JP2023094474A - 固体酸化物形燃料電池の発電ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】発電ユニットの発電セルの温度分布を均一にする。【解決手段】固体酸化物形燃料電池の発電ユニット１は、固体酸化物形の固体電解質層２Ａと、固体電解質層２Ａの一方の面に配置されたアノード電極層２Ｃと、固体電解質層２Ａの他方の面に配置されたカソード電極層２Ｂと、カソード電極層２Ｂ側に配置され、カソード電極層２Ｂに供給されるカソードガスの流路を形成するカソードガス流路部材４と、アノード電極層２Ｃ側に配置され、アノード電極層２Ｃに供給されるアノードガスの流路を形成するアノードガス流路部材５と、を備える。カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５の少なくとも一方の流路部材は、カソードガスの流れ方向において、熱容量が異なるように形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の発電ユニットに関する。

特許文献１には、固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成された単位セル（発電セル）を積層した固体酸化物形の燃料電池が開示されている。

特許文献１に記載された燃料電池では、セパレータによって形成されたアノードガス流路及びカソードガス流路を通って、アノードガス及びカソードガスが固体電解質板に導かれる。

国際公開第２０１７／１０４２２６号

特許文献１に記載された発電セルにおいては、発電面におけるガス流れ方向の上流側で発生した熱は、流れているガスに吸熱され下流側に運ばれたり、ガスの流路を構成するセパレータなどに吸熱される。このため、発電面におけるガス流れ方向の上流側は、下流側に比べ、温度が低くなるなど、発電面の温度分布が不均一になることがある。固体酸化物形燃料電池は、動作温度が高いため、このような温度分布の不均一は、発電効率の低下を招くおそれがある。このため、発電面の温度分布を均一にすることが求められている。

本発明の目的は、発電ユニットの発電セルの温度分布を均一にすることを目的とする。

本発明のある態様によれば、固体酸化物形燃料電池の発電ユニットは、固体酸化物形の電解質層と、電解質層の一方の面に配置されたカソード電極層と、電解質層の他方の面に配置されたアノード電極層と、カソード電極層側に配置され、カソード電極層に供給されるカソードガスの流路を形成するカソードガス流路部材と、アノード電極層側に配置され、アノード電極層に供給されるアノードガスの流路を形成するアノードガス流路部材と、を備える。カソードガス流路部材及びアノードガス流路部材の少なくとも一方の流路部材は、カソードガスの流れ方向において、熱容量が異なるように形成されている。

上記態様によれば、固体酸化物形燃料電池の発電ユニットにおいて、発電ユニットの温度分布を均一にすることができる。

図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の発電モジュールを構成する発電ユニットの分解構造図である。 図２は、２つの発電ユニットが積層された状態における断面図である。 図３は、カソードガス流路部材を上面から見た図である。 図４は、比較例の発電セルの発電時における温度分布の一例を示した図である。 図５は、比較例の発電セル長手方向及び幅方向の位置と、温度上昇との関係を三次元的に示したグラフである。 図６は、第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の発電モジュールを構成する発電ユニットの分解構造図である。 図７は、第２実施形態に係るカソードガス流路部材を上面から見た図である。 図８は、第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の発電モジュールを構成する発電ユニットの分解構造図である。 図９は、第３実施形態に係るカソードガス流路部材を上面から見た図である。 図１０は、第４実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の発電モジュールを構成する発電ユニットの分解構造図である。 図１１は、第４実施形態に係るカソードガス流路部材を上面から見た図である。 図１２は、第４実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の発電モジュールの変形例におけるカソードガス流路部材を上面から見た図である。 図１３は、第４実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の発電モジュールの変形例におけるカソードガス流路部材を上面から見た図である。 図１４は、第５実施形態に係るカソードガス流路部材を上面から見た図である。 図１５は、比較例のカウンターフロータイプの発電セルの発電時における温度分布の一例を示した図である。 図１６は、比較例のカウンターフロータイプ発電セル長手方向及び幅方向の位置と、温度上昇との関係を三次元的に示したグラフである。 図１７は、比較例のクロスフロータイプの発電セルの発電時における温度分布の一例を示した図である。 図１８は、比較例のクロスフロータイプ発電セル長手方向及び幅方向の位置と、温度上昇との関係を三次元的に示したグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

[第１実施形態]
図１は、本実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池の発電モジュールを構成する発電ユニット１の分解構造図である。図２は、２つの発電ユニット１が積層された状態における断面図である。なお、以下では、発電ユニット１の厚みに沿う方向（図１のｚ軸方向）を厚み方向、発電ユニット１の長手方向（図１のｙ軸方向）を長手方向、厚み方向及び長手方向に直交する方向（図１のｘ軸方向）を幅方向という。

本実施形態に係る発電モジュールは、例えば、車両などに搭載される固体酸化物形燃料電池の燃料電池スタックを構成する。発電モジュールは、発電ユニット１を単位ユニットとし、この単位ユニットを厚み方向に積層して構成される。

図１及び図２に示すように、発電ユニット１は、発電セル２と、発電セル２の一方の面に接合されるセパレータ３と、を備える。

図２に示すように、発電セル２は、固体電解質層２Ａと、固体電解質層２Ａの厚み方向における一方の面に配置されるカソード電極層２Ｂと、固体電解質層２Ａの厚み方向における他方の面に配置されるアノード電極層２Ｃと、カソード電極層２Ｂを支持する金属支持層２Ｅと、アノード電極層２Ｃを支持する金属支持層２Ｆと、を有する。固体電解質層２Ａ、カソード電極層２Ｂ、アノード電極層２Ｃ、金属支持層２Ｅ、及び金属支持層２Ｆは、外周をフレーム２Ｄによって支持される（図１参照）。

固体電解質層２Ａは、固体酸化物形の電解質であり、例えば、酸素イオン伝導性を備えた酸化物により形成された薄膜体である。固体電解質層２Ａを構成する酸化物としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、サマリウムドープトセリア（ＳＤＣ）、ガドリウムドープトセリア（ＧＤＣ）、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート（ＬＳＧＭ）等を用いることができる。

カソード電極層２Ｂは、例えば、ランタンストロンチウムコバルト複合酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）等により形成された板状部材であり、固体電解質層２Ａの上面に接するように設けられる。カソード電極層２Ｂでは、カソードガス（空気）中の酸素を還元する還元反応が生じる。なお、カソード電極層２Ｂの固体電解質層２Ａと接する側とは反対側の面上に、集電機能を有する集電体を圧着してもよい。

アノード電極層２Ｃは、例えば、ニッケル（Ｎｉ）等の金属及びイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の酸化物により形成された板状部材であり、固体電解質層２Ａの下面に接するように設けられる。アノード電極層２Ｃでは、固体電解質層２Ａを伝導してきた酸化物イオンにより水素等を含むアノードガスを酸化する酸化反応が生じる。なお、アノード電極層２Ｃの固体電解質層２Ａと接する側とは反対側の面上に、集電機能を有する集電体を圧着してもよい。

金属支持層２Ｅ及び金属支持層２Ｆは、それぞれ金属多孔質体で形成される。これにより、カソードガス及びアノードガスは、金属支持層２Ｅ及び金属支持層２Ｆを容易に通過することができる。

セパレータ３は、金属などの材質によって形成される板状の部材である。セパレータ３は、隣り合う発電セル２におけるカソードガスとアノードガスの流路を区画する。本実施形態のセパレータ３は、インターコネクタとしての機能も有する。

発電ユニット１は、金属支持層２Ｅとセパレータ３との間に設けられ、カソードガスが流れる流路を形成するカソードガス流路部材４と、金属支持層２Ｆとセパレータ３との間に設けられ、アノードガスが流れる流路を形成するアノードガス流路部材５と、をさらに備える。

カソードガス流路部材４は、例えば、金属などの材料によって形成される。カソードガス流路部材４は、幅方向に直線的に延びる凹凸が長手方向に繰り返し設けられる、いわゆる波型形状に形成される。カソードガスは、カソードガス流路部材４に設けられた凹凸に沿って流れる。カソードガス流路部材４は、発電セル２と、フレーム２Ｄ上に載置されたシール部材６（図１参照）と、セパレータ３と、によって形成された空間内に設けられる。カソードガス流路部材４は、金属支持層２Ｅ、または、セパレータ３に溶接されることによって固定される。

アノードガス流路部材５は、例えば、金属などの材料によって形成される。アノードガス流路部材５は、幅方向に直線的に延びる凹凸が長手方向に繰り返し設けられる、いわゆる波型形状に形成される。アノードガスは、アノードガス流路部材５に設けられた凹凸に沿って流れる。アノードガス流路部材５は、発電セル２と、発電セル２のフレーム２Ｄとセパレータ３との間に設けられ、シール部材としても機能するスペーサ７（図１参照）と、セパレータ３と、によって形成された空間内に設けられる。アノードガス流路部材５は、金属支持層２Ｆと、セパレータ３と、に溶接されることによって固定される。

発電セル２は、カソードガス及びアノードガスが、ともに長手方向における一端側から他端側に向かって、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５に設けられた凹凸に沿って流れる、いわゆるコフロータイプの発電セルである。

ここで、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５のより具体的な形状について説明する。まず、図４及び図５を参照して、比較例について説明する。図４は、比較例の発電セルの発電時における温度分布を上面図として示した図である。図５は、比較例の発電セルの長手方向及び幅方向の位置と、温度上昇との関係を三次元的に示したグラフである。なお、ここでいう比較例の発電セルとは、コフロータイプの発電セルであり、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５に、後述する切り抜き部や空間Ｖなどを設けていない構成のものをいう。また、図４及び図５における白い矢印は、カソードガスの流れを示し、黒い矢印は、アノードガスの流れを示している。なお、図４及び図５では、アノードガスは、この発電セルの裏側を流れているものとする。

図４及び図５に示すように、比較例における発電セルの温度は、カソードガス及びアノードガスの流れ方向の下流側（以下では、ガスの流れ方向の下流側を、単に「下流側」という。）に行くほど、高くなる。発電セルが発電することによって発生した熱は、カソードガス、アノードガス、カソードガス流路部材４、及びアノードガス流路部材５によって吸熱される。発電セルの熱を吸熱した、つまり、加熱されたカソードガス及びアノードガスは、下流側においても発電セルの熱を吸熱するが、吸熱量は、上流側に比べて小さくなる。このため、発電セルの上流側の部位は、下流側の部位に比べて温度が低くなる。

発電セル２では、全体の温度が均一である方が、発電効率が向上する。また、全体の温度が均一である方が、温度制御も容易になる。そこで、本実施形態では、発電セル２の全体の温度を均一にするために、発電セル２の上流側における吸熱量を減らすように構成する。具体的には、ガスの流れ方向において、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５の少なくとも一方を、上流側と下流側の熱容量が異なるような形状に構成する。以下に、図１及び図３を参照して、具体的に説明する。なお、以下の実施形態では、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５は、同じ形状である場合を例に説明するが、これらの形状は異なるものとしてもよい。また、以下では、カソードガス流路部材４について説明し、アノードガス流路部材５については、適宜説明を省略する。

図３は、カソードガス流路部材４を上面から見た図である。図１及び図３に示すように、カソードガス流路部材４は、ガスの流れ方向における上流側に、カソードガス流路部材４の一部が切り抜かれて形成された切り抜き部としての長孔４１を複数（図１及び図３に示す実施例では２つ）有する。図１及び図３に示す実施例では、長孔４１は、カソードガス流路部材４の長手方向に延び、カソードガス流路部材４を貫通するように形成される。このような切り抜き部（長孔４１）をガスの流れ方向における上流側に設けることによって、カソードガス流路部材４の上流側の部位によって吸熱される熱量を低下させることができる。

アノードガス流路部材５も、ガスの流れ方向における上流側に、アノードガス流路部材５の一部が切り抜かれて形成された切り抜き部としての長孔５１を有する（図１参照）。長孔５１は、アノードガス流路部材５の長手方向に延び、アノードガス流路部材５を貫通するように形成される。このような切り抜き部（長孔５１）を設けることによって、アノードガス流路部材５の上流側の部位によって吸熱される熱量を低下させることができる。

このように、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５に長孔４１，５１を設けることにより、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５による吸熱量を低下させることで、発電セル２の上流側部分の温度を上昇させることができる。これにより、発電セル２の温度分布を均一化させることができる。さらに、長孔４１，５１を形成した分、発電セル２を軽量化することができる。

なお、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５のいずれか一方にのみ長孔４１，５１を設けるようにしてもよい。図１及び図３に示す実施例では、長孔４１を２つ設けた場合を示したが、これに限らず、長孔４１は、１つ、あるいは、３つ以上であってもよい。また、長孔４１，５１は、それぞれ長手方向に複数個に分割して形成するようにしてもよい。さらに、上流側及び下流側に設けられた長孔４１，５１の幅方向（ガス流れ方向）や長手方向の長さを異ならせるようにしてもよい。

以上のように構成された第１実施形態に係る発電ユニット１によれば、以下の効果を奏する。

発電ユニット１では、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５に切り抜き部（長孔４１，５１）を設けることにより、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５による吸熱量を低下させることができる。これにより、発電セル２の上流側部分の温度を上昇させることができるので、発電セル２の温度分布を均一化させることができる。

［第２実施形態］
次に、図６及び図７を参照して、第２実施形態に係る発電ユニット１１について説明する。図６は、第２実施形態に係る発電ユニット１１の分解構造図である。図７は、第２実施形態に係るカソードガス流路部材４を上面から見た図である。以下では、上記第１実施形態の発電ユニット１と異なる点を中心に説明し、第１実施形態の発電ユニット１と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第１実施形態に係る発電ユニット１では、長孔４１，５１が、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５の長手方向に延びるように形成されているのに対し、第２実施形態に係る発電ユニット１１では、切り抜き部としての長孔１４１，１５１が、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５の幅方向に延びるように形成されている点で相違する。以下に、発電ユニット１１の具体的な構成について説明する。なお、以下の実施形態では、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５は、同じ形状である場合を例に説明するが、これらの形状は異なるものとしてもよい。また、以下では、カソードガス流路部材４について説明し、アノードガス流路部材５については、説明を省略する。

図６及び図７に示すように、発電ユニット１１では、長孔１４１は、ガスの流れ方向の上流から下流に沿って直線的に延び、カソードガス流路部材４を貫通するように形成される。図６及び図７に示す実施例では、吸熱量の大きい箇所に長孔１４１を多く設けている。具体的には、吸熱量の大きい箇所には、長孔１４１をガスの流れ方向に並んで複数設けている。長孔１４１は、カソードガスの入口から出口に向かうガスの流れやよどみなどを勘案して、熱容量を低下させたい位置に設けられる。なお、カソードガス流路部材４の金属支持層２Ｅと溶接される部位、すなわち、カソードガス流路部材４の金属支持層２Ｅと接触する部位においては、ガス流れ方向の上流端近傍から下流端近傍に至る長孔１４１を設けている。これは、長孔１４１を通じて発電セル２にガスを導き、発電を促進するためである。

以上のように構成された第２実施形態に係る発電ユニット１１によれば、第１実施形態に係る発電ユニット１による効果に加え、以下の効果を奏する。

発電ユニット１１では、長孔１４１，１５１をガスの流れ方向に並んで複数設けている。長孔１４１，１５１を設ける位置を適宜設定することにより、所望の位置の熱容量を低下させることができる。これにより、より確実に発電セル２の温度分布を均一化させることができる。

なお、図６及び図７では、吸熱量の大きい箇所には、長孔１４１，１５１をガスの流れ方向に並んで複数設けた場合を例に説明したが、これに限らず、長孔１４１，１５１のガスの流れ方向の長さを調整するようにしてもよい。

［第３実施形態］
図８及び図９を参照して、第３実施形態に係る発電ユニット１０１について説明する。図８は、第３実施形態に係る発電ユニット１０１の分解構造図である。図９は、第３実施形態に係るカソードガス流路部材１４を上面から見た図である。以下では、上記第１実施形態の発電ユニット１と異なる点を中心に説明し、第１実施形態の発電ユニット１と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第１実施形態に係る発電ユニット１では、カソードガス流路部材４及びアノードガス流路部材５をそれぞれ１つの板状の部材で構成しているのに対し、第３実施形態に係る発電ユニット１０１では、カソードガス流路部材１４及びアノードガス流路部材１５を複数の板状の部材で構成している点で相違している。

図８及び図９に示すように、カソードガス流路部材１４及びアノードガス流路部材１５は、ガスの流れ方向に複数（図８及び図９では４つ）に分割された流路部材１４ａ及び流路部材１５ａによって形成される。

発電ユニット１０１では、隣り合う流路部材１４ａの間、及び隣り合う流路部材１５ａの間には、隙間Ｓが設けられる。そして、この隙間Ｓのガスの流れ方向における大きさは、上流側が下流側より大きくなるようになっている。

隙間Ｓは、流路部材１４ａ，１５ａが存在していない分、熱容量が低下する。このため、上流側の隙間Ｓの大きさを下流側の隙間Ｓの大きさより大きくすることで、ガスの流れ方向における上流側の熱容量を小さくすることができる。

以上のように構成された第３実施形態に係る発電ユニット１０１によれば、第１実施形態に係る発電ユニット１による効果に加え、以下の効果を奏する。

発電ユニット１０１では、カソードガス流路部材１４及びアノードガス流路部材１５に長孔などを別途加工する必要がないので、加工工数の増加を抑制できる。

なお、複数の流路部材１４ａ，１５ａの幅方向の長さは、同じ長さであっても、異なる長さであってもよい。

［第４実施形態］
図１０及び図１１を参照して、第４実施形態に係る発電ユニット２０１について説明する。図１０は、第４実施形態に係る発電ユニット２０１の分解構造図である。図１１は、第４実施形態に係るカソードガス流路部材２４を上面から見た図である。以下では、上記第３実施形態の発電ユニット１０１と異なる点を中心に説明し、第３実施形態の発電ユニット１０１と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第３実施形態に係る発電ユニット１０１では、カソードガス流路部材１４及びアノードガス流路部材１５をガスの流れ方向に分割された複数の部材で構成しているのに対し、第４実施形態に係る発電ユニット２０１では、カソードガス流路部材２４及びアノードガス流路部材２５をガスの流れ方向及び長手方向に分割された複数の流路部材２４ａ，２５ａで構成している点で相違している。

図１０及び図１１に示すように、カソードガス流路部材２４は、略正方形に形成された複数の流路部材２４ａを組み合わせて配置することで構成される。カソードガス流路部材２４では、所定の位置に流路部材２４ａが配置されていない空間Ｖが設けられる。

空間Ｖは、流路部材２４ａが設けられていない分、熱容量が低下する。このため、上流側の空間Ｖの数を下流側より多くすることで、ガスの流れ方向における上流側の熱容量を小さくすることができる。

以上のように構成された第４実施形態に係る発電ユニット２０１によれば、第３実施形態に係る発電ユニット１による効果に加え、以下の効果を奏する。

発電ユニット２０１では、カソードガス流路部材２４及びアノードガス流路部材２５をガスの流れ方向及び長手方向に分割された複数の流路部材２４ａ，２５ａで構成しているので、空間Ｖを設ける箇所をより細かく設定できる。これにより、カソードガスの入口から出口に向かうガスの流れやよどみなどを勘案して、より適切な位置の熱容量を低下させることができる。これにより、より確実に発電セル２の温度分布を均一化させることができる。

なお、図１０及び図１１に示す実施例では、複数の流路部材２４ａ，２５ａを略正方形としたが、例えば、長方形や六角形など形状に限りはない。また、図１０及び図１１に示す実施例では、空間Ｖが間隔をあけるようにして設けられているが、図１２に示すように、空間Ｖどうしを繋げて、大きな空間Ｖ１となるようにしてもよい。さらに、図１３に示すように、空間Ｖを設ける代わりに、流路部材２４ａ，２５ａに複数の長孔２４１，２５１を設けるようにしてもよい。

［第５実施形態］
図１４を参照して、第５実施形態に係る発電ユニット３０１について説明する。図１４は、第５実施形態に係るカソードガス流路部材３４を上面から見た図である。以下では、上記第１～第４実施形態の発電ユニット１，１１，１０１，２０１と異なる点を中心に説明し、第１～第４実施形態の発電ユニット１，１１，１０１，２０１と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

第１から第４実施形態に係る発電ユニット１，１１，１０１，２０１では、カソードガス流路部材４，１４，２４及びアノードガス流路部材５，１５，２５に、熱容量が小さくなる箇所を設けているのに対し、第５実施形態に係る発電ユニット３０１では、カソードガス流路部材３４及びアノードガス流路部材３５に、熱容量が大きくなる箇所を設けている点で相違している。なお、カソードガス流路部材３４及びアノードガス流路部材３５は、同じ形状であるので、アノードガス流路部材３５については、説明を省略する。

図１４に示すように、カソードガス流路部材３４は、略正方形に形成された複数の流路部材３４ａを組み合わせて配置することで構成される。流路部材３４ａには、カソードガスの流れ方向における下流側であって、発電セル２の温度が他の個所に比べて高温になる場所に、部材Ｍが設けられる。部材Ｍは、例えば、熱容量の大きな金属材料（鉄系の金属など）などによって形成される。

発電セル２の温度が高温になる場所に熱容量の大きな部材Ｍを設けることによって、発電セル２の温度が高温になる部分の温度を低下させることができる。これにより、発電セル２の温度分布を均一化させることができる。

以上の第１から第５実施形態に係る発電ユニット１，１１，１０１，２０１，３０１によれば、発電セル２の温度分布を均一化することができる。

上記第１から第５実施形態では、アノードガスとカソードガスが図中下側から上側に向かって流れる同じ方向に流れるコフロータイプの発電ユニット１を例に説明したが、本発明は、アノードガスとカソードガスが反対方向に流れるカウンターフロータイプの発電ユニットや、アノードガスとカソードガスとが交差する方向に流れるクロスフロータイプの発電ユニットにも適用することができる。以下に、これらのタイプに適用する場合について説明する。まず、図１５及び図１６を参照して、カウンターフロータイプについて説明する。

図１５は、比較例（切り抜き部や隙間Ｓなどを設けていない発電セル）のカウンターフロータイプの発電セルの発電時における温度分布の一例を示した図である。図１６は、比較例のカウンターフロータイプ発電セル長手方向及び幅方向の位置と、温度上昇との関係を三次元的に示したグラフである。なお、図１５及び図１６における白い矢印は、カソードガスの流れを示し、黒い矢印は、アノードガスの流れを示している。なお、図１５及び図１６では、アノードガスは、この発電セルの裏側を流れているものとする。

図１５及び図１６に示すように、カウンターフロータイプの発電セルの温度は、カソードガスの流れ方向の下流端より若干上流側において温度がピークになる。このため、カウンターフロータイプの発電セルにおいては、このような温度がピークになる部分を避け、カソードガスの流れ方向の上流側に、上記切り抜き部（長孔４１，１４１）、隙間Ｓ、空間Ｖなどを設けることで、発電セルの温度分布を均一にすることができる。

カソードガスの流量は、アノードガスの流量に比べ大きい。このため、発電セルの温度は、カソードガスによる影響を大きく受ける。したがって、少なくともカソードガスの流れ方向の上流側に、熱容量を小さくする構成（切り抜き部、隙間Ｓ、空間Ｖなど）を設けることにより、上記コフロータイプの発電セル２と同様の効果を奏することができる。

続いて、図１７及び図１８を参照して、クロスフロータイプについて説明する。図１７は、比較例（切り抜き部や隙間Ｓなどを設けていない発電セル）のクロスフロータイプの発電セルの発電時における温度分布の一例を示した図である。図１８は、比較例のクロスフロータイプ発電セル長手方向及び幅方向の位置と、温度上昇との関係を三次元的に示したグラフである。なお、図１７及び図１８における白い矢印は、カソードガスの流れを示し、黒い矢印は、アノードガスの流れを示している。なお、図１７及び図１８では、アノードガスは、この発電セルの裏側を流れているものとする。

図１７及び図１８に示すように、クロスフロータイプの発電セルでは、カソードガスの流れ方向の下流側であって、アノードガスの流れ方向の下流側の領域において、発電セルの温度が高くなる。逆に、カソードガスの流れ方向の上流側であって、アノードガスの流れ方向の上流側の領域において、発電セル２の温度が低くなる。このため、クロスフロータイプの発電セルにおいては、カソードガスの流れ方向の上流側であって、アノードガスの流れ方向の上流側の領域に、熱容量を小さくする構成（切り抜き部、隙間Ｓ、空間Ｖなど）を設けることで、発電セル２の温度分布を均一にすることができる。

その他の変形例について説明する。アノード電極層２Ｃ及び金属支持層２Ｆに改質触媒が設けられている場合について説明する。燃料電池の運転時（発電時）に、アノードガス流路部材５，１５，２５，３５によって形成されたアノードガス流路からアノード電極層２Ｃ側にメタン（ＣＨ４）を含む改質燃料（炭化水素系燃料）が供給されると、炭化水素系燃料は、改質触媒に促進されて改質反応を起こし、水素（Ｈ２）を含むアノードガスが生成される。このとき、発電セル２の熱は、改質反応によって吸熱される。

改質触媒のガス流れ方向の上流側は、下流側に比べ反応が活発なため、吸熱量が大きくなる。そこで、アノード電極層２Ｃ及び金属支持層２Ｆに改質触媒が設けられている場合には、この改質触媒が設けられている領域において、アノードガス流路部材５，１５，２５，３５におけるアノードガスの流れ方向の上流側の熱容量を下流側に対して小さくする。これにより、アノード電極層２Ｃ及び金属支持層２Ｆに改質触媒が設けられている場合にも、発電セル２の温度分布を均一化することができる。なお、熱容量を小さくする手法は、上記各実施形態のものを採用することができる。

以上のように構成された本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

発電ユニット１，１１，１０１，２０１，３０１は、固体電解質層２Ａ（電解質層）と、固体電解質層２Ａ（電解質層）の一方の面に配置されたアノード電極層２Ｃと、固体電解質層２Ａ（電解質層）の他方の面に配置されたカソード電極層２Ｂと、カソード電極層２Ｂ側に配置され、カソード電極層２Ｂに供給されるカソードガスの流路を形成するカソードガス流路部材４，１４，２４，３４と、アノード電極層２Ｃ側に配置され、アノード電極層２Ｃに供給されるアノードガスの流路を形成するアノードガス流路部材５，１５，２５，３５と、を備える。カソードガス流路部材４，１４，２４，３４及びアノードガス流路部材５，１５，２５，３５の少なくとも一方の流路部材は、カソードガスの流れ方向において、熱容量が異なるように形成されている。

発電ユニット１，１１，１０１，２０１，３０１では、カソードガス流路部材４，１４，２４，３４及びアノードガス流路部材５，１５，２５，３５の少なくとも一方の流路部材におけるカソードガスの流れ方向において、発電セル２の温度が低い部分の熱容量を小さくする、あるいは、発電セル２の温度が高い部分の熱容量を大きくしている。これにより、発電セル２の温度分布を均一化させることができる。

発電ユニット１，１１，１０１，２０１では、少なくとも一方の流路部材（カソードガス流路部材４，１４，２４またはアノードガス流路部材５，１５，２５）は、カソードガスの流れ方向において、上流側の熱容量が小さくなるように形成されている。

発電ユニット１，１１，１０１，２０１が、コフロータイプやカウンターフロータイプの発電セル２を用いている場合に、このような構成とすることで、発電セル２の温度分布を均一にすることができる。

発電ユニット１では、少なくとも一方の流路部材（カソードガス流路部材４またはアノードガス流路部材５）は、熱容量を小さくする位置に設けられ、カソードガスの流れ方向と直交する方向（長手方向）に延びる長孔４１，５１（切り抜き部）を有する。

発電ユニット１，２０１では、少なくとも一方の流路部材（カソードガス流路部材４，２４またはアノードガス流路部材５，２５）は、熱容量を小さくする位置に設けられ、カソードガスの流れ方向に延びる長孔１４１，１５１，２４１，２５１（切り抜き部）を有する。

これらの構成では、長孔１４１，１５１，２４１，２５１を形成した分、発電セル２を軽量化することができる。

発電ユニット１０１では、少なくとも一方の流路部材（カソードガス流路部材１４またはアノードガス流路部材１５）は、カソードガスの流れ方向において分割された複数の流路部材１４ａ，１５ａによって形成される。隣り合う複数の部材は、カソードガスの流れ方向に隙間Ｓをあけて配置され、隙間Ｓは、カソードガスの流れ方向の上流側に行くほど大きい。

この構成では、カソードガス流路部材１４及びアノードガス流路部材１５に長孔などを別途加工する必要がないので、加工工数の増加を抑制できる。

発電ユニット２０１では、少なくとも一方の流路部材（カソードガス流路部材２４またはアノードガス流路部材２５）は、カソードガスの流れ方向及びカソードガスの流れ方向に直交する方向（長手方向）において分割された複数の流路部材２４ａ，２５ａによって形成される。少なくとも一方の流路部材（カソードガス流路部材２４またはアノードガス流路部材２５）には、流路部材２４ａ，２５ａが配置されない空間Ｖ，Ｖ１が設けられ、当該空間Ｖ，Ｖ１の数がカソードガスの流れ方向の上流側に行くほど多くなる、または空間Ｖ，Ｖ１の大きさをカソードガスの流れ方向の上流側に行くほど大きくなる。

この構成では、カソードガス流路部材２４及びアノードガス流路部材２５をガスの流れ方向及び長手方向に分割された複数の流路部材２４ａ，２５ａで構成しているので、空間Ｖ，Ｖ１を設ける箇所をより細かく設定できる。これにより、カソードガスの入口から出口に向かうガスの流れやよどみなどを勘案して、より適切な位置の熱容量を低下させることができる。これにより、より確実に発電セル２の温度分布を均一化させることができる。

発電ユニット３０１では、少なくとも一方の流路部材（カソードガス流路部材４またはアノードガス流路部材５）には、カソードガスの流れ方向における下流側に、熱容量を大きくする部材Ｍが設けられている。

この構成では、発電セル２の温度が高い部分に熱容量を大きくする部材Ｍを設けているので、発電セル２の温度が高い部分の温度を下げることで、発電セル２の温度分布を均一化させることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

例えば、図１２に示す変形例において、カソードガス流路部材２４及びアノードガス流路部材２５を１枚の板状部材で構成してもよい。この場合には、空間Ｖ１は、矩形の板状部材の一部を切り抜くことで構成される。

１，１１，１０１，２０１，３０１・・・発電ユニット、２・・・発電セル、２Ａ・・・固体電解質層、２Ｂ・・・カソード電極層、２Ｃ・・・アノード電極層、２Ｅ・・・金属支持層、２Ｆ・・・金属支持層、３・・・セパレータ、４，１４，２４，３４・・・カソードガス流路部材、５，１５，２５，３５・・・アノードガス流路部材、１４ａ，２４ａ，３４ａ・・・流路部材、 １５ａ，２５ａ，３５ａ・・・流路部材、４１，１４１，２４１・・・長孔、５１，１５１・・・長孔

Claims (8)

1. 固体酸化物形燃料電池の発電ユニットであって、
   固体酸化物形の電解質層と、
   前記電解質層の一方の面に配置されたカソード電極層と、
   前記電解質層の他方の面に配置されたアノード電極層と、
   前記カソード電極層側に配置され、前記カソード電極層に供給されるカソードガスの流路を形成するカソードガス流路部材と、
   前記アノード電極層側に配置され、前記アノード電極層に供給されるアノードガスの流路を形成するアノードガス流路部材と、を備え、
   前記カソードガス流路部材及び前記アノードガス流路部材の少なくとも一方の流路部材は、前記カソードガスの流れ方向において、熱容量が異なるように形成されている、発電ユニット。
2. 請求項１に記載の発電ユニットであって、
   前記少なくとも一方の流路部材は、前記カソードガスの流れ方向において、上流側の熱容量が小さくなるように形成されている、発電ユニット。
3. 請求項１または２に記載の発電ユニットであって、
   前記少なくとも一方の流路部材は、熱容量を小さくする位置に設けられ、前記カソードガスの流れ方向と直交する方向に延びる切り抜き部を有する、発電ユニット。
4. 請求項１または２に記載の発電ユニットであって、
   前記少なくとも一方の流路部材は、熱容量を小さくする位置に設けられ、前記カソードガスの流れ方向に延びる切り抜き部を有する、発電ユニット。
5. 請求項１または２に記載の発電ユニットであって、
   前記少なくとも一方の流路部材は、前記カソードガスの流れ方向において分割された複数の部材によって形成され、
   隣り合う前記複数の部材は、前記カソードガスの流れ方向に隙間をあけて配置され、
   前記隙間は、前記カソードガスの流れ方向の上流側に行くほど大きい、発電ユニット。
6. 請求項１または２に記載の発電ユニットであって、
   前記少なくとも一方の流路部材は、前記カソードガスの流れ方向及び前記カソードガスの流れ方向に直交する方向において分割された複数の部材によって形成され、
   前記少なくとも一方の流路部材には、前記部材が配置されない空間が設けられ、当該空間の数が前記カソードガスの流れ方向の上流側に行くほど多くなる、または当該空間の大きさを前記カソードガスの流れ方向の上流側に行くほど大きくなる、発電ユニット。
7. 請求項１に記載の発電ユニットであって、
   前記少なくとも一方の流路部材には、前記カソードガスの流れ方向における下流側に、熱容量を大きくする部材が設けられている、発電ユニット。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載の発電ユニットであって、
   前記アノード電極層にアノードガスを生成するための改質触媒を備え、
   前記アノードガス流路部材における前記改質触媒が設けられている領域は、アノードガスの流れ方向の上流側の熱容量が下流側に対して小さくなるように形成されている、発電ユニット。

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