JP2023092600A - Electrochemical reaction single cell and electrochemical reaction cell stack - Google Patents

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Abstract

To suppress the occurrence of cracks in an electrolyte layer.SOLUTION: An electrochemical reaction single cell includes an electrolyte layer including a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in the first direction with the electrolyte layer interposed therebetween, and a spinel-type oxide represented by a composition formula M3O4 (M includes at least one of Mn and Fe) is deposited inside the electrolyte layer. The spinel-type oxide deposited inside the electrolyte layer is reduced and expands in volume during operation of the electrochemical reaction single cell.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本明細書に開示される技術は、電気化学反応単セルに関する。 The technology disclosed in this specification relates to an electrochemical reaction single cell.

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物を含む電解質層を備える固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCは、一般に、所定の方向(以下、「第1の方向」という)に並べられた複数の燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)を備える燃料電池スタックの形態で利用される。従来から、例えば固体電解質に酸化チタンを固溶させた単セルが知られている(例えば特許文献1参照)。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") having an electrolyte layer containing a solid oxide is known as one type of fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. It is SOFCs are generally used in the form of a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cell single cells (hereinafter simply referred to as "single cells") arranged in a predetermined direction (hereinafter referred to as "first direction"). . BACKGROUND ART Conventionally, there has been known a single cell in which, for example, titanium oxide is dissolved in a solid electrolyte (see, for example, Patent Document 1).

特開平6-103993号公報JP-A-6-103993

従来の単セルにおいて、各部材間の熱膨張差に起因する応力や周囲の部材(例えば、インターコネクタ)からの押圧力による応力等を原因として単セルを構成する電解質層にクラックが発生するおそれがある。電解質層へのクラックの発生は、例えば単セルの性能に悪影響を及ぼす。 In conventional single cells, cracks may occur in the electrolyte layer that makes up the single cell due to stress caused by the difference in thermal expansion between each member and stress due to pressure from surrounding members (e.g. interconnectors). There is Cracking in the electrolyte layer, for example, adversely affects single cell performance.

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という。)の構成単位である電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも共通の問題である。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セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、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び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。 It should be noted that such a problem is solved by electrolysis having a plurality of electrolytic cell units, which are structural units of a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter referred to as "SOEC") that generates hydrogen using the electrolysis reaction of water. This is also a common problem with cell stacks. Moreover, such a problem is not limited to SOFCs and SOECs, but is common to other types of electrochemical reaction cell stacks. In this specification, the fuel cell single cell and the electrolytic single cell are collectively referred to as the electrochemical reaction single cell, the power generation unit and the electrolytic cell unit are collectively referred to as the electrochemical reaction unit, and the fuel cell stack and the electrolytic cell are collectively referred to as the electrochemical reaction unit. The stack is collectively called an electrochemical reaction cell stack.

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technology capable of solving the above-described problems.

(1)本明細書に開示される電気化学反応単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層の内部には、M(Mは、MnとFeとの少なくとも一方を含む)の組成式で表されるスピネル型酸化物が析出している。本電気化学反応単セルでは、電解質層の内部に析出しているスピネル型酸化物が、電気化学反応単セルの運転時に還元されて体積膨張することによって、電解質層の圧縮応力が高まる。スピネル型酸化物の体積膨張によって電解質層の圧縮応力が高くなると、スピネル型酸化物が電解質層の内部に存在しない構成に比べて、同一の引っ張り条件下において、電解質層に生じる引っ張り応力が、電解質層にクラックが発生する引っ張り応力の限界値に対して大きく下回ることになり、還元後においても電解質層に生じる引っ張り応力が電解質層にクラックが生じる引っ張り応力の限界値に達しにくくなる。そのため、本電気化学反応単セルによれば、電解質層のクラックの発生を抑制することができる。 (1) The electrochemical reaction single cell disclosed in the present specification is an electric cell comprising an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween. In the chemical reaction single cell, a spinel-type oxide represented by a composition formula of M 3 O 4 (M includes at least one of Mn and Fe) is deposited inside the electrolyte layer. In this electrochemical reaction single cell, the spinel-type oxide deposited inside the electrolyte layer is reduced and volumetrically expanded during operation of the electrochemical reaction single cell, thereby increasing the compressive stress of the electrolyte layer. When the compressive stress in the electrolyte layer increases due to the volume expansion of the spinel-type oxide, the tensile stress generated in the electrolyte layer increases under the same tensile conditions as compared to the structure in which the spinel-type oxide does not exist inside the electrolyte layer. The tensile stress that causes cracks in the layer is far below the limit value, and the tensile stress that occurs in the electrolyte layer does not easily reach the limit value that causes cracks in the electrolyte layer even after reduction. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the electrolyte layer.

(2)上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層の内部には、さらに、2価のMnと2価のFeとの少なくとも一方が前記電解質層を構成する電解質材料に固溶する固溶体が存在する構成としてもよい。本電気化学反応単セルでは、電解質層の内部に存在する固溶体が、例えば電気化学反応単セルの運転停止時に酸化されることによってスピネル型酸化物として析出し、電解質層の圧縮応力がさらに高まる。そのため、本電気化学反応単セルによれば、電解質層のクラックの発生をより効果的に抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction unit cell, the electrolyte layer further contains a solid solution in which at least one of divalent Mn and divalent Fe dissolves in the electrolyte material constituting the electrolyte layer. It is good also as a structure which carries out. In the present electrochemical reaction single cell, the solid solution existing inside the electrolyte layer is oxidized, for example, when the electrochemical reaction single cell stops operating, and precipitates as a spinel-type oxide, further increasing the compressive stress of the electrolyte layer. Therefore, according to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to more effectively suppress the occurrence of cracks in the electrolyte layer.

(3)上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層における前記第1の方向の中心よりも前記燃料極側の領域に前記固溶体として存在する2価のMnと2価のFeとを合計した濃度(mass%)は、前記電解質層における前記第1の方向の中心よりも前記空気極側の領域に前記固溶体として存在する2価のMnと2価のFeとを合計した濃度よりも高い構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、電気化学反応単セルの運転時における変形量が特に大きい燃料極側において、スピネル型酸化物に加えて固溶体に基づく体積膨張によって電解質層のクラックの発生をより効果的に抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction single cell, the total concentration of divalent Mn and divalent Fe present as the solid solution in the region closer to the fuel electrode than the center in the first direction in the electrolyte layer (mass%) is higher than the total concentration of divalent Mn and divalent Fe present as the solid solution in the region closer to the air electrode than the center in the first direction in the electrolyte layer. good too. According to this electrochemical reaction single cell, on the fuel electrode side, where the amount of deformation during operation of the electrochemical reaction single cell is particularly large, the occurrence of cracks in the electrolyte layer is further suppressed by the volume expansion based on the solid solution in addition to the spinel oxide. can be effectively suppressed.

(4)上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層における前記Mとして含まれる元素の合計濃度は、3mass%以下である構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、電解質層に存在するMとして含まれる元素に起因して電解質層のイオン導電性が過度に低下することを抑制することができる。 (4) In the above electrochemical reaction single cell, the total concentration of the elements contained as M in the electrolyte layer may be 3 mass % or less. According to the present electrochemical reaction single cell, it is possible to suppress an excessive decrease in the ionic conductivity of the electrolyte layer due to the element contained as M present in the electrolyte layer.

(5)上記電気化学反応単セルにおいて、前記電解質層は、蛍石型酸化物を含んでいる構成としてもよい。本電気化学反応単セルによれば、電解質層が蛍石型酸化物を含まない構成に比べて、電解質層におけるスピネル型酸化物以外の部分とスピネル型酸化物との密着性が高いため、電解質層の強度を向上させることができる。 (5) In the above electrochemical reaction single cell, the electrolyte layer may contain a fluorite-type oxide. According to this electrochemical reaction single cell, the adhesion between the spinel-type oxide and the portion other than the spinel-type oxide in the electrolyte layer is high compared to the structure in which the electrolyte layer does not contain a fluorite-type oxide. It can improve the strength of the layer.

(6)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セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも1つは、上記(1)から(5)までのいずれか一つの電気化学反応単セル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、電解質層のクラックの発生を抑制することができる。 (6) In the above electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells arranged side by side in the first direction, at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is , any one of the above (1) to (5) may be an electrochemical reaction single cell. According to this electrochemical reaction cell stack, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the electrolyte layer.

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

実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an external configuration of a fuel cell stack 100 according to an embodiment; FIG. 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。FIG. 2 is an explanatory view showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II in FIG. 1; 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. 2 is an explanatory view showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position 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。FIG. 3 is an explanatory diagram showing the 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 ; 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。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of two power generation units 102 adjacent to each other at the same position as the cross section shown in FIG. 3 ; 電解質層112の内部構成の一例を模式的に示す説明図である。4 is an explanatory diagram schematically showing an example of the internal configuration of an electrolyte layer 112; FIG. 電解質層112の内部構成の一例を模式的に示す説明図である。4 is an explanatory diagram schematically showing an example of the internal configuration of an electrolyte layer 112; FIG. 性能評価結果を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram showing performance evaluation results; 電解質層112のラマンシフトを示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing Raman shift of an electrolyte layer 112; FIG. 電解質層112中におけるMnのK吸収端の吸収スペクトルの測定結果を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the measurement result of the absorption spectrum of the K absorption edge of Mn in the electrolyte layer 112; 電解質層112のマッピング画像の一例を模式的に示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing an example of a mapping image of an electrolyte layer 112;

A.実施形態:
A-1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、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」といい、Z軸負方向を「下方向」というものとするが、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。なお、上下方向(Z軸方向)は、特許請求の範囲における第1の方向の一例である。燃料電池スタック100は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックの一例である。
A. Embodiment:
A-1. composition:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of the fuel cell stack 100 in this embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position II-II in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 100 at the position III-III in FIG. Each figure shows mutually orthogonal XYZ axes for specifying directions. In this specification, for the sake of convenience, the positive Z-axis direction is referred to as the "upward direction" and the negative Z-axis direction is referred to as the "downward direction." It may be installed in different orientations. The same applies to FIG. 4 and subsequent figures. The vertical direction (Z-axis direction) is an example of a first direction in the scope of claims. The fuel cell stack 100 is an example of an electrochemical reaction cell stack in the claims.

燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位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。 The fuel cell stack 100 includes a plurality of (seven in this embodiment) 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 this embodiment). A pair of end plates 104 and 106 are arranged so as to sandwich an aggregate composed of seven power generation units 102 from above and below.

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軸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」という。 A plurality of holes (eight in the present embodiment) penetrating in the vertical direction are formed in the peripheral edge portion around the Z-axis direction of each layer (the power generation unit 102, the end plates 104 and 106) constituting the fuel cell stack 100. Corresponding holes formed in each layer vertically communicate with each other to form communicating holes 108 extending vertically 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 constitute the communication holes 108 are also 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が挿入されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図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。 A bolt 22 extending in the vertical direction is inserted into each communication hole 108 , and the fuel cell stack 100 is fastened by the bolt 22 and nuts 24 fitted on both sides of the bolt 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 between the bolt An insulating sheet 26 is interposed between the nut 24 fitted to the other side (lower side) of the fuel cell stack 22 and the lower surface of the end plate 106 forming the lower end of the fuel cell stack 100 . However, at a location where a gas passage member 27, which will be described later, is provided, between the nut 24 and the surface of the end plate 106, the insulating sheets disposed above and below the gas passage member 27 and the gas passage member 27, respectively. 26 intervenes. The insulating sheet 26 is composed of, for example, a mica sheet, a ceramic fiber sheet, a ceramic powder sheet, a glass sheet, a glass-ceramic composite, 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軸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が挿入された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、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供給マニホールド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が挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。 The outer diameter of the shaft portion of each 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, one side of the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction (the side on the positive side of the X-axis among the two sides parallel to the Y-axis) is near the midpoint. The space formed by the positioned bolt 22 (bolt 22A) and the communication hole 108 into which the bolt 22A is inserted receives the oxidant gas OG from the outside of the fuel cell stack 100, and the oxidant gas OG is introduced into each space. Functioning as an oxidant gas supply manifold 161, which is a gas flow path for supplying to the power generation unit 102, the side opposite to the side (the side on the negative side of the X axis among the two sides parallel to the Y axis) The space formed by the bolt 22 (bolt 22B) positioned near the point and the communication hole 108 into which the bolt 22B is inserted is the oxidant offgas OOG which is the gas discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102. to the outside of the fuel cell stack 100 as an oxidizing gas discharge manifold 162 . In this 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軸方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿入された連通孔108とにより形成された空間は、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供給マニホールド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が挿入された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室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。 In addition, as shown in FIGS. 1 and 3, the midpoint of one side (the side on the Y-axis positive side of the two sides parallel to the X-axis) on the outer circumference of the fuel cell stack 100 around the Z-axis direction Fuel gas FG is introduced from the outside of the fuel cell stack 100 into the space formed by the bolt 22 (bolt 22D) located nearby and the communication hole 108 into which the bolt 22D is inserted. A bolt that functions as the fuel gas supply manifold 171 that supplies the power generation unit 102 and is positioned near the midpoint of the side opposite to the side (the side on the Y-axis negative direction side of the two sides parallel to the X-axis) 22 (bolt 22E) and the communication hole 108 into which the bolt 22E is inserted allows the fuel offgas FOG, which is the gas discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102, to flow outside the fuel cell stack 100. It functions as a fuel gas discharge manifold 172 that discharges to the In this embodiment, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas, for example, is used as the fuel gas FG.

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、酸化剤ガス供給マニホールド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、酸化剤ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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。 Four gas passage members 27 are provided in the fuel cell stack 100 . Each gas passage member 27 has a hollow tubular body portion 28 and a hollow tubular branch portion 29 branched from a side surface of the main body portion 28 . A hole in the branch portion 29 communicates with a hole in the main body portion 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 body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22A forming the oxidizing gas supply manifold 161 communicates with the oxidizing gas supply manifold 161. A hole in the body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22B forming the oxidant gas discharge manifold 162 communicates with the oxidant gas discharge manifold 162 . Further, as shown in FIG. 3, the hole of the body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22D forming the fuel gas supply manifold 171 communicates with the fuel gas supply manifold 171, and the fuel gas A hole in the body portion 28 of the gas passage member 27 arranged at the position of the bolt 22E 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, 106)
The pair of end plates 104 and 106 are substantially rectangular plate-shaped conductive members, and are made of, for example, stainless steel. One end plate 104 is arranged above the uppermost power generating unit 102 and the other end plate 106 is arranged below the lowermost power generating unit 102 . A pair of end plates 104 and 106 hold a plurality of power generation units 102 in a pressed state. The upper end plate 104 functions as the positive side output terminal of the fuel cell stack 100 , and the lower end plate 106 functions as the negative side 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。
(Configuration of power generation unit 102)
4 is an explanatory diagram showing the 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. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a YZ cross-sectional configuration of two power generation units 102;

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、スペーサー149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。単セル110は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルの一例である。 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, an anode side frame 140, an anode side It has current collectors 144 , spacers 149 , and a pair of interconnectors 150 forming the top layer and the bottom layer of the power generation unit 102 . The separator 120, the air electrode side frame 130, the fuel electrode side frame 140, and the interconnector 150 are provided with holes corresponding to the communication holes 108 through which the bolts 22 are inserted. The single cell 110 is an example of an electrochemical reaction single cell in the claims.

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、Mn(マンガン)やCr(クロム)等を含む金属材料(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 plate-shaped conductive member, and is made of a metal material (for example, ferritic stainless steel) containing Mn (manganese), Cr (chromium), or the like. The interconnector 150 ensures electrical continuity between the power generating units 102 and prevents mixing of reaction gases between the power generating units 102 . In this embodiment, when two power generation units 102 are arranged adjacently, one interconnector 150 is shared by the two adjacent power generation units 102 . That is, the upper interconnector 150 in a certain 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 . In addition, since the fuel cell stack 100 has a pair of end plates 104 and 106, the power generation unit 102 located at the top in the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, and is located at the bottom. The generating unit 102 does not have a lower interconnector 150 (see Figures 2 and 3).

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

電解質層112は、上下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。ここでいう上下方向視は、「上下方向に平行な方向から見たとき」を意味する(以下における「上下方向視」も同様)。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、上下方向視で電解質層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、Mnを含まない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)、LNF(ランタンニッケル鉄酸化物))により形成されてもよいし、Mnを含むLSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)により形成されていてもよい。燃料極116は、上下方向視で電解質層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の厚さは、例えば200μm以上、1000μm以下である。燃料極116における燃料極側集電体144の付近の部分の平均気孔率は、例えば25vol%以上、60vol%以下であり、当該部分の平均気孔径は、例えば0.5μm以上、4μm以下である。このような構成である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 plate-shaped member when viewed from the top and bottom, and is a dense (low porosity) layer. The term “vertical view” as used herein means “when viewed from a direction parallel to the vertical direction” (the same applies to “vertical view” below). 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-type oxide, or the like. there is The air electrode 114 is a substantially rectangular plate-shaped member smaller than the electrolyte layer 112 when viewed from the top and bottom, and is a porous layer (having a higher porosity than the electrolyte layer 112). The air electrode 114 may be formed of, for example, a perovskite-type oxide that does not contain Mn (eg, LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide), LNF (lanthanum nickel iron oxide)), or LSM containing Mn (lanthanum strontium manganese oxide). The fuel electrode 116 is a substantially rectangular plate-shaped member having substantially the same size as the electrolyte layer 112 when viewed from above, and is a porous layer (having a higher porosity than the electrolyte layer 112). The thickness of the fuel electrode 116 is, for example, 200 μm or more and 1000 μm or less. The average porosity of the portion of the fuel electrode 116 near the fuel electrode side current collector 144 is, for example, 25 vol% or more and 60 vol% or less, and the average pore diameter of the portion is, for example, 0.5 μm or more and 4 μm or less. . The single cell 110 (power generation unit 102) of this embodiment having such a configuration is a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid oxide as an electrolyte.

セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたろう材(例えばAgろう)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 metal, for example. The peripheral portion of the separator 120 around the hole 121 faces the peripheral portion of the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. The separator 120 is joined to the electrolyte layer 112 (single cell 110) by a joint portion 124 formed of a brazing material (for example, Ag brazing material) arranged at the opposing portion. The air chamber 166 facing the air electrode 114 and the fuel chamber 176 facing the fuel electrode 116 are separated by the separator 120 to prevent gas leakage from one electrode side to the other electrode side in the peripheral portion of the unit cell 110 . Suppressed.

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、酸化剤ガス供給マニホールド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。 The air electrode side frame 130 is a frame-shaped member having a substantially rectangular hole 131 penetrating vertically in the vicinity of the center thereof, and is made of an insulator such as mica, for example. A hole 131 in the cathode-side frame 130 constitutes an air chamber 166 facing the cathode 114 . The air electrode-side frame 130 is in contact with the peripheral edge portion of the surface of the separator 120 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 and the peripheral edge portion of the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114 . . Also, the pair of interconnectors 150 included in the power generation unit 102 are electrically insulated by the air electrode side frame 130 . The air electrode side frame 130 also has an oxidizing gas supply communication hole 132 that communicates the oxidizing gas supply manifold 161 and the air chamber 166, and an oxidizing gas supply communication hole 132 that communicates the air chamber 166 and the oxidizing gas discharge manifold 162. A discharge communication hole 133 is formed.

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、燃料ガス供給マニホールド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。 The fuel electrode-side frame 140 is a frame-shaped member having a substantially rectangular hole 141 penetrating vertically in the vicinity of the center thereof, and is made of metal, for example. A hole 141 in the anode-side frame 140 constitutes a fuel chamber 176 facing the anode 116 . The fuel electrode-side frame 140 is in contact with the periphery of the surface of the separator 120 facing the electrolyte layer 112 and the periphery 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 communicates the fuel gas supply manifold 171 and the fuel chamber 176, and a fuel gas discharge communication hole 143 that communicates the fuel chamber 176 and the fuel gas discharge manifold 172. and are formed.

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との一体部材の空気極114側の表面は、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。 The air electrode side current collector 134 is arranged in the air chamber 166 . The air electrode-side current collector 134 is composed of a plurality of substantially quadrangular prism-shaped current collector elements, and is made of, for example, ferritic stainless steel. The air electrode-side current collector 134 is in contact with the surface of the air electrode 114 opposite to the electrolyte layer 112 and the surface of the interconnector 150 facing the air electrode 114 . However, as described above, the uppermost power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not have the upper interconnector 150, so the air electrode side current collector 134 in the power generation unit 102 is the upper end plate 104 is in contact. Since the air electrode side current collector 134 has such a configuration, it electrically connects the air electrode 114 and the interconnector 150 (or the end plate 104). In addition, in this embodiment, the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 are formed as an integral member. That is, a flat plate-shaped portion of the integrated member that is perpendicular to the vertical direction (Z-axis direction) functions as an interconnector 150, and is formed to protrude from the flat plate-shaped portion toward the air electrode 114. A current collector element, which is a plurality of protrusions, functions as the air electrode side current collector 134 . In addition, the surface of the air electrode 114 side of the integrated member of the air electrode side current collector 134 and the interconnector 150 may be covered with a conductive coating, and the air electrode 114 and the air electrode side current collector 134 may be covered with a conductive coating. A conductive bonding layer may be interposed between them to bond them together.

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、インターコネクタ接続部146と、電極接続部145と、電極接続部145のX軸正方向側とインターコネクタ接続部146のX軸正方向側とをつなぐ連接部147とを備えている。電極接続部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電気的に接続されている。本明細書において「A部材とB部材とが電気的に接続されている」とは、A部材とB部材とが互いに直接に接触している構成に限らず、A部材とB部材との間に他の導電性部材が介在している構成も含まれる。本実施形態では、電極接続部145は、燃料極116の上記表面に接触している。インターコネクタ接続部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電気的に接続されている。すなわち、インターコネクタ接続部146は、発電単位102に備えられた一対のインターコネクタ150の内、単セル110に対して下方(上下方向の一方)の側に配置されているインターコネクタ150の表面に電気的に接続されている。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接続部146は、下側のエンドプレート106に電気的に接続されている。 The fuel electrode side current collector 144 is arranged in the fuel chamber 176 . The fuel electrode-side current collector 144 includes an interconnector connecting portion 146, an electrode connecting portion 145, and a connecting portion 147 that connects the positive X-axis side of the electrode connecting portion 145 and the positive X-axis side of the interconnector connecting portion 146. and The electrode connecting portion 145 is electrically connected to the surface of the fuel electrode 116 opposite to the side facing the electrolyte layer 112 . In this specification, "the A member and the B member are electrically connected" is not limited to the configuration in which the A member and the B member are in direct contact with each other, and between the A member and the B member Also includes a configuration in which another conductive member is interposed. In this embodiment, the electrode connection portion 145 is in contact with the surface of the fuel electrode 116 . The interconnector connecting portion 146 is electrically connected to the surface of the interconnector 150 facing the fuel electrode 116 . That is, the interconnector connection portion 146 is provided on the surface of the interconnector 150 arranged on the lower side (one side in the vertical direction) of the single cell 110 among the pair of interconnectors 150 provided in the power generation unit 102. electrically connected. However, as described above, since the lowest power generation unit 102 in the fuel cell stack 100 does not have the lower interconnector 150, the interconnector connecting portion 146 of the power generation unit 102 is connected to the lower end plate. 106 is electrically connected.

本実施形態では、燃料極側集電体144は、例えばニッケルやニッケル合金、コバルトやコバルト合金等により形成される金属箔(例えば、厚さが10μm以上、800μm以下)により形成されている。なお、燃料極側集電体144は、略矩形の金属箔に曲げ加工を施すことにより製造される。 In this embodiment, the fuel electrode-side current collector 144 is formed of a metal foil (for example, with a thickness of 10 μm or more and 800 μm or less) made of nickel, nickel alloy, cobalt, cobalt alloy, or the like. The anode-side current collector 144 is manufactured by bending a substantially rectangular metal foil.

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、本実施形態では、燃料極側集電体144のインターコネクタ接続部146と電極接続部145と連接部147とは一体の部材により構成されている。 Fuel electrode-side current collector 144 having such a configuration electrically connects fuel electrode 116 and interconnector 150 (or end plate 106). In this embodiment, the interconnector connecting portion 146, the electrode connecting portion 145, and the connecting portion 147 of the fuel electrode side current collector 144 are configured as an integral member.

電極接続部145とインターコネクタ接続部146との間には、例えばマイカ等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。なお、スペーサー149の板厚は、例えば0.5mm以上、3mm以下である。 A spacer 149 made of, for example, mica is arranged between the electrode connection portion 145 and the interconnector connection portion 146 . Therefore, the fuel electrode side current collector 144 follows the deformation of the power generation unit 102 due to temperature cycles and reaction gas pressure fluctuations, and the fuel electrode 116 and the interconnector 150 (or the end plate 106) through the fuel electrode side current collector 144. good electrical connection with The plate thickness of the spacer 149 is, for example, 0.5 mm or more and 3 mm or less.

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、酸化剤ガス供給マニホールド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供給マニホールド161に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド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、燃料ガス供給マニホールド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供給マニホールド171に供給され、燃料ガス供給マニホールド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 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 supply manifold 161. Then, the oxidizing gas OG is supplied to the oxidizing gas supply manifold 161 via the branch portion 29 of the gas passage member 27 and the hole of the main body portion 28, and the oxidizing gas OG is supplied from the oxidizing gas supply manifold 161 to each power generation unit 102. The agent gas is supplied to the air chamber 166 through the agent gas supply communication hole 132 . 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 supply manifold 171. Then, the fuel gas FG is supplied to the fuel gas supply manifold 171 via 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 supply manifold 171. It is supplied to fuel chamber 176 through hole 142 .

各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃以上、1000℃以下)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, the oxygen contained in the oxidant gas OG and the hydrogen contained in the fuel gas FG in the single cell 110 Electricity is generated by an electrochemical reaction with This power generation reaction is an exothermic reaction. In each power generation unit 102, the air electrode 114 of the single cell 110 is electrically connected to one interconnector 150 through the air electrode side current collector 134, and the fuel electrode 116 is electrically connected through the fuel electrode side current collector 144. It is electrically connected to the other interconnector 150 . Also, the plurality of power generation units 102 included in the fuel cell stack 100 are electrically connected in series. Therefore, the 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 the SOFC generates power at a relatively high temperature (for example, 700° C. or higher and 1000° C. or lower), the fuel cell stack 100 heats up until a high temperature can be maintained by the heat generated by the power generation after startup. It may be heated by a vessel (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。 As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant offgas OOG discharged from the air chamber 166 of each power generation unit 102 is discharged to the oxidant gas discharge manifold 162 through the oxidant gas discharge communication hole 133 and further oxidized. The fuel cell stack 100 is supplied to the fuel cell stack 100 via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29 through the holes of the main body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the agent gas discharge manifold 162 . is discharged to the outside of the Further, as shown in FIGS. 3 and 5, the fuel offgas FOG discharged from the fuel chamber 176 of each power generation unit 102 is discharged to the fuel gas discharge manifold 172 through the fuel gas discharge communication hole 143. Through the holes in the body portion 28 and the branch portion 29 of the gas passage member 27 provided at the position of the exhaust manifold 172, the gas is supplied to the outside of the fuel cell stack 100 via a gas pipe (not shown) connected to the branch portion 29. Ejected.

A-3.単セル110における電解質層112の内部構成:
図6は、電解質層112の内部構成の一例を模式的に示す説明図である。図6には、電解質層112を挟んで空気極114の一部と燃料極116の一部とが含まれる領域(図4の領域X1)における単セル110のXZ断面構成が示されている。図6(A)には、燃料電池スタック100の運転前(例えば単セル110の作製時または出荷時)における電解質層112の内部構成が示されており、図6(B)には、燃料電池スタック100の運転中における電解質層112の内部構成が示されている。なお、本明細書において、電解質層112の内部とは、電解質層112のうち、電解質層112と隣接する他の層(空気極114、燃料極116)から上下方向に離間した部分であり、電解質層112と他の層との境界を含まない。
A-3. Internal configuration of the electrolyte layer 112 in the single cell 110:
FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing an example of the internal configuration of the electrolyte layer 112. As shown in FIG. FIG. 6 shows an XZ cross-sectional configuration of the unit cell 110 in a region (region X1 in FIG. 4) including part of the air electrode 114 and part of the fuel electrode 116 with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. FIG. 6A shows the internal structure of the electrolyte layer 112 before operation of the fuel cell stack 100 (for example, at the time of fabrication or shipment of the single cell 110), and FIG. The internal configuration of electrolyte layer 112 is shown during operation of stack 100 . In this specification, the inside of the electrolyte layer 112 is a portion of the electrolyte layer 112 that is vertically spaced apart from the other layers (the air electrode 114 and the fuel electrode 116) adjacent to the electrolyte layer 112. It does not include the boundaries between layer 112 and other layers.

図6に示すように、電解質層112は、次の第1の条件を満たしている。
<第1の条件>:
電解質層112の内部には、M(Mは、MnとFeとの少なくとも一方を含む)の組成式で表されるスピネル型酸化物SPが析出している。
MnとFeとは、いずれも、価数が変化する元素であって、還元により体積膨張する元素である。電解質層112の内部に析出するスピネル型酸化物SPにおけるMnまたはFeは、例えば、2.67価のMnまたは2.67価のFeである。このスピネル型酸化物SPの例は、Mn、Fe、MnFe、FeMn、(Co,Mn)、(Fe,Ni)である。なお、これらのスピネル型酸化物SPの組成式中のM(Aサイト、Bサイト)に不純物レベルで、主要元素(Mn、Fe、Co、Ni)以外の元素が含まれていてもよい。例えば、Mにおける主要元素の割合は、スピネル型酸化物SP全体の70%以上でもよく、好ましくは90%以上である。
As shown in FIG. 6, electrolyte layer 112 satisfies the following first condition.
<First condition>:
A spinel-type oxide SP represented by a composition formula of M 3 O 4 (M includes at least one of Mn and Fe) is deposited inside the electrolyte layer 112 .
Both Mn and Fe are elements whose valences change and whose volume expands upon reduction. Mn or Fe in the spinel-type oxide SP deposited inside the electrolyte layer 112 is, for example, 2.67-valent Mn or 2.67-valent Fe. Examples of this spinel-type oxide SP are Mn3O4 , Fe3O4 , MnFe2O4 , FeMn2O4 , (Co , Mn) 3O4 , (Fe, Ni ) 3O4 . Note that M (A site, B site) in the composition formula of these spinel-type oxides SP may contain an element other than the main elements (Mn, Fe, Co, Ni) at an impurity level. For example, the proportion of the main element in M may be 70% or more, preferably 90% or more, of the entire spinel-type oxide SP.

図7は、電解質層112の内部構成の一例を模式的に示す説明図である。図7には、電解質層112を挟んで空気極114の一部と燃料極116の一部とが含まれる領域(図4の領域X1)における単セル110のXZ断面構成が示されている。図7(A)には、燃料電池スタック100の運転前(例えば単セル110の作製時または出荷時)における電解質層112の内部構成が示されており、図7(B)には、燃料電池スタック100の運転中における電解質層112の内部構成が示されている。 FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing an example of the internal configuration of the electrolyte layer 112. As shown in FIG. FIG. 7 shows an XZ cross-sectional configuration of the unit cell 110 in a region (region X1 in FIG. 4) including part of the air electrode 114 and part of the fuel electrode 116 with the electrolyte layer 112 interposed therebetween. FIG. 7A shows the internal structure of the electrolyte layer 112 before operation of the fuel cell stack 100 (for example, at the time of fabrication or shipment of the unit cells 110), and FIG. The internal configuration of electrolyte layer 112 is shown during operation of stack 100 .

図7に示すように、電解質層112は、さらに、次の第2の条件を満たしていることが好ましい。
<第2の条件>:
電解質層112の内部には、さらに、2価のMnと2価のFeとの少なくとも一方が電解質層112を構成する電解質材料に固溶する固溶体SSが存在している。
電解質層112を構成する電解質材料は、例えば、後述の蛍石型酸化物(Ce(セリウム)系酸化物や、Zr(ジルコニウム)系酸化物)である。固溶体SSの例は、Ce系酸化物のCeサイトに、2価のMnと2価のFeとの少なくとも一方が入り込んだ組成物や、Zr系酸化物のZrサイトに、2価のMnと2価のFeとの少なくとも一方が入り込んだ組成物である。
As shown in FIG. 7, the electrolyte layer 112 preferably also satisfies the following second condition.
<Second condition>:
Inside the electrolyte layer 112 , there is also a solid solution SS in which at least one of divalent Mn and divalent Fe is dissolved in the electrolyte material forming the electrolyte layer 112 .
The electrolyte material forming the electrolyte layer 112 is, for example, a fluorite-type oxide (a Ce (cerium)-based oxide or a Zr (zirconium)-based oxide), which will be described later. Examples of solid solution SS include a composition in which at least one of divalent Mn and divalent Fe enters the Ce site of a Ce-based oxide, and a composition in which at least one of divalent Mn and divalent Fe enters the Zr site of a Zr-based oxide, and divalent Mn and 2 It is a composition in which at least one of valence Fe and Fe is incorporated.

電解質層112は、さらに、次の第3の条件を満たしていることが好ましい。
<第3の条件>:
電解質層112における上下方向(Z軸方向)の中心よりも燃料極116側の領域に固溶体SSとして存在する2価のMnと2価のFeとを合計した濃度(mass%)は、電解質層112における上下方向の中心よりも空気極114側の領域に固溶体SSとして存在する2価のMnと2価のFeとを合計した濃度よりも高い。
The electrolyte layer 112 preferably also satisfies the following third condition.
<Third condition>:
The total concentration (mass%) of divalent Mn and divalent Fe present as a solid solution SS in a region closer to the fuel electrode 116 than the center of the electrolyte layer 112 in the vertical direction (Z-axis direction) is is higher than the total concentration of divalent Mn and divalent Fe present as a solid solution SS in the region closer to the air electrode 114 than the center in the vertical direction.

電解質層112は、さらに、次の第4の条件を満たしていることが好ましい。
<第4の条件>:
電解質層112におけるMとして含まれる元素の合計濃度は、3mass%以下である。
The electrolyte layer 112 preferably also satisfies the following fourth condition.
<Fourth condition>:
The total concentration of the elements contained as M in the electrolyte layer 112 is 3 mass % or less.

電解質層112は、さらに、次の第5の条件を満たしていることが好ましい。
<第5の条件>:
電解質層112は、蛍石型酸化物を含んでいる。
蛍石型酸化物の例は、Ce(セリウム)系酸化物(例えばSDC、GDC)や、Zr(ジルコニウム)系酸化物(YSZ、ScSZ)である。
The electrolyte layer 112 preferably also satisfies the following fifth condition.
<Fifth condition>:
Electrolyte layer 112 contains a fluorite-type oxide.
Examples of fluorite-type oxides are Ce (cerium)-based oxides (eg, SDC, GDC) and Zr (zirconium)-based oxides (YSZ, ScSZ).

さらに、電解質層112のうち、スピネル型酸化物SPが存在する領域(電解質層112と燃料極116との両方から上下方向に離間した領域)の上下方向の厚さは、電解質層112の厚さに対して、10%以上であり、90%以下であることが好ましく、30%以上であり、60%以下であることが、より好ましい。これにより、スピネル型酸化物SPの体積膨張に起因して電解質層112と空気極114や燃料極116との剥離の発生等を抑制することができる。また、電解質層112のうち、特に上下方向視で中央部にスピネル型酸化物SPが多く存在していることが好ましい。電解質層112の中央部は、燃料電池スタック100の運転時において特に高温となりクラックが発生しやすいからである。 Furthermore, the vertical thickness of the region of the electrolyte layer 112 where the spinel-type oxide SP exists (the region vertically separated from both the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116) is equal to the thickness of the electrolyte layer 112. is preferably 10% or more and 90% or less, more preferably 30% or more and 60% or less. This can suppress the occurrence of separation between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 or the fuel electrode 116 due to volume expansion of the spinel-type oxide SP. In addition, it is preferable that a large amount of spinel-type oxide SP is present in the central portion of the electrolyte layer 112, particularly when viewed in the vertical direction. This is because the central portion of the electrolyte layer 112 becomes particularly hot during operation of the fuel cell stack 100 and cracks are likely to occur.

A-4.性能評価:
以下、複数の単セル110のサンプルを用いて行った性能評価について説明する。図8は、性能評価結果を示す説明図である。本評価では、電解質層112におけるMは、Mnであるものとする。図8に示すように、各サンプル(S1~S5)は、電解質層112中におけるMn濃度(mass%)が互いに異なっている。
A-4. Performance evaluation:
Performance evaluation performed using a plurality of single cell 110 samples will be described below. FIG. 8 is an explanatory diagram showing performance evaluation results. In this evaluation, M in the electrolyte layer 112 shall be Mn. As shown in FIG. 8, each of the samples (S1 to S5) has a different Mn concentration (mass %) in the electrolyte layer 112 from each other.

A-4-1.単セル110の製造方法:
以下の製造方法に従い、単セル110の各サンプルを製造した。
A-4-1. Manufacturing method of single cell 110:
Each sample of the single cell 110 was manufactured according to the following manufacturing method.

(電解質層112と燃料極116との積層体の形成)
YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。このとき、単セル110のサンプルS1~S4については、YSZ粉末に対して、さらに、スピネル型酸化物としてのMnを添加して混合してスラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約10μmの電解質層用グリーンシートを得る。また、NiOの粉末をNi重量に換算して55質量部となるように秤量し、YSZの粉末45質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ270μmの燃料極用グリーンシートを得る。電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて、乾燥させる。その後、例えば1400℃にて焼成を行うことによって、電解質層112と燃料極116との積層体を得る。なお、上記第3の条件を満たす電解質層112を製造する場合には、例えば、互いにMnの添加量が異なる2つの電解質層用グリーンシートを準備し、Mnの添加量が相対的に少ない電解質層用グリーンシートを空気極114側に配置し、Mnの添加量が相対的に多い電解質層用グリーンシートを燃料極116側に配置すればよい。
(Formation of laminate of electrolyte layer 112 and fuel electrode 116)
A butyral resin, a plasticizer dioctyl phthalate (DOP), a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to the YSZ powder and mixed in a ball mill to prepare a slurry. At this time, for the samples S1 to S4 of the single cell 110, Mn 3 O 4 as a spinel oxide is added to the YSZ powder and mixed to prepare a slurry. The resulting slurry is thinned by a doctor blade method to obtain a green sheet for an electrolyte layer having a thickness of, for example, about 10 μm. Further, NiO powder is weighed so as to be 55 parts by mass in terms of Ni weight, and mixed with 45 parts by mass of YSZ powder to obtain a mixed powder. A butyral resin, a plasticizer DOP, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to this mixed powder, and mixed in a ball mill to prepare a slurry. The resulting slurry is thinned by a doctor blade method to obtain, for example, a 270 μm-thick fuel electrode green sheet. The electrolyte layer green sheet and the fuel electrode green sheet are attached and dried. After that, by firing at, for example, 1400° C., a laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 is obtained. When manufacturing the electrolyte layer 112 that satisfies the third condition, for example , two electrolyte layer green sheets having different amounts of Mn 3 O 4 to be added are prepared . An electrolyte layer green sheet containing a relatively small amount of Mn 3 O 4 may be arranged on the air electrode 114 side, and an electrolyte layer green sheet containing a relatively large amount of Mn 3 O 4 may be arranged on the fuel electrode 116 side.

(空気極114の形成)
LSCF粉末と、GDC粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極活性層用ペーストを調製する。得られた空気極活性層用ペーストを、上述した電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112の表面にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。また、LSCF粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極集電層用ペーストを調製する。得られた空気極集電層用ペーストを、上述した空気極活性層ペーストの上にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させ、その後、例えば1100℃~1200℃で焼成を行う。焼成により、内部にスピネル型酸化物SPが析出している電解質層112が形成される(図6参照)。以上の工程により、上述した構成の単セル110が製造される。なお、例えば電解質層用グリーンシートにおけるMnの添加量が所定値以上である場合には、内部にスピネル型酸化物SPが析出するとともに固溶体SSが存在している電解質層112が形成される(図7参照)。
(Formation of air electrode 114)
LSCF powder, GDC powder, alumina powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, and butyl carbitol as an organic solvent are mixed and the viscosity is adjusted to prepare an air electrode active layer paste. The obtained air electrode active layer paste is applied to the surface of the electrolyte layer 112 in the laminate of the electrolyte layer 112 and the fuel electrode 116 by screen printing and dried. Also, LSCF powder, alumina powder, polyvinyl alcohol as an organic binder, and butyl carbitol as an organic solvent are mixed and the viscosity is adjusted to prepare an air electrode current collecting layer paste. The obtained air electrode current collecting layer paste is applied onto the air electrode active layer paste by screen printing, dried, and then fired at, for example, 1100°C to 1200°C. The firing forms an electrolyte layer 112 in which the spinel-type oxide SP is deposited (see FIG. 6). Through the steps described above, the single cell 110 having the configuration described above is manufactured. For example, when the amount of Mn 3 O 4 added to the green sheet for the electrolyte layer is a predetermined value or more, the electrolyte layer 112 in which the spinel-type oxide SP is deposited and the solid solution SS is present is formed. (see Figure 7).

A-4-2.各種の性能評価:
<スピネル型酸化物(Mn)の析出の有無の確認>
単セル110の各サンプルについて、電解質層112中におけるスピネル型酸化物(Mn)の析出の有無を確認した。具体的には、単セル110の各サンプルを所定の長さに切断し、エポキシ樹脂に埋め込んで固化した後、各層の積層方向に略平行な断面(電解質層112のXZ断面の全体を含む)が観察できるように切断して、鏡面状に研磨した。その後、サンプルの研磨面(観察面)を顕微レーザーラマン分光により測定し、電解質層112中のスピネル型酸化物(Mn)のピーク検出の有無を確認した。なお、測定には、例えば堀場製作所社製のHR-800を使用し、測定試料に照射するレーザー光の波長は514.53nm、レーザー光の出力は100mW、分析径は1μmとし、波数100~680cm-1の範囲を測定する。分析対象の単セル110の各サンプルは、還元前のものでも還元後のものでもよい。
A-4-2. Various performance evaluations:
<Confirmation of Presence or Absence of Precipitation of Spinel-Type Oxide (Mn 3 O 4 )>
Presence or absence of deposition of spinel-type oxide (Mn 3 O 4 ) in the electrolyte layer 112 was checked for each sample of the single cell 110 . Specifically, each sample of the single cell 110 is cut to a predetermined length, embedded in epoxy resin and solidified, and then a cross section (including the entire XZ cross section of the electrolyte layer 112) substantially parallel to the stacking direction of each layer. was cut so as to be observable, and polished to a mirror surface. After that, the polished surface (observation surface) of the sample was measured by microscopic laser Raman spectroscopy to confirm whether or not a peak of spinel oxide (Mn 3 O 4 ) in the electrolyte layer 112 was detected. For the measurement, for example, HR-800 manufactured by HORIBA, Ltd. is used, the wavelength of the laser light irradiated to the measurement sample is 514.53 nm, the laser light output is 100 mW, the analysis diameter is 1 μm, and the wave number is 100 to 680 cm. -1 range is measured. Each sample of the single cell 110 to be analyzed may be either pre-reduced or post-reduced.

図9は、電解質層112のラマンシフトを示す説明図である。660~670cm-1、370~380cm-1、320~330cm-1のそれぞれにスピネル型酸化物(Mn)に起因するピークが見られたことから、スピネル型酸化物(Mn)の析出物が電解質層112中に存在することを確認した。 FIG. 9 is an explanatory diagram showing the Raman shift of the electrolyte layer 112. FIG. Peaks attributed to the spinel oxide (Mn 3 O 4 ) were observed at 660 to 670 cm −1 , 370 to 380 cm −1 , and 320 to 330 cm −1 , respectively . ) is present in the electrolyte layer 112 .

<Mnの価数>
単セル110の各サンプルの電解質層112中に存在するMnの価数を測定し、その測定結果から、電解質層112の内部におけるスピネル型酸化物(Mn)および固溶体(Mn2+)の存在の有無を確認した。具体的には、還元後の単セル110の各サンプルについて、空気極114を削り取って電解質層112の空気極114側の表面を露出させた。そして、電解質層112中におけるMnのXAFS(X-ray Absorption Fine Structure X線吸収微細構造)を測定した。すなわち、露出した電解質層112の表面に対して、蛍光収集法により、Mnについて、K吸収端の吸収スペクトルを測定した。電解質層112の表面に対するX線の入射角を変えることにより、電解質層112の厚さ方向(上下方向)の各位置におけるMnのK吸収端の吸収スペクトルを測定することができる。
<Valence of Mn>
The valence of Mn present in the electrolyte layer 112 of each sample of the single cell 110 was measured, and from the measurement results, the spinel-type oxide (Mn 3 O 4 ) and the solid solution (Mn 2+ ) inside the electrolyte layer 112 Checked for existence. Specifically, for each sample of the single cell 110 after reduction, the air electrode 114 was scraped off to expose the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side. Then, XAFS (X-ray Absorption Fine Structure) of Mn in the electrolyte layer 112 was measured. That is, the absorption spectrum of the K absorption edge was measured for Mn on the exposed surface of the electrolyte layer 112 by the fluorescence collection method. By changing the incident angle of the X-rays on the surface of the electrolyte layer 112, the absorption spectrum of the K absorption edge of Mn at each position in the thickness direction (vertical direction) of the electrolyte layer 112 can be measured.

図10は、電解質層112中におけるMnのK吸収端の吸収スペクトルの測定結果を示す説明図である。図10中のグラフG1は、2価のMn(MnO)のK吸収端の吸収スペクトルを示す参照用データであり、グラフG2は、2.67価のMn(Mn)のK吸収端の吸収スペクトルを示す参照用データである。グラフH1は、サンプルS1について、電解質層112の空気極114側の表面に対して入射角45degでX線を入射させたときのMnのK吸収端の吸収スペクトルを示す測定データであり、電解質層112全体の平均Mn価数を示している。グラフH1とグラフG1とグラフG2との比較から、電解質層112全体に2価のMnと2.67価のMnとの両方が存在していることが分かる。グラフH2は、サンプルS1について、電解質層112の燃料極116側の表面に対して入射角10degでX線を入射させたときのMnのK吸収端の吸収スペクトルを示す測定データであり、第1の方向の中心よりも空気極114側の領域に存在する電解質層112の平均Mn価数を示している。グラフH2と、グラフG1、グラフG2との比較から、第1の方向の中心よりも空気極114側の領域に存在する電解質層112に2価のMnと2.67価のMnとの両方が存在しているが、グラフH1よりも2価のMnの割合が低いことが分かる。これらの測定データから、サンプルS1では、電解質層112の内部の空気極114側と燃料極116側との両方に、2.67価のMnを含むスピネル型酸化物SPが析出するとともに、2価のMnが電解質材料(Zr系酸化物やCe系酸化物)に固溶した固溶体SSが存在することが分かる。さらに、2価のMnは電解質層112の内部の燃料極116側に特に多く存在する。サンプルS2~S4についても同様に、電解質層112の内部の空気極114側と燃料極116側との両方に、スピネル型酸化物SPが析出するとともに固溶体SSが存在することが確認できた。サンプルS5については、電解質層112の内部にスピネル型酸化物SPや固溶体SSの存在は確認できなかった。 FIG. 10 is an explanatory diagram showing the measurement result of the absorption spectrum of the K absorption edge of Mn in the electrolyte layer 112. As shown in FIG. Graph G1 in FIG. 10 is reference data showing the absorption spectrum of the K absorption edge of divalent Mn (MnO), and graph G2 is the K absorption edge of 2.67 valent Mn (Mn 3 O 4 ). It is reference data showing the absorption spectrum of Graph H1 is measurement data showing the absorption spectrum of the K absorption edge of Mn when X-rays are incident on the surface of the electrolyte layer 112 on the air electrode 114 side at an incident angle of 45 degrees for the sample S1. 112 shows the average Mn valence over all. A comparison of graph H1, graph G1, and graph G2 reveals that both divalent Mn and 2.67-valent Mn are present in the entire electrolyte layer 112 . Graph H2 is measurement data showing the absorption spectrum of the K absorption edge of Mn when X-rays are incident on the surface of the electrolyte layer 112 on the fuel electrode 116 side at an incident angle of 10 degrees for the sample S1. shows the average Mn valence of the electrolyte layer 112 present in the region closer to the air electrode 114 than the center in the direction of . From a comparison between graph H2, graph G1, and graph G2, both divalent Mn and 2.67-valent Mn are present in the electrolyte layer 112 existing in the region closer to the air electrode 114 than the center in the first direction. However, it can be seen that the proportion of divalent Mn is lower than in graph H1. From these measurement data, in sample S1, spinel-type oxide SP containing 2.67 valent It can be seen that there exists a solid solution SS in which Mn is dissolved in the electrolyte material (Zr-based oxide or Ce-based oxide). Furthermore, divalent Mn is particularly abundant on the fuel electrode 116 side inside the electrolyte layer 112 . Similarly, for samples S2 to S4, it was confirmed that the spinel-type oxide SP was deposited and the solid solution SS was present inside the electrolyte layer 112 on both the air electrode 114 side and the fuel electrode 116 side. As for the sample S5, the existence of the spinel-type oxide SP and the solid solution SS inside the electrolyte layer 112 could not be confirmed.

<電解質層112中におけるMn濃度>
単セル110の各サンプルについて、電解質層112中におけるMn濃度(mass%)を測定した。具体的には、単セル110の各サンプルを所定の長さに切断し、エポキシ樹脂に埋め込んで固化した後、各層の積層方向に略平行な断面(電解質層112のXZ断面の全体を含む)が観察できるように切断して、鏡面状に研磨した。その後、研磨面(観察面)にカーボン蒸着を行った後、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)により、電解質層112についての画像取得と、Mnについて元素マッピング分析を行い、電解質層112中におけるMn濃度(Mnの平均濃度)を算出した。なお、測定には、例えばJEOL社製のFE-EPMA JXA-8500Fを使用し、測定試料に照射する電子線は15kVで加速し、照射電流20nA、マッピングエリア□20μm、256pixel×256pixelの条件下で測定する。画素でのX線の計測時間は30ミリ秒とする。また、MnのX線の分光には、分光結晶としてPETHを使用する。分析対象の単セル110の各サンプルは、還元前のものでも還元後のものでもよい。
<Mn Concentration in Electrolyte Layer 112>
For each sample of the single cell 110, the Mn concentration (mass%) in the electrolyte layer 112 was measured. Specifically, each sample of the single cell 110 is cut to a predetermined length, embedded in epoxy resin and solidified, and then a cross section (including the entire XZ cross section of the electrolyte layer 112) substantially parallel to the stacking direction of each layer. was cut so as to be observable, and polished to a mirror surface. After that, carbon deposition is performed on the polished surface (observation surface), and an EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) is used to obtain an image of the electrolyte layer 112 and conduct an elemental mapping analysis of Mn to determine the Mn concentration in the electrolyte layer 112 ( Mn concentration) was calculated. For the measurement, for example, FE-EPMA JXA-8500F manufactured by JEOL is used, the electron beam irradiated to the measurement sample is accelerated at 15 kV, the irradiation current is 20 nA, the mapping area is 20 μm, and the conditions are 256 pixels × 256 pixels. Measure. The measurement time of X-rays at a pixel is assumed to be 30 milliseconds. PETH is used as an analyzing crystal for X-ray spectroscopy of Mn. Each sample of the single cell 110 to be analyzed may be either pre-reduced or post-reduced.

図11は、サンプルS1の電解質層112のマッピング画像の一例を模式的に示す説明図である。図11には、Mnのマッピング画像を二値化した画像が示されている。画像中の濃い部分がMnである。このマッピング画像から分かるように、複数のMn元素が、上下方向に直交する方向(X方向およびY方向)に広がるように互いに間隔を開けて点在していることが分かる。これにより、例えば、多くのMn元素が電解質層112の特定箇所に固まって偏在している構成に比べて、Mn元素の存在に起因して酸素イオン伝導性が低下することを抑制することができる。 FIG. 11 is an explanatory diagram schematically showing an example of a mapping image of the electrolyte layer 112 of the sample S1. FIG. 11 shows an image obtained by binarizing the mapping image of Mn. The dark part in the image is Mn. As can be seen from this mapping image, it can be seen that a plurality of Mn elements are scattered at intervals so as to extend in directions (X direction and Y direction) perpendicular to the vertical direction. As a result, for example, it is possible to suppress the decrease in oxygen ion conductivity due to the presence of the Mn element, compared to a configuration in which many Mn elements are clustered and unevenly distributed in specific locations of the electrolyte layer 112. .

図8に示すように、サンプルS1~S4では、Mn濃度は0mass%より高く、サンプルS1~S3では、Mn濃度は3mass%以下であり、サンプルS4では、Mn濃度は3mass%より高かった。サンプルS5では、Mn濃度は0mass%であった。 As shown in FIG. 8, in samples S1 to S4, the Mn concentration was higher than 0 mass%, in samples S1 to S3, the Mn concentration was 3 mass% or less, and in sample S4, the Mn concentration was higher than 3 mass%. In sample S5, the Mn concentration was 0 mass%.

<IR抵抗>
単セル110の各サンプルの初期評価として、IR抵抗(Ω・cm)を測定した。具体的には、作製した単セル110の各サンプルについて、温度:700℃、雰囲気:水素320ml、露点温度30℃の条件で、0.55A/cmの電流密度でIR抵抗を測定した。IR抵抗が低いほど、電解質層112の酸素イオン伝導性が高いことを意味する。
<IR resistance>
As an initial evaluation of each sample of single cell 110, IR resistance (Ω·cm 2 ) was measured. Specifically, for each sample of the single cell 110 produced, the IR resistance was measured at a current density of 0.55 A/cm 2 under conditions of temperature: 700°C, atmosphere: hydrogen 320 ml, dew point temperature 30°C. A lower IR resistance means a higher oxygen ion conductivity of the electrolyte layer 112 .

図8によれば、Mn濃度が3mass%以下であるサンプルS1~S3では、IR抵抗が、Mn濃度が0mass%であるサンプルS5と同等レベルであった。一方、Mn濃度が3mass%より高いサンプルS4では、IR抵抗が、Mn濃度が0mass%であるサンプルS5よりも高くなった。このことは、電解質層112の内部におけるMnの存在に起因して電解質層112の酸素イオン伝導性が大きく低下することを抑制するためには、電解質層112中におけるMn濃度を3mass%以下にすることが好ましいことを意味する。 According to FIG. 8, samples S1 to S3 with a Mn concentration of 3 mass % or less had IR resistance at the same level as sample S5 with a Mn concentration of 0 mass %. On the other hand, in sample S4 with a Mn concentration higher than 3 mass%, the IR resistance was higher than in sample S5 with a Mn concentration of 0 mass%. This means that the Mn concentration in the electrolyte layer 112 should be 3 mass % or less in order to suppress a significant decrease in the oxygen ion conductivity of the electrolyte layer 112 due to the presence of Mn inside the electrolyte layer 112. is preferred.

<レドックス耐性>
単セル110の各サンプルのレドックス耐性(酸化還元に対する耐久性能)を測定した。具体的には、上記初期評価後の単セル110の各サンプルに対して、1.0Vの電圧と-0.1Vの電圧とを10秒間隔で交互に印加することにより、電気化学的に酸化と還元とを繰り返させる。この過程で、1.0Vの電圧と-0.1Vの電圧との印加を1セットとして、1セットの実施回数をカウントしつつ、単セル110のIR抵抗を定期的に測定し、その測定結果が、初期評価時のIR抵抗の3倍の値を超えた時点で試験終了し、試験終了時の実施回数を記録した。実施回数が多いほど、単セル110のレドックス耐性が高いことを意味する。このレドックス耐性の試験において、単セル110のIR抵抗の増加の主な要因は、電解質層112に生じるクラックであると想定される。
<Redox resistance>
Each sample of the single cell 110 was measured for redox resistance (durability against oxidation and reduction). Specifically, each sample of the single cell 110 after the initial evaluation was electrochemically oxidized by alternately applying a voltage of 1.0 V and a voltage of −0.1 V at intervals of 10 seconds. and reduction are repeated. In this process, applying a voltage of 1.0 V and a voltage of -0.1 V as one set, while counting the number of times one set is performed, the IR resistance of the single cell 110 is periodically measured, and the measurement result However, the test was terminated when the value exceeded three times the value of the IR resistance at the time of initial evaluation, and the number of times the test was performed was recorded. It means that the higher the number of times of execution, the higher the redox resistance of the single cell 110 . In this redox resistance test, it is assumed that cracks occurring in the electrolyte layer 112 are the main cause of the increase in the IR resistance of the single cell 110 .

図8によれば、電解質層112の内部にMnが存在するサンプルS1~S4のレドックス耐性は、電解質層112の内部にMnが存在しないサンプルS5のレドックス耐性よりも高いことが分かる。このことは、サンプルS1~S4では、電解質層112の内部にスピネル型酸化物SPが存在することにより、電解質層112のクラックの発生が抑制されたことを意味する。また、サンプルS1~S4では、スピネル型酸化物SPや固溶体SSを構成するMnのMn濃度が高いほど、単セル110のレドックス耐性が向上することが分かる。近年、燃料電池スタック100の急速起動停止、急速負荷変動が求められており、耐レドックス特性を向上させることが課題となっている。本実施形態では、電解質層112のイオン導電性を低下させることなくクラックが発生しにくい、さらにレドックス耐性にも優れた単セル110を実現することができる。 It can be seen from FIG. 8 that the redox resistance of samples S1 to S4 in which Mn exists inside the electrolyte layer 112 is higher than the redox resistance of sample S5 in which Mn does not exist inside the electrolyte layer 112 . This means that in the samples S1 to S4, the presence of the spinel-type oxide SP inside the electrolyte layer 112 suppressed the occurrence of cracks in the electrolyte layer 112 . Further, in samples S1 to S4, it can be seen that the redox resistance of the single cell 110 is improved as the Mn concentration of Mn constituting the spinel-type oxide SP and the solid solution SS is increased. In recent years, the fuel cell stack 100 has been required to start and stop quickly and to change its load quickly, and it has become an issue to improve its resistance to redox. In the present embodiment, the single cell 110 can be realized that is less prone to cracking without lowering the ionic conductivity of the electrolyte layer 112 and has excellent redox resistance.

なお、上述したように、各サンプルについて、電解質層112のうち、スピネル型酸化物SPが存在する領域の厚さは、電解質層112の厚さに対して、10%以上であり、90%以下であることが好ましく、30%以上であり、60%以下であることが、より好ましい。 As described above, the thickness of the region of the electrolyte layer 112 where the spinel-type oxide SP is present in each sample is 10% or more and 90% or less of the thickness of the electrolyte layer 112. is preferably 30% or more and more preferably 60% or less.

ここで、電解質層112の厚さD1とスピネル型酸化物SPが存在する領域の厚さD2との決定方法は、次の通りである。単セル110の各サンプルを所定の長さに切断し、エポキシ樹脂に埋め込んで固化した後、各層の積層方向に略平行な断面(電解質層112のXZ断面の全体を含む 図11参照)が観察できるように切断して、鏡面状に研磨した。その後、研磨面(観察面)にカーボン蒸着を行った後、EPMAにより、電解質層112についての画像取得と、Mnについて元素マッピング分析とを行った。なお、この測定では、例えばJEOL社製のFE-EPMA JXA-8500Fを使用し、測定試料に照射する電子線を15kVで加速し、照射電流20nA、マッピングエリア□20μm、256pixel×256pixelの条件下で測定した。画素でのX線の計測時間は30ミリ秒とする。また、MnのX線の分光には、分光結晶としてPETHを使用する。分析対象の単セル110の各サンプルは、還元前のものでも還元後のものでもよい。 Here, the method of determining the thickness D1 of the electrolyte layer 112 and the thickness D2 of the region where the spinel-type oxide SP exists is as follows. After each sample of the single cell 110 was cut to a predetermined length and embedded in epoxy resin and solidified, a cross section (including the entire XZ cross section of the electrolyte layer 112, see FIG. 11) substantially parallel to the stacking direction of each layer was observed. I cut it as much as possible and polished it to a mirror surface. Thereafter, carbon deposition was performed on the polished surface (observation surface), and then image acquisition of the electrolyte layer 112 and elemental mapping analysis of Mn were performed by EPMA. In this measurement, for example, FE-EPMA JXA-8500F manufactured by JEOL is used, the electron beam irradiated to the measurement sample is accelerated at 15 kV, and the irradiation current is 20 nA. It was measured. The measurement time of X-rays at a pixel is assumed to be 30 milliseconds. PETH is used as an analyzing crystal for X-ray spectroscopy of Mn. Each sample of the single cell 110 to be analyzed may be either pre-reduced or post-reduced.

このように取得した画像から任意で3点選び、電解質層112の厚さを測定して平均化することで電解質層112の厚さD1を決定した。また、図11に示すように、電解質層112のMnの元素マッピングデータを、各層の積層方向に略平行に1μm単位で分割し、Mnが存在する分割領域の厚みを測定することで、スピネル型酸化物SPが存在する領域の厚さD2を決定した。 The thickness D1 of the electrolyte layer 112 was determined by arbitrarily selecting three points from the image acquired in this way, measuring the thickness of the electrolyte layer 112, and averaging the measured thicknesses. Further, as shown in FIG. 11, the elemental mapping data of Mn in the electrolyte layer 112 is divided in units of 1 μm substantially parallel to the stacking direction of each layer, and the thickness of the divided region where Mn is present is measured. A thickness D2 of the region where the oxide SP exists was determined.

A-5.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態における燃料電池スタック100では、電解質層112の内部には、M(Mは、MnとFeとの少なくとも一方を含む)の組成式で表されるスピネル型酸化物SPが析出している(第1の条件 図6(A)参照)。電解質層112の内部に析出しているスピネル型酸化物SPが、単セル110の運転時に還元されて体積膨張することによって(図6(B)のスピネル型酸化物SP1参照)、電解質層112(電解質材料部分)の圧縮応力が高まる。スピネル型酸化物SPの体積膨張によって電解質層112の圧縮応力が高くなると、スピネル型酸化物SPが電解質層112の内部に存在しない構成に比べて、同一の引っ張り条件下において、電解質層112に生じる引っ張り応力が、電解質層112にクラックが発生する引っ張り応力の限界値THに対して大きく下回ることになり、還元後においても電解質層112に生じる引っ張り応力が限界値THに達しにくくなる。そのため、本実施形態によれば、電解質層112のクラックの発生を抑制することができる。
A-5. Effect of this embodiment:
As described above, in the fuel cell stack 100 according to the present embodiment, the electrolyte layer 112 contains spinel represented by the composition formula M 3 O 4 (M includes at least one of Mn and Fe). type oxide SP is deposited (first condition, see FIG. 6A). The spinel-type oxide SP deposited inside the electrolyte layer 112 is reduced during operation of the single cell 110 and expands in volume (see spinel-type oxide SP1 in FIG. 6B), thereby forming the electrolyte layer 112 ( The compressive stress of the electrolyte material part) increases. When the compressive stress in the electrolyte layer 112 increases due to the volume expansion of the spinel-type oxide SP, it occurs in the electrolyte layer 112 under the same tensile conditions as compared to the configuration in which the spinel-type oxide SP is not present inside the electrolyte layer 112. The tensile stress is much lower than the limit value TH of the tensile stress at which cracks occur in the electrolyte layer 112, and the tensile stress generated in the electrolyte layer 112 is less likely to reach the limit value TH even after reduction. Therefore, according to the present embodiment, the occurrence of cracks in the electrolyte layer 112 can be suppressed.

具体的には、単セル110では、電解質層112の熱膨張率は、空気極114や燃料極116の熱膨張率よりも低い。このため、単セル110の運転開始により温度が上昇すると、電解質層112と空気極114や燃料極116との熱膨張差に起因して電解質層112に対して上下方向に直交する方向に引っ張り応力が付与されて電解質層112に生じる引っ張り応力が増大する。さらに、例えば、燃料電池スタック100の運転停止時に燃料極116が酸化されて膨張すると、電解質層112に生じる引っ張り応力が増大して限界値THに達するため、電解質層112にクラックが発生する。ここで、図6(B)のL2に示すように、例えば、スピネル型酸化物SPが電解質層112の内部に存在しない比較例では、単セル110の運転停止時に電解質層112に生じる引っ張り応力がσ3からσ4に増大し、限界値THを超えたとする。これに対して、図6(B)のL1に示すように、スピネル型酸化物SPが電解質層112の内部に存在する本実施形態では、単セル110の運転開始によりスピネル型酸化物SPが還元されて体積膨張するため、電解質層112の圧縮応力が高くなる。このため、本実施形態では、比較例と同等の引っ張り応力を受けた場合、電解質層112に生じる引っ張り応力が、比較例よりも小さいσ1からσ2まで増大することとなり、限界値THに達しにくくなる。 Specifically, in the single cell 110 , the thermal expansion coefficient of the electrolyte layer 112 is lower than the thermal expansion coefficients of the air electrode 114 and the fuel electrode 116 . Therefore, when the temperature rises due to the start of operation of the unit cell 110, a tensile stress is applied to the electrolyte layer 112 in a direction orthogonal to the vertical direction due to the difference in thermal expansion between the electrolyte layer 112 and the air electrode 114 or fuel electrode 116. is applied to increase the tensile stress generated in the electrolyte layer 112 . Furthermore, for example, when the fuel electrode 116 is oxidized and expands when the fuel cell stack 100 is stopped, the tensile stress generated in the electrolyte layer 112 increases and reaches the threshold value TH, causing cracks in the electrolyte layer 112. Here, as indicated by L2 in FIG. 6B, for example, in a comparative example in which the spinel-type oxide SP is not present inside the electrolyte layer 112, the tensile stress generated in the electrolyte layer 112 when the operation of the unit cell 110 is stopped is Assume that it increases from σ3 to σ4 and exceeds the limit value TH. On the other hand, as shown by L1 in FIG. 6B, in the present embodiment in which the spinel oxide SP exists inside the electrolyte layer 112, the spinel oxide SP is reduced when the unit cell 110 starts operating. As a result, the compressive stress of the electrolyte layer 112 increases. Therefore, in the present embodiment, when a tensile stress equivalent to that of the comparative example is applied, the tensile stress generated in the electrolyte layer 112 increases from σ1 to σ2, which is smaller than that of the comparative example, making it difficult to reach the limit value TH. .

特に、近年、単セル110の更なる性能向上のために電解質層112を薄膜化して抵抗を低減する取り組みがなされている。電解質層112が薄くなると、電解質層112の強度が低下し、上述したように、燃料電池スタック100の起動停止時や負荷変動時に、単セル110の各層の熱膨張係数差などから固体電解質層に引張応力がかかり、クラックが発生しやすくなる。本実施形態では、このような薄い電解質層112でも、その電解質層112の内部に、還元することにより体積膨張するスピネル型酸化物SPを存在させることにより、クラックの発生を効果的に抑制することができる。 In particular, in recent years, in order to further improve the performance of the single cell 110, efforts have been made to make the electrolyte layer 112 thinner to reduce the resistance. As the electrolyte layer 112 becomes thinner, the strength of the electrolyte layer 112 decreases. Tensile stress is applied and cracks are likely to occur. In the present embodiment, even in such a thin electrolyte layer 112, the generation of cracks can be effectively suppressed by allowing the spinel-type oxide SP, which expands in volume by reduction, to exist inside the electrolyte layer 112. can be done.

本実施形態では、電解質層112の内部には、さらに、2価のMnと2価のFeとの少なくとも一方が電解質層112を構成する電解質材料に固溶する固溶体SSが存在している(第2の条件 図7(A)および図10)。例えば単セル110の運転停止時に燃料極116が酸化されて膨張したときにも電解質層112に引っ張り応力が付与される。しかし、燃料極116の酸化に伴い、電解質層112のうち、特に燃料極116側に存在する固溶体SSが酸化雰囲気において酸化されてスピネル型酸化物SP2として析出し(図7(B)参照)、電解質層112の圧縮応力がさらに高まる。そのため、本実施形態によれば、電解質層112のクラックの発生をより効果的に抑制することができる。また、単セル110のレドックス耐性がさらに向上する。 In the present embodiment, the electrolyte layer 112 further contains a solid solution SS in which at least one of divalent Mn and divalent Fe dissolves in the electrolyte material constituting the electrolyte layer 112 (second Condition 2 (Fig. 7(A) and Fig. 10). For example, tensile stress is applied to the electrolyte layer 112 when the fuel electrode 116 is oxidized and expands when the single cell 110 is stopped. However, as the fuel electrode 116 is oxidized, the solid solution SS existing in the electrolyte layer 112, particularly on the fuel electrode 116 side, is oxidized in an oxidizing atmosphere and precipitated as a spinel oxide SP2 (see FIG. 7(B)). The compressive stress of electrolyte layer 112 is further increased. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to more effectively suppress the occurrence of cracks in the electrolyte layer 112 . Also, the redox resistance of the single cell 110 is further improved.

本実施形態では、電解質層112における燃料極116側の領域に固溶体SSとして存在する2価のMnと2価のFeとを合計した濃度(mass%)は、電解質層112における空気極114側の領域に固溶体SSとして存在する2価のMnと2価のFeとを合計した濃度よりも高い(第3の条件)。本実施形態によれば、単セル110の運転時における変形量が特に大きい燃料極116側において、スピネル型酸化物SPに加えて固溶体SSに基づく体積膨張によって電解質層112のクラックの発生をより効果的に抑制することができる。 In the present embodiment, the total concentration (mass%) of divalent Mn and divalent Fe present as a solid solution SS in the region of the electrolyte layer 112 on the fuel electrode 116 side is It is higher than the total concentration of divalent Mn and divalent Fe present as a solid solution SS in the region (third condition). According to the present embodiment, on the side of the fuel electrode 116 where the amount of deformation during the operation of the single cell 110 is particularly large, the volume expansion based on the solid solution SS in addition to the spinel-type oxide SP effectively prevents cracks from occurring in the electrolyte layer 112. can be effectively suppressed.

本実施形態では、電解質層112におけるMとして含まれる元素の合計濃度は、3mass%以下である(第4の条件)。本実施形態によれば、電解質層112の内部に存在するMとして含まれる元素(Mn)に起因して電解質層112の酸素イオン導電性が過度に低下することを抑制することができる。 In this embodiment, the total concentration of elements contained as M in the electrolyte layer 112 is 3 mass % or less (fourth condition). According to the present embodiment, it is possible to suppress an excessive decrease in the oxygen ion conductivity of the electrolyte layer 112 due to the element (Mn) contained as M present inside the electrolyte layer 112 .

本実施形態では、電解質層112は、蛍石型酸化物を含んでいる(第5の条件)。本実施形態によれば、電解質層112が蛍石型酸化物を含まない構成に比べて、電解質層112におけるスピネル型酸化物SP以外の電解質材料部分とスピネル型酸化物SPとの密着性が高いため、電解質層112の強度を向上させることができる。また、電解質層112が蛍石型酸化物を含むことにより、電解質層112の酸素イオン伝導性を向上させることができる。 In this embodiment, the electrolyte layer 112 contains a fluorite-type oxide (fifth condition). According to the present embodiment, the adhesion between the electrolyte material portion other than the spinel-type oxide SP in the electrolyte layer 112 and the spinel-type oxide SP is higher than in the case where the electrolyte layer 112 does not contain a fluorite-type oxide. Therefore, the strength of the electrolyte layer 112 can be improved. In addition, since the electrolyte layer 112 contains a fluorite-type oxide, the oxygen ion conductivity of the electrolyte layer 112 can be improved.

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. Variant:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the scope of the invention. For example, the following modifications are possible.

上記実施形態では、燃料電池スタック100に含まれる全ての単セル110について、電解質層112が第1の条件を満たす構成であったが、少なくとも条件1つの単セル110について、電解質層112が第1の条件を満たす構成であれば、その条件1つの単セル110のクラックの発生が抑制されるため、燃料電池スタック100の性能低下を抑制することができる。上記実施形態において、電解質層112は、上記第2の条件から第5の条件までの少なくとも1つを満たさなくてもよい。 In the above-described embodiment, the electrolyte layer 112 satisfies the first condition for all the single cells 110 included in the fuel cell stack 100. However, for at least one unit cell 110 satisfying the condition, the electrolyte layer 112 is the first condition. If the configuration satisfies the condition of (1), cracking of the single cell 110, which is one of the conditions, is suppressed, so deterioration of the performance of the fuel cell stack 100 can be suppressed. In the above embodiment, the electrolyte layer 112 does not have to satisfy at least one of the second to fifth conditions.

上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。 The materials constituting each member in the above embodiment are merely examples, and each member may be made of another material.

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の電解セル(SOEC)の最小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ればよい。 In the above embodiments, SOFCs that generate electricity by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas are targeted, but the present invention utilizes the electrolysis reaction of water. The present invention can also be applied to an electrolytic cell unit, which is the minimum unit of a solid oxide type electrolytic cell (SOEC) that generates hydrogen by squeezing, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic cell units. The configuration of the electrolysis cell stack is known, for example, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 2016-81813. Configuration. That is, the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment should be read as an electrolysis cell stack, and the power generation unit 102 should be read as an electrolysis cell unit.

本発明は、金属支持型(メタルサポート型)の単セルを備える複合体や電気化学反応セルスタックにも適用可能である。金属支持型の単セルは、燃料極と空気極との一方に対して電解質層とは反対側に配置された金属支持体を備え、金属支持体によって単セルにおける他の部分(空気極、固体電解質、燃料極など)を支持する。金属支持型の単セルの適用例は、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インターコネクタ150を金属支持体と読み替えればよい。 The present invention can also be applied to composites and electrochemical reaction cell stacks having metal-supported single cells. A metal-supported single cell has a metal support disposed on the side opposite to the electrolyte layer with respect to one of the anode and the air electrode, and the metal support separates the other parts of the single cell (cathode, solid electrolyte, anode, etc.). An application example of a metal-supported single cell has a configuration similar to that of the fuel cell stack 100 in the above-described embodiment. That is, the interconnector 150 in the above-described embodiment should be read as a metal support.

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 124:接合部 130:空気極側フレーム 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 140:燃料極側フレーム 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:電極接続部 146:インターコネクタ接続部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス供給マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス供給マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 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 SP,SP1,SP2:スピネル型酸化物 SS:固溶体 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Body portion 29: Branch portion 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air Electrode 116: Fuel electrode 120: Separator 124: Joint 130: Air electrode side frame 132: Oxidant gas supply communication hole 133: Oxidant gas discharge communication hole 134: Air electrode side current collector 140: Fuel electrode side frame 142: Fuel gas supply passage 143: Fuel gas discharge passage 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode connection portion 146: Interconnector connection portion 147: Connection portion 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidant gas supply manifold 162 : Oxidant gas discharge manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas supply manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber FG: Fuel gas FOG: Fuel offgas OG: Oxidant gas OOG: Oxidant offgas SP, SP1, SP2: Spinel type oxide SS: solid solution

Claims (6)

固体酸化物を含む電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層の内部には、M(Mは、MnとFeとの少なくとも一方を含む)の組成式で表されるスピネル型酸化物が析出していることを特徴とする、電気化学反応単セル。
An electrochemical reaction single cell comprising an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction with the electrolyte layer interposed therebetween,
A spinel-type oxide represented by a composition formula of M 3 O 4 (M includes at least one of Mn and Fe) is deposited inside the electrolyte layer. Reaction single cell.
請求項1に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層の内部には、さらに、2価のMnと2価のFeとの少なくとも一方が前記電解質層を構成する電解質材料に固溶する固溶体が存在することを特徴とする、電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell according to claim 1,
The electrochemical reaction unit is characterized in that a solid solution in which at least one of divalent Mn and divalent Fe is dissolved in the electrolyte material constituting the electrolyte layer is further present inside the electrolyte layer. cell.
請求項2に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層における前記第1の方向の中心よりも前記燃料極側の領域に前記固溶体として存在する2価のMnと2価のFeとを合計した濃度(mass%)は、前記電解質層における前記第1の方向の中心よりも前記空気極側の領域に前記固溶体として存在する2価のMnと2価のFeとを合計した濃度よりも高いことを特徴とする、電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell according to claim 2,
The total concentration (mass%) of the divalent Mn and the divalent Fe present as the solid solution in the region on the fuel electrode side of the center in the first direction in the electrolyte layer is An electrochemical reaction unit cell, wherein the concentration is higher than the total concentration of divalent Mn and divalent Fe present as the solid solution in the region closer to the air electrode than the center in the first direction.
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層における前記Mとして含まれる元素の合計濃度は、3mass%以下であることを特徴とする、電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 3,
The electrochemical reaction single cell, wherein the total concentration of the elements contained as M in the electrolyte layer is 3 mass % or less.
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルにおいて、
前記電解質層は、蛍石型酸化物を含んでいることを特徴とする、電気化学反応単セル。
In the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 4,
The electrochemical reaction single cell, wherein the electrolyte layer contains a fluorite-type oxide.
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セルを備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単セルの少なくとも1つは、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の電気化学反応単セルであることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。
In an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of electrochemical reaction single cells arranged side by side in the first direction,
An electrochemical reaction cell stack, wherein at least one of the plurality of electrochemical reaction single cells is the electrochemical reaction single cell according to any one of claims 1 to 5.
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