(57)【要約】      （修正有）【課題】固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、電流集中の発生を抑制し、高耐久性な固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。【解決手段】筒状の燃料電池セルが配列された固体酸化物形燃料電池スタックであって、任意のひとつである第１の燃料電池セルと、隣り合う第２の燃料電池セルは、第１の集電部材と第２の集電部材により電気的に接続され、第１の燃料電池セルは、内側電極層の他端側に第１の集電部材を備え、内側電極層の一端側に第２の集電部材を備え、第２の燃料電池セルは、外側電極層の他端側に第１の集電部材を備え、外側電極層の一端側に第２の集電部材を備え、第２の集電部材は、外側電極層の他端側の終端部から第１の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離よりも、外側電極層の一端側の終端部から第２の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離のほうが大きくなるよう設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状に形成され燃料ガスが流通する内側電極層と、
前記内側電極層の外側に形成され酸化剤ガスが流通する外側電極層と、
前記内側電極層と前記外側電極層の間に形成された固体電解質層と、を有する燃料電池セル、を含み、
複数の前記燃料電池セルが配列された固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料ガスは、前記複数の燃料電池セルの一端側から他端側に向けて供給され、
前記複数の燃料電池セルのうち任意のひとつである第１の燃料電池セルと、前記第１の燃料電池セルと隣り合う第２の燃料電池セルは、第１の集電部材と第２の集電部材により電気的に接続され、
前記第１の燃料電池セルは、前記内側電極層の前記他端側に前記第１の集電部材を、前記内側電極層の前記一端側に第２の集電部材を備え、
前記第２の燃料電池セルは、前記外側電極層の他端側に前記第１の集電部材を備え、前記外側電極層の前記一端側に第２の集電部材を備え、
前記第２の集電部材は、前記外側電極層の他端側の終端部から前記第１の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離よりも、前記外側電極層の前記一端側の終端部から前記第２の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離のほうが大きくなるよう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。
【請求項２】
前記第２の集電部材は、前記第２の燃料電池セルの前記外側電極層の長軸方向における中央部の位置、又は前記中央部よりも前記外側電極層の前記一端側に近い位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１の集電部材及び前記第２の集電部材は、
前記第１の燃料電池セルの前記内側電極層及び前記第２の燃料電池セルの前記外側電極層に電気的に接続された接続部と、
それぞれの前記接続部を電気的に導通させる延在部とを有し、
前記第２の集電部材の前記延在部は前記第１の集電部材の前記延在部よりも長いことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
前記燃料電池セルの前記内側電極層又は前記外側電極層のいずれかは、前記燃料電池セルの前記他端側よりも前記一端側の抵抗が大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３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。
【請求項５】
前記燃料電池セルの前記固体電解質層は、前記固体電解質層の他端側よりも前記固体電解質層の一端側の抵抗が大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項４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。
【請求項６】
前記燃料電池セルの前記外側電極層は、前記燃料電池セルの前記一端側の抵抗値が前記他端側の抵抗値の１．５倍以上２０倍以下であり、且つ、前記燃料電池セルの前記固体電解質層は、前記燃料電池セルの前記一端側の抵抗値が前記他端側の抵抗値の１倍以上２倍以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５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。
【請求項７】
前記燃料電池セルの前記内側電極層は、前記燃料電池セルの前記一端側の抵抗値が前記他端側の抵抗値の１倍以上５倍以下であり、且つ、前記燃料電池セルの前記固体電解質層は、前記燃料電池セルの前記一端側の抵抗値が前記他端側の抵抗値の１倍以上２倍以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６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。
【請求項８】
前記燃料電池セルの前記外側電極層において、前記燃料電池セルの前記他端側の膜厚（ｄ４）と前記燃料電池セルの前記一端側の膜厚（ｄ３）がｄ４＞ｄ３を満たす、請求項１乃至請求項７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。
【請求項９】
前記燃料電池セルの前記固体電解質層において、前記燃料電池セルの前記他端側の膜厚（ｄ２）と前記燃料電池セルの前記一端側の膜厚（ｄ１）が、ｄ１＞ｄ２を満たす、請求項１乃至請求項８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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。特に、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。
【背景技術】
【０００２】
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含む。固体酸化物形燃料電池装置は、複数の燃料電池セルを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する装置である。固体酸化物形燃料電池装置は、例えば７００〜１０００℃程度の比較的高温で動作する。
【０００３】
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に記載の円筒形や扁平円筒形などの筒状の燃料電池セルが知られている。複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続し発電することで必要な電力を得ることができる。
【０００４】
ところが、筒状の燃料電池セルにおいては、電極が長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という問題があった。そこで特許文献１では、複数の燃料電池セルを電気的に直列接続する方法として、第一の燃料電池セルの空気極（＋極）の上端側と、これと隣接する第二の燃料電池セルの燃料極（−極）の上端側とを第一の集電部材で接続し、第一の燃料電池セルの空気極（＋極）の下端側とる第二の燃料電池セルの燃料極（−極）の下端側を第二の集電部材で接続する方法を用いている。これを「両端集電」構造と呼ぶ。この構成によれば、各燃料電池セルで発生した電流は、各燃料電池セルの上端側及び下端側に設けられた集電部材へと分配されて外部へ取り出される。したがって、電流の移動距離を短くして電気抵抗を小さくすることができる。これにより、燃料電池セルの発電効率を向上させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許５５７８３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、燃料ガスは筒状の燃料電池セルの下端から燃料電池セルの内部流路（燃料ガス流路）に供給されることが一般的である。供給された燃料ガスに含まれる水素は発電反応によって消費される。したがって、燃料ガスに含まれる水素濃度は燃料ガス流路の上流側よりも下流側の方が（つまり、燃料電池セルの下端側よりも上端側の方が）低い。このため、燃料電池セルにおける発電反応は、燃料電池セルの最下端で最も活発に起きる。このような燃料電池セルにおいて両端集電を採用する場合、燃料ガスの供給量や燃料電池セルの集電方法および取出し電流量によっては、燃料ガス流路の上流側（つまり、燃料電池セルの下端側）に設けられた集電部材の周辺において、発電反応が集中してしまう、つまり電流集中が発生するおそれがあることを発明者らは見出した。発明者らは、この電流集中の原因として、燃料電池セルにおいて、発電反応が最も活発な領域と集電部材による電流の取り出し領域とが一致することにあると考えた。電流集中は、燃料電池セルの劣化を引き起こし、これにより耐久性の低下など様々な課題を引き起こす要因となる。
【０００７】
発明者らは、燃料ガス流路の上流側での電流集中を抑制するために、燃料ガス流路の上流側の電気抵抗を高めることを考えた。
【０００８】
本発明は、筒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、電流集中の発生を回避し、高耐久性な固体酸化物形燃料電池スタックを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックは、筒状に形成され燃料ガスが流通する内側電極層と、前記内側電極層の外側に形成され酸化剤ガスが流通する外側電極層と、前記内側電極層と前記外側電極層の間に形成された固体電解質層と、を有する燃料電池セル、を含み、複数の前記燃料電池セルが配列された固体酸化物形燃料電池スタックであって、前記燃料ガスは、前記複数の燃料電池セルの一端側から他端側に向けて供給され、前記複数の燃料電池セルのうち任意のひとつである第１の燃料電池セルと、前記第１の燃料電池セルと隣り合う第２の燃料電池セルは、第１の集電部材と第２の集電部材により電気的に接続され、前記第１の燃料電池セルは、前記内側電極層の前記他端側に前記第１の集電部材を、前記内側電極層の前記一端側に第２の集電部材を備え、前記第２の燃料電池セルは、前記外側電極層の他端側に前記第１の集電部材を備え、前記外側電極層の前記一端側に第２の集電部材を備え、前記第２の集電部材は、前記外側電極層の他端側の終端部から前記第１の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離よりも、前記外側電極層の前記一端側の終端部から前記第２の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離のほうが大きくなるよう設けられている。
【００１０】
本発明によれば、燃料電池セルの一端側における電流集中の発生を抑制し、高耐久性な燃料電池セルスタックを実現することができる。
【００１１】
また本発明の一態様においては、前記第２の集電部材は、前記第２の燃料電池セルの前記外側電極層の長軸方向における中央部の位置、又は前記中央部よりも前記外側電極層の前記一端側に近い位置に設けられていることが好ましい。
【００１２】
本態様によれば、電流集中が起きやすい燃料電池セルの一端側と集電領域とを離すことができる。電流集中の発生を抑制し、耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００１３】
また本発明の一態様においては、前記第１の集電部材及び前記第２の集電部材は、前記第１の燃料電池セルの前記内側電極層及び前記第２の燃料電池セルの前記外側電極層に電気的に接続された接続部と、それぞれの前記接続部を電気的に導通させる延在部とを有し、前記第２の集電部材の前記延在部は前記第１の集電部材の前記延在部よりも長いことが好ましい。
【００１４】
本態様によれば、第２の集電部材の延在部において、導電経路が長く、高抵抗化することができる。したがって、第２の集電部材の延在部を通過する電流量を制限することが可能となる。したがって、燃料電池セルの一端側の電流集中を抑制することができ、耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００１５】
また本発明の一態様においては、前記燃料電池セルの前記内側電極層又は前記外側電極層のいずれかは、前記燃料電池セルの前記他端側よりも前記一端側の抵抗が大きいことが好ましい。
【００１６】
本態様によれば、燃料電池セルの一端側へ流れる電気量を制限することができる。その結果、燃料電池セルの一端側の電流集中の発生を抑制した耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００１７】
また本発明の一態様においては、前記燃料電池セルの前記固体電解質層は、前記固体電解質層の他端側よりも前記固体電解質層の一端側の抵抗が大きいことが好ましい。
【００１８】
本態様によれば、燃料電池セルの一端側における発電電流を抑制することができる。これにより、燃料電池セルの一端側の電流集中の発生を抑制し、耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００１９】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの前記外側電極層は、前記燃料電池セルの前記一端側の抵抗値が前記他端側の抵抗値の１．５倍以上２０倍以下であり、且つ、前記燃料電池セルの前記固体電解質層は、前記燃料電池セルの前記一端側の抵抗値が前記他端側の抵抗値の１倍以上２倍以下であることが好ましい。
【００２０】
本態様によれば、電子の伝導経路となる外側電極層の抵抗値を調整することで、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。さらに、固体電解質層が燃料電池セル軸方向における他端側よりも一端側の電気抵抗が増大するため、一端側における発電電流を抑制することができる。このため、耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００２１】
また本発明の一態様においては、前記燃料電池セルの前記内側電極層は、前記燃料電池セルの前記一端側の抵抗値が前記他端側の抵抗値の１倍以上５倍以下であり、且つ、前記燃料電池セルの前記固体電解質層は、前記燃料電池セルの前記一端側の抵抗値が前記他端側の抵抗値の１倍以上２倍以下であることが好ましい。
【００２２】
本態様によれば、電子の伝導経路となる内側電極層の抵抗値を調整することで、一端側における電流集中を抑制することができる。さらに、固体電解質層が燃料電池セルの軸方向における他端側よりも一端側の電気抵抗が増大するため、一端側における発電電流を抑制することができる。このため、耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００２３】
また本発明の一態様においては、外側電極層において、燃料電池セルの他端側の膜厚（ｄ４）と燃料電池セルの一端側の膜厚（ｄ３）がｄ４＞ｄ３を満たすものであることが好ましい。
【００２４】
本態様によれば、外側電極層の膜厚を大きくすることにより、電子がセルの長軸方向に移動する際の断面積が増大し、抵抗が減少する。そのため、燃料電池セルの他端側の抵抗が燃料電池セルの一端側よりも相対的に小さくなるため、燃料電池セルの一端側での電流集中を和らげることが出来る。
【００２５】
また本発明の一態様においては、固体電解質層において、燃料電池セルの他端側の膜厚（ｄ２）と燃料電池セルの一端側の膜厚（ｄ１）が、ｄ１＞ｄ２を満たすものであることが好ましい。
【００２６】
本態様によれば、固体酸化物形燃料電池スタックにて発電する際、酸化物イオンは固体電解質層の膜厚方向に移動する。つまり、固体電解質層の膜厚が厚くなるほどイオンの移動距離が長くなり、抵抗が増大することになる。そのため、燃料電池セルの一端側の抵抗が燃料電池セルの他端側よりも大きくなるため、燃料電池セルの一端側での電流集中を抑制することが可能である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、筒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、電流集中の発生を抑制し、高耐久性な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。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明にかかる燃料電池セル一端側の集電部材を他端側へ隔離した両端集電    構造の場合と、従来の両端集電構造にした場合との燃料電池セルの高さ位置に応じた    電流密度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】本発明の一実施形態における集電部材を示す斜視図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】本発明の実施態様１における燃料電池セルの高さ位置に応じた電流密度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明の実施態様１における燃料電池スタックを示す断面図である。
【図９】本発明の実施態様１に対し集電部材の位置を異ならせた場合の燃料電池スタックを示す断面図である。
【図１０】本発明の実施態様２における燃料電池セルの高さ位置に応じた電流密度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】本発明の実施態様２における燃料電池スタックを示す断面図である。
【図１２】本発明の実施態様２に対し集電部材の位置を異ならせた場合の燃料電池スタックを示す断面図である。
【図１３】本発明の実施態様３における燃料電池セルの高さ位置に応じた電流密度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】本発明の実施態様３における燃料電池スタックを示す断面図である。
【図１５】本発明の実施態様３に対し集電部材の位置を異ならせた場合の燃料電池スタックを示す断面図である。
【図１６】従来の燃料電池スタックを示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
本発明における固体酸化物形燃料電池スタックは、筒状に形成され燃料ガスが流通する内側電極層と、前記内側電極層の外側に形成され酸化剤ガスが流通する外側電極層と、前記内側電極層と前記外側電極層の間に形成された固体電解質層と、を有する燃料電池セル、を含み、複数の前記燃料電池セルが配列された固体酸化物形燃料電池スタックであって、前記燃料ガスは、前記複数の燃料電池セルの一端側から他端側に向けて供給され、前記複数の燃料電池セルのうち任意のひとつである第１の燃料電池セルと、前記第１の燃料電池セルと隣り合う第２の燃料電池セルは、第１の集電部材と第２の集電部材により電気的に接続され、前記第１の燃料電池セルは、前記内側電極層の前記他端側に前記第１の集電部材を、前記内側電極層の前記一端側に第２の集電部材を備え、前記第２の燃料電池セルは、前記外側電極層の他端側に前記第１の集電部材を備え、前記外側電極層の前記一端側に第２の集電部材を備え、前記第２の集電部材は、前記外側電極層の他端側の終端部から前記第１の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離よりも、前記外側電極層の前記一端側の終端部から前記第２の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離のほうが大きくなるよう設けられている。これにより、燃料電池セルの一端側（燃料ガス流路における上流側、つまりガス供給側）での電流集中の発生を抑制して、燃料電池セルの耐久性を確保することができる。
【００３１】
図１６は燃料電池セルスタックに含まれる複数の筒状の燃料電池セルにおいて、従来の両端集電構造を示すものである。簡単のため、図１６においては複数の燃料電池セル２のうち、２本の燃料電池セル２の接続のみを示している。燃料電池セルの下端から内部流路（燃料ガス流路）内へ供給された燃料ガス（図中の破線矢印）は、燃料電池セル２の側面下方から供給される酸化剤ガス（図示せず）との発電反応によって消費さる。未反応の燃料ガスは燃料電池セル２の上端より燃料電池セルの外部へ排出される。燃料ガスは燃料電池スタックの外部で改質されたガスであり、水素を含む。燃料電池セル２の内部流路において、燃料ガス流路の上流側（すなわち、燃料電池セルの下端側）ほど水素濃度が高く、燃料ガス流路の下流側ほど、発電反応に消費されるため、燃料ガス流路の下流側の水素濃度は低い。このため、燃料電池セル２の下端側ほど発電反応による起電力が高い。
【００３２】
燃料電池セル２から電流を取り出すために集電部材４が燃料電池セル２の上端部及び下端部に設けられている。燃料電池セル２の上端部及び下端部は内側電極層（燃料極層）が露出している。燃料電池セル２（第１の燃料電池セル）の内側電極層（燃料極層）の上端部および下端部のそれぞれに集電部材４が設けられる。この集電部材４を介して、隣り合う燃料電池セル２（第２の燃料電池セル）の外側電極層（空気極層）に電気的に接続している。このように、燃料電池セル２の上端部及び下端部の双方において電気的に接続される。
【００３３】
しかし上述のとおり、燃料電池セルの下端部は起電力の高くなる領域と集電部材による電流の取り出し領域とが一致する領域である。したがって、燃料電池セルの下端部において、電流集中の発生が顕著になってしまい、その結果、燃料電池セルの下端部の劣化が著しくなることが分かった。
【００３４】
そこで、本発明では、従来の両端集電構造と比べて燃料電池セルの一端側（つまり、燃料ガス流路の上流側）の電流取り出し領域を燃料電池セルの他端側（つまり、燃料ガス流路の下流側）に近づけることとした。これにより、燃料電池セルの軸方向における電気抵抗を調整することで上述する課題が解消できると発明者は考えた。
【００３５】
すなわち本発明の燃料電池セルスタックにかかる集電構造は、複数の燃料電池セルのうち任意のひとつである第１の燃料電池セルと、前記第１の燃料電池セルと隣り合う第２の燃料電池セルは、第１の集電部材と第２の集電部材により電気的に接続され、前記第１の燃料電池セルは、前記内側電極層の前記他端側に前記第１の集電部材を、前記内側電極層の前記一端側に第２の集電部材を備え、前記第２の燃料電池セルは、前記外側電極層の他端側に前記第１の集電部材を備え、前記外側電極層の前記一端側に第２の集電部材を備え、前記第２の集電部材は、前記外側電極層の他端側の終端部から前記第１の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離よりも、前記外側電極層の前記一端側の終端部から前記第２の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離のほうが大きくなるよう設けられている。（図２参照）。これにより、燃料ガスが供給される外側電極層の下端側は、起電力の高くなる領域と電流の取り出し領域とが離れているため、燃料電池セルの下端部における電流集中の発生を抑制することが可能となる。
【００３６】
図２を参照して本発明の燃料電池セルスタックを説明する。図２では、燃料電池セルスタックのうち、２つの燃料電池セルを、２つの集電部材を用いて電気的に接続している。破線は燃料ガスの流れを示す。図中、左側の燃料電池セル（第１の燃料電池セル）において、第１の集電部材が内側電極層の上端側に設けられ、第２の集電部材が内側電極層の下端側に設けられている。右側の燃料電池セル（第２の燃料電池セル）において、第１の集電部材が外側電極層の上端側に設けられ、第２の集電部材が外側電極層の下端側に設けられている。この際、第２の燃料電池セルの外側電極層の上端側の終端部から第１の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離（Ｌ１）よりも、第２の燃料電池セルの外側電極層の下端側の終端部から第２の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離（Ｌ２）の方が大きい。
【００３７】
「接続領域」とは、集電部材と外側電極層とが電気的に接続されている領域を意味する。ここで、集電部材と外側電極層は、直接接触することにより電気的に接続されていてもよいし、集電部材と外側電極層との間に導電層を介して電気的に接続されていてもよい。導電層としては、セラミック材料、金属、合金、これらの混合物などを含むコーティングやペーストを塗布し硬化することにより形成することができる。
【００３８】
「外側電極層の他端側の終端部から第１の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離（Ｌ１）」とは、外側電極層の他端側の端部から第１の集電部材までの最短距離を意味する。同様に、「第２の燃料電池セルの外側電極層の下端側の終端部から第２の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離（Ｌ２）」とは、外側電極層の下端側の端部から第２の集電部材までの最短距離を意味する。
【００３９】
本発明において、第２の燃料電池セルの外側電極層に設けられる第１の集電部材は、外側電極層の他端側の終端部から所定の距離を置いて接続してもよく、他端側の終端部に揃えて接続してもよく、さらに他端側の終端部を覆うように終端部からはみ出して接続してもよい。本発明において、「外側電極層の他端側の終端部から前記第１の集電部材が電気的に接続された接続領域までの長軸方向の距離」」とはゼロを含むものである。
【００４０】
本発明において、第２の燃料電池セルにおいて、第２の集電部材は、第２の燃料電池セルの外側電極層の軸方向における中央部、または中央部よりも燃料電池セルの下端側に設けられることが好ましい。また、後述するように外側電極層が複層の場合は、集電部材側に形成されている層の軸方向における中央部、または中央部よりも燃料電池セルの下端側に設けられることが好ましい。ここで、外側電極層の軸方向における中央部とは、外側電極層の軸方向の長さの半分の位置である。
【００４１】
次に、従来の燃料電池セルスタックと本発明の燃料電池セルスタックの電流密度をシミュレーションした結果を示す。
【００４２】
図１は、燃料電池セルの高さ位置に応じた電流密度を示すシミュレーション結果を示す図である。「従来構造」は、図１６に示すような、従来の両端集電構造の場合を示す。「実施形態」は、図２に示すような、本発明にかかる両端集電構造の場合を示す。図１において、横軸は、ひとつの燃料電池セルの電流密度を示す。縦軸は、燃料電池セルの高さ位置（セル全体長さに対する相対位置）を示し、０は燃料電池セルの下端であり、１は燃料電池セルの上端を示す。シミュレーションにおいて、集電構造を除き同条件とし、燃料ガスは、燃料電池セルの下端（図１ではセル位置が０の部分）から供給するものとした。
【００４３】
図１に示すように、従来構造では、燃料電池セルの高さが下端であるほど（つまり、セル位置が０に近づくほど）、電流密度は高い。これは燃料電池セルの下端近傍で電流集中が生じていることを示している。これに対し、実施形態では、セル位置が０付近の電流密度は、従来構造に対して低い。このことから、実施形態においては、燃料電池セルの下端側から集電部材の位置（電流取り出し箇所）を離すことにより、抵抗が高くなったと考えられる。これにより、電流集中の発生が抑制されたと考えられる。
【００４４】
以上のことから、本発明は、両端集電構造としながらも、起電力の高い燃料電池セルの下端から電流を取り出すための燃料電池セルの下端側に設ける集電部材を燃料電池セルの下端から離している。これにより、課題であった燃料電池セルの下端での電流集中を回避し、高耐久性な燃料電池スタックを得ることができると考えられる。
【００４５】
（燃料電池スタック）  
本発明において、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部材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る。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。
【００４６】
図３は本発明において用いることができる燃料電池スタック１を示す。図３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筒状の燃料電池セル２と、マニホールド３から構成される。全ての燃料電池セル２は、一つのマニホールド３に立設されている。本実施形態においては、燃料電池セル２は、ガラス１５によっ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）を介してマニホールド３に立設され、ガラス１５により気密固定される。
【００４７】
図の破線矢印に示すように、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る。発電に用いられなかった燃料ガスは燃料電池セル２の他端（上端）から排出される。燃料電池セルの一端では、燃料ガスは、水素濃度が高い。燃料ガスは、燃料ガス流路を下流側に進むにつれて発電反応に消費されていくため、燃料電池セルの他端から排出される燃料ガスは水素濃度が低い。
【００４８】
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部材４によって接続されている。また、電気的に直列に接続された電気経路の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（図示せず）が設けられている。
【００４９】
（集電部材）
本発明において集電部材とは、一つの燃料電池セルの燃料極層と隣り合う燃料電池セルの空気極層とを電気的に接続するために用いる導電性部材であって、導電性被膜とは異なるものである。この集電部材は燃料電池セル同士を電気的に接続できるものであれば、一部材（１パーツ）であっても、複数の部材から構成されるものであっても良い。
【００５０】
図４に本発明において使用可能な集電部材４を示す。図４に示すように集電部材４は燃料電池セル２の外側電極層や内側電極層に接続される２つの接続部４ａと、２つの接続部４ａを電気的に連結する延在部４ｂとを含むことが好ましい。集電部材４は、金属や合金で構成されていることが好ましい。具体的には、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレスなどが挙げられる。集電部材４の電気伝導性を向上させるために、集電部材４の表面は銀めっきなどの被膜を有しても良い。
【００５１】
本発明において、フェライト系ステンレス製の薄板を曲げ加工することにより、接続部４ａ及び延在部４ｂを一体的に形成した集電部材を使用することが好ましい。集電部材４の表面に銀メッキが施されたものを用いるのがさらに好ましい。
【００５２】
次に本発明の実施形態にかかる、燃料電池セル２について図５及び図６を参照しながら説明する。
【００５３】
（燃料電池セル）
本発明において、燃料電池セルは、筒状に形成され燃料ガスが流通する内側電極層と、内側電極層の外側に形成され酸化剤ガスが流通する外側電極層と、前記内側電極層と前記外側電極層の間に形成された固体電解質層と、を有する。本発明において、「内側電極層」および「外側電極層」とは、少なくとも供給された反応ガスと電気化学的反応を行う機能を有するものである。各電極層の表面に導電性を有する被膜（例えば、銀ペーストからなる被膜）によって、導電性能を向上させて発電効率を向上させたものであっても良い。
【００５４】
本発明において、燃料電池セルの形状は筒状である。本発明において、筒状の燃料電池施セルとは、一方向（軸方向）に延在した長軸方向を有する柱体形状の燃料電池セルを意味する。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。燃料電池セルの内部にガス流路が設けられていても良く、ガス流路は単数でも複数でも良い。
【００５５】
図５は、本発明の実施形態において使用する燃料電池セル２についての一例を示したものである。キャップ５（金属キャップ）は、セル本体６の上端部及び下端部をそれぞれ包囲するように設けられており、燃料電池セルの両端部で露出させた燃料極層と電気的に接続されている。キャップ５は、例えば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ものを用いることができる。この場合、キャップの表面にクロム酸化物が形成されるため、クロムの蒸発を防止するために、キャップの表面にはＭｎＣｏ２Ｏ４がコーティングされているものを用いることができる。
【００５６】
キャップ５とセル本体６は、導電性を有する材料により接合されていることが好ましい。例えば、キャップ５とセル本体６との間に銀ろうを設けることで接合されていることが好ましい。
【００５７】
なお、本明細書では実施形態としてキャップを用いた集電構造を説明するが、キャップは本発明に必須の構成ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、キャップを用いない集電構造等を適宜実施することができる。
【００５８】
（内側電極層）
本発明において、内側電極層は燃料極層である。本発明において、燃料極層は、燃料極触媒層や支持体を含むものとする。例えば燃料極層は、燃料極導電層（導電性支持体）とその外表面に形成された燃料極触媒層との積層体であってもよく、絶縁性支持体とその外表面に形成された燃料極触媒層との積層体であってもよい。さらに燃料極層の機能の向上や耐久性の向上のために別途設けられた中間層や濃度傾斜層等を含む積層構造体であってもよい。
【００５９】
燃料極層は、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。本発明では、燃料極層は、Ｎｉ／ＹＳＺからなることが好ましい。
【００６０】
燃料極層を複層とする場合、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺからなる燃料極導電層の外周に燃料極触媒層８が形成されていてもよい。本発明において、燃料極触媒層は、Ｎｉ／ＧＤＣからなることが好ましい。
【００６１】
（固体電解質層）
固体電解質層は、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ことが好ましい。本発明において、固体電解質層９はＳｒ及びＭｇがドープされたランタンガレート系酸化物であることが好ましく、より好適には一般式Ｌａ１−ａＳｒａＧａ１−ｂ−ｃＭｇｂＣｏｃＯ３（但し、０．０５≦ａ≦０．３、０＜ｂ＜０．３、０≦ｃ≦０．１５）で表されるランタンガレート系酸化物（ＬＳＧＭ）である。なお、固体電解質層は、微量成分として、上記に示した材料以外の成分を含んでいても良い。
【００６２】
固体電解質層の膜厚は、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上６０μｍ以下であることが更に好ましく、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが更により好ましい。これにより、高温運転時に必要とされる膜強度と高い発電性能を得ることが出来る。
【００６３】
（外側電極層）  
本発明において、外側電極層は空気極層である。空気極層は、固体電解質層を挟んで燃料極層の外周面に沿って全周にわたって形成されている。本発明において、外側電極層（空気極層）の終端部とは、燃料電池セルの長軸方向における外側電極層の上下にある各端部を指す。燃料電池セルの長軸方向に対し、空気極層の下側の端部（終端部）は燃料極層８の下側の端部（終端部）よりも上方にあり、空気極層の上側の端部（終端部）は燃料極層の上側の端部（終端部）よりも下方にある。本発明において、空気極層は単層でも複層でも良い。複層の場合、例えば、空気極層と空気極層の表面に空気極集電層を有する積層体であっても良い。
【００６４】
空気極層は、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。空気極層は、ペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。ペロブスカイト型酸化物としては、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３（但し、ｘ＝０．１〜０．３）及びＬａＣｏ１−ｘＮｉｘＯ３（但し、ｘ＝０．１〜０．６）などのランタンコバルト系酸化物、（Ｌａ、Ｓｒ）ＦｅＯ３系と（Ｌａ、Ｓｒ）ＣｏＯ3系の固溶体であるランタンコバルトフェライト系酸化物（Ｌａ１−ｍＳｒｍＣｏ１−ｎＦｅｎＯ３（但し、０．０５＜ｍ＜０．５０、０≦ｎ≦１））、サマリウム及びコバルトを含むサマリウムコバルト系酸化物（Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３）から選ばれる一種以上を用いることができる。好ましくは、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト(ＬＳＣＦ)である。
【００６５】
空気極層を複層とする場合、空気極層の外周には空気極導電層が形成されていることが好ましい。空気極導電層は、空気極層と同じセラミック材料を用いて形成することができ、具体的には上述の材料を用いることができる。もしくは、導電率の高いAgやPd、白金などの貴金属やこれらの合金を用いることができる。もしくは、セラミック材料と貴金属や合金との混合物を用いることも可能である。具体的には、例えば、空気極導電層として、上述に記載されたペロブスカイト型酸化物から選択される一種以上とＡｇを含むものとすることができる。
【００６６】
空気極層の膜厚は、１０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上２００μｍ以下であることが更に好ましく、１０μｍ以上１５０μｍ以下であることが更により好ましい。これにより、下地層との密着性を高くでき、高いセル性能を得ることができる。
【００６７】
空気極層が複層である場合、空気極層は、１０μｍ以上６０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上４５μｍ以下であることが更に好ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下であることが更により好ましい。空気極導電層は、１０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上２００μｍ以下であることが更に好ましく、１０μｍ以上１５０μｍ以下であることが更により好ましい。
【００６８】
図６は、本発明で用いることが可能な燃料電池セルの部分断面図であり、図５に示す燃料電池セル２の部分断面図を示す。セル本体６は、上下方向に延びる管状構造体である。セル本体６は、燃料極層として、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触媒層８とを有する。セル本体６は、燃料極触媒層８の外周側に円筒形の固体電解質層９を有する。固体電解質層９の外周に設けられた円筒形の空気極層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。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。キャップ５とセル本体６は、銀１４とガラス１５により接合されている。
【００６９】
本発明において、燃料電池セルの燃料ガス流路の下流側（つまり、燃料電池セルの上端側）の抵抗よりも燃料ガス流路の上流側（つまり、燃料電池セルの下端側）の抵抗の方が大きいことが好ましい。本発明において、燃料電池セルにおける上端側と下端側とで抵抗を異ならせる方法は下記の方法を用いることができる。
【００７０】
（１）本発明において、燃料電池セルの上端側と下端側における反応抵抗を異ならせる方法として、外側電極層や内側電極層における電子やイオンの生成反応に伴う抵抗（反応抵抗）を異ならせる方法を用いることができる。
【００７１】
本発明において、上記の反応抵抗を異ならせる方法として、燃料電池セルの下端側にて燃料電池セルの上端側よりも触媒活性が低い材料を用いる方法を用いることができる。
【００７２】
例えば、燃料電池セルの下端側の外側電極層に電極触媒活性が低い材料を用い、燃料電池セルの上端側の外側電極層として電極触媒活性の高い材料を用いることにより、外側電極層において下端側と上端側とで抵抗差を付けることが可能である。例えば、燃料電池セルの下端側の外側電極層を（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ３などで構成し、燃料電池セルの上端側の外側電極層を（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ３）で構成する方法が挙げられる。
【００７３】
また、燃料電池セルの外側電極層に酸化物イオン伝導性を有する材料を混合することで、反応抵抗を調整する方法を用いることができる。例えば、燃料電池セルの外側電極層の材料として（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ３を採用する場合、燃料電池セルの上端側の外側電極層にのみ酸化物イオン伝導性を有する材料である（Ｇｄ、Ｃｅ）Ｏ２）を混合することにより、反応抵抗を低減することができ、燃料電池セルの下端側の抵抗を燃料電池セルの上端側の抵抗より大きくすることが可能である。
【００７４】
また、燃料電池セルの下端側の外側電極層と燃料電池セルの上端側の外側電極層との構成元素の比率を変えることにより、外側電極層において下端側と上端側とで反応抵抗差を付ける方法を用いることができる。例えば、燃料電池セルの上端側の外側電極層を（Ｌａ０．６、Ｓｒ０．４）（Ｃｏ０．２、Ｆｅ０．８）Ｏ３）で構成し、燃料電池セルの下端側の外側電極層を（Ｌａ０．６、Ｓｒ０．４）（Ｃｏ０．８、Ｆｅ０．２）Ｏ３）で構成する方法が挙げられる。
【００７５】
本発明において、燃料電池セルの上端側と下端側の反応抵抗差は電極触媒活性を評価することにより、燃料電池材料の抵抗の大きさを求めることができる。電極触媒活性は、例えば各種燃料電池材料を用いたセルの交流インピーダンス測定し、コール−コールプロットにおける高周波数領域の円弧成分の大きさを測定することにより、評価することが出来る。
【００７６】
（２）本発明において、燃料電池セルの下端側の抵抗を燃料電池セルの上端側の抵抗より大きくする具体的な方法として、燃料電池セルの下端側の微細構造と燃料電池セルの上端側の微細構造を異ならせることによりガスや空気の拡散抵抗を異ならせる方法を用いることができる。
【００７７】
例えば、燃料電池セルの下端側の内側電極層と燃料電池セルの上流側の内側電極層の気孔率を異ならせる方法が挙げられる。例えば、燃料電池セルの下端側の気孔率を低下させることにより、水素や水蒸気の拡散抵抗を高められる。
【００７８】
拡散抵抗は、上述のコール−コールプロットにおける低周波数領域の円弧成分の大きさを測定する方法や、ＪＩＳ Ｋ ７１２６−１を応用した、電極層の両側に圧力差を与え、その際の気体透過量を測定する方法により得られるガス透過度を代用特性として求めることができる。
【００７９】
（３）本発明において、燃料電池セルの下端側の抵抗を燃料電池セルの上端側の抵抗より大きくする具体的な方法として、電子やイオンの流れにより発生する抵抗を調整する方法を用いることができる。具体的には、燃料電池セルの下端側にて、上端側よりも導電率の低い、つまり高抵抗な材料を用いる方法や、燃料電池セルの下端側と上端側とにおいて、固体電解質層や各電極層の膜厚を異ならせる方法を用いることができる。
【００８０】
本発明において、電子やイオンの流れにより発生する抵抗の大きさは、ＪＩＳ Ｃ ２５２５やＪＩＳ Ｒ １６６１などに準ずる四端子法により測定することが出来る。
【００８１】
図面を参照して、本発明において燃料電池セルスタックの好ましい具体的な態様について説明する。
【００８２】
（固体電解質層の膜厚）
本発明において、図８に示すように、燃料電池セルの下端側の固体電解質層９の膜厚（ｄ１）を、燃料電池セルの上端側の固体電解質層９の膜厚（ｄ２）よりも厚いことが好ましい。これにより、固体電解質層９の下端側における電気抵抗が増大する。したがって、燃料電池セルの下端側での電流集中の発生を抑制し、更なる燃料電池セルの耐久性向上を実現することができる。
【００８３】
図８および図９を具体的に説明する。燃料電池セル２において、固体電解質層９は、下端側の抵抗が大きい領域（Ａ領域）と、上端側の抵抗が小さい領域（Ｂ領域）との２つの領域を有する。固体電解質層９において、Ａ領域の膜厚（ｄ１）はＢ領域の膜厚（ｄ２）よりも厚い。固体電解質層９を長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。なお、図８および９において、固体電解質層９の厚みが変化することにより、固体電解質層９の表面に形成されている空気極１０や空気極導電層１１がＡ領域とＢ領域との境目で分断されているように見えるが、実際は連続して形成されている。
【００８４】
本発明において、ｄ２は１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上３０μｍ以下であることが更に好ましく、１０μｍ以上３０μｍ以下であることが更により好ましい。また、ｄ１とｄ２は、ｄ１≧ｄ２の関係を満たす。
【００８５】
本発明において、Ａ領域とＢ領域の境界は、外側電極層の軸方向における中央部または中央部よりも燃料電池セルの下端側であることが好ましい。
【００８６】
本発明において、固体電解質層９において、Ａ領域の抵抗値がＢ領域の抵抗値に対して１倍以上２倍以下であることが好ましく、１倍以上１．５倍以下であることがさらに好ましい。これにより、固体電解質層９において、上端側よりも下端側において、固体電解質層の膜厚方向のイオン導電距離が長くなり抵抗が増大する。したがって、燃料電池セルの下端側での電流集中の発生が抑制される。
【００８７】
本発明において、燃料電池セル２の上端側に設けられる集電部材４（第１の集電部材）の接続部４ａは、燃料電池セル２（第２の燃料電池セル）の抵抗の小さいＢ領域に配置され、空気極導電層１１（外側電極層）と電気的に接続されることが好ましい。
【００８８】
一方、燃料電池セル２の下端側の集電部材４（第２の集電部材）の接続部４ａは、燃料電池セル２（第２の燃料電池セル）の抵抗が大きいＡ領域でも、抵抗が小さいＢ領域に設けられていても良い。
【００８９】
本発明において、燃料電池セル２の下端側の集電部材４（第２の集電部材）の接続部４ａは燃料電池セル２（第２の燃料電池セル）のＢ領域に設けられることが好ましい。これにより、Ａ領域で接続部を設ける場合よりも導電経路は長くなるが、抵抗の小さな領域に接するため得られる発電効率を高くすることが出来る。
【００９０】
また、燃料電池セル２の上端側の集電部材４（第１の集電部材）の延在部４ｂよりも、第２の燃料電池セル２の下端側の集電部材４（第２の集電部材）の延在部４ｂのほうが長く構成されている。そのため、導電経路が長いほど、抵抗が大きくなる。したがって、燃料電池セル２の下端側の集電部材４（第２の集電部材）を通過する電流量を制限することができる。延在部９ｂの長さは固体電解質層９の抵抗によって適宜調整しても良い。
【００９１】
図７は、従来の両端集電構造の場合と、本発明の実施態様１にかかる集電構造の場合のシミュレーション結果をプロットした図であり、燃料電池セルの高さ位置に応じた電流密度を示すシミュレーション結果を示す。横軸にひとつの燃料電池セルの電流密度を示し、縦軸に燃料電池セルの高さ位置（セル全体長さに対する相対位置）を示す。従来の両端集電構造は、図１６に示すような集電部材を従来の両端に配置した場合である。本発明の実施態様１は、図８に示すような集電部材を燃料電池セル下端から軸方向において上端方向に離し、且つ燃料電池セルの下端側の固体電解質層の膜厚を大きく構成した場合である。筒状の燃料電池セルを用い、燃料電池セルの下端から燃料ガスを供給した。集電構造を除き同条件とした。
【００９２】
図７に示すように、従来の両端集電構造では燃料電池セルの高さ位置が下端（すなわち、燃料ガスの供給口に近い燃料ガス上流側）であるほど、電流密度は高い。これは燃料電池セルの下端近傍で電流集中が生じていることを示している。これに対し、本発明の実施態様１にかかる集電構造においては、燃料電池セルの下端の電流密度は従来構造に対して低下している。さらに、図１と図７とを比較すると、本実施態様１のほうが、実施形態よりも下端における電流密度が小さい。
【００９３】
これは、本発明の実施態様１にかかる集電構造では燃料電池セルの下端から集電部材を離すことにより抵抗が高くなり、燃料電池セルの下端側における固体電解質層が上端側に対して高抵抗となるためである。これにより、燃料電池セルの一端側における固体電解質層の膜厚方向のイオン導電距離が長くなり抵抗が高くなる。したがって、燃料電池セルの一端側での電流集中を更に抑制できる。
【００９４】
（電極層の膜厚）
本発明において、図１１および図１２に示すように、燃料電池セルの下端側の空気極導電層の膜厚ｄ３を燃料電池セルの上端側の空気極導電層の膜厚ｄ４よりも薄いことが好ましい。つまり、空気極導電層の軸方向の伝導経路において燃料電池セル一端側の電気抵抗が高くなるように構成される。これにより、燃料電池セルの一端側での電流集中の更に抑制できる。なお、空気極導電層でなく、空気極層、燃料極層、燃料極導電層の膜厚によって抵抗を調整しても良い。
【００９５】
図１１および図１２を具体的に説明する。燃料電池セル２において、空気極導電層１１は、下端側の抵抗が大きい領域（Ｃ領域）と、上端側の抵抗が小さい領域（Ｄ領域）との２つの領域を有するものである。空気極導電層１１において、Ｃ領域の膜厚（ｄ３）はＤ領域の膜厚（ｄ４）よりも薄い。なお、空気極導電層１１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。
【００９６】
本発明において、Ｃ領域とＤ領域の境界は、外側電極層の軸方向における中央部または中央部よりも燃料電池セルの下端側であることが好ましい。
【００９７】
本発明において、燃料電池セル２の上端側の集電部材４（第１の集電部材）の接続部４ａは、燃料電池セル２（第２の燃料電池セル）の抵抗が小さいＤ領域に配置され、空気極導電層１１（外側電極層）と電気的に接続されることが好ましい。
【００９８】
燃料電池セル２の下端側の集電部材４（第２の集電部材）の接続部４ａは、燃料電池セル２（第２の燃料電池セル）の抵抗が大きいＣ領域に配置されていても、抵抗が小さいＤ領域に配置されていても良い。本発明において、燃料電池セル２の下端側の集電部材４（第２の集電部材）の接続部４ａは、Ｄ領域に配置される方がより好ましい。これにより、燃料電池セル２の下端側において電流集中の発生を抑制することができる。
【００９９】
本発明において、空気極導電層１１において、Ｃ領域の抵抗がＤ領域の抵抗に対して１．５倍以上２０倍以下であり、２倍以上１０倍以下とすることが好ましい。これにより、燃料電池セルの一端側における電流の流れが抑制さる。
【０１００】
また、燃料電池セル２の上端側の集電部材（第１の集電部材）の延在部４ｂよりも、第２燃料電池セル２の下端側の集電部材（第２の集電部材）の延在部４ｂのほうが長く構成されている。そのため、導電経路が長く抵抗が大きくなり、燃料電池セル２の下端側の集電部材（第２の集電部材）を通過する電流量を制限できる。延在部９ｂの長さは空気極導電層１１の抵抗によって適宜調整しても良い。
【０１０１】
内側電極層（燃料極導電層７、燃料極層８）の抵抗を調整して電流集中を抑制する場合は、燃料電池セルの一端側の抵抗が大きい領域（Ｅ領域）と、燃料電池セルの他端側の抵抗が小さい領域（Ｆ領域）との２つの領域が形成される。この場合、Ｅ領域の抵抗がＦ領域の抵抗に対して１倍以上５倍以下となるように構成されることが望ましい。これにより、燃料電池セルの一端側における電流の流れが抑制される。
【０１０２】
また、内側電極層（燃料極導電層７、燃料極層８）と、外側電極層（空気極層１０、空気極導電層１１）の導電抵抗を適宜組み合わせることによって燃料電池セルの下端側の電流集中を抑制することも好ましい。また、燃料電池セルの軸方向における中央を基準に上下非対称な形状とすることにより燃料電池セルの下端側の抵抗を調整しても良い。例えば、燃料電池セルの一端側の空気極導電層１１を無くす構成や、燃料電池セルの一端側に設けられたキャップの抵抗を大きくする構成が挙げられる。
【０１０３】
図１０は、従来の両端集電構造の場合と、本発明の実施態様２にかかる集電構造の場合のシミュレーション結果をプロットした図であり、燃料電池セルの高さ位置に応じた電流密度を示すシミュレーション結果を示す。横軸にひとつの燃料電池セルの電流密度を示し、縦軸に燃料電池セルの高さ位置（セル全体長さに対する相対位置）を示す。従来の両端集電構造は、図１６に示すような集電部材の配置位置を従来の両端に配置した場合である。本発明の実施態様２は、図１０に示すような本発明にかかる集電部材の配置位置を燃料電池セル下端から軸方向において上端方向に離し、さらに燃料電池セルの下端部分の空気極導電層の抵抗を大きく構成した場合である。筒状の燃料電池セルを用い、燃料電池セルの下端から燃料ガスを供給した。集電構造を除き同条件とした。
【０１０４】
図１０に示すように、従来の両端集電構造では燃料電池セルの高さ位置が下端（すなわち、燃料ガスの供給口に近い燃料ガス上流側）であるほど、電流密度は高い。これは燃料電池セルの下端近傍で電流集中が生じていることを示している。これに対し、実施態様２では、燃料電池セルの高さ位置が下端の電流密度は従来構造に対して低下している。さらに、図１と図１０とを比較すると、実施形態よりも実施態様２の方が下端における電流密度が低い。
【０１０５】
これは、図１１や図１２に示すような本発明における燃料電池セルスタックでは燃料電池セル下端から集電部材を離すことにより抵抗が高くなり、燃料電池セルの空気極導電層の下端側が上端側に対して抵抗が高くなるように構成されているためである。これによって、燃料電池セルの一端側における電流の流れが抑制され、燃料電池セル一端側での電流集中の更なる抑制を実現することができる。
【０１０６】
燃料電池セルの上端側よりも下端側の抵抗を大きくする具体的な方法として、固体電解質層や空気極導電層の膜厚を異ならせる方法を挙げたが、これらを組み合わせてもよい。具体的には、本発明において、図１４や図１５に示すように、燃料電池セルの下端側の固体電解質層の膜厚が燃料電池セルの上端側よりも厚く、さらに燃料電池セルの下端側の空気極導電層１１の膜厚が燃料電池セルの上端側の空気極導電層１１の膜厚よりも薄いのが好ましい。これにより、燃料電池セル２は、下端側の抵抗が大きい領域（Ｇ領域）と、上端側の抵抗が小さい領域（Ｈ領域）との２つの領域を有する。
【０１０７】
図１３は、従来の両端集電構造の場合と、本発明の実施態様３にかかる集電構造の場合のシミュレーション結果をプロットした図であり、燃料電池セルの高さ位置に応じた電流密度を示すシミュレーション結果を示す。従来の両端集電構造は、図１６に示すような集電部材の配置位置を従来の両端にした場合である。本発明の実施態様３は、図１４や図１５に示すような本発明にかかる集電部材を燃料電池セルの下端から長軸方向において上端方向に離し、さらに燃料電池セルの下端部分の固体電解質層及び空気極導電層の抵抗を大きく構成した場合である筒状の燃料電池セルを用い、燃料電池セルの下端から燃料ガスを供給した。集電構造を除き同条件とした。
【０１０８】
図１３に示すように、従来の両端集電構造では燃料電池セルの高さ位置が下端（すなわち、燃料ガスの供給口に近い燃料ガス上流側）であるほど、電流密度は高い。これは燃料電池セルの下端近傍で電流集中が生じていることを示している。これに対し、実施態様３においては、燃料電池セルの高さ位置が下端の電流密度は従来構造に対して低下している。さらに、図１と図１３とを比較すると、実施形態よりも実施態様３の方が下端における電流密度が低い。
【０１０９】
これは、図１４や図１５に示すような本発明にかかる燃料電池セルスタックでは燃料電池セルの下端から集電部材を離すことにより抵抗が高くなり、固体電解質層及び空気極導電層が下端側よりも上端側の方が抵抗が高い。これによって、燃料電池セルの一端側における電流の流れが抑制され、燃料電池セルの下端側での電流集中を更に抑制できる。
【実施例】
【０１１０】
固体酸化物形燃料電池セルの作製
（比較例１）
ＮｉＯ粉末と１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３−９０ｍｏｌ％ＺｒＯ２）粉末とを重量比６５：３５で混合して、押し出し成形機にてせん断を加え１次粒子化させながら円筒状に成形し、燃焼極支持体を作製した。この燃料極支持体上に、燃料極の反応を促進させる燃料極触媒層を形成した。燃料極触媒層は、ＮｉＯとＧＤＣ１０（１０ｍｏｌ％Ｇｄ２Ｏ３−９０ｍｏｌ％ＣｅＯ２）とを、重量比５０：５０で混合したものをスラリーコート法により燃料極支持体上に製膜し形成した。さらに、燃料極触媒層上にＬＤＣ４０（４０ｍｏｌ％Ｌａ２Ｏ３−６０ｍｏｌ％ＣｅＯ２）、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３の組成のＬＳＧＭをスラリーコート法により順次積層し、固体電解質層を形成し、成形体を得た。得られた成形体を１３００℃にて焼成した。その後、空気極層用スラリーをスラリーコート法にて製膜し、１０５０℃で焼成することで空気極層を形成した。
【０１１１】
次に、空気極層の外表面に空気極導電層を形成した。空気極導電層を形成するためのコーティング液は、銀粉末と、パラジウム粉末と、ＬＳＣＦ粉末と、溶媒と、バインダーとを混合させたものとした。銀とパラジウムとＬＳＣＦの重量比は、９８：１：１とした。このコーティング液を、空気極層の表面に、インクジェット法により塗布した後、乾燥機中１５０℃にて乾燥させ、室温にて冷却後、７００℃１時間焼成した。これにより、空気極層の外表面に空気極導電層を形成した。以上のようにして、表１に示すような燃料電池セルを作製した。
【０１１２】
【表１】
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【０１１３】
固体酸化物形燃料電池スタックの作製
各セルの燃料極支持体の両端部に集電体とガスシールを兼ね備えた導電性シール材を取付け、さらに前記燃料極の両端部に導電性シール材を覆うように内側電極端子を設け、燃料電池セルユニットを作製した。内側電極端子は燃料ガス流路となる燃料極支持体の内径より縮径し、前記セルのそれぞれの端部からセルの外方向に伸びる縮径部を有するものとした。燃料電池セルユニット１６本を集電部材によって電気的に直列につなぎ固体酸化物形燃料電池スタックを作製した。集電部材は、図４に示すような、各燃料電池セルの空気極層を電気的に接続する接続部と、接続部を電気的に導通させる延在部を有するものを用いた。この集電部材２つを、図１６に示すように、隣り合う複数の燃料電池セルの両端部にそれぞれ設けた。
【０１１４】
固体酸化物形燃料電池スタックにおける耐久試験
作製した固体酸化物形燃料電池スタックを用いて耐久試験を行った。燃料ガスとして水素−窒素混合ガスを利用し、燃料利用率は７５％に設定した。酸化剤ガスとして空気を利用し、空気利用率は４０％に設定した。発電定常温度は７００℃、電流値を空気極の面積で除した平均電流密度を０．２Ａｃｍ-2に設定し、約１０００時間にわたり連続運転を行った。シミュレーションにより算出された局所的な最大電流密度と連続運転時の電圧劣化率を表２に示す。
【０１１５】
【表２】
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【０１１６】
（実施例１）
比較例と同様の方法にて表１に示すような燃料電池セルを作製した。図２に示すように、燃料電池セルの下端側（燃料ガス流路の上流側）に設ける集電部材の延在部が燃料電池セルの上端側（燃料ガス流路の下流側）の設ける集電部材の延在部よりも長いものを用い、隣り合う複数の燃料電池セルのうち、一方の燃料電池セルの下端側（燃料ガス流路の上流側）に設けられた集電部材の位置を燃料電池セルの軸方向において中央部付近とした以外は、比較例１と同様の方法にてセルユニットを作製した。その後、比較例１と同様の耐久試験を行った。結果を表２に示す。
【０１１７】
（実施例２）
表１に示すような燃料電池セルの下端側（燃料ガス流路の上流側）のＬＳＧＭ層の厚みを燃料電池セルの他端側（燃料ガス流路の下流側）のＬＳＧＭ層の厚みより厚くした以外は実施例１と同様の方法にて燃料電池セルおよびセルユニットを作製した。ここで、厚みの分岐点はＬＳＧＭ層の軸方向の長さにおいて、燃料電池セルの下端側の長さ：燃料電池セルの上端側の長さ＝１：２となる位置とした。その後、比較例１と同様の耐久試験を行った。結果を表２に示す。
【０１１８】
（実施例３）
表１に示すような燃料電池セルの他端側（燃料ガス流路の下流側）の空気極導電層の厚みを燃料電池セルの一端側（燃料ガス流路の上流側）の空気極導電層の厚みより厚くした以外は実施例１と同様の方法にて燃料電池セルおよびセルユニットを作製した。ここで、厚みの分岐点は空気極導電層の軸方向の長さにおいて、燃料電池セルの下端側の長さ：燃料電池セルの上端側の長さ＝１：２となる位置とした。その後、比較例１と同様の耐久試験を行った。結果を表２に示す。
【０１１９】
（実施例４）
表１に示すような燃料電池セルの他端側（燃料ガス流路の下流側）の空気極導電層の厚みを燃料電池セルの一端側（燃料ガス流路の上流側）の空気極導電層の厚みより厚くした以外は実施例２と同様の方法にて燃料電池セルおよびセルユニットを作製した。ここで、厚みの分岐点は空気極導電層の軸方向の長さにおいて、燃料電池セルの下端側の長さ：燃料電池セルの上端側の長さ＝１：２となる位置とした。その後、比較例１と同様の耐久試験を行った。結果を表２に示す。
【符号の説明】
【０１２０】
１      燃料電池スタック
２      燃料電池セル
３      マニホールド
４      集電部材（第１の集電部材、第２の集電部材）
４ａ    接続部
４ｂ    延在部
５      キャップ（金属キャップ）
６      セル本体
７      燃料極導電層
８      燃料極層
９      電解質層
１０    空気極層
１１    空気極導電層
１２    燃料ガス流路
１４    絶縁性支持部材
１５    ガラス
Ａ      Ａ領域
Ｂ      Ｂ領域
Ｃ      Ｃ領域
Ｄ      Ｄ領域
Ｇ      Ｇ領域
Ｈ      Ｈ領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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