JP2016046078A - 燃料電池単セル - Google Patents

Abstract

【課題】発電時におけるセル面内の温度分布を低減することが可能な燃料電池単セルを提供する。
【解決手段】燃料電池単セル５は、燃料ガスが供給されるアノード１と、固体電解質層２と、酸化剤ガスが供給されるカソード３とを有している。燃料電池単セル５は、アノード１側に、高熱伝導部６を有している。高熱伝導部６は、酸化剤ガスの流れ方向Ｏに沿って形成されており、かつ、アノード１に含まれる電子導電性材料と同一の材料を主成分とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池単セルに関し、さらに詳しくは、電解質として固体電解質を利用する燃料電池単セルに関する。

従来、アノードと、固体電解質層と、カソードとを有する固体電解質型の燃料電池単セルが知られている。この種の燃料電池単セルとしては、例えば、空気極支持体の内部に形成された流路に沿って、空気極支持体を構成する材料よりも熱伝導性の高い材料よりなる均熱部材が設けられた燃料電池単セルが公知である（特許文献１参照）。

特開２００９−２８３２３７号公報

燃料電池単セルは、一般に、燃料ガスの流入量に比べ、酸化剤ガスの流入量が多い。そのため、燃料電池単セルは、酸化剤ガスによる熱伝導等により、発電時に酸化剤ガスの流れ方向に温度分布が生じやすい。セル面内に温度分布が生じると、セルの局所的な劣化や応力によるセル割れが生じやすくなる。それ故、燃料電池単セルでは、発電時におけるセル面内の温度分布を低減することが要求される。

なお、上述した従来の燃料電池単セルは、均熱部材を用いてセル全面へ均一に熱を分散させることにより、セル面内の温度分布を低減しようとするものである。しかし、通常、セルへ反応ガスを供給する、あるいは、セルから反応ガスを排出するためのガスマニホールドが設けられないセル側面からの放熱量は、無視できないほど大きい。そのため、従来構成では、セル側面からの放熱の影響を大きく受け、発電時におけるセル面内の温度分布を低減することが難しいと考えられる。

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、発電時におけるセル面内の温度分布を低減することが可能な燃料電池単セルを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、燃料ガスが供給されるアノードと、固体電解質層と、酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池単セルであって、
上記アノード側に、
上記酸化剤ガスの流れ方向に沿って形成されており、かつ、上記アノードに含まれる電子導電性材料と同一の材料を主成分とする高熱伝導部を有していることを特徴とする燃料電池単セルにある。

上記燃料電池単セルは、アノード側に、上記高熱伝導部を有している。そのため、上記燃料電池単セルは、酸化剤ガスの流れ方向と平行方向のセル熱抵抗が、酸化剤ガスの流れ方向と直交方向のセル熱抵抗に比べて小さくなる。それ故、発電により生じた熱は、酸化剤ガスの流れ方向と平行方向に放熱される。つまり、上記燃料電池単セルは、発熱するセル自身が酸化剤ガスの流れ方向と平行方向に積極的に熱分散を行うことができる。なお、高熱伝導部は、酸化剤ガスの流れ方向と平行方向に発電により生じた熱の放熱を促す。そのため、上記燃料電池単セルは、セル側面からの放熱の影響を受け難い。したがって、上記燃料電池単セルは、発電時におけるセル面内の温度分布を効率良く低減することができる。また、高熱伝導部は、アノードに含まれる電子導電性材料と同一の材料を主成分とする。そのため、上記燃料電池単セルは、他のアノード部位との接合性を十分に確保しつつ、セル面内の温度分布を低減することができる。

よって、本発明によれば、発電時におけるセル面内の温度分布を低減することが可能な燃料電池単セルが得られる。

実施例１の燃料電池単セルの積層構造を模式的に示した図である。 実施例１の燃料電池単セルを、図１に示すＩＩ−ＩＩ面側から見た図である。 実施例２の燃料電池単セルの積層構造を模式的に示した図である 実施例２の燃料電池単セルを、図３に示すＩＶ−ＩＶ面側から見た図である。 実験例におけるシミュレーションにて設定した、図２に対応する方向から見た燃料電池単セル（ケース１−１、ケース１−２、ケース１−３）を説明するための図である。 実験例におけるシミュレーションにて設定した、図２に対応する方向から見た燃料電池単セル（ケース２−１、ケース２−２、ケース２−３）を説明するための図である。 実験例におけるシミュレーションにて設定した、図２に対応する方向から見た燃料電池単セル（ケース３−１、ケース３−２、ケース３−３）を説明するための図である。 実験例におけるシミュレーションにて設定した、図４に対応する方向から見た燃料電池単セル（ケース４）を説明するための図である。 実験例におけるシミュレーションにて設定した、図４に対応する方向から見た燃料電池単セル（ケース５）を説明するための図である。 実験例におけるシミュレーションにて設定した、図４に対応する方向から見た燃料電池単セル（ケース６）を説明するための図である。

上記燃料電池単セルは、電解質として固体電解質を利用する固体電解質型の燃料電池単セルである。固体電解質層を構成する固体電解質には、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックス等を用いることができる。なお、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と称される。

上記燃料電池単セルは、具体的には、固体電解質層と、固体電解質層の一方面に積層されたアノードと、固体電解質層の他方面に中間層を介してまたは中間層を介さずに積層されたカソードとを有する構成とすることができる。なお、中間層は、主に、カソードを構成する材料と固体電解質層を構成する材料との反応を防止するための層である。カソードおよび中間層は、１層または２層以上から構成することができる。アノードに供給される燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、メタンガス、メタンガスを主成分とするガス等を用いることができる。カソードに供給される酸化剤ガスとしては、例えば、酸素ガス、空気ガスなどを用いることができる。

上記燃料電池単セルは、発電性能が高い等の観点から、平板形の電池構造をとることができる。とりわけ、上記燃料電池単セルは、電極であるアノードを支持体とするアノード支持型であるとよい。

この場合には、カソードの厚みに比べて、アノードの厚みが十分に厚くなる。そのため、アノード側に高熱伝導部を形成、配置する際の自由度が向上する。

上記燃料電池単セルにおいて、アノードは、単層から構成されていてもよいし、複数層から構成されていてもよい。アノードが複数層から構成される場合、アノードは、具体的には、例えば、固体電解質層側に配置される活性層と、活性層における固体電解質層側と反対側の面に積層される拡散層とを備える構成等とすることができる。なお、活性層は、主に、アノード側における電気化学的反応を高めるための層である。また、拡散層は、供給される燃料ガスを拡散させることが可能な層である。拡散層は、１層または２層以上から構成することができる。

この場合には、拡散層により拡散された燃料ガスが活性層に比較的均一に流入し、アノード側における電気化学反応が生じる。そのため、セル面内で比較的均一に発電させやすくなる。また、例えば、活性層よりも拡散層の厚みを十分に厚くすることができるので、構造信頼性の高いアノード支持型の燃料電池単セルを得やすくなる。

上記燃料電池単セルにおいて、高熱伝導部は、酸化剤ガスの流れ方向に沿って形成されている。したがって、高熱伝導部の長手方向は、酸化剤ガスの流れ方向と略平行になっている。また、高熱伝導部は、アノードに含まれる電子導電性材料と同一の材料を主成分としている。なお、上記「主成分とする」とは、７０体積％超がアノードに含まれる電子導電性材料と同一の材料であることを意味する。高熱伝導部は、好ましくは、７５体積％以上、より好ましくは、８０体積％以上がアノードに含まれる電子導電性材料と同一の材料であるとよい。熱伝導率がより大きくなり、酸化剤ガスの流れ方向と平行方向への放熱が促進されるためである。

上記燃料電池単セルは、高熱伝導部を複数有する構成とすることができる。この際、各高熱伝導部は、直線状に形成されていることが好ましい。

この場合には、直線状に形成された複数の高熱伝導部により、発電により生じた熱が、酸化剤ガスの流れ方向と平行方向に放熱されやすくなる。そのため、セル面内の温度分布をより一層効率良く低減することが可能な燃料電池単セルが得られる。

この場合、各高熱伝導部は、同一の形状に形成されていてもよいし、例えば、酸化剤ガスの流れ方向と直交方向における高熱伝導部の幅が異なる、高熱伝導部の厚みが異なる等、異なる形状に形成されていてもよい。また、各高熱伝導部は、セル面方向に配置することができる。この場合には、各高熱伝導部よりなる層を形成しやすくなる。

上記燃料電池単セルは、アノード側に高熱伝導部を有している。上記燃料電池単セルにおいて、高熱伝導部は、具体的には、アノードの外表面に形成されている構成とすることができる。

この場合には、上記作用効果を得るために、アノードの外表面に高熱伝導部を追加形成するだけで済む。そのため、セル面内の温度分布を効率良く低減することができ、製造性に優れた燃料電池単セルが得られる。さらに、高熱伝導部は、アノードに含まれる電子導電性材料と同一の材料を主成分とする。そのため、高熱伝導部を、アノード側における集電体として機能させることができる。それ故、アノード側の集電体を別途設ける必要がなくなり、製造性に優れた燃料電池単セルが得られる。

なお、アノードの外表面に高熱伝導部を形成する方法としては、例えば、高熱伝導部を形成するためのペースト材をアノードの外表面に印刷し、焼成する方法などを例示することができる。

上記燃料電池単セルにおいて、高熱伝導部は、アノード内に形成されている構成とすることもできる。

この場合には、高熱伝導部と発熱部位との距離がより近くなる。そのため、発電により生じた熱が、酸化剤ガスの流れ方向と平行方向に放熱されやすくなる。それ故、セル面内の温度分布をより一層効率良く低減することが可能な燃料電池単セルが得られる。なお、アノード内に高熱伝導部を形成する方法としては、例えば、高熱伝導部を形成するための材料を含むシート材を、他のアノード部分を形成するためのシート材とともに積層し、焼成する方法などを例示することができる。

また、アノード内に高熱伝導部を有する場合、具体的には、高熱伝導部とアノードを構成する材料よりなる低熱伝導部とが、交互に配置されているとよい。この場合には、高熱伝導部と低熱伝導部とが交互に配置されているので、発電部位が偏在し難い。なお、高熱伝導部および低熱伝導部は、低熱伝導部に含まれる電子導電性材料の含有割合＜高熱伝導部に含まれる電子導電性材料の含有割合の関係を満たすように構成することができる。

上記において、アノードが活性層と拡散層とを有する場合、高熱伝導部は、具体的には、拡散層内に形成することができる。この場合には、活性層における反応場を損ない難い利点がある。また、高熱伝導部の厚みを比較的厚くしやすくなるため、酸化剤ガスの流れ方向と直交方向における高熱伝導部の断面積を大きくしやすい。そのため、発電により生じた熱が、酸化剤ガスの流れ方向と平行方向により放熱されやすくなる。

上記燃料電池単セルは、燃料ガスと酸化剤ガスとが一軸方向に流れる方式を採用していることが好ましい。

この場合には、一軸方向に生じる温度分布を低減しやすい燃料電池単セルが得られる。燃料ガスと酸化剤ガスとが一軸方向に流れる方式としては、具体的には、燃料ガスと酸化剤ガスとがセル面内で同方向に流れる並行流方式、燃料ガスと酸化剤ガスとがセル面内で逆方向に流れる対向流方式などを例示することができる。上記燃料電池単セルは、発電分布、シール性等の観点から、より好ましくは、並行流方式を採用しているとよい。

上記燃料電池単セルにおいて、各部位を構成する材料としては、以下のものを例示することができる。

固体電解質層を構成する固体電解質としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等の酸化ジルコニウム系酸化物；ランタンガレート系酸化物；ＣｅＯ_２、ＣｅＯ_２にＧｄ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｃａ、Ｄｒ、および、Ｈｏから選択される１種または２種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。固体電解質層の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは３〜２０μｍ、より好ましくは３〜１０μｍとすることができる。

アノードの材質としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ等の電子導電性材料、これら電子導電性材料とイットリア安定化ジルコニア等の上記固体電解質との混合物などを例示することができる。なお、ＮｉＯは、発電時の還元雰囲気でＮｉとなり、電子導電性を発現できるため、電子導電性材料に含まれる。アノードは、好ましくは、電子導電性材料と固体電解質との混合物より構成することができる。この場合には、電子導電性材料の焼結を防ぎやすくなるので、適度な気孔率を確保しやすくなる。電子導電性材料と固体電解質との体積比は、反応点数の確保、ガス拡散性の確等のバランスの観点から、例えば、好ましくは３０／７０〜７０／３０、より好ましくは３５／６５〜６５／３５、さらに好ましくは４０／６０〜６０／４０の範囲内とすることができる。アノードの厚みは、ガス拡散、電気抵抗、強度などの観点から、例えば、好ましくは、１００〜８００μｍ、より好ましくは、２００〜４００μｍとすることができる。なお、上記体積比は、還元により体積が減少する電子導電性材料については、還元による体積減少後の電子導電性材料に換算した場合の値が用いられる。具体的には、例えば、電子導電性材料としてＮｉＯが選択された場合、上記体積比は、ＮｉＯをＮｉに換算した場合の値となる。

上記燃料電池単セルにおいて、電子導電性材料は、触媒活性、発電時における熱伝導性等の観点から、Ｎｉおよび／またはＮｉＯであることが好ましい。この場合には、Ｎｉおよび／またはＮｉＯを主成分とする高熱伝導部を有する燃料電池セルが得られる。

カソードの材質としては、例えば、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、ランタン−鉄系酸化物等の導電性を有するペロブスカイト型酸化物、上記ペロブスカイト型酸化物と酸化セリウム系酸化物等の上記固体電解質との混合物などを例示することができる。上記ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、例えば、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系酸化物（ｘ＝０．４、ｙ＝０．８等）、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系酸化物（ｘ＝０．４等）、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系酸化物（ｘ＝０．４等）、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系酸化物（ｘ＝０．４等）、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＳｒＣｏＯ_３系酸化物（ｘ＝０．５等）などを例示することができる。これらは、１種または２種以上併用することができる。カソードの厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは２０〜１００μｍ、より好ましくは３０〜６０μｍとすることができる。

中間層の材質としては、上記酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。中間層の厚みは、オーミック抵抗の低減、カソードからの元素拡散防止などの観点から、好ましくは１〜１０μｍ、より好ましくは１〜５μｍとすることができる。

なお、上述した各構成は、上述した各作用効果等を得るなどのために必要に応じて任意に組み合わせることができる。

以下、実施例の燃料電池単セルについて、図面を用いて説明する。なお、同一部材については同一の符号を用いて説明する。

（実施例１）
実施例１の燃料電池単セルについて、図１、図２を用いて説明する。図１、図２に示すように、本例の燃料電池単セル５は、燃料ガスが供給されるアノード１と、固体電解質層２と、酸化剤ガスが供給されるカソード３とを有している。燃料電池単セル５は、アノード１側に、高熱伝導部６を有している。高熱伝導部６は、酸化剤ガスの流れ方向Ｏに沿って形成されており、かつ、アノード１に含まれる電子導電性材料と同一の材料を主成分とする。以下、これを詳説する。

本例において、燃料電池単セル５は、固体電解質層２とカソード３との間に中間層４を有している。具体的には、燃料電池単セル５は、固体電解質層２と、固体電解質層２の一方面に積層されたアノード１と、固体電解質層の他方面に中間層４を介して積層されたカソード３とを有しており、アノード１を支持体とする平板形の単セルである。アノード１は、具体的には、固体電解質層側に配置される活性層１１と、活性層１１における固体電解質層２側と反対側の面に積層された拡散層１２とを備えている。なお、アノード１に供給される燃料ガスは、水素ガスであり、カソード３に供給される酸化剤ガスは、空気ガスである。

燃料電池単セル５は、燃料ガスと酸化剤ガスとが一軸方向に流れる方式を採用している。具体的には、燃料電池単セル５は、燃料ガスと酸化剤ガスとがセル面内で同方向に流れる並行流方式とされている。図中、符号Ｆは、燃料ガスの流れ方向であり、符号Ｏは、酸化剤ガスの流れ方向である。

ここで、燃料電池単セル５は、高熱伝導部６を複数有している。各高熱伝導部６は、酸化剤ガスの流れ方向Ｏに沿って直線状に形成されている。また、各高熱伝導部６は、アノード１の外表面である拡散層１２の外表面に形成されている。なお、各高熱伝導部６は、互いに所定間隔離れた状態で配置されている。

燃料電池単セル５における各部位の材質等は、次の通りである。固体電解質層２は、ジルコニア系固体電解質より形成されている。ジルコニア系固体電解質は、具体的には、８ｍｏｌ％のＹ_２Ｏ_３を含むイットリア安定化ジルコニア（以下、８ＹＳＺ）等の酸化ジルコニウム系酸化物である。固体電解質層２の厚みは、１０μｍである。

アノード１における活性層１１は、電子導電性材料と固体電解質とを含む混合物（サーメット）より形成されている。電子導電性材料は、Ｎｉであり、固体電解質は、８ＹＳＺである。電子導電性材料と固体電解質との体積比は、５０／５０である。活性層１１の厚みは、２０μｍである。

アノード１における拡散層１２は、電子導電性材料と固体電解質とを含む混合物（サーメット）より形成されている。電子導電性材料は、Ｎｉであり、固体電解質は、８ＹＳＺである。電子導電性材料と固体電解質との体積比は、５０／５０である。拡散層１２の厚みは、５００μｍである。

カソード３は、ペロブスカイト型酸化物より形成されている。ペロブスカイト型酸化物は、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦ_ｙＯ_３（ｘ＝０．４、ｙ＝０．８、以下、ＬＳＣＦ）である。カソード３の厚みは、５０μｍである。

中間層４は、酸化セリウム系酸化物より形成されている。酸化セリウム系酸化物は、１０ｍｏｌ％のＧｄがドープされたセリア（以下、１０ＧＤＣ）である。中間層４の厚みは、５μｍである。

高熱伝導部６は、アノード１に含まれる電子導電性材料と同一の材料であるＮｉより形成されている。高熱伝導部６の厚みは、１００μｍ〜３００μｍである。高熱伝導部６の幅は、１ｍｍであり、高熱伝導部６間のピッチは１ｍｍである。

本例の燃料電池単セル５は、例えば、次のようにして製造することができる。

シート状の拡散層形成用材料、シート状の活性層形成用材料、シート状の固体電解質層形成用材料、および、シート状の中間層形成用材料をこの順に積層し、積層体を得る。なお、積層体は、ＣＩＰ成形法等による圧着や脱脂等を行うことができる。得られた積層体を１２５０〜１５００℃程度の温度で同時焼成する。これにより、拡散層１２、活性層１１、固体電解質層２、および、中間層４がこの順に積層された焼結体を得る。得られた焼結体における拡散層１２の外表面に、スクリーン印刷法等により、高熱伝導部形成用材料を塗布する。この高熱伝導部形成用材料が塗布された積層体を１２５０〜１５００℃程度の温度で焼成する。これにより、アノード１の外表面である拡散層１２の外表面に高熱伝導部６を形成する。この高熱伝導部６が形成された焼結体における中間層４の表面に、カソード形成用材料を積層し、９００〜１２００℃程度の温度で焼成する。これにより、中間層４の表面にカソード３を形成する。以上により、燃料電池単セル５を得ることができる。

次に、本例の燃料電池単セルの作用効果について説明する。

燃料電池単セル５は、アノード１側に、高熱伝導部６を有している。そのため、燃料電池単セル５は、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと平行方向のセル熱抵抗が、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと直交方向のセル熱抵抗に比べて小さくなる。それ故、発電により生じた熱は、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと平行方向に放熱される。つまり、燃料電池単セル５は、発熱するセル自身が酸化剤ガスの流れ方向Ｏと平行方向に積極的に熱分散を行うことができる。なお、高熱伝導部６は、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと平行方向に発電により生じた熱の放熱を促す。そのため、燃料電池単セル５は、セル側面からの放熱の影響を受け難い。したがって、燃料電池単セル５は、発電時におけるセル面内の温度分布を効率良く低減することができる。また、高熱伝導部６は、アノード１に含まれる電子導電性材料と同一の材料を主成分とする。そのため、燃料電池単セル５は、他のアノード部位との接合性を十分に確保しつつ、セル面内の温度分布を低減することができる。

また、本例では、燃料電池単セル５は、高熱伝導部６を複数有しており、各高熱伝導部６は、直線状に形成されている。そのため、直線状に形成された複数の高熱伝導部６により、発電により生じた熱が、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと平行方向に放熱されやすい。それ故、燃料電池単セル５は、セル面内の温度分布をより一層効率良く低減することが可能となる。

また、本例では、高熱伝導部６は、アノード１の外表面に形成されている。そのため、燃料電池単セル５は、上記作用効果を得るために、アノード１の外表面に高熱伝導部６を追加形成するだけで済む。それ故、燃料電池単セル５は、セル面内の温度分布をより一層効率良く低減することができ、製造性に優れる。さらに、高熱伝導部６は、アノード１に含まれる電子導電性材料と同一の材料を主成分とする。そのため、燃料電池単セル５は、高熱伝導部６を、アノード１側における集電体として機能させることができる。それ故、燃料電池単セル５は、アノード１側の集電体を別途設ける必要がなくなり、製造性に優れる。

（実施例２）
実施例２の燃料電池単セルについて、図３、図４を用いて説明する。図３、図４に示すように、本例の燃料電池単セル５は、高熱伝導部６がアノード１内に形成されている点で、実施例１と大きく異なっている。すなわち、高熱伝導部６は、具体的には、アノード１における拡散層１２内に形成されている。拡散層１２では、高熱伝導部６と、アノード１を構成する材料よりなる低熱伝導部７とが交互に配置されている。したがって、高熱伝導部６のみならず、低熱伝導部７も、酸化剤ガスの流れ方向Ｏに沿って直線状に形成されている。

高熱伝導部６は、電子導電性材料と固体電解質との混合物（サーメット）より形成されている。電子導電性材料は、Ｎｉであり、固体電解質は、８ＹＳＺである。電子導電性材料と固体電解質との体積比は、９０／１０である。高熱伝導部６の厚みは、６５０μｍである。高熱伝導部６の幅は、１ｍｍであり、高熱伝導部６間のピッチは、１ｍｍである。一方、低熱伝導部７は、電子導電性材料と固体電解質との混合物（サーメット）より形成されている。電子導電性材料は、Ｎｉであり、固体電解質は、８ＹＳＺである。電子導電性材料と固体電解質との体積比は、５０／５０である。低熱伝導部７の厚みは、６５０μｍである。低熱伝導部７の幅は、１ｍｍである。燃料電池単セル５は、低熱伝導部７に含まれる電子導電性材料の含有割合＜高熱伝導部６に含まれる電子導電性材料の含有割合の関係を満たしている。拡散層１２の厚みは、６５０μｍである。その他の構成は、実施例１と同様である。

本例の燃料電池単セル５は、例えば、次のようにして製造することができる。

高熱伝導部６を形成するための第１部位と低熱伝導部７を形成するための第２部位とを含むシート状の拡散層形成用材料を準備する。シート状の拡散層形成用材料は、材料を混合したスラリーを成形することなどにより準備することができる。シート状の拡散層形成用材料、シート状の活性層形成用材料、シート状の固体電解質層形成用材料、および、シート状の中間層形成用材料をこの順に積層し、積層体を得る。得られた積層体を１２５０〜１５００℃程度の温度で同時焼成する。これにより、高熱伝導部６と低熱伝導部７とを含む拡散層１２、活性層１１、固体電解質層２、および、中間層４がこの順に積層された焼結体を得る。得られた焼結体における中間層４の表面に、カソード形成用材料を積層し、９００〜１２００℃程度の温度で焼成する。これにより、中間層４の表面にカソード３を形成する。以上により、燃料電池単セル５を得ることができる。

次に、本例の燃料電池単セルの作用効果について説明する。

本例では、高熱伝導部６は、アノード内に形成されている。そのため、高熱伝導部６と発熱部位との距離がより近くなる。そのため、発電により生じた熱が、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと平行方向に放熱されやすくなる。それ故、燃料電池単セル５は、セル面内の温度分布をより一層効率良く低減することが可能となる。

また、高熱伝導部６と低熱伝導部７とが交互に配置されているので、発電部位が偏在し難い。その他の作用効果は、実施例１と同様である。

＜実験例＞
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。
燃料電池単セルの発電時におけるセル面内の温度分布を調べるため、シミュレーションを実施した。これについて説明する。

（ケース１−１）
ケース１−１では、以下の燃料電池単セルを設定した。すなわち、ケース１の燃料電池単セルは、アノードと、固体電解質層と、カソードとを有している。燃料電池単セルの大きさは、１００ｍｍ角である。図５に示されるように、アノード１の外表面には、酸化剤ガスの流れ方向Ｏに沿って複数の高熱伝導部６が直線状に形成されている。固体電解質は８ＹＳＺからなり、厚みは０．０１ｍｍである。固体電解質の熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋである。アノードはＮｉ−８ＹＳＺ（体積比で、Ｎｉ：８ＹＳＺ＝５０：５０）からなる単層であり、厚みは０．４５ｍｍである。アノードの熱伝導率は２Ｗ／ｍ・Ｋである。カソードはＬＳＣＦからなり、厚みは０．０４ｍｍである。カソードの熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋである。高熱伝導部はＮｉからなり、厚みは０．１ｍｍ、幅１ｍｍ、ピッチは１ｍｍである。高熱伝導部の熱伝導率は９０Ｗ／ｍ・Ｋである。なお、燃料ガスの流れ方向Ｆは、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと同方向である。

（ケース１−２）
ケース１−１において、高熱伝導部６の厚みを０．２ｍｍとした点以外は、同様にして、ケース１−２の燃料電池単セルとした。

（ケース１−３）
ケース１−１において、高熱伝導部６の厚みを０．３ｍｍとした点以外は、同様にして、ケース１−３の燃料電池単セルとした。

（ケース２−１）
ケース１−１において、図６に示されるように、アノード１の外表面に、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと直交する方向に沿って複数の熱伝導部９０が直線状に形成されている点以外は、同様にして、ケース２−１の燃料電池単セルとした。

（ケース２−２）
ケース２−１において、熱伝導部９０の厚みを０．２ｍｍとした点以外は、同様にして、ケース２−２の燃料電池単セルとした。

（ケース２−３）
ケース２−１において、熱伝導部９０の厚みを０．３ｍｍとした点以外は、同様にして、ケース２−３の燃料電池単セルとした。

（ケース３−１）
ケース１−１において、図７に示されるように、アノード１の外表面に、酸化剤ガスの流れ方向Ｏに沿って複数の熱伝導部９１が直線状に形成されているとともに、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと直交する方向に沿って複数の熱伝導部９２が直線状に形成されている点、熱伝導部９１および熱伝導部９２のピッチをそれぞれ２ｍｍとした点以外は、同様にして、ケース３−１の燃料電池単セルとした。

（ケース３−２）
ケース３−１において、熱伝導部９１および熱伝導部９２の厚みをそれぞれ０．２ｍｍとした点以外は、同様にして、ケース３−２の燃料電池単セルとした。

（ケース３−３）
ケース３−１において、熱伝導部９１および熱伝導部９２の厚みを０．３ｍｍとした点以外は、同様にして、ケース３−３の燃料電池単セルとした。

（ケース４）
ケース４では、以下の燃料電池単セルを設定した。すなわち、ケース４の燃料電池単セルは、アノードと、固体電解質層と、カソードとを有している。燃料電池単セルの大きさは、１００ｍｍ角である。図８に示されるように、アノード１内には、酸化剤ガスの流れ方向Ｏに沿って複数の高熱伝導部６が直線状に形成されている。アノード１は、活性層（不図示）と拡散層１２とを備えており、拡散層１２内に、高熱伝導部６と、アノード１を構成する材料よりなる低熱伝導部７とが交互に配置されている。固体電解質は８ＹＳＺからなり、厚みは０．０１ｍｍである。固体電解質の熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋである。活性層はＮｉ−８ＹＳＺ（体積比で、Ｎｉ：８ＹＳＺ＝５０：５０）からなり、厚みは０．０１ｍｍである。活性層の熱伝導率は２Ｗ／ｍ・Ｋである。拡散層において、高熱伝導部はＮｉ−８ＹＳＺ（体積比で、Ｎｉ：８ＹＳＺ＝９０：１０）からなり、厚みは０．６５ｍｍ、幅は１ｍｍ、ピッチは１ｍｍである。高熱伝導部の熱伝導率は２５Ｗ／ｍ・Ｋである。拡散層において、低熱伝導部はＮｉ−８ＹＳＺ（体積比で、Ｎｉ：８ＹＳＺ＝５０：５０）からなり、厚みは０．６５ｍｍである。低熱伝導部の熱伝導率は２Ｗ／ｍ・Ｋである。カソードはＬＳＣＦからなり、厚みは０．０４ｍｍである。カソードの熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋである。なお、燃料ガスの流れ方向Ｆは、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと同方向である。

（ケース５）
ケース４において、図９に示されるように、アノード１内に、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと直交する方向に沿って複数の熱伝導部９０が直線状に形成されている点、熱伝導部９０の間に、低熱伝導部７が配置されている点以外は、同様にして、ケース５の燃料電池単セルとした。

（ケース６）
ケース４において、図１０に示されるように、アノード１内に、酸化剤ガスの流れ方向Ｏに沿って複数の熱伝導部９１が直線状に形成されているとともに、酸化剤ガスの流れ方向Ｏと直交する方向に沿って複数の熱伝導部９２が直線状に形成されている点、熱伝導部９１および熱伝導部９２の間に、低熱伝導部７が配置されている点、熱伝導部９１および熱伝導部９２のピッチをそれぞれ２ｍｍとした点以外は、同様にして、ケース６の燃料電池単セルとした。

上記のように設定した各ケースについて、燃料ガスの利用率を７５％、酸化剤ガスである空気ガスの利用率を３０％とし、０．２５Ａ/ｃｍ^２の発電を行った場合における、発電時のセル面内温度分布ΔＴ（℃）を計算により算出した。なお、燃料ガスおよび空気ガスは、セル面内を均一に流れると仮定した。また、ケース３−１、ケース３−２、ケース３−３、およびケース６は、セル全面へ均一に熱を分散させることが想定されたモデルである。ケース３−１は、ケース１−１、ケース２−１と対比される。ケース３−２は、ケース１−２、ケース２−２と対比される。ケース３−３は、ケース１−３、ケース２−３と対比される。ケース６は、ケース４、ケース５と対比される。各ケースについてのシミュレーション結果をまとめて表１に示す。

表１に示されるように、本発明に規定される要件を満たすケース１−１、ケース１−２、ケース１−３、および、ケース４の燃料電池単セルは、発電時におけるセル面内の温度分布を低減しやすいことが確認された。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。

１ アノード
２ 固体電解質層
３ カソード
５ 燃料電池単セル
６ 高熱伝導部

Claims (8)

1. 燃料ガスが供給されるアノード（１）と、固体電解質層（２）と、酸化剤ガスが供給されるカソード（３）とを有する燃料電池単セル（５）であって、
   上記アノード（１）側に、
   上記酸化剤ガスの流れ方向（Ｏ）に沿って形成されており、かつ、上記アノード（１）に含まれる電子導電性材料と同一の材料を主成分とする高熱伝導部（６）を有していることを特徴とする燃料電池単セル（５）。
2. 上記高熱伝導部（６）を複数有しており、該各高熱伝導部（６）は直線状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池単セル（５）。
3. 上記高熱伝導部（６）は、上記アノード（１）の外表面に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池単セル（５）。
4. 上記高熱伝導部（６）は、上記アノード（１）内に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池単セル（５）。
5. 上記高熱伝導部（６）と上記アノード（１）を構成する材料よりなる低熱伝導部（７）とが交互に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池単セル（５）。
6. 上記電子導電性材料は、Ｎｉおよび／またはＮｉＯであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池単セル（５）。
7. 上記燃料ガスと上記酸化剤ガスとが一軸方向に流れる方式を採用していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池単セル（５）。
8. 上記アノード（１）を支持体とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池単セル（５）。

Images