(57)【要約】【課題】体格の増大を抑制しつつ、効率的に発電可能な固体電解質型の燃料電池スタックを提供する。【解決手段】各単位セル１０のカソード電極１３における燃料ガス流れ下流側に対応する部位を、燃料ガス流れ上流側に対応する部位よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成する。また、燃料電池スタック１の積層方向の端部側に位置する単位セルのアノード電極１２およびカソード電極１３の少なくとも一方を、積層方向の中央部側に位置する単位セルの電極よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成する。さらに、燃料電池スタック１の積層方向の端部側に位置する単位セルの固体電解質１１を、積層方向の中央部側に位置する単位セルの固体電解質１１よりも作動温度範囲内における導電率が高い材料で構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質（１１）をアノード電極（１２）およびカソード電極（１３）で狭持した発電セル（１４）の外側に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路（１５ａ、１６ａ）が形成されたセパレータ（１５、１６）を配置して構成される単位セル（１０）を複数積層した固体電解質型の燃料電池スタックであって、
前記複数の単位セル（１０）のうち、少なくとも一部の単位セルは、前記カソード電極（１３）における前記セパレータ（１５）に形成された前記流通路（１５ａ）の前記燃料ガス流れ下流側に対応する部位が、前記カソード電極（１３）における前記セパレータ（１５）に形成された前記流通路（１５ａ）の前記燃料ガス流れ上流側に対応する部位よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成されていることを特徴とする固体電解質型の燃料電池スタック。
【請求項２】
前記カソード電極（１３）には、前記燃料ガス流れ上流側に対応する部位と前記燃料ガス流れ下流側に対応する部位との間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記カソード電極（１３）には、前記燃料ガス流れ上流側に対応する部位と前記燃料ガス流れ下流側に対応する部位との間に、前記燃料ガス流れ上流側に対応する部位を構成する材料と前記燃料ガス流れ下流側に対応する部位を構成する材料との混在を抑制する混在抑制部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型の燃料電池スタック。
【請求項４】
固体電解質（１１）をアノード電極（１２）およびカソード電極（１３）で狭持した発電セル（１０）の外側に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路（１５ａ、１６ａ）が形成されたセパレータ（１５、１６）を配置して構成される単位セル（１０）を複数積層した固体電解質型の燃料電池スタックであって、
前記複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セルの前記カソード電極（１３）は、ランタンコバルタイト系ペロブスカイト型酸化物とセリア系固溶体との混合物で構成され、
前記複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルの前記カソード電極（１３）は、積層方向の中央部側に位置する単位セルの前記カソード電極（１３）よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成されていることを特徴とする固体電解質型の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セルの前記アノード電極（１２）は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物で構成され、
前記複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルの前記アノード電極（１２）は、積層方向の中央部側に位置する単位セルの前記アノード電極（１２）よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の固体電解質型の燃料電池スタック。
【請求項６】
固体電解質（１１）をアノード電極（１２）およびカソード電極（１３）で狭持した発電セル（１４）の外側に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路（１５ａ、１６ａ）が形成されたセパレータ（１５、１６）を配置して構成される単位セル（１０）を複数積層した固体電解質型の燃料電池スタックであって、
前記複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セルの前記アノード電極（１２）は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物で構成され、
前記複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルの前記アノード電極（１２）は、積層方向の中央部側に位置する単位セルの前記アノード電極（１２）よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成されていることを特徴とする固体電解質型の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セルの前記固体電解質（１１）は、イットリア安定化ジルコニアで構成され、
前記複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルの固体電解質（１１）は、積層方向の中央部側に位置する単位セルの前記固体電解質（１１）よりも作動温度範囲内における導電率が高い材料で構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の固体電解質型の燃料電池スタック。
【請求項８】
固体電解質（１１）をアノード電極（１２）およびカソード電極（１３）で狭持した単位セル（１０）の外側に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路（１５ａ、１６ａ）が形成されたセパレータ（１５、１６）を配置して構成される単位セル（１０）を複数積層した固体電解質型の燃料電池スタックであって、
前記複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セルの前記固体電解質（１１）は、イットリア安定化ジルコニアで構成され、
前記複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルの固体電解質（１１）は、積層方向の中央部側に位置する単位セルの前記固体電解質（１１）よりも作動温度範囲内における導電率が高い材料で構成されていることを特徴とする固体電解質型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、固体電解質をアノード電極およびカソード電極で狭持した発電セルの外側に、反応ガスの流通路が形成されたセパレータを配置して構成される単位セルを複数積層した固体電解質型の燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体電解質型の燃料電池スタック（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）では、その積層方向における両端部に比べて中央部の放熱性が悪いことから、発電時において、中央部の温度が両端部に比べて極端に高くなる傾向がある。このように燃料電池スタックの積層方向の温度分布が不均一となると、燃料電池の各単位セルの出力電圧にバラツキが生ずるといった問題がある。
【０００３】
これに対して、例えば、特許文献１では、燃料電池スタックにおける積層方向の中央部に放熱体を配設する構成とすることで、燃料電池スタックの積層方向における温度分布の均一化させることで、燃料電池の各単位セルにおける出力電圧のバラツキの抑制を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２２２０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術では、燃料電池スタックにおける温度分布を均一化させる際に、燃料電池スタックにおける高温となる単位セルや各単位セルにおける高温部位の温度を低下させており、燃料電池全体における発電効率が低下してしまうといった問題がある。
【０００６】
また、燃料電池スタックの内部に放熱体を配設すると、燃料電池スタックの体格が増大し、例えば、燃料電池スタックの配置スペースに制約がある環境に適用できないといった問題がある。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、燃料電池スタックの体格の増大を抑制しつつ、効率的に発電可能な固体電解質型の燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明では、燃料電池スタックにおける各単位セル（１０）や単位セル（１０）の面内における温度分布に応じて、発電セル（１４）を構成する各電極（１２、１３）や固体電解質（１１）を異なる材料で構成することを特徴としている。
【０００９】
請求項１に記載の発明は、固体電解質型の燃料電池スタックにおける各単位セル（１０）は、当該単位セル（１０）の燃料ガス流れ上流側が高温となり易く、燃料ガス流れ下流側が低温となり易いといった傾向に着眼してなされたものである。
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明では、固体電解質（１１）をアノード電極（１２）およびカソード電極（１３）で狭持した発電セル（１４）の外側に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路（１５ａ、１６ａ）が形成されたセパレータ（１５、１６）を配置して構成される単位セル（１０）を複数積層した固体電解質型の燃料電池スタックであって、複数の単位セル（１０）のうち、少なくとも一部の単位セルは、カソード電極（１３）におけるセパレータ（１５）に形成された流通路（１５ａ）の燃料ガス流れ下流側に対応する部位が、カソード電極（１３）におけるセパレータ（１５）に形成された流通路（１５ａ）の燃料ガス流れ上流側に対応する部位よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成されていることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、単位セル（１０）のカソード電極（１３）における低温となり易い燃料ガス流れ下流側に対応する部位を、電極反応活性の高い材料で構成しているので、単位セル（１０）の面内に温度分布が生じたとしても、単位セル（１０）における低温となり易い部位と高温となり易い部位（燃料ガス流れ上流側に対応する部位）における出力電圧の差を縮小し、単位セル（１０）の面内における出力電圧のバラツキを抑制することができる。
【００１２】
加えて、カソード電極（１３）といった既存の部位の材料構成を変更することで実現することができるので、燃料電池スタックの体格の増大を抑制しつつ、効率的に発電可能することが可能となる。
【００１３】
ここで、単位セル（１０）の面内における温度分布に応じてカソード電極（１３）を異なる材料で構成する場合、当該異なる材料同士が混在すると、カソード電極（１３）の電極反応活性が低下してしまう虞がある。
【００１４】
そこで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の固体電解質型の燃料電池スタックにおいて、カソード電極（１３）には、燃料ガス流れ上流側に対応する部位と燃料ガス流れ下流側に対応する部位との間に空隙が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
これによれば、カソード電極（１３）を異なる材料で構成しても、当該異なる材料同士が混在してしまうことを抑制できるので、カソード電極（１３）の電極反応活性の低下を効果的に抑制することができる。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の固体電解質型の燃料電池スタックにおいて、カソード電極（１３）には、燃料ガス流れ上流側に対応する部位と燃料ガス流れ下流側に対応する部位との間に、燃料ガス流れ上流側に対応する部位を構成する材料と燃料ガス流れ下流側に対応する部位を構成する材料との混在を抑制する混在抑制部が設けられていることを特徴とする。
【００１７】
これによれば、カソード電極（１３）を異なる材料で構成しても、当該異なる材料同士が混在してしまうことを抑制できるので、カソード電極（１３）の電極反応活性の低下を効果的に抑制することができる。
【００１８】
請求項４〜請求項８に記載の発明は、固体電解質型の燃料電池スタックにおける各単位セル（１０）は、その積層方向の中央部側で高温となり易く、積層方向の端部側で低温となり易いといった傾向に着眼してなされたものである。
【００１９】
すなわち、請求項４に記載の発明では、固体電解質（１１）をアノード電極（１２）およびカソード電極（１３）で狭持した発電セル（１０）の外側に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路（１５ａ、１６ａ）が形成されたセパレータ（１５、１６）を配置して構成される単位セル（１０）を複数積層した固体電解質型の燃料電池スタックであって、複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セルのカソード電極（１３）は、ランタンコバルタイト系ペロブスカイト型酸化物とセリア系固溶体との混合物で構成され、複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルのカソード電極（１３）は、積層方向の中央部側に位置する単位セルのカソード電極（１３）よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成されていることを特徴とする。
【００２０】
これによれば、燃料電池スタックにおける低温となり易い積層方向の端部側に位置する単位セル（１０）のカソード電極（１３）を、電極反応活性の高い材料で構成しているので、燃料電池スタックの各単位セル（１０）に温度分布が生じたとしても、燃料電池スタックにおける低温となり易い単位セル（１０）と高温となり易い単位セル（１０）（積層方向の中央部側に位置する単位セル）における出力電圧の差を縮小し、燃料電池スタックの各単位セル（１０）における出力電圧のバラツキを抑制することができる。
【００２１】
加えて、カソード電極（１３）といった既存の部位の材料構成を変更することで実現することができるので、燃料電池スタックの体格の増大を抑制しつつ、効率的に発電可能することが可能となる。
【００２２】
また、請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の発明において、複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セルのアノード電極（１２）は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物で構成され、複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルのアノード電極（１２）は、積層方向の中央部側に位置する単位セルのアノード電極（１２）よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成されていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項６に記載の発明では、固体電解質（１１）をアノード電極（１２）およびカソード電極（１３）で狭持した発電セル（１４）の外側に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路（１５ａ、１６ａ）が形成されたセパレータ（１５、１６）を配置して構成される単位セル（１０）を複数積層した固体電解質型の燃料電池スタックであって、複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セルのアノード電極（１２）は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物で構成され、複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルのアノード電極（１２）は、積層方向の中央部側に位置する単位セルのアノード電極（１２）よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項５および６に記載の発明によれば、燃料電池スタックにおける低温となり易い単位セル（１０）のアノード電極（１２）を、電極反応活性の高い材料で構成しているので、燃料電池スタックの各単位セル（１０）における出力電圧のバラツキを抑制することができる。
【００２５】
加えて、アノード電極（１２）といった既存の部位の材料構成を変更することで実現することができるので、燃料電池スタックの体格の増大を抑制しつつ、効率的に発電可能することが可能となる。
【００２６】
また、請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の発明において、複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セルの固体電解質（１１）は、イットリア安定化ジルコニアで構成され、複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルの固体電解質（１１）は、積層方向の中央部側に位置する単位セルの固体電解質（１１）よりも作動温度範囲内における導電率が高い材料で構成されていることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項８に記載の発明では、固体電解質（１１）をアノード電極（１２）およびカソード電極（１３）で狭持した単位セル（１０）の外側に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路（１５ａ、１６ａ）が形成されたセパレータ（１５、１６）を配置して構成される単位セル（１０）を複数積層した固体電解質型の燃料電池スタックであって、複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セルの固体電解質（１１）は、イットリア安定化ジルコニアで構成され、複数の単位セル（１０）のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルの固体電解質（１１）は、積層方向の中央部側に位置する単位セルの固体電解質（１１）よりも作動温度範囲内における導電率が高い材料で構成されていることを特徴とする。
【００２８】
請求項７および８に記載の発明によれば、燃料電池スタックにおける低温となり易い単位セル（１０）の固体電解質（１１）を、導電率の高い材料で構成しているので、燃料電池スタックの各単位セル（１０）における出力電圧のバラツキを抑制することができる。
【００２９】
加えて、固体電解質（１１）といった既存の部位の材料構成を変更することで実現することができるので、燃料電池スタックの体格の増大を抑制しつつ、効率的に発電可能することが可能となる。
【００３０】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、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ものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態に係る固体電解質型の燃料電池スタックの全体構成図である。
【図２】第１実施形態に係る単位セルの概略構成を示す断面図である。
【図３】単位セルの面内における温度分布を説明するための説明図である。
【図４】カソード電極を構成する材料を変更したときの作動温度と出力密度との関係を説明するための説明図である。
【図５】本実施形態に係る単位セルと従来の単位セルとのセル電圧の出力結果を説明するための説明図である。
【図６】燃料電池スタックの積層方向における温度分布およびセル電圧の変化を説明するための説明図である。
【図７】アノード電極を構成する材料を変更したときの作動温度と出力密度との関係を説明するための説明図である。
【図８】固体電解質を構成する材料を変更したときの作動温度と出力密度との関係を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００３３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。図１は、第１実施形態に係る固体電解質型の燃料電池スタックの全体構成図であり、図２は、第１実施形態に係る単位セルの概略構成を示す断面図である。
【００３４】
固体電解質型の燃料電池スタック１（ＳＯＦＣ）は、水素を主成分とする燃料ガスと酸素を主成分とする酸化剤ガスとの電気化学反応を利用して発電するものである。この燃料電池スタック１は、基本単位となる平板状の単位セル１０を複数積層した積層体で構成されている（平板積層型燃料電池スタック）。
【００３５】
単位セル１０は、図２に示すように、固体電解質１１をアノード電極１２およびカソード電極１３で狭持した発電セル１４の外側に燃料ガスおよび酸化剤ガスの流通路１５ａ、１６ａが形成されたセパレータ１５、１６を配置して構成されている。なお、固体電解質１１とカソード電極１３との間には、カソード電極１３と固体電解質１１とが接する界面での固相反応を抑制するための中間層１７が配置されている。
【００３６】
本実施形態のアノード電極１２は、ニッケルＮｉおよびイットリア安定化ジルコニア酸化物（ZrO2）0.92（Y2O3）0.08（以下、ＹＳＺと表記する。）の混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）で構成され、固体電解質１１は、イットリア安定化ジルコニア酸化物ＹＳＺで構成されている。本実施形態の単位セル１０は、一般的なセル構造であるアノード電極１２で固体電解質１１を支持するアノード支持型や、固体電解質１１でアノード電極１２を支持する電解質支持型の構造が採用されている。また、中間層１７は、セリア系固溶体であるガドリニアドープトセリアCe0.9Gd0.1O1.95（以下、ＧＤＣと表記する。）やサマリアドープトセリアCe0.8Sm0.2O1.90（以下、ＳＤＣと表記する。）で構成されている。なお、本実形態のカソード電極１３の詳細については後述する。
【００３７】
各単位セル１０は、積層された状態でボルト等の締結手段２にて締結されており、その締め付け荷重によって各構成要素が一体的に密着して構成されている。なお、各単位セル１０は、それぞれ電気的に直列に接続されている。
【００３８】
各単位セル１０におけるセパレータ１５に形成された燃料ガス流通路１５ａおよびセパレータ１６に形成された酸化剤ガス流通路１６ａから燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスが供給されると、各単位セル１０では、以下に示すように、水素と酸素とを電気化学反応して、電気エネルギを出力する。
【００３９】
（水素極側：アノード側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（空気極側：カソード側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
固体電解質型の燃料電池スタック１では、その作動温度が高い程、固体電解質１１における酸素イオンの移動度が高くなり、上述の電気化学反応が活性化され、各単位セル１０における電圧降下が小さくなる。
【００４０】
ここで、図３は、単位セル１０の面内における温度分布を説明するための説明図である。図３に示すように、固体電解質型の燃料電池スタック１の各単位セル１０では、各単位セル１０の面内で温度分布が生じ、セパレータ１５に形成された燃料ガス流通路１５ａの燃料ガス流れ下流側に対応する部位の温度が、燃料ガス流れ上流側に対応する部位の温度に比べて低くなる傾向がある。この要因としては、単位セル１０では、燃料ガス流通路１５ａの燃料ガス流れ上流側が燃料ガス流れ下流側に比べて水素濃度が高く、発電時の発熱が大きくなることや、単位セル１０の内部の放熱性が悪いことが挙げられる。
【００４１】
このため、各単位セル１０では、セパレータ１５に形成された燃料ガス流通路１５ａの燃料ガス流れ下流側に対応する部位が、燃料ガス流れ上流側に対応する部位に比べて電圧降下が大きくなってしまう。
【００４２】
そこで、本実施形態の燃料電池スタック１の各単位セル１０では、カソード電極１３におけるセパレータ１５に形成された燃料ガス流通路１５ａの燃料ガス流れ下流側に対応する部位を、燃料ガス流れ上流側に対応する部位の材料に対して、作動温度範囲内における電極活性反応が高い材料で構成している。本実施形態では、燃料電池スタック１（ＳＯＦＣ）の作動温度範囲として６００℃〜７００℃を想定している。なお、本実施形態の如く、単位セル１０の構造が電解質支持型やアノード支持型で構成されている場合、固体電解質１１およびアノード電極１２の材料を部分的に変更することは困難である。
【００４３】
具体的には、カソード電極１３におけるセパレータ１５に形成された燃料ガス流通路１５ａの燃料ガス流れ上流側に対応する部位を、ランタンコバルタイト系ペロブスイカイト型酸化物La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3（以下、ＬＳＣＦと表記する。）、およびガドリニアドープトセリアＧＤＣの混合物（ＬＳＣＦ−ＧＤＣ）で構成し、燃料ガス流通路１５ａの燃料ガス流れ下流側に対応する部位を、バリウムコバルタイト系ペロブルカイト型酸化物Ba0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3-δ（以下、ＢＳＣＦと表記する。）、またはサマリコバルタイト系ペロブスイカイト型酸化物Sm0.5Sr0.5CoO3（以下、ＳＳＣと表記する。）で構成している。
【００４４】
図４は、カソード電極１３を構成する材料を変更したときの作動温度と出力密度との関係を説明するための説明図である。なお、各単位セル１０は、固体電解質１１がＹＳＺで構成され、アノード電極１２がＮｉ−ＹＳＺで構成されている。
【００４５】
図４に示すように、カソード電極１３を、ＢＳＣＦ、またはＳＳＣで構成する場合、ＬＳＣＦ−ＧＤＣで構成する場合に比べて、作動温度範囲内における出力密度が高いことが確認できる。この出力密度は、単位セル１０の１ｃｍ２あたりの発電電力を示し、電極活性反応の上昇に伴って高い値を示すといった相関性を有することから、カソード電極１３を、ＢＳＣＦ、またはＳＳＣで構成する場合、ＬＳＣＦ−ＧＤＣで構成する場合に比べて、作動温度範囲内における電極活性反応が高いこととなる。
【００４６】
ここで、本実施形態の如く、燃料ガス流れ上流側に対応する部位と下流側に対応する部位とでカソード電極１３の材料を変更する場合、カソード電極１３を構成する材料同士が混在すると、混在した部位における電極活性反応が低下してしまう虞がある。
【００４７】
このため、本実施形態のカソード電極１３には、燃料ガス流れ上流側に対応する部位を構成する材料と、下流側に対応する部位を構成する材料との混在を抑制するために、燃料ガス流れ上流側に対応する部位と燃料ガス流れ下流側に対応する部位との間に空隙（図示略）を設ける構成としている。
【００４８】
このように構成されるカソード電極１３を用いた単位セル１０（実施例）の効果を検証するため、単位セル１０（実施例）と、ＬＳＣＦ−ＧＤＣで構成するカソード電極１３を用いた単位セル１０（従来例）とを同一温度条件下（作動温度範囲内）で作動させた。この結果、図５に示すように、本実施形態のカソード電極１３を用いた単位セル１０（実施例）の方が、ＬＳＣＦ−ＧＤＣで構成するカソード電極１３を用いた単位セル１０（従来例）に比べて高いセル電圧を出力することが確認できた。なお、図５は、本実施形態に係る単位セル１０と従来の単位セル１０とのセル電圧の出力結果を説明するための説明図である。
【００４９】
すなわち、単位セル１０のカソード電極１３における燃料ガス流れ下流側をＢＳＣＦ、またはＳＳＣで構成すると共に、カソード電極１３における燃料ガス流れ上流側をＬＳＣＦ−ＧＤＣで構成して、作動温度範囲内において、単位セル１０における低温となり易い部位の電極活性反応を高くすることで、単位セル１０における低温部位の発電時の電圧降下を抑制することができる。
【００５０】
以上説明した本実施形態では、単位セル１０のカソード電極１３における低温となり易い燃料ガス流れ下流側に対応する部位を、燃料ガス流れ上流側に対応する部位よりも電極反応活性の高い材料で構成しているので、単位セル１０の面内に温度分布が生じたとしても、単位セル１０における低温となり易い部位と高温となり易い部位（燃料ガス流れ上流側に対応する部位）における出力電圧の差を縮小し、単位セル１０の面内における出力電圧のバラツキを抑制することができる。
【００５１】
加えて、カソード電極１３といった既存の部位の材料構成を変更することで実現することができるので、燃料電池スタック１の体格の増大を抑制しつつ、効率的に発電可能することが可能となる。
【００５２】
また、カソード電極１３における燃料ガス流れ上流側に対応する部位と燃料ガス流れ下流側に対応する部位との間に空隙を設ける構成としているので、燃料ガス流れ上流側に対応する部位の材料と、燃料ガス流れ下流側に対応する部位の材料とが混在してしまうことを抑制できる。この結果、カソード電極１３における電極反応活性の低下を効果的に抑制することができる。
【００５３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６に基づいて説明する。図６は、燃料電池スタック１の積層方向における温度分布およびセル電圧の変化を説明するための説明図である。
【００５４】
本実施形態は、燃料電池スタック１の積層方向の中央部側で高温となり易く、積層方向の端部側で低温となり易いといった傾向に着眼し、燃料電池スタック１の積層方向における各単位セル１０のカソード電極１３の材料を変更している点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
【００５５】
本実施形態では、燃料電池スタック１の各単位セル１０のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０のカソード電極１３を、ＬＳＣＦおよびＧＤＣの混合物（ＬＳＣＦ−ＧＤＣ）で構成している。
【００５６】
一方、各単位セル１０のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルのカソード電極１３を、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０のカソード電極１３よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成している。
【００５７】
具体的には、燃料電池スタック１の積層方向の端部側に位置する単位セル１０のカソード電極１３を、ＢＳＣＦ、またはＳＳＣで構成している。なお、積層方向の端部側に位置する単位セル１０としては、例えば、単位セル１０の積層枚数が４０枚である場合、端部側の６〜８枚程度が該当し、残りの単位セル１０（３２〜３４枚）が積層方向の中央部側に位置する単位セル１０に該当する。
【００５８】
このように構成される燃料電池スタック１（実施例）の効果を検証するため、燃料電池スタック１（実施例）と、各単位セル１０のカソード電極１３をＬＳＣＦ−ＧＤＣで構成した燃料電池スタック１（従来例）とを同一温度条件下（作動温度範囲内）で作動させた。
【００５９】
この結果、図６に示すように、燃料電池スタック１（実施例）および従来例の燃料電池スタック１それぞれで積層方向の端部側で温度が低下する傾向があるが、本実施形態の燃料電池スタック１（実施例）は、従来例の燃料電池スタック１に比べて、積層方向の端部側（図中左右両側）における単位セル１０のセル電圧が上昇することが確認できた。
【００６０】
すなわち、燃料電池スタック１の積層方向の端部側に位置するカソード電極１３をＢＳＣＦまたはＳＳＣで構成すると共に、積層方向の中央側に位置するカソード電極１３をＬＳＣＦ−ＧＤＣで構成して、作動温度範囲内において、低温となり易い積層方向の端部側の電極活性反応を高くすることで、燃料電池スタック１における低温部位の発電時の電圧降下を抑制することができる。
【００６１】
以上説明した本実施形態では、燃料電池スタック１における低温となり易い積層方向の端部側に位置する単位セル１０のカソード電極１３を、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０のカソード電極１３に比べて、電極反応活性の高い材料で構成している。これにより、燃料電池スタック１の各単位セル１０に温度分布が生じたとしても、燃料電池スタック１における低温となり易い単位セル１０と高温となり易い単位セル１０（積層方向の中央部側に位置する単位セル）における出力電圧の差を縮小し、燃料電池スタック１の各単位セル１０における出力電圧のバラツキを抑制することができる。
【００６２】
加えて、カソード電極１３といった既存の部位の材料構成を変更することで実現することができるので、燃料電池スタック１の体格の増大を抑制しつつ、効率的に発電可能することが可能となる。
【００６３】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、燃料電池スタック１の積層方向の中央部側で高温となり易く、積層方向の端部側で低温となり易いといった傾向に着眼し、燃料電池スタック１の積層方向における各単位セル１０のアノード電極１２の材料を変更している点が第１、第２実施形態と相違している。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
【００６４】
本実施形態では、燃料電池スタック１の各単位セル１０のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０のアノード電極１２を、ＮｉおよびＹＳＺの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）で構成している。
【００６５】
一方、各単位セル１０のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルのカソード電極１３を、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０のアノード電極１２よりも作動温度範囲内における電極反応活性が高い材料で構成している。具体的には、燃料電池スタック１の積層方向の端部側に位置する単位セル１０のアノード電極１２を、ＮｉおよびＧＤＣの混合物（Ｎｉ−ＧＤＣ）や、プロトン伝導性ペブロスカイト型酸化物BaZr0.9Y0.1O3-δ（以下、ＢＺＹと表記する。）、Ｎｉ、およびＧＤＣの混合物（Ｎｉ−ＧＤＣ−ＢＺＹ）で構成している。
【００６６】
図７は、アノード電極１２を構成する材料を変更したときの作動温度と出力密度との関係を説明するための説明図である。なお、固体電解質１１は、ＹＳＺで構成され、カソード電極１３は、ＬＳＣＦ−ＧＤＣで構成されている。
【００６７】
図７に示すように、アノード電極１２を、Ｎｉ−ＧＤＣまたはＮｉ−ＧＤＣ−ＢＺＹで構成する場合、Ｎｉ−ＹＳＺで構成する場合に比べて、作動温度範囲内における出力密度が高いことが確認できる。従って、アノード電極１２を、Ｎｉ−ＧＤＣまたはＮｉ−ＧＤＣ−ＢＺＹで構成する場合、Ｎｉ−ＹＳＺで構成する場合に比べて、作動温度範囲内における電極活性反応が高いことが確認できる。
【００６８】
このように、燃料電池スタック１の積層方向の端部側に位置する単位セル１０のアノード電極１２をＮｉ−ＧＤＣまたはＮｉ−ＧＤＣ−ＢＺＹで構成すると共に、積層方向の中央側に位置するアノード電極１２をＮｉ−ＹＳＺで構成して、作動温度範囲内において低温となり易い積層方向の端部側の電極活性反応を高くすることで、燃料電池スタック１における低温部位の発電時の電圧降下を抑制することができる。
【００６９】
以上説明した本実施形態では、燃料電池スタック１における低温となり易い積層方向端部側に位置する単位セル１０のアノード電極１２を、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０のアノード電極１２に比べて、電極反応活性の高い材料で構成しているので、燃料電池スタック１の各単位セル１０における出力電圧のバラツキを抑制することができる。
【００７０】
加えて、アノード電極１２といった既存の部位の材料構成を変更することで実現することができるので、燃料電池スタック１の体格の増大を抑制しつつ、効率的に発電可能することが可能となる。
【００７１】
なお、本実施形態で説明した燃料電池スタック１に対して、第１実施形態で説明したカソード電極１３を適用することができる。すなわち、単位セル１０のカソード電極１３における低温となり易い燃料ガス流れ下流側に対応する部位を、燃料ガス流れ上流側に対応する部位よりも電極反応活性の高い材料で構成すると共に、燃料電池スタック１における低温となり易い積層方向端部側に位置する単位セル１０のアノード電極１２を、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０のアノード電極１２に比べて、電極反応活性の高い材料で構成してもよい。
【００７２】
また、本実施形態で説明した燃料電池スタック１と、第２実施形態で説明した燃料電池スタック１とを組み合わせる構成を採用してもよい。すなわち、燃料電池スタック１における低温となり易い積層方向端部側に位置する単位セル１０の各電極１２、１３それぞれを、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０の各電極１２、１３に比べて、電極反応活性の高い材料で構成してもよい。
【００７３】
これらによれば、燃料電池スタック１の各単位セル１０における出力電圧のバラツキをより効率的に抑制することができる。
【００７４】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、燃料電池スタック１の積層方向の中央部側で高温となり易く、積層方向の端部側で低温となり易いといった傾向に着眼し、燃料電池スタック１の積層方向における各単位セル１０の固体電解質１１の材料を変更している点が第１〜第３実施形態と相違している。本実施形態では、第１〜第３実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。
【００７５】
本実施形態では、燃料電池スタック１の各単位セル１０のうち、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０の固体電解質１１を、ＹＳＺで構成している。
【００７６】
一方、各単位セル１０のうち、積層方向の端部側に位置する単位セルの固体電解質１１を、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０の固体電解質１１よりも作動温度範囲内における導電率が高い材料で構成している。具体的には、燃料電池スタック１の積層方向の端部側に位置する単位セル１０の固体電解質１１をランタンガレート系ペロブスカイト型酸化物La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ（以下、ＬＳＧＭと表記する。）や、スカンジア安定化ジルコニアZr0.89Sc0.1Ce0.01O1.95（以下、ＳｃＳＺと表記する。）で構成している。
【００７７】
図８は、固体電解質１１を構成する材料を変更したときの作動温度と出力密度との関係を説明するための説明図である。なお、アノード電極１２は、Ｎｉ−ＹＳＺで構成され、カソード電極１３は、ＬＳＣＦ−ＧＤＣで構成されている。
【００７８】
図８に示すように、固体電解質１１を、ＬＳＧＭまたはＳｃＳＺで構成する場合、ＹＳＺで構成する場合に比べて、作動温度範囲内における出力密度が高いことが確認できる。この出力密度は、固体電解質１１の導電率の上昇に伴って高い値を示すといった相関性を有することから、固体電解質１１を、ＬＳＧＭまたはＳｃＳＺで構成する場合、ＹＳＺで構成する場合に比べて、作動温度範囲内における導電率が高いことが確認できる。
【００７９】
このように、燃料電池スタック１の積層方向の端部側に位置する単位セル１０の固体電解質１１をＬＳＧＭまたはＳｃＳＺで構成すると共に、積層方向の中央側に位置する単位セル１０の固体電解質１１をＹＳＺで構成して、作動温度範囲内において、低温となり易い積層方向の端部側の導電率を高くすることで、燃料電池スタック１における低温部位の発電時の電圧降下を抑制することができる。
【００８０】
以上説明した本実施形態では、燃料電池スタック１における低温となり易い積層方向の端部側に位置する単位セル１０の固体電解質１１を、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０の固体電解質１１に比べて、導電率の高い材料で構成しているので、燃料電池スタック１の各単位セル１０における出力電圧のバラツキを抑制することができる。
【００８１】
加えて、固体電解質１１といった既存の部位の材料構成を変更することで実現することができるので、燃料電池スタック１の体格の増大を抑制しつつ、効率的に発電可能することが可能となる。
【００８２】
なお、本実施形態で説明した燃料電池スタック１に対して、第１実施形態で説明したカソード電極１３を適用することができる。すなわち、単位セル１０のカソード電極１３における低温となり易い燃料ガス流れ下流側に対応する部位を、燃料ガス流れ上流側に対応する部位よりも電極反応活性の高い材料で構成すると共に、燃料電池スタック１における低温となり易い積層方向端部側に位置する単位セル１０の固体電解質１１を、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０の固体電解質１１に比べて、導電率の高い材料で構成してもよい。
【００８３】
さらに、本実施形態で説明した燃料電池スタック１に対して、第１実施形態で説明したカソード電極１３を適用して構成した燃料電池スタックと、第３実施形態で説明した燃料電池スタック（燃料電池スタック１における低温となり易い積層方向端部側に位置する単位セル１０のアノード電極１２を導電率の高い材料で構成した燃料電池スタック）とを組み合わせる構成を採用してもよい。
【００８４】
また、本実施形態で説明した燃料電池スタック１と、第２実施形態で説明した燃料電池スタックおよび第３実施形態で説明した燃料電池スタックの少なくとも一方の燃料電池スタックとを組み合わせる構成を採用してもよい。すなわち、燃料電池スタック１における低温となり易い積層方向端部側に位置する単位セル１０の固体電解質１１を、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０の固体電解質１１に比べて、導電率の高い材料で構成すると共に、積層方向端部側に位置する単位セル１０のアノード電極１２およびカソード電極１３の少なくとも一方の電極を、積層方向の中央部側に位置する単位セル１０の電極に比べて、電極反応活性の高い材料で構成してもよい。
【００８５】
これらによれば、燃料電池スタック１の各単位セル１０における出力電圧のバラツキをより効率的に抑制することができる。
【００８６】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。例えば、以下のように種々変形可能である。
【００８７】
上述の第１実施形態では、各単位セル１０のカソード電極１３における燃料ガス流れ下流側に対応する部位を、燃料ガス流れ上流側に対応する部位の材料に対して、作動温度範囲内における電極活性反応が高い材料で構成しているが、これに限定されず、例えば、各単位セル１０における一部の単位セルのカソード電極１３における燃料ガス流れ下流側に対応する部位を、燃料ガス流れ上流側に対応する部位の材料に対して、作動温度範囲内における電極活性反応が高い材料で構成するようにしてもよい。なお、上述の一部の単位セルとして、セル面内の温度分布が比較的大きくなり易い燃料電池スタック１の積層方向の中央側に位置する単位セル等が挙げられる。
【００８８】
また、上述の第１実施形態では、燃料ガス流れ上流側に対応する部位を構成する材料と、下流側に対応する部位を構成する材料との混在を抑制するために、カソード電極１３における燃料ガス流れ上流側に対応する部位と燃料ガス流れ下流側に対応する部位との間に空隙を設ける構成としているが、これに限定されない。
【００８９】
例えば、カソード電極１３における燃料ガス流れ上流側に対応する部位と燃料ガス流れ下流側に対応する部位との間に、燃料ガス流れ上流側に対応する部位を構成する材料と、下流側に対応する部位を構成する材料との混在を抑制する部材（混在抑制部）を配置する構成としてもよい。この混合抑制部としては、例えば、ＧＤＣやＳＤＣを採用することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１          燃料電池スタック
１０        単位セル
１１        固体電解質
１２        アノード電極
１３        カソード電極
１４        発電セル
１５        セパレータ
１５ａ      燃料ガス流通路（流通路）
１６        セパレータ
１６ａ      酸化剤ガス流通路（流通路）
【図１】
2013041673.tif 000003
【図２】
2013041673.tif 000004
【図３】
2013041673.tif 000005
【図４】
2013041673.tif 000006
【図５】
2013041673.tif 000007
【図６】
2013041673.tif 000008
【図７】
2013041673.tif 000009
【図８】
2013041673.tif 000010