JP2018098081A - Solid oxide fuel cell stack - Google Patents

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直樹 渡邉
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勝 久保田
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Hajime Omura
肇 大村
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Takuya Hoshiko
琢也 星子
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell stack with high durability and a good current extraction efficiency by adopting a one-end current collector structure to avoid, e.g., the concentration of current caused in a fuel battery cell bottom-end part in a solid oxide fuel cell stack having a plurality of columnar fuel battery cells arranged therein.SOLUTION: A solid oxide fuel cell stack comprises a plurality of columnar fuel battery cells 2, which is arranged to generate an electric power by supplying a fuel gas to fuel electrode layers 7 and an oxidant gas to air electrode layers 10 from one end toward the other end. Each fuel battery cell has a fuel electrode conductive layer 8 electrically connected to the fuel electrode layer 7, and an air electrode conductive layer 11 electrically connected to the air electrode layer 10. In the solid oxide fuel cell stack, the fuel electrode conductive layers 8 of the plurality of fuel battery cells 2 arrayed therein are electrically connected in series with the air electrode conductive layers 11 of the fuel battery cells 2 adjacent thereto through current collector joining members set only on the other end side. In the power-generation part of each fuel battery cell, a one-end side electric resistance is larger than that on the other-end side in a conducting path in an axial direction.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell stack. In particular, the present invention relates to a solid oxide fuel cell stack that generates power by a reaction between a fuel gas obtained by reforming a raw material gas and an oxidant gas.

固体酸化物形燃料電池装置(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極(燃料極)に燃料ガスを供給し、他方の電極(空気極)に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、例えば700〜1000℃程度の比較的高温で動作する。   A solid oxide fuel cell device (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, and a fuel cell having electrodes attached to both sides thereof in a multi-module container. The fuel cell is arranged to supply a fuel gas to one electrode (fuel electrode) and supply an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other electrode (air electrode) to generate power by a power generation reaction. It is a device for extracting electric power, and operates at a relatively high temperature of, for example, about 700 to 1000 ° C. with respect to other fuel cell devices such as a polymer electrolyte fuel cell device.

このような固体酸化物形燃料電池装置に用いる燃料電池セルとして、特許文献1に記載の円筒形セルや扁平円筒形セルなどの柱状の燃料電池セルが知られている。一般に単一の燃料電池セル(単セル)では得られる電力が少ないため、これらを複数並べて電気的に直列に接続することで必要な電力を得るように構成している。   As fuel cells used in such a solid oxide fuel cell device, columnar fuel cells such as a cylindrical cell and a flat cylindrical cell described in Patent Document 1 are known. In general, since a single fuel battery cell (single cell) has a small amount of electric power, a plurality of these are arranged side by side and electrically connected in series to obtain the necessary electric power.

ところで円筒形セル等の柱状の燃料電池セルにおいては、電極が軸方向に延在するため、電極内の電子の移動距離が長距離に及び、燃料電池セルの発電効率の低下を招く問題があった。そこで特許文献1では、隣接する燃料電池セルへの電気的な直列接続として、一の燃料電池セルの空気電極(+極)と、これと隣接する燃料電池セルの燃料電極(−極)との接続を、燃料電池セルの上端及び下端でそれぞれ独立した集電部材を用いて行ういわゆる「両端集電」構造によって解決している。この構成により、燃料電池セルの発電部で発生した電流は、燃料電池セルの上端及び下端へと分配されて外部へ取り出されるため、電流経路を短くして電気抵抗を減少させている。   By the way, in a columnar fuel cell such as a cylindrical cell, since the electrode extends in the axial direction, there is a problem that the distance of movement of electrons in the electrode is long and the power generation efficiency of the fuel cell is reduced. It was. Therefore, in Patent Document 1, as an electrical series connection to adjacent fuel cells, an air electrode (+ electrode) of one fuel cell and a fuel electrode (−electrode) of an adjacent fuel cell are provided. The connection is solved by a so-called “both ends current collecting” structure in which the current collecting members are used independently at the upper end and the lower end of the fuel cell. With this configuration, the current generated in the power generation unit of the fuel cell is distributed to the upper and lower ends of the fuel cell and extracted to the outside, so that the current path is shortened to reduce the electrical resistance.

しかし、水素を含む燃料ガスは柱状の燃料電池セルの下端側から内部流路に供給されることが一般的である中で、供給された燃料ガス中の水素濃度は発電反応によって徐々に消費されるため、内部流路において上流側から下流側にかけて水素濃度は減少する。このため、発電反応は燃料電池セルの最下端においてより活発であり、発生電流量も多い。この状況下において、両端集電を採用する場合、燃料ガスの供給量や取り出し電流量、あるいは燃料電池セル集電形態によっては、燃料電池セルの上流側(つまり、燃料電池の下端側)集電部において、電流集中が発生するおそれがあることを発明者は見出した。すなわち、電流の主要発生領域と電流の取り出し領域とが一致することに問題がある。燃料電池セルにおける電流集中は、局所的な発電促進による燃料電池セルの劣化に起因した耐久性低下や、発生電流の取り出しの妨げによる出力の低下など様々な課題を引き起こす。   However, in general, fuel gas containing hydrogen is supplied to the internal flow path from the lower end side of the columnar fuel cell, and the hydrogen concentration in the supplied fuel gas is gradually consumed by the power generation reaction. Therefore, the hydrogen concentration decreases from the upstream side to the downstream side in the internal flow path. For this reason, the power generation reaction is more active at the lowermost end of the fuel cell, and the amount of generated current is large. Under this circumstance, when both-end current collection is adopted, current collection on the upstream side of the fuel cell (that is, the lower end side of the fuel cell), depending on the amount of fuel gas supplied or extracted, or the fuel cell current collection mode The inventor has found that current concentration may occur in the section. That is, there is a problem in that the main current generation region and the current extraction region coincide. The current concentration in the fuel cell causes various problems such as a decrease in durability due to deterioration of the fuel cell due to local power generation promotion and a decrease in output due to hindering extraction of generated current.

そこで発明者は、両端集電構造をとることで生じる上述した燃料電池セルの下端部における電流集中を抑制、回避するために、集電構造を燃料電池セルの上端部のみに集約した「片端集電(上端集電)」構造が最適であることを見出した。特許文献2には、隣り合う燃料電池セルのそれぞれの電極に接続する集電端子を導電性連結部材で接続して一体化した集電部材(コネクタ)を用いて、燃料電池セルの上端部どうしを直列接続した片端集電構造が開示されている。   In view of this, the inventor consolidates the current collecting structure only at the upper end portion of the fuel battery cell in order to suppress and avoid the current concentration at the lower end portion of the fuel battery cell, which is caused by taking the current collecting structure at both ends. We have found that the “electric (top current collector)” structure is optimal. In Patent Document 2, a current collecting member (connector) in which current collecting terminals connected to respective electrodes of adjacent fuel cells are connected and integrated by a conductive connecting member is used to connect the upper end portions of the fuel cells. A one-end current collecting structure in which are connected in series is disclosed.

特許5578332号公報Japanese Patent No. 5578332 特開2007−95442号公報JP 2007-95442 A

柱状の燃料電池セルの集電構造として上述した特許文献2に記載の片端集電構造を採用することにより、セル下端部における発電量が最大となる領域と、電流を取り出す端子を配置する領域とを離隔することができる。これにより電流集中が抑制されて燃料電池セルの耐久性が大きく向上すると推測された。   By adopting the one-end current collecting structure described in Patent Document 2 described above as the current collecting structure of the columnar fuel cell, an area where the power generation amount at the lower end of the cell is maximized, and an area where terminals for taking out current are arranged Can be separated. As a result, it was estimated that current concentration was suppressed and the durability of the fuel cell was greatly improved.

しかし発明者は、従来の両端集電構造に替えて単に片端集電構造を電流取り出しの集電構造として採用するだけでは、柱状の燃料電池セルにおいて下端部に生じる電流集中の課題を完全に解消することはできないことを見出した。すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が柱状の燃料電池セルの下端部である以上、高濃度の燃料ガスはまず下端部で発電反応に消費されるため、電流の発生量が下端部を主とする状況に変わりはないためである。このため、燃料電池セルの集電構造として下端部の電流集中を回避するための片端集電構造を採用するにあたり、下端部における電流集中のさらなる低減改善が求められていた。   However, the inventor completely eliminated the problem of current concentration occurring at the lower end of the columnar fuel cell by simply adopting the one-end current collection structure as the current collection structure instead of the conventional both-end current collection structure. I found that I can't. That is, as long as the supply of fuel gas and oxidant gas is at the lower end of the columnar fuel cell, high-concentration fuel gas is first consumed in the power generation reaction at the lower end, so the amount of current generated is mainly at the lower end. This is because there is no change in the situation. For this reason, when adopting the one-end current collecting structure for avoiding the current concentration at the lower end as the current collecting structure of the fuel cell, further reduction and improvement of the current concentration at the lower end has been demanded.

そこで本発明は、柱状の燃料電池セルを複数配列した固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、燃料電池セルの集電構造を片端集電構造とするとともに、さらに電流集中を回避する構成を採用することで、燃料電池セルの下端部に生じる電流集中の課題を解決した固体酸化物形燃料電池スタックを提供するものである。   Therefore, the present invention adopts a configuration in which a current collecting structure of the fuel cell is a one-end current collecting structure and further avoids current concentration in a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of columnar fuel cells are arranged. Thus, the present invention provides a solid oxide fuel cell stack that solves the problem of current concentration occurring at the lower end of a fuel cell.

また、これによって耐久性が高く電流取り出し効率の良い固体酸化物形燃料電池スタックを提供するものである。   This also provides a solid oxide fuel cell stack with high durability and good current extraction efficiency.

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電気抵抗は他端側の電気抵抗よりも大きいものである。   One aspect of a solid oxide fuel cell stack according to the present invention is a columnar fuel in which a power generation unit formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer extends in the axial direction. A solid oxide fuel cell stack in which a plurality of battery cells are arranged to generate power by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer from one end to the other end of the columnar fuel cell A fuel electrode of a fuel cell having a plurality of fuel cell cells, each having a fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer and an air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer The conductive layer is electrically connected in series with the air electrode conductive layer of the adjacent fuel cell through a current collector connecting member installed only on the other end side, and the axial direction in the power generation unit of the fuel cell In the conductive path, the electrical resistance at one end is greater than the electrical resistance at the other end. It is heard things.

本態様によれば、一端側から他端側に燃料ガス及び酸化剤ガスが流れるように構成された柱状の燃料電池セルにおいて片端集電構造としたときに、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において他端側よりも一端側の電気抵抗が大きいため、一端側における電流の流れが抑制される。この一端側での電流の流れの鈍化によって発電部全体としての電流の流れが調整され、電流を取り出す他端側で生じ得る電流集中の発生を未然に回避することができる。これにより電流集中に起因する燃料電池セルの劣化を抑制し、耐久性の高い固体酸化物形燃料電池スタックを提供することができる。   According to this aspect, when the columnar fuel cell configured to flow fuel gas and oxidant gas from one end side to the other end side has a one-end current collecting structure, the axial direction in the power generation unit of the fuel cell unit Since the electrical resistance on one end side is larger than that on the other end side in the conductive path, current flow on one end side is suppressed. By slowing down the current flow on one end side, the current flow as the whole power generation unit is adjusted, and it is possible to avoid the occurrence of current concentration that may occur on the other end side from which the current is extracted. Thereby, deterioration of the fuel cell due to current concentration can be suppressed, and a highly durable solid oxide fuel cell stack can be provided.

ここで、本明細書において「柱状の燃料電池セル」とは一方向(軸方向)に延在した立体形状を有する燃料電池セルであって、内部にガス流路が設けられた筒状形状を含むものである。例えば、円筒形、扁平円筒形等の円柱や楕円柱、角柱などの立体形状が含まれる。   Here, in this specification, the “columnar fuel cell” is a fuel cell having a three-dimensional shape extending in one direction (axial direction), and has a cylindrical shape in which a gas flow path is provided. Is included. For example, a solid shape such as a cylindrical shape such as a cylindrical shape or a flat cylindrical shape, an elliptical shape, or a rectangular shape is included.

また、本明細書において「燃料電池スタック」とは、少なくとも複数の燃料電池セルが集電体やシール材等の接続手段によって物理的に固定された集合体であり、例えば、燃料ガスを一時貯蔵して各燃料電池セルに分散供給するための燃料ガスマニホールド上に複数の燃料電池セルが立設固定されたその全体を含む。   Further, in the present specification, the “fuel cell stack” is an assembly in which at least a plurality of fuel cells are physically fixed by connecting means such as a current collector or a sealing material. For example, fuel gas is temporarily stored. In addition, a plurality of fuel cells are installed and fixed on a fuel gas manifold for supplying the fuel cells in a distributed manner.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の燃料極導電層は他端側の燃料極導電層よりも、及び/又は、一端側の空気極導電層は他端側の空気極導電層よりも、電気抵抗が大きいことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the fuel electrode conductive layer on one end side is more than the fuel electrode conductive layer on the other end side and / or the air on one end side in the axial conductive path in the power generation unit of the fuel cell. The electrode conductive layer preferably has a larger electric resistance than the air electrode conductive layer on the other end side.

本態様によれば、片端集電構造によって生じ得る電流集中対策として、燃料極導電層又は空気極導電層の電気抵抗を調整することによって、簡易に固体酸化物形燃料電池スタックの耐久性向上を実現することができる。   According to this aspect, as a countermeasure against current concentration that may occur due to the one-end current collecting structure, the durability of the solid oxide fuel cell stack can be easily improved by adjusting the electric resistance of the fuel electrode conductive layer or the air electrode conductive layer. Can be realized.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極導電層及び/又は空気極導電層は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との二つの領域でなることが好ましい。   Moreover, in one aspect of the present invention, the fuel electrode conductive layer and / or the air electrode conductive layer in the power generation unit of the fuel cell unit are divided into two regions, one having a large resistance on one end side and a region having a small resistance on the other end side. It is preferable to consist of regions.

本態様によれば、燃料極導電層又は空気極導電層の電気抵抗の調整を抵抗の大小で区分した二つの領域の形成により実現可能になることから、簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。   According to this aspect, since the adjustment of the electric resistance of the fuel electrode conductive layer or the air electrode conductive layer can be realized by forming two regions divided by the magnitude of the resistance, measures against current concentration are implemented with a simple configuration. can do.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の燃料極導電層は他端側の燃料極導電層よりも、及び/又は、一端側の空気極導電層は他端側の空気極導電層よりも、膜厚が薄いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the fuel electrode conductive layer on one end side is more than the fuel electrode conductive layer on the other end side and / or the air on one end side in the axial conductive path in the power generation unit of the fuel cell. The electrode conductive layer is preferably thinner than the air electrode conductive layer on the other end side.

本態様によれば、燃料極導電層又は空気極導電層の膜厚を適切に変更するとの簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。   According to this aspect, it is possible to take measures against current concentration with a simple configuration in which the film thickness of the fuel electrode conductive layer or the air electrode conductive layer is appropriately changed.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極導電層及び/又は空気極導電層は、一端側から他端側にかけて徐々に電気抵抗が小さくなるように徐々に厚さが厚く構成されていることが好ましい。   Further, in one aspect of the present invention, the fuel electrode conductive layer and / or the air electrode conductive layer in the power generation unit of the fuel cell gradually increase in thickness so that the electric resistance gradually decreases from one end side to the other end side. It is preferable to be thick.

本態様によれば、燃料極導電層又は空気極導電層の膜厚を連続的に変化させるため、非連続的な電流分布の発生を抑制し、局所的な電流集中を回避することができる。   According to this aspect, since the film thickness of the fuel electrode conductive layer or the air electrode conductive layer is continuously changed, generation of discontinuous current distribution can be suppressed and local current concentration can be avoided.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の燃料極導電層は他端側の燃料極導電層よりも、及び/又は、一端側の空気極導電層は他端側の空気極導電層よりも、気孔率が高いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the fuel electrode conductive layer on one end side is more than the fuel electrode conductive layer on the other end side and / or the air on one end side in the axial conductive path in the power generation unit of the fuel cell. The polar conductive layer preferably has a higher porosity than the air electrode conductive layer on the other end side.

本態様によれば、燃料電極導電層又は空気極導電層の気孔率を増大させて導電性を低下させることにより、一端側の電気抵抗を増加させて他端側での電流集中を防止することができる。   According to this aspect, by increasing the porosity of the fuel electrode conductive layer or the air electrode conductive layer and decreasing the conductivity, the electrical resistance on one end side is increased and current concentration on the other end side is prevented. Can do.

ここで、本明細書において気孔率とは、層中の層体積に対する気孔(空隙)の体積の割合である。気孔率は、例えば上記各層が形成された燃料電池セルを切断し、当該断面のSEM画像を取得することで算出することができる。   Here, the porosity in this specification is the ratio of the volume of pores (voids) to the layer volume in the layer. The porosity can be calculated, for example, by cutting the fuel cell in which each of the layers is formed and acquiring an SEM image of the cross section.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電解質は他端側の電解質層よりも電気抵抗が大きいことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, it is preferable that the electrolyte on one end side has a larger electric resistance than the electrolyte layer on the other end side in the axial conductive path in the power generation unit of the fuel cell.

本態様によれば、片端集電構造によって生じ得る電流集中対策として、電解質層の電気抵抗を調整することによって、簡易に固体酸化物形燃料電池スタックの耐久性向上を実現することができる。   According to this aspect, as a countermeasure against current concentration that can occur due to the one-end current collecting structure, the durability of the solid oxide fuel cell stack can be easily improved by adjusting the electric resistance of the electrolyte layer.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における電解質層は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との二つの領域でなることが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the electrolyte layer in the power generation unit of the fuel cell preferably includes two regions, a region having a large resistance on one end side and a region having a small resistance on the other end side.

本態様によれば、電解質層の電気抵抗の調整を抵抗の大小で区分した二つの領域の形成により実現可能になることから、簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。   According to this aspect, since the adjustment of the electric resistance of the electrolyte layer can be realized by forming two regions divided by the magnitude of the resistance, it is possible to take measures against current concentration with a simple configuration.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電解質層は他端側の電解質層よりも膜厚が厚いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, it is preferable that the electrolyte layer on one end side is thicker than the electrolyte layer on the other end side in the axial conductive path in the power generation unit of the fuel cell.

本態様によれば、一端側の電解質層を他端側の電解質層よりも膜厚を厚くしたことで、一端部側の電気抵抗が増大するため、簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。   According to this aspect, since the electrolyte layer on one end side is made thicker than the electrolyte layer on the other end side, the electrical resistance on the one end side increases, so that measures for current concentration are implemented with a simple configuration. be able to.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における電解質層は、一端側から他端側にかけて徐々に電気抵抗が小さくなるように徐々に厚さが薄く構成されていることが好ましい。   Moreover, in one aspect of the present invention, it is preferable that the electrolyte layer in the power generation unit of the fuel cell is configured to be gradually thinner so that the electrical resistance gradually decreases from one end side to the other end side.

本態様によれば、電解質層の膜厚を連続的に変化させるため、非連続的な電流分布の発生を抑制し、局所的な電流集中を回避することができる。   According to this aspect, since the thickness of the electrolyte layer is continuously changed, generation of discontinuous current distribution can be suppressed, and local current concentration can be avoided.

また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極層は他端側の燃料極層よりも、及び/又は、一端側の空気極層は他端側の空気極層よりも、触媒活性が低いものである。   Also, one aspect of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is a columnar shape in which a power generation section formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer extends in the axial direction. A solid oxide fuel cell in which a plurality of fuel cells are arranged and power is generated by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer from one end to the other end of the columnar fuel cell A fuel of a fuel cell that is a stack and has a fuel electrode layer that is a stack and has a fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer and an air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer The electrode conductive layer is electrically connected in series with the air electrode conductive layer of the adjacent fuel cell via the current collector connecting member installed only on the other end side, and the axial direction in the power generation unit of the fuel cell The fuel electrode layer on one end side than the fuel electrode layer on the other end side, and Or, one end of the air electrode layer is also from the other end side of the air electrode layer, but the catalytic activity is low.

本態様によれば、一端側よりも他端側の燃料極層や空気極層の触媒活性(電気触媒的作用)が高いため、発生電流は他端側で増大するため、一端側への電流集中を緩和することができる。   According to this aspect, since the catalytic activity (electrocatalytic action) of the fuel electrode layer and the air electrode layer on the other end side is higher than that on the one end side, the generated current increases on the other end side. Concentration can be eased.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極層及び/又は空気極層は、一端側の触媒活性が低い領域と、他端側の触媒活性が高い領域との二つの領域でなることが好ましい。   Moreover, in one aspect of the present invention, the fuel electrode layer and / or the air electrode layer in the power generation unit of the fuel battery cell are divided into two regions, one having a low catalytic activity at one end and the other having a high catalytic activity at the other end. It is preferable to consist of regions.

本態様によれば、触媒活性の高低で区分した二つの領域を燃料極層や空気極層中に形成することで実現可能になることから、簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。   According to this aspect, since it is possible to realize by forming two regions divided by the level of catalyst activity in the fuel electrode layer and the air electrode layer, it is possible to implement a countermeasure for current concentration with a simple configuration. it can.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極層は他端側の燃料極層よりも、及び/又は、一端側の空気極層は他端側の空気極層よりも、膜厚が薄いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the fuel electrode layer on one end side is more than the fuel electrode layer on the other end side and / or the air electrode layer on one end side is the other end in the axial direction of the power generation unit of the fuel cell. The film thickness is preferably thinner than the air electrode layer on the side.

本態様によれば、燃料極層又は空気極層の膜厚を、一端側よりも他端側で厚くすることにより、触媒活性の高い部分において触媒活性をより高めることができ、効果的に電流集中の対策を実施することができる。   According to this aspect, by making the film thickness of the fuel electrode layer or the air electrode layer thicker on the other end side than on the one end side, the catalytic activity can be further increased in the portion with high catalytic activity, and the current is effectively increased. Concentration measures can be implemented.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極層及び/又は空気極層は、一端側から他端側にかけて徐々に触媒活性が高くなるように徐々に厚さが厚く構成されていることが好ましい。   Further, in one aspect of the present invention, the fuel electrode layer and / or the air electrode layer in the power generation unit of the fuel battery cell are configured to gradually increase in thickness so that the catalytic activity gradually increases from one end side to the other end side. It is preferable that

本態様によれば、燃料極層又は空気極層の膜厚を連続的に変化させるため、触媒活性の非連続的な変化による非連続的な電流分布の発生を抑制し、局所的な電流集中を回避することができる。   According to this aspect, since the film thickness of the fuel electrode layer or the air electrode layer is continuously changed, generation of discontinuous current distribution due to discontinuous change in catalyst activity is suppressed, and local current concentration is suppressed. Can be avoided.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極層は他端側の燃料極層よりも、及び/又は、一端側の空気極層は他端側の空気極層よりも、気孔率が低いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the fuel electrode layer on one end side is more than the fuel electrode layer on the other end side and / or the air electrode layer on one end side is the other end in the axial direction of the power generation unit of the fuel cell. It is preferable that the porosity is lower than the air electrode layer on the side.

本態様によれば、燃料極層や空気極層の気孔率を一端側よりも他端側で高めることにより、三相界面の反応場を広げ、他端側の発電反応を活性化させることで、効果的に電流集中の対策を実施することができる。   According to this aspect, by increasing the porosity of the fuel electrode layer and the air electrode layer on the other end side rather than the one end side, the reaction field at the three-phase interface is expanded and the power generation reaction on the other end side is activated. Therefore, it is possible to effectively implement current concentration countermeasures.

また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極層は他端側の燃料極層よりも、及び/又は、一端側の空気極層は他端側の空気極層よりも、ガス拡散性が低いものである。   Also, one aspect of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is a columnar shape in which a power generation section formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer extends in the axial direction. A solid oxide fuel cell in which a plurality of fuel cells are arranged and power is generated by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer from one end to the other end of the columnar fuel cell A fuel of a fuel cell that is a stack and has a fuel electrode layer that is a stack and has a fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer and an air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer The electrode conductive layer is electrically connected in series with the air electrode conductive layer of the adjacent fuel cell via the current collector connecting member installed only on the other end side, and the axial direction in the power generation unit of the fuel cell The fuel electrode layer on one end side than the fuel electrode layer on the other end side, and Or, one end of the air electrode layer is also from the other end side of the air electrode layer, but a low gas diffusivity.

本態様によれば、燃料極層、燃料極導電層、空気極層、空気極導電層の少なくともいずれかを他端側のガス拡散性が高くなるように構成したことで、燃料ガスや酸化剤ガスの三相界面への到達速度を高めることができ、起電力が高まり電流が流れやすくなるため、他端側に電流が流れやすい状態を形成することができる。このため、効果的に電流集中の対策を実施することができる。   According to this aspect, at least one of the fuel electrode layer, the fuel electrode conductive layer, the air electrode layer, and the air electrode conductive layer is configured to have high gas diffusibility on the other end side, so that the fuel gas and the oxidant The speed at which the gas reaches the three-phase interface can be increased, the electromotive force is increased, and the current easily flows. Therefore, a state where the current easily flows can be formed on the other end side. For this reason, it is possible to effectively take measures against current concentration.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極層及び/又は空気極層は、一端側のガス拡散性が低い領域と、他端側のガス拡散性が高い領域との二つの領域でなることが好ましい。   Further, in one aspect of the present invention, the fuel electrode layer and / or the air electrode layer in the power generation unit of the fuel battery cell includes a region having a low gas diffusivity on one end side and a region having a high gas diffusibility on the other end side. It is preferable to consist of two regions.

本態様によれば、ガス拡散性の高低で区分した二つの領域を燃料極層や空気極層中に形成することで実現可能になることから、簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。   According to this aspect, since it is possible to realize by forming two regions divided by high and low gas diffusivity in the fuel electrode layer and the air electrode layer, it is necessary to implement a current concentration countermeasure with a simple configuration. Can do.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の燃料極層は一端側の燃料極層よりも、及び/又は、他端側の空気極層は一端側の空気極層よりも、膜厚が薄いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the fuel electrode layer on the other end side is more than the fuel electrode layer on the one end side and / or the air electrode layer on the other end side is one end in the axial direction of the power generation unit of the fuel cell. The film thickness is preferably thinner than the air electrode layer on the side.

本態様によれば、燃料極層又は空気極層の膜厚を、一端側よりも他端側で薄くすることにより、ガス拡散性を高めることができ、効果的に電流集中の対策を実施することができる。   According to this aspect, by reducing the film thickness of the fuel electrode layer or the air electrode layer on the other end side rather than the one end side, the gas diffusibility can be improved, and the current concentration countermeasure is effectively implemented. be able to.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極層及び/又は空気極層は、一端側から他端側にかけて徐々にガス拡散性が高くなるように徐々に厚さが薄く構成されていることが好ましい。   Further, in one aspect of the present invention, the fuel electrode layer and / or the air electrode layer in the power generation unit of the fuel battery cell are gradually thinned so that the gas diffusivity gradually increases from one end side to the other end side. It is preferable to be configured.

本態様によれば、燃料極層又は空気極層の膜厚を連続的に変化させるため、ガス拡散性の非連続的な変化による非連続的な電流分布の発生を抑制し、局所的な電流集中を回避することができる。   According to this aspect, since the film thickness of the fuel electrode layer or the air electrode layer is continuously changed, generation of discontinuous current distribution due to discontinuous change in gas diffusibility is suppressed, and local current is suppressed. Concentration can be avoided.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の燃料極層は一端側の燃料極層よりも、及び/又は、他端側の空気極層は一端側の空気極層よりも、気孔率が高いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the fuel electrode layer on the other end side is more than the fuel electrode layer on the one end side and / or the air electrode layer on the other end side is one end in the axial direction of the power generation unit of the fuel cell. It is preferable that the porosity is higher than that of the air electrode layer on the side.

本態様によれば、他端側の燃料極層や空気極層の気孔率を他端側の気孔率よりも増大させることでガス拡散性を向上させ、電流集中の発生を回避することができる。   According to this aspect, by increasing the porosity of the fuel electrode layer or the air electrode layer on the other end side than the porosity on the other end side, the gas diffusibility can be improved and the occurrence of current concentration can be avoided. .

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の燃料極層、燃料極導電層、空気極層、及び空気極導電層のうち少なくともひとつは、これに対応する一端側の燃料極層、燃料極導電層、空気極層、及び空気極導電層のうち少なくともひとつよりも、屈曲度が小さいことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, at least one of the fuel electrode layer, the fuel electrode conductive layer, the air electrode layer, and the air electrode conductive layer on the other end side in the axial direction of the power generation unit of the fuel cell is It is preferable that the degree of bending is smaller than at least one of the corresponding fuel electrode layer, fuel electrode conductive layer, air electrode layer, and air electrode conductive layer on one end side.

本態様によれば、他端側の燃料極層や燃料極導電層、空気極層、空気極導電層の屈曲度を小さくすることで、他端側のガス拡散性を向上させ、電流集中の発生を回避することができる。   According to this aspect, by reducing the bending degree of the fuel electrode layer, the fuel electrode conductive layer, the air electrode layer, and the air electrode conductive layer on the other end side, the gas diffusibility on the other end side is improved and the current concentration is reduced. Occurrence can be avoided.

ここで、本明細書において屈曲度とは、空気極層、空気極導電層、燃料極層、燃料極導電層において、これら各層の内部に存在する気孔が連通する気孔の連通経路の実効距離を、最短直線距離で割った値である。屈曲度は、3次元FIB−SEM(focused ion beam-scanning electron microscopy)で観察した複数の2次元画像を積分することで3次元化して気孔の連通経路を計算する方法や、拡散限界となる分圧を発電実験から求めて拡散係数から逆算して求める方法がある。   Here, in this specification, the degree of bending means the effective distance of the communication path of the pores in the air electrode layer, the air electrode conductive layer, the fuel electrode layer, and the fuel electrode conductive layer that communicate with the pores existing in each of these layers. , Divided by the shortest straight line distance. The degree of flexion can be calculated by integrating a plurality of two-dimensional images observed by three-dimensional FIB-SEM (focused ion beam-scanning electron microscopy) into a three-dimensional calculation of the pore communication path, There is a method in which the pressure is obtained from a power generation experiment and calculated backward from the diffusion coefficient.

また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極導電層及び/又は空気極導電層の表面の少なくとも一部に、他端側の燃料極導電層及び/又は空気極導電層よりもガス拡散性の低い層が設けられていることが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the fuel electrode conductive layer on the other end side is provided on at least a part of the surface of the fuel electrode conductive layer and / or the air electrode conductive layer on the one end side in the axial direction of the power generation unit of the fuel cell. It is preferable that a layer having a lower gas diffusibility than the air electrode conductive layer is provided.

本態様によれば、ガス拡散性の高低を分離して層形成することにより、電流集中の抑制を精緻に調整できるとともに、区分してそれぞれ製造することができる。   According to this aspect, by separating the gas diffusibility from each other and forming a layer, the suppression of current concentration can be finely adjusted and can be manufactured separately.

また本発明の一態様においては、ガス拡散性の低い層は、空気極導電層及び/又は燃料極導電層よりも気孔率が低いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the layer having low gas diffusibility preferably has a lower porosity than the air electrode conductive layer and / or the fuel electrode conductive layer.

本態様によれば、燃料極導電層や空気極導電層の気孔率を低下させて形成することで、一端側にガス拡散性の低い層を形成することができる。   According to this aspect, a layer with low gas diffusibility can be formed on one end side by forming the fuel electrode conductive layer or the air electrode conductive layer with a reduced porosity.

また本発明の一態様においては、ガス拡散性の低い層は、空気極導電層及び/又は燃料極導電層よりも屈曲度が高いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the layer having low gas diffusibility preferably has a higher degree of bending than the air electrode conductive layer and / or the fuel electrode conductive layer.

本態様によれば、燃料極導電層や空気極導電層の屈曲度を高く形成することで、一端側にガス拡散性の低い層を形成することができる。   According to this aspect, a layer with low gas diffusibility can be formed on one end side by forming the fuel electrode conductive layer and the air electrode conductive layer with a high degree of bending.

また本発明の一態様においては、ガス拡散性の低い層は、空気極導電層及び/又は燃料極導電層よりも厚さが厚いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the layer having low gas diffusibility is preferably thicker than the air electrode conductive layer and / or the fuel electrode conductive layer.

本態様によれば、燃料極導電層や空気極導電層の厚さを厚く形成することで、一端側にガス拡散性の低い層を形成することができる。   According to this aspect, the layer having low gas diffusibility can be formed on one end side by forming the fuel electrode conductive layer and the air electrode conductive layer thick.

また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、さらに、燃料電池セルの他端側に燃料ガスの一部を直接供給するための燃料ガス他端部供給管を有するものである。   Also, one aspect of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is a columnar shape in which a power generation section formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer extends in the axial direction. A solid oxide fuel cell in which a plurality of fuel cells are arranged and power is generated by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer from one end to the other end of the columnar fuel cell A fuel of a fuel cell that is a stack and has a fuel electrode layer that is a stack and has a fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer and an air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer The electrode conductive layer is electrically connected in series with the air electrode conductive layer of the adjacent fuel cell via a current collector connecting member installed only on the other end side, and further, the other end side of the fuel cell. Has a fuel gas other end supply pipe for supplying a part of the fuel gas directly to It is intended.

本態様によれば、燃料ガスが燃料電池セルの一端側から他端側に向けて供給されとともに、燃料ガスの一部が他端側に直接供給されるため、他端側の燃料利用率(Uf)を低く制御することができる。従って、一つの燃料電池セルの起電力が高くなることで電流が流れやすくなるため、一端側における電流集中の発生を抑制することができる。   According to this aspect, the fuel gas is supplied from one end side to the other end side of the fuel cell, and a part of the fuel gas is directly supplied to the other end side. Uf) can be controlled low. Therefore, since the electric current easily flows when the electromotive force of one fuel cell increases, the occurrence of current concentration on one end side can be suppressed.

また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、複数の燃料電池セルの一部は、順番に燃料ガスが供給されることで段階的に燃料ガスが消費されるように構成されているものである。   Also, one aspect of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is a columnar shape in which a power generation section formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer extends in the axial direction. A solid oxide fuel cell in which a plurality of fuel cells are arranged and power is generated by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer from one end to the other end of the columnar fuel cell A fuel of a fuel cell that is a stack and has a fuel electrode layer that is a stack and has a fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer and an air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer The electrode conductive layer is electrically connected in series with the air electrode conductive layer of the adjacent fuel cell via a current collector connecting member installed only on the other end side, and some of the plurality of fuel cells are The fuel gas is consumed step by step by supplying the fuel gas in order Those that are configured.

本態様によれば、一端側から供給された燃料ガスは他端側へ流動する過程で発電反応に消費され、さらに未反応の燃料ガスはそのまま他の燃料電池セルへと供給されて、発電反応に消費される。このため、一つの燃料電池セルにおける他端側の燃料利用率(Uf)を低く制御することができる。従って、一つの燃料電池セルの起電力が高くなることで電流が流れやすくなるため、一端側における電流集中の発生を抑制することができる。   According to this aspect, the fuel gas supplied from one end side is consumed in the power generation reaction in the process of flowing to the other end side, and the unreacted fuel gas is supplied to the other fuel cells as it is to generate the power generation reaction. Is consumed. For this reason, the fuel utilization factor (Uf) on the other end side in one fuel battery cell can be controlled to be low. Therefore, since the electric current easily flows when the electromotive force of one fuel cell increases, the occurrence of current concentration on one end side can be suppressed.

ここで、本明細書において燃料利用率(Uf)とは、単位時間当たりに燃料電池セルに供給された燃料ガスの供給量に対し、発電反応に用いられた燃料ガスの量の割合をいう。   Here, in this specification, the fuel utilization rate (Uf) refers to the ratio of the amount of fuel gas used in the power generation reaction to the amount of fuel gas supplied to the fuel cells per unit time.

また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、一端側の燃料極層及び/又は燃料極導電層の表面に、改質反応防止層が設けられているものである。   Also, one aspect of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is a columnar shape in which a power generation section formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer extends in the axial direction. A solid oxide fuel cell in which a plurality of fuel cells are arranged and power is generated by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer from one end to the other end of the columnar fuel cell A fuel of a fuel cell that is a stack and has a fuel electrode layer that is a stack and has a fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer and an air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer The electrode conductive layer is electrically connected in series with the air electrode conductive layer of the adjacent fuel cell via a current collector connecting member installed only on the other end side, and the fuel electrode layer on one end side and / or A reforming reaction preventing layer is provided on the surface of the fuel electrode conductive layer.

本態様によれば、燃料電池セルに供給された燃料ガスが一端側から他端側へかけて流動する過程において、燃料ガスに含まれるメタンは一端側に設けられた改質反応防止層により反応が抑制された状態で他端側へ流動する。一方他端側では、メタンは水蒸気改質反応によって水素へ改質され消費される。このため他端側で電流が流れやすくなるため、電流集中の発生を抑制することができる。   According to this aspect, in the process in which the fuel gas supplied to the fuel cell flows from one end side to the other end side, methane contained in the fuel gas is reacted by the reforming reaction prevention layer provided on the one end side. Flows to the other end side in a state where is suppressed. On the other hand, methane is reformed into hydrogen by a steam reforming reaction and consumed. For this reason, since it becomes easy for a current to flow on the other end side, occurrence of current concentration can be suppressed.

また本発明の一態様においては、改質反応防止層は、燃料極層及び/又は燃料極導電層よりもガス拡散性が低いことが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the reforming reaction preventing layer preferably has lower gas diffusibility than the fuel electrode layer and / or the fuel electrode conductive layer.

本態様によれば、改質反応防止層を燃料極層や燃料極導電層よりもガス拡散性の低いものとすることで、一端側での改質反応の進行を抑制し、他端側での改質反応の進行を促すことができる。   According to this aspect, the reforming reaction prevention layer has a lower gas diffusibility than the fuel electrode layer or the fuel electrode conductive layer, thereby suppressing the progress of the reforming reaction on one end side and the other end side. The progress of the reforming reaction can be promoted.

柱状の燃料電池セルを複数配列させた固体酸化物形燃料電池スタックを構成するに際し、片端集電を採用するとともに燃料電池セル中の電気抵抗等を調整することによって、電流集中を回避し、耐久性が高く電流取り出し効率の良い固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。   When constructing a solid oxide fuel cell stack in which multiple columnar fuel cells are arranged, one-sided current collection is adopted and electric resistance in the fuel cell is adjusted to avoid current concentration and durability Provided is a solid oxide fuel cell stack having high performance and high current extraction efficiency.

本発明の一実施形態である燃料電池スタックを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fuel cell stack which is one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における燃料電池スタックを示す側面図である。It is a side view which shows the fuel cell stack in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における燃料電池セルを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における燃料電池セルを示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a fuel cell in one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態における燃料電池セルを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fuel battery cell in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における燃料電池セルを示す側面図である。It is a side view which shows the fuel cell in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における燃料電池セルを示す側面図である。It is a side view which shows the fuel cell in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における燃料電池セルを示す側面図である。It is a side view which shows the fuel cell in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における燃料電池セルを示す側面図である。It is a side view which shows the fuel cell in one Embodiment of this invention.

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更することができる。   Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings. From the following description, many modifications and other embodiments of the present invention are apparent to persons skilled in the art. Accordingly, the following description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.

(燃料電池スタック)
はじめに、図1〜図4を用いて、本発明の実施形態における燃料電池スタック1について説明する。
(Fuel cell stack)
First, the fuel cell stack 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は本発明の実施形態における燃料電池スタック1を示す斜視図である。図1に示すように、燃料電池スタック1は、ガス流路が内部に設けられた複数の柱状の燃料電池セル2と、マニホールド3から構成される。燃料電池セル2は、一端側(図1においては下端側)を一つのマニホールド3にすべて立設して支持固定されている。燃料電池セル2は絶縁性支持部材14(ブッシュともいう)を介してもマニホールド3に立設され、ガラスリング15により気密固定される。   FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell stack 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 1 includes a plurality of columnar fuel cells 2 having gas flow paths provided therein, and a manifold 3. The fuel cell 2 is supported and fixed with one end side (the lower end side in FIG. 1) standing upright on one manifold 3. The fuel cell 2 is also erected on the manifold 3 via an insulating support member 14 (also referred to as a bush) and is hermetically fixed by a glass ring 15.

ここで複数の燃料電池セル2は、電気的に直列になるようにそれぞれが集電連結部材4によって接続されている。電気的に直列に接続された一端と他端の燃料電池セル2には外部に電力を取り出すための電力取り出し線(図1の太線)が設けられている。   Here, the plurality of fuel cells 2 are connected to each other by the current collector connecting member 4 so as to be electrically in series. The fuel cell 2 at one end and the other end that are electrically connected in series is provided with a power extraction line (thick line in FIG. 1) for extracting electric power to the outside.

上述の様に燃料電池セル2の一端(下端)から燃料ガスが供給され、燃料ガス(燃料ガスに含まれる水素)は発電反応に消費されながら、燃料ガス流路12を通過して他端(上端)から排出される。図5の点線矢印に示すように、燃料ガスは一端では高濃度の燃料ガス(燃料ガス中の水素濃度)の状態から、燃料ガス流路12を進むにつれて発電反応に消費されていくため、他端では低濃度の燃料ガスが排出される。   As described above, the fuel gas is supplied from one end (lower end) of the fuel battery cell 2, and the fuel gas (hydrogen contained in the fuel gas) passes through the fuel gas passage 12 while being consumed in the power generation reaction. Discharged from the top. As indicated by the dotted line arrow in FIG. 5, the fuel gas is consumed in the power generation reaction as it proceeds through the fuel gas flow path 12 from the state of the high concentration fuel gas (hydrogen concentration in the fuel gas) at one end. At the end, low concentration fuel gas is discharged.

図2は本発明における実施形態の燃料電池スタック1を示す側面図である。マニホールド3の内部に燃料ガスが供給されると、マニホールド3内で分散され、複数の燃料電池セル2の内部を一端側から他端側に向かって流れ、その後複数の燃料電池セル2の他端側から燃料電池スタック1の外部に排出される。   FIG. 2 is a side view showing the fuel cell stack 1 according to the embodiment of the present invention. When the fuel gas is supplied to the inside of the manifold 3, the fuel gas is dispersed in the manifold 3 and flows in the plurality of fuel cells 2 from one end side to the other end side, and then the other ends of the plurality of fuel cells 2. It is discharged from the fuel cell stack 1 to the outside.

(燃料電池セル)
次に、本発明の実施形態で用いる燃料電池セルについて図3及び図4を参照して説明する。
(Fuel battery cell)
Next, the fuel cell used in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4.

図3は、本発明の実施形態における燃料電池スタック1を構成する燃料電池セル2を示す図である。図4は、燃料電池セル2端部の拡大断面図である。   FIG. 3 is a diagram showing the fuel cell 2 constituting the fuel cell stack 1 in the embodiment of the present invention. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the end portion of the fuel battery cell 2.

図3に示すように、燃料電池セル2は、セル本体6と、このセル本体6の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ5(金属キャップともいう)とを備えている。   As shown in FIG. 3, the fuel battery cell 2 includes a cell body 6 and caps 5 (also referred to as metal caps) that are connection electrode portions connected to both ends of the cell body 6.

図4に示すように、支持体として導電支持体を有する場合のセル本体6は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路12(内部流路ともいう)を形成する導電性を有する円筒形の燃料極導電層7と、燃料極導電層7の外周に設けられた燃料極層8と、燃料極層8の外周側に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層9と、電解質層9の外周に設けられた円筒形の空気極(酸化剤ガス極)層10と、空気極層10の外周に導電性を有する空気極導電層11を備えている。この燃料極導電層7は、セル本体6を構成する支持体として機能するとともに、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。   As shown in FIG. 4, the cell body 6 in the case of having a conductive support as a support is a tubular structure extending in the vertical direction, and a fuel gas flow path 12 (also referred to as an internal flow path) that is a gas path inside. A cylindrical fuel electrode conductive layer 7 having conductivity, a fuel electrode layer 8 provided on the outer periphery of the fuel electrode conductive layer 7, and a cylindrical solid electrolyte provided on the outer peripheral side of the fuel electrode layer 8 An electrolyte layer 9 as a layer, a cylindrical air electrode (oxidant gas electrode) layer 10 provided on the outer periphery of the electrolyte layer 9, and an air electrode conductive layer 11 having conductivity on the outer periphery of the air electrode layer 10. ing. The fuel electrode conductive layer 7 is a porous body that functions as a support that constitutes the cell body 6 and that constitutes a gas passage through which fuel gas flows.

燃料極導電層7は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、燃料極導電層7は、Ni/YSZからなる。なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、燃料極導電層が形成される。   The fuel electrode conductive layer 7 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, Sc, and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. A mixture of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe and Cu. In the present embodiment, the fuel electrode conductive layer 7 is made of Ni / YSZ. A porous insulating support can be used as the support. In this case, the fuel electrode conductive layer is formed outside the insulating support.

また、燃料極導電層7の外周には燃料極層8が形成されている。燃料極層は触媒層であり、本実施形態ではNi/GDCからなる。   A fuel electrode layer 8 is formed on the outer periphery of the fuel electrode conductive layer 7. The fuel electrode layer is a catalyst layer and is made of Ni / GDC in this embodiment.

電解質層9は、燃料極層8の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は燃料極導電層7の下端よりも上方で終端し、上端は燃料極導電層7の上端よりも下方で終端している。電解質層9は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 9 is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the fuel electrode layer 8, the lower end is terminated above the lower end of the fuel electrode conductive layer 7, and the upper end is higher than the upper end of the fuel electrode conductive layer 7. It ends at the bottom. The electrolyte layer 9 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

空気極層10は、電解質層9の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層9の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層9の上端よりも下方で終端している。空気極層10は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The air electrode layer 10 is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the electrolyte layer 9. The lower end terminates above the lower end of the electrolyte layer 9, and the upper end terminates below the upper end of the electrolyte layer 9. ing. The air electrode layer 10 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

また、空気極層10の外周には空気極導電層11が形成されている。空気極導電層11は少なくともAgを含有するものであり、空気極10に導電性能を付帯させている。   An air electrode conductive layer 11 is formed on the outer periphery of the air electrode layer 10. The air electrode conductive layer 11 contains at least Ag, and the air electrode 10 has a conductive performance.

次に、キャップ5について説明するが、セル本体6の上端側と下端側に取り付けられたキャップ5は、同一構造であるため、ここでは、セル本体5の下端側に取り付けられたキャップ5について具体的に説明する。   Next, the cap 5 will be described. Since the caps 5 attached to the upper end side and the lower end side of the cell body 6 have the same structure, here, the cap 5 attached to the lower end side of the cell body 5 is specifically described. I will explain it.

キャップ5(金属キャップ)は、セル本体6の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、セル本体6の燃料極導電層7と電気的に接続され、燃料極導電層7を外部に引き出す接続電極として機能する。図4に示すように、セル本体6の下端に設けられたキャップ5は、円筒状の第1円筒部5aと、第1円筒部5aの上端から外方に向かって延びる円環状の円環部5bと、円環部5bの外周から上方に向かって延びる第2円筒部5cとを有する。キャップ5の第1円筒部5aの中心部には、燃料極導電層7の燃料ガス流路12と連通する燃料ガス流路13が形成されている。燃料ガス流路12は、キャップ5の中心からセル本体6の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。   Caps 5 (metal caps) are provided so as to surround the upper and lower ends of the cell body 6, and are electrically connected to the fuel electrode conductive layer 7 of the cell body 6 to connect the fuel electrode conductive layer 7 to the outside. Functions as an electrode. As shown in FIG. 4, the cap 5 provided at the lower end of the cell body 6 includes a cylindrical first cylindrical portion 5a and an annular ring portion extending outward from the upper end of the first cylindrical portion 5a. 5b and a second cylindrical portion 5c extending upward from the outer periphery of the annular portion 5b. A fuel gas passage 13 communicating with the fuel gas passage 12 of the fuel electrode conductive layer 7 is formed at the center of the first cylindrical portion 5 a of the cap 5. The fuel gas flow path 12 is an elongated pipe line provided so as to extend in the axial direction of the cell body 6 from the center of the cap 5.

キャップ5は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる本体の内周面及び外周面にクロム酸化物(本実施形態では、Cr)がコーティングされ、さらに、外周面には、MnCoがコーティングされている。加えて、コーティングされたMnCo層の外周面にはAg集電膜が設けられている。なお、本実施形態では、Ag集電膜は、キャップ5の外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。 In the cap 5, chromium oxide (Cr 2 O 3 in this embodiment) is coated on the inner peripheral surface and outer peripheral surface of a main body made of ferritic stainless steel or austenitic stainless steel, and the outer peripheral surface has MnCo 2 O. 4 is coated. In addition, an Ag current collector film is provided on the outer peripheral surface of the coated MnCo 2 O 4 layer. In the present embodiment, the Ag current collector film is provided over the entire outer peripheral surface of the cap 5, but may be provided only in part.

キャップ5の第2円筒部5cの内側と、セル本体6の燃料極導電層7(燃料極層8)の端部外周面との間の空間には銀ペースト14が配置されている。燃料電池セル2の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト14が焼結され、燃料極導電層7とキャップ5が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ5の第2円筒部5cの内周面と、電解質層9の下端部外周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール15が設けられている。このガラスシール15により、キャップ5と燃料極導電層7との間の空間は、燃料電池セル2の外部の空間に対して気密密封されている。   A silver paste 14 is disposed in the space between the inside of the second cylindrical portion 5 c of the cap 5 and the outer peripheral surface of the end portion of the fuel electrode conductive layer 7 (fuel electrode layer 8) of the cell body 6. By firing after assembling the fuel cell 2, the silver paste 14 is sintered, and the fuel electrode conductive layer 7 and the cap 5 are electrically and mechanically coupled. A glass seal 15 made of a glass material is provided between the inner peripheral surface of the second cylindrical portion 5 c of the cap 5 and the outer peripheral surface of the lower end portion of the electrolyte layer 9. With this glass seal 15, the space between the cap 5 and the fuel electrode conductive layer 7 is hermetically sealed with respect to the space outside the fuel cell 2.

(燃料電池セルの集電構造)
つぎに、図1〜図4を参照して、燃料電池スタック1の集電構造について説明する。
(Fuel cell collection structure)
Next, a current collecting structure of the fuel cell stack 1 will be described with reference to FIGS.

集電連結部材4は、隣接する燃料電池セル2が電気的に直列となるように接続されている。燃料電池セル2の上端に設けられたキャップ5は燃料極導電層7と電気的に結合されており、集電連結部材4は隣接する2つの燃料電池セル2のうち一方の燃料電池セル2の上端に設けられたキャップ5に銀ペーストを用いて電気的に接続されている。さらに、集電連結部材4は、2つの隣接する燃料電池セル2のうち他方の燃料電池セル2の空気極導電層11に銀ペーストを用いて電気的に接続されている。   The current collector connecting member 4 is connected so that adjacent fuel cells 2 are electrically in series. The cap 5 provided at the upper end of the fuel cell 2 is electrically coupled to the fuel electrode conductive layer 7, and the current collector connecting member 4 is connected to one of the adjacent fuel cells 2. The cap 5 provided at the upper end is electrically connected using silver paste. Furthermore, the current collector connecting member 4 is electrically connected to the air electrode conductive layer 11 of the other adjacent fuel cell 2 out of two adjacent fuel cells 2 using a silver paste.

このように、隣接する一方の燃料電池セル2の燃料極導電層7と、他方の燃料電池セル2の空気極導電層11との接続を複数の燃料電池セルに行い、複数の燃料電池セル2に対して順番に直列接続することで、複数の燃料電池セル2がすべて直列接続された燃料電池スタック1が得られる。   In this way, the fuel electrode conductive layer 7 of one adjacent fuel battery cell 2 and the air electrode conductive layer 11 of the other fuel battery cell 2 are connected to a plurality of fuel battery cells, and a plurality of fuel battery cells 2 are connected. As a result, the fuel cell stack 1 in which all the plurality of fuel cells 2 are connected in series is obtained.

また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、1kw程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。   Further, by disposing a reformer and an evaporator in a combustion region where off gas discharged from the fuel cell stack is combusted, an arrangement configuration equivalent to that of a conventional fuel cell module can be applied. For this reason, it can respond to a small fuel cell device having an output performance of about 1 kw, and can provide a highly efficient and highly durable fuel cell system.

(燃料電池セルの電気抵抗)
つぎに図5を参照して、燃料電池セル2の電気抵抗について説明する。
(Electric resistance of fuel cell)
Next, the electrical resistance of the fuel battery cell 2 will be described with reference to FIG.

(空気極導電層)
図5(a)は、本実施形態における燃料電池セル2の空気極導電層11の断面図であり、一端側の電気抵抗が高く構成されたA1領域と、他端側に電気抵抗を低く構成されたA2領域を備えた燃料電池セル2を示している。
(Air electrode conductive layer)
FIG. 5A is a cross-sectional view of the air electrode conductive layer 11 of the fuel battery cell 2 according to the present embodiment. The A1 region is configured to have a high electrical resistance on one end side, and the electrical resistance is configured to be low on the other end side. The fuel cell 2 provided with the made A2 area | region is shown.

空気極導電層11は軸方向の導電経路において、その膜厚が一端側は薄く、他端側は厚くなるように形成されている。すなわち、空気極導電層11において、一端側の膜厚が薄く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が大きくなるよう構成され、他端側の膜厚が厚く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が小さくなるよう構成されている。換言すると、空気極導電層11は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との2つの領域を有するものである。これにより、一端側における電流の流れが抑制され、この一端側での電流の流れの鈍化によって一端から他端にかけての電流の流れが調整される。   The air electrode conductive layer 11 is formed so that the film thickness is thin on one end side and thick on the other end side in the axial conductive path. That is, in the air electrode conductive layer 11, the film thickness on one end side is formed thin, so that the electrical resistance is increased in the conductive path in the axial direction, and the film thickness on the other end side is formed thick. In the axial direction, the electrical resistance is reduced. In other words, the air electrode conductive layer 11 has two regions, a region having a large resistance on one end side and a region having a small resistance on the other end side. Thereby, the flow of current on one end side is suppressed, and the flow of current from one end to the other end is adjusted by the slowing of the current flow on one end side.

さらに、図5(a)に示す燃料電池セル2において、軸方向の一端から他端にかけて徐々に膜厚が変化するように膜厚に傾斜が形成され、膜厚が連続的に変化するように構成されていても良い。   Further, in the fuel battery cell 2 shown in FIG. 5A, an inclination is formed in the film thickness so that the film thickness gradually changes from one end to the other end in the axial direction, and the film thickness continuously changes. It may be configured.

(燃料極導電層)
図5(b)は、本実施形態における燃料電池セル2の燃料極集電層7断面図であり、一端側の電気抵抗が高く構成されたA1領域と、他端側に電気抵抗を低く構成されたA2領域を備えた燃料電池セル2を示している。図5(b)は本発明の実施形態における燃料電池セル2の断面図を示したものである。燃料極導電層7は軸方向の導電経路において、その膜厚が一端側は薄く、他端側は厚くなるように形成されている。すなわち、燃料極導電層7において、一端側の膜厚が薄く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が大きくなるよう構成され、他端側の膜厚が厚く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が小さくなるよう構成されている。換言すると、燃料極導電層7は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との2つの領域を有するものである。これにより、一端側における電流の流れが抑制され、この一端側での電流の流れの鈍化によって一端から他端にかけての電流の流れが調整される。なお、燃料極導電層7を軸方向の一端から他端にかけて徐々に膜厚が変化するように膜厚に傾斜が形成され、膜厚が連続的に変化するように構成されていても良い。
(Fuel electrode conductive layer)
FIG. 5B is a cross-sectional view of the anode current collecting layer 7 of the fuel battery cell 2 according to the present embodiment. The A1 region is configured to have a high electrical resistance on one end side, and has a low electrical resistance on the other end side. The fuel cell 2 provided with the made A2 area | region is shown. FIG.5 (b) shows sectional drawing of the fuel cell 2 in embodiment of this invention. The fuel electrode conductive layer 7 is formed so that the film thickness is thin at one end and thick at the other end in the axial conductive path. That is, in the fuel electrode conductive layer 7, the film thickness on one end side is formed thin, so that the electric resistance is increased in the axial conductive path, and the film thickness on the other end side is formed thick. In the axial direction, the electrical resistance is reduced. In other words, the fuel electrode conductive layer 7 has two regions, a region where the resistance on one end side is large and a region where the resistance on the other end side is small. Thereby, the flow of current on one end side is suppressed, and the flow of current from one end to the other end is adjusted by the slowing of the current flow on one end side. The fuel electrode conductive layer 7 may be configured such that the film thickness is inclined so that the film thickness gradually changes from one end to the other end in the axial direction, and the film thickness changes continuously.

(電解質層)
図5(c)は、本実施形態における燃料電池セル2の電解質層9の断面図であり、一端側の電気抵抗が高く構成されたA1領域と、他端側に電気抵抗を低く構成されたA2領域を備えた燃料電池セル2を示している。図5(c)は本発明の実施形態における燃料電池セル2の断面図を示したものである。電解質層9は軸方向の導電経路において、その膜厚が一端側は厚く、他端側は薄くなるように形成されている。すなわち、電子導電性が低い電解質層9において、一端側の膜厚が厚く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が大きくなるよう構成され、他端側の膜厚が薄く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が小さくなるよう構成されている。換言すると、電解質層9は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との2つの領域を有するものである。これにより、一端側における電流の流れが抑制され、この一端側での電流の流れの鈍化によって一端から他端にかけての電流の流れが調整される。なお、電解質層9を軸方向の一端から他端にかけて徐々に膜厚が変化するように膜厚に傾斜が形成され、膜厚が連続的に変化するように構成されていても良い。
(Electrolyte layer)
FIG.5 (c) is sectional drawing of the electrolyte layer 9 of the fuel cell 2 in this embodiment, and was comprised by A1 area | region where the electrical resistance of one end side was comprised high, and low electrical resistance in the other end side. The fuel cell 2 provided with A2 area | region is shown. FIG.5 (c) shows sectional drawing of the fuel cell 2 in embodiment of this invention. The electrolyte layer 9 is formed such that the film thickness is thicker at one end side and thinner at the other end side in the axial conductive path. That is, in the electrolyte layer 9 having low electronic conductivity, the film thickness on one end side is formed thick, so that the electric resistance is increased in the conductive path in the axial direction, and the film thickness on the other end side is formed thin. Therefore, the electric resistance is configured to be small in the conductive path in the axial direction. In other words, the electrolyte layer 9 has two regions, a region having a large resistance on one end side and a region having a small resistance on the other end side. Thereby, the flow of current on one end side is suppressed, and the flow of current from one end to the other end is adjusted by the slowing of the current flow on one end side. It should be noted that the electrolyte layer 9 may be configured such that the film thickness is changed so that the film thickness gradually changes from one end to the other end in the axial direction, and the film thickness changes continuously.

また、図5(a)、(b)、(c)において、燃料電池セル2の機能層(空気極導電層11、燃料極導電層7、電解質層)において、他端側よりも一端側の気孔率を高く構成することも好ましい。この場合、一端側の気孔率が高く構成されるため、一端側の導電性が低下するため、一端側の電気抵抗が高くなるように構成される。   5 (a), (b), and (c), in the functional layer (air electrode conductive layer 11, fuel electrode conductive layer 7, and electrolyte layer) of the fuel cell 2, one end side of the other end side is provided. It is also preferable to make the porosity high. In this case, since the porosity on the one end side is configured to be high, the conductivity on the one end side is decreased, so that the electrical resistance on the one end side is increased.

(触媒活性)
図6(a)、(b)は、本発明の実施形態における燃料電池セル2の断面図を示したものであり、一端側に触媒活性(電気触媒的作用)が低いB1領域と、他端側に触媒活性が高いB2領域を備えた燃料電池セル2を示したものである。
(Catalytic activity)
6 (a) and 6 (b) are cross-sectional views of the fuel battery cell 2 according to the embodiment of the present invention. The B1 region having low catalytic activity (electrocatalytic action) on one end side and the other end The fuel cell 2 provided with B2 area | region with high catalyst activity on the side is shown.

図6(a)の燃料電池セル2の空気極層10は他端側(上端側)の膜厚が一端側(下端側)よりも厚く形成され、空気極層10の一端側の膜厚は薄く形成されている。一端側の膜厚が薄く構成されたB1領域では触媒活性が低くなるよう構成されており、一端側の発電電流は抑制される。一方、空気極層10の他端側の膜厚が厚く構成されたB2領域では触媒活性が高くなるよう構成され、他端側の発電電流は増大する。このため、上述のしたように、燃料ガス流路12を流れる燃料ガスは一端側では高濃度な状態となるが、空気極層10の膜厚を調整することによって発電電流の分布を均一化することができる。   The air electrode layer 10 of the fuel battery cell 2 in FIG. 6A is formed such that the film thickness on the other end side (upper end side) is thicker than that on one end side (lower end side), and the film thickness on one end side of the air electrode layer 10 is Thinly formed. In the B1 region where the film thickness on one end side is thin, the catalyst activity is configured to be low, and the power generation current on one end side is suppressed. On the other hand, in the B2 region where the film thickness on the other end side of the air electrode layer 10 is configured to be thick, the catalyst activity is increased, and the generated current on the other end side increases. For this reason, as described above, the fuel gas flowing through the fuel gas passage 12 is in a high concentration state at one end side, but the distribution of the generated current is made uniform by adjusting the film thickness of the air electrode layer 10. be able to.

図6(b)の燃料電池セル2の燃料極層8は他端側(上端側)の膜厚が一端側(下端側)よりも厚く形成されている。燃料極層8の一端側の膜厚は薄く形成され、触媒活性が低くなるよう構成されており、一端側の発電電流は抑制される。一方、燃料極層8の他端側の膜厚は厚く形成され、触媒活性が高くなるよう構成され、他端側の発電電流は増大する。このため、点線矢印に示すように燃料ガス流路12を流れる燃料ガスは一端側では高濃度な状態となるが、燃料極層8の膜厚を調整することによって発電電流の分布を均一化することができる。   The fuel electrode layer 8 of the fuel cell 2 in FIG. 6B is formed such that the film thickness on the other end side (upper end side) is thicker than that on the one end side (lower end side). The fuel electrode layer 8 is formed so that the film thickness on one end side is thin and the catalytic activity is low, and the power generation current on one end side is suppressed. On the other hand, the film thickness on the other end side of the fuel electrode layer 8 is formed thick so that the catalytic activity is increased, and the generated current on the other end side increases. For this reason, the fuel gas flowing through the fuel gas passage 12 is in a high concentration state at one end as shown by the dotted arrow, but the distribution of the generated current is made uniform by adjusting the film thickness of the fuel electrode layer 8. be able to.

なお、図6(a)、(b)において、空気極層10または燃料極層8を軸方向の一端から他端にかけて徐々に膜厚が変化するように膜厚に傾斜が形成され、膜厚が連続的に変化するように構成されることが好ましい。この場合、触媒活性の非連続的な変化による非連続的な電流分布の発生を抑制することができる。   In FIGS. 6A and 6B, the air electrode layer 10 or the fuel electrode layer 8 is inclined so that the film thickness gradually changes from one end to the other end in the axial direction. Is preferably configured to change continuously. In this case, generation of a discontinuous current distribution due to a discontinuous change in the catalyst activity can be suppressed.

さらに、図6(a)、(b)において、空気極層10または燃料極層8の一端側よりも他端側の気孔率の方が高く構成されることが好ましく、他端側の気孔率を大きくすることで三相界面の反応場が広がり、他端側の触媒活性が高くなるように形成される。   Further, in FIGS. 6A and 6B, it is preferable that the porosity on the other end side is higher than the one end side of the air electrode layer 10 or the fuel electrode layer 8, and the porosity on the other end side is preferable. Is increased so that the reaction field at the three-phase interface is expanded and the catalytic activity at the other end is increased.

(ガス拡散性)
ここで、燃料極導電層7、燃料極層8、空気極層10、空気極導電層11は燃料電池セル2の他端側(上端側)の拡散性が高くなるように構成されることが好ましい。燃料ガスまたは空気(酸化剤ガス)がそれぞれの電極に供給されると、拡散性が高く構成された電極の通過速度が高まるため、三相界面への到達速度が高まる。それにより、他端側で起電力が大きくなるため、他端側に電流が流れやすい状態が形成される。
(Gas diffusivity)
Here, the fuel electrode conductive layer 7, the fuel electrode layer 8, the air electrode layer 10, and the air electrode conductive layer 11 may be configured to have high diffusibility on the other end side (upper end side) of the fuel cell 2. preferable. When fuel gas or air (oxidant gas) is supplied to each electrode, the passing speed of the electrode having a high diffusibility increases, so that the speed of reaching the three-phase interface increases. As a result, the electromotive force increases on the other end side, so that a state in which current easily flows on the other end side is formed.

電極層におけるガス拡散性は、膜厚によって調整されていても良い。この場合、燃料電池セル2の一端側(下端側)よりも他端側(上端側)の膜厚を薄くすることによって、他端側のガス拡散性が高まり、他端側で起電力が大きくなるため、他端側に電流が流れやすい状態が形成される。なお、ガス拡散性を調整するための別の手段として、電極層にガス拡散性の低い層が設けることも好ましい。   The gas diffusibility in the electrode layer may be adjusted by the film thickness. In this case, by making the film thickness on the other end side (upper end side) thinner than the one end side (lower end side) of the fuel battery cell 2, gas diffusibility on the other end side is enhanced, and electromotive force is increased on the other end side. Therefore, a state in which current easily flows on the other end side is formed. As another means for adjusting gas diffusivity, it is also preferable to provide a layer having low gas diffusibility in the electrode layer.

また、電極層におけるガス拡散性は、気孔率によって調整されていても良い。この場合、他端側の電極層の気孔率を一端側の気孔率よりも低下させることで、他端側のガス拡散性が高まり、他端側で起電力が大きくなるため、他端側に電流が流れやすい状態が形成される。   Moreover, the gas diffusibility in the electrode layer may be adjusted by the porosity. In this case, by lowering the porosity of the electrode layer on the other end side than the porosity on the one end side, the gas diffusibility on the other end side is increased and the electromotive force is increased on the other end side. A state in which current easily flows is formed.

また、電極層におけるガス拡散性は、屈曲度によって調整されていても良い。この場合、他端側の電極層の屈曲度を一端側の屈曲度よりも増大させることで、他端側のガス拡散性が高まり、他端側で起電力が大きくなるため、他端側に電流が流れやすい状態が形成される。   Moreover, the gas diffusibility in the electrode layer may be adjusted by the degree of bending. In this case, by increasing the bending degree of the electrode layer on the other end side than the bending degree on the one end side, the gas diffusibility on the other end side is increased and the electromotive force is increased on the other end side. A state in which current easily flows is formed.

なお、屈曲度とは、電極層の内部に存在する気孔が連通する気孔の連通経路の実効距離を、最短直線距離で割った値である。屈曲度は、3次元FIB−SEM(focused ion beam-scanning electron microscopy)で観察した複数の2次元画像を積分することで3次元化して気孔の連通経路を計算する方法や、拡散限界となる分圧を発電実験から求めて拡散係数から逆算して求める方法がある。   Note that the degree of bending is a value obtained by dividing the effective distance of the pore communication path through which the pores existing in the electrode layer communicate with each other by the shortest linear distance. The degree of flexion can be calculated by integrating a plurality of two-dimensional images observed by three-dimensional FIB-SEM (focused ion beam-scanning electron microscopy) into a three-dimensional calculation of the pore communication path, There is a method in which the pressure is obtained from a power generation experiment and calculated backward from the diffusion coefficient.

(燃料ガス他端部供給管)
図7は本発明の実施形態における燃料電池セル2の断面図を示したものである。燃料ガスは燃料電池セル2の一端側から燃料ガス通路12に供給される。また、燃料ガス通路12には燃料ガス他端部供給管17が設けられており、燃料ガス他端部供給管17を通過した燃料ガスは燃料電池セル2の他端側における燃料ガス通路12に直接供給される。一端側から燃料ガス通路12に供給された燃料ガスは他端部側で燃料ガス他端部供給管17を通過した燃料ガスと合流し、燃料電池セル2の他端から排出される。すなわち、燃料ガスが燃料電池セル2の一端側から他端側に向けて供給されるとともに、燃料ガスの一部が他端側に直接供給される。
(Fuel gas other end supply pipe)
FIG. 7 shows a cross-sectional view of the fuel cell 2 in the embodiment of the present invention. The fuel gas is supplied to the fuel gas passage 12 from one end side of the fuel battery cell 2. The fuel gas passage 12 is provided with a fuel gas other end supply pipe 17, and the fuel gas that has passed through the fuel gas other end supply pipe 17 passes through the fuel gas passage 12 on the other end side of the fuel cell 2. Supplied directly. The fuel gas supplied from one end side to the fuel gas passage 12 merges with the fuel gas that has passed through the fuel gas other end supply pipe 17 on the other end side, and is discharged from the other end of the fuel cell 2. That is, the fuel gas is supplied from one end side of the fuel cell 2 toward the other end side, and a part of the fuel gas is directly supplied to the other end side.

(連結部材)
図8は本発明の実施形態における燃料電池セルの断面図を示すものであり、燃料ガスが最初に供給される第1の燃料電池セルC1と、第2の燃料電池セルC2とがそれぞれ連結部材18によって接続されている。連結部材18によって、第1の燃料電池セルC1と第2の燃料電池セルC2のそれぞれの内部に形成された燃料ガス通路12は連通されている。
(Connecting member)
FIG. 8 shows a cross-sectional view of the fuel cell according to the embodiment of the present invention. The first fuel cell C1 to which fuel gas is first supplied and the second fuel cell C2 are connected to each other. 18 is connected. The fuel gas passage 12 formed in each of the first fuel cell C1 and the second fuel cell C2 is communicated by the connecting member 18.

第1の燃料電池セルC1の一端(下端)側から供給された燃料ガスは他端側へ流動する過程で発電反応に消費され、さらに未反応の燃料ガスは連結部材を通過後、第2の燃料電池セルC2の一端(下端)側へと供給され、発電反応に消費される。図示は省略するが、第1の燃料電池セルC1と、第2の燃料電池セルC2とは電気的に接続されており、別途集電部材によって接続しても良いし、連結部材18を導電性を有するように構成しても良い。   The fuel gas supplied from one end (lower end) side of the first fuel cell C1 is consumed in the power generation reaction in the process of flowing to the other end side, and the unreacted fuel gas passes through the connecting member, and then the second It is supplied to one end (lower end) side of the fuel battery cell C2 and consumed in the power generation reaction. Although not shown, the first fuel cell C1 and the second fuel cell C2 are electrically connected, and may be connected by a separate current collecting member, or the connecting member 18 may be electrically conductive. You may comprise so that it may have.

(改質反応層)
図9は本発明の実施形態における燃料電池セル2の断面図を示すものであり、改質反応防止層19が設けられているD1と、他端側のD2とで燃料電池セル2は構成されている。燃料極導電層7によって構成される燃料ガス通路12には、燃料ガス中に含まれるメタンと燃料極導電層7が改質反応することを抑制する改質反応防止層19が設けられている。燃料電池セル2の一端から供給された燃料ガス(メタン)と燃料極導電層が電極反応を起こすことで、水素が生成され、一端側の水素濃度が上昇して一端側の水素濃度が高まることによって発電電流が生じてしまい、これが電流集中の要因となってしまう。しかし、本実施形態によれば、一端側に供給された燃料ガスは改質反応防止層19によって、改質反応が抑制されながら他端側へ供給され、他端側において改質反応によって水素が生成し、発電反応に消費される。これにより他端側で発電電流が流れやすくなるため、電力集中が抑制される。
(Modification reaction layer)
FIG. 9 shows a cross-sectional view of the fuel cell 2 according to the embodiment of the present invention. The fuel cell 2 is composed of D1 provided with the reforming reaction preventing layer 19 and D2 on the other end side. ing. The fuel gas passage 12 constituted by the fuel electrode conductive layer 7 is provided with a reforming reaction preventing layer 19 that suppresses a reforming reaction between methane contained in the fuel gas and the fuel electrode conductive layer 7. The fuel gas (methane) supplied from one end of the fuel cell 2 and the fuel electrode conductive layer cause an electrode reaction, thereby generating hydrogen, increasing the hydrogen concentration on one end side, and increasing the hydrogen concentration on one end side. Generates a generated current, which causes current concentration. However, according to the present embodiment, the fuel gas supplied to one end side is supplied to the other end side while the reforming reaction is suppressed by the reforming reaction preventing layer 19, and hydrogen is reformed on the other end side by the reforming reaction. Produced and consumed for power generation reaction. This makes it easier for the generated current to flow on the other end side, thereby suppressing power concentration.

また、燃料電池セル2の一端側に設けられた改質反応防止層19は、燃料極導電層7及び/又は燃料極層8よりもガス拡散性が低く構成されており、燃料電池セル一端側での改質反応の進行を抑制し、他端側での改質反応が促進される。   Further, the reforming reaction preventing layer 19 provided on one end side of the fuel cell 2 is configured to have a gas diffusibility lower than that of the fuel electrode conductive layer 7 and / or the fuel electrode layer 8, and one end side of the fuel cell. The progress of the reforming reaction is suppressed, and the reforming reaction on the other end side is promoted.

1 燃料電池スタック
2 燃料電池セル
3 マニホールド
4 集電連結部材
5 キャップ(金属キャップ)
5a 第1円筒部
5b 円環部
5c 第2円筒部
6 セル本体
7 燃料極層
8 燃料極導電層
9 電解質層
10 空気極層
11 空気極導電層
12 燃料ガス流路
13 燃料ガス流路
14 絶縁性支持部材
15 ガラスリング
17 燃料ガス他端部供給管
18 連結部材
19 改質反応防止層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Fuel cell 3 Manifold 4 Current collection connection member 5 Cap (metal cap)
5a 1st cylindrical part 5b annular part 5c 2nd cylindrical part 6 Cell body 7 Fuel electrode layer 8 Fuel electrode conductive layer 9 Electrolyte layer 10 Air electrode layer 11 Air electrode conductive layer 12 Fuel gas flow path 13 Fuel gas flow path 14 Insulation Supporting member 15 Glass ring 17 Fuel gas other end supply pipe 18 Connecting member 19 Reforming reaction preventing layer

Claims (29)

固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
前記燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電気抵抗は他端側の電気抵抗よりも大きいことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
A plurality of columnar fuel cells each having an axially extending power generation part formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer are arranged, and from one end of the columnar fuel cell A solid oxide fuel cell stack that generates power by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer toward the other end,
A fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer;
An air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer,
The fuel electrode conductive layers of the plurality of the fuel cells arranged in series are electrically connected in series to the air electrode conductive layers of the adjacent fuel cells via a current collector connecting member installed only on the other end side. And
The solid oxide fuel cell stack, wherein an electric resistance on one end side is larger than an electric resistance on the other end side in an axial conductive path in the power generation unit of the fuel cell.
前記燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の前記燃料極導電層は他端側の前記燃料極導電層よりも、及び/又は、一端側の前記空気極導電層は他端側の前記空気極導電層よりも、電気抵抗が大きいことを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   In the conductive path in the axial direction in the power generation section of the fuel cell, the fuel electrode conductive layer on one end side is different from the fuel electrode conductive layer on the other end side and / or the air electrode conductive layer on the one end side is other. 2. The solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the electric resistance is larger than that of the air electrode conductive layer on the end side. 前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極導電層及び/又は前記空気極導電層は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との二つの領域でなることを特徴とする、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The fuel electrode conductive layer and / or the air electrode conductive layer in the power generation unit of the fuel cell is composed of two regions, a region having a large resistance on one end side and a region having a small resistance on the other end side. The solid oxide fuel cell stack according to claim 2. 前記燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の燃料極導電層は他端側の燃料極導電層よりも、及び/又は、一端側の前記空気極導電層は他端側の前記空気極導電層よりも、膜厚が薄いことを特徴とする、請求項2又は3に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   In the conductive path in the axial direction in the power generation unit of the fuel cell, the fuel electrode conductive layer on one end side is more than the fuel electrode conductive layer on the other end side, and / or the air electrode conductive layer on one end side is on the other end side. 4. The solid oxide fuel cell stack according to claim 2, wherein a film thickness is thinner than that of the air electrode conductive layer. 前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極導電層及び/又は前記空気極導電層は、一端側から他端側にかけて徐々に電気抵抗が小さくなるように徐々に厚さが厚く構成されていることを特徴とする、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The fuel electrode conductive layer and / or the air electrode conductive layer in the power generation unit of the fuel cell are configured to gradually increase in thickness so that the electrical resistance gradually decreases from one end side to the other end side. The solid oxide fuel cell stack according to claim 2, wherein: 前記燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の前記燃料極導電層は他端側の前記燃料極導電層よりも、及び/又は、一端側の前記空気極導電層は他端側の前記空気極導電層よりも、気孔率が高いことを特徴とする、請求項2又は3に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   In the conductive path in the axial direction in the power generation section of the fuel cell, the fuel electrode conductive layer on one end side is different from the fuel electrode conductive layer on the other end side and / or the air electrode conductive layer on the one end side is other. 4. The solid oxide fuel cell stack according to claim 2, wherein the porosity is higher than that of the air electrode conductive layer on the end side. 前記燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電解質は他端側の電解質層よりも電気抵抗が大きいことを特徴とする、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein an electrolyte on one end side has a larger electric resistance than an electrolyte layer on the other end side in an axial conductive path in the power generation unit of the fuel cell. stack. 前記燃料電池セルの発電部における前記電解質層は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との二つの領域でなることを特徴とする、請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   8. The solid according to claim 7, wherein the electrolyte layer in the power generation unit of the fuel cell includes two regions, a region having a large resistance on one end side and a region having a small resistance on the other end side. Oxide fuel cell stack. 前記燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の前記電解質層は他端側の前記電解質層よりも膜厚が厚いことを特徴とする、請求項7又は8に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   9. The solid according to claim 7, wherein the electrolyte layer on one end side is thicker than the electrolyte layer on the other end side in the axial conductive path in the power generation unit of the fuel cell. Oxide fuel cell stack. 前記燃料電池セルの発電部における前記電解質層は、一端側から他端側にかけて徐々に電気抵抗が小さくなるように徐々に厚さが薄く構成されていることを特徴とする、請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The electrolyte layer in the power generation unit of the fuel battery cell is configured such that the thickness is gradually reduced so that the electric resistance gradually decreases from one end side to the other end side. Solid oxide fuel cell stack. 固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の前記燃料極層は他端側の前記燃料極層よりも、及び/又は、一端側の前記空気極層は他端側の前記空気極層よりも、触媒活性が低いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
A plurality of columnar fuel cells each having an axially extending power generation part formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer are arranged, and from one end of the columnar fuel cell A solid oxide fuel cell stack that generates power by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer toward the other end,
A fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer;
An air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer,
The fuel electrode conductive layers of the plurality of the fuel cells arranged in series are electrically connected in series to the air electrode conductive layers of the adjacent fuel cells via a current collector connecting member installed only on the other end side. And
In the axial direction of the power generation unit of the fuel cell, the fuel electrode layer on one end side is more than the fuel electrode layer on the other end side, and / or the air electrode layer on one end side is the air electrode on the other end side. A solid oxide fuel cell stack characterized by having lower catalytic activity than a layer.
前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極層及び/又は前記空気極層は、一端側の触媒活性が低い領域と、他端側の触媒活性が高い領域との二つの領域でなることを特徴とする、請求項11に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The fuel electrode layer and / or the air electrode layer in the power generation unit of the fuel cell is composed of two regions, a region having a low catalytic activity on one end side and a region having a high catalytic activity on the other end side. The solid oxide fuel cell stack according to claim 11. 前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極層は他端側の燃料極層よりも、及び/又は、一端側の前記空気極層は他端側の前記空気極層よりも、膜厚が薄いことを特徴とする、請求項11又は12に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   In the axial direction of the power generation unit of the fuel cell, the fuel electrode layer on one end side is more than the fuel electrode layer on the other end side, and / or the air electrode layer on one end side is more than the air electrode layer on the other end side. The solid oxide fuel cell stack according to claim 11, wherein the film thickness is thin. 前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極層及び/又は前記空気極層は、一端側から他端側にかけて徐々に触媒活性が高くなるように徐々に厚さが厚く構成されていることを特徴とする、請求項11乃至13のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The fuel electrode layer and / or the air electrode layer in the power generation unit of the fuel battery cell are configured to gradually increase in thickness so that the catalytic activity gradually increases from one end side to the other end side. The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 11 to 13. 前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の前記燃料極層は他端側の前記燃料極層よりも、及び/又は、一端側の前記空気極層は他端側の前記空気極層よりも、気孔率が低いことを特徴とする、請求項11乃至14のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   In the axial direction of the power generation unit of the fuel cell, the fuel electrode layer on one end side is more than the fuel electrode layer on the other end side, and / or the air electrode layer on one end side is the air electrode on the other end side. The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 11 to 14, wherein the porosity is lower than that of the layer. 固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の前記燃料極層は他端側の前記燃料極層よりも、及び/又は、一端側の前記空気極層は他端側の前記空気極層よりも、ガス拡散性が低いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
A plurality of columnar fuel cells each having an axially extending power generation part formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer are arranged, and from one end of the columnar fuel cell A solid oxide fuel cell stack that generates power by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer toward the other end,
A fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer;
An air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer,
The fuel electrode conductive layers of the plurality of the fuel cells arranged in series are electrically connected in series to the air electrode conductive layers of the adjacent fuel cells via a current collector connecting member installed only on the other end side. And
In the axial direction of the power generation unit of the fuel cell, the fuel electrode layer on one end side is more than the fuel electrode layer on the other end side, and / or the air electrode layer on one end side is the air electrode on the other end side. A solid oxide fuel cell stack characterized by having a lower gas diffusivity than a layer.
前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極層及び/又は前記空気極層は、一端側のガス拡散性が低い領域と、他端側のガス拡散性が高い領域との二つの領域でなることを特徴とする、請求項16に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The fuel electrode layer and / or the air electrode layer in the power generation unit of the fuel battery cell includes two regions, a region having a low gas diffusibility on one end side and a region having a high gas diffusibility on the other end side. The solid oxide fuel cell stack according to claim 16, wherein: 前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の燃料極層は一端側の燃料極層よりも、及び/又は、他端側の前記空気極層は一端側の前記空気極層よりも、膜厚が薄いことを特徴とする、請求項16又は17に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   In the axial direction of the power generation unit of the fuel cell, the fuel electrode layer on the other end side is more than the fuel electrode layer on one end side, and / or the air electrode layer on the other end side is more than the air electrode layer on one end side. The solid oxide fuel cell stack according to claim 16 or 17, wherein the film thickness is thin. 前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極層及び/又は前記空気極層は、一端側から他端側にかけて徐々にガス拡散性が高くなるように徐々に厚さが薄く構成されていることを特徴とする、請求項16又は18に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The fuel electrode layer and / or the air electrode layer in the power generation unit of the fuel cell are configured to be gradually thin so that gas diffusivity gradually increases from one end side to the other end side. The solid oxide fuel cell stack according to claim 16 or 18, characterized by the above. 前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の前記燃料極層は一端側の前記燃料極層よりも、及び/又は、他端側の前記空気極層は一端側の前記空気極層よりも、気孔率が高いことを特徴とする、請求項16乃至19のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   In the axial direction of the power generation unit of the fuel cell, the fuel electrode layer on the other end side is more than the fuel electrode layer on one end side, and / or the air electrode layer on the other end side is the air electrode on one end side. The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 16 to 19, wherein the porosity is higher than that of the layer. 前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の前記燃料極層、前記燃料極導電層、前記空気極層、及び前記空気極導電層のうち少なくともひとつは、これに対応する一端側の前記燃料極層、前記燃料極導電層、前記空気極層、及び前記空気極導電層のうち少なくともひとつよりも、屈曲度が小さいことを特徴とする、請求項16乃至20のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   At least one of the fuel electrode layer, the fuel electrode conductive layer, the air electrode layer, and the air electrode conductive layer on the other end side in the axial direction of the power generation unit of the fuel battery cell corresponds to one end side corresponding thereto. 21. The degree of flexure is smaller than at least one of the fuel electrode layer, the fuel electrode conductive layer, the air electrode layer, and the air electrode conductive layer. 2. A solid oxide fuel cell stack according to 1. 前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の前記燃料極導電層及び/又は前記空気極導電層の表面の少なくとも一部に、他端側の前記燃料極導電層及び/又は前記空気極導電層よりもガス拡散性の低い層が設けられていることを特徴とする、請求項16乃至21のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   In the axial direction of the power generation unit of the fuel cell, at least part of the surface of the fuel electrode conductive layer and / or the air electrode conductive layer on one end side, the fuel electrode conductive layer and / or the air on the other end side. The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 16 to 21, wherein a layer having a lower gas diffusibility than the polar conductive layer is provided. 前記ガス拡散性の低い層は、前記空気極導電層及び/又は前記燃料極導電層よりも気孔率が低いことを特徴とする、請求項22に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The solid oxide fuel cell stack according to claim 22, wherein the layer having low gas diffusibility has a lower porosity than the air electrode conductive layer and / or the fuel electrode conductive layer. 前記ガス拡散性の低い層は、前記空気極導電層及び/又は前記燃料極導電層よりも屈曲度が高いことを特徴とする、請求項22又は23に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The solid oxide fuel cell stack according to claim 22 or 23, wherein the layer having low gas diffusivity has a higher degree of bending than the air electrode conductive layer and / or the fuel electrode conductive layer. 前記ガス拡散性の低い層は、前記空気極導電層及び/又は前記燃料極導電層よりも厚さが厚いことを特徴とする、請求項22乃至24のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   The solid oxide according to any one of claims 22 to 24, wherein the layer having low gas diffusivity is thicker than the air electrode conductive layer and / or the fuel electrode conductive layer. Fuel cell stack. 固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
さらに、前記燃料電池セルの他端側に燃料ガスの一部を直接供給するための燃料ガス他端部供給管を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
A plurality of columnar fuel cells each having an axially extending power generation part formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer are arranged, and from one end of the columnar fuel cell A solid oxide fuel cell stack that generates power by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer toward the other end,
A fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer;
An air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer,
The fuel electrode conductive layers of the plurality of the fuel cells arranged in series are electrically connected in series to the air electrode conductive layers of the adjacent fuel cells via a current collector connecting member installed only on the other end side. And
The solid oxide fuel cell stack further comprises a fuel gas other end supply pipe for directly supplying a part of the fuel gas to the other end side of the fuel cell.
固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
複数の前記燃料電池セルの一部は、順番に燃料ガスが供給されることで段階的に燃料ガスが消費されるように構成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
A plurality of columnar fuel cells each having an axially extending power generation part formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer are arranged, and from one end of the columnar fuel cell A solid oxide fuel cell stack that generates power by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer toward the other end,
A fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer;
An air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer,
The fuel electrode conductive layers of the plurality of the fuel cells arranged in series are electrically connected in series to the air electrode conductive layers of the adjacent fuel cells via a current collector connecting member installed only on the other end side. And
A solid oxide fuel cell stack, wherein a part of the plurality of fuel cells is configured so that the fuel gas is consumed in stages by sequentially supplying the fuel gas.
固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
一端側の前記燃料極層及び/又は前記燃料極導電層の表面に、改質反応防止層が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
A plurality of columnar fuel cells each having an axially extending power generation part formed by a fuel electrode layer and an air electrode layer sandwiching a solid oxide electrolyte layer are arranged, and from one end of the columnar fuel cell A solid oxide fuel cell stack that generates power by supplying fuel gas to the fuel electrode layer and oxidant gas to the air electrode layer toward the other end,
A fuel electrode conductive layer electrically connected to the fuel electrode layer;
An air electrode conductive layer electrically connected to the air electrode layer,
The fuel electrode conductive layers of the plurality of the fuel cells arranged in series are electrically connected in series to the air electrode conductive layers of the adjacent fuel cells via a current collector connecting member installed only on the other end side. And
A solid oxide fuel cell stack, wherein a reforming reaction preventing layer is provided on a surface of the fuel electrode layer and / or the fuel electrode conductive layer on one end side.
前記改質反応防止層は、前記燃料極層及び/又は前記燃料極導電層よりもガス拡散性が低いことを特徴とする、請求項28に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。   30. The solid oxide fuel cell stack according to claim 28, wherein the reforming reaction preventing layer has a lower gas diffusibility than the fuel electrode layer and / or the fuel electrode conductive layer.
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