JP6498992B2 - 平板型燃料電池 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料極層と空気極層との間に固体電解質層を挟んで積層された燃料電池単セルを備えた平板型燃料電池に関する。
従来、燃料電池として、例えば固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下ＳＯＦＣとも記す）が知られている。
このＳＯＦＣでは、例えば固体電解質層の一方の側に燃料ガスと接する燃料極層を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス（例えば空気）と接する空気極層を設けた平板型の燃料電池単セルが使用されている。
この燃料電池単セルの燃料極層側には、燃料ガスが導入される燃料ガス室が設けられ、空気極層側には、酸化剤ガスが導入される酸化剤ガス室が設けられている。なお、燃料電池単セルに燃料ガス室及び酸化剤ガス室等が設けられて、発電の単位である発電単位が構成される。
更に、所望の電圧を得るために、インターコネクタなどを介して、複数の燃料電池単セル（従って発電単位）を積層した燃料電池スタック（即ち複数段からなる燃料電池スタック）が開発されている。
また、近年では、燃料電池の出力電圧を向上させるために、燃料ガスの流路の異なる段（発電単位）を組み合わせて、燃料電池単セルの面内（セル面内）の温度分布を均一化する燃料電池スタックが開示されている（特許文献１参照）。
更に、燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの流路について、各段交互に流す向きを変えることで、セル面内の温度分布を均一化する技術も開示されている（特許文献２参照）。
特開２００２−１４１０８１号公報 特開昭６２−０８０９７２号公報
しかしながら、特許文献１、２に記載の技術では、燃料電池スタックの各段（即ち各発電単位）のガスの流れ方向を変えることで、セル面内の温度分布の均一化を図っているが、必ずしも十分ではないという問題があった。
例えば図１４に例示するように、単に燃料ガスの流路（Ｆ(IN)からＦ(OUT)に到る流路）と酸化剤ガスの流路（Ａ(IN)からＡ(OUT)に到る流路）とを直交させるように配置したクロスフローの場合には、セル面内の温度分布にムラが生じることがある。
詳しくは、特許文献１に記載のように、単に異なる段において燃料ガスの向きを逆方向に設定したり、特許文献２に記載のように、単に各段毎に燃料ガス及び酸化剤ガスの向きを交互に変更する技術では、セル面内の温度分布を十分に均一化することが容易ではないという問題があった。
そして、このように、セル面内の温度が十分に均一化されていない場合には、製造初期では出力電圧が高くても、長期間の使用により性能が低下する恐れがあった。これは、熱応力によって、燃料電池単セルやその周囲の構成部材等にクラックや変形が生じたり、温度の高い部分もしくは温度の低い部分が、燃料電池単セルや構成部品にとって最適な温度域を外れる可能性があるからである。
また、セル面内の温度が十分に均一化されていない場合には、高い出力電圧が得られないこともあった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池単セルの平面方向における温度（即ちセル面内の温度）を均一化することができる平板型燃料電池を提供することを目的とする。
（１）本発明の第１態様の平板型燃料電池は、燃料極層と空気極層との間に固体電解質層を挟んで積層された燃料電池単セルと、前記燃料極層側に配置される燃料ガス室と、前記空気極層側に配置される酸化剤ガス室と、前記燃料ガス室に燃料ガスが流入される１又は複数の燃料ガス流入口および前記燃料ガス室から前記燃料ガスが流出される１又は複数の燃料ガス流出口と、前記酸化剤ガス室に酸化剤ガスが流入される１又は複数の酸化剤ガス流入口および前記酸化剤ガス室から前記酸化剤ガスが流出される１又は複数の酸化剤ガス流出口と、を備え、積層方向視にて、前記燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉと前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏを結ぶ第１の直線と、前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉと前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏとを結ぶ第２の直線とが交差し、且つ、前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏより、前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉに近いものである。
本第１態様の平板型燃料電池は、積層方向視にて、燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉと燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏを結ぶ第１の直線と、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉと酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏとを結ぶ第２の直線とが交差するものである。即ち、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路が交差する、いわゆるクロスフローの流路を有している。
そして、このクロスフローの平板型燃料電池において、例えば図５に例示するように、積層方向視にて、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏより、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉに近いように設定されている。
このように燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが設定されていることにより、積層方向視で、反応（発電）後の高温となった燃料ガスが供給される領域と、酸素ガス室外から酸素ガス室内に導入される低温の酸化剤ガスが供給される領域とが近くなるので（例えば重なるので）、燃料電池単セルの表面が広がる方向における温度（面内温度：セル面内の温度）が均一化される。
これによって、発電能力（例えば出力電圧）を従来に比べて大きく低下させることなく、燃料電池の耐久性が向上するという顕著な効果を奏する。つまり、セル面内の温度分布の均一性が向上するので、高い発電能力（即ち発電能力をそれほど損なうことのない程度の高い発電能力）と高い耐久性との両立を図ることができる。
また、本第１態様では、燃料電池単セル自体においても温度分布の均一性を向上できるので、複数の燃料電池単セルを積層した燃料電池スタックに限らず、１つの燃料電池単セルを用いた一段の燃料電池にも適用できるという効果がある。
更に、燃料電池単セル（従って発電単位）を積層した燃料電池スタックにおいて、隣接
する燃料電池単セル（例えば上下段）との熱伝導が悪い場合でも、上述したような発電能力を損なわずに高い耐久性を得ることができるという効果が得られる。
しかも、１つの段の中で直接的に温度分布の均一化を図るために、隣接する燃料電池単セルとの熱伝導による方法より、大きな効果が得られる。
ここで、積層方向視とは、燃料極層と空気極層と固体電解質層とを積層する方向（積層方向）に見た場合を示している。また、図心とは、平面における重心を示しており、各流入口や各流出口における図心とは、各流入口や各流出口を、平板型燃料電池の広がる方向（平面方向：積層方向と垂直の方向）に見た場合の開口部分の重心を示している。なお、各流入口（各流出口も同様）が複数ある場合の重心は、全ての流入口（又は全ての流出口）を合わせた平面における重心を示す。
しかも、本第１態様の平板型燃料電池では、前記積層方向視にて、前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、基準線Ｌｆから、境界線Ｌｆｐ側に距離０．３Ｘｐ以上Ｘｐ以下に配置され、前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置され、前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または前記境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置されている。
なお、Ｌｆ、Ｌａ、Ｌｆｐ、Ｌａｐ、Ｌａｍ、Ｘｐ、Ｙｐ、Ｙｍの意味は、下記の通りである（以下他の態様等においても同様）。
Ｌｆ： 前記燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉと前記燃料電池単セルの図心ｇとを通る、前記燃料電池単セル上の直線の基準線
Ｌａ： 前記基準線Ｌｆと直交し、前記図心ｇを通る、前記燃料電池単セル上の直線の基準線
Ｌｆｐ： 前記基準線Ｌｆよりも前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉに近く、前記基準線Ｌｆと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Ｌａｐ： 前記基準線Ｌａよりも前記燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉに近く、前記基準線Ｌａと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Ｌａｍ： 前記基準線Ｌａよりも前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏに近く、前記基準線Ｌａと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Ｘｐ： 前記基準線Ｌｆと前記境界線Ｌｆｐとの間の最短距離
Ｙｐ： 前記基準線Ｌａと前記境界線Ｌａｐとの間の最短距離
Ｙｍ： 前記基準線Ｌａと前記境界線Ｌａｍとの間の最短距離
本第１態様では、上述のように、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏ、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが配置されている（例えば図６参照）。よって、第１態様と同様な効果を奏するとともに、後述する実験例からも明らかなように、高い発電能力（出力電圧）と高い耐久性とを両立することができる。
（２）本発明の第２態様の平板型燃料電池では、前記積層方向視にて、前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、基準線Ｌｆから、境界線Ｌｆｐ側に距離０．１Ｘｐ以下または境界線Ｌｆｍ側に距離０．１Ｘｍ以下に配置され、前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｍ側に距離０．６Ｙｍ以上Ｙｍ以下に配置され、前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または前記境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置されている。
本第２態様では、上述のように、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏ、酸化剤ガス流入口の図 心Ｃａｉ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが配置されている（例えば図７参照）。つまり、本第２態様では、燃料ガス流入口及び酸化剤ガス流入口に近い低温領域（例えば図７の右上のＸｐ−Ｙｐ）から酸化剤ガス流入口を遠ざけることにより、この低温領域の温度が上昇する。また、酸化剤ガス流入口が近づいた領域（例えば図７の右下のＸｐ−Ｙｍ）では、酸素濃度が上昇するので反応（発電）による発熱量が増加する。
これにより、セル面内の温度分布の均一性が向上する。よって、第１態様と同様な効果を奏するとともに、後述する実験例からも明らかなように、高い発電能力（出力電圧）と高い耐久性とを両立することができる。
なお、Ｌｆｍ、Ｘｍの意味は、下記の通りである（以下他の態様等においても同様）。
Ｌｆｍ： 前記基準線Ｌｆよりも前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏに近く、前記基準線Ｌｆと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
Ｘｍ： 前記基準線Ｌｆと前記境界線Ｌｆｍとの間の最短距離
（３）本発明の第３態様の平板型燃料電池では、前記積層方向視にて、前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、前記基準線Ｌｆから、前記境界線Ｌｆｐ側に距離０．３Ｘｐ以上Ｘｐ以下に配置され、前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｍ側に距離０．６Ｙｍ以上Ｙｍ以下に配置され、前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または前記境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置されている。
本第３態様では、上述のように、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏ、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが配置されている（例えば図８参照）。これにより、上述した第２態様の燃料ガス流出口の設定と第３態様の酸化剤ガス流入口の設定による相乗的な効果が得られるので、セル面内の温度分布の均一性がより向上する。よって、第１態様と同様な効果を奏するとともに、後述する実験例からも明らかなように、高い発電能力（出力電圧）とより高い耐久性とを両立することができる。
（４）本発明の第４態様の平板型燃料電池では、前記積層方向視にて、前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、前記基準線Ｌｆから、前記境界線Ｌｆｐ側に距離０．３Ｘｐ以上Ｘｐ以下に配置され、前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｍ側に距離０．６Ｙｍ以上Ｙｍ以下に配置され、前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｐ側に距離０．４Ｙｐ以上０．９Ｙｐ以下に配置されている。
本第４態様では、上述のように、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏ、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが配置されている（例えば図９参照）。本第５態様では、酸化剤ガス流出口を燃料ガス流入口に近づけるように設定しているので、酸化剤ガス流入口が配置された領域（例えば図９の右上のＸｍ−Ｙｐ）では、酸素濃度が上昇して反応（発電）による発熱量が増加する。
これにより、セル面内の温度分布の均一性がより向上する。よって、第１態様と同様な効果を奏するとともに、後述する実験例からも明らかなように、より高い発電能力（出力電圧）とより高い耐久性とを両立することができる。
（５）本発明の第５態様の平板型燃料電池では、前記積層方向視にて、前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｐ側に距離０．４Ｙｐ以上０．６Ｙｐ以下に配置されている。
本第５態様では、上述のように、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが配置されている（例えば図１０参照）。よって、後述する実験例からも明らかなように、第４態様より一層顕著な効果が得られる。つまり、セル面内の温度をより一層均一化することにより、より高い発電能力（出力電圧）とより一層高い耐久性とを両立することができる。
（６）本発明の第６態様の平板型燃料電池では、燃料極層と固体電解質層と空気極層とが積層された燃料電池単セルと、前記燃料極層側に配置される燃料ガス室と、前記空気極層側に配置される酸化剤ガス室と、前記燃料ガス室に燃料ガスが流入される１又は複数の燃料ガス流入口および前記燃料ガス室から前記燃料ガスが流出される１又は複数の燃料ガス流出口と、前記酸化剤ガス室に酸化剤ガスが流入される１又は複数の酸化剤ガス流入口および前記酸化剤ガス室から前記酸化剤ガスが流出される１又は複数の酸化剤ガス流出口と、を備えた平板型燃料電池単位が複数積層された平板型燃料電池であって、前記複数の平板型燃料電池単位の少なくとも何れかが、前記第１〜第５態様のいずれかに記載の平板型燃料電池である。
本第６態様の平板型燃料電池は、平板型燃料電池単位（例えば発電単位）が複数積層された平板型燃料電池（例えば燃料電池スタック）であって、上述した第１〜第５態様のいずれかの平板型燃料電池を備えているので、高い出力電圧を得ることができる。
なお、燃料電池の平面形状（積層方向視の形状）が矩形状である場合には、下記の構成を採用することができる。
燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ供給される第１、第２主面を有する矩形平板状の燃料電池単セルと、前記第１主面側に配置される燃料ガス室と、前記第２主面側に配置される酸化剤ガス室と、を備えるとともに、平面視（主面に対して垂直に見た場合）にて、前記燃料電池単セルの対向する一対の第１辺（例えば図５の第１辺Ｈ１及び第２辺Ｈ２）それぞれに対応して配置された、前記燃料ガス室に燃料ガスを流入させる１又は複数の燃料ガス流入口と前記燃料ガス室から燃料ガスを流出させる１又は複数の燃料ガス流出口と、前記燃料電池単セルの前記第１辺と異なる、対向する一対の第２辺（例えば図５の第３辺Ｈ３及び第４辺Ｈ４）それぞれに対応して配置された、前記酸化剤ガス室に酸化剤ガスを流入させる酸化剤ガス流入口と前記酸化剤ガス室から酸化剤ガスを流出させる酸化剤ガス流出口と、を備え、前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏより、前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉに近いことを特徴とする平板型燃料電池。
第１実施形態の燃料電池スタックの斜視図である。 （ａ）は発電単位を積層方向に破断して示す断面図、（ｂ）は発電単位における燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を示す説明図である。 発電単位を分解して示す斜視図である。 燃料電池単セルの中央側から見た各フレームの内周面を示し、（ａ）は燃料極絶縁フレームの第１面を示す説明図、（ｂ）は燃料極絶縁フレームの第２面を示す説明図、（ｃ）は空気極絶縁フレームの第３面を示す説明図、（ｄ）は空気極絶縁フレームの第４面を示す説明図である。 （ａ）は第１実施形態の発電単位の積層方向視における流路を示す説明図、（ｂ）はその発電単位の各領域におけるガスの温度等の状態を示す説明図である。 第２実施形態の発電単位の積層方向視における流路を示す説明図である。 （ａ）は第３実施形態の発電単位の積層方向視における流路を示す説明図、（ｂ）はその発電単位の各領域におけるガスの温度等の状態を示す説明図である。 （ａ）は第４実施形態の発電単位の積層方向視における流路を示す説明図、（ｂ）はその発電単位の各領域におけるガスの温度等の状態を示す説明図である。 （ａ）は第５実施形態の発電単位の積層方向視における流路を示す説明図、（ｂ）はその発電単位の各領域におけるガスの温度等の状態を示す説明図である。 第６実施形態の発電単位の積層方向視における流路を示す説明図である。 第７実施形態の発電単位の積層方向視における流路を示す説明図である。 基準モデルの発電単位の積層方向視における流路を示す説明図である。 実験例２の実験結果を示し、各流路の位置と出力電圧の変化との関係を示すグラフである。 従来技術を示し、燃料電池単セルの平面方向における温度分布とガスの流路との関係を示すグラフである。
以下、本発明が適用された平板型燃料電池として、固体酸化物形燃料電池を例に挙げて説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、本第１実施形態の平板型燃料電池の概略構成について説明する。
図１に示す様に、本第１実施形態の平板型燃料電池（以下単に「燃料電池」と称することもある）１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気、詳しくは空気中の酸素）との供給を受けて発電を行う装置である。
なお、図面においては、酸化剤ガスは「Ａ」で示し、燃料ガスは「Ｆ」で示す。また、「ＩＮ」はガスが導入されることを示し、「ＯＵＴ」はガスが排出されることを示す。更に、説明の便宜上、各図面の方向を基準に「上」、「下」等の方向を表記するが、実際の燃料電池の方向性を規定するものではない。
本第１実施形態の燃料電池１は、平板形状（直方体）の固体酸化物燃料電池であり、図１の上下方向の両端に配置されたエンドプレート３、５と、その間に配置された層状（平板形状）の複数（例えば２０段）の発電単位７とが積層された燃料電池スタックである。
エンドプレート３、５及び各発電単位７には、それらを積層方向（図１の上下方向）に貫く複数（例えば８本）のボルト挿通孔９が設けられている。このボルト挿通孔９のうちの２本は、酸化剤ガスのガス流路として用いられ、他の２本は、燃料ガスのガス流路として用いられる。
そして、各ボルト挿通孔９に配置された各ボルト１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ（１１と総称する）と各ボルト１１に螺合する各ナット１３とによって、両エンドプレート３、５と各発電単位７とが一体に固定されている。
このボルト１１のうちの特定（４本）のボルト１１ｂ、１１ｄ、１１ｆ、１１ｈには、軸方向（図１の上下方向）に沿って、酸化剤ガス又は燃料ガスが流れる内部流路１５が形成されている。なお、ボルト１１ｂは燃料ガスの導入に用いられ、ボルト１１ｄは酸化剤ガスの導入に用いられ、ボルト１１ｆは燃料ガスの排出に用いられ、ボルト１１ｈは酸化剤ガスの排出に用いられる。
ｂ）次に、発電単位７の構成について、詳しく説明する。
図２に示すように、発電単位７は、積層方向（図２（ａ）の上下方向）の両側に配置された一対のインターコネクタ２１ａ、２１ｂ（２１と総称する）の間に、後述する燃料電池単セル（以下単に「単セル」と称することもある）１７等の発電に必要な構成を配置したものである。
詳しくは、発電単位７は、金属製のインターコネクタ２１ａと、空気極絶縁フレーム２３と、金属製のセパレータ２５と、金属製の燃料極フレーム２７と、燃料極絶縁フレーム２９と、金属製のインターコネクタ２１ｂ等が積層されたものである。なお、積層された各部材２１、２３、２４、２７、２９には、各ボルト１１が挿通される各ボルト挿通孔９が形成されている。
また、セパレータ２５には、単セル１７が接合され、空気極絶縁フレーム２３の枠内の流路（酸化剤ガスが流れる空気流路：酸化剤ガス室）３１には、空気極集電体３３が配置され、燃料極フレーム２７及び燃料極絶縁フレーム２９の枠内の流路（燃料ガスが流れる燃料流路：燃料ガス室）３５には、燃料極集電体３７が配置されている。
以下、各構成について、更に詳しく説明する。
＜インターコネクタ２１＞
図３に示すように、インターコネクタ２１は、導電性を有する板材（例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼等の金属板）からなる。このインターコネクタ２１は、単セル１７間の導通を確保し、且つ、単セル１７間（従って発電単位７間）でのガスの混合を防止するものである。
なお、インターコネクタ２１は、隣接する発電単位７間に配置される場合は、１枚配置されていればよい。また、燃料電池１の上端及び下端のインターコネクタ２１は、エンドプレート３、５として用いられている（図１参照）。
＜空気極絶縁フレーム２３＞
空気極絶縁フレーム２３は、電気絶縁性を有し、積層方向視（図２（ａ）の上下方向に見た場合）で四角（長方形）枠状の板材である。空気極絶縁フレーム２３には、例えば、軟質マイカからなるマイカフレームが用いられる。この空気極絶縁フレーム２３には、積層方向視でその中央部に、酸化剤ガス室３１を構成する長方形の開口部２３ａが形成されている。
また、空気極絶縁フレーム２３において、対向する枠部分（長方形の対辺に当たる部分）には、酸化剤ガスの流路として、一対の長孔である孔部４１ｄ、４１ｈが形成されている。そして、後に詳述するように、一方の孔部４１ｄには、開口部２３ａに連通する流路である複数（例えば６本）の溝（酸化剤ガス流入口Ａin用の溝）４３ｄが形成され、他方の孔部４１ｈには、開口部２３ａに連通する流路である複数（例えば６本）の溝（酸化剤ガス流出口Ａout用の溝）４３ｈが形成されている。
＜空気極集電体３３＞
空気極集電体３３は、長尺の導電性を有する部材（例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼の柱材）である。この空気極集電体３３は、空気極絶縁フレーム２３の開口部２３ａ内にて、一対のボルト挿通孔９（９ｄ、９ｈ）の配置方向に沿って、即ち酸化剤ガスの流路に沿って複数本が配置されている。なお、空気極集電体３３としては、インターコネクタ２１の酸化剤ガス室３１側に、直方体形状の凸部を格子状に配置したものを用いてもよい。
＜セパレータ２５＞
セパレータ２５は、積層方向視で四角（長方形）枠状の導電性を有する板材（例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼等の金属板）である。このセパレータ２５には、積層方向視でその中央部に、長方形の開口部２５ａが形成されており、この開口部２５ａに沿った縁部（下面側）に、単セル１７の外周縁部（上面側）がろう付け接合されている。つまり、単セル１７は、セパレータ２５の開口部２５ａを閉塞するように接合されている。
＜燃料極フレーム２７＞
燃料極フレーム２７は、積層方向視で四角（長方形）枠状の導電性を有する板材（例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼等の金属板）である。この燃料極フレーム２７には、積層方向視でその中央部に、燃料ガス室３５を構成する長方形の開口部２７ａが形成されている。
＜燃料極絶縁フレーム２９＞
燃料極絶縁フレーム２９は、空気極絶縁フレーム２３と同様に、電気絶縁性を有する積層方向視で四角（長方形）枠状の板材であり、軟質マイカからなるマイカフレームである。この燃料極絶縁フレーム２９には、積層方向視でその中央部に、燃料ガス室３５を構成する長方形の開口部２９ａが形成されている。
また、燃料極絶縁フレーム２９において、対向する枠部分（長方形の対辺に当たる部分）には、燃料ガスの流路として、一対の長孔である孔部４５ｂ、４５ｆが形成されている。そして、後に詳述するように、一方の孔部４５ｂには、開口部２９ａに連通する流路である複数（例えば４本）の溝（燃料ガス流入口Ｆin用の溝）４７ｂが形成され、他方の孔部４５ｆには、開口部２９ａに連通する流路である複数（例えば４本）の溝（燃料ガスの流出口Ｆout用の溝）４７ｆが形成されている。
＜燃料極集電体３７＞
燃料極集電体３７は、図２（ａ）に示すように、マイカ製の芯材である弾性（クッション性）を有するスペーサ５１と金属製の導電板（例えばニッケル製の平板形状の網又は箔）５３とが組み合わされた公知の格子状の部材（例えば特開２０１３−５５０４２号公報に記載の集電部材１９参照）である。
＜燃料電池単セル１７＞
単セル１７は、いわゆる燃料極支持型の単セル１７であり、固体電解質層５５を挟んで空気極層５７と燃料極層５９とが一体に積層されたものである。なお、単セル１７は、積層方向視で矩形（長方形）であり、その第１主面側（燃料極層５９側）に燃料ガスが供給され、第２主面側（空気極層５７側）に酸化剤ガスが供給される。
このうち、固体電解質層５５を構成する材料としては、例えば、ジルコニア系、セリア系、ペロブスカイト系の電解質材料が挙げられる。ジルコニア系材料では、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、及びカルシア安定化ジルコニア（ＣａＳＺ）を挙げることができ、一般的には、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が使用される例が多い。セリア系材料では、いわゆる希土類元素添加セリアが使われ、ペロブスカイト系材料では、ランタン元素を含有するペロブスカイト型複酸化物が使われる。
空気極層５７を構成する材料としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットなどを使用できる。
燃料極層５９を構成する材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ２系セラミック、ＣｅＯ系セラミックなどのセラミックとの混合物が挙げられる。また、Ｎｉ等の金属、或いは、Ｎｉと前記セラミックとのサーメットやＮｉ基合金を使用できる。
ｃ）次に、本第１実施形態の要部である燃料ガス及び酸化剤ガスの流路について、詳細に説明する。
本第１実施形態の燃料電池１では、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、前記溝４７ｂ、４７ｆの開口部２９ａ側の開口部分として、燃料ガス室３５に燃料ガスが流入される複数（例えば４個）の燃料ガス流入口Ｆinと、燃料ガス室３５から燃料ガスが流出される複数（例えば４個）の燃料ガス流出口Ｆoutとを備えている。
一方、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、前記溝４１ｄ、４１ｈの開口部２３ａ側の開口部分として、酸化剤ガス室３１に酸化剤ガスが流入される複数（例えば６個）の酸化剤
ガス流入口Ａinと、酸化剤ガス室３１から酸化剤ガスが流出される複数（例えば６個）の酸化剤ガス流出口Ａoutとを備えている。
なお、図４は、開口部２９ａ側から各流入口Ｆin、Ａinや各流出口Ｆout、Ａoutを見たものであり、各流入口Ｆin、Ａinや各流出口Ｆout、Ａoutは、それぞれ複数個でも１個でもよい。
また、この燃料電池１では、図５（ａ）に示すように、積層方向視にて、燃料ガス流入口Ｆinの図心Ｃｆｉと燃料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏを結ぶ第１の直線Ｌ１と、酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉと酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃａｏとを結ぶ第２の直線Ｌ２とが交差している。つまり、燃料電池１の流路は、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路とが交差するいわゆるクロスフローである（図２（ｂ）参照）。
更に、積層方向視にて、燃料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏが、酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃａｏより、酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉに近いように設定されている。この条件を、以下では「流路配置条件１」と称する。
なお、図５において、外側の線で囲まれた長方形の第１枠Ｗ１が、空気極絶縁フレーム２３及び燃料極絶縁フレーム２９の内周（内周面のある位置）を示し、内側の線で囲まれた長方形の第２枠Ｗ２が、単セル１７の外周を示し、ｇが単セル１７の図心を示している。また、図５において、Ｌｆ、Ｌａ、Ｌｆｐ、Ｌｆｍ、Ｌａｐ、Ｌａｍ、Ｘｐ、Ｘｍ、Ｙｐ、Ｙｍの意味は、上述した通りである。これらの記号の意味については、以下他の実施形態も同様である。
ここで、図心について、図４及び図５を参照して説明する。
図心とは、各流入口Ｆin、Ａin又は各流出口Ｆout、Ａoutを積層方向（図４の上下方向）に対して垂直の方向で見た場合（例えば空気極層５７が広がる平面方向に沿って見た場合）、その平面形状における重心を示している。なお、流入口Ｆin、Ａin又は流出口Ｆout、Ａoutが複数ある場合には、各流入口Ｆin、Ａin又は各流出口Ｆout、Ａoutを合わせた平面図形（即ち全体の平面図形）における重心を図心とする。
具体的には、燃料極絶縁フレーム２９の内周面のうち、燃料ガス流入口Ｆinが設けられた側を、内周面に対して垂直に見た場合には、前記図４（ａ）に示すように、内周面の１つ面（短冊状の第１面Ｍ１）には４個の燃料ガス流入口Ｆinがあるので、４個の燃料ガス流入口Ｆin全体の平面図形における重心を図心Ｃｆｉとする。
ここでは、例えば、燃料ガス流入口Ｆin全体の図心Ｃｆｉは、第１面Ｍ１の左右方向における中央に設定されている。従って、積層方向視では、燃料ガス流入口Ｆin全体の図心Ｃｆｉは、第１枠Ｗ１の第１辺Ｈ１の中点に位置している（図５（ａ）参照）。
同様に、燃料極絶縁フレーム２９の内周面のうち、燃料ガス流出口Ｆoutが設けられた側を、内周面に対して垂直に見た場合には、前記図４（ｂ）に示すように、第１面Ｍ１と反対側の短冊状の第２面Ｍ２には４個の燃料ガス流出口Ｆoutがあるので、４個の燃料ガス流出口Ｆout全体の平面図形における重心を図心Ｃｆｏとする。
ここでは、例えば、各燃料ガス流出口Ｆoutは、同図の左側に寄せて配置されているので、燃料ガス流出口Ｆout全体の図心Ｃｆｏは、第２面Ｍ２の左右方向における中央から左側にずれている。従って、積層方向視では、燃料ガス流出口Ｆout全体の図心Ｃｆｏは、第１枠Ｗ１の第２辺Ｈ２の中点から第３辺Ｈ３側に、言い換えると、酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉ側にずれている（図５（ａ）参照）。
一方、空気極絶縁フレーム２３の内周面のうち、酸化剤ガス流入口Ａinが設けられた側を、内周面に対して垂直に見た場合には、前記図４（ｃ）に示すように、内周面の１つ面（短冊状の第３面Ｍ３）には６個の酸化剤ガス流入口Ａinがあるので、６個の酸化剤ガス流入口Ａin全体の平面図形における重心を図心Ｃａｉとする。
ここでは、例えば、酸化剤ガス流入口Ａin全体の図心Ｃａｉは、第３面Ｍ３の左右方向における中央に設定されている。従って、積層方向視では、酸化剤ガス流入口Ａin全体の図心Ｃａｉは、第１枠Ｗ１の第３辺Ｈ３の中点に位置している（図５（ａ）参照）。
同様に、空気極絶縁フレーム２３の内周面のうち、酸化剤ガス流出口Ａoutが設けられた側を、内周面に対して垂直に見た場合には、前記図４（ｄ）に示すように、第３面Ｍ３と反対側の短冊状の第４面Ｍ４には６個の酸化剤ガス流出口Ａoutがあるので、６個の酸化剤ガス流出口Ａout全体の平面図形における重心を図心Ｃａｏとする。
ここでは、例えば、酸化剤ガス流出口Ａout全体の図心Ｃａｏは、第４面Ｍ４の左右方向における中央に設定されている。従って、積層方向視では、酸化剤ガス流出口Ａout全体の図心Ｃａｏは、第１枠Ｗ１の第４辺Ｈ４の中点に位置している（図５（ａ）参照）。
なお、図４及び図５に示すような各流入口Ｆin、Ａinや各流出口Ｆout、Ａoutの位置は、好ましい一例を示しているものであり、上述した「（クロスフローにおける）流路配置条件１」の条件を満たしている限りは、この例に限定されるものではない。
ｄ）次に、燃料電池１の製造方法について簡単に説明する。
［各部材の製造工程］
まず、例えばＳＵＳ４３０からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ２１、燃料極フレーム２７、セパレータ２５、エンドプレート３、５を作製した。
また、周知の軟質マイカからなるマイカシートに対して、パンチング加工や溝加工などによって、前記図３に示す枠形状の空気極絶縁フレーム２３と燃料極絶縁フレーム２９を作製した。
［燃料電池単セル１７の製造工程］
単セル１７を、定法に従って製造した。
具体的には、まず、燃料極層５９を形成するために、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）粉末を４０〜７０質量部と、酸化ニッケル粉末を４０〜７０質量部と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、燃料極ペーストを作製した。そして、この燃料極ペーストを用いて、燃料極グリーンシートを作製した。
また、固体電解質層５５を作製するために、例えば、ＹＳＺ粉末とバインダー溶液とからなる材料を用いて、固体電解質ペーストを作製した。そして、この固体電解質ペーストを用いて、固体電解質グリーンシートを作製した。
次に、燃料極グリーンシート上に、固体電解質グリーンシートを積層した。そして、その積層体を、１２００〜１５００℃で１〜１０時間加熱することにより、焼結積層体を形成した。
また、空気極層５７を形成するために、例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３粉末と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、空気極ペーストを作製した。
次に、前記焼結積層体における固体電解質層５５の表面に、空気極ペーストを印刷した
。そして、その印刷した空気極ペーストを、焼成によって緻密とならないように、９００〜１２００℃にて１〜５時間焼成して、空気極層５７を形成した。
これにより、単セル１７が完成した。なお、単セル１７には、セパレータ２５をろう付けして固定した。
［燃料電池１の製造工程］
次に、上述した各部材を、前記図１に示すように所望の段数積層し、その積層方向の両方の端部に、エンドプレート３、５を積層して、積層体を構成した。
そして、この積層体のボルト挿通孔９にボルト１１を嵌め込むとともに、各ボルト１１にナット１３を螺合させて締め付けて、積層体を押圧して一体化して固定した。
これによって、本第１実施形態の燃料電池１が完成した。
ｅ）次に、本第１実施形態の効果について説明する。
本第１実施形態の燃料電池１は、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路が交差する、いわゆるクロスフローの流路を有している。そして、このクロスフローの流路を有する燃料電池１において、積層方向視にて、燃料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏが、酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃａｏより、酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉに近いように設定されている。即ち、上述した「流路配置条件１」を満たすように、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路が設定されている。
このように酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃａｏが設定されていることにより、図５（ｂ）に示すように、積層方向視で、反応（発電）後の高温となった燃料ガスが供給される領域（高温燃料の領域Ｒ１）と、発電単位７外から発電単位７内に導入される低温の酸化剤ガスが供給される領域（低温空気の領域Ｒ２）とが、重なるように配置される等により近くなるので、単セル１７における面内温度（セル面内の温度）が均一化される。
これによって、出力電圧をそれほど損なうことなく、高い出力電圧を確保できるとともに、燃料電池１の耐久性が向上するという顕著な効果を奏する。つまり、温度分布の均一性を高めることができるので、高い出力電圧と高い耐久性との両立を図ることができる。
また、本第１実施形態では、単セル１７自体の温度分布の均一性を向上できるので、複数の単セル１７（従って発電単位７）を積層した燃料電池スタックに限らず、１つの単セル１７を用いた一段の燃料電池１にも適用できるという効果がある。
更に、単セル１７を積層した燃料電池（即ち燃料電池スタック）１において、隣接する単セル１７（即ち上下段の発電単位７）との熱伝導が悪い場合でも、上述したような高い出力電圧と高い耐久性とを両立できるという効果が得られる。
しかも、１つの段の中で直接的に温度分布の均一化を図るために、隣接する単セル１７との熱伝導による方法より、大きな効果が得られる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第２実施形態の燃料電池１は、酸化剤ガスの流路と燃料ガスの流路とについて、前記第１実施形態の「流路配置条件１」を満たすとともに、下記の「流路配置条件２」を満たすように規定したものである。
詳しくは、本第２実施形態の燃料電池１では、図６に示すように、積層方向視にて、燃
料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏが、基準線Ｌｆから、境界線Ｌｆｐ側に距離０．３Ｘｐ以上Ｘｐ以下に配置され、酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置され、酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃａｏが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置されている（流路配置条件２）。
なお、図６の第１枠Ｗ１において、燃料ガス流入口Ｆinの図心Ｃｆｉは、第１辺Ｈ１（例えば第１辺Ｈ１の中点）に配置されている。また、第２辺Ｈ２の帯状の斜線部分が、燃料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏが配置される範囲であり、第３辺Ｈ３の帯状の斜線部分が、酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉが配置される範囲であり第４辺Ｈ４の帯状の斜線部分が、酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃａｏが配置される範囲である。
このような構成により、本第２実施形態では、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。また、後述する実験例１に示すように、「流路配置条件２」を満たすことによって、温度分布の均一性を向上できるので、高い発電能力及び高い耐久性を両立できる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第３実施形態の燃料電池１は、酸化剤ガスの流路と燃料ガスの流路とについて、前記第１実施形態の「流路配置条件１」を満たすとともに、下記の「流路配置条件３」を満たすように規定したものである。
詳しくは、本第３実施形態の燃料電池１では、図７（ａ）に示すように、積層方向視にて、燃料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏが、基準線Ｌｆから、境界線Ｌｆｐ側に距離０．１Ｘｐ以下または境界線Ｌｆｍ側に距離０．１Ｘｍ以下に配置され、酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｍ側に距離０．６Ｙｍ以上Ｙｍ以下に配置され、酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃａｏが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置されている（流路配置条件３）。
なお、図７（ａ）の第１枠Ｗ１において、燃料ガス流入口Ｆinの図心Ｃｆｉは、第１辺Ｈ１（例えば第１辺Ｈ１の中点）に配置されている。また、第１枠Ｗ１上の帯状の斜線部分の意味は、第２実施形態と同様である。
このような構成により、本第３実施形態では、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。また、図７（ｂ）に示すように、「流路配置条件３」を満たすことによって、外部から低温の酸化剤ガス（即ち低温空気）が導入される領域Ｒ３と、酸素濃度が高い部分と燃料ガスの流路とが近接することにより発熱が増加する領域Ｒ４とが重なる。
詳しくは、燃料ガス流入口Ｆin及び酸化剤ガス流入口Ａinに近い低温領域（例えば図７（ａ）の右上のＸｐ−Ｙｐ）から酸化剤ガス流入口Ａinを遠ざけることにより、この低温領域の温度が上昇する。また、酸化剤ガス流入口Ａinが近づいた領域（例えば図７（ａ）の右下のＸｐ−Ｙｍ）では、酸素濃度が上昇するので反応（発電）による発熱量が増加する。
これにより、セル面内の温度分布の均一性が向上する。よって、後述する実験例１からも明らかなように、高い発電能力（出力電圧）と高い耐久性とを両立することができる。［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明するが、第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第４実施形態の燃料電池１は、酸化剤ガスの流路と燃料ガスの流路とについて、前記第１実施形態の「流路配置条件１」を満たすとともに、下記の「流路配置条件４」を満たすように規定したものである。
詳しくは、本第４実施形態の燃料電池１では、図８（ａ）に示すように、積層方向視にて、燃料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏが、基準線Ｌｆから、境界線Ｌｆｐ側に距離０．３Ｘｐ以上Ｘｐ以下に配置され、酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｍ側に距離０．６Ｙｍ以上Ｙｍ以下に配置され、酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃａｏが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置されている（流路配置条件４）。
なお、図８（ａ）の第１枠Ｗ１において、燃料ガス流入口Ｆinの図心Ｃｆｉは、第１辺Ｈ１（例えば第１辺Ｈ１の中点）に配置されている。また、第１枠Ｗ１上の帯状の斜線部分の意味は、第２実施形態と同様である。
このような構成により、本第４実施形態では、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。また、図８（ｂ）に示すように、「流路配置条件４」を満たすことによって、外部から低温の酸化剤ガス（即ち低温空気）が導入される領域Ｒ５と、反応（発電）により高温となり且つ酸素濃度が高いことにより発熱が増加する領域Ｒ６とが重なる。よって、温度分布がより均一化するので、後述する実験例１に示すように、高い発電能力及びより高い耐久性を両立することができる。
［第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明するが、第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第５実施形態の燃料電池１は、酸化剤ガスの流路と燃料ガスの流路とについて、前記第１実施形態の「流路配置条件１」を満たすとともに、下記の「流路配置条件５」を満たすように規定したものである。
詳しくは、本第５実施形態の燃料電池１では、図９（ａ）に示すように、積層方向視にて、燃料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏが、基準線Ｌｆから、境界線Ｌｆｐ側に距離０．３Ｘｐ以上Ｘｐ以下に配置され、酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｍ側に距離０．６Ｙｍ以上Ｙｍ以下に配置され、酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃａｏが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｐ側に距離０．４Ｙｐ以上０．９Ｙｐ以下に配置されている（流路配置条件５）。
なお、図９（ａ）の第１枠Ｗ１において、燃料ガス流入口Ｆinの図心Ｃｆｉは、第１辺Ｈ１（例えば第１辺Ｈ１の中点）に配置されている。また、第１枠Ｗ１上の帯状の斜線部分の意味は、第２実施形態と同様である。
このような構成により、本第５実施形態では、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。また、図９（ｂ）に示すように、「流路配置条件５」を満たすことによって、外部から低温の酸化剤ガス（即ち低温空気）が導入される領域Ｒ７と、反応（発電）により高温となり且つ酸素濃度が高いことにより発熱が増加する領域Ｒ８とが重なり、しかも、燃料ガスの流入部分と酸化剤ガスの流出部分とが近接することにより発熱が増加する領域Ｒ９が生じる。よって、温度分布がより均一化するので、後述する実験例１に示すように、より高い発電能力及びより高い耐久性を両立することができる。
［第６実施形態］
次に、第６実施形態について説明するが、第５実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第５実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第６実施形態の燃料電池１は、酸化剤ガスの流路と燃料ガスの流路とを、前記第１実施形態の「流路配置条件１」を満たすとともに、下記の「流路配置条件６」を満たすように規定したものである。
詳しくは、本第６実施形態の燃料電池１では、図１０に示すように、積層方向視にて、燃料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏと酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉが第５実施形態と同様に配置され、酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃａｏが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｐ側に距離０．４Ｙｐ以上０．６Ｙｐ以下に配置されている（流路配置条件６）。
なお、図１０の第１枠Ｗ１において、燃料ガス流入口Ｆinの図心Ｃｆｉは、第１辺Ｈ１（例えば第１辺Ｈ１の中点）に配置されている。また、第１枠Ｗ１上の帯状の斜線部分の意味は、第２実施形態と同様である。
このような構成により、本第６実施形態では、前記第５実施形態と同様な効果を奏するとともに、後述する実験例１から明らかなように、第５実施形態よりセル面内の温度分布をより一層均一化できるという利点がある。よって、より高い発電能力及びより一層高い耐久性を両立することができる。
［第７実施形態］
次に、第７実施形態について説明するが、第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第７実施形態の燃料電池１は、図１１に示すように、単セル１７や空気極絶縁フレーム２３や燃料極絶縁フレーム２９等の平面形状は、前記第１実施形態と同様な長方形であるが、燃料ガス流入口Ｆinの図心Ｃｆｉの位置を、同図の左右方向に大きくずらしたものである。
ここでは、例えば、燃料ガス流入口Ｆinの図心Ｃｆｉを第１辺Ｈ１の中点より大きく右側にずらし、燃料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏを第２辺Ｈ２の中点より僅かに右側にずらしている。つまり、図１１において、燃料ガス流入口Ｆinの図心Ｃｆｉを、燃料ガス流出口Ｆoutの図心Ｃｆｏより右側にずらしている。
また、酸化剤ガス流入口Ａinの図心Ｃａｉを第３辺Ｈ３の中点より大きく下方に（即ち単セル１７の端部近傍まで）ずらし、酸化剤ガス流出口Ａoutの図心Ｃｆｏを第４辺Ｈ４の中点より大きく上方に（即ち単セル１７の他の端部近傍まで）ずらしている。
このような構成の場合でも、上述した「流路配置条件１」の条件を満たすことにより、或いは、「流路配置条件１」に加えて「流路配置条件２」〜「流路配置条件６」のいずれかの条件を満たすことにより、前記各実施形態と同様な効果を奏する。
［実験例］
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
＜実験例１＞
本実験例１では、コンピュータシミュレーションのために、１枚の単セルを用いた１段の発電単位の平板型の固体酸化物形燃料電池について、実験対象のモデル（実験モデル１）と基準のモデル（基準モデル：基準セル）とを設定した。
そして、シミュレーションにより、実験モデル１の燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉの位置を固定した状態で、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｉと酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉと酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏの位置を変更し、それぞれの場合において、出力電圧と単セル表面の温度分布（最大値ｍａｘと最小値ｍｉｎとの差）とを求めた。また、基準モデルの出力電圧と温度分布を求めた。そして、基準モデルに対する実験モデル１の出力電圧の変化と温度分布の変化を調べた。
なお、本実験例１おいては、以下に詳述するように、第２実施形態の流路位置（表１及び図６参照）、第３実施形態の流路位置（表２及び図７参照）、第４実施形態に対応する流路位置（表３及び図８参照）、第５、第６実施形態に対応する流路位置（表４及び図９、図１０参照）による効果を確認した。
ａ）実験モデル１の構造
実験モデル１の基本的な構造は、前記各実施形態における１つの発電単位と同様なものである。
詳しくは、実験モデル１では、発電単位、単セル、燃料ガス室、酸化剤ガス室等の各部材の平面形状（積層方向視）を、正方形とし、各部材のサイズは、下記のように設定した。また、各部材の材質は、前記各実施形態と同様とした。
平面視でのサイズ
燃料ガス室及び酸化剤ガス室：１２ｃｍ×１２ｃｍ、単セル：９ｃｍ×９ｃｍ
また、この実験モデル１においては、下記表１〜表４に示すように、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｉと酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉと酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏの位置を変更した。なお、燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉの位置は、例えば図６に示すように、実験モデル１の第１枠Ｗ１の第１辺Ｈ１の中点とした。
ｂ）基準モデルの構造
基準モデルでは、図１２に示すように、第１枠Ｗ１において、燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉは第１辺Ｈ１の中点に設定し、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏは第２辺Ｈ２の中点に設定し、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉは第３辺Ｈ３の中点に設定し、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏは第４辺Ｈ４の中点に設定した。なお、その他の構成は、実験モデル１と同様である。
ｃ）実験モデル１及び基準モデルの運転の条件
燃料電池の所定の発電温度で、所定時間、燃料ガス（例えば、水素、窒素、水（水蒸気）の混合ガス等）と酸化剤ガス（例えば、空気（酸素、窒素の混合ガス等））とを、流量一定として供給し、実験モデル１及び基準モデルの運転を行った。
ｄ）実験の内容
本実験例１では、下記表１〜表４に示すように、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏ、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏの位置を変更し、上述した運転条件にてシミュレーションを行って、実験モデル１の出力電圧を求めた。同様に、基準モデルについても、同じ実験条件にて、出力電圧を求めた。
そして、基準モデルに対する実験モデル１の出力電圧の変化量ｄＶｏｌｔ［％］を算出した。その結果を、同じく下記表１〜表４に記す。なお、各表において、出力電圧の変化量ｄＶｏｌｔが−（マイナス）とは、基準モデルの出力電圧より低くなることを示している。
また、上述した出力電圧を求めた場合と同様な運転条件及び各図心についても同様に変更した条件にて、シミュレーションを行うことにより、実験モデル１について、単セルのセル面内における温度の最大値（ｍａｘ）と最小値（ｍｉｎ）を求め、その温度差ΔＴ（ｍａｘ−ｍｉｎ）を算出した。同様に、基準モデルについても温度差ΔＴを算出した。
そして、基準モデルに対する実験モデル１の温度差ΔＴの変化量ｄＴ［℃］を算出した。その結果を、同じく下記表１〜表４に記す。なお、各表において、温度差ΔＴの変化量ｄＴが−（マイナス）とは、温度差ΔＴが小さくなることを示している。
なお、下記表１〜表４において、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏについては、Ｘｐで表現している場合はＬｆよりＬｆｐ側、Ｘｍで表現している場合はＬｆよりＬｆｍ側にあるものとする。また、Ｌｆ上に位置する場合は０とする。
酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏについては、Ｙｐで表現している場合はＬａよりＬａｐ側、Ｙｍで表現している場合はＬａよりＬａｍ側にあるものとする。また、Ｌａ上に位置する場合は０とする。
ｅ）実験結果
以下、各表毎に、それぞれ実験内容及び実験結果について、詳細に説明する。
Figure 0006498992
 表１は、第２実施形態の流路条件（流路配置条件２：図６参照）を確認するために行った実験結果を示している。つまり、この表１は、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏの位置を変更した実験例を示している。
ここでは、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏに関しては、製造ばらつきを考慮して、Ｙｐ、Ｙｍの１０％以内の任意の位置とした。
なお、表１の判定基準は、下記の通りである。
＜判定基準＞
○：出力電圧低下３．５％以下、且つ、温度の差ΔＴの低減０．５℃以上
△：上記○の条件を満たさないもの
この表１から明らかなように、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏの位置が、０．３Ｘｐ〜Ｘｐの範囲であれば（表１の斜線部分参照）、実験モデル１の出力電圧の変化量ｄＶｏｌｔが小さく（即ち出力電圧の低下は２．０５％以下であり）、且つ、実験モデル１の温度差ΔＴの変化量ｄＴが大きいこと（即ち温度差が０．５℃以上改善されて温度差が小さくなること）が分かる。つまり、出力電圧をそれほど損なわず、温度分布の均一性が向上することが分かる。
Figure 0006498992
 表２は、第３実施形態の流路条件（流路配置条件３：図７参照）を確認するために行った実験の結果を示している。つまり、この表２は、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉの位置を変更した実験例を示している。
ここで、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏに関しては、製造ばらつきを考慮して、Ｘｍ、Ｘｐ、Ｙｐ、Ｙｍの１０％以内の任意の位置とした。
なお、表２の判定基準は、下記の通りである。
＜判定基準＞
○：出力電圧低下３．５％以下、且つ、温度の差ΔＴの低減０．５℃以上
△：上記○の条件を満たさないもの
この表２から明らかなように、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉの位置が、０．６Ｙｍ〜Ｙｍの範囲であれば（表２の斜線部分参照）、実験モデル１の出力電圧の変化量ｄＶｏｌｔが小さく（即ち出力電圧の低下は２．４１％以下であり）、且つ、実験モデル１の温度差ΔＴの変化量ｄＴが大きいこと（即ち温度差が０．６℃以上改善されて温度差が小さく
なること）が分かる。つまり、出力電圧をそれほど損なわず、温度分布の均一性が向上することが分かる。
Figure 0006498992
 表３は、第４実施形態の流路条件（流路配置条件４：図８参照）を確認するために行った実験の結果を示している。つまり、この表３は、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏの位置と酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉの位置を変更した実験例を示している。
ここで、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏに関しては、製造ばらつきを考慮して、Ｙｐ、Ｙｍの１０％以内の任意の位置とした。
なお、表３の判定基準は、下記の通りである。
＜判定基準＞
○：出力電圧低下３．５％以下、且つ、温度の差ΔＴの低減０．５℃以上
◎：出力電圧低下３．５％以下、且つ、温度の差ΔＴの低減２．０℃以上
この表３から明らかなように、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏの位置が０．３Ｘｐ〜Ｘｐの範囲（流路配置条件２の燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏの条件）、且つ、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉの位置が０．６Ｙｍ〜Ｙｍの範囲（流路配置条件３の酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉの条件）であれば（表３の斜線部分参照）、実験モデル１の出力電圧の変化量ｄＶｏｌｔが小さく（即ち出力電圧の低下は２．７２％以下であり）、且つ、実験モデル１の温度差ΔＴの変化量ｄＴがより大きいこと（即ち温度差が２．０℃以上改善されて温度差が小さくなること）が分かる。つまり、出力電圧をそれほど損なわず、温度分布の均一性がより向上することが分かる。
Figure 0006498992
 表４は、第５実施形態の流路条件（流路配置条件５：図９参照）と第６実施形態の流路条件（流路配置条件６：図１０参照）を確認するために行った実験の結果を示している。つまり、この表４は、流路配置条件４の燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏ及び酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉの条件を満たした上で、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏの位置を変更した
実験例を示している。
なお、表４の判定基準は、下記の通りである。
＜判定基準＞
◎：出力電圧低下３．５％以下、且つ、温度の差ΔＴの低減２．０℃以上
☆：出力電圧低下１．０％以下、且つ、温度の差ΔＴの低減２．０℃以上
★：出力電圧低下１．０％以下、且つ、温度の差ΔＴの低減５．０℃以上
この表４から明らかなように、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏの位置が０．３Ｘｐ〜Ｘｐ、且つ、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉの位置が０．６Ｙｍ〜Ｙｍの範囲、且つ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏの位置が０．４Ｙｐ〜０．９Ｙｐｍの範囲であれば（表４の斜線及び灰色部分参照）、実験モデル１の出力電圧の変化量ｄＶｏｌｔがより小さく（即ち出力電圧の低下は０．８５％以下であり）、且つ、実験モデル１の温度差ΔＴの変化量ｄＴがより大きいこと（即ち温度差が３．８℃以上改善されて温度差が小さくなること）が分かる。つまり、出力電圧をより損なわず、温度分布の均一性がより向上することが分かる。
また、表４から明らかなように、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏの位置が０．３Ｘｐ〜Ｘｐ、且つ、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉの位置が０．６Ｙｍ〜Ｙｍの範囲、且つ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏの位置が０．４Ｙｐ〜０．６Ｙｐｍの範囲であれば（表４の斜線部分参照）、実験モデル１の出力電圧の変化量ｄＶｏｌｔがより一層小さく（即ち出力電圧の低下は０．０９％以下であり）、且つ、実験モデル１の温度差ΔＴの変化量ｄＴがより一層大きいこと（即ち温度差が５．２℃以上改善されて温度差が小さくなること）が分かる。つまり、出力電圧をより一層損なわず、温度分布の均一性がより一層向上することが分かる。
＜実験例２＞
本実験例２では、前記実験例１において、燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉの位置を基準として、他の燃料ガス流出入口の図心Ｃｆｏ、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉ、酸化剤ガス流出入口の図心Ｃａｏの位置を設定した根拠を、実験モデル２及び前記基準モデル（基準セル）を用いて確認した実験例（シミュレーション）について説明する。
本実験例２では、基準モデルを基準として、下記表５及び図１３に示すように、１つの流路（図心）の位置を変更した実験モデル２を設定した（但し残りの３つの流路の位置は基準モデルのまま）。
そして、前記実験例１の運転条件にて発電を行った場合の基準モデル及び実験モデル２の出力電圧を求め、基準モデルと実験モデル２との出力電圧の場合とを比較した。即ち、基準モデルに対する実験モデル２の出力電圧の変化量を求めた。その結果を、同じく表５及び図１３に示す。
なお、図１３の横軸は、各辺における各流路の位置（即ち燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉ、燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏ、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏ）の中点からのずれを示しており、０が中点の位置にあることを示している。
Figure 0006498992
 この表５及び図１３から明らかなように、燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉの位置の出力電圧に対する感度が、他の流路（即ち燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏ、酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉ、酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏ）の位置に比べて著しく大きいことが分かる。また、燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉの位置が０のとき、即ち、燃料の流れ方向に対するセル幅の中央部（即ち第１辺Ｈ１の中点）に存在するとき、出力電圧は極大となることが分かる。従って、燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉの位置を基準とすることが好ましいことが分かる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
（１）例えば、本発明は、例えば、ＺｒＯ２系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などの燃料電池に適用できる。
（２）また、本発明では、単セル、発電単位、燃料電池スタックなどの平面形状としては、矩形状（例えば長方形、正方形、ひし形、台形）に限らず、多角形（例えば六角形、八角形）や湾曲した形状（例えば円形、楕円形）など、各種の形状を採用できる。
（３）更に、本発明の燃料電池としては、板状の単セル（発電単位）が積層された複数段の燃料電池スタック以外に、１つの板状の単セル（発電単位）からなる１段の燃料電池を採用できる。また、燃料電池スタックの全部の発電単位のうち、１又は複数段のみ本発明の構成を備えた発電単位としてもよい。
１…平板型燃料電池（燃料電池スタック）
７…発電単位
１７…燃料電池単セル
３１…酸化剤ガス室（空気流路）
３５…燃料ガス室（燃料流路）
５５…固体電解質層
５９…燃料極
５７…空気極層
Ｆin…燃料ガス流入口
Ｆout…燃料ガス流出口
Ａin…酸化剤ガス流入口
Ａout…酸化剤ガス流出口

Claims (6)

  1. 燃料極層と空気極層との間に固体電解質層を挟んで積層された燃料電池単セルと、
    前記燃料極層側に配置される燃料ガス室と、
    前記空気極層側に配置される酸化剤ガス室と、
    前記燃料ガス室に燃料ガスが流入される１又は複数の燃料ガス流入口および前記燃料ガス室から前記燃料ガスが流出される１又は複数の燃料ガス流出口と、
    前記酸化剤ガス室に酸化剤ガスが流入される１又は複数の酸化剤ガス流入口および前記酸化剤ガス室から前記酸化剤ガスが流出される１又は複数の酸化剤ガス流出口と、
    を備え、
    積層方向視にて、
    前記燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉと前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏを結ぶ第１の直線と、前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉと前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏとを結ぶ第２の直線とが交差し、
    且つ、前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏより、前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉに近い平板型燃料電池であって、
    前記積層方向視にて、
    Ｌｆ、Ｌａ、Ｌｆｐ、Ｌａｐ、Ｌａｍ、Ｘｐ、Ｙｐ、Ｙｍを下記のように設定した場合に、
    前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、基準線Ｌｆから、境界線Ｌｆｐ側に距離０．３Ｘｐ以上Ｘｐ以下に配置され、
    前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置され、
    前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または前記境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置されていることを特徴とする平板型燃料電池。
    Ｌｆ： 前記燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉと前記燃料電池単セルの図心ｇとを通る、前記燃料電池単セル上の直線の基準線
    Ｌａ： 前記基準線Ｌｆと直交し、前記図心ｇを通る、前記燃料電池単セル上の直線の基準線
    Ｌｆｐ： 前記基準線Ｌｆよりも前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉに近く、前記基準線Ｌｆと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
    Ｌａｐ： 前記基準線Ｌａよりも前記燃料ガス流入口の図心Ｃｆｉに近く、前記基準線Ｌａと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
    Ｌａｍ： 前記基準線Ｌａよりも前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏに近く、前記基準線Ｌａと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
    Ｘｐ： 前記基準線Ｌｆと前記境界線Ｌｆｐとの間の最短距離
    Ｙｐ： 前記基準線Ｌａと前記境界線Ｌａｐとの間の最短距離
    Ｙｍ： 前記基準線Ｌａと前記境界線Ｌａｍとの間の最短距離
  2. 前記積層方向視にて、
    Ｌｆｍ、Ｘｍを下記のように設定した場合に、
    前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、基準線Ｌｆから、境界線Ｌｆｐ側に距離０．１Ｘｐ以下または境界線Ｌｆｍ側に距離０．１Ｘｍ以下に配置され、
    前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉが、基準線Ｌａから、境界線Ｌａｍ側に距離０．６Ｙｍ以上Ｙｍ以下に配置され、
    前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または前記境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の平板型燃料電池。
    Ｌｆｍ： 前記基準線Ｌｆよりも前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏに近く、前記基準線Ｌｆと平行かつ距離が最も遠い、前記燃料電池単セル上を通る直線の境界線
    Ｘｍ： 前記基準線Ｌｆと前記境界線Ｌｆｍとの間の最短距離
  3. 前記積層方向視にて、
    前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、前記基準線Ｌｆから、前記境界線Ｌｆｐ側に距離０．３Ｘｐ以上Ｘｐ以下に配置され、
    前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｍ側に距離０．６Ｙｍ以上Ｙｍ以下に配置され、
    前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｐ側に距離０．１Ｙｐ以下または前記境界線Ｌａｍ側に距離０．１Ｙｍ以下に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の平板型燃料電池。
  4. 前記積層方向視にて、
    前記燃料ガス流出口の図心Ｃｆｏが、前記基準線Ｌｆから、前記境界線Ｌｆｐ側に距離０．３Ｘｐ以上Ｘｐ以下に配置され、
    前記酸化剤ガス流入口の図心Ｃａｉが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｍ側に距離０．６Ｙｍ以上Ｙｍ以下に配置され、
    前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｐ側に距離０．４Ｙｐ以上０．９Ｙｐ以下に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の平板型燃料電池。
  5. 前記積層方向視にて、
    前記酸化剤ガス流出口の図心Ｃａｏが、前記基準線Ｌａから、前記境界線Ｌａｐ側に距離０．４Ｙｐ以上０．６Ｙｐ以下に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の平板型燃料電池。
  6. 燃料極層と固体電解質層と空気極層とが積層された燃料電池単セルと、
    前記燃料極層側に配置される燃料ガス室と、
    前記空気極層側に配置される酸化剤ガス室と、
    前記燃料ガス室に燃料ガスが流入される１又は複数の燃料ガス流入口および前記燃料ガス室から前記燃料ガスが流出される１又は複数の燃料ガス流出口と、
    前記酸化剤ガス室に酸化剤ガスが流入される１又は複数の酸化剤ガス流入口および前記酸化剤ガス室から前記酸化剤ガスが流出される１又は複数の酸化剤ガス流出口と、
    を備えた平板型燃料電池単位が複数積層された平板型燃料電池であって、
    前記複数の平板型燃料電池単位の少なくとも何れかが、前記請求項１〜５のいずれか１項に記載の平板型燃料電池であることを特徴とする平板型燃料電池。
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