(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池セルの電極における平面内での発電量ばらつきを解消し、発電を効率よく行うことができる燃料電池セルを提供すること。【解決手段】燃料電池セルは、空気極２１、燃料極及び固体電解質層を有し、集電のための複数の突起を有する集電体に隣接して配置される。空気極２１の表面上には、集電体の複数の突起が接触しうる集電体接触部位３７が散点状に設定される。空気極２１の表面上における複数の集電体接触部位３７に、導電材料からなる当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃが各々設けられる。当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃは、反応ガスＦ１，Ａ１の流入側よりも流出側のほうが、導電率の高い材料組成の導電材料を用いて形成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電のための複数の突起を有する集電体に隣接して配置され、燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状部材として構成され、前記燃料極及び前記空気極のうちの少なくとも一方の電極の表面上に、前記集電体の複数の突起が接触しうる集電体接触部位が散点状に設定された燃料電池セルであって、
前記電極の表面上に設けられた導電層を備え、前記導電層は、複数の前記集電体接触部位の内部領域に各々設けられ、前記集電体の突起が当接する当接パッド部を有し、
複数の前記当接パッド部は、前記電極の平面方向に沿って供給される反応ガスの流れに応じて、前記導電材料の組成を異ならせて形成されている
ことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
複数の前記当接パッド部は、前記反応ガスの流入側よりも前記反応ガスの流出側のほうが、導電率の高い材料組成の導電材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
複数の前記集電体接触部位の表面上に形成される前記当接パッド部の各々は、同一の形状及び同一の面積を有し、前記電極の表面上において縦横に格子状に配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池セルと、
集電のための複数の突起を有し、前記複数の突起の先端面が前記電極の表面上に設定された前記集電体接触部位に接触するように配置される集電体と
を備え、前記燃料電池セルと前記集電体とが複数個ずつ積層されている
ことを特徴とする燃料電池セルスタック。
【請求項５】
前記当接パッド部を介して前記突起の先端面が前記電極の表面上に接合されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状部材として構成される燃料電池セル、及びその燃料電池セルを備えた燃料電池セルスタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発電装置の一種である燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。この固体酸化物形燃料電池は、エネルギー変換効率が５０％以上と非常に高く、かつ、小型化が可能であるため、家庭用コジェネレーションシステムや自動車の動力源として開発が行われている。
【０００３】
具体的には、固体酸化物形燃料電池は、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とが固体電解質層の両側に配置された平板状の燃料電池セルを備えている（例えば、特許文献１〜３参照）。なお、燃料ガスは水素を生成するためのものであり、酸化剤ガスは酸素を生成するためのものである。そして、水素と酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気極を正極、燃料極を負極とする直流の電力が発生するようになっている。
【０００４】
特許文献１に開示されている固体酸化物形燃料電池では、燃料極及び空気極の各電極の表面において、導電性細条が連続して設けられている。この燃料電池では、導電性細条を通って電子が電極と平行に流れる。つまり、導電性細条が集電体として機能して平面方向の抵抗が低くなる。このため、各電極で発生した電流は、電極と平行な方向に電圧ロスなく流れるようになっている。
【０００５】
特許文献２に開示されている固体酸化物形燃料電池では、燃料電池セルにおける空気極と空気極側集電体との間に、空気極と空気極側集電体とを接合する導電性の密着層が格子状に形成されている。この密着層を設けることにより、空気極と空気極側集電体とが確実に接触し、それらの接触抵抗が低く抑えられる。
【０００６】
ところで、上述した燃料電池において、燃料電池セルの形状が平板形であり、反応ガスフローが燃料電池セルの端面部から実施される場合、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流れ（ガスフロー）としては、クロスフロー（直交流）、カウンタフロー（対向流）、コフロー（並行流）などが採用される。これらガスフローにて発電を行う場合、発電反応により反応ガスが使用されるため、セル面内（燃料電池セルの各電極の平面内）においてガス濃度が均一とならない。つまり、反応ガスの流入側（上流部）と比較して流出側（下流部）においては、空気極で酸素濃度が低下し、燃料極では燃料濃度（水素などの濃度）が低下する。この反応ガスの上流・下流の酸素濃度差及び水素濃度差により、セル面内での電流密度（酸素イオン伝導量）に大きな差が生じてしまう。この結果、セル面内における発電量差によって温度分布が生じ、燃料電池セルに応力が発生することで燃料電池セルが割れ易くなったり、燃料電池セルの性能が早く低下したりするなどの問題が発生する。
【０００７】
特許文献３には、反応ガスの流れに応じて集電体の配置間隔を変更することにより、セル面内での温度分布の発生を抑えるように構成した固体酸化物形燃料電池が開示されている。この燃料電池では、燃料電池セル（発電部）とインターコネクタとが複数積み重ねられて、燃料電池セルスタックが構成されている。インターコネクタの表面には、ガス流路の方向に沿って、集電部として機能する複数のリブ（突起）が配設されている。そして、それらリブの配置間隔が、ガス流入側から流出側に向かって順次広くなるよう設定されている。この場合、ガス流入側ではガス透過面積が小さくなるため、ガス流入側での発電量が低く抑えられて発熱量が減少する。一方、ガス流出側ではガス透過面積が大きくなるため、ガス流出側での発電量が増加して発熱量も増加する。この結果、面内での電流量（イオン伝導量）の差が抑えられるとともに、セル面内での温度分布の発生が抑えられるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−２９８９６３号公報
【特許文献２】特開２００９−９９３０８号公報
【特許文献３】特開平１１−２９７３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、上記特許文献３の燃料電池では、ガス流入側ではリブの数が多くなっていることから、実際に発電をした場合にはガス流入側では発電量が多くなる。一方、ガス流出側ではリブの数が少ないことから、発電量が少なくなる。その結果、ガス流入側にて発電の集中が起こり、発電に伴う熱の発生がガス流入側で大きく、ガス流出側で小さくなることから、セル面内の発電量ばらつきが生じ、温度分布が大きくなるといった問題が発生する。つまり、特許文献３の燃料電池では、反応ガスが流れる発電面積（発電反応の均一化）を調整してはいるが、その調整を集電体（導電体）で実施していることから、負荷接続される場面でリブの数が多くなっているガス流入側にて多くの電子が流れようとする。そのため、実質的な（発電反応と電流を勘案した）実効発電面積が大きくなり、セル面内の部分的な電流密度上昇が起こる。その結果、（集電体などを含む）単セル面内の実効発電量分布（温度分布）が大きくなってしまう。また、集電体の形状変更が必要となるため、その加工コストが嵩んでしまう。
【００１０】
因みに、特許文献１の燃料電池では、空気極の表面において、導電性細条が均一に形成されている。このため、反応ガスの流れに起因してセル面内で発電量に差が生じて発電量が不均一になってしまうこと（即ち、発電量ばらつき）を回避することができない。また、特許文献２の燃料電池では、空気極の表面内において、導電性の密着層が格子状に規則正しく設けられており、これら密着層は同じ導電材料を用いて形成されている。このため、反応ガスの流れに起因するセル面内での発電量ばらつきを回避することができない。
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極における平面内での（発電反応と集電による）発電量ばらつきを解消し、発電を効率よく行うことができる燃料電池セルを提供することにある。また、別の目的は、上記燃料電池セルを用いて効率よく発電することができる燃料電池セル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】
【００１２】
そして上記課題を解決するための手段（手段１）としては、集電のための複数の突起を有する集電体に隣接して配置され、燃料極、空気極及び電解質層を有する平板状部材として構成され、前記燃料極及び前記空気極のうちの少なくとも一方の電極の表面上に、前記集電体の複数の突起が接触しうる集電体接触部位が散点状に設定された燃料電池セルであって、前記電極の表面上に設けられた導電層を備え、前記導電層は、複数の前記集電体接触部位の内部領域に各々設けられ、前記集電体の突起が当接する当接パッド部を有し、複数の前記当接パッド部は、前記電極の平面方向に沿って供給される反応ガスの流れに応じて、前記導電材料の組成を異ならせて形成されていることを特徴とする燃料電池セルがある。
【００１３】
従って、手段１に記載の発明によると、電極の表面上には導電層が設けられ、導電層は、複数の集電体接触部位の内部領域において集電体の突起が当接する当接パッド部を有している。これら当接パッド部は、電極の平面方向に沿って供給される反応ガスの流れに応じて導電材料の組成（導電率）を異ならせて形成されている。燃料電池において、発電は集電体から電極に電子が授受されることにより起こるため、このような導電率の異なる当接パッド部を集電体接触部位に設置することにより、燃料電池セル内に集電抵抗の差が生じる。なお、本発明における集電抵抗とは、集電体のみの電気抵抗ではなく、集電体と電極（燃料極及び空気極）とを通じて三相界面（反応ガスと電極と固体電解質層との界面）に至るまでの電気抵抗のことを言う。そして、セル面内におけるガス濃度の増減に対して集電抵抗の増減を逆とすることで、燃料電池セルの平面内における発電量ばらつきが解消され、発電時の温度分布の差が小さくなる。この結果、セル割れやセル特性の早期低下を回避することができる。なお、本発明において、発電量とは、発電反応によるものとその発電反応で得られた集電抵抗によるものとの両方を含む。また、本発明の燃料電池セルでは、集電体の突起が所定の間隔をあけて散点状に配置されており、従来技術のように反応ガスの流れに応じて集電体の配置間隔などの形状変更を行う必要がない。このため、燃料電池セルにおいて、各電極に供給される反応ガスの流量を十分に確保することができ、発電を効率よく行うことができる。さらに、集電体の形状変更に伴う加工コストが必要ないため、燃料電池セルの製造コストを抑えることができる。
【００１４】
具体的には、複数の当接パッド部は、反応ガスの流入側よりも反応ガスの流出側のほうが、導電率の高い材料組成の導電材料を用いて形成されている。つまり、複数の当接パッド部は、反応ガスの流入側よりも反応ガスの流出側のほうが、抵抗値の小さい導電材料を用いて形成されている。この場合、反応ガスの濃度が高く発電量が多くなり易い流入側では、低導電率（高抵抗）の当接パッド部によって電子の流れを抑えることで発電量が抑制される。一方、反応ガスの濃度が低く発電量が少なくなり易い流出側では、高導電率（低抵抗）の当接パッド部によって電子を流れやすくすることで発電量を増加させる。従って、燃料電池セルにおいて、セル面内のガス濃度の増減と集電抵抗の増減とは逆となるので、反応ガスの流入側と流出側とにおいて発電量に差が生じにくくなる。その結果、燃料電池セルの平面内における発電量ばらつきを解消することができ、セル割れやセル特性の早期低下を回避することができる。
【００１５】
複数の集電体接触部位の表面上に形成される当接パッド部の各々は、同一の形状及び同一の面積を有し、電極の表面上において縦横に格子状に規則正しく配設されていてもよい。このようにすると、集電体の各突起と各当接パッド部との各接触面積が等しくなる。このため、当接パッド部の導電率によって、各突起と電極との接触抵抗を正確に調整することができ、それら接触抵抗を反応ガスの流れに応じて変えることにより、燃料電池セルにおける平面方向の発電量ばらつきを確実に解消することができる。
【００１６】
当接パッド部は、電極の形成材料よりも低い抵抗値を有する導電材料を用いて形成される。具体的には、当接パッド部は、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）の少なくとも１つを含む導電材料を用いて形成される。例えば、複数の当接パッド部が銀及びパラジウムの２つの材料を含む場合、各当接パッド部は、反応ガスの流入側よりも流出側のほうが銀の割合が多くなるよう配合比率を変えて形成される。
【００１７】
また、反応ガスの流入側の当接パッド部と流出側の当接パッド部とは、抵抗値の異なる別の金属材料を含んだ導電材料を用いて形成されていてもよい。例えば、反応ガスの流入側の当接パッド部は、パラジウムを主材料として含む導電材料を用いて形成され、流出側の当接パッド部は、銀を主材料として含む導電材料を用いて形成される。燃料電池セルにおいて、このように当接パッド部を形成しても、反応ガスの流入側と流出側とで発電量に差が生じにくくなり、セル割れやセル特性の早期低下を回避することができる。
【００１８】
燃料電池セルは固体酸化物形燃料電池に用いられ、当接パッド部が形成される電極が燃料極であっても、空気極であってもよい。この場合、各電極及び集電体間での電子の授受が当接パッド部を介して効率よく行われるため、発電効率を十分に高めることができる。
【００１９】
燃料電池セルを構成する電解質層が固体酸化物層である場合、その形成材料としては、例えばＺｒＯ２系セラミック、ＬａＧａＯ３系セラミックなどがある。
【００２０】
空気極は、酸化剤となる酸化剤ガス（反応ガス）と接触し、燃料電池セルにおける正電極として機能する。ここで、空気極の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅの酸化物（Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＯ、ＣｅＯ２、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２、ＦｅＯ）などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物、Ｐｒ１−ｘＢａｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｓｍ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物）などがある。
【００２１】
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などが挙げられる。この混合ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。なお、混合ガスは、安全で安価な空気であることが好ましい。
【００２２】
燃料極は、還元剤となる燃料ガス（反応ガス）と接触し、燃料電池セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料極の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも１つと、を混合した金属セラミック材料の混合物（サーメット）を使用することができる。
【００２３】
また、燃料ガスとしては、例えば水素ガス、炭化水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスなどが挙げられる。燃料ガスとして炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であることが好ましい。なお、水中にガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）を通過させて加湿することによって得られる燃料ガスや、ガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）に水蒸気を混合させることによって得られる燃料ガスを選択してもよい。また、１種類の燃料ガスのみを用いてもよいし、複数種類の燃料ガスを併用してもよい。さらに、燃料ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。また、液体の原料を気化したものを燃料ガスとして使用したり、水素ガス以外のガスを改質して生成した水素ガスを燃料ガスとして使用したりすることもできる。
【００２４】
また、上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、手段１に記載の燃料電池セルと、集電のための複数の突起を有し、前記複数の突起の先端面が前記電極の表面上に設定された前記集電体接触部位に接触するように配置される集電体とを備え、前記燃料電池セルと前記集電体とが複数個ずつ積層されていることを特徴とする燃料電池セルスタックがある。
【００２５】
手段２に記載の発明によると、手段１の燃料電池セルと集電体とが複数個ずつ積層されることで燃料電池セルスタックが構成されている。この燃料電池セルスタックでは、各燃料電池セルにおいて反応ガスの流入側と流出側とで発電量に差が生じにくくなり、セル割れやセル特性の早期低下を回避することができる。従って、燃料電池セルスタックにおいて効率よく発電することができる。
【００２６】
燃料電池セルスタックにおいて、当接パッド部を介して突起の先端面が電極の表面上に接合されていてもよい。
【００２７】
また、上記の燃料電池セルスタックを用いて構成される燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が挙げられる。本発明の燃料電池セルとしては、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）などの固体酸化物形電気化学セルを含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施の形態の燃料電池を示す概略構成図。
【図２】燃料電池セルスタックを示す概略断面図。
【図３】集電体の突起の配置を示す平面図。
【図４】集電体接触部位及び導電層を示す平面図。
【図５】ガスフローがコフローである場合の別の実施の形態の導電層を示す平面図。
【図６】ガスフローがクロスフローである場合の別の実施の形態の導電層を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を燃料電池に具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００３０】
本実施の形態の燃料電池２００は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。図１に示されるように、燃料電池２００は、発電の最小単位である燃料電池セル２１１を複数積層してなる燃料電池セルスタック２１２を備えている。
【００３１】
燃料電池セルスタック２１２は、例えば縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体形状をなしている。本実施の形態において、燃料電池セルスタック２１２を構成する燃料電池セル２１１の積層数は、２０枚程度となっている。また、燃料電池セルスタック２１２には、燃料電池セル２１１の積層方向における両端部（図１では上端部と下端部）に、エンドプレート１４，１５が配置されている。さらに、セルスタック２１２の周縁部には、同スタック２１２を厚さ方向に貫通する複数の貫通穴が形成されている。そして、各貫通穴に締結ボルト１８を挿通させ、セルスタック２１２の下面から突出するボルト１８の下端部分にナット１９が螺着されている。このように締結ボルト１８及びナット１９を用いて各エンドプレート１４，１５を各燃料電池セル２１１の積層方向に締め付けることで、複数の燃料電池セル２１１が固定されるようになっている。また、セルスタック２１２の両端部に配置されるエンドプレート１４，１５が、セルスタック２１２から出力される電流の出力端子となっている。
【００３２】
図２に示されるように、セルスタック２１２を構成する燃料電池セル２１１は、空気極２１、燃料極２２及び固体電解質層２３を有する平板状部材として構成され、発電反応により電力を発生する。また、セルスタック２１２には、燃料電池セル２１１に加えて、コネクタプレート２４、セパレータ２５、空気極側集電体２７及び燃料極側集電体２８等が設けられ、それらが複数個ずつ積層されている。
【００３３】
より詳しくは、コネクタプレート２４は、ステンレスなどの導電性材料によって形成されており、燃料電池セル２１１の厚み方向の両側に一対配置される。各コネクタプレート２４により板厚方向での燃料電池セル２１１間の導通が確保される。隣り合う燃料電池セル２１１の間に配置されるコネクタプレート２４は、インターコネクタとなり、隣り合う燃料電池セル２１１を区分する。
【００３４】
セパレータ２５は、ステンレスなどの導電性材料によって形成されており、矩形状の開口部２９を中央部に有する略矩形枠状をなしている。セパレータ２５は、燃料電池セル２１１間の仕切り板として機能する。
【００３５】
固体電解質層２３は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料（酸化物）によって矩形板状に形成されている。固体電解質層２３は、セパレータ２５の下面に固定されるとともに、セパレータ２５の開口部２９を塞ぐように配置されている。固体電解質層２３は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。
【００３６】
また、固体電解質層２３の上面には、セルスタック２１２に供給された酸化剤ガスに接する空気極２１が貼付され、固体電解質層２３の下面には、同じくセルスタック２１２に供給された燃料ガスに接する燃料極２２が貼付されている。即ち、空気極２１及び燃料極２２は、固体電解質層２３の両側に配置されている。また、空気極２１は、セパレータ２５の開口部２９内に配置され、セパレータ２５と接触しないようになっている。なお、本実施の形態の燃料電池セル２１１では、セパレータ２５の下方に燃料室３１が形成されるとともに、セパレータ２５の上方に空気室３２が形成されている。
【００３７】
本実施の形態の燃料電池セル２１１において、空気極２１は、金属の複合酸化物であるＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３）によって矩形板状に形成されている。また、燃料極２２は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）によって矩形板状に形成されている。燃料電池セル２１１において、空気極２１はカソード層として機能し、燃料極２２はアノード層として機能する。
【００３８】
空気極２１は、空気極側集電体２７によってコネクタプレート２４に電気的に接続され、燃料極２２は、燃料極側集電体２８によってコネクタプレート２４に電気的に接続されている。空気極側集電体２７は、例えばＬａ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｃ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｚｒ等を微量添加したＳＵＳ４３０系フェライト合金等の緻密な金属板からなる。一方、燃料極側集電体２８は、燃料ガスの通過が可能なように、例えばニッケル製の多孔体からなる。
【００３９】
図２〜図４に示されるように、空気極側集電体２７は、集電のための複数の突起３５を有しており、それら突起３５の先端面が空気極２１の表面上にて散点状に設定された集電体接触部位３７に接触するよう燃料電池セル２１１に隣接して配置されている。本実施の形態において、複数の集電体接触部位３７は、例えば四角形状の領域であり、同一の形状及び同一の面積を有し、空気極２１の表面上において縦横に格子状に規則正しく設定されている。空気極側集電体２７における複数の突起３５は、同一の形状及び同一のサイズを有する四角形状の突起であり、縦横に格子状に規則正しく配置されている。
【００４０】
図４に示されるように、空気極２１の表面上には、導電材料からなる導電層２３８が設けられている。導電層２３８は、各集電体接触部位３７の内部領域に各々設けられ、集電体の突起が当接する矩形島状の当接パッド部２３８ａ，２３８ｂ，２３８ｃを有している。本実施の形態の燃料電池セル２１１では、当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを介して空気極２１と空気極側集電体２７（各突起３５の先端面）とが接合されている（図２参照）。当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃは、銀パラジウム合金からなり、その厚さは、例えば数十μｍ程度である。また、複数の当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃの各々は、同一の形状及び同一の面積を有する。そして、各当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃは、空気極２１の表面上において各集電体接触部位３７と重なるように縦横に格子状に規則正しく配設されている。
【００４１】
本実施の形態の燃料電池セルスタック２１２には、各燃料電池セル２１１の燃料室３１に燃料ガスを供給する燃料供給経路（図示略）と、燃料室３１から燃料ガスを排出する燃料排出経路（図示略）とが設けられている。また、セルスタック２１２には、各燃料電池セル２１１の空気室３２に空気を供給する空気供給経路（図示略）と、空気室３２から空気を排出する空気排出経路（図示略）とが設けられている。各供給経路及び各排出経路は、燃料電池セルスタック２１２の側面に設けられたジョイント部（図示略）を介して外部配管（図示略）に接続されている。
【００４２】
本実施の形態では、外部配管や各供給経路を通じて燃料電池セル２１１の端面部から反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が供給される。具体的には、図４に示されるように、反応ガス（燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＡ１）の流れとしてクロスフロー（直交流）の方式が採用されている。燃料電池セル２１１において、酸化剤ガスＡ１は、空気極２１の面方向に沿って図４の右側から左側に向けて供給される。一方、燃料ガスＦ１は、空気極２１の裏面側にある燃料極２２の面方向に沿って図４の上側から下側に向けて供給される。つまり、本実施の形態では、酸化剤ガスＡ１の流れと燃料ガスＦ１の流れとが直交している。
【００４３】
空気極２１の表面上における各当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃは、電極の平面方向に沿って供給される反応ガスＦ１，Ａ１の流れに応じて、導電材料の組成を異ならせて形成されている。より詳しくは、各当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃは、反応ガスＦ１，Ａ１の流入側の当接パッド部２３８ａよりも流出側の当接パッド部２３８ｃのほうが導電率の高い材料組成の導電材料を用いて形成されている。本実施の形態では、反応ガスＦ１，Ａ１の流入側の当接パッド部２３８ａよりも流出側の当接パッド部２３８ｃのほうが銀の割合が多くなるよう配合比率を変えて形成されている。銀はパラジウムよりも導電率が高いため、このように銀の割合を増やすことで流出側の当接パッド部２３８ｃの導電率は高くなる。一方、流入側の当接パッド部２３８ａは、銀の割合を少なくすることでその導電率が流出側の当接パッド部２３８ｃの導電率よりも低くなる。つまり、流出側の当接パッド部２３８ｃの抵抗値は、流入側の当接パッド部２３８ａの抵抗値よりも低くなっている。
【００４４】
なお、本実施の形態のように、クロスフロー（直交流）の方式で反応ガスＦ１，Ａ１を供給する場合、図４の空気極２１において右上に設けられる当接パッド部２３８ａの導電率が最も低くなる一方、左下に設けられる当接パッド部２３８ｃの導電率が最も高くなっている。また、空気極２１において中央部に位置する当接パッド部２３８ｂは、流入側の当接パッド部２３８ａと流出側の当接パッド部２３８ｃとの中間的な導電率（抵抗値）となっている。
【００４５】
そして、燃料電池２００の発電時には、上記のように形成した当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを介して空気極２１と空気極側集電体２７との間で発電反応に伴う電子の授受が行われるようになっている。
【００４６】
次に、本実施の形態における燃料電池セルスタック２１２の製造方法について説明する。
【００４７】
まず、例えばＳＵＳ４３０からなる板材を打ち抜いて、コネクタプレート２４やセパレータ２５を製造する。また、燃料極２２のグリーンシート上に、固体電解質層２３の材料を印刷し、その上に空気極２１の材料を印刷した後焼成する。この焼成によって、空気極２１、燃料極２２及び固体電解質層２３を有する平板状の燃料電池セル２１１が製造される。
【００４８】
その後、燃料電池セル２１１とセパレータ２５とをロウ付けにて固定する。さらに、空気極側集電体２７と燃料極側集電体２８とを、それぞれ隣接する上部のコネクタプレート２４と下部のコネクタプレート２４とにロウ付けによって固定する。
【００４９】
また、Ａｇ−Ｐｄ粉末とエチルセルロースと有機溶剤とを三本ロール混合することで、Ａｇ−Ｐｄ導電性ペーストを作製する。本実施の形態では、Ａｇ及びＰｄの配合比率を変えて導電率の異なる３種類の導電性ペーストを作製する。次に、空気極２１の表面に、それら導電性ペーストを３回に分けてスクリーン印刷し、乾燥する。ここでは、各集電体接触部位３７の内部領域に、島状パターン（当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃとなるパターン）を３種類の導電性ペーストを使用してそれぞれ形成する。具体的には、図４に示す空気極２１の場合、その表面において、右上に位置する４つの島状パターンを導電率の低い導電性ペーストを用いて形成するとともに、左下に位置する４つの島状パターンを導電率の高い導電性ペーストを用いて形成する。残りの各島状パターンについては、中間的な導電率の導電性ペーストを用いて形成する。
【００５０】
そして、上述したコネクタプレート２４、セパレータ２５をロウ付けした燃料電池セル２１１、空気極側集電体２７、燃料極側集電体２８などを一体に組み付けるとともに、燃料電池セル２１１を含むそれら部材を複数積層することで燃料電池セルスタック２１２を構成する。またこのとき、燃料電池セルスタック２１２において、貫通孔に締結ボルト１８を嵌め込むとともにその先端にナット１９を螺合させる。この結果、各燃料電池セル２１１をその積層方向に押圧した状態で一体化させることにより、燃料電池セルスタック２１２が組み付けられる。
【００５１】
上述した導電性ペーストは、燃料電池２００の運転温度（例えば７００℃）において、エチルセルロースなどが除去されることで当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃ（銀パラジウム合金）となる。また、燃料電池２００の運転温度には、当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃの銀パラジウム合金が軟化して空気極２１と空気極側集電体２７とが密着する。なお、運転停止時において、集電体接触部位３７の当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃは、空気極２１と空気極側集電体２７とを接合して一体化している。
【００５２】
次に、本実施の形態の燃料電池２００における燃料電池セル２１１の作用について説明する。
【００５３】
燃料電池２００において、例えば、その燃料電池２００を稼働温度に加熱した状態で、燃料供給経路から燃料室３１に燃料ガスＦ１を供給するとともに、空気供給経路から空気室３２に酸化剤ガスＡ１を供給する。本実施の形態では、セルスタック２１２の各燃料電池セル２１１において、燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＡ１の流れがクロスフロー（直交流）となるように、空気極２１の平面方向に沿って酸化剤ガスＡ１が供給されるとともに燃料極２２の平面方向に沿って燃料ガスＦ１が供給される。このとき、燃料ガスＦ１中の水素と酸化剤ガスＡ１中の酸素とが固体電解質層２３を介して反応（発電反応）し、空気極２１を正極、燃料極２２を負極とする直流の電力が発生する。本実施の形態では、空気極２１の表面上における各集電体接触部位３７に形成されている複数の当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃは、電極の平面方向に沿って供給される反応ガスＦ１，Ａ１の流入側よりも流出側のほうが導電率が高くなっている。この場合、反応ガスＦ１，Ａ１の濃度が高く発電反応量が多くなり易い流入側では、低導電率（高抵抗）の当接パッド部２３８ａによって電子の流れを抑えることで発電量が抑制される。一方、反応ガスＦ１，Ａ１の濃度が低く発電反応量が少なくなり易い流出側では、高導電率（低抵抗）の当接パッド部２３８ｃによって電子を流れやすくすることで発電量が増える。この結果、空気極２１及び燃料極２２の電極平面において、反応ガスＦ１，Ａ１の流入側と流出側とにおいて発電ばらつきが解消され、効率よく電力が発生する。
【００５４】
本実施の形態のセルスタック２１２は、燃料電池セル２１１を複数積層して直列に接続している。このため、燃料電池２００では、空気極２１に電気的に接続される上側エンドプレート１４（正極）と、燃料極２２に電気的に接続される下側エンドプレート１５（負極）とから直流電力が出力される。
【００５５】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００５６】
（１）本実施の形態の燃料電池セル２１１では、空気極２１の表面において、各集電体接触部位３７の内側領域に設けられた各当接パッド２３８ａ〜２３８ｃは、平面方向に沿って供給される反応ガスＦ１，Ａ１の流入側よりも流出側のほうが導電率が高くなっている。燃料電池２００において、発電は空気極側集電体２７から空気極２１に電子が授受されることにより起こる。このため、本実施の形態のように導電率が異なる当接パッド２３８ａ〜２３８ｃを形成することにより、燃料電池セル２１１において反応ガスＦ１，Ａ１の流れに応じて電子授受量（集電抵抗）を調整することで、平面内における発電量が均等になる。従って、燃料電池セル２１１の平面内における発電量ばらつきが解消され、発電時の温度分布の差が小さくなる。この結果、従来技術のようなセル割れやセル特性の早期低下を回避することができ、発電を効率よく行うことができる。
【００５７】
（２）本実施の形態の燃料電池セル２１１では、空気極側集電体２７の突起３５が所定の間隔をあけて散点状に配置されており、従来技術のように反応ガスＦ１，Ａ１の流れに応じて集電体２７の配置間隔などの形状変更を行う必要がない。このため、燃料電池セル２１１において、空気極２１に供給される酸化剤ガスＡ１の流量を十分に確保することができ、発電を効率よく行うことができる。さらに、本実施の形態の燃料電池セル２１１では、空気極側集電体２７の形状変更に伴う加工コストが必要ないため、燃料電池セル２１１の製造コストを抑えることができる。
【００５８】
（３）本実施の形態の燃料電池セル２１１では、複数の集電体接触部位３７の表面上に形成される当接パッド２３８ａ〜２３８ｃの各々は、同一の形状及び同一の面積を有し、空気極２１の表面上において縦横に格子状に規則正しく配設されていている。このように当接パッド２３８ａ〜２３８ｃを形成すると、空気極側集電体２７の各突起３５と各当接パッド２３８ａ〜２３８ｃとの各接触面積が等しくなる。このため、各当接パッド２３８ａ〜２３８ｃの導電率によって、各突起３５と空気極２１との接触抵抗を正確に調整することができる。そして、それら接触抵抗を反応ガスＦ１，Ａ１の流れに応じて変えることにより、燃料電池セル２１１における平面方向の発電量ばらつきを確実に解消することができる。
【００５９】
（４）本実施の形態の燃料電池セル２１１では、各当接パッド２３８ａ〜２３８ｃを介して空気極２１と空気極側集電体２７とが接合されている。このように構成すると、空気極側集電体２７の各突起３５と空気極２１との間の接触抵抗を低く抑えることができ、集電効率を高めることができる。
【００６０】
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００６１】
・上記実施の形態では、反応ガス（燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＡ１）の流れとしては、クロスフロー（直交流）のものに具体化したが、コフロー（並行流）、カウンタフロー（対向流）のものに具体化してもよい。図５には、コフローによって燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＡ１が各電極に供給される場合の具体例を示している。図５では、空気極２１の平面方向に沿って酸化剤ガスＡ１が図中上側から下側に向けて流れるとともに、空気極２１の裏側にある燃料極２２（図示略）の平面方向に沿って燃料ガスＦ１が図中上側から下側に向けて流れる。図５に示されるように、空気極２１の表面において、複数の集電体接触部位３７に形成される各当接パッド２３８ａ〜２３８ｃは、反応ガスＦ１，Ａ１の流入側（図５では上側）にある当接パッド２３８ａよりも流出側（図５では下側）にある当接パッド２３８ｃのほうが、導電率が高い導電材料を用いて形成されている。図５のように各当接パッド２３８ａ〜２３８ｃを形成した場合でも、反応ガスＦ１，Ａ１の流入側と流出側とで発電量に差が生じにくくなる。その結果、燃料電池２００におけるセル割れやセル特性の早期低下を回避することができる。
【００６２】
・上記実施の形態では、空気極２１の表面上に設けられる導電層２３８として、複数の集電体接触部位３７の内部領域に島状の当接パッド２３８ａ〜２３８ｃをそれぞれ形成していたが、これに限定されるものではない。図６に示される導電層２３９のように、複数の集電体接触部位３７の当接パッド２３８ａ〜２３８ｃに加えて、それら当接パッド２３８ａ〜２３８ｃを繋ぐように形成された結線部２４０ａ〜２４０ｃを有していてもよい。図６においては、空気極２１の表面内にて散点状に配置された複数の集電体接触部位３７のうちのコーナー部４１の集電体接触部位３７について、隣接する集電体接触部位３７の当接パッド２３８ａ〜２３８ｃ間を繋ぐように結線部２４０ａ〜２４０ｃを形成している。なお、結線部２４０ａ〜２４０ｃはそれと接続される各当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃと同じ導電率を有して形成されている。燃料電池セル２１１では、発電時の熱変形によって空気極２１のコーナー部４１に、空気極側集電体２７に対して離間する方向の反りが発生し易い。図６のように結線部２４０ａ〜２４０ｃを形成すると、燃料電池セル２１１の熱変形によってコーナー部４１の集電体接触部位３７が空気極側集電体２７の突起３５から離間した場合でも、集電体接触部位３７の当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃとそれに隣接する集電体接触部位３７の当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃとが結線部２４０ａ〜２４０ｃによって電気的に接続される。このため、燃料電池セル２１１において十分な集電能力を確保することができる。また、空気極２１の表面上において、反りが発生する部位のみに結線部２４０ａ〜２４０ｃを形成することにより、ガス透過性の低下を確実に抑えることができる。
【００６３】
・上記実施の形態では、銀とパラジウムとの配合比率を変えることで導電率の異なる当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを形成していたが、これに限定されるものではなく、２種類以上の他の金属材料の配合比率を変えることで導電率の異なる当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを形成してもよい。さらに、抵抗値の異なる別の金属材料を含んだ導電材料を用いて各当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを形成してもよい。ここで、抵抗値の異なる３つの金属材料を用いる場合、例えば最も高い抵抗値を有する第１の金属材料を含んだ導電材料を用いて流入側の当接パッド部２３８ａを形成する。また、中間的な抵抗値を有する第２の金属材料を含んだ導電材料を用いて中間部の当接パッド部２３８ｂを形成し、最も低い抵抗値を有する第３の金属材料を含んだ導電材料を用いて流出側の当接パッド部２３８ｃを形成する。このように各当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを形成した場合でも、反応ガスＦ１，Ａ１の流入側と流出側とで発電量に差が生じにくくなる。その結果、燃料電池におけるセル割れやセル特性の早期低下を回避することができる。
【００６４】
・上記実施の形態では、導電率（抵抗値）の異なる３種類の当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを形成していたが、導電率の異なる２種類または４種類以上の当接パッド部を形成してもよい。
【００６５】
・上記実施の形態では、空気極２１の表面に当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを形成するものであったが、燃料極２２の表面に当接パッド部を形成してもよい。なおこの場合でも、燃料極側集電体２８は複数の突起を有し、燃料極２２には燃料極側集電体２８の突起が接触しうる集電体接触部位が散点状に設定される。そして、燃料極２２の表面には、反応ガスＦ１，Ａ１の流れに応じて導電材料の組成を異ならせて当接パッド部を形成する。このように燃料電池セル２１１を構成しても、反応ガスＦ１，Ａ１の流入側と流出側とで発電量に差が生じにくくなる。その結果、燃料電池におけるセル割れやセル特性の早期低下を回避することができる。
【００６６】
・上記実施の形態では、四角形状の空気極２１（電極）の表面に当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを形成するものであったが、電極形状は四角形状に限定されるものではなく、円形状や四角形以外の多角形状の空気極の表面に当接パッド部を形成してもよい。また、集電体接触部位３７（空気極側集電体２７の各突起３５）及び導電層２３８，２３９（当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃ）の形状は正四角形状であったが、長方形、円形や楕円形などの形状に変更してもよい。
【００６７】
・上記実施の形態では、固体酸化物形燃料電池２００の運転温度によって、導電性ペーストを焼成して当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを形成していたが、当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを形成するための焼成工程を別途行うことで燃料電池セルスタック２１２を製造してもよい。また、燃料電池セル２１１における空気極２１、燃料極２２及び固体電解質層２３の焼成工程と同時に当接パッド部２３８ａ〜２３８ｃを形成してもよい。
【００６８】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００６９】
（１）手段１において、複数の前記当接パッド部は、前記反応ガスの流入側よりも前記反応ガスの流出側のほうが、抵抗値の小さい導電材料を用いて形成されていることを特徴とする燃料電池セル。
【００７０】
（２）手段１において、前記当接パッド部は、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）の少なくとも１つを含む導電材料を用いて形成されることを特徴とする燃料電池セル。
【００７１】
（３）手段１において、複数の前記当接パッド部は、銀及びパラジウムを含み、前記反応ガスの流入側よりも流出側のほうが銀の割合が多くなるよう配合比率を変えて形成されていることを特徴とする燃料電池セル。
【００７２】
（４）手段１において、前記反応ガスの流入側の前記当接パッド部と流出側の前記当接パッド部とは、抵抗値の異なる別の金属材料を含んだ導電材料を用いて形成されていることを特徴とする燃料電池セル。
【００７３】
（５）手段１において、固体酸化物形燃料電池に用いられ、前記当接パッド部が形成される前記電極が前記空気極であることを特徴とする燃料電池セル。
【符号の説明】
【００７４】
２１…空気極
２２…燃料極
２３…固体電解質層
２７…集電体としての空気極側集電体
３５…突起
３７…集電体接触部位
２００…燃料電池
２１１…燃料電池セル
２１２…燃料電池セルスタック
２３８，２３９…導電層
２３８ａ〜２３８ｃ…当接パッド部
２４０ａ〜２４０ｃ…導電層を構成する結線部
Ａ１…反応ガスとしての酸化剤ガス
Ｆ１…反応ガスとしての燃料ガス
【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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