JP7378324B2

JP7378324B2 - 燃料電池セル構造

Info

Publication number: JP7378324B2
Application number: JP2020046143A
Authority: JP
Inventors: 雅也佐々木
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2023-11-13
Anticipated expiration: 2040-03-17
Also published as: JP2021150053A

Description

本発明は、燃料電池セル構造に関する。

燃料電池セル構造に関連する従来の技術として、特許文献１は、アノードとカソードとの間に固体電解質を配置し、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに空気を供給することで発電する燃料電池のセルが記載されている。

この特許文献１では、アノードにおいて直線的に燃料ガスを流し、カソードでは、アノードにおいて直線的に流れる燃料ガスに対して横切る方向に空気を流すように空気の流動方向が設定されている。更に、このカソードでは２つのガス入口から空気を供給するように構成されている。

特許文献２は、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路とが、セルの積層方向視で交差するクロスフロー型の燃料電池が記載されている。この燃料電池では、酸化剤ガスの流出口の図心が、燃料ガス流入口の図心に近い位置に配置されている。

特許文献３は、円形あるいは多角形のセルを用いたスタックを有し、スタックがセル中央近くにガスを排出するためのガス吐出孔を形成した燃料電池が記載されている。

この特許文献３では、空気極集電体に隣接するスタックのガス吐出口から空気（酸化剤ガス）を送り出し、燃料極集電体に隣接するスタックのガス吐出口から燃料ガスを送り出すように構成されている。

特開２００２－１４１０８１号公報特開２０１６－１９４９９５号公報特開２００９－２４５６２６号公報

燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池では、発電時に発熱し、セルにおける温度分布に偏りを招くこともあった。この課題を解決するため、特許文献１では、燃料ガスの流れと、酸化剤ガスの流れの方向の設定により温度分布の偏りの改善を図っている。しかしながら、この特許文献１の構成でも温度分布の偏りは充分に解消されないものである。

また、特許文献２では、セルの積層方向で燃料ガスと酸化剤ガスとが交差する位置をセルの中央から外れる位置に設定することで温度分布の偏り改善を図っている。しかしながら、この特許文献２の構成でも温度分布の偏りは充分に解消されず、熱応力の対策に改善の余地を残すものであった。

更に、特許文献３では発電セルと、セパレータ等とを円形にすることで燃料電池の全体形状を円柱状にすると共に、セパレータの中心から外れた位置の温度上昇を抑制するものである。この特許文献３の構成では温度分布の偏りを改善するものであるが、燃料電池全体が円柱状となりコンパクト性が損なわれるものであった。また、この特許文献３の構成は、セル中央までの流路が必要になるため、セパレータの厚さが大きくなると考えられ、コンパクト性が損なわれる設計となりうるものである。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料電池セルの発電部の積層方向に沿う方向視における温度分布の均一化が可能で、コンパクト性も維持できる燃料電池セル構造を得る点にある。

本発明に係る燃料電池セル構造の特徴構成は、電解質層と、この電解質層を挟む位置に、燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとを積層した発電部を有するセルを備え、前記セルが、燃料ガスをアノードガス供給口から前記アノードに供給し、この後にアノードオフガス排出口から排出し、酸化剤ガスをカソードガス供給口から前記カソードに供給し、この後にカソードオフガス排出口から排出する流路構造を有している燃料電池セル構造であって、
前記セルが矩形の板状であり、前記発電部の積層方向に沿う方向視において、前記セルの外周を取り囲む領域に４つの外縁辺部を配置し、４つの前記外縁辺部の内側には、前記アノードに接するアノード側空間と、前記カソードに接するカソード側空間とが形成され、
前記積層方向に沿う方向視において、前記アノードガス供給口が、前記アノード側空間に連通する状態で、前記アノード側空間を形成する４つの前記外縁辺部のうち、対向する位置関係にある２つの前記外縁辺部の夫々に形成され、前記アノードオフガス排出口が、前記アノード側空間に連通する状態で、対向する位置関係にある他の２つの前記外縁辺部の夫々に形成され、
前記積層方向に沿う方向視において、前記カソードガス供給口が、前記カソード側空間に連通する状態で、前記カソード側空間を形成する４つの前記外縁辺部のうち、対向する位置関係にある２つの前記外縁辺部の夫々に形成され、前記カソードオフガス排出口が、前記カソード側空間に連通する状態で、対向する位置関係にある他の２つの前記外縁辺部の夫々に形成され、
前記積層方向に沿う方向視において、前記アノードガス供給口と前記カソードガス供給口とが重なり合う位置に配置され、
前記積層方向に沿う方向視において、前記アノードオフガス排出口と前記カソードオフガス排出口とが重なり合う位置に配置されている点にある。

この特徴構成によると、セルのうち、燃料ガスが供給されるアノードについては、外周を取り囲む４つの外縁辺部のうち、対向する位置関係の２つの外縁辺部に形成されたアノードガス供給口からアノード側空間に燃料ガスを供給し、外周を取り囲む４つの外縁辺部のうち、他の２つの外縁辺部に形成されたアノードオフガス排出口からアノード側空間のアノードオフガスを排出できる。また、セルのうち、酸化剤ガスが供給されるカソードについては、外周を取り囲む４つの外縁辺部のうち、対向する位置関係の２つの外縁辺部に形成されたカソードガス供給口からカソード側空間に酸化剤ガスを供給し、他の２つの外縁辺部に形成されたカソードオフガス排出口からカソード側空間のカソードオフガスを排出できる。

つまり、この構成では、アノードと、カソードとの何れにおいても対向する位置関係にある２つの外縁辺部から互いに向かい合う方向にガスが供給され、この供給方向と直交する方向にオフガスを排出することが可能となる。発電部では、反応領域は燃料濃度に依存するため、反応分布の緩和のためには濃度が高くなるアノードガス供給口同士をできるだけ離間して配置することが望ましく、本構成によると、アノードガス供給口同士を充分に離間させる配置を実現している。
従って、発電部の積層方向に沿う方向視におけるセルの温度分布の均一化が可能で、コンパクト性も維持できる燃料電池セル構造が構成された。また、この構成によると、熱応力によるセルの破損を抑制できる。

本発明に係る燃料電池セル構造の更なる特徴構成は、前記セルが、前記積層方向に沿う方向視において、正方形であり、
前記積層方向に沿う方向視において、２つの前記アノードガス供給口と、２つの前記カソードガス供給口とが、前記外縁辺部の長さ方向での中央位置で重なり合う位置に配置され、
前記積層方向に沿う方向視において、２つの前記アノードオフガス排出口と、２つの前記カソードオフガス排出口とが、前記外縁辺部の長さ方向での中央位置で重なり合う位置に配置される点にある。

これによると、積層方向に沿う方向視において正方形となるセルの４つの外縁辺部の中央に、２つのアノードガス供給口と２つのアノードオフガス排出口とを配置し、２つのカソードガス供給口と２つのカソードオフガス排出口を配置するため、ガスの流れの偏りを抑制し、セルの温度を一層良好に均一化できる。
つまり、２つのアノードガス供給口を外縁辺部の中央から外れた位置に配置すると、２つのアノードガス供給口のうちの少なくとも１つのアノードガス供給口が、２つのアノードオフガス排出口のいずれかに近くなるため、未反応の燃料ガスが短絡してアノードオフガス排出口から排出される不都合を招く虞がある。一方、本構成では２つのアノードガス供給口から供給された燃料ガスの夫々は発電反応に利用された後、アノードオフガスとして２つのアノードオフガス排出口に均等に導かれ均等に排出されやすくなる。これらにより、積層方向に沿う方向視で燃料ガスが均一に行き亘りやすくなり、しかも、燃料ガスが未反応のまま排出されることを抑制することができ、ガスの流れに偏りが生じにくくなる。ガスの流れに偏りが生じにくくなる点は、酸化剤ガス及びカソードオフガスの場合も同様である。従って、燃料利用率の低下を抑制できるとともに、ガスの流れの偏りを抑制し、セルの温度を一層良好に均一化できる。
また、セルでは反応が多く生ずる箇所で発熱が大きくなるため、アノードガス供給口と、カソードガス供給口とを同じ位置（積層方向で重なり合う位置）に配置することで、酸化剤ガスで冷却を行え、セルの面における温度分布の均一化を図ることも可能となり、セルの温度上昇を良好に抑制できる。

本発明に係る燃料電池セル構造の更なる特徴構成は、前記セルが、前記積層方向に沿う方向視において長方形であり、
前記積層方向に沿う方向視において、複数の前記アノードガス供給口又は複数の前記アノードオフガス排出口が、前記セルの外周を取り囲む領域の４つの前記外縁辺部のうち長辺となる２つの前記外縁辺部に形成され、複数の前記アノードガス供給口又は複数の前記アノードオフガス排出口の夫々は、長辺となる前記外縁辺部の長さに対して等間隔となる位置に配置され、
前記積層方向に沿う方向視において、複数の前記カソードガス供給口又は複数の前記カソードオフガス排出口が、前記セルの外周を取り囲む領域の４つの前記外縁辺部のうち長辺となる２つの前記外縁辺部に形成され、複数の前記カソードガス供給口又は複数の前記カソードオフガス排出口の夫々は、長辺となる前記外縁辺部の長さに対して等間隔となる位置に配置され、
前記積層方向に沿う方向視において、前記アノードガス供給口と、前記カソードガス供給口とが重なり合う位置に配置され、前記アノードオフガス排出口と、前記カソードオフガス排出口とが重なり合う位置に配置されている点にある。

これによると、積層方向に沿う方向視で長方形となるセルの４つの外縁辺部のうち長辺となる外縁辺部に複数の供給口を形成したものでは、複数の供給口からガスを供給し、長辺となる外縁辺部の複数の排出口を形成したものでは、複数の排出口からオフガスを排出することが可能となる。この構成では、４つの外縁辺部のうち短辺となる２つの外縁辺部の夫々に各々に対しても排出口、又は、供給口が形成されるため、４つの外縁辺部に対して供給口と排出口とが合わせて６つ以上形成することも可能となる。
また、例えば、積層方向に沿う方向視において長方形となるセルの４つの外縁辺部のうち長辺となる外縁辺部に複数のアノードガス供給口を形成し、且つ、複数のアノードガス供給口の夫々が、長辺となる外縁辺部の長さに対して等間隔となる位置に配置されたものでは、複数のアノードガス供給口から供給された燃料ガスの夫々は、積層方向に沿う方向視で均一に行き亘りやすくなる。しかも、複数のアノードガス供給口のうちアノードオフガス排出口に近い側の２つのアノードガス供給口とアノードオフガス排出口との間隔は同等程度になっているので、これら２つのアノードガス供給口からの燃料ガスは発電反応に利用された後、隣接するアノードオフガス排出口に均等に導かれ均等に排出されやすくなる。これらにより、積層方向に沿う方向視で燃料ガスが均一に行き亘りやすくなり、しかも、燃料ガスが未反応のまま排出されることを抑制することができ、ガスの流れに偏りが生じにくくなる。
また、セルでは反応が多く生ずる箇所で発熱が大きくなるため、アノードガス供給口と、カソードガス供給口とを同じ位置（積層方向で重なり合う位置）に配置することで、酸化剤ガスで冷却を行え、セルの面における温度分布の均一化を図ることも可能となり、セルの温度上昇を良好に抑制できる。

燃料電池の斜視図である。燃料電池の分解斜視図である。アノード側から見たセルの斜視図である。カソード側から見たセルの斜視図である。セルの断面図である。図５のVI－VI線矢視図である。図５のVII－VII線断面図である。セルの温度分布を示す図である。セルの電流分布を示す図である。実施形態と比較例とのシミュレーションの結果を一覧化した図である。別実施形態（ａ）の供給口と排出口との配置を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔燃料電池〕
図１、図２に示すように、上端に保持プレート１を配置し、この下側に集電板２を配置し、下端に保持プレート１を配置し、この上側に集電板２を配置し、上下の集電板２の間に、複数のセパレータ３と、複数の燃料電池セルＣ（以下、セルＣと略称する）とを交互に挟んだセルスタックを配置し、これらをボルト４で締結して固体酸化物形燃料電池（以下、燃料電池と称することがある）Ａが構成されている。

燃料電池Ａは、セルスタックが、一対の保持プレート１と、導電性の材料で成る一対の集電板２と、導電性の材料で成る複数のセパレータ３と、板状の複数のセルＣ（燃料電池セル）とが、セルＣの積層方向（後述する発電部Ｅの積層方向と一致する）に沿う方向視で正方形（矩形の一例）に成形されている。また、この燃料電池Ａでは、ボルト４にナット５が螺合することで積層状態を維持している。

この燃料電池Ａは、複数のセルＣに対してアノードガスＡＧａ（燃料ガスの一例）を供給する一対のアノードガス供給管６と、アノードオフガスＡＧｂを排出するアノードオフガス排出管７と、カソードガスＣＧａ（酸化剤ガスの一例：空気）を供給する一対のカソードガス供給管８と、カソードオフガスＣＧｂを排出するカソードオフガス排出管９とを上端の保持プレート１に備えている。

尚、この燃料電池Ａは、必ずしも図１に示すように積層方向を上下方向にして使用する必要はなく、積層方向を横向きにして使用することも可能である。また、アノードガスＡＧａは、水素を主成分にするものを想定しているが、例えば、炭化水素系のガスを改質した改質ガスでも良く、カソードガスＣＧａとして酸素ガスを用いても良い。

〔セル〕
図５に示すように、セルＣは、固体電解質層１０（電解質層の一例）と、この固体電解質層１０を挟む位置に、アノードガスＡＧａが供給されるアノード１１と、カソードガスＣＧａが供給されるカソード１２とを積層した発電部Ｅを備えている。図３、図６に示すように、セルＣは、発電部Ｅを正方形の一対の枠体１３で挟み込んだ構造を有している。この枠体１３は、４つの辺に対応する４つの外縁辺部１３Ｆを有しており、セルＣは、セルＣの外周となる領域が枠体１３で取り囲まれる。

前述したように、枠体１３は４つの外縁辺部１３Ｆを有しており、４つの外縁辺部１３Ｆの内側でアノード１１に接する領域にアノード側空間Ｓａが形成され、４つの外縁辺部１３Ｆの内側でカソード１２に接する領域にカソード側空間Ｓｃが形成されている。

枠体１３は金属や導電性の樹脂等の材料で形成され、外縁辺部１３Ｆの４つの角部にボルト４が挿通する貫通孔１３ａが形成されている。また、図３、図４に示すように、枠体１３の４つの外縁辺部１３Ｆのうち対向する２つの外縁辺部１３Ｆには、アノードガス供給孔１６と、カソードガス供給孔１８とが形成され、他の対向する２つの外縁辺部１３Ｆには、アノードオフガス排出孔１７と、カソードオフガス排出孔１９とが形成されている。

枠体１３が導電性の材料で構成される理由は、発電部Ｅで発電された電流を、枠体１３に接触するセパレータ３、及び、集電板２に対して伝えるための構成であるが、この構成に代えて、例えばアノード１１の表面から枠体１３のアノード側の表面に亘る領域と、カソード１２の表面から枠体１３のカソード側の表面に亘る領域とに対し、金属等の導電材料で成る通電体を備えても良い。このように通電体を備えることにより、枠体１３に絶縁性の材料を用いても発電部Ｅの電流をセパレータ３、及び、集電板２に伝えることが可能となる。

〔セル：流路構造〕
図３、図６に示すように、アノード１１に接する（アノード側空間Ｓａを取り囲む）枠体１３の４つの外縁辺部１３Ｆのうち、対向する位置関係にある２つの外縁辺部１３Ｆに対し、アノードガス供給孔１６のアノードガスＡＧａをアノード１１に供給するアノードガス供給口Ａｓが形成されている。また、他の２つの外縁辺部１３Ｆに対し、アノードオフガス排出孔１７にアノードオフガスＡＧｂを送り出すアノードオフガス排出口Ａｄが形成されている。

特に、アノードガス供給口Ａｓは、セルＣの積層方向（発電部Ｅの積層方向と一致する）に沿う方向視において外縁辺部１３Ｆの辺の長さ方向での中央位置に配置されている。これと同様にアノードオフガス排出口Ａｄも外縁辺部１３Ｆの辺の長さ方向での中央位置に配置されている。尚、この中央位置は、セルＣの積層方向に沿う方向視において枠体１３の内側に露出するアノード１１の４つの辺の長さの１／２に一致する。

図４、図７に示すように、カソード１２に接する（カソード側空間Ｓｃを取り囲む）枠体１３の４つの外縁辺部１３Ｆのうち、対向する位置関係にある２つの外縁辺部１３Ｆに対し、カソードガス供給孔１８のカソードガスＣＧａをカソード１２に供給するカソードガス供給口Ｃｓが形成されている。また、他の２つの外縁辺部１３Ｆに対し、カソードオフガス排出孔１９にカソードオフガスＣＧｂを送り出すカソードオフガス排出口Ｃｄが形成されている。

特に、カソードガス供給口Ｃｓは、セルＣの積層方向（発電部Ｅの積層方向と一致する）に沿う方向視において外縁辺部１３Ｆの辺の長さ方向での中央位置に配置されている。これと同様にカソードオフガス排出口Ｃｄも外縁辺部１３Ｆの辺の長さ方向での中央位置に配置されている。尚、この中央位置は、積層方向に沿う方向視において枠体１３の内側に露出するカソード１２の４つの辺の長さの１／２に一致する。

尚、アノードガス供給口Ａｓとカソードガス供給口Ｃｓとが発電部Ｅを挟んで表裏となる位置関係で形成され、これと同様に、アノードオフガス排出口Ａｄとカソードオフガス排出口Ｃｄが発電部Ｅを挟んで表裏となる位置関係で形成される。

〔ガスの流れ〕
このような流路構造を有しているため、セルＣの積層方向に沿う方向視においてアノードガス供給口Ａｓと、カソードガス供給口Ｃｓとが重なり合う位置関係となり、アノードオフガス排出口Ａｄと、カソードオフガス排出口Ｃｄとが重なり合う位置関係となる。

これにより、一対のアノードガス供給口Ａｓからアノード１１に対してアノードガスＡＧａを供給した場合には、図６に示すように、一対のアノード側供給流路Ｆ１に沿って互いに対向する方向にアノードガスＡＧａが流れ、この後に、一対のアノード側排出流路Ｆ２に沿って互いに逆向きにアノードオフガスＡＧｂが流れ、アノードオフガス排出口Ａｄから排出される。

これと同様に、一対のカソードガス供給口Ｃｓからカソード１２に対してカソードガスＣＧａを供給した場合には、図７に示すように、一対のカソード側供給流路Ｆ３に沿って互いに対向する方向にカソードガスＣＧａが流れ、この後に、一対のカソード側排出流路Ｆ４に沿って互いに逆向きにカソードオフガスＣＧｂが流れ、カソードオフガス排出口Ｃｄから排出される。

セルＣの発電部Ｅは、アノードガスＡＧａとカソードガスＣＧａとが供給されることで発電を行うものであり、図６、図７に示すように、一対のアノードガス供給口ＡｓからアノードガスＡＧａを互いに対向する方向に供給し、これと同時に一対のカソードガス供給口ＣｓからカソードガスＣＧａを互いに対向する方向に供給するため、アノードガスＡＧａとカソードガスＣＧａとは必ずセルＣの中央部に達する。

この後に、発電部Ｅの中央部において、アノードガスＡＧａとカソードガスＣＧａとは両側部に折れ曲がるように流れ、アノードオフガス排出口Ａｄとカソードオフガス排出口Ｃｄから排出される。このことは、例えば、アノードガス供給口Ａｓから供給されたアノードガスＡＧａが、アノードオフガス排出口Ａｄに対して短絡的に流れる不都合や、カソードガス供給口Ｃｓから供給されたカソードガスＣＧａがカソードオフガス排出口Ｃｄに対して短絡的に流れる不都合を解消し効率的な発電を実現する。

特に、発電部Ｅでは、発電に伴い熱が発生し、このように発生する熱に伴う温度分布のシミュレーション結果を図８に示し、発電部Ｅにおける電流分布のシミュレーション結果を図９に示している。なお、シミュレーションソフトは、ANSYS FLUENT を用いた。

また、このようなシミュレーションでは、１枚のセルＣを対象として、下のような条件を設定している。なお、セルＣは、１０ｃｍ×１０ｃｍの正方形、アノード側空間Ｓａ（厚さ０．５ｍｍの多孔質体と仮定（空隙率０．８））、アノード１１（厚さ０．８ｍｍの多孔質体（空隙率０．３））、固体電解質層１０（厚さ１０μｍ）、カソード１２（厚さ０．２ｍｍの多孔質体（空隙率０．３））、カソード側空間Ｓｃ（厚さ０．５ｍｍの多孔質体と仮定（空隙率０．８））として設定した。
・ガス流量燃料：５．４×１０^-７（ｋｇ／ｓ）
空気：５．０×１０^-５（ｋｇ／ｓ）
・ガス組成燃料（燃料ガス）：Ｈ_２９７％、Ｈ_２Ｏ３％
空気（酸化剤ガス）：Ｏ_２２１％、Ｎ_２：７９％
・ガス入口温度燃料６００℃、空気：５００℃
・定電流条件（２００ｍＡ／ｃｍ^２）
・セル周囲は断熱条件
・アノードガス供給口対向する２つの外縁辺部１３Ｆのそれぞれの中央に配置（開口径１ｃｍ）
・カソードガス供給口対向する２つの外縁辺部１３Ｆのそれぞれの中央に配置（開口径１ｃｍ）
・計算時のメッシュサイズ０．０５～０．１ｍｍ程度

更に、図１０には、ガス入口温度（供給口の温度）、ガス入口濃度（供給口の濃度）、電流を上記と同様に一定として、実施形態（図１０では実施例）、コフロー、カウンターフロー、クロスフローの３種類についてシミュレーションを行い、シミュレーションの結果を一覧化して示している。

尚、コフローは、積層方向視で正方形となるセルＣにおいて、アノード側空間Ｓａを取り囲む４つの外縁辺部１３Ｆの一つの中央位置にアノードガス供給口Ａｓを形成し、対向する位置の外縁辺部１３Ｆの中央位置にアノードオフガス排出口Ａｄを形成している。また、カソード側空間Ｓｃを取り囲む位置の４つの外縁辺部１３Ｆで、且つ、積層方向に沿う方向視でアノードガス供給口Ａｓに重なり合う位置にカソードガス供給口Ｃｓを形成し、対向する位置の外縁辺部１３Ｆで、且つ、積層方向でアノードオフガス排出口Ａｄと重複する位置にカソードオフガス排出口Ｃｄを形成している。
つまり、このコフローでは、アノード側空間Ｓａと、カソード側空間Ｓｃとの各々に１つの供給口と１つの排出口とを形成し、積層方向に沿う方向視で単一のアノードガスＡＧａと、単一のカソードガスＣＧａとが重なり合う位置で同じ方向へ直線的に流れるものを想定している。

また、カウンターフローは、前述したコフローと類似するものであり、アノード側空間Ｓａとカソード側空間Ｓｃとの一方の供給口と排出口との配置を逆にすることで、アノード側空間Ｓａと、カソード側空間Ｓｃとの各々に１つの供給口と１つの排出口とを形成し、積層方向に沿う方向視でアノードガスＡＧａと、カソードガスＣＧａとが重なり合う位置で逆方向に直線的に流れるものを想定している。

また、クロスフローは、アノード側空間Ｓａに流れるアノードガスＡＧａと、カソード側空間Ｓｃに流れるカソードガスＣＧａとが平面視で直交するように、各々の供給口と排出口とを設定したものを想定している。
つまり、前述したコフロー、カウンターフローと同様にアノード側空間Ｓａを取り囲む４つの外縁辺部１３Ｆの一つの中央位置にアノードガス供給口Ａｓを形成し、対向する位置の外縁辺部１３Ｆの中央位置にアノードオフガス排出口Ａｄを形成するものであるが、カソード側空間Ｓｃを取り囲む位置の４つの外縁辺部１３Ｆのうち、積層方向視においてアノードガス供給口Ａｓとアノードオフガス排出口Ａｄとに隣接する外縁辺部１３Ｆにカソードオフガス排出口Ｃｄを形成している。

図１０の実施例では、
・セル電圧〔ｍＶ〕：628
・最高温度〔℃〕：793.1
・最低温度〔℃〕：773.5
・温度差〔最高－最低〕〔℃〕： 19.6
・平均温度〔℃〕：789.2
・温度分布標準偏差〔℃〕： 3.49
・電流密度分布標準偏差〔ｍＡ／ｃｍ^２〕：17.9
の値を得ている。

このように一覧化した比較例は、電圧と、平均温度（固体電解質部の平均温度）とは、実施例と差異は見られず、温度差に着目すると、実施例では、比較例と比べて、最高温度は低く、最低温度は高くなり、セルＣの面内の温度差が大幅に小さくなっていることが分かる。また、温度分布のばらつきを表す標準偏差も比較例で最小のカウンターフロー（8.74℃）よりも小さくなり、温度分布が改善されたことがわかる。電流密度分布のばらつきを表す標準偏差は、カウンターフローと同等、コフロー、カウンターフローより大幅に小さく、ばらつきが改善されたことが分かる。セルの最高温度に着目すると、比較例よりも最高温度を低減できたことから、規定の最高温度に達するまでセル温度をさらに上げることが可能であり、それによってさらなる性能向上も可能と考えられる。また、ＳＯＦＣの劣化は、温度、電流に依存することが知られている。分布のばらつきが大きいセルでは、局所的な劣化が進行しやすくなり、それに伴い経年的に温度/電流分布が大きく変化すると考えられる。そのため、システムとしてのセルスタックの運転制御(冷却等)が難しくなることが懸念される。一方、実施例のように、初期から分布が均一に近いセルスタックであれば、劣化後の運転制御も容易になるという効果も期待できる。

図８では、温度分布を温度Ｔ１が最も低温であり、温度Ｔ５が最も高温となるようにＴ１～Ｔ５の符号を付した５つの領域に分けて示している。

このように温度分布が現れる理由として、セルＣではアノード側供給流路Ｆ１とカソード側供給流路Ｆ３とに対してガスが継続的に供給されるため、発生した熱を主にカソードガスＣＧａが奪い、結果として、アノードガス供給口Ａｓと、カソードガス供給口Ｃｓに近い位置ほど温度上昇を抑制することが考えられる。

特に、図８に示す温度分布は、同図において左右対称となる形であるため、セルＣに作用する熱応力をバランスさせ、セルＣや発電部Ｅが大きく変形することや、熱応力による破損を抑制する。

また、発電時におけるセルＣの発電部Ｅの電流分布を図９に示している。同図では、電流分布を、電流Ｅ１が最も低電流であり、電流Ｅ５が最も高電流となるようにＥ１～Ｅ５の符号を付した５つの領域に分けて示している。

図９に示すように、電流分布において最も高電流となる電流Ｅ５の領域が最も高温となるべき構成であるが、前述したように常温のガスが継続的に供給されることにより温度上昇を良好に抑制していることを示している。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）図１１に示すように、セルＣを、セルＣの積層方向に沿う方向視において長方形に成形し、４つの外縁辺部１３Ｆのうち長辺となる一対の外縁辺部１３Ｆに対し、この外縁辺部１３Ｆを三等分する位置に等間隔で２つのアノードガス供給口Ａｓと、２つのカソードガス供給口Ｃｓとを重なり合う位置に形成している。また、４つの外縁辺部１３Ｆのうち短辺となる一対の外縁辺部１３Ｆの中央位置にアノードオフガス排出口Ａｄと、カソードオフガス排出口Ｃｄとを重なり合う位置に形成する。

この別実施形態（ａ）のようにセルＣが長方形であっても、ガスの供給口の数を増大させることにより、セルＣにおける発電効率を低下させず、また、セルＣの温度分布を不均衡にすることなく温度上昇の抑制を可能にする。

この別実施形態（ａ）では、４つの外縁辺部１３Ｆのうち長辺となる一対の外縁辺部１３Ｆに対して２つのアノードオフガス排出口Ａｄと、２つのカソードオフガス排出口Ｃｄとを重なり合う位置に形成し、４つの外縁辺部１３Ｆのうち短辺となる一対の外縁辺部１３Ｆにアノードガス供給口Ａｓとカソードガス供給口Ｃｓとを重なり合う位置に形成することも考えられる。

また、この別実施形態（ａ）の変形例として４つの外縁辺部１３Ｆのうち長辺となる一対の外縁辺部１３Ｆに３以上の供給口を形成することや、３つ以上の排出口を形成することも考えられる。

（ｂ）実施形態に記載した枠体１３の構造に変えて、この枠体１３を、セパレータ３と一体的に形成する。この別実施形態（ｂ）では、セパレータ３のうち、アノード１１に対向する位置に配置されるものに、一体的に枠体１３を形成し、この枠体１３にアノードガス供給口Ａｓとアノードオフガス排出口Ａｄとを形成することになる。これと同様に、セパレータ３のうち、カソード１２に対向する位置に配置されるものに、一体的に枠体１３を形成し、この枠体１３にカソードガス供給口Ｃｓとカソードオフガス排出口Ｃｄとを形成することになる。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、燃料電池セル構造に利用することができる。

１０固体電解質層（電解質層）
１１アノード
１２カソード
１３Ｆ外縁辺部
Ａｓアノードガス供給口
Ａｄアノードオフガス排出口
Ｃｓカソードガス供給口
Ｃｄカソードオフガス排出口
ＡＧａアノードガス（燃料ガス）
ＣＧａカソードガス（酸化剤ガス）
Ｃセル（燃料電池セル）
Ｅ発電部
Ｓａアノード側空間
Ｓｃカソード側空間

Claims

電解質層と、この電解質層を挟む位置に、燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとを積層した発電部を有するセルを備え、
前記セルが、燃料ガスをアノードガス供給口から前記アノードに供給し、この後にアノードオフガス排出口から排出し、酸化剤ガスをカソードガス供給口から前記カソードに供給し、この後にカソードオフガス排出口から排出する流路構造を有している燃料電池セル構造であって、
前記セルが矩形の板状であり、前記発電部の積層方向に沿う方向視において、前記セルの外周を取り囲む領域に４つの外縁辺部を配置し、４つの前記外縁辺部の内側には、前記アノードに接するアノード側空間と、前記カソードに接するカソード側空間とが形成され、
前記積層方向に沿う方向視において、前記アノードガス供給口が、前記アノード側空間に連通する状態で、前記アノード側空間を形成する４つの前記外縁辺部のうち、対向する位置関係にある２つの前記外縁辺部の夫々に形成され、前記アノードオフガス排出口が、前記アノード側空間に連通する状態で、対向する位置関係にある他の２つの前記外縁辺部の夫々に形成され、
前記積層方向に沿う方向視において、前記カソードガス供給口が、前記カソード側空間に連通する状態で、前記カソード側空間を形成する４つの前記外縁辺部のうち、対向する位置関係にある２つの前記外縁辺部の夫々に形成され、前記カソードオフガス排出口が、前記カソード側空間に連通する状態で、対向する位置関係にある他の２つの前記外縁辺部の夫々に形成され、
前記積層方向に沿う方向視において、前記アノードガス供給口と前記カソードガス供給口とが重なり合う位置に配置され、
前記積層方向に沿う方向視において、前記アノードオフガス排出口と前記カソードオフガス排出口とが重なり合う位置に配置されている燃料電池セル構造。
前記セルが、前記積層方向に沿う方向視において、正方形であり、
前記積層方向に沿う方向視において、２つの前記アノードガス供給口と、２つの前記カソードガス供給口とが、前記外縁辺部の長さ方向での中央位置で重なり合う位置に配置され、
前記積層方向に沿う方向視において、２つの前記アノードオフガス排出口と、２つの前記カソードオフガス排出口とが、前記外縁辺部の長さ方向での中央位置で重なり合う位置に配置されている請求項１に記載の燃料電池セル構造。
前記セルが、前記積層方向に沿う方向視において長方形であり、
前記積層方向に沿う方向視において、複数の前記アノードガス供給口又は複数の前記アノードオフガス排出口が、前記セルの外周を取り囲む領域の４つの前記外縁辺部のうち長辺となる２つの前記外縁辺部に形成され、複数の前記アノードガス供給口又は複数の前記アノードオフガス排出口の夫々は、長辺となる前記外縁辺部の長さに対して等間隔となる位置に配置され、
前記積層方向に沿う方向視において、複数の前記カソードガス供給口又は複数の前記カソードオフガス排出口が、前記セルの外周を取り囲む領域の４つの前記外縁辺部のうち長辺となる２つの前記外縁辺部に形成され、複数の前記カソードガス供給口又は複数の前記カソードオフガス排出口の夫々は、長辺となる前記外縁辺部の長さに対して等間隔となる位置に配置され、
前記積層方向に沿う方向視において、前記アノードガス供給口と、前記カソードガス供給口とが重なり合う位置に配置され、前記アノードオフガス排出口と、前記カソードオフガス排出口とが重なり合う位置に配置されている請求項１に記載の燃料電池セル構造。