４０〜６０重量部の間で適宜変更でき、残りをＹＳＺ粉末とすることができる。

（燃料極活性層用グリーンシートの作製）
ＮｉＯ粉末（６０重量部）とＹＳＺ粉末（４０重量部）との混合粉末（１００重量部）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＋エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。なお、例えば、ＮｉＯ粉末の粒径を調整することにより、後述する還元後の単セル１１０におけるＮｉの平均粒径を調整することができる。また、上記混合粉末に、更に、造孔材である有機ビーズ（混合粉末に対して３．９重量％）を加えて、ボールミルにて混合して、スラリーを調整することにより、気孔率が燃料極基板層用グリーンシートより高い燃料極活性層用グリーンシートを作製することができる。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、厚さ６μｍ〜３６μｍの燃料極活性層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極活性層用グリーンシートのＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばＮｉＯ粉末：ＹＳＺ粉末が５０：５０や４０：６０であっても構わない。つまり、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末が１００重量部となるように、ＮｉＯ粉末は４０〜６０重量部の間で適宜変更でき、残りをＹＳＺ粉末とすることができる。

（電解質層用グリーンシートの作製）
ＹＳＺ粉末（１００重量部）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＋エタノール混合溶剤とを加え、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、厚さ１０μｍの電解質層用グリーンシートを作製する。

（電解質層１１２と燃料極１１６との積層）
燃料極基板層用グリーンシートと燃料極活性層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとを貼り付けて約２８０℃で脱脂する。さらに、約１３５０℃にて焼成を行い、電解質層１１２と燃料極１１６との積層体を得る。

（空気極１１４の形成）
Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作成する。作成した混合液を、上記積層体における電解質層１１２の表面に噴霧塗布し、１１００℃で焼成することによって空気極１１４を形成する。

以上の工程により、上述した構成の単セル１１０が製造される。その後、複数の単セル１１０が製造された後、複数の単セル１１０および他の部品を組み立ててボルト２２により締結することにより、上述した燃料電池スタック１００が製造される。なお、活性層の気孔率（β）と電解質層の気孔率（δ）とを調整する方法として、例えば以下の３つの方法を採用することができる。
ａ）原料粉末として用いる粉末の粒径を調整する方法
ｂ）原料粉末に、樹脂ビーズやカーボン粉末といった焼成時に焼き飛んで気孔を形成する造孔材の添加量を調整する方法
ｃ）焼結温度を調整することにより焼結収縮の程度を調整する方法
例えば、ａ）の方法では、原料粉末として用いる粉末の粒径を調整する際、粒径を小さくすると気孔率が低下し、粒径を大きくすると気孔率が高くなる。ｂ）の方法では、樹脂ビーズやカーボン粉末などの造孔材を添加することによって気孔を形成する際、造孔材の添加量を多くするほど気孔率が高くなる。また、ｃ）の方法では、焼結温度を高くすると、より焼結が進むため気孔率が低下し、焼結温度を低くすると気孔率は高くなる傾向がある。

Ａ−５．性能評価：
複数の単セル１１０のサンプルを作製し、作製された複数の単セル１１０のサンプルを用いて各種性能評価を行った。図７は、性能評価結果を示す説明図である。なお、図７中の計算値Ｐは、上記式（１）（２）における「｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜」の値である。以下、この性能評価について説明する。

Ａ−５−１．各サンプルについて：
図７に示すように、各種性能評価は、サンプル１〜１０を対象として行った。各サンプルでは、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２との構成が互いに異なっている。より具体的には、各サンプルは、活性層３５０のＺ方向の平均厚さ（α）と、活性層３５０の気孔率（β）と、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）と、電解質層１１２の気孔率（δ）との組合せが、互いに異なっている。なお、各層（活性層３５０、電解質層１１２）の平均厚さは、次のようにして算出した。各サンプルについて、活性層３５０と電解質層１１２との両方の上下方向における全体が確認できるＳＥＭ画像を取得する。このＳＥＭ画像において、基板層３６０と活性層３５０との第１の境界Ｂ１と、活性層３５０と電解質層１１２との第２の境界Ｂ２とから、活性層３５０のＺ方向の平均厚さ（α）を算出した。また、第２の境界Ｂ２と、電解質層１１２と空気極１１４との第３の境界Ｂ３とから、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）を算出した。平均厚さ（γ）は、次のように求めることができる。すなわち、基板層３６０の少なくとも一部と、活性層３５０と電解質層１１２との配列方向（Ｚ方向）における全体が視野範囲に入る断面のＳＥＭ画像において、配列方向に平行な任意の仮想直線を１０本以上引き、各仮想直線と、第１の境界Ｂ１、第２の境界Ｂ２および第３の境界Ｂ３とそれぞれが交差する点同士を結ぶ２つの線分長さを、各層の厚みとし、１０本以上の仮想直線における各層の厚みの平均値を平均厚さとする。なお、第１の境界Ｂ１は、ＳＥＭ画像において、活性層３５０と基板層３６０とのＮｉの含有率、Ｎｉの平均粒径、気孔径、気孔率の相違等に基づき特定することができる。第２の境界Ｂ２は、上記ＳＥＭ画像において、活性層３５０と電解質層１１２との構成物質の相違や視認等に基づき特定することができる。また、第３の境界Ｂ３は、上記ＳＥＭ画像において、電解質層１１２と空気極１１４との構成物質の相違や視認等に基づき特定することができる。また、各層の気孔率は、各層のＳＥＭ断面写真を用い、インターセプト法（例えば、水谷惟恭著、「セラミックプロセシング」、技報堂出版、１９８５年３月、ｐ．１９３−ｐ．１９５参照）によって算出した。

具体的には、計算値Ｐに関して、サンプル１〜７では、計算値Ｐが３５００以上、かつ、６５００以下であるため、上記式（１）に規定される条件が満たされている。さらに、サンプル１〜５では、計算値Ｐが３５００以上、かつ、６３００以下であるため、上記式（２）に規定される条件が満たされている。一方、サンプル８〜１０では、計算値Ｐが３５００未満、または、６５００を超えるため、上記式（１）（２）に規定される条件が満たされていない。

また、燃料極１１６の活性層３５０の気孔率（β）に関して、サンプル７のみ、気孔率（β）が４０（％）以上であり、その他のサンプルでは、気孔率（β）が４０（％）未満である。また、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）に関して、サンプル１〜５では、平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）未満であり、サンプル６，７では、平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）以上である。また、電解質層１１２の気孔率（δ）に関して、サンプル１〜７，１０では、気孔率（δ）が０．１（％）であり、サンプル８では、気孔率（δ）が０．１（％）より高く、サンプル９では、気孔率（δ）が０．１（％）より低い。

Ａ−５−２．評価項目および評価方法：
本性能評価では、電解質層１１２と燃料極１１６の活性層３５０との剥離の有無、電解質層１１２のガスリークの有無、初期特性についての評価を行った。

（電解質層１１２と燃料極１１６の活性層３５０との剥離の有無の評価方法）
各サンプルについて、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２との第２の境界Ｂ２の近傍が確認できる断面のＳＥＭ画像を取得し、そのＳＥＭ画像の断面観察を行い、視認にて、電解質層１１２と活性層３５０との剥離の有無を判定した。

（電解質層１１２のガスリークの有無の評価方法）
各サンプルにおける燃料極１１６と電解質層１１２との積層部分について、ヘリウムリークディテクタ（島津エミット株式会社製 ＭＳＥ−２０００型）を用いて、ヘリウムリーク試験を行った。ヘリウムリーク量が１０^−７（Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ）以上である場合にはリーク有り「×」と判定し、ヘリウムリーク量が１０^−７（Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ）未満である場合にはリーク無し「○」と判定した。

（初期特性の評価方法）
各サンプルを用いた燃料電池スタック１００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０．５５（Ａ／ｃｍ^２）のときの単セル１１０の出力電圧を測定し、その測定値を初期電圧Ｖｏ（定格発電運転前の出力電圧）とした。初期電圧Ｖｏが０．９２（Ｖ）以上である場合には良（○）と判定し、初期電圧Ｖｏが０．９０（Ｖ）以上、０．９２（Ｖ）未満である場合には合格（△）と判定し、初期電圧Ｖｏが０．９０（Ｖ）未満である場合には不合格（×）と判定した。

Ａ−５−３．評価結果：
（計算値Ｐについて）
図７に示すように、サンプル１〜７では、計算値Ｐが３５００以上、かつ、６５００以下であり、剥離試験の評価結果は「剥離無し」であり、初期特性の評価結果は「合格（△）」以上であった。このことは、計算値Ｐが３５００以上、かつ、６５００以下である場合、電解質層１１２と燃料極１１６の活性層３５０との間の剥離の抑制と、単セル１１０の特性（初期特性）の低下抑制とを両立することができることを意味する。また、サンプル１〜６については、計算値Ｐは６４００以下であり、単セル１１０の特性低下を抑制できるため、より好ましい。さらに、サンプル１〜５では、計算値Ｐが３５００以上、かつ、６３００以下であり、初期特性の評価結果は「良（○）」であった。このことは、計算値Ｐが６３００以下である場合、単セル１１０の特性の低下を、より効果的に抑制できることを意味する。さらに、本評価結果によると、サンプル１〜５の計算値Ｐは３５２９以上である場合、単セル１１０の特定低下を抑制できており、より好ましいといえる。計算値Ｐが６２１８以下である場合、単セル１１０の特性低下を、さらに効果的に抑制できるため、より好ましい。サンプル１〜５では、特に、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）未満であることによって単セル１１０のＩＲ抵抗が相対的に小さいことが、単セル１１０の特性低下の抑制に貢献したと考えられる。

また、電解質層１１２の気孔率（δ）が比較的に高い場合、電解質層１１２内の気孔を介して一方の電極側から他方の電極側へのガスリーク（クロスリーク）が発生し、単セル１１０の特性（発電性能）が低下するおそれがある。したがって、単セル１１０の特性向上の面では、電解質層１１２に気孔が存在しないことが好ましい。しかし、サンプル１〜７では、電解質層１１２の気孔率（δ）が０．１（％）であり、電解質層１１２に気孔が存在するにもかかわらず、リーク試験の評価結果が「リーク無し（○）」であり、剥離試験の評価結果は「剥離無し」であった。すなわち、気孔が閉気孔として電解質層１１２に少量存在する程度であれば、気孔の存在が単セル１１０の特性に与える影響は比較的に小さく、むしろ、気孔の存在によって、電解質層１１２と活性層３５０との界面への応力集中が緩和され、クラックの進行の抑制に貢献すると言える。また、活性層３５０の気孔率（β）が４０（％）未満であれば、活性層３５０における反応場の減少による初期特性の低下を抑えることができる。

一方、サンプル８では、計算値Ｐが３５００未満であり、剥離試験の評価結果は「剥離無し」であるが、リーク試験の評価結果は「リーク有り（×）」であり、初期特性の評価結果は「不合格（×）」であった。サンプル８では、電解質層１１２の気孔率（δ）がサンプル１〜７より高いことによって、ガスリークが発生し、その結果、単セル１１０の初期特性が低下したと考えられる。また、サンプル８では、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）が相対的に厚いため、単セル１１０のＩＲ抵抗が増大したことによって初期特性が低下したと考えられる。

サンプル９では、計算値Ｐが６５００を超えており、リーク試験の評価結果は「リーク無し（○）」であるが、剥離試験の評価結果は「剥離有り」であり、初期特性の評価結果は「不合格（×）」であった。サンプル９では、電解質層１１２の気孔率（δ）が相対的に低く、電解質層１１２が過度に緻密であるため、剥離が発生し易くなったと考えられる。したがって、剥離抑制のため、電解質層１１２の気孔率（δ）は、０．０６（％）より大きいことが好ましい。

サンプル１０では、計算値Ｐが、サンプル９より小さいが、６５００を超えており、剥離試験の評価結果は「剥離無し」であり、リーク試験の評価結果は「リーク無し（○）」であるが、初期特性の評価結果は「不合格（×）」であった。サンプル１０では、電解質層１１２の厚み（γ）が相対的に厚いため、ＩＲ抵抗が増大し、初期特性が低下したと考えられる。したがって、ＩＲ抵抗の増大の抑制のため、電解質層１１２の厚み（γ）は６．７（μｍ）より薄いことが好ましい。

Ａ−６．本実施形態の効果：
電解質層１１２と燃料極１１６が有する活性層３５０との間の剥離発生の主な要因として、電解質層１１２と活性層３５０との熱膨張率の差によって電解質層１１２と活性層３５０との界面に応力が発生することが挙げられる。電解質層１１２と活性層３５０との界面に発生する応力の大きさを定める主な要素は、電解質層１１２および活性層３５０のそれぞれについてのＺ方向の平均厚さおよび気孔率である。Ｚ方向の平均厚さについては、当該平均厚さが厚いほど、例えば各層における上側と下側とで体積変動量の差が大きくなることによって、界面に集中する応力が増大するからである。気孔率については、気孔率が高いほど、例えば各層の硬度が低下し、気孔によって界面への応力が吸収されることによって界面に生じた応力が緩和されるからである。

一方、各層におけるＺ方向の平均厚さと気孔率とは、単セル１１０の特性に影響する。例えば、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さは、厚いほど、単セル１１０のＩＲ抵抗が大きくなる。また、電解質層１１２の気孔率が高いほど、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室との間のガスリークが発生する可能性が高くなる。また、活性層３５０の気孔率が高いほど、単位体積当たりのＮｉおよびＹＳＺの絶対量が減少することに伴って、電解質層１１２から供給される酸化物イオンと燃料室から供給される燃料ガスに含まれる水素との反応の場が減少する。反応場が減少すると、活性層３５０における活性化分極が増大するため、単セル１１０の特性が低下する。

以上のように、活性層３５０のＺ方向の平均厚さ（α）と、活性層３５０の気孔率（β）と、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）と、電解質層１１２の気孔率（δ）とを適切に設定しなければ、電解質層１１２と燃料極１１６の活性層３５０との間の剥離の抑制と、単セル１１０の特性の低下抑制とを両立できない。そこで、上述したように、本願発明者は、電解質層１１２と活性層３５０とにおけるＺ方向の平均厚さと気孔率とに基づく新たなパラメータ（計算値Ｐ）として、「Ｚ方向の平均厚さ／（気孔率×０．０１）」を見出した。そして、本実施形態の単セル１１０によれば、電解質層１１２と活性層３５０との間について、上記式（１）により規定される条件を満たすように、Ｚ方向の平均厚さ／（気孔率×０．０１）のバランスを調整することにより、電解質層１１２と燃料極１１６の活性層３５０との間の剥離の抑制と、単セル１１０の特性の低下抑制とを両立することができる。

また、本実施形態の単セル１１０によれば、電解質層１１２と活性層３５０との間について、上記式（２）により規定される条件を満たすことにより、電解質層１１２と活性層３５０との間の剥離を抑制しつつ、単セル１１０の特性の低下を、より効果的に抑制することができる。また、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）未満であれば、６．４（μｍ）以上である場合に比べて、電解質層１１２と活性層３５０との間の剥離を抑制しつつ、単セル１１０の特性の低下を、より効果的に抑制することができる。また、活性層３５０の気孔率（β）が４０（％）未満であれば、４０（％）以上である場合に比べて、電解質層１１２と活性層３５０との間の剥離を抑制しつつ、単セル１１０の特性の低下を、より効果的に抑制することができる。

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。

上記実施形態では、燃料極１１６は、活性層３５０と基板層３６０とを含むとされていたが、これに限定されず、燃料極１１６は、活性層３５０のみを含む単層であるとしてもよいし、活性層３５０と基板層３６０とに加えてさらに別の層を含むとしてもよい。

上記実施形態において、単セル１１０は、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２とについて、式（１）により規定される条件を満たすが、式（２）により規定される条件を満たさないとしてもよい。また、単セル１１０は、式（１）により規定される条件を満たせば、電解質層１１２のＺ方向の平均厚さ（γ）が６．４（μｍ）以上であってもよいし、活性層３５０の気孔率（β）が４０（％）以上であってもよい。

また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる単セル１１０の個数は、あくまで一例であり、単セル１１０の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の単セル１１０の内、少なくとも１つについて、上記式（１）により規定された条件を満たせばよい。

また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。例えば、上記実施形態では、電解質層１１２がＹＳＺを含むとしているが、電解質層１１２は、ＹＳＺに代えて、あるいはＹＳＺに加えて、例えばＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）やＣａＳＺ（酸化カルシウム安定化ジルコニア）等の他の固体酸化物を含むとしてもよい。

また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００は複数の平板形の単セル１１０が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば国際公開第２０１２／１６５４０９号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。

また、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、本発明は、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や、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号公報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、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、連通孔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、連通孔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および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様に、燃料極１１６の活性層３５０と電解質層１１２とについて、上記式（１）により規定される条件を満たす構成を採用すれば、電解質層と燃料極の活性層との間の剥離の抑制と、単セルの特性の低下抑制とを両立することができる。

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 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０４，１０６：エンドプレート １０８：連通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 ２５０：厚さ ３５０：活性層 ３６０：基板層 Ｂ１：第１の境界 Ｂ２：第２の境界 Ｂ３：第３の境界 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 Ｐ：計算値

Claims (3)

1. 固体酸化物を含む電解質層と、
   前記電解質層を挟んで第１の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
   前記燃料極は、前記電解質層に隣接する活性層を有し、
   前記活性層の前記第１の方向の平均厚さ（α）と、前記活性層の気孔率（β）と、前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）と、前記電解質層の気孔率（δ）とは、以下の式（１）により規定される条件を満たし、
   前記活性層の前記第１の方向の平均厚さ（α）は、１０（μｍ）以上、２０（μｍ）以下であり、
   前記活性層の気孔率（β）は、４０（％）未満であり、
   前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）は、６．４（μｍ）未満であり、
   前記電解質層の気孔率（δ）は、０．１（％）以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
   ３５００ ≦ ｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６５００
2. 請求項１に記載の電気化学反応単セルにおいて、
   前記活性層の前記第１の方向の平均厚さ（α）と、前記活性層の気孔率（β）と、前記電解質層の前記第１の方向の平均厚さ（γ）と、前記電解質層の気孔率（δ）とは、さらに、以下の式（２）により規定される条件を満たすことを特徴とする、電気化学反応単セル。
   ｜（α／（β×０．０１））−（γ／（δ×０．０１））｜ ≦ ６３００
3. 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。

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