JP2017123240A - Electrochemical reaction single cell, interconnector-electrochemical reaction single cell composite body, and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

Electrochemical reaction single cell, interconnector-electrochemical reaction single cell composite body, and electrochemical reaction cell stack Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the worsening of a performance owing to the extension of cracking in the surface of an electrochemical reaction single cell through a first layer of an electrode to a second layer closer to an electrolyte layer.SOLUTION: In an electrochemical reaction single cell, at least one of an air electrode and a fuel electrode includes a first layer and a second layer located on an electrolyte layer side; and a region which satisfies the relations S and T described below is present in a cross section in parallel with a first direction of the first layer. Relation S: R(1)≥20% (where R(1) is a rate of the number of first particles to the total number of particles in a predetermined range, and the first particles are particles of which the ratio of a particle length D2 in a second direction to a particle length D1 in the first direction is 2 or more). Relation T: aD2(A)<aD2(1) (where aD2(A) is an average value of the particle length D2 of all the particles in the predetermined range, and aD2(1) is an average value of the particle length D2 of the first particles in the predetermined range).SELECTED DRAWING: Figure 8

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)。   One type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) having an electrolyte layer containing a solid oxide. It has been. A fuel cell single cell (hereinafter simply referred to as “single cell”), which is the smallest structural unit of SOFC, faces each other in a predetermined direction (hereinafter referred to as “first direction”) across the electrolyte layer. An air electrode and a fuel electrode are included (see, for example, Patent Document 1).

特開2014−49321号公報JP 2014-49321 A

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(「集電層」とも呼ばれる)と、第1の方向において第1の層の電解質層側(すなわち、第1の層より電解質層に近い側)に位置する第2の層(「活性層」とも呼ばれる)とを含むように構成される場合がある。このような構成の単セルにおいて、各部材の熱膨張に伴う応力や他の部材(例えばインターコネクタ)からの押圧力による応力等を原因として、単セルの表面にクラックが発生することがある。従来の単セルの構成では、単セルの表面に発生したクラックが電極の第1の層を通って電解質層により近い第2の層まで伸展することにより、単セルの性能が低下するおそれがある。   In the single cell, at least one of the air electrode and the fuel electrode includes a first layer (also referred to as a “current collecting layer”) and an electrolyte layer side of the first layer in the first direction (that is, the first layer). It may be configured to include a second layer (also referred to as an “active layer”) located closer to the electrolyte layer. In a single cell having such a configuration, a crack may occur on the surface of the single cell due to stress caused by thermal expansion of each member, stress due to pressing force from another member (for example, an interconnector), or the like. In the configuration of the conventional single cell, the crack generated on the surface of the single cell may extend through the first layer of the electrode to the second layer closer to the electrolyte layer, thereby reducing the performance of the single cell. .

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 also common to the electrolytic cell which is the minimum constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water. It is. 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、前記第1の方向において前記第1の層の前記電解質層側に位置する第2の層と、を含み、前記第1の層の前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面に、以下の関係S,Tを満たす領域が存在する。
関係S:R(1)≧20%(ただし、R(1)は、所定の範囲における粒子の全数に対する第1種粒子の数の割合であり、前記第1種粒子は、前記第1の方向における粒長D1に対する前記第1の方向に直交する第2の方向における粒長D2の比であるアスペクト比(D2/D1)が2以上である粒子である。)
関係T:aD2(A)<aD2(1)(ただし、aD2(A)は、前記所定の範囲における全粒子の粒長D2の平均値であり、aD2(1)は、前記所定の範囲における前記第1種粒子の粒長D2の平均値である。)
粒長D2が比較的大きく、かつ、第1の方向に直交する方向に長い形状である第1種粒子は、電気化学反応単セルの表面に発生したクラックの第1の方向への伸展を止めるストッパーとして機能するところ、本電気化学反応単セルによれば、電極の第1の層における第1種粒子の構成割合R(1)が比較的多く、かつ、第1種粒子の粒長D2の平均値aD2(1)が全粒子の粒長D2の平均値aD2(A)より大きいため、電気化学反応単セルの表面に発生したクラックが第1の層内を第1の方向に伸展して電解質層により近い位置にある第2の層に至ることを抑制することができ、電気化学反応単セルの性能低下を抑制することができる。
(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 includes a first layer and a second layer located on the electrolyte layer side of the first layer in the first direction, A region satisfying the following relationships S and T exists in at least one cross section parallel to the first direction of one layer.
Relationship S: R (1) ≧ 20% (where R (1) is the ratio of the number of first type particles to the total number of particles in a predetermined range, and the first type particles are in the first direction) The aspect ratio (D2 / D1), which is the ratio of the grain length D2 in the second direction orthogonal to the first direction to the grain length D1 in FIG.
Relationship T: aD2 (A) <aD2 (1) (where aD2 (A) is an average value of the grain lengths D2 of all the particles in the predetermined range, and aD2 (1) is the value in the predetermined range. (It is the average value of the grain length D2 of the first kind particles.)
The first type particles having a relatively long grain length D2 and a shape that is long in a direction orthogonal to the first direction stop the extension of cracks generated on the surface of the electrochemical reaction single cell in the first direction. When functioning as a stopper, according to the present electrochemical reaction single cell, the composition ratio R (1) of the first kind particles in the first layer of the electrode is relatively large, and the grain length D2 of the first kind particles is Since the average value aD2 (1) is larger than the average value aD2 (A) of the particle length D2 of all particles, cracks generated on the surface of the electrochemical reaction single cell extend in the first direction in the first layer. It can suppress reaching to the 2nd layer in a position nearer to an electrolyte layer, and can suppress the performance fall of an electrochemical reaction single cell.

(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記領域は、以下の関係Uを満たす領域である構成としてもよい。
関係U:E≦0.68(μm)(ただし、Eは、前記所定の範囲における各粒子の粒長D2の偏差の絶対値である。)
本電気化学反応単セルによれば、電極の第1の層における第2の方向の粒長D2のばらつきが比較的小さいことから、粒子同士の接触点が多くなり、導電経路が一定以上確保され、電気化学反応単セルの初期性能が低下することを抑制することができる。
(2) In the electrochemical reaction single cell, the region may be a region that satisfies the following relationship U.
Relationship U: E ≦ 0.68 (μm) (where E is an absolute value of deviation of the grain length D2 of each particle in the predetermined range)
According to this electrochemical reaction single cell, since the variation in the grain length D2 in the second direction in the first layer of the electrode is relatively small, the number of contact points between the particles increases, and a conductive path is ensured above a certain level. It can suppress that the initial performance of an electrochemical reaction single cell falls.

(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記領域は、以下の関係Vを満たす領域である構成としてもよい。
関係V:R(2)≧23%(ただし、R(2)は、前記所定の範囲における粒子の全数に対する第2種粒子の数の割合であり、前記第2種粒子は、アスペクト比(D2/D1)が1以下である粒子である。)
第1の方向に長い形状である第2種粒子は、第1の方向における導電性確保の点で有利であるところ、本電気化学反応単セルによれば、電極の第1の層における第2種粒子の構成割合R(2)が比較的多いため、電極の導電性低下を抑制することができる。
(3) In the electrochemical reaction single cell, the region may be a region that satisfies the following relationship V.
Relationship V: R (2) ≧ 23% (where R (2) is the ratio of the number of second type particles to the total number of particles in the predetermined range, and the second type particles have an aspect ratio (D2). / D1) is a particle having 1 or less.)
The second type particles that are long in the first direction are advantageous in terms of ensuring conductivity in the first direction. According to this electrochemical reaction unit cell, the second type particles in the first layer of the electrode Since the composition ratio R (2) of the seed particles is relatively large, it is possible to suppress a decrease in the conductivity of the electrode.

(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記第1の層の前記第1の方向に平行な3つの断面であって、前記第1の方向視で前記空気極を長手方向に4等分する3つの断面に、前記領域が存在する構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、第2の方向において満遍なく、電極の第1の層における第1種粒子の構成割合R(1)が比較的多いため、電気化学反応単セルの性能低下を効果的に抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction single cell, three cross sections of the first layer parallel to the first direction, and the air electrode is equally divided into four in the longitudinal direction as viewed in the first direction. It is good also as a structure where the said area | region exists in three cross sections. According to this electrochemical reaction single cell, since the composition ratio R (1) of the first type particles in the first layer of the electrode is relatively large in the second direction, the performance degradation of the electrochemical reaction single cell is reduced. It can be effectively suppressed.

(5)また、本明細書に開示されるインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体は、上記電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との前記少なくとも一方側に配置され、前記空気極と前記燃料極との前記少なくとも一方側に突出する凸部を有するインターコネクタと、を備える。本インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、インターコネクタの凸部からの押圧力による応力により電気化学反応単セルの表面にクラックが発生しても、当該クラックが第1の層内を第1の方向に伸展して電解質層により近い位置にある第2の層に至ることを抑制することができ、電気化学反応単セルの性能低下を抑制することができる。 (5) Moreover, the interconnector-electrochemical reaction single cell complex disclosed in the present specification includes at least the electrochemical reaction single cell, the air electrode and the fuel electrode of the electrochemical reaction single cell. And an interconnector having a convex portion disposed on one side and projecting to the at least one side of the air electrode and the fuel electrode. According to this interconnector-electrochemical reaction single cell composite, even if a crack is generated on the surface of the electrochemical reaction single cell due to the stress caused by the pressing force from the convex portion of the interconnector, the crack is in the first layer. Can be prevented from extending in the first direction to reach the second layer closer to the electrolyte layer, and the performance degradation of the electrochemical reaction single cell can be suppressed.

(6)上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層は、固体酸化物または炭酸塩を含む構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、比較的高温で運転が行われる電気化学反応単セルにおいて、各部材の熱膨張による応力によって電気化学反応単セルの表面にクラックが発生しても、当該クラックが第1の層内を第1の方向に伸展して電解質層により近い位置にある第2の層に至ることを抑制することができ、電気化学反応単セルの性能低下を抑制することができる。 (6) In the electrochemical reaction single cell, the electrolyte layer may include a solid oxide or a carbonate. According to this electrochemical reaction unit cell, even if a crack occurs on the surface of the electrochemical reaction unit cell due to the stress due to thermal expansion of each member in the electrochemical reaction unit cell operated at a relatively high temperature, Can be prevented from extending in the first direction in the first layer and reaching the second layer at a position closer to the electrolyte layer, and the performance degradation of the electrochemical reaction single cell can be suppressed. .

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)、電気化学反応単セルとインターコネクタとを備えるインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体(インターコネクタ−燃料電池単セル複合体またはインターコネクタ−電解セル複合体)、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. For example, an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic cell), an electrochemical reaction single cell, an interconnector, Interconnector-electrochemical reaction single cell composite (interconnector-fuel cell single cell composite or interconnector-electrolytic cell composite), electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack) including a plurality of electrochemical reaction single cells Alternatively, it can be realized in the form of an electrolytic cell stack) or a manufacturing method thereof.

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る。1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in the present embodiment. 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る。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the fuel cell stack 100 in the position of II-II of FIG. 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。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position of III-III in FIG. 1. 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る。It is explanatory drawing which shows XZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 第1の性能評価の結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of 1st performance evaluation. サンプル1(比較例)における空気極114の集電層410のXZ断面構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the XZ cross-section structure of the current collection layer 410 of the air electrode 114 in the sample 1 (comparative example). サンプル2(実施例)における空気極114の集電層410のXZ断面構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the XZ cross-sectional structure of the current collection layer 410 of the air electrode 114 in the sample 2 (Example). 第2の性能評価の結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of 2nd performance evaluation.

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 fuel cell stack 100 in the present embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position of III-III in FIG. In each figure, XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction are shown. In this specification, for the sake of convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction. It may be installed. The same applies to FIG.

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 fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in this embodiment) power generation units 102 and a pair of end plates 104 and 106. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in the present embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an assembly composed of seven power generation units 102 from above and below. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.

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 (power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100. The holes formed in each layer and corresponding to each other communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the communication holes 108 may also be referred to as communication holes 108.

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。   Bolts 22 extending in the vertical direction are inserted into the communication holes 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolts 22 and nuts 24 fitted on both sides of the bolts 22. 2 and 3, between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the end plate 104 constituting the upper end of the fuel cell stack 100, and the bolt An insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of 22 and the lower surface of the end plate 106 constituting the lower end of the fuel cell stack 100. However, in a place where a gas passage member 27 described later is provided, an insulating sheet disposed between the nut 24 and the surface of the end plate 106 on the upper and lower sides of the gas passage member 27 and the gas passage member 27, respectively. 26 is interposed. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic powder sheet, a glass sheet, a glass ceramic composite agent, or the like.

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 bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108. Therefore, a space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108. As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 100 is located near the midpoint of one side (the X-axis positive direction side of two sides parallel to the Y-axis) on the outer periphery around the Z-direction. The space formed by the bolt 22 (bolt 22A) and the communication hole 108 through which the bolt 22A is inserted is introduced with the oxidant gas OG from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is generated by each power generation. It functions as an oxidant gas introduction manifold 161 that is a gas flow path to be supplied to the unit 102, and is the midpoint of the side opposite to the side (X-axis negative direction side of two sides parallel to the Y-axis) The space formed by the bolts 22 (bolts 22B) located in the vicinity and the communication holes 108 through which the bolts 22B are inserted contains the oxidant off-gas OOG that is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. Burning Functions as the oxidizing gas discharging manifold 162 for discharging to the outside of the cell stack 100. In the present embodiment, for example, air is used as the oxidant gas OG.

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 fuel cell stack 100 around the Z direction The space formed by the bolt 22 (bolt 22D) positioned at the position and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted is introduced with the fuel gas FG from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is generated by each power generation. Bolt 22 that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the unit 102 and is located in the vicinity of the midpoint of the opposite side (the side on the Y axis negative direction side of the two sides parallel to the X axis). The space formed by the (bolt 22E) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted is a fuel cell stack 1 that uses the fuel off-gas FOG that is a gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 as the fuel cell stack 1 Functions as a fuel gas exhaust manifold 172 for discharging to the outside of the 0. In the present embodiment, as the fuel gas FG, for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used.

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 fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 has a hollow cylindrical main body portion 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branched from the side surface of the main body portion 28. The hole of the branch part 29 communicates with the hole of the main body part 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. Further, as shown in FIG. 2, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> A forming the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161. The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> B that forms the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162. Further, as shown in FIG. 3, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> E forming the discharge manifold 172 communicates with the fuel gas discharge manifold 172.

(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 end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are formed of, for example, stainless steel. One end plate 104 is disposed on the upper side of the power generation unit 102 located on the uppermost side, and the other end plate 106 is disposed on the lower side of the power generation unit 102 located on the lowermost side. A plurality of power generation units 102 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

(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 power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 2, and FIG. 5 is adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units.

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 power generation unit 102 that is the minimum unit of power generation includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, and a fuel electrode side frame. 140, a fuel electrode side current collector 144, and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102. The separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the periphery of the interconnector 150 around the Z direction are formed with holes corresponding to the communication holes 108 through which the bolts 22 are inserted.

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 interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents reaction gas from being mixed between the power generation units 102. In the present embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Further, since the fuel cell stack 100 includes the pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150 and is located at the bottom. The power generation unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).

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 unit cell 110 includes an electrolyte layer 112, and an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 that face each other in the vertical direction (the arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode-supported single cell that supports the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 with the fuel electrode 116.

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 electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate-shaped member. For example, YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (samarium doped ceria), GDC (gadolinium doped ceria), perovskite oxide It is formed with solid oxides such as. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed of, for example, a perovskite oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)). Has been. The configuration of the air electrode 114 will be described in detail later. The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate-like member, and is formed of, for example, Ni (nickel), cermet made of Ni and ceramic particles, Ni-based alloy, or the like. Thus, the single cell 110 (power generation unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

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 separator 120 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 121 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. The peripheral part of the hole 121 in the separator 120 is opposed to the peripheral part of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. The separator 120 is bonded to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a bonding portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag brazing) disposed in the facing portion. The separator 120 divides the air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116, and gas leaks from one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion of the single cell 110. It is suppressed. The single cell 110 to which the separator 120 is bonded is also referred to as a single cell with a separator.

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 electrode side frame 130 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 131 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is formed of an insulator such as mica, for example. The hole 131 of the air electrode side frame 130 forms an air chamber 166 that faces the air electrode 114. The air electrode side frame 130 is in contact with the peripheral edge portion of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge portion of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. . The pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102 is electrically insulated by the air electrode side frame 130. The air electrode side frame 130 has an oxidant gas supply communication hole 132 communicating the oxidant gas introduction manifold 161 and the air chamber 166, and an oxidant gas communicating the air chamber 166 and the oxidant gas discharge manifold 162. A discharge communication hole 133 is formed.

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 electrode side frame 140 is a frame-like member in which a substantially rectangular hole 141 penetrating in the vertical direction is formed near the center, and is made of, for example, metal. The hole 141 of the fuel electrode side frame 140 forms a fuel chamber 176 that faces the fuel electrode 116. The fuel electrode side frame 140 is in contact with the peripheral portion of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the peripheral portion of the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116. Further, the fuel electrode side frame 140 has a fuel gas supply communication hole 142 that connects the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that connects the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. And are formed.

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 current collector 144 is disposed in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 that connects the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. For example, nickel or a nickel alloy It is made of stainless steel or the like. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. In contact. However, as described above, since the lowermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not include the lower interconnector 150, the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 has a lower end plate. 106 is in contact. Since the fuel electrode side current collector 144 has such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected. Note that a spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144. The electrical connection with is maintained well.

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。空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材を、単にインターコネクタと呼ぶ場合もある。   The air electrode side current collector 134 is disposed in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of current collector elements 135 having a substantially quadrangular prism shape, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 includes the upper end plate. 104 is in contact. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected. In the present embodiment, the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, a flat plate portion perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) of the integrated member functions as the interconnector 150 and is formed so as to protrude from the flat plate portion toward the air electrode 114. The current collector element 135 that is a plurality of convex portions functions as the air electrode side current collector 134. Moreover, the integral member of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be covered with a conductive coat, and between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134, A conductive bonding layer to be bonded may be interposed. An integral member of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be simply referred to as an interconnector.

なお、本明細書では、図4および図5に示すように、各発電単位102から空気極側フレーム130と空気極側フレーム130側のインターコネクタ150とを除いた構造体、すなわち、単セル110と、セパレータ120と、燃料極側フレーム140と、燃料極側フレーム140側のインターコネクタ150とを備える構造体を、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体107ともいう。上述したように、燃料電池スタック100は、上下方向に並べて配置された複数の発電単位102を備えるが、換言すれば、燃料電池スタック100は、空気極側フレーム130を挟んで並べて配置された複数のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体107を備えると言える。インターコネクタ−燃料電池単セル複合体107は、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の一例である。   In this specification, as shown in FIGS. 4 and 5, a structure obtained by removing the air electrode side frame 130 and the air electrode side frame 130 side interconnector 150 from each power generation unit 102, that is, a single cell 110. A structure including the separator 120, the fuel electrode side frame 140, and the interconnector 150 on the fuel electrode side frame 140 side is also referred to as an interconnector-fuel cell single cell complex 107. As described above, the fuel cell stack 100 includes a plurality of power generation units 102 arranged in the vertical direction. In other words, the fuel cell stack 100 includes a plurality of fuel cell stacks 100 arranged with the air electrode side frame 130 interposed therebetween. It can be said that the interconnector-fuel cell single cell composite 107 is provided. The interconnector-fuel cell single cell complex 107 is an example of an interconnector-electrochemical reaction single cell complex.

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 branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. Then, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the oxidant gas introduction manifold 161 oxidizes each power generation unit 102. It is supplied to the air chamber 166 through the agent gas supply communication hole 132. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel gas FG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. Then, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the fuel gas supply communication of each power generation unit 102 from the fuel gas introduction manifold 171. The fuel chamber 176 is supplied through the hole 142.

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 air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, power is generated by an electrochemical reaction between the oxidant gas OG and the fuel gas FG in the single cell 110. Is called. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to one interconnector 150 via the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is connected via the fuel electrode side current collector 144. The other interconnector 150 is electrically connected. The plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, electrical energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as output terminals of the fuel cell stack 100. Since SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is heated by a heater (after the start-up until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation. (Not shown).

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 air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 via the oxidant gas discharge communication hole 133 as shown in FIGS. The fuel cell stack 100 is connected to the branch portion 29 via a gas pipe (not shown) through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the agent gas discharge manifold 162. Is discharged outside. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication hole 143, and further to the fuel gas. The gas passage member 27 provided at the position of the discharge manifold 172 passes through the body portion 28 and the branch portion 29 and passes through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 to the outside of the fuel cell stack 100. Discharged.

A−3.空気極114の詳細構成:
図5に示すように、空気極114は、活性層420と集電層410とを含む。活性層420は、Z方向において、集電層410の電解質層112側、すなわち、集電層410より電解質層112に近い側に位置する。
A-3. Detailed configuration of the air electrode 114:
As shown in FIG. 5, the air electrode 114 includes an active layer 420 and a current collecting layer 410. The active layer 420 is located in the Z direction on the electrolyte layer 112 side of the current collection layer 410, that is, on the side closer to the electrolyte layer 112 than the current collection layer 410.

空気極114の活性層420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420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。空気極114の集電層410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410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420は、集電層410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420は、特許請求の範囲における第2の層に相当し、集電層410は、特許請求の範囲における第1の層に相当する。   The active layer 420 of the air electrode 114 is a layer that mainly functions as an ionization reaction field for oxygen contained in the oxidant gas OG. In the present embodiment, the active layer 420 includes a perovskite oxide and GDC (gadolinium-doped ceria) as an activating substance. The current collecting layer 410 of the air electrode 114 is a layer mainly functioning as a field for collecting the electricity obtained by the power generation reaction while diffusing the oxidant gas OG supplied from the air chamber 166. The current collecting layer 410 includes a perovskite oxide but does not include GDC. Note that the active layer 420 has a smaller overall particle size and is dense (that is, has a lower porosity) than the current collecting layer 410. The active layer 420 corresponds to the second layer in the claims, and the current collecting layer 410 corresponds to the first layer in the claims.

A−4.性能評価:
本実施形態の燃料電池スタック100は、空気極114の集電層410の構成に特徴がある。以下、空気極114の集電層410の構成が互いに異なる複数のサンプルを用いて行った各種性能評価について説明する。
A-4. Performance evaluation:
The fuel cell stack 100 of this embodiment is characterized by the configuration of the current collecting layer 410 of the air electrode 114. Hereinafter, various performance evaluations performed using a plurality of samples having different configurations of the current collecting layer 410 of the air electrode 114 will be described.

(発電劣化率についての性能評価)
第1の性能評価として、空気極114の集電層410の構成が互いに異なる複数の単セル110のサンプル(サンプル1およびサンプル2)を用いて、発電劣化率を測定した。図6は、第1の性能評価の結果を示す説明図である。また、図7は、サンプル1(比較例)における空気極114の集電層410(410(1))のXZ断面構成を模式的に示す説明図であり、図8は、サンプル2(実施例)における空気極114の集電層410(410(2))のXZ断面構成を模式的に示す説明図である。
(Performance evaluation of power generation deterioration rate)
As the first performance evaluation, the power generation deterioration rate was measured using samples (sample 1 and sample 2) of a plurality of single cells 110 having different configurations of the current collecting layer 410 of the air electrode 114. FIG. 6 is an explanatory diagram showing the results of the first performance evaluation. FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing an XZ cross-sectional configuration of the current collecting layer 410 (410 (1)) of the air electrode 114 in Sample 1 (Comparative Example), and FIG. 8 shows Sample 2 (Example). 3 is an explanatory diagram schematically showing the XZ cross-sectional configuration of the current collecting layer 410 (410 (2)) of the air electrode 114 in FIG.

図7および図8に示すように、第1の性能評価では、空気極114の集電層410に含まれる各粒子を、Z方向における粒長D1に対するZ方向に直交する方向(例えばX方向であり、以下「面方向」という)における粒長D2の比であるアスペクト比(D2/D1)により、第1種粒子P1と、第2種粒子P2と、第3種粒子P3との3種類に分類した。第1種粒子P1は、アスペクト比(D2/D1)が2以上の粒子であり、面方向に長い形状の粒子である。第2種粒子P2は、アスペクト比(D2/D1)が1以下の粒子であり、Z方向(上下方向)に長い形状の粒子である。第3種粒子P3は、第1種粒子P1および第2種粒子P2以外の粒子である。   As shown in FIGS. 7 and 8, in the first performance evaluation, each particle included in the current collecting layer 410 of the air electrode 114 is placed in a direction orthogonal to the Z direction with respect to the grain length D1 in the Z direction (for example, in the X direction). The aspect ratio (D2 / D1), which is the ratio of the grain length D2 (hereinafter referred to as “plane direction”), is divided into three types of first seed particles P1, second seed particles P2, and third seed particles P3. Classified. The first type particles P1 are particles having an aspect ratio (D2 / D1) of 2 or more, and are particles having a shape that is long in the plane direction. The second type particles P2 are particles having an aspect ratio (D2 / D1) of 1 or less, and are particles having a long shape in the Z direction (vertical direction). The third type particles P3 are particles other than the first type particles P1 and the second type particles P2.

図6に示すように、サンプル1の集電層410では、Z方向に平行なある断面(例えばXZ断面)において、各種粒子の構成割合R(n)は以下の通りであった。なお、構成割合R(n)は、断面の所定の範囲における粒子の全数に対する第n種粒子Pnの数の割合である(ただし、n=1,2,3)。
・第1種粒子P1の構成割合R(1)=10(%)
・第2種粒子P2の構成割合R(2)=23(%)
・第3種粒子P3の構成割合R(3)=67(%)
As shown in FIG. 6, in the current collecting layer 410 of Sample 1, the composition ratio R (n) of various particles in a cross section parallel to the Z direction (for example, XZ cross section) was as follows. The composition ratio R (n) is the ratio of the number of the n-th type particles Pn to the total number of particles in a predetermined range of the cross section (where n = 1, 2, 3).
-Composition ratio R (1) of the first kind particles P1 = 10 (%)
-Composition ratio R (2) of the second kind particles P2 = 23 (%)
-Composition ratio R (3) of the third kind particles P3 = 67 (%)

一方、サンプル2の集電層410では、Z方向に平行なある断面(例えばXZ断面)において、各種粒子の構成割合R(n)は以下の通りであった。
・第1種粒子P1の構成割合R(1)=20(%)
・第2種粒子P2の構成割合R(2)=23(%)
・第3種粒子P3の構成割合R(3)=57(%)
On the other hand, in the current collecting layer 410 of Sample 2, the constituent ratio R (n) of various particles in a cross section (for example, XZ cross section) parallel to the Z direction was as follows.
-Composition ratio R (1) of the first kind particles P1 = 20 (%)
-Composition ratio R (2) of the second kind particles P2 = 23 (%)
-Composition ratio R (3) of the third kind particles P3 = 57 (%)

このように、サンプル1の集電層410(図7参照)では、第1種粒子P1の構成割合R(1)が比較的少なく、サンプル2の集電層410(図8参照)では、第1種粒子P1の構成割合R(1)が比較的多い。また、集電層410に含まれる第2種粒子P2の構成割合R(2)は、サンプル1とサンプル2とで同等である。   Thus, in the current collection layer 410 (see FIG. 7) of the sample 1, the composition ratio R (1) of the first type particles P1 is relatively small, and in the current collection layer 410 (see FIG. 8) of the sample 2, The composition ratio R (1) of the first kind particles P1 is relatively large. In addition, the constituent ratio R (2) of the second kind particles P2 included in the current collecting layer 410 is the same between the sample 1 and the sample 2.

また、図6に示すように、サンプル1の集電層410では、上記断面において、面方向の粒長D2の平均は以下の通りであった。なお、全粒子平均粒長aD2(A)は、上記断面の上記所定の範囲における全粒子の粒長D2の平均値であり、第1種粒子平均粒長aD2(1)は、上記断面の上記所定の範囲における第1種粒子P1の粒長D2の平均値である。
・全粒子平均粒長aD2(A)=1.37(μm)
・第1種粒子平均粒長aD2(1)=1.99(μm)
Moreover, as shown in FIG. 6, in the current collection layer 410 of Sample 1, the average grain length D2 in the plane direction in the cross section was as follows. Note that the total particle average particle length aD2 (A) is the average value of the particle lengths D2 of all the particles in the predetermined range of the cross section, and the first type particle average particle length aD2 (1) is the above value of the cross section. It is an average value of the grain length D2 of the first kind particles P1 in a predetermined range.
・ All grains average grain length aD2 (A) = 1.37 (μm)
First type particle average grain length aD2 (1) = 1.99 (μm)

一方、サンプル2の集電層410では、上記断面において、面方向の粒長D2の平均は以下の通りであった。
・全粒子平均粒長aD2(A)=1.2(μm)
・第1種粒子平均粒長aD2(1)=1.56(μm)
On the other hand, in the current collecting layer 410 of Sample 2, the average grain length D2 in the plane direction in the cross section was as follows.
・ All grains average grain length aD2 (A) = 1.2 (μm)
First type particle average grain length aD2 (1) = 1.56 (μm)

このように、サンプル1とサンプル2とのいずれにおいても、全粒子平均粒長aD2(A)<第1種粒子平均粒長aD2(1)という関係が成立した。すなわち、サンプル1とサンプル2とのいずれにおいても、第1種粒子P1の面方向の粒長D2は、他の種類の粒子と比較して大きいと言える。   Thus, in both sample 1 and sample 2, the relationship of total particle average particle length aD2 (A) <first type particle average particle length aD2 (1) was established. That is, in both sample 1 and sample 2, it can be said that the grain length D2 in the surface direction of the first kind particles P1 is larger than that of other kinds of particles.

第1の性能評価では、上記2つの単セル110のサンプル(サンプル1およびサンプル2)を用いて、定常運転から運転を停止する動作と停止状態から運転を再開する動作とを繰り返す試験により発電劣化率を測定した。より詳細には、定常運転から運転を停止する動作と停止状態から運転を再開する動作との組合せを繰り返すことによって、サンプルの温度を高温から低温へ変化させ、複数回にわたってサンプルに熱衝撃を加えた。上記動作の組合せを約20回繰り返した後の電圧(試験後電圧)を測定し、初期電圧に対する初期電圧と試験後電圧との差の割合を、発電劣化率(%)として算出した。   In the first performance evaluation, power generation deterioration is performed by a test that repeats the operation of stopping the operation from the steady operation and the operation of restarting the operation from the stopped state using the samples (sample 1 and sample 2) of the two single cells 110 described above. The rate was measured. More specifically, by repeating the combination of the operation to stop operation from steady operation and the operation to resume operation from a stopped state, the sample temperature is changed from high temperature to low temperature, and thermal shock is applied to the sample multiple times. It was. The voltage after the above operation combination was repeated about 20 times (post-test voltage) was measured, and the ratio of the difference between the initial voltage and the post-test voltage relative to the initial voltage was calculated as the power generation deterioration rate (%).

図6に示すように、サンプル1(比較例)では、発電劣化率が比較的高く、不合格(×)と判定された。一方、サンプル2(実施例)では、発電劣化率が極めて低く、合格(〇)と判定された。この要因としては、以下のことが考えられる。すなわち、単セル110を構成する各部材の熱膨張に伴う応力や、他の部材(例えば、インターコネクタの凸部として空気極側集電体134)からの押圧力による応力等を原因として、単セル110の表面、例えば空気極114の集電層410の表面にクラックが発生することがある。空気極114の集電層410の表面に発生したクラックが、集電層410を通って電解質層112により近い位置にある活性層420まで伸展すると、単セル110の発電性能が低下する。ここで、集電層410に含まれる粒子の内、粒長D2が比較的大きく、かつ、面方向に長い形状の第1種粒子P1は、このようなクラックのZ方向への伸展を止めるストッパーとして機能する。サンプル1では、集電層410における第1種粒子P1の構成割合R(1)が比較的少ないため、単セル110の表面に発生したクラックが集電層410内をZ方向に伸展して活性層420に至ることが抑制されず、単セル110の性能低下が抑制されなかったと考えられる。一方、サンプル2では、集電層410における第1種粒子P1の構成割合R(1)が比較的多く、かつ、第1種粒子平均粒長aD2(1)が全粒子平均粒長aD2(A)より大きいため、単セル110の表面に発生したクラックが集電層410内をZ方向に伸展して活性層420に至ることが抑制され、単セル110の性能低下が抑制されたものと考えられる。   As shown in FIG. 6, in the sample 1 (comparative example), the power generation deterioration rate was relatively high, and it was determined as rejected (x). On the other hand, in sample 2 (Example), the power generation deterioration rate was extremely low, and it was determined to be acceptable (◯). The following can be considered as this factor. That is, the stress caused by the thermal expansion of each member constituting the single cell 110, the stress due to the pressing force from the other member (for example, the air electrode side current collector 134 as the convex portion of the interconnector), etc. Cracks may occur on the surface of the cell 110, for example, the surface of the current collecting layer 410 of the air electrode 114. When cracks generated on the surface of the current collecting layer 410 of the air electrode 114 extend through the current collecting layer 410 to the active layer 420 located closer to the electrolyte layer 112, the power generation performance of the single cell 110 is degraded. Here, among the particles contained in the current collecting layer 410, the first type particles P1 having a relatively large grain length D2 and a long shape in the plane direction are stoppers that stop such cracks from extending in the Z direction. Function as. In Sample 1, since the composition ratio R (1) of the first type particles P1 in the current collecting layer 410 is relatively small, cracks generated on the surface of the single cell 110 extend in the current collecting layer 410 in the Z direction and are active. It is considered that reaching the layer 420 was not suppressed, and the performance degradation of the single cell 110 was not suppressed. On the other hand, in sample 2, the composition ratio R (1) of the first type particles P1 in the current collecting layer 410 is relatively large, and the first type particle average particle length aD2 (1) is the total particle average particle length aD2 (A Therefore, it is considered that cracks generated on the surface of the single cell 110 are prevented from extending in the Z direction in the current collecting layer 410 to reach the active layer 420, and the performance degradation of the single cell 110 is suppressed. It is done.

このように、第1の性能評価の結果から、空気極114の集電層410が、Z方向に平行な少なくとも1つの断面(例えばXZ断面)に、以下の関係S,Tを満たす領域が存在するように構成されていると、単セル110の表面に発生したクラックが集電層410を通って活性層420まで伸展することを抑制することができ、単セル110の性能を低下することができると言える。
関係S:第1種粒子P1の構成割合R(1)≧20%
関係T:全粒子平均粒長aD2(A)<第1種粒子平均粒長aD2(1)
Thus, from the result of the first performance evaluation, there is a region where the current collecting layer 410 of the air electrode 114 satisfies the following relations S and T in at least one cross section (for example, XZ cross section) parallel to the Z direction. If configured so, cracks generated on the surface of the single cell 110 can be prevented from extending through the current collecting layer 410 to the active layer 420, and the performance of the single cell 110 can be reduced. I can say that.
Relationship S: Composition ratio R (1) ≧ 20% of the first kind particles P1
Relationship T: All particles average particle length aD2 (A) <First type particle average particle length aD2 (1)

なお、空気極114の集電層410において、第1種粒子P1の構成割合R(1)が面方向において満遍なく高い構成であると、単セル110の表面におけるクラックの発生位置にかかわらず、発生したクラックが集電層410内をZ方向に伸展して活性層420に至ることが抑制されるため、さらに好ましいと言える。そのため、例えば、集電層410のZ方向に平行な3つの断面であって、Z方向視で空気極114を長手方向に4等分する3つの断面に上記関係S,Tを満たす領域が存在するように、空気極114の集電層410が構成されていると、さらに好ましいと言える。   In addition, in the current collecting layer 410 of the air electrode 114, when the constituent ratio R (1) of the first type particles P1 is uniformly high in the plane direction, the generation occurs regardless of the crack generation position on the surface of the single cell 110. It can be said that the cracks are more preferable because the cracks in the current collecting layer 410 are prevented from extending in the Z direction and reaching the active layer 420. Therefore, for example, there are three cross sections parallel to the Z direction of the current collecting layer 410, and there are regions that satisfy the above relationships S and T in three cross sections that divide the air electrode 114 into four in the longitudinal direction when viewed in the Z direction. Thus, it can be said that the current collecting layer 410 of the air electrode 114 is more preferable.

また、第1種粒子P1は、第2種粒子P2と比較して、Z方向(上下方向)における導電性確保の点では不利であるため、空気極114の導電性低下を抑制するためには、集電層410にある程度以上の構成割合で第2種粒子P2が存在することが好ましい。そのため、第1の性能評価の結果を参照すると、上記関係S,Tを満たす領域が、以下の関係Vを満たす領域であると、空気極114の導電性低下を抑制することができ、さらに好ましいと言える。
関係V:第2種粒子P2の構成割合R(2)≧23%
In addition, the first type particle P1 is disadvantageous in terms of securing conductivity in the Z direction (vertical direction) as compared with the second type particle P2. In addition, it is preferable that the second type particles P <b> 2 exist in the current collection layer 410 at a certain composition ratio. Therefore, referring to the result of the first performance evaluation, it is more preferable that the region satisfying the relations S and T is a region satisfying the following relationship V, which can suppress a decrease in conductivity of the air electrode 114. It can be said.
Relationship V: Composition ratio R (2) ≧ 23% of the second kind particles P2

(初期電圧についての性能評価)
第2の性能評価として、サンプル1およびサンプル2を用いて、初期電圧を測定した。図9は、第2の性能評価の結果を示す説明図である。
(Performance evaluation for initial voltage)
As a second performance evaluation, the initial voltage was measured using Sample 1 and Sample 2. FIG. 9 is an explanatory diagram showing the result of the second performance evaluation.

サンプル1とサンプル2とは、Z方向に平行なある断面(例えばXZ断面)の所定の範囲における各粒子の面方向の粒長D2の偏差(平均値との差)の程度が互いに異なる。具体的には、サンプル1では、上記偏差の絶対値の最大値(以下、「粒長最大偏差E」という)が0.97(μm)と比較的大きく、サンプル2では、粒長最大偏差Eが0.68(μm)と比較的小さい。すなわち、サンプル1では、面方向の粒長D2のばらつきが比較的大きく、サンプル2では、面方向の粒長D2のばらつきが比較的小さい。   Sample 1 and sample 2 are different from each other in the degree of deviation (difference from the average value) of the grain length D2 in the plane direction of each grain in a predetermined range of a certain section (for example, XZ section) parallel to the Z direction. Specifically, in sample 1, the maximum absolute value of the deviation (hereinafter referred to as “grain length maximum deviation E”) is relatively large at 0.97 (μm), and in sample 2, the maximum grain length deviation E is obtained. Is relatively small, 0.68 (μm). That is, sample 1 has a relatively large variation in grain length D2 in the plane direction, and sample 2 has a relatively small variation in grain length D2 in the plane direction.

第2の性能評価では、上記2つの単セル110のサンプルを用いて、0.3(A/cm)における初期電圧(V)を測定した。図9に示すように、サンプル1では、初期電圧が比較的低く、不合格(×)と判定された。一方、サンプル2では、初期電圧が比較的高く、良好(〇)と判定された。この要因としては、サンプル2では、集電層410における面方向の粒長D2のばらつきが比較的小さいことから、粒子同士の接触点が多くなり、導電経路が一定以上確保され、初期の発電性能が低下することが抑制されたものと考えられる。 In the second performance evaluation, the initial voltage (V) at 0.3 (A / cm 2 ) was measured using the sample of the two single cells 110. As shown in FIG. 9, in sample 1, the initial voltage was relatively low, and it was determined to be rejected (x). On the other hand, in sample 2, the initial voltage was relatively high and determined to be good (◯). This is because the sample 2 has a relatively small variation in the grain length D2 in the surface direction in the current collecting layer 410, so that the number of contact points between the particles increases, a certain number of conductive paths are ensured, and the initial power generation performance. It is considered that the decrease in the temperature was suppressed.

このように、第2の性能評価の結果から、空気極114の集電層410が、Z方向に平行な少なくとも1つの断面(例えばXZ断面)における上記関係S,Tを満たす領域が、以下の関係Uを満たす領域であると、初期の発電性能が低下することを抑制することができると言える。
関係U:粒長最大偏差E≦0.68(μm)
As described above, from the result of the second performance evaluation, a region in which the current collecting layer 410 of the air electrode 114 satisfies the above relationships S and T in at least one cross section (for example, XZ cross section) parallel to the Z direction is as follows. It can be said that when the region satisfies the relationship U, the initial power generation performance can be prevented from decreasing.
Relationship U: Maximum grain length deviation E ≦ 0.68 (μm)

A−5.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-5. Manufacturing method of the single cell 110:
An example of the manufacturing method of the single cell 110 in this embodiment is as follows.

(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5〜7m/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3〜4m/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5〜7m/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 electrolyte layer 112 and fuel electrode 116)
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 electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116.

(空気極114の形成)
次に、空気極114の活性層420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 active layer 420 of the air electrode 114 to adjust the viscosity. To prepare an active layer paste. The prepared paste for active layer is applied to the surface on the electrolyte layer 112 side in the laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 by screen printing and dried.

また、空気極114の集電層410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、集電層用ペーストを調製する。調整された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。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。   Further, as the material of the current collecting layer 410 of the air electrode 114, LSCF powder, alumina powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, and butyl carbitol as an organic solvent are mixed, and the viscosity is adjusted to collect the current. A layer paste is prepared. The adjusted current collecting layer paste is applied onto the above-mentioned active layer paste by screen printing and dried. In addition, as a method for applying the paste for each layer of the air electrode 114, other methods such as spray application can be employed.

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420と集電層410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 air electrode 114 composed of the active layer 420 and the current collecting layer 410 is formed on the surface on the electrolyte layer 112 side in the laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116. It is formed.

なお、空気極114の集電層410における各種粒子の構成割合R(n)は、例えば、以下の方法により調整することができる。すなわち、第1種粒子P1の構成割合R(1)を多くしたい場合には、空気極114の集電層410の材料としてのLSCF粉末を作成するための粉砕処理の時間を比較的短くすることによって、粒子形状を比較的不均一にする。このようにすれば、比較的細長い形状のLSCF粒子を多く含むLSCF粉末材料が得られる。また、調整された集電層用ペーストを塗布して乾燥させた後、集電層用ペーストにZ方向の圧縮力を加えることにより、集電層用ペーストに含まれる細長い形状のLSCF粒子の少なくとも一部が、その長手方向が面方向に近づくように姿勢を変化させ、アスペクト比(Z方向における粒長D1に対する面方向における粒長D2の比)が2以上である第1種粒子P1となる。そのため、このような方法により、集電層410における第1種粒子P1の構成割合R(1)を多くすることができる。また、第2種粒子P2の構成割合R(2)を多くしたい場合には、第1種粒子P1の構成割合R(1)を多くしたい場合と同様に、LSCF粉末を作成するための粉砕処理の時間を比較的短くすることによって粒子形状を比較的不均一にする。ただし、第2種粒子P2の構成割合R(2)を多くしたい場合には、集電層用ペーストを塗布して乾燥させた後に圧縮力を加えないか、圧縮力の大きさを小さくしたり圧縮時間を短くしたりして、細長い形状のLSCF粒子の姿勢変化を促さない。これにより、集電層410における第2種粒子P2の構成割合R(2)を多くすることができる。なお、集電層410における第3種粒子P3の構成割合R(3)を多くしたい場合には、LSCF粉末を作成するための粉砕処理の時間を比較的長くすればよい。   The constituent ratio R (n) of various particles in the current collecting layer 410 of the air electrode 114 can be adjusted by, for example, the following method. That is, when it is desired to increase the constituent ratio R (1) of the first type particles P1, the time for the pulverization process for producing the LSCF powder as the material of the current collecting layer 410 of the air electrode 114 should be made relatively short. Makes the particle shape relatively non-uniform. In this way, an LSCF powder material containing a large number of relatively long and narrow LSCF particles can be obtained. In addition, after applying and drying the adjusted current collecting layer paste, by applying a compressive force in the Z direction to the current collecting layer paste, at least the elongated LSCF particles contained in the current collecting layer paste A part of the first type particles P1 changes its posture so that its longitudinal direction approaches the plane direction, and the aspect ratio (ratio of the grain length D2 in the plane direction to the grain length D1 in the Z direction) is 2 or more. . Therefore, the composition ratio R (1) of the first kind particles P1 in the current collecting layer 410 can be increased by such a method. Further, when it is desired to increase the constituent ratio R (2) of the second seed particles P2, as in the case where the constituent ratio R (1) of the first seed particles P1 is to be increased, a pulverization process for producing the LSCF powder is performed. The particle shape is made relatively non-uniform by shortening the time of the above. However, when it is desired to increase the constituent ratio R (2) of the second type particles P2, a compressive force is not applied after the current collecting layer paste is applied and dried, or the size of the compressive force is reduced. The compression time is shortened, and the posture change of the elongated LSCF particles is not promoted. Thereby, the composition ratio R (2) of the second type particles P2 in the current collecting layer 410 can be increased. In addition, when it is desired to increase the constituent ratio R (3) of the third type particles P3 in the current collecting layer 410, the time for the pulverization process for preparing the LSCF powder may be made relatively long.

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 unit cell 110 having the above-described configuration is manufactured. In addition, after the single cell 110 is manufactured, for example, an assembly process such as joining of the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 and fastening of the fuel cell stack 100 by the bolt 22 is performed. The fuel cell stack 100 is manufactured.

A−6.空気極114の分析方法:
(分析画像M1の取得方法)
粒長等に関して空気極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値化画像における粒子等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。分析画像M1の測定範囲は、特許請求の範囲における所定の範囲に相当する。
A-6. Analysis method of the air electrode 114:
(Acquisition method of analysis image M1)
A method for analyzing the air electrode 114 with respect to the grain length and the like will be described. First, the analysis image M1 used for the analysis of the air electrode 114 is acquired by the following method. In the single cell 110, one cross section (however, the cross section including the air electrode 114) parallel to the vertical direction (Z-axis direction) is arbitrarily set, and an image in which the entire vertical direction of the air electrode 114 can be confirmed in the cross section, Obtained as an analysis image M1. More specifically, the upper surface of the air electrode 114 (the surface in contact with the air electrode side current collector 134) is the uppermost of the ten divided regions obtained by dividing the image vertically into 10 equal parts. An image in which the boundary between the air electrode 114 and the electrolyte layer 112 is located in the lowest divided region is taken by, for example, a scanning electron microscope (SEM), and the analysis image M1 is located in the divided region. Get as. The analysis image M1 may be a binarized image obtained by binarizing an image photographed by the SEM. However, in the case where particles or the like in the binarized image are significantly different from the actual form, an image obtained by adjusting the contrast of the image taken by the SEM before the binarization process and binarizing the image after the adjustment But you can. In addition, the analysis image M1 may be an image before binarization processing that is taken by an SEM. The magnification of the SEM image is set to such a value that the whole of the air electrode 114 in the vertical direction fits in the analysis image M1 as described above, and can be set to 200 to 20,000 times, for example, but is not limited thereto. However, it can be changed as appropriate. The measurement range of the analysis image M1 corresponds to a predetermined range in the claims.

(活性層420と集電層410との境界の決定方法)
空気極114を構成する活性層420と集電層410との境界は、活性層420の気孔率が集電層410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 active layer 420 and current collecting layer 410)
The boundary between the active layer 420 and the current collecting layer 410 constituting the air electrode 114 is specified by the following method using the feature that the porosity of the active layer 420 is lower than the porosity of the current collecting layer 410. First, a plurality of virtual lines K perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) are drawn in order from the upper surface of the air electrode 114 at intervals of 0.3 μm with respect to the analysis image M1, and virtual lines K1, K2, K3,..., Km,..., K (m + 9), K (m + 10),. And the length of the part which overlaps with a pore in each virtual line K is measured, the sum total of the length of the part which overlaps with a pore is calculated, and the total length of the part which overlaps with the pore with respect to the full length of each virtual line K Is the ratio of the pores existing on the virtual line K (porosity Ks). Next, among the porosity Ks1, Ks2, Ks3,..., Ksm,..., Ks (m + 9), Ks (m + 10),. Each data group having the porosity Ks of each virtual line K is set, and the average value (Ave) of the 10 porosity Ks of each data group and the standard deviation (σ) of the porosity Ks of each data group are calculated. To do.

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420と集電層410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420と集電層410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420と集電層410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 active layer 420 and the current collecting layer. Bound to 410. That is, when the average value of the porosity Ks of the data group Gm is Gmave, the average value of the porosity Ks of the data group G (m + 1) is G (m + 1) Ave, and the standard deviation of the porosity Ks of the data group Gm is σm. The virtual line K (m + 10) corresponding to the tenth porosity Ks (m + 10) of the first data group G (m + 1) satisfying the following formula (1) is defined as the boundary between the active layer 420 and the current collecting layer 410. To do. If this boundary is determined, the active layer 420 and the current collecting layer 410 can be distinguished on the analysis image M1.
| (G (m + 1) Ave) − (GmAve) |> 2σm (1)

(粒長の測定方法)
空気極114の集電層410における粒長は、"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410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長として測定する。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長を計測し、計測値を用いて粒長の平均値等を算出するものとする。
(Measuring method of grain length)
The particle length of the current collector layer 410 of the air electrode 114 is “Miya Satoshi, Yoshiharu Ozaki, Toshio Kimura, Satoshi Yamaguchi,“ Ceramic Processing ”, published by Gihodo Publishing Co., Ltd., March 25, 1985, page 192 195 "". Specifically, in the analysis image M1, a straight line perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) is formed on the current collecting layer 410 at a predetermined interval ( For example, the length of the portion corresponding to each particle on each straight line is measured as the grain length, and the length of all the particles on one or more straight lines located in the target member or region is measured. And the average value of the grain length and the like are calculated using the measured values.

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(または変形例、以下同様)では、空気極114の集電層410は、上記関係S〜Vを満たすように構成されているとしているが、集電層410が少なくとも上記関係S〜Tを満たすように構成されていれば、単セル110の空気極114側の表面に発生したクラックが空気極114の集電層410内をZ方向に伸展して活性層420に至ることが抑制され、単セル110の性能低下を抑制することができる。   In the above embodiment (or a modified example, the same applies hereinafter), the current collection layer 410 of the air electrode 114 is configured to satisfy the above relationships S to V. However, the current collection layer 410 is at least the above relationships S to V. If it is configured to satisfy T, it is possible to prevent cracks generated on the surface of the single cell 110 on the air electrode 114 side from extending in the current collecting layer 410 of the air electrode 114 in the Z direction and reaching the active layer 420. Thus, the performance degradation of the single cell 110 can be suppressed.

また、上記実施形態では、空気極114は、活性層420と集電層410との二層構成であるとしているが、空気極114は、活性層420および集電層410以外の他の層を含むとしてもよい。   Further, in the above embodiment, the air electrode 114 has a two-layer configuration of the active layer 420 and the current collecting layer 410, but the air electrode 114 is composed of layers other than the active layer 420 and the current collecting layer 410. It may be included.

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S〜V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、単セル110の空気極114側の表面に発生したクラックが空気極114の集電層410内をZ方向に伸展して活性層420に至ることが抑制され、単セル110の性能低下を抑制することができると共に、空気極114の導電性低下を抑制することができる。   In the above-described embodiment, all the single cells 110 included in the fuel cell stack 100 are configured to satisfy the relationships S to V. However, at least one single cell 110 included in the fuel cell stack 100 is used. In such a single cell 110, cracks generated on the surface of the single cell 110 on the air electrode 114 side extend in the current collecting layer 410 of the air electrode 114 in the Z direction and become active. Reaching the layer 420 is suppressed, and the performance deterioration of the single cell 110 can be suppressed, and the conductivity decrease of the air electrode 114 can be suppressed.

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 unit cells 110 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of unit cells 110 is appropriately determined according to the output voltage required for the fuel cell stack 100 or the like. Moreover, the material which forms each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be formed with another material.

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 electrolyte layer 112 and the air electrode 114. Even with such a configuration, it can be said that the air electrode 114 and the fuel electrode 116 face each other with the electrolyte layer 112 interposed therebetween.

また、上記実施形態では、燃料電池スタック100は複数の平板形の発電単位102が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば特開2008−59797号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。   Further, in the above embodiment, the fuel cell stack 100 has a configuration in which a plurality of flat-plate power generation units 102 are stacked. However, the present invention is described in other configurations, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-59797. In addition, the present invention can be similarly applied to a configuration in which a plurality of substantially cylindrical fuel cell single cells are connected in series.

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S〜Vが満たされた構成であるとすれば、単セル110の空気極114側の表面に発生したクラックが空気極114の集電層410内をZ方向に伸展して活性層420に至ることが抑制され、単セル110の性能低下を抑制することができると共に、空気極114の導電性低下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 fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit, and the single cell 110 may be read as an electrolytic cell. However, when the electrolysis cell stack is operated, a voltage is applied between the two electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode). Water vapor as a source gas is supplied. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out of the electrolysis cell stack through the communication hole. Also in the electrolysis cell and electrolysis cell stack having such a configuration, as in the case of the above-described embodiment, if the above-described relationships S to V are satisfied, they are generated on the surface of the single cell 110 on the air electrode 114 side. It is possible to prevent cracks from extending in the Z direction in the current collecting layer 410 of the air electrode 114 to reach the active layer 420, thereby suppressing the performance degradation of the single cell 110 and reducing the conductivity of the air electrode 114. Can be suppressed.

また、上記実施形態では、空気極114は、活性層420と集電層410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410と同様に、上記関係S〜V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、単セル110の燃料極116側の表面に発生したクラックが燃料極116の集電層内をZ方向に伸展して活性層に至ることが抑制され、単セル110の性能低下を抑制することができると共に、燃料極116の導電性低下を抑制することができる。   In the above embodiment, the air electrode 114 includes the active layer 420 and the current collecting layer 410. However, the fuel electrode 116 is replaced with the air electrode 114 or together with the air electrode 114. Similarly to the configuration of the air electrode 114, the configuration may include an active layer and a current collecting layer. At this time, the current collecting layer of the fuel electrode 116 may be configured to satisfy the above relationships S to V, similarly to the current collecting layer 410 of the air electrode 114 described above. In this way, cracks generated on the surface of the unit cell 110 on the fuel electrode 116 side are prevented from extending in the Z direction in the current collecting layer of the fuel electrode 116 and reaching the active layer, and the performance of the unit cell 110 is improved. A decrease in conductivity can be suppressed, and a decrease in conductivity of the fuel electrode 116 can be suppressed.

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.

22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 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 107:インターコネクタ−燃料電池単セル複合体 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:集電層 420:活性層 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104: End plate 106: End plate 107: Interconnector-fuel cell single cell composite Body 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: Oxidant 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 collection Body 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing portion 147: Connection 149: Spacer 150: Interconnector 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: Current collecting layer 420: Active layer

Claims (7)

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、
前記第1の方向において前記第1の層の前記電解質層側に位置する第2の層と、
を含み、
前記第1の層の前記第1の方向に平行な少なくとも1つの断面に、以下の関係S,Tを満たす領域が存在することを特徴とする、電気化学反応単セル。
関係S:R(1)≧20%
(ただし、R(1)は、所定の範囲における粒子の全数に対する第1種粒子の数の割合であり、前記第1種粒子は、前記第1の方向における粒長D1に対する前記第1の方向に直交する第2の方向における粒長D2の比であるアスペクト比(D2/D1)が2以上である粒子である。)
関係T:aD2(A)<aD2(1)
(ただし、aD2(A)は、前記所定の範囲における全粒子の粒長D2の平均値であり、aD2(1)は、前記所定の範囲における前記第1種粒子の粒長D2の平均値である。)
In an electrochemical reaction single cell comprising an electrolyte layer, and 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;
A second layer located on the electrolyte layer side of the first layer in the first direction;
Including
An electrochemical reaction unit cell characterized in that a region satisfying the following relationships S and T exists in at least one cross section parallel to the first direction of the first layer.
Relationship S: R (1) ≧ 20%
(Where R (1) is the ratio of the number of first type particles to the total number of particles in a predetermined range, and the first type particles are in the first direction relative to the grain length D1 in the first direction. (The aspect ratio (D2 / D1), which is the ratio of the grain length D2 in the second direction orthogonal to, is a particle having a ratio of 2 or more.)
Relationship T: aD2 (A) <aD2 (1)
(However, aD2 (A) is the average value of the particle length D2 of all particles in the predetermined range, and aD2 (1) is the average value of the particle length D2 of the first type particles in the predetermined range. is there.)
請求項1に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記領域は、以下の関係Uを満たす領域であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
関係U:E≦0.68(μm)
(ただし、Eは、前記所定の範囲における各粒子の粒長D2の偏差の絶対値である。)
The electrochemical reaction single cell according to claim 1,
The electrochemical reaction unit cell, wherein the region is a region satisfying the following relationship U:
Relation U: E ≦ 0.68 (μm)
(However, E is the absolute value of the deviation of the grain length D2 of each particle in the predetermined range.)
請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記領域は、以下の関係Vを満たす領域であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
関係V:R(2)≧23%
(ただし、R(2)は、前記所定の範囲における粒子の全数に対する第2種粒子の数の割合であり、前記第2種粒子は、アスペクト比(D2/D1)が1以下である粒子である。)
The electrochemical reaction single cell according to claim 1 or 2,
The electrochemical reaction unit cell, wherein the region is a region satisfying the following relationship V:
Relationship V: R (2) ≧ 23%
(However, R (2) is the ratio of the number of second type particles to the total number of particles in the predetermined range, and the second type particles are particles whose aspect ratio (D2 / D1) is 1 or less. is there.)
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記第1の層の前記第1の方向に平行な3つの断面であって、前記第1の方向視で前記空気極を長手方向に4等分する3つの断面に、前記領域が存在す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 region exists in three cross sections of the first layer that are parallel to the first direction and that divides the air electrode into four in the longitudinal direction when viewed in the first direction. An electrochemical reaction single cell characterized by
インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、
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と、
前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との前記少なくとも一方側に配置され、前記空気極と前記燃料極との前記少なくとも一方側に突出する凸部を有するインターコネクタと、
を備えることを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。
In the interconnector-electrochemical reaction single cell complex,
The electrochemical reaction unit cell according to any one of claims 1 to 4,
An interconnector disposed on the at least one side of the air electrode and the fuel electrode of the electrochemical reaction unit cell, and having a protrusion protruding to the at least one side of the air electrode and the fuel electrode;
An interconnector-electrochemical reaction single cell composite comprising:
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において、
前記電解質層は、固体酸化物または炭酸塩を含むことを特徴とする、電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 4,
The electrochemical reaction unit cell, wherein the electrolyte layer includes a solid oxide or a carbonate.
前記第1の方向に並べて配置された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において、
前記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 arranged side by side in the first direction,
An electrochemical reaction cell stack, wherein at least one of the electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 4.
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