JP2017107662A - Fuel battery single cell and fuel battery cell stack - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery single cell and a fuel battery cell stack capable of efficiently discharging, to the outside of a cell, water vapor generated inside the cell.SOLUTION: A fuel battery single cell 1 comprises: a flat plate-shaped cell 2 having an anode 20, a solid electrolyte layer 21 and a cathode 22; and a metal frame 3 supporting the cell 2. The anode 20 comprises: a diffusion layer 201 which has a plurality of pores so as to diffuse introduced fuel gas F to a layer surface; and an active layer 202 which is arranged on the solid electrolyte layer 21 side of the diffusion layer 201 so as to serve as an anode reaction field. The diffusion layer 201 internally has a plurality of main gas passages 201a which is larger than a diameter of the pores. The main gas passages 201a come into contact with the active layer 202 and penetrate to the external surface of the diffusion layer 201.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池単セルおよび燃料電池セルスタックに関する。   The present invention relates to a single fuel cell and a fuel cell stack.

従来、アノードと固体電解質層とカソードとを有する平板形の燃料電池単セル、および、複数の燃料電池単セルがセパレータを介して積層されてなる燃料電池セルスタックが知られている。   Conventionally, a flat plate fuel cell single cell having an anode, a solid electrolyte layer, and a cathode, and a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell single cells are stacked via a separator are known.

先行する特許文献1には、供給用ガス流路と排出用ガス流路とがセパレータに複数設けられた燃料電池において、セパレータの材質を多孔質とし、電極で生成された水分をセパレータに吸引させることによって、水分による電極の閉塞を抑制する技術が開示されている。   In the prior art document 1, in a fuel cell in which a plurality of supply gas passages and discharge gas passages are provided in a separator, the separator is made of a porous material, and moisture generated by the electrodes is sucked into the separator. Thus, a technique for suppressing the clogging of the electrode due to moisture is disclosed.

特開2005−322595号公報JP 2005-322595 A

しかしながら、上記燃料電池の技術では、セパレータに水分を吸引させるため、セパレータに溜まった水分を外部に排出する処理が別途必要となる。また、電極から供給用ガス流路に移動する水分により、アノードへの燃料ガスの導入も妨げられる。したがって、固体電解質層を利用する燃料電池に対して上記技術を適用したとしても、セル内部で発生した水蒸気を効率よくセル外部へ排出することは困難である。また、大電力発電時には、水蒸気量も多くなるので、セル外部への水蒸気の排出がより難しくなる。   However, in the above fuel cell technology, in order to cause the separator to suck moisture, a process for discharging the moisture accumulated in the separator to the outside is separately required. Also, the introduction of fuel gas to the anode is hindered by the moisture moving from the electrode to the supply gas flow path. Therefore, even if the above technique is applied to a fuel cell that uses a solid electrolyte layer, it is difficult to efficiently discharge water vapor generated inside the cell to the outside of the cell. Moreover, since the amount of water vapor increases during high power generation, it becomes more difficult to discharge water vapor outside the cell.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、セル内部で発生した水蒸気を効率よくセル外部へ排出することが可能な燃料電池単セル、燃料電池セルスタックを提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such problems, and is intended to provide a fuel cell single cell and a fuel cell stack that can efficiently discharge water vapor generated inside the cell to the outside of the cell. .

本発明の一態様は、アノード(20)と固体電解質層(21)とカソード(22)とを備える平板形のセル(2)と、該セルを支持する金属製のフレーム(3)と、を有する燃料電池単セル(1)であって、
上記アノードは、多数の孔部を有し、導入される燃料ガス(F)を層面内に拡散させる拡散層(201)と、該拡散層の上記固体電解質層側に配置され、アノード反応の場となる活性層(202)と、を有しており、
上記拡散層は、上記孔部の径よりも大きい複数の主ガス流路(201a)を内部に備え、
該主ガス流路は、上記活性層に接しており、かつ、上記拡散層の外表面に貫通している、燃料電池単セル(1)にある。
One aspect of the present invention includes a flat cell (2) including an anode (20), a solid electrolyte layer (21), and a cathode (22), and a metal frame (3) that supports the cell. A fuel cell single cell (1) comprising:
The anode has a large number of holes, and is disposed on the solid electrolyte layer side of the diffusion layer (201) for diffusing the introduced fuel gas (F) in the layer surface, and is used for the anode reaction. An active layer (202) to be
The diffusion layer includes a plurality of main gas passages (201a) larger than the diameter of the hole,
The main gas channel is in the fuel cell single cell (1) that is in contact with the active layer and penetrates the outer surface of the diffusion layer.

本発明の他の態様は、上記燃料電池単セルと、上記燃料ガスを供給するガス供給口(51)と、上記燃料ガスを排出するガス排出口(52)と、を有しており、
上記主ガス流路は、上記ガス排出口と連通しており、かつ、上記ガス供給口と連通していない、燃料電池セルスタック(5)にある。
Another aspect of the present invention includes the fuel cell unit cell, a gas supply port (51) for supplying the fuel gas, and a gas discharge port (52) for discharging the fuel gas.
The main gas channel is in the fuel cell stack (5), which is in communication with the gas outlet and not in communication with the gas supply port.

上記燃料電池単セルは、活性層に接しており、かつ、拡散層の外表面に貫通している主ガス流路を有している。そのため、アノード反応によって活性層で生じた水蒸気は、活性層に接する主ガス流路に入り、主ガス流路を通って拡散層の外表面からセル外部へ排出される。それ故、上記燃料電池単セルによれば、セル内部で発生した水蒸気を効率よくセル外部へ排出することができる。   The fuel cell unit cell is in contact with the active layer and has a main gas flow path penetrating the outer surface of the diffusion layer. Therefore, the water vapor generated in the active layer by the anode reaction enters the main gas flow channel in contact with the active layer, and is discharged from the outer surface of the diffusion layer to the outside of the cell through the main gas flow channel. Therefore, according to the fuel cell single cell, water vapor generated inside the cell can be efficiently discharged outside the cell.

上記燃料電池セルスタックは、上記燃料電池単セルの主ガス流路が、ガス排出口と連通しており、かつ、ガス供給口と連通していない。そのため、上記燃料電池セルスタックは、セル内部で発生した水蒸気がガス供給口に逆流するのを防止することができる。それ故、上記燃料電池セルスタックは、ガス供給口から供給される新鮮な燃料ガスを上記燃料電池単セルのアノードに導入し続けることができるとともに、主ガス流路からセル外部へ排出された水蒸気をガス排出口を介して効率よく排出し続けることができる。   In the fuel cell stack, the main gas flow path of the fuel cell single cell communicates with the gas discharge port and does not communicate with the gas supply port. Therefore, the fuel cell stack can prevent water vapor generated inside the cell from flowing back to the gas supply port. Therefore, the fuel cell stack can continue to introduce fresh fuel gas supplied from the gas supply port into the anode of the single fuel cell, and the water vapor discharged from the main gas flow path to the outside of the cell. Can be efficiently discharged through the gas discharge port.

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。   In addition, the code | symbol in the parenthesis described in the means to solve a claim and a subject shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later, and limits the technical scope of this invention. It is not a thing.

実施形態1の燃料電池単セル、実施形態5の燃料電池セルスタックの断面を模式的に示した説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing a cross section of a fuel cell single cell according to Embodiment 1 and a fuel cell stack according to Embodiment 5. 図1のII−II線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line of FIG. 図1のIII−III線断面図である。It is the III-III sectional view taken on the line of FIG. 実施形態2の燃料電池単セル、実施形態6の燃料電池セルスタックの断面を模式的に示した説明図であるFIG. 6 is an explanatory view schematically showing a cross section of a fuel cell unit cell of Embodiment 2 and a fuel cell stack of Embodiment 6. 図4のV−V線断面図である。It is the VV sectional view taken on the line of FIG. 図4のVI−VI線断面図である。It is the VI-VI sectional view taken on the line of FIG. 実施形態3の燃料電池単セルの断面の一部を模式的に示した説明図である。6 is an explanatory view schematically showing a part of a cross section of a single fuel cell according to Embodiment 3. FIG. 実施形態4の燃料電池単セルの断面の一部を模式的に示した説明図である。FIG. 6 is an explanatory view schematically showing a part of a cross section of a fuel cell single cell according to a fourth embodiment.

(実施形態1)
実施形態1の燃料電池単セルについて、図1〜図3を用いて説明する。図1〜図3に例示されるように、本実施形態の燃料電池単セル1は、アノード20と固体電解質層21とカソード22とを備える平板形のセル2と、セル2を支持するフレーム3とを有している。なお、固体電解質層21の固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)と称される。
(Embodiment 1)
The fuel cell single cell of Embodiment 1 is demonstrated using FIGS. 1-3. As illustrated in FIGS. 1 to 3, the fuel cell single cell 1 according to the present embodiment includes a flat cell 2 including an anode 20, a solid electrolyte layer 21, and a cathode 22, and a frame 3 that supports the cell 2. And have. The fuel cell using solid oxide ceramics as the solid electrolyte of the solid electrolyte layer 21 is referred to as a solid oxide fuel cell (SOFC).

セル2は、固体電解質層21とカソード22との間に中間層23をさらに備えることができる。中間層23は、主に、固体電解質層材料とカソード材料との反応を抑制するための層である。本実施形態では、セル2は、具体的には、アノード20、固体電解質層21、中間層23、および、カソード22がこの順に積層され、互いに接合されている。セル2は、具体的には、電極であるアノード20を支持体とするアノード支持型とすることができる。この場合には、他の層に比べてアノード20の厚みが十分に厚くなるため、後述の主ガス流路201aの形成性に優れる。なお、各図では、セル2の外形が、四角形状を呈する例が示されている。セル2の外形は、他にも、円形状等の形状とすることもできる。   The cell 2 can further include an intermediate layer 23 between the solid electrolyte layer 21 and the cathode 22. The intermediate layer 23 is a layer mainly for suppressing the reaction between the solid electrolyte layer material and the cathode material. In the present embodiment, specifically, in the cell 2, the anode 20, the solid electrolyte layer 21, the intermediate layer 23, and the cathode 22 are laminated in this order and joined to each other. Specifically, the cell 2 can be an anode support type in which the anode 20 as an electrode is a support. In this case, since the anode 20 is sufficiently thicker than the other layers, the formability of a main gas channel 201a described later is excellent. In each figure, an example is shown in which the outer shape of the cell 2 has a rectangular shape. In addition, the outer shape of the cell 2 may be a circular shape or the like.

フレーム3は、金属より構成されている。なお、本明細書において金属には合金が含まれる。つまり、燃料電池単セル1は、セラミックス製のセル2と金属製のフレーム3とを有しており、セラミックスと金属との両方の材質を含んでいる。燃料電池単セル1は、金属材料を用いているため、全てがセラミックスからなる場合に比べて製造時における焼成の自由度が高く、発電特性に有利な材料を使いやすい利点がある。フレーム3を構成する金属としては、具体的には、フェライト系ステンレス鋼等のステンレス鋼、フェライト系耐熱クロム合金などを例示することができる。フレーム3は、具体的には、アノード20の外周に配置することができる。   The frame 3 is made of metal. In this specification, the metal includes an alloy. That is, the fuel cell single cell 1 has a ceramic cell 2 and a metal frame 3 and includes both ceramic and metal materials. Since the fuel cell single cell 1 uses a metal material, the degree of freedom of firing at the time of manufacture is higher than when all of the fuel cell is made of ceramics, and there is an advantage that it is easy to use a material advantageous in power generation characteristics. Specific examples of the metal constituting the frame 3 include stainless steel such as ferritic stainless steel, ferritic heat-resistant chromium alloy, and the like. Specifically, the frame 3 can be disposed on the outer periphery of the anode 20.

アノード20は、拡散層201と活性層202とを有している。拡散層201は、多数の孔部を有しており、導入される燃料ガスFを層面内に拡散させる層である。活性層202は、拡散層201の固体電解質層21側に配置され、アノード反応の場となる層である。拡散層201と活性層202とは、互いに接合されている。   The anode 20 has a diffusion layer 201 and an active layer 202. The diffusion layer 201 has a large number of holes and is a layer that diffuses the introduced fuel gas F in the layer surface. The active layer 202 is a layer that is disposed on the solid electrolyte layer 21 side of the diffusion layer 201 and serves as an anode reaction field. The diffusion layer 201 and the active layer 202 are joined to each other.

本実施形態では、アノード20のうち、拡散層201が支持体としての役割を果たす部分であり、拡散層201の厚みは、活性層202の厚みよりも厚く設定される。また、アノード20のうち、拡散層201の外周部がフレーム3により支持されている。なお、図1では、固体電解質層21および活性層202の端面が、ガラスシール等のシール材4により覆われている例が示されている。燃料電池単セル1は、シール材4により、アノード20に導入される水素、炭化水素等の燃料ガスFと、カソード22に導入される酸素、空気等の酸化剤ガス(不図示)とがクロスリークしないようにされている。なお、シール材4は、部分的にフレーム3にも当接している。また、図2、図3では、フレーム3、シール材4が省略されている。   In the present embodiment, the diffusion layer 201 serves as a support in the anode 20, and the thickness of the diffusion layer 201 is set larger than the thickness of the active layer 202. Further, the outer peripheral portion of the diffusion layer 201 of the anode 20 is supported by the frame 3. 1 shows an example in which the end surfaces of the solid electrolyte layer 21 and the active layer 202 are covered with a sealing material 4 such as a glass seal. In the fuel cell unit cell 1, the fuel gas F such as hydrogen and hydrocarbon introduced into the anode 20 and the oxidant gas (not shown) such as oxygen and air introduced into the cathode 22 are crossed by the sealing material 4. There are no leaks. Note that the seal material 4 also partially contacts the frame 3. 2 and 3, the frame 3 and the seal material 4 are omitted.

拡散層201は、孔部の径よりも大きい複数の主ガス流路201aを内部に備えている。主ガス流路201aが孔部の径よりも大きいという点は、多孔性の拡散層201が備える孔部と主ガス流路201aとは異なるものであることを意味する。なお、主ガス流路201aの大きさが孔部の径より大きいことは、アノード20の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察することによって確認することができる。   The diffusion layer 201 includes a plurality of main gas flow paths 201a larger than the diameter of the hole. The fact that the main gas flow path 201a is larger than the diameter of the hole means that the hole provided in the porous diffusion layer 201 is different from the main gas flow path 201a. In addition, it can confirm that the magnitude | size of the main gas flow path 201a is larger than the diameter of a hole by observing the cross section of the anode 20 with a scanning electron microscope (SEM).

主ガス流路201aは、活性層202に接しており、かつ、拡散層201の外表面に貫通している。拡散層201の外表面は、具体的には、燃料ガスFが導入される導入面201cと、燃料ガスFが導出される導出面201dとを含むことができる。本実施形態では、主ガス流路201aの貫通口201bは、拡散層201の外表面のうち、上記導出面201dに形成されている。この場合には、拡散層201の導入面201cに導入された燃料ガスFは、拡散層201内にて層面内に拡散され、活性層202に供給される。また、活性層202にてアノード反応に使用されなかった燃料ガスFは、主に、主ガス流路201a内に沿って流れ、拡散層201の導出面201dに形成された貫通口201bから排出される。燃料電池単セル1の発電時に、主ガス流路201a内には、貫通口201bに向かう一方向の燃料ガスFの流れが生じている。そして、アノード反応によって活性層202で生じた水蒸気(不図示)は、活性層202に接する主ガス流路201aに入り、貫通口201bに向かう一方向の燃料ガスFの流れにのって、拡散層201の導出面201dにある貫通口201bよりセル2外部へ排出される。したがって、この場合には、セル2内部で発生した水蒸気が、燃料ガスFの流れに対して逆流するのを防止することができる。それ故、この場合には、セル2内部で発生した水蒸気を効率よくセル2外部へ排出しやすい燃料電池単セル1が得られる。   The main gas channel 201 a is in contact with the active layer 202 and penetrates the outer surface of the diffusion layer 201. Specifically, the outer surface of the diffusion layer 201 can include an introduction surface 201c through which the fuel gas F is introduced and a lead-out surface 201d through which the fuel gas F is derived. In the present embodiment, the through-hole 201b of the main gas flow channel 201a is formed on the lead-out surface 201d of the outer surface of the diffusion layer 201. In this case, the fuel gas F introduced into the introduction surface 201 c of the diffusion layer 201 is diffused into the layer surface within the diffusion layer 201 and supplied to the active layer 202. In addition, the fuel gas F that has not been used for the anode reaction in the active layer 202 mainly flows along the main gas flow path 201a and is discharged from the through-hole 201b formed in the lead-out surface 201d of the diffusion layer 201. The During power generation of the single fuel cell 1, a flow of the fuel gas F in one direction toward the through hole 201b is generated in the main gas channel 201a. Then, water vapor (not shown) generated in the active layer 202 by the anode reaction enters the main gas flow path 201a in contact with the active layer 202 and diffuses along the flow of the fuel gas F in one direction toward the through-hole 201b. It is discharged to the outside of the cell 2 through the through hole 201b in the lead-out surface 201d of the layer 201. Therefore, in this case, it is possible to prevent water vapor generated inside the cell 2 from flowing backward with respect to the flow of the fuel gas F. Therefore, in this case, it is possible to obtain a single fuel cell 1 that easily discharges water vapor generated inside the cell 2 to the outside of the cell 2 efficiently.

拡散層201の外表面は、具体的には、拡散層201における固体電解質層21側とは反対側の層面および拡散層201の端面を含んで構成されている。本実施形態では、拡散層201の上記層面が燃料ガスFの導入面201cとされている。また、拡散層201の端面の一部が燃料ガスFの導出面201dとされている。この場合には、燃料電池単セル1のスタック時に、拡散層201の上記層面を、燃料ガスFを供給するガス供給口51に連通させ、拡散層201の端面を、燃料ガスFを排出するガス排出口52に連通させることにより、拡散層201の層面と端面との間に差圧を発生させやすくなる。そのため、この場合には、差圧による燃料ガスFの流れが駆動力となり、セル2内部で発生した水蒸気をより効率よくセル2外部へ排出しやすい燃料電池単セル1が得られる。   Specifically, the outer surface of the diffusion layer 201 includes a layer surface opposite to the solid electrolyte layer 21 side in the diffusion layer 201 and an end surface of the diffusion layer 201. In the present embodiment, the layer surface of the diffusion layer 201 is the fuel gas F introduction surface 201c. A part of the end surface of the diffusion layer 201 is a fuel gas F lead-out surface 201d. In this case, when the single fuel cell 1 is stacked, the layer surface of the diffusion layer 201 is communicated with the gas supply port 51 that supplies the fuel gas F, and the end surface of the diffusion layer 201 is a gas that discharges the fuel gas F. By communicating with the discharge port 52, a differential pressure is easily generated between the layer surface and the end surface of the diffusion layer 201. Therefore, in this case, the flow of the fuel gas F due to the differential pressure becomes a driving force, and the fuel cell unit cell 1 that easily discharges the water vapor generated inside the cell 2 to the outside of the cell 2 can be obtained.

なお、本実施形態では、セル2の外形が四角形状とされているため、拡散層201の端面は四つ存在し、各端面うちの一つが燃料ガスFの導出面201dとされる。残りの三つの端面は、導入面201cおよび導出面201dとは異なる面とされる。また、本実施形態では、例えば、燃料電池単セル1のスタック時に、拡散層201における固体電解質層21側とは反対側にセパレータ(不図示)が配置され、ガス供給流路510を通じて、ガス供給口51から供給される燃料ガスFを導入面201cに導入することができる。   In the present embodiment, since the outer shape of the cell 2 is a square shape, there are four end faces of the diffusion layer 201, and one of the end faces serves as a fuel gas F lead-out face 201d. The remaining three end surfaces are different from the introduction surface 201c and the lead-out surface 201d. In the present embodiment, for example, when the fuel cell single cell 1 is stacked, a separator (not shown) is disposed on the opposite side of the diffusion layer 201 from the solid electrolyte layer 21 side, and gas is supplied through the gas supply channel 510. The fuel gas F supplied from the port 51 can be introduced into the introduction surface 201c.

複数の主ガス流路201aは、具体的には、互いに離間した状態でアノード面方向に沿って配置することができる。この場合には、拡散層201の端面に主ガス流路201aの貫通口201bを形成しやすい。そのため、拡散層201における固体電解質層21側とは反対側の層面が上記導入面201cとされており、拡散層201の端面の一部が上記導出面201dとされている燃料電池単セル1を得やすくなる。また、アノード面方向に配置された主ガス流路201aは、例えば、焼成によって消失する消失剤ペーストを用い、アノード20の焼成と同時に消失剤ペーストを消失させて形成することができる。そのため、この場合には、主ガス流路201aの形成性にも優れた燃料電池単セル1が得られる。   Specifically, the plurality of main gas flow paths 201a can be arranged along the anode surface direction in a state of being separated from each other. In this case, it is easy to form the through-hole 201b of the main gas channel 201a on the end surface of the diffusion layer 201. Therefore, the fuel cell single cell 1 in which the layer surface of the diffusion layer 201 opposite to the solid electrolyte layer 21 side is the introduction surface 201c, and a part of the end surface of the diffusion layer 201 is the lead-out surface 201d. It becomes easy to obtain. Moreover, the main gas flow path 201a arranged in the anode surface direction can be formed by using, for example, a disappearing agent paste that disappears by firing, and disappearing the disappearing agent paste simultaneously with firing of the anode 20. Therefore, in this case, the fuel cell single cell 1 excellent in formability of the main gas flow path 201a can be obtained.

本実施形態では、主ガス経路201aは、長手方向の壁面のうち、固体電解質層21側の部分が活性層202に接している。なお、主ガス流路201aにおける貫通口201b側と反対側の端部は、拡散層201の内部に配置されている。   In the present embodiment, the main gas path 201 a is in contact with the active layer 202 at a portion on the solid electrolyte layer 21 side in the longitudinal wall surface. Note that the end of the main gas channel 201 a opposite to the through-hole 201 b side is disposed inside the diffusion layer 201.

主ガス流路201aは、いずれも、直線状とすることができる。この場合には、主ガス流路201aが直線状でない場合に比べ、水蒸気が流れる際の抵抗を小さくしやすく、セル2外部への水蒸気の排出が促進される。そのため、この場合には、セル2内部で発生した水蒸気を効率よくセル2外部へ排出しやすい燃料電池単セル1が得られる。   Each of the main gas flow paths 201a can be linear. In this case, compared to the case where the main gas flow path 201a is not linear, it is easy to reduce the resistance when water vapor flows, and the discharge of water vapor to the outside of the cell 2 is promoted. Therefore, in this case, it is possible to obtain a single fuel cell 1 that easily discharges water vapor generated inside the cell 2 to the outside of the cell 2 efficiently.

上記の場合において、主ガス流路201aの平均屈曲度は、1.0〜2.0の範囲内とすることができる。この場合には、セル2外部への水蒸気の排出促進が確実なものとなる。主ガス流路201aの平均屈曲度は、上記効果を確実なものにする観点から、好ましくは1.8以下、より好ましくは1.7以下、さらに好ましくは1.6以下、さらにより好ましくは1.5以下とすることができる。   In the above case, the average bending degree of the main gas channel 201a can be in the range of 1.0 to 2.0. In this case, the promotion of the discharge of water vapor to the outside of the cell 2 is ensured. The average bending degree of the main gas channel 201a is preferably 1.8 or less, more preferably 1.7 or less, still more preferably 1.6 or less, and even more preferably 1 from the viewpoint of ensuring the above effect. .5 or less.

なお、主ガス流路201aの平均屈曲度は、電解放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM)を用い、主ガス流路201aが形成されている方向に平行な断面より観察される主ガス流路のそれぞれについて以下の式にて算出される各屈曲度の平均値である。
主ガス流路201aの屈曲度=(主ガス流路201aの流路中心を結んで得られる中心線の長さ)/(主ガス流路201aが形成されている部分における流路方向のアノード20の長さ)
The average bending degree of the main gas channel 201a is observed from a cross section parallel to the direction in which the main gas channel 201a is formed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). Is the average value of each degree of bending calculated by the following formula.
Bending degree of main gas flow path 201a = (length of center line obtained by connecting the flow path centers of main gas flow path 201a) / (anode 20 in the flow direction in the portion where main gas flow path 201a is formed) Length)

主ガス流路201aの流路幅は、水蒸気の排出性向上、流路形成性等の観点から、好ましくは20μm以上、より好ましくは100μm以上、さらに好ましくは400μm以上とすることができる。また、主ガス流路201aの流路幅は、アノード強度の確保等の観点から、好ましくは1500μm以下、より好ましくは800μm以下、さらに好ましくは500μm以下とすることができる。主ガス流路201aの流路ピッチは、流路同士の短絡による強度劣化の抑制、製造上の難易度を低減させる等の観点から、好ましくは20μm以上、より好ましくは100μm以上、さらに好ましくは400μm以上とすることができる。また、主ガス流路201aの流路ピッチは、アノード面内における水蒸気の均一な排出等の観点から、好ましくは1000μm以下、より好ましくは800μm以下、さらに好ましくは500μm以下とすることができる。   The flow path width of the main gas flow path 201a is preferably 20 μm or more, more preferably 100 μm or more, and even more preferably 400 μm or more, from the viewpoints of improving the discharge of water vapor, forming the flow path, and the like. In addition, the channel width of the main gas channel 201a is preferably 1500 μm or less, more preferably 800 μm or less, and even more preferably 500 μm or less, from the viewpoint of ensuring anode strength and the like. The channel pitch of the main gas channel 201a is preferably 20 μm or more, more preferably 100 μm or more, and still more preferably 400 μm from the viewpoints of suppressing strength deterioration due to short circuit between the channels and reducing the difficulty in manufacturing. This can be done. Further, the channel pitch of the main gas channel 201a is preferably 1000 μm or less, more preferably 800 μm or less, and even more preferably 500 μm or less, from the viewpoint of uniform discharge of water vapor in the anode surface.

拡散層201は、層面内に、孔部の径よりも大きく、かつ、主ガス流路201aと交わらない副ガス流路201eをさらに備えることができる。この場合には、拡散層201に導入された燃料ガスFは、拡散層201の孔部だけでなく、副ガス流路201eによっても層面内に拡散される。そのため、この構成によれば、拡散層201の層面内に均一に燃料ガスFを拡散させやすくなり、セル面内における発電分布を小さくしやすい燃料電池単セル1が得られる。なお、本実施形態では、副ガス流路201eは、活性層202に接しておらず、拡散層201の外表面に貫通していない例が示されている。   The diffusion layer 201 can further include a sub-gas channel 201e that is larger than the diameter of the hole and does not intersect with the main gas channel 201a in the layer surface. In this case, the fuel gas F introduced into the diffusion layer 201 is diffused in the layer surface not only by the hole portion of the diffusion layer 201 but also by the sub gas channel 201e. Therefore, according to this configuration, it is easy to diffuse the fuel gas F uniformly in the layer surface of the diffusion layer 201, and the fuel cell single cell 1 that can easily reduce the power generation distribution in the cell surface can be obtained. In the present embodiment, an example is shown in which the secondary gas flow path 201e is not in contact with the active layer 202 and does not penetrate the outer surface of the diffusion layer 201.

副ガス流路201eは、1本であってもよいし、複数本であってもよい。複数の副ガス流路201eを備える場合には、拡散層201の層面内に燃料ガスFをより均一に拡散させやすくなるため、上記効果を得やすくなる。また、副ガス流路201eは、直線状とすることができる。この場合には、副ガス流路201eが直線状でない場合に比べ、燃料ガスFが流れる際の抵抗を小さくしやすく、拡散層201の層面内に燃料ガスFをより均一に拡散させやすくなり、上記効果を得やすくなる。   There may be one sub-gas channel 201e or a plurality of sub-gas channels 201e. When the plurality of sub gas flow paths 201e are provided, the fuel gas F can be more uniformly diffused in the layer surface of the diffusion layer 201, so that the above effect can be easily obtained. Moreover, the sub gas flow path 201e can be made into linear form. In this case, compared with the case where the sub gas flow path 201e is not linear, the resistance when the fuel gas F flows can be easily reduced, and the fuel gas F can be more uniformly diffused in the layer surface of the diffusion layer 201. The above effect is easily obtained.

本実施形態では、拡散層201が副ガス流路201eを複数本備え、各副ガス流路201eが互いに離間した状態で配置されている例が示されている。また、副ガス流路201eは、主ガス流路201aと異なる平面上で交差するように配置されている。より具体的には、副ガス流路201eは、具体的には、主ガス流路201aと異なる平面上で、主ガス流路201aと90°で交差するように配置されている。なお、副ガス流路201eの流路幅、流路ピッチは、主ガス流路201aと同様の範囲とすることができる。   In the present embodiment, an example is shown in which the diffusion layer 201 includes a plurality of sub gas flow paths 201e, and the sub gas flow paths 201e are arranged apart from each other. Moreover, the sub gas flow path 201e is arrange | positioned so that it may cross | intersect on the plane different from the main gas flow path 201a. More specifically, the sub gas channel 201e is specifically arranged on the plane different from the main gas channel 201a so as to intersect the main gas channel 201a at 90 °. The channel width and channel pitch of the sub gas channel 201e can be set in the same range as the main gas channel 201a.

燃料電池単セル1において、固体電解質層21の材料としては、強度、熱的安定性に優れる等の観点から、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等の酸化ジルコニウム系酸化物を好適に用いることができる。固体電解質層21の材料としては、イオン伝導度、機械的安定性、他の材料との両立、空気雰囲気から燃料ガス雰囲気まで化学的に安定である等の観点から、イットリア安定化ジルコニアが好適である。本実施形態では、固体電解質層21の材料として、具体的には、イットリア安定化ジルコニアを用いることができる。   In the single fuel cell 1, the material of the solid electrolyte layer 21 is zirconium oxide-based oxidation such as yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), etc., from the viewpoint of excellent strength and thermal stability. A thing can be used conveniently. The material of the solid electrolyte layer 21 is preferably yttria-stabilized zirconia from the viewpoints of ion conductivity, mechanical stability, compatibility with other materials, and chemical stability from an air atmosphere to a fuel gas atmosphere. is there. In the present embodiment, specifically, yttria-stabilized zirconia can be used as the material of the solid electrolyte layer 21.

また、固体電解質層21の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは3〜20μm、より好ましくは4〜8μmとすることができる。本実施形態では、固体電解質層21の厚みは、具体的には、4μmとすることができる。   The thickness of the solid electrolyte layer 21 is preferably 3 to 20 μm, more preferably 4 to 8 μm, from the viewpoint of reducing ohmic resistance. In the present embodiment, the thickness of the solid electrolyte layer 21 can be specifically 4 μm.

燃料電池単セル1において、拡散層201の材料および活性層202の材料としては、例えば、Ni、NiO等の触媒と、上記酸化ジルコニウム系酸化物等の固体電解質との混合物などを例示することができる。なお、NiOは、発電時の還元雰囲気でNiとなる。本実施形態では、拡散層201の材料および活性層202の材料として、具体的には、いずれも、NiまたはNiOとイットリア安定化ジルコニアとの混合物を用いることができる。   In the single fuel cell 1, examples of the material of the diffusion layer 201 and the material of the active layer 202 include a mixture of a catalyst such as Ni or NiO and a solid electrolyte such as the above-described zirconium oxide oxide. it can. NiO becomes Ni in a reducing atmosphere during power generation. In this embodiment, as the material of the diffusion layer 201 and the material of the active layer 202, specifically, both Ni or a mixture of NiO and yttria stabilized zirconia can be used.

また、拡散層201の厚みは、支持体としての強度確保等の観点から、好ましくは100μm以上、より好ましくは200μm以上、より好ましくは300μm以上とすることができる。拡散層201の厚みは、ガス拡散性の向上等の観点から、好ましくは800μm以下、より好ましくは700μm以下とすることができる。活性層202の厚みは、反応持続性、取り扱い性、加工性等の観点から、好ましくは10μm以上、より好ましくは15μm以上とすることができる。活性層202の厚みは、電極反応抵抗の低減等の観点から、好ましくは30μm以下、より好ましくは25μm以下とすることができる。本実施形態では、拡散層201の厚みは、具体的には、400μm、活性層202の厚みは、具体的には、25μmとすることができる。   In addition, the thickness of the diffusion layer 201 is preferably 100 μm or more, more preferably 200 μm or more, and more preferably 300 μm or more, from the viewpoint of securing strength as a support. The thickness of the diffusion layer 201 is preferably 800 μm or less, more preferably 700 μm or less, from the viewpoint of improving gas diffusibility. The thickness of the active layer 202 is preferably 10 μm or more, more preferably 15 μm or more, from the viewpoints of reaction persistence, handleability, workability, and the like. The thickness of the active layer 202 is preferably 30 μm or less, more preferably 25 μm or less, from the viewpoint of reducing electrode reaction resistance. In the present embodiment, the thickness of the diffusion layer 201 can be specifically 400 μm, and the thickness of the active layer 202 can be specifically 25 μm.

燃料電池単セル1において、中間層23の材料としては、例えば、CeO、または、CeOにGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。本実施形態では、中間層23の材料として、具体的には、CeOにGdがドープされたセリア系固溶体を用いることができる。 In the single fuel cell 1, the material of the intermediate layer 23 is, for example, CeO 2 or CeO 2 or one or two selected from Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, and Ho. Examples thereof include cerium oxide-based oxides such as ceria-based solid solutions doped with more than one element. These can be used alone or in combination of two or more. In the present embodiment, specifically, a ceria-based solid solution in which CeO 2 is doped with Gd can be used as the material of the intermediate layer 23.

また、中間層23の厚みは、オーミック抵抗の低減、カソードからの元素拡散の抑制等の観点から、好ましくは1〜20μm、より好ましくは2〜5μmとすることができる。本実施形態では、中間層23の厚みは、具体的には、3μmとすることができる。   In addition, the thickness of the intermediate layer 23 is preferably 1 to 20 μm, more preferably 2 to 5 μm, from the viewpoints of reducing ohmic resistance and suppressing element diffusion from the cathode. In the present embodiment, the thickness of the intermediate layer 23 can specifically be 3 μm.

燃料電池単セル1において、カソード22の材料としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物などを例示することができる。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、例えば、LaSr1−xCoO系酸化物、LaSr1−xCoFe1−y系酸化物、SmSr1−xCoO系酸化物(但し、上記において、0≦x≦1、0≦y≦1)などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。本実施形態では、カソード22の材料として、具体的には、LaSr1−xCoFe1−y系酸化物(0≦x≦1、0≦y≦1)を用いることができる。 In the single fuel cell 1, examples of the material of the cathode 22 include transition metal perovskite oxides. The transition metal perovskite oxide, specifically, for example, La x Sr 1-x CoO 3 based oxide, La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 based oxide, Sm x Sr 1 Examples include -x CoO 3 oxides (wherein 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1). These can be used alone or in combination of two or more. In this embodiment, specifically, a La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 oxide (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) is used as the material of the cathode 22. it can.

また、カソード22の厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは20〜100μm、より好ましくは30〜80μmとすることができる。本実施形態では、カソード22の厚みは、具体的には、50μmとすることができる。   The thickness of the cathode 22 is preferably 20 to 100 μm, more preferably 30 to 80 μm, from the viewpoints of gas diffusibility, electrode reaction resistance, current collection, and the like. In the present embodiment, specifically, the thickness of the cathode 22 can be set to 50 μm.

燃料電池単セル1は、活性層202に接しており、かつ、拡散層201の外表面に貫通している主ガス流路201aを有している。そのため、アノード反応によって活性層202で生じた水蒸気は、活性層202に接する主ガス流路201aに入り、主ガス流路201aを通って拡散層201の外表面からセル2外部へ排出される。それ故、燃料電池単セル1によれば、セル2内部で発生した水蒸気を効率よくセル2外部へ排出することができる。   The single fuel cell 1 has a main gas flow path 201 a that is in contact with the active layer 202 and penetrates the outer surface of the diffusion layer 201. Therefore, water vapor generated in the active layer 202 by the anodic reaction enters the main gas channel 201a in contact with the active layer 202, and is discharged from the outer surface of the diffusion layer 201 to the outside of the cell 2 through the main gas channel 201a. Therefore, according to the single fuel cell 1, water vapor generated inside the cell 2 can be efficiently discharged to the outside of the cell 2.

(実施形態2)
実施形態2の燃料電池単セルについて、図4〜図6を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
The fuel cell single cell of Embodiment 2 is demonstrated using FIGS. Of the reference numerals used in the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those used in the above-described embodiments represent the same components as those in the above-described embodiments unless otherwise indicated.

図4〜図6に例示されるように、本実施形態の燃料電池単セル1では、拡散層201の端面の一部が燃料ガスFの導入面201cとされている。また、拡散層201における固体電解質層21側とは反対側の層面が燃料ガスFの導出面201dとされている。そして、この導出面201dに主ガス流路201aの貫通口201bが形成されている。   As illustrated in FIGS. 4 to 6, in the single fuel cell 1 of the present embodiment, a part of the end surface of the diffusion layer 201 is the introduction surface 201 c of the fuel gas F. Further, the layer surface of the diffusion layer 201 opposite to the solid electrolyte layer 21 side is a fuel gas F lead-out surface 201d. And the through-hole 201b of the main gas flow path 201a is formed in this derivation | leading-out surface 201d.

この場合には、燃料電池単セル1のスタック時に、拡散層201の端面を、燃料ガスFを供給するガス供給口51に連通させ、拡散層201の上記層面を、燃料ガスFを排出するガス排出口52に連通させることにより、主ガス流路201aにおける活性層202と接する部分と、主ガス流路201aにおける貫通口201b部分との間で、水蒸気の濃度勾配を発生させやすくなる。つまり、主ガス流路201aにおける活性層202と接する部分では、水蒸気が次々に発生し、水蒸気の濃度が高くなる一方、主ガス流路201aにおける貫通口201b部分では、ガス排出口52に水蒸気が排出されるため、水蒸気の濃度が常に低くなる。そのため、この場合には、貫通口201bに向かう一方向の燃料ガスFの流れに加え、水蒸気の濃度勾配が駆動力となり、セル2内部で発生した水蒸気がより効率よくセル2外部へ排出されやすい燃料電池単セル1が得られる。また、この場合には、アノード厚み方向に水蒸気が移動するので、アノード面方向に水蒸気が移動する場合に比べ、水蒸気の移動距離が短くなり、その分、セル2外部への水蒸気の排出性が向上する。   In this case, when the fuel cell single cell 1 is stacked, the end surface of the diffusion layer 201 is communicated with the gas supply port 51 for supplying the fuel gas F, and the layer surface of the diffusion layer 201 is discharged from the fuel gas F. By communicating with the discharge port 52, it becomes easy to generate a concentration gradient of water vapor between a portion of the main gas flow channel 201a in contact with the active layer 202 and a portion of the main gas flow channel 201a through the through port 201b. That is, water vapor is generated one after another in the portion in contact with the active layer 202 in the main gas channel 201a, and the concentration of water vapor is increased, while water vapor is present in the gas outlet 52 in the portion of the through port 201b in the main gas channel 201a. Since it is discharged, the concentration of water vapor is always low. Therefore, in this case, in addition to the flow of the fuel gas F in one direction toward the through-hole 201b, the concentration gradient of the water vapor becomes a driving force, and the water vapor generated inside the cell 2 is more easily discharged to the outside of the cell 2. A single fuel cell 1 is obtained. Further, in this case, since the water vapor moves in the anode thickness direction, the movement distance of the water vapor becomes shorter than that in the case where the water vapor moves in the anode surface direction. improves.

なお、本実施形態では、セル2の外形が四角形状とされているため、拡散層201の端面は四つ存在し、各端面うちの一つが燃料ガスFの導入面201cとされる。残りの三つの端面は、導入面201cおよび導出面201dとは異なる面とされる。また、本実施形態では、シール材4とフレーム3との間に設けられた隙間41を通じて、拡散層201の端面に燃料ガスFを導入することができる。   In this embodiment, since the outer shape of the cell 2 is rectangular, there are four end faces of the diffusion layer 201, and one of the end faces is the introduction surface 201c of the fuel gas F. The remaining three end surfaces are different from the introduction surface 201c and the lead-out surface 201d. In the present embodiment, the fuel gas F can be introduced into the end face of the diffusion layer 201 through the gap 41 provided between the sealing material 4 and the frame 3.

複数の主ガス流路Fは、具体的には、互いに離間した状態でアノード厚み方向に沿って配置することができる。この場合には、拡散層201の上記層面に主ガス流路201aの貫通口201bを形成しやすい。そのため、拡散層201の端面の一部が導入面201cとされており、拡散層201における固体電解質層2側とは反対側の層面が導出面201dとされている燃料電池単セル1を得やすくなる。なお、アノード厚み方向に配置された主ガス流路201aは、例えば、副ガス流路201eと対応する位置にてシート厚み方向に貫通する貫通孔と、貫通孔内に充填された消失剤ペーストとを有する未焼成の拡散層形成用シート(不図示)を複数積層し、これを焼成することにより形成することができる。   Specifically, the plurality of main gas flow paths F can be arranged along the anode thickness direction in a state of being separated from each other. In this case, it is easy to form the through-hole 201b of the main gas channel 201a on the layer surface of the diffusion layer 201. Therefore, a part of the end surface of the diffusion layer 201 is the introduction surface 201c, and it is easy to obtain the fuel cell single cell 1 in which the layer surface opposite to the solid electrolyte layer 2 side in the diffusion layer 201 is the lead-out surface 201d. Become. The main gas channel 201a arranged in the anode thickness direction includes, for example, a through-hole penetrating in the sheet thickness direction at a position corresponding to the sub-gas channel 201e, and a disappearing agent paste filled in the through-hole. It can be formed by laminating a plurality of unfired diffusion layer forming sheets (not shown) having sinter and firing them.

本実施形態では、主ガス経路201aは、固体電解質層21側の端部が活性層202に接しており、固体電解質層21側と反対側の端部が拡散層201の層面に接している。   In the present embodiment, in the main gas path 201 a, the end on the solid electrolyte layer 21 side is in contact with the active layer 202, and the end opposite to the solid electrolyte layer 21 side is in contact with the layer surface of the diffusion layer 201.

拡散層201は、実施形態1と同様に、層面内に、孔部の径よりも大きく、かつ、主ガス流路201aと交わらない副ガス流路201eをさらに備えることができる。副ガス流路201eは、拡散層201における活性層202側寄りに配置することができる。この場合には、拡散層201に導入された燃料ガスFを、活性層202の比較的近くで拡散層201の層面内に均一に拡散させやすくなる。より具体的には、副ガス流路201eと活性層202との間には、孔部を含む層が存在しているとよい。この場合には、副ガス経路201eから活性層202に直接燃料ガスFが拡散せず、孔部を含む層によって燃料ガスFが確実に拡散された後、活性層202に燃料ガスFが供給される。そのため、この場合には、セル面内における発電分布を小さくしやすい燃料電池単セル1が得られる。その他の構成、作用効果は、実施形態1と同様である。   Similar to the first embodiment, the diffusion layer 201 can further include a sub-gas channel 201e that is larger than the diameter of the hole and does not intersect with the main gas channel 201a in the layer surface. The sub gas flow channel 201e can be disposed closer to the active layer 202 side in the diffusion layer 201. In this case, the fuel gas F introduced into the diffusion layer 201 is easily diffused uniformly in the layer surface of the diffusion layer 201 relatively close to the active layer 202. More specifically, a layer including a hole may be present between the sub gas channel 201e and the active layer 202. In this case, the fuel gas F is not diffused directly from the sub gas path 201e to the active layer 202, and after the fuel gas F is reliably diffused by the layer including the hole, the fuel gas F is supplied to the active layer 202. The Therefore, in this case, the single fuel cell 1 that can easily reduce the power generation distribution in the cell plane is obtained. Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment.

(実施形態3)
実施形態3の燃料電池単セルについて、図7を用いて説明する。
(Embodiment 3)
The fuel cell single cell of Embodiment 3 is demonstrated using FIG.

図7に例示されるように、本実施形態の燃料電池単セル1は、主ガス流路201aの壁面に、拡散層201における孔部の形成部位よりも緻密質な緻密層201fを有している。この場合には、主ガス流路201a内を流れる水蒸気が拡散層201の孔部に吸収され難くなり、セル2外部への水蒸気の排出性を向上させることができる。   As illustrated in FIG. 7, the fuel cell single cell 1 of the present embodiment has a dense layer 201 f that is denser than the hole formation site in the diffusion layer 201 on the wall surface of the main gas flow path 201 a. Yes. In this case, the water vapor flowing in the main gas flow channel 201a is hardly absorbed by the holes of the diffusion layer 201, and the discharge property of the water vapor to the outside of the cell 2 can be improved.

本実施形態では、緻密層201fは、具体的には、緻密層201fの気孔率<拡散層201における孔部の形成部位の気孔率の関係を満たす構成とすることができる。この場合には、上記効果を確実なものとすることができる。また、緻密層201fは、具体的には、主ガス流路201aにおける壁面のうち、拡散層201側の壁面に配置されることができる。なお、上記にいう気孔率は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて×10000倍にて、イオンミリング法などを用いて断面加工された対象部を断面観察し、{(気孔の面積)/(観察部面積)}×100にて算出した数値のことである。   In the present embodiment, specifically, the dense layer 201f can be configured to satisfy the relationship of porosity of the dense layer 201f <porosity of the hole forming portion in the diffusion layer 201. In this case, the above effect can be ensured. Further, the dense layer 201f can be specifically disposed on the wall surface on the diffusion layer 201 side among the wall surfaces in the main gas flow path 201a. In addition, the porosity said above is cross-sectional observation of the object part cross-sectioned using the ion milling method etc. by x10000 time using a scanning electron microscope (SEM), {(pore area) / (Observation area)} is a numerical value calculated by x100.

緻密層201fは、例えば、消失剤ペーストを焼成時に消失させて主ガス流路201aを形成する際に、消失剤ペースト中に焼結助剤を添加することで、主ガス流路201aの壁面の周りを他よりも焼結させることなどによって形成することができる。焼結助剤としては、例えば、拡散層201に用いられる固体電解質のナノ粉末等を例示することができる。その他の構成、作用効果は、実施形態1と同様である。   For example, the dense layer 201f is formed by adding a sintering aid to the extinguishing agent paste when the extinguishing agent paste disappears during firing to form the main gas channel 201a. It can be formed by sintering the surroundings more than others. Examples of sintering aids include solid electrolyte nanopowder used for the diffusion layer 201. Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment.

(実施形態4)
実施形態4の燃料電池単セルについて、図8を用いて説明する。
(Embodiment 4)
The fuel cell single cell of Embodiment 4 is demonstrated using FIG.

図8に例示されるように、本実施形態の燃料電池単セル1は、主ガス流路201aの壁面に、拡散層201における孔部の形成部位よりも緻密質な緻密層201fを有している。この場合には、主ガス流路201a内を流れる水蒸気が拡散層201の孔部に吸収され難くなり、セル2外部への水蒸気の排出性を向上させることができる。   As illustrated in FIG. 8, the fuel cell single cell 1 of the present embodiment has a dense layer 201 f that is denser than the hole forming portion of the diffusion layer 201 on the wall surface of the main gas flow path 201 a. Yes. In this case, the water vapor flowing in the main gas flow channel 201a is hardly absorbed by the holes of the diffusion layer 201, and the discharge property of the water vapor to the outside of the cell 2 can be improved.

本実施形態では、緻密層201fは、具体的には、緻密層201fの気孔率<拡散層201における孔部の形成部位の気孔率の関係を満たす構成とすることができる。この場合には、上記効果を確実なものとすることができる。また、緻密層201fは、具体的には、主ガス流路201aにおける壁面のうち、拡散層201側の壁面に配置されることができる。   In the present embodiment, specifically, the dense layer 201f can be configured to satisfy the relationship of porosity of the dense layer 201f <porosity of the hole forming portion in the diffusion layer 201. In this case, the above effect can be ensured. Further, the dense layer 201f can be specifically disposed on the wall surface on the diffusion layer 201 side among the wall surfaces in the main gas flow path 201a.

緻密層201aは、例えば、消失剤ペーストを用いて主ガス流路201aを形成する際に、消失剤ペースト中に焼結助剤を添加することで、主ガス流路201aの壁面の周りを他よりも焼結させることなどによって形成することができる。焼結助剤としては、例えば、拡散層201に用いられる固体電解質のナノ粉末等を例示することができる。その他の構成、作用効果は、実施形態2と同様である。   For example, when the main gas flow path 201a is formed using the extinguishing agent paste, the dense layer 201a is added around the wall surface of the main gas flow path 201a by adding a sintering aid to the extinction agent paste. It can be formed by sintering. Examples of sintering aids include solid electrolyte nanopowder used for the diffusion layer 201. Other configurations and operational effects are the same as those of the second embodiment.

(実施形態5)
実施形態5の燃料電池セルスタックについて、図1を用いて説明する。図1に示されるように、燃料電池セルスタック5は、燃料電池単セル1と、燃料ガスFを供給するガス供給口51と、燃料ガスFを排出するガス排出口52とを有している。本実施形態では、実施形態1の燃料電池単セル1が用いられる。
(Embodiment 5)
A fuel cell stack according to Embodiment 5 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the fuel cell stack 5 includes a single fuel cell 1, a gas supply port 51 that supplies the fuel gas F, and a gas discharge port 52 that discharges the fuel gas F. . In the present embodiment, the single fuel cell 1 of the first embodiment is used.

燃料電池単セル1の主ガス流路201aは、ガス排出口52と連通している。つまり、図1に例示されるように、主ガス流路201aは、多孔質の拡散層201における孔部を通ることなくガス排出口52と空間的に繋がっている。一方、燃料電池単セル1の主ガス流路201aは、ガス供給口51と連通していない。ここで、図1に例示されるように、厳密にみれば、主ガス流路201aは、多孔質の拡散層201における孔部を通じてガス供給口51と空間的に繋がっているといえる。しかしながら、このような繋がりは、水蒸気のセル2外部への排出には適当でないため、主ガス流路201aとガス供給口51とが連通していないものと評価される。   The main gas flow path 201 a of the fuel cell single cell 1 communicates with the gas discharge port 52. That is, as illustrated in FIG. 1, the main gas flow path 201 a is spatially connected to the gas discharge port 52 without passing through the hole in the porous diffusion layer 201. On the other hand, the main gas flow path 201 a of the single fuel cell 1 does not communicate with the gas supply port 51. Here, as illustrated in FIG. 1, strictly speaking, it can be said that the main gas flow channel 201 a is spatially connected to the gas supply port 51 through a hole in the porous diffusion layer 201. However, such a connection is not suitable for the discharge of water vapor to the outside of the cell 2, and therefore, it is evaluated that the main gas flow path 201 a and the gas supply port 51 do not communicate with each other.

燃料電池セルスタック5によれば、セル2内部で発生した水蒸気がガス供給口51に逆流するのを防止することができる。それ故、燃料電池セルスタック5は、ガス供給口51から供給される新鮮な燃料ガスFを燃料電池単セル1のアノード20に導入し続けることができるとともに、主ガス流路201aからセル2外部へ排出された水蒸気をガス排出口52を介して効率よく排出し続けることができる。したがって、燃料電池セルスタック5は、水蒸気量が多くなる大電力発電時でも、高い発電性能を発揮することが可能となる。   According to the fuel cell stack 5, it is possible to prevent water vapor generated inside the cell 2 from flowing back to the gas supply port 51. Therefore, the fuel cell stack 5 can continue to introduce the fresh fuel gas F supplied from the gas supply port 51 into the anode 20 of the fuel cell single cell 1, and also from the main gas channel 201 a to the outside of the cell 2. The water vapor discharged to can be continuously discharged efficiently through the gas discharge port 52. Therefore, the fuel cell stack 5 can exhibit high power generation performance even during large power generation where the amount of water vapor increases.

燃料電池セルスタック5は、具体的には、複数の燃料電池単セル1がセパレータ(不図示)を介して積層されている積層構造を有することができる。セパレータは、金属より構成されている。セパレータを構成する金属としては、具体的には、フェライト系ステンレス鋼等のステンレス鋼、フェライト系耐熱クロム合金などを例示することができる。   Specifically, the fuel cell stack 5 can have a stacked structure in which a plurality of fuel cell single cells 1 are stacked via separators (not shown). The separator is made of metal. Specific examples of the metal constituting the separator include stainless steel such as ferritic stainless steel, ferritic heat-resistant chromium alloy, and the like.

本実施形態では、より具体的には、燃料電池単セル1におけるアノード20側に配置されるセパレータとフレーム3との隙間に、ガス供給口51から供給される燃料ガスFが通るガス供給流路510、主ガス流路201aから排出される水蒸気、燃料ガスFが通るガス排出流路520とを有する構成とすることができる。本実施形態では、ガス供給流路510は、拡散層201の層面に接している。また、ガス排出流路520は、主ガス流路201aが貫通する拡散層201の端面に接している。また、燃料電池単セル1におけるカソード22側に配置されるセパレータとフレーム3との隙間に、酸化剤ガスが通る流路(不図示)を有する構成とすることができる。   In the present embodiment, more specifically, the gas supply flow path through which the fuel gas F supplied from the gas supply port 51 passes through the gap between the separator and the frame 3 disposed on the anode 20 side in the single fuel cell 1. 510, a gas discharge flow path 520 through which the water vapor discharged from the main gas flow path 201a and the fuel gas F pass can be used. In the present embodiment, the gas supply channel 510 is in contact with the layer surface of the diffusion layer 201. The gas discharge channel 520 is in contact with the end surface of the diffusion layer 201 through which the main gas channel 201a passes. Moreover, it can be set as the structure which has the flow path (not shown) through which oxidant gas passes in the clearance gap between the separator arrange | positioned at the cathode 22 side in the fuel cell single cell 1, and the flame | frame 3.

(実施形態6)
実施形態6の燃料電池セルスタックについて、図4を用いて説明する。図4に示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック5は、実施形態2の燃料電池単セル1が用いられている点で、実施形態5の燃料電池セルスタック5と相違している。また、本実施形態の燃料電池セルスタック5は、ガス排出流路520が、拡散層201の層面に接している点、ガス供給流路510が、主ガス流路201aが貫通する拡散層201の端面に接している点で、実施形態5の燃料電池セルスタック5と相違している。その他の構成、作用効果は、実施形態5と同様である。
(Embodiment 6)
A fuel cell stack according to Embodiment 6 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4, the fuel cell stack 5 of the present embodiment is different from the fuel cell stack 5 of Embodiment 5 in that the single fuel cell 1 of Embodiment 2 is used. . Further, in the fuel cell stack 5 of the present embodiment, the gas discharge channel 520 is in contact with the layer surface of the diffusion layer 201, the gas supply channel 510 is formed of the diffusion layer 201 through which the main gas channel 201a passes. The fuel cell stack 5 is different from the fuel cell stack 5 of the fifth embodiment in that it is in contact with the end face. Other configurations and operational effects are the same as those of the fifth embodiment.

(実験例)
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。
<試料1の燃料電池単セル>
−材料準備−
NiO粉末(平均粒子径:1.0μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.5μm)と、カーボン(造孔剤)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1−ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、65:35である。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の拡散層形成用シートAを準備した。拡散層形成用シートAの厚みは、110μmとした。なお、上記平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が50%を示すときの粒子径(直径)d50である(以下、同様)。
(Experimental example)
Hereinafter, it demonstrates more concretely using an experiment example.
<Single fuel cell of sample 1>
-Material preparation-
NiO powder (average particle size: 1.0 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.5 μm), carbon (pore forming agent), polyvinyl butyral, isoamyl acetate and 1-butanol are mixed in a ball mill. A slurry was prepared. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder is 65:35. Using the doctor blade method, the slurry was applied in layers on a resin sheet, dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a rectangular diffusion layer forming sheet A. The thickness of the diffusion layer forming sheet A was 110 μm. The average particle diameter is the particle diameter (diameter) d50 when the volume-based cumulative frequency distribution measured by the laser diffraction / scattering method shows 50% (hereinafter the same).

アクリルビーズ、エチルセルロース、テルピネオール、分散剤、レベリング剤、沈降防止剤をプラネタリーミキサーにて撹拌した後、三本ロールにて混合することにより、消失剤ペーストを調製した。微粘着シートの表面に、拡散層形成用シートAを貼り付け、拡散層形成用シートAの表面に、スクリーン印刷法を用いて、消失剤ペーストをパターン印刷した。ここでの印刷パターンは、等間隔で並ぶ71本の線状ペーストより構成される線状パターンであり、副ガス流路を形成するためのものである。各線状ペーストの線幅は0.1μm、線間ピッチは1.0μm、線厚みは55μmとした。また、各線状ペーストの両端部は、拡散層形成用シートAの端面に接していない。各線状ペーストを乾燥させた後、微粘着シートを剥離することにより、拡散層形成用シートBを準備した。   Acrylic beads, ethyl cellulose, terpineol, a dispersant, a leveling agent, and an anti-settling agent were stirred with a planetary mixer, and then mixed with three rolls to prepare a quenching agent paste. The sheet A for diffusion layer formation was affixed on the surface of the slightly adhesive sheet | seat, and the vanishing agent paste was pattern-printed on the surface of the sheet | seat A for diffusion layer formation using the screen printing method. The printing pattern here is a linear pattern composed of 71 linear pastes arranged at equal intervals, and is for forming a sub-gas channel. The line width of each linear paste was 0.1 μm, the pitch between lines was 1.0 μm, and the line thickness was 55 μm. Further, both end portions of each linear paste are not in contact with the end face of the diffusion layer forming sheet A. After drying each linear paste, the diffusion layer forming sheet B was prepared by peeling off the slightly adhesive sheet.

微粘着シートの表面に、拡散層形成用シートAを貼り付け、この拡散層形成用シートAの表面に、スクリーン印刷法を用いて、上記の消失剤ペーストをパターン印刷した。ここでの印刷パターンは、等間隔で並ぶ71本の線状ペーストより構成される線状パターンであり、主ガス流路を形成するためのものである。各線状ペーストの線幅は0.1μm、線間ピッチは1.0μm、線厚みは55μmとした。また、各線状ペーストの一方側端部は、拡散層形成用シートAの端面に接しておらず、各線状ペーストの他方側端部は、拡散層形成用シートAの上記端面と反対側の端面に接している。各線状ペーストを乾燥させた後、微粘着シートを剥離することにより、拡散層形成用シートCを準備した。   The diffusion layer forming sheet A was affixed to the surface of the slightly adhesive sheet, and the above-mentioned disappearant paste was pattern-printed on the surface of the diffusion layer forming sheet A using a screen printing method. The printing pattern here is a linear pattern composed of 71 linear pastes arranged at equal intervals, and is for forming a main gas flow path. The line width of each linear paste was 0.1 μm, the pitch between lines was 1.0 μm, and the line thickness was 55 μm. Further, one end of each linear paste is not in contact with the end face of the diffusion layer forming sheet A, and the other end of each linear paste is the end face opposite to the end face of the diffusion layer forming sheet A. Is in contact with After drying each linear paste, the diffusion layer forming sheet C was prepared by peeling off the slightly adhesive sheet.

NiO粉末(平均粒子径:1.0μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.2μm)と、カーボンと、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1−ブタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、65:35である。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の活性層形成用シートを準備した。活性層形成用シートの厚みは、30μmとした。なお、活性層形成用シートにおけるカーボン量は、拡散層形成用シートAと比較して少量とされている。   NiO powder (average particle size: 1.0 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.2 μm), carbon, polyvinyl butyral, isoamyl acetate and 1-butanol (mixed solvent) are mixed in a ball mill. A slurry was prepared. The mass ratio of NiO powder and 8YSZ powder is 65:35. Using the doctor blade method, the slurry was applied in layers on a resin sheet, dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a square active layer forming sheet. The thickness of the active layer forming sheet was 30 μm. The amount of carbon in the active layer forming sheet is smaller than that in the diffusion layer forming sheet A.

8YSZ粉末(平均粒子径:0.5μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1−ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の固体電解質層形成用シートを準備した。固体電解質層形成用シートの厚みは、5.0μmとした。   A slurry was prepared by mixing 8YSZ powder (average particle size: 0.5 μm), polyvinyl butyral, isoamyl acetate and 1-butanol with a ball mill. Using the doctor blade method, the slurry was applied in layers on a resin sheet, dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a rectangular solid electrolyte layer forming sheet. The thickness of the solid electrolyte layer forming sheet was 5.0 μm.

10mol%のGdがドープされたCeO(10GDC)粉末(平均粒子径:0.3μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の中間層形成用シートを準備した。中間層形成用シートの厚みは、
4.0μmとした。
A slurry was prepared by mixing CeO 2 (10GDC) powder (average particle size: 0.3 μm) doped with 10 mol% Gd, polyvinyl butyral, isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol with a ball mill. . Using the doctor blade method, the slurry was applied in layers on a resin sheet, dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a rectangular intermediate layer forming sheet. The thickness of the intermediate layer forming sheet is
The thickness was 4.0 μm.

LSC(La0.6Sr0.4CoO)粉末(平均粒子径:2.0μm)と、エチルセルロースと、テルピネオールとを3本ロールにて混合することにより、カソード形成用ペーストを準備した。 A cathode forming paste was prepared by mixing LSC (La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ) powder (average particle size: 2.0 μm), ethyl cellulose, and terpineol with three rolls.

拡散層形成用シートA、拡散層形成用シートB、拡散層形成用シートC、活性層形成用シート、固体電解質層形成用シート、および、中間層形成用シートをこの順に積層し、圧着することにより、積層体を得た。なお、積層体における拡散層形成用シートCの四つの端面のうちの一つには、線状ペーストの端部が露出している。ここで、上記積層の際、拡散層形成用シートBおよび拡散層形成用シートCは、積層方向から見て、拡散層形成用シートBの線状ペーストと拡散層形成用シートCの線状ペーストとが直交するように配置した。また、圧着には、CIP成形法を用いた。CIP成形条件は、温度80℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。また、上記圧着後、積層体を脱脂した。なお、圧着後の積層体の外周部を切断することによって寸法調整を実施することができる。この場合には、得られるセルの寸法精度を向上させることができる。さらに、上記切断時に、拡散層形成用シートCにおける線状パターンの他方側端部を含むように積層体の外周部を切断することにより、積層体における拡散層形成用シートCの端面に、線状ペーストの端部を確実に露出させることができる。この場合には、主ガス流路を確実に端面に貫通させることができる。   The diffusion layer forming sheet A, the diffusion layer forming sheet B, the diffusion layer forming sheet C, the active layer forming sheet, the solid electrolyte layer forming sheet, and the intermediate layer forming sheet are laminated in this order and pressure bonded. Thus, a laminate was obtained. In addition, the edge part of a linear paste is exposed to one of the four end surfaces of the sheet | seat C for diffusion layer formation in a laminated body. Here, at the time of the above lamination, the diffusion layer forming sheet B and the diffusion layer forming sheet C are a linear paste of the diffusion layer forming sheet B and a linear paste of the diffusion layer forming sheet C as viewed from the lamination direction. And are arranged so as to be orthogonal to each other. In addition, a CIP molding method was used for pressure bonding. The CIP molding conditions were a temperature of 80 ° C., a pressing force of 50 MPa, and a pressing time of 10 minutes. Moreover, the laminated body was degreased after the pressure bonding. In addition, a dimension adjustment can be implemented by cut | disconnecting the outer peripheral part of the laminated body after crimping | compression-bonding. In this case, the dimensional accuracy of the obtained cell can be improved. Furthermore, at the time of the cutting, by cutting the outer peripheral portion of the laminate so as to include the other end portion of the linear pattern in the diffusion layer forming sheet C, the end surface of the diffusion layer forming sheet C in the laminate The end of the paste can be surely exposed. In this case, the main gas channel can be surely penetrated to the end face.

上記積層体を1350℃で2時間焼成した。これにより、拡散層(350μm)、活性層(25μm)、固体電解質層(4.0μm)、および、中間層(3.0μm)がこの順に積層された焼結体を得た。なお、上記焼成により、各線状パターンは消失し、拡散層には、各線状パターンに対応して、図1に示されるような主ガス流路および副ガス流路が形成された。   The laminate was fired at 1350 ° C. for 2 hours. As a result, a sintered body was obtained in which a diffusion layer (350 μm), an active layer (25 μm), a solid electrolyte layer (4.0 μm), and an intermediate layer (3.0 μm) were laminated in this order. In addition, each linear pattern lose | disappeared by the said baking, and the main gas flow path and subgas flow path as shown in FIG. 1 corresponding to each linear pattern were formed in the diffusion layer.

上記焼結体における中間層の表面に、カソード形成用ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、950℃で2時間焼成(焼付)することによって層状のカソード(50μm)を形成した。これにより、平板形のセルを得た。   A cathode forming paste was applied to the surface of the intermediate layer in the sintered body by a screen printing method, and baked at 950 ° C. for 2 hours to form a layered cathode (50 μm). Thereby, a flat cell was obtained.

得られたセルの外周部を、フェライト系ステンレス鋼よりなるフレームにて支持するとともに、燃料ガスがカソード側へリークしないように、固体電解質層および活性層の外周をガラスシールよりなるシール材により被覆した。これにより、試料1の燃料電池単セルを得た。   The outer periphery of the obtained cell is supported by a frame made of ferritic stainless steel, and the outer periphery of the solid electrolyte layer and the active layer is covered with a sealing material made of glass seal so that fuel gas does not leak to the cathode side. did. Thus, a fuel cell single cell of Sample 1 was obtained.

<試料2の燃料電池単セル>
試料1と同様にして、樹脂シート付きの拡散層形成用シートAを準備した。そして、これを金型を用いて打ち抜くことにより、90行×90列に配列された合計8100個の貫通孔を形成した。なお、上記貫通孔は、直線状の主ガス流路の一部を構成するためのものである。貫通孔の径は100μm、貫通孔間のピッチは1.0μmである。
<Single fuel cell of sample 2>
In the same manner as Sample 1, a diffusion layer forming sheet A with a resin sheet was prepared. This was punched out using a mold to form a total of 8100 through holes arranged in 90 rows × 90 columns. In addition, the said through-hole is for comprising a part of linear main gas flow path. The diameter of the through holes is 100 μm, and the pitch between the through holes is 1.0 μm.

穴の空いた樹脂シートを剥離し、代わりに、微粘着シートを貼り付けた。次いで、貫通孔内に消失剤ペーストをスクリーン印刷法により充填し、乾燥させた。次いで、微粘着シートを剥離することにより、拡散層形成用シートDを準備した。拡散層形成用シートDの厚みは、110μmとした。   The resin sheet with holes was peeled off, and a slightly adhesive sheet was attached instead. Next, the disappearant paste was filled into the through holes by screen printing and dried. Next, a diffusion layer forming sheet D was prepared by peeling off the slightly adhesive sheet. The thickness of the diffusion layer forming sheet D was 110 μm.

微粘着シートの表面に、拡散層形成用シートDを貼り付け、この拡散層形成用シートDの表面に、スクリーン印刷法を用いて、消失剤ペーストをパターン印刷した。ここでの印刷パターンは、等間隔で並ぶ71本の線状ペーストより構成される線状パターンであり、副ガス流路を形成するためのものである。なお、各線状ペーストは、各貫通孔と重ならないように配列されており、各線状ペーストの線幅は0.1μm、線間ピッチは1.0μm、線厚みは55μmとした。また、各線状ペーストの両端部は、拡散層形成用シートDの端面に接していない。その後、微粘着シートを剥離することにより、拡散層形成用シートEを準備した。   A diffusion layer forming sheet D was affixed to the surface of the slightly adhesive sheet, and the extinction agent paste was pattern printed on the surface of the diffusion layer forming sheet D using a screen printing method. The printing pattern here is a linear pattern composed of 71 linear pastes arranged at equal intervals, and is for forming a sub-gas channel. In addition, each linear paste was arranged so that it might not overlap with each through-hole, and the line width of each linear paste was 0.1 μm, the pitch between lines was 1.0 μm, and the line thickness was 55 μm. Further, both end portions of each linear paste are not in contact with the end face of the diffusion layer forming sheet D. Then, the sheet | seat E for diffusion layer formation was prepared by peeling a slightly adhesive sheet.

拡散層形成用シートDと同様にして、厚み30μmの拡散層形成用シートFを準備した。   A diffusion layer forming sheet F having a thickness of 30 μm was prepared in the same manner as the diffusion layer forming sheet D.

試料1と同様にして、活性層形成用シート、固体電解質層形成用シート、および、中間層形成用シートを準備した。   In the same manner as Sample 1, an active layer forming sheet, a solid electrolyte layer forming sheet, and an intermediate layer forming sheet were prepared.

拡散層形成用シートD、拡散層形成用シートE、拡散層形成用シートF、活性層形成用シート、固体電解質層形成用シート、および、中間層形成用シートをこの順に積層し、試料1と同じ圧着条件にて圧着することにより、積層体を得た。なお、各拡散層形成用シートは、対応する貫通孔の位置を合わせて積層した。   Diffusion layer forming sheet D, diffusion layer forming sheet E, diffusion layer forming sheet F, active layer forming sheet, solid electrolyte layer forming sheet, and intermediate layer forming sheet are laminated in this order, A laminated body was obtained by pressure bonding under the same pressure bonding conditions. Each diffusion layer forming sheet was laminated with the corresponding through holes positioned.

以降は、試料1と同様にして、試料2の燃料電池単セルを得た。なお、試料2の燃料電池単セルの拡散層には、貫通孔パターン、線状パターンに対応して、図4に示されるような主ガス流路および副ガス流路が形成された。   Thereafter, a fuel cell single cell of Sample 2 was obtained in the same manner as Sample 1. In the diffusion layer of the fuel cell single cell of Sample 2, a main gas channel and a sub gas channel as shown in FIG. 4 were formed corresponding to the through hole pattern and the linear pattern.

<試料3の燃料電池単セル>
試料1の燃料電池単セルの作製において、拡散層形成用シートCの形成時に用いた消失剤ペーストに、焼結助剤として8YSZのナノ粉末(平均粒子径:15nm)を添加した点以外は同様にして、試料3の燃料電池単セルを得た。試料3の燃料電池単セルの断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、主ガス流路の壁面に、拡散層における孔部の形成部位よりも緻密質な緻密層が確認された。
<Single fuel cell of sample 3>
In the production of the fuel cell single cell of Sample 1, the same except that 8 YSZ nanopowder (average particle size: 15 nm) was added as a sintering aid to the extinguishing agent paste used when forming the diffusion layer forming sheet C. Thus, a fuel cell single cell of Sample 3 was obtained. When the cross section of the fuel cell single cell of Sample 3 was observed with a scanning electron microscope, a dense layer was confirmed on the wall surface of the main gas flow channel, which was denser than the formation site of the hole in the diffusion layer.

<試料4の燃料電池単セル>
試料2の燃料電池単セルの作製において、拡散層形成用シートDの形成時に貫通孔内に充填する消失剤ペーストに、焼結助剤として8YSZのナノ粉末(平均粒子径:15nm)を添加した点以外は同様にして、試料4の燃料電池単セルを得た。試料4の燃料電池単セルの断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、主ガス流路の壁面に、拡散層における孔部の形成部位よりも緻密質な緻密層が確認された。
<Fuel cell single cell of sample 4>
In the production of the fuel cell single cell of Sample 2, 8YSZ nanopowder (average particle size: 15 nm) was added as a sintering aid to the extinguishing agent paste filled in the through-holes when forming the diffusion layer forming sheet D. A fuel cell unit cell of Sample 4 was obtained in the same manner except for the above point. When the cross section of the fuel cell single cell of Sample 4 was observed with a scanning electron microscope, a dense layer was confirmed on the wall surface of the main gas flow path, which was denser than the hole-forming portion of the diffusion layer.

本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態5では、実施形態1の燃料電池単セルに代えて、実施形態3の燃料電池単セルを用いることができる。また、実施形態6では、実施形態2の燃料電池単セルに代えて、実施形態4の燃料電池単セルを用いることができる。   The present invention is not limited to the above embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the scope of the invention. For example, in the fifth embodiment, the single fuel cell of the third embodiment can be used instead of the single fuel cell of the first embodiment. In the sixth embodiment, the single fuel cell of the fourth embodiment can be used instead of the single fuel cell of the second embodiment.

1 燃料電池単セル
2 セル
20 アノード
201 拡散層
201a 主ガス流路
202 活性層
21 固体電解質層
22 カソード
3 フレーム
5 燃料電池セルスタック
51 ガス供給口
52 ガス排出口
F 燃料ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell single cell 2 Cell 20 Anode 201 Diffusion layer 201a Main gas flow path 202 Active layer 21 Solid electrolyte layer 22 Cathode 3 Frame 5 Fuel cell stack 51 Gas supply port 52 Gas discharge port F Fuel gas

Claims (11)

アノード(20)と固体電解質層(21)とカソード(22)とを備える平板形のセル(2)と、該セルを支持する金属製のフレーム(3)と、を有する燃料電池単セル(1)であって、
上記アノードは、多数の孔部を有し、導入される燃料ガス(F)を層面内に拡散させる拡散層(201)と、該拡散層の上記固体電解質層側に配置され、アノード反応の場となる活性層(202)と、を有しており、
上記拡散層は、上記孔部の径よりも大きい複数の主ガス流路(201a)を内部に備え、
該主ガス流路は、上記活性層に接しており、かつ、上記拡散層の外表面に貫通している、燃料電池単セル(1)。
A fuel cell single cell (1) having a flat plate cell (2) having an anode (20), a solid electrolyte layer (21) and a cathode (22), and a metal frame (3) supporting the cell. ) And
The anode has a large number of holes, and is disposed on the solid electrolyte layer side of the diffusion layer (201) for diffusing the introduced fuel gas (F) in the layer surface, and is used for the anode reaction. An active layer (202) to be
The diffusion layer includes a plurality of main gas passages (201a) larger than the diameter of the hole,
The fuel cell single cell (1), wherein the main gas flow path is in contact with the active layer and penetrates the outer surface of the diffusion layer.
上記拡散層の外表面は、上記燃料ガスが導入される導入面(201c)と、上記燃料ガスが導出される導出面(201d)とを含み、
該導出面に、上記主ガス流路の貫通口(201b)が形成されている、請求項1に記載の燃料電池単セル。
The outer surface of the diffusion layer includes an introduction surface (201c) through which the fuel gas is introduced, and a lead-out surface (201d) from which the fuel gas is derived,
2. The fuel cell single cell according to claim 1, wherein a through-hole (201 b) of the main gas flow path is formed on the lead-out surface.
上記拡散層における上記固体電解質層側とは反対側の層面が上記導入面とされており、
上記拡散層の端面の一部が上記導出面とされている、請求項2に記載の燃料電池単セル。
The layer surface of the diffusion layer opposite to the solid electrolyte layer side is the introduction surface,
The fuel cell single cell according to claim 2, wherein a part of an end face of the diffusion layer is the lead-out face.
上記主ガス流路は、互いに離間した状態でアノード面方向に沿って配置されている、請求項3に記載の燃料電池単セル。   The fuel cell single cell according to claim 3, wherein the main gas flow paths are arranged along the anode surface direction in a state of being separated from each other. 上記拡散層の端面の一部が上記導入面とされており、
上記拡散層における上記固体電解質層側とは反対側の層面が上記導出面とされている、
、請求項2に記載の燃料電池単セル。
A part of the end surface of the diffusion layer is the introduction surface,
The layer surface opposite to the solid electrolyte layer side in the diffusion layer is the lead-out surface,
The fuel cell single cell according to claim 2.
上記主ガス流路は、互いに離間した状態でアノード厚み方向に沿って配置されている、請求項5に記載の燃料電池単セル。   The fuel cell single cell according to claim 5, wherein the main gas flow paths are disposed along the anode thickness direction in a state of being separated from each other. 上記主ガス流路は、直線状である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池単セル。   The fuel cell single cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the main gas flow path is linear. 上記主ガス流路の平均屈曲度は、1.0〜2.0の範囲内にある、請求項7に記載の燃料電池単セル。   8. The fuel cell single cell according to claim 7, wherein the average bending degree of the main gas channel is in a range of 1.0 to 2.0. 上記拡散層は、層面内に、上記孔部の径よりも大きく、かつ、上記主ガス流路と交わらない副ガス流路(201e)をさらに備える、請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池単セル。   The diffusion layer according to any one of claims 1 to 8, further comprising a sub-gas channel (201e) that is larger than the diameter of the hole and does not intersect the main gas channel in the layer surface. The fuel cell unit cell described. 上記主ガス流路の壁面に、上記拡散層における上記孔部の形成部位よりも緻密質な緻密層(201f)を有する、請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池単セル。   10. The fuel cell unit cell according to claim 1, further comprising a dense layer (201 f) that is denser than a portion where the hole is formed in the diffusion layer, on a wall surface of the main gas channel. 11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料電池単セルと、上記燃料ガスを供給するガス供給口(51)と、上記燃料ガスを排出するガス排出口(52)と、を有しており、
上記主ガス流路は、上記ガス排出口と連通しており、かつ、上記ガス供給口と連通していない、燃料電池セルスタック(5)。
A fuel cell unit cell according to any one of claims 1 to 10, a gas supply port (51) for supplying the fuel gas, and a gas discharge port (52) for discharging the fuel gas. And
The fuel cell stack (5), wherein the main gas flow path communicates with the gas discharge port and does not communicate with the gas supply port.
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