JP6820993B2 - 電気化学装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学装置に関するものである。

電気化学セルの一種である燃料電池セルは、一般に、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極との間に配置される電解質とを有する。第１及び第２電極のそれぞれには、作動用ガス（酸化剤ガス又は燃料ガス）が供給される。

特開２０１５−０９０７８８号公報

燃料電池セルの作動中、各電極に供給される作動用ガスに含まれる酸化剤又は燃料は、作動用ガスの流通方向における上流側から下流側に向かって順に電極反応に利用される。従って、作動用ガスに含まれる酸化剤又は燃料の濃度は、下流側に比べて上流側の方が高くなるため、各電極の上流側部位では、各電極の下流側部位よりも電極反応が活発になって発熱しやすい。

その結果、各電極のうち上流側部位及び下流側部位の間に熱応力が発生して、燃料電池セルに損傷（割れや層間剥離など）が生じるおそれがある。

本発明の課題は、電気化学セルの損傷を抑制可能な電気化学装置及び電気化学セルを提供することにある。

本発明のある側面に係る電気化学装置は、電気化学セルと、インターコネクタと、ガス供給部と、ガス排出部とを備える。電気化学セルは、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質とを有する。インターコネクタは、第１電極と対向して配置され、電気化学セルとの間にガス室を形成する。ガス供給部は、ガス室に作動用ガスを供給するための供給口を有する。ガス排出部は、ガス室から作動用ガスを排出するための排出口を有する。電気化学セルのうち供給口側の第１端部の上方における作動用ガスの第１温度は、電気化学セルのうち排出口側の第２端部の上方における作動用ガスの第２温度よりも低い。第１温度及び第２温度の温度差は、３度以上４０度以下である。

本発明によれば、電気化学セルの損傷を抑制可能な電気化学装置及び電気化学セルを提供することができる。

第１実施形態に係る燃料電池装置１の構成を示す断面図。 第１実施形態の変形例に係る燃料電池装置２の構成を示す断面図。 第２実施形態に係る燃料電池装置３の構成を示す断面図。 第２実施形態に係る燃料電池セル１０１の斜視図。 第２実施形態に係る燃料電池セル１０１の断面図。

以下、本発明に係る電気化学装置の一種である燃料電池装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。

第１実施形態では、電気化学セルの一種である平板型燃料電池セルを備える燃料電池装置について説明する。

第２実施形態では、電気化学セルの一種である片持ち式の横縞型燃料電池セルを備える燃料電池装置について説明する。

［第１実施形態］
（燃料電池装置１の構成）
第１実施形態に係る燃料電池装置１の構成について説明する。図１は、燃料電池装置１の構成を示す断面図である。

燃料電池装置１は、燃料電池セル１０、インターコネクタ２０、セパレータ３０、酸化剤ガス供給部４０、及び酸化剤ガス排出部５０を備える。燃料電池装置１を複数積層することによって、燃料電池セルスタックを構成しうる。

（燃料電池セル１０）
燃料電池セル１０は、いわゆる平板型の燃料電池セルである。燃料電池セル１０は、電解質１１、燃料極１２、空気極１３、燃料極側集電部１４、及び空気極側集電部１５を有する。

本実施形態に係る燃料電池セル１０は、空気極１３及び電解質１１に比べて燃料極１２が厚い燃料極支持型セルである。ただし、燃料電池セル１０は、電解質１１及び燃料極１２に比べて空気極１３が厚い空気極支持型セルであってもよく、燃料極１２及び空気極１３に比べて電解質１１が厚い電解質支持型セルであってもよい。

電解質１１は、薄板状に形成される。電解質１１の厚みは、３μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。電解質１１は、空気極１３において発生する酸素イオンを燃料極１２に移動させる酸素イオン伝導性を有する電解質材料によって構成される。このような電解質材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、サマリウム添加セリア（ＣｅＳｍＯ_２）、ガドリウム添加セリア（ＣｅＧｄＯ_２）、及びカルシア安定化ジルコニア（ＣａＳＺ）の１種、或いは２種以上の組み合わせが挙げられる。

電解質１１は、緻密質である。電解質１１は、酸化剤ガスの燃料極１２側への透過、及び、燃料ガスの空気極１３側への透過を防止する。アルキメデス法によって求められる電解質１１の相対密度は、９５％以上が好ましい。

燃料極１２は、本発明に係る「第２電極」の一例である。燃料極１２は、電解質１１の第１主面１１Ｓ上に配置される。燃料極１２は、燃料電池セル１０のアノードとして機能する。燃料極１２は、多孔質体である。

燃料極１２は、燃料ガス室Ｓ１内に配置される。燃料ガス室Ｓ１には、図示しない燃料ガス供給部から燃料ガスが供給される。燃料ガスは、燃料電池セル１０の作動（発電）に用いられる作動用ガスの一つである。燃料ガスとしては、水素、炭化水素、及び、水素と炭化水素との混合ガスが挙げられる。炭化水素としては、例えば、天然ガス、ナフサ、及び石炭ガス化ガスなどが挙げられるが、これに限られない。燃料ガスは、１種類の炭化水素であってもよく、２種類以上の炭化水素の混合物であってもよい。燃料ガスは、窒素及びアルゴンなどの不活性ガスを含有していてもよい。

燃料極１２は、周知の燃料極材料によって構成される。燃料極１２は、例えば、Ｎｉ及び／又はＦｅ等の金属と上述した電解質材料との混合物によって構成することができる。

空気極１３は、本発明に係る「第１電極」の一例である。空気極１３は、電解質１１の第２主面１１Ｔ上に配置される。空気極１３は、燃料電池セル１０のカソードとして機能する。空気極１３は、多孔質体である。空気極１３の気孔率は特に制限されないが、１０％以上とすることができる。空気極１３の厚みは特に制限されないが、例えば３０μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。

空気極１３は、酸化剤ガス室Ｓ２内に配置される。酸化剤ガス室Ｓ２は、本発明に係る「ガス室」の一例である。酸化剤ガス室Ｓ２には、酸化剤ガス供給部４０から酸化剤ガスが供給される。空気極１３の内部及び周辺を通過した酸化剤ガス（いわゆる、オフガス）は、酸化剤ガス室Ｓ２から酸化剤ガス排出部５０へと排出される。酸化剤ガスは、燃料電池セル１０の作動に用いられる作動用ガスの一つである。酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスを用いることができる。酸化剤ガスとしては、安全かつ安価である空気が特に好ましい。酸化剤ガスには、窒素及びアルゴンなどの不活性ガスが含有されていてもよい。

空気極１３は、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する材料によって構成することができる。このような材料としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ、及びＦｅの少なくとも１種の元素を含む複合酸化物が好適である。このような複合酸化物としては、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、及びＳｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物などが挙げられる。

燃料極側集電部１４は、燃料極１２と電気的かつ機械的に接合される。燃料極側集電部１４の構成材料としては、例えば、通気性を有するＮｉフェルト等が挙げられる。燃料極側集電部１４は、燃料電池装置１が複数積層された場合、燃料極１２とインターコネクタ２０との間に挟まれる。なお、燃料電池装置１が複数積層された場合、燃料極側集電部１４は、インターコネクタ２０と一体的に形成されていてもよい。

空気極側集電部１５は、空気極１３と電気的かつ機械的に接合される。空気極側集電部１５の構成材料としては、例えば、通気性を有するＮｉフェルト等が挙げられる。空気極側集電部１５は、空気極１３とインターコネクタ２０との間に挟まれる。なお、空気極側集電部１５は、インターコネクタ２０と一体的に形成されていてもよい。

（インターコネクタ２０）
インターコネクタ２０は、空気極１３と対向して配置される。インターコネクタ２０は、燃料電池セル１０との間に酸化剤ガス室Ｓ２を形成する。インターコネクタ２０は、空気極側集電部１５を介して空気極１３と電気的に接合される。インターコネクタ２０は、燃料電池装置１が複数積層された場合、隣接する２つの燃料電池セル１０の間に挟まれる。

インターコネクタ２０は、金属によって構成することができ、ステンレスによって構成されるのが好ましい。

（セパレータ３０）
セパレータ３０は、燃料電池セル１０の周囲を取り囲むように配置される。本実施形態に係るセパレータ３０は、電解質１１の第２主面１１Ｔの外縁全周に接合され、空気極１３を取り囲むように配置される。ただし、セパレータ３０は、電解質１１の側面に接合されていてもよい。

セパレータ３０は、燃料ガス室Ｓ１と酸化剤ガス室Ｓ２とを隔てる。すなわち、セパレータ３０は、電解質１１と同様、酸化剤ガスの燃料極１２側への透過、及び、燃料ガスの空気極１３側への透過を防止する。

セパレータ３０は、金属によって構成することができ、ステンレスによって構成されるのが好ましい。

（酸化剤ガス供給部４０）
酸化剤ガス供給部４０は、本発明に係る「ガス供給部」の一例である。酸化剤ガス供給部４０は、燃料電池セル１０の側方に配置される。酸化剤ガス供給部４０は、金属材料（例えば、ステンレスなど）によって構成される。酸化剤ガス供給部４０は、酸化剤ガス供給路４１と酸化剤ガス供給口４２とを有する。

酸化剤ガス供給路４１は、燃料電池セル１０の積層方向（図１の上下方向）に沿って延びる。燃料電池装置１が複数積層された場合、酸化剤ガス供給路４１どうしが連なることによって、１本の酸化剤ガス供給経路が形成される。

酸化剤ガス供給口４２は、本発明に係る「ガス供給口」の一例である。酸化剤ガス供給口４２は、酸化剤ガス供給路４１と酸化剤ガス室Ｓ２との間に設けられる。酸化剤ガス供給口４２は、燃料電池セル１０に向かって開口する。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路４１と酸化剤ガス供給口４２とを順次通過して、酸化剤ガス室Ｓ２に供給される。酸化剤ガス供給口４２から酸化剤ガス室Ｓ２に供給された酸化剤ガスは、図１に示すように、流通方向Ｄ１に沿って酸化剤ガス室Ｓ２内を流れる。流通方向Ｄ１は、酸化剤ガス供給口４２から後述する酸化剤ガス排出口５２へと向かう方向である。流通方向Ｄ１は、酸化剤ガス供給口４２の中心と酸化剤ガス排出口５２の中心とを結ぶ直線によって規定される。酸化剤ガス供給口４２及び酸化剤ガス排出口５２の少なくとも一方が複数存在する場合、流通方向Ｄ１は、いずれか１つの酸化剤ガス供給口４２の中心といずれか１つの酸化剤ガス排出口５２の中心とを結ぶ直線によって規定される。

（酸化剤ガス排出部５０）
酸化剤ガス排出部５０は、燃料電池セル１０の側方に配置される。酸化剤ガス排出部５０は、金属材料（例えば、ステンレスなど）によって構成される。酸化剤ガス排出部５０は、酸化剤ガス排出路５１と酸化剤ガス排出口５２とを有する。

酸化剤ガス排出路５１は、燃料電池セル１０の積層方向に沿って延びる。燃料電池装置１が複数積層された場合、酸化剤ガス排出路５１どうしが連なることによって、１本の酸化剤ガス排出経路が形成される。

酸化剤ガス排出口５２は、酸化剤ガス排出路５１に連なる。酸化剤ガス排出口５２は、酸化剤ガス室Ｓ２と酸化剤ガス排出路５１との間に設けられる。酸化剤ガス排出口５２は、燃料電池セル１０に向かって開口する。

酸化剤ガス供給口４２から酸化剤ガス室Ｓ２に供給され、流通方向Ｄ１に沿って酸化剤ガス室Ｓ２内を通過した酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出口５２から酸化剤ガス排出路５１に排出される。

（酸化剤ガスの温度）
燃料電池セル１０の作動中、空気極１３に供給される酸化剤ガスに含まれる酸化剤は、酸化剤ガスの流通方向Ｄ１における上流側から下流側に流れるに従って電極反応に利用される。そのため、酸化剤ガスに含まれる酸化剤の濃度は、下流側に比べて上流側の方が高く、空気極１３の上流側部位では下流側部位よりも電極反応が活発になって発熱しやすい。その結果、空気極１３のうち上流側部位及び下流側部位の間に熱応力が発生して、燃料電池セル１０に損傷（割れや層間剥離など）が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態では、空気極１３の上流側部位に供給される酸化剤ガスの温度が、空気極１３の下流側部位に供給される酸化剤ガスの温度よりも低くされている。

具体的には、図１に示すように、酸化剤ガス室Ｓ２内において、第１位置Ｐ１における酸化剤ガスの温度Ｔ１（第１温度の一例）は、第２位置Ｐ２における酸化剤ガスの温度Ｔ２（第２温度の一例）よりも低い。第１位置Ｐ１は、燃料電池セル１０のうち酸化剤ガス供給口４２側の第１端部１０Ｓの上方に設定される。第１位置Ｐ１は、第１端部１０Ｓの直上に設定されることが好ましい。第２位置Ｐ２は、燃料電池セル１０のうち酸化剤ガス排出口５２側の第２端部１０Ｔの上方に設定される。第２位置Ｐ２は、第２端部１０Ｔの直上に設定されることが好ましい。燃料電池セル１０の積層方向（図１の上下方向）において、第１位置Ｐ１と燃料電池セル１０との間隔は、第２位置Ｐ２と燃料電池セル１０との間隔と同じであることが好ましい。

このように、温度Ｔ１を温度Ｔ２よりも低くすることによって、空気極１３のうち上流側部位及び下流側部位の温度差を低減できるため、燃料電池セル１０の損傷を抑制できる。

温度Ｔ１は、燃料電池装置１の設計や燃料電池セル１０の作動状態によって変動するため特に制限されないが、例えば４００度〜９００度に設定することができる。同様に、温度Ｔ２は、燃料電池装置１の設計や燃料電池セル１０の作動状態によって変動するため特に制限されないが、例えば４００度〜９００度に設定することができる。

なお、温度Ｔ１は、燃料電池セル１０が所定の作動温度（４００度〜９００度）で定常的に作動している場合に、第１位置Ｐ１に設置された熱電対（不図示）によって測定することができる。温度Ｔ２は、燃料電池セル１０が所定の作動温度（４００度〜９００度）で定常的に作動している場合に、第２位置Ｐ２に設置された熱電対（不図示）によって測定することができる。作動温度とは、燃料電池セル１０の温度制御のために管理される温度である。作動温度としては、燃料電池セル１０表面あるいは燃料電池セル１０付近の所定の測定箇所における温度を用いることができる。例えば、セル中央部分（具体的には、酸化剤ガスの流通方向Ｄ１における空気極１３の中央部分）の温度を作動温度として用いることができるが、測定箇所はこれに限られない。定常的に作動するとは、１時間の間の作動温度変化が±５度以内の状態で作動することを意味する。

燃料電池セル１０の作動中、温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差は、３度以上４０度以下である。温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差を３度以上とすることによって、空気極１３のうち上流側部位及び下流側部位の温度差を十分に低減でき、温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差を４０度以下とすることによって、空気極１３の上流側部位が過度に冷却されることを抑制できる。その結果、空気極１３のうち上流側部位及び下流側部位の間に発生する熱応力によって燃料電池セル１０が損傷を受けることを抑制できる。

燃料電池セル１０の作動中、温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差は、５度以上２０度以下であることが好ましい。これにより、燃料電池セル１０が損傷を受けることを更に抑制できる。

温度Ｔ１を温度Ｔ２よりも低くする方法としては、酸化剤ガス供給部４０の熱伝導率を酸化剤ガス排出部５０の熱伝導率よりも高くする方法が簡便である。この方法によれば、酸化剤ガス室Ｓ２に供給された酸化剤ガスの熱を酸化剤ガス供給部４０側に放熱しやすくなるため、上流側における酸化剤ガスの温度を低下させることができる。この方法では、酸化剤ガス供給部４０と酸化剤ガス排出部５０との熱伝導率差を適宜設定することによって、温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差を簡便に調整できる。

なお、酸化剤ガス供給部４０及び酸化剤ガス排出部５０それぞれの熱伝導率を調整する手法としては、構成材料自体の熱伝導率を調整する手法のほか、図示しない断熱材の厚み及び量を調整する手法がある。

［第１実施形態の変形例］
上記第１実施形態では、空気極１３の上流側部位に供給される酸化剤ガスの温度を、空気極１３の下流側部位に供給される酸化剤ガスの温度よりも低くすることによって燃料電池セル１０の損傷を抑制できる構成について説明した。

本変形例では、燃料極１２の上流側部位に供給される燃料ガスの温度を、燃料極１２の下流側部位に供給される燃料ガスの温度よりも低くすることによって、燃料電池セル１０の損傷を抑制できる構成について説明する。

（燃料電池装置２の構成）
本変形例に係る燃料電池装置２の構成について説明する。図２は、燃料電池装置２の構成を示す断面図である。

燃料電池装置２では、燃料電池セル１０、インターコネクタ２０、セパレータ３０、燃料ガス供給部６０、及び燃料ガス排出部７０を備える。

燃料電池セル１０、インターコネクタ２０、及びセパレータ３０の構成は、上記第１実施形態にて説明したとおりである。

（燃料ガス供給部６０）
燃料ガス供給部６０は、本発明に係る「ガス供給部」の一例である。燃料ガス供給部６０は、燃料電池セル１０の側方に配置される。燃料ガス供給部６０は、金属材料（例えば、ステンレスなど）によって構成される。燃料ガス供給部６０は、燃料ガス供給路６１と燃料ガス供給口６２とを有する。

燃料ガス供給路６１は、燃料電池セル１０の積層方向（図２の上下方向）に沿って延びる。燃料電池装置１が複数積層された場合、燃料ガス供給路６１どうしが連なることによって、１本の燃料ガス供給経路が形成される。

燃料ガス供給口６２は、本発明に係る「ガス供給口」の一例である。燃料ガス供給口６２は、燃料ガス供給路６１と酸化剤ガス室Ｓ１との間に設けられる。燃料ガス供給口６２は、燃料電池セル１０に向かって開口する。

燃料ガスは、燃料ガス供給路６１と燃料ガス供給口６２とを順次通過して、燃料ガス室Ｓ１に供給される。燃料ガス供給口６２から燃料ガス室Ｓ１に供給された燃料ガスは、図２に示すように、流通方向Ｄ２に沿って燃料ガス室Ｓ１内を流れる。流通方向Ｄ２は、燃料ガス供給口６２から後述する燃料ガス排出口７２へと向かう方向である。流通方向Ｄ２は、燃料ガス供給口６２の中心と燃料ガス排出口７２の中心とを結ぶ直線によって規定される。燃料ガス供給口６２及び燃料ガス排出口７２の少なくとも一方が複数存在する場合、流通方向Ｄ２は、いずれか１つの燃料ガス供給口６２の中心といずれか１つの燃料ガス排出口７２の中心とを結ぶ直線によって規定される。

（燃料ガス排出部７０）
燃料ガス排出部７０は、燃料電池セル１０の側方に配置される。燃料ガス排出部７０は、金属材料（例えば、ステンレスなど）によって構成される。燃料ガス排出部７０は、燃料ガス排出路７１と燃料ガス排出口７２とを有する。

燃料ガス排出路７１は、燃料電池セル１０の積層方向に沿って延びる。燃料電池装置１が複数積層された場合、燃料ガス排出路７１どうしが連なることによって、１本の燃料ガス排出経路が形成される。

燃料ガス排出口７２は、燃料ガス排出路７１に連なる。燃料ガス排出口７２は、燃料ガス室Ｓ１と燃料ガス排出路７１との間に設けられる。燃料ガス排出口７２は、燃料電池セル１０に向かって開口する。

燃料ガス供給口６２から燃料ガス室Ｓ１に供給され、流通方向Ｄ２に沿って燃料ガス室Ｓ１内を通過した燃料ガス（いわゆる、オフガス）は、燃料ガス排出口７２から燃料ガス排出路７１に排出される。

（燃料ガスの温度）
燃料電池セル１０の作動中、燃料極１２に供給される燃料ガスに含まれる燃料は、燃料ガスの流通方向Ｄ２における上流側から下流側に流れるに従って電極反応に利用される。従って、燃料ガスに含まれる燃料の濃度は、下流側に比べて上流側の方が高いため、燃料極１２の上流側部位では、燃料極１２の下流側部位よりも電極反応が活発になって発熱しやすい。その結果、燃料極１２のうち上流側部位及び下流側部位の間に熱応力が発生して、燃料電池セル１０に損傷（割れや層間剥離など）が生じるおそれがある。

そこで、本変形例では、燃料極１２の上流側部位に供給される燃料ガスの温度が、燃料極１２の下流側部位に供給される燃料ガスの温度よりも低くされている。

具体的には、図２に示すように、燃料ガス室Ｓ１内において、第３位置Ｐ３における燃料ガスの温度Ｔ３（第１温度の一例）は、第４位置Ｐ４における燃料ガスの温度Ｔ４（第２温度の一例）よりも低い。第３位置Ｐ３は、燃料電池セル１０のうち燃料ガス供給口６２側の第３端部１０Ｘの上方に設定される。第３位置Ｐ３は、第３端部１０Ｘの直上に設定されることが好ましい。第４位置Ｐ４は、燃料電池セル１０のうち燃料ガス排出口７２側の第４端部１０Ｙの上方に設定される。第４位置Ｐ４は、第４端部１０Ｙの直上に設定されることが好ましい。燃料電池セル１０の積層方向（図２の上下方向）において、第３位置Ｐ３と燃料電池セル１０との間隔は、第４位置Ｐ４と燃料電池セル１０との間隔と同じであることが好ましい。

このように、温度Ｔ３を温度Ｔ４よりも低くすることによって、燃料極１２のうち上流側部位及び下流側部位の温度差を低減できるため、燃料電池セル１０の損傷を抑制できる。

温度Ｔ３は、燃料電池装置１の設計や燃料電池セル１０の作動状態によって変動するため特に制限されないが、例えば４００度〜９００度に設定することができる。同様に、温度Ｔ４は、燃料電池装置１の設計や燃料電池セル１０の作動状態によって変動するため特に制限されないが、例えば４００度〜９００度に設定することができる。

なお、温度Ｔ３は、燃料電池セル１０が所定の作動温度（４００度〜９００度）で定常的に作動している場合に、第３位置Ｐ３に設置された熱電対（不図示）によって測定することができる。温度Ｔ４は、燃料電池セル１０が所定の作動温度（４００度〜９００度）で定常的に作動している場合に、第４位置Ｐ４に設置された熱電対（不図示）によって測定することができる。作動温度とは、燃料電池セル１０の温度制御のために管理される温度である。作動温度としては、燃料電池セル１０表面あるいは燃料電池セル１０付近の所定の測定箇所における温度を用いることができる。例えば、セル中央部分（具体的には、燃料ガスの流通方向Ｄ２における燃料極１２の中央部分）の温度を作動温度として用いることができるが、測定箇所はこれに限られない。定常的に作動するとは、１時間の間の作動温度変化が±５度以内の状態で作動することを意味する。

燃料電池セル１０の作動中、温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差は、３度以上４０度以下である。温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差を３度以上とすることによって、燃料極１２のうち上流側部位及び下流側部位の温度差を十分に低減でき、温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差を４０度以下とすることによって、燃料極１２の上流側部位が過度に冷却されることを抑制できる。その結果、燃料極１２のうち上流側部位及び下流側部位の間に発生する熱応力によって燃料電池セル１０が損傷を受けることを抑制できる。

燃料電池セル１０の作動中、温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差は、５度以上２０度以下であることが好ましい。これにより、燃料電池セル１０が損傷を受けることを更に抑制できる。

温度Ｔ３を温度Ｔ４よりも低くする方法としては、燃料ガス供給部６０の熱伝導率を燃料ガス排出部７０の熱伝導率よりも高くする方法が簡便である。この方法によれば、燃料ガス室Ｓ１に供給された燃料ガスの熱を燃料ガス供給部６０側に放熱しやすくなるため、上流側における燃料ガスの温度を低下させることができる。この方法では、燃料ガス供給部６０と燃料ガス排出部７０との熱伝導率差を適宜設定することによって、温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差を簡便に調整できる。

なお、燃料ガス供給部６０及び燃料ガス排出部７０それぞれの熱伝導率を調整する手法としては、構成材料自体の熱伝導率を調整する手法のほか、図示しない断熱材の厚み及び量を調整する手法がある。

［第２実施形態］
（燃料電池装置３の構成）
第２実施形態に係る燃料電池装置３の構成について説明する。図３は、燃料電池装置３の構成を示す断面図である。

図３に示すように、燃料電池装置３は、マニホールド１００と、燃料電池セル１０１とを備える。

（マニホールド１００）
マニホールド１００は、燃料電池セル１０１に燃料ガスを供給するように構成されている。また、マニホールド１００は、燃料電池セル１０１から排出された燃料ガスを回収するように構成されている。

マニホールド１００は、仕切板１００ａによって隔離されたガス供給室Ｓ３とガス回収室Ｓ４とを有する。ガス供給室Ｓ３には、燃料ガスが供給される。ガス回収室Ｓ４は、燃料電池セル１０１にて使用された燃料ガスを回収する。燃料ガスは、燃料電池セル１０１の作動（発電）に用いられる作動用ガスの一つである。

マニホールド１００の上板には、貫通孔１００ｂが形成されている。貫通孔１００ｂには、燃料電池セル１０１の基端部が挿入される。

（燃料電池セル１０１）
図３に示すように、燃料電池セル１０１は、マニホールド１００から上方に延びる。燃料電池セル１０１の基端部は、マニホールド１００の貫通孔１００ｂに挿入されており、接合材などによって固定されている。

燃料電池セル１０１は、支持基板１０２及び連通部材１０３を有する。

支持基板１０２は、マニホールド１００から上方に延びる。支持基板１０２は、扁平状に形成される。支持基板１０２は、複数の第１ガス流路１０２ａと、複数の第２ガス流路１０２ｂとを有する。

各第１ガス流路１０２ａは、支持基板１０２内を長さ方向（ｘ軸方向）に延びる。各第１ガス流路１０２ａは、支持基板１０２を貫通する。各第１ガス流路１０２ａは、支持基板１０２の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置される。第１ガス流路１０２ａの本数は、適宜変更可能である。各第１ガス流路１０２ａは、ガス供給室Ｓ３に連なる燃料ガス供給口１０２ｃを有する。

各第２ガス流路１０２ｂは、支持基板１０２内を長さ方向に延びている。第２ガス流路１０２ｂは、支持基板１０２を貫通する。各第２ガス流路１０２ｂは、支持基板１０２の幅方向において互いに間隔をあけて配置される。第２ガス流路１０２ｂの本数は、適宜変更可能である。各第２ガス流路１０２ｂは、ガス回収室Ｓ４に連なる燃料ガス排出口１０２ｄを有する。

各第１ガス流路１０２ａと各第２ガス流路１０２ｂとは、燃料電池セル１０１の先端部側において、連通部材１０３の連通流路１０３ａを介して、互いに連通している。第１ガス流路１０２ａ、第２ガス流路１０２ｂ及び連通流路１０３ａは、本発明に係る「ガス流路」を構成する。連通部材１０３の表面は、緻密層１０４によって覆われている。この緻密層１０４は、例えば、結晶化ガラス等によって形成することができる。

ここで、図４は、燃料電池セル１０１の斜視図である。図５は、燃料電池セル１０１の断面図である。

支持基板１０２は、複数の発電素子部５を支持する。支持基板１０２は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板１０２は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成される。または、支持基板１０２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板１０２の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法、又は微構造観察により測定される。

支持基板１０２は、緻密層１０５によって覆われている。緻密層１０５は、第１ガス流路１０２ａ及び第２ガス流路１０２ｂから支持基板１０２内に拡散された燃料ガスが外部に漏出することを抑制する。本実施形態において、緻密層１０５は、後述する電解質７と、インターコネクタ９１とによって構成されている。緻密層１０５は、支持基板１０２よりも緻密である。例えば、緻密層１０５の気孔率は、０〜７％程度である。

各発電素子部５は、支持基板１０２の幅方向に延びる。図５に示すように、各発電素子部５は、燃料極６、電解質７、及び空気極８を有する。また、発電素子部５は、反応防止膜７ａをさらに有している。

燃料極６は、本発明に係る「内側電極」の一例である。燃料極６は、アノードとして機能する。燃料極６には、ガス流路（第１ガス流路１０２ａ、第２ガス流路１０２ｂ及び連通流路１０３ａ）を流れる燃料ガスと接触する。燃料極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極６は、燃料極集電部６１と燃料極活性部６２とを有する。

燃料極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板１０２に形成されている。各燃料極集電部６１は、第１凹部６１１及び第２凹部６１２を有している。燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に配置されている。

燃料極集電部６１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部６１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部６２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部６２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部６２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質７は、燃料極６上を覆うように配置される。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９１から他のインターコネクタ９１まで長さ方向に延びている。従って、支持基板１０２の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質７とインターコネクタ９１とが交互に配置されている。電解質７は、支持基板１０２の第１主面４５及び第２主面４６を覆う。

電解質７は、支持基板１０２よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０〜７％程度である。電解質７は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質７は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜７ａは、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜７ａは、平面視において、燃料極活性部６２と略同一の形状である。反応防止膜７ａは、電解質７を介して、燃料極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜７ａは、電解質７内のＹＳＺと空気極８内のＳｒとが反応して電解質７と空気極８との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜７ａは、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜７ａの厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極８は、本発明に係る「外側電極」の一例である。空気極８は、カソードとして機能する。空気極８は、燃料電池装置３の外部から供給される酸化剤ガスと接触する。空気極８は、反応防止膜７ａ上に配置されている。空気極８は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極８は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極８は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極８の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部９は、隣り合う発電素子部５を電気的に接続する。電気的接続部９は、インターコネクタ９１及び空気極集電膜９２を有する。インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に配置されている。インターコネクタ９１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ９１は、支持基板１０２よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９１の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ９１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜９２は、隣り合う発電素子部５のインターコネクタ９１と空気極８との間を延びるように配置される。空気極集電膜９２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極集電膜９２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜９２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

（燃料ガスの温度）
燃料電池セル１０１の作動中、燃料極６に供給される燃料ガスに含まれる燃料は、ガス流路（第１ガス流路１０２ａ、第２ガス流路１０２ｂ及び連通流路１０３ａ）の燃料ガス供給口１０２ｃから燃料ガス排出口１０２ｄに流れるに従って電極反応に利用される。従って、燃料ガスに含まれる燃料の濃度は、下流側に比べて上流側の方が高いため、燃料極６のうち上流側部位（燃料ガス供給口１０２ｃ付近の部位）では、燃料極６のうち下流側部位（燃料ガス排出口１０２ｄ付近の部位）よりも電極反応が活発になって発熱しやすい。その結果、燃料極６の上流側部位及び下流側部位の間に熱応力が発生して、燃料電池セル１０１に損傷（割れや層間剥離など）が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態では、燃料極６のうち上流側部位に供給される燃料ガスの温度が、燃料極６のうち下流側部位に供給される燃料ガスの温度よりも低くされている。

具体的には、図３に示すように、燃料ガス供給口１０２ｃの中心に設定された第５位置Ｐ５における燃料ガスの温度Ｔ５（第３温度の一例）は、燃料ガス排出口１０２ｄの中心に設定された第６位置Ｐ６における燃料ガスの温度Ｔ６（第４温度の一例）よりも低い。

このように、温度Ｔ５を温度Ｔ６よりも低くすることによって、燃料極６のうち上流側部位及び下流側部位の温度差を低減できるため、燃料電池セル１０１の損傷を抑制できる。

温度Ｔ５は、燃料電池装置３の設計や燃料電池セル１０１の作動状態によって変動するため特に制限されないが、例えば４００度〜９００度に設定することができる。同様に、温度Ｔ６は、燃料電池装置３の設計や燃料電池セル１０１の作動状態によって変動するため特に制限されないが、例えば４００度〜９００度に設定することができる。

なお、温度Ｔ５は、燃料電池セル１０１が所定の作動温度（４００度〜９００度）で定常的に作動している場合に、第５位置Ｐ５に設置された熱電対（不図示）によって測定することができる。本実施形態のように、複数のガス流路が存在する場合には、いずれの燃料ガス供給口１０２ｃにおいて温度Ｔ５を測定してもよい。温度Ｔ６は、燃料電池セル１０１が所定の作動温度（４００度〜９００度）で定常的に作動している場合に、第６位置Ｐ６に設置された熱電対（不図示）によって測定することができる。本実施形態のように、複数のガス流路が存在する場合には、いずれの燃料ガス排出口１０２ｄにおいて温度Ｔ６を測定してもよい。作動温度とは、燃料電池セル１０１の温度制御のために管理される温度である。作動温度としては、燃料電池セル１０１表面あるいは燃料電池セル１０１付近の所定の測定箇所における温度を用いることができる。例えば、セル先端部の端面の温度を作動温度として用いることができるが、測定箇所はこれに限られない。定常的に作動するとは、１時間の間の作動温度変化が±５度以内の状態で作動することを意味する。

燃料電池セル１０１の作動中、温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差は、１度以上２０度以下である。温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差を１度以上とすることによって、燃料極６のうち上流側部位及び下流側部位の温度差を十分に低減でき、温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差を２０度以下とすることによって、燃料極６の上流側部位が過度に冷却されることを抑制できる。その結果、燃料極６のうち上流側部位及び下流側部位の間に発生する熱応力によって燃料電池セル１０１が損傷を受けることを抑制できる。

燃料電池セル１０の作動中、温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差は、３度以上１５度以下であることが好ましい。これにより、燃料電池セル１０１が損傷を受けることを更に抑制できる。

温度Ｔ５を温度Ｔ６よりも低くする方法としては、例えば、支持基板１０２のうち燃料ガス供給口１０２ｃ周辺の温度を、支持基板１０２のうち燃料ガス排出口１０２ｄ周辺の温度よりも低くする方法が挙げられる。このような温度差を支持基板１０２に設けるには、例えば、支持基板１０２のうち燃料ガス供給口１０２ｃ周辺の外表面（図３では、セル基端部左側の外表面）を流れる酸化剤ガスの流量を、支持基板１０２のうち燃料ガス排出口１０２ｄ周辺の外表面（図３では、セル基端部右側の外表面）を流れる酸化剤ガスの流量よりも多くすればよい。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

（Ａ）上記第２実施形態において、燃料電池装置３が備える燃料電池セル１０１は、複数の発電素子部５が支持基板１０２の長さ方向に配列された、いわゆる横縞型の燃料電池セルであることとしたが、燃料電池セル１０１の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１０１は、支持基板１０２の第１主面４５に１つの発電素子部５が支持され、かつ、支持基板１０２の第２主面４６に１つのインターコネクタが支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。

（Ｂ）上記第２実施形態において、燃料電池装置３が備える燃料電池セル１０１は、「内側電極」としての燃料極６と、「外側電極」としての空気極８とを備えることとしたが、燃料電池セル１０１の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１０１は、「外側電極」としての燃料極６と、「内側電極」としての空気極８とを備えていてもよい。この場合、燃料極６と空気極８とが逆に配置されるとともに、ガス流路（第１ガス流路１０２ａ、第２ガス流路１０２ｂ及び連通流路１０３ａ）には酸化剤ガスが流される。

（Ｃ）上記第２実施形態において、第１ガス流路１０２ａと第２ガス流路１０２ｂは、連通部材１０３が有する連通流路１０３ａによって連通されることとしたが、この構成に限定されない。例えば、第１ガス流路１０２ａと第２ガス流路１０２ｂとに連通する連通流路１０３ａは、支持基板１０２の内部に形成されていてもよい。

（Ｄ）上記第１及び第２実施形態では、電気化学セルを備える電気化学装置の一例として、燃料電池セルを備える燃料電池装置について説明したが、これに限られない。電気化学装置には、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルを電気化学セルとして備えるものが含まれる。

以下において、本発明に係る燃料電池装置及び燃料電池セルの実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。

（サンプルＮｏ．１〜１２の作製）
以下のようにして、上記第１実施形態に係る平板型の燃料電池装置１（図１参照）の構成を有するサンプルＮｏ．１〜１２を作製した。

まず、８ＹＳＺによって構成される電解質１１と、ＮｉＯ−８ＹＳＺによって構成される燃料極１２と、ＬＳＣＦによって構成される空気極１３とを備える燃料電池セル１０を形成した。

そして、Ｎｉフェルトによって構成される燃料極側集電部１４を燃料電池セル１０の燃料極１２に電気的に接合するとともに、Ｎｉフェルトによって構成される空気極側集電部１５を燃料電池セル１０の空気極１３とステンレスによって構成されるインターコネクタ２０とに電気的に接合した。

そして、酸化剤ガス供給部４０、酸化剤ガス排出部５０、燃料ガス供給部６０及び燃料ガス排出部７０を燃料電池セル１０に組み付けた。

この際、サンプルＮｏ．１〜５、７〜１１では、酸化剤ガス供給部４０の熱伝導率を酸化剤ガス排出部５０の熱伝導率よりも高くすることによって、第１位置Ｐ１における空気の温度Ｔ１が第２位置Ｐ２における空気の温度Ｔ２よりも低くなるようにした。また、酸化剤ガス供給部４０と酸化剤ガス排出部５０との熱伝導率差を調整することによって、表１に示すように、温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差を調整した。

一方、サンプルＮｏ．６、１２では、酸化剤ガス供給部４０の熱伝導率を酸化剤ガス排出部５０の熱伝導率と同じにした。

なお、サンプルＮｏ．１〜１２では、燃料ガス供給部６０の熱伝導率を燃料ガス排出部７０の熱伝導率と同じにした。

次に、サンプルＮｏ．１〜６においてＴ１及びＴ２の温度差を制御した試験を実施した。具体的には、燃料ガス室Ｓ１に水素ガスを供給し、かつ、酸化剤ガス室Ｓ２に空気を供給しながら燃料電池セル１０を７６５度まで昇温した後、１時間経過後に酸化剤ガスの温度Ｔ１及び温度Ｔ２を測定した。温度Ｔ１と、温度Ｔ２と、温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差とは、表１に示すとおりであった。

また、サンプルＮｏ．７〜１２では、サンプルＮｏ．７〜１２よりも低温側での試験を実施した。具体的には、燃料ガス室Ｓ１に水素ガスを供給し、かつ、酸化剤ガス室Ｓ２に空気を供給しながら５８０度まで昇温した後、１時間経過後に酸化剤ガスの温度Ｔ１及び温度Ｔ２を測定した。温度Ｔ１と、温度Ｔ２と、温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差とは、表１に示すとおりであった。

なお、サンプルＮｏ．１〜１２では、燃料電池セル１０のうちセル中央部分（具体的には、空気の流通方向Ｄ１における空気極１３の中央部分）の温度を測定することによって燃料電池セル１０の作動温度を取得した。また、サンプルＮｏ．１〜５、７〜１１では、空気極１３のうち上流側部位及び下流側部位の温度差は、２０度以下であった。一方、サンプルＮｏ．６，１２では、空気極１３のうち上流側部位及び下流側部位の温度差は、２３度以上であった。空気極１３の上流側部位の温度とは、空気極１３の上流側端面の温度である。空気極１３の下流側部位の温度とは、空気極１３の下流側端面の温度である。

（サンプルＮｏ．１３〜２４の作製）
以下のようにして、上記第１実施形態の変形例に係る平板型の燃料電池装置２（図２参照）の構成を有するサンプルＮｏ．１３〜２４を作製した。

まず、８ＹＳＺによって構成される電解質１１と、ＮｉＯ−８ＹＳＺによって構成される燃料極１２と、ＬＳＣＦによって構成される空気極１３とを備える燃料電池セル１０を形成した。

そして、Ｎｉフェルトによって構成される燃料極側集電部１４を燃料電池セル１０の燃料極１２に電気的に接合するとともに、Ｎｉフェルトによって構成される空気極側集電部１５を燃料電池セル１０の空気極１３とステンレスによって構成されるインターコネクタ２０とに電気的に接合した。

そして、酸化剤ガス供給部４０、酸化剤ガス排出部５０、燃料ガス供給部６０及び燃料ガス排出部７０を燃料電池セル１０に組み付けた。

この際、サンプルＮｏ．１３〜１７、１９〜２３では、燃料ガス供給部６０の熱伝導率を燃料ガス排出部７０の熱伝導率よりも高くすることによって、第３位置Ｐ３における水素ガスの温度Ｔ３が第４位置Ｐ４における水素ガスの温度Ｔ４よりも低くなるようにした。また、燃料ガス供給部６０と燃料ガス排出部７０との熱伝導率差を調整することによって、表１に示すように、温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差を調整した。

一方、サンプルＮｏ．１８、２４では、燃料ガス供給部６０の熱伝導率を燃料ガス排出部７０の熱伝導率と同じにした。

なお、サンプルＮｏ．１３〜２４では、酸化剤ガス供給部４０の熱伝導率を酸化剤ガス排出部５０の熱伝導率と同じにした。

次に、サンプルＮｏ．１３〜１８においてＴ３及びＴ４の温度差を制御した試験を実施した。具体的には、燃料ガス室Ｓ１に水素ガスを供給し、かつ、酸化剤ガス室Ｓ２に空気を供給しながら燃料電池セル１０を７６５度まで昇温した後、１時間経過後に酸化剤ガスの温度Ｔ３及び温度Ｔ４を測定した。温度Ｔ３と、温度Ｔ４と、温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差とは、表１に示すとおりであった。

また、サンプルＮｏ．１９〜２４では、サンプルＮｏ．１３〜１８よりも低温側での試験を実施した。具体的には、燃料ガス室Ｓ１に水素ガスを供給し、かつ、酸化剤ガス室Ｓ２に空気を供給しながら燃料電池セル１０を５８０度まで昇温した後、１時間経過後に酸化剤ガスの温度Ｔ３及び温度Ｔ４を測定した。温度Ｔ３と、温度Ｔ４と、温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差とは、表１に示すとおりであった。

なお、サンプルＮｏ．１３〜２４では、燃料電池セル１０のうちセル中央部分（具体的には、水素ガスの流通方向Ｄ２における燃料極１２の中央部分）の温度を測定することによって燃料電池セル１０の作動温度を取得した。また、サンプルＮｏ．１３〜１７、１９〜２３では、燃料極１２のうち上流側部位及び下流側部位の温度差は、２０度以下であった。一方、サンプルＮｏ．１８，２４では、燃料極１２のうち上流側部位及び下流側部位の温度差は、２３度以上であった。燃料極１２の上流側部位の温度とは、燃料極１２の上流側端面の温度である。燃料極１２の下流側部位の温度とは、燃料極１２の下流側端面の温度である。

（サンプルＮｏ．２５〜３６の作製）
以下のようにして、上記第２実施形態に係る片持ち式横縞型の燃料電池装置３（図３参照）の構成を有するサンプルＮｏ．２５〜３６を作製した。

まず、ＮｉＯ−Ｙ_２Ｏ_３によって構成される支持基板１０２と、ＮｉＯ−８ＹＳＺによって構成される燃料極６と、８ＹＳＺによって構成される電解質７と、ＧＤＣによって構成される反応防止膜７ａと、ＬＳＣＦによって構成される空気極８とを備える燃料電池セル１０１を形成した。なお、支持基板１０２には、ガス流路（第１ガス流路１０２ａ、第２ガス流路１０２ｂ及び連通流路１０３ａ）を６本形成した。

次に、マニホールド１００に燃料電池セル１０１を固定した。

そして、サンプルＮｏ．２５〜３０においてＴ５及びＴ６の温度差を制御した試験を実施した。具体的には、マニホールド１００のガス供給室Ｓ３に水素ガスを供給し、かつ、燃料電池セル１０１の周囲に空気を供給しながら７５０度で燃料電池セル１０を定常的に作動させた。

この際、サンプルＮｏ．２５〜２９では、燃料電池セル１０１のうち燃料ガス供給口１０２ｃ周辺における空気流量を、燃料電池セル１０１のうち燃料ガス排出口１０２ｄ周辺における空気流量よりも多くすることによって、第５位置Ｐ５における水素ガスの温度Ｔ５が第６位置Ｐ６における水素ガスの温度Ｔ６よりも低くなるようにした。また、燃料ガス供給口１０２ｃ周辺及び燃料ガス排出口１０２ｄ周辺の空気流量差を調整することによって、表１に示すように、温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差を調整した。

一方、サンプルＮｏ．３０では、燃料電池セル１０１周辺の空気流量を一様にした。

そして、燃料電池セル１０１が７５０度まで昇温した後、１時間経過後に水素ガスの温度Ｔ５及び温度Ｔ６を測定した。温度Ｔ５と、温度Ｔ６と、温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差とは、表１に示すとおりであった。

また、サンプルＮｏ．３１〜３６においてサンプルＮｏ．２５〜３０よりも低温側での試験を実施した。具体的には、マニホールド１００のガス供給室Ｓ３に水素ガスを供給し、かつ、燃料電池セル１０１の周囲に空気を供給しながら５８８度まで昇温させた後、燃料電池セル１０１を定常的に作動させた。

この際、サンプルＮｏ．３１〜３５では、燃料電池セル１０１のうち燃料ガス供給口１０２ｃ周辺における空気流量を、燃料電池セル１０１のうち燃料ガス排出口１０２ｄ周辺における空気流量よりも多くすることによって、第５位置Ｐ５における水素ガスの温度Ｔ５が第６位置Ｐ６における水素ガスの温度Ｔ６よりも低くなるようにした。また、燃料ガス供給口１０２ｃ周辺及び燃料ガス排出口１０２ｄ周辺の空気流量差を調整することによって、表１に示すように、温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差を調整した。

一方、サンプルＮｏ．３６では、燃料電池セル１０１周辺の空気流量を一様にした。

そして、燃料電池セル１０１が５８８度まで昇温した後、１時間経過後に水素ガスの温度Ｔ５及び温度Ｔ６を測定した。温度Ｔ５と、温度Ｔ６と、温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差とは、表１に示すとおりであった。

なお、サンプルＮｏ．２５〜３６では、燃料電池セル１０１のうちセル先端部の端面の温度を測定することによって燃料電池セル１０１の作動温度を取得した。また、サンプルＮｏ．２５〜２９，３１〜３５では、燃料電池セル１０１のうち上流側部位及び下流側部位の温度差は、１０度以下であった。一方、サンプルＮｏ．３０，３６では、燃料電池セル１０１のうち上流側部位及び下流側部位の温度差は、１１度以上であった。燃料電池セル１０１の上流側部位の温度とは、燃料電池セル１０１のうち燃料ガス供給口１０２ｃ周辺におけるセル外表面の温度である。燃料電池セル１０１の下流側部位の温度とは、燃料電池セル１０１のうち燃料ガス排出口１０２ｄ周辺におけるセル外表面の温度である。

（燃料電池セルの損傷確認）
サンプルＮｏ．１〜３６を定常的に１０時間作動させた後、各サンプルを室温まで降温し、ガスリーク有無とセル損傷有無とに基づいてクラック評価を行った。その結果を下表１に記載する。

ガスリーク量については、空気極１２から燃料極１３へリークするガスの流量を測定した。詳細には、燃料電池装置１の酸化剤ガス排出部５０の出口側及び燃料ガス供給部６０の入口側を封止した上で、酸化剤ガス供給部４０からアルゴンガスを供給し、酸化剤ガス側の内圧を１０ｋＰａとして燃料ガス排出部７０の出口端部に設けた流量計によりガスリーク量を測定した。なお、測定下限界が０．１（ｃｃ／ｍｉｎ）であるので、ガスリーク量が０．１（ｃｃ／ｍｉｎ）未満であればガスリーク無しと判定し、ガスリーク量が０．１（ｃｃ／ｍｉｎ）以上であればガスリーク有りと判定した。

また、損傷の有無については、セル表面を観察することで確認した。具体的には、燃料電池セルの表面をマイクロスコープで観察し、セルの電極および電解質におけるクラックの有無を確認した。

表１では、クラックがあり、ガスリークのあったサンプルを×と評価し、微小なクラックはあったがガスリークはなかったサンプルを○と評価し、クラック及びガスリークともになかったサンプルを◎と評価した。

表１に示すように、平板型燃料電池装置に係るサンプルＮｏ．１〜１２のうち、温度Ｔ１を温度Ｔ２よりも低くし、かつ、温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差を３度以上４０度以下としたサンプルＮｏ．１〜４，７〜１０では、燃料電池セル１０にクラックが発生することを抑制できた。

このような結果が得られたのは、温度Ｔ１を温度Ｔ２よりも３度以上低くすることによって、空気極１３のうち上流側部位及び下流側部位の温度差を低減させるとともに、温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差を４０度以下とすることによって、空気極１３の上流側部位が過度に冷却されることを抑制できたためである。

さらに、表１に示すように、サンプルＮｏ．１〜４，７〜１０のうち温度Ｔ１及び温度Ｔ２の温度差を５度以上２０度以下としたサンプルＮｏ．２，３，８，９では、燃料電池セル１０にクラックが発生することをより抑制できた。

また、表１に示すように、平板型燃料電池装置に係るサンプルＮｏ．１３〜２４のうち、温度Ｔ３を温度Ｔ４よりも低くし、かつ、温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差を３度以上４０度以下としたサンプルＮｏ．１３〜１６，１９〜２２では、燃料電池セル１０にクラックが発生することを抑制できた。

このような結果が得られたのは、温度Ｔ３を温度Ｔ４よりも３度以上低くすることによって、燃料極１２のうち上流側部位及び下流側部位の温度差を低減させるとともに、温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差を４０度以下とすることによって、燃料極１２の上流側部位が過度に冷却されることを抑制できたためである。

さらに、表１に示すように、サンプルＮｏ．１３〜１６，１９〜２２のうち温度Ｔ３及び温度Ｔ４の温度差を５度以上２０度以下としたサンプルＮｏ．１４，１５，２０，２１では、燃料電池セル１０にクラックが発生することをより抑制できた。

また、表１に示すように、片持ち式横縞型の燃料電池装置に係るサンプルＮｏ．２５〜３６のうち、温度Ｔ５を温度Ｔ６よりも低くし、かつ、温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差を１度以上２０度以下としたサンプルＮｏ．２５〜２８，３１〜３４では、燃料電池セル１０１にクラックが発生することを抑制できた。

このような結果が得られたのは、温度Ｔ５を温度Ｔ６よりも１度以上低くすることによって、燃料極６のうち上流側部位及び下流側部位の温度差を低減させるとともに、温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差を２０度以下とすることによって、燃料極６の上流側部位が過度に冷却されることを抑制できたためである。

さらに、表１に示すように、サンプルＮｏ．２５〜２８，３１〜３４のうち温度Ｔ５及び温度Ｔ６の温度差を３度以上１５度以下としたサンプルＮｏ．２６，２７，３２，３３では、燃料電池セル１０１にクラックが発生することをより抑制できた。

１ 燃料電池装置
１０ 燃料電池セル
１０Ｓ 第１端部
１０Ｔ 第２端部
１１ 電解質
１２ 燃料極
１３ 空気極
２０ インターコネクタ
Ｓ１ 燃料ガス室
Ｓ２ 酸化剤ガス
３０ セパレータ
４０ 酸化剤ガス供給部
４２ 酸化剤ガス供給口
５０ 酸化剤ガス排出部
５２ 酸化剤ガス排出口
２ 燃料電池装置
６０ 燃料ガス供給部
６２ 燃料ガス供給口
７０ 燃料ガス排出部
７２ 燃料ガス排出口
３ 燃料電池装置
１０１ 燃料電池セル
１０２ 支持基板
１０２ａ 第１ガス流路
１０２ｂ 第２ガス流路
１０２ｃ 燃料ガス供給口
１０２ｄ 燃料ガス排出口
１０３ａ 連通流路

Claims (4)

1. 第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質とを有するセラミックス製燃料電池セルと、
   前記第１電極と対向して配置され、前記セラミックス製燃料電池セルとの間にガス室を形成するインターコネクタと、
   前記ガス室に作動用ガスを供給するためのガス供給口を有するガス供給部と、
   前記ガス室から前記作動用ガスを排出するためのガス排出口を有するガス排出部と、
   を備え、
   前記ガス室内において、前記セラミックス製燃料電池セルのうち前記ガス供給口側の第１端部の上方における前記作動用ガスの第１温度は、前記セラミックス製燃料電池セルのうち前記ガス排出口側の第２端部の上方における前記作動用ガスの第２温度よりも低く、
   前記第１温度及び前記第２温度の温度差は、３度以上４０度以下である、
   セラミックス製燃料電池装置。
2. 前記第１温度及び前記第２温度の温度差は、５度以上２０度以下である、
   請求項１に記載のセラミックス製燃料電池装置。
3. 内側電極と、
   外側電極と、
   前記内側電極と前記外側電極との間に配置される電解質と、
   前記内側電極に供給される作動用ガスを流通させるガス流路と、
   を備え、
   前記ガス流路のガス供給口における前記作動用ガスの第３温度は、前記ガス流路のガス排出口における前記作動用ガスの第４温度よりも低く、
   前記第３温度及び前記第４温度の温度差は、１度以上２０度以下である、
   セラミックス製燃料電池セル。
4. 前記第３温度及び前記第４温度の温度差は、３度以上１５度以下である、
   請求項３に記載のセラミックス製燃料電池セル。

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