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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022024756
(43)【公開日】2022-02-09
(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0258 20160101AFI20220202BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20220202BHJP
H01M 8/0612 20160101ALI20220202BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20220202BHJP
H01M 8/0444 20160101ALI20220202BHJP
H01M 8/04089 20160101ALI20220202BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0258
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
H01M8/0612
H01M8/04 J
H01M8/0444
H01M8/04089
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020127533
(22)【出願日】2020-07-28
(71)【出願人】
【識別番号】000000284
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】特許業務法人Ｒ＆Ｃ
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 稔
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 雅也
(72)【発明者】
【氏名】森 哲哉
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126AA08
5H126BB06
5H126JJ03
5H127AA07
5H127AC05
5H127BA05
5H127BA13
5H127BA18
5H127BA34
5H127BA37
5H127BA47
5H127BB02
5H127BB19
5H127BB27
5H127DB04
5H127DB78
(57)【要約】
【課題】燃料電池セルの内部の温度分布が過度に悪化しない固体酸化物形燃料電池の提供。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池であって、燃料極とインターコネクタ１２の燃料極側との間に形成される燃料極側空間１２ａには燃料ガスが燃料ガス流入部２３から流入し、燃料ガスは燃料極側空間１２ａを流れている間に燃料極に供給され、燃料極側空間１２ａを流れた燃料ガスの残部及び反応生成ガスが燃料ガス流出部２４から燃料極側空間１２ａの外部に流出し、複数の燃料極と相対して設けられる少なくとも一つのインターコネクタ１２の、燃料極と相対する側の表面には、燃料ガスを燃料ガス流入部２３の近傍から燃料極側空間１２ａの中央部に向けて流れ易くする第１構造部１５を含み、燃料ガスにとっての流路抵抗が小さくなる第１構造部１５の周囲に、燃料ガスにとっての流路抵抗が大きくなる第２構造部１６を含む第１燃料極側構造が形成されている。
【選択図】図３
【解決手段】固体酸化物形燃料電池であって、燃料極とインターコネクタ１２の燃料極側との間に形成される燃料極側空間１２ａには燃料ガスが燃料ガス流入部２３から流入し、燃料ガスは燃料極側空間１２ａを流れている間に燃料極に供給され、燃料極側空間１２ａを流れた燃料ガスの残部及び反応生成ガスが燃料ガス流出部２４から燃料極側空間１２ａの外部に流出し、複数の燃料極と相対して設けられる少なくとも一つのインターコネクタ１２の、燃料極と相対する側の表面には、燃料ガスを燃料ガス流入部２３の近傍から燃料極側空間１２ａの中央部に向けて流れ易くする第１構造部１５を含み、燃料ガスにとっての流路抵抗が小さくなる第１構造部１５の周囲に、燃料ガスにとっての流路抵抗が大きくなる第２構造部１６を含む第１燃料極側構造が形成されている。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
平板状の固体電解質膜の一方の平面に相対して燃料極を設け、他方の平面に相対して空気極を設けて構成される平板型の固体酸化物形の燃料電池セルを、前記燃料電池セル同士の間にインターコネクタを挟んだ状態で複数積層して形成されるセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記燃料極の表面と前記インターコネクタの前記燃料極側の表面との間に形成される燃料極側空間には燃料ガスが燃料ガス流入部から流入し、燃料ガスは前記燃料極側空間を流れている間に前記燃料極に供給され、前記燃料極側空間を流れた燃料ガスの残部及び反応生成ガスが燃料ガス流出部から前記燃料極側空間の外部に流出するように構成され、
前記空気極の表面と前記インターコネクタの前記空気極側の表面との間に形成される空気極側空間には空気が空気流入部から流入し、空気は前記空気極側空間を流れている間に前記空気極に供給され、前記空気極側空間を流れた空気の残部が空気流出部から前記空気極側空間の外部に流出するように構成され、
複数の前記燃料極のそれぞれと相対して設けられる複数の前記インターコネクタのうち、少なくとも一つの前記インターコネクタの、前記燃料極と相対する側の表面には、第１燃料極側構造が形成されており、
前記第１燃料極側構造は、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、燃料ガスを前記燃料ガス流入部の近傍から前記燃料極側空間の中央部に向けて流れ易くする第１構造部を含み、前記第１構造部の周囲に、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に大きくなる第２構造部を含む固体酸化物形燃料電池。
前記燃料極の表面と前記インターコネクタの前記燃料極側の表面との間に形成される燃料極側空間には燃料ガスが燃料ガス流入部から流入し、燃料ガスは前記燃料極側空間を流れている間に前記燃料極に供給され、前記燃料極側空間を流れた燃料ガスの残部及び反応生成ガスが燃料ガス流出部から前記燃料極側空間の外部に流出するように構成され、
前記空気極の表面と前記インターコネクタの前記空気極側の表面との間に形成される空気極側空間には空気が空気流入部から流入し、空気は前記空気極側空間を流れている間に前記空気極に供給され、前記空気極側空間を流れた空気の残部が空気流出部から前記空気極側空間の外部に流出するように構成され、
複数の前記燃料極のそれぞれと相対して設けられる複数の前記インターコネクタのうち、少なくとも一つの前記インターコネクタの、前記燃料極と相対する側の表面には、第１燃料極側構造が形成されており、
前記第１燃料極側構造は、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、燃料ガスを前記燃料ガス流入部の近傍から前記燃料極側空間の中央部に向けて流れ易くする第１構造部を含み、前記第１構造部の周囲に、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に大きくなる第２構造部を含む固体酸化物形燃料電池。
【請求項2】
前記第１燃料極側構造は、前記燃料ガス流入部の近傍から前記第１構造部によって前記燃料極側空間の中央部まで到達した燃料ガスの流れを阻止し、前記第２構造部の方へ向かわせる第３構造部を含む請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項3】
平面視で矩形の一つの前記燃料極側空間を形作る４つの辺のうち、前記燃料ガス流入部が設けられる第１辺と前記燃料ガス流出部が設けられる第２辺とは互いに対向しており、
前記矩形の前記燃料極側空間を、前記第１辺の長さ方向に沿い且つ前記第１辺の長さを１とするＸ軸と、前記第１辺から前記第２辺へ向かう方向に沿い且つ前記第１辺と前記第２辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第１燃料極側構造において、少なくとも一つの前記燃料ガス流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成され、前記第１構造部は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記矩形の前記燃料極側空間を、前記第１辺の長さ方向に沿い且つ前記第１辺の長さを１とするＸ軸と、前記第１辺から前記第２辺へ向かう方向に沿い且つ前記第１辺と前記第２辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第１燃料極側構造において、少なくとも一つの前記燃料ガス流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成され、前記第１構造部は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項4】
複数の前記燃料極のそれぞれと相対して設けられる複数の前記インターコネクタのうち、残りの前記インターコネクタの、前記燃料極と相対する側の表面には、前記第１燃料極側構造とは異なる第２燃料極側構造が形成されている請求項１～３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項5】
平面視で矩形の一つの前記燃料極側空間を形作る４つの辺のうち、前記燃料ガス流入部が設けられる第１辺と前記燃料ガス流出部が設けられる第２辺とは互いに対向しており、
前記矩形の前記燃料極側空間を、前記第１辺の長さ方向に沿い且つ前記第１辺の長さを１とするＸ軸と、前記第１辺から前記第２辺へ向かう方向に沿い且つ前記第１辺と前記第２辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第２燃料極側構造において、前記燃料ガス流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲に形成されている請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記矩形の前記燃料極側空間を、前記第１辺の長さ方向に沿い且つ前記第１辺の長さを１とするＸ軸と、前記第１辺から前記第２辺へ向かう方向に沿い且つ前記第１辺と前記第２辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第２燃料極側構造において、前記燃料ガス流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲に形成されている請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項6】
複数の前記空気極のそれぞれと相対して設けられる複数の前記インターコネクタのうち、少なくとも一つの前記インターコネクタの、前記空気極と相対する側の表面には、第１空気極側構造が形成されており、
前記第１空気極側構造は、空気にとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、空気を前記空気流入部の近傍から前記空気極側空間の中央部に向けて流れ易くする第４構造部を含み、前記第４構造部の周囲に、空気にとっての流路抵抗が相対的に大きくなる第５構造部を含む請求項１～５の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記第１空気極側構造は、空気にとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、空気を前記空気流入部の近傍から前記空気極側空間の中央部に向けて流れ易くする第４構造部を含み、前記第４構造部の周囲に、空気にとっての流路抵抗が相対的に大きくなる第５構造部を含む請求項１～５の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項7】
前記第１空気極側構造は、前記空気流入部の近傍から前記第４構造部によって前記空気極側空間の中央部まで到達した空気の流れを阻止し、前記第５構造部の方へ向かわせる第６構造部を含む請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項8】
平面視で矩形の一つの前記空気極側空間を形作る４つの辺のうち、前記空気流入部が設けられる第３辺と前記空気流出部が設けられる第４辺とは互いに対向しており、
前記矩形の前記空気極側空間を、前記第３辺の長さ方向に沿い且つ前記第３辺の長さを１とするＸ軸と、前記第３辺から前記第４辺へ向かう方向に沿い且つ前記第３辺と前記第４辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第１空気極側構造において、少なくとも一つの前記空気流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成され、前記第４構造部は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている請求項６又は７に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記矩形の前記空気極側空間を、前記第３辺の長さ方向に沿い且つ前記第３辺の長さを１とするＸ軸と、前記第３辺から前記第４辺へ向かう方向に沿い且つ前記第３辺と前記第４辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第１空気極側構造において、少なくとも一つの前記空気流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成され、前記第４構造部は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている請求項６又は７に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項9】
複数の前記空気極のそれぞれと相対して設けられる複数の前記インターコネクタのうち、残りの前記インターコネクタの、前記空気極と相対する側の表面には、前記第１空気極側構造とは異なる第２空気極側構造が形成されている請求項６～８の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項10】
平面視で矩形の一つの前記空気極側空間を形作る４つの辺のうち、前記空気流入部が設けられる第３辺と前記空気流出部が設けられる第４辺とは互いに対向しており、
前記矩形の前記空気極側空間を、前記第３辺の長さ方向に沿い且つ前記第３辺の長さを１とするＸ軸と、前記第３辺から前記第４辺へ向かう方向に沿い且つ前記第３辺と前記第４辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第２空気極側構造において、前記空気流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲に形成されている請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記矩形の前記空気極側空間を、前記第３辺の長さ方向に沿い且つ前記第３辺の長さを１とするＸ軸と、前記第３辺から前記第４辺へ向かう方向に沿い且つ前記第３辺と前記第４辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第２空気極側構造において、前記空気流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲に形成されている請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項11】
前記燃料ガス流入部に供給される燃料ガスを、炭化水素ガスの改質処理により生成する改質部を備え、
前記改質部では、前記燃料ガス流入部に供給される燃料ガスに、改質処理されていない炭化水素ガスが２０％以上残存しているように改質処理が行われる請求項１～１０の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記改質部では、前記燃料ガス流入部に供給される燃料ガスに、改質処理されていない炭化水素ガスが２０％以上残存しているように改質処理が行われる請求項１～１０の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項12】
前記燃料ガス流入部から前記燃料ガス流出部へ向かう方向と、前記空気流入部から前記空気流出部へ向かう方向とが同じである請求項１～１１の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、平板状の固体電解質膜の一方の平面に相対して燃料極を設け、他方の平面に相対して空気極を設けて構成される平板型の固体酸化物形の燃料電池セルを、燃料電池セル同士の間にインターコネクタを挟んだ状態で複数積層して形成されるセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質膜を用いたセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が知られている。固体酸化物形燃料電池においては、セルスタックは複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルにおける固体電解質膜の片面側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他面側に空気（酸化剤ガス）中の酸素を還元するための空気極が設けられている。この固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルの作動温度は約６００℃～約８００℃と高く、このような高温下において、燃料ガス（改質燃料ガス）中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。
【0003】
ＳＯＦＣの一つの形式として長方形や正方形の平板状のセルを用いる平板型ＳＯＦＣがある。その種類としては、厚い燃料極（数百μｍ～２ｍｍ）で薄い固体電解質膜（数～数十μｍ）を支持する支持膜式や、固体電解質膜自体で燃料電池セルを保持する自立膜式などがある。実用的な電力を得るため、複数の燃料電池セルはインターコネクタを介して積層配置してスタック化される。インターコネクタにはセル材料と熱膨張率が近いフェライト系ステンレスやクロムを主成分とする合金が用いられる。
【0004】
燃料極の表面とインターコネクタの燃料極側の表面との間に形成される燃料極側空間には燃料ガスが燃料ガス流入部から流入し、燃料ガスは燃料極側空間を流れている間に燃料極に供給され、燃料極側空間を流れた燃料ガスの残部及び反応生成ガス（水蒸気、炭酸ガス）が燃料ガス流出部から燃料極側空間の外部に流出するように構成される。空気極の表面とインターコネクタの空気極側の表面との間に形成される空気極側空間には空気が空気流入部から流入し、空気は空気極側空間を流れている間に空気極に供給され、空気極側空間を流れた空気の残部が空気流出部から空気極側空間の外部に流出するように構成される。
【0005】
特許文献１（特開２００８－２１５９６号公報）には、固体酸化物形燃料電池として、燃料ガス（原燃料ガス）を改質するための改質部と、改質部にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスの酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、セルスタックの空気極側に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給手段（酸化剤ガス供給手段）と、改質部に燃料ガス（原燃料ガス）を供給するための燃料ガス供給手段とを備え、セルスタック及び改質部、燃焼部が高温状態に保たれる高温ハウジング（高温空間）に収容されているものが提案されている。
【0006】
セルスタックは、高温ハウジングの中に収容され、発電中に発熱している。セルスタックに反応ガス（燃料ガス、空気）を供給し、排出する反応ガスで一部の発熱を持ち出したり、セルスタック自体の熱伝導で熱を抜き出したりという条件で高効率の発電がおこなわれる。
【0007】
セルスタックでは、温度が高くなるほど燃料電池セルの内部抵抗（電解質抵抗、電極抵抗）が低下し性能が上がる。一方、温度が高くなると、インターコネクタに用いられているステンレス材料の表面や燃料電池セル内の電解質／電極界面で経時的に（数万時間レベルで）抵抗が上昇していく劣化現象が知られている。ステンレス表面の酸化物層の成長や電解質／電極界面での高抵抗層の生成、電極のシンタリングなどは高温で進行する。
【0008】
従って、セルスタックは最高温度を管理範囲以内に抑制しながら（耐久性のために）、高い性能（出力・効率）を発揮できる方法が望まれる。固体酸化物形燃料電池は作動温度が６００℃～８００℃程度と高いので、水冷（狭い温度分布に管理するのに優れている）を用いることが困難であって、セルスタックの冷却・温度管理が重要な技術課題となっている。このように性能、耐久性で温度分布は重要だが、加えて、平板型セルスタックの一般課題として、セルスタック内の温度分布や温度勾配が大きくなりすぎると、内部応力により破損することがあることも挙げられる。
【0009】
図１０は、燃料電池セルの燃料ガス流入部と燃料ガス流出部との間での温度分布の例を示す図である。図示するように、燃料ガス流入部の近傍では、発電反応による発熱はあるものの、改質部から供給される燃料ガスの温度が低いこと、燃料ガスに含まれている炭化水素ガスの改質反応（吸熱反応）が起こることなどにより、温度はそれほど高くない。
それと比較して、燃料ガス流入部と燃料ガス流出部との間、即ち、燃料電池セルの中央部分では、発電反応が促進されて電流密度が高くなり、温度が高くなる。
それと比較して、燃料ガス流入部と燃料ガス流出部との間、即ち、燃料電池セルの中央部分では、発電反応が促進されて電流密度が高くなり、温度が高くなる。
【0010】
このように、セルスタックでは、燃料電池セルでの発電により発熱する。セルスタック内では燃料ガス流入部の近傍では燃料ガスが消費されていないためモル当たりの熱量が高く、燃料ガス流出部の近傍では低くなる。また、温度が高いほど電解質、電極の内部抵抗が減少するので大きな電流が流れやすくなる。従って、燃料電池セル内の各部のガス濃度、温度にしたがった発電電流の分布が生じる。燃料電池セル内の主たる発熱はジュール発熱である。
【0011】
セルスタック周囲に断熱材を設置することで、セルスタックから外部への放熱量を抑制し、セルスタックの動作温度を維持している。尚、セルスタックから外部への放熱量を抑制しているとはいえ、燃料電池セルの内部の熱はセルスタックの外部へと伝達される。そして、場合によっては、燃料電池セル内の発熱（発熱分布）に対して、セルスタック内（セル面、インターコネクタ面）の伝熱能力が小さいことで、セルスタック内の温度分布や温度勾配が大きくなりすぎることもある。
【0012】
このような場合、セルスタックの内部側の燃料電池セルの温度が高くなり、セルスタックの外縁に近い燃料電池セルは温度が低くなるので、内部の熱膨張量（寸法の延び）は大きく、それに対して縁付近の延びは小さくなる。その結果、内部応力が大きくなるということになり、燃料電池セル（特に、セラミックスの固体電解質膜）が破損する可能性が高まる。こうしたことが制約要因となり、出力密度を高めたり、セルスタック構成材料の薄肉化することによるコスト低減が難しくなっている。
【0013】
特許文献２（特開２００２－１４１０８１号公報）では、平板型ＳＯＦＣセルスタックにおいて、複数積層される燃料電池セルのそれぞれで、燃料ガスを流す向きを変えることで、セル面内の温度分布を改善する（均一化する）技術も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【特許文献1】特開２００８－２１５９６号公報
【特許文献2】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】
【0015】
特許文献２に記載の発明は、燃料電池セル面内の温度分布の緩和を目的としたものであるが、効果として十分ではない。最高温度になりやすい燃料電池セルの中央部付近を冷却する方策がないためである。
【0016】
発電効率の高い固体酸化物形燃料電池を普及拡大するためには、コスト低減やコンパクト化が重要な課題である。固体酸化物形燃料電池の主要部品であるセルスタックのコスト低減やコンパクト化については、セルスタックの高出力密度化や材料の薄肉化といったことが改良の方向性となるが、それらを行うと発熱密度が高く、燃料電池セルとインターコネクタとの接合面の熱伝導が下がるので（薄くなると、面方向（ｘ－ｙ平面内）の熱伝導能力が低下する）、セルスタックの温度管理、つまり適切な温度範囲（分布）内、温度勾配内で作動させることが困難になるとの課題がある。
【0017】
尚、温度分布・温度勾配が過大となった場合の影響は前述のとおりであり、燃料電池セルのセラミックス電解質の破損、それを回避するために高い出力密度で発電させられないことによるセルスタックのコストアップやサイズ増大といった問題が生じる。
【0018】
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、燃料電池セルの内部の温度分布が過度に悪化しない固体酸化物形燃料電池を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【0019】
上記目的を達成するための本発明に係る固体酸化物形燃料電池の特徴構成は、平板状の固体電解質膜の一方の平面に相対して燃料極を設け、他方の平面に相対して空気極を設けて構成される平板型の固体酸化物形の燃料電池セルを、前記燃料電池セル同士の間にインターコネクタを挟んだ状態で複数積層して形成されるセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池であって、
前記燃料極の表面と前記インターコネクタの前記燃料極側の表面との間に形成される燃料極側空間には燃料ガスが燃料ガス流入部から流入し、燃料ガスは前記燃料極側空間を流れている間に前記燃料極に供給され、前記燃料極側空間を流れた燃料ガスの残部及び反応生成ガスが燃料ガス流出部から前記燃料極側空間の外部に流出するように構成され、
前記空気極の表面と前記インターコネクタの前記空気極側の表面との間に形成される空気極側空間には空気が空気流入部から流入し、空気は前記空気極側空間を流れている間に前記空気極に供給され、前記空気極側空間を流れた空気の残部が空気流出部から前記空気極側空間の外部に流出するように構成され、
複数の前記燃料極のそれぞれと相対して設けられる複数の前記インターコネクタのうち、少なくとも一つの前記インターコネクタの、前記燃料極と相対する側の表面には、第１燃料極側構造が形成されており、
前記第１燃料極側構造は、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、燃料ガスを前記燃料ガス流入部の近傍から前記燃料極側空間の中央部に向けて流れ易くする第１構造部を含み、前記第１構造部の周囲に、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に大きくなる第２構造部を含む点にある。
ここで、前記燃料ガス流入部から前記燃料ガス流出部へ向かう方向と、前記空気流入部から前記空気流出部へ向かう方向とが同じであってもよい。
前記燃料極の表面と前記インターコネクタの前記燃料極側の表面との間に形成される燃料極側空間には燃料ガスが燃料ガス流入部から流入し、燃料ガスは前記燃料極側空間を流れている間に前記燃料極に供給され、前記燃料極側空間を流れた燃料ガスの残部及び反応生成ガスが燃料ガス流出部から前記燃料極側空間の外部に流出するように構成され、
前記空気極の表面と前記インターコネクタの前記空気極側の表面との間に形成される空気極側空間には空気が空気流入部から流入し、空気は前記空気極側空間を流れている間に前記空気極に供給され、前記空気極側空間を流れた空気の残部が空気流出部から前記空気極側空間の外部に流出するように構成され、
複数の前記燃料極のそれぞれと相対して設けられる複数の前記インターコネクタのうち、少なくとも一つの前記インターコネクタの、前記燃料極と相対する側の表面には、第１燃料極側構造が形成されており、
前記第１燃料極側構造は、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、燃料ガスを前記燃料ガス流入部の近傍から前記燃料極側空間の中央部に向けて流れ易くする第１構造部を含み、前記第１構造部の周囲に、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に大きくなる第２構造部を含む点にある。
ここで、前記燃料ガス流入部から前記燃料ガス流出部へ向かう方向と、前記空気流入部から前記空気流出部へ向かう方向とが同じであってもよい。
【0020】
上記特徴構成によれば、少なくとも一つのインターコネクタの、燃料極と相対する側の表面には、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、燃料ガスを燃料ガス流入部の近傍から燃料極側空間の中央部に向けて流れ易くする第１構造部を含む第１燃料極側構造が形成されている。加えて、第１燃料極側構造は、第１構造部の周囲に、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に大きくなる第２構造部を含む。つまり、燃料ガス流入部から燃料極側空間に流入した燃料ガスは、第２構造部を通るよりも、第１構造部を通って燃料極側空間の中央部へ向けて流れ易くなる。つまり、燃料極側空間の中央部には燃料ガスが比較的温度の低いまま供給される。また、燃料ガス中に残存している炭化水素ガスの改質反応（吸熱反応）が起こることにより、燃料ガス及び燃料電池セルの温度の過剰な上昇が抑制される。その結果、燃料極側空間の中央部の温度が高くなり過ぎることを回避できる。
従って、燃料電池セルの内部の温度分布が過度に悪化しない固体酸化物形燃料電池を提供できる。
従って、燃料電池セルの内部の温度分布が過度に悪化しない固体酸化物形燃料電池を提供できる。
【0021】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の別の特徴構成は、前記第１燃料極側構造は、前記燃料ガス流入部の近傍から前記第１構造部によって前記燃料極側空間の中央部まで到達した燃料ガスの流れを阻止し、前記第２構造部の方へ向かわせる第３構造部を含む点にある。
【0022】
上記特徴構成によれば、第３構造部によって燃料ガスが第２構造部の方へと流れる。つまり、燃料ガス流入部から燃料極側空間に供給された燃料ガスは、第１構造部に流れ易くなるものの、第１構造部の周囲の第２構造部にも確実に流れる。その結果、燃料極側空間に相対する燃料極の全体へ燃料ガスを供給することができる。
【0023】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、平面視で矩形の一つの前記燃料極側空間を形作る４つの辺のうち、前記燃料ガス流入部が設けられる第１辺と前記燃料ガス流出部が設けられる第２辺とは互いに対向しており、
前記矩形の前記燃料極側空間を、前記第１辺の長さ方向に沿い且つ前記第１辺の長さを１とするＸ軸と、前記第１辺から前記第２辺へ向かう方向に沿い且つ前記第１辺と前記第２辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第１燃料極側構造において、少なくとも一つの前記燃料ガス流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成され、前記第１構造部は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている点にある。
前記矩形の前記燃料極側空間を、前記第１辺の長さ方向に沿い且つ前記第１辺の長さを１とするＸ軸と、前記第１辺から前記第２辺へ向かう方向に沿い且つ前記第１辺と前記第２辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第１燃料極側構造において、少なくとも一つの前記燃料ガス流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成され、前記第１構造部は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている点にある。
【0024】
上記特徴構成によれば、燃料ガスは、第１辺の中央部分（ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲）に形成される燃料ガス流入部から燃料極側空間に流入し、そこから第１構造部を通って燃料極側空間の中央部に到達し易くなる。また、そのような第１構造部の周囲の第２構造部（即ち、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲）にも、第１構造部から拡散した燃料ガスを供給できる。
【0025】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、複数の前記燃料極のそれぞれと相対して設けられる複数の前記インターコネクタのうち、残りの前記インターコネクタの、前記燃料極と相対する側の表面には、前記第１燃料極側構造とは異なる第２燃料極側構造が形成されている点にある。
【0026】
上記特徴構成によれば、第２燃料極側構造が形成されているインターコネクタと燃料極との間の燃料極側空間での燃料ガスの流れ易さの分布と、第１燃料極側構造が形成されているインターコネクタと燃料極との間の燃料極側空間での燃料ガスの流れ易さの分布とは異なる。そのため、第２燃料極側構造が形成されているインターコネクタと相対する燃料極での温度分布と、第１燃料極側構造が形成されているインターコネクタと相対する燃料極での温度分布とは異なる。つまり、複数の燃料電池セルが積層されたセルスタックにおいて、各燃料電池セルの温度の高い部分と低い部分とは位置がずれる。その結果、燃料電池セル同士の間での熱伝達が起り易くなり、燃料電池セルの特定の部分のみが高温又は低温になるといった問題が起こり難くなる。
【0027】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、平面視で矩形の一つの前記燃料極側空間を形作る４つの辺のうち、前記燃料ガス流入部が設けられる第１辺と前記燃料ガス流出部が設けられる第２辺とは互いに対向しており、
前記矩形の前記燃料極側空間を、前記第１辺の長さ方向に沿い且つ前記第１辺の長さを１とするＸ軸と、前記第１辺から前記第２辺へ向かう方向に沿い且つ前記第１辺と前記第２辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第２燃料極側構造において、前記燃料ガス流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲に形成されている点にある。
前記矩形の前記燃料極側空間を、前記第１辺の長さ方向に沿い且つ前記第１辺の長さを１とするＸ軸と、前記第１辺から前記第２辺へ向かう方向に沿い且つ前記第１辺と前記第２辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第２燃料極側構造において、前記燃料ガス流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲に形成されている点にある。
【0028】
上記特徴構成によれば、第２燃料極側構造が形成されたインターコネクタと燃料極との間の燃料極側空間では、燃料ガスは、第１辺の中央以外の部分（ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲）に形成される燃料ガス流入部から燃料極側空間に流入し、そこから燃料極側空間の中央部に到達するようになる。それと比較して、第１燃料極側構造が形成されたインターコネクタと燃料極との間の燃料極側空間では、燃料ガスは、第１辺の中央部分（ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲）に形成される燃料ガス流入部から燃料極側空間に流入し、そこから周囲の第２構造部（即ち、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲）に到達するようになる。つまり、第２燃料極側構造が形成されているインターコネクタと燃料極との間の燃料極側空間での燃料ガスの流れ易さの分布と、第１燃料極側構造が形成されているインターコネクタと燃料極との間の燃料極側空間での燃料ガスの流れ易さの分布とは異なる。そのため、第２燃料極側構造が形成されているインターコネクタと相対する燃料極での温度分布と、第１燃料極側構造が形成されているインターコネクタと相対する燃料極での温度分布とは異なる。つまり、複数の燃料電池セルが積層されたセルスタックにおいて、各燃料電池セルの温度の高い部分と低い部分とは位置がずれる。その結果、燃料電池セル同士の間での熱伝達が起り易くなり、燃料電池セルの特定の部分のみが高温又は低温になるといった問題が起こり難くなる。
【0029】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、複数の前記空気極のそれぞれと相対して設けられる複数の前記インターコネクタのうち、少なくとも一つの前記インターコネクタの、前記空気極と相対する側の表面には、第１空気極側構造が形成されており、
前記第１空気極側構造は、空気にとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、空気を前記空気流入部の近傍から前記空気極側空間の中央部に向けて流れ易くする第４構造部を含み、前記第４構造部の周囲に、空気にとっての流路抵抗が相対的に大きくなる第５構造部を含む点にある。
前記第１空気極側構造は、空気にとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、空気を前記空気流入部の近傍から前記空気極側空間の中央部に向けて流れ易くする第４構造部を含み、前記第４構造部の周囲に、空気にとっての流路抵抗が相対的に大きくなる第５構造部を含む点にある。
【0030】
上記特徴構成によれば、少なくとも一つのインターコネクタの、空気極と相対する側の表面には、空気にとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、空気を空気流入部の近傍から空気極側空間の中央部に向けて流れ易くする第４構造部を含む第１空気極側構造が形成されている。加えて、第１空気極側構造は、第４構造部の周囲に、空気にとっての流路抵抗が相対的に大きくなる第５構造部を含む。つまり、空気流入部から空気極側空間に流入した空気は、第５構造部を通るよりも、第４構造部を通って空気極側空間の中央部へ向けて流れ易くなる。その結果、空気極側空間の中央部には空気が比較的温度の低いまま供給される。そのため、燃料電池セルにおいて、温度が高くなり易い燃料極側空間の中央部の温度が空気極側空間の中央部に伝達され易くなり、結果として、燃料極側空間の中央部の温度が高くなり過ぎることを回避できる。
【0031】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記第１空気極側構造は、前記空気流入部の近傍から前記第４構造部によって前記空気極側空間の中央部まで到達した空気の流れを阻止し、前記第５構造部の方へ向かわせる第６構造部を含む点にある。
【0032】
上記特徴構成によれば、第６構造部によって空気が第５構造部の方へと流れる。つまり、空気流入部から空気極側空間に供給された空気は、第４構造部に流れ易くなるものの、第４構造部の周囲の第５構造部にも確実に流れる。その結果、空気極側空間に相対する空気極の全体へ空気を供給することができる。
【0033】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、平面視で矩形の一つの前記空気極側空間を形作る４つの辺のうち、前記空気流入部が設けられる第３辺と前記空気流出部が設けられる第４辺とは互いに対向しており、
前記矩形の前記空気極側空間を、前記第３辺の長さ方向に沿い且つ前記第３辺の長さを１とするＸ軸と、前記第３辺から前記第４辺へ向かう方向に沿い且つ前記第３辺と前記第４辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第１空気極側構造において、少なくとも一つの前記空気流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成され、前記第４構造部は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている点にある。
前記矩形の前記空気極側空間を、前記第３辺の長さ方向に沿い且つ前記第３辺の長さを１とするＸ軸と、前記第３辺から前記第４辺へ向かう方向に沿い且つ前記第３辺と前記第４辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第１空気極側構造において、少なくとも一つの前記空気流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成され、前記第４構造部は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている点にある。
【0034】
上記特徴構成によれば、空気は、第３辺の中央部分（ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲）に形成される空気流入部から空気極側空間に流入し、そこから第４構造部を通って空気極側空間の中央部に到達し易くなる。また、そのような第４構造部の周囲の第５構造部（即ち、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲）にも、第４構造部から拡散した空気を供給できる。
【0035】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、複数の前記空気極のそれぞれと相対して設けられる複数の前記インターコネクタのうち、残りの前記インターコネクタの、前記空気極と相対する側の表面には、前記第１空気極側構造とは異なる第２空気極側構造が形成されている点にある。
【0036】
上記特徴構成によれば、第２空気極側構造が形成されているインターコネクタと空気極との間の空気極側空間での空気の流れ易さの分布と、第１空気極側構造が形成されているインターコネクタと空気極との間の空気極側空間での空気の流れ易さの分布とは異なる。そのため、第２空気極側構造が形成されているインターコネクタと相対する空気極での温度分布と、第１空気極側構造が形成されているインターコネクタと相対する空気極での温度分布とは異なる。つまり、複数の燃料電池セルが積層されたセルスタックにおいて、各燃料電池セルの温度の高い部分と低い部分とは位置がずれる。その結果、燃料電池セル同士の間での熱伝達が起り易くなり、燃料電池セルの特定の部分のみが高温又は低温になるといった問題が起こり難くなる。
【0037】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、平面視で矩形の一つの前記空気極側空間を形作る４つの辺のうち、前記空気流入部が設けられる第３辺と前記空気流出部が設けられる第４辺とは互いに対向しており、
前記矩形の前記空気極側空間を、前記第３辺の長さ方向に沿い且つ前記第３辺の長さを１とするＸ軸と、前記第３辺から前記第４辺へ向かう方向に沿い且つ前記第３辺と前記第４辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第２空気極側構造において、前記空気流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲に形成されている点にある。
前記矩形の前記空気極側空間を、前記第３辺の長さ方向に沿い且つ前記第３辺の長さを１とするＸ軸と、前記第３辺から前記第４辺へ向かう方向に沿い且つ前記第３辺と前記第４辺との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、前記第２空気極側構造において、前記空気流入部はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲に形成されている点にある。
【0038】
上記特徴構成によれば、第２空気極側構造が形成されたインターコネクタと空気極との間の空気極側空間では、空気は、第３辺の中央以外の部分（ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲）に形成される空気流入部から空気極側空間に流入し、そこから空気極側空間の中央部に到達するようになる。それと比較して、第１空気極側構造が形成されたインターコネクタと空気極との間の空気極側空間では、空気は、第３辺の中央部分（ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲）に形成される空気流入部から空気極側空間に流入し、そこから周囲の第５構造部（即ち、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲）に到達するようになる。つまり、第２空気極側構造が形成されているインターコネクタと空気極との間の空気極側空間での空気の流れ易さの分布と、第１空気極側構造が形成されているインターコネクタと空気極との間の空気極側空間での空気の流れ易さの分布とは異なる。そのため、第２空気極側構造が形成されているインターコネクタと相対する空気極での温度分布と、第１空気極側構造が形成されているインターコネクタと相対する空気極での温度分布とは異なる。つまり、複数の燃料電池セルが積層されたセルスタックにおいて、各燃料電池セルの温度の高い部分と低い部分とは位置がずれる。その結果、燃料電池セル同士の間での熱伝達が起り易くなり、燃料電池セルの特定の部分のみが高温又は低温になるといった問題が起こり難くなる。
【0039】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の更に別の特徴構成は、前記燃料ガス流入部に供給される燃料ガスを、炭化水素ガスの改質処理により生成する改質部を備え、
前記改質部では、前記燃料ガス流入部に供給される燃料ガスに、改質処理されていない炭化水素ガスが２０％以上残存しているように改質処理が行われる点にある。
前記改質部では、前記燃料ガス流入部に供給される燃料ガスに、改質処理されていない炭化水素ガスが２０％以上残存しているように改質処理が行われる点にある。
【0040】
上記特徴構成によれば、燃料ガス中に残存している炭化水素ガスの改質反応による吸熱が発生するため、燃料ガス及び燃料電池セルの温度の上昇が過剰に進むことが抑制される。その結果、燃料極側空間の中央部には温度上昇が抑制された燃料ガスが供給されるため、燃料極側空間の中央部の温度が高くなり過ぎることを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。
【図2】固体酸化物形燃料電池が備えるセルスタックの構成を示す図である。
【図3】インターコネクタの表面の構造例を示す図である。
【図4】インターコネクタの表面の構造例を示す図である。
【図5】シミュレーションで用いたインターコネクタの表面の構造例を示す図である。
【図6】シミュレーションで用いたインターコネクタの表面の構造例を示す図である。
【図7】シミュレーションで用いたインターコネクタの表面の構造例を示す図である。
【図8】実施例１の温度分布を示す図である。
【図9】比較例の温度分布を示す図である。
【図10】燃料ガス流入部と燃料ガス流出部との間での温度分布の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0042】
以下に図面を参照して本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池について説明する。
図１は固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。図２は固体酸化物形燃料電池が備えるセルスタック６の構成を示す図である。図示するように、固体酸化物形燃料電池は、平板状の固体電解質膜９の一方の平面に相対して燃料極７を設け、他方の平面に相対して空気極８を設けて構成される平板型の固体酸化物形の燃料電池セルＣを、燃料電池セルＣ同士の間にインターコネクタ１２を挟んだ状態で複数積層して形成されるセルスタック６を備える。加えて、本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、脱硫部１と、気化部３と、改質部４と、燃焼部５と、熱交換部１０とを備える。このうち、容器２の内部に、気化部３と、改質部４と、燃焼部５と、熱交換部１０と、セルスタック６とが収容され、容器２の内部が高温に保たれている。
図１は固体酸化物形燃料電池の構成を示す図である。図２は固体酸化物形燃料電池が備えるセルスタック６の構成を示す図である。図示するように、固体酸化物形燃料電池は、平板状の固体電解質膜９の一方の平面に相対して燃料極７を設け、他方の平面に相対して空気極８を設けて構成される平板型の固体酸化物形の燃料電池セルＣを、燃料電池セルＣ同士の間にインターコネクタ１２を挟んだ状態で複数積層して形成されるセルスタック６を備える。加えて、本実施形態の固体酸化物形燃料電池は、脱硫部１と、気化部３と、改質部４と、燃焼部５と、熱交換部１０とを備える。このうち、容器２の内部に、気化部３と、改質部４と、燃焼部５と、熱交換部１０と、セルスタック６とが収容され、容器２の内部が高温に保たれている。
【0043】
各燃料電池セルＣの燃料極７には改質部４で生成された水素を主成分とする燃料ガスが供給され、空気極８には空気（酸素）が供給される。そして、燃料電池セルＣからは、発電反応に用いられなかった水素を含むガス（燃料極排ガス）が排出され、発電反応に用いられなかった空気（空気極排ガス）が排出される。
【0044】
燃料極排ガス及び空気極排ガスは、燃焼部５に供給されて燃焼される。そして、燃焼部５から排出される燃焼排ガスは熱交換部１０に供給され、容器２の内部に導入された空気と熱交換した後（即ち、空気極８に供給される空気を加熱した後）で容器２の外部に排気される。
【0045】
脱硫部１では、炭化水素ガスを含む原燃料ガス（例えば、都市ガス等）に含まれる硫黄化合物が取り除かれる。気化部３には、改質用水と脱硫部１を通過した後の原燃料ガスとが供給される。気化部３は、供給される改質用水を、燃焼部５から伝達される燃焼熱を用いて加熱して蒸発させる。気化部３で生成された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、改質部４に供給される。改質部４にも、燃焼部５で発生した燃焼熱が伝達される。そして、改質部４は、気化部３から供給される混合ガスに含まれる原燃料ガスの改質処理を行うことで、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。
【0046】
制御部１１は、固体酸化物形燃料電池の動作を制御する。例えば、制御部１１は、脱硫部１に供給される単位時間当たりの原燃料ガスの量、気化部３に供給される単位時間当たりの改質用水の量、セルスタック６から出力される電流などを調節することで、改質部４の温度、セルスタック６での発電反応、燃焼部５の温度などを制御している。図示は省略するが、気化部３の温度、改質部４の温度、燃焼部５の温度などの情報が制御部１１に伝達され、固体酸化物形燃料電池の動作制御に利用される。
【0047】
セルスタック６に供給される燃料ガスは、燃料ガス流入部２３（図３等に記載）から、燃料極７の表面とインターコネクタ１２の燃料極７側の表面との間に形成される燃料極側空間１２ａに流入し、燃料ガスは燃料極側空間１２ａを流れている間に燃料極７に供給され、燃料極側空間１２ａを流れた燃料ガスの残部及び反応生成ガス（水蒸気、炭酸ガス）を含む上記燃料極排ガスが燃料ガス流出部２４から燃料極側空間１２ａの外部に流出するように構成されている。
【0048】
セルスタック６に供給される空気は、空気流入部２５（図３等に記載）から、空気極８の表面とインターコネクタ１２の空気極８側の表面との間に形成される空気極側空間１２ｂに流入し、空気は空気極側空間１２ｂを流れている間に空気極８に供給され、空気極側空間１２ｂを流れた空気の残部が空気流出部２６から空気極側空間１２ｂの外部に流出するように構成されている。
【0049】
本実施形態では、燃料ガス流入部２３から燃料ガス流出部２４へ向かう方向と、空気流入部２５から空気流出部２６へ向かう方向とが同じである。つまり、燃料電池セルＣにおいて燃料ガスと空気とは並行して流れる。
【0050】
本実施形態では、燃料極７と相対する側のインターコネクタ１２の表面の構造には２種類がある。以下の説明では、その内の一方の表面構造である第１燃料極側構造をＡ面と記載し、他方の表面構造である第２燃料極側構造をＢ面と記載する。同様に、空気極８と相対する側のインターコネクタ１２の表面の構造には２種類がある。空気極８と相対する側のインターコネクタ１２の表面についても、一方の表面構造である第１空気極側構造はＡ面と同じであり、他方の表面構造である第２空気極側構造はＢ面と同じである。インターコネクタ１２は例えばステンレス製などである。
【0051】
図３はＡ面（第１燃料極側構造、第１空気極側構造）の例を平面視で示す図であり、図４はＢ面（第２燃料極側構造、第２空気極側構造）の例を平面視で示す図である。図３では、Ａ面が第１燃料極側構造である場合の参照符号を記載し、Ａ面が第１空気極側構造である場合の参照符号を括弧内に記載する。
【0052】
〔Ａ面（第１燃料極側構造、第１空気極側構造）〕
図３に例示するように、平面視で矩形の一つの燃料極側空間１２ａを形作る４つの辺のうち、燃料ガス流入部２３が設けられる第１辺Ｌ１と燃料ガス流出部２４が設けられる第２辺Ｌ２とは互いに対向している。図３に示す例では、燃料ガス流入部２３は、第１辺Ｌ１の５箇所に設けられ、燃料ガス流出部２４は第２辺Ｌ２の１箇所に設けられている。矩形の燃料極側空間１２ａを、第１辺Ｌ１の長さ方向に沿い且つ第１辺Ｌ１の長さを１とするＸ軸と、第１辺Ｌ１から第２辺Ｌ２へ向かう方向に沿い且つ第１辺Ｌ１と第２辺Ｌ２との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、少なくとも一つの燃料ガス流入部２３はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成されている。本例では、燃料ガス流入部２３は、ｘ＝０の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．２５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．７５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝１の近傍且つｙ＝０との合計５箇所に設けられている。このうち、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝０に形成される燃料ガス流入部２３が最も大きいため、そこから最も多くの燃料ガスが流入する。燃料ガス流出部２４は、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝１の１箇所に設けられている。
図３に例示するように、平面視で矩形の一つの燃料極側空間１２ａを形作る４つの辺のうち、燃料ガス流入部２３が設けられる第１辺Ｌ１と燃料ガス流出部２４が設けられる第２辺Ｌ２とは互いに対向している。図３に示す例では、燃料ガス流入部２３は、第１辺Ｌ１の５箇所に設けられ、燃料ガス流出部２４は第２辺Ｌ２の１箇所に設けられている。矩形の燃料極側空間１２ａを、第１辺Ｌ１の長さ方向に沿い且つ第１辺Ｌ１の長さを１とするＸ軸と、第１辺Ｌ１から第２辺Ｌ２へ向かう方向に沿い且つ第１辺Ｌ１と第２辺Ｌ２との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、少なくとも一つの燃料ガス流入部２３はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成されている。本例では、燃料ガス流入部２３は、ｘ＝０の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．２５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．７５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝１の近傍且つｙ＝０との合計５箇所に設けられている。このうち、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝０に形成される燃料ガス流入部２３が最も大きいため、そこから最も多くの燃料ガスが流入する。燃料ガス流出部２４は、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝１の１箇所に設けられている。
【0053】
インターコネクタ１２の、燃料極７と相対する側の表面には、第１構造部１５と、第２構造部１６とを含む第１燃料極側構造が形成されている。加えて、本実施形態では、第１燃料極側構造は、第３構造部１７を含む。燃料極側空間１２ａを形作る４つの辺のうち、第１辺Ｌ１及び第２辺Ｌ２以外の残りの２辺に沿ってシール部１３が設けられており、燃料ガスが外部に漏れ出すことが防止される。インターコネクタ１２の表面には、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）の場所を定める流入側規制部２１と、燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）の場所を定める流出側規制部２２も形成されている。
【0054】
第１構造部１５は、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、燃料ガスを燃料ガス流入部２３の近傍から燃料極側空間１２ａの中央部に向けて流れ易くする構造である。例えば、第１構造部１５は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている。尚、本発明は上記数値には限定されない。例えば、第１構造部１５は、ｘ＝０．４～０．６且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．４～０．６且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されていてもよい。また、第１構造部１５は上記範囲よりも広い範囲に形成されていてもよい。例えば、図３に示す例では、第１構造部１５は、ｙ＝０～１の範囲に形成され、第３構造部１７がｙ＝０．６の位置に形成されている。
【0055】
図示するように、第１構造部１５は、インターコネクタ１２の平坦な表面上に突起１４が低密度で設けられることで、インターコネクタ１２の表面と燃料極７の表面との間の燃料極側空間１２ａの断面積が大きくなり、その結果、燃料ガスの流路抵抗が小さくなる構造になっている。
【0056】
第２構造部１６は、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に小さくなる第１構造部１５の周囲に、燃料ガスにとっての流路抵抗が相対的に大きくなるように形成された構造になっている。図３に示す例では、第２構造部１６は、インターコネクタ１２の平坦な表面上に突起１４が高密度で設けられることで、インターコネクタ１２の表面と燃料極７の表面との間の燃料極側空間１２ａの断面積が小さくなり、その結果、燃料ガスの流路抵抗が大きくなる構造になっている。
【0057】
第３構造部１７は、燃料ガス流入部２３の近傍から第１構造部１５によって燃料極側空間１２ａの中央部まで到達した燃料ガスの流れを阻止し、第２構造部１６の方へ向かわせる構造である。図３に示す例では、第３構造部１７は、Ｘ軸と平行に延びるリブである。例えば、図３に示す例では、第３構造部１７は、ｘ＝０．２５且つｙ＝０．６の位置から、ｘ＝０．７５且つｙ＝０．６の位置に延びる直線状のリブである。
【0058】
以上のような構造の第１燃料極側構造を採用することで、図３に矢印で例示するような経路で燃料ガス流入部２３から燃料ガス流出部２４へと燃料ガスが流れる。そして、燃料ガスは、燃料極側空間１２ａを流れている間に燃料極７に供給される。具体的に説明すると、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝０の付近に形成されている、最も幅広の燃料ガス流入部２３から燃料極側空間１２ａに流入した燃料ガスは、第１構造部１５を通って燃料極側空間１２ａの中央部へと直進して、第３構造部１７へ到達する。但し、第１構造部１５を流れている燃料ガスの一部は、その両側の第２構造部１６へと拡散する。つまり、Ａ面は大部分の燃料ガスが一旦燃料電池セルＣの中央部（ｘ＝０．５且つｙ＝０．５の近傍）に供給され、その後、周辺部に広がる構造である。例えば、燃料ガスの流路で、ｙ＝０（ガス入口側）においてｘ＝０．３５～０．６５の内側（全体の３割）の第１構造部１５に例えば２／３以上の量の燃料ガスが集まる。その結果、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０～０．５の範囲では、燃料ガスは、他の領域よりも流路抵抗が低く直進しやすい流路となる。そして、第１構造部１５からその周囲の第２構造部１６の方へ燃料ガスが流れていく。
【0059】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池の代表的な動作条件としては、燃料電池セルＣに供給される燃料ガス及び空気の温度が共に例えば５８０℃～６２０℃程度、セルスタック６内が最高７５０℃程度である。これは、改質部４において原燃料ガス（天然ガス）が５８０℃で水蒸気改質（Ｓ／Ｃ（スチーム／カーボン）が２．５）されている場合の数値である。このような代表的動作条件において、燃料ガス流入部２３の近傍では燃料電池セルＣの発電による発熱を打ち消す、残余炭化水素ガスの改質反応の吸熱がある。具体的に説明すると、改質部４では、原燃料ガスに含まれる炭化水素の全てが水素と一酸化炭素とに改質されるのではなく、燃料極７に供給される燃料ガスには、改質されていない炭化水素も残存している。そのため、セル面積全体の電流の例えば１０％～２０％の発電が済むまで、もしくは７００℃を超えるまでは、燃料ガス中の残存炭化水素ガスの燃料電池セルＣでの改質反応（ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ⇒３Ｈ２＋ＣＯ）が進むための吸熱の寄与が大きく、通常の発電電圧（平均セル電圧０．８Ｖ程度）の場合、発電に伴うジュール熱（抵抗発熱）をほぼ打ち消す。その結果、発電による発熱が不十分な段階で燃料ガスが燃料極側空間１２ａの中央部に届くことになる。尚、この効果を強めるためには、燃料ガス流入部２３に導入する燃料ガスを生成するための改質温度を低くすればよい。つまり、制御部１１は、改質部４での改質温度を調節することで、燃料ガス流入部２３に供給される燃料ガスでの、改質処理されていない炭化水素ガスの割合を調節できる。
【0060】
本実施形態では、制御部１１は、改質部４において、燃料ガス流入部２３に供給される燃料ガスに、改質処理されていない炭化水素ガスが２０％以上残存しているように改質処理を行う。言い換えると、燃料電池セルＣの燃料ガス流入部２３において、炭化水素ガスの改質率を０．８以下にする。例えば、制御部１１は、改質部４での水蒸気改質においてＳ／Ｃ＝２．５の場合、改質率を０．８以下にするために（即ち、改質処理されていない炭化水素ガスが２０％以上残存しているように）、改質部４の出口温度が６２０℃以下になるように制御する。改質率は、以下の式で表されるように、原燃料ガス（ＣＨ４）を改質した場合に生成されるＣＯ及びＣＯ２の分圧の和を、全炭素種（ＣＨ４、ＣＯ、ＣＯ２）の分圧の合計で割った値である。
【0061】
改質率＝〔Ｐ（ＣＯ）＋Ｐ（ＣＯ２）〕÷〔Ｐ（ＣＯ）＋Ｐ（ＣＯ２）＋Ｐ（ＣＨ４）〕
【0062】
上述したように、図３に示すＡ面は、空気極８と相対する側のインターコネクタ１２の表面の第１空気極側構造でもある。図３に示すように、平面視で矩形の一つの空気極側空間１２ｂを形作る４つの辺のうち、空気流入部２５が設けられる第３辺Ｌ３と空気流出部２６が設けられる第４辺Ｌ４とは互いに対向している。図３に示す例では、空気流入部２５は、第３辺Ｌ３の５箇所に設けられ、空気流出部２６は第４辺Ｌ４の１箇所に設けられている。矩形の空気極側空間１２ｂを、第３辺Ｌ３の長さ方向に沿い且つ第３辺Ｌ３の長さを１とするＸ軸と、第３辺Ｌ３から第４辺Ｌ４へ向かう方向に沿い且つ第３辺Ｌ３と第４辺Ｌ４との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、少なくとも一つの空気流入部２５はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成されている。本例では、空気流入部２５は、ｘ＝０の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．２５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．７５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝１の近傍且つｙ＝０との合計５箇所に設けられている。このうち、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝０に形成される空気流入部２５が最も大きいため、そこから最も多くの空気が流入する。空気流出部２６は、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝１の１箇所に設けられている。
【0063】
複数の空気極８のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２のうち、少なくとも一つのインターコネクタ１２の、空気極８と相対する側の表面には、第４構造部１８と、第５構造部１９とを含む第１空気極側構造が形成されている。加えて、本実施形態では、第１空気極側構造は、空気流入部２５の近傍から第４構造部１８によって空気極側空間１２ｂの中央部まで到達した空気の流れを阻止し、第５構造部１９の方へ向かわせる第６構造部２０を含む。
【0064】
第４構造部１８は、空気にとっての流路抵抗が相対的に小さいことで、空気を空気流入部２５の近傍から空気極側空間１２ｂの中央部に向けて流れ易くする構造である。例えば、第４構造部１８は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている。尚、図３に示す例では、第４構造部１８は、ｙ＝０からｙ＝１の範囲の間に連続して形成されている。尚、本発明は上記数値には限定されない。例えば、第４構造部１８は、ｘ＝０．４～０．６且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．４～０．６且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されていてもよい。また、第４構造部１８は上記範囲よりも広い範囲に形成されていてもよい。例えば、図３に示す例では、第４構造部１８は、ｙ＝０～１の範囲に形成され、第６構造部２０がｙ＝０．６の位置に形成されている。
【0065】
図示するように、第４構造部１８は、インターコネクタ１２の平坦な表面上に突起１４が低密度で設けられることで、インターコネクタ１２の表面と空気極８の表面との間の空気極側空間１２ｂの断面積が大きくなり、その結果、空気の流路抵抗が小さくなる構造になっている。
【0066】
第５構造部１９は、空気にとっての流路抵抗が相対的に小さくなる第４構造部１８の周囲に、空気にとっての流路抵抗が相対的に大きくなるように形成された構造である。図示するように、第５構造部１９は、インターコネクタ１２の平坦な表面上に突起１４が高密度で設けられることで、インターコネクタ１２の表面と空気極８の表面との間の空気極側空間１２ｂの断面積が小さくなり、その結果、空気の流路抵抗が大きくなる構造になっている。
【0067】
第６構造部２０は、空気流入部２５の近傍から第４構造部１８によって空気極側空間１２ｂの中央部まで到達した空気の流れを阻止し、第５構造部１９の方へ向かわせる構造である。図３に示す例では、第６構造部２０は、Ｘ軸と平行に延びるリブである。例えば、図３に示す例では、第６構造部２０は、ｘ＝０．２５且つｙ＝０．６の位置から、ｘ＝０．７５且つｙ＝０．６の位置に延びる直線状のリブである。
【0068】
以上のような構造の第１空気極側構造を採用することで、図３に矢印で示すような経路で空気流入部２５から空気流出部２６へと空気が流れる。そして、空気は空気極側空間１２ｂを流れている間に空気極８に供給される。具体的に説明すると、ｘ＝０．５の近傍且つｙ＝０の付近に形成されている、最も幅広の空気流入部２５から空気極側空間１２ｂに流入した空気は、第４構造部１８を通って空気極側空間１２ｂの中央部へと直進して、第６構造部２０へ到達する。但し、第４構造部１８を流れている空気の一部は、その両側の第５構造部１９へと拡散する。つまり、Ａ面は大部分の空気が一旦燃料電池セルＣの中央部（ｘ＝０．５且つｙ＝０．５の近傍）に供給され、その後、周辺部に広がる構造である。例えば、空気の流路で、ｙ＝０（ガス入口側）においてｘ＝０．３５～０．６５の内側（全体の３割）の第４構造部１８に例えば２／３以上の量の空気が集まる。その結果、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０～０．５の範囲では、空気は、他の領域よりも流路抵抗が低く直進しやすい流路となる。そして、第４構造部１８からその周囲の第５構造部１９の方へ空気が流れていく。
【0069】
〔Ｂ面（第２燃料極側構造、第２空気極側構造）〕
図４はＢ面（第２燃料極側構造、第２空気極側構造）の例を示す図である。図４でも、Ｂ面が第２燃料極側構造である場合の参照符号を記載し、Ｂ面が第２空気極側構造である場合の参照符号を括弧内に記載する。
図４はＢ面（第２燃料極側構造、第２空気極側構造）の例を示す図である。図４でも、Ｂ面が第２燃料極側構造である場合の参照符号を記載し、Ｂ面が第２空気極側構造である場合の参照符号を括弧内に記載する。
【0070】
図４に例示するように、平面視で矩形の一つの燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）を形作る４つの辺のうち、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）が設けられる第１辺Ｌ１（Ｌ３）と燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）が設けられる第２辺Ｌ２（Ｌ４）とは互いに対向している。図４に示す例では、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）は、第１辺Ｌ１（Ｌ３）の４箇所に設けられ、燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）は第２辺Ｌ２（Ｌ４）の２箇所に設けられている。燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）の場所は流入側規制部２７によって定められ、燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）の場所は流出側規制部２８によって定められる。図４に示すＢ面のインターコネクタ１２の表面構造は、図３に示した表面構造とは異なっている。
【0071】
具体的に説明すると、図４に例示するインターコネクタ１２の、燃料極７（空気極８）と相対する側の表面には、突起１４が低密度で形成された低流路抵抗領域３０と、突起１４が高密度で形成された高流路抵抗領域３１とを含む第２燃料極側構造（Ｂ面）が形成されている。平面視で矩形の一つの燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）を形作る４つの辺のうち、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）が設けられる第１辺Ｌ１（第３辺Ｌ３）と燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）が設けられる第２辺Ｌ２（第４辺Ｌ４）とは互いに対向しており、矩形の燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）を、第１辺Ｌ１（第３辺Ｌ３）の長さ方向に沿い且つ第１辺Ｌ１（第３辺Ｌ３）の長さを１とするＸ軸と、第１辺Ｌ１（第３辺Ｌ３）から第２辺Ｌ２（第４辺Ｌ４）へ向かう方向に沿い且つ第１辺Ｌ１（第３辺Ｌ３）と第２辺Ｌ２（第４辺Ｌ４）との間の長さを１とするＹ軸とで定まり、Ｘ軸とＹ軸とが互いに長さが０の位置で直交する座標平面で考えた場合、第２燃料極側構造（Ｂ面）において、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０以外の範囲に形成されている。図４に示す例では、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）は、ｘ＝０の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．２５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝０．７５の近傍且つｙ＝０と、ｘ＝１の近傍且つｙ＝０との合計４箇所に設けられている。言い換えると、第２燃料極側構造（Ｂ面）において、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲には形成されていない。
【0072】
加えて、第２燃料極側構造（Ｂ面）は、中間規制部２９を含む。中間規制部２９は、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）の近傍から燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）のｙ＝０．５近傍に到達した燃料ガス（空気）の流れを阻止する構造である。中間規制部２９は、Ｘ軸と平行に延びるリブである。その結果、第２燃料極側構造（Ｂ面）では、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）から流入した燃料ガス（空気）は、燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）の中央部（ｘ＝０．５且つｙ＝０．５の近傍）に集まり、その後、燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）に向けて拡散する。燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）を形作る４つの辺のうち、残りの２辺に沿ってシール部１３が設けられており、燃料ガスが外部に漏れ出すことが防止される。つまり、このＢ面でのガスの流れは、Ａ面でのガスの流れとは異なる。
【0073】
以上のように、本実施形態では、燃料極７と相対する側のインターコネクタ１２の表面の構造には２種類（Ａ面、Ｂ面）があり、空気極８と相対する側のインターコネクタ１２の表面の構造には２種類（Ａ面、Ｂ面）がある。
図２に示したように、複数の燃料極７のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２のうち、少なくとも一つのインターコネクタ１２の、燃料極７と相対する側の表面には、第１燃料極側構造（図３に示したＡ面）が形成されている。そして、複数の燃料極７のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２のうち、残りのインターコネクタ１２の、燃料極７と相対する側の表面には、第１燃料極側構造とは異なる第２燃料極側構造（図４に示したＢ面）が形成されている。特に、本実施形態では、複数の燃料極７のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２の表面には、Ａ面とＢ面とが燃料電池セルＣの積層方向に沿って交互に設けられている。
図２に示したように、複数の燃料極７のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２のうち、少なくとも一つのインターコネクタ１２の、燃料極７と相対する側の表面には、第１燃料極側構造（図３に示したＡ面）が形成されている。そして、複数の燃料極７のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２のうち、残りのインターコネクタ１２の、燃料極７と相対する側の表面には、第１燃料極側構造とは異なる第２燃料極側構造（図４に示したＢ面）が形成されている。特に、本実施形態では、複数の燃料極７のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２の表面には、Ａ面とＢ面とが燃料電池セルＣの積層方向に沿って交互に設けられている。
【0074】
同様に、複数の空気極８のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２のうち、少なくとも一つのインターコネクタ１２の、空気極８と相対する側の表面には、第１空気極側構造（図３に示したＡ面）が形成されている。そして、複数の空気極８のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２のうち、残りのインターコネクタ１２の、空気極８と相対する側の表面には、第１空気極側構造とは異なる第２空気極側構造（図４に示したＢ面）が形成されている。特に、本実施形態では、複数の空気極８のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２の表面には、Ａ面とＢ面とが燃料電池セルＣの積層方向に沿って交互に設けられている。つまり、図２に示したように、本実施形態では、一方の表面がＡ面であり、他方の表面がＢ面であるインターコネクタ１２を用いている。
【0075】
以上のように、本実施形態では、インターコネクタ１２の燃料極７側の表面構造が２種あって、その内の一つがＡ面の表面構造であって、もう一つがＡ面とは異なる表面構造（本実施形態ではＢ面）であり、それらを順次積層している。つまり、Ｂ面（第２燃料極側構造）が形成されているインターコネクタ１２と燃料極７との間の燃料極側空間１２ａでの燃料ガスの流れ易さの分布と、Ａ面（第１燃料極側構造）が形成されているインターコネクタ１２と燃料極７との間の燃料極側空間１２ａでの燃料ガスの流れ易さの分布とは異なる。そのため、Ｂ面が形成されているインターコネクタ１２と相対する燃料極７での温度分布と、Ａ面が形成されているインターコネクタ１２と相対する燃料極７での温度分布とは異なる。つまり、複数の燃料電池セルＣが積層されたセルスタック６において、各燃料電池セルＣの温度の高い部分と低い部分とは位置がずれる。その結果、熱伝導距離の短い隣接する燃料電池セルＣ同士の間での熱伝達が起り易くなり、燃料電池セルＣの特定の部分のみが高温又は低温になるといった問題が起こり難くなる。特に、高出力密度発電時、及び／又は、燃料電池セルＣとインターコネクタ１２とを薄肉化をした場合のセルスタック６内の熱伝導能力不足により問題となる温度分布の悪化（温度分布の過度な拡大）を回避できる。
【0076】
次に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池で採用するインターコネクタ１２の表面構造の効果を確認するために行った実験例（コンピュータシミュレーション）について説明する。本発明の効果を確認するために行った実験例（コンピュータシミュレーション）では、Ａ面とは異なる表面構造として、Ｂ面の表面構造を採用した。但し、必ずしも、この例ほど吸熱部位を端に寄せる必要はなく、Ａ面と差をつければよい。
【0077】
コンピュータシミュレーションのために、モデルとなる燃料電池セルＣを用意した。これは固体酸化物形のセルスタック６の形状として代表的な平板型の燃料極支持型セルの構造・性能をモデルとしている。このモデルでは、燃料電池セルＣは燃料極７と空気極８と固体電解質膜９とを備え、燃料極７（支持体＋機能層）の厚みは０．３ｍｍ、固体電解質膜９の厚みは１３μｍであり、これらの平面視でのサイズは１１５ｍｍ×１１５ｍｍである。尚、燃料極７の厚みである０．３ｍｍというサイズは肉薄のセルを代表している。そしてこのうち、縁を除く１００ｍｍ×１００ｍｍの固体電解質膜９上に空気極８及び接合層が形成されており、発電有効面積が１００ｃｍ２になっている。実施例の燃料電池セルＣと比較例の燃料電池セルＣとでは、セル縁のシール部１３の幅が違い、比較例では７．５ｍｍ幅、実施例１，２，３，４では２．５ｍｍ幅とした。
【0078】
コンピュータシミュレーションのために用意したインターコネクタ１２の形状の斜視図を図５～図７に示す。図５は実施例のセルスタック６のインターコネクタ１２のＡ面の表面構造を示す図であり、図６は実施例のセルスタック６のインターコネクタ１２のＢ面の表面構造を示す図である。図５及び図６に例示するＡ面及びＢ面は、上記図３及び図４と同様の特徴を有していることから、図中では同じ参照符号を用いている。図７は比較例のセルスタック６のインターコネクタ１２の表面構造を示す図である。つまり、比較例のセルスタック６では、インターコネクタ１２の全ての面を図７に示す構造にしてある。
【0079】
図５～図７に示す実施例（Ａ面、Ｂ面）及び比較例のインターコネクタ１２はすべて０．３ｍｍ厚みのステンレス薄板の上に同材料で突起１４が形成されており、燃料電池セルＣと接合されることでその間にガス流路が形成される。インターコネクタ１２の０．３ｍｍ厚みは現在の技術水準に比して、かなり薄いといえるレベルである。以下に説明するように、図５に示すＡ面は、図３を用いて説明したＡ面と同様の特徴を有しており、図６に示すＢ面は、図４を用いて説明したＢ面と同様の特徴を有している。つまり、図５及び図６に示す燃料ガス流入部２３、燃料ガス流出部２４、空気流入部２５、空気流出部２６、第１構造部１５、第２構造部１６、第３構造部１７、第４構造部１８、第５構造部１９、第６構造部２０などの特徴は、図３及び図４に示したのと同様である。
【0080】
Ａ面は、図５に例示するように、平面視で矩形の一つの燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）を形作る４つの辺のうち、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）が設けられる第１辺Ｌ１と燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）が設けられる第２辺Ｌ２とは互いに対向している。図５に示す例では、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）は、第１辺Ｌ１の２箇所に設けられ、燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）は第２辺Ｌ２の２箇所に設けられている。燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）の場所は流入側規制部２１によって定められ、燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）の場所は流出側規制部２２によって定められる。インターコネクタ１２の、燃料極７（空気極８）と相対する側の表面には、突起１４が形成されていない第１構造部１５（第４構造部１８）と、突起１４が高密度で形成された第２構造部１６（第５構造部１９）とを含む第１燃料極側構造（Ａ面）が形成されている。加えて、第１燃料極側構造（Ａ面）は、第３構造部１７（第６構造部２０）を含む。燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）を形作る４つの辺のうち、残りの２辺に沿ってシール部１３が設けられており、燃料ガス（空気）が外部に漏れ出すことが防止される。また、シール部１３に沿ってガス透過部３６が設けられている。
【0081】
図５ではＸ軸及びＹ軸の記載を省略しているが、図３を用いて説明したのと同様に、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）はｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲に形成されている。また、第１構造部１５（第４構造部１８）は、ｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０の範囲からｘ＝０．３５～０．６５且つｙ＝０．５の範囲の間に連続して形成されている
【0082】
更に、図５に示す例では、インターコネクタ１２の燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）は分割リブ３７によって２つに分割されている。これは、燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）において分割リブ３７を境にして対称性を持たせることで、シミュレーションの計算負荷を低減するために行っているものである。
【0083】
Ｂ面は、図６に例示するように、平面視で矩形の一つの燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）を形作る４つの辺のうち、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）が設けられる第１辺Ｌ１（Ｌ３）と燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）が設けられる第２辺Ｌ２（Ｌ４）とは互いに対向している。図６に示す例では、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）は、第１辺Ｌ１（Ｌ３）の２箇所に設けられ、燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）は第２辺Ｌ２（Ｌ４）の２箇所に設けられている。燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）の場所は流入側規制部２７によって定められ、燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）の場所は流出側規制部２８によって定められる。
【0084】
【0085】
図６に示すＢ面のインターコネクタ１２の表面構造は、図５に示したＡ面の表面構造とは異なっている。具体的に説明すると、図６に例示するインターコネクタ１２の、燃料極７（空気極８）と相対する側の表面には、突起１４が形成されていない低流路抵抗領域３０と、突起１４が高密度で形成された高流路抵抗領域３１とを含む第２燃料極側構造（Ｂ面）が形成されている。加えて、第２燃料極側構造（Ｂ面）は、中間規制部２９を含む。中間規制部２９は、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）の近傍から燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）の中央部まで到達した燃料ガス（空気）の流れを阻止する構造である。図６に示す例では、中間規制部２９は、Ｘ軸と平行に延びるリブである。その結果、第２燃料極側構造（Ｂ面）では、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）から流入した燃料ガス（空気）は、燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）の中央部（ｘ＝０．５且つｙ＝０．５の近傍）に集まり、その後、燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）に向けて拡散する。燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）を形作る４つの辺のうち、残りの２辺に沿ってシール部１３が設けられており、燃料ガス（空気）が外部に漏れ出すことが防止される。つまり、このＢ面でのガスの流れは、Ａ面でのガスの流れとは異なる。また、シール部１３に沿ってガス透過部３６が設けられている。
【0086】
比較例のインターコネクタ１２の表面構造では、図７に例示するように、平面視で矩形の一つの燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）を形作る４つの辺のうち、燃料ガス流入部２３（空気流入部２５）が設けられる第１辺Ｌ１と燃料ガス流出部２４（空気流出部２６）が設けられる第２辺Ｌ２とは互いに対向している。そして、燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）の全体で突起１４が均等に形成され、燃料ガス（空気）の流路抵抗が一様になっている。燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）を形作る４つの辺のうち、残りの２辺に沿ってシール部１３が設けられており、燃料ガス（空気）が外部に漏れ出すことが防止される。
【0087】
本シミュレーションで用いるセルスタック６は、図２に例示したのと同様に、モデルとなる燃料電池セルＣとインターコネクタ１２を順次積層して形成される。平板型の燃料電池セルＣを備えるセルスタック６では、燃料電池セルＣとインターコネクタ１２との積層構造を保持するための締結構造若しくは荷重を与える部分が必要となるが、本シミュレーションには不要のため図示していない。燃料電池セルＣの燃料極７及び空気極８はそれぞれ導電性の接合層（図示せず）を介してインターコネクタ１２と電気的に接続されており、ガスの入口側・出口側でない燃料電池セルＣの２辺の縁はガス遮断性を有する電気絶縁性材料（シール部１３）で接合されている。
【0088】
本シミュレーションでも、燃料ガス流入部２３から燃料ガス流出部２４へ向かう方向と、空気流入部２５から空気流出部２６へ向かう方向とが同じである。つまり、燃料電池セルＣにおいて燃料ガスと空気とは並行して流れる。
【0089】
また、インターコネクタ１２の表面に上述したような突起１４を設けることで、その突起１４による圧力損失特性、導電特性、熱伝導特性が定まるが、本シミュレーションでは、インターコネクタ１２の表面に突起１４が形成された状態を、多孔質体が燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）に充填された状態で置き換えて計算を行っている。
【0090】
尚、インターコネクタ１２の表面構造が空気極側及び燃料極側の両方で複数種（Ａ面及びＢ面）あることで、表面構造が単一である場合に比べ、燃料電池セル毎の燃料ガス流量、空気流量を均一に分配しにくいとの課題も生じ得る。これに関しては、燃料極側空間１２ａ（空気極側空間１２ｂ）の圧力損失設計を均一にするための絞り部分を設けることや、流体シミュレーションを活用した設計で技術対応可能である。本シミュレーションにおいては、各燃料極側空間１２ａ及び空気極側空間１２ｂへの燃料ガス分配及び空気分配は等モル流量と設定した。
【0091】
〔実施例１〕
実施例１では、インターコネクタ１２のＡ面及びＢ面の順序を、図２に示したのと同様の順序にした。つまり、燃料極７側のインターコネクタ１２の表面に対して、Ａ面及びＢ面を交互に形成し、空気極８側のインターコネクタ１２の表面に対して、Ａ面及びＢ面を交互に形成した。その他の条件は以下の通りである。改質部４に供給される原燃料ガスは天然ガスであり、水蒸気改質におけるＳ／Ｃ＝２．５であり、改質部４の出口温度は５８０℃である。燃料ガス流入部２３の温度は５８０℃であり、燃料利用率は７５％である。空気流入部２５の温度は６００℃であり、空気利用率は４０％である。そして、実施例１と比較例とがほぼ同出力になる条件での比較とした。
実施例１では、インターコネクタ１２のＡ面及びＢ面の順序を、図２に示したのと同様の順序にした。つまり、燃料極７側のインターコネクタ１２の表面に対して、Ａ面及びＢ面を交互に形成し、空気極８側のインターコネクタ１２の表面に対して、Ａ面及びＢ面を交互に形成した。その他の条件は以下の通りである。改質部４に供給される原燃料ガスは天然ガスであり、水蒸気改質におけるＳ／Ｃ＝２．５であり、改質部４の出口温度は５８０℃である。燃料ガス流入部２３の温度は５８０℃であり、燃料利用率は７５％である。空気流入部２５の温度は６００℃であり、空気利用率は４０％である。そして、実施例１と比較例とがほぼ同出力になる条件での比較とした。
【0092】
〔比較例〕
比較例では、全てのインターコネクタ１２の表面構造を図７に示すものにした。その他の条件は実施例１で記載したのと同様である。
比較例では、全てのインターコネクタ１２の表面構造を図７に示すものにした。その他の条件は実施例１で記載したのと同様である。
【0093】
以下の表１に示すように、実施例１では、同一燃料ガス、空気入口温度条件、発電電流において、比較例と同等の発電電圧（同等出力）が得られ、最高温度は１８℃低減できた。このことから、実施例１は、燃料電池セルＣ内の過大な温度分布を回避するのに有効なことがわかる。
【0094】
【表1】
【0095】
図８は実施例１のインターコネクタ１２の温度分布を示す図であり、図９は比較例の温度分布を示す図である。但し、インターコネクタ１２の半分の領域（上述した分割リブ３７で分割される領域）のみを示している。図示するように、実施例１の方が、中間の温度領域が広がり、温度の立ち上がりが緩やかになっていることが分かる。
【0096】
〔実施例２〕
実施例２では、燃料極７側のインターコネクタ１２の表面はＡ面、Ｂ面の繰り返しだが、空気極８側のインターコネクタ１２の表面はすべて比較例の表面を用いた。
実施例２では、燃料極７側のインターコネクタ１２の表面はＡ面、Ｂ面の繰り返しだが、空気極８側のインターコネクタ１２の表面はすべて比較例の表面を用いた。
【0097】
以下の表２に示すように、実施例２では、同一燃料ガス、空気入口温度条件、発電電流において、比較例と同等の発電電圧（同等出力）が得られ、最高温度は４℃低減できた。セル内の温度分布勾配を緩和できるが、効果は大きくなかった。
【0098】
【表2】
【0099】
〔実施例３〕
実施例３では、燃料極７側のインターコネクタ１２の表面はＡ面、Ｂ面の繰り返しだが、空気極８側のインターコネクタ１２の表面はすべてＡ面を用いた。
実施例３では、燃料極７側のインターコネクタ１２の表面はＡ面、Ｂ面の繰り返しだが、空気極８側のインターコネクタ１２の表面はすべてＡ面を用いた。
【0100】
以下の表３に示すように、燃料電池セル内の過大な温度分布を回避するのに有効なことがわかる。
【0101】
【表3】
【0102】
〔実施例４〕
実施例４では、燃料極７側のインターコネクタ１２の表面は全てＡ面であり、空気極８側のインターコネクタ１２の表面はすべてＡ面である。
実施例４では、燃料極７側のインターコネクタ１２の表面は全てＡ面であり、空気極８側のインターコネクタ１２の表面はすべてＡ面である。
【0103】
以下の表４に示すように、燃料電池セル内の過大な温度分布を回避するのに有効なことがわかる。
【0104】
【表4】
【0105】
以上のように、比較例と比べて、実施例１、３、４で効果が明確に見られ、実施例２では少し効果が見られた。平板型ＳＯＦＣスタックは異なるセル材料・厚み、インターコネクタ１２厚み、出力密度、スタック周囲の断熱で構成されるものであり、それらのバリエーションに対して実施例１、３、４は、それぞれ効果の出方が変わってくる。これらの手段を適宜選択して実行することが効果を得るために必要である。
【0106】
＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、本発明の固体酸化物形燃料電池の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、Ｂ面の表面構造を、第１燃料極側構造及び第１空気極側構造（Ａ面）とは異なる第２燃料極側構造及び第２空気極側構造の例として説明したが、第２燃料極側構造及び第２空気極側構造はＢ面の表面構造に限定されない。
＜１＞
上記実施形態では、本発明の固体酸化物形燃料電池の構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、Ｂ面の表面構造を、第１燃料極側構造及び第１空気極側構造（Ａ面）とは異なる第２燃料極側構造及び第２空気極側構造の例として説明したが、第２燃料極側構造及び第２空気極側構造はＢ面の表面構造に限定されない。
【0107】
＜２＞
上記実施形態では、燃料極側空間１２ａ及び空気極側空間１２ｂのそれぞれに対して燃料ガス流入部２３及び空気流入部２５を複数個設けた例を説明したが、燃料極側空間１２ａ及び空気極側空間１２ｂのそれぞれに対して設ける燃料ガス流入部２３及び空気流入部２５の数及び位置は適宜変更可能である。
上記実施形態では、燃料極側空間１２ａ及び空気極側空間１２ｂのそれぞれに対して燃料ガス流入部２３及び空気流入部２５を複数個設けた例を説明したが、燃料極側空間１２ａ及び空気極側空間１２ｂのそれぞれに対して設ける燃料ガス流入部２３及び空気流入部２５の数及び位置は適宜変更可能である。
【0108】
例えば、図３に例示したＡ面において、燃料ガス流入部２３及び空気流入部２５を、ｘ＝０．５且つｙ＝０の近傍に１個だけ設けることでもよい。また、図４に例示したＢ面において、燃料ガス流入部２３及び空気流入部２５を、ｘ≦０．１５且つｙ＝０の近傍と、ｘ≧０．８５且つｙ＝０の近傍とに１個ずつ設けることでもよい。
【0109】
＜３＞
図２に示したセルスタック６では、一方の表面がＡ面であり且つ他方の表面がＢ面であるインターコネクタ１２を用いる例を説明したが、本発明はこれに限定されず、複数の燃料極７のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２のうち、少なくとも一つのインターコネクタ１２の、燃料極７と相対する側の表面に第１燃料極側構造（具体例としてはＡ面）が形成されていればよい。従って、上記実施例４のように、燃料極７側のインターコネクタ１２の表面が全てＡ面であってもよい。
また、インターコネクタ１２自体に着目した場合、セルスタック６において、一方の表面がＡ面であり且つ他方の表面がＢ面であるインターコネクタ１２が用いられる場合、両方の表面がＡ面であるインターコネクタ１２が用いられる場合、両方の表面がＢ面であるインターコネクタ１２が用いられる場合なども考えられる。
図２に示したセルスタック６では、一方の表面がＡ面であり且つ他方の表面がＢ面であるインターコネクタ１２を用いる例を説明したが、本発明はこれに限定されず、複数の燃料極７のそれぞれと相対して設けられる複数のインターコネクタ１２のうち、少なくとも一つのインターコネクタ１２の、燃料極７と相対する側の表面に第１燃料極側構造（具体例としてはＡ面）が形成されていればよい。従って、上記実施例４のように、燃料極７側のインターコネクタ１２の表面が全てＡ面であってもよい。
また、インターコネクタ１２自体に着目した場合、セルスタック６において、一方の表面がＡ面であり且つ他方の表面がＢ面であるインターコネクタ１２が用いられる場合、両方の表面がＡ面であるインターコネクタ１２が用いられる場合、両方の表面がＢ面であるインターコネクタ１２が用いられる場合なども考えられる。
【0110】
＜４＞
上記実施形態（別実施形態を含む）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
上記実施形態（別実施形態を含む）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0111】
本発明は、燃料電池セルの内部の温度分布が過度に悪化しない固体酸化物形燃料電池に利用できる。
【符号の説明】
【0112】
４ 改質部
６ セルスタック
７ 燃料極
８ 空気極
９ 固体電解質膜
１２ インターコネクタ
１２ａ 燃料極側空間
１２ｂ 空気極側空間
１５ 第１構造部
１６ 第２構造部
１７ 第３構造部
１８ 第４構造部
１９ 第５構造部
２０ 第６構造部
２３ 燃料ガス流入部
２４ 燃料ガス流出部
２５ 空気流入部
２６ 空気流出部
Ｃ 燃料電池セル
Ｌ１ 第１辺
Ｌ２ 第２辺
Ｌ３ 第３辺
Ｌ４ 第４辺
６ セルスタック
７ 燃料極
８ 空気極
９ 固体電解質膜
１２ インターコネクタ
１２ａ 燃料極側空間
１２ｂ 空気極側空間
１５ 第１構造部
１６ 第２構造部
１７ 第３構造部
１８ 第４構造部
１９ 第５構造部
２０ 第６構造部
２３ 燃料ガス流入部
２４ 燃料ガス流出部
２５ 空気流入部
２６ 空気流出部
Ｃ 燃料電池セル
Ｌ１ 第１辺
Ｌ２ 第２辺
Ｌ３ 第３辺
Ｌ４ 第４辺
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】