(57)【要約】      （修正有）【課題】柱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、片端集電構造を採用して燃料電池セル下端部に生じる電流集中等を解消することで、耐久性が高く電流取り出し効率の良い固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。【解決手段】一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層７に、酸化剤ガスが空気極層１０に供給されることで発電するもので、燃料極層７と電気的に接続された燃料極導電層８と、空気極層１０と電気的に接続された空気極導電層１１とを有し、複数配列された燃料電池セル２の燃料極導電層８は、隣り合う燃料電池セル２の空気極導電層１１と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電気抵抗は他端側の電気抵抗よりも大きくした柱状の燃料電池セル２。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
前記燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電気抵抗は他端側の電気抵抗よりも大きい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】
前記燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の前記燃料極導電層は他端側の前記燃料極導電層よりも、及び／又は、一端側の前記空気極導電層は他端側の前記空気極導電層よりも、電気抵抗が大きいことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極導電層及び／又は前記空気極導電層は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との二つの領域でなることを特徴とする、請求項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発電部における軸方向の導電経路において、一端側の燃料極導電層は他端側の燃料極導電層よりも、及び／又は、一端側の前記空気極導電層は他端側の前記空気極導電層よりも、膜厚が薄いことを特徴とする、請求項２又は３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発電部における前記燃料極導電層及び／又は前記空気極導電層は、一端側から他端側にかけて徐々に電気抵抗が小さくなるように徐々に厚さが厚く構成されていることを特徴とする、請求項２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発電部における軸方向の導電経路において、一端側の前記燃料極導電層は他端側の前記燃料極導電層よりも、及び／又は、一端側の前記空気極導電層は他端側の前記空気極導電層よりも、気孔率が高いことを特徴とする、請求項２又は３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発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電解質は他端側の電解質層よりも電気抵抗が大きいことを特徴とする、請求項１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発電部における前記電解質層は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との二つの領域でなることを特徴とする、請求項７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発電部における軸方向の導電経路において、一端側の前記電解質層は他端側の前記電解質層よりも膜厚が厚いことを特徴とする、請求項７又は８に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記燃料電池セルの発電部における前記電解質層は、一端側から他端側にかけて徐々に電気抵抗が小さくなるように徐々に厚さが薄く構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１１】
固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の前記燃料極層は他端側の前記燃料極層よりも、及び／又は、一端側の前記空気極層は他端側の前記空気極層よりも、触媒活性が低い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１２】
前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極層及び／又は前記空気極層は、一端側の触媒活性が低い領域と、他端側の触媒活性が高い領域との二つの領域でなることを特徴とする、請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極層は他端側の燃料極層よりも、及び／又は、一端側の前記空気極層は他端側の前記空気極層よりも、膜厚が薄いことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極層及び／又は前記空気極層は、一端側から他端側にかけて徐々に触媒活性が高くなるように徐々に厚さが厚く構成されていることを特徴とする、請求項１１乃至１３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１５】
前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の前記燃料極層は他端側の前記燃料極層よりも、及び／又は、一端側の前記空気極層は他端側の前記空気極層よりも、気孔率が低いことを特徴とする、請求項１１乃至１４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１６】
固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の前記燃料極層は他端側の前記燃料極層よりも、及び／又は、一端側の前記空気極層は他端側の前記空気極層よりも、ガス拡散性が低い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１７】
前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極層及び／又は前記空気極層は、一端側のガス拡散性が低い領域と、他端側のガス拡散性が高い領域との二つの領域でなることを特徴とする、請求項１６に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の燃料極層は一端側の燃料極層よりも、及び／又は、他端側の前記空気極層は一端側の前記空気極層よりも、膜厚が薄いことを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記燃料電池セルの発電部における前記燃料極層及び／又は前記空気極層は、一端側から他端側にかけて徐々にガス拡散性が高くなるように徐々に厚さが薄く構成されていることを特徴とする、請求項１６又は１８に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２０】
前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の前記燃料極層は一端側の前記燃料極層よりも、及び／又は、他端側の前記空気極層は一端側の前記空気極層よりも、気孔率が高いことを特徴とする、請求項１６乃至１９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２１】
前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の前記燃料極層、前記燃料極導電層、前記空気極層、及び前記空気極導電層のうち少なくともひとつは、これに対応する一端側の前記燃料極層、前記燃料極導電層、前記空気極層、及び前記空気極導電層のうち少なくともひとつよりも、屈曲度が小さいことを特徴とする、請求項１６乃至２０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２２】
前記燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の前記燃料極導電層及び／又は前記空気極導電層の表面の少なくとも一部に、他端側の前記燃料極導電層及び／又は前記空気極導電層よりもガス拡散性の低い層が設けられていることを特徴とする、請求項１６乃至２１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２３】
前記ガス拡散性の低い層は、前記空気極導電層及び／又は前記燃料極導電層よりも気孔率が低いことを特徴とする、請求項２２に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２４】
前記ガス拡散性の低い層は、前記空気極導電層及び／又は前記燃料極導電層よりも屈曲度が高いことを特徴とする、請求項２２又は２３に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２５】
前記ガス拡散性の低い層は、前記空気極導電層及び／又は前記燃料極導電層よりも厚さが厚いことを特徴とする、請求項２２乃至２４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２６】
固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
さらに、前記燃料電池セルの他端側に燃料ガスの一部を直接供給するための燃料ガス他端部供給管を有す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２７】
固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
複数の前記燃料電池セルの一部は、順番に燃料ガスが供給されることで段階的に燃料ガスが消費されるように構成さ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２８】
固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、
前記空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
一端側の前記燃料極層及び／又は前記燃料極導電層の表面に、改質反応防止層が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２９】
前記改質反応防止層は、前記燃料極層及び／又は前記燃料極導電層よりもガス拡散性が低いことを特徴とする、請求項２８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、原料ガスを改質して得られた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複数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により発電する電力を取り出す装置であり、高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、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に記載の円筒形セルや扁平円筒形セルなどの柱状の燃料電池セルが知られている。一般に単一の燃料電池セル（単セル）では得られる電力が少ないため、これらを複数並べて電気的に直列に接続することで必要な電力を得るように構成している。
【０００４】
ところで円筒形セル等の柱状の燃料電池セルにおいては、電極が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問題があった。そこで特許文献１では、隣接する燃料電池セルへの電気的な直列接続として、一の燃料電池セルの空気電極（＋極）と、これと隣接する燃料電池セルの燃料電極（−極）との接続を、燃料電池セルの上端及び下端でそれぞれ独立した集電部材を用いて行ういわゆる「両端集電」構造によって解決している。この構成により、燃料電池セルの発電部で発生した電流は、燃料電池セルの上端及び下端へと分配されて外部へ取り出されるため、電流経路を短くして電気抵抗を減少させている。
【０００５】
しかし、水素を含む燃料ガスは柱状の燃料電池セルの下端側から内部流路に供給されることが一般的である中で、供給された燃料ガス中の水素濃度は発電反応によって徐々に消費されるため、内部流路において上流側から下流側にかけて水素濃度は減少する。このため、発電反応は燃料電池セルの最下端においてより活発であり、発生電流量も多い。この状況下において、両端集電を採用する場合、燃料ガスの供給量や取り出し電流量、あるいは燃料電池セル集電形態によっては、燃料電池セルの上流側（つまり、燃料電池の下端側）集電部において、電流集中が発生するおそれがあることを発明者は見出した。すなわち、電流の主要発生領域と電流の取り出し領域とが一致することに問題がある。燃料電池セルにおける電流集中は、局所的な発電促進による燃料電池セルの劣化に起因した耐久性低下や、発生電流の取り出しの妨げによる出力の低下など様々な課題を引き起こす。
【０００６】
そこで発明者は、両端集電構造をとることで生じる上述した燃料電池セルの下端部における電流集中を抑制、回避するために、集電構造を燃料電池セルの上端部のみに集約した「片端集電（上端集電）」構造が最適であることを見出した。特許文献２には、隣り合う燃料電池セルのそれぞれの電極に接続する集電端子を導電性連結部材で接続して一体化した集電部材（コネクタ）を用いて、燃料電池セルの上端部どうしを直列接続した片端集電構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許５５７８３３２号公報
【特許文献２】特開２００７−９５４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
柱状の燃料電池セルの集電構造として上述した特許文献２に記載の片端集電構造を採用することにより、セル下端部における発電量が最大となる領域と、電流を取り出す端子を配置する領域とを離隔することができる。これにより電流集中が抑制されて燃料電池セルの耐久性が大きく向上すると推測された。
【０００９】
しかし発明者は、従来の両端集電構造に替えて単に片端集電構造を電流取り出しの集電構造として採用するだけでは、柱状の燃料電池セルにおいて下端部に生じる電流集中の課題を完全に解消することはできないことを見出した。すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が柱状の燃料電池セルの下端部である以上、高濃度の燃料ガスはまず下端部で発電反応に消費されるため、電流の発生量が下端部を主とする状況に変わりはないためである。このため、燃料電池セルの集電構造として下端部の電流集中を回避するための片端集電構造を採用するにあたり、下端部における電流集中のさらなる低減改善が求められていた。
【００１０】
そこで本発明は、柱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、燃料電池セルの集電構造を片端集電構造とするとともに、さらに電流集中を回避する構成を採用することで、燃料電池セルの下端部に生じる電流集中の課題を解決した固体酸化物形燃料電池スタックを提供するものである。
【００１１】
また、これによって耐久性が高く電流取り出し効率の良い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】
【００１２】
本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電気抵抗は他端側の電気抵抗よりも大きいものである。
【００１３】
本態様によれば、一端側から他端側に燃料ガス及び酸化剤ガスが流れるように構成された柱状の燃料電池セルにおいて片端集電構造としたときに、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において他端側よりも一端側の電気抵抗が大きいため、一端側における電流の流れが抑制される。この一端側での電流の流れの鈍化によって発電部全体としての電流の流れが調整され、電流を取り出す他端側で生じ得る電流集中の発生を未然に回避することができる。これにより電流集中に起因する燃料電池セルの劣化を抑制し、耐久性の高い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。
【００１４】
ここで、本明細書において「柱状の燃料電池セル」とは一方向（軸方向）に延在した立体形状を有する燃料電池セルであって、内部にガス流路が設けられた筒状形状を含むものである。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。
【００１５】
また、本明細書において「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体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り、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。
【００１６】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の燃料極導電層は他端側の燃料極導電層よりも、及び／又は、一端側の空気極導電層は他端側の空気極導電層よりも、電気抵抗が大きいことが好ましい。
【００１７】
本態様によれば、片端集電構造によって生じ得る電流集中対策として、燃料極導電層又は空気極導電層の電気抵抗を調整することによって、簡易に固体酸化物形燃料電池スタックの耐久性向上を実現することができる。
【００１８】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極導電層及び／又は空気極導電層は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との二つの領域でなることが好ましい。
【００１９】
本態様によれば、燃料極導電層又は空気極導電層の電気抵抗の調整を抵抗の大小で区分した二つの領域の形成により実現可能になることから、簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。
【００２０】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の燃料極導電層は他端側の燃料極導電層よりも、及び／又は、一端側の空気極導電層は他端側の空気極導電層よりも、膜厚が薄いことが好ましい。
【００２１】
本態様によれば、燃料極導電層又は空気極導電層の膜厚を適切に変更するとの簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。
【００２２】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極導電層及び／又は空気極導電層は、一端側から他端側にかけて徐々に電気抵抗が小さくなるように徐々に厚さが厚く構成されていることが好ましい。
【００２３】
本態様によれば、燃料極導電層又は空気極導電層の膜厚を連続的に変化させるため、非連続的な電流分布の発生を抑制し、局所的な電流集中を回避することができる。
【００２４】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の燃料極導電層は他端側の燃料極導電層よりも、及び／又は、一端側の空気極導電層は他端側の空気極導電層よりも、気孔率が高いことが好ましい。
【００２５】
本態様によれば、燃料電極導電層又は空気極導電層の気孔率を増大させて導電性を低下させることにより、一端側の電気抵抗を増加させて他端側での電流集中を防止することができる。
【００２６】
ここで、本明細書において気孔率とは、層中の層体積に対する気孔（空隙）の体積の割合である。気孔率は、例えば上記各層が形成された燃料電池セルを切断し、当該断面のＳＥＭ画像を取得することで算出することができる。
【００２７】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電解質は他端側の電解質層よりも電気抵抗が大きいことが好ましい。
【００２８】
本態様によれば、片端集電構造によって生じ得る電流集中対策として、電解質層の電気抵抗を調整することによって、簡易に固体酸化物形燃料電池スタックの耐久性向上を実現することができる。
【００２９】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における電解質層は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との二つの領域でなることが好ましい。
【００３０】
本態様によれば、電解質層の電気抵抗の調整を抵抗の大小で区分した二つの領域の形成により実現可能になることから、簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。
【００３１】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向の導電経路において、一端側の電解質層は他端側の電解質層よりも膜厚が厚いことが好ましい。
【００３２】
本態様によれば、一端側の電解質層を他端側の電解質層よりも膜厚を厚くしたことで、一端部側の電気抵抗が増大するため、簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。
【００３３】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における電解質層は、一端側から他端側にかけて徐々に電気抵抗が小さくなるように徐々に厚さが薄く構成されていることが好ましい。
【００３４】
本態様によれば、電解質層の膜厚を連続的に変化させるため、非連続的な電流分布の発生を抑制し、局所的な電流集中を回避することができる。
【００３５】
また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極層は他端側の燃料極層よりも、及び／又は、一端側の空気極層は他端側の空気極層よりも、触媒活性が低いものである。
【００３６】
本態様によれば、一端側よりも他端側の燃料極層や空気極層の触媒活性（電気触媒的作用）が高いため、発生電流は他端側で増大するため、一端側への電流集中を緩和することができる。
【００３７】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極層及び／又は空気極層は、一端側の触媒活性が低い領域と、他端側の触媒活性が高い領域との二つの領域でなることが好ましい。
【００３８】
本態様によれば、触媒活性の高低で区分した二つの領域を燃料極層や空気極層中に形成することで実現可能になることから、簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。
【００３９】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極層は他端側の燃料極層よりも、及び／又は、一端側の空気極層は他端側の空気極層よりも、膜厚が薄いことが好ましい。
【００４０】
本態様によれば、燃料極層又は空気極層の膜厚を、一端側よりも他端側で厚くすることにより、触媒活性の高い部分において触媒活性をより高めることができ、効果的に電流集中の対策を実施することができる。
【００４１】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極層及び／又は空気極層は、一端側から他端側にかけて徐々に触媒活性が高くなるように徐々に厚さが厚く構成されていることが好ましい。
【００４２】
本態様によれば、燃料極層又は空気極層の膜厚を連続的に変化させるため、触媒活性の非連続的な変化による非連続的な電流分布の発生を抑制し、局所的な電流集中を回避することができる。
【００４３】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極層は他端側の燃料極層よりも、及び／又は、一端側の空気極層は他端側の空気極層よりも、気孔率が低いことが好ましい。
【００４４】
本態様によれば、燃料極層や空気極層の気孔率を一端側よりも他端側で高めることにより、三相界面の反応場を広げ、他端側の発電反応を活性化させることで、効果的に電流集中の対策を実施することができる。
【００４５】
また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極層は他端側の燃料極層よりも、及び／又は、一端側の空気極層は他端側の空気極層よりも、ガス拡散性が低いものである。
【００４６】
本態様によれば、燃料極層、燃料極導電層、空気極層、空気極導電層の少なくともいずれかを他端側のガス拡散性が高くなるように構成したことで、燃料ガスや酸化剤ガスの三相界面への到達速度を高めることができ、起電力が高まり電流が流れやすくなるため、他端側に電流が流れやすい状態を形成することができる。このため、効果的に電流集中の対策を実施することができる。
【００４７】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極層及び／又は空気極層は、一端側のガス拡散性が低い領域と、他端側のガス拡散性が高い領域との二つの領域でなることが好ましい。
【００４８】
本態様によれば、ガス拡散性の高低で区分した二つの領域を燃料極層や空気極層中に形成することで実現可能になることから、簡易な構成で電流集中の対策を実施することができる。
【００４９】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の燃料極層は一端側の燃料極層よりも、及び／又は、他端側の空気極層は一端側の空気極層よりも、膜厚が薄いことが好ましい。
【００５０】
本態様によれば、燃料極層又は空気極層の膜厚を、一端側よりも他端側で薄くすることにより、ガス拡散性を高めることができ、効果的に電流集中の対策を実施することができる。
【００５１】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における燃料極層及び／又は空気極層は、一端側から他端側にかけて徐々にガス拡散性が高くなるように徐々に厚さが薄く構成されていることが好ましい。
【００５２】
本態様によれば、燃料極層又は空気極層の膜厚を連続的に変化させるため、ガス拡散性の非連続的な変化による非連続的な電流分布の発生を抑制し、局所的な電流集中を回避することができる。
【００５３】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の燃料極層は一端側の燃料極層よりも、及び／又は、他端側の空気極層は一端側の空気極層よりも、気孔率が高いことが好ましい。
【００５４】
本態様によれば、他端側の燃料極層や空気極層の気孔率を他端側の気孔率よりも増大させることでガス拡散性を向上させ、電流集中の発生を回避することができる。
【００５５】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、他端側の燃料極層、燃料極導電層、空気極層、及び空気極導電層のうち少なくともひとつは、これに対応する一端側の燃料極層、燃料極導電層、空気極層、及び空気極導電層のうち少なくともひとつよりも、屈曲度が小さいことが好ましい。
【００５６】
本態様によれば、他端側の燃料極層や燃料極導電層、空気極層、空気極導電層の屈曲度を小さくすることで、他端側のガス拡散性を向上させ、電流集中の発生を回避することができる。
【００５７】
ここで、本明細書において屈曲度とは、空気極層、空気極導電層、燃料極層、燃料極導電層において、これら各層の内部に存在する気孔が連通する気孔の連通経路の実効距離を、最短直線距離で割った値である。屈曲度は、３次元ＦＩＢ−ＳＥＭ（focused ion beam-scanning electron microscopy）で観察した複数の２次元画像を積分することで３次元化して気孔の連通経路を計算する方法や、拡散限界となる分圧を発電実験から求めて拡散係数から逆算して求める方法がある。
【００５８】
また本発明の一態様においては、燃料電池セルの発電部における軸方向において、一端側の燃料極導電層及び／又は空気極導電層の表面の少なくとも一部に、他端側の燃料極導電層及び／又は空気極導電層よりもガス拡散性の低い層が設けられていることが好ましい。
【００５９】
本態様によれば、ガス拡散性の高低を分離して層形成することにより、電流集中の抑制を精緻に調整できるとともに、区分してそれぞれ製造することができる。
【００６０】
また本発明の一態様においては、ガス拡散性の低い層は、空気極導電層及び／又は燃料極導電層よりも気孔率が低いことが好ましい。
【００６１】
本態様によれば、燃料極導電層や空気極導電層の気孔率を低下させて形成することで、一端側にガス拡散性の低い層を形成することができる。
【００６２】
また本発明の一態様においては、ガス拡散性の低い層は、空気極導電層及び／又は燃料極導電層よりも屈曲度が高いことが好ましい。
【００６３】
本態様によれば、燃料極導電層や空気極導電層の屈曲度を高く形成することで、一端側にガス拡散性の低い層を形成することができる。
【００６４】
また本発明の一態様においては、ガス拡散性の低い層は、空気極導電層及び／又は燃料極導電層よりも厚さが厚いことが好ましい。
【００６５】
本態様によれば、燃料極導電層や空気極導電層の厚さを厚く形成することで、一端側にガス拡散性の低い層を形成することができる。
【００６６】
また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、さらに、燃料電池セルの他端側に燃料ガスの一部を直接供給するための燃料ガス他端部供給管を有するものである。
【００６７】
本態様によれば、燃料ガスが燃料電池セルの一端側から他端側に向けて供給されとともに、燃料ガスの一部が他端側に直接供給されるため、他端側の燃料利用率（Ｕｆ）を低く制御することができる。従って、一つの燃料電池セルの起電力が高くなることで電流が流れやすくなるため、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。
【００６８】
また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、複数の燃料電池セルの一部は、順番に燃料ガスが供給されることで段階的に燃料ガスが消費されるように構成されているものである。
【００６９】
本態様によれば、一端側から供給された燃料ガスは他端側へ流動する過程で発電反応に消費され、さらに未反応の燃料ガスはそのまま他の燃料電池セルへと供給されて、発電反応に消費される。このため、一つの燃料電池セルにおける他端側の燃料利用率（Ｕｆ）を低く制御することができる。従って、一つの燃料電池セルの起電力が高くなることで電流が流れやすくなるため、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。
【００７０】
ここで、本明細書において燃料利用率（Ｕｆ）とは、単位時間当たりに燃料電池セルに供給された燃料ガスの供給量に対し、発電反応に用いられた燃料ガスの量の割合をいう。
【００７１】
また本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料極層と電気的に接続された燃料極導電層と、空気極層と電気的に接続された空気極導電層と、を有し、複数配列された燃料電池セルの燃料極導電層は、隣り合う燃料電池セルの空気極導電層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、一端側の燃料極層及び／又は燃料極導電層の表面に、改質反応防止層が設けられているものである。
【００７２】
本態様によれば、燃料電池セルに供給された燃料ガスが一端側から他端側へかけて流動する過程において、燃料ガスに含まれるメタンは一端側に設けられた改質反応防止層により反応が抑制された状態で他端側へ流動する。一方他端側では、メタンは水蒸気改質反応によって水素へ改質され消費される。このため他端側で電流が流れやすくなるため、電流集中の発生を抑制することができる。
【００７３】
また本発明の一態様においては、改質反応防止層は、燃料極層及び／又は燃料極導電層よりもガス拡散性が低いことが好ましい。
【００７４】
本態様によれば、改質反応防止層を燃料極層や燃料極導電層よりもガス拡散性の低いものとすることで、一端側での改質反応の進行を抑制し、他端側での改質反応の進行を促すことができる。
【発明の効果】
【００７５】
柱状の燃料電池セルを複数配列させた固体酸化物形燃料電池スタックを構成するに際し、片端集電を採用するとともに燃料電池セル中の電気抵抗等を調整することによって、電流集中を回避し、耐久性が高く電流取り出し効率の良い固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池スタックを示す斜視図である。
【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セルを示す図である。
【図４】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５】本発明の一実施形態における燃料電池セルを示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態における燃料電池セルを示す側面図である。
【図７】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８】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９】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。
【発明を実施するための形態】
【００７７】
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。
【００７８】
（燃料電池スタック）
はじめに、図１〜図４を用いて、本発明の実施形態における燃料電池スタック１について説明する。
【００７９】
図１は本発明の実施形態における燃料電池スタック１を示す斜視図である。図１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柱状の燃料電池セル２と、マニホールド３から構成される。燃料電池セル２は、一端側（図１においては下端側）を一つのマニホールド３にすべて立設し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）を介してもマニホールド３に立設され、ガラスリング１５により気密固定される。
【００８０】
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連結部材４によって接続されている。電気的に直列に接続された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１の太線）が設けられている。
【００８１】
上述の様に燃料電池セル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ながら、燃料ガス流路１２を通過して他端（上端）から排出される。図５の点線矢印に示すように、燃料ガスは一端では高濃度の燃料ガス（燃料ガス中の水素濃度）の状態から、燃料ガス流路１２を進むにつれて発電反応に消費されていくため、他端では低濃度の燃料ガスが排出される。
【００８２】
図２は本発明における実施形態の燃料電池スタック１を示す側面図である。マニホールド３の内部に燃料ガスが供給されると、マニホールド３内で分散され、複数の燃料電池セル２の内部を一端側から他端側に向かって流れ、その後複数の燃料電池セル２の他端側から燃料電池スタック１の外部に排出される。
【００８３】
（燃料電池セル）
次に、本発明の実施形態で用いる燃料電池セルについて図３及び図４を参照して説明する。
【００８４】
図３は、本発明の実施形態における燃料電池スタック１を構成する燃料電池セル２を示す図である。図４は、燃料電池セル２端部の拡大断面図である。
【００８５】
図３に示すように、燃料電池セル２は、セル本体６と、このセル本体６の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ５（金属キャップともいう）とを備えている。
【００８６】
図４に示すように、支持体として導電支持体を有する場合のセル本体６は、上下方向に延びる管状構造体であり、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）を形成する導電性を有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層８と、燃料極層８の外周側に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層９と、電解質層９の外周に設けられた円筒形の空気極（酸化剤ガス極）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。この燃料極導電層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。
【００８７】
燃料極導電層７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。本実施形態では、燃料極導電層７は、Ｎｉ／ＹＳＺからなる。なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、燃料極導電層が形成される。
【００８８】
また、燃料極導電層７の外周には燃料極層８が形成されている。燃料極層は触媒層であり、本実施形態ではＮｉ／ＧＤＣからなる。
【００８９】
電解質層９は、燃料極層８の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は燃料極導電層７の下端よりも上方で終端し、上端は燃料極導電層７の上端よりも下方で終端している。電解質層９は、例えば、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。
【００９０】
空気極層１０は、電解質層９の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層９の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層９の上端よりも下方で終端している。空気極層１０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。
【００９１】
また、空気極層１０の外周には空気極導電層１１が形成されている。空気極導電層１１は少なくともＡｇを含有するものであり、空気極１０に導電性能を付帯させている。
【００９２】
次に、キャップ５について説明するが、セル本体６の上端側と下端側に取り付けられたキャップ５は、同一構造であるため、ここでは、セル本体５の下端側に取り付けられたキャップ５について具体的に説明する。
【００９３】
キャップ５（金属キャップ）は、セル本体６の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、セル本体６の燃料極導電層７と電気的に接続され、燃料極導電層７を外部に引き出す接続電極として機能する。図４に示すように、セル本体６の下端に設けられたキャップ５は、円筒状の第１円筒部５ａと、第１円筒部５ａの上端から外方に向かって延びる円環状の円環部５ｂと、円環部５ｂの外周から上方に向かって延びる第２円筒部５ｃとを有する。キャップ５の第１円筒部５ａの中心部には、燃料極導電層７の燃料ガス流路１２と連通する燃料ガス流路１３が形成されている。燃料ガス流路１２は、キャップ５の中心からセル本体６の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。
【００９４】
キャップ５は、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本体の内周面及び外周面にクロム酸化物（本実施形態では、Ｃｒ２Ｏ３）がコーティングされ、さらに、外周面には、ＭｎＣｏ２Ｏ４がコーティングされている。加えて、コーティングされたＭｎＣｏ２Ｏ４層の外周面にはＡｇ集電膜が設けられている。なお、本実施形態では、Ａｇ集電膜は、キャップ５の外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。
【００９５】
キャップ５の第２円筒部５ｃの内側と、セル本体６の燃料極導電層７（燃料極層８）の端部外周面との間の空間には銀ペースト１４が配置されている。燃料電池セル２の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト１４が焼結され、燃料極導電層７とキャップ５が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ５の第２円筒部５ｃの内周面と、電解質層９の下端部外周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール１５が設けられている。このガラスシール１５により、キャップ５と燃料極導電層７との間の空間は、燃料電池セル２の外部の空間に対して気密密封されている。
【００９６】
（燃料電池セルの集電構造）
つぎに、図１〜図４を参照して、燃料電池スタック１の集電構造について説明する。
【００９７】
集電連結部材４は、隣接する燃料電池セル２が電気的に直列となるように接続されている。燃料電池セル２の上端に設けられたキャップ５は燃料極導電層７と電気的に結合されており、集電連結部材４は隣接する２つの燃料電池セル２のうち一方の燃料電池セル２の上端に設けられたキャップ５に銀ペーストを用いて電気的に接続されている。さらに、集電連結部材４は、２つの隣接する燃料電池セル２のうち他方の燃料電池セル２の空気極導電層１１に銀ペーストを用いて電気的に接続されている。
【００９８】
このように、隣接する一方の燃料電池セル２の燃料極導電層７と、他方の燃料電池セル２の空気極導電層１１との接続を複数の燃料電池セルに行い、複数の燃料電池セル２に対して順番に直列接続することで、複数の燃料電池セル２がすべて直列接続された燃料電池スタック１が得られる。
【００９９】
また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、１ｋｗ程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。
【０１００】
（燃料電池セルの電気抵抗）
つぎに図５を参照して、燃料電池セル２の電気抵抗について説明する。
【０１０１】
（空気極導電層）
図５（ａ）は、本実施形態における燃料電池セル２の空気極導電層１１の断面図であり、一端側の電気抵抗が高く構成されたＡ１領域と、他端側に電気抵抗を低く構成されたＡ２領域を備えた燃料電池セル２を示している。
【０１０２】
空気極導電層１１は軸方向の導電経路において、その膜厚が一端側は薄く、他端側は厚くなるように形成されている。すなわち、空気極導電層１１において、一端側の膜厚が薄く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が大きくなるよう構成され、他端側の膜厚が厚く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が小さくなるよう構成されている。換言すると、空気極導電層１１は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との２つの領域を有するものである。これにより、一端側における電流の流れが抑制され、この一端側での電流の流れの鈍化によって一端から他端にかけての電流の流れが調整される。
【０１０３】
さらに、図５（ａ）に示す燃料電池セル２において、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。
【０１０４】
（燃料極導電層）
図５（ｂ）は、本実施形態における燃料電池セル２の燃料極集電層７断面図であり、一端側の電気抵抗が高く構成されたＡ１領域と、他端側に電気抵抗を低く構成されたＡ２領域を備えた燃料電池セル２を示している。図５（ｂ）は本発明の実施形態における燃料電池セル２の断面図を示したものである。燃料極導電層７は軸方向の導電経路において、その膜厚が一端側は薄く、他端側は厚くなるように形成されている。すなわち、燃料極導電層７において、一端側の膜厚が薄く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が大きくなるよう構成され、他端側の膜厚が厚く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が小さくなるよう構成されている。換言すると、燃料極導電層７は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との２つの領域を有するものである。これにより、一端側における電流の流れが抑制され、この一端側での電流の流れの鈍化によって一端から他端にかけての電流の流れが調整される。なお、燃料極導電層７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。
【０１０５】
（電解質層）
図５（ｃ）は、本実施形態における燃料電池セル２の電解質層９の断面図であり、一端側の電気抵抗が高く構成されたＡ１領域と、他端側に電気抵抗を低く構成されたＡ２領域を備えた燃料電池セル２を示している。図５（ｃ）は本発明の実施形態における燃料電池セル２の断面図を示したものである。電解質層９は軸方向の導電経路において、その膜厚が一端側は厚く、他端側は薄くなるように形成されている。すなわち、電子導電性が低い電解質層９において、一端側の膜厚が厚く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が大きくなるよう構成され、他端側の膜厚が薄く形成されているため、軸方向の導電経路において電気抵抗が小さくなるよう構成されている。換言すると、電解質層９は、一端側の抵抗が大きい領域と、他端側の抵抗が小さい領域との２つの領域を有するものである。これにより、一端側における電流の流れが抑制され、この一端側での電流の流れの鈍化によって一端から他端にかけての電流の流れが調整される。なお、電解質層９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。
【０１０６】
また、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、燃料電池セル２の機能層（空気極導電層１１、燃料極導電層７、電解質層）において、他端側よりも一端側の気孔率を高く構成することも好ましい。この場合、一端側の気孔率が高く構成されるため、一端側の導電性が低下するため、一端側の電気抵抗が高くなるように構成される。
【０１０７】
（触媒活性）
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態における燃料電池セル２の断面図を示したものであり、一端側に触媒活性（電気触媒的作用）が低いＢ１領域と、他端側に触媒活性が高いＢ２領域を備えた燃料電池セル２を示したものである。
【０１０８】
図６（ａ）の燃料電池セル２の空気極層１０は他端側（上端側）の膜厚が一端側（下端側）よりも厚く形成され、空気極層１０の一端側の膜厚は薄く形成されている。一端側の膜厚が薄く構成されたＢ１領域では触媒活性が低くなるよう構成されており、一端側の発電電流は抑制される。一方、空気極層１０の他端側の膜厚が厚く構成されたＢ２領域では触媒活性が高くなるよう構成され、他端側の発電電流は増大する。このため、上述のしたように、燃料ガス流路１２を流れる燃料ガスは一端側では高濃度な状態となるが、空気極層１０の膜厚を調整することによって発電電流の分布を均一化することができる。
【０１０９】
図６（ｂ）の燃料電池セル２の燃料極層８は他端側（上端側）の膜厚が一端側（下端側）よりも厚く形成されている。燃料極層８の一端側の膜厚は薄く形成され、触媒活性が低くなるよう構成されており、一端側の発電電流は抑制される。一方、燃料極層８の他端側の膜厚は厚く形成され、触媒活性が高くなるよう構成され、他端側の発電電流は増大する。このため、点線矢印に示すように燃料ガス流路１２を流れる燃料ガスは一端側では高濃度な状態となるが、燃料極層８の膜厚を調整することによって発電電流の分布を均一化することができる。
【０１１０】
なお、図６（ａ）、（ｂ）において、空気極層１０または燃料極層８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ることが好ましい。この場合、触媒活性の非連続的な変化による非連続的な電流分布の発生を抑制することができる。
【０１１１】
さらに、図６（ａ）、（ｂ）において、空気極層１０または燃料極層８の一端側よりも他端側の気孔率の方が高く構成されることが好ましく、他端側の気孔率を大きくすることで三相界面の反応場が広がり、他端側の触媒活性が高くなるように形成される。
【０１１２】
（ガス拡散性）
ここで、燃料極導電層７、燃料極層８、空気極層１０、空気極導電層１１は燃料電池セル２の他端側（上端側）の拡散性が高くなるように構成されることが好ましい。燃料ガスまたは空気（酸化剤ガス）がそれぞれの電極に供給されると、拡散性が高く構成された電極の通過速度が高まるため、三相界面への到達速度が高まる。それにより、他端側で起電力が大きくなるため、他端側に電流が流れやすい状態が形成される。
【０１１３】
電極層におけるガス拡散性は、膜厚によって調整されていても良い。この場合、燃料電池セル２の一端側（下端側）よりも他端側（上端側）の膜厚を薄くすることによって、他端側のガス拡散性が高まり、他端側で起電力が大きくなるため、他端側に電流が流れやすい状態が形成される。なお、ガス拡散性を調整するための別の手段として、電極層にガス拡散性の低い層が設けることも好ましい。
【０１１４】
また、電極層におけるガス拡散性は、気孔率によって調整されていても良い。この場合、他端側の電極層の気孔率を一端側の気孔率よりも低下させることで、他端側のガス拡散性が高まり、他端側で起電力が大きくなるため、他端側に電流が流れやすい状態が形成される。
【０１１５】
また、電極層におけるガス拡散性は、屈曲度によって調整されていても良い。この場合、他端側の電極層の屈曲度を一端側の屈曲度よりも増大させることで、他端側のガス拡散性が高まり、他端側で起電力が大きくなるため、他端側に電流が流れやすい状態が形成される。
【０１１６】
なお、屈曲度とは、電極層の内部に存在する気孔が連通する気孔の連通経路の実効距離を、最短直線距離で割った値である。屈曲度は、３次元ＦＩＢ−ＳＥＭ（focused ion beam-scanning electron microscopy）で観察した複数の２次元画像を積分することで３次元化して気孔の連通経路を計算する方法や、拡散限界となる分圧を発電実験から求めて拡散係数から逆算して求める方法がある。
【０１１７】
（燃料ガス他端部供給管）
図７は本発明の実施形態における燃料電池セル２の断面図を示したものである。燃料ガスは燃料電池セル２の一端側から燃料ガス通路１２に供給される。また、燃料ガス通路１２には燃料ガス他端部供給管１７が設けられており、燃料ガス他端部供給管１７を通過した燃料ガスは燃料電池セル２の他端側における燃料ガス通路１２に直接供給される。一端側から燃料ガス通路１２に供給された燃料ガスは他端部側で燃料ガス他端部供給管１７を通過した燃料ガスと合流し、燃料電池セル２の他端から排出される。すなわち、燃料ガスが燃料電池セル２の一端側から他端側に向けて供給されるとともに、燃料ガスの一部が他端側に直接供給される。
【０１１８】
（連結部材）
図８は本発明の実施形態における燃料電池セルの断面図を示すものであり、燃料ガスが最初に供給される第１の燃料電池セルＣ１と、第２の燃料電池セルＣ２とがそれぞれ連結部材１８によって接続されている。連結部材１８によって、第１の燃料電池セルＣ１と第２の燃料電池セルＣ２のそれぞれの内部に形成された燃料ガス通路１２は連通されている。
【０１１９】
第１の燃料電池セルＣ１の一端（下端）側から供給された燃料ガスは他端側へ流動する過程で発電反応に消費され、さらに未反応の燃料ガスは連結部材を通過後、第２の燃料電池セルＣ２の一端（下端）側へと供給され、発電反応に消費される。図示は省略するが、第１の燃料電池セルＣ１と、第２の燃料電池セルＣ２とは電気的に接続されており、別途集電部材によって接続しても良いし、連結部材１８を導電性を有するように構成しても良い。
【０１２０】
（改質反応層）
図９は本発明の実施形態における燃料電池セル２の断面図を示すものであり、改質反応防止層１９が設けられているＤ１と、他端側のＤ２とで燃料電池セル２は構成されている。燃料極導電層７によって構成される燃料ガス通路１２には、燃料ガス中に含まれるメタンと燃料極導電層７が改質反応することを抑制する改質反応防止層１９が設けられている。燃料電池セル２の一端から供給された燃料ガス（メタン）と燃料極導電層が電極反応を起こすことで、水素が生成され、一端側の水素濃度が上昇して一端側の水素濃度が高まることによって発電電流が生じてしまい、これが電流集中の要因となってしまう。しかし、本実施形態によれば、一端側に供給された燃料ガスは改質反応防止層１９によって、改質反応が抑制されながら他端側へ供給され、他端側において改質反応によって水素が生成し、発電反応に消費される。これにより他端側で発電電流が流れやすくなるため、電力集中が抑制される。
【０１２１】
また、燃料電池セル２の一端側に設けられた改質反応防止層１９は、燃料極導電層７及び／又は燃料極層８よりもガス拡散性が低く構成されており、燃料電池セル一端側での改質反応の進行を抑制し、他端側での改質反応が促進される。
【符号の説明】
【０１２２】
１    燃料電池スタック
２    燃料電池セル
３    マニホールド
４    集電連結部材
５    キャップ（金属キャップ）
５ａ  第１円筒部
５ｂ  円環部
５ｃ  第２円筒部
６    セル本体
７    燃料極層
８    燃料極導電層
９    電解質層
１０  空気極層
１１  空気極導電層
１２  燃料ガス流路
１３  燃料ガス流路
１４  絶縁性支持部材
１５  ガラスリング
１７  燃料ガス他端部供給管
１８  連結部材
１９  改質反応防止層
【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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