JP2017224525A - Collector member-electrochemical reaction single cell composite body, and electrochemical reaction cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書によって開示される技術は、集電部材−電気化学反応単セル複合体に関する。 The technology disclosed by the present specification relates to a current collecting member-electrochemical reaction single cell composite.
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に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。 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”) that is a constituent unit of SOFC includes an electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode that face each other in a predetermined direction with the electrolyte layer interposed therebetween.
SOFCには、単セルにおける発電反応により得られた電気エネルギーを集める集電部材が設けられる。集電部材は、電極内部への反応ガスの供給を阻害することなく集電機能を発揮するため、電極の表面に接する複数の凸部を有するように構成される(例えば、特許文献1参照)。なお、本明細書では、単セルと集電部材とから構成される構造体を、集電部材−燃料電池単セル複合体という。 The SOFC is provided with a current collecting member that collects electric energy obtained by a power generation reaction in a single cell. The current collecting member is configured to have a plurality of convex portions that are in contact with the surface of the electrode in order to exhibit the current collecting function without hindering the supply of the reaction gas into the electrode (see, for example, Patent Document 1). . In the present specification, a structure including a single cell and a current collecting member is referred to as a current collecting member-fuel cell single cell complex.
従来の集電部材−燃料電池単セル複合体では、集電部材の複数の凸部が電極の表面に接する構成であるため、集電部材からの荷重が電極における複数の凸部との接触箇所に集中的に作用し、単セルの割れが発生するおそれがあった。 In the conventional current collecting member-fuel cell single cell complex, since the plurality of convex portions of the current collecting member are in contact with the surface of the electrode, the load from the current collecting member is in contact with the plurality of convex portions of the electrode. There is a risk that the single cell will break.
なお、このような問題は、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)の構成単位である電解単セルと集電部材とから構成される集電部材−電解単セル複合体にも共通の問題である。なお、本明細書では、集電部材−燃料電池単セル複合体と集電部材−電解単セル複合体とをまとめて集電部材−電気化学反応単セル複合体と呼ぶ。また、このような問題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応単セルと集電部材とから構成される集電部材−電気化学反応単セル複合体にも共通の問題である。 Such a problem is caused by the fact that an electrolytic single cell and a current collecting member are constituent units of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. This is also a problem common to the current collecting member-electrolytic single cell composite composed of: In the present specification, the current collecting member-fuel cell single cell composite and the current collecting member-electrolytic single cell composite are collectively referred to as a current collecting member-electrochemical reaction single cell composite. Such a problem is not limited to SOFC and SOEC, but is also a problem common to current collector-electrochemical reaction single cell composites composed of other types of electrochemical reaction single cells and current collection members. is there.
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集電部材−電気化学反応単セル複合体は、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含む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少なくとも一方である特定電極側に配置され、前記特定電極の表面に接する複数の凸部を有する集電部材と、を備える集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記特定電極は、前記第1の方向視で前記凸部と重なる凸部重複領域の少なくとも一部分である第1の部分であって、前記第1の方向に直交する第2の方向において前記第1の部分の隣に位置すると共に前記第1の方向視で前記凸部と重ならない部分である第2の部分より気孔率が低い第1の部分を有する。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、特定電極において、集電部材からの荷重が集中的に作用する凸部重複領域の少なくとも一部分である第1の部分の気孔率が低いため、第1の部分の強度を上げることができ、集電部材からの荷重集中を原因とした電気化学反応単セルの割れが発生することを抑制することができる。また、特定電極において、第1の方向視で凸部と重ならない第2の部分については気孔率が高い状態とされるため、特定電極における反応ガスの拡散性の低下を抑制することができる。 (1) A current collecting member-electrochemical reaction single cell complex disclosed in this specification includes an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. A current collecting member having a plurality of protrusions disposed on a specific electrode side that is at least one of the air electrode and the fuel electrode of the reaction single cell, and the electrochemical reaction single cell; and In the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex comprising: the specific electrode is a first part that is at least a part of a convex overlapping region that overlaps the convex part when viewed in the first direction, A first lower porosity than a second portion that is located next to the first portion in a second direction orthogonal to the first direction and that does not overlap the convex portion when viewed in the first direction. It has a part. According to the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, the porosity of the first portion which is at least a part of the convex overlapping region where the load from the current collecting member acts intensively in the specific electrode is low. Therefore, the strength of the first portion can be increased, and the occurrence of cracking of the electrochemical reaction single cell due to the load concentration from the current collecting member can be suppressed. In the specific electrode, since the porosity of the second portion that does not overlap with the convex portion in the first direction is high, it is possible to suppress a decrease in the diffusibility of the reaction gas in the specific electrode.
(2)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記特定電極は、導電性金属を含み、前記第1の部分の前記導電性金属の含有率(vol%)は、前記第2の部分の前記導電性金属の含有率(vol%)より高い構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、特定電極において、集電部材との間の主たる導通経路に位置する第1の部分の導電性金属の含有率を高くすることができ、電気化学反応単セルの導電性を向上させることができる。 (2) In the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, the specific electrode includes a conductive metal, and the content (vol%) of the conductive metal in the first portion is the second value. It is good also as a structure higher than the content rate (vol%) of the said conductive metal of the part. According to the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, in the specific electrode, the content of the conductive metal in the first portion located in the main conduction path between the current collecting member and the current collecting member can be increased. The conductivity of the electrochemical reaction single cell can be improved.
(3)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記特定電極は、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子を含み、前記第1の部分の前記酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率(vol%)は、前記第2の部分の前記酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率(vol%)より高い構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、特定電極において、集電部材からの荷重が集中的に作用する部分である第1の部分の強度を効果的に向上させることができ、電気化学反応単セルの割れが発生することを効果的に抑制することができる。 (3) In the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, the specific electrode includes oxide ion conductive ceramic particles, and the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the first portion ( (vol%) may be higher than the content (vol%) of the oxide ion conductive ceramic particles in the second portion. According to the current collecting member-electrochemical reaction single cell composite, the strength of the first portion, which is the portion where the load from the current collecting member acts intensively, can be effectively improved in the specific electrode. The occurrence of cracks in the electrochemical reaction single cell can be effectively suppressed.
(4)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記第1の部分は、前記凸部重複領域における前記電解質層側の表面から前記集電部材側の表面までのすべての部分である構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、特定電極の凸部重複領域における電解質層側の表面から集電部材側の表面までのすべての部分が気孔率の低い第1の部分となるため、電気化学反応単セルの割れが発生することを効果的に抑制することができる。 (4) In the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, the first portion is the entire portion from the surface on the electrolyte layer side to the surface on the current collecting member side in the convex portion overlapping region. It is good also as a certain structure. According to the current collecting member-electrochemical reaction single cell composite, the first portion having a low porosity in all portions from the surface on the electrolyte layer side to the surface on the current collecting member side in the convex overlapping region of the specific electrode Therefore, the occurrence of cracking of the electrochemical reaction single cell can be effectively suppressed.
(5)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記第1の方向において、前記凸部重複領域の厚さに対する、前記凸部重複領域における前記第1の部分により占められる領域の厚さの比は、50%以下である構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、特定電極全体として気孔率をある程度高く保つことによりガス拡散性の低下を抑制しつつ、電気化学反応単セルの割れが発生することを抑制することができる。 (5) In the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, in the first direction, the region occupied by the first portion in the convex overlapping region with respect to the thickness of the convex overlapping region. The thickness ratio may be 50% or less. According to the current collecting member-electrochemical reaction single cell composite, it is possible to prevent the electrochemical reaction single cell from cracking while suppressing a decrease in gas diffusivity by keeping the porosity of the specific electrode as a whole high to some extent. Can be suppressed.
(6)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記特定電極は、複数の前記第1の部分を有する構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、特定電極全体としてのガス拡散性の低下を抑制しつつ、強度の高い第1の部分を複数設けることにより、電気化学反応単セルの割れの発生を効果的に抑制することができる。 (6) In the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, the specific electrode may have a plurality of the first portions. According to the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, by providing a plurality of high-strength first portions while suppressing a decrease in gas diffusibility as a whole of the specific electrode, Generation of cracks can be effectively suppressed.
(7)上記集電部材−電気化学反応単セル複合体において、前記特定電極は、前記第1の方向視で複数の前記凸部のそれぞれと重なる複数の前記第1の部分を有する構成としてもよい。本集電部材−電気化学反応単セル複合体によれば、特定電極全体としてのガス拡散性の低下を抑制しつつ、強度の高い第1の部分を第1の方向に直交する方向に並べて複数設けることにより、電気化学反応単セルの割れの発生をさらに効果的に抑制することができる。 (7) In the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, the specific electrode may include a plurality of the first portions that overlap each of the plurality of convex portions when viewed in the first direction. Good. According to the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, a plurality of first portions having high strength are arranged in a direction orthogonal to the first direction while suppressing a decrease in gas diffusibility as a whole of the specific electrode. By providing, generation | occurrence | production of the crack of an electrochemical reaction single cell can be suppressed more effectively.
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、集電部材−電気化学反応単セル複合体(集電部材−燃料電池単セル複合体または集電部材−電解単セル複合体)、集電部材−電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)、複数の集電部材−電気化学反応単セルまたは電気化学反応単位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, a current collecting member-electrochemical reaction single cell composite (a current collecting member-fuel cell single cell composite or a current collector). Electric member-electrolytic single cell composite), current collecting member-electrochemical reaction unit (fuel cell power generation unit or electrolytic cell unit) comprising an electrochemical reaction single cell composite, a plurality of current collecting members-electrochemical reaction single cell or It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack) including an electrochemical reaction unit, a manufacturing method thereof, and the like.
A.第1実施形態:
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、第1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. First embodiment:
A-1. Device configuration:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
The
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
A plurality of (eight in the present embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z direction of each layer (
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
The outer diameter of the shaft portion of each
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the Y axis positive direction side of two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the
燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
The
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of
The pair of
(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of two
図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
インターコネクタ150は、Z方向視で単セル110より大きい略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、略矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。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。燃料極116は、特許請求の範囲における特定電極に相当する。燃料極116の構成については、後に詳述する。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
The
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
The air
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
The fuel
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。本実施形態では、燃料極側集電体144は、Ni箔により形成されている。電極対向部145における燃料極116に対向する側の表面の略全面には、導電性の接合層310が配置されている。本実施形態では、接合層310は、NiO(酸化ニッケル)により形成されている。電極対向部145の表面に配置された接合層310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(すなわち、燃料極116における燃料極側集電体144に対向する側の表面であり、以下、「集電部材対向面S1」という)に接触している。また、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および接合層310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
図4に示すように、本実施形態では、燃料極側集電体144は、矩形の平板形状部材に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた矩形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴あき状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。なお、図4に示す部分拡大図では、燃料極側集電体144の製造方法を示すため、複数の矩形部分の一部の曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。また、本実施形態では、電極対向部145および接合層310は、Z方向視で略格子状(格子の各交点上)に配置されている。Z方向視で、各電極対向部145の面積(すなわち、接合層310の面積)は、例えば1〜1000(mm2)である。
As shown in FIG. 4, in this embodiment, the fuel electrode side
なお、本明細書では、各発電単位102において、単セル110の燃料極116側に位置する接合層310と燃料極側集電体144とインターコネクタ150との集合体を、燃料極側集電部材400という。燃料極側集電部材400は、上述した通りの構成であるため、Z方向視で単セル110より大きい平板形状部材(インターコネクタ150)と、燃料極116の集電部材対向面S1に接する複数の凸部(燃料極側集電体144における電極対向部145と、該電極対向部145の表面に設けられた接合層310との集合体であり、以下、「集電部材凸部410」という)とを有すると言える(図6参照)。燃料極側集電部材400は、特許請求の範囲における集電部材に相当し、複数の集電部材凸部410は、特許請求の範囲における複数の凸部に相当する。また、本明細書では、単セル110と燃料極側集電部材400(燃料極側集電体144、接合層310、インターコネクタ150)とから構成される構造体を、集電部材−燃料電池単セル複合体(以下、単に「集電部材−単セル複合体」という)107という。
In this specification, in each
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。また、空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
The air electrode side
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
The oxidant off-gas OOG discharged from the
A−3.燃料極116の詳細構成:
図6は、燃料極116の詳細構成を示す説明図である。図6には、図4のX1部の構成が拡大して示されている。図6に示すように、燃料極116は、基板層220と活性層210とを備える。基板層220は、Z方向において燃料極側集電体144に近い側(下側)の部分であり、集電部材対向面S1を含む部分である。また、活性層210は、Z方向において基板層220と電解質層112との間に位置する部分であり、燃料極116における電解質層112に対向する表面(以下、「電解質層対向面S2」という)を含む部分である。
A-3. Detailed configuration of the fuel electrode 116:
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
燃料極116の基板層220は、主として、単セル110を構成する他の層(活性層210、電解質層112、空気極114)を支持すると共に、燃料室176から供給される燃料ガスFGを拡散させ、さらに、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。また、活性層210は、主として、電解質層112から供給される酸化物イオンと燃料室176から基板層220を介して供給される燃料ガスFGに含まれる水素との反応の場として機能する層である。
The
本実施形態では、燃料極116の活性層210および基板層220は、共に、導電性金属であるNiと酸化物イオン伝導性セラミックスであるYSZの粒子とのサーメットにより形成されている。また、本実施形態では、活性層210の活性を高めるため、活性層210におけるNiの含有率(vol%)は、基板層220におけるNiの含有率より高い。また、基板層220の強度を高めるため、Z方向において、基板層220の厚さは、活性層210の厚さより厚い。また、基板層220のガス拡散性を高めるために、基板層220の気孔率(vol%)は、活性層210の気孔率より高い。
In this embodiment, both the
また、本実施形態では、基板層220における、活性層210との界面BOから厚さTxの領域(以下、「特定領域SA」という)を、Z方向に直交する方向(以下、「面方向」という)に並ぶ第1の部分PA1と第2の部分PA2とに分けると、第1の部分PA1における気孔率は、第2の部分PA2における気孔率より低くなっている。ここで、第1の部分PA1は、Z方向視で、集電部材凸部410(電極対向部145と接合層310との集合体)の先端面(すなわち、接合層310の燃料極116に対向する側の表面)と重なる凸部重複領域AR1に含まれる部分である。そのため、第1の部分PA1は、燃料極側集電部材400からの荷重が集中的に作用する部分であると共に、燃料極側集電部材400との間の主たる導通経路に位置する部分であると言える。また、第2の部分PA2は、Z方向視で、集電部材凸部410の先端面と重ならない凸部非重複領域AR2に含まれる部分である。このように、本実施形態では、基板層220における特定領域SAの内、Z方向視で集電部材凸部410の先端面と重なる第1の部分PA1において、Z方向視で集電部材凸部410の先端面と重ならない第2の部分PA2より、気孔率が低くなっている。
In the present embodiment, a region of the
なお、本実施形態では、第1の部分PA1は、第2の部分PA2と比較して、気孔率が低い分、導電性金属(Ni)および酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率(vol%)が高くなっている。また、本実施形態では、基板層220における特定領域SA以外の領域の構成(気孔率や導電性金属の含有率等)は、第2の部分PA2の構成と略同一となっている。また、本実施形態では、基板層220に、複数の第1の部分PA1および複数の第2の部分PA2が存在し、面方向において、各第2の部分PA2は2つの第1の部分PA1の間に位置している。
In the present embodiment, the content of the conductive metal (Ni) and oxide ion conductive ceramics (YSZ) particles in the first part PA1 is lower than that in the second part PA2. (Vol%) is high. In the present embodiment, the configuration of the region other than the specific region SA in the substrate layer 220 (porosity, conductive metal content, etc.) is substantially the same as the configuration of the second portion PA2. In the present embodiment, the
図7は、燃料極116の各位置における気孔率を示す説明図である。図7の上段には、燃料極116の断面において、凸部重複領域AR1を面方向に等分する仮想線L1(図6参照)上の各位置における気孔率を示す曲線C(L1)が示されている。すなわち、曲線C(L1)は、燃料極116の凸部重複領域AR1の各位置における気孔率を示している。なお、図6に示すように、図7の上段における点P11〜14は、仮想線L1と燃料極116における各部分の境界との交点である。また、図7の下段には、燃料極116の断面において、凸部非重複領域AR2を面方向に等分する仮想線L2(図6参照)上の各位置における気孔率を示す曲線C(L2)が示されている。すなわち、曲線C(L2)は、燃料極116の凸部非重複領域AR2の各位置における気孔率を示している。なお、図6に示すように、図7の下段における点P21〜24は、仮想線L2と燃料極116における各部分の境界との交点である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the porosity at each position of the
図7の下段に示すように、燃料極116における凸部非重複領域AR2では、第2の部分PA2を含む基板層220全体において、気孔率は略一定となっている。また、活性層210においても、気孔率は略一定となっている。上述したように、活性層210の気孔率は、基板層220の気孔率より低くなっている。
As shown in the lower part of FIG. 7, in the non-overlapping region AR2 of the
一方、図7の上段に示すように、燃料極116における凸部重複領域AR1では、基板層220における第1の部分PA1以外の部分の気孔率は、図7の下段に示す凸部非重複領域AR2の基板層220の気孔率と略同一となっているが、基板層220における第1の部分PA1の気孔率は、基板層220における他の部分の気孔率より低くなっている。すなわち、基板層220における第1の部分PA1の気孔率は、第2の部分PA2の気孔率より低くなっている。なお、凸部非重複領域AR2と同様に、活性層210の気孔率は、基板層220の気孔率より低くなっている。
On the other hand, as shown in the upper part of FIG. 7, in the convex part overlapping area AR1 in the
また、本実施形態では、燃料極116全体(の凸部重複領域AR1)の厚さToに対する、第1の部分PA1により占められる領域の厚さTxの比は、50%以下となっている。そのため、燃料極116全体に占める第1の部分PA1の割合は比較的小さくなっている。
In the present embodiment, the ratio of the thickness Tx of the region occupied by the first portion PA1 to the thickness To of the entire fuel electrode 116 (projection overlapping region AR1) is 50% or less. Therefore, the ratio of the first portion PA1 in the
A−4.燃料電池スタック100の製造方法:
上述した構成の燃料電池スタック100の製造方法は、例えば、以下の通りである。はじめに、単セル110を作製する。単セル110の作製方法は、例えば、以下の通りである。
A-4. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
A method of manufacturing the
(燃料極基板層用グリーンシートの作製)
NiO粉末(50重量部)とYSZ粉末(50重量部)との混合粉末(100重量部)に対して、造孔材である有機ビーズ(混合粉末に対して15重量%)と、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエン+エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。有機ビーズは、例えば、ポリメタクリル酸メチルやポリスチレンなどの高分子により形成された球状粒子である。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、所定の厚さの燃料極基板層用グリーンシートを複数作製する。なお、燃料極基板層用グリーンシートのNiO粉末とYSZ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばNiO粉末:YSZ粉末が60:40や40:60であっても構わない。つまり、NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末が100重量部となるように、NiO粉末は40〜60重量部の間で適宜変更でき、残りをYSZ粉末とすることができる。
(Preparation of green sheet for fuel electrode substrate layer)
With respect to the mixed powder (100 parts by weight) of the NiO powder (50 parts by weight) and the YSZ powder (50 parts by weight), organic beads (15% by weight with respect to the mixed powder) as a pore former, butyral resin, Then, DOP which is a plasticizer, a dispersant, and a toluene + ethanol mixed solvent are added and mixed by a ball mill to prepare a slurry. The organic beads are, for example, spherical particles formed of a polymer such as polymethyl methacrylate or polystyrene. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to produce a plurality of green sheets for a fuel electrode substrate layer having a predetermined thickness. Note that the ratio of the NiO powder and the YSZ powder in the green sheet for the fuel electrode substrate layer can be appropriately changed as long as the performance is satisfied. For example, the NiO powder: YSZ powder may be 60:40 or 40:60. I do not care. That is, the NiO powder can be appropriately changed between 40 to 60 parts by weight so that the mixed powder of the NiO powder and the YSZ powder becomes 100 parts by weight, and the rest can be changed to the YSZ powder.
作製した複数の燃料極基板層用グリーンシートの内、上述した基板層220における特定領域SAに対応する燃料極基板層用グリーンシートの表面に、集電部材凸部410の配置に対応するパターンのマスク(焼成による収縮を考慮したもの)を用いて、上述した第1の部分PA1に対応する領域に低粘度のNiOをスプレーまたは印刷により塗布する。低粘度のNiOの塗布後、所定の時間放置することにより、対象の燃料極基板層用グリーンシートの内部にNiOが含浸する。これにより、特定領域SAに対応する燃料極基板層用グリーンシートにおける第1の部分PA1に対応する領域のNiOの含有率を高めることができ、それに伴って、第1の部分PA1に対応する領域の気孔率を低下させることができる。
Of the plurality of prepared fuel electrode substrate layer green sheets, a pattern corresponding to the arrangement of the current collecting member
(燃料極活性層用グリーンシートの作製)
NiO粉末(60重量部)とYSZ粉末(40重量部)との混合粉末(100重量部)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+エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。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、所定の厚さ(例えば、10μm〜30μm)の燃料極活性層用グリーンシートを作製する。なお、燃料極活性層用グリーンシートのNiO粉末とYSZ粉末との比率は、その性能を満足する限り適宜変更可能であり、例えばNiO粉末:YSZ粉末が50:50や40:60であっても構わない。つまり、NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末が100重量部となるように、NiO粉末は40〜60重量部の間で適宜変更でき、残りをYSZ粉末とすることができる。
(Preparation of green sheet for fuel electrode active layer)
For a mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (60 parts by weight) and YSZ powder (40 parts by weight), butyral resin, DOP as a plasticizer, dispersant, and toluene + ethanol mixed solvent. In addition, the slurry is prepared by mixing with a ball mill. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to produce a green sheet for a fuel electrode active layer having a predetermined thickness (for example, 10 μm to 30 μm). In addition, the ratio of the NiO powder and the YSZ powder of the green sheet for the fuel electrode active layer can be appropriately changed as long as the performance is satisfied. For example, even if the NiO powder: YSZ powder is 50:50 or 40:60 I do not care. That is, the NiO powder can be appropriately changed between 40 to 60 parts by weight so that the mixed powder of the NiO powder and the YSZ powder becomes 100 parts by weight, and the rest can be changed to the YSZ powder.
(電解質層用グリーンシートの作製)
YSZ粉末(100重量部)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+エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。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、所定の厚さ(例えば、10μm)の電解質層用グリーンシートを作製する。
(Preparation of electrolyte sheet green sheet)
To the YSZ powder (100 parts by weight), a butyral resin, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a toluene + ethanol mixed solvent are added and mixed in a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to produce a green sheet for an electrolyte layer having a predetermined thickness (for example, 10 μm).
(電解質層112と燃料極116との積層体の作製)
燃料極基板層用グリーンシートと燃料極活性層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとを貼り付けて約280℃で脱脂する。さらに、約1350℃にて焼成を行うことにより、電解質層112と燃料極116(活性層210および基板層220)との積層体を得る。作製された積層体における燃料極116の基板層220には、上述した構成の第1の部分PA1および第2の部分PA2が形成されている。
(Preparation of a laminate of the
The green sheet for the fuel electrode substrate layer, the green sheet for the fuel electrode active layer, and the green sheet for the electrolyte layer are attached and degreased at about 280 ° C. Furthermore, by firing at about 1350 ° C., a laminate of the
(空気極114の形成)
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作成する。作成した混合液を、上記積層体における電解質層112の表面に噴霧塗布し、1100℃で焼成することによって空気極114を形成する。以上の工程により、単セル110が作製される。
(Formation of air electrode 114)
A mixed solution composed of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder and isopropyl alcohol is prepared. The prepared mixed solution is spray-coated on the surface of the
その後、残りの組み立て工程(例えば、燃料極側集電体144と単セル110(燃料極116)との接合やボルト22による締結)を行う。例えば、燃料極側集電体144と単セル110(燃料極116)との接合の際には、単セル110における燃料極116の基板層220側の表面(集電部材対向面S1)の内、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向する領域(すなわち、第1の部分PA1の表面)に接合層用のペーストを印刷し、電極対向部145をペーストに押し付けた状態で所定の条件で焼成を行うことにより、燃料極側集電体144の電極対向部145と燃料極116の基板層220とを接合する接合層310を形成する。その他、残りの組み立て工程を行うことにより、上述した構成の燃料電池スタック100の製造が完了する。
Thereafter, the remaining assembly steps (for example, joining of the fuel electrode side
A−5.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の集電部材−単セル複合体107は、単セル110と、単セル110の燃料極116側に配置され、燃料極116の表面に接する複数の集電部材凸部410(燃料極側集電体144の電極対向部145、接合層310)を有する燃料極側集電部材400(燃料極側集電体144、接合層310、インターコネクタ150)とを備える。また、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116(の基板層220)が、第1の部分PA1と第2の部分PA2とを有する。第1の部分PA1は、Z方向視で集電部材凸部410(電極対向部145と接合層310との集合体)と重なる凸部重複領域AR1の一部分である。すなわち、第1の部分PA1は、燃料極側集電部材400からの荷重が集中的に作用する部分であると共に、燃料極側集電部材400との間の主たる導通経路に位置する部分である。また、第2の部分PA2は、Z方向に直交する方向(面方向)において第1の部分PA1の隣に位置すると共に、Z方向視で集電部材凸部410と重ならない部分である。本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、第1の部分PA1は、第2の部分PA2より気孔率(vol%)が低い。
A-5. Effects of this embodiment:
As described above, the current collecting member-
このように、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極側集電部材400の複数の集電部材凸部410が燃料極116の表面に接する構成であるため、燃料極側集電部材400からの荷重が燃料極116における各凸部重複領域AR1に集中的に作用する。しかし、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極側集電部材400からの荷重が集中的に作用する凸部重複領域AR1の一部分である第1の部分PA1の気孔率が低いため、第1の部分PA1の強度を上げることができ、燃料極側集電部材400からの荷重集中を原因とした単セル110の割れが発生することを抑制することができる。
As described above, in the current collecting member-
なお、例えば、燃料極116における上記特定領域SA全体の気孔率を低くすることによっても、単セル110の割れが発生することを抑制することができる。しかし、このような構成では、燃料極116の特定領域SA全体において燃料ガスFGの拡散性が低下し、発電性能が低下するおそれがある。これに対し、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116の特定領域SAの内、Z方向視で集電部材凸部410と重なる第1の部分PA1のみについて気孔率が低くされており、Z方向視で集電部材凸部410と重ならない第2の部分PA2については気孔率が高い状態に維持されている。そのため、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116における燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制しつつ、単セル110の割れが発生することを抑制することができる。
For example, it is possible to prevent the
また、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116が導電性金属(Ni)を含み、第1の部分PA1の導電性金属の含有率(vol%)は、第2の部分PA2の導電性金属の含有率より高い。そのため、本実施形態の集電部材−単セル複合体107によれば、燃料極116において、燃料極側集電部材400との間の主たる導通経路に位置する第1の部分PA1の導電性金属の含有率を高くすることができ、単セル110の導電性を向上させることができる。
Further, in the current collecting member-
また、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116が酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)の粒子を含み、第1の部分PA1の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率(vol%)は、第2の部分PA2の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率より高い。そのため、本実施形態の集電部材−単セル複合体107によれば、燃料極側集電部材400からの荷重が集中的に作用する部分である第1の部分PA1の強度を効果的に向上させることができ、単セル110の割れが発生することを効果的に抑制することができる。
Further, in the current collecting member-
また、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116全体(の凸部重複領域AR1)の厚さToに対する、第1の部分PA1により占められる領域の厚さTxの比は、50%以下となっている。そのため、本実施形態の集電部材−単セル複合体107によれば、燃料極116全体として気孔率をある程度高く保つことによりガス拡散性の低下を抑制しつつ、単セル110の割れが発生することを抑制することができる。
Further, in the current collecting member-
また、本実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116は、Z方向視で複数の集電部材凸部410のそれぞれと重なる複数の第1の部分PA1を有する。そのため、本実施形態の集電部材−単セル複合体107によれば、燃料極116全体としてのガス拡散性の低下を抑制しつつ、強度の高い第1の部分PA1を面方向に並べて複数設けることにより、単セル110の割れの発生をさらに効果的に抑制することができる。
Further, in the current collecting member-
A−6.燃料極116の分析方法:
燃料極116の分析方法は、例えば、以下の通りである。
A-6. Analysis method of fuel electrode 116:
The method for analyzing the
(導電性金属および酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率の特定方法)
燃料極116の各位置(各領域)における導電性金属や酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率は、以下の方法により特定される。面方向に直交する単セル110の断面を設定し、該断面における上記含有率を特定すべき位置(領域)で、FIB−SEM(加速電圧1.5kV)による元素マッピング画像(例えば5000倍)を得る。得られた画像における上記位置(領域)で、対応する元素の面積割合を算出することにより、導電性金属や酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率を特定する。
(Method for specifying content of conductive metal and oxide ion conductive ceramic particles)
The content of the conductive metal or oxide ion conductive ceramic particles at each position (each region) of the
(気孔率の特定方法)
燃料極116の各位置(各領域)における気孔率は、以下の方法により特定される。上述した含有率の特定方法と同様に、FIB−SEMによるSEM画像(例えば5000倍)を得て、得られた画像における上記位置(領域)で、面方向に平行な複数の線を所定の間隔(例えば1μmから5μm間隔)で引く。各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、直線の全長に対する気孔にあたる部分の長さの合計の比を、当該線上における気孔率とする。気孔率を特定すべき位置(領域)に引かれた複数の直線における気孔率の平均値を算出することにより、当該位置(領域)における気孔率を特定する。
(Porosity identification method)
The porosity at each position (each region) of the
なお、図6に示すように、燃料極116の断面において、Z方向視で集電部材凸部410の先端面と重なる(すなわち、凸部重複領域AR1内に位置する)厚さTw(例えば10μm)の第1ウィンドウW1と、Z方向視で集電部材凸部410の先端面と重ならず(すなわち、凸部非重複領域AR2内に位置し)、面方向において第1ウィンドウW1の隣に位置する厚さTwの第2ウィンドウW2とのペアを、Z方向に所定距離(例えば1μm)ずつずらしながら順に設定し、第1ウィンドウW1により規定される領域の気孔率と第2ウィンドウW2により規定される領域の気孔率とを特定する。ある第1ウィンドウW1と第2ウィンドウW2とのペアにおいて、第1ウィンドウW1により規定される領域の気孔率が第2ウィンドウW2により規定される領域の気孔率より低い場合には、該第1ウィンドウW1により規定される領域が第1の部分PA1に該当し、該第2ウィンドウW2により規定される領域が第2の部分PA2に該当することとなる。
As shown in FIG. 6, in the cross section of the
(第1の部分PA1の厚さTxの特定方法)
第1実施形態における第1の部分PA1の厚さTxは、以下の方法により特定される。図7の上段に示すように、仮想線L1上の各位置における気孔率を示す曲線C(L1)は、集電部材対向面S1との交点P11からZ軸正方向に向けて略直線状となり、他の部分と第1の部分PA1との境界付近において気孔率が低下し、その後、第1の部分PA1において再び略直線状となる。曲線C(L1)における上記2つの略直線状の部分から等距離にある仮想線Lmを特定し、仮想線Lmと曲線C(L1)との交点を特定し、該交点の位置(点P12)から、基板層220と活性層210との界面BO上の点P13までの距離を、第1の部分PA1の厚さTxとして特定するものとする。
(Identification method of thickness Tx of 1st part PA1)
The thickness Tx of the first portion PA1 in the first embodiment is specified by the following method. As shown in the upper part of FIG. 7, the curve C (L1) indicating the porosity at each position on the imaginary line L1 is substantially linear from the intersection P11 with the current collecting member facing surface S1 in the positive direction of the Z axis. The porosity decreases in the vicinity of the boundary between the other part and the first part PA1, and then becomes substantially linear again in the first part PA1. An imaginary line Lm that is equidistant from the two substantially linear portions of the curve C (L1) is specified, an intersection of the imaginary line Lm and the curve C (L1) is specified, and the position of the intersection (point P12) The distance from the
B.第2実施形態:
図8は、第2実施形態における燃料極116aの詳細構成を示す説明図である。以下では、第2実施形態における燃料極116a(単セル110a)の構成の内、上述した第1実施形態における燃料極116(単セル110)の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
B. Second embodiment:
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
図8に示すように、第2実施形態では、燃料極116aにおける特定領域SAの位置が、上述した第1実施形態と異なっている。具体的には、第2実施形態では、特定領域SAは、基板層220における集電部材対向面S1から厚さTxの領域である。第2実施形態においても、特定領域SAの内、Z方向視で集電部材凸部410の先端面と重なる第1の部分PA1は、Z方向視で集電部材凸部410の先端面と重ならない第2の部分PA2と比較して、気孔率が低く、導電性金属の含有率が高く、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が高くなっている。
As shown in FIG. 8, in the second embodiment, the position of the specific region SA in the
第2実施形態の単セル110aと燃料極側集電部材400とを備える集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態の集電部材−単セル複合体107と同様に、燃料極側集電部材400からの荷重が集中的に作用する部分である第1の部分PA1の気孔率が低いため、第1の部分PA1の強度を上げることができ、燃料極側集電部材400からの荷重集中を原因とした単セル110aの割れが発生することを抑制することができる。また、第2実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116aの特定領域SAの内、Z方向視で集電部材凸部410と重なる第1の部分PA1のみについて気孔率が低くされており、Z方向視で集電部材凸部410と重ならない第2の部分PA2については気孔率が高い状態に維持されているため、燃料極116aにおける燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制することができる。
In the current collecting member-
また、第2実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、第1の部分PA1の導電性金属の含有率が第2の部分PA2の導電性金属の含有率より高いため、燃料極116aにおいて、燃料極側集電部材400との間の主たる導通経路に位置する第1の部分PA1の導電性金属の含有率を高くすることができ、単セル110aの導電性を向上させることができる。
Further, in the current collecting member-
また、第2実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、第1の部分PA1の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が第2の部分PA2の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率より高いため、燃料極側集電部材400からの荷重が集中的に作用する部分である第1の部分PA1の強度を効果的に向上させることができ、燃料極側集電部材400からの荷重集中を原因とした単セル110aの割れが発生することを効果的に抑制することができる。
Moreover, in the current collection member-
また、第2実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、燃料極116a全体の厚さToに対する、第1の部分PA1により占められる領域の厚さTxの比は、50%以下となっているため、燃料極116a全体として気孔率をある程度高く保つことによりガス拡散性の低下を抑制しつつ、単セル110aの割れが発生することを抑制することができる。
Further, in the current collecting member-
また、第2実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、燃料極116aがZ方向視で複数の集電部材凸部410のそれぞれと重なる複数の第1の部分PA1を有するため、燃料極116a全体としてのガス拡散性の低下を抑制しつつ、強度の高い第1の部分PA1を面方向に並べて複数設けることにより、単セル110aの割れの発生をさらに効果的に抑制することができる。
Further, in the current collecting member-
なお、第2実施形態における第1の部分PA1の厚さTxは、以下の方法により特定される。図9は、第2実施形態における第1の部分PA1の厚さTxの特定方法を示す説明図である。図9には、第2実施形態の燃料極116aの断面において、凸部重複領域AR1を面方向に等分する仮想線L1(図8参照)上の各位置における気孔率を示す曲線C(L1)が示されている。図9に示すように、第2実施形態では、曲線C(L1)は、集電部材対向面S1側に配置された第1の部分PA1において略直線状となり、第1の部分PA1と他の部分との境界付近において気孔率が上昇し、その後、他の部分において再び略直線状となる。曲線C(L1)における上記2つの略直線状の部分から等距離にある仮想線Lmを特定し、仮想線Lmと曲線C(L1)との交点を特定し、該交点の位置から集電部材対向面S1までの距離を、第1の部分PA1の厚さTxとして特定するものとする。
Note that the thickness Tx of the first portion PA1 in the second embodiment is specified by the following method. FIG. 9 is an explanatory diagram showing a method for specifying the thickness Tx of the first portion PA1 in the second embodiment. In FIG. 9, in the cross section of the
C.第3実施形態:
図10は、第3実施形態における燃料極116bの詳細構成を示す説明図である。以下では、第3実施形態における燃料極116b(単セル110b)の構成の内、上述した第1実施形態における燃料極116(単セル110)の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
C. Third embodiment:
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
図10に示すように、第3実施形態では、燃料極116b全体が特定領域SAとなっている点が、上述した第1実施形態と異なっている。すなわち、第3実施形態では、燃料極116bの凸部重複領域AR1における集電部材対向面S1から電解質層対向面S2までのすべての部分が第1の部分PA1であり、燃料極116bの凸部非重複領域AR2における集電部材対向面S1から電解質層対向面S2までのすべての部分が第2の部分PA2となっている。第3実施形態においても、特定領域SAの内、Z方向視で集電部材凸部410の先端面と重なる第1の部分PA1は、Z方向視で集電部材凸部410の先端面と重ならない第2の部分PA2と比較して、気孔率が低く、導電性金属の含有率が高く、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が高くなっている。
As shown in FIG. 10, the third embodiment is different from the first embodiment described above in that the
第3実施形態の単セル110bと燃料極側集電部材400とを備える集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態の集電部材−単セル複合体107と同様に、燃料極側集電部材400からの荷重が集中的に作用する部分である第1の部分PA1の気孔率が低いため、第1の部分PA1の強度を上げることができ、燃料極側集電部材400からの荷重集中を原因とした単セル110bの割れが発生することを抑制することができる。特に、第3実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116bの凸部重複領域AR1における集電部材対向面S1から電解質層対向面S2までのすべての部分が、気孔率の低い第1の部分PA1となっているため、単セル110bの割れが発生することを効果的に抑制することができる。また、第3実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116bの特定領域SAの内、Z方向視で集電部材凸部410と重なる第1の部分PA1のみについて気孔率が低くされており、Z方向視で集電部材凸部410と重ならない第2の部分PA2については気孔率が高い状態に維持されているため、燃料極116bにおける燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制することができる。
In the current collecting member-
また、第3実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、第1の部分PA1の導電性金属の含有率が第2の部分PA2の導電性金属の含有率より高いため、燃料極116bにおいて、燃料極側集電部材400との間の主たる導通経路に位置する第1の部分PA1の導電性金属の含有率を高くすることができ、単セル110bの導電性を向上させることができる。特に、第3実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116bの凸部重複領域AR1における集電部材対向面S1から電解質層対向面S2までのすべての部分が、導電性金属の含有率が高い第1の部分PA1となっているため、単セル110bの導電性を効果的に向上させることができる。
Further, in the current collecting member-
また、第3実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、第1の部分PA1の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が第2の部分PA2の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率より高いため、燃料極側集電部材400からの荷重が集中的に作用する部分である第1の部分PA1の強度を効果的に向上させることができ、燃料極側集電部材400からの荷重集中を原因とした単セル110bの割れが発生することを効果的に抑制することができる。特に、第3実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116bの凸部重複領域AR1における集電部材対向面S1から電解質層対向面S2までのすべての部分が、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が高い第1の部分PA1となっているため、単セル110bの割れが発生することを効果的に抑制することができる。
Moreover, in the current collection member-
また、第3実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、燃料極116bがZ方向視で複数の集電部材凸部410のそれぞれと重なる複数の第1の部分PA1を有するため、燃料極116b全体としてのガス拡散性の低下を抑制しつつ、強度の高い第1の部分PA1を面方向に並べて複数設けることにより、単セル110bの割れの発生をさらに効果的に抑制することができる。
Further, in the current collecting member-
D.第4実施形態:
図11は、第4実施形態における燃料極116cの詳細構成を示す説明図である。以下では、第4実施形態における燃料極116c(単セル110c)の構成の内、上述した第1実施形態における燃料極116(単セル110)の構成と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
D. Fourth embodiment:
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a detailed configuration of the
図11に示すように、第4実施形態では、燃料極116cに2つの特定領域SAが存在している点が、上述した第1実施形態と異なっている。具体的には、第4実施形態では、燃料極116cに、基板層220における活性層210との界面BOから厚さTx(1)の領域である第1の特定領域SA1と、基板層220における集電部材対向面S1から厚さTx(2)の領域である第2の特定領域SA2とが存在する。第4実施形態においても、各特定領域SAの内、Z方向視で集電部材凸部410の先端面と重なる第1の部分PA1は、Z方向視で集電部材凸部410の先端面と重ならない第2の部分PA2と比較して、気孔率が低く、導電性金属の含有率が高く、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が高くなっている。
As shown in FIG. 11, the fourth embodiment differs from the first embodiment described above in that two specific regions SA exist in the
なお、第4実施形態では、燃料極116c全体の厚さToに対する、各特定領域SAにおける第1の部分PA1により占められる領域の厚さTxの合計(=Tx(1)+Tx(2))の比は、50%以下となっている。
In the fourth embodiment, the total thickness Tx of the region occupied by the first part PA1 in each specific region SA (= Tx (1) + Tx (2)) with respect to the thickness To of the
第4実施形態の単セル110cと燃料極側集電部材400とを備える集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態の集電部材−単セル複合体107と同様に、燃料極側集電部材400からの荷重が集中的に作用する部分である第1の部分PA1の気孔率が低いため、第1の部分PA1の強度を上げることができ、燃料極側集電部材400からの荷重集中を原因とした単セル110cの割れが発生することを抑制することができる。特に、第4実施形態の集電部材−単セル複合体107では、各凸部重複領域AR1に、気孔率の低い第1の部分PA1が2つ存在するため、単セル110cの割れが発生することを効果的に抑制することができる。また、第4実施形態の集電部材−単セル複合体107では、燃料極116cの特定領域SAの内、Z方向視で集電部材凸部410と重なる第1の部分PA1のみについて気孔率が低くされており、Z方向視で集電部材凸部410と重ならない第2の部分PA2については気孔率が高い状態に維持されているため、燃料極116cにおける燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制することができる。
In the current collecting member-
また、第4実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、第1の部分PA1の導電性金属の含有率(vol%)が第2の部分PA2の導電性金属の含有率より高いため、燃料極116cにおいて、燃料極側集電部材400との間の主たる導通経路に位置する第1の部分PA1の導電性金属の含有率を高くすることができ、単セル110cの導電性を向上させることができる。特に、第4実施形態の集電部材−単セル複合体107では、各凸部重複領域AR1に、導電性金属の含有率が高い第1の部分PA1が2つ存在するため、単セル110cの導電性を効果的に向上させることができる。
Moreover, in the current collection member-
また、第4実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、第1の部分PA1の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率(vol%)が第2の部分PA2の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率より高いため、燃料極側集電部材400からの荷重が集中的に作用する部分である第1の部分PA1の強度を効果的に向上させることができ、燃料極側集電部材400からの荷重集中を原因とした単セル110cの割れが発生することを効果的に抑制することができる。特に、第4実施形態の集電部材−単セル複合体107では、各凸部重複領域AR1に、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が高い第1の部分PA1が2つ存在するため、単セル110cの割れが発生することを効果的に抑制することができる。
Moreover, in the current collection member-
また、第4実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、燃料極116c全体の厚さToに対する、第1の部分PA1により占められる領域の厚さTxの合計の比は、50%以下となっているため、燃料極116c全体として気孔率をある程度高く保つことによりガス拡散性の低下を抑制しつつ、単セル110cの割れが発生することを抑制することができる。
In the current collecting member-
また、第4実施形態の集電部材−単セル複合体107では、上述した第1実施形態と同様に、燃料極116cがZ方向視で複数の集電部材凸部410のそれぞれと重なる複数の第1の部分PA1を有するため、燃料極116c全体としてのガス拡散性の低下を抑制しつつ、強度の高い第1の部分PA1を面方向に並べて複数設けることにより、単セル110cの割れの発生をさらに効果的に抑制することができる。
Further, in the current collecting member-
E.実施例:
図12は、上述した各実施形態の集電部材−単セル複合体107についての実施例の構成を示す説明図である。図12には、実施例1〜3のそれぞれについて、第1の部分PA1および第2の部分PA2における導電性金属(Ni)の含有率、酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)粒子の含有率、気孔率が示されている。
E. Example:
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a configuration of an example of the current collecting member-
実施例1,3では、第1の部分PA1は、第2の部分PA2と比較して、気孔率が低く、導電性金属の含有率が高い。なお、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率については、第1の部分PA1と第2の部分PA2とで略同一である。そのため、実施例1では、燃料極116における燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制しつつ、単セル110の割れが発生することを抑制することができると共に、単セル110の導電性を向上させることができる。
In Examples 1 and 3, the first portion PA1 has a lower porosity and a higher conductive metal content than the second portion PA2. Note that the content of the oxide ion conductive ceramic particles is substantially the same in the first portion PA1 and the second portion PA2. Therefore, in Example 1, while suppressing the fall of the diffusibility of the fuel gas FG in the
実施例2では、第1の部分PA1は、第2の部分PA2と比較して、気孔率が低く、導電性金属の含有率が高く、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が高い。そのため、実施例2では、燃料極116における燃料ガスFGの拡散性の低下を抑制しつつ、単セル110の割れが発生することを効果的に抑制することができると共に、単セル110の導電性を向上させることができる。
In Example 2, the first part PA1 has a lower porosity, a higher content of conductive metal, and a higher content of oxide ion conductive ceramic particles than the second part PA2. Therefore, in Example 2, while suppressing the fall of the diffusibility of the fuel gas FG in the
F.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。
F. 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.
上記実施形態における燃料電池スタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、燃料極116が、活性層210と基板層220との2層により構成されるとしているが、燃料極116は、単層構成であってもよいし、3層以上により構成されるとしてもよい。
The configuration of the
また、上記実施形態において、燃料極116における特定領域SAの位置は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記第1実施形態では、特定領域SAは基板層220における活性層210との界面BOから厚さTxの領域であるとしており、上記第2実施形態では、特定領域SAは基板層220における集電部材対向面S1から厚さTxの領域であるとしているが、図13に示すように、特定領域SAは、基板層220における活性層210との界面BOからも、集電部材対向面S1からも離間した領域であるとしてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the position of specific area | region SA in the
また、図13に示す変形例における第1の部分PA1の厚さTxは、以下の方法により特定される。図14は、図13に示す変形例における第1の部分PA1の厚さTxの特定方法を示す説明図である。図14には、図13に示す変形例の燃料極116の断面において、凸部重複領域AR1を面方向に等分する仮想線L1(図13参照)上の各位置における気孔率を示す曲線C(L1)が示されている。図14に示すように、曲線C(L1)は、集電部材対向面S1からZ軸正方向に向けて略直線状となり、他の部分と第1の部分PA1との境界付近において気孔率が低下し、その後、第1の部分PA1において再び略直線状となる。曲線C(L1)におけるこれら2つの略直線状の部分から等距離にある仮想線Lm1を特定し、仮想線Lm1と曲線C(L1)との交点(交点が複数ある場合には集電部材対向面S1に最も近い交点)を特定し、該交点の位置を第1の部分PA1の集電部材対向面S1側の境界とする。また、図14に示すように、曲線C(L1)は、第1の部分PA1における略直線状の部分からZ軸正方向に向けて、第1の部分PA1と他の部分との境界付近において気孔率が上昇し、他の部分において再び略直線状となる。曲線C(L1)におけるこれら2つの略直線状の部分から等距離にある仮想線Lm2を特定し、仮想線Lm2と曲線C(L1)との交点(交点が複数ある場合には界面BOに最も近い交点(ただし界面BO上の交点を除く))を特定し、該交点の位置を第1の部分PA1の界面BO側の境界とする。上述した2つの境界間の距離を、第1の部分PA1の厚さTxとして特定するものとする。
Further, the thickness Tx of the first portion PA1 in the modification shown in FIG. 13 is specified by the following method. FIG. 14 is an explanatory diagram showing a method for specifying the thickness Tx of the first portion PA1 in the modification shown in FIG. FIG. 14 shows a curve C indicating the porosity at each position on an imaginary line L1 (see FIG. 13) equally dividing the convex overlap region AR1 in the plane direction in the cross section of the
また、上記実施形態では、燃料極側集電体144の電極対向部145と燃料極116の集電部材対向面S1との間に接合層310が介在しているが、接合層310が設けられず、燃料極側集電体144の電極対向部145が燃料極116の集電部材対向面S1に直接接しているとしてもよい。すなわち、集電部材凸部410が電極対向部145により構成されるとしてもよい。このような構成においても、燃料極116の第1の部分PA1における気孔率を第2の部分PA2における気孔率より低くすれば、単セル110の割れの発生を抑制することができる。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態における燃料極側集電体144の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、燃料極側集電体144は、上記実施形態における空気極側集電体134およびインターコネクタ150の一体部材と同様の構成、すなわち、Z方向に直交する平板形の部分(インターコネクタ150)と、該平板形の部分から燃料極116に向けて突出するように形成された複数の凸部(空気極側集電体134)とを備える構成であるとしてもよい。また、このような構成において、上記平板形の部分における上記複数の凸部が形成された側とは反対側の面が、平面ではなく、凹凸が形成された面であるとしてもよい。
In addition, the configuration of the fuel electrode side
また、上記実施形態では、燃料極116におけるすべての第1の部分PA1について、第1の部分PA1における気孔率は、該第1の部分PA1の隣の第2の部分PA2における気孔率より低いとしているが、必ずしもそうような構成である必要は無い。燃料極116における少なくとも1つの第1の部分PA1について、第1の部分PA1における気孔率は、該第1の部分PA1の隣の第2の部分PA2における気孔率より低いとすればよい。このような構成であれば、該第1の部分PA1の位置付近における単セル110の割れの発生を抑制することができる。なお、単セル110の割れの発生を効果的に抑制するために、燃料極116におけるすべての第1の部分PA1の内の5割以上について、第1の部分PA1における気孔率が、該第1の部分PA1の隣の第2の部分PA2における気孔率より低い構成であることが好ましい。なお、燃料極116における第1の部分PA1の個数が20個以内である場合には、すべての第1の部分PA1について、上記特定方法により気孔率を特定するものとする。また、燃料極116における第1の部分PA1の個数が20個を超える場合には、任意の20個の第1の部分PA1について、上記特定方法により気孔率を特定し、特定された気孔率に基づき他の第1の部分PA1の構成を推定するものとする。
Further, in the above-described embodiment, for all the first portions PA1 in the
また、上記各実施形態では、第1の部分PA1の導電性金属の含有率(vol%)は、第2の部分PA2の導電性金属の含有率(vol%)より高いとしているが、必ずしもそのような関係である必要は無く、例えば、第1の部分PA1の導電性金属の含有率が第2の部分PA2の導電性金属の含有率と等しいとしてもよい。また、上記実施形態では、第1の部分PA1の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率(vol%)は、第2の部分PA2の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率(vol%)より高いとしているが、必ずしもそのような関係である必要は無く、例えば、第1の部分PA1の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率が第2の部分PA2の酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率と等しいとしてもよい。 In each of the above embodiments, the conductive metal content (vol%) of the first part PA1 is higher than the conductive metal content (vol%) of the second part PA2. For example, the content of the conductive metal in the first portion PA1 may be equal to the content of the conductive metal in the second portion PA2. Moreover, in the said embodiment, the content rate (vol%) of the oxide ion conductive ceramic particle of 1st part PA1 is from the content rate (vol%) of the oxide ion conductive ceramic particle of 2nd part PA2. Although it is said that it is high, it is not always necessary to have such a relationship. For example, the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the first portion PA1 is the content of the oxide ion conductive ceramic particles in the second portion PA2. It may be equal to the rate.
また、燃料極116に代えて、または、燃料極116と共に、空気極114についても、上述した燃料極116と同様の構成であるとしてもよい。すなわち、空気極114が、Z方向視で空気極側集電体134と重なる領域(凸部重複領域)の少なくとも一部分である第1の部分であって、面方向において第1の部分の隣に位置すると共にZ方向視で空気極側集電体134と重ならない部分である第2の部分より気孔率が低い第1の部分を有する構成としてもよい。このようにすれば、空気極114における酸化剤ガスOGの拡散性の低下を抑制しつつ、単セル110の割れが発生することを抑制することができると共に、単セル110の導電性を向上させることができる。
Further, instead of the
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる単セル110の個数は、あくまで一例であり、単セル110の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
In the above embodiment, the number of
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。例えば、上記実施形態では、燃料極116は、導電性金属であるNiと酸化物イオン伝導性セラミックスであるYSZの粒子とのサーメットにより形成されているとしているが、導電性金属としてNi以外の金属(例えば、CuやMo)が用いられてもよいし、酸化物イオン伝導性セラミックスとしてYSZ以外のセラミックス(例えば、CSZやScSZ)が用いられてもよい。
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. For example, in the above embodiment, the
本明細書において、部材(または部材のある部分、以下同様)Aを挟んで部材Bと部材Cとが互いに対向するとは、部材Aと部材Bまたは部材Cとが隣接する形態に限定されず、部材Aと部材Bまたは部材Cとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層112と空気極114との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、空気極114と燃料極116とは電解質層112を挟んで互いに対向すると言える。
In the present specification, the fact that the member B and the member C are opposed to each other across the member (or a part having the member, the same applies hereinafter) A is not limited to the form in which the member A and the member B or the member C are adjacent to each other. It includes a form in which another component is interposed between member A and member B or member C. For example, another layer may be provided between the
また、上記実施形態における燃料電池スタック100の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、特定の燃料極基板層用グリーンシートの表面への低粘度のNiOの塗布は、電解質層112と燃料極116との積層体を作製するための焼成工程の前に行われるが、低粘度のNiOの塗布が該焼成工程の後に行われるとしてもよい。また、燃料極116に気孔率の低い第1の部分PA1を形成するために、必ずしも導電性金属やその酸化物(例えばNiO)の塗布が行われる必要は無く、他の方法によりそのような構成の単セル110が製造されるとしてもよい。
Further, the method of manufacturing the
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解単セルや、複数の電解単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を電解単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。
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 single cell that is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single 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 will not be described in detail here. However, the configuration is generally the same as that of the
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。 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.
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:燃料電池発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 107:集電部材−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 210:活性層 220:基板層 310:接合層 400:燃料極側集電部材 410:集電部材凸部 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 100: Fuel cell stack 102: Fuel cell power generation unit 104: End plate 106: End plate 107: Current collecting member-fuel cell Single cell composite 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Junction 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 collector 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 210: Active layer 220: Substrate layer 310: Bonding layer 400: Fuel electrode side current collecting member 410: Current collecting member convex portion
Claims (8)
前記特定電極は、前記第1の方向視で前記凸部と重なる凸部重複領域の少なくとも一部分である第1の部分であって、前記第1の方向に直交する第2の方向において前記第1の部分の隣に位置すると共に前記第1の方向視で前記凸部と重ならない部分である第2の部分より気孔率が低い第1の部分を有することを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 An electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction across the electrolyte layer, and at least one of the air electrode and the fuel electrode of the electrochemical reaction unit cell In the current collecting member-electrochemical reaction single cell complex comprising: a current collecting member that is disposed on the specific electrode side and has a plurality of convex portions that are in contact with the surface of the specific electrode.
The specific electrode is a first portion that is at least a part of a convex overlapping region that overlaps the convex when viewed in the first direction, and the first electrode in a second direction orthogonal to the first direction. And a first portion having a lower porosity than a second portion that is located next to the second portion and does not overlap the convex portion when viewed in the first direction. Chemical reaction single cell complex.
前記特定電極は、導電性金属を含み、
前記第1の部分の前記導電性金属の含有率(vol%)は、前記第2の部分の前記導電性金属の含有率(vol%)より高いことを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 In the current collection member-electrochemical reaction single cell complex according to claim 1,
The specific electrode includes a conductive metal,
The current collecting member-electrochemistry, wherein the content (vol%) of the conductive metal in the first portion is higher than the content (vol%) of the conductive metal in the second portion. Reaction single cell complex.
前記特定電極は、酸化物イオン伝導性セラミックス粒子を含み、
前記第1の部分の前記酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率(vol%)は、前記第2の部分の前記酸化物イオン伝導性セラミックス粒子の含有率(vol%)より高いことを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 In the current collection member-electrochemical reaction single cell complex according to claim 1 or 2,
The specific electrode includes oxide ion conductive ceramic particles,
The content (vol%) of the oxide ion conductive ceramic particles in the first portion is higher than the content (vol%) of the oxide ion conductive ceramic particles in the second portion. A current collecting member-electrochemical reaction single cell composite.
前記第1の部分は、前記凸部重複領域における前記電解質層側の表面から前記集電部材側の表面までのすべての部分であることを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 In the current collection member-electrochemical reaction single cell complex according to any one of claims 1 to 3,
The first part is the entire part from the surface on the electrolyte layer side to the surface on the current collecting member side in the convex overlapping region, and the current collecting member-electrochemical reaction single cell composite body.
前記第1の方向において、前記凸部重複領域の厚さに対する、前記凸部重複領域における前記第1の部分により占められる領域の厚さの比は、50%以下であることを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 In the current collection member-electrochemical reaction single cell complex according to any one of claims 1 to 3,
In the first direction, the ratio of the thickness of the region occupied by the first portion in the convex overlap region to the thickness of the convex overlap region is 50% or less, Current collecting member-electrochemical reaction single cell composite.
前記特定電極は、複数の前記第1の部分を有することを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 In the current collection member-electrochemical reaction single cell complex according to any one of claims 1 to 5,
The specific electrode has a plurality of the first portions, and is a current collecting member-electrochemical reaction single cell composite.
前記特定電極は、前記第1の方向視で複数の前記凸部のそれぞれと重なる複数の前記第1の部分を有することを特徴とする、集電部材−電気化学反応単セル複合体。 In the current collection member-electrochemical reaction single cell complex according to claim 6,
The current collecting member-electrochemical reaction single cell complex, wherein the specific electrode has a plurality of the first portions overlapping with the plurality of convex portions as viewed in the first direction.
前記複数の集電部材−電気化学反応単セル複合体の少なくとも1つは、請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の集電部材−電気化学反応単セル複合体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 current collecting members-electrochemical reaction single cell composites arranged side by side in the first direction,
At least one of the plurality of current collecting members-electrochemical reaction single cell composites is the current collecting member-electrochemical reaction single cell composites according to any one of claims 1 to 7. An electrochemical reaction cell stack.
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