(57)【要約】【課題】熱応力に起因する損傷を抑制することのできる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セル２が積層配置されている。燃料電池セル２は、固体電解質層、固体電解質層の一方面側に配置されるアノード層、及び固体電解質層の他方面側に配置されるカソード層を有している。カソード層は、電極として機能する機能層２３０と、機能層２３０の表面２３２に塗布されるコンタクト層２３１とを有する。コンタクト層２３１は、機能層２３０の表面２３２に線状に塗布されるコンタクト材のみからなる。コンタクト材には、燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向との合成ベクトルに沿った方向に延びるように形成される複数の線状コンタクト材２３１ｂが含まれている。合成ベクトルの下流側に向かうほど線状コンタクト材２３１ｂの線間間隔が狭くなっている。【選択図】図７
2019114563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セル（２）が積層配置された燃料電池スタック（１）であって、
隣り合う前記燃料電池セル間に配置される金属部材（３）を備え、
前記燃料電池セルは、固体電解質層（２１）、前記固体電解質層の一方面側に配置されるアノード層（２０）、及び前記固体電解質層の他方面側に配置されるカソード層（２３）を有し、
前記カソード層は、
電極として機能する機能層（２３０）と、
前記金属部材との接触部分における接触抵抗を低減するために、前記機能層の表面に塗布されるコンタクト層（２３１）と、を有し、
前記コンタクト層は、前記機能層の表面に線状に塗布されるコンタクト材のみからなり、
前記コンタクト材には、前記アノード層に供給される燃料ガスの流れ方向と前記カソード層に供給される酸化剤ガスの流れ方向との合成ベクトルに沿った方向に延びるように形成される複数の線状コンタクト材（２３１ｂ）が含まれ、
前記合成ベクトルの方向の下流側に向かうほど前記線状コンタクト材の線間間隔が狭くなることにより、前記コンタクト層の塗布分布が不均一になっており、
前記コンタクト層の塗布分布が不均一になることにより、前記カソード層の抵抗分布が不均一になっている
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記線状コンタクト材は、前記合成ベクトルの方向の上流側の端部から下流側の端部まで途切れのない直線状に形成されている
請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
複数の前記線状コンタクト材は、前記機能層の表面に放射状に配置されている
請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記線状コンタクト材を第１線状コンタクト材とするとき、
前記コンタクト材には、
複数の前記第１線状コンタクト材と、
前記合成ベクトルと交差する方向に延びるように形成され、前記第１線状コンタクト材に対して交差するように設けられる複数の第２線状コンタクト材（２３１ｃ）と、が含まれている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
複数の前記第２線状コンタクト材の線間間隔は、前記合成ベクトルの方向の下流側に向かうほど狭くなっている
請求項４に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルが積層配置された燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載の燃料電池スタックがある。特許文献１に記載の燃料電池スタックには、燃料電池セルが積層配置されている。燃料電池セルは、第１電極と、第２電極と、固体電解質とを有している。第１電極は、アノードである。第２電極は、カソードである。固体電解質は、第１電極と第２電極との間に配置されている。特許文献１に記載の燃料電池セルは、燃料ガス入口と、燃料ガス出口と、空気入口と、空気出口とを有している。燃料ガス入口は、第１電極に設けられており、第１電極に燃料ガスを供給する。燃料ガス出口は、燃料ガス入口に対向するように配置されている。空気入口は、第２電極側において燃料ガスの流通方向に沿って互いに対向し合う一対の側縁部のうち、一方の側縁部の燃料ガス入口側の少なくとも２ヶ所に設けられている。空気入口は、第２電極に空気を供給する。空気出口は、空気入口に対向する第２電極の他方の外縁部の燃料ガス出口側に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１４１０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の燃料電池セルでは、燃料ガス入口から第１電極に流入した燃料ガスは化学反応しながら燃料ガス出口へと流れる。燃料ガスが化学反応すると、その分だけ燃料ガスが希薄となる。結果的に、燃料ガス入口から燃料ガス出口に向かうほど燃料ガスが希薄となる。このような燃料ガスの濃度変化により燃料電池セルの発熱分布が不均一となる。具体的には、燃料ガスの濃度が高い部分ほど発熱量が大きくなる。これに対し、燃料ガスの濃度が低い部分ほど発熱量が低くなる。このような不均一な発熱分布が燃料電池セルに生じると、燃料電池セルを起点として、熱応力が発生する。この熱応力によって、各構成部材が損傷する。特に、ガスシールの損傷は即、燃料電池スタックの不具合につながる。
【０００５】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池セルを起点とする熱応力を抑制することで、熱応力に起因する損傷を抑制することのできる燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、複数の燃料電池セル（２）が積層配置された燃料電池スタック（１）は、隣り合う燃料電池セル間に配置される金属部材（３）を備える。燃料電池セルは、固体電解質層（２１）、固体電解質層の一方面側に配置されるアノード層（２０）、及び固体電解質層の他方面側に配置されるカソード層（２３）を有している。カソード層は、電極として機能する機能層（２３０）と、金属部材との接触部分における接触抵抗を低減するために、機能層の表面に塗布されるコンタクト層（２３１）と、を有する。コンタクト層は、機能層の表面に線状に塗布されるコンタクト材のみからなる。コンタクト材には、燃料ガスの流れ方向と酸化剤ガスの流れ方向との合成ベクトルに沿った方向に延びるように形成される複数の線状コンタクト材（２３１ｂ）が含まれる。合成ベクトルの方向の下流側に向かうほど線状コンタクト材の線間間隔が狭くなることにより、コンタクト層の塗布分布が不均一になっている。コンタクト層の塗布分布が不均一になることにより、カソード層の抵抗分布が不均一になっている。
【０００７】
上記構成のように、カソード層に不均一な抵抗分布を設ければ、カソード層において抵抗値の高い領域では、発電時に流れる電流が大きくなるため、発熱量が増加する。これに対し、カソード層において抵抗値の低い領域では、発電時に流れる電流が小さくなるため、発熱量が低下する。したがって、水素及び空気の濃度に起因する発熱量と、発電時の電流の大きさに起因する発熱量とが逆の相関となるような抵抗分布をカソード層に設ければ、結果的に燃料電池セルの発熱量を均一化することができる。すなわち、燃料電池セルの発熱分布を均一化することができる。よって、燃料電池セルを起点とする熱応力を抑制することができるため、熱応力に起因する燃料電池スタックの損傷を抑制することができる。
【０００８】
なお、上記手段、及び特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱応力に起因する燃料電池スタックの損傷を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態の燃料電池スタックの断面構造を示す断面図である。
【図２】従来の燃料電池セルに生じる温度分布を示す平面図である。
【図３】第１実施形態の燃料電池セルの抵抗分布を示す平面図である。
【図４】第１実施形態の燃料電池セルのコンタクト層の密度分布を示す平面図である。
【図５】図４の領域Ｓの拡大構造を示す拡大図である。
【図６】図４の領域Ｓの拡大構造を示す拡大図である。
【図７】第２実施形態の燃料電池セルにおけるアノード層の平面構造を示す平面図である。
【図８】第２実施形態の変形例の燃料電池セルにおけるアノード層の平面構造を示す平面図である。
【図９】第３実施形態の燃料電池セルのコンタクト層の密度分布を示す平面図である。
【図１０】第４実施形態の燃料電池セルのコンタクト層の密度分布を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜第１実施形態＞
以下、燃料電池スタックの一実施形態について説明する。はじめに、図１を参照して、本実施形態の燃料電池スタック１の概要について説明する。
【００１２】
図１に示されるように、本実施形態の燃料電池スタック１は、固体酸化物形燃料電池セル（Solid Oxide Fuel Cell）２とセパレータ３とが交互に積層配置された構造を有している。以下、固体酸化物形燃料電池セル２を「ＳＯＦＣ２」と称する。また、ＳＯＦＣ２及びセパレータ３が積層される方向を積層方向Ａと称する。ＳＯＦＣ２及びセパレータ３は、積層方向Ａに直交する断面形状が矩形状をなしている。本実施形態の燃料電池スタック１では、ＳＯＦＣ２に供給される燃料ガスとして水素が用いられている。また、ＳＯＦＣ２に供給される酸化剤ガスとして空気、より詳しくは空気中の酸素が用いられている。
【００１３】
セパレータ３は、積層方向Ａに隣り合うＳＯＦＣ２，２間に配置されている。セパレータ３は、フェライト系金属等の金属により構成されている。本実施形態では、セパレータ３が金属部材に相当する。セパレータ３は、ＳＯＦＣ２に供給される水素及び空気を分離する機能、及び各ＳＯＦＣ２を電気的に接続する機能を有している。積層方向Ａにおけるセパレータ３の一方面には、燃料ガス流路３０が形成されている。燃料ガス流路３０は、図中に矢印Ｂで示される方向、すなわちセパレータ３の一側面から他側面に向かう方向に向かって水素を流通させる。水素流れ方向Ｂは積層方向Ａと直交する方向である。本実施形態では、水素流れ方向Ｂが燃料ガスの流れ方向に相当する。積層方向Ａにおけるセパレータ３の他方面には、空気流路３１が形成されている。空気流路３１は、図中に矢印Ｃで示される方向に空気を流通させる。空気流れ方向Ｃは、積層方向Ａ及び水素流れ方向Ｂの両者に直交する方向である。本実施形態では、空気流れ方向Ｃが酸化剤ガスの流れ方向に相当する。このように、本実施形態の燃料電池スタック１では、水素流れ方向Ｂと空気流れ方向Ｃとが直交する、いわゆるクロスフロー方式の供給方法が採用されている。
【００１４】
ＳＯＦＣ２は、アノード層２０、固体電解質層２１、中間層２２、及びカソード層２３がこの順で積層された構造を有している。すなわち、アノード層２０は、固体電解質層２１の一方面側に配置されている。カソード層２３は、固体電解質層２１の他方面側に配置されている。ＳＯＦＣ２は、燃料ガス流路３０からアノード層２０に供給される水素と、空気流路３１からカソード層２３に供給される空気中の酸素との化学反応に基づき発電する。
【００１５】
カソード層２３は、機能層２３０と、コンタクト層２３１とを有している。
機能層２３０は、多孔質の薄板状の焼成体により構成されている。機能層２３０は、例えばプロブスカイト系酸化物により構成されている。機能層２３０では、セパレータ３から伝達される電子を空気中の酸素が受け取ることにより酸素イオンが生成される。すなわち、機能層２３０は、空気中の酸素を還元する電極としての機能を有している。
【００１６】
コンタクト層２３１は、機能層２３０においてセパレータ３が接触する表面２３２に塗布されている。コンタクト層２３１は、例えばＬＮＦ（ランタンニッケルフェライト）により構成されている。コンタクト層２３１は、機能層２３０とセパレータ３との導電性を確保しつつ、セパレータ３の接触部分における接触抵抗を低減する機能を有している。
【００１７】
中間層２２は、薄板状の焼成体からなる。中間層２２は、例えばＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）やＳＤＣ（サマリウムドープセリア）により構成されている。中間層２２は、燃料電池スタック１の製造時又は作動時に固体電解質層２１とカソード層２３とが反応することにより固体電解質層２１とカソード層２３との間に高抵抗層が形成される現象を抑制する機能を有している。
【００１８】
固体電解質層２１は、緻密な薄板状の焼成体からなる。固体電解質層２１は、例えばＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ、ＧＤＣ、プロブスカイト系酸化物により構成されている。固体電解質層２１は、カソード層２３で生成される酸素イオンをアノード層２０に移動させる機能を有している。
【００１９】
アノード層２０は、多孔質の薄板状の焼成体からなる。アノード層２０は、例えばＮｉ（ニッケル）等の金属や、Ｎｉ等の金属とセラミックとのサーメット等により構成されている。サーメットは、例えばＹＳＺ等のＮｉ金属とＺｒＯ2系セラミックスである。アノード層２０では、カソード層２３から固体電解質層２１を介して移動する酸素イオン（Ｏ2-）と、燃料ガス流路３０から供給される水素との間で化学反応が生じることにより水が生成される。この化学反応の際に放出される電子によりＳＯＦＣ２の発電が行われる。すなわち、アノード層２０は、水素を酸化する電極としての機能を有している。
【００２０】
ＳＯＦＣ２は、アノード層２０とセパレータ３との間に配置される拡散層４を備えている。拡散層４は、例えばＮｉメッシュ等の多孔質金属により構成されている。拡散層４は、セパレータ３とアノード層２０との間の導電性、及びアノード層２０への水素の供給を可能とするガス透過性を有している。
【００２１】
ところで、図２に示されるように、従来の燃料電池スタック５では、ＳＯＦＣ６の発熱分布が不均一になることが発明者により実験やシミュレーション解析等によって確認されている。図２は、カソード層６０側から見た従来のＳＯＦＣ６の平面構造を示している。なお、図２では、便宜上、セパレータの図示を省略している。図２の一点鎖線は等温線を表している。図２に示されるように、水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向Ｃの合成ベクトルを「Ｄ」とすると、合成ベクトルＤとほぼ同等の方向に向かうほど、温度が低下するという発熱分布がＳＯＦＣ６に生じる。換言すれば、合成ベクトルＤと逆の方向に向かうほど、温度が上昇するという発熱分布がＳＯＦＣ６に生じる。これは、以下の理由によるものと考えられる。
【００２２】
燃料電池スタックでは、燃料ガスである水素の利用率を向上させて高効率化を図るために、空気が過剰に供給される一方、水素の供給量が抑制される場合がある。この場合、水素流れ方向Ｂの下流側ほど水素が不足するため、発電が生じ難くなる。また、最も発電が生じ易い領域は、水素及び空気の濃度が最も高い領域、すなわち合成ベクトルＤの逆方向に当たる領域となる。水素及び空気の濃度の高い領域は、水素及び空気の分圧が高い領域でもある。発電が生じ易い領域では、発熱量が大きくなる。したがって、合成ベクトルＤと逆の方向に向かうほど、温度が上昇するという発熱分布がＳＯＦＣ６に生じる。このような水素及び空気の濃度に起因する発熱分布がＳＯＦＣ６に生じると、ＳＯＦＣ６に熱応力が発生する。これが燃料電池スタック１に損傷を生じさせる要因となる。
【００２３】
そこで、本実施形態のＳＯＦＣ２では、カソード層２３に不均一な抵抗分布を設けることにより、ＳＯＦＣ２の発熱分布を均一化させている。具体的には、図３に示されるように、カソード層２３には、合成ベクトルＤの方向に向かうほど、抵抗値が低くなるような抵抗分布が設けられている。なお、図３では、便宜上、セパレータ３の図示を省略している。カソード層２３において抵抗値の低い領域では、発電時に流れる電流が大きくなるため、発熱量が増加する。これに対し、カソード層２３において抵抗値の高い領域では、発電時に流れる電流が小さくなるため、発熱量が低下する。したがって、図３に示されるような抵抗分布をカソード層２３に設ければ、水素及び空気の濃度に起因する発熱量と、発電時の電流の大きさに起因する発熱量とが逆の相関になるため、結果的にＳＯＦＣ２の発熱量を均一化することができる。
【００２４】
次に、本実施形態のカソード層２３の具体的な構造について説明する。
カソード層２３では、コンタクト層２３１の密度を変化させることにより抵抗分布が設けられている。具体的には、コンタクト層２３１は、合成ベクトルＤの方向に向かうほど高密度となるように塗布されている。図４は、コンタクト層２３１の密度をグレースケールで表した図である。図４では、グレースケールの濃淡が濃くなるほど、コンタクト層２３１の密度が高いことを示している。
【００２５】
図５は、図４におけるカソード層２３の領域Ｓを拡大した拡大図である。図５に示されるように、コンタクト層２３１は、機能層２３０の表面２３２にドット状に複数塗布されたコンタクト材２３１ａからなる。機能層２３０の表面２３２にコンタクト材２３１ａをドット状に塗布する方法としては、ディスペンサを用いる塗布方法や、スクリーン印刷に基づく塗布方法等を用いることができる。コンタクト材２３１ａは、格子状に配置されている。本実施形態では、コンタクト材２３１ａのドット径ｄを変化させることにより、コンタクト層２３１の密度を変化させている。コンタクト材２３１ａのドット径ｄは、コンタクト材２３１ａの直径である。具体的には、図４に示されるコンタクト層２３１の密度が高い領域ほど、コンタクト材２３１ａのドット径ｄが大きくなっている。また、コンタクト層２３１の密度が低い領域ほど、コンタクト材２３１ａのドット径ｄが小さくなっている。なお、図５に示されるコンタクト材２３１ａのドット間隔ｗは、コンタクト層２３１の全領域で一定間隔となっている。ドット間隔ｗは、隣り合うコンタクト材２３１ａ，２３１ａ間の中心間距離である。
【００２６】
コンタクト層２３１の高密度の領域では、低密度の領域と比較すると、セパレータ３との間の接触抵抗が減少する。よって、コンタクト層２３１の高密度の領域では、カソード層２３の抵抗値を小さくすることができる。また、コンタクト層２３１が低密度の領域では、カソード層２３の抵抗値を大きくすることができる。よって、図４に示されるようにコンタクト層２３１の密度を変化させることにより、図３に示されるような抵抗分布をカソード層２３に設けることができる。
【００２７】
以上説明した本実施形態の燃料電池スタック１によれば、以下の（１）〜（３）に示される作用及び効果を得ることができる。
【００２８】
（１）カソード層２３には、水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向Ｃの合成ベクトルＤの方向に向かうほど、抵抗値が低くなるような不均一な抵抗分布が設けられている。すなわち、カソード層２３は、抵抗値の高い領域と、その抵抗値の高い領域よりも抵抗値の低い領域とが存在するように不均一が抵抗分布を有している。これにより、水素及び空気の濃度に起因する発熱量と、発電時の電流の大きさに起因する発熱量とが逆の相関になるため、結果的にＳＯＦＣ２の発熱量を均一化することができる。すなわち、ＳＯＦＣ２の発熱分布を均一化することができる。よって、ＳＯＦＣ２を起点とする熱応力を抑制することができるため、熱応力に起因する燃料電池スタック１の損傷を抑制することができる。結果的に、燃料電池スタック１の長期安定作動を確保することができる。
【００２９】
また、コンタクト層２３１を介してカソード層２３とセパレータ３との接触部分における局所発熱が抑制されるため、コンタクト層２３１のシンタリング化を抑制することができる。コンタクト層２３１がシンタリング化すると、カソード層２３の機能層２３０と空気との接触面積が低下する。よって、コンタクト層２３１のシンタリング化が抑制されることにより、カソード層２３の機能層２３０と空気との接触面積の低下を抑制することができる。よって、燃料電池スタック１の寿命を延ばすことができる。
【００３０】
（２）カソード層２３では、コンタクト層２３１の塗布分布が不均一であることにより、カソード層２３の抵抗分布が不均一になっている。コンタクト層２３１の塗布分布は、水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向Ｃに基づいて設定されている。これにより、カソード層２３の抵抗分布を容易に不均一にすることができる。
【００３１】
（３）コンタクト層２３１では、コンタクト材２３１ａのドット径ｄが変更されることによりコンタクト層２３１の塗布分布が不均一になっている。これにより、カソード層２３の抵抗分布を容易に不均一にすることができる。
【００３２】
（第１変形例）
次に、第１実施形態の燃料電池スタック１の第１変形例について説明する。
図６に示されるように、本変形例のコンタクト層２３１では、コンタクト材２３１ａが斜め格子状に配置されている。このコンタクト層２３１でも、図４に示されるコンタクト層２３１の密度が高い領域ほど、コンタクト材２３１ａのドット径ｄが大きくなっている。また、コンタクト材２３１ａのドット間隔ｗは、コンタクト層２３１の全領域で一定間隔となっている。このような構成であっても、第１実施形態の（１）〜（３）に示される作用及び効果を得ることができる。
【００３３】
（第２変形例）
次に、第１実施形態の燃料電池スタック１の第２変形例について説明する。
本変形例のコンタクト層２３１では、コンタクト層２３１の全領域でコンタクト材２３１ａのドット径ｄが一定値となっている。これに対し、図４に示されるコンタクト層２３１の密度が高い領域ほど、図５に示されるコンタクト材２３１ａのドット間隔ｗが短くなっている。このような構成であっても、水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向Ｃの合成ベクトルＤの方向に向かうほど、抵抗値が低くなるような不均一な抵抗分布をカソード層２３に設けることができるため、第１実施形態の（１）及び（２）に示される作用及び効果を得ることが可能である。なお、本変形例の構成は、第１実施形態の第１変形例の燃料電池スタック１にも適用することができる。
【００３４】
（第３変形例）
次に、第１実施形態の燃料電池スタック１の第３変形例について説明する。
本変形例のコンタクト層２３１では、図４に示されるコンタクト層２３１の密度が高い領域ほど、図５に示されるコンタクト材２３１ａのドット径ｄが大きくなるとともに、コンタクト材２３１ａのドット間隔ｗが短くなっている。このような構成であっても、水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向Ｃの合成ベクトルＤの方向に向かうほど、抵抗値が低くなるような不均一な抵抗分布をカソード層２３に設けることができるため、第１実施形態の（１）及び（２）に示される作用及び効果を得ることが可能である。なお、本変形例の構成は、第１実施形態の第１変形例の燃料電池スタック１にも適用することができる。
【００３５】
＜第２実施形態＞
次に、燃料電池スタック１の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００３６】
図７に示されるように、本実施形態のコンタクト層２３１は、機能層２３０の表面２３２に線状に複数塗布されたコンタクト材２３１ｂからなる。コンタクト材２３１ｂは、合成ベクトルＤの方向に延びるように複数設けられている。機能層２３０の表面２３２にコンタクト材２３１ｂを線状に塗布する方法としては、ディスペンサを用いる塗布方法や、スクリーン印刷に基づく塗布方法等を用いることができる。本実施形態では、コンタクト材２３１ｂの線間間隔ｈ１を変化させることにより、コンタクト層２３１の密度を変化させている。コンタクト材２３１ｂの線間間隔ｈ１は、隣り合うコンタクト材２３１ｂ，２３１ｂの間隔を示す。具体的には、水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向Ｃの合成ベクトルＤの方向に向かうほど、コンタクト材２３１ｂの線間間隔ｈ１が短くなっている。これにより、図４に示されるような密度分布をコンタクト層２３１に設けることができる。
【００３７】
以上説明した本実施形態の燃料電池スタック１によれば、第１実施形態の（１）及び（２）の作用及び効果に加え、以下の（４）に示される作用及び効果を得ることができる。
【００３８】
（４）コンタクト層２３１では、コンタクト材２３１ｂの線間間隔ｈ１が変更されることにより、コンタクト層２３１の塗布分布が不均一になっている。これにより、カソード層２３の抵抗分布を容易に不均一にすることができる。
【００３９】
（変形例）
次に、第２実施形態の燃料電池スタック１の変形例について説明する。
図８に示されるように、本実施形態のコンタクト層２３１は、機能層２３０の表面２３２に網掛け状に、換言すればクロス状に設けられたコンタクト材２３１ｂ，２３１ｃからなる。コンタクト材２３１ｂは、合成ベクトルＤの方向に延びるように複数設けられている。コンタクト材２３１ｃは、コンタクト材２３１ｂの延びる方向に対して略直交する方向に延びるように複数設けられている。本変形例では、コンタクト材２３１ｂの線間間隔ｈ１、及びコンタクト材２３１ｃの線間間隔ｈ２を変化させることにより、コンタクト層２３１の密度を変化させている。コンタクト材２３１ｂの線間間隔ｈ１は、隣り合うコンタクト材２３１ｂ，２３１ｂの間隔を示す。コンタクト材２３１ｃの線間間隔ｈ２は、隣り合うコンタクト材２３１ｃ，２３１ｃの間隔を示す。具体的には、水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向Ｃの合成ベクトルＤの方向に向かうほど、コンタクト材２３１ｂの線間間隔ｈ１が短くなっている。また、水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向Ｃの合成ベクトルＤの方向に向かうほど、コンタクト材２３１ｃの線間間隔ｈ２も短くなっている。このような構成であっても、コンタクト層２３１の塗布分布を不均一にすることができるため、カソード層２３の抵抗分布を容易に不均一にすることができる。
【００４０】
＜第３実施形態＞
次に、燃料電池スタック１の第３実施形態について説明する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００４１】
図９に示されるように、本実施形態の燃料電池スタック１では、水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向Ｃが同一方向となっている。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１では、いわゆるコフロー方式の供給方法が採用されている。
【００４２】
図９にグレースケールで示されるように、カソード層２３には、水素流れ方向Ｂに向かうほど、高密度となるようにコンタクト層２３１が塗布されている。すなわち、カソード層２３には、水素流れ方向Ｂに向かうほど、抵抗値が低くなるような不均一な抵抗分布が設けられている。このように、本実施形態のコンタクト層２３１の塗布分布は、水素流れ方向Ｂに基づいて設定されている。
【００４３】
以上説明した本実施形態の燃料電池スタック１によれば、第１実施形態の（３）に示される作用及び効果に加え、以下の（５）に示される作用及び効果を得ることができる。
【００４４】
（５）図９に示されるように水素及び空気が流れる場合、水素流れ方向Ｂの下流側ほど水素が不足するため、発電が生じ難くなる。したがって、水素流れ方向Ｂの下流側に向かうほど、温度が低下するという発熱分布がＳＯＦＣ２に生じる。したがって、本実施形態のように、水素流れ方向Ｂに向かうほど、抵抗値が低くなるような抵抗分布がカソード層２３に設けられていれば、水素及び空気の濃度に起因する発熱量と、発電時の電流の大きさに起因する発熱量とが逆の相関になる。したがって、ＳＯＦＣ２の発熱分布を均一化することができるため、ＳＯＦＣ２を起点とする熱応力を抑制することができる。結果的に、熱応力に起因する燃料電池スタック１の損傷を抑制することができる。また、コンタクト層２３１のシンタリング化が抑制されるため、燃料電池スタック１の寿命を延ばすこともできる。
【００４５】
＜第４実施形態＞
次に、燃料電池スタック１の第４実施形態について説明する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００４６】
図１０に示されるように、本実施形態の燃料電池スタック１では、水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向が互いに対向する方向となっている。すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１では、いわゆるカウンターフロー方式の供給方法が採用されている。
【００４７】
図１０にグレースケールで示されるように、カソード層２３には、水素流れ方向Ｂに向かうほど、高密度となるようにコンタクト層２３１が塗布されている。すなわち、カソード層２３には、水素流れ方向Ｂに向かうほど、抵抗値が低くなるような不均一な抵抗分布が設けられている。このように、本実施形態のコンタクト層２３１の塗布分布は、水素流れ方向Ｂに基づいて設定されている。
【００４８】
以上説明した本実施形態の燃料電池スタック１によれば、第１実施形態の（３）に示される作用及び効果に加え、以下の（６）に示される作用及び効果を得ることができる。
【００４９】
（６）図１０に示されるように水素及び空気が流れる場合、水素流れ方向Ｂの下流側ほど水素が不足するため、発電が生じ難くなる。したがって、水素流れ方向Ｂの下流側に向かうほど、温度が低下するという発熱分布がＳＯＦＣ２に生じる。また、水素流れ方向Ｂの下流側で暖められた空気が水素流れ方向Ｂの上流側へと流れるため、空気の有する熱が水素流れ方向Ｂの上流側に伝わる。これも、水素流れ方向Ｂの下流側に向かうほど、温度の低下する発熱分布をＳＯＦＣ２に生じさせる要因となる。したがって、本実施形態のように、水素流れ方向Ｂに向かうほど、抵抗値が低くなるような抵抗分布がカソード層２３に設けられていれば、水素及び空気の濃度に起因する発熱量と、発電時の電流の大きさに起因する発熱量とが逆の相関になる。したがって、ＳＯＦＣ２の発熱分布を均一化することができるため、ＳＯＦＣ２を起点とする熱応力を抑制することができる。結果的に、熱応力に起因する燃料電池スタック１の損傷を抑制することができる。また、コンタクト層２３１のシンタリング化が抑制されるため、燃料電池スタック１の寿命を延ばすこともできる。
【００５０】
＜他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・第１実施形態の水素流れ方向Ｂ及び空気流れ方向Ｃは、互いに直交する方向に限らず、所定角度で互いに交差する方向であればよい。
【００５１】
・第３実施形態及び第４実施形態の燃料電池スタック１では、コンタクト層２３１の塗布分布を不均一にする方法として、コンタクト材２３１ａのドット径ｄを変更する方法に限らず、第１実施形態の第１〜第３変形例の方法や、第２実施形態及びその変形例の方法を採用することもできる。
【００５２】
・コンタクト層２３１は、セパレータ３とは別の金属部材との接触部分の接触抵抗を低減するために機能層２３０の表面に塗布されるものであってもよい。
【００５３】
・カソード層２３の抵抗分布を不均一にさせる方法としては、コンタクト層２３１の塗布分布を不均一にする方法に限らず、適宜の方法を採用することができる。要は、カソード層２３が不均一な抵抗分布を有していればよい。
【００５４】
・各実施形態の燃料電池スタック１は、水素とは別の燃料ガスを用いるものであってもよい。また、各実施形態の燃料電池スタック１は、空気とは別の酸化剤ガスを用いるものであってもよい。
【００５５】
・本発明は上記の具体例に限定されるものではない。すなわち、上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５６】
１：燃料電池スタック
２：固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）
３：セパレータ（金属部材）
２０：アノード層
２１：固体電解質層
２３：カソード層
２３０：機能層
２３１：コンタクト層
２３１ａ，２３１ｂ，２３１ｃ：コンタクト材
【図１】
2019114563.tif 000003
【図２】
2019114563.tif 000004
【図３】
2019114563.tif 000005
【図４】
2019114563.tif 000006
【図５】
2019114563.tif 000007
【図６】
2019114563.tif 000008
【図７】
2019114563.tif 000009
【図８】
2019114563.tif 000010
【図９】
2019114563.tif 000011
【図１０】
2019114563.tif 000012