JP2017073246A - Electrochemical reaction single cell and electrochemical chemical reaction cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。 The technology disclosed by the present specification relates to an electrochemical reaction unit cell.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)が知られている。SOFCの最小構成単位である燃料電池単セル(以下、単に「単セル」ともいう)は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」ともいう)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む(例えば特許文献1参照)。なお、以下では、空気極または燃料極を基準として、電解質層側を第1の方向の一方側といい、一方側の反対側を他方側という。 One type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) that includes an electrolyte layer containing a solid oxide. Are known. A fuel cell single cell (hereinafter also simply referred to as “single cell”), which is the smallest structural unit of the SOFC, is mutually connected in a predetermined direction (hereinafter also referred to as “first direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween. The air electrode and the fuel electrode that face each other are included (see, for example, Patent Document 1). In the following, with the air electrode or fuel electrode as a reference, the electrolyte layer side is referred to as one side in the first direction, and the opposite side of one side is referred to as the other side.
一般に、単セルの表面、すなわち空気極または燃料極の表面は、酸化剤ガスまたは燃料ガスが流れる空気室または燃料室に面する。空気室または燃料室を流れる酸化剤ガスまたは燃料ガスは、空気極または燃料極に供給され、空気極または燃料極内において拡散しつつ、発電反応に供される。また、一般に、単セルには、単セルの表面に接触する他の部材(例えば、単セルにおいて生成された電気を集める集電部材)からの押圧力によって、応力が発生する。 In general, the surface of a single cell, that is, the surface of an air electrode or a fuel electrode faces an air chamber or a fuel chamber through which an oxidant gas or a fuel gas flows. The oxidant gas or the fuel gas flowing through the air chamber or the fuel chamber is supplied to the air electrode or the fuel electrode, and is diffused in the air electrode or the fuel electrode and used for a power generation reaction. In general, a stress is generated in a single cell due to a pressing force from another member that contacts the surface of the single cell (for example, a current collecting member that collects electricity generated in the single cell).
単セルにおいて、空気極と燃料極との少なくとも一方が、第1の層(活性層とも呼ばれる)と、第1の層の他方側に配置された第2の層(集電層とも呼ばれる)とを含むように構成される場合がある。そのような構成の単セルにおいて、電極におけるガス拡散性の向上と、上記応力に起因する電極割れの発生抑制と、第1の層と第2の層との間の剥離の発生抑制とをすべて達成する技術は知られていない。 In the single cell, at least one of the air electrode and the fuel electrode includes a first layer (also referred to as an active layer) and a second layer (also referred to as a current collecting layer) disposed on the other side of the first layer. May be configured to include. In the single cell having such a configuration, all of the improvement in gas diffusibility in the electrode, the suppression of the occurrence of electrode cracking due to the stress, and the suppression of the occurrence of peeling between the first layer and the second layer are all achieved. The technology to achieve is not known.
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」ともいう)の最小構成単位である電解セルにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼ぶ。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応単セルにも共通の課題である。 Such a problem is common to an electrolytic cell that is a minimum constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter also referred to as “SOEC”) that generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. It is a problem. In the present specification, the fuel cell unit cell and the electrolysis cell are collectively referred to as an electrochemical reaction unit cell. Such a problem is not limited to SOFC and SOEC, but is common to other types of electrochemical reaction single cells.
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be realized as, for example, the following forms.
(1)本明細書に開示される電気化学反応単セルは、電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方は、第1の層と、前記空気極または前記燃料極を基準として、前記電解質層側を前記第1の方向の一方側とし、前記一方側の反対側を他方側とした場合に、前記第1の層の前記他方側に配置された第2の層と、を含み、前記第2の層において、前記一方側の第1の領域と、前記他方側の第2の領域とが、以下の関係V,W,Xを満たす。
関係V:(前記第1の領域の気孔率)<(前記第2の領域の気孔率)
関係W:(前記第2の領域の粒子径D10)×0.5≦(前記第1の領域の粒子径D10)≦(前記第2の領域の粒子径D10)×1.5
関係X:(前記第1の領域の粒子径D90)−(前記第1の領域の粒子径D10)>(前記第2の領域の粒子径D90)−(前記第2の領域の粒子径D10)
(1) An electrochemical reaction unit cell disclosed in the present specification is an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. And at least one of the air electrode and the fuel electrode has a first layer, the air electrode or the fuel electrode as a reference, the electrolyte layer side as one side in the first direction, and the one side A second layer disposed on the other side of the first layer when the opposite side is the other side, and in the second layer, the first region on the one side; and The second region on the other side satisfies the following relationships V, W, and X.
Relationship V: (Porosity of the first region) <(Porosity of the second region)
Relationship W :( the particle diameter D 10 of the second region) × 0.5 ≦ (particle diameter D 10 of the first particle diameter D 10 of the region) ≦ (the second region) × 1.5
Relationship X: (Particle size D 90 in the first region) − (Particle size D 10 in the first region)> (Particle size D 90 in the second region) − (Particles in the second region) diameter D 10)
本電気化学反応単セルによれば、第2の層において、ガスが流れる空気室または燃料室により近い位置に配置された第2の領域の気孔率が、第1の領域の気孔率より高いため(関係V)、電極の構造的強度の低下を抑制しつつ、電極におけるガス拡散性を向上させることができる。また、電気化学反応単セルの表面により近い位置に配置された第2の領域の気孔率が比較的高いため(関係V)、第2の領域の硬度が比較的低くなり、電気化学反応単セルの表面に他の部材が接触して応力が発生した際に、第2の領域によって応力が分散され、電極割れの発生を抑制することができる。また、第1の領域と第2の領域とがほぼ同等の微粒子を含み(関係W)、かつ、第2の領域の方が第1の領域より粒径バラツキが小さい(関係X)ため、第1の領域よりも第2の領域に気孔(空孔)が多く形成されて第2の領域の硬度が比較的低くなり(すなわち、第1の領域よりも低くなり)、この点からも、電極割れの発生を効果的に抑制することができる。さらに、第1の領域は、比較的粒径バラツキが大きく、比較的径の大きい粒子と比較的径の小さい粒子とが混在しているため、第1の領域と第1の層との界面における接触点が多くなってアンカー効果が大きくなり、この界面における剥離の発生を抑制することができる。 According to the present electrochemical reaction single cell, the porosity of the second region disposed closer to the air chamber or the fuel chamber through which the gas flows in the second layer is higher than the porosity of the first region. (Relationship V) It is possible to improve gas diffusibility in the electrode while suppressing a decrease in the structural strength of the electrode. In addition, since the porosity of the second region arranged closer to the surface of the electrochemical reaction unit cell is relatively high (Relation V), the hardness of the second region is relatively low, and the electrochemical reaction unit cell When a stress is generated by contact of another member with the surface, the stress is dispersed by the second region, and generation of electrode cracks can be suppressed. In addition, since the first region and the second region contain substantially the same fine particles (Relationship W), and the second region has a smaller particle size variation (Relationship X) than the first region, the first region More pores (holes) are formed in the second region than in the first region, and the hardness of the second region is relatively low (that is, lower than that in the first region). Generation of cracks can be effectively suppressed. Furthermore, since the first region has a relatively large particle size variation and particles having a relatively large diameter and particles having a relatively small diameter are mixed, the first region has an interface at the interface between the first region and the first layer. As the number of contact points increases, the anchor effect increases, and the occurrence of peeling at this interface can be suppressed.
(2)上記電気化学反応単セルにおいて、(前記第1の領域の粒子径D85)>(前記第2の領域の粒子径D90)という関係Yを満たす構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、第1の領域には第2の領域と比べて比較的大径の粒子がより多く含まれるため(関係Y)、第1の領域と第1の層との界面でのアンカー効果がより大きくなって、この界面における剥離の発生をより効果的に抑制することができる。 (2) The electrochemical reaction single cell may be configured to satisfy the relationship Y of (particle diameter D 85 in the first region)> (particle diameter D 90 in the second region). According to the present electrochemical reaction single cell, the first region contains more particles having a relatively large diameter compared to the second region (relationship Y), so the first region, the first layer, The anchor effect at the interface becomes larger, and the occurrence of peeling at this interface can be more effectively suppressed.
(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記第2の層は、前記第1の領域を含む層と、前記第2の領域を含む層と、を含み、(前記第1の方向における前記第1の領域を含む層の厚さ)<(前記第1の方向における前記第2の領域を含む層の厚さ)という関係Zを満たす構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、第1の領域と第1の層との界面における剥離の発生を抑制しつつ、気孔率のより高い第2の領域を含む層の厚さがより厚くなって、電極におけるガス拡散性を一層向上させることができると共に、硬度のより低い第2の領域を含む層の厚さがより厚くなって、電極の割れの発生を一層効果的に抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the second layer includes a layer including the first region and a layer including the second region, and (the first layer in the first direction). The thickness of the layer including one region) <(the thickness of the layer including the second region in the first direction) may be satisfied. According to this electrochemical reaction single cell, the thickness of the layer including the second region having a higher porosity is increased while suppressing the occurrence of peeling at the interface between the first region and the first layer. As a result, the gas diffusibility in the electrode can be further improved, and the thickness of the layer including the second region having a lower hardness can be increased, and the generation of cracks in the electrode can be more effectively suppressed. it can.
(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記電気化学反応単セルは、前記電解質層に含まれる電解質が固体酸化物または炭酸塩の電気化学反応単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、比較的高温で運転されるために電極割れや層間剥離が問題となりやすいタイプの電気化学反応単セルにおいて、電極割れや層間剥離の発生を抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction single cell, the electrochemical reaction single cell may be configured such that the electrolyte contained in the electrolyte layer is a solid oxide or carbonate electrochemical reaction single cell. According to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to suppress the occurrence of electrode cracking and delamination in an electrochemical reaction single cell that is operated at a relatively high temperature and easily causes electrode cracking and delamination. .
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル(燃料電池単セルまたは電解セル)、複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be realized in various forms, and includes, for example, an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic cell) and a plurality of electrochemical reaction single cells. It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a manufacturing method thereof, and the like.
A.実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
The
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
A plurality of (eight in the present embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z direction of each layer (
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
The outer diameter of the shaft portion of each
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the Y axis positive direction side of two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the
燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
The
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of
The pair of
(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two
図4および図5に示すように、発電の最小単位である発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。空気極114の構成については、後に詳述する。燃料極116は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルともいう。
The
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
The air
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
The fuel
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。
The fuel electrode side
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。また、空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
The air electrode side
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
The oxidant off-gas OOG discharged from the
A−3.空気極114の詳細構成:
図6は、空気極114の詳細構成を示す説明図である。図6には、図5のP1部の構成が拡大して示されている。図6に示すように、空気極114は、活性層410と集電層420とを含む。空気極114を基準として電解質層112の側(図6における下側)を配列方向の「一方側」とし、上記一方側の反対側(図6における上側)を「他方側」とした場合、集電層420は、活性層410の他方側(上側)に配置されている。
A-3. Detailed configuration of the air electrode 114:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
活性層410は、主として、酸化剤ガスOGに含まれる酸素のイオン化反応の場として機能する層である。本実施形態では、活性層410は、ペロブスカイト型酸化物と、活性化物質としてのGDC(ガドリニウムドープセリア)とを含む。集電層420は、主として、空気室166から供給された酸化剤ガスOGを拡散させると共に、発電反応により得られた電気を集電する場として機能する層である。集電層420は、ペロブスカイト型酸化物を含むが、GDCを含まない。なお、活性層410は、集電層420と比較して、粒径が全体的に小さく、かつ、緻密質である(すなわち、気孔率が低い)。活性層410は、特許請求の範囲における第1の層に相当し、集電層420は、特許請求の範囲における第2の層に相当する。
The
集電層420は、電解質側集電層421と、電解質側集電層421の上記他方側(上側)に配置された集電体側集電層422とを含む。本実施形態では、電解質側集電層421は活性層410に隣接しており、集電体側集電層422は空気極側集電体134に隣接している。上述したように、空気極側集電体134は、集電体要素135とインターコネクタ150との一体の部材の内の空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である。そのため、集電体側集電層422の上側表面における一部の領域は空気極側集電体134に接触し、残りの一部の領域は空気極側集電体134に接触せずに空気室166に面している。
The
ここで、本実施形態では、集電層420(電解質側集電層421および集電体側集電層422)が、以下の気孔率に関する関係V1を満たすように構成されている。すなわち、本実施形態では、集電体側集電層422の気孔率が、電解質側集電層421の気孔率より高い。
・関係V1:
(電解質側集電層421の気孔率)<(集電体側集電層422の気孔率)
Here, in the present embodiment, the current collecting layer 420 (the electrolyte side
・ Relationship V1:
(Porosity of electrolyte-side current collecting layer 421) <(porosity of current-collecting side current collecting layer 422)
また、本実施形態では、集電層420が、以下の粒径に関する関係W1〜Y1を満たすように構成されている。すなわち、本実施形態では、電解質側集電層421と集電体側集電層422とがほぼ同等の微粒子を含み(関係W1)、電解質側集電層421の方が集電体側集電層422より粒径バラツキが大きくなっており(関係X1)、電解質側集電層421には集電体側集電層422と比べて比較的大径の粒子が多く含まれている(関係Y1)。
・関係W1:
(集電体側集電層422の粒子径D10)×0.5≦(電解質側集電層421の粒子径D10)≦(集電体側集電層422の粒子径D10)×1.5
・関係X1:
(電解質側集電層421の粒子径D90)−(電解質側集電層421の粒子径D10)>(集電体側集電層422の粒子径D90)−(集電体側集電層422の粒子径D10)
・関係Y1:
(電解質側集電層421の粒子径D85)>(集電体側集電層422の粒子径D90)
Moreover, in this embodiment, the
・ Relationship W1:
(Particle diameter D 10 of the current collector side current collecting layer 422) × 0.5 ≦ (particle diameter D 10 of the electrolyte-side current collecting layer 421) ≦ (particle diameter D 10 of the current collector side current collecting layer 422) × 1. 5
・ Relationship X1:
(Particle diameter D 90 of electrolyte side current collecting layer 421) − (Particle diameter D 10 of electrolyte side current collecting layer 421)> (Particle diameter D 90 of current collector side current collecting layer 422) − (Current collector side current collecting layer) 422 particle size D 10 )
・ Relationship Y1:
(Particle diameter D 85 of electrolyte-side current collecting layer 421)> (Particle diameter D 90 of current-collecting side current collecting layer 422)
図7および図8は、集電層420の粒径の特徴を示す説明図である。図7には、電解質側集電層421および集電体側集電層422の粒径の頻度分布の一例が示されている。また、図8には、電解質側集電層421および集電体側集電層422の粒径の累積分布の一例が示されている。なお、図8に示された粒子径D10等に付された「(1)」は電解質側集電層421に対応しており、「(2)」は集電体側集電層422に対応している。例えば、粒子径D10(1)は、電解質側集電層421の粒子径D10である。
7 and 8 are explanatory diagrams showing the characteristics of the particle size of the
図7および図8に示すように、電解質側集電層421と集電体側集電層422とは、比較的粒径の小さい領域において、ほぼ同様の分布特性を有するが、電解質側集電層421では、比較的粒径の大きい領域において頻度がより高くなっている。すなわち、電解質側集電層421と集電体側集電層422とは、ほぼ同等の微粒子を含むが、電解質側集電層421の方が集電体側集電層422より粒径バラツキが大きくなっており、電解質側集電層421には集電体側集電層422と比べて比較的大径の粒子が多く含まれている。このような特徴を示すのが、上記関係W1〜Y1である。
As shown in FIGS. 7 and 8, the electrolyte side
なお、図6に示すように、集電層420を上下方向(Z軸方向)に沿って100個の領域に等分し、電解質層112に最も近い5つの領域を「第1の領域R1」といい、電解質層112から最も離れた5つの領域を「第2の領域R2」というものとする。このとき、電解質側集電層421と集電体側集電層422との間の境界は、第1の領域R1内にも第2の領域R2内にも位置しない(第1の領域R1と第2の領域R2とに挟まれた領域内に位置する)。図6の例のように、電解質側集電層421と集電体側集電層422との間の境界が第1の領域R1内にも第2の領域R2内にも位置しないので、第1の領域R1は電解質側集電層421により構成され、第2の領域R2は集電体側集電層422により構成される。そのため、集電層420の第1の領域R1と第2の領域R2とは、気孔率および粒径に関する以下の関係V〜Yを満たすと言える。なお、ここでいう第1の領域R1は特許請求の範囲における第1の領域に相当し、第2の領域R2は特許請求の範囲における第2の領域に相当する。
・関係V:
(第1の領域R1の気孔率)<(第2の領域R2の気孔率)
・関係W:
(第2の領域R2の粒子径D10)×0.5≦(第1の領域R1の粒子径D10)≦(第2の領域R2の粒子径D10)×1.5
・関係X:
(第1の領域R1の粒子径D90)−(第1の領域R1の粒子径D10)>(第2の領域R2の粒子径D90)−(第2の領域R2の粒子径D10)
・関係Y:
(第1の領域R1の粒子径D85)>(第2の領域R2の粒子径D90)
As shown in FIG. 6, the
・ Relationship V:
(Porosity of the first region R1) <(Porosity of the second region R2)
・ Relationship W:
(Particle diameter D 10 of the second region R2) × 0.5 ≦ (particle diameter D 10 of the first region R1) ≦ (particle diameter D 10 of the second region R2) × 1.5
・ Relationship X:
(Particle size D 90 of first region R1) − (Particle size D 10 of first region R1)> (Particle size D 90 of second region R2) − (Particle size D 10 of second region R2) )
・ Relationship Y:
(Particle size D 85 of first region R1)> (Particle size D 90 of second region R2)
このように、本実施形態では、集電層420において、酸化剤ガスOGが流れる空気室166により近い位置に配置された第2の領域R2の気孔率が、第1の領域R1の気孔率より高いため(関係V)、空気極114の構造的強度の低下を抑制しつつ、空気極114におけるガス拡散性を向上させることができる。
Thus, in the present embodiment, in the
また、上述したように、空気極114の上側表面における一部の領域は空気極側集電体134に接触しており、空気極114には、当該接触領域を介して空気極側集電体134からの押圧力を受けることによって応力が発生する。本実施形態では、空気極側集電体134により近い位置に配置された第2の領域R2の気孔率が比較的高いため(関係V)、第2の領域R2の硬度が比較的低くなる。そのため、硬度が比較的低い第2の領域R2によって上記応力が分散され、空気極114に割れが発生することを抑制することができる。
Further, as described above, a part of the upper surface of the
また、本実施形態では、第1の領域R1と第2の領域R2とがほぼ同等の微粒子を含み(関係W)、かつ、第2の領域R2の方が第1の領域R1より粒径バラツキが小さい(関係X)。一般に、焼結体において、同等の微粒子を含む場合には、粒径バラツキが大きいほど気孔(空孔)が少なくなって硬度が高くなり、反対に、粒径バラツキが小さいほど気孔(空孔)が多く形成されて硬度が低くなる傾向にある。従って、この点からも、第2の領域R2の硬度が比較的低くなるため、空気極114の割れの発生が効果的に抑制される。
In the present embodiment, the first region R1 and the second region R2 contain substantially the same fine particles (Relationship W), and the second region R2 has a particle size variation more than the first region R1. Is small (Relationship X). In general, when the sintered body contains the same fine particles, the larger the particle size variation, the smaller the pores (voids) and the higher the hardness. On the contrary, the smaller the particle size variation, the smaller the pores (holes). Tend to be formed and the hardness tends to be low. Therefore, also from this point, since the hardness of the second region R2 is relatively low, the occurrence of cracks in the
また、本実施形態では、第1の領域R1は、比較的粒径バラツキが大きく、比較的径の大きい粒子と比較的径の小さい粒子とが混在しているため、第1の領域R1と活性層410との界面(すなわち、集電層420と活性層410との界面)における接触点が多くなってアンカー効果が大きくなり、この界面における剥離の発生を抑制することができる。特に、第1の領域R1には第2の領域R2と比べて比較的大径の粒子がより多く含まれるため(関係Y)、第1の領域R1と活性層410との界面でのアンカー効果がより大きくなって、この界面における剥離の発生をより効果的に抑制することができる。
In the present embodiment, since the first region R1 has a relatively large particle size variation and particles having a relatively large diameter and particles having a relatively small diameter are mixed, the first region R1 and the first region R1 are active. The number of contact points at the interface with the layer 410 (that is, the interface between the
また、本実施形態では、集電層420が、以下の層厚に関する関係Zを満たすように構成されている。すなわち、本実施形態では、上下方向(Z軸方向)において、集電体側集電層422の厚さが電解質側集電層421の厚さより厚い(図6参照)。
・関係Z:
(電解質側集電層421の厚さ)<(集電体側集電層422の厚さ)
Moreover, in this embodiment, the
・ Relationship Z:
(Thickness of electrolyte side current collecting layer 421) <(thickness of current collector side current collecting layer 422)
本実施形態では、集電体側集電層422の厚さが電解質側集電層421の厚さより厚いため(関係Z)、集電層420と活性層410との界面における剥離の発生を抑制しつつ、気孔率のより高い集電体側集電層422の厚さがより厚くなって、空気極114におけるガス拡散性を一層向上させることができると共に、硬度のより低い集電体側集電層422の厚さがより厚くなって、空気極114の割れの発生を一層効果的に抑制することができる。
In this embodiment, since the thickness of the
A−4.単セル110の製造方法:
本実施形態における単セル110の製造方法の一例は、次の通りである。
A-4. Manufacturing method of the single cell 110:
An example of the manufacturing method of the
(電解質層112と燃料極116との積層体の形成)
BET法による比表面積が例えば5〜7m2/gであるYSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約10μmの電解質層用グリーンシートを得る。また、BET法による比表面積が例えば3〜4m2/gであるNiOの粉末を、Ni重量に換算して55質量部となるように秤量し、BET法による比表面積が例えば5〜7m2/gであるYSZの粉末45質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ270μmの燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて、乾燥させる。その後、例えば1400℃にて焼成を行うことによって、電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
(Formation of laminated body of
For example, a butyral resin, dioctyl phthalate (DOP) as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to a YSZ powder having a specific surface area of 5 to 7 m 2 / g by the BET method. Then, a slurry is prepared by mixing with a ball mill. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to obtain a green sheet for an electrolyte layer having a thickness of about 10 μm, for example. Also, the NiO powder is the specific surface area, for example, 3 to 4 m 2 / g by BET method, in terms of Ni by weight were weighed so as to be 55 parts by weight, 5 to 7 m is a BET specific surface area of for example 2 / The mixed powder is obtained by mixing with 45 parts by mass of YSZ powder as g. To this mixed powder, a butyral resin, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added and mixed in a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to obtain a fuel electrode green sheet having a thickness of, for example, 270 μm. An electrolyte layer green sheet and a fuel electrode green sheet are attached and dried. Thereafter, firing is performed at 1400 ° C., for example, to obtain a laminate of the
(空気極114の形成)
次に、空気極114の活性層410の材料として、LSCF粉末と、GDC粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、活性層用ペーストを調製する。調整された活性層用ペーストを、電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112側の表面に、スクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。
(Formation of air electrode 114)
Next, LSCF powder, GDC powder, alumina powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, and butyl carbitol as an organic solvent are mixed as materials for the
また、空気極114の電解質側集電層421の材料として、LSCF粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、電解質側集電層用ペーストを調製する。調整された電解質側集電層用ペーストを、上述した活性層用ペーストの上に、スクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。
Further, as a material for the electrolyte-side
さらに、空気極114の集電体側集電層422の材料として、LSCF粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、集電体側集電層用ペーストを調製する。調整された集電体側集電層用ペーストを、上述した電解質側集電層用ペーストの上に、スクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。なお、空気極114の各層用ペーストの塗布方法として、例えば噴霧塗布といった他の方法も採用可能である。
Furthermore, as a material of the
その後、例えば1100℃にて焼成を行うことによって、電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112側の表面に、活性層410と集電層420(電解質側集電層421および集電体側集電層422)とから構成される空気極114が形成される。
Thereafter, for example, by firing at 1100 ° C., the
なお、空気極114の集電層420が気孔率に関する上記関係V1を満たすようにするためには、例えば、集電体側集電層422の原料粉末に樹脂ビーズやカーボン粉末といった焼成時に焼き飛んで気孔を形成する気孔材を比較的多く添加すればよい。また、空気極114の集電層420が粒径に関する上記関係W1〜Y1を満たすようにするためには、電解質側集電層421用のLSCF粉末として、例えばD50=1〜5μmのLSCF粉末にD50=5〜15μmのLSCF粉末を10〜30wt%の割合で混合したものを用い、集電体側集電層422用のLSCF粉末として、例えばD50=1〜5μmのLSCF粉末を用いればよい。また、空気極114の集電層420の層厚に関する上記関係Zを満たすようにするためには、例えば、集電体側集電層用ペーストの塗布厚を電解質側集電層用ペーストの塗布厚より厚くすればよい。
In order to make the
以上の工程により、上述した構成の単セル110が製造される。なお、単セル110が製造された後、例えば、空気極114と空気極側集電体134との接合やボルト22による燃料電池スタック100の締結等の組み立て工程が行われることにより、上述した構成の燃料電池スタック100が製造される。
Through the above steps, the
A−5.実施例:
上述した製造方法に従い、単セル110の実施例を製造した。図9は、単セル110の実施例における電解質側集電層421および集電体側集電層422の特性を示す説明図である。図9に示す通り、この実施例では、上述の関係V1〜Y1がすべて満たされている。
A-5. Example:
According to the manufacturing method described above, an example of the
図9に示す単セル110の実施例を用いて、電解質側集電層421および集電体側集電層422のビッカース硬度(HV)を測定した。図10は、ビッカース硬度の測定結果を示す説明図である。図10に示すグラフには、電解質側集電層421および集電体側集電層422のそれぞれについて、複数の位置でのビッカース硬度の測定値と、その平均値(AV)とがプロットされている。ビッカース硬度の平均値は、集電体側集電層422で14であり、電解質側集電層421で27であった。このように、上述の関係V1〜Y1を満たすように電解質側集電層421および集電体側集電層422を製造すれば、集電体側集電層422の硬度は電解質側集電層421の硬度と比較して低くなる。
Using the example of the
A−6.空気極114の分析方法:
(分析画像M1の取得方法)
気孔率や粒径等に関して空気極114を分析する方法について説明する。まず、空気極114の分析に用いられる分析画像M1を以下の方法により取得する。単セル110において、上下方向(Z軸方向)に平行な1つの断面(ただし空気極114を含む断面)を任意に設定し、当該断面において空気極114の上下方向における全体が確認できる画像を、分析画像M1として取得する。より詳細には、空気極114の上側表面(空気極側集電体134と接触する表面)が、画像を上下方向に10等分して得られた10個の分割領域の内の最も上の分割領域内に位置し、かつ、空気極114と電解質層112との境界が、最も下の分割領域内に位置している画像を、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影し、分析画像M1として取得する。なお、この分析画像M1は、SEMにより撮影された画像を2値化処理した後の2値化画像でもよい。ただし、2値化画像における気孔が実際の形態と大きく異なる場合には、SEMにより撮影された2値化処理前の画像のコントラストを調整し、その調整後の画像を2値化処理した画像でもよい。また、分析画像M1は、SEMにより撮影された2値化処理前の画像そのものでもよい。SEMの画像の倍率は、上記のように空気極114の上下方向における全体が分析画像M1に収まるような値に設定され、例えば200〜20,000倍とすることができるが、これに限定されず、適宜変更することができる。
A-6. Analysis method of the air electrode 114:
(Acquisition method of analysis image M1)
A method for analyzing the
(活性層410と集電層420との境界の決定方法)
空気極114を構成する活性層410と集電層420との境界は、活性層410の気孔率が集電層420の気孔率より低いという特徴を利用して、以下の方法により特定される。まず、分析画像M1に対して、上下方向(Z軸方向)に直交する複数の仮想線Kを、0.3μm間隔で空気極114の上側表面から下方に順番に引き、仮想線K1、K2、K3、・・・、Km、・・・、K(m+9)、K(m+10)、・・・、Knを得る。そして、各仮想線Kにおいて気孔と重複する部分の長さを測定し、気孔と重複する部分の長さの合計を算出し、各仮想線Kの全長に対する気孔と重複する部分の長さの合計の比を、当該仮想線K上に存在する気孔の割合(気孔率Ks)とする。次に、各仮想線Kの気孔率Ks1、Ks2、Ks3、・・・、Ksm、・・・、Ks(m+9)、Ks(m+10)、・・・、Ksnのうち、上方側から順番に10個の仮想線Kの気孔率Ksを有する各データ群を設定し、各データ群の10個の気孔率Ksの平均値(Ave)と各データ群の気孔率Ksの標準偏差(σ)を算出する。
(Determination method of boundary between
The boundary between the
上方側から順番に、データ群G1は、Ks1、Ks2、・・・、Ks10からなり、データ群G2は、Ks2、Ks3、・・・、Ks11からなり、データ群Gmは、Ksm、Ks(m+1)、Ks(m+2)、・・・、Ks(m+9)からなり、データ群G(m+1)は、Ks(m+1)、Ks(m+2)、・・・、Ks(m+10)からなる。すなわち、データ群G(m+1)とは、データ群Gmから、データ群Gmの1つ目の仮想線Kmの気孔率Ksmを除いた9個の気孔率(Ks(m+1)、・・・、Ks(m+9))に、データ群の最後の仮想線K(m+9)の次の仮想線K(m+10)の気孔率Ks(m+10)を加えた10個の気孔率Ksからなる一つの群を意味する。そして、「G(m+1)の気孔率Ksの平均値」が「Gmの気孔率Ksの平均値に、Gmの10個の気孔率Ksの標準偏差(σ)の2倍の値を加えた値」を初めて上回ったとき、または、「G(m+1)の気孔率Ksの平均値」が「Gmの気孔率Ksの平均値から、Gmの10個の気孔率Ksの標準偏差(σ)の2倍の値を減じた値」を初めて下回ったときの、データ群G(m+1)の10個目の気孔率Ks(m+10)に対応する仮想線K(m+10)を、活性層410と集電層420との境界とする。すなわち、データ群Gmの気孔率Ksの平均値をGmAve、データ群G(m+1)の気孔率Ksの平均値をG(m+1)Ave、データ群Gmの気孔率Ksの標準偏差をσmとしたとき、下記式(1)を満たす初めてのデータ群G(m+1)の10個目の気孔率Ks(m+10)に対応する仮想線K(m+10)を、活性層410と集電層420との境界とする。この境界が決定されれば、分析画像M1上において、活性層410と集電層420とを区別することができる。
|(G(m+1)Ave)−(GmAve)|>2σm ・・・(1)
In order from the top, the data group G1 is composed of Ks1, Ks2,..., Ks10, the data group G2 is composed of Ks2, Ks3,..., Ks11, and the data group Gm is composed of Ksm, Ks (m + 1). ), Ks (m + 2),..., Ks (m + 9), and the data group G (m + 1) includes Ks (m + 1), Ks (m + 2),. That is, the data group G (m + 1) means nine porosity (Ks (m + 1),..., Ks) obtained by removing the porosity Ksm of the first virtual line Km of the data group Gm from the data group Gm. (M + 9)) is added to the porosity Ks (m + 10) of the virtual line K (m + 10) next to the last virtual line K (m + 9) of the data group, which means one group consisting of 10 porosity Ks. . The “average value of the porosity Ks of G (m + 1)” is a value obtained by adding a value twice the standard deviation (σ) of 10 porosity Ks of Gm to the average value of the porosity Ks of Gm. Or the average value of the porosity Ks of G (m + 1) is 2 of the standard deviation (σ) of 10 porosity Ks of Gm from the average value of the porosity Ks of Gm. The virtual line K (m + 10) corresponding to the tenth porosity Ks (m + 10) of the data group G (m + 1) when the value is lower than the “value obtained by subtracting the double value” for the first time is represented by the
| (G (m + 1) Ave) − (GmAve) |> 2σm (1)
(粒径の測定方法)
空気極114の集電層420における粒径の頻度分布や累積分布は、"水谷惟恭、尾崎義治、木村敏夫、山口喬著、「セラミックプロセッシング」、技報堂出版株式会社、1985年3月25日発行、第192頁から第195頁"に記載されている方法(インターセプト方法)に従って特定される。具体的には、上記分析画像M1において、集電層420に、上下方向(Z軸方向)に直交する直線を所定間隔(例えば4μm間隔)で複数本引き、各直線上の各粒子にあたる部分の長さを粒径として測定する。対象の部材や領域に位置する1つまたは複数の直線上のすべての粒子についての粒径を計測し、計測値を用いて図7や図8に示す粒径の頻度分布や累積分布を作成するものとする。
(Measuring method of particle size)
The frequency distribution and cumulative distribution of the particle size in the
(気孔率の測定方法)
各部材や領域の気孔率は、以下の方法により特定される。上記分析画像M1において、上下方向(Z軸方向)に直交する直線を所定間隔(例えば4μm間隔)で複数本引き、各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、直線における気孔率の測定対象(例えば電解質側集電層421)に重なる部分の長さに対する気孔にあたる部分の長さの合計の比を、当該直線上における気孔率とする。気孔率の測定対象に引かれた1つまたは複数の直線における気孔率の平均値を、当該測定対象の気孔率とする。
(Measurement method of porosity)
The porosity of each member or region is specified by the following method. In the analysis image M1, a plurality of straight lines perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) are drawn at a predetermined interval (for example, 4 μm intervals), the length of the portion corresponding to the pores on each straight line is measured, and the porosity in the straight line is measured. The ratio of the total length of the portion corresponding to the pores to the length of the portion overlapping the target (for example, the electrolyte-side current collecting layer 421) is defined as the porosity on the straight line. Let the average value of the porosity in the 1 or several straight line drawn by the measuring object of porosity be the porosity of the said measuring object.
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
上記実施形態では、単セル110は略平板形状であるが、本発明は、他の構成の単セル、例えば特開2008−59797号に記載されているような略楕円柱形の単セル、および、そのような単セルを複数備える燃料電池スタックにも同様に適用可能である。図11は、変形例の燃料電池スタックの構成を概略的に示す説明図である。図11には、燃料電池スタックの一部分(2つの単セル1と1つの集電体20)の断面構成が示されているが、燃料電池スタックはさらに多くの単セル1および集電体20を備えていてもよい。また、図12は、変形例における燃料電池スタックを構成する単セル1の構成を概略的に示す説明図である。図11および図12に示す変形例の燃料電池スタックは、上記実施形態と同様に、複数の単セル1が直列に接続された構成を有するが、各単セル1の構成が上記実施形態と異なる。なお、図11および図12に示す変形例の燃料電池スタックの説明において、特に記載の無い構成や材料等については、上述した実施形態の燃料電池スタック100における構成や材料等と同様である。
In the above embodiment, the
図11および図12に示す変形例の燃料電池スタックは、複数の単セル1と、単セル1間に配置された複数の集電体20とを備える。各単セル1は、支持体10と、燃料極2と、電解質層3と、空気極4と、インターコネクタ5と、空気極材料層14とを備える。支持体10は、略楕円形状の断面を有する柱状体であり、多孔質材料で形成されている。支持体10の内部には、柱状体の延伸方向に延びる複数の燃料ガス通路(燃料室)16が形成されている。燃料極2は、支持体10の側面の内、互いに略平行な一対の平坦面の一方と、各平坦面の端部同士をつなぐ2つの曲面とを覆うように設けられている。電解質層3は、燃料極2における支持体10側とは反対側の側面を覆うように設けられている。空気極4は、電解質層3における燃料極2側とは反対側の側面の内、支持体10の平坦面上に位置する部分を覆うように設けられている。インターコネクタ5は、支持体10における燃料極2に覆われていない平坦面に接触するように設けられている。空気極材料層14は、インターコネクタ5における支持体10側とは反対側の面上に配置されている。集電体20は、単セル1の空気極4に接合層25により接合されると共に、当該単セル1に隣設する他の単セル1の空気極材料層14に接合層25により接合されている。空気極4の外側に酸化剤ガスが供給され、支持体10の燃料ガス通路16に燃料ガスが供給され、所定の作動温度まで加熱されると、燃料電池スタックにおいて発電が行われる。
The fuel cell stack of the modification shown in FIGS. 11 and 12 includes a plurality of
図13は、図11および図12に示した変形例の燃料電池スタックにおける集電体20および空気極4の詳細構成を示す説明図である。図11および図13に示すように、この変形例では、空気極4の表面に、集電体20における空気極4に向けて突出する突出部が、接合層25を介して接触している。そのため、空気極4には、当該接触部を介して集電体20からの押圧力を受けることによって応力が発生する。
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
図13に示すように、この変形例では、上記実施形態と同様に、空気極4は、活性層41と集電層42とを含む。また、集電層42は、電解質側集電層45と集電体側集電層46とを含む。また、電解質側集電層45と集電体側集電層46とは、上記実施形態において電解質側集電層421と集電体側集電層422とが満たしている上記関係V1〜W1およびZと同様の関係を満たしている。そのため、この変形例においても、集電層42を単セル1の配列方向(図13の上下方向であり、特許請求の範囲における第1の方向に相当する)に沿って10個の領域に等分し、電解質層3に最も近い3つの領域を「第1の領域」とし、電解質層3から最も離れた3つの領域を「第2の領域」とした場合に、第1の領域と第2の領域とは、上記関係V〜Wと同様の関係を満たしている。従って、この変形例においても、空気極4の構造的強度の低下を抑制しつつ空気極4におけるガス拡散性を向上させることができると共に、空気極4の割れの発生を抑制することができ、さらに、集電層42と活性層41との界面における剥離の発生を抑制することができる。
As shown in FIG. 13, in this modification, the
また、上記実施形態(または変形例、以下同様)では、空気極114の集電層420は、上記関係V〜Zを満たすように構成されているとしているが、集電層420が少なくとも上記関係V〜Xを満たすように構成されていれば、空気極114におけるガス拡散性を向上させることができると共に、空気極114の割れの発生を抑制することができ、さらに、空気極114の活性層410と集電層420との界面における剥離の発生を抑制することができる。
In the above embodiment (or a modified example, the same applies hereinafter), the
また、上記実施形態では、空気極114の集電層420は、電解質側集電層421と集電体側集電層422との二層構成であるとしているが、集電層420が電解質側集電層421および集電体側集電層422以外の他の層を含むとしてもよい。また、上記実施形態では、空気極114の活性層410は単層構成であるとしているが、活性層410が複数の層から構成されるとしてもよい。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる単セル110の個数は、あくまで一例であり、単セル110の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。
In the above embodiment, the number of
本明細書において、部材(または部材のある部分、以下同様)Aを挟んで部材Bと部材Cとが互いに対向するとは、部材Aと部材Bまたは部材Cとが隣接する形態に限定されず、部材Aと部材Bまたは部材Cとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層112と空気極114との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、空気極114と燃料極116とは電解質層112を挟んで互いに対向すると言える。
In the present specification, the fact that the member B and the member C are opposed to each other across the member (or a part having the member, the same applies hereinafter) A is not limited to the form in which the member A and the member B or the member C are adjacent to each other. It includes a form in which another component is interposed between member A and member B or member C. For example, another layer may be provided between the
また、上記実施形態では、燃料電池スタック100に含まれるすべての単セル110について、上記関係V〜Zが満たされた構成であるとしているが、燃料電池スタック100に含まれる少なくとも1つの単セル110について、そのような構成となっていれば、当該単セル110について、空気極114におけるガス拡散性を向上させることができると共に、空気極114の割れの発生を抑制することができ、さらに集電層420と活性層410との界面における剥離の発生を抑制することができる。
In the above-described embodiment, all the
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の最小単位である電解セルや、複数の電解セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2014−207120号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セルおよび電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様に、上記関係V〜Zが満たされた構成であるとすれば、空気極114におけるガス拡散性を向上させることができると共に、空気極114の割れの発生を抑制することができ、さらに集電層420と活性層410との界面における剥離の発生を抑制することができる。
In the above embodiment, the SOFC that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted. The present invention can be similarly applied to an electrolytic cell which is a minimum unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cells. The configuration of the electrolytic cell stack is well known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-207120, and thus will not be described in detail here. It is a configuration. That is, the
また、上記実施形態では、空気極114は、活性層410と、電解質側集電層421と集電体側集電層422とを含む集電層420と、を含む構成であるとしているが、空気極114に代えて、または、空気極114と共に、燃料極116が、上述の空気極114の構成と同様に、活性層と、電解質側集電層と集電体側集電層とを含む集電層と、を含む構成であるとしてもよい。その際、燃料極116の集電層が、上述した空気極114の集電層420と同様に、上記関係V〜Zを満たすように構成されるとしてもよい。このようにすれば、燃料極116におけるガス拡散性を向上させることができると共に、燃料極116の割れの発生を抑制することができ、さらに、燃料極116の活性層と集電層との界面における剥離の発生を抑制することができる。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。なお、本発明は、SOFCやMCFC等のガスの温度が比較的高温となり、セル割れや層間剥離が問題となりやすいタイプの燃料電池において、より好適である。 In the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example. However, the present invention is applicable to other types of fuel cells (or electrolytic cells) such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). Applicable. The present invention is more suitable for a fuel cell of a type in which gas temperature such as SOFC or MCFC becomes relatively high and cell cracking or delamination tends to be a problem.
1:単セル 2:燃料極 3:電解質層 4:空気極 5:インターコネクタ 10:支持体 14:空気極材料層 16:燃料ガス通路 20:集電体 22:ボルト 24:ナット 25:接合層 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 41:活性層 42:集電層 45:電解質側集電層 46:集電体側集電層 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 410:活性層 420:集電層 421:電解質側集電層 422:集電体側集電層 1: single cell 2: fuel electrode 3: electrolyte layer 4: air electrode 5: interconnector 10: support 14: air electrode material layer 16: fuel gas passage 20: current collector 22: bolt 24: nut 25: bonding layer 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branching portion 41: Active layer 42: Current collecting layer 45: Electrolyte side current collecting layer 46: Current collector side current collecting layer 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104: End plate 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joint part 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidation Agent gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 135: Current collector element 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing portion 147: Connecting portion 149: Spacer 150: Inter Connector 161: Oxidant gas introduction manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 410: Active layer 420: Current collection layer 421: Electrolyte side current collection Layer 422: current collector side current collector layer
Claims (6)
前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方は、
第1の層と、
前記空気極または前記燃料極を基準として、前記電解質層側を前記第1の方向の一方側とし、前記一方側の反対側を他方側とした場合に、前記第1の層の前記他方側に配置された第2の層と、
を含み、
前記第2の層において、前記一方側の第1の領域と、前記他方側の第2の領域とが、以下の関係V,W,Xを満たすことを特徴とする、電気化学反応単セル。
関係V:(前記第1の領域の気孔率)<(前記第2の領域の気孔率)
関係W:(前記第2の領域の粒子径D10)×0.5≦(前記第1の領域の粒子径D10)≦(前記第2の領域の粒子径D10)×1.5
関係X:(前記第1の領域の粒子径D90)−(前記第1の領域の粒子径D10)>(前記第2の領域の粒子径D90)−(前記第2の領域の粒子径D10) An electrolyte layer;
In an electrochemical reaction single cell comprising an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer,
At least one of the air electrode and the fuel electrode is
A first layer;
With respect to the air electrode or the fuel electrode, when the electrolyte layer side is one side of the first direction and the opposite side of the one side is the other side, the other side of the first layer is A second layer disposed;
Including
In the second layer, the first region on one side and the second region on the other side satisfy the following relations V, W, and X.
Relationship V: (Porosity of the first region) <(Porosity of the second region)
Relationship W :( the particle diameter D 10 of the second region) × 0.5 ≦ (particle diameter D 10 of the first particle diameter D 10 of the region) ≦ (the second region) × 1.5
Relationship X: (Particle size D 90 in the first region) − (Particle size D 10 in the first region)> (Particle size D 90 in the second region) − (Particles in the second region) diameter D 10)
(前記第1の領域の粒子径D85)>(前記第2の領域の粒子径D90)という関係Yを満たすことを特徴とする、電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to claim 1,
An electrochemical reaction single cell satisfying the relationship Y: (particle diameter D 85 in the first region)> (particle diameter D 90 in the second region).
前記第2の層は、
前記第1の領域を含む層と、
前記第2の領域を含む層と、
を含み、
(前記第1の方向における前記第1の領域を含む層の厚さ)<(前記第1の方向における前記第2の領域を含む層の厚さ)という関係Zを満たすことを特徴とする、電気化学反応単セル。 The electrochemical reaction single cell according to claim 1 or 2,
The second layer is
A layer comprising the first region;
A layer comprising the second region;
Including
Satisfying the relationship Z: (thickness of the layer including the first region in the first direction) <(thickness of the layer including the second region in the first direction) Electrochemical reaction single cell.
前記電気化学反応単セルは、前記電解質層に含まれる電解質が固体酸化物または炭酸塩の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応単セル。 In the electrochemical reaction single cell as described in any one of Claim 1- Claim 3,
The electrochemical reaction single cell is an electrochemical reaction single cell in which the electrolyte contained in the electrolyte layer is a solid oxide or carbonate electrochemical reaction single cell.
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも1つは、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 In an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells,
5. The electrochemical reaction cell stack according to claim 1, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell according to claim 1.
前記複数の電気化学反応単セルのそれぞれは、発電を行う燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 5,
Each of the plurality of electrochemical reaction single cells is a fuel cell single cell that generates electric power.
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