JP2018014309A - Method for manufacturing electrochemical reaction cell stack, and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

Method for manufacturing electrochemical reaction cell stack, and electrochemical reaction cell stack Download PDF

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恵一 片山
智聡 村瀬
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智聡 村瀬
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哲大 末廣
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the change in the electrochemical reaction characteristic of an electrochemical reaction cell stack owing to the progress of Ni agglomeration during operation.SOLUTION: A method for manufacturing an electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction single cells, each including a solid oxide-containing electrolyte layer, an air electrode disposed on one face of the electrolyte layer, and a fuel electrode disposed on the other face of the electrolyte layer with an active layer containing Ni and an oxygen ion-conducting substance comprises first and second reduction steps. In the first reduction step, the fuel electrode included in at least one electrochemical reaction single cell before the first reduction step and the second reduction step is reduced at a temperature lower than an operation temperature of the electrochemical reaction cell stack. In the second reduction step, the fuel electrode subjected to reduction in the first reduction step is reduced at a temperature higher than the operation temperature.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本明細書に開示される技術は、電気化学反応セルスタックの製造方法に関する。   The technology disclosed herein relates to a method for manufacturing an electrochemical reaction cell stack.

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は、一般に、複数の単セルを備える燃料電池スタックの形態で利用される。単セルは、電解質層と、電解質層の一方の面側に配置された空気極と、電解質層の他方の面側に配置され、Ni(ニッケル)および酸素イオン伝導性物質を含有する燃料極とを含んでいる。   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. The SOFC is generally used in the form of a fuel cell stack including a plurality of single cells. The single cell includes an electrolyte layer, an air electrode disposed on one surface side of the electrolyte layer, a fuel electrode disposed on the other surface side of the electrolyte layer, and containing Ni (nickel) and an oxygen ion conductive material. Is included.

このようにNiを含有する燃料極を含んでいる単セルを備える燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの運転(発電)中に、Niが凝集することにより、燃料電池スタックの発電特性や温度特性等の特性が変化することがある。例えば、Niが凝集すると、Ni粒子のサイズ(粒径)が大きくなり、それに伴って、Ni粒子の比表面積が小さくなる。Ni粒子の比表面積が小さくなると、Niの触媒効果が低下するため、発電効率が低下する。また、Niが凝集すると、燃料極の内部抵抗が上昇し、これに伴ってジュール熱が上昇し、燃料電池スタックの温度が上昇する。このように、運転中に燃料電池スタックの特性が変化すると、例えば、燃料電池スタックの発電制御や温度制御を適正に行うことができなくなるおそれがある。   Thus, in a fuel cell stack including a single cell including a fuel electrode containing Ni, Ni aggregates during operation (power generation) of the fuel cell stack, so that power generation characteristics, temperature characteristics, etc. of the fuel cell stack Characteristics may change. For example, when Ni aggregates, the size (particle diameter) of Ni particles increases, and accordingly, the specific surface area of Ni particles decreases. When the specific surface area of the Ni particles is reduced, the catalytic effect of Ni is reduced, so that the power generation efficiency is reduced. Further, when Ni is agglomerated, the internal resistance of the fuel electrode is increased, and accordingly, Joule heat is increased, and the temperature of the fuel cell stack is increased. Thus, if the characteristics of the fuel cell stack change during operation, for example, there is a possibility that power generation control and temperature control of the fuel cell stack cannot be performed properly.

そこで、運転開始前に、燃料電池スタックの燃料極を、燃料電池スタックの運転温度より高い温度で還元することによりNiを凝集させる技術が知られている(特許文献1参照)。   Therefore, a technique is known in which Ni is aggregated by reducing the fuel electrode of the fuel cell stack at a temperature higher than the operating temperature of the fuel cell stack before starting operation (see Patent Document 1).

特開2014−6978号公報JP 2014-6978 A

運転開始前に、燃料電池スタックの燃料極を運転温度より高い温度で還元する上記技術では、Niが十分に凝集されないため、運転中における燃料電池スタックの特性変化を十分に抑制することができないという問題が生じる。   In the above-described technique in which the fuel electrode of the fuel cell stack is reduced at a temperature higher than the operating temperature before the operation starts, Ni is not sufficiently agglomerated, so that the change in characteristics of the fuel cell stack during the operation cannot be sufficiently suppressed. Problems arise.

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)の一形態である電解セルスタックの製造の際にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて、電気化学反応セルスタックという。   Such a problem occurs when an electrolytic cell stack, which is a form of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”), which generates hydrogen using an electrolysis reaction of water, is manufactured. Is a common issue. In this specification, the fuel cell stack and the electrolytic cell stack are collectively referred to as an electrochemical reaction cell stack.

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、以下の形態として実現することが可能である。   The technology disclosed in this specification can be implemented as the following forms.

(1)本明細書に開示される電気化学反応セルスタックの製造方法は、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層の一方の面側に配置された空気極と、前記電解質層の他方の面側に配置され、Ni(ニッケル)および酸素イオン伝導性物質を含有する活性層を有する燃料極とを含む電気化学反応単セルを複数備える電気化学反応セルスタックの製造方法であって、少なくとも1つの第1還元工程および第2還元工程前の前記電気化学反応単セルに含まれる前記燃料極を、前記電気化学反応セルスタックの運転温度より低い温度で還元する前記第1還元工程と、前記第1還元工程において還元された前記燃料極を、前記運転温度より高い温度で還元する前記第2還元工程と、を備える。本電気化学反応セルスタックの製造方法によれば、例えば運転開始前に、第1還元工程において燃料極を、電気化学反応セルスタックの運転温度より低い温度で還元することにより、Ni粒子のサイズを小さくすることができる。Ni粒子のサイズが小さいことは、Niの比表面積が大きいことを意味し、Niの比表面積が大きいほど、第2還元工程においてNiが凝集し易くなる。これにより、本電気化学反応セルスタックの製造方法によれば、運転前に、上記第1還元工程を実施せずに、燃料極を、運転温度より高い温度で還元する場合に比べて、燃料極(特に、燃料極の活性層)におけるNiの凝集を促進させることができる。従って、運転中において、Niの凝集の進行に起因して電気化学反応セルスタックの電気化学反応特性が変化することを抑制することができる。 (1) An electrochemical reaction cell stack manufacturing method disclosed in the present specification includes an electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode disposed on one surface side of the electrolyte layer, and the other of the electrolyte layer. And a method for producing an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells including a fuel electrode having an active layer containing Ni (nickel) and an oxygen ion conductive material, The first reduction step of reducing the fuel electrode contained in the electrochemical reaction unit cell before one first reduction step and the second reduction step at a temperature lower than the operating temperature of the electrochemical reaction cell stack; And the second reduction step of reducing the fuel electrode reduced in the first reduction step at a temperature higher than the operating temperature. According to the method for manufacturing an electrochemical reaction cell stack, for example, before starting operation, the fuel electrode is reduced at a temperature lower than the operating temperature of the electrochemical reaction cell stack in the first reduction step, thereby reducing the size of the Ni particles. Can be small. The small size of the Ni particles means that the specific surface area of Ni is large. The larger the specific surface area of Ni, the more easily Ni is aggregated in the second reduction step. Thereby, according to the manufacturing method of this electrochemical reaction cell stack, compared with the case where the fuel electrode is reduced at a temperature higher than the operating temperature without performing the first reduction step before the operation, the fuel electrode is reduced. Aggregation of Ni in (especially the active layer of the fuel electrode) can be promoted. Therefore, it is possible to suppress changes in the electrochemical reaction characteristics of the electrochemical reaction cell stack due to the progress of Ni aggregation during operation.

(2)上記電気化学反応セルスタックの製造方法において、前記第2還元工程では、還元ガスの露点が−12℃以下である条件下で前記燃料極を還元するとしてもよい。本電気化学反応セルスタックの製造方法によれば、第2還元工程において、還元ガスの露点が−12℃以下であるという、極めて水分が少ないドライ雰囲気の条件下で燃料極を還元することによって、燃料極におけるNiの凝集が、さらに促進されるため、運転中において、Niの凝集の進行に起因して電気化学反応セルスタックの電気化学反応特性が変化することを、より効果的に抑制することができる。 (2) In the method for manufacturing an electrochemical reaction cell stack, in the second reduction step, the fuel electrode may be reduced under a condition that a dew point of the reducing gas is −12 ° C. or lower. According to the method for producing an electrochemical reaction cell stack, in the second reduction step, by reducing the fuel electrode under a dry atmosphere condition in which the dew point of the reducing gas is −12 ° C. or less, Since the Ni agglomeration at the fuel electrode is further promoted, the electrochemical reaction characteristics of the electrochemical reaction cell stack can be more effectively suppressed during operation due to the progress of the Ni agglomeration. Can do.

(3)上記電気化学反応セルスタックの製造方法において、前記電解質層および前記燃料極の少なくとも一方は、Zr(ジルコニウム)を含有し、前記第2還元工程において、前記第1還元工程において還元された前記燃料極を、還元ガスの水蒸気濃度が0.0003%以上、かつ、3%未満である条件下で還元するとしてもよい。本電気化学反応セルスタックの製造方法によれば、還元ガスの水蒸気濃度が0.0003%以上であるため、還元ガスの水蒸気濃度が0.0003%未満である場合に比べて、還元工程における燃料極の還元収縮を抑制することができる。また、還元ガスの水蒸気濃度が3%未満であるため、還元ガスの水蒸気濃度が3%以上である場合に比べて、Zrの結晶系を立方晶から正方晶に相転移させるのに要する時間の長期化を抑制することができる。これにより、運転時における性能の変動が抑制された電気化学反応セルスタックを製造することができる。 (3) In the method for manufacturing an electrochemical reaction cell stack, at least one of the electrolyte layer and the fuel electrode contains Zr (zirconium) and is reduced in the first reduction step in the second reduction step. The fuel electrode may be reduced under a condition that the water vapor concentration of the reducing gas is 0.0003% or more and less than 3%. According to the manufacturing method of the electrochemical reaction cell stack, since the water vapor concentration of the reducing gas is 0.0003% or more, the fuel in the reduction process is compared with the case where the water vapor concentration of the reducing gas is less than 0.0003%. Reduction contraction of the pole can be suppressed. In addition, since the water vapor concentration of the reducing gas is less than 3%, the time required for the phase transition of the Zr crystal system from cubic to tetragonal as compared with the case where the water vapor concentration of the reducing gas is 3% or more is reduced. Prolongation can be suppressed. Thereby, an electrochemical reaction cell stack in which fluctuations in performance during operation are suppressed can be manufactured.

(4)本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層の一方の面側に配置された空気極と、前記電解質層の他方の面側に配置され、Ni(ニッケル)および酸素イオン伝導性物質を含有する活性層を有する燃料極とを含む電気化学反応単セルを複数備える電気化学反応セルスタックであって、少なくとも1つの前記電気化学反応単セルに含まれる前記燃料極の任意の断面について、単位面積当たりの前記Niの粒子数を、単位面積当たりの前記酸素イオン伝導性物質の粒子数で除算したNi分散指数が0.56以上、かつ、0.84以下である。本電気化学反応セルスタックによれば、運転中において、Niの凝集の進行に起因して電気化学反応セルスタックの電気化学反応特性が変化することを抑制しつつ、電気化学反応セルスタックの初期電圧が低下することを抑制することができる。 (4) The electrochemical reaction cell stack disclosed in this specification includes an electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode disposed on one surface side of the electrolyte layer, and the other surface side of the electrolyte layer. And an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells including a fuel electrode having an active layer containing Ni (nickel) and an oxygen ion conductive material, wherein at least one electrochemical reaction is performed For an arbitrary cross section of the fuel electrode included in a single cell, a Ni dispersion index obtained by dividing the number of particles of Ni per unit area by the number of particles of the oxygen ion conductive material per unit area is 0.56 or more, And it is 0.84 or less. According to this electrochemical reaction cell stack, the initial voltage of the electrochemical reaction cell stack is suppressed while suppressing the change in the electrochemical reaction characteristics of the electrochemical reaction cell stack due to the progress of Ni aggregation during operation. Can be suppressed.

(5)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記Ni分散指数が0.58以上、かつ、0.84以下である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、運転中において、Niの凝集の進行に起因して電気化学反応セルスタックの電気化学反応特性が変化することを抑制しつつ、電気化学反応セルスタックの初期電圧が低下することを抑制することができる。 (5) In the electrochemical reaction cell stack, the Ni dispersion index may be 0.58 or more and 0.84 or less. According to this electrochemical reaction cell stack, the initial voltage of the electrochemical reaction cell stack is suppressed while suppressing the change in the electrochemical reaction characteristics of the electrochemical reaction cell stack due to the progress of Ni aggregation during operation. 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)、電気化学反応単位(燃料電池発電単位)、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 unit cell (a fuel cell unit cell or an electrolysis cell), an electrochemical reaction unit (a fuel cell power generation unit) ), An electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack) including a plurality of electrochemical reaction single cells, a manufacturing method thereof, and the like.

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 an 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. 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. 単セル110の一部分(電解質層112、燃料極116)のXZ断面構成を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of a part (electrolyte layer 112, fuel electrode 116) of a single cell 110. 燃料電池スタック100の製造方法を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a method for manufacturing the fuel cell stack 100. 燃料極116の性能評価1の結果を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing the results of performance evaluation 1 of a fuel electrode 116. 燃料極116の性能評価2の結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the result of the performance evaluation 2 of the fuel electrode. 相転移ピーク強度比と還元時間との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between a phase transition peak intensity ratio and reduction time. 3時間あたりの相転移進行量と水蒸気濃度との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the amount of phase transition progress per 3 hours, and water vapor | steam density | concentration. ホウ素の被毒量と温度との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the poisoning amount of boron, and temperature. 燃料電池スタック100の劣化率とホウ素の被毒量との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the deterioration rate of the fuel cell stack 100, and the poisoning amount of boron.

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」といい、Z軸負方向を「下方向」というものとするが、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。なお、燃料電池スタックは、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックに相当する。
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 Z-axis direction is referred to as “upward”, and the negative Z-axis direction is referred to as “downward”. It may be installed in different orientations. The same applies to FIG. The fuel cell stack corresponds to the electrochemical reaction cell stack in the claims.

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。   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.

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」という。   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 are also 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が挿入されており、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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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 into 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 into which the bolts 22B are inserted has an oxidant off-gas OOG that is a 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が挿入された連通孔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が挿入された連通孔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) located at the position and the communication hole 108 into 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 for 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 into 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が挿入される連通孔108に対応する孔が形成されている。単セル110は、特許請求の範囲における燃料電池単セル、電気化学反応単セルに相当する。   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. A hole corresponding to the above-described communication hole 108 into which the bolt 22 is inserted is formed in the peripheral portion around the Z direction in the separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the interconnector 150. The single cell 110 corresponds to a fuel cell single cell or an electrochemical reaction single cell in the claims.

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)、CaSZ(カルシ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。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含むため、本実施形態の燃料電池は、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), CaSZ (calcia stabilized zirconia), SDC (samarium doped ceria), GDC (gadolinium). Doped ceria) and a solid oxide such as a perovskite oxide. 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. Thus, since the single cell 110 (power generation unit 102) of this embodiment contains a solid oxide as an electrolyte, the fuel cell of this embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC).

燃料極116は、略矩形の平板形状部材である。図6には、単セル110の一部分(電解質層112、燃料極116)のXZ断面構成が示されている。図6に示すように、燃料極116は、電解質層112に隣接する活性層350と、活性層350の内の電解質層112とは反対側の表面に隣接する基板層360とを含む。活性層350と基板層360とは、いずれも、例えば、Ni(ニッケル)とセラミック粒子とからなるサーメットや、Ni基合金等により形成されている。セラミック粒子は、酸素イオン伝導性を有し、例えば、電解質層112を形成する上述の各材料(YSZ等)である。セラミック粒子は、特許請求の範囲における酸素イオン伝導性物質に相当する。   The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate member. FIG. 6 shows an XZ sectional configuration of a part of the single cell 110 (the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116). As shown in FIG. 6, the fuel electrode 116 includes an active layer 350 adjacent to the electrolyte layer 112 and a substrate layer 360 adjacent to the surface of the active layer 350 opposite to the electrolyte layer 112. The active layer 350 and the substrate layer 360 are both formed of, for example, a cermet made of Ni (nickel) and ceramic particles, a Ni-based alloy, or the like. The ceramic particles have oxygen ion conductivity, and are, for example, the above-described materials (YSZ or the like) that form the electrolyte layer 112. The ceramic particles correspond to the oxygen ion conductive material in the claims.

活性層350は、主として、電解質層112から供給される酸素イオンと燃料ガスFGに含まれる水素等とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮し、基板層360は、主として、活性層350と電解質層112と空気極114とを支持する機能を発揮する。燃料極116の活性層350の任意の断面について、Ni分散指数は、0.56以上、かつ、0.84以下とすることができ、0.56以上、かつ、0.84以下とすることができる。Ni分散指数は、単位面積当たりのNiの粒子数を、単位面積当たりのセラミック粒子(酸素イオン伝導性物質)の粒子数で除算した値であり、Niの凝集度を示すパラメータの1つである。Ni分散指数が小さいほど、Niの凝集度が高い、すなわち、Ni粒子のサイズ(粒径)が大きいことを意味する。なお、活性層350の活性を高めるために、活性層350におけるNiの含有率(mol%)は、基板層360におけるNiの含有率より高いことが好ましい。また、基板層360の強度を高めるために、基板層360の上下方向における厚さは活性層350の上下方向における厚さより厚くすることが好ましい。基板層360のガス拡散性を高めるために、基板層360の気孔率は活性層350の気孔率より高いことが好ましい。   The active layer 350 mainly exhibits a function of reacting oxygen ions supplied from the electrolyte layer 112 with hydrogen or the like contained in the fuel gas FG to generate electrons and water vapor, and the substrate layer 360 mainly includes The function of supporting the active layer 350, the electrolyte layer 112, and the air electrode 114 is exhibited. For any cross section of the active layer 350 of the fuel electrode 116, the Ni dispersion index can be 0.56 or more and 0.84 or less, and can be 0.56 or more and 0.84 or less. it can. The Ni dispersion index is a value obtained by dividing the number of Ni particles per unit area by the number of ceramic particles (oxygen ion conductive material) per unit area, and is one of parameters indicating the degree of aggregation of Ni. . It means that the smaller the Ni dispersion index, the higher the aggregation degree of Ni, that is, the larger the size (particle size) of Ni particles. In order to increase the activity of the active layer 350, the Ni content (mol%) in the active layer 350 is preferably higher than the Ni content in the substrate layer 360. In order to increase the strength of the substrate layer 360, it is preferable that the thickness of the substrate layer 360 in the vertical direction is larger than the thickness of the active layer 350 in the vertical direction. In order to increase the gas diffusibility of the substrate layer 360, the porosity of the substrate layer 360 is preferably higher than the porosity of the active layer 350.

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 referred to as “single cell with 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、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。   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. The air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be formed as an integral member.

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 startup until the high temperature can be maintained by heat generated by 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.燃料電池スタック100の製造方法:
図7は、本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法を示すフローチャートである。まず、単セル110を作製される(S110)。具体的には、次の通りである。
(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、厚さ250μmの燃料極基板層用グリーンシートを作製する。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。
A-3. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
FIG. 7 is a flowchart showing a method for manufacturing the fuel cell stack 100 in the present embodiment. First, the single cell 110 is produced (S110). Specifically, it is as follows.
(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 made into a thin film by a doctor blade method to produce a fuel electrode substrate layer green sheet having a thickness of 250 μm. 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.

(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。なお、例えば、NiO粉末の粒径を調整することにより、後述する還元後の単セル110におけるNiの平均粒径を調整することができる。また、上記混合粉末に、更に、造孔材である有機ビーズ(混合粉末に対して3.9重量%)を加えて、ボールミルにて混合して、スラリーを調整することにより、気孔率が燃料極基板層用グリーンシートより高い燃料極活性層用グリーンシートを作製することができる。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、厚さ6μm〜36μm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. For example, by adjusting the particle diameter of the NiO powder, the average particle diameter of Ni in the single cell 110 after reduction described later can be adjusted. Further, by adding organic beads (3.9% by weight with respect to the mixed powder) as a pore former to the above mixed powder, mixing with a ball mill, and adjusting the slurry, the porosity can be reduced to fuel. It is possible to produce a fuel electrode active layer green sheet that is higher than the electrode substrate layer green sheet. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to produce a green sheet for a fuel electrode active layer having a thickness of 6 μm to 36 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、厚さ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 made into a thin film by a doctor blade method to produce a green sheet for an electrolyte layer having a thickness of 10 μm.

(電解質層112と燃料極116との積層)
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℃にて焼成を行い、電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
(Lamination of electrolyte layer 112 and fuel electrode 116)
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. Further, firing is performed at about 1350 ° C. to obtain a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116.

(空気極114の形成)
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8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を成形することにより、焼成体(還元前の単セル110)を得ることができる。
(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. By spray-coating the prepared liquid mixture on the surface of the electrolyte layer 112 in the laminate and firing at 1100 ° C., the air electrode 114 is formed to obtain a fired body (unit cell 110 before reduction). it can.

その後、残りの組み立て工程(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)が行われ、燃料極116の活性層350が還元される前の燃料電池スタック100の組み立てが完了する(S120)。なお、S120における組み立て直後の燃料電池スタック100に含まれる燃料極116は、特許請求の範囲における第1還元工程および第2還元工程前の電気化学反応単セルに含まれる燃料極に相当する。   Thereafter, the remaining assembly process (for example, 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, and before the active layer 350 of the fuel electrode 116 is reduced. The assembly of the fuel cell stack 100 is completed (S120). The fuel electrode 116 included in the fuel cell stack 100 immediately after assembly in S120 corresponds to the fuel electrode included in the electrochemical reaction single cell before the first reduction process and the second reduction process in the claims.

(還元工程)
組み立て後の燃料電池スタック100が、運転温度(例えば700℃)より低い第1温度の水素雰囲気に第1還元時間だけ晒されることにより活性層350が還元(NiOがNiに還元)される(S130)。この工程は、第1還元工程の一例である。運転温度は、電解質層112の酸素イオンを伝導する活性を有する温度である。還元に利用される還元ガスは、水素に限定されず。メタンガス等でもよい。第1温度は、425℃〜600℃とすることができ、425℃〜550℃とすることができ、425℃〜525℃とすることができる。また、第1温度は、(425℃(還元反応が可能な下限温度)+((運転温度−425℃)/2))以下とすることもできる。第1還元時間は、1時間以上の時間である。なお、第1温度は、昇温・降温過程の燃料電池スタック100の温度を含まず、例えば1時間以上維持される燃料電池スタック100の温度である。また、「運転温度より低い」とは、定常運転時の運転温度が所定の温度範囲を有する場合には、その温度範囲の下限温度よりも低いことをいう。なお、S130における燃料電池スタック100に含まれる燃料極116は、特許請求の範囲における第1還元工程において還元された燃料極に相当する。
(Reduction process)
The assembled fuel cell stack 100 is exposed to a hydrogen atmosphere at a first temperature lower than the operating temperature (eg, 700 ° C.) for a first reduction time, whereby the active layer 350 is reduced (NiO is reduced to Ni) (S130). ). This step is an example of a first reduction step. The operating temperature is a temperature having an activity of conducting oxygen ions of the electrolyte layer 112. The reducing gas used for the reduction is not limited to hydrogen. Methane gas or the like may be used. The first temperature can be 425 ° C to 600 ° C, can be 425 ° C to 550 ° C, and can be 425 ° C to 525 ° C. Further, the first temperature can be set to (425 ° C. (lower temperature at which reduction reaction is possible) + ((operation temperature −425 ° C.) / 2)) or less. The first reduction time is a time of 1 hour or more. The first temperature does not include the temperature of the fuel cell stack 100 during the temperature rising / falling process, and is, for example, the temperature of the fuel cell stack 100 that is maintained for one hour or more. In addition, “lower than the operating temperature” means that when the operating temperature during steady operation has a predetermined temperature range, it is lower than the lower limit temperature of the temperature range. Note that the fuel electrode 116 included in the fuel cell stack 100 in S130 corresponds to the fuel electrode reduced in the first reduction step in the claims.

次に、第1還元工程後の燃料電池スタック100が、運転温度より高い第2温度の水素雰囲気に第2還元時間だけ晒されることにより活性層350が還元される(S140)。この工程は、第2還元工程の一例である。還元に利用される還元ガスは、水素に限定されず、メタンガス等でもよい。第2温度は、例えば770℃〜1000℃とすることができる。第2還元時間は、1時間以上の時間である。なお、第2温度は、昇温・降温過程の燃料電池スタック100の温度を含まず、例えば1時間以上維持される燃料電池スタック100の温度である。また、「運転温度より高い」とは、定常運転時の運転温度が所定の温度範囲を有する場合には、その温度範囲の上限温度よりも高いことをいう。   Next, the active layer 350 is reduced by exposing the fuel cell stack 100 after the first reduction step to a hydrogen atmosphere at a second temperature higher than the operating temperature for a second reduction time (S140). This step is an example of a second reduction step. The reducing gas used for the reduction is not limited to hydrogen, but may be methane gas or the like. The second temperature can be set at, for example, 770 ° C. to 1000 ° C. The second reduction time is a time of 1 hour or more. Note that the second temperature does not include the temperature of the fuel cell stack 100 in the process of temperature increase / decrease, and is, for example, the temperature of the fuel cell stack 100 maintained for one hour or more. Further, “higher than the operating temperature” means that when the operating temperature during the steady operation has a predetermined temperature range, it is higher than the upper limit temperature of the temperature range.

A−4.燃料極116の活性層350の分析方法:
第1還元工程および第2還元工程後の燃料電池スタック100における各単セル110の燃料極116の活性層350の分析方法は次の通りである。
A-4. Analysis method of the active layer 350 of the fuel electrode 116:
The analysis method of the active layer 350 of the fuel electrode 116 of each unit cell 110 in the fuel cell stack 100 after the first reduction step and the second reduction step is as follows.

酸化剤ガス流れ方向(図2に示すように本実施形態ではX軸方向)に沿って並ぶ3つの位置で、酸化剤ガス流れ方向に直交する発電単位102の断面を設定し、各断面の任意の3カ所で、活性層350が写ったFIB-SEM(加速電圧1.5kV)におけるSEM画像(例えば5000倍)を得る。つまり、9つのSEM画像が得られる。各SEM画像は、例えば、活性層350の上下方向における全体が確認できる画像であって、電解質層112と燃料極116との境界B1(図6参照)と推測される部分が、当該画像を上下方向に10等分に分割して得られた10個の分割領域の内、最も上の分割領域内に位置し、活性層350と基板層360との境界B2(図6参照)と推測される部分、あるいは、燃料極116(基板層360)の下端が、最も下の分割領域内に位置している画像である。   Cross sections of the power generation unit 102 that are orthogonal to the oxidant gas flow direction are set at three positions along the oxidant gas flow direction (X-axis direction in the present embodiment as shown in FIG. 2). The SEM images (for example, 5000 times) in the FIB-SEM (acceleration voltage 1.5 kV) in which the active layer 350 is reflected are obtained at these three locations. That is, nine SEM images are obtained. Each SEM image is, for example, an image in which the whole of the active layer 350 in the vertical direction can be confirmed, and a portion estimated as a boundary B1 (see FIG. 6) between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 is vertically It is estimated that the boundary B2 (see FIG. 6) between the active layer 350 and the substrate layer 360 is located in the uppermost divided area among the 10 divided areas obtained by dividing into 10 equal parts in the direction. This is an image in which the portion or the lower end of the fuel electrode 116 (substrate layer 360) is located in the lowest divided region.

活性層350は、電解質層112と燃料極116との界面B1からZ軸負方向に5μm〜30μmの位置までの層とすることができる。電解質層112(活性層350)と電解質層112との境界B1は、上記SEM画像において、活性層350と電解質層112との構成物質の相違や視認等に基づき特定することができる。また、活性層350と基板層360との境界B2は、SEM画像において、活性層350と基板層360とのNiの含有率、Niの平均粒径や気孔率の相違等に基づき特定することができる。   The active layer 350 can be a layer from the interface B1 between the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 to a position of 5 μm to 30 μm in the negative Z-axis direction. The boundary B1 between the electrolyte layer 112 (active layer 350) and the electrolyte layer 112 can be specified based on the difference in the constituent materials between the active layer 350 and the electrolyte layer 112, visual recognition, or the like in the SEM image. In addition, the boundary B2 between the active layer 350 and the substrate layer 360 may be specified based on the Ni content, the average Ni particle diameter, the difference in porosity, and the like in the SEM image. it can.

活性層350の単位面積当たりのNiの粒子数および酸素イオン伝導性物質の粒子数は、以下の方法により特定することができる。活性層350内におけるNi粒子とセラミック粒子(YSZ粒子)との識別は、例えば、各SEM画像における明暗差を用いて行うことができる。具体的には、各SEM画像を解析することにより、各SEM画像を、明度に応じた3つの領域に分類することができる。明度に応じた3つの領域から、Ni粒子とセラミック粒子とを識別する手法としては、SEM−EDSを用いると良い。SEM−EDSによって元素が特定できるため、上記で取得したSEM画像から、単位面積当たりのNi粒子およびセラミック粒子の粒子数を特定することができる。   The number of Ni particles and the number of oxygen ion conductive materials per unit area of the active layer 350 can be specified by the following method. The Ni particles and the ceramic particles (YSZ particles) in the active layer 350 can be identified using, for example, the light / dark difference in each SEM image. Specifically, by analyzing each SEM image, each SEM image can be classified into three regions according to lightness. SEM-EDS may be used as a method for discriminating Ni particles and ceramic particles from the three regions according to the brightness. Since elements can be identified by SEM-EDS, the number of Ni particles and ceramic particles per unit area can be identified from the SEM image acquired above.

A−5.燃料極116の性能評価:
A−5−1.性能評価1(サンプル1〜6)
図8は、燃料極116の性能評価1の結果を示す説明図である。図8に示すように、性能評価1には、第1還元工程の有無、第1温度および第1還元時間と、第2還元工程の第2温度、第2還元時間および還元雰囲気との組み合わせが互いに異なる製造方法により製造された6種類のサンプルを用いた。図8において、初期電圧は、第2還元工程後の燃料電池スタック100を運転温度700℃で運転開始したときの燃料電池スタック100の初期の出力電圧を意味する。初期特性の判定における「◎」は、初期電圧が0.95V以上であることを意味し、「○」は、初期電圧が0.95V未満、0.928V以上であることを意味し、「△」は、初期電圧が0.928V未満、0.921V以上であることを意味し、「×」は、初期電圧が0.921未満であることを意味する。IR劣化率は、燃料電池スタック100について、初期から1000時間の定格発電運転を行ったときの出力電圧を試験後電圧とした場合、上記初期電圧に対する初期電圧と試験後電圧との差の割合である。IR劣化率が低いほど、燃料電池スタック100の耐久性が高いことを意味する。耐久性の判定における「◎」は、IR劣化率が0.64%以下であることを意味し、「○」は、IR劣化率が0.64%より大きく、0.89%以下であることを意味し、「×」は、IR劣化率が0.89%より大きいことを意味する。
A-5. Performance evaluation of fuel electrode 116:
A-5-1. Performance evaluation 1 (samples 1-6)
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the results of performance evaluation 1 of the fuel electrode 116. As shown in FIG. 8, the performance evaluation 1 includes the combination of the presence / absence of the first reduction step, the first temperature and the first reduction time, and the second temperature, the second reduction time and the reducing atmosphere in the second reduction step. Six types of samples manufactured by different manufacturing methods were used. In FIG. 8, the initial voltage means an initial output voltage of the fuel cell stack 100 when the fuel cell stack 100 after the second reduction step is started to operate at an operating temperature of 700 ° C. “◎” in the determination of the initial characteristics means that the initial voltage is 0.95 V or more, “◯” means that the initial voltage is less than 0.95 V and 0.928 V or more, and “Δ "Means that the initial voltage is less than 0.928 V and 0.921 V or more, and" x "means that the initial voltage is less than 0.921. The IR deterioration rate is a ratio of a difference between the initial voltage and the post-test voltage with respect to the initial voltage when the output voltage when the rated power generation operation of the fuel cell stack 100 is performed for 1000 hours from the initial stage is set as the post-test voltage. is there. The lower the IR deterioration rate, the higher the durability of the fuel cell stack 100. “◎” in the durability judgment means that the IR deterioration rate is 0.64% or less, and “◯” means that the IR deterioration rate is larger than 0.64% and 0.89% or less. "X" means that the IR deterioration rate is larger than 0.89%.

サンプル1は、第1還元工程を実施せずに、第2温度が運転温度より高い710℃、第2還元時間が3時間であり、かつ、雰囲気が水素80%−水蒸気20%である第2還元工程を実施して製造されたサンプルである。このサンプル1について、初期特性は「◎」と判定されている。一方で、サンプル1について、Ni分散指数は比較的に大きく、IR劣化率も比較的に高いため、耐久性が「×」と判定されている。第2還元工程を実施しただけでは、運転開始前におけるNiの凝集度を十分に高くすることができず、このため、サンプル1は、運転中におけるNiの凝集の進行によりIR劣化率が高くなっている。   Sample 1 is a second sample in which the first reduction step is not performed, the second temperature is 710 ° C., which is higher than the operating temperature, the second reduction time is 3 hours, and the atmosphere is 80% hydrogen—20% water vapor. It is the sample manufactured by implementing a reduction process. For this sample 1, the initial characteristic is determined to be “◎”. On the other hand, regarding sample 1, since the Ni dispersion index is relatively large and the IR deterioration rate is also relatively high, the durability is determined as “x”. Only by performing the second reduction step, the degree of Ni aggregation before the start of operation cannot be made sufficiently high. For this reason, Sample 1 has a high IR deterioration rate due to the progress of Ni aggregation during operation. ing.

これに対して、サンプル2は、第1温度が運転温度より低い690℃、第1還元時間が3時間である第1還元工程と、第2温度が運転温度より高い770℃、第2還元時間が500時間であり、かつ、雰囲気が水素80%−水蒸気20%である第2還元工程とを実施して製造されたサンプルである。このサンプル2について、初期特性は「○」と判定されている。一方、サンプル2のNi分散指数は、サンプル1のNi分散指数より小さく、また、サンプル2のIR劣化率は、サンプル1のIR劣化率より低くなっているため、耐久性が「○」と判定されている。第1還元工程を実施することにより、Ni粒子が、第1還元工程前のサイズより小さくなり、比表面積が大きくなるため、Niが凝集し易い状態になる。このように、Niが凝集し易い状態にされた上で、第2還元工程が実施されることにより、サンプル2は、サンプル1に比べて、運転開始前におけるNiの凝集度が高くなっている。これは、運転開始前において、燃料極116のNiの凝集を、より促進させることができることを意味する。これにより、Niの凝集の進行に起因してIR劣化率が高くなることが抑制されている。   On the other hand, in the sample 2, the first reduction step in which the first temperature is 690 ° C. lower than the operating temperature and the first reduction time is 3 hours, and the second reduction time is 770 ° C. in which the second temperature is higher than the operating temperature. Is a sample manufactured by carrying out the second reduction step in which the atmosphere is 500% and the atmosphere is 80% hydrogen and 20% water vapor. For Sample 2, the initial characteristic is determined to be “◯”. On the other hand, the Ni dispersion index of sample 2 is smaller than the Ni dispersion index of sample 1, and the IR deterioration rate of sample 2 is lower than the IR deterioration rate of sample 1, so the durability is determined as “◯”. Has been. By carrying out the first reduction step, the Ni particles become smaller than the size before the first reduction step and the specific surface area increases, so that Ni is likely to aggregate. As described above, the second reduction step is performed after the Ni is easily aggregated, so that the sample 2 has a higher degree of Ni aggregation before the start of operation than the sample 1. . This means that the aggregation of Ni in the fuel electrode 116 can be further promoted before the start of operation. This suppresses an increase in the IR deterioration rate due to the progress of Ni aggregation.

サンプル3は、第1温度が運転温度より低い500℃、第1還元時間が16時間である第1還元工程と、第2温度が運転温度より高い770℃、第2還元時間が140時間であり、かつ、雰囲気が水素80%−水蒸気20%である第2還元工程とを実施して製造されたサンプルである。このサンプル3について、初期特性および耐久性共に「○」と判定されている。さらに、サンプル3のNi分散指数は、サンプル2のNi分散指数より小さく、また、サンプル3のIR劣化率は、サンプル2のIR劣化率より低くなっている。サンプル3では、サンプル2に比べて、第1温度が低く、第1還元時間が長い。このため、サンプル3では、第1還元工程において、Ni粒子のサイズを、サンプル2よりさらに小さくできる分だけ、第2還元工程においてNiが凝集し易くなる。その結果、第2還元時間が短くても、運転開始前におけるNiの凝集度が高くなっている。そのため、サンプル3では、第1還元時間および第2還元時間の合計時間をサンプル2よりも短くすることができる。すなわち、サンプル2よりも短い還元工程(第1還元工程および第2還元工程)で、サンプル2のIR劣化率よりも低いサンプル3を得ることができる。   Sample 3 has a first reduction step in which the first temperature is 500 ° C. lower than the operating temperature and the first reduction time is 16 hours, and 770 ° C. in which the second temperature is higher than the operating temperature and the second reduction time is 140 hours. And it is the sample manufactured by implementing the 2nd reduction process whose atmosphere is 80% of hydrogen-20% of water vapor | steam. With respect to Sample 3, both the initial characteristics and the durability are determined as “◯”. Furthermore, the Ni dispersion index of sample 3 is smaller than the Ni dispersion index of sample 2, and the IR deterioration rate of sample 3 is lower than the IR deterioration rate of sample 2. In sample 3, compared to sample 2, the first temperature is lower and the first reduction time is longer. For this reason, in sample 3, Ni is more likely to aggregate in the second reduction step by the amount that Ni particles can be made smaller than sample 2 in the first reduction step. As a result, even when the second reduction time is short, the degree of aggregation of Ni before the start of operation is high. Therefore, in sample 3, the total time of the first reduction time and the second reduction time can be made shorter than in sample 2. That is, in a reduction process (first reduction process and second reduction process) shorter than that of sample 2, sample 3 having a lower IR deterioration rate than sample 2 can be obtained.

サンプル4は、サンプル3に対して、第2還元工程の雰囲気のみが異なる。すなわち、サンプル4では、第2還元時間の雰囲気が水素100%であり、サンプル3に比べてドライな雰囲気で第2還元処理が実施される。このサンプル4について、初期特性は「△」と判定されているが、耐久性は「○」と判定されている。また、サンプル4のNi分散指数は、サンプル3のNi分散指数より小さく、また、サンプル4のIR劣化率は、サンプル3のIR劣化率より低くなっている。これは、水分の少ないドライ雰囲気(水素ガスの露点が−12℃以下)で第2還元工程を行うことにより、運転開始前におけるNiの凝集度を、さらに高くすることができることを意味する。   Sample 4 differs from sample 3 only in the atmosphere of the second reduction step. That is, in sample 4, the atmosphere of the second reduction time is 100% hydrogen, and the second reduction process is performed in a dry atmosphere as compared to sample 3. For sample 4, the initial characteristic is determined to be “Δ”, but the durability is determined to be “◯”. Further, the Ni dispersion index of sample 4 is smaller than the Ni dispersion index of sample 3, and the IR deterioration rate of sample 4 is lower than the IR deterioration rate of sample 3. This means that the aggregation degree of Ni before the start of operation can be further increased by performing the second reduction step in a dry atmosphere with a low moisture content (dew point of hydrogen gas is −12 ° C. or lower).

サンプル5は、第1温度が運転温度より低い690℃、第1還元時間が3時間である第1還元工程と、第2温度が運転温度より高い770℃、第2還元時間が153時間であり、かつ、雰囲気が水素80%−水蒸気20%である第2還元工程とを実施して製造されたサンプルである。このサンプル5について、初期特性および耐久性共に「○」と判定されている。また、サンプル5では、第1還元工程の条件はサンプル2と略同一であり、第2還元工程の条件はサンプル3と略同一であり、サンプル5のNi分散指数は、サンプル2,3のNi分散指数より大きく、また、サンプル5のIR劣化率は、サンプル2,3のIR劣化率より高くなっている。サンプル5とサンプル2との比較結果は、第2還元時間が長いほど、運転開始前におけるNiの凝集度を高くすることができることを意味する。サンプル5とサンプル3との比較結果は、第1温度が低いほど、また、第1還元時間が長いほど、運転開始前におけるNiの凝集度を高くすることができることを意味する。   Sample 5 has a first reduction step in which the first temperature is 690 ° C. lower than the operating temperature and the first reduction time is 3 hours, and 770 ° C. in which the second temperature is higher than the operating temperature and the second reduction time is 153 hours. And it is the sample manufactured by implementing the 2nd reduction process whose atmosphere is 80% of hydrogen-20% of water vapor | steam. With respect to this sample 5, both initial characteristics and durability are determined as “◯”. In Sample 5, the conditions of the first reduction step are substantially the same as those of Sample 2, the conditions of the second reduction step are substantially the same as those of Sample 3, and the Ni dispersion index of Sample 5 is the Ni dispersion index of Samples 2 and 3. It is larger than the dispersion index, and the IR deterioration rate of Sample 5 is higher than that of Samples 2 and 3. The comparison result between sample 5 and sample 2 means that the longer the second reduction time, the higher the degree of Ni aggregation before the start of operation. The comparison result between sample 5 and sample 3 means that the lower the first temperature and the longer the first reduction time, the higher the degree of Ni aggregation before the start of operation.

サンプル6は、第1温度が運転温度より低い500℃、第1還元時間が16時間である第1還元工程と、第2温度が運転温度より高い1000℃、第2還元時間が1時間であり、かつ、雰囲気が水素80%−水蒸気20%である第2還元工程とを実施して製造されたサンプルである。このサンプル6について、耐久性は「◎」と判定されている。一方、サンプル6のNi分散指数は、サンプル2〜5のNi分散指数よりさらに小さくなっているが、初期特性が「×」と判定されている。これは、第2温度を高くしすぎると、Ni粒子のサイズが大きくなり過ぎて、Niの触媒効果が低下するため、初期電圧が高くなるからである。   Sample 6 has a first reduction step in which the first temperature is 500 ° C. lower than the operating temperature and the first reduction time is 16 hours, and the second temperature is 1000 ° C. higher than the operating temperature and the second reduction time is 1 hour. And it is the sample manufactured by implementing the 2nd reduction process whose atmosphere is 80% of hydrogen-20% of water vapor | steam. The durability of Sample 6 is determined as “判定”. On the other hand, the Ni dispersion index of Sample 6 is smaller than that of Samples 2 to 5, but the initial characteristic is determined to be “x”. This is because if the second temperature is too high, the size of the Ni particles becomes too large and the catalytic effect of Ni decreases, so the initial voltage increases.

A−5−2.性能評価2(サンプル11〜17)
図9は、燃料極116の性能評価2の結果を示す説明図である。図9における初期電圧およびIR劣化率は、上述の図8における初期電圧およびIR劣化率とそれぞれ同じ意味である。図9に示すように、性能評価2には、第1還元工程における第1温度および第1還元時間は互いに同じであるが、第2還元工程における第2温度と第2還元時間と還元雰囲気との組み合わせが互いに異なる製造方法により製造された7種類のサンプル(11〜17)を用いた。第1還元工程における第1温度は500℃であり、第1還元時間は16時間である。
A-5-2. Performance evaluation 2 (samples 11-17)
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the results of performance evaluation 2 of the fuel electrode 116. The initial voltage and IR deterioration rate in FIG. 9 have the same meaning as the initial voltage and IR deterioration rate in FIG. As shown in FIG. 9, in the performance evaluation 2, the first temperature and the first reduction time in the first reduction step are the same, but the second temperature, the second reduction time, and the reducing atmosphere in the second reduction step are Seven types of samples (11 to 17) manufactured by different manufacturing methods were used. The first temperature in the first reduction step is 500 ° C., and the first reduction time is 16 hours.

また、性能評価2の各サンプルにおける電解質層112は、少なくともZr(ジルコニウム)を含んでおり、例えば、YSZ、ScSZ、CaSZ等の固体酸化物により形成されている。なお、本実施形態では、Zrは部分安定化ジルコニア(ZrO)の態様で電解質層112に含有されている。部分安定化ジルコニアの結晶系は、部分安定化ジルコニアの相転移温度未満の熱処理(燃料電池スタック100の運転時の発熱による熱処理を含む)が所定時間以上行われることによって、酸素イオン導電性の高い立方晶(キュービック)から酸素イオン導電性の低い正方晶(テトラ)に相転移する。一般に、部分安定化ジルコニアの相転移温度は、燃料電池スタック100の運転温度より高い。例えば、"マサトモ ヤシマ(Masatomo Yashima)、外2名、Solid State lonics、(オランダ)、エルゼビア・ベーフェー(Elsevier B.V.)、1996年、volume86-88、p.1131"によれば、8YSZ固体電解質層に含まれる部分安定化ジルコニアの相転移温度は1200(℃)である。 Moreover, the electrolyte layer 112 in each sample of the performance evaluation 2 contains at least Zr (zirconium), and is formed of a solid oxide such as YSZ, ScSZ, or CaSZ, for example. In the present embodiment, Zr is contained in the electrolyte layer 112 in the form of partially stabilized zirconia (ZrO 2 ). The crystal system of partially stabilized zirconia has high oxygen ion conductivity when heat treatment (including heat treatment due to heat generated during operation of the fuel cell stack 100) is performed for a predetermined time or longer, which is lower than the phase transition temperature of partially stabilized zirconia. Phase transition from cubic (cubic) to tetragonal (tetra) with low oxygen ion conductivity. In general, the phase transition temperature of partially stabilized zirconia is higher than the operating temperature of the fuel cell stack 100. For example, according to "Masatomo Yashima", two others, Solid State lonics, (Netherlands), Elsevier BV, 1996, volume 86-88, p. 1131, an 8YSZ solid electrolyte layer The phase transition temperature of the partially stabilized zirconia contained is 1200 (° C.).

各サンプル(サンプル16を除く)における第2還元時間は、第2還元工程において、当該第2還元工程の開始から、部分安定化ジルコニアの相転移ピーク強度比が基準値(本実施形態では1.2)になるまでに要する時間を意味する。なお、相転移ピーク強度比は、例えば、"タロウ シモノソノ(Taro Shimonosono)、外5名、Solid State lonics、(オランダ)、エルゼビア・ベーフェー(Elsevier B.V.)、2012年、volume225、p.69−72"に示されているようにラマン分光法に従って計測した。相転移ピーク強度比は、電解質層112に含まれる部分安定化ジルコニアの結晶系が立方晶(600〜650cm−1)に帰属する強度ピークに対する、部分安定化ジルコニアの結晶系が立方晶から正方晶に相転移した際の強度ピーク(250〜300cm−1)の割合である。したがって、相転移ピーク強度比が大きいほど、結晶系が立方晶から正方晶に相転移した部分安定化ジルコニアの割合が多いことを意味する。 The second reduction time in each sample (excluding sample 16) is the reference value (1. In the present embodiment, the phase transition peak intensity ratio of partially stabilized zirconia from the start of the second reduction step in the second reduction step). 2) It means the time required to become. The phase transition peak intensity ratio is, for example, “Taro Shimonosono”, five others, Solid State lonics, (Netherlands), Elsevier BV, 2012, volume 225, p. 69-72. As measured by Raman spectroscopy. The phase transition peak intensity ratio is such that the crystal system of partially stabilized zirconia contained in the electrolyte layer 112 belongs to cubic crystals (600 to 650 cm −1 ), and the crystal system of partially stabilized zirconia is cubic to tetragonal. It is the ratio of the intensity peak (250-300 cm < -1 >) at the time of phase transition. Therefore, the larger the phase transition peak intensity ratio, the higher the proportion of partially stabilized zirconia in which the crystal system has undergone phase transition from cubic to tetragonal.

サンプル11〜13は、いずれも、燃料室176の雰囲気(還元ガス)の水蒸気濃度が0.0003%以上、かつ、3%未満である第2還元工程を実施して製造されたサンプルである。具体的には、サンプル11は、第1還元工程を実施した後、第2温度が780℃であり運転温度より高く、かつ、雰囲気が水素98%−水蒸気2%である第2還元工程を実施して製造されたサンプルである。サンプル11における第2還元時間は120時間であり、初期電圧は0.838Vであり、IR劣化率は0.980%であった。   Each of Samples 11 to 13 is a sample manufactured by performing the second reduction step in which the water vapor concentration in the atmosphere (reducing gas) of the fuel chamber 176 is 0.0003% or more and less than 3%. Specifically, after the sample 11 has been subjected to the first reduction step, the second temperature is 780 ° C., which is higher than the operating temperature, and the atmosphere is 98% hydrogen—2% water vapor. It is a manufactured sample. The second reduction time in Sample 11 was 120 hours, the initial voltage was 0.838 V, and the IR deterioration rate was 0.980%.

サンプル12は、第1還元工程を実施した後、第2温度が800℃でありサンプル11における第2温度より高く、かつ、雰囲気がサンプル11における雰囲気と同じである第2還元工程を実施して製造されたサンプルである。サンプル12における第2還元時間は56時間でありサンプル11における第2還元時間より短く、初期電圧およびIR劣化率は、サンプル11における初期電圧およびIR劣化率と同じであった。サンプル11とサンプル12との性能評価結果によれば、雰囲気が同じである場合、第2温度を高くすることにより、初期電圧およびIR劣化率を維持しつつ、第2還元時間、すなわち、部分安定化ジルコニアの相転移ピーク強度比が上記基準値になるまでに要する時間(以下、「相転移先取りに要する時間」という)を短くすることができると言える。   Sample 12 is subjected to the first reduction step, and then the second temperature is 800 ° C., which is higher than the second temperature in sample 11, and the atmosphere is the same as the atmosphere in sample 11. It is a manufactured sample. The second reduction time in sample 12 was 56 hours, shorter than the second reduction time in sample 11, and the initial voltage and IR deterioration rate were the same as the initial voltage and IR deterioration rate in sample 11. According to the performance evaluation results of sample 11 and sample 12, when the atmosphere is the same, the second reduction time, that is, the partial stability is maintained while maintaining the initial voltage and the IR deterioration rate by increasing the second temperature. It can be said that the time required for the phase transition peak intensity ratio of zirconia fluoride to reach the above-mentioned reference value (hereinafter referred to as “time required for phase transition prefetching”) can be shortened.

サンプル13は、第1還元工程を実施した後、第2温度がサンプル12における第2温度と同じであり、かつ、雰囲気が水素99.5%−水蒸気0.5%でありサンプル12における雰囲気と異なる第2還元工程を実施して製造されたサンプルである。サンプル13における第2還元時間は、16時間でありサンプル12における第2還元時間より短く、初期電圧およびIR劣化率は、サンプル12における初期電圧およびIR劣化率と同じであった。サンプル12とサンプル13との性能評価結果によれば、第2温度が同じである場合、還元ガスにおける水蒸気濃度を低くすることにより、初期電圧およびIR劣化率を維持しつつ、相転移先取りに要する時間を短くすることができると言える。   After performing the first reduction step, the sample 13 has the same second temperature as the second temperature in the sample 12, and the atmosphere is 99.5% hydrogen-0.5% water vapor. It is the sample manufactured by implementing a different 2nd reduction process. The second reduction time in sample 13 was 16 hours, shorter than the second reduction time in sample 12, and the initial voltage and IR deterioration rate were the same as the initial voltage and IR deterioration rate in sample 12. According to the performance evaluation results of the sample 12 and the sample 13, when the second temperature is the same, it is necessary for the phase transition prefetching while maintaining the initial voltage and the IR deterioration rate by reducing the water vapor concentration in the reducing gas. It can be said that time can be shortened.

サンプル14は、第1還元工程を実施した後、第2温度がサンプル11における第2温度と同じであるが、雰囲気が水素80%−水蒸気20%でありサンプル11〜13における雰囲気と異なる第2還元工程を実施して製造されたサンプルである。サンプル14における第2還元時間は、184時間でありサンプル11〜13における第2還元時間より長いが、初期電圧およびIR劣化率は、サンプル12における初期電圧およびIR劣化率と同じであった。サンプル14とサンプル11〜13との性能評価結果によれば、還元ガスにおける水蒸気濃度が所定濃度より高くなると、初期電圧およびIR劣化率は維持できるものの、相転移先取りに要する時間が極端に長くなると言える。   Sample 14 has a second temperature that is the same as the second temperature in sample 11 after the first reduction step, but the atmosphere is 80% hydrogen—20% water vapor, and is different from the atmosphere in samples 11-13. It is the sample manufactured by implementing a reduction process. The second reduction time in sample 14 was 184 hours, which was longer than the second reduction time in samples 11-13, but the initial voltage and IR deterioration rate were the same as the initial voltage and IR deterioration rate in sample 12. According to the performance evaluation results of the sample 14 and the samples 11 to 13, when the water vapor concentration in the reducing gas is higher than the predetermined concentration, the initial voltage and the IR deterioration rate can be maintained, but the time required for the phase transition preemption becomes extremely long. I can say that.

ここで、図10は、相転移ピーク強度比と還元時間との関係を示す説明図である。図10には、水蒸気濃度が互いに異なる4つの雰囲気(水蒸気濃度が0%、4%、20%、40%)のそれぞれについて、還元時間の経過に伴う部分安定化ジルコニアの相転移ピーク強度比の変化(増加傾向)が示されている。なお、例えば、水蒸気濃度が互いに異なる4つの雰囲気のそれぞれについて、還元時間の経過に伴う部分安定化ジルコニアの相転移ピーク強度比の変化を測定し、その測定結果に基づき、図10の結果を取得することができる。図10の結果によれば、水蒸気濃度が低いほど、相転移先取りに要する時間を短くすることができると言える。なお、この主な要因は、NiOが固溶したYSZの相移転が、還元雰囲気において進行することであると考えられる。   Here, FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the phase transition peak intensity ratio and the reduction time. FIG. 10 shows the phase transition peak intensity ratio of partially stabilized zirconia with the passage of the reduction time for each of four atmospheres having different water vapor concentrations (water vapor concentrations of 0%, 4%, 20%, and 40%). Changes (increase trend) are shown. For example, for each of four atmospheres having different water vapor concentrations, the change in the phase transition peak intensity ratio of partially stabilized zirconia with the passage of the reduction time is measured, and the result of FIG. 10 is obtained based on the measurement result. can do. According to the result of FIG. 10, it can be said that the time required for the phase transition prefetching can be shortened as the water vapor concentration is lower. Note that this main factor is considered to be that the phase transfer of YSZ in which NiO is dissolved dissolves in a reducing atmosphere.

また、図11は、3時間あたりの相転移進行量と水蒸気濃度との関係を示す説明図である。3時間あたりの相転移進行量(以下、単に「相転移進行量」という)は、還元開始時における部分安定化ジルコニアの相転移ピーク強度比と、還元開始から3時間経過時における相転移ピーク強度比との差の絶対値を意味する。図11には、上記4つの雰囲気のそれぞれについて、相転移進行量が示されている。図11の結果によれば、水蒸気濃度が図11の点線に対応する値(約3%)より大きくなると、相転移進行量が極端に少なくなると言える。このように図10および図11の結果によれば、還元ガスの水蒸気濃度が3%未満であれば、還元ガスの水蒸気濃度が3%以上である場合に比べて、相転移先取りに要する時間の長期化を抑制することができる。   Moreover, FIG. 11 is explanatory drawing which shows the relationship between the amount of phase transition progress per 3 hours, and water vapor | steam density | concentration. The amount of phase transition progress per 3 hours (hereinafter simply referred to as “phase transition progress amount”) is the ratio of the phase transition peak intensity of partially stabilized zirconia at the start of reduction and the phase transition peak intensity after 3 hours from the start of reduction. It means the absolute value of the difference from the ratio. FIG. 11 shows the amount of progress of the phase transition for each of the four atmospheres. According to the result of FIG. 11, it can be said that when the water vapor concentration becomes larger than the value corresponding to the dotted line in FIG. Thus, according to the results of FIG. 10 and FIG. 11, if the water vapor concentration of the reducing gas is less than 3%, the time required for the phase transition preemption can be reduced compared to the case where the water vapor concentration of the reducing gas is 3% or more. Prolongation can be suppressed.

サンプル15は、第1還元工程を実施した後、雰囲気はサンプル11,12における雰囲気と同じであるが、第2温度が870℃でありサンプル11〜13における第2温度より高い第2還元工程を実施して製造されたサンプルである。サンプル15における第2還元時間は、4時間でありサンプル11〜13における第2還元時間より短いが、初期電圧は0.813Vでありサンプル11〜13における初期電圧より低く、また、IR劣化率1.011%でありサンプル11〜13におけるIR劣化率より高い。サンプル15とサンプル11〜13との性能評価結果によれば、還元ガスにおける水蒸気濃度は同じでも、第2温度が所定温度より高くなると、初期電圧の低下およびIR劣化率の上昇を招くおそれがあると言える。   Sample 15 has the same atmosphere as Samples 11 and 12 after performing the first reduction process, but the second temperature is 870 ° C. and the second reduction process is higher than the second temperature in Samples 11-13. It is the sample manufactured by carrying out. The second reduction time in sample 15 is 4 hours, which is shorter than the second reduction time in samples 11 to 13, but the initial voltage is 0.813 V, which is lower than the initial voltage in samples 11 to 13, and the IR deterioration rate is 1 011%, which is higher than the IR deterioration rate in Samples 11-13. According to the performance evaluation results of Sample 15 and Samples 11 to 13, even if the water vapor concentration in the reducing gas is the same, if the second temperature is higher than the predetermined temperature, the initial voltage may decrease and the IR deterioration rate may increase. It can be said.

ここで、反応ガスに含まれる汚染物質(例えば、シリカ、クロム、硫黄、ホウ素等)が空気極114や燃料極116を構成する粒子の表面に付着して反応場が減少する現象(空気極114または燃料極116の被毒)が発生し、燃料電池スタック100の性能が低下するおそれがある。図12は、ホウ素の被毒量と温度との関係を示す説明図である。図12によれば、燃料電池スタック100の温度が図12中の点線に対応する温度(約820℃)を超えると、ホウ素の被毒量が極端に増えることが分かる。図13は、燃料電池スタック100の劣化率とホウ素の被毒量との関係を示す説明図である。燃料電池スタック100の劣化率は、燃料電池スタック100について、初期から1000時間の定格発電運転を行ったときの出力電圧を試験後電圧とした場合、上記初期電圧に対する試験後電圧の割合である。燃料電池スタック100の劣化率が低いほど、燃料電池スタック100の劣化が進行していることを意味する。図13によれば、ホウ素の被毒量が20ppmを超えると、燃料電池スタック100の劣化率が大きく低下していくことが分かる。図12および図13によれば、燃料電池スタック100の温度が820℃を超えると、ホウ素の被毒量が20ppmを超え、それに伴って、燃料電池スタック100の劣化の進行度合いが大きくなると言える。したがって、第2還元工程における第2温度は、運転温度以上であり、かつ、820℃以下であることが好ましい。   Here, a phenomenon in which a pollutant (for example, silica, chromium, sulfur, boron, or the like) contained in the reaction gas adheres to the surfaces of particles constituting the air electrode 114 or the fuel electrode 116 and the reaction field decreases (the air electrode 114). Or, poisoning of the fuel electrode 116 may occur, and the performance of the fuel cell stack 100 may be deteriorated. FIG. 12 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of boron poisoning and the temperature. As can be seen from FIG. 12, when the temperature of the fuel cell stack 100 exceeds the temperature corresponding to the dotted line in FIG. 12 (about 820 ° C.), the poisoning amount of boron increases extremely. FIG. 13 is an explanatory diagram showing the relationship between the deterioration rate of the fuel cell stack 100 and the amount of boron poisoning. The deterioration rate of the fuel cell stack 100 is the ratio of the post-test voltage to the initial voltage when the output voltage when the fuel cell stack 100 is subjected to the rated power generation operation for 1000 hours from the initial stage is the post-test voltage. A lower deterioration rate of the fuel cell stack 100 means that the deterioration of the fuel cell stack 100 is progressing. As can be seen from FIG. 13, when the poisoning amount of boron exceeds 20 ppm, the deterioration rate of the fuel cell stack 100 greatly decreases. According to FIGS. 12 and 13, it can be said that when the temperature of the fuel cell stack 100 exceeds 820 ° C., the poisoning amount of boron exceeds 20 ppm, and accordingly, the progress of deterioration of the fuel cell stack 100 increases. Therefore, the second temperature in the second reduction step is preferably not less than the operating temperature and not more than 820 ° C.

サンプル16は、第1還元工程を実施した後、第2温度が700℃でありサンプル11〜13における第2温度より低く、雰囲気が水素80%−水蒸気20%でありサンプル11〜13における雰囲気と異なる第2還元工程を実施して製造されたサンプルである。また、サンプル16における第2還元時間は、3時間であり、部分安定化ジルコニアの相転移ピーク強度比が基準値になる前の時間である。サンプル16における初期電圧は0.840Vでありサンプル11〜13における初期電圧より高いが、IR劣化率は1.243%でありサンプル11〜15におけるIR劣化率より高い。サンプル16とサンプル11〜13との性能評価結果によれば、第2温度が所定温度より低く、水蒸気濃度が所定濃度より高く、第2還元時間が短いと、燃料電池スタック100の運転開始前に、部分安定化ジルコニアの結晶系を立方晶から正方晶に相転移させること(相転移の先取り)を十分に行うことができず、その結果、運転時における性能の変動が抑制された燃料電池スタック100を製造することができなくなる。   After the first reduction step, the sample 16 has a second temperature of 700 ° C., which is lower than the second temperature in the samples 11 to 13, the atmosphere is 80% hydrogen—20% water vapor, and the atmosphere in the samples 11 to 13 It is the sample manufactured by implementing a different 2nd reduction process. The second reduction time in sample 16 is 3 hours, and is the time before the phase transition peak intensity ratio of partially stabilized zirconia reaches the reference value. The initial voltage in sample 16 is 0.840 V, which is higher than the initial voltage in samples 11-13, but the IR deterioration rate is 1.243%, which is higher than the IR deterioration rate in samples 11-15. According to the performance evaluation results of the sample 16 and the samples 11 to 13, if the second temperature is lower than the predetermined temperature, the water vapor concentration is higher than the predetermined concentration, and the second reduction time is short, before the fuel cell stack 100 starts operating. , Fuel cell stack that could not fully perform the phase transition from cubic to tetragonal crystal system (preemption of phase transition), and as a result, the fluctuation of performance during operation was suppressed 100 cannot be manufactured.

サンプル17は、第1還元工程を実施した後、第2温度はサンプル11における第2温度と同じであるが、雰囲気が水素100%でありサンプル11〜13における雰囲気と異なる第2還元工程を実施して製造されたサンプルである。サンプル17における第2還元時間は、27時間でありサンプル11,12における第2還元時間より短いが、初期電圧およびIR劣化率を測定することができなかった。この原因は、還元ガスにおける水蒸気濃度が極めて低いと、燃料極116に含有されるNiOがNiに還元されることによって燃料極116が収縮する、いわゆる還元収縮が急速に起こることに起因して、例えば燃料電池スタック100の単セル110が損傷したことが想定される。   For sample 17, after the first reduction step, the second temperature is the same as the second temperature in sample 11, but the atmosphere is 100% hydrogen and the second reduction step is different from the atmosphere in samples 11-13. It is a manufactured sample. The second reduction time in sample 17 was 27 hours, which was shorter than the second reduction time in samples 11 and 12, but the initial voltage and IR deterioration rate could not be measured. This is because when the water vapor concentration in the reducing gas is extremely low, NiO contained in the fuel electrode 116 is reduced to Ni, so that the fuel electrode 116 contracts, so-called reduction contraction occurs rapidly. For example, it is assumed that the single cell 110 of the fuel cell stack 100 is damaged.

A−6.本実施形態の効果:
本実施形態の燃料電池スタック100の製造方法では、第1還元工程において燃料極116を、燃料電池スタック100の運転温度より低い温度で還元することにより、Ni粒子のサイズを小さくすることができる。Ni粒子のサイズが小さいことは、Niの比表面積が大きいことを意味し、Niの比表面積が大きいほど、第2還元工程においてNiが凝集し易くなる。これにより、運転前において、第1還元工程を実施せずに、燃料極を、運転温度より高い温度で還元する場合に比べて、燃料極116におけるNiの凝集を促進させることができる。従って、運転中において、Niの凝集の進行に起因して燃料電池スタック100の特性が変化することを抑制(IR劣化率を抑制)することができる。
A-6. Effects of this embodiment:
In the method for manufacturing the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the size of the Ni particles can be reduced by reducing the fuel electrode 116 at a temperature lower than the operating temperature of the fuel cell stack 100 in the first reduction step. The small size of the Ni particles means that the specific surface area of Ni is large. The larger the specific surface area of Ni, the more easily Ni is aggregated in the second reduction step. Thereby, aggregation of Ni in the fuel electrode 116 can be promoted as compared with a case where the fuel electrode is reduced at a temperature higher than the operation temperature without performing the first reduction step before the operation. Accordingly, it is possible to suppress the change in the characteristics of the fuel cell stack 100 due to the progress of the aggregation of Ni during operation (suppress the IR deterioration rate).

また、第2還元工程において、還元ガスの露点が−12℃以下であるという、極めて水分が少ないドライ雰囲気の条件下で燃料極116を還元することによって、燃料極116におけるNiの凝集が、さらに促進されるため、運転中において、Niの凝集の進行に起因して燃料電池スタック100の発電特性が変化することを、より効果的に抑制することができる。   Further, in the second reduction step, by reducing the fuel electrode 116 under a dry atmosphere condition where the dew point of the reducing gas is −12 ° C. or less, the aggregation of Ni in the fuel electrode 116 is further increased. Therefore, it is possible to more effectively suppress the change in the power generation characteristics of the fuel cell stack 100 due to the progress of Ni aggregation during operation.

本実施形態の燃料電池スタック100の製造方法によれば、還元ガスの水蒸気濃度が0.0003%以上であるため、還元ガスの水蒸気濃度が0.0003%未満である場合に比べて、還元工程における燃料極の還元収縮を抑制することができる。また、還元ガスの水蒸気濃度が3%未満であるため、還元ガスの水蒸気濃度が3%以上である場合に比べて、部分安定化ジルコニアの結晶系を立方晶から正方晶に相転移させるのに要する時間の長期化を抑制することができる。これにより、運転時における性能の変動が抑制された電気化学反応セルスタックを製造することができる。   According to the manufacturing method of the fuel cell stack 100 of the present embodiment, since the water vapor concentration of the reducing gas is 0.0003% or more, the reducing step is compared with the case where the water vapor concentration of the reducing gas is less than 0.0003%. The reduction contraction of the fuel electrode can be suppressed. Further, since the water vapor concentration of the reducing gas is less than 3%, the partially stabilized zirconia crystal system is phase-transformed from cubic to tetragonal as compared with the case where the water vapor concentration of the reducing gas is 3% or more. Prolonged time required can be suppressed. Thereby, an electrochemical reaction cell stack in which fluctuations in performance during operation are suppressed can be manufactured.

B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

上記実施形態では、電気化学反応単セルとして、部分安定化ジルコニアを含む電解質層112を備える単セル110を例示したが、電気化学反応単セルは、これに限定されず、部分安定化ジルコニアを含む燃料極を備える単セルでもよい。具体的には、燃料極は、YSZ、ScSZ、CaSZ等の固体酸化物により形成されていてもよい。また、電解質層112および燃料極116のいずれも、部分安定化ジルコニアを含有しないとしてもよい。   In the said embodiment, although the single cell 110 provided with the electrolyte layer 112 containing a partially stabilized zirconia was illustrated as an electrochemical reaction single cell, an electrochemical reaction single cell is not limited to this, A partially stabilized zirconia is included. A single cell having a fuel electrode may be used. Specifically, the fuel electrode may be formed of a solid oxide such as YSZ, ScSZ, or CaSZ. Further, neither the electrolyte layer 112 nor the fuel electrode 116 may contain partially stabilized zirconia.

電気化学反応セルスタックの製造方法は、第1還元工程および第2還元工程以外に、他の還元工程を備えるとしてもよい。例えば第1還元工程と第2還元工程との間に、還元温度が第1温度と第2温度との間の温度である還元工程を備えているとしてもよい。   The manufacturing method of the electrochemical reaction cell stack may include another reduction step in addition to the first reduction step and the second reduction step. For example, a reduction process in which the reduction temperature is a temperature between the first temperature and the second temperature may be provided between the first reduction process and the second reduction process.

上記実施形態において、第2還元工程では、還元ガスの露点が−12℃より高い条件下で燃料極116を還元するとしてもよい。また、第2還元工程において、第1還元工程において還元された単セル110に含まれる燃料極116を、還元ガスの水蒸気濃度が0.0003%未満、あるいは、3%以上である条件下で還元するとしてもよい。   In the above embodiment, in the second reduction step, the fuel electrode 116 may be reduced under a condition where the dew point of the reducing gas is higher than −12 ° C. Further, in the second reduction step, the fuel electrode 116 contained in the single cell 110 reduced in the first reduction step is reduced under the condition that the water vapor concentration of the reducing gas is less than 0.0003% or 3% or more. You may do that.

また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102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 power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of power generation units 102 is appropriately determined according to the output voltage required for the fuel cell stack 100 or the like.

また、上記実施形態では、ボルト22の両側にナット24が嵌められているとしているが、ボルト22が頭部を有し、ナット24はボルト22の頭部の反対側にのみ嵌められているとしてもよい。   In the above embodiment, the nuts 24 are fitted on both sides of the bolt 22, but the bolt 22 has a head, and the nut 24 is fitted only on the opposite side of the head of the bolt 22. Also good.

また、上記実施形態では、エンドプレート104,106が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート104,106の代わりに、エンドプレート104,106のそれぞれと接続された別部材(例えば、エンドプレート104,106のそれぞれと発電単位102との間に配置された導電板)が出力端子として機能するとしてもよい。   In the above embodiment, the end plates 104 and 106 function as output terminals. However, instead of the end plates 104 and 106, separate members (for example, the end plate 104) connected to the end plates 104 and 106, respectively. , 106 and the power generation unit 102) may function as output terminals.

また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト22が挿入される各連通孔108とは別に設けてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the space between the outer peripheral surface of the axial part of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communicating hole 108 is utilized as each manifold, it replaces with this and the axis | shaft of each bolt 22 is used. An axial hole may be formed in the part, and the hole may be used as each manifold. Further, each manifold may be provided separately from each communication hole 108 into which each bolt 22 is inserted.

また、上記実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合には、1つのインターコネクタ150が隣接する2つの発電単位102に共有されるとしているが、このような場合でも、2つの発電単位102がそれぞれのインターコネクタ150を備えてもよい。また、上記実施形態では、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の上側のインターコネクタ150や、最も下に位置する発電単位102の下側のインターコネクタ150は省略されているが、これらのインターコネクタ150を省略せずに設けてもよい。   In the above 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. Two power generation units 102 may be provided with respective interconnectors 150. In the above embodiment, the upper interconnector 150 of the uppermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 and the lower interconnector 150 of the lowermost power generation unit 102 are omitted. These interconnectors 150 may be provided without being omitted.

また、上記実施形態において、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。   Further, in the above embodiment, the fuel electrode side current collector 144 may have the same configuration as the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode side current collector 144 and the adjacent interconnector 150 are an integral member. It may be. Further, the fuel electrode side frame 140 instead of the air electrode side frame 130 may be an insulator. The air electrode side frame 130 and the fuel electrode side frame 140 may have a multilayer structure.

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。   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.

また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスFGを得るとしているが、LPガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスFGを得るとしてもよいし、燃料ガスFGとして純水素を利用してもよい。   In the above embodiment, the city gas is reformed to obtain the hydrogen-rich fuel gas FG, but the fuel gas FG may be obtained from other raw materials such as LP gas, kerosene, methanol, gasoline, Pure hydrogen may be used as the fuel gas FG.

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た構成であっても、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, even in a configuration in which another layer is provided between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114, 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(または変形例、以下同様)では、燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102について、上記製造方法により製造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つの発電単位102について、そのような構成となっていれば、運転中において、Niの凝集の進行に起因して燃料電池スタック100の特性が変化することを抑制するという効果を奏する。   In the above-described embodiment (or a modified example, the same applies hereinafter), all the power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are configured to be manufactured by the above-described manufacturing method, but are included in the fuel cell stack 100. With such a configuration for at least one power generation unit 102, there is an effect of suppressing changes in the characteristics of the fuel cell stack 100 due to the progress of Ni aggregation during operation.

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の電解セル(SOEC)の最小単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位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2016−81813号公報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単位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、運転中において、Niの凝集の進行に起因して燃料電池スタック100の特性が変化することを抑制するという構成を採用すれば、運転中において、Niの凝集の進行に起因して燃料電池スタック100の特性が変化することを抑制するという効果を奏する。   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 unit that 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 cell units. The configuration of the electrolysis cell stack is well known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-81813, and therefore will not be described in detail here, but is roughly the same as the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. It is the composition. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, and the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit. 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 unit and electrolysis cell stack having such a configuration, the configuration of suppressing the change in the characteristics of the fuel cell stack 100 due to the progress of the aggregation of Ni during operation, as in the above embodiment. Is employed, it is possible to suppress the change in the characteristics of the fuel cell stack 100 due to the progress of the aggregation of Ni during operation.

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 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 250:厚さ 350:活性層 360:基板層 FG:燃料ガス FMG:燃料中間ガス FOG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス 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, 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 121: Hole 124: Joint part 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector Body 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 part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidizing agent 162: Oxidant gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 250: Thickness 350: Active layer 360: Substrate layer FG: Fuel gas FMG: Fuel intermediate Gas FOG: Fuel off gas OG: Oxidant gas OOG: Oxidant off gas

Claims (6)

固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層の一方の面側に配置された空気極と、前記電解質層の他方の面側に配置され、Ni(ニッケル)および酸素イオン伝導性物質を含有する燃料極とを含む電気化学反応単セルを複数備える電気化学反応セルスタックの製造方法であって、
少なくとも1つの第1還元工程および第2還元工程前の前記電気化学反応単セルに含まれる前記燃料極を、前記電気化学反応セルスタックの運転温度より低い温度で還元する前記第1還元工程と、
前記第1還元工程において還元された前記燃料極を、前記運転温度より高い温度で還元する前記第2還元工程と、を備えることを特徴とする、電気化学反応セルスタックの製造方法。
An electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode disposed on one surface side of the electrolyte layer, disposed on the other surface side of the electrolyte layer, and containing Ni (nickel) and an oxygen ion conductive material A method of manufacturing an electrochemical reaction cell stack including a plurality of electrochemical reaction single cells including a fuel electrode,
The first reduction step of reducing the fuel electrode contained in the electrochemical reaction unit cell before at least one of the first reduction step and the second reduction step at a temperature lower than the operating temperature of the electrochemical reaction cell stack;
A method for producing an electrochemical reaction cell stack, comprising: the second reduction step of reducing the fuel electrode reduced in the first reduction step at a temperature higher than the operating temperature.
請求項1に記載の電気化学反応セルスタックの製造方法において、
前記第2還元工程では、還元ガスの露点が−12℃以下である条件下で前記燃料極を還元することを特徴とする、電気化学反応セルスタックの製造方法。
In the manufacturing method of the electrochemical reaction cell stack according to claim 1,
In the second reduction step, the fuel electrode is reduced under a condition that the dew point of the reducing gas is -12 ° C. or lower.
請求項1または請求項2に記載の電気化学反応セルスタックの製造方法において、
前記電解質層および前記燃料極の少なくとも一方は、Zr(ジルコニウム)を含有し、
前記第2還元工程において、前記第1還元工程において還元された前記燃料極を、還元ガスの水蒸気濃度が0.0003%以上、かつ、3%未満である条件下で還元することを特徴とする、電気化学反応セルスタックの製造方法。
In the manufacturing method of the electrochemical reaction cell stack according to claim 1 or claim 2,
At least one of the electrolyte layer and the fuel electrode contains Zr (zirconium),
In the second reduction step, the fuel electrode reduced in the first reduction step is reduced under a condition that the water vapor concentration of the reducing gas is 0.0003% or more and less than 3%. The manufacturing method of an electrochemical reaction cell stack.
固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層の一方の面側に配置された空気極と、前記電解質層の他方の面側に配置され、Ni(ニッケル)および酸素イオン伝導性物質を含有する燃料極とを含む電気化学反応単セルを複数備える電気化学反応セルスタックであって、
少なくとも1つの前記電気化学反応単セルに含まれる前記燃料極の任意の断面について、
単位面積当たりの前記Niの粒子数を、単位面積当たりの前記酸素イオン伝導性物質の粒子数で除算したNi分散指数が0.56以上、かつ、0.84以下であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
An electrolyte layer containing a solid oxide, an air electrode disposed on one surface side of the electrolyte layer, disposed on the other surface side of the electrolyte layer, and containing Ni (nickel) and an oxygen ion conductive material An electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells including a fuel electrode,
For any cross section of the fuel electrode contained in at least one electrochemical reaction unit cell,
The Ni dispersion index obtained by dividing the number of particles of Ni per unit area by the number of particles of the oxygen ion conductive material per unit area is 0.56 or more and 0.84 or less, Electrochemical reaction cell stack.
請求項4に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記Ni分散指数が0.58以上、かつ、0.84以下であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
The electrochemical reaction cell stack according to claim 4,
The electrochemical reaction cell stack, wherein the Ni dispersion index is 0.58 or more and 0.84 or less.
請求項4または請求項5に記載の電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
The electrochemical reaction cell stack according to claim 4 or 5,
The electrochemical reaction cell stack, wherein the plurality of electrochemical reaction single cells are fuel cell single cells.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2020128324A (en) * 2019-02-08 2020-08-27 森村Sofcテクノロジー株式会社 Ceramic green sheet, method for producing ceramic sintered body, and method for producing electrochemical reaction single cell

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