WO2016185594A1 - 固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
WO2016185594A1
WO2016185594A1 PCT/JP2015/064553 JP2015064553W WO2016185594A1 WO 2016185594 A1 WO2016185594 A1 WO 2016185594A1 JP 2015064553 W JP2015064553 W JP 2015064553W WO 2016185594 A1 WO2016185594 A1 WO 2016185594A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cell
gas
gas permeability
cell substrate
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2015/064553
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
岩切　保憲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to CN201580080229.3A priority Critical patent/CN107615542B/zh
Priority to EP15892593.3A priority patent/EP3300151B1/en
Priority to BR112017024931-6A priority patent/BR112017024931B1/pt
Priority to JP2017518695A priority patent/JP6504249B2/ja
Priority to CA2986716A priority patent/CA2986716C/en
Priority to US15/575,513 priority patent/US10205176B2/en
Priority to PCT/JP2015/064553 priority patent/WO2016185594A1/ja
Publication of WO2016185594A1 publication Critical patent/WO2016185594A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H01M8/1226—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material characterised by the supporting layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a cell module for a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell using the same. Specifically, the present invention relates to a cell module for a solid oxide fuel cell that suppresses an excessive temperature rise and a solid oxide fuel cell using the same.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the solid oxide fuel cell uses a solid oxide material having oxygen ion conductivity such as stabilized zirconia or ceria-based solid solution as an electrolyte. Further, the SOFC forms a single cell by laminating an air electrode and a fuel electrode each having gas permeability on both surfaces of a solid electrolyte. Then, using a gas-impermeable solid electrolyte as a partition wall, a fuel gas such as hydrogen or hydrocarbon is supplied from the outside to the fuel electrode side, and an oxidant gas such as air is supplied to the air electrode side to generate electricity. . In addition to hydrogen and hydrocarbons, a reformed gas obtained by reforming various liquid fuels may be used as the fuel gas.
  • a reformed gas obtained by reforming various liquid fuels may be used as the fuel gas.
  • Patent Document 1 includes a solid electrolyte layer, a first porous electrode layer, a second porous electrode layer, and a conductive porous support for supporting them, and a surface of the conductive porous support.
  • circulates in the state which gas contacted is disclosed.
  • the conductive porous support has portions with different porosities, and the portions with different porosities have a low porosity on the upstream side in the gas flow direction of the gas flow passage and a high porosity on the downstream side.
  • the configuration is disclosed. As described above, the high porosity and high efficiency of the electrochemical cell are achieved by adopting a configuration in which the porosity is low on the upstream side of the gas flow passage and the porosity is increased on the downstream side.
  • An object of the present invention is to provide a cell module for a solid oxide fuel cell that makes it difficult to exceed the operating limit temperature of a single cell and suppresses a decrease in durability, and a solid oxide fuel cell using the same. Is to provide.
  • a cell module for a solid oxide fuel cell comprises a cell substrate having gas permeability, a fuel electrode formed on the cell substrate, a solid electrolyte, and an air electrode.
  • a cell substrate having gas permeability
  • a fuel electrode formed on the cell substrate
  • a solid electrolyte formed on the cell substrate
  • an air electrode a solid electrolyte
  • the gas permeability at the center of the cell substrate is lower than the gas permeability at the inlet and outlet.
  • the gas permeability at the outlet portion of the cell substrate is lower than the gas permeability at the portion other than the outlet portion.
  • the cell module for a solid oxide fuel cell of the present invention By using the cell module for a solid oxide fuel cell of the present invention, the power generation amount of a single cell facing the portion where the gas permeability of the cell substrate is reduced is reduced. Therefore, it becomes possible to lower the maximum temperature of the cell module and suppress a decrease in durability of the cell module.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view showing a cell module for a solid oxide fuel cell.
  • (A) shows the case where the fuel gas and the oxidant gas are in parallel flow, and (b) shows the case in which the fuel gas and the oxidant gas are counter flow.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a solid oxide fuel cell.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the position in the gas flow direction in the cell module and the temperature of the cell module.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the position in the gas flow direction, the gas permeability of the cell substrate, and the temperature of the cell module in a cell module in which fuel gas and oxidant gas are in parallel flow.
  • (A) is a graph which shows the relationship between the position of the gas flow direction in a cell module, and the gas permeability of a cell substrate
  • (b) shows the relationship between the position of the gas flow direction in a cell module, and the temperature of a cell module. It is a graph.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the position in the gas flow direction and the temperature of the cell module in a cell module in which fuel gas and oxidant gas are in parallel flow.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the position in the gas flow direction, the gas permeability of the cell substrate, and the temperature of the cell module in the cell module in which the fuel gas and the oxidant gas are counterflows.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a method for manufacturing the cell module according to the first embodiment.
  • (A) is a schematic sectional drawing which shows the cell substrate which has a uniform gas permeability
  • (b) is a schematic sectional drawing which shows the cell substrate to which the compression process was performed.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a method for manufacturing the cell module according to the second embodiment.
  • A is a schematic sectional drawing which shows the cell substrate which has uniform gas permeability
  • (b) is a schematic sectional drawing which shows the cell substrate by which the notch process was performed.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a method for manufacturing the cell module according to the third embodiment.
  • A) is a schematic sectional drawing which shows the cell board
  • (b) is a schematic sectional drawing which shows the state before penetrating a porous board to a cell board
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a method for manufacturing the cell module according to the fourth embodiment.
  • A) is a schematic sectional drawing which shows the cell board
  • (b) is a schematic sectional drawing which shows the state before penetrating a porous board to a cell board
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a method for manufacturing the cell module according to the fifth embodiment.
  • A is schematic sectional drawing which shows the state before joining a low-permeability structure and a high-permeability structure
  • (b) is a cell formed by joining a low-permeability structure and a high-permeability structure.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a method for manufacturing the cell module according to the sixth embodiment.
  • (A) is a schematic sectional drawing which shows the cell substrate which has uniform gas permeability
  • (b) is a schematic sectional drawing which shows the state which joined the gas penetration obstruction member to the cell substrate.
  • (C) is a schematic cross-sectional view taken along the line CC of (d), showing a state in which an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode are laminated on a cell substrate provided with a gas intrusion hindering member.
  • (D) is a bottom view showing the cell module of the present embodiment.
  • the cell module 10 includes a cell substrate 1 having gas permeability. Further, the cell module 10 is formed on the cell substrate 1, either the fuel electrode or the air electrode 2, the solid electrolyte 3 formed on the one electrode 2, and the solid electrolyte 3. The other electrode 4 is provided.
  • the cell module 10 includes a fuel electrode interconnector 21 (fuel electrode separator) and an air electrode interconnector 22 (air electrode separator). It is pinched.
  • the fuel electrode interconnector 21 includes a plurality of fuel gas channels 21a
  • the air electrode interconnector 22 includes a plurality of oxidant gas channels 22a.
  • the fuel gas channel 21a and the oxidant gas channel 22a are a large number of linear channels (parallel channels) arranged in parallel to each other.
  • the cross-sectional shapes of the flow paths (fuel gas flow path 21a and oxidant gas flow path 22a) provided in the fuel electrode interconnector 21 and the air electrode interconnector 22 are composed of convex portions called ribs and concave portions called channels. .
  • one of the ribs of the fuel electrode interconnector 21 and the air electrode interconnector 22 comes into contact with the cell substrate 1, whereby electrons are conducted between the interconnector and the cell substrate 1.
  • the other ribs of the fuel electrode interconnector 21 and the air electrode interconnector 22 are brought into contact with the other electrode 4, whereby electrons are conducted between the interconnector and the other electrode 4.
  • the fuel gas flowing through the fuel gas flow channel 21a and the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow channel 22a may be a counter flow that flows oppositely in the plane of the cell module 10. Further, the fuel gas and the oxidant gas may be a parallel flow (co-flow) that flows in the same direction in the plane of the cell module 10.
  • the cell module 10 will be described below with one electrode 2 as a fuel electrode and the other electrode 4 as an air electrode.
  • the fuel electrode interconnector 21 is in contact with the cell substrate 1 and the air electrode interconnector 22 is in contact with the air electrode.
  • FIG. 1A in the case of a parallel flow in which the fuel gas and the oxidant gas flow in the same direction in the plane of the cell module 10, as shown in FIG. Cell module temperature is highest. That is, in the case of the parallel flow type, heat generated by the battery reaction and heat generated by Joule heat are transmitted to the downstream side by the effect of convective heat transfer by the working fluid. Therefore, the temperature of the cell module rises from the inlet to the outlet of the gas flow path.
  • FIG. 1 (b) in the case of the counter flow in which the fuel gas and the oxidant gas flow in opposition in the plane of the cell module 10, a temperature distribution different from that in the parallel flow is shown.
  • a portion where the cell module temperature is high occurs in the central portion 1b, not in the inlet portion 1a and the outlet portion 1c of the oxidant gas and fuel gas in the cell module 10.
  • the oxidant gas outlet side becomes the fuel gas inlet side, and the low-temperature fuel gas flows on the oxidant gas outlet side. Therefore, the cell module temperature in the central portion 1b is more likely to rise intensively than the outlet portion 1c and the inlet portion 1a.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 in the portion corresponding to the high temperature portion in the cell module 10 is reduced. That is, in the case of parallel flow, the gas permeability of the outlet portion 1c of the fuel gas in the cell substrate 1 is set lower than the gas permeability of the portion other than the outlet portion 1c in the cell substrate 1.
  • the single cell covers the insufficient power generation amount on the upstream side, so that the power generation amount in the upstream portion (inlet portion 1a) increases.
  • the temperature rises at the inlet portion 1a which has been low temperature, and the temperature falls at the outlet portion 1c, so that the high temperature concentration at the outlet portion 1c is alleviated and the temperature of the entire cell module can be made uniform.
  • the porosity is increased on the downstream side of the gas flow path to increase the gas permeability.
  • the gas permeability is set low on the downstream side of the gas flow path. Therefore, as shown in FIGS. 4B and 5, the temperature at the outlet portion 1 c of the cell module 10 is lowered as compared with the configuration of Patent Document 1, so that the state below the operating limit temperature is maintained. Can do. As a result, thermal deterioration of the cell module 10 can be suppressed and durability can be improved.
  • the gas permeability of the central portion 1b of the cell substrate 1 in the gas flow direction is expressed by the fuel gas inlet portion 1a and the cell substrate 1 It is set lower than the gas permeability of the outlet 1c.
  • FIG. 7 shows the relationship between the gas permeability of the cell substrate and the maximum temperature in the portion where the temperature of the cell module is high. Specifically, in the case of parallel flow, the relationship between the gas permeability of the fuel gas outlet 1c in the cell substrate 1 and the maximum temperature is shown. In the case of the counter flow, the relationship between the gas permeability of the central portion 1b of the cell substrate 1 in the gas flow direction and the maximum temperature is shown.
  • a gas permeability of 1.0 indicates that the gas permeability is the same as that of other locations on the cell substrate.
  • a gas permeability of 0.6 means that 60% of gas permeates, that is, the amount of gas permeation decreases by 40%.
  • the gas permeability at which the maximum temperature of the cell module is lowest is around 0.6. Therefore, in consideration of the manufacturing conditions of the cell substrate and the temperature lowering effect of the cell module, the gas permeability is preferably 0.4 to 0.8, more preferably 0.5 to 0.7. In other words, in the cell substrate 1, the gas permeability of the portion having a low gas permeability is preferably 40 to 80% lower, and more preferably 30 to 50% lower than the gas permeability of the other portions.
  • the method for measuring the gas permeability of the cell substrate 1 is not particularly limited as long as the relative value between the gas permeability in the portion where the gas permeability is low and the gas permeability in other portions can be obtained.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 can be measured using, for example, a differential pressure type gas permeability evaluation apparatus.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 can be lowered by providing a dense portion formed by compressing the cell substrate 1. That is, the cell substrate 1 having a uniform gas permeability is formed by compressing and denting a portion where the gas permeability is desired to be lowered, thereby changing the gas permeability.
  • the portion of the cell substrate 1 having a uniform gas permeability is compressed from the lower surface of the cell substrate 1 with respect to the cell substrate 1 having a uniform gas permeability. Then, the dense portion 1d is formed by recessing. And as shown in FIG.8 (c), the cell module 10 is laminated
  • stacking method of the fuel electrode 2, the solid electrolyte 3, and the air electrode 4 is not specifically limited, A well-known method can be used.
  • Such a dense portion 1d is compressed by the cell substrate 1 and increases in density, so that it is difficult for fuel gas to enter. Therefore, in the dense portion 1d, the fuel gas permeability is reduced, and the fuel gas entering the fuel electrode 2 is reduced. Therefore, since the power generation amount of the single cell facing the dense portion subjected to such compression processing is reduced, the maximum temperature of the cell module can be lowered. Further, by adjusting the compression amount of the dense portion 1d, that is, the thickness and density of the dense portion, a desired gas permeability can be easily obtained.
  • the dense portion 1 d may be formed on the entire central portion 1 b of the cell substrate 1. In the case of parallel flow, the dense portion 1 d may be formed on the entire outlet portion 1 c of the cell substrate 1.
  • the dense portion 1d is formed by being compressed and recessed from the lower surface of the cell substrate 1, the recessed portion is not in contact with the rib of the fuel electrode interconnector 21, and the cell substrate 1 and the fuel There is a possibility that sufficient conduction with the polar interconnector 21 cannot be ensured.
  • the dense portion 1d is formed in a long shape along the fuel gas flow direction (Z-axis direction). Furthermore, it is preferable to provide a plurality of dense portions 1d at intervals in a direction perpendicular to the Z-axis direction (X-axis direction). Thus, by providing a plurality of dense portions 1d at intervals, the cell substrate 1 and the fuel electrode interconnector 21 are electrically connected even in a portion where the gas permeability is to be reduced. Therefore, it is possible to ensure electrical connection between the cell substrate 1 and the fuel electrode interconnector 21. In addition, it is possible to obtain a desired gas permeability by providing a plurality of dense portions 1d at intervals and adjusting the width, interval, and density of the dense portions 1d.
  • the cell substrate 1 is not particularly limited as long as it has gas permeability and sufficient strength as a support, but a cell substrate having a high electrical conductivity is used. Is preferred.
  • a plate-shaped member made of a corrosion-resistant alloy, corrosion-resistant steel, stainless steel, or the like containing nickel (Ni) or chromium (Cr) and having a large number of voids can be applied.
  • a punching metal substrate, an etching metal substrate, an expanded metal substrate, a foamed metal body, a metal powder sintered body, a metal mesh such as a wire mesh, a metal nonwoven fabric, or the like made of the above material can be used. Moreover, these may laminate
  • the fuel electrode 2 one that is strong in a reducing atmosphere, permeates the fuel gas, has high electrical conductivity, and has a catalytic action for converting hydrogen molecules into protons can be suitably used.
  • a metal such as nickel (Ni) may be applied alone, but a cermet mixed with an oxygen ion conductor typified by yttria stabilized zirconia (YSZ) is applied. It is preferable to do. By using such a material, the reaction area increases and the electrode performance can be improved.
  • a ceria solid solution such as samaria doped ceria (SDC) or gadria doped ceria (GDC) can be applied instead of yttria stabilized zirconia (YSZ).
  • the air electrode 4 one that is strong in an oxidizing atmosphere, permeates the oxidant gas, has high electrical conductivity, and has a catalytic action for converting oxygen molecules into oxide ions can be suitably used.
  • the air electrode 4 may be made of an electrode catalyst or a cermet of an electrode catalyst and an electrolyte material.
  • a metal such as silver (Ag) or platinum (Pt) may be used as the electrode catalyst, but lanthanum strontium cobaltite (La 1-x Sr x CoO 3 : LSC) or lanthanum strontium cobalt ferrite ( La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3: LSCF), samarium strontium cobaltite (Sm x Sr 1-x CoO 3: SSC), lanthanum strontium manganite (La 1-x Sr x MnO 3: LSM It is preferable to apply a perovskite oxide such as However, it is not limited to these, and conventionally known air electrode materials can be applied.
  • examples of the electrolyte material include, but are not limited to, cerium oxide (CeO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), and lanthanum oxide (La 2 O 3 ). It is not a thing, but the mixture with oxides, such as various stabilized zirconia and a ceria solid solution, can be used suitably.
  • solid electrolyte 3 what has gas impermeability and the ability to let oxygen ion pass without passing an electron can be used conveniently.
  • the constituent material of the solid electrolyte include yttria (Y 2 O 3 ), neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), samaria (Sm 2 O 3 ), gadria (Gd 2 O 3 ), and scandia (Sc 2 O 3 ). It is possible to apply stabilized zirconia in which these are dissolved.
  • ceria solid solutions such as samaritan doped ceria (SDC), yttria doped ceria (YDC), and gadria doped ceria (GDC), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), lanthanum strontium magnesium gallate (La 1-x Sr x Ga 1-y Mg y O 3 : LSMG) or the like can also be applied.
  • SDC samaritan doped ceria
  • YDC yttria doped ceria
  • GDC gadria doped ceria
  • Bi 2 O 3 bismuth oxide
  • La 1-x Sr x Ga 1-y Mg y O 3 : LSMG lanthanum strontium magnesium gallate
  • the cell module 10 includes the cell substrate 1 having gas permeability, one electrode 2 of the fuel electrode and the air electrode formed on the cell substrate 1, and one electrode 2.
  • the solid electrolyte 3 formed on the top and the other electrode 4 formed on the solid electrolyte 3 are provided.
  • the gas permeability of the central portion 1b of the cell substrate 1 in the gas flow direction is higher than the gas permeability of the inlet portion 1a and the outlet portion 1c of the cell substrate 1. It has a low configuration.
  • the gas permeability of the outlet portion 1c of the cell substrate 1 in the gas flow direction is other than the outlet portion 1c of the cell substrate 1.
  • the gas permeability is lower than that of the portion. Therefore, since the amount of power generation of the single cell facing the portion where the gas permeability in the cell substrate 1 is reduced, the maximum temperature of the cell module can be lowered and the durability of the cell module can be improved.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 is lowered by providing a dense portion 1d formed by compressing the cell substrate 1. Since the dense portion 1d is formed by compressing and denting the portion where the gas permeability is to be lowered in this way, the gas permeability can be lowered by a simple method.
  • the cell substrate 1 is divided into three equal parts along the gas flow direction (Z-axis direction) and defined in detail from the upstream side of the fuel gas as the inlet portion 1a, the central portion 1b, and the outlet portion 1c.
  • the present embodiment is not limited to this aspect. That is, the cell substrate 1 is divided into three or more parts in the gas flow direction (Z-axis direction), the portion including the fuel gas inlet is defined as the inlet portion 1a, and the portion including the fuel gas outlet is defined as the outlet portion 1c. You may prescribe
  • the cell module of the present embodiment is configured so that the gas permeability of the central portion 1b of the cell substrate 1 is lower than the gas permeability of the inlet portion 1a and the outlet portion 1c. It is the same as the form.
  • the gas permeability of the outlet portion 1c of the cell substrate 1 is set to be lower than the gas permeability of portions other than the outlet portion 1c, as in the first embodiment.
  • This embodiment is different from the first embodiment in the method for changing the gas permeability of the cell substrate 1.
  • a method for reducing the gas permeability at the central portion 1b of the cell substrate 1 will be described.
  • a method for reducing the gas permeability at the outlet portion 1c can be similarly performed.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 can be adjusted by providing the cell substrate 1 with a groove-shaped notch. That is, with respect to the cell substrate 1 having a uniform gas permeability, grooves are formed by cutting the surfaces of the portions (for example, the inlet portion 1a and the outlet portion 1c) where the gas permeability is desired to be increased, and the change in the gas permeability. It is something that has
  • FIGS. 9A and 9B a portion of the cell substrate 1 having a uniform gas permeability that is desired to increase the gas permeability is cut out by cutting away from the lower surface. A notch is provided, and the portion where the gas permeability is to be reduced is maintained without being cut.
  • the cell module 10 is laminated
  • stacking method of the fuel electrode 2, the solid electrolyte 3, and the air electrode 4 is not specifically limited, A well-known method can be used.
  • the fuel gas can easily enter the cell substrate 1 of the inlet portion 1a and the outlet portion 1c provided with the notch 1e, Improves permeability.
  • the cell substrate 1 in the central portion 1b where the notch 1e is not provided maintains the gas permeability as it is. Therefore, when viewed from the whole cell module, the gas permeability of the central portion 1b of the cell substrate 1 is relatively reduced. Therefore, since the power generation amount of the single cell facing the central portion 1b where such notch processing is not performed is reduced, the maximum temperature of the cell module can be lowered.
  • the amount of reduction in gas permeability can be easily adjusted by adjusting the width of the notch and the depth of excision.
  • the notch 1e may be formed in the entire portion where the gas permeability is desired to be increased. That is, in the case of the counter flow, the notch 1e may be formed in the entire inlet portion 1a and outlet portion 1c of the cell substrate 1. Further, in the case of parallel flow, a notch 1e may be formed in the entire inlet portion 1a and central portion 1b of the cell substrate 1. However, since the notch 1e is formed by partially cutting the lower surface of the cell substrate 1, the cut portion is not in contact with the rib of the fuel electrode interconnector 21, and the cell substrate 1 and the fuel electrode There is a possibility that sufficient conduction with the connector 21 cannot be ensured. Further, when the notch 1e is increased, the strength of the cell substrate may be excessively reduced.
  • the notch 1e is formed in a long shape along the fuel gas flow direction (Z-axis direction). Furthermore, it is preferable to provide a plurality of cutouts 1e at intervals in a direction perpendicular to the Z-axis direction (X-axis direction).
  • the cell substrate 1 and the fuel electrode interconnector 21 are electrically connected to each other, and it is possible to ensure electrical conduction therebetween.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 is adjusted by providing the cell substrate 1 with a groove-shaped notch.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 is adjusted by reducing the apparent volume of the cell substrate 1. Therefore, the inlet portion 1a and the outlet portion 1c of the cell substrate 1 are notched, and the apparent volume of the cell substrate 1 made of a porous body is reduced, thereby increasing the gas permeability of the inlet portion 1a and the outlet portion 1c, In particular, the gas permeability of the central portion 1b can be reduced.
  • This embodiment is different from the first embodiment in the method for changing the gas permeability of the cell substrate 1.
  • a method for reducing the gas permeability at the central portion 1b of the cell substrate 1 will be described.
  • a method for reducing the gas permeability at the outlet portion 1c can be similarly performed.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 can be lowered by lowering the porosity of the porous body constituting the cell substrate 1. That is, for the cell substrate 1 having a uniform gas permeability, a porous plate is additionally compressed in a portion where the gas permeability is desired to be lowered and penetrated into the cell substrate to change the gas permeability. .
  • the cell substrate 1 having a uniform gas permeability is porous from the lower surface of the cell substrate 1 in a portion where the gas permeability is desired to be reduced.
  • the penetration portion 1 g is formed.
  • the bottom surface of the cell substrate 1 subjected to the penetration processing can be smoothed. Therefore, by laminating the fuel electrode 2, the solid electrolyte 3 and the air electrode 4 on the bottom surface.
  • the cell module 10 is obtained.
  • stacking method of the fuel electrode 2, the solid electrolyte 3, and the air electrode 4 is not specifically limited, A well-known method can be used.
  • Such a penetration 1g makes it difficult for fuel gas to enter because the porous plate 1f penetrates the cell substrate 1 and the porosity is lowered. Therefore, in the penetration portion 1g, the fuel gas permeability is reduced, and the fuel gas entering the fuel electrode 2 is reduced. Therefore, since the power generation amount of the single cell facing the penetration portion 1g is reduced, the maximum temperature of the cell module can be lowered. In addition, it is possible to easily obtain a desired gas permeability by adjusting the thickness of the porous plate 1f for forming the penetration portion 1g.
  • the porous plate 1 f is compressed from the surface of the cell substrate 1, and the porous plate 1 f is penetrated into the cell substrate 1, thereby forming the penetration portion 1 g. Therefore, since both the upper surface and the lower surface of the cell substrate 1 can be made smooth, the fuel electrode 2, the solid electrolyte 3 and the air electrode 4 are formed on the lower surface of the cell substrate 1, as shown in FIG. be able to. The fuel electrode 2, the solid electrolyte 3, and the air electrode 4 may be formed on the upper surface of the cell substrate 1.
  • the cell module of this embodiment can further improve the power generation performance compared to the first and second embodiments.
  • the porous plate 1f like the cell substrate 1, is made of a corrosion-resistant alloy, corrosion-resistant steel, stainless steel, or the like containing nickel (Ni) or chromium (Cr), and has a plate shape having a large number of voids. Can be used. Specifically, a punching metal substrate, an etching metal substrate, an expanded metal substrate, a foamed metal body, a metal powder sintered body, a metal mesh such as a wire mesh, a metal nonwoven fabric, or the like made of the above material can be used. Further, the shape of the porous plate 1f is not limited to the frustum shape as shown in FIG. 10, and may be, for example, a rectangular parallelepiped shape.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 is lowered by lowering the porosity of the porous body constituting the cell substrate 1 as in the third embodiment.
  • the cell substrate 1 having a uniform gas permeability is porous from the lower surface of the cell substrate 1 in a portion where the gas permeability is desired to be reduced.
  • 1 g of penetration parts are formed by compressing the board 1f and penetrating the porous board 1f inside.
  • the cell module 10 is obtained by laminating
  • the penetration part 1g is formed in a long shape along the fuel gas flow direction (Z-axis direction). Further, a plurality of penetration portions 1g are provided at intervals in a direction perpendicular to the Z-axis direction (X-axis direction). Thus, it becomes possible to obtain a desired gas permeability by providing a plurality of penetration portions 1g at intervals and adjusting the width and interval of the penetration portions 1g.
  • the ribs of the fuel electrode interconnector 21 can be compared with the cell substrates of the first and second embodiments. A large contact area is secured. Therefore, the cell module of this embodiment can further improve the power generation performance compared to the first and second embodiments.
  • This embodiment is different from the first embodiment in the method for changing the gas permeability of the cell substrate 1.
  • a method for reducing the gas permeability at the central portion 1b of the cell substrate 1 will be described.
  • a method for reducing the gas permeability at the outlet portion 1c can be similarly performed.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 can be lowered by lowering the porosity of the porous body constituting the cell substrate 1.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 uses two types of porous structures in which the gas permeability is changed by changing the porosity. The gas permeability is adjusted by superimposing these.
  • the cell substrate 1 of the present embodiment uses a low-transmittance structure 1h and a high-transmittance structure 1i that has a smaller gas transmission amount than the low-transmittance structure 1h. Yes.
  • the thickness of the central portion 1b in the low transmittance structure 1h is increased, and the thickness of the central portion 1b in the high transmittance structure 1i is decreased. That is, with respect to the central portion 1b, the thickness of the low transmittance structure 1h in the stacking direction (Y-axis direction) is larger than the thickness of the high transmittance structure 1i.
  • the thickness of the inlet portion 1a and the outlet portion 1c in the low transmittance structure 1h is relatively small, and the thickness of the inlet portion 1a and the outlet portion 1c in the high transmittance structure 1i is relatively large. That is, regarding the inlet portion 1a and the outlet portion 1c, the thickness of the low transmittance structure 1h in the stacking direction (Y-axis direction) is smaller than the thickness of the high transmittance structure 1i.
  • the convex central portion 1b in the low transmittance structure 1h is laminated so as to be inserted into the concave central portion 1b in the high transmittance structure 1i.
  • the cell substrate 1 according to the embodiment is obtained.
  • the cell module 10 is obtained by laminating the fuel electrode 2, the solid electrolyte 3, and the air electrode 4 on the obtained cell substrate 1.
  • stacking method of the fuel electrode 2, the solid electrolyte 3, and the air electrode 4 is not specifically limited, A well-known method can be used.
  • the permeability of the fuel gas is reduced in the portion where the low permeability structure 1h is thick, and the fuel gas entering the fuel electrode 2 is reduced. Therefore, since the power generation amount of the single cell facing the thick part of the low transmittance structure 1h is reduced, the maximum temperature of the cell module can be lowered. Further, by adjusting the thickness of the low transmittance structure 1h and the gas permeability of the low transmittance structure 1h and the high transmittance structure 1i, a desired gas permeability can be easily obtained.
  • the fuel electrode interconnector 21 is compared with the cell substrates of the first and second embodiments. A large contact area with the ribs is ensured. Therefore, the cell module of this embodiment can further improve the power generation performance compared to the first and second embodiments.
  • This embodiment is different from the first embodiment in the method for changing the gas permeability of the cell substrate 1.
  • a method for reducing the gas permeability at the central portion 1b of the cell substrate 1 will be described.
  • a method for reducing the gas permeability at the outlet portion 1c can be similarly performed.
  • the gas permeability of the cell substrate 1 can be lowered by providing a gas intrusion hindering member on the cell substrate 1.
  • a gas penetration obstruction member is installed on the surface of the part where the gas permeability is desired to be reduced, and the gas penetration is changed by suppressing the gas penetration of the part.
  • the gas intrusion hindering member 1j is provided on the lower surface of the portion where the gas permeability is desired to be reduced with respect to the cell substrate 1 having a uniform gas permeability.
  • the cell module 10 is obtained by laminating
  • stacking method of the fuel electrode 2, the solid electrolyte 3, and the air electrode 4 is not specifically limited, A well-known method can be used.
  • the gas intrusion obstruction member 1j is not particularly limited as long as it is a member that suppresses the invasion of fuel gas to the cell substrate 1.
  • the gas intrusion hindering member 1j is made of the same material as that of the cell substrate 1, but a denser structure may be used, and a plate material may be provided with a large number of through holes.
  • a punching metal substrate, an etching metal substrate, an expanded metal substrate, a foam metal body, a metal powder sintered body, a metal mesh such as a wire mesh, a metal nonwoven fabric, or the like can be used.
  • the gas intrusion hindrance member 1j may be bonded to the lower surface of the cell substrate 1 or may be partially embedded in the cell substrate 1.
  • the contact area of the interconnector is increased with respect to a place where gas intrusion in the cell substrate 1 is desired to be suppressed, and the amount of fuel gas entering the cell substrate 1 is suppressed.
  • the contact area of the interconnector is reduced at the location where gas penetration into the cell substrate 1 is desired to be increased, and the amount of fuel gas entering the cell substrate 1 is increased.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

固体酸化物形燃料電池用セルモジュールは、ガス透過性を有するセル基板（１）と、セル基板上に形成される、燃料極及び空気極のいずれか一方の電極（２）と、当該一方の電極上に形成される固体電解質（３）と、固体電解質上に形成される他方の電極（４）とを備える。燃料ガスと酸化剤ガスとを対向して流す場合、ガス流れ方向におけるセル基板の中央部（１ｂ）のガス透過率が、セル基板の入口部（１ａ）及び出口部（１ｃ）のガス透過率よりも低い。また、燃料ガスと酸化剤ガスとを並行して流す場合、ガス流れ方向におけるセル基板の出口部のガス透過率が、セル基板の出口部以外の部分のガス透過率よりも低い。

Description

固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池
　本発明は、固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池に関する。詳細には本発明は、過度な温度上昇を抑制した固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池に関する。
　地球環境問題への関心の高まりから、近年、各種燃料電池の自動車への利用が検討されている。そして、各種燃料電池の中でも固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は効率が高く、自動車用電源として注目されている。
　固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、安定化ジルコニアやセリア系固溶体のような酸素イオン伝導性を備えた固体酸化物材料を電解質として用いている。さらにＳＯＦＣは、固体電解質の両面に、ガス透過性を備えた空気極と燃料極とをそれぞれ積層して単セルを構成している。そして、ガス不透過性の固体電解質を隔壁として、外部から燃料極側に水素や炭化水素等の燃料ガスを供給し、空気極側には空気等の酸化剤ガスを供給して電気を発生させる。なお、燃料ガスとしては、水素や炭化水素以外にも、各種液体燃料を改質して得られる改質ガスを用いる場合がある。
　固体酸化物形燃料電池を自動車等に適用する場合、利用形態の特殊性として、高出力運転と高耐久性が同時に求められることがある。例えば、特許文献１では、固体電解質層、第１多孔質電極層、第２多孔質電極層、及びこれらを支持するための導電性多孔質支持体を備え、導電性多孔質支持体の表面とガスが接触した状態で流通するガス流通路が設けられた電気化学セルを開示している。そして、導電性多孔質支持体が気孔率の異なる部分を有し、かつ、気孔率の異なる部分が、ガス流通路のガス流れ方向の上流側で気孔率が低く下流側で気孔率が高くなっている構成を開示している。このように、ガス流通路の上流側で気孔率が低く下流側で気孔率を高める構成とすることで、電気化学セルの高性能化及び高効率化を図っている。
特許第５３６４４７７号明細書
　ここで、固体酸化物形燃料電池は、発電時において単セルに温度分布が発生する。つまり、単セルの面内で燃料ガスと酸化剤ガスとが同じ方向に流れる並行流の場合、燃料ガスと酸化剤ガスの出口において単セルの温度が最も高くなる。このため、特許文献１のように、単セルの下流側で気孔率を高くすると、そもそも単セル温度の高い下流部で気孔率を上げて発電を増加させるため、単セルの温度が過度に上昇してしまう。その結果、セル材料の特性で決まる作動限界温度を越え、単セルにダメージを与え、耐久性の低下を招く恐れがあった。
　本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、単セルの作動限界温度を超え難くし、耐久性の低下を抑制することが可能な固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明の態様に係る固体酸化物形燃料電池用セルモジュールは、ガス透過性を有するセル基板と、セル基板上に形成された燃料極、固体電解質及び空気極を有する。そして、燃料ガスと酸化剤ガスとを対向して流す場合、セル基板の中央部のガス透過率が、入口部及び出口部のガス透過率よりも低い。また、燃料ガスと酸化剤ガスとを並行して流す場合、セル基板の出口部のガス透過率が、出口部以外の部分のガス透過率よりも低い。
　本発明の固体酸化物形燃料電池用セルモジュールを用いることで、セル基板におけるガス透過率が減少した部分に対向する単セルの発電量が減少する。そのため、セルモジュールの最高温度を低くし、セルモジュールの耐久性の低下を抑制することが可能となる。
図１は、固体酸化物形燃料電池用セルモジュールを示す概略断面図である。（ａ）は燃料ガスと酸化剤ガスとが並行流の場合を示し、（ｂ）は燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流の場合を示す。 図２は、固体酸化物形燃料電池を示す斜視図である。 図３は、セルモジュールにおけるガス流れ方向の位置とセルモジュールの温度との関係を示すグラフである。 図４は、燃料ガスと酸化剤ガスが並行流であるセルモジュールにおける、ガス流れ方向の位置とセル基板のガス透過率及びセルモジュールの温度との関係を示すグラフである。（ａ）はセルモジュールにおけるガス流れ方向の位置とセル基板のガス透過率との関係を示すグラフであり、（ｂ）はセルモジュールにおけるガス流れ方向の位置とセルモジュールの温度との関係を示すグラフである。 図５は、燃料ガスと酸化剤ガスが並行流であるセルモジュールにおける、ガス流れ方向の位置とセルモジュールの温度との関係を示すグラフである。 図６は、燃料ガスと酸化剤ガスが対向流であるセルモジュールにおける、ガス流れ方向の位置とセル基板のガス透過率及びセルモジュールの温度との関係を示すグラフである。（ａ）はセルモジュールにおけるガス流れ方向の位置とセル基板のガス透過率との関係を示すグラフであり、（ｂ）はセルモジュールにおけるガス流れ方向の位置とセルモジュールの温度との関係を示すグラフである。 図７は、セル基板のガス透過率とセルモジュールの温度との関係を示すグラフである。 図８は、第一実施形態に係るセルモジュールの製造方法を示す図である。（ａ）は均一なガス透過率を有するセル基板を示す概略断面図であり、（ｂ）は圧縮加工が施されたセル基板を示す概略断面図である。（ｃ）は、圧縮加工が施されたセル基板に空気極、固体電解質及び燃料極を積層した状態を示し、（ｅ）のＣ－Ｃ線に沿った概略断面図である。（ｄ）は、（ｅ）のＤ－Ｄ線に沿った概略断面図である。（ｅ）は、本実施形態のセルモジュールを示す底面図である。 図９は、第二実施形態に係るセルモジュールの製造方法を示す図である。（ａ）は均一なガス透過率を有するセル基板を示す概略断面図であり、（ｂ）は切り欠き加工が施されたセル基板を示す概略断面図である。（ｃ）は、切り欠き加工が施されたセル基板に空気極、固体電解質及び燃料極を積層した状態を示し、（ｅ）のＣ－Ｃ線に沿った概略断面図である。（ｄ）は、（ｅ）のＤ－Ｄ線に沿った概略断面図である。（ｅ）は、本実施形態のセルモジュールを示す底面図である。 図１０は、第三実施形態に係るセルモジュールの製造方法を示す図である。（ａ）は均一なガス透過率を有するセル基板を示す概略断面図であり、（ｂ）は多孔質板をセル基板に貫入する前の状態を示す概略断面図である。（ｃ）は、貫入部が設けられたセル基板に空気極、固体電解質及び燃料極を積層した状態を示す概略断面図である。（ｄ）は、本実施形態のセルモジュールを示す平面図である。 図１１は、第四実施形態に係るセルモジュールの製造方法を示す図である。（ａ）は均一なガス透過率を有するセル基板を示す概略断面図であり、（ｂ）は多孔質板をセル基板に貫入する前の状態を示す概略断面図である。（ｃ）は、貫入部が設けられたセル基板に空気極、固体電解質及び燃料極を積層した状態を示し、（ｅ）のＣ－Ｃ線に沿った概略断面図である。（ｄ）は、（ｅ）のＤ－Ｄ線に沿った概略断面図である。（ｅ）は、本実施形態のセルモジュールを示す底面図である。 図１２は、第五実施形態に係るセルモジュールの製造方法を示す図である。（ａ）は低透過率構造体と高透過率構造体を接合する前の状態を示す概略断面図であり、（ｂ）は低透過率構造体と高透過率構造体を接合してなるセル基板に、空気極、固体電解質及び燃料極を積層した状態を示す概略断面図である。 図１３は、第六実施形態に係るセルモジュールの製造方法を示す図である。（ａ）は均一なガス透過率を有するセル基板を示す概略断面図であり、（ｂ）はセル基板にガス侵入障害部材を接合した状態を示す概略断面図である。（ｃ）は、ガス侵入障害部材が設けられたセル基板に、空気極、固体電解質及び燃料極を積層した状態を示し、（ｄ）のＣ－Ｃ線に沿った概略断面図である。（ｄ）は、本実施形態のセルモジュールを示す底面図である。
　以下、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
［第一実施形態］
　本実施形態に係るセルモジュール１０は、図１に示すように、ガス透過性を有するセル基板１を備えている。さらにセルモジュール１０は、セル基板１上に形成される、燃料極及び空気極のいずれか一方の電極２と、当該一方の電極２上に形成される固体電解質３と、固体電解質３上に形成される他方の電極４とを備えている。
　さらに図２に示すように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池２０において、セルモジュール１０は、燃料極インターコネクター２１（燃料極セパレーター）と、空気極インターコネクター２２（空気極セパレーター）とにより挟持されている。燃料極インターコネクター２１は複数の燃料ガス流路２１ａを備え、空気極インターコネクター２２は複数の酸化剤ガス流路２２ａを備えている。そして、燃料ガス流路２１ａ及び酸化剤ガス流路２２ａは、互いに並行して配置された多数の直線状の流路（パラレル型流路）となっている。
　燃料極インターコネクター２１及び空気極インターコネクター２２に設けられた流路（燃料ガス流路２１ａ，酸化剤ガス流路２２ａ）の断面形状は、リブと呼ばれる凸部と、チャネルと呼ばれる凹部とからなる。このうち、燃料極インターコネクター２１及び空気極インターコネクター２２の一方のリブがセル基板１と接触することにより、インターコネクターとセル基板１との間で電子を導通させる。また、燃料極インターコネクター２１及び空気極インターコネクター２２の他方のリブが他方の電極４と接触することにより、インターコネクターと他方の電極４との間で電子を導通させる。
　ここで、燃料ガス流路２１ａを流れる燃料ガス及び酸化剤ガス流路２２ａを流れる酸化剤ガスは、セルモジュール１０の面内で対向して流れる対向流（カウンターフロー）であってもよい。また、燃料ガス及び酸化剤ガスは、セルモジュール１０の面内で同じ方向に流れる並行流（コーフロー）であってもよい。
　なお、以下、説明の便宜上、一方の電極２を燃料極とし、他方の電極４を空気極として、本実施形態に係るセルモジュール１０を説明する。この場合、燃料極インターコネクター２１がセル基板１と接触し、空気極インターコネクター２２が空気極と接触する構成となる。
　図１（ａ）に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスがセルモジュール１０の面内で同じ方向に流れる並行流の場合、図３に示すように燃料ガス及び酸化剤ガスの出口部１ｃでセルモジュール温度が最も高くなる。つまり、並行流型の場合、電池反応による発熱とジュール熱によって発生する熱が、作動流体による対流熱伝達の効果で下流側に伝わる。そのため、ガス流路の入口から出口に至るにつれて、セルモジュールの温度が上昇する。
　このような現象は、セル基板１の気孔率が全面で一定の場合でも、特許文献１のように、燃料ガス及び酸化剤ガスの出口部で気孔率を上げた場合でも同様である。このことは、実験上からも文献上からも明らかで、従来より各種の報告がある。例えば、K. Lai, B.J.Koeppel, K.S.Choi, et al., “A quasi-two-dimensional electrochemistry modeling tool for planar solid oxide fuel cell stacks,” Journal of Power Sources, vol.196, no.6, pp.3204-3222, 2011.では、温度分布の実験結果とシミュレーション結果の比較が記載されている。特に、特許文献１のように、ガス下流側でセル基板の気孔率を上げる、すなわち燃料極２の発電表面部に燃料ガスを侵入しやすくすると、燃料ガスの出口部１ｃでの発電量が入口部１ａより増加する。そのため、セル基板１の気孔率が一定の場合に比べて、出口部１ｃにおけるセルモジュールの温度が集中的に上昇しやすくなる。
　一方、図１（ｂ）に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスがセルモジュール１０の面内で対向して流れる対向流の場合、並行流の場合と異なる温度分布を示す。具体的には、対向流の場合、セルモジュール１０における酸化剤ガス及び燃料ガスの入口部１ａ及び出口部１ｃでなく、中央部１ｂにセルモジュール温度が高くなる部分が生じる。これは、対向流の場合には酸化剤ガスの出口側が燃料ガスの入口側となり、酸化剤ガスの出口側で低温の燃料ガスが流入する。そのため、当該出口部１ｃ及び入口部１ａよりも中央部１ｂのセルモジュール温度が集中的に上昇しやすくなる。
　このように、燃料ガス及び酸化剤ガスが並行流及び対向流のいずれの場合も、セルモジュール１０の温度が部分的に上昇し、作動限界温度を超え、耐久性の低下を招く恐れがある。そのため、部分的な温度上昇を抑制するために、本実施形態では、セルモジュール１０における高温部に対応する部分のセル基板１のガス透過率を低減している。つまり、並行流の場合、セル基板１における燃料ガスの出口部１ｃのガス透過率を、セル基板１における出口部１ｃ以外の部分のガス透過率よりも低く設定している。このことにより、出口部１ｃでは、燃料極２の表面への燃料ガスの到達が抑制されるため、単セルの下流部（出口部１ｃ）での発電量が低下する。この場合、単セルは同一出力を得るために、不足した発電量を上流側で賄うことから、上流部（入口部１ａ）の発電量が増加する。その結果、低温であった入口部１ａで温度が上昇し、出口部１ｃで温度が低下することから、出口部１ｃの高温集中が緩和され、セルモジュール全体の温度を均一化することが可能となる。
　より詳細に説明すると、図４（ａ）に示すように、特許文献１では、ガス流路の下流側で気孔率を上げ、ガス透過率を高めている。しかし、本実施形態では、ガス流路の下流側でガス透過率を低く設定している。そのため、図４（ｂ）及び図５に示すように、特許文献１の構成と比較してセルモジュール１０の出口部１ｃでの温度が低下することから、作動限界温度を下回る状態を維持することができる。その結果、セルモジュール１０の熱劣化を抑制し、耐久性を向上させることが可能となる。
　上述と同様に、対向流の場合には、図６（ａ）に示すように、ガス流れ方向におけるセル基板１の中央部１ｂのガス透過率を、セル基板１における燃料ガスの入口部１ａ及び出口部１ｃのガス透過率よりも低く設定している。このことにより、中央部１ｂでは、燃料極２の表面への燃料ガスの到達が抑制されるため、単セルの中央部１ｂでの発電量が抑制される。この場合、単セルは同一出力を得るために、不足した発電量を中央部１ｂ以外の入口部１ａ及び出口部１ｃで賄うことから、中央部１ｂ以外の発電量が増加する。その結果、図６（ｂ）に示すように、中央部１ｂ以外で温度が上昇し、中央部１ｂで温度が低下することから、中央部１ｂの高温集中が緩和され、単セル全体の温度を均一化することが可能となる。
　図７では、セルモジュールの温度が高い部分における、セル基板のガス透過率と最高温度との関係を示す。具体的には、並行流の場合、セル基板１における燃料ガスの出口部１ｃのガス透過率と最高温度との関係を示している。また、対向流の場合、ガス流れ方向におけるセル基板１の中央部１ｂのガス透過率と最高温度との関係を示している。図７において、ガス透過率が１．０とは、セル基板の他の場所と同じガス透過率であることを示す。また、ガス透過率が０．６とは、６割のガスが透過する、つまりガスの透過量が４割減少することを示す。
　図７に示すように、ガス透過率を下げた場合、セルモジュールの最高温度は低下する傾向を示すが、ガス透過率を更に下げた場合、セルモジュールの最高温度は逆に上昇する傾向を示す。このため、セルモジュールの最高温度が最も低くなるガス透過率は０．６前後となる。したがって、セル基板の製造条件やセルモジュールの温度低下効果を考慮した場合、ガス透過率は０．４～０．８とすることが好ましく、０．５～０．７とすることがより好ましい。言い換えれば、セル基板１において、ガス透過率が低い部分のガス透過率は、他の部分のガス透過率よりも４０～８０％低いことが好ましく、３０～５０％低いことがより好ましい。
　なお、セル基板１のガス透過率の測定方法は、ガス透過率が低い部分におけるガス透過率とその他の部分のガス透過率との相対値を求めることができれば特に限定されない。セル基板１のガス透過率は、例えば差圧式ガス透過率評価装置を用いて測定することができる。
　次に、反応ガスの流れ位置により、セル基板１のガス透過率を変化させるための方法について説明する。なお、説明の便宜上、対向流の場合に適用される、セル基板１の中央部１ｂにおけるガス透過率を低下させる方法について説明する。また、並行流の場合に適用される、セル基板１の出口部１ｃにおけるガス透過率を低下させる方法も同様に行うことができる。
　本実施形態において、セル基板１のガス透過率は、セル基板１を圧縮してなる緻密部を設けることで低下させることができる。つまり、均一なガス透過率を持つセル基板１に対し、ガス透過率を低下させたい部分を圧縮して凹ませ、ガス透過率に変化を持たせたものである。
　具体的には、図８の（ａ）及び（ｂ）に示すように、均一なガス透過率を持つセル基板１に対し、ガス透過率を低下させたい部分を、セル基板１の下面から圧縮して凹ませることにより、緻密部１ｄを形成する。そして、図８（ｃ）に示すように、セル基板１における下面の反対側の平滑面（上面）上に、燃料極２、固体電解質３及び空気極４を積層することにより、セルモジュール１０が得られる。なお、燃料極２、固体電解質３及び空気極４の積層方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
　このような緻密部１ｄは、セル基板１が圧縮されて密度が高まるため、燃料ガスが侵入し難くなる。そのため、緻密部１ｄでは燃料ガスの透過率が低下し、燃料極２へ侵入する燃料ガスが減少している。よって、このような圧縮加工が施された緻密部に対向する単セルの発電量は減少することから、セルモジュールの最高温度を低下させることができる。また、緻密部１ｄの圧縮量、つまり緻密部の厚みや密度を調整することで、所望のガス透過率を容易に得ることが可能となる。
　なお、緻密部１ｄは、ガス透過率を低減させたい部分の全体に形成してもよい。つまり、対向流の場合には、セル基板１の中央部１ｂの全体に緻密部１ｄを形成してもよい。また、並行流の場合には、セル基板１の出口部１ｃの全体に緻密部１ｄを形成してもよい。ただ、緻密部１ｄは、セル基板１の下面から圧縮して凹ませることにより形成しているため、凹ませた部分は燃料極インターコネクター２１のリブと接触しておらず、セル基板１と燃料極インターコネクター２１との間の導通が十分に確保できない可能性がある。
　そのため、本実施形態では、図８の（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示すように、緻密部１ｄを燃料ガスの流通方向（Ｚ軸方向）に沿って長尺状に形成し、さらに複数の緻密部１ｄを、Ｚ軸方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）に間隔をあけて設けることが好ましい。このように複数の緻密部１ｄを間隔をあけて設けることにより、ガス透過率を低減させたい部分においても、セル基板１と燃料極インターコネクター２１との間が電気的に接続される。そのため、セル基板１と燃料極インターコネクター２１との間の導通を確保することが可能となる。また、複数の緻密部１ｄを間隔をあけて設け、さらに緻密部１ｄの幅、間隔及び密度を調整することにより、所望のガス透過率を得ることが可能となる。
　本実施形態において、セル基板１としては、ガス透過性を有し、支持体としての十分な強度を有するものであれば、特に限定されるものではないが、電気伝導度が高いものを用いることが好ましい。例えば、ニッケル（Ｎｉ）やクロム（Ｃｒ）を含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などからなり、多数の空隙を備えた板状のものを適用することができる。具体的には、上記材料により構成された、パンチングメタル基板、エッチングメタル基板、エキスパンドメタル基板、発泡金属体、金属粉末焼結体、金網等の金属メッシュ、金属不織布などを用いることができる。また、これらは、必要に応じて同種又は異種のものを積層してもよい。
　燃料極２としては、還元雰囲気に強く、燃料ガスを透過し、電気伝導度が高く、水素分子をプロトンに変換する触媒作用を有するものを好適に用いることができる。燃料極の構成材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）などの金属が単独で適用される場合もあるが、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）に代表される酸素イオン伝導体を混在させたサーメットを適用することが好ましい。このような材料を用いることによって反応エリアが増加し、電極性能を向上させることができる。なお、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）に替えて、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）やガドリアドープセリア（ＧＤＣ）のようなセリア固溶体を適用することもできる。
　空気極４としては、酸化雰囲気に強く、酸化剤ガスを透過し、電気伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有するものを好適に用いることができる。また、空気極４は、電極触媒からなるものであっても、電極触媒と電解質材料とのサーメットからなるものであってもよい。電極触媒としては、例えば、銀（Ａｇ）や白金（Ｐｔ）などの金属が適用される場合もあるが、ランタンストロンチウムコバルタイト（Ｌａ１－ｘＳｒｘＣｏＯ３：ＬＳＣ）やランタンストロンチウムコバルトフェライト（Ｌａ１－ｘＳｒｘＣｏ１－ｙＦｅｙＯ３：ＬＳＣＦ）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳｍｘＳｒ１－ｘＣｏＯ３：ＳＳＣ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（Ｌａ１－ｘＳｒｘＭｎＯ３：ＬＳＭ）などのペロブスカイト型酸化物を適用することが好ましい。しかしながら、これらに限定されるものではなく、従来公知の空気極材料を適用することができる。なお、これらは一種を単独で又は複数種を組み合わせて適用することができる。さらに、電解質材料としては、例えば、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）などを挙げることができるが、これに限定されるものではなく、各種の安定化ジルコニアやセリア固溶体などの酸化物との混合体を好適に用いることができる。
　固体電解質３としては、ガス不透過性と、電子を通さずに酸素イオンを通す性能を有するものを好適に用いることができる。固体電解質の構成材料としては、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）や酸化ネオジム（Ｎｄ２Ｏ３）、サマリア（Ｓｍ２Ｏ３）、ガドリア（Ｇｄ２Ｏ３）、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）などを固溶した安定化ジルコニアを適用することができる。また、サマリアドープセリア（ＳＤＣ）やイットリアドープセリア（ＹＤＣ）、ガドリアドープセリア（ＧＤＣ）のようなセリア固溶体や、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、ランタンストロンチウムマグネシウムガレート（Ｌａ１－ｘＳｒｘＧａ１－ｙＭｇｙＯ３：ＬＳＭＧ）などを適用することもできる。
　このように、本実施形態のセルモジュール１０は、ガス透過性を有するセル基板１と、セル基板１上に形成される、燃料極及び空気極のいずれか一方の電極２と、一方の電極２上に形成される固体電解質３と、固体電解質３上に形成される他方の電極４とを備える。そして、燃料ガスと酸化剤ガスとを対向して流す場合、ガス流れ方向におけるセル基板１の中央部１ｂのガス透過率が、セル基板１の入口部１ａ及び出口部１ｃのガス透過率よりも低い構成となっている。また、本実施形態のセルモジュール１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとを並行して流す場合、ガス流れ方向におけるセル基板１の出口部１ｃのガス透過率が、セル基板１の出口部１ｃ以外の部分のガス透過率よりも低い構成となっている。そのため、セル基板１におけるガス透過率が減少した部分に対向する単セルの発電量が減少することから、セルモジュールの最高温度を低下させ、セルモジュールの耐久性を向上させることが可能となる。
　また、本実施形態のセルモジュール１０において、セル基板１のガス透過率は、セル基板１を圧縮してなる緻密部１ｄを設けることで低下させている。このようにガス透過率を低下させたい部分を圧縮して凹ませることにより緻密部１ｄを形成しているため、簡易な方法でガス透過率を低下させることが可能となる。
　なお、上述では、セル基板１をガス流れ方向（Ｚ軸方向）に沿って三等分し、燃料ガスの上流側から、入口部１ａ、中央部１ｂ及び出口部１ｃと規定して詳述した。しかし、本実施形態はこの態様に限定されない。つまり、セル基板１をガス流れ方向（Ｚ軸方向）に三分割以上に分割し、燃料ガスの入口を包含する部分を入口部１ａとし、燃料ガスの出口を包含する部分を出口部１ｃとし、入口部１ａと出口部１ｃとの間における高温の箇所を中央部１ｂとして規定してもよい。
［第二実施形態］
　次に、第二実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用セルモジュールについて、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　本実施形態のセルモジュールは、対向流の場合には、セル基板１の中央部１ｂのガス透過率を入口部１ａ及び出口部１ｃのガス透過率よりも低い構成とすることは、第一実施形態と同様である。また、並行流の場合には、セル基板１の出口部１ｃのガス透過率を出口部１ｃ以外の部分のガス透過率よりも低い構成とすることも、第一実施形態と同様である。本実施形態は、セル基板１のガス透過率を変化させるための方法が第一実施形態と異なる。なお、説明の便宜上、セル基板１の中央部１ｂにおけるガス透過率を低下させる方法について説明するが、出口部１ｃにおけるガス透過率を低下させる方法も同様に行うことができる。
　本実施形態において、セル基板１のガス透過率は、セル基板１に溝形状の切り欠きを設けることで調整することができる。つまり、均一なガス透過率を持つセル基板１に対し、ガス透過率を上昇させたい部分（例えば、入口部１ａと出口部１ｃ）の表面を切除して溝を作製し、ガス透過率の変化を持たせたものである。
　具体的には、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、均一なガス透過率を持つセル基板１に対し、ガス透過率を上昇させたい部分は下面から部分的に切除して切り欠きを設け、ガス透過率を低下させたい部分は切除せずにそのまま維持する。そして、図９（ｃ）に示すように、セル基板１における下面の反対側の平滑面（上面）上に、燃料極２、固体電解質３及び空気極４を積層することにより、セルモジュール１０が得られる。なお、燃料極２、固体電解質３及び空気極４の積層方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
　このように、セル基板１を部分的に切除して切り欠き１ｅを設けることにより、切り欠き１ｅが設けられた入口部１ａ及び出口部１ｃのセル基板１は燃料ガスが侵入しやすくなり、ガス透過性が向上する。逆に、切り欠き１ｅが設けられない中央部１ｂのセル基板１は、ガス透過性がそのまま維持される。そのため、セルモジュール全体で見ると、セル基板１の中央部１ｂのガス透過率が相対的に減少する。よって、このような切り欠き加工が施されない中央部１ｂに対向する単セルの発電量は減少することから、セルモジュールの最高温度を低下させることができる。また、ガス透過率の低減量は、切り欠きの幅および切除深さを調整することで、容易に調整することが可能となる。
　なお、切り欠き１ｅは、ガス透過率を上昇させたい部分の全体に形成してもよい。つまり、対向流の場合には、セル基板１の入口部１ａ及び出口部１ｃの全体に切り欠き１ｅを形成してもよい。また、並行流の場合には、セル基板１の入口部１ａ及び中央部１ｂの全体に切り欠き１ｅを形成してもよい。ただ、切り欠き１ｅは、セル基板１の下面を部分的に切除ことにより形成しているため、切除した部分は燃料極インターコネクター２１のリブと接触しておらず、セル基板１と燃料極インターコネクター２１との間の導通が十分に確保できない可能性がある。また、切り欠き１ｅが増加した場合、セル基板の強度が過度に低下する恐れがある。
　そのため、本実施形態では、図９の（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示すように、切り欠き１ｅを燃料ガスの流通方向（Ｚ軸方向）に沿って長尺状に形成し、さらに複数の切り欠き１ｅを、Ｚ軸方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）に間隔をあけて設けることが好ましい。このように複数の切り欠き１ｅを間隔をあけて設けることにより、セル基板１と燃料極インターコネクター２１との間が電気的に接続され、これらの間の導通を確保することが可能となる。また、複数の切り欠き１ｅを間隔をあけて設け、さらに切り欠き１ｅの幅、間隔及び切除深さを調整することにより、所望のガス透過率を得ることが可能となる。
　このように、本実施形態では、セル基板１のガス透過率は、セル基板１に溝形状の切り欠きを設けることで調整している。言い換えれば、セル基板１のガス透過率は、セル基板１の見かけ体積を下げることにより調整している。そのため、セル基板１の入口部１ａ及び出口部１ｃを切り欠き、多孔質体からなるセル基板１の見かけの体積を減少させることにより、入口部１ａ及び出口部１ｃのガス透過率を高め、相対的に中央部１ｂのガス透過率を低下させることが可能となる。
［第三実施形態］
　次に、第三実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用セルモジュールについて、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　本実施形態は、セル基板１のガス透過率を変化させるための方法が第一実施形態と異なる。なお、説明の便宜上、セル基板１の中央部１ｂにおけるガス透過率を低下させる方法について説明するが、出口部１ｃにおけるガス透過率を低下させる方法も同様に行うことができる。
　本実施形態において、セル基板１のガス透過率は、セル基板１を構成する多孔体の気孔率を下げることにより低下させることができる。つまり、均一なガス透過率を持つセル基板１に対し、ガス透過率を低下させたい部分に多孔質板を追加圧縮してセル基板に貫入させ、ガス透過率に変化を持たせたものである。
　具体的には、図１０の（ａ）及び（ｂ）に示すように、均一なガス透過率を持つセル基板１に対し、ガス透過率を低下させたい部分に、セル基板１の下面から多孔質板１ｆを圧縮し、セル基板１の内部に多孔質板１ｆを貫入することにより、貫入部１ｇを形成する。そして、図１０（ｃ）に示すように、貫入加工を施したセル基板１における下面は平滑にすることができるため、当該下面に燃料極２、固体電解質３及び空気極４を積層することにより、セルモジュール１０が得られる。なお、燃料極２、固体電解質３及び空気極４の積層方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
　このような貫入部１ｇは、セル基板１に多孔質板１ｆが貫入し、気孔率が低下するため、燃料ガスが侵入し難くなる。そのため、貫入部１ｇでは燃料ガスの透過率が低下し、燃料極２へ侵入する燃料ガスが減少している。よって、貫入部１ｇに対向する単セルの発電量は減少することから、セルモジュールの最高温度を低下させることができる。また、貫入部１ｇを形成するための多孔質板１ｆの厚みを調整することで、所望のガス透過率を容易に得ることが可能となる。
　本実施形態では、セル基板１の表面から多孔質板１ｆを圧縮し、セル基板１の内部に多孔質板１ｆを貫入することにより、貫入部１ｇを形成している。そのため、セル基板１の上面及び下面の両方とも平滑面とすることができるため、図１０（ｃ）のように、燃料極２、固体電解質３及び空気極４をセル基板１の下面に形成することができる。なお、燃料極２、固体電解質３及び空気極４は、セル基板１の上面に形成してもよい。
　そして、セル基板１の上面及び下面を平滑面とすることができるため、第一及び第二実施形態のセル基板と比較し、燃料極インターコネクター２１のリブとの接触面積が多く確保される。そのため、本実施形態のセルモジュールは、第一及び第二実施形態と比べてより発電性能を向上させることが可能となる。
　なお、多孔質板１ｆとしては、セル基板１と同様に、ニッケル（Ｎｉ）やクロム（Ｃｒ）を含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼などからなり、多数の空隙を備えた板状のものを使用することができる。具体的には、上記材料により構成された、パンチングメタル基板、エッチングメタル基板、エキスパンドメタル基板、発泡金属体、金属粉末焼結体、金網等の金属メッシュ、金属不織布などを用いることができる。また、多孔質板１ｆの形状は図１０のような錐台状に限定されず、例えば直方体状であってもよい。
［第四実施形態］
　次に、第四実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用セルモジュールについて、図面に基づき詳細に説明する。なお、第三実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　本実施形態において、セル基板１のガス透過率は、第三実施形態と同様に、セル基板１を構成する多孔体の気孔率を下げることにより低下させている。具体的には、図１１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、均一なガス透過率を持つセル基板１に対し、ガス透過率を低下させたい部分に、セル基板１の下面から多孔質板１ｆを圧縮し、内部に多孔質板１ｆを貫入することにより貫入部１ｇを形成する。そして、図１１（ｃ）に示すように、セル基板１の上面に燃料極２、固体電解質３及び空気極４を積層することにより、セルモジュール１０が得られる。
　ここで、本実施形態では、図１１の（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示すように、貫入部１ｇを燃料ガスの流通方向（Ｚ軸方向）に沿って長尺状に形成し、さらに複数の貫入部１ｇを、Ｚ軸方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）に間隔をあけて設けている。このように複数の貫入部１ｇを間隔をあけて設け、貫入部１ｇの幅及び間隔を調整することにより、所望のガス透過率を得ることが可能となる。
　また、第三実施形態と同様に、セル基板１の上面及び下面を平滑面とすることができるため、第一及び第二実施形態のセル基板と比較し、燃料極インターコネクター２１のリブとの接触面積が多く確保される。そのため、本実施形態のセルモジュールは、第一及び第二実施形態と比べてより発電性能を向上させることが可能となる。
［第五実施形態］
　次に、第五実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用セルモジュールについて、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　本実施形態は、セル基板１のガス透過率を変化させるための方法が第一実施形態と異なる。なお、説明の便宜上、セル基板１の中央部１ｂにおけるガス透過率を低下させる方法について説明するが、出口部１ｃにおけるガス透過率を低下させる方法も同様に行うことができる。
　本実施形態において、セル基板１のガス透過率は、セル基板１を構成する多孔体の気孔率を下げることにより低下させることができる。具体的には、図１２の（ａ）及び（ｂ）に示すように、セル基板１のガス透過率は、気孔率を変えてガス透過率を異ならせた二種類の多孔質構造体を用い、これらを重ね合わせることにより、ガス透過率を調整している。
　図１２（ａ）に示すように、本実施形態のセル基板１は、低透過率構造体１ｈと、低透過率構造体１ｈよりもガス透過量が少ない高透過率構造体１ｉとを用いている。そして、低透過率構造体１ｈにおける中央部１ｂの厚みを大きくし、高透過率構造体１ｉにおける中央部１ｂの厚みを小さくしている。つまり、中央部１ｂに関し、積層方向（Ｙ軸方向）における低透過率構造体１ｈの厚みは、高透過率構造体１ｉの厚みよりも大きくなっている。また、相対的に、低透過率構造体１ｈにおける入口部１ａ及び出口部１ｃの厚みを小さくし、高透過率構造体１ｉにおける入口部１ａ及び出口部１ｃの厚みを大きくしている。つまり、入口部１ａ及び出口部１ｃに関し、積層方向（Ｙ軸方向）における低透過率構造体１ｈの厚みは、高透過率構造体１ｉの厚みよりも小さくなっている。
　そして、図１２（ａ）に示すように、低透過率構造体１ｈにおける凸状の中央部１ｂを、高透過率構造体１ｉにおける凹状の中央部１ｂに挿入するように積層することで、本実施形態に係るセル基板１が得られる。このように、ガス透過率を低くしたい部分を厚くした低透過率構造体１ｈと、ガス透過率を低くしたい部分以外を厚くした高透過率構造体１ｉとを接合することで、容易にガス透過率を調整することが可能となる。
　次いで、得られたセル基板１上に、燃料極２、固体電解質３及び空気極４を積層することにより、セルモジュール１０が得られる。なお、燃料極２、固体電解質３及び空気極４の積層方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
　このような構成により、低透過率構造体１ｈが厚い部分では燃料ガスの透過率が低下し、燃料極２へ侵入する燃料ガスが減少している。よって、低透過率構造体１ｈの厚い部分に対向する単セルの発電量は減少することから、セルモジュールの最高温度を低下させることができる。また、低透過率構造体１ｈの厚みや、低透過率構造体１ｈ及び高透過率構造体１ｉのガス透過率を調整することで、所望のガス透過率を容易に得ることが可能となる。
　また、図１２に示すように、本実施形態では、セル基板１の上面及び下面を平滑面とすることができるため、第一及び第二実施形態のセル基板と比較し、燃料極インターコネクター２１のリブとの接触面積が多く確保される。そのため、本実施形態のセルモジュールは、第一及び第二実施形態と比べてより発電性能を向上させることが可能となる。
［第六実施形態］
　次に、第六実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用セルモジュールについて、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　本実施形態は、セル基板１のガス透過率を変化させるための方法が第一実施形態と異なる。なお、説明の便宜上、セル基板１の中央部１ｂにおけるガス透過率を低下させる方法について説明するが、出口部１ｃにおけるガス透過率を低下させる方法も同様に行うことができる。
　本実施形態において、セル基板１のガス透過率は、セル基板１にガス侵入障害部材を設けることで低下させることができる。つまり、均一なガス透過率を持つセル基板１に対し、ガス透過率を低下させたい部分の表面にガス侵入障害部材を設置し、当該部分のガス侵入を抑制することで、ガス透過率に変化を持たせたものである。
　具体的には、図１３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、均一なガス透過率を持つセル基板１に対し、ガス透過率を低下させたい部分の下面にガス侵入障害部材１ｊを接合する。そして、図１３（ｃ）に示すように、セル基板１の上面に燃料極２、固体電解質３及び空気極４を積層することにより、セルモジュール１０が得られる。なお、燃料極２、固体電解質３及び空気極４の積層方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
　このようなガス侵入障害部材１ｊを設けることで、セル基板１におけるガス侵入障害部材１ｊが接合された部分に、燃料ガスが侵入し難くなる。そのため、ガス侵入障害部材１ｊが設けられた部分では燃料ガスの透過率が低下し、燃料極２へ侵入する燃料ガスが減少している。よって、このようなガス侵入障害部材１ｊが設けられた部分に対向する単セルの発電量は減少することから、セルモジュールの最高温度を低下させることができる。
　ガス侵入障害部材１ｊは、セル基板１に対して燃料ガスの侵入を抑制する部材ならば特に限定されない。ガス侵入障害部材１ｊは、例えば、セル基板１と同じ材質であるが、より緻密な構造体を用いてもよく、さらに板材に多数の貫通孔を設けたものであってもよい。具体的には、パンチングメタル基板、エッチングメタル基板、エキスパンドメタル基板、発泡金属体、金属粉末焼結体、金網等の金属メッシュ、金属不織布などを用いることができる。なお、ガス侵入障害部材１ｊは、セル基板１の下面に接合されていればよく、またセル基板１に部分的に埋め込まれていてもよい。
　また、ガス侵入障害部材１ｊとして、セル基板１の表面に接触するインターコネクターを使用することも可能である。つまり、セル基板１におけるガス侵入を抑制したい場所に対して、インターコネクターの接触面積を増加させ、セル基板１の内部への燃料ガスの侵入量を抑制する。逆に、セル基板１におけるガス侵入を増加したい場所に対して、インターコネクターの接触面積を減少させ、セル基板１の内部への燃料ガスの侵入量を増加させる。このような構成により、単セルの発電量を調整し、セルモジュールの最高温度を低下させることが可能となる。
　以上、複数の実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。
　１　セル基板
　１ａ　入口部
　１ｂ　中央部
　１ｃ　出口部
　１ｅ　切り欠き
　１ｊ　ガス侵入障害部材
　２　燃料極
　３　固体電解質
　４　空気極
　１０　セルモジュール
　２０　固体酸化物形燃料電池
　２１　燃料極インターコネクター
　２２　空気極インターコネクター
 

Claims (9)

  1. 　ガス透過性を有するセル基板と、
    　前記セル基板上に形成される、燃料極及び空気極のいずれか一方の電極と、
    　前記一方の電極上に形成される固体電解質と、
    　前記固体電解質上に形成される他方の電極と、
    　を備え、
    　燃料ガスと酸化剤ガスとを対向して流す場合、ガス流れ方向における前記セル基板の中央部のガス透過率が、前記セル基板の入口部及び出口部のガス透過率よりも低いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セルモジュール。
  2. 　ガス透過性を有するセル基板と、
    　前記セル基板上に形成される、燃料極及び空気極のいずれか一方の電極と、
    　前記一方の電極上に形成される固体電解質と、
    　前記固体電解質上に形成される他方の電極と、
    　を備え、
    　燃料ガスと酸化剤ガスとを並行して流す場合、ガス流れ方向における前記セル基板の出口部のガス透過率が、前記セル基板の前記出口部以外の部分のガス透過率よりも低いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セルモジュール。
  3. 　前記セル基板のガス透過率は、前記セル基板を圧縮してなる緻密部を設けることで低下させることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池用セルモジュール。
  4. 　前記セル基板のガス透過率は、前記セル基板に溝形状の切り欠きを設けることで調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池用セルモジュール。
  5. 　前記セル基板のガス透過率は、前記セル基板の見かけ体積を下げることにより調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池用セルモジュール。
  6. 　前記セル基板のガス透過率は、前記セル基板を構成する多孔体の気孔率を下げることにより低下させることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池用セルモジュール。
  7. 　前記セル基板のガス透過率は、前記セル基板にガス侵入障害部材を設けることで低下させることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池用セルモジュール。
  8. 　前記セル基板において、ガス透過率が低い部分のガス透過率は、他の部分のガス透過率よりも３０～５０％低いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池用セルモジュール。
  9. 　請求項１乃至８のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池用セルモジュールと、
    　前記固体酸化物形燃料電池用セルモジュールを挟持するインターコネクターと、
    　を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
PCT/JP2015/064553 2015-05-21 2015-05-21 固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池 Ceased WO2016185594A1 (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201580080229.3A CN107615542B (zh) 2015-05-21 2015-05-21 固体氧化物型燃料电池用单元模块和使用了该固体氧化物型燃料电池用单元模块的固体氧化物型燃料电池
EP15892593.3A EP3300151B1 (en) 2015-05-21 2015-05-21 Solid oxide fuel cell
BR112017024931-6A BR112017024931B1 (pt) 2015-05-21 2015-05-21 Módulo celular para célula de combustível de oxido sólido e célula de combustível de oxido solido utilizando o mesmo
JP2017518695A JP6504249B2 (ja) 2015-05-21 2015-05-21 固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池
CA2986716A CA2986716C (en) 2015-05-21 2015-05-21 Cell module for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell using same
US15/575,513 US10205176B2 (en) 2015-05-21 2015-05-21 Cell module for solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell using same
PCT/JP2015/064553 WO2016185594A1 (ja) 2015-05-21 2015-05-21 固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2015/064553 WO2016185594A1 (ja) 2015-05-21 2015-05-21 固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016185594A1 true WO2016185594A1 (ja) 2016-11-24

Family

ID=57319628

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2015/064553 Ceased WO2016185594A1 (ja) 2015-05-21 2015-05-21 固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10205176B2 (ja)
EP (1) EP3300151B1 (ja)
JP (1) JP6504249B2 (ja)
CN (1) CN107615542B (ja)
BR (1) BR112017024931B1 (ja)
CA (1) CA2986716C (ja)
WO (1) WO2016185594A1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018165682A1 (de) * 2017-03-16 2018-09-20 Plansee Se Poröses formteil für elektrochemisches modul
CN111525148A (zh) * 2020-04-17 2020-08-11 珠海格力电器股份有限公司 单极板、双极板及燃料电池
JP2022125626A (ja) * 2021-02-17 2022-08-29 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック
WO2025164684A1 (ja) * 2024-01-30 2025-08-07 京セラ株式会社 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10283794B2 (en) * 2015-12-09 2019-05-07 Syracuse University Electricity and syngas co-generation system using porous solid oxide fuel cells
AU2024240223A1 (en) * 2023-03-22 2025-10-16 Suzano S.A. Low viscosity cm-mfc

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008135272A (ja) * 2006-11-28 2008-06-12 Kyocera Corp 平板型燃料電池のインターコネクタ及びその製法、平板型燃料電池、平板型燃料電池スタック並びにその製法
JP2011017055A (ja) * 2009-07-09 2011-01-27 Toshiba Corp 電気化学セル
JP2012094427A (ja) * 2010-10-28 2012-05-17 Kyocera Corp 固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池
WO2015045682A1 (ja) * 2013-09-25 2015-04-02 株式会社デンソー 燃料電池用アノードおよび燃料電池単セル

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4269642A (en) * 1979-10-29 1981-05-26 United Technologies Corporation Method of forming densified edge seals for fuel cell components
US5336569A (en) 1991-03-20 1994-08-09 Ngk Insulators, Ltd. Power generating equipment
US7374838B2 (en) * 2003-06-10 2008-05-20 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell with fluid distribution layer having non-uniform permeability
JP2005190684A (ja) * 2003-12-24 2005-07-14 Toyota Motor Corp 燃料電池
WO2008003976A1 (en) * 2006-07-07 2008-01-10 Ceres Intellectual Property Company Limited Metal substrate for fuel cells
US9786929B2 (en) * 2008-09-18 2017-10-10 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell and fuel cell stack comprising the same
EP2834870B1 (en) * 2012-04-04 2015-09-16 Nissan Motor Co., Ltd. Membrane electrode assembly, fuel cell, fuel cell stack, and method for manufacturing membrane electrode assembly
US20160329587A1 (en) * 2015-05-07 2016-11-10 Lg Fuel Cell Systems, Inc. Fuel cell system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008135272A (ja) * 2006-11-28 2008-06-12 Kyocera Corp 平板型燃料電池のインターコネクタ及びその製法、平板型燃料電池、平板型燃料電池スタック並びにその製法
JP2011017055A (ja) * 2009-07-09 2011-01-27 Toshiba Corp 電気化学セル
JP2012094427A (ja) * 2010-10-28 2012-05-17 Kyocera Corp 固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池
WO2015045682A1 (ja) * 2013-09-25 2015-04-02 株式会社デンソー 燃料電池用アノードおよび燃料電池単セル

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3300151A4 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018165682A1 (de) * 2017-03-16 2018-09-20 Plansee Se Poröses formteil für elektrochemisches modul
CN111525148A (zh) * 2020-04-17 2020-08-11 珠海格力电器股份有限公司 单极板、双极板及燃料电池
JP2022125626A (ja) * 2021-02-17 2022-08-29 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック
JP7522679B2 (ja) 2021-02-17 2024-07-25 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック
WO2025164684A1 (ja) * 2024-01-30 2025-08-07 京セラ株式会社 電気化学セル、電気化学セル装置、モジュールおよびモジュール収容装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP6504249B2 (ja) 2019-04-24
EP3300151A1 (en) 2018-03-28
CA2986716A1 (en) 2016-11-24
US20180159146A1 (en) 2018-06-07
CN107615542A (zh) 2018-01-19
CA2986716C (en) 2019-03-05
BR112017024931A2 (ja) 2018-07-31
EP3300151A4 (en) 2018-03-28
JPWO2016185594A1 (ja) 2018-03-29
CN107615542B (zh) 2018-10-12
EP3300151B1 (en) 2020-07-08
BR112017024931B1 (pt) 2023-02-28
US10205176B2 (en) 2019-02-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6504249B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池
JP5708923B2 (ja) 燃料電池セル及び燃料電池
JP5116184B1 (ja) 燃料電池の構造体
JP2012190746A (ja) 燃料電池スタックおよび燃料電池
JP6279519B2 (ja) 燃料電池スタックおよび燃料電池単セル
JP7378040B2 (ja) 膜電極接合体および燃料電池
JP5198675B1 (ja) 燃料電池の構造体
JP4883733B1 (ja) 燃料電池の構造体
WO2018199095A1 (ja) 固体酸化物形燃料電池セル
JP6638834B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池用セルモジュール及びそれを用いた固体酸化物形燃料電池
JP5408381B2 (ja) 燃料電池
US20240363872A1 (en) Solid oxide cell
US20240417866A1 (en) Solid oxide cell
WO2015045682A1 (ja) 燃料電池用アノードおよび燃料電池単セル
JP5417548B2 (ja) 燃料電池の構造体
JP2009087876A (ja) 単室型燃料電池及び単室型燃料電池積層体
JP2013168227A (ja) 固体酸化物形燃料電池の製造方法
US11605821B2 (en) Solid oxide type fuel battery cell
JP2019179757A (ja) 金属板、電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および金属板の製造方法
JP2009087725A (ja) 単室型燃料電池及びその製造方法
JP2009087711A (ja) 単室型燃料電池及び単室型燃料電池積層体
JP2014165128A (ja) 固体酸化物形燃料電池セル

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15892593

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017518695

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15575513

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2986716

Country of ref document: CA

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2015892593

Country of ref document: EP

REG Reference to national code

Ref country code: BR

Ref legal event code: B01A

Ref document number: 112017024931

Country of ref document: BR

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 112017024931

Country of ref document: BR

Kind code of ref document: A2

Effective date: 20171121