JP2018037331A - Electrochemical reaction cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。 The technology disclosed herein relates to an electrochemical reaction cell stack.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の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は、一般に、所定の方向(以下、「配列方向」という)に並べて配置された複数の燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)を備える燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックを構成する各単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで上記配列方向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。 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. The SOFC is generally used in the form of a fuel cell stack including a plurality of fuel cell single cells (hereinafter simply referred to as “single cells”) arranged in a predetermined direction (hereinafter referred to as “array direction”). Each single cell constituting the fuel cell stack includes an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the arrangement direction with the electrolyte layer interposed therebetween. 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”)).
燃料電池スタックの一形態として、複数の単セルの内の第1の単セル(以下、「上流の単セル」という)の燃料極に面する第1の燃料室と、複数の単セルの内の第2の単セル(以下、「下流の単セル」という)の燃料極に面する第2の燃料室とに連通し、上記第1の燃料室から排出されたガスを上記第2の燃料室に導くガス流路が形成された、いわゆる直列型または直並列型の燃料電池スタックが知られている(例えば、特許文献1参照)。 As one form of the fuel cell stack, a first fuel chamber facing a fuel electrode of a first single cell (hereinafter referred to as “upstream single cell”) of a plurality of single cells, and a plurality of single cells The second fuel cell communicates with the second fuel chamber facing the fuel electrode of the second single cell (hereinafter referred to as the “downstream single cell”), and the gas discharged from the first fuel chamber is the second fuel. A so-called series-type or series-parallel type fuel cell stack in which a gas flow path leading to a chamber is formed is known (see, for example, Patent Document 1).
一般に、上述した直列型または直並列型の燃料電池スタックの運転時には、上流の単セルと比較して、下流の単セルの燃料極の機能層において、水蒸気分圧が高くなる。これは、上流の単セルにおける発電反応により燃料極側で発生する水(水蒸気)が、ガス流れによって下流の単セルに運ばれるからである。下流の単セルの燃料極の機能層における水蒸気分圧が高くなると、機能層に含まれる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、下流の単セルの性能劣化の原因となる。従来の燃料電池スタックの構成では、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, when the above-described series-type or series-parallel type fuel cell stack is operated, the partial pressure of water vapor is higher in the functional layer of the fuel electrode of the downstream single cell than in the upstream single cell. This is because water (water vapor) generated on the fuel electrode side by the power generation reaction in the upstream single cell is carried to the downstream single cell by the gas flow. When the water vapor partial pressure in the functional layer of the fuel electrode of the downstream single cell increases, the microstructure change (aggregation) of Ni contained in 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 the performance deterioration of the downstream single cell. In the configuration of the conventional fuel cell stack, 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を複数備える電解セルスタックにも共通の課題である。上流の電解単セルの燃料極に面する第1の燃料室から排出されたガスを下流の電解単セルの燃料極に面する第2の燃料室に導くガス流路が形成された直列型または直並列型の電解セルスタックでは、運転時に、燃料極に供給されるガスとしての水蒸気が、各電解単セルにおける水素生成反応において消費されるため、下流の電解単セルと比較して、上流の電解単セルの燃料極の機能層における水蒸気分圧が高くなる。そのため、電解セルスタックにおいても、上流の電解単セルの燃料極の機能層における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、上流の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。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び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。 Such a problem is an electrolytic cell including a plurality of electrolytic single cells that are constituent units of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. This is a common issue for stacks. A serial type in which a gas flow path is formed to guide the gas discharged from the first fuel chamber facing the fuel electrode of the upstream electrolytic unit cell to the second fuel chamber facing the fuel electrode of the downstream electrolytic unit cell, or In a series-parallel type electrolysis cell stack, water vapor as gas supplied to the fuel electrode is consumed in the hydrogen generation reaction in each electrolysis unit cell during operation. The water vapor partial pressure in the functional layer of the fuel electrode of the electrolytic single cell is increased. Therefore, in the electrolytic cell stack, the water vapor partial pressure in the functional layer of the fuel electrode of the upstream electrolytic unit cell is increased to promote the change in the microstructure of Ni contained in the functional layer, and the performance deterioration of the upstream electrolytic unit cell. There is a problem that is likely to occur. In the present specification, the fuel cell unit cell and the electrolysis unit cell are collectively referred to as an electrochemical reaction unit cell, and the fuel cell stack and the electrolysis cell stack are collectively referred to as an electrochemical reaction cell stack.
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 In this specification, the technique which can solve the subject mentioned above is disclosed.
本明細書に開示される技術は、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セルスタックは、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルを複数備える電気化学反応セルスタックにおいて、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、前記電気化学反応セルスタックには、前記電気化学反応単セルの1つである第1の電気化学反応単セルの前記燃料極に面する第1の燃料室と、前記電気化学反応単セルの他の1つである第2の電気化学反応単セルの前記燃料極に面する第2の燃料室と、前記第1の燃料室と前記第2の燃料室とに連通するガス流路と、が形成されており、前記第2の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf2(wt%)は、前記第1の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する。本電気化学反応セルスタックによれば、第2の電気化学反応単セルの燃料極の機能層におけるNi含有率Cf2(wt%)が第1の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf1(wt%)より低くされているため、第2の電気化学反応単セルが運転中に水蒸気分圧が高くなりやすい側の電気化学反応単セルとなるように電気化学反応セルスタックを構成することにより、第2の電気化学反応単セルの燃料極の機能層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、第2の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、本電気化学反応セルスタックによれば、水蒸気分圧が高くなりにくい第1の電気化学反応単セルの燃料極の機能層においては、Ni含有率Cf1(wt%)が比較的高くされているため、電気化学反応セルスタック全体としての機能層におけるNiの含有率をある程度確保することができ、電気化学反応セルスタックの初期性能の低下を抑制することができる。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、電気化学反応セルスタックの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 cell stack disclosed in the present specification includes an electrolyte layer containing a solid oxide, and an electric electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer. In an electrochemical reaction cell stack including a plurality of chemical reaction single cells, the fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics, and the electrochemical reaction cell stack includes the electrochemical reaction. A first fuel chamber that faces the fuel electrode of a first electrochemical reaction unit cell that is one of the single cells, and a second electrochemical reaction unit cell that is the other one of the electrochemical reaction unit cells A second fuel chamber facing the fuel electrode, and a gas flow path communicating with the first fuel chamber and the second fuel chamber, and the second electrochemical reaction unit. Ni content in the functional layer of the fuel electrode of the cell Cf2 (wt%) is being lower than the Ni content Cf1 (wt%) in the functional layer of the fuel electrode of the first electrochemical reaction unit cells. According to this electrochemical reaction cell stack, the Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer of the fuel electrode of the second electrochemical reaction single cell is the functional layer of the fuel electrode of the first electrochemical reaction single cell. Since the Ni content Cf1 (wt%) is lower than that in the electrochemical reaction cell, the second electrochemical reaction single cell becomes an electrochemical reaction single cell on the side where the water vapor partial pressure tends to increase during operation. By forming the stack, it is possible to reduce the amount of Ni microstructural change caused by an increase in the partial pressure of water vapor in the functional layer of the fuel electrode of the second electrochemical reaction unit cell. The performance deterioration of the single cell can be suppressed. In addition, according to the electrochemical reaction cell stack, the Ni content Cf1 (wt%) is relatively high in the functional layer of the fuel electrode of the first electrochemical reaction single cell in which the water vapor partial pressure is difficult to increase. Therefore, Ni content in the functional layer as a whole of the electrochemical reaction cell stack can be secured to some extent, and deterioration of the initial performance of the electrochemical reaction cell stack can be suppressed. Therefore, according to the present electrochemical reaction cell stack, it is possible to suppress deterioration in performance due to operation while suppressing a decrease in initial performance of the electrochemical reaction cell stack.
(2)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第2の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf2に対する前記第1の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.231以下である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、第2の電気化学反応単セルの初期性能の低下を抑制することができ、電気化学反応セルスタックの初期性能の低下を効果的に抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction cell stack, the function of the fuel electrode of the first electrochemical reaction unit cell with respect to the Ni content Cf2 in the functional layer of the fuel electrode of the second electrochemical reaction unit cell. The ratio of the Ni content Cf1 in the layer (Cf1 / Cf2) may be greater than 1 and 1.231 or less. According to this electrochemical reaction cell stack, it is possible to suppress a decrease in the initial performance of the second electrochemical reaction unit cell, and it is possible to effectively suppress a decrease in the initial performance of the electrochemical reaction cell stack.
(3)上記電気化学反応セルスタックにおいて、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、前記第2の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記基板層におけるNi含有率Cb2(wt%)は、前記第1の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記基板層における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。本電気化学反応セルスタックによれば、水蒸気分圧が機能層に比べ高くなりにくい基板層については、第2の電気化学反応単セルの燃料極の基板層におけるNi含有率Cb2(wt%)を比較的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、第2の電気化学反応単セルの初期性能の低下を抑制することができ、電気化学反応セルスタックの初期性能の低下を効果的に抑制することができる。また、第2の電気化学反応単セルの燃料極(機能層および基板層)におけるNi含有率と、第1の電気化学反応単セルの燃料極(機能層および基板層)におけるNi含有率との差を小さくすることができ、電気化学反応セルスタックを構成する各電気化学反応単セルにおける反応量のばらつきを抑制することができる。各電気化学反応単セルにおける反応量のばらつきを抑制することで、スタック全体での安定した反応が可能となり、各電気化学反応単セルで偏った性能の劣化の発生を抑制することができ、その結果、電気化学反応セルスタックが長寿命となる。 (3) In the electrochemical reaction cell stack, 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. The Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer of the fuel electrode of the second electrochemical reaction single cell is the Ni content in the substrate layer of the fuel electrode of the first electrochemical reaction single cell. It is good also as a structure characterized by being higher than Cb1 (wt%). According to this electrochemical reaction cell stack, the Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer of the fuel electrode of the second electrochemical reaction single cell is determined for the substrate layer in which the water vapor partial pressure is less likely to be higher than that of the functional layer. By making it relatively high, it is possible to suppress the deterioration of the initial performance of the second electrochemical reaction single cell while suppressing the performance deterioration due to the change in the microstructure of Ni, and the deterioration of the initial performance of the electrochemical reaction cell stack. Can be effectively suppressed. Further, the Ni content in the fuel electrode (functional layer and substrate layer) of the second electrochemical reaction single cell and the Ni content in the fuel electrode (functional layer and substrate layer) of the first electrochemical reaction single cell. A difference can be made small and the dispersion | variation in the reaction amount in each electrochemical reaction single cell which comprises an electrochemical reaction cell stack can be suppressed. By suppressing the variation in reaction amount in each electrochemical reaction single cell, it is possible to perform a stable reaction in the entire stack, and to suppress the occurrence of uneven performance deterioration in each electrochemical reaction single cell. As a result, the electrochemical reaction cell stack has a long life.
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)、電気化学反応セルスタックの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a method for manufacturing an electrochemical reaction cell stack, and the like. It is possible to realize in the form.
A.実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、燃料電池スタック100の上側の平面構成を示す説明図であり、図3は、燃料電池スタック100の下側の平面構成を示す説明図である。また、図4は、図1から図3のIV−IV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5は、図1から図3のV−V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り、図6は、図1から図3のVI−VI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7以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では6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。6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。以下、6つの発電単位102の内、上から3つの発電単位102を下流の発電単位102Dともいい、残りの3つの発電単位102、即ち、下から3つの発電単位102を上流の発電単位102Uともいう。一対のエンドプレート104,106は、6つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
The
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
A plurality of (eight in the present embodiment) holes penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral portion around the Z direction of each layer (
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図4から図6に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図2から図4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)の中央付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され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、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軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
The outer diameter of the shaft portion of each
また、図2、図3および図5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つの頂点(X軸正方向側およびY軸負方向側の頂点)付近に位置するボルト22(ボルト22C)と、そのボルト22Cが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを上流の各発電単位102Uに供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、燃料電池スタック100のZ方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、上流の各発電単位102Uの燃料室176から排出されたガスである燃料中間ガスFMGを、下流の各発電単位102Dに向けて運ぶガス流路である燃料ガス中継マニホールド172として機能する。燃料中間ガスFMGには、上流の各発電単位102Uの燃料室176において発電反応に利用されなかった水素等が含まれる。また、図2、図3および図6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軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、下流の各発電単位102D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173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. 2, 3, and 5, the
図4から図6に示すように、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4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5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22C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、図6に示すように、燃料ガス排出マニホールド173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173に連通している。
As shown in FIGS. 4 to 6, the
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of
The pair of
(発電単位102の構成)
図7は、図4に示す断面と同一の位置における互いに隣接する1つの下流の発電単位102Dおよび1つの上流の発電単位102UのXZ断面構成を示す説明図であり、図8は、図5に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの上流の発電単位102UのYZ断面構成を示す説明図であり、図9は、図6に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの下流の発電単位102DのYZ断面構成を示す説明図である。また、図10は、図7のX−Xの位置における上流の発電単位102UのXY断面構成を示す説明図であり、図11は、図7のXI−XIの位置における上流の発電単位102UのXY断面構成を示す説明図であり、図12は、図7のXII−XIIの位置における下流の発電単位102DのXY断面構成を示す説明図である。
(Configuration of power generation unit 102)
7 is an explanatory diagram showing an XZ cross-sectional configuration of one downstream
図7から図9に示すように、燃料電池スタック100の構成単位である発電単位102は、燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される連通孔108に対応する孔が形成されている。
As shown in FIGS. 7 to 9, the
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4から図6参照)。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。単セル110は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルに相当し、上流の発電単位102Uに備えられた単セル110(以下、「上流の単セル110U」ともいう)は、特許請求の範囲における第1の電気化学反応単セルに相当し、下流の発電単位102Dに備えられた単セル110(以下、「下流の単セル110D」ともいう)は、特許請求の範囲における第2の電気化学反応単セルに相当する。
The
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
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
The
空気極側フレーム130は、図7から図10に示すように、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。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。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 FIGS. 7 to 10, the air
燃料極側フレーム140は、図7から図9、図11および図12に示すように、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。図8および図11に示すように、上流の各発電単位102Uの燃料極側フレーム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142Uと、燃料室176と燃料ガス中継マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143Uとが形成されている。また、図9および図12に示すように、下流の各発電単位102Dの燃料極側フレーム140には、燃料ガス中継マニホールド172と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142Dと、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド173とを連通する燃料ガス排出連通孔143Dとが形成されている。
As shown in FIGS. 7 to 9, 11 and 12, the fuel
空気極側集電体134は、図7から図10に示すように、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。
The air electrode side
燃料極側集電体144は、図7から図9、図11および図12に示すように、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、複数の電極対向部145と、各電極対向部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。各電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。
The fuel electrode side
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図4、図7および図10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から下流および上流の各発電単位102D,102U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。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 4, 7, and 10, the oxidant gas is connected via a gas pipe (not shown) connected to the
また、図5、図8および図11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から上流の各発電単位102Uの燃料ガス供給連通孔142Uを介して、上流の各発電単位102Uの燃料室176に供給される。なお、燃料ガス導入マニホールド171は、下流の各発電単位102Dの燃料室176には連通していないため、燃料ガス導入マニホールド171から下流の各発電単位102Dの燃料室176に燃料ガスFGが供給されることはない。上流の各発電単位102Uの燃料室176から排出された燃料中間ガスFMGは、燃料ガス排出連通孔143Uを介して燃料ガス中継マニホールド172に排出される。図6、図9および図12に示すように、下流の各発電単位102Dの燃料室176には、この上流の各発電単位102Uから排出された燃料中間ガスFMGが、燃料ガス中継マニホールド172、および、下流の各発電単位102Dの燃料ガス供給連通孔142Dを介して供給される。
Further, as shown in FIGS. 5, 8, and 11, the fuel gas is connected through a gas pipe (not shown) connected to the
上流の各発電単位102Uの空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、上流の各発電単位102Uの燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、上流の各発電単位102Uの単セル110Uにおいて酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。また、下流の各発電単位102Dの空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、下流の各発電単位102Dの燃料室176に燃料中間ガスFMGが供給されると、下流の各発電単位102Dの単セル110Dにおいて酸化剤ガスOGおよび燃料中間ガスFMGの電気化学反応による発電が行われる。これら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
図4、図7および図10に示すように、下流および上流の各発電単位102U,102Dの空気室166から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に排出された酸化剤オフガスOOGは、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、図6、図9および図12に示すように、下流の各発電単位102Dの燃料室176から燃料ガス排出連通孔143Dを介して燃料ガス排出マニホールド173に排出された燃料オフガスFOGは、燃料ガス排出マニホールド173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。
As shown in FIGS. 4, 7, and 10, the oxidant discharged from the
このように、本実施形態の燃料電池スタック100の燃料ガスFGの流路構成は、外部から導入された燃料ガスFGが、上流の複数の発電単位102Uに並列に供給され、上流の各発電単位102Uから排出された燃料中間ガスFMGが、燃料ガス中継マニホールド172を介して、下流の複数の発電単位102Dに並列に供給される、いわゆる直並列型の流路構成である。上流の発電単位102Uの燃料室176は、特許請求の範囲における第1の燃料室に相当し、下流の発電単位102Dの燃料室176は、特許請求の範囲における第2の燃料室に相当し、燃料ガス中継マニホールド172は、特許請求の範囲におけるガス流路に相当する。
As described above, the flow path configuration of the fuel gas FG of the
A−3.燃料極116の詳細構成:
図13および図14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13には、上流の単セル110Uが備える燃料極116の構成が模式的に示されており、図14には、下流の単セル110Dが備える燃料極116の構成が模式的に示されている。
A-3. Detailed configuration of the fuel electrode 116:
13 and 14 are YZ cross-sectional views schematically showing the detailed configuration of the
図13および図14に示すように、上流の単セル110Uおよび下流の単セル110Dのいずれにおいても、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。
As shown in FIGS. 13 and 14, the
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(または燃料中間ガスFMG)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
本実施形態の燃料電池スタック100では、上流の単セル110Uと下流の単セル110Dとで、燃料極116のNi含有率に差が設けられている。具体的には、機能層350については、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2(wt%)は、上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf1(wt%)より低くなっている。反対に、基板層360については、下流の単セル110Dの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb2(wt%)は、上流の単セル110Uの燃料極116の基板層360における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
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
(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: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1スラリーを調整すると共に、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2スラリーを調整する。2種類のスラリーの内の一方である基板層用第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、上流の単セル110U用の燃料極基板層用グリーンシートを作製する。また、2種類のスラリーの内の他方である基板層用第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、下流の単セル110D用の燃料極基板層用グリーンシートを作製する。
(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: 50 parts by weight and YSZ powder: 50 parts by weight, and a mixed powder of NiO powder: 60 parts by weight and YSZ powder: 40 parts by weight is used. To prepare the second slurry for the substrate layer. One of the two types of slurries is coated with a first slurry for a substrate layer (a slurry having a relatively low content of NiO powder) to produce a green sheet for a fuel electrode substrate layer for the
(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: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1スラリーを調整すると共に、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2スラリーを調整する。2種類のスラリーの内の一方である機能層用第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、上流の単セル110U用の燃料極機能層用グリーンシートを作製する。また、2種類のスラリーの内の他方である機能層用第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、下流の単セル110D用の燃料極機能層用グリーンシートを作製する。
(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 55 parts by weight of NiO powder and 45 parts by weight of YSZ powder, and a mixed powder of 45 parts by weight of NiO powder and 55 parts by weight of YSZ powder is used. To adjust the second slurry for the functional layer. A functional layer first slurry (a slurry having a relatively high NiO powder content), which is one of the two types of slurry, is applied to produce a fuel electrode functional layer green sheet for the upstream
(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)
下流の単セル110D用の燃料極基板層用グリーンシートおよび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℃で脱脂し、その後、例えば約1350℃にて焼成を行うことにより、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(下流の単セル110D用の積層体)を得る。同様に、上流の単セル110U用の燃料極基板層用グリーンシートおよび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℃で脱脂し、その後、例えば約1350℃にて焼成を行うことにより、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(上流の単セル110U用の積層体)を得る。
(Preparation of a laminate of the
The fuel cell substrate layer green sheet and the fuel electrode functional layer green sheet for the downstream
(空気極114の形成)
例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作成し、該混合液を、上述した下流の単セル110D用の積層体における電解質層112側の表面に噴霧塗布し、その後、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。これにより、下流の単セル110Dが製造される。同様に、例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作成し、該混合液を、上述した上流の単セル110U用の積層体における電解質層112側の表面に噴霧塗布し、その後、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。これにより、上流の単セル110Uが製造される。
(Formation of air electrode 114)
For example, a mixed liquid composed of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder and isopropyl alcohol is prepared, and the mixed liquid is used as a laminate for the downstream
例えば上述した方法に従い下流の単セル110Dおよび上流の単セル110Uを製造することにより、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2(wt%)を、上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf1(wt%)より低くすることができ、下流の単セル110Dの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb2(wt%)を、上流の単セル110Uの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb1(wt%)より高くすることができる。
For example, by manufacturing the downstream
(燃料電池スタック100の組み立て)
複数の単セル110(下流の単セル110Dおよび上流の単セル110U)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、上述した構成の燃料電池スタック100が製造される。
(Assembly of fuel cell stack 100)
After the plurality of unit cells 110 (the
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では、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。また、本実施形態の燃料電池スタック100には、上流の単セル110Uの燃料極116に面する燃料室176(第1の燃料室)と、下流の単セル110Dの燃料極116に面する燃料室176(第2の燃料室)と、上記第1の燃料室と上記第2の燃料室とに連通する(より具体的には、上記第1の燃料室から排出されたガスを上記第2の燃料室に導く)ガス流路である燃料ガス中継マニホールド172が形成されている。また、本実施形態の燃料電池スタック100では、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2(wt%)が、上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf1(wt%)より低い。ここで、本実施形態の燃料電池スタック100では、発電運転時に、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350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、上流の単セル110Uにおける発電反応により燃料極116側で発生する水(水蒸気)が、ガス流れによって下流の単セル110Dに運ばれるからである。下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350において水蒸気分圧が高くなると、機能層350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、下流の単セル110Dの性能劣化の原因となる。しかし、本実施形態の燃料電池スタック100では、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2(wt%)が比較的低くされているため、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350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、下流の単セル110Dの性能劣化を抑制することができる。また、本実施形態の燃料電池スタック100では、水蒸気分圧が高くなりにくい上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350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、燃料電池スタック100全体としての機能層350におけるNiの含有率をある程度確保することができ、燃料電池スタック100の初期性能の低下を抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、燃料電池スタック100の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。
A-5. Effects of this embodiment:
As described above, in the
また、本実施形態の燃料電池スタック100では、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。また、本実施形態の燃料電池スタック100では、下流の単セル110Dの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb2(wt%)が、上流の単セル110Uの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb1(wt%)より高い。一般に、燃料極116の基板層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、下流の単セル110Dの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb2(wt%)を比較的高くしても、基板層360に含まれるNiの微構造変化の発生量は少なく、下流の単セル110Dの性能が大きく劣化することはない。また、下流の単セル110Dの燃料極116の基板層360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全体としてNi含有率の低下を避け、下流の単セル110Dの初期性能の低下を抑制することができる。さらに、下流の単セル110Dの燃料極116(機能層350および基板層360)におけるNi含有率と、上流の単セル110Uの燃料極116(機能層350および基板層360)におけるNi含有率との差を小さくすることができ、燃料電池スタック100を構成する各単セル110における発電量のばらつきを抑制することができる。従って、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、燃料電池スタック100の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、さらに、各単セル110における発電量のばらつきを抑制することができる。各単セル110における発電量のばらつきを抑制することで、燃料電池スタック100全体での安定した発電が可能となり、各単セル110で偏った発電性能の劣化の発生を抑制することができ、その結果、燃料電池スタック100が長寿命となる。
In the
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15は、性能評価結果を示す説明図である。図15に示すように、各サンプルS1〜S10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、上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf1(wt%)と、上流の単セル110Uの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb1(wt%)と、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2(wt%)と、下流の単セル110Dの燃料極116の基板層360における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個であり、そのうちの6個が上流の単セル110Uであり、残りの4個が下流の単セル110Dである。図15に示された各Ni含有率の値は、燃料電池スタック100が備える複数の上流の単セル110U(または下流の単セル110D)におけるNi含有率の平均値である。
A-6. Performance evaluation:
Performance evaluation performed using a plurality of
(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)以上である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、1.5(%)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
(評価結果)
サンプルS1およびサンプルS9では、劣化率が1.5(%)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S9では、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350のNi含有率Cf2(wt%)が、上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350の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S9では、発電運転時に、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350における水蒸気分圧が上昇することに伴って、該機能層350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、下流の単セル110Dの性能が劣化したものと考えられる。
(Evaluation results)
In sample S1 and sample S9, since the deterioration rate was 1.5 (%) or more, it was determined to be rejected (x). In sample S1 and sample S9, the Ni content Cf2 (wt%) of the
また、サンプルS7,S8,S10では、初期平均出力が0.8(V)より低かったため、不合格(×)と判定された。サンプルS7,S8,S10では、上流の単セル110Uにおいても下流の単セル110Dにおいても燃料極116の機能層350の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S7,S8,S10では、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350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 S7, S8, and S10, since the initial average output was lower than 0.8 (V), it was determined as rejected (x). In samples S7, S8, and S10, the Ni content of the
これに対し、サンプルS2〜S6では、初期平均出力が0.8(V)以上であり、かつ、劣化率が1.5(%)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〜S6では、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2(wt%)が、上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350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〜S6では、上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf1(wt%)を比較的高くすることによって燃料電池スタック100の初期性能の低下を抑制しつつ、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350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下流の単セル110D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〜S6では、下流の単セル110Dの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb2(wt%)が、上流の単セル110Uの燃料極116の基板層360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〜S6では、下流の単セル110Dの初期性能の低下を抑制することができ、燃料電池スタック100の初期性能の低下を効果的に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 S6, the initial average output was 0.8 (V) or more and the deterioration rate was lower than 1.5 (%), so it was determined to be acceptable (◯ or ◎). In samples S2 to S6, the Ni content Cf2 (wt%) in the
なお、サンプルS6では、初期平均出力が0.8(V)以上ではあるが、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〜S5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S6では、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2(wt%)が、上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf1(wt%)と比較して大幅に低い、すなわち、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2に対する上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)が、1.361と比較的大きい。そのため、下流の単セル110Dの性能劣化を抑制することはできるものの、下流の単セル110Dの初期性能低下の抑制の点でサンプルS2〜S5に及ばなかったものと考えられる。サンプルS2〜S5では、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2(wt%)が、上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350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、1.231以下である)。そのため、サンプルS2〜S5では、下流の単セル110Dの初期性能の低下を抑制することによって、燃料電池スタック100の初期性能の低下を効果的に抑制することができたものと考えられる。
In sample S6, although the initial average output was 0.8 (V) or higher, it was determined to be acceptable (◯) because it was 0.81 (V) or lower, but in samples S2 to S5, Since the initial average output was higher than 0.81 (V), it was determined to be particularly good (◎). In the sample S6, the Ni content Cf2 (wt%) in the
以上説明した性能評価の結果から、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2(wt%)を、上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf1(wt%)より低くすれば、燃料電池スタック100の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ことが確認された。さらに、下流の単セル110Dの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf2に対する上流の単セル110Uの燃料極116の機能層350におけるNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)を1より大きく、かつ、1.231以下とすれば、燃料電池スタック100の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ことが確認された。
From the results of the performance evaluation described above, the Ni content Cf2 (wt%) in the
また、上記性能評価の結果から、下流の単セル110Dの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb2(wt%)を、上流の単セル110Uの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb1(wt%)より高くすれば、下流の単セル110Dの初期性能の低下を抑制することができ、燃料電池スタック100の初期性能の低下を効果的に抑制することができることが確認された。
Further, from the result of the performance evaluation, the Ni content Cb2 (wt%) in the
A−7.燃料極116の分析方法:
単セル110(上流の単セル110Uまたは下流の単セル110D)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
(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の断面を任意に設定する。設定された断面における異なる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13および図14参照)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13および図14参照)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
(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
(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350におけるNi含有率(Cf1またはCf2)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360におけるNi含有率(Cb1またはCb2)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%. The Ni content (Cf1 or Cf2) in the
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The technology disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
上記実施形態における燃料電池スタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、燃料極116が、機能層350と基板層360との2層により構成されているとしているが、燃料極116が機能層350のみから構成されているとしてもよいし、燃料極116が機能層350および基板層360以外の他の層を備えるとしてもよい。
The configuration of the
また、上記実施形態では、基板層360の構成に関し、下流の単セル110Dの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb2(wt%)が、上流の単セル110Uの燃料極116の基板層360におけるNi含有率Cb1(wt%)より高いとしているが、必ずしもこうような関係である必要は無い。
In the above embodiment, regarding the configuration of the
また、上記実施形態において、電解質層112と空気極114との間に、例えばセリアを含む反応防止層が設けられていてもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる単セル110(上流の単セル110Uおよび下流の単セル110D)の個数は、あくまで一例であり、単セル110の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
In the above embodiment, a reaction preventing layer containing, for example, ceria may be provided between the
また、上記実施形態において、電解質層112は固体酸化物により形成されているとしているが、電解質層112は固体酸化物の他に他の物質を含んでいてもよい。また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、上記実施形態では、燃料極116の機能層350および基板層360は、酸化物イオン伝導性セラミックスとしてYSZを含むとしているが、例えばGDC(ガドリニウムドープセリア)やSDC(サマリウムドープセリア)等の他の酸化物イオン伝導性セラミックスを含むとしてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解単セルを複数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 cell stack including a plurality of electrolytic single cells that are constituent units of a solid oxide electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by using hydrogen. 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
ここで、SOECの運転時には、燃料極116に供給されるガスとしての水蒸気が、各電解単セルにおける水素生成反応において消費されるため、下流の電解単セルと比較して、上流の電解単セルの燃料極116の機能層350における水蒸気分圧が高くなる。そのため、SOECにおいても、上流の電解単セルの燃料極116の機能層350における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、上流の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、電解セルスタックにおいても、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、上流の電解単セルの燃料極116の機能層350におけるNi含有率(wt%)が下流の電解単セルの燃料極116の機能層350におけるNi含有率(wt%)より低い構成を採用すれば、電解セルスタックの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。また、電解セルスタックにおいても、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、上流の電解単セルの燃料極116の基板層360におけるNi含有率(wt%)が、下流の電解単セルの燃料極116の基板層360におけるNi含有率(wt%)より高い構成を採用すれば、電解セルスタックの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、さらに、各電解単セルにおける反応量のばらつきを抑制することができる。
Here, when the SOEC is operated, water vapor as a gas supplied to the
また、上記実施形態において説明した燃料極116の構成、具体的には、上流の単セル110Uの機能層350(または基板層360)のNi含有率と下流の単セル110Dの機能層350(または基板層360)のNi含有率との高低関係は、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上流および下流の単セル110(または電解単セル、以下同様)において採用されてもよいし、燃料電池スタック100に含まれる一部の上流および下流の単セル110のみにおいて採用されてもよい。
In addition, the configuration of the
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、を含む燃料電池単セルを複数備える燃料電池スタックにおいて、
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、
前記燃料電池スタックには、
前記燃料電池単セルの1つである第1の燃料電池単セルの前記燃料極に面する第1の燃料室と、
前記燃料電池単セルの他の1つである第2の燃料電池単セルの前記燃料極に面する第2の燃料室と、
前記第1の燃料室と前記第2の燃料室とに連通し、前記第1の燃料室から排出されたガスを前記第2の燃料室に導くガス流路と、
が形成されており、
前記第2の燃料電池単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf2(wt%)は、前記第1の燃料電池単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する、燃料電池スタック。
[適用例2]
適用例1に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記第2の燃料電池単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf2に対する前記第1の燃料電池単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.231以下であることを特徴とする、燃料電池スタック。
[適用例3]
適用例1または適用例2に記載の燃料電池スタックにおいて、
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、
前記第2の燃料電池単セルの前記燃料極の前記基板層におけるNi含有率Cb2(wt%)は、前記第1の燃料電池単セルの前記燃料極の前記基板層におけるNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する、燃料電池スタック。
[適用例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、を含む電解単セルを複数備える電解セルスタックにおいて、
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、
前記電解セルスタックには、
前記電解単セルの1つである第1の電解単セルの前記燃料極に面する第1の燃料室と、
前記電解単セルの他の1つである第2の電解単セルの前記燃料極に面する第2の燃料室と、
前記第1の燃料室と前記第2の燃料室とに連通し、前記第2の燃料室から排出されたガスを前記第1の燃料室に導くガス流路と、
が形成されており、
前記第2の電解単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf2(wt%)は、前記第1の電解単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する、電解セルスタック。
[適用例5]
適用例4に記載の電解セルスタックにおいて、
前記第2の電解単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf2に対する前記第1の電解単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.231以下であることを特徴とする、電解セルスタック。
[適用例6]
適用例4または適用例5に記載の電解セルスタックにおいて、
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、
前記第2の電解単セルの前記燃料極の前記基板層におけるNi含有率Cb2(wt%)は、前記第1の電解単セルの前記燃料極の前記基板層におけるNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する、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 stack comprising a plurality of fuel cell single cells each including an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween,
The fuel electrode has a functional layer containing Ni and oxide ion conductive ceramics,
The fuel cell stack includes
A first fuel chamber facing the fuel electrode of a first fuel cell unit cell that is one of the fuel cell unit cells;
A second fuel chamber facing the fuel electrode of a second fuel cell single cell which is another one of the fuel cell single cells;
A gas flow path that communicates with the first fuel chamber and the second fuel chamber and guides the gas discharged from the first fuel chamber to the second fuel chamber;
Is formed,
The Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer of the fuel electrode of the second fuel cell single cell is the Ni content Cf1 (wt) in the functional layer of the fuel electrode of the first fuel cell single cell. %) Lower, fuel cell stack.
[Application Example 2]
In the fuel cell stack described in Application Example 1,
Ratio of Ni content Cf1 in the functional layer of the fuel electrode of the first fuel cell single cell (Cf1 / Cf2) to Ni content Cf2 in the functional layer of the fuel electrode of the second fuel cell single cell Is greater than 1 and less than or equal to 1.231.
[Application Example 3]
In the fuel cell stack 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,
The Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer of the fuel electrode of the second fuel cell single cell is the Ni content Cb1 (wt) in the substrate layer of the fuel electrode of the first fuel cell single cell. %) Fuel cell stack, characterized by higher.
[Application Example 4]
In an electrolytic cell stack comprising a plurality of electrolytic single cells each including 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,
The electrolytic cell stack includes
A first fuel chamber facing the fuel electrode of a first electrolytic single cell that is one of the electrolytic single cells;
A second fuel chamber facing the fuel electrode of a second electrolysis unit cell that is another one of the electrolysis unit cells;
A gas flow path that communicates with the first fuel chamber and the second fuel chamber and guides the gas discharged from the second fuel chamber to the first fuel chamber;
Is formed,
The Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer of the fuel electrode of the second electrolytic unit cell is the Ni content Cf1 (wt%) in the functional layer of the fuel electrode of the first electrolytic unit cell. Electrolytic cell stack, characterized by a lower.
[Application Example 5]
In the electrolytic cell stack described in Application Example 4,
The ratio (Cf1 / Cf2) of the Ni content Cf1 in the functional layer of the fuel electrode of the first electrolytic unit cell to the Ni content Cf2 in the functional layer of the fuel electrode of the second electrolytic unit cell is An electrolytic cell stack, wherein the electrolytic cell stack is greater than 1 and less than or equal to 1.231.
[Application Example 6]
In the electrolytic cell stack according to Application Example 4 or Application Example 5,
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,
The Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer of the fuel electrode of the second electrolytic single cell is the Ni content Cb1 (wt%) in the substrate layer of the fuel electrode of the first electrolytic single cell. Electrolytic cell stack, characterized by a higher.
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 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 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:燃料ガス中継マニホールド 173: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: Body portion 29: Branch portion 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: Joint part 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air Electrode side current collector 140: Fuel electrode side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode facing portion 146: Interconnector facing portion 147: Connection Part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Acid Containing gas inlet manifold 162: oxidizing gas discharging manifold 166: an air chamber 171: fuel gas inlet manifold 172: fuel gas relay manifold 173: fuel gas discharging manifold 176: fuel chamber 350: functional layer 360: substrate layer
Claims (3)
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、
前記電気化学反応セルスタックには、
前記電気化学反応単セルの1つである第1の電気化学反応単セルの前記燃料極に面する第1の燃料室と、
前記電気化学反応単セルの他の1つである第2の電気化学反応単セルの前記燃料極に面する第2の燃料室と、
前記第1の燃料室と前記第2の燃料室とに連通するガス流路と、
が形成されており、
前記第2の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf2(wt%)は、前記第1の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf1(wt%)より低いことを特徴する、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 including 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,
The electrochemical reaction cell stack includes
A first fuel chamber facing the fuel electrode of a first electrochemical reaction unit cell that is one of the electrochemical reaction unit cells;
A second fuel chamber facing the fuel electrode of a second electrochemical reaction unit cell, which is another one of the electrochemical reaction unit cells;
A gas flow path communicating with the first fuel chamber and the second fuel chamber;
Is formed,
The Ni content Cf2 (wt%) in the functional layer of the fuel electrode of the second electrochemical reaction single cell is the Ni content Cf1 in the functional layer of the fuel electrode of the first electrochemical reaction single cell. Electrochemical reaction cell stack, characterized in that it is lower than (wt%).
前記第2の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf2に対する前記第1の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記機能層におけるNi含有率Cf1の比(Cf1/Cf2)は、1より大きく、1.231以下であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack according to claim 1,
The ratio of the Ni content Cf1 in the functional layer of the fuel electrode of the first electrochemical reaction single cell to the Ni content Cf2 in the functional layer of the fuel electrode of the second electrochemical reaction single cell (Cf1 / Cf2) is an electrochemical reaction cell stack characterized by being greater than 1 and not greater than 1.231.
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、
前記第2の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記基板層におけるNi含有率Cb2(wt%)は、前記第1の電気化学反応単セルの前記燃料極の前記基板層におけるNi含有率Cb1(wt%)より高いことを特徴する、電気化学反応セルスタック。 The electrochemical reaction cell stack 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,
The Ni content Cb2 (wt%) in the substrate layer of the fuel electrode of the second electrochemical reaction single cell is the Ni content Cb1 in the substrate layer of the fuel electrode of the first electrochemical reaction single cell. Electrochemical reaction cell stack, characterized in that it is higher than (wt%).
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