(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニア系の固体電解質層（２）と、該固体電解質層（２）の第１の面側に設けられており、燃料ガスが供給されるアノード（３）と、上記固体電解質層（２）における第１の面の反対側にある第２の面側に設けられるとともにＳｒを含有しており、酸化剤ガスが供給されるカソード（４）と、上記固体電解質層（２）と上記カソード（４）との間に設けられた中間層（５）とを有する燃料電池単セル（１）であって、
上記アノード（３）の第１の端面（３１）側に上記燃料ガスの入口（３１０）が設けられるとともに、上記アノード（３）の第１の端面（３１）と対向する第２の端面（３２）側に上記燃料ガスの出口（３２０）が設けられており、
上記中間層（５）は、
中間層材料が存在するパターン形成部（５０１）と上記中間層材料が存在しないパターン未形成部（５０２）とを含むとともに、上記燃料ガスの入口（３１０）から出口（３２０）に向かう上記燃料ガスの流れ方向（Ｆ）に対して垂直な面に沿って複数の領域（５１）に分割されており、
上記中間層材料が存在しないパターン未形成部（５０２）において、上記中間層（５）に覆い被さる上記カソード（４）と上記固体電解質層（２）との反応によってＳｒＺｒＯ３が形成されており、
上記各領域（５１）の面積に対する上記各領域（５１）に含まれる上記パターン形成部（５０１）の面積の比率で表される上記各領域（５１）のパターン形成率は、上記燃料ガスの入口（３１０）側から上記燃料ガスの出口（３２０）側に向かって段階的に大きくなることを特徴とする燃料電池単セル（１）。
【請求項２】
上記各領域（５１）のうち、上記燃料ガスの入口（３１０）に最も近い位置にある領域（５１）の上記パターン形成率は、５０〜８０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池単セル（１）。
【請求項３】
上記各領域（５１）のうち、上記燃料ガスの出口（３２０）に最も近い位置にある領域（５１）の上記パターン形成率は、９５〜１００％の範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池単セル（１）。
【請求項４】
上記各領域（５１）のうち、上記燃料ガスの入口（３１０）に最も近い位置にある領域（５１）の分割比は、上記燃料ガスの出口（３２０）に最も近い位置にある領域（５１）の分割比よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池単セル（１）。
【請求項５】
上記中間層（５）の分割比は、上記燃料ガスの入口（３１０）側から上記燃料ガスの出口（３２０）側に向かって大きくなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池単セル（１）。
【請求項６】
上記パターン形成部（５０１）および上記パターン未形成部（５０２）を含む上記領域（５１）において、上記パターン形成部（５０１）の幅の最小値は、１００μｍ以上であり、上記パターン未形成部（５０２）の幅は、５０〜５００μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池単セル（１）。
【請求項７】
上記燃料ガスと上記酸化剤ガスとが一軸方向に流れる方式を採用していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池単セル（１）。
【請求項８】
上記アノード（３）を支持体とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池単セル（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池単セルに関し、さらに詳しくは、電解質として固体電解質を利用する燃料電池単セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料ガスが供給されるアノードと、ジルコニア系の固体電解質層と、Ｓｒを含有しており、酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池単セルが知られている。また、固体電解質層とカソードとの界面に、ＺｒとＳｒとが反応して形成される高電気抵抗のＳｒＺｒＯ３を抑制するため、固体電解質層とカソードとの間に中間層が設けられた燃料電池セルも知られている。
【０００３】
上記燃料電池セルとしては、例えば、先行する特許文献１には、燃料ガスの流れ方向の下流側に位置するアノードの大気孔率部における気孔率が、燃料ガスの流れ方向の上流側に位置するアノードの上流側部における気孔率よりも大きく形成された固体酸化物形の燃料電池単セルが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−９４４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池単セルは、通常、燃料ガスの入口側と出口側とで燃料ガスの消費量が異なる。そのため、燃料電池単セルは、セル面内に発電分布を生じやすい。セル面内に発電分布が生じると、セル面内に温度分布が生じる。セル面内に温度分布が生じると、局所的な発電集中によって熱応力が発生し、これによりセルの劣化、割れが生じやすくなる。したがって、燃料電池単セルでは、セル面内の発電分布を低減させることが要求される。
【０００６】
なお、上述した燃料ガスの流れ方向でアノードの気孔率を制御する技術は、アノード面内方向に気孔分布を形成する必要があり、セルの製造が難しく現実的ではないと考えられる。
【０００７】
本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、セル面内の発電分布を低減させることが可能な燃料電池単セルを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、ジルコニア系の固体電解質層と、該固体電解質層の第１の面側に設けられており、燃料ガスが供給されるアノードと、上記固体電解質層における第１の面の反対側にある第２の面側に設けられるとともにＳｒを含有しており、酸化剤ガスが供給されるカソードと、上記固体電解質層と上記カソードとの間に設けられた中間層とを有する燃料電池単セルであって、
上記アノードの第１の端面側に上記燃料ガスの入口が設けられるとともに、上記アノードの第１の端面と対向する第２の端面側に上記燃料ガスの出口が設けられており、
上記中間層は、
中間層材料が存在するパターン形成部と上記中間層材料が存在しないパターン未形成部とを含むとともに、上記燃料ガスの入口から出口に向かう上記燃料ガスの流れ方向に対して垂直な面に沿って複数の領域に分割されており、
上記中間層材料が存在しないパターン未形成部において、上記中間層に覆い被さる上記カソードと上記固体電解質層との反応によってＳｒＺｒＯ３が形成されており、
上記各領域の面積に対する上記各領域に含まれる上記パターン形成部の面積の比率で表される上記各領域のパターン形成率は、上記燃料ガスの入口側から上記燃料ガスの出口側に向かって段階的に大きくなることを特徴とする燃料電池単セルにある。
【発明の効果】
【０００９】
上記燃料電池単セルの中間層は、中間層材料が存在するパターン形成部と中間層材料が存在しないパターン未形成部とを含んでいる。そのため、上記燃料電池単セルでは、パターン未形成部において、中間層に覆い被さるカソードと固体電解質層とが反応することにより、高電気抵抗を有するＳｒＺｒＯ３が形成される。また、中間層は、燃料ガスの流れ方向に対して垂直な面に沿って複数の領域に分割されており、各領域のパターン形成率が、燃料ガスの入口側から燃料ガスの出口側に向かって段階的に大きくなるように構成されている。そのため、燃料ガスの入口側において、ＳｒＺｒＯ３によるセル抵抗が高くなり、燃料ガスの消費量が抑制されて発電し難くなる。一方、燃料ガスの出口側において、ＳｒＺｒＯ３によるセル抵抗が低くなり、燃料ガスの消費量が増えて発電しやすくなる。つまり、上記燃料電池単セルは、従来、積極的に排除されてきた高電気抵抗層を積極的に利用することにより、発電の均一化を図ったものである。
【００１０】
よって、本発明によれば、従来に比べ、セル面内の発電分布を低減させることが可能な燃料電池単セルが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の燃料電池単セルの模式的な断面図である。
【図２】実施例１の燃料電池単セルにおける中間層をカソード側から見た図である。
【図３】図２に示される中間層の一部を構成する入口領域の拡大図である。
【図４】図２に示される中間層の一部を構成する中間領域の拡大図である。
【図５】図２に示される中間層の一部を構成する出口領域の拡大図である。
【図６】パターン形成部の幅、パターン未形成部の幅について説明するための説明図である。
【図７】実施例２の燃料電池単セルにおける中間層をカソード側から見た図である。
【図８】実験例における、ケース１−２、ケース２、および、ケース３のシミュレーション結果である。
【図９】実験例における、ケース１−１、ケース１−２、ケース１−３、ケース１−４、および、ケース３のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上記燃料電池単セルは、電解質として固体電解質を利用する固体電解質型の燃料電池単セルである。固体電解質層を構成する固体電解質には、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックス等を用いることができる。なお、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と称される。
【００１３】
上記燃料電池単セルは、発電性能が高い等の観点から、平板形の電池構造をとることができる。上記燃料電池単セルは、具体的には、例えば、所定のセル厚を有する四角形状等の形状を有することができる。上記燃料電池単セルは、電極であるアノードを支持体とするアノード支持型であるとよい。燃料ガスの流れ方向に気孔分布を設ける技術や、燃料ガスの流れ方向で材料を変えて導電率を変化させる技術等を、アノード支持型の燃料電池単セルに適用した場合、支持体であるアノードの強度が低下したり、アノードの製造が複雑になる。これに対して、上記燃料電池単セルは、中間層におけるパターン未形成部に生じる高電気抵抗層を利用して、発電の均一化を図っている。そのため、上記燃料電池単セルは、セル面内の発電分布を低減させるために、支持体であるアノードの構成を変更する必要性が低い。それ故、この場合には、支持体であるアノードの強度ムラが生じ難く、アノードの製造も複雑化し難い。
【００１４】
上記燃料電池単セルは、燃料ガスと酸化剤ガスとが一軸方向に流れる方式を採用していることが好ましい。
【００１５】
この場合には、一軸方向に生じるセル面内の発電分布を低減しやすい燃料電池単セルが得られる。燃料ガスと酸化剤ガスとが一軸方向に流れる方式としては、具体的には、燃料ガスと酸化剤ガスとがセル面内で同方向に流れる並行流方式、燃料ガスと酸化剤ガスとがセル面内で逆方向に流れる対向流方式などを例示することができる。上記燃料電池単セルは、発電分布の低減のしやすさ、ガスシール性等の観点から、より好ましくは、並行流方式を採用しているとよい。
【００１６】
なお、並行流方式では、カソードの第１の端面側（アノードの第１の端面側と同側）に酸化剤ガスの入口が配置されるとともに、カソードの第１の端面と対向する第２の端面側（アノードの第２の端面側と同側）に酸化剤ガスの出口が配置される。また、対向流方式では、カソードの第２の端面側に酸化剤ガスの入口が配置されるとともに、カソードの第１の端面側に酸化剤ガスの出口が配置される。燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、メタンガス等を主成分とするガスなどを用いることができる。酸化剤ガスとしては、例えば、酸素ガス、空気ガスなどを用いることができる。
【００１７】
中間層を構成する中間層材料としては、具体的には、例えば、ＣｅＯ２、ＣｅＯ２にＧｄ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｃａ、Ｄｒ、および、Ｈｏから選択される１種または２種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。中間層の厚みは、オーミック抵抗の低減、カソードからの元素拡散の抑制等の観点から、好ましくは１〜１０μｍ、より好ましくは１〜５μｍとすることができる。
【００１８】
中間層は、中間層材料が存在するパターン形成部と、中間層材料が存在しないパターン未形成部とを含んでいる。パターン形成部は、具体的には、例えば、中間層材料より形成された複数のドット部より構成することができる。ドット部は、具体的には、例えば、角柱状、円柱状等の形状を有することができ、また、互いに離間した状態とすることができる。一方、パターン未形成部は、具体的には、例えば、複数のドット部間に形成される隙間より構成することができる。中間層において、パターン形成部は、例えば、複数のドット部が規則的に配置されること等により、規則性を有することができる。この場合には、セル面内の発電分布の低減を図りやすくなる。
【００１９】
パターン形成部およびパターン未形成部を含む領域において、パターン形成部の幅の最小値は、１００μｍ以上とすることができる。この場合には、パターン形成部の確保、パターン形成部の形成性、Ｓｒの拡散抑制効果のバランスに優れる。パターン形成部の幅の最小値は、好ましくは２００μｍ以上、より好ましくは３００μｍ以上、さらに好ましくは５００μｍ以上とすることができる。パターン形成部の幅の最小値は、パターン未形成部の確保、局所的な発電分布に伴う燃料ガス濃度分布の低減等の観点から、好ましくは２０００μｍ以下、より好ましくは１５００μｍ以下、さらに好ましくは１０００μｍ以下とすることができる。また、パターン未形成部の幅は、５０〜５００μｍとすることができる。この場合には、セル面内の発電分布の低減効果を確保しやすくなる。また、スクリーン印刷法等の工法により容易に対応可能であり、工法選択の幅が広がる等の利点もある。パターン未形成部の幅は、好ましくは７５μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上とすることができる。パターン未形成部の幅は、パターン形成部の面積確保等の観点から、好ましくは４００μｍ以下、より好ましくは３００μｍ以下、さらに好ましくは２００μｍ以下とすることができる。なお、上記幅は、中間層をカソード側の表面から見て測定することができる。
【００２０】
中間層は、燃料ガスの入口から出口に向かう燃料ガスの流れ方向に対して垂直な面に沿って複数の領域に分割されている。中間層は、具体的には、例えば、セル面内の発電分布の低減効果、中間層の形成容易性等の観点から、好ましくは２〜１０個の領域、より好ましくは２〜８個の領域、さらに好ましくは３〜５個の領域に分割されることができる。
【００２１】
中間層は、等分されていてもよいし、等分されていなくてもよい。中間層は、具体的には、例えば、各領域のうち、燃料ガスの入口に最も近い位置にある領域（「入口側領域」ということがある。）の分割比が、燃料ガスの出口に最も近い位置にある領域（「出口側領域」ということがある。）の分割比よりも小さくなるように分割されることができる。入口側領域に対応するアノード部分に供給される燃料ガスの量は、比較的多い。そのため、入口側領域は、発電集中が高くなりやすい。そのため、上記のように構成されている場合には、入口側領域における発電集中を効果的に抑制しやすく、発電量を大幅に減らすことなく、セル面内の発電分布を低減させやすくなる。中間層の分割比は、より具体的には、例えば、燃料ガスの入口側から燃料ガスの出口側に向かって大きくなるように構成することができる。この場合には、上記作用効果を得やすくなる。
【００２２】
中間層では、各領域の面積に対する各領域に含まれるパターン形成部の面積の比率で表される各領域のパターン形成率が、燃料ガスの入口側から燃料ガスの出口側に向かって段階的に大きくなる。このような中間層は、具体的には、例えば、固体電解質層の表面に、中間層形成用材料を、所定のパターンが形成されたマスクを利用したスクリーン印刷法等の印刷法により形成し、焼成することにより比較的簡単に形成することができる。なお、パターン形成率を算出する際の面積には、カソード側の面積が用いられる。
【００２３】
ここで、上記各領域のうち、入口側領域のパターン形成率は、具体的には、例えば、５０〜８０％の範囲内とすることができる。この場合には、発電量の確保と、セル面内の発電分布の低減とのバランスが良好である。入口側領域のパターン形成率は、発電量の向上、セル面内の発電分布の低減等の観点から、好ましくは５５％以上、より好ましくは６０％以上とすることができる。入口側領域のパターン形成率は、セル面内の発電分布の低減等の観点から、好ましくは７５％以下、より好ましくは７０％以下とすることができる。
【００２４】
また、上記各領域のうち、出口側領域のパターン形成率は、具体的には、例えば、９５〜１００％の範囲内とすることができる。この場合には、発電量をより確保しやすくなる。出口側領域のパターン形成率は、好ましくは、９６％以上、より好ましくは９８％以上、さらに好ましくは１００％（つまり、出口側領域にパターン未形成部が含まれない状態）とすることができる。
【００２５】
上記燃料電池単セルにおいて、固体電解質層、アノード、カソードを構成する材料としては、以下のものを例示することができる。
【００２６】
固体電解質層材料としては、強度、熱的安定性に優れる等の観点から、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等の酸化ジルコニウム系酸化物を好適に用いることができる。固体電解質層材料としては、イオン伝導度、機械的安定性、他の材料との両立、空気雰囲気から燃料ガス雰囲気まで化学的に安定である等の観点から、イットリア安定化ジルコニアが好適である。固体電解質層の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは３〜２０μｍ、より好ましくは５〜１５μｍとすることができる。
【００２７】
アノード材料としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ等の触媒と、上記酸化ジルコニウム系酸化物等の固体電解質との混合物などを例示することができる。なお、ＮｉＯは、発電時の還元雰囲気でＮｉとなる。アノードの厚みは、ガス拡散、電気抵抗、強度などの観点から、例えば、好ましくは、１００〜８００μｍ、より好ましくは、２００〜７００μｍとすることができる。なお、アノードは、単層から構成されていてもよいし、複数層から構成されていてもよい。アノードが複数層から構成される場合、アノードは、具体的には、例えば、固体電解質層側に配置される活性層と、活性層における固体電解質層側と反対側に配置される拡散層とを備える構成等とすることができる。なお、活性層は、主に、アノード側における電気化学的反応を高めるための層である。また、拡散層は、供給される燃料ガスを拡散させることが可能な層である。
【００２８】
カソード材料としては、例えば、Ｓｒを含有するペロブスカイト型酸化物、Ｓｒを含有するペロブスカイト型酸化物と固体電解質との混合物などを好適に用いることができる。Ｓｒを含有するペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系酸化物（ｘ＝０．４、ｙ＝０．８等）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系酸化物（ｘ＝０．４等）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３系酸化物（ｘ＝０．４等）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系酸化物（ｘ＝０．４等）、Ｓｍ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系酸化物（ｘ＝０．５等）などを例示することができる。これらは、１種または２種以上併用することができる。Ｓｒを含有するペロブスカイト型酸化物のうち、好ましくは、低温作動時（例えば、６００〜７００℃程度）でも触媒活性が高い等の観点から、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系酸化物、Ｓｍ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系酸化物等が好適である。なお、上記ペロブスカイト型酸化物の組成式において、酸素の原子比は３と表示したが、これは当業者には明らかなように、例えば、原子比ｘ（ｙ）が０でない場合には酸素空孔を生じるので、実際には酸素の原子比は３より小さい値をとることが多い。しかしながら、酸素空孔の数は、添加される元素の種類や製造条件によっても変化するため、便宜上、酸素の原子比を３として表示したものである（以下、同様である。）。
【００２９】
また、Ｓｒを含有するペロブスカイト型酸化物と併用可能な固体電解質としては、酸素イオン導電性等の観点から、Ｙ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３等の希土類酸化物を１種または２種以上含む安定化ジルコニア（部分安定化ジルコニアも含む、以下省略）等の酸化ジルコニウム系酸化物、ＣｅＯ２、上述のセリア系固溶体等を例示することができる。
【００３０】
カソードの厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは２０〜１００μｍ、より好ましくは３０〜８０μｍとすることができる。
【００３１】
カソードは、具体的には、例えば、中間層の表面に、カソード形成用材料を、スクリーン印刷法等の印刷法により形成し、焼成することにより形成されているとよい。この場合には、カソードの形成時に、中間層のパターン未形成部にカソード形成用材料が入り込みやすくなる。その結果、パターン未形成部内にカソードの一部が充填され、カソードと固体電解質層とが接しやすくなり、ＳｒＺｒＯ３が形成されやすくなる。
【００３２】
なお、上述した各構成は、上述した各作用効果等を得るなどのために必要に応じて任意に組み合わせることができる。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例の燃料電池単セルについて、図面を用いて説明する。なお、同一部材については同一の符号を用いて説明する。
【００３４】
（実施例１）
実施例１の燃料電池単セルについて、図１〜図６を用いて説明する。図１〜図５に示されるように、本例の燃料電池単セル１は、ジルコニア系の固体電解質層２と、固体電解質層２の第１の面側に設けられており、燃料ガスが供給されるアノード３と、固体電解質層２における第１の面の反対側にある第２の面側に設けられるとともにＳｒを含有しており、酸化剤ガスが供給されるカソード４と、固体電解質層２とカソード４との間に設けられた中間層５とを有している。
【００３５】
本例では、具体的には、燃料電池単セル１は、アノード３を支持体とする平板形の単セルである。アノード３に供給される燃料ガスは、水素ガスであり、カソード４に供給される酸化剤ガスは、空気ガスである。燃料電池単セル１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが一軸方向に流れる方式を採用しており、具体的には、燃料ガスと酸化剤ガスとがセル面内で同方向に流れる並行流方式とされている。なお、図中、符号Ｆは、燃料ガスの流れ方向であり、符号Ｏは、酸化剤ガスの流れ方向を示している。
【００３６】
本例では、具体的には、固体電解質層２は、厚み１０μｍ、燃料ガスの流れ方向Ｆと同方向の大きさ１００ｍｍ、燃料ガスの流れ方向Ｆと垂直方向の大きさ１００ｍｍの四角形状に形成されている。同様に、アノード３は、厚み４５０μｍ、燃料ガスの流れ方向Ｆと同方向の大きさ１００ｍｍ、燃料ガスの流れ方向Ｆと垂直方向の大きさ１００ｍｍの四角形状に形成されている。カソード４は、厚み５０μｍ、燃料ガスの流れ方向Ｆと同方向の大きさ９０ｍｍ、燃料ガスの流れ方向Ｆと垂直方向の大きさ９０ｍｍの四角形状に形成されている。中間層５は、厚み５μｍ、燃料ガスの流れ方向Ｆと同方向の大きさ９０ｍｍ、燃料ガスの流れ方向Ｆと垂直方向の大きさ９０ｍｍの四角形状に形成されている。
【００３７】
本例では、固体電解質層２は、酸化ジルコニウム系酸化物より形成されている。酸化ジルコニウム系酸化物は、具体的には、８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３を含むイットリア安定化ジルコニア（以下、８ＹＳＺ）である。アノード３は、触媒と固体電解質との混合物より層状に形成されている。アノード３を構成する固体電解質は、具体的には、酸化ジルコニウム系酸化物である８ＹＳＺである。アノード３を構成する触媒は、具体的には、ＮｉまたはＮｉＯである。触媒と固体電解質との体積比は、５０／５０である。カソード４は、Ｓｒを含有するペロブスカイト型酸化物より層状に形成されている。ペロブスカイト型酸化物は、具体的には、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３（ｘ＝０．４、ｙ＝０．８、以下、ＬＳＣＦ）である。中間層５は、酸化セリウム系酸化物より形成されている。酸化セリウム系酸化物は、具体的には、１０ｍｏｌ％のＧｄがドープされたセリア（以下、１０ＧＤＣ）である。
【００３８】
燃料電池単セル１では、アノード３の第１の端面３１側に燃料ガスの入口３１０が設けられる。アノード３の第１の端面３１と対向する第２の端面３２側に燃料ガスの出口３２０が設けられる。
【００３９】
中間層５は、中間層材料が存在するパターン形成部５０１と、中間層材料が存在しないパターン未形成部５０２とを含んでいる。中間層５は、燃料ガスの入口３１０から出口３２０に向かう燃料ガスの流れ方向Ｆに対して垂直な面に沿って複数の領域５１に分割されている。そして、各領域５１の面積に対する各領域５１に含まれるパターン形成部５０１の面積の比率で表される各領域５１のパターン形成率は、燃料ガスの入口３１０側から燃料ガスの出口３２０側に向かって段階的に大きくされている。
【００４０】
本例では、具体的には、中間層５は、燃料ガスの流れ方向Ｆに対して垂直な面に沿って３つに分割されている。以下、説明の都合上、燃料ガスの入口３１０に最も近い位置にある領域５１を、入口側領域５１１とし、燃料ガスの出口３２０に最も近い位置にある領域５１を、出口側領域５１３とする。また、入口側領域５１１と出口側領域５１３とに挟まれた領域５１を、中間領域５１２とする。なお、本例では、中間領域５１２が１つとされているが、中間領域５１２は複数配置されていてもよい。入口側領域５１１、中間領域５１２、出口側領域５１３の分割比は、１：１：１とされている。つまり、本例では、入口側領域５１１、中間領域５１２、出口側領域５１３の各面積はそれぞれ同一とされている。しかしながら、入口側領域５１１、中間領域５１２、および、出口側領域５１３の各パターン形成率は、それぞれ異なっており、入口側領域５１１のパターン形成率＜中間領域５１２のパターン形成率＜出口側領域５１３のパターン形成率の関係を満たしている。本例では、入口側領域５１１のパターン形成率は６０％、中間領域５１２のパターン形成率は８０％とされている。したがって、入口側領域５１１、中間領域５１２は、いずれも、パターン形成部５０１とパターン未形成部５０２とを含んでいる。これらに対し、出口側領域５１３のパターン形成率は１００％とされている。つまり、図５に示されるように、出口側領域５１３は、パターン未形成部５０２を含んでおらず、領域全部がパターン形成部５０１より構成されている。
【００４１】
入口側領域５１１、中間領域５１２において、パターン形成部５０１は、具体的には、図３および図４に示されるように、中間層材料より形成された複数のドット部５０１ａより構成されている。ドット部５０１ａは、四角柱状の形状を有しており、互いに離間されている。複数のドット部５０１ａは、燃料ガスの流れ方向Ｆおよび燃料ガスの流れ方向Ｆと垂直な方向にそれぞれ規則的に等間隔で配置されている。パターン未形成部５０２は、上記のように配置された複数のドット部５０１ａ間に形成された隙間５０２ａより構成されている。
【００４２】
入口側領域５１１は、より具体的には、図３に示されるように、寸法ｄ１＝１ｍｍ、寸法ｄ２＝１ｍｍ、寸法ｄ３＝２９０μｍ、寸法ｄ４＝２９０μｍ、寸法ｄ５＝４１０μｍとされている。また、中間領域５１２は、より具体的には、図４に示されるように、寸法ｄ１＝１ｍｍ、寸法ｄ２＝１ｍｍ、寸法ｄ３＝１２０μｍ、寸法ｄ４＝１２０μｍ、寸法ｄ５＝１７０μｍとされている。したがって、本例では、パターン形成部５０１の幅の最小値は１ｍｍとされている。また、パターン未形成部５０２の幅の最小値は、１２０μｍとされており、パターン未形成部５０２の幅は、１７０μｍとされている。
【００４３】
なお、例えば、図６に示されるように、パターン形成部５０１が外周部に凹凸部を有する場合、パターン形成部５０１の幅の最小値は、図中のｘ１となる。パターン未形成部５０２の幅の最小値は、図中のｙ１となり、パターン未形成部５０２の幅の最大値は、図中のｙ２となる。
【００４４】
本例の燃料電池単セル１は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００４５】
シート状のアノード形成用材料、シート状の固体電解質層形成用材料をこの順に積層し、積層体を得る。なお、積層体は、ＣＩＰ成形法等による圧着や脱脂等を行うことができる。得られた積層体を１２５０〜１５００℃程度の温度で同時焼成する。これにより、アノード３、固体電解質層２がこの順に積層された焼結体を得る。得られた焼結体における固体電解質層２の外表面に、スクリーン印刷法等により、所定のパターンを有する中間層５が形成されるようにペースト状の中間層形成用材料を塗布する。この中間層形成用材料が塗布された積層体を１０００〜１５００℃程度の温度で焼成する。これにより、固体電解質層２の外表面に中間層５を形成する。この中間層５の表面に、スクリーン印刷法等により、ペースト状のカソード形成用材料を塗布し、９００〜１２００℃程度の温度で焼成する。これにより、中間層５の表面にカソード４を形成する。以上により、燃料電池単セル１が得られる。
【００４６】
次に、本例の燃料電池単セルの作用効果について説明する。
【００４７】
本例の燃料電池単セル１の中間層５は、中間層材料が存在するパターン形成部５０１と中間層材料が存在しないパターン未形成部５０２とを含んでいる。そのため、本例の燃料電池単セル１では、パターン未形成部５０２において、中間層５に覆い被さるカソード４と固体電解質層２とが反応することにより、高電気抵抗を有するＳｒＺｒＯ３が形成される。また、中間層５は、燃料ガスの流れ方向Ｆに対して垂直な面に沿って複数の領域５１に分割されており、各領域５１のパターン形成率が、燃料ガスの入口３１０側から燃料ガスの出口３２０側に向かって段階的に大きくなるように構成されている。そのため、燃料ガスの入口３１０側において、ＳｒＺｒＯ３によるセル抵抗が高くなり、燃料ガスの消費量が抑制されて発電し難くなる。一方、燃料ガスの出口３２０側において、ＳｒＺｒＯ３によるセル抵抗が低くなり、燃料ガスの消費量が増えて発電しやすくなる。つまり、本例の燃料電池単セル１は、従来、積極的に排除されてきた高電気抵抗層を積極的に利用することにより、発電の均一化が図られている。よって、本例の燃料電池単セル１は、従来に比べ、セル面内の発電分布を低減させることができる。
【００４８】
（実施例２）
実施例２の燃料電池単セルについて、図７を用いて説明する。図７に示されるように、本例の燃料電池単セル１において、中間層５は、各領域５１のうち、入口側領域５１１の分割比が、出口側領域５１３の分割比よりも小さくなるように分割されている。具体的には、中間層５の分割比は、燃料ガスの入口３１０側から燃料ガスの出口３２０側に向かって大きくなるように構成されている。本例では、より具体的には、入口側領域５１１、中間領域５１２、出口側領域５１３の分割比は、１：２：３とされている。なお、各領域のパターン形成率は、実施例１と同様であり、その他の構成も、実施例１と同様である。
【００４９】
入口側領域５１１に対応するアノード３部分に供給される燃料ガスの量は、比較的多い。そのため、入口側領域５１１は、発電集中が高くなりやすい。そのため、本例のように構成されている場合には、入口側領域５１１における発電集中を効果的に抑制しやすく、発電量を大幅に減らすことなく、セル面内の発電分布を低減させやすくなる。とりわけ、本例では、中間層５の分割比が燃料ガスの入口３１０側から燃料ガスの出口３２０側に向かって大きくなるように構成されているので、上記作用効果を得やすい。その他の作用効果は、実施例１と同様である。
【００５０】
＜実験例＞
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。
燃料電池単セルのセル面内の発電分布を調べるため、シミュレーションを実施した。これについて説明する。
【００５１】
（ケース１−１）
実施例１の燃料電池単セルにおいて、入口側領域５１１のパターン形成率を５０％、中間領域５１２のパターン形成率を８０％、出口側領域５１３のパターン形成率を１００％とした点以外は同様にして、ケース１−１の燃料電池単セルとした。
【００５２】
（ケース１−２）
実施例１の燃料電池単セルを、ケース１−２の燃料電池単セルとした。したがって、本ケースにおいて、入口側領域５１１のパターン形成率は６０％、中間領域５１２のパターン形成率は８０％、出口側領域５１３のパターン形成率は１００％である。
【００５３】
（ケース１−３）
実施例１の燃料電池単セルにおいて、入口側領域５１１のパターン形成率を７０％、中間領域５１２のパターン形成率を８０％、出口側領域５１３のパターン形成率を１００％とした点以外は同様にして、ケース１−３の燃料電池単セルとした。
【００５４】
（ケース１−４）
実施例１の燃料電池単セルにおいて、入口側領域５１１のパターン形成率を８０％、中間領域５１２のパターン形成率を８０％、出口側領域５１３のパターン形成率を１００％とした点以外は同様にして、ケース１−４の燃料電池単セルとした。
【００５５】
（ケース２）
実施例２の燃料電池単セルを、ケース２の燃料電池単セルとした。
【００５６】
（ケース３）
実施例１の燃料電池単セルにおいて、中間層５がパターン未形成部５０２を含んでおらず、中間層５が、燃料ガスの入口３１０側から燃料ガスの出口３２０側に向かって一様に中間層材料により形成されている点以外は同様にして、ケース３の燃料電池単セルとした。
【００５７】
上記のように設定した各ケースについて、燃料ガスの利用率を７５％、酸化剤ガスである空気ガスの利用率を３０％とし、０．２５Ａ/ｃｍ２の発電を行った場合における、燃料ガスの入口３１０からの距離と発電比率（％）との関係を計算により算出した。発電比率（％）は、燃料ガスの流れ方向に発電面内を１０ｍｍピッチに均等に分割した場合における、各部位の発電量／全体の発電量×１００より算出される値である。なお、燃料ガスおよび空気ガスは、セル面内を均一に流れると仮定した。また、発電時の発熱による温度の影響は無いものと仮定した。また、パターン未形成部５０２に対応する部位では、発電が生じないと仮定した。各ケースについてのシミュレーション結果を表１、図８および図９に示す。なお、表１に示される発電比率（ＭＡＸ／ＭＩＮ）は、（発電比率の最大値）／（発電比率の最小値）の値であり、セル面内の発電分布を意味している。また、各ケースの発電量、発電面積は、いずれも、比較としてのケース３の発電量を１、発電面積を１とした場合の値とした。
【００５８】
【表１】
0006550775.tif 000002
【００５９】
上記シミュレーション結果によれば、次のことがわかる。先ず、ケース１−２、ケース２、および、ケース３の燃料電池単セルを比較する。表１、図８に示されるように、ケース１−２およびケース２の燃料電池単セルは、従来例に相当するケース３の燃料電池単セルに比べ、発電量を大幅に減らすことなく、発電比率（ＭＡＸ／ＭＩＮ）が低減されていることが確認された。この結果から、ケース１−２およびケース２の燃料電池単セルは、従来に比べ、セル面内の発電分布を低減させることが可能であることが分かる。
【００６０】
次に、ケース１−１、ケース１−２、ケース１−３、ケース１−４、および、ケース３の燃料電池単セルを比較する。表１、図９に示されるように、入口側領域５１１のパターン形成率が小さくなると、発電比率（ＭＡＸ／ＭＩＮ）が大きくなる傾向が見られる。また、入口側領域５１１のパターン形成率が大きくなると、発電比率（ＭＡＸ／ＭＩＮ）が大きくなる傾向が見られる。この結果から、入口側領域５１１のパターン形成率は、５０％〜８０％の範囲内、好ましくは、５０％超〜８０％未満、より好ましくは、６０％〜７０％の範囲内とすることにより、セル面内の発電分布をより低減させやすくなることが分かる。
【００６１】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  燃料電池単セル
２  固体電解質層
３  アノード
３１  第１の端面
３２  第２の端面
３１０  燃料ガスの入口
３２０  燃料ガスの出口
４  カソード
５  中間層
５０１  パターン形成部
５０２  パターン未形成部
５１  領域
Ｆ  燃料ガスの流れ方向
【図１】
0006550775.tif 000003
【図２】
0006550775.tif 000004
【図３】
0006550775.tif 000005
【図４】
0006550775.tif 000006
【図５】
0006550775.tif 000007
【図６】
0006550775.tif 000008
【図７】
0006550775.tif 000009
【図８】
0006550775.tif 000010
【図９】
0006550775.tif 000011