JP2018174039A - Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack Download PDF

Info

Publication number
JP2018174039A
JP2018174039A JP2017070011A JP2017070011A JP2018174039A JP 2018174039 A JP2018174039 A JP 2018174039A JP 2017070011 A JP2017070011 A JP 2017070011A JP 2017070011 A JP2017070011 A JP 2017070011A JP 2018174039 A JP2018174039 A JP 2018174039A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel electrode
current collector
fuel
electrochemical reaction
power generation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017070011A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7096642B2 (en
Inventor
智聡 村瀬
Chisato Murase
智聡 村瀬
恵一 片山
Keiichi Katayama
恵一 片山
山際 勝也
Katsuya Yamagiwa
勝也 山際
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP2017070011A priority Critical patent/JP7096642B2/en
Publication of JP2018174039A publication Critical patent/JP2018174039A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7096642B2 publication Critical patent/JP7096642B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the performance of an electrochemical reaction unit.SOLUTION: An electrochemical reaction unit comprises a single cell having an electrolyte layer, an air electrode disposed on one side of the electrolyte layer in a first direction, and a fuel electrode disposed on the other side of the electrolyte layer in the first direction. The fuel electrode includes: a first fuel electrode layer forming a surface of the fuel electrode on the other side in the first direction; and a second fuel electrode layer disposed between the first fuel electrode layer and the electrolyte layer. The electrochemical reaction unit further comprises a current collector having a plurality of current collecting parts put in electrical conduction with the surface of the first fuel electrode layer on the other side in the first direction. The first fuel electrode layer has a porosity of 35% or more. As to a particular current collecting part of the plurality of current collecting parts, the first ratio (β/α) which is a ratio of a thickness β of the first fuel electrode layer in the first direction to a shortest distance α between the particular current collecting part and the current collecting part adjacent thereto in a second direction orthogonal to the first direction is 0.18 or more.SELECTED DRAWING: Figure 13

Description

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応単位に関する。   The technology disclosed herein relates to electrochemical reaction units.

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発電単位(以下、「発電単位」という)は、燃料電池単セル(以下、「単セル」という)を備える。単セルは、電解質層と、電解質層に対して所定の方向(以下、「第1の方向」という)の一方側に配置された空気極と、電解質層に対して第1の方向の他方側に配置された燃料極とを含む。   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 power generation unit (hereinafter referred to as “power generation unit”), which is a constituent unit of SOFC, includes a fuel cell single cell (hereinafter referred to as “single cell”). The single cell includes an electrolyte layer, an air electrode disposed on one side in a predetermined direction with respect to the electrolyte layer (hereinafter referred to as “first direction”), and the other side in the first direction with respect to the electrolyte layer. And a fuel electrode disposed on the surface.

また、発電単位は、燃料極に対して第1の方向の上記他方側に配置された導電性の集電体を備える。集電体は、単セルにおける発電反応によって生じる電力を取り出すための部材である。集電体は、燃料極における第1の方向の上記他方側の表面に導通する複数の集電部を有する。発電運転時には、燃料極の該表面と集電体の各集電部とが導通する部分において、燃料極と集電体との間の電子のやりとりが行われる。また、燃料極に面する燃料室に供給された燃料ガスは、燃料極の該表面の内、集電体の各集電部と対向しない(各集電部に覆われていない)部分から燃料極内に流入する。   The power generation unit includes a conductive current collector disposed on the other side in the first direction with respect to the fuel electrode. The current collector is a member for taking out the electric power generated by the power generation reaction in the single cell. The current collector has a plurality of current collectors that are electrically connected to the surface on the other side in the first direction of the fuel electrode. During the power generation operation, electrons are exchanged between the fuel electrode and the current collector at a portion where the surface of the fuel electrode is electrically connected to each current collector of the current collector. Further, the fuel gas supplied to the fuel chamber facing the fuel electrode is fueled from a portion of the surface of the fuel electrode that is not opposed to each current collector of the current collector (not covered by each current collector). It flows into the pole.

従来、発電単位の性能を向上させるため、燃料極の厚さ(第1の方向における厚さ)の好ましい範囲が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, in order to improve the performance of the power generation unit, a preferable range of the thickness of the fuel electrode (thickness in the first direction) has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開平9−190824号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-190824

しかし、従来のように燃料極の厚さの好ましい範囲を考慮するだけでは、発電単位の性能を十分に向上させることができず、さらなる性能向上の余地がある。   However, just considering the preferable range of the thickness of the fuel electrode as in the past, the performance of the power generation unit cannot be sufficiently improved, and there is room for further performance improvement.

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セル単位にも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて、電気化学反応単位と呼ぶ。  Such a problem is common to the electrolytic cell unit that is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. It is. In the present specification, the fuel cell power generation unit and the electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit.

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位は、電解質層と、前記電解質層に対して第1の方向の一方側に配置された空気極と、前記電解質層に対して前記第1の方向の他方側に配置された燃料極であって、前記燃料極における前記第1の方向の前記他方側の表面を構成する第1の燃料極層と、前記第1の燃料極層と前記電解質層との間に配置された第2の燃料極層と、を含む前記燃料極と、を備える電気化学反応単セルと、前記第1の燃料極層に対して前記第1の方向の前記他方側に配置され、前記第1の燃料極層における前記第1の方向の前記他方側の表面に導通する複数の集電部を有する導電性の集電体と、を備える電気化学反応単位において、前記第1の燃料極層の気孔率は、35%以上であり、前記複数の集電部の内の少なくとも1つである特定集電部について、前記第1の方向に直交する第2の方向における前記特定集電部と前記特定集電部の隣に位置する前記集電部との間の最短距離αに対する、前記第1の方向における前記第1の燃料極層の厚さβの比である第1の比率(β/α)は、0.18以上である。本電気化学反応単位では、燃料極における第1の方向の他方側の表面を構成する第1の燃料極層の気孔率が35%以上であるため、ガスを第1の燃料極層内に良好に進入させることができ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。また、本電気化学反応単位は、第1の燃料極層の厚さβがある程度厚く、および/または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αがある程度短い構成であるため、燃料極における反応場として機能する第2の燃料極層で発生した電子が第1の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って移動するときに、第2の燃料極層の内、そこで発生した電子が集電体の集電部に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって電気化学反応単位の性能を向上させることができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。 (1) The electrochemical reaction unit disclosed in the present specification includes an electrolyte layer, an air electrode disposed on one side in a first direction with respect to the electrolyte layer, and the first with respect to the electrolyte layer. A fuel electrode disposed on the other side of the fuel electrode, the first fuel electrode layer constituting the surface of the fuel electrode on the other side in the first direction, the first fuel electrode layer, and the fuel electrode An electrochemical reaction unit cell comprising: a fuel electrode comprising: a second fuel electrode layer disposed between the electrolyte layer; and the first fuel electrode layer in the first direction. A conductive current collector having a plurality of current collectors disposed on the other side and conducting to the surface of the first fuel electrode layer on the other side in the first direction. The porosity of the first fuel electrode layer is 35% or more, and is at least of the plurality of current collectors. For one specific current collector, the shortest distance α between the specific current collector in the second direction orthogonal to the first direction and the current collector adjacent to the specific current collector The first ratio (β / α), which is the ratio of the thickness β of the first fuel electrode layer in the first direction, is 0.18 or more. In this electrochemical reaction unit, since the porosity of the first fuel electrode layer constituting the surface of the other side in the first direction in the fuel electrode is 35% or more, gas is favorably contained in the first fuel electrode layer. The gas diffusion polarization can be suppressed from increasing. The electrochemical reaction unit has a configuration in which the thickness β of the first fuel electrode layer is thick to some extent and / or the shortest distance α between the current collector and the current collector of the current collector is short to some extent. Therefore, when electrons generated in the second fuel electrode layer functioning as a reaction field in the fuel electrode move along a direction in which the inclination with respect to the first direction is within a certain range, the inside of the second fuel electrode layer Thus, it is possible to reduce the region where the generated electrons do not easily reach the current collector of the current collector, and to improve the performance of the electrochemical reaction unit by suppressing the increase in activation polarization. Therefore, according to this electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be improved.

(2)上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第2の方向における前記特定集電部の前記第1の燃料極層に対向する部分の幅γに対する、前記第1の方向における前記第1の燃料極層の厚さβの比である第2の比率(β/γ)は、0.05以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位は、第1の燃料極層の厚さβがある程度厚く、および/または、集電体の集電部の幅γがある程度狭い構成であるため、第1の燃料極層内に流入した燃料ガスが第1の方向に対する傾きがある程度の範囲の方向に沿って流れるときに、燃料極における反応場として機能する第2の燃料極層の内、燃料ガスが到達しにくい領域を減らすことができ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能を向上させることができる。 (2) In the electrochemical reaction unit, with respect to the specific current collector, the first direction with respect to a width γ of a portion of the specific current collector facing the first fuel electrode layer in the second direction The second ratio (β / γ), which is the ratio of the thickness β of the first fuel electrode layer, may be 0.05 or more. This electrochemical reaction unit has a configuration in which the thickness β of the first fuel electrode layer is thick to some extent and / or the width γ of the current collector of the current collector is narrow to some extent. When the fuel gas that has flowed into the gas flows along a direction with a certain degree of inclination with respect to the first direction, a region in the second fuel electrode layer that functions as a reaction field in the fuel electrode is difficult to reach. This can be reduced, and an increase in gas diffusion polarization can be suppressed. Therefore, according to this electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be improved.

(3)上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第1の比率(β/α)は、0.39以上である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第1の燃料極層の厚さβをより厚くする、および/または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αをより短くすることができるため、燃料極における反応場として機能する第2の燃料極層の内、そこで発生した電子が集電体の集電部に到達しにくい領域をさらに効果的に減らすことができ、活性化分極の増大をさらに効果的に抑制することによって電気化学反応単位の性能をさらに効果的に向上させることができる。従って、本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の性能をさらに効果的に向上させることができる。 (3) The said electrochemical reaction unit WHEREIN: About the said specific current collection part, it is good also as a structure whose said 1st ratio ((beta) / (alpha)) is 0.39 or more. According to this electrochemical reaction unit, the thickness β of the first fuel electrode layer is made thicker and / or the shortest distance α between the current collector and the current collector of the current collector is made shorter. Therefore, in the second fuel electrode layer functioning as a reaction field in the fuel electrode, it is possible to more effectively reduce the region where electrons generated there are difficult to reach the current collector of the current collector, The performance of the electrochemical reaction unit can be further effectively improved by more effectively suppressing the increase of the crystallization polarization. Therefore, according to this electrochemical reaction unit, the performance of the electrochemical reaction unit can be further effectively improved.

(4)上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第2の比率(β/γ)は、0.49以下である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第1の燃料極層の厚さβが過度に厚くなることを抑制できる、および/または、集電体の集電部の幅γが過度に狭くなることを抑制できるため、ガス拡散分極の増大や応力集中による燃料極の破損を抑制することによって電気化学反応単位の性能を効果的に向上させることができる。 (4) In the electrochemical reaction unit, the second current ratio (β / γ) may be 0.49 or less for the specific current collector. According to this electrochemical reaction unit, the thickness β of the first fuel electrode layer can be suppressed from becoming excessively thick, and / or the width γ of the current collector of the current collector can be excessively narrowed. Therefore, it is possible to effectively improve the performance of the electrochemical reaction unit by suppressing an increase in gas diffusion polarization and damage to the fuel electrode due to stress concentration.

(5)上記電気化学反応単位において、前記特定集電部について、前記第1の比率(β/α)は、0.58以下である構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、第1の燃料極層の厚さβが過度に厚くなることを抑制できる、および/または、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αが過度に短くなることを抑制できる。第1の燃料極層の厚さβが過度に厚くなることを抑制することにより、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。また、集電体の集電部と集電部との間の最短距離αが過度に短くなることを抑制することにより、流路が狭くなることによるガスの圧力損失の増大が抑制され、セル面内に均一にガスが分配される。以上のことにより、電気化学反応単位の性能をより一層効果的に向上させることができる。 (5) In the electrochemical reaction unit, the first current ratio (β / α) may be 0.58 or less for the specific current collector. According to the present electrochemical reaction unit, it is possible to suppress the thickness β of the first fuel electrode layer from becoming excessively thick and / or the shortest distance between the current collector and the current collector of the current collector It can suppress that (alpha) becomes too short. By suppressing the thickness β of the first fuel electrode layer from becoming excessively thick, an increase in gas diffusion polarization can be suppressed. Further, by suppressing the shortest distance α between the current collector and the current collector of the current collector from becoming excessively short, an increase in gas pressure loss due to narrowing of the flow path is suppressed, and the cell Gas is evenly distributed in the plane. As described above, the performance of the electrochemical reaction unit can be further effectively improved.

(6)上記電気化学反応単位において、前記燃料極における前記第1の方向の前記他方側の部分の気孔率は、前記燃料極における前記第1の方向の前記一方側の部分の気孔率より高い構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、反応場(三相界面長さ)を確保しつつ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。 (6) In the electrochemical reaction unit, the porosity of the other side portion of the fuel electrode in the first direction is higher than the porosity of the one side portion of the fuel electrode in the first direction. It is good also as a structure. According to this electrochemical reaction unit, an increase in gas diffusion polarization can be suppressed while ensuring a reaction field (three-phase interface length).

(7)上記電気化学反応単位において、前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルである構成としてもよい。本電気化学反応単位によれば、電気化学反応単位の発電性能を向上させることができる。 (7) In the electrochemical reaction unit, the electrochemical reaction single cell may be a fuel cell single cell. According to this electrochemical reaction unit, the power generation performance of the electrochemical reaction unit can be improved.

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、電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)、複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。   Note that the technology disclosed in this specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction unit (a fuel cell power generation unit or an electrolysis cell unit), and an electricity provided with a plurality of electrochemical reaction units. It can be realized in the form of a chemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), a manufacturing method thereof, and the like.

実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 in an embodiment. 図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the XZ cross-section structure of the fuel cell stack 100 in the position of II-II of FIG. 図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of a fuel cell stack 100 at a position of III-III in FIG. 1. 図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows XZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the YZ cross-section structure of the two electric power generation units 102 adjacent to each other in the same position as the cross section shown in FIG. 図4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。FIG. 5 is an explanatory diagram showing an XY cross-sectional configuration of a power generation unit at a position of VI-VI in FIG. 4. 図4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。It is explanatory drawing which shows XY cross-section structure of the electric power generation unit 102 in the position of VII-VII of FIG. 集電部幅γおよび集電部間最短距離αの特定に用いる断面SE1を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows cross-section SE1 used for specification of the current collection part width (gamma) and the shortest distance (alpha) between current collection parts. 集電部幅γおよび集電部間最短距離αの特定に用いる断面SE1を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows cross-section SE1 used for specification of the current collection part width (gamma) and the shortest distance (alpha) between current collection parts. 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. 第1の比率R1(=β/α)と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 1st ratio R1 (= (beta) / (alpha)) and electric power generation performance. 第1の比率R1(=β/α)と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 1st ratio R1 (= (beta) / (alpha)) and electric power generation performance. 第1の比率R1(=β/α)と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 1st ratio R1 (= (beta) / (alpha)) and electric power generation performance. 第2の比率R2(=β/γ)と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 2nd ratio R2 (= (beta) / (gamma)) and electric power generation performance. 第2の比率R2(=β/γ)と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 2nd ratio R2 (= (beta) / (gamma)) and electric power generation performance. 第2の比率R2(=β/γ)と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the relationship between 2nd ratio R2 (= (beta) / (gamma)) and electric power generation performance. 燃料極116の各層の気孔率の特定方法を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing a method for specifying the porosity of each layer of the fuel electrode 116. FIG.

A.実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、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(および後述する図6,7)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(および後述する図6,7)のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
A. Embodiment:
A-1. Constitution:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the fuel cell stack 100 in the embodiment, and FIG. 2 is an XZ cross section of the fuel cell stack 100 at a position II-II in FIG. 1 (and FIGS. 6 and 7 described later). 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. 1 (and FIGS. 6 and 7 described later). 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 the 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。図4の下部には、発電単位102の一部分のXZ断面構成が拡大して示されている。また、図6は、図4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. In the lower part of FIG. 4, an XZ sectional configuration of a part of the power generation unit 102 is shown enlarged. 6 is an explanatory diagram showing the XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position VI-VI in FIG. 4, and FIG. 7 shows the XY cross-sectional configuration of the power generation unit 102 at the position VII-VII in FIG. It is explanatory drawing shown.

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の上下方向(第1の方向)の一方側(上側)に配置された空気極(カソード)114と、電解質層112の上下方向の他方側(下側)に配置された燃料極(アノード)116と、電解質層112と空気極114との間に配置された中間層180とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で単セル110を構成する他の層(電解質層112、空気極114、中間層180)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, an air electrode (cathode) 114 disposed on one side (upper side) of the electrolyte layer 112 in the up-down direction (first direction), and the other side of the electrolyte layer 112 in the up-down direction ( A fuel electrode (anode) 116 disposed on the lower side, and an intermediate layer 180 disposed between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 are provided. The single cell 110 of this embodiment is a fuel electrode-supported single cell that supports the other layers (the electrolyte layer 112, the air electrode 114, and the intermediate layer 180) constituting the single cell 110 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。すなわち、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. That is, 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.

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、LSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)等のペロブスカイト型酸化物を含むように形成されている。   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 formed so as to include a perovskite oxide such as LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide).

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。図4に示すように、本実施形態では、燃料極116は、燃料極116における下側の表面(後述する燃料極側集電体144に対向する側の表面)を構成する基板層210と、基板層210と電解質層112との間に配置された活性層220とから構成されている。活性層220は、主として、燃料極116における電極反応(電解質層112から供給される酸化物イオンと燃料ガスFGに含まれる水素とから電子と水とを生成する反応)の場として機能する層である。また、基板層210は、主として、単セル110を構成する各層を支持すると共に、燃料室176から供給された燃料ガスFGを拡散させ、かつ、電極反応により得られた電子を移動させる場として機能する層である。基板層210は、特許請求の範囲における第1の燃料極層に相当し、活性層220は、特許請求の範囲における第2の燃料極層に相当する。   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). As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the fuel electrode 116 includes a substrate layer 210 that forms a lower surface of the fuel electrode 116 (a surface facing a fuel electrode side current collector 144 described later), The active layer 220 is disposed between the substrate layer 210 and the electrolyte layer 112. The active layer 220 is a layer that mainly functions as an electrode reaction in the fuel electrode 116 (reaction that generates electrons and water from oxide ions supplied from the electrolyte layer 112 and hydrogen contained in the fuel gas FG). is there. The substrate layer 210 mainly functions as a field for supporting each layer constituting the single cell 110, diffusing the fuel gas FG supplied from the fuel chamber 176, and moving electrons obtained by the electrode reaction. It is a layer to do. The substrate layer 210 corresponds to the first fuel electrode layer in the claims, and the active layer 220 corresponds to the second fuel electrode layer in the claims.

本実施形態では、燃料極116の基板層210の気孔率RO1は活性層220の気孔率RO2より高い。すなわち、燃料極116における下側の部分の気孔率は、燃料極116における上側の部分の気孔率より高い。なお、基板層210および活性層220における気孔率は、Z軸方向に平行な方向において概ね一様である。このような構成によれば、反応場(三相界面長さ)を確保しつつ、ガス拡散分極の増大を抑制することができる。基板層210の気孔率RO1は、ガス拡散性を確保するためにある程度高いことが好ましい。具体的には、基板層210の気孔率RO1は、35%以上であることが好ましく、55%以下であることが好ましい。また、活性層220の気孔率RO2は、10%以上であることが好ましく、30%以下であることが好ましい。   In the present embodiment, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is higher than the porosity RO2 of the active layer 220. That is, the porosity of the lower part of the fuel electrode 116 is higher than the porosity of the upper part of the fuel electrode 116. Note that the porosity of the substrate layer 210 and the active layer 220 is substantially uniform in a direction parallel to the Z-axis direction. According to such a configuration, an increase in gas diffusion polarization can be suppressed while ensuring a reaction field (three-phase interface length). The porosity RO1 of the substrate layer 210 is preferably high to some extent in order to ensure gas diffusibility. Specifically, the porosity RO1 of the substrate layer 210 is preferably 35% or more, and preferably 55% or less. The porosity RO2 of the active layer 220 is preferably 10% or more, and preferably 30% or less.

中間層180は、略矩形の平板形状部材であり、GDC(ガドリニウムドープセリア)を含むように形成されている。中間層180は、空気極114から拡散した元素(例えば、Sr)が電解質層112に含まれる元素(例えば、Zr)と反応して高抵抗な物質(例えば、SrZrO)が生成されることを抑制する。 The intermediate layer 180 is a substantially rectangular flat plate-shaped member, and is formed so as to include GDC (gadolinium-doped ceria). The intermediate layer 180 indicates that an element (for example, Sr) diffused from the air electrode 114 reacts with an element (for example, Zr) contained in the electrolyte layer 112 to generate a high-resistance material (for example, SrZrO 3 ). Suppress.

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4〜6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 FIGS. 4 to 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. ing. 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4,5,7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 FIGS. 4, 5, and 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 formed 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4,5,7に示すように、燃料極側集電体144は、燃料室176内(より詳細には、燃料極116の基板層210の下側)に配置されている。燃料極側集電体144は、導電性を有し、かつ、ガス透過性を有さない部材であり、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。   As shown in FIGS. 4, 5, and 7, the fuel electrode side current collector 144 is disposed in the fuel chamber 176 (more specifically, below the substrate layer 210 of the fuel electrode 116). The fuel electrode side current collector 144 is a member that has conductivity and does not have gas permeability, and is formed of, for example, nickel, a nickel alloy, stainless steel, or the like.

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とを備えている。図7における部分拡大図に示すように、燃料極側集電体144は、略矩形の平板部材(例えばニッケル箔)に切り込みを入れ、複数の矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた各矩形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴OPが開いた状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。なお、図7における部分拡大図では、燃料極側集電体144の製造方法を示すため、一部の矩形部分について、曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。   The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, a plurality of electrode facing portions 145, and a connecting portion 147 that connects each electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. As shown in the partial enlarged view of FIG. 7, the fuel electrode side current collector 144 is manufactured by cutting a substantially rectangular flat plate member (for example, nickel foil) and bending a plurality of rectangular portions. The Each rectangular portion bent up is an electrode facing portion 145, and a flat plate portion in which a hole OP other than the bent raised portion is opened becomes an interconnector facing portion 146, and the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146 are connected to each other. The connecting portion is a connecting portion 147. In addition, in the partial enlarged view in FIG. 7, in order to show the manufacturing method of the fuel electrode side collector 144, the state before a bending raising process is completed about a part of rectangular part is shown.

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いる。すなわち、各電極対向部145は、燃料極116の基板層210における下側の表面に導通している。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。燃料極側集電体144は、特許請求の範囲における集電体に相当し、複数の電極対向部145は、特許請求の範囲における複数の集電部に相当する。   Each electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 opposite to the side facing the electrolyte layer 112. That is, each electrode facing portion 145 is electrically connected to the lower surface of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116. The interconnector facing portion 146 is in contact with the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. 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. The fuel electrode side current collector 144 corresponds to the current collector in the claims, and the plurality of electrode facing portions 145 correspond to the plurality of current collectors in the claims.

図4〜6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(集電体要素135)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)に直交する平板形状の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形状の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。   As shown in FIGS. 4 to 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 (current collector element 135) and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, a flat plate-shaped portion perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) of the integral member functions as the interconnector 150 and is formed so as to protrude toward the air electrode 114 from the flat plate-shaped portion. The plurality of current collector elements 135 function as the air electrode side current collector 134.

また、図4および図5に示すように、空気極側集電体134(集電体要素135)の表面は、導電性のコート136によって覆われている。コート136は、例えば、スピネル型酸化物により形成されている。以下の説明では、特記しない限り、空気極側集電体134(集電体要素135)は「コート136に覆われた空気極側集電体134(集電体要素135)」を意味する。なお、図6では、コート136の図示を省略している。また、図4および図5に示すように、空気極114と空気極側集電体134(集電体要素135)とは、導電性を有する接合層138により接合されている。接合層138は、例えば、スピネル型酸化物により形成されている。接合層138により、空気極114と空気極側集電体134とが電気的に接続される。先に、空気極側集電体134は空気極114の表面と接触していると説明したが、正確には、空気極側集電体134と空気極114との間には接合層138が介在している。   As shown in FIGS. 4 and 5, the surface of the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) is covered with a conductive coat 136. The coat 136 is made of, for example, a spinel oxide. In the following description, unless otherwise specified, the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) means “the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) covered with the coat 136”. In FIG. 6, the illustration of the coat 136 is omitted. As shown in FIGS. 4 and 5, the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) are bonded together by a conductive bonding layer 138. The bonding layer 138 is made of, for example, a spinel oxide. The air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 are electrically connected by the bonding layer 138. Although it has been described above that the air electrode side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114, the bonding layer 138 is precisely between the air electrode side current collector 134 and the air electrode 114. Intervene.

A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the oxidant gas introduction manifold 161. Then, the oxidant gas OG is supplied to the oxidant gas introduction manifold 161 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the oxidant gas introduction manifold 161 oxidizes each power generation unit 102. It is supplied to the air chamber 166 through the agent gas supply communication hole 132. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel gas FG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the fuel gas introduction manifold 171. Then, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas introduction manifold 171 through the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the fuel gas supply communication of each power generation unit 102 from the fuel gas introduction manifold 171. The fuel chamber 176 is supplied through the hole 142.

各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介してインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介してインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。   When the oxidant gas OG is supplied to the air chamber 166 of each power generation unit 102 and the fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 176, power is generated by an electrochemical reaction between the oxidant gas OG and the fuel gas FG in the single cell 110. Is called. This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to the interconnector 150 via the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is connected to the interconnector via the fuel electrode side current collector 144. 150 is electrically connected. The plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, electrical energy generated in each power generation unit 102 is taken out from the end plates 104 and 106 that function as output terminals of the fuel cell stack 100. Since SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.), the fuel cell stack 100 is heated by a heater (after the start-up until the high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation. (Not shown).

各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。   The oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 through the oxidant gas discharge communication hole 133 as shown in FIGS. The fuel cell stack 100 is connected to the branch portion 29 via a gas pipe (not shown) through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the agent gas discharge manifold 162. Is discharged outside. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication hole 143, and further to the fuel gas. The gas passage member 27 provided at the position of the discharge manifold 172 passes through the body portion 28 and the branch portion 29 and passes through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 to the outside of the fuel cell stack 100. Discharged.

A−3.性能評価:
本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各発電単位102は、燃料極116と燃料極側集電体144の電極対向部145との関係に特徴がある。以下、燃料極116と燃料極側集電体144の電極対向部145との関係に関して行った性能評価について説明する。
A-3. Performance evaluation:
Each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment is characterized by the relationship between the fuel electrode 116 and the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144. Hereinafter, the performance evaluation performed regarding the relationship between the fuel electrode 116 and the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 will be described.

(各パラメータについて)
図4に示すように、本性能評価では、Z軸方向における燃料極116の基板層210の厚さを、「燃料極基板層厚さβ」という。なお、燃料極116の基板層210の厚さが一様ではない場合には、燃料極基板層厚さβは、燃料極116の基板層210(ただし、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向する部分)における最薄部の厚さとする。なお、燃料極116における基板層210と活性層220との境界は、燃料極116の断面のSEM画像において、Niの含有率やNiの平均粒径、気孔率の相違等に基づき特定することができる。
(For each parameter)
As shown in FIG. 4, in this performance evaluation, the thickness of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 in the Z-axis direction is referred to as “fuel electrode substrate layer thickness β”. When the thickness of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is not uniform, the fuel electrode substrate layer thickness β is equal to the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 (however, the electrode facing the electrode of the fuel electrode side current collector 144). The thickness of the thinnest part in the part facing the part 145). The boundary between the substrate layer 210 and the active layer 220 in the fuel electrode 116 can be specified based on the difference in Ni content, Ni average particle diameter, porosity, etc. in the SEM image of the cross section of the fuel electrode 116. it can.

また、燃料極側集電体144の各電極対向部145における燃料極116の基板層210に対向する部分(基板層210に接触する部分)の幅(Z軸方向に直交する方向の大きさ)を、「集電部幅γ」という。   In addition, the width (the size in the direction orthogonal to the Z-axis direction) of the portion of the electrode facing portion 145 of the fuel electrode-side current collector 144 that faces the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 (the portion that contacts the substrate layer 210) Is referred to as “current collector width γ”.

なお、集電部幅γの特定は、図8および図9に示すように、燃料極側集電体144の電極対向部145のXY断面において、電極対向部145の外周線に4点(P1〜P4)以上で内接する仮想楕円VEを設定したときの、該仮想楕円VEの短径Amを含み、かつ、Z軸方向に平行な断面SE1(図8および図9の例ではYZ断面)において行うものとする。   As shown in FIGS. 8 and 9, the current collector width γ is specified at four points (P1) on the outer circumferential line of the electrode facing portion 145 in the XY cross section of the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144. ~ P4) When a virtual ellipse VE inscribed above is set, in a cross section SE1 including the minor axis Am of the virtual ellipse VE and parallel to the Z-axis direction (YZ cross section in the examples of FIGS. 8 and 9) Assumed to be performed.

また、上記断面SE1における集電部幅γの測定位置は、燃料極116の基板層210(ただし、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向する部分)における最薄部の下端位置から、下方に距離Lx(=10μm)だけ離れた位置とする。例えば、図4に示すように、燃料極116の基板層210の厚さが略一様である構成では、集電部幅γは、上記断面SE1(図4の例ではXZ断面)における、燃料極116の基板層210の下面から距離Lx(=10μm)だけ下方に位置し、かつ、Z軸方向に直交する仮想直線VL1上において特定される。   Further, the measurement position of the current collector width γ in the cross section SE1 is the lowermost position of the thinnest part in the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 (however, the part facing the electrode facing part 145 of the fuel electrode side current collector 144). And a position separated by a distance Lx (= 10 μm) downward. For example, as shown in FIG. 4, in the configuration in which the thickness of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is substantially uniform, the current collector width γ is the fuel in the cross section SE1 (XZ cross section in the example of FIG. 4). The position is specified by a distance Lx (= 10 μm) below the lower surface of the substrate layer 210 of the pole 116 and on a virtual straight line VL1 orthogonal to the Z-axis direction.

また、一の電極対向部145とその隣に位置する他の電極対向部145との間の最短距離(Z軸方向に直交する方向における最短距離)を、「集電部間最短距離α」という。集電部間最短距離αは、集電部幅γと同様に、上記断面SE1における上記仮想直線VL1上において特定される(図4参照)。   Further, the shortest distance between the one electrode facing portion 145 and the other electrode facing portion 145 located adjacent thereto (the shortest distance in the direction perpendicular to the Z-axis direction) is referred to as “the shortest distance α between current collectors”. . The shortest distance α between the current collectors is specified on the virtual straight line VL1 in the cross section SE1 similarly to the current collector width γ (see FIG. 4).

また、集電部間最短距離αに対する燃料極基板層厚さβの比率(β/α)を、「第1の比率R1」という。第1の比率R1の値が高いことは、集電部間最短距離αの値が小さいこと(すなわち、2つの電極対向部145間の間隔が狭いこと)、および/または、燃料極基板層厚さβの値が大きいことを意味する。また、集電部幅γに対する燃料極基板層厚さβの比率(β/γ)を、「第2の比率R2」という。第2の比率R2の値が高いことは、集電部幅γの値が小さいこと(すなわち、電極対向部145の幅が狭いこと)、および/または、燃料極基板層厚さβの値が大きいことを意味する。   The ratio (β / α) of the fuel electrode substrate layer thickness β to the shortest distance α between the current collectors is referred to as “first ratio R1”. The high value of the first ratio R1 means that the value of the shortest distance α between the current collectors is small (that is, the distance between the two electrode facing parts 145 is narrow) and / or the fuel electrode substrate layer thickness. This means that the value of β is large. The ratio (β / γ) of the fuel electrode substrate layer thickness β to the current collector width γ is referred to as a “second ratio R2”. When the value of the second ratio R2 is high, the value of the current collector width γ is small (that is, the width of the electrode facing portion 145 is narrow) and / or the value of the fuel electrode substrate layer thickness β is low. It means big.

(各サンプルについて)
図10は、性能評価結果を示す説明図である。図10に示すように、性能評価に用いられた発電単位102の各サンプル(S1〜S14)は、上述した集電部間最短距離α、燃料極基板層厚さβ、および、集電部幅γの値が互いに異なっており、その結果、第1の比率R1および第2の比率R2の値が互いに異なっている。さらに、各サンプルは、燃料極116の基板層210の気孔率RO1、および、燃料極116の活性層220の気孔率RO2の値が互いに異なっている。図10に示すように、性能評価に用いられたすべてのサンプルにおいて、燃料極116の基板層210の気孔率RO1は、燃料極116の活性層220の気孔率RO2より高くなっている。気孔率RO1および気孔率RO2の特定方法については、後述する。
(About each sample)
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the performance evaluation results. As shown in FIG. 10, each sample (S1 to S14) of the power generation unit 102 used for performance evaluation is the shortest distance α between current collectors, the fuel electrode substrate layer thickness β, and the current collector width described above. The values of γ are different from each other, and as a result, the values of the first ratio R1 and the second ratio R2 are different from each other. Further, the samples have different values of the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 and the porosity RO2 of the active layer 220 of the fuel electrode 116. As shown in FIG. 10, in all samples used for performance evaluation, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is higher than the porosity RO2 of the active layer 220 of the fuel electrode 116. A method for specifying the porosity RO1 and the porosity RO2 will be described later.

各サンプルの作製にあたり、燃料極116(基板層210および活性層220)をNiおよびYSZからなるサーメットにより形成した。また、燃料極116の基板層210の気孔率RO1および活性層220の気孔率RO2を、原料の粒度を調整したり焼成温度を調整したりすることによって調整した。また、燃料極側集電体144(電極対向部145、インターコネクタ対向部146、連接部147)をNi箔により構成し、スペーサー149をマイカにより構成した。各サンプルについて、電極対向部145等の形状や配置を互いに異ならせることにより、集電部間最短距離αおよび集電部幅γの値を互いに異ならせた。   In producing each sample, the fuel electrode 116 (the substrate layer 210 and the active layer 220) was formed of cermet made of Ni and YSZ. Further, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 and the porosity RO2 of the active layer 220 were adjusted by adjusting the particle size of the raw material or adjusting the firing temperature. Further, the fuel electrode side current collector 144 (electrode facing portion 145, interconnector facing portion 146, connecting portion 147) was made of Ni foil, and the spacer 149 was made of mica. For each sample, the values of the shortest distance α between current collectors and the current collector width γ were varied by changing the shape and arrangement of the electrode facing portion 145 and the like.

(評価方法について)
本性能評価では、発電性能についての評価を行った。具体的には、作製した発電単位102の各サンプルについて、温度:700℃、電流密度:0.55A/cmの条件における初期電圧を測定し、初期電圧の値に応じて以下のように「A」〜「G」の7段階で評価した(「A」が最も優れているという評価であり、「G」が最も劣っているという評価である)。
・評価:「A」・・・初期電圧:0.92V以上
・評価:「B」・・・初期電圧:0.915V以上、0.92V未満
・評価:「C」・・・初期電圧:0.91V以上、0.915V未満
・評価:「D」・・・初期電圧:0.905V以上、0.91V未満
・評価:「E」・・・初期電圧:0.9V以上、0.905V未満
・評価:「F」・・・初期電圧:0.8V以上、0.9V未満
・評価:「G」・・・初期電圧:0.8V未満
(About evaluation method)
In this performance evaluation, the power generation performance was evaluated. Specifically, for each sample of the produced power generation unit 102, an initial voltage was measured under the conditions of temperature: 700 ° C. and current density: 0.55 A / cm 2 , and according to the value of the initial voltage, “ Evaluation was made in 7 stages from “A” to “G” (“A” is the best evaluation, and “G” is the worst).
Evaluation: “A”: Initial voltage: 0.92 V or more Evaluation: “B”: Initial voltage: 0.915 V or more and less than 0.92 V Evaluation: “C”: Initial voltage: 0 .91 V or more and less than 0.915 V Evaluation: “D”: Initial voltage: 0.905 V or more, less than 0.91 V Evaluation: “E”: Initial voltage: 0.9 V or more, less than 0.905 V・ Evaluation: “F”: Initial voltage: 0.8 V or more and less than 0.9 V ・ Evaluation: “G”: Initial voltage: less than 0.8 V

(評価結果について)
(サンプルS1について)
図10に示すように、サンプルS1の評価結果は、最も低い「G」評価であった。サンプルS1では、燃料極116の基板層210の気孔率RO1が20%であり、他のサンプル(いずれも基板層210の気孔率RO1が35%以上である)と比べて低い値となっている。そのため、サンプルS1では、燃料室176に供給された燃料ガスFGが燃料極116の基板層210内に良好に進入せず、燃料極116における反応場として機能する活性層220において燃料ガスFGが不足することによってガス拡散分極が極めて大きくなり、その結果、初期電圧が極めて低くなったものと考えられる。この結果から、発電単位102の発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、燃料極116の基板層210の気孔率RO1は35%以上であることが好ましいと言える。
(About evaluation results)
(About sample S1)
As shown in FIG. 10, the evaluation result of sample S1 was the lowest “G” evaluation. In the sample S1, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is 20%, which is a lower value than the other samples (both have a porosity RO1 of the substrate layer 210 of 35% or more). . Therefore, in the sample S1, the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176 does not enter the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 well, and the fuel gas FG is insufficient in the active layer 220 functioning as a reaction field in the fuel electrode 116. By doing so, the gas diffusion polarization becomes extremely large, and as a result, the initial voltage is considered to be extremely low. From this result, it can be said that the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is preferably 35% or more in order to improve the power generation performance of the power generation unit 102 (suppress the reduction in power generation performance).

(サンプルS2について)
サンプルS2の評価結果は、2番目に低い「F」評価であった。サンプルS2では、燃料極116の基板層210の気孔率RO1が35%以上ではあるものの、第1の比率R1(=β/α)が0.17であり、サンプルS3〜S14(いずれも第1の比率R1が0.18以上である)と比べて低い値となっている。そのため、サンプルS2では、以下に説明するように、サンプルS3〜S14と比べて初期電圧が低くなったものと考えられる。
(About sample S2)
The evaluation result of sample S2 was the second lowest “F” evaluation. In the sample S2, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is 35% or more, but the first ratio R1 (= β / α) is 0.17, and the samples S3 to S14 (both are the first ones). The ratio R1 is 0.18 or more). For this reason, it is considered that the initial voltage of sample S2 is lower than that of samples S3 to S14 as described below.

図11から図13は、第1の比率R1(=β/α)と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。図11から図13には、発電単位102の一部(図4のX1部)のXZ断面構成が示されている。図11に示す発電単位102の構成では、図13に示す発電単位102の構成と比較して、集電部間最短距離αの値が大きい。そのため、図11に示す発電単位102の構成では、図13に示す発電単位102の構成と比較して、第1の比率R1の値が小さくなっている。また、図12に示す発電単位102の構成では、図13に示す発電単位102の構成と比較して、燃料極基板層厚さβの値が小さい。そのため、図12に示す発電単位102の構成では、図13に示す発電単位102の構成と比較して、第1の比率R1の値が小さくなっている。   11 to 13 are explanatory views conceptually showing the relationship between the first ratio R1 (= β / α) and the power generation performance. 11 to 13 show an XZ cross-sectional configuration of a part of the power generation unit 102 (X1 portion in FIG. 4). In the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 11, the value of the shortest distance α between the current collectors is larger than that in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 13. Therefore, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 11, the value of the first ratio R1 is smaller than that in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. In addition, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 12, the value of the fuel electrode substrate layer thickness β is smaller than that in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. Therefore, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 12, the value of the first ratio R1 is smaller than that in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG.

ここで、燃料極116の活性層220における電極反応により発生した電子は、活性層220から基板層210内を通過して燃料極側集電体144内に進入するが、基板層210と燃料極側集電体144との間の電子(e)のやりとりは、基板層210の表面の内、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向しない(接しない)部分(すなわち、集電部間最短距離αに対応する部分)では行われず、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向する(接する)部分(すなわち、集電部幅γに対応する部分)で行われる。また、活性層220で発生した電子は、Z軸方向に対する傾きが概ね所定値θ1以内の範囲の方向に沿って、燃料極側集電体144に向けて流れる。そのため、図11に示すように集電部間最短距離αの値が比較的大きい構成や図12に示すように燃料極基板層厚さβの値が比較的小さい構成(すなわち、第1の比率R1の値が比較的小さい構成)では、活性層220の内の一部の領域Ax1で発生した電子が燃料極側集電体144の電極対向部145に到達しにくくなることによって活性化分極が大きくなり、その結果、発電単位102の初期電圧が低くなる。 Here, the electrons generated by the electrode reaction in the active layer 220 of the fuel electrode 116 pass through the substrate layer 210 from the active layer 220 and enter the fuel electrode side current collector 144. The exchange of electrons (e ) with the side current collector 144 is a portion of the surface of the substrate layer 210 that does not face (is not in contact with) the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 (that is, the current collector). This is not performed at the portion corresponding to the shortest distance α between the electric parts), but at the portion facing (in contact with) the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 (that is, the portion corresponding to the current collecting portion width γ). . Electrons generated in the active layer 220 flow toward the fuel electrode side current collector 144 along a direction in which the inclination with respect to the Z-axis direction is approximately within a predetermined value θ1. Therefore, a configuration in which the value of the shortest distance α between the current collectors is relatively large as shown in FIG. 11 or a configuration in which the value of the fuel electrode substrate layer thickness β is relatively small as shown in FIG. In the configuration in which the value of R1 is relatively small), the electrons generated in a part of the region Ax1 in the active layer 220 do not easily reach the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144, thereby activating polarization. As a result, the initial voltage of the power generation unit 102 decreases.

これに対し、図13に示す発電単位102の構成では、図11に示す発電単位102の構成と比較して、集電部間最短距離αの値が小さく、また、図12に示す発電単位102の構成と比較して、燃料極基板層厚さβの値が大きい。すなわち、図13に示す発電単位102の構成では、図11および図12に示す発電単位102の構成と比較して、第1の比率R1の値が大きい。図13に示す発電単位102の構成では、集電部間最短距離αの値が比較的小さいため、燃料極116の活性層220の内、そこで発生した電子が燃料極側集電体144の電極対向部145に到達しにくい領域の面積を減らすことができる。また、図13に示す発電単位102の構成では、燃料極基板層厚さβの値が比較的大きいため、燃料極116の活性層220で発生した電子の、Z軸方向に直交する方向への移動距離を比較的長くすることができる。従って、図13に示すように、第1の比率R1の値が比較的大きい構成では、燃料極116の活性層220で発生した電子が燃料極側集電体144の電極対向部145に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって初期電圧の低下を抑制することができる。   On the other hand, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 13, the value of the shortest distance α between the current collectors is smaller than that of the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 11, and the power generation unit 102 shown in FIG. The value of the fuel electrode substrate layer thickness β is larger than that of the configuration. That is, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 13, the value of the first ratio R1 is larger than that in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIGS. In the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 13, since the value of the shortest distance α between the current collectors is relatively small, the electrons generated in the active layer 220 of the fuel electrode 116 are the electrodes of the fuel electrode side current collector 144. The area of a region that is difficult to reach the facing portion 145 can be reduced. Further, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 13, since the value of the fuel electrode substrate layer thickness β is relatively large, electrons generated in the active layer 220 of the fuel electrode 116 in the direction orthogonal to the Z-axis direction. The moving distance can be made relatively long. Therefore, as shown in FIG. 13, in the configuration in which the value of the first ratio R1 is relatively large, electrons generated in the active layer 220 of the fuel electrode 116 reach the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144. The difficult region can be reduced, and the decrease in the initial voltage can be suppressed by suppressing the increase in activation polarization.

上述したように、第1の比率R1(=β/α)が0.18未満であるサンプルS2の評価結果が、第1の比率R1が0.18以上であるサンプルS3〜S14の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位102の発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、第1の比率R1は0.18以上であることが好ましいと言える。   As described above, the evaluation result of the sample S2 in which the first ratio R1 (= β / α) is less than 0.18 is more than the evaluation result of the samples S3 to S14 in which the first ratio R1 is 0.18 or more. Considering the inferiority, it can be said that the first ratio R1 is preferably 0.18 or more in order to improve the power generation performance of the power generation unit 102 (suppress the reduction in power generation performance).

(サンプルS3,S4について)
サンプルS3,S4の評価結果は、3番目に低い「E」評価であった。サンプルS3,S4では、燃料極116の基板層210の気孔率RO1が35%以上であり、かつ、第1の比率R1(=β/α)が0.18以上であるものの、第2の比率R2(=β/γ)が0.05未満であり、サンプルS5〜S14(いずれも第2の比率R2が0.05以上である)と比べて低い値となっている。そのため、サンプルS3,S4では、以下に説明するように、サンプルS5〜S14と比べて初期電圧が低くなったものと考えられる。
(About samples S3 and S4)
The evaluation results of samples S3 and S4 were the third lowest “E” evaluation. In samples S3 and S4, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is 35% or more and the first ratio R1 (= β / α) is 0.18 or more, but the second ratio R2 (= β / γ) is less than 0.05, which is a lower value than the samples S5 to S14 (all of which the second ratio R2 is 0.05 or more). Therefore, in samples S3 and S4, as described below, it is considered that the initial voltage is lower than in samples S5 to S14.

図14から図16は、第2の比率R2(=β/γ)と発電性能との関係を概念的に示す説明図である。図14から図16には、発電単位102の一部(図4のX1部)のXZ断面構成が示されている。図14に示す発電単位102の構成では、図16に示す発電単位102の構成と比較して、集電部幅γの値が大きい。そのため、図14に示す発電単位102の構成では、図16に示す発電単位102の構成と比較して、第2の比率R2の値が小さくなっている。また、図15に示す発電単位102の構成では、図16に示す発電単位102の構成と比較して、燃料極基板層厚さβの値が小さい。そのため、図15に示す発電単位102の構成では、図16に示す発電単位102の構成と比較して、第2の比率R2の値が小さくなっている。   14 to 16 are explanatory diagrams conceptually showing the relationship between the second ratio R2 (= β / γ) and the power generation performance. 14 to 16 show an XZ cross-sectional configuration of a part of the power generation unit 102 (X1 portion in FIG. 4). In the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 14, the value of the current collector width γ is larger than that in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 16. Therefore, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 14, the value of the second ratio R2 is smaller than that in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. Further, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 15, the value of the fuel electrode substrate layer thickness β is smaller than that in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. Therefore, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 15, the value of the second ratio R2 is smaller than that in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG.

ここで、燃料室176に供給された燃料ガスFGは、燃料極116の基板層210の表面の内、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向する(接触する)部分(すなわち、集電部幅γに対応する部分)からは流入せず、燃料極側集電体144の電極対向部145に対向しない(接触しない)部分(すなわち、集電部間最短距離αに対応する部分)から燃料極116の基板層210内に流入する。また、燃料極116の基板層210内に流入した燃料ガスFGは、Z軸方向に対する傾きが概ね所定値θ2以内の範囲の方向に沿って、燃料極116における反応場として機能する活性層220に向けて流れる。そのため、図14に示すように集電部幅γの値が比較的大きい構成や図15に示すように燃料極基板層厚さβの値が比較的小さい構成(すなわち、第2の比率R2の値が比較的小さい構成)では、燃料極116の活性層220の内の一部の領域Ax2に燃料ガスFGが到達しにくくなることによってガス拡散分極が大きくなり、その結果、発電単位102の初期電圧が低くなる。   Here, the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176 is a portion of the surface of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 that faces (contacts) the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 (that is, contact). The portion that does not flow in from the current collector width γ and does not face (not in contact with) the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side collector 144 (that is, the portion that corresponds to the shortest distance α between the current collectors) ) Into the substrate layer 210 of the fuel electrode 116. The fuel gas FG that has flowed into the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 enters the active layer 220 that functions as a reaction field in the fuel electrode 116 along a direction in which the inclination with respect to the Z-axis direction is approximately within a predetermined value θ2. It flows toward. Therefore, as shown in FIG. 14, the current collector width γ has a relatively large value, and as shown in FIG. 15, the fuel electrode substrate layer thickness β has a relatively small value (ie, the second ratio R2). In the configuration in which the value is relatively small), the gas diffusion polarization becomes large due to the fact that the fuel gas FG does not easily reach a part of the region Ax2 in the active layer 220 of the fuel electrode 116. The voltage is lowered.

これに対し、図16に示す発電単位102の構成では、図14に示す発電単位102の構成と比較して、集電部幅γの値が小さく、また、図15に示す発電単位102の構成と比較して、燃料極基板層厚さβの値が大きい。すなわち、図16に示す発電単位102の構成では、図14および図15に示す発電単位102の構成と比較して、第2の比率R2の値が大きい。図16に示す発電単位102の構成では、集電部幅γの値が比較的小さいため、燃料極116の活性層220の内、燃料ガスFGが到達しにくい領域の面積を減らすことができる。また、図16に示す発電単位102の構成では、燃料極基板層厚さβの値が比較的大きいため、燃料極116の基板層210内に進入した燃料ガスFGの、Z軸方向に直交する方向への移動距離(拡散距離)を比較的長くすることができる。従って、図16に示すように、第2の比率R2の値が比較的大きい構成では、燃料極116の活性層220の内、燃料ガスFGが到達しにくい領域を減らすことができ、ガス拡散分極の増大を抑制することによって初期電圧の低下を抑制することができる。   On the other hand, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 16, the value of the current collector width γ is smaller than that of the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 14, and the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. The value of the fuel electrode substrate layer thickness β is larger than That is, in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 16, the value of the second ratio R2 is larger than that in the configuration of the power generation unit 102 shown in FIGS. In the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 16, since the value of the current collector width γ is relatively small, the area of the active layer 220 of the fuel electrode 116 where the fuel gas FG is difficult to reach can be reduced. In the configuration of the power generation unit 102 shown in FIG. 16, the value of the fuel electrode substrate layer thickness β is relatively large, so that the fuel gas FG that has entered the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is orthogonal to the Z-axis direction. The moving distance (diffusion distance) in the direction can be made relatively long. Therefore, as shown in FIG. 16, in the configuration in which the value of the second ratio R2 is relatively large, the region where the fuel gas FG is difficult to reach in the active layer 220 of the fuel electrode 116 can be reduced, and the gas diffusion polarization is performed. By suppressing the increase in the initial voltage, a decrease in the initial voltage can be suppressed.

上述したように、第2の比率R2(=β/γ)が0.05未満であるサンプルS3,S4の評価結果が、第2の比率R2が0.05以上であるサンプルS5〜S14の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位102のさらなる発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、第2の比率R2は0.05以上であることが好ましいと言える。   As described above, the evaluation results of the samples S3 and S4 with the second ratio R2 (= β / γ) being less than 0.05 are the evaluations of the samples S5 to S14 with the second ratio R2 being 0.05 or more. In consideration of being inferior to the results, it can be said that the second ratio R2 is preferably 0.05 or more in order to further improve the power generation performance of the power generation unit 102 (suppress the reduction in power generation performance).

(サンプルS5,S6について)
サンプルS5,S6の評価結果は、4番目に低い(すなわち、4番目に高い)「D」評価であった。サンプルS5,S6では、燃料極116の基板層210の気孔率RO1が35%以上であり、第1の比率R1(=β/α)が0.18以上であり、かつ、第2の比率R2(=β/γ)が0.05以上であるものの、第1の比率R1が0.39未満であり、サンプルS7〜S14(いずれも第1の比率R1が0.39以上である)と比べて低い値となっている。上述したように、第1の比率R1の値が大きいほど、燃料極116の活性層220で発生した電子が燃料極側集電体144の電極対向部145に到達しにくい領域を減らすことができ、活性化分極の増大を抑制することによって発電性能を向上させる(発電性能の低下を抑制する)ことができる。第1の比率R1(=β/α)が0.39未満であるサンプルS5,S6の評価結果が、第1の比率R1が0.39以上であるサンプルS7〜S14の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位102のさらなる発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、第1の比率R1は0.39以上であることが好ましいと言える。
(About samples S5 and S6)
The evaluation results for samples S5 and S6 were the 4th lowest (ie 4th highest) “D” rating. In samples S5 and S6, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is 35% or more, the first ratio R1 (= β / α) is 0.18 or more, and the second ratio R2 Although (= β / γ) is 0.05 or more, the first ratio R1 is less than 0.39, which is compared with the samples S7 to S14 (all of which the first ratio R1 is 0.39 or more). The value is low. As described above, as the value of the first ratio R1 is larger, the region in which electrons generated in the active layer 220 of the fuel electrode 116 are less likely to reach the electrode facing portion 145 of the fuel electrode side current collector 144 can be reduced. By suppressing the increase in activation polarization, the power generation performance can be improved (decrease in power generation performance can be suppressed). The evaluation result of the samples S5 and S6 in which the first ratio R1 (= β / α) is less than 0.39 is inferior to the evaluation result of the samples S7 to S14 in which the first ratio R1 is 0.39 or more. Considering it, it can be said that the first ratio R1 is preferably 0.39 or more in order to further improve the power generation performance of the power generation unit 102 (suppress the reduction in power generation performance).

(サンプルS7,S8について)
サンプルS7,S8の評価結果は、5番目に低い(すなわち、3番目に高い)「C」評価であった。サンプルS7,S8では、燃料極116の基板層210の気孔率RO1が35%以上であり、第1の比率R1(=β/α)が0.39以上であり、かつ、第2の比率R2(=β/γ)が0.05以上であるものの、第2の比率R2が0.49を超えており、サンプルS9〜S14(いずれも第2の比率R2が0.49以下である)と比べて過度に高い値となっている。第2の比率R2が過度に高いということは、燃料極基板層厚さβの値が過度に大きいこと、および/または、集電部幅γの値が過度に小さいことを意味する。燃料極基板層厚さβの値が過度に大きいと、燃料極116の基板層210の表面から反応場としての活性層220までの燃料ガスFGの拡散経路が過度に長くなるため、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、初期電圧が低くなる上に、燃料極116の基板層210を形成するための使用材料量の増加や燃料極116の基板層210と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、集電部幅γの値が過度に小さいと、燃料極116の基板層210と燃料極側集電体144との接触面積が過度に小さくなるため、応力が集中して燃料極116の破損を引き起こし、その結果、初期電圧が低くなる。これらの内の少なくとも1つの理由によって、サンプルS7,S8では、初期電圧が低くなったものと考えられる。第2の比率R2(=β/γ)が0.49を超えるサンプルS7,S8の評価結果が、第2の比率R2が0.49以下であるサンプルS9〜S14の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位102のさらなる発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、第2の比率R2は0.49以下であることが好ましいと言える。
(About samples S7 and S8)
The evaluation results of samples S7 and S8 were the fifth lowest (ie third highest) “C” rating. In samples S7 and S8, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is 35% or more, the first ratio R1 (= β / α) is 0.39 or more, and the second ratio R2 Although (= β / γ) is 0.05 or more, the second ratio R2 exceeds 0.49, and samples S9 to S14 (all of which the second ratio R2 is 0.49 or less) The value is excessively high. That the second ratio R2 is excessively high means that the value of the fuel electrode substrate layer thickness β is excessively large and / or the value of the current collector width γ is excessively small. When the value of the fuel electrode substrate layer thickness β is excessively large, the diffusion path of the fuel gas FG from the surface of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 to the active layer 220 as a reaction field becomes excessively long. As a result, the initial voltage is lowered, and the amount of material used to form the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 can be increased, and interface separation between the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 and other layers can be performed. Causes increased sex. Also, if the value of the current collector width γ is excessively small, the contact area between the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 and the fuel electrode-side current collector 144 becomes excessively small. Causes damage, resulting in lower initial voltage. For at least one of these reasons, the samples S7 and S8 are considered to have a low initial voltage. Consider that the evaluation results of the samples S7 and S8 in which the second ratio R2 (= β / γ) exceeds 0.49 are inferior to the evaluation results of the samples S9 to S14 in which the second ratio R2 is 0.49 or less. Then, it can be said that the second ratio R2 is preferably 0.49 or less in order to further improve the power generation performance of the power generation unit 102 (suppress the reduction in power generation performance).

(サンプルS9について)
サンプルS9の評価結果は、6番目に低い(すなわち、2番目に高い)「B」評価であった。サンプルS9では、燃料極116の基板層210の気孔率RO1が35%以上であり、第1の比率R1(=β/α)が0.39以上であり、かつ、第2の比率R2(=β/γ)が0.05以上、0.49以下であるものの、第1の比率R1が0.58を超えており、サンプルS10〜S14(いずれも第1の比率R1が0.58以下である)と比べて過度に高い値となっている。第1の比率R1が過度に高いということは、燃料極基板層厚さβの値が過度に大きいこと、および/または、集電部間最短距離αの値が過度に小さいことを意味する。燃料極基板層厚さβの値が過度に大きいと、燃料極116の基板層210の表面から反応場としての活性層220までの燃料ガスFGの拡散経路が過度に長くなるため、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、初期電圧が低くなる上に、燃料極116の基板層210を形成するための使用材料量の増加や燃料極116の基板層210と他の層との界面剥離の可能性増加を引き起こす。また、集電部間最短距離αの値が過度に小さいと、燃料極116の基板層210における燃料極側集電体144の電極対向部145に覆われていない部分の面積が過度に小さくなるため、燃料室176に供給された燃料ガスFGが燃料極116の基板層210内に良好に進入せず、ガス拡散分極が大きくなり、その結果、初期電圧が低くなる。また、集電部間最短距離αの値が過度に小さいと、ガス流路が過度に狭くなることによってガスの圧力損失が増大し、セル面内に均一にガスが分配されにくくなり、その結果、初期電圧が低くなる。これらの内の少なくとも1つの理由によって、サンプルS9では、初期電圧が低くなったものと考えられる。第1の比率R1(=β/α)が0.58を超えるサンプルS9の評価結果が、第1の比率R1が0.58以下であるサンプルS10〜S14の評価結果より劣ることを考慮すると、発電単位102のさらなる発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、第1の比率R1は0.58以下であることが好ましいと言える。
(About sample S9)
The evaluation result for sample S9 was the sixth lowest (ie second highest) “B” rating. In the sample S9, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is 35% or more, the first ratio R1 (= β / α) is 0.39 or more, and the second ratio R2 (= β / γ) is 0.05 or more and 0.49 or less, but the first ratio R1 exceeds 0.58, and samples S10 to S14 (both of which the first ratio R1 is 0.58 or less) It is an excessively high value compared to (Yes). That the first ratio R1 is excessively high means that the value of the fuel electrode substrate layer thickness β is excessively large and / or the value of the shortest distance α between the current collectors is excessively small. When the value of the fuel electrode substrate layer thickness β is excessively large, the diffusion path of the fuel gas FG from the surface of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 to the active layer 220 as a reaction field becomes excessively long. As a result, the initial voltage is lowered, and the amount of material used to form the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 can be increased, and interface separation between the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 and other layers can be performed. Causes increased sex. If the value of the shortest distance α between the current collectors is excessively small, the area of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 that is not covered with the electrode facing portion 145 of the fuel electrode-side current collector 144 is excessively small. Therefore, the fuel gas FG supplied to the fuel chamber 176 does not enter the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 well, and the gas diffusion polarization increases, and as a result, the initial voltage decreases. In addition, if the value of the shortest distance α between the current collectors is excessively small, the gas flow path is excessively narrowed to increase the pressure loss of the gas, which makes it difficult to distribute the gas uniformly in the cell plane. The initial voltage is lowered. For at least one of these reasons, the initial voltage is considered to be low in sample S9. Considering that the evaluation result of the sample S9 in which the first ratio R1 (= β / α) exceeds 0.58 is inferior to the evaluation result of the samples S10 to S14 in which the first ratio R1 is 0.58 or less, In order to further improve the power generation performance of the power generation unit 102 (suppress the reduction in power generation performance), it can be said that the first ratio R1 is preferably 0.58 or less.

(性能評価結果のまとめ)
以上説明した性能評価結果を参照すると、発電単位102の発電性能向上(発電性能低下の抑制)のためには、燃料極116の基板層210の気孔率RO1が35%以上であり、かつ、第1の比率R1(集電部間最短距離αに対する燃料極基板層厚さβの比(β/α))が0.18以上であることが好ましく、第2の比率R2(集電部幅γに対する燃料極基板層厚さβの比(β/γ))が0.05以上であることがさらに好ましく、第1の比率R1が0.39以上であることがさらに好ましく、第2の比率R2が0.49以下であることがさらに好ましく、第1の比率R1が0.58以下であることが最も好ましいと言える。
(Summary of performance evaluation results)
Referring to the performance evaluation results described above, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is 35% or more for improving the power generation performance of the power generation unit 102 (suppressing power generation performance degradation), and 1 ratio R1 (ratio of fuel electrode substrate layer thickness β to current collector shortest distance α (β / α)) is preferably 0.18 or more, and second ratio R2 (current collector width γ) Is more preferably 0.05 or more, the first ratio R1 is more preferably 0.39 or more, and the second ratio R2 Is more preferably 0.49 or less, and the first ratio R1 is most preferably 0.58 or less.

A−4.燃料極116の各層の気孔率の特定方法:
上述した燃料極116の基板層210の気孔率RO1の特定は、水谷惟恭著「セラミックプロセシング」(技報堂出版)のp.193−195の記載を参考に、以下の方法に従って行った(図17参照)。まず、発電単位102(単セル110)において、燃料ガスFGの流れ方向(図5および図7に示すように本実施形態ではY軸方向)に沿って並ぶ任意の3つの位置で、燃料ガスFGの流れ方向に略直交する断面(本実施形態ではXZ断面)を設定し、各断面の任意の3カ所で、燃料極116の基板層210における燃料極側集電体144側の表面を含む部分が写ったFIB−SEM(加速電圧1.5kV)におけるSEM画像(5000倍)を得る。つまり、9つのSEM画像が得られる。上記各SEM画像において、燃料極116の基板層210における燃料極側集電体144側の表面付近に、Z軸方向に直交する5本の仮想直線VL(VL11〜VL15)を1μm間隔で設定する。5本の仮想直線VLのそれぞれにおいて、気孔にあたる各部分の長さを測定し、仮想直線VLの全長に対する気孔にあたる各部分の長さの合計の比を、当該仮想直線VL上における気孔率とする。すべてのSEM画像において設定されたすべての仮想直線VL上における気孔率の平均値を、燃料極116の基板層210の気孔率RO1とする。
A-4. Method for specifying the porosity of each layer of the fuel electrode 116:
The above-described porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 can be specified by “Mr. Mizutani” “Ceramic Processing” (Gihodo Publishing) p. Referring to the description of 193-195, the following method was used (see FIG. 17). First, in the power generation unit 102 (single cell 110), the fuel gas FG is arranged at any three positions along the flow direction of the fuel gas FG (in this embodiment, the Y-axis direction as shown in FIGS. 5 and 7). A cross section (XZ cross section in the present embodiment) that is substantially orthogonal to the flow direction of the fuel electrode 116 is set, and a portion including the surface on the fuel electrode side current collector 144 side in the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 at any three positions of each cross section SEM image (5000 times) in FIB-SEM (acceleration voltage 1.5 kV) in which is shown. That is, nine SEM images are obtained. In each SEM image, five virtual straight lines VL (VL11 to VL15) orthogonal to the Z-axis direction are set at 1 μm intervals near the surface on the fuel electrode side current collector 144 side of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116. . In each of the five virtual straight lines VL, the length of each portion corresponding to the pore is measured, and the ratio of the total length of each portion corresponding to the pore to the entire length of the virtual straight line VL is the porosity on the virtual straight line VL. . The average value of the porosity on all the virtual straight lines VL set in all the SEM images is set as the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116.

同様に、燃料極116の活性層220の気孔率RO2の特定は、以下の方法に従って行った(図17参照)。まず、発電単位102(単セル110)において、燃料ガスFGの流れ方向(本実施形態ではY軸方向)に沿って並ぶ任意の3つの位置で、燃料ガスFGの流れ方向に略直交する断面(本実施形態ではXZ断面)を設定し、各断面の任意の3カ所で、燃料極116の活性層220における電解質層112側の表面を含む部分が写ったFIB−SEM(加速電圧1.5kV)におけるSEM画像(5000倍)を得る。つまり、9つのSEM画像が得られる。上記各SEM画像において、燃料極116の活性層220における電解質層112側の表面付近に、Z軸方向に直交する5本の仮想直線VL(VL21〜VL25)を1μm間隔で設定する。なお、燃料極116の活性層220における電解質層112側の表面は、上記各SEM画像において、燃料極116の活性層220と電解質層112との構成物質の相違等に基づき特定することができる。5本の仮想直線VLのそれぞれにおいて、気孔にあたる各部分の長さを測定し、仮想直線VLの全長に対する気孔にあたる各部分の長さの合計の比を、当該仮想直線VL上における気孔率とする。すべてのSEM画像において設定されたすべての仮想直線VL上における気孔率の平均値を、燃料極116の活性層220の気孔率RO2とする。   Similarly, the porosity RO2 of the active layer 220 of the fuel electrode 116 was specified according to the following method (see FIG. 17). First, in the power generation unit 102 (unit cell 110), cross sections (substantially orthogonal to the flow direction of the fuel gas FG) at any three positions aligned along the flow direction of the fuel gas FG (in this embodiment, the Y-axis direction). In this embodiment, an XZ cross section) is set, and FIB-SEM (acceleration voltage 1.5 kV) in which portions including the surface on the electrolyte layer 112 side of the active layer 220 of the fuel electrode 116 are reflected at any three positions in each cross section. SEM image (5000 times) is obtained. That is, nine SEM images are obtained. In each SEM image, five virtual straight lines VL (VL21 to VL25) orthogonal to the Z-axis direction are set at 1 μm intervals near the surface of the active layer 220 of the fuel electrode 116 on the electrolyte layer 112 side. The surface on the electrolyte layer 112 side of the active layer 220 of the fuel electrode 116 can be specified based on the difference in constituent materials between the active layer 220 of the fuel electrode 116 and the electrolyte layer 112 in each of the SEM images. In each of the five virtual straight lines VL, the length of each portion corresponding to the pore is measured, and the ratio of the total length of each portion corresponding to the pore to the entire length of the virtual straight line VL is the porosity on the virtual straight line VL. . The average value of the porosity on all the virtual straight lines VL set in all the SEM images is defined as the porosity RO2 of the active layer 220 of the fuel electrode 116.

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. Variation:
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単セル110、発電単位102または燃料電池スタック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は、2層構成であるとしているが、燃料極116が、構成の互いに異なる3つ以上の層から構成されているとしてもよい。   The configuration of the single cell 110, the power generation unit 102, or the fuel cell stack 100 in the above embodiment is merely an example, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the fuel electrode 116 has a two-layer configuration, but the fuel electrode 116 may include three or more layers having different configurations.

また、上記実施形態では、燃料極側集電体144が、電極対向部145とインターコネクタ対向部146と連接部147とから構成されているが、燃料極側集電体144は、燃料極116の基板層210の表面に導通する複数の集電部を有する限りにおいて、他の構成であってもよい。例えば、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様に、複数の略四角柱状の集電体要素から構成されていてもよい。そのような構成では、複数の集電体要素が複数の集電部として機能する。また、上記実施形態では、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間にスペーサー149が配置されているが、スペーサー149は省略可能である。   In the above embodiment, the fuel electrode side current collector 144 includes the electrode facing portion 145, the interconnector facing portion 146, and the connecting portion 147, but the fuel electrode side current collector 144 is configured by the fuel electrode 116. Any other configuration may be used as long as it has a plurality of current collecting portions that are electrically connected to the surface of the substrate layer 210. For example, the fuel electrode side current collector 144 may be composed of a plurality of substantially square columnar current collector elements, like the air electrode side current collector 134. In such a configuration, a plurality of current collector elements function as a plurality of current collectors. Moreover, in the said embodiment, although the spacer 149 is arrange | positioned between the electrode opposing part 145 and the interconnector opposing part 146, the spacer 149 is omissible.

また、上記実施形態において、燃料極116の基板層210における燃料極側集電体144側の表面に、ガス透過性を有する導電性材料(例えば、Niで形成された細かいピッチ(電極対向部145の配置ピッチより細かいピッチ)のメッシュ材)が配置されており、燃料極116の基板層210の該表面が、該ガス透過性を有する導電性材料を介して、燃料極側集電体144の電極対向部145に導通しているとしてもよい。そのような構成では、燃料極116の基板層210が特許請求の範囲における第1の燃料極層に相当し、燃料極側集電体144が特許請求の範囲における集電体に相当し、該ガス透過性を有する導電性材料は特許請求の範囲における第1の燃料極層にも集電体にも相当しない。   Further, in the above embodiment, a conductive material having gas permeability (for example, a fine pitch (electrode facing portion 145 made of Ni) is formed on the surface of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 on the fuel electrode side current collector 144 side. The mesh material) having a pitch smaller than the arrangement pitch of the fuel electrode 116 is disposed, and the surface of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is disposed on the fuel electrode side current collector 144 via the conductive material having gas permeability. It may be electrically connected to the electrode facing portion 145. In such a configuration, the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 corresponds to the first fuel electrode layer in the claims, the fuel electrode side current collector 144 corresponds to the current collector in the claims, and The conductive material having gas permeability does not correspond to the first fuel electrode layer or the current collector in the claims.

また、上記実施形態において、燃料極側集電体144が導電性のコートにより覆われていてもよい。そのような構成において、該コートがガス透過性を有しない場合には、燃料極側集電体144および該コートが特許請求の範囲における集電体に相当し、該コートがガス透過性を有する場合には、燃料極側集電体144が特許請求の範囲における集電体に相当し、該コートは特許請求の範囲における第1の燃料極層にも集電体にも相当しない。   In the above embodiment, the fuel electrode side current collector 144 may be covered with a conductive coat. In such a configuration, when the coat does not have gas permeability, the fuel electrode side current collector 144 and the coat correspond to the current collector in the claims, and the coat has gas permeability. In this case, the fuel electrode side current collector 144 corresponds to the current collector in the claims, and the coat does not correspond to the first fuel electrode layer or the current collector in the claims.

なお、上述した集電部間最短距離α、燃料極基板層厚さβ、集電部幅γは、それぞれ、以下の範囲であることが好ましい。
・1000μm≦集電部間最短距離α≦3000μm
・200μm≦燃料極基板層厚さβ≦1200μm
・500μm≦集電部幅γ≦9000μm
In addition, the shortest distance α between the current collectors, the fuel electrode substrate layer thickness β, and the current collector width γ are preferably in the following ranges, respectively.
・ 1000μm ≦ shortest distance between current collectors α ≦ 3000μm
・ 200μm ≦ fuel electrode substrate layer thickness β ≦ 1200μm
・ 500μm ≦ Current collector width γ ≦ 9000μm

また、上記実施形態では、単セル110が中間層180を備えているが、単セル110は必ずしも中間層180を備える必要は無い。また、上記実施形態では、インターコネクタ150と空気極側集電体134とが一体部材であるが、インターコネクタ150と空気極側集電体134とが別部材であってもよい。また、上記実施形態では、空気極側集電体134がコート136に覆われているが、空気極側集電体134がコート136に覆われていないとしてもよい。また、上記実施形態では、空気極側集電体134が接合層138を介して空気極114に接しているが、空気極側集電体134が接合層138を介さずに空気極114に接しているとしてもよい。   In the above embodiment, the single cell 110 includes the intermediate layer 180, but the single cell 110 does not necessarily include the intermediate layer 180. In the above embodiment, the interconnector 150 and the air electrode side current collector 134 are integrated members, but the interconnector 150 and the air electrode side current collector 134 may be separate members. In the above embodiment, the air electrode side current collector 134 is covered with the coat 136, but the air electrode side current collector 134 may not be covered with the coat 136. In the above embodiment, the air electrode side current collector 134 is in contact with the air electrode 114 through the bonding layer 138, but the air electrode side current collector 134 is in contact with the air electrode 114 without through the bonding layer 138. It may be.

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(発電単位102)の個数は、あくまで一例であり、単セル110(発電単位102)の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。   In the above embodiment, the number of single cells 110 (power generation units 102) included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of single cells 110 (power generation units 102) is required for the fuel cell stack 100. It is determined appropriately according to the output voltage and the like. Moreover, the material which comprises each member in the said embodiment is an illustration to the last, and each member may be comprised with the other material.

また、上記実施形態に記載した発電単位102の発電性能向上(発電性能低下の抑制)のための構成要件(例えば、燃料極116の基板層210の気孔率RO1が35%以上であり、かつ、第1の比率R1(=β/α)が0.18以上であること等)は、必ずしも燃料電池スタック100を構成する複数の発電単位102のすべてにおいて満たされている必要はなく、燃料電池スタック100を構成する複数の発電単位102の内の少なくとも1つにおいて満たされていればよい。また、1つの発電単位102に注目したときに、該構成要件は、必ずしも燃料極側集電体144が備える複数の電極対向部145のすべてにおいて満たされている必要はなく、燃料極側集電体144が備える複数の電極対向部145の内の少なくとも1つにおいて満たされていればよい。なお、発電単位102の効果的な発電性能向上(発電性能低下の抑制)のため、燃料極側集電体144が備えるすべての電極対向部145の内、30%以上の電極対向部145において上記構成要件が満たされていることが好ましく、50%以上の電極対向部145において上記構成要件が満たされていることがより好ましく、70%以上の電極対向部145において上記構成要件が満たされていることがさらに好ましく、90%以上の電極対向部145において上記構成要件が満たされていることが一層好ましく、100%の電極対向部145において上記構成要件が満たされていることが最も好ましい。該構成要件が満たされている電極対向部145は、特許請求の範囲における特定集電部に相当する。   Moreover, the structural requirements for the power generation performance improvement (suppression of power generation performance degradation) of the power generation unit 102 described in the above embodiment (for example, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is 35% or more, and The first ratio R1 (= β / α is 0.18 or more) is not necessarily satisfied in all of the plurality of power generation units 102 constituting the fuel cell stack 100, and the fuel cell stack It is sufficient that at least one of the plurality of power generation units 102 constituting 100 is satisfied. Further, when attention is paid to one power generation unit 102, the constituent element does not necessarily have to be satisfied in all of the plurality of electrode facing portions 145 included in the fuel electrode side current collector 144. It is sufficient that at least one of the plurality of electrode facing portions 145 included in the body 144 is satisfied. Note that, in order to effectively improve the power generation performance of the power generation unit 102 (suppress the reduction in power generation performance), 30% or more of the electrode facing portions 145 included in the fuel electrode side current collector 144 have the above-mentioned It is preferable that the structural requirements are satisfied, and it is more preferable that 50% or more of the electrode facing portions 145 satisfy the above structural requirements, and 70% or more of the electrode facing portions 145 satisfy the above structural requirements. It is more preferable that 90% or more of the electrode facing portions 145 satisfy the above-described configuration requirements, and 100% of the electrode facing portions 145 most preferably satisfy the above-described configuration requirements. The electrode facing portion 145 that satisfies the configuration requirements corresponds to the specific current collector in the claims.

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セル単位や、複数の電解セル単位を備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016−81813号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、性能向上(性能低下の抑制)のためには、上記実施形態と同様に、燃料極116の基板層210の気孔率RO1が35%以上であり、かつ、第1の比率R1(=β/α)が0.18以上であることが好ましく、第2の比率R2(=β/γ)が0.05以上であることがさらに好ましく、第1の比率R1が0.39以上であることがさらに好ましく、第2の比率R2が0.49以下であることがさらに好ましく、第1の比率R1が0.58以下であることが最も好ましい。   In the above embodiment, the SOFC that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted. The present invention can be similarly applied to an electrolytic cell unit that is a 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 cell units. The configuration of the electrolysis cell stack is well known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-81813, and therefore will not be described in detail here, but is roughly the same as the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. It is the composition. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment may be read as an electrolytic cell stack, 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. As a result, an electrolysis reaction of water occurs in each electrolysis cell unit, hydrogen gas is generated in the fuel chamber 176, and hydrogen is taken out of the electrolysis cell stack through the communication hole. Also in the electrolytic cell unit and the electrolytic cell stack having such a configuration, the porosity RO1 of the substrate layer 210 of the fuel electrode 116 is 35% or more in order to improve performance (suppression of performance degradation) as in the above embodiment. And the first ratio R1 (= β / α) is preferably 0.18 or more, and the second ratio R2 (= β / γ) is more preferably 0.05 or more, The first ratio R1 is more preferably 0.39 or more, the second ratio R2 is more preferably 0.49 or less, and the first ratio R1 is most preferably 0.58 or less. .

また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を例に説明したが、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池(または電解セル)にも適用可能である。  In the above embodiment, the solid oxide fuel cell (SOFC) has been described as an example. However, the present invention is applicable to other types of fuel cells (or electrolytic cells) such as a molten carbonate fuel cell (MCFC). Applicable.

22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:燃料電池発電単位 104:エンドプレート 106:エンドプレート 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 136:コート 138:接合層 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 180:中間層 210:基板層 220:活性層 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 100: Fuel cell stack 102: 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 135: Current collector element 136: Coat 138: Bonding layer 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 portion 14 : 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 180: Intermediate layer 210: Substrate layer 220: Active layer

Claims (8)

電解質層と、前記電解質層に対して第1の方向の一方側に配置された空気極と、前記電解質層に対して前記第1の方向の他方側に配置された燃料極であって、前記燃料極における前記第1の方向の前記他方側の表面を構成する第1の燃料極層と、前記第1の燃料極層と前記電解質層との間に配置された第2の燃料極層と、を含む前記燃料極と、を備える電気化学反応単セルと、
前記第1の燃料極層に対して前記第1の方向の前記他方側に配置され、前記第1の燃料極層における前記第1の方向の前記他方側の表面に導通する複数の集電部を有する導電性の集電体と、
を備える電気化学反応単位において、
前記第1の燃料極層の気孔率は、35%以上であり、
前記複数の集電部の内の少なくとも1つである特定集電部について、前記第1の方向に直交する第2の方向における前記特定集電部と前記特定集電部の隣に位置する前記集電部との間の最短距離αに対する、前記第1の方向における前記第1の燃料極層の厚さβの比である第1の比率(β/α)は、0.18以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。
An electrolyte layer, an air electrode disposed on one side in a first direction with respect to the electrolyte layer, and a fuel electrode disposed on the other side in the first direction with respect to the electrolyte layer, wherein A first fuel electrode layer constituting a surface of the other side of the fuel electrode in the first direction; a second fuel electrode layer disposed between the first fuel electrode layer and the electrolyte layer; An electrochemical reaction unit cell comprising: the fuel electrode comprising:
A plurality of current collectors disposed on the other side in the first direction with respect to the first fuel electrode layer and conducting to the surface on the other side in the first direction in the first fuel electrode layer A conductive current collector having
In an electrochemical reaction unit comprising:
The porosity of the first fuel electrode layer is 35% or more,
About the specific current collector that is at least one of the plurality of current collectors, the specific current collector in the second direction orthogonal to the first direction and the specific current collector located next to the specific current collector The first ratio (β / α) that is the ratio of the thickness β of the first fuel electrode layer in the first direction to the shortest distance α between the current collector and the current collector is 0.18 or more. An electrochemical reaction unit characterized by that.
請求項1に記載の電気化学反応単位において、
前記特定集電部について、前記第2の方向における前記特定集電部の前記第1の燃料極層に対向する部分の幅γに対する、前記第1の方向における前記第1の燃料極層の厚さβの比である第2の比率(β/γ)は、0.05以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。
The electrochemical reaction unit according to claim 1,
For the specific current collector, the thickness of the first fuel electrode layer in the first direction with respect to the width γ of the portion of the specific current collector in the second direction facing the first fuel electrode layer The electrochemical reaction unit, wherein the second ratio (β / γ), which is a ratio of β, is 0.05 or more.
請求項2に記載の電気化学反応単位において、
前記特定集電部について、前記第1の比率(β/α)は、0.39以上であることを特徴とする、電気化学反応単位。
The electrochemical reaction unit according to claim 2,
The electrochemical reaction unit, wherein the first current ratio (β / α) of the specific current collector is 0.39 or more.
請求項3に記載の電気化学反応単位において、
前記特定集電部について、前記第2の比率(β/γ)は、0.49以下であることを特徴とする、電気化学反応単位。
The electrochemical reaction unit according to claim 3,
The electrochemical reaction unit characterized in that the second ratio (β / γ) of the specific current collector is 0.49 or less.
請求項4に記載の電気化学反応単位において、
前記特定集電部について、前記第1の比率(β/α)は、0.58以下であることを特徴とする、電気化学反応単位。
The electrochemical reaction unit according to claim 4,
The electrochemical reaction unit, wherein the first current ratio (β / α) of the specific current collector is 0.58 or less.
請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
前記燃料極における前記第1の方向の前記他方側の部分の気孔率は、前記燃料極における前記第1の方向の前記一方側の部分の気孔率より高いことを特徴とする、電気化学反応単位。
In the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 5,
An electrochemical reaction unit characterized in that the porosity of the other side portion in the first direction of the fuel electrode is higher than the porosity of the one side portion of the fuel electrode in the first direction. .
請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位において、
前記電気化学反応単セルは、燃料電池単セルであることを特徴とする、電気化学反応単位。
In the electrochemical reaction unit according to any one of claims 1 to 6,
The electrochemical reaction unit cell is a fuel cell unit cell, an electrochemical reaction unit.
前記第1の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単位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位の少なくとも1つは、請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の電気化学反応単位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 units 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 units is the electrochemical reaction unit according to claim 1.
JP2017070011A 2017-03-31 2017-03-31 Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack Active JP7096642B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017070011A JP7096642B2 (en) 2017-03-31 2017-03-31 Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017070011A JP7096642B2 (en) 2017-03-31 2017-03-31 Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018174039A true JP2018174039A (en) 2018-11-08
JP7096642B2 JP7096642B2 (en) 2022-07-06

Family

ID=64108847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017070011A Active JP7096642B2 (en) 2017-03-31 2017-03-31 Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7096642B2 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007165143A (en) * 2005-12-14 2007-06-28 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid electrolyte fuel cell, solid electrolyte fuel cell stack, and manufacturing method of the solid electrolyte fuel cell
JP2007188642A (en) * 2006-01-11 2007-07-26 Hitachi Ltd Solid polymer fuel cell
WO2007148761A1 (en) * 2006-06-21 2007-12-27 Panasonic Corporation Fuel cell
JP2010218817A (en) * 2009-03-16 2010-09-30 Nippon Soken Inc Fuel cell
JP2011129309A (en) * 2009-12-16 2011-06-30 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid oxide fuel cell
JP2017016909A (en) * 2015-07-01 2017-01-19 日本特殊陶業株式会社 Fuel cell stack and fuel battery unit cell

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007165143A (en) * 2005-12-14 2007-06-28 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid electrolyte fuel cell, solid electrolyte fuel cell stack, and manufacturing method of the solid electrolyte fuel cell
JP2007188642A (en) * 2006-01-11 2007-07-26 Hitachi Ltd Solid polymer fuel cell
WO2007148761A1 (en) * 2006-06-21 2007-12-27 Panasonic Corporation Fuel cell
JP2010218817A (en) * 2009-03-16 2010-09-30 Nippon Soken Inc Fuel cell
JP2011129309A (en) * 2009-12-16 2011-06-30 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid oxide fuel cell
JP2017016909A (en) * 2015-07-01 2017-01-19 日本特殊陶業株式会社 Fuel cell stack and fuel battery unit cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP7096642B2 (en) 2022-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6595581B2 (en) Electrochemical reaction unit and fuel cell stack
JP6283330B2 (en) Electrochemical reaction unit and fuel cell stack
JP2018018693A (en) Electrochemical reaction single cell, and electrochemical reaction cell stack
JP6804868B2 (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP2019204592A (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical cell stack
JP6177836B2 (en) Method for producing bonding material precursor and method for producing electrochemical reaction cell stack
JP2018137206A (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP2018041569A (en) Electrochemical reaction unit, and electrochemical reaction cell stack
JP7096645B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP2017130304A (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP7096642B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP7096643B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP6780920B2 (en) Fuel cell single cell and fuel cell stack
JP7096644B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP2019200874A (en) Electrochemical reaction unit, electrochemical reaction cell stack, and manufacturing method of electrochemical reaction unit
JP6839021B2 (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP2018206693A (en) Conductive member, electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP2017154968A (en) Joint material precursor, electrochemical reaction cell stack, and their production methods
JP6797153B2 (en) Electrochemical reaction cell stack
JP6573719B2 (en) Electrochemical reaction unit, electrochemical reaction cell stack, and method for producing electrochemical reaction unit
JP2018014246A (en) Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack
JP6734707B2 (en) Current collecting member-electrochemical reaction single cell composite and electrochemical reaction cell stack
JP2018029023A (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical cell stack
CN108701839B (en) Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack
JP6706139B2 (en) Fuel cell single cell and fuel cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191108

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20191224

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200825

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200908

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201022

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210323

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210517

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20211005

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211109

C60 Trial request (containing other claim documents, opposition documents)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60

Effective date: 20211109

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20211116

C21 Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C21

Effective date: 20211124

A912 Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20211224

C211 Notice of termination of reconsideration by examiners before appeal proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C211

Effective date: 20220105

C22 Notice of designation (change) of administrative judge

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C22

Effective date: 20220315

C22 Notice of designation (change) of administrative judge

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C22

Effective date: 20220412

C23 Notice of termination of proceedings

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C23

Effective date: 20220510

C03 Trial/appeal decision taken

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C03

Effective date: 20220607

C30A Notification sent

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C3012

Effective date: 20220607

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220624

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7096642

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150