JP2018206693A - Conductive member, electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

Conductive member, electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack Download PDF

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Abstract

To suppress the warpage in the surface of a conductive member.SOLUTION: A conductive member comprises: a metal member containing Fe and Cr; an oxide coating layer disposed on a surface of the metal member and containing Cr oxide; and a coating layer disposed on a surface of the oxide coating layer on a side opposite to its surface opposed to the metal member and including Co oxide. The coating layer has a thickness of 10 μm or more and a porosity of 6.0% or more. In a section of the coating layer, the number of pores per unit area is 20/1000 μmor more.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本明細書によって開示される技術は、導電性部材に関する。   The technique disclosed by this specification is related with an electroconductive member.

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、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。   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 and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a predetermined direction (hereinafter referred to as “first direction”) with the electrolyte layer interposed therebetween.

発電単位は、また、単セルに対して上記第1の方向の一方側に配置され、FeとCrとを含有する金属(例えば、フェライト系ステンレス)により形成された導電性のインターコネクタを備える。インターコネクタは、空気極または燃料極に面するガス室を構成(区画)する。インターコネクタの表面上には、インターコネクタに含まれるCrが空気中の酸素と反応することにより、Cr酸化物(例えば、Cr(クロミア))を含む酸化被膜層が形成される。 The power generation unit also includes a conductive interconnector disposed on one side of the first direction with respect to the single cell and formed of a metal (for example, ferritic stainless steel) containing Fe and Cr. The interconnector constitutes (compartments) a gas chamber facing the air electrode or the fuel electrode. On the surface of the interconnector, Cr contained in the interconnector reacts with oxygen in the air to form an oxide film layer containing Cr oxide (for example, Cr 2 O 3 (chromia)).

インターコネクタに含まれるCrが蒸散して単セルの電極に付着すると、電極における反応速度が低下する「Cr被毒」と呼ばれる現象が発生し、単セルの性能が低下するおそれがある。そのような単セルの性能低下を抑制するために、インターコネクタ(の表面上に形成された酸化被膜層)の表面上に、Co酸化物(例えば、MnCo)を含む導電性の被覆層が形成された構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような構成では、被覆層がインターコネクタからのCrの蒸散を抑制するため、電極のCr被毒による単セルの性能低下を抑制することができる。以下、インターコネクタと酸化被膜層と被覆層との積層体を、導電性部材という。 When Cr contained in the interconnector evaporates and adheres to the electrode of the single cell, a phenomenon called “Cr poisoning” in which the reaction rate at the electrode is reduced may occur, and the performance of the single cell may be reduced. In order to suppress such performance degradation of the single cell, a conductive coating containing Co oxide (for example, MnCo 2 O 4 ) on the surface of the interconnector (an oxide film layer formed on the surface of the interconnector) A structure in which a layer is formed is known (see, for example, Patent Document 1). In such a configuration, since the coating layer suppresses the transpiration of Cr from the interconnector, it is possible to suppress the deterioration of the performance of the single cell due to the Cr poisoning of the electrode. Hereinafter, the laminated body of an interconnector, an oxide film layer, and a coating layer is referred to as a conductive member.

特開2011−99159号公報JP 2011-99159 A

発電単位は発電運転中に高温となるため、発電単位の運転に伴い、導電性部材中の酸化被膜層にうねりが生ずることがある。酸化被膜層にうねりが生ずると、その影響により、酸化被膜層の表面上に形成された被覆層における酸化被膜層に対向する表面とは反対側の表面にもうねりが生ずるおそれがある。被覆層の該表面にうねりが生ずると、例えば、導電性部材における被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材との間の密着性が低下し、その結果、ガス室のガスシール性が低下して発電単位の性能が低下するおそれがある。   Since the power generation unit becomes a high temperature during the power generation operation, undulation may occur in the oxide film layer in the conductive member with the operation of the power generation unit. When waviness occurs in the oxide film layer, the influence may cause waviness on the surface of the coating layer formed on the surface of the oxide film layer opposite to the surface facing the oxide film layer. When waviness occurs on the surface of the coating layer, for example, the adhesion between the conductive member and the sealing member disposed on the surface constituted by the coating layer is lowered, and as a result, the gas sealing property of the gas chamber is reduced. May decrease and the performance of the power generation unit may decrease.

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」ともいう)の構成単位である電解セル単位を構成する導電性部材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。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応単位にも共通の課題である。さらに、このような課題は、電気化学反応単位を構成する導電性部材に限らず、FeとCrとを含有する金属部材と、金属部材の表面上に配置され、Cr酸化物を含む酸化被膜層と、酸化被膜層の表面上に配置され、Co酸化物を含む被覆層とを備える導電性部材一般に共通の課題である。  Note that such a problem is that the conductivity of the electrolytic cell unit, which is a constituent unit of a solid oxide electrolytic cell (hereinafter also referred to as “SOEC”), which generates hydrogen using an electrolysis reaction of water. This is a problem common to sex members. In the present specification, the fuel cell power generation unit and the electrolysis cell unit are collectively referred to as an electrochemical reaction unit. Such a problem is not limited to SOFC and SOEC, but is common to other types of electrochemical reaction units. Furthermore, such a problem is not limited to the conductive member constituting the electrochemical reaction unit, but a metal member containing Fe and Cr, and an oxide film layer disposed on the surface of the metal member and containing Cr oxide And a conductive member that is disposed on the surface of the oxide coating layer and includes a coating layer containing a Co oxide.

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導電性部材は、FeとCrとを含有する金属部材と、前記金属部材の表面上に配置され、Cr酸化物を含む酸化被膜層と、前記酸化被膜層における前記金属部材に対向する表面とは反対側の表面上に配置され、Co酸化物を含む被覆層と、を備える導電性部材において、前記被覆層の厚さは、10μm以上であり、前記被覆層の気孔率は、6.0%以上であり、前記被覆層の断面における単位面積あたりの気孔数は、20個/1000μm以上である。本導電性部材では、被覆層の厚さが比較的厚く、被覆層の気孔率が比較的高く、被覆層の断面における単位面積あたりの気孔数が比較的多い。そのため、本導電性部材によれば、使用中に加熱されることによって酸化被膜層にうねりが生じても、その影響によって被覆層における酸化被膜層に対向する表面とは反対側の表面にうねりが生ずることを抑制することができる。従って、本導電性部材によれば、例えば、導電性部材における被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材との間の密着性の低下を抑制することができ、ガスシール性の低下を抑制することができる。 (1) A conductive member disclosed in the present specification includes a metal member containing Fe and Cr, an oxide film layer that is disposed on a surface of the metal member and includes Cr oxide, and the oxide film layer The conductive member is provided on a surface opposite to the surface facing the metal member, and includes a coating layer containing Co oxide, wherein the coating layer has a thickness of 10 μm or more, and the coating The porosity of the layer is 6.0% or more, and the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer is 20/1000 μm 2 or more. In this conductive member, the thickness of the coating layer is relatively large, the porosity of the coating layer is relatively high, and the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer is relatively large. Therefore, according to the present conductive member, even when the oxide film layer is swelled by being heated during use, the influence causes the swell on the surface of the coating layer opposite to the surface facing the oxide film layer. Occurrence can be suppressed. Therefore, according to the present conductive member, for example, it is possible to suppress a decrease in adhesion between the conductive member and the sealing member disposed on the surface constituted by the coating layer, and a decrease in gas sealing performance. Can be suppressed.

(2)上記導電性部材において、前記被覆層に含まれるCo酸化物は、スピネル型結晶構造を有する構成としてもよい。本導電性部材によれば、本導電性部材によれば、被覆層によって、酸化被膜層のさらなる成長を効果的に抑制することができると共に、金属部材に含有されるCrの拡散を効果的に抑制することができる。 (2) In the conductive member, the Co oxide included in the coating layer may have a spinel crystal structure. According to this conductive member, according to this conductive member, further growth of the oxide film layer can be effectively suppressed by the coating layer, and diffusion of Cr contained in the metal member can be effectively suppressed. Can be suppressed.

(3)上記導電性部材において、前記被覆層の気孔率は、40%以下である構成としてもよい。本導電性部材によれば、被覆層による酸化被膜層の成長抑制機能と金属部材からのCr拡散抑制機能とを確保しつつ、酸化被膜層に生じたうねりの影響によって被覆層における酸化被膜層に対向する表面とは反対側の表面にうねりが生ずることを抑制することができる。 (3) In the conductive member, the covering layer may have a porosity of 40% or less. According to this conductive member, while ensuring the growth suppression function of the oxide film layer by the coating layer and the Cr diffusion suppression function from the metal member, the oxide film layer in the coating layer is affected by the swell generated in the oxide film layer. It is possible to suppress the occurrence of waviness on the surface opposite to the facing surface.

(4)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を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルに対して前記第1の方向の一方側に配置された上記導電性部材と、前記導電性部材における前記被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材と、を備える。本電気化学反応単位によれば、導電性部材における被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材との間の密着性の低下を抑制することができ、ガスシール性の低下に起因する性能低下を抑制することができる。 (4) The electrochemical reaction unit disclosed in this specification includes an electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and the electric reaction unit cell. The said electroconductive member arrange | positioned with respect to a chemical reaction single cell at the one side of the said 1st direction, and the sealing member arrange | positioned on the surface comprised by the said coating layer in the said electroconductive member are provided. According to the present electrochemical reaction unit, it is possible to suppress a decrease in adhesion between the conductive member and the sealing member disposed on the surface constituted by the coating layer, resulting from a decrease in gas sealing performance. Performance degradation can be suppressed.

(5)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、導電性部材における被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材との間の密着性の低下を抑制することができ、ガスシール性の低下に起因する発電性能低下を抑制することができる。 (5) In the electrochemical reaction unit, the electrochemical reaction single cell may be a fuel cell single cell. According to the present electrochemical reaction unit, it is possible to suppress a decrease in adhesion between the conductive member and the sealing member disposed on the surface constituted by the coating layer, resulting from a decrease in gas sealing performance. A decrease in power generation performance can be suppressed.

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、導電性部材、導電性部材と電気化学反応単セル(燃料電池単セルまたは電解単セル)とを備える電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)、複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。   The technology disclosed in the present specification can be realized in various forms. For example, a conductive member, a conductive member, and an electrochemical reaction single cell (fuel cell single cell or electrolytic single cell) Reaction unit (fuel cell power generation unit or electrolysis cell unit), electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolysis cell stack) comprising a plurality of electrochemical reaction units, a manufacturing method thereof, etc. It is possible.

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. 本実施形態の発電単位102を構成する被覆層196の詳細構成を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the detailed structure of the coating layer 196 which comprises the electric power generation unit 102 of this embodiment. 比較例の発電単位102Xを構成する被覆層196の詳細構成を概念的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows notionally the detailed structure of the coating layer 196 which comprises the power generation unit 102X of a comparative example. 性能評価結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a performance evaluation result.

A.実施形態:
A−1.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 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5の上部には、発電単位102の一部分のYZ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 upper part of FIG. 5, an enlarged YZ cross-sectional configuration of a part of the power generation unit 102 is shown. 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、FeとCrとを含有する金属(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 a metal (for example, ferritic stainless steel) containing Fe and Cr. 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(下側)に配置された燃料極(アノード)116と、電解質層112の上下方向の他方側(上側)に配置された空気極(カソード)114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 single cell 110 includes an electrolyte layer 112, a fuel electrode (anode) 116 disposed on one side (lower side) of the electrolyte layer 112 in the vertical direction (first direction), and the other side of the electrolyte layer 112 in the vertical direction. An air electrode (cathode) 114 disposed on the (upper 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、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。   The air electrode 114 is a substantially rectangular flat plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 when viewed in the Z direction, and is a porous layer. The air electrode 114 is made of, for example, a perovskite oxide (for example, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LSM (lanthanum strontium manganese oxide), LNF (lanthanum nickel iron)).

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。   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).

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おり、両者の間のガスシール性(すなわち、空気室166のガスシール性)を確保するシール部材として機能する。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。  As shown in FIGS. 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 of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114. , It functions as a seal member that ensures gas sealability between them (that is, gas sealability of the air chamber 166). 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内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。   As shown in FIGS. 4, 5 and 7, the fuel electrode side current collector 144 is disposed in the fuel chamber 176. The fuel electrode side current collector 144 includes an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145, and a connecting portion 147 that connects the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. For example, nickel or a nickel alloy It is made of stainless steel or the like. The electrode facing portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 on the side opposite to the side facing the electrolyte layer 112, and the interconnector facing portion 146 is on the surface of the interconnector 150 on the side facing the fuel electrode 116. In contact. However, as described above, since the lowermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not include the lower interconnector 150, the interconnector facing portion 146 in the power generation unit 102 has a lower end plate. 106 is in contact. Since the fuel electrode side current collector 144 has such a configuration, the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) are electrically connected. Note that a spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to the temperature cycle and the reaction gas pressure fluctuation, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) via the fuel electrode side current collector 144. The electrical connection with is maintained well.

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、FeとCrとを含有する金属(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。   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 substantially square columnar current collector elements 135, and is formed of a metal containing Fe and Cr (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.

なお、図4および図5に示すように、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(以下、「金属部材190」と呼ぶ)の内、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 and 5, 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, of the integrated member (hereinafter referred to as “metal member 190”), a flat plate-shaped portion orthogonal to the vertical direction (Z-axis direction) functions as the interconnector 150, and the flat electrode portion extends from the flat electrode portion to the air electrode. A plurality of current collector elements 135 formed so as to project toward 114 function as the air electrode side current collector 134.

図5に示すように、金属部材190の表面上には、Cr酸化物(例えば、Cr(クロミア))を含む酸化被膜層194が形成されている。酸化被膜層194は、金属部材190に含まれるCrが大気中の酸素と反応することにより形成される。 As shown in FIG. 5, an oxide film layer 194 containing Cr oxide (for example, Cr 2 O 3 (chromia)) is formed on the surface of the metal member 190. The oxide film layer 194 is formed by the reaction of Cr contained in the metal member 190 with oxygen in the atmosphere.

また、図4および図5に示すように、酸化被膜層194における金属部材190に対向する表面とは反対側の表面上には、Co酸化物を含む導電性の被覆層196が配置されている。被覆層196は、スピネル型結晶構造を有し、例えば、CrとMnとFeとNiとCuとZnとの少なくとも1つの元素を含有するCo酸化物(例えば、CrCo、MnCo、FeCo、NiCo、CuCo、ZnCo、ZnMnCoO等)により形成されていることが好ましい。被覆層196は、酸素の透過を抑制するため、電気抵抗の高い酸化被膜層194の成長を抑制することができ、その結果、導電性部材200の電気抵抗の上昇(すなわち、発電単位102の性能低下)を抑制することができる。また、被覆層196は、金属部材190からのCrの蒸散を抑制するため、単セル110の電極(例えば空気極114)のCr被毒の発生を抑制することができ、その結果、発電単位102の性能低下を抑制することができる。 Further, as shown in FIGS. 4 and 5, a conductive coating layer 196 containing Co oxide is disposed on the surface of the oxide film layer 194 opposite to the surface facing the metal member 190. . The coating layer 196 has a spinel crystal structure and is, for example, a Co oxide containing at least one element of Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, and Zn (for example, CrCo 2 O 4 , MnCo 2 O 4). FeCo 2 O 4 , NiCo 2 O 4 , CuCo 2 O 4 , ZnCo 2 O 4 , ZnMnCoO 4, etc.). Since the coating layer 196 suppresses the permeation of oxygen, the growth of the oxide film layer 194 having a high electrical resistance can be suppressed. As a result, the electrical resistance of the conductive member 200 increases (that is, the performance of the power generation unit 102). Reduction) can be suppressed. Moreover, since the coating layer 196 suppresses the transpiration of Cr from the metal member 190, the generation of Cr poisoning of the electrode (for example, the air electrode 114) of the single cell 110 can be suppressed. The performance degradation can be suppressed.

図4および図5に示すように、空気極114と(酸化被膜層194および被覆層196に覆われた)空気極側集電体134(集電体要素135)とは、導電性の接合層138により接合されている。接合層138は、例えば、スピネル型結晶構造を有する酸化物(例えば、Mn1.5Co1.5やMnCo、ZnCo、ZnMn、ZnMnCoO、CuMn)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 air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) (covered by the oxide film layer 194 and the coating layer 196) are electrically connected to each other. 138 to be joined. The bonding layer 138 includes, for example, an oxide having a spinel crystal structure (for example, Mn 1.5 Co 1.5 O 4 , MnCo 2 O 4 , ZnCo 2 O 4 , ZnMn 2 O 4 , ZnMnCoO 4 , CuMn 2 O). 4 ). 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.

以下の説明では、金属部材190(インターコネクタ150と空気極側集電体134との一体部材)と、金属部材190の表面上に形成された酸化被膜層194と、酸化被膜層194における金属部材190に対向する表面とは反対側の表面上に形成された被覆層196とを、まとめて導電性部材200と呼ぶ。導電性部材200は、接合層138を介して空気極114に電気的に接続されており、また、燃料極側集電体144を介して燃料極116に電気的に接続されている。   In the following description, metal member 190 (integrated member of interconnector 150 and air electrode side current collector 134), oxide film layer 194 formed on the surface of metal member 190, and metal member in oxide film layer 194 The covering layer 196 formed on the surface opposite to the surface facing 190 is collectively referred to as the conductive member 200. The conductive member 200 is electrically connected to the air electrode 114 via the bonding layer 138, and is electrically connected to the fuel electrode 116 via the fuel electrode side current collector 144.

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は接合層138を介して導電性部材200(金属部材190、酸化被膜層194、被覆層196の集合体)に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して導電性部材200に電気的に接続されている。すなわち、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 conductive member 200 (an assembly of the metal member 190, the oxide film layer 194, and the coating layer 196) via the bonding layer 138, and the fuel electrode. 116 is electrically connected to the conductive member 200 via the fuel electrode side current collector 144. That is, 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 via the oxidant gas discharge communication hole 133 as shown in FIGS. The fuel cell stack 100 is connected to the branch portion 29 via a gas pipe (not shown) through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the agent gas discharge manifold 162. Is discharged outside. Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 via the fuel gas discharge communication hole 143, and further to the fuel gas. The gas passage member 27 provided at the position of the discharge manifold 172 passes through the body portion 28 and the branch portion 29 and passes through a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 to the outside of the fuel cell stack 100. Discharged.

A−3.被覆層196の詳細構成:
図8は、本実施形態の発電単位102を構成する被覆層196の詳細構成を概念的に示す説明図である。図8のA欄には、初期状態における発電単位102の一部分(図5のX1部)のYZ断面構成が示されており、図8のB欄には、長期耐久後(発電運転後)における発電単位102の同部分のYZ断面構成が示されている。
A-3. Detailed configuration of coating layer 196:
FIG. 8 is an explanatory diagram conceptually showing the detailed structure of the covering layer 196 that constitutes the power generation unit 102 of the present embodiment. A column A in FIG. 8 shows a YZ cross-sectional configuration of a part of the power generation unit 102 in the initial state (X1 portion in FIG. 5), and a column B in FIG. 8 shows after long-term durability (after power generation operation). A YZ cross-sectional configuration of the same portion of the power generation unit 102 is shown.

本実施形態の発電単位102では、被覆層196の厚さT1は、10μm以上であり、比較的厚い。また、被覆層196の気孔率は、6.0%以上であり、被覆層196中に気孔VOが比較的多く存在する。また、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数は、20個/1000μm以上であり、被覆層196における気孔VOの偏りが比較的小さい(すなわち、被覆層196における気孔VOの分散性が比較的高い)。このような構成の被覆層196は、例えば、熱処理によって金属部材190上に被覆層196を形成する際の昇温速度を、1℃/分〜6℃/分の範囲に制御することにより製造することができる。 In the power generation unit 102 of the present embodiment, the thickness T1 of the coating layer 196 is 10 μm or more and is relatively thick. Moreover, the porosity of the coating layer 196 is 6.0% or more, and there are relatively many pores VO in the coating layer 196. Further, the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer 196 is 20/1000 μm 2 or more, and the deviation of the pores VO in the coating layer 196 is relatively small (that is, the dispersibility of the pores VO in the coating layer 196 is small). Relatively high). The coating layer 196 having such a configuration is manufactured, for example, by controlling the rate of temperature increase when the coating layer 196 is formed on the metal member 190 by heat treatment in a range of 1 ° C./min to 6 ° C./min. be able to.

本実施形態の発電単位102では、被覆層196が上記のような構成であるため、以下に説明するように、被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(以下、「第1の表面F1」という)にうねりが生ずることを抑制することができ、その結果、空気室166のガスシール性の低下に起因する発電単位102の性能低下を抑制することができる。   In the power generation unit 102 of the present embodiment, since the coating layer 196 has the above-described configuration, as described below, the surface of the coating layer 196 opposite to the surface facing the oxide coating layer 194 (hereinafter, It is possible to suppress the occurrence of undulation in the “first surface F1”), and as a result, it is possible to suppress the performance deterioration of the power generation unit 102 due to the deterioration of the gas sealability of the air chamber 166.

図9は、比較例の発電単位102Xを構成する被覆層196の詳細構成を概念的に示す説明図である。図9のA欄には、初期状態における発電単位102Xの一部分(図8のA欄に示された部分に相当する部分)のYZ断面構成が示されており、図9のB欄には、長期耐久後(発電運転後)における発電単位102Xの同部分のYZ断面構成が示されている。図9のA欄に示すように、比較例の発電単位102Xでは、被覆層196の厚さT1が比較的薄く(例えば、10μm未満であり)、被覆層196の気孔率が比較的低く(例えば、6.0%未満であり)、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数が比較的少ない(例えば、20個/1000μm未満である)。 FIG. 9 is an explanatory diagram conceptually showing the detailed structure of the coating layer 196 constituting the power generation unit 102X of the comparative example. A column A in FIG. 9 shows a YZ cross-sectional configuration of a part of the power generation unit 102X in an initial state (a portion corresponding to the portion shown in the column A in FIG. 8), and a column B in FIG. A YZ cross-sectional configuration of the same portion of the power generation unit 102X after long-term durability (after power generation operation) is shown. As shown in the column A of FIG. 9, in the power generation unit 102X of the comparative example, the thickness T1 of the coating layer 196 is relatively thin (for example, less than 10 μm), and the porosity of the coating layer 196 is relatively low (for example, , Less than 6.0%), and the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer 196 is relatively small (for example, less than 20/1000 μm 2 ).

ここで、発電単位102(102X)は、発電運転中に高温となる。そのため、図9のB欄に示すように、発電単位102(102X)の使用(発電運転)に伴い、導電性部材200中の酸化被膜層194にうねりが生ずることがある。上述したように、比較例の発電単位102Xでは、被覆層196の厚さT1が比較的薄く、被覆層196の気孔率が比較的低く、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数が比較的少ない。そのため、酸化被膜層194にうねりが生ずると、該うねりを被覆層196によって効果的に吸収することができず、被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にもうねりが生ずる。そのため、導電性部材200における被覆層196により構成される表面(第1の表面F1)と、該第1の表面F1上に配置されたシール部材としての空気極側フレーム130との間の密着性が低下し、空気室166のガスシール性が低下する。その結果、被覆層196の第1の表面F1と空気極側フレーム130との間において、空気室166から外部への酸化剤ガスOGのリークが発生し、発電単位102Xの性能が低下するおそれがある。   Here, the power generation unit 102 (102X) becomes high temperature during the power generation operation. Therefore, as shown in the B column of FIG. 9, undulation may occur in the oxide film layer 194 in the conductive member 200 as the power generation unit 102 (102X) is used (power generation operation). As described above, in the power generation unit 102X of the comparative example, the thickness T1 of the covering layer 196 is relatively thin, the porosity of the covering layer 196 is relatively low, and the number of pores per unit area in the cross section of the covering layer 196 is compared. Less. Therefore, when waviness occurs in the oxide film layer 194, the waviness cannot be effectively absorbed by the coating layer 196, and the surface of the coating layer 196 opposite to the surface facing the oxide film layer 194 (first surface) The surface F1) of the substrate is further warped. Therefore, the adhesion between the surface (first surface F1) constituted by the covering layer 196 in the conductive member 200 and the air electrode side frame 130 as a seal member disposed on the first surface F1. Decreases, and the gas sealing performance of the air chamber 166 decreases. As a result, leakage of the oxidant gas OG from the air chamber 166 to the outside may occur between the first surface F1 of the coating layer 196 and the air electrode side frame 130, and the performance of the power generation unit 102X may be deteriorated. is there.

これに対し、本実施形態の発電単位102では、被覆層196の厚さT1が比較的厚く、被覆層196の気孔率が比較的高く、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数が比較的多い。そのため、図8のB欄に示すように、発電単位102の使用(発電運転)に伴い酸化被膜層194にうねりが生じても、該うねりを被覆層196によって効果的に吸収することができ、被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にうねりが生ずることを抑制することができる。そのため、導電性部材200における被覆層196により構成される表面(第1の表面F1)と、該第1の表面F1上に配置されたシール部材としての空気極側フレーム130との間の密着性が確保され、空気室166のガスシール性の低下を抑制することができる。その結果、被覆層196の第1の表面F1と空気極側フレーム130との間において、空気室166から外部への酸化剤ガスOGのリークの発生を抑制することができ、発電単位102の性能が低下することを抑制することができる。   On the other hand, in the power generation unit 102 of the present embodiment, the thickness T1 of the coating layer 196 is relatively thick, the porosity of the coating layer 196 is relatively high, and the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer 196 is compared. Many. Therefore, as shown in the B column of FIG. 8, even if undulation occurs in the oxide film layer 194 with use of the power generation unit 102 (power generation operation), the undulation can be effectively absorbed by the coating layer 196, It is possible to suppress the occurrence of waviness on the surface of the coating layer 196 opposite to the surface facing the oxide film layer 194 (first surface F1). Therefore, the adhesion between the surface (first surface F1) constituted by the covering layer 196 in the conductive member 200 and the air electrode side frame 130 as a seal member disposed on the first surface F1. Is ensured, and the deterioration of the gas sealing property of the air chamber 166 can be suppressed. As a result, leakage of the oxidant gas OG from the air chamber 166 to the outside can be suppressed between the first surface F1 of the coating layer 196 and the air electrode side frame 130, and the performance of the power generation unit 102 can be suppressed. Can be suppressed.

以上説明したように、本実施形態の発電単位102を構成する導電性部材200は、FeとCrとを含有する金属部材190と、金属部材190の表面上に配置され、Cr酸化物を含む酸化被膜層194と、酸化被膜層194における金属部材190に対向する表面とは反対側の表面上に配置され、Co酸化物を含む被覆層196とを備え、被覆層196の厚さは10μm以上であり、被覆層196の気孔率は6.0%以上であり、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数は、20個/1000μm以上である。そのため、本実施形態の発電単位102を構成する導電性部材200によれば、発電単位102の使用(発電運転)に伴い酸化被膜層194にうねりが生じても、その影響によって被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にうねりが生ずることを抑制することができる。従って、本実施形態の発電単位102を構成する導電性部材200によれば、導電性部材200における被覆層196により構成される表面(第1の表面F1)上に配置されたシール部材(空気極側フレーム130)との間の密着性の低下を抑制することができ、空気室166のガスシール性の低下に起因する発電単位102の性能低下を抑制することができる。 As described above, the conductive member 200 constituting the power generation unit 102 of the present embodiment is disposed on the surface of the metal member 190 containing Fe and Cr, and the oxidation containing Cr oxide. The coating layer 194 includes a coating layer 196 that is disposed on the surface of the oxide coating layer 194 opposite to the surface facing the metal member 190, and includes a Co oxide. The coating layer 196 has a thickness of 10 μm or more. The porosity of the coating layer 196 is 6.0% or more, and the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer 196 is 20/1000 μm 2 or more. Therefore, according to the conductive member 200 constituting the power generation unit 102 of the present embodiment, even if the oxide film layer 194 swells due to the use of the power generation unit 102 (power generation operation), the oxidation in the coating layer 196 is caused by the influence thereof. Waviness can be suppressed from occurring on the surface opposite to the surface facing the coating layer 194 (first surface F1). Therefore, according to the conductive member 200 constituting the power generation unit 102 of the present embodiment, the seal member (air electrode) disposed on the surface (first surface F1) formed by the coating layer 196 in the conductive member 200. The lowering of the adhesiveness with the side frame 130) can be suppressed, and the performance deterioration of the power generation unit 102 due to the lowering of the gas sealing property of the air chamber 166 can be suppressed.

なお、被覆層196に含まれるCo酸化物は、スピネル型結晶構造を有することが好ましい。このような構成によれば、被覆層196によって、酸化被膜層194のさらなる成長を効果的に抑制することができると共に、金属部材190に含有されるCrの拡散を効果的に抑制することができる。被覆層196による酸化被膜層194の成長抑制のために、被覆層196に含まれるCo酸化物は、CrとMnとFeとNiとCuとZnとの少なくとも1つの元素を含有することがさらに好ましい。   Note that the Co oxide included in the coating layer 196 preferably has a spinel crystal structure. According to such a configuration, the coating layer 196 can effectively suppress further growth of the oxide film layer 194 and can also effectively suppress diffusion of Cr contained in the metal member 190. . In order to suppress the growth of the oxide film layer 194 by the coating layer 196, the Co oxide contained in the coating layer 196 further preferably contains at least one element of Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, and Zn. .

また、被覆層196の気孔率は、40%以下であることが好ましい。このような構成によれば、被覆層196による酸化被膜層194の成長抑制機能と金属部材190からのCr拡散抑制機能とを確保しつつ、酸化被膜層194に生じたうねりの影響によって被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にうねりが生ずることを抑制することができる。また、被覆層196の気孔率は、20%以下であることがさらに好ましい。このような構成によれば、被覆層196による酸化被膜層194の成長抑制機能と金属部材190からのCr拡散抑制機能とをさらに効果的に確保しつつ、被覆層196における第1の表面F1にうねりが生ずることを抑制することができる。   Further, the porosity of the covering layer 196 is preferably 40% or less. According to such a configuration, the coating layer 196 is affected by the undulation generated in the oxide coating layer 194 while ensuring the growth suppression function of the oxide coating layer 194 by the coating layer 196 and the Cr diffusion suppression function from the metal member 190. It is possible to suppress the occurrence of waviness on the surface opposite to the surface facing the oxide film layer 194 (first surface F1). Further, the porosity of the coating layer 196 is more preferably 20% or less. According to such a configuration, the function of suppressing the growth of the oxide film layer 194 by the coating layer 196 and the function of suppressing the Cr diffusion from the metal member 190 are more effectively secured, while the first surface F1 of the coating layer 196 is formed on the first surface F1. Swelling can be suppressed.

また、被覆層196の抵抗の増大を抑制するために、被覆層196の厚さは20μm以下であることが好ましく(15μm以下であることがより好ましく)、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数は、平均60個/1000μm以下であることが好ましい(平均55個/1000μm以下であることがより好ましい)。 In order to suppress an increase in the resistance of the coating layer 196, the thickness of the coating layer 196 is preferably 20 μm or less (more preferably 15 μm or less), and the thickness per unit area in the cross section of the coating layer 196 is pore number, (and more preferably an average at 55/1000 .mu.m 2 or less) and an average of 60 pieces / 1000 .mu.m 2 or less.

A−4.性能評価:
上述したように、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する各発電単位102は、被覆層196の構成に特徴がある。以下、被覆層196の構成に関して行った性能評価について説明する。図10は、性能評価結果を示す説明図である。
A-4. Performance evaluation:
As described above, each power generation unit 102 constituting the fuel cell stack 100 of the present embodiment is characterized by the configuration of the coating layer 196. Hereinafter, the performance evaluation performed regarding the structure of the coating layer 196 is demonstrated. FIG. 10 is an explanatory diagram showing the performance evaluation results.

図10に示すように、本性能評価には、発電単位102の3つのサンプル(サンプルS1〜S3)を用いた。各サンプルは、被覆層196の構成(厚さ、気孔率、断面における単位面積あたりの気孔数)が互いに異なる。なお、断面における単位面積あたりの気孔数については、断面積1μmあたりの気孔数を求め、それを1000倍して断面積1000μmあたりの気孔数に換算した。 As shown in FIG. 10, three samples (samples S1 to S3) of the power generation unit 102 were used for this performance evaluation. Each sample has a different configuration (thickness, porosity, number of pores per unit area in cross section) of the coating layer 196. Note that the number of pores per unit area in a cross section, determine the number of pores per cross-sectional area of 1 [mu] m 2, in terms of number of pores per cross-sectional area of 1000 .mu.m 2 it 1000 times to.

また、図10に示すように、気孔率および気孔数については、被覆層196を厚さ方向に上層部(酸化被膜層194に最も近い部分)、中層部、下層部(空気極側フレーム130に最も近い部分)に3分割し、各部の値を算出した。各サンプルにおいて、気孔数は、各部(上層部、中層部、下層部)でばらつきが少なかった。すなわち、サンプルS1では、各部(上層部、中層部、下層部)の気孔数の標準偏差は12.9であった(平均値は50.8個/1000μmであった)。同様に、サンプルS2では、標準偏差は7.1であり(平均値は35.5個/1000μmであり)、サンプルS3では、標準偏差は5.7であった(平均値は30.0個/1000μmであった)。よって、本発明における各サンプルは、各部(上層部、中層部、下層部)において、気孔が偏ることなく満遍なく分布していると言える。 Further, as shown in FIG. 10, regarding the porosity and the number of pores, the covering layer 196 has an upper layer portion (portion closest to the oxide coating layer 194), a middle layer portion, a lower layer portion (on the air electrode side frame 130) in the thickness direction. The value of each part was calculated. In each sample, the number of pores was less varied in each part (upper layer part, middle layer part, lower layer part). That is, in sample S1, the standard deviation of the number of pores of each part (upper layer part, middle layer part, lower layer part) was 12.9 (the average value was 50.8 / 1000 μm 2 ). Similarly, in sample S2, the standard deviation was 7.1 (average value was 35.5 / 1000 μm 2 ), and in sample S3, the standard deviation was 5.7 (average value was 30.0). Piece / 1000 μm 2 ). Therefore, it can be said that each sample in the present invention is evenly distributed in each part (upper layer part, middle layer part, lower layer part) without uneven pores.

本性能評価では、各サンプルに対して1000℃で200時間の熱処理を行った後、被覆層196の第1の表面F1(図8参照)の高低差Δhを測定した。この高低差Δhは、以下のように特定するものとした。すなわち、被覆層196のSEMによる断面画像(視野100μm)を取得し、視野の両端における被覆層196と酸化被膜層194との境界点を特定し、2つの境界点を結ぶ直線を基準線とする。被覆層196の第1の表面F1を表す線上において、基準線からの距離が最も遠い点を最高点とし、基準線からの距離が最も近い点を最低点として、最高点における基準線からの距離と最低点における基準線からの距離との差分を高低差Δhとした。高低差Δhが3.5μm以上である場合には、被覆層196の第1の表面F1のうねりが大きく、ガスシール性が低下するおそれがあるとして、不合格(×)と判定した。また、高低差Δhが3.5μm未満である場合には、被覆層196の第1の表面F1のうねりが小さく、ガスシール性が確保されるとして、合格(〇)と判定した。   In this performance evaluation, each sample was heat-treated at 1000 ° C. for 200 hours, and then the height difference Δh of the first surface F1 (see FIG. 8) of the coating layer 196 was measured. This height difference Δh is specified as follows. That is, a cross-sectional image (field of view 100 μm) of the coating layer 196 is obtained, a boundary point between the coating layer 196 and the oxide film layer 194 at both ends of the field of view is specified, and a straight line connecting the two boundary points is used as a reference line . On the line representing the first surface F1 of the coating layer 196, the highest point is the point farthest from the reference line, the lowest point is the point closest to the reference line, and the distance from the reference line at the highest point The difference between the distance from the reference line at the lowest point and the height difference Δh. When the height difference Δh was 3.5 μm or more, the first surface F1 of the coating layer 196 was greatly swelled, and the gas sealability was likely to be deteriorated. Moreover, when the height difference Δh was less than 3.5 μm, the undulation of the first surface F1 of the coating layer 196 was small, and it was determined as acceptable (◯) because the gas sealing property was ensured.

なお、本性能評価では、その他に、上記断面画像において、被覆層196の第1の表面F1の長さL1と、酸化被膜層194における被覆層196に対向する側の表面の長さL2とを測定し、長さL2に対する長さL1の比率(L1/L2)を表面長比Cとして算出した。表面長比Cが比較的大きいことは、被覆層196の第1の表面F1の長さL1が比較的長いこと、すなわち、被覆層196の第1の表面F1のうねりの程度が比較的大きいことを意味する。反対に、表面長比Cが比較的小さいことは、被覆層196の第1の表面F1の長さL1が比較的短いこと、すなわち、被覆層196の第1の表面F1のうねりの程度が比較的小さいことを意味する。   In this performance evaluation, in addition, in the cross-sectional image, the length L1 of the first surface F1 of the coating layer 196 and the length L2 of the surface of the oxide coating layer 194 on the side facing the coating layer 196 are set. The ratio of the length L1 to the length L2 (L1 / L2) was calculated as the surface length ratio C. The relatively large surface length ratio C means that the length L1 of the first surface F1 of the coating layer 196 is relatively long, that is, the degree of undulation of the first surface F1 of the coating layer 196 is relatively large. Means. On the other hand, the relatively small surface length ratio C indicates that the length L1 of the first surface F1 of the coating layer 196 is relatively short, that is, the degree of undulation of the first surface F1 of the coating layer 196 is compared. Means small.

図10に示すように、サンプルS3では、被覆層196の第1の表面F1の高低差Δhが3.75μmであったため、不合格(×)と判定された。サンプルS3では、被覆層196の構成が、厚さT1が比較的薄く(10μm未満であり)、気孔率が比較的低く(6.0%未満であり)、単位面積あたりの気孔数が少ない(平均30個/1000μm以下である)構成である。そのため、サンプルS3では、熱処理によって酸化被膜層194に生じたうねりを被覆層196によって効果的に吸収することができず、被覆層196の第1の表面F1にもうねりが生じたものと考えられる。 As shown in FIG. 10, in the sample S3, the height difference Δh of the first surface F1 of the coating layer 196 was 3.75 μm, so it was determined to be rejected (x). In sample S3, the coating layer 196 has a relatively thin thickness T1 (less than 10 μm), a relatively low porosity (less than 6.0%), and a small number of pores per unit area ( (Average 30/1000 μm 2 or less). Therefore, in the sample S3, it is considered that the undulation generated in the oxide film layer 194 due to the heat treatment cannot be effectively absorbed by the coating layer 196, and the undulation is generated in the first surface F1 of the coating layer 196. .

これに対し、サンプルS1およびS2では、被覆層196の第1の表面F1の高低差Δhが、それぞれ1.20μmおよび2.58μmであったため、合格(〇)と判定された。サンプルS1およびS2では、被覆層196の構成が、厚さT1が比較的厚く(10μm以上であり)、気孔率が比較的高く(6.0%以上であり)、単位面積あたりの気孔数が多い(20個/1000μm以上であり、平均30個/1000μm超である)構成である。そのため、サンプルS1およびS2では、熱処理によって酸化被膜層194に生じたうねりを被覆層196によって効果的に吸収することができ、被覆層196の第1の表面F1におけるうねりの発生を抑制することができたものと考えられる。 On the other hand, in samples S1 and S2, the height difference Δh of the first surface F1 of the coating layer 196 was 1.20 μm and 2.58 μm, respectively. In the samples S1 and S2, the configuration of the coating layer 196 is such that the thickness T1 is relatively thick (10 μm or more), the porosity is relatively high (6.0% or more), and the number of pores per unit area is often (and 20 or / 1000 .mu.m 2 or more, the average is 30/1000 .mu.m 2 greater) is configured. Therefore, in the samples S1 and S2, the undulation generated in the oxide film layer 194 by the heat treatment can be effectively absorbed by the coating layer 196, and the generation of the undulation on the first surface F1 of the coating layer 196 is suppressed. It is thought that it was made.

以上説明した性能評価により、被覆層196の厚さT1が10μm以上であり、被覆層196の気孔率が6.0%以上であり、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数が20個/1000μm以上であれば、酸化被膜層194にうねりが生じても、その影響によって被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にうねりが生ずることを抑制することができ、第1の表面F1上に配置されたシール部材(空気極側フレーム130)との間の密着性の低下を抑制することによってガスシール性の低下を抑制することができることが確認された。なお、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数は、平均30個/1000μm超であることがより好ましい。 According to the performance evaluation described above, the thickness T1 of the coating layer 196 is 10 μm or more, the porosity of the coating layer 196 is 6.0% or more, and the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer 196 is 20 / 1000 μm 2 or more, even if waviness occurs in the oxide film layer 194, waviness occurs on the surface of the coating layer 196 opposite to the surface facing the oxide film layer 194 (first surface F 1). Occurrence can be suppressed, and deterioration in gas sealing performance can be suppressed by suppressing deterioration in adhesion between the sealing member (air electrode side frame 130) disposed on the first surface F1. It was confirmed that Note that the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer 196 is more preferably an average of more than 30/1000 μm 2 .

なお、図10に示すように、サンプルS1およびS2では、酸化被膜層194における被覆層196に対向する側の表面の長さL2に対する被覆層196の第1の表面F1の長さL1の比率(L1/L2)である表面長比Cが89%未満であった。そのため、表面長比Cが89%未満であれば、被覆層196の第1の表面F1にうねりが生ずることを抑制することができると言える。   As shown in FIG. 10, in the samples S1 and S2, the ratio of the length L1 of the first surface F1 of the coating layer 196 to the length L2 of the surface of the oxide coating layer 194 facing the coating layer 196 ( L1 / L2), the surface length ratio C was less than 89%. Therefore, if the surface length ratio C is less than 89%, it can be said that the occurrence of undulation on the first surface F1 of the coating layer 196 can be suppressed.

A−5.被覆層196の分析方法:
被覆層196の厚さT1の特定方法は、下記の通りである。まず、鋼材(インターコネクタ150)と被覆層196との境界と、被覆層196の表面(空気極側フレーム130側の表面)とが同じ画像内に収まるように、倍率1000倍のSEM画像を取得する。次に、SEM画像における鋼材の両端を結ぶ仮想境界線を設定すると共に、仮想境界線に直交する複数の(例えば10本の)仮想直線を設定する。各仮想直線上において、仮想境界線との交点と被覆層196の表面との交点との間の距離を、該仮想直線上における被覆層196の厚さとする。各仮想直線上における被覆層196の厚さの平均値を、最終的な被覆層196の厚さT1とする。
A-5. Method for analyzing coating layer 196:
A method for specifying the thickness T1 of the coating layer 196 is as follows. First, obtain an SEM image at a magnification of 1000 so that the boundary between the steel material (interconnector 150) and the coating layer 196 and the surface of the coating layer 196 (the surface on the air electrode side frame 130 side) fit within the same image. To do. Next, a virtual boundary line connecting both ends of the steel material in the SEM image is set, and a plurality of (for example, 10) virtual straight lines orthogonal to the virtual boundary line are set. On each virtual line, the distance between the intersection with the virtual boundary line and the intersection with the surface of the coating layer 196 is defined as the thickness of the coating layer 196 on the virtual line. The average value of the thickness of the coating layer 196 on each virtual straight line is defined as the final thickness T1 of the coating layer 196.

また、被覆層196の気孔率の特定方法は、下記の通りである。まず、被覆層196の断面全体が画像内に収まるように、倍率1000〜3000倍でSEM画像を取得し、該SEM画像を二値化する。なお、SEM画像の二値化の際には、二値化前後で気孔のサイズが一致するように、二値化の閾値を調整する。次に、二値化後の画像において、被覆層196全体の面積、および、気孔の合計面積を算出し、気孔の合計面積/被覆層196全体の面積×100を、被覆層196の気孔率とする。なお、上述したように、本実施形態では、被覆層196を厚さ方向に上層部、中層部、下層部に3分割し、各部の気孔率を算出した。   Moreover, the specific method of the porosity of the coating layer 196 is as follows. First, an SEM image is acquired at a magnification of 1000 to 3000 so that the entire cross section of the coating layer 196 fits in the image, and the SEM image is binarized. When binarizing the SEM image, the binarization threshold value is adjusted so that the pore sizes match before and after binarization. Next, in the image after binarization, the total area of the covering layer 196 and the total area of the pores are calculated, and the total area of the pores / the total area of the covering layer 196 × 100 is calculated as the porosity of the covering layer 196. To do. As described above, in the present embodiment, the coating layer 196 is divided into the upper layer portion, the middle layer portion, and the lower layer portion in the thickness direction, and the porosity of each portion is calculated.

また、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数の特定方法は、下記の通りである。まず、上記気孔率の特定方法と同様に、SEM画像を取得し、該SEM画像を二値化する。次に、二値化後の画像において、被覆層196の面積を算出すると共に、気孔の数をカウントする。気孔の数/被覆層196の面積を、被覆層196の断面における単位面積あたりの気孔数とする。なお、上述したように、本実施形態では、被覆層196を厚さ方向に上層部、中層部、下層部に3分割し、各部の単位面積あたりの気孔数を算出した。また、本実施形態では、断面積1μmあたりの気孔数を求め、それを1000倍して断面積1000μmあたりの気孔数に換算した。 The method for specifying the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer 196 is as follows. First, similarly to the method for specifying the porosity, an SEM image is acquired, and the SEM image is binarized. Next, in the binarized image, the area of the coating layer 196 is calculated and the number of pores is counted. The number of pores / the area of the coating layer 196 is defined as the number of pores per unit area in the cross section of the coating layer 196. Note that, as described above, in the present embodiment, the coating layer 196 is divided into three parts in the thickness direction: an upper layer part, a middle layer part, and a lower layer part, and the number of pores per unit area of each part is calculated. Moreover, in this embodiment, the number of pores per cross-sectional area of 1 μm 2 was obtained and multiplied by 1000 to convert the number of pores per cross-sectional area of 1000 μm 2 .

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、インターコネクタ150と空気極側集電体134(集電体要素135)とが一体部材(金属部材190)であるとしているが、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。その場合において、本発明は、金属部材としてのインターコネクタ150と酸化被膜層194と被覆層196とから構成される導電性部材にも適用可能である。   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 embodiment, the interconnector 150 and the air electrode side current collector 134 (current collector element 135) are an integral member (metal member 190). 134 may be a separate member. In that case, the present invention is also applicable to a conductive member composed of an interconnector 150 as a metal member, an oxide film layer 194, and a coating layer 196.

また、上記実施形態では、インターコネクタ150の空気極114側の表面が被覆層196に覆われているとしているが、空気極114側の表面に代えて、または空気極114側の表面と共に、インターコネクタ150の燃料極116側の表面が被覆層196により覆われているとしてもよい。この場合において、被覆層196の構成を上記実施形態と同様の構成とすれば、燃料室176のガスシール性の低下を抑制することができる。   In the above embodiment, the surface on the air electrode 114 side of the interconnector 150 is covered with the coating layer 196. However, the surface of the interconnector 150 is replaced with the surface on the air electrode 114 side or together with the surface on the air electrode 114 side. The surface of the connector 150 on the fuel electrode 116 side may be covered with the coating layer 196. In this case, if the configuration of the coating layer 196 is the same as that of the above-described embodiment, it is possible to suppress a decrease in gas sealability of the fuel chamber 176.

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が中間層180を備えないとしてもよい。また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる発電単位102の個数は、あくまで一例であり、発電単位102の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。   In the above embodiment, the single cell 110 includes the intermediate layer 180, but the single cell 110 may not include the intermediate layer 180. In the above embodiment, the number of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 is merely an example, and the number of power generation units 102 is appropriately determined according to the output voltage required for the fuel cell stack 100 or the like.

また、上記実施形態において説明した被覆層196の構成は、燃料電池スタック100に含まれるすべての発電単位102において採用されていてもよいし、燃料電池スタック100に含まれる一部の発電単位102のみにおいて採用されていてもよい。   Further, the configuration of the coating layer 196 described in the above embodiment may be adopted in all the power generation units 102 included in the fuel cell stack 100, or only a part of the power generation units 102 included in the fuel cell stack 100. May be employed.

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、上述した構成の被覆層196を採用することにより、被覆層196における酸化被膜層194に対向する表面とは反対側の表面(第1の表面F1)にうねりが生ずることを抑制することができ、空気室166および/または燃料室176におけるガスシール性の低下に起因する性能低下を抑制することができる。   In the above embodiment, the SOFC that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas is targeted. The present invention can be similarly applied to an electrolytic cell unit that is a 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, by employing the coating layer 196 having the above-described configuration, the surface of the coating layer 196 opposite to the surface facing the oxide film layer 194 (first surface) It is possible to suppress the occurrence of undulation on the surface F1), and it is possible to suppress the performance deterioration due to the deterioration of the gas sealing performance in the air chamber 166 and / or the fuel chamber 176.

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。また、本発明は、電気化学反応単位を構成する導電性部材に限らず、FeとCrとを含有する金属部材と、金属部材の表面上に配置され、Cr酸化物を含む酸化被膜層と、酸化被膜層の表面上に配置され、Co酸化物を含む被覆層とを備える導電性部材一般に適用可能である。  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. In addition, the present invention is not limited to a conductive member constituting an electrochemical reaction unit, but a metal member containing Fe and Cr, an oxide film layer disposed on the surface of the metal member and containing a Cr oxide, It is generally applicable to a conductive member that is disposed on the surface of an oxide film layer and includes a coating layer containing Co oxide.

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 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 190:金属部材 194:酸化被膜層 196:被覆層 200:導電性部材 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 Polar side current collector 135: Current collector element 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 Part 146: Interconnector facing part 147: Connection part 149: Spacer 50: 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 190: Metal member 194: Oxide film Layer 196: Covering layer 200: Conductive member

Claims (6)

FeとCrとを含有する金属部材と、
前記金属部材の表面上に配置され、Cr酸化物を含む酸化被膜層と、
前記酸化被膜層における前記金属部材に対向する表面とは反対側の表面上に配置され、Co酸化物を含む被覆層と、
を備える導電性部材において、
前記被覆層の厚さは、10μm以上であり、
前記被覆層の気孔率は、6.0%以上であり、
前記被覆層の断面における単位面積あたりの気孔数は、20個/1000μm以上であることを特徴とする、導電性部材。
A metal member containing Fe and Cr;
An oxide film layer disposed on the surface of the metal member and containing Cr oxide;
A coating layer that is disposed on a surface opposite to the surface facing the metal member in the oxide coating layer and includes a Co oxide;
In a conductive member comprising:
The coating layer has a thickness of 10 μm or more,
The porosity of the coating layer is 6.0% or more,
The conductive member characterized in that the number of pores per unit area in the cross-section of the coating layer is 20/1000 μm 2 or more.
請求項1に記載の導電性部材において、
前記被覆層に含まれるCo酸化物は、スピネル型結晶構造を有することを特徴とする、導電性部材。
The conductive member according to claim 1,
The conductive member, wherein the Co oxide contained in the coating layer has a spinel crystal structure.
請求項1または請求項2に記載の導電性部材において、
前記被覆層の気孔率は、40%以下であることを特徴とする、導電性部材。
In the conductive member according to claim 1 or 2,
The conductive member according to claim 1, wherein a porosity of the covering layer is 40% or less.
電気化学反応単位であって、
電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、
前記電気化学反応単セルに対して前記第1の方向の一方側に配置された請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の導電性部材と、
前記導電性部材における前記被覆層により構成される表面上に配置されたシール部材と、
を備えることを特徴とする、電気化学反応単位。
An electrochemical reaction unit,
An electrochemical reaction unit cell including an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer;
The conductive member according to any one of claims 1 to 3, which is disposed on one side of the first direction with respect to the electrochemical reaction single cell;
A sealing member disposed on a surface constituted by the coating layer in the conductive member;
An electrochemical reaction unit comprising:
請求項4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。
The electrochemical reaction unit according to claim 4,
The electrochemical reaction unit cell is a fuel cell unit cell, an electrochemical reaction unit.
前記第1の方向に並べて配置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4または請求項5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 4, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction units is the electrochemical reaction unit according to claim 4.
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