CN110337747B - 电化学反应单位、电化学反应电池组、以及电化学反应单位的制造方法 - Google Patents

电化学反应单位、电化学反应电池组、以及电化学反应单位的制造方法 Download PDF

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Abstract

抑制以由Si等污染物质导致的中毒为原因的单体电池的性能降低的产生。电化学反应单位具备：单体电池，其包括电解质层和隔着电解质层在第1方向上彼此相对的空气极和燃料极；和毡构件，其含有陶瓷或金属和硅石成分。毡构件具有第1结晶构造，且具有作为SiO2的结晶构造的第2结晶构造。

Description

电化学反应单位、电化学反应电池组、以及电化学反应单位的 制造方法
技术领域
由本说明书公开的技术涉及一种电化学反应单位。
背景技术
作为利用氢与氧之间的电化学反应而进行发电的燃料电池之一，公知有固体氧化物形的燃料电池(以下，称为“SOFC”)。作为SOFC的构成单位的燃料电池发电单位(以下，称为“发电单位”)具备燃料电池单体(以下，称为“单体电池”)。单体电池包括电解质层和隔着电解质层在预定的方向(以下，称为“第1方向”)上彼此相对的空气极和燃料极。
出于填埋单体电池周边的空间而使发电效率提高等目的，有时在发电单位填充有毡构件。对这样的毡构件要求柔软性和耐热性。因此，毡构件由例如含有金属的毡材料(例如镍毡)、含有陶瓷的毡材料(例如氧化铝毡)构成(参照例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-166529号公报
发明内容
发明要解决的问题
含有陶瓷的毡材料、含有金属的毡材料有时含有Si等污染物质。因此，在上述以往的结构中，Si等污染物质从毡构件飞散，有可能产生以由该污染物质导致的中毒为原因的单体电池的性能降低。
此外，这样的问题在利用水的电解反应而进行氢的生成的固体氧化物形的电解池(以下，称为“SOEC”)的构成单位、即电解池单位也是共通的问题。此外，在本说明书中，将燃料电池发电单位和电解池单位统称为电化学反应单位。另外，这样的问题并不限于SOFC、SOEC，在其他类型的电化学反应单位也是共通的问题。
在本说明书中，公开一种可解决上述的问题的技术。
用于解决问题的方案
在本说明书中所公开的技术例如可实现为以下的形态。
(1)本说明书所公开的电化学反应单位具备：单体电池，其包括电解质层和隔着所述电解质层在第1方向上彼此相对的空气极和燃料极；以及毡构件，其含有陶瓷和硅石成分、或金属和硅石成分，在该电化学反应单位中，所述毡构件具有第1结晶构造，且具有作为SiO2的结晶构造的第2结晶构造。根据本电化学反应单位，毡构件具有第1结晶构造，且具有作为SiO2的结晶构造的第2结晶构造，因此，能够抑制来自毡构件的Si、其他污染物质的飞散，能够抑制以由Si、其他污染物质导致的中毒为原因的单体电池的性能降低的产生。
(2)在上述电化学反应单位中，也可以设为如下结构，所述毡构件配置于面对特定电极的气体室，该特定电极是所述空气极和所述燃料极中的至少一者。根据本电化学反应单位，在面对特定电极的气体室配置有毡构件，因此，在易于产生以由从毡构件飞散了的Si、其他污染物质导致的中毒为原因的单体电池的性能降低的结构中，能够抑制来自毡构件的Si、其他污染物质的飞散，能够抑制以由Si、其他污染物质导致的中毒为原因的单体电池的性能降低的产生。
(3)在上述电化学反应单位中，也可以设为如下结构，所述毡构件配置于面对所述特定电极的所述气体室中的、与气体的主要的流动方向正交的方向的两端的位置。根据本电化学反应单位，由于毡构件的存在，抑制被供给到面对特定电极的气体室的气体通过并不怎么有助于反应的区域而从气体室排出，从而使反应效率提高，同时能够抑制来自毡构件的Si、其他污染物质的飞散，能够抑制以由Si、其他污染物质导致的中毒为原因的单体电池的性能降低的产生。
(4)在上述电化学反应单位中，也可以设为如下结构：还具备：框架构件，其形成有孔，该孔构成面对所述特定电极的所述气体室；以及集电构件，其与所述特定电极电连接，所述毡构件在与所述第1方向正交的方向上配置于所述集电构件的外侧表面与所述框架构件中的所述孔的表面之间。根据本电化学反应单位，由于毡构件的存在，抑制被供给到面对特定电极的气体室的气体通过并不怎么有助于反应的区域而从气体室排出，从而使反应效率提高，同时能够抑制自毡构件的Si、其他污染物质的飞散，能够抑制以由Si、其他污染物质导致的中毒为原因的单体电池的性能降低的产生。
(5)在上述电化学反应单位中，也可以设为如下结构：所述毡构件含有作为所述陶瓷的氧化铝。根据本电化学反应单位，能够抑制来自毡构件的Si、其他污染物质的飞散，同时使毡构件的耐热性、柔软性提高。
(6)在上述电化学反应单位中，也可以设为如下结构：所述电化学反应单位是燃料电池发电单位。根据本电化学反应单位，能够抑制以由Si、其他污染物质导致的中毒为原因的单体电池的发电性能降低的产生。
(7)另外，本说明书所公开的电化学反应单位的制造方法是一种如下电化学反应单位的制造方法，该电化学反应单位具备：单体电池，其包括电解质层和隔着所述电解质层在第1方向上彼此相对的空气极和燃料极；以及毡构件，其含有陶瓷和硅石成分、或金属和硅石成分，该电化学反应单位的制造方法的特征在于，该电化学反应单位的制造方法具备：准备含有陶瓷和硅石成分、或金属和硅石成分的毡原材料的工序；以及通过以1000℃以上对所述毡原材料进行热处理来制作所述毡构件的工序。根据本电化学反应单位的制造方法，通过以1000℃以上对毡原材料进行热处理来制作毡构件，从而能够使毡构件具有第1结晶构造，且使毡构件具有作为SiO2的结晶构造的第2结晶构造，能够获得Si、其他污染物质的飞散较少的毡构件，能够获得难以产生以由Si、其他污染物质导致的中毒为原因的单体电池的性能降低的电化学反应单位。
此外，本说明书所公开的技术能以各种形态实现，能以例如电化学反应单位(燃料电池发电单位或电解池单位)、具备多个电化学反应单位的电化学反应电池组(燃料电池组或电解电池组)、它们的制造方法等形态实现。
附图说明
图1是表示本实施方式中的燃料电池组100的外观结构的立体图。
图2是表示图1的II-II的位置处的燃料电池组100的XZ截面结构的说明图。
图3是表示图1的III-III的位置处的燃料电池组100的YZ截面结构的说明图。
图4是表示与图2所示的截面相同的位置处的彼此相邻的两个发电单位102的XZ截面结构的说明图。
图5是表示与图3所示的截面相同的位置处的彼此相邻的两个发电单位102的YZ截面结构的说明图。
图6是表示图4和图5的VI-VI的位置处的发电单位102的XY截面结构的说明图。
图7是表示图4和图5的VII-VII的位置处的发电单位102的XY截面结构的说明图。
图8是表示燃料电池组100的制造方法的流程图。
图9是表示性能评价结果的说明图。
图10是表示性能评价所用的各样品的XRD分析的结果的说明图。
图11是表示性能评价所用的各样品的XRD分析的结果的说明图。
具体实施方式
A.实施方式：
A-1.装置结构：
(燃料电池组100的结构)
图1是表示本实施方式中的燃料电池组100的外观结构的立体图，图2是表示图1的II-II的位置处的燃料电池组100的XZ截面结构的说明图，图3是表示图1的III-III的位置处的燃料电池组100的YZ截面结构的说明图。在各图中示出有用于确定方向的的相互正交的XYZ轴。在本说明书中，出于方便，将Z轴正方向称为上方向，将Z轴负方向称为下方向，但燃料电池组100实际上也可以以与这样的朝向不同的朝向设置。对于图4以后的附图也同样。
燃料电池组100具备多个(在本实施方式中，是7个)燃料电池发电单位(以下，简称为“发电单位”)102和一对端板104、106。7个发电单位102在预定的排列方向(在本实施方式中，是上下方向)上排列配置。一对端板104、106以从上下夹着由7个发电单位102构成的集合体的方式配置。此外，上述排列方向(上下方向)相当于权利要求书中的第1方向。
在构成燃料电池组100的各层(发电单位102、端板104、106)的绕Z方向的周缘部形成有在上下方向上贯通的多个(在本实施方式中，是8个)孔，形成于各层且相互对应的孔彼此在上下方向上连通，构成从一个端板104到另一个端板106沿着上下方向延伸的连通孔108。在以下的说明中，存在将为了构成连通孔108而在燃料电池组100的各层形成的孔也称为连通孔108情况。
在各连通孔108贯穿有沿着上下方向延伸的螺栓22，燃料电池组100被螺栓22和拧紧于螺栓22的两侧的螺母24紧固。此外，如图2和图3所示，绝缘片材26介于拧紧于螺栓22的一侧(上侧)的螺母24与构成燃料电池组100的上端的端板104的上侧表面之间、以及拧紧于螺栓22的另一侧(下侧)的螺母24与构成燃料电池组100的下端的端板106的下侧表面之间。不过，在设置有后述的气体通路构件27的部位，气体通路构件27和分别配置到气体通路构件27的上侧和下侧的绝缘片材26介于螺母24与端板106的表面之间。绝缘片材26由例如云母片材、陶瓷纤维片材、陶瓷压粉片材、玻璃片材、玻璃陶瓷复合剂等构成。
各螺栓22的轴部的外径比各连通孔108的内径小。因此，在各螺栓22的轴部的外周面与各连通孔108的内周面之间确保有空间。如图1和图2所示，由位于燃料电池组100的绕Z方向的外周中的1个边(与Y轴平行的两个边中的靠X轴正方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22A)和该螺栓22A所贯穿的连通孔108形成的空间作为氧化剂气体导入歧管161发挥功能，该氧化剂气体导入歧管161是从燃料电池组100的外部导入氧化剂气体OG，并将该氧化剂气体OG向各发电单位102供给的气体流路，由位于该边的相反侧的边(与Y轴平行的两个边中的靠X轴负方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22B)和该螺栓22B所贯穿的连通孔108形成的空间作为氧化剂气体排出歧管162发挥功能，该氧化剂气体排出歧管162用于将从各发电单位102的空气室166排出来的气体即氧化剂废气OOG向燃料电池组100的外部排出。此外，在本实施方式中，使用例如空气作为氧化剂气体OG。
另外，如图1和图3所示，由位于燃料电池组100的绕Z方向的外周中的1个边(与X轴平行的两个边中的靠Y轴正方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22D)和该螺栓22D所贯穿的连通孔108形成的空间作为燃料气体导入歧管171发挥功能，该燃料气体导入歧管171从燃料电池组100的外部导入燃料气体FG，并将该燃料气体FG向各发电单位102供给，由位于该边的相反侧的边(与X轴平行的两个边中的靠Y轴负方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22E)和该螺栓22E所贯穿的连通孔108形成的空间作为燃料气体排出歧管172发挥功能，该燃料气体排出歧管172用于将从各发电单位102的燃料室176排出来的气体、即燃料废气FOG向燃料电池组100的外部排出。此外，在本实施方式中，使用对例如城市煤气进行改性而成的富氢气体作为燃料气体FG。
在燃料电池组100设置有4个气体通路构件27。各气体通路构件27具有中空筒状的主体部28和从主体部28的侧面分支而成的中空筒状的分支部29。分支部29的孔与主体部28的孔连通。在各气体通路构件27的分支部29连接有气体配管(未图示)。另外，如图2所示，配置到形成氧化剂气体导入歧管161的螺栓22A的位置的气体通路构件27的主体部28的孔与氧化剂气体导入歧管161连通，配置到形成氧化剂气体排出歧管162的螺栓22B的位置的气体通路构件27的主体部28的孔与氧化剂气体排出歧管162连通。另外，如图3所示，配置到形成燃料气体导入歧管171的螺栓22D的位置的气体通路构件27的主体部28的孔与燃料气体导入歧管171连通，配置到形成燃料气体排出歧管172的螺栓22E的位置的气体通路构件27的主体部28的孔与燃料气体排出歧管172连通。
(端板104、106的结构)
一对端板104、106是大致矩形的平板形状的导电性构件，由例如不锈钢形成。一个端板104配置于位于最上的发电单位102的上侧，另一个端板106配置于位于最下的发电单位102的下侧。多个发电单位102在被一对端板104、106按压着的状态下被一对端板104、106夹持。上侧的端板104作为燃料电池组100的正极侧的输出端子发挥功能，下侧的端板106作为燃料电池组100的负极侧的输出端子发挥功能。
(发电单位102的结构)
图4是表示与图2所示的截面相同的位置处的彼此相邻的两个发电单位102的XZ截面结构的说明图，图5是表示与图3所示的截面相同的位置处的彼此相邻的两个发电单位102的YZ截面结构的说明图。另外，图6是表示图4和图5的VI-VI的位置处的发电单位102的XY截面结构的说明图，图7是表示图4和图5的VII-VII的位置处的发电单位102的XY截面结构的说明图。
如图4和图5所示，发电单位102具备单体电池110、分隔件120、空气极侧框架130、空气极侧集电体134、燃料极侧框架140、燃料极侧集电体144、以及构成发电单位102的最上层和最下层的一对互连器150。在分隔件120、空气极侧框架130、燃料极侧框架140、互连器150的绕Z方向的周缘部形成有与上述的供螺栓22贯穿的连通孔108相对应的孔。
互连器150是大致矩形的平板形状的导电性构件，由例如铁素体系不锈钢形成。互连器150确保发电单位102之间的电导通，并且，防止发电单位102之间的反应气体混合。此外，在本实施方式中，在两个发电单位102相邻地配置的情况下，1个互连器150被相邻的两个发电单位102共有。即，某发电单位102中的上侧的互连器150同与该发电单位102的上侧相邻的另一发电单位102中的下侧的互连器150是同一构件。另外，燃料电池组100具备一对端板104、106，因此，在燃料电池组100中位于最上的发电单位102不具备上侧的互连器150，位于最下的发电单位102不具备下侧的互连器150(参照图2和图3)。
单体电池110具备电解质层112和隔着电解质层112在上下方向(发电单位102排列的排列方向)上彼此相对的空气极(阴极)114和燃料极(阳极)116。此外，本实施方式的单体电池110是利用燃料极116支承电解质层112和空气极114的燃料极支承形的单体电池。
电解质层112是在Z方向观察时呈大致矩形的平板形状构件，是致密的(孔隙率较低的)层。电解质层112由例如YSZ(氧化钇稳定化氧化锆)、ScSZ(氧化钪稳定化氧化锆)、SDC(钐掺杂氧化铈)、GDC(钆掺杂氧化铈)、钙钛矿型氧化物等固体氧化物形成。空气极114在Z方向观察时是比电解质层112小的大致矩形的平板形状构件，是多孔质的(孔隙率比电解质层112的孔隙率高的)层。空气极114由例如钙钛矿型氧化物(例如LSCF(镧锶钴铁氧化物)、LSM(镧锶锰氧化物)、LNF(镧镍铁))形成。燃料极116在Z方向观察时是与电解质层112大致相同的大小的大致矩形的平板形状构件，是多孔质的(孔隙率比电解质层112的孔隙率高)层。燃料极116由例如Ni(镍)、金属陶瓷、Ni基合金等形成，该金属陶瓷由Ni以及陶瓷粒子构成。如此，本实施方式的单体电池110(发电单位102)是使用固体氧化物作为电解质的固体氧化物形燃料电池(SOFC)。
分隔件120是在中央附近形成有在上下方向上贯通的大致矩形的孔121的框架状的构件，由例如金属形成。分隔件120中的孔121的周围部分与电解质层112中的空气极114的侧的表面的周缘部相对。分隔件120利用配置在该相对的部分并由焊料(例如Ag焊料)形成的接合部124与电解质层112(单体电池110)接合。利用分隔件120，划分出面对空气极114的空气室166和面对燃料极116的燃料室176，抑制气体从单体电池110的周缘部处的一个电极侧向另一个电极侧泄漏。
如图6所示，空气极侧框架130是在中央附近形成有在上下方向上贯通的大致矩形的孔131的框架状的构件，由例如云母等绝缘体形成。空气极侧框架130的孔131构成面对空气极114的空气室166。空气极侧框架130与分隔件120中的与同电解质层112相对的一侧相反的一侧的表面的周缘部以及互连器150中的同空气极114相对的一侧的表面的周缘部接触。另外，发电单位102所包含的一对互连器150之间被空气极侧框架130电绝缘。另外，在空气极侧框架130形成有将氧化剂气体导入歧管161和空气室166连通的氧化剂气体供给连通孔132、以及将空气室166和氧化剂气体排出歧管162连通的氧化剂气体排出连通孔133。
如图7所示，燃料极侧框架140是在中央附近形成有在上下方向上贯通的大致矩形的孔141的框架状的构件，由例如金属形成。燃料极侧框架140的孔141构成面对燃料极116的燃料室176。燃料极侧框架140与分隔件120中的同电解质层112相对的一侧的表面的周缘部以及互连器150中的同燃料极116相对的一侧的表面的周缘部接触。另外，在燃料极侧框架140形成有将燃料气体导入歧管171和燃料室176连通的燃料气体供给连通孔142、以及将燃料室176和燃料气体排出歧管172连通的燃料气体排出连通孔143。
空气极侧集电体134配置于空气室166内。空气极侧集电体134包括多个大致四棱柱状的集电体元件135，由例如铁素体系不锈钢形成。空气极侧集电体134与空气极114中的与同电解质层112相对的一侧相反的一侧的表面以及互连器150中的同空气极114相对的一侧的表面接触。不过，如上述这样，在燃料电池组100中位于最上的发电单位102不具备上侧的互连器150，因此，该发电单位102中的空气极侧集电体134与上侧的端板104接触。由于空气极侧集电体134是这样的结构，因此，将空气极114和互连器150(或端板104)电连接。此外，在本实施方式中，空气极侧集电体134和互连器150形成为一体的构件。即，该一体的构件中的、与上下方向(Z轴方向)正交的平板形的部分作为互连器150发挥功能，以从该平板形的部分朝向空气极114突出的方式形成的多个凸部、即集电体元件135作为空气极侧集电体134发挥功能。另外，由空气极侧集电体134与互连器150构成的一体构件也可以由导电性的涂层覆盖，在空气极114与空气极侧集电体134之间，也可以存在接合空气极114和空气极侧集电体134的导电性的接合层。
燃料极侧集电体144配置于燃料室176内。燃料极侧集电体144具备互连器相对部146、电极相对部145、以及将电极相对部145和互连器相对部146相连的连接部147，由例如镍、镍合金、不锈钢等形成。电极相对部145与燃料极116中的与同电解质层112相对的一侧相反的一侧的表面接触，互连器相对部146与互连器150中的同燃料极116相对的一侧的表面接触。不过，如上述这样，在燃料电池组100中位于最下的发电单位102不具备下侧的互连器150，因此，该发电单位102中的互连器相对部146与下侧的端板106接触。由于燃料极侧集电体144是这样的结构，因此，将燃料极116和互连器150(或端板106)电连接。此外，在电极相对部145与互连器相对部146之间配置有由例如云母形成的间隔物149。因此，燃料极侧集电体144追随由温度循环、反应气体压力变动导致的发电单位102的变形而良好地维持燃料极116与互连器150(或端板106)之间经由燃料极侧集电体144的电连接。
另外，本实施方式的发电单位102还具备毡构件41。如图4和图6所示，毡构件41在空气室166中填充于与氧化剂气体OG的主要的流动方向(X轴方向)正交的方向(Y轴方向)的两端的位置(在Z轴方向上不与单体电池110的空气极114重叠的位置)。即，毡构件41在与Z轴方向正交的方向(Y轴方向)上配置于空气极侧集电体134的外侧表面与空气极侧框架130中的孔131的表面之间。另外，如图5和图7所示，毡构件41在燃料室176中也填充于与燃料气体FG的主要的流动方向(Y轴方向)正交的方向(X轴方向)的两端的位置(在Z轴方向上不与单体电池110的空气极114重叠的位置)。即，毡构件41在与Z轴方向正交的方向(X轴方向)上配置于燃料极侧集电体144的外侧表面与燃料极侧框架140中的孔141的表面之间。由于毡构件41的存在，能够抑制被供给到空气室166的氧化剂气体OG或被供给到燃料室176的燃料气体FG通过并不怎么有助于发电的区域而从空气室166或燃料室176排出，能够使发电效率提高。此外，本实施方式中的空气极114和燃料极116相当于权利要求书中的特定电极。另外，本实施方式中的空气极侧框架130和燃料极侧框架140相当于权利要求书中的框架构件，本实施方式中的空气极侧集电体134和燃料极侧集电体144相当于权利要求书中的集电构件。
毡构件41由氧化铝-硅石(二氧化硅)系毡材料形成。即，毡构件41含有硅石成分和作为陶瓷的氧化铝。毡构件41含有氧化铝，能够使毡构件41的耐热性、柔软性提高。在本实施方式中所使用的毡构件41具有Al2O3的结晶构造，并且，也具有SiO2的结晶构造。Al2O3的结晶构造相当于权利要求书中的第1结晶构造，SiO2的结晶构造相当于权利要求书中的第2结晶构造。
A-2.燃料电池组100的动作：
如图2、图4以及图6所示，当经由与设置到氧化剂气体导入歧管161的位置的气体通路构件27的分支部29连接起来的气体配管(未图示)供给氧化剂气体OG时，氧化剂气体OG经由气体通路构件27的分支部29和主体部28的孔向氧化剂气体导入歧管161供给，从氧化剂气体导入歧管161经由各发电单位102的氧化剂气体供给连通孔132向空气室166供给。另外，如图3、图5以及图7所示，当经由与设置到燃料气体导入歧管171的位置的气体通路构件27的分支部29连接起来的气体配管(未图示)供给燃料气体FG时，燃料气体FG经由气体通路构件27的分支部29和主体部28的孔向燃料气体导入歧管171供给，从燃料气体导入歧管171经由各发电单位102的燃料气体供给连通孔142向燃料室176供给。
当氧化剂气体OG被供给到各发电单位102的空气室166、燃料气体FG被供给到燃料室176时，在单体电池110中进行基于氧化剂气体OG所包含的氧与燃料气体FG所包含的氢之间的电化学反应的发电。该发电反应是放热反应。在各发电单位102中，单体电池110的空气极114经由空气极侧集电体134与一个互连器150电连接，燃料极116经由燃料极侧集电体144与另一个互连器150电连接。另外，燃料电池组100所包含的多个发电单位102串联连接。因此，从作为燃料电池组100的输出端子发挥功能的端板104、106取出在各发电单位102中所生成的电能。此外，也可以是，SOFC是在比较高的温度下(例如700℃～1000℃)进行发电，因此，也可以是，在起动后，利用加热器(未图示)加热燃料电池组100，直到成为能够利用由发电而产生的热来维持高温的状态。
如图2、图4以及图6所示，从各发电单位102的空气室166排出来的氧化剂废气OOG经由氧化剂气体排出连通孔133向氧化剂气体排出歧管162排出，还经过设置到氧化剂气体排出歧管162的位置的气体通路构件27的主体部28和分支部29的孔并经由与该分支部29连接起来的气体配管(未图示)向燃料电池组100的外部排出。另外，如图3、图5以及图7所示，从各发电单位102的燃料室176排出来的燃料废气FOG经由燃料气体排出连通孔143向燃料气体排出歧管172排出，还经过设置到燃料气体排出歧管172的位置的气体通路构件27的主体部28和分支部29的孔并经由与该分支部29连接起来的气体配管(未图示)向燃料电池组100的外部排出。
A-3.燃料电池组100的制造方法：
接着，对燃料电池组100的制造方法进行说明。图8是表示燃料电池组100的制造方法的流程图。首先，准备毡原材料(S110)。作为毡原材料，使用具有Al2O3的结晶构造的市场上销售的氧化铝-硅石系毡原材料。氧化铝-硅石系毡原材料含有氧化铝，并且含有非晶质的硅石作为硅石成分。
接着，以1000℃以上对毡原材料进行热处理，之后，进行成形，从而制作毡构件41(S120)。此外，热处理的温度能够设为例如1300℃以下。另外，热处理的时间能够设为例如8小时～12小时。通过以1000℃以上对毡原材料进行热处理，作为毡原材料所包含的硅石成分的非晶质的硅石成为结晶性的硅石。因此，制作成的毡构件41具有Al2O3的结晶构造，并且具有SiO2的结晶构造。
接着，利用公知的方法制作发电单位102(S130)。此时，如上述这样，将在S120中制作成的毡构件41向空气室166和燃料室176的预定的位置填充。
最后，将制作成的发电单位102在预定的排列方向(上下方向)上排列配置多个，对各构件进行组装，从而制作燃料电池组100(S140)。通过以上的工序，上述的结构的燃料电池组100的制造完成。
A-4.性能评价：
以下说明对构成上述的毡构件41的毡材料进行的性能评价。图9是表示性能评价结果的说明图。另外，图10和图11是表示性能评价所用的各样品的XRD分析(X射线衍射分析，X-Ray Diffraction Analysis)的结果的说明图。
(对于各样品)
如图9所示，在性能评价中，使用了氧化铝-硅石系毡材料的4个样品(样品S1～S4)。样品S1和S2是具有Al2O3的结晶构造的材料。另一方面，样品S3和S4是不具有Al2O3的结晶构造的材料。在图10中以各样品为代表而示出有针对样品S2和S4的XRD分析结果。对于样品S2，观察到源自Al2O3的结晶构造的33度附近的峰值，与此相对，对于样品S4，未观察到这样的峰值。此外，虽未图示，但对于样品S1，与样品S2同样地，观察到源自Al2O3的结晶构造的峰值，对于样品S3，与样品S4同样地未观察到这样的峰值。
另外，如图9所示，样品S1和S3是以1000℃进行了热处理(10小时)的样品。另一方面，对于样品S2和S4未进行这样的热处理。如上述这样，若以1000℃以上对氧化铝-硅石系毡材料进行热处理，则作为毡材料所包含的硅石成分的非晶质的硅石成为结晶性的硅石。因此，样品S1和S3具有SiO2的结晶构造，样品S2和S4不具有SiO2的结晶构造。在图11中以各样品为代表而示出有针对样品S1和S2的XRD分析结果。对于样品S1，观察到源自SiO2的结晶构造的22度附近的峰值，对于样品S2，未观察到这样的峰值。此外，虽未图示，但对于样品S3，与样品S1同样地，观察到源自SiO2的结晶构造的峰值，对于样品S4，与样品S2同样地未观察到这样的峰值。
针对各样品，算出来XRD分析中的源自SiO2的结晶构造的峰值的强度与源自Al2O3的结晶构造的峰值的强度之比(结晶峰值强度比)。此外，在不存在源自各结晶构造的峰值的情况下，强度是零。在样品S1中，结晶峰值强度比是0.61。另一方面，在样品S2和S4中，不存在源自SiO2的结晶构造的峰值，因此，结晶峰值强度比是零。另外，在样品S3中，不存在源自Al2O3的结晶构造的峰值，因此，结晶峰值强度比是无限大。如此，在样品S1的毡材料中确认到由于热处理而含有结晶性的硅石。
(对于评价项目和评价方法)
在本性能评价中，对Si飞散试验和耐久特性试验这两个项目进行了评价。在Si飞散试验中，针对各样品，将样品和单体电池110隔开预定的间隔地设置于坩埚中，在湿度40％的氢气气氛下，进行850℃、100小时的热处理，之后，以XRF分析(X射线荧光分析，X-RayFluorescence Analysis)使单体电池110的表面的Si量(ppm)定量化。在Si量小于100ppm的情况下，判定为合格(〇)，在Si量是100ppm以上的情况下，判定为不合格(×)。
另外，在耐久特性试验中，以样品S1和S4为对象，对于具备由样品的毡材料构成的毡构件41的燃料电池组100，在以850℃进行了100小时的额定发电运转之后，在温度700℃、电流密度0.55A/cm2的条件下测量电压，根据与初始电压之差算出来η电阻的增加量(Δη(Ω))。在Δη小于0.1Ω的情况下，判定为合格(〇)，在Δη是0.1Ω以上的情况下，判定为不合格(×)。此外，在耐久特性试验后，利用D-SIMS分析(动态二次离子质谱分析，Dynamic-Secondary Ion Mass Spectrometry Analysis)求出来燃料极116中的靠电解质层112侧的部分(具有电极活性的部分)的Si中毒量(ppm)。
(评价结果)
在Si飞散试验中，在样品S1中，Si量小于100ppm(检测极限以下)，因此，判定为合格(〇)。样品S1的毡材料具有Al2O3的结晶构造，并且，也具有SiO2的结晶构造，因此，认为能够抑制Si的飞散。另一方面，在样品S2、S3、S4中，Si量是100ppm以上，因此，判定为不合格(×)。样品S2的毡材料具有Al2O3的结晶构造，但不具有SiO2的结晶构造，因此，认为无法抑制Si的飞散。另外，样品S3的毡材料与样品S1同样地具有SiO2的结晶构造，但不具有Al2O3的结晶构造，因此，无法抑制Si的飞散。认为其原因在于，即使毡材料具有SiO2的结晶构造，若其不具有Al2O3的结晶构造，则也无法保持毡材料的形状，且耐热性也变差，因此，在试验中成为粒状的毡材料飞散了。另外，样品S4的毡材料既不具有Al2O3的结晶构造也不具有SiO2的结晶构造，因此，认为无法抑制Si的飞散。如以上那样，根据Si飞散试验的结果确认到：只要使用具有Al2O3的结晶构造且具有SiO2的结晶构造的毡材料来构成毡构件41，就能够抑制来自毡构件41的Si的飞散。
另外，在耐久特性试验中，在样品S1中，Δη小于0.1Ω(0.06Ω)，因此，判定为合格(〇)。样品S1的毡材料在Si飞散试验中Si量微小，因此，认为：抑制了由作为污染物质的Si导致的单体电池110的中毒，抑制了η电阻(η电阻内的活性化极化)的增加。此外，在样品S1中，燃料极116的Si中毒量为200ppm，较少。另一方面，在样品S4中，Δη是0.1Ω以上(0.12Ω)，因此，判定为不合格(×)。样品S4的毡材料在Si飞散试验中Si量较多，因此，认为：单体电池110因作为污染物质的Si而产生中毒，η电阻增加了。此外，在样品S4中，燃料极116的Si中毒量为850ppm，较多。对于样品S2，无法保持形状，无法组装，因此，无法实施耐久特性试验。另外，对于样品S3，由于热处理而毡材料收缩，因此，无法实施耐久特性试验。
根据以上进行了说明的性能评价的结果确认到：只要毡构件41含有陶瓷(氧化铝)和硅石成分，并且具有Al2O3的结晶构造，且具有SiO2的结晶构造，就能够抑制来自毡构件41的Si等污染物质的飞散，能够抑制以由Si等污染物质导致的中毒为原因的单体电池110的性能降低的产生。此外，为了抑制Si等污染物质的飞散，优选减少毡材料中的Si的含量。然而，有可能产生如下问题：Si的含量较少的毡材料的处理性降低，在组装时断裂或破碎。
B.变形例：
在本说明书中所公开的技术并不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内变形成各种形态，例如也可进行如下那样的变形。
上述实施方式中的燃料电池组100的结构终归是一个例子，可进行各种变形。例如，上述实施方式中的毡构件41的填充位置终归是一个例子，也可以将毡构件41填充于燃料电池组100的其他位置。
另外，在上述实施方式中，毡构件41由氧化铝-硅石系毡材料构成，也可以由其他除了氧化铝以外的陶瓷-硅石系毡材料构成。或者，毡构件41也可以由金属-硅石系毡材料(例如，镍毡)构成。在这样的结构中，也是只要毡构件41含有陶瓷或金属和硅石成分、并且具有与所含有的陶瓷或金属相应的结晶构造(第1结晶构造)，且具有SiO2的结晶构造(第2结晶构造)，就能够抑制来自毡构件41的Si等污染物质的飞散，能够抑制以由Si等污染物质导致的中毒为原因的单体电池110的性能降低的产生。
另外，在本说明书中，构件B与构件C隔着构件(或构件的某部分，以下同样)A而彼此相对并不限定于构件A与构件B或构件C相邻的形态，包括在构件A与构件B或构件C之间存在其他构成要素的形态。例如，也可以在电解质层112与空气极114之间设置其他层。即使是这样的结构，也可以说成空气极114和燃料极116隔着电解质层112彼此相对。
另外，在上述实施方式中，燃料电池组100是多个平板形的发电单位102层叠而成的结构，但本发明也可同样地适用于其他结构，如例如国际公开第2012/165409号所记载那样多个大致圆筒形的燃料电池单体串联连接的结构。
另外，在上述实施方式中，以利用燃料气体所包含的氢与氧化剂气体所包含的氧之间的电化学反应而进行发电的SOFC为对象，但本发明也可同样地适用于利用水的电解反应而进行氢的生成的固体氧化物形电解池(SOEC)的构成单位即电解池单位、具备多个电解池单位的电解电池组。此外，电解电池组的结构如在例如日本特开2016-81813号公报所记载那样是公知的，因此，在此不详细论述，概略而言是与上述的实施方式中的燃料电池组100同样的结构。即，将上述的实施方式中的燃料电池组100改称为电解电池组，将发电单位102改称为电解池单位，将单体电池110改称为电解单体电池即可。不过，在电解电池组的运转之际，以空气极114为正极(阳极)且燃料极116为负极(阴极)的方式对两电极间施加电压，并且，经由连通孔108供给作为原料气体的水蒸气。由此，在各电解池单位中产生水的电解反应，在燃料室176中产生氢气，氢经由连通孔108向电解电池组的外部取出。在这样的结构的电解池单位中，也只要采用上述的结构的毡构件41，就能够抑制来自毡构件41的Si等污染物质的飞散，能够抑制以由Si等污染物质导致的中毒为原因的单体电池110的性能降低的产生。
另外，在上述实施方式中，以固体氧化物形燃料电池(SOFC)为例进行了说明，但本发明也可适用于熔融碳酸盐形燃料电池(MCFC)这样的其他类型的燃料电池(或电解池)。
附图标记说明
22、螺栓；24、螺母；26、绝缘片材；27、气体通路构件；28、主体部；29、分支部；41、毡构件；100、燃料电池组；102、燃料电池发电单位；104、端板；106、端板；108、连通孔；110、单体电池；112、电解质层；114、空气极；116、燃料极；120、分隔件；121、孔；124、接合部；130、空气极侧框架；131、孔；132、氧化剂气体供给连通孔；133、氧化剂气体排出连通孔；134、空气极侧集电体；135、集电体元件；140、燃料极侧框架；141、孔；142、燃料气体供给连通孔；143、燃料气体排出连通孔；144、燃料极侧集电体；145、电极相对部；146、互连器相对部；147、连接部；149、间隔物；150、互连器；161、氧化剂气体导入歧管；162、氧化剂气体排出歧管；166、空气室；171、燃料气体导入歧管；172、燃料气体排出歧管；176、燃料室。

Claims (7)

1.一种电化学反应单位，其具备：
单体电池，其包括电解质层和隔着所述电解质层在第1方向上彼此相对的空气极和燃料极；以及
毡构件，其含有陶瓷和硅石成分、或金属和硅石成分，
该电化学反应单位的特征在于，
所述毡构件具有第1结晶构造，且具有作为SiO2的结晶构造的第2结晶构造，
所述毡构件配置于面对特定电极的气体室，该特定电极是所述空气极和所述燃料极中的至少一者，
该电化学反应单位还具备：
框架构件，其形成有孔，该孔构成面对所述特定电极的所述气体室；以及
集电构件，其与所述特定电极电连接，
所述毡构件在与所述第1方向和气体的主要的流动方向这两者正交的方向上配置于所述集电构件的外侧表面与所述框架构件中的所述孔的表面之间。
2.根据权利要求1所述的电化学反应单位，其特征在于，
所述毡构件配置于面对所述特定电极的所述气体室中的、与气体的主要的流动方向正交的方向的两端的位置。
3.根据权利要求1或2所述的电化学反应单位，其特征在于，
所述毡构件含有作为所述陶瓷的氧化铝。
4.根据权利要求1或2所述的电化学反应单位，其特征在于，
所述电化学反应单位是燃料电池发电单位。
5.根据权利要求3所述的电化学反应单位，其特征在于，
所述电化学反应单位是燃料电池发电单位。
6.一种电化学反应电池组，其具备沿着所述第1方向排列配置的多个电化学反应单位，其特征在于，
所述多个电化学反应单位中的至少1个是权利要求1～5中任一项所述的电化学反应单位。
7.一种电化学反应单位的制造方法，该电化学反应单位具备：单体电池，其包括电解质层和隔着所述电解质层在第1方向上彼此相对的空气极和燃料极；以及毡构件，其含有陶瓷和硅石成分、或金属和硅石成分，所述毡构件配置于面对特定电极的气体室，该特定电极是所述空气极和所述燃料极中的至少一者，该电化学反应单位的制造方法的特征在于，
该电化学反应单位的制造方法具备：
准备含有陶瓷和硅石成分、或金属和硅石成分的毡原材料的工序；以及
通过以1000℃以上对所述毡原材料进行热处理来制作所述毡构件的工序。
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