JP2019200874A - 電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法 - Google Patents

電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2019200874A
JP2019200874A JP2018093514A JP2018093514A JP2019200874A JP 2019200874 A JP2019200874 A JP 2019200874A JP 2018093514 A JP2018093514 A JP 2018093514A JP 2018093514 A JP2018093514 A JP 2018093514A JP 2019200874 A JP2019200874 A JP 2019200874A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
spacer
electrochemical reaction
electrode
fuel
reaction unit
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
JP2018093514A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6797150B2 (ja
Inventor
暁 石田
Akira Ishida
暁 石田
小野 達也
Tatsuya Ono
達也 小野
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 JP2018093514A priority Critical patent/JP6797150B2/ja
Publication of JP2019200874A publication Critical patent/JP2019200874A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6797150B2 publication Critical patent/JP6797150B2/ja
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
    • 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
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】スペーサからのSiの飛散量の抑制とスペーサの弾性力の低下の抑制との両立を図る。【解決手段】電気化学反応単位は、単セルと、単セルの空気極114と燃料極116との少なくとも一方である特定電極側に配置されたインターコネクタ150と、特定電極とインターコネクタとの間に配置され、セル接触部を含む集電体144と、セル接触部とインターコネクタとの間に配置されたマイカ製のスペーサ149と、を備える。スペーサは、セル接触部と重なる位置に配置され、セル接触部側の第1の表面がセル接触部に接触する重複部分と、セル接触部とは異なる位置に配置され、少なくとも特定電極側の第2の表面が特定電極に面するガス室に露出している非重複部分と、を含み、重複部分の第1の表面におけるSiの含有量は、18wt%以上である。非重複部分の第2の表面におけるSiの含有量は、重複部分の第1の表面におけるSiの含有量より少ない。【選択図】図5

Description

本明細書に開示される技術は、電気化学反応単位に関する。
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)と、インターコネクタと、導電性の集電体と、マイカ製のスペーサとを備える。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。インターコネクタは、単セルの空気極と燃料極との少なくとも一方である特定電極側に配置されている。集電体は、特定電極とインターコネクタとの間に配置されている。また、集電体は、特定電極の表面に接触するセル接触部を含む。スペーサは、少なくとも一部がセル接触部とインターコネクタとの間に配置されている。
特許第5346402号公報
マイカ製のスペーサは、Si(ケイ素)を含んでいるため、上記従来の構成では、スペーサからSiが飛散し、飛散したSiによる被毒を原因とした単セルの性能低下が発生するおそれがある。ここで、仮に、スペーサからのSiの飛散量を抑制するために、スペーサの表面全体のSiの含有量を一律に低くすると、スペーサ全体としての弾性力が低下し、その結果、セル接触部と特定電極との間の接触圧力を確保できなくなるおそれがある。
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。
本明細書に開示される技術は、以下の形態として実現することが可能である。
(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の前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側に配置されたインターコネクタと、前記特定電極と前記インターコネクタとの間に配置された導電性の集電体であって、前記特定電極の表面に接触するセル接触部を含む集電体と、少なくとも一部が前記セル接触部と前記インターコネクタとの間に配置されたマイカ製のスペーサと、を備える電気化学反応単位において、前記スペーサは、前記第1の方向視で前記セル接触部と重なる位置に配置された重複部分であって、前記セル接触部側の第1の表面が前記セル接触部に接触する重複部分と、前記第1の方向視で前記セル接触部とは異なる位置に配置された非重複部分であって、少なくとも前記特定電極側の第2の表面が前記特定電極に面するガス室に露出している非重複部分と、を含み、前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量は、18wt%以上であり、かつ、前記非重複部分の前記第2の表面におけるSiの含有量は、前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量より少ない。
本電気化学反応単位では、スペーサは、第1の方向視で集電体のセル接触部と重なる位置に配置された重複部分と、第1の方向視でセル接触部とは異なる位置に配置された非重複部分と、を含んでいる。重複部分におけるセル接触部側の第1の表面は、セル接触部に接触しており、特定電極に面するガス室に露出していない。一方、非重複部分における特定電極側の第2の表面は、ガス室に露出している。このため、スペーサに含まれるSi(ケイ素)は、重複部分の第1の表面より非重複部分の第2の表面から飛散し易い。そこで、本電気化学反応単位では、非重複部分の第2の表面におけるSiの含有量は、重複部分の第1の表面におけるSiの含有量より少ない。これにより、第2の表面におけるSiの含有量が、第1の表面におけるSiの含有量と同じである構成に比べて、スペーサからのSiの飛散量を抑制できる。また、重複部分の第1の表面におけるSiの含有量は、18wt%以上である。これにより、第1の表面におけるSiの含有量が18wt%未満である構成に比べて、スペーサの弾性力の低下に起因するセル接触部と特定電極との間の接触圧力不足を抑制できる。すなわち、本電気化学反応単位によれば、スペーサからのSiの飛散量の抑制とスペーサの弾性力の低下の抑制との両立を図ることができる。
(2)上記電気化学反応単位において、さらに、前記特定電極の前記表面におけるSiの含有量は、0.04wt%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、スペーサから飛散したSiが特定電極の表面に付着したとしても、特定電極の表面におけるSiの含有量が当初から0.04wt%より高い構成に比べて、特定電極の反応場におけるSiによる被毒を抑制することができる。
(3)上記電気化学反応セルスタックにおいて、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、前記複数の電気化学反応単位の少なくとも1つは、上記(1)または(2)の電気化学反応単位である構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックによれば、スペーサからのSiの飛散量の抑制とスペーサの弾性力の低下の抑制との両立を図ることができる。
(4)本明細書に開示される電気化学反応単位の製造方法は、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の前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側に配置されたインターコネクタと、前記特定電極と前記インターコネクタとの間に配置された導電性の集電体であって、前記特定電極の表面に接触するセル接触部を含む集電体と、少なくとも一部が前記セル接触部と前記インターコネクタとの間に配置されたマイカ製のスペーサと、を備える電気化学反応単位の製造方法において、前記スペーサは、前記第1の方向視で前記セル接触部と重なる位置に配置された重複部分であって、前記セル接触部側の第1の表面が前記セル接触部に接触する重複部分と、前記第1の方向視で前記セル接触部とは異なる位置に配置された非重複部分であって、少なくとも前記特定電極側の第2の表面が前記特定電極に面するガス室に露出している非重複部分と、を含み、前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量が、18wt%以上であり、かつ、前記非重複部分の前記第2の表面におけるSiの含有量が、前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量より少ない条件を満たす前記スペーサを形成する工程と、前記電気化学反応単セルと、前記インターコネクタと、前記集電体と、前記条件を満たす前記スペーサとを用いて、前記電気化学反応単位を組み立てる工程と、を含む。本電気化学反応単位の製造方法によれば、スペーサからのSiの飛散量の抑制とスペーサの弾性力の低下の抑制とが両立された電気化学反応単位を製造することができる。
(5)上記電気化学反応単位の製造方法において、さらに、前記条件を満たさない熱処理前のスペーサの一部の表面に前記集電体における前記セル接触部が接触するように配置された、前記熱処理前のスペーサと前記集電体との複合体を準備する工程を含み、前記複合体に対して熱処理を施すことによって前記条件を満たす前記スペーサを形成するとしてもよい。本電気化学反応単位の製造方法によれば、比較的に簡単な方法により、スペーサからのSiの飛散量の抑制とスペーサの弾性力の低下の抑制とが両立された電気化学反応単位を製造することができる。
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。
本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図である。 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。 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。 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。 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および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。 図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。 燃料電池スタック100の製造方法を示すフローチャートである。 性能評価結果を示す説明図である。
A.実施形態:
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。また、図6は、図4および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。
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。
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)。
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
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(気孔率が低い)層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、Z方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な(電解質層112より気孔率が高い)層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、Z方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な(電解質層112より気孔率が高い)層である。燃料極116は、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル110(発電単位102)は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
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。
図6に示すように、空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
図7に示すように、燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、本実施形態では、空気極側集電体134とインターコネクタ150とは一体の部材として形成されている。すなわち、該一体の部材の内の、上下方向(Z軸方向)に直交する平板形の部分がインターコネクタ150として機能し、該平板形の部分から空気極114に向けて突出するように形成された複数の凸部である集電体要素135が空気極側集電体134として機能する。また、空気極側集電体134とインターコネクタ150との一体部材は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。
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、スペーサ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。スペーサ149の形成材料等については後述する。
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2、図4および図6に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3、図5および図7に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2、図4および図6に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3、図5および図7に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
A−3.スペーサ149の形成材料等、および、スペーサ149と空気極側集電体134との配置関係:
上述したように、燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。具体的には、図4および図5に示すように、燃料極側集電体144は、燃料極116とインターコネクタ150との間に配置されている。また、燃料極側集電体144は、燃料極116の表面(上面)に接触する電極対向部145を備えている。スペーサ149は、少なくとも一部が、電極対向部145と、該電極対向部145が配置された燃料室176を構成するインターコネクタ150との間に配置されている。具体的には、図5および図7に示すように、スペーサ149は、重複部分210と非重複部分220とを含んでいる。重複部分210は、スペーサ149のうち、上下方向(Z軸方向)視で、電極対向部145と重なる位置に配置された部分である。重複部分210における電極対向部145側の表面(上面 以下、「第1の表面212」という)は、電極対向部145の下面に接触している。換言すれば、重複部分210の第1の表面212は、電極対向部145に覆われており、燃料室176に露出していない。非重複部分220は、スペーサ149のうち、上下方向視で、電極対向部145とは異なる位置に配置された部分である。非重複部分220における燃料極116側の表面(上面 以下、「第2の表面222」という)は、他の部材に覆われておらず、燃料室176に露出している。本実施形態では、スペーサ149は、全体として、複数の電極対向部145の並び方向(本実施形態では、Y軸方向)に沿った形状であり、重複部分210と非重複部分220とが、該並び方向に沿って交互に並ぶように配置されている。燃料極116は、特許請求の範囲における特定電極に相当し、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、電極対向部145は、特許請求の範囲におけるセル接触部に相当する。また、燃料室176は、特許請求の範囲におけるガス室に相当する。
また、各発電単位102は、スペーサ149におけるSiの含有量に関し、次の第1の条件を満たす。
<第1の条件>
「スペーサ149の重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量は、18wt%以上であり、
かつ、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量は、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量より少ない。」
なお、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量と重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量との差は、5wt%以上であることが好ましい。
重複部分210の第1の表面212は、特許請求の範囲における第1の表面に相当し、非重複部分220の第2の表面222は、特許請求の範囲における第2の表面に相当する。
また、各発電単位102は、燃料極116におけるSiの含有量に関し、次の第2の条件を満たすことが好ましい。
<第2の条件>
「燃料極116のうち、電解質層112とは反対側の表面(下面)におけるSiの含有量は、0.04wt%以下である。」
A−4.燃料電池スタック100の製造方法:
次に、燃料電池スタック100の製造方法について説明する。図8は、燃料電池スタック100の製造方法を示すフローチャートである。はじめに、上記第1の条件を満たすスペーサ149を形成する(S110〜S130)。具体的には、第1の条件を満たさないスペーサ前駆体を準備する(S110)。スペーサ前駆体は、熱処理によってスペーサ149となるものであり、例えば、脱バインダー処理前の軟質マイカである。このスペーサ前駆体の表面全体におけるSiの含有量は、18wt%以上である。なお、スペーサ149全体の弾性力の確保のため、スペーサ前駆体の内部におけるSiの含有量も、18wt%以上であることが好ましい。
次に、スペーサ前駆体と燃料極側集電体144との複合体を形成する(S120)。具体的には、スペーサ前駆体を、上述したスペーサ149と同様に、燃料極側集電体144に配置する。すなわち、スペーサ前駆体に、上下方向(Z軸方向)視で電極対向部145と重なる部分と電極対向部145と重ならない部分とが形成されるように、スペーサ前駆体を燃料極側集電体144に配置して一体にして複合体を形成する。複合体では、燃料極側集電体144の電極対向部145は、スペーサ前駆体における電極対向部145と重なる部分に圧接されていることが好ましい。スペーサ前駆体は、特許請求の範囲における熱処理前のスペーサに相当する。
次に、発電単位102および燃料電池スタック100の組み立て前において、スペーサ前駆体と燃料極側集電体144との複合体に対して熱処理を施す(S130)。なお、熱処理の温度は、700℃以上とすることができる。また、熱処理の時間は、100時間以上とすることができる。また、熱処理は、燃料極側集電体144の酸化防止のため、還元雰囲気で行うことができる。また、複合体について、電極対向部145からスペーサ前駆体への押圧力が、例えば0.1MPa以上になるように、燃料極側集電体144に押圧力を加えた状態で熱処理を施すことができる。熱処理により、スペーサ前駆体に対して脱バインダー処理がされる。この際、スペーサ前駆体のうち、電極対向部145と重なる部分は、電極対向部145に覆われているため、スペーサ前駆体に含まれるSiが飛散し難く、熱処理後に、スペーサ149の重複部分210となる。一方、スペーサ前駆体のうち、電極対向部145と重ならない部分は、電極対向部145に覆われておらず開放されているため、スペーサ前駆体に含まれるSiが飛散し易く、熱処理後に、スペーサ149の非重複部分220となる。これにより、第1の条件を満たすスペーサ149が形成される。
次に、公知の方法により発電単位102を作製する(S140)。このとき、上述したように、S130で形成した熱処理後のスペーサ149が配置された燃料極側集電体144を、単セル110における燃料極116とインターコネクタ150との間に配置する。最後に、作製された発電単位102を所定の配列方向(上下方向)に複数並べて配置し、各部材を組み立てることにより、燃料電池スタック100を作製する(S150)。以上の工程により、上述した構成の燃料電池スタック100の製造が完了する。
A−5.本実施形態の効果:
以上説明したように、スペーサ149は、上下方向(Z軸方向)視で、燃料極側集電体144の電極対向部145と重なる位置に配置された重複部分210と、電極対向部145とは異なる位置に配置された非重複部分220と、を含んでいる。重複部分210における電極対向部145側の第1の表面212は、電極対向部145に接触しており、燃料極116に面する燃料室176に露出していない。一方、非重複部分220における燃料極116側の第2の表面222は、燃料室176に露出している。このため、スペーサに含まれるSi(ケイ素)は、重複部分210の第1の表面212より非重複部分220の第2の表面222から飛散し易い。そこで、本実施形態の発電単位102では、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量は、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量より少ない(上記第1の条件の一部)。これにより、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量が、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量と同じである構成に比べて、スペーサ149からのSiの飛散量を抑制できる。また、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量は、18wt%以上である(上記第1の条件の一部)。これにより、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量が18wt%未満である構成に比べて、スペーサ149の弾性力の低下に起因する電極対向部145と燃料極116との間の接触圧力不足を抑制できる。すなわち、本実施形態の発電単位102によれば、スペーサ149からのSiの飛散量の抑制とスペーサ149の弾性力の低下の抑制との両立を図ることができる。
また、本実施形態では、燃料極116のうち、電解質層112とは反対側の表面(下面)におけるSiの含有量は、0.04wt%以下である(第2の条件)ことが好ましい。第2の条件を満たせば、スペーサ149から飛散したSiが燃料極116の表面に付着したとしても、燃料極116の表面におけるSiの含有量が当初から0.04wt%より高い構成に比べて、燃料極116の反応場におけるSiによる被毒を抑制することができる。
また、本実施形態における燃料電池スタック100の製造方法によれば、第1の条件を満たさないスペーサ前駆体を燃料極側集電体144と一体にして熱処理を施すことにより、第1の条件を満たすスペーサ149が形成される(図8のS110〜S130)。これにより、比較的に簡単な方法により、スペーサ149からのSiの飛散量の抑制とスペーサの弾性力の低下の抑制とが両立された発電単位102(燃料電池スタック100)を製造することができる。
A−6.性能評価:
上述した燃料極側集電体144に配置されるスペーサ(スペーサ149)について行った性能評価について、以下説明する。図9は、性能評価結果を示す説明図である。なお、各サンプルにおける各表面のSiの含有量(wt%)は、XRF分析(X−Ray Fluorescence Analysis)により測定することができる。
(各サンプルについて)
図9に示すように、本性能評価では、スペーサについて、7つのサンプル1〜7を用いた。7つのサンプル1〜7は、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量と非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量との少なくとも一方が互いに異なる。サンプル1〜3は、上述した製造方法と同様、スペーサ前駆体を燃料極側集電体144と一体にして熱処理を行うことにより作製した。サンプル1〜3の製造工程では、いずれも、スペーサ前駆体と燃料極側集電体144との複合体に対して、熱処理の温度は、約850℃で、かつ、水蒸気40%・水素60%の還元雰囲気で熱処理を行った。ただし、サンプル1〜3の製造工程では、熱処理の時間が互いに異なる。具体的には、サンプル1では、熱処理の時間は1000時間であり、サンプル2では、熱処理の時間は700時間であり、サンプル3では、熱処理の時間は300時間であった。その結果、サンプル1〜3では、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量は、互いに同じ(18wt%)であったが、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量は、互いに異なる。具体的には、熱処理の時間が長いサンプルほど、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量は少なくなった。
サンプル4〜6は、上述した製造方法とは異なり、スペーサ前駆体を、燃料極側集電体144と一体にする前に、単独で熱処理を行うことにより作製した。サンプル4〜6の製造工程では、いずれも、スペーサ前駆体単体に対して、水蒸気40%および水素60%の還元雰囲気で、850℃の熱処理を行った。ただし、サンプル4〜6の製造工程では、熱処理の時間が互いに異なる。具体的には、サンプル4では、熱処理の時間は1000時間であり、サンプル5では、熱処理の時間は700時間であり、サンプル6では、熱処理の時間は300時間であった。その結果、サンプル4〜6では、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量と非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量とは、共に減少し(18wt%未満)、かつ、同量となった。また、サンプル4〜6では、熱処理の時間が長いサンプルほど、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量および非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量は少なくなった。サンプル7は、サンプル4〜6と同様、スペーサ前駆体を、燃料極側集電体144と一体にする前に、単独で熱処理を行うことにより作製した。ただし、サンプル7の製造工程では、スペーサ前駆体単体に対して、熱処理の温度は、約700℃で、かつ、水素100%の還元雰囲気で熱処理を行った。また、サンプル7では、熱処理の時間は3時間であった。その結果、サンプル7では、熱処理の時間が比較的に短いため、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量と非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量とは、いずれもほとんど減少しなかった。
(評価項目および評価方法について)
本性能評価では、スペーサの弾性率試験と、Si飛散試験との2つの項目について評価を行った。スペーサの弾性率試験では、各サンプルの弾性率(GPa)を、公知の測定機(例えば、超微小硬度計HM2000 株式会社フィッシャー・インストルメンツ製)を用いて測定した。各サンプルを用いて発電単位102を作製した場合において燃料極側集電体144と燃料極116との接点確保のため、弾性率が、1.9GPaより高い場合に合格(○)と判定し、1.9GPa以下である場合に不合格(×)と判定した。
また、Si飛散試験では、各サンプルを発電単位102における燃料極側集電体144に配置し、空気室166を空気雰囲気とし、燃料室176を水蒸気40%・水素60%の還元雰囲気とし、850℃、1000時間、発電単位102を発電させた。また、D−SIMS分析(Dynamic−Secondary Ion Mass Spectrometry Analysis)により、燃料極116における電解質層112側の部分のSi被毒量(ppm)について、試験前後における増加量(以下、「Si飛散増加量」という)を求めた。Si飛散増加量が900ppm未満である場合に合格(○)と判定し、Si飛散増加量が900ppm以上である場合に不合格(×)と判定した。なお、本Si飛散試験では、燃料極116における電解質層112側の部分のSi被毒量は、D−SIMS分析により、ppm単位で測定した。
(評価結果)
スペーサの弾性率試験において、サンプル1〜3,7では、弾性率が1.9GPaより高かったため、合格(○)と判定された。サンプル1〜3,7では、スペーサの重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量が18wt%以上であるため、スペーサの重複部分210の弾性率が相対的に高くなったと考えられる。一方、サンプル4〜6では、弾性率が1.9GPa以下であったため、不合格(×)と判定された。サンプル4〜6では、スペーサの重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量が18wt%未満であるため、スペーサの重複部分210の弾性率が相対的に低くなったと考えられる。すなわち、スペーサの重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量が18wt%以上であれば、スペーサの弾性力の低下に起因する電極対向部145と燃料極116との間の接触圧力不足を抑制できることが確認された。
また、Si飛散試験において、サンプル1〜6では、Si飛散増加量が900ppm未満であったため、合格(○)と判定された。サンプル1〜6では、スペーサの非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量が、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量より少ないため、スペーサからのSi飛散増加量を抑制できたと考えられる。一方、サンプル7では、Si飛散増加量が900ppm以上であったため、不合格(×)と判定された。サンプル7では、スペーサの非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量が、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量と同じであるため、スペーサからのSi飛散増加量を抑制できなかったと考えられる。すなわち、スペーサの非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量が、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量より少なければ、スペーサからのSiの飛散量を抑制できることが確認された。また、サンプル1〜6の評価結果から、スペーサの非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量と重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量との差が大きいほど、Si飛散増加量を低減できることが分かる。なお、Si飛散増加量は、700ppm以下であることがより好ましい。
以上説明した性能評価の結果から、スペーサが上記第1の条件を満たせば、スペーサの弾性率試験とSi飛散試験との両方で合格(○)と判定された。これは、スペーサが上記第1の条件を満たせば、スペーサからのSiの飛散量の抑制とスペーサの弾性力の低下の抑制との両立を図ることができることを意味する。
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。
上記実施形態における燃料電池スタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態において、複数の発電単位102のうちの少なくとも1つは、燃料極116が第2の条件を満たさないとしてもよい。また、上記実施形態において、スペーサ149における第1の表面212以外の表面(例えばスペーサ149の上下方向に沿った側面)におけるSiの含有量は、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量と同じでもよいが、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量より少ないことが好ましい。
また、上記実施形態では、スペーサ149は、空気極114の電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間に挟み込まれていたが、スペーサ149は、電極対向部145とインターコネクタ150との間に配置されていればよく、例えば、スペーサ149とインターコネクタ150との間は空間であるとしてもよい。また、上記実施形態において、燃料極側集電体144等の集電体は、例えばメッシュなどでもよい。
また、上記実施形態では、燃料極116とインターコネクタ150との間に配置された燃料極側集電体144およびスペーサ149について本発明を適用したが、空気極114と、該空気極114が面する空気室166を構成するインターコネクタ150との間に、セル接触部を含む集電体とスペーサとが配置された構成であれば、該スペーサに本発明を適用してもよい。空気室166側においても、Siによる被毒によって単セル110の性能低下が発生するおそれがあるからである。この場合、空気極114は、特許請求の範囲における特定電極に相当し、空気極側集電体は、特許請求の範囲における集電体に相当し、空気室166は、特許請求の範囲におけるガス室に相当する。
上記実施形態における燃料電池スタック100の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、第1の条件を満たすスペーサ149を形成する工程において、スペーサ前駆体について、燃料極側集電体144と一体にする前に、例えば、重複部分210となる部分をマスクして熱処理を施すことにより、第1の条件を満たすスペーサ149を形成し、その後、スペーサ149を燃料極側集電体144に配置して一体にしてもよい。
また、本明細書において、部材(または部材のある部分、以下同様)Aを挟んで部材Bと部材Cとが互いに対向するとは、部材Aと部材Bまたは部材Cとが隣接する形態に限定されず、部材Aと部材Bまたは部材Cとの間に他の構成要素が介在する形態を含む。例えば、電解質層112と空気極114との間に他の層が設けられていてもよい。このような構成であっても、空気極114と燃料極116とは電解質層112を挟んで互いに対向すると言える。
また、上記実施形態では、燃料電池スタック100は複数の平板形の発電単位102が積層された構成であるが、本発明は、他の構成、例えば国際公開第2012/165409号に記載されているように、複数の略円筒形の燃料電池単セルが直列に接続された構成にも同様に適用可能である。
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においても、上述した構成のスペーサ149が採用されれば、スペーサ149からのSiの飛散量の抑制とスペーサ149の弾性力の低下の抑制との両立を図ることができる。
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。
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサ 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 210:重複部分 212:第1の表面 220:非重複部分 222:第2の表面 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス

Claims (5)

  1. 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の前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側に配置されたインターコネクタと、前記特定電極と前記インターコネクタとの間に配置された導電性の集電体であって、前記特定電極の表面に接触するセル接触部を含む集電体と、少なくとも一部が前記セル接触部と前記インターコネクタとの間に配置されたマイカ製のスペーサと、を備える電気化学反応単位において、
    前記スペーサは、
    前記第1の方向視で前記セル接触部と重なる位置に配置された重複部分であって、前記セル接触部側の第1の表面が前記セル接触部に接触する重複部分と、
    前記第1の方向視で前記セル接触部とは異なる位置に配置された非重複部分であって、少なくとも前記特定電極側の第2の表面が前記特定電極に面するガス室に露出している非重複部分と、を含み、
    前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量は、18wt%以上であり、
    かつ、前記非重複部分の前記第2の表面におけるSiの含有量は、前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量より少ない、
    ことを特徴とする電気化学反応単位。
  2. 請求項1に記載の電気化学反応単位において、さらに、
    前記特定電極の前記表面におけるSiの含有量は、0.04wt%以下である、
    ことを特徴とする電気化学反応単位。
  3. 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または請求項2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。
  4. 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の前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側に配置されたインターコネクタと、前記特定電極と前記インターコネクタとの間に配置された導電性の集電体であって、前記特定電極の表面に接触するセル接触部を含む集電体と、少なくとも一部が前記セル接触部と前記インターコネクタとの間に配置されたマイカ製のスペーサと、を備える電気化学反応単位の製造方法において、
    前記スペーサは、
    前記第1の方向視で前記セル接触部と重なる位置に配置された重複部分であって、前記セル接触部側の第1の表面が前記セル接触部に接触する重複部分と、
    前記第1の方向視で前記セル接触部とは異なる位置に配置された非重複部分であって、少なくとも前記特定電極側の第2の表面が前記特定電極に面するガス室に露出している非重複部分と、を含み、
    前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量が、18wt%以上であり、かつ、前記非重複部分の前記第2の表面におけるSiの含有量が、前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量より少ない条件を満たす前記スペーサを形成する工程と、
    前記電気化学反応単セルと、前記インターコネクタと、前記集電体と、前記条件を満たす前記スペーサとを用いて、前記電気化学反応単位を組み立てる工程と、
    を含む、
    ことを特徴とする電気化学反応単位の製造方法。
  5. 請求項4に記載の電気化学反応単位の製造方法において、さらに、
    前記条件を満たさない熱処理前のスペーサの一部の表面に前記集電体における前記セル接触部が接触するように配置された、前記熱処理前のスペーサと前記集電体との複合体を準備する工程を含み、
    前記複合体に対して熱処理を施すことによって前記条件を満たす前記スペーサを形成する、
    ことを特徴とする電気化学反応単位の製造方法。
JP2018093514A 2018-05-15 2018-05-15 電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法 Active JP6797150B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018093514A JP6797150B2 (ja) 2018-05-15 2018-05-15 電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018093514A JP6797150B2 (ja) 2018-05-15 2018-05-15 電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019200874A true JP2019200874A (ja) 2019-11-21
JP6797150B2 JP6797150B2 (ja) 2020-12-09

Family

ID=68612222

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018093514A Active JP6797150B2 (ja) 2018-05-15 2018-05-15 電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6797150B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022108748A1 (de) 2021-04-26 2022-10-27 Morimura Sofc Technology Co., Ltd. Interkonnektor-elektrochemische Reaktionseinzelzelle-Verbundkörper und elektrochemischer Reaktionszellenstapel

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013055042A (ja) * 2011-08-09 2013-03-21 Ngk Spark Plug Co Ltd 燃料電池セル及び燃料電池スタック
JP2014096199A (ja) * 2011-10-14 2014-05-22 Ngk Insulators Ltd 燃料電池セル
JP2015125981A (ja) * 2013-12-27 2015-07-06 日本特殊陶業株式会社 燃料電池用構造体及び燃料電池並びに燃料電池用構造体の製造方法
JP2016038984A (ja) * 2014-08-06 2016-03-22 日本特殊陶業株式会社 固体酸化物形電気化学装置
JP2017010804A (ja) * 2015-06-23 2017-01-12 日本特殊陶業株式会社 電気化学反応セルスタックの製造方法および電気化学反応セルスタック
JP2018014309A (ja) * 2015-10-23 2018-01-25 日本特殊陶業株式会社 電気化学反応セルスタックの製造方法および電気化学反応セルスタック

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013055042A (ja) * 2011-08-09 2013-03-21 Ngk Spark Plug Co Ltd 燃料電池セル及び燃料電池スタック
JP2014096199A (ja) * 2011-10-14 2014-05-22 Ngk Insulators Ltd 燃料電池セル
JP2015125981A (ja) * 2013-12-27 2015-07-06 日本特殊陶業株式会社 燃料電池用構造体及び燃料電池並びに燃料電池用構造体の製造方法
JP2016038984A (ja) * 2014-08-06 2016-03-22 日本特殊陶業株式会社 固体酸化物形電気化学装置
JP2017010804A (ja) * 2015-06-23 2017-01-12 日本特殊陶業株式会社 電気化学反応セルスタックの製造方法および電気化学反応セルスタック
JP2018014309A (ja) * 2015-10-23 2018-01-25 日本特殊陶業株式会社 電気化学反応セルスタックの製造方法および電気化学反応セルスタック

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022108748A1 (de) 2021-04-26 2022-10-27 Morimura Sofc Technology Co., Ltd. Interkonnektor-elektrochemische Reaktionseinzelzelle-Verbundkörper und elektrochemischer Reaktionszellenstapel

Also Published As

Publication number Publication date
JP6797150B2 (ja) 2020-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7079220B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
JP6573720B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP6797150B2 (ja) 電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法
JP6177836B2 (ja) 接合材前駆体の製造方法および電気化学反応セルスタックの製造方法
JP6159367B2 (ja) 接合材前駆体の製造方法および電気化学反応セルスタックの製造方法
JP2018181683A (ja) 電気化学反応単セル、および、電気化学反応セルスタック
JP6773472B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP6573719B2 (ja) 電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法
JP2017154968A (ja) 接合材前駆体、電気化学反応セルスタックおよびそれらの製造方法
JP6609710B2 (ja) マイカ製部材、電気化学反応単位、および、電気化学反応セルスタック
JP2019169240A (ja) 電気化学反応セルスタックの運転方法および電気化学反応システム
JP6951383B2 (ja) 電気化学反応セルスタック
JP2018014246A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2018029023A (ja) 電気化学反応単セルおよび電気化学セルスタック
JP6734707B2 (ja) 集電部材−電気化学反応単セル複合体および電気化学反応セルスタック
JP2021140883A (ja) 電気化学反応セルスタック
JP2018174041A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2019200879A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2018174040A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2018174039A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2017224524A (ja) 集電部材−電気化学反応単セル複合体および電気化学反応セルスタック
JP2017188463A (ja) 接合材前駆体、電気化学反応セルスタックおよびそれらの製造方法
JP2018137205A (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191118

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: 20201009

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20201110

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20201117

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6797150

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250