JP2018037330A - Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical reaction single cell arranged so as to be able to suppress the degradation of a performance accompanying an operation while suppressing the worsening of an initial performance of the electrochemical reaction single cell.SOLUTION: An electrochemical reaction single cell 110 comprises: an electrolyte layer 112 including a solid oxide; and an air electrode and a fuel electrode 116 which are opposed to each other with an electrolyte layer located therebetween. In the electrochemical reaction single cell 110, the fuel electrode has a functional layer 350 including Ni, and an oxide ion-conducting ceramic. In the functional layer, a Ni content Cf2 (wt.%) in a region on one side of a direction of a flow of gas supplied to a fuel electrode side is lower than a Ni content Cf1 (wt.%) in a region on the other side of the gas flow direction.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。   The technology disclosed by the present specification relates to an electrochemical reaction unit cell.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの構成単位である燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)は、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。空気極は、例えば、ペロブスカイト型酸化物を含む。また、燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス(例えば、イットリア安定化ジルコニア(以下、「YSZ」という))とを含有する機能層を有する(例えば、特許文献1参照)。   A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) is known as one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell single cell (hereinafter simply referred to as “single cell”), which is a constituent unit of SOFC, includes an electrolyte layer containing a solid oxide and a predetermined direction (hereinafter referred to as “first direction”) across the electrolyte layer. Includes an air electrode and a fuel electrode facing each other. The air electrode includes, for example, a perovskite oxide. The fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics (for example, yttria stabilized zirconia (hereinafter referred to as “YSZ”)) (for example, see Patent Document 1).

特開2015−84281号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-84281

一般に、SOFCの運転時には、燃料極の機能層の内、燃料極側に供給されるガス(水素を含むガス)の上記第1の方向に直交する流れ方向の下流側の領域において、水蒸気分圧(燃料ガス中の水蒸気の割合)が高くなる。これは、単セルにおける反応により燃料極側で発生する水(水蒸気)が、ガス流れによって上記下流側の領域に運ばれるからである。燃料極の機能層のある領域において水蒸気分圧が高くなると、機能層の該領域に含まれるNiの微構造変化(凝集)が促進される。機能層に含まれるNiの微構造変化は、三相界面の減少を引き起こし、単セルの性能劣化の原因となる。従来の単セルの構成では、このような運転に伴う性能劣化が発生しやすいという課題がある。   In general, during the operation of SOFC, the partial pressure of water vapor in the downstream region of the flow direction orthogonal to the first direction of the gas (gas containing hydrogen) supplied to the fuel electrode side in the functional layer of the fuel electrode (Proportion of water vapor in fuel gas) increases. This is because water (water vapor) generated on the fuel electrode side by the reaction in the single cell is carried to the downstream region by the gas flow. When the partial pressure of water vapor increases in a certain region of the functional layer of the fuel electrode, the microstructural change (aggregation) of Ni contained in the region of the functional layer is promoted. The change in the microstructure of Ni contained in the functional layer causes a decrease in the three-phase interface and causes a deterioration in the performance of the single cell. In the configuration of the conventional single cell, there is a problem that the performance deterioration due to such operation is likely to occur.

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)の構成単位である電解単セルにも共通の課題である。SOECの運転時には、燃料極側に供給されるガスとしての水蒸気が、ガス流れ方向に進みつつ単セルにおける反応に供されるため、燃料極の機能層の内、ガス流れ方向の上流側の領域において水蒸気分圧が高くなる。そのため、SOECにおいても、SOFCと同様に、機能層における特定の領域において水蒸気分圧が高くなることによって機能層に含まれるNiの微構造変化が促進され、単セルの性能劣化が発生しやすいという課題がある。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて、電気化学反応単セルと呼ぶ。  Such a problem is also common to electrolytic single cells that are constituent units of solid oxide electrolytic cells (hereinafter referred to as “SOEC”) that generate hydrogen using an electrolysis reaction of water. It is. During the operation of the SOEC, water vapor as gas supplied to the fuel electrode side is used for the reaction in the single cell while proceeding in the gas flow direction, so the region upstream of the gas flow direction in the functional layer of the fuel electrode The water vapor partial pressure increases. Therefore, in SOEC, as in SOFC, the partial pressure change of Ni contained in the functional layer is promoted by increasing the water vapor partial pressure in a specific region in the functional layer, and the performance deterioration of the single cell is likely to occur. There are challenges. In the present specification, the fuel cell unit cell and the electrolysis unit cell are collectively referred to as an electrochemical reaction unit cell.

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。   In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。   The technology disclosed in the present specification can be realized as, for example, the following forms.

(1)本明細書に開示される電気化学反応単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、備える電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の一方の側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の他方の側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する。本電気化学反応単セルによれば、機能層における燃料極側に供給されるガスの流れ方向の一方の側の領域におけるNi含有率Cf2(wt%)がガス流れ方向の他方の側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低くされているため、この領域が運転中に水蒸気分圧が高くなりやすい側の領域になるように構成することにより、水蒸気分圧の上昇に伴うNiの微構造変化の発生量を低減することができ、電気化学反応単セルの性能劣化を抑制することができる。また、本電気化学反応単セルによれば、機能層における燃料極側に供給されるガスの流れ方向の他方の側の領域におけるNi含有率Cf2(wt%)が比較的高くされているため、この領域が水蒸気分圧が高くなりにくい側の領域になるように構成することにより、機能層全体としてのNiの含有率をある程度確保することができ、電気化学反応単セルの初期性能低下を抑制することができる。従って、本電気化学反応単セルによれば、初期性能の低下を抑制しつつ、運転に伴う性能劣化を抑制することができる。 (1) An electrochemical reaction unit cell disclosed in the present specification includes an electrolyte layer including a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer. In the reaction unit cell, the fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics, and the functional layer is orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side. The Ni content Cf2 (wt%) in the region on one side in the gas flow direction is lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the region on the other side in the gas flow direction. According to the present electrochemical reaction single cell, the Ni content Cf2 (wt%) in the region on one side in the flow direction of the gas supplied to the fuel electrode side in the functional layer is equal to the region in the other side in the gas flow direction. Since the Ni content is lower than Cf1 (wt%), by configuring this region to be a region on the side where the water vapor partial pressure tends to be high during operation, the fineness of Ni accompanying an increase in the water vapor partial pressure is obtained. The amount of structural changes can be reduced, and performance degradation of the electrochemical reaction single cell can be suppressed. Moreover, according to the present electrochemical reaction single cell, the Ni content Cf2 (wt%) in the region on the other side in the flow direction of the gas supplied to the fuel electrode side in the functional layer is relatively high. By configuring this region to be a region on the side where the water vapor partial pressure is unlikely to be high, it is possible to secure a certain amount of Ni content in the entire functional layer, and suppress deterioration in the initial performance of the electrochemical reaction single cell. can do. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to suppress deterioration in performance due to operation while suppressing a decrease in initial performance.

(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記機能層における前記一方の側の領域のNi含有率Cf2に対する前記他方の側の領域のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.851以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、機能層全体としてのNiの含有率を一定以上確保することができ、初期性能の低下を効果的に抑制しつつ、運転に伴う性能劣化を抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction unit cell, a ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 of the other region to the Ni content Cf2 of the one region of the functional layer is greater than 1. , 1.851 or less. According to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to ensure a certain level or more of the Ni content as a whole of the functional layer, and to effectively suppress the deterioration of the initial performance, and to suppress the performance deterioration accompanying the operation. it can.

(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記燃料極は、さらに、前記機能層の前記電解質層とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層を有し、前記基板層において、前記ガス流れ方向の前記一方の側の領域のNi含有率Cb2(wt%)は、前記ガス流れ方向の前記他方の側の領域のNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、水蒸気分圧が機能層に比べ高くなりにくい基板層において、ガス流れ方向の上記一方の側の領域のNi含有率を高くすることにより、Niの微構造変化による性能劣化を抑制しつつ、燃料極の上記一方側の領域におけるNi含有率と、燃料極の上記他方側の領域におけるNi含有率との差を小さくすることができ、電流集中を原因とする電気化学反応単セルの破損を抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the fuel electrode further includes a substrate layer disposed on the opposite side of the functional layer from the electrolyte layer and containing Ni and oxide ion conductive ceramics. In the substrate layer, the Ni content Cb2 (wt%) of the one side region in the gas flow direction is higher than the Ni content Cb1 (wt%) of the other side region in the gas flow direction. It is good also as a structure characterized by this. According to this electrochemical reaction single cell, in the substrate layer in which the water vapor partial pressure is less likely to be higher than that of the functional layer, by increasing the Ni content in the region on the one side in the gas flow direction, the microstructure change of Ni While suppressing the performance deterioration due to the above, it is possible to reduce the difference between the Ni content in the one region of the fuel electrode and the Ni content in the other region of the fuel electrode, which causes current concentration. Damage to the electrochemical reaction single cell can be suppressed.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル(燃料電池単セルまたは電解単セル)、複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。   The technology disclosed in this specification can be realized in various forms. For example, an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic single cell), a plurality of electrochemical reaction single cells It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a manufacturing method thereof, and the like.

本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in the present embodiment. 図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the fuel cell stack 100 in the position of II-II of FIG. 図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position of III-III in FIG. 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. 図4および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows XY cross-section structure of the electric power generation unit 102 in the position of VI-VI of FIG. 4 and FIG. 図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of a power generation unit at a position VII-VII in FIGS. 4 and 5. 燃料極116の詳細構成を模式的に示すYZ断面図である。2 is a YZ sectional view schematically showing a detailed configuration of a fuel electrode 116. FIG. 性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a performance evaluation result.

A.実施形態:
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Device configuration:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in the present embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position of III-III in FIG. In each figure, XYZ axes orthogonal to each other for specifying the direction are shown. In this specification, for the sake of convenience, the positive direction of the Z axis is referred to as the upward direction, and the negative direction of the Z axis is referred to as the downward direction. However, the fuel cell stack 100 is actually different from such an orientation. It may be installed. The same applies to FIG.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、単に「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。   The fuel cell stack 100 includes a plurality (seven in this embodiment) of fuel cell power generation units (hereinafter simply referred to as “power generation units”) 102 and a pair of end plates 104 and 106. The seven power generation units 102 are arranged side by side in a predetermined arrangement direction (vertical direction in the present embodiment). The pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an assembly composed of seven power generation units 102 from above and below. The arrangement direction (vertical direction) corresponds to the first direction in the claims.

燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。   A plurality of (eight in the present embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z direction of each layer (power generation unit 102, end plates 104, 106) constituting the fuel cell stack 100. The holes formed in each layer and corresponding to each other communicate with each other in the vertical direction to form a communication hole 108 extending in the vertical direction from one end plate 104 to the other end plate 106. In the following description, the holes formed in each layer of the fuel cell stack 100 to form the communication holes 108 may also be referred to as communication holes 108.

各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。   Bolts 22 extending in the vertical direction are inserted into the communication holes 108, and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolts 22 and nuts 24 fitted on both sides of the bolts 22. 2 and 3, between the nut 24 fitted on one side (upper side) of the bolt 22 and the upper surface of the end plate 104 constituting the upper end of the fuel cell stack 100, and the bolt An insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted on the other side (lower side) of 22 and the lower surface of the end plate 106 constituting the lower end of the fuel cell stack 100. However, in a place where a gas passage member 27 described later is provided, an insulating sheet disposed between the nut 24 and the surface of the end plate 106 on the upper and lower sides of the gas passage member 27 and the gas passage member 27, respectively. 26 is interposed. The insulating sheet 26 is made of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic powder sheet, a glass sheet, a glass ceramic composite agent, or the like.

各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。   The outer diameter of the shaft portion of each bolt 22 is smaller than the inner diameter of each communication hole 108. Therefore, a space is secured between the outer peripheral surface of the shaft portion of each bolt 22 and the inner peripheral surface of each communication hole 108. As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 100 is located near the midpoint of one side (the X-axis positive direction side of two sides parallel to the Y-axis) on the outer periphery around the Z-direction. The space formed by the bolt 22 (bolt 22A) and the communication hole 108 through which the bolt 22A is inserted is introduced with the oxidant gas OG from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is generated by each power generation. It functions as an oxidant gas introduction manifold 161 that is a gas flow path to be supplied to the unit 102, and is the midpoint of the side opposite to the side (X-axis negative direction side of two sides parallel to the Y-axis) The space formed by the bolts 22 (bolts 22B) located in the vicinity and the communication holes 108 through which the bolts 22B are inserted contains the oxidant off-gas OOG that is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. Burning Functions as the oxidizing gas discharging manifold 162 for discharging to the outside of the cell stack 100. In the present embodiment, for example, air is used as the oxidant gas OG.

また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。   Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the Y axis positive direction side of two sides parallel to the X axis) on the outer periphery of the fuel cell stack 100 around the Z direction The space formed by the bolt 22 (bolt 22D) positioned at the position and the communication hole 108 through which the bolt 22D is inserted is introduced with the fuel gas FG from the outside of the fuel cell stack 100, and the fuel gas FG is generated by each power generation. Bolt 22 that functions as a fuel gas introduction manifold 171 to be supplied to the unit 102 and is located in the vicinity of the midpoint of the opposite side (the side on the Y axis negative direction side of the two sides parallel to the X axis). The space formed by the (bolt 22E) and the communication hole 108 through which the bolt 22E is inserted is a fuel cell stack 1 that uses the fuel off-gas FOG that is a gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 as the fuel cell stack 1 Functions as a fuel gas exhaust manifold 172 for discharging to the outside of the 0. In the present embodiment, as the fuel gas FG, for example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used.

燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。   The fuel cell stack 100 is provided with four gas passage members 27. Each gas passage member 27 has a hollow cylindrical main body portion 28 and a hollow cylindrical branch portion 29 branched from the side surface of the main body portion 28. The hole of the branch part 29 communicates with the hole of the main body part 28. A gas pipe (not shown) is connected to the branch portion 29 of each gas passage member 27. Further, as shown in FIG. 2, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> A forming the oxidant gas introduction manifold 161 communicates with the oxidant gas introduction manifold 161. The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> B that forms the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162. Further, as shown in FIG. 3, the hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas introduction manifold 171 communicates with the fuel gas introduction manifold 171 and the fuel gas The hole of the main body portion 28 of the gas passage member 27 disposed at the position of the bolt 22 </ b> E forming the discharge manifold 172 communicates with the fuel gas discharge manifold 172.

(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of end plates 104 and 106)
The pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular flat plate-shaped conductive members, and are formed of, for example, stainless steel. One end plate 104 is disposed on the upper side of the power generation unit 102 located on the uppermost side, and the other end plate 106 is disposed on the lower side of the power generation unit 102 located on the lowermost side. A plurality of power generation units 102 are held in a pressed state by a pair of end plates 104 and 106. The upper end plate 104 functions as a positive output terminal of the fuel cell stack 100, and the lower end plate 106 functions as a negative output terminal of the fuel cell stack 100.

(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。また、図6は、図4および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY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. 6 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position VI-VI in FIGS. 4 and 5, and FIG. 7 is a power generation unit at the position VII-VII in FIGS. 4 and 5. It is explanatory drawing which shows XY cross-section structure of 102. FIG.

図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。   As shown in FIGS. 4 and 5, the power generation unit 102 includes a single cell 110, a separator 120, an air electrode side frame 130, an air electrode side current collector 134, a fuel electrode side frame 140, and a fuel electrode side. A current collector 144 and a pair of interconnectors 150 constituting the uppermost layer and the lowermost layer of the power generation unit 102 are provided. The separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the periphery of the interconnector 150 around the Z direction are formed with holes corresponding to the communication holes 108 through which the bolts 22 are inserted.

インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。   The interconnector 150 is a substantially rectangular flat plate-shaped conductive member, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generation units 102 and prevents reaction gas from being mixed between the power generation units 102. In the present embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacent to each other, one interconnector 150 is shared by two adjacent power generation units 102. That is, the upper interconnector 150 in a power generation unit 102 is the same member as the lower interconnector 150 in another power generation unit 102 adjacent to the upper side of the power generation unit 102. Further, since the fuel cell stack 100 includes the pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150 and is located at the bottom. The power generation unit 102 does not include the lower interconnector 150 (see FIGS. 2 and 3).

単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。   The unit cell 110 includes an electrolyte layer 112, and an air electrode (cathode) 114 and a fuel electrode (anode) 116 that face each other in the vertical direction (the arrangement direction in which the power generation units 102 are arranged) with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. The single cell 110 of the present embodiment is a fuel electrode-supported single cell that supports the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 with the fuel electrode 116.

電解質層112は、Z方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、Z方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、Z方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。燃料極116の構成については、後に詳述する。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。   The electrolyte layer 112 is a substantially rectangular flat plate member as viewed in the Z direction, and is a dense layer. The electrolyte layer 112 is formed of a solid oxide such as YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (samarium doped ceria), GDC (gadolinium doped ceria), perovskite oxide, and the like. Yes. The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 when viewed in the Z direction, and is a porous layer. The air electrode 114 is made of, for example, a perovskite oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)). The fuel electrode 116 is a substantially rectangular flat plate member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 when viewed in the Z direction, and is a porous layer. The fuel electrode 116 is formed of, for example, a cermet made of Ni and oxide ion conductive ceramic particles (for example, YSZ). The configuration of the fuel electrode 116 will be described in detail later. Thus, the single cell 110 (power generation unit 102) of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid oxide as an electrolyte.

セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。   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.

図6に示すように、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。  As shown in FIG. 6, 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.

図7に示すように、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。   As shown in FIG. 7, 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.

図6に示すように、空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。また、空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。   As shown in FIG. 6, the air electrode side current collector 134 is disposed in the air chamber 166. The air electrode side current collector 134 is composed of a plurality of current collector elements 135 having a substantially quadrangular prism shape, and is formed of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. However, as described above, since the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not include the upper interconnector 150, the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 includes the upper end plate. 104 is in contact. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104) are electrically connected. In the present embodiment, the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, a flat plate portion perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) of the integrated member functions as the interconnector 150 and is formed so as to protrude from the flat plate portion toward the air electrode 114. The current collector element 135 that is a plurality of convex portions functions as the air electrode side current collector 134. Moreover, the integral member of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be covered with a conductive coat, and between the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134, A conductive bonding layer to be bonded may be interposed.

図7に示すように、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。   As shown in FIG. 7, 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.

A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2、図4および図6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、図5および図7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, 4, and 6, the oxidant gas is connected via 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. When OG is supplied, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the branch part 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body part 28, and each power generation unit is supplied from the oxidant gas introduction manifold 161. 102 is supplied to the air chamber 166 through the oxidant gas supply communication hole 132. Further, as shown in FIGS. 3, 5, and 7, the fuel gas is supplied via 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. When the FG is supplied, 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 of each power generation unit 102 is supplied from the fuel gas introduction manifold 171. The fuel is supplied to the fuel chamber 176 through the gas supply communication 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に含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。   When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, oxygen contained in the oxidant gas OG and hydrogen contained in the fuel gas FG in the single cell 110. Power is generated by an electrochemical reaction. 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、図4および図6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、図5および図7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 through the oxidant gas discharge communication hole 133 as shown in FIGS. Further, the fuel passes 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 oxidant gas discharge manifold 162 and is connected to the branch portion 29 through a gas pipe (not shown). It is discharged outside the battery stack 100. Further, 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 as shown in FIGS. 3, 5, and 7. Further, the fuel cell stack 100 is connected to a gas pipe member (not shown) connected to the branch portion 29 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 fuel gas discharge manifold 172. Is discharged outside.

A−3.燃料極116の詳細構成:
図8は、燃料極116の詳細構成を模式的に示すYZ断面図である。図8に示すように、燃料極116は、機能層350と、機能層350の電解質層112側とは反対側に配置された基板層360とを備える。本実施形態では、機能層350は、電解質層112に隣接して配置されており、基板層360は、機能層350に隣接して配置されている。機能層350と基板層360とは、いずれも、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスであるYSZ(イットリア安定化ジルコニア)とを含むサーメットにより形成されている。
A-3. Detailed configuration of the fuel electrode 116:
FIG. 8 is a YZ sectional view schematically showing the detailed configuration of the fuel electrode 116. As shown in FIG. 8, the fuel electrode 116 includes a functional layer 350 and a substrate layer 360 disposed on the opposite side of the functional layer 350 from the electrolyte layer 112 side. In the present embodiment, the functional layer 350 is disposed adjacent to the electrolyte layer 112, and the substrate layer 360 is disposed adjacent to the functional layer 350. The functional layer 350 and the substrate layer 360 are both formed of cermet containing Ni and YSZ (yttria stabilized zirconia) which is an oxide ion conductive ceramic.

機能層350は、主として、電解質層112から供給される酸化物イオンと燃料ガスFGに含まれる水素とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮する層である。また、基板層360は、主として、機能層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層である。なお、基板層360の強度を高めるため、基板層360のZ方向における厚さは、機能層350のZ方向における厚さより厚いことが好ましい。また、基板層360のガス拡散性を高めるため、基板層360の気孔率は、機能層350の気孔率より高いことが好ましい。   The functional layer 350 is a layer that mainly exhibits a function of generating electrons and water vapor by reacting oxide ions supplied from the electrolyte layer 112 with hydrogen contained in the fuel gas FG. The substrate layer 360 is a layer that mainly exhibits a function of supporting the functional layer 350, the electrolyte layer 112, and the air electrode 114. In order to increase the strength of the substrate layer 360, the thickness of the substrate layer 360 in the Z direction is preferably larger than the thickness of the functional layer 350 in the Z 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 functional layer 350.

図8において、Z方向に直交する方向(以下、「面方向」という)における燃料ガスFGの流れ方向は、右から左に向かう方向である。なお、この燃料ガスFGの流れ方向は、図7に示すように、燃料極側フレーム140に形成された燃料ガス供給連通孔142から燃料ガス排出連通孔143に向かう方向(図7の例では上から下に向かう方向)である。以下の説明では、燃料極116の内、燃料ガスFGの流れ方向の上流側(ガスが供給される側)の領域を燃料極上流側領域R1といい、燃料ガスFGの流れ方向の下流側(ガスが排出される側)の領域を燃料極下流側領域R2という。図8(および図7)に示すように、燃料極上流側領域R1は、燃料極116を燃料ガスFGの流れ方向に沿って4等分したときの最も上流側の領域を少なくとも含む領域であり、燃料極下流側領域R2は、燃料極116を燃料ガスFGの流れ方向に沿って4等分したときの最も下流側の領域を少なくとも含む領域である。より具体的には、燃料極上流側領域R1は、燃料極116を燃料ガスFGの流れ方向に沿って4等分したときの最も上流側の領域であり、燃料極下流側領域R2は、燃料極116を燃料ガスFGの流れ方向に沿って4等分したときの最も下流側の領域であることが好ましい。   In FIG. 8, the flow direction of the fuel gas FG in the direction orthogonal to the Z direction (hereinafter referred to as “plane direction”) is a direction from right to left. As shown in FIG. 7, the flow direction of the fuel gas FG is a direction from the fuel gas supply communication hole 142 formed in the fuel electrode side frame 140 toward the fuel gas discharge communication hole 143 (in the example of FIG. Direction from the bottom to the bottom). In the following description, the region on the upstream side (the side where gas is supplied) in the fuel gas FG flow direction in the fuel electrode 116 is referred to as the fuel electrode upstream region R1, and the downstream side in the fuel gas FG flow direction ( The region on the gas discharge side) is referred to as the fuel electrode downstream region R2. As shown in FIG. 8 (and FIG. 7), the fuel electrode upstream region R1 is a region including at least the most upstream region when the fuel electrode 116 is equally divided into four along the flow direction of the fuel gas FG. The fuel electrode downstream region R2 is a region including at least the most downstream region when the fuel electrode 116 is divided into four equal parts along the flow direction of the fuel gas FG. More specifically, the fuel electrode upstream region R1 is the most upstream region when the fuel electrode 116 is equally divided into four along the flow direction of the fuel gas FG, and the fuel electrode downstream region R2 It is preferable that the most downstream region when the pole 116 is divided into four equal parts along the flow direction of the fuel gas FG.

また、以下の説明では、燃料極116の機能層350において、燃料ガスFGの流れ方向の上流側の領域を機能層上流側領域Rf1といい、燃料ガスFGの流れ方向の下流側の領域を機能層下流側領域Rf2という。また、燃料極116の基板層360において、燃料ガスFGの流れ方向の上流側の領域を基板層上流側領域Rb1といい、燃料ガスFGの流れ方向の下流側の領域を基板層下流側領域Rb2という。機能層上流側領域Rf1および基板層上流側領域Rb1は、燃料極上流側領域R1を構成し、機能層下流側領域Rf2および基板層下流側領域Rb2は、燃料極下流側領域R2を構成する。   In the following description, in the functional layer 350 of the fuel electrode 116, the upstream region in the flow direction of the fuel gas FG is referred to as a functional layer upstream region Rf1, and the downstream region in the flow direction of the fuel gas FG is a function. This is referred to as a layer downstream region Rf2. Further, in the substrate layer 360 of the fuel electrode 116, the upstream region in the flow direction of the fuel gas FG is referred to as the substrate layer upstream region Rb1, and the downstream region in the flow direction of the fuel gas FG is the substrate layer downstream region Rb2. That's it. The functional layer upstream region Rf1 and the substrate layer upstream region Rb1 constitute a fuel electrode upstream region R1, and the functional layer downstream region Rf2 and the substrate layer downstream region Rb2 constitute a fuel electrode downstream region R2.

本実施形態の単セル110では、面方向における燃料ガスFGの流れ方向(図8における右から左に向かう方向)に沿って、燃料極116のNi含有率に差が設けられている。具体的には、燃料極116の機能層350では、機能層下流側領域Rf2のNi含有率Cf2(wt%)は、機能層上流側領域Rf1のNi含有率Cf1(wt%)より低くなっている。また、燃料極116の基板層360では、燃料極116の機能層350とは反対に、基板層下流側領域Rb2のNi含有率Cb2(wt%)は、基板層上流側領域Rb1のNi含有率Cb1(wt%)より高くなっている。なお、燃料極116のNi含有率は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス(YSZ)との合計含有量に対するNiの含有量の比をwt%で表したものである。   In the unit cell 110 of the present embodiment, the difference in Ni content of the fuel electrode 116 is provided along the flow direction of the fuel gas FG in the plane direction (the direction from right to left in FIG. 8). Specifically, in the functional layer 350 of the fuel electrode 116, the Ni content Cf2 (wt%) of the functional layer downstream region Rf2 is lower than the Ni content Cf1 (wt%) of the functional layer upstream region Rf1. Yes. Further, in the substrate layer 360 of the fuel electrode 116, the Ni content Cb2 (wt%) of the substrate layer downstream region Rb2 is the Ni content of the substrate layer upstream region Rb1, contrary to the functional layer 350 of the fuel electrode 116. It is higher than Cb1 (wt%). The Ni content of the fuel electrode 116 is expressed as wt% of the ratio of Ni content to the total content of Ni and oxide ion conductive ceramics (YSZ).

A−4.燃料電池スタック100の製造方法:
本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法の一例は、以下の通りである。
A-4. Manufacturing method of fuel cell stack 100:
An example of the manufacturing method of the fuel cell stack 100 in the present embodiment is as follows.

(燃料極基板層用グリーンシートの作製)
NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンおよびエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。このとき、NiO粉末とYSZ粉末との比率が互いに異なる2種類の混合粉末を用いて、2種類のスラリーを調整する。例えば、NiO粉末:60重量部、YSZ粉末:40重量部の混合粉末を用いて基板層用第1スラリーを調整すると共に、NiO粉末:50重量部、YSZ粉末:50重量部の混合粉末を用いて基板層用第2スラリーを調整する。スラリーダム中央部に、しきい板をキャリアフィルムの進行方向に対し平行の向きに設け、しきい板の一方側に基板層用第1スラリーを供給し、他方側に基板層用第2スラリーを供給する。得られた2種類のスラリーの両方を用いて同時に塗工を行うことにより、燃料極基板層用グリーンシートを作製する。作製された燃料極基板層用グリーンシートの内、基板層用第1スラリー(NiO粉末の含有率が比較的高いスラリー)を塗工して得られた領域が、上述した基板層下流側領域Rb2となる領域であり、基板層用第2スラリー(NiO粉末の含有率が比較的低いスラリー)を塗工して得られた領域が、上述した基板層上流側領域Rb1となる領域である。
(Preparation of green sheet for fuel electrode substrate layer)
To the mixed powder of NiO powder and YSZ powder, organic beads as a pore former, butyral resin, dioctyl phthalate (DOP) as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added. Mix with a ball mill to prepare a slurry. At this time, two types of slurry are prepared using two types of mixed powders having different ratios of NiO powder and YSZ powder. For example, the first slurry for the substrate layer is prepared using a mixed powder of NiO powder: 60 parts by weight and YSZ powder: 40 parts by weight, and a mixed powder of NiO powder: 50 parts by weight and YSZ powder: 50 parts by weight is used. To prepare the second slurry for the substrate layer. At the center of the slurry dam, a threshold plate is provided in a direction parallel to the traveling direction of the carrier film, the first slurry for the substrate layer is supplied to one side of the threshold plate, and the second slurry for the substrate layer is supplied to the other side. Supply. A green sheet for a fuel electrode substrate layer is prepared by performing coating simultaneously using both of the two types of slurries obtained. Of the produced fuel electrode substrate layer green sheets, the region obtained by applying the first slurry for substrate layer (slurry with a relatively high content of NiO powder) is the substrate layer downstream region Rb2 described above. The region obtained by coating the second slurry for substrate layer (slurry with a relatively low content of NiO powder) is the region to be the substrate layer upstream region Rb1 described above.

(燃料極機能層用グリーンシートの作製)
NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンおよびエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。このとき、NiO粉末とYSZ粉末との比率が互いに異なる2種類の混合粉末を用いて、2種類のスラリーを調整する。例えば、NiO粉末:45重量部、YSZ粉末:55重量部の混合粉末を用いて機能層用第1スラリーを調整すると共に、NiO粉末:55重量部、YSZ粉末:45重量部の混合粉末を用いて機能層用第2スラリーを調整する。スラリーダム中央部に、しきい板をキャリアフィルムの進行方向に対し平行の向きに設け、しきい板の一方側に機能層用第1スラリーを供給し、他方側に機能層用第2スラリーを供給する。得られた2種類のスラリーの両方を用いて同時に塗工を行うことにより、燃料極機能層用グリーンシートを作製する。作製された燃料極機能層用グリーンシートの内、機能層用第1スラリー(NiO粉末の含有率が比較的低いスラリー)を塗工して得られた領域が、上述した機能層下流側領域Rf2となる領域であり、機能層用第2スラリー(NiO粉末の含有率が比較的高いスラリー)を塗工して得られた領域が、上述した機能層上流側領域Rf1となる領域である。
(Manufacture of green sheet for fuel electrode functional layer)
To the mixed powder of NiO powder and YSZ powder, add organic beads as a pore former, butyral resin, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol. Mix to prepare slurry. At this time, two types of slurry are prepared using two types of mixed powders having different ratios of NiO powder and YSZ powder. For example, the first slurry for the functional layer is prepared using a mixed powder of NiO powder: 45 parts by weight and YSZ powder: 55 parts by weight, and a mixed powder of NiO powder: 55 parts by weight and YSZ powder: 45 parts by weight is used. To adjust the second slurry for the functional layer. At the center of the slurry dam, a threshold plate is provided in a direction parallel to the traveling direction of the carrier film, the first slurry for functional layer is supplied to one side of the threshold plate, and the second slurry for functional layer is supplied to the other side. Supply. A green sheet for a fuel electrode functional layer is prepared by performing coating simultaneously using both of the two types of slurries obtained. Of the produced green sheets for the fuel electrode functional layer, the region obtained by coating the first slurry for functional layer (slurry with a relatively low content of NiO powder) is the functional layer downstream region Rf2 described above. The region obtained by applying the second slurry for functional layer (slurry with a relatively high content of NiO powder) is the region to be the functional layer upstream region Rf1 described above.

(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、トルエンおよびエタノールの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整する。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、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 mixed solvent of toluene and ethanol are added and mixed in a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is thinned by a doctor blade method to produce a green sheet for an electrolyte layer.

(電解質層112と燃料極116との積層体の作製)
燃料極基板層用グリーンシートと燃料極機能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例えば約280℃で脱脂する。さらに、例えば約1350℃にて焼成を行い、電解質層112と燃料極116(機能層350および基板層360)との積層体を得る。
(Preparation of a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116)
The green sheet for the fuel electrode substrate layer, the green sheet for the fuel electrode functional layer, and the green sheet for the electrolyte layer are attached and degreased at about 280 ° C., for example. Further, for example, firing is performed at about 1350 ° C. to obtain a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 (the functional layer 350 and the substrate layer 360).

(空気極114の形成)
例えば、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、上述した電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112側の表面に噴霧塗布し、例えば約1100℃で焼成することによって空気極114を形成する。
(Formation of air electrode 114)
For example, a mixed solution composed of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder and isopropyl alcohol is prepared. The air mixture 114 is formed by spray-coating the prepared mixed solution on the surface of the above-described laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 on the side of the electrolyte layer 112 and firing at about 1100 ° C., for example.

以上の工程により、上述した構成の単セル110が製造される。製造された単セル110において、燃料極116の機能層350では、機能層下流側領域Rf2のNi含有率Cf2(wt%)が、機能層上流側領域Rf1のNi含有率Cf1(wt%)より低くなっており、燃料極116の基板層360では、基板層下流側領域Rb2のNi含有率Cb2(wt%)が、基板層上流側領域Rb1のNi含有率Cb1(wt%)より高くなっている。なお、複数の単セル110が製造された後、複数の単セル110および他の部品を組み立ててボルト22により締結することにより、上述した燃料電池スタック100が製造される。   Through the above steps, the unit cell 110 having the above-described configuration is manufactured. In the manufactured unit cell 110, in the functional layer 350 of the fuel electrode 116, the Ni content Cf2 (wt%) of the functional layer downstream region Rf2 is greater than the Ni content Cf1 (wt%) of the functional layer upstream region Rf1. In the substrate layer 360 of the fuel electrode 116, the Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer downstream region Rb2 is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the substrate layer upstream region Rb1. Yes. After the plurality of unit cells 110 are manufactured, the plurality of unit cells 110 and other parts are assembled and fastened with the bolts 22 to manufacture the fuel cell stack 100 described above.

A−5.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各単セル110では、燃料極116が、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層350を備える。機能層350において、燃料ガスFGの面方向の流れ方向の一方の側、具体的には下流側の領域(機能層下流側領域Rf2)におけるNi含有率Cf2(wt%)は、ガス流れ方向の他方の側、具体的には上流側の領域(機能層上流側領域Rf1)におけるNi含有率Cf1(wt%)より低い。ここで、SOFCの単セル110では、発電運転時に、機能層下流側領域Rf2において水蒸気分圧が高くなる。これは、単セル110における発電反応に伴い燃料極116側で発生する水(水蒸気)が、燃料ガスFGの流れによって下流側に運ばれるからである。機能層下流側領域Rf2において水蒸気分圧が高くなると、機能層下流側領域Rf2に含まれるNiの微構造変化(凝集)が促進される。機能層350に含まれるNiの微構造変化は、三相界面の減少を引き起こし、単セル110の性能劣化の原因となる。しかし、本実施形態の単セル110では、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)が比較的低くされているため、機能層下流側領域Rf2における水蒸気分圧の上昇に伴うNiの微構造変化の発生量を低減することができ、単セル110の性能劣化を抑制することができる。また、本実施形態の単セル110では、水蒸気分圧が高くなりにくい機能層上流側領域Rf1においては、Ni含有率Cf1(wt%)が比較的高くされている。そのため、機能層350全体としてのNiの含有率をある程度確保することができ、単セル110の初期性能の低下を抑制することができる。従って、本実施形態の単セル110によれば、単セル110の初期性能の低下を抑制しつつ、運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができる。
A-5. Effects of this embodiment:
As described above, in each single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the fuel electrode 116 includes the functional layer 350 containing Ni and oxide ion conductive ceramics. In the functional layer 350, the Ni content Cf2 (wt%) in one side of the flow direction in the surface direction of the fuel gas FG, specifically, the downstream region (functional layer downstream region Rf2) is It is lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the other side, specifically, the upstream region (functional layer upstream region Rf1). Here, in the SOFC single cell 110, the water vapor partial pressure is increased in the functional layer downstream region Rf2 during the power generation operation. This is because water (water vapor) generated on the fuel electrode 116 side in response to the power generation reaction in the single cell 110 is carried downstream by the flow of the fuel gas FG. When the water vapor partial pressure increases in the functional layer downstream region Rf2, the microstructural change (aggregation) of Ni contained in the functional layer downstream region Rf2 is promoted. The change in the microstructure of Ni contained in the functional layer 350 causes a decrease in the three-phase interface and causes the performance of the single cell 110 to deteriorate. However, in the single cell 110 of the present embodiment, the Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer downstream region Rf2 is relatively low, so that Ni accompanying the increase in the water vapor partial pressure in the functional layer downstream region Rf2 The amount of occurrence of microstructural changes can be reduced, and the performance degradation of the single cell 110 can be suppressed. In the single cell 110 of this embodiment, the Ni content Cf1 (wt%) is relatively high in the functional layer upstream region Rf1 where the water vapor partial pressure is difficult to increase. Therefore, the Ni content in the functional layer 350 as a whole can be ensured to some extent, and deterioration of the initial performance of the single cell 110 can be suppressed. Therefore, according to the single cell 110 of the present embodiment, it is possible to suppress the deterioration of the performance of the single cell 110 associated with the operation while suppressing a decrease in the initial performance of the single cell 110.

また、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各単セル110では、燃料極116が、機能層350の電解質層112側とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層360を備える。基板層360において、燃料ガスの面方向の流れ方向の上記一方の側、具体的には下流側の領域(基板層下流側領域Rb2)におけるNi含有率Cb2(wt%)は、ガス流れ方向の上記他方の側、具体的には上流側の領域(基板層上流側領域Rb1)におけるNi含有率Cb1(wt%)より高い。一般に、基板層360では、発電反応が行われる機能層350と異なり、発電反応がほとんど行われない。従って、基板層360は、発電反応によって生じた水蒸気の影響を受け難く、発電運転時においても、機能層350より水蒸気分圧が比較的低い状態に維持される。そのため、基板層下流側領域Rb2におけるNi含有率Cb2(wt%)を比較的高くしても、基板層下流側領域Rb2に含まれるNiの微構造変化の発生量は少なく、単セル110の性能が大きく劣化することはない。また、基板層下流側領域Rb2におけるNi含有率Cb2(wt%)を比較的高くすることによって、燃料極116の燃料極下流側領域R2(機能層下流側領域Rf2および基板層下流側領域Rb2)におけるNi含有率と、燃料極上流側領域R1(機能層上流側領域Rf1および基板層上流側領域Rb1)におけるNi含有率との差を小さくすることができる。その結果、燃料極116における燃料ガスFGの流れ方向の上流側の領域で電流集中が発生することを抑制することができ、電流集中を原因とする単セル110の破損を抑制することができる。従って、本実施形態の単セル110によれば、単セル110の初期性能の低下を抑制しつつ、運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができ、さらに、電流集中を原因とする単セル110の破損を抑制することができる。   Further, in each single cell 110 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment, the fuel electrode 116 is disposed on the opposite side of the functional layer 350 from the electrolyte layer 112 side, and Ni and oxide ion conductive ceramics are disposed. A substrate layer 360 is provided. In the substrate layer 360, the Ni content Cb2 (wt%) in the one side of the flow direction in the surface direction of the fuel gas, specifically, the downstream region (substrate layer downstream region Rb2) is expressed in the gas flow direction. It is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the other side, specifically, the upstream region (substrate layer upstream region Rb1). In general, unlike the functional layer 350 in which a power generation reaction is performed, the power generation reaction is hardly performed in the substrate layer 360. Therefore, the substrate layer 360 is hardly affected by water vapor generated by the power generation reaction, and is maintained in a state where the water vapor partial pressure is relatively lower than that of the functional layer 350 even during the power generation operation. Therefore, even if the Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer downstream region Rb2 is relatively high, the amount of Ni microstructural change contained in the substrate layer downstream region Rb2 is small, and the performance of the single cell 110 Will not deteriorate significantly. Further, by making the Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer downstream region Rb2 relatively high, the fuel electrode downstream region R2 of the fuel electrode 116 (functional layer downstream region Rf2 and substrate layer downstream region Rb2). And the Ni content in the fuel electrode upstream region R1 (the functional layer upstream region Rf1 and the substrate layer upstream region Rb1) can be reduced. As a result, the occurrence of current concentration in the upstream region of the fuel electrode 116 in the flow direction of the fuel gas FG can be suppressed, and damage to the single cell 110 caused by the current concentration can be suppressed. Therefore, according to the single cell 110 of the present embodiment, it is possible to suppress the deterioration of the performance of the single cell 110 accompanying the operation while suppressing the deterioration of the initial performance of the single cell 110, and further, due to current concentration. Damage to the single cell 110 can be suppressed.

A−6.性能評価:
複数の燃料電池スタック100のサンプルを用いて行った性能評価について、以下説明する。図9は、性能評価結果を示す説明図である。図9に示すように、各サンプルS1〜S12は、燃料電池スタック100を構成する各単セル110の燃料極116の構成が互いに異なっている。より具体的には、各サンプルは、燃料電池スタック100を構成する各単セル110において、機能層上流側領域Rf1のNi含有率Cf1(wt%)と、基板層上流側領域Rb1のNi含有率Cb1(wt%)と、機能層下流側領域Rf2のNi含有率Cf2(wt%)と、基板層下流側領域Rb2のNi含有率Cb2(wt%)との組合せが、互いに異なっている。なお、本性能評価において、各サンプルの燃料電池スタック100が備える単セル110の数は10個とした。
A-6. Performance evaluation:
Performance evaluation performed using a plurality of fuel cell stack 100 samples will be described below. FIG. 9 is an explanatory diagram showing the performance evaluation results. As shown in FIG. 9, the samples S <b> 1 to S <b> 12 are different from each other in the configuration of the fuel electrode 116 of each single cell 110 constituting the fuel cell stack 100. More specifically, each sample includes a Ni content Cf1 (wt%) of the functional layer upstream region Rf1 and a Ni content of the substrate layer upstream region Rb1 in each single cell 110 constituting the fuel cell stack 100. The combinations of Cb1 (wt%), the Ni content Cf2 (wt%) of the functional layer downstream region Rf2, and the Ni content Cb2 (wt%) of the substrate layer downstream region Rb2 are different from each other. In this performance evaluation, the number of single cells 110 included in the fuel cell stack 100 of each sample was set to ten.

(評価項目および評価方法)
本性能評価では、初期平均出力と劣化率との2つの項目について評価を行った。初期平均出力は、初期状態における燃料電池スタック100を構成する各単セル110の出力(V)の平均値である。初期平均出力については、0.8(V)より高い場合に合格と判定した。また、劣化率は、初期平均出力に対する1000h運転後の出力降下量(初期平均出力と1000h運転後の平均出力との差)の比を百分率で表したものである。劣化率については、1.0(%)より低い場合に合格と判定した。
(Evaluation items and evaluation methods)
In this performance evaluation, two items of initial average output and deterioration rate were evaluated. The initial average output is an average value of outputs (V) of the single cells 110 constituting the fuel cell stack 100 in the initial state. About initial average output, when higher than 0.8 (V), it determined with a pass. Further, the deterioration rate is a percentage of the ratio of the output drop after 1000h operation (difference between the initial average output and the average output after 1000h operation) to the initial average output. About a deterioration rate, when it was lower than 1.0 (%), it determined with a pass.

(評価結果)
サンプルS1およびサンプルS11では、劣化率が1.0(%)以上であったため、不合格(×)と判定された。サンプルS1およびサンプルS11では、機能層350の構成に関し、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)が、機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)より高いか、Ni含有率Cf1(wt%)と同じ値となっている。そのため、サンプルS1およびサンプルS11では、発電運転時に、機能層下流側領域Rf2の水蒸気分圧が上昇することに伴って、機能層下流側領域Rf2に比較的高い含有率で含まれるNiの微構造変化が促進され、単セル110の性能が劣化したものと考えられる。
(Evaluation results)
In sample S1 and sample S11, since the deterioration rate was 1.0 (%) or more, it was determined to be rejected (x). In Sample S1 and Sample S11, regarding the configuration of the functional layer 350, the Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer downstream region Rf2 is higher than the Ni content Cf1 (wt%) in the functional layer upstream region Rf1, It is the same value as Ni content rate Cf1 (wt%). Therefore, in sample S1 and sample S11, the microstructure of Ni contained in the functional layer downstream region Rf2 at a relatively high content rate as the water vapor partial pressure in the functional layer downstream region Rf2 increases during power generation operation. It is considered that the change is promoted and the performance of the single cell 110 is deteriorated.

また、サンプルS9およびS10では、初期平均出力が0.8(V)以下であったため、不合格(×)と判定された。サンプルS9およびS10では、機能層上流側領域Rf1においても機能層下流側領域Rf2においてもNi含有率がかなり低くなっているため、初期平均出力が低くなったものと考えられる。なお、サンプルS9およびS10では、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)の値が極めて低いため、劣化率については不合格とされなかった。   In samples S9 and S10, since the initial average output was 0.8 (V) or less, it was determined as rejected (x). In samples S9 and S10, the Ni average content is considerably low in both the functional layer upstream region Rf1 and the functional layer downstream region Rf2. Therefore, it is considered that the initial average output is low. In samples S9 and S10, the Ni content rate Cf2 (wt%) in the functional layer downstream region Rf2 was extremely low, so the deterioration rate was not rejected.

また、サンプルS12では、劣化率の評価のための発電運転中に単セル110の破損が発生したため、不合格(×)と判定された。サンプルS12では、燃料極下流側領域R2(機能層下流側領域Rf2および基板層下流側領域Rb2)におけるNi含有率が、燃料極上流側領域R1(機能層上流側領域Rf1および基板層上流側領域Rb1)におけるNi含有率より大幅に低いため、燃料極上流側領域R1において電流集中が発生し、単セル110が破損したものと考えられる。   Moreover, in sample S12, since the breakage of the single cell 110 occurred during the power generation operation for evaluating the deterioration rate, it was determined as rejected (x). In the sample S12, the Ni content in the fuel electrode downstream region R2 (the functional layer downstream region Rf2 and the substrate layer downstream region Rb2) is equal to the fuel electrode upstream region R1 (the functional layer upstream region Rf1 and the substrate layer upstream region). Since it is much lower than the Ni content in Rb1), it is considered that current concentration occurred in the fuel electrode upstream region R1 and the single cell 110 was damaged.

これに対し、サンプルS2〜S8では、初期平均出力が0.8(V)より高く、かつ、劣化率が1.0(%)より低かったため、合格(〇または◎)と判定された。サンプルS2〜S8では、機能層350の構成に関し、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)が機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)より低くなっている。そのため、サンプルS2〜S8では、機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)を比較的高くすることによって単セル110の初期性能の低下を抑制しつつ、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)を比較的低くすることによって発電運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができたものと考えられる。また、サンプルS2〜S8では、基板層360の構成に関し、基板層下流側領域Rb2におけるNi含有率Cb2(wt%)が基板層上流側領域Rb1におけるNi含有率Cb1(wt%)より高くなっている。そのため、サンプルS2〜S8では、燃料極116の燃料極下流側領域R2(機能層下流側領域Rf2および基板層下流側領域Rb2)におけるNi含有率と、燃料極上流側領域R1(機能層上流側領域Rf1および基板層上流側領域Rb1)におけるNi含有率との差を小さくすることができ、電流集中を原因とする単セル110の破損を抑制することができたものと考えられる。   On the other hand, in samples S2 to S8, since the initial average output was higher than 0.8 (V) and the deterioration rate was lower than 1.0 (%), it was determined as acceptable (◯ or ◎). In samples S2 to S8, regarding the configuration of the functional layer 350, the Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer downstream region Rf2 is lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the functional layer upstream region Rf1. Therefore, in samples S2 to S8, the Ni content Cf1 (wt%) in the functional layer upstream region Rf1 is relatively high, thereby suppressing the deterioration of the initial performance of the single cell 110, and in the functional layer downstream region Rf2. It is thought that the performance deterioration of the single cell 110 accompanying the power generation operation could be suppressed by relatively reducing the Ni content Cf2 (wt%). In Samples S2 to S8, regarding the configuration of the substrate layer 360, the Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer downstream region Rb2 is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the substrate layer upstream region Rb1. Yes. Therefore, in samples S2 to S8, the Ni content in the fuel electrode downstream region R2 (functional layer downstream region Rf2 and substrate layer downstream region Rb2) of the fuel electrode 116 and the fuel electrode upstream region R1 (functional layer upstream side). It is considered that the difference between the Ni content in the region Rf1 and the substrate layer upstream region Rb1) can be reduced, and the breakage of the single cell 110 due to current concentration can be suppressed.

なお、サンプルS8では、初期平均出力が0.81(V)以下であったため、合格(〇)と判定されるに留まったが、サンプルS2〜S7では、初期平均出力が0.81(V)より高かったため、特に良好(◎)と判定された。サンプルS8では、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)が機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)と比較して大幅に低い、すなわち、機能層下流側領域Rf2のNi含有率Cf2に対する機能層上流側領域Rf1のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)が、2.200と比較的大きい。そのため、単セル110の性能劣化を抑制することはできるものの、初期性能低下の抑制の点でサンプルS2〜S7に及ばなかったものと考えられる。サンプルS2〜S7では、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)が機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)より低いが、Cf1/Cf2は低い値に抑えられている(具体的には、1.851以下である)。そのため、サンプルS2〜S7では、単セル110の初期性能の低下を効果的に抑制しつつ、運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができたものと考えられる。   In sample S8, since the initial average output was 0.81 (V) or less, it was determined to be acceptable (◯), but in samples S2 to S7, the initial average output was 0.81 (V). Since it was higher, it was determined to be particularly good (◎). In sample S8, the Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer downstream region Rf2 is significantly lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the functional layer upstream region Rf1, that is, the functional layer downstream region The ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 of the functional layer upstream region Rf1 to the Ni content Cf2 of Rf2 is relatively large at 2.200. Therefore, although it is possible to suppress the performance deterioration of the single cell 110, it is considered that it did not reach the samples S2 to S7 in terms of suppressing the initial performance deterioration. In samples S2 to S7, the Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer downstream region Rf2 is lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the functional layer upstream region Rf1, but Cf1 / Cf2 is suppressed to a low value. (Specifically, it is 1.851 or less). Therefore, in samples S2 to S7, it is considered that the performance deterioration of the single cell 110 accompanying the operation could be suppressed while effectively suppressing the decrease in the initial performance of the single cell 110.

以上説明した性能評価の結果から、単セル110において、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2(wt%)を機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1(wt%)より低くすれば、単セル110の初期性能の低下を抑制しつつ、運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができることが確認された。さらに、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2に対する機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)を1より大きく、1.851以下とすれば、単セル110の初期性能の低下を効果的に抑制しつつ、運転に伴う単セル110の性能劣化を抑制することができることが確認された。   From the results of the performance evaluation described above, in the single cell 110, if the Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer downstream region Rf2 is lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the functional layer upstream region Rf1, It was confirmed that the deterioration of the performance of the single cell 110 accompanying the operation can be suppressed while suppressing the deterioration of the initial performance of the single cell 110. Further, if the ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 in the functional layer upstream region Rf1 to the Ni content Cf2 in the functional layer downstream region Rf2 is larger than 1 and 1.851 or less, the initial stage of the single cell 110 It was confirmed that the performance deterioration of the single cell 110 accompanying operation can be suppressed while effectively suppressing the decrease in performance.

また、上記性能評価の結果から、単セル110において、基板層下流側領域Rb2におけるNi含有率Cb2(wt%)を基板層上流側領域Rb1におけるNi含有率Cb1(wt%)より高くすれば、電流集中を原因とする単セル110の破損を抑制することができることが確認された。   Further, from the results of the performance evaluation, in the single cell 110, if the Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer downstream region Rb2 is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the substrate layer upstream region Rb1, It was confirmed that damage to the single cell 110 caused by current concentration can be suppressed.

A−7.燃料極116の分析方法:
単セル110の燃料極116におけるNi含有率を分析する方法について、以下説明する。
A-7. Analysis method of fuel electrode 116:
A method for analyzing the Ni content in the fuel electrode 116 of the single cell 110 will be described below.

(分析画像の取得方法)
まず、燃料極116の分析に用いられる分析画像を以下の方法により取得する。すなわち、上下方向(Z方向)に略平行な単セル110の断面であって、燃料極116の燃料極上流側領域R1を含む断面と、燃料極116の燃料極下流側領域R2を含む断面とを任意に設定する。設定された2つの断面のそれぞれにおける異なる3つの位置で、燃料極116の機能層350の上下方向における全体が確認できる画像を、分析画像として取得する。より詳細には、燃料極116の機能層350と電解質層112との境界B1(図8参照)と推測される部分が、画像を上下方向に10等分して得られた10個の分割領域の内の最も上の分割領域内に位置し、かつ、燃料極116の機能層350と基板層360との境界B2(図8参照)と推測される部分が、最も下の分割領域内に位置している画像を、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影し、分析画像として取得する。なお、この分析画像は、SEMにより撮影された画像を2値化処理した後の2値化画像でもよい。ただし、2値化画像における粒子等が実際の形態と大きく異なる場合には、SEMにより撮影された2値化処理前の画像のコントラストを調整し、その調整後の画像を2値化処理した画像でもよい。また、分析画像は、SEMにより撮影された2値化処理前の画像そのものでもよい。
(Analysis image acquisition method)
First, an analysis image used for analyzing the fuel electrode 116 is acquired by the following method. That is, a cross section of the unit cell 110 substantially parallel to the vertical direction (Z direction), including a cross section including the fuel electrode upstream region R1 of the fuel electrode 116, and a cross section including the fuel electrode downstream region R2 of the fuel electrode 116. Is set arbitrarily. Images that can be confirmed in the vertical direction of the functional layer 350 of the fuel electrode 116 at three different positions in each of the two set cross sections are acquired as analysis images. More specifically, the portion estimated as the boundary B1 (see FIG. 8) between the functional layer 350 and the electrolyte layer 112 of the fuel electrode 116 is divided into 10 divided regions obtained by dividing the image vertically into 10 equal parts. Is located in the uppermost divided area, and the portion estimated as the boundary B2 (see FIG. 8) between the functional layer 350 and the substrate layer 360 of the fuel electrode 116 is located in the lowermost divided area. The captured image is taken with, for example, a scanning electron microscope (SEM) and acquired as an analysis image. The analysis image may be a binarized image obtained by binarizing an image photographed by the SEM. However, in the case where particles or the like in the binarized image are significantly different from the actual form, an image obtained by adjusting the contrast of the image taken by the SEM before the binarization process and binarizing the image after the adjustment But you can. Further, the analysis image may be an image itself before binarization processing taken by SEM.

(各境界の特定)
燃料極116の機能層350と電解質層112との境界B1は、上記各分析画像において、機能層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、機能層350と基板層360との境界B2は、上記各分析画像において、機能層350と基板層360との気孔率の相違等に基づき特定することができる。
(Identification of each boundary)
The boundary B1 between the functional layer 350 and the electrolyte layer 112 of the fuel electrode 116 can be identified based on the difference in the constituent materials between the functional layer 350 and the electrolyte layer 112, visual recognition, and the like in each analysis image. In addition, the boundary B2 between the functional layer 350 and the substrate layer 360 can be specified based on the difference in porosity between the functional layer 350 and the substrate layer 360 in each analysis image.

(Ni含有率の特定)
各領域におけるNi含有率(wt%)は、SEM−EDSを用いて上記各分析画像中の各領域におけるNiおよびYSZを識別し、NiとYSZとの合計含有量に対するNiの含有量の比をwt%で算出することにより特定することができる。なお、機能層下流側領域Rf2におけるNi含有率Cf2、および、機能層上流側領域Rf1におけるNi含有率Cf1については、上記各分析画像において、機能層350を上下方向(Z方向)に3分割したときの最も上側(電解質層112側)に位置する部分を対象としてNi含有率を算出し、各分析画像において算出されたNi含有率の平均値を、最終的なNi含有率とする。また、基板層下流側領域Rb2におけるNi含有率Cb2、および、基板層上流側領域Rb1におけるNi含有率Cb1については、上記各分析画像において、上述した各分析画像を上下方向に10等分して得られた10個の分割領域の内の最も下側に位置する分割領域中の基板層360の部分のNi含有率を算出し、各分析画像において算出されたNi含有率の平均値を、最終的なNi含有率とする。
(Specification of Ni content)
The Ni content (wt%) in each region is identified by using SEM-EDS to identify Ni and YSZ in each region in each analysis image, and the ratio of the Ni content to the total content of Ni and YSZ. It can be specified by calculating in wt%. In addition, regarding the Ni content Cf2 in the functional layer downstream region Rf2 and the Ni content Cf1 in the functional layer upstream region Rf1, in each analysis image, the functional layer 350 is divided into three in the vertical direction (Z direction). The Ni content is calculated for the portion located on the uppermost side (electrolyte layer 112 side) at that time, and the average value of the Ni content calculated in each analysis image is the final Ni content. In addition, regarding the Ni content Cb2 in the substrate layer downstream region Rb2 and the Ni content Cb1 in the substrate layer upstream region Rb1, in each analysis image, each analysis image described above is divided into 10 equal parts in the vertical direction. The Ni content rate of the portion of the substrate layer 360 in the lowermost divided region of the obtained 10 divided regions is calculated, and the average value of the Ni content rate calculated in each analysis image is calculated as the final value. Ni content is determined.

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。例えば、本明細書で開示される技術は、円筒型や円筒平板型等の燃料電池の公知の構造にも適用することができる。
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. For example, the technology disclosed in this specification can be applied to a known structure of a fuel cell such as a cylindrical type or a cylindrical flat plate type.

また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば国際公開第2012/165409号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して燃料室176に原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解単セルにおいて水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。   In the above embodiment, the SOFC that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted. The present invention can be similarly applied to an electrolytic single cell that is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single cells. The configuration of the electrolytic cell stack is well known as described in, for example, International Publication No. 2012/165409, and thus will not be described in detail here. However, the configuration is generally the same as that of 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, the power generation unit 102 may be read as an electrolytic cell unit, and the single cell 110 may be read as an electrolytic single cell. However, when the electrolysis cell stack is operated, a voltage is applied between the two electrodes so that the air electrode 114 is positive (anode) and the fuel electrode 116 is negative (cathode). Water vapor as a source gas is supplied to the fuel chamber 176. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolytic single cell, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out of the electrolytic cell stack through the communication hole.

ここで、SOECの運転時には、燃料極116側に供給されるガスとしての水蒸気が、ガス流れ方向に進みつつ電解単セルにおける反応に供されるため、燃料極116の機能層350の内、ガス流れ方向の上流側の領域において水蒸気分圧が高くなる。そのため、SOECにおいても、機能層350における特定の領域において水蒸気分圧が高くなることによって機能層350に含まれるNiの微構造変化が促進され、電解単セルの性能劣化が発生しやすいという課題がある。そこで、電解単セルにおいても、燃料極116がNiと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層350を有し、機能層350において、燃料極116側に供給されるガス(水蒸気)の流れ方向の一方の側、具体的には上流側の領域のNi含有率(wt%)は、ガス流れ方向の他方の側、具体的には下流側の領域のNi含有率(wt%)より低い構成を採用すれば、電解単セルの性能低下を抑制しつつ、運転に伴う電解単セルの性能劣化を抑制することができる。また、電解単セルにおいても、燃料極116は、機能層350の電解質層112側とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層360を有し、基板層360において、ガス流れ方向の上記一方の側、具体的には上流側の領域のNi含有率(wt%)は、ガス流れ方向の上記他方の側、具体的には下流側の領域のNi含有率(wt%)より高い構成を採用すれば、電流集中を原因とする電解単セルの破損を抑制することができる。   Here, during operation of the SOEC, water vapor as a gas supplied to the fuel electrode 116 side is used for the reaction in the electrolysis unit cell while proceeding in the gas flow direction. The water vapor partial pressure increases in the upstream region in the flow direction. Therefore, also in SOEC, the water vapor partial pressure is increased in a specific region in the functional layer 350, whereby the microstructure change of Ni contained in the functional layer 350 is promoted, and the performance deterioration of the electrolytic cell is likely to occur. is there. Therefore, also in the electrolytic single cell, the fuel electrode 116 has a functional layer 350 containing Ni and oxide ion conductive ceramics, and the flow of gas (water vapor) supplied to the fuel electrode 116 side in the functional layer 350. The Ni content (wt%) of one side in the direction, specifically the upstream region, is lower than the Ni content (wt%) of the other side in the gas flow direction, specifically the downstream region. If a structure is employ | adopted, the performance degradation of the electrolysis single cell accompanying a driving | operation can be suppressed, suppressing the performance fall of an electrolysis single cell. Also in the electrolytic unit cell, the fuel electrode 116 is disposed on the opposite side of the functional layer 350 from the electrolyte layer 112 side, and has a substrate layer 360 containing Ni and oxide ion conductive ceramics. In 360, the Ni content (wt%) of the one side in the gas flow direction, specifically the upstream region, is the Ni content in the other side, specifically the downstream region, in the gas flow direction. If a configuration higher than the rate (wt%) is adopted, it is possible to suppress damage to the electrolytic cell due to current concentration.

また、上記実施形態において説明した燃料極116の構成(Ni含有率の関係等)は、燃料電池スタック100(または電解セルスタック、以下同様)に含まれるすべての単セル110(または電解単セル、以下同様)において採用されていてもよいし、燃料電池スタック100に含まれる一部のみの単セル110において採用されていてもよい。   In addition, the configuration of the fuel electrode 116 described in the above embodiment (the relationship of Ni content, etc.) is the same as all the single cells 110 (or electrolytic single cells) included in the fuel cell stack 100 (or electrolytic cell stack, the same applies hereinafter). The same applies hereinafter), or may be adopted in only a part of the single cells 110 included in the fuel cell stack 100.

また、本明細書に開示される技術は、以下の適用例としても実現することが可能である。
[適用例1]
固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、備える燃料電池単セルにおいて、
前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、
前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の下流側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の上流側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する、燃料電池単セル。
[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池単セルにおいて、
前記機能層における前記下流側の領域のNi含有率Cf2に対する前記上流側の領域のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.851以下であることを特徴とする、燃料電池単セル。
[適用例3]
適用例1または適用例2に記載の燃料電池単セルにおいて、
前記燃料極は、さらに、前記機能層の前記電解質層とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層を有し、
前記基板層において、前記ガス流れ方向の前記下流側の領域のNi含有率Cb2(wt%)は、前記ガス流れ方向の前記上流側の領域のNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する、燃料電池単セル。
[適用例4]
前記第1の方向に並べて配置された複数の燃料電池単セルを備える燃料電池スタックにおいて、
前記複数の燃料電池単セルの少なくとも1つは、適用例1から適用例3までのいずれか一つに記載の燃料電池単セルであることを特徴とする、燃料電池スタック。
[適用例5]
固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、備える電解単セルにおいて、
前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、
前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の上流側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の下流側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する、電解単セル。
[適用例6]
適用例5に記載の電解単セルにおいて、
前記機能層における前記上流側の領域のNi含有率Cf2に対する前記下流側の領域のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.851以下であることを特徴とする、電解単セル。
[適用例7]
適用例5または適用例6に記載の電解単セルにおいて、
前記燃料極は、さらに、前記機能層の前記電解質層とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層を有し、
前記基板層において、前記ガス流れ方向の前記上流側の領域のNi含有率Cb2(wt%)は、前記ガス流れ方向の前記下流側の領域のNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する、電解単セル。
[適用例8]
前記第1の方向に並べて配置された複数の電解単セルを備える電解セルスタックにおいて、
前記複数の電解単セルの少なくとも1つは、適用例5から適用例7までのいずれか一つに記載の電解単セルであることを特徴とする、電解セルスタック。
The technology disclosed in this specification can also be realized as the following application examples.
[Application Example 1]
In a fuel cell single cell comprising an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction across the electrolyte layer,
The fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics,
In the functional layer, the Ni content Cf2 (wt%) in the downstream region in the gas flow direction orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side is the upstream side in the gas flow direction. A fuel cell single cell characterized by being lower than the Ni content Cf1 (wt%) of the region.
[Application Example 2]
In the fuel cell single cell described in Application Example 1,
The ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 in the upstream region to the Ni content Cf2 in the downstream region in the functional layer is greater than 1 and 1.851 or less, Fuel cell single cell.
[Application Example 3]
In the fuel cell single cell according to Application Example 1 or Application Example 2,
The fuel electrode further includes a substrate layer disposed on the side of the functional layer opposite to the electrolyte layer and containing Ni and oxide ion conductive ceramics,
In the substrate layer, the Ni content Cb2 (wt%) in the downstream region in the gas flow direction is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the upstream region in the gas flow direction. A single fuel cell.
[Application Example 4]
In a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cell single cells arranged side by side in the first direction,
A fuel cell stack, wherein at least one of the plurality of fuel cell single cells is the fuel cell single cell according to any one of application examples 1 to 3.
[Application Example 5]
In an electrolytic unit cell comprising an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction across the electrolyte layer,
The fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics,
In the functional layer, the Ni content Cf2 (wt%) of the upstream region in the gas flow direction orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side is the downstream of the gas flow direction. An electrolytic single cell characterized by being lower than the Ni content Cf1 (wt%) of the region.
[Application Example 6]
In the electrolytic single cell described in Application Example 5,
The ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 in the downstream region to the Ni content Cf2 in the upstream region in the functional layer is greater than 1 and 1.851 or less, Electrolytic single cell.
[Application Example 7]
In the electrolytic cell described in Application Example 5 or Application Example 6,
The fuel electrode further includes a substrate layer disposed on the side of the functional layer opposite to the electrolyte layer and containing Ni and oxide ion conductive ceramics,
In the substrate layer, the Ni content Cb2 (wt%) in the upstream region in the gas flow direction is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the downstream region in the gas flow direction. Electrolytic single cell.
[Application Example 8]
In an electrolytic cell stack comprising a plurality of electrolytic single cells arranged side by side in the first direction,
An electrolytic cell stack, wherein at least one of the plurality of electrolytic single cells is the electrolytic single cell according to any one of application examples 5 to 7.

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 40:集電部 51:電極支持体 52:燃料ガス流路 53:インターコネクタ 70:収納容器 73:マニホールド 76:改質器 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 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 350:機能層 360:基板層 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Main part 29: Branching part 40: Current collecting part 51: Electrode support 52: Fuel gas flow path 53: Interconnector 70: Storage container 73: Manifold 76: reformer 100: fuel cell stack 102: fuel cell power generation unit 104: end plate 106: end plate 108: communication hole 110: single cell 112: electrolyte layer 114: air electrode 116: fuel electrode 120: separator 121: hole 124: Junction 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 135: Current collector element 140: Fuel electrode side frame 141 : Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 14 4: Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing portion 147: Connection portion 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidant gas introduction manifold 162: Oxidant gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber 350: Functional layer 360: Substrate layer

Claims (4)

固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、備える電気化学反応単セルにおいて、
前記燃料極は、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する機能層を有し、
前記機能層において、前記燃料極側に供給されるガスの前記第1の方向に直交するガス流れ方向の一方の側の領域のNi含有率Cf2(wt%)は、前記ガス流れ方向の他方の側の領域のNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する、電気化学反応単セル。
In an electrochemical reaction unit cell comprising an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer,
The fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics,
In the functional layer, the Ni content Cf2 (wt%) of the region on one side of the gas flow direction orthogonal to the first direction of the gas supplied to the fuel electrode side is the other in the gas flow direction. An electrochemical reaction single cell characterized by being lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the side region.
請求項1に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記機能層における前記一方の側の領域のNi含有率Cf2に対する前記他方の側の領域のNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.851以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
The electrochemical reaction single cell according to claim 1,
The ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 of the other side region to the Ni content Cf2 of the one side region in the functional layer is greater than 1 and 1.851 or less. An electrochemical reaction single cell.
請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記燃料極は、さらに、前記機能層の前記電解質層とは反対側に配置され、Niと酸化物イオン伝導性セラミックスとを含有する基板層を有し、
前記基板層において、前記ガス流れ方向の前記一方の側の領域のNi含有率Cb2(wt%)は、前記ガス流れ方向の前記他方の側の領域のNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する、電気化学反応単セル。
The electrochemical reaction single cell according to claim 1 or 2,
The fuel electrode further includes a substrate layer disposed on the side of the functional layer opposite to the electrolyte layer and containing Ni and oxide ion conductive ceramics,
In the substrate layer, the Ni content Cb2 (wt%) in the one side region in the gas flow direction is higher than the Ni content Cb1 (wt%) in the other side region in the gas flow direction. Characterized by an electrochemical reaction single cell.
前記第1の方向に並べて配置された複数の電気化学反応単セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも1つは、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
In an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells arranged side by side in the first direction,
The electrochemical reaction cell stack according to claim 1, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell according to claim 1.
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